JPH0399751A - 鋳込み複合鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、鋳型内への鉄被覆合金ワイヤーを添加し、鋳
片表層部がタンディツシュ内溶鋼と同一成分からなり、
鋳片コア部のみに合金成分を含有せしめた鋳込み複合鋼
材を製造する方法に関する。

従来の技術 鋼材の表層部とコア部とで異なる鋼種の特性を有する複
合鋼材は、付加価値の高い鋼材として使用され、最近連
続鋳造による製造について報告がなされている。例えば
、「鉄と鋼Ｊ　７２　（１９８Ｂ）、５８８５における
「クラツド鋼丸ビレットの連続鋳造法」、或いは「材料
とプロセス」１　（１９８Ｂ）、５２８８での「ステン
レス鋼中空丸ブルームの連続鋳造法」があり、これらは
鋳ぐるみ法による複合鋼材の製造方法に関する。

複合鋼材のその他の製造方法としては、鋳型内へ合金元
素を添加するコア添加法が知られている。例えば、特公
昭５５−１４８４７号には、コア部に鉄被覆チタン充填
ワイヤーを添加するホーロー用鋼板の製造方法が、特開
昭８２−１４２０５３号には、鉄被覆硫黄充填ワイヤー
によりコア部に硫黄を添加する硫黄快削鋼の製造方法が
開示されている。

発明が解決しようとする課題 ］ア添加法による鋳込複合鋼材の製造は、タンディツシ
ュ内溶鋼成分と同一成分からなる所定厚みの表層部を確
保し、更にそのコア部を合金添加により成分を所定範囲
内に調整することにより、表層部とコア部が異なる成分
からなる複合鋼材を得ようとするものである。

以上の方法の課題は、第１図のように表層部を形成する
溶鋼成分のプールとコア部を形成する添加合金を含む溶
鋼成分のプールを連鋳片内で分離して保持することが必
要であり、このため合金をその内部に充填した鉄被覆合
金ワイヤーの溶解位置制御が重要な技術となる。

鋳型内の溶鋼流動は、一般に鉄被覆合金ワイヤーの吐出
孔からの吐出流の影響による鋳型上部（図中Ａ部）の上
Ａ循環流領域とその下部（図中Ｂ部）の上昇循環流が鎮
静化した領域に大別される。

ここで上述した溶鋼成分の異なる２つのプールを確保す
るには、Ｂ部でかつ所要の表層部厚みが確保出来る位置
に鉄被覆合金ワイヤーを投入し溶解を完了させることが
複合材を製造する１−で必要である。

しかしながら上記の観点から鋳型より退度に下部（図中
Ｃ部）で溶解させようとして溶解しにくいワイヤーを用
いた場合には、ワイヤーの外周に鋳型内の溶鋼が凝固付
着したまま鋳片内に残存したり、またたとえワイヤーが
溶解しても均一な合金の混合、拡散が行われず合金が局
部的に濃化する問題がある。

本発明では、連続鋳造による複合鋼材の製造において、
鉄被覆ワイヤーの溶解位置制御方法についてその最適化
をはかると共に、コア添加法により安定して複合材を製
造できるようにしたものである。

課題を解決するための手段 本発明は以上の課題を解決するものであり、以下にまず
鉄被覆ワイヤーの溶解位置コントロール手段について述
べる。製造しようとする複合材の目標とする表層部厚み
をＬｓ　（ｍ）とするとき、鋳型内湯面からのワイヤー
溶解位置Ｌ　（＋ａ）は凝固式から（１）式で求めるこ
とが出来る。

Ｌ＝　（Ｌｓ　／Ｋ）　２・Ｖｃ　　　　　　−（１）
ここ−ｃＫは凝固係数（ｍ／ｌ１ｉｎ”　）　、Ｖ　ｃ
は鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）である。

一方、ワイヤー供給速度をＶｗ　（ｍ／ｍｉｎ）とすれ
ば、鋳型内に供給したワイヤーが溶解位置りまで到達す
る時間Ｔ（ｗｉｎ）　　（以下溶解時間という）は、（
２）式で示される。

Ｔ＝Ｌ／Ｖ冒　　　　　　　　　　　・・・・・・（２
）（１）および（２）式から、（３）式が得られる。

Ｌ−（Ｌｓ　／Ｋ）　”　・Ｖｃ　＝Ｖｗ　・Ｔ　　−
（３）このように、目標とする表層部厚みＬｓ、鋳造速
度ＶＣが与えられれば、ワイヤーの溶解すべき位置りが
定まり、これはワイヤー投入速度Ｖｗとワイヤー溶解時
間Ｔの蹟により表すことが出来る。

