JP4351502B2

JP4351502B2 - 電磁界鋳造装置及び電磁界鋳造方法

Info

Publication number: JP4351502B2
Application number: JP2003309754A
Authority: JP
Inventors: 雅弘谷; 健彦藤; 敬介藤崎; 直喜内田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: JP2005074495A

Description

本発明は、鋳型の周囲に設けた電磁コイルに交流電流を流して、鋳型と溶融金属との間の潤滑と鋳片の表面性状の改善を図りながら、溶融金属を鋳造する電磁界鋳造装置と電磁界鋳造方法に関するものである。より詳細には、電磁界鋳造装置の電磁コイルへの交流電流の供給装置及び供給方法に関する。

電磁力を利用する電磁鋳造法は、チタン（Ｔｉ）やアルミニウム（Ａｌ）等の軽い金属では既に連続鋳造法として実用化されており、鋼やその他の金属にも応用が広がりつつある。

この連続鋳造は、水等で冷却される鋳型内に溶湯を連続的に注入すると共に、この溶湯を鋳型内で凝固させながら連続的に引き取ることで行われている。

そして、この溶湯の酸化防止と、鋳型と凝固殻との間の滑りの改善のために、鋳型潤滑剤（モールドパウダー：潤滑用粉末）を溶湯上面に添加し、また、凝固殻（凝固シェル）が鋳型から剥離するのを促進するために、鋳型を連続的又は間欠的に上下振動（オシレーション）している。

しかしながら、この上下振動により、溶湯を囲む鋳型潤滑剤に圧力変動が生じるため、鋳片の表面に凹凸（オシレーションマーク）が形成され、表面品質が低下するという問題がある。

そのため、鋳型の周囲に電磁コイルを設けて、この電磁コイルに交流電流を連続的に通電して、この交流電流によって発生する電磁力、即ち、ピンチ力と呼ばれる溶湯中心方向に作用するローレンツ力を利用して、周期的に上下振動する鋳型内に注入された溶融金属を凸状に盛り上げて、鋳型と凝固殻との間への鋳型潤滑剤の流入を良好にして鋳片表面を改善しながら、連続的に下方に引き抜く方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、鋳型の上下振動を行わずに、鋳型内の溶融金属に電磁力を与える際に、交流電流をパルス状にして電磁コイルに供給することによって、溶湯に発生する電磁力を間欠的なものにして、溶湯表面（メニスカス）を周期的に凸状に盛り上げて、凝固殻と鋳型との間への鋳型潤滑剤の流入を促進し、表面性状の改善を図る方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

更に、鋳型に機械的な上下振動を印加して連続鋳造を行うと共に、この上下振動に同期させて電磁コイルへ供給する交流電流をパルス状に印加し、鋳型内の溶融金属に間欠的に電磁力を作用させることによって、初期凝固部における鋳型と鋳片の接触圧を間欠的に低減させ、これによって、オシレーションマークの原因となる凝固殻の折れ込みと溶融金属のオーバーフローを制御し、鋳片表面性状の大幅な改善を図ることも提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

更に、複数ストランドの連続鋳造装置において、１台の高周波電源装置を用いて、各ストランドの通電コイル（電磁モールドコイル）に高周波電流を順次間欠的に位相をずらして流し、各ストランドにおいて順次間欠的に高周波電磁場を印加しながら鋳造を行うことにより、設備スペース及び設備費の低減と省電力と表層性状の改善を図る装置も提案されている（例えば、特許文献４参照。）。

これらの連続鋳造では、鋳型上部の周囲に電磁コイルを配置し、この電磁コイルに所定の周波数の交流電流を流すことによって、溶湯を誘導加熱すると共に、初期凝固部に溶湯の中心方向に向かうピンチ力を発生させ、このピンチ力により、鋳型と鋳片表面の接触圧力を低下させて、鋳造速度を増加して生産性を向上すると共に、初期凝固の状態を改善し、オシレーションマーク等の鋳片表面性状の大幅な改善を図っている。

