JP2013123717A - 金属の連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】湯面から一定長さの垂直部を持つ垂直曲げ型連続鋳造機において、電磁撹拌装置を用いることによって、連続鋳造鋳片の表層及び内部への非金属介在物及び気泡の巻き込みを抑制でき、高品質な連続鋳造鋳片を製出することが可能な金属の連続鋳造方法を提供する。
【解決手段】湯面から一定長さの垂直部１４を持つ垂直曲げ型連続鋳造機１０を用いて、電磁撹拌装置２５によって鋳型２０内の溶融金属を撹拌しながら鋳造を行う金属の連続鋳造方法であって、鋳型２０内に溶融金属を供給する浸漬ノズル３０の吐出孔３１が、電磁撹拌装置２５の鉄芯の上端から下端の間の高さに位置し、前記湯面から垂直部１４の下端までの距離Ｌと、前記湯面から電磁撹拌装置２５の鉄芯の下端までの距離Ｈとの差（Ｌ−Ｈ）が、（Ｌ−Ｈ）≧２．０ｍの関係を満足する条件で鋳造を実施することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、湯面から一定長さの垂直部を持つ垂直曲げ型連続鋳造機を用いて、鋳型の長辺側に配設された電磁撹拌装置によって鋳型内の溶融金属を撹拌しながら鋳造を行う金属の連続鋳造方法に関するものである。

金属の連続鋳造方法においては、鋳型内の溶融金属中に存在する非金属介在物や気泡等が鋳型内で成長する凝固シェルに捕捉されることによって、製出される連続鋳造鋳片に欠陥が発生することが知られている。このような欠陥を防止する手段として、例えば特許文献１、２に示すように、電磁力によって鋳型内の溶融金属に旋回流を付与する、いわゆる鋳型内電磁攪拌法が提案されている。

ここで、鋳型内の溶融金属が流速を有する場合、固液界面近傍の溶融金属は速度境界層を有し、固液界面に近づくほど流速が遅くなる。このため、この速度境界層内に存在する粒子（非金属介在物及び気泡）は、固液界面から遠ざかる方向に力を受け、固液界面から遠ざかる方向の速度成分を有することとなる。溶融金属の流速が速いほど、粒子（非金属介在物及び気泡）が固液界面から遠ざかる速度成分も大きくなる。鋳型内電磁攪拌法においては、このような原理に基づき、溶融金属中に懸濁する粒子（非金属介在物及び気泡）が凝固シェルに捕捉されるのを防止し、連続鋳造鋳片の清浄化を図っている。

また、鋳型内には、溶融金属を供給する浸漬ノズルが配設されている。この浸漬ノズルの周囲では、流路が狭くなることから溶融金属の流速が遅くなり、温度が低下しやすい傾向にある。そこで、鋳型内の溶融金属に電磁力を印加して旋回流を付与することで、浸漬ノズルの周囲においても高温の溶融金属を流動させることが可能となり、鋳造を安定して行うことが可能となる。

ところで、特許文献１，２に記載されたように、電磁撹拌装置によって鋳型内の溶融金属の撹拌した場合においては、鋳型の上層部を撹拌することは可能であるが、溶融金属中に懸濁する粒子（非金属介在物及び気泡）が浸漬ノズルからの吐出流に乗って鋳型の下方側へと混入し、大きく成長した凝固シェルに捕捉され、連続鋳造鋳片の内部に非金属介在物及び気泡が巻き込まれる現象を抑制することはできなかった。

そこで、例えば特許文献３に示すように、鋳型の下方側への溶融金属の流速を制御する電磁ブレーキ装置を用いた連続鋳造方法が提案されている。電磁ブレーキ装置を用いた場合には、鋳型の下方側へ向かう溶融金属の流速を抑制することができ、溶融金属中に懸濁する粒子（非金属介在物及び気泡）が鋳型の下方側へと混入することを抑制し、連続鋳造鋳片の内部への非金属介在物及び気泡の巻き込みを低減することが可能となる。

