JP2003080353A - 溶融金属の鋳造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パウダー巻き込みに起因する表面欠陥を発生
させることなく、等軸晶率を向上させると共に、等軸晶
自体をさらに微細化できる移動磁界により振動を付与
し、凝固の不安定性を抑制し、鋳片表面性状改善を安定
して得る連続鋳造方法を提供する。 【解決手段】 鋳型近傍に設けた電磁コイルにより、鋳
型内に注入した溶融金属に電磁力を印加しながら溶融金
属を凝固させる溶融金属の鋳造方法において、鋳型内の
溶融金属プールの近傍に電磁コイルを設置し、該電磁コ
イルによって発生する移動磁界により、鋳型内で凝固を
完了させる過程、または、鋳型内で冷却・凝固し下方に
引抜く過程における凝固前面の溶融金属に、大加速度と
小加速度を交互に付与し、溶融金属を振動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶鋼を、電磁コイ
ルにより振動を付与して鋳造する溶融金属の鋳造方法に
関する。特に、鋳型内で溶融金属が凝固する際、発生す
る溶融金属中の気体やパウダーの巻き込み、および、温
度が不均一であることによる表面割れの発生を防止し、
さらに、内部組織をより微細化する溶融金属の鋳造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、鋼の連続鋳造において、凝固組
織を等軸晶化し、凝固時の溶質偏析を軽減する方法とし
て電磁攪拌が広く利用されている（例えば、特開昭５０
−２３３３８号公報）。電磁攪拌は、凝固界面近傍に強
制的に溶鋼流動を与え、柱状デンドライトを分断するこ
とにより等軸晶組織を得ようとするものであり、等軸晶
率を高めるための電磁攪拌条件が種々検討され、偏析低
減にある程度の効果を発揮している。

【０００３】しかしながら、従来の鋳型内電磁攪拌で
は、等軸晶が生成し難い鋼種（例えば、Ｃ濃度が０．１
％以下の鋼種）で品質を満足できる等軸晶率が必ずしも
得られていない。このような難等軸晶化の鋼種で、等軸
晶率を向上させるには鋳型内電磁攪拌の推力を上げるこ
とが考えられるが、鋳型内の溶鋼表面流速が速くなり、
溶鋼表面を被覆しているパウダーを巻き込むため、表面
欠陥が発生するといった問題も生じる。

【０００４】また、偏析厳格材の中には等軸晶率を高め
るだけでは品質要求レベルを満足しないものもあり、こ
のような鋼種の場合等軸晶の粒径自体をさらに微細化す
る必要がある。

【０００５】従来、交流静止磁界により、電流を流す−
流さないのオン−オフのパルス波を付与して、鋳型壁側
中心に向かう電磁力を発生させ、表面性状に対する潤滑
効果および軟接触効果を得ることについて報告されてい
る（例えばＵＳＰ５７２２４８０）が、電流を常に流し
ているものではなく、かつ、振動波の加速度を制御する
ものではない。

【０００６】また、特開平９−１８２９４１号には、下
降流の発達を抑制し、介在物の下部への拡散を防止する
ために、電磁攪拌の攪拌方向を周期的に反転させる方法
が開示されている。しかし、この技術においても移動磁
界により凝固前面に振動波を付与するものではない。ま
た、加速度を制御して凝固組織の微細化および介在物の
清浄化をはかり、さらにメニスカスの安定化をはかるも
のではない。

【０００７】その他、特開昭６４−７１５５７号には、
溶融物を水平面内で回転させる磁界を発生する電磁コイ
ルを、静止状態で存続させるために交番させるものが開
示されているが、これは、メニスカス流速が零のもので
ある。

【０００８】また、特公平３−４４８５８号では、鋳片
のＶ偏析やポロシティを防止するために、鋳片引き抜き
方向に直角な平面内で循環流を生じさせる電磁攪拌にお
いて、攪拌方向を１０〜３０秒のサイクルで反転させな
がら攪拌する方法、特開昭５４−１２５１３２号では、
ステンレス鋼のリジングを防止するため鋳造温度を規定
した上で、電磁攪拌による鋳片の正・負偏析を防止する
ため、電磁攪拌において２つの位相の異なる電流値の比
を規定し、電流の通電方向を切り換え、一定方向への通
電時間を５〜５０秒とした方法が開示されている。

【０００９】さらに、特開昭６０−１０２２６３号に
は、厚肉９％Ｎｉ低温用鋳鋼の鋳造欠陥を防止するため
に、電磁攪拌の交番時間を１０〜３０秒として方法が開
示されている。

【００１０】これら技術は比較的遅い周期での交番撹拌
であり、移動磁界により凝固前面に振動波を付与し、そ
の振動波の加速度を制御する技術とは全く異なってい
る。

【００１１】そこで、上記の課題を解決し、さらに凝固
組織を微細化にしてかつ介在物の洗浄効果をも発揮し
て、その上でメニスカスの安定化を可能とする技術開発
が望まれている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
の鋳型内電磁攪拌におけるこれらの問題点を解決するた
め、パウダー巻き込みに起因する表面欠陥を発生させる
ことなく、等軸晶率を向上させると共に、等軸晶自体を
さらに微細化できる移動磁界により振動を付与する連続
鋳造方法を提供することである。

【００１３】また、本発明の他の目的は、上記のような
電磁力印加による鋳造方法の問題点を解消し、凝固の不
安定性を抑制し、鋳片表面性状改善を安定して得ること
ができる連続鋳造方法を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の要旨は、次のとおりである。

【００１５】（１） 鋳型近傍に設けた電磁コイルによ
り、鋳型内に注入した溶融金属に電磁力を印加しながら
溶融金属を凝固させる溶融金属の鋳造方法において、鋳
型内の溶融金属プールの近傍に電磁コイルを設置し、該
電磁コイルによって発生する移動磁界により、鋳型内で
凝固を完了させる過程、または、鋳型内で冷却・凝固し
下方に引抜く過程における凝固前面の溶融金属に、大加
速度と小加速度を交互に付与し、溶融金属を振動させる
ことを特徴とする溶融金属の鋳造方法。

