(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶鋼を鋳型に注入して得られた内部に未凝固溶鋼を含む断面円形のストランドに対し水冷を施して完全凝固させた後、切断して丸鋳片を得る継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備であって、
前記連続鋳造設備は、連続鋳造鋳型内メニスカスからの距離が１０ｍの位置から２５ｍの位置に至る範囲内にストランド外周面に対し１０〜５０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２の水量密度で冷却水を供給し得る偏析抑制強制冷却帯、１０〜１００Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２の水量密度で冷却水を供給し得る第１次圧縮応力付加強制冷却帯及び、０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２超６０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２以下であってかつ、前記第１次圧縮応力付加強制冷却帯よりも少ない水量密度で冷却水を供給し得る第２次圧縮応力付加強制冷却帯を順次備えるとともに、
前記各強制冷却帯が、連続鋳造される鋼の組成・成分及び連続鋳造条件から算出されるストランドの長手方向に亘る軸心部固相率ｆｓ並びに軸心部温度Ｔｃ及び連続鋳造される鋼の組成・成分から決定されるバルク溶鋼の固相線温度Ｔｓに基づき、前記各強制冷却帯に対する冷却水の水量密度を決定する冷却帯域別冷却水量密度の指示手段と、
前記各冷却帯域別スプレー水量指示手段による指示に基づいて前記各強制冷却帯においてストランド外面に冷却水を供給するスプレー水供給装置を備えてなる継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備。
【請求項２】
溶鋼が１３Ｃｒ鋼である請求項１に記載の継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備。
【請求項３】
偏析抑制強制冷却帯は、軸心部固相率ｆｓが０．３以上０．５未満である範囲内において水量密度１０〜５０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２の割合で冷却水を供給可能なものであることを特徴とする請求項２に記載の継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備。
【請求項４】
第１次圧縮応力付加強制冷却帯は、軸心部温度Ｔｃが（Ｔｓ−１４５）℃の範囲内において、水量密度１０〜１００Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２の割合で冷却水を供給可能なものであることを特徴とする請求項２又は３に記載の継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備。
【請求項５】
第２次圧縮応力付加強制冷却帯は、軸心部温度Ｔｃが（Ｔｓ−２５５）℃の範囲内において、水量密度０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２超６０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２以下の割合で冷却水を供給可能なものであることを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備。
【請求項６】
偏析抑制強制冷却帯には、第１次圧縮応力付加強制冷却帯に向けて水量密度を漸増又は漸減させる接続部を、第１次圧縮応力付加強制冷却帯には、第２次圧縮応力付加強制冷却帯に向けて水量密度を漸減させる接続部を設けてなることを特徴とする請求項１〜５に記載のいずれかの継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、丸鋳片の連続鋳造設備、特に継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備に関する。本発明に係る継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備は、特に、油井の掘削用に利用される高クロム鋼の、特に１３Ｃｒ継目無鋼管（ＡＰＩ−１３Ｃｒ鋼管）の製管用に用いられる製管用丸鋳片の連続鋳造に利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
継目無鋼管は、一般に、出発素材として丸ビレット（丸鋳片）を準備し、マンネスマン穿孔法によって穿孔した後、エロンゲータ、プラグミル又はマンドレルミル等の圧延機により延伸し、さらに、サイザーやストレッチレジューサにより定径化する一連の工程によって製造される。
