JP2003136205A - 連続鋳造における二次冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特にスプレーノズルにおける水量や空気量の
条件を従来に比して大きく変更することなく、鋳片に対
する冷却能を効率良く強化する方法について提案する。 【解決手段】 連続鋳造用鋳型の下部のロール帯におい
て、ロール間に配置したスプレーノズルを用いて、二次
冷却を施すに当り、各スプレーノズルから噴霧される冷
却水の、鋳片引き抜き方向の水量分布を、該水量分布の
両端から水量分布における最大部の20％となる始点をそ
れぞれＡおよびＢとしたとき、このＡとＢとの間では前
記最大部の20％以上の水量分布が連続し、かつスプレー
ノズルの噴霧口中心Ｃを頂点として前記ＡおよびＢを結
ぶ角ＡＣＢがなす角度θが、30°以上である分布形状に
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、連続鋳造用鋳型の
下部の二次冷却帯において、ロール間に配置したスプレ
ーノズルを用いて行う二次冷却方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】連続鋳造では、図１に示すように、鋳型
１内で形成された、溶融金属たとえば鋼の凝固シェルに
対して、該鋳型１下部のロール帯２において、スプレー
ノズルからの冷却水の供給によって冷却を促進する、い
わゆる二次冷却を行うのが通例である。すなわち、二次
冷却は、図２に示すように、下部ロール帯２における隣
接するロール20間に配置したスプレーノズル３から冷却
水４を凝固シェル５に向けて噴射し、主に冷却水の直接
冷却によって凝固シェル表面からの抜熱を行うものであ
る。

【０００３】この二次冷却は、凝固組織の制御や鋳片の
割れ防止の観点から極めて重要な工程であり、主にスプ
レーノズルからの冷却水の噴霧形状を工夫することによ
って、適切な冷却を行っている。

【０００４】例えば、特開昭50-102525号公報には、ス
プレーによる鋳片直接冷却面積を、ロール間の鋳片面積
に対して規制して冷却強度を制御する技術が開示されて
いる。しかし、この技術では、どのようなスプレーの厚
み方向の水量分布形状が好適であるのか開示がないた
め、必ずしも効率的な冷却方法とは言えない。

【０００５】また、特開昭50-103426号公報には、先端
に複数の噴射口を設けたノズルを用いて、鋳片冷却時の
ロール間での急激な熱振幅を低減し、表面割れを防止す
ることが、開示されている。しかしながら、生産能力を
高めるために強冷却が必要となる場合など、複数の噴射
口から多量の冷却水を噴霧するに当たって、以下の問題
が生じる不利がある。まず、冷却時の熱振幅の数が多く
なり、鋳片の表面割れを抑制する効果が低減してしまう
ことが問題となる。次に、複数の噴射口間において冷却
水の供給量の少ない部分が生じるために、当該部分での
復熱により冷却強化が阻害される問題がある。すなわ
ち、スプレー冷却における熱伝達係数は、凝固シェルの
表面温度の逆数に比例するため、連続的に冷却して表面
温度を低下させた状態、つまり冷却中の復熱を抑えるこ
とが、熱伝達係数を大きくし、ひいては冷却能を強化す
ることに繋がる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した諸問題を解消し、特にスプレーノズルにおける水量
や空気量の条件を従来に比して大きく変更することな
く、鋳片に対する冷却能を効率良く強化する方法につい
て提案することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者らは、スプレーノ
ズルから噴出する水量や空気量の条件を変更することな
く冷却能を強化し得る手法について鋭意検討した。その
結果、スプレーノズルの水量分布、とりわけ鋳片引き抜
き方向の水量分布を適正化することが極めて有効である
ことを見出し、本発明を完成するに到った。

【０００８】すなわち、本発明は、連続鋳造鋳型下部の
ロール帯において、ロール間に配置したスプレーノズル
を用いて二次冷却を施すに当り、各スプレーノズルから
噴霧される冷却水の、鋳片引き抜き方向の水量分布を、
該水量分布の両端から水量分布における最大部の20％と
なる始点をそれぞれＡおよびＢとしたとき、このＡとＢ
との間では前記最大部の20％以上の水量分布が連続し、
かつスプレーノズルの噴霧口中心Ｃを頂点とした場合の
角ＡＣＢを30°以上とすることを特徴とする連続鋳造に
おける二次冷却方法である。

