JP3671868B2 - 高Ｃｒ含有鋼の鋳造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高Ｃｒ含有鋼の造塊法による鋼塊または連続鋳造法による鋳片を得るための鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油井用鋼管、ボイラーなどの熱伝達用鋼管、プラスチック用金型などに用いられる高Ｃｒ含有率の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼では、それらの素材として、通常の造塊法による鋼塊または連続鋳造法による鋳片が用いられている。鋼塊および鋳片は、分塊圧延および／または鍛造工程を経て、いったんビレットに熱間加工された後、熱間加工されて上記最終製品となる。
【０００３】
これら高Ｃｒ含有率の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の鋼塊および鋳片の内部には、ザクまたはセンターキャビティと呼ばれる凝固収縮に起因する内部欠陥（以下、単に内部欠陥と記す場合がある）が発生しやすい。とくに高Ｃｒ含有率の溶鋼が凝固する際の凝固収縮は大きく、鋼塊または鋳片の厚さ方向中心部近傍に粗大なポロシティが生成し、これらポロシティが集まってこれら内部欠陥が生成する。鋼塊または鋳片の内部に粗大な内部欠陥が存在すると、鋼塊または鋳片を熱間加工した際に、ビレットおよび最終製品にまで、これら鋼塊または鋳片の内部欠陥が残存しやすい。
【０００４】
そこで、鋼塊のこれら内部欠陥の発生を防止するために、Ｎｉ基超合金などには、ＥＳＲ、ＶＡＲといった再溶解法が適用されているが、通常の造塊法に比べて、製造コストが著しく高い。また、従来から造塊用鋳型の形状変更などが実施されてきたが、鋳型テーパ変更程度の鋳型形状変更だけでは、鋼塊の内部欠陥の低減に対する効果は小さく、鋼塊に粗大なザクが生成しやすい。
【０００５】
また、鋳片のこれら内部欠陥の発生を防止するために、内部に未凝固部が存在する鋳片に圧下を加え、内部欠陥を圧着する方法が採られている。たとえば、特開平７−１０８３５８号公報には、丸ビレット鋳片の連続鋳造において、内部に未凝固部が存在する間に、楕円の長径方向に鋳片を圧下し、その後、丸ビレットが真円となるように再度鋳片を圧下する方法が提案されている。この方法は、厚さ方向両側の凝固界面を圧着させることにより、これら内部欠陥の発生を防止する方法である。
【０００６】
この特開平７−１０８３５８号公報で提案された方法は、鋳片だけでなく、鋼塊にも適用でき、これら鋼塊または鋳片の内部欠陥の発生の防止に効果的であると期待される。また、この方法では、圧下することによって、鋼塊または鋳片の内部に負偏析部が形成されやすい。この負偏析部は、鋼塊または鋳片を熱間加工した後のビレットに残存し、さらにビレットを熱間加工した最終製品にまで残存しやすい。ただし、これら残存した負偏析部は、通常の炭素鋼の最終製品の機械的性質などに、とくに悪い影響を与えない。
【０００７】
しかし、この特開平７−１０８３５８号公報で提案された鋳片を圧下する方法を、Ｃｒ含有率が５質量％以上の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の鋼塊または鋳片に適用すると、ビレットおよび最終製品に残存した負偏析部に、微細な割れが多く発生し、最終製品の機械的性質などの目標性能を満足できないという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高Ｃｒ含有鋼において、ザクまたはセンターキャビティと呼ばれる凝固収縮に起因する内部欠陥の発生のない鋼塊または鋳片を得るための鋳造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、質量％で、Ｃｒを５〜２０％、Ｃを０．０５〜０．３％含有し、さらに、Ｓｉ：０．０５〜０．４％、Ｍｎ：０．２〜２％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．１％以下、Ｍｏ：１．５％以下、Ｎｉ：１．５％以下、Ｃｕ：１．５％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下およびＶ：０．１％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を鋳造し、鋼塊または鋳片の内部に未凝固部が存在する間に鋼塊または鋳片の外表面をその厚さ方向に圧下して鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させることにより、凝固後の鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させる鋳造方法であって、上記溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とする高Ｃｒ含有鋼の鋳造方法にある。
【００１０】
本発明で規定する「フェライト系ステンレス鋼の溶鋼」とは、Ｃｒ含有率が１３質量％以上の鋼の溶鋼を意味する。
【００１１】
また、本発明で規定する「鋼塊」とは、いわゆる造塊法によって鋳造された鋼塊を、また「鋳片」とは、連続鋳造鋳片で鋳造された鋳片を意味する。さらに、本発明で規定する「鋳造方法」とは、造塊法または連続鋳造方法を意味する。
【００１２】
内部に未凝固部が存在する状態で、鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させる程度に、鋼塊または鋳片の外表面に圧下を加え、これら内部欠陥を圧着する方法は、鋼塊および鋳片の内部欠陥の発生を防止するために、効果的な方法である。
【００１３】
しかし、Ｃｒ含有率が５質量％以上の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の鋼塊または鋳片に上記方法を適用した場合、鋼塊または鋳片に負偏析部が生成し、さらにビレットおよび最終製品にまで残存した負偏析部に、微細な割れが著しく発生し、最終製品の機械的性質などの目標性能を満足できない。そこで、これらの割れの生成機構およびその防止方法を検討した結果、鋳造する際に用いる溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とすることにより、この割れを防止できることがわかった。以下に、その詳細を説明する。
【００１４】
通常の炭素鋼などの鋼塊または鋳片を、内部に未凝固部が存在する状態で、厚さ方向両側の凝固殻を圧着させる程度に圧下した場合にも、鋼塊または鋳片の内部に負偏析部が生成する。厚さ方向両側の凝固殻を圧着させることにより、凝固界面近傍のデンドライト樹間に存在する、Ｃ、Ｐ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｒなどの成分が濃化した未凝固の溶鋼が絞り出され、絞り出された後のデンドライト組織は、そのまま圧着して、圧下時に既に凝固完了していた凝固組織より成分含有率の低い負偏析状態の凝固組織（負偏析部）となる。
【００１５】
とくに、質量％で、Ｃｒを５〜２０％、Ｃを０．０５〜０．３％含有する合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を鋳造し、未凝固部を含む鋼塊または鋳片を圧下する際には、著しい負偏析の凝固組織が発生しやすい。このように負偏析部の形成された鋼塊または鋳片を、高温状態のまま、または、いったん室温近傍まで冷却後に加熱した後、熱間加工して、ビレットなどの中間素材を製造する際、これら熱間加工したビレットに負偏析部が残存し、その残存した負偏析部に粗大なフェライト組織（以下、単にフェライトと記す）が生成し、そのフェライトに沿って微細な割れが発生することがわかった。これらビレットに残存した負偏析部および負偏析部に発生した微細な割れが、最終製品にまで残存する。
【００１６】
本発明が対象とする合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼では、鋼塊または鋳片を圧下することにより形成させた負偏析部において、各成分の平均的な含有率に対して、どの程度含有率が低いか、つまり、どの程度の負偏析状態かは、成分元素により相違する。
【００１７】
Ｃは、もともと偏析しやすい元素であるため、凝固界面が圧着する程度に圧下すると、圧下された部分の負偏析状態が著しく、平均的なＣ含有率の５０〜８０％の含有率にまで負偏析（含有率が低下）することがわかった。一方、Ｃｒは、上記Ｃに比べ偏析しにくく、平均的なＣｒ含有率の９５〜９８％の含有率にまでしか低下しないことがわかった。
【００１８】
Ｃは、オーステナイト安定化元素であり、負偏析部においてＣ含有率が低下すると、その凝固組織はフェライトとなる。一方、Ｃｒは、フェライト安定化元素であり、とくに、含有率が５質量％以上の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼では、凝固組織は安定してフェライトとなり、さらに、負偏析部におけるＣｒ含有率の低下はわずかなので、負偏析部の凝固組織は安定してフェライトとなりやすい。
