JP2006315044A - 連続鋳造におけるスプレー冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大規模な設備投資を行うことなく、連続鋳造におけるスプレー冷却による鋳片の抜熱量調整可能範囲を増大することのできるスプレー冷却方法を提供する。
【解決手段】 冷却媒体を少なくとも２個の噴射口４ａ、４ｂから噴射させ、各噴射流５ａ，５ｂが鋳片表面１に到達するまでに衝突角θで衝突するように噴射させるスプレーノズル３（衝突型ノズル３ａ）を採用し、かつスプレーノズル３から鋳片表面１までの距離（ノズル高さＨ）を２２０ｍｍ以下の短距離とすることにより、冷却水量Ｗを増大させても、鋳造方向の散水厚みＬが一定に保持される。散水表面積Ａが一定に保持されるため、冷却水量Ｗを増大させたときに従来以上に大きな抜熱量Ｑを実現することができるので、結果としてスプレー冷却における抜熱量Ｑの調整可能範囲を拡大することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、連続鋳造のロール帯において鋳片を冷却するスプレー冷却方法に関するものである。

連続鋳造において鋳型内で表層部のみ凝固した鋳片は、鋳型下のロール帯に引き抜かれ、ロールに支持されながら凝固が進行する。ロール帯のロールは、ガイドロールやエプロンロールと呼ばれる。ロール帯においてはロールの間隙を通してスプレーノズルから冷却水を鋳片に噴射し、スプレー冷却を行う。

スプレー冷却に用いるスプレーノズルとして、当初は水スプレーノズルが用いられていた。これに対し最近は、空気と水の気液二流体を噴射する、いわゆるミストスプレーノズルを用いる方法が主流になりつつある。ミストスプレーノズルでは噴出角度が従来のスプレーノズルより広くできるため、冷却の有効面積を広くすることができ、鋳造方向では従来の水スプレーノズルでは達成できなかった均一冷却が得られるので、鋳片表面のロール間での強冷却、復熱による温度変化を最小限に維持できる。また、ミストノズルでは従来の水スプレーノズルの場合に比べて水量の制御範囲が広くとれるため、高水量域では強冷却できる一方で、低水量域では緩冷却も可能なため鋳片温度を高く均一に維持することができる。

スプレーノズルによる冷却能力の評価は、ノズル１個による抜熱量Ｑ（ｋｃａｌ／ｈ）として、（１）式で示すことができる。
Ｑ＝α×Ａ×ΔＴ （１）
ここで、Ａはスプレー冷却水がカバーする鋳片の表面積、ΔＴは鋳片表面温度とスプレー水温との差である。また、αは熱伝達係数であり、下記（２）から求められる。
α＝Ｃ１×Ｗｄ^C2 （２）
ここで、Ｃ１、Ｃ２は定数であり、０＜Ｃ２＜１の範囲にある。またＷｄは水量密度であり、下記（３）式の関係にある。
Ｗｄ＝Ｗ／Ａ （３）
ここでＷはスプレーノズルから供給される単位時間あたりの冷却水量である。

以上の（１）〜（３）式から、
Ｑ∝Ｃ１×Ｗ^C2×Ａ^(1-C2) （４）
の関係が得られる。上述のようにＣ２は１未満の数値であるから、同一の冷却水量Ｗであれば表面積Ａが大きいほど抜熱量Ｑは大きな値となる。また、同一の抜熱量Ｑを得るためには、表面積Ａが大きいほど少ない冷却水量Ｗで足りることとなる。

鋳片表面においてスプレー冷却水がカバーする鋳片幅方向の散水幅をＣ、鋳造方向の散水厚みをＬとすると、表面積Ａはほぼ散水幅Ｃと散水厚みＬの積に比例する。即ち、スプレー冷却水がカバーする鋳造方向の散水厚みＬを大きくするほど、表面積Ａが大きくなる。従って、散水厚みＬを大きくすることによって、水量Ｗを変更することなく抜熱量Ｑを大きく、つまり冷却能力の強化が可能となる。

特許文献１においては、スプレーノズルから噴霧する有効スプレー角度（スプレー厚み角度）を３０°以上とすることにより、散水厚みＬを確保し、抜熱量Ｑを大きくする発明が記載されている。スプレーノズルとして、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と好ましいとしている。

