JP3375847B2 - 連続鋳造用鋳型の振動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼の連続鋳造方法
において、鋳片の横割れや表層介在物などの表面疵や、
鋳型内におけるシェルの破断に起因するブレークアウト
などの事故を発生させずに、表面性状の良好な鋳片を安
定して鋳造するための連続鋳造用鋳型の振動方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】溶融金属、特に溶鋼の連続鋳造において
は、鋳型と鋳片との間の摩擦を軽減し、焼き付きを防止
してブレークアウトを発生させることなく、安定鋳造状
態を得るため、潤滑剤（モールドパウダー）を供給しつ
つ、鋳型を上下に振動させること（以下、オッシレーシ
ョンと称す）が一般である。従来、鋳型振動としては、
その振動波形が正弦波形となるような方法が一般に採用
されている。

【０００３】鋳型を上下方向に振動させる場合に、凝固
シェルが鋳型面に焼き付くのを防止するには、鋳型面と
凝固シェルとの間への溶融パウダーの流入を増加させ、
鋳型面と擬固シェルとの間の摩擦力を低減することが重
要である。鋳型振動１サイクル当たりの溶融パウダーの
流入量は、ポジティブ・ストリップ時間、ｔｐを長くす
る必要がある。ここで、ボジティブ・ストリップ時間と
は、鋳型の振動速度が鋳片の引きぬき速度よりも遅い時
間である。一方、鋳片表面割れや鋳片表層部へのスラグ
巻きこみを防止する観点からはオッシレーション・マー
クと称する鋳型振動で誘発される鋳片表層部の窪みを軽
減することが肝要であり、そのためには、鋳型の振動速
度が鋳片の引きぬき速度より速い時間として定義される
ネガティブ・ストリップ時間ｔｎを短くする必要があ
る。しかし、このネガティブ・ストリップ時間ｔｎが短
くなりすぎると、凝固シェルヘの圧縮力が不足になり、
安定した鋳片引き抜きが行えなくなる。以上の観点か
ら、連続鋳造用鋳型の鋳型振動としては、ボジティブ・
ストリップ時間ｔｐを充分に確保しつつ、ネガティブ・
ストリップ時間ｔｎを適正な範囲に制御することが重要
な操業管理ポイントである。

【０００４】この条件を、広範囲の鋳造速度範囲で確保
するために、鋳造速度に応じて鋳型振動のストロークと
振動数を独立に可変制御する技術が特開平０４−２３１
１５９号公報に開示されている。しかし、この方法で
は、鋳造速度が増加するのに従って、振動ストロークを
大幅に大きくしなければならないので、鋳型上昇速度が
過大となり、メニスカス近傍での初期凝固シェルヘの引
張り力が大きくなりすぎる傾向にある。したがって、高
速鋳造時のブレークアウトが発生しやすく、安定操業の
観点から問題を有していた。

【０００５】さらに、近年では、油圧式鋳型振動装置の
導入により、鋳型振動波形を描く自由度が増加し、正弦
波以外の振動波形として鋳型上昇速度をやや緩慢にし鋳
型下降速度をやや急にした偏倚正弦波形を鋳型振動波形
とする鋳型振動方法が、特公平０４−７９７４４号公
報、特開平０４−１７２１６１号公報に開示されてい
る。しかし、この鋳型振動方法では、鋳型振動を制御す
るための鋳型変位は、次式に示すような、フーリエ級数
で表現されるため、種々の非サイン率に応じた係数を有
する必要があり、複雑な計算処理を要する。 ここで、ｙ ：鋳型変位（mm） ａ_i ：ｉ項目の振幅（mm） ｆ ：振動数（ｃｐｍ） ｔ ：時間（ｍｉｎ）

