鋼の連続鋳造における初期凝固制御に関する研究
著者 溝口 利明
著者別表示 Mizoguchi Toshiaki
雑誌名 博士論文本文Full
学位授与番号 13301甲第4332号
学位名 博士（工学）
学位授与年月日 2015‑09‑28
URL http://hdl.handle.net/2297/43797
doi: 10.2355/tetsutohagane.TETSU-2015-016
Creative Commons : 表示 ‑ 非営利 ‑ 改変禁止 http://creativecommons.org/licenses/by‑nc‑nd/3.0/deed.ja
博 士 論 文
鋼の連続鋳 造における 初期凝 固制 御に関する研究
金沢大 学大 学院自 然科 学研究 科 機械科 学専 攻 次世代 鉄鋼 総合科 学講 座
学 籍 番 号
1424032007
氏
名
溝口 利 明主任指 導教 官名
松宮 徹
平成
27
年7
月目 次
第
1
章 序 論1
1 . 1
本 研 究 の背 景 および目 的1
1 . 2
本 研 究 の対 象 とする技 術 課 題6
1 . 3
本 論 文 の構 成1 5
参 考 文 献
1 7
第
2
章 現 行 連 続 鋳 造 法 における初 期 凝 固 シェル成 長 の数 学 モデル解 析2 0
2 . 1
緒 言2 0
2 . 2
モデルの構 成2 0
2 . 2 . 1
モデルの概 念2 0
2 . 2 . 2
計 算 方 法2 3
2 . 2 . 3
計 算 条 件2 6
2 . 3
計 算 結 果 と考 察2 7
2 . 4
結 言3 7
参 考 文 献
4 0
第
3
章 鋳 型 オシレーションを考 慮 した凝 固 シェル成 長 の力 学 モデルによる拘 束 性 ブレークアウト解 析
4 1
3 . 1
緒 言4 1
3 . 2
モデルの概 要4 1
3 . 2 . 1
モデルの概 念4 1
3 . 2 . 2
解 析 方 法4 3
3 . 2 . 3
解 析 条 件4 9
3 . 3
実 鋳 造 におけるB O
検 知 頻 度 の測 定 方 法5 0
3 . 4
解 析 結 果 と考 察5 1
3 . 4 . 1
再 凝 固 シェルの力 学 モ デル解 析5 1
3 . 4 . 2
実 鋳 造 でのB O
検 知 頻 度 とB O
指 標 の関 係6 3
3 . 5
結 言6 4
参 考 文 献
6 6
第
4
章 双 ロール鋳 造 法 における鋳 片 表 面 性 状 とメニ ス カス形 状 の関 係6 8
4 . 1
緒 言6 8
4 . 2
実 験 方 法6 8
4 . 2 . 1
実 験 条 件6 8
4 . 2 . 2
溶 融 金 属 ／ロールの接 触 開 始 位 置 の検 知 実 験6 9
4 . 3
実 験 結 果7 1
4 . 3 . 1
表 面 しわ形 成 に及 ぼす 鋳 造 速 度 の影 響7 1
4 . 3 . 2
溶 融 金 属 とロールの接 触 開 始 位 置7 6
4 . 4
考 察8 0
4 . 4 . 1
動 的 メニスカス 形 状 の理 論 解 析8 0
4 . 4 . 2
メニスカス形 状 の推 算 結 果8 2
4 . 4 . 3
ロール／溶 融 金 属 の接 触 開 始 位 置 の推 算8 3
4 . 4 . 4
表 面 しわ防 止 の臨 界 鋳 造 速 度8 5
4 . 5
結 言8 6
参 考 文 献
8 7
第
5
章 双 ロール鋳 造 法 における鋳 片 表 面 形 成 に及 ぼす鋳 造 雰 囲 気の効 果
8 8
5 . 1
緒 言8 8
5 . 2
実 験 方 法8 8
5 . 2 . 1
実 験 装 置 と実 験 条 件8 8
5 . 2 . 2
鋳 片 観 察 方 法9 0
5 . 3
実 験 結 果9 0
5 . 3 . 1
鋳 片 厚 さ9 0
5 . 3 . 2
鋳 片 表 面 性 状9 0
5 . 3 . 3
ロール／メタル間 の総 括 熱 伝 達 係 数9 3
5 . 4
考 察9 5
5 . 4 . 1
定 常 部 におけるロール／メタル間 のガス膜 厚 さ9 5
5 . 4 . 2
鋳 片 の表 面 しわに及 ぼす雰 囲 気 ガスの影 響9 7
5 . 5
結 言1 0 0
付 録
1 0 1
参 考 文 献
1 0 4
第
6
章 結 論1 0 5
6 . 1
本 研 究 の総 括1 0 5
6 . 2
本 研 究 の工 学 的 意 義 と 今 後 の課 題1 0 8
参 考 文 献
111
参 考 論 文
11 3
副 論 文
11 4
謝 辞
11 5
1
第
1
章 序 論1.1
本 研 究 の背 景 および目 的我 が 国 の 鉄 鋼 業 は 、 転 炉 法 や 連 続 鋳 造 法 を い ち 早 く 導 入 し た こ と に よ り 、 世 界 で 一 流 の 鉄 鋼 生 産 と 技 術 水 準 に 到 達 し 、1 9 5 5年 に は 年 間 約
1 0 0 0
万t
で あ っ た 粗 鋼 生産 は
1 9 7 3
年 の オ イ ル シ ョ ッ ク ま で は 経 済 成 長 と と と も に1
億t
を 超 え 、 世 界 粗 鋼 生 産 の1 5 %を 占 め る に 至 った ．しか し、そ れ 以 降 は、2 0 0 9
年 の リ ーマ ン ショ ックに よ る 一 時 的 な減 少 はあったものの、最 近 に至 るまで1～
1 . 2億 tで横 ばい状 態 である（ Fi g u re 1 . 1
1 )） ． 一 方 、世 界 の 粗 鋼 生 産 量 も 、1 9 7 3
年 以 降2 0 0 0
年 ま で の 約3 0
年 間 は横 ば い が 続 き 、7～ 8億 t
で 推 移 したが 、今 世 紀 に 入 り、中 国 をはじめ と する 新 興 国 の 台 頭 に よ って、粗 鋼 生 産 量 は急 激 に 増 加 し 、2 0 1 1年 に は1 5
億t
を 超 え 、 僅 か1 0
年 で2倍 に 急 増 した ． こ
こ1 0年 の中 国 粗 鋼 生 産 量 は、年 平 均 で5 0 0 0万t
以 上 増 加 し続 けてお り、2 0 1 1年 以 降
全 世 界 の 粗 鋼 の 約 半 分 が 中 国 で 生 産 さ れ て い る こ と に な る ． 今 後 は 中 国 に 加 え 、B R IC s（ ブ ラ ジ ル 、 ロ シ ア 、 イ ン ド 、 中 国 、 南 ア フ リ カ ） や 東 南 ア ジ ア 、 ア フ リ カ の 経 済 成
長 により、鉄 鋼 需 要 はさらに増 加 することが予 想 される．鋼 の 連 続 鋳 造 法 は 転 炉 法 と と も に
2 0
世 紀 の 鉄 鋼 製 造 プ ロ セ ス を 変 革 し た 主 要 技 術 で あ る ．1 8 5 6年 のH . B esse mer
2 )の 原 理 創 出 、1 9 4 7
年 のS . J u n g h a n s
3 )に よ る 振 動 水 冷 銅 板 鋳 型 の 開 発 を 経 て 、 現 行 プ ロ セ ス の 骨 格 が 築 か れ た ． 従 来 の 造 塊 － 分 塊 圧 延 法 に 比 べ 、① 歩 留 り、② 生 産 性 、③ 品 質 、④エ ネ ルギーの 点 で優 れてい る こと か ら、その後 、鋼 の連 続 鋳 造 法 は急 速 に普 及 した．
我 が国 においては、
1 9 5 5
年 に住 友 金 属 工 業(
株)
により第1
号 機 のビレット用 連 続 鋳 造 機 、次 いで1 9 6 0年 に八 幡 製 鐵(株 )
光 製 鐵 所 に国 内 初 のスラブ用 連 続 鋳 造 機 が導 入 さ れ た ． そ の 後 、1 9 7 2年 に は世 界 初 の オ ー ル連 鋳 の 新 日 本 製 鐵 ㈱ 大 分 製 鐵 所 が
建 設 さ れ 、 大 型 高 炉 － 大 型 転 炉 － 連 続 鋳 造 か ら な る 高 生 産 性 を 特 徴 と し た 銑 鋼 一 貫 製 鐵 所 の 全 盛 期 を 迎 え た ． 粗 鋼 生 産 量 に 対 す る 連 続 鋳 造 法 の 割 合 を 示 す 連 続 鋳 造 比 率 は 、2 0 1 2
年 に は 世 界 全 体 で9 5
％ 、 我 が 国 で は9 8
％ に 達 し て お り （Fi g u r e
1 . 2
4 )）、鋼 の連 続 鋳 造 法 は成 熟 期 を迎 えたと 言 って良 い．2
Fi g u r e 1 . 1 Tre n d s in c r u d e s te e l p ro d u c t io n in ma jo r c o u n t r ie s
1 ) , 4 ).
