JP2009119517A - 電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用電磁コイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】兼用コイルの鉄芯の最適寸法を具体化する。
【解決手段】鋳型長辺３ｂの外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電し、溶鋼２に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させる鋼の連続鋳造用電磁コイル装置である。電磁コイルは、ヨーク部２１ｂから２個のティース部２１ａを突出状に設ける。ティース部２１ａは内側巻き線２２を施し、内側巻き線２２を施した２個のティース部２１ａのさらに外側に外側巻き線２３を施す。ティース部２１ａの長さＬをティース部２１ａの幅Ｗの２倍以上となす。又は／及びヨーク部２１ｂの厚みＹをティース部２１ａの幅Ｗの２倍以上となす。この電磁コイルを各長辺３ｂにｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置し、磁性体のコア部２１をメニスカス位置から浸漬ノズル１の吐出孔１ａを含む鉛直方向の範囲に配置する。
【効果】省電力化と軽量化を図りつつ、十分な攪拌能力やブレーキ能力を確保できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋳型内溶鋼の流れを制御しつつ鋼を連続鋳造する際に適用する電磁ブレーキと電磁攪拌を兼用可能な電磁コイル装置に関するものである。

一般的な鋼の連続鋳造では、２つの吐出孔を有する浸漬ノズルを用いて鋳型内に溶鋼を給湯する。図７は、この一般的な連続鋳造法における鋳型内溶鋼の流動状態を模式的に示す縦断面図であるが、浸漬ノズル１の吐出口１ａから出た溶鋼２は鋳型３の短辺３ａに衝突した後、上昇流２ａと下降流２ｂに分岐する。そして、上昇流２ａは、さらにメニスカス位置において、浸漬ノズル１へ向かう水平流となる。なお、図７中の４はパウダーを示す。

この鋳型内溶鋼の流動制御は、操業上ならびに鋳片の品質管理上、極めて重要で、この溶鋼の流動制御を実現する方法として、浸漬ノズルの形状を工夫する方法、鋳型内の溶鋼に電磁力を作用させる方法などがある。このうちでは、後者の溶鋼に電磁力を作用させる方法が広く利用されており、溶鋼吐出流に制動力を作用させる電磁ブレーキと、溶鋼を電磁力により攪拌する電磁攪拌に大別される。

このうち、電磁ブレーキは、吐出流の制動により、吐出流が鋳型短辺に衝突して凝固シェルが再融解し、品質が低下するのを抑制することや、メニスカス流速を抑制して鋳造速度を増加させることを目的として用いられている。一方、電磁撹拌は、品質改善に効果を有することが知られており、主として高品質材の鋳造に用いられている。

これらの電磁ブレーキ装置、電磁攪拌装置は、共に磁性体のコア部に巻き線を施した電磁コイルを鋳型背面に設置したものである。このうち、コア部には、強磁性体である鉄材が用いられることが多く、鉄芯と呼ばれる。この鉄芯として、電磁ブレーキでは、軟鉄が用いられる場合が多いが、交流電流を用いる電磁攪拌では、電磁誘導による鉄損を軽減するために、電磁鋼板が用いられる。

これらの電磁コイル装置は、通常、電磁ブレーキ又は電磁攪拌のどちらか単独の機能しか有していない。

そこで、発明者らは、以前から電磁ブレーキと電磁攪拌の両機能の兼用が可能な電磁コイル装置（以後、兼用コイル装置と言う。）の開発を行ってきた（例えば特許文献１）。この兼用コイル装置の場合も、電磁攪拌性能を実現するためには、鉄芯として電磁鋼板が用いられる。
特開２００７−００７７１９号公報

本発明の兼用コイル装置の形状も基本的に特許文献１で開示したものと同じであり、出願人が特許文献２で開示した電磁コイル構造を利用している。
特開昭６０−０４４１５７号公報

この特許文献２で開示した兼用コイル装置１１を、鋳型３の長辺３ｂ側に各２個ずつ連続配置したものを図８に示す。この兼用コイル装置１１は、２個のティース部１２ａの夫々に巻き線（内側巻き線）１３を施し、更に２個のティース部１２ａをまとめて外側から巻き線（外側巻き線）１４を施していることが特徴である。この兼用コイル装置１１は２個のティース部１２ａとヨーク部１２ｂからなるコア部１２がギリシア文字のパイ（Π）に似ていることから、パイ型コイルと呼ばれている。

ところで、連続鋳造では、鋳造時に鋳型を振動させるので、鋳型に設置する電磁コイル装置は可能な限り軽量であることが望ましい。電磁コイル装置の軽量化にはコア部を小さくすることが効果的であるが、小さくし過ぎると電磁攪拌性能や電磁ブレーキ性能を確保できなくなる。従って、このような観点からコア部の各部位の寸法が決定されている。

