JP6787497B2 - 鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造鋳片の厚み中心部に発生する成分偏析、即ち、中心偏析を抑制し、耐水素誘起割れ試験の成績も良く、内部割れの無い鋳片を得ることができる鋼の連続鋳造方法に関する。

鋼の凝固過程では、炭素（Ｃ）、燐（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、マンガン（Ｍｎ）などの溶質元素は、凝固時の再分配によって未凝固の液相側に濃化される。これがデンドライト樹間に形成されるミクロ偏析である。連続鋳造中の鋳片の厚み中心部には、鋳片の凝固収縮や熱収縮、及び、連続鋳造機のロール間で発生する凝固シェルのバルジングなどによって、空隙が形成されたり負圧が生じたりする。

鋳片厚み中心部に空隙が形成されたり負圧が生じたりすると、この部分に溶鋼が吸収される。この場合、凝固末期の未凝固層には十分な量の溶鋼が存在しないので、上記のミクロ偏析によって濃縮された溶鋼が流動し、鋳片中心部に集積して凝固する。このようにして形成された偏析スポットは、溶質元素の濃度が溶鋼の初期濃度に比べ格段に高濃度となっている。これを一般にマクロ偏析と呼び、その存在部位から、中心偏析と呼んでいる。

原油や天然ガスなどを輸送するラインパイプ用の鋼材は、中心偏析によって品質が悪化する。中心偏析部にマンガンの硫化物（ＭｎＳ）やニオブの炭化物（ＮｂＣ）が生成されると、腐食反応によって鋼内部に侵入した水素が鋼中のマンガンの硫化物やニオブの炭化物の周囲に拡散・集積し、水素の内圧によって鋼中に割れが発生する。更に、中心偏析部は硬くなっているので、割れが伝播する。この割れは水素誘起割れ（「ＨＩＣ」とも記す）と呼ばれ、サワーガス環境で使用されるラインパイプ用鋼材の品質を悪化させる主たる原因となっている。

これに対処するべく、連続鋳造工程から圧延工程に至るまで、鋳片の中心偏析を低減する、或いは無害化する対策が多数提案されている。

例えば、特許文献１及び特許文献２には、連続鋳造機内において、未凝固層を有する凝固末期の鋳片を、鋳片支持ロールによって凝固収縮量と熱収縮量との和に相当する程度の圧下量で徐々に圧下しながら連続鋳造する方法が提案されている。特許文献１及び特許文献２のように、鋳造中の鋳片を連続鋳造機内において凝固収縮量と熱収縮量との和に相当する程度の圧下量で徐々に圧下する技術は、「軽圧下」或いは「軽圧下法」と呼ばれている。

この軽圧下は、鋳造方向に並んだ複数対のロールを用いて、凝固収縮量と熱収縮量との和に見合った圧下量で鋳片を徐々に圧下して未凝固層の体積を減少させ、鋳片中心部における空隙或いは負圧部の形成を防止すると同時に、デンドライト樹間に形成される濃化溶鋼の流動を防止し、これによって鋳片の中心偏析を軽減するという技術である。

尚、近年の連続鋳造機は、複数対のロールを備えたセグメントで構成されるセグメント方式の連続鋳造機が主流となっている。セグメント方式の連続鋳造機の場合には、軽圧下を実施する圧下ロール群（「軽圧下帯」という）も複数のセグメントで構成されている。セグメントで構成される軽圧下帯では、相対するロールの開度を、セグメントの入側と出側とで、入側を出側より大きく調整することで、所定の圧下量が鋳片に付与されるように構成されている。

ところで、鋳片の凝固完了位置の鋳片幅方向における形状と中心偏析とは密接な関係があることが知られている。例えば、特許文献３には、鋳片幅方向における凝固完了位置を検出し、検出された凝固完了位置の最短部と最長部との差が基準内となるように、鋳型内の溶鋼流動を調整するか、または二次冷却の幅切り量を調整する方法が提案されている。この技術は、鋳片幅方向で凝固完了位置が異なる場合には、軽圧下帯における圧下量が鋳片幅方向各位置で異なり、凝固完了位置が鋳造方向下流側に伸びた位置では、圧下量が少なくなり、十分な中心偏析改善効果を得ることができなくなることを防止するという技術である。

また、鋳片のロール間でのバルジングも中心偏析に影響を及ぼすことが知られている。例えば、特許文献４には、軽圧下帯における鋳片のロール間バルジングを非定常伝熱凝固計算によって算出し、算出されるロール間バルジングに応じて鋳片に付与する圧下速度を変更する連続鋳造方法が提案されている。

特開平８−１３２２０３号公報 特開平８−１９２２５６号公報 特開２００６−１９８６４４号公報 特開２０１２−４５５５２号公報

上記のように、鋳片の中心偏析を改善するべく、軽圧下時における圧下速度、鋳片幅方向における凝固完了位置の形状、ロール間バルジングについて、それぞれ対策が採られてきた。しかしながら、至近の連続鋳造鋳片に対する品質要求レベルは、より一層高まっており、鋳片幅方向の偏析度のバラツキも問題となっている。特に、ラインパイプ用鋼材などの偏析厳格鋼材では、鋳片段階で幅方向に１箇所でも偏析の大きい部分があると、ラインパイプ用鋼材として使用することが困難となっている。

