JP2019126811A - 鋳片の中心固相率の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中心固相率測定のための新たな機器を設けることなく、中心固相率を測定することが可能な鋳片の中心固相率の測定方法を提供する。【解決手段】鋳型１３内に溶鋼１６を注入し、この溶鋼１６を冷却して形成した凝固シェルを鋳型１３の下方から引き抜きながら冷却し、凝固シェル内の未凝固部分を凝固させて製造される連続鋳造の鋳片１８の中心固相率の測定方法であり、鋳片１８の厚み方向に対向配置されたロール２１の間隔を予め設定した周期と振幅で可変させて鋳片１８を圧下する際の鋳型１３内の溶鋼１６の湯面レベルの上昇量を計測し、鋳型１３内の溶鋼１６の計測された湯面上昇量ＸＲと理論的な湯面上昇量ＸＴを用いて、下式により鋳片１８の中心部の固相率ｆＳを求める。ｆＳ＝１−ＸＲ／ＸＴ【選択図】図１

Description

本発明は、連続鋳造により製造される鋳片の中心固相率の測定方法に関する。

連続鋳造プロセスでは、凝固末期の鋳片に対し中心固相率に応じたアクション（スラブ軽圧下）を実施することで、鋳片の内部品位をコントロールできるため、中心固相率の把握が非常に重要である。
例えば、特許文献１には、凝固末期の鋳片の中心固相率が０．１〜０．７に相当する位置において、凝固収縮に見合う量の軽圧下を行う技術が開示されている。また、特許文献２には、凝固完了点近傍に複数配置した軽圧下ロールの圧下量を制御しながら軽圧下する技術が開示されている。

鋳片の中心固相率を測定する方法としては、例えば、特許文献３に、鋳片の鋳造方向に隣り合うロール間にセンサーを設置し、このセンサーの発する横波超音波の減衰状況により、鋳片の中心固相率を測定する技術が開示されている。

特開２００５−１９３２６５号公報 特許第４９４８９７７号公報 特開平１１−１８３４４９号公報

しかしながら、鋳造方向に隣り合うロール間のスペースは狭隘であるため、センサーの設置スペースが確保しづらく、また、鋳片の表面温度は高温であるため、鋳片冷却の際に発生する水蒸気によってセンサーが故障し易くなり、測定データを安定に取得できないおそれがあった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、中心固相率測定のための新たな機器を設けることなく、中心固相率を測定することが可能な鋳片の中心固相率の測定方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するためになされた本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）鋳型内に溶鋼を注入し、該溶鋼を冷却して形成した凝固シェルを前記鋳型の下方から引き抜きながら冷却し、前記凝固シェル内の未凝固部分を凝固させて製造される連続鋳造の鋳片の中心固相率の測定方法であって、
前記鋳片の厚み方向に対向配置されたロールの間隔を予め設定した周期と振幅で可変させて前記鋳片を圧下する際の前記鋳型内の溶鋼の湯面レベルの上昇量を計測し、下式により前記鋳片の中心部の固相率ｆ_Ｓを求めることを特徴とする鋳片の中心固相率の測定方法。
ｆ_Ｓ＝１−Ｘ_Ｒ／Ｘ_Ｔ
ここで、Ｘ_Ｒは鋳型内の溶鋼の計測された湯面上昇量、Ｘ_Ｔは鋳型内の溶鋼の理論的な湯面上昇量、である。

（２）前記鋳型内の溶鋼の理論的な湯面上昇量Ｘ_Ｔは、前記ロールのたわみも考慮して算出される溶鋼の湯面上昇体積を、前記鋳型の開口面積で除して算出することを特徴とする（１）に記載の鋳片の中心固相率の測定方法。

本発明に係る鋳片の中心固相率の測定方法は、鋳片の厚み方向に対向配置されたロールの間隔を予め設定した周期と振幅で可変させて、鋳片を圧下する際の鋳型内の溶鋼の湯面レベルの上昇量を計測し、上記式により鋳片の中心部の固相率ｆ_Ｓを求めるので、中心固相率測定のための新たな機器を設けることなく、中心固相率を測定することができる。

