JP2010110766A - 鋼の連続鋳造装置及び鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】連続鋳造される鋳片の表面性状を改善するとともに、鋳片に含まれる気泡や介在物を減少させる。
【解決手段】連続鋳造装置１は、一対の長辺壁と一対の短辺壁を備えた鋳型２と、鋳型３内に溶鋼３を吐出する浸漬ノズル４と、一対の長辺壁に沿って配置され、鋳型２内の溶鋼３を攪拌する電磁攪拌装置５を有している。電磁攪拌装置５は、溶鋼３のメニスカス１０位置において、溶鋼３に作用する電磁力２４が鋳型の内側向きになり、且つ鋳型２の長辺壁の表面において上向きの攪拌流を形成するように配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、鋳型内に溶鋼を供給して鋳片を製造する鋼の連続鋳造装置及び鋼の連続鋳造方法に関する。

鋼の連続鋳造において、鋳造された鋳片の表面性状の改善や、鋳片の表層及び内部に残存する気泡や介在物を減少させて鋳片の品質を向上させることを目的として、従来から様々な電磁力を用いた鋳型内流動制御方法が提案されている。

鋳片の表面性状を改善する方法としては、図６に示すように、例えば鋳型１００を周回するように電磁鋳造コイル１０１を配置し、電磁鋳造コイル１０１に交流電流を通電することで、浸漬ノズル１０２から鋳型内に吐出された溶鋼１０３に交流磁場１０４を形成する、いわゆる電磁鋳造が行われている。このような電磁鋳造においては、この交流磁場１０４と、交流磁場１０４により鋳型１００内の溶鋼１０３に誘起される誘導電流１０５の相互作用によって、鋳型１００の中心方向、すなわち鋳型１００の側面から溶鋼１０３を引き離す力、いわゆる電磁ピンチ力１０６が作用する。そして、この電磁ピンチ力１０６によって、鋳型１００と凝固シェル１０７の間に隙間が形成される。これにより、溶鋼１０３のメニスカス１０８上に粉状で供給されたパウダー１０９が、鋳型１００と凝固シェル１０７の間に流れ込みやすくなり、鋳片の表面疵を減少させることで鋳片の表面性状を改善することができる（特許文献１）。

また、鋳片内部への介在物や気泡を減少させる方法としては、鋳型２００内に、図７に示すよう電磁攪拌用コイル２０１を対向して配置することで、溶鋼２０２を攪拌する、いわゆる電磁攪拌が行われている。電磁攪拌用コイル２０１はメニスカスの高さに配置されており、メニスカス近傍の溶鋼２０２に、鋳型２００内を旋回する攪拌流２０３を形成する。この攪拌流２０３により、浸漬ノズル２０４を介して溶鋼２０２内に持ち込まれた気泡２０５や介在物２０６が、凝固シェルで捕捉され鋳片内部に残存することを抑制することができる（特許文献２）。

特開平１１−１８８４６０号公報 特開２０００−２７１７１０号公報

前記したように、特許文献１及び特許文献２には、鋳造された鋳片の表面性状の改善、及び鋳片の表層や内部に残存する気泡や介在物を減少させる方法がそれぞれ開示されているが、鋳片の表面性状の改善と、鋳片に残存する気泡や介在物の減少を同時に達成する方法は開示されていない。例えば、特許文献２に開示された電磁攪拌では、図６に示すような電磁ピンチ力１０６は発生しない。したがって特許文献２の電磁攪拌では、電磁鋳造のように凝固シェル１０７と鋳型１００の間にパウダー１０９の流入を促進させて、鋳片の表面性状を改善することはできない。

