JP4345521B2 - 鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、浸漬ノズルを用いて溶鋼を鋳型に供給する鋼の連続鋳造において、溶鋼に移動磁場を印加することによって、流動を制御し、高品質鋳片を製造する技術に関する。

鋼の連続鋳造において、鋳型内溶鋼流動状態、特に溶鋼表面近傍の流動がモールドパウダーの巻き込みやノロかみに関係して、鋳片品質に影響することが知られている。欠陥のない鋳片を製造するために鋳型内の溶鋼流動制御技術は重要である。

従来から、鋳型内溶鋼に磁場を印加し、流動を適正化する方法が行われている。磁場の印加方法としては、例えば、鋳型の両長辺背面にコイルを対向して設置し、直流静磁場を印加する方法がある。特許文献１では鋳型の幅全体にわたる直流静磁場を印加し、その印加強度を鋳造速度、ノズル吐出口角度、吐出口面積、ノズル浸漬深さ、鋳型幅によって規定する方法が提案されている。しかしながら、特許文献１のような静磁場を印加する方法は、静磁場が常に溶鋼流れに対して制動力として働くので、流れの停滞領域を効率的に活性化することができないといった問題がある。

特許文献２には、鋳型の長辺方向に移動磁界発生コイルを配置して、水平方向に旋回攪拌流を形成し、介在物を凝固シェルに補足させない方法が提案されている。この方法は、積極的に鋳型内溶鋼を攪拌して溶鋼に混在する介在物をスラブ表層に凝固させない方法であるが、攪拌によりパウダーなどを新たに混入させる危険もある。

これに対し、特許文献３には、リニア移動磁場型の移動磁場発生装置が開示されており、この装置では磁場が短辺からモールド中心の浸漬ノズルに向かって移動するようにしており、そのときの周波数は、吐出孔からの溶鋼流が磁場作用域を通過する間に、少なくともリニア移動磁界の作用を１周期以上受けるように設定しており、周波数の上限は、磁場の減衰（表皮効果）を考慮し、鋳型内部の溶鋼にも充分磁界の影響が届くように設定するとしている。特許文献４は、上記特許文献３を発展させ、磁束密度と周波数の両方を増減させて、適正流動が得られるとしている。

特許文献３、４では、溶鋼が吐出孔から鋳型短辺に向かってほぼ一定に流れることを想定して移動磁場を制御しているが、近年の広幅材の鋳造時には、低速鋳造から高速鋳造まで十分に流動を制御することは困難である。すなわち、特に、広幅材の場合には、浸漬ノズルから供給すべき溶鋼流量が多くなるため、浸漬ノズルからの溶鋼流速が高くなる。流速が高くなることは動圧を高くすることになり、浸漬ノズル付近で負圧を発生させて、メニスカスからの溶融パウダーの巻き込みを発生する可能性が高くなるといった問題がある。このような問題を解消するためには、溶鋼流量に対し、吐出孔の開口面積を大きくすることが考えられるが、吐出孔の開口面積を十分に大きくしたとしても、溶鋼の吐出流速が局所的に浸漬ノズル内の流速と同等になることがあり、溶融パウダーを巻き込むことがあった。

