(57)【要約】【課題】鋼の連続鋳造鋳片表層を安価に確実に改質し、複合鋼材を製造すること。【解決手段】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、添加元素もしくはその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、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。更に、少なくともプラズマ加熱を用いる場合、添加元素もしくはその合金を、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。【選択図】        図１
2004195512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、添加元素もしくはその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】
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に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
【請求項３】
少なくともプラズマ加熱を用いる場合、添加元素もしくはその合金を、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または２に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
【請求項４】
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添加元素もしくはその合金を予熱し、その後プラズマ加熱により該添加元素もしくはその合金を溶融化させ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。
【請求項５】
請求項１〜４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６】
請求項５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、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】
性質の異なる２種類の金属を鋳片段階で製造することにより、複合された機能を有する複合材を通常の加工過程で製造することができる。発明者らは、鋳片表層と内層の成分が異なる鋳片の連続鋳造方法として、例えば連続鋳造する際に、２種類の溶鋼を同時に鋳造する方法を特許文献１に、また潤滑剤内に元素を混入させる方法を特許文献２にそれぞれ開示している。
【０００３】
【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
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示している様な、２種類の溶鋼を同時に鋳造する方法では、さまざまな組み合わせの複層鋳片を得ることができる反面、溶鋼段階で２種類の成分のものを準備する必要があり、かつ該溶鋼を入れる取鍋、それを鋳型に注入する際に必要となるタンディッシュやノズルなども２種類用意する必要があり、コスト的に高くなることが課題である。一方、特許文献２に開示している様な、潤滑剤内に元素を混入させる方法では、上記問題が解決され、コスト的に安価とできるものの、潤滑剤を通じて添加するために元素成分の付加範囲が安定しないことや、熱源の不足により量が限られる等の課題がある。
本発明は、鋼の連続鋳造鋳片表層を安価に確実に改質し、複合鋼材を製造することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
（１）  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、添加元素もしくはその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）  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）に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
（３）  少なくともプラズマ加熱を用いる場合、添加元素もしくはその合金を、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）または（２）に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
（４）  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添加元素もしくはその合金を予熱し、その後プラズマ加熱により該添加元素もしくはその合金を溶融化させることを特徴とする（１）に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
（５）  （１）〜（４）のいずれかに記載の方法により得られる表層改質鋼鋳片。
（６）  （５）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である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、鋼の鋳片表層に添加元素もしくはその合金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鋼の鋳片表層を溶融させ、そこへ添加元素もしくはその合金を添加することで、安価に確実に複合鋼材を製造できることを見出した。以下にその詳細に説明する。
【０００７】
本発明で対象とする鋼の鋳片について、その表層部分の厚さは、特に規定するものではないが、通常は０．５〜２０mm程度である。これは、０．５mm未満の場合は通常の加熱・圧延工程で表面が酸化して失われてしまうこと、また２０mm超の場合は一般に目的とする複合鋼材の製造において、特に要求がないことや、本プロセスによって溶融処理する上で、溶融処理コストが増大することが、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。
【０００８】
本発明は、上記鋳片の表層部分に添加元素もしくはその合金を溶着させることで、複合鋼材を製造するものであるが、添加元素もしくはその合金については後述するとして、まず鋼の鋳片表層を溶融させる方法について説明する。
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、添加元素もしくはその合金を、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添加元素もしくはその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、添加元素の溶融処理部内での均一性が増し、また圧延時にも割れなどの欠陥を生じにくくなるという利点がある。
【００１１】
また、鋳片表層溶融部に添加元素もしくはその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３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、プラズマ内に添加元素もしくはその合金を供給し、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、添加元素もしくはその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、添加元素もしくはその合金を供給し、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、添加元素の溶融処理部内での均一性が増し、また圧延時にも割れなどの欠陥を生じにくくなるという利点がある。
