JP4435781B2 - ノズル内移動溶融金属を電磁回転する連続鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、下方に位置する鋳型に浸漬したサブマージド鋳造ノズルを用いる、金属、特にスチールの連続鋳造に関する。本発明はより詳しくは、注入用湯だまりと鋳型間をこのノズルを通して流れる液体金属に軸回転を誘発することに関する。

鋳造ノズル内にある金属に軸回転を誘発することは、液体金属が鋳型に入る前に、液体金属に存在する混在物及び気泡の分布を改変することで、鋳型への流れを制御する推奨手段であることが知られている。これによって、
ノズルの内壁に沿う混在物の付着を、またスラブ鋳造用に横向きの流出口のあるノズルの場合には、これ等流出口及びノズル底部における混在物の付着を少なくし、場合によっては無くすことができ、
鋳造中の製品の液溜めの混在物及び気泡の侵入深さを、従って湾曲鋳造機上で鋳造される製品の内部湾曲面にこれ等が捕捉される危険をも大きく低減でき、
メニスカス真下の液体金属の流速を低下し、このメニスカスのレベル変動を低減でき、
ノズル内の流れの「ジャイロ」効果に基づき、鋳型内のジェットスイング型の流れ不安定性を制限できる。

従って、鋳造ノズル内の流れに回転を誘発することは、自動車を用途とする種々のグレードのスチールや包装用スチールの冷間加工ストリップに付き、ふくれや剥離等の目に見える表面フローの出現を阻止する有効な手段といえる。従って、この技術は連続鋳造スラブに付きクラックの少ない補修操作（ストリップに剥離型表面フローの少ない、又は無い）、ふくれ型フローの場合に品質低下又はつまりの無いことを意味し、また作業時間の長いこと、鋳造速度がより速いことから鋳造機の生産性の高いことが挙げられる。

鋳造ノズル内の液体金属に回転を誘発することは、種々のアクチュエータを用いて提案されている。基本的に、２種のアクチュエータ、即ち「受動型」アクチュエータと「能動型」アクチュエータに分けられる。

受動型アクチュエータは就中、ノズルの内壁（例えば、螺旋）、ノズルの実体に合わせたプロペラ、螺旋内部ノズル等の構成部品の設計上の修正、又は湯だまりとの接合部におけるノズルの上部での修正、ノズル内の金属流量を制御する実際の構成部品における修正を用いる。この種のアクチュエータの重要な欠点は、発生する回転速度がノズルを通る金属の流量に直接依存すること、及びノズル内に混在物の付着し易い位置が形成され、従ってノズルが塞がれる危険が増大する可能性のあることである。

能動型アクチュエータは本質的に電磁式のものであり、多相型の環状の静的電磁インダクタがノズルをその長さの一部に亘って取り囲み、鋳造軸の周りに回転する磁場を発生し、ノズル内に存在する液体金属を軸回転させる。ＪＰ０６−０２３４９８Ａ、ＪＰ０７−１０８３５５Ａ及びＪＰ０７−１４８５６１Ａ参照。

だが、これまで提出されている電磁装置は殆どが、低周波数又は極低周波数（＜１０Ｈｚ）で動作する接線回転磁場を発生する線形ステータの技術に基づいている。特に、これ等の装置には次のような欠陥がある。
用いられる電流周波数のため、所望の結果を得るには発生する回転速度が低すぎることが多い（例えば、ノズル内径８０ｍｍに用い得る４Ｈｚ三相電流に対して、理論的回転速度は最大８０ｒｐｍである）。
ノズルの内壁に近接して高度に集中した力の場を液体金属内に発生するため、その結果、ノズルの中央部に大きな圧力低下部を生じ、そこで金属は従って垂直下方に加速される。
高電流（＞３００〜５００Ａ）での操作を要し、その制御が必要になる程度まで装置が大型になり、従って連続鋳造機に適合させることは簡単でなく、また極めて高価な発電機を用いる必要が生じる。

他の装置は横向磁場に基づき、従ってノズル軸の片側で位相毎に互いに面する一対の磁極である巻線形の突出磁極に基づいている。本発明はこの範疇の範囲にある。それ等は上記欠点の幾つか、特に中央部圧力低下現象を除去する。だが、必然的に高い蓄積電力に関連する空間、及び、電磁結合を最大化するため、巻線及びノズルを越えて突出する内側突出極歯間の距離を低減することによるエアギャップの低減が望ましいことから、特に、近すぎる異なる電源位相に対応して磁極間に磁束のスプリアス橋絡がおこる恐れから、エネルギー効率が低くなること及び同時に金属の回転移動におけるある程度の乱れは避けられない。

