(57)【要約】【課題】銅を含有する鋼の鋳片表層を安価に確実に改質し、熱間加工時の割れの発生を防止すること。【解決手段】銅を含有する鋼鋳片の表層を誘導加熱、プラズマ加熱のいずれか一方または双方により溶融させ、溶融した鋼鋳片の表層部分に、ニッケルを含む純金属もしくは合金を添加することを特徴とする鋼鋳片の表層改質方法。また、溶融した鋼鋳片の表層部分に、下式を満足する量のニッケルを含む純金属もしくは合金を添加すること。［％Ｃｕ］＋８×［％Ｓｎ］＜α×［％Ｎｉ］］［％Ｃｕ］＞０［％Ｓｎ］≧０α＞０、［％Ｃｕ］、［％Ｓｎ］、［％Ｎｉ］は、鋼中の各元素の含有率の質量％を示す。【選択図】        図１
2004195513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を含有する鋼鋳片の表層を誘導加熱、プラズマ加熱のいずれか一方または双方により溶融させ、溶融した鋼鋳片の表層部分に、ニッケルを含む純金属もしくは合金を添加することを特徴とする鋼鋳片の表層改質方法。
【請求項２】
溶融した鋼鋳片の表層部分に、下式を満足する量のニッケルを含む純金属もしくは合金を添加することを特徴とする請求項１に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
［％Ｃｕ］＋８×［％Ｓｎ］＜α×［％Ｎｉ］
［％Ｃｕ］＞０
［％Ｓｎ］≧０
α＞０
ここで、［％Ｃｕ］、［％Ｓｎ］、［％Ｎｉ］は、鋼中の各元素の含有率の質量％を示す。
【請求項３】
少なくとも誘導加熱を用いる場合、誘導加熱により発生する磁場の向きを、鋳片鋳造方向となるように発生させ、溶融部分を電磁力で保持することを特徴とする請求項１または２に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
【請求項４】
少なくともプラズマ加熱を用いる場合、ニッケルを含む純金属もしくは合金を、プラズマ内に供給し、加熱または溶融してから、鋼の溶融した部分に供給することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の鋼鋳片の表層改質方法。
【請求項５】
誘導加熱、プラズマ加熱の双方を用いる場合、誘導加熱により鋳片表層と併せてニッケルを含む添加純金属または合金を予熱し、その後プラズマ加熱により該添加純金属または合金を溶融合金化させることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
【請求項６】
請求項１〜５いずれかに記載の方法により得られる表層改質鋼鋳片。
【請求項７】
請求項６に記載の表層改質鋼鋳片を加工することにより得られる加工製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅を含有する鋼の連続鋳造鋳片の表層改質方法、およびそれを用いて得られる改質鋳片および加工製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼は、銅を含むと熱間加工性が著しく阻害され、通常の鋼の製造工程である連続鋳造、再加熱、熱間圧延において表面に割れを発生する。これは、連続鋳造もしくは再加熱、熱間圧延時に鋼が雰囲気中の酸素にさらされて酸化する際に、鋼の中への銅の溶解度が低く、かつ銅の融点が低いために酸化鉄と鋼の間に液体状態で存在し、さらにこの液体の銅が鋼の結晶粒界に侵入し、界面強度を低下させるため割れに至るとされることが、非特許文献１に開示されている。
また、錫は銅の鋼中への溶解度を下げることにより、銅による割れの現象を促進してしまうことから、錫単独では問題となりにくいが、銅と併せて存在すると問題になることが非特許文献２に開示されている。
【０００３】