また、特許文献１に記載された電磁鋳造においては、電磁ピンチ力１０６により、電磁コイル１０１の高さ方向の中心位置を対称に、上方向と下方向に旋回する攪拌流１１０が生ずる。このため、電磁鋳造においては、攪拌流１１０により溶鋼１０３内の介在物が凝固シェル１０７に捕捉されるのを抑制する効果が期待されるが、実際には電磁鋳造では、鋳片内部への介在物や気泡を必ずしも充分に減少させることができなかった。これについて発明者らが調べたところ、凝固シェル１０７の表面近傍であって、電磁コイル１０１の高さ方向の中心の位置では、攪拌流１１０の下方向の流れと上方向の流れが干渉し、溶鋼１０３の流速が低下する低流速ゾーン１１１が発生することが分かった。このため、低流速ゾーン１１１において気泡や介在物が滞留し、鋳片の表層あるいは内部に残存することが懸念された。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、連続鋳造される鋳片の表面性状を改善するとともに、鋳片に含まれる気泡や介在物を減少させることを目的とする。

前記の目的を達成するための本発明は、鋼の連続鋳造装置であって、一対の長辺壁と一対の短辺壁を備えた鋳型と、前記鋳型内に溶鋼を吐出する浸漬ノズルと、
前記一対の長辺壁に沿って配置され、前記鋳型内の溶鋼を攪拌する電磁攪拌装置と、を有し、前記電磁攪拌装置は、前記溶鋼のメニスカス位置において、前記溶鋼に作用する電磁力が鋳型の内側向きに作用し、且つ前記鋳型の長辺壁の表面において上向きに攪拌流を形成するように配置されていることを特徴としている。

本発明によれば、電磁攪拌装置が溶鋼のメニスカス位置において、溶鋼に作用する電磁力が鋳型の内側向きに作用するように配置されている。このため、メニスカス近傍の溶鋼に、溶鋼を鋳型の表面から引き離す力、すなわち電磁ピンチ力を作用させることができる。このため、鋳型と凝固シェルの間に隙間を形成し、溶鋼のメニスカス上に粉状で供給されたパウダーが、鋳型と凝固シェルの間に流れ込みやすくなる。これにより、鋳片の表面疵を減少させ、鋳片の表面性状を改善することができる。また、電磁攪拌装置は、攪拌流が鋳型の長辺壁の表面において上向きに形成されるように配置されているため、攪拌流により凝固シェル表面のＡｒガス気泡や介在物を浮上させ、Ａｒガス気泡や介在物をメニスカス上部のパウダーにより除去することができる。

別な観点による本発明は、一対の長辺壁と一対の短辺壁を備えた鋳型内に、浸漬ノズルにより溶鋼を吐出して鋼を連続鋳造する方法において、前記一対の長辺壁に沿って配置された電磁攪拌装置に交流電流を通電し、鋳型高さ方向の上向きに進行する進行波磁場を前記鋳型内に形成し、前記鋳型内の溶鋼のメニスカス位置においては、前記進行波磁場により前記鋳型内の溶鋼に作用する電磁力を、鋳型内側向きに作用させ、前記鋳型の長辺壁の表面においては、溶鋼を上向きに攪拌する攪拌流を形成することを特徴としている。

本発明によれば、連続鋳造される鋳片の表面性状を改善するとともに、鋳片に含まれる介在物や気泡を減少させることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本実施の形態にかかる鋼の連続鋳造装置１の鋳型の構成を示す平面図であり、図２は連続鋳造装置１の鋳型の短辺壁側から見た構成を示す縦断面図である。

連続鋳造設備１は、図１に示すように、鋳型２と、溶鋼３を供給する浸漬ノズル４と、一対の電磁攪拌装置５を有している。鋳型２は、上方から見て、例えば鋳型２の短辺壁２ａが、長辺壁２ｂの鋳型幅方向（図１のＸ方向）の内側に、鋳型厚み方向（図１のＹ方向）に平行に配置され、この短辺壁２ａと長辺壁２ｂに囲まれた部分、すなわち鋳型２の内側が長方形となるように形成されている。鋳型２の短辺壁２ａは、図１に示すように内側に設けられた短辺銅板６ａと外側に設けられた短辺バックプレート７ａから構成されている。また、長辺壁２ｂは、内側に設けられた長辺銅板６ｂと外側に設けられた長辺バックプレート７ｂから構成されている。一対の電磁攪拌装置５は、長辺バックプレート７ｂ内に対向して埋設されている。