本発明の目的は、鋳造ノズル内に液体金属の回転を電磁的に誘発する、既知の解決手段の欠点を有しない解決手段を提案するものである。

この目的のため、本発明の主題は、鋳造しようとする溶融金属を上方に位置する湯だまりから鋳型に到達させるサブマージドノズルが、鋳造軸の周りに回転する磁場を有する環状電磁インダクタにより取り囲まれ、溶融金属をその軸方向に回転させ、前記インダクタが多相横向磁場型であり、位相毎に一対の磁極を有し、その各磁極がノズルに面して位置する磁極面で終わる内向き突出極歯に巻かれた電気巻線により形成され、該極歯が磁束を閉塞するための外周磁気ヨークにより互いに連結されて成る、金属、特にスチールの連続鋳造装置であって、各極歯がその突出部の端部において、磁極面を互いに分離する距離を増大する側方テーパー（例えば、ベベル）を有して成ることを特徴とする連続鋳造装置である。

有利な実施態様によれば、環状インダクタは枢軸回転可能な２つの関節半シェルとして形成され、両者がノズルの周りに閉じるようにする。

理解されるように、本発明は所謂「横向」磁場、即ちノズルの軸を通り、ノズルの縁部と中心間に強度の明瞭な低減の無い磁場を用いている。

採用された技術的手段のため、即ちノズルの周りに分布する巻線付き突出磁極を有する環状の多相インダクタに電力を供給する電源の位相毎に一対の磁極を設けているので、発生される回転磁場は所望の「横向」タイプである。換言すれば、各瞬間に、鋳造軸はインダクタのエアギャップの中心にあり、発生される磁場は、インダクタが分布する磁極又は位相毎に数対の磁極を有する場合のように、所定の磁極から、それと対向するがそれと隣り合わない反対符号で対をなす磁極に戻るように鋳造軸を通るように、このエアギャップを満たしているのである。

この種の技術はそれ自体新規なものでないことが思い起こされるであろう。それは、ノズル内ではなく、鋳型自体内で、従って、ノズル内の金属のジェットのものよりはるかに大きい見掛け上の径を有し、それに伴いはるかに低い角回転速度を要して回転されるローター（即ち、液体金属のカラム）の場合に、鋳造液体金属に回転を誘発するのに全く広範に用いられてさえいる（例えば、米国特許４４６２４５８参照）。さて、容認された見解に反して、この技術を鋳型から鋳造ノズルに移すと、発生される磁場の「横向」、少なくとも本質的に「横向」特性が維持され、従ってその必要な冷却を損なわないようにするなら、導入電力の相当の低減を必ずしも伴わずに、インダクタの大きさを鋳造ノズルにできるだけ近づける低減を伴うことがわかった。

本発明の基本原理である思想を形成するのは正にこの点、即ち互いに最近接する磁極間をループ化することにより、最小の磁気抵抗をもつ経路に沿って磁場がエアギャップ内を伝播すると云う磁場の自然な傾向に逆らうために、突出磁極の選択された部分、つまりは作用面の両縁において磁気質量の若干の損失をなすことによって、インダクタのコンパクトさ及びエアギャップの最小化にかかわらず、インダクタの性能を損なわず、磁場の「横向」特性を保つことにある。

スチールに付いて行ったテストは、ブルーム又はスラブを鋳造する工業的機械で遭遇する条件よりすっと過酷な条件下でも、インダクタがサブマージドノズルに流れる金属に回転を誘発できることを確認した。これ等のテストは、金属が平均速度約３．５〜４．２ｍ／ｓで流れるストレートタイプのノズル（底部で開口する単一アキシャルアウトレット）で行った。スラブ鋳造ノズルでは、平均出力速度は１．５〜２．０ｍ／ｓ以上であることに留意されたい。

添付図面を参照して例示的実例として与えられる以下の記載から、本発明はより明確に理解され、その更なる実施態様と利点とが明らかになろう。

添付図において、同一部品を同一記号で表す。

図１〜３全体から分かるように、インダクタ１はそれ自体閉鎖したリニアモータステータであり、この目的のため２つの独立した同一半円筒部品２ａ及び２ｂ(半シェル)から成る。各半シェルは３個の巻線付き突出磁極３を有し、その磁極面４は内側に向かって曲がり、これ等の磁極は軟鉄積層の層成鉄心から成り、通常半円筒外周ヨーク５ａ、５ｂにより互いに連結されている。このシステムは、インダクタが図１及び２に示す当接作動位置にあるとき、２つの対をなすヨークが接合面Ｊにて突き合わされるようになっている。

