JP2022124069A - 凝固シェル厚みの推定方法及び溶融金属の連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融金属の連続鋳造時に、再溶解性ブレークアウトを精度よく予知する。【解決手段】溶融金属の連続鋳造時に鋳型内に生成する凝固シェルの部分のうち浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐの厚みＴを推定する方法であって、連続鋳造前に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認すること、連続鋳造時に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを、前記鋳型に設置された温度センサーによって求めること、及び、連続鋳造時に、前記温度センサーによって求められた前記局所熱流束Ｑと、前記関係と、に基づいて、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴを推定すること、を含む、凝固シェル厚みの推定方法、並びに、当該推定方法を利用して再溶解性ブレークアウトの可能性を判定する溶融金属の連続鋳造方法。【選択図】図１

Description

本願は凝固シェル厚みの推定方法及び溶融金属の連続鋳造方法を開示する。

溶融金属の連続鋳造時の操業トラブルとしてブレークアウト（ＢＯ）がある。連続鋳造時にＢＯが発生した場合、凝固した金属の除去や設備の修繕のために、操業を中断せざるを得ない。そのため、ＢＯの発生を精度よく予知できる技術が必要である。

ＢＯの一つに、凝固シェルが再溶解して凝固シェルの厚みが部分的に薄くなることでＢＯに至る、再溶解性ブレークアウトがある。再溶解性ブレークアウトの発生を精度よく予知するためには、例えば、鋳型内の凝固シェルの厚みを精度よく推定することが有効と考えられる。

特許文献１～５には、鋳型に設置された温度センサーによって測定される熱流束に着目して、ＢＯの予知や凝固シェル厚みの推定をする技術が開示されている。また、特許文献６及び７には、鋳型に設置された温度センサーによって測定される熱流束に着目して、鋳型内の偏流を検知する技術が開示されている。

特開昭５８－１４８０６１号公報 国際公開第２００９／１０７８６５号 特開２０１０－１０５０４０号公報 特開２０１１－０７９０２３号公報 特開２０１９－０７２７４９号公報 特開平１－２６２０５０号公報 特開平３－０３２４５７号公報

溶融金属の連続鋳造時に、ブレークアウトを精度よく予知するための新たな技術が必要である。

本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
溶融金属の連続鋳造時に鋳型内に生成する凝固シェルの部分のうち浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐの厚みＴを推定する方法であって、
連続鋳造前に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認すること、
連続鋳造時に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを、前記鋳型に設置された温度センサーによって求めること、
及び、
連続鋳造時に、前記関係と、前記温度センサーによって求められた前記局所熱流束Ｑと、に基づいて、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴを推定すること、
を含む、凝固シェル厚みの推定方法
を開示する。

本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
浸漬ノズルから鋳型内へと溶融金属を吐出して、前記鋳型内で凝固シェルを生成させながら、前記溶融金属を連続的に鋳造する方法であって、
連続鋳造前に、前記鋳型内に生成する前記凝固シェルの部分のうち前記浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認すること、
連続鋳造時に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを、前記鋳型に設置された温度センサーによって求めること、
連続鋳造時に、前記関係と、前記温度センサーによって求められた前記局所熱流束Ｑと、に基づいて、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴの推定値を求めること、
及び、
連続鋳造時に、前記厚みＴの前記推定値に基づいて、ブレークアウトに至る可能性の判定を行うこと、
を含む、溶融金属の連続鋳造方法
を開示する。

本開示の連続鋳造方法は、
連続鋳造時に、前記厚みＴの前記推定値が０となった場合に、ブレークアウトに至る可能性があるものと判定すること、
を含んでいてもよい。

本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
浸漬ノズルから鋳型内へと溶融金属を吐出して、前記鋳型内で凝固シェルを生成させながら、前記溶融金属を連続的に鋳造する方法であって、
連続鋳造前に、前記鋳型内に生成する前記凝固シェルの部分のうち前記浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認すること、
連続鋳造前又は連続鋳造時に、前記関係に基づいて、前記厚みＴが所定の範囲内となる前記局所熱流速Ｑの上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定すること、
連続鋳造時に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを、前記鋳型に設置された温度センサーによって求めること、
及び、
連続鋳造時に、前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}と、前記温度センサーによって求められた前記局所熱流束Ｑと、を比較して、ブレークアウトに至る可能性の判定を行うこと、
を含む、溶融金属の連続鋳造方法
を開示する。

