JP2009255127A - 連続鋳造鋳片の冷却方法及び冷却設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 連続鋳造機で鋳造されている鋳片を、鋳片幅方向で均一に冷却することのできる、連続鋳造鋳片の冷却方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る連続鋳造鋳片の冷却方法は、鋳片の幅方向に沿って配置した複数個のノズルチップ４から噴霧される、水と空気とを混合させたエアーミストスプレー１１で連続鋳造機内の鋳片を冷却するに際し、前記エアーミストスプレーの鋳片表面における噴霧面の長軸方向を、鋳片の幅方向（Ｘ−Ｘ´方向））に対して、５°以上４５°未満の傾斜角度θで傾斜させた状態として、該エアーミストスプレーによって鋳片を冷却する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、連続鋳造機で鋳造されている鋳片の冷却方法及び冷却設備に関し、詳しくは鋳片の幅方向で均一に冷却する方法及びその設備に関するものである。

鋼の連続鋳造では、取鍋内の溶鋼を一旦タンディッシュに注入し、タンディッシュ内に所定量の溶鋼が滞在した状態で、タンディッシュ内の溶鋼を、タンディッシュ底部に設置した浸漬ノズルを介して鋳型に注入している。鋳型内に注入された溶鋼は鋳型によって冷却されて鋳型との接触面に凝固シェルを形成し、この凝固シェルを外殻とし、内部に未凝固溶鋼を有する鋳片は、鋳型の下方に設けられた二次冷却帯において冷却水（「二次冷却水」という）によって冷却されながら鋳型下方に連続的に引抜かれ、やがて中心部までの凝固が完了する。中心部までの凝固の完了した鋳片を所定の長さに切断して、圧延用素材である鋳片が製造されている。近年では、均一冷却が可能であることから、水スプレーに替わって、水と空気の二流体スプレー（「エアーミストスプレー」という）で冷却することも広く行われている。

二次冷却帯において、不均一な冷却が発生すると、鋳片の表面や内部に割れが生じたり、鋳片中心部の中心偏析が悪化したりする。特に、スラブ鋳片は幅が広く、複数個のノズルチップを鋳片幅方向に配置する必要があることから、隣り合うノズルチップから噴霧される水スプレー或いはエアーミストスプレーが重なり合ったりすることで、幅方向で不均一な冷却になりやすく、従って、鋳片幅方向で均一な冷却を行うべく多数の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、二次冷却帯における各ロール間に複数個のノズルチップを配置し、燐り合うノズルチップ同士の噴射角度を互いに異ならせるとともに、各ノズルチップの高さ位置及び鋳片幅方向での各ノズルチップのノズルチップ間距離を調整自在にした冷却設備が開示されている。特許文献１に提案されるように、各ノズルチップの位置を自在に変更可能とすることで、隣り合うノズルチップから噴霧された水スプレー或いはエアーミストスプレーが重なり合ったりすることを防止することができ、鋳片幅方向で均一な冷却が得られると思慮されるが、スラブ連続鋳造機には多数のノズルチップが配置されており、これらのノズルチップを高さ方向及び幅方向に自在に移動可能とすることは多額の設備費を費やすことになり、現実的ではない。

また、特許文献２には、鋳片の幅方向に間隔をおいて配置した複数のノズルチップを鋳片の幅に応じて移動するようにノズルチップ位置を設定し、該ノズルチップから冷却水を噴霧して鋳片を冷却するにあたり、ノズルチップと鋳片表面との間隔を変数とし、水量密度が鋳片幅方向でほぼ均一となる、隣り合うノズルチップ同士の間隔を予め求め、鋳片の幅に応じて、ノズルチップと鋳片表面との間隔及び隣り合うノズルチップ同士の間隔を設定して冷却する冷却方法が開示されている。特許文献２によれば、鋳片幅方向で水量密度がほぼ均一になり、鋳片幅方向で均一な冷却が得られるとしているが、エアーミストスプレーの場合には空気による冷却を考慮する必要があり、水量密度のみを対象とする特許文献２の技術をエアーミストスプレーに適用しても、その効果は少ない。

