(57)【要約】【課題】中空鋳片から圧接圧延による中実化に続いて１回の圧延によって円形、正方形又は各種長方形の断面を持つ鋼片を連続鋳造インラインで製造する。【解決手段】断面円形の中空の連続鋳造鋳片９を圧接圧延機１１により圧下してオーバル状断面の中実鋳片とし、続いて概オーバルの短辺側を圧下して所望の形状に成形圧延するに当たり、成形圧延機１３の速度を調節することによって両圧延機間にある鋳片１２に圧延方向応力を発生させる。該応力により成形圧延拡幅量を制御する。アスペクト比の大きいオーバルに対しても該応力を押込力とし、拡幅促進を通して正方形化が可能となる。押込力、引戻し力と凝固殻厚、圧接・成形圧下量の組合せで同一鋳型から種々の寸法の鋼片が製造可能なる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の連続鋳造鋳片を圧延して該鋳片の凝固殻内面を互いに圧接せしめオーバル状又は扁平状断面を持つ中実鋳片とした後円形又は方形断面に成形する連続鋳造方法において、圧接用の圧延機に後続して成形用の圧延機を付設して概中実鋳片短辺側を圧下するとともに概成形圧延機のロール周速度を調節することにより概成形圧延機に挿入される概中実鋳片に圧延方向の押込力又は引戻し力を作用させつつ成形することを特徴とする連続鋳造鋳片の成形方法。
【請求項２】
中空鋳片の製造方法が、「一種の湾曲式の連続鋳造方法であって、溶鋼を垂直に鋳型内に鋳込み、鋳型下方から円弧状に引き抜かれた鋳片の引抜軌跡を鋳込面を起点とする３／４円周の円弧とし以後は水平とし、鋳片内部の溶融芯を１／２円周を越えて鋳込み面から約１．４ｍ高い位置まで保持し該位置で重力により概溶融芯を鋳片凝固殻から離脱させて中空とする方法」であり、鋳型横断面形状が実質円形であり、オーバル状の中実鋳片の断面アスペクト比が２．０以上４．０以下であり、押込力が対変形抵抗応力比で０．１以上０．７以下であり、成形圧延孔型が角型又は円型であって中実鋳片の断面形状がそれぞれ正方形又は円形に成形されることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳片の成形方法。
ここで、　対変形抵抗応力比＝押込応力／当該材料の変形抵抗
押込応力＝押込力／鋳片断面積
【請求項３】
中空鋳片の製造方法が、「一種の湾曲式の連続鋳造方法であって、溶鋼を垂直に鋳型内に鋳込み、鋳型下方から円弧状に引き抜かれた鋳片の引抜軌跡を鋳込面を起点とする３／４円周の円弧とし以後は水平とし、鋳片内部の溶融芯を１／２円周を越えて鋳込み面から約１．４ｍ高い位置まで保持し該位置で重力により概溶融芯を鋳片凝固殻から離脱させて中空とする方法」であり、鋳型横断面形状が実質円形又は方形であり、中実鋳片の断面形状がオーバル状又は扁平状であり、成形圧延に平ロールを使用し、引戻し力が対変形抵抗応力比で０．１以上＋０．７以下であることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳片の成形方法。
【請求項４】
圧接圧延機及び成形圧延機のロール径比がそれぞれ３以上１０以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の連続鋳造鋳片の成形方法。
ここで、　ロール径比＝ロール直径／圧下前圧下方向鋳片寸法
【請求項５】