【００１９】
上記のことから、鋼塊または鋳片の負偏析部におけるＣ含有率の低下した部分では、外側をオーステナイト組織（以下、単にオーステナイトと記す）に取り囲まれた状態で島状にフェライトが存在する凝固組織となる。このような島状のフェライトは、鋳造直後の高温状態で生成し、その後の冷却過程を経て、室温状態の鋼塊または鋳片まで残存する。
【００２０】
ところで、オーステナイトに比べ、フェライト中の水素溶解度は低く、かつフェライト中の水素の拡散速度は速い。鋼塊または鋳片の温度が鋳造直後のように高温状態であれば、オーステナイト中でもフェライト中でも、水素は固溶しているが、その後の冷却過程で温度が低下するにつれて、オーステナイトおよびフェライトにおける水素溶解度は低下し、水素溶解度の小さなフェライトにおいて、オーステナイトよりも先に固溶限界に達する。固溶限界に達したフェライト中の水素原子は水素溶解度の高いオーステナイト中に拡散するが、フェライト中に比べてオーステナイト中における水素の拡散速度が遅いので、これら水素原子は、フェライト中に存在する微細な空隙中に水素ガスとして残留する。微細な空隙は、結晶粒界、非金属介在物と地の組織（マトリックス）との異相接合部、ミクロポロシティなどに通常存在する。
【００２１】
鋼塊または鋳片を鋳造直後の高温状態のまま引き続き、または、室温までいったん冷却した後に加熱し、熱間圧延または熱間鍛造などの熱間加工を加えると、上記フェライト中の微細な空隙中の水素ガスの圧力が高くなり、フェライトの強度が小さいことから、フェライト中の微細な空隙を起点に割れが発生する。この割れが、負偏析部に発生する微細な割れである。
【００２２】
負偏析部の割れの生成機構と防止対策の検討の結果、鋳造する溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とすることにより、鋼塊または鋳片を熱間加工した後のビレット、およびそのビレットを用いて熱間加工した最終製品の冷却過程において、６００〜８００℃程度の低温まで、フェライト中の溶解度以下となる状態を保てること、さらに、水素含有率が過飽和に達しても、上記温度程度では、水素の拡散速度は遅く、微細な空隙への水素ガスの放散は実質的に問題のない程度にしか起こらないことがわかった。
【００２３】
したがって、本発明が対象とする高Ｃｒ含有率の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を鋳造する際に、溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とすることによって、鋼塊または鋳片を熱間加工したビレットおよび最終製品において、鋼塊または鋳片に形成させた負偏析部に起因する割れの発生を防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明が対象とする鋳造方法には、いわゆる鋼塊を鋳造する造塊法と、連続鋳造方法とがある。
まず、本発明を実施する場合の造塊法による鋼塊の例について、以下に説明する。図１は、内部に未凝固部が存在する間に、鋼塊の外表面を厚さ方向に圧下する状況の例を示す模式図である。未凝固部３が存在する鋼塊１を造塊用鋳型（図示していない）から引き抜き、この鋼塊を吊り具６で吊りながら、油圧プレス装置（図示していない）のシリンダ５の先端に設けた金具４で、凝固殻２が圧着するように、鋼塊の外表面を両側から厚さ方向に圧下している状況を示す。
【００２５】
対象とする鋼塊の大きさは、３ｔ程度以上の鋼塊に適用するのが効果的である。３ｔの鋼塊で、水平断面形状が長方形の場合、高さが２０００ｍｍで、水平断面の厚さ４００ｍｍ、幅５００ｍｍ程度の大きさとなる。また、水平断面形状が円形の鋼塊の場合は、高さ２０００ｍｍ、直径５００ｍｍ程度の大きさとなる。
【００２６】
圧下装置には、一般的な油圧プレス装置などを用いればよい。また、鋼塊を圧下する治具、すなわち金型の大きさおよび形状は、鋼塊の大きさ、形状、圧下する回数などで決めればよい。３ｔ程度以上の鋼塊の場合、たとえば鋼塊と接する面の形状が、縦２００〜４００ｍｍ、横５００〜１０００ｍｍ程度の長方形の金型を用いることができる。その際、鋼塊と接する金型のコーナー部分には丸味をもたせるのがよい。丸味をもたせると、鋼塊の表面に圧下による疵が発生しにくい。鋼塊の横断面形状が円形の場合には、鋼塊と接する金型の内面形状を疑似円形状としてもよい。
【００２７】
圧下する鋼塊の側面とは、水平断面形状が長方形の場合には、両側の長辺側であり、正方形の場合には、相対する側面である。円形の鋼塊の場合には、鋼塊の中心軸を挟んで相対する位置である。
【００２８】
圧下する際、鋼塊の高さ方向で、少なくとも未凝固部が存在する領域に相当する位置の側面を圧下するのがよい。さらに、複数回圧下する場合に、鋼塊の高さ方向の位置における圧下の順番は、上方からでもよいし、下方からでもよいし、高さの中央部近傍から圧下を開始しても構わない。
【００２９】
圧下を開始する時期は、たとえば、水平断面形状が長方形である鋼塊の両側の長辺側を圧下する場合、未凝固部の厚さが、両長辺間の距離、すなわち鋼塊の厚さの１５〜４０％程度となる時期が望ましい。また、水平断面形状が円形である鋼塊の相対する２方向から鋼塊の側面を圧下する場合も、未凝固部の直径が鋼塊の直径の１５〜４０％程度となる時期が望ましい。
【００３０】
具体的には、たとえば、一般的に用いられている凝固厚さＤ（ｍｍ）と凝固時間Ｔ（分）との間の関係式であるＤ＝Ｋ×Ｔ１／２ （一般的にルート則と言う）を用いて、圧下を開始する時期を求めることができる。ただし、Ｋは凝固係数で、造塊用鋳型の質量、溶鋼の注入温度などで決まる係数である。一般的には、ほぼ２０〜３０（ｍｍ×分−１／２）の値である。鋳型内に注入した溶鋼にトレーサーを添加することにより、このＫ値を確認することができる。
【００３１】
鋼塊内部の未凝固部の厚さが上記程度になる時期においては、鋼塊の上部も凝固が進行することにより凝固殻が形成され、鋼塊内部の未凝固部は閉じこめられた状態となる。この状態で鋼塊の両側の長辺側を圧下する場合には、内部の未凝固の溶鋼は鋼塊の外部に漏れることはない。圧下することによって減少する未凝固部の体積に相当する容量だけ、既に凝固した凝固殻が変形するとともに、未凝固部の溶鋼の凝固が促進されるからである。
【００３２】
圧下を開始する時期における鋼塊の表面温度は６００〜１０００℃程度とするのが望ましい。６００℃未満では、鋼塊の凝固殻の強度が高いため、圧下が困難となるので、圧下の効果が発揮できない。また、過大な圧下装置を用いるのは現実的でない。１０００℃を超える場合には、鋼塊の凝固殻の強度が低いため、圧下の効果を十分発揮できない。なお、鋼塊の表面温度は、鋼塊の側面の圧下される部分の温度とすることが望ましく、放射温度計などにより測定できる。
【００３３】
鋼塊内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させ、凝固後の鋼塊内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させるように鋼塊を圧下する。その際の必要な圧下量は、事前に鋳造試験により確認するのがよい。これは、造塊用鋳型、鋼塊などの大きさによって、必要な圧下量が変化するからであるが、少なくとも圧下開始時の未凝固部の厚さ以上の圧下量とする。
【００３４】
鋼塊内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させることにより、凝固後の鋼塊内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させることができる。その際、鋼塊の厚さ方向における負偏析部の厚さは、鋼塊の大きさにもよるが、圧下した方向における圧下後の鋼塊の厚さまたは直径の１５〜４０％が望ましい。
【００３５】
つぎに、本発明を実施する場合の連続鋳造方法による鋳片の例について、以下に説明する。本発明が対象とする油井用鋼管、熱伝達用鋼管、プラスチック用金型などに用いられる素材を連続鋳造する場合、湾曲型、垂直型または垂直曲げ型のブルーム連続鋳造機か、または、水平式連続鋳造機を用いて、横断面形状が正方形または長方形のブルーム鋳片か、または丸形状の丸鋳片が、通常、鋳造される。ブルーム鋳片または丸鋳片の大きさは、通常、長方形のブルーム鋳片で縦３００ｍｍ、横４００ｍｍ程度、丸鋳片で直径２００〜３００ｍｍ程度である。以下では、水平式連続鋳造機を用いて、丸鋳片を鋳造する場合の例を説明する。
【００３６】
図２は、内部に未凝固部が存在する間に、水平式連続鋳造機を用いて鋳造された丸鋳片を圧下する状況の例を示す模式図である。取鍋７内の溶鋼１５は、ロングノズル８を経てタンデイッシュ９内に注入され、フィードノズル１０を介して鋳型１１内に供給される。鋳型内で形成された凝固殻１７は、さらに冷却用ノズル１２から吹き付けられる冷却水で冷却される。未凝固部１６を含む鋳片は、ガイドロール１３で案内されながら、ピンチロール１４により圧下され、また、鋳片１８はピンチロールによって引き抜かれる。圧下位置における鋳片内部の未凝固部の溶鋼は、圧下により、順次その上流側に排出される。
