JP2001246449A - 溶融金属の連続鋳造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋳型内に高周波磁場を印加して連続電磁界鋳
造を行なう際に、極力小さな消費電力でオッシレーショ
ンマークや湯じわ等の鋳片表面欠陥のない鋳片を効率よ
く製造できる連続鋳造法を提供すること。 【解決手段】 連続鋳造鋳型内に高周波磁場を印加して
電磁界鋳造を行なうに当たり、印加される磁場周波数を
ｆ（ｋＨｚ）、鋳造速度をｖ（ｍ／ｓｅｃ）、鋳型振動
数をｆ_m（Ｈｚ）、鋳型振動の片振幅をａ（ｍ）とした
とき、初期凝固殻形成位置に印加される磁場の大きさＢ
（ガウス）が、操業パラメータによって決まるネガティ
ブストリップ時間ｔ_n（ｓｅｃ）と前記磁場周波数
（ｆ）から下記式によって求められる必要最小磁束密度
（Ｂ_min：ガウス）を下回らない様に制御する。 Ｂ_min＝１１３０×ｔ_n−５ｆ×（ｔ_n−０．０５） ｔ_n＝ｃｏｓ^-1（ｖ／２π×ｆ_m×ａ）／（π×ｆ_m）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶融金属の連続鋳造
法に関し、特に、連続鋳造鋳型内に高周波磁場を印加し
て電磁界鋳造を行なう際に、鋳片表面に形成されるオッ
シレーションマーク（ＯＳＭ）や湯じわ（湯面変動によ
って生じるオッシレーション状の窪み）を、必要最小限
の磁場強度（即ち消費電力）で効果的に抑えて表面性状
の良好な鋳片を得ることのできる連続鋳造法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】例えば「CAMP-ISIJ」vol.５（1992）,20
0に見られる如く、連続鋳造鋳片の初期凝固部に電磁力
を作用させ、そのピンチ力および加熱効果を利用して鋳
片の表面性状を改善する試みが為されている。この方式
では、高周波磁場が鋳片に浸透し易い様に、コールドク
ルーシブルの如き銅鋳型に縦方向スリットを形成し、そ
の周囲にコイルが配置される。該縦方向スリットの幅
は、たとえば特開平４−１７８２４７号公報にも記載さ
れている様に、加工性や磁場の浸透性および溶湯漏れ防
止の観点から０．２〜０．５ｍｍ程度が望ましいとされ
ている。また、該スリットの縦方向長さは、磁場の浸透
性の観点からコイル長さの１．５倍以上が好ましいとさ
れている。

【０００３】図１は電磁界連続鋳造鋳型を例示する要部
縦断面説明図であり、図中１は（分割）銅鋳型、２は高
周波コイル、３はスリット、４は溶融金属供給用の浸漬
ノズル、Ｆはフラックス、Ｍ_Lは溶融金属、Ｍ_Sは凝固殻
をそれぞれ表わしている。この装置を用いて連続鋳造を
行なうに当たっては、浸漬ノズル４から溶融金属Ｍ_Lを
連続的に供給し、高周波コイル２により初期凝固殻に高
周波磁界の電磁力を作用させ、該電磁力によってピンチ
力を作用させると共に加熱しながら、凝固殻Ｍ _Sを下方
に連続的もしくは間欠的に引き抜いていく。鋳型１内の
湯面上には、熱の放散防止と溶融金属の酸化を防止する
ためフラックスＦが装入されるが、該フラックスＦは更
に初期凝固殻Ｍ_Sと鋳型１の間に少しずつ巻き込まれて
接触面での滑りを円滑にし、鋳片の表面性状を改善する
作用も発揮する。

【０００４】この様な連続鋳造法を実施するに当たって
は、鋳型の上下振動により鋳片表面にＯＳＭと呼ばれる
窪みを伴ったマークが形成されることが知られており、
該ＯＳＭは、その深さが深いと鋳片割れの起点になった
り、あるいは鋳片表皮下に爪と呼ばれる不連続凝固部で
介在物や気泡がトラップされて鋳片欠陥になることがあ
る。そのため鋳片欠陥を無くすには、ＯＳＭを極力抑え
て平滑な鋳片表面性状を得ることが極めて重要となる。