中空の連続鋳造鋳片の凝固殻内面を互いに圧接することにより中実化したオーバル状又は扁平状断面を持つ鋳片を円形又は方形断面に成形する連続鋳造鋳片の成形装置であって、少なくとも凝固殻内面を互いに圧接する圧接圧延機と、該圧接圧延機に後続して設置され孔型ロール又は平ロールを持ち圧接方向に対して直角方向に圧下する成形圧延機と、鋳片から該成形圧延機に作用する圧延方向の押込力又は引戻し力を検出する荷重センサーと、該荷重センサーから信号を受けて概成形圧延機のロール周速度を制御し該荷重を所定値に制御する成形圧延制御器と、必要により該成形圧延機出側に配置され鋳片外形を計測する形状センサーとからなることを特徴とする連続鋳造鋳片の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は連続鋳造による鋼片の製造に関し、特に鋼片の成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】鋼の連続鋳造において、鋳片内部には中心偏析、収縮孔、多孔質、芯部割れ等材質上の種々の欠陥が発生する。その防止のため多種多様な方法が提起され改善が進んでいるが未だ解決途上と言えよう。他方、目指すべき省エネルギー・省資源・省資本の有力手段として連続鋳造と圧延との直結、ニア・ネット・シェイピング、同一鋳型多サイズ鋼片の製造等の合理化プロセスが期待され一部実施にある。これらの実施に際し、上記欠陥に起因する製品品質問題は再び大きな障害となる。当該問題に対して効果的な連続鋳造方法の例を述べる。
【０００３】特許第２９８９７３７号公報には、「一種の湾曲式の連続鋳造方法であって、溶鋼を垂直に鋳型内に鋳込み、鋳型下方から引き抜かれた鋳片の引抜軌跡を３／４円周までは同一曲率円弧とし以後は水平とし、鋳片内部の溶融芯を１／２円周を越えて鋳込み面から約１．４ｍ高い位置まで保持し該位置で重力により鋳片凝固殻から離脱させて中空鋳片を形成し、その後圧延機により凝固殻内面を互いに圧接して中実鋳片とする連続鋳造方法」が提示されている。
【０００４】本方法によると、芯部欠陥の解消と鋳造能率の飛躍的向上という２効果が得られ、それに基づく鋳造・圧延直結、ニア・ネット・シェイピングの可能性が示唆されている。
【０００５】特許第３２１８３６１号公報には、上記発明を拡張し、新規の組織制御と新規の形状制御を加えて種々の寸法・形状・組織の鋼材への応用方法の基本的条件が開示されている。
【０００６】特開平１０−３２８７１１号公報には、上記２発明をビレット、スラブ、ブルーム等の製造に応用する場合の具体的問題点とその解決方法が提示されている。
【０００７】指摘された第１の問題は、圧接によりオーバル状断面になった中実鋳片を正方形又は円形の断面を持つ鋼片に成形する場合、オーバル・アスペクト比が大きいと１回の圧延だけでは正方形化は極めて困難となる。なぜなら通常の圧延では圧下に伴う拡幅には自ずと限界があるからであり、特に粗圧延等のように鋼片寸法が大きくてロール径が相対的に小さい場合には拡幅は一層抑制されるるからである。同一方向に２回圧延することにより正方形化そのものは可能だが、それだけ無駄であり、圧下側面にシワ傷が発生するという問題も生ずる。
【０００８】第２の問題は、同一鋳型から種々の寸法の鋼片を効率的に製造する場合、上記発明に一般的なサイジング・ミルを付設するだけでは成形可能の寸法範囲が大きくない。
【０００９】これらの解決策として、プレスの使用を前提に、加工前後の材料寸法、圧下率及び金型アスペクト比の３者間の塑性加工上の基本的関係に基づいて、拡幅に有利な加工条件とその効果的応用条件を特定している。その結果、円形、正方形、種々の長方形断面形断面の鋼片が容易に製造することができる。
【００１０】しかし上記の解決策については以下の問題がある。
特開平１０−３２８７１１号の方法では、第１にプレスを使用するため圧延機と比較して設備費及びメンテナンス費が割高になる。第２にプレス加工であるため変形に際して鋳片の断面減少分は進行方向前後に分配される。その結果鋳片はそれぞれ間欠的にプレス前（下流側）では前進、プレス後では後退する。後退は連続鋳造機に衝撃を与える。対策には機構が複雑になり費用上更に不利になる。
