JP2011218361A

JP2011218361A - 連続鋳造用電磁攪拌装置

Info

Publication number: JP2011218361A
Application number: JP2010086395A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Okada; 信宏岡田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: JP5402793B2

Abstract

【課題】保護箱の加熱を効果的に抑制する。
【解決手段】磁性体のコアのティース部１ａａ，１ｂａに巻き線１ａｂ，１ｂｂ、１ａｃ，１ｂｃを巻回された励磁コイルを有する電磁コイル１ａ，１ｂと、この電磁コイル１ａ，１ｂを収納する保護箱３とからなる電磁攪拌装置である。磁束が貫通する前記電磁コイル１ａ，１ｂの前面の保護箱３の材質を、非磁性で導電率が０．１S／m以下の絶縁性材とする。保護箱３に磁束MFを取り囲む方向に誘起される渦電流回路を遮断する位置、例えば天板３ｂと前面板３ａ、側板３ｃ、後面板３ｅを、非磁性で導電率が０．１S／m以下の絶縁板３ｃを用いて絶縁する。
【効果】保護箱内の渦電流経路が効果的に遮断でき、保護箱の加熱が抑制される。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋼の連続鋳造方法に使用する電磁攪拌装置、特に移動磁界型の電磁攪拌装置に関するものである。

鋼の連続鋳造において、スラブの表面性状や内質の改善のために、溶鋼を攪拌する電磁攪拌装置が利用されている。この電磁攪拌装置は、永久磁石または電磁石を回転させる回転磁界型と、電磁石に交流電流を印加する移動磁界型に大別される。このうち、回転装置を必要としない移動磁界型の電磁攪拌装置の方が装置構造を簡便にできるため、移動磁界型の電磁攪拌装置が広く用いられている。

移動磁界型の電磁攪拌装置（以後、単に電磁攪拌装置という。）は、磁性体コアのティース部に巻き線を巻き回した励磁コイルを有する電磁コイルを、冷却用配管を備えた保護箱に収納した構成である。このような構成の電磁攪拌装置では、前記励磁コイルに交流電流を通電することにより、電磁攪拌装置の前面に移動磁界を発生させる。

交流電流を通電させた場合は、その周辺に存在する導電体中に渦電流が発生し、渦電流が発生した導電体が誘導加熱されることが問題となる。特に、巻き線が巻き回された励磁コイルを有する電磁コイルを収納する保護箱は、交流磁界の発生元の直近に位置しているため、最も加熱されやすい。

また、近年、電磁攪拌装置の電流周波数が高い方が製品品質の向上に適していることが知られている。しかしながら、誘導加熱は、電流周波数が高いほど磁界の浸透深さが浅くなり、局所的な発熱量が大きくなるので、周辺に存在する部材も局所的に加熱されることになる。よって、保護箱の内面に冷却用配管を設置しているにもかかわらず、保護箱の一部が３００℃以上まで加熱される場合があり、熱膨張による変形が発生し、電磁攪拌装置の故障や能力低下の原因となっている。

電磁攪拌装置の保護箱の加熱を抑制する技術として、励磁コイルによって発生した磁束が通過する板体とコアが取り付けられた板体との間を連結する板体を、非磁性体によって構成する技術が、特許文献１に開示されている。

特許文献１で開示された技術は、保護箱を磁性体ステンレスの板体で構成することが前提であり、保護箱を介して形成される磁束経路を遮断するという技術である。しかしながら、近年の電磁攪拌装置の保護箱は、誘導加熱されることを防ぐために非磁性体ステンレスが用いられることが一般的である。従って、保護箱全体を非磁性体の板体で構成すれば、特許文献１に開示された技術は不必要となる。にもかかわらず、保護箱の加熱が問題となっているのは、特許文献１で指摘されている磁束経路以外に、渦電流の経路にも加熱の原因があるからである。

特開昭６１−１８２８５９号公報

本発明が解決しようとする問題点は、保護箱の加熱は、磁束経路以外に、渦電流の経路にも原因があるので、特許文献１で開示された技術では保護箱の加熱を効果的に抑制することができないという点である。

本発明の電磁攪拌装置は、
保護箱の加熱を効果的に抑制するために、
磁性体のコアのティース部に巻き線を巻回された励磁コイルを有する電磁コイルと、
この電磁コイルを収納する保護箱とからなる電磁攪拌装置において、
磁束が貫通する前記電磁コイルの前面の保護箱の材質を、非磁性で導電率が０．１S（ジーメンス）／m以下の絶縁性材とすることを最も主要な特徴としている。

本発明は、磁束が貫通する電磁コイルの前面の保護箱の材質を、非磁性で導電率が０．１S／m以下の絶縁性材とするので、保護箱内の渦電流経路を効果的に遮断することができ、保護箱の加熱を抑制することができる。

