JP4265412B2

JP4265412B2 - 金属の連続鋳造方法

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Publication number: JP4265412B2
Application number: JP2004009497A
Authority: JP
Inventors: 友一塚口
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: JP2005199325A

Description

本発明は、浸漬ノズルを用い、鋳型内の溶融金属を電磁攪拌しながら鋳造する連続鋳造方法に関し、さらに詳しくは、内部に旋回羽根を有する浸漬ノズルにより溶融金属に旋回流を付与し、電磁攪拌により鋳型内の水平面内で溶融金属に循環流を形成させながら鋳造する金属の連続鋳造方法に関する。

浸漬ノズルを用いた金属スラブの連続鋳造において、浸漬ノズル内に旋回羽根を設け、浸漬ノズル内の溶融金属に旋回流を付与することにより、鋳型内における溶融金属に安定した流動を形成できる。例えば、特許文献１および特許文献２には下記の技術が開示されている。すなわち、特許文献１には、浸漬ノズル内の溶鋼流に旋回を付与するための捩りテープ状の部品を備えた浸漬ノズル、および２口型吐出孔を有し、吐出孔にいたる内壁面が縦断面において円弧状の末広がり形状を有する浸漬ノズルが開示されている。また、特許文献２には、内部に捩り板型旋回羽根を設置した浸漬ノズルであって、旋回羽根捩りピッチ、旋回羽根捩り角、旋回羽根の外径、旋回羽根の厚み、旋回羽根下端と吐出孔との間において内径が絞られた後の横断面積、およびタンディッシュと鋳型間の必要ヘッド予測値を規定した連続鋳造用浸漬ノズルが開示されている。

しかしながら、従来の技術は、主として鋳型内電磁攪拌を行わない条件下での鋳造方法であり、特許文献２の請求項１１および１２には鋳型内電磁攪拌と旋回羽根付き浸漬ノズルとを組み合わせた鋳造方法についての記述があるものの、さらなる検討が必要であった。

また、スラブの連続鋳造における鋳型内電磁攪拌の適用に関しては特許文献３、特許文献４、特許文献５などに多くの開示がある。例えば、特許文献３には、メニスカス近傍の鋳型内溶鋼を凝固シェルの内周面に沿って水平方向に回転する流れを生じさせるように鋳型外側に電磁攪拌装置を設置し、浸漬ノズルには底部に下方に向けて吐出口を設け、吐出口の断面積を規定して、この吐出口が電磁攪拌装置よりも下方に位置するように浸漬ノズルを配置して溶鋼を鋳型内の下方に向けて注入する連続鋳造方法が開示されている。

特許文献４には、溶鋼流路が逆Ｙ字型の浸漬ノズルを溶鋼に浸漬し、鋳型の狭面に向かって溶鋼を吐出するとともに、鋳片の引き抜き方向に推力を発生する電磁攪拌装置を、メニスカスから所定の距離内に設置する電磁攪拌方法が開示されている。また、特許文献５には、鋳型内で移動磁界が水平方向に移動するように電磁攪拌コイルを設置し、移動磁界の進行方向を所定の時間間隔で反転させることにより、凝固シェル界面近傍の溶鋼に水平方向に反転する流れを付与する連続鋳造における鋳型内溶鋼の攪拌方法が開示されている。しかしながら、上記の電磁攪拌の適用技術は、以下の２点の問題を有していた。

スラブの連続鋳造における鋳型内電磁攪拌技術の第１の問題は、鋳型内流動に大きな影響をおよぼす浸漬ノズルからの吐出流を制御できないため、浸漬ノズルからの吐出流が不安定になると、操業およびスラブの品質の両面で悪影響が生じることである。つまり、電磁攪拌など鋳型内において電磁気力を利用する流動制御技術は、浸漬ノズル吐出孔からの吐出流を安定化する技術と組み合わされなければ、その効果を安定して発揮することができない。

スラブの連続鋳造における鋳型内電磁攪拌技術の第２の問題は、浸漬ノズルからの吐出流が形成する鋳型内流動と、鋳型内電磁攪拌により形成される鋳型内流動とが干渉することである。

図１は、鋳型内において浸漬ノズルからの溶融金属の吐出流と電磁攪拌により形成される溶融金属の循環流との干渉を模式的に示す図であり、同図（ａ）は電磁攪拌がない場合の鋳型縦断面内における流動を、同図（ｂ）は電磁攪拌がない場合のメニスカス平面における反転流を、同図（ｃ）は電磁攪拌により形成されるメニスカス平面における循環流を、そして、同図（ｄ）は吐出流による反転流と電磁攪拌による循環流とのメニスカス平面における干渉を、それぞれ示す。

