JP2005305536A - 溶融金属の連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流磁場による電磁力だけで効果的な鋳型内溶融金属の攪拌が可能で、充分な深さまでの鋳片表面性状を改善することができる連続鋳造方法を提供すること。
【解決手段】 一定周期で振動される１対の長辺と１対の短辺からなる水冷鋳型内に浸漬ノズルを介して溶融金属を注入し、水冷鋳型の周囲に設けた電磁コイルによって発生した交流磁場により溶融金属を鋳型壁から引き離す方向に電磁力を作用させつつ凝固させ、下方に連続的に引き抜いて溶融金属を連続鋳造するに際し、溶融金属を鋳型壁から引き離す方向に作用する電磁力の鋳片引抜方向の分布の基となる磁場勾配を制御することにより、攪拌流の攪拌領域及び攪拌流速を所定の範囲に設定すること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶融金属の連続鋳造方法、特に、鋳型内の溶融金属に交流磁場を付与して広域に攪拌する連続鋳造方法に関する。

鋼の如き溶融金属の連続鋳造において、オシレーションマーク、初期凝固を制御して鋳片の表面性状を改善する方法がこれまで多く提案されている。例えば、磁場を利用する方法として、（特許文献１）には、溶融金属を潤滑剤と共に一定の周期で振動する水冷鋳型に注入し、連続的に下方に引き抜く連続鋳造方法において、鋳型周囲に設けた電磁コイルに交流電流を連続通電し、交流磁場によって発生する電磁力を利用して、溶融金属にピンチ力を作用させて凸状に盛り上げることによって、鋳片の表面性状を改善する方法が開示されている。
また、（特許文献２）には、電磁コイルにより鋳型内の溶融金属に電磁力を付与する際、交流磁場の付与により電磁力を間欠的に印加し、凝固シェルと鋳型壁の間へのパウダーの流れ込みを一層推進し、さらに、表面性状の改善を図る方法が記載されている。
更に、（特許文献３）には、連続鋳造鋳型壁を取り囲むように設置されたソレノイド状電磁コイルに交流電流を通電し、鋳型内の凝固しつつある溶融金属に、誘導電流と誘導磁場の方向から決まる鋳型壁から溶融金属側に引き離す方向に作用する電磁力を印加しながら、溶融金属を凸状に盛り上げて連続鋳造するに際し、通電する交流電流の振幅または波形を波形発生装置により周期的に変化させることによって、初期の凝固を安定させ、鋳片表面性状を改善する方法が開示されている。
特開昭５２―３２８２４号公報 特開昭６４−８３３４８号公報 国際公開ＷＯ９６／０５９２６号公報

上記の（特許文献１）〜（特許文献３）のように、溶融金属に交流磁場を付与しつつ連続鋳造することによって、鋳片の表面性状を改善する技術が多く提案されているが、このような軟接触鋳造技術により鋳片表面付近の品質を向上させることができるものの、鋳片表面から一定深さ以上の品質改善には至らなかった。従来でも、鋳片表面から２０mm深さ程度までの品質を向上させるために、交流磁場による電磁力に加えてさらに鋳型内電磁攪拌技術を併用することも提案されているが、軟接触鋳造に加えて他の電磁力技術を併用することになることから、設備費が高くなる等の問題があった。
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決することを課題とし、交流磁場による電磁力だけで効果的な鋳型内溶融金属の攪拌が可能で、充分な深さまでの鋳片表面性状を改善することができる連続鋳造方法を提供するものである。

