JP2008173644A - 連続鋳造鋳型用電磁コイル - Google Patents

Abstract

【課題】 鋳型内の溶鋼流動を電磁力によって制御するために連続鋳造用鋳型の背面に設置される電磁コイルにおいて、従来に比べて鋳型鋳造方向の磁束密度分布が均一化している磁場を形成することのできる電磁コイルを提供する。
【解決手段】 本発明に係る連続鋳造鋳型用電磁コイル３は、鉄心４とこの鉄心を周回する巻線５とを備え、鋳型内の溶鋼流動を電磁力によって制御するために連続鋳造用鋳型１の背面に設置される電磁コイルであって、前記鉄心の鉛直方向の断面形状は、鉄心の鋳型と向き合う側の表面４ａから鋳型の溶鋼に接触する側の表面１ａまでの間隔が鉄心の鋳造方向中央部で最も大きくなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、連続鋳造機で鋳型内溶鋼の流動制御のために用いられる磁場発生設備の一部分を構成する、鋳型背面に設置される電磁コイルに関し、詳しくは鋳型内の鋳造方向に均一な磁束密度を形成することのできる電磁コイルに関するものである。

鋼の連続鋳造では、鋳造される鋳片の品質を向上させるために、鋳型背面に設置される電磁コイル及びこの電磁コイルに給電するための電源装置などからなる磁場発生設備を配置し、この磁場発生設備によって形成される電磁力を利用して鋳型内の溶鋼流動を制御する技術が広く行われている。

例えば、特許文献１には、スラブ鋳片を連続鋳造する際に、鋳型幅方向に２分割以上に分割された電磁コイルを、鋳造方向の電磁コイル中心が鋳型内溶鋼湯面近傍に位置するように鋳型長辺面の背面に配置し、相対する鋳型の長辺面でそれぞれ逆方向に移動する流れとなり且つその溶鋼流速が１０〜６０ｃｍ／秒となるように、前記電磁コイルから移動磁場を印加して溶鋼を攪拌する技術が開示されている。特許文献１によれば、鋳型内溶鋼湯面（「メニスカス」という）近傍の溶鋼流速が確保され、溶鋼流による洗い流し効果によって非金属介在物及び気泡の凝固シェルへの補足が防止され、表面性状に優れたスラブ鋳片を得ることができるとしている。

また、特許文献２には、鋳型背面に配置した電磁コイルにより鋳型内の溶鋼を水平方向に旋回させながらブルーム鋳片を連続鋳造する際に、溶鋼を水平旋回させるために付与する磁場の上下方向の勾配と、浸漬ノズルから吐出される溶鋼の下方速度成分との比が、所定の範囲内となるように調整して鋳造する技術が開示されている。特許文献２によれば、溶鋼が攪拌されることにより、メニスカスの溶鋼温度が確保されてモールドパウダーの巻き込みが防止されるとともに、凝固シェルの柱状晶が溶鋼流により切断されて鋳片中央部には等軸晶が形成され、鋳片の中心偏析が改善されるとしている。
特開平６−６０６号公報 特開２００３−３２６３４４号公報

上記のように、連続鋳造機において、磁場発生設備は、鋳片の表面品質の向上或いは内部品質の向上のために無くてはならない設備として有効活用されている。但し、電磁力は、電磁コイルにより印加される磁場の強度と、この磁場と溶鋼との相対的移動によって溶鋼中に生ずる渦電流とにより形成され、このようにして形成される電磁力によって鋳型内の溶鋼流動は制御されるので、目的とする溶鋼流を鋳型内に形成する上で、乱れが少なく、磁束密度分布が均一な磁場を電磁コイルにより形成することが重要となる。

ここで、鋳型を中心としてその周囲に配置された電磁コイルから印加される、回転する磁場によって溶鋼中に形成される電磁力は、電磁コイルから生ずる磁場と下記の（１）式の関係があることが知られている。但し（１）式において、Ｆは電磁力、σは溶鋼の導電率、ωは回転する磁場の角速度、ｒは回転中心即ち鋳型内空間中心からの距離、Ｂは磁場の磁束密度である。

