JP3974186B2 - 薄形スラブ用高速連続鋳造装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、良質薄形スラブを鋳造するための高速連続鋳造装置の改良に関するものである。
背景技術
厚さ８０ｍｍまでのいわゆる鋼の「薄片」の連続鋳造、特にたとえば約４．５ｍ／分というような高速での鋳造においては、これまでのところ、いくつかの品質問題を生じ易いということが知られている。
このような問題は、鋳型内で形成されるいわゆるシェルであるスラブ表面に次のようないくつかの欠陥を生じさせる：
− 鋳造用粉末の取込みによる縦方向の割れと；
− 鋳造用粉末が溶融されて再度固化した場合の生成物を示す用語であるいわゆる「スラグ」によって形成される離型・絶縁膜の欠如による縦および横方向の割れと；
− 熱応力による縦方向の割れと；
− 銅冷却面が不連続であることによる縦方向の割れ。
これらの品質問題は、主として特殊鋼を損なうものであり、鋳造速度を下げることによって少なくとも部分的に解決されうるが、鋳造速度の低下は生産性の低下を招き、したがって生産効率が低下することになる。また他の考えられる解決策として、鋳型内部においてメニスカスを波動させる液体鋼の波をその波高を低下させることによって平坦化させる「ＥＭＢＲ」（電磁ブレーキ・ルーラ）と呼ばれる電磁装置を使用することができるが、このような装置は非常に高価であり、かつ前記問題を部分的にしか解決しない。しかしながら、さらに他の問題が、鋳型内部において生じる幾何学的および流動的な条件から発生し、その結果として、（液体金属中に浸漬され、一般に「浸漬ノズル」と呼ばれる）鋳造用ノズルの寿命が縮んだり加工効率に悪影響が及んだりする可能性がある。
鋳型と浸漬ノズルと鋳型振動装置とに独立的に対処しても前記問題が体系的かつ十分な態様で解決されえないことは今や明らかである。これらの３つの構成要素は、連続鋳造において重要であるだけではなく、真の「鋳造装置」を形成する上で互いに非常に深く関わりあっており、効果的な解決策は、一体化された装置に全体として対処することによってのみ見つけることができる。
発明が解決しようとする課題
本発明の目的は、薄形スラブを高速で鋳造することが求められる場合に、前記欠点を克服できる鋳造装置を提供することにある。
本発明における改良型の鋳造装置は、一般に、請求項１の特徴と、本発明の特定の局面にしたがって従属請求項に記載されるさらに他の特徴とを有する。
本発明にしたがった鋳造装置の前記およびその他の目的と利点と特徴は、添付図面を参照しながら非限定的な例として示される本発明の好適な実施例に関する以下の詳細な説明から一層明白になろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明にしたがった鋳造装置の側面線図である。
図２は、図１の矢印ＩＩの方向における、浸漬ノズルと組み合わさった鋳型の上部のみの図である。
図３ａ、３ｂ、３ｃは、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおけるメニスカスの水準での同じ断面の線図であって、特に、本発明にしたがった鋳造装置において鋳型と浸漬ノズルとが満たさなければならない幾何学的関係で考慮されなければならないさまざまな部分を示す。
図４は、３本のデカルト座標軸に対する同じ鋳型の平面線図である。
図５ａおよび５ｂは、図４の鋳型の２つの線図であって、冷却装置の管の外囲体がそれぞれ図４のｙ軸およびｚ軸に対して平行な平面における縦断面図および図５ａの線Ｂ−Ｂにおける図に示されている。
発明の実施の形態
図面を参照すると、図１には鋳型１と、以下では常に「浸漬ノズル」と呼ばれる鋳造用浸漬ノズル２と、言うまでもなく鋳造ラインと干渉しないように鋳型本体に締結されて液圧的に駆動される振動装置３とを備えた、本発明に係る鋳造装置が示されている。図１にはまた、浸漬ノズル２と銅壁に沿って形成されるシェルとの間における液体鋼流の通路、すなわちこうして形成される２つの「流路」４の断面が図示されている。