【０００３】
このような丸ビレットを準備する手段として、丸ビレットを直接連続鋳造する手段が知られており、例えば、特許文献１には、連続鋳造鋳片のセンターポロシティ及び中心偏析の軽減方法として、鋳片冷却の際の熱収縮を利用する二次冷却方法が提案されている。具体的には、鋼のブルームまたはビレット連続鋳造において、残溶湯プールの鋳込み方向最先端より手前０．１〜２．０ｍの位置から鋳片中心部の固相率が０．９９以上となるまで、凝固末期強制冷却帯で鋳片表面を水量密度１００〜３００リットル／(ｍｉｎ.・ｍ２)で水冷却する方法が示されている（特許文献１：請求項１参照）。また、特許文献２には、炭素含有率が０．１質量％以下の溶鋼、またはＣｒ含有率が１質量％以上で、かつ、炭素含有率が０．１５質量％以下の溶鋼を丸鋳片に鋳造する鋳造方法において、鋳型直下からの鋳片の二次冷却を実施した後に、鋳片表面温度が１１００〜９５０℃の範囲内に達した時点で鋳片の凝固末期二次冷却を開始し、鋳片の中心部が凝固完了するまでの範囲内で該凝固末期二次冷却を継続する丸鋳片の連続鋳造方法が開示されている。
【０００４】
一方、上記のような目的をもって鋳片を冷却する手段として、例えば、特許文献３には、スプレーノズルを用いてロール隙間を通してスプレーすることにより鋳片を二次冷却する連続鋳造の二次冷却設備が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−６２５５０号公報
【特許文献２】特開２００４−３３０２５２号公報
【特許文献３】特開平９−１４１４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２に開示の手段は、鋳片中心部の固相率や鋳片表面部温度と鋳片表面に適用される冷却水の水量密度を関係付けている。しかし、単に、上記関係の下に冷却水の水量密度を関係付けても、現実に丸鋳片の連続鋳造に用いられている連続鋳造設備は、連続鋳造過程にあるストランドの凝固状態に適切に対応できるものとはなっていない。
【０００７】
例えば、油井の掘削用に利用される１３Ｃｒ継目無鋼管用の丸鋳片は、大量のＣｒを含有するため、連続鋳造する際の凝固区間が非常に長く、製品丸鋳片に、後述するＡタイプ、Ｂタイプ及びＣタイプの軸心部割れが発生し易いことが知られている。本発明者の知見によれば、これらの軸心部割れを実用レベルで低減するためには、それらの発生領域に対応して広範囲に亘り水冷条件を適正化する必要があるが、かかる機能を有する継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備は未だ提案されていない。例えば、特許文献３に記載の手段は、単に鋳片を二次冷却する際に用いるスプレーノズルが開示されているに過ぎない。
【０００８】
本発明は、上記継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造に当たり、特に、１３Ｃｒ継目無鋼管用の丸鋳片の連続鋳造に当たり、製品丸鋳片に発生する軸心部割れの発生領域に対応して適切な水量密度で水冷することができる強制冷却帯を有する連続鋳造を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、高クロム鋼の継目無鋼管製管用丸鋳片、特に１３Ｃｒ継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造過程に生ずる欠陥の発生原因について詳細な調査を行った。そして、連続鋳造の過程において、内部に未凝固溶鋼を含む段階からストランドの軸心部がマクロ偏析を含まないと仮定して完全凝固した段階に至ってもなお、従来に比べて高い水量密度で圧縮応力付加のための強制冷却を継続することにより凝固末期及びその後の冷却過程において発生する軸心部割れを効果的に低減できること及び冷却水の水量密度を、連続鋳造過程におけるストランド内の指標であるストランド軸心部の固相率ｆｓ並びに軸心部温度Ｔｃ及び連続鋳造される溶鋼のバルク固相線温度Ｔｓと関連付けて適用することにより軸心部割れを効果的に低減できることを知った。本発明に係る継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備は、かかる関連付けを具現化できるように構成されている。
【００１０】
本発明に係る継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備は、溶鋼を鋳型に注入して得られた内部に未凝固溶鋼を含む断面円形のストランドに対し水冷を施して完全凝固させた後、切断して丸鋳片を得る継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備であって、
