JP3573096B2 - 連続鋳造鋳片の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳片の内部と比較して表層部における特定の溶質元素の濃度が高い、傾斜組成を有する連続鋳造鋳片の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、成分組成が表層部と内部で異なる鋳片を連続鋳造によって製造する方法が種々提案されている。
例えば、特公平３−２０２９５ 号公報には、連鋳鋳型内の湯面レベルから一定の距離だけ離れた下方位置で、鋳造方向と垂直な方向に鋳片全幅にわたって直流磁束を付与し、その直流磁束によって形成される静磁場帯を境界としてその上下に異なる金属を供給することにより、複層鋳片を製造する方法が記載されている。
【０００３】
また、特開平７−５１８０１ 号公報には、連続鋳造用の鋳型内へ溶鋼を気体と共に垂直方向に注入し、この溶鋼注入位置より上部で鋳型内の幅方向全幅で直流磁場を付与して溶鋼の上昇流を減速し、該直流磁場の付与位置より上部の溶鋼中に該溶鋼成分とは異種の元素を添加して、上記注入気体の浮上撹拌により上部の溶鋼を合金溶鋼として合金鋼の表層を鋼表面に形成することからなる複層鋼板の製造方法が記載されている。
【０００４】
さらに、特開平８−２５７６９２号公報には、メニスカスから一定距離下方において鋳型全幅に直流磁界を印加して制動域を形成しつつ、その上下にノズル吐出孔を有する浸漬ノズルを用いて一定組成の溶鋼を注入し、しかもワイヤーを用いて合金元素を制動域よりも上部の溶鋼プールに連続的に供給しつつ溶鋼注入流による撹拌を行うことによって、表層の合金元素濃度が均一な鋳片を製造する方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公平３−２０２９５ 号公報に記載の方法は、鋳片の表層用溶鋼と内部用溶鋼を別々に精錬するという極めて煩雑なプロセスであるため生産障害を起こし易く、しかも磁場帯上下部での凝固速度に応じた溶鋼量を各々のダンディッシユから独立に供給するという極めて難しい制御を行う必要があるため、安定した製造が難しく、その結果、製品歩留りが低下するという問題があった。
【０００６】
この点、特開平７−５１８０１ 号公報に記載の製造方法は、ダンディッシユから供給する溶鋼は１種類であり、またその供給は磁場帯下部のみに鋳型内湯面レベルを一定に維持するように行われるため、磁場帯上部での凝固量に対する不足分は磁場帯下部から自然に流入することになり、上記のような厳しい制御は必要ではない。
しかしながら、この場合、磁場帯下部から上部への溶鋼流は、直流磁場の影響によりゆるやかに流入するため、気泡の撹拌効果だけでは、溶質元素を添加した部位とそこから離れた部位での極端な濃度差を解消できないという問題があった。
【０００７】
また、特開平８−２５７６９２号公報に記載の製造方法は、磁場帯の上下に吐出孔を有する１本のノズルから同一の溶鋼を上下プールに供給するものであるため、２種類の溶鋼を別々に用意するという煩雑なプロセスは必要としない。
しかしながら、この方法では、上下プールへの溶鋼の供給量の比を、上下吐出孔の内径の比を調整することにより制御しているため、溶鋼中の非金属介在物の吐出孔への付着などにより、下部プールへの溶鋼の供給比がわずかでも減少した場合には、異なる組成を有する上下の溶鋼の境界部が磁場帯をはずれ、上部プール内の合金成分は下部プールに流出して、製品歩留りの著しい低下を招くという不利があった。
逆に、上部プールヘの流量比が減少したり、操業時のトラブルなどにより鋳造速度を低下せざるを得なかった場合には、下部プールから合金成分の少ない溶鋼が上部プールに流入することになる。この際、下部から上部に流入する溶鋼は、下方の吐出孔からの注入流の影響により、鋳型内幅方向での両端に沿って上昇するため、鋳片の両端部の合金成分が低下し、やはり製品歩留りの著しい低下を招くという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の諸問題を有利に解決するもので、上下プールへの溶鋼の供給制御が容易なだけでなく、鋳片表層部における溶質元素の濃度を簡便かつ適切に調整することができる、連続鋳造鋳片の有利な製造方法を提案することを目的とする。
【０００９】
【課題解決のための手段】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．溶融金属の連続鋳造に際し、連鋳鋳型内の湯面レベルから鋳造方向に一定の距離下方の位置において鋳片の厚みを横切る向きに鋳片全幅にわたり直流磁場帯を印加した状態で、該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼プールに浸漬ノズルを用いて溶鋼を注入するに際し、該浸漬ノズルに少なくとも上下２段の吐出孔を設け、かつ下部吐出孔が下記 （１）式を満足するように配置し、上部吐出孔からの溶鋼の供給速度を該直流磁場帯の高さ中心よりも上部の溶鋼プール内で凝固により消費される速度よりも小さくすると共に、該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼に特定の溶質元素を添加することにより、上部プール内の溶鋼について該溶質元素の濃度を高めて鋳片表層部の溶質元素濃度を調整することを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法。
記
０＜ｈ＜ （１／２）・ｗ・ｔａｎ θ −−− （１）
ここで、θ：下部吐出孔の下向きの角度（°）
ｗ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ：下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
【００１０】
２．前記の上部吐出孔が、下記 （２）式を満足するように設計された浸漬ノズルを用いることを特徴とする上記１記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
記
ｈ′＞ （１／２）・ｗ・ｔａｎ θ′ −−− （２）
ここで、θ′：上部吐出孔の下向きの角度（°）
ｗ ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ′：上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
【００１１】
３．前記の上部吐出孔および下部吐出孔が、下記 （３）式および （４）式を満足するように設計された浸漬ノズルを用いることを特徴とする上記１または２記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
記
０＜ｈ≦１．５ Ｖ・ ｓｉｎθ −−− （３）
ｄ≦ ０．５ −−− （４）
ここで、ｈ：下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
Ｖ：下部吐出孔における吐出流の平均流速（ｍ／ｓ）
θ：下部吐出孔の下向きの角度（°）
ｄ：上部吐出孔中心から下部吐出孔中心までの距離（ｍ）
【００１２】
４．前記の上部吐出孔からの溶鋼の供給速度が、下記 （５）式を満足するように設計された浸漬ノズルを用いることを特徴とする上記１，２または３記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
記
０．３・Ｑ≦ Ｑ′≦ ０．９・Ｑ −−− （５）
ここで、Ｑ′：上部吐出孔から供給する溶鋼の供給速度 （ｔｏｎ／ｍｉｎ）
Ｑ：磁極高さ中心より上方の溶鋼プールにて凝固する溶鋼の消費速度 （ｔｏｎ／ｍｉｎ）
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に従い具体的に説明する。
図１に、本発明に従う溶鋼の注入要領の一例を模式で示す。この例は、浸漬ノズルとして、下部の吐出孔が単孔で上部の吐出孔が２孔のノズルを用いた場合であり、下部の吐出孔から供給される溶鋼はほぼ鉛直方向に流出する。
