JP4424189B2 - 内部品質に優れたビレット鋼片の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ポロシティーの生成しやすい鋼種においても、安価で生産性を損なうことなく、内部品質の良好なビレット鋼片を製造することのできるビレット鋼片製造方法に関する。

連続鋳造時に最終凝固位置近傍に発生する空孔（ポロシティー）の低減は、鉄鋼製品の品質向上における重要課題であり、各種の改善方法が試みられている。簡便な方法としては、鋳型の横断面形状における「縦横比」（長片と短片と比を意味し、「扁平比」とも称する）の値を大きくすることにより、鋳片段階でのポロシティーの発生をある程度抑制することは可能である。しかし、大断面を有するビレットの要求に応えるためには、一定厚さ以上の厚さを有する鋳片を製造する必要のある場合があり、その場合には、鋳型横断面の縦横比の値を増大させても、鋼種次第では、ポロシティー欠陥の発生を防止することは困難である。

ポロシティーの低減方法としては、下記の技術が公知であり、それぞれに以下に述べる問題を有している。
１）鋳型横断面の扁平比（縦横比）の調整
特許文献１には、５％以上のクロムを含有する高クロム含有圧延用素材鋼の製造方法において、上記圧延素材鋼を縦横比が実質的に１．５〜４．０の鋳片として連続鋳造する方法が開示されている。この方法によれば、鋳型横断面の扁平比を上げることにより、鋳片横断面中心部へのポロシティーの集中は緩和されるものの、鋼種によっては効果が不十分であり、鋳片横断面中心部にポロシティーが残存する場合がある。

２）連続鋳造時における鋳片の未凝固圧下
特許文献２をはじめとする多数の特許文献には、未凝固圧下技術が開示されている。例えば、特許文献２には、連鋳鋳片の厚み中心部における固相率が０．９以上になる領域にて鋳片の未凝固厚みの１．５倍以上の鍛圧加工による圧下を、ブルームの場合にはブルームの幅方向の中央域でブルーム幅の２０〜４０％の領域に、スラブの場合にはスラブの幅方向の中央域でスラブ幅の７０〜９０％の領域に、加えるセンターポロシティーのない連鋳鋳片の製造方法が開示されている。

しかしながら、これらの方法では、未凝固圧下域を凝固末期に設定する必要があり、その圧下位置を適正位置に的中させることが難しく、安定して鋳片品質を向上させることが容易ではない。

３）連続鋳造時における鋳片の凝固後圧下
特許文献３には、連鋳材より厚鋼板を製造する方法において、連鋳機の出側に圧下装置を設置し、連鋳スラブに対して、所定の関係を満たすように圧下を施した後、５００℃以下で冷却することなく脱水素処理を施す連鋳鋼板の製造方法が開示されている。しかし、連続鋳造設備への大きな圧下装置の設置は、設置スペースの確保などの面で制約が大きく、また、既設設備への設置は一層困難である。さらに、複数の連続鋳造設備を有する場合には連鋳機毎に大きな圧下装置を設置する必要があり、設備費の面においても制約が生じやすい。

４）ロール圧下によるポロシティーの無害化
ロール圧下は、プレスによる圧下と比較して鋳片中心部への圧下力の浸透が小さく、その効果が得られにくい。この対策として、ロールの長手方向中央部のロール軽を大径とした凸型ロールを用いて鋳片の巾方向中央部を重点的にロール圧下する方法がある。

例えば、特許文献４には、連続鋳造ラインで凝固後に発生する連続鋳造鋳片のセンターポロシティを、中央部に凸部を形成したピンチロールにより圧着する鋳片軽圧下方法において、引抜き矯正ロールの後段に前記ピンチロールを配置し、ピンチロールの直前に設けた鋳片表面冷却設備により表面を６００℃〜４００℃に冷却した後、ピンチロールにより圧下する鋳片軽圧下方法が開示されている。

しかしながら、上記のようなロール圧下による方法では、鋳片の幅方向中央部に窪みが生じることから、後工程のロールによる分塊圧延工程において皺疵などの分塊圧延疵が発生しやすい。

