JP4398848B2 - 鋼の連続鋳造鋳型内流速測定装置及び検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼の連続鋳造時に、連続鋳造鋳片の品質を決定付ける鋳型内流動状況を検知し評価するための流速測定装置及びそれを用いた偏流検知方法に関する。

鋼の連続鋳造は、一般に水冷鋳型内に溶鋼を注入ノズルを介して注入し、モールドパウダーと称される潤滑剤と鋳型振動によって潤滑しながら連続的に凝固・引き抜きを行うことにより実施される。この際、溶鋼プールに浸漬されて使用される注入ノズルは一般に１本の円筒形の上方の口から溶鋼が供給され、一対の長辺と一対の短辺で構成される矩形断面の鋳型の場合、２孔の吐出口が短辺方向に開口され、注入された溶鋼は短辺に衝突して溶鋼プール内でメニスカスに向かう流れと溶鋼プール下方に向かう流れの２つに分岐し、長辺面から見た場合には、４つの大きな渦を形成する。鋼の連続鋳造においてはこの流れが、溶鋼中に含まれる非金属介在物の運動を支配しており、凝固シェルに捕捉される位置によって表面のキズの原因となったり、あるいは内部に運ばれて欠陥を発生したりする等重要な制御対象となっていることが知られている。特にこの流れで、長辺面側から見た場合に発生する左右の非対称流れは偏流と呼ばれ、内部への介在物の侵入量や大きさを増したり、あるいはメニスカス部の流速が片側で上がることによりメニスカスに潤滑剤として存在するパウダーを巻き込み内部に輸送する等の問題を生む原因として、その検知と制御が望まれてきた。

一方、このような流動を制御する手段として、鋳型内の吐出流を横切る位置に設置され、鋳型幅方向に均一で、鋳型厚み方向の磁束密度を主成分とする鋳型内電磁ブレーキ技術が知られている。この技術では数千ガウスもの強い静磁場が印加され、メニスカス流速の低減や、内部への下降流速の低減により鋳片の品質向上に寄与している。しかし、鋳型内流動には偏流と呼ばれる流れなど非定常的な流動が存在することが、鋳型内のメニスカスの観察や、鋳型内に埋設した熱電対が示す温度の偏りなどから間接的には知られているが、直接的な検知手段はないことから、直接的に流動を知る手段が望まれているのが現状である。

従来の間接的な検知技術として存在するものとしては、メニスカスの短辺の上昇流がメニスカスに衝突した際に生ずるメニスカスの盛り上がりを左右で測定し、運動エネルギーを位置エネルギーに等しいとおいて偏流を算出する方法、歪みゲージを付けた耐火物棒で構成される流速センサーを直接溶鋼に浸漬する方法（例えば、非特許文献１）、さらには、鋳型の銅板に埋設した熱電対の温度差から流動のアンバランスを逆算する方法（例えば、非特許文献２）等が検知手段として知られている。
第１５３・１５４回西山記念講座 鋼スラブ連続鋳造技術の最近の動向 社団法人日本鉄鋼協会編ｐ１０７ Ｆｉｇ．４ T.Ishii,M.Tanaka,A.Uehara,H.Kimura and N.Tsutsumi,Dynamic Flow Control Technology in CC Mold with EMBR,Proc.Int.Symposium on Electromagnetic Processing of Materials,1994,Nagoya,ISIJ,pp396-401.

上述した従来技術として、メニスカスの盛り上がりを測定する方法・流速を直接測定する方法は、メニスカスの流動の左右アンバランスを知ることは可能としても、内部欠陥にかかわる下降流を直接知り得る手段とはならない課題があった。また、熱電対による方法はメニスカスのみではなく比較的下方の情報を得ることができるが、鋳型内でもメニスカスより下がるにつれて、凝固シェルは鋳型と乖離し、その接触状態が常時変化するために正確な流動が得難い問題があった。
また、流速センサーを直接溶鋼に浸漬する方法では、根本的な問題として、溶鋼深く耐久性のあるセンサーを沈めることが不可能であるがゆえに、測定できない問題があった。
本発明は、このような従来技術の問題点を解決することを課題とするもので、連続鋳造用鋳型内の溶鋼の流動状況を直接高精度に検知することができ、これによって流動の制御を適切に行うことができ、その結果連続鋳造鋳片の品質の向上を図ることが可能な鋼の連続鋳造鋳型内流速測定装置及びこれを用いて行う偏流検知方法を提供するものである。

