JP2024000959A - 鋳片の製造方法、２次冷却装置及び連続鋳造機 - Google Patents

Abstract

【課題】分割型鋳片支持ロールを用いた場合であって鋳片の幅方向における品質差の発生を抑制できる鋳片の製造方法を提供する。【解決手段】連続鋳造機で鋳造される鋳片を、少なくとも水平帯を有する２次冷却帯において２次冷却して鋳片を製造する鋳片の製造方法であって、水平帯では、前記鋳片を鋳片幅方向で２以上に分割された分割型鋳片支持ロールで支持しながら鋳片の表面における冷却液の沸騰状態を核沸騰にして冷却し、気体噴射ノズルから気体を噴射して、水平帯の冷却液が前記分割型鋳片支持ロールのロールチョック部から漏洩することを抑制する。【選択図】図７

Description

本発明は、鋳片を製造する鋳片の製造方法、２次冷却装置及び連続鋳造機に関する。

鋼の連続鋳造において、鋳型内に注入された溶鋼は鋳型によって冷却されて、鋳型との接触面に凝固シェルを形成する。この凝固シェルを外殻とし、内部に未凝固溶鋼を有する鋳片は、鋳型下方に設けられた２次冷却帯において、冷却液によって冷却されながら鋳型下方に連続的に引抜かれ、やがて中心部までの凝固が完了する。中心部まで凝固が完了した鋳片を所定の長さに切断し、圧延用素材である鋳片が製造される。

一般的に、２次冷却において、鋳片は膜沸騰状態で冷却される。膜沸騰とは、沸騰形態の一種であり、被冷却材の表面温度が高温で、冷却液が低圧・小流量の場合に生じやすく、冷却液と被冷却材の間に蒸気の層が生じ、それが断熱層となり、被冷却材の冷却速度が比較的遅い沸騰である。膜沸騰は、被冷却材を安定して冷却できるが、上述のとおり、被冷却材の冷却速度が遅いので、生産性が低いという課題がある。

連続鋳造では鋳片の品質とともに生産性の向上が望まれており、そのための１つの方策として、冷却液と鋳片表面との熱伝達係数、すなわちスプレー冷却時の熱伝達係数を大きくすることが考えられる。そこで、特許文献１に開示されているように、冷却液を高圧で鋳片表面に吹き付ければ、単位時間当たりに鋳片表面に接触する冷却液量が増えて熱伝達係数が大きくなり、生産性も向上すると考えられる。

特開２００３-２８５１４７号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、冷却液圧が高いことから、鋳片幅方向で２以上に分割された分割型鋳片支持ロールのロールチョック部の鋳片との隙間から、噴射エリア外に冷却液が漏洩する。冷却液が漏洩すると、その漏洩液により鋳片が冷却されるため、冷却液が漏洩するロールチョックがある領域とない領域での温度差が発生し、鋳片の幅方向に品質差が生じるという課題があった。本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、分割型鋳片支持ロールを用いた場合であって鋳片の幅方向における品質差の発生を抑制できる鋳片の製造方法、２次冷却装置及び連続鋳造機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段は、以下の通りである。
［１］連続鋳造機で鋳造される鋳片を、少なくとも水平帯を有する２次冷却帯において２次冷却して鋳片を製造する鋳片の製造方法であって、前記水平帯では、鋳片幅方向で２以上に分割された分割型鋳片支持ロールで前記鋳片を支持しながら前記鋳片の表面における冷却液の沸騰状態を核沸騰にして冷却し、気体噴射ノズルから気体を噴射して、前記水平帯の冷却液が前記分割型鋳片支持ロールのロールチョック部から漏洩することを抑制する、鋳片の製造方法。
［２］前記気体噴射ノズルは、前記水平帯の鋳造方向に対して上流側端部及び下流側端部の少なくとも一方に設置され、前記上流側端部の気体噴射ノズルは、前記分割型鋳片支持ロールのロールチョック部の位置であって鋳造方向に対して下流側の鋳片表面に向けて気体を噴射し、前記下流側端部の気体噴射ノズルは、前記分割型鋳片支持ロールのロールチョック部の位置であって鋳造方向に対して上流側の鋳片表面に向けて気体を噴射する、［１］に記載の鋳片の製造方法。
［３］湯気の発生量に基づいて前記気体噴射ノズルからの気体の噴射流量を制御する、［１］に記載の鋳片の製造方法。
［４］湯気の発生量が予め定められた湯気の発生量の閾値よりも多い場合に前記気体の噴射流量を増加させる、［１］に記載の鋳片の製造方法。
［５］前記水平帯における前記鋳片の２次冷却は、鋳造方向に対して上流側の前段冷却工程と、鋳造方向に対して下流側の後段冷却工程とを含み、前記前段冷却工程における冷却液の流量密度は３００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上４０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下であり、前記後段冷却工程における冷却液の流量密度は１００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上１０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下であり、前記気体の噴射流量は、ロールチョック部１か所あたり２００ＮＬ／ｍｉｎ以上３０００ＮＬ／ｍｉｎ以下である、［１］から［４］のいずれか１つに記載の鋳片の製造方法。
［６］鋳片を、少なくとも水平帯を有する２次冷却帯において２次冷却する２次冷却装置であって、前記水平帯には鋳片幅方向で２以上に分割された分割型鋳片支持ロールと、前記鋳片の表面に冷却液を噴射する冷却スプレーと、前記鋳片の表面に気体を噴射する気体噴射ノズルとが設けられ、前記気体噴射ノズルは、前記水平帯の鋳造方向に対して上流側端部及び下流側端部の少なくとも一方に設置され、前記上流側端部の気体噴射ノズルは、前記分割型鋳片支持ロールのロールチョック部の位置であって鋳造方向に対して下流側の鋳片表面に向けて気体を噴射し、前記下流側端部の気体噴射ノズルは、前記分割型鋳片支持ロールのロールチョック部の位置であって鋳造方向に対して上流側の鋳片表面に向けて気体を噴射する、２次冷却装置。
［７］前記水平帯は前段冷却部と後段冷却部とを有し、前記前段冷却部において前記冷却スプレーから噴射される冷却液の流量密度は３００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上４０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下であり、前記後段冷却部において前記冷却スプレーから噴射される冷却液の流量密度は１００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上１０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下であり、前記気体の噴射流量は、ロールチョック部１か所あたり２００ＮＬ／ｍｉｎ以上３０００ＮＬ／ｍｉｎ以下である、［６］に記載の２次冷却装置。
［８］溶鋼が注入され、前記溶鋼を冷却する鋳型と、［６］又は［７］に記載の２次冷却装置と、を有する、連続鋳造機。