特許文献２においては、複数の噴射口を有する噴射ノズルにおいて、噴射口の上流側に設けた複数の流路部分から衝突合流室へ流れ込んだ流体が衝突してから、噴射口から噴射されるようにした噴射ノズルが記載されている。従来の複数噴射口を有するノズルでは厚み方向中央部付近の水量が少なくなって水量分布が不均一になり、鋳片の品質低下を招きやすかったのに対し、同文献に記載のノズルは、噴射パターンでの厚み方向での流量の分布を均一化することができるとしている。

連続鋳造のロール帯においては、隣接するロール間の間隙が極めて狭い。従って、特に鋳片からノズルまでの高さが高い場合は、スプレーノズルからの噴出流の広がりはこのロール間隔によって制約され、十分な厚みＬを確保することが困難となる。特許文献３においては、ミスト噴出装置からのミストの噴出を少なくとも２個１組の噴出口から行わせるとともに、各噴出流が鋳片表面に到達するまでに交差するようにミストを噴出させる発明が記載されている。交差後のミスト流は、ガイドロール背面側に回り込むようにして鋳片表面のほぼ全域に直接吹き付けられるとしている。特許文献３に記載のものは、いずれも鋳片からノズルまでの高さがロール直径よりも大きな値となっている。

スプレー冷却による鋳片からの抜熱量Ｑの好適な値は、鋳造する品種や鋳造条件によって変動する。同じ鋳造条件において、強冷却を必要とする品種では抜熱量Ｑを大きくし、緩冷却を必要とする品種では抜熱量を小さくする必要がある。また、同じ品種においても、鋳造速度が速い場合には抜熱量Ｑを大きくし、鋳造速度が遅い場合には抜熱量Ｑを小さくする必要がある。そのため、連続鋳造設備のスプレー冷却において、抜熱量Ｑの調整可能範囲を広い範囲とすることが必要である。前述のように、水スプレーノズルに比較するとミストスプレーノズルは抜熱量Ｑの調整範囲が拡大しているが、それでも必要とする調整範囲を十分に満たしているとはいえない。この点は上記特許文献１〜３に記載のものも同様である。

特許文献４においては、低水量域では気液二流体冷却のミスト冷却を用い、高水領域においては一流体水冷却の水スプレーとする方法が記載されている。これにより、低水量域から高水量域にわたってターンダウン分布安定性を大きくとることができるとしている。

特開２００３−１３６２０５号公報 特開２００３−９３９２６号公報 特開５９−１５９２６０号公報 特開２００４−５８１１７号公報

特許文献４に記載の方法では、低水量域と高水量域とで別々の冷却方法を採用することが必要であり、この方法を適用しようとすると冷却装置の大規模な改造が必要となり、設備投資費用を必要とする。

本発明は、大規模な設備投資を行うことなく、連続鋳造におけるスプレー冷却による鋳片の抜熱量調整可能範囲を増大することのできるスプレー冷却方法を提供することを目的とする。

従来のスプレーノズルを用いて冷却水を鋳片に噴射した場合、鋳造方向における有効散水厚みＬは、冷却水量が多くなるほど狭まることが明らかになった。散水厚みＬが狭くなるほど、散水表面積Ａが小さくなる。前記（４）式から明らかなように、同一冷却水量Ｗにおいて、散水表面積Ａが小さくなるほど抜熱量Ｑは小さくなる。即ち、抜熱量Ｑを大きくしようと冷却水量Ｗを増大すると、それに伴って表面積Ａが小さくなり、抜熱量Ｑの増大代が損なわれることが明らかになった。