【０００６】実際の操業においては、鋳型振動の制御部
に係数ａ_i を多く記憶させておく必要があり、さらに複
雑な計算処理をさせるので、計算負荷が増大するという
問題点を有していた。また、簡易的な方法としては、鋳
型振動の１サイクルを分割し、それぞれの部分で、鋳型
の変位最を示す式を使い分ける方法も提案されている。
しかし、従来の鋳型変位や鋳型振動速度のみならず、鋳
型そのものへの作用力をあらわす鋳型振動加速度の連続
性の観点からも、フーリエ級数表示や、複数の式のゾー
ン毎の使い分け方法では必ずしも充分ではなかった。つ
まり、これらの方法では、鋳型振動速度の不連続が発生
しやすく、ひいては鋳型加速度が局所的に過大になり、
鋳型の前後方向や左右方向の振れが従来の正弦披形の場
合の数〜10倍に激増する場合もあった。この鋳型振れは
初期凝固部に従来の上下方向の作用力以外に、横方向の
力が作用するため、初期凝固の割れやパウダー流入の不
均一を発生させる危険性を有している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】鋳片表面性状が良好な
鋳片を連続鋳造プロセスにおいて、安定して製造するた
めに、上記従来の問題点を解消し、複雑な計算処理を要
せずに、鋳型振動の変位や鋳型振動速度のみならず、鋳
型振動加速度もなめらかに変化できる鋳型振動方法を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく、種々の観点から連続鋳造の鋳型振動にお
いて、鋳型振動変位や鋳型振動速度のみならず、鋳型振
動加速度の連続性についても配慮し、鋳型振動ロジック
に関して鋭意試験研究を重ねた結果、自然現象の一つで
ある惑星の公転楕円軌道運動を連続鋳造の鋳型振動制御
ロジックに応用する技術を開発した。特に、本発明者ら
は楕円軌道の焦点に対する動径の面積速度が一定になる
点運動の軌跡（ケプラー運動）に着目した。具体的に
は、連続鋳造において、次式で表されるケプラー方程式
を満足する点の楕円運動の軌跡のＹ座標成分に基づい
て、鋳型変位を制御し、鋳型を上下振動させることを特
徴とする連続鋳造用鋳型の振動方法である。 Ｙ＝ｂ・Sin θ ｔ＝ｃ・（θ−ε・Sin θ）／２πｆ ここで、ｆ：振動数（ｃｐｍ） ｂ：鋳型振動の半ストロークを表す楕円軌道の短径（m
m） θ：Ｘ−Ｙ直交座標の原点と楕円軌道を描く点がＸ軸と
成す角度（ｒａｄ．） ｔ：経過時間（ｍｉｎ） ε：楕円軌道の離心率（−） ただし、0 ＜｜ε｜＜1 ．O ｃ：定数

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例を示す説
明図であり、図２は従来の正弦波形鋳型振動を円軌道の
軌跡から見た説明図であり、図３は、本発明の実用化方
法を表す説明図であり、図４は本発明と従来技術の比較
を表す説明図である。従来の正弦波形を振動波形とする
鋳型振動挙動は、図２に示すように振動ストロークを直
径とする円軌道を描く点の運動を１次元方向の成分を抽
出した時間変化であり、一般に単振動と呼ばれる運動で
あり、その変位の時間変化は次式で表現される。 Ｙ＝ａ・Sin (2πｆｔ） ここで、ａ：振動振幅（mm） ｆ：振動数（ｃｐｍ） ｔ：時間（ｍｉｎ）

【００１０】さらに、近年、実用化されている偏倚正弦
波形を有する鋳型振動は、一般的には、上述の正弦波を
いくつか合成したもので、フーリエ級数の形式で表現さ
れる。つまり、次式にて表現される。 ここで、ｙ ：鋳型変位（mm） ａ_i ：ｉ項目の振幅（mm） ｆ ：振動数（ｃｐｍ） ｔ ：時間（ｍｉｎ）