本発明では、磁束が貫通する電磁コイルの前面の保護箱の材質を、非磁性で導電率が０．１S／m以下の絶縁性材とすることで、保護箱内の渦電流経路が効果的に遮断でき、保護箱の加熱が抑制される。

特開２００７−７７１９号で提案した電磁ブレーキと電磁攪拌兼用型の電磁コイル装置を保護箱に収めた場合の模式図であり、（ａ）は（ｂ）図のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は（ａ）図のＢ−Ｂ断面図である。電磁攪拌装置の保護箱に発生する渦電流の分布を示す図であり、（ａ）は前面板が導電体の場合、（ｂ）は前面板がFRPの場合である。保護箱の天板を分離し、保護箱との間に絶縁板を挟んだ場合の図である。ボルト部の絶縁方法の一例を示す図である。全面がステンレス鋼板（導電体）で構成された保護箱のジュール熱密度分布を示す図である。前面板をFRP鋼板（絶縁板）とした保護箱のジュール熱密度分布を示す図である。前面を絶縁板とし、天板を絶縁した保護箱のジュール熱密度分布を示す図である。

本発明では、保護箱の加熱を効果的に抑制するという目的を、磁束が貫通する電磁コイルの前面の保護箱の材質を、非磁性で導電率が０．１S／m以下の絶縁性材とすることによって実現した。

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、図１〜図７を用いて説明する。

電磁攪拌装置として、出願人が特開２００７−７７１９号で開示した電磁ブレーキと電磁攪拌兼用型の電磁コイル装置（以後、単に電磁コイル装置という。）を使用した。この電磁コイル装置を保護箱に収めた場合の模式図を図１に示す。

図１において、１は鋳型２の長辺２ａの外周に設置される電磁コイル装置であり、PAI型電磁コイル１ａ，１ｂを２基並列に結合した構成である。これらPAI型電磁コイル１ａ，１ｂは、ヨーク部１ａｄ，１ｂｄとでコアを構成する２個のティース部１ａａ，１ｂａ部それぞれに巻き線１ａｂ，１ｂｂを施し、これら巻き線１ａｂ，１ｂｂを施した２個のティース部１ａａ，１ｂａの、更に外側に巻き線１ａｃ，１ｂｃを施して一つにまとめた構造である。

以後、各ティース部１ａａ，１ｂａに巻き線１ａｂ，１ｂｂを施したものを内側励磁コイルと言う。また、これら２個の内側励磁コイルの外側に巻き線１ａｃ，１ｂｃを施して一つにまとめたものを外側励磁コイルと言う。

前記電磁コイル装置１から発生した磁束ＭＦが保護箱３の前面板３ａを貫通し、鋳型２内の溶鋼ＭＳに作用する。保護箱３の前面板３ａが導電体の場合、図２（ａ）に示すように、磁束ＭＦを取り囲むように渦電流ＥＣが発生する。

そこで、発明者は、保護箱３の前面板３ａが加熱されることを避けるために、前面板３ａを絶縁性の材料に変更することを考えた。

保護箱の前面板には、ある程度の強度と耐熱性が必要である。絶縁性の点ではガラスや陶器が優れているが、強度が低く割れ易く電磁攪拌装置の保護箱に用いることは不可能である。そこで、発明者は、絶縁性と強度の両立を考慮して繊維強化プラスチック（FRP）が最も適していると考え、FRP板を前面板として採用することを考えた。

FRPには、保護箱に使用しているステンレス鋼（引張強度５００MPa程度）よりも高強度なものが存在するが、前面板として採用するものはステンレス鋼と同程度の引張強度があれば十分である。

保護箱３の前面板３ａをFRP製とすることにより、前面板３ａの加熱に関する問題を回避することができたが、図２（ｂ）に示すように、保護箱３の側面を取り囲む渦電流ＥＣが発生し、特に保護箱３の前面付近に加熱が集中した。

保護箱３の前面付近の温度は、内側励磁コイル及び外側励磁コイルに４Hzの交流電流を１００００アンペアターン（以後、ATという。）通電した場合に、１分程度で１５０℃を超えた。FRP板は、耐熱性の高いものでも２００℃程度が限界であるため、これ以上の連続運転は不可能と判断した。

この問題を解決するためには、保護箱の全体をFRPで製作すればよいが、全体をFRPで製作した場合は電磁鋼板製のコアと銅巻き線からなる励磁コイルの重量に耐えることができない。よって、発明者は、保護箱の側面部については、渦電流経路を遮断するように絶縁する方法を考えた。