鋳型について、薄形スラブを鋳造する際に発生する主な問題は、前に述べたように、溶融鋼の流量が同じである場合に、スラブの厚さを減じると、単位時間におけるスラブ表面と鋳型壁面との接触が増大し、そのために前記のような離型「スラグ」の必要性が増すことである。実際に、Ｔ１、Ｗ１、Ｖ１がそれぞれ通常のスラブの厚さ、幅、および平均鋳造速度であって、Ｔ２＝Ｔ１／ａ（ａ＞１）、Ｗ２＝Ｗ１およびＶ２＞＞Ｖ１が薄形スラブに関する同等の数量であり、鋼の流れの割合が同じである場合には、
Ｔ２・Ｗ２・Ｖ２＝Ｔ１・Ｗ１・Ｖ１ （Ｉ）
となる。
したがって、単位時間に鋳造される薄形スラブの面積は、
２・（Ｔ２＋Ｗ２）・Ｖ２となり、これは、薄形スラブの厚さがその幅に対して微小であると考えると、２・Ｗ２・Ｖ２に略等しくなる。Ｗ２・Ｖ２の積を式（Ｉ）から得られる値で置換すると、
２・Ｗ２・Ｖ２＝２・（Ｔ１／Ｔ２）・Ｗ１・Ｖ１
＝ａ・（２・Ｗ１・Ｖ１） （ＩＩ）
となる。
上式（ＩＩ）は、ａ＞１の場合に、単位時間にスラブと鋳型との接触面を被覆する離型スラグは厚さに反比例して形成され、したがってスラブが薄いほど大きく形成されることが重要であることを明白に示している。逆に、溶融鋼と鋳造用粉末との間の鋳型の界面は、前記スラグが形成されるメニスカス部分においては厚さが小さいため、中間部分においては浸漬ノズルのために、面積がより小さくなる。
この問題は、スラグの形成を促進させうる鋳造用粉末を用いることによって部分的に解決されうるが、周知の構成においては、浸漬ノズルは、溶融する粉末により形成される溶融スラグと、メニスカスと壁面との間に浸透すると直ちに消費されるスラグとの間で必要とされる均衡を全てのメニスカス部分で保つことができなかった。
本発明によれば、薄形鋳型は、信頼性のある十分な厚さの浸漬ノズルを内包でき、その大型銅板は、メニスカスの水準を取り巻く水平面において該水平面における浸漬ノズルの形状に正確に合致するような形状を有しており、そのために中間部分のあらゆる地点において浸漬ノズルと壁面との間に一定の距離が保たれる。図３ａ、３ｂおよび３ｃを参照すると、このような距離は、実質的にスラグ形成量に比例する鋳造用粉末との界面積と、実質的にスラグ消費量に比例する浸漬ノズルのまわりのスラブ面積との間の比である比Ａ１／Ｓ１（図３ｂ参照）が、浸漬ノズル部分の外側において測定されるＡ２／Ｓ２（図３ｃ参照）と略同一になるように選択される。このため、下記の式が満たされなければならない：
（Ａ１／Ｓ１）／（Ａ２／Ｓ２）＝０．９〜１．１、好ましくは、＝１
たとえば、鋳型が１３００×６５ｍｍであり、かつ幅３００ｍｍの浸漬ノズル（図３ｂおよび３ｃに示されるように信頼性のある６０ｍｍという厚さを持つ）を有する場合は、比Ａ１／Ｓ１＝Ａ２／Ｓ２の最適な値は３０ｍｍとなる。このような比は、たとえば浸漬ノズルの寸法と小さい方の側部の厚さとが一旦確定されれば、メニスカスの水準での水平面における鋳型の形状の傾向を明確にするのに用いられうるか、または、鋳型の形状寸法がわかっている場合には、浸漬ノズルの形状の傾向を判断するのに用いられて、同様に鋳型形状全体に沿って十分に均衡を保ちうる量の離型スラグを確保することができる。
この幾何学的構成は、浸漬ノズルと銅壁に当接して形成されるシェルとの間に形成されて図１に符号４で示される「流路」を十分な大きさにして、しばしば粉末の取込みを招いて前記問題を引き起こす渦が、メニスカス部分での、鋳型の小さい方の側部から中央部に収束する流れの加速によって形成されるのを防ぐことができるため、メニスカス部分における溶融鋼の流れにとっても重要である。
