JP3593328B2 - 溶鋼の鋳型内流動制御方法並びにそのための電磁場形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳片の皮下に気泡状欠陥や介在物欠陥が少ない鋼鋳片を製造するための溶鋼の鋳型内流動制御方法並びにそのための電磁場形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼の連続鋳造においては、従来から鋳片の高品質化並びに鋳造速度の高速化を目的として様々な電磁力を用いた溶鋼の鋳型内流動制御方法が提案されている。それらは、移動磁場を用いるか、直流磁場を用いるか、または、その両者を併用するかによって分類される。
【０００３】
移動磁場を用いる目的は、浸漬ノズルからのノズル吐出流によって形成される流動とは別のパターンの流動を形成することである（例えば、特開平５−３２９５９９号）。一方、直流磁場を用いる目的は、流速を低減することにより鋳型内流動を安定化することである（例えば、特開平２−２８４７５０号）。
【０００４】
また、この両者を組み合わせた例では、鋳型下部あるいは鋳型直下に設置した直流磁界によりノズル吐出流を上部に反転させ、かつ、鋳型上部で移動磁界により攪拌して上部プールを強攪拌することを狙いとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
浸漬ノズル内には、一般的に、ノズル閉塞を防止するため、不活性ガスであるアルゴンあるいは窒素を吹き込むことが多い。その上、溶鋼は非金属介在物を含有するので、ノズルから吐出する溶鋼は、介在物並びに気泡を含有した混相状態となる。このような混相流体を適正に制御することが鋳片品質を向上する上で必要である。
【０００６】
鋳型内に直流磁場を印加しノズルから吐出する流動を制動する場合、吐出流周囲に逆向きの流動が誘起される。この逆向きの流動の流速は、図１に示すように、磁束密度が増加するほど、吐出流速が速いほど増加する。この流動により、溶鋼中に懸濁している気泡や介在物の浮上が促進される、すなわち、これら気泡や介在物が鋳型上部に輸送されることになる。
【０００７】
但し、溶鋼中での気泡の浮力は大きいので、注入流量が多いあるいは磁束密度が大きい場合には、ノズル周囲でのボイリングが激しくなり、注入流量に制限を設けるか、印加する磁束密度に制限を設けざるを得ない。そのような傾向は不活性ガスの吹き込み量が多い鋼種で顕著となる。
【０００８】
そこで、本発明は、鋳片の皮下に気泡状欠陥や介在物欠陥が少ない鋼鋳片を製造するための溶鋼の鋳型内流動制御方法並びにそのための電磁場形成装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するもので、その要旨は、以下のとおりである。
【００１０】
（１）連鋳鋳型内全幅に亘って厚み方向に同じ方向の直流磁場を印加しつつ、浸漬ノズル内に不活性ガスを吹き込みながら溶鋼を鋳型内に注入し、溶鋼の鋳型内における流動を制御する方法において、浸漬ノズルの吐出孔近傍に印加する磁束密度Ｂを、下記関係式を満足するように小さくすることを特徴とする溶鋼の鋳型内流動制御方法。
【００１１】
ａσＶＢ／ρ≦０．１
ここで、Ｖ：ノズル吐出流速（ｍ／ｓ）、Ｂ：ノズル吐出孔周りに印加する磁束密度（Ｔ）、ρ：密度（ｋｇ／ｍ^３ ）、σ：電気伝導度（１／Ω・ｍ）、ａ：パラメータである。
【００１２】
（２）前記（１）記載の溶鋼の鋳型内流動制御方法において、磁場強度を調整する範囲を、鋳型の幅中央をはさんでノズル幅の２倍から４倍の長さとし、かつ、コイル中心よりも上部のみとすることを特徴とする溶鋼の鋳型内流動制御方法。
【００１３】
（３）直流磁場形成装置を備え、連鋳鋳型内全幅に亘って厚み方向に同じ方向の直流磁場を印加し、浸漬ノズル内に不活性ガスを吹き込みながら注入する溶鋼の鋳型内における流動を制御する電磁場形成装置において、上記直流磁場形成装置の鉄心を切り欠いたことを特徴とする電磁場形成装置。
【００１４】
（４）請求項３記載の電磁場形成装置において、直流磁場形成装置の上方に水平断面内で旋回流を形成する移動磁場形成装置を設置したことを特徴とする電磁場形成装置。
【００１５】
（５）請求項３または４記載の電磁場形成装置において、直流磁場形成装置の上方に水平断面内で旋回流を形成し、かつ、その攪拌方向を周期的に変化させる移動磁場形成装置を設置したことを特徴とする電磁場形成装置。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、実機１／２サイズの水銀モデル実験装置を作製し、電磁力を印加した場合のプール中での気泡挙動について調査解析した。この実験装置には、連鋳ストランドプール上部に相当する水銀プールの液面近傍に電磁撹拌装置が、また、その下方に直流磁場を厚み方向に印加できる電磁石が組み込まれている。
【００１７】
また、この実験装置においては、プール広幅面の１つのみをアクリル製とし、プール中での気泡挙動を観察できるようにしている。
【００１８】
実験では、電磁力の印加条件を種々変化させ、水銀プール表面の気泡分布と広幅面の気泡分布を調査した。結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
表１から、ノズル吐出孔近傍に全幅一様な磁束密度を厚み方向に印加すると、水銀プール表面のノズル周りで観察される気泡個数が電磁力を印加しない場合と比較して増加すること、また、注入流量を増加するか、あるいは、磁束密度を増加すると、気泡個数の増加傾向が顕著になることがわかった。
【００２１】
一方、プール下方の広幅面における気泡個数については、注入流量により増加する傾向があるが、磁場を印加することで気泡の個数が少なくなることが確認された。
【００２２】
そこで、水銀プール表面のノズル近傍に集中する気泡を低減することを目的として、直流磁場の分布を種々変化させて実験を行った。その結果を図２及び表２に示す。
【００２３】
【表２】