特開平０７−００９０９９号公報 特開２００４−０４２０６８号公報 特開平０９−２６２６５１号公報

しかしながら、単に電磁ブレーキ装置を備えた場合には、鋳型の上層部での撹拌ができず、連続鋳造鋳片の表層への巻き込みを抑制することができない。
また、鋳型に、電磁撹拌装置と電磁ブレーキ装置との両者を適用した場合には、鋳型内の溶融金属の流れが複雑となり、流れの制御が困難になるおそれがあった。さらに、鋳造を実施する際には、焼き付きを防止するために鋳型を上下方向に振動させるオシレーションを行うことになるが、鋳型に電磁撹拌装置と電磁ブレーキ装置との両者を適用した場合には、構造が複雑となり、かつ、重量も重くなることから、オシレーションを精度良く制御することが困難となるおそれがあった。

本発明は、前述した状況に鑑みてなされたものであって、湯面から一定長さの垂直部を持つ垂直曲げ型連続鋳造機において、電磁撹拌装置を用いることによって連続鋳造鋳片の表層及び内部への非金属介在物及び気泡の巻き込みを抑制でき、清浄度に優れた高品質な連続鋳造鋳片を製出することが可能な金属の連続鋳造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る金属の連続鋳造方法は、湯面から一定長さの垂直部を持つ垂直曲げ型連続鋳造機を用いて、電磁撹拌装置によって鋳型内の溶融金属を撹拌しながら鋳造を行う金属の連続鋳造方法であって、前記鋳型内に溶融金属を供給する浸漬ノズルの吐出孔が、前記電磁撹拌装置の鉄芯の上端から下端の間の高さに位置し、前記湯面から前記垂直部の下端までの距離Ｌと、前記湯面から前記電磁撹拌装置の鉄芯の下端までの距離Ｈとの差（Ｌ−Ｈ）が、（Ｌ−Ｈ）≧２．０ｍの関係を満足する条件で鋳造を実施することを特徴としている。

垂直曲げ型連続鋳造機においては、垂直部の下端に連続鋳造鋳片を湾曲させる湾曲部が設けられている。この湾曲部においては、連続鋳造鋳片の内部に未凝固の溶融金属が残存しており、この湾曲部にまで到達した非金属介在物及び気泡は、凝固シェルに捕捉され易く、連続鋳造鋳片の内部欠陥の原因となる。
ここで、本発明の金属の連続鋳造方法においては、前記湯面から前記垂直部の下端までの距離Ｌと、前記湯面から前記電磁撹拌装置の鉄芯の下端までの距離Ｈとの差（Ｌ−Ｈ）が、（Ｌ−Ｈ）≧２．０ｍの関係を満足する条件で鋳造を実施していることから、溶融金属を撹拌した後の垂直部の長さが確保されることになり、この垂直部において非金属介在物及び気泡を浮上させることが可能となり、連続鋳造鋳片の内部への巻き込みを抑制することができる。

また、浸漬ノズルの吐出孔が、前記電磁撹拌装置の鉄芯の上端から下端の間の高さに位置させられているので、吐出孔から吐出された溶融金属の流動を制御することができ、吐出孔からの流れに乗って非金属介在物及び気泡が鋳型の下方側へと混入することを抑制できる。
さらに、前記電磁撹拌装置によって、鋳型内の溶鋼を撹拌することから、連続鋳造鋳片の表層への非金属介在物及び気泡の巻き込みを抑制することができる。

本発明に係る金属の連続鋳造方法において、前記湯面から前記電磁撹拌装置の鉄芯の上端までの距離が、０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内に配置されていることが好ましい。
この場合、鋳型の上層部分を確実に撹拌することができ、連続鋳造鋳片の表層への非金属介在物及び気泡の巻き込みを抑制することができる。

また、本発明に係る金属の連続鋳造方法において、前記電磁撹拌装置は、前記鋳型の長辺長さの９０％以上の範囲に対応するように配置されていることが好ましい。
この場合、鋳型内の溶融金属に対して確実に旋回流を与えることができ、溶融金属を十分に撹拌することが可能となる。