しかしながら、１台の高周波電源装置を用いて複数ストランドの通電コイル（電磁モールドコイル）に高周波電流を流す連続鋳造装置においては、高周波電源装置を常時連続的に高周波電流が通電可能な状態にしておいて、電源切り換え装置により通電先の各通電コイルを切り換えて通電しているため、通電先の通電コイルの数によって、各通電コイルへの通電時間の割合が決まってしまい、それに外れるようなきめ細かいデューティ(Duty)制御を行うことができないという問題がある。

また、通電コイルが１台しかない電磁界鋳造装置の場合には、共振型インバータを使用した変調運転ができず、規模やマーケットの大きいスラブ連続鋳造に適用できないという問題がある。
特開昭５２−３２８２４号公報特開平６４−８３３４８号公報再公表９６／００５９２６号公報特開平８−１６８８５１号公報

本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、鋳型の周囲に設けた電磁コイルにパルス状の交流電流を流しながら、鋳造する電磁界鋳造装置及び電磁界鋳造方法において、各電磁コイルに供給するパルス状の交流電流をよりきめ細かく制御できる電磁界鋳造装置及び電磁界鋳造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の電磁界鋳造装置は、鋳型の周囲に配置した電磁コイルにパルス状の交流電流を供給しながら鋳造する電磁界鋳造装置において、前記電磁コイルと電気的に並列に接続されているダミーコイルと、共振型インバータの交流電流の出力を複数系統のパルス状の交流電流の出力にタイムシェアリングするタイムシェアリング手段を備えて、これらのパルス状の交流電流の出力を前記電磁コイルと前記ダミーコイルへ供給するように構成される。

そして、本発明の電磁界鋳造方法は、前記の電磁界鋳造装置を用いて、鋳型の周囲に配置した電磁コイルに交流電流を供給しながら鋳造する際に、共振型インバータの交流電流の出力を複数系統のパルス状の交流電流の出力にタイムシェアリングして、前記電磁コイルへ供給すると共に前記複数系統の内の少なくとも一系統の出力をダミーコイルに流すように構成される。

なお、このタイムシェアリング手段は、インバータの出力側と電磁コイルの間に設けられたスイチィング素子と、このスイチィング素子の導通を制御する制御手段とで形成される。

これらの構成では、鋳型の周囲に配置した電磁コイルの数よりも、タイムシェアリングするパルス状の交流電流の系統数を多くして、鋳型周辺の電磁コイルとダミーコイルに供給する。この鋳型周辺の電磁コイルに供給されたパルス状の交流電流は、それぞれの鋳型で誘導加熱及びピンチ力の発生に消費される。

そして、少なくとも１系統をダミーコイルに流すことができるので、タイムシェアリングの自由度が大きくなり、各電磁コイルへ流すパルス給電の継続時間と休止時間をきめ細かく設定して誘導加熱及びピンチ力の発生を制御することができるようになる。

また、電磁コイルが１系統のみの電磁界鋳造装置であっても、共振型インバータをＯＮ／ＯＦＦさせることなく、タイムシェアリングによって電磁コイルへのパルス状の交流電流の供給を円滑に行うことができるようになる。

そして、この交流電流の発生は、インバータを使用して三相交流電流を整流して直流電流とし、この直流電流を高周波の交流電流に変換することが多くの場合で行われているが、本発明のように、共振用コンデンサを有する共振型インバータを使用すると、コイルの無効電流をコンデンサで補償しているので、インバータ容量を従来のインバータの約３分の１に低減させて、電力消費量を著しく減少でき、鋳造コストを低減することができる。

なお、この共振型インバータを、電磁コイルへの給電用インバータとして使用してＯＮ／ＯＦＦ制御すると、図７に示すように、立ち上がりが穏やかな特性を持つため、ＯＮした時に直ぐに所定の電力にならないが、本発明ではタイムシェアリングしているので、共振型インバータをＯＮ／ＯＦＦさせることが無くなり、ＯＮ状態を継続して安定した交流電流を連続して発生することになる。そのため、共振型インバータのＯＮ時の緩慢な立ち上がりの問題を回避できる。

