(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属の連続鋳造に際し、連鋳鋳型内の湯面レベルから鋳造方向に一定の距離下方の位置において、磁極により鋳片の厚みを横切る向きに鋳片全幅にわたり直流磁場を印加した状態で、該磁極の下部に対しては母溶鋼のみを、一方該磁極の上部に対しては母溶鋼と特定元素を併せて供給することにより、鋳片の表層に特定元素が濃化した複層鋳片を製造する連続鋳造方法において、
前記連鋳鋳型内への溶鋼の供給を、上下２段の吐出孔を有する浸漬ノズルを用いて行うものとし、その際、該磁極の上部に対する溶鋼の供給速度を、磁極上端より上部において凝固により溶鋼が消費される速度の 0.2倍以上 1.0倍未満とすることを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記磁極の上部への溶鋼の供給速度を、磁極上端より上部において凝固により溶鋼が消費される速度の 0.3倍以上 0.8倍以下とすることを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続鋳造鋳片の製造方法に関し、特に鋳片の表層部における特定元素の濃度が高い複層鋳片の安定した製造を可能ならしめようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、成分組成が表層部と内部とで異なる複層鋳片を連続鋳造によって製造する方法が種々提案されている。
例えば、特公平３−２０２９５  号公報には、連鋳鋳型内の湯面レベルから一定の距離だけ離れた下方位置で、鋳造方向と垂直な方向に鋳片全幅にわたって直流磁束を付与し、その直流磁束によって形成される静磁場帯を境界としてその上下に異なる２種類の金属溶湯を供給する方法が記載されている。
【０００３】
しかしながら、上記特公平３−２０２９５  号公報に記載の方法は、鋳片の表層用溶鋼と内部用溶鋼とを別々に精錬し、さらにそれらを別々のタンディッシュと浸漬ノズルを介して鋳型内に供給するという極めて煩雑なプロセスを必要とするため、生産障害を起こし易く、またコストの上昇を招くという問題があった。
【０００４】
この点、特開平８−２５７６９２号公報に記載の方法は、メニスカスから一定距離下方において鋳型全幅にわたり直流磁界を印加して制動域を形成しつつ、その上部および下部にノズル吐出孔を有する浸漬ノズルを用いて一定組成の溶鋼をそれぞれ注入し、さらにワイヤーを用いて合金元素を制動域よりも上部の溶鋼プールに連続的に供給しつつ溶鋼注入流による撹拌を行うことによって、表層の合金元素濃度が均一な鋳片を製造する方法であり、プロセスが簡素であるため、上記のような問題は発生しない。
【０００５】
しかしながら、上記の方法では、磁場帯の上部、下部への溶鋼の分配を浸漬ノズル内で行う必要があるところ、溶鋼の連続鋳造プロセスにおいては浸漬ノズルの吐出孔への非金属介在物の付着や脱落あるいはノズル吐出孔の溶損といった現象が不可避に発生するため、鋳造中に上部、下部への溶鋼の分配比が変動するという問題があった。
このような変動は鋳造中に検知できないため、鋳造中に磁場帯下部に対して上部への溶鋼の供給比が増加した場合には、その変動がわずかであっても上下溶鋼の境界が下方に移動して鋳片表層の厚みが増加するのみならず、表層の溶質元素濃度が低下するために、製品品質のばらつきを生じる。また、特にこの変動が大きい場合には、境界が磁場帯から外れて上部溶鋼が下方に流出することになる結果、製品の歩留りが著しく低下するという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の諸問題を有利に解決するもので、鋳片表層の厚みや溶質元素濃度の変動を効果的に防止できるだけでなく、製品の歩留りを大幅に向上させることができる複層鋳片の安定した製造方法を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、以下に述べる知見を得た。
１）磁場帯上部への溶鋼供給比が低下した場合の鋳型内での溶質濃度分布
発明者らは、鋳造途中における浸漬ノズルの回収による上下流量比の調査と、回収直前に鋳造した鋳片の調査を行うことによって、次の知見を得た。
磁場帯上部への溶鋼供給速度が、磁極上端より上部で凝固により消費される溶鋼の消費速度よりも大きく、かつ磁極下端より上部で凝固により消費される溶鋼の消費速度よりも小さい場合、上下溶鋼の境界は磁極の上端と下端の間に存在する。この磁極の上端と下端の間では、磁場による制動により溶鋼の流動が著しく抑制されるため、上下溶鋼は混合せず、その境界は溶鋼の供給速度比のわずかな変化に応じて上下に移動する。
一方、磁場帯上部への溶鋼供給速度が、磁極上端より上部で凝固により消費される溶鋼の消費速度よりも小さい場合には、磁極の上端と下端との間では磁極上端より上の領域での溶鋼の供給不足を補うため、磁場により整流化された上向きの緩やかな流れが発生する。また、磁極上端より上の領域では磁場が急激に減少して溶鋼の混合が進行するため、上下溶鋼の境界は磁極上端で一定となる。