【００１６】（２） 鋳型近傍に設けた電磁コイルによ
り、鋳型内に注入した溶融金属に電磁力を印加しながら
溶融金属を凝固させる溶融金属の鋳造方法において、鋳
型内の溶融金属プールの近傍に電磁コイルを設置し、該
電磁コイルによって発生する移動磁界により、鋳型内で
凝固を完了させる過程、または、鋳型内で冷却・凝固し
下方に引抜く過程における凝固前面の溶融金属に、大加
速度と小加速度を交互に付与し、溶融金属を周期的に振
動させることを特徴とする溶融金属の鋳造方法。

【００１７】（３） 鋳型近傍に設けた電磁コイルによ
り、鋳型内に注入した溶融金属に電磁力を印加しながら
溶融金属を凝固させる溶融金属の鋳造方法において、鋳
型内の溶融金属プールの近傍に電磁コイルを設置し、該
電磁コイルによって発生する移動磁界により、鋳型内で
凝固を完了させる過程、または、鋳型内で冷却・凝固し
下方に引抜く過程における凝固前面の溶融金属に、大加
速度での加速と小加速度での加速を行い、該大加速度と
該小加速度との方向ベクトルの向きを同一または反対の
ものを組み合せて、溶融金属の流速が所定の流速を越え
ない範囲内で付与し、溶融金属を振動させることを特徴
とする溶融金属の鋳造方法。

【００１８】（４） 鋳型近傍に設けた電磁コイルによ
り、鋳型内に注入した溶融金属に電磁力を印加しながら
溶融金属を凝固させる溶融金属の鋳造方法において、鋳
型内の溶融金属プールの近傍に電磁コイルを設置し、該
電磁コイルによって発生する移動磁界により、鋳型内で
凝固を完了させる過程、または、鋳型内で冷却・凝固し
下方に引抜く過程における凝固前面の溶融金属に、順逆
方向の加速度を付与し、溶融金属を周期的に振動させる
ことを特徴とする溶融金属の鋳造方法。

【００１９】（５） 前記（１）〜（４）のいずれかに
記載の溶融金属の鋳造方法において、鋳型内で冷却・凝
固し下方に引抜く過程が、スラブ、ブルーム、中厚スラ
ブ、または、ビレットを連続鋳造する過程であることを
特徴とする溶融金属の鋳造方法。

【００２０】（６） 前記（１）〜（５）のいずれかに
記載の溶融金属の鋳造方法において、順方向の加速の間
および逆方向の加速の間に、０．３秒以下０．０３秒以
上の加速停止時間または電源停止時間を設けることを特
徴とする溶融金属の鋳造方法。

【００２１】（７） 前記（１）〜（６）のいずれかに
記載の溶融金属の鋳造方法において、溶融金属を周期的
に振動させるとともに、順方向または逆方向に旋回させ
ることを特徴とする溶融金属の鋳造方法。

【００２２】（８） 前記（１）〜（７）のいずれかに
記載の溶融金属の鋳造方法において、溶融金属を周期的
に振動させるとともに、周波数１００Hz以上３０KHz以
下の短周期の振動を付加することを特徴とする溶融金属
の鋳造方法。

【００２３】（９） 前記（１）〜（８）のいずれかに
記載の溶融金属の鋳造方法を実施する電磁コイル設備で
あって、溶融金属を順逆方向に周期的に振動させる電磁
駆動装置、該電磁駆動装置へ通電する通電装置、およ
び、該通電を制御する通電制御装置からなることを特徴
とする電磁コイル設備。

【００２４】（１０） 前記（１）〜（８）のいずれか
に記載の溶融金属の鋳造方法を実施する電磁コイル設備
であって、電磁コイル、および、該電磁コイルに、溶融
金属を順逆方向に周期的に振動させる電流を通電する電
源装置または波形発生装置からなることを特徴とする電
磁コイル設備。

【００２５】（１１） 前記（１）〜（８）のいずれか
に記載の溶融金属の鋳造方法を実施する電磁コイル設備
であって、溶融金属を順逆方向に周期的に振動させると
ともに、振動方向の変換時に速やかに指令値に立ち上げ
る機能を有する電磁駆動装置、該電磁駆動装置へ通電す
る通電装置、および、該通電を制御する通電制御装置か
らなることを特徴とする電磁コイル設備。

【００２６】（１２） 前記（１）〜（８）のいずれか
に記載の溶融金属の鋳造方法を実施する電磁コイル設備
であって、電磁駆動装置、該電磁駆動装置へ通電する通
電装置、該通電を制御する通電制御装置、および、電磁
ブレーキからなることを特徴とする電磁コイル設備。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の電磁コイルにお
ける、電磁力印加した時の鋳型内での溶融金属の旋回状
況を示す図である。なお、この図の符号１は電磁コイ
ル、２は長辺側側壁、３は短辺側側壁、４は浸漬ノズル
である。

【００２８】本発明の第１の特徴は、鋳型の電磁コイル
によって、移動磁界を発生して、旋回させるものではな
く、移動磁界による振動として、溶鋼流動に順逆方向に
加速度を付与し、凝固前面を行き来させるものである。
さらには、この振動波の加速度を制御するものである。

【００２９】また、連続鋳造だけでなく、固定鋳型の鋼
塊プロセスに対しても適用されるものである。電磁コイ
ルとして、リニアモーターを用いるが、移動磁界を発生
させるものであればよく、必ずしも直線状に移動磁界を
発生する必要はなく、例えば、回転磁界を発生するもの
でもよく、正逆方向に振動を付与できるものであればよ
い。

【００３０】本発明の第２の特徴は、上記の振動では、
リニアモーターでの正逆転時の負荷を大きくして連続通
電することによって、電流の立ち上がりが遅かったもの
を、電流の立ち上がりを速くした。