発明者らは、ワイヤー溶解時間を添加しようとする合金
を被覆する鉄ワイヤ一部の肉厚ｔ、径りにより制御しよ
うとした。ここで当然ながらワイヤは溶鋼中を通過中、
溶鋼の凝固付着、溶解の過程を経るが、ここで言う溶解
時間は最終的に鉄被覆部が溶解し、中に充填された合金
元素を吐き出す時点を言う。またここで、溶解時間とし
て鉄被覆部に着眼しているのは、一般に鉄被覆ワイヤー
内に充填する合金は粉体状にて充填されるため粉体間の
空気層の存在により伝熱抵抗が大きく、鉄被覆部に比べ
溶鋼からの伝熱が遅いという理由による。

第２図に示す如く、発明者の調査でも、溶鋼温度を融点
直上に保ち、かつ溶鋼とワイヤーの鉄被覆の成分がほぼ
同等のもので溶解時間を測定した結果によっても、鉄被
覆部の肉厚ｔ、径りにより溶解時間が決まり、おおよそ
第３図のように鉄被覆断面積により表せる。

以上から、鉄被覆ワイヤーの溶解時間を決定する因子を
明らかにし、更に実用上これらの因子と溶解位置りの関
係をより明確にするため、実際の複合材製造を行い、（
４）式のように、鉄被覆ワイヤーの溶解制御を行う指標
となる式を得た。

Ｌ＝０３・ｐ５　＊ＳＩＩＶｗ　　　　　　−・・・・
・（４）ここで、Ｌは溶解位置（■）、ρｓはワイヤー
被覆部の密度（ｋｇ／ｍつ、Ｖｗはワイヤーの投入速度
（ｍ＃＋ｉｎ）　、　Ｓは鉄被覆ワイヤーの断面積（ｍ
’）、Ｃ３は係数で０．３〜０．６程度である。

Ｓは、鉄被覆ワイヤーの内径Ｄ　ｉ　（ｍ）と外径ＤＯ
（ｍ）を使って次式で求まる。

Ｓ＝π／４”　　（Ｄｏ　２　Ｄ　ｉ２）　　　”・・
’・（５）（０式は、溶解位置りを供給するワイヤーの
熱容量によりコントロールする考えに基づいた式であり
、係数は、鋳型内の溶鋼温度、鋳型サイズにより多少変
動するので、上記範囲の中で最も適当な係数を選定して
ワイヤーの投入速度制御を行えば良い。

ここで、鉄被覆ワイヤーの断面形状は、」−述の如く円
形でも、或いは楕円形、角型その他の形状でも、鉄被覆
ワイヤーの断面積Ｓをそれぞれの形状に応じ同様に取り
扱うことにより（４）式を適用してよい。

以上により鉄被覆ワイヤーにより溶解位置りを調整する
方法についての概略を述べた。

次に、コア部への合金元素添加の調整供給方法について
述べる。

ワイヤー溶解位置での鋳片の凝固シェル内溶鋼断面積を
Ａ　（ｍ２）　、溶鋼の密度をｐＭ　　（ｋｇ／　ｍ”
）、コア部への合金添加目標濃度差（上昇分）を△Ｃ（
％）、ワイヤー内径をＩＩ（鵬）、ワイヤー内合金元素
の充填密度をｐｃ　　（ｋｇ／　ｒｎ”）　、合金元素
の添加歩留をη（％）、溶解に供するワイヤー本数をＮ
木とすれば、（６）式の物質収支式が求まる。

ＡｘＶｃｘｐＭ×ΔＣ ＝π／４　・Ｄ　ｉ２×ｐｃ　ＸＶｗ　ＸηＸＮ　　−
−−−・−（６）ここでワイヤーにより供給される合金
添加量ＱはＱ＝　π／４＊　Ｄ　ｉ２×ｐｃ　ＸＶｗ　
ＸＮ　　・−・−（７）であるから、鉄被覆ワイヤーの
操作因子は以下のように表せる。

Ｄ　＋　２Ｖｗ　＝Ｑ／（１）Ｃ・π／　４　・Ｎ）　
　−（８）以上から所望の溶解位置Ｌ（表層部Ｌｓ）を
満足しつつコア部に所望の合金量Ｑを添加する鉄被０ 環ワイヤー条件は、（４）式および（８）式を満足する
鉄被覆ワイヤーの肉厚、径、投入速度等を組み合わせる
ことにより得られる。