【００１１】第３に鋳片の間欠的前進は、連続鋳造と熱間圧延を直結する場合には難解な問題が発生する。なぜならプレス直続の圧延機には衝撃的な荷重と押し込みが作用して設備上の対策が大変になるだけでなく、形状制御が困難になるからである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の従来方法の問題を解決すること、具体的には以下を目標としている。
ビレット、ブルーム、シート・バー等の鋼片製造に際して、
１）中空の連続鋳造鋳片を圧下してオーバル状又は扁平状断面の中実鋳片とした後、該断面形状を円形又は正方形に成形する際、断面アスペクト比が大きくても１回の圧延で可能とする方法の提供。
２）一種類の鋳型から中空、中実、成形過程を通し、種々の厚さ、幅を持つ鋼片を連続鋳造インラインで製造する方法の提供。
３）以上の機能を作業上容易、且つ安価・簡素な設備で達成する方法の提供。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため発明者は基本的には従来方法を踏襲するもその短所を解決する新規の手段を開発した。根拠は圧延における変形挙動の基本的要素の一つである外部応力を巧みに活用したことにある。有限要素法によるシミュレーションと実験による確認を通して効果的な応用条件を発見し以下の発明を固めた。
【００１４】（１）　中空の連続鋳造鋳片を圧延して該鋳片の凝固殻内面を互いに圧接せしめオーバル状又は扁平状断面を持つ中実鋳片とした後円形又は方形断面に成形する連続鋳造方法において、圧接用の圧延機に後続して成形用の圧延機を付設して概中実鋳片短辺側を圧下するとともに概成形圧延機のロール周速度を調節することにより概成形圧延機に挿入される概中実鋳片に圧延方向の押込力又は引戻し力を作用させつつ成形することを特徴とする連続鋳造鋳片の成形方法。
【００１５】（２）　中空鋳片の製造方法が、「一種の湾曲式の連続鋳造方法であって、溶鋼を垂直に鋳型内に鋳込み、鋳型下方から円弧状に引き抜かれた鋳片の引抜軌跡を鋳込面を起点とする３／４円周の円弧とし以後は水平とし、鋳片内部の溶融芯を１／２円周を越えて鋳込み面から約１．４ｍ高い位置まで保持し該位置で重力により概溶融芯を鋳片凝固殻から離脱させて中空とする方法」であり、鋳型横断面形状が実質円形であり、オーバル状の中実鋳片の断面アスペクト比が２．０以上４．０以下であり、押込力が対変形抵抗応力比で０．１以上０．７以下であり、成形圧延孔型が角型又は円型であって中実鋳片の断面形状がそれぞれ正方形又は円形に成形されることを特徴とする（１）に記載の連続鋳造鋳片の成形方法。
ここで、　対変形抵抗応力比＝押込応力／当該材料の変形抵抗
押込応力＝押込力／鋳片断面積
【００１６】（３）　中空鋳片の製造方法が、「一種の湾曲式の連続鋳造方法であって、溶鋼を垂直に鋳型内に鋳込み、鋳型下方から円弧状に引き抜かれた鋳片の引抜軌跡を鋳込面を起点とする３／４円周の円弧とし以後は水平とし、鋳片内部の溶融芯を１／２円周を越えて鋳込み面から約１．４ｍ高い位置まで保持し該位置で重力により概溶融芯を鋳片凝固殻から離脱させて中空とする方法」であり、鋳型横断面形状が実質円形又は方形であり、中実鋳片の断面形状がオーバル状又は扁平状であり、成形圧延に平ロールを使用し、引戻し力が対変形抵抗応力比で０．１以上＋０．７以下であることを特徴とする（１）に記載の連続鋳造鋳片の成形方法。
【００１７】（４）　圧接圧延機及び成形圧延機のロール径比をそれぞれ３以上１０以下とすることを特徴とする（１）又は（２）又は（３）に記載の連続鋳造鋳片の成形方法。
ここで、　ロール径比＝ロール直径／圧下前圧下方向鋳片寸法
