JP2010515580A - 冷媒通路を有する連続鋳造鋳型 - Google Patents

Abstract

溶融液状金属に面した、高温側である鋳型内壁（３）と、低温側である鋳型外壁（４）と、右側壁（５）及び左側壁（６）とによって構成された冷媒通路（２）を有する連続鋳造鋳型（１）において、冷媒通路（２）が、乱流発生要素（７，９，１０）を有するように形成されている。

Description

本発明は、溶融液状金属に面した、高温側である鋳型内壁と、低温側である鋳型外壁と、右側壁及び左側壁とによって構成された冷媒通路を有する連続鋳造鋳型に関する。

特許文献１から、鋳型内部プレートと、この鋳型内部プレートにボルト継手を介して結合されたウォータボックスとから成り、鋳型内部プレートが、ウォータボックス側に、その間に複数の溝が延在するウェブを備え、これら溝内に充填物が配設されている、連続鋳造鋳型の鋳型壁が公知である。この場合、溝は、通常は水である冷却液用の冷却通路として使用される。充填物は、通路横断面を低下させるために紙葉されるので、冷却通路内の冷却液の流速が高まる。

特許文献２には、同様の充填物が記載されている。

更に、冷却通路を有する連続鋳造鋳型は、特許文献３、特許文献４及び特許文献５から公知である。

特許文献６からは、鋳型高温側と向かい合う接触面に冷却溝、冷却スリット又は冷却孔のような冷却通路を有する、溶融液状金属、特にスチール、の連続鋳造をするための鋳型が公知である。形状、横断面、周囲、制限面の状態、接触面に対する向き、接触面に対する配設及び／又は配設密度の、１つの冷却通路又はグループの冷却通路の熱伝導面の形状構成が、鋳造作業領域、特に湯面領域、の熱流密度及び／又は温度の局所的な形成に適合されることによって、鋳型の熱伝導は改善される。

連続鋳造時、液状の溶湯は、タンディッシュから浸漬管を通って振動型の水冷式銅製鋳型へと流れる。放熱により、溶湯温度は、凝固温度以下に下がり、鋳造方向に引き抜かれる薄いストランド凝固殻ができる。冷却の増加と共に、ストランド凝固殻の厚さは、ストランドが完全に凝固するまで、増加する。ストランドのサイズ及び数に応じて、今日では、６ｍ／ｍｉｎ以上の鋳造速度が得られる。典型的な局所的な熱流密度は、１２ＭＷ／ｑｍまでのオーダーになる。

冷媒によって排出される熱流は、特に冷媒通路の形状、壁の粗さ、貫流速度に、従って乱流度に依存する。冷媒側の乱流度が増加する程、混合が強くなり、多くの熱が排出される。確かに、熱伝導面は拡大可能であるが、この拡大には狭い限度が設けられている。特に熱流密度が非常に高い場合、しばしば、堆積物による熱伝導面の汚れ、いわゆる詰り、が生じる。堆積物が、非常に低い熱伝導率を備えるので、詰りは、鋳型の冷却をする場合、銅の温度を著しく高め、これにより鋳型の耐用年数を少なくする。

従来の連続鋳造鋳型は、約１０ｍ／ｓの流速で貫流される長方形の複数の冷媒通路を有するように形成されている。これら冷媒通路内には、レイノルズ数が約２５０，０００の場合、軸方向に主成分を有する乱流が形成される。基本乱流は、個々の冷媒層間の質量交換、パルス交換及びエネルギー交換を高める。壁の近傍には、いわゆる対数則により表現可能な、流れと温度の限界層が形成される。壁に近付くと共に、乱流は減衰される。従来の冷却の主な欠点は、軸方向の流れの成分が大きく、半径方向の流れの成分が小さくなるような乱流の向きの調整にある。

独国特許出願公開第１９８ ２６ ５２２号明細書 独国特許出願公開第１９８ ４２ ６７４号明細書 独国特許出願公開第１０１ ２２ ６１８号明細書 独国特許出願公開第１００ ３５ ７３７号明細書 独国特許第１０１ ３８ ９８８号明細書 独国特許出願公開第１０２ ５３ ７３５号明細書

本発明の根底にある課題は、運転温度と運転時間に依存した、鋳型材料もしくは冷媒通路の壁の材料の再結晶プロセスが遅延され、鋳型の耐用年数と乱流が増加され、冷媒の均質な混合が得られる連続鋳造鋳型を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、溶融液状金属に面した、高温側である鋳型内壁と、低温側である鋳型外壁と、右側壁及び左側壁とによって構成された冷媒通路を有する連続鋳造鋳型において、冷媒通路が、乱流発生要素を有するように形成されていることによって解決される。乱流発生要素を設けることにより、一般的に冷媒の強い混合が得られる。同時に、乱流発生要素は、冷媒通路もしくは鋳型壁の熱伝導面を拡大する。両方の措置、即ち乱流発生と熱伝導面の拡大、の協働は、冷媒通路の壁の、もしくは冷媒通路から、熱を導き出す冷媒への局所的な熱伝導を改善する。

全ての乱流発生要素の基本原理は、乱流を誘導する質量輸送、パルス輸送及びエネルギー輸送に基づく。連続鋳造鋳型の冷媒通路内の熱伝導は、本発明により改善される。強い混合により、乱流発生要素は、局所的な熱流密度を高める、即ち、単位面積あたりの排熱が拡大される。壁面近傍の乱流も、中心流の領域の乱流も、高められ、均質な混合が得られる。乱流発生要素により、冷却水の良好な混合が得られ、銅の温度レベルが低下させられ、運転温度及び運転時間に依存した鋳型材料もしくは冷媒通路の壁の材料の再結晶プロセスが遅延される。これは、鋳型の耐用年数を向上させる。鋳型もしくは鋳型壁の材料は、例えば銅、部分的に銅又は他の材料である。更に、汚れと堆積は、冷却通路の高温側の高い乱流と大きな剪断力によって減少させられる。

