(57)【要約】【課題】  鋳型内における不均一な初期凝固を抑制することのできる鋳型であり、しかもその抑制効果を長期間に亘って確保・維持することの可能な連続鋳造用鋳型を提供する。【解決手段】  上記課題は、凝固殻と接触する側の鋳型銅板１の表面に、鋳型と凝固殻との潤滑剤として鋳型内で使用される潤滑剤との濡れ角を、潤滑剤と銅との濡れ角、潤滑剤とクロムとの濡れ角、潤滑剤とニッケルとの濡れ角のどれよりも小さくする材料からなる被覆層４が、規則的な模様で形成されている連続鋳造用鋳型によって解決される。この場合に、前記被覆層を物理蒸着法（ＰＶＤ法）により被覆されたＴｉＮ層とする、または、被覆層の厚みを２μｍ〜２０μｍとすることが好ましい。【選択図】            図１
2006205243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝固殻と接触する側の鋳型表面に、鋳型と凝固殻との潤滑剤として鋳型内で使用される潤滑剤との濡れ角を、潤滑剤と銅との濡れ角、潤滑剤とクロムとの濡れ角、潤滑剤とニッケルとの濡れ角のどれよりも小さくする材料からなる被覆層が、規則的な模様で形成されていることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
【請求項２】
前記被覆層が、物理蒸着法（ＰＶＤ法）により被覆されたＴｉＮ層であることを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項３】
前記被覆層の厚みが、２μｍ〜２０μｍであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の連続鋳造用鋳型を用いて溶鋼を鋳造することを特徴とする、鋼の連続鋳造方法。                                                                                
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造用鋳型及び鋼の連続鋳造方法に関し、詳しくは、鋳型内の凝固開始位置付近における不均一凝固を抑制し、この不均一凝固を起因として生成する鋳片の表面欠陥を防止することのできる連続鋳造用鋳型、並びに、この鋳型を用いた鋼の連続鋳造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼のスラブ鋳片を連続鋳造機で製造する場合、溶鋼を水冷鋳型内で冷却し、鋳型との接触面に凝固殻を生成させながら凝固殻を鋳型下方に引き抜くが、この凝固殻は或る程度以上の冷却の不均一が発生すると凝固殻の表面が凹凸になりやすく、この表面の凹凸により更なる凝固殻成長の不均一化を招く結果となり、最悪の場合には鋳片の表面に縦割れが発生する。このような表面縦割れが発生すると、圧延工程への鋳片の搬送に先立って、縦割れなどの表面欠陥部の除去作業、所謂手入れ作業を要することとなる。このような欠陥発生の傾向は、鋳造速度（＝鋳片引き抜き速度）の増加に伴って著しく増加する傾向にあり、鋼のスラブ連続鋳造機における鋳造速度が、例えば１０年前と比較して約１．５〜２倍に増速していることも、今日の手入れ作業増大の一要因になっている。最近では、薄スラブ連続鋳造機でも同様の問題が顕在化しており、ストリップキャスチングや箔帯の連続鋳造においては、表面欠陥は手入れ除去ができないため、重大な問題である。
【０００３】
従って、鋳型内における凝固初期の不均一冷却に伴う凝固殻の不均一成長は、優れた経済性からスラブ鋳片では適用が益々拡大されつつある直送加熱（「ホットチャージ」ともいう）或いは直送圧延（「ダイレクトチャージ」ともいう）の適用阻害要因であると同時に、生産性向上の要件である高速鋳造化の阻害要因にもなっている。
【０００４】
従来、この凝固初期の不均一冷却に伴う連続鋳造鋳片における縦割れ発生の防止方法としては、凝固の初期段階（以下「初期凝固」と記す）において均一な緩冷却を行い、凝固殻の成長を均一化させることが肝要であると考えられており、そのための対策が行なわれている。
【０００５】
例えば、非特許文献１には、凝固殻と接触する鋳型の内壁面に凹凸を付与することで鋳片の表面性状を改善した技術が記載されている。
【０００６】