本発明によれば、湯面から一定長さの垂直部を持つ垂直曲げ型連続鋳造機において、電磁撹拌装置を用いることによって連続鋳造鋳片の表層及び内部への非金属介在物及び気泡の巻き込みを抑制でき、清浄度に優れた高品質な連続鋳造鋳片を製出することが可能な金属の連続鋳造方法を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態である金属の連続鋳造方法を実施する垂直曲げ型連続鋳造機の概略説明図である。 図１に示す垂直曲げ型連続鋳造機の鋳型周辺を短辺側から見た拡大側面図である。 図１に示す垂直曲げ型連続鋳造機の鋳型周辺を長辺側から見た拡大側面図である。 図１に示す垂直曲げ型連続鋳造機の鋳型周辺を上方から見た拡大上面図である。 実施例の結果を示すグラフである。

以下に、本発明の一実施形態である金属の連続鋳造方法について、添付した図面を参照して説明する。本実施形態である金属の連続鋳造方法は、断面矩形状をなす鉄鋼のスラブを連続鋳造するものである。
まず、本実施形態である金属の連続鋳造方法を実施する垂直曲げ型連続鋳造機１０について説明する。

図１に示すように、垂直曲げ型連続鋳造機１０は、水冷鋳型２０と、この水冷鋳型２０の下方に位置する複数のサポートロール４１からなるサポートロール群４０と、を備えており、水冷鋳型２０から製出された連続鋳造鋳片５０を下方へと引き抜く垂直部１４と、連続鋳造鋳片５０を湾曲させる湾曲部１５と、湾曲させた連続鋳造鋳片５０を曲げ戻す矯正部１６と、連続鋳造鋳片５０を水平方向へ搬送する水平部１７と、を有する。
サポートロール群４０は、垂直部１４に位置するピンチロールユニット４４と、湾曲部１５に位置するベンディングロールユニット４５と、矯正部１６に位置する矯正ロールユニット４６と、水平部１７に位置する水平ロールユニット４７と、を備えている。なお、このサポートロール群４０には、図示しない冷却スプレー装置が配設されている。

水冷鋳型２０は、図３及び図４に示すように、断面矩形状の鋳造空間を有する筒状をなしており、この鋳造空間の形状に合わせた断面の連続鋳造鋳片５０が製出されることになる。
この水冷鋳型２０は、図４に示すように、一対の長辺モールド板２１（２１ａ，２１ｂ）と、この一対の長辺モールド板２１（２１ａ，２１ｂ）によってそれぞれ挟持される一対の短辺モールド板２２（２２ａ，２２ｂ）と、を備えている。ここで、短辺モールド板２２（２２ａ，２２ｂ）は、長辺モールド板２１（２１ａ，２１ｂ）の長手方向に沿って移動可能とされており、幅の異なる連続鋳造鋳片５０を同一の水冷鋳型２０にて製出することができる構成とされている。

ここで、本実施形態では、水冷鋳型２０の一対の短辺モールド板２２ａ，２２ｂ同士の間隔、すなわち、鋳造幅は、９００ｍｍ以上２３００ｍｍ以下の範囲内とされている。また、水冷鋳型２０の一対の長辺モールド板２１ａ，２１ｂ同士の間隔、すなわち、鋳造厚さは、２４０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲内とされている。

そして、長辺モールド板２１（２１ａ，２１ｂ）の外側には、それぞれ電磁攪拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）が配設されている。この電磁撹拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）には、内部に鉄芯が備えられている。この鉄芯は、電磁撹拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）の上端から下端にまでわたって配設されている。すなわち、図２及び図３において、電磁撹拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）の上端及び下端が、鉄芯の上端及び下端に相当しているのである。
また、本実施形態においては、図４に示すように、電磁撹拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）は、水冷鋳型２０の長辺モールド板２１（２１ａ，２１ｂ）の長辺方向長さの９０％以上の範囲に対応するように配置されている。