この現象を防止するためには、銅が鋼の精錬の工程において除去できない元素であることから、銅を鋼中に混入させないようにするか、もしくは銅の鋼中への溶解度を上げる元素であるニッケルを添加する方法が知られている。
しかしながら、循環型社会となり銅を多く含むスクラップが多量に使用される現在では、銅は不可避的に混入し、鉱石からつくった鉄により希釈しても次第に累積し、徐々にニッケルを添加し、無害化する必要性が高まってきている。しかし、一方で、ニッケルは稀少で高価な元素でもあり、製造コストが高くなる問題を抱えている。
以上のことから、発明者らは、連続鋳造する際に、２種類の溶鋼を同時に鋳造する方法（特許文献１参照）や潤滑材内にニッケルを混入させる方法（特許文献２参照）などにより、鋳片表層のみニッケルを添加することにより、安価に処理する方法を開示している。
【０００４】
【非特許文献１】
「Material Transaction」Vol.43,No.3,(2002)PP.292-300
【非特許文献２】
「ふぇらむ」Vol.7,(2002)No.4,P18-22
【特許文献１】
特開昭６３−１０８９４７号公報
【特許文献２】
特開平０７−２６１０９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の特許文献１の方法では、２種類の溶鋼を準備するために製造コストが高くなること、後者の特許文献の方法では、後に鋳片の内部となる部分もまだ凝固しないうちに添加するので、表層のみに添加することが難しく、添加厚みの安定や、成分下限を満足することが難しかった。
本発明は、銅を含有する鋼の鋳片表層を安価に確実に改質し、熱間加工時の割れの発生を防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
（１）  銅を含有する鋼鋳片の表層を誘導加熱、プラズマ加熱のいずれか一方または双方により溶融させ、溶融した鋼鋳片の表層部分に、ニッケルを含む純金属もしくは合金を添加することを特徴とする鋼鋳片の表層改質方法。
（２）  溶融した鋼鋳片の表層部分に、下式を満足する量のニッケルを含む純金属もしくは合金を添加することを特徴とする（１）に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
［％Ｃｕ］＋８×［％Ｓｎ］＜α×［％Ｎｉ］
［％Ｃｕ］＞０
［％Ｓｎ］≧０
α＞０
ここで、［％Ｃｕ］、［％Ｓｎ］、［％Ｎｉ］は、鋼中の各元素の含有率の質量％を示す。
（３）  少なくとも誘導加熱を用いる場合、誘導加熱により発生する磁場の向きを、鋳片鋳造方向となるように発生させ、溶融部分を電磁力で保持することを特徴とする（１）または（２）に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
（４）  少なくともプラズマ加熱を用いる場合、ニッケルを含む純金属もしくは合金を、プラズマ内に供給し、加熱または溶融してから、鋼の溶融した部分に供給することを特徴とする（１）〜（３）いずれかに記載の鋼鋳片の表層改質方法。
（５）  誘導加熱、プラズマ加熱の双方を用いる場合、誘導加熱により鋳片表層と併せてニッケルを含む添加純金属または合金を予熱し、その後プラズマ加熱により該添加純金属または合金を溶融合金化させることを特徴とする（１）または（２）に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
（６）  （１）〜（５）いずれかに記載の方法により得られる表層改質鋼鋳片。
（７）  （６）に記載の表層改質鋼鋳片を加工することにより得られる加工製品。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、銅を含有する鋼の鋳片表層に、銅の鋼中への溶解度を上げる元素であるニッケルを溶着させる方法として、誘導加熱、プラズマ加熱のいずれか一方または双方を用いて銅を含有する鋼の鋳片表層を溶融させ、そこへニッケルを含む純金属もしくは合金を添加することで、鋳片表層を安価に確実に改質できることを見出した。以下に詳細に説明する。