特許文献１には、緩冷却を目的とする連続鋳造用鋳型として、鋳型銅板表面にニッケルメッキを５００μｍ以上の厚みに付与し、化学腐食によりニッケルメッキ層に縦溝加工を施した後、ニッケルメッキの表面に更に２０μｍ以上の厚みの硬化層（ニッケル−燐メッキまたはクロムメッキ）を設けた連続鋳造用鋳型が開示されている。その技術思想は、鋳型表面の縦溝加工部（凹部）に形成される空気層によって伝熱抵抗を大きくして緩冷却化させるというものである。硬化層の形成は、使用中の溝形状の維持とそれによる効果を長時間に亘って持続させる目的であると推定される。
【０００７】
また、特許文献２には、凝固殻と接触する鋳型表面に深さが１００〜１０００μｍの凹部を設け、この凹部に溶融したモールドパウダーを侵入・固化させ、この固着したモールドパウダー層による伝熱抵抗の増加を利用して緩冷却化させる方法が開示されている。
【０００８】
更に、特許文献３及び特許文献４には、銅よりも熱伝導率度の低い異種金属或いは合金の格子状のメッキを鋳型銅板の表面に施した連続鋳造用鋳型が開示されている。格子状のメッキ部は周囲の銅母材部よりも熱伝導率が低いことを利用して、緩冷却化させるというものである。
【０００９】
尚、鋳型の緩冷却を目的とした上記の従来方法は、特許文献３及び特許文献４では、加工した凹部にメッキを施して使用時には平滑な面になってはいるが、何れも凝固殻と接触する鋳型の表面に凹部を設けるための機械加工作業を必要とした技術である。
【非特許文献１】中井等、鉄と鋼、Vol.７３(１９８７)、ｐ４９８−５０４
【特許文献１】特開昭６１−１２９２５７号公報
【特許文献２】特開平９−９４６３４号公報
【特許文献３】特開平７−２８４８９６号公報
【特許文献４】特開平１０−２９０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の従来技術には、以下の問題点があった。
【００１１】
即ち、使用初期にはそれなりの効果が認められるが、長時間の使用や熱負荷が大きい高速鋳造時には、鋳型銅板の加工溝先端部からの割れの生成や、加工部に充填した異種金属及び合金の鋳型銅板との境界からの剥離などが発生し、長期間の連続使用ができなくなるという問題があった。また、鋳型内溶鋼の流動制御を移動磁場や交流磁場で実施する場合には、鋳型表面に施される異種金属或いは合金として磁性体を使用すると、そこに渦電流が発生するため磁場が減衰し、そのため、鋳型背面で発生させる磁場を効率良く鋳型内の溶鋼に浸透させることができないという問題があった。
【００１２】
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、鋳型内における不均一な初期凝固を抑制することのできる鋳型であって、しかもその抑制効果を長期間に亘って確保・維持することの可能な連続鋳造用鋳型を提供することであり、同時に、この連続鋳造用鋳型を用いた、表面性状に優れる鋳片を製造することのできる、鋼の連続鋳造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための第１の発明に係る連続鋳造用鋳型は、凝固殻と接触する側の鋳型表面に、鋳型と凝固殻との潤滑剤として鋳型内で使用される潤滑剤との濡れ角を、潤滑剤と銅との濡れ角、潤滑剤とクロムとの濡れ角、潤滑剤とニッケルとの濡れ角のどれよりも小さくする材料からなる被覆層が、規則的な模様で形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
第２の発明に係る連続鋳造用鋳型は、第１の発明において、前記被覆層が、物理蒸着法（ＰＶＤ法）により被覆されたＴｉＮ層であることを特徴とするものである。
【００１５】
第３の発明に係る連続鋳造用鋳型は、第１または第２の発明において、前記被覆層の厚みが、２μｍ〜２０μｍであることを特徴とするものである。
【００１６】
第４の発明に係る鋼の連続鋳造方法は、第１ないし第３の発明の何れかに記載の連続鋳造用鋳型を用いて溶鋼を鋳造することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
