JP2011507705A - 超音波印加を用いた鋼の凝固組織の制御方法 - Google Patents

Abstract

連続鋳造工程で鋳片の凝固組織を制御する手段を提供し、鋳片の凝固組織を微細化して等軸晶率を向上させることにより、後工程の圧下率を低めるだけではなく、品質を向上させてエネルギー節減、生産量の増大、機会損失の予防などの経済的利益を提供する。鋳型の下部に位置したストランドの一部位に超音波印加装置を配置して電源を印加する第１段階と、前記超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相をモニタリングし、前記鋳型から抜け出る鋳片の凝固層厚さの変化による超音波のインピーダンス変化をリアルタイムで計測する第２段階と、前記超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相差が共鳴条件を満たす既設定の範囲内にあると、前記超音波印加装置で前記ストランドの一部位に超音波を印加する第３段階とを含むことを特徴とする。

Description

本発明の一側面は超音波印加を用いた鋼の凝固組織の制御方法に関し、特に、溶鋼を鋳型に注入して鋼の鋳片を連続的に生産する工程で超音波を印加して、鋳片の凝固組織を制御する方法に関する。

連続鋳造工程は産業に活用される素材を作るための母材である１次素材を生産する工程であり、健全な鋳片を生産するために様々な下部工程を含んでいる。予備処理、転炉精錬及び２次精錬の製鋼工程を経た溶鋼をタンディッシュに供給した後、タンディッシュ底に設けられた吐出口を通じて鋳型に供給する。そして、１次冷却によって凝固層が形成された形態を作り、２次冷却によって完成された鋳片を製造する。

現在、鋼の連続鋳造で主に用いられている凝固組織の制御手段は、電磁気撹拌（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｔｉｒｒｉｎｇ）方式であり、これと共に、溶鋼の過熱度を低めて凝固過程で柱状晶の成長を抑制する努力を並行している。このような努力にもかかわらず、鋳片に成長した柱状晶は後工程で完全に再結晶化されず、最終製品で欠陥を引き起こす主な原因となることがある。

一方、凝固中に強力超音波を適用すると、結晶微細化を増進することができることは実験室規模で多く実証されてきた。金属の凝固組織の制御に関する研究は、旧ソ連を中心に約５０年前にステンレス鋼に対して初めて行われた（非特許文献１及び２）。その後、Ａｂｒａｍｏｖ Ｇｒｏｕｐは連鋳、インゴットなどの方法で製造する低合金鋼、高合金剛、炭素鋼などの広範囲な対象に対して研究を行った。彼らは、Ｃ０．４％以下の炭素鋼は２．５ｋＷ／ｋｇの強力超音波を加えても組織の変化がないことを確認し、Ｃ０．８〜１．０％の炭素鋼は１．５〜２．０ｋＷ／ｋｇの超音波で組織を微細化することができることを確認し、組織が微細化された鋼は引張強度７５％、延伸率３０％、面積減少率６０％の増加が可能であることを確認した。日本では、特許文献１（ＪＰ１９９４−０３９５１１）で、連鋳機の二次冷却帯で鋳片を間においた一対のロールを配置して、片側のロールに超音波振動子を内蔵して凝固組織を制御しようと試みた。

しかし、前記のような従来の連続鋳造工程では鋳片の凝固組織を制御する手段を提供することができなかったため、鋳片の凝固組織を微細化して等軸晶率を向上させることができなかった。

特開平６−３９５１１号公報

S.S.Hinchliff and J.W.Jones:Foundry Trade J.,1(1955),No.9,251 J.Jagaciak and J.W.Jones:Foundry Trade J.,1(1956)No.10,595

本発明の一側面は、連続鋳造工程で鋳片の凝固組織を制御する手段を提供し、鋳片の凝固組織を微細化して等軸晶率を向上させることにより、後工程の圧下率を低めるだけではなく、品質を向上させてエネルギー節減、生産量の増大、機会損失の予防などの経済的利益を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、鋳型の下部に位置したストランドの一部位に超音波印加装置を配置して電源を印加する第１段階と、前記超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相をモニタリングし、前記鋳型から抜け出る鋳片の凝固層厚さの変化による超音波のインピーダンス変化をリアルタイムで計測する第２段階と、前記超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相差が共鳴条件を満たす既設定の範囲内にあると、前記超音波印加装置で前記ストランドの一部位に超音波を印加する第３段階とを含むことを特徴とする超音波印加を用いた鋼の凝固組織の制御方法を提供する。

本発明の一実施例において、前記ストランドの一部位は鋳型から下部に１〜２０ｍの範囲であることを特徴とする超音波印加を用いた鋼の凝固組織の制御方法を提供する。

本発明の他の実施例において、鋳型の下部に位置したストランドの一部位に電磁場印加装置をさらに配置して電源を印加する場合、前記超音波印加装置は前記電磁場印加装置の上部、前記電磁場印加装置の下部、または前記電磁場印加装置の位置と同一の位置のうち何れか一つの位置に配置されることを特徴とする超音波印加を用いた鋼の凝固組織の制御方法を提供する。