この観点から、上記従来技術を検証すれば、上記従来技術には以下の問題がある。

即ち、特許文献１や特許文献２では、軽圧下によって鋳片幅方向の偏析度は全体的には低下するが、鋳片幅方向で凝固完了位置が異なる場合には、偏析改善効果は十分ではない。これは、凝固完了位置が鋳片幅方向の他の位置と比べて鋳造方向下流側に延びている部分は、既に凝固が完了した部分が抵抗となり、軽圧下が付与され難くなるためであり、場合によっては水素誘起割れが発生してしまう可能性がある。

特許文献３では、鋳片幅方向における凝固完了位置の形状制御を偏析低減対策として採用しているが、凝固完了位置の鋳片幅方向における形状と、偏析の鋳片幅方向における分布との関係が明らかではないために、中心偏析を軽減するためには、具体的にどのように凝固完了位置の鋳片幅方向における形状を制御すべきか、明確でない。また、特許文献３は、最短凝固完了位置と最長凝固完了位置との鋳造方向長さの差を２ｍ以下に制御すれば十分に偏析が軽減されるとしており、昨今の厳格化された偏析の要求レベルには対応できない可能性がある。

特許文献４では、非定常伝熱凝固計算によって算出したロール間バルジングに応じて鋳片に付与する圧下速度を変更するという方法を採用しているが、一般的に、凝固末期に近い軽圧下帯では、鋳片のバルジングは既に塑性変形によって元の形に戻らない非定常バルジングになっている。したがって、ロールと接触する部分では鋳片全体が押し込まれ、ロール間では鋳片全体が膨らむことになる。この現象は圧下速度に拘わらず発生することから、圧下速度を増減しても本質的な改善には至らない。つまり、鋳片の中心偏析を改善するためには、非定常バルジングそのものを低減することが必要となる。

更に加えて、いずれの特許文献においても、軽圧下条件の導出には言及しているものの湾曲型連続鋳造機及び垂直曲げ型連続鋳造機の特性である、鋳片の鋳造方向形状を円弧状から直線状に矯正する連続鋳造機の矯正帯及び矯正点の軽圧下への影響は全く考慮していない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、連続鋳造機の矯正帯及び矯正点の軽圧下への影響を考慮することで、中心偏析の鋳片幅方向における全体的な偏析レベルを低減するとともに、偏析度の鋳片幅方向におけるバラツキも低減することのできる、鋼の連続鋳造方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］湾曲型連続鋳造機または垂直曲げ型連続鋳造機に配置された複数対の鋳片支持ロールのロール開度を鋳造方向下流側に向かって段階的に増加させて、内部に未凝固層を有する鋳片の長辺面を３〜１０ｍｍの意図的バルジング総量でバルジングさせ、
その後、複数対の鋳片支持ロールのロール開度を鋳造方向下流側に向かって段階的に減少させた軽圧下帯で鋳片の長辺面を圧下する、鋼の連続鋳造方法であって、
前記軽圧下帯では、０．３〜２．０ｍｍ／ｍｉｎの圧下速度で、且つ、前記意図的バルジング総量と同等またはそれ以下の圧下総量で鋳片の長辺面を圧下し、
前記鋳片の鋳造方向形状を円弧状から直線状に矯正する矯正帯における鋳片の厚み中心の固相率が０．２未満または流動限界固相率以上１．０以下である、鋼の連続鋳造方法。
［２］前記軽圧下帯の圧下開始点が、前記矯正帯を鋳造方向下流側に外れた位置である、上記［１］に記載の鋼の連続鋳造方法。

本発明によれば、鋳片の鋳造方向形状を円弧状から直線状に矯正する矯正帯における鋳片厚み中心の固相率を０．２未満または流動限界固相率以上１．０以下とするので、鋳片の凝固界面は、鋳片の矯正時に発生する引張力の影響を受けず、その結果、中心偏析の偏析度の鋳片幅方向におけるバラツキを低減させ、且つ、鋳片幅方向における偏析度の平均値を低減させることができる。また、耐水素誘起割れ試験の成績を向上でき、内部割れのない鋳片を得ることができる。

図１は、本発明を実施する際に用いるスラブ連続鋳造機の一例の側面概略図である。 図２は、本発明における鋳片支持ロールのロール開度のプロフィルの例を示す図である。 図３は、本発明を実施する際に用いるスラブ連続鋳造機の他の例の側面概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。本発明に係る鋼の連続鋳造方法は、湾曲型連続鋳造機及び垂直曲げ型連続鋳造機に適用可能であり、湾曲型連続鋳造機及び垂直曲げ型連続鋳造機に対して、本発明は原理的に共通であるので、以下、本発明を垂直曲げ型連続鋳造機に適用した場合を例として説明する。図１は、本発明を実施する際に用いる垂直曲げ型のスラブ連続鋳造機の側面概略図である。

図１に示すように、垂直曲げ型のスラブ連続鋳造機１には鋳型５が設置されている。鋳型５は、溶鋼９が注入され、この溶鋼９を冷却して凝固させ、横断面が矩形である鋳片１０の外殻形状を形成するための設備である。この鋳型５の上方所定位置には、取鍋（図示せず）から供給される溶鋼９を鋳型５に中継供給するためのタンディッシュ２が設置されている。このタンディッシュ２の底部には、溶鋼９の流量を調整するためのスライディングノズル３が設置され、このスライディングノズル３の下面には、浸漬ノズル４が設置されている。