【００２４】
ノズル近傍の磁場を低減することでノズル近傍に集中する気泡の個数は低下することがわかった。その傾向は下記関係式を満足するようにノズル近傍の磁束密度を低減させた場合に効果が顕著であった。
【００２５】
ａσＶＢ／ρ≦０．１
ここで、Ｖ：ノズル吐出流速（ｍ／ｓ）、Ｂ：ノズル吐出孔周りに印加する磁束密度（Ｔ）、ρ：密度（ｋｇ／ｍ^３ ）、σ：電気伝導度（１／Ω・ｍ）、ａ：パラメータ（なお、ａとして０．００７を用いると実験結果をよく説明できる）である。また、この関係式が意味するところは、対向流速が０．１ｍ／ｓ以下であることを意味している。
【００２６】
但し、磁束密度を低くする領域の幅が広くなると制動効果そのものが低下し、プール下部に持ち込まれる気泡の数が増加するため、好ましくない。磁場を低くする領域の幅と表面並びに下部の気泡個数との関係を調査したところ、ノズル幅の２倍から４倍の領域で、コイル中心よりも上部の領域の磁場を低下することにより、水銀プール表面ノズル近傍に集中する気泡個数を低減できることがわかった。
【００２７】
加えて、この状態で水銀プール表面近傍に移動磁場を作用させ、水平断面内で旋回流を形成すると、ノズル周囲の気泡個数はさらに少なく、かつ、広幅面での気泡個数も併せて少なくすることができることがわかった。
【００２８】
また、旋回流の方向を５秒程度の周期で切り替えつつ移動磁場を付与した場合も、同様に、ノズル周囲の気泡個数を、一方向の攪拌流を付与した場合と同等に少なく、かつ、広幅面での気泡個数も併せて少なくすることができることがわかった。また、その場合、液面の変動は、一方向に攪拌する場合と比較して少なくなった。
【００２９】
尚、このような磁場を形成するには、図３と図４に示すように、鉄心を幅方向において、一部切りかき、鉄心形状を幅方向で変化させることで容易に作り出すことができる。これは、鉄心の一部を切り欠くことで、その領域に磁場が集中せず分散するので、鉄心を切り欠いた領域の磁束密度が低減することによる。
【００３０】
【実施例】
（実施例）
本発明者らは図５のスラブ連続鋳造装置を用いて低炭素鋼を連続鋳造した。図５（ａ）はその水平断面の模式図、図５（ｂ）はその縦断面の模式図である。図中１は浸漬ノズルで、下端近傍には鋳片の短辺に向けて斜め下向きの吐出溶鋼流を形成するための２個の吐出孔１３が設けられている。
【００３１】
５は、幅１２５０ｍｍ、厚さ２５０ｍｍのスラブを製造するための鋳型で、上部には鋳型内の上部の溶鋼に矢印１０方向の旋回流を形成するための電磁攪拌装置７が配され、またその下部には吐出孔１３からでた直後の溶鋼流２に直流磁場を厚み方向に印加できる直流磁場形成装置６が配されている。尚、図中８は、凝固シェルである。その他の条件として、鋳造速度は２．５ｍ／分、ノズル内にはアルゴンガスを１０リットル／分供給した。
【００３２】
直流磁場を形成する電磁石の鉄心形状については、図３と図４に示すように、幅中央部をはさんで、左右１５０ｍｍ、厚み中心から上部１００ｍｍの領域の鉄心を切りかき、その部位で形成される磁場を小さくできるようにした。尚、その磁束密度とノズル吐出流速との関係は先に述べた関係式を満足するように調整しており、ａσＶＢ／ρは０．０５である。
【００３３】
【表３】