（１）式からも明らかなように、電磁力の分布は電磁コイルから生ずる磁場の分布に依存することになる。

電磁コイルは鉄心の周りに銅線や銅管が巻線として巻かれた構造であり、図４に示すように、従来の電磁コイル３Ａは、鉄心４を鋳造方向つまり鋳型１の長さ方向に均一な厚みとし、この鉄心４の周囲に銅線や銅管が巻線５として巻かれた構造であった。尚、図４は、従来の電磁コイルが鋳型背面に配置された連続鋳造機鋳型部の概略断面図であり、図４において、符号２は浸漬ノズル、６は絶縁材、７は金属製ケース、８は溶鋼である。

この形状の電磁コイル３Ａにより形成される鋳型中心部における鋳型高さ方向の磁束密度を図５に示す。一般に、有限な上下高さを持つ電磁コイルから発生する磁場については、コイル上下端部近傍では上下空間への漏れ磁場により減衰が避けられない。図５に示すように、電磁コイル３Ａにより形成される磁場においては、磁束密度は電磁コイルの鋳造方向中央部で最大となり、電磁コイルの鋳造方向中央部から上方向及び下方向に向かって次第に減少する分布となる。この磁束密度の分布に基づき、電磁力も電磁コイルの鋳造方向中央部が最も大きくなり、上方向及び下方向に向かって減少する分布となる。

つまり、溶鋼を鋳型内で水平方向に攪拌するに当たり、溶鋼の攪拌力が鋳型の鋳造方向高さによって異なるので、それに応じて鋳型の鋳造方向高さによって溶鋼流速に差が生じ、溶鋼の流れに乱れなどが発生する原因となっていた。即ち、鋳型内で溶鋼を水平方向に攪拌することにより得られる、非金属介在物や気泡の凝固シェルへの捕捉を防止する、或いは、鋳片中央部の凝固組織を等軸晶にするといった効果を下げる原因となっていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、鋳型内の溶鋼流動を電磁力によって制御するために連続鋳造用鋳型の背面に設置される電磁コイルにおいて、従来に比べて鋳型の鋳造方向における磁束密度分布が均一化している磁場を形成することのできる電磁コイルを提供することである。

上記課題を解決するための本発明に係る連続鋳造鋳型用電磁コイルは、鉄心とこの鉄心を周回する巻線とを備え、鋳型内の溶鋼流動を電磁力によって制御するために連続鋳造用鋳型の背面に設置される電磁コイルであって、前記鉄心の鉛直方向の断面形状は、鉄心の鋳型と向き合う側の表面から鋳型の溶鋼に接触する側の表面までの間隔が鉄心の鋳造方向中央部で最も大きくなることを特徴とするものである。

本発明では、距離による磁場の減衰効果を利用している。距離による磁場の減衰効果については、例えば移動磁場については以下のように表される。コイル鉄心表面での磁束密度をＢ₀ とすると、空間中若しくは導体中での減衰により、コイル表面から距離ｙだけ離れた位置での磁束密度Ｂは下記の（２）式で表される。

ここで、（２）式のαは下記の（３）式によって定まる定数である。但し、（３）式において、σは空間若しくは導体の導電率、μは空間若しくは導体の透磁率、ｋは移動磁場の波数、ｆは移動磁場の周波数である。

（２）式により、コイル鉄心表面からの間隔が大きくなるほど、磁場の減衰の程度が大きくなることが分かる。尚、回転磁場の場合も移動磁場と同様にコイル鉄心表面からの間隔が大きくなるほど、磁場の減衰の程度が大きくなる。

本発明に係る電磁コイルによれば、鉄心の鋳型と向き合う側の表面から鋳型の溶鋼に接触する側の表面までの間隔が鉄心の鋳造方向中央部で最も大きくなるように、鉄心の形状を構成するので、鉄心と溶鋼との間隔は鉄心の鋳造方向中央部が最も大きくなり、距離による磁場の減衰効果によって、つまり磁束密度の最も高い部位の減衰量が最も大きくなることによって、鋳型内の磁束密度分布は平坦化され、従来に比べて鋳造方向に均一化された磁束密度分布を得ることができる。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明に係る電磁コイルが鋳型背面に配置された連続鋳造機鋳型部の概略断面図である。

図１に示すように、溶鋼８を、タンディッシュ（図示せず）の底部に設置した浸漬ノズル２を介して鋳型１に注入して溶鋼８から鋳片を製造する連続鋳造機において、鋳型１の背面に、鉄心４と、この鉄心４を周回する巻線５と、この巻線５を覆う絶縁材６と、絶縁材６を囲う金属製ケース７と、を備えた本発明に係る電磁コイル３が設置されている。