以上の方法により、コア添加法による複合材製造上のワ
イヤーの溶解位置制御方法の考え方を示した。

以」二述べた方法により複合材を製造するにあたっての
ワイヤーの必要溶解位置およびワイヤー仕様の概略を決
定出来るが、ワイヤーの溶解位置が前述の課題である鋳
型内の溶鋼の流動状態を勘案して十分であるかの判断条
件を規定するのが、次なる発明の骨子であり、以下にそ
の詳細を述べる。

第１図に示した鋳型内Ａ部でワイヤーの溶解が行われる
場合、添加合金の混合、拡散が複合材製造上の問題とな
る。この点について水モデル試験による鋳型内の」型外
循環流の調査結果を第４図に示すが、鋳型サイズが大き
いほど鋳型内の混合領域は湯面から深い所まで存在し、
概略ノズル浸漬深さを基準として鋳型の長辺幅の（１〜
２）倍程１ 度である。

したがって、鋳型内Ａ部への添加合金の混合、拡散を防
止するためには、ワイヤーの溶解位置Ｌ（ｍ）は、次式
とすることが必要である。

Ｌ＞　（ＣＩＸＨ＋ＬＮ）÷１０００　　　　・・・・
・・（９）ここで、Ｈは鋳型サイズの長辺Ｉｌｌ、１（
１１）、ＬＨはノズルの浸漬深さ（ａｍ）、Ｃ１は係数
で１〜１．５程度である。

さらに、発明者らは、鉄被覆合金ワイヤーの吐出孔を変
更することにより鋳型内流動の最適化を図る手段、すな
わち（８）式で規定される溶解位置最浅制約の緩和手段
を開示する。

（１）旋回ノズル方式 鉄被覆合金ワイヤーの吐出孔を鋳型内壁面に対して、第
５図（ａ）のように傾斜して噴射することにより、吐出
流の運動エネルギーが鋳型下方に及ぶのを抑制すること
により、第２図のＡ部を縮小する方法である。特にこの
方法は、鋳型サイズが大きい場合に有効な方法である。

（２）鉄被覆合金ワイヤーのストレート化２ 従来の鋳型内壁面に向かう吐出孔に加え、第５図（ｂ）
のように鉄被覆合金ワイヤーの底部に鋳型下方へ吐出孔
を新たに設けることにより前者の吐出孔にて所要表層部
厚み形成のための湯量を極力小さい運動エネルギーで供
給し、更に後者の吐出孔にてコア形成用の湯量、並びに
添加合金の均一分散のための攪拌エネルギーを確保する
ことに特徴がある。特にこの方法は、鋳型サイズが小さ
い場合に有効な方法である。

以上複合材製造上の鉄被覆ワイヤーの溶解位置について
の湯面からの必要最浅深さについての規定とその制約条
件の緩和方法について述べた。

次に、鉄被覆ワイヤーの溶解位置についての湯面からの
限界最深深さについて述べる。限界最深深さは鉄被覆ワ
イヤーの付着地金残存という問題から規定するもので、
第１図のＢ領域の下端の溶鋼が加熱度ΔＴ（＝溶鋼温度
−融点）及び流動性を消失した位置で定義するものであ
る。この条件は、鋳片の熱容量に対する凝固シェル成長
による抜熱による鋳片内溶鋼温度の低下により概略状ま
３ るものである。

（１０）式の左辺の第２項は、鋳片内の凝固割合を定義
する式であり、左辺は鋳片内の未凝固割合（％）を表現
する。実温テストなどから、鉄被覆ワイヤーの付着地金
残存が発生しない条件を求めると、ワイヤーの溶鋼位置
りにおける鋳片の未凝固率が、４０〜５０％以上の領域
で溶解を完了させる必要がある。

・・・・・・（１０） ここで、 Ｋは凝固係数（ｍ罵／鳳ｉｎ″ｈ）、Ｌは鉄被覆ワイヤ
ーの溶解位置（ｍ）、Ｖｃは鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）　
、Ｈは鋳型の長辺幅（ｍｍ）、Ｂは鋳型の短辺厚み（ｍ
ｍ）を表す。

（１０）式から溶解位置についての湯面からの限界最深
深さＬは次式となる。

４ 以上をまとめると、鉄被覆ワイヤーの溶解位置について
の湯面からの最浅深さを（９）式にて規定し、限界最深
深さＬを（１１）式にて規定することにより、鉄被覆ワ
イヤーの溶解位置はＣ１を１〜１．５、Ｃ２を０，５〜
０．６とし、（１２）式にて規定される。

