JP3779194B2 - 連続鋳造における二次冷却方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、連続鋳造用鋳型の下部の二次冷却帯において、ロール間に配置したスプレーノズルを用いて行う二次冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
連続鋳造では、図１に示すように、鋳型１内で形成された、溶融金属たとえば鋼の凝固シェルに対して、該鋳型１下部のロール帯２において、スプレーノズルからの冷却水の供給によって冷却を促進する、いわゆる二次冷却を行うのが通例である。すなわち、二次冷却は、図２に示すように、下部ロール帯２における隣接するロール20間に配置したスプレーノズル３から冷却水４を凝固シェル５に向けて噴射し、主に冷却水の直接冷却によって凝固シェル表面からの抜熱を行うものである。
【０００３】
この二次冷却は、凝固組織の制御や鋳片の割れ防止の観点から極めて重要な工程であり、主にスプレーノズルからの冷却水の噴霧形状を工夫することによって、適切な冷却を行っている。
【０００４】
例えば、特開昭50-102525号公報には、スプレーによる鋳片直接冷却面積を、ロール間の鋳片面積に対して規制して冷却強度を制御する技術が開示されている。しかし、この技術では、どのようなスプレーの厚み方向の水量分布形状が好適であるのか開示がないため、必ずしも効率的な冷却方法とは言えない。
【０００５】
また、特開昭50-103426号公報には、先端に複数の噴射口を設けたノズルを用いて、鋳片冷却時のロール間での急激な熱振幅を低減し、表面割れを防止することが、開示されている。
しかしながら、生産能力を高めるために強冷却が必要となる場合など、複数の噴射口から多量の冷却水を噴霧するに当たって、以下の問題が生じる不利がある。まず、冷却時の熱振幅の数が多くなり、鋳片の表面割れを抑制する効果が低減してしまうことが問題となる。次に、複数の噴射口間において冷却水の供給量の少ない部分が生じるために、当該部分での復熱により冷却強化が阻害される問題がある。すなわち、スプレー冷却における熱伝達係数は、凝固シェルの表面温度の逆数に比例するため、連続的に冷却して表面温度を低下させた状態、つまり冷却中の復熱を抑えることが、熱伝達係数を大きくし、ひいては冷却能を強化することに繋がる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した諸問題を解消し、特にスプレーノズルにおける水量や空気量の条件を従来に比して大きく変更することなく、鋳片に対する冷却能を効率良く強化する方法について提案することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、スプレーノズルから噴出する水量や空気量の条件を変更することなく冷却能を強化し得る手法について鋭意検討した。その結果、スプレーノズルの水量分布、とりわけ鋳片引き抜き方向の水量分布を適正化することが極めて有効であることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００８】
すなわち、本発明は、連続鋳造鋳型下部のロール帯において、ロール間に配置したスプレーノズルを用いて二次冷却を施すに当り、各スプレーノズルから噴霧される冷却水の、鋳片引き抜き方向の水量分布を、該水量分布の両端から水量分布における最大部の２０％となる始点をそれぞれＡおよびＢとしたとき、このＡとＢとの間では前記最大部の２０％以上の水量分布が連続し、Ａ−Ｂ間の距離をＬ、ロール間距離をＬ _０ としたとき、Ｌ≧０．２０Ｌ _０ 、かつＡ，Ｂおよび噴霧口中心Ｃを結んで得られる三角形ＡＢＣが、連続鋳造鋳型下部のロール帯における隣接ロール間に内接するようスプレーノズルを配置することを特徴とする連続鋳造における二次冷却方法である。
【０００９】
ここで、スプレーノズルは、複数の噴霧口を有することが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の二次冷却方法について、図面を参照して説明する。
すなわち、本発明の二次冷却方法は、図２に示した、ロール帯２における隣接ロール20間に配置したスプレーノズル３からの冷却水４の水量について、その鋳片(凝固シェル５)の引き抜き方向、換言するとスプレー厚み方向における分布形状を制御することに特徴がある。
【００１１】
さて、スプレーノズルによる冷却能力の評価は、抜熱量Ｑ(kcal/h)として、次式(1)にて表すことができる。
Ｑ＝α×Ａ×ΔＴ ----(1)
ここで、Ａはスプレー面積(m²)、ΔＴは、鋳片表面温度とスプレー水温との差(℃)である。また、αは熱伝達係数（kcal/m²・h・℃）であり、次式(2)の実験式から求められる。
α＝Ｃ₀×Ｗd^{Ｃ 1}×Ｖa^{Ｃ 2}／Ｔs^{Ｃ 3} ----(2)
ここで、Ｃ₀〜Ｃ3は定数、Ｗdは水量密度(l/min・m²)、Ｖaは流速(m/s)およびＴsは表面温度(℃)である。
また、水量密度Ｗdは、次式(3)により求めることができる。
Ｗd＝Ｗ／Ａ ----(3)
ここで、Ｗは水量(l/min)である。
また、スプレー面積Ａは、ほぼスプレーの厚みＬ(m）と幅Ｈ(m)との積に比例する。なおここで、スプレーの厚みＬとは、ノズルから噴出された冷却水の鋳片引抜き方向の長さであり、幅Ｈはノズルから噴出された冷却水の鋳片幅方向の長さである。
【００１２】
以上(1)〜(3)の式から、
Ｑ∝Ｗ^{Ｃ 1}×Ｖa^{Ｃ 2}×Ｌ^{Ｃ 4}
（ただし、Ｃ4は定数で、0＜Ｃ1＜1、Ｃ4＝1-Ｃ1の関係から0＜Ｃ4＜1）
が得られる。すなわち、抜熱量Ｑは、スプレーの厚みＬを大きくすることによって、水量Ｗや、流速Ｖaなどの条件を変更せずに抜熱量を大きく、つまり冷却能力の強化が可能になることがわかる。
【００１３】
このような観点から、スプレーノズルからの冷却水の水量分布を適正化した結果、所期する効果を得ることができたのである。以下に、その水量分布について詳しく説明する。
スプレー厚み方向の水量分布は、図３に示したように、スプレー厚み方向(鋳片引抜き方向)に一定間隔で仕切りされた水槽に対して、高さＺ(一定)の位置Ｃにスプレーノズルを設置し、このノズルから冷却水を噴出し、この水を各水槽で受け、各水槽の受水量(高さ)を測定することにより求める。そして、該水量分布の最大部を100％としたときに、その20％の水量となる始点をそれぞれＡおよびＢとし、この間の距離を有効スプレー厚みＬとする。また、スプレーノズルの噴霧口中心Ｃを頂点として、前記ＡおよびＢを結ぶ角ＡＣＢをスプレー厚み角θと呼ぶこととする。
【００１４】
本発明に係るスプレーノズルは、上記水量分布において、上記ＡとＢとの間では最大部の20％以上の水量分布が連続すること、さらに、スプレー厚み角θは、30°以上であることが必要である。すなわち、水量分布が20％未満の部分は、スプレーの主流ではなく飛散水であるため十分な抜熱が行われず、冷却に寄与しない。飛散水の領域が相対的に広い場合は、その部分では鋳片表面の復熱が生ずる。その結果、冷却と復熱の繰り返しサイクルが増加し、鋼種によっては表面割れを助長することになる。
また、本発明に係るスプレーノズルは、スプレー厚み角θを30°以上とすることが必要である。この理由は、抜熱量Ｑを大きくするためには、スプレーの厚みＬを大きくする必要がある。一方、冷却帯のロール間隔およびスプレー設置距離も限られたスペースであることから、スプレーの厚みＬを大きくするためには、１本のノズルのスプレー厚み角θを大きくするのが有効であり、30°未満では、スプレー厚みがロール間距離に対して、その比が0.20以上を確保できないため、冷却−復熱の熱振幅が大きくなり、冷却能力が不十分である。
【００１５】
ここで、本発明に従うスプレーノズルと従来ノズルとのスプレー厚み方向における水量分布について説明する。図４は、本発明のノズルを使用した時の水量分布を示したもので、該水量分布は、上記ＡとＢとの間では最大部の20％以上の水量分布が連続している。
【００１６】
これに対して、図５に示す水量分布は、前記ＡおよびＢ間で水量が連続して20％以上にならず、中央部に20％を下回る領域が存在する、従来のスリット開口を２本有するノズルの典型的な水量分布である。このような水量分布では、中央付近の低水量部分において復熱が生じる結果、前記した問題が生じることになる。
【００１７】
一方、図６に示す水量分布は、前記ＡおよびＢ間で水量が連続して20％以上になるものであるが、スプレー厚み角θが30°未満である従来のスリット開口を１本有するノズルの典型的な水量分布である。このような水量分布は、前述したスプレー厚みＬが大きくならないために、冷却能を強化することが難しい。
【００１８】
なお、本発明に従う水量分布をスプレーノズルに与えるには、スリット開口を２本以上有する、いわゆる多条ノズルを用いることが好ましい。従来のスリット開口が１本のノズルでは、スプレーの厚み角度θは25°程度が限界であるが、多条ノズルでは、それ以上の厚み角度の確保が可能であるためである。
【００１９】
ちなみに、図４〜６に示した水量分布を有するスプレーノズルについての仕様と冷却性能は、表１に示すとおりである。
【００２０】
【表１】