前記連続鋳造設備は、連続鋳造鋳型内メニスカスからの距離が１０ｍの位置から２５ｍの位置に至る範囲内にストランド外周面に対し少なくとも１０〜５０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２の水量密度で冷却水を供給し得る偏析抑制強制冷却帯、少なくとも１０〜１００Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２の水量密度で冷却水を供給し得る第１次圧縮応力付加強制冷却帯及び少なくとも０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２超６０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２以下であってかつ、前記第１次圧縮応力付加強制冷却帯よりも少ない水量密度で冷却水を供給し得る第２次圧縮応力付加強制冷却帯を順次備えるとともに、
前記各強制冷却帯が、連続鋳造される鋼の組成・成分及び連続鋳造条件から算出されるストランドの長手方向に亘る軸心部固相率ｆｓ並びに軸心部温度Ｔｃ及び連続鋳造される鋼の組成・成分から決定されるバルク溶鋼の固相線温度Ｔｓに基づき、前記各強制冷却帯に対する冷却水の水量密度を決定する冷却帯域別冷却水量密度の指示手段と、
前記各冷却帯域別スプレー水量指示手段による指示に基づいて前記各強制冷却帯においてストランド外面に冷却水を供給するスプレー水供給装置を備えてなることを特徴とするものである。
【００１１】
上記発明に係る継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備は、特に、１３Ｃｒ鋼の継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造に好適に適用できる。
【００１２】
上記発明において、前記偏析抑制強制冷却帯は、軸心部固相率ｆｓが０．３以上０．５未満である範囲内において水量密度１０〜５０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２の割合で冷却水を供給可能なものとすること、前記第１次圧縮応力付加強制冷却帯は、軸心部固相率が０．５以上でありかつ、軸心部温度Ｔｃが（Ｔｓ−１４５）℃の範囲内において、水量密度１０〜１００Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２の割合で冷却水を供給可能なものとすること、及び、前記第２次圧縮応力付加強制冷却帯は、軸心部温度Ｔｃが（Ｔｓ−１４５）℃超（Ｔｓ−２５５）℃の範囲内において、少なくとも０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２超６０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２以下の割合で冷却水を供給可能なものとすることが望ましい。
【００１３】
上記各発明において、前記偏析抑制強制冷却帯と第１次圧縮応力付加強制冷却帯との間に偏析抑制強制冷却帯から第１次圧縮応力付加強制冷却帯に向けて水量密度を漸増又は漸減させる接続部を、第１次圧縮応力付加強制冷却帯と第２次圧縮応力付加強制冷却帯との間に第１次圧縮応力付加強制冷却帯から第２次圧縮応力付加強制冷却帯に向けて水量密度を漸減させる接続部を設けることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造に当たり、特に、１３Ｃｒ継目無鋼管用の丸鋳片の連続鋳造に当たり、製品丸鋳片に発生する軸心部割れの発生領域に対応して適切な水量密度で水冷することが可能となり、これにより、継目無鋼管製管用丸鋳片の軸心部割れの発生を実用レベルで抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る連続鋳造設備における強制冷却帯とその配置を示す概念図である。
【図２】１３Ｃｒ鋼継目無鋼管製管用丸鋳片に現れる内部欠陥の模式的説明図である。（ａ）Ａタイプ割れ、（ｂ）Ｂタイプ割れ、（ｃ）Ｃタイプ割れ
【図３】偏析抑制強制冷却帯の模式的説明図である。
【図４】第１次圧縮応力付加強制冷却帯の模式的説明図である。
【図５】第２次圧縮応力付加強制冷却帯の模式的説明図である。
【図６】本発明に係る連続鋳造設備の強制冷却帯の制御システムの概念図である。
【図７】本発明において適用する水量密度Ｑ（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３）をストランドの軸心部の固相率ｆｓに対して模式的に示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明に係る連続鋳造設備における強制冷却帯とその全体配置を示す概念図である。図１に示すように、本発明に係る連続鋳造設備には、二次冷却帯2に続き、偏析抑制強制冷却帯5、第１次圧縮応力付加強制冷却帯3及び第２次圧縮応力付加強制冷却帯4が設けられている。本連続鋳造設備でも、従来公知の連続鋳造設備と同様に、タンディッシュ（図示しない）から断面円形の連続鋳造鋳型1に注入された溶鋼はスプレーノズルを備えた二次冷却帯2を通過する間に凝固シェル10が成長し、内部に未凝固溶鋼11を有するストランドSが形成され、完全凝固後、矯正帯６によって矯正された後、切断手段（図示しない）によって所定長の継目無鋼管製管用丸鋳片とされる。