かかる観点からコア部を構成する各部位の寸法を決定する点は、前記パイ型の兼用コイル装置も同様である。
しかしながら、パイ型の兼用コイル装置では、出願人が先に出願した特願２００７−１５０６２７号で、ティース部の幅Ｗ（１２０〜１７０mm）を開示しただけで、どの部位の寸法をどのような値にすれば、前記の各性能を確保できるのかの開示はない。

本発明が解決しようとする問題点は、出願人が先に提案した兼用コイル装置は、電磁攪拌性能や電磁ブレーキ性能を確保するために、コア部のどの部分の寸法をどのように決定すれば良いのかが明らかでないという点である。

本発明の兼用コイル装置は、
省電力化とコア部の軽量化を図りつつ、電磁攪拌性能や電磁ブレーキ性能を確保するために、
鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置であって、
この電磁コイル装置は、
電磁コイルと、直流電源及び３相以上の交流電源を有し、
このうちの電磁コイルは、
ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
これら各ティース部は、外側に夫々巻き線を施し、これら巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に巻き線を施してひとまとめになすと共に、
1) これら各ティース部の長さＬを各ティース部の幅Ｗの２倍以上となした、
又は／及び
2) このヨーク部の厚みＹをティース部の幅Ｗの２倍以上となした、
構成で、
この電磁コイルを前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置すると共に、
前記のヨーク部とティース部からなる磁性体のコア部を、メニスカス位置から浸漬ノズルの吐出孔を含む鉛直方向の範囲に配置したことを最も主要な特徴としている。

本発明によれば、省電力化とコア部の軽量化を図りつつ、十分な電磁攪拌能力や電磁ブレーキ能力を確保できる兼用コイル装置を実現することができる。

以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの過程と共に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
上述したように、兼用コイル装置は、十分な電磁攪拌性能と電磁ブレーキ性能を有していることに加えて軽量であることが望ましい。また、電磁攪拌や電磁ブレーキには多大な電力が必要となるが、電力の増加は極力抑えることが望ましい。

このようなことから、発明者らは、十分な電磁攪拌性能や電磁ブレーキ性能を有することに加えて、軽量でかつ省電力化が可能となる適切なコア部形状について模索した。

兼用コイル装置の性能のうち、電磁攪拌能力は溶鋼中に発生する電磁力による攪拌力で評価できる。また、電磁ブレーキ性能は溶鋼に印加される磁束密度の大きさで評価できる。

従って、発明者らは、十分な電磁攪拌性能や電磁ブレーキ性能に加えて、軽量化と省電力化を実現するために、数値解析シミュレーションの電磁場解析から、兼用コイル装置のコア部形状を変化させた場合の攪拌力と磁束密度変化について検討を行った。

図１に電磁場解析の計算モデルを示す。（ａ）図は全体像を示す斜視図、（ｂ）図は水平断面図、（ｃ）図は垂直断面図を示し、図中の数字は当該モデルの各部の寸法（mm）を示す。

銅製鋳型３の外側に非磁性ステンレスをバックアッププレート５として設置し、コア部２１の上端をメニスカスＭと同じ高さとした。コア部２１を構成するティース部２１ａへの内側巻き線２２及び外側巻き線２３の幅はそれぞれ５０mmである。なお、図１中の２１ｂはコア部２１を構成するヨーク部である。

電磁攪拌を実施する場合は、印加する電流値は４５０００ATurnで周波数を４．０Hzの交流電流を印加した。電磁ブレーキを実施する場合は、印加する電流値は５４０００ATurnの直流電流を印加した。

電磁攪拌時のコイル電流位相は、特願２００７−１５０６２７号で開示した電流位相の組み合わせである。

すなわち、図２に示すように、励磁コイル(イ)〜(ハ)、励磁コイル(ニ)〜(ヘ)、励磁コイル(ト)〜(リ)、励磁コイル(ヌ)〜(オ)が夫々１つの電磁コイルで、励磁コイル(イ)、(ニ)、(ト)、(ヌ)が夫々２個のティース部２１ａをひとまとめにすべく外側巻き線２３を施した励磁コイルである。

そして、励磁コイル(イ)〜(ハ)と励磁コイル(ニ)〜(ヘ)を有する電磁コイルを、鋳型３の一方の長辺３ｂ側に順に配置し、他方の長辺３ｂ側の励磁コイル(ト)〜(リ)と励磁コイル(ヌ)〜(オ)を有する電磁コイルは、励磁コイル(イ)〜(ハ)と(ニ)〜(ヘ)を有する電磁コイルと向き合って配置する。