上記構成の本発明に係る連続鋳造用鋳型によれば、銅、クロム、ニッケルよりも潤滑剤との濡れ角が小さい材料、換言すれば、潤滑剤との濡れ性がよく、よって潤滑剤と鋳型との接触面積が増加する材料からなる被覆層が、凝固殻と接触する側の鋳型表面に形成されているので、鋳型の被覆層が形成されていない部位と被覆層が形成された部位とで抜熱量に差が生じ、あたかも鋳型に凹部を形成したと同等の効果が発現して初期凝固の不均一化が抑制され、縦割れなどのない表面性状に優れた鋳片を製造することが可能となる。また、被覆層は薄く、鋳型表面に被覆層を形成するための凹部を加工する必要がないので、凹部に起因する鋳型の割れなどの発生がなく、長期間に亘って安定して使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る連続鋳造用鋳型を、溶鋼のスラブ連続鋳造機の鋳型に適用した場合を例として、添付図面を参照して具体的に説明する。図１〜３は、本発明の実施の形態を示す図であって、本発明に係る鋳型を構成する鋳型銅板の正面概略図である。尚、溶鋼のスラブ連続鋳造機の鋳型は、通常、相対する一対の鋳型長辺銅板と、この鋳型長辺銅板の内側に内装される、相対する一対の鋳型短辺銅板とが組み合わされ、水平断面が矩形状の鋳型が構成されており、図１〜３は、鋳型長辺銅板の例を示している。
【００１９】
鋼の連続鋳造では、溶鋼を水冷構造の鋳型に注入して冷却し、鋳型との接触面に凝固殻を生成させながら、この凝固殻を鋳型下方に連続的に引き抜き、連続鋳造鋳片を製造している。表層部を凝固殻とし内部を未凝固相とする鋳片は、鋳型下方では鋳片支持ロールで支持されながら水スプレーやエアーミストスプレーによって冷却され、やがて、内部まで完全に凝固する。この連続鋳造においては、銅を母材とし、その表面にクロムまたはニッケル若しくはこれら金属の合金が必要に応じてメッキされた鋳型銅板表面と、生成される凝固殻との摩擦抵抗を減じるために、潤滑剤としてモールドパウダー、菜種油などが使用されている。
【００２０】
モールドパウダーは、ＣａＯ、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＭｎＯなどの酸化物を基材とし、これら基材に、基材の物性を調整するためのＮａ2 Ｏ、Ｋ2 Ｏ、ＣａＦ2 、ＭｇＦ2 、Ｌｉ2 ＣＯ3 、氷晶石などのアルカリ金属又はアルカリ土類金属の酸化物や弗化物または炭酸化物と、基材の主成分であるＣａＯ、ＳｉＯ2 の成分調整材である炭酸カルシウムや珪藻土と、溶融速度調整材であるカーボンブラック、人造黒鉛などの炭素物質と、が添加されて構成されており、鋳型内の溶鋼上に添加されたモールドパウダーは溶融して鋳型と凝固殻との間隙に流入し、潤滑剤としての機能を発揮する。尚、モールドパウダーには、その他に酸化防止剤、保温剤、溶鋼から浮上してくるアルミナなどの酸化物の吸収剤としての機能も有している。
【００２１】
図１〜３に示すように、本発明に係る鋳型を構成する鋳型銅板１には、溶鋼と接触して溶鋼を冷却し、接触部に凝固殻を生成させる側の面に、銅、クロム、ニッケルよりも前述した潤滑剤との濡れ角が小さい材料、換言すれば、潤滑剤との濡れ性がよい材料からなる複数の被覆層４が、縦方向及び横方向に等間隔に、或いは千鳥状の規則配列をするように、蒸着法によって形成されている。被覆層４の形状は、四角形状、円形状、楕円形状、菱形状、正六角形状など、どのような模様にしてもよく、また、格子形状としてもよい。図１は、四角形状の被覆層４をクロムメッキ層３の上に千鳥配置した例を示す図で、図２は、四角形状の被覆層４をクロムメッキ層３の上に縦方向及び横方向に等間隔に配置した例を示す図で、図３は、円形状の被覆層４をクロムメッキ層３の上に千鳥配置した例を示す図である。被覆層４の大きさ及び被覆層４の間隔は、経験上から、被覆層４の大きさ（Ｄ1 ，Ｄ2 ）が２〜２０ｍｍ程度、被覆層４の間隔（Ｌ1 ，Ｌ2 ）が被覆層４の大きさ（Ｄ1 ，Ｄ2 ）の０．２倍から１．０倍の範囲とすればよい。但し、この範囲を外れても構わない。
【００２２】
これら被覆層４の形成されている部分の鋳型銅板１の断面図を図４に示す。図４に示すように、鋳型銅板１を構成する平滑な銅母材２の表面にクロムメッキ層３が形成され、このクロムメッキ層３の上に規則的な模様で被覆層４が形成されている。図４からも明らかなように、被覆層４を形成させる上で、銅母材２の表面及びクロムメッキ層３の表面には凹部を設けるための機械加工を施す必要はない。尚、図１〜３では、銅母材２の表面にクロムメッキ層３を設け、その上に被覆層４を形成しているが、クロムメッキ層３の代わりにニッケルをメッキしてもよく、また、これらメッキ層を設けることなく銅母材２の表面に直接被覆層４を蒸着してもよい。
