JPH0994634A

JPH0994634A - 連続鋳造用水冷鋳型

Info

Publication number: JPH0994634A
Application number: JP25301095A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamauchi; 章山内; Seiji Itoyama; 誓司糸山; Nagayasu Bessho; 永康別所
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1997-04-08

Abstract

(57)【要約】【目的】不均一冷却に伴う縦割れや凝固殻拘束性ブレ
ークアウトの発生を防止すると共に、つめの発生を抑制
して鋳片の表面性状の有利な向上を図る。【構成】溶鋼と接する鋳型内壁の少なくとも上半分
に、 (1) 水平方向の凹み幅または直径：３mm超、80mm以下、 (2) 凹み深さ：100 〜1000μm 、 (3) 凹部面積率：50〜95％を満足する凹凸を付与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、鋼の連続鋳造用水冷
鋳型に関し、特に高速鋳造時においても、凝固開始点に
おける不均一冷却に伴う鋳片表層欠陥や凝固殻拘束性ブ
レークアウト発生を効果的に防止すると共に、鋳片の表
面性状の有利な向上を図ろうとするものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼鋳片を連続鋳造によって製造する場
合、溶鋼を鋳型内で凝固させながらすなわち凝固殻を形
成させつつ引き抜きが、この凝固殻は、冷却がある程度
以上不均一になると表面が凹凸になり、その結果凝固殻
の不均一成長を招くだけでなく、甚だしい場合には、鋳
片の表面に縦割れが発生する。このような表面縦割れが
発生すると、圧延工程に鋳片を送給するに先立って、傷
や欠陥部の除去作業（以下、手入れという）が必要とな
る。また、連続鋳造では、介在物や気泡が、メニスカス
部において、成長し鋳型内側へ倒れ込んだ凝固殻（以下
つめという）に捕捉されることに起因して、熱間圧延後
または冷間圧延後に傷や膨れ等の表面欠陥が発生する場
合がある。

【０００３】上記のような縦割れや傷、膨れ等の表面欠
陥の発生傾向は、鋳造速度の増加に伴って高まる傾向に
あるため、今日の一般的スラブ連鋳機における鋳造速度
が、例えば10年前と比較すると約 1.5〜２倍に増加して
いることも、手入れ作業が増大する一要因になってい
る。従って、上述したような冷却不均一に伴う凝固殻成
長の不均一および凝固初期におけるつめの発生は、今日
優れた経済性が着目され、適用が拡大されつつある直送
加熱（ホットチャージ）や直送圧延（ダイレクトチャー
ジ）の適用阻害要因であるだけでなく、生産性の向上要
件である高速鋳造化の阻害要因にもなっている。

【０００４】このような連続鋳造鋳片における縦割れ発
生および介在物の残留を防止するためには、凝固の初期
段階において、均一緩冷却を行い、凝固殻成長を均一に
すると共に、つめの生成を阻止する必要がある。

【０００５】この点に関し、「Steel in English P.560
〜562 」( P.Perminov, et Al.1968No.7）には、 280×
280mm のピレット鋳造に際し、鋳片の表面性状を改善す
るためには、鋳型内平面に凹凸を付与することが有効で
ある旨が記載されている。同様の考え方で、特開昭57-1
1735号公報には、直径もしくは幅が 2.5mm以下で、かつ
該凹部の総面積率が20％以上、90％以下の凹部を形成す
る技術が提案されている。なお、凹部の深さに関して
は、 0.3〜1.0mm 、また凹部と凹部の間隔については１
〜３mm程度が望ましい旨が記載されている。