鋳型内の電磁攪拌を行わない場合には、浸漬ノズル２により連続鋳造鋳型１内に注入された溶融金属は、図１（ａ）および同図（ｂ）に示されるとおり、浸漬ノズル吐出孔３から鋳型１内に吐出され、その一部は反転流４および５を形成する。そして、連続鋳造鋳型１の内面に凝固シェル６を形成する。

これに対して、鋳型長辺面の外側に水平方向に移動磁界を発生する電磁攪拌装置を設置して溶融金属に推力を付与し電磁攪拌する場合には、同図（ｃ）に示されるとおり、電磁攪拌による溶融金属の流れ７、９、８および１０が形成され、メニスカス平面において循環流をなす。したがって、同図（ｄ）に示すとおり、電磁攪拌による流れ７と反転流４とが衝突する位置１１、および電磁攪拌による流れ８と反転流５とが衝突する位置１２において、流れの停滞や波立ちが発生し、これらが鋳造操業や鋳片品質に悪影響をおよぼすのである。

この問題を解消するための方法として、例えば特許文献６には、浸漬ノズルの内部縦孔の下部に一対の鋳型幅方向に向かう下向きの吐出孔と、底部に吐出孔と連通するスリット状開口部を備えた浸漬ノズルを使用することにより、鋳型短辺に向かう溶鋼の吐出流を緩和し、鋳型内溶鋼に電磁力を付与して溶鋼を攪拌しながら鋳造する方法が開示されている。また、特許文献７および８には、鋳型内の上部に電磁攪拌装置を、下部に静磁場発生装置を設置し、先端を解放したストレート型浸漬ノズルの吐出口を電磁攪拌装置と静磁場発生装置との間に位置させ、鋳型内の上部では溶鋼に流動を付与するとともに、下部では溶鋼の下向きの流動を制動しながら鋳造する方法が開示されている。

しかしながら、上記の特許文献６に開示された方法は、細いスリット状開口部がＡｌ₂Ｏ₃などの非金属介在物により詰まりやすいという問題がある。また、ストレート型浸漬ノズルと静磁場発生装置（電磁ブレーキ）とを組み合わせる方法は、鋳型の周囲に電磁撹装置と静磁場発生装置の２種類の装置を設ける必要があり、設備費が高くなる。

ＷＯ９９／１５２９１号公報（特許請求の範囲および図１〜図８）

特開２００２−２３９６９０号公報（特許請求の範囲および段落〔００１０〕〜［００１３］）特開平７−１１２２４８号公報（特許請求の範囲および段落［００１１］）特開平１０−１６６１１９号公報（特許請求の範囲および段落〔００１０〕）特開平７−１６４１１９号公報（特許請求の範囲ならびに段落〔００１２〕および［００１３］）特開２００１−２０５３９６号公報（特許請求の範囲および段落〔０００６〕）特開平７−１１２２４６号公報（特許請求の範囲および段落〔００１７〕）特開平７−１１２２４７号公報（特許請求の範囲および段落〔００１２〕） K.Takatani te al. ISIJ Int., Vol.41(2001), p1252

前述のとおり、従来の鋳型内電磁攪拌技術には下記の２つの問題が残されている。すなわち、(a)浸漬ノズルからの吐出流を安定化させる制御技術が不十分であること、および(b)浸漬ノズルからの吐出流により形成される鋳型内流動と、鋳型内電磁攪拌により形成される鋳型内流動とが干渉することである。

本発明は、上記の問題を同時に解消するためになされたものであり、その課題は、浸漬ノズルからの溶融金属の吐出流を安定化させると同時に、ノズルからの吐出流が電磁攪拌による流れと干渉せずに、メニスカスにおいて流動の停滞域を形成しない金属の連続鋳造方法を提供することにある。

本発明者は、上述の課題を解決するために、従来の問題点を踏まえて、鋳型内における溶融金属の吐出流を安定化させ、しかも、ノズルからの吐出流が電磁攪拌による流れと干渉しない連続鋳造方法を研究し、下記の（ａ）〜（ｅ）の知見を得て、本発明を完成させた。

（ａ）内部に旋回羽根を有する浸漬ノズルの吐出孔出口幅を拡大すると、溶融金属の浸漬ノズル内における旋回運動の影響により、吐出流が旋回方向（円周方向）の速度成分により旋回方向に広がることにより流速が減衰するので、電磁攪拌により形成される流れとの干渉が生じにくくなる。

