JP2006255729A - 連続鋳造における鋳片の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】連続鋳造プロセスにおいて、同じ冷却水量においても、鋳片を効率的に冷却し、且つ、厚み方向に均一な冷却のもとで、冷却能力を向上する。
【解決手段】連続鋳造プロセスにおける鋳片を冷却する二次冷却スプレーにおいて、次式
Ｐ＝Ｌ×Ｆ×Ｈ／Ｑ
で表わされるパラメータＰの値が、０．３５以上となるように、スプレーの厚みＬ（ｍｍ）、衝突圧Ｆ（Ｎ／ｍｍ^２）、ノズル高さＨ（ｍｍ）、水量Ｑ（Ｌ／分）のうち一つ、又は複数の要素を調節し、冷却能力を調整する。
【選択図】図８

Description

本発明は、連続鋳造において、二次冷却帯における冷却スプレーを最適化することにより、総合的な冷却能力を向上させる二次冷却スプレーを用いた鋳片の冷却方法に関するものである。

連続鋳造においては、図１に全体を示す如く、溶鋼１０が、図示しない取鍋からタンディッシュ１４と浸漬ノズル１６を介して水冷式の鋳型１８に注入された後、鋳片（スラブとも称する）２０を鋳造方向に引き抜き、且つ冷却を加えながら、鋳片を連続的に製造する。まず、最初の鋳型部においては、鋳片は鋳型１８と接することによって抜熱し、初期凝固シェルを形成する。その後、鋳型１８を抜けた鋳片２０は、クーリンググリッド又はサポートロール２２からなるセグメントにより、鋳片２０が厚み方向に膨らむことを防止させながら、徐々にピンチロール２６によって、鋳造方向に引き抜かれる。

前記サポートロール２２から形成されるセグメント内では、図２に詳細に示す如く、鋳造方向のロール２２間に冷却スプレー２４を設置し、そのスプレーにより冷却される。この冷却スプレー２４により鋳片２０は冷却されて、徐々に凝固シェルを厚くし、連鋳機の機長内で凝固を完了させる。

その後、トーチカッター２８により所定の長さに鋳片を切断することにより、鋳片を安定的に、且つ、大量に製造することが可能になっている。

一方、近年、製造コストの削減のために、生産性を向上させることが叫ばれている。連続鋳造プロセスにおいて、生産性を向上させるためには、製造ラインのスピード、つまり、鋳片の引き抜き速度を増大することが有効である。そのためには、様々な問題を解決する必要があるが、その中でも、鋳片をより効率的に冷却する技術が必要である。特に高速鋳造になると、鋳型直下における凝固シェルの厚みが薄くなり、その凝固シェルが破れてブレークアウトが発生するか、若しくは、凝固シェルが破れるまでは行かないものの、鋳片が溶鋼の静圧により膨らんでしまうバルジングが発生し、鋳型の湯面が上下に変動してしまい、モールドパウダーを鋳片に巻き込み、最終製品で欠陥となってしまう問題が生じてしまう。従って、冷却時に、二次冷却帯におけるスプレーによる冷却能力が向上する方法が求められていた。

これまで、二次冷却帯で鋳片を強制的に冷却する方法としては、大きく分けて２種類存在する。（１）水のみの一流体のスプレーによるもの（以下、水スプレーと呼ぶ）、（２）水とエアーを混在させた二流体（以下、ミストスプレーと呼ぶ）によるものである。

（１）の水スプレーは、１本の配管の先にノズルチップを装着し、ポンプにより水をノズルを介して噴射させ、鋳片を冷却する。又、（２）のミストスプレーは、それぞれ水が供給される配管とエアーが供給される配管とが合流し、霧状態で鋳片に直接冷却する。

一般には、水スプレーは、構造は簡単であるが、鋳片に当たる水の粒子径が大きく、ミストスプレーより不均一冷却になり易い問題がある。又、水スプレーは、ノズルチップにゴミ等が詰まり易いことなどから、近年では、ミストスプレーの方が主流を占めている。又、水スプレーは、冷却分布が崩れずに冷却が可能な水量の可変領域が小さいことも知られている。

非特許文献１、２には、それぞれのスプレーの冷却能力を推定する式が開示されている。これから、目的である鋳片の冷却能力を向上させるためには、水スプレーの場合、水量密度を増加させる、つまり、鋳片にかける水量を増大させることが有効であることがわかる。

しかしながら、水量を増強するためには、水量の確保の他に、ポンプの増強、冷却塔の設置等、設備投資の額が巨大になってしまう問題があった。又、ノズルの配置等を最適化することも考えられるが、結局は改造を伴うためハードの改造が必要となるだけでなく、二次冷却スプレーの水量等を制御するソフトも改造が必要となるため、やはり、巨額な設備投資が必要となってくる状況にあった。