ところで、鋼板の熱間圧延工程では、生成した鋼板表面のスケールを除去するために、複数個の高圧水噴射ノズルを、鋼板パスラインの幅方向に沿って配列したデスケーリング装置を使用している。このデスケーリング装置の高圧水噴射ノズルから噴射される噴射水の長軸方向は、鋼板の幅方向に対して１０〜２０°傾斜しており、噴射水の両端部が隣り合う高圧水噴射ノズルから噴射される噴射領域と重ならないようになっている（例えば、特許文献３、４を参照）。

この高圧水噴射ノズルの配列は、後述するように、本発明におけるエアーミストスプレーのノズルチップの配列に類似しているが、鋼板表面のデスケーリング技術と連続鋳造鋳片表面の冷却技術とは基本的に異なる技術であり、特許文献３、４の技術を鋳片表面の冷却技術に適用することはできない。
特開昭６２−７７１６２号公報 特開平７−１３６７５２号公報 特開昭６４−１１０１２号公報 特開平６−２８５５３３号公報

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、連続鋳造機で鋳造されている鋳片を、鋳片幅方向で均一に冷却することのできる、連続鋳造鋳片の冷却方法及び冷却設備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片の冷却方法は、鋳片の幅方向に沿って配置した複数個のノズルチップから噴霧される、水と空気とを混合させたエアーミストスプレーで連続鋳造機内の鋳片を冷却するに際し、前記エアーミストスプレーの鋳片表面における噴霧面の長軸方向を、鋳片の幅方向に対して５°以上４５°未満の範囲内で傾斜させた状態として、該エアーミストスプレーによって鋳片を冷却することを特徴とするものである。

また、本発明に係る連続鋳造鋳片の冷却設備は、連続鋳造機内の鋳片の幅方向に沿って配置された複数個のノズルチップを具備し、該ノズルチップから噴霧される、水と空気とを混合させたエアーミストスプレーで連続鋳造機内の鋳片を冷却する連続鋳造鋳片の冷却設備であって、前記エアーミストスプレーの鋳片表面における噴霧面の長軸方向が鋳片の幅方向に対して５°以上４５°未満の範囲内で傾斜するように、前記ノズルチップが配置されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、連続鋳造機内の鋳片の幅方向に沿って複数個配置されるエアーミストスプレーのノズルチップを、該ノズルチップから噴霧されるエアーミストスプレーの鋳片表面での噴霧面の長軸方向が鋳片の幅方向に対して５°以上４５°未満の範囲内で傾斜するように配置するので、隣り合うノズルチップから噴霧されるエアーミストスプレーは互いに重なり合うことはなく、鋳片表面を従来よりも均一に冷却することができ、その結果、鋳片の表面割れや表層下割れ更には中心偏析を防止することが可能となり、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、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。

図１に、エアーミストスプレー装置を用いて鋳片を冷却している状況の概略図を示す。図１に示すように、エアーミストスプレー装置３は、水を供給する水供給管７と、空気を供給する空気供給管８と、水供給管７と空気供給管８とが合流して供給される水及び空気が混合される混合部６と、混合された水及び空気の流路となる混合配管５と、混合配管５の先端部に装着されるノズルチップ４とを備えている。ノズルチップ４は、鋳造方向に隣り合う、鋳片２の支持・案内装置である鋳片支持ロール１の間隙に配置され、ノズルチップ４から噴出される霧状の水粒子１１（これ以降「エアーミスト１１」と称す）が鋳片２の表面に衝突することで、鋳片２が冷却されるようになっている。水供給管７には供給される水の圧力を測定する水圧測定用圧力計９が設置され、また、空気供給管８には供給される空気の圧力を測定する空気圧測定用圧力計１０が設置されている。尚、水供給管７は水を供給するポンプ（図示せず）に連結され、空気供給管８は空気を供給するポンプ（図示せず）に連結されている。また、図１では、鋳片２の左側片側のみに鋳片支持ロール１及びエアーミストスプレー装置３が設置されているが、図１では鋳片２の右側を省略しており、右側にも鋳片支持ロール１及びエアーミストスプレー装置３が設置されている。