すなわち、磁場帯の上部への溶鋼供給速度をその消費速度よりも低下させることにより、磁場帯を全体にわたって上向きの流れを有する整流域とすることができ、その結果、上下溶鋼の境界を磁極上端部に固定することが可能となる。
【０００８】
２）溶鋼分配比の変動
前述したように、磁場帯の上下部への溶鋼分配比はノズル吐出孔への非金属介在物の付着や脱落あるいはノズル吐出孔の溶損により変化する。この際、磁場帯上部への溶鋼供給速度の変化は、設計された供給比に対し概ね２０％程度の変化を繰り返しつつ、その平均値は徐々に増加あるいは減少していく。この平均値の増減は鋳造する鋼種や鋳造時間によって変化する。
なお、複数の吐出孔を有する浸漬ノズルで溶鋼を分配供給する場合、その供給比は吐出孔の断面積比や吐出孔形状などで決定されるが、この供給比は、水を用いたモデル実験による流量比の実測などにより決定することが可能である。
【０００９】
本発明は、上記の知見に基づいて開発されたものであり、その要旨構成は次のとおりである。
すなわち、本発明は、溶融金属の連続鋳造に際し、連鋳鋳型内の湯面レベルから鋳造方向に一定の距離下方の位置において、磁極により鋳片の厚みを横切る向きに鋳片全幅にわたり直流磁場を印加した状態で、該磁極の下部に対しては母溶鋼のみを、一方該磁極の上部に対しては母溶鋼と特定元素を併せて供給することにより、鋳片の表層に特定元素が濃化した複層鋳片を製造する連続鋳造方法において、
前記連鋳鋳型内への溶鋼の供給を、上下２段の吐出孔を有する浸漬ノズルを用いて行うものとし、その際、該磁極の上部に対する溶鋼の供給速度を、磁極上端より上部において凝固により溶鋼が消費される速度の 0.2倍以上 1.0倍未満とすることを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法である。
【００１０】
また、本発明では、磁極の上部への溶鋼の供給速度を、磁極上端より上部において凝固により消費される溶鋼の消費速度の 0.3倍以上 0.8倍以下とすることが、より好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に従い具体的に説明する。
図１に、本発明に従う溶鋼の注入要領の一例を模式で示す。
図中、番号１は鋳型、２は上下２段の吐出孔を有する浸漬ノズル、３は磁極（例えば電磁石）であり、この磁極３により、鋳片の厚み方向に鋳片全幅にわたって直流磁場を印加できるようになっている。また４は、上部溶鋼（溶質元素が濃化した溶鋼）と下部溶鋼（母溶鋼）との境界であり、この境界４は磁極３の上端と一致する。さらに、５は浸漬ノズル２の下部吐出孔、６は上部吐出孔であり、番号７，８で下部吐出孔および上部吐出孔からの注入流を示す。９は溶質元素（ワイヤー）、10は凝固シェルであり、11で直流磁場帯の下部から上部ヘの溶鋼の上昇流を示す。
【００１２】
さて、本発明では、磁極の上部への溶鋼の供給速度を磁極上端より上部で凝固により消費される溶鋼の消費速度の  １．０倍未満としているため、上下溶鋼の境界４は常に磁極上端で一定であり、従って添加した溶質元素濃度の高い鋳片表層の厚みも一定となる。また、凝固量に対し不足する溶鋼は下部から磁極部を通って上部に供給されるため、上部に供給される母溶鋼と特定元素との比は常に一定であり、従って鋳片表層の溶質元素濃度も一定となる。
しかしながら、上部への溶鋼の供給量があまりに少なくなると、逆に緩やかに流入する下部からの流入量が増加し、上部領域での撹拌効果が低減し、鋳片表層部の濃度が均一にならなくなるので、磁極の上部への溶鋼の供給速度は磁極上端より上部で凝固により消費される溶鋼の消費速度の０．２  倍以上とする必要がある。好ましくは  ０．３倍以上である。
【００１３】
また、本発明の浸漬ノズルとしては、磁極の上部への溶鋼の供給速度が磁極上端より上部で凝固により消費される溶鋼の消費速度の 0.3倍以上 0.8倍以下となるように設計された、上下２段の吐出孔を有する浸漬ノズルがより好適である。
これは、前述したように、上下部への溶鋼供給比の変動が20％程度あるという知見に基づくものであり、このようなノズルを使用した場合には、溶鋼供給比に変動が生じても、鋳片表層の厚みおよび溶質元素濃度分布を一定とすることができる。
【００１４】
なお、供給比の長期的な増加あるいは減少に対しては、増加する鋼種の鋳造の場合には上部への供給比が小さいノズルを、一方減少する鋼種の鋳造に際しては上部への供給比が大きめのノズルを予め使用することにより、長期間の連続鋳造を可能とすることができる。
【００１５】
比較のため、特開平８−２５７６９２号公報に記載の方法に従う溶鋼の供給要領を、図２に示す。
この方法では、磁極の上部への溶鋼の供給速度を磁極の上部で凝固により消費される速度と同等かつ一定にすることによって、上下溶鋼の境界位置を磁場帯内で固定することが可能となる。
しかしながら、前述したように、上下への溶鋼の供給速度の比は鋳造中に不可避的に変動するため、上部への供給速度がわずかに大きくなっただけでも、上下溶鋼の境界は下方に移動して、表層厚みの増加や溶質元素濃度の低下をもたらす。