本発明に係る鋳片の製造方法では、気体噴射ノズルから気体を噴射して、分割型鋳片支持ロールのロールチョック部からの水平帯の冷却液の漏洩を抑制するので、鋳片の幅方向の温度差を小さくできる。これにより、鋳片の幅方向における品質差の発生を抑制しながら当該鋳片を製造できる。

図１は、本実施形態に係る鋳片の製造方法が実施できる連続鋳造機の一例を示す模式図である。 図２は、スプレーノズルから噴射される冷却液の状態を説明する説明図である。 図３は、図２とは異なる配置のスプレーノズルから噴射される冷却液の状態を説明する説明図である。 図４は、冷却液の流量、鋳片の表面温度及び冷却能力の関係を示すグラフである。 図５は、図１のＡ部の拡大図である。 図６は、冷却スプレーから噴射される冷却液の水量密度と、漏洩する冷却液の流量との関係を示すグラフである。 図７は、実施例で用いた気体噴射ノズルの配置を示す模式図である。 図８は、実施例で用いた気体噴射ノズルの別の配置を示す模式図である。

以下、本発明を本発明の実施形態を通じて説明する。図１は、本実施形態に係る鋳片の製造方法が実施できる連続鋳造機１の一例を示す模式図である。本実施の形態に係る鋳片の製造方法は、連続鋳造機１で鋳造されている鋳片３を、垂直帯５、湾曲帯７、水平帯９を有する２次冷却帯１１において２次冷却するものであり、水平帯９における２次冷却は、前段冷却部１３での前段冷却工程と後段冷却部１５での後段冷却工程とを含む。以下、各構成を詳細に説明する。

＜連続鋳造機１＞
連続鋳造機１では、図１に示すように、タンディッシュ（不図示）から鋳型１７に注入された溶鋼は鋳型１７によって冷却されて、鋳型１７との接触面に凝固シェルが形成される。この凝固シェルを外殻とし、内部に未凝固溶鋼を有する鋳片３は、ロール１９によって支持され、かつロール１９間に設けられた冷却スプレー２１によって２次冷却されることで中心部まで凝固する。鋳片３を２次冷却する２次冷却帯１１は、図１に示すように、垂直帯５、湾曲帯７、水平帯９に分かれており、本実施形態に係る鋳片の製造方法は、水平帯９において鋳片３を冷却して鋳片を製造する方法に関する。また、この未凝固溶鋼を有する鋳片３を２次冷却するのが２次冷却装置になる。本実施形態に係る鋳片の製造方法を垂直帯５、湾曲帯７、水平帯９を有する垂直曲げ型連続鋳造機を用いて説明するが、垂直曲げ型連続鋳造機に限定されるものではない。少なくとも水平帯９を有する連続鋳造機であれば本実施形態に係る鋳片の製造方法を実施できる。すなわち、湾曲帯７と水平帯８のみを有する湾曲型連続鋳造機及び水平帯９のみを有する水平型連続鋳造機であっても本実施形態に係る鋳片の製造方法を実施できる。