【００３１】そのため、電磁力の立ち上がりが速くな
り、その結果、溶融金属に付与される振動の加速度を広
範囲で制御することができる。

【００３２】本発明は、以上の特徴に基づき、従来の電
磁攪拌による旋回に代わって、移動磁界による振動波
を、加速度を制御しつつ凝固前面に付与することによっ
て、柱状の分断力を向上させ凝固組織の微細化を促進
し、同時に介在物の洗浄効果を向上させた上で、メニス
カスの変化、例えば、メニスカスの形状の乱れに及ぼす
影響をできるだけ抑制するものであり、これによって鋳
片の内部品質および表層品質を格段に向上させることが
できる。

【００３３】本発明者らは、連続鋳造における従来の電
磁撹拌の流速が、一般に２０〜１００cm／ｓ程度であ
り、これらの流速範囲で電磁撹拌による等軸晶生成の機
構を詳細に検討した。

【００３４】その結果、電磁撹拌は柱状デンドライトを
流れの上流側に傾ける効果を有するものの、従来から言
われている柱状デンドライトを分断する効果は比較的小
さく、むしろ電磁攪拌により凝固シェルと溶鋼間の熱伝
達が促進され、溶鋼過熱度が低下することにより、凝固
核の生成を容易にしていることを明らかにした。

【００３５】本発明者らは、これらの知見を基に、従来
の電磁攪拌が持っている溶鋼過熱度の低減効果を損なう
ことなく、柱状デンドライトの分断効果を従来と比べて
飛躍的に高める方法についてさらに実験的研究を重ね、
図２（ａ）に示すように、電磁コイルの電流を周期的に
変動させ、凝固前面を行き来させる振動波を付与するこ
とが極めて有効であること、これにより等軸晶率を向上
させるだけでなく、等軸晶の粒径自体も微細化できるこ
とを見いだした。

【００３６】電磁コイルの電流を、図２（ａ）のパター
ンで変動させると、これに対応して凝固前面の振動流速
は、図２（ｂ）のように、若干なまりながら追従する。

【００３７】凝固前面の振動流速が一定であるｔ２また
はｔ４の領域では、振動流による柱状デンドライトの分
断効果は小さいが、順方向の加速領域ｔ１および逆方向
の加速領域ｔ３では、凝固前面の振動流に加速度が生じ
ており、一定速度の旋回流に比べて、非常に大きな力を
柱状デンドライトに作用させることができる。

【００３８】この効果により、柱状デンドライトの分断
効果を飛躍的に高めることが可能である。しかも、ｔ２
の領域で凝固前面における振動流速を従来と同等にすれ
ば、凝固シェルと溶鋼間の熱伝達促進による溶鋼過熱度
の低減効果も損なわれることがない。

【００３９】加速領域（ｔ１とｔ３）では、柱状デンド
ライトを分断するに十分な力が凝固前面に作用すること
から、本発明は、凝固前面への介在物捕捉を抑制する洗
浄効果をも向上させることができる。

【００４０】このため、従来は凝固速度の速い鋳片表層
部で多くの介在物が捕捉され、清浄度が低下していた
が、本発明により鋳造した鋳片では、表層２０ｍｍ以内
の平均全酸素濃度を鋳片内部の平均全酸素濃度よりも低
くすることが可能である。

【００４１】また、従来の電磁攪拌による旋回流では、
メニスカスの乱れや、等軸晶率を向上させるために旋回
流速を上げると、パウダーの巻き込みが生じたり、鋳型
短辺側側壁に衝突して強い下降流を連続的に引き起こす
ことになるが、凝固前面を行ったり来たりさせる振動波
であれば、メニスカスの乱れやパウダー巻き込み、下降
流の影響をも抑制でき、安定した鋳造が可能である。

【００４２】加えて、振動波に旋回流を重ね合わせるこ
とにより、メニスカス形状を安定させながら、介在物の
洗浄や核生成をさらに促進することも可能である。

【００４３】従来の電磁攪拌では、広範囲の領域にわた
って溶質元素の負偏析帯を発生させるため、材質が確保
できないといった問題を生ずる。しかし、本発明の凝固
前面を行ったり来たりする振動波であれば、非常に薄い
負偏析が多層状に生成するため、負偏析帯が分散され、
凝固組織微細化および負偏析防止を同時に達成すること
ができる。

【００４４】さらに、この多層状の薄い負偏析帯は、図
８（ａ）、図８（ｂ）および図９に示すように、振動の
周期に対応して、鋳片表層からほぼ同じ距離に鋳片外周
に沿って均一に生成しており、鋳片表層における割れの
進展防止、粒界酸化の抑制等の機能を有している。

【００４５】併せて、層状の負偏析帯の間にある正偏析
帯の柱状晶（デンドライト）は、各正偏析帯毎にその成
長方向を交互に反転させており、一方向に柱状晶が成長
した鋳片に比べて、より割れ発生に強い凝固組織になっ
ていると言える。

【００４６】このため、本発明の鋳造方法により、表層
を高機能化させた鋳片を製造することも可能である。

【００４７】次に、加速時間係数について説明する。液
体状態における質点を考えると、その質点運動について
も、動力学の法則から「一定時間の質点の運動量に関し
て、その変化は作用する力の時間の力積に等しい」こと
になり、振動状態での作用力の変化に適用することが考
えられる。

【００４８】すなわち、本発明で加速時間係数とした
（加速度×加速時間）は、振動のパラメータとして、振
動状態の緩急を表現するものとして力積もしくは作用力
の変化の程度を示すことができる。

【００４９】このことから、加速時間係数を振動状態の
パラメータとして、溶融状態での振動の保持時間（ｔ
２、ｔ４）、加速度付与時間（ｔ１、ｔ３）を調整する
ことによって、振動の緩急を制御することが可能とな
る。

【００５０】本発明における凝固前面を行ったり来たり
する振動には、効果を安定して得るための適正周期が存
在する。この適正周期の上限値および下限値の考え方は
以下のとおりである。