一方、鋳型５の下方には、サポートロール、ガイドロール及びピンチロールからなる複数対の鋳片支持ロール６が配置されている。鋳造方向に隣り合う鋳片支持ロール６の間隙には、水スプレーノズル或いはエアーミストスプレーノズルなどのスプレーノズル（図示せず）が配置され、鋳型直下から機端の鋳片支持ロール６までの範囲に、二次冷却帯が構成されている。鋳片１０は、相対する鋳片支持ロール６の空間の中を引き抜かれながら、二次冷却帯のスプレーノズルから噴霧される二次冷却水によって冷却される。

垂直曲げ型のスラブ連続鋳造機１では、鋳片支持ロール６は、鋳型直下は鉛直方向に並んで配置され（「垂直部」という）、その後、鋳型直下から例えば１〜５ｍ下方の位置で、鉛直方向から円弧方向へと、鋳片１０の引き抜き方向を変化させている。鋳片１０の引き抜き方向を鉛直方向から円弧方向へと変化させる部位を、「曲げ帯」または「曲げ点」と称している。「曲げ帯」は「上部矯正帯」とも呼ばれ、「曲げ点」は「上部矯正点」とも呼ばれている。

図１に示すように、複数対の鋳片支持ロール６を用いて鋳片１０を徐々に曲げるロール群を「曲げ帯」と呼び、一対の鋳片支持ロール６で鋳片１０を一気に曲げるロールを「曲げ点」と呼んでいる。「曲げ帯」も「曲げ点」も同じ役割を担っており、本明細書では曲げ帯１６ａを有する連続鋳造機で説明する。

鋳型５から引き抜かれた、鋳造方向の形状を直線状とする鋳片１０は、曲げ帯１６ａで鋳造方向の形状を所定の半径の円弧状に矯正される。

尚、湾曲型連続鋳造機では、鋳型の内部空間形状が円弧状になっていて、鋳型から引き抜かれる鋳片の鋳造方向の形状は円弧状であり、したがって、湾曲型連続鋳造機には、曲げ帯及び曲げ点は存在しない。

曲げ帯１６ａよりも下流側の鋳片支持ロール６は、所定の半径の円弧を形成し（「湾曲部」という）、その後、円弧方向から水平方向（「水平部」という）へと、鋳片１０の引き抜き方向を変化させている。鋳片１０の引き抜き方向を円弧方向から水平方向へと変化させる部位を、「矯正帯」または「矯正点」と称している。「矯正帯」は「下部矯正帯」とも呼ばれ、「矯正点」は「下部矯正点」とも呼ばれている。

図１に示すように、複数対の鋳片支持ロール６を用いて鋳片１０を徐々に直線状に矯正するロール群を「矯正帯」と呼び、一対の鋳片支持ロール６で鋳片１０を一気に直線状に矯正するロールを「矯正点」と呼んでいる。「矯正帯」も「矯正点」も同じ役割を担っており、本明細書では矯正帯１６ｂを有する連続鋳造機で説明する。

湾曲部を引き抜かれてきた、鋳造方向の形状を円弧状とする鋳片１０は、矯正帯１６ｂで鋳造方向の形状を円弧状から直線状に矯正される。

鋳造方向最終の鋳片支持ロール６の鋳造方向下流側には、連続鋳造された鋳片１０を搬送するための複数の搬送ロール７が設置されている。また、この搬送ロール７の上方には、連続鋳造される鋳片１０から所定の長さの鋳片１０ａを切断するための鋳片切断機８が配置されている。

鋳片１０の凝固完了位置１３を挟んで鋳造方向の上流側及び下流側、或いは、凝固完了位置１３の上流側には、軽圧下帯１４が設置されている。軽圧下帯１４は、鋳片１０を挟んで対向する鋳片支持ロール間の間隔（この間隔を「ロール開度」という）を鋳造方向下流側に向かって段階的に減少させた、複数対の鋳片支持ロール群から構成されている。本明細書では、鋳片１０を圧下するために、鋳片支持ロール６のロール開度を鋳造方向下流側に向かって段階的に減少させた形態を、「圧下勾配」と称す。

軽圧下帯１４では、その全域または一部選択した領域で、凝固収縮量と熱収縮量との和に見合った圧下量で鋳片１０を徐々に圧下することが可能である。尚、中心偏析を低減するためには、鋳片１０の厚み中心の固相率が０．３以上０．７未満の範囲内のときに、鋳片１０を圧下することが好ましい。

下限の固相率＝０．３は、鋳片長辺面の上面側及び下面側の凝固シェル１１から成長してきたデンドライト結晶の先端同士が鋳片１０の厚み中心で接触する時点での厚み中心の固相率である。中心偏析は、鋳片１０の厚み中心の固相率が０．３以上のときの濃化溶鋼の流動によって発生することから、厚み中心の固相率が０．３超えの時点で圧下を開始しても、既に中心偏析が発生している場合があり、中心偏析を十分に軽減することができない。上限の固相率＝０．７は、溶鋼９の流動限界固相率であり、固相率が０．７以上になると濃化溶鋼は流動せず、中心偏析は発生しない。ここで、鋳片１０の厚み中心の固相率とは、鋳片幅方向端部を除く鋳片の厚み中心の固相率であるが、鋳片幅方向中心且つ厚み中心の固相率で代表することができる。

当然ではあるが、鋳片１０の厚み中心の固相率が０．３未満の場合、及び、鋳片１０の厚み中心の固相率が０．７以上の場合に、鋳片１０を圧下しても構わない。ここで、固相率とは、凝固の進行状況を表す指標であり、固相率は０〜１．０の範囲で表され、固相率＝０（ゼロ）が未凝固を表し、固相率＝１．０が完全凝固を表す。