本発明にしたがった鋳造装置に用いられる鋳型は、好ましくは、本出願人の名義の欧州特許第０７０５１５２号の主題となっており、上部において略無限の屈曲半径を持たせて浸漬ノズルを配置しやすくする一方で、垂直状ではなしに円弧状の鋳造案内部に出口を設けることにより、鋳型内部においてすでに形成されているスラブの屈曲をもたらして、鋳造装置の高さを減じ、以って溶融鋼の静圧およびスラブの型張りの可能性を小さくするという利点が得られるような縦方向の可変屈曲部を有する鋳型であることに注目されたい。前記特許出願によれば、前記屈曲部は、鋳型の注入口の無限の半径から鋳造案内部に対応する屈曲半径Ｒ₀（図１）へと漸増的かつ均一な態様で徐々に変化しており、これによってスラブの固化した外側シェルに対する過剰な応力と、鋳型の銅壁との不完全な接触の可能性との両方が防がれる。
対象となっている技術問題を解決するためには、鋳型板を冷却する装置は特に重要であり、薄形スラブ（鋳型の冷却面全体における平均値が最大３ＭＷ／ｍ²）に特有の高熱束に耐えながら、冷却作用をメニスカス部分において促進して銅の割れを防ぎ、しかもこれを鋳型全体にわたって十分に均一化してスラブの熱応力を防ぐことができなければならない。
図４を参照すると、鋳造製品の表面と鋳型との間における特定の法線熱束（ｄｑ_n）を考察すると、
ｄｑ_n＝ｄｑ／ｄＡ［Ｗ／ｍ²］
となる。
この熱束は、銅板の高温面の局部表面温度の関数でもあり、さらにまた冷却水が流れる管からの距離にも従属する。
図３からわかるように、ｚが鋳型底部の方向に向かう下向きの軸であるデカルト座標軸系ｘ、ｙ、ｚを用いて、鋳型により形成される複素面ｆ（ｘ、ｙ、ｚ）を考えると、局部表面温度はｔ＝ｔ［ｆ（ｘ、ｙ、ｚ）］のように局部的に変化する。
熱束ｄｑｎは、鋳型表面に属する水平線（ここで、ｚ＝ｚ₀）に沿ってできるだけ一定に維持されなければならないこと、すなわち温度ｔは前記線に沿って実質的に一定に維持されなければならないことから、
ｔ＝ｔ［ｆ（ｘ、ｙ、ｚ₀）］＝ｔ₀
となり、これは、本発明にしたがって、銅の高温面のあらゆる地点において冷却管Ｗの全ての端部の理想表面外囲面Ｅから該高温面に対して垂直な法線距離Ｎｄを同一に保つことによって達成される（図５ａ、５ｂ）。したがって、Ｎｄ＝定数でなければならず、実験により、冷却装置の前記条件を達成するためには、この定数の最適値を１０〜２５ｍｍの範囲としなければならないことがわかった。
浸漬ノズルに関しては、鋳型に対する前記寸法条件の他にも、溶融鋼流の最適な動態が得られるように設計しなければならない一方で、さらにまた漸進的なシェル形成と浸漬ノズル自体の寿命をも考慮しなければならない。実際には、スラブの厚さを減じた直後に、鋳型内部での液体の動きに関わる問題が増加し、その結果としてメニスカス部分において定常波が形成されて、そのために液体スラグの厚さの局部的減少が起こりうることが知られており、このことは凝固していくスラブのシェルの離型と絶縁とに悪影響を及ぼす。
本出願人の名義の特許出願第ＰＣＴ／ＩＴ−９７／００１３５号の主題である薄形スラブ用浸漬ノズルは、鋳造において低い出口エネルギーおよびスラブの液体体積中での高い散逸確率と、浸漬部分の側部形状による流れ案内性の向上（したがって渦形成および粉末の取込みの防止）と、さらにまた鋳型内における液位制御性の向上とを実現する幾何学的特徴を有する。また、注湯量が安定し、流れが実質的に２つの流れに分割され、酸化物の付着が微少であるために浸漬ノズル内部の初期表面が維持され；さらにまた、これらの良好な流動条件の結果として、メニスカス部分における外側の機械的な洗われの度合いが小さくなる。
本発明によれば、鋳型および浸漬ノズル装置の最適な設計は、前記条件に加えて、定常波の高さ（ｍｍを単位とする波高値）とｍ／秒を単位とする鋳造速度との間の比が、３．３を平均値として、決して５を超えないような設計である。
さらに、鋳型水準の標本化信号に関して測定されてｓｔｄＤＥＶ（ＭＬ）で示される標準偏差は、通常は下記の値の範囲とされる：
ｓｔｄＤＥＶ（ＭＬ）＝０．７〜１．５ｍｍ
最後に、第３の装置構成要素である振動装置３に関しては、これもまたスラブの表面品質および連続鋳造工程の信頼性における極めて重要な要素として考慮されなければならない。図１を参照すると、この振動装置は、床に蝶番付けされるとともに、液圧サーボ制御装置５により駆動される骨組み３ａによって形成されうる。骨組み３ａは、鋳型支持部３ｂにも蝶番付けされて、以って両端部に嵌め込まれる１組のばねと共に一種の四辺形を形成する。