【００５１】鋳片の周方向に均一に加速度を与えるため
には、凝固前面の境界層が剥離しない時間で、加速方向
を反転させる必要がある。この時間を実験により求める
と、５秒未満であり、１周期の振動時間（以下、振動周
期と称する）は、１０秒未満となる。

【００５２】一方、鋳片の鋳造方向に対して振動の効果
を発現させるためには、鋳片が電磁コイルのコア部分を
通過する間に最低１周期の振動を付与する必要がある。
この時の振動周期はコア長さ／鋳造速度以下となる。

【００５３】よって、振動周期の上限値は、鋳片周方向
と鋳造方向の両安定性を確保するための条件から決定さ
れ、上述の両周期の内で小さい方の周期となる。

【００５４】また、本発明において、振動時に凝固前面
の溶鋼を加速する条件は、（振動周期）≧２／（電磁コ
イルの周波数）となる。移動磁界を発生させる電磁コイ
ルの周波数としては、高いものでも１０Ｈｚ程度である
から、振動周期の下限値は、０．２秒以上となる。

【００５５】なお、本発明では、基準点の変位の時間微
分を流速として、流速の時間微分を加速度としている。
加速度は振動流速が零の時点の流速の時間微分、もしく
は、加速領域ｔ１またはｔ３から計算される（最大振動
流速−最小振動流速）／ｔ１、または、（最大振動流速
−最小振動流速）／ｔ３、であってもよい。

【００５６】ここで、基準点とは、鋳型長辺側の辺中
心、あるいは、１／４幅で凝固前面から前方２０mmの位
置である。

【００５７】そして、加速時間係数の加速時間は、加速
領域ｔ１まではｔ３で規定される時間ｔ１またはｔ３で
ある。さらに、前記加速度に時間を乗じて、全時間につ
いて積分したものを、時間当たりで平均化して、これを
流速の平均速度として表示したものが平均（旋回）流速
である。

【００５８】また、図２において、加速領域（ｔ１，ｔ
３）が大加速時間であり、加速度の絶対値が小さい（ｔ
２，ｔ４）領域が小加速時間となる。

【００５９】次に、本発明で製造される鋳片について説
明する。鋳片の第１の特徴は、ピッチ２ｍｍ以下で３層
以上の多層構造からなる負偏析帯を有していること、お
よび、前記負偏析帯の厚みが３０ｍｍ以下であることで
ある。

【００６０】この負偏析帯については、図８（ａ）およ
び図９に示すように、鋳片のコーナーに対して負偏析帯
のコーナーが鮮明になっている場合と、図８（ｂ）に示
すように、鋳片のコーナーに対して負偏析帯のコーナー
が不鮮明になっている場合がある。

【００６１】先ず、図８（ａ）の場合には、多層構造の
負偏析帯の平均的プロフィルの負偏析帯の中央負偏析線
（ｍ）のコーナー点（Ｃ）を決定し、当該コーナー点か
ら鋳片内部に５ｍｍ離れて隣り合う２辺上の点（Ｅ）か
ら隣り合う２辺に平行線を引き、前記負偏析線（ｍ）と
の交点（Ｆ）におけるシェル厚みＤ₁と、鋳片幅方向中
央点におけるシェル厚みＤ₂との差を、３ｍｍ以下に規
定する。

【００６２】図８（ｂ）の場合には、円弧状の負偏析帯
の中央負偏析線（ｍ）の隣り合う２辺から外挿した仮想
コーナー点（Ｃ'）を決定し、当該コーナー点から鋳片
内部に５ｍｍ離れて隣り合う２辺上の点（Ｅ）から隣り
合う２辺に平行線を引き、中央負偏析線（ｍ）との交点
（Ｆ）におけるシェル厚みＤ₁と、鋳片幅方向中央点に
おけるシェル厚みＤ₂との差を、３ｍｍ以下に規定す
る。

【００６３】同様に、偏向構造のデンドライトまたは結
晶組織帯の平均的プロフィルのデンドライトまたは結晶
組織帯の中央線のコーナー点、または、円弧状のデンド
ライトまたは結晶組織帯の中央線の隣り合う２辺から外
挿した仮想コーナー点を決定して、前記と同様に規定す
る。

【００６４】一方、円形鋳片に対しては、多層構造の負
偏析帯、偏向構造のデンドライトまたは結晶組織帯の平
均的プロフィルの該負偏析帯の中央負偏析線（ｍ）上の
点におけるシェル厚みのバラツキを、３ｍｍ以下に規定
する。

【００６５】さらに、より具体的には、多層構造の負偏
析帯、偏向構造のデンドライトまたは結晶組織帯を規定
している。

【００６６】すなわち、負偏析帯、偏向構造のデンドラ
イトまたは結晶組織帯について、図７に示す位置関係を
基に、下記（１）式で定義される凝固シェル厚みＤ（ｍ
ｍ）から決まる鋳造方向のコア中心位置における凝固シ
ェル厚みＤ₀（ｍｍ）に対して、厚み方向にＤ₀±１５ｍ
ｍの範囲内で、下記（２）式で定義されるピッチＰを有
し鋳型内周方向に多層構造からなる負偏析帯、偏向構造
のデンドライトまたは結晶組織帯を形成することを規定
している。

【００６７】 Ｄ＝ｋ（Ｌ／Ｖ）ｎ −−−（１） ただし、Ｄ：凝固シェル厚み Ｌ：メニスカスから電磁コイルのコア中心までの長さ Ｖ：鋳造速度 ｋ：凝固係数 ｎ：定数（０．５〜１．０） Ｐ＝Ｕ×ｔ／２ −−−（２） ただし、Ｕ：凝固速度（ｄＤ／ｄｔ（ｍｍ／ｓ）） ｔ：振動周期 なお、本発明では、設置位置は鋳型内に限られたもので
はなく、原理的に連続鋳造機内で未凝固溶鋼が存在する
領域であれば、どの位置でも適用可能である。