【００１８】（５）　中空の連続鋳造鋳片の凝固殻内面を互いに圧接することにより中実化したオーバル状又は扁平状断面を持つ鋳片を円形又は方形断面に成形する連続鋳造鋳片の成形装置であって、少なくとも凝固殻内面を互いに圧接する圧接圧延機と、該圧接圧延機に後続して設置され孔型ロール又は平ロールを持ち圧接方向に対して直角方向に圧下する成形圧延機と、鋳片から該成形圧延機に作用する圧延方向の押込力又は引戻し力を検出する荷重センサーと、該荷重センサーから信号を受けて概成形圧延機のロール周速度を制御し該荷重を所定値に制御する成形圧延制御器と、必要により該成形圧延機出側に配置され鋳片外形を計測する形状センサーとからなることを特徴とする連続鋳造鋳片の成形装置。
【００１９】ここで、実質円形ということは丸みを持った８角形をも含み、方形とは扁平状の長方形を含む。
【００２０】
【発明の実施の形態】図１は本発明の連続鋳造方法を例示する概要図である。
タンディシュ１の中の溶鋼２を円形断面の鋳型３に鋳込み、鋳片４の外皮を形成する。該鋳型３から円弧状に引き抜かれた該鋳片４は２次冷却装置５を貫通しつつスプレイ６により冷却され凝固が進行する。溶融芯７を保有する該鋳片４は１／２円周を越えて、鋳込面より約１．４ｍ高い位置Ｑ点（この値は大気圧に相当する溶鋼のヘッドで、溶鋼密度やガス含有量によりある程度変化する。）まで引き抜かれると、該溶融芯７は凝固殻８の内面から離脱し、中空鋳片９が形成される。該中空鋳片９は３／４円周点で伸直ロール１０により伸直されて水平に引き抜かれる。次に適切なロール径の平ロールを保有する圧接圧延機１１により該中空鋳片９は圧下され凝固殻内面が互いに圧接し、断面形状がオーバル状の中実鋳片１２となる。
【００２１】該中実鋳片１２は、角孔型又は円孔型ロールを持つ成形圧延機１３により適切なロール径と適切なロール周速度で短辺側が圧下され正方形又は円形の断面形状に成形され、シアー１４により切断されビレットとされる。
【００２２】シート・バーを製造する場合には成形圧延機１３に適切なロール径を持つ平ロールを使用する。鋼片幅は成形圧下率の調整により中実鋳片幅からその約５０％まで可変となる。鋼片厚は凝固殻厚、圧接圧下率、後述の鋳片引き戻し力、必要により後続に付設された軽圧延等の調整により大きく可変とすることができる。
【００２３】成形圧延機１３には概圧延機１３が鋳片から圧延方向に押される荷重又は鋳片により引き戻される荷重を計測する荷重センサー１５が取り付けらている。荷重センサー１５から信号を受けて成形圧延機１３のロール周速度を制御する成形圧延制御器１７により概周速度の制御を通して鋳片寸法を調整、維持する。更に成形圧延機１３の出口には鋳片外形を計測する形状センサー１６も付設され該制御器１７による断面形状の管理に利用される。
【００２４】図２は鋳造からビレットまでの断面形状の変化を例示する。成形圧延において所望の形状・寸法が容易に得られる訳ではない。図示するように、オーバルのアスペクト比が大きいと１回の圧延では拡幅不足により円形化、正方形化は無理である（図中、鋼片断面Ｕ）。この問題を解決する本発明の定性的根拠を以下に説明する。
【００２５】周知のように、圧延される材料が後方（上流側）から押し込まれ（圧縮圧延）たり、引戻しを受ける（引張圧延）と拡幅量が増加、減少する。本発明はこの現象に基づいている。寸法精度の管理上、応力制御がなされることはあるが、効果的成形の不可欠要素として応力付加を基本条件としたこと、且つその具体的方法を提示したことが本発明の趣旨である。
【００２６】成形圧延機１３のロール周速度を基準の圧延機間無張力状態から下げると速度比に依存して両圧延機１１、１２間にある中実鋳片１２には圧延方向圧縮応力が発生する。速度を更に下げると応力が増加し、一方の圧延機でロールと鋳片間にスリップが発生して応力は飽和する。ロール径を大きくすると該接触面積が増加してスリップ発生限界が拡がり大きな圧縮力が得られる。圧縮力は成形圧延機１３に対しては鋳片の押込力となる。