3
Fi g u r e 1 . 2 R at io o f c o n tin u o u s l y-c as t ste el to t o ta l c ru d e st eel p ro d u c t io n
1 ).
こ の よ う な 状 況 に お け る 鋼 の 連 続 鋳 造 法 の 課 題 は 、 よ り 高 効 率 で 高 品 質 の 鋳 片 を 製 造 す る た め に 、 更 なる ① 品 質 改 善 、② 生 産 性 向 上 、③ 省 エ ネ ルギー を図 る こと で あ る．
需 要 家 の 鋼 材 に対 するニ ー ズは、品 質 厳 格 化 が 進 んで いる ．例 え ば 、自 動 車 用 鋼 板 等 に 代 表 され る 薄 板 材 で は 、 製 品 欠 陥 と なる 鋳 片 表 層 の 非 金 属 介 在 物 、 気 泡 性 欠 陥 や 割 れ を 除 去 す る た め 、 表 層 下 数
mm
を 表 面 手 入 れ し てお り 、 歩 留 ま り を 悪 化 さ せ てい る ．ま た 、表 面 手 入 れ を す る と 、製 鋼 工 程 か ら熱 延 工 程 に 鋳 片 を 直 送 で き ない ため、熱 エネ ル ギー損 失 が発 生 している ．したがって、鋳 片 表 面 品 質 を抜 本 的 に改 善 し、表 面 手 入 れが省 略 できると大 幅 な省 エネルギーにも繋 がる．一 方 で 、既 存 連 鋳 機 で 生 産 性 を向 上 するため には、スルー プット （
t /h r） 向 上 と 稼 働
率 向 上 の 取 組 み が 重 要 で あ る ． ス ル ー プ ッ ト 向 上 に は 鋳 造 速 度 ア ッ プ 、 稼 働 率 向 上 に は 鋳 造 ト ラ ブ ル 低 減 が 有 効 で あ る ． し か し な が ら 、 鋳 造 速 度 ア ッ プ は 鋳 片 品 質 を 悪 化 させ る の で 、表 面 疵 や内 部 欠 陥 と なる 介 在 物 低 減 の 品 質 対 策 と して、鋳 造 速 度 上 限 を設 けて 、む しろ 連 鋳 機 の 機 長 を余 して鋳 造 す る 場 合 が 多 い ．稼 働 率 向 上 に は連 鋳 工 程 で 最 も 生 産 を 阻 害 す る 鋳 造 ト ラブ ル の ひ と つ で あ る ブ レ ー ク ア ウト （B O
） を 防 止 する必 要 がある．B Oと は鋳 型 と 溶 鋼 の接 触 開 始 位 置 近 傍 の 凝 固 （以 降 、初 期 凝 固 と4
呼 ぶ ） 過 程 に お い て 、 何 ら か の 原 因 で 凝 固 殻 （ 凝 固 シ ェ ル ） が 正 常 に 形 成 さ れ ず 、 そ の 部 位 が 鋳 型 下 端 を 通 過 した 後 、凝 固 シェ ルを 破 っ て シェ ル外 部 に 溶 鋼 が 流 出 す る トラブルである．B Oトラブルが発 生 すると生 産 障 害 に加 えて、膨 大 な修 繕 費 が掛 かる．
現 行 連 続 鋳 造 法 で高 効 率 高 品 質 鋳 片 の作 り込 み技 術 を 深 化 させる 一 方 で、連 続 鋳 造 － 熱 延 か ら 成 る 現 行 プ ロ セ ス そ の も の を 見 直 す 動 き が
1 9 9 0
年 代 か ら 盛 ん に 行 わ れ て き た ． 工 程 省 略 と 急 冷 凝 固 に よ る 材 質 向 上 を 狙 っ て 、 現 行 連 鋳 法 の 鋳 片 厚 さ2 0 0～4 0 0 mm
に 対 し、数mm
～ 数1 0 mmの 鋳 片 を溶 鋼 か ら直 接 製 造 するニ アネッ ト シェ
イ プ 鋳 造 法 と 呼 ば れ る 新 鋳 造 プ ロ セ ス の 鋼 へ の 適 用 開 発 で あ る5 ) , 6 )． 鋳 片 厚 さ 数
mm
の 薄 板 を 直 接 製 造 す る双 ロ ー ル 鋳 造 法 や 厚 さ数1 0 mm
を 製 造 す る 薄 ス ラブ 連 鋳 法 が そ の 代 表 例 で あ り 、熱 延 工 程 に お ける 粗 圧 延 や 仕 上 圧 延 を 省 略 し よ うと す る も の で あ る( Fig u re 1 . 36 ))
． 現 在 で は い ず れ の 鋳 造 法 と も に 商 用 生 産 で 使 わ れ て い る が 、 特 に 薄 ス ラブ 連 鋳 法 は 欧 米 や 近 年 で は中 国 を初 めと す る アジアへ の導 入 が着 実 に 進 ん で お り 、 生 産 能 力 は 全 世 界 で す で に1億 t/
年 を 超 え て い る と され る ． これ らの ニ ア ネ ッ ト シ ェ イプ 鋳 造 法 では横 断 面 積 が小 さくなるため 、生 産 性 を 確 保 しよ うとする と 、 鋳 造 速 度 を 飛 躍 的 に 上 げ る 必 要 が あ る ． ま た 、 被 表 面 積 が 大 幅 に 増 大 す る こ と に よ り 、 僅 か な 表 面 手 入 れ で も 歩 留 りが 大 幅 に 悪 化 す る た め 、 基 本 的 に 無 手 入 れ で 最 終 製 品 に 近 い 表 面 性 状 と す る 必 要 が あ る ．した が っ て 、現 行 連 鋳 法 以 上 に 高 品 質 鋳 片 を高 い 生 産 性 の 下 で 製 造 可 能 な 鋳 造 技 術 開 発 が 今 後 益 々 重 要 に な っ て き て い る と 考 え ら れ る．この 鋳 片 表 面 性 状 改 善 や
B O
ト ラブ ル 低 減 に と って、鋳 型 内 の 凝 固 シェル形 成 、特 に鋳 型 と溶 鋼 の接 触 開 始 位 置 近 傍 の初 期 凝 固 を如 何 に安 定 させる かが重 要 となる．そ こで 、本 研 究 で は 、鋼 の 連 続 鋳 造 に お ける 高 効 率 高 品 質 鋳 片 の 製 造 を 目 的 と して 、 現 行 連 続 鋳 造 法 と 双 ロ ー ル鋳 造 法 で の 鋳 片 表 面 品 質 改 善 、 及 び 現 行 連 続 鋳 造 法 で のBO防 止 に お い て 重 要 と な る 初 期 凝 固 を 安 定 化 さ せ る た め の 制 御 技 術 を 検 討 し た．
5
Fi g u r e 1 . 3 C o n cep t o f o mi t tin g a n d si mp li f yi n g p ro c e ss
in n ear n e t sh a p e c a s tin g me th o d
6 ).