本開示の連続鋳造方法は、
連続鋳造時の鋳造速度Ｖ_ｃを考慮して前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定すること、
を含んでいてもよい。

本開示の連続鋳造方法は、
連続鋳造前又は連続鋳造時に、前記関係に基づいて、前記厚みＴが０となるような前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定すること、
を含んでいてもよい。

本開示の連続鋳造方法は、
前記溶融金属が１．０質量％以上のＣを含む高炭素鋼である場合において、前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を下記式（１）に基づいて決定すること、
を含んでいてもよい。
Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}＝１．２８×Ｖ_ｃ＋１．４９ ・・・ （１）
ここで、Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}は局所熱流束（ＭＷ／ｍ^２）であり、Ｖ_ｃは鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）である。

本開示の凝固シェル厚みの推定方法によれば、溶融金属の連続鋳造時、鋳型内の凝固シェルの部分のうち、浸漬ノズルからの吐出流が凝固シェルに衝突する部分Ｐにおける厚みＴを精度よく推定することが可能である。また、本開示の溶融金属の連続鋳造方法によれば、ブレークアウトを精度よく予知することが可能である。

凝固シェル厚みの推定方法の流れの一例を説明するための図である。 溶融金属の連続鋳造方法の流れの一例を説明するための図である。 溶融金属の連続鋳造方法の流れの他の例を説明するための図である。 ブレークアウト後に鋳型から取得された凝固シェル（ＢＯ後凝固シェル）の断面形状を示す図である。 ＢＯ後凝固シェルの厚みの理論値（吐出流がない場合）と実測値との関係を示す図である。 ５秒ごとの局所熱流束プロフィールを示す図である。 メニスカスから約３００ｍｍ地点での局所熱流束の経時変化を示す図である。 図５に示される凝固シェル厚みの理論値と実測値との差を示す図である。 地点Ａにおける凝固シェル厚みの経時変化と、地点Ａにおける局所熱流束の経時変化とを示す図である。 地点Ａにおける凝固シェル厚みと局所熱流束との関係を示す図である。 鋳造速度と局所熱流束との関係を示す図である。

１．凝固シェル厚みの推定方法
本開示の凝固シェル厚みの推定方法は、溶融金属の連続鋳造時に鋳型内に生成する凝固シェルの部分のうち浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐの厚みＴを推定する方法である。図１に示されるように、本開示の凝固シェル厚みの推定方法は、連続鋳造前に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認すること（Ｓ１）、連続鋳造時に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを、前記鋳型に設置された温度センサーによって求めること（Ｓ２）、及び、連続鋳造時に、前記関係と、前記温度センサーによって求められた前記局所熱流束Ｑと、に基づいて、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴを推定すること（Ｓ３）、を含む。

１．１ Ｓ１
Ｓ１においては、連続鋳造前に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認する。

本発明者は、ブレークアウト後に連続鋳造機の鋳型内に残った凝固シェル（ＢＯ後凝固シェル）を取得する機会を得た。ＢＯ後凝固シェルの性状を観察及び分析したところ、浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐにおいては、他の部分と比較して、凝固シェルの厚みが薄くなっていることが分かった。また、当該連続鋳造時に鋳型に設置された温度センサーによって求められた局所熱流束Ｑの実績値（履歴）と、ＢＯ後凝固シェルの性状とを比較及び分析したところ、浸漬ノズルからの吐出流が衝突して凝固シェルの厚みが薄くなっている部分Ｐにおいては、他の部分と比較して、局所熱流束Ｑが上昇することが分かった。さらに、当該部分Ｐにおいては、局所熱流束Ｑと凝固シェルの厚みＴとの間に明確な相関関係があることが分かった。すなわち、部分Ｐにおいて、鋳型に設置された温度センサーによって求められた局所熱流束Ｑと、凝固シェルの厚みＴとの関係を数式（関係式）で表すことができることを見出した。本開示の方法においては、例えば、部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴとの関係を、１次式（Ｑ＝ａＴ＋ｂ、ここで定数ａ及びｂは、各々、連続鋳造の操業条件に応じて決定される）によって表してもよい。