そのような中、特許文献１には、鋳造方向に冷却面積を広くとることによって冷却能力を向上させる技術が開示されている。この技術においては、ノズルチップ先端に２本のスリットを切ることによって、鋳造方向の冷却面積を大きくしている。しかしながら、水量分布は、２ヶ所にピークのある歪な形になり、厚板等の不均一冷却を嫌う鋼種においては、横割れ等の発生の危険が存在していた。

一方、特許文献２には、鋳造方向に冷却面積を広くとりながら、均一な水量分布を実現するノズルチップの技術が開示されている。このノズルチップの場合、ノズルチップの内部にデフレクタと呼ばれるものを配置することによって、鋳造方向の冷却面積を確保している。

三塚、鉄と鋼、Ｖol.５４（１９６８）、ｐ.１４５７−１４７１ 手嶋等、鉄と鋼、Ｖol.７４（１９８８）、ｐ.１２８２−１２８９ 特開２００３−１３６２０５号公報 特開２００４−１６８４６号公報

しかしながら、特許文献１や２に記載されたノズルを使用しても、一般には鋳造方向に冷却面積をただ広げただけでは、水量密度が減じ、結局、衝突圧が減り、逆に冷却能力が悪化する可能性があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、連続鋳造プロセスにおいて、同じ冷却水量においても、鋳片を効率的に冷却し、且つ、厚み方向に均一な冷却のもとで、冷却能力を向上することを課題とする。

本発明は、連続鋳造プロセスにおける鋳片を冷却する二次冷却スプレーにおいて、次式
Ｐ＝Ｌ×Ｆ×Ｈ／Ｑ …（１）
で表わされるパラメータＰの値が、０．３５以上となるように、スプレーの厚みＬ（ｍｍ）、衝突圧Ｆ（Ｎ／ｍｍ^２）、ノズル高さＨ（ｍｍ）、水量Ｑ（Ｌ／分）のうち一つ、又は複数の要素を調節し、冷却能力を調整することにより、前記課題を解決したものである。

即ち、本発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意検討・研究を行なった。以下に、その検討・研究結果を説明する。ここでは、水とエアーを混合させるミストスプレーを例にとり説明するが、水スプレーは、エアー量が０の場合のことであり、容易に推察される。

まず、ノズルチップの設計をするにあたっては、１本当たりのノズルから供給できる噴霧量と圧力条件が必要である。ここで噴霧量とは、ポンプより供給可能な水量とエアー量のことを指し、圧力条件とは、供給するために必要な水圧とエアー圧のことである。なぜなら、ノズルチップの構造が異なると、同じ水量、エアー量でも、供給するのに必要な圧力条件は異なるからである。

又、１本のノズルが冷却する領域の条件も必要である。鋳片の冷却面積が約３００〜５００ｍｍと狭いブルーム連鋳機やビレット連鋳機の場合、鋳造方向とは直角の幅方向には１つのノズルしか配置しないが、鋳片の幅が最大で２０００ｍｍを超えるようなスラブ連鋳機の場合、１本のノズルでは冷却必要面積をカバーできないために、複数本のノズルを幅方向に設置する。そのため、１本のノズルが冷却に必要な幅を考慮し、幅方向の噴霧角度を調整する。従って、複数本のノズルから供給されるミストが重なる部分を考慮に入れて、幅方向に均一になるようにする必要がある。

その際に、均一性の評価の指標としては、図３に示すようなアクリル板で製作した水箱単体３０を複数個組み立てた水箱組立体３１を用いて水量分布を観察し評価した。測定の手法は、一定時間、ノズルチップ３２よりミスト３４を噴霧し、各水箱にたまった水の量を高さより換算して求め、水量分布の状態を判断した。幅方向の分布の評価においては、図３の１０×３０ｍｍの水箱単位３０が複数個組み上がった水箱組立体３１の各水箱のそれぞれにたまった水量をそれぞれ求め、その最大値を１００％として、幅方向の分布を％表示で評価した。

又、スプレー厚みの定義であるが、図４に示すように、幅方向分布を測定した時と同様にミスト３４を噴霧するが、水箱組立体３１の向きを鋳造方向と平行な厚み方向に対して平行に設置し、水量分布を測定した。スプレーの厚み方向の分布の評価であるが、幅方向の水量分布の評価と同じように、一番水量密度の大きな箇所の水量を１００％とし、それぞれの水箱の量を％で表示し評価した。又、式（１）のスプレー厚みＬの定義であるが、水量の２５％以上となる領域の厚み方向の長さを指す。勿論、スプレー厚みは、霧の位置によって大きく変化するため、ここでは、ノズル直下に組み立てた水箱を設置し測定した時の値を本発明のスプレー厚みと定義した。