【０００８】
本発明で対象とする銅を含有する鋼の鋳片について、その表層部分の厚さは、酸化膜の厚さ以上であれば良く、特に規定するものではないが、通常は０．５〜５mm程度である。これは、０．５mm未満の酸化膜はあまり存在しないこと、また５mm超の場合は酸化膜の厚みに対して必要以上に添加を行うことになることが、その理由である。また上記鋳片は連続鋳造により製造されたものが多い。
銅を含有する鋼の鋳片表層を溶融させる方法として、誘導加熱単独、プラズマ加熱単独、誘導加熱とプラズマ加熱の併用のいずれを用いても良い。
【０００９】
誘導加熱単独で行う場合は、ニッケルを含む純金属もしくは合金を、ワイヤーやシートの形で鋳片表層溶融部に添加できる。具体的には、連続鋳造機で得られた鋳片は、切断後、溶融処理場に輸送され、鋳片を周回するように配置された誘導コイルにより加熱され、鋳片表層溶融部にワイヤーやシートを用いてニッケルを含む純金属もしくは合金を添加して溶着される。誘導コイルは鋳片表層溶融部で電磁力により溶融部分を内面に向かって電磁力によって押さえつけることにより安定した溶融部表面を作り、その後再度冷却され凝固する。
【００１０】
この方法によると、鋳片表層の溶融部温度を液相線温度（鉄は他の成分を含むため、融点のように１つの温度では溶融状態が決まらず、凝固が始まる温度を固相線温度、全て液体となる温度を液相線温度と呼ぶ）よりもわずかに高い温度に保持し、添加後に急速に冷却凝固させることにより凝固組織を小さくでき、結晶粒のサイズを小さくすることにより、銅が鋼の結晶粒界へ侵入することで起こる強度低下という悪影響を抑制できるという利点がある。
【００１１】
また、鋳片表層溶融部にニッケルを含む純金属もしくは合金を添加して溶着させる場合、鋳片の酸化を防止することが好ましいため、誘導コイルはチャンバー内で不活性ガス雰囲気（例えばアルゴン、窒素等）で溶融改質するのが好ましく、さらにより確実に酸化を防止するためには、不活性ガス雰囲気中に約２容量％程度の水素を含んで溶融改質することが好ましい。
ここで、誘導コイルによる電磁力の力の発生原理を図３に示す。誘導コイルが発生する磁場と、導体である鋳片に誘導した電流の相互作用により、溶融部には電磁力が作用する。この電磁力はピンチ力と呼ばれる溶融部を圧縮する作用があり、溶融部表面の安定化に寄与する。
【００１２】
次に連続鋳造機端、すなわち連続鋳造後の鋳片が水平に移動している際に、本願発明方法を適用する場合について説明する。この場合、鋳片は一般の湾曲型もしくは垂直部を鋳型下数ｍにわたって有する垂直曲げ型連鋳機において、一般には曲げ戻しを受けたあと、ガスカットされる前に水平部を有することから、この部分に配置する。誘導コイルは鋳片を周回するように配置されている。この方式の場合、図６、７に示す様に鋳片上部は誘導コイルによる加熱により鋳片表層部が溶融しても、重力による滴下が起こらないため、容易に処理される。また鋳片下部の溶融部は、図３に示す原理に基づいた電磁力の作用により保持され、重力による滴下や再凝固後の表面形状が悪化することを防止できる。この処理は、ガスカット後に鋳片反転装置を用いて１８０度反転させることで、片面づつ処理することもできる。鋳片端部については、上記鋳片反転装置を用いて±９０度反転させることで、処理することができる。
【００１３】
さらに連続鋳造機内、すなわち鋳片が垂直に移動している際に、本発明方法を適用する場合について説明する。連続鋳造機内において、鋳型を出た鋳片は、２次冷却帯内において、誘導コイルにより加熱される。誘導コイルは溶融部の電磁力による保持を受けて、溶融部分が重力により滴下することなく、下部の誘導コイルを通過後に再度冷却され凝固する。ここで、鋳片溶融部分は溶融部の下部側が重力の作用によってより滴下しやすくなるため、誘導コイルは図５に示す様に、上部コイルよりは下部コイルを鋳片近くに設置することで、溶融部の下部側がより強い電磁力を発生して溶融部が漏れることを防止できるため好ましい。