【００２３】
銅、クロム、ニッケルよりも潤滑剤との濡れ角が小さい材料としては現在のところＴｉＮが最適であり、以下、被覆層４としてＴｉＮを蒸着させる場合を例として説明する。
【００２４】
被覆層４としてのＴｉＮの厚みは１μｍあれば効果を発揮するが、蒸着時のムラの影響を小さくし、且つ長時間効果を維持するためには２μｍ以上被覆するのが望ましい。また、ＴｉＮ膜の密着力（耐剥離性、耐熱衝撃性）を高めるために、ＴｉＮの蒸着被覆前にＴｉ膜を０．５〜３μｍ程度被覆することが望ましい。ＴｉとＴｉＮ膜は各一層でもよいが、Ｔｉ−ＴｉＮ−Ｔｉ−ＴｉＮのように交互に層状に被覆しても問題ない。
【００２５】
ＴｉＮ膜の効果の飽和現象や凹部の形状を損ねることを考えると、ＴｉＮ層の厚みは２０μｍ程度あれば十分である。ＴｉＮ膜の形成は、物理蒸着法（ＰＶＤ法）であれば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法の何れであってもよいが、特に付着力の強い膜が得られることからイオンプレーティング法のうちのアークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）により蒸着させることが望ましい。但し、これに限る必要はない。鋳型銅板１の表面に部分的に被覆層４を形成する方法としては、特に限定されるものではなく、（１）全面蒸着後、所定の形状及び配列になるように、薬品によって蒸着膜を化学溶解・除膜する方法、（２）所定の形状及び配列になるような型板を成形し、鋳型銅板１の表面を型板によりマスキング処理した後、ＴｉＮを蒸着する方法などがあり、どちらの方法でも構わない。
【００２６】
銅、クロム、ニッケルよりも潤滑剤との濡れ角が小さい材料としてＴｉＮ以外の材料を蒸着させる場合も、上記に沿って蒸着することとする。また、被覆層４の設置範囲は、鋳型銅板１の表面全体とする必要はなく、初期凝固に影響を及ぼす範囲のみに被覆層４を形成すればよく、具体的には鋳型銅板１の上部側半分とするなどしてもよい。鋳型銅板１としては、鋳型長辺銅板と鋳型短辺銅板とがあるが、その何れかまたは両者に被覆層４を設置する。
【００２７】
このような構成の本発明に係る鋳型を用い、潤滑剤としてモールドパウダーを使用して溶鋼を連続鋳造した場合の作用・効果を以下に説明する。
【００２８】
連続鋳造用鋳型内の溶鋼は潤滑剤として使用されるモールドパウダーに覆われ、このモールドパウダーは溶鋼からの熱によって溶融する。溶融したモールドパウダーは、所定の振幅及び振動数で振動（「オシレーション」という）している鋳型と生成した凝固殻との隙間に流入する。つまり、鋳型表面は、溶融したモールドパウダーが流入して形成されるフィルム状のモールドパウダー層（以下「パウダーフィルム層」と記す）を介して溶鋼或いは凝固殻と接触している。このパウダーフィルム層は、鋳型側では時間の経過に伴って冷却されて固化するものの、鋳片の引き抜き速度よりも遅い速度で連続的に下降しており、そのため、特に鋳型内の溶鋼湯面（以下「メニスカス」と記す）近傍の鋳型表面は、未だ固化していないパウダーフィルム層、即ち溶融状態のモールドパウダーと接触状態にある。
【００２９】
溶融状態のモールドパウダーと接触状態にある部位の鋳型抜熱量は、鋳型の表面材質によって影響される。鋳型の表面材質が、溶融状態のモールドパウダーとの濡れ性が悪い材質、つまり溶融状態のモールドパウダーとの濡れ角が大きい材質、具体的には、表面にメッキ処理などを施していない銅母材、クロムメッキ層、或いはニッケルメッキ層の部位では、鋳型抜熱量が低くなり、溶融状態のモールドパウダーとの濡れ性が銅、クロム、ニッケルに比べて相対的に良い材質、つまり溶融状態のモールドパウダーとの濡れ角が銅、クロム、ニッケルに比べて小さい材質からなる被覆層４の部位では、鋳型抜熱量が相対的に高くなる。つまり、被覆層４を設置することにより、メニスカス近傍の鋳型表面の各部位で鋳型抜熱量に差が生じることになる。パウダーフィルム層の鋳型と接触する部位は、やがて固化するものの、接触した状態で固化しているため、固化後においてもこの接触状態は持続する。そのため、鋳型表面を構成する材料の熱伝導率に関係なく、低抜熱部と高抜熱部が二次元的に隣り合わせで規則的に混在することとなる。
【００３０】
