JP2007111760A - 連続鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブレークアウトを防止し、かつ平滑な鋳塊肌を得ることができる連続鋳造装置を提供する
【解決手段】 本発明は、凝固した鋳塊をモールドの下部より引き抜く連続鋳造装置であって、合金溶湯が供給される前記モールドにはスラグ層が配置され、該スラグ層には所定の間隔で複数の加熱電極が設置されており、前記スラグの温度に応じて前記加熱電極のうち特定の加熱電極毎に制御可能な制御装置を具備する連続鋳造装置である。好ましくは、 スラグ層内に複数箇所設置された温度検出手段からの出力に連動して、特定の加熱電極を制御させる。また合金溶湯は、積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下の注入速度で注入することが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モールドに配置されたスラグ層を保持しつつ凝固した鋳塊をモールドの下部より引き抜いて連続的に鋳造する連続鋳造装置に関する。

従来、偏析が少なく、微細組織が得られる合金溶湯の鋳造方法として、真空アーク再溶解法（ＶＡＲ）やエレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ）が良く用いられている。これらの方法は、水冷モールド壁で囲まれた凝固空間において、溶湯プールを形成させつつ、凝固させるものであり、凝固空間が小さく、積み上げるように凝固させる一般に積層凝固と呼ばれる凝固形態となる。
この積層凝固の形態は、凝固空間が小さいことに起因して、インゴット鋳造で発生する中心偏析や、逆Ｖ偏析といった偏析の発生を緩和することができる。また、水冷モールドの使用により、冷却速度を高めることができるため、組織が微細均一になるという利点もある。

このように、有効な特徴をもつ再溶解法であるが、ＶＡＲ，ＥＳＲともに、再溶解用電極を製造する必要があり、多くの工数と、再溶解のためのエネルギーを必要とするものであった。
この様な問題を解決しようとする方法として、スラグ反応により精錬効果が期待できるＥＳＲ法を起源として、電極を使わず細滴化した溶湯を、加熱溶融したスラグ層中を通過させ、精錬槽底部から鋳塊を引き抜く技術が、特許文献１に示されている。
特開昭６２−４８４０号公報

上述した特許文献１に記載される具体的な方法は、スラグを電極で加熱しつつ、溶鋼を精錬槽中に保持し、溶鋼を別に設けた水冷モールドから引き出すという連続鋳造法を開示するものである。このような連続鋳造技術は、スラグの精錬効果を発揮させるという点で有効である。
ところで、本発明者は、ＥＳＲに代えて、ＥＳＲ電極を使用せず、溶湯をスラグを配置したモールドに供給して溶湯プールを形成させ、積層凝固した鋳塊をモールドの下部より引き抜く連続鋳造を試みたところ、引き抜かれた鋳塊の表面に不均一なスラグ層が形成されたり、場合によってはブレークアウトを起こしたりする場合が確認された。

本発明の目的は、スラグを配置して行う連続鋳造装置において、ブレークアウトを防止し、かつ平滑な鋳塊肌を得ることができる連続鋳造装置を提供することである。

本発明者らは、上記課題について鋭意研究をすすめたところ、鋳塊肌を平滑にする作用を奏すべきスラグが不均一に凝固してしまっており、その原因は、ＥＳＲのような電極による再溶解を行わないために溶湯からの熱伝導の不均一性および熱量不足に起因することを突き止め、スラグ状態の均一化のための手段を検討し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、凝固した鋳塊をモールドの下部より引き抜く連続鋳造装置であって、合金溶湯が供給される前記モールドにはスラグ層が配置され、該スラグ層には所定の間隔で複数の加熱電極が設置されており、前記スラグの温度に応じて前記加熱電極のうち特定の加熱電極毎に制御可能な制御装置を具備する連続鋳造装置である。

好ましくは、制御装置は、スラグ層内に複数箇所設置された温度検出手段からの出力に連動して、特定の加熱電極を制御するものとする。
また、本発明は合金溶湯を積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下の注入速度で注入し、溶湯プールを形成させつつ凝固させる装置に好適である。

本発明によれば、溶湯から直接に、積層凝固鋼塊を得るための課題の一つであった、スラグの不均一凝固による不良の発生を低減できるため、鋼塊品位を格段に向上することできる。

上述したように、本発明は、スラグを配置した連続鋳造装置において、スラグの均一加熱のために、スラグ層に所定の間隔で複数の加熱電極が設置し、前記スラグの温度に応じて前記加熱電極のうち特定の加熱電極毎に制御可能な制御装置を具備させている。
単純にスラグ層に加熱電極を配置すればスラグを通電加熱することはできる。しかし、スラグは、スラグ温度によって抵抗値が変動するため、抵抗値の低い部分に電流が集中して流れ、均一な加熱が困難である。スラグ温度と抵抗値の関係は反比例となっていてスラグ温度が高い部分ほど抵抗値が小さいため、スラグ温度が高い（抵抗値が小さい）部分に電流が集中して流れ、更に加熱される。特に、本発明では、スラグは供給される溶湯からの熱によっても加熱されるため、元々不均一な加熱状態に曝されており、スラグの状態を均一にすることは、平滑な鋼塊肌を得るための重要な課題となる。