連続鋳造前において、部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認する方法は、上記のＢＯ後凝固シェルを観察及び分析する方法に限られない。本開示の方法においては、部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴと、の関係を予め確認するためだけに、実機で連続鋳造を行うことは要しない。部分Ｐの位置は、例えば、水モデルによる模擬実験や、シミュレーションを利用した解析等によって、連続鋳造前に確認してもよい。凝固シェル厚みは、例えば、鋳造中にＦｅＳ等を添加して推定してもよい。ただし、実機での連続鋳造の結果（例えば、上記のＢＯ後凝固シェル）に基づいて当該関係を確認した場合、当該関係をより精度よく求めることができるものと考えられる。この点、本開示の方法においては、連続鋳造時に鋳型に設置された温度センサーによって求められた局所熱流束Ｑの実績値と、当該連続鋳造時にブレークアウトに至った後に得られるＢＯ後凝固シェルの性状と、に基づいて、部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認してもよい。

また、本発明者は、連続鋳造時に鋳型に設置された温度センサーによって求められた局所熱流束の実績値や、ＢＯ後凝固シェルの観察及び分析から、浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐにおいては、局所熱流束Ｑが経時的に変化し、凝固シェルが薄くなったり厚くなったりすることも見出した。この点、連続鋳造時、部分Ｐにおける局所熱流束Ｑの経時変化を監視することで、浸漬ノズルからの吐出流の流速の変化を監視することもできる。また、浸漬ノズルからの吐出流の流速が変化して部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴが薄くなった場合、ブレークアウト（例えば、再溶解性ブレークアウト）が生じ易い。本開示の方法によれば、当該部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴを精度良く推定することで、このようなブレークアウトを防止し易くなる。

尚、「凝固シェルの部分のうち浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐ」は、浸漬ノズルの吐出口の向き及び形状や鋳型の形状や吐出流の流速等を考慮して特定すればよい。本開示の方法において、浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐは、点として特定されてもよいし、範囲として特定されてもよい。本開示の方法においては、凝固シェルの厚みのうち、浸漬ノズルからの吐出流が衝突している部分の全域の厚みを推定してもよいし、浸漬ノズルからの吐出流が衝突している部分の一部の厚みを推定してもよい。

１．２ Ｓ２
Ｓ２においては、連続鋳造時に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを、鋳型に設置された温度センサーによって求める。

本開示の方法は、連続鋳造時に、浸漬ノズルからの吐出流が凝固シェルに衝突する部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴを精度よく推定するものであり、連続鋳造機の種類や連続鋳造の操業条件等によらず所望の効果が奏される。本開示の方法においては、一般的な連続鋳造機及び一般的な操業条件をいずれも採用可能である。

鋳型に設置される温度センサーの種類も特に限定されるものではなく、例えば、公知の熱電対やＦＢＧセンサーを採用してよい。本開示の方法においては、鋳型の部分のうち、少なくとも、浸漬ノズルからの吐出流が凝固シェルに衝突する部分Ｐと対応する部分（例えば、部分Ｐと対向する部分）に、温度センサーが少なくとも１つ設置されていればよい。温度センサーは鋳型の壁内に埋設されていてもよい。温度センサーは鋳型の長辺及び短辺の複数箇所に埋設されていてもよい。尚、鋳型に埋設された温度センサーによる測定結果に基づいて、部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを求める手法についても特に限定されるものではなく、公知の手法を利用すればよい。局所熱流束Ｑは、例えば、溶融金属からの距離の異なる２本の温度センサーの測定温度の差をセンサー間距離で除し、鋳型壁（銅板）の熱伝導率を乗じることによって求めてもよい。

１．３ Ｓ３
Ｓ３においては、連続鋳造時に、Ｓ１にて確認された関係と、Ｓ２にて温度センサーによって求められた局所熱流束Ｑと、に基づいて、前記部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴを推定する。

例えば、Ｓ１にて、部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴとの関係式を特定したうえで、Ｓ２にて、浸漬ノズルからの吐出流が凝固シェルに衝突する部分Ｐと対応する部分に設置された温度センサーによって部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを求め、当該温度センサーによって求められた局所熱流束Ｑを当該関係式に代入することで、凝固シェルの厚みＴを推定することができる。

以上の通り、Ｓ１～Ｓ３を経ることで、溶融金属の連続鋳造時、鋳型内の凝固シェルの部分のうち、浸漬ノズルからの吐出流が凝固シェルに衝突する部分Ｐにおける厚みＴを精度よく推定することが可能である。当該部分Ｐは、吐出流の流速の変化等によって凝固シェルの厚みＴが変動し易い部分であり、ブレークアウトの原因となり易い部分であるものと考えられる。この点、本開示の方法によって当該部分Ｐの凝固シェルの厚みＴを精度よく推定することで、ブレークアウトを防止し易くなる。