図中、番号１は鋳型、２は浸漬ノズル、３は磁極であり、この磁極３により鋳片の厚み方向に鋳片全幅にわたって直流磁場帯を印加できるようになっている。そして４で磁極の高さ中心を示す。また、５は浸漬ノズル２の下部吐出孔、６ａ，６ｂはそれぞれ浸漬ノズル２の上部吐出孔で、７で下部吐出孔５からの噴流を、また８ａ， ８ｂで上部吐出孔６ａ， ６ｂからの噴流を示し、９で直流磁場帯の下部プールから上部プールへの逆流を示す。１０は溶質元素（ワイヤー）、１１は溶質元素１０の添加位置、そして１２が凝固殻である。
なお、図中、ｗは鋳型の幅、θ、θ′はそれぞれ浸漬ノズル２の下部、上部の吐出孔５，６の角度（水平方向を０とした下向きの角度）、ｈは下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離、ｈ′は上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離、ｄは上部吐出孔中心から下部吐出孔中心までの距離、Ａは鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離である。
【００１４】
図１に示したところにおいて、浸漬ノズル２の下部吐出孔５から供給された溶鋼噴流７は一旦磁場帯の下部プールに流入するが、上部吐出孔６から上部プールへ供給される溶鋼の供給速度Ｑ′は上部プール内で凝固して消費される溶鋼の消費速度Ｑよりも小さいため、一旦下部プールに流入した溶鋼のうち上部プールでの不足分だけは自然に上部プールに逆流することになる。
従って、本発明では、特開平７−５１８０１ 号公報に記載の方法と同じように、溶鋼の供給速度の制御に関する問題はない。
【００１５】
また、本発明では、浸漬ノズル２の下部吐出孔５から供給される溶鋼噴流７は、直流磁場帯を横切るため、噴流７の周りには図２に示すような誘導電流１３が生じる。その結果、この誘導電流１３と直流磁場１４との相互作用により、図３に示すような電磁力１５が発生する。このように、噴流部１６には、噴流７と逆向きの力いわゆる電磁ブレーキ力が発生するが、かかる誘導電流１３は噴流部１６の両脇でも不可避的に発生するため、両脇においても同様の力が発生し、噴流部１６の両脇では逆向きの流れが発生し易くなる。
【００１６】
そして、図４に示すように、結果として前記した磁場帯下部プールから上部プールへの溶鋼の流入は、この噴流部１６の両脇の部位においてのみ発生することになる。
このように、下部プールから上部プールへの溶鋼の流入は、下部吐出孔５からの噴流部１６の両脇という特定の領域に限定されて発生し、ノズルの両脇に集まってくることになるが、そこには上部吐出孔６が存在するため、下部プールからの流入溶鋼は上部吐出孔６からの噴流８に引きずり込まれ、上部吐出孔６から供給される溶鋼と共に鋳型の両端方向に押し流されつつ添加合金と均一混合されるわけである。
【００１７】
従って、本発明における鋳型内の溶質元素濃度分布は図５のようになり、その結果得られる鋳片は図６のようになる。
図５において、番号１７は、鋳型内で溶質元素が濃化した領域、１８は溶質元素の濃化の程度が低い領域、１９は溶質元素の濃化がない領域であり、また図６において、２０は鋳片表層で溶質元素が濃化した部分、２１は鋳片の溶質元素濃度遷移層で溶質元素の濃化の程度が低い部分、２２は鋳片の内層で溶質元素の濃化がない部分である。
【００１８】
このように、本発明では、下部プールから上部プールへの溶鋼の流入部位が、噴流部の両脇という特定の領域に限定され、流入溶鋼は上部吐出孔からの噴流とノズル近傍で合流するため、上部吐出孔に溶鋼中の非金属介在物が付着して上部吐出孔からの流量比が低下した場合でも、下部プールからの溶鋼流入量が増加するだけで、溶質濃度が低い領域は変化しないため、上部プール内での溶質元素濃度分布は変化しない。
また、逆に下部吐出孔からの流量比が低下した場合でも、もともと下部から流入する溶鋼が存在するため、その流量が減少するだけで、やはり上部プール内での溶質元素濃度分布は変化しない。
さらに、本発明では、下部プールへ供給される溶鋼は、磁場帯上部から供給されるため、磁場帯を通過する際に減速され、内部欠陥の原因となる非金属介在物の下方への巻き込みも減少し、内部品質も向上する。
【００１９】
比較のため、特開平８−２５７６９２号公報に記載の方法のように、磁場帯の上下部プールに浸漬ノズルの吐出孔を配して溶鋼を供給する場合において、下部プールへの溶鋼供給比が増加した場合の溶鋼流れについて調べた結果を図７に示す。
同図に示したとおり、この方法では、下部吐出孔５′からの強い噴流７′の影響により、下部からの流入位置が鋳型の両端部に集中する（図８参照）ため、鋳型内での溶質元素濃度分布は、図９に示したように鋳型両端で溶質元素の濃化の程度が低い領域が出現し、その結果、図１０に示したように鋳片の短辺側表層部には合金濃度の低い表層部が生成してしまう。
逆に、上部への溶鋼供給比が増加した場合には、上部プール内の溶質が下部プールに流出することになり、表層の溶質濃度が低下してしまう。
【００２０】
なお、上部および下部の吐出孔からの流出量を精度良く制御することができれば、上記の問題は回避できるのであるが、ノズルからの流出量を精度良く制御することは現実には極めて難しく、ノズル詰まりあるいは鋳型内偏流などによりノズルからの流出量はある程度変動する。
従って、上述した特開平８−２５７６９２号公報に記載の方法では、表層部の濃度を精度良く制御することは実質的に不可能といわざるを得ない。
【００２１】
上述したとおり、本発明では、下部プールに供給する溶鋼噴流の周りに逆流が生じ易いように、下部吐出孔を適切に設置する必要がある。そこで、この点について、種々検討した結果、上下各吐出孔の位置および吐出角度と磁場の印加位置について、次の関係を満足させる必要があることが判明した。
まず、下部吐出孔については、次式（１） の関係を満足させる必要があり、また好ましくは次式（３） の関係を満足させることが望ましい。
０＜ｈ＜ （１／２）・ｗ・ｔａｎ θ −−− （１）
０＜ｈ≦１．５ Ｖ・ ｓｉｎθ −−− （３）
ここで、θ：下部吐出孔の下向きの角度（°）
ｗ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ：下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
Ｖ：下部吐出孔における吐出流の平均流速（ｍ／ｓ）
【００２２】
ここに、 （１）式が必要な理由は、この条件を満たさない場合には、噴流が磁場帯を十分に貫通する前に両端の壁面に衝突してしまい、十分に下部プールからの逆流を引き起こすことができないからである。
また （３）式が好ましい理由は、噴流はおおむね吐出孔からの距離に反比例して減衰するため、下部吐出孔が磁極から遠くなると磁場帯を貫通する前に噴流が拡散し、また磁極中心の下に吐出孔が設置されると発生した逆流が磁場中心より上の磁場によって減速され、やはり逆流を十分に引き起こすことができないからである。ここで、Ｖは、下部吐出孔から流出する溶鋼量（ｍ３／ｓ）を吐出流断面積（ｍ２）で除したものである。
なお、吐出孔の形状は、噴流が上部プール内の長辺凝固面に接しないように設計する必要がある。
【００２３】
一方、上部吐出孔からの溶鋼流は下部プールに流出させないようにする必要があるため、次式（２） を満足することが望ましく、また下部プールから流入する溶鋼が上部プール内の凝固面に到達しないように、上部吐出孔からの溶鋼流に十分に引き込ませるためには、次式（４） を満たすことが望ましい。
ｈ′＞ （１／２）・ｗ・ｔａｎ θ′ −−− （２）
ｄ≦ ０．５ −−− （４）
ここで、θ′：上部吐出孔の下向きの角度（°）
ｗ ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ′：上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
ｄ ：上部吐出孔中心から下部吐出孔中心までの距離（ｍ）
【００２４】