鋳型２内の溶鋼３のメニスカス１０上には、図２に示すように、潤滑剤として例えば溶融酸化物を有するパウダー１１が供給されている。鋳型２の長辺銅板６ｂの表面には、溶鋼が冷却されて凝固した凝固シェル１２が形成されている。

浸漬ノズル４は、図２に示すように鋳型２の上部に設けられ、その下部が鋳型２内の溶鋼３に浸漬している。溶鋼３は、浸漬ノズル４の上部に設けられた、図示しないタンディッシュから浸漬ノズル４を介して鋳型２内に供給される。浸漬ノズル４の下側近傍には、鋳型２内へ斜め下向きに溶鋼３を吐出する吐出孔１４が２箇所に形成されている。吐出孔１４は鋳型２の短辺壁２ａと対向する向きに形成されている。吐出孔１４から吐出される吐出流１５には、浸漬ノズル４内を洗浄してノズル閉塞を防止するために吹き込まれる、非酸化性ガスのＡｒガス気泡１６や例えばアルミナやスラグ系の介在物１７が含まれている。

電磁攪拌装置５は，図３に示すように、鋳型高さ方向（図３のＺ方向）に間隔を設けて配置された複数の電磁コイル２０を有する、いわゆるリニアモーター構成を有している。本実施の形態では、各電磁コイル２０は、例えば３相２極の回転磁界を発生するコイルを直線上に並べたものを用いており、図示の都合上、６つの電磁コイル２０を描図している。なお電磁コイルは３相３極や、３相４極、或いはその他の極数のものを用いても良い。電磁攪拌装置５の幅ｄは、図１に示すように、短辺銅板６ａ、６ａ間の長さよりも長く、高さｈは、その上端が溶鋼３のメニスカス１０よりも上方になり、その下端が浸漬ノズル４の後述する吐出孔１４の高さと同じになるように形成されている。高さｈの下端は、鋳型下端から浸漬ノズル吐出孔までの任意の位置に設定することができるが、吐出孔１４の高さと同じになるように形成されていることが好ましい。また、各電磁コイル２０間の鋳型高さ方向の間隔は、均等でなくてもよいが、通常はほぼ均等になるように配置される。電磁コイル２０は、上から順に巻線−Ｕ、巻線＋Ｗ、巻線−Ｖ、巻線＋Ｕ、巻線−Ｗ、巻線＋Ｖの順に配列されており、それぞれ図示しない交流電源に結線されている。

次に、電磁攪拌装置５の発生する磁場により溶鋼３に作用する電磁力について説明する。電磁攪拌装置５は、たとえば３相の交流電源により電磁コイル２０に交流電流を供給することによって、電磁コイル２０と電磁コイル２０との間に磁極が形成される。そして、この磁極が交流電流により移動することで、図４に示すように、鋳型２内に進行波磁場２２を発生させることができる。なお、図４は電磁コイル２０の巻線−Ｕの上側と巻線＋Ｖの下側にＮ極、巻線＋Ｕと巻線−Ｖとの間にＳ極の磁極が形成された状態を示している。進行波磁場２２の進行方向Ｈは、鋳片の鋳造方向（鋳片の進行方向）と反対の向き、すなわち鋳型２の長辺銅板６ｂに平行で且つ鋳型高さ方向に沿って上向きである。この進行波磁場２２は、長辺壁２ｂに沿った鋳型幅方向に均一な磁束密度を有している。そして、この進行波磁場２２が進行方向Ｈに向かって進行することによって、溶鋼３に鋳型幅方向（具体的には短辺銅板６ａに向かう方向）に誘導電流２３が発生する。これにより、溶鋼３に流れる誘導電流２３には、進行波磁場２２の磁力線に直交する方向に電磁力２４が作用する。このため、溶鋼３には図４に示すように、長辺銅板６ｂの表面から凝固シェル１２を斜め上方向に引き離す方向に作用する電磁力２４ａと、鋳型２の長辺銅板６ｂの表面に凝固シェル１２を斜め上方向に押し付ける方向に作用する電磁力２４ｂが発生する。