6
1.2
本 研 究 の対 象 とする技 術 課 題鋼 の現 行 連 続 鋳 造 法 の 概 略 図 7 )を
Fi g u re 1 . 4
に示 す．精 錬 工 程 で温 度 や成 分 調 整 され た 取 鍋 内 の 溶 鋼 は 、中 間 容 器 の タ ン デ ィ ッ シュ 、耐 火 物 製 の 浸 漬 ノ ズル を 通 し て固 定 した水 冷 銅 鋳 型 に注 入 される．そして、水 冷 鋳 型 とそれに続 く2
次 冷 却 帯 の水 冷 ス プ レ ー に よ り 側 面 か ら 冷 却 さ れ 、 成 長 し た 凝 固 シ ェ ル を 連 鋳 機 出 側 方 向 に 連 続 的 に引 き抜 くことで、厚 さ2 0 0～4 0 0 mm
程 度 の 鋳 片 が製 造 される．この際 、上 下 方 向 に数mm
の振 幅 、数H z
の周 波 数 で振 動 する鋳 型 内 の溶 鋼 表 面 に、溶 鋼 温 度 で溶 融 す るC a O -S iO
2-A l
2O
3 か ら成 る 低 融 点 酸 化 物 （ 以 降 、連 鋳 パ ウダ ー と 呼 ぶ ） を 、連 続 的 に供 給 する ことで、引 き抜 かれていく凝 固 シェルと銅 鋳 型 の間 の潤 滑 性 を確 保 す ることで安 定 的 に鋳 造 されている．一 方 、双 ロール連 鋳 法 8 )
( Fig u re 1 . 5 )
では回 転 する2
つの水 冷 ロール間 に溶 鋼 が 注 入 さ れ 、 ロ ー ル 表 面 か ら の 抜 熱 に よ り 急 冷 さ れ て 成 長 し た 凝 固 シ ェ ル は 、 ロ ー ル 最 近 接 点 （キス点 ）において、1秒 以 内 で圧 着 されて厚 さ数mm
の鋳 片 （鋼 板 ）となる．現 行 連 鋳 法 の鋳 片 表 層 の 厚 さ数mm
部 分 を 切 出 して、張 り合 わせたような鋼 板 である．本 法 で は 、鋳 型 で あ る 回 転 ロ ー ルと 一 緒 に 、 凝 固 シェ ル が 同 じ速 度 で 移 動 す る た め 、 現 行 連 鋳 法 で使 用 した連 鋳 パウダーは使 用 しないのが特 徴 である．
現 行 連 鋳 法 と双 ロール 連 鋳 法 の比 較 9 )を
Fi g u re 1 . 6
に示 す．上 述 した通 り、双 ロ ール法 の鋳 片 厚 は1 /1 0 0
であり、平 均 冷 却 速 度 が現 行 連 鋳 法 よりも1 0 0 0
倍 大 きいた め 、 急 速 凝 固 に よ る 鋼 板 特 性 改 善 が 期 待 で き る ．ま た 、 溶 湯 か ら 直 接 最 終 製 品 に 近 い 厚 み と す る た め 、 熱 延 で き な い 難 加 工 材 料 の 製 造 も 可 能 で あ る ． 一 方 で 、 現 行 連 鋳 法 と比 較 して、鋳 造 速 度 は1 0 0
倍 程 度 速 く できるものの、鋳 片 厚 が薄 いため、生 産 能 力 は1 / 4
程 度 であり、小 ロット材 の安 価 製 造 に向 いたプロセスと言 える．7
Fi g u r e 1 . 4 S c h e mat ic i l lu s tr at ion o f c o n ve n ti o n a l c o n t in u o u s c a s tin g ma c h in e
7 ).
Fi g u r e 1 . 5 S ch e mat ic i l lu s tr at io n o f tw in ro ll s tr ip c as tin g ma ch i n e ca ll e d C A S T R IP ® p ro cess a t N u c o r S t e e l ’s C ra wfo rd s vi l le
8 ).
c o n t i n u o u s c a s t i n g r e f i n e d s t e e l
f r o m c o n v e r t e r
t u n d i s h l a d l e
8
Fi g u r e 1 . 6 C o mp a ri so n o f th ic k n e s s, c o o l in g ra te a n d c a st in g sp e e d
b et we en c o n ven ti o n a l c o n t in u o u s c a s t in g a n d t win ro l l ca st in g
9 ).
現 行 連 続 鋳 造 法 の鋳 片 に発 生 する各 種 欠 陥 の模 式 図 1 0 )を
Fi g u r e 1 . 7
に示 す．代 表 的 な鋳 片 欠 陥 に は、表 面 ・ 内 部 割 れ 、介 在 物 性 欠 陥 、偏 析 が ある ．程 度 の 差 は あ るも のの 、双 ロ ー ル鋳 片 で 発 生 す る 鋳 片 欠 陥 も 基 本 的 に は同 様 と 考 え て良 い ．この 内 、B～
D
で示 す表 面 割 れは、Fig u re 1 . 81 1 )に 示 すように深 さが数mm
と深 いため、D R (D irec t R o l l in g
、 鋳 片 を 無 加 熱 で 直 送 し て 熱 延)
、D H C R (D ire c t H o t C h a rg e、
8 0 0℃ 程 度 の 鋳 片 を 直 送 し て 加 熱 後 、 熱 延 )
、H C R (H o t C h a rg e、5 0 0℃ 程 度 に 温 度 低 下 した 鋳 片 を 加 熱 後 、熱 延)で の ス ケ ー ル オ フ量 だ けで は除 去 され ない
1 2 )． した が っ て、これ らの 鋳 造 － 熱 間 圧 延 の 直 結 化 技 術 で は、表 面 割 れ はそ の ま ま 鋼 板 表 面 の 欠 陥 に繋 がるため、表 面 手 入 れが必 須 となる．前 述 の通 り、表 面 手 入 れの実 施 は、歩 留 り悪 化 や 鋳 片 を 熱 延 工 程 に 直 送 で き ない こと に よ る 熱 エ ネ ルギー 損 失 を招 く ． 特 に 双 ロール鋳 造 法 では被 表 面 積 が大 幅 に増 大 す るので、僅 かな表 面 手 入 れでも歩 留 り が 大 幅 に 悪 化 す る た め 、無 手 入 れ で 最 終 製 品 に 近 い 表 面 性 状 と す る 必 要 が あ り、現 行 連 鋳 法 よりも厳 しい表 面 性 状 を有 する高 品 質 の鋳 片 が求 められている．9
Fi g u r e 1 . 7 Illu s tra t io n o f ca st d e f e c t s in c o n ve n ti o n a l c o n t in u o u s l y c a st sl a b
1 0 ).
Fi g u r e 1 . 8 D ep th o f su rfac e d e fe c ts in c o n ve n ti o n a l c o n t in u o u s l y c a st sl a b
1 1 ). A ： p i n h o l e 、 B ： l o n g i t u d i n a l c r a c k 、 C ： c r o s s - s e c t i o na l c r a c k 、 D ： c o r n e r c r a c k 、 ① i n t e r na l c o r n e r c r a c k 、 ② i n t e r na l c r a c k ne a r n a r r o w fa c e 、
③ c e n t e r c r a c k 、 ⑤ s p o t s e g r e ga t i o n 、 ⑥V- s e g r e g a t i o n 、 ⑦ A - s e g r e ga t i o n 、
⑧ i n t e r n a l c r a c k n e a r wi d e fa c e、 ⑨ i nc l u s i o n c l u s t e r
10
現 行 連 続 鋳 造 法 において、
B O
発 生 時 に鋳 型 内 に残 存 した凝 固 シェ ルの外 観 1 3 )を
Fig u r e 1 . 9
に示 す．鋳 型 と接 触 した側 の凝 固 シェルのみが鋳 型 内 に残 存 し、凝 固シ ェ ル 内 側 に 存 在 し た 溶 鋼 は 、 凝 固 シ ェ ル を 破 っ て 外 部 に 流 出 す る た め 、 内 部 は 空 洞 になっている．B O発 生 時 は鋳 造 が停 止 し、生 産 障 害 が発 生 することは勿 論 のこと、
溶 鋼 が流 出 し、周 辺 設 備 を損 傷 するため、膨 大 な修 繕 費 が必 要 となる．
Fig u re 1 . 9
は拘 束 性B O
後 の凝 固 シェル外 観 であるが、B O 後 のシェル厚 は、メニスカ ス 近 傍 （ 写 真 上 部 ） が よ り 厚 く 、 鋳 型 下 方 （ 写 真 で ホ ー ム ベ ー ス 状 の 先 端 ） に 行 く に つ れ て 薄 く なる の が 特 徴 で あ る ． メ ニ ス カ ス 近 傍 で 何 ら か の 理 由 に よ り 鋳 型 と 凝 固 シ ェ ル が 溶 着 （ 拘 束 ） し 、正 常 に 凝 固 シェ ルが 鋳 型 下 方 へ 引 き 抜 か れ なか った た め 、鋳 型 に 拘 束 された 凝 固 シェル が 時 間 と ともに 下 方 に成 長 した こと を示 してい る ．B O に は拘 束 性
B O
以 外 に、鋳 型 内 で表 面 近 傍 に形 成 した割 れが、鋳 型 下 方 へ移 動 するととも に拡 大 し、凝 固 シェルを貫 通 することによって溶 鋼 が流 出 する割 れ性BO
と呼 ばれるも の が あ る が 、 い ず れ の 場 合 も 鋳 型 内 の 溶 鋼 メ ニ ス カ ス 近 傍 に お い て 、 凝 固 シ ェ ル が 正 常 に形 成 されなかったことが主 な原 因 であることが知 られている．Fi g u r e 1 . 9 A p p ear an ce o f sh e l l re ma in e d i n mo ld a ft e r b re a k o u t
1 3 ).
