(57)【要約】【課題】添加する合金元素の添加量等を制限することなく、鋳片の表層濃度が内部に比べて高い鋳片を鋳造する方法、およびその装置、さらには鋳片を提供することを目的とする。【解決手段】凝固開始点よりも下方に鋳型幅方向にほぼ一様な磁束密度分布を有する直流磁場を厚み方向に印加し、かつその直流磁場を印加している領域よりも上方の溶鋼プール中に溶質元素を添加しつつ、直流磁場印加領域よりも下方に溶鋼を供給する連続鋳造方法において、直流磁場を印加している領域よりも上方プールの溶鋼を加熱して、凝固開始点を湯面よりも下方とし、表層が内層と異なる成分の鋳片を鋳造することを特徴とする連続鋳造方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝固開始点よりも下方に鋳型幅方向にほぼ一様な磁束密度分布を有する直流磁場を厚み方向に印加し、かつその直流磁場を印加している領域よりも上方の溶鋼プール中に溶質元素を添加しつつ、直流磁場印加領域よりも下方に溶鋼を供給する連続鋳造方法において、直流磁場を印加している領域よりも上方プールの溶鋼を加熱して、凝固開始点を湯面よりも下方とし、表層が内層と異なる成分の鋳片を鋳造することを特徴とする連続鋳造方法。
【請求項２】
鋳片の表層厚み、および鋳片表層部に添加する溶質元素の濃度を、下記関係式を用いて調整することを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造方法。
ｄ＝Ｋ×（Ｌ／Ｖｃ）ｎ
ｑ＝｛Ｗ×Ｔ−（Ｗ−２×ｄ）×（Ｔ−２×ｄ）｝×ρ×Ｖｃ
Ｑ＝α×ｑ×△Ｃ／１００
Ｗ：鋳型幅
Ｔ：鋳型厚み
Ｋ，ｎ：凝固シェルの成長速度係数
ρ：溶鋼密度
Ｖｃ：鋳造速度
Ｑ：溶質元素の添加速度
△Ｃ：鋳片表層部に添加する溶質元素の濃度
ｑ：上部プール中で単位時間あたりに形成される表層質量
ｄ：鋳片の表層厚み
Ｌ：凝固開始点から直流磁場印加領域までの距離
α：添加元素によって歩留が異なることによる係数
【請求項３】
凝固開始点から直流磁場印加領域までの距離、鋳造速度のいずれか一方または双方により、鋳片の表層厚みを調整することを特徴とする請求項１または２に記載の連続鋳造方法。
【請求項４】
直流磁場を印加している領域よりも上方の溶鋼プール中の溶質元素の濃度に応じて、溶質元素の添加速度を調整することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の連続鋳造方法。
【請求項５】
直流磁場を印加している領域よりも上方の溶鋼プールを加熱する手段として、誘導加熱コイルを用いることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の連続鋳造方法。
【請求項６】
湯面での断面形状と鋳片断面形状が異なる装置を用いることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の連続鋳造方法。
【請求項７】
水冷鋳型内に鋳型幅方向にほぼ一様な磁束密度分布を有する直流磁場を厚み方向に印加する機能を有する直流磁場コイルと、鋳型内に溶鋼を注入するための浸漬ノズルの先端が該直流磁場コイルよりも下方である浸漬ノズルと、該直流磁場コイルよりも上方に溶質元素を添加可能な装置が設置された連続鋳造装置において、該直流磁場コイルよりも上方を加熱する機能を有することを特徴とする連続鋳造装置。
【請求項８】
直流磁場コイルよりも上方を加熱する機能として、耐火物製容器を介して、その外周に誘導加熱コイルが設置されたことを特徴とする請求項７に記載の連続鋳造装置。
【請求項９】
直流磁場コイルの印加位置が水冷鋳型内で調整可能であることを特徴とする請求項７または８に記載の連続鋳造装置。
【請求項１０】
耐火物製容器の断面形状と水冷鋳型の断面形状が異なることを特徴とする請求項８または９に記載の連続鋳造装置。