また、上部吐出孔からの溶鋼の供給速度は、上下吐出孔からの溶鋼の供給比の変動を考慮して、上部プールで凝固により消費される速度よりも小さく設定する必要がある。しかしながら、この溶鋼の供給速度が上部プールでの溶鋼の消費速度の ０．３倍に満たない場合には、たとえ上掲（４） 式を満たす条件下であっても、下部プールから供給される溶鋼や添加された溶質元素を引き込み両者を混合するのに十分な噴流速度が得られない場合がある。
従って、上部吐出孔から供給する溶鋼の供給速度Ｑ′（ｔｏｎ／ｍｉｎ） と上方の溶鋼プールにて凝固する溶鋼の消費速度Ｑ （ｔｏｎ／ｍｉｎ）については、次式（５） の関係を満足させることが好適である。
０．３・Ｑ≦ Ｑ′≦ ０．９・Ｑ −−− （５）
【００２５】
図１１に、Ｑ′／Ｑを種々に変化させた場合における、表層Ｎｉ濃度と内部Ｎｉ濃度の比の推移について調べた結果を示す。
この例は、表層Ｎｉ濃度と内部Ｎｉ濃度の比が１０になるように制御した例であるが、同図に示したとおり、Ｑ′／Ｑが ０．９を超えると表層部と内部のＮｉ濃度比が低下する。この理由は、前述したように、上下吐出孔からの溶鋼の供給比は変動が生じるため、Ｑ′／Ｑが ０．９を超えると上部プールから下部プールへの溶鋼の流出が生じるからである。
【００２６】
また、図１２には、表層部の複数箇所からサンプルして求めた表層部におけるＮｉ濃度のばらつき（最大Ｎｉ濃度と最小Ｎｉ濃度の比で表す）に及ぼすＱ′／Ｑの影響について調べた結果を示す。
この比が１にできるだけ近いほど表層部における溶質濃度のばらつきが小さいことを示すのであるが、Ｑ′／Ｑが ０．９を超えたり、Ｑ′／Ｑが ０．３を下回るとこのばらつきが大きくなっている。Ｑ′／Ｑが ０．９を超えると濃度比が大きくなるのは、同じく上部プールから下部プールへの溶鋼の流出が生じるために局所的な流動が生じるからであり、一方Ｑ′／Ｑが ０．３を下回ると濃度比が大きくなるのは、上部プール内の循環混合に十分な噴流速度が得られないからである。
【００２７】
そして、特に上記した （１）〜（５） 式を満足する条件下で操業を行った場合には、鋳片表層部の溶質元素の濃度が低下せずかつ均一な鋳片を、高い歩留りをもって製造できることが究明されたのである。
【００２８】
なお、上記の例では、下部吐出孔が下向き９０°の単孔の場合の図についてのみ説明したが、本発明では、下部プールから上部プールへの溶鋼の流入部位を局所的に発生させることが重要であり、従って図１３に示すように、通常の連続鋳造で用いられるような下部吐出孔が２孔の場合でも、上掲（１） 式の条件を満足するならば、所望の局所的な流入部位を生成させることが可能である。
また、局所的な流入部位の形成効果と、下部吐出孔からの噴流の減衰効果を一層大きくするためには、下部吐出孔の配置位置は磁極中心から上方とすることが好ましい。
【００２９】
ここに、印加磁場の強さについては、あまりに小さいと、磁場による制動効果が弱くなって、上部プールと下部プールの溶鋼が混合するおそれが生じ、一方、強すぎると上部プール内への流入が強くなり過ぎ、必要以上の溶鋼が上部プールに供給されることになるため、結果として、該流入位置から離れた部位において上部プールの溶鋼が流出するおそれがあるので、印加磁場は、上部プールと下部プールの溶鋼の混合や合金元素の均一溶解不良が発生しない、適切な強さとすることが重要であり、通常 ０．１〜０．５ Ｔ程度とするのが好ましい。
また、同様に、ノズルに注入されるＡｒガスの流量が多すぎると、上部プールへのＡｒガスの流入が強くなりすぎ、気泡性欠陥を発生し易くなるため、Ａｒガス流量は ２０ リットル／ｍｉｎ以下とすることが望ましい。
【００３０】
さらに、印加する直流磁場帯の幅（高さ方向）については、あまりに小さいと制動効果が十分でなく、一方あまりに大きいと磁場を発生させるのに必要な電源容量あるいはコイルサイズが大きなものとなり、設備コストが増大するので、磁極の高さ方向の幅で ０．１〜０．５ ｍ程度とするのが好適である。
【００３１】
【実施例】
実施例１
図１に示した連鋳鋳型を用い、次の条件で連続鋳造鋳片を製造した。
・鋳型の内径寸法
長辺（ｗ）：０．４ ｍ、
短辺：０．１１ｍ
・直流磁場
印加位置（鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離）Ａ：０．３４７ ｍ
印加磁場の強さ：０．３ Ｔ
磁極高さ：０．１５ｍ
・下部吐出孔浸漬深さ（鋳型内湯面レベルから下部吐出孔下端まで）：０．３４ｍ
・上部吐出孔浸漬深さ（鋳型内湯面レベルから上部吐出孔中心まで）：０．１７７ ｍ
・下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ ： ０．００７ ｍ
・上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ′： ０．１７０ ｍ
・鋳造速度Ｖｃ ：１．６ ｍ／ｍｉｎ （鋳造量：０．４９ ｔ／ｍｉｎ）
・上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ′： ０．７６Ｑ
（磁極の高さ中心よりも上部で凝固する溶鋼の消費速度Ｑの０．７６倍）
・溶質元素（純Ｎｉワイヤー）
純Ｎｉワイヤーの供給位置（上部吐出孔から両端方向への水平距離）：０．１ ｍ
純Ｎｉワイヤーの溶融位置（上部吐出孔中心までの高さ方向の距離）：０．１２ｍ
ワイヤー供給速度：３．５ ｋｇ／ｍｉｎ
【００３２】
なお、上記の連鋳機における凝固殻の成長厚ｄ（ｍ） は次式（６） で与えられることが分かっている。
ｄ＝ ０．０２２×（Ａ／Ｖｃ）０．５ −−− （６）
ここで、Ａは湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離（ｍ）、またＶｃ は鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）である。
従って、上掲（６） 式から、上下プール境界部での凝固シェル厚さは１０．２ｍｍ程度であることが分かる。その結果、Ｑ＝０．１１２ ｔ／ｍｉｎ となる。
一方でＱ′については水モデルなどから全スループットの１７．５％であることが分かっており、Ｑ′＝０．０８５３ ｔ／ｍｉｎとなる、従って、Ｑ′＝０．７６Ｑとなる。
【００３３】
実施例２
同じく図１に示した連鋳鋳型を用い、次の条件で連続鋳造鋳片を製造した。
・鋳型の内径寸法
長辺（ｗ）：０．４ ｍ、
短辺：０．１１ｍ
・直流磁場
印加位置（鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離）Ａ：０．３４７ ｍ
印加磁場の強さ：０．３ Ｔ
・下部吐出孔浸漬深さ（鋳型内湯面レベルから下部吐出孔下端まで）：０．２９０ ｍ
・上部吐出孔浸漬深さ（鋳型内湯面レベルから上部吐出孔中心まで）：０．１２７ ｍ
・下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ ： ０．０５７ ｍ
・上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ′： ０．２２ ｍ
・鋳造速度Ｖｃ ：１．２ ｍ／ｍｉｎ （鋳造量：０．３７ ｔ／ｍｉｎ）
・上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ′： ０．６３Ｑ
（磁極の高さ中心よりも上部で凝固する溶鋼の消費速度Ｑの０．６３倍）
・溶質元素（純Ｎｉワイヤー）
純Ｎｉワイヤーの供給位置（上部吐出孔から両端方向への水平距離）：０．１ ｍ
純Ｎｉワイヤーの溶融位置（上部吐出孔中心までの高さ方向の距離）：０．０５ｍ
ワイヤー供給速度：３．６ ｋｇ／ｍｉｎ
【００３４】
なお、上記の連鋳機における凝固殻の成長厚ｄ（ｍ） については、前掲 （６）式から、上下プール境界部での凝固シェル厚さは１１．８ｍｍ程度であることが分かる。その結果、Ｑ＝０．０９６５ ｔ／ｍｉｎとなる。
一方でＱ′については水モデルなどから全スループットの１６．５％であることが分かっており、Ｑ′＝０．０６１１ ｔ／ｍｉｎとなる、従って、Ｑ′＝０．６３Ｑとなる。
【００３５】
また、比較のため、下部吐出孔を磁場帯の下に設置した条件（特開平８−２５７６９２号公報に開示の方法）でも、連続鋳造鋳片を製造した。