本発明の一実施の形態に係る鋳片の中心固相率の測定方法の測定原理を示す説明図である。 同鋳片の中心固相率の測定方法を適用する連続鋳造機の説明図である。 （Ａ）は同連続鋳造機のロールセグメントの部分正断面図、（Ｂ）は鋳片の正断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は実施例に係る鋳片の中心固相率の測定方法で得られたモールド湯面レベル変動量と周波数との関係を示すグラフである。

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き説明し、本発明の理解に供する。
まず、図１〜図３を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る鋳片の中心固相率の測定方法を適用する連続鋳造機１０について説明する。

図１、図２に示すように、連続鋳造機１０は、タンディッシュ１１と、タンディッシュ１１の底部に設けられた浸漬ノズル１２と、タンディッシュ１１の下方に配置された鋳型（以下、モールドともいう）１３とを有している。
これにより、取鍋１４からタンディッシュ１１へロングノズル１５を介して供給された溶鋼１６を、浸漬ノズル１２を介して鋳型１３内に連続的に供給（注入）して冷却することができ、鋳型１３内面との接触側（外周部）に凝固シェルを形成できる。

鋳型１３の下方には、複数のロールで構成されるロール群１７と、冷却手段（図示しない）が設置されている。
これにより、鋳型１３内で形成された凝固シェルを、鋳型１３の下方から引き抜きながら冷却手段によって冷却し、凝固シェル内の未凝固部分を凝固させて鋳片（連続鋳造鋳片：例えばスラブ）１８を製造できる。なお、ロール群１７を構成するロールには、製造する鋳片１８の厚み方向に間隔を有し、かつ、鋳造方向に渡って複数配置された、サポートロール１９、ガイドロール２０、軽圧下ロール（ロールの一例）２１、及び、駆動ロール２２、がある。

軽圧下ロール２１は、図１〜図３に示すように、鋳片１８の凝固完了点近傍（凝固末期の領域）に配置された軽圧下装置２３に設けられるロールであり、この軽圧下装置２３が鋳片１８の鋳造方向に複数配置されている。
軽圧下装置２３は、図１、図３（Ａ）に示すように、鋳片１８の厚み方向（上下方向）に間隔を有して対向配置された対となる支持フレーム２４、２５を有し、各支持フレーム２４、２５に複数本（ここでは４本）の軽圧下ロール２１が軸受け部２６を介して回転可能に設けられている。

対となる支持フレーム２４、２５は、鋳片１８の幅方向両側に配置された対となる油圧シリンダー（液圧シリンダー）２７で接続され、上側の支持フレーム２４が、固定配置された下側の支持フレーム２５に対して上下動可能になっている。
これにより、一対の油圧シリンダー２７を同期駆動させ、対向する支持フレーム２４と支持フレーム２５の間隔を調整（接近又は離間）することで、凝固完了点近傍の鋳片１８を軽圧下ロール２１で軽圧下できる。なお、対となる支持フレーム２４、２５の間隔調整は、鋳片１８の軽圧下が可能であれば、例えば、空圧シリンダーでもよい。

続いて、本発明の一実施の形態に係る鋳片の中心固相率の測定方法について、図１〜図３を参照しながら説明する。
本発明の鋳片の中心固相率の測定方法は、モールド湯面変動量の事前測定工程、ロール加振工程、モールド湯面レベルの測定工程、モールド湯面レベルの測定結果の解析工程、湯面変動量の理論値算出工程、及び、中心固相率の算出工程、を有している。以下、詳しく説明する。

（モールド湯面変動量の事前測定工程）
連続鋳造の通常操業時においては、例えば、鋳型オシレーション（振動）や鋳型１３内の溶鋼１６の撹拌等により、鋳型１３内の溶鋼１６の湯面が変動（以下、モールド湯面変動ともいう）している。このため、通常操業時における鋳型１３内の溶鋼１６の湯面レベル（以下、モールド湯面レベルともいう）を計測し、通常操業時におけるモールド湯面レベルの時系列データの周波数解析を行う。

これにより、通常操業時におけるモールド湯面レベル変動量と周波数との関係が得られるため、後述するロール加振工程での周波数における、通常操業時のモールド湯面レベル変動量（ベースモールド湯面レベル変動量）γが得られる。
なお、モールド湯面レベルの測定は、例えば、渦流式湯面レベルセンサー等により実施できるが、モールド湯面レベルを測定可能な機器であれば、渦流式湯面レベルセンサーに限定されるものではない。

