JP2019072749A - ブレークアウト予知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凝固シェルの再溶解に起因するブレークアウトの発生を、鋳型壁構造の大幅な改造を必要とせず、高い精度で予知することが可能な方法を提供する。【解決手段】浸漬ノズル１３の吐出孔１３ｂに面する鋳型壁１１、１２の内部を通流する冷却水の鋳型壁入側及び出側の温度と、鋳型壁１１、１２内へ流入する冷却水の単位時間当たり流量と、鋳型壁１１、１２近傍の湯面高さとを測定するステップと、測定した鋳型壁１１、１２入側の冷却水温度、鋳型壁１１、１２出側の冷却水温度、鋳型壁１１、１２内へ流入する冷却水の単位時間当たり流量、及び鋳型壁１１、１２近傍の湯面高さから、鋳型壁１１、１２の平均熱流束を算出するステップと、算出された鋳型壁１１、１２の平均熱流束が閾値を超えた場合にブレークアウトに至る可能性があると判定するステップとを備えるブレークアウト予知方法。【選択図】図１

Description

本発明は、ブレークアウト予知方法に関し、詳細には、凝固シェルの再溶解に起因するブレークアウトの発生を予知する方法に関する。

鋼の連続鋳造において、タンディッシュから浸漬ノズルを介して鋳型に注入された溶鋼は、鋳型内で冷却されて鋳型と接する部分が凝固し、凝固シェルを形成する。凝固シェルが形成された鋳片は、鋳型の下方から引き抜かれて二次冷却帯で冷却される。しかし、鋳型内溶鋼の流動異常により凝固界面において局所的に流動速度が大きな箇所が存在すると、溶鋼からの熱供給により凝固シェルが再溶解し、凝固シェル厚が薄くなる。この凝固シェル厚の薄い部位が鋳型出口に至ると、凝固シェルが破れて溶鋼が吹き出る、いわゆるブレークアウトが発生する危険がある。

ブレークアウトが発生すると操業停止が避けられないため、ブレークアウトが発生しないような操業条件を選択する必要があるが、ブレークアウトの発生を恐れて鋳造速度を必要以上に遅くすることは操業効率の悪化を招き好ましくない。
このような背景から、ブレークアウトの発生を的確に予知できる手法の開発が望まれており、今までに様々な方法が提案されている。

例えば、特許文献１では、鋳型の外表面に配置した多数の熱流束計により、鋳型各部の局所的な熱流束を測定し、熱流束の時間的変化を表した熱流束波形の波高が急激に所定値を上まわった時に鋳込み速度を低下させ、前記波高が元に戻るまで低速鋳込みを行うことによりブレークアウトの発生を防止する技術が開示されている。

特許文献２では、鋳型壁内に鋳型壁温度を測定する熱電対を複数個埋め込み、熱電対により測定された鋳型壁温度を基に鋳型出口における凝固シェル厚みを演算し、演算した凝固シェル厚みが閾値以下となった場合に鋳造速度や鋳型内の溶鋼流速を低下させる制御を行うことによりブレークアウトの発生を防止する技術が開示されている。

また、特許文献３では、対向する鋳型壁内を流れる冷却水の入側及び出側の温度と冷却水量とを測定して、溶鋼から鋳型に抜熱される熱量を演算し、演算した熱量が上下限値を超える場合にブレークアウトの前兆であると判断する技術が開示されている。

特公昭６３−５３９０３号公報 特開２０１０−１９４５４８号公報 特開昭５７−３９０６８号公報

特許文献１に開示された技術は、鋳型各部の局所的な熱流束を測定し、熱流束の変化を検出することによってブレークアウトの発生を防止する方法であるが、鋳型各部の局所的な熱流束の変化を監視することが、ブレークアウトの発生を予知するうえで必ずしも十分であるとは言えない。なぜなら、鋳型内における凝固シェル形成過程の初期段階において熱流束の異常があったとしても、凝固シェル形成過程のその後の段階において凝固が進行し、鋳型出口において所定の厚みの凝固シェルが形成されておればブレークアウトの危険が無いと判断できる場合もあるからである。即ち、ブレークアウトの発生を過検知することになる。

特許文献２に開示された技術は、熱電対が設置された位置のみの温度測定結果から凝固シェルの厚みを推定することから、局所的に発生する凝固シェルの再溶解による凝固シェルの薄肉化の全てを把握することは困難である。また、ブレークアウト予知精度向上のために熱電対を増設することは、鋳型壁全面に敷設された冷却水流路を変更する必要が生じるため、鋳型壁構造の大幅な改造が必要となる。

