JP2002346710A - 連続鋳造圧延方法 - Google Patents
連続鋳造圧延方法Info
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- Metal Rolling (AREA)
- Continuous Casting (AREA)
Abstract
た鋳片の引抜軌跡を3/4円周までは同一曲率円弧とし
以後は水平とし、鋳片内部の溶融芯を重力により鋳片凝
固殻から離脱させて中空鋳片を形成し、その後凝固殻内
面を互いに圧接して中実鋳片とする連続鋳造方法におい
て、鋳型断面形状を円形とし、チルの内側は柱状晶のみ
の凝固組織とし、中空鋳片の凝固殻厚比αを0.4〜
0.9とし、鋳片横断面内において向心状に分布してい
る柱状晶の方位が中実化に際しても維持されるように圧
接し、続いて拡幅比を抑制した圧延により円断面棒鋼の
横断面組織を均一且つ棒軸に回転対称とする。 【効果】 芯部欠陥が無く、均質な円断面鋳片を連鋳・
圧延一貫で円断面製品に圧延するので均質で且つ表面脱
炭の無い棒鋼、線材が得られる。該製品は精密熱処理
性、精密冷間加工性に優れる。低コストで製造できる。
Description
鋼、線材用鋼片を連続鋳造によって製造する方法に関す
るものである。
造によって製造された横断面形状が円又は正方形又は長
方形の鋼片又は連続鋳片が使用される。当該素材に対し
ては高級品ほど中心偏析、収縮孔、多孔質等の芯部欠陥
や内部割れ、粒界割れ等の内部欠陥等鋳造起因の欠陥が
充分解消されていることが望まれる。
一般的欠陥の他に高級特殊鋼では材料内部の組織や焼入
性の精密な均等性が問題になる。なぜなら焼入性の微妙
な偏差に起因して最終製品の熱処理特性−−熱処理組織
の正確性、熱処理歪みや機械的性質の安定性等−−に影
響するからである。
てもJISを越える水準が要望されている。表面脱炭は
最終製品の耐疲労性やヘタリ等に強く影響するほか、熱
処理不良やバネ加工等の冷間加工の精密性にも影響する
悪質な欠陥である。
く影響されるほか、加熱、圧延による各種元素の拡散や
塑性流れの均等性の影響も受ける。
鋳片を大型化して鍛錬効果を得る方法である。それなり
の効果はあるがマクロ、セミマクロ、ミクロ偏析が解消
されるわけではない。
等軸晶化や凝固末期鋳片の圧下等が実施されているが充
分ではない。高級品には長時間均熱処理による均質化が
なされる。この場合コスト及び設備の処理能力(t/
h)に問題が大きい。
大型ブルームの使用は慣用的であるが設備の大型化、分
塊工程の必要等コスト上の負担が大きい。今後の課題で
ある連鋳・圧延一貫による省エネルギーには基本的にな
じまない。
上記問題の多くを解決する方法が示されている。即ち、
該方法は一種の湾曲式の連続鋳造方法であって、鋳型断
面形状を円形とし、鋳片表層のチル晶の内側すべてを実
質的に柱状晶のみの凝固組織とし、鋳片引抜軌跡を3/
4円周までは同一曲率円弧、以後は水平とし、鋳片内部
の溶融芯を1/2円周を越えて鋳込み面から約1.4m
高い位置まで保持し、該位置において重力により鋳片凝
固殻から離脱させて真空の中空鋳片を形成し、その後圧
延により中実鋳片へ圧接成形する。特に鋳込温度制御を
加えて柱状晶のみの凝固組織としている。本方法の効果
は、 1)凝固終点が無いので中心偏析、収縮孔、多孔質等の
芯部欠陥が解消される。 2)鋳造能率が飛躍的に向上する。その結果、連鋳・圧
延一貫も容易になる。3)鋳片内部は柱状晶のみで構成
されるので均質性が極めて高い。現在最良の均質材とさ
れているESR鋼塊(Electro-slag Remelting Proces
s)と同様の柱状晶からなる鋼片が得られる。