【０００９】ここで、スプレーノズルは、複数の噴霧口
を有すること、さらに前記Ａ，ＢおよびＣを結んで得ら
れる三角形ＡＢＣが、連続鋳造鋳型下部のロール帯にお
ける隣接ロール間に収まるようスプレーノズルを配置す
ることが好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の二次冷却方法につ
いて、図面を参照して説明する。すなわち、本発明の二
次冷却方法は、図２に示した、ロール帯２における隣接
ロール20間に配置したスプレーノズル３からの冷却水４
の水量について、その鋳片(凝固シェル５)の引き抜き方
向、換言するとスプレー厚み方向における分布形状を制
御することに特徴がある。

【００１１】さて、スプレーノズルによる冷却能力の評
価は、抜熱量Ｑ(kcal/h)として、次式(1)にて表すこと
ができる。 Ｑ＝α×Ａ×ΔＴ ----(1) ここで、Ａはスプレー面積(m²)、ΔＴは、鋳片表面温度
とスプレー水温との差(℃)である。また、αは熱伝達係
数（kcal/m²・h・℃）であり、次式(2)の実験式から求め
られる。 α＝Ｃ₀×Ｗd^Ｃ1×Ｖa^Ｃ2／Ｔs^Ｃ3 ----(2) ここで、Ｃ₀〜Ｃ3は定数、Ｗdは水量密度(l/min・m²)、
Ｖaは流速(m/s)およびＴsは表面温度(℃)である。ま
た、水量密度Ｗdは、次式(3)により求めることができ
る。 Ｗd＝Ｗ／Ａ ----(3) ここで、Ｗは水量(l/min)である。また、スプレー面積
Ａは、ほぼスプレーの厚みＬ(m）と幅Ｈ(m)との積に比
例する。なおここで、スプレーの厚みＬとは、ノズルか
ら噴出された冷却水の鋳片引抜き方向の長さであり、幅
Ｈはノズルから噴出された冷却水の鋳片幅方向の長さで
ある。

【００１２】以上(1)〜(3)の式から、 Ｑ∝Ｗ^Ｃ1×Ｖa^Ｃ2×Ｌ^Ｃ4 （ただし、Ｃ4は定数で、0＜Ｃ1＜1、Ｃ4＝1-Ｃ1の関係
から0＜Ｃ4＜1）が得られる。すなわち、抜熱量Ｑは、
スプレーの厚みＬを大きくすることによって、水量Ｗ
や、流速Ｖaなどの条件を変更せずに抜熱量を大きく、
つまり冷却能力の強化が可能になることがわかる。

【００１３】このような観点から、スプレーノズルから
の冷却水の水量分布を適正化した結果、所期する効果を
得ることができたのである。以下に、その水量分布につ
いて詳しく説明する。スプレー厚み方向の水量分布は、
図３に示したように、スプレー厚み方向(鋳片引抜き方
向)に一定間隔で仕切りされた水槽に対して、高さＺ(一
定)の位置Ｃにスプレーノズルを設置し、このノズルか
ら冷却水を噴出し、この水を各水槽で受け、各水槽の受
水量(高さ)を測定することにより求める。そして、該水
量分布の最大部を100％としたときに、その20％の水量
となる始点をそれぞれＡおよびＢとし、この間の距離を
有効スプレー厚みＬとする。また、スプレーノズルの噴
霧口中心Ｃを頂点として、前記ＡおよびＢを結ぶ角ＡＣ
Ｂをスプレー厚み角θと呼ぶこととする。