本発明の一側面によると、連続鋳造工程で鋳片の凝固組織を制御する手段を提供して、鋳片の凝固組織を微細化し、等軸晶率を向上させることにより、後工程の圧下率を低めるだけではなく、品質を向上させてエネルギー節減、生産量の増大、機会損失の予防などの経済的利益を提供することができる。

本発明の鋳片を生産するための連続鋳造機の構成図である。 本発明の超音波エネルギーを用いた電磁気流動制御の原理を説明するために示した図面である。 本発明の超音波印加を用いた鋼の凝固組織の制御方法のフローチャートである。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができて、本発明の範囲が以下に説明する実施形態にのみ限定されるものではない。図面上の同一の符号で示される要素は同一の要素と見なす。

図１は本発明の鋳片を生産するための連続鋳造機の構成図である。図１を参照すると、一般的に連続鋳造機は、溶湯（ｍｏｌｔｅｎ ｓｔｅｅｌ）１５０を一時的に入れて鋳型（ｍｏｌｄ）３００に供給する役割をするタンディッシュ（ｔｕｎｄｉｓｈ）１００、鋳型３００に供給された溶湯１５０の量を調節する湯面レベルを一定に維持する役割をする作動機（ａｃｔｕａｔｏｒ）２５０、溶湯１５０を導くノズル（ｎｏｚｚｌｅ）２００、溶湯１５０を一定の模様で作る鋳型３００、凝固が進行される鋳片（ｓｌａｂ）４００を案内して引き出すストランド（ｓｔｒａｎｄ）８５０で構成されている。ストランド８５０の一部位には超音波印加装置９００と電磁場印加装置１０００を配置する。

ストランド８５０には、凝固される鋳片４００を支持する多数個の支持ロール（ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｒｏｌｌ）５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄ、５００ｅと、鋳片４００がストランド８５０の下部に抜け出るように引抜する多数個の引抜ロール（ｄｒｉｖｅｎ ｒｏｌｌ）６００がある。そして、前記ロール５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄ、５００ｅ、６００の間で高熱の鋳片４００に２次冷却器８００から２次冷却水（２ｎｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ）をかけて鋳片４００を冷やし、凝固シェル７００ａ、７００ｂによって凝固を促進する。鋳片４００は、モールド内で表面部位のみ凝固され、鋳型３００を抜け出てストランド８５０の下部に行くにつれて凝固が進行される。連続鋳造の速度は引抜ロール６００の駆動速度で調節し、鋳造速度によって２次冷却水の散水量も連動して制御される。

一般的な連続鋳造で鋳片４００の組織は、鋼種、溶湯の温度、モールド冷却水、２次冷却水などによって決まる。モールド内で凝固される組織は温度変化が大きい部分であり、その組織が緻密であることが一般的である。従って、鋳片４００の表層（表面から約２０ｍｍまで）は既にその組織が微細化されていて、殆ど等軸晶を成しているため、本発明の組織の制御領域ではない。しかし、モールドから抜け出た鋳片４００は、２次冷却、ストランドのロール５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄ、５００ｅ、６００との接触による冷却によって一貫して冷却される。そして、この時から凝固組織は大きい柱状晶に成長し始めて鋳片４００の等軸晶率を低めるようになる。

図２は本発明の超音波エネルギーを用いた電磁気流動制御の原理を説明するために示した図面である。

既存の特定連鋳機は、大きい柱状晶の組織を微細化して等軸晶率を向上させるために、ストランドの一部区間に電磁気流動制御設備を採用している。電磁気流動制御設備は凝固全面に溶湯の流動を発生させて温度勾配を大きくし、一部柱状晶の枝が折れるようにする役割をする。

この際、強力な超音波エネルギーを適用する場合、柱状晶の枝は相当量が折れて、凝固界面のまわりに超音波キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）とジェットストリーム（ｊｅｔ ｓｔｒｅａｍ）による流動が発生し、折れた柱状晶の枝が満遍なく多く分布するようになる。これらは再び凝固の種として作用する。

従って、本発明では強力な超音波エネルギー１１００を用いて局所的な部分に多量の凝固の種を作り、この種を電磁気流動制御装置に広範囲に運んで電磁場による流動１４００を起こし、鋳片の広い領域で凝固組織を微細化することができる。柱状晶１２００のまわりには折れた柱状晶１３００が分布していることが分かる。

