(57)【要約】【課題】凝固組織の微細等軸晶化を図り偏析粒径を極小化するために必要な鋳造条件を、鋳片サイズ、鋳造速度等の条件に応じて設定することが可能な鋳造方法及び鋳造装置を提供すること。【解決手段】流動解析と伝熱凝固解析により凝固シェル前面の流速、凝固速度、温度勾配及び各厚みでの冷却速度、残溶融金属プール中の温度分布をそれぞれ求める。これらから流れによって洗浄される固相率とその洗浄領域中にあるデンドライト二次枝の個数を求め、二次枝が残溶融金属プール中に排出される量と残溶融金属プール中の温度分布に基づき溶融金属プール中での二次枝の個数密度を推定する。このようにして求めた個数密度を用いて表される偏析粒径を鋳片サイズによって決まる偏析粒径許容値以下となるように鋳造条件を設定すること。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の連続鋳造に際し、流動解析と伝熱凝固解析により凝固シェル前面の流速、凝固速度、温度勾配及び各厚みでの冷却速度、残溶融金属プール中の温度分布をそれぞれ求めるとともに、これらから流れによって洗浄される固相率とその洗浄領域中にあるデンドライトの二次枝の個数を求め、二次枝が残溶融金属プール中に排出される量と残溶融金属プール中の温度分布に基づき溶融金属プール中での二次枝の個数密度を推定し、この個数密度を用いて表される偏析粒径を鋳片サイズによって決まる偏析粒径許容値以下となるように鋳造条件を設定して鋳造を行うことを特徴とする金属の鋳造方法。
【請求項２】
連続鋳造用鋳型内の溶融金属に対し電磁力により凝固シェル前面と平行な成分をもつ流動を付与することを特徴とする請求項１記載の金属の鋳造方法。
【請求項３】
鋳型内および鋳型直下の溶融金属に対し二段階にわたって凝固シェル前面に凝固シェル前面と平行な成分を有する流動を付与することを特徴とする請求項２記載の金属の鋳造方法。
【請求項４】
鋳型よりも下方で、湯面からの距離Ｌと鋳造速度ＶＣの比Ｌ／ＶＣが１以下の領域において、凝固シェル前面に凝固シェル前面と平行な成分をもつ流動が付与されかつ金属表面に噴射する冷却水の流量とその領域を通過する金属質量との比が１リットル／ｋｇ以上であることを特徴とする請求項１記載の金属の鋳造方法。
【請求項５】
請求項４記載の金属の鋳造方法において、鋳型内の凝固シェル前面と平行な成分を有する電磁力を印加することを特徴とする金属の鋳造方法。
【請求項６】
推定した二次枝の個数密度が１０個／ｍｍ３以上とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の金属の鋳造方法。
【請求項７】
鋳型内および鋳型直下の溶融金属に対し二段階にわたって凝固シェル前面に凝固シェル前面と平行な成分を有する流動を付与できる装置が、湯面からの距離Ｌと鋳造速度ＶＣの比Ｌ／ＶＣが１以下の領域において設置され、かつ金属表面に噴射する冷却水の流量とその領域を通過する金属質量との比が１リットル／ｋｇ以上の冷却水を噴射できるようにしたことを特徴とする金属の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の鋳造方法、特に、分塊圧延工程を経ずにビレット、ブルーム等の小断面鋼鋳片を直接鋳造する際、凝固組織の微細等軸晶化を図り偏析粒径を極小化するために必要な鋳造条件を、鋳片サイズ、鋳造速度等の条件に応じて設定することが可能な鋳造方法及び鋳造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従前ではスチールコード等の高炭素鋼線材は、ブルーム鋳片を一旦ビレットに分塊圧延した後、線材圧延工程を経て製造されていたが、鋳造工程で線材圧延に供するサイズの鋳片を直接鋳造することができれば大幅な工程省略が可能となることから、近年では連続鋳造によって直接ブルームやビレットを鋳造することが行われている。この鋳造鋳片を直接圧延工程に送って支障無く圧延を行うためには、鋳造に際して鋳造鋳片での中心偏析をできるだけ分散させること、換言すれば鋳片凝固組織の等軸晶化を図り、その個々の等軸晶を可及的に小さくすること、つまり最終的には偏析粒径を極小化する必要がある。