その際の鋳造条件は、
・直流磁場
印加位置（鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離）Ａ：０．３４７ ｍ
印加磁場の強さ：０．３ Ｔ
・下部吐出孔浸漬深さ（鋳型内湯面レベルから下部吐出孔下端まで）：０．５４７ ｍ
・上部吐出孔浸漬深さ（鋳型内湯面レベルから上部吐出孔中心まで）：０．３ ｍ
・鋳造速度Ｖｃ ：１．６ ｍ／ｍｉｎ （鋳造量：０．４９ ｔ／ｍｉｎ）
・上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ′＝Ｑ
（磁極の高さ中心よりも上部で凝固する溶鋼の消費速度Ｑと同じ）
・下部吐出孔から磁極の高さ中心までの距離ｈ：−０．２ ｍ（磁極中心の下方 ０．２ｍ）
・上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ′： ０．０４７ ｍ
とし、それ以外のＮｉ添加の条件等はは実施例１と同じとした。
【００３６】
上記の各条件で連続鋳造した鋳片について、その不良（表面濃度欠陥および内部欠陥）の発生率について調べた結果をそれぞれ比較して、図１４および図１５に示す。なお、表層濃度欠陥については、表層部における最大Ｎｉ濃度と最小Ｎｉ濃度の比が１．２０以上のものを不良品とした。
図１４に示したとおり、本発明に従った場合には、比較例に比べて、表層濃度のばらつきが極めて小さく、不良品の発生率を大幅に低減できることが分かる。
また、図１５に示したとおり、本発明に従えば、介在物の混入に起因した鋳片の内部欠陥も大幅に軽減できることが分かる。
【００３７】
実施例３
同じく図１に示した連鋳鋳型を用い、次の条件で連続鋳造鋳片を製造した。
・鋳型の内径寸法
長辺ｗ＝１．２ ｍ
短辺：０．２６ｍ
高さ：０．９ ｍ
・直流磁場
印加位置（鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離）Ａ：０．６０ｍ
磁極高さ：０．２ ｍ
印加磁場の強さ：０．３ Ｔ
・浸漬ノズル
ノズル内径：９０ ｍｍ
上部吐出孔：２孔（孔の大きさ ２１×３０ｍｍ）
下部吐出孔：２孔（孔の大きさ ４９ ｍｍφ）
・下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ ： ０．１０ｍ
・上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ′： ０．３０ｍ
・鋳造速度Ｖｃ ：１．６ ｍ／ｍｉｎ （鋳造量：３．５ ｔ／ｍｉｎ）
・上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ′： ０．７ Ｑ
（磁極の高さ中心よりも上部で凝固する溶鋼の消費速度Ｑの ０．７倍）
・溶質元素（純Ｎｉワイヤー）
純Ｎｉワイヤーの供給位置（上部吐出孔からの水平距離）：０．３ ｍ
純Ｎｉワイヤーの溶融位置（上部吐出孔中心までの高さ方向の距離）：０．１ 〜０．２ ｍ
ワイヤー供給速度：１５ ｋｇ／ｍｉｎ
【００３８】
上記の鋳造条件下において、ノズルの吐出孔の角度を種々に変化させて連続鋳造を行い、その影響について調査した。
【００３９】
得られた結果を図１６に示す。ここで、図中の◎は表層のＮｉ濃度のばらつき指数（最大Ｎｉ濃度／最小Ｎｉ濃度）が１．０５未満であることを、また○は１．０５以上、１．１０未満、△は１．１０以上、１．２０未満、×は１．２０以上（不良品）であることをそれぞれ示す。
同図から明らかなように、前掲 （１）式が満たされた場合には、表層の溶質濃度のばらつきが極めて小さくなり、さらに前掲 （２）式が満たされると、そのばらつきが一層軽減されることが分かる。
【００４０】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、磁場帯近傍を境界として溶質元素濃度を異にする上下プールへの溶鋼の供給制御が極めて容易なだけでなく、鋳片表層部の溶質元素濃度のばらつきが極めて少ない鋳片を安定して製造することができ、ひいては製品の歩留りを格段に向上させることができる。また、溶鋼を磁場帯の上方のみに供給するため、磁場帯下方への介在物の巻き込みがなく、鋳片内部の欠陥も大幅に軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う溶鋼の注入要領の一例（下部吐出孔を鉛直下向きの単孔とした場合）を示す模式図である。
【図２】本発明における、ノズルからの溶鋼噴流の周りに発生する誘導電流の説明図である。
【図３】本発明における、ノズルからの溶鋼噴流の周りに発生する電磁力の説明図である。
【図４】本発明における、磁場帯の下部プールから上部プールへの溶鋼の流入分布を示した図である。
【図５】本発明における、鋳型内の溶質元素の濃度分布を示した図である。
【図６】本発明における、鋳片の鋳造方向に対し垂直な断面の溶質元素濃度分布を示した図である。
【図７】比較例に従う溶鋼の注入要領の一例（上部吐出孔からの溶鋼流量が低下した場合）を示す模式図である。
【図８】比較例における、磁場帯の下部プールから上部プールへの溶鋼の流入分布を示した図である。
【図９】比較例における、鋳型内の溶質元素の濃度分布を示した図である。
【図１０】比較例における、鋳片の鋳造方向に対し垂直な断面の溶質元素濃度分布を示した図である。
【図１１】Ｑ′／Ｑを種々に変化させた場合における、表層Ｎｉ濃度と内部Ｎｉ濃度の比の推移を示したグラフである。
【図１２】表層部におけるＮｉ濃度のばらつきに及ぼすＱ′／Ｑの影響を示したグラフである。
【図１３】本発明に従う溶鋼の注入要領の別例（下部吐出孔を２孔タイプとした場合）を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施例と比較例における、鋳片表層のＮｉ濃度欠陥の発生率を比較して示した図である。
【図１５】本発明の実施例と比較例における、鋳片の内部欠陥発生率を比較して示した図である。
【図１６】本発明の実施例と比較例における、鋳片表層のＮｉ濃度のばらつきを比較して示した図である。
【符号の説明】
１ 鋳型
２ 浸漬ノズル
３ 磁極
４ 磁極の高さ中心
５ 浸漬ノズルの下部吐出孔
６ 浸漬ノズルの上部吐出孔
７ 下部吐出孔からの噴流
８ 上部吐出孔からの噴流
９ 直流磁場帯の下部プールから上部プールへの逆流
１０ 溶質元素（ワイヤー）
１１ 溶質元素の添加位置
１２ 凝固殻
１３ 誘導電流
１４ 直流磁場（磁界の方向）
１５ 電磁力
１６ 噴流部
１７ 鋳型内で溶質元素が濃化した領域
１８ 鋳型内で溶質元素の濃化の程度が低い領域
１９ 鋳型内で溶質元素の濃化がない領域
２０ 鋳片の表層（溶質元素が濃化した部分）
２１ 鋳片の溶質元素濃度遷移層（溶質元素の濃化の程度が低い部分）
２２ 鋳片の内層（溶質元素の濃化がない部分）
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳片の内部と比較して表層部における特定の溶質元素の濃度が高い、傾斜組成を有する連続鋳造鋳片の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、成分組成が表層部と内部で異なる鋳片を連続鋳造によって製造する方法が種々提案されている。
例えば、特公平３−２０２９５ 号公報には、連鋳鋳型内の湯面レベルから一定の距離だけ離れた下方位置で、鋳造方向と垂直な方向に鋳片全幅にわたって直流磁束を付与し、その直流磁束によって形成される静磁場帯を境界としてその上下に異なる金属を供給することにより、複層鋳片を製造する方法が記載されている。
【０００３】
また、特開平７−５１８０１ 号公報には、連続鋳造用の鋳型内へ溶鋼を気体と共に垂直方向に注入し、この溶鋼注入位置より上部で鋳型内の幅方向全幅で直流磁場を付与して溶鋼の上昇流を減速し、該直流磁場の付与位置より上部の溶鋼中に該溶鋼成分とは異種の元素を添加して、上記注入気体の浮上撹拌により上部の溶鋼を合金溶鋼として合金鋼の表層を鋼表面に形成することからなる複層鋼板の製造方法が記載されている。
【０００４】