このような配置とした場合、前記各電磁コイルの各ティース部２１ａに内側巻き線２２を施した励磁コイル(イ)〜(オ)に、３相交流電流における１２０度の位相差を有する各位相U、V及びWを、前記励磁コイルの順番に、図２（ａ）のように−W、＋V、＋U、＋W、−V、−U、−W、＋U、＋V、＋W、−U及び−Vを印加するか、または図２（ｂ）のように−W、＋V、＋U、−V、＋U、＋W、＋V、−W、−U、＋W、−U及び−Vを印加するのである。

一方、電磁ブレーキ時は、２本のティース部２１ａの巻かれている３つの巻き線２２，２３全てに同方向の電流を印加するのである。

数値解析による検討の結果、電磁攪拌時の攪拌力は、ティース部２１ａの長さＬに大きく影響を受け、電磁ブレーキ時の磁束密度は、ヨーク部２１ｂ厚みＹの影響が大きいことが明らかとなった。

電磁攪拌時のティース部の長さＬと攪拌力の関係を図３に示す。図３は、ティース部の幅Ｗを１２０，１４０，１７０mmとした場合に、ティース部の長さＬを変化させたときの溶鋼中に発生する攪拌力の最大値を示した図である。

図３から、ティース部の幅Ｗがいずれの場合であっても、ティース部の長さＬと幅Ｗの比（以後、Ｌ／Ｗと言う。）が１倍から２倍となった場合に攪拌力は大きく増加し、３倍，４倍になるとその増加量が小さくなっていることが分かる。このことから、軽量化の観点からは、ティース部の長さＬはティース部の幅Ｗの２〜３倍が適していることが分かる。

また図３より、ティース部の幅Ｗが１４０mmでＬ／Ｗ＝３の攪拌力は１０８００N／m³で、Ｌ／Ｗ＝１の場合における９４００N／m³の１．１４倍となっていることが分かる。つまり、Ｌ／Ｗ＝３の場合は、Ｌ／Ｗ=１の場合の０．８８倍の電流値で同じ攪拌力を得ることができ、省電力化が図れることが分かる。

次に、先の数値解析において、最も攪拌力が大きかったティース部の幅Ｗが１４０mmの場合における鋳型内流動の数値解析を実施した。

図４は、Ｌ／Ｗが１．０，２．０，３．０の場合の流速分布を示した図である。この図４に示した流速分布は、メニスカス位置の鋳型長辺から５mmの位置のものであり、図５のＡ−Ａ’の位置の長辺方向の流速分布である。

この図４より、Ｌ／Ｗ＝３．０の場合は、鋳型の隅部を除いた全領域で溶鋼流速が同方向に１０cm／sec以上となっていることが分かる。一方、Ｌ／Ｗ＝２．０の場合は、鋳型の長辺中央において溶鋼流速が５cm／secまで低下しているものの、全領域において同方向の流速が得られていることが分かる。

しかしながら、Ｌ／Ｗ＝１．０の場合は攪拌力が不足するため、鋳型の長辺中央において溶鋼流速が反転している。これより、Ｌ／Ｗ＝１．０の場合は電磁攪拌として不適当であることが分かる。

以上より、兼用コイルのティース部の長さＬを、ティース部の幅Ｗの２〜３倍とすることが望ましいことが分かる。

図６は電磁ブレーキ時のヨーク部の厚みＹとティース部の幅Ｗの関係を示した図である。この図６はティース部の幅Ｗを１２０，１４０，１７０mmとした場合で、ティース部の長さＬを変化させた場合の、鋳型厚み中央における最大磁束密度を示した図である。

図６から、ヨーク部の厚みＹとティース部の幅Ｗの比（以後、Ｙ／Ｗと言う。）が３．０以上となると、磁束密度はあまり増加せずに一定値を示すことが分かる。一方、Ｙ／Ｗが２．０より小さくなると磁束密度が大きく低下することも分かる。

以上より、兼用コイル装置の電磁ブレーキ性能を確保しつつ軽量化を図るには、ヨーク部の厚みＹをティース部の幅Ｗの２倍とすれば良いことが分かる。重量に余裕があれば３倍とすることが望ましい。

本発明は、以上の電磁場解析の結果に基づいてなされたもので、鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置において、軽量化と省電力化を図りつつ、十分な電磁攪拌性能を得るには、以下の構成の電磁コイルを使用する。

すなわち、直流電源と３相以上の交流電源に繋げる電磁コイルを、
ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
これら各ティース部は、外側に夫々巻き線を施し、これら巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に巻き線を施してひとまとめになすと共に、これら各ティース部の長さＬを各ティース部の幅Ｗの２倍以上となした構成とするのである。