【００６８】本発明における溶融金属は、特に、特定の
溶融金属に限定されるものではないが、ここでは、鋼を
中心として、以下、実施例によってさらに説明する。

【００６９】

【実施例】（実施例１）本実施例において、等軸晶率と
等軸晶粒径を及ぼす電磁コイルに基づく振動パターンの
影響を定量的に明らかにする目的で、周波数１０Ｈｚの
電磁コイルを配置した鋳型への溶鋼注入実験を行った。

【００７０】０．３５％Ｃを含有する溶鋼５０kgを高周
波溶解炉で溶解し、温度１６００℃で、横２００mm、縦
１００mm、高さ３００mmの銅製鋳型に注入した。注入
後、直ちに、所定の振動パターンで、鋳型内の溶鋼を振
動させながら凝固させた。

【００７１】鋳造後の鋼塊は横断面で切断し、凝固組織
を顕出した後、等軸晶域の面積率（等軸晶面積率）と等
軸晶の円相当径を評価した。

【００７２】振動パターンは、図２で、電磁コイルの電
流を最大１００アンペア、最小−１００アンペアとし、
順方向の加速度付与時間であるコイル電流増加時間ｔ
１、逆方向の加速度付与時間であるコイル電流減少時間
ｔ３、最小コイル電流保持時間ｔ４を、所定の値に設定
することにより変化させた。

【００７３】コイル電流の変動周期（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３
＋ｔ４）と等軸晶面積率の関係を、図３に示す。等軸晶
面積率は振動周期を減少することにより大きくなるが、
振動周期が０．２秒より短くなると急激に減少する。こ
れは、コイル電流の周期が減少すると凝固前面の振動流
速がそれに追従できなくなるためである。

【００７４】図４に、電磁コイル電流の周期と等軸晶の
円相当径の関係を示す。凝固前面における加速度の絶対
値（逆方向の加速領域では、−１０cm／ｓ²となるた
め）が１０cm／ｓ²未満では、等軸晶の円相当径が振動
周期に依存せず、等軸晶の微細化効果が得られていない
が、凝固前面における加速度の絶対値が１０cm／ｓ²以
上になると、振動周期が１０秒未満で等軸晶が微細化す
ることが分かる。

【００７５】上記以外で微細効果が得られない理由は、
凝固前面における振動流速の加速度が１０cm／ｓ²未満
では、柱状デンドライトに働く力が小さいため微細化効
果が得られず、また振動周期が１０秒以上になる凝固前
面で境界層の剥離が生じ、柱状デンドライトに加速度に
よる分断力か働き難くなるためである。この点から、等
軸晶を微細化する振動条件は、等軸晶率を向上する条件
に比べて厳しいことが分かる。

【００７６】この結果、等軸晶率を向上させ、かつ等軸
晶粒径を微細化するためには、電磁コイル電流の周期を
０．２秒以上１０秒未満にすると共に、凝固前面におけ
る加速度の絶対値を１０cm／ｓ²以上にすればよいこと
がわかる。

【００７７】なお、本発明の加速度については、溶湯中
のＣ量によってその効果が異なり、Ｃ≦０．１％では３
０〜３００cm／ｓ²、０．１％≦Ｃ≦０．３５％では、
｛８０［Ｃ］＋３８｝〜３００cm／ｓ²、０．３５％≦
Ｃ≦０．５％では、｛１３３．３［Ｃ］−３６．７｝〜
３００cm／ｓ²、０．５％≦Ｃでは、３０〜３００cm／
ｓ²に限定する。なお、ここで上限を付与しているの
は、これを超える条件については実験で確認していない
からである。

【００７８】これは、等軸晶率とＣ量の関係に着目し実
験により知見したものである。

【００７９】（実施例２）本実施例では、２ストランド
のビレット連続鋳造機を用いて、１２０mm角、炭素濃度
０．３５％の炭素鋼鋳片を鋳造速度１．２ｍ／min で３
０分間鋳造した。タンディッシュ内の溶鋼温度は１５３
０℃である。

【００８０】一方のストランドでは、電磁撹拌装置のコ
イル電流を２００アンペア一定、周波数１０Hzとした従
来の電磁撹拌により、６０cm／ｓの流速で、３０分間撹
拌した。

【００８１】他方のストランドでは、本発明の振動を付
与できる電磁コイルを鋳型内に設置し、コイル電流の１
周期の振動時間を２ｓ（最大コイル電流２００アンペ
ア、最小コイル電流−２００アンペア、コイル電流増加
時間０．８ｓ、コイル電流減少時間０．８ｓ、最大コイ
ル電流保持時間０．２ｓ、最小コイル電流保持時間０．
２ｓ）、順・逆方向の加速度を５０cm／ｓ²の条件（第
２図参照）で、凝固前面の溶鋼を振動させた。

【００８２】鋳片の横断面を切断し、凝固組織を顕出し
た後、等軸晶面積率および等軸晶円相当径を評価した。

【００８３】また、鋳片の表層品質については、鋳造後
の鋳片を検査ラインで目視観察し、１鋳片当たりに発生
したパウダー系欠陥の個数を調査した。

【００８４】従来の電磁撹拌を実施した鋳片の等軸晶率
は３０％、等軸晶の円相当径は３．０mmであった。ま
た、溶鋼の流速は６０cm／ｓとなりパウダー巻き込みの
限界流速を越えたため、溶鋼表面のパウダーを巻き込
み、パウダー系欠陥が５個／鋳片発生した。さらに、鋳
片横断面の表層側に２０mm幅程度の負偏析帯も形成され
ていた。

【００８５】一方、本発明の電磁コイルにより振動を付
与した場合には、鋳片の等軸晶面積率は５０％、等軸晶
の円相当径は１．３mmであり、従来の電磁撹拌に比べて
等軸晶面積率が向上しているだけでなく、等軸晶の粒径
も微細化していた。

【００８６】さらに、鋳型内の凝固前面の溶鋼を振動さ
せたため、パウダー巻き込みは起こらず、パウダー系欠
陥も発生しなかった。鋳片横断面にはピッチ１．５mmで
表層１５mmに多層状の負偏析帯および多層状の偏向構造
のデンドライトが形成されていた。