さらに、特開平８−２５７６９２号公報には、メニスカスから一定距離下方において鋳型全幅に直流磁界を印加して制動域を形成しつつ、その上下にノズル吐出孔を有する浸漬ノズルを用いて一定組成の溶鋼を注入し、しかもワイヤーを用いて合金元素を制動域よりも上部の溶鋼プールに連続的に供給しつつ溶鋼注入流による撹拌を行うことによって、表層の合金元素濃度が均一な鋳片を製造する方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公平３−２０２９５ 号公報に記載の方法は、鋳片の表層用溶鋼と内部用溶鋼を別々に精錬するという極めて煩雑なプロセスであるため生産障害を起こし易く、しかも磁場帯上下部での凝固速度に応じた溶鋼量を各々のダンディッシユから独立に供給するという極めて難しい制御を行う必要があるため、安定した製造が難しく、その結果、製品歩留りが低下するという問題があった。
【０００６】
この点、特開平７−５１８０１ 号公報に記載の製造方法は、ダンディッシユから供給する溶鋼は１種類であり、またその供給は磁場帯下部のみに鋳型内湯面レベルを一定に維持するように行われるため、磁場帯上部での凝固量に対する不足分は磁場帯下部から自然に流入することになり、上記のような厳しい制御は必要ではない。
しかしながら、この場合、磁場帯下部から上部への溶鋼流は、直流磁場の影響によりゆるやかに流入するため、気泡の撹拌効果だけでは、溶質元素を添加した部位とそこから離れた部位での極端な濃度差を解消できないという問題があった。
【０００７】
また、特開平８−２５７６９２号公報に記載の製造方法は、磁場帯の上下に吐出孔を有する１本のノズルから同一の溶鋼を上下プールに供給するものであるため、２種類の溶鋼を別々に用意するという煩雑なプロセスは必要としない。
しかしながら、この方法では、上下プールへの溶鋼の供給量の比を、上下吐出孔の内径の比を調整することにより制御しているため、溶鋼中の非金属介在物の吐出孔への付着などにより、下部プールへの溶鋼の供給比がわずかでも減少した場合には、異なる組成を有する上下の溶鋼の境界部が磁場帯をはずれ、上部プール内の合金成分は下部プールに流出して、製品歩留りの著しい低下を招くという不利があった。
逆に、上部プールヘの流量比が減少したり、操業時のトラブルなどにより鋳造速度を低下せざるを得なかった場合には、下部プールから合金成分の少ない溶鋼が上部プールに流入することになる。この際、下部から上部に流入する溶鋼は、下方の吐出孔からの注入流の影響により、鋳型内幅方向での両端に沿って上昇するため、鋳片の両端部の合金成分が低下し、やはり製品歩留りの著しい低下を招くという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の諸問題を有利に解決するもので、上下プールへの溶鋼の供給制御が容易なだけでなく、鋳片表層部における溶質元素の濃度を簡便かつ適切に調整することができる、連続鋳造鋳片の有利な製造方法を提案することを目的とする。
【０００９】
【課題解決のための手段】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．溶融金属の連続鋳造に際し、連鋳鋳型内の湯面レベルから鋳造方向に一定の距離下方の位置において鋳片の厚みを横切る向きに鋳片全幅にわたり直流磁場帯を印加した状態で、該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼プールに浸漬ノズルを用いて溶鋼を注入するに際し、該浸漬ノズルに少なくとも上下２段の吐出孔を設け、かつ下部吐出孔が下記 （１）式を満足するように配置し、上部吐出孔からの溶鋼の供給速度を該直流磁場帯の高さ中心よりも上部の溶鋼プール内で凝固により消費される速度よりも小さくすると共に、該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼に特定の溶質元素を添加することにより、上部プール内の溶鋼について該溶質元素の濃度を高めて鋳片表層部の溶質元素濃度を調整することを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法。
記
０＜ｈ＜ （１／２）・ｗ・ｔａｎ θ −−− （１）
ここで、θ：下部吐出孔の下向きの角度（°）
ｗ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ：下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
【００１０】
２．前記の上部吐出孔が、下記 （２）式を満足するように設計された浸漬ノズルを用いることを特徴とする上記１記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
記
ｈ′＞ （１／２）・ｗ・ｔａｎ θ′ −−− （２）
ここで、θ′：上部吐出孔の下向きの角度（°）
ｗ ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ′：上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
【００１１】
３．前記の上部吐出孔および下部吐出孔が、下記 （３）式および （４）式を満足するように設計された浸漬ノズルを用いることを特徴とする上記１または２記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
記
０＜ｈ≦１．５ Ｖ・ ｓｉｎθ −−− （３）
ｄ≦ ０．５ −−− （４）
ここで、ｈ：下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
Ｖ：下部吐出孔における吐出流の平均流速（ｍ／ｓ）
θ：下部吐出孔の下向きの角度（°）
ｄ：上部吐出孔中心から下部吐出孔中心までの距離（ｍ）
【００１２】
４．前記の上部吐出孔からの溶鋼の供給速度が、下記 （５）式を満足するように設計された浸漬ノズルを用いることを特徴とする上記１，２または３記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
記
０．３・Ｑ≦ Ｑ′≦ ０．９・Ｑ −−− （５）
ここで、Ｑ′：上部吐出孔から供給する溶鋼の供給速度 （ｔｏｎ／ｍｉｎ）
Ｑ：磁極高さ中心より上方の溶鋼プールにて凝固する溶鋼の消費速度 （ｔｏｎ／ｍｉｎ）
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に従い具体的に説明する。
図１に、本発明に従う溶鋼の注入要領の一例を模式で示す。この例は、浸漬ノズルとして、下部の吐出孔が単孔で上部の吐出孔が２孔のノズルを用いた場合であり、下部の吐出孔から供給される溶鋼はほぼ鉛直方向に流出する。
図中、番号１は鋳型、２は浸漬ノズル、３は磁極であり、この磁極３により鋳片の厚み方向に鋳片全幅にわたって直流磁場帯を印加できるようになっている。そして４で磁極の高さ中心を示す。また、５は浸漬ノズル２の下部吐出孔、６ａ，６ｂはそれぞれ浸漬ノズル２の上部吐出孔で、７で下部吐出孔５からの噴流を、また８ａ， ８ｂで上部吐出孔６ａ， ６ｂからの噴流を示し、９で直流磁場帯の下部プールから上部プールへの逆流を示す。１０は溶質元素（ワイヤー）、１１は溶質元素１０の添加位置、そして１２が凝固殻である。
なお、図中、ｗは鋳型の幅、θ、θ′はそれぞれ浸漬ノズル２の下部、上部の吐出孔５，６の角度（水平方向を０とした下向きの角度）、ｈは下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離、ｈ′は上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離、ｄは上部吐出孔中心から下部吐出孔中心までの距離、Ａは鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離である。
【００１４】