11
1.2.1
現 行 連 続 鋳 造 法 の初 期 凝 固 制 御 に関 連 する課 題前 述 し た 通 り 、 現 行 連 続 鋳 造 法 や ニ ア ネ ッ ト シ ェ イ プ 連 鋳 法 で は 、需 要 家 の 鋼 材 に 対 す る 品 質 厳 格 化 が 進 み 、歩 留 ま り・ 生 産 性 改 善 のた めに 、 表 面 欠 陥 の 無 い 良 好 な表 面 品 質 の鋳 片 を得 ることがこれまで以 上 に求 められている．このうち、表 面 縦 割 れ（Fig u re 1 . 7中 に示 した割 れ
B）は、鋳 型 内 におけるメニスカス近 傍 の 不 均 一 凝 固 に
よ っ て生 じた 凝 固 遅 れ 部 に 歪 が 集 中 し て 、シェ ルの 溶 鋼 側 す なわ ち 固 液 界 面 側 に 内 部 割 れ の 形 態 で 割 れ の 芽 が 発 生 し 、 そ の 後 割 れ が 表 面 に 開 口 し た も の と 考 え ら れ てい る 1 4 ) - 2 2 )．現 行 鋳 造 法 に お ける 初 期 凝 固 挙 動 は、鋳 片 と 鋳 型 間 に連 鋳 パ ウダ ーが
存 在 す る た め （
Fi g u re 1 . 1 0
2 3）） 、 双 ロ ー ル 法 に 比 べ て よ り 複 雑 で あ る ． こ の 不 均 一 凝 固 の原 因 として、( 1 )炭 素 濃 度 、(2 )パウダー 不 均 一 流 入 、( 3 )鋳 型 冷 却 不 均 一 、( 4 )
鋳 型 内 流 動 、(5 )湯 面 変 動 等 の影 響 が報 告 されている．
Fi g u r e 1 . 1 0 S ch e mat ic v ie w o f mo ld in s id e n e a r me n i sc u s in co n v en tio n a l c o n tin u o u s c a st in g p ro c e ss
2 3 ).
炭 素 濃 度 の影 響 に関 して、これまで、メニ スカス 近 傍 の初 期 凝 固 における不 均 一 凝 固 の発 生 について、多 くのモデル解 析 が行 われている1 4 ) 2 0 )～2 2 )．その結 果 、表 面 割 れ の発 生 しやすい中 炭 素 鋼 では、凝 固 中 の
δ/γ
変 態 に伴 う溶 鋼 側 の凝 固 シェル収 縮 に12
よ り 、 一 旦 凝 固 が 不 均 一 に な る と 凝 固 遅 れ 部 の シ ェ ル が 鋳 型 か ら 浮 き 上 が る よ うに 変 形 し、シェルと鋳 型 間 の伝 熱 抵 抗 が増 加 するため、益 々不 均 一 凝 固 を助 長 することが 示 されている 1 4 )．しか しながら、従 来 報 告 1 4 )はシェルの浮 き上 がりを定 量 的 に試 算 し て は い る も の の 、 浮 き 上 が りに よ る 不 均 一 助 長 に 関 し て は 定 性 的 な 説 明 に 留 ま っ て い る ．そ こで 、本 研 究 で は、鋳 型 幅 方 向 に お けるシェ ル 浮 き 上 が り現 象 が不 均 一 凝 固 に 与 え る 影 響 を 定 量 的 に解 明 す る 目 的 で 、シェル内 の 応 力 計 算 、浮 き 上 が り計 算 、さら に 伝 熱 を 連 成 し た 解 析 を 検 討 す る こ と と し た ． パ ウ ダ ー 不 均 一 流 入 、 鋳 型 冷 却 不 均 一 、鋳 型 内 流 動 等 に よる 初 期 凝 固 の 不 均 一 がある こと を前 提 に 、その影 響 を 小 さく す るための対 策 を定 量 的 に検 討 することができるようにする試 みである．
一 方 で 、 鋼 の 連 続 鋳 造 に お ける 鋳 造 速 度 高 速 化 の 課 題 の 一 つ で あ る 拘 束 性 ブ レ ークアウト（拘 束 性
B O
）1 3 )は、現 状 、鋳 型 ・鋳 片 間 の摩 擦 抵 抗 変 化 に着 目 したオシレ ーション波 形 の乱 れ1 3 ) 2 4 ) , 2 5 )や鋳 型 銅 板 測 温 による熱 電 対 波 形 の乱 れ2 6 ) , 2 7 )による異 常 検 知 、および鋳 造 速 度 低 下 2 8 ) , 2 9 )によって対 応 している．しかしながら、B O 発 生 やB O
検 知 の増 加 は、長 時 間 の操 業 停 止 や 鋳 造 速 度 低 下 による生 産 性 悪 化 に繋 がる た め 、 主 要 な 制 御 手 段 で あ る 鋳 型 オ シ レ ー シ ョ ン 条 件 や パ ウ ダ ー の 適 正 化 が 重 要 で ある．従 来 、鋳 型 オ シレー ション条 件 や パウダーの 適 正 化は 、 鋳 型 ／ 初 期 凝 固 シ ェ ル 間 の 潤 滑 性 向 上 の 観 点 か ら 検 討 さ れ て き た 3 0 ) , 3 1 )が 、凝 固 シ ェ ル へ の 影 響 を 定 量 的 に 解 析 し た 例 は 見 当 た ら な か っ た ． そ こ で 、 本 報 告 で は 、 拘 束 性
B O
の 初 期 段 階 で あ る 溶 鋼 メ ニ ス カ ス 近 傍 で の 凝 固 シ ェ ル 修 復 ・ 破 断 挙 動 を 再 現 す る た め 、 鋳 造 方 向 に お け る 鋳 型 オ シ レ ー シ ョ ン1
サ イ ク ル 中 で の 初 期 凝 固 シ ェ ル の 修 復・破 断 現 象 を 再 現 で き る モ デ ル の 構 築 を 進 め た ．本 モ デ ル に よ り 、 初 期 凝 固 シ ェ ル の 修 復 ・ 破 断 に よ っ て 決 ま る と 推 定 さ れ る 拘 束 性B O
の 発 生 し 易 さ と 鋳 型 オ シ レ ー シ ョ ン 条 件 や 鋳 造 条 件 の 関 係 を 明 ら か に し て 、 従 来 知 見 と 比 較 す る こ と に よ っ て モ デ ル の 妥 当 性 を 検 討 す る こ と と し た ． 何 ら か の 原 因 で 鋳 型 表 面 に 凝 固 シ ェ ル が 溶 着 ・ 残 存 す る こ と を 前 提 と し て 、 そ の 後 に 引 き 抜 か れ て い く 凝 固 シ ェ ル と の 接 合 状 態 に 及 ぼ す 鋳 型 オ シ レ ー シ ョ ン 条 件 や 鋳 造 条 件 の 影 響 を 検 討 す る こ と に よ り 、 拘 束 性B O
防 止 の た め の 考 え 方 、 及 び 拘 束 性B O
防 止 の 適 正 条 件 を 定 量 的 に 明 ら か に し よ う と す る 試 み で あ る ．13
1.2.2
双 ロール鋳 造 法 の初 期 凝 固 制 御 に関 連 する課 題双 ロール鋳 造 における 代 表 的 な鋳 片 表 面 欠 陥 として、鋳 造 方 向 に連 続 する表 面 し わ （ 縦 方 向 の く ぼみ ） が あ る ．表 面 し わ は 深 い 場 合 に は割 れ を 伴 う 場 合 が あ る ． この 表 面 しわを防 止 して表 面 性 状 を向 上 させることは、製 品 の歩 留 りや板 厚 精 度 の向 上 はも ちろんのこと、鋳 片 割 れ や引 け巣 等 の欠 陥 を防 止 する上 で極 めて重 要 である 3 2 )～3 4 )．
双 ロール鋳 造 法 の模 式 図 9 )を
Fi g u re 1 . 11
に示 す．双 ロール鋳 造 では現 行 連 続 鋳 造 法 で 使 用 した 連 鋳 パウダ ー を 用 い ないた め 、冷 却 鋳 型 ロ ー ル と 溶 融 金 属 が 直 接 接 触 す る ． 溶 融 金 属 プ ー ル 内 で 各 々 の ロ ー ル 表 面 で 冷 却 、 成 長 し た 凝 固 シ ェ ル が ロ ー ル最 近 接 点 で圧 着 され、1 秒 以 内 で厚 さ 数mm
の 鋳 片 （ 鋼 板 ） が 鋳 造 さ れ る ． 本 方 法 は 、 冷 却 速 度 が 速 く 、 ロ ー ル と 溶 鋼 の 接 触 状 態 が 、 そ の ま ま 鋳 片 表 面 性 状 に 影 響 す る た め 、 現 行 連 鋳 法 よ り も 厳 し い 初 期 凝 固 制 御 が 必 要 と さ れ て い る ．Fi g u r e 1 . 11 S ch e ma t ic v ie w o f mo ld in s id e in tw in ro ll ca s t in g p ro c e s s
9 ).