又、衝突圧については、図５に厚み方向の衝突圧の測定方法を示す如く、歪みゲージより構成されるセンサーを使用して測定した。センサーヘッド３６は、１０ｍｍ角の大きさを有していることから、衝突圧の単位は、単位面積当たりの力を表わしている。ここでは単位は、Ｎ／ｍｍ²となり、厚み方向の衝突圧の最大値を、式（１）におけるＦの値とした。測定は、センサーヘッド３６を固定しノズルチップ３２を移動することによって行っても良いし、逆に、ノズルチップ３２を固定しセンサーヘッド３６を移動することによって行っても良い。実験では、センサーヘッド３６をスプレー厚み方向に移動することによって測定し、その得られた衝突圧の最大値を衝突圧Ｆとした。幅方向の衝突圧の測定方法を図６に示す。

ノズル高さＨについては、図３、図５中に示したように、ノズルチップ３２の先端から冷却対象物までの距離をノズル高さと定義した。

又、水量Ｑは、水を供給するポンプよりノズルチップまでの間に電磁流量計を設置して測定した値である。

上記に記載した方法により噴霧実験を行ない、冷間での測定を行ない、式（１）により求まる値を０．３５以上に制御するようにノズルを試作した。

一方、試作したノズルは、以下に示す熱間実験により冷却能力を実測して効果を検証した。具体的には、加熱した鋼材を水スプレー又はミストスプレーで冷却し、鋼材の温度履歴から定量的な評価をするのが一般的である。鋼材の温度履歴の把握には、鋼材に埋め込んだ熱電対の温度測定、若しくは放射温度計による鋼材の表面温度測定を行なうのが望ましい。しかしながら、熱した鋼材を水スプレー等を用いて冷却すると水蒸気が発生するために、放射温度計は正しい温度を把握することが困難である。そこで、鋼材の冷却する面とは反対側より穴を空けて、そこに熱電対を埋め込み、熱電対の温度履歴を測定するのが最適である。

そこで、実操業のノズルの配置部を模擬した図７に示すようなラボ実験装置を製作した。このラボ実験装置は、連続鋳造機の垂直部を模擬しており、ロール４０とロール４０間にノズル４２が配置され、熱した実験用鋼材４４をノズル４２から噴霧された液体により冷却するようにした。ここでは、水とエアーを混合させた二流体であるミストスプレーを用いて実験を行なった。使用したミストスプレーノズル４２は、水量が６．６〜４７．９Ｌ／分、エアー量が７５〜４８０ＮＬ／分である。

又、加熱する鋼材４４は、幅２８０ｍｍ、高さ５６０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの０．２％炭素鋼に、冷却面とは反対の裏面から、直径１．８ｍｍ、深さ１８ｍｍの穴４５を７個空けて、そこにφ１．６ｍｍのＫ型シース熱電対４６を埋め込んだ。熱電対４６の埋め込み位置は、冷却水が直接かかるノズル直下部分を中心に、鋳造方向に相当する厚み方向に７個配置させた。

実験は、１２００℃に加熱した電気炉で上記の鋼材４４を約１時間加熱し、鋼材４４を取り出し、実験装置に固定して、冷却を開始した。熱電対４６の温度は、熱電対より補償導線を介して、パーソナルコンピュータに０．１秒毎に取り込み測定した。得られた温度履歴より、まず、それぞれの熱電対４６における熱伝達係数を算出し、その次に、輻射冷却を含めた模擬ロール４０間の平均熱伝達係数を算出し、冷却能力の評価をした。本発明では、対流と輻射を含めた熱伝達係数の値を、総括熱伝達係数と定義した。又、熱伝達係数は、表面温度５０℃毎に算出し、本発明では、連続鋳造鋳片の平均表面温度の平均に近いと推定される８５０℃の総括熱伝達係数により比較することにした。

実験は、式（１）の値が０．３５未満の通常品と式（１）の値が０．３５以上の本発明品の２グループのノズルについて熱間実験を行なった。

その結果、図８に示すように、式（１）の値が０．３５以上である本発明品であるノズルについては、通常品より冷却能力が高いことが分かった。

その結果、表１に示すように、二次冷却ノズルから噴出される水、若しくはミストを最適な条件で噴霧することにより、同じ冷却水量でも、鋳造方向の冷却面積を広げることができ、又、所定の噴射圧力、つまり衝突圧を制御することにより冷却能力が向上することが判明した。