＜前段冷却工程＞
前段冷却工程は、２次冷却帯１１の水平帯９における前段冷却部１３において、冷却スプレー２１によって、前段冷却部１３内で鋳片３の表面における冷却液の沸騰状態を核沸騰に維持して冷却を行う工程である。冷却スプレー２１とは、冷却液または冷却液と気体との混合体を噴射して鋳片３の表面に散布する装置である。また、冷却液は、例えば、水であり、気体は、例えば、空気である。なお、冷却液は純粋を主成分（５０質量％以上）とし、これに微量の添加剤が添加された液体であってもよい。添加剤としては、例えば、濡れ性向上のための界面活性剤など、一般的に知られている添加剤を用いてよく、また、不可逆的に混入する機械油や金属屑等が冷却液中に存在していてもよい。なお、以下の実施形態では、冷却液として水を用いた例で説明する。

代表的な添加剤である界面活性剤については、特に限定することなく、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤およびノニオン界面活性剤のいずれも用いることができる。アニオン系界面活性剤としては、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、アルファオレフィンスルホン酸塩、石鹸を用いることができる。カチオン系界面活性剤としては、例えば、アルキルトリメチルアンモニウム塩を用いることができる。ノニオン系界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルを用いることができる。

図２は、スプレーノズル２３から噴射される冷却液の状態を説明する説明図である。図２（ａ）は、正面図であり、図２（ｂ）は、側面図である。図２に示すように、冷却スプレー２１は、各ロール１９間において、鋳片３の幅方向に設けられる複数のスプレーノズル２３を有する。スプレーノズル２３は、当該ノズルから噴射される冷却液２５がスプレーノズル２３を中心として扇状となる、いわゆるフラットスプレーノズルである。

但し、スプレーノズル２３の種類はフラットスプレーノズルに限定されるものではなく、フラットスプレーノズルの類似スプレーとして、オーバルスプレーノズル（楕円スプレー、長円吹きスプレー）を用いてもよく、円錐状に噴射するノズルであるフルコーンスプレーノズル（円錐スプレー、丸吹スプレー）を用いてもよく、フルコーンスプレーを角型にしたスクエアスプレー（角吹スプレー、正方形吹スプレー、長方形吹スプレー）のように四角錐形状に噴射するノズルを用いてもよい。

図３は、図２とは異なる配置のスプレーノズル２３から噴射される冷却液２５の状態を説明する説明図である。図３（ａ）は正面図であり、図３（ｂ）は側面図である。図３に示すように、スプレーノズル２３として、フラットスプレーノズルやオーバルスプレーノズルを使用する際には、角丸長方形状、または楕円状の冷却面（冷却液２５の鋳片３の表面への衝突面）の長軸が、鋳造方向に対して角度θ傾斜するようにノズルを配置して冷却液２５を噴射することが好ましい。

この理由は以下の通りである。図２に示すように、各ロール１９間においては、複数のスプレーノズル２３が鋳片３の幅方向に設けられる。スプレーノズル２３がフラットスプレーの場合、スプレーノズル２３から噴射されて鋳片３の表面を流れる冷却液２５の速度は、冷却液衝突面の長軸方向（以後、スプレーの幅方向と記載する。）に速く、短軸方向（以後、スプレーの厚さ方向と記載する。）は比較的遅い。そのため、鋳片３の表面に衝突後の冷却液２５は、比較的緩やかにスプレーの厚さ方向、すなわち鋳造方向に広がる。一方、スプレーの幅方向については、隣り合うスプレーから噴射された冷却液２５が各々の端部で、互いに逆方向の速度で衝突し、その後、鋳造方向に向きを変えて広がることになる。この結果、冷却液２５は鋳片３の表面に衝突後、比較的遅い速度で、鋳片３の表面上を、鋳造方向に流れる。

これに対し、図３に示すように、冷却面の長軸を鋳造方向に垂直な向きから傾斜させると、隣り合うスプレーから噴射された冷却液２５の干渉は、比較的速度が遅いスプレーの厚さ方向で生じ、速度が速いスプレーの幅方向では生じない。したがって、鋳片３の表面上を、速い速度で冷却液２５が流れる。本発明者らの研究によれば、鋳片３の表面上を冷却液２５が移動する際、冷却液２５の速さが速い方が、冷却能力が高くなることがわかっている。以上より、スプレーノズル２３を冷却面の長軸を鋳造方向に垂直な向きから傾斜させるよう配置することにより、冷却能力が向上する。

本実施形態に係る鋳片の製造方法では、冷却スプレー２１による前段冷却工程における冷却液２５の単位時間当たりの流量密度を３００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上４０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下として、鋳片３の表面の少なくとも一部または全部における冷却液２５の沸騰状態を核沸騰にして冷却を行う。この理由を以下説明する。なお、流量密度とは、前段冷却部１３で使用される冷却液の総液量（Ｌ／ｍｉｎ）を、前段冷却部１３の面積（ｍ^２）で除することによって算出される値である。なお、本実施形態において、Ｌはリットルを意味する。

水平帯９に入る前に高い熱伝達係数で冷却を行う（以降、高い熱伝達係数で冷却を行うことを「強冷却」と記載する。）と、特に鋳片３のコーナー部に割れが生じるリスクが高くなる。このため、強冷却は水平帯９で行なうことが好ましい。しかしながら、製造費用抑制の観点からは冷却液２５の使用量を抑制しつつ、強冷却を行うことが好ましい。そこで、前段冷却工程においてのみ大流量の冷却液２５を使用し、後段冷却工程では小流量の冷却液２５を使用する方法について検討した。