14
従 来 、双 ロー ル鋳 片 の 表 面 欠 陥 に関 し、溶 融 金 属 と鋳 型 ロールとの接 触 開 始 時 の 初 期 凝 固 均 一 化 や 、 双 ロ ー ル 最 近 接 点
(
ロ ー ル キ ス 点)に お け る 圧 延 歪 の 低 減 が 重
要 であることが報 告 されている3 2 ) , 3 3 ) , 3 5 )～3 7 )．初 期 凝 固 の均 一 化 にとって、溶 湯 プール 高 さの高 精 度 制 御 3 5 )、鋳 造 温 度 の適 正 化 3 6 )、注 湯 流 の層 流 化 3 8 )、およびメニスカ ス 振 動 の 低 減 3 9 )が 有 効 で あ る こと が 報 告 され てい る ．ま た 、圧 延 歪 の 低 減 に は 、ロー ル圧 下 力 の低 減 3 6 )と鋳 造 中 のロール変 形 制 御 3 3 ) , 3 7 )が効 果 的 とされている．しかしな が ら、鋳 片 表 面 性 状 の 制 御 に と っ て極 め て重 要 で あ る ロ ー ル 表 面 近 傍 に お ける メニ ス カス 挙 動 や 溶 融 金 属 の流 動 に つい ては従 来 研 究 の 報 告 が なく 、 表 面 しわ 生 成 防 止 の 理 論 的 解 明 が なされてい ない ．ま た 、一 方 で 、本 鋳 造 法 の 特 徴 は、 連 鋳 パ ウダ ー を 使 わ ない 移 動 鋳 型 方 式 で あ る た め 、回 転 ロ ー ル 表 面 に 随 伴 した 雰 囲 気 ガス が 、鋳 型 ロールと溶 融 金 属 間 に 巻 込 まれ て、常 に存 在 している と推 察 される ．この 鋳 型 ロー ルと 溶 融 金 属 間 に 巻 込 まれた 雰 囲 気 ガス が 初 期 凝 固 の 均 一 性 に 影 響 してい る 可 能 性 が あ るが 、鋳 片 表 面 性 状 に 及 ぼす 鋳 造 雰 囲 気 の効 果 につ い て 、定 量 的 に 明 らかに され ていないのが現 状 である．そ こ で 、 本 研 究 で は 、 双 ロ ー ル 鋳 造 法 に お け る 鋳 片 表 面 性 状 と メ ニ ス カ ス 挙 動 の 関 係 を 実 験 ・ 理 論 の 両 面 か ら 明 ら か に す る 目 的 で 、 小 型 双 ロ ー ル 鋳 造 装 置 を 使 っ て 、 物 性 値 の 異 な る
3
種 類 の 金 属 を 用 い た 鋳 造 実 験 、 お よ び 溶 融 金 属/
ロ ー ル の 接 触 開 始 位 置 の 検 知 実 験 を 行 っ た ．さ ら に 、新 た に 提 案 し た 動 的 メ ニ ス カ ス 形 状 の 理 論 解 析 の 結 果 と 合 わ せ て 、 表 面 し わ の 形 成 を 支 配 す る 鋳 造 速 度 や 表 面 し わ 防 止 の た め の 臨 界 鋳 造 速 度 の 物 理 的 意 味 に つ い て 、 ロ ー ル 面 近 傍 の メ ニ ス カ ス 降 下 量 に 着 目 し て 検 討 し た ．ま た 、 鋳 片 表 面 性 状 に 及 ぼ す 雰 囲 気 ガ ス の 効 果 を 解 明 す る た め 、 同 じ 小 型 双 ロ ー ル 鋳 造 装 置 を 用 い て 、A r ガ ス 、H e ガ ス 、ま た は 空 気 中 で
S U S 3 0 4
ス テ ン レ ス 鋼 の 鋳 造 実 験 を 行 っ た ． 鋳 片 の 表 面 し わ ・ 割 れ の 形 成 と 鋳 造 雰 囲 気 と の 関 係 を 明 ら か に し 、初 期 凝 固 の均 一 性 に及 ぼす雰 囲 気 ガ ス の物 理 的 意 味 につ い て 、 回 転 ロ ー ル 表 面 に 随 伴 す る ガ ス 膜 厚 さ や 熱 伝 導 率 や 動 粘 度 と い っ た ガ ス の 物 性 値 の観 点 から検 討 し た ．15
1.3
本 論 文 の構 成本 論 文 は第
1
章 の序 論 と第6
章 の結 論 を除 くと、4つの章 で構 成 される．前 述 の研 究 課 題 と各 章 の位 置 づ けをFig u re 1 . 1 2
に示 す ．第
2
章 で は 、 初 期 凝 固 時 のシェルの伝 熱 計 算 、応 力 計 算 、浮 き上 がり計 算 を連 成 し た モ デ ル を 開 発 し 、 シ ェ ル 浮 き 上 が り に よ る シ ェ ル 不 均 一 生 成 挙 動 と そ れ に 及 ぼ す 諸 要 因 の 影 響 を 解 析 す る こ と に よ り 、 主 に現 行 連 続 鋳 造 法 に お け る 鋳 型 幅 方 向 の不 均 一 凝 固 生 成 機 構 の定 量 的 解 明 を試 み た．第
3
章 では、現 行 連 続 鋳 造 法 において、鋳 造 方 向 における鋳 型 オシレーション1
サ イ ク ル 中 の シ ェ ル 修 復 ・ 破 断 挙 動 と 凝 固 ・ 応 力 歪 解 析 を 連 成 し た 凝 固 シ ェ ル 成 長 力 学 モ デ ルの 開 発 を 行 い 、 高 速 鋳 造 時 の 課 題 の 一 つ で あ る 拘 束 性 ブ レ ー ク ア ウト 発 生 に 及 ぼす 炭 素 濃 度 、 鋳 造 速 度 、パ ウダ ー 粘 度 や 鋳 型 オ シレ ー ショ ン 条 件 の 影 響 を 検 討 した．第
4
章 で は 、小 型 双 ロ ール鋳 造 装 置 を使 って、物 性 値 が異 なる3
種 の金 属 、すなわち
S U S 3 0 4
ステンレス鋼 、S 5 3 C鋼 、C u -S n
合 金 の鋳 造 実 験 、溶 融 金 属/
ロールの接触 開 始 位 置 の 検 知 実 験 、お よ び 動 的 メニ ス カス 形 状 の 理 論 解 析 を行 い 、双 ロ ー ル 鋳 造 法 に お ける 鋳 片 表 面 性 状 と 溶 融 金 属 の メニ ス カ ス 挙 動 と の 関 係 を明 らか に す る こと に よ り 、 鋳 造 方 向 に 連 続 し て 発 生 す る 表 面 し わ 形 成 を 支 配 す る ロ ー ル 表 面 近 傍 で の メニスカス降 下 量 や臨 界 鋳 造 速 度 などの影 響 を検 討 した．
第
5
章 で は 、小 型 双 ロ ール鋳 造 装 置 を用 いて、A r ガス 、H e ガス、または空 気 中 でS U S 3 0 4
ステン レス 鋼 の鋳 造 実 験 を行 い 、双 ロ ール鋳 片 の表 面 形 成 に 対 する鋳 造 雰囲 気 の効 果 を検 討 した ．
第
6
章 は結 論 であり、本 研 究 を総 括 し、今 後 の展 開 について述 べる．16
Fi g u r e 1 . 1 2 R ela t io n b e twe e n r e se a rc h su b je c ts a n d e a c h c h a p te r.
17
参 考 文 献
1 ) A n n u al c ru d e st e el p ro d u ct io n a rc h i ve s , Wo r l d S te e l A sso c ia ti o n .
2 )
ベッセマー自 叙 伝 一2 0
世 紀 文 明 の基 礎 を築 いた発 明 家 一:
中 澤 護 人,
田 川 哲 哉 共 訳,
日 鉄 技 術 情 報 センター編,
（1 9 9 9） , 4 3 0 .