本発明においては、まず所定の間隔で複数の加熱電極を設置することとした。これにより、スラグを複数の位置から強制的に加熱することが可能となる。そして、スラグ温度に応じて、特定の加熱電極毎に制御を行う。これにより、スラグの均一加熱を行うことができる。
上述したように、本発明においては、元々不均一な加熱状態に曝されること、またモールド中にスラグを配置するため凝固表面の平滑性に対するスラグの影響が極めて大きいことから、電極制御は極めて有効である。
なお、本発明においてスラグ温度に応じて行う制御は、温度を直接検出して制御する方法でも良いし、スラグ温度に依存する電気的因子、たとえばスラグの抵抗値の温度依存性に基づく変化を検出して加熱電極を制御しても良い。
加熱電極の制御手段としては、たとえば各電極のスラグの温度に応じ、過加熱部は投入電力を低下させ、加熱不足部は投入電力を増加させて各電極の加熱を制御することでスラグ温度を均一に制御することができる。特定の電極毎に電流をＯＮ／ＯＦＦさせることでも良い。もちろん、予め設定した加熱パターンで加熱を制御することもできる。

なお、上述したように、スラグの抵抗値はスラグ温度に依存するため、通電加熱による加熱であれば、一定電圧の元で一定電流になるように制御すれば、電極位置におけるスラグ温度は等しくなっているはずであり、これによって直接的な温度検出をしなくても簡易的な制御を行うことができる。
しかし、より正確に制御するにはやはり、スラグ状態を検知する為にスラグ層内に温度検出手段を設置することが好ましい。本発明では、複数の加熱電極を設置するため、電極毎に又は電極数以上の箇所に温度検出手段を設置してスラグ状態を検出することが好ましい。
そして、制御装置は、スラグ層内に複数箇所設置された温度検出手段によって検出された温度に連動して、特定の加熱電極を制御することが望ましい。

なお、加熱電極の配置形状は、スラグ外周の形状に沿ったものが好ましく、モールド形状に沿わせる配置として、円や楕円、短形、多角形等の配置形状が採用できる。また、加熱電極は、加熱電極毎に１つの電極もしくは複数の電極を組合せて一つの電極として良い。

本発明において、より好ましくは合金溶湯を積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下という低速の注入速度でスラグ層を配置したモールドに注入し、溶湯プールを形成させつつ供給した溶湯を凝固させ、モールド下部より鋳塊を引き抜く、連続鋳造に適用する。
合金溶湯の注入速度が遅いと、溶湯からの熱供給が不足しかつ部位による熱供給のバランスが不均一になり易く、スラグを均一な状態で溶融して保持することが難しくなるため、本発明が特に有効となるためである。

本発明を実施する装置を使用した本発明の鋳造工程の一例を図１に示す。図１は装置断面を示すものであり、合金溶湯１１を保持するタンディッシュ１０，水冷モールド２，鋳塊の引き抜きを行う昇降装置２０を具備する装置である。そして、水冷モールド上部には、保温部材として黒鉛スリーブ３を配置している。水冷モールドの形状は、長さ４００ｍｍであり、黒鉛スリーブを配置する上部２００ｍｍ部分の内径は４７１ｍｍで下部内径は４５０ｍｍである。長さ２００ｍｍで内径４５０ｍｍ、外径４７０ｍｍの黒鉛スリーブが水冷モールド上部に内装されている。水冷モールド下方には２次冷却帯３０を配置している。また、図１においては付加装置として、合金溶湯と外気を遮断するシールド１４およびスラグ通電電極１５を配置可能としている。

本実施例では、図１の装置に対して、分割加熱装置に関する機器として図２に示すような円筒型黒鉛電極を４分割したスラグ通電電極１５を各電極間距離５０ｍｍとして黒鉛スリーブ下端から９０ｍｍ上方に配置すると共に、電極１５と鋳塊４の間の鋳塊４側に加熱電源４０を配置し、電極１５と鋳塊４の間の電極１５側に加熱電極を切り替える加熱切替器４１を配置する。更に、電極１５の各々の内側に温度検出器５１を配置し、電極１５各々の電極の電流を測定する為に電流検出器５２を配置する。これら温度検出器５１と電流検出器５２の検出信号は制御装置５０に入力され、制御装置５０はこれらの信号に従ってスラグ状態を均一に保つように加熱電源４０と加熱切替器４１を制御する。

図１に示す装置において、合金溶湯１１を保持したタンディッシュ１０の底部に設けたノズル１２から溶湯流１３として、スラグ１を介して水冷モールド２に注入する。
これにより、水冷モールド２に内装した保温部材である黒鉛スリーブ３の下端より４０ｍｍにメニスカス上面位置を有する溶湯プール４を形成でき、水冷モールド（保温部材）側にシェルを形成することができる。
そして、合金溶湯１１の注入量相当に合わせて、昇降装置２０を降下して鋳塊５を引き抜くことで、積層凝固を進行させることができる。また、水冷モールドから抜け出た鋳塊は２次冷却帯３０でミスト冷却されるようにしている。