これに対し、図１（ａ）に示すように、冷却媒体を少なくとも２個の噴射口４ａ、４ｂから噴射させ、各噴射流５ａ，５ｂが鋳片表面１に到達するまでに衝突（衝突角θ）するように噴射させるスプレーノズル３（以下「衝突型ノズル３ａ」ともいう。）を採用し、かつスプレーノズル３から鋳片表面１までの距離（以下「ノズル高さＨ」ともいう。）を２２０ｍｍ以下の短距離とした場合には、冷却水量Ｗを増大させても、鋳造方向の散水厚みＬが一定に保持されることが判明した。散水表面積Ａが一定に保持されるため、冷却水量Ｗを増大させたときに従来以上に大きな抜熱量Ｑを実現することができるので、結果としてスプレー冷却における抜熱量Ｑの調整可能範囲を拡大することが可能となる。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）連続鋳造のロール帯においてロール２（図３（ｂ））の間隙を通してスプレーノズル３から鋳片に冷却媒体を噴射して鋳片を冷却するにあたり、冷却媒体は少なくとも２個の噴射口４ａ、４ｂを有するスプレーノズル３から各噴射流５ａ，５ｂの中心軸が鋳片に到達するまでに衝突するように噴射させ、スプレーノズル３から鋳片表面１までの距離を１００〜２２０ｍｍとすることを特徴とする連続鋳造におけるスプレー冷却方法。
（２）噴射流の衝突角θを４０°〜９０°の範囲とすることを特徴とする上記（１）に記載の連続鋳造におけるスプレー冷却方法。
（３）冷却媒体は気液二流体であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の連続鋳造におけるスプレー冷却方法。
（４）各噴射口４ａ，４ｂからの噴射流５ａ，５ｂの主噴射方向が形成する各平面１１a、１１ｂが衝突した位置を示す衝突軸１２が鋳片表面とロール軸の双方と平行乃至略平行なるように配置されることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の連続鋳造におけるスプレー冷却方法。

本発明は、連続鋳造におけるスプレー冷却に衝突型ノズルを用い、ノズルから鋳片までの距離を１００〜２２０ｍｍとすることにより、冷却水量Ｗを増大した際にも散水表面積Ａを一定に保持して大きな抜熱量Ｑを実現することができるので、スプレー冷却における抜熱量Ｑの調整可能範囲を拡大することができる。その結果、大きな設備投資を行うことなく、鋳造品種に応じて強冷却と緩冷却を使い分けることが可能となり、さらに鋳造速度範囲を拡大することも可能となる。

本発明は、連続鋳造のロール帯においてロール２の間隙を通してスプレーノズル３から鋳片表面１に冷却媒体を噴射して鋳片を冷却するスプレー冷却方法に適用される。ロール帯のロール２は、ガイドロールやエプロンロールと呼ばれる。冷却媒体としては、水のみを用いる水スプレー、あるいは水と空気を混合して噴射する気液二流体が用いられる。

図２（ａ）に示される噴射口４が１個である従来のスプレーノズル（以下「単口ノズル３ｂ」ともいう。）を用いた場合について、冷却水量Ｗを変化させたときの鋳造方向の有効散水厚みＬの変化を評価した。スプレーノズルとしては従来から使用している幅３ｍｍのスリット状の噴射口４がスプレーチップ中央に配置されたスプレーノズルを用いた。また、ノズルから鋳片までのノズル高さＨを２５０ｍｍとした。

鋳片表面における水量密度は、鋳造方向に１０ｍｍピッチで仕切りを設けることにより複数の小部屋に分割した水槽の上部に、噴射口５のスリット方向と水槽の仕切りとが平行乃至略平行になるようにスプレーノズルを配置し、一定時間スプレーを噴射させた場合に各小部屋に溜まる水量分布を基に測定を行った。鋳造方向における有効散水厚みＬについては、鋳片表面における最大水量密度を１００％とし、それに対し２０％以上の水量密度が得られる鋳造方向範囲を特定し、その範囲を有効散水厚みＬとした。本発明のスプレーノズル（図１（ｂ））をはじめとして、他のノズル（図２（ｂ））の評価を行う際においても、単口ノズル最大水量密度の２０％以上の水量密度を有効水量密度Ｗｃと定義し、この水量密度Ｗｃを実現している範囲の厚みを有効散水厚みＬと定義する。

上記単口ノズル３ｂについては、距離Ｈが２５０ｍｍ、冷却水量Ｗが１．２リットル／分において、有効散水厚みＬが１２０ｍｍとなるようにノズルの諸元を選択してある。

ノズルから噴射する水量Ｗを１．２、１４、２５リットル／分の範囲で変動させ、有効散水厚みＬの評価を行った。結果を図５に「×」印で示す。図５の縦軸については、有効散水厚みＬが１２０ｍｍの場合を１とする「有効散水厚み指標」にて表示している。図５から明らかなように、水量Ｗを増大するほど、鋳造方向の有効散水厚み指標が小さくなることがわかる。なお、鋳片幅方向については、スプレー冷却水が途切れないように隣接してスプレーノズルを配置する。従って、スプレー冷却水がカバーする鋳造幅方向の幅Ｃについては、隣接するノズル間隔と一致するとして一定と考えることができる。