上記課題を解決するための本発明に係る連続鋳造鋳型内流速測定装置は、一対の長辺、一対の短辺で構成される鋳造空間に注入ノズルを介して溶鋼を注入し鋳型により冷却して連続的に鋳片を得るとともに、前記注入ノズルの吐出流を横切るように鋳型厚み方向に幅方向鋳型厚み方向に、その厚み方向の成分が鋳型幅方向に沿って均一な、磁束密度を印加する電磁ブレーキを設けてなる連続鋳造装置において、電磁ブレーキの磁束の鋳型厚み方向成分と直交する方向に軸を有する直流磁場を検知する素子を鋳型内の流動の方向が一定している位置であって、鋳型短辺内における溶鋼プール湯面近傍位置、鋳型短辺内における電磁ブレーキの下方位置、鋳型長辺内における注入ノズルの吐出口近傍位置、鋳型長辺内における溶鋼プール湯面近傍位置、の１箇所以上に埋設し、該素子を用いて溶鋼流動と印加磁場の干渉により発生する誘導電流が作る磁束密度を測定することにより、連続鋳造鋳型内の溶鋼プール内の流速を測定する機能を有することを特徴とする。
また、前記直流磁場を検知する素子の設置位置を、鋳型長辺面の鉛直中心線を挟む対称位置とすること、また直流磁場を検知する素子がホール素子あるいは磁気抵抗素子であって、該素子を任意の位置の鋳型銅板とバックプレート接合用ボルト内に設置することが好ましい。
さらに本発明では、直流磁場を検知する素子の設置位置を鋳型長辺面の鉛直中心線を挟む対称位置とした上記の流速測定装置を用いて各位置の磁束密度を測定し、この対称位置の測定磁束密度値の差を基に、注入ノズルの吐出流の溶鋼プール内の偏流を検知することを可能とする。

本発明に係る連続鋳造鋳型内流速測定装置によれば、鋳型内の主要な箇所の溶鋼流速を精度良く測定することができるので、鋳型内の流動状況を正確に把握することが可能となり、高品質の鋳片を得ることができる。また、本発明方法によれば、前記測定装置を用いて吐出流の溶鋼プール内の偏流の状況を知ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る装置を適用するに適した鋼の連続鋳造用鋳型の具体例を示すもので、鋳型は一対の長辺５及び一対の短辺６から構成され、各辺は溶鋼に接触する銅板１とその背後を保持するバックプレート２とから形成されている。通常、短辺６には鋳造幅の変更に対応し得るように鋳型幅可変装置３が付設されている。タンディッシュからの溶鋼を鋳型に注入するための浸漬ノズル４が鋳型の鋳造空間の中央部に設置され、該浸漬ノズル４の下部には短辺方向に開口された２個の吐出口が設けられている。また、ノズルの吐出口から注入される溶鋼によって生じる鋳型内の吐出流を横切るように、鋳型幅方向に沿って電磁ブレーキ７が設置され、鋳型内の流動を制御するようになっている。