このような構成のエアーミストスプレー装置３が、鋳造方向の各鋳片支持ロール１の間隙に、鋳片２の幅方向に沿って複数個配置されて、鋳片２の冷却設備を形成している。但し、水圧測定用圧力計９及び空気圧測定用圧力計１０は、全ての水供給管７及び全ての空気供給管８に配置する必要はなく、各ノズルチップ４に枝分かれる前の供給管（図示せず）に設置しても構わない。

各ノズルチップ４から噴霧されるエアーミスト１１の鋳片表面における噴霧面は、通常、扁平な楕円形を呈している。これは、隣り合う鋳片支持ロール１の間隔が狭いという条件下で、鋳片支持ロール１に直接噴霧されるエアーミスト１１を最小限にして確実に鋳片２を冷却すると同時に、１つのノズルチップ４から噴霧する範囲を拡大させてノズルチップ４の配置数を少なくするための方策である。

従来のエアーミストスプレー装置３における噴霧状況の模式図を図２に示す。従来、ノズルチップ４は、鋳片表面における楕円形の噴霧面１２の長軸方向が、鋳片２の幅方向（Ｘ−Ｘ´方向）と平行になるように配置されており、噴霧面１２の端部は隣りの噴霧面１２と重なり合っていた。

通常、噴霧面１２の重なり部分１２ａの冷却強度は、その周囲に比較して強くなり、不均一冷却の原因となるので、重なり部分１２ａの発生は極力避けたいが、水供給管７から供給される水量の変化に応じて噴霧面１２の形状は変化するので、噴霧面１２の形状が変化したとしても、隣り合うノズルチップ４の境界部分の鋳片表面にエアーミスト１１を噴霧しようとすると、水量が増加した場合に或る程度の重なり部分１２ａが発生することは、やむを得ないことである。尚、水量は鋳片２の鋳造速度に応じて変化する。

また、噴霧面１２の端部は、必然的に水量分布が少なくなり、冷却強度が弱くなることから、これを防止するために、或る程度の重なり部分１２ａが形成されるようにノズルチップ４を配置する場合もあるが、この場合もやはり、或る特定の鋳造速度の場合には幅方向で均一な冷却強度が得られていても、水量が増加した場合には、重なり部分１２ａの冷却強度が強くなりすぎ、鋳片２の不均一冷却の原因となる。

そこで、本発明では、図３に示すように、噴霧面１２の長軸方向が鋳片２の幅方向（Ｘ−Ｘ´方向）に対して５°以上４５°未満の範囲内で傾斜するように、つまり、噴霧面１２の長軸方向と、鋳片２の幅方向（Ｘ−Ｘ´方向）とでなす角度θ（以下「傾斜角度θ」と表示する）が５°以上４５°未満の範囲内となるように、ノズルチップ４を配置することとした。このように配置することで、噴霧面１２の端部は重ならず、重なり部分１２ａによる過冷却を防止することができる。

傾斜角度θが５°未満では、隣り合うノズルチップ４から噴霧されるエアーミスト１１の影響を受け、鋳片幅方向で均一な冷却を得ることができない。一方、傾斜角度θが４５°以上になると、エアーミスト１１の噴霧されない部分が存在しないようにするためには、鋳片幅方向に沿って配置するノズルチップ４の個数が多くなり、設備費が嵩むことから望ましくない。

但し、傾斜角度θを５°以上４５°未満としても、使用するノズルチップ４から噴霧されるエアーミスト１１の形状に応じて自ずと最適な角度が存在するので、予めノズルチップ４から噴霧されるエアーミスト１１の噴霧特性を予め測定することが好ましい。具体的には、噴霧面１２における水量の分布及び衝突圧の分布であり、以下のようにしてこれらを測定する。

エアーミスト１１の噴霧特性のうちで、エアーミスト１１の幅方向（長軸方向）の水量分布は、例えば図４に示すようにして測定することができる。つまり、ノズルチップ４と噴霧面との距離（「ノズル高さ」という）が所定の値となるように設置されたノズルチップ４の下方に、収集箱１３をエアーミスト１１の幅方向に並べて配置し、ノズルチップ４から所定の時間だけエアーミスト１１を噴霧し、それぞれの収集箱１３に溜まった水の量を定量することで、エアーミスト１１の幅方向の水量分布を求めることができる。例えば、溜まった水量の一番多い箇所を１００％とし、この水量に対する比を百分率で表示すれば、幅方向の水量分布を得ることができる。ここで、エアーミスト１１の幅方向の水量分布とは、鋳片２の鋳造方向と直交する方向、つまり鋳片２の幅方向と同一方向における水量分布である。