スプレー冷却水がカバーする鋳片の表面積Ａは有効散水厚みＬに比例する。そして、スプレー冷却による抜熱量Ｑは前述の（４）式のとおり、水量Ｗが一定であればＡ^(1-C2)に比例する。０＜Ｃ２＜１であるから、水量一定であれば、有効散水厚みＬが小さくなるほど抜熱量Ｑが低くなることがわかる。即ち、噴射口が１個である従来のスプレーノズルを用いた場合において、水量Ｗを増大してもそれにみあった抜熱量Ｑの増大が実現できていなかったのは、水量Ｗを増大したときに有効散水厚みＬが小さくなることがその原因であることが判明した。

本発明では、図１（噴射口が２個の例）に示すように、冷却媒体は少なくとも２個の噴射口４ａ，４ｂから噴射させ、各噴射流５ａ，５ｂが鋳片表面１に到達するまでに噴流の中心軸が衝突するように噴射させるノズル（衝突型ノズル３ａ）を用いる。各噴射口４はスリット型の開口とするのが一般的である。スリットの長手方向をロールの軸方向（幅方向８）に一致させ、複数の噴射口４ａ，４ｂのスリットを平行に配置する。各噴射口４ａ，４ｂからの噴射流５ａ，５ｂは、図１（ｃ）に示すように鋳片の幅方向８に広がり（幅方向の噴射角η）を有し、鋳造方向７の広がりは幅方向８と比較すると小さい。ロールの軸方向（幅方向８）に見たとき（図１（ａ）（ｂ））、各噴射口４ａ，４ｂからの噴射流５ａ，５ｂの衝突角をθとおく。本発明では各噴射流５ａ，５ｂが衝突するので、θが正の値をとる。衝突型ノズル３ａを用いることにより、衝突後の噴射流は鋳造方向噴射角φの角度で広がり、鋳片表面１における鋳造方向７の散水厚みを確保することができ、さらにこの散水範囲での水量密度分布が均一になり、平坦な水量分布を得ることができる。２個以上の噴射口４ａ，４ｂを有するにもかかわらず、水量密度分布が極端な２ピークとなる可能性も少ない。

衝突型ノズル３ａの諸元として、空気量１４．０立方メートル／時で一定とした場合に、水量範囲１．２リットル／分で鋳片幅方向に対し一定の散水幅１２０ｍｍを確保可能なスプレーノズルを用い、衝突角θを６６°とし、ノズルから鋳片までの距離（ノズル高さＨ）を従来の単口ノズル３ｂと同じ２５０ｍｍとして、ノズルから噴射する水量Ｗを１．２、１４、２５リットル／分の範囲で変動させ、有効散水厚みＬの評価を行った。結果を図５に「△」印で示す。図５の縦軸については、有効散水厚みＬが１２０ｍｍの場合を１とする「有効散水厚み指標」にて表示している。図５から明らかなように、単口ノズル（図５の「×」印）と同様、水量Ｗを増大するほど、鋳造方向の有効散水厚み指標が小さくなることがわかる。

次に、上記衝突型ノズルを用い、ノズルから鋳片までの高さＨを８０〜２５０ｍｍの範囲で変化させ、それぞれの距離において有効散水幅Ｌが１２０ｍｍとなるようにノズル諸元を調整した。例えば、ノズル高さＨが２１０、１７５、１６５ｍｍにおいて、それぞれ衝突角θを５８、６４、６６°としている。その上で、空気量を一定としてノズルから噴射する水量Ｗを１．２、１４、２５リットル／分の範囲で変動させ、有効散水厚みＬの評価を行った。結果を図４に示す。図４から明らかなように、高さＨが１００〜２２０ｍｍであれば、水量Ｗを変化させても有効散水厚みＬが変動しないことが明らかである。なお、高さＨが１００ｍｍ未満もしくは２２０ｍｍを超えると、衝突角θを調整しても有効散水厚みＬが１２０ｍｍを確保することが困難となる。また、この点について高さＨが２００ｍｍの場合を図5の「○」印のグラフとして表示した。