２．溶融金属の連続鋳造方法
上述の通り、浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐにおいては、他の部分と比較して凝固シェルの厚みＴが薄くなり、他の部分と比較して局所熱流束Ｑが上昇する。また、浸漬ノズルからの吐出流は常に一定の流速が維持されるというわけではなく、当該部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴも経時的に変化し、局所熱流束Ｑも経時的に変化する。当該部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴが薄くなり過ぎると、ブレークアウトの原因となり易いことから、当該部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴを精度よく推定して、当該厚みＴが薄くなり過ぎないように制御する必要がある。ここで、上述したように、本発明者は、当該部分Ｐにおいて、局所熱流束Ｑと凝固シェルの厚みＴとの間に明確な相関関係があることを見出した。当該関係を利用して、当該部分Ｐにおける局所熱流束Ｑや凝固シェル厚みＴを監視することで、ブレークアウトを防止し易くなる。

２．１ 第１形態
図２に溶融金属の連続鋳造方法の流れの一例を示す。本開示の連続鋳造方法は、浸漬ノズルから鋳型内へと溶融金属を吐出して、前記鋳型内で凝固シェルを生成させながら、前記溶融金属を連続的に鋳造する方法である。図２に示されるように、第１形態に係る連続鋳造方法は、連続鋳造前に、前記鋳型内に生成する前記凝固シェルの部分のうち前記浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認すること（Ｓ１１）、連続鋳造時に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを、前記鋳型に設置された温度センサーによって求めること（Ｓ１２）、連続鋳造時に、前記関係と、前記温度センサーによって求められた前記局所熱流束Ｑと、に基づいて、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴの推定値を求めること（Ｓ１３）、及び、連続鋳造時に、前記厚みＴの前記推定値に基づいて、ブレークアウトに至る可能性の判定を行うこと（Ｓ１４）、を含む。

２．１．１ Ｓ１１～Ｓ１３
Ｓ１１～Ｓ１３は上記のＳ１～Ｓ３と同様とすればよい。

２．１．２ Ｓ１４
Ｓ１４においては、連続鋳造時に、Ｓ１３にて求められた厚みＴの推定値に基づいて、ブレークアウトに至る可能性の判定を行う。

上述の通り、部分Ｐにおける厚みＴが薄くなり過ぎると、ブレークアウトの可能性が高まる。この点、本開示の方法においては、例えば、部分Ｐにおける厚みＴの推定値が所定範囲を外れて小さい場合に、部分Ｐにおける厚みＴが薄くなり過ぎていると判定し、ブレークアウトに至る可能性があるものと判定してもよい。この場合、厚みＴの推定値に閾値を設定し、当該閾値を基準として厚みＴの推定値が小さくなった場合（厚みＴの推定値が閾値を下回った場合、或いは、閾値以下となった場合）に、部分Ｐにおける凝固シェルが過剰に再溶解しているものと判断し、再溶解性ブレークアウトに至る可能性があるものと判定してもよい。当該閾値は連続鋳造の操業条件等に応じて適宜決定されればよい。また、当該閾値は連続鋳造の鋳造速度に応じて変化させてもよい。

Ｓ１４においては、連続鋳造時に、Ｓ１３にて求められた厚みＴの推定値が０となった場合に、ブレークアウトに至る可能性があるものと判定してもよい。厚みＴの推定値が０である場合、部分Ｐにおいて凝固シェルが途切れて破断している（又は破断しようとしている）可能性が高く、ブレークアウトの可能性が一層高まるものと考えられるためである。

２．１．３ その他の工程
尚、本開示の連続鋳造方法においては、Ｓ１４においてブレークアウトに至る可能性があるものと判定された場合に、鋳造速度を低速化したり、鋳型の冷却量（抜熱量）を増加させること等によって凝固シェルの成長を促すことで、ブレークアウトの発生を防止することができる。すなわち、本開示の方法は、上記のブレークアウトの判定に基づいて鋳造速度を制御すること、を含んでいてもよいし、上記のブレークアウトの判定に基づいて鋳型の冷却量を制御すること、を含んでいてもよい。