上記課題を解決するための本発明の連続鋳造方法は、一定周期で振動される１対の長辺と１対の短辺からなる水冷鋳型内に浸漬ノズルを介して溶融金属を注入し、水冷鋳型の周囲に設けた電磁コイルによって発生した交流磁場により溶融金属を鋳型壁から引き離す方向に電磁力を作用させつつ凝固させ、下方に連続的に引き抜いて溶融金属を連続鋳造するに際し、溶融金属を鋳型壁から引き離す方向に作用する電磁力の鋳片引抜方向の分布の基となる磁場勾配を制御することにより、攪拌流の攪拌領域及び攪拌流速を所定の範囲に設定することを特徴とする。特に、本発明では鋳型壁に沿って下降する方向の攪拌流をできるだけ広範囲に到達させることで、鋳片の品質を向上させる。
また、上記の鋳造方法においては、鋳型内における所定部位の溶融金属の攪拌は、下記の式（１）（２）（３）を同時に満足させることにより行うことが好ましい。
０．５≦Ｚ_ｂｍａｘ／Ｔ_ｍ≦２ （１）
但し、Ｚ_ｂｍａｘ ：電磁力無印加時の溶融金属湯面と鋳型内磁束密度鉛直方向成分の
最大値位置の距離
Ｔ_ｍ ：鋳造厚みの１／２
０．２５≦Ｂ_１′^２／Ｌ_１≦２ （２）
但し、Ｂ_１′ ：磁束密度の鉛直方向成分を湯面から鋳型空間内の最大の磁束密度を取
る位置まで２乗して積分し平方根をとり、鋳造空間内の最大の磁束密
度の鉛直成分で無次元化した値
Ｌ_１ ：Ｚ_ｂｍａｘ／Ｔ_ｍ（無次元値）
０．１≦Ｂ_２′^２／Ｌ_２ （３）
但し、Ｂ_２′ ：磁束密度の鉛直方向成分を鋳型空間内の最大の磁束密度をとる位置か
ら鋳型下端まで２乗して積分し平方根をとり、鋳造空間内の最大の磁
束密度の鉛直成分で無次元化した値
Ｌ_２ ：鋳型内の磁束密度の鉛直成分の最大値位置と鋳型下端間の距離を
Ｔ_ｍで除した無次元値
以上の式を満足することで、最適な溶融金属の攪拌流が得られる。

本発明に係る鋳造方法によれば、電磁攪拌技術を用いることなく、交流磁場を付与する軟接触鋳造技術だけで、効率的で広範な溶融金属の攪拌を行うことができ、表面性状に優れ、かつ、鋳造欠陥のない良好な品質の連続鋳造鋳片を設備コストを増大させずに生産することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明者らは、軟接触鋳造の際に発生する次のような現象を効果的に利用することを見出した。すなわち、図１は、鋼の如き溶融金属の連続鋳造方式の一般的な態様を示すもので、一定周期で振動される１対の長辺と１対の短辺からなる水冷鋳型２内に浸漬ノズル１を介して溶融金属を注入して凝固させ、下方に連続的に引き抜いて溶融金属を連続鋳造するものである。浸漬ノズル１を介して鋳型２内に注入された溶融金属３に、鋳型２を包囲するように配置したソレノイド型電磁コイル４に交流を通電することで交流磁場を付与することで、鋳型内の溶融金属３に対し溶融金属を鋳型壁から引き離す方向に電磁力５を作用させ、溶融金属を凸状に盛り上げメニスカス形状を変化させる。一方、前記の交流磁場により、鋳型内の溶融金属には、コイル４の垂直中心位置付近に存在する磁束密度の最大位置Ｚ_ｂｍａｘよりも上方では、鋳型壁に沿って下降する方向の攪拌流６が、コイル４の垂直中心位置付近に存在する磁束密度の最大位置Ｚ_ｂｍａｘよりも下方では、鋳型壁に沿って上昇する方向の攪拌流７が誘起される。なお、８はメニスカス部に供給される潤滑用のパウダー、９は下方に引き抜かれる鋳片であり、１０は凝固シェルである。