【００２７】押込力の大きさに対応して断面オーバル状鋳片の拡幅が促進される。従って適切な押込力、換言すれば適切なロール径と適切なロール周速度により、アスペクト比が大きいオーバルから１回の圧延で円形又は正方形にすることが可能になる。
【００２８】逆にロール周速度を上げることにより引戻し力を作用させると拡幅が抑制さる。平ロールを使用して扁平状断面から方形断面に成形する場合、条件により拡幅は断面内で均一ではない。拡幅が抑制されると均一性が上がり、１回の圧延で無理のない方形化が可能となる。
【００２９】次に本発明の定量的根拠について説明する。
圧延変形問題の要点はロールによる圧下歪みが延伸歪みと拡幅歪みにどのように分配されるかにある。分配比に関する基礎的、理論的、実験的な先行研究（文献１）を取り上げる。
【００３０】文献１　Ｙ．　Ｓａｉｔｏ；　Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　Ｓｉｚｅ−ｆｒｅｅＲｏｌｌｉｎｇ，　Ｐｒｏｃ．７ｔｈ　Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．　ｏｎ　Ｓｔｅｅｌ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　（Ｓｔｅｅｌ　Ｒｏｌｌｉｎｇ’９８，Ｐ８１１）
【００３１】図３は上記研究成果の要点「材料軸方向応力と延伸歪み／圧下歪み、拡幅歪み／圧下歪みの関係」を示す。図より無応力下では圧下歪みの半分が延伸歪みに、残り半分が拡幅歪みになり、圧縮応力側では延伸分が減少、拡幅が増加することが読みとれる。また実験結果は理論に近似している。文献に記述された理論式と実験による修正項を使用して、拡幅比（＝圧下後幅／圧下前幅）と圧延方向応力の関係を誘導することができる。
【００３２】ちなみに通常の圧延条件に対して圧延方向の圧縮の対変形抵抗応力比０．２の効果を試算したところ、拡幅比は１．３０から１．４２となり有効性が認められた。
【００３３】上記研究の基本的条件の一つは軸方向応力下にある材料の中間を圧下した場合を対象としている。故に圧延機前後にそれぞれ応力が作用している。本発明の機構では、応力の発生場所は圧接、成形両圧延機のそれぞれ片側だけとなる。従って上記理論はそのまま適用することはできないという問題がある。
【００３４】更に上記研究では方形断面の材料を平ロールにより方形断面に成形する場合を対象としているので、本発明が対象としている孔型圧延にはそのまま適用できない問題もある。
【００３５】結局シミュレーションによる数値解か実験による特定条件下での定量関係の把握しか設計指針、作業指針は得られないとの見通しで、３次元有限要素法によるシミュレーションを行った。理論と比較、検討した結果、以下の知見を発見することができた。
【００３６】１）　理論式には摩擦や摩擦に関係するロール径比（＝ロール直径／圧延前材料高さ）等の要因の考慮は無く、実験からの補足が必要である。
【００３７】２）　本発明のように片側応力であっても、平ロールを使用して方形状断面から方形状断面へ成形する場合は、理論の両側応力の約半分の応力と見なす修正により理論式に近似することできる。
【００３８】３）　同様に片側応力であっても、角孔型、円孔型による成形の場合は、最大拡幅量（圧下断面の中央部分で最大幅を示す）は理論式から得られる値と比例的関係にある。
【００３９】４）　片側応力の場合、上述のように下流側の成形圧延の変形には影響するが、上流側の圧接圧延のそれにはほとんど影響しない。
【００４０】これらの発見が本発明の定量部分の重要根拠となっている。