【００１７】
連続鋳造設備を用いて、例えば、１３Ｃｒ継目無鋼管製管用丸鋳片を連続鋳造すると、二次冷却帯ないしそれ以降の水量密度等に依存して製品丸鋳片に種々の内部欠陥が発生する。これらの内部欠陥は、典型的には、(1)Ａタイプ割れ、(2)Ｂタイプ割れ、(3)Ｃタイプ割れの３種に分類される。ここに、Ａタイプ割れは、図２（ａ）に示すように、ストランドの鋳造方向に垂直な断面の中心部に生ずる比較的小さい割れ欠陥であって、ストランドの凝固末期ないし凝固直後に生ずる収縮孔を起点として発生する星形の割れであり、後述するように一次Ａタイプ割れと復熱時Ａタイプ割れに分けられる。Ｂタイプ割れは、図２（ｂ）に示すように、ストランドの鋳造方向断面に生ずるＶ字形の割れであって、凝固中期ないし末期にかけて生ずるＶ字状偏析に由来する割れである。Ｃタイプ割れは、図２（ｃ）に示すように、ストランドの鋳造方向に垂直な断面に現れる比較的大きな開口部を有する割れであって、ストランドがほぼ凝固した後、その軸心部に掛かる復熱時の引張応力によって収縮孔が拡大することによって生ずるものである。
【００１８】
本発明においては、図1に示す連続鋳造装置において、二次冷却帯2に続き、連続鋳造鋳型1のメニスカスからの距離が１０ｍの位置から２５ｍの位置に至る範囲内に偏析抑制強制冷却帯5、第１次圧縮応力付加強制冷却帯3及び第２次圧縮応力付加強制冷却帯4を設け、これら各強制冷却帯により上記Ａタイプ割れ、Ｂタイプ割れ及びＣタイプ割れの発生を防止するために適正な水量密度による強制冷却を可能にしている。
【００１９】
偏析抑制強制冷却帯5は、前記Ｂタイプ割れを抑制するための強制冷却帯であり、図１に示すように、連続鋳造鋳型1のメニスカスの位置（Ａ）からの距離が１０ｍの位置（Ｂ）からほぼ１３ｍの位置（Ｃ）に至る範囲内に亘って設けられており、この偏析抑制強制冷却帯5の設置範囲は、少なくとも、ストランドの軸心部における固相率ｆｓが０．３の位置から０．５の位置までをカバーするようになっている。すなわち、上記メニスカスの位置（Ａ）からの距離が１０ｍの位置（Ｂ）からほぼ１３ｍの位置（Ｃ）に至る範囲は、継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造条件、例えば、成分・組成、鋳込み温度、連鋳速度、鋳型直径、さらに冷却条件（一次冷却条件、二次冷却条件を含む）などにより、ストランドSの凝固状態が変動しても、その範囲内にｆｓが０．３の位置及び０．５の位置が存在する範囲と対応している。なお、ｆｓとは、ストランド軸心部における［固相／（固相＋液相）］の質量比をいい、例えば、大中  逸雄  著  コンピュータ伝熱・凝固解析入門  １９８５年  丸善発行」の第１９６〜２０８頁に記載の「４．３．２  合金の凝固解析」等の伝熱凝固計算によって求めることができる。
【００２０】
上記偏析抑制強制冷却帯5の機能は、Ｂタイプ割れ、すなわち、図２（ｂ）に示すストランドの鋳造方向断面に沿って生ずるＶ字形の割れの発生を抑制するところにある。そのため、本発明においては、固相率ｆｓと関連付けて偏析抑制強制冷却帯5におけるストランドSの外周面への冷却水の供給能力（水量密度）を決定できるようになっている。好ましくは、偏析抑制強制冷却帯5におけるストランドSの外周面への冷却水の供給能力を、少なくとも、固相率ｆｓが０．３の位置から０．５の位置までの間に亘って、１０〜５０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２の水量密度が与えられることを可能にするものとしている。
【００２１】
図３に示すように偏析抑制強制冷却帯5においては、ストランドSの凝固シェル10が成長して厚くなるとともに、その内部では未凝固溶鋼11の凝固が進む。この未凝固溶鋼11はシェル10側では固相率が高く、ストランド中心部側では固相率が低い半凝固状態にある。凝固が進行し、未凝固溶鋼11の範囲がストランドの軸心部からほぼ３０ｍｍ以内に狭められた段階になると、ストランド内部にV字状偏析が形成され始める。このＶ字状偏析は、凝固の進行に伴い、ストランド中心部に残留したいわゆる濃化溶鋼が、周囲のシェルの収縮との体積バランスを保つため、濃化溶鋼が下方に引き込まれる現象によって生ずるものと推定されており、製品丸鋳片のV字形内部欠陥（Ｂタイプ割れ）の原因になるものである。本発明に係る偏析抑制強制冷却帯は、このV字状偏析が形成される領域（区間）にあるストランドを強制的に冷却することを可能にしてその生成を抑制するものである。
【００２２】