【０００６】また、直径：0.1 〜３mm、深さ５〜300 μ
m の凹凸を鋳型表面に形成する特開平６−297103号公報
に開示の技術も、上述した技術と同様に複数の凹凸を均
一に鋳型内に設けることにより、鋳型内の均一冷却を図
ろうとするものである。さらに、特開昭61−192756号公
報や特開昭61−129257号公報には、かかる凹部（縦溝）
の形成技術として、Niめっきを 500μm 以上の厚みに付
与したのち、化学腐食により縦溝加工を施し、さらにめ
っき表面に硬化層を設ける技術が開示されている。上記
したいずれの技術においても、その根底にある思想は、
かかる凹凸により鋳型壁面と凝固殻の間に空気層や溶融
パウダー層を形成し、かかる空気層や溶融パウダー層の
断熱性を利用して緩冷却を実現しようというものであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た引用文献「Steel in English P.560〜562 」および特
公昭57-11735号公報に開示の技術は、鋳造速度が約1.0
m/min 程度と比較的低速の場合はともかく、 1.3〜1.5
m/min 以上という現在の高速鋳造さらには近い将来の毎
分数ｍといった高速鋳造の下ではその効果は期待できな
い。とういのは、ｉ) 微細な凹凸により一定周期の抜熱不均一を与え、マ
クロ的に均一冷却を得る方法では、鋳造速度が大きくな
ると、鋳造速度とほぼ比例して鋳型と凝固シェルとの摩
耗力が増大するため、低速鋳造時には凹部に入り込んで
いた凝固したパウダーが、摩擦力より引っ張られて抜け
易くなる、 ii) 高速鋳造により鋳型・鋳片間の液相モールドパウダ
ーフィルムは薄くなり、また流体力学的な効果から凹部
に侵入しにくくなるため、鋳造速度が大きくなるに従っ
て一定周期で与えるはずの冷却の強調パターンが不規則
となる結果、本来の効果を発揮できなくなるからである。この
ように、鋳造鋼種に依存するとはいえ、 1.3〜1.5 m/mi
n を超える鋳造速度では、マクロ熱伝達的なモールドパ
ウダーフィルム厚さおよび冷却の均一性の維持、ひいて
はブレークアウトの防止が極めて困難であり、従って上
記した技術はいずれも、高速鋳造の観点からはいまだ未
熟な技術といわざるを得ない。

【０００８】また、特開平６−297103号公報に開示され
た技術にも、やはり特公昭57-11735号公報に示された技
術と同様の問題がある。さらに、特開昭61-92756号公
報、特開昭61−129257号公報に開示のいずれの技術にお
いても、凹部における空気層の保持力が高いが故に、時
として凹部に侵入するモールドパウダーによって不規則
に熱伝導の高い領域が発生し、その効果を充分に発揮で
きないという問題があった。しかも、凹部に侵入したモ
ールドパウダーが凝固し研磨剤の役をはたすため、鋳型
を振動させる鋳造方法においてはこの摺動により鋳型表
面のめっき層、さらには鋳型銅板が摩耗し、鋳型表面の
凹凸が消滅する結果、鋳型寿命を著しく損なうという問
題もあり、到底実用的とはいえない。

【０００９】その他にも、鋳型材表面に機械加工を施し
た後、鋳型材より熱伝導率の小さいめっき層を付与し均
一緩冷却を図る技術や、鋳型自身の熱抵抗を増大させる
ため、鋳型内壁表面に耐火物、低熱伝導金属合金または
両者の混合物を溶射する方法も提案されている。しかし
ながら、いずれも鋳型改削時の加工コストの増大や、表
面処理層の熱応力によるはく離損傷、モールドパウダー
との反応による変質など、未解決の問題を抱えていて、
実用に供するまでには至っていない。