図１の装置を用いて、鋳造実験を行った。なお、２次冷却帯３０は用いていない。
タンディッシュに溶湯を保持し、表１に示す組成及び融点を有するスラグを８０ｍｍの厚さで配置して水冷モールドに鋳造を行った。溶湯は質量％ＪＩＳ ＳＫＤ１１相当の鋼種を用いた。
溶湯温度を１５００℃とし、注入速度は、積層凝固速度０．０３ｍ／分（３０ｍｍ／分）相当としてスラグ加熱を行いつつ引抜鋳造を行った。溶湯鋼種の融点を考慮して目標スラグ温度範囲を１３５０〜１４００℃とし、加熱電源４０の電流を３００Ａに設定して電極１５各々の電流検出器５２の値が均等になるように加熱切替器４１を制御しながらスラグ加熱を行った。このとき、電極１５各々に近接配置した温度検出器５１（ＴＣ１〜ＴＣ４）で検出された温度信号の一例を図５に示す。この時、スラグ加熱は２１分で終了している。
また、比較のために図２の電極１５を円筒一体型黒鉛電極に置き換えた図３の構成でのスラグ加熱を行った。このとき、図２と同様の位置に配置した温度検出器５１（ＴＣ１〜ＴＣ４）で検出された温度信号の一例を図６に示す。この時、スラグ加熱は５２分で終了している。なお、一体型電極のため加熱切替器は使用していない。この為、スラグの加熱制御は加熱電源４０の電流調整のみで行うものである。

図４に、本発明の装置である図２の構成で分割加熱を行った場合のスラグ温度と電流の時間推移の模式図を示す。図４の時間ｔ１以前が分割加熱の制御を行う前、時間ｔ１以降が分割加熱の制御を開始した後のスラグ温度と電流の時間推移を示している。
図４での実際の制御は、ＴＣ１のみ高いスラグ温度を示した場合に行った制御の実例である。図４に示すように時間ｔ１以前のスラグ温度は電極１周囲の温度ＴＣ１のみが目標温度範囲より高く、電極１の電流も大きい。他の電極２〜３周囲の温度は目標温度範囲にあり、それらの値は等しく、電流値も等しい。このため、時間ｔ１〜ｔ２の期間で電極１の電流を遮断し、ＴＣ１の温度を下げた。この間、電極２〜４の電流値は、時間ｔ１以前より大きくなり、全電流値の１／３の値となって、電極２〜３周囲の温度は上昇する。時間ｔ２で電極１に通電すると、ＴＣ１の温度は有る程度下がったものの時間ｔ１以前と同様にＴＣ１のスラグ温度はＴＣ２〜ＴＣ４よりも依然として高いため、時間ｔ３で再度電極１の電流を遮断してＴＣ１の温度をさらに下げる。時間ｔ４でＴＣ１の温度が目標温度に入り、ＴＣ１〜４の全ての温度が一致してスラグの状態が均一になったところで電極１の通電を再開する。この時、電極１〜４の電流が等しくなり、その値は全電流値の１／４の値となる。時間ｔ４以降は、スラグ温度が目標温度内に入るように全電流値を調整してフラグ加熱を継続する。更に、時間ｔ４以降でスラグの状態が不均一になり目標温度範囲から外れた場合は、時間ｔ１〜ｔ４と同様な制御を行ってスラグの状態を均一するように制御する。

分割加熱を行わない、比較例の結果を示す図６からは、一体型電極によるスラグ加熱では、鋳造初期の不均一なスラグの温度分布を加熱電流の調整によって是正を試みても、スラグ温度が目標温度範囲内にならず、温度分布が更に不均一になってしまった。この結果、スラグ温度差が、初期の５０℃以上であったものが、１００℃以上にまで拡大した。
一方、本発明においては、図５に示すように、鋳造初期の不均一なスラグの温度分布をスラグ加熱部位の制御によって是正し、スラグ温度を目標温度範囲内とすることができ、スラグの不均一凝固を防止できることが確認できた。

本発明を適用する装置の一例を示す概念図である。 本発明の分割加熱装置部分の一例を示す図である。 比較例の一体型電極によるスラグ加熱装置部分の一例を示す図である。 本発明の実施例１で実施した温度制御の概要である。 本発明の実施例１で検出されたスラグ温度の図である。 比較例の一体型電極によるスラグ加熱で検出されたスラグ温度の図である。

符号の説明

１．スラグ、２．モールド、３．黒鉛スリーブ、４．溶湯プール、５．鋳塊

Claims (3)

1. 凝固した鋳塊をモールドの下部より引き抜く連続鋳造装置であって、合金溶湯が供給される前記モールドにはスラグ層が配置され、該スラグ層には所定の間隔で複数の加熱電極が設置されており、前記スラグの温度に応じて特定の加熱電極毎に制御可能な制御装置を具備することを特徴とする連続鋳造装置。
2. 制御装置は、スラグ層内に複数箇所設置された温度検出手段からの出力に連動して、特定の加熱電極を制御することを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造装置。
3. 合金溶湯を積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下の注入速度で注入し、溶湯プールを形成させつつ凝固させるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の連続鋳造装置。