【００１１】この式の形式を見ても判るように、この鋳
型振動制御方法においては、巨視的な偏倚正弦波形を形
成させるために、いくつもの正弦波形を表す基礎式の合
成により、求められるものであるため、最終的な鋳型振
動ストロークや偏倚率を規定しても、それを得るための
パラメーター、ａ_i は単純に求めることは非常に困難で
あり、事前に振動ストロークや振動数、偏倚率毎に多数
のパラメーター、ａ_iのデータを記憶しておき、鋳型振
動条件毎に、これらのパラメーターを使い分けているの
が、実情であり、新たな波形を適用するためには、事前
にこれらのパラメーターを解析的に求めておかなければ
ならない。また、鋳型振動変位が多数の項で構成される
フーリエ級数式で表現されるものであるため、鋳型振動
変位や鋳型移動速度は、ほぼ滑らかな曲線を描くものが
得られるが、鋳型の振動加速度までは、滑らかな変化を
維持することは非常に困難である。

【００１２】また、この偏倚正弦波形を有する鋳型振動
を制御する簡易的な方法としては、次のような方法も、
特開平０４−１７２１６１号公報に開示されている。あ
らかじめ、鋳型振動波形の偏倚率（α）を定め、鋳型振
動の１周期の時間１／ｆのうちの、 ０〜（１／４ｆ）（１＋（α／100)） の時間内の変位量を、下記の式により求める。 Ｙ＝ａ・sin （２πｆ(100／(100＋α））ｔ） ただし、Ｙ：変位量（mm） ａ：振幅（mm） α：偏倚率（％） ｔ：時間（ｍｉｎ） 鋳型振動の１周期の時間１／ｆのうちの （１／4f）（１＋（α／100)）〜（３／4f）（１−（α
／100)） の時間内の変位量を、下記の式により求める。 Ｙ＝−ａ・sin(２πｆ（100 ／（100 −α））（t −
（１／2f））） 鋳型振動の１周期の時間１／ｆのうちの （３／4f）（１−（α／100)）〜（４／4f） の時間内の変位量を、下記の式により求める。 Ｙ＝ａ・sin(２πｆ（100 ／（100 ＋α））（ｔ−（１
／ｆ）））

【００１３】このようにして、上記の複数の式にて求め
られた変位量のくり返しによってあらかじめ定めた振動
波形の偏倚率による擬似正弦波形が得られる。しかし、
この方法では、鋳型振動の変位を計算することは容易で
あるが、複数の式を使い分けるため、２つの式の境界部
分で鋳型振動制御曲線に不連続が生じ、特に鋳型振動加
速度がこの部分で局部的に激増するという問題が生じて
いる。

【００１４】これに対し、本発明では、楕円軌道上を移
動する点の軌跡のＹ成分を鋳型振動の変位とし、その
際、点は焦点との動径が単位時間に描く面積が一定にな
るように進む、いわゆるケプラー運動をするものとす
る。次に、図を用いて、詳しく説明する。

【００１５】まず、図１に示すように、楕円の中心をＸ
−Ｙ直交座標の原点に、Ｘ紬に長径、ａを、Ｙ軸に短
径、ｂを置いた離心率、εの楕円形上を点、Ｐが移軌す
る場合を想定する。さらに、Ｘ軸上の（εａ、０）にこ
の楕円の焦点Ｆを置く。ある時間にある点Ｐは、単位時
間後に点Ｐ’まで移動したと考える。この時、点Ｐと焦
点Ｆとの距離、r はr ’に変化し、この動径がＸ軸と成
す角度、ΦはΦ’になる。また、その時に動径が掃く面
積は図中の点Ｆ，Ｐ，Ｐ’で囲まれる梨地の領域である
が、この面積は一定となるように、点Ｐの移動速度は規
定される。この時の点Ｐの座標（Ｘ，Ｙ）のＹ座標成分
（Ｙ→Ｙ’）が鋳型振動の変位となる。点Ｐと楕円中心
との線分がＸ軸となす角度をθとすると、この条件を満
足する点ＰのＹ座標成分は、天文学的には次式で表され
るケプラー方程式にて求めることが可能である。 Ｙ＝ｂ・Sin θ ｔ＝ｃ・（θ−ε・Sin θ）／２πｆ ここで、ｆ：振動数（ｃｐｍ） ｂ：鋳型振動のストロークの半分を表す楕円軌道の短径
（mm） θ：Ｘ−Ｙ直交座標の原点と楕円軌道を描く点がＸ軸と
成す角度（ｒａｄ．) ｔ：経過時間（ｍｉｎ） ε：楕円軌道の離心率（−） ただし、0 ＜｜ε｜＜1 ．O ｃ：定数