５）分塊圧延前におけるプレス圧下
例えば、特許文献５には、均熱炉と分塊圧延ミルとの間でプレスし、センターポロシティを圧着する圧下装置において、圧下装置のプレスヘッドに連続鋳造ブルームの移動方向と直行する凸部を設けることにより、鋳片移動方向へのメタルフローを抑制し、プレス圧下力の浸透を向上させた圧下装置が開示されている。しかしながら、鋳片サイズ、鋼種などの条件によっては、必ずしもその効果が発揮されないことがある。

６）プレス圧下のみによるビレット製造
ロールによる分塊圧延を行わずに、プレス圧下のみによりビレットを製造する方法も実施されているが、生産性を向上させることが難しい。

上述のとおり、ポロシティーの生成しやすい鋼種においても、内部品質の良好なビレット鋼片を、安価で生産性を損なうことなく、高い信頼性のもとに製造するためには、なお、解決されねばならない問題が残されている。

特許第２８４０１０３号公報（特許請求の範囲および２頁左欄２４〜２９行）

特許第２９４５０６０号公報（特許請求の範囲および２頁左欄２４〜４５行） 特開昭５５−１１４４０４号公報（特許請求の範囲および１頁右欄２０行〜２頁左上欄１４行） 特許第２７０５４１４号公報（特許請求の範囲および段落［０００８］） 実開平５−２８５４４号公報（実用新案登録請求の範囲および段落［０００８］） 伊藤泰朗、川本正幸、川東文雄、吉田直嗣、加藤誠：ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ Ｖｏｌ．９（１９６６）−５５

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その課題は、ポロシティーの生成しやすい鋼種においても、鋳型横断面の扁平比を規定するとともに、鋼種に固有の凝固収縮率に応じたプレス圧下量を規定することにより、内部品質の良好なビレット鋼片を、安価で生産性を損なうことなく製造することのできるビレット鋼片の製造方法を提供することにある。

本発明者は、上述の課題を解決するために、従来の問題点を踏まえて、内部品質の良好なビレット鋼片の製造方法について検討を行い、下記の（ａ）および（ｂ）の知見を得て、本発明を完成させた。

（ａ）液相から固相に凝固する際の凝固収縮率が４％以上の鋼種においては、鋳型横断面の扁平比を適正化することにより、ブルーム段階でのポロシティーが過大とならないように制御した上で、鋼種によって異なるポロシティーの大きさに応じて、ロールによる分塊圧延前に、適正量のプレス圧下を行うことにより、生産能率の低下やコストアップを抑制しつつ、鋼片の品質改善を図ることができる。

（ｂ）上記（ａ）の鋼種を、鋳型横断面の厚さが２４０ｍｍ以上で、鋳型横断面の扁平比が１．５〜４．０の鋳型を用いて連続鋳造し、下記の（１）式により表される関係を満足する条件でプレス圧下すると、鋼片のポロシティーが十分に圧着されやすくなり、ロール圧延後に内部品質の良好なビレット鋼片が得られる。
０．７≦Ｌ／Ｌｏ＋０．０３×Δδ≦１．０ ・・・（１）
ここで、Ｌｏはプレスによる最大圧下時のプレス前の圧下面間距離（ｍｍ）を、Ｌはプレスによる最大圧下時のプレス後の圧下面間距離（ｍｍ）を、Δδは凝固収縮率（％）を、それぞれ表す。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）および（２）に示されるビレット鋼片の製造方法にある。

（１）液相から固相に凝固する際の凝固収縮率が４％以上である鋼の溶鋼を、横断面の厚さが２４０ｍｍ以上、幅が厚さの１．８〜４．０倍の鋳型を用いて連続鋳造し、得られたブルーム鋳片に対して、幅方向に、下記（１）式の関係を満たし、かつ圧下量を１００〜３００ｍｍの範囲内とする条件で全長にわたってプレス圧下を施した後に、ロール圧延を行うことを特徴とするビレット鋼片の製造方法。