【００１０】この発明は、上記の問題を有利に解決する
もので、1.3 m/min 以上の高速鋳造時においても、鋳型
と凝固殻の間に充分厚いモールドパウダー層を安定に長
時間維持して、確実に均一緩冷却効果を得ることがで
き、しかもつめの発生を防止して好適表面形状を長時間
にわたって確保維持可能な鋼の連続鋳造鋳型を提案する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前述したとおり、微細な
凹凸により一定周期の抜熱不均一を与え、マクロ的に均
一冷却を得る方法には、次のような問題が存在する。 (1) 一連の従来技術はモールドパウダーが微細な凹部に
侵入することが前提となるが、1.3m/min以上の高速鋳造
時には、鋳造速度はほぼ比例する鋳造と凝固シェルとの
摩擦力が増大し、低速鋳造時に凹部に入り込んでいた凝
固したパウダーが、摩擦力より引張られて抜け易くな
る。 (2) 高速鋳造により鋳型・鋳片間の液相モールドパウダ
ーフィルムは薄くなり、また流体力学的効果から凹部に
侵入しにくくなる。そのため一定周期で与えたはずの冷
却の強弱パターンが不規則となり、本来の効果を発揮し
なくなる。 (3) 凹部における空気相の保持力が高くなるように溝形
状を設定した場合に均一緩冷却効果は充分に発揮できな
いことがあるが、この原因は、凹部に侵入したモールド
パウダーによる不規則に熱伝導の高い領域の発生であ
る。 (4) 上記(3) のような状態で実操業と同程度の長時間鋳
造を実施すると、めっきの種類によらず、凝固したモー
ルドパウダーが凝固殻と鋳型壁面の特に溝凸部との間で
研磨剤の役目を果たし、凹凸形状の寿命が著しく低下す
る。

【００１２】そこで、発明者らは、上記の問題を有利に
かいけつすべく、鋳型内壁の表面凹凸形状について、綿
密な検討を行った。その結果、(1) 凹部の深さが100 〜
1000μm の範囲で、幅を３mm超とすることにより、モー
ルドパウダーが凹部に均一に安定して流入すること、
(2) また凹部を付与する部分の比率を幅方向に対し50〜
95％とすることにより空気層を設けなくとも縦割れ発生
防止ならびにつめ発生抑止に十分効果のある均一緩冷却
を得ることができること、(3) さらに鋳型摩耗の原因と
なるパウダー凝固層の破壊と移動を、凹部にパウダー凝
固層の滑り止め機構を付与することにより有利に防止で
きること、(4) またさらに、パウダー凝固層の滑り止め
としては、凹部の底面および／または凸部の表面にさら
に微細な凹凸を付与するのが有利であること、の知見を
得た。この発明は、上記の知見に立脚するものである。

【００１３】すなわち、この発明は、鋳造速度が 1.3 m
/min以上の高速鋳造用の内部水冷式連続鋳造用鋳型であ
って、溶鋼と接する鋳型内壁の少なくとも上半分に、 (1) 水平方向の凹み幅または直径：３mm超、80mm以下、 (2) 凹み深さ：100 〜1000μm 、 (3) 凹部面積率：50〜95％を満足する凹凸を有することを特徴とする連続鋳造用水
冷鋳型である。

【００１４】この発明において、凹部が鋳造方向成分を
もつ帯状である場合には、該凹部内に凹み部そのものま
たはその底に、鋳型剤またはその被覆剤によって形成さ
れたモールドパウダー凝固層の滑り止め機構をそなえる
ことが好ましい。ここに、モールドパウダー凝固層の滑
り止めについては、帯状凹部の底に凹み深さの50％以下
の凸形状を設けたり、あるいは帯状凹部そのものの形状
を、沿鋳造方向に対し斜めの角度としたり、またはその
角度を繰り返しパターンとするなどの方法が望ましい。

【００１５】さらにこの発明では、モールドパウダー凝
固層の滑り止めとしては、凹部の底面および／または凸
部の表面にさらに微細な凹凸を付与することが好まし
い。

【００１６】ここに、鋳型内壁面への上記形状の付与方
法については、機械加工、化学的腐食、電気化学腐食、
単層めっき、複層めっきいずれを選択してもよく、特に
制限されることはない。しかしながら、凹部の形状精度
の点からは機械加工、また精度、経済性の両面からは単
層めっきまたは複層めっき等が好適である。