さらに、近時、静磁場と移動磁場を組み合わせる方法が提案されている(例えば特許文献５)。このようにいろいろな種類の磁場を組み合わせることにより、状況に応じた制御が可能になる。しかしながら、この技術では、制御ロジックが複雑になるうえ、設備の大型化、電力消費の増大などが懸念される。
特開平７−３１４１００号公報 特公昭５８−４９１７２号公報 特開平５−２３８０４号公報 特開平１０−５９４５号公報 特開２００３−１６４９４８号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、複雑な制御を行うことなく、鋳型の幅が広い場合等、従来では溶鋼流動の適正化が困難な場合であっても、鋳造時鋳型内の溶鋼流動を適正に制御可能である鋼の連続鋳造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、鋳型幅方向中央に設けられた浸漬ノズルを介して鋳型内に溶鋼を供給して連続鋳造する際に、スループット（鋳造流量）をＱ（ｍ^３／ｓ）とし、鋳造用に使用される浸漬ノズルの鋳型内メニスカス（鋳型溶鋼表面位置）における断面積をＳ１（ｍ^２）とし、浸漬ノズルの吐出口の断面積をＳ２（ｍ^２）とし、浸漬ノズルの鋳型内溶鋼において前記吐出口の最も浅い部分までのメニスカスからの距離をＬ（ｍ）とし、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ^２）として、以下の（１）式と（２）式を満たすように設定し、さらに浸漬ノズルからの溶鋼の出口流速の最大値Ｖｍａｘが以下の（３）式を満たすように、鋳型の短辺方向を貫き、かつ移動方向が前記長辺に沿う鋳型幅方向である移動磁場を形成して鋳型内溶鋼の流動制御を行いつつ連続鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法を提供する。
｛１／（２ｇ）｝×（Ｑ／Ｓ１）^２＞Ｌ ‥‥‥（１）
｛１／（２ｇ）｝×（Ｑ／Ｓ２）^２＜Ｌ ‥‥‥（２）
｛１／（２ｇ）｝×（Ｖｍａｘ）^２＜Ｌ ‥‥‥（３）

本発明においては、浸漬ノズル部分での鋳型内中央断面での移動磁場の最大強度Ｂを、０．０１〜０．２Ｔとすることが好ましい。また、移動磁場の周波数ｆ（Ｈｚ）、ポールピッチをτ（ｍ）とした場合、ｆ＜（Ｑ／Ｓ２）／２τを満たす条件で鋳造することが好ましい。

本発明によれば、ノズルの吐出口で動圧が大きくなり負圧が生じてパウダーを巻き込む上記（１）式に示す条件で、かつ溶鋼流動制御によりメニスカスに存在する溶融パウダー巻き込みを回避可能な上記（２）式に示す条件を満足する場合に、上記（３）式を満たすように、鋳型の短辺方向を貫き、かつ移動方向が前記長辺に沿う鋳型幅方向である移動磁場を形成して鋳型内溶鋼の流動制御を行えば、浸漬ノズルからの溶鋼の出口流速の動圧を溶鋼の静圧よりも常に小さくすることができ、浸漬ノズル近傍に負圧が発生してメニスカスに存在する溶融パウダーを巻き込むことを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、鋼の連続鋳造を実施している状況を説明する模式図である。鋳型２の中央に挿入された浸漬ノズル３から鋳型内に溶鋼を注入する際に、浸漬ノズル３の孔３ａの鋳型内メニスカス（鋳型溶鋼表面位置）１における断面積をＳ１（ｍ^２）、浸漬ノズル３の下端部の側壁に斜め下に向けて２箇所に開口された吐出口３ｂの断面積をＳ２（ｍ^２）（２箇所の吐出口の断面積の合計）とし、スループット（鋳造流量）をＱ（ｍ^３／ｓ）、浸漬ノズル３の吐出口３ｂの最も浅い部分までのメニスカス１からの距離をＬ（ｍ）とした場合に、以下の（１）式を満たす場合には、溶鋼の平均吐出流速が高く、吐出口付近の動圧が溶鋼の静圧よりも高くなってその部分に負圧が生じ、メニスカス１に存在する溶融したモールドパウダー（溶融パウダー）５を巻き込むおそれがある。
｛１／（２ｇ）｝×（Ｑ／Ｓ１）^２＞Ｌ ‥‥‥（１）

この条件を満たし、さらに以下の（２）式を満たす場合、すなわち局所的に浸漬ノズル内と同一の流速の流れが一方の吐出口３ｂで生じるときの動圧よりも溶鋼の静圧が小さい場合には、溶鋼の流動制御を行って溶鋼吐出流の流速を抑制することにより、メニスカス１に存在する溶融パウダー５の巻き込みを防止することができる。
｛１／（２ｇ）｝×（Ｑ／Ｓ２）^２＜Ｌ ‥‥‥（２）

そして、上記（１）および（２）式を満たす場合に、浸漬ノズル３からの溶鋼の出口流速の最大値Ｖ_ｍａｘが以下の（３）式を満たすように、以下に示す電磁流動制御装置により鋳型内溶鋼の流動制御を行えば、モールドパウダーの巻き込みを効果的に防止することができる。
｛１／（２ｇ）｝×（Ｖ_ｍａｘ）^２＜Ｌ ‥‥‥（３）