図４は、冷却液の流量、鋳片の表面温度及び冷却能力の関係を示すグラフである。縦軸が冷却能力、横軸が鋳片３の表面温度を示しており、図中には冷却液２５の流量が大、中、小の３つの場合が示されている。図４のグラフにおいて、冷却能力の極大点以下の温度域は核沸騰領域、極小点以上の温度域は膜沸騰領域である。なお、核沸騰とは、発泡点を核として気泡が発生し、冷却液２５が、冷却対象から非常に高い熱を奪うことのできる沸騰状態である。

図４のグラフから、鋳片３の温度が低い場合、つまり、核沸騰領域では、冷却液２５の流量が冷却能力におよぼす影響が小さいことがわかる。したがって、前段冷却工程において、大流量で冷却することで鋳片３の表面温度を下げておけば、その後の後段冷却部１５においては小流量で核沸騰を維持できるので、小流量で高い冷却能力を発揮できる。

図４のグラフを用いて本実施形態に係る鋳片の製造方法における鋳片３の冷却方法の概念を具体的に説明する。連続鋳造機１の上流側から下流側に向かって鋳造が進んでいく際の鋳片３の表面の温度履歴は、図４のグラフ上では、大略右（高温側）から左（低温側）となる。湾曲帯７にある鋳片３はまだ高温であるが、鋳片３の割れなどを防止するため、過度な冷却はせず冷却液２５の流量を抑えて操業する（図４上のＯ点より右側）。

一方、鋳片３が湾曲帯７を抜け水平帯９に入ると（図４上のＡ点）、鋳片３の割れのリスクが低下するので、強冷却が可能になり、冷却液２５の流量を大幅に増加させることができる（図４上のＡ’点）。すなわち、本実施形態に係る鋳片の製造方法では、前段冷却工程において大流量の冷却液２５を用いた冷却を行うことになる。鋳片３は大流量の冷却液２５によって強冷却され、その表面温度が大きく低下し、最も早い場合は、水平帯９に入って最初のロール１９間に設置された冷却スプレー２１から噴射された冷却液２５で冷却された鋳片３の表面位置の鋳造方向下流側で、冷却液２５の状態は核沸騰状態に遷移する（図４上のＢ点）。そのまま冷却を継続すると、鋳片３の表面温度はさらに低下して図４上のＣ点に至る。鋳片３の表面温度がＣ点まで低下すれば冷却液２５が低流量の条件でも核沸騰が維持されるので、後段冷却工程に移行後には小流量で引き続き核沸騰によって強冷却できる（図４上のＣ’点）。このように、本実施形態に係る鋳片の製造方法では、図４中における白抜き矢印で示すように冷却能力を変化させている。

本実施形態に係る前段冷却工程における大流量での冷却では、流量密度を３００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上４０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下としている。図４における冷却能力の極小値は流量に応じて変化するが、本発明者らによる研究成果より、３００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）の流量密度にすることにより、冷却能力の極小値を示す温度が１０００℃程度になることが分かっている。一般に水平帯９における鋳片３の表面温度は１０００℃以下であり、冷却能力の極小値を示す温度よりも低い温度域である。したがって、３００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上の流量密度であれば、水平帯９における鋳片３を冷却能力の極小値よりも高い冷却能力で冷却を開始できる。また、図４に示されるように、冷却能力の極小値から極大値の間では、冷却液２５の流量が大きいほど冷却能力が高いので、水平帯９の前段冷却部１３では流量密度を大きくする方が有利である。

一方、発明者の知見によると、流量密度を４０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）より多くしても、ほとんど冷却能力が変化しないことが分かっているため、冷却液噴射のエネルギーや使用する冷却液２５が無駄になる。以上の理由により、前段冷却部１３における大流量での冷却では、流量密度を３００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上４０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下としている。なお、より好適な流量密度は、３００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上２０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下である。

＜後段冷却工程＞
後段冷却工程は、水平帯９における後段冷却部１５において、鋳片３の表面における冷却液２５の沸騰状態を核沸騰に維持するものである。前段冷却工程で核沸騰状態が維持され、鋳片３の表面温度が十分に低下している。したがって、上述したように、後段冷却工程は、前段冷却工程に対し、冷却液流量密度を低下させても核沸騰を維持できる。

後段冷却工程において核沸騰を維持できる流量密度は、発明者の知見より、１００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上１０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下である。なお、より好適な流量密度は、１００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上３００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下である。一方、流量密度を１０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）より多くしても冷却能力に変化はなく、冷却液噴射のエネルギーや使用する冷却液２５が無駄になる。したがって、後段冷却工程における冷却液２５の流量密度を１０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）より多くすることは好ましくない。