例えば、本発明者らの知見によれば、１２０ｍｍから１６０ｍｍ角のビレットにおいて、偏析粒径を２ｍｍ以下に極小化したビレットを用いて線材圧延を行った場合、破断せずに圧延することが可能であることが分かっている。
【０００３】
一方、鋼の連続鋳造に際して従来から鋳片中心部での偏析およびポロシティを防止することを目的として、鋳造時に電磁攪拌による攪拌流を凝固シェル前面に付与し、凝固組織を等軸晶化することが行われている。しかしながら、鋳片サイズ、鋳造速度、溶鋼過熱度或いは鋼種により鋳片での等軸晶率や等軸晶の粒径は異なることから、偏析粒径を極小化するための鋳造条件については明確で具体的な提案は従来ではなされておらず、不透明のままであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は分塊圧延工程を経ずしてビレットなどの小断面鋳片を直接鋳造する際、凝固組織の微細等軸晶化を図るとともに偏析粒径を極小化するために必要な鋳造条件を、鋳片サイズ、鋳造速度等の条件に応じて容易に設定することが可能な金属の鋳造方法及びこの方法を実施するための鋳造装置を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、次の通りである。
（１）金属の連続鋳造に際し、流動解析により凝固シェル前面の流速を、伝熱凝固解析により各厚みでの冷却速度及び凝固速度を、流れによって洗浄される固相率を、それぞれ求めるとともに、その洗浄領域中にあるデンドライト二次枝の個数を求め、二次枝が残溶融金属プール中に排出される量に基づいて溶融金属プール中での二次枝の個数密度を推定し、この個数密度を用いて表される偏析粒径を鋳片サイズによって決まる偏析粒径許容値以下となるように鋳造条件を設定して鋳造を行うことを特徴とする金属の鋳造方法。
（２）連続鋳造用鋳型内の溶融金属に対し電磁力により一定の流動作用を付与することを特徴とする（１）記載の鋳造方法。
（３）鋳型内および鋳型直下の溶融金属に対し二段階にわたって凝固シェル前面に凝固シェル前面と平行な成分を有する流動を付与することを特徴とする（２）記載の鋳造方法。
（４）鋳型よりも下方で、湯面からの距離Ｌと鋳造速度ＶＣの比Ｌ／ＶＣが１以下の領域において、凝固シェル前面に凝固シェル前面と平行な成分をもつ流動が付与されかつ金属表面に噴射する冷却水の流量とその領域を通過する金属質量との比が１リットル／ｋｇ以上であることを特徴とする（１）記載の金属の鋳造方法。
（５）　（４）記載の金属の鋳造方法において、鋳型内の凝固シェル前面と平行な成分を有する電磁力を印加することを特徴とする金属の鋳造方法。
（６）　推定した二次枝の個数密度が１０個／ｍｍ３以上とすることを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項記載の金属の鋳造方法。
（７）　鋳型内および鋳型直下の溶融金属に対し二段階にわたって凝固シェル前面に凝固シェル前面と平行な成分を有する流動を付与できる装置が、湯面からの距離Ｌと鋳造速度ＶＣの比Ｌ／ＶＣが１以下の領域において設置され、かつ金属表面に噴射する冷却水の流量とその領域を通過する金属質量との比が１リットル／ｋｇ以上の冷却水を噴射できるようにしたことを特徴とする金属の鋳造装置。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を説明する。なお、以下の説明では鋼の連続鋳造を例にしているが、本発明はこれに限ることなく他の金属、例えばアルミニウムや銅などの金属に対しても有効であリ、原理的にはそのまま適用し得るものである。