ここで、電磁攪拌装置５は、上述のとおり上端が溶鋼３のメニスカス１０よりも上方になるように配置されている。厳密には、図４に示すように、溶鋼３に働く電磁力２４が、メニスカス１０近傍において鋳型２の長辺銅板６ｂの表面から凝固シェル１２を斜め上向き、すなわち鋳型高さ方向の上向き且つ鋳型２の内側向きに引き離す方向に作用するように、電磁攪拌装置５の鋳型高さ方向の配置が調整されている。具体的に言えば、メニスカス１０の鋳型高さ方向の位置が、進行波磁場２２の磁力線に直交する方向に作用する電磁力２４のベクトルの向きが鋳型高さ方向の上向き且つ鋳型２の内側向き、すなわち、電磁コイル２０により鋳型高さ方向に隣り合って発生する２つの磁極の間に形成される磁力線の接線の傾きが、鋳型高さ方向の上向き且つ鋳型２の外側向きとなる範囲内に入っていることをいう。したがって、メニスカス１０近傍において、電磁力２４ａは、凝固シェル１２を鋳型２の内側向きに引き離す、いわゆる電磁ピンチ力として作用する。これにより、図５に示すように、メニスカス１０近傍において鋳型２の長辺銅板６ｂと凝固シェル１２の間に隙間が形成され、パウダー１１のこの隙間への流入が促進される。なお、電磁攪拌装置５の鋳型高さ方向の配置は、市販の電磁場解析ソフトを用いて、事前に計算により求められている。

また、電磁力２４は鋳型２の表面から溶鋼３を斜め上方向に引き離す方向（電磁力２４ａ）と、鋳型２の長辺銅板６ｂの表面に溶鋼３を斜め上方向に押し付ける方向（電磁力２４ｂ）に作用するため、鋳型２内には図５に示すように、凝固シェル１２の表面の溶鋼３を上方向に攪拌する攪拌流２５が形成される。さらにこの攪拌流２５は、メニスカス１０近傍においては、鋳型厚み方向の中心に向かい、浸漬ノズル４の近傍では鋳型高さ方向の下向きの流れとなる。

本実施の形態にかかる連続鋳造装置１は以上のように構成されており、次にこの連続鋳造装置１を用いた溶鋼３の連続鋳造方法について説明する。

先ず、浸漬ノズル４内にＡｒガス１６を吹き込みながら、浸漬ノズル４の吐出孔１４から鋳型２内に溶鋼３を吐出する。溶鋼３は斜め下方に吐出され、吐出孔１４から鋳型２の短辺銅板６ａに向かって吐出流１５が形成される。吐出流１５には、Ａｒガス気泡１６や介在物１７が含まれており、これらのＡｒガス気泡１６や介在物１７は溶鋼３中に浮遊する。

浸漬ノズル４から溶鋼３を吐出すると同時に、電磁攪拌装置５に３相の交流電源により交流電流を通電し、鋳型２内の溶鋼３に、進行波磁場２２を形成する。この進行波磁場２２によって、溶鋼３のメニスカス１０近傍において、鋳型２の表面から凝固シェル１２を引き離す方向に電磁力２４ａが作用するとともに（電磁ピンチ力）、凝固シェル１２表面の溶鋼３を鋳型高さ方向の上向きに攪拌する攪拌流２５が形成される。これにより、既述したように溶鋼３のメニスカス１０近傍においては、鋳型２の長辺銅板６ｂと凝固シェル１２の間に隙間が形成され、図５に示すようにパウダー１１のこの隙間への流入が促進される。そして、凝固シェル１２の表面においては、溶鋼３中に浮遊するＡｒガス気泡１６や介在物１７が上向きの攪拌流２５によって、凝固シェル１２に捕捉されることなくメニスカス１０近傍まで浮上する。次いで、鋳型高さ方向の上向きの攪拌流２５によりメニスカス１０近傍まで浮上したＡｒガス気泡１６や介在物１７は、メニスカス１０上部のパウダーに取り込まれて除去される。Ａｒガス気泡１６や介在物１７が除去された溶鋼３は、鋳片として鋳造される。