【００２１】
さらに、前記Ａ，ＢおよびＣを結んで得られる三角形ＡＢＣが、連続鋳造鋳型下部のロール帯における隣接ロール間に収まる配置の下に、スプレーノズルを配設することが有利である。すなわち、図７に示すように、前記の水量分布に従うスプレーノズルを隣接ロール20間に配置する際、三角形ＡＢＣが隣接ロール20間に収まらないと、水量20％以上の領域のうち同図に斜線で示す領域がロールに当たって鋳片に到達しないことになり、水流の衝突流量が低下するため、冷却水が無駄に消費されることになる。従って、好ましくは、三角形ＡＢＣが隣接ロール20間に内接するように、スプレーノズルを配設するのがよい。このような関係にすることにより、冷却水の無駄を解消できる。
また、有効スプレー厚みＬは、隣接ロール20の軸心間距離Ｌ₀に対し、(Ｌ／Ｌ₀)が0.20以上、好ましくは0.25以上となるようにするのが良い。この比が小さいと、急冷−復熱の熱振幅が大きくなり、鋳片の割れ等を引き起こすからである。
【００２２】
【実施例】
垂直曲げ型スラブ連続鋳造機にて、厚さ220mm×幅1200mmの低炭素鋼(Ｃ含有量：0.04mass％)のスラブを鋳造速度2.5m/minで鋳造する際に、鋳型の下部のロール帯(二次冷却帯：全長30m)の上部 5mの範囲に、表２示す仕様１の本発明に従うスプレーノズルを隣接ロール間にそれぞれ配置し、残るロール帯(二次冷却帯)には、表２に示す仕様２の従来のスプレーノズルを配置して、連続鋳造操業を行った。なお、仕様１のスプレーノズルは、２条スリットで、従来よりもスプレー距離を20mm近づけることによって、水量分布における有効ノズル厚さＬ(前記Ａ，Ｂ間の長さ)を、従来例(仕様２)対比で1.72倍としたものである。
【００２３】
また、比較例として、ロール帯(二次冷却帯)の全てに、表２に示す仕様２の従来のスプレーノズルを配置して、連続鋳造操業を行った。なお、各スプレーノズルからの水量および空気量は、水量：40 l／minおよび空気量：15 Nm³/h・本と一定とした。
これらの連続鋳造操業における、鋳片表面温度降下量、鋳片冷却能力および鋳片の内部割れ発生指数について調査した。
なお、鋳片表面温度降下量は、ロール下５m位置で、鋳片の表面温度を温度計によって測定し比較した。また、鋳片冷却能力は、表面温度測定結果から、伝熱解析により抜熱量を算出して比較した。そして、鋳片の内部割れ発生指数は、鋳片の鋳造方向断面を観察して、内部割れの有無を判定し、内部割れの発生した鋳片の本数比率を求めたものである。
【００２４】
これらの調査結果を表３に示す。この結果から、本発明のノズルを使用することにより、鋳片の品質を損なうことなく、冷却能力を大幅に向上することが可能であることがわかる。
【００２５】
【表２】