3 ) S . J u n h a n s: G er man P at en t, D P 7 5 0 , 3 0 1 ( 1 9 4 4 . 5 . 1 8 ), A p p li c a tio n 1 9 3 3 . 4 ) S te e l S ta ti st ica l Ye a rb o o k s, Wo r ld S te e l A s so c ia tio n , ( 1 9 7 8 -2 0 1 3 ) . 5 )
わが国 における鋼 の連 続 鋳 造 技 術 史,
日 本 鉄 鋼 協 会 編, (1 9 9 6 ), 7 4 2 . 6 ) Y. Ito h : J . J S ME , 9 1 (1 9 8 8 ), 1 0 2 5 .
7 )
鉄 と鉄 鋼 がわかる本:
新 日 本 製 鐵(
株)編 , (2 0 0 4 ), 7 6 .
8 ) C . R . Ki ll mo re, H . C re e l y, A . P h ill ip s, H . Ka u l, P. C a mp b e l l, M . S c h u e re n , J . G . Wil l ia ms an d W. B l ejd e : Ma te ri a l s F o ru m , 3 2 (2 0 0 8 ), 1 3 .
9 )
竹 内 英 麿:
第1 5 3・1 5 4
回 西 山 記 念 技 術 講 座,
日 本 鉄 鋼 協 会 編, (1 9 9 4 ), 2 5 3 .
1 0 )
溝 口 庄 三:
金 属 学 会 セ ミ ナ ー 資 料,
凝 固 理 論 と 応 用,
日 本 金 属 学 会 編,
(1 9 9 1 ) , 2 3 .
1 1 ) Z. Ya ma mo to : S tee l Tim es , 2 1 7 (1 9 8 9 ), 1 8 0 .
1 2 )
栗 林 章 雄:
第1 5 3・1 5 4
回 西 山 記 念 技 術 講 座,
日 本 鉄 鋼 協 会 編, (1 9 9 4 ), 1 2 7 . 1 3 ) S . It o ya ma , Y. H ab u , K. S o ri ma c h i, A . Ka wa h a ra d a a n d S . Ya b e : Te tsu -to -H a g a n é,
6 8 (1 9 8 2 ), 7 8 4 .
1 4 ) T. Ma tsu mi ya , T. S ae k i, J . Tan a k a a n d T. A ri yo s h i: Te ts u - to -H a g a n é, 6 8 (1 9 8 2 ), 1 7 8 2 .
1 5 ) S . N . S in g h an d K. E B Iaz ek : J . Me ta ls , 2 6 (1 9 7 4 ) 1 0 , 1 7 .
1 6 ) Y. S u g itan i a n d M. N a k a mu ra : Te ts u - to -H a g a n é, 6 5 (1 9 7 9 ), 1 7 0 2 .
1 7 ) K. N a k a i, T. S ak a sh iat a, M. H a sh io , M. Ka w a sa k i, K. N a k a j i ma a n d Y. S u g i ta n i:
Te tsu - to -H a g a n é , 7 3 (1 9 8 7 ), 4 9 8 .
1 8 ) J . N a g a i, M. O n i sh i , T. Ya ma mo to , K. H i ra ya ma , H . O z u a n d T. Fu ji ya ma : Te tsu - to -H a g a n é , 6 9 (1 9 8 3 ), S 1 5 8 .
1 9 ) S . Tan ak a, Y. N u r i, T. E g ash i ra , R . A ri ma a n d T. O h a sh i : Te tsu -t o - H a g a n é, 8 (1 9 8 2 ), S 1 5 9 .
2 0 ) E .Tak eu ch i an d J . K. B r i mac o mb e : Me ta l l. Tra n s. B, 1 5 (1 9 8 4 ), 4 9 3 .
2 1 ) H . N ak ato an d I. M u ch i: Tetsu - to -H a g a n é , 6 6 (1 9 8 0 ), 3 3 .
18
2 2 ) T. Ta k awa , T. Tak a mo to , H . To mo n o a n d K. Ta d a : Te tsu -to -H a g a n é , 7 4 (1 9 8 8 ), 2 1 3 0 .
2 3 ) Y . Me n g a n d B . G . T h o mas: IS IJ In t ., 4 6 (2 0 0 6 ), 6 6 0 .
2 4 ) H . N a sh iwa , K. Yo sh id a, H . To mo n o , T. Ki mu ra a n d S . Tsu ji ta : Te tsu - to -H a g a n é, 6 6 (1 9 8 0 ), S 8 5 6 .
2 5 ) F. N ak a sh ig e , S . Ma tsu n a g a, T. N a k a g a wa a n d T. U e su g i: N i ssh in S te el Te ch . R e p ., 5 3 (1 9 8 5 ) , 5 8 .
2 6 ) A . Tsu n eo k a, Y. S u d o , T. Yama mo to , Y. Ki r yu a n d A . S a i to : Te t su -to - H a g a n é, 6 7 (1 9 8 1 ), S 1 5 5 .
2 7 ) F. M u ra se , T. U ed a , M. O h n ish i, Y. O h iwa , M. Ya o a n d J . N a g a i : Te t su - to -H a g a né, 6 7 (1 9 8 1 ), S 9 1 0 .
2 8 ) T . In o u e a n d H . T an ak a : S ei te tsu K e n k y u , 2 9 4 (1 9 7 8 ), 1 2 4 7 3 .
2 9 ) O . Tsu b a k ih a ra , K. F u ji k i, A . M a t su sh i ta , W. O h a sh i a n d T. S h o ji : Te tsu - to -H a g a n é , 7 0 (1 9 8 4 ), S 2 0 6 .
3 0 ) H . Miz u k a mi , K. Ka wak a mi , T. Ki ta g a wa , M. S u z u k i, S . U c h id a a n d Y. Ko ma tsu : Te tsu - to -H a g a n é , 7 2 (1 9 8 6 ), 1 8 6 2 .
3 1 ) S . It o ya ma , M. Wa sh io , H . N ish ik a wa , H . Ya m a n a k a , S . Ta n a k a a n d T. Fu j i i:
Te tsu - to -H a g a n é , 6 8 (1 9 8 2 ), 7 8 4 .
3 2 ) T. Mizo g u c h i, K. M i ya za wa an d M. N a k a mu ra : C A MP -IS I J, 5 (1 9 8 8 ), 1 3 4 7 . 3 3 ) T. Ya mau c h i, T. N ak an o r i, M. H a s e g a wa , T. Ya b u k i a n d N . O h n i sh i: S te e lm a kin g
C o n feren c e P ro ce ed i n g s, 7 1 (1 9 8 8 ), 1 6 1 .
3 4 ) A . Ka sa ma, S . Ta n ak a , Y. Ito h , H . Ka ji o k a , K. Ya n a g i a n d K. S a sa k i : P rep r in t N o . 2 o f th e In te rn . C o n f. o n N e w S m e l t in g R e d u c t io n a n d N e a r N e t S h a p e C a st in g Tec h n o l o g i es f o r S tee l , (1 9 9 0 ), 6 4 3 [ T h e Ko re a n In s t. o f M e ta ls]
3 5 ) S . Mi ya k e , H . Ya man e , M. Yu k u mo to a n d M. O z a wa : IS IJ In t., 3 1 (1 9 9 1 ), 6 8 9 . 3 6 ) N . E n d o , H . A b o , H . A ra i an d H . Yo sh i mu ra : Te ts u -to -H a g a n é , 7 1 (1 9 8 5 ), A 2 4 5 . 3 7 ) H . Fi ed l e r, M. J u r i sch , P. P re iss, R . G o b e l, G . S ick e rt, H . Z i mmer man n ,
W. N eu man n a n d R . S e l l g er: Ma te r ia ls S c ie n c e a n d E n g in e e rin g, A 1 3 3 (1 9 9 1 ), 6 7 1 .
3 8 ) T. Ku sak a wa an d T. O k a mu ra : P re p r in t N o . 2 o f th e In te rn . C o n f . o n N e w
19
S m e lt in g R ed u c t io n a n d N e a r N e t S h a p e C a st in g Te c h n o l o g i e s f o r S te e l , (1 9 9 0 ) , 5 6 0 [T h e Ko re a n In s t. o f Me t a l s]
3 9 ) S . Ta n ak a, I. S u ich i, S . O g awa, T. Fu ru ya , K. S a sa k i a n d K. Ya n a g i: S te elm a k i n g
C o n feren c e P ro c e ed in g s , 7 4 (1 9 9 1 ), 8 0 9 .