（ｂ）前記（ａ）の吐出孔出口幅については、（吐出孔出口幅／吐出孔部における浸漬ノズル内径）の値が０．８〜１．４の範囲となるように調整するのが適切である。吐出流の流速が減衰して電磁攪拌により形成される流れとの干渉が生じにくくなり、しかも、浸漬ノズルの底部を支える強度を確保できるからである。

（ｃ）浸漬ノズル吐出孔の上側内壁面のノズル軸方向断面は、曲率半径が４０〜１５０ｍｍの丸みを有し、吐出孔の下側内壁面は、下向き３０度〜上向き２０度の範囲の形状が好ましい。溶融金属の吐出流がノズルの壁面から剥離しにくく、流れに淀み域が生じにくいからである。また、吐出孔出口における溶融金属の平均流速は０．５〜１．８ｍ／ｓであることが好ましい。ノズル内部から吐出孔出口の間において、溶融金属の流れに淀み域が形成されにくく、かつ、電磁攪拌により形成される流れとの干渉も生じにくいからである。

（ｄ）浸漬ノズル内の溶融金属旋回流の水平面内の回転方向と、電磁攪拌により形成される鋳型内水平面内の循環流の方向とが逆方向の場合は、水平面への吐出孔中心軸の射影が鋳型長辺面となす角度が、浸漬ノズル内の溶融金属旋回流の水平面内の回転方向を正方向として、−５度以上５度以下であることが好ましい。

（ｅ）浸漬ノズル内の溶融金属旋回流の水平面内の回転方向と、電磁攪拌による鋳型内水平面内の循環流の方向とが同一方向の場合は、水平面への吐出孔中心軸の射影が鋳型長辺面となす角度が、浸漬ノズル内の溶融金属旋回流の水平面内の回転方向を正方向として、−１５度以上０度以下であることが好ましい。

上記（ａ）および（ｂ）を満たす場合は、浸漬ノズルからの吐出流は旋回方向に広がって、鋳型短辺面に到達するまでの間にその流速が減衰するので、反転流が電磁攪拌により形成される流れと干渉することを防止できる。さらに、上記（ｄ）または（ｅ）を満足するときは、鋳型短辺面へ向かう吐出流と電磁攪拌により形成される流れとが対向して干渉することも同時に防止できるので、より安定した鋳型内流動が得られる。

水平面への吐出孔中心軸の射影が鋳型長辺面となす角度が上記（ｄ）および（ｅ）において重複する範囲（すなわち、−５度〜０度）にあるときは、吐出流は、ほぼ鋳型長辺面に平行に吐出されるので、電磁攪拌により形成される循環流の方向は、正逆いずれの方向であっても構わない。ただし、旋回羽根を有するノズルの仕様や鋳造条件によって差異はあるものの、吐出流は、厳密には、いずれかの長辺面に向かう傾向を有するので、鋳型短辺面に向かう吐出流が電磁攪拌により形成される流れと干渉しにくい電磁攪拌の方向を見極めて電磁攪拌を適用するのが好ましい。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）に示す金属の連続鋳造方法にある。

（１）浸漬ノズルの底部近傍の側壁に対向する１対の吐出孔を有し、該ノズルの内部で該吐出孔よりも上部に旋回羽根を有する浸漬ノズルを用い、鋳型長辺面の外側に配置した電磁攪拌装置により鋳型内の溶融金属を攪拌しながら鋳造する矩形横断面を有する鋳片の連続鋳造方法であって、該浸漬ノズルの吐出孔は、その上側内壁面の浸漬ノズル軸方向断面が曲率半径４０〜１５０ｍｍの丸みを有し、その下側内壁面の浸漬ノズル軸方向断面が吐出孔の内部から外部に向かって、浸漬ノズル軸に垂直な面に対して下向き３０度〜上向き２０度の範囲の角度をなす形状を有し、平均吐出孔出口幅と吐出孔部におけるノズル内径との比、（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値が０．８〜１．４であって、電磁攪拌を行うことにより鋳型内の溶融金属に水平面内で回転する循環流を形成させながら鋳造するとともに、水平面への前記吐出孔の２つの中心軸の射影が鋳型長辺面となす角度の平均値が、浸漬ノズル内の溶融金属旋回流の水平面内の回転方向を正方向として、−５度以上５度以下であり、浸漬ノズル内の溶融金属旋回流の水平面内の回転方向と、電磁攪拌により形成される鋳型内水平面内の溶融金属の循環流の方向とが逆方向であり、電磁攪拌により形成される鋳型内流れと短辺反転流との干渉が生じず、さらに、吐出孔出口における溶融金属の平均吐出流速を０．５〜１．８ｍ／ｓとすることを特徴とする金属の連続鋳造方法（以下、「本願発明」と記す）。