【０００５】本発明者らは、かねてより上記の様な電磁
界鋳造鋳型を用いた鋼の連続鋳造方法について研究を進
めており、先に特開平７−１０９３号公報に開示した方
法を完成して提案した。この発明では、鋳片表面のＯＳ
Ｍを抑えて表面性状を高めるための手段として、特にメ
ニスカス安定化のため溶湯に過度の内部流動を起こさせ
ることなく、且つ初期凝固殻と鋳型の間に巻き込まれる
フラックス（パウダー）量を適正に制御するため、鋳造
速度に応じて鋳型空芯部の磁場強度（磁束密度）を適正
に制御する方法を開示するもので、この方法を採用する
ことによって、表面性状の劣化を抑えつつ鋳造速度をか
なり高めることが可能となった。

【０００６】しかも、この様な電磁界鋳造を採用すれ
ば、 電磁場によって生じるピンチ力により初期凝固殻と鋳
型間へのフラックスの流入流路が拡大し潤滑性能が向上
する結果、安定した高速鋳造が可能になるばかりでな
く、ＯＳＭも抑えられる、 電磁力によるピンチ力が初期凝固殻に作用することに
よって凝固殻の鋳型への軟接触化が実現され、鋳型振動
による影響が抑えられてＯＳＭが生成し難くなる、 鋳型内溶湯の湯面が電磁力によって盛り上がり、しか
も電磁力による加熱効果によって初期凝固が湯面下から
開始されるため、外部からの湯面変動の影響が初期凝固
殻に及び難くなり、これも鋳片表面品質の改善につなが
る、 加熱効果とピンチ力の影響で初期凝固殻が湯面まで張
り出さないため、ピンホールや介在物のトラップが起こ
らず、鋳片表皮下の性状も改善される、といった多くの
利点を享受できる。

【０００７】ところが上記公開公報に開示された方法で
は、深いＯＳＭが形成され易い条件下においてもＯＳＭ
を消失せしめ得る様に磁場強度（鋳型内空芯値）を制御
するものであり、鋳型振動条件を変えた場合についての
必要磁場強度に関しては十分な検討がなされていない。

【０００８】ＯＳＭの深さは、ネガティブストリップ時
間（ｔ_n）と高い相関性を有しており、ｔ_nが小さくなる
ほどＯＳＭは浅くなると考えられているが、反面ｔ_nを
小さくするには鋳型の振動数を大きくしてハイサイクル
化しなければならず、ＯＳＭ低減には却ってマイナス要
因となるので、結局のところＯＳＭを皆無にすることは
容易でない。

【０００９】また、鋳型振動を行なわない場合、或いは
前記ｔ_nが０以下となる様な条件で連続鋳造を行なう際
には、鋳型表面に前述した様な不規則な湯じわ状欠陥を
生じることが経験されているが、この様な湯じわ状欠陥
を確実に阻止し得る様な必要磁場強度についても十分な
研究はなされていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の様な事
情に着目してなされたものであって、その目的は、鋳造
速度や鋳型振動条件に応じて鋳型内に印加される磁場周
波数を適正に制御し、極力小さな磁場周波数（即ち、消
費電力）でＯＳＭや湯じわ状欠陥を可及的に抑え、鋳片
表面欠陥のない鋳片を効率よく製造することのできる連
続鋳造法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成した本発
明に係る連続鋳造法とは、連続鋳造鋳型内に高周波磁場
を印加して電磁界鋳造を行なうに当たり、印加される磁
場周波数をｆ（ｋＨｚ）、鋳造速度をｖ（ｍ／ｓｅ
ｃ）、鋳型振動数をｆ_m（Ｈｚ）、鋳型振動の片振幅を
ａ（ｍ）としたとき、初期凝固殻形成位置に印加される
磁場の大きさＢ（ガウス）が、操業パラメータによって
決まるネガティブストリップ時間ｔ_n（ｓｅｃ）と前記
磁場周波数（ｆ）から下記式によって求められる必要最
小磁束密度（Ｂ_min：ガウス）を下回らない様に制御す
るところに要旨を有している。 Ｂ_min＝１１３０×ｔ_n−５ｆ×（ｔ_n−０．０５） 但し、ｔ_n＝ｃｏｓ^-1（ｖ／２π×ｆ_m×ａ）／（π×ｆ
_m）