20
第
2
章 現 行 連 続 鋳 造 法 における初 期 凝 固 シェルの数 学 モデル解 析2.1
緒 言連 続 鋳 造 法 やニ アネッ トシェ イプ 連 鋳 法 で は 、表 面 欠 陥 の無 い 良 好 な表 面 品 質 の 鋳 片 を 得 る こと が 求 め ら れ る ．この う ち、 表 面 割 れ はメ ニ ス カス 近 傍 の 不 均 一 凝 固 に よ って生 じた凝 固 遅 れ 部 に 歪 が 集 中 して、シェ ルの 溶 鋼 側 す なわ ち固 液 界 面 側 に 内 部 割 れの形 態 で 割 れの芽 が発 生 し、その 後 割 れが表 面 に 開 口 した ものと考 えられ ている
1 )～9 )．
これ ま で 、 不 均 一 凝 固 の 発 生 す る メニ ス カ ス 近 傍 の 初 期 凝 固 に 関 し て 、多 く の モ デ ル解 析 が 行 わ れ てい る 1 ) 7 )～9 )．そ の 結 果 、表 面 割 れ の 発 生 しや す い 中 炭 素 鋼 で は 、 δ/γ 変 態 に よ り凝 固 シュ ル の 溶 鋼 側 が 収 縮 する の で 、一 旦 凝 固 が 不 均 一 に なる と 凝 固 遅 れ部 の シェ ルが 鋳 型 か ら浮 き 上 がる よ うに変 形 し、ま すます 不 均 一 凝 固 を助 長 す ることが示 されている 1 )．しかしながら、従 来 報 告 1 )はシェルの浮 き上 がりを定 量 的 に試 算 し て は い る も の の 、浮 き 上 が りに よ る 不 均 一 助 長 に 関 し ては 定 性 的 な説 明 に 留 ま っ て い る ． そ こ で 本 研 究 で は 、 浮 き 上 が り が 不 均 一 凝 固 に 与 え る 影 響 を 定 量 的 に 解 明 する目 的 で、シェル内 の応 力 計 算 、浮 き上 がり、さらに伝 熱 を連 成 した解 析 を行 った．
2.2
モデルの構 成2.2.1
モデルの概 念鋳 造 中 のシェル変 形 挙 動 を模 式 的 に
Fig u re 2 . 1
に示 す．幅 方 向2
次 元 断 面 にお い て 、 伝 熱 抵 抗 部 で の 凝 固 遅 れ 部 の 形 成 、 お よ び シ ェ ル の 浮 き 上 が り に よ る ギ ャ ッ プ の形 成 とそれに伴 う凝 固 遅 れの助 長 がシミュレートできるようにモデル化 した．モデルのフローチャートを
Fig u re 2 . 2
に示 す．特 長 は温 度 計 算 、応 力 計 算 、および シェ ル 変 形 計 算 を 連 成 し、シェ ルのモ ー ルド か らの 浮 き 上 が り高 さを 、タイム ス テッ プ 毎 に 温 度 計 算 の 境 界 条 件 で あ る メ タ ル 表 面 の 総 括 熱 伝 達 係 数 に 反 映 さ せ た こと で あ る ． 浮 き 上 が り に よ っ て 形 成 さ れ る ギ ャ ッ プ へ の 充 填 物 の 熱 伝 導 率 を パ ウ ダ ー や ガ ス の 値 を 使 用 す る こ と で 、 連 続 鋳 造 法 や ニ ア ネ ッ ト シ ェ イ プ 連 鋳 法 へ 適 用 す る こ と が で き る ． 今 回 は シ ェ ル の 浮 き 上 が り に よ っ て エ ア ー ギ ャッ プ が 生 成 す る と 仮 定 し た ． 計 算 の タ イ ムステップは0 . 0 3～ 0 . 1
秒 である．21
Fi g u r e 2 . 1 S ch e ma t ic d ia g r a m o f th e g ro wth b e h a vio r o f
so l id if ied sh e ll d u r in g c a st in g .
22
Fi g u r e 2 . 2 S i mp l i fie d f lo w c h a rt o f c a l c u l a t io n s.
23
2.2.2
計 算 方 法2 . 2 . 2 . 1
温 度 計 算温 度 場 は、
2
次 元 方 向 の微 小 領 域 において、潜 熱 の放 出 を考 慮 した 熱 エネルギー 保 存 則(2 . 1 )式 を内 接 点 法 によって直 接 差 分 化
1 0 )し、陰 解 法 で計 算 した ．モールドに 接 触 し て い る 面 の メ ッ シ ュ で は(2 . 2 )
式 を 使 用 し 、 溶 鋼 側 の 面 で は 完 全 断 熱 条 件 と し た．𝜌𝐶
𝑝𝑉(𝑇
𝑡+∆𝑡− 𝑇
𝑡)
i= ∑ 𝜆
a ia𝑆
a(𝑇
a− 𝑇
i) ∆𝑡 𝑙 ⁄
ia(2 . 1 )
𝜌𝐶
𝑝𝑉(𝑇
𝑡+∆𝑡− 𝑇
𝑡)
i= ∑ λ
a ia𝑆
a(𝑇
a− 𝑇
i) ∆𝑡 𝑙 ⁄
ia+ ∑ 𝑆
b b(𝑇
b− 𝑇
i) ∆𝑡 ⁄ (1 ⁄ ℎ
b+ 𝑙
ib⁄ 𝜆
i) (2 . 2 )
潜 熱 の取 扱 いは等 価 比 熱 法 1 0 )を採 用 し、固 相 率 と温 度 の関 係 を線 形 と仮 定 した
(2 . 3 )式 を用 いた．
𝐶
𝑝𝐸= 𝐶
𝑝+ 𝐿 ⁄ (𝑇
L− 𝑇
S) (2 . 3 )
計 算 領 域 は幅
5 0 mm、厚 さ 4
あるいは8 mm
の 長 方 形 であり、領 域 を幅 および厚 さ 方 向 で各 々1 0 0 および5 0
メッシュに等 分 割 した．(2 . 2 )式 で示 すメタル表 面 の総 括 熱 伝 達 係 数h
bは、正 常 部 と伝 熱 抵 抗 部 において総 括 熱 伝 達 係 数h
1とh
2の初 期 分 布 を 予 め 設 定 し た ． 凝 固 開 始 以 降 、 伝 熱 抵 抗 部 で は 各 メ ッ シ ュ 位 置 の 総 括 熱 伝 達 係 数 を 、後 述 す る シェ ル 浮 き 上 が り量 解 析 結 果 に基 づ き 、各 タ イム ス テップ 毎 に 算 出 し 、 伝 熱 解 析 の 境 界 条 件 と して 反 映 した （(2 . 4 )、(2 . 5 )式 ） ．浮 き 上 が り 部 で は、熱 伝 導 率λ
g のエアーギャップy
0 が発 生 すると仮 定 した．メタルの物 性 値 のうち、比 熱 は温 度 に 依 らず一 定 とし、密 度 と 熱 伝 導 率 は温 度 、相 依 存 性 を考 慮 した ．ℎ
b= ℎ
1（正 常 部 ）
(2 . 4 )
ℎ
b= 1/�1/ℎ
2+ y
0/𝜆
g�
（凝 固 遅 れ部 ）(2 . 5 )
24
2 . 2 . 2 . 2
シェル内 応 力 およびシェル変 形 計 算Fi g u r e 2 . 3
に示 すように 、伝 熱 計 算 で初 期 に設 定 した伝 熱 抵 抗 部 毎 に凝 固 シェルを
1
次 元 の弾 性 梁 に分 割 し、それぞれの弾 性 梁 に対 して、シェルの浮 き上 がり量 を計 算 した．なお、シェルの浮 き上 がりは、初 期 に設 定 した伝 熱 抵 抗 部( Fi g u re 2 . 3
における
R
1、R2の位 置)のみで起 こると仮 定 した．
Fi g u r e 2 . 3 S c h e mat ic d iag r a ms o f th e s i mp l if i cat io n o f
so l id if ied sh e ll fo r th e c a lc u la t io n o f sh e l l d e f le c ti o n .
1
次 元 弾 性 梁 の浮 き上 がり量 は、以 下 に示 す 松 宮 らの方 法 1 )により計 算 した．Fi g u r e 2 . 4
に示 す ように座 標 系 をとると 、正 常 部(a
≦|z|
≦b)、凝 固 遅 れ 部 (-a< z < a )
における梁 の方 程 式 は、(2 . 6 )、( 2 . 7 )式 で表 される．𝐷
1∙ d
2y
1⁄ dz
2= 𝑀
1+ (𝑀
0− 𝑝z
2⁄ 2 ) (2 . 6 )
𝐷
2∙ d
2y
2⁄ dz
2= 𝑀
2+ (𝑀
0− 𝑝z
2⁄ 2 ) (2 . 7 )
25
Fi g u r e 2 . 4 S ch e ma t ic d ia g r a m o f th e so lid i fie d sh e ll d e f le c t io n c a u se d b y th er ma l s t res s a n d f e r ro s ta ti c p r e ssu r e . (M a t su mi ya e t a l .