鋼の連続鋳造において、高橋ら（高橋ら：鉄と鋼，６１（１９７５），９，２１９８）は、流動によってデンドライト樹間に濃化した溶質元素が洗浄される現象について検討し、流れによって洗浄される固相率Ｓｈは流速Ｕと凝固速度Ｖで下記（１）式で表されることを報告している。
Ｓｈ＝Ｕ／（７５００Ｖ＋Ｕ）　　　　　　　　　　　　　　　（１）
【０００７】
図１は、鋼ビレットの連続鋳造時に、鋳造鋳型内に注入された溶鋼が凝固するに際して、生成する凝固組織のデンドライトの一部を模式的に示したもので、（ａ）が部分平面図、（ｂ）が一定範囲の側面図である。図において、１が鋳片断面において外周から鋳片中心に向って伸張生成するデンドライトの一次枝、２が該一次枝１から派生したデンドライトの二次枝を表す。上記の（１）式で表される考えに基づけば、一次枝１上に形成しつつあるデンドライトの二次枝２もその一部が同時に流動によって溶断されると考えることができ、これが等軸晶を形成するものと考えられる。その際、洗浄される固相率Ｓｈ中に二次枝がどれだけ存在しているかを推定し、そのうちの一部が残溶鋼プール中に移送され、残溶融金属の温度分布に応じて再び溶解するか残存するかが決まると考えれば、残溶融金属プール中での等軸晶核の個数密度ｎを推定することができることになる。通常、１つの核から１つの等軸晶が形成されるため、溶融金属プール中での等軸晶核の個数密度が推定できれば、鋳片での等軸晶の径を推定することができる。
【０００８】
ここでは水平断面内で一定流速の撹拌流が付与された場合を例にとって説明するが、撹拌流速並びに向きが一定である必要もなく、かつ撹拌流の方向が上下方向であっても構わない。以下具体的に説明する。まず、連続の式、運動量保存則、エネルギー保存則を解くことで、凝固シェル前面の流速Ｕ、凝固速度Ｖ、温度勾配Ｇ及び各厚みでの冷却速度ＣＲ、残溶融金属プール中の温度分布を求める。これら流速Ｕと凝固速度Ｖから上記（１）式を用いて洗浄される固相率Ｓｈを求めるとともに、凝固時の温度勾配Ｇを用いて洗浄される長さΔＬを（２）式にて求める。また、冷却速度ＣＲからデンドライト一次枝間隔λ１および二次枝間隔λ２を、下記（３）式および（４）式により求めることができる。なお、各記号は図１においても示している。
ΔＬ＝（ＴＬ−ＴＳ）／Ｇ×Ｓｈ　　　　　　　　　　　　　　（２）
λ１＝７６７．４（ＣＲ）−０．４２４　　　　　　　　　　　　（３）
λ２＝１９１．０（ＣＲ）−０．４４７　　　　　　　　　　　　（４）
【０００９】
次に、上記で求めたデンドライト一次枝間隔λ１および二次枝間隔λ２に基づいて、凝固シェル前面のある一定の面積ΔＳ、例えば、図１（ｂ）に示す鋳造方向の高さΔｚおよび横Δｘの面積ΔＳの中に、デンドライト一次枝が何個、二次枝が何個存在しているかを下記（５）、（６）式で求める。ｎ１がデンドライト一次枝の個数、ｎ２がデンドライト二次枝の個数を表す。これらの個数に基づき、対象としている部位（高さΔｚ）が鋳造速度ＶＣで下降している間に、凝固シ
ェル前面の体積ΔＶ中に排出されるデンドライト二次枝の量ｑを（７）式により計算する。
ｎ１＝４ΔＳ／πλ１２　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
ｎ２＝４ΔＬ／πλ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）
ｑ＝ｆｎ１ｎ２ＶＣ／ΔｚΔＳ　　　　　　　　　　　　　　（７）