【請求項１１】
請求項１〜６いずれかに記載の連続鋳造方法によって得られた表層と内層が異なる成分からなる鋳片であって、表層の厚みが１ｍｍ以上で、かつ鋳片厚の２０％以下であることを特徴とする鋳片。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳片表層の濃度が内部と比較して高い濃度からなる鋳片を鋳造する方法ならびにそのための装置、およびそのようにして鋳造された鋳片に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳片の表層と内部の濃度が異なる鋳片の製造方法としては、例えば、特許文献１に鋳型幅方向にほぼ一様な磁束密度の直流磁場をプール厚み方向に印加することでストランドプールを上下に分割できる構造とし、その直流磁場印加領域をはさんでストランドプールの上下異なる位置に設置された長さの異なる二つの浸漬ノズルから異なる成分組成の溶鋼を供給することで表層と内層の成分が異なる鋳片の製造方法が開示されている。
【０００３】
また、より簡便に表層と内部の濃度が異なる鋳片の製造方法として、鋳型幅方向にほぼ一様な磁束密度分布を有する直流磁界を厚み方向に印加し、その直流磁界を印加している領域よりも上部プールにワイヤーで合金元素を添加しつつ鋳造する方法が特許文献２に、また潤滑剤として使用されるパウダー中に合金元素を含有させ、それを鋳型内に供給しつつ鋳造する方法が特許文献３に、それぞれ開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭６１−２５２８９８号公報
【特許文献２】
特開平３−２４３２４５号公報
【特許文献３】
特開平８−２９０２３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の方法においては、表層と内層の組成が全く異なる鋳片を製造することが可能となるものの、２つの溶鋼、取鍋、タンディッシュならびに浸漬ノズルを用意する必要があり、製造コストがかかること、加えて、表層溶鋼と内層溶鋼、それぞれの注湯量を正確に制御する必要がある。
【０００６】
また、特許文献２のような鋳片の表層部の濃度が内部に比べて高くなるようにするワイヤー添加方法、また、特許文献３のようなパウダー層からの溶質元素の添加方法のいずれにおいても、パウダー層を介して溶質元素を添加するため、パウダー巻き込みの影響は避けられないこと、また、鋳型内溶鋼プール中の溶鋼過熱度を利用して溶解させるため、添加する溶質元素の量に制限があること、パウダー潤滑を利用するため、添加する溶質元素の種類に制限がある等の課題があった。
【０００７】
本発明は、添加する溶質元素の種類や添加量等を制限することなく、鋳片内部に比べて表層濃度が高い鋳片を鋳造する方法、およびその装置、さらには鋳片を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものでその要旨は次のとおりである。
（１）  凝固開始点よりも下方に鋳型幅方向にほぼ一様な磁束密度分布を有する直流磁場を厚み方向に印加し、かつその直流磁場を印加している領域よりも上方の溶鋼プール中に溶質元素を添加しつつ、直流磁場印加領域よりも下方に溶鋼を供給する連続鋳造方法において、直流磁場を印加している領域よりも上方プールの溶鋼を加熱して、凝固開始点を湯面よりも下方とし、表層が内層と異なる成分の鋳片を鋳造することを特徴とする連続鋳造方法。
（２）  鋳片の表層厚み、および鋳片表層部に添加する溶質元素の濃度を、下記関係式を用いて調整することを特徴とする（１）に記載の連続鋳造方法。
【０００９】
ｄ＝Ｋ×（Ｌ／Ｖｃ）ｎ
ｑ＝｛Ｗ×Ｔ−（Ｗ−２×ｄ）×（Ｔ−２×ｄ）｝×ρ×Ｖｃ
Ｑ＝α×ｑ×△Ｃ／１００
