JP4441435B2 - 直線移動磁界式の電磁撹拌装置 - Google Patents

Description

本発明は，金属の連続鋳造設備，特に，複数のストランドで鋳造を行うことが可能な連続鋳造設備において，単体で，複数のストランドを同時に旋回撹拌して良質の鋳片を得ることができる直線移動磁界式の電磁撹拌装置に関する。

鉄鋼等金属の連続鋳造設備においては，浸漬ノズルから鋳型内に溶融金属が注入され，鋳型から表面が凝固した金属が引き出され，その後，鋳片として成形される。上記連続鋳造機においては，生産能力を向上させるため，例えば，鋳型内に複数のストランドを並置し，複数の鋳片が並行して引き抜かれ鋳造される。

さらに，鋳型の側壁より外側に電磁撹拌装置を設置し，鋳型内の溶融金属に対して電磁的に旋回運動を与える技術も知られている。この旋回による撹拌流動によって，中心偏析が低減され，また，凝固シェル厚の均一化が促されるなど，鋳片品質の改善が見受けられる。

従来の電磁撹拌装置は，発生する移動磁界の形態によって，直線移動磁界式と回転移動磁界式の二つが挙げられる。

前者の直線移動磁界式による撹拌装置は，主に，スラブの電磁撹拌を行っている。

上記直線移動磁界式の撹拌装置１は，図１に示すように，スラブ用の鋳型５を挟んで対向配置された一対の鉄心２と，その鉄心２にそれぞれ巻き付けられた複数のコイル３とを含んで構成される。

それぞれのコイル３には，図示しない三相交流電源から１２０度ずつ位相がずれたＵ，Ｖ，Ｗ相電流が供給される。その結果，各コイルに流れる電流の位相変化に伴い，鋳型５内において矢印方向に移動する磁界が発生する。この移動磁界により鋳型５内の溶融金属４に対して，磁界の移動方向，即ち矢印方向の電磁力が生じる。このようにそれぞれのコイル３で発生する磁界により，溶融金属４内において互いに逆方向の電磁力が生じ，溶融金属４が撹拌される。

このようなスラブを電磁撹拌する場合は，幅方向の電磁力分布が不均一であったとしても問題とはならない。従って，矢印で示した総合電磁力を高めることに主眼点が置かれていた。

一方，後者の回転磁界式による撹拌装置は，主に，ビレット，ブルーム等の正方形の鋳片を鋳造する場合に用いられる。その電磁撹拌装置６は，図２に示すように，ビレットまたはブルーム用の鋳型５を囲んで形成される。その電磁撹拌装置６には，さらに複数の磁極が設けられ，その磁極により鋳型５内で回転磁界が生じる。

上述したように，１つのストランドで構成されるスラブ鋳造を上記直線磁界式の電磁撹拌装置で電磁撹拌する場合は問題が生じない。しかし，２以上のストランドで構成されるブルームおよびビレット鋳造を直線磁界式の電磁撹拌装置で電磁撹拌する場合，各ストランドの撹拌力がそれぞれ大きく相違するといった問題が生じる。このように撹拌力が不均一であれば，各ストランドにおける鋳片品質も不均一になる。

一方，回転磁界式の電磁撹拌装置により複数のストランドで同時に鋳造する場合，各ストランドそれぞれに電磁撹拌装置を設置しなければならない。従って，各ストランドの撹拌力は均一となるが，ストランドの数に応じた電磁撹拌装置の設備費が増大し，コストの面で問題となる。

上記の課題に応じ，直線移動磁界式の電磁撹拌装置において，コイルに印加する三相交流電流の位相順番を図３に示すように変更し，各々のストランド内で均等な流速分布を得る技術（例えば，特許文献１）が開発された。かかる図３には従来の技術による３ストランド同時鋳造の配置実施例が示されており，ここで示される電磁撹拌装置７は，鋳型５を挟んで対向配置された一対の鉄心２と，その鉄心２にそれぞれ巻き付けられた複数のコイル３とを含んで構成される。

特開平０４−２００８４９号公報

しかし，上述した，位相順番を変更する技術で，各ストランドの撹拌力はそこそこ均一化されるものの，最大磁束密度が発生するストランドと最小磁束密度が発生するストランドでは磁束密度ピーク値で１７%の差が生じ，磁束密度の均一化の面では十分とは言えない。