キャップ７ａ、７ｂも対応する半円筒形状であり、これ等は各半シェルの磁極面の内側を覆い、インダクタが当接位置になると、鋳造ノズルを密接に取巻く熱シールド７を形成する。この熱シールドは、溶融金属の流れを鋳型に注ぐ、図３に示す鋳造ノズル８の放出する放射に対するインダクタの電気巻線３にとって望ましい。このシールドの可能な構成の詳細に付いては後述する。

各磁極３の電気巻線６は、インダクタに一次電流を流す３相電源（図示せず）の一相に接続されている。インダクタが閉塞位置にあるとき、一方の半シェル２ａのどの突出極も他の半シェル２ｂの突出極に完全に面する。これ等２極が「一対の磁極」を形成するのは、両者が電源の同一相に接続され、それ等の作動面が各瞬間において反対符号となるように位相反対（例えば、異なる巻線方向を介して）の関係になるためである。この条件は、発生する磁場が横向きの形式であるために必要である。

磁極３及び磁束帰還ヨーク５ａ、５ｂは、ヒステリシス損失を最小にするように初期厚み０．３ｍｍを有する方向性粒子型Ｆｅ−Ｓｉシートから成る積層である。それ等の作動高さ（作動面４の高さ）は、インダクタを介在させる湯だまりと鋳型上部との間に用いられる空間に応じて、５０ｍｍ（最小値）〜５００ｍｍである。それ等の内径（エアギャップの径）は、分離を保つためにかろうじて足り、最良可能な電磁結合を確保するべく、した鋳造ノズルの外径より約１０ｍｍまで増大した大きさである。

一次巻線６は、高い電流密度（＞１０Ａ／ｍｍ^２）を支持できる多数（数１００）ターンの径の極めて小さい銅線から形成される。内部に、水冷銅製ヒートシンク（図示せず）が設けられる。

これ等の巻線には、中間周波数５０Ｈｚ〜６００Ｈｚの３相電流が供給される。提案した技術では、５０〜６０Ｈｚを超える高周波で作動すると、一定電流強度で、電磁力がノズルを流れる金属に及ぼすことになるモータトルクを増大することができる。だが、この任意選択によれば、主周波数（５０又は６０Ｈｚ）における動作と違って、周波数変換器を用いなければならない。

図５に示すように、インダクタ１が構成するこの静的モータはノズルの占めるエアギャップに、低インダクタ値（数１０アンペア）に対して高強度（１０００〜１５００ガウス）の横向磁場を発生することができる。

この磁場は図から分かるように、エアギャップの中央部で略均一である。本発明のこの極めて重要な特徴によれば、図６に示すように壁部から中心に向かって均一に減少する力の場を液体金属に発生することができる。図４の速度マップも明瞭に示しているように、ノズルの軸部でも高い速度で液体金属に回転を誘発することができる。この特別の特徴が必要なのは、金属が逃げ、そして高い下方加速を受ける傾向があり、そのため回転の有益の作用の一部を駄目にする、ノズルの中心部における過大な圧力低下を避けるためである。

図２から明らかなように、任意の瞬間に、エアギャップにおける磁場の力線が２つの正反対の磁極に実質的に接続し、かつ磁場の残部が隣接する磁極間を結ぶのは、自由端４（磁極面）における半径方向の磁気歯のテーパー形状による。本発明の具体化に必須であるこの結果は、インダクタにコンパクトさが必要であるものの、磁極の端部のこのテーパー形状のおかげで得られる。このことは、中心に向かって移動された後に互いに近接するものの、対をなす自由端を分離する距離が両者間で磁力線の実質的架橋を阻止するのに十分なままであることを意味する。小型のコンパクトなインダクタの場合、軸に沿う磁場の高い相対強度(図５参照)を、言い換えればそれなしには発明が所望の効果を生じないこの磁場の「横向」特性を保証するのはこの点である。図１から分かるように、そして図２により明瞭に見られるように、半径方向歯３のこのテーパー形状は、形成のために積み重ねられた積層の端部のベベルプレカット１２により得られる。ベベル角度は、取り囲まれるノズルの外径に従って調整されるべきである。だが、磁極面４は歯３の断面の半分以下の面積を有すべきではなく、歯本体上のテーパーベベル１２は長さ方向の２／３から始めることができる。これよりまえに始める必要はなく、インダクタの磁気質量を最大にすべくできるだけ遅く始めるのが望ましい。