【００１４】
また、プラズマ加熱単独で行う場合は、プラズマ内にニッケルを含む純金属もしくは合金を供給し、鋼の溶融した部分に供給することで鋳片表層溶融部に添加できる。プラズマは一般に軸対称な形をしているため、連続的に鋳片の表面を処理するには、プラズマトーチを鋳片幅方向にスキャンさせる方法か、特開昭５４−１４２１５４５号公報のプラズマを鋳片幅方向に電磁力を使って扁平な往復運動させる方法等を用いることができる。
【００１５】
連続鋳造機で得られた鋳片は、切断後、溶融処理場に輸送され、ニッケルを含む純金属もしくは合金をプラズマに供給することで、プラズマで鋳片表層を溶融しつつ、ニッケルを含む純金属もしくは合金を供給し、鋼の溶融した部分に供給することで、溶着される。その後再度冷却され凝固する。
【００１６】
この方法でも、鋳片表層の溶融部温度を液相線温度（鉄は他の成分を含むため、融点のように１つの温度では溶融状態が決まらず、凝固が始まる温度を固相線温度、全て液体となる温度を液相線温度と呼ぶ）よりもわずかに高い温度に保持し、添加後に急速に冷却凝固させることにより凝固組織を小さくでき、結晶粒のサイズを小さくすることにより、銅が鋼の結晶粒界へ侵入することで起こる強度低下という悪影響を抑制できるという利点がある。
また、鋳片表層溶融部にニッケルを含む純金属もしくは合金を添加して溶着させる場合、鋳片の酸化を防止することが好ましいため、チャンバー内のガス雰囲気は上記と同様であることが好ましい。
【００１７】
次に連続鋳造機端、すなわち連続鋳造後の鋳片が水平に移動している際に、本発明方法を適用する場合について説明する。この場合、鋳片は一般の湾曲型もしくは垂直部を鋳型下数ｍにわたって有する垂直曲げ型連鋳機において、一般には曲げ戻しを受けたあと、ガスカットされる前に水平部を有することから、この部分に配置する。この方式の場合、誘導コイルを用いた場合の様に電磁力の力で溶融部を保持することができないため、水平処理で上面側のみの処理をまず行い、ガスカット後に鋳片を１８０度反転して処理するなどの対応をすることが必要になる。また鋳片端部については、±９０度反転させることで、処理することができる。
【００１８】
さらに、誘導加熱とプラズマ加熱を併用して行う場合について、図１〜４に基づいて説明する。
連続鋳造機１で連続鋳造を完了した鋳片５は、切断後、溶融処理場に輸送され、図１のように誘導コイル３により加熱され、さらにニッケルを含む純金属もしくは合金をプラズマ２に供給することで、鋳片表層溶融部にニッケルを含む純金属もしくは合金を添加して溶着させる。誘導コイル３は鋳片表層溶融部８で電磁力によるより溶融部分を内面に向かって電磁力によって押さえつけることにより安定した溶融部表面を作り、その後再度冷却され凝固する。
【００１９】
この様に上記方法を併用した場合でも、鋳片表層への熱負荷が従来技術よりも小さくできるため、得られる表層改質鋳片の溶融部温度を液相線温度（鉄は他の成分を含むため、融点のように１つの温度では溶融状態が決まらず、凝固が始まる温度を固相線温度、全て液体となる温度を液相線温度と呼ぶ）よりもわずかに高い温度に保持し、添加後に急速に冷却凝固させることにより凝固組織を小さくでき、結晶粒のサイズを小さくすることにより、銅が鋼の結晶粒界へ侵入することで起こる強度低下という悪影響を抑制できるという利点がある。
また、鋳片表層溶融部にニッケルを含む純金属もしくは合金を添加して溶着させる場合、鋳片の酸化を防止することが好ましいため、チャンバー内のガス雰囲気は上記と同様であることが好ましい。さらに、誘導コイルによる電磁力は先に記載している通り、作用する。
【００２０】