以下、このような溶鋼流動制御に用いられる、電磁流動制御装置およびその溶鋼流動制御メカニズムの概略について図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明における各式において示す物理量の添え字Ｘ、Ｙ、Ｚは、図２のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のものであることを示す。

図１に示すように、一般的にこのタイプの電磁流動制御装置１０は、長辺２ａおよび短辺２ｂを有する矩形状の鋳型２において、浸漬ノズル３から吐出流が吐出される位置に配置されており、複数の電磁コイル１１が矩形状の鋳型２の長辺２ａに沿って（幅方向に）並んで設置されており、隣り合うコイルに流す電流の位相をずらすことにより、鋳型２の短辺方向を貫き、かつ移動方向が鋳型２の幅方向である、いわゆるリニアタイプの移動磁場を発生させている。

その磁場の移動速度は、コイル１１のポールピッチ（Ｓ極からＮ極までの距離）τと電磁コイル１１から発生する磁場の周波数ｆで以下の（１）式のように表現することができる。なお、以下の式において、各物理量の添え字Ｘ、Ｙ、Ｚは、図２のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のものであることを示す。
Ｖ_ｘ＝２τｆ （４）
また、図２に示すように印加磁場Ｂ_ｙは、鋳型２を短辺方向に貫く方向に印加され、したがって、ローレンツの法則より、誘導電流は以下の（５）式のように表現することができる。
Ｊ_ｚ＝σＶ_ｘＢ_ｙ （５）
さらに、電磁力は以下の（６）式で表現することができ、主に磁場の移動方向と同じ向きに電磁力が働くことが示される。
Ｆ_ｘ＝Ｊ_ｚＢ_ｙ＝２τσｆＢ_ｙ ^２ （６）

このような電磁流動制御装置１０においては、鋳造速度が速く、鋳型２の中の溶鋼流動を抑制したい場合には、磁場を鋳型２の短辺２ｂ側から浸漬ノズル３の方向に移動させ、吐出流を抑制（減速）するように作用させる。一方、鍋交換などの鋳造速度が遅い場合には、磁場を浸漬ノズル３側から短辺２ｂの方向に移動させ、浸漬ノズル３からの吐出流を加速し鋳型２内の溶鋼の流動を活性化し、熱供給の促進効果を発揮させることができる。あるいは、鋳型２の長辺２ａの前面と後面で磁場移動方向を逆転させ、磁界が回転するように設定し、溶鋼の旋回による洗浄効果を得ることもできる。

従来から一般的に観察されている鋳型内の流動パターンの模式図を図３に示す。図３の（ａ）は鋳型の水平断面図であり、（ｂ）は垂直断面図である。この場合には、吐出流４に対して、従来の電磁流動制御装置により磁場を鋳型２の短辺２ｂから浸漬ノズル３に向かう方向に移動させることで所期の溶鋼流制動効果が得られる。なお、符号６は凝固シェルである。

しかし、鋳造条件（鋳造幅、浸漬ノズルから溶鋼流に吹き込むアルゴンガス流量、鋳造速度）のバランスによっては、図４のような流動パターンも出現することがわかっている。図４の（ａ）は鋳型の水平断面図であり、（ｂ）は垂直断面図である。特に、近年の生産性向上対策で実施される幅広の鋳型を用いて鋳造した場合にこのような流動パターンが観察されることが多い。このような場合には、鋳型短辺側への熱供給が不足し、未溶融のモールドパウダーが溶鋼中に混入したり、ノロかみなどの不具合が生じる。これを避けるためには、磁場を浸漬ノズル側から鋳型短辺側に移動させる加速のモードを使用するのが通例であるが、広幅材の鋳造の場合には、浸漬ノズルから供給すべき溶鋼流量が多くなるため、浸漬ノズルからの溶鋼流速が高くなって動圧が高くなり、従来の電磁流動制御を行っても、浸漬ノズル付近での負圧の発生が避けられず、メニスカスに存在する溶融パウダーの巻き込みを発生する可能性が高くなる。