２．２ 第２形態
第１形態においては、部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴの推定値に基づいてブレークアウトを予知する形態について説明したが、本開示の連続鋳造方法はこの形態に限定されるものではない。図３に溶融金属の連続鋳造方法の流れの他の例を示す。本開示の連続鋳造方法は、浸漬ノズルから鋳型内へと溶融金属を吐出して、前記鋳型内で凝固シェルを生成させながら、前記溶融金属を連続的に鋳造する方法である。図３に示されるように、第２形態に係る連続鋳造方法は、連続鋳造前に、前記鋳型内に生成する前記凝固シェルの部分のうち前記浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認すること（Ｓ２１）、連続鋳造前又は連続鋳造時に、前記関係に基づいて、前記厚みＴが所定の範囲内となる前記局所熱流速Ｑの上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定すること（Ｓ２２）、連続鋳造時に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを、前記鋳型に設置された温度センサーによって求めること（Ｓ２３）、及び、連続鋳造時に、前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}と、前記温度センサーによって求められた前記局所熱流束Ｑと、を比較して、ブレークアウトに至る可能性の判定を行うこと（Ｓ２４）、を含む。

２．２．１ Ｓ２１
Ｓ２１は上記のＳ１と同様とすればよい。

２．２．２ Ｓ２２
Ｓ２２においては、連続鋳造前又は連続鋳造時に、Ｓ２１において確認された関係に基づいて、凝固シェルの厚みＴが所定の範囲内となる局所熱流速Ｑの上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定する。

上述したように、部分Ｐにおける凝固シェルの厚みＴが薄過ぎる場合、ブレークアウトに至る可能性が高まる。この点、本開示の連続鋳造方法においては、当該厚みＴが薄くなり過ぎないように、局所熱流束Ｑについて閾値（上限値）を設定する。例えば、上述したように、部分Ｐにおける厚みＴと、部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、の間には明確な相関関係があり、厚みＴが薄くなると局所熱流束Ｑが増大することから、当該厚みＴが必要最低限の厚み（下限値Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}）となる場合の局所熱流束Ｑの上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定する。上記関係が数式で表される場合、当該数式に厚みＴの下限値Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}を代入することで、局所熱流束Ｑの上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定することができる。

局所熱流束Ｑの上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}は連続鋳造時の操業条件に応じて適宜決定されればよい。尚、局所熱流束Ｑの上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を、連続鋳造時の鋳造速度Ｖ_ｃによって変化させてもよい。すなわち、本開示の連続鋳造方法は、連続鋳造時の鋳造速度Ｖ_ｃを考慮して前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定すること、を含んでいてもよい。例えば、Ｖ_ｃとＱ_{ｌｉｍｉｔ}との関係を数式化し、当該数式に基づいて、任意のＶ_ｃにおけるＱ_{ｌｉｍｉｔ}を特定することができる。Ｖ_ｃとＱ_{ｌｉｍｉｔ}との関係は１次式で表されてもよい。

Ｓ２２においては、連続鋳造前又は連続鋳造時に、Ｓ２１にて確認された関係に基づいて、前記厚みＴが０となるような前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定してもよい。厚みＴが０である場合、部分Ｐにおいて凝固シェルが途切れて破断している（又は破断しようとしている）可能性が高く、ブレークアウトの可能性が一層高まるものと考えられるためである。

Ｓ２２においては、鋳造速度Ｖ_ｃの他、溶融金属の種類に応じてＱ_{ｌｉｍｉｔ}を決定してもよい。例えば、溶融金属が１．０質量％以上のＣを含む高炭素鋼である場合において、前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を下記式（１）に基づいて決定してもよい。
Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}＝１．２８×Ｖ_ｃ＋１．４９ ・・・ （１）
ここで、Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}は局所熱流束（ＭＷ／ｍ^２）であり、Ｖ_ｃは鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）である。

上述の通り、Ｓ２２を行うタイミングは連続鋳造前であってもよいし、連続鋳造時であってもよいし、連続鋳造前と連続鋳造時との両方であってもよい。Ｓ２２においては、連続鋳造時の鋳造速度Ｖ_ｃの変化に応じて、連続鋳造時にＱ_{ｌｉｍｉｔ}を変化させてもよい。