（ロール加振工程）
前記した軽圧下装置２３において、油圧シリンダー２７を駆動させ、鋳片１８の厚み方向に対向配置された支持フレーム２４と支持フレーム２５の間隔、即ち、軽圧下ロール２１の間隔を、予め設定した周波数（周期）と振幅で可変させる（軽圧下ロール２１を加振する）。
ここで、軽圧下ロール２１の間隔の可変対象となる軽圧下装置２３は、鋳片１８の凝固末期（中心固相率が０％超）と推定される箇所（領域）に配置された装置である。なお、鋳片の凝固末期は、例えば、鋳片の温度計算等により推定できる。

可変条件は、以下の通りである。
周波数は、０．１Ｈｚ以上１Ｈｚ以下の範囲内で、一定周波数となるように設定することが好ましい。
ここで、周波数の下限を０．１Ｈｚとしたのは、通常操業時におけるモールド湯面変動の周波数と共振させないためであり、上限を１Ｈｚとしたのは、通常操業時における鋳型の振動周波数や鋳型内の溶鋼の電磁撹拌周波数域との共振回避のためである。

振幅は、モールド湯面レベルの変動量（変化量）が２０ｍｍ以下の範囲内となるように設定することが好ましい。
ここで、変動量を２０ｍｍ以下としたのは、鋳型内の湯面変動量が大きくなった場合、湯面上のモールドパウダーの鋳片内への巻き込み等が発生し、鋳片品質に異常が発生し易くなるためである。なお、変動量が２０ｍｍ以下であれば、本発明の効果が得られるため、下限については特に限定しないが、例えば、５ｍｍ程度である。

上記した可変条件は、他の因子（外的要因）が加わっても、意図的に行った加振（予め設定する周波数と振幅）の影響を検出できることを考慮して設定すればよい。このため、上記した条件に限定されるものではなく、例えば、連続鋳造機の設備仕様（規模や鋳造条件等）に応じて、種々変更できる。
なお、ロール加振工程では、軽圧下装置２３の動作時の油圧シリンダー２７の推力測定（鋳片１８の押圧力測定）も並行して実施する。

（モールド湯面レベルの測定工程）
上記したロール加振工程の実施と同時に、前記した渦流式湯面レベルセンサーにより、モールド湯面レベルの上昇量の測定も行う。
図１に示すように、鋳片１８のうち、中心部に未凝固部分が存在する部分（未凝固鋳片）に対して、前記したロール加振工程を行った場合（図１の左側）、軽圧下ロール２１が鋳片１８を圧下する周波数に対応してモールド湯面レベルが周期的に変化する。一方、中心部に未凝固部分が存在しない部分（完全凝固鋳片）に対して、前記したロール加振工程を行った場合（図１の右側）、軽圧下ロール２１が鋳片１８を圧下してもモールド湯面レベルは変化しない。

（モールド湯面レベルの測定結果の解析工程）
上記したモールド湯面レベルの測定工程で得られたモールド湯面レベルの時系列データの周波数解析を実施して、モールド湯面変動と周波数との関係を得る。
これにより、上記したロール加振工程での周波数におけるモールド湯面レベル変動量δが得られる。このモールド湯面レベル変動量δは、前記したモールド湯面変動量の事前測定工程で得られたベースモールド湯面レベル変動量γも含む変動量である。
なお、解析を行うに際しては、解析精度を担保するためデータ点数を２０４８点以上としたが、上記したロール加振工程での周波数に応じて種々変更できる。

（湯面変動量の理論値算出工程）
鋳型１３内の溶鋼１６の理論的な湯面上昇量（以下、モールド湯面理論押し上げ量ともいう）Ｘ_Ｔの算出に際し、以下のように定義する（図３（Ｂ）参照）。
鋳片幅：Ｗ（ｍｍ）、鋳片厚み：ｔ（ｍｍ）、設定振幅（片振幅）：Ａ（ｍｍ）、軽圧下装置の支持フレームの鋳造方向の長さ：Ｌ（ｍｍ）、軽圧下ロールのたわみ：ｙ（ｍｍ）、鋳片の短辺側の凝固厚み：Ｓｔ（ｍｍ）、とする。
ここで、鋳片の短辺側の凝固厚みＳｔは、鋳片が凝固末期であることを考慮すると、ｔ／２に近似できる（Ｓｔ≒ｔ／２）。なお、鋳片の短辺側の凝固厚みは、例えば、鋳片の温度計算から推定することもできる。