【００８７】（実施例３）本実施例では、２ストランド
の連続鋳造機を用いて、厚み２５０mm×幅１５００mm、
炭素濃度０．３５％の炭素鋼鋳片を鋳造速度１．８ｍ／
min で３０分間鋳造した。タンディッシュ内の溶鋼温度
は１５５０℃である。

【００８８】一方のストランドでは、電磁撹拌装置のコ
イル電流を５００アンペア一定、周波数２Hzとした従来
の電磁撹拌により、６０cm／ｓの流速で３０分間撹拌し
た。

【００８９】他方のストランドでは、本発明の振動を付
与できる電磁コイルを鋳型内に設置し、鋳造前半の１５
分間はコイル電流の１周期の振動時間を２ｓ（最大コイ
ル電流４００アンペア、最小コイル電流−４００アンペ
ア、コイル電流増加時間０．８ｓ、コイル電流減少時間
０．８ｓ、最大コイル電流保持時間０．２ｓ、最小電流
保持時間０．２ｓ）、順逆方向の加速度を７０cm／ｓ²
の条件（図２、参照）で、鋳造後半の１５分間はコイル
電流の１周期の振動時間を２．１ｓ（最大コイル電流４
００アンペア、最小コイル電流−４００アンペア、コイ
ル電流増加時間０．８ｓ、コイル電流減少時間０．８
ｓ、最大コイル電流保持時間０．２ｓ、最小電流保持時
間０．２ｓ、順方向の加速の間および逆方向の加速の間
に加速停止時間を０．０５ｓ）、順逆方向の加速度を５
０cm／ｓ²の条件（図５、参照）で、凝固前面の溶鋼を
振動させた。

【００９０】鋳片の横断面を切断し、凝固組織を顕出し
た後、等軸晶面積率および等軸晶円相当径を評価した。

【００９１】また、鋳片の表層品質については、鋳造後
の鋳片を検査ラインで目視観察し、１スラブ当たりに発
生したパウダー系欠陥の個数を調査した。加えて、鋳片
表面のオシレーションマークはメニスカスの形状と対応
するため、オシレーションマークの高低差も同時に調査
した。

【００９２】従来の電磁撹拌を実施した鋳片の等軸晶率
は３０％、等軸晶の円相当径は３．０mmであった。ま
た、溶鋼の流速は６０cm／ｓとなりパウダー巻き込みの
限界流速を越えたため、溶鋼表面のパウダーを巻き込
み、パウダー系欠陥が５個／スラブ発生した。

【００９３】さらに、メニスカスの乱れが大きいため、
オシレーションマークの高低差は３５mmにも達してい
た。さらに、鋳片横断面の表層側に２０ｍｍ幅程度の負
偏析帯も形成されていた。

【００９４】一方、本発明の電磁コイルにより振動を付
与した場合には、加速停止時間の有り無しに関わらず、
鋳片の等軸晶面積率は５０％、等軸晶の円相当径は１．
３mmであり、従来の電磁撹拌に比べて等軸晶面積率が向
上しているだけでなく、等軸晶の粒径も微細化してい
た。さらに、鋳型内の凝固前面の溶鋼を振動させたた
め、パウダー巻き込みは起こらず、パウダー系欠陥も発
生しなかった。

【００９５】鋳片横断面には、振動の周期に応じたピッ
チ１．５mmで表層１５ｍｍに多層状の負偏析帯および偏
向構造のデンドライトが形成されていた。オシレーショ
ンマークについては、加速停止時間を設けなかった鋳片
で５mm、加速停止時間を設けた鋳片で３mmとなってお
り、何れも従来の電磁撹拌に比べてメニスカスの形状は
均一化しているが、加速停止時間を設けた方が、よりメ
ニスカスの均一化は良好であった。これは、加速停止時
間を設けることで、急加速が緩和され、よりメニスカス
の均一化が達成されたためである。

【００９６】なお、本発明で、加速停止時間を０．３秒
以下０．０３秒以上としたのは、加速停止時間を０．３
秒超にすると、加速の効果が低下し、加速停止時間を
０．０３秒未満にすると、メニスカスの均一化効果が現
れないためである。

【００９７】（実施例４）本実施例では、２ストランド
の連続鋳造機を用いて、厚み２５０mm×幅１５００mm、
炭素濃度０．３５％の炭素鋼鋳片を、鋳造速度１．８ｍ
／minで３０分間鋳造した。タンディッシュ内の溶鋼温
度は１５５０℃である。

【００９８】一方のストランドでは、電磁撹拌装置のコ
イル電流を５００アンペア一定、周波数２Hzとした従来
の電磁撹拌により、６０cm／ｓの流速で３０分間撹拌し
た。

【００９９】他方のストランドでは、本発明の振動を付
与できる電磁コイルを鋳型内に設置し、コイル電流の１
周期の振動時間を２ｓ（最大コイル電流４００アンペ
ア、最小コイル電流−４００アンペア、コイル電流増加
時間０．４ｓ、コイル電流減少時間０．８ｓ、最大コイ
ル電流保持時間０．３ｓ、最小電流保持時間０．５
ｓ）、順方向の加速度を１００cm／ｓ²、逆方向の加速
度を５０cm／ｓ²条件（図６、参照）で、凝固前面の溶
鋼を振動させた。鋳片の横断面を切断し、凝固組織を顕
出した後、等軸晶面積率および等軸晶円相当径を評価し
た。

【０１００】また、鋳片の表層品質については、鋳造後
の鋳片を検査ラインで目視観察し、１スラブ当たりに発
生したパウダー系欠陥の個数を調査した。加えて、鋳片
表層の介在物個数を顕微鏡観察した。

【０１０１】従来の電磁撹拌を実施した鋳片の等軸晶率
は２８％、等軸晶の円相当径は３．１mmであった。ま
た、溶鋼の流速は６０cm／ｓとなりパウダー巻き込みの
限界流速を越えたため、溶鋼表面のパウダーを巻き込
み、パウダー系欠陥が６個／スラブ発生した。さらに、
鋳片横断面の表層側に２０ｍｍ幅程度の負偏析帯も形成
されていた。