本発明は以上の知見に基づいてなされたものであり、衝突型ノズル３ａを用いた上でスプレーノズルから鋳片までのノズル高さＨを１００ｍｍ〜２２０ｍｍ以下とすることにより、スプレーから噴射する水量Ｗを増大させても、有効散水厚みＬが減少せず、結果として、従来のノズルに比較し、水量Ｗを増大した際における抜熱量Ｑの増大代を大きくすることを可能とした。

図６に水量Ｗと伝熱量Ｑとの関係を示す。図６の縦軸については、○印の水量１４リットル／分における抜熱量を基準とする「抜熱量指標」にて表示している。従来の単口ノズル（×印）、あるいは衝突型ノズルでも従来のようにノズル高さＨを２２０ｍｍ超の範囲で用いた場合（△印）には、水量Ｗを増大しても十分には伝熱量Ｑが増大しないのに対し、本発明のように衝突型ノズルを用いてノズル高さを２２０ｍｍ以下とした場合（○印）には、水量Ｗの増大に伴って伝熱量Ｑが十分に増大する。そのため、水量Ｗを２０倍の範囲で変化させたときに、伝熱量Ｑを６倍の範囲で変化させることが可能となる。

鋳造方向の水量密度Ｗｄの鋳造方向７における分布状況について調査した結果を、図４の下半分に図示している。ノズル高さが１００〜２２０ｍｍでは、有効散水厚みＬの範囲内において比較的平坦な水量密度分布を実現している（図４の下中央）。一方、ノズル高さＨが２２０ｍｍを超えると、水量密度Ｗｄは山型の分布を示し（図４右下）、ノズル高さＨが１００ｍｍ未満では水量密度Ｗｄが二山となり、中央の谷間部分で水量密度がピークの２０％（Ｗｃ）を下回ることとなる（図４左下）。

本発明の衝突型スプレーノズルにおいては、ノズルの衝突角θにも好適範囲が存する。衝突型ノズルを用い、衝突角θを３０〜１００°の範囲で変化させ、それぞれの衝突角において有効散水厚みＬが１２０ｍｍとなるようにノズル諸元を調整した。例えば、衝突角が５０、６６、８０°において、それぞれノズル高さＨを２２０、１６５、１００ｍｍとしている。その上で、ノズルから噴射する水量Ｗを１．２〜２５リットル／分の範囲で変動させ、有効散水厚みＬの評価を行った。結果を図７（上半分）に示す。図７から明らかなように、衝突角４０〜９０°の範囲で、水量Ｗを変化させても有効散水厚みＬが変動しないことが明らかである。また鋳造方向の水量密度Ｗｄの鋳造方向７における分布状況について調査した結果を、図４の下半分に図示している。衝突角４０〜９０°の範囲において、鋳造方向７の水量密度Ｗｄの分布は中央部が平坦な台形形状となっている（図７の下中央）。

衝突角θが４０°未満では、水量Ｗが大きくなるほど有効散水厚みＬが小さくなる（図７の上の図）。またその範囲で、鋳造方向７の水量密度Ｗｄの分布は、山型の分布形状となっている（図７左下）。一方衝突角θが９０°を超えると、逆に水量密度が少ない方が有効散水厚みＬが小さくなるという傾向を示すようになる（図７の上の図）。またこの範囲で、鋳造方向７の水量密度Ｗｄの分布は、台形に近い形状ながら中央部に谷間が形成され、水量密度が多い場合にはその谷間において水量密度Ｗｄがピークの２０％（Ｗｃ）を確保することができる場合があるものの、水量密度Ｗｄが少ない場合はピークの２０％（Ｗｃ）を下回り、有効散水厚みＬが小さくなることとなる（図７右下）。

本発明において、冷却媒体は気液二流体であると好ましい。具体的には空気と水の二流体とする。これにより、一流体(水)だけでは実現困難である広い水量範囲で均一な水量密度分布を保ちながら広角な鋳造方向の噴射角φ及び幅方向の噴射角ηを得ることができる。