【００３７】
圧下装置として、通常配置されているピンチロールを用いることができる。通常、ピンチロールは上下方向または水平方向にロール対として相対する位置に配置されているので、丸鋳片を効果的に圧下できる。また、丸鋳片を引き抜きながら、連続的に圧下することができる。
【００３８】
連続鋳造機では配置されたピンチロールの位置は、通常、固定式であるので、圧下するピンチロールの位置における丸鋳片内部の未凝固部の直径を、たとえば、鋳造速度と二次冷却の比水量条件で調整するのがよい。
【００３９】
圧下するピンチロールの位置における丸鋳片内部の未凝固部の直径は、丸鋳片の直径の１０〜３０％程度となる時期が望ましい。未凝固部の直径は、凝固伝熱解析方法により計算で求めることができ、また、予め、連続鋳造用鋳型内に注入した溶鋼にトレーサーを添加する試験により求めることができる。
【００４０】
圧下を開始する時期における丸鋳片の表面温度は６００〜１０００℃程度とするのが望ましい。６００℃未満では、丸鋳片の凝固殻の強度が高いため、圧下が困難となるので、圧下の効果が発揮できない。１０００℃を超える場合には、丸鋳片の凝固殻の強度が低いため、圧下の効果を十分発揮できない。なお、丸鋳片の表面温度は、放射温度計などにより測定できる。
【００４１】
丸鋳片内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させ、凝固後の丸鋳片内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させるように丸鋳片を圧下する。その際の必要な圧下量は、事前に鋳造試験により確認するのがよい。これは、丸鋳片の大きさなどによって、必要な圧下量が変化するからであるが、少なくとも圧下開始時の未凝固部の直径以上の圧下量とする。
【００４２】
丸鋳片内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させることにより、凝固後の丸鋳片内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させることができる。その際、丸鋳片の厚さ方向における負偏析部の厚さは、丸鋳片の大きさにもよるが、圧下した方向における圧下後の丸鋳片の厚さまたは直径の１０〜３０％が望ましい。
【００４３】
つぎに、本発明が対象とする鋼について、以下に説明する。
油井用鋼管、ボイラーなどの熱伝達用鋼管、プラスチック用金型などに用いられる鋼としては、通常、耐食性、耐酸化性、優れた高温強度、靱性などから、Ｃｒ含有率が５〜１２％程度の合金鋼、または、Ｃｒ含有率が１３〜２０％程度のフェライト系ステンレス鋼が用いられている。また、これら合金鋼およびフェライト系ステンレス鋼には、炭化物を形成させて高温強度を増加させるために、Ｃが０．０５〜０．３％程度含有されている。
【００４４】
上記程度にＣｒおよびＣを含有する合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼では、前述のとおり、溶鋼を鋳造し、内部に未凝固部が存在する状態で、鋼塊または鋳片を圧下する際には、鋼塊または鋳片に負偏析の凝固組織が発生する。負偏析部の発生した鋼塊または鋳片を熱間加工して、ビレットを製造し、さらにビレットを熱間加工して最終製品を製造する際に、ビレットおよび最終製品に負偏析部が残存する。この残存した負偏析部に粗大なフェライトが生成し、そのフェライトに沿って微細な割れが発生しやすい。
【００４５】
したがって、本発明が対象とする鋼は、本発明の方法を適用するのに好適であるので、Ｃｒを５〜２０質量％、Ｃを０．０５〜０．３質量％含有する合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼とする。
【００４６】
本発明の対象とする合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼は、上記のＣｒおよびＣ以外に、質量％で、Ｓｉ：０．０５〜０．４％、Ｍｎ：０．２〜２％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．１％以下、Ｍｏ：１．５％以下、Ｎｉ：１．５％以下、Ｃｕ：１．５％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下およびＶ：０．１％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼とする。
【００４７】
Ｓｉおよびｓｏｌ．Ａｌは、主として溶鋼の脱酸のために含有され、また、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、ＮｂおよびＶの元素は、鋼の強度、靱性などの機械的性質の改善を目的として含有される。また、これらの元素は、上記の範囲内の含有率であれば、鋼塊または鋳片の負偏析部の形成への影響はない。
【００４８】
本発明が対象とする合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を鋳造し、内部に未凝固部が存在する間に鋼塊または鋳片の外表面をその厚さ方向に圧下することにより、鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させ、凝固後の鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させる際、本発明の方法では、溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とする。
【００４９】
溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とすることにより、鋼塊または鋳片を熱間加工したビレット、およびそのビレットを熱間加工した最終製品において、残存した負偏析部における微細な割れの発生を防止できるのは、前述のとおりである。
【００５０】
【実施例】
電気炉で原料を溶解した後、ＡＯＤ法と称されるアルゴン−酸素脱炭法により溶鋼を精錬して、Ｃｒ含有率が、質量％で、５％、９％および１３％の３水準の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を溶製した。また、ＡＯＤ法による精錬の際に、溶鋼の脱水素を行い溶鋼中の水素含有率を調整した。溶製した溶鋼の水素含有率は後述する表２および表３に示し、その他の化学組成を表１に示す。
【００５１】
【表１】
実施例１の試験では、図１に示す装置構成の例の圧下装置を用いて、未凝固部を含む鋼塊の側面を圧下した。また、実施例２の試験では、図２に示す装置構成の例の水平式連続鋳造機を用いて、ピンチロールにより未凝固部を含む丸鋳片を圧下した。それぞれ鋼塊または丸鋳片の鋳造および圧下の条件は後述する。
【００５２】
凝固後の鋼塊または丸鋳片の厚さ方向中心部近傍に負偏析部が生成するように、内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させる程度に未凝固部を含む鋼塊または丸鋳片を圧下する際、実際に負偏析部が生成したかどうかについて、以下のように事前に確認した。
【００５３】
すなわち、鋳造した直後の鋼塊または丸鋳片の内部に未凝固部が残存する状態で、それぞれ鋲打ち試験を行い、未凝固部の厚さまたは直径を測定した。また、凝固伝熱解析により、鋼塊または丸鋳片の鋳造条件と未凝固部の厚さまたは直径を求めた。これら鋲打ち試験結果と解析結果とがよく一致することを確認した。また、未凝固部を含む鋼塊または丸鋳片を圧下したことによる負偏析の凝固組織の確認は、鋼塊または丸鋳片の厚さ中心部を含む縦断サンプルを採取し、その縦断面のマクロ組織観察を行って、負偏析部の生成状況を確認した。その事前確認試験により、未凝固部の厚さまたは直径の１．２〜２．５倍の厚さまたは直径に相当する量を圧下することにより、負偏析の凝固組織が生成することがわかった。鋼塊または丸鋳片の外表面を圧下しても、実際に鋼塊または丸鋳片の厚さ中心部が圧下される、いわゆる圧下浸透性は１００％ではないことによる。実際の実施例の鋳造試験では、凝固伝熱解析による未凝固部の厚さまたは直径の値を用いて、圧下条件を変更した。
（実施例１）
表１に示す化学組成の溶鋼中の水素含有率を、ＡＯＤ法による精錬の際に調整した後に、通常の下注ぎ造塊法により、水平断面が５００ｍｍの正方形で、高さが２０００ｍｍの鋼塊に鋳造した。その際、湯面上に通常用いられる保温剤を添加した。その後、約１時間経過してから、内部に未凝固部が存在する状態で、造塊用鋳型より鋼塊を引き抜き、横型油圧プレス装置を用いて金型で鋼塊の側面を両側から圧下した。圧下開始時の鋼塊の表面温度は８４０〜８８０℃程度とした。また、圧下力は最大１０００ｔに設定した。
【００５４】
鋼塊を圧下する両側の金型の、それぞれの大きさは、縦３００ｍｍ、横１０００ｍｍで、鋼塊の未凝固部の位置を金型により両側から圧下した。その際、鋼塊の未凝固部の下側から上側に向けて、順次金型を押し当て、鋼塊の全高さを圧下した。鋼塊を圧下するための油圧シリンダの圧下速度は約１〜１．４ｍｍ／秒とし、圧下後は、圧下速度と同じ速度で金型を開放することにより、約４分以内に圧下を完了した。鋼塊の上部も凝固が進行しているので、鋼塊内部の未凝固部の溶鋼が鋼塊の外に漏れることはなかった。