図１に示したところにおいて、浸漬ノズル２の下部吐出孔５から供給された溶鋼噴流７は一旦磁場帯の下部プールに流入するが、上部吐出孔６から上部プールへ供給される溶鋼の供給速度Ｑ′は上部プール内で凝固して消費される溶鋼の消費速度Ｑよりも小さいため、一旦下部プールに流入した溶鋼のうち上部プールでの不足分だけは自然に上部プールに逆流することになる。
従って、本発明では、特開平７−５１８０１ 号公報に記載の方法と同じように、溶鋼の供給速度の制御に関する問題はない。
【００１５】
また、本発明では、浸漬ノズル２の下部吐出孔５から供給される溶鋼噴流７は、直流磁場帯を横切るため、噴流７の周りには図２に示すような誘導電流１３が生じる。その結果、この誘導電流１３と直流磁場１４との相互作用により、図３に示すような電磁力１５が発生する。このように、噴流部１６には、噴流７と逆向きの力いわゆる電磁ブレーキ力が発生するが、かかる誘導電流１３は噴流部１６の両脇でも不可避的に発生するため、両脇においても同様の力が発生し、噴流部１６の両脇では逆向きの流れが発生し易くなる。
【００１６】
そして、図４に示すように、結果として前記した磁場帯下部プールから上部プールへの溶鋼の流入は、この噴流部１６の両脇の部位においてのみ発生することになる。
このように、下部プールから上部プールへの溶鋼の流入は、下部吐出孔５からの噴流部１６の両脇という特定の領域に限定されて発生し、ノズルの両脇に集まってくることになるが、そこには上部吐出孔６が存在するため、下部プールからの流入溶鋼は上部吐出孔６からの噴流８に引きずり込まれ、上部吐出孔６から供給される溶鋼と共に鋳型の両端方向に押し流されつつ添加合金と均一混合されるわけである。
【００１７】
従って、本発明における鋳型内の溶質元素濃度分布は図５のようになり、その結果得られる鋳片は図６のようになる。
図５において、番号１７は、鋳型内で溶質元素が濃化した領域、１８は溶質元素の濃化の程度が低い領域、１９は溶質元素の濃化がない領域であり、また図６において、２０は鋳片表層で溶質元素が濃化した部分、２１は鋳片の溶質元素濃度遷移層で溶質元素の濃化の程度が低い部分、２２は鋳片の内層で溶質元素の濃化がない部分である。
【００１８】
このように、本発明では、下部プールから上部プールへの溶鋼の流入部位が、噴流部の両脇という特定の領域に限定され、流入溶鋼は上部吐出孔からの噴流とノズル近傍で合流するため、上部吐出孔に溶鋼中の非金属介在物が付着して上部吐出孔からの流量比が低下した場合でも、下部プールからの溶鋼流入量が増加するだけで、溶質濃度が低い領域は変化しないため、上部プール内での溶質元素濃度分布は変化しない。
また、逆に下部吐出孔からの流量比が低下した場合でも、もともと下部から流入する溶鋼が存在するため、その流量が減少するだけで、やはり上部プール内での溶質元素濃度分布は変化しない。
さらに、本発明では、下部プールへ供給される溶鋼は、磁場帯上部から供給されるため、磁場帯を通過する際に減速され、内部欠陥の原因となる非金属介在物の下方への巻き込みも減少し、内部品質も向上する。
【００１９】
比較のため、特開平８−２５７６９２号公報に記載の方法のように、磁場帯の上下部プールに浸漬ノズルの吐出孔を配して溶鋼を供給する場合において、下部プールへの溶鋼供給比が増加した場合の溶鋼流れについて調べた結果を図７に示す。
同図に示したとおり、この方法では、下部吐出孔５′からの強い噴流７′の影響により、下部からの流入位置が鋳型の両端部に集中する（図８参照）ため、鋳型内での溶質元素濃度分布は、図９に示したように鋳型両端で溶質元素の濃化の程度が低い領域が出現し、その結果、図１０に示したように鋳片の短辺側表層部には合金濃度の低い表層部が生成してしまう。
逆に、上部への溶鋼供給比が増加した場合には、上部プール内の溶質が下部プールに流出することになり、表層の溶質濃度が低下してしまう。
【００２０】
なお、上部および下部の吐出孔からの流出量を精度良く制御することができれば、上記の問題は回避できるのであるが、ノズルからの流出量を精度良く制御することは現実には極めて難しく、ノズル詰まりあるいは鋳型内偏流などによりノズルからの流出量はある程度変動する。
従って、上述した特開平８−２５７６９２号公報に記載の方法では、表層部の濃度を精度良く制御することは実質的に不可能といわざるを得ない。
【００２１】
上述したとおり、本発明では、下部プールに供給する溶鋼噴流の周りに逆流が生じ易いように、下部吐出孔を適切に設置する必要がある。そこで、この点について、種々検討した結果、上下各吐出孔の位置および吐出角度と磁場の印加位置について、次の関係を満足させる必要があることが判明した。
まず、下部吐出孔については、次式（１） の関係を満足させる必要があり、また好ましくは次式（３） の関係を満足させることが望ましい。
０＜ｈ＜ （１／２）・ｗ・ｔａｎ θ −−− （１）
０＜ｈ≦１．５ Ｖ・ ｓｉｎθ −−− （３）
ここで、θ：下部吐出孔の下向きの角度（°）
ｗ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ：下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
Ｖ：下部吐出孔における吐出流の平均流速（ｍ／ｓ）
【００２２】
ここに、 （１）式が必要な理由は、この条件を満たさない場合には、噴流が磁場帯を十分に貫通する前に両端の壁面に衝突してしまい、十分に下部プールからの逆流を引き起こすことができないからである。
また （３）式が好ましい理由は、噴流はおおむね吐出孔からの距離に反比例して減衰するため、下部吐出孔が磁極から遠くなると磁場帯を貫通する前に噴流が拡散し、また磁極中心の下に吐出孔が設置されると発生した逆流が磁場中心より上の磁場によって減速され、やはり逆流を十分に引き起こすことができないからである。ここで、Ｖは、下部吐出孔から流出する溶鋼量（ｍ３／ｓ）を吐出流断面積（ｍ２）で除したものである。
なお、吐出孔の形状は、噴流が上部プール内の長辺凝固面に接しないように設計する必要がある。
【００２３】
一方、上部吐出孔からの溶鋼流は下部プールに流出させないようにする必要があるため、次式（２） を満足することが望ましく、また下部プールから流入する溶鋼が上部プール内の凝固面に到達しないように、上部吐出孔からの溶鋼流に十分に引き込ませるためには、次式（４） を満たすことが望ましい。
ｈ′＞ （１／２）・ｗ・ｔａｎ θ′ −−− （２）
ｄ≦ ０．５ −−− （４）
ここで、θ′：上部吐出孔の下向きの角度（°）
ｗ ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ′：上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
ｄ ：上部吐出孔中心から下部吐出孔中心までの距離（ｍ）
【００２４】
また、上部吐出孔からの溶鋼の供給速度は、上下吐出孔からの溶鋼の供給比の変動を考慮して、上部プールで凝固により消費される速度よりも小さく設定する必要がある。しかしながら、この溶鋼の供給速度が上部プールでの溶鋼の消費速度の ０．３倍に満たない場合には、たとえ上掲（４） 式を満たす条件下であっても、下部プールから供給される溶鋼や添加された溶質元素を引き込み両者を混合するのに十分な噴流速度が得られない場合がある。
従って、上部吐出孔から供給する溶鋼の供給速度Ｑ′（ｔｏｎ／ｍｉｎ） と上方の溶鋼プールにて凝固する溶鋼の消費速度Ｑ （ｔｏｎ／ｍｉｎ）については、次式（５） の関係を満足させることが好適である。
０．３・Ｑ≦ Ｑ′≦ ０．９・Ｑ −−− （５）
【００２５】
図１１に、Ｑ′／Ｑを種々に変化させた場合における、表層Ｎｉ濃度と内部Ｎｉ濃度の比の推移について調べた結果を示す。
この例は、表層Ｎｉ濃度と内部Ｎｉ濃度の比が１０になるように制御した例であるが、同図に示したとおり、Ｑ′／Ｑが ０．９を超えると表層部と内部のＮｉ濃度比が低下する。この理由は、前述したように、上下吐出孔からの溶鋼の供給比は変動が生じるため、Ｑ′／Ｑが ０．９を超えると上部プールから下部プールへの溶鋼の流出が生じるからである。
【００２６】
また、図１２には、表層部の複数箇所からサンプルして求めた表層部におけるＮｉ濃度のばらつき（最大Ｎｉ濃度と最小Ｎｉ濃度の比で表す）に及ぼすＱ′／Ｑの影響について調べた結果を示す。