本発明に用いるスプレーノズルにおいて、各噴射口からの噴射流は、鋳片の幅方向に広がりを有し、鋳造方向の広がりは幅方向と比較すると小さい。従って、図７に示すように、各噴射口４ａ、４ｂからの噴射流５ａ、５ｂの主噴射方向が形成する平面１１a、１１ｂを定義することができる。また、各噴射口４からの噴射流５を衝突させるので、各噴射口４ａ、４ｂからの噴射流５ａ、５ｂが形成する各平面１１ａ、１１ｂが衝突した位置を示す衝突軸１２を定義することができる。図１（ｄ）はノズルを鋳片の幅方向８に見た図、図１（ｅ）は斜視図である。本発明においては、この衝突軸が鋳片表面とロール軸の双方と平行乃至略平行になるように配置されると好ましい。各噴射口４をスリット型の開口とし、スリットの長手方向をロールの軸方向に一致させ、複数の噴射口４を平行に配置することにより、この関係を実現することができる。

本発明の衝突型スプレーノズルを用いた場合の、鋳造方向の有効散水厚みＬを確保する手段及び鋳片幅方向の有効散水幅Ｃを確保する手段について、それぞれ順を追って説明する。

まず、鋳造方向７の有効散水厚みＬについては、所定の衝突角θを与えて複数の噴射口４から噴射した噴射流５を衝突させることにより、鋳造方向の散水有効厚みＬを確保している。例えば、有効散水厚みＬを１２０ｍｍとしたとき、ノズル高さＨの範囲１００〜２２０ｍｍにおいて、表１に示すような設計条件で有効散水厚みＬを１２０ｍｍに確保することができる。なお、ノズルから散水厚みＬを見たときの角度（鋳造方向噴射角）をφと置く。

一方、鋳片幅方向８の散水幅Ｃについては、各噴射口４ａ，４ｂからの噴射流５ａ，５ｂが幅方向に広がりを有し、これによって散水幅Ｃを確保することができる。幅方向噴射角をηと置く。通常のノズルにおいて、幅方向噴射角ηを最大１０５〜１１０°程度とすることができる。従って図３（ａ）に示すように、幅方向に隣り合うノズルからの冷却水が重なり合うように、ノズル高さＨ、噴射角η、ノズルピッチの３者を定めればよい。

連続鋳造のロール帯においては、鋳片のロール間バルジングを低減するため、隣接するロール間隔は極力狭く配置される。その結果、隣接するロール間の間隙も狭くなっている。スプレーノズルから噴射した冷却媒体を、この狭い間隙を通して鋳片に到達させ、鋳造方向の有効散水厚みＬの範囲に有効に散水するためには、スプレーノズル高さＨを適切に配置することが必要である。図3（ｂ）に示すように、ロールピッチがＰ、ロール半径がＲであるとき、ロールの干渉を受けずに有効散水厚みＬに散水するためには、ノズル高さＨを下記式の範囲とすると良い。
｜Ｈ・Ｐ＋Ｌ・Ｒ−Ｈ・Ｌ｜／√（４Ｈ²＋Ｌ²）≦Ｒ （５）

上記（５）式からは、特にロール半径Ｒに比較してロールピッチＰが狭いとき（ロール間の間隙が狭いとき）には、ロールに干渉されずに所定の散水厚みLを確保するためにノズル高さＨを低くすることが必要となる。従来のスプレー冷却方法においては、スプレーノズル高さＨは、ノズルチップとロールの干渉を避けるためロール直径の２／３以上の高さが一般的であり、更に高水量域での鋳造方向の散水幅が狭かったため、特にノズル高さはロール径によって異なるが２２０ｍｍを超える高い位置に好適条件が存在していた。それに対し、本発明のスプレー冷却方法においては、ノズル高さＨが２２０ｍｍ以下の低い高さに好適範囲が存在するため、前記（５）式を満足するノズル高さＨを実現することにより、たとえロール間の間隙が狭い場合であっても、良好な散水厚みＬを確保することが可能となる。特許文献２に開示があるような従来の鋳造方向に散水幅を拡大するノズルは、ノズル内部に小部屋を配置し、その中で鋳造方向の運動量を生じさせることで鋳造方向の散水幅を確保する為ノズルチップの設計上大型化が避けられないが、本発明のノズルチップはノズル外部で衝突させ鋳造方向の運動量を生じさせるため小型化が可能となったことにより、ノズル高さＨがロール直径の２／３よりも低くなってもロール間の間隙と接触することがなく、ノズル高さＨを十分に低くすることが可能となった。