そして、電磁コイルにパルス状の交流電流を供給する電磁界鋳造装置には、鋳型を上下振動するタイプと、鋳型を上下振動しないタイプとがあり、本発明はどちらのタイプにも適用できるが、鋳型を上下振動するタイプに適用する場合には、上記の電磁界鋳造装置及び電磁界鋳造方法において、鋳型を上下振動すると共に、タイムシェアリング手段が共振型インバータの交流電流の出力を、前記上下振動に同期させてタイムシェアリングするように構成される。

この構成によれば、この上下振動に、交流電流のタイムシェアリングのパルスを同期させることにより、凝固殻の剥離、及び、凝固殻と鋳型との間への鋳型潤滑剤の円滑な流入をより促進できる。そのため、鋳片表面性状の大幅な改善を図ることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明に係る電磁界鋳造装置及び電磁界鋳造方法によれば、エネルギー効率が良い１台の共振型インバータから複数の系統のパルス状の交流電流にタイムシェアリングして、各系統のパルス状の交流電流を鋳型用の電磁コイルとダミーコイルに流すことができるので、タイムシェアリングの自由度が大きくなり、各電磁コイルへ流すパルス給電の継続時間と休止時間やその位相等をきめ細かく設定することができる。

特に、１系統の電磁コイルしか持たない電磁界鋳造装置においても、共振型インバータをＯＮ／ＯＦＦさせることなく、ダミーコイルとタイムシェアリング手段によって電磁コイルへのパルス状の交流電流の供給を円滑に行うことができる。

以下図面を参照して、本発明に係る実施の形態の電磁界鋳造装置及び電磁界鋳造方法について説明する。

最初に、図１に示す第１の実施の形態の電磁界鋳造装置１０について説明する。この電磁界鋳造装置１０は、鋳型２０用の電磁コイル３１が１系統のみの電磁界鋳造装置であり、冷却水Ｗで冷却される鋳型２０と、電磁コイル３１と、ダミーコイル３２と、この鋳型２０と電磁コイル３１を上下振動させる図示しない振動機と、電磁コイル３１とダミーコイル３２に交流電流を供給する電源部５０とからなる。この電磁コイル３１には電源部５０からケーブル３３を経由して交流電流が供給される。

また、この鋳型２０は、この鋳型２０の上部を取り巻くように電磁コイル３１が配置され、モールド２１、バックプレート２２、モールドフランジ２３、モールド冷却水取り出し口２４等を有して構成される。

この鋳型２０は、その上部で、スライディングノズル１１を有するタンデシュ１２から注湯ノズル１３経由で落下してくる溶湯Ｍを受け、下部から冷却固化したビレットやスラブ等の鋳片Ｂを出す。そのため、下部側には、図示しない鋳片引き出し装置が設けられ、鋳造された鋳片Ｂを連続的に引き出すように構成される。

電源部５０は、図２に示すように、三相交流電源５１と共振型インバータ５２とタイムシェアリング手段５３とを有して構成され、このタイムシェアリング手段５３は図示しない制御装置で制御されるスイッチング素子５３ａ〜５３ｄで形成され、図３に示すように、共振型インバータ５２の交流電流の出力をタイムシェアリング（時分割）して、パルス状の交流電流の出力にして、その一方の系統を電磁コイル３１に、他方の系統をダミーコイル３２に給電する。

この鋳型２０は、電磁コイル３１と共に、振動機４０により振幅が片振幅０．５ｍｍ〜１０ｍｍ程度、例えば２ｍｍ程度で、振動数が１〜１０Ｈｚ程度、例えば２Ｈｚ程度で上下振動（オシレーション）するように構成される。

また、電磁コイル３１には、所定の周波数の交流電流が供給されるが、上下振動に同期させてピンチ力Ｆｐを発生させるために、この上下振動に同期させて、タイムシェアリング手段５３により、交流電流を電磁コイル３１とダミーコイル３２に対して時分割して供給する。

図３（ａ）に示すように、電磁コイル３１とダミーコイル３２に交流電流を同じ時間間隔で時分割して供給し、例えば、上下振動を２Ｈｚとすると、０．２５ｓの間、電磁コイル３１に供給、次の０．２５ｓの間ダミーコイル３２に供給し、これを０．５ｓの周期で繰り返す。