断面はフラット状になる。横断面における柱状晶の方位
は、圧下面では圧下面に対して垂直、側面では平行に配
向する。この不均等性は棒鋼、線材までの圧延で解消さ
れない。従って棒軸に対して回転対称性を持つ精密均質
材料としては問題が残る。
円断面ブルームでは横断面において回転対称の凝固組織
を持ち、その結果、円断面棒鋼の均質性に優れることが
解明されている。(文献 CAMP-ISIJ Vol.13(2000)-764
)
晶、周辺部は柱状晶から来ているので半径方向には均質
でないが接線方向には均質性は改善され、即ち回転対称
性が大きい。最終製品のギア等回転対称の形状を持つ特
殊鋼製品には焼入歪みの均等性や製品寿命の改善がなさ
れた。
式連続鋳造は鋳造能率が大きくないこと、垂直式と言う
こととブルームであることは連鋳・圧延一貫による省エ
ネルギーに対して2重に適合困難等の基本問題がある。
通常、鋼片表面脱炭層の溶削や研削による完全除去、鋼
片の低温短時間加熱、圧延孔型の適正化等が採用され、
必要なら圧延鋼材の表面切削も適用される。いずれにし
ろコスト上の負担は相当大きい。
一長一短を持つ従来方法の各種の問題をまとめて解決し
ようとする。具体的には1)材料内部品質を従来の最良
水準と同等とすること、2)鋳造能率を従来の最良水準
と同等とし連鋳と圧延が合理的に直結できること、3)
従来以上に簡素な設備であること、4)円断面の圧延鋼
材が棒軸に対して回転対称の均質組織を持ち、且つ脱炭
層が極めて薄いこと等を総合して精密熱処理、精密冷間
加工に適した高品質特殊鋼鋼材を安価且つ容易に提供す
ることを目的とする。
発明者は従来方法の長所を踏襲するとともに短所を排除
する新規の工夫を加えて以下の発明をなした。その骨格
は、連鋳と圧延の直結に対しては特許第2989737
号の方法を踏襲する。材料内部品質の改善に対しては特
開平8−39219に提示された方法に加えて凝固組
織、圧接組織の最適化を図る。簡素な設備に対しては、
中空鋳片の中実化の方法を工夫し、特許第298973
7号の例示をさらに簡素にする。圧延鋼材の均質性、特
に棒軸に対して回転対称の均質組織を持つことに対して
は等方的圧接と孔型圧延の適正化の2手段を工夫した。
さらに圧延鋼材の表皮組織の健全性、即ち脱炭層の実質
解消に対しては、連鋳と圧延の直結に伴う再加熱工程の
省略による脱炭防止と上記孔型適正化の組み合わせで予
想外の改善効果を得た。
であって、溶鋼が垂直に鋳型内に鋳込まれ、鋳型下方か
ら引き抜かれた鋳片の引抜軌跡を3/4円周までは同一
曲率円弧とし以後は水平とし、鋳片内部の溶融芯を1/
2円周を越えて鋳込み面から約1.4m高い位置まで保
持し該位置で重力により鋳片凝固殻から離脱させて中空
鋳片を形成し、その後水平部位において圧延機又はプレ
スにより凝固殻内面を互いに圧接して中実鋳片とする連
続鋳造方法において、鋳型横断面形状を実質円形とし、
鋳片表層部のチル晶の内側すべてを実質的に柱状晶のみ
の凝固組織とし、中空鋳片の凝固殻厚比αを0.4〜
0.9とし、鋳片横断面内において向心状に分布してい
る柱状晶の方位が中実化に際しても維持されるように圧
接することを特徴とする連続鋳造圧延方法である。 ここで、 α=2d/D d; 中空鋳片の凝固殻厚(mm) D; 中空鋳片の直径(mm)
片を中空部を開口させずに切断して空洞を閉じこめた鋼
片とした後、又は中空鋳片を切断せずに連続鋳片のま
ま、それぞれ後続の棒鋼又は線材用圧延ラインに供給し
て中実化を該圧延ラインの中で行うことを特徴とする連
続鋳造圧延方法である。
方法によって製造された中実材料を以後の各パスにおけ
る断面拡幅比(=パス後の鋼材幅/パス前の鋼材幅)が