図２に示すように、電磁ブレーキによる外部磁場１３を、電気の良導体である溶鋼流れ１２が横切ると、フレミングの右手の法則により流れと磁場に直交する方向に誘導電流１４が発生する。この誘導電流１４はその周りに右ネジの法則により誘導磁場１５を発生する。この磁場１５は流速に比例するので、この磁場の方向にホール素子の如き直流磁場を検知する素子（以下、「流速測定用センサ」という）１６を設置し、その値を測定することにより流速の大きさを測定することができる。これは、流れの方向が決まっている場合に特に有効であり、設置の仕方として、図１に示す鋳型短辺及び長辺内の位置が望ましい。すなわち、鋳型短辺における溶鋼プール湯面位置１１に近い上方位置及び電磁ブレーキ７の下方位置に、短辺上昇流及び下降流測定用センサ９を、鋳型長辺における注入ノズルの吐出口の近傍位置に、ノズル吐出流速測定用センサ１０を、同じく長辺における溶鋼プール湯面位置１１に近い位置に、メニスカス流速測定用センサ８を、それぞれ配置する。これらセンサはいずれもホール素子あるいは磁気抵抗素子などからなる。鋳型長辺側に配置される測定用センサは、鋳型長辺面の鉛直中心線を挟んで対称位置に配置することが、好ましい。なぜなら、一般的に２つの吐出口から出る流れが対称であるかどうかが品質の決め手となるが、片側の吐出口からの流速が大きすぎると、片側だけ湯面に向かう流れが強くなり、潤滑用のパウダーを溶鋼中に巻き込んで介在物の起因となったり、あるいは片側だけ下降流が強くなる結果、介在物が鋳片内部奥深くまで入り込んでしまうなどの問題が生じるためである。

上記のような各位置を鋳型内の所定位置として流速測定用センサ８〜１０を配置したのは、これらの位置がいずれも、図３に示すように、鋳型内の流動の方向が一定しており、品質に対応する流速として重要と考えられているからであり、この点は前掲の非特許文献２などにも記述されている。図３（ａ）において、１７はノズルへの注入流、１８はメニスカス流、１９は短辺上昇流、２０は短辺下降流、２１はノズル吐出流を示し、これらの流れは一定していることから、これに対応する位置の鋳型短辺及び長辺に流速測定用センサを埋設する。
流速測定用センサとしてホール素子を用いる場合に、ホール素子の軸を電磁ブレーキの磁束の鋳型厚み方向成分と直交する面内の任意の方向に配置することで、直流磁場を検知することができる。
但し、溶鋼流動と印加磁場の干渉により発生する誘導電流の方向を考慮して、図３（ｂ）に示す様に、溶鋼流動方向とホール素子の軸の方向を一致させることにより、誘導電流がつくる磁場の磁束密度を正確に測定できるため好ましい。
この様に鋳型内に配置されたホール素子を用いて、溶鋼流動と印加磁場の干渉により発生する誘導電流が作る磁束密度を測定することにより、連続鋳造鋳型内の溶鋼プール内の流速を測定することができる。
なお、鋳型厚み方向とは２組の相対する水冷銅板と鋼のバックプレートからなる連続鋳造鋳型において、短い方の辺を厚みと称し、長い方を幅と通常呼び、従って、鋳型厚み方向とはこの短辺に平行でかつ水平の方向を言う。
また、流速測定用センサとして磁気抵抗素子を用いる場合も、素子が違うだけであり、ホール素子を用いる場合と同様に扱うことができる。

素子の設置は、鋳型内の流動の方向が一定しており、品質に対応する流速として重要と考えられている所定の位置であれば、特に規定するものではない。
また、素子は、鋳型銅板やバックプレート内に設置することもできるが、工業的に容易な方法として、鋳型銅板とバックプレート接合用ボルト内に設置することが効率的かつ有効である。
具体的には、流速測定用センサは、小さなホール素子あるいは磁気抵抗素子など直流磁場を検知する素子２２を、図４に示すように、銅板１とバックプレート２を貼り合わせる接合用ボルト２３内に埋め込み設置することにより、定位置に配置すると共に、メンテナンスが容易な構造とすることもできる。特に、ホール素子は外形サイズが小さく、しかもコスト面でも安価であるため、本発明ではセンサとして最適といえるし、場合によっては接合用ボルト２３内に従前から設置されていた熱電対と共にセットしてもよい。なお図４において、２４は銅板１に設けた冷却水孔、２５はボルト２３を挿入するためのバックプレート２に設けた貫通孔、２７は補償導線２６を介して素子２２に接続する信号処理装置である。