【００５５】
圧下完了後に鋼塊を室温近傍まで冷却した後、鋼塊の高さの１／２で２分割し、１本の鋼塊は、厚さ中心部で縦断して縦断サンプルを採取し、縦断面をマクロ組織観察によりザクまたはセンターキャビティである内部欠陥の発生状況と負偏析部の発生の有無を調査した。これら内部欠陥の発生状況は、縦断サンプルの縦断面に目視で観察される内部欠陥の存在範囲を確認し、最も大きな内部欠陥の形状を円または楕円の形状に近似し、その直径または長径を存在範囲径として評価した。
【００５６】
残りの１本は、１１００〜１２００℃に加熱後、鍛造加工して直径３００ｍｍの丸鋼片とした。得られた丸鋼片を厚さ中心部で縦断して縦断サンプルを採取し、縦断面をマクロ組織観察により負偏析部の割れの発生の有無を調査した。試験条件および試験結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
本発明例の試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９では、Ｃｒ含有率がおよそ５〜１３質量％、Ｃ含有率がおよそ０．０５〜０．２質量％の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を、水素含有率が全て４ｐｐｍ以下になるように調整した後、鋼塊に鋳造し、未凝固部を含む鋼塊を圧下した。鋼塊の圧下に際し、未凝固部の厚さを超える圧下量でそれぞれ鋼塊を圧下した。いずれの試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９でも、鋼塊において、負偏析部の形成が確認できた。また、試験Ｎｏ．６およびＮｏ．９で、鋼塊にわずかに内部欠陥が発生したが、問題となる大きさではなく、その他の試験では、内部欠陥は発生しなかった。負偏析部の形成が確認できたことから、鋼塊の厚さ中心部まで、効果的に圧下されたことがわかった。さらに、鋼塊を熱間鍛造した後の丸鋼片では、負偏析部に割れは発生しなかった。これは、溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とした効果である。
【００５８】
比較例の試験Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１３およびＮｏ．１６では、Ｃｒ含有率がおよそ５〜１３質量％、Ｃ含有率がおよそ０．０５〜０．２質量％の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を、水素含有率が全て４ｐｐｍ以下になるように調整した後、鋼塊に鋳造し、未凝固部を含む鋼塊を圧下した。鋼塊の圧下に際し、未凝固部の厚さより小さい圧下量で鋼塊を圧下した。この圧下の条件は、本発明で規定する条件を満たしていない。これら試験Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１３およびＮｏ．１６では、圧下量が小さいので、鋼塊に負偏析部を形成できず、また存在範囲径が２５〜３８ｍｍの著しく大きな内部欠陥が発生した。
【００５９】
比較例の試験Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１７およびＮｏ．１８では、Ｃｒ含有率がおよそ５〜１３質量％、Ｃ含有率がおよそ０．０５〜０．２質量％の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を、水素含有率が全て４ｐｐｍを超えて５〜７ｐｐｍとなるように調整した後、鋼塊に鋳造し、未凝固部を含む鋼塊を圧下した。これら溶鋼中の水素含有率は、本発明で規定する条件を外れている。鋼塊の圧下に際し、未凝固部の厚さを超える圧下量で鋼塊を圧下した。これら試験Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１７およびＮｏ．１８では、圧下量を未凝固部の厚さよりも大きくしたので、鋼塊において負偏析部の形成が確認され、また、内部欠陥は、試験Ｎｏ．１７で小さい内部欠陥が発生した以外は、発生しなかった。しかし、鋼塊を熱間鍛造した後の丸鋼片では、負偏析部に割れの発生が認められた。これは、溶鋼の水素含有率を５〜７ｐｐｍと高くしたためである。
（実施例２）
表１に示す化学組成の溶鋼中の水素含有率を、ＡＯＤ法による精錬の際に調整した後に、水平式連続鋳造機を用いて、横断面形状が直径２６０ｍｍの丸鋳片に鋳造した。直径３５０ｍｍの大きさのピンチロールにより未凝固部を含む丸鋳片を圧下する際、鋳造速度を０．６〜０．８５ｍ／分、丸鋳片の二次冷却の比水量を０．６〜１．０リットル／ｋｇ−鋼の範囲内でそれぞれ変化させ、未凝固部の直径を変化させて、丸鋳片を圧下した。圧下開始時の丸鋳片の表面温度は８６０〜８９０℃とした。圧下時の圧下反力は最大で２５０ｔであった。
【００６０】
得られた圧下後の丸鋳片から各２ｍ長さの丸鋳片サンプルを採取し、１本の丸鋳片は、厚さ中心部で縦断して縦断サンプルを採取し、縦断面をマクロ組織観察によりザクまたはセンターキャビティである内部欠陥の発生状況と負偏析部の発生の有無を調査した。これら内部欠陥の発生状況は、縦断サンプルの縦断面に目視で観察される内部欠陥の存在範囲を確認し、前述のとおり、その存在範囲径を求めた。
【００６１】
残りの１本は、１１００〜１２００℃に加熱後、鍛造加工して直径１５０ｍｍの丸鋼片とした。得られた丸鋼片を厚さ中心部で縦断して縦断サンプルを採取し、前述のとおり、負偏析部の割れの発生の有無を調査した。試験条件および試験結果を表３に示す。
【００６２】
【表３】
本発明例の試験Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２７では、Ｃｒ含有率がおよそ５〜１３質量％、Ｃ含有率がおよそ０．０５〜０．２質量％の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を、水素含有率が全て４ｐｐｍ以下になるように調整した後、丸鋳片に鋳造し、未凝固部を含む丸鋳片をピンチロールで圧下した。これらの試験では、鋳造速度を０．６０〜０．８５ｍ／分、丸鋳片の二次冷却の比水量を０．６〜１．０リットル／ｋｇ−鋼とすることにより、未凝固部の直径を２０〜３３ｍｍとした。丸鋳片の圧下に際し、未凝固部直径を超える圧下量で丸鋳片を圧下した。いずれの試験Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２７でも、丸鋳片において負偏析部の形成が確認された。また、試験Ｎｏ．２０、Ｎｏ．２２およびＮｏ．２７で、丸鋳片にわずかに内部欠陥が発生したが、問題となる大きさではなく、その他の試験では、内部欠陥は発生しなかった。丸鋳片において負偏析部の形成が確認されたことから、丸鋳片の厚さ中心部まで、効果的に圧下されたことがわかった。さらに、丸鋳片を熱間鍛造した後の丸鋼片では、負偏析部に割れは発生しなかった。これは、溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とした効果である。
【００６３】
比較例の試験Ｎｏ．２８、Ｎｏ．３１およびＮｏ．３４では、Ｃｒ含有率がおよそ５〜１３質量％、Ｃ含有率がおよそ０．０５〜０．２質量％の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を、水素含有率が全て４ｐｐｍ以下になるように調整した後、丸鋳片に鋳造し、未凝固部を含む丸鋳片を圧下した。丸鋳片の圧下に際し、未凝固部直径より小さい圧下量で丸鋳片を圧下した。この圧下の条件は、本発明で規定する条件を満たしていない。これら試験Ｎｏ．２８、Ｎｏ．３１およびＮｏ．３４では、圧下量が小さいので、丸鋳片に負偏析部は形成されず、また１５〜２２ｍｍの著しく大きな内部欠陥が発生した。
【００６４】
比較例の試験Ｎｏ．２９、Ｎｏ．３０、Ｎｏ．３２、Ｎｏ．３３、Ｎｏ．３５およびＮｏ．３６では、Ｃｒ含有率がおよそ５〜１３質量％、Ｃ含有率がおよそ０．０５〜０．２質量％の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を、水素含有率が全て４ｐｐｍを超えて５〜７ｐｐｍとなるように調整した後、丸鋳片に鋳造し、未凝固部を含む丸鋳片を圧下した。これら溶鋼中の水素含有率は、本発明で規定する条件を外れている。丸鋳片の圧下に際し、未凝固部の厚さを超える圧下量で丸鋳片を圧下した。これら試験Ｎｏ．２９、Ｎｏ．３０、Ｎｏ．３２、Ｎｏ．３３、Ｎｏ．３５およびＮｏ．３６では、圧下量を未凝固部の厚さよりも大きくしたので、丸鋳片において負偏析部の形成が確認され、また、内部欠陥は発生しなかった。しかし、丸鋳片を熱間鍛造した後の丸鋼片では、負偏析部に割れの発生が認められた。これは、溶鋼の水素含有率を５〜７ｐｐｍと高くしたためである。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の方法の適用により、高Ｃｒ含有率の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼において、ザクまたはセンターキャビティと呼ばれる凝固収縮に起因する内部欠陥の発生のない、さらに、形成させた負偏析部に微細な割れの発生のない内部品質の良好な鋼塊または鋳片を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内部に未凝固部が存在する間に、鋼塊の外表面を厚さ方向に圧下する状況の例を示す模式図である。