なお、本発明において、「旋回羽根」とは、浸漬ノズル内を通過する溶融金属の流れに対して、浸漬ノズルの周方向の流速成分を与えることが可能な羽根をいう。旋回羽根の形式は、浸漬ノズルの軸の周りに捩れた「捩れ板羽根型」、「螺旋羽根型」、「プロペラ型」などの何れであってもよい。

「平均吐出孔出口幅」とは、吐出孔の形状が正方形または矩形の場合にはその幅を、台形の場合には上底と下底との平均値を、また、円または長円形の場合には面積の等価な正方形の一辺または長方形の幅をそれぞれ意味する。また、矩形あるいは台形の吐出孔の角部が丸みを有する場合には、丸みの影響により幅が減少することを考慮して平均吐出孔出口幅を算出することとする。

「水平面内で回転する循環流」とは、溶融金属の鋳型内における循環流の水平方向の速度成分が水平面内において回転する循環パターンを形成する流動を意味する。
「水平面への吐出孔中心軸の射影が鋳型長辺面となす角度が０度」の場合とは、水平面への吐出孔中心軸の射影が鋳型長辺面と平行な場合を意味するものとする。

本発明の方法によれば、浸漬ノズル内に溶融金属の旋回流を形成させることにより鋳型内流動を安定化させるとともに、ノズルの吐出孔出口幅を拡大して吐出流を旋回方向に広げることによりその流速を減衰させることができるので、鋳型内電磁攪拌と適正に組み合わせることによって、鋳型内に安定した淀みのない流動を形成することができる。また、吐出孔における平均流速や吐出孔形状を適正化することによって、吐出孔へのＡｌ₂Ｏ₃などの介在物の付着を抑制し、長時間鋳造においても吐出孔の閉塞を防止できるので、設計どおりの鋳型内流動が確保され、安定した連続鋳造操業下において高品質の鋳片を製造することが可能となる。

前述のとおり、本発明は、浸漬ノズルの底部近傍の側壁に対向する１対の矩形形状の吐出孔を有し、ノズルの内部で吐出孔よりも上部に旋回羽根を有する浸漬ノズルを用い、鋳型長辺面の外側に配置した電磁攪拌装置により鋳型内の溶融金属を攪拌しながら鋳造する矩形横断面を有する鋳片の連続鋳造方法であって、（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値が０．８〜１．４の浸漬ノズルを用い、電磁攪拌を行うことにより鋳型内の溶融金属に水平方向に回転する循環流を形成させながら鋳造する金属の連続鋳造方法である。以下に本発明の連続鋳造方法についてさらに詳細に説明する。

本発明者は、旋回羽根を有するノズルからの吐出流と電磁攪拌により形成される流れとが干渉しない方法について、モデル実験および電子計算機による流動シミュレーションにより検討を重ね、本発明を完成させた。

図２は、旋回羽根を有する浸漬ノズルを用い、鋳型内電磁攪拌を行いながら溶融金属を鋳造する本発明の連続鋳造方法の一例を示す図であり、同図（ａ）は浸漬ノズルおよび鋳型内部の縦断面を、また、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ断面を模式的に示す。

吐出孔部におけるノズル内径Ｄ１およびノズル外径Ｄ２を有する浸漬ノズル２内に供給された溶融金属は、旋回羽根２１により旋回力を付与され、旋回流１４の方向に旋回運動をしながら降下し、吐出孔出口幅Ｗおよび吐出孔出口高さＨを有する浸漬ノズル吐出孔３から鋳型１内に吐出される。前記のとおり、浸漬ノズル吐出孔３の上側内壁面２２の浸漬ノズル軸方向断面は、曲率半径Ｒの丸みを有する形状であることが好ましく、また、その下側内壁面２３の浸漬ノズル軸方向断面は、吐出孔３の内部から外部に向かって、ノズル軸に垂直な断面に対して傾斜角αを有する形状であることが好ましい。なお、同図（ａ）における符号１３は溶融金属のメニスカスを、また、同図（ｂ）における一点鎖線２４は吐出孔中心軸を、そして、符号１０１および１０２は、それぞれ鋳型長辺面および鋳型短辺面を表す。

以下に、本願発明を前記の範囲に限定した理由およびその好ましい範囲について説明する。

１）（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値が０．８〜１．４：
吐出孔の出口幅は、吐出孔部における浸漬ノズル内径の０．８倍以上とする必要がある。溶融金属の吐出流が浸漬ノズルの円周方向の速度成分により、旋回方向（円周方向）に大きく広がり、吐出流の速度が減衰するので、電磁攪拌により形成される攪拌流との干渉が生じにくくなるからである。なお、（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値は、０．９以上とすることが好ましい。