連続鋳造作業において、ノズルが片詰まりを起こした際に２孔ノズルからの吐出流のバランスがくずれることを偏流と呼ぶが、この現象が発生すると、吐出流が強い側の湯面直下の流速が大きくなり、連続鋳造の際に鋳型と鋳片間の潤滑材として使用する溶融酸化物であるモールドフラックスを鋼中に巻き込む現象が顕著となり、鋳片内に非金属介在物として捕捉され、圧延の際に疵となったり、あるいは製缶用途の場合には缶の加工時に割れる等の欠陥を下工程で誘発する。本発明では注入ノズル４を挟んでノズル吐出流速測定用センサ１０を対称に設置しているため、該センサによる流速の検知により、ノズル吐出流の左右アンバランスが判明した際には、ノズルの詰まりが問題であるので、ノズル自体を交換あるいは、電磁ブレーキの磁場強度を上げるような措置をとり、最小限の欠陥発生に留めることが可能となる。
なお、併せて流速測定用センサにより測定された磁場の時間変動の周波数分析を行うことにより、流動の非定常的な状態、例えば偏流の周期などを評価することも可能である。

また、本発明の適用にあたっては、溶鋼プール内に直流磁場が存在すれば良く、例えばメニスカス部にも電磁ブレーキがある２段均一電磁ブレーキ方式や、メニスカス部にリニアモータがある電磁攪拌形式、ソレノイド磁場がある電磁鋳造技術の各場合にも同様に使用可能である。

幅８００〜１６００ｍｍ、厚み２５０ｍｍの鋳造空間と２．５ｍの垂直部を有し、メニスカスから４００ｍｍ位置に最大０．３Ｔの幅方向に均一かつ鋳型厚み方向の磁場を付与する電磁ブレーキを装備した垂直曲げ連続鋳造機において、図１の符号８〜１０に示す位置相当、即ち、鋳型の短辺のメニスカスから１００ｍｍ位置及び７００ｍｍ位置に鋳造方向に、さらに４５度の吐出口を有する２孔ノズルの吐出流が前記電磁ブレーキの高さ方向の中心を横切る位置と吐出口を結んだ線上の任意の鋳型幅方向２箇所にこの位置とノズル吐出口を結ぶ線に沿う方向に、また、メニスカス下３０ｍｍ位置に鋳造方向に軸がくるように、各々ホール素子を配置し、磁場を測定した。各々の測定点での流動に与えられる電磁ブレーキの磁束密度は、予め分布をガウスメータで測定することにより判っている。鋳造条件を変更しつつ磁束密度と一定の関係を有するセンサー信号を測定すると共に、鋳片断面の凝固組織を調査し、溶鋼流速と凝固組織であるデンドライトの傾きが一対一に対応する関係（文献：江阪久雄，藤 健彦，原田 寛，竹内栄一，藤崎敬介，移動磁界中を成長するデンドライトの偏向現象，鉄と鋼，Ｖｏｌ．８６（２０００）Ｎｏ．４，ｐｐ．４５−５０参照）を用いて、溶鋼流速に換算し磁束密度と一定の関係を有するセンサー信号と比較を行った。この結果、図５（ａ）（ｂ）に示すように、両者の間に対応が見られ、流速測定センサとして機能することが確認できた。

幅１２００ｍｍ、厚み２５０ｍｍの鋳造空間と２．５ｍの垂直部を有し、メニスカスから４００ｍｍ位置に最大０．３Ｔの幅方向に均一かつ鋳型厚み方向の磁場を付与する電磁ブレーキを装備した垂直曲げ連続鋳造機において、図１に示す４５度の吐出口を有する２孔ノズルの吐出流が前記電磁ブレーキの高さ方向の中心を横切る位置と吐出口を結んだ線上の任意の位置に、この位置とノズル吐出口を結ぶ線に沿う方向に軸がくるように、各々ホール素子を配置し、磁場を測定した。鋳造は鋳造速度２ｍ／ｍｉｎで行い、２５分間の測定を行った。その結果、図６に示すように、鋳造中測定を開始して１３分頃、左右のセンサにて測定した磁束密度に差が見られるようになり、特に、２０分以降はさらに磁束密度の差が広がった。
鋳造後、ノズルを観察すると、左側のセンサが配置されている側の吐出口の上方部に１／３ほどアルミナが付着して塞がれていた。一方、この左右のセンサ磁束密度に差があまりなく偏流が発生していなかったと見られる部位と後の偏流を起こした部位を圧延後に磁粉探傷試験に供したところ、後者で多くの欠陥が見つかり、屑化すべきレベルにあることが判り、センサ信号の差異により偏流度合いを知り、当該鋳造部位を屑化したり、あるいはノズル詰まりを想定してノズル交換の処置をとることが可能となった。