なお、電磁コイル３１に供給する交流電流の時間をよりきめ細かく制御する場合には、図３（ｂ）や図３（ｃ）に示すように、電磁コイル３１とダミーコイル３２に供給する時間（パルス幅）を異ならせて、必要な時間だけ電磁コイル３１に交流電流を供給し、残りの時間の交流電流をダミーコイル３２に供給する。

そして、この場合に、タイムシェアリングされたパルス状の交流電流の他方がダミーコイル３２に流されるが、ダミーコイル３２には寸法上の制約等が無いために低電力化を図ることができ、その上、このダミーコイル３２では誘導加熱やピンチ力の発生を行わないので、電力消費は少なく、大きな電力損失とはならない。

次に、この電磁界鋳造装置１０における電磁界鋳造方法について説明する。

この電磁界鋳造装置１０においては、スライディングノズル１１を開けるとタンデシュ１２から１５００℃程度の溶湯Ｍが注湯ノズル１３を経由して、鋳型２０に入る。

図１に模式的に示すように、この鋳型２０の溶湯Ｍの表面（メニスカス）Ｍｆは鋳型潤滑剤（モールドパウダー）Ｐで覆われる。この鋳型潤滑剤Ｐは、半凝固鋳片と鋳型内面との間の潤滑を良好にして、鋳型内面の摩耗軽減、熱的・機械的な衝撃の緩和、溶湯表面の保温と溶湯の酸化防止、不純物の溶解吸収等の大きな役割を果たす。

そして、鋳型２０内に注湯された溶湯Ｍは、鋳型２０が水冷されているため、鋳型２０に接する面から冷却され、下降につれて、表面Ｂｆから内部に向かって固まっていき、鋳片Ｂとなり、下部から連続的に引き抜かれる。

この冷却に際して鋳型２0と電磁コイル３1は、図示しない振動機により連続的に上下振動されると共に、電磁コイル３1には、電源部５0のタイムシェアリング手段５３により、共振型インバータ５２の交流電流を上下振動に同期して時分割した交流電流を流す。

この上下振動によって、凝固殻（凝固シェル）が鋳型２０から剥離するのを促進し、また、更に、交流磁場をパルス状にして付与することによって、溶湯Ｍに発生するピンチ力Ｆｐを上下振動に同期して間欠的に作用させ、凝固殻と鋳型２０との間への鋳型潤滑剤Ｐの円滑な流入を促進する。

このピンチ力Ｆｐは、電磁コイル３１に流した交流電流によって発生する交番磁界と、磁束の変化により溶湯内部に誘導される渦電流により発生するローレンツ力であり、水平方向に鋳型２０を周回する電磁コイル３１が発生する磁束の向きは、溶湯表面に実質上直交する上下方向となり、ピンチ力Ｆｐは、溶湯中央に向かう力となる。

以上の構成の電磁界鋳造装置１０及び電磁界鋳造方法によれば、電磁界鋳造において、鋳型２０の上下振動によって、凝固殻の剥離を促進でき、また、溶湯Ｍに発生するピンチ力Ｆｐを上下振動に同期して間欠的に作用させることによって、凝固殻と鋳型２０との間への鋳型潤滑剤Ｐの円滑な流入を促進できるので、鋳片表面性状の大幅な改善を図ることができる。

また電源部５０において、共振インバータ５２をＯＮ／ＯＦＦせずにタイムシェアリングして給電することにより、共振インバータ５２におけるＯＮ時の緩慢な立ち上がりの問題を回避できる。そして、電磁コイル３１へ供給する交流電流を共振型インバータ５２を使用することにより、インバータ容量を従来のインバータを使用した場合の約３分の１に低減させることができる。