Ｖ字状偏析部は、Ｃ，Ｓ，Ｐなどが濃化されているほか、Ｃｒが濃化して硬質のＣｒ炭化物として析出（晶出）している領域であり、Ｂタイプ割れの発生個所となる。本発明者の知見によれば、その発生の抑制は、上記V字状偏析の生成範囲に亘って、水量密度Ｑ３を１０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２以上とすることにより可能となり、特に１５Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２以上とすることにより一層確実になる。しかしながら、水量密度が５０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２を超えると、ストランドに曲がりが生じ、連続鋳造操業を円滑に行うことができなくなるという問題を生ずる。
【００２３】
上記偏析抑制強制冷却帯5における強制水冷機能は、ストランド軸心部の固相率ｆｓが０．３〜０．５の範囲に亘って行えるようにすることが望ましい。ｆｓが０．３未満の箇所から水冷を強化しても、Ｖ字状偏析部の発生によるＢタイプ割れの低減効果が得られない。一方、ｆｓが０．５を超えると、すでに生成したＶ字状偏析を解消することはできず、もはやＢタイプ割れの低減効果が得られない。
【００２４】
上記機能を発揮させるために、偏析抑制強制冷却帯5は、具体的には、図３に示すように構成されている。すなわち、ストランドSを取り囲むようにヘッダー51が設けられ、このヘッダー51に流量制御バルブ52を介してスプレーノズル53が取り付けられている。したがって、スプレーノズル53からストランドSに噴射される冷却水の流量は、流量制御バルブ52よって個別に又は２又は数個をグルーピングして制御することができる。また、固相率ｆｓが０．３の位置から０．５の位置までの間に亘って必要な量の冷却水を、例えば、均一な水量密度で、或いは、必要があれば、ストランドＳの下流側に向かって次第に水量密度を大ならしめて、続く第１次圧縮応力付加強制冷却帯の水量密度への円滑な移行できるようにすることも可能である。なお、ストランドSは、公知のように、図示されていない断面が鞍形のサポートロールにより下流方向に導かれるが、上記スプレーノズル53が、サポートロールと干渉しないようにすることは当然である。
【００２５】
偏析抑制強制冷却帯5に続いて、第１次圧縮応力付加強制冷却帯3が設けられる。この第１次圧縮応力付加強制冷却帯3は、ストランド軸心部が凝固するとき発生するＡタイプ割れの発生を防止するためにストランドSを強制水冷する帯域であり、その設置範囲は、その範囲内にｆｓが０．５の位置及びストランドの軸心部における温度Ｔｃが（Ｔｓ−１５５℃）となる位置が存在するように採る。具体的には、図1に示すように、前記偏析抑制強制冷却帯5の出口側（図１の（B））から連続鋳造鋳型1のメニスカスからの距離がほぼ１５ｍの位置に至る範囲とするのがよい。これにより、継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造条件、例えば、成分・組成、鋳込み温度、連鋳速度、鋳型直径、さらには、冷却条件などの変動により、ストランドSの凝固状態が変動しても、その範囲内にｆｓが０．５となる位置及びストランドの軸心部における温度Ｔｃが（Ｔｓ−１５５℃）となる位置が存在するようになる。なお、ストランドの軸心部における温度Ｔｃは、例えば、大中  逸雄  著  コンピュータ伝熱・凝固解析入門  １９８５年  丸善発行」の第１９６〜２０８頁に記載の「４．３．２  合金の凝固解析」等の伝熱凝固計算によって求めることができ、一方、Ｔｓは、例えば、市販の状態図計算ソフト「Thermocalc」(Thermocalc software Inc.)を利用して算出することができる。
【００２６】
第１次圧縮応力付加強制冷却帯3の機能は、Ａタイプ割れ、特にストランド軸心部の凝固末期に発生する一次Ａタイプ割れの発生を抑制するところにある。そのため、第１次圧縮応力付加強制冷却帯3におけるストランド外周面の冷却水の供給能力Ｑ１を、連続鋳造過程における一次Ａタイプ割れの形成を抑制できるようにする必要がある。
【００２７】
図４に示すように第１次圧縮応力付加強制冷却帯3においては、ストランドSの凝固シェル10が成長して厚くなるとともに、その内部では未凝固溶鋼11の凝固が進む。また、ストランドSの中心部温度ＴｃがＴｓ、すなわち、連続鋳造に供されるバルク溶鋼の固相線温度に達すると、固相率ｆｓ：１の状態、すなわちマクロ的には未凝固溶鋼11の残っていないと推定される状態になる。なお、上記Ｔｃ及びＴｓは、例えば、市販の状態図計算ソフト「Thermocalc」(Thermocalc software Inc.)を利用して算出することができる。
【００２８】