次に連続鋳造機端、すなわち連続鋳造後の鋳片が水平に移動している際に、本発明方法を適用する場合について説明する。この場合、鋳片は一般の湾曲型もしくは垂直部を鋳型下数ｍにわたって有する垂直曲げ型連鋳機において、一般には曲げ戻しを受けたあと、ガスカットされる前に水平部を有することから、この部分に配置する。誘導コイルは鋳片を周回するように配置されており、プラズマも上下側端に配置されている。この方式の場合、図２に示す様に鋳片上部は誘導コイルによる加熱により鋳片表層部が溶融しても、重力による滴下が起こらないため、容易に処理される。また鋳片下部の溶融部は、図３に示す原理に基づいた電磁力の作用により保持され、重力による滴下や再凝固後の表面形状が悪化することを防止できる。この処理は、ガスカット後に鋳片反転装置を用いて１８０度反転させることで、片面づつ処理することもできる。鋳片端部については、上記鋳片反転装置を用いて±９０度反転させることで、処理することができる。
【００２１】
さらに連続鋳造機内、すなわち鋳片が垂直に移動している際に、本発明方法を適用する場合について説明する。連続鋳造機内において、鋳型を出た鋳片は、２次冷却帯内において、誘導コイルにより加熱され、さらにニッケルを含む純金属もしくは合金をプラズマ２に供給することで、鋳片表層溶融部にニッケルを含む純金属もしくは合金を添加して溶着させる。誘導コイルは溶融部の電磁力による保持を受けて、溶融部分が重力により滴下することなく、下部の誘導コイルを通過後に再度冷却され凝固する。ここで、鋳片溶融部分は溶融部の下部側が重力の作用によってより滴下しやすくなるため、誘導コイルは図５に示す様に、上部コイルよりは下部コイルを鋳片近くに設置することで、溶融部の下部側がより強い電磁力を発生して溶融部が漏れることを防止できるため好ましい。
【００２２】
次に、溶融した鋼鋳片の表層部分には、下式を満足する量のニッケルを含む純金属もしくは合金を添加することが好ましい。
［％Ｃｕ］＋８×［％Ｓｎ］＜α×［％Ｎｉ］
［％Ｃｕ］＞０
［％Ｓｎ］≧０
α＞０
ここで、［％Ｃｕ］、［％Ｓｎ］、［％Ｎｉ］は、鋼中の各元素の含有率の質量％を示す。
αは鋳造条件、加熱及び圧延条件等に応じて生じる割れの発生頻度や割れの程度が、管理指標より下回るように、適宜好適な値を設定すれば良い。また、αの上限値も特に規定するものではなく、コストを考慮して好適な値を設定すれば良い。この様な点から、通常αは０．５〜１．０程度である。
【００２３】
また、誘導加熱、プラズマ加熱の双方を併用する場合の別の形態として、誘導加熱により鋳片表層と併せてワイヤーやシートの形で鋳片表層部に添加したニッケルを含む添加純金属または合金を予熱し、その後プラズマ加熱により該添加純金属または合金を溶融合金化させる方法を用いても良い。
これは、誘導加熱は単に予熱機能として使用し、その後のプラズマ加熱でニッケルを含む添加純金属または合金を溶融合金化させるものであり、プラズマで一般に加熱溶融するにはニッケル含有金属の形状がパウダー状であり、プラズマ内に吹き込むのが一般的であるのに対し、この方法の場合には添加純金属もしくは合金の形状にかかわらず実施できるという利点がある。
【００２４】
上記方法により得られた表層改質鋼鋳片は、連続鋳造もしくは再加熱、熱間圧延時に鋼が雰囲気中の酸素にさらされて酸化した際に、銅が酸化鉄と鋼の間に液体状態で存在し、さらにこの液体の銅が鋼の結晶粒界に侵入し、界面強度を低下して起こる割れを防止できるものである。
従って、上記の表層改質鋼鋳片を加工することにより得られる加工製品について、割れのないものが得られる。加工製品とは薄板、厚板等の鋼板、形鋼、鋼管等が挙げられるが、通常の鉄鋼プロセスで鋳片を加工して得られる鉄鋼製品すべてを対象とする。また、熱延コイル等の半製品も含まれる。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