２．２．３ Ｓ２３
Ｓ２３は上記のＳ２と同様とすればよい。

２．２．４ Ｓ２４
Ｓ２４においては、連続鋳造時に、Ｓ２２において特定した上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}と、Ｓ２３において温度センサーによって求められた局所熱流束Ｑと、を比較して、ブレークアウトに至る可能性の判定を行う。

上述の通り、部分Ｐにおける厚みＴが薄くなり過ぎると、ブレークアウトの可能性が高まる。ここで、厚みＴと局所熱流束Ｑとの間には明確な相関関係があり、局所熱流束Ｑが大きいほど厚みＴが薄くなる。この点、本開示の方法においては、Ｓ２２において特定した上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}と、Ｓ２３において温度センサーによって求められた局所熱流束Ｑと、を比較して、局所熱流束Ｑが大き過ぎる場合（例えば、局所熱流束Ｑが上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を上回っている場合、或いは、上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}以上である場合）に、部分Ｐにおける厚みＴが薄くなり過ぎていると判定し、ブレークアウトに至る可能性があるものと判定してもよい。

２．２．５ その他の工程
尚、第２形態に係る連続鋳造方法においても、第１形態に係る連続鋳造方法と同様に、Ｓ２４においてブレークアウトに至る可能性があるものと判定された場合に、鋳造速度を低速化したり、鋳型の冷却量（抜熱量）を増加させること等によって凝固シェルの成長を促すことで、ブレークアウトの発生を防止することができる。すなわち、本開示の方法は、上記のブレークアウトの判定に基づいて鋳造速度を制御すること、を含んでいてもよいし、上記のブレークアウトの判定に基づいて鋳型の冷却量を制御すること、を含んでいてもよい。

以上の通り、第１形態及び第２形態のいずれの連続鋳造方法においても、ブレークアウトを精度よく予知することが可能である。

３．補足
本開示の技術において、連続鋳造対象である溶融金属の種類に特に制限はない。溶融金属は溶鋼であってもよいし、溶鋼以外の溶融金属であってもよい。

本開示の技術において、鋳型内に生成した凝固シェルの部分のうち、浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐ以外の部分については、凝固シェルの厚みを推定しても推定しなくてもよい。凝固シェルの厚みを推定する場合、本開示の方法と同じようにして当該厚みを推定してもよい。

以下、実施例を示しつつ本開示の技術による効果等について、より詳細に説明するが、本開示の技術は以下の実施例に限定されるものではない。以下の実施例では、１．０質量％以上のＣを含む高炭素鋼の連続鋳造方法を例示するが、本開示の技術において連続鋳造対象である溶融金属の種類は特に限定されるものではない。また、その他の連続鋳造条件についても以下の条件に限定されるものではない。

１．連続鋳造試験条件
下記条件にて連続鋳造試験を実施した。鋳造対象は下記表１に示す組成を有する溶鋼（軌条鋼）である。各試験において、鋳造速度はいずれも１ｍ／ｍｉｎであり、鋳型のサイズは幅６００ｍｍ×厚み１００ｍｍであり、浸漬ノズルの位置は鋳型幅方向及び厚み方向の中央であり、浸漬ノズルの吐出口角度は上向き１０°である。また、短辺中央部に設置した温度センサー（ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating：ファイバ・ブラッグ・グレーティング）センサー:光ファイバー利用温度センサー）によって、鋳造方向に４７ｍｍ間隔で鋳型銅板の温度の測定が可能である。

上記の連続鋳造試験において、鋳型の一方側の短辺において凝固シェルが拘束しブレークアウトが発生した。この時、鋳型の他方側の短辺から健全な凝固シェルを取得することができた。取得した凝固シェルについて、厚み中央部での切断面を図４に示す。この凝固シェルの厚み分布と鋳型短辺における熱流束とを比較した。

２．解析
強い吐出流が鋳型短辺側に衝突することで、溶鋼からの熱伝達係数が上昇し、その個所の熱流束が周囲に比べ上昇すると考え、局所熱流束をメニスカスからの距離で整理した。横軸にメニスカスからの距離、縦軸に局所熱流束をとったものを以下、局所熱流束プロフィールと呼ぶ。局所熱流束の算出は、溶鋼からの距離の異なる２本のＦＥＢセンサーの測定温度の差をセンサー間距離で除し、銅板の熱伝導率を乗じることで行った（下記式Ｉ）。銅板熱伝達率にはメーカー公表値である３５２ＭＷ／ｍ・Ｋを使用した。