一方、（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値は、１．４以下とする必要がある。吐出孔出口幅がノズル内径に比して大きくなると、吐出流の速度を減衰させる効果は大きくなるが、（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値の増加は、吐出孔側壁が吐出孔出口に向かって拡大するなど、吐出孔側壁を構成する耐火物部分の横断面積の減少を意味し、浸漬ノズルの底部を支える吐出孔側壁の強度低下につながる。したがって、ノズル底部を支える側壁の横断面積を確保するため、（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値を１．４以下とする必要がある。

また、（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値を１．４以下とする別の理由は、以下のとおりである。すなわち、上記の値が１．４を超えて大きくなるほど、吐出孔断面積は内部から出口に向かって急激に拡大することを意味し、このように急激に流路が拡大すると、吐出流が吐出孔側壁から剥離して淀み域が形成され、Ａｌ₂Ｏ₃などの非金属介在物が付着しやすくなる。したがって、これらの非金属介在物の付着を抑制するためには、上記の値を１．４以下とする必要がある。

なお、（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値は、１．２以下とすることが好ましい。

２）吐出孔出口における平均吐出流速が０．５〜１．８ｍ／ｓ、吐出孔の上側内壁面の曲率半径が４０〜１５０ｍｍ、吐出孔の下側内壁面の傾斜角度が下向き３０度〜上向き２０度：
旋回羽根を有するノズルにおいて、ノズル内部から吐出孔出口において流れの淀み域を形成させないためには、吐出孔出口における溶融金属の平均吐出流速が０．５ｍ／ｓ以上であり、吐出孔の上側内壁面のノズル軸方向断面が曲率半径４０ｍｍ以上の丸みを有し、吐出孔の下側内壁面のノズル軸方向断面が下向き３０度以上の上向き角度を有する必要がある。

これは、吐出孔出口における溶融金属の平均流速が０．５ｍ／ｓ未満では、付着しよう
とするＡｌ₂Ｏ₃などの非金属介在物を洗浄する作用が弱まるからであり、また、吐出孔上側内壁面が丸みを有していても、その曲率半径が４０ｍｍ未満では、吐出流が小さな曲率半径の壁面に沿って急激に方向を変えることが難しく、溶融金属の流れが壁面から剥離して淀み域を生じやすくなるからである。さらに、吐出孔下側内壁面の傾斜角度が下向き３０度を超えて下向きになると、旋回流に作用する遠心力により半径方向に広がりつつ吐出しようとする吐出流が下側内壁面に沿いきれずに流れが剥離し、淀み域を生じやすくなる。

一方、吐出孔出口における平均吐出流速が１．８ｍ／ｓを超えて大きくなると、吐出流により鋳型内に形成される流れが強くなり、電磁攪拌により形成される流れとの干渉が生じやすくなる。また、吐出孔上側内壁面の丸みの曲率半径が１５０ｍｍを超えて大きくなると、ノズル肉厚の薄い領域が広くなり、耐火物の強度や耐食性が低下する。さらに、吐出孔下側内壁面の傾斜角度が上向き２０度を超えて上向きになると、吐出孔下側内壁面に跳ね上げられる吐出孔下部の流れと吐出孔上側上壁の丸み形状に沿った斜め下向きの流れとの干渉が強くなり、吐出流が不安定になる。

吐出孔出口における平均吐出流速の好ましい範囲は０．８〜１．６ｍ／ｓであり、吐出孔上側内壁面の曲率半径の好ましい範囲は６０〜１２０ｍｍであり、吐出孔下側内壁面の傾斜角度の好ましい範囲は下向き１５度〜上向き１５度の範囲である。

３）ノズル内旋回流の回転方向と電磁攪拌による鋳型内循環流の方向とが逆方向の場合は、水平面への吐出孔中心軸の射影が鋳型長辺面となす角度が−５度以上５度以下：
図３は、浸漬ノズル吐出孔の鋳型に対する方位を説明するための模式図である。浸漬ノズル２の吐出孔３の中心軸２４が水平面に形成する射影が鋳型長辺面１０１となす角度θを、浸漬ノズル内の溶融金属旋回流の水平面内の回転方向を正（＋）として定義した。

浸漬ノズル内の溶融金属旋回流の水平面内の回転方向１４と、電磁攪拌により形成される鋳型内水平面内の循環流７および８の方向とが逆方向の場合は、水平面への吐出孔中心軸の射影が鋳型長辺面となす角度θは、−５度以上５度以下とする必要がある。その理由は、吐出流が形成する反転流と電磁攪拌により形成される流れ７、８との干渉を防止できるのみならず、鋳型短辺面に向かう吐出流と電磁攪拌により形成される流れ７、８とが対向して干渉することをも同時に防止することができるので、さらに一層安定した鋳型内流動が得られるからである。