【００１２】上記本発明を実施するに当たっては、電磁
力を印加しない時の静止メニスカス位置をコイル上端に
一致させ、或いは該静止メニスカス位置を、コイル上端
を中心として±２０ｍｍの範囲内に納まる様にコントロ
ールしながら鋳造を行なうことが望ましく、また、印加
磁場周波数ｆを３ｋＨｚ以上に設定すれば、本発明によ
る鋳片表面の欠陥抑制効果をより確実に発揮させること
ができるので好ましい。

【００１３】また、ネガティブストリップ時間ｔ_nが０
以下の鋳型振動条件、もしくは鋳型振動を行なわない条
件で鋳造を行なう際には、前述の如く鋳片表面に湯じわ
状欠陥を生じることがあるが、この様な場合は、該湯じ
わ状欠陥の深さと同等の深さのＯＳＭが生成するネガテ
ィブストリップ時間を用いて必要最小磁束密度を制御す
れば、湯じわ状欠陥も防止することが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態および実施例】電磁界鋳造法を実施
する前のＯＳＭ深さが浅い時の方が、深い時のＯＳＭを
皆無にするために必要な磁場強度よりも小さくなること
は明白であり、また磁場の印加条件は、鋳造速度や鋳型
振動条件と深く関連していると思われる。印加磁場が一
つの鋳造条件で決定されるｔ_n時間に形成されるＯＳＭ
を消失させるための必要最小磁場よりも小さい場合はＯ
ＳＭが残り、他方、磁場が所定値を超えると電磁力の増
大によりメニスカス変動が大きくなり、ＯＳＭは却って
深くなると思われる。また磁場が強すぎると、スリット
部に磁場が集中して湯漏れ状の欠陥が誘発され、これも
鋳片の表面品質を悪くする原因になると考えられる。

【００１５】そこで、電磁鋳造を行なう際に、所定深さ
のＯＳＭを消失させることのできる最小限の磁場強度で
電磁鋳造を行なえば、最小の消費電力で良好な表面性状
の鋳片を得ることができるのではないかと考え、その線
に沿って研究を進めた。そして鋳造条件を様々に変え、
種々のｔ_n条件下でＯＳＭ深さを変化させた状態で、印
加磁場強度および磁場周波数を変化させることによっ
て、ＯＳＭ消失効果が有効に発揮される必要最小限の磁
束密度を把握すべく実験を行なった。

【００１６】即ち、下記の磁場周波数、鋳造速度および
鋳型振動条件の組合わせで、ＯＳＭが消失する初期凝固
殻形成位置における最小磁束密度を調べたところ、下記
表１および図２に示す結果を得た。 磁場周波数：３ｋＨｚ，20ｋＨｚ，100ｋＨｚ（３条
件） 鋳造速度 ：0.7ｍ／ｍｉｎ，1.2ｍ／ｍｉｎ，1.6ｍ／
ｍｉｎ（３条件） 鋳型振動条件：１Hz×10mm，３Hz×７mm，７Hz×３mm
（３条件）。

【００１７】

【表１】

【００１８】もともとＯＳＭ深さの浅い条件下では、磁
場周波数の影響は小さく、約６０ガウス程度でＯＳＭは
消失している。これに対しＯＳＭの深い条件下では、磁
場周波数が高くなるほどＯＳＭ消失に必要な磁束密度は
小さな値で済み、たとえば３ｋＨｚでは４５０ガウスが
必要であるのに対し、１００ｋＨｚでは２６０ガウス程
度の印加で十分であることが確認された。これは、磁場
周波数が高い場合はメニスカス近傍が加熱されてパウダ
ー（フラックス）溶融層とパウダー液体潤滑部が拡大さ
れるため、鋳型振動の影響を受け難くなるためと考えら
れる。