以上の実施の形態によれば、電磁攪拌装置５が長辺壁２ｂに沿って配置され、電磁攪拌装置５は、溶鋼３のメニスカス１０位置において、溶鋼３に作用する電磁力２４が鋳型２の内側向きに作用し、且つ電磁攪拌装置５による攪拌流２５が長辺銅板７ｂの表面において上向きに作用するように配置されている。したがって、上述のようにメニスカス１０近傍においては、鋳型２と凝固シェル１２の間に隙間を形成し、パウダー１１のこの隙間への流入を促進する。そして、凝固シェル１２の表面においては、上向きの攪拌流２５によりＡｒガス気泡１６や介在物１７を浮上させ、メニスカス１０上部のパウダー１１に取り込ませ除去することができる。したがって、鋳片の表面性状を改善することができ且つ、Ａｒガス気泡１６や介在物１７が鋳片内部に残存するのを抑制することができる。

また、電磁攪拌装置５は、その下端が浸漬ノズル４の吐出孔１４の高さと同じになるように配置されている場合、吐出孔１４とほぼ同じ高さに位置する凝固シェル１２の表面においても、上向きの攪拌流２５によりＡｒガス気泡１６や介在物１７をメニスカス１０まで浮上させることができる。このため、広範囲にわたってＡｒガス気泡１６や介在物１７が凝固シェル１２に捕捉されるのを防ぐことができる。

なお、以上の実施の形態では、メニスカス１０近傍において電磁力２４が鋳型２の表面から溶鋼３を引き離す方向に向かって作用するように、電磁攪拌装置５の鋳型高さ方向の配置を調整したが、電磁攪拌装置５の鋳型高さ方向の配置にあわせて溶鋼３のメニスカス１０の鋳型高さ方向の位置を調整して、メニスカス１０の位置に電磁ピンチ力が働くようにしてもよい。

以下、本発明の鋼の連続鋳造装置を用いた場合に、鋳片の表面性状を改善する効果、及び溶鋼に含まれるＡｒガス気泡や介在物を除去する効果について説明する。本実施例を行うに際し、鋼の連続鋳造装置として、先に図１〜図３に示した連続鋳造装置１を用いた。

連続鋳造装置１の鋳型２には、幅が１２００ｍｍ、高さが９００ｍｍ、厚みが２５０ｍｍの鋳型を用いた。鋳型２の長辺バックプレート７ｂには高さが３５０ｍｍ、推力１００ｍｍＦｅの電磁攪拌装置５を、電磁攪拌装置５の上端部がメニスカス１０の高さから５０ｍｍ上方に位置するように配置した。浸漬ノズル４には、外径が１５０ｍｍで、内径が９０ｍｍのノズルを用いた。浸漬ノズル４には、吐出孔１４がメニスカス１０の高さから３００ｍｍ下方に２箇所に形成されており、その吐出角度θは、水平面から下向きに３５度であり、直径は６０ｍｍである。鋳型２の下方には、長さが２．５ｍの垂直部（図示せず）と曲げ半径が７．５ｍの曲げ部（図示せず）が上からこの順で設けられている。溶鋼３には低炭アルミキルド鋼を用い、鋳造速度１．５ｍ／分の条件で鋳造を行った。

本実施例では、図１の連続鋳造装置１の他に、従来技術として図６に示すように上端がメニスカス１０７の高さに配置された電磁鋳造コイル１０１を用いた場合、及び上端がメニスカスの高さに配置された、図７に示す電磁攪拌コイル２０１を用いた場合の３通りの条件で実験を行った。図６の電磁鋳造コイルは、高さが１５０ｍｍ、メニスカス１０８部の盛り上がり高さが１５ｍｍＦｅ相当の電磁ピンチ力を発生するものを用いた。図７の電磁攪拌コイル２０１は、高さが１５０ｍｍ、推力１００ｍｍＦｅのものを用いた。