軽圧下帯１４の各鋳片支持ロール間にも鋳片１０を冷却するためのスプレーノズルが配置されている。軽圧下帯１４に配置される鋳片支持ロール６は「圧下ロール」とも呼ばれる。

図１に示すスラブ連続鋳造機１においては、軽圧下帯１４は、３対の圧下ロールを１組とするセグメントが鋳造方向に３基つながって構成されている。尚、図１では、軽圧下帯１４が３基のセグメントで構成されているが、軽圧下帯１４は、１基であっても、また、２基であっても構わず、更には４基以上であっても構わない。また、図１では、１基のセグメントに配置する鋳片支持ロール６は３対であるが、３対とする必要はなく、２対以上であれば幾つであっても構わない。また、図示はしないが、軽圧下帯以外の鋳片支持ロール６もセグメント構造となっている。

通常、軽圧下帯１４における圧下勾配は、鋳造方向１ｍあたりのロール開度の絞り込み量、つまり「ｍｍ／ｍ」で表示される。したがって、軽圧下帯１４における、鋳片１０の圧下速度（ｍｍ／ｍｉｎ）は、この圧下勾配（ｍｍ／ｍ）に鋳片引き抜き速度（ｍ／ｍｉｎ）を乗算することで得られる。

鋳片１０の中心偏析を抑制するためには、軽圧下帯１４における圧下速度を０．３〜２．０ｍｍ／ｍｉｎの範囲内とする必要がある。軽圧下帯１４における圧下速度が０．３ｍｍ／ｍｉｎ未満では、単位時間あたりの圧下量が不足し、濃化溶鋼の流動を抑制することができず、中心偏析を軽減することができない。一方、軽圧下帯１４における圧下速度が２．０ｍｍ／ｍｉｎを超えると、単位時間あたりの圧下量が大きくなりすぎ、鋳片中心部の濃化溶鋼を鋳造方向上流側に押し出し、溶質元素が少なくなる負偏析を鋳片中心部に発生させる。

鋳型５の下端から鋳片１０の液相線クレータエンド位置との間に配置される鋳片支持ロール６は、意図的バルジング帯１５を構成している。意図的バルジング帯１５では、ロール開度の拡大量が所定値となるまで、鋳造方向下流側に向かって１ロール毎または数ロール毎に、ロール開度が段階的に大きくなるように、各鋳片支持ロール６のロール開度が設定されている。尚、意図的バルジングは、鋳片厚み中心の固相率が０（ゼロ）の段階で開始し、鋳片長辺面の意図的なバルジングの総量が３〜１０ｍｍとなるまで実施する。本明細書では、意図的バルジング帯１５における意図的なバルジング開始から意図的なバルジング終了までの鋳片長辺面の意図的なバルジングの総量を、「意図的バルジング総量」と称す。

意図的バルジング帯１５の下流側に設置される鋳片支持ロール６は、ロール開度が一定値または鋳片１０の温度降下に伴う収縮量に見合う程度に狭められ、その後、下流側の軽圧下帯１４につながっている。

図２に、本発明における鋳片支持ロールのロール開度のプロフィルの例を示す。図２に示すように、意図的バルジング帯１５で鋳片長辺面を溶鋼静圧によって意図的にバルジングさせ、鋳片１０の短辺近傍を除く長辺面の厚みを増大させる（領域ｂ）。意図的バルジング帯１５を通りすぎた下流側では、ロール開度が一定値または鋳片１０の温度降下に伴う収縮量に見合う程度に狭められる（領域ｃ）。その後、軽圧下帯１４で鋳片長辺面を圧下する（領域ｄ）、というプロフィルである。図中のａ及びｅは、ロール開度が鋳片１０の温度降下に伴う収縮量に見合う程度に狭められる領域である。また、図中のａ′は、鋳片１０の温度降下に伴う収縮量に見合う程度にロール開度を狭くする従来方法のロール開度の例である。

意図的バルジング帯１５では、鋳片支持ロール６のロール開度を鋳造方向下流側に向かって順次広くすることにより、鋳片１０の短辺近傍を除く長辺面は、未凝固層による溶鋼静圧によって鋳片支持ロール６に倣って意図的にバルジングさせられる。鋳片長辺面の短辺近傍は、凝固の完了した鋳片短辺面に固持・拘束されることから、意図的バルジングを開始した時点の厚みを維持している。したがって、鋳片１０は、意図的なバルジングによって鋳片長辺面のバルジングした部分のみが鋳片支持ロール６に接触することになる。

また、軽圧下帯１４では、圧下総量を意図的バルジング総量と同等またはそれ以下にすることで、鋳片長辺面のバルジングした部分のみが圧下され、鋳片１０を効率的に圧下することが可能となる。尚、「圧下総量」とは、軽圧下帯１４における圧下開始から圧下終了までの鋳片１０の圧下量である。