【００１９】そして、上記表１および図２に示した必要
最小磁束密度（Ｂ_min）とネガティブストリップ時間
（ｔ_n）との関係を、磁場周波数をパラメータとして整
理したところ、下記式(1)に示される関係 Ｂ_min＝１１３０×ｔ_n−５ｆ（ｔ_n−０．０５）……(1) 式中、ｔ_n：ネガティブストリップ時間（ｓｅｃ） ｆ：印加磁場周波数（ｋＨｚ） が成立することが確認された。

【００２０】即ち、連続鋳造時の初期凝固殻形成位置に
印加される磁場の大きさＢ（ガウス）が、連続鋳造時の
操業パラメータにより前記式によって決まるネガティブ
ストリップ時間ｔ_n（ｓｅｃ）と磁場周波数（ｆ）を基
に算出される必要最小磁束密度（Ｂ_min：ガウス）を下
回らない様に制御すれば、高周波コイルに印加される電
力量を最小限に抑えつつＯＳＭを可及的に低減すること
ができるのである。

【００２１】なお上記ネガティブストリップ時間
（ｔ_n）は、鋳造速度（ｖ）と鋳型振動条件（振動数ｆ_m
および鋳型の片振幅ａ）により、下記式 ｔ_n＝ｃｏｓ^-1（ｖ／２π×ｆ_m×ａ）／（π×ｆ_m） によって定義される値である。

【００２２】よって本発明では、上記Ｂ_minを超えない
範囲で磁場の大きさ（Ｂ）を可及的に小さくすることが
有効であり、その上限は特に制限されないが、印加磁場
強度が強すぎると、既に述べた様にメニスカス変動が大
きくなったり、あるいは鋳片表面に湯漏れ状の欠陥が生
じ易くなる傾向が生じてくる。そこで、メニスカスの変
動による湯漏れ欠陥を生じる磁場周波数の影響を実際の
鋳造実験で確認したところ、この磁束密度は、初期凝固
殻形成位置において２０ｋＨｚと１００ｋＨｚの磁場で
下記表２に示す値となり、前者の場合は１０００ガウ
ス、後者の場合は９００ガウスになることが分かった。

【００２３】

【表２】

【００２４】即ち本発明では、初期凝固殻形成位置に印
加される磁場の大きさ（Ｂ）を、前記式によって求めら
れる必要最小磁束密度（Ｂ_min）を下回らない様に、よ
り好ましくは、なお且つ該磁場の大きさ（Ｂ）が湯漏れ
欠陥等を生じることのない最大磁束密度を超えない様に
制御することによって、少ない電力消費量でＯＳＭを可
及的に抑えることができ、且つ湯漏れ欠陥などの欠陥を
生じることもなく、表面性状の極めて良好な鋳片を効率
よく連続鋳造し得ることになった。

【００２５】なお本発明を実施する際に、電磁界鋳造を
より効率よく行なうには、高周波磁場が印加されるコイ
ルの上端を、電磁力を印加しない時の静止メニスカス位
置に合わせておき、或いは該静止メニスカス位置に対し
て少なくとも±２０ｍｍの範囲に制御することが推奨さ
れる。その理由は、メニスカスがコイル上端位置から大
幅に外れると、メニスカス部に付与される磁場の分布が
不均一となり、メニスカス形状が乱れて凝固殻の厚みが
不均一になる傾向が現われてくるからである。

【００２６】こうした事実を確認するため本発明者ら
は、静止メニスカスの位置に対する適正なコイル位置の
関係を確認するため、コイル位置とメニスカス位置を変
えた鋳造実験を行なった。即ち、コイル上端位置とメニ
スカス位置を一致させてＯＳＭが消失する磁場条件で、
メニスカス位置に対してコイル上端位置を上下方向にず
らして鋳造実験を行なったところ、図３に示すような結
果が得られた。なお図中のメニスカス形状不均一性と
は、鋳型のスリット部とスリット間のセグメント部のメ
ニスカス高さの差を示しており、この差が大きくなると
メニスカスの形状が不均一となり、凝固開始点が周方向
で不均一になって鋳片品質を著しく劣化させる。

【００２７】この図からも明らかな様に、コイル上端位
置をメニスカス位置よりも２０ｍｍを越えて下方に設定
した場合は、鋳片表面に生じるＯＳＭが非常に顕著とな
り、品質を著しく劣化させる。