【図２】内部に未凝固部が存在する間に、水平式連続鋳造機を用いて鋳造された鋳片を圧下する状況の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１：鋼塊 ２：凝固殻 ３：未凝固部
４：金具 ５：シリンダ ６：吊り具
７：取鍋 ８：ロングノズル ９：タンデイッシュ
１０：フィードノズル １１：鋳型 １２：冷却用ノズル
１３：ガイドロール １４：ピンチロール １５：溶鋼
１６：未凝固部 １７：凝固殻 １８：鋳片
【発明の属する技術分野】
本発明は、高Ｃｒ含有鋼の造塊法による鋼塊または連続鋳造法による鋳片を得るための鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油井用鋼管、ボイラーなどの熱伝達用鋼管、プラスチック用金型などに用いられる高Ｃｒ含有率の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼では、それらの素材として、通常の造塊法による鋼塊または連続鋳造法による鋳片が用いられている。鋼塊および鋳片は、分塊圧延および／または鍛造工程を経て、いったんビレットに熱間加工された後、熱間加工されて上記最終製品となる。
【０００３】
これら高Ｃｒ含有率の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の鋼塊および鋳片の内部には、ザクまたはセンターキャビティと呼ばれる凝固収縮に起因する内部欠陥（以下、単に内部欠陥と記す場合がある）が発生しやすい。とくに高Ｃｒ含有率の溶鋼が凝固する際の凝固収縮は大きく、鋼塊または鋳片の厚さ方向中心部近傍に粗大なポロシティが生成し、これらポロシティが集まってこれら内部欠陥が生成する。鋼塊または鋳片の内部に粗大な内部欠陥が存在すると、鋼塊または鋳片を熱間加工した際に、ビレットおよび最終製品にまで、これら鋼塊または鋳片の内部欠陥が残存しやすい。
【０００４】
そこで、鋼塊のこれら内部欠陥の発生を防止するために、Ｎｉ基超合金などには、ＥＳＲ、ＶＡＲといった再溶解法が適用されているが、通常の造塊法に比べて、製造コストが著しく高い。また、従来から造塊用鋳型の形状変更などが実施されてきたが、鋳型テーパ変更程度の鋳型形状変更だけでは、鋼塊の内部欠陥の低減に対する効果は小さく、鋼塊に粗大なザクが生成しやすい。
【０００５】
また、鋳片のこれら内部欠陥の発生を防止するために、内部に未凝固部が存在する鋳片に圧下を加え、内部欠陥を圧着する方法が採られている。たとえば、特開平７−１０８３５８号公報には、丸ビレット鋳片の連続鋳造において、内部に未凝固部が存在する間に、楕円の長径方向に鋳片を圧下し、その後、丸ビレットが真円となるように再度鋳片を圧下する方法が提案されている。この方法は、厚さ方向両側の凝固界面を圧着させることにより、これら内部欠陥の発生を防止する方法である。
【０００６】
この特開平７−１０８３５８号公報で提案された方法は、鋳片だけでなく、鋼塊にも適用でき、これら鋼塊または鋳片の内部欠陥の発生の防止に効果的であると期待される。また、この方法では、圧下することによって、鋼塊または鋳片の内部に負偏析部が形成されやすい。この負偏析部は、鋼塊または鋳片を熱間加工した後のビレットに残存し、さらにビレットを熱間加工した最終製品にまで残存しやすい。ただし、これら残存した負偏析部は、通常の炭素鋼の最終製品の機械的性質などに、とくに悪い影響を与えない。
【０００７】
しかし、この特開平７−１０８３５８号公報で提案された鋳片を圧下する方法を、Ｃｒ含有率が５質量％以上の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の鋼塊または鋳片に適用すると、ビレットおよび最終製品に残存した負偏析部に、微細な割れが多く発生し、最終製品の機械的性質などの目標性能を満足できないという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高Ｃｒ含有鋼において、ザクまたはセンターキャビティと呼ばれる凝固収縮に起因する内部欠陥の発生のない鋼塊または鋳片を得るための鋳造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、質量％で、Ｃｒを５〜２０％、Ｃを０．０５〜０．３％含有し、さらに、Ｓｉ：０．０５〜０．４％、Ｍｎ：０．２〜２％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．１％以下、Ｍｏ：１．５％以下、Ｎｉ：１．５％以下、Ｃｕ：１．５％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下およびＶ：０．１％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を鋳造し、鋼塊または鋳片の内部に未凝固部が存在する間に鋼塊または鋳片の外表面をその厚さ方向に圧下して鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させることにより、凝固後の鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させる鋳造方法であって、上記溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とする高Ｃｒ含有鋼の鋳造方法にある。
【００１０】
本発明で規定する「フェライト系ステンレス鋼の溶鋼」とは、Ｃｒ含有率が１３質量％以上の鋼の溶鋼を意味する。
【００１１】
また、本発明で規定する「鋼塊」とは、いわゆる造塊法によって鋳造された鋼塊を、また「鋳片」とは、連続鋳造鋳片で鋳造された鋳片を意味する。さらに、本発明で規定する「鋳造方法」とは、造塊法または連続鋳造方法を意味する。
【００１２】
内部に未凝固部が存在する状態で、鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させる程度に、鋼塊または鋳片の外表面に圧下を加え、これら内部欠陥を圧着する方法は、鋼塊および鋳片の内部欠陥の発生を防止するために、効果的な方法である。
【００１３】
しかし、Ｃｒ含有率が５質量％以上の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の鋼塊または鋳片に上記方法を適用した場合、鋼塊または鋳片に負偏析部が生成し、さらにビレットおよび最終製品にまで残存した負偏析部に、微細な割れが著しく発生し、最終製品の機械的性質などの目標性能を満足できない。そこで、これらの割れの生成機構およびその防止方法を検討した結果、鋳造する際に用いる溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とすることにより、この割れを防止できることがわかった。以下に、その詳細を説明する。
【００１４】
通常の炭素鋼などの鋼塊または鋳片を、内部に未凝固部が存在する状態で、厚さ方向両側の凝固殻を圧着させる程度に圧下した場合にも、鋼塊または鋳片の内部に負偏析部が生成する。厚さ方向両側の凝固殻を圧着させることにより、凝固界面近傍のデンドライト樹間に存在する、Ｃ、Ｐ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｒなどの成分が濃化した未凝固の溶鋼が絞り出され、絞り出された後のデンドライト組織は、そのまま圧着して、圧下時に既に凝固完了していた凝固組織より成分含有率の低い負偏析状態の凝固組織（負偏析部）となる。
【００１５】
とくに、質量％で、Ｃｒを５〜２０％、Ｃを０．０５〜０．３％含有する合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を鋳造し、未凝固部を含む鋼塊または鋳片を圧下する際には、著しい負偏析の凝固組織が発生しやすい。このように負偏析部の形成された鋼塊または鋳片を、高温状態のまま、または、いったん室温近傍まで冷却後に加熱した後、熱間加工して、ビレットなどの中間素材を製造する際、これら熱間加工したビレットに負偏析部が残存し、その残存した負偏析部に粗大なフェライト組織（以下、単にフェライトと記す）が生成し、そのフェライトに沿って微細な割れが発生することがわかった。これらビレットに残存した負偏析部および負偏析部に発生した微細な割れが、最終製品にまで残存する。
【００１６】
本発明が対象とする合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼では、鋼塊または鋳片を圧下することにより形成させた負偏析部において、各成分の平均的な含有率に対して、どの程度含有率が低いか、つまり、どの程度の負偏析状態かは、成分元素により相違する。