この電磁攪拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）は、水冷鋳型２０内の溶鋼に移動磁界を発生させ、溶鋼を強制的に流動させるものである。ここで、長辺モールド板２１ａ側の電磁攪拌コイル２５ａによる移動磁界の方向と、長辺モールド板２１ｂ側の電磁攪拌コイル２５ｂによる移動磁界の方向と、を逆方向にすることで、溶鋼には、図４に示すような旋回流Ｆが発生することになる。

この水冷鋳型２０の中には、溶鋼を供給するための浸漬ノズル３０が配設されている。この浸漬ノズル３０には、一対の吐出孔３１（３１ａ、３１ｂ）が設けられており、これらの吐出孔３１（３１ａ、３１ｂ）が、それぞれ水冷鋳型２０の短辺モールド板２２（２２ａ，２２ｂ）を向くように配設されている。

ここで、図２及び図３に示すように、浸漬ノズル３０の吐出孔３１は、電磁撹拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）の鉄芯の上端から下端の間の高さに位置している。本実施形態においては、水冷鋳型２０内の溶鋼の湯面Ｓから吐出孔３１の上端までの距離Ｍは、１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲内とされている。さらに好ましくは１９０ｍｍ以上２１０ｍｍ以下の範囲内とされている。

そして、本実施形態においては、水冷鋳型２０内の溶鋼の湯面Ｓから垂直曲げ型連続鋳造機１０の垂直部１４の下端までの距離Ｌと、湯面Ｓから電磁撹拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）の鉄芯の下端までの距離Ｈとの差（Ｌ−Ｈ）が、（Ｌ−Ｈ）≧２．０ｍの関係を満足する条件で鋳造を実施する。

ここで、本実施形態では、溶鋼の湯面Ｓから垂直曲げ型連続鋳造機１０の垂直部１４の下端までの距離Ｌは、２．５ｍ≦Ｌ≦２．７ｍの範囲内とされている。
また、湯面Ｓから電磁撹拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）の上端（鉄芯の上端）までの距離Ｎが０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内に設定されている。

このような構成とされた垂直曲げ型連続鋳造機１０においては、浸漬ノズル３０を介して、溶鋼を水冷鋳型２０内へと供給する。水冷鋳型２０内に供給された溶鋼は、水冷鋳型２０によって抜熱され、この水冷鋳型２０の内壁面から凝固シェル５１が成長していくことになる。そして、図１に示すように、サポートロール群４０によって水冷鋳型２０から連続鋳造鋳片５０が下方へと引き抜かれていく。

このとき、サポートロール群４０に配設された冷却スプレー装置（図示無し）によって、水冷鋳型２０から引き抜かれた連続鋳造鋳片５０が冷却され、凝固シェル５１がさらに成長していく。そして、図１に示すように、水平部１７において完全に凝固される。すなわち、垂直部１５、湾曲部１６、水平部１７においては、連続鋳造鋳片５０の内部に未凝固部５２として溶鋼が存在しているのである。
なお、本実施形態においては、鋳造速度は、２．３ｍ／ｍｉｎ以下とされており、好ましくは０．８ｍ／ｍｉｎ以上１．５ｍ／ｍｉｎ以下とされている。
そして、水冷鋳型２０内の溶鋼には、電磁攪拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）によって旋回流Ｆが付与される。

以上のような構成とされた本実施形態である金属の連続鋳造方法においては、水冷鋳型２０内の溶鋼の湯面Ｓから垂直部１４の下端までの距離Ｌと、湯面Ｓから電磁撹拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）の鉄芯の下端までの距離Ｈとの差（Ｌ−Ｈ）が、（Ｌ−Ｈ）≧２．０ｍの関係を満足する条件で鋳造を実施していることから、水冷鋳型２０内の溶鋼を電磁撹拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）で撹拌した後、湾曲部１５までの垂直距離が確保されることになる。よって、湾曲部１５までの間の垂直部１４の領域において、未凝固部５２の溶鋼中に存在する非金属介在物及び気泡を浮上させて除去することが可能となる。
これにより、連続鋳造鋳片５０の内部への非金属介在物及び気泡の巻き込みを抑制することができる。