上記一次Ａタイプ割れは、連続鋳造過程においてストランド軸心部の凝固がある程度進行した後、軸心部の温度が熱間延性の発現する温度に低下するまでの間に軸心部に引張応力が作用することによって生ずるものであると推定されている。したがって、前記ストランドSの中心部温度Ｔｃが連続鋳造に供されるバルク溶鋼の固相線温度Ｔｓに達し、固相率ｆｓ：１の状態、すなわち前記マクロ的には未凝固溶鋼11の残っていないと推定される状態になってもなお、軸心部の凝固物が熱間延性発現温度となるまでは、軸心部を圧縮応力下に維持しておく必要がある。かかる領域は、固相率ｆｓ：０．５の箇所から軸心部の部材がそこに生ずる引張応力が８ＭＰａに耐え得る状態になるまでの範囲である。ｆｓが０．５未満の上流側の領域では、軸心部の溶鋼の流動性が高く、一次Ａタイプ割れの発生は認められず、一方、軸心部の温度が十分低下して軸心部の部材がそこに生ずる８ＭＰａ程度引張応力に耐えられるようになれば、一次Ａタイプ割れはもはや発生しなくなる。かかる８ＭＰａ程度引張応力に耐えられるようになる軸心部温度は、例えば、１３Ｃｒ鋼においては（Ｔｓ−１４５）℃であることが確認されている。
【００２９】
なお、上記軸心部の熱間強度は、その凝固過程における１×１０−３／ｓの低速の高温熱間引張試験を行って測定されるものであり、本発明においては、代表的適用鋼種である１３Ｃｒ鋼を例にとり、その凝固過程において有意な断面減少率を獲得する温度が１３００℃であると決定され、そのＴｓとの差が１４５℃であることに基づき上記第１次圧縮応力付加強制冷却の適用範囲が（Ｔｓ−１４５）℃となるまでと決定されている。
【００３０】
上記知見に基づき、本発明においては、一次Ａタイプ割れを抑制するため、第１次圧縮応力付加強制冷却帯3の冷却水の供給能力をストランドSの外表面に対し、水量密度：１０〜１００Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２を与えることを可能にしている。水量密度が１０Ｌ／ｍ２／ｍｉｎ未満ではストランド表面と軸心部との間の温度勾配が小さく、ストランド軸心部に十分な圧縮応力を掛けることができないためであり、一方、水量密度が１００Ｌ／ｍ２／ｍｉｎを超えると、周方向での冷却の不均一が生じた場合、半径方向での引張応力が大きくなり、その結果、軸心部に掛る引張応力が大きくなりすぎ、Ｃタイプ割れが発生し、さらに、ストランドを切断して得た製品丸鋳片に反りが残存するためそれ以上の水量密度での冷却は不必要であるからである。
【００３１】
第１次圧縮応力付加強制冷却帯3は、具体的には、図４に示すように構成され、ストランドSを取り囲むようにヘッダー31が設けられている。このヘッダー31に流量制御バルブ32を介してスプレーノズル33が取り付けられており、スプレーノズル33からストランドSの外表面に噴射される冷却水の流量は、一時Ａタイプ割れの発生領域に対応して、流量制御バルブ32によって個別に又は数個をグルーピングして制御することができるようになっている。このように構成することにより、前述の偏析抑制強制冷却帯3の出側からストランドの軸心部における温度Ｔｃが軸心部の部材の強度が十分高くなるまで、１３Ｃｒ鋼についていえば、軸心部温度Ｔｃが（Ｔｓ−１４５℃）となる位置までの間に亘って第１次圧縮応力付加強制冷却帯４に必要な水量密度による冷却を可能になっている。上記冷却は、均一な水量密度で行うことのほか、必要があれば、ストランドＳの下流側に向かって次第に水量密度を小ならしめ、続く第２次圧縮応力付加強制冷却帯の水量密度への円滑な移行を可能にすることもできる。
【００３２】
なお、図４に示すように、ストランドS内における固相率ｆｓ：０．５の点は前述の偏析抑制強制冷却帯5内にある。したがって、第１次圧縮応力付加強制冷却帯3における強制水冷機能を、ストランドSの軸心部固相率ｆｓが０．５以上の範囲で発揮させるためには、偏析抑制強制冷却帯5の出側近傍における水冷機能を高め、水量密度が１００Ｌ／ｍ２／ｍｉｎまでの冷却を可能にしておくことが望ましい。
【００３３】
第１次圧縮応力付加強制冷却帯3に続いて、第２次圧縮応力付加強制冷却帯4が設けられる。この第２次圧縮応力付加強制冷却帯4は、特に復熱時Ａタイプ割れの発生を防止するためにストランドSを強制水冷する帯域であり、その設置範囲内にストランドの軸心部における温度Ｔｃが（Ｔｓ−２５５℃）となる位置が含まれるようにする。具体的には、図１に示すように、前記第１次圧縮応力付加強制冷却帯３の出口側（図１の（Ｄ））から連続鋳造鋳型1のメニスカスからの距離が２５ｍの位置に至る範囲内にとる。これにより、継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造条件、例えば、成分・組成、鋳込み温度、連鋳速度、鋳型直径、さらには冷却条件などにより、ストランドSの凝固状態が変動しても、その範囲内にストランドの軸心部における温度Ｔｃが（Ｔｓ−２５５℃）となる位置が含まれるようになる。
【００３４】
上記第２次圧縮応力付加強制冷却帯４の機能は、Ａタイプ割れ、特に、前記第１次圧縮応力付加強制冷却の後、例えば、ストランドSを空冷状態に放置するときに発生する復熱時Ａタイプ割れを抑制するところにある。そのため、第２次圧縮応力付加強制冷却帯4における冷却水の供給能力を、ストランド外周面に対し０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２超６０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２以下の水量密度を与え得るものとしなければならない。また、後述する理由により、第２次圧縮応力付加強制冷却帯は、前記第１次圧縮応力付加強制冷却帯よりも少ない水量密度が与えられるようにしなければならない。