【００１７】
Ｃは、もともと偏析しやすい元素であるため、凝固界面が圧着する程度に圧下すると、圧下された部分の負偏析状態が著しく、平均的なＣ含有率の５０〜８０％の含有率にまで負偏析（含有率が低下）することがわかった。一方、Ｃｒは、上記Ｃに比べ偏析しにくく、平均的なＣｒ含有率の９５〜９８％の含有率にまでしか低下しないことがわかった。
【００１８】
Ｃは、オーステナイト安定化元素であり、負偏析部においてＣ含有率が低下すると、その凝固組織はフェライトとなる。一方、Ｃｒは、フェライト安定化元素であり、とくに、含有率が５質量％以上の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼では、凝固組織は安定してフェライトとなり、さらに、負偏析部におけるＣｒ含有率の低下はわずかなので、負偏析部の凝固組織は安定してフェライトとなりやすい。
【００１９】
上記のことから、鋼塊または鋳片の負偏析部におけるＣ含有率の低下した部分では、外側をオーステナイト組織（以下、単にオーステナイトと記す）に取り囲まれた状態で島状にフェライトが存在する凝固組織となる。このような島状のフェライトは、鋳造直後の高温状態で生成し、その後の冷却過程を経て、室温状態の鋼塊または鋳片まで残存する。
【００２０】
ところで、オーステナイトに比べ、フェライト中の水素溶解度は低く、かつフェライト中の水素の拡散速度は速い。鋼塊または鋳片の温度が鋳造直後のように高温状態であれば、オーステナイト中でもフェライト中でも、水素は固溶しているが、その後の冷却過程で温度が低下するにつれて、オーステナイトおよびフェライトにおける水素溶解度は低下し、水素溶解度の小さなフェライトにおいて、オーステナイトよりも先に固溶限界に達する。固溶限界に達したフェライト中の水素原子は水素溶解度の高いオーステナイト中に拡散するが、フェライト中に比べてオーステナイト中における水素の拡散速度が遅いので、これら水素原子は、フェライト中に存在する微細な空隙中に水素ガスとして残留する。微細な空隙は、結晶粒界、非金属介在物と地の組織（マトリックス）との異相接合部、ミクロポロシティなどに通常存在する。
【００２１】
鋼塊または鋳片を鋳造直後の高温状態のまま引き続き、または、室温までいったん冷却した後に加熱し、熱間圧延または熱間鍛造などの熱間加工を加えると、上記フェライト中の微細な空隙中の水素ガスの圧力が高くなり、フェライトの強度が小さいことから、フェライト中の微細な空隙を起点に割れが発生する。この割れが、負偏析部に発生する微細な割れである。
【００２２】
負偏析部の割れの生成機構と防止対策の検討の結果、鋳造する溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とすることにより、鋼塊または鋳片を熱間加工した後のビレット、およびそのビレットを用いて熱間加工した最終製品の冷却過程において、６００〜８００℃程度の低温まで、フェライト中の溶解度以下となる状態を保てること、さらに、水素含有率が過飽和に達しても、上記温度程度では、水素の拡散速度は遅く、微細な空隙への水素ガスの放散は実質的に問題のない程度にしか起こらないことがわかった。
【００２３】
したがって、本発明が対象とする高Ｃｒ含有率の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を鋳造する際に、溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とすることによって、鋼塊または鋳片を熱間加工したビレットおよび最終製品において、鋼塊または鋳片に形成させた負偏析部に起因する割れの発生を防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明が対象とする鋳造方法には、いわゆる鋼塊を鋳造する造塊法と、連続鋳造方法とがある。
まず、本発明を実施する場合の造塊法による鋼塊の例について、以下に説明する。図１は、内部に未凝固部が存在する間に、鋼塊の外表面を厚さ方向に圧下する状況の例を示す模式図である。未凝固部３が存在する鋼塊１を造塊用鋳型（図示していない）から引き抜き、この鋼塊を吊り具６で吊りながら、油圧プレス装置（図示していない）のシリンダ５の先端に設けた金具４で、凝固殻２が圧着するように、鋼塊の外表面を両側から厚さ方向に圧下している状況を示す。
【００２５】
対象とする鋼塊の大きさは、３ｔ程度以上の鋼塊に適用するのが効果的である。３ｔの鋼塊で、水平断面形状が長方形の場合、高さが２０００ｍｍで、水平断面の厚さ４００ｍｍ、幅５００ｍｍ程度の大きさとなる。また、水平断面形状が円形の鋼塊の場合は、高さ２０００ｍｍ、直径５００ｍｍ程度の大きさとなる。
【００２６】
圧下装置には、一般的な油圧プレス装置などを用いればよい。また、鋼塊を圧下する治具、すなわち金型の大きさおよび形状は、鋼塊の大きさ、形状、圧下する回数などで決めればよい。３ｔ程度以上の鋼塊の場合、たとえば鋼塊と接する面の形状が、縦２００〜４００ｍｍ、横５００〜１０００ｍｍ程度の長方形の金型を用いることができる。その際、鋼塊と接する金型のコーナー部分には丸味をもたせるのがよい。丸味をもたせると、鋼塊の表面に圧下による疵が発生しにくい。鋼塊の横断面形状が円形の場合には、鋼塊と接する金型の内面形状を疑似円形状としてもよい。
【００２７】
圧下する鋼塊の側面とは、水平断面形状が長方形の場合には、両側の長辺側であり、正方形の場合には、相対する側面である。円形の鋼塊の場合には、鋼塊の中心軸を挟んで相対する位置である。
【００２８】
圧下する際、鋼塊の高さ方向で、少なくとも未凝固部が存在する領域に相当する位置の側面を圧下するのがよい。さらに、複数回圧下する場合に、鋼塊の高さ方向の位置における圧下の順番は、上方からでもよいし、下方からでもよいし、高さの中央部近傍から圧下を開始しても構わない。
【００２９】
圧下を開始する時期は、たとえば、水平断面形状が長方形である鋼塊の両側の長辺側を圧下する場合、未凝固部の厚さが、両長辺間の距離、すなわち鋼塊の厚さの１５〜４０％程度となる時期が望ましい。また、水平断面形状が円形である鋼塊の相対する２方向から鋼塊の側面を圧下する場合も、未凝固部の直径が鋼塊の直径の１５〜４０％程度となる時期が望ましい。
【００３０】
具体的には、たとえば、一般的に用いられている凝固厚さＤ（ｍｍ）と凝固時間Ｔ（分）との間の関係式であるＤ＝Ｋ×Ｔ１／２ （一般的にルート則と言う）を用いて、圧下を開始する時期を求めることができる。ただし、Ｋは凝固係数で、造塊用鋳型の質量、溶鋼の注入温度などで決まる係数である。一般的には、ほぼ２０〜３０（ｍｍ×分−１／２）の値である。鋳型内に注入した溶鋼にトレーサーを添加することにより、このＫ値を確認することができる。
【００３１】
鋼塊内部の未凝固部の厚さが上記程度になる時期においては、鋼塊の上部も凝固が進行することにより凝固殻が形成され、鋼塊内部の未凝固部は閉じこめられた状態となる。この状態で鋼塊の両側の長辺側を圧下する場合には、内部の未凝固の溶鋼は鋼塊の外部に漏れることはない。圧下することによって減少する未凝固部の体積に相当する容量だけ、既に凝固した凝固殻が変形するとともに、未凝固部の溶鋼の凝固が促進されるからである。
【００３２】
圧下を開始する時期における鋼塊の表面温度は６００〜１０００℃程度とするのが望ましい。６００℃未満では、鋼塊の凝固殻の強度が高いため、圧下が困難となるので、圧下の効果が発揮できない。また、過大な圧下装置を用いるのは現実的でない。１０００℃を超える場合には、鋼塊の凝固殻の強度が低いため、圧下の効果を十分発揮できない。なお、鋼塊の表面温度は、鋼塊の側面の圧下される部分の温度とすることが望ましく、放射温度計などにより測定できる。
【００３３】
鋼塊内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させ、凝固後の鋼塊内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させるように鋼塊を圧下する。その際の必要な圧下量は、事前に鋳造試験により確認するのがよい。これは、造塊用鋳型、鋼塊などの大きさによって、必要な圧下量が変化するからであるが、少なくとも圧下開始時の未凝固部の厚さ以上の圧下量とする。
【００３４】
鋼塊内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させることにより、凝固後の鋼塊内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させることができる。その際、鋼塊の厚さ方向における負偏析部の厚さは、鋼塊の大きさにもよるが、圧下した方向における圧下後の鋼塊の厚さまたは直径の１５〜４０％が望ましい。
【００３５】
つぎに、本発明を実施する場合の連続鋳造方法による鋳片の例について、以下に説明する。本発明が対象とする油井用鋼管、熱伝達用鋼管、プラスチック用金型などに用いられる素材を連続鋳造する場合、湾曲型、垂直型または垂直曲げ型のブルーム連続鋳造機か、または、水平式連続鋳造機を用いて、横断面形状が正方形または長方形のブルーム鋳片か、または丸形状の丸鋳片が、通常、鋳造される。ブルーム鋳片または丸鋳片の大きさは、通常、長方形のブルーム鋳片で縦３００ｍｍ、横４００ｍｍ程度、丸鋳片で直径２００〜３００ｍｍ程度である。以下では、水平式連続鋳造機を用いて、丸鋳片を鋳造する場合の例を説明する。