さらに、本実施形態では、浸漬ノズル３０の吐出孔３１（３１ａ、３１ｂ）が、電磁撹拌コイル２５（２５ａ、２５ｂ）の鉄芯の上端から下端の間の高さに位置させられているので、吐出孔３１（３１ａ、３１ｂ）から吐出された溶鋼の流動を制御することができる。よって、吐出孔３１（３１ａ、３１ｂ）から吐出された溶鋼の流れが抑えられ、水冷鋳型２０内における非金属介在物及び気泡の巻き込みを抑制することができる。

また、本実施形態では、水冷鋳型２０内の溶鋼には、電磁攪拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）によって旋回流Ｆが付与されるので、水冷鋳型２０内で成長する凝固シェル５１に溶鋼中の非金属介在物や気泡等が捕捉されることが抑制され、製出する連続鋳造鋳片５０の清浄度を向上させることが可能となる。
さらに、水冷鋳型２０内には浸漬ノズル３０が配設されていることから、この浸漬ノズル３０の周囲部分では温度が低下しやすくなるが、旋回流Ｆを与えることにより、浸漬ノズル３０の周囲部分に高温の溶鋼が供給されることになり、鋳造を安定して行うことが可能となる。

また、本実施形態においては、湯面Ｓから電磁撹拌コイル２５（２５ａ、２５ｂ）の鉄芯の上端までの距離が、０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内に配置されているので、水冷鋳型２０の上層部分を確実に撹拌することができ、連続鋳造鋳片５０の表層への非金属介在物及び気泡の巻き込みを抑制することができる。

さらに、本実施形態においては、電磁撹拌コイル２５（２５ａ、２５ｂ）が、水冷鋳型２０の長辺モールド板２１（２１ａ，２１ｂ）の長さの９０％以上の範囲に対応するように配置されているので、水冷鋳型２０内の溶鋼に対して確実に旋回流Ｆを与えることができ、水冷鋳型２０内の溶鋼を十分に撹拌することが可能となる。

また、本実施形態においては、鋳造幅が９００ｍｍ以上２３００ｍｍ以下の範囲内とされ、鋳造厚さが２４０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲内とされており、鋳造速度が２．３ｍ／ｍｉｎ以下とされているので、浸漬ノズル３０の吐出孔３１（３１ａ、３１ｂ）から吐出される溶鋼の流速が抑えられ、短辺モールド板２２（２２ａ，２２ｂ）での凝固シェル形成を健全に保つことが可能となる。また、吐出流によって非金属介在物及び気泡が水冷鋳型２０の下方側へと混入することを抑制でき、連続鋳造鋳片５０の内部への非金属介在物及び気泡の巻き込みを抑制することができる。
なお、この作用効果を確実に奏功せしめるためには、鋳造速度を０．８ｍ／ｍｉｎ以上１．５ｍ／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。

さらに、本実施形態においては、水冷鋳型２０内の溶鋼の湯面Ｓから吐出孔３１（３１ａ、３１ｂ）の上端までの距離が１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲内とされ、好ましくは１９０ｍｍ以上２１０ｍｍ以下の範囲内とされているので、浸漬ノズル３０の吐出孔３１（３１ａ、３１ｂ）を、電磁撹拌コイル２５（２５ａ、２５ｂ）の鉄芯の上端から下端の間の高さに位置させることが可能となる。また、電磁撹拌コイル２５（２５ａ、２５ｂ）の高さを必要以上に確保しなくてもよく、水冷鋳型２０の軽量化を図ることができ、鋳型のオシレーションを良好に制御することが可能となる。