【００３５】
図５に示すように、第２次圧縮応力付加強制冷却帯4の設置区間においては、未凝固溶鋼11はほとんど認められなくなっている。しかしながら、本発明者の知見によれば、ストランドSの軸心部は、その部材の引張応力が十分高く、例えば、８ＭＰａを超える温度になる状態、１３Ｃｒでは（Ｔｓ−１４５）℃以下となってもなお存在する濃化溶鋼の凝固時に発生する直径数ｍｍ程度の収縮孔、或いは第１次圧縮応力付加強制冷却の際に生じた収縮孔が存在する。復熱時Ａタイプ割れは、かかる収縮孔の周辺に過大な引張応力が掛ることによって生ずるものであると推定される。
【００３６】
第２次圧縮応力付加強制冷却帯4の設置区間は、この復熱時Ａタイプ割れの発生限界をカバーするようにしなければならない。この発生限界は、例えば、連続鋳造により得られたストランド（丸鋳片）の軸心部のＣｒの偏析状態をＥＰＭAによって観察し、軸心部のＣｒ偏析部の９５％（ＥＰＭＡの観察画素数比）をカバーするＣｒ濃度を測定することによって決定することができる。１３Ｃｒ鋼を例にとれば、かかるＣｒ濃度は、１４．５ｍａｓｓ％であり、このＣｒ濃度の凝固温度に対応する凝固温度は、１１９０℃、すなわち、（Ｔｓ−２５５）℃である。
【００３７】
上記第２次圧縮応力付加強制冷却帯４の水冷機能は、ストランド外表面に対し６０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２までの水量密度を与え得るものとしなければならない。６０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２までの水量密度は、第２次圧縮応力付加強制冷却を行うことにより、圧縮応力−引張応力転換点（連続鋳造鋳型中の溶鋼メニスカスから下流側への距離）が大きくなる効果を与えるものであるが、それを超えると製品丸鋳片に生ずる鋳片反りが大幅に増大するのでこれを超える水冷能力は必要ではない。
【００３８】
なお、第２次圧縮応力付加強制冷却帯４の冷却水の水量密度Ｑ２は前記第１次圧縮応力付加強制冷却帯の水冷密度Ｑ１より少なくなるようにしなければならない。Ｑ１≦Ｑ２とすると、上記圧縮応力−引張応力転換点を下流側に引下げる効果は認められるものの、ストランドの温度の低下が過大になるため、矯正帯（図１参照）での矯正力（曲げ応力）が過大となる。それにより、矯正スタンドが破損し、あるいは、製品丸鋳片に鋳片反りが残る原因となる。そのため、第２次圧縮応力付加強制冷却帯には前記第１次圧縮応力付加強制冷却帯との関係において前記第１次圧縮応力付加強制冷却帯よりも少ない水量密度で冷却水を供給する制御機構を具備する必要がある。
【００３９】
第２次圧縮応力付加強制冷却帯4は、具体的には、図５に示すように構成され、上記各機能を達成可能にしている。すなわち、ストランドSを取り囲むようにヘッダー41が設けられ、このヘッダー41に流量制御バルブ42を介してスプレーノズル43が取り付けられている。また、スプレーノズル43からストランドSに噴射される冷却水の流量は、流量制御バルブ42によって個別に又は数個をグルーピングして制御することができるように構成されている。このように構成することにより、前述の第１次圧縮応力付加強制冷却帯3の出側からストランドの軸心部における温度Ｔｃが復熱時Ａタイプ割れの発生限界を下回るように、１３Ｃｒでは、（Ｔｓ−２５５℃）となる位置までの間に亘って必要な水量密度による冷却を可能になっている。
【００４０】
なお、図５に示すように、ストランドS内における（Ｔｓ−１４５）℃の点は前述の第１次圧縮応力付加強制冷却帯3内にある。したがって、復熱時Ａタイプ割れの発生を抑制するためには、第１次圧縮応力付加強制冷却帯3内の出側近傍における水冷機能を漸減させて続く第２次圧縮応力付加強制冷却帯４において要求される冷却水の水量密度に円滑に移行できるようにしておくことが望ましい。
【００４１】
本発明に係る継目無鋼管製管用丸鋳片の連続鋳造設備の各強制冷却帯は、上記のとおり構成されており、その稼働により、内部欠陥の発生を抑制することができる。その操業に当たっては、図６に示すように溶鋼成分や連続鋳造条件からストランド内の凝固状態を推定し、その結果に基づいて、各強制冷却帯に適用する水冷パターンを作成し、その水冷パターンを具現化できるように水冷バルブの開閉・制御が行われるようにする。
【００４２】