1.5以下である圧延ラインに供給して円断面の棒鋼又
は線材を製造することを特徴とする連続鋳造圧延方法で
ある。
方法によって製造され、横断面のマクロ組織が棒軸に対
して回転対称性を保持し、且つ表面脱炭最大深さが鋼材
直径の0.3%以下であることを特徴とする円断面の棒
鋼又は鋼線材である。
の例の概要である。タンディシュ1の中の所定温度に制
御された溶鋼2を円形断面の鋳型3に鋳込み、鋳片4の
外皮を形成する。該鋳型3から円弧状に引き抜かれた該
鋳片4を2次冷却装置5を貫通させつつスプレイ6によ
り冷却し凝固を進行させる。溶融芯7を保有する該鋳片
4を1/2円周を越えて、鋳込面より約1.4m高い位
置Q点(この値は大気圧に相当する溶鋼のヘッドで、溶
鋼密度やガス含有量によりある程度変化する。)まで引
き抜くと、該溶融芯7は凝固殻8の内面から離脱し、管
状の中空鋳片9が形成される。該中空鋳片9を3/4周
点で伸直ロール10により伸直して水平に引き抜く。次
に例えばオーバル孔型を持つユニバーサル式圧接圧延機
11により該中空鋳片9を圧下して凝固殻内面を互いに
圧接せしめ断面形状が円と正方形の中間形状の中実鋳片
12とする。
えば線材圧延ライン13に供給されるか、又はシアー1
6により切断して線材用の鋼片15とされる。該鋼片1
5は加熱炉14で所定温度に再加熱後、線材圧延ライン
13に供給される。
幅比は1.5以下となるよう設定される。鋳片12又は
鋼片15は円断面の棒鋼又は線材に仕上げられる。上記
鋼材は横断面内で均一性、回転対称性が極めて高いマク
ロ組織を持つ。さらに脱炭層の厚さ分布の均一性も高く
最大値が小さくなる。連鋳と圧延を直結する場合には脱
炭厚さは容易に鋼材径の0.3%以下とすることができ
る。
せず、中実化を製品圧延ライン13の中で行うというよ
り簡素な方法もある。その第1は中空のまま製品圧延ラ
イン13に供給すると数パス以内に中実化がなされる。
提示されているように、中空鋳片9において切断予定部
位近傍のみ予めプレス17により圧接し、その後シアー
16により切断する。中空部を閉じこめた鋼片18が製
造される。該鋼片18は前項同様製品圧延ライン13の
上流部の数パス以内に中実化がなされる。
本発明の要件は以下に特定される。1)鋳型横断面形状
は円又は実質円形、例えば8角形等に限定される。
程度の厚さ)の内側は実質的に柱状晶のみの凝固組織と
する。
な値に設定される。
ている柱状晶の方位配向が中実化に際しても維持される
ように圧接する。
して各パスの拡幅比を1.5以下とする。
について説明する。
に示す。その第1は、凝固組織が鋳片軸に対して回転対
称になる。第2は、特許第2989737号に開示され
たように表面品質に有利である。第3は、バルジング対
策が不要になり設備及び管理作業が簡素化される。第4
は、角断面の場合、鋼種によってはコーナー近傍におい
て一種の粒界偏析が発生する。場合により割れに成長す
る。円断面では当該問題は自ずと解消される。
限定した理由を述べる。柱状晶自体はマクロ的には均質
である。しかしそれを構成するデンドライトの微細な樹
枝間には樹枝構造に対応した偏析即ちミクロ偏析を必然
的に内在している。柱状晶の基部ではチル晶と同様デン
ドライトは極めて微細でミクロ偏析率も1に近い(均質
に近い)。鋳片内部に向かって大きく成長するにつれデ
ンドライトは粗くなり且つミクロ偏析率も徐々に大きく
なる。等軸晶になるとミクロ偏析率は一段と大きくなる
ことは既に知られている。ミクロ偏析率も等軸晶に見ら
れる程度にまで大きくなると連鋳・圧延直結の場合解消
されにくくなる。なぜなら再加熱、分塊圧延等拡散・均
質化効果を持つ工程が介在しないからである。
タンディシュ1内の溶鋼2の温度は当該鋼種の液相線温