また、本実施形態では、溶鋼の湯面Ｓから垂直曲げ型連続鋳造機１０の垂直部１４の下端までの距離Ｌが２．５ｍ≦Ｌ≦２．７ｍの範囲内とされているので、浸漬ノズル３０の吐出孔３１（３１ａ，３１ｂ）を電磁撹拌コイル２５（２５ａ、２５ｂ）の鉄芯の上端から下端の間の高さに位置させても、水冷鋳型２０内の溶鋼の湯面Ｓから垂直部１４の下端までの距離Ｌと、湯面Ｓから電磁撹拌コイル２５（２５ａ，２５ｂ）の鉄芯の下端までの距離Ｈとの差（Ｌ−Ｈ）を確保することが可能となる。

以上、本実施形態である金属の連続鋳造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、図１に示す垂直曲げ型連続鋳造機を用いたもので説明したが、これに限定されることはなく、他の構成の垂直曲げ型連続鋳造機であってもよい。

また、鋳造速度、鋳造幅、鋳造厚さは、本実施形態の範囲に限定されることはなく、適宜、条件を選択してもよい。
浸漬ノズルの構造や水冷鋳型の構造についても、図示したものに限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。

本発明の効果を確認すべく実施した確認実験の結果について説明する。
湯面から垂直部の下端までの距離ＬをＬ＝２．５ｍとし、鋳造幅を２２００ｍｍ、鋳造厚さを２４０ｍｍとした。また、鋳造速度を１．１ｍ／ｍｉｎとした。なお、水冷鋳型内の溶鋼の湯面から浸漬ノズルの吐出孔の上端までの距離を２０５ｍｍとした。
また、湯面から電磁撹拌コイルの上端（鉄芯の上端）までの距離を０ｍｍとした。そして、電磁撹拌コイル（鉄芯）の高さを変更して、湯面から垂直部の下端までの距離Ｌと、湯面から電磁撹拌コイルの鉄芯の下端までの距離Ｈとの差（Ｌ−Ｈ）を調整した。

直径１００μｍの気泡を想定し、この気泡が湯面から２．５ｍの深さまで達する比率を評価した。評価結果を図５に示す。

湯面から垂直部の下端までの距離Ｌと、湯面から電磁撹拌コイルの鉄芯の下端までの距離Ｈとの差（Ｌ−Ｈ）が２．０ｍ以上となると、気泡が湯面から２．５ｍの深さまで達する比率が大幅に低減することが確認される。
以上のことから、本発明によれば、非金属介在物や気泡が湾曲部の深さにまで達することが防止され、連続鋳造鋳片の内部への非金属介在物や気泡の巻き込みを防止できることが確認される。

１０ 垂直曲げ型連続鋳造機
１４ 垂直部
２０ 水冷鋳型（鋳型）
２５ 電磁撹拌コイル（電磁撹拌装置）
３０ 浸漬ノズル
３１ 吐出孔
Ｓ 湯面
Ｌ 湯面から垂直部の下端までの距離
Ｈ 湯面から電磁撹拌コイルの鉄芯の下端までの距離
Ｆ 旋回流

Claims (3)

1. 湯面から一定長さの垂直部を持つ垂直曲げ型連続鋳造機を用いて、電磁撹拌装置によって鋳型内の溶融金属を撹拌しながら鋳造を行う金属の連続鋳造方法であって、
   前記鋳型内に溶融金属を供給する浸漬ノズルの吐出孔が、前記電磁撹拌装置の鉄芯の上端から下端の間の高さに位置し、
   前記湯面から前記垂直部の下端までの距離Ｌと、前記湯面から前記電磁撹拌装置の鉄芯の下端までの距離Ｈとの差（Ｌ−Ｈ）が、
   （Ｌ−Ｈ）≧２．０ｍ
   の関係を満足する条件で鋳造を実施することを特徴とする金属の連続鋳造方法。
2. 前記湯面から前記電磁撹拌装置の鉄芯の上端までの距離が、０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の金属の連続鋳造方法。
3. 前記電磁撹拌装置は、前記鋳型の長辺長さの９０％以上の範囲に対応するように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属の連続鋳造方法。

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