一方、特許文献３に開示された技術は、鋳型壁構造の大幅な改造を必要とせず、鋳型内の局所的熱流束変化によらず、鋳型出側における凝固シェル厚と相関のある抜熱量を監視してブレークアウトを予知する方法であり、一応合理的ではあるが、溶鋼から鋳型に抜熱される熱量は、鋳造途中に生じる湯面高さの変動に伴う、鋳型と凝固シェルの接触面積の変動の影響を大きく受ける。そのため、溶鋼流動の異常を精度よく検知することは難しいといえる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、凝固シェルの再溶解に起因するブレークアウトの発生を、鋳型壁構造の大幅な改造を必要とせず、高い精度で予知することが可能な方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋳型内の溶鋼が湯面から鋳型出口に至るまでの間に鋳型壁から抜熱される熱量、鋳型壁のサイズと鋳型壁近傍の湯面高さから算出される鋳型壁の平均熱流束がブレークアウト発生の指標となることを見出し、以下の本発明に想到した。

本発明に係るブレークアウト予知方法は、
浸漬ノズルの吐出孔に面する鋳型壁の内部を通流する冷却水の鋳型壁入側及び出側の温度と、前記冷却水の単位時間当たり流量と、前記鋳型壁近傍の湯面高さとを測定するステップと、
測定した前記鋳型壁入側の冷却水温度、前記鋳型壁出側の冷却水温度、前記冷却水の単位時間当たり流量、及び前記鋳型壁近傍の湯面高さから、前記鋳型壁の平均熱流束を（１）式を用いて算出するステップと、
算出された前記鋳型壁の平均熱流束が閾値を超えた場合にブレークアウトに至る可能性があると判定するステップとを備えることを特徴としている。

ｑ＝ＱＣ_WATER（Ｔ_OUT−Ｔ_IN）／（Ａ×Ｂ） （１）
ここで、
ｑ：前記鋳型壁の平均熱流束（Ｊ・ｓ^-1・ｍ^-2）、Ｑ：前記冷却水の単位時間当たり流量（Ｌ（リットル）・ｓ^-1）、Ｃ_WATER：水の比熱（Ｊ・kg^-1・Ｋ^-1）、Ｔ_OUT：前記鋳型壁出側の冷却水温度（Ｋ）、Ｔ_IN：前記鋳型壁入側の冷却水温度（Ｋ）、Ａ：前記鋳型壁の下端から湯面までの距離（ｍ）、Ｂ：前記鋳型壁の平均幅（ｍ）

鋳型内の溶鋼が湯面から鋳型出口に至るまでの間に、鋳型壁が溶鋼から抜熱する熱量は鋳型壁と凝固シェルの接触面積によって増減する。他方、鋳型壁と凝固シェルの接触面積は、鋳造中に生じる湯面高さの変動に大きく影響される。即ち、鋳型壁が溶鋼から抜熱する熱量は湯面高さによって変動する。そこで、本発明では、鋳型壁が溶鋼から抜熱する単位時間当たり熱量ＱＣ_WATER（Ｔ_OUT−Ｔ_IN）を鋳型壁と凝固シェルの接触面積Ａ×Ｂで除した鋳型壁の平均熱流束ｑをブレークアウト発生の指標としている。

再溶解性のブレークアウトが発生する際には、溶鋼流動の異常により凝固界面において局所的に溶鋼流動速度の高い箇所が存在し、溶鋼からの熱供給により凝固シェルが再溶解する。具体的には、浸漬ノズルの吐出孔から排出される溶鋼吐出流が衝突する鋳型壁の平均熱流束が高い場合にブレークアウトが発生する。そのため、本発明では、溶鋼吐出流に面する鋳型壁の入側冷却水温度、出側冷却水温度、冷却水の単位時間当たり流量、及び鋳型壁近傍の湯面高さを測定する。

本発明に係るブレークアウト予知方法では、鋳造途中に生じる湯面高さの変動を考慮した鋳型壁の平均熱流束をブレークアウト発生の指標としているので、鋳型壁構造の大幅な改造を必要とせず、凝固シェルの再溶解に起因するブレークアウトを精度よく予知してブレークアウトの発生を防止することができる。

本発明の一実施の形態に係るブレークアウト予知方法を実行するブレークアウト予知システムの構成図である。 過去の実績より算出した、ブレークアウトが発生した場合と発生しない場合における鋳型壁の平均熱流束の一例を示したグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係るブレークアウト予知方法を実行するブレークアウト予知システムの構成を図１に示す。連続鋳造用の鋳型１０は、対向配置された一対の長辺側鋳型壁（図示省略）と、一対の長辺側鋳型壁に挟持され対向する一対の短辺側鋳型壁１１、１２とを備えている。なお、同図は、長辺側鋳型壁に平行な仮想鉛直面で鋳型１０を切断した断面を模式的に示している。