Ｗ：鋳型幅
Ｔ：鋳型厚み
Ｋ，ｎ：凝固シェルの成長速度係数
ρ：溶鋼密度
Ｖｃ：鋳造速度
Ｑ：溶質元素の添加速度
△Ｃ：鋳片表層部に添加する溶質元素の濃度
ｑ：上部プール中で単位時間あたりに形成される表層質量
ｄ：鋳片の表層厚み
Ｌ：凝固開始点から直流磁場印加領域までの距離
α：添加元素によって歩留が異なることによる係数
（３）  凝固開始点から直流磁場印加領域までの距離、鋳造速度のいずれか一方または双方により、鋳片の表層厚みを調整することを特徴とする（１）または（２）に記載の連続鋳造方法。
（４）  直流磁場を印加している領域よりも上方の溶鋼プール中の溶質元素の濃度に応じて、溶質元素の添加速度を調整することを特徴とする（１）〜（３）いずれかに記載の連続鋳造方法。
（５）  直流磁場を印加している領域よりも上方の溶鋼プールを加熱する手段として、誘導加熱コイルを用いることを特徴とする（１）〜（４）いずれかに記載の連続鋳造方法。
（６）  湯面での断面形状と鋳片断面形状が異なる装置を用いることを特徴とする（１）〜（５）いずれかに記載の連続鋳造方法。
（７）  水冷鋳型内に鋳型幅方向にほぼ一様な磁束密度分布を有する直流磁場を厚み方向に印加する機能を有する直流磁場コイルと、鋳型内に溶鋼を注入するための浸漬ノズルの先端が該直流磁場コイルよりも下方である浸漬ノズルと、該直流磁場コイルよりも上方に溶質元素を添加可能な装置が設置された連続鋳造装置において、該直流磁場コイルよりも上方を加熱する機能を有することを特徴とする連続鋳造装置。
（８）  直流磁場コイルよりも上方を加熱する機能として、耐火物製容器を介して、その外周に誘導加熱コイルが設置されたことを特徴とする（７）に記載の連続鋳造装置。
（９）  直流磁場コイルの印加位置が水冷鋳型内で調整可能であることを特徴とする（７）または（８）に記載の連続鋳造装置。
（１０）  耐火物製容器の断面形状と水冷鋳型の断面形状が異なることを特徴とする（８）または（９）に記載の連続鋳造装置。
（１１）  （１）〜（６）いずれかに記載の連続鋳造方法によって得られた表層と内層が異なる成分からなる鋳片であって、表層の厚みが１ｍｍ以上で、かつ鋳片厚の２０％以下であることを特徴とする鋳片。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の構成について、図１を参照して以下に詳細に説明する。
【００１１】
まず、直流磁場コイル４により幅方向にほぼ一様な磁束密度分布を有する直流磁界を厚み方向に印加する。加えて、鋳型５内に溶鋼を注入する浸漬ノズル１２の先端の位置を、直流磁場を印加している領域よりも下方とし、この領域に前工程であるタンディッシュ内の成分組成の溶鋼を供給する。さらに、直流磁場で区分された上部プール７に溶質元素を添加し、上部プール７の濃度を下部プール８の濃度に比べて高くする。ここで、溶質元素とは各種の合金元素等を意味している。
【００１２】
この様な構成により、鋳片内部の組成をタンディッシュでの組成とほぼ等しくし、かつ上部プール７に溶質元素を添加することができる。
【００１３】
ここまでは今まで提案されている従来技術の方法であるが、冷却されている鋳型内溶鋼プールが有する顕熱の一部を利用して、添加した溶質元素を溶解させるため、溶質元素の添加量が過大の場合、これだけでは添加した各種の溶質元素が上部溶鋼プール中で十分に溶解しないまま、凝固が進行する恐れがある。そのため、添加する溶質元素の量に制限がある。また、鋳型と凝固シェルとの潤滑剤であるパウダーを用いて鋳造する場合、添加した溶質元素とパウダーが反応するとパウダーが変質してしまうため、添加する溶質元素も例えばＡｌ，Ｔｉ等、パウダーと反応して酸化物を形成しやすい元素は添加できない等、添加する溶質元素の種類にも自ずと制限が加えられることになる。
【００１４】