同様に、エアーミスト１１の厚み方向（短軸方向）の水量分布は、例えば図５に示すようにして求めることができる。つまり、所定のノズル高さとなるように設置されたノズルチップ４の下方に、収集箱１３をエアーミスト１１の厚み方向に並べて配置し、ノズルチップ４から所定の時間だけエアーミスト１１を噴霧し、それぞれの収集箱１３に溜まった水の量を定量することで、エアーミスト１１の厚み方向の水量分布を求めることができる。例えば、溜まった水量の一番多い箇所を１００％とし、この水量に対する比を百分率で表示すれば、厚み方向の水量分布を得ることができる。この厚み方向の水量分布からエアーミスト１１の噴霧厚みを求めることができる。ここで、エアーミスト１１の厚み方向の水量分布とは、鋳片２の鋳造方向と同一方向における水量分布である。

エアーミスト１１の噴霧特性のうち、エアーミスト１１の衝突圧分布は、例えば図６及び図７に示すようにして求めることができる。つまり、所定のノズル高さとなるように設置されたノズルチップ４の下方に、市販の歪ゲージから構成される衝突圧測定センサー１４を配置し、ノズルチップ４からエアーミスト１１を噴霧し、衝突圧測定センサー１４をエアーミスト１１の幅方向及び厚み方向に移動させることで、エアーミスト１１の衝突圧の分布を得ることができる。尚、衝突圧測定センサー１４を固定し、ノズルチップ４を移動させてもエアーミスト１１の衝突圧分布を得ることができる。

このようにしてノズルチップ４の噴霧特性を測定し、鋳片支持ロール１の鋳造方向の間隙及びノズルチップ４のノズル高さを加味しつつ、測定したノズルチップ４の噴霧特性に応じて、エアーミスト１１が鋳片支持ロール１に直接接触しないように傾斜角度θを設定し、且つ、エアーミスト１１の噴霧されない部分が存在しないようにノズルチップ４の設置間隔を設定する。この場合、鋳片２の両端部を除いて、ほぼ水量分布が同等になるように、ノズルチップ４を設置することを基本条件とする。鋳片２の両端部を除く理由は、鋳片２の両端部は、鋳片表面温度確保のために、あえてエアーミスト１１が直接噴霧されないようにする場合があるからである。

以上説明したように、本発明によれば、連続鋳造機内の鋳片２の幅方向に沿って複数個配列されるエアーミストスプレーのノズルチップ４を、該ノズルチップ４から噴霧されるエアーミスト１１の鋳片表面での噴霧面１２の長軸方向が鋳片２の幅方向に対して５°以上４５°未満の範囲内で傾斜するように配置するので、隣り合うノズルチップ４から噴霧されるエアーミスト１１は互いに重なり合うことはなく、鋳片２の表面を従来よりも格段に均一冷却することが可能となる。

連続鋳造機のエアーミストスプレー装置を模擬した実験装置を用いて、鋼材（鋼板）を冷却する試験を実施した。図８に実験装置を示す。図８において、鋳片代替の鋼材１５に鋳片支持ロール１を接触させ、この鋳片支持ロール１の間隙にノズルチップ４を鋼材１５の横方向に３個並べて配置し、各ノズルチップ４からエアーミスト１１を噴霧して鋼材１５を冷却した。使用したノズルチップ４の仕様は、１本あたり最大水量が２３．５Ｌ／ｍｉｎ、最大空気量が２８５ＮＬ／ｍｉｎであり、ノズル高さは２００ｍｍとした。隣り合うノズルチップ４の間隔は全ての条件で一定とした。そして、エアーミスト１１が噴霧される面とは反対側の鋼材表面の温度を二次元放射温度計１６で測定し、鋼材１５の幅方向の温度分布を測定した。鋼材１５は、炭素鋼を用いるとスケールの生成が激しく、二次元放射温度計１６では正しい値が検知できない可能性があるため、スケール生成の少ないＳＵＳ３０４を用いた。温度分布の測定精度を高めるために、鋼材１５の厚みは５ｍｍとした。尚、図８は、エアーミストスプレー装置３の冷却能力を比較・評価するための実験装置の概略図であり、エアーミストスプレー装置３の構造は、図１に示すエアーミストスプレー装置３と同一構造となっており、同一の部分は同一符号により示し、その説明は省略する。