制御の柔軟性は、波形に関する振動パラメータと、±２ｍｍと±１０ｍｍとの間における波の振幅と、振動プログラムとを変更可能にするプログラム論理制御装置によって確保される。この制御装置は、実際の鋳造速度値を連続的に記録して、以前のパラメータに基づいて振動周波数を制御するようになっている。最大振動周波数は、動的システム全体の初期固有周波数である１６．７Ｈｚに対して４８０〜５２０ストローク／分もの高さに達した。この柔軟性により、あらゆる品質の鋼に関して、鋳造速度の関数として適切な離型および表面品質が得られるように振動パラメータを調節することができるようになる。
これに代わる方法として、振動装置は、鋳型をレバー装置を用いずに撓みばねの上に直接取り付けて、液圧サーボ制御装置により、隙間のない状態で、したがって極めて正確な経路に沿って該弾性装置の固有周波数に近い周波数で振動させるいわゆる「共振」型であってもよい。
本発明の範囲から逸脱することなしに、上記に説明されかつ図示された実施例に対して、考えられる追加および／または改変が当業者により加えられうる。特に、前記幾何学的関係が維持されることを条件に、鋳型そのものが垂直面において欧州特許第０７０５１５２号に開示された形状とは異なる形状を有していてもよく、浸漬ノズルは特許出願第ＰＣＴ／ＩＴ−９７／００１３５号に開示されかつ請求されたものとは相違してもいてもよい。

Claims (7)

1. 小さい厚さと高い速度とに特に適している、大きい方の側部が銅板壁により形成された連続鋳造用鋳型（１）と、浸漬吐出口を有する注湯ノズルである浸漬ノズル（２）と、液圧サーボ制御装置により駆動される振動装置（３）とからなる鋼スラブ連続鋳造用装置一式において、少なくともメニスカスの水準での鋳型の水平断面の中央部分において、浸漬ノズル（２）と銅板との間の距離が一定に保たれ；しかも、前記メニスカスの水準での前記鋳型の水平断面の表面中央部分に対応する、前記鋳型の大きい方の側部と前記浸漬ノズル（２）との間に挟まれた部分の面積（Ａ１）と、前記面積（Ａ１）に対応する前記鋳型の外側部分の長さの合計値（Ｓ１）との間の比が、前記メニスカスの水準での前記鋳型（１）の水平断面の残りの面の面積（Ａ２）と、前記面積（Ａ２）に対応する前記鋳型の周縁部の長さの合計値（Ｓ２）との比の０．９〜１．１倍であり；さらにまた、前記鋳型の壁の各地点と、冷却管（Ｗ）の全ての端部の理想表面外囲面（Ｅ）との間の法線距離（Ｎｄ）が一定であることを特徴とする薄形スラブ用高速連続鋳造装置。
2. 請求項１に記載の鋳造装置において、前記比Ａ１／Ｓ１およびＡ２／Ｓ２が実質的に等しいことを特徴とする鋳造装置。
3. 請求項１又は２に記載の鋳造装置において、前記定数値Ｎｄが１０〜２５ｍｍの範囲であることを特徴とする鋳造装置。
4. 請求項１又は３に記載の鋳造装置において、前記鋳型内において前記メニスカスに形成される定常波の高さをｍｍ単位で測定した波高値と、ｍ／秒を単位とする鋳造速度との間の比が、３．３を平均値として５を超えないことを特徴とする鋳造装置。
5. 請求項４に記載の鋳造装置において、鋳型水準の標本化信号に関して測定される標準偏差が、０．７〜１．５ｍｍの範囲であることを特徴とする鋳造装置。
6. 請求項１から５までの何れかに記載の鋳造装置において、前記振動装置が、振動波の振幅を±２ｍｍと±１０ｍｍとの間において変動させうる液圧サーボ制御装置（５）を備えた四辺形のレバー装置（３ａ，３ｂ，３ｃ）により形成されていることを特徴とする鋳造装置。
7. 請求項１から５までの何れかに記載の鋳造装置において、前記振動装置（３）が、前記鋳型（１）が撓みばねの上に直接取り付けられていて、液圧サーボ制御装置により、隙間を空けずに、前記弾性装置の固有周波数に近い周波数で駆動される共振型であることを特徴とする鋳造装置。

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