度の約20℃以上の適切な温度範囲に制御される。高温
ほど柱状晶は発達しその長さは容易に200mm以上に
なる。
理由を以下に述べる。0.9以上では柱状晶先端は中心
に近くなる。鋳造条件の変動や柱状晶成長のばらつき等
場合により空洞が部分的に閉じられ偏析が発生する危険
性があるのでこの値を上限とした。
向心状に分布している柱状晶の方位配向が維持されるよ
うに圧接するには横断面内においてある程度の等方的圧
下が必要である。αの値が0.4以下では空洞が相対的
に大きく、等方的圧接に対して圧延パス数が増加する等
煩雑になる。従ってこの値を下限とした。
関しては不利になるがその対策として(1)式に従い機
長Lを大きくし、且つ凝固定数kを大きくする。 P=πρk2L(2/α−1) −−−−−(1) ここで P;鋳造能率(kg/h) ρ;鋼の密度(kg/
m3) k;凝固常数(m/√h) L;機長=鋳込面からQ点
までの距離(m)
状に分布している柱状晶の方位配向が維持されるように
圧接する理由は、図2に従って説明する。(a)はチル
晶、柱状晶、等軸晶が同心状に分布する中空鋳片を漫然
と1方向圧下する場合で断面は中実フラットになる。こ
れを円形に成形すると柱状晶部、等軸晶部が同心状に分
布せず特有の不均一凝固パターンを残存させる。
ない場合で、鮮明な凝固パターンは緩和されるが柱状晶
の方位が向心状、同心状から偏り均質性に欠ける。
のみの組織を持つ中空鋳片をそれぞれオーバル孔型を持
つユニバーサル・ミルを使用してほぼ等方的に圧下して
いるので、柱状晶は概ね向心状、同心状の分布を維持す
る。4面鍛造で圧接するならなお良い。柱状晶のみの場
合は本来均質性が高いので向心性は厳密でなくても実質
的には問題とならない。
率を1.5以下とする第1の理由は、中実鋳片横断面内
において向心状に分布している柱状晶の方位配向が円断
面の棒鋼、線材においても概ね維持され、マクロ組織を
棒軸に対して回転対称とするためである。1.5以上で
は図2(b)に示したような傾向が生ずる。
圧延孔型の選定に関しては当業者にとって特別の困難は
無い。各パスの拡幅比及び断面アスペクト比の限度を適
切に設定すればよい。
な角−オーバルの孔型を使用すると拡幅率が異様に大き
く且つ歪み分布の不均等性が大きくなって回転対称性が
崩れる。図3Cのように円−オーバルの無理のない孔型
系列にすると拡幅比は通常1.4以下で回転対称性の維
持に好都合である。拡幅比と回転対称性は完全に一致す
るものではないが、実用的には一元的な尺度にはなる。
流れを低減するためである。孔型圧延では表皮の不均等
流れは不可避である。その結果、加熱時に発生した脱炭
層は全体としては延伸により薄くなるが局所的には一層
薄く又は厚くなる。不均等性は主として孔型に依存す
る。
伸効率は有利であるが脱炭層はx点で薄く、a点は集積
し不適切である。同様に図3Bの角−菱の孔型では圧下
率もしくは減面率が大きいとb点にかなり集積する。拡
幅比を抑制すると集積は低減できる。図3Cの円−オー
バルで拡幅比を無理の無い1.5以下にすると集積は小
さくなる。図3Dに示す3方ロールによる円−デルタの
孔型では拡幅比は1に近く、円周上の歪み分布の均一性
は極めて高い。脱炭層の集積はほとんど発生しない。本
発明ではB、C、Dが使用できる。拡幅比と脱炭層の集
積度は完全に一致するものではないが、実用的な尺度に
はなるのでこれを特定した。
性を維持する圧延方法は同時に表皮の流れの接線方向の
不均等性を抑制する効果も持つ。
が介在しない。脱炭反応は鋳造・圧延時間のみに制限さ
れる。脱炭は実質的にはほとんど発生しない。既述の圧
延孔型の適正化と総合すると脱炭層厚さを鋼材径の0.