また、本発明者らが、鋳片３を水で冷却する種々の実験を行った結果、鋳片３の表面温度が下記（１）式を満たす場合に冷却能力が極大値を示す温度になることがわかっている。

Ｔｓ＝１０＾［０．０８×ｌｎ（Ｗ）＋２］・・・（１）
ここで、Ｔｓは鋳片３の表面温度（℃）であり、Ｗは流量密度（Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）であり、ｌｎは自然対数である。

したがって、後段冷却工程の流量密度から算出される上記Ｔｓよりも低い温度まで、前段冷却工程において大流量で冷却すればよい。すなわち、鋳片３の表面温度が、後段冷却工程の流量密度と上記（１）とから算出されるＴｓよりも低い温度に低下するまでが水平帯９における前段冷却部１３の範囲であり、それ以降が後段冷却部１５の範囲となる。

＜冷却液漏洩防止＞
前段冷却工程においては、冷却スプレー２１から噴射された冷却液が鋳片３の表面に衝突し、鋳片３の表面上を流れ、ロール１９に衝突する。当該ロール１９が鋳片幅方向で２分割以上に分割された分割型鋳片支持ロールである場合、分割ロール間のロールチョック部においては鋳片３との間に隙間が生じるので、冷却液２５が漏洩する。通常の２次冷却においては、漏洩した冷却液２５による冷却能力は比較的小さいが、核沸騰状態の冷却液２５は非常に高い冷却能力を持つので、当該冷却液が漏洩するとロールチョック部における温度低下が大きくなり、鋳片３の温度分布の均一性が低下する。

図５は、図１のＡ部の拡大図である。本実施形態に係る鋳片の製造方法では、水平帯９における鋳造方向に対して上流側端部である前段冷却部１３の直前と、水平帯９における鋳造方向に対して下流側端部である後段冷却部１５の直後のロールチョック部に気体噴射ノズル２６を配置している。鋳造方向に対して上流側端部に設けられた気体噴射ノズル２６は、鋳造方向に対して下流側のロールチョック部の位置であって鋳片３の表面方向に向けて気体を噴射し、鋳造方向に対して下流側端部に設けられた気体噴射ノズル２６は、鋳造方向に対して上流側のロールチョック部の位置であって鋳片３の表面に向けて気体を噴射する。これにより、ロールチョック部から水平帯９の冷却液２５が漏洩することを抑制できる。この結果、ロールチョック部における温度低下が抑制され、鋳片３の温度分布の均一性が向上する。

ロールチョック部から水平帯９の冷却液２５が漏洩すると、当該冷却液２５により鋳片３の一部が核沸騰状態で冷却され、冷却帯から離れるにつれ、鋳片３の温度が復熱し、その後、沸騰形態が遷移沸騰となる。遷移沸騰となると、核沸騰に対し、水蒸気の発生量、すなわち、湯気の発生量が大幅に増加する。このため、湯気の発生量を確認することで、ロールチョック部２８からの水平帯９の冷却液２５の漏洩を検出できる。

気体の噴射流量の適正値は、漏洩する冷却液２５の流量によって変化する。このため、ロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量に基づいて気体噴射ノズル２６からの気体の噴射流量を制御することが好ましい。ロールチョック部から漏洩した冷却液２５は、鋳片３の表面で大部分が蒸発して水蒸気となり、その一部が湯気になる。この湯気の発生量は漏洩する冷却液２５の流量に相関があることから、当該湯気の発生量に基づいて気体噴射ノズル２６からの気体の噴射流量を制御してもよい。具体的には、湯気の発生量を多、中、少に分類するとともに当該発生量の分類に対応した気体の噴出流量を予め定めておき、発生した湯気の分類に対応した流量の気体を気体噴射ノズル２６から噴射させてもよい。また、ロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量は、湯気を含む水蒸気を捕集し、これを凝縮させた液体の量を計測することで求められる。このため、ロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量に基づいて気体噴射ノズル２６からの気体の噴射流量を制御してもよい。

また、ロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量の閾値を予め定めておき、当該閾値に基づいて気体噴射ノズル２６からの気体の噴射流量を制御してもよい。上述したようにロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量は、湯気を含む水蒸気を捕集し、これを凝縮させた液体の量を計測することで求められるので、当該液体の量が閾値よりも多い場合には、液体の量が当該閾値以下になるまで気体の噴射流量を増加させる。これにより、ロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量が予め定められた閾値よりも多くならないように制御できる。ロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量の閾値は、鋳片３の品質不良が発生しない冷却液２５の漏洩流量の範囲を求めることで設定できる。

さらに、ロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量を基準とした漏洩率に基づいて気体噴射ノズル２６からの気体の噴射流量を制御してもよい。漏洩率は、ロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量を、気体噴射ノズル２６を設けていない場合にロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量で除した値に１００を乗じることで求められる。

気体噴射ノズル２６を設けずに、冷却スプレー２１から水量密度を１０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）の冷却液２５を噴射させると、ロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量は１３．７Ｌ／ｍｉｎになる。発明者らは、冷却スプレー２１から噴射される冷却液２５の水量密度を変えた実験を行い、冷却スプレー２１から噴射される冷却液２５の水量密度と、ロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量との関係を調査した。