1 ))
変 形 は
z = 0
で対 称 であ るので、z≧ 0
の部 分 について、(2 . 6 )、(2 . 7 )
式 を以 下 の条 件 の下 で解 き、浮 き上 がり量 を計 算 した．dy
2⁄ dz = 0 (at z= 0 ) (2 . 8 )
dy
1⁄ dz = dy
2⁄ dz , y
1= y
2(a t z = a ) (2 . 9 )
d
2y
1⁄ dz
2= 0 , dy
1⁄ dz = 0 , y
1= 0 (a t z = b ) (2 . 1 0 )
D
1、D2 は正 常 部 ・凝 固 遅 れ部 の曲 げ剛 性 であり、温 度 依 存 性 を考 慮 した水 上 らの ヤング率 を用 いて、(2 . 11 )式 により計 算 した ．𝐷
1,2= ∫
0𝛿1,2𝐸(x − x
0)
2dx (2 . 11 )
M
1、M2 は 正 常 部 ・ 凝 固 遅 れ 部 で の 熱 応 力 に よ る 内 部 モ ー メ ン ト で あ り 、 以 下 の 応26
力 計 算 に よ り求 めた ．即 ち、シェ ル の 総 歪 速 度
ε̇ (
シェ ル 厚 全 体 の 平 均 歪 速 度)が 、シ
ェ ル 厚 方 向 に お ける 各 部 位 の 塑 性 歪 速 度𝜀̇
pと 温 度 変 化 に 伴 う 歪 速 度𝛼
e(d𝑇 ⁄ d𝑡 )
を使っ て
(2 . 1 2 )式 で 表 され 、 ま た 、鋼 の 高 温 強 度 が 歪 み 速 度 と 温 度 の み で 決 ま る と 近 似 す
れ ば 、シ ェ ル 厚 み 方 向 の 各 位 置 で 応 力 は
(2 . 1 3 )式 で 計 算 さ れ る ． こ こ で 、 𝜀̇
は 正 常 部 ・ 凝 固 遅 れ 部 の 凝 固 シ ェ ル そ れ ぞ れ に お い て 、 応 力 の 厚 み 方 向 の 積 分 が0
に な る よ う に 定 め る ．こ の 計 算 さ れ た 応 力 を 用 い てM
1、M
2を 計 算 し た ．𝜀̇ = 𝛼
e(d𝑇 ⁄ d𝑡 ) + 𝜀̇
p(2 . 1 2 )
𝜎 = f�𝜀̇
p, 𝑇� = f(−𝛼
e(d𝑇 ⁄ d𝑡 ) + 𝜀̇, 𝑇) (2 . 1 3 )
ここで、関 数
f
には松 宮 らの式 1）を使 用 した．シェル内 温 度T、および温 度 の時 間
微 分d T/dt
は前 述 の温 度 計 算 から求 めた．α
eには熱 膨 張 ・変 態 に伴 う体 積 変 化 の双 方 を考 慮 した．2.2.3
計 算 条 件計 算 条 件 を
Ta b le 2 . l
に 示 す．メタル表 面 の初 期 の総 括 熱 伝 達 係 数 は、正 常 部h
1で
4 3 11 . 6 W/( m
2・°C )、伝 熱 抵 抗 部h
2 で11 3 0 . 2 W/( m
2・°C )とした ．この正 常 部 h
1は 溶 鋼 と銅 鋳 型 が直 接 接 触 した時 の値 1 1 )とした ．また、伝 熱 抵 抗 部h
2 の 総 括 熱 伝 達 係 数 は、正 常 部 に対 し、5 0μm のエアーギャップ が存 在 したことに相 当 する．正 常 部 と 伝 熱 抵 抗 部 の総 括 熱 伝 達 係 数 の初 期 配 置 は 、不 規 則 と規 則 の2
種 類 、メッ シュ幅は
0 . 5 mm
と した．不 規 則 配 置 の場 合 、モールド/メタ ル間 の境 界 条 件 の各 メッシュ毎 に、コンピュータに発 生 させた乱 数 によって、h1 あるいは
h
2 を決 定 させ不 規 則 な分 布 を与 えた．この場 合 、伝 熱 抵 抗 部( Fi g u r e 2 . 3
にR
1、R2等 で記 述)
の幅 は0 . 5～ 1 . 5 mm
で あった．一 方 、規 則 配 置 では、伝 熱 抵 抗 部 の幅 と間 隔 を各 々0 . 5 mm お よび1 . 5 mm
と した．対 象 とした鋼 種 は0 . 0 5 %C
鋼 、および0 . 1 2 %C
鋼 である．C
濃 度 によって、δ/γ
変 態 開 始 ・終 了 温 度 およ びδ/γ
の割 合 が変 化 す ることで応 力 分 布 さらに は浮 き上 がり量 が変 化 する．鋳 造 速 度 は1 . 2～ 3 5 m/ mi n
とし、モールド緩 冷 却 化 条 件 として、上 記 総 括 熱 伝 達 係 数 の8 0 %
および6 0 %の値 を用 いた．
27
Tab le 2 . 1 C a l c u l a t io n c o n d i to n . o b j e c t o f a na l ys i s
n u mb e r o f e l e me n t s
o n l y me t a l ( wi t h 5 0 m m × t h i c k n e s s 4 o r 8 m m) wi d t h 1 0 0 × t h i c k n e s s 5 0 , e q ua l l y d e vi d e d o ve r a l l h e a t t r a n s f e r no r ma l t he r ma l r e s i s t a n c e : h
1= 4 3 1 1 . 6 W / ( m
2・° C ) c o e f f i c i e n t h
1, h
2l a r ge t he r ma l r e s i s t a n c e : h
2= 1 1 3 0 . 2 W / ( m
2・° C ) a r r a n g e me nt o f h
1a nd h
2r a n d o m ( wi d t h o f h
2: 0 . 5～ 3 mm)
r e g u l a r ( wi d t h a n d i nt e r v a l o f h
2: 0 . 5 a nd 1 . 5 m m) mo d e r a t e c o o l i n g c o nd i t i o n h × 1.0, × 0.8, × 0.6
c a r o b o n c o n t e n t a n d
p ha s e t r a n s fe r r e d t e mp . (℃ )
C T
LT
ST
AT
B0.05% 1534 1514 1450 1424 0.12% 1528 1495 1495 1465 t he r ma l e xp a n s i o n c o e f f i c i e n t 1 . 9 6 7 × 1 0
- 5(δ phase), 5.296×10
- 5(δ/γ phase),
2 . 2 9 2 × 1 0
- 5(γ phase)
s he l l d e fl e c t i o n with, without
c a s t i n g ve l o c i t y 1.2
～35m/min
T
L: l iq u id u s te mp . , T
S: so l id u s te mp . , T
A: temp. which δ/γ t ran s fo r ma tio n s ta r ts . , T
B: temp. which δ/γ t r an sfo r ma t io n fi n i sh e s .
2.3
計 算 結 果 と考 察鋳 造 速 度
1 . 2 m/ min
で 、0 . 1 2 %C
鋼 に お け る 凝 固 シ ェ ル の 成 長 挙 動 をFig u re
2 . 5 (a )、(b )
に 示 す ．これ は、初 期 の 総 括 熱 伝 達 係 数 を 不 規 則 配 置 した 場 合 の 例 で ある ． シ ェ ル 浮 き 上 が り 考 慮 の 有 無 に か か わ らず 、 シ ェ ルの 凹 凸 は 時 間 の 経 過 に 伴 っ て 小 さくなり、隣 合 う凝 固 遅 れ部 との間 隔 は増 大 する．これはシェル横 方 向 の伝 熱 による もので ある ．しかし、シェル の浮 き 上 がりを 考 慮 した 場 合 、浮 き 上 が り無 しの 場 合 と 比 較 して、シェル 厚 の薄 い部 分 の成 長 が大 きく遅 れていることが分 かる．
28
Fi g u r e 2 . 5 G ro w th b e h a v io r o f so lid i fie d sh e l l wi th a n d w i th o u t s h e l l d ef le c tio n . (0 . 1 2 %C st e e l, c a s t in g ve lo c i t y 1 . 2 mp m,
ran d o m ar ran g e me n t o f h
1a n d h
2)
29
一 方 、
Fi g u r e 2 . 6
は伝 熱 抵 抗 を規 則 的 に配 置 した場 合 であるが、不 規 則 の場 合 よ り、シェ ル 厚 は短 時 間 で均 一 化 す る ．した が っ て、初 期 凝 固 シェ ルの 均 一 化 に と っ て、伝 熱 抵 抗 の規 則 化 が有 効 であることが分 かる．
不 規 則 配 置 と規 則 配 置 におけるシェル浮 き上 がり高 さの時 間 変 化 を