そこで、本発明では上部プール７を加熱することで、添加した溶質元素を充分に溶解でき、また添加する溶質元素の量や種類を制限することなく、外層が内部と異なる成分の鋳片を得ることができることを新たに見出した。
【００１５】
上部プール７の溶鋼を液相線温度以上に加熱することで、凝固開始点を湯面よりも下方に位置づけることができるため、上部溶鋼プールの加熱している領域での凝固は生じない。従って、上部溶鋼プール内の加熱している領域では、添加した溶質元素が溶解する過程の溶鋼、すなわち溶質元素が一部未溶解の状態を確実に防止することができる。
【００１６】
ここで、上部溶鋼プールというのは、直流磁場を印加している領域よりも上方のプールを意味しているが、加熱する領域は湯面から直流磁場を印加している領域に到達する途中までの領域とし、添加した溶質元素を充分に溶解することができる範囲で適宜設定すれば良い。
【００１７】
また、直流磁場で区分された上部プール７への合金元素の添加は、ワイヤー等６で添加することができ、添加する合金は粒状あるいは粉状の金属ならびに合金粉や塊いずれであってもよい。
【００１８】
次に、表層が内層と異なる成分の鋳片の表層厚み、および鋳片表層部の溶質元素の濃度を調整するための、具体的なパラメータについて説明する。
【００１９】
本方法では、直流磁場で区分された上部プールで形成される、所望の鋳片の表層厚みｄは、凝固開始点から直流磁場印加領域までの距離Ｌと鋳造速度Ｖｃによって以下の様に規定される。ここでＫ、ｎは凝固シェルの成長速度係数である。
【００２０】
ｄ＝Ｋ×（Ｌ／Ｖｃ）ｎ
また、鋳片の表層厚みｄになる様に、上部プール中で単位時間あたりに形成される表層質量ｑだけ上部プールの溶鋼は置き換わりながら鋳造が進行する。すなわち、鋳片の表層厚みｄと、上部プール中で単位時間あたりに形成される表層質量ｑとの関係は以下のようになる。ここで、Ｗは鋳型幅、Ｔは鋳型厚み、ρは溶鋼密度である。
【００２１】
ｑ＝｛Ｗ×Ｔ−（Ｗ−２×ｄ）×（Ｔ−２×ｄ）｝ρ×Ｖｃ
次に、鋳片表層部に添加する溶質元素の濃度△Ｃについては、上記の上部プール中で単位時間あたりに形成される表層質量ｑを用いて、溶質元素の添加速度Ｑとの関係が以下のようになる。ここで、αは添加する溶質元素によって歩留が異なることによる係数である。
【００２２】
Ｑ＝α×ｑ×△Ｃ／１００
従って、上記関係式を満足するように直流磁場で区分された上部プールに溶質元素の添加を行うことで、鋳片表層部を所望の厚み、および所望の溶質元素の濃度に調整することが可能となる。
【００２３】
なお、直流磁場印加領域においては溶質濃度が上部プール７における濃度から下部プール８における濃度に連続的に変化するため、直流磁場印加領域中では、非常に薄い凝固シェル層（溶質濃度の遷移領域層）１０が鋳片表層部と内層部の中間に形成される。
【００２４】
このように鋳片での表層厚みｄは、凝固開始点から直流磁場印加位置までの距離Ｌ、鋳造速度Ｖｃによって規定されるため、これらの一方または双方を調整することで、鋳片での表層厚みｄを制御することができる。
【００２５】
特に、凝固開始点から直流磁場印加位置までの距離Ｌの調整は、水冷鋳型内５で直流磁場コイル４を昇降できるようにすることで実施することができる。
【００２６】
また、直流磁場を印加している領域よりも上方の溶鋼プール中の溶質元素の濃度を把握し、その濃度に応じて溶質元素の添加量を調整することで、鋳造中の鋳片表層部の溶質元素濃度変動を防止できるため望ましい。
【００２７】
上部溶鋼プール中の溶質元素の濃度を把握する方法としては、通常は鋳造中に該溶鋼をサンプリングし、濃度をスパーク発光分光分析法：ＪＩＳ  Ｇ  １２５３（１９９４）あるいは蛍光Ｘ線分析法：ＪＩＳ  Ｇ  １２５６（１９９７）等で測定することで実施できる。この様に該溶鋼成分を把握した結果により、必要に応じて溶質元素の添加速度を調整することで、鋳片表層部の成分濃度の変動を防止することができる。溶鋼のサンプリング頻度は、特に規定するものではなく、適宜設定すれば良い。