また、特にこの変動が大きい場合には、境界が磁場帯から外れて上部溶鋼の溶質元素が下方に流出することになり、製品の歩留りを著しく低下させてしまう。
【００１６】
【実施例】
図１に示した連鋳鋳型を用い、次の条件（本発明の適合例）で連続鋳造鋳片を製造した。
・鋳型の内径寸法
長辺：１．２  ｍ
短辺：０．２６ｍ
高さ：１．０  ｍ
・直流磁場
印加位置（鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離）：０．６  ｍ
磁極の高さ：０．２  ｍ
鋳型内湯面レベルから磁極上端までの距離：０．５  ｍ
印加磁場の強さ：０．３  Ｔ
・浸漬ノズル
上部吐出孔：２孔、吐出角θ＝０°（水平方向）、孔の大きさ１６×３１ｍｍ□
下部吐出孔：２孔、吐出角θ＝６０°（下向き）、孔の大きさ  ７７ｍｍφ
・下部吐出孔から磁極の高さ中心までの距離ｈ：−０．３  ｍ
・上部吐出孔から磁極の高さ中心までの距離ｈ′：０．２  ｍ
・溶質元素（純Ｎｉワイヤー）
純Ｎｉワイヤーの供給位置：湯面
・鋳造速度Ｖｃ  ：１．６  ｍ／ｍｉｎ
【００１７】
なお、上記の連鋳機における凝固殻の成長厚ｄ（ｍ）  は次式で与えられることが分かっている。
ｄ＝  ０．０２２×（Ｌ／Ｖｃ）０．５
ここで、Ｌは湯面レベルから磁極上端までの距離（ｍ）、またＶｃ  は鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）である。
従って、上掲式から、上下プール境界部での凝固シェル厚さは１２ｍｍ程度であることが分かる。
その結果、磁極上端よりも上部で凝固する溶鋼の消費速度Ｑは０．３９  ｔ／ｍｉｎとなる。
一方、上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ′については水モデルなどから全スループットの  ６．７％であることが分かっており、Ｑ′＝０．２３４  ｔ／ｍｉｎ  となる。
従って、上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ′は、
Ｑ′＝０．６  Ｑ（磁極上端よりも上部で凝固する溶鋼の消費速度の  ０．６倍）
となる。
【００１８】
また比較のため、図２に示した従来の溶鋼供給要領（特開平８−２５７６９２号公報に開示の方法）でも、連続鋳造鋳片を製造した。その際、鋳造条件を、
・浸漬ノズル
上部吐出孔：２孔、吐出角θ＝０°（水平方向）、孔の大きさ２６×３２ｍｍ□
下部吐出孔：２孔、吐出角θ＝６０°（下向き）、孔の大きさ  ７５ｍｍφ
に変更し、その結果
・上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ′：Ｑ′＝Ｑ、かつ
・下部吐出孔から磁極の高さ中心までの距離ｈ：−０．１  ｍ（磁極中心の下方０．１ｍ）とした。それ以外の条件は本発明の適合例と同じとした。
【００１９】
本発明の適合例および比較例の鋳片を比較し、鋳片表層の厚みおよび濃度のばらつき（標準偏差）について調べた結果を図３、図４に、また鋳片内部の濃度が増加したことによる製品不良の発生率について調査した結果を図５に示す。
図３〜５に示したとおり、比較例と比べて、適合例では表層厚みおよび表層濃度のばらつきが格段に小さくなるだけでなく、不良品の発生率が大幅に低減することが分かる。また、介在物の混入が原因である鋳片内部の欠陥の発生率も半減することが分かる。
【００２０】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、鋳型内における上下溶鋼の境界が変化せず、また上部領域に供給される母溶鋼の供給速度も一定となるため、鋳片表層部の厚みおよび溶質元素濃度のばらつきが極めて小さい複層鋳片を安定して製造することができ、さらに溶質元素の鋳型下方への流出も抑制できるため、製品の歩留りを格段に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う溶鋼の注入要領の一例を示す模式図である。
【図２】比較例に従う溶鋼の注入要領の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例と比較例における、鋳片表層の厚みのばらつき（標準偏差）を比較して示した図である。
【図４】本発明の実施例と比較例における、鋳片表層のＮｉ濃度のばらつき（標準偏差）を比較して示した図である。
【図５】本発明の実施例と比較例における、鋳片内部のＮｉ濃度の増加による製品不良の発生率を比較して示した図である。
【符号の説明】
１  鋳型
２  浸漬ノズル
３  磁極
４，４′上部溶鋼と下部溶鋼との境界
５  下部吐出孔
６  上部吐出孔
７  下部吐出孔からの注入流
８  上部吐出孔からの注入流
９  溶質元素（ワイヤー）
１０  凝固シェル
１１  溶鋼の上昇流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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