そして、特に、ダミーコイル３２を設けて、タイムシェアリング手段５３でタイムシェアした電流の一部である他の系統をこのダミーコイル３２に流すことができるので、電磁コイルが１系統のみの電磁界鋳造装置であっても、共振型インバータをＯＮ／ＯＦＦさせることなく、タイムシェアリングによって電磁コイルへのパルス状の交流電流の供給を円滑に行うことができる。その上、タイムシェアリングの自由度が大きくなり、電磁コイル３１へ流すパルス給電の継続時間と休止時間をきめ細かく設定することができる。そのため、電力消費量を著しく減少でき、鋳造コストの低減を図ることができる。

次に、図４に示す第２の実施の形態の電磁界鋳造装置１０Ａについて説明する。この電磁界鋳造装置１０Ａでは、鋳型が第１鋳型２０Ａと第２鋳型２０Ｂとの２つあり、第１鋳型２０Ａ用の第１電磁コイル３１Ａと第２鋳型２０Ｂ用の第２電磁コイル３１Ｂとダミーコイル３２が備えられている。

また、振動機も第１鋳型２０Ａと第１電磁コイル３１Ａを上下振動させる図示しない第１振動機と、第２鋳型２０Ｂと第２電磁コイル３１Ｂを上下振動させる図示しない第２振動機を備えて形成される。

これらの鋳型２０Ａ，２０Ｂや電磁コイル３１Ａ，３２Ａ、ダミーコイル３２は、それぞれ、第１の実施の形態と同様に形成される。

但し、第１電磁コイル３１Ａ、第２電磁コイル３１Ｂ、ダミーコイル３２に交流電流を供給する電源部５０は一つで形成され、この電源部５０は、第１の実施の形態と同様に、図５に示すように、三相交流電源５１と共振型インバータ５２とタイムシェアリング手段５３とを有して構成され、このタイムシェアリング手段５３は図示しない制御装置で制御されるスイッチング素子５３ａ〜５３ｆで形成される。

この電磁界鋳造装置１０Ａにおいては、第１鋳型２０Ａの上下振動と第２鋳型２０Ｂの上下振動と同期させるが。位相は互いに異なってくる。

そして、共振型インバータ５２の出力を、第１鋳型２０Ａ及び第２鋳型２０Ｂの上下振動に同期させて、タイムシェアリングする。このタイムシェアリングによって、発生する一方のパルス状の交流電流を第１電磁コイル３１Ａに、他方のパルス状の交流電流を第２電磁コイル３１Ｂに供給することにより、各鋳型２０Ａ，２０Ｂにおける上下振動に対して、同じ位相遅れで、交流電流をパルス給電できる。

なお、図６に、第１電磁コイル３１Ａと第２電磁コイル３１Ｂに交流電流を供給する時間と、ダミーコイル３２に交流電流を流す時間とを異ならせた場合の例を示すが、同じであってもよい。

図６（ａ）では、第１電磁コイル３１Ａ，第２電磁コイル３１Ｂ，ダミーコイル３２と順次交流電流を供給しているが、図６（ｂ）では、第１電磁コイル３１Ａ，第２電磁コイル３１Ｂの位相が逆位相になるように、第１電磁コイル３１Ａ，ダミーコイル３２、第２電磁コイル３１Ｂ，ダミーコイル３２と順次交流電流を供給している。このように、ダミーコイル３２に交流電流の一部を流すことができるので、第１電磁コイル３１Ａ，第２電磁コイル３１Ｂへ交流電流を流す時間や位相を幅広く変化させることができる。

つまり、第１鋳型２０Ａの第１電磁コイル３１Ａに対して、図６（ｂ）に示すように、上側のパルス状交流電流を供給し、第１鋳型２０Ａと逆位相（１８０度遅れた）の上下振動をしている第２鋳型２０Ｂの第２電磁コイル３１Ｂに対して、第２段目の逆位相（１８０度遅れた）のパルス状交流電流を供給すると、各鋳型２０Ａ，２０Ｂにおける上下振動に対して、同じ位相遅れのパルス状の交流電流を給電できることになる。