【００１４】本発明に係るスプレーノズルは、上記水量
分布において、上記ＡとＢとの間では最大部の20％以上
の水量分布が連続すること、さらに、スプレー厚み角θ
は、30°以上であることが必要である。すなわち、水量
分布が20％未満の部分は、スプレーの主流ではなく飛散
水であるため十分な抜熱が行われず、冷却に寄与しな
い。飛散水の領域が相対的に広い場合は、その部分では
鋳片表面の復熱が生ずる。その結果、冷却と復熱の繰り
返しサイクルが増加し、鋼種によっては表面割れを助長
することになる。また、本発明に係るスプレーノズル
は、スプレー厚み角θを30°以上とすることが必要であ
る。この理由は、抜熱量Ｑを大きくするためには、スプ
レーの厚みＬを大きくする必要がある。一方、冷却帯の
ロール間隔およびスプレー設置距離も限られたスペース
であることから、スプレーの厚みＬを大きくするために
は、１本のノズルのスプレー厚み角θを大きくするのが
有効であり、30°未満では、スプレー厚みがロール間距
離に対して、その比が0.20以上を確保できないため、冷
却−復熱の熱振幅が大きくなり、冷却能力が不十分であ
る。

【００１５】ここで、本発明に従うスプレーノズルと従
来ノズルとのスプレー厚み方向における水量分布につい
て説明する。図４は、本発明のノズルを使用した時の水
量分布を示したもので、該水量分布は、上記ＡとＢとの
間では最大部の20％以上の水量分布が連続している。

【００１６】これに対して、図５に示す水量分布は、前
記ＡおよびＢ間で水量が連続して20％以上にならず、中
央部に20％を下回る領域が存在する、従来のスリット開
口を２本有するノズルの典型的な水量分布である。この
ような水量分布では、中央付近の低水量部分において復
熱が生じる結果、前記した問題が生じることになる。

【００１７】一方、図６に示す水量分布は、前記Ａおよ
びＢ間で水量が連続して20％以上になるものであるが、
スプレー厚み角θが30°未満である従来のスリット開口
を１本有するノズルの典型的な水量分布である。このよ
うな水量分布は、前述したスプレー厚みＬが大きくなら
ないために、冷却能を強化することが難しい。

【００１８】なお、本発明に従う水量分布をスプレーノ
ズルに与えるには、スリット開口を２本以上有する、い
わゆる多条ノズルを用いることが好ましい。従来のスリ
ット開口が１本のノズルでは、スプレーの厚み角度θは
25°程度が限界であるが、多条ノズルでは、それ以上の
厚み角度の確保が可能であるためである。

【００１９】ちなみに、図４〜６に示した水量分布を有
するスプレーノズルについての仕様と冷却性能は、表１
に示すとおりである。

【００２０】

【表１】

【００２１】さらに、前記Ａ，ＢおよびＣを結んで得ら
れる三角形ＡＢＣが、連続鋳造鋳型下部のロール帯にお
ける隣接ロール間に収まる配置の下に、スプレーノズル
を配設することが有利である。すなわち、図７に示すよ
うに、前記の水量分布に従うスプレーノズルを隣接ロー
ル20間に配置する際、三角形ＡＢＣが隣接ロール20間に
収まらないと、水量20％以上の領域のうち同図に斜線で
示す領域がロールに当たって鋳片に到達しないことにな
り、水流の衝突流量が低下するため、冷却水が無駄に消
費されることになる。従って、好ましくは、三角形ＡＢ
Ｃが隣接ロール20間に内接するように、スプレーノズル
を配設するのがよい。このような関係にすることによ
り、冷却水の無駄を解消できる。また、有効スプレー厚
みＬは、隣接ロール20の軸心間距離Ｌ₀に対し、(Ｌ／Ｌ
₀)が0.20以上、好ましくは0.25以上となるようにするの
が良い。この比が小さいと、急冷−復熱の熱振幅が大き
くなり、鋳片の割れ等を引き起こすからである。