溶融金属の流動パターンの形成を実機の鋳型内溶融金属の流速を測定することによって検証することは難しいため、本発明においては、以下に示すとおり、電子計算機を用いた流動シミュレーションを行い、その結果により本発明の連続鋳造方法の効果を評価した。

１）流動シミュレーションおよび結果の評価方法
流動シミュレーションは溶鋼の連続鋳造を対象として行った。鋳型サイズは、後述の表１に示すとおり、鋳型長辺長さを１２５０ｍｍ〜２３００ｍｍ、同短辺長さを２１０ｍｍ〜２７０ｍｍの範囲とし、鋳型長さは９００ｍｍとした。溶鋼のメニスカス高さは鋳型上端から１００ｍｍとし、リニアモータ型電磁撹拌コイルを、鋳型幅全面につき鋳型上端から２００ｍｍ〜６００ｍｍの範囲に設置して、鋳型の対向する長辺面で鋳型幅方向に逆向きとなる移動磁界による駆動力を溶鋼に与え、メニスカスを含む水平面内において溶鋼に循環流が形成されるように攪拌した。

電磁撹拌の強さは、鋳型内に吐出流が形成する流れが存在せず、一定厚みの凝固シェルと静止溶鋼が存在する初期条件のもとで、１ヘルツの周波数で電磁攪拌力を印加したときのメニスカスにおける溶鋼流速の最大値が０．５ｍ／ｓとなる電流条件に定めた。

溶鋼の流動シミュレーションは、以下に示す主な前提のもとに、非特許文献１に記載された解析モデルをベースとしてシミュレーションモデルを構成し、計算を実施した。

(1)溶鋼は非圧縮性流体であり、流体および固体の密度および比熱は一定である。(2)溶鋼にはローレンツ力が作用する。(3)固液共存相内における溶鋼の通過抵抗にはダルシー則が適用できる。(4)固相率が０．８以上の領域は固体とみなすことができ、固体部分は、引き抜き速度で剛体的に移動する。(5)気泡は分散相を形成し、気泡の運動は、Basset-Boussinesq-Oseen-Tchenの式に従う。(6)Ａｒガス吹き込み量は０．５ＮＬ／ｍｉｎとし、気泡径は１ｍｍとする。(7)乱流モデルとしてLarge Eddy Simulation(LES)を採用し、乱流プラントル数は１とする。(8)凝固温度は、てこの原理に基き算出できる。

解析アルゴリズムには時間進展法を用い、離散化には境界適合格子を用いて境界面に垂直な方向に定義したスタガード格子を採用した。また、壁の境界条件には壁関数を用いた。このようにして計算された流れ場が周期的な変動を示す状態まで計算した後、流れ場の時間平均値を求めて流動状況を評価した。

表１に本発明のシミュレーション条件およびシミュレーション結果を示す。

同表において、「電磁攪拌流と短辺反転流との干渉」とは、浸漬ノズルからの吐出流が鋳型短辺近傍で上昇しメニスカス近傍を鋳型短辺から浸漬ノズルの方向に向かって流れる流れ（以下、「短辺反転流」とも記す）と、電磁攪拌により形成されるメニスカス近傍の水平面内で回転する循環流（以下、「電磁攪拌流」とも記す）とが、後述するメニスカス内の２カ所の位置において対向し、衝突する流動パターンの形成をいう。上記の「流れの干渉の有無」は、以下に述べる方法により判定した。

図４は、電磁攪拌による溶鋼循環流の回転方向が右回り（時計方向）の場合における流れの干渉の有無の判定方法を示す図であり、また、図５は、電磁攪拌による溶鋼循環流の回転方向が左回り（反時計方向）の場合における流れの干渉の有無の判定方法を示す図である。

前記条件の電磁攪拌力を印加した鋳型内に、表１に示すそれぞれの形状の浸漬ノズルを用いて溶鋼を供給したとき、メニスカスの上方から見て溶鋼に形成される電磁攪拌流７および８が右回りの場合には、図４に示されるとおり、鋳型短辺１０２から１００ｍｍを隔てた位置からＷ１／４（ここで、Ｗ１は鋳型長辺長さ）までの範囲で、かつ鋳型長辺１０１からＷ２／２（ここで、Ｗ２は鋳型短辺長さ）までの範囲の斜線部で示されるＡおよびＢの２カ所の領域内において、電磁攪拌流に対向する５ｃｍ／ｓ以上の流速成分が見出されたときに、電磁攪拌流と短辺反転流との干渉が有ると判定した。