図３に、保護箱３の天板３ｂを分離し、保護箱３との間に絶縁板３ｃとしてFRP板を挟んだ場合を示す。天板３ｂはボルト４を用いて保護箱３（前面板３ａ、側板３ｄ、後面板３ｅ）と固定するが、ボルト４を介して渦電流が流れることを防ぐため、図４に示すようにボルト４の周辺の絶縁も行った。なお、図４中の５はボルト４の周辺を絶縁する絶縁ワッシャである。
以上の絶縁処理を施すことによって保護箱３の発熱を抑制することができた。

次に、前記絶縁処理を施した保護箱の効果を数値解析シミュレーションにて確認した結果について説明する。

図５は、出願人が特開２００７−７７１９号で開示した電磁コイル装置を、厚さ３mmのステンレス鋼板で構成した保護箱に収納した場合のジュール熱密度分布を示した図である。

内側励磁コイル及び外側励磁コイルに周波数４Hzで５００００ATを通電した場合に、保護箱に１０⁶Ｗ／ｍ³程度のジュール熱が発生している。コアの比透磁率は５００、ステンレス鋼の導電率は１．４×１０⁶S／m、FRPの導電率は１×１０^-4S／mとして電磁場解析を行った。この場合の保護箱全体のジュール熱の総和は５６kWである。

次に、保護箱の前面板をFRP板とした場合の解析結果を図６に示す。この場合には、内側励磁コイル及び外側励磁コイルの前面付近を取り囲むようにジュール熱密度が高く、最大１０⁴W／m³程度となった。この場合の保護箱全体のジュール熱の総和は４．０kWであり、保護箱全体がステンレス鋼製の場合と比べて１／１４まで熱量が低下している。

さらに、保護箱の天板を絶縁した場合の解析結果を図７に示す。図６とくらべて１０³〜１０⁴W／m³及び１０⁴〜１０⁵W／m³のジュール熱密度の面積が減少していることが確認される。この場合の保護箱全体のジュール熱の総和は１．９ｋＷであり，前面板をFRP板としただけの場合の１／２程度まで熱量が低下している。

以上のように、保護箱の前面板を絶縁材とすることにより、保護箱に発生する熱量は、保護箱全体がステンレス鋼製の場合と比べて１／１４まで大きく抑制することができる。さらに、保護箱の天板を絶縁して磁束を取り囲む経路の一部を絶縁することにより、誘導加熱される熱量を１／２８程度にまで抑制することができる。

次に、FRPの導電率を変化させて計算を行った結果、導電率が０．１S／mを超えると、保護箱全体のジュール熱が増加することが確認された。このことから、使用するFRPの導電率は０．１S／m以下とする必要があることが分かった。

本発明は、上記の着想及び数値解析シミュレーションの結果に基づいて成されたものであり、図２（ｂ）に示すように、
磁性体のコアと、このコアのティース部１ａａ，１ｂａに巻き線１ａｂ，１ｂｂ、１ａｃ，１ｂｃを巻回された励磁コイルと、から構成される電磁コイル１ａ，１ｂと、
この電磁コイル１ａ，１ｂを収納する保護箱３とからなる電磁攪拌装置において、
磁束MFが貫通する前記電磁コイル１ａ，１ｂの前面の保護箱３の材質を、非磁性で導電率が０．１S／m以下の絶縁性材、例えばFRPとすることを特徴としたものである。

さらに望ましくは、図３に示すように、前記保護箱３に磁束MFを取り囲む方向に誘起される渦電流回路を遮断する位置、例えば天板３ｂと前面板３ａ、側板３ｃ、後面板３ｅを、非磁性で導電率が０．１S／m以下の絶縁板３ｃを用いて絶縁することを特徴としたものである。

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、本発明の対象となる保護箱３に収納される電磁コイル装置１は、図１で説明した、鋳型２の各長辺２ａに２個のPAI型コイルを配置したものに限らない。

１電磁コイル装置
１ａ，１ｂ PAI型電磁コイル
１ａａ，１ｂａティース部
１ａｂ，１ｂｂ巻き線
１ａｃ，１ｂｃ巻き線
２鋳型
２ａ長辺
３保護箱
３ａ前面板
３ｂ天板
３ｃ絶縁板
３ｄ側板
３ｅ後面板
４ボルト
５絶縁ワッシャ

Claims

磁性体のコアのティース部に巻き線を巻回された励磁コイルを有する電磁コイルと、
この電磁コイルを収納する保護箱とからなる電磁攪拌装置において、
磁束が貫通する前記電磁コイルの前面の保護箱の材質を、非磁性で導電率が０．１S／m以下の絶縁性材とすることを特徴とする電磁攪拌装置。
前記保護箱に磁束を取り囲む方向に誘起される渦電流回路を遮断する位置を、非磁性で導電率が０．１S／m以下の絶縁性材を用いて絶縁することを特徴とする請求項１に記載の電磁攪拌装置。
前記絶縁性材が繊維強化プラスチック（FRP）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁攪拌装置。