・・・・・・（１２） 作用 本発明は、その内部に添加合金元素を充填した鉄被覆ワ
イヤーの溶解位置制御について述べたもので、第１の作
用は、複合材製造上必要なワイヤーの溶解位置の制御範
囲を明らかにしたことであり、第２の作用は、鉄被覆ワ
イヤーの寸法および投入速度を制御因子として、上記制
御範囲に溶解位置をコントロールしつつ、コア部に必要
に応じた合金元素を供給する方法を明らかにしたことに
ある。

本発明による鉄被覆ワイヤーの溶解位置コント５ ０−ルにより、良好な複合材の製造が可能となる。

実施例 以下に、コア部硫黄濃度の高い硫黄快削鋼の連続鋳造に
関する実施例について説明する。

転炉で０．０６％Ｃ１０，０２％Ｓｉ、０．５０％Ｍｎ
、０．０２５％Ｐ、０．０１２％Ｓ、０．０１５％Ｍの
成分系の溶鋼を溶製し、曲率半径１２ｍの湾曲型連鋳機
で、横断面サイズが１８２ｍｍＸ　ｌＢ２ｍｍノビＬ／
−／トを、５孔の鉄被覆合金ワイヤー（水平４孔十垂直
１孔の吐出孔を有する）を用い、鋳造速度■ｅ　＝　１
．８〜２．Ｏｍ１膳ｉｎで鋳造した。

鋳型上部へワイヤー供給ガイドを設置し、ワイヤー供給
機を用いて鋳型と鉄被覆合金ワイヤーとの間から鋳型内
へ、粉末硫黄を充填した鉄被覆ワイヤーを連続的に供給
しながら鋳造した。

コア部硫黄濃度が０．１５０〜０．２５０％ＳのＡ鋼種
と０．０５０〜ｏ、ｔｏｏ％ＳのＢ鋼種を製造するため
に硫黄充填ワイヤーを２種類準備し、Ａ鋼種用は外径６
．５＋ｕ＋φ、鉄被覆厚み０．９ｍ腸、Ｂ＃４種用は外
径４．５＋ｉｍφ、鉄被覆厚み１．ｏｍ鵬とした。

６ 尚、硫黄を添加しない鋳片表層部厚みの目標値は、いず
れの鋼種においても１０〜２５ｍ鵬とした。

第１表に、上記硫黄快削鋼の製造条件および得られたビ
レット鋳片から採取した横断面サンプルにおける表層部
厚みの測定結果、コア部硫黄濃度の分析結果並びにコア
部での地金残存の有無、硫黄の局部濃化の有無について
の観察結果を示した。

第６図は、鉄被覆ワイヤーの投入速度に対して、凝固後
に表層部厚みから算出したワイヤーの溶解位置を示して
いる。

ここでは、」二足実施例と対応伺けて、本発明の具体的
適用方法について詳細に述べることとする。ここで基本
条件として、鋳片サイズに対し、Ｖ　Ｃ＝　　１．８ｍ
／ｍｉｎで凝固係数Ｋ　＝　２４ｍ５＋／ｓｉｎ′ｈで
表層部厚みを１５〜２０ｍｍ確保するためには、（１）
式からワイヤーの溶解位置を鋳型内湯面から０．７〜１
．２５ｍ深さにする必要がある。

これに対し、良好な複合材を製造するための鋳型内での
２つの溶鋼プールの分離条件およびワイ７ ャーの完全溶解条件を規定する（１２）式は左辺がノズ
ル浸漬深さを０．２厘とすると（０，３Ｂ〜０．４４）
ｍと求まり、また右辺は（１，２８〜１．８０）ｍの範
囲にあり、上記の０．７〜１．２５ｍ深さにワイヤーの
溶解位置を制御すれば求める複合材が得られる見通しが
立つ。

次に、上記溶解位置に制御しつつ、コア部に目標濃度を
供給出来るワイヤー寸法およびワイヤー供給速度を求め
る。今、コア部を０．０５０％Ｓから０．２００％Ｓに
上昇させようとすると必要硫黄是は０．４２ｋｇ／ｍｉ
ｌ＋であり、硫黄の密度を２０００ｋｇ／ｒｎ’とした
物質収支の（８）式と、鉄被覆ワイヤーの溶解位置制御
の関係の（４）　（５）式を連立させることで、ワイヤ
ーの外径り。＝　８．５ｍｍφ、鉄被覆厚み０．９ｍ１
１、ワイヤーの供給速度Ｖｗ　＝　１０．７ｍ／ｍｉｎ
　、鉄被覆部の供給速度２．８ｋｇ１履ｉｎが求まる。