同様に、電磁攪拌流７および８が左回りの場合には、図５に示されるとおり、斜線部で示されるＣおよびＤの２カ所の領域内において、電磁攪拌流に対向する５ｃｍ／ｓ以上の流速成分が見出されたときに、電磁攪拌流と短辺反転流との干渉が有ると判定した。

なお、旋回羽根を有するノズル内には、円周方向の速度成分が半径に比例し、下降流速が全ノズル断面で均一な旋回流が形成されているとし、ノズル内壁直近における円周方向速度成分の最大値は下降流速の０．８倍とした。

２）シミュレーション結果
表１におけるケース番号ＡおよびＢは、本発明で規定する範囲を満足する本発明例であり、ケース番号Ｃ、ＤおよびＥは、参考例であり、ケース番号Ｆ〜Ｈは、本発明で規定する範囲を外れる比較例である。

本発明例のケース番号ＡおよびＢ、ならびに参考例のケース番号Ｃ、ＤおよびＥは、浸漬ノズルの（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値が本発明で規定する適正な範囲に存在するので、ノズル吐出孔からの吐出流は旋回方向（円周方向）に広がり、その流速は減衰されながら吐出される。したがって、鋳型内の電磁攪拌流と短辺反転流との干渉を生じることがなく、淀み域のない理想的なメニスカス流速分布が実現されている。

特に、吐出孔上側内壁面の形状が曲率半径４０〜１５０ｍｍの範囲の丸みを有し、吐出孔下側内壁面の角度が下向き３０度〜上向き２０度の範囲にあり、しかも平均吐出流速が０．５〜１．８ｍ／ｓの範囲にあるケース番号ＡおよびＢは、実機での連続鋳造において吐出孔へのＡｌ₂Ｏ₃などの介在物の付着が少なく、長時間鋳造においてもノズル吐出孔の閉塞が軽微であることが予測されるから、設計通りの鋳型内流動パターンを長時間にわたって確保することができる。

また、参考例のケース番号Ｃでは、吐出孔上側内壁面の角度が下向３５度に対して吐出孔下側内壁面の角度は水平としている。これは、旋回流が遠心力により広がりつつ吐出孔上側内壁面に沿って斜め下方に吐出されること、および、ノズル底部に衝突して跳ね上がる溶鋼流がほぼ水平に吐出孔下側内壁面に沿って吐出することを考慮して、これらの流れがそれぞれ上側内壁面および下側内壁面から剥離しにくいように角度を設定したものである。また、このように上側内壁面および下側内壁面の角度を設定すると、ノズル内部から吐出孔出口に向かって吐出孔断面積が狭まることからも、吐出孔内壁面からの吐出流の剥離が生じにくくなり、鋳型内の流動が安定する。

参考例のケース番号Ｄは、上述のケース番号Ａ、ＢおよびＣに比較すれば吐出孔内壁から吐出流が剥離しやすく、長時間鋳造する際には非金属介在物が吐出孔内壁に付着して吐出流が乱れることが懸念される。しかしながら、比較例のケース番号Ｆ、ＧおよびＨと比較して、メニスカスに淀みのない鋳型内流動が実現されており、電磁攪拌流と短辺反転流との干渉もなく、本発明の効果は十分に発揮されている。

参考例のケース番号Ｅは、ケース番号Ｂと同様の条件において、ノズル吐出孔中心軸の射影が鋳型長辺面となす角度のみが請求項１で規定する範囲を外れた例である。このケースでは、吐出流が鋳型短辺面に到達する以前に電磁攪拌流と対向するので、鋳型内流動がやや不安定となる傾向はみられるものの、電磁攪拌流と短辺反転流との干渉は発生せず、比較例のケース番号Ｆ、ＧおよびＨに比較して良好な鋳型内流動が得られる。

これらに対して、比較例のケース番号ＦおよびＧでは、（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値が、本発明で規定する適正範囲よりも低いことから、ノズルからの吐出流の流速が十分に減衰せずに強い鋳型内流動を形成し、電磁攪拌により形成される循環流との干渉が顕著に発生している。

また、比較例のケース番号Ｈは、内部に旋回羽根を有しない通常の浸漬ノズルを用いた例である。ケース番号Ｈでは、ノズル内に旋回流が形成されないので、吐出流が不安定になりやすく、鋳型内の流動が安定しない傾向がある。さらに、（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値は大きく、ノズル内径に対して平均吐出孔幅は十分に広いにも拘わらず、ノズル内に旋回流が形成されていないことから、吐出流の円周方向の広がりがなく、したがって、吐出流の流速が減衰せずに鋳型内に流出する。よって、鋳型内において吐出流により形成される反転流と電磁攪拌流との干渉が生じることは避けられない。