以上の条件で鋳造を行った結果を表１に示す。表１中、表面粗度指標は、鋳片表面の状態をレーザ変位計により測定し、鋳片表面の変位差の最大値を表面粗度として表し、電磁鋳造コイル１０１を用いた場合を１として、各条件における鋳片の表面粗度の比率を示している。また、気泡・介在物個数指標は、鋳造された鋳片において、その表面から深さ５０ｍｍの表層に含まれる１００μｍ以上の径の気泡と介在物の個数を計測し、電磁攪拌コイル２０１を用いた場合の個数を１として、各条件における気泡・介在物の個数の比率を示している。気泡・介在物個数指標において、深さ５０ｍｍ、粒径１００μｍ以上としているのは、鋳片の表面から深さ５０ｍｍの表層に含まれる１００μｍ以上の径のＡｒ気泡および介在物が、鋳片の品質に影響することを確認しているためである。

表１に示した結果によれば、本発明の連続鋳造装置１を用いた場合、気泡・介在物個数指標は、電磁攪拌コイル、電磁鋳造コイルを用いた場合と比較して減少することがわかった。また、表面粗度指標は、電磁攪拌コイルを用いた場合と比較して改善し、電磁鋳造コイルを用いた場合とほぼ同等であることが分かった。したがって、本発明の連続鋳造装置を用いて溶鋼を鋳造すると、鋳片の表面性状を改善し、且つ気泡と介在物も同時に除去することができ、鋳片の品質を向上できることが分かった。

本発明は、鋳型内に溶鋼を供給して鋳片を製造する際に有用である。

本実施の形態にかかる連続鋳造装置の鋳型の構成の概略を示す平面図である。 本実施の形態にかかる連続鋳造装置の鋳型の構成の概略を示す縦断面の説明図である。 本実施の形態にかかる連続鋳造装置の鋳型近傍の構成の概略を示す縦断面の説明図である。 電磁攪拌装置を作動させた場合の鋳型内部に働く電磁力を示す説明図である。 電磁攪拌装置を作動させた場合の攪拌流の流れを示した説明図である。 従来の連続鋳造装置の鋳型近傍の構成の概略を示す縦断面の説明図である。 従来の連続鋳造装置の鋳型近傍の構成の概略を示す横断面の説明図である。

符号の説明

１ 連続鋳造装置
２ 鋳型
２ａ 短辺壁
２ｂ 長辺壁
３ 溶鋼
４ 浸漬ノズル
５ 電磁攪拌装置
６ａ 短辺銅板
６ｂ 長辺銅板
７ａ 短辺バックプレート
７ｂ 長辺バックプレート
１０ メニスカス
１１ パウダー
１２ 凝固シェル
１４ 吐出孔
１５ 吐出流
１６ Ａｒガス気泡
１７ 介在物
２０ 電磁コイル
２２ 進行波磁場
２３ 誘導電流
２４ 電磁力
２４ａ 電磁力
２４ｂ 電磁力
２５ 攪拌流

Claims (2)

1. 鋼の連続鋳造装置であって、
   一対の長辺壁と一対の短辺壁を備えた鋳型と、
   前記鋳型内に溶鋼を吐出する浸漬ノズルと、
   前記一対の長辺壁に沿って配置され、前記鋳型内の溶鋼を攪拌する電磁攪拌装置と、を有し、
   前記電磁攪拌装置は、前記溶鋼のメニスカス位置において、前記溶鋼に作用する電磁力が鋳型内側向きに作用し、且つ前記鋳型の長辺壁の表面において上向きに攪拌流を形成するように配置されていることを特徴とする、鋼の連続鋳造装置。
2. 一対の長辺壁と一対の短辺壁を備えた鋳型内に、浸漬ノズルにより溶鋼を吐出して鋼を連続鋳造する方法において、
   前記一対の長辺壁に沿って配置された電磁攪拌装置に交流電流を通電し、鋳型高さ方向の上向きに進行する進行波磁場を前記鋳型内に形成し、
   前記鋳型内の溶鋼のメニスカス位置においては、前記進行波磁場により前記鋳型内の溶鋼に作用する電磁力を、鋳型内側向きに作用させ、
   前記鋳型の長辺壁の表面においては、溶鋼を上向きに攪拌する攪拌流を形成することを特徴とする、鋼の連続鋳造方法。
   
   
   
   

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