この供給速度により第６図の安定して複合材を製造可能
な溶解位置に制御出来る。

同様な方法が、鋳造条件が異なる場合にも適用出来る。

８ １９ 発明の効果 以」二説明したように、本発明によれば、鉄被覆合金ワ
イヤーの鋳型内添加により、複合鋼材の連続鋳造が可能
となり、従来造塊法で鋳造していた複合鋼材の製造コス
トの低減や品質の安定化に対する効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は縦断面図、第２図は鉄被覆厚みとワイヤー溶解
時間の関係を示す図、第３図は鉄被覆断面積とワイヤー
溶解時間の関係を示す図、第４図は鋳型内の上昇循環流
の調査結果を示す図、第５図（ａ）　、　（ｂ）は鋳型
内流動の最適化を図る手段の説明図、第６図はワイヤー
の投入速度と溶解位置を示す図である。 ｌφΦ・ノズル、２・・・吐出口、３・参・ワイヤー、
４・・・表層部、５・・・コア層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）鋼の連続鋳造において、タンディッシュから供給
   された溶鋼が、母溶鋼成分の表層部（リム層）を形成し
   、さらに、未凝固部への合金添加により、母溶鋼と異な
   る成分の内部（コア層）を形成する鋳込み複合鋼材製造
   方法において、湯面からの距離で表す鉄被覆ワイヤーの
   溶解位置Ｌを、上記鋳片表層部に添加合金が混合しない
   よう下式の左辺の規定以上とし、かつ鉄被覆ワイヤーが
   未溶解で鋳片内に残存しない下式の右辺の規定以下に制
   御することを特徴とする鋳込み複合鋼材の製造方法。 （Ｌ＿Ｎ＋Ｃ１×Ｈ／１０００）＜Ｌ＜Ｖｃ・（Ｃ２・
   （Ｈ×Ｂ）／Ｋ・２（Ｈ×Ｂ））＾２ここで、 Ｌ：鉄被覆合金ワイヤーの溶解位置の鋳型湯面からの距
   離（ｍ） Ｌ＿Ｎ：浸漬ノズルの吐出孔の鋳型湯面からの距離（ｍ
   ｍ）Ｈ：鋳型の長辺幅（ｍｍ）、Ｂ：鋳型の短辺厚み（
   ｍｍ）Ｖｃ：鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）、Ｋ：凝固係数（
   ｍｍ／ｍｉｎ＾１＾／＾２）Ｃ１：係数（１〜１．５）
   、Ｃ２：係数（０．５〜０．６）（２）請求項（１）の
   範囲内に鉄被覆合金ワイヤーの溶解位置をコントロール
   する手段として、溶解位置Ｌが下式に示すとおりワイヤ
   ー被覆部の投入重量速度に比例するとした近似制御方法
   を特徴とする鋳込み複合鋼材の製造方法。 Ｌ＝Ｃ３・ρｓ・Ｓ・Ｖｗ ここで、 ρｓ：ワイヤー被覆部の密度（ｋｇ／ｍ＾３）、Ｓ：ワ
   イヤー被覆部の横断面積（ｍ＾２） ＝π／４・（Ｄｏ＾２−Ｄｉ＾２） Ｄｏ：被覆ワイヤーの外径（ｍ）、 Ｄｉ：被覆ワイヤーの内径（ｍ） Ｖｗ：鉄被覆ワイヤーの投入速度（ｍ／ｍｉｎ）、Ｃ３
   ：係数（０．３〜０．６） （３）請求項（１）、（２）を満足し、かつ、所要合金
   添加量を得るための物質収支式としての下式を制御条件
   のひとつに加えることで、最終的にワイヤー条件、投入
   条件を決定し、所望のコア成分を任意に選択することを
   特徴とする鋳込み複合鋼材の製造方法。 Ｄｉ＾２Ｖｗ＝（Ｑ／Ｎ・π／４・ρｃ） ここで、 Ｄｉ：鉄被覆ワイヤーの内径（ｍ） Ｎ：投入ワイヤー本数 Ｖｗ：鉄被覆ワイヤーの投入速度（ｍ／ｍｉｎ）Ｑ：合
   金添加量（ｋｇ／ｍｉｎ） ρｃ：合金の充填密度（ｋｇ／ｍ＾３） （４）鋳型内での溶鋼の上昇循環流を抑制し、添加合金
   の均一分散化を促進させる、あるいは／および、よりリ
   ム層の薄い複合鋼材を得るために、浸漬ノズルの吐出孔
   を鋳型内壁面に対して傾斜すること（回転流利用）、ま
   たは、浸漬ノズル底部に吐出孔を設けて下向きに吐出さ
   せること（下降流利用）を特徴とする請求項（１）〜（
   ３）記載の鋳込み複合鋼材の製造方法。