【００３６】
図２は、内部に未凝固部が存在する間に、水平式連続鋳造機を用いて鋳造された丸鋳片を圧下する状況の例を示す模式図である。取鍋７内の溶鋼１５は、ロングノズル８を経てタンデイッシュ９内に注入され、フィードノズル１０を介して鋳型１１内に供給される。鋳型内で形成された凝固殻１７は、さらに冷却用ノズル１２から吹き付けられる冷却水で冷却される。未凝固部１６を含む鋳片は、ガイドロール１３で案内されながら、ピンチロール１４により圧下され、また、鋳片１８はピンチロールによって引き抜かれる。圧下位置における鋳片内部の未凝固部の溶鋼は、圧下により、順次その上流側に排出される。
【００３７】
圧下装置として、通常配置されているピンチロールを用いることができる。通常、ピンチロールは上下方向または水平方向にロール対として相対する位置に配置されているので、丸鋳片を効果的に圧下できる。また、丸鋳片を引き抜きながら、連続的に圧下することができる。
【００３８】
連続鋳造機では配置されたピンチロールの位置は、通常、固定式であるので、圧下するピンチロールの位置における丸鋳片内部の未凝固部の直径を、たとえば、鋳造速度と二次冷却の比水量条件で調整するのがよい。
【００３９】
圧下するピンチロールの位置における丸鋳片内部の未凝固部の直径は、丸鋳片の直径の１０〜３０％程度となる時期が望ましい。未凝固部の直径は、凝固伝熱解析方法により計算で求めることができ、また、予め、連続鋳造用鋳型内に注入した溶鋼にトレーサーを添加する試験により求めることができる。
【００４０】
圧下を開始する時期における丸鋳片の表面温度は６００〜１０００℃程度とするのが望ましい。６００℃未満では、丸鋳片の凝固殻の強度が高いため、圧下が困難となるので、圧下の効果が発揮できない。１０００℃を超える場合には、丸鋳片の凝固殻の強度が低いため、圧下の効果を十分発揮できない。なお、丸鋳片の表面温度は、放射温度計などにより測定できる。
【００４１】
丸鋳片内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させ、凝固後の丸鋳片内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させるように丸鋳片を圧下する。その際の必要な圧下量は、事前に鋳造試験により確認するのがよい。これは、丸鋳片の大きさなどによって、必要な圧下量が変化するからであるが、少なくとも圧下開始時の未凝固部の直径以上の圧下量とする。
【００４２】
丸鋳片内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させることにより、凝固後の丸鋳片内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させることができる。その際、丸鋳片の厚さ方向における負偏析部の厚さは、丸鋳片の大きさにもよるが、圧下した方向における圧下後の丸鋳片の厚さまたは直径の１０〜３０％が望ましい。
【００４３】
つぎに、本発明が対象とする鋼について、以下に説明する。
油井用鋼管、ボイラーなどの熱伝達用鋼管、プラスチック用金型などに用いられる鋼としては、通常、耐食性、耐酸化性、優れた高温強度、靱性などから、Ｃｒ含有率が５〜１２％程度の合金鋼、または、Ｃｒ含有率が１３〜２０％程度のフェライト系ステンレス鋼が用いられている。また、これら合金鋼およびフェライト系ステンレス鋼には、炭化物を形成させて高温強度を増加させるために、Ｃが０．０５〜０．３％程度含有されている。
【００４４】
上記程度にＣｒおよびＣを含有する合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼では、前述のとおり、溶鋼を鋳造し、内部に未凝固部が存在する状態で、鋼塊または鋳片を圧下する際には、鋼塊または鋳片に負偏析の凝固組織が発生する。負偏析部の発生した鋼塊または鋳片を熱間加工して、ビレットを製造し、さらにビレットを熱間加工して最終製品を製造する際に、ビレットおよび最終製品に負偏析部が残存する。この残存した負偏析部に粗大なフェライトが生成し、そのフェライトに沿って微細な割れが発生しやすい。
【００４５】
したがって、本発明が対象とする鋼は、本発明の方法を適用するのに好適であるので、Ｃｒを５〜２０質量％、Ｃを０．０５〜０．３質量％含有する合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼とする。
【００４６】
本発明の対象とする合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼は、上記のＣｒおよびＣ以外に、質量％で、Ｓｉ：０．０５〜０．４％、Ｍｎ：０．２〜２％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．１％以下、Ｍｏ：１．５％以下、Ｎｉ：１．５％以下、Ｃｕ：１．５％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下およびＶ：０．１％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼とする。
【００４７】
Ｓｉおよびｓｏｌ．Ａｌは、主として溶鋼の脱酸のために含有され、また、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、ＮｂおよびＶの元素は、鋼の強度、靱性などの機械的性質の改善を目的として含有される。また、これらの元素は、上記の範囲内の含有率であれば、鋼塊または鋳片の負偏析部の形成への影響はない。
【００４８】
本発明が対象とする合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を鋳造し、内部に未凝固部が存在する間に鋼塊または鋳片の外表面をその厚さ方向に圧下することにより、鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させ、凝固後の鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させる際、本発明の方法では、溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とする。
【００４９】
溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とすることにより、鋼塊または鋳片を熱間加工したビレット、およびそのビレットを熱間加工した最終製品において、残存した負偏析部における微細な割れの発生を防止できるのは、前述のとおりである。
【００５０】
【実施例】
電気炉で原料を溶解した後、ＡＯＤ法と称されるアルゴン−酸素脱炭法により溶鋼を精錬して、Ｃｒ含有率が、質量％で、５％、９％および１３％の３水準の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を溶製した。また、ＡＯＤ法による精錬の際に、溶鋼の脱水素を行い溶鋼中の水素含有率を調整した。溶製した溶鋼の水素含有率は後述する表２および表３に示し、その他の化学組成を表１に示す。
【００５１】
【表１】
【００５２】
凝固後の鋼塊または丸鋳片の厚さ方向中心部近傍に負偏析部が生成するように、内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させる程度に未凝固部を含む鋼塊または丸鋳片を圧下する際、実際に負偏析部が生成したかどうかについて、以下のように事前に確認した。
【００５３】
すなわち、鋳造した直後の鋼塊または丸鋳片の内部に未凝固部が残存する状態で、それぞれ鋲打ち試験を行い、未凝固部の厚さまたは直径を測定した。また、凝固伝熱解析により、鋼塊または丸鋳片の鋳造条件と未凝固部の厚さまたは直径を求めた。これら鋲打ち試験結果と解析結果とがよく一致することを確認した。また、未凝固部を含む鋼塊または丸鋳片を圧下したことによる負偏析の凝固組織の確認は、鋼塊または丸鋳片の厚さ中心部を含む縦断サンプルを採取し、その縦断面のマクロ組織観察を行って、負偏析部の生成状況を確認した。その事前確認試験により、未凝固部の厚さまたは直径の１．２〜２．５倍の厚さまたは直径に相当する量を圧下することにより、負偏析の凝固組織が生成することがわかった。鋼塊または丸鋳片の外表面を圧下しても、実際に鋼塊または丸鋳片の厚さ中心部が圧下される、いわゆる圧下浸透性は１００％ではないことによる。実際の実施例の鋳造試験では、凝固伝熱解析による未凝固部の厚さまたは直径の値を用いて、圧下条件を変更した。
（実施例１）
表１に示す化学組成の溶鋼中の水素含有率を、ＡＯＤ法による精錬の際に調整した後に、通常の下注ぎ造塊法により、水平断面が５００ｍｍの正方形で、高さが２０００ｍｍの鋼塊に鋳造した。その際、湯面上に通常用いられる保温剤を添加した。その後、約１時間経過してから、内部に未凝固部が存在する状態で、造塊用鋳型より鋼塊を引き抜き、横型油圧プレス装置を用いて金型で鋼塊の側面を両側から圧下した。圧下開始時の鋼塊の表面温度は８４０〜８８０℃程度とした。また、圧下力は最大１０００ｔに設定した。