モールド湯面理論押し上げ量Ｘ_Ｔ（ｍｍ）は、軽圧下装置２３の全軽圧下ロール２１により鋳片１８を圧下した際の鋳型１３内の溶鋼１６の湯面上昇体積Ｖ（ｍｍ^３）を、鋳型１３の開口面積Ｓ（ｍｍ^２）で除すことにより得られる。
ここで、鋳型内の溶鋼の湯面上昇体積Ｖは、下式により算出できる。
Ｖ＝｛Ｗ−２×（ｔ／２）｝×Ｌ×（２Ａ−ｙ）
また、鋳型の開口面積Ｓは、下式により算出できる。
Ｓ＝Ｗ×ｔ

なお、ｙは、オフライン（連続鋳造停止時）での軽圧下ロールの剛性測定により決定できる。
ｙ＝ａ×Ｆ＋ｂ
ここで、Ｆは軽圧下ロールの負荷荷重、ａとｂは定数（剛性テストにより決定）、である。
なお、オフラインにおいては、対向する軽圧下ロールの間隔変動時における油圧シリンダーの推力測定値をｚ、シリンダー本数をｃとすると、下式により求まる。
Ｆ＝ｚ×ｃ

（中心固相率の算出工程）
鋳型１３内の溶鋼１６の計測された湯面上昇量Ｘ_Ｒは、モールド湯面レベル変動量δ（モールド湯面レベルの測定結果の解析工程で計測）と、ベースモールド湯面レベル変動量γ（モールド湯面変動量の事前測定工程で計測）との差（＝δ−γ）により得られる。
前記したモールド湯面理論押し上げ量Ｘ_Ｔ（ｍｍ）に対して、上記した湯面上昇量Ｘ_Ｒは鋳片１８の中心部の半凝固状態に比例するため、下式により鋳片１８の中心部の固相率ｆ_Ｓが求まる。
ｆ_Ｓ＝１−Ｘ_Ｒ／Ｘ_Ｔ

上記式において、湯面上昇量Ｘ_Ｒが、モールド湯面理論押し上げ量Ｘ_Ｔと同じであれば、固相率ｆ_Ｓは０（ゼロ）、即ち、凝固していないことになる。
従って、固相率ｆ_Ｓの数値が大きいほど、即ち１（１００％）に近づくほど、鋳片が完全凝固に近づくことを意味する。
なお、算出した鋳片１８の中心部の固相率ｆ_Ｓは、軽圧下装置２３の鋳造方向中心位置に対応する鋳片１８位置の固相率である。

上記した軽圧下装置２３の油圧シリンダー２７（軽圧下ロール２１）の駆動は、コンピュータ（図示しない）に設定した連続鋳造の操業条件並びに加振条件に基づいて行われる。また、コンピュータには、渦流式湯面レベルセンサーの測定データも送信され、前記した各工程の処理を、予めコンピュータに設定したプログラムにより行うことができる。なお、コンピュータは、ＲＡＭ、ＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらの要素を接続するバスを備えた従来公知のものであるが、これに限定されるものではない。

これにより、算出した鋳片１８の中心部の固相率ｆ_Ｓに応じた鋳片１８の軽圧下を実施できるので、鋳片１８の内部品位をコントロールできる。
なお、鋳片１８の中心部の固相率ｆ_Ｓの算出は、例えば、取鍋（チャージ）ごとに、また、鋼種ごとに、実施することができる。更に、予め算出した固相率ｆ_Ｓに基づいて、連続鋳造の鋳造条件を設定することもできる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
ここでは、スラブ（鋳片）の凝固完了点近傍に配置された、連続する４台の軽圧下装置を用いて、スラブの中心部の固相率ｆ_Ｓを算出した結果について説明する。
軽圧下装置の軽圧下ロールの可変条件を、周波数：０．１Ｈｚ、振幅：０．１５ｍｍ、に設定して、スラブを軽圧下した。なお、スラブの寸法は、幅Ｗ：１１００ｍｍ、厚みｔ：２５０ｍｍ、軽圧下装置１台あたりの鋳造方向の長さＬ：２５００ｍｍ、軽圧下ロールのたわみ量ｙ：０．１６ｍｍ、である。