この構成のスラブ連続鋳造機１において、タンディッシュ２から浸漬ノズル４を介して鋳型５に注入された溶鋼９は、鋳型５で冷却されて凝固シェル１１を形成する。この凝固シェル１１を外殻とし、内部に未凝固層１２を有する鋳片１０は、鋳型５の下方に設けた鋳片支持ロール６に支持されつつ、鋳型５の下方に連続的に引き抜かれる。鋳片１０は、曲げ帯１６ａでは鋳造方向の形状を直線状から円弧状に矯正され、矯正帯１６ｂでは鋳造方向の形状を円弧状から直線状に矯正される。また、鋳片１０は、鋳片支持ロール６を通過する間、二次冷却帯の二次冷却水で冷却され、凝固シェル１１の厚みを増大させる。そして、鋳片１０は、意図的バルジング帯１５では鋳片長辺面の短辺側端部を除いた部分の厚みを増大させ、また、軽圧下帯１４では圧下されながら凝固完了位置１３で内部までの凝固を完了する。凝固完了後の鋳片１０は、鋳片切断機８によって切断されて鋳片１０ａとなる。鋳型内には、断熱材、潤滑剤、酸化防止剤などとして機能するモールドパウダー（図示せず）が添加される。

上記説明に用いた図１に示すスラブ連続鋳造機１は、鋳造方向上流側から、意図的バルジング帯１５，矯正帯１６ｂ、軽圧下帯１４の順に設置されており、鋳片１０はスラブ連続鋳造機１の水平部で凝固完了している。本発明は、この構成のスラブ連続鋳造機１に限るものではなく、鋳造方向上流側から、意図的バルジング帯１５，軽圧下帯１４、矯正帯１６ｂの順に設置されたスラブ連続鋳造機であっても適用可能である。図３に、鋳造方向上流側から、意図的バルジング帯１５，軽圧下帯１４、矯正帯１６ｂの順に設置されたスラブ連続鋳造機１Ａの側面概略図を示す。

図３に示すスラブ連続鋳造機１Ａには、軽圧下帯１４が矯正帯１６ｂよりも鋳造方向上流側に設置されているが、スラブ連続鋳造機１Ａのその他の構造は図１に示すスラブ連続鋳造機１と同一構造となっている。同一構造の部分は同一符号で示し、その説明は省略する。このスラブ連続鋳造機１Ａでは、スラブ連続鋳造機１Ａの湾曲部に設置された軽圧下帯１４で鋳片１０は圧下され、その後、矯正帯１６ｂで、鋳造方向の形状を円弧状から直線状に矯正される。鋳片１０は、軽圧下帯１４の範囲内または軽圧下帯１４の下流側直下で凝固完了する。

本発明者らは、矯正帯１６ｂにおける鋳片１０の矯正時に発生する応力が鋳片１０の偏析に及ぼす影響について、以下のように考察した。

矯正帯１６ｂでは、鋳片厚み方向で相対する湾曲部の凝固界面のうち、湾曲内側の凝固界面に鋳片引き抜き方向の引張力が働き、湾曲外側の凝固界面に鋳片引き抜き方向の圧縮応力が働く。そして、湾曲内側の凝固界面に鋳片引き抜き方向の引張力が働く箇所では、凝固界面の或る場所で、凝固界面付近の固相が鋳片引き抜き方向に均等に伸びて、この引張力を開放し、また、凝固界面の他の場所では、凝固界面に割れを生じることで前記引張力を開放すると考えられる。その結果、特に、凝固界面に割れを生じた部分には、溶質元素の濃化した溶鋼が流入し、その後、凝固することが考えられる。つまり、矯正時の引張力によって鋳片幅方向の中心偏析のバラツキが生じると考えられる。

尚、鋳片１０が、矯正帯１６ｂで既に凝固完了している場合には、つまり、矯正帯１６ｂにおける鋳片厚み中心の固相率が１．０の場合には、上記の凝固界面への矯正応力の影響は無く、矯正応力による鋳片幅方向の中心偏析のバラツキは生じない。同様に、矯正帯１６ｂにおける鋳片厚み中心の固相率が、流動限界固相率（０．７）以上の場合も、凝固界面への矯正応力の影響は無く、矯正応力による鋳片幅方向の中心偏析のバラツキは生じない。

そこで、スラブ連続鋳造機１の矯正帯１６ｂを通過時に鋳片１０に掛かる応力の中心偏析への影響を調査するために、矯正帯１６ｂにおける鋳片厚み中心の固相率を変化させて連続鋳造し、得られた鋳片１０のＭｎ偏析度の調査、及び、得られた鋳片１０を熱間圧延した鋼板の耐水素誘起割れ試験（ＨＩＣ試験）を実施した（水準１〜９）。鋳造条件は、軽圧下帯１４における圧下速度を０．５０ｍｍ／ｍｉｎ、意図的バルジング総量は、水準９を除き５．０ｍｍとした。水準９は意図的なバルジングを行っていない。鋳片厚み中心の固相率の調整は、鋳片引き抜き速度を一定として、二次冷却水の水量を変化させて実施した。凝固完了位置１３は、伝熱凝固計算を用いて求めた。ここで、伝熱凝固計算の方法は、例えば、刊行物１（大中逸雄著「コンピュータ伝熱・凝固解析入門 鋳造プロセスへの応用」、丸善株式会社（東京）刊、１９８５年、ｐ．２０１~２０２）に記載される「エンタルピ法」などを用いて数値計算を実行すれば良い。

表１に、鋳造条件及び調査結果を示す。表１に示す矯正帯での鋳片厚み中心の固相率は、矯正帯１６ｂの入側の固相率（低い方の値）及び出側の固相率（高い方の値）を示している。