この場合には、タイムシェアリングした両方のパルス状の交流電流により、それぞれの鋳型２０Ａ，２０Ｂで、溶湯の誘導加熱やピンチ力Ｆｐを発生することができる。

この第２の実施の形態における電磁界鋳造は、第１鋳型２０Ａと第２鋳型２０Ｂのそれぞれで第１の実施の形態と同様に行われ、同様の効果を奏することができる。

そして、この第２の実施の形態においては、特に、電源部５０において、エネルギー効率が良い１台の共振インバータ５２で、２系統の第１鋳型２０Ａと第２鋳型２０Ｂの電磁コイル３１Ａ，３１Ｂの両方にパルス状の交流電流を給電することができるので、コストダウンできる。

これらの第１の実施の形態や第２の実施の形態においては、一つの鋳型（もしくはストリーム）を持つストランドと、同じく二つの鋳型（もしくはストリーム）を持つストランドで説明したが、その他の鋳型（もしくはストリーム）の数やストランドの数の装置にも本発明を適用することができる。

なお、上記の実施の形態では、鋳型を上下振動するタイプについて説明したが、鋳型を上下振動しないタイプにおいても、上記と同様に、共振型インバータの出力である交流電流をタイムシェアリングしてパルス状の交流電流にして、電磁コイルとダミーコイルに給電することができるので、タイムシェアリングの自由度が大きくなり、電磁コイルへ流すパルス給電の継続時間と休止時間をきめ細かく設定することができる。

また、共振型インバータのＯＮ時の緩慢な立ち上がりの問題を回避しながら、インバータ容量を従来のインバータを使用した場合の約３分の１に低減して、電力消費量を著しく減少できる。

従って、電力消費量を著しく減少でき、鋳造コストの低減を図ることができる。

本発明に係る第１の実施の形態の電磁界鋳造装置の構成図である。本発明に係る第１の実施の形態の電源部の構成図である。本発明に係る第１の実施の形態のパルス状の交流電流のタイムシェアリングの例を示す図である。本発明に係る第２の実施の形態の電磁界鋳造装置の構成図である。本発明に係る第２の実施の形態の電源部の構成図である。本発明に係る第２の実施の形態のパルス状の交流電流のタイムシェアリングの例を示す図である。共振型インバータをＯＮ／ＯＦＦしたときのパルス状の交流電流の例を示す図である。

符号の説明

１０，１０Ａ電磁界鋳造装置
２０，２０Ａ，２０Ｂ鋳型
３１，３１Ａ，３１Ｂ電磁コイル
３２ダミーコイル
３３ケーブル
５０電源部
５１三相交流電源
５２共振型インバータ
５３タイムシェアリング手段
５３ａ〜５３ｆスイッチング素子

Claims

鋳型の周囲に配置した電磁コイルにパルス状の交流電流を供給しながら鋳造する電磁界鋳造装置において、前記電磁コイルと電気的に並列に接続されているダミーコイルと、共振型インバータの交流電流の出力を複数系統のパルス状の交流電流の出力にタイムシェアリングする手段として、インバータの出力側と電磁コイルの間に設けられたスイチィング素子と、このスイチィング素子の導通を制御する制御手段とで形成されるタイムシェアリング手段を備えて、これらのパルス状の交流電流の出力を前記電磁コイルと前記ダミーコイルへ供給することを特徴とする電磁界鋳造装置。
前記鋳型を上下振動すると共に、前記タイムシェアリング手段が前記共振型インバータの交流電流の出力を、前記上下振動に同期させてタイムシェアリングすることを特徴とする請求項１記載の電磁界鋳造装置。
請求項１に記載の電磁界鋳造装置を用いて、鋳型の周囲に配置した電磁コイルに交流電流を供給しながら鋳造する際に、共振型インバータの交流電流の出力を複数系統のパルス状の交流電流の出力にタイムシェアリングして、前記電磁コイルへ供給すると共に前記複数系統の内の少なくとも一系統の出力をダミーコイルに流すことを特徴とする電磁界鋳造方法。
前記鋳型を上下振動すると共に、前記タイムシェアリング手段が前記共振型インバータの交流電流の出力を、前記上下振動に同期させてタイムシェアリングすることを特徴とする請求項３に記載の電磁界鋳造方法。