【００２８】一方、コイル先端位置をメニスカス位置よ
りも上方に設定した場合については、静止メニスカスの
形状を鋳型内にＳｎを溶解して調査した結果を示してお
り、この場合は、コイル上端位置がメニスカス位置に対
して２０ｍｍを越えて上方になると、メニスカスの形状
不均一が顕著となり、やはり良好な鋳片表面性状が得ら
れ難くなる。

【００２９】なお、上記調査でＳｎを用いたのは、次の
様な理由による。即ち、鋳型内の溶鋼に磁場をかけた時
に湯面がどの様な形状になるかは重要な因子であるが、
鋼の場合は融点が高いため鋳型内で溶解することは難し
い。しかし、低融点の金属（例えばＳｎ、融点：2百数
十℃）であれば、水冷した鋳型内でも高周波磁場のジュ
ール熱によって容易に溶融し且つ溶融状態を保持するこ
とができる。従って、この状態で溶融Ｓｎの湯面形状を
調査することで、溶鋼の湯面形状を推測することができ
る。よって、該調査の具体的な方法としては、水冷鋳型
内に固体のＳｎを装入し、鋳型周りにセットしたコイル
に通電してその熱でＳｎを溶融し、溶融Ｓｎのメニスカ
ス形状を調査する方法を採用した。

【００３０】そして、コイル上端位置をメニスカス位置
に対して±２０ｍｍ内に制御し、より好ましくはコイル
上端位置とメニスカス位置を一致させれば、メニスカス
形状の不均一を生じることなくＯＳＭを最小限に抑える
ことができ、鋳片表面性状を著しく改善することが可能
となる。

【００３１】なお該高周波コイルに印加される磁場周波
数は、鋳型サイズや鋳造速度などによっても変わってく
るので一律に決めることはできないが、電磁力付与によ
るピンチ力や加熱効果などをより有効に発揮させる上で
は、３ｋＨｚ以上、より好ましくは２０ｋＨｚ以上を採
用することが望ましい。

【００３２】ところで上記では、鋳型に振動を加えなが
ら引き抜いていく場合について説明してきたが、鋳型振
動を行なわず或いは前記ネガティブストリップ時間（ｔ
_n）が０以下となる鋳型振動条件で鋳造を行なった場合
には、前に説明した如くＯＳＭとは別の湯じわ状欠陥を
生じることが経験されている。

【００３３】そして本発明者らが別途確認したところに
よると、該湯じわ状欠陥の深さは、図４に示す如く、ｔ
_nや鋳型振動の有無には殆ど関係なく２００〜５００μ
ｍの範囲であった。そして該湯じわ状欠陥の深さは、実
験により確認された「ネガティブストリップ時間
（ｔ_n）＞０」のときの鋳造条件におけるｔ_nが０．０５
７〜０．２５秒のときのＯＳＭ深さに相当しており、ｔ
_n≦０の条件下で湯じわ状欠陥を消失させるには、深さ
５００μｍ相当のＯＳＭを消すのと同じ磁場をかければ
十分であることが確認された。従って、前記湯じわ状欠
陥を消失させるには、湯じわ状欠陥の深さと同等のＯＳ
Ｍが生成するｔ_n値を採用し、これを前記式(1)に代入す
ることにより算出した必要最小磁束密度とすれば、湯じ
わ状欠陥も解消され、良品質の連続鋳片を製造すること
ができる。

【００３４】例えば図４において、深さが５００μｍの
湯じわ状欠陥を消失させるために必要なｔ_nは約０．２
５秒である。従ってこのｔ_n値を、例えば前記図２に示
す必要最小磁束密度との関係グラフに当てはめると、磁
場周波数を１００ＫＨｚとした場合は必要最小磁束密度
を約１８０ガウス、磁場周波数を２０ＫＨｚとした場合
は必要最小磁束密度を約２６０ガウス、磁場周波数を３
ＫＨｚとした場合は必要最小磁束密度を約２８０ガウ
ス、にそれぞれ設定すれば、湯じわ状欠陥を確実に解消
できることが分かる。