ここで、ｑは局所熱流束（ＭＷ／ｍ^２）、ｋ_ｃｕは銅板熱伝達率（ＭＷ／ｍ・Ｋ）、ｄはセンサー間距離（ｍ）、Ｔ_０及びＴ_１はセンサー温度（Ｋ）である。

瞬間的な偏流を捉えられるかの検証のために、所定の時刻における局所熱流束プロフィールと凝固シェル厚みとを比較した。図５に取得した凝固シェルの厚み分布を示す。図５に示されるように、メニスカスから２００ｍｍ付近から６００ｍｍ付近まで、凝固シェルの厚みの実測値が理論値に比べて薄くなっており、吐出流により再溶解が生じていると思われる。

当該凝固シェルが生成された際の局所熱流束プロフィールを図６に示す。図６に示される局所熱流束は５秒ごとの時間平均であり、ブレークアウト直前までの２５秒間のものである。図６を見ると１５２秒から１６２秒までの間、メニスカスから約３００ｍｍの位置で局所熱流束の上昇が確認できる。このメニスカスから約３００ｍｍの位置で局所熱流束の時間変化を図７に示す。ブレークアウト直前の１４秒間、局所熱流束が増加しており、この１４秒間に鋳造した長さは約２５０ｍｍである。凝固シェルにおいて再溶解していると思われる部分は２００～６００ｍｍの４００ｍｍであり、強い吐出流によって、吐出流の衝突位置の上下の凝固シェルも影響を受けたと考えると矛盾しない結果である。

以上の結果から、吐出流が凝固シェルに衝突する位置の局所熱流束を、一定時間ごとに算出して、その変化を監視することで、吐出流の影響を捉えることができることが分かった。

ここで、ブレークアウトに至る限界熱流束の算出のために、凝固シェル厚みと局所熱流束の値を整理する。整理のため、以下の手法によって湯面から２８６ｍｍの地点（以下、「地点Ａ」という）における凝固シェル厚みを算出した。図８に凝固シェル厚みの理論値と実測値の差を示す。当該理論値と実測値との差は、吐出流による影響の経時変化と対応する。以下、地点Ａでこの差分だけ再溶解したと仮定して、地点Ａでの凝固シェル厚みと局所熱流束の関係を図９及び１０に整理した。図９に示されるように、地点Ａにおいては、局所熱流束の実測値が変動し、それに伴って、凝固シェル厚みも変動している。図１０のように凝固シェル厚みと局所熱流束の関係を見ると、下記式（II）のような１次式によって整理することが可能である。

上記式（II）から、例えば、凝固シェル厚みが０ｍｍとなるのは、局所熱流束が約２．８ＭＷ／ｍ^２となるときである。すなわち、本実施例における連続鋳造条件においては、鋳造速度が１．０ｍ／ｍｉｎの場合、局所熱流束が約２．８ＭＷ／ｍ^２を超えた際に、ブレークアウトに至る可能性があると判定してもよい。

局所熱流束は鋳造速度が増えるにつれ、増大するものと考えられる。すなわち、ブレークアウトに至る限界の局所熱流束Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を考える際には、鋳造速度の影響を考慮することが好ましい。そこで、他の試験から鋳造速度と地点Ａでの局所熱流束とを整理した（図１１）。その結果、局所熱流束Ｑの平均値Ｑ_ａｖｅと鋳造速度Ｖ_ｃとは以下の関係式（III）によって整理できることがわかった。

ブレークアウトに至る限界の局所熱流束Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}においても傾きが等しいとして、鋳造速度が変わったときのＱ_{ｌｉｍｉｔ}は以下の式（IV）によって定められる。当該式（IV）は、１．０質量％以上のＣを含む高炭素鋼を連続鋳造する場合に適用可能と考えられる。