図６は、冷却スプレー２１から噴射される冷却液２５の水量密度と、漏洩する冷却液２５の流量との関係を示すグラフである。図６において、横軸は冷却液２５の水量密度Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）であり、縦軸は漏洩する冷却液２５の流量（Ｌ／ｍｉｎ）である。図６に示すように、冷却スプレー２１から噴射される冷却液２５の水量密度が増加するとロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量も増加し、概ね比例関係になることが確認された。

図６を用いることで、気体噴射ノズル２６を設けない場合のロールチョック部から漏洩する漏洩冷却液量が求められる。このため、冷却スプレー２１から噴射される冷却液２５の水量密度と、ロールチョック部から発生する湯気と水蒸気の発生量とから漏洩率が求められる。例えば、冷却スプレー２１から噴射される冷却液２５の水量密度が１０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）である場合、漏洩冷却液量は１３．７Ｌ／ｍｉｎになる。このときロールチョック部から漏洩した冷却液２５の湯気と水蒸気の発生量が１．３７Ｌ／ｍｉｎであったとすると冷却液の漏洩率は１０質量％となる。

この漏洩率の閾値を予め定めておき、冷却液２５の漏洩率が当該閾値よりも大きい場合には、漏洩率が当該閾値以下になるまで気体噴射ノズル２６からの気体の噴射流量を増加させる。これにより、漏洩率が閾値以下になるようにロールチョック部から漏洩する冷却液２５の流量を制御できる。漏洩率の閾値は、鋳片３に品質不良が生じない範囲の漏洩率に定めればよい。

一方、ロールチョック部からの冷却液２５の漏洩量が多くなり、一定量を超えると蒸発しない冷却液２５の量が増加する。この場合には、漏洩した冷却液２５は目視で確認できるので、目視にて漏洩した冷却液２５の流量を把握し、当該流量に基づいて気体噴射ノズル２６からの気体の噴射流量を制御してもよい。さらに、冷却液２５の漏洩量が多くなり、鋳片３上に冷却液２５が存在する場合には、他の部分よりも温度が低くなる。このため、ロールチョック部を放射温度計で計測し、当該温度に基づいて気体噴射ノズル２６からの気体の噴射流量を制御してもよい。

発明者らの実験結果より、冷却液２５の流量密度が１００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）の場合は、ロールチョック部１か所あたりの気体の噴射流量を２００ＮＬ／ｍｉｎ以上４００ＮＬ／ｍｉｎ以下にすることが好ましい。このように好適範囲があるのは、スプレーノズル２３の角度等の冷却液２５の噴射条件によって気体の噴射流量の好適範囲が変化するためである。また、冷却液２５の流量密度が４０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）の場合は、ロールチョック部１か所あたりの気体の噴射流量を２５００ＮＬ／ｍｉｎ以上３０００ＮＬ／ｍｉｎ以下にすることが好ましい。したがって、これらをまとめると、ロールチョック部１か所あたりの気体の噴射流量は、２００ＮＬ／ｍｉｎ以上３０００ＮＬ／ｍｉｎ以下にすることが好ましい。気体の噴射流量を上限値にすればロールチョック部からの冷却液２５の漏洩が防止されるので、これ以上の気体の噴射流量を増やしても効果はなく気体噴射のエネルギーが無駄になる。このため、気体の噴射流量を各上限値より多くすることは好ましくない。

以上のように、本実施態に係る鋳片の製造方法では、２次冷却帯１１の水平帯９において、前段冷却工程では大流量密度で鋳片３の表面における冷却液２５の沸騰状態を核沸騰にし、後段冷却工程では、小流量密度で鋳片３の表面における冷却液２５の沸騰状態を核沸騰にする。これにより、冷却液２５の使用量を抑制しつつ効果的に鋳片３を冷却できる。さらに、水平帯９の鋳造方向に対して上流側端部及び下流側端部のロールチョック部に気体噴射ノズル２６を設置し、当該気体噴射ノズル２６からロールチョック部における鋳片３の表面に所定量の空気を噴射させることで、ロールチョック部からの水平帯９の冷却液２５の漏洩を抑制でき、鋳片３の温度分布の均一性を向上させることができる。この結果、安定した品質の鋳片３の製造が実現できる。なお、本実施形態では、前段冷却部１３の直前及び後段冷却部１５の直後のロールチョック部に気体噴射ノズル２６を設置した例を示したがこれに限らない。気体噴射ノズル２６は、前段冷却部１３の直前及び後段冷却部１５の直後の少なくとも一方に設置されていればよく、これにより、気体噴射ノズル２６が設けられていない場合よりも冷却液２５の漏洩が抑制され、安定した品質の鋳片３の製造が実現できる。

本発明の効果を確認するため、図１に示した連続鋳造機１を用いて、低炭素鋼の鋳造を行った実施例を説明する。なお、本実施例で説明する数値等は、本発明の更なる理解のために示したものであり、本発明はこの実施例によって何ら限定されるものではない。