また、鋳片表層溶融部に添加元素もしくはその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、さらに添加元素もしくはその合金をプラズマ２に供給することで、鋳片表層溶融部に添加元素もしくはその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、添加元素の溶融処理部内での均一性が増し、また圧延時にも割れなどの欠陥を生じにくくなるという利点がある。
また、鋳片表層溶融部に添加元素もしくはその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５は、２次冷却帯内において、誘導コイル３により加熱され、さらに添加元素もしくはその合金をプラズマ２に供給することで、鋳片表層溶融部に添加元素もしくはその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３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】
なお、添加元素の成分としては、鋼材の特性を変化させるために用いられるものとして、炭素、シリコン、マンガン、リン、硫黄、ニッケル、クロム、モリブデン、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、レアアースメタル等が挙げられる。また、添加元素の合金としては、上記添加元素の複数成分の合金に加え、添加元素成分と酸素あるいは窒素との化合物なども含まれる。
【００２３】
以下に添加元素について説明する。
炭素：鋼材の強度を上げる働きがある。例えば、極低炭素鋼の表層のみに炭素を添加することにより、加工性を内部の鋼で維持し、表層で強度を増すことにより強度の双方に優れる鋼板の製造が可能である。
ニッケル、クロム：鋼材の耐食性を向上させる作用がある。例えば、低炭素鋼の表層にニッケル、クロムを添加することにより、表層をステンレスとすることができる。
モリブデン：上記のニッケル、クロムに加えてモリブデンを添加することで、さらに耐食性を向上させる作用がある。
シリコン、マンガン：特に鉄系合金に対して強度を向上させる作用がある。
リン：極低炭素鋼に添加して、強度を上げる作用がある。
硫黄：鋼の切削性を高める作用がある。
銅：極低炭素鋼にニッケルと併せて添加することにより加工性と強度を同時に増すことができる。
金：鋼に抗菌作用を付加することができる。
アルミニウム：普通鋼に添加することにより、耐食性を増すことができる。
マグネシウム、レアアースメタル：鋼中の酸素や硫黄と結びつき、微細な酸化物や硫化物を生成して、鋼材の組織を小さくし、また鋼管材など溶接される材料に用いられる場合、溶接の熱影響部では組織が粗くなって強度が低下するが、これを微細な化合物で抑制することなどができる。
【００２４】
また、添加元素の合金については、上記添加元素の複数成分の合金であれば特に規定するものではないが、通常はフェロマンガン、フェロニッケル、フェロリンその他合金鉄等が用いられる。
さらに、添加元素成分と窒素との化合物については、例えば窒化鉄の様な窒素を合金の形で添加することで、結晶粒を小さくする作用があるため、圧延時の表面粗さが均一に保たれ鋼の表面形状を良好にできる。また、添加元素成分と酸素との化合物については、例えばマグネシウム酸化物の様な酸素を合金の形で添加することで、組織を微細化する作用があるため、加工割れの防止や溶接時の強度低下防止などができる。
【００２５】
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添加元素もしくはその合金を予熱し、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添加元素もしくはその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添加元素もしくはその合金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元素もしくはその合金の形状にかかわらず実施できるという利点がある。
【００２６】
上記方法により得られた表層改質複合鋼材鋳片は、表層と内部の性質が異なる鋼の特性を併せ持つ、低コスト鋼材であるという利点がある。
従って、上記の表層改質複合鋼材鋳片を加工することにより得られる加工製品について、表層と内部の性質が異なる鋼の特性を併せ持つ低コスト製品が得られる。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。
【００２７】
【実施例】
（実施例１）
図１、２に示すような、連続鋳造を完了した鋳片を切断後に、誘導加熱とプラズマ加熱を併用して溶融改質処理を行う方法を用いて、幅１５００mm、厚さ２５０mm、長さ１０ｍの０．０１％Ｃ−０．０３％Ｓｉ−０．２４％Ｍｎ−０．０１％Ｐ−０．０１％Ｓ（単位は質量％）の連続鋳造鋳片の表層２０mmを溶融処理し、プラズマを用いて炭素、珪素、マンガン、ニッケル、クロム合金の添加を行い、０．０４％Ｃ−０．４９％Ｓｉ−１．０１％Ｍｎ−０．０１％Ｐ−０．０１％Ｓ−１８．１％Ｃｒ−８．５％Ｎｉ（質量ベース）の表層ステンレス鋳片とした。
得られた鋳片は、断面分析したところ、深さ方向のばらつきプラスマイナス１mm、元素成分のばらつきは５％以内であった。本鋳片を加工することにより、表面がステンレスの特性すなわち高い耐食性、美観を有する薄板用鋼板を、安価に製造することができた。
【００２８】
（実施例２）
図６、７に示すような、連続鋳造を完了した鋳片を切断後に、誘導加熱により溶融改質処理する方法を用いて、幅１５００mm、厚さ２５０mm、長さ１０ｍの０．００１％Ｃ−０．１１％Ｍｎ−０．０１Ｓｉ−０．００７％Ｐ−０．００９％Ｓ−０．０４５％Ａｌ−０．０４９％Ｔｉ（単位は質量％）の連続鋳造鋳片の表層２０mmを溶融処理し、合金ワイヤーを用いて炭素合金添加を行い、表層の炭素成分のみ０．０３質量％とした。
得られた鋳片は、断面分析したところ、深さ方向のばらつきプラスマイナス１mm、元素成分のばらつきは３％以内であった。本鋳片を加工することにより、疲労強度に優れ、同時に良好な加工性を有する薄板用鋼板を得ることができた。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の表層改質方法を用いれば、複層鋳片が、安価に製造可能となる。
【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の鋳片表層の処理部分詳細図。
【図３】誘導コイルによる電磁力発生の原理の説明図。
【図４】本発明の方法の構成の他の例（機内処理）を示す断面模式図。
【図５】本発明の方法の構成（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】電磁誘導のみを用いた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】電磁誘導のみを用いた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：添加元素が富化された部分
１８：電磁力の方向と強さ
１９：重力（静鉄圧）の方向と強さ
２０：元素を添加するワイヤー
【図１】
2004195512.tif 000003
【図２】
2004195512.tif 000004
【図３】
2004195512.tif 000005
【図４】
2004195512.tif 000006
【図５】
2004195512.tif 000007
【図６】
2004195512.tif 000008
【図７】
2004195512.tif 000009