乱流発生要素の後縁で、水流が途切れ、非定常で渦の巻いた、即ち乱流の再循環領域ができる。乱流発生要素の第１の構成は、冷媒中の水平な段差部材から成り、この段差部材は、例えば、冷媒通路の幅全体又は部分領域にわたって延在する長方形の成形材から構成される。乱流発生要素の第２及び第３の構成は、四面体部材と翼状部材の形態を備える。この形態の場合、内側に向かって回転する渦巻が誘導され、この渦巻は、冷媒の混合を更に強くする。渦巻は、例えば主翼形状の端部又は自動車の後に見ることができるが、そこでは、渦巻は、原理的に望ましくない。乱流発生要素は、高温側に、例えば連続的に位置をずらして配設されとおり、間隔は、重要なことに、上流に位置する再循環領域の空間的な広がりによって決まる。選択的に、乱流発生要素は、低温側にも設置することができるが、これは、再循環の作用が、高温側にまで延在するからである。冷媒通路の低温側の四面体部材と、高温側の水平に取り付けられた段差部材の組合せも可能である。同様に、製造技術的費用を限度内に保つために、乱流発生要素を、冷媒通路の入口にのみ設置することや、湯面の高さにのみ設置することも考えられる。前記流体技術的効果に加えて、熱伝導面は、乱流発生要素によって幾らか高められるが、前記四面体部材の場合は、約６％である。このようにして、局所的な熱流密度も拡大される。それ程大きな寸法の乱流発生要素を選択しないことにより、圧力損失を低く保つことができる。

本発明による冷媒通路の原理的な機能方法は、数値的な流れのシミュレーション（ＣＦＤ−Computational Fluid Dynamics）によって検証可能である。

連続鋳造鋳型の一部を立体図で示す。 第１の構成による乱流発生要素を有する連続鋳造鋳型を断面にした正面図で示す。 第２の構成による乱流発生要素を有する連続鋳造鋳型を断面にした正面図で示す。 第３の構成による乱流発生要素を有する連続鋳造鋳型を断面にした正面図で示す。 乱流発生要素を有する連続鋳造鋳型を断面にした側面図で示す。

本発明の実施例を、非常に概略的な図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、溶融液状金属に面した、高温側である鋳型内壁３と、低温側である鋳型外壁４と、右側壁５及び左側壁６とによって構成された冷媒通路２を有する連続鋳造鋳型１の一部を立体図で示す。

流れ方向８に、乱流発生要素７，９及び１０が鋳型内壁３、即ち高温側、に取り付けられており、冷媒通路２内に突出する。

図２は、二列に、四面体部材の形態の乱流発生要素７が鋳型内壁３に取り付けられた冷媒通路２を断面にした正面図で示す。四面体部材は、その尖端が、流れ方向８とは反対方向を示す。このような配設により、上昇する抵抗が発生される。四面体部材の後で、冷媒の乱れが生じる。四面体は、位置をずらして配設してもよい。

図３には、水平な段差部材の形態の乱流発生要素９が図示されている。水平な段差部材は、例えば、冷媒通路２の幅全体にわたって延在する長方形の棒（図３参照）によって構成される。

乱流発生要素１０の別の形態は、図４に図示されている。乱流発生要素１０は、翼の形態を備えている。例えば飛行機の翼から公知のこの翼状部材は、列１１内に連続的に位置調整されて鋳型内壁３に固定されているか、最も下の翼状部材によって示されるように、鋳型内壁に広がるように固定されている。

全ての乱流発生要素７，９及び１０は、鋳型内壁３から冷媒通路２内又はその逆に突出し、流れ方向８に冷媒通路２を流れたときに冷媒に影響を与える。

１ 連続鋳造鋳型
２ 冷媒通路
３ 鋳型内壁
４ 鋳型外壁
５ 右側壁
６ 左側壁
７ 四面体部材
８ 流れ方向
９ 水平な段差部材
１０ 翼部材
１１ 列

Claims (9)

1. 溶融液状金属に面した、高温側である鋳型内壁（３）と、低温側である鋳型外壁（４）と、右側壁（５）及び左側壁（６）とによって構成された冷媒通路（２）を有する連続鋳造鋳型（１）において、
   冷媒通路（２）が、乱流発生要素（７，９，１０）を有するように形成されていることを特徴とする連続鋳造鋳型。
2. 乱流発生要素（７）が、四面体部材の形態に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳型。
3. 乱流発生要素（９）が、水平な段差部材の形態に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳型。
4. 乱流発生要素（１０）が、翼状部材の形態に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳型。
5. 乱流発生要素（７，９，１０）が、鋳型内壁（３）に配設されるように形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の連続鋳造鋳型。
6. 乱流発生要素（７，９，１０）が、鋳型外壁（４）に配設されるように形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の連続鋳造鋳型。
7. 乱流発生要素（７，１０）が、列（１１）をなすように配設されるように形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の連続鋳造鋳型。
8. 乱流発生要素（７，１０）が、列（１１）内で位置がずれるように配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の連続鋳造鋳型。
9. 乱流発生要素（７，９，１０）が、湯面の領域に配設されるように形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の連続鋳造鋳型。

Images