溶融金属に作用する電磁力５は、通常は、電磁コイル４の中心位置ｈを最大値とし、その上下方向にそれぞれ減衰することとなる。溶融金属の攪拌は、下式（１）を満足するように、溶融金属湯面より下方の適正な位置に電磁力の最大値を持たせることで安定した攪拌流を作ることができる。
０．５≦Ｚ_ｂｍａｘ／Ｔ_m≦２ （１）
但し、Ｚ_ｂｍａｘ ：電磁力無印加時の溶融金属湯面と鋳型内磁束密度鉛直方向成分の
最大値位置の距離
Ｔ_ｍ ：鋳造厚みの１／２
なお、上下限値は最も安定した渦と考えられる断面が円に近くなる１を基準にそこからの渦の変形度合いを示すもので、この上下限値が安定な渦の条件となる。この範囲を外れると、湯面の乱れが発生し、安定な鋳片品質が得られない。
図２（ａ）に横軸に電磁力の強さＢ²、縦軸に溶融金属の深さ方向の距離ｚをとった場合の電磁力の推移とその磁場勾配を模式的に示した。垂直中心位置付近に存在する磁束密度の最大位置Ｚ_ｂｍａｘより上方の溶融金属攪拌領域では上記の如く、下向きの攪拌流６が生じているが、このときの磁場勾配１１は、下記の（２）式によって制御される。
０．２５≦Ｂ_１′^２／Ｌ_１≦２ （２）
但し、Ｂ_１′ ：磁束密度の鉛直方向成分を湯面から鋳型空間内の最大の磁束密度を取
る位置まで２乗して積分し平方根をとり、鋳造空間内の最大の磁束密
度の鉛直成分で無次元化した値
Ｌ_１ ：Ｚ_ｂｍａｘ／Ｔ_ｍ（無次元値）
この磁場勾配１１は、パウダーの挙動などを考慮して適正な流速を維持するべく決められるが、これは従来から実施されてきたものである。しかし、垂直中心位置付近に存在する磁束密度の最大位置Ｚ_ｂｍａｘから下方の磁場勾配１２は、従来では全く考慮されてはいなかったもので、適当に設定されており、そこには攪拌流７を制御しようとする意図は見られなかった。この攪拌領域における制御は、従来では別途設けた電磁攪拌設備に依存することが主流であった。

例えば、図２（ａ）に示すような傾斜の急峻な磁場勾配１２で垂直中心位置付近に存在する磁束密度の最大位置Ｚ_ｂｍａｘから下方の領域の攪拌流の制御を行うと、攪拌流７の生じる領域は狭い範囲に抑えられ、流れが下方の広い範囲までには行き渡らない。これでは鋳片の凝固シェル１０はその凝固厚みを必要以上に早めに増し、鋳片品質を損なうおそれがある。そこで、本発明では上向きの攪拌流７をできるだけ広範囲に下方領域まで行き渡らせて、その流れによって必要以上に早めに凝固し始めている箇所を洗うことで、凝固を遅らせ鋳片欠陥の発生を防止し、鋳片品質の改善を図るものである。
このために、図２（ｂ）に示すような傾斜を緩やかにした磁場勾配１３を採用することにより、所定の攪拌流を生成する。この攪拌流は、電磁力の最大値と勾配によって支配されるが、電磁力の最大値は、軟接触状態を生じる湯面形状の安定性から上限がある。そこで、本発明では、図２（ａ）（ｂ）の如く、電磁力の強さは同じであっても、磁場勾配を制御することにより、攪拌領域と攪拌流速を所望の範囲とすることを狙いとする。

以上のことを考慮して本発明においては、電磁コイル垂直中心位置付近に存在する磁束密度の最大位置Ｚ_ｂｍａｘの下方領域における磁場勾配１３は、下記の（３）式によって制御することとした。この磁場勾配１３は一定の値（閾値）以上であれば、その下限は規定する必要はない（勿論、零以上）が、適正な攪拌流を得るためには好ましくは０．１以上とする。これによって本発明では、図１の１点鎖線７′で示すように、下方領域における攪拌流７がメニスカスからかなり深い位置まで到達し、シェル１０の壁を洗って凝固を遅らせ、その組織改善を図るものである。
０．１≦Ｂ_２′^２／Ｌ_２ （３）
但し、Ｂ_２′ ：磁束密度の鉛直方向成分を鋳型空間内の最大の磁束密度をとる位置か
ら鋳型下端まで２乗して積分し平方根をとり、鋳造空間内の最大の磁
束密度の鉛直成分で無次元化した値
Ｌ_２ ：鋳型内の磁束密度の鉛直成分の最大値位置と鋳型下端間の距離を
Ｔ_ｍで除した無次元値