この比が１にできるだけ近いほど表層部における溶質濃度のばらつきが小さいことを示すのであるが、Ｑ′／Ｑが ０．９を超えたり、Ｑ′／Ｑが ０．３を下回るとこのばらつきが大きくなっている。Ｑ′／Ｑが ０．９を超えると濃度比が大きくなるのは、同じく上部プールから下部プールへの溶鋼の流出が生じるために局所的な流動が生じるからであり、一方Ｑ′／Ｑが ０．３を下回ると濃度比が大きくなるのは、上部プール内の循環混合に十分な噴流速度が得られないからである。
【００２７】
そして、特に上記した （１）〜（５） 式を満足する条件下で操業を行った場合には、鋳片表層部の溶質元素の濃度が低下せずかつ均一な鋳片を、高い歩留りをもって製造できることが究明されたのである。
【００２８】
なお、上記の例では、下部吐出孔が下向き９０°の単孔の場合の図についてのみ説明したが、本発明では、下部プールから上部プールへの溶鋼の流入部位を局所的に発生させることが重要であり、従って図１３に示すように、通常の連続鋳造で用いられるような下部吐出孔が２孔の場合でも、上掲（１） 式の条件を満足するならば、所望の局所的な流入部位を生成させることが可能である。
また、局所的な流入部位の形成効果と、下部吐出孔からの噴流の減衰効果を一層大きくするためには、下部吐出孔の配置位置は磁極中心から上方とすることが好ましい。
【００２９】
ここに、印加磁場の強さについては、あまりに小さいと、磁場による制動効果が弱くなって、上部プールと下部プールの溶鋼が混合するおそれが生じ、一方、強すぎると上部プール内への流入が強くなり過ぎ、必要以上の溶鋼が上部プールに供給されることになるため、結果として、該流入位置から離れた部位において上部プールの溶鋼が流出するおそれがあるので、印加磁場は、上部プールと下部プールの溶鋼の混合や合金元素の均一溶解不良が発生しない、適切な強さとすることが重要であり、通常 ０．１〜０．５ Ｔ程度とするのが好ましい。
また、同様に、ノズルに注入されるＡｒガスの流量が多すぎると、上部プールへのＡｒガスの流入が強くなりすぎ、気泡性欠陥を発生し易くなるため、Ａｒガス流量は ２０ リットル／ｍｉｎ以下とすることが望ましい。
【００３０】
さらに、印加する直流磁場帯の幅（高さ方向）については、あまりに小さいと制動効果が十分でなく、一方あまりに大きいと磁場を発生させるのに必要な電源容量あるいはコイルサイズが大きなものとなり、設備コストが増大するので、磁極の高さ方向の幅で ０．１〜０．５ ｍ程度とするのが好適である。
【００３１】
【実施例】
実施例１
図１に示した連鋳鋳型を用い、次の条件で連続鋳造鋳片を製造した。
・鋳型の内径寸法
長辺（ｗ）：０．４ ｍ、
短辺：０．１１ｍ
・直流磁場
印加位置（鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離）Ａ：０．３４７ ｍ
印加磁場の強さ：０．３ Ｔ
磁極高さ：０．１５ｍ
・上部吐出孔浸漬深さ（鋳型内湯面レベルから上部吐出孔中心まで）：０．１７７ ｍ
・下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ ： ０．００７ ｍ
・上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ′： ０．１７０ ｍ
・鋳造速度Ｖｃ ：１．６ ｍ／ｍｉｎ （鋳造量：０．４９ ｔ／ｍｉｎ）
・上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ′： ０．７６Ｑ
（磁極の高さ中心よりも上部で凝固する溶鋼の消費速度Ｑの０．７６倍）
・溶質元素（純Ｎｉワイヤー）
純Ｎｉワイヤーの供給位置（上部吐出孔から両端方向への水平距離）：０．１ ｍ
純Ｎｉワイヤーの溶融位置（上部吐出孔中心までの高さ方向の距離）：０．１２ｍ
ワイヤー供給速度：３．５ ｋｇ／ｍｉｎ
【００３２】
なお、上記の連鋳機における凝固殻の成長厚ｄ（ｍ） は次式（６） で与えられることが分かっている。
ｄ＝ ０．０２２×（Ａ／Ｖｃ）０．５ −−− （６）
ここで、Ａは湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離（ｍ）、またＶｃ は鋳造速度（ｍ／ｍｉｎ）である。
従って、上掲（６） 式から、上下プール境界部での凝固シェル厚さは１０．２ｍｍ程度であることが分かる。その結果、Ｑ＝０．１１２ ｔ／ｍｉｎ となる。
一方でＱ′については水モデルなどから全スループットの１７．５％であることが分かっており、Ｑ′＝０．０８５３ ｔ／ｍｉｎとなる、従って、Ｑ′＝０．７６Ｑとなる。
【００３３】
実施例２
同じく図１に示した連鋳鋳型を用い、次の条件で連続鋳造鋳片を製造した。
・鋳型の内径寸法
長辺（ｗ）：０．４ ｍ、
短辺：０．１１ｍ
・直流磁場
印加位置（鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離）Ａ：０．３４７ ｍ
印加磁場の強さ：０．３ Ｔ
・上部吐出孔浸漬深さ（鋳型内湯面レベルから上部吐出孔中心まで）：０．１２７ ｍ
・下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ ： ０．０５７ ｍ
・上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ′： ０．２２ ｍ
・鋳造速度Ｖｃ ：１．２ ｍ／ｍｉｎ （鋳造量：０．３７ ｔ／ｍｉｎ）
・上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ′： ０．６３Ｑ
（磁極の高さ中心よりも上部で凝固する溶鋼の消費速度Ｑの０．６３倍）
・溶質元素（純Ｎｉワイヤー）
純Ｎｉワイヤーの供給位置（上部吐出孔から両端方向への水平距離）：０．１ ｍ
純Ｎｉワイヤーの溶融位置（上部吐出孔中心までの高さ方向の距離）：０．０５ｍ
ワイヤー供給速度：３．６ ｋｇ／ｍｉｎ
【００３４】
なお、上記の連鋳機における凝固殻の成長厚ｄ（ｍ） については、前掲 （６）式から、上下プール境界部での凝固シェル厚さは１１．８ｍｍ程度であることが分かる。その結果、Ｑ＝０．０９６５ ｔ／ｍｉｎとなる。
一方でＱ′については水モデルなどから全スループットの１６．５％であることが分かっており、Ｑ′＝０．０６１１ ｔ／ｍｉｎとなる、従って、Ｑ′＝０．６３Ｑとなる。
【００３５】
また、比較のため、下部吐出孔を磁場帯の下に設置した条件（特開平８−２５７６９２号公報に開示の方法）でも、連続鋳造鋳片を製造した。
その際の鋳造条件は、
・直流磁場
印加位置（鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離）Ａ：０．３４７ ｍ
印加磁場の強さ：０．３ Ｔ
・上部吐出孔浸漬深さ（鋳型内湯面レベルから上部吐出孔中心まで）：０．３ ｍ
・鋳造速度Ｖｃ ：１．６ ｍ／ｍｉｎ （鋳造量：０．４９ ｔ／ｍｉｎ）
・上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ′＝Ｑ
（磁極の高さ中心よりも上部で凝固する溶鋼の消費速度Ｑと同じ）
・下部吐出孔から磁極の高さ中心までの距離ｈ：−０．２ ｍ（磁極中心の下方 ０．２ｍ）
・上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ′： ０．０４７ ｍ
とし、それ以外のＮｉ添加の条件等はは実施例１と同じとした。
【００３６】
上記の各条件で連続鋳造した鋳片について、その不良（表面濃度欠陥および内部欠陥）の発生率について調べた結果をそれぞれ比較して、図１４および図１５に示す。なお、表層濃度欠陥については、表層部における最大Ｎｉ濃度と最小Ｎｉ濃度の比が１．２０以上のものを不良品とした。
図１４に示したとおり、本発明に従った場合には、比較例に比べて、表層濃度のばらつきが極めて小さく、不良品の発生率を大幅に低減できることが分かる。
また、図１５に示したとおり、本発明に従えば、介在物の混入に起因した鋳片の内部欠陥も大幅に軽減できることが分かる。
【００３７】
実施例３