モールド湯面レベルの測定結果の時系列データの周波数解析を実施して得られたモールド湯面レベル変動量δと周波数との関係を図４（Ａ）〜（Ｄ）に示す。軽圧下ロールの可変条件の周波数（０．１Ｈｚ）におけるモールド湯面レベル変動量δは、４台の軽圧下装置について、鋳造方向の上流側から下流側へかけて、０．９７ｍｍ、０．６２ｍｍ、０．３７ｍｍ、０．３３ｍｍ、であった。
モールド湯面変動量の事前測定工程で算出したベースモールド湯面レベル変動量γは、０．３ｍｍであった。
湯面変動量の理論値算出工程で算出したモールド湯面理論押し上げ量Ｘ_Ｔは、１．０８ｍｍであった。

上記した算出結果を用いて、各軽圧下装置における固相率ｆ_Ｓを算出した結果、４台の軽圧下装置について、鋳造方向の上流側から下流側へかけて、０．３８、０．７０、０．９４、０．９７、であった。即ち、鋳片は、鋳型内の溶鋼の湯面から鋳造方向に遠くなるに伴い、中心部の固相率が高くなっている。
従って、本発明の鋳片の中心固相率の測定方法を用いることで、従来のように、中心固相率測定のための新たな機器を設けることなく、中心固相率を安定に得ることができるため、経済的に作業性よく鋳片の内部品位をコントロールできる。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、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、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の鋳片の中心固相率の測定方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、前記実施の形態においては、鋳片の中心部の固相率ｆ_Ｓの算出に際し、軽圧下ロールのたわみも考慮した場合について説明したが、例えば、軽圧下ロールのたわみが無視できる程度に小さい場合（例えば、たわみｙが０．０１５ｍｍ以下、更には０．０１ｍｍ以下の場合）には、軽圧下ロールのたわみを考慮することなく、固相率ｆ_Ｓを算出することもできる。なお、軽圧下ロールのたわみを無視するか否かは、例えば、製造する鋳片の成分や、軽圧下ロールの特性（材質や長さ等）等に基づいて判断すればよい。

１０：連続鋳造機、１１：タンディッシュ、１２：浸漬ノズル、１３：鋳型、１４：取鍋、１５：ロングノズル、１６：溶鋼、１７：ロール群、１８：鋳片、１９：サポートロール、２０：ガイドロール、２１：軽圧下ロール（ロール）、２２：駆動ロール、２３：軽圧下装置、２４、２５：支持フレーム、２６：軸受け部、２７：油圧シリンダー

Claims (2)

1. 鋳型内に溶鋼を注入し、該溶鋼を冷却して形成した凝固シェルを前記鋳型の下方から引き抜きながら冷却し、前記凝固シェル内の未凝固部分を凝固させて製造される連続鋳造の鋳片の中心固相率の測定方法であって、
   前記鋳片の厚み方向に対向配置されたロールの間隔を予め設定した周期と振幅で可変させて前記鋳片を圧下する際の前記鋳型内の溶鋼の湯面レベルの上昇量を計測し、下式により前記鋳片の中心部の固相率ｆ_Ｓを求めることを特徴とする鋳片の中心固相率の測定方法。
   ｆ_Ｓ＝１−Ｘ_Ｒ／Ｘ_Ｔ
   ここで、Ｘ_Ｒは鋳型内の溶鋼の計測された湯面上昇量、Ｘ_Ｔは鋳型内の溶鋼の理論的な湯面上昇量、である。
2. 請求項１記載の鋳片の中心固相率の測定方法において、前記鋳型内の溶鋼の理論的な湯面上昇量Ｘ_Ｔは、前記ロールのたわみも考慮して算出される溶鋼の湯面上昇体積を、前記鋳型の開口面積で除して算出することを特徴とする鋳片の中心固相率の測定方法。

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