また、軽量化と省電力化を図りつつ、十分な電磁ブレーキ性能を得るには、前記電磁コイルの、ヨーク部の厚みＹをティース部の幅Ｗの２倍以上となした構成とするのである。

そして、これらの電磁コイルを前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置すると共に、前記のヨーク部とティース部からなる磁性体のコア部を、メニスカス位置から浸漬ノズルの吐出孔を含む鉛直方向の範囲に配置するのである。
これが本発明の兼用コイル装置である。

なお、軽量化と省電力化を図りつつ、十分な電磁攪拌性能と電磁ブレーキ性能を共に得るには、前記ティース部の長さＬをティース部の幅Ｗの２倍以上となした構成と、ヨーク部の厚みＹをティース部の幅Ｗの２倍以上となした構成を共に採用すれば良いことは言うまでもない。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、交流電流は３相でなくても、電流位相差が９０度から１２０度であればそれ以上でも良い。

以上の本発明は、連続鋳造であれば、湾曲型、垂直型など、どのような方式の連続鋳造であっても適用できる。また、スラブの連続鋳造だけでなくブルームの連続鋳造にも適用できる。

電磁場解析の計算モデルを示す図で、（ａ）は全体像を示す斜視図、（ｂ）は水平断面図、（ｃ）図は垂直断面図を示す図である。 （ａ）（ｂ）は特願２００７−１５０６２７号で開示した兼用コイルの電流位相の組み合わせを説明する図である。 電磁攪拌時のティース部の長さと攪拌力の関係を示す図である。 ティース部の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）が１．０，２．０，３．０の場合の、メニスカス位置における図４のＡ−Ａ’の位置の長辺方向（鋳型長辺から５mmの位置）の流速分布を示した図である。 流速の比較位置を示した図である。 ティース部の幅Ｗを１２０，１４０，１７０mmとした場合における電磁ブレーキ時のヨーク部の厚みＹとティース部の幅Ｗの関係を示した図である。 一般的な連続鋳造法における鋳型内溶鋼の流動状態を模式的に示す縦断面図である。 兼用コイルの形状を説明する図で、（ａ）は水平断面図、（ｂ）は垂直断面図である。

符号の説明

１ 浸漬ノズル
２ 溶鋼
３ 鋳型
３ａ 短辺
３ｂ 長辺
１１ 兼用コイル装置
１２ コア部
１２ａ ティース部
１２ｂ ヨーク部
１３ 内側巻き線
１４ 外側巻き線
２１ コア部
２１ａ ティース部
２１ｂ ヨーク部
２２ 内側巻き線
２３ 外側巻き線

Claims (3)

1. 鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置であって、
   この電磁コイル装置は、
   電磁コイルと、直流電源及び３相以上の交流電源を有し、
   このうちの電磁コイルは、
   ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
   これら各ティース部は、外側に夫々巻き線を施し、これら巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に巻き線を施してひとまとめになすと共に、これら各ティース部の長さＬを各ティース部の幅Ｗの２倍以上となした構成で、
   この電磁コイルを前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置すると共に、
   前記のヨーク部とティース部からなる磁性体のコア部を、メニスカス位置から浸漬ノズルの吐出孔を含む鉛直方向の範囲に配置したことを特徴とする電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用電磁コイル装置。
2. 鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置であって、
   この電磁コイル装置は、
   電磁コイルと、直流電源及び３相以上の交流電源を有し、
   このうちの電磁コイルは、
   ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
   これら各ティース部は、外側に夫々巻き線を施し、これら巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に巻き線を施してひとまとめになすと共に、このヨーク部の厚みＹをティース部の幅Ｗの２倍以上となした構成で、
   この電磁コイルを前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置すると共に、
   前記のヨーク部とティース部からなる磁性体のコア部を、メニスカス位置から浸漬ノズルの吐出孔を含む鉛直方向の範囲に配置したことを特徴とする電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用電磁コイル装置。
3. 鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置であって、
   この電磁コイル装置は、
   電磁コイルと、直流電源及び３相以上の交流電源を有し、
   このうちの電磁コイルは、
   ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
   これら各ティース部は、外側に夫々巻き線を施し、これら巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に巻き線を施してひとまとめになすと共に、これら各ティース部の長さＬが各ティース部の幅Ｗの２倍以上で、かつヨーク部の厚みＹをティース部の幅Ｗの２倍以上となした構成で、
   この電磁コイルを前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置すると共に、
   前記のヨーク部とティース部からなる磁性体のコア部を、メニスカス位置から浸漬ノズルの吐出孔を含む鉛直方向の範囲に配置したことを特徴とする電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用電磁コイル装置。

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