実験では、１２００℃に保持した電気加熱炉で上記の鋼材１５を約１時間加熱し、この均一に加熱された鋼材１５を取り出して実験装置に固定し、冷却を開始した。ノズルチップ４の傾斜角度θは、０°、１５°、４０°、５０°の４水準とした。このときの水圧測定用圧力計９における水圧は０．５７ＭＰａ、また、空気圧測定用圧力計１０における空気圧は０．４５ＭＰａであった。試験結果は、鋼材１５の噴霧面裏面の幅方向温度分布で評価し、幅方向の温度差（最高値と最小値との差）が５０℃以下の場合を「均一冷却」と評価した。表１に試験結果を示す。

表１に示すように、傾斜角度θが０°の場合（試験条件１）には、１８５℃の温度差が生じたが、傾斜角度θが１５°の場合（試験条件２）には、温度差は２５℃まで減少した。傾斜角度θが４０°の場合（試験条件３）には、温度差は４５℃であったが、現在の操業では問題のない範囲であった。傾斜角度θが５０°の場合（試験条件４）には、温度差が３２０℃となり、不均一な冷却となった。尚、表１の備考欄には、本発明の範囲内の試験条件は「本発明例」と表示し、それ以外の試験条件は「比較例」と表示している。

以上の結果から、傾斜角度θを適切に設定することで、鋳片幅方向の冷却が均一化することが確認できた。

エアーミストスプレー装置で鋳片を冷却している状況を示す概略図である。 従来のエアーミストスプレー装置における噴霧状況を示す図である。 本発明に係るエアーミストスプレー装置のノズルチップの配置及び噴霧状況を示す図である。 エアーミストの鋳片幅方向の水量分布測定方法を示す概略図である。 エアーミストの厚み方向の水量分布測定方法を示す概略図である。 エアーミストの衝突圧分布測定方法を示す概略図である。 エアーミストの衝突圧分布測定方法を示す概略図である。 エアーミストスプレー装置の冷却能力を比較・評価するための実験装置の概略図である。

符号の説明

１ 鋳片支持ロール
２ 鋳片
３ エアーミストスプレー装置
４ ノズルチップ
５ 混合配管
６ 混合部
７ 水供給管
８ 空気供給管
９ 水圧測定用圧力計
１０ 空気圧測定用圧力計
１１ エアーミスト
１２ 噴霧面
１２ａ 重なり部分
１３ 収集箱
１４ 衝突圧測定センサー
１５ 鋼材
１６ 二次元放射温度計

Claims (2)

1. 鋳片の幅方向に沿って配置した複数個のノズルチップから噴霧される、水と空気とを混合させたエアーミストスプレーで連続鋳造機内の鋳片を冷却するに際し、前記エアーミストスプレーの鋳片表面における噴霧面の長軸方向を、鋳片の幅方向に対して５°以上４５°未満の範囲内で傾斜させた状態として、該エアーミストスプレーによって鋳片を冷却することを特徴とする、連続鋳造鋳片の冷却方法。
2. 連続鋳造機内の鋳片の幅方向に沿って配置された複数個のノズルチップを具備し、該ノズルチップから噴霧される、水と空気とを混合させたエアーミストスプレーで連続鋳造機内の鋳片を冷却する連続鋳造鋳片の冷却設備であって、前記エアーミストスプレーの鋳片表面における噴霧面の長軸方向が鋳片の幅方向に対して５°以上４５°未満の範囲内で傾斜するように、前記ノズルチップが配置されていることを特徴とする、連続鋳造鋳片の冷却設備。

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