【００１７】

【作用】以下、図面に従って、この発明を具体的に説明
する。図１に、この発明に従う好適鋳型の長辺壁を斜視
面で示し、図中番号１は鋳型銅板、２はその内壁に設け
た帯状の凹部、３は凸部である。なお図示は省略した
が、凹部３の底面にはショットブラストによる滑り止め
処理が施されている。さて、この発明では、少なくとも
鋳型の上部半分で鋳型全周にわたり、より好ましくは鋳
型湯面上端から250mm の範囲にわたって凹部を設ける。

【００１８】図２は、鋳型壁面の凹凸部をより詳細に図
解した断面図であり、平面に加工された鋳型銅板表面に
帯状のめっきを施工して凸部３を形成したものである。
鋳片はめっき面にモールドパウダー層（凝固層４と未凝
固層５からなっている）を介して接触し、一方凹部２に
は凹凸の段差分だけ厚いパウダー層が存在するため均一
な熱抵抗層を形成し、全体として均一緩冷却が得られる
しくみになっている。なお、６は凝固シェルである。

【００１９】図３は、別の例で、凹部の底面を形成する
第１層めっきの上に段差を設けるために帯状の第２層め
っきを施工したものである。図４は、モールドパウダー
凝固層の滑り止め機構として帯状凹部２の底面に幅方向
に凸の段差７を設けたものである。なお、凹部形状は、
必ずしも図１に示したような垂直帯状である必要はな
く、図５，６および７に示したような傾斜状であって
も、また図８に示したような水平状であっても良い。こ
のように、凹部形状に斜め方向の成分を持たせ場合に
は、図４に示したように特に凸状段差４を設けなくて
も、パウダー凝固層の滑り止め機能をそなえた構造にな
っている。

【００２０】さらに、凹部形状は、上述したような帯状
である必要もなく、図９，10および11に示すような、円
形、レンガ状、蜂の巣状であっても良い。かような、島
状凹みの場合も、特に凸状段差７を設けなくても、パウ
ダー凝固層の滑り止め機能をそなえることはいうまでも
ない。

【００２１】以下、この発明において、凹み形状を前記
の範囲に限定した理由について説明する。 (1) 水平方向の凹み幅または直径（Ｌ₁)：３mm超、80mm
以下亜包晶鋼である0.11wt％Ｃ鋼を、引き抜き速度：2.5 m/
min で鋳造したときの凹み幅と冷却能との関係について
調べた結果を、図12に示す。なお、凹み幅（直径）、凸
部幅および凹み深さはそれぞれ、図13に示すように
Ｌ₁、Ｌ₂、ｄで表すものとする。図12中、横軸は凹部
の比が80％のときの凹部幅Ｌ₁で、また縦軸は鋳型に埋
め込んだ熱伝対より計測した鋳型熱流束およびその時間
的に見た変動の標準偏差を、それぞれ平面鋳型を１とし
たときの指数表示で表してある。なお、凹み深さｄは 3
00μm である。

【００２２】同図より明らかなように、冷却の均一度を
鋳型熱流体の標準偏差で評価すると、凹み幅が 3.0mmを
超えた場合に偏差すなわち冷却の不均一度は著しく軽減
され、それに伴い縦割れも解消される。とはいえ、凹み
幅が80mmよりも大きくなると、溶鋼による圧力でシェル
が鋳型側にふくらみ、保持したパウダーフィルム厚みが
減少し、所望の効果が望めなくなるので、凹み幅（Ｌ₁)
は３mm超、80mm以下（好ましくは３超〜15mm）の範囲に
限定した。

【００２３】(2) 凹み深さ（ｄ）：100 〜1000μm 同様にして、凹み深さ（ｄ）と冷却能との関係について
調べた結果を、図14に示す。抜熱変動が指数表示で0.4
を超えると、縦割れ発生に対して抑制効果がなくなる
が、図14に示したとおり、凹み深さが 100μm に満たな
い場合には抜熱変動指数が0.4 を超えるので、凹み深さ
は 100μm 以上とする必要がある。一方、凹み深さが10
00μm を超えると、操業上の問題として長短辺間のギャ
ップへ溶鋼の差し込みが生じるようになり、ブレークア
ウトを惹起するおそれがある。従って、凹み深さｄは 1
00〜1000μm （好ましくは 300〜600 μm)の範囲に限定
した。