【００５４】
鋼塊を圧下する両側の金型の、それぞれの大きさは、縦３００ｍｍ、横１０００ｍｍで、鋼塊の未凝固部の位置を金型により両側から圧下した。その際、鋼塊の未凝固部の下側から上側に向けて、順次金型を押し当て、鋼塊の全高さを圧下した。鋼塊を圧下するための油圧シリンダの圧下速度は約１〜１．４ｍｍ／秒とし、圧下後は、圧下速度と同じ速度で金型を開放することにより、約４分以内に圧下を完了した。鋼塊の上部も凝固が進行しているので、鋼塊内部の未凝固部の溶鋼が鋼塊の外に漏れることはなかった。
【００５５】
圧下完了後に鋼塊を室温近傍まで冷却した後、鋼塊の高さの１／２で２分割し、１本の鋼塊は、厚さ中心部で縦断して縦断サンプルを採取し、縦断面をマクロ組織観察によりザクまたはセンターキャビティである内部欠陥の発生状況と負偏析部の発生の有無を調査した。これら内部欠陥の発生状況は、縦断サンプルの縦断面に目視で観察される内部欠陥の存在範囲を確認し、最も大きな内部欠陥の形状を円または楕円の形状に近似し、その直径または長径を存在範囲径として評価した。
【００５６】
残りの１本は、１１００〜１２００℃に加熱後、鍛造加工して直径３００ｍｍの丸鋼片とした。得られた丸鋼片を厚さ中心部で縦断して縦断サンプルを採取し、縦断面をマクロ組織観察により負偏析部の割れの発生の有無を調査した。試験条件および試験結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
【００５８】
比較例の試験Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１３およびＮｏ．１６では、Ｃｒ含有率がおよそ５〜１３質量％、Ｃ含有率がおよそ０．０５〜０．２質量％の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を、水素含有率が全て４ｐｐｍ以下になるように調整した後、鋼塊に鋳造し、未凝固部を含む鋼塊を圧下した。鋼塊の圧下に際し、未凝固部の厚さより小さい圧下量で鋼塊を圧下した。この圧下の条件は、本発明で規定する条件を満たしていない。これら試験Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１３およびＮｏ．１６では、圧下量が小さいので、鋼塊に負偏析部を形成できず、また存在範囲径が２５〜３８ｍｍの著しく大きな内部欠陥が発生した。
【００５９】
比較例の試験Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１７およびＮｏ．１８では、Ｃｒ含有率がおよそ５〜１３質量％、Ｃ含有率がおよそ０．０５〜０．２質量％の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を、水素含有率が全て４ｐｐｍを超えて５〜７ｐｐｍとなるように調整した後、鋼塊に鋳造し、未凝固部を含む鋼塊を圧下した。これら溶鋼中の水素含有率は、本発明で規定する条件を外れている。鋼塊の圧下に際し、未凝固部の厚さを超える圧下量で鋼塊を圧下した。これら試験Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１７およびＮｏ．１８では、圧下量を未凝固部の厚さよりも大きくしたので、鋼塊において負偏析部の形成が確認され、また、内部欠陥は、試験Ｎｏ．１７で小さい内部欠陥が発生した以外は、発生しなかった。しかし、鋼塊を熱間鍛造した後の丸鋼片では、負偏析部に割れの発生が認められた。これは、溶鋼の水素含有率を５〜７ｐｐｍと高くしたためである。
（実施例２）
表１に示す化学組成の溶鋼中の水素含有率を、ＡＯＤ法による精錬の際に調整した後に、水平式連続鋳造機を用いて、横断面形状が直径２６０ｍｍの丸鋳片に鋳造した。直径３５０ｍｍの大きさのピンチロールにより未凝固部を含む丸鋳片を圧下する際、鋳造速度を０．６〜０．８５ｍ／分、丸鋳片の二次冷却の比水量を０．６〜１．０リットル／ｋｇ−鋼の範囲内でそれぞれ変化させ、未凝固部の直径を変化させて、丸鋳片を圧下した。圧下開始時の丸鋳片の表面温度は８６０〜８９０℃とした。圧下時の圧下反力は最大で２５０ｔであった。
【００６０】
得られた圧下後の丸鋳片から各２ｍ長さの丸鋳片サンプルを採取し、１本の丸鋳片は、厚さ中心部で縦断して縦断サンプルを採取し、縦断面をマクロ組織観察によりザクまたはセンターキャビティである内部欠陥の発生状況と負偏析部の発生の有無を調査した。これら内部欠陥の発生状況は、縦断サンプルの縦断面に目視で観察される内部欠陥の存在範囲を確認し、前述のとおり、その存在範囲径を求めた。
【００６１】
残りの１本は、１１００〜１２００℃に加熱後、鍛造加工して直径１５０ｍｍの丸鋼片とした。得られた丸鋼片を厚さ中心部で縦断して縦断サンプルを採取し、前述のとおり、負偏析部の割れの発生の有無を調査した。試験条件および試験結果を表３に示す。
【００６２】
【表３】
【００６３】
比較例の試験Ｎｏ．２８、Ｎｏ．３１およびＮｏ．３４では、Ｃｒ含有率がおよそ５〜１３質量％、Ｃ含有率がおよそ０．０５〜０．２質量％の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を、水素含有率が全て４ｐｐｍ以下になるように調整した後、丸鋳片に鋳造し、未凝固部を含む丸鋳片を圧下した。丸鋳片の圧下に際し、未凝固部直径より小さい圧下量で丸鋳片を圧下した。この圧下の条件は、本発明で規定する条件を満たしていない。これら試験Ｎｏ．２８、Ｎｏ．３１およびＮｏ．３４では、圧下量が小さいので、丸鋳片に負偏析部は形成されず、また１５〜２２ｍｍの著しく大きな内部欠陥が発生した。
【００６４】
比較例の試験Ｎｏ．２９、Ｎｏ．３０、Ｎｏ．３２、Ｎｏ．３３、Ｎｏ．３５およびＮｏ．３６では、Ｃｒ含有率がおよそ５〜１３質量％、Ｃ含有率がおよそ０．０５〜０．２質量％の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を、水素含有率が全て４ｐｐｍを超えて５〜７ｐｐｍとなるように調整した後、丸鋳片に鋳造し、未凝固部を含む丸鋳片を圧下した。これら溶鋼中の水素含有率は、本発明で規定する条件を外れている。丸鋳片の圧下に際し、未凝固部の厚さを超える圧下量で丸鋳片を圧下した。これら試験Ｎｏ．２９、Ｎｏ．３０、Ｎｏ．３２、Ｎｏ．３３、Ｎｏ．３５およびＮｏ．３６では、圧下量を未凝固部の厚さよりも大きくしたので、丸鋳片において負偏析部の形成が確認され、また、内部欠陥は発生しなかった。しかし、丸鋳片を熱間鍛造した後の丸鋼片では、負偏析部に割れの発生が認められた。これは、溶鋼の水素含有率を５〜７ｐｐｍと高くしたためである。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の方法の適用により、高Ｃｒ含有率の合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼において、ザクまたはセンターキャビティと呼ばれる凝固収縮に起因する内部欠陥の発生のない、さらに、形成させた負偏析部に微細な割れの発生のない内部品質の良好な鋼塊または鋳片を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内部に未凝固部が存在する間に、鋼塊の外表面を厚さ方向に圧下する状況の例を示す模式図である。
【図２】内部に未凝固部が存在する間に、水平式連続鋳造機を用いて鋳造された鋳片を圧下する状況の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１：鋼塊 ２：凝固殻 ３：未凝固部
４：金具 ５：シリンダ ６：吊り具
７：取鍋 ８：ロングノズル ９：タンデイッシュ
１０：フィードノズル １１：鋳型 １２：冷却用ノズル
１３：ガイドロール １４：ピンチロール １５：溶鋼
１６：未凝固部 １７：凝固殻 １８：鋳片
Claims (1)
- 質量％で、Ｃｒを５〜２０％、Ｃを０．０５〜０．３％含有し、さらに、Ｓｉ：０．０５〜０．４％、Ｍｎ：０．２〜２％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．１％以下、Ｍｏ：１．５％以下、Ｎｉ：１．５％以下、Ｃｕ：１．５％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下およびＶ：０．１％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼の溶鋼を鋳造し、鋼塊または鋳片の内部に未凝固部が存在する間に鋼塊または鋳片の外表面をその厚さ方向に圧下して鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向両側の凝固殻を圧着させることにより、凝固後の鋼塊または鋳片の内部の厚さ方向中心部近傍に負偏析部を形成させる鋳造方法であって、上記溶鋼の水素含有率を４ｐｐｍ以下とすることを特徴とする高Ｃｒ含有鋼の鋳造方法。
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