水準１、２、４は、矯正帯１６ｂにおける鋳片厚み中心の固相率を０．２未満に調整した試験であり、Ｍｎ偏析度の鋳片幅最大値は１．０６２以下で、耐水素誘起割れ試験におけるＣＡＲ（Crack Area Ratio）は０．８％以下であり、Ｍｎ偏析度及び耐水素誘起割れ試験は良好であった。水準３は、鋳片厚み中心の固相率を１．０に調整した試験であり、Ｍｎ偏析度及び耐水素誘起割れ試験は良好であった。

これに対して、矯正帯１６ｂにおける鋳片厚み中心の固相率が０．２以上流動限界固相率未満の範囲を含む水準５〜９は、水準１〜４に比較して、明らかにＭｎ偏析度及び耐水素誘起割れ試験が悪化した。また、意図的バルジングを行っていない水準９は、水準１〜４に比較して、Ｍｎ偏析度及び耐水素誘起割れ試験が悪化した。尚、水準５及び水準９では、Ｍｎ偏析度の鋳片幅平均値は１．０５８、及び、１．０６０であり、水準４と同レベルであるものの、Ｍｎ偏析度の鋳片幅最大値が悪化している。

また、水準１〜４に対して水準５〜９では、Ｍｎ偏析度の鋳片幅最大値／鋳片幅平均値の値も大幅に悪化しており、矯正帯１６ｂにおける鋳片厚み中心の固相率を０．２未満に調整すること、または１．０に調整することで、中心偏析による偏析度の鋳片幅方向におけるバラツキを低減させることが可能であることがわかる。尚、Ｍｎ偏析度は、鋳片幅平均値、鋳片幅最大値とも１．０６以下であれば良好で、ＨＩＣ試験のＣＡＲは、２．０％以下であれば良好である。

これらの結果から、本発明者らは、鋳片１０の中心偏析を軽減するためには、矯正帯１６ｂにおける鋳片厚み中心の固相率を０．２未満に制御する、または鋳片厚み中心の固相率を流動限界固相率以上１．０以下に制御して連続鋳造する必要があることを知見した。

本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、本発明に係る鋼の連続鋳造方法は、鋳片１０の鋳造方向形状を円弧状から直線状に矯正する矯正帯１６ｂにおける鋳片１０の厚み中心の固相率を０．２未満とする、または、流動限界固相率以上１．０以下とすることを必須とする。

尚、表１の備考欄には、本発明の範囲内の試験を「本発明例」と表示、それ以外の試験を「比較例」と表示している。

また、矯正帯１６ｂにおける鋳片厚み中心の固相率を０．２未満とすることにより、凝固界面での矯正応力が小さくなり、中心偏析による偏析度の鋳片幅方向におけるバラツキを低減させることが可能となり、且つ、凝固界面における割れ及び溶鋼流動を防止することができ、中心偏析の偏析度を低減させることができる。

また、矯正帯１６ｂで軽圧下を施すと、凝固界面に軽圧下による応力が発生し、偏析を助長するおそれがある。したがって、矯正帯１６ｂにおいて、鋳片１０に軽圧下を施すことは、回避することが好ましい。つまり、軽圧下帯１４の圧下開始点が、矯正帯１６ｂを鋳造方向下流側に外れた位置となるように、鋳造条件を設定することが好ましい。

本発明において、意図的バルジング帯１５は、鋳型５の下端から鋳片１０の液相線クレータエンド位置との間に配置することが好ましい。つまり、鋳片中心の固相率が０（ゼロ）の領域で意図的にバルジングさせることが好ましい。その理由は、鋳片１０の液相線クレータエンド位置よりも鋳造方向上流側は、鋳片厚み中心部は全て未凝固層１２（液相）であり、鋳片１０の凝固シェル１１は温度が高く、変形抵抗が小さく、容易にバルジングさせることができるからである。また、鋳片１０を意図的にバルジングさせる場合、鋳片１０の内部に存在する未凝固層１２が少ない時点でバルジングさせると、中心偏析は却って悪化する。しかし、鋳片１０の液相線クレータエンド位置よりも鋳造方向上流側でバルジングさせた場合には、この時点では、溶質元素の濃化されていない初期濃度の溶鋼が鋳片内部に潤沢に存在し、且つ、この溶鋼が容易に流動する。この溶鋼が流動しても偏析は起こらず、したがって、この時点におけるバルジングは中心偏析の原因とはならない。

ここで、鋳片１０の液相線とは、鋳片１０の化学成分によって決まる凝固開始温度であり、例えば、下記の（１）式から求めることができる。

ＴＬ＝１５３６−（７８×［％Ｃ］＋７．６×［％Ｓｉ］＋４．９×［％Ｍｎ］＋３４．４×［％Ｐ］＋３８×［％Ｓ］＋４．７×［％Ｃｕ］＋３．１×［％Ｎｉ］＋１．３×［％Ｃｒ］＋３．６×［％Ａｌ］）・・・（１）
但し、（１）式において、ＴＬは液相線温度（℃）、［％Ｃ］は溶鋼の炭素濃度（質量％）、［％Ｓｉ］は溶鋼の珪素濃度（質量％）、［％Ｍｎ］は溶鋼のマンガン濃度（質量％）、［％Ｐ］は溶鋼の燐濃度（質量％）、［％Ｓ］は溶鋼の硫黄濃度（質量％）、［％Ｃｕ］は溶鋼の銅濃度（質量％）、［％Ｎｉ］は溶鋼のニッケル濃度（質量％）、［％Ｃｒ］は溶鋼のクロム濃度（質量％）、［％Ａｌ］は溶鋼のアルミニウム濃度（質量％）である。