【００２４】(3) 凹部面積率：50〜95％凹部面積率が50％を下回ると、部分的に凝固シェルが発
達し、該凝固シェルのたわみ込みが生じるが、その時、
介在物等も捕捉されるため、鋳片表面の清浄性が劣化す
る。従って、凹部の面積率は50〜95％（好ましくは70〜
95％）の範囲に限定した。なお、この面積率は凹部を設
けている領域に対するものであり、鋳型内壁全面に対す
るものではない。

【００２５】以上、好適凹み形状について説明したが、
かかる凹みが帯状の場合、モールドパウダー凝固層に対
する滑り止めがないと、凹部に侵入したモールドパウダ
ーが凝固し研磨材の役割を果たす。従って、鋳型を振動
させる鋳造方法においては、この摺動により鋳型表面の
めっき層さらには鋳型銅板が研磨され、鋳型表面の凹凸
が消耗する結果、鋳型寿命が著しく損なわれる。図15
に、滑り止め施工の有無による鋳型内壁摩耗量の違いを
示す。同図は、ニッケルめっきを施した鋳型内壁の平均
摩耗量を、滑り止め施工がない場合を１として指数表示
したものであるが、同図から明らかなように、わずかな
滑り止めによってもその効果が著しいことが分かる。こ
こで、滑り止めの形成は、凹み部そのものまたはその底
に、モールドパウダー凝固層の移動の妨げる鋳型幅方向
または鋳片厚み方向の段差を付与すれば良い。また、シ
ョットブラスト等により、凹部の底面および／または凸
部の表面にさらに微細な凹凸を付与することによって
も、滑り止め機構を付与することができる。ここに、滑
り止めという観点からは、付与する微細凹凸の差は20〜
50μm 程度が望ましい。

【００２６】

【実施例】

実施例１垂直部：2.5 ｍ、湾曲部Ｒ＝10ｍの垂直曲げ式の２スト
ランド型連続鋳造機により、表１に示す条件で連続鋳造
鋳片（以下スラブと記す）を製造した。使用した水冷鋳
型の上端から下端までの長さ（鋳型長）は700mm で、鋳
型表面には第１層のNiめっきを鋳型上端で約50μm 、下
端で約1200μm 施工しており、初期凝固域である鋳型上
端から250mm の領域に対して、表２に示すような帯状の
凹凸を第２Niめっき層により形成した。なお、比較のた
め凹凸形状を付与しない従来鋳型を用いた場合の例も示
す。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】なお、鋳型内熱流束の評価は、鋳型銅板に
埋設した深さの異なる２点のＫ型熱電対の温度差を１秒
毎に計測し、その結果を伝熱計算した算出した値の定常
鋳造部の平均値で行った。鋳型熱流束標準偏差は、上記
した１秒毎に計測した熱流束の定常鋳造部における標準
偏差を統計的手法を用いて算出して評価した。また、縦
割れ発生指数は、鋳片長さを分母に取り、縦割れ発生が
生じた鋳片の長さの総和を分子に取りその比をもって評
価した。さらに、鋳型摩耗量は、凹凸を付与した部分を
含め、鋳型全面の厚みを全12カ所で測定し、その平均値
を鋳造時間の総和で除した値で評価した。

【００３０】No.2〜５は、凹み幅の有効範囲を確認する
ための実験例である。適合例と比較例との間には、縦割
れ発生指数ならびに鋳型摩耗指数において大きな差が認
められ、この発明による著しい改善効果が確認された。
No.6〜10は、凹み深さの有効範囲を確認するための実験
例である。凹み深さが100 μm 以上になると縦割れ発生
指数に大きな改善が認められた。一方1000μmを超える
凹み深さを与えた場合（比較例４）には、溶鋼湯面直下
コーナー部に溶鋼が差し込み、これが原因となってブレ
ークアウトが発生した。