本発明を適用する連続鋳造用鋳型を模式的に示す平面図（ａ）と正面図（ｂ）である。 図１における電磁ブレーキの直流磁場を溶鋼に作用させた場合の誘導電流及び磁場の方向を説明するための図である。 （ａ）は鋳型内の溶鋼の流動状況を示す正面模式図、（ｂ）は流速測定センサの設置位置とその方向を示す模式図である。 流速測定センサ（ホール素子）の設置例を示す断面説明図である。 本発明に実施例１にて流速測定センサが測定した磁束密度とデンドライト傾角換算流速値との関係を示す図であり、（ａ）は吐出口付近、（ｂ）は湯面付近の場合を示す。 本発明の実施例２において流速測定センサにて測定した磁束密度と鋳造時間との関係を示す図である。

符号の説明

１ 銅板 ２ バックプレート
３ 鋳型幅可変装置 ４ 浸漬ノズル
５ 鋳型長辺 ６ 鋳型短辺
７ 電磁ブレーキ ８ メニスカス流速測定用センサ
９ 短辺上昇流及び下降流測定用センサ
１０ ノズル吐出流速測定用センサ １１ 溶鋼プール湯面位置
１２ 溶鋼流れ １３ 外部（電磁ブレーキ）磁場
１４ 誘導電流 １５ 誘導磁場
１６ 直流磁場検知用素子 １７ ノズルへの注入流
１８ メニスカス流 １９ 短辺上昇流
２０ 短辺下降流 ２１ ノズル吐出流
２２ 直流磁場検知用素子 ２３ 銅板バックプレート結合用ボルト
２４ 冷却水孔 ２５ 貫通孔
２６ 補償導線 ２７ 信号処理装置

Claims (4)

1. 一対の長辺、一対の短辺で構成される鋳造空間に注入ノズルを介して溶鋼を注入し鋳型により冷却して連続的に鋳片を得るとともに、前記注入ノズルの吐出流を横切るように鋳型厚み方向に、その厚み方向の成分が鋳型幅方向に沿って均一な、磁束密度を印加する電磁ブレーキを設けてなる鋼の連続鋳造装置において、
   電磁ブレーキの磁束の鋳型厚み方向成分と直交する方向に軸を有する直流磁場を検知する素子を鋳型内の流動の方向が一定している位置であって、鋳型短辺内における溶鋼プール湯面近傍位置、鋳型短辺内における電磁ブレーキの下方位置、鋳型長辺内における注入ノズルの吐出口近傍位置、鋳型長辺内における溶鋼プール湯面近傍位置、の１箇所以上に埋設し、
   該素子を用いて溶鋼流動と印加磁場の干渉により発生する誘導電流が作る磁束密度を測定することにより、連続鋳造鋳型内の溶鋼プール内の流速を測定する機能を有することを特徴とする鋼の連続鋳造鋳型内流速測定装置。
2. 直流磁場を検知する素子の設置位置を、鋳型長辺面の鉛直中心線を挟む対称位置とすることを特徴とする請求項１記載の流速測定装置。
3. 直流磁場を検知する素子がホール素子あるいは磁気抵抗素子であって、該素子を任意の位置の鋳型銅板とバックプレート接合用ボルト内に設置することを特徴とする請求項１又は２記載の流速測定装置。
4. 請求項２又は３記載の装置を用いて各位置の磁束密度を測定し、対称位置における測定磁束密度値の差を基に、注入ノズルの吐出流の溶鋼プール内の偏流を検知することを特徴とする偏流検知方法。

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