３．まとめ
以上の通り、温度センサー（ＦＢＧセンサー）を内蔵した鋳型を用いて鋳造試験を実施し、その際得られた測温データから、鋳型短辺の局所熱流束プロフィールを算出することで、凝固シェルの再溶解が見られた時刻に吐出流衝突位置の熱流束が上昇していることがわかった。吐出流衝突位置における局所熱流束Ｑと凝固シェル厚みＴとの間には明確な相関関係があり、当該関係から、吐出流衝突位置における凝固シェル厚みを精度よく推定することができるといえる。局所熱流束Ｑと凝固シェル厚みＴとの関係は、例えば、１次式によって整理することができる。また、当該凝固シェルの厚みＴの推定値が所定の範囲から外れて薄くなった場合にブレークアウトに至る可能性があるものと判定することで、ブレークアウトの発生を精度よく予知することができるといえる。或いは、当該凝固シェル厚みＴの推定値が所定の範囲内となる局所熱流束Ｑの上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を求め、局所熱流束の実測値Ｑと当該上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}とを比較して、例えば、当該実測値Ｑが当該上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を超えた場合にブレークアウトに至る可能性があるものと判定することで、ブレークアウトの発生を精度よく予知することができるといえる。尚、鋳造速度Ｖ_ｃによって局所熱流束Ｑの上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}が変化し得ることから、例えば、鋳造速度Ｖ_ｃと上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}との関係を整理したうえで、Ｖ_ｃに応じてＱ_{ｌｉｍｉｔ}を特定することが好ましいといえる。Ｖ_ｃとＱ_{ｌｉｍｉｔ}との関係は、例えば、１次式によって整理することができる。

Claims (7)

1. 溶融金属の連続鋳造時に鋳型内に生成する凝固シェルの部分のうち浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐの厚みＴを推定する方法であって、
   連続鋳造前に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認すること、
   連続鋳造時に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを、前記鋳型に設置された温度センサーによって求めること、
   及び、
   連続鋳造時に、前記関係と、前記温度センサーによって求められた前記局所熱流束Ｑと、に基づいて、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴを推定すること、
   を含む、凝固シェル厚みの推定方法。
2. 浸漬ノズルから鋳型内へと溶融金属を吐出して、前記鋳型内で凝固シェルを生成させながら、前記溶融金属を連続的に鋳造する方法であって、
   連続鋳造前に、前記鋳型内に生成する前記凝固シェルの部分のうち前記浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認すること、
   連続鋳造時に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを、前記鋳型に設置された温度センサーによって求めること、
   連続鋳造時に、前記関係と、前記温度センサーによって求められた前記局所熱流束Ｑと、に基づいて、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴの推定値を求めること、
   及び、
   連続鋳造時に、前記厚みＴの前記推定値に基づいて、ブレークアウトに至る可能性の判定を行うこと、
   を含む、溶融金属の連続鋳造方法。
3. 連続鋳造時に、前記厚みＴの前記推定値が０となった場合に、ブレークアウトに至る可能性があるものと判定すること、
   を含む、請求項２に記載の溶融金属の連続鋳造方法。
4. 浸漬ノズルから鋳型内へと溶融金属を吐出して、前記鋳型内で凝固シェルを生成させながら、前記溶融金属を連続的に鋳造する方法であって、
   連続鋳造前に、前記鋳型内に生成する前記凝固シェルの部分のうち前記浸漬ノズルからの吐出流が衝突する部分Ｐにおける局所熱流束Ｑと、前記部分Ｐにおける前記凝固シェルの厚みＴと、の関係を確認すること、
   連続鋳造前又は連続鋳造時に、前記関係に基づいて、前記厚みＴが所定の範囲内となる前記局所熱流速Ｑの上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定すること、
   連続鋳造時に、前記部分Ｐにおける局所熱流束Ｑを、前記鋳型に設置された温度センサーによって求めること、
   及び、
   連続鋳造時に、前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}と、前記温度センサーによって求められた前記局所熱流束Ｑと、を比較して、ブレークアウトに至る可能性の判定を行うこと、
   を含む、溶融金属の連続鋳造方法。
5. 連続鋳造時の鋳造速度Ｖ_ｃを考慮して前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定すること、
   を含む、請求項４に記載の連続鋳造方法。
6. 連続鋳造前又は連続鋳造時に、前記関係に基づいて、前記厚みＴが０となるような前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を特定すること、
   を含む、請求項４又は５に記載の連続鋳造方法。
7. 前記溶融金属が１．０質量％以上のＣを含む高炭素鋼である場合において、前記上限値Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}を下記式（１）に基づいて決定すること、
   を含む、請求項４～６のいずれか１項に記載の連続鋳造方法。
   Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}＝１．２８×Ｖ_ｃ＋１．４９ ・・・ （１）
   ここで、Ｑ_{ｌｉｍｉｔ}は局所熱流束（ＭＷ／ｍ^２）であり、Ｖ_ｃは鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）である。

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