０．７≦Ｌ／Ｌｏ＋０．０３×Δδ≦１．０ ・・・（１）
ここで、Ｌｏはプレスによる最大圧下時のプレス前の圧下面間距離（ｍｍ）を、Ｌはプレスによる最大圧下時のプレス後の圧下面間距離（ｍｍ）を、Δδは凝固収縮率（％）を、それぞれ表す。

（２）上記プレス圧下後にロール圧延を行うに際し、プレス圧下後にブルーム鋳片を加熱することなく、熱間状態のまま引き続きロール圧延することを特徴とする前記（１）に記載のビレット鋼片の製造方法。

本発明において、「液相から固相に凝固する際の凝固収縮率」とは、溶鋼が液相から固相へと凝固するときの体積収縮率を意味し、後述するとおり、非特許文献１に記載された
方法により、測定することができる。なお、鋼種ごとの凝固収縮率の代表的な値は、ＳＵＳ３０４鋼（０．０６％Ｃ−１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ）では２．４％、ＢＢＳ鋼（１．０％Ｃ−１．５％Ｃｒ）では３．７％、Ｈ５０鋼（０．５０％Ｃ）では４．１％、Ｍ９Ｓ鋼（０．１％Ｃ−９％Ｃｒ）では４．７％、スーパー１３％Ｃｒ鋼（０．０１％Ｃ−１２％Ｃｒ）では５．９％、１３％Ｃｒ鋼（０．２％Ｃ−１３％Ｃｒ）では６．４％である。

また、「熱間状態のまま」とは、ブルーム鋳片の温度が３００〜１０００℃の範囲にある状態のままであることを意味する。

本発明の方法によれば、ポロシティーの生成しやすい鋼種においても、鋳片横断面の扁平比および鋼種に固有の凝固収縮率に応じたプレス圧下量を適正範囲に調整することにより、内部品質の良好なビレット鋼片を、安価で生産性を損なうことなく製造することができる。したがって、本発明は、管製品などの素材となる鋼材ビレットの内部品質の向上に大きく寄与できるとともに、管製品の内面および外面疵の発生防止に極めて効果的である。

本発明の方法は、前記とおり、液相から固相に凝固する際の凝固収縮率が４％以上である鋼の溶鋼を、横断面の厚さが２４０ｍｍ以上、幅が厚さの１．８〜４．０倍の鋳型を用いて連続鋳造し、得られたブルーム鋳片に対して、幅方向または厚さ方向に前記（１）式の関係を満たす条件で全長にわたってプレス圧下を施した後に、ロール圧延を行うことを特徴とするビレット鋼片の製造方法である。以下に、本発明の方法についてさらに詳しく説明する。

従来、横断面の厚さが２４０ｍｍ以上の比較的大断面のブルームにおいて、鋳型の扁平比を１．５以上として鋳造し、ロールにより分塊圧延することによってビレットを製造していたが、凝固収縮率の大きな材質については、ポロシティーを完全に抑制することはできなかった。

そこで、本発明者らは、ロール分塊工場にプレス設備を設置し、鋳片材料の凝固収縮率、鋳型扁平比、プレス量およびプレス方向を変化させて、ビレット製造および製管試験を行った結果、鋼種により定まる凝固収縮率およびスラブ断面形状に応じて、適正なプレス量が存在することが判明した。

以下に、本発明を前記の範囲に限定した理由、および本発明の好ましい範囲について説明する。

１）凝固収縮率（Δδ）
鋳型サイズが３００ｍｍ×６００ｍｍの鋳型を用いて連続鋳造を行い、得られた鋳片の短辺側を鋳片の幅方向にプレス圧下した場合と圧下しない場合とについて、ロールによる分塊圧延を行い、直径２３０ｍｍのビレットとした。このビレットをピアサーミルおよびマンドレルミルを用いて外径２７５ｍｍ、肉厚１３ｍｍの鋼管に製管し、その内面の目視検査を行って、欠陥の有無を調査した。