連続鋳造機がブルーム鋳片またはビレット鋳片を鋳造する連続鋳造機の場合には、鋳型１の四周を囲んで電磁コイル３を配置し、連続鋳造機がスラブ鋳片を鋳造する連続鋳造機の場合には、鋳型１の長辺面側の背面に電磁コイル３を配置する。これは、スラブ鋳片の場合には、鋳片の短辺面に比べて長辺面の方がはるかに広く、一般的には、磁場を長辺面に印加するだけで所望する流動制御が得られるからである。当然ながら鋳片の短辺面側にも電磁コイル３を配置しても構わない。同様に、ブルーム鋳片またはビレット鋳片を鋳造する連続鋳造機においても鋳型１の長辺面側にのみ電磁コイル３を配置しても構わないが、ブルーム鋳片またはビレット鋳片の場合には、短辺面と長辺面とのサイズ差が少なく、磁場の印加される面積の絶対量が少なくなるので、長辺面にのみ印加した場合には、溶鋼８の流動制御が難しくなるなどの影響が発生する。

本発明に係る電磁コイル３を構成する鉄心４は、鉄心４の鋳型１と向き合う側の表面４ａから鋳型１の溶鋼８に接触する側の表面１ａまでの間隔が、鉄心４の鋳造方向中央部で最も大きくなるように、鋳造方向中央部の厚みが他の部位の厚みに比較して薄い形状になっている。図１では、これらの条件を満足させるために、鉄心４の鋳型１と向き合う側１ａの表面は、鋳造方向中央部が最も凹んだ円弧状となっているが、段差を設け、階段状に凹む形状とする、また、両側を斜面として鋳造方向中央部が凹んだ形状とするなど、どのような形状であっても構わない。

そして、この鉄心４の表面には、絶縁材９で覆われた銅線或いは銅管などの導体が鉛直方向に巻きつけらて形成される巻線５が配置されている。巻線５は、鉄心４の外殻形状に応じて、鉄心４の鉛直方向断面形状と類似した形状で形成されている。この巻線５には、電力を供給するための電源装置（図示せず）と連結する配線（図示せず）が接続されている。巻線５としては、冷却効率の面から中空の銅管を用いて内部を水冷させることが好ましい。鉄心４及び巻線５の全体は更に絶縁材６によって固められ、この絶縁材６は金属製ケース７に収容されている。金属製ケース７としては、磁束の減衰が少ないことから、非磁性体であるステンレス鋼が一般的に用いられる。

このようにして構成される本発明に係る電磁コイル３に、周波数、電流値、位相などが所定の値に調整された電力を電源装置から供給し、電磁コイル３により発生する磁場を鋳型１に印加する。本発明の電磁コイル３によって印加される、鋳型中心部における鋳型高さ方向の磁束密度の例を図２に示す。

本発明に係る電磁コイル３では、鉄心４の鋳型１と向き合う側の表面４ａから鋳型１の溶鋼８に接触する側の表面１ａまでの間隔が、鉄心４の鋳造方向中央部で最も大きくなるように、鉄心４の鋳造方向中央部を薄くするので、鉄心４と溶鋼８との間隔は鉄心４の鋳造方向中央部が最も大きくなり、つまり、磁束密度の最も高い部位における磁束の減衰量が最も大きくなることによって鋳型内の磁束密度分布は平坦化され、図２に示すように、従来に比べて鋳造方向に均一化された磁束密度分布を得ることができる。

その結果、溶鋼８に作用する電磁力分布が一様となり、例えば、溶鋼８を旋回するように攪拌する場合には、鋳型内における溶鋼８の旋回流が電磁コイル３の設置範囲全体で均一化され、乱れの少ない溶鋼流を得ることができ、それにより、従来の電磁コイルによる攪拌では得ることのできない、優れた品質の鋳片を得ることが可能となる。尚、電磁コイル３から印加する磁場は、静磁場であってもまた移動磁場であってもどちらでもよく、磁場印加の目的に応じた磁場を印加すればよい。静磁場は、溶鋼流に対してブレーキの役割を発揮し、移動磁場は、磁場の移動方向に向けて溶鋼８に加速力を付与する役割を発揮する。