ステンレス４００系または電気鋼板の場合、鋳片の断面積の全領域で組織を微細化することは難しいと知られている。断面積の特定部分で柱状晶１２００が成長しすぎて等軸晶率を落とす原因となる。従って、その特定部分の等軸晶を向上させる場合、鋳片の組織は微細化になり、等軸晶率を高めて品質を向上させることができる。このために、通常鋳型の下１〜２０ｍの区間中に位置するストランドの特定部位に凝固組織を制御する設備を配置することが一番効果的である。従って、本発明はストランドの特定部位に少なくとも一つの超音波印加装置及び電磁場印加装置を配置する。

超音波印加装置と電磁場印加装置は次のように様々な相対的位置に配置することができる。超音波印加装置の位置は、電磁場印加装置の上部、電磁場印加装置の下部、電磁場印加装置と同一の位置に配置することができる。電磁場印加装置の上部と下部の範囲は、鋳片内の溶湯の流動が電磁場による影響を受ける範囲を意味する。電磁場による流動の影響がない部位に強力な超音波印加装置のみを配置することもできる。

特定部位は鋳型の下１〜２０ｍであるためその範囲が広い。従って、この区間で凝固層厚さの範囲は約２０〜１２０ｍｍで広い方であるため、一つの周波数で超音波のエネルギーを効果的に供給する共鳴条件を作りにくい。従って、位置によって共鳴条件に合う周波数を選択することが有利である。従って、本発明ではストランド上の位置によって超音波の共鳴条件を異にする。

ストランド上の特定位置で共鳴条件に合う周波数を選択したとしても、鋼種、冷却条件等によって凝固層の厚さと共鳴条件は少しずつ変わる。従って、凝固組織の制御装置が安定的に動作するためには鋳造中に共鳴条件を調節する必要がある。

このために、本発明では超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相をモニタリングし、鋳型から抜け出る鋳片の凝固層厚さの変化による超音波のインピーダンス変化をリアルタイムで計測する方法を用いる。超音波印加装置とともに用いる電磁場印加装置の電磁場印加方法は、既存の電磁気流動制御装置の動作条件を用いる。

図３は本発明の超音波印加を用いた鋼の凝固組織の制御方法のフローチャートである。

まず、鋳型の下部に位置したストランドの一部位に超音波印加装置を配置して電源を印加する（Ｓ１００）。ストランドの一部位は、鋳型から下部に１〜２０ｍの範囲である。そして、鋳型の下部に位置したストランドの一部位に電磁場印加装置をさらに配置して電源を印加する場合、超音波印加装置は電磁場印加装置の上部、電磁場印加装置の下部、または電磁場印加装置の位置と同一の位置のうち何れか一つの位置に配置されることができる。

その後、超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相をモニタリングして、鋳型から抜け出る鋳片の凝固層厚さの変化による超音波のインピーダンス変化をリアルタイムで計測する（Ｓ２００）。

その後、超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相差が既設定された範囲内にあるかを判断する（Ｓ３００）。超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相差が共鳴条件を満たす既設定の範囲内にあると、超音波印加装置でストランドの一部位に超音波を印加する（Ｓ４００）。しかし、超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相差が共鳴条件を満たす既設定の範囲内にないと、Ｓ２００過程にフィードバックして超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相差が既設定の範囲内になるまでＳ２００過程とＳ３００過程を繰り返す。

本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されない。添付の請求範囲により限定することにし、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更が出来るということは当技術分野の通常の知識を有する者には明白であろう。

１００ タンディッシュ
１５０ 溶湯
２００ ノズル
２５０ 作動機
３００ 鋳型
４００ 鋳片
５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄ、５００ｅ 支持ロール
６００ 引抜ロール
７００ａ、７００ｂ 凝固シェル
８００ ２次冷却器
８５０ ストランド
９００ 超音波印加装置
１０００ 電磁場印加装置
１１００ 超音波エネルギー
１２００ 柱状晶
１３００ 折れた柱状晶
１４００ 電磁場による流動

Claims (3)

1. 鋳型の下部に位置したストランドの一部位に超音波印加装置を配置して電源を印加する第１段階と、
   前記超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相をモニタリングし、前記鋳型から抜け出る鋳片の凝固層厚さの変化による超音波のインピーダンス変化をリアルタイムで計測する第２段階と、
   前記超音波印加装置の入力電流と出力電流との位相差が共鳴条件を満たす既設定の範囲内にあると、前記超音波印加装置で前記ストランドの一部位に超音波を印加する第３段階と
   を含むことを特徴とする超音波印加を用いた鋼の凝固組織の制御方法。
2. 前記ストランドの一部位は鋳型から下部に１〜２０ｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の超音波印加を用いた鋼の凝固組織の制御方法。
3. 鋳型の下部に位置したストランドの一部位に電磁場印加装置をさらに配置して電源を印加する場合、前記超音波印加装置は前記電磁場印加装置の上部、前記電磁場印加装置の下部、または前記電磁場印加装置の位置と同一の位置のうち何れか一つの位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波印加を用いた鋼の凝固組織の制御方法。

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