【００１６】この式を見てを判るように、本発明におい
ては、鋳型振動波形は鋳型振動ストローク、ｂと鋳型振
動数、ｆと楕円軌道の離心率、εの３つの変数だけで規
定できるため、記憶すべきデータも少なく、鋳型振動制
御装置内での計算処理も簡素化できることは、明らかで
ある。また、振動数、振動ストローク、離心率を任意に
変化させることにより、ほぼ自由に鋳型振動波形を構成
し、容易に制御できる。

【００１７】実機適用方法としては、たとえば、図３に
示すように、タンディッシュ１内の溶鋼を浸漬ノズル２
を用いて、水冷鋳型３に注入し、鋳片４を製造する連続
鋳造プロセスにおいて、該鋳型３を保持している振動テ
ーブル５に鋳型振動用シリンダー６を直結し、該鋳型振
動用シリンダーを制御することにより鋳型振動テーブル
５と水冷鋳型３を上下に振動させる。この際、前記鋳型
振動用シリンダーを制御する装置の入り側に本発明のケ
プラー方程式に基づいた鋳型振動波形発生装置を設置
し、上位プロセス制御装置から鋳造する鋼種や鋳造速度
の情報を常時入手し、これらの情報に基づいて、最も適
正な鋳型振動波形を選定し、振動ストローク、振動数、
離心率から、その鋳型振動波形パターンを特定し、その
前記波形情報を鋳型振動用シリンダー制御装置に送信す
ることにより、本発明を実用に供することができる。

【００１８】

【実施例】

〔実施例１〕次に、本発明の実施例を比較例とともに挙
げて説明する。垂直部が２．４ｍ、湾曲半径が９．５
ｍ、機長が約５０ｍの２ストランド連続鋳造機を用い
て、鋳造幅1200mm、鋳造厚み245mm の中炭素鋼鋳片を鋳
造速度２．2m／min にて鋳造した。その場合の鋳型振動
条件は、表１に示すように、３ストランド側では、楕円
軌道に基づいた振動パターンの中で、０．1sec≦tn≦
０．15sec 、t ｐ≧０．2secの条件を満足しつつ、鋳型
上昇速度をできるだけ抑えた条件を設定した。また、同
時に、比較側である４ストランドでは、上述のｔｎ、t
ｐの条件を満足する正弦波形の鋳型振動条件を適用し
た。

【００１９】

【表１】 鋳型振動条件比較 ──────────────────────────────────── ストランド 3 ストランド 4 ストランド （本発明） （従来法：正弦波形） ──────────────────────────────────── 振動ストローク ８mm ９mm 振動数 120cpm 150cpm 振動波形 楕円軌跡に基づいた波形 正弦波 ε −０．３ ─── ｔｎ ０．11sec ０．13sec ｔｐ ０．39sec ０．27sec 鋳型上昇最大速度 38mm／sec 71mm／sec 鋳型と鋳片の 最大相対速度 75mm／sec 1O8mm／sec ────────────────────────────────────

【００２０】その結果、本発明側では、鋳型内に埋めこ
んだ熱電対によるブレーク・アウト予知の警報も無く、
さらには鋳片上の割れも鋳片表層下での介在物も観察さ
れず、全量無手入れで、次工程の熱間圧延工程へ直送す
ることができた。一方、比較ストランド側では、前記の
ブレークアウト警報が時折発鳴し、鋳造速度を減速せざ
るを得ない場合もあった。また、この部分で鋳造した鋳
片を冷却し、鋳片の表面を詳細に観察した結果、オッシ
レーションの凹み部に沿った微小であるが深い横割れが
観察された。これは、本発明を適用することにより、鋳
型上昇速度、ひいては初期凝固部に作用する引っ張り力
が従来の正弦振動に比べ、抑制できたことによる効果で
ある。