図１、２に示すような誘導加熱およびプラズマ加熱を鋳片が水平な状態で併用する方法を用いて、鋳片カット後に溶融改質処理を行った。ニッケル添加用としてニッケル合金を用い、プラズマに供給することで行った。
銅０．２５質量％、錫０．０２質量％を含む幅１５００mm、厚さ２５０mm、長さ１０ｍの連続鋳造鋳片の表層３mmを両面について溶融処理を行い、さらに鋳片端部も溶融処理し、ニッケルを０．５質量％添加処理した。
鋳片にはすでに銅により脆化した割れが処理前に見られたが、溶融処理により修復された。改質した鋳片は、加熱炉におくられ１２００℃に２時間保定された後、熱間圧延を施した。得られた圧延材には通常見られる割れはなく良好な状態にあった。
【００２６】
（実施例２）
実施例１と同じ鋳片について、図１、２に示す方法を用いて、連続鋳造機端で同一条件で溶融処理およびニッケル添加を行ったところ、実施例１と同じく良好な状態を得た。
【００２７】
（実施例３）
図４、５に示すような誘導加熱およびプラズマ加熱を鋳片が垂直な状態で併用する方法を用いて、連続鋳造機内で溶融改質処理する装置を用いて、銅０．３質量％を含む幅２０００mm、厚さ２５０mmの連続鋳造鋳片の表層３mmを両面について溶融処理を行い、さらに鋳片端部も溶融処理し、ニッケルを０．３質量％添加処理した。
機端で観察した鋳片には割れもなく、また加熱炉におくられ１２５０℃に２時間保定された後、熱間圧延を施した。得られた圧延材には銅を含むがニッケルを添加していない通常見られる割れはなく良好な状態にあった。
【００２８】
（実施例４）
実施例１と同じ鋳片について、図６、７に示すような誘導加熱を鋳片が水平な状態で行う方法を用いて、連続鋳造機端で同一条件で溶融処理を行い、ワイヤーで鋳片表層溶融部にニッケル添加を行ったところ、実施例１と同じく良好な状態を得た。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の方法を用いれば、銅を含有する鋼の連続鋳造及び熱間加工時の割れを安価で確実に防止でき、さらに表面改質時の溶鋼の過熱度を低く抑えて再凝固の速度を速くできるため、鋼の凝固組織及び結晶の粒径を小さくでき、良好な品質の鋼が得られることを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の構成の一例（鋳片切断後あるいは連鋳機端での処理）を示す断面模式図。
【図２】本発明の方法の構成を示すもので、図１の処理部分詳細図。
【図３】本発明方法の原理の説明図。
【図４】本発明の方法の構成の他の例（連鋳機内処理）を示す断面模式図。
【図５】本発明の方法の構成（連鋳機内処理）および力のバランスの説明図（図４の処理部分詳細図）。
【図６】誘導加熱のみ用いる本発明の方法の構成例（鋳片切断後あるいは連鋳機端での処理）を示す断面模式図。
【図７】誘導加熱のみ用いる本発明の方法の構成（図６の処理部分詳細図）。
【符号の説明】
１：連続鋳造機
２：元素を溶融添加する機能を保有したプラズマ
３：電磁誘導コイル
４：サポートロール
５：鋳片
６：不活性ガス雰囲気をつくる容器
７：凝固部
８：溶融した部分
９：未凝固部
１０：連続引抜もしくは移動方向
１１：コイル電流
１２：交流電流
１３：時間
１４：電気伝導体
１５：磁場
１６：未溶融の加熱部
１７：ニッケルが富化された部分
１８：電磁力の方向と強さ
１９：重力（静鉄圧）の方向と強さ
２０：添加元素を含む線材状原料
【図１】
2004195513.tif 000003
【図２】
2004195513.tif 000004
【図３】
2004195513.tif 000005
【図４】
2004195513.tif 000006
【図５】
2004195513.tif 000007
【図６】
2004195513.tif 000008
【図７】
2004195513.tif 000009