【００４１】図４はオーバルから角孔型を通して正方形化する場合の拡幅比に及ぼす押込力の影響をシミュレーションで明らかにした結果を示す。同時の後述の実験結果も併記する。図から必要拡幅比を得るための押込力を算出することができる。
【００４２】以上の根拠を基にして本発明の定量要素をなす圧延条件の特定化について述べる。
【００４３】発明（２）において中実鋳片アスペクト比を２．０以上４．０以下とした理由は、該連続鋳造方法では所期の鋳造能率を得るには中空内径／外径比に制限があって、そのためアスペクト比の値は必然的に２以上になるからであり、他方４．０を越えると本発明によっても正方形化が困難になるからである。
【００４４】発明（２）、（３）において対変形抵抗応力比を０．１以上とした理由は、図４から解るように０．１以下では拡幅に対する作用が小さく実用的でないからであり、０．７以下とした理由は、ロールと鋳片間の摩擦力の限界から前後２台の圧延機ではこの値を越えることが困難となるからである。
【００４５】発明（４）においてロール径比を３以上１０以下とした理由は３未満では摩擦力の限界から所定の押込力を発生させるのに不足し、１０を越えると圧延機が過大となって設備費に不利となるからである。
【００４６】
【実施例】炭素鋼、厚さ２０ｍｍ、オーバル断面アスペクト比３の供試材に対して、ロール径比３．３、角孔型、圧延温度約１０００℃、油圧シリンダーによる押込力付加という圧延条件で拡幅量を測定した。図４には拡幅比と押込力（対変形抵抗応力比に換算）の関係について実験データとシミュレーション計算値を重ねて記す。図より押込力が対変形抵抗応力比で０．２以上であれば拡幅比は約１０％以上増加する。この値は本発明の目的に対して一応有効範囲にある。
【００４７】
【発明の効果】本発明によると、鋳片が上流側の圧接圧延機と下流側の成形圧延機を貫通しつつ圧下を受けている状態において、両圧延機の速度比を適切に制御することにより、両圧延機間にある鋳片の内部に圧延方向応力が発生する。該応力を押込力として作用させると成形圧延における拡幅が増幅し、逆に引戻し力とすると拡幅が抑制される。
【００４８】中空の連続鋳造鋳片から圧接と成形を通してビレットを製造する場合、押込力を作用させることにより、断面アスペクト比の大きいオーバル状の中実鋳片に対しても１台の圧延機で容易に正方形又は円形断面形状に成形することができる。
【００４９】同様にシートバーを製造する場合、上記の押込力による拡幅促進と引戻し力の導入による拡幅抑制も適用する。凝固殻厚、圧接圧下量、成形圧下量等と巧く組合せると、同一鋳型から種々の寸法の方形断面に誘導することが容易となり、生産性に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる連続鋳造方法を例示する概略図である。
【図２】本発明において鋳片断面形状が変形する過程を例示する説明図である。
【図３】本発明に先行する理論（圧下歪み配分と材料軸方向応力の関係）の要点を説明する図である。
【図４】本発明の根拠となるシミュレーションと実験から求めた成形圧延拡幅比と圧延方向応力の関係を例示する。
【符号の説明】１：タンディシュ　　２：溶鋼　　３：鋳型　　４：鋳片　　５：２次冷却装置　　６：スプレイ　　７：溶融芯　　８：凝固殻　　９：中空鋳片　　１０：伸直ロール　　１１：圧接圧延機　　１２：中実鋳片　　１３：成形圧延機　　１４：シアー　　１５：荷重センサー　　１６：形状センサー　　１７：成形圧延制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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