本実施例で用いた連続鋳造機１の機長は４５ｍで、そのうち水平帯９は、各２ｍの長さのセグメントが１５個で構成される。鋳造条件として、鋳造速度は２ｍｐｍ、鋳片３の厚さは２５０ｍｍ、鋳片３の幅は１５００ｍｍとした。冷却液２５には水を使用し、空気と混合し、各冷却スプレー２１から噴射させた。水温及び空気の温度は３０℃であった。

水平帯９に到達したときの鋳片３の表面温度は８５０℃であった。温度の測定には、放射温度計を用いた。凝固位置は、鋲打ち試験から求めた。上記の条件の下で、水平帯９における冷却条件及び気体噴射ノズルの条件を種々変更して鋳片３を製造した。

比較例では、気体噴射ノズル２６を使用せずに鋳片３の冷却を行った。発明例では、前段冷却部１３の直前及び後段冷却部１５の直後のロールチョック部２８に気体噴射ノズル２６を設置して冷却を行った。気体噴射ノズル２６からは圧縮空気を噴射した。

図７は、実施例で用いた気体噴射ノズル２６の配置を示す模式図である。図８は、実施例で用いた気体噴射ノズル２９の配置を示す模式図である。発明例１は、図７に示すように、分割型鋳片支持ロール２７の１つのロールチョック部２８に対し、１個の気体噴射口の大きい気体噴射ノズル２６を配置した。発明例２、５～１２は、図７に示した気体噴射ノズル２６の配置で、空気の噴射流量の制御を行い、湯気の発生量に基づいて空気の噴射流量を最少流量に設定した。発明例３は、図８に示すように、分割型鋳片支持ロール２７の１つのロールチョック部２８に対し、３個の気体噴射口の小さい気体噴射ノズル２９を配置した。発明例４は、図８に示した気体噴射ノズル２９の配置で、空気の流量制御を行い、湯気の発生量に基づいて空気の噴射流量を最少流量に設定した。

圧縮空気流量は１か所のロールチョック部２８当たりの空気噴射流量を示す。温度分布については、前段冷却部１３の前と後段冷却部１５の後に放射温度計を設置し、鋳片３の幅方向における温度の最大温度と最小温度の差をとった。核沸騰については、核沸騰状態が達成されなかった、または維持できなかった条件を「×」とし、核沸騰状態達成、維持できたものを「〇」とした。漏洩率については、ロールチョック部２８から発生した水蒸気と湯気を捕集して凝縮させた液体の量を、図６から求められる気体噴射ノズル不使用時の漏洩水量で除し、１００を乗じることで算出した。また、湯気については、湯気の発生量を「多」、「中」、「少」で示した。湯気の発生量は下記基準で判定した。
湯気多：湯気越しの視認性に影響があり、２ｍ先が見えにくい状況。
湯気中：湯気越しの視認性に影響があり、２ｍ先は見えるも５ｍ先が見えにくい状況。
湯気少：湯気の存在は確認できるが、湯気越しの視認性に影響なし。

温度分布については、鋳片３の幅方向の最大温度と最小温度の差を示した。鋳片３の品質については、温度分布が悪化し、品質不良が生じたものを「×」とし、品質不良が生じなかったものを「〇」とした。比較例及び発明例の冷却条件及び鋳片品質の結果を下記表１に示す。

比較例１～３では、前段冷却部１３及び後段冷却部１５から冷却液２５が漏洩し、鋳片３の温度分布が不均一となり、鋳片３に品質不良が生じた。発明例１、３では、前段冷却部１３及び後段冷却部１５からの冷却液２５の漏洩がなく、鋳片３の温度分布における温度差が小さくなり、鋳片３の品質不良は生じなかった。発明例２では、前段冷却部１３及び後段冷却部１５からの冷却液２５の漏洩がなく、鋳片３の温度分布における温度差が小さくなり、鋳片の品質不良は生じなかった。さらに、発明例２では、発明例１、３よりも圧縮空気の噴射流量を少なくすることができた。発明例４では、前段冷却部１３で圧縮空気の噴射流量を少なくしすぎたため、前段冷却部１３から冷却液２５の漏洩が少量発生した。このため、中程度の湯気が発生し、漏洩率が７質量％になり、温度差も若干大きくなった。一方、後段冷却部１５からの冷却液２５の漏洩はなく、温度差も小さくなった。発明例４では、前段冷却部１３の温度差が若干大きくなったものの鋳片３の品質不良は生じなかった。

発明例５、６、８、９では、前段冷却部１３及び後段冷却部１５からの冷却液２５の漏洩がなく、鋳片３の温度分布における温度差が小さくなり、鋳片の品質不良は生じなかった。さらに、発明例５、６、８、９では圧縮空気の噴射流量も少なくできた。発明例７では、後段冷却部１５で圧縮空気の噴射流量を少なくしすぎたため、後段冷却部１５から冷却液２５の漏洩が少量発生した。このため、中程度の湯気が発生し、温度差も若干大きくなった。一方、前段冷却部１３からの冷却液２５の漏洩はなく、漏洩率が１３質量％になり、温度差も小さくなった。発明例７では、後段冷却部１５の温度差が若干大きくなったものの鋳片３の品質不良は生じなかった。