また，このような磁束密度の不均一を要因として，鋳型に流れる渦電流損の分布も不均一となり，その結果生じる局所発熱により鋳型寿命が低下する問題も生じている。

本発明は，従来の電磁撹拌装置が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，複数ストランドにおける撹拌力を可及的均一化し，鋳片品質のバラツキを低減することが可能な，新規かつ改良された直線移動磁界式の電磁撹拌装置を提供することである。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，連続鋳造設備に用いられ，並置された３以上のストランドにより構成される鋳型と，
該鋳型を間に挟み所定の間隔で略平行に対置された２個の鉄心と，該鉄心毎に巻き付けられ三相交流電源から電流の供給を受ける複数のコイルと，から構成され，上記鋳型内において，上記２個の鉄心が互いに逆方向に進行する移動磁場を発生させ，鋳型内の溶融金属を旋回撹拌する直線移動磁界式の電磁攪拌装置であって：上記コイルは，１つの上記ストランドに対して上記鉄心毎に３以上の同個数で巻き付けられ，且つ，該コイル毎の巻線数は，１つの前記ストランドに対して同じ巻線数であり，前記３以上のストランドにおける端部２つ以外のストランドに対応するコイルの巻線数は，端部２つのストランドに対応するコイルの巻線数の０．７６〜０．８５倍であり，上記鉄心上で隣接する上記コイル間の電流位相差は，各々６０度であり，上記鉄心の一端から他端に向けて一定方向にずれていることを特徴とする，直線移動磁界式の電磁撹拌装置が提供される。

かかる構成により，複数ストランドにおける撹拌力を可及的均一化し，鋳片品質のバラツキを低減できる。

また，上記鋳型は，並置された３以上のストランドから構成されるとしても良く，上記コイル毎の巻線数は，１つの上記ストランドに対して同じ巻線数であり，上記３以上のストランドにおける端部２つ以外のストランドに対応するコイルの巻線数は，端部２つのストランドに対応するコイルの巻線数の０．７６〜０．８５倍であるとしても良い。

かかる構成により，各ストランドにおける磁束密度も均一化することができる。

以上説明したように本発明によれば，複数のストランドを同時に鋳造する連続鋳造設備において，各ストランドにおける撹拌力を均一化し，鋳片品質を均一にすることが可能となる。

また，鋳型内に生じる電磁力も均一にすることができるので，上記鋳型の発熱量が場所によって大きく異なることもなくなり，上記鋳型の熱負荷も均等になる。従って，鋳型の寿命を長くすることができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図４に，並置された３つのストランドからなる３ストランド鋳造に対する本発明の実施形態における電磁撹拌装置の構成例を示す。なお，従来例として図３で述べたものと同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。また，図中各ストランドにはＮｏ．１〜Ｎｏ．３の番号が付され，例えば，Ｎｏ．１ストランドとして表される。

図４に示すように，鋳型５を挟んで鉄心２が配置され，鉄心２にはそれぞれ９個のコイル３が巻き付けられている。各コイル３には，図示しない三相交流電源から，１２０度ずつ位相のずれたＵ，Ｖ，Ｗ相電流が供給されている。なお，それぞれのコイル３は，単数のコイルにより構成されても良いし，複数のコイルからなるコイル束から構成されても良い。

図４下側の鉄心２に巻き付けられているコイル３では，図面右端のコイルから左端のコイルに向けて順に正Ｕ相電流（Ｕ相），逆Ｗ相電流（−Ｗ相），正Ｖ相電流（Ｖ相），逆Ｕ相電流（−Ｕ相），正Ｗ相電流（Ｗ相），逆Ｖ相電流（−Ｖ相），正Ｕ相電流（Ｕ相），逆Ｗ相電流（−Ｗ相），正Ｖ相電流（Ｖ相）が流れている。即ち，各ストランドに対して３個のコイルを配置し，鉄心２に設けられた９個のコイルには，図面右端のコイルから左端のコイルに向けて順に，それぞれ隣接するコイルと６０度の位相進みで電流が流れる。

また，図中Ｎｏ.２のストランドに対応する（ストランドの鉄心側側面に設けられる）コイルの巻数を，Ｎｏ.１，３ストランドに対応するコイルの巻数の０．８倍とし，鉄心２の長手方向に不均一な巻数としている。これを実現するには，例えばＮｏ．１，３ストランドのコイルの巻数を４０，Ｎｏ．２ストランドの巻数を３２とすれば良い。

図５に，鋳型中央を中心とした動径方向に対して垂直な方向の電磁力９を示す。この電磁力９は，電磁撹拌装置８により発生する移動磁場と，その磁場に起因して溶融金属４に流れる渦電流との相互作用により発生し，磁束密度ベクトルと渦電流密度ベクトルとの外積として求められる。導体内に電磁誘導された渦電流の分布を求める方法は，非特許文献としての中田高義，高橋則雄著「電気工学の有限要素法（第２版）」(１９８２年７月，森北出版株式会社発行，Ｐ．１４)に記載されている。

かかる文献によれば，電磁場の基礎方程式であるマクスウェル方程式を参照し，磁束密度に対するベクトルポテンシャルAとスカラーポテンシャルφとを導入して変数を低減するA-φ法により，渦電流密度J_ｅは，数式１で求められる。

ここで，σは導電率，tは時間，∇はベクトル微分演算子を表す。

上記に基づき，有限要素法による数値解析を行うことで，溶融金属４内の磁束密度と渦電流密度の分布が求められ，合わせて電磁力９を求めることができる。電磁力９は動径方向に対して垂直な方向として定義したので，鋳型５内の溶融金属４を撹拌する方向と一致する。電磁撹拌装置の撹拌力は，上記電磁力９に鋳型中央からの距離Ｒと積をとり，その積を鋳型水平面内で積分することにより求めている。