このような、低抜熱部と高抜熱部が二次元的に隣り合わせで規則的に混在する状況下では、不均一凝固を起こしやすい鋼種、例えば、包晶凝固する中炭素鋼の場合でも、特許文献４に述べられているように、低抜熱部の部位が凝固遅れとなるために、γ→δ変態に伴う凝固収縮に起因する凝固殻の変形が低抜熱部の間隔毎に生じ、凝固殻全体の大きな変形が起こらず、エアーギャップも生成されず、均一な凝固が達成される。それにより、鋳片の表面割れが抑制され、且つ鋳造速度の増大が達成される。
【００３１】
また、本発明に係る連続鋳造用鋳型では、被覆層４を蒸着法によって形成してあるので、被覆層４の剥離や鋳型の割れを防止することができ、長期間に亘って安定して均一な初期凝固を達成することができる。また、被覆層４は、主に非磁性材料であるセラミックスであるので、鋳型内溶鋼の流動制御を移動磁場や交流磁場で実施する場合に、何ら支障とならない。
【００３２】
以上説明したように、本発明に係る連続鋳造用鋳型を用いることで、均一な初期凝固を長期間に亘って安定して確保・維持することが達成され、その結果、表面性状に優れる連続鋳造鋳片を長期間に亘って安定して製造することが可能となる。
【実施例１】
【００３３】
被覆層としてのＴｉＮが縦方向及び横方向に等間隔になるように型板を製作し、これを鋳型長辺銅板の表面に乗せ、約３μｍ厚みのＴｉＮ膜を規則的な配列でＡＩＰ法により蒸着した。被覆層の配列模様は、図１に示す四角形状の千鳥配置（以下「パターンＡ」と記す）、図２に示す四角形状の整列配置（以下「パターンＢ」と記す）と、図３に示す円形状の千鳥配置（以下「パターンＣ」と記す）の３種類とした。蒸着した範囲は、鋳型の鋳造方向では、メニスカス位置を基準として、上側に５０ｍｍ、下側に２００ｍｍとし、鋳型の幅方向では、鋳型全幅に蒸着した。また、比較のために、全面にクロムメッキした鋳型（従来例１）と、特許文献４を再現したニッケルを格子状にメッキした鋳型（従来例２）と、全面にＴｉＮ膜を蒸着した鋳型（比較例）も準備した。
【００３４】
これらの鋳型を使用して、炭素含有量が０．０８〜０．１３質量％（以下「％」と記す）の中炭素鋼を、モールドパウダー（組成：ＳｉＯ2 ；３５％、Ａｌ2 Ｏ3 ；６．４％、ＣａＯ；２６％、ＭｇＯ；１．８％、Ｆ；２．９％、Ｎａ2 Ｏ；４．８％、１３００℃粘度＝４．１Poise ）を使用して、引き抜き速度２．３ｍ／分で鋳造し、厚みが２２０ｍｍ、幅が１５００ｍｍから１７００ｍｍのスラブ鋳片を製造した。鋳造量は、１チャージの溶鋼量が２８０トンで５００チャージである。また、鋳型表面状況も観察した。
【００３５】
尚、鋳型の表面材料と上記組成の溶融状態のモールドパウダーとの濡れ角は、ＴｉＮで１７度、クロム及びニッケルで４４度であった。濡れ角は、横型管状電気炉を使用し、Ａｒ雰囲気中でＴｉＮ、クロム、及びニッケルを被覆したＳＵＳ３０４基板上に、溶融させた後に固化させた、フリーカーボンを含まないモールドパウダー粉末１ｇ（１００メッシュ）を成形してタブレットとしたものを乗せ、昇温速度１０℃／分で炉温制御し、１１４０℃において測定した。
【００３６】
鋳型表面の被覆層の設置条件及び試験結果を表１に示す。表１からも明らかなように、本発明の鋳型を使用することで、パターンＡ、パターンＢ、パターンＣの何れの場合も、鋳片表面の縦割れ並びに鋳型表面が安定して改善されることが確認された。
【００３７】
【表１】
2006205243.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る鋳型を構成する鋳型長辺銅板の一部分の正面概略図である
【図２】本発明に係る鋳型を構成する鋳型長辺銅板の一部分の正面概略図である
【図３】発明に係る鋳型を構成する鋳型長辺銅板の一部分の正面概略図である
【図４】図１〜３に示す鋳型長辺銅板の断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  鋳型銅板
２  銅母材
３  クロムメッキ層
４  被覆層                                                                                
【図１】
2006205243.tif 000004
【図２】
2006205243.tif 000005
【図３】
2006205243.tif 000006
【図４】
2006205243.tif 000007