図１は、凝固収縮率とパイプ内面欠陥発生状況との関係を示す図である。同図において、パイプ内面欠陥発生状況が「良」とは、マンドレルミル製管後のパイプ内面目視観察にて欠陥が認められなかった状況をいい、「不良」とは、同パイプ内面目視観察にて１個以上の欠陥が認められた状況をいう。

図１の結果から、凝固収縮率が４％未満では、プレス圧下を行わなくとも扁平比を１．８以上の２．０とすることにより、パイプの内面欠陥の発生は防止でき、内質は良好となることがわかる。そこで、本発明においては、凝固収縮率が４％以上の鋼種を対象とした。なお、凝固収縮率の上限は特に規定しないが、凝固収縮率が７％以内であれば本発明の効果を得ることができるので、好ましい。

２）鋳型横断面の厚さ
鋳型横断面の厚さが２４０ｍｍ未満の場合には、鋳片が完全に凝固するまでの時間が短い。したがって、鋳造速度を低下させることにより発生しセンターポロシティーの原因となるブリッジングは容易に抑制することができる。また、最終凝固位置近傍においても、比較的大きな冷却速度を確保できることから、液相から固相への遷移領域を狭くすることができ、ポロシティーが大きく成長するおそれは少ない。

そこで、本発明は、鋳型横断面の厚さが２４０ｍｍ以上のポロシティー感受性の高い（すなわち、ポロシティーの生成しやすい）鋳型サイズの鋳型により鋳造し、ビレット鋼片を製造する方法を対象とした。

３）鋳型の長辺と短辺の長さの比（鋳型横断面の扁平比）
鋳型横断面の扁平比が１．８未満では、本発明の製造方法を用いた場合の効果が小さいので、扁平比を１．８以上とした。

また、鋳型横断面の扁平比の適正な上限を調査するため、前記と同様の調査を行った。すなわち、鋳型サイズが３００ｍｍ×６００ｍｍの鋳型をベースとして鋳型幅を変更することにより、種々の扁平比を有する鋳型サイズを用いた連続鋳造を行い、得られた鋳片の長辺側を鋳片の厚さ方法にプレス圧下した場合と、短辺側を鋳片の幅方向にプレス圧下した場合とについて、ロール分塊圧延を行い、直径２３０ｍｍのビレットを得た。このビレットをピアサーミルおよびマンドレルミルを用いて外径２７５ｍｍ、肉厚１３ｍｍの鋼管に製管し、ＡＰＩ ５ＣＴ Ｌ−８０の１３％Ｃｒ鋼パイプを得た。その外面の目視検査を行って、欠陥の有無を調査した。

図２は、鋳型横断面の扁平比とパイプ外面疵発生指数との関係を示す図である。同図において、パイプ外面疵発生指数とは、ビレットを無手入れで製管した場合の目視検査において、有害疵が存在した長さ比率（％）をいう。

鋳型横断面の扁平比が４．０を超えて大きくなると、ブルームが薄くなりすぎることから、ロール圧延における短辺圧下時に長辺中央部が凹型となりやすく、長辺側表面に圧縮による皺状の外面疵が発生しやすい。

以上の理由から、鋳型横断面の扁平比を１．８〜４．０の範囲とした。

なお、鋳型横断面の扁平比の好ましい範囲は、１．８〜３．０の範囲である。

４）プレス圧下量
鋼が液相から固相に凝固する際の凝固収縮率に応じた適正なプレス圧下量を調査するため、下記の調査を行った。鋳型サイズが３００ｍｍ×６００ｍｍの鋳型を用いて連続鋳造を行い、得られた鋳片の短辺側を鋳片の幅方向にプレス圧下した後、ロール分塊圧延を行って、直径２３０ｍｍのビレットとし、このビレットをピアサーミルおよびマンドレルミルを用いて外径２７５ｍｍ、肉厚１３ｍｍの鋼管に製管し、その内面の目視検査を行って、欠陥の有無を調査した。