【００３５】かくして本発明によれば、鋳造速度や鋳型
振動条件によって決まるネガティブストリップ時間（ｔ
_n）に応じて鋳型内に印加される磁場周波数を適正に制
御することにより、ＯＳＭを可及的に軽減し得ると共
に、湯じわ状欠陥も解消することができ、連続鋳造鋳片
の品質を確実且つ安定して向上せしめ得ることになっ
た。

【００３６】なお上記説明によっても容易に理解できる
ように、本発明は電磁力が作用し易い溶鋼の連続鋳造に
有効に適用し得る他、電磁力の作用を供与し得る磁性金
属であれば、鋼以外の鉄基合金やアルミニウム、銅など
の溶融金属に対しても同様に適用できる。

【００３７】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、鋳
造速度や鋳型振動条件によって決まるネガティブストリ
ップ時間（ｔ_n）に応じて鋳型内に印加される磁場周波
数を適正に制御して磁場の大きさを調整することによ
り、小さな磁場周波数（即ち、消費電力）で湯漏れなど
を起こすことなくＯＳＭや湯じわ状欠陥を可及的に抑
え、鋳片表面欠陥のない鋳片を効率よく製造することの
できる連続鋳造法を提供し得ることになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される連続鋳造用の電磁界鋳型を
例示する概略縦断面説明図である。

【図２】ＯＳＭ解消に必要な最小磁束密度とネガティブ
ストリップ時間（ｔ_n）の関係を示すグラフである。

【図３】コイル上端位置のメニスカス位置に対するずれ
が、ＯＳＭ深さやメニスカス形状不均一性におよぼす影
響を示したグラフである。

【図４】ネガティブストリップ時間とＯＳＭ深さの関係
グラフを湯じわ状欠陥深さに当てはめて示した説明グラ
フである。

【符号の説明】

１ （分割）銅鋳型 ２ 高周波コイル ３ スリット ４ 給湯用浸漬ノズル Ｆ フラックス（パウダー） Ｍ_L 金属溶湯 Ｍ_S 凝固殻

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 秀夫 兵庫県加古川市金沢町１番地 株式会社神 戸製鋼所加古川製鉄所内 Ｆターム(参考） 4E004 AA09 MA02 MB11 MC05

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続鋳造鋳型内に高周波磁場を印加して
   電磁界鋳造を行なうに当たり、印加される磁場周波数を
   ｆ（ｋＨｚ）、鋳造速度をｖ（ｍ／ｓｅｃ）、鋳型振動
   数をｆ_m（Ｈｚ）、鋳型振動の片振幅をａ（ｍ）とした
   とき、初期凝固殻形成位置に印加される磁場の大きさＢ
   （ガウス）が、操業パラメータによって決まるネガティ
   ブストリップ時間ｔ_n（ｓｅｃ）と前記磁場周波数
   （ｆ）から下記式によって求められる必要最小磁束密度
   （Ｂ_min：ガウス）を下回らない様に制御することを特
   徴とする溶融金属の連続鋳造法。 Ｂ_min＝１１３０×ｔ_n−５ｆ×（ｔ_n−０．０５） 但し、ｔ_n＝ｃｏｓ^-1（ｖ／２π×ｆ_m×ａ）／（π×ｆ
   _m）
2. 【請求項２】 電磁力を印加しない時の静止メニスカス
   位置を、コイル上端に一致させて鋳造を行なう請求項１
   に記載の連続鋳造法。
3. 【請求項３】 電磁力を印加しない時の静止メニスカス
   位置を、コイル上端を中心として±２０ｍｍの範囲にし
   て鋳造を行なう請求項１に記載の連続鋳造法。
4. 【請求項４】 印加磁場周波数ｆを３ｋＨｚ以上とする
   請求項１〜３のいずれかに記載の連続鋳造法。
5. 【請求項５】 ネガティブストリップ時間ｔ_nが０以下
   の鋳型振動条件、もしくは鋳型振動を行なわない条件で
   鋳造を行なう際に、鋳片表面に発生する湯じわ状欠陥の
   深さと同等の深さのオシレーションマークが生成するネ
   ガティブストリップ時間を用いて必要最小磁束密度を制
   御する請求項１〜４のいずれかに記載の連続鋳造法。