以上の操作を全ての凝固界面で行い、残溶鋼プール中に上記量ｑで核が流入し、また、先に求めた残溶鋼プール中での温度が液相線（凝固が始まる温度）以上の領域では核が消滅すると考えて、残溶融金属プール中で核個数密度の分布を解析することで、残溶鋼プール中の等軸晶核の個数密度分布を下記（８）式にて推定することができる。なお、（８）式のＮは溶融金属プールでの温度が液相線温度以上であれば、そこの領域での個数密度ｎを０にする関数であることを意味する。
（∂ｎ／∂ｔ）＋Ｕ・∇ｎ＝∇・Ｄ∇ｎ＋∇・ｑ＋Ｎ　　　　　（８）
【００１０】
図２に溶鋼におけるメニスカスからの距離と核個数密度との関係を、電磁撹拌（ＥＭＳ）印加の有無で解析した結果を示す。図２に示すように、電磁撹拌を印加することで核個数密度は大幅に増加することと、プール下部でその値は一定値に近づくことが分かる。なお、この解析では洗浄される領域にある二次枝のうち、１４％（ｆ＝０．１４）が洗浄され、残溶融金属の温度が液相線温度以上であれば核が消滅するとした。
次に、様々な撹拌条件で鋳造を行い、かつ、その条件で同様の解析を行って、プール下部での核個数密度の漸近値と鋳片厚み中央部に観察される偏析粒径との関係を調査した。その結果を図３に示すが、両者の間にはよい相関があり、核個数密度ｎと偏析粒径Ｄの関係は下記の（９）式で表せることが分かった。
Ｄ＝２．９７ｎ−０．１９　　　　　　　　　　　　　　　　（９）
【００１１】
以上説明したように本発明に係る鋳造方法を採用することにより、鋳造条件から決まる鋳片での偏析粒径を推定することができるため、想定している鋳造条件の中で偏析粒径を最小にする鋳造条件を適宜選択することができ、この選択した条件にしたがって鋳造を行うことによって、常に最良な品質の鋳片を得ることが可能となり、これを直接熱間圧延工程へ供給し得ることになる。
例えば、１２０ｍｍ角ビレットの鋳造を行うに際し、最終的に線材圧延において支障の生じない偏析粒径の許容値を２ｍｍとすると、等軸晶核の個数密度が（９）式で分かるため、この個数密度を得るための鋳造条件（流速、冷却速度および凝固速度等）を設定することができる。実際の鋳造にあたっては、この設定した鋳造条件にそって操業を実施すればよいことになる。
【００１２】
なお、本発明においては上述したように、凝固シェル前面の溶鋼に流動作用を付与するための手段として電磁撹拌装置を設置することが望ましいが、鋳型内の溶鋼に対してだけ撹拌作用が及ぶようにすることに限らず、鋳型内と共に鋳型直下の溶鋼に対しても撹拌作用が及ぶように、電磁撹拌装置を二段階に設置することが、等軸晶核の個数密度を増大するのに有効であることが認められた。
【００１３】
ここで鋳型直下に設置する電磁撹拌装置の位置については、冷却速度が速い領域であること、すなわち、デンドライトの一次枝、二次枝の間隔が小さい領域であることが好ましい。また、二つの電磁撹拌装置を設けることで、撹拌流の方向も多様に選定できる。水平断面内での循環流と鉛直方向の循環流を組み合わせることで、撹拌領域をプール広範囲に形成することもできるし、同じ方向の流動を付与し撹拌流速を強めることも可能である。
【００１４】
また、流れによって二次枝が溶断され残溶融金属プール中に移送されたとしても、その残溶融金属の温度が高ければ再び溶解して消滅することになる。それを防止する方法として、元々鋳型内に注入する溶融金属の温度をできるだけ低くすることも考えられるが、鋳型内に注入するノズルが詰まるなどにより、通常注入温度には制限が設けられている。そこで、鋳型内に注入された溶融金属の温度をいかに迅速に低減するかが重要となる。先ず、凝固シェル前面に流動が付与されていれば、固液界面における熱伝達を促進することができる、加えて、プール内で形成される撹拌流により、プール上部の溶融金属を下部の温度が低い溶融金属と混合させることができる、という二つの効果で溶融金属の温度を下げることができる。さらに、鋳型よりも下方で凝固シェル前面に流動が付与されかつ湯面からの距離Ｌと鋳造速度ＶＣの比並びに金属表面に噴射する冷却水の流量Ｑとその領域を通過する金属質量Ｗとの比がある関係を満足するように設定すると、等軸晶核の個数密度を増大するのに効果があることが認められた。その関係を図４に示す。