浸漬ノズル１３は、底部を有する円筒状の管体からなり、内部に形成された流路１３ａの上端は溶鋼の流入口とされている。一方、管体の下がわ側面部には、流路１３ａと連通する一対の吐出孔１３ｂが対向して形成されている。浸漬ノズル１３の下端部は鋳型１０内の溶鋼１４に挿入され、各吐出孔１３ｂが短辺側鋳型壁（以下では、単に「鋳型壁」と呼ぶ。）１１、１２に面するように、鋳型１０の中央に配置されている。

鋳型１０の内部には、その壁面を冷却する冷却水が流れる通水路が全周にわたって形成されている。鋳型壁１１、１２の内部にも、鋳型壁１１、１２の下端部を入側とし、鋳型壁１１、１２の上端部を出側とする通水路１１ａ、１２ａが設けられている。

浸漬ノズル１３により鋳型１０内へ注入された溶鋼１４は、鋳型１０内に滞留している間に、水冷された内壁と接触して冷却されることにより、外側から凝固する。鋳型１０内の溶鋼１４は、下方移動するにつれてその外側が凝固シェル１５で覆われ、鋳型１０の下側開口部から下方へ引き抜かれた後、二次冷却帯（図示省略）で冷却される。

鋳型壁１１、１２の内部に設けられている通水路１１ａ、１２ａには、鋳型壁１１、１２入側の冷却水温度を測定する温度計１６、１７と、鋳型壁１１、１２の内部を通流する冷却水の単位時間当たり流量を測定する流量計２０、２１が鋳型壁１１、１２の入側に設置され、鋳型壁１１、１２出側の冷却水温度を測定する温度計１８、１９が鋳型壁１１、１２の出側に設置されている。また、鋳型壁１１、１２近傍の湯面高さを測定するために、複数の熱電対２２、２３が鋳型壁１１、１２の内壁面の上部に埋設されている。

さらにまた、本ブレークアウト予知システムは、温度計１６、１７、１８、１９及び流量計２０、２１の出力に基づいて、鋳型壁１１、１２が溶鋼１４から抜熱する単位時間当たり熱量を演算する抜熱量演算部３１、３２と、複数の熱電対２２、２３の出力に基づいて鋳型壁１１、１２近傍の湯面高さを演算する湯面高さ演算部３３、３４とを備えている。
抜熱量演算部３１、３２と湯面高さ演算部３３、３４の演算結果は平均熱流束演算部３５、３６に出力され、平均熱流束演算部３５、３６において、鋳型壁１１、１２の平均熱流束が演算される。平均熱流束演算部３５、３６の演算結果は評価部３７に出力され、評価部３７において、鋳型壁１１、１２の平均熱流束が閾値を超えているかどうか判定される。

次に、上記ブレークアウト予知システムを用いてブレークアウトを予知する手順について説明する。なお、以下に示す（ＳＴＥＰ−２Ａ）〜（ＳＴＥＰ−３）は、鋳型壁１１と鋳型壁１２それぞれについて実行される。

（ＳＴＥＰ−１）先ず、ブレークアウト発生の指標となる、鋳型壁１１、１２の平均熱流束の閾値ｑ_ｍａｘを、過去の実績等に基づいて設定する。
図２に、過去３６５０チャージの実績より算出した、ブレークアウトが発生した場合と発生しない場合における鋳型壁の平均熱流束の一例を示す。この例では、鋳型壁の平均熱流束が１５０Ｊ・ｓ^-1・ｍ^-2を超えるとブレークアウトが発生している。

（ＳＴＥＰ−２Ａ）抜熱量演算部３１、３２が、温度計１６、１７、１８、１９及び流量計２０、２１の出力に基づいて、鋳型壁１１、１２が溶鋼１４から抜熱する単位時間当たり熱量ｑ_０（Ｊ・ｓ^-1）を（２）式を用いて演算する。
ｑ_０＝ＱＣ_WATER（Ｔ_OUT−Ｔ_IN） （２）
ここで、
Ｑ：冷却水の単位時間当たり流量（Ｌ（リットル）・ｓ^-1）、Ｃ_WATER：水の比熱（Ｊ・kg^-1・Ｋ^-1）、Ｔ_OUT：鋳型壁１１、１２出側の冷却水温度（Ｋ）、Ｔ_IN：鋳型壁１１、１２入側の冷却水温度（Ｋ）

（ＳＴＥＰ−２Ｂ）湯面高さ演算部３３、３４が、複数の熱電対２２、２３の出力に基づいて鋳型壁１１、１２近傍の湯面高さを演算する。なお、鋳造中の鋳型１０は一定の振幅で上下に振動させており、鋳型１０を基準とした湯面高さもそれに合わせて変化するため、数振動分、例えば５振動分連続して湯面高さを求め、その平均値を演算する。