ノズル形状として噴射口が２つの衝突型ノズルと単口ノズルを用いて水量密度分布と冷却効率の評価を行った。ノズル諸元として空気量１．２立方メートル／時、水量２５リットル／分とし、衝突型ノズルはノズル高さＨ８０〜２５０ｍｍ、衝突角θ１５〜５０°とし、単口ノズルはノズル高さＨ２１０ｍｍとした。本実施例で使用したいずれのノズルも、水量Ｗが１．２リットル／分の低水量においては、有効散水厚みＬが１２０ｍｍとなるように設計されている。

鋳片表面における水量密度は、鋳造方向に１０ｍｍピッチで仕切りを設けることにより複数の小部屋に分割した水槽の上部に、噴射口５ａ，５ｂのスリットの長手方向と水槽の仕切りとが平行乃至略平行になるようにスプレーノズルを配置し、一定時間スプレーを噴射させた場合に各小部屋に溜まる水量分布を基に測定を行った。

表２に試験条件とその結果を示す。また、図８、９に各試験条件における鋳造方向７の水量密度分布を示す。図８、９の縦軸は、Ｎｏ．８の最大水量密度を１００％として規格化した。図中Ｎｏ．２〜８については、Ｎｏ．１との対比を示している。

表２中の水量密度分布の評価基準としては、Ｎｏ．８単口ノズルのピーク水量密度の２０％を有効水量密度Ｗｃとし、◎は水量密度Ｗｄが有効水量密度Ｗｃ以上である有効散水厚みLが１２０ｍｍ以上でかつノズルセンターで水量密度Ｗｄが有効水量密度Ｗｃを確保できている場合、○は有効散水厚みＬが１００ｍｍ以上１２０ｍｍ未満でかつノズルセンターで水量密度Ｗｄが有効水量密度Ｗｃを下回らない場合、△はそれが達成できなかった場合と評価した。

一方、冷却効率の評価基準としては、得られた有効散水厚みＬ及び水量Ｗを用いて前記（１）〜（３）式で得られる抜熱量Qを算出し、従来の単口ノズル（Ｎｏ．８）の抜熱量を基準として、◎が単口ノズルの抜熱量の１．２倍以上、○が１．１倍〜１．２倍未満、△が１．１倍未満と評価した。

発明例（衝突型ノズルであってノズル高さが２２０ｍｍ以下）であるＮｏ．１〜５においては、鋳造方行にほぼ均一な水量密度分布で散水厚みＬ１２０ｍｍ以上確保できており、冷却効率も従来例であるＮｏ．８の１．１倍以上と良好な結果を得られたが、特に衝突角θ４０°〜９０°を満足しているＮｏ．１〜３の場合には、水量密度分布が中央部の谷間が小さく冷却効率も１．２倍以上確保できた。

比較例Ｎｏ．６、７については、衝突型ノズルではあるが、ノズル高さが１００ｍｍ未満、２２０ｍｍ超であるものであり、Ｎｏ．６についてはノズル高さが本発明範囲内よりも低いため、鋳造方向の水量密度分布は図９に示すように中央部に谷間が形成され、その谷間において水量密度がピークの２０％を下回ることとなる。一方Ｎｏ．７については本発明範囲よりもノズルが高すぎるために鋳造方向の水量密度分布は山型の分布形状となり、山裾の位置で水量密度がピークの２０％を下回ることとなる。(いずれも図９）。

Ｎｏ．４、５については、ノズル高さＨは本発明範囲内であるが、衝突角度θが本発明範囲を外れており、Ｎｏ．４については、本発明範囲よりも大きいために鋳造方向の水量密度分布は山型の分布形状となり、山裾の位置で量密度がピークの２０％を下回ることとなる（図８）。Ｎｏ．５については本発明範囲内よりも小さいため鋳造方向の水量密度分布は中央部に谷間が形成され、その谷間において水量密度がピークの２０％を下回ることとなる（図９）。

従来例Ｎｏ．８については、従来ノズル（単口ノズル３ｂ）の場合であり、特徴として、鋳造方向の水量密度分布は山形の分布形状となり、山裾の位置で量密度がピークの２０％を下回ることとなる（図９）。