幅が１５００ｍｍ、高さが８８０ｍｍ、厚みが２５０ｍｍの鋳型のメニスカス部に、高さが２５０ｍｍのソレノイドコイルを、その上端がメニスカス位置になるようにセットし、また、メニスカスから３００ｍｍ深さとなる外径１５０ｍｍ、内径９０ｍｍの浸漬ノズルを用いて鋳造を行った。連続鋳造機は曲げ半径１０．５ｍ、垂直部２．５ｍの垂直部を有する者を使用し、低炭アルミキルド鋼を鋳造速度１．３ｍ／分で鋳造した。ノズルの吐出口は、鋳型空間の短辺側に向う直径６０ｍｍ、吐出角度θが３０度を有する２孔部を有するものを用いた。磁場勾配は、鋳型銅板の電気伝導度を鉛直方向に変えることにより変更し、Ｚ_ｂｍａｘ／Ｔ_m＝１，Ｂ_１′^２／Ｌ_１＝０．９とすると共に、Ｂ_２′^２／Ｌ_２を０．０８，０．１，０．２となるようにした。
鋳片表面の状態は、いずれもオッシレーションマークの無い平滑面であったが、鋳片表層２０ｍｍの深さまでの鋳片を観察して評価した１００μｍ以上の径の介在物個数は、Ｂ_２′^２／Ｌ_２が０．１以上で水平旋回電磁攪拌の鋳片表層１０ｍｍまでの品質と同等以上となった。

本発明方法を適用する溶融金属の連続鋳造設備とその攪拌状態を模式的に示す断面該略図である。 溶融金属メニスカスからの距離ｚと電磁コイルによる電磁力の強さの関係を示す図で、（ａ）は従来の連続鋳造における磁場勾配を、（ｂ）は本発明の磁場勾配を表わしている。

符号の説明

１ 浸漬ノズル ２ 水冷鋳型
３ 溶融金属 ４ ソレノイド式電磁コイル
５ 電磁力 ６、７ 攪拌流
８ パウダー ９ 鋳片
１０ 凝固シェル １１〜１３ 磁場勾配

Claims (2)

1. 一定周期で振動される１対の長辺と１対の短辺からなる水冷鋳型内に浸漬ノズルを介して溶融金属を注入し、水冷鋳型の周囲に設けた電磁コイルによって発生した交流磁場により溶融金属を鋳型壁から引き離す方向に電磁力を作用させつつ凝固させ、下方に連続的に引き抜いて溶融金属を連続鋳造するに際し、溶融金属を鋳型壁から引き離す方向に作用する電磁力の鋳片引抜方向の分布の基となる磁場勾配を制御することにより、攪拌流の攪拌領域及び攪拌流速を所定の範囲に設定することを特徴とする、溶融金属の連続鋳造方法。
2. 鋳型内における所定部位の溶融金属の攪拌は、下記の式（１）（２）（３）を同時に満足させることにより行うことを特徴とする、請求項１記載の溶融金属の連続鋳造方法。
   ０．５≦Ｚ_ｂｍａｘ／Ｔ_ｍ≦２ （１）
   但し、Ｚ_ｂｍａｘ ：電磁力無印加時の溶融金属湯面と鋳型内磁束密度鉛直方向成分の
   最大値位置の距離
   Ｔ_ｍ ：鋳造厚みの１／２
   ０．２５≦Ｂ_１′^２／Ｌ_１≦２ （２）
   但し、Ｂ_１′ ：磁束密度の鉛直方向成分を湯面から鋳型空間内の最大の磁束密度を取
   る位置まで２乗して積分し平方根をとり、鋳造空間内の最大の磁束密
   度の鉛直成分で無次元化した値
   Ｌ_１ ：Ｚ_ｂｍａｘ／Ｔ_ｍ（無次元値）
   ０．１≦Ｂ_２′^２／Ｌ_２ （３）
   但し、Ｂ_２′ ：磁束密度の鉛直方向成分を鋳型空間内の最大の磁束密度をとる位置か
   ら鋳型下端まで２乗して積分し平方根をとり、鋳造空間内の最大の磁
   束密度の鉛直成分で無次元化した値
   Ｌ_２ ：鋳型内の磁束密度の鉛直成分の最大値位置と鋳型下端間の距離を
   Ｔ_ｍで除した無次元値

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