【０１０２】一方、本発明の電磁コイルにより振動と順
・逆方向の時間差に基づく旋回流を付与した場合には、
鋳片の等軸晶面積率は５５％、等軸晶の円相当径は１．
３mmであり、従来の電磁撹拌に比べて等軸晶面積率が向
上しているだけでなく、等軸晶の粒径も微細化してい
た。さらに、鋳型内の凝固前面の溶鋼を振動させたた
め、パウダー巻き込みは起こらず、パウダー系欠陥も発
生しなかった。

【０１０３】鋳片横断面には振動の周期に応じたピッチ
１．５mmで表層１５mmに多層状の負偏析帯および偏向構
造のデンドライトが形成されていた。また、電磁コイル
により振動と旋回流を同時に付与することにより、柱状
デンドライトの分断効果がさらに増加し、実施例３の振
動のみを加えた場合より等軸晶率が増加した。

【０１０４】なお、振動に旋回流速を付与する場合、振
動によるパウダー巻き込みの抑制効果が得られるが、そ
れでも旋回流速が１ｍ／ｓを越えるとパウダーの巻き込
みが生じるため、旋回流速は１ｍ／ｓ以下に限定した。

【０１０５】（実施例５）本実施例では、２ストランド
の連続鋳造機を用いて、厚み２５０mm×幅１５００mm、
炭素濃度０．３５％の炭素鋼鋳片を、鋳造速度１．８ｍ
／minで３０分間鋳造した。タンディッシュ内の溶鋼温
度は１５５０℃である。

【０１０６】一方のストランドでは、電磁撹拌装置のコ
イル電流を５００アンペア一定、周波数２Hzとした従来
の電磁撹拌により、６０cm／ｓの流速で３０分間撹拌し
た。

【０１０７】他方のストランドでは、本発明の振動を付
与できる電磁コイルを鋳型内に設置し、コイル電流の１
周期の振動時間を２ｓ（最大コイル電流４００アンペ
ア、最小コイル電流−４００アンペア、コイル電流増加
時間０．８ｓ、コイル電流減少時間０．８ｓ、最大コイ
ル電流保持時間０．２ｓ、最小電流保持時間０．２
ｓ）、順逆方向の加速度を５０cm／ｓ²の条件（図２、
参照）で、凝固前面の溶鋼を振動させつつ、さらにメニ
スカスから１ｍ下の位置に設けた電磁ブレーキにより静
磁界で磁界強度３０００ガウスを印加した。

【０１０８】鋳片の横断面を切断し、凝固組織を顕出し
た後、等軸晶面積率および等軸晶円相当径を評価した。
また、鋳片の表層品質については、鋳造後の鋳片を検査
ラインで目視観察し、１スラブ当たりに発生したパウダ
ー系欠陥の個数を調査した。

【０１０９】従来の電磁撹拌を実施した鋳片の等軸晶率
は３１％、等軸晶の円相当径は２．９mmであった。ま
た、溶鋼の流速は６０cm／ｓとなりパウダー巻き込みの
限界流速を越えたため、溶鋼表面のパウダーを巻き込
み、パウダー系欠陥が４個／スラブ発生した。さらに、
鋳片横断面の表層側に２０ｍｍ幅程度の負偏析帯も形成
されていた。

【０１１０】一方、本発明の電磁コイルにより振動を付
与し、且つ電磁ブレーキを印加した場合には、鋳片の等
軸晶面積率は５６％、等軸晶の円相当径は１．３mmであ
り、従来の電磁撹拌に比べて等軸晶面積率が向上してい
るだけでなく、等軸晶の粒径も微細化していた。さら
に、鋳型内の凝固前面の溶鋼を振動させたため、パウダ
ー巻き込みは起こらず、パウダー系欠陥も発生しなかっ
た。

【０１１１】鋳片横断面には振動の周期に応じたピッチ
１．５mmで表層１５mmに多層状の負偏析帯および偏向構
造のデンドライトが形成されていた。また、電磁コイル
による振動と電磁ブレーキを併用した場合には、実施例
３の振動のみを加えた場合よりも等軸晶率が増加した。

【０１１２】これは、電磁ブレーキにより高温溶鋼の鋳
片内部への浸透が防止され、電磁コイルの振動により生
成した等軸晶核の再溶解が抑制されたためである。

【０１１３】なお、電磁コイルによる振動に加速停止時
間を設ける場合には、電磁ブレーキを連続で印加する必
要はなく、同期させて印加することも可能である。

【０１１４】

【発明の効果】以上の如く、本発明の電磁コイルにより
振動パターンを調整して溶融金属に振動を付与する方法
によれば、凝固前面に大きな力を付与できるため、従来
の方法に比べて等軸晶を増加させることが可能となるだ
けでなく、等軸晶の粒径をも微細化できる。

【０１１５】さらに、これらの効果により凝固組織微細
化のために流速を必要以上に高める必要がなく、パウダ
ー巻き込みに起因する表面欠陥も防止できる。

【０１１６】なお、本発明の固定鋳型における場合に
は、従来材における、内部組織の改善が著しくなるた
め、生産性およびコスト改善を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る鋳型内での電磁コイルの配置の概
要を示す図である。

【図２】本発明の振動流パターンを説明する図である。
（ａ）は、本発明の電磁コイル電流のパターンを説明す
る図であり、（ｂ）は、凝固前面の振動流速のパターン
を説明する図である。

【図３】電磁コイル電流の周期と等軸晶率の関係を示す
図である。

【図４】電磁コイル電流の周期と等軸晶円相当径の関係
を示す図である。

【図５】順方向の加速の間および逆方向の加速の間に、
０．３秒以下０．０３秒以上の加速停止時間を設けた実
施例を示す図である。

【図６】順方向の加速度を１００cm／ｓ²、逆方向の加
速度を５０cm／ｓ²とした実施例を示す図である。

【図７】電磁コイルの鋳造方向のコア中心での凝固シェ
ル厚みの位置の概要を示す図である。

【図８】本発明鋳片のコーナーの組織を模式的に示す図
である。（ａ）は、負偏析帯が鮮明なコーナーを示す図
であり、（ｂ）は、負偏析帯が鮮明でない場合のコーナ
ーを示す図である。