本発明の方法によれば、浸漬ノズル内に溶融金属の旋回流を形成させることにより鋳型内流動を安定化させるとともに、ノズルの吐出孔出口幅を拡大して吐出流を旋回方向に広げることによりその流速を減衰させることができるので、鋳型内電磁攪拌と適正に組み合わせることによって、鋳型内に安定した淀みのない流動を形成することができる。また、吐出孔における平均流速や吐出孔形状を適正化することによって、吐出孔へのＡｌ₂Ｏ₃などの介在物の付着を抑制し、長時間鋳造においても吐出孔の閉塞を防止できるので、設計どおりの鋳型内流動が確保され、安定した連続鋳造操業下において高品質の鋳片を製造することが可能となる。したがって、本発明の金属の連続鋳造方法は、鋳造操業の安定化および鋳造製品の品質向上に広範に適用できる。

鋳型内において浸漬ノズルからの溶融金属の吐出流と電磁攪拌により形成される溶融金属の循環流との干渉を示す図であり、同図（ａ）は電磁攪拌がない場合の鋳型縦断面内における流動を、同図（ｂ）は電磁攪拌がない場合のメニスカス平面における反転流を、同図（ｃ）は電磁攪拌により形成されるメニスカス平面における循環流を、そして、同図（ｄ）は吐出流による反転流と電磁攪拌による循環流とのメニスカス平面における干渉を、それぞれ示す。旋回羽根を有する浸漬ノズルを用い、鋳型内電磁攪拌を行いながら溶融金属を鋳造する本発明の連続鋳造方法の一例を示す図であり、同図（ａ）は浸漬ノズルおよび鋳型内部の縦断面を模式的に示し、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ断面を模式的に示す。浸漬ノズル吐出孔の鋳型に対する方位を説明するための模式図である。電磁攪拌による溶鋼循環流の回転方向が右回り（時計方向）の場合の流れの干渉の有無の判定方法を示す図である。電磁攪拌による溶鋼循環流の回転方向が左回り（反時計方向）の場合の流れの干渉の有無の判定方法を示す図である。

符号の説明

１：連続鋳造鋳型、２：浸漬ノズル、３：浸漬ノズル吐出孔、
４、５：吐出流が形成する反転流、６：凝固シェル、
７、８：電磁攪拌による鋳型長辺方向の流れ、
９、１０：電磁攪拌による鋳型短辺付近の流れ、
１１、１２：反転流と電磁攪拌による流れとの干渉位置、１３：メニスカス、
１４：旋回流の方向、２１：旋回羽根、２２：吐出孔の上側内壁面、
２３：吐出孔の下側内壁面、２４：吐出孔中心軸、
１０１：鋳型長辺（面）、１０２：鋳型短辺（面）、

Claims

浸漬ノズルの底部近傍の側壁に対向する１対の吐出孔を有し、該ノズルの内部で該吐出孔よりも上部に旋回羽根を有する浸漬ノズルを用い、鋳型長辺面の外側に配置した電磁攪拌装置により鋳型内の溶融金属を攪拌しながら鋳造する矩形横断面を有する鋳片の連続鋳造方法であって、
該浸漬ノズルの吐出孔は、その上側内壁面の浸漬ノズル軸方向断面が曲率半径４０〜１５０ｍｍの丸みを有し、その下側内壁面の浸漬ノズル軸方向断面が吐出孔の内部から外部に向かって、浸漬ノズル軸に垂直な面に対して下向き３０度〜上向き２０度の範囲の角度をなす形状を有し、
平均吐出孔出口幅と吐出孔部におけるノズル内径との比、（平均吐出孔出口幅／ノズル内径）の値が０．８〜１．４であって、
電磁攪拌を行うことにより鋳型内の溶融金属に水平面内で回転する循環流を形成させながら鋳造するとともに、
水平面への前記吐出孔の２つの中心軸の射影が鋳型長辺面となす角度の平均値が、浸漬ノズル内の溶融金属旋回流の水平面内の回転方向を正方向として、−５度以上５度以下であり、
浸漬ノズル内の溶融金属旋回流の水平面内の回転方向と、電磁攪拌により形成される鋳型内水平面内の溶融金属の循環流の方向とが逆方向であり、
電磁攪拌により形成される鋳型内流れと短辺反転流との干渉が生じず、
さらに、吐出孔出口における溶融金属の平均吐出流速を０．５〜１．８ｍ／ｓとすることを特徴とする金属の連続鋳造方法。