図３は、凝固収縮率、およびプレスによる最大圧下時のプレス後の圧下面間距離（Ｌ）とプレスによる最大圧下時のプレス前の圧下面間距離（Ｌｏ）との比（Ｌ／Ｌｏ）と、パイプ内面疵発生状況との関係を示す図である。同図において、○印は内面疵の発生がないことを示し、●印は内面疵が発生したことを示す。また、内面疵の発生の有無は、マンドレルミル製管後のパイプ内面目視観察により、可視疵の認められた場合を「発生有り」、可視疵の認められなかった場合を「発生無し」と判定した。
図３の結果から、下記の事項が判明した。すなわち、比（Ｌ／Ｌｏ）の値が（１．０−０．０３×Δδ）を超える場合は、ポロシティーが十分に圧着しない。また、比（Ｌ／Ｌｏ）の値が（０．７−０．０３×Δδ）未満の場合には、圧下量が過大となり、不要な圧下動力によるコストアップを生じ、また、プレス圧下による鋳片の変形が大きくなって、ロール分塊時にビレットの曲がりなどが発生し、安定した生産性を損ねやすく、コーナー部の折れこみ疵も発生しやすい。

なお、鋳片が、中間製品であるビレットの最終形状となるまで、プレス圧下する場合には、能率が悪く生産性は低下するので、プレス圧下後には、ロール圧延を行うのが適切である。

５）鋳片の短辺側プレス圧下
鋳片の長辺側を鋳片の厚さ方向にプレス圧下した場合も、鋳片の短辺側を鋳片の幅方向にプレス圧下した場合も、前述の図２に示したとおり、ポロシティー発生の抑制については同様の効果を得ることができる。しかし、鋳片の短辺側を鋳片の幅方向にプレス圧下した場合には、鋼片厚さが減少しないので、同じ鋳型サイズの鋳型を用いて鋳造した場合においても、より大断面のビレットを製造することができる。プレス圧下後のロール分塊圧延では、鋼片厚さを増大させることはできず、プレス圧下後の厚さにより製造可能な最大ビレット直径が決定されるからである。したがって、短辺側のプレス圧下は、同じ鋳型サイズを用いた場合であっても、製造可能なビレット直径の範囲を大きく確保することができるため、工業生産上有利であり、好ましい。

６）プレス圧下後のロール圧下
プレス圧下後の再加熱を行わずに、熱間状態のまま、引き続きロールにより圧延することが、エネルギーコスト節減の観点から好ましい。

本発明のビレットの製造方法の効果を確認するため、下記のとおりビレット鋼片の製造試験を行うとともに、さらに、そのビレット鋼片を用いて製管試験を行って、管内面および管外面の品質を評価した。

（試験方法）
化学組成および凝固収縮率の異なる鋼種の溶鋼を用いて連続鋳造を行い、得られた鋳片を均熱炉にて１２５０℃に均熱した後、プレス圧下を行い、その後、ロールによる分塊圧延を行って、ビレット鋼片を製造した。さらに、このビレット鋼片をピアサーミルおよびマンドレルミルにより穿孔圧延して製管し、継目無鋼管を得た。このようにして得られた鋼管の内面および外面を目視検査することにより、表面欠陥の有無を調査し、その品質を評価した。

プレス圧下は、油圧式の３０００Ｔ（２．９４×１０⁷Ｎ）プレス設備に、高さ１ｍ×巾１ｍの圧下用金型を設置して横方向（水平方向）に鋳片を圧下した。ブルームは、約０．８ｍの推進毎にプレスを繰り返す方法により、その全長に対して圧下が施された。長辺側のプレス圧下は、ブルームを縦置とすることにより、また、短辺側のプレス圧下は、ブルームを横置きとすることにより、それぞれ、実施した。

鋼の凝固時における凝固収縮率は、非特許文献１に記載された静滴法によって調査した。すなわち、実験試料（直径φ６ｍｍ）を炉内回転軸上の載台上に静置し、炉内をＡｒガスにより置換した後、各測定温度ごとにＣＣＤカメラを用いて試料のシルエットを撮影し、画像を記録した。精度向上のために、載台を回転させて、４方向から測定を行い、試料の非対称形状による誤差の発生を防止した。得られた画像データに基づいて区分求積法により試料の体積および密度を算出した。