そこで、本実施形態では、上述したように、（３）式を満たすように、電磁流動制御装置１０を用いて鋳型内溶鋼の流動制御を行う。すなわち、メニスカス１に存在する溶融パウダー５を巻き込まない条件を把握し、その条件を満たすように溶鋼の出口流速の最大値Ｖｍａｘを求め、溶鋼の出口流量がその範囲となるように上述のようなリニアタイプの移動磁場を生じさせて溶鋼の流動制御を行う。これにより、図４のような幅広の鋳型を用いて鋳造した場合でもメニスカスからの溶融パウダーの巻き込みを防止することができる。

浸漬ノズル部分での鋳型内中央断面での移動磁場の最大強度Ｂは、０．０１〜０．２Ｔとすることが好ましい。この範囲であれば、浸漬ノズルから吐出される溶鋼の流速が大きい場合でも上記（３）式を満たす条件とすることができる。

また、上述したように、Ｖ_ｘ＝２τｆを満たすから、Ｑ／Ｓ２を最大の吐出速度を磁場の周波数ｆ（Ｈｚ）がｆ＜（Ｑ／Ｓ２）／２τを満たす条件で鋳造することが必要となる。

次に、本発明を検証する。たとえば、０．０１４ｍ^３／ｓ（６ｔｏｎ／ｍｉｎ相当）の溶鋼を連続鋳造する場合、浸漬ノズルの孔のメニスカスでの形状が８０ｍｍ直径の円形とすると、面積が０．００５ｍ^２であり、浸漬ノズル内の流速は、２．８ｍ／ｓである。動圧は、１／（２ｇ）×２．８^２＝０．４ｍで、浸漬ノズルの上端位置が０.２５ｍくらいでは上記（１）式を満たす。さらに、浸漬ノズルの吐出口が直径８０ｍｍの円形であり、それが２孔設けられている場合、流速は１．４ｍ／ｓになり、動圧が、０．１ｍになり、上記（２）式を満たす。このような場合には、磁場を印加しない場合、局所的に浸漬ノズル内と同一の流速である２．８ｍ／ｓの流れが出口の一部に発生することがあるため、溶融パウダーを巻き込む危険性があるが、上記（３）式に従って、電磁流動制御装置により浸漬ノズル吐出口の溶鋼を十分制動させれば、負圧は発生せずに鋳造することができる。このとき、上述したように、鋳型短辺方向に貫く磁場を印加させて溶鋼を制動するが、その磁場の強さ（テスラＴ）は、移動磁場の周波数にもよるが、０．２ｍ／ｓの０．０５から１．０倍程度、すなわち０．０１から０．２Ｔ、できれば、０．２〜０．３倍に相当する０．０４から０．０６Ｔが良い。磁場の周波数は、０．５ｍのポールピッチである場合には、１．４／０．５＝２．８Ｈｚ以下であることが望ましい。

次に、本発明に適用される電磁流動制御装置の具体的な構成について説明する。
図５は、本発明の一実施形態に係る電磁流動制御装置を示す模式図である。上述したように、長辺２ａおよび短辺２ｂを有する矩形状の鋳型２の中央に、浸漬ノズル３が配置されている。そして、本実施形態の電磁流動制御装置１０ａは、鋳型２の浸漬ノズル３から吐出流が吐出される位置に配置されており、複数の電磁コイル１１が矩形状の鋳型２の２つの長辺２ａに沿って（幅方向に）両側に並んで設置されており、隣り合うコイルに流す電流の位相をずらすことにより、いわゆるリニアタイプの移動磁場を発生させるようになっている。両側の複数の電磁コイル１１は、それぞれヨーク１２に取り付けられて一体化されている。そして一方側の電磁コイル１１の数は１２個であり、他方の側も同様に１２個の電磁コイル１１が配置されており、両側の各電磁コイルは対向して設けられている。なお、図中の矢印は、ある瞬間における磁場の向きを示している。

なお、電磁コイル１１の配列数は１２個に限らない。また、印加電流も位相をずらすことができれば３相交流に限らず２相交流であってもよい。

これら電磁コイル１１には、３相交流電源１３から隣り合う電磁コイル１の位相が１２０°ずれるように給電される。そして、電源１３から電磁コイル１１に至る給電線には、電磁コイル１１に供給する電流値を制御する電流値制御部１４が設けられている。