（ＳＴＥＰ−３）平均熱流束演算部３５、３６が、鋳型壁１１、１２の平均熱流束ｑ（Ｊ・ｓ^-1・ｍ^-2）を（３）式を用いて演算する。
ｑ＝ｑ_０／（Ａ×Ｂ） （３）
なお、Ａは鋳型壁１１、１２の下端から湯面までの距離（ｍ）、Ｂは鋳型壁１１、１２の平均幅（ｍ）であり、鋳型壁１１、１２のサイズと湯面高さ演算部３３、３４から演算された湯面高さから算出される。

（ＳＴＥＰ−４）評価部３７は、鋳型壁１１の平均熱流束が閾値ｑ_ｍａｘを超えているかどうか、鋳型壁１２の平均熱流束が閾値ｑ_ｍａｘを超えているかどうかチェックし、鋳型壁１１もしくは鋳型壁１２の平均熱流速が閾値ｑ_ｍａｘを超えている場合、ブレークアウトに至る可能性があると判定する。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、鋳型壁上部に熱電対群を設置し、それらの測定結果をもとに鋳型壁近傍の湯面高さを演算しているが、渦流式レベル計等を用いて鋳型壁近傍の湯面高さを求めてもよい。また、上記実施の形態では、流量計を鋳型壁入側の通水路上に設置しているが、鋳型壁出側の通水路上に設置してもよい。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
ブレークアウト予知精度を検証するためには、ブレークアウトの発生を確実に予知し防止すること、並びにブレークアウトの危険が無い場合にブレークアウト予知を過剰に発報していないことを確認する必要がある。連続鋳造設備を用いて、実施例では３７００チャージ、従来例では３６５０チャージの操業を実施し、その間に発生したブレークアウト発生件数及びブレークアウト予知発報総件数の結果を表１に示す。

なお、従来例は、鋳型壁内部を通流する冷却水の入側と出側の水温差により算出される、鋳型壁が溶鋼から抜熱する熱量を監視することによりブレークアウトを予知する特許文献３記載の技術である。

表１より以下のことがわかる。
ブレークアウト発生件数は、従来例では３件、実施例では０件であり、本実施形態に係るブレークアウト予知方法によってブレークアウトの発生を確実に予知し防止できている。
一方、ブレークアウト予知発報総件数は、従来例では２０１件、実施例では５３件であり、本実施形態に係るブレークアウト予知方法では、ブレークアウト予知を過剰に発報していない。
上記結果より、本実施形態に係るブレークアウト予知方法は、従来技術と比べてブレークアウトを精度良く検出できることが確認できた。

１０：鋳型、１１、１２：鋳型壁（短辺側鋳型壁）、１１ａ、１２ａ：通水路、１３：浸漬ノズル、１３ａ：流路、１３ｂ：吐出孔、１４：溶鋼、１５：凝固シェル、１６、１７、１８、１９：温度計、２０、２１：流量計、２２、２３：熱電対、３１、３２：抜熱量演算部、３３、３４：湯面高さ演算部、３５、３６：平均熱流束演算部、３７：評価部

Claims (1)

1. 浸漬ノズルの吐出孔に面する鋳型壁の内部を通流する冷却水の鋳型壁入側及び出側の温度と、前記冷却水の単位時間当たり流量と、前記鋳型壁近傍の湯面高さとを測定するステップと、
   測定した前記鋳型壁入側の冷却水温度、前記鋳型壁出側の冷却水温度、前記冷却水の単位時間当たり流量、及び前記鋳型壁近傍の湯面高さから、前記鋳型壁の平均熱流束を（１）式を用いて算出するステップと、
   算出された前記鋳型壁の平均熱流束が閾値を超えた場合にブレークアウトに至る可能性があると判定するステップとを備えることを特徴とするブレークアウト予知方法。
   ｑ＝ＱＣ_WATER（Ｔ_OUT−Ｔ_IN）／（Ａ×Ｂ） （１）
   ここで、
   ｑ：前記鋳型壁の平均熱流束（Ｊ・ｓ^-1・ｍ^-2）、Ｑ：前記冷却水の単位時間当たり流量（Ｌ・ｓ^-1）、Ｃ_WATER：水の比熱（Ｊ・kg^-1・Ｋ^-1）、Ｔ_OUT：前記鋳型壁出側の冷却水温度（Ｋ）、Ｔ_IN：前記鋳型壁入側の冷却水温度（Ｋ）、Ａ：前記鋳型壁の下端から湯面までの距離（ｍ）、Ｂ：前記鋳型壁の平均幅（ｍ）

Images