【図９】図８（ａ）の負偏析帯の鮮明なコーナーを示す
金属組織写真である。

【符号の説明】

１…電磁コイル ２…長辺側側壁 ３…短辺側側壁 ４…浸漬ノズル ５…凝固シェル ６…鋳片 ７…メニスカス

フロントページの続き (72)発明者 原田 寛 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 竹内 栄一 兵庫県姫路市広畑区富士町１番地 新日本 製鐵株式会社広畑製鐵所内 (72)発明者 長谷川 一 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 藤崎 敬介 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 4E004 AA09 MB12 NB01 NB02

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋳型近傍に設けた電磁コイルにより、鋳
   型内に注入した溶融金属に電磁力を印加しながら溶融金
   属を凝固させる溶融金属の鋳造方法において、鋳型内の
   溶融金属プールの近傍に電磁コイルを設置し、該電磁コ
   イルによって発生する移動磁界により、鋳型内で凝固を
   完了させる過程、または、鋳型内で冷却・凝固し下方に
   引抜く過程における凝固前面の溶融金属に、大加速度と
   小加速度を交互に付与し、溶融金属を振動させることを
   特徴とする溶融金属の鋳造方法。
2. 【請求項２】 鋳型近傍に設けた電磁コイルにより、鋳
   型内に注入した溶融金属に電磁力を印加しながら溶融金
   属を凝固させる溶融金属の鋳造方法において、鋳型内の
   溶融金属プールの近傍に電磁コイルを設置し、該電磁コ
   イルによって発生する移動磁界により、鋳型内で凝固を
   完了させる過程、または、鋳型内で冷却・凝固し下方に
   引抜く過程における凝固前面の溶融金属に、大加速度と
   小加速度を交互に付与し、溶融金属を周期的に振動させ
   ることを特徴とする溶融金属の鋳造方法。
3. 【請求項３】 鋳型近傍に設けた電磁コイルにより、鋳
   型内に注入した溶融金属に電磁力を印加しながら溶融金
   属を凝固させる溶融金属の鋳造方法において、鋳型内の
   溶融金属プールの近傍に電磁コイルを設置し、該電磁コ
   イルによって発生する移動磁界により、鋳型内で凝固を
   完了させる過程、または、鋳型内で冷却・凝固し下方に
   引抜く過程における凝固前面の溶融金属に、大加速度で
   の加速と小加速度での加速を行い、該大加速度と該小加
   速度との方向ベクトルの向きを同一または反対のものを
   組み合せて、溶融金属の流速が所定の流速を越えない範
   囲内で付与し、溶融金属を振動させることを特徴とする
   溶融金属の鋳造方法。
4. 【請求項４】 鋳型近傍に設けた電磁コイルにより、鋳
   型内に注入した溶融金属に電磁力を印加しながら溶融金
   属を凝固させる溶融金属の鋳造方法において、鋳型内の
   溶融金属プールの近傍に電磁コイルを設置し、該電磁コ
   イルによって発生する移動磁界により、鋳型内で凝固を
   完了させる過程、または、鋳型内で冷却・凝固し下方に
   引抜く過程における凝固前面の溶融金属に、順逆方向の
   加速度を付与し、溶融金属を周期的に振動させることを
   特徴とする溶融金属の鋳造方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶
   融金属の鋳造方法において、鋳型内で冷却・凝固し下方
   に引抜く過程が、スラブ、ブルーム、中厚スラブ、また
   は、ビレットを連続鋳造する過程であることを特徴とす
   る溶融金属の鋳造方法。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶
   融金属の鋳造方法において、順方向の加速の間および逆
   方向の加速の間に、０．３秒以下０．０３秒以上の加速
   停止時間または電源停止時間を設けることを特徴とする
   溶融金属の鋳造方法。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶
   融金属の鋳造方法において、溶融金属を周期的に振動さ
   せるとともに、順方向または逆方向に旋回させることを
   特徴とする溶融金属の鋳造方法。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか１項に記載の溶
   融金属の鋳造方法において、溶融金属を周期的に振動さ
   せるとともに、周波数１００Hz以上３０KHz以下の短周
   期の振動を付加することを特徴とする溶融金属の鋳造方
   法。
9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか１項に記載の溶
   融金属の鋳造方法を実施する電磁コイル設備であって、
   溶融金属を順逆方向に周期的に振動させる電磁駆動装
   置、該電磁駆動装置へ通電する通電装置、および、該通
   電を制御する通電制御装置からなることを特徴とする電
   磁コイル設備。
10. 【請求項１０】 請求項１〜８のいずれか１項に記載の
    溶融金属の鋳造方法を実施する電磁コイル設備であっ
    て、電磁コイル、および、該電磁コイルに、溶融金属を
    順逆方向に周期的に振動させる電流を通電する電源装置
    または波形発生装置からなることを特徴とする電磁コイ
    ル設備。
11. 【請求項１１】 請求項１〜８のいずれか１項に記載の
    溶融金属の鋳造方法を実施する電磁コイル設備であっ
    て、溶融金属を順逆方向に周期的に振動させるととも
    に、振動方向の変換時に速やかに指令値に立ち上げる機
    能を有する電磁駆動装置、該電磁駆動装置へ通電する通
    電装置、および、該通電を制御する通電制御装置からな
    ることを特徴とする電磁コイル設備。
12. 【請求項１２】 請求項１〜８のいずれか１項に記載の
    溶融金属の鋳造方法を実施する電磁コイル設備であっ
    て、電磁駆動装置、該電磁駆動装置へ通電する通電装
    置、該通電を制御する通電制御装置、および、電磁ブレ
    ーキからなることを特徴とする電磁コイル設備。