【００２８】
次に、上部溶鋼プールに添加した合金元素を溶解する手段として、誘導加熱コイル１を用いることが好ましい。それは、誘導加熱コイル１を用いて凝固開始点が湯面よりも下方となるように溶鋼を加熱する際に、その熱量を添加した溶質元素を含有した合金等の溶解に使用するとともに、溶鋼プール中に形成される電磁力によって誘起された攪拌流を利用し、添加した溶質元素の混合を行うことができ、溶鋼中への溶質元素の溶解ならびにプール中での濃度の均一化をより効率的に行うことができるためである。
【００２９】
通常、誘導加熱コイル１を用いる場合は、水冷鋳型５よりも上方に設けられた耐火物製容器２の外から誘導加熱コイル１により加熱を行うことで実施する。
【００３０】
一方、耐火物製容器２の下方の水冷鋳型５の領域から抜熱量が急激に高くなるため、水冷鋳型５の領域に達した溶鋼から凝固が開始する。また、凝固開始点には溶鋼の静圧が作用するため、均一に凝固シェル９が成長する。
【００３１】
なお、耐火物製容器２と水冷鋳型５とは接触しているため、耐火物製容器２の下部では凝固が進行しやすく、凝固開始点が不安定となる可能性があるため、本方法では耐火物製容器全体を誘導加熱することで、耐火物製容器下部での凝固を防止している。
【００３２】
さらに、より確実に耐火物製容器下部での凝固を防止するために、耐火物製容器２と水冷鋳型５の間にセラミック３を挿入して、凝固開始点を一定に保持することが好ましい。
【００３３】
また、水冷鋳型５と凝固シェル９，１１の潤滑を確保するには、水冷鋳型５の一部からオイルを注入することで、オイル潤滑によって凝固シェルの拘束を回避することができる。
【００３４】
さらに本方法においては、湯面での断面形状と鋳片断面形状が異なる装置を用いても良い。これは、上部溶鋼プールを加熱している領域では凝固が進行しないため、例えば上部溶鋼プールを加熱している領域を上広がり形状として、湯面の断面積を大きくすることで鋳片の厚みが薄い場合（すなわち鋳型短辺幅が狭い場合等）においても、溶質元素の添加を容易にできるとともに、添加した溶質元素の溶解・混合が促進できるように上部プールの体積を十分確保できるというメリットを享受できる。
【００３５】
次に、本願発明の装置について説明する。
【００３６】
水冷鋳型内に鋳型幅方向にほぼ一様な磁束密度分布を有する直流磁場を厚み方向に印加する機能を有する直流磁場コイル４と、鋳型内に溶鋼を注入するための浸漬ノズルの先端が該直流磁場コイルよりも下方である浸漬ノズル１２と、該直流磁場コイル４よりも上方に溶質元素を添加可能な装置が設置された連続鋳造装置において、該直流磁場コイル４よりも上方を加熱する機能を有する装置である。
【００３７】
該直流磁場コイル４よりも上方を加熱する機能としては、特に耐火物製容器２を介して、その外周に誘導加熱コイル１が設置されたものであれば、前述の理由により好ましい。
【００３８】
ここで、耐火物製容器の材質としては、ＭｇＯ−Ｃ質、ＭｇＯ−Ｃｒ２Ｏ３質、Ａｌ２Ｏ３−Ｃ質、ＺｒＯ２−Ｃ質耐火物等、溶解炉のレンガやルツボ、浸漬ノズルとして用いられている材質の耐火物を用いることが好ましい。
【００３９】
また、直流磁場コイル４の印加位置が水冷鋳型５内で調整可能な装置については、例えば油圧シリンダー等で昇降可能な装置の上に直流磁場コイルを設置することにより直流磁場コイルの印加位置を調整できる。
【００４０】
さらに、耐火物製容器２の断面形状と水冷鋳型５の断面形状が異なる装置としては、例えば水冷鋳型上に設置された耐火物製容器を上広がり状とすることで、鋳片断面形状に対して上部プールの体積を大きくすることができ、溶質元素の添加を容易にするとともに添加した溶質元素の上部プール中での溶解および混合を容易にすることができる。