インダクタを、共振回路を介して供給することにより、一次電流の強度を大幅に増大することができる。提案された技術によれば、広い一時電流の範囲内で、これ等の電流を、ヨーク５の磁気飽和に対応する閾値電流を十分に超える値に増大することにより、エアギャップ内の磁場の強度を極めて大きく増大することができる。これにより、磁力線を集中でき、モータのエアギャップ内の磁場の強度をヨークの飽和値まで増大することができる。この閾値を超えて、モータのエアギャップ内の磁場の強度の増大に寄与するのは、直接空中にでインダクタにより発生された磁場である。

動作において、インダクタを鋳造ノズル８に極近接させ（ノズルから約５ｍｍ）ると、ノズルの外側温度は１１００〜１２００℃となる。従って、インダクタは、水の循環により冷却される薄い分割銅シールド７によりノズルから放出される放射から熱的に保護され、この分割があっても電磁場を透過する。

２つの独立した半円筒部５ａ及び５ｂとするインダクタ１の構成によれば、インダクタは容易にノズルの周りに取り付けられ、標準的鋳造工程を変えずに何時でも外される。再び図３を参照して、インダクタを鋳造ノズルの周りに取り付けるため、インダクタをピボットスピンドル１０の周りに関節で繋がれた２つのアーム９から成る支持部により保持されるようにすると有利なことが分かる。これ等のアームは、アームを開閉し、２つの半円筒部２ａ及び２ｂが図１に示すように連接すると、半円筒部２ａ及び２ｂのヨーク５ａ及び５ｂ間に十分な接触力を及ぼすシリンダー１１で駆動される。第１に、ヨーク５ａ及び５ｂ間の近接接触がインダクタの２成分部間の磁力線のループ化のために必要であり、従って良好な電磁効率のために必要である。第２に、２つの半円筒間の高いクランプ力は、振動する電磁力により不可避に発生される振動を阻止するために必要である。

本発明は記載された例示的実施例に限らず、冒頭に記載の請求の範囲によるその定義が尊重されるとき、多くの代替的及び同等の実施態様に及ぶことは云うまでもない。

２つの突合せ半シェルから形成され、エアギャップに接する内部熱シールドが設けられているインダクタの断面図である。 インダクタの動作中の任意の瞬間に取られた、エアギャップにおける横向磁場の力線の伝播を示す、前図と同様な図である。 インダクタの２成分半シェルの関節のつなぎ方の原理を示す機能図である。 磁場効果の下に鋳造ノズル内で回転する液体金属の、ノズルの断面における速度マップを示す。 インダクタの中間高さに位置する面における、ノズルの径Ｄに沿うエアギャップ内の磁場の強度Ｄの変化を示す。 図５の表示に対応する、動径プロファイルＲ及び直角動径プロファイルＯＲにおけるノズルの径Ｄに沿う磁気力Ｆｓの場の対する変化を示す。

Claims (6)

1. 鋳造しようとする溶融金属を上方に位置する湯だまりから鋳型に到達させるサブマージドノズル（８）が、鋳造軸の周りに回転する磁場を有する環状電磁インダクタ（１）により取り囲まれ、溶融金属をその軸方向に回転させ、前記インダクタ（１）が多相横向磁場型であり、位相毎に一対の磁極（３）を有し、その各磁極（３）がノズル（８）に面して位置する磁極面（４）で終わる内向き突出極歯（３）に巻かれた電気巻線（６）により形成され、該極歯が磁束を閉塞するための外周磁気ヨーク（５ａ、５ｂ）により互いに連結されて成る、金属、特にスチールの連続鋳造装置であって、各極歯（３）がその突出部の端部において、磁極面（４）を互いに分離する距離を増大する側方テーパー（１２）を有して成ることを特徴とする連続鋳造装置。
2. サブマージドノズル（８）が側方に流出口を有するノズルであることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造装置。
3. インダクタ（１）の内周上に、距離をおいてノズルを囲む遮熱材（７）を有して成ることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造装置。
4. 環状インダクタ（１）が２つの枢軸回転関節半シェル（２ａ、２ｂ）から形成されることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造装置。
5. インダクタが可調整コンデンサと直列に連結された共振電気回路を更に含んで成ることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造装置。
6. インダクタ（１）が支持アーム（９）の端部に設けられてその位置を維持し、これ等支持アームが引き込み可能であって、各半シェル（２ａ、２ｂ）を作動して枢軸回転させる制御手段（１１）が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の連続鋳造装置。

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