【００３４】
表３に示す条件の電磁力を印加し鋳片内の気泡、介在物個数を調査解析した。直流磁場のみを印加した場合について比較すると鉄心を切り欠かない場合には鋳片幅中央部で気泡、介在物個数が多くなったが、鉄心を切り欠いた場合には、鋳片幅中央部の気泡、介在物個数は少なくなることがわかる。
【００３５】
また、鉄心を切り欠かない場合、ノズル周囲でボイリングが多発し、磁束密度も０．２Ｔ程度までしか印加できなかったが、鉄心をきりかくことでそのようなボイリングは発生することがなくなり、本直流磁場形成装置の最大印加磁束密度である０．４Ｔまで印加することができた。
【００３６】
加えて、直流磁場に加えて移動磁界を作用させた場合、鋳片での気泡、介在物個数は移動磁界を印加しなかった場合よりも低くなる傾向にあるが、鉄心を切り欠かなかった場合、同じく０．２Ｔ程度で幅中央部近傍で気泡・介在物個数が増加するのに対し、鉄心を切り欠いた場合、幅中央部近辺での局部的な増加は確認できず、全幅に亘って低位に抑えられていた。
【００３７】
また、直流磁場のみ印加した場合と同様、鉄心を切り欠かない場合、ノズル周囲でボイリングが多発し、磁束密度も０．２Ｔ程度までしか印加できなかったが、鉄心をきりかくことでそのようなボイリングは発生することがなくなり、本直流磁場形成装置の最大印加磁束密度である０．４Ｔまで印加することができた。た。
【００３８】
また、旋回流の流動方向を５秒程度の周期で反転させる移動磁界を印加し、ノズル吐出流周囲に直流磁場を印加した場合においても同様な効果が得られた。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によると浸漬ノズル内に不活性ガスを供給しつつ連続鋳造を行う際に、ノズル吐出流周囲に直流磁場を印加しその幅方向分布を調整することで、不活性ガス気泡のノズル周囲への集中を発生させることなく、直流磁場を印加することができる。そのため、表面流速の制御性が大幅に改善される。
【００４０】
さらに、湯面近傍では水平断面内で旋回流を形成させるあるいは振動攪拌を作用させることで鋳片表層部の気泡・介在物の捕捉をも併せて防止することができる。そのため、表層内部共に鋳片品質が向上する。加えて、印加する直流磁場の磁束密度制限がなくなるため、鋳造速度を高速化することも可能となり連鋳プロセスの生産性が飛躍的に改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁束密度と逆向き流速の関係を示す図である。
【図２】ａσＶＢ／ρとノズル周り気泡個数密度との関係を示す図である。
【図３】鉄心の全体形状を模式的に示す図である。
【図４】鉄心の一部形状を拡大して模式的に示す図である。
【図５】スラブ連続鋳造装置の態様を示す図である。（ａ）は、水平断面を示す図、（ｂ）は、縦断面を示す図である。
【符号の説明】
１…浸漬ノズル
２…溶鋼流
５…鋳型
６…直流磁場形成装置
７…電磁攪拌装置
８…凝固シェル
９…メニスカス
１０…旋回流
１１…溶鋼の逆向き流
１２…ガス気泡
１３…吐出孔
１４…鉄心
１５…水冷銅チューブ
１６…切りかき

Claims (5)

1. 連鋳鋳型内全幅に亘って厚み方向に同じ方向の直流磁場を印加しつつ、浸漬ノズル内に不活性ガスを吹き込みながら溶鋼を鋳型内に注入し、溶鋼の鋳型内における流動を制御する方法において、浸漬ノズルの吐出孔近傍に印加する磁束密度Ｂを、下記関係式を満足するように小さくすることを特徴とする溶鋼の鋳型内流動制御方法。
   ａσＶＢ／ρ≦０．１
   ここで、Ｖ：ノズル吐出流速（ｍ／ｓ）、
   Ｂ：ノズル吐出孔周りに印加する磁束密度（Ｔ）、
   ρ：密度（ｋｇ／ｍ^３ ）、
   σ：電気伝導度（１／Ω・ｍ）、
   ａ：パラメータ
2. 請求項１記載の溶鋼の鋳型内流動制御方法において、磁場強度を調整する範囲を、鋳型の幅中央をはさんでノズル幅の２倍から４倍の長さとし、かつ、コイル中心よりも上部のみとすることを特徴とする溶鋼の鋳型内流動制御方法。
3. 直流磁場形成装置を備え、連鋳鋳型内全幅に亘って厚み方向に同じ方向の直流磁場を印加し、浸漬ノズル内に不活性ガスを吹き込みながら注入する溶鋼の鋳型内における流動を制御する電磁場形成装置において、上記直流磁場形成装置の鉄心を切り欠いたことを特徴とする電磁場形成装置。
4. 請求項３記載の電磁場形成装置において、直流磁場形成装置の上方に水平断面内で旋回流を形成する移動磁場形成装置を設置したことを特徴とする電磁場形成装置。
5. 請求項３または４記載の電磁場形成装置において、直流磁場形成装置の上方に水平断面内で旋回流を形成し、かつ、その攪拌方向を周期的に変化させる移動磁場形成装置を設置したことを特徴とする電磁場形成装置。

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