製管後の内面品質および外面品質は、下記のとおりとした。すなわち、内面品質は、内面疵の発生がなかった場合を良好（○）とし、内面疵が発生した場合を不良（×）と評価した。また、外面品質については、外面疵の長さ比率が１％未満の場合を良好（○）とし、外面疵の長さ比率が１％以上の場合を不良（×）と評価した。

（試験結果）
表１および表２に、試験条件および結果をまとめて示した。

試験番号３〜８、試験番号１１、試験番号１５〜２０、および試験番号２３は、本発明で規定する凝固収縮率、鋳片横断面厚さ、鋳型の扁平比、および前記（１）式の関係を全て満足する本発明例についての試験である。いずれも、製管後の内面および外面ともに品質は良好であった。

また、試験番号１および１３は、鋳型厚さが２４０ｍｍ未満であることから、鋳片にポロシティーが発生しにくく、本発明の方法を用いなくても、製管後の内面および外面の品質は良好であった。試験番号２５は、鋼の凝固収縮率が４％未満であることから、鋳片にポロシティーが発生しにくく、したがって、本発明の方法を用いなくても、管内面および外面の品質は良好であった。

鋳型の扁平比が大きすぎた比較例である試験番号２および１４は、皺状のビレット疵が発生し、これに起因して管外面品質が不良となった。鋳型の扁平比が小さすぎた比較例である試験番号１２および２４は、プレス圧下の条件が適正範囲内であるにも拘わらず、管内面の品質は不良であった。

プレス圧下時の比（Ｌ／Ｌｏ）の値が（０．７−０．０３×Δδ）未満となって前記（１）式の関係を満足しない比較例の試験番号９および２１は、プレス圧下後にロール分塊圧延を行う際に、鋼片姿勢が不安定なために圧延の安定性が低下し、ビレットの形状が不良となり、コーナー部の折れ込みに起因する管外面疵が発生した。また、比（Ｌ／Ｌｏ）の値が（１．０−０．０３×Δδ）を超えて前記（１）式の関係を満足しない比較例の試験番号１０および２２は、ポロシティーが十分に圧着せず、管内面疵が発生した。

本発明の方法によれば、ポロシティーの生成しやすい鋼種においても、鋳片横断面の扁平比および鋼種に固有の凝固収縮率に応じたプレス圧下量を適正範囲に調整することにより、内部品質の良好なビレット鋼片を、安価で生産性を損なうことなく製造することができる。したがって、本発明は、継目無管製造用の丸ビレット製造分野において広く適用できるビレット鋼片の製造方法であるとともに、鋼管の内面および外面品質の向上技術として広範に利用できる。

凝固収縮率とパイプ内面欠陥発生状況との関係を示す図である。 鋳型扁平比とパイプ外面疵発生指数との関係を示す図である。 凝固収縮率およびプレス圧下比（Ｌ／Ｌｏ）とパイプ内面疵発生状況との関係を示す図である。

Claims (2)

1. 液相から固相に凝固する際の凝固収縮率が４％以上である鋼の溶鋼を、横断面の厚さが２４０ｍｍ以上、幅が厚さの１．８〜４．０倍の鋳型を用いて連続鋳造し、得られたブルーム鋳片に対して、幅方向に、下記（１）式の関係を満たし、かつ圧下量を１００〜３００ｍｍの範囲内とする条件で全長にわたってプレス圧下を施した後に、ロール圧延を行うことを特徴とするビレット鋼片の製造方法。
   ０．７≦Ｌ／Ｌｏ＋０．０３×Δδ≦１．０ ・・・（１）
   ここで、Ｌｏはプレスによる最大圧下時のプレス前の圧下面間距離（ｍｍ）を、Ｌはプレスによる最大圧下時のプレス後の圧下面間距離（ｍｍ）を、Δδは凝固収縮率（％）を、それぞれ表す。
2. 上記プレス圧下後にロール圧延を行うに際し、プレス圧下後にブルーム鋳片を加熱することなく、熱間状態のまま引き続きロール圧延することを特徴とする請求項１に記載のビレット鋼片の製造方法。

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