同じく図１に示した連鋳鋳型を用い、次の条件で連続鋳造鋳片を製造した。
・鋳型の内径寸法
長辺ｗ＝１．２ ｍ
短辺：０．２６ｍ
高さ：０．９ ｍ
・直流磁場
印加位置（鋳型内湯面レベルから磁極の高さ中心までの距離）Ａ：０．６０ｍ
磁極高さ：０．２ ｍ
印加磁場の強さ：０．３ Ｔ
・浸漬ノズル
ノズル内径：９０ ｍｍ
上部吐出孔：２孔（孔の大きさ ２１×３０ｍｍ）
下部吐出孔：２孔（孔の大きさ ４９ ｍｍφ）
・下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ ： ０．１０ｍ
・上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離ｈ′： ０．３０ｍ
・鋳造速度Ｖｃ ：１．６ ｍ／ｍｉｎ （鋳造量：３．５ ｔ／ｍｉｎ）
・上部吐出孔からの溶鋼供給速度Ｑ′： ０．７ Ｑ
（磁極の高さ中心よりも上部で凝固する溶鋼の消費速度Ｑの ０．７倍）
・溶質元素（純Ｎｉワイヤー）
純Ｎｉワイヤーの供給位置（上部吐出孔からの水平距離）：０．３ ｍ
純Ｎｉワイヤーの溶融位置（上部吐出孔中心までの高さ方向の距離）：０．１ 〜０．２ ｍ
ワイヤー供給速度：１５ ｋｇ／ｍｉｎ
【００３８】
上記の鋳造条件下において、ノズルの吐出孔の角度を種々に変化させて連続鋳造を行い、その影響について調査した。
得られた結果を図１６に示す。ここで、図中の◎は表層のＮｉ濃度のばらつき指数（最大Ｎｉ濃度／最小Ｎｉ濃度）が１．０５未満であることを、また○は１．０５以上、１．１０未満、△は１．１０以上、１．２０未満、×は１．２０以上（不良品）であることをそれぞれ示す。
同図から明らかなように、前掲 （１）式が満たされた場合には、表層の溶質濃度のばらつきが極めて小さくなり、さらに前掲 （２）式が満たされると、そのばらつきが一層軽減されることが分かる。
【００４０】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、磁場帯近傍を境界として溶質元素濃度を異にする上下プールへの溶鋼の供給制御が極めて容易なだけでなく、鋳片表層部の溶質元素濃度のばらつきが極めて少ない鋳片を安定して製造することができ、ひいては製品の歩留りを格段に向上させることができる。また、溶鋼を磁場帯の上方のみに供給するため、磁場帯下方への介在物の巻き込みがなく、鋳片内部の欠陥も大幅に軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う溶鋼の注入要領の一例（下部吐出孔を鉛直下向きの単孔とした場合）を示す模式図である。
【図２】本発明における、ノズルからの溶鋼噴流の周りに発生する誘導電流の説明図である。
【図３】本発明における、ノズルからの溶鋼噴流の周りに発生する電磁力の説明図である。
【図４】本発明における、磁場帯の下部プールから上部プールへの溶鋼の流入分布を示した図である。
【図５】本発明における、鋳型内の溶質元素の濃度分布を示した図である。
【図６】本発明における、鋳片の鋳造方向に対し垂直な断面の溶質元素濃度分布を示した図である。
【図７】比較例に従う溶鋼の注入要領の一例（上部吐出孔からの溶鋼流量が低下した場合）を示す模式図である。
【図８】比較例における、磁場帯の下部プールから上部プールへの溶鋼の流入分布を示した図である。
【図９】比較例における、鋳型内の溶質元素の濃度分布を示した図である。
【図１０】比較例における、鋳片の鋳造方向に対し垂直な断面の溶質元素濃度分布を示した図である。
【図１１】Ｑ′／Ｑを種々に変化させた場合における、表層Ｎｉ濃度と内部Ｎｉ濃度の比の推移を示したグラフである。
【図１２】表層部におけるＮｉ濃度のばらつきに及ぼすＱ′／Ｑの影響を示したグラフである。
【図１３】本発明に従う溶鋼の注入要領の別例（下部吐出孔を２孔タイプとした場合）を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施例と比較例における、鋳片表層のＮｉ濃度欠陥の発生率を比較して示した図である。
【図１５】本発明の実施例と比較例における、鋳片の内部欠陥発生率を比較して示した図である。
【図１６】本発明の実施例と比較例における、鋳片表層のＮｉ濃度のばらつきを比較して示した図である。
【符号の説明】
１ 鋳型
２ 浸漬ノズル
３ 磁極
４ 磁極の高さ中心
５ 浸漬ノズルの下部吐出孔
６ 浸漬ノズルの上部吐出孔
７ 下部吐出孔からの噴流
８ 上部吐出孔からの噴流
９ 直流磁場帯の下部プールから上部プールへの逆流
１０ 溶質元素（ワイヤー）
１１ 溶質元素の添加位置
１２ 凝固殻
１３ 誘導電流
１４ 直流磁場（磁界の方向）
１５ 電磁力
１６ 噴流部
１７ 鋳型内で溶質元素が濃化した領域
１８ 鋳型内で溶質元素の濃化の程度が低い領域
１９ 鋳型内で溶質元素の濃化がない領域
２０ 鋳片の表層（溶質元素が濃化した部分）
２１ 鋳片の溶質元素濃度遷移層（溶質元素の濃化の程度が低い部分）
２２ 鋳片の内層（溶質元素の濃化がない部分）
Claims (4)
- 溶融金属の連続鋳造に際し、連鋳鋳型内の湯面レベルから鋳造方向に一定の距離下方の位置において鋳片の厚みを横切る向きに鋳片全幅にわたり直流磁場帯を印加した状態で、該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼プールに浸漬ノズルを用いて溶鋼を注入するに際し、該浸漬ノズルに少なくとも上下２段の吐出孔を設け、かつ下部吐出孔が下記 （１）式を満足するように配置し、上部吐出孔からの溶鋼の供給速度を該直流磁場帯の高さ中心よりも上部の溶鋼プール内で凝固により消費される速度よりも小さくすると共に、該直流磁場帯内または該直流磁場帯よりも上部の溶鋼に特定の溶質元素を添加することにより、上部プール内の溶鋼について該溶質元素の濃度を高めて鋳片表層部の溶質元素濃度を調整することを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法。
記
０＜ｈ＜ （１／２）・ｗ・ｔａｎ θ −−− （１）
ここで、θ：下部吐出孔の下向きの角度（°）
ｗ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ：下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ） - 前記の上部吐出孔が、下記 （２）式を満足するように設計された浸漬ノズルを用いることを特徴とする請求項１記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
記
ｈ′＞ （１／２）・ｗ・ｔａｎ θ′ −−− （２）
ここで、θ′：上部吐出孔の下向きの角度（°）
ｗ ：鋳型の幅方向の長さ（ｍ）
ｈ′：上部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ） - 前記の上部吐出孔および下部吐出孔が、下記 （３）式および （４）式を満足するように設計された浸漬ノズルを用いることを特徴とする請求項１または２記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
記
０＜ｈ≦１．５ Ｖ・ ｓｉｎθ −−− （３）
ｄ≦ ０．５ −−− （４）
ここで、ｈ：下部吐出孔中心から磁極の高さ中心までの距離（ｍ）
Ｖ：下部吐出孔における吐出流の平均流速（ｍ／ｓ）
θ：下部吐出孔の下向きの角度（°）
ｄ：上部吐出孔中心から下部吐出孔中心までの距離（ｍ） - 前記の上部吐出孔からの溶鋼の供給速度が、下記 （５）式を満足するように設計された浸漬ノズルを用いることを特徴とする請求項１，２または３記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
記
０．３・Ｑ≦ Ｑ′≦ ０．９・Ｑ −−− （５）
ここで、Ｑ′：上部吐出孔から供給する溶鋼の供給速度 （ｔｏｎ／ｍｉｎ）
Ｑ：磁極高さ中心より上方の溶鋼プールにて凝固する溶鋼の消費速度 （ｔｏｎ／ｍｉｎ）
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