3%以下にすることは容易に達成できる。0.3%はJ
ISを凌駕する値として特定した。
を表1に示す。
開平9−39219の方法を採った。なお圧接状況及び
マクロ組織の回転対称性の検証にはプラスチシン・モデ
ルを使用した。
実化されるが柱状晶方位は向心状にはならない。さらに
断面アスペクト比が大きいので断面を円形に成形しても
向心状にはならない。
の2回の圧接で円と正方形の中間形状に成形しているの
で柱状晶方位はほぼ向心状である。しかし空洞は残存す
る。これは後続の粗圧延の中で解消される。
柱状晶からなる円断面の中空鋳片を横断面内において等
方的な圧接圧延により中実化しているので、1)中心偏
析、収縮孔、多孔質等芯部欠陥が無く、2)ミクロ均質
性が高く、3)向心状に分布する柱状晶の方位配向はほ
ぼ維持されマクロ組織は棒軸に対して回転対称を持つ中
実鋳片が得られる。
によって円断面鋼材とするので回転対称性はなお維持さ
れ、且つ表皮の脱炭層分布も不均一性の小さい棒鋼、線
材が得られる。
短いので実質的に無脱炭鋼材となる。以上から精密焼入
性、精密冷間加工性に適した材料が得られる。
省エネルギー工程により比較的低設備費且つ低コストで
製造される。両工程を直結しない場合でも従来より簡素
な設備で鋼片を製造することができる。
し、(a)は等軸晶を含む場合、(b)は柱状晶のみで
1方向のみの圧下による圧接の場合、(c)は本発明の
例で、柱状晶のみでほぼ等方的に圧下、圧接する場合で
ある。
す。
片 5:2次冷却装置 6:スプレイ 7:溶融芯
8:凝固殻 9:中空鋳片 10:伸直ロール
11:圧接圧延機 12:中実鋳片 13:圧延ラ
イン 14:加熱炉 15:鋼片 16:シアー
17:プレス 18:中空鋼片
Claims (4)
- 【請求項1】 一種の湾曲式の連続鋳造方法であって、
溶鋼が垂直に鋳型内に鋳込まれ、鋳型下方から引き抜か
れた鋳片の引抜軌跡を3/4円周までは同一曲率円弧と
し以後は水平とし、鋳片内部の溶融芯を1/2円周を越
えて鋳込み面から約1.4m高い位置まで保持し該位置
で重力により鋳片凝固殻から離脱させて中空鋳片を形成
し、その後圧延機又はプレスにより凝固殻内面を互いに
圧接して中実鋳片とする連続鋳造方法において、鋳型横
断面形状を実質円形とし、鋳片表層部のチル晶の内側す
べてを実質的に柱状晶のみの凝固組織とし、中空鋳片の
凝固殻厚比αを0.4〜0.9とし、鋳片横断面内にお
いて向心状に分布している柱状晶の方位が中実化に際し
ても維持されるように圧接することを特徴とする連続鋳
造圧延方法。 ここで、 α=2d/D d; 中空鋳片の凝固殻厚(mm) D; 中空鋳片の直径(mm) - 【請求項2】中空鋳片を中空部を開口させずに切断して
空洞を閉じこめた鋼片とした後、又は中空鋳片を切断せ
ずに連続鋳片のまま、それぞれ後続の棒鋼又は線材用圧
延ラインに供給して中実化を該圧延ラインの中で行うこ
とを特徴とする請求項1に記載の連続鋳造圧延方法。 - 【請求項3】請求項1又は請求項2に記載の方法によっ
て製造された中実材を以後の各パスにおける断面拡幅比
(=パス後の鋼材幅/パス前の鋼材幅)が1.5以下で
ある圧延ラインに供給して円断面の棒鋼又は線材を製造
することを特徴とする連続鋳造圧延法。 - 【請求項4】請求項1又は請求項2又は請求項3に記載
の方法によって製造され、横断面のマクロ組織が棒軸に
対して回転対称性を保持し、且つ表面脱炭最大深さが鋼
材直径の0.3%以下であることを特徴とする円断面の
棒鋼又は鋼線材。
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