本発明は、上記検討結果に基づいてなされたものであり、連続鋳造における二次冷却スプレーを鋳造方向に厚みを均一に増したノズルを使用する連続鋳造方法において、下記（１）式で表わされるパラメータＰの値が、０．３５以上となるように、スプレーの厚みＬ（ｍｍ）、衝突圧Ｆ（Ｎ／ｍｍ^２）、ノズル高さＨ（ｍｍ）、水量Ｑ（Ｌ／分）のうち一つ、又は複数の要素を調節し、冷却能力を調整することを特徴とするものである。

Ｐ＝Ｌ×Ｆ×Ｈ／Ｑ …（１）

本発明によれば、連続鋳造プロセスにおいて、同じ冷却水量においても、鋳片を効率的に冷却し、且つ、厚み方向に均一な冷却のもとで、冷却能力が向上する。その結果、近年の鋳造速度を高速化させた連続鋳造操業にあっても、操業トラブルを生じることなく高品質の鋳片を安定して鋳造することが実現でき、工業上有益な効果がもたらされる。

以下、本発明について具体的に説明する。連続鋳造用の二次冷却スプレーであるが、一流体のみの水スプレーであってもよいし、二流体、つまり、水とエアーの混合であるミストスプレーでもよい。一般には、同じ水量、同じスプレー厚みの場合、ミストスプレーの方が、衝突圧は大きいことが知られている。そのため、比較する場合は、同じ冷却形態、つまり、ミストスプレーならミストスプレー同士で比較することが望ましい。

水とエアーを混合させるミストスプレーにおいて、最大水量４８Ｌ／分、最大エアー量４８０ＮＬ／分において安定的に厚みが一定になるようなスプレーにて、冷却を行なった。本実施例においては、ノズル高さＨは１２６ｍｍ固定とした。

従来品は、ノズルチップ先端近傍に取り付けた圧力計の測定値が、水が流れる配管の圧力は、０．４９ＭＰａ、エアーの圧力は０．２８ＭＰａであった。このときのスプレー厚みＬは３５ｍｍ、衝突圧Ｆは２８×１０^-4Ｎ／ｍｍ²、このときのＰ＝Ｌ×Ｆ×Ｈ／Ｑの値は、０．２６であり、熱間冷却実験による８５０℃における熱伝達係数は１１１７kcal／ｍ^２ｈｒ℃であった。

一方、開発した本発明のミストスプレーは、ノズルチップ先端近傍に取り付けた圧力計の測定値は、水が流れる配管の圧力は、０．５７ＭＰａ、エアーの圧力は０．４５ＭＰａであった。このときのスプレー厚みＬは６３ｍｍ、衝突圧Ｆは２５×１０^-4Ｎ／ｍｍ²、このときのＰ＝Ｌ×Ｆ×Ｈ／Ｑの値は、０．４１であり、８５０℃における熱伝達係数は１５１７kcal／ｍ^２ｈｒ℃と従来品より大きいことが確認できた。

連続鋳造設備の全体構成図 同じく二次冷却スプレー部分の拡大図 本発明を導出する際に用いた、二次冷却スプレーの幅方向の水量分布を測定する手法を説明する斜視図 同じく二次冷却スプレーの厚み方向の水量分布を測定する手法を説明する斜視図 同じく二次冷却スプレーの厚み方向の衝突圧を測定する手法を説明する斜視図 同じく二次冷却スプレーの幅方向の衝突圧を測定する手法を説明する斜視図 同じく二次冷却スプレーの熱間のラボ実験装置を模式的に説明した図 同じく本発明のパラメータと熱間ラボ実験より得られた８５０℃における総括熱伝達係数向上比率との関係を示す図

符号の説明

１０…溶鋼
１４…タンディッシュ
１６…浸漬ノズル
１８…鋳型
２０…鋳片
２２…サポートロール
２４…冷却スプレー
２６…ピンチロール
２８…トーチカッター
３０…水箱単体
３１…水箱組立体
３２…ノズルチップ
３４…水又はミスト
３６…センサーヘッド
４０…ロール
４２…ノズル
４４…熱間ラボ実験用鋼材
４５…熱電対取付穴
４６…熱電対

Claims (1)

1. 連続鋳造プロセスにおける鋳片を冷却する二次冷却スプレーにおいて、次式
   Ｐ＝Ｌ×Ｆ×Ｈ／Ｑ
   で表わされるパラメータＰの値が、０．３５以上となるように、スプレーの厚みＬ（ｍｍ）、衝突圧Ｆ（Ｎ／ｍｍ^２）、ノズル高さＨ（ｍｍ）、水量Ｑ（Ｌ／分）のうち一つ、又は複数の要素を調節し、冷却能力を調整することを特徴とする連続鋳造における鋳片の冷却方法。

Images