【００１５】
図４に示すように、湯面からの距離Ｌと鋳造速度ＶＣの比が１以下で金属表面に噴射する冷却水の流量Ｑとその領域を通過する金属質量Ｗとの比が１リットル／ｋｇ以上とすることで、等軸晶核の個数密度を増大することが分かる。これは、凝固シェル前面の流動により固液界面での熱伝達が良好な状態で鋳片表面を強冷却することで残溶融金属の温度を下げることができ、等軸晶の再溶解を防止できる。また、撹拌領域の冷却速度が増大することで、デンドライトの一次枝、二次枝の個数を増大でき、洗浄される二次枝の個数密度が増加することによる。Ｌ／ＶＣが１超の領域になると凝固殻厚みが大となり熱抵抗が増大するため、表面での冷却の効果が小さくなることから好ましくない。また、この条件で通水する領域に電磁撹拌装置を設置することで、その効果をより高くすることができる。
さらに、電磁撹拌並びに冷却水の流量を制御することで、等軸晶核の個数密度をより高くした状態を形成し、鋳造速度との関係を調べたところ、図５に示すように核の個数密度を１０個／ｍｍ３以上にすることができれば、鋳造速度が変化しても同じ等軸晶率が得られ、偏析粒径を安定的に小さくすることができる。
【００１６】
図６に上述した本発明の鋳造方法を実施するための好適な連続鋳造装置の一例を示す。図において、３は連続鋳造用鋳型、４は該鋳型３内の溶鋼５中に浸漬される溶鋼注入用浸漬ノズル、６は溶鋼面に投入されるパウダー、７は凝固シェル８を形成しながら引き抜かれてゆく鋳片である。このような鋳造装置において、溶鋼に電磁力を印加するための電磁力装置９ａ、９ｂが、それぞれ鋳型３内及び鋳型３直下に配置されており、これらの電磁力装置９ａ、９ｂによって、二段階にわたって溶鋼に対し凝固シェル８前面に平行な成分を有する撹拌流１０を付与することができる。なお、電磁力装置９ａ、９ｂの設置位置は、湯面からの距離Ｌと鋳造速度ＶＣの比が１以下の領域範囲とする。
また、連続鋳造装置においては、鋳型内で１次冷却された鋳片は鋳型下方のロール帯で冷却水の吹付けにより２次冷却されるが、本発明ではこの２次冷却に際し、鋳型３の下方位置でかつ湯面からの距離Ｌと鋳造速度ＶＣの比が１以下の領域における冷却を、鋳片表面に噴射する冷却水の流量Ｑとその領域を通過する金属質量Ｗとの比を１リットル／ｋｇ以上と規定することで、等軸晶核の個数密度を増大を図っている。図６における冷却水１１はこの点を単に強調する意味で表示したもので、この位置だけ冷却水を噴射するということを意味するものではない。
【００１７】
【実施例】
［実施例１］
本発明者らは垂直型連続鋳造機を用いて行った１２０ｍｍ角ビレットの鋳造において適切な電磁攪拌の条件について検討した。その結果、図６に示すように鋳型内と鋳型直下の２箇所の位置に電磁攪拌装置を設置すること（図７における二段ＥＭＳ）で、鋳型内のみに電磁撹拌装置を設置した場合と比較して、大幅に等軸晶核の個数密度（図７の実線）を高くできることが確認された。そこで、実際にそのような条件に基づいて電磁攪拌装置を設置し鋳造試験を実施したところ、微細な等軸晶で充填された鋳片を得ることができ、偏析粒径（図７の破線）も２ｍｍ以下とすることができた。
【００１８】
［実施例２］
また、１６０ｍｍ角ビレットの条件で同様な検討を行ったが、本発明で述べた方法を用いて攪拌条件を検討した。その結果、図６に示すように鋳型内と鋳型直下に電磁攪拌装置を設置すること（図８における二段ＥＭＳ）で、鋳型内のみに電磁撹拌装置を設置した場合と比較して、大幅に等軸晶核の個数密度（図８の実線）を高くできることが確認された。そこで、実際にそのような条件で電磁攪拌装置を設置し鋳造試験を実施したところ微細な等軸晶で充填された鋳片を得ることができ、偏析粒径（図８の破線）も２ｍｍ以下とすることができた。