発明例１０では、前段冷却部１３の冷却液水量密度を高めたため、前段冷却部１３から冷却液２５の漏洩が少量発生した。このため、中程度の湯気の発生し、漏洩率が８質量％になり、温度差も若干大きくなった。一方、後段冷却部１５からの冷却液２５の漏洩はなく、温度差も小さくなった。発明例１０では、前段冷却部１３の温度差が若干大きくなったものの鋳片３の品質不良は生じなかった。発明例１１、１２では、前段冷却部１３及び後段冷却部１５からの冷却液２５の漏洩がなく、鋳片３の温度分布における温度差が小さくなり、鋳片の品質不良は生じなかった。

１ 連続鋳造機
３ 鋳片
５ 垂直帯
７ 湾曲帯
９ 水平帯
１１ ２次冷却帯
１３ 前段冷却部
１５ 後段冷却部
１７ 鋳型
１９ ロール
２１ 冷却スプレー
２３ スプレーノズル
２５ 冷却液
２６ 気体噴射ノズル
２７ 分割型鋳片支持ロール
２８ ロールチョック部
２９ 気体噴射ノズル

Claims (8)

1. 連続鋳造機で鋳造される鋳片を、少なくとも水平帯を有する２次冷却帯において２次冷却して鋳片を製造する鋳片の製造方法であって、
   前記水平帯では、鋳片幅方向で２以上に分割された分割型鋳片支持ロールで前記鋳片を支持しながら前記鋳片の表面における冷却液の沸騰状態を核沸騰にして冷却し、
   気体噴射ノズルから気体を噴射して、前記水平帯の冷却液が前記分割型鋳片支持ロールのロールチョック部から漏洩することを抑制する、鋳片の製造方法。
2. 前記気体噴射ノズルは、前記水平帯の鋳造方向に対して上流側端部及び下流側端部の少なくとも一方に設置され、
   前記上流側端部の気体噴射ノズルは、前記分割型鋳片支持ロールのロールチョック部の位置であって鋳造方向に対して下流側の鋳片表面に向けて気体を噴射し、
   前記下流側端部の気体噴射ノズルは、前記分割型鋳片支持ロールのロールチョック部の位置であって鋳造方向に対して上流側の鋳片表面に向けて気体を噴射する、請求項１に記載の鋳片の製造方法。
3. 湯気の発生量に基づいて前記気体噴射ノズルからの気体の噴射流量を制御する、請求項１に記載の鋳片の製造方法。
4. 湯気の発生量が予め定められた湯気の発生量の閾値よりも多い場合に前記気体の噴射流量を増加させる、請求項１に記載の鋳片の製造方法。
5. 前記水平帯における前記鋳片の２次冷却は、鋳造方向に対して上流側の前段冷却工程と、鋳造方向に対して下流側の後段冷却工程とを含み、
   前記前段冷却工程における冷却液の流量密度は３００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上４０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下であり、前記後段冷却工程における冷却液の流量密度は１００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上１０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下であり、前記気体の噴射流量は、ロールチョック部１か所あたり２００ＮＬ／ｍｉｎ以上３０００ＮＬ／ｍｉｎ以下である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の鋳片の製造方法。
6. 鋳片を、少なくとも水平帯を有する２次冷却帯において２次冷却する２次冷却装置であって、
   前記水平帯には鋳片幅方向で２以上に分割された分割型鋳片支持ロールと、前記鋳片の表面に冷却液を噴射する冷却スプレーと、前記鋳片の表面に気体を噴射する気体噴射ノズルとが設けられ、
   前記気体噴射ノズルは、前記水平帯の鋳造方向に対して上流側端部及び下流側端部の少なくとも一方に設置され、
   前記上流側端部の気体噴射ノズルは、前記分割型鋳片支持ロールのロールチョック部の位置であって鋳造方向に対して下流側の鋳片表面に向けて気体を噴射し、
   前記下流側端部の気体噴射ノズルは、前記分割型鋳片支持ロールのロールチョック部の位置であって鋳造方向に対して上流側の鋳片表面に向けて気体を噴射する、２次冷却装置。
7. 前記水平帯は前段冷却部と後段冷却部とを有し、
   前記前段冷却部において前記冷却スプレーから噴射される冷却液の流量密度は３００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上４０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下であり、
   前記後段冷却部において前記冷却スプレーから噴射される冷却液の流量密度は１００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以上１０００Ｌ／（ｍ^２・ｍｉｎ）以下であり、
   前記気体の噴射流量は、ロールチョック部１か所あたり２００ＮＬ／ｍｉｎ以上３０００ＮＬ／ｍｉｎ以下である、請求項６に記載の２次冷却装置。
8. 溶鋼が注入され、前記溶鋼を冷却する鋳型と、
   請求項６又は請求項７に記載の２次冷却装置と、
   を有する、連続鋳造機。

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