【００２１】〔実施例２〕前記の連続鋳造機を用いて、
同様に鋳片幅1200mmの中炭素鋼の鋳片を鋳造速度２．2m
／min で鋳造するにあたって、表２に示すように、一方
のストランドでは、本発明を適用し、もう一方のストラ
ンドでは従来の偏倚正弦波形に基づいた鋳型制御方法を
用いた。

【００２２】

【表２】 鋳型振動条件比較 ──────────────────────────────────── ストランド ３ストランド ４ストランド （本発明） （従来法：偏倚正弦波形） ──────────────────────────────────── 振動ストローク ８ mm ８mm 振動数 120cpm 120cpm 振動波形 楕円軌跡に基づいた波形 偏倚正弦波 離心率、ε −０．３ 偏倚率、α ３０％ ｔｎ ０．11sec ０．12sec ｔｐ ０．39sec ０．38sec 鋳型上昇最大速度 38mm／sec 39mm／sec 鋳型と鋳片の 最大相対速度 75mm／sec 76mm／sec ────────────────────────────────────

【００２３】その時の鋳型振動の最大加速度と鋳型の左
右、前後の鋳型の振れを同時に測定した結果を、それぞ
れ図４と表３に示す。この図を見ても判るように、偏倚
正波形鋳型振動の場合には、従来の正弦波形の約３倍〜
約７倍のレベルまで鋳型の振れが大きくなるが、本発明
の場合は、鋳型振動波形の変化が滑らかなため、該鋳型
振れが従来の正弦波形並みに抑えられることが判る。そ
の結果、高速鋳造時でもパウダーの均一流入を確保で
き、初期凝固シェルヘの無理な外力も作用しないため、
安定な鋳造操業と鋳片品質が確保できるようになった。

【００２４】

【表３】

【００２５】

【発明の効果】本発明を適用すれば、高速鋳造において
も滑らかな鋳型振動波形を由由に得ることができるた
め、鋳型振動加速度に起因する鋳型の振れを抑えられ、
パウダーの均一流入を促進できるとともに初期凝固シェ
ルヘの無理な外力も抑えられ、ブレークアウト防止上も
有利である。これらの効果が相まって鋳片表面割れの無
い、高品質な鋳片を高速鋳造下で安定して鋳造すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す説明図である。

【図２】従来の正弦波形鋳型振動を円軌道の軌跡から見
た説明図である。

【図３】本発明の実用化方法を表す説明図である。

【図４】鋳型振動最大加速度の比較を表す説明図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−5047（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−187562（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−20653（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−87955（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−231159（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−172161（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 11/16 105 B22D 11/053

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続鋳造用鋳型の振動方法において、Ｘ
   −Ｙ座標上で楕円軌道を描く点の軌跡のＹ成分を鋳型の
   位置座標となるように鋳型を上下振動させることを特徴
   とする連続鋳造用鋳型の振動方法。
2. 【請求項２】 連続鋳造用鋳型の振動方法において、次
   式で表現されるケプラー方程式を満足する点の運動の軌
   跡のＹ座標成分に基づいて、鋳型を上下振動させること
   を特徴とする請求項１に記載の連続鋳造用鋳型の振動方
   法。 Ｙ＝ｂ・Sin θ ｔ＝ｃ・（θ−ε・Sin θ）／２πｆ ここで、ｆ：振動数（ｃｐｍ） ｂ：鋳型振動の半ストロークを表す楕円軌道の短径（m
   m） θ：Ｘ−Ｙ直交座標の原点と楕円軌道を描く点がＸ軸と
   成す角度（ｒａｄ．） ｔ：経過時間（ｍｉｎ） ε：楕円軌道の離心率（−） ただし、0 ＜｜ε｜＜1 ．O ｃ：定数