【００１９】
［実施例３］
１９０ｍｍ角ビレットの条件で同様な検討を行った。この場合、断面積が大となり残溶融金属プール中で液相線温度以上の領域が過大となる可能性があることが分かった。そのため、鋳型内に電磁撹拌装置を設置し、かつ鋳型直下の撹拌流が付与されている領域の冷却水流量を種々変化させたところ、図９に示すように湯面からの距離Ｌと鋳造速度ＶＣの比が１以下で金属表面に噴射する冷却水の流量Ｑとその領域を通過する金属質量Ｗとの比が１リットル／ｋｇ以上とすることで、等軸晶核の個数密度を増大するのに効果があり、さらにその領域に電磁撹拌を設置することでその効果がより一層高めることができた。これにより、この断面サイズにおいても偏析粒径２ｍｍ以下に安定的に制御できた。
【００２０】
さらに、上記に挙げた３サイズの鋳片において核個数密度を極力高くできるようにして鋳造を行い、鋳造速度との関係を調べた。結果を図１０に示すが、それぞれのサイズによって等軸晶率の値は異なるが、核の個数密度を１２個／ｍｍ３とすると、各サイズで鋳造速度が変動してもほぼ同じ等軸晶率の鋳片で、偏析粒径が２ｍｍ以下の状態を安定的に形成できた。
【００２１】
【発明の効果】
以上の本発明方法によると、鋳片サイズ、鋳造速度等の鋳造条件に応じて凝固組織を微細等軸晶化し偏析粒径を極小化する条件を容易に設定でき、その結果、分塊圧延をすることなく直接線材圧延に供することができる良質の鋳片を鋳造することができ、大幅な工程省略を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼の鋳造に際し鋳型内におけるデンドライトの生成状況を模式的に示す図であリ、（ａ）はデンドライトの部分平面図、（ｂ）は一定範囲のデンドライトの側面図である。
【図２】鋼の鋳造において電磁撹拌を印加する場合と印加しない場合における等軸晶核の個数密度の違いを示す図である。
【図３】残溶鋼プール下部における核個数密度と偏析粒径との関係を示す図である。
【図４】Ｌ／ＶＣを変化させたときの冷却水及び金属の流量・重量比と等軸晶核の個数密度との関係を示す図である。
【図５】等軸晶核の個数密度と等軸晶率との関係を、鋳造速度との関連で表わした図である。
【図６】本発明方法を実施するに適した本発明に係る鋳造装置の一例を示す設備概要図である。
【図７】１２０ｍｍ角ビレットを用いた本発明の実施例において、等軸晶核の個数密度および偏析粒径に対する電磁撹拌の影響を示す図である。
【図８】１６０ｍｍ角ビレットを用いた本発明の実施例において、等軸晶核の個数密度および偏析粒径に対する電磁撹拌の影響を示す図である。
【図９】（ａ）は冷却水流量及び金属質量の比と等軸晶核の個数密度の関係を示すもの、（ｂ）は冷却水流量及び金属質量の比と偏析粒径の関係を示す図である。
【図１０】実施例における３サイズの鋳片における鋳造速度と等軸晶率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１　　デンドライトの１次枝　　　　２　　デンドライトの２次枝
３　　鋳型　　　　　　　　　　　　４　　浸漬ノズル
５　　溶鋼　　　　　　　　　　　　６　　鋳造用パウダー
７　　鋳片　　　　　　　　　　　　８　　凝固シェル
９ａ、９ｂ　　電磁力装置　　　　　１０　撹拌流
１１　冷却水
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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