図６に，従来の複数ストランド向け移動磁界型の電磁撹拌装置と，本実施形態における電磁撹拌装置との，鋳型中央を中心とした撹拌力の比較を示す。

従来例，および本実施形態いずれの場合においても，撹拌力は，Ｎｏ.１ストランドにおける撹拌力を１００として正規化する。図６を参照すると，従来例においては，Ｎｏ.２，３ストランドはそれぞれＮｏ.１ストランドの９８％，１２８％の撹拌力を有していることが理解される。それに対し，本実施の形態では，Ｎｏ.２，３ストランドはＮｏ.１ストランドの９９％，１００％の撹拌力であり，各ストランドの撹拌力の差異はほとんどない。

図７では，横軸にＮｏ.１，３ストランドに対応するコイルの巻数を基準とした，Ｎｏ.２ストランドに対応するコイルの巻数比を，縦軸にＮｏ.１ストランドの撹拌力を基準としたＮｏ.２ストランドの撹拌力比をとり，巻数比を変更した場合の撹拌力比を数値解析で求めた結果を示す。図７を参照すると，撹拌力比を０．９から１．１の範囲，即ち各ストランドでの撹拌力の差異を１割以内に納めるためには，巻数比を０．７６から０．８５の範囲とすれば良いことが分かる。また，５分以内に納めるためには，巻数比を０．７８から０．８３の範囲内で設定する。なお，本実施形態では，Ｎｏ.１ストランドとＮｏ.３ストランドの撹拌力の差異は１％未満である。

鋳型５内に発生する渦電流密度は，溶融金属４内に発生する渦電流密度と同様に式（１）で求められ，単位体積・単位時間当たりの発熱量は，J_ｅ ²/σで求められる。これにより，鋳型５内の最大発熱密度と全発熱量の値を求めることができる。最大発熱密度は鋳型５内で最も発熱量が大きい部位における発熱量を表し，全発熱量は，鋳型５内全体の発熱量の合計を表す。

表１は，従来の電磁撹拌装置と，本実施形態の電磁撹拌装置との鋳型５内の最大発熱密度と鋳型５内の全発熱量の値を示している。

表１において，最大発熱密度および全発熱量のいずれにおいても，従来技術の電磁撹拌装置における値を1として比較している。表１で示されるように，本実施形態の電磁撹拌装置を用いれば，各ストランドに発生する電磁力が均一化し，最大発熱密度が従来の０．６７倍になり，鋳型５が全体に亘って均一に発熱することが理解される。また，磁束密度の不均一による局所発熱を低減することにより，鋳型５内全体の発熱量も従来の０．９２倍に低減できる。これにより，鋳型５の熱負荷が場所によって大きく異なるといったことが防止され，鋳型の寿命を長くすることができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，金属の連続鋳造設備，特に，複数のストランドで鋳造を行うことが可能な連続鋳造設備において，単体で，複数のストランドを同時に旋回撹拌して良質の鋳片を得ることができる直線移動磁界式の電磁撹拌装置に適用可能である。

従来のスラブ鋳造における電磁撹拌装置の平面図 従来の回転磁界式の電磁撹拌装置の平面図 従来の３ストランド用移動磁界型電磁撹拌装置の例の平面図 本発明の実施形態における電磁撹拌装置の平面図 鋳型内における鋳型中央を中心とした撹拌力の図 鋳型中央を中心とした撹拌力比の図 巻数比に対する撹拌力比を表す図

符号の説明

１ 直線移動磁界式電磁撹拌装置
２ 鉄心
３ コイル
４ 溶融金属
５ 鋳型
６ 回転磁界式電磁撹拌装置
７ 直線移動磁界式電磁撹拌装置
８ 直線移動磁界式電磁撹拌装置
９ 鋳型内における撹拌方向の電磁力

Claims (1)

1. 連続鋳造設備に用いられ，
   並置された３以上のストランドにより構成される鋳型と，該鋳型を間に挟み所定の間隔で略平行に対向配置された２個の鉄心と，該鉄心毎に巻き付けられ三相交流電源から電流の供給を受ける複数のコイルと，から構成され，
   前記鋳型内において，前記２個の鉄心が互いに逆方向に進行する移動磁場を発生させ，鋳型内の溶融金属を旋回撹拌する直線移動磁界式の電磁攪拌装置であって：
   前記コイルは，１つの前記ストランドに対して前記鉄心毎に３以上の同個数で巻き付けられ，且つ，該コイル毎の巻線数は，１つの前記ストランドに対して同じ巻線数であり，
   前記３以上のストランドにおける端部２つ以外のストランドに対応するコイルの巻線数は，端部２つのストランドに対応するコイルの巻線数の０．７６〜０．８５倍であり，
   前記鉄心上で隣接する前記コイル間の電流位相差は，各々６０度であり，前記鉄心の一端から他端に向けて一定方向にずれていることを特徴とする，直線移動磁界式の電磁撹拌装置。
   

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