尚、本発明の検討においては、Ｃ：０．０３〜０．２質量％、Ｓｉ：０．０５〜０．５質量％、Ｍｎ：０．８〜１．８質量％、Ｐ：０．０２質量％未満、Ｓ：０．００５質量％未満のアルミキルド炭素鋼で行ったが、本発明の適用範囲はそれに限定されるものではない。

鋳片１０の液相線クレータエンド位置は、伝熱凝固計算により求められる鋳片内部の温度勾配と、（１）式で定まる液相線温度とを照らし合わせることで求めることができる。

意図的バルジング帯１５は、特別な機構は不要であり、ロール開度を調整するだけで構成されるので、鋳型５の下端から鋳片１０の液相線クレータエンド位置との範囲である限り、任意の位置に設置することができる。

軽圧下帯１４を構成するセグメント（「軽圧下セグメント」ともいう）に掛かる荷重は、鋳片１０のサイズ、軽圧下帯１４における圧下勾配、圧下時の鋳片１０の未凝固層１２の割合で決定される。中心偏析の原因となる凝固末期での溶鋼流動を防止するには、凝固収縮量や熱収縮量に見合った量の圧下を付与する必要がある。設定の圧下勾配が大きい、或いは、鋳片サイズが大きいと、軽圧下セグメントに掛かる荷重は大きくなる。

軽圧下セグメントに掛かる荷重が大きくなると、軽圧下セグメント内のロール開度は拡がる。したがって、鋳片サイズや圧下勾配の設定が同一であっても、凝固完了位置１３の鋳片幅方向における形状に応じて軽圧下セグメントに掛かる荷重は変動し、その荷重に応じてロール開度も変動する。このため、実際に鋳片１０に付与されている圧下速度も設定値から変動してしまう。また、軽圧下セグメントへの荷重の増加は、軽圧下セグメントのロール軸受部の寿命が短くなる場合がある。したがって、これらを考慮し、鋳片のサイズに応じて、圧下勾配、鋳片引き抜き速度を設定することが重要である。

具体的には、矯正帯１６ｂに対する凝固完了位置１３の位置関係によって、以下に記す２つのケースがある。第１のケースは、凝固完了位置１３が矯正帯１６ｂよりも鋳造方向上流側になる場合である。また、第２のケースは、凝固完了位置１３が矯正帯１６ｂよりも鋳造方向下流側になる場合である。第２のケースは、第１のケースに比較して、より好ましい。

その理由は、第２のケースの方が、凝固完了置１３をより下流側にすることができるからである。つまり、鋳片引き抜き速度を増して生産性を向上させることができるからである。また、矯正帯１６ｂにおける鋳片の矯正反力は凝固シェル厚みが薄いほど小さくなる傾向となるので、矯正帯１６ｂにおける鋳片の凝固界面での割れを少なくすることができるからである。

更に、凝固シェル厚みが薄いほど、鋳片の矯正反力も小さくなるからである。実際、鋳造時間長さを同一として、矯正帯１６ｂの上流側で完全凝固させた場合と、矯正帯１６ｂの下流側で完全凝固させた場合とを比較すると、矯正帯１６ｂの下流側で完全凝固させた場合には、矯正帯１６ｂを構成するロールセグメントの軸受寿命が１０％長くなった。

以上説明したように、本発明によれば、鋳片１０の鋳造方向形状を円弧状から直線状に矯正する矯正帯１６ｂにおける鋳片厚み中心の固相率を０．２未満または流動限界固相率以上１．０以下とするので、鋳片の凝固界面は、鋳片の矯正時に発生する引張力の影響を受けず、その結果、中心偏析の偏析度の鋳片幅方向におけるバラツキを低減させ、且つ、鋳片幅方向における偏析度の平均値を低減させることができる。

本発明者らは、鋳片１０を効率的に軽圧下することを目標として、２１００ｍｍ幅、２５０ｍｍ厚みの鋳片１０（スラブ鋳片）を鋳造する試験を行った（水準１０１〜１１３）。試験では、鋳片引き抜き速度を１．１ｍ／ｍｉｎの一定とし、意図的バルジング帯１５における意図的バルジング総量、及び、軽圧下帯１４での圧下速度を変更した。そして、意図的バルジング総量、圧下速度及び圧下総量の鋳片品質に及ぼす影響を調査した。尚、矯正帯１６ｂでの鋳片厚み中心の固相率は０〜０．１とした。

得られた鋳片１０のＭｎ偏析度を調査し、且つ、得られた鋳片１０の耐水素誘起割れ試験を実施した。表２に、鋳造条件及び調査結果を示す。

試験では、意図的バルジング帯１５における意図的バルジング総量を０〜１５ｍｍの範囲で変更した。

水準１０１〜１０８、１１２、１１３では、軽圧下帯１４における圧下総量を意図的バルジング総量よりも小さくして、軽圧下時には凝固が完了している鋳片１０の短辺側を圧下しないようにした。一方、水準１０９、１１０、１１１では、軽圧下帯１４における圧下総量を意図的バルジング総量よりも大きくした。

また、予め、凝固完了位置１３を伝熱凝固計算によって求め、連続鋳造中には、最も鋳造方向下流側となる凝固完了位置１３が存在する軽圧下セグメントにおいて、非接触のセンサーによってロール開度の変位を測定した。