【００４１】
本願発明の連続鋳造方法によって得られた鋳片は、次工程で加熱炉に挿入され、スケール（鉄の酸化物）が形成される。その厚みは鉄質量換算で１ｍｍ未満であるため、鋳片での表層厚みの最小値は１ｍｍ以上は確保する必要がある。
【００４２】
一方、表層と内層が異なる成分組成の鋳片を圧延し、薄板に加工した場合においても、表層としての機能を満足するには、鋳片厚に対して２０％程度あれば十分であるため、上限値は鋳片厚の２０％とする。なお、表層厚みの上限値を絶対値で規定していないのは、鋳片厚によって必要とされる表層厚みが異なることによる。
【００４３】
【実施例】
発明者らは、表１に示す条件で鋳造を行い、本方法の原理を確認した。鋳造して得た鋳片を切り出し鋳片内での溶質元素濃度分布を調べた結果を図２に、また、鋳片の凝固組織から表層厚みの幅方向の溶質元素濃度分布を測定した結果を図３に示す。
【００４４】
本発明で述べた方法を用いることで、鋳片の表層部の溶質元素濃度が内部に比べて高く、かつその周方向での表層厚みが一様な鋳片が製造できることがわかった。また、添加する溶質元素がＡｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｐ，Ｓ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗの条件についても同様な実験を行ったが、図２、図３と同様な結果を得ることができた。
【００４５】
加えて、本発明においては、直流磁場の印加位置ならびに鋳造速度をともに調整することができるため、鋳片厚が２５０ｍｍの条件で表層厚を１ｍｍから５０ｍｍまで何ら操業トラブルが発生することなく変更することができた。さらに、鋳片サイズが５０ｍｍ×１２００ｍｍの鋳片を鋳造するほぼ同サイズの鋳型を用いて鋳造する場合、上部にセットした耐火物製容器を幅１２００ｍｍはそのままで厚み方向を１００ｍｍまで拡大することで、溶質元素の添加を容易に行えるとともに上部プールを十分確保でき、かつ添加した溶質元素の溶解混合を容易に行うことができた。
【００４６】
【表１】
2004330241.tif 000003
【００４７】
【発明の効果】
本発明により、鋳片の表層部の溶質元素濃度が内部に比べて高い鋳片を鋳造する際に、添加する合金元素の添加量等を制限することなく、また複数の元素の濃度を同時に高くしながら、鋳片内部に比べて表層濃度が高い鋳片を鋳造することができる。
【００４８】
また、鋳片の表層厚みについても、変更できる自由度が大きいため、様々な目的に対して本発明を適用することができる。
【００４９】
加えて、本発明は鋳片断面形状に何ら制約はなく、スラブ、ブルーム、ビレット鋳造に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を模式的に示した図である。
【図２】本発明の方法を用いて鋳造した結果の一例で、（ａ）は鋳片内でのＣ濃度の分布を調査した結果を示した図、（ｂ）は鋳片厚み方向でのＣ濃度の分布を示した図である。
【図３】本発明の方法を用いて鋳造した結果の一例で、凝固組織から表層厚みを求め、その鋳片幅方向の分布を示した図である。
【符号の説明】
１…誘導加熱コイル
２…耐火物製容器
３…セラミック
４…直流磁場コイル
５…水冷鋳型
６…合金添加
７…上部プール
８…下部プール
９…上部プールで形成した凝固シェル（表層）
１０…直流磁場印加領域で形成した凝固シェル（遷移領域）
１１…下部プールで形成した凝固シェル（内層）
１２…浸漬ノズル
【図１】
2004330241.tif 000004
【図２】
2004330241.tif 000005
【図３】
2004330241.tif 000006