【００２６】
【表３】

【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、スプレーノズルにおける水量や空気量の条件を大きく変更することなしに、鋳片に対する冷却能を効率良く強化することができるため、優れた内部品質を有する鋳片を低コストで製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 連続鋳造設備の構成を示す図である。
【図２】 下部ロール帯に配置するスプレーノズルを示す図である。
【図３】 水量分布の測定要領を示す図である。
【図４】 スプレーノズルから供給される冷却水の水量分布を示す図である。
【図５】 スプレーノズルから供給される冷却水の水量分布を示す図である。
【図６】 スプレーノズルから供給される冷却水の水量分布を示す図である。
【図７】 隣接ロール間におけるスプレーノズルの配置を示す図である。
【符号の説明】
１ 鋳型
２ 下部ロール帯
３ スプレーノズル
４ 冷却水
５ 凝固シェル(鋳片)
６ 水槽
７ 仕切板
20 ロール

Claims (2)

1. 連続鋳造鋳型下部のロール帯において、ロール間に配置したスプレーノズルを用いて二次冷却を施すに当り、各スプレーノズルから噴霧される冷却水の、鋳片引き抜き方向の水量分布を、該水量分布の両端から水量分布における最大部の２０％となる始点をそれぞれＡおよびＢとしたとき、このＡとＢとの間では前記最大部の２０％以上の水量分布が連続し、Ａ−Ｂ間の距離をＬ、ロール間距離をＬ _０ としたとき、Ｌ≧０．２０Ｌ _０ 、かつＡ，Ｂおよび噴霧口中心Ｃを結んで得られる三角形ＡＢＣが、連続鋳造鋳型下部のロール帯における隣接ロール間に内接するようスプレーノズルを配置することを特徴とする連続鋳造における二次冷却方法。
2. スプレーノズルは複数の噴霧口を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。

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