【００２２】

【実施例】垂直曲げ型スラブ連続鋳造機にて、厚さ220m
m×幅1200mmの低炭素鋼(Ｃ含有量：0.04mass％)のスラ
ブを鋳造速度2.5m/minで鋳造する際に、鋳型の下部のロ
ール帯(二次冷却帯：全長30m)の上部 5mの範囲に、表２
示す仕様１の本発明に従うスプレーノズルを隣接ロール
間にそれぞれ配置し、残るロール帯(二次冷却帯)には、
表２に示す仕様２の従来のスプレーノズルを配置して、
連続鋳造操業を行った。なお、仕様１のスプレーノズル
は、２条スリットで、従来よりもスプレー距離を20mm近
づけることによって、水量分布における有効ノズル厚さ
Ｌ(前記Ａ，Ｂ間の長さ)を、従来例(仕様２)対比で1.72
倍としたものである。

【００２３】また、比較例として、ロール帯(二次冷却
帯)の全てに、表２に示す仕様２の従来のスプレーノズ
ルを配置して、連続鋳造操業を行った。なお、各スプレ
ーノズルからの水量および空気量は、水量：40 l／min
および空気量：15 Nm³/h・本と一定とした。これらの連
続鋳造操業における、鋳片表面温度降下量、鋳片冷却能
力および鋳片の内部割れ発生指数について調査した。な
お、鋳片表面温度降下量は、ロール下５m位置で、鋳片
の表面温度を温度計によって測定し比較した。また、鋳
片冷却能力は、表面温度測定結果から、伝熱解析により
抜熱量を算出して比較した。そして、鋳片の内部割れ発
生指数は、鋳片の鋳造方向断面を観察して、内部割れの
有無を判定し、内部割れの発生した鋳片の本数比率を求
めたものである。

【００２４】これらの調査結果を表３に示す。この結果
から、本発明のノズルを使用することにより、鋳片の品
質を損なうことなく、冷却能力を大幅に向上することが
可能であることがわかる。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、スプレーノズルにおけ
る水量や空気量の条件を大きく変更することなしに、鋳
片に対する冷却能を効率良く強化することができるた
め、優れた内部品質を有する鋳片を低コストで製造する
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 連続鋳造設備の構成を示す図である。

【図２】 下部ロール帯に配置するスプレーノズルを示
す図である。

【図３】 水量分布の測定要領を示す図である。

【図４】 スプレーノズルから供給される冷却水の水量
分布を示す図である。

【図５】 スプレーノズルから供給される冷却水の水量
分布を示す図である。

【図６】 スプレーノズルから供給される冷却水の水量
分布を示す図である。

【図７】 隣接ロール間におけるスプレーノズルの配置
を示す図である。

【符号の説明】

１ 鋳型 ２ 下部ロール帯 ３ スプレーノズル ４ 冷却水 ５ 凝固シェル(鋳片) ６ 水槽 ７ 仕切板 20 ロール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安達 一成 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者 山崎 久生 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者 南部 征一郎 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者 久下 良太 兵庫県氷上郡柏原町北山字野中130−３ 株式会社共立合金製作所内 (72)発明者 谷垣 明彦 兵庫県氷上郡柏原町北山字野中130−３ 株式会社共立合金製作所内 Ｆターム(参考） 4E004 KA04 KA07 KA14

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】連続鋳造鋳型下部のロール帯において、ロ
   ール間に配置したスプレーノズルを用いて二次冷却を施
   すに当り、各スプレーノズルから噴霧される冷却水の、
   鋳片引き抜き方向の水量分布を、該水量分布の両端から
   水量分布における最大部の20％となる始点をそれぞれＡ
   およびＢとしたとき、このＡとＢとの間では前記最大部
   の20％以上の水量分布が連続し、かつスプレーノズルの
   噴霧口中心Ｃを頂点とした場合の角ＡＣＢを30°以上と
   することを特徴とする連続鋳造における二次冷却方法。
2. 【請求項２】スプレーノズルは複数の噴霧口を有するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】Ａ，ＢおよびＣを結んで得られる三角形Ａ
   ＢＣが、連続鋳造鋳型下部のロール帯における隣接ロー
   ル間に収まるようスプレーノズルを配置することを特徴
   とする請求項１または２に記載の方法。