以下、偏析抑制強制冷却帯5の作動を例にとって説明する。まず、ストランド凝固状態推定演算装置に溶鋼成分、連続鋳造条件及び偏析抑制強制冷却帯における基本水冷パターン（水量密度分布）が入力される。これにより、伝熱凝固計算によりストランドの長手方向に亘る各位置の固相率ｆｓが演算される。溶鋼成分としては取鍋分析値が用いられる。伝熱凝固計算のためには、連続鋳造条件として、鋳造温度、鋳型直径（内径）、引抜速度（連鋳速度）、一次冷却（冷却水量）、二次冷却条件（水量密度）等ストランドの凝固状態に対する影響因子が、また、初期条件として基本水冷パターン設定装置から偏析抑制強制冷却帯5の基本水冷パターン（水量密度）が用いられる。
【００４３】
上記演算結果に基づき、偏析抑制強制冷却帯5のストランド長手方向に亘る水量密度パターンを操業水冷パターンとして決定する。具体的には、固相率ｆｓ：０．３〜０．５の範囲が偏析抑制強制冷却帯5の中に位置し、かつ、上記範囲内で所期のＶ字状偏析の発生抑制が可能な水量密度が与えられるように偏析抑制強制冷却帯5のストランド長手方向に設置されている各スプレーノズル53の流量制御バルブ52の開度を設定する。
【００４４】
上記により設定された開度により流量制御バルブ52を開閉制御が行われ、これにより、偏析抑制強制冷却帯5においてＶ字状偏析の発生の抑制を図ることが可能となる。この操業の結果得られる偏析抑制強制冷却帯5における各スプレーノズルの水量は、流量制御バルブ又はそれに付随する流量計から基本水冷パターン設定装置にフィードバックされ、その修正が行われる。
【００４５】
第1次圧縮応力付加強制冷却帯３及び第２次圧縮応力付加強制冷却帯4における作動制御も上記偏析抑制強制冷却帯5における場合に倣って行うことができる。ただし、第1次圧縮応力付加強制冷却帯3においては、Ｔｓ（ｆｓ：１）及び軸心部の温度が十分低下して軸心部の部材がそこに生ずる８ＭＰａ程度引張応力に耐えられるようになる点、１３Ｃｒ鋼ではＴｃ：Ｔｓ−１４５℃の点を基準にして必要な水量密度が与えられるように操業され、また、第２次圧縮応力付加強制冷却帯4においては、軸心部のＣｒ偏析部の９５％（ＥＰＭＡの観察画素数比）をカバーするＣｒ濃度、１３Ｃｒ鋼においては、Ｔｃ：Ｔｓ−２５５℃の点を基準にして必要な水量密度が与えられるように、さらに第２次圧縮応力付加強制冷却帯4における水量密度が第1次圧縮応力付加強制冷却帯3の水量密度よりも少なくなるように操業される。
【００４６】
上記各強制冷却帯の作動制御において、固相率ｆｓ：０．３〜０．５の間においてはＶ字状偏析、固相率０．３〜Ｔｃ：Ｔｃ＝（Ｔｓ−１４５）℃の間では一次Ａタイプ割れ、Ｔｃ：（Ｔｓ−１４５℃）〜Ｔｃ：（Ｔｓ−２５５）℃の間では復熱時Ａタイプ割れの発生の抑制に必要な冷却水が与えられるようにする必要がある。これを確実にするためには、例えば、偏析抑制強制冷却帯5において、固相率ｆｓ：０．５の点以降の流量制御バルブ52を制御して、ノズル53から放出される冷却水の水量密度を第1次圧縮応力付加強制冷却帯3において与えられるものと一致するようにすればよい。同様の手段を、第１次圧縮応力付加強制冷却帯3においてもとることができる。
【００４７】
さらに、偏析抑制強制冷却帯5における作動制御を、固相率ｆｓ：０．３〜０．５の間において次第に水量密度を上昇させ、固相率ｆｓ：０．５の点において第1次圧縮応力付加強制冷却帯3において必要とされる水量密度に一致させることもできる。このような水量密度の漸増又は漸減は第1次圧縮応力付加強制冷却帯3においても行うことができるよう、制御システムを構築することができる。
【００４８】
図７は、本発明に係る連続鋳造装置を操業する際のストランド内各帯域におけるストランド軸心部の温度、固相率及び適用水量密度Ｑ（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３）の関係を模式的に図示したものである。ここに示すように、まず、偏析抑制冷却帯で比較的少ない水量密度Ｑ３による冷却が行われ、Ｂタイプ割れの発生が阻止され、次いで、第１次圧縮応力付加冷却帯で高水量密度Ｑ１の冷却が行われ、凝固末期のＡタイプ割れ、Ｃタイプ割れの発生が阻止され、最後に、第２次圧縮応力付加強制冷却帯で第１次圧縮応力付加強制冷却帯より少ない水量密度Ｑ３の冷却が行われ、復熱時Ａタイプ割れの発生が阻止される。
【符号の説明】
【００４９】
1：連続鋳造鋳型
2：二次冷却帯
3：第1次圧縮応力付加強制冷却帯
4：第２次圧縮応力付加強制冷却帯
5：偏析抑制強制冷却帯
6：矯正帯
10：凝固シェル
11：未凝固溶鋼
31：ヘッダー
32：流量制御バルブ
33：スプレーノズル
41：ヘッダー
42：流量制御バルブ
43：スプレーノズル
51：ヘッダー
52：流量制御バルブ
53：スプレーノズル
S：ストランド
【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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【図６】
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【図７】
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