【００３１】No.11〜14は、凹部付与領域における凹部
の面積占有率の有効範囲を確認するための実験例であ
る。凹部面積率が50％に満たないときは、縦割れ発生指
数が比較的高く、著しい改善は認められなかった。一
方、95％を超えた場合には、縦割れの発生指数において
は改善が認められるものの、凸部の摩耗が大きく実用的
とは言えなかった。ここに、摩耗が増大する理由は、通
常凸部と鋳片の間に存在するモールドパウダー層が、凸
部の幅の総和が鋳型全幅の５％に満たないことによりこ
の部分における局部的な圧力が高まり、潤滑の役目を果
たす液相モールドパウダーを排除す方向に作用するため
と推察される。

【００３２】No.15〜19は、モールドパウダー凝固層に
対する滑り止めの有無による鋳型摩耗抑制の効果を確認
するための実験例である。滑り止め機能を付与すること
により、鋳型摩耗抑制効果が著しく向上していることが
分かる。

【００３３】

【発明の効果】かくしてこの発明によれば、高速鋳造時
においても、鋳型と凝固殻の間に充分厚いモールドパウ
ダー層を安定して確保できるので、確実に均一緩冷却効
果を得ることができ、しかもつめの発生を効果的に防止
できるので、縦割れの発生なしに表面性状に優れたスラ
ブを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に従う連鋳鋳型の長辺壁の斜視図であ
る。

【図２】この発明に従う連鋳鋳型の内壁面の詳細を示す
断面図である。

【図３】この発明に従う別の鋳型の内壁面の詳細を示す
断面図である。

【図４】帯状凹部の底面に幅方向の凸段差を設けたモー
ルドパウダー凝固層の滑り止め機構を示した図である。

【図５】この発明に従う好適凹み形状を示した図であ
る。

【図６】この発明に従う好適凹み形状を示した図であ
る。

【図７】この発明に従う好適凹み形状を示した図であ
る。

【図８】この発明に従う好適凹み形状を示した図であ
る。

【図９】この発明に従う好適凹み形状を示した図であ
る。

【図１０】この発明に従う好適凹み形状を示した図であ
る。

【図１１】この発明に従う好適凹み形状を示した図であ
る。

【図１２】凹部面積率：80％、凹み深さ：250 μm にお
ける凹み幅と鋳型熱流速および熱流速の標準偏差との関
係を示したグラフである。

【図１３】凹部形状の説明図である。

【図１４】凹部面積率：80％、凹み幅：3.2 mmにおける
凹み深さと鋳型熱流速の標準偏差との関係を示したグラ
フである。

【図１５】滑り止め機構の有無と鋳型摩耗量との関係を
示したグラフである。

【符号の説明】

１鋳型銅板２凹部３凸部４モールドパウダー凝固層５モールドパウダー未凝固層６凝固シェル７凸の段差

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳造速度が 1.3 m/min以上の高速鋳造用
の内部水冷式連続鋳造用鋳型であって、溶鋼と接する鋳型内壁の少なくとも上半分に、 (1) 水平方向の凹み幅または直径：３mm超、80mm以下、 (2) 凹み深さ：100 〜1000μm 、 (3) 凹部面積率：50〜95％を満足する凹凸を有することを特徴とする連続鋳造用水
冷鋳型。
【請求項２】請求項１において、凹部が鋳造方向成分
をもつ帯状である場合に、該凹部内にモールドパウダー
凝固層の滑り止め機構をそなえることを特徴とする連続
鋳造用水冷鋳型。
【請求項３】請求項１または２において、モールドパ
ウダー凝固層の滑り止めとして、凹部の底面および／ま
たは凸部の表面にさらに微細な凹凸を付与したことを特
徴とする連続鋳造用水冷鋳型。