2ストランドをもつ垂直曲げ型スラブ連続鋳造機（機長４５ｍ）にて、厚さ２８２ｍｍ×幅１７８０ｍｍの低炭素鋼（Ｃ含有量：０．０３ｍａｓｓ％）のスラブを鋳造速度１．５ｍ／分で鋳造する際に、１つのストランドの鋳型の下部ロール帯（鋳型下端〜１５ｍ）の範囲に表２に示す発明例Ｎｏ．１の仕様のスプレーノズルを隣接ロール間にそれぞれ配置し、もう１つのストランドに表２に示すＮｏ．８の仕様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、及び空気量は、水量２５リットル／分、および空気量１４立方メートル／時と一定とした。これらの連続鋳造条件における鋳片表面温度降下量、鋳片冷却能力、及び鋳片品質について調査した。なお、鋳片表面温度降下量は鋳型下端から１５ｍ位置で、鋳片表面温度を熱電対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、抜熱量を計算して比較した。品質については、鋳片内部割れについては、鋳造後に鋳片断面サンプルを採取し、内部割れ有無を観察し、表面疵については鋳片外観検査により疵の有無を観察し合否判定を行ったものである。

これらの調査結果を表３に示す。この結果から、本発明範囲内の使用で衝突型ノズル３ａを使用することにより、冷却能力を大幅に向上させることができた。Ｎｏ．８仕様の従来スプレーノズル使用時には、水量２５リットル／分の最大水量において、鋳片品質を悪化させない最大鋳造速度が１．５ｍ／分であった。それに対し、Ｎｏ．１の本発明ノズルを用いた場合、同じ水量２５リットル／分でも冷却能力が増大したため、最大鋳造速度１．７ｍ／分においても鋳片品質が悪化しないことを確認できた。

本発明の衝突型ノズルを説明する図であり、（ａ）はノズルを鋳造幅方向に見た拡大図、（ｂ）はノズルを鋳造幅方向に見た図、（ｃ）はノズルを鋳造方向に見た図および鋳造方向の水量密度分布、（ｄ）は噴射流を鋳造方向に見た図、（ｅ）は噴射流が形成する平面が衝突する部分の斜視図である。 従来の単口ノズルの場合の噴射流を説明する図であり、（ａ）はノズルを鋳造幅方向に見た拡大図、（ｂ）はノズルを鋳造幅方向に見た図である。 本発明の衝突型ノズルの配置を示す図であり、（ａ）は鋳造方向に見た図、（ｂ）は幅方向に見た図である。 本発明の衝突型ノズルを用いたときのノズル高さＨ、水量Ｗと有効散水厚みＬとの関係を示す図である。 水量Ｗと有効散水厚みＬとの関係を示す図である。 水量Ｗと抜熱量Ｑとの関係を示す図である。 本発明の衝突型ノズルを用いたときの衝突角θ、水量Ｗと有効散水厚みＬとの関係を示す図である。 実施例における水量密度分布を示す図である。 実施例における水量密度分布を示す図である。

符号の説明

１ 鋳片表面
２ ロール
３ スプレーノズル
３ａ 衝突型ノズル
３ｂ 単口ノズル
４ａ 噴射口１
４ｂ 噴射口２
５ａ 噴射流１
５ｂ 噴射流２
７ 鋳造方向
８ 幅方向
１１ａ 平面１
１１ｂ 平面２
１２ 衝突軸
θ 衝突角
φ 鋳造方向噴射角
η 幅方向噴射角
Ｌ 有効散水厚み
Ｃ 有効散水幅
Ｈ ノズル高さ

Claims (4)

1. 連続鋳造のロール帯においてロールの間隙を通してスプレーノズルから鋳片に冷却媒体を噴射して鋳片を冷却するにあたり、冷却媒体は少なくとも２個の噴射口を有するスプレーノズルから各噴射流の中心軸が鋳片に到達するまでに衝突するように噴射させ、スプレーノズルから鋳片表面までの距離を１００〜２２０ｍｍとすることを特徴とする連続鋳造におけるスプレー冷却方法。
2. 前記噴射流の衝突角θを４０°〜９０°の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造におけるスプレー冷却方法。
3. 前記冷却媒体は気液二流体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続鋳造におけるスプレー冷却方法。
4. 各噴射口からの噴射流の主噴射方向が形成する各平面は、各平面が衝突した位置を示す衝突軸が鋳片表面とロール軸の双方と平行乃至略平行になるように配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の連続鋳造におけるスプレー冷却方法。

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