本発明の電磁コイルをブルーム連続鋳造機の鋳型に適用した例を説明する。

厚み３００ｍｍ、幅４００ｍｍのサイズのブルーム鋳片を鋳造するブルーム連続鋳造機の鋳型背面に、鋳型周囲を囲んで、前述した図１に示す形状の電磁コイルを設置した。鋳型の長さは１０００ｍｍであり、この鋳型に、鉄心の高さが５４０ｍｍ、鉄心の上端部及び下端部の厚みが２２０ｍｍ（鉄心の最大厚み）、鉄心の鋳造方向中央部の厚みが１００ｍｍ（鉄心の最小厚み）である電磁コイルを設置し、この電磁コイルを用いて鋳型内に回転する磁界を印加して、鋳型内の溶鋼を水平方向に旋回させた（以下「本発明例」と記す）。

また、比較のために前述した図４に示す従来の電磁コイルを設置した鋳型を用い、この電磁コイルから回転する磁界を印加して、鋳型内の溶鋼を水平方向に旋回させる鋳造も実施した（以下「従来例」と記す）。

得られた鋳片から鋳片全断面の試料を採取し、更にこの試料から鋳片表面から５ｍｍ内側の縦断面が表面となる試料を切り出し、この切り出した試料の表面を鏡面研磨し、顕微鏡を用いて鏡面研磨面の非金属介在物量及び気泡量を調査した。非金属介在物量及び気泡量の調査方法は、JIS G 0555に準じて行った。即ち、顕微鏡の接眼鏡に縦、横各々２０本の格子線をもつガラス板を装入し、倍率を４００倍として被検面をランダムに視野数が６０視野となるまで繰り返し検鏡し、非金属介在物及び気泡によって占められた格子点中心の数を数え、数えられた格子点中心の数から非金属介在物及び気泡の占める面積百分率を求め、求めた面積百分率によって評価した。鏡面研磨面の試料は各々１０個ずつとした。

図３に、電磁コイルに供給する電流を変化させたときの非金属介在物量及び気泡量の調査結果を示す。尚、図３では、電磁コイルに通電せずに鋳造したときの鋳片の非金属介在物の面積百分率と気泡の面積百分率とを加えた合計の面積百分率を１．０として指数化した欠陥発生指数で表示している。

図３に示すように、従来例では、供給電流を増加して攪拌強度を強くしても、およそ８０Ａ以上の電流値になると非金属介在物及び気泡の洗浄効果が飽和し、供給電流の増加に応じて非金属介在物及び気泡が減少しないことが分かった。これは、電磁コイルの鋳造方向中央部と電磁コイルの上端部及び下端部とで溶鋼流速に差が生じ、それにより乱流が強くなり、非金属介在物や気泡の洗浄効果が弱くなるためと推定される。

これに対して、本発明例では、従来例に比較して供給電流が同一であっても欠陥発生指数は低く、また、従来例では非金属介在物及び気泡の洗浄効果が飽和した攪拌領域でも非金属介在物及び気泡が減少することが確認できた。この結果から、本発明の電磁コイルを使用することで、乱れの少ない安定した溶鋼の流れが得られ、従来の電磁コイルに比べて攪拌効果が大きいことが確認できた。

本発明に係る電磁コイルが鋳型背面に配置された連続鋳造機鋳型部の概略断面図である。 本発明に係る電磁コイルにより形成される磁場の鋳型内高さ方向位置での磁束密度を示す図である。 本発明の電磁コイルを使用した場合と従来の電磁コイルを使用した場合とで鋳片の非金属介在物量及び気泡量を比較して示す図である。 従来の電磁コイルが鋳型背面に配置された連続鋳造機鋳型部の概略断面図である。 従来の電磁コイルにより形成される磁場の鋳型内高さ方向位置での磁束密度を示す図である。

符号の説明

１ 鋳型
２ 浸漬ノズル
３ 電磁コイル
４ 鉄心
５ 巻線
６ 絶縁材
７ 金属製ケース
８ 溶鋼

Claims (1)

1. 鉄心とこの鉄心を周回する巻線とを備え、鋳型内の溶鋼流動を電磁力によって制御するために連続鋳造用鋳型の背面に設置される電磁コイルであって、前記鉄心の鉛直方向の断面形状は、鉄心の鋳型と向き合う側の表面から鋳型の溶鋼に接触する側の表面までの間隔が鉄心の鋳造方向中央部で最も大きくなることを特徴とする連続鋳造鋳型用電磁コイル。

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