このように構成される電磁流動制御装置１０ａにおいては、図示しない取鍋からタンディッシュに貯留された溶鋼が浸漬ノズル３から鋳型２内に注入された際に、電源１３から電磁コイル１１に電流を供給して移動磁場を形成することにより鋳型２内の溶鋼流動を制御する。

この場合に、上述したように、浸漬ノズル３からの溶鋼の出口流速の最大値Ｖ_ｍａｘが上記（３）式を満たす移動磁場が印加されるように電流値制御部１４で電流値を制御する。これにより、幅広の鋳型を用いて溶鋼吐出流速を高めた場合でもメニスカスに存在する溶融パウダーの巻き込みを確実に防止することができる。

また、図５に示すように、ある瞬間の磁場が浸漬ノズル３直近の両側で同じ方向を向くように、電磁コイル１１を設置したので、磁場分布は図６に示すようになり、浸漬ノズル近傍での溶融パウダー巻き込みに対して高い制御性を発揮させることができる。

本発明によれば、鋳型内の溶鋼流動を適正化することが可能となるので、鋳型の幅が広い場合等、従来では溶鋼流動の適正化が困難な場合であっても、鋳型内の溶鋼流動を適正に制御可能となり、高品質の鋳片を製造することができる。

鋼の連続鋳造を実施している状況を説明する模式図。 本発明に用いられる溶鋼に印加される磁場が鋳型の長辺に沿う方向（鋳型幅方向）に移動するタイプの電磁流動制御装置を示す概略構成図。本発明の 従来一般的に観測されている鋳型内の溶鋼流動パターンを示す水平断面図および垂直断面図。 幅広の鋳型を用いて鋳造したときに観測されやすい鋳型内の溶鋼流動パターンを示す水平断面図および垂直断面図。 本発明の一実施形態に係る電磁流動制御装置を示す水平断面図。 図５に示した瞬間磁場の磁場分布を示す図。

符号の説明

１；メニスカス
２；鋳型
２ａ；長辺
２ｂ；短辺
３；浸漬ノズル
３ａ；孔
３ｂ；吐出口
４；吐出流
１０，１０ａ；電磁流動制御装置
１１；電磁コイル
１２；ヨーク
１１；３相交流電源
１４；電流値制御部

Claims (3)

1. 鋳型幅方向中央に設けられた浸漬ノズルを介して鋳型内に溶鋼を供給して連続鋳造する際に、スループット（鋳造流量）をＱ（ｍ^３／ｓ）とし、鋳造用に使用される浸漬ノズルの鋳型内メニスカス（鋳型溶鋼表面位置）における断面積をＳ１（ｍ^２）とし、浸漬ノズルの吐出口の断面積をＳ２（ｍ^２）とし、浸漬ノズルの鋳型内溶鋼において前記吐出口の最も浅い部分までのメニスカスからの距離をＬ（ｍ）とし、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ^２）として、以下の（１）式と（２）式を満たすように設定し、さらに浸漬ノズルからの溶鋼の出口流速の最大値Ｖｍａｘが以下の（３）式を満たすように、鋳型の短辺方向を貫き、かつ移動方向が前記長辺に沿う鋳型幅方向である移動磁場を形成して鋳型内溶鋼の流動制御を行いつつ連続鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
   ｛１／（２ｇ）｝×（Ｑ／Ｓ１）^２＞Ｌ ‥‥‥（１）
   ｛１／（２ｇ）｝×（Ｑ／Ｓ２）^２＜Ｌ ‥‥‥（２）
   ｛１／（２ｇ）｝×（Ｖｍａｘ）^２＜Ｌ ‥‥‥（３）
2. 浸漬ノズル部分での鋳型無い中央断面での移動磁場の最大強度Ｂを、０．０１〜０．２Ｔとすることを特徴とする請求項１に記載の鋼の連続鋳造方法。
3. 移動磁場の
   周波数ｆ（Ｈｚ）、ポールピッチをτ（ｍ）とした場合、ｆ＜（Ｑ／Ｓ２）／２τを満たす条件で鋳造する請求項１または請求項２に記載の鋼の連続鋳造方法。

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