ロール開度の変位測定の結果、意図的バルジング総量が３ｍｍ未満である水準１０９及び水準１１０では、軽圧下帯１４における圧下時に、完全凝固した鋳片１０の短辺が圧下されてしまい、軽圧下セグメントへの荷重が過大になり、鋳片１０の圧下は殆ど行うことができなかった。したがって、水準１０９及び水準１１０では、設定の圧下速度に対して実績の圧下速度が大幅に低下した。

一方、意図的バルジング総量が１０ｍｍを超えた水準１０７及び水準１０８では、鋳片１０に内部割れが発生していた。

これらの結果から、意図的バルジング帯１５における意図的バルジング総量は３〜１０ｍｍに設定することが必要であることがわかった。

連続鋳造後、得られた鋳片から採取した試験片の断面（鋳片の縦断面に相当）をピクリン酸で腐食し、Ｖ偏析や逆Ｖ偏析の有無及び内部割れの有無を調査した。また、鋳片から採取した試験片において、鋳片厚み中心部のＭｎの偏析を電子プローブマイクロアナライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＥＰＭＡ）により分析し、鋳片幅方向各位置のＭｎ偏析度を調査した。Ｍｎ偏析度の調査方法は、以下のとおりである。

鋳片引き抜き方向に垂直な鋳片の断面において、幅が１５ｍｍで中心部に中心偏析部を含み、幅中央から片側の３重点（短辺側の凝固殻と長辺側の凝固殻とが成長して出会った点）までの長さの試験片を採取した。尚、採取した試験片の鋳片引き抜き方向に垂直な鋳片の断面を研磨し、例えばピクリン酸飽和水溶液などで表面を腐食させて偏析粒を現出させ、その偏析帯の中心から鋳片厚み方向へ±７．５ｍｍの範囲を中心偏析部とした。

鋳片の厚み中央付近の偏析帯（凝固完了部付近）の試験片を、鋳片幅方向に小分割した後、電子プローブマイクロアナライザーを用いて電子ビーム径１００μｍでＭｎ濃度を全面に亘って面分析した。ここで、Ｍｎ偏析度とは、Ｍｎ偏析部の濃度を、厚み中心部から鋳片厚み方向へ１０ｍｍ離れた位置におけるＭｎ濃度で除した値である。

また更に、鋳片幅方向各位置から採取した試験片において、耐水素誘起割れ試験を実施した。これらの結果に基づいて、鋳片１０に実際に付与された圧下速度と鋳片１０の偏析との関係を評価した。

その結果、軽圧下帯１４における圧下速度が０．３ｍｍ／ｍｉｎ未満の水準１０９、１１０、１１１ではＶ偏析が発生し、一方、圧下速度が２．０ｍｍ／ｍｉｎを超える水準１１２、１１３では、逆Ｖ偏析が発生していた。

Ｖ偏析及び逆Ｖ偏析が発生した試験では、Ｍｎ偏析度が悪化し、耐水素誘起割れ試験のＣＡＲも悪化した。前述のように、Ｍｎ偏析度は１．０６以下であれば良好で、耐水素誘起割れ試験のＣＡＲは２．０％以下であれば良好である。

したがって、軽圧下帯１４における圧下速度は０．３〜２．０ｍｍ／ｍｉｎに制御する必要のあることがわかった。尚、鋳片１０に実際に付与された圧下速度は、非接触のセンサーによる、軽圧下セグメントでのロール開度の測定値から算出される圧下勾配と、鋳片引き抜き速度とを乗算して求めたものである。

１ スラブ連続鋳造機
２ タンディッシュ
３ スライディングノズル
４ 浸漬ノズル
５ 鋳型
６ 鋳片支持ロール
７ 搬送ロール
８ 鋳片切断機
９ 溶鋼
１０ 鋳片
１１ 凝固シェル
１２ 未凝固層
１３ 凝固完了位置
１４ 軽圧下帯
１５ 意図的バルジング帯
１６ａ 曲げ帯
１６ｂ 矯正帯

Claims (1)

1. 湾曲型連続鋳造機または垂直曲げ型連続鋳造機に配置された複数対の鋳片支持ロールのロール開度を鋳造方向下流側に向かって段階的に増加させて、内部に未凝固層を有する鋳片の長辺面を３〜１０ｍｍの意図的バルジング総量でバルジングさせ、
   その後、複数対の鋳片支持ロールのロール開度を鋳造方向下流側に向かって段階的に減少させた軽圧下帯で鋳片の長辺面を圧下し、
   化学成分が、Ｃ：０．０３〜０．２質量％、Ｓｉ：０．０５〜０．５質量％、Ｍｎ：０．８〜１．８質量％、Ｐ：０．０２質量％未満、Ｓ：０．００５質量％未満のアルミキルド炭素鋼を連続鋳造する、鋼の連続鋳造方法であって、
   前記軽圧下帯では、０．３〜２．０ｍｍ／ｍｉｎの圧下速度で、且つ、前記意図的バルジング総量と同等またはそれ以下の圧下総量で鋳片の長辺面を圧下し、
   前記鋳片の鋳造方向形状を円弧状から直線状に矯正する矯正帯における鋳片の厚み中心の固相率が０．２未満であり、
   前記軽圧下帯の圧下開始点が、前記矯正帯を鋳造方向下流側に外れた位置である、鋼の連続鋳造方法。

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