JP4501892B2 - 連続鋳造の鋳型内溶湯温度の推定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体金属の連続鋳造において鋳型内の溶湯温度を推定する技術に関する。特に、鋳型内の溶鋼に直接プローブ等を浸漬することなく、経時的に連続して測定が可能で、消耗品が極力少ないことを条件として、推定精度の良い鋳型内溶鋼温度の推定技術に関する。

溶鋼などの溶湯の連続鋳造において鋳型（モールド）内の溶湯温度を知ることは各種の鋳造条件を設定する上で重要である。例えば、鋼の連続鋳造では、鋳型内の溶鋼温度が高すぎると凝固シェルの発達が遅れブレークアウトにつながり、又、等軸晶の生成が阻害されて中心偏析の悪化を引き起こす。逆に鋳型内の溶鋼温度が低すぎると、鋳型内湯面の皮張りやモールドパウダーの溶融不良で、品質障害やブレークアウトの原因となる。

従来、広く行われている方法として（１）タンディッシュ内の溶鋼温度を測定して、タンディッシュ〜鋳型間の温度効果量を予測して鋳型内の溶鋼温度を推定する方法がある。タンディッシュ内の溶綱温度を測定する手段としては、消耗型の熱電対でスポット測定を行うことが一般的である。更に一部では、耐火物の保護管に覆われた持久式熱電対により連続測定を行ったり、樹脂被覆の光ファイバーを浸漬して放射温度を測定することも行われている。

又、（２）鋳型内の溶鋼温度を直接測定する方法も提案されており、例えば、特許文献１では、測温紙管に２〜３ｍｍピッチで埋め込んだ測温プローブを昇降装置によって鋳型内溶鋼に約１分間浸漬し、鋳込みの初期、中期、末期にかけて数回測定する方法が開示されている。又、特許文献２ではサーメット製の保護管に覆われた熱電対を鋳型内溶鋼中に連続的に浸漬している。

又、（３）鋳型内の溶鋼温度を間接的に測定する方法として、特許文献３で、鋳型銅板外面の溶鋼メニスカス部位近傍の温度分布を非接触で冷却箱背面から測定可能とする耐熱窓ガラスを冷却箱に設け、この窓ガラスを通じて放射温度計で溶鋼の温度を計測している。

特許第２９５０１８８号公報 特開平１１−１２３５１５号公報 特開昭５９−２２５８５８号公報

しかしながら、（１）のタンディッシュ内の溶鋼温度を計測して鋳型内の溶鋼温度を推定する方法では、タンディッシュ〜鋳型間の溶鋼温度降下量にバラツキがあるような環境、例えば、タンディッシュの耐火物ライニング厚みが溶損で大きく変わる場合、又、タンディッシュのホットリサイクルを行う場合、リサイクルタイムがばらついてタンディッシュの含熱量がばらつく場合等の環境では、推定した鋳型内溶鋼温度に大きなバラツキが生じる。

又、（２）の鋳型内の溶鋼に直接プローブを浸漬する方法では、消耗方熱電対では溶鋼温度の経時連続的な情報を得ることは困難である。又、サーメットなどの保護管を連続浸漬する方法でも、鋳型内のように溶鋼流速が速い（０．１〜０．５ｍ／ｓ程度）環境では保護管の寿命が限られ（１時間〜数時間程度）、常時測定するには保護管のコストと交換作業が必要である。又、これらの鋳型内溶鋼に直接プローブを浸漬する方法では、浸漬時にモールドパウダーを溶鋼中に巻き込んだり、プローブの周りに付着した地金が溶鋼中に脱落したり、浸漬したプローブの周りに溶鋼流れの渦が生じてモールドパウダーを巻き込み、溶鋼の品質が低下するおそれがある。

又、（３）の鋳型間の溶鋼温度を間接的に測定する方法では、別途に冷却箱に耐熱窓ガラスを設けるため設備の改良及び、劣化した耐熱窓ガラスの交換が必要となりコストがかかる。

本発明は、前記従来の問題点を解消すべくなされたもので、鋳型内の溶鋼に直接プローブ等を浸漬することなく、経時的に連続して測定が可能で、消耗品が極力少ないことを条件として、推定精度の良い鋳型内溶鋼温度の推定方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明は、液体金属を冷却させ、凝固シェルを形成して固体金属になりつつある該液体金属の鋳片を鋳型から引抜く液体金属の連続鋳造に際し、鋳型出口における凝固シェルの厚みと該凝固シェル厚み方向の平均温度とを求める段階と、前記固体金属に関する温度とエンタルピーとの関係に基づいて前記平均温度から前記固体金属の単位量あたりエンタルピーである第１エンタルピーを求める段階と、鋳型の冷却水の入側と出側の温度差及び冷却水の流量により、前記液体金属から流出する全熱量に対応する鋳型内における総括熱流束を求める段階と、該総括熱流束、前記鋳片引抜き量、前記凝固シェル厚み及び前記鋳型出口での凝固シェルの平均密度から、前記液体金属から抜き去られたエンタルピー量である前記固体金属の単位量あたり抜去エンタルピー量を求める段階と、前記第１エンタルピーに前記抜去エンタルピー量を加算し、鋳型内に注入された時点での前記液体金属の単位量あたりエンタルピーである第２エンタルピーを求める段階と、前記液体金属に関する温度とエンタルピーとの関係に基づいて該第２エンタルピーから前記液体金属の温度を求める段階と、からなる連続鋳造鋳型内溶湯温度を推定方法により、前記課題を解決したものである。

又、本発明は、液体金属を冷却させ、凝固シェルを形成して固体金属になりつつある該液体金属の鋳片を鋳型から引抜く液体金属の連続鋳造における鋳型内溶湯温度の推定装置において、単位時間当たりの鋳片引抜き量を測定する手段と、鋳型出口における凝固シェルの厚みと該凝固シェル厚み方向の平均温度とを求める手段と、前記固体金属に関する温度とエンタルピーとの関係に基づいて前記手段で求められた平均温度から前記固体金属の単位量あたりエンタルピーである第１エンタルピーを求める手段と、鋳型の冷却水の入側と出側の温度差及び冷却水の流量を求める手段と、該測定された鋳型の冷却水の入側と出側の温度差及び冷却水の流量により、前記液体金属から流出する全熱量に対応する鋳型内における総括熱流束を求める手段と、該総括熱流束、前記鋳片引抜き量、前記凝固シェル厚み、及び前記鋳型出口での凝固シェルの平均密度から、前記液体金属から抜き去られたエンタルピー量である前記固体金属の単位量あたり抜去エンタルピー量を求める手段と、前記第１エンタルピーに前記抜去エンタルピー量を加算し、鋳型内に注入された時点での前記液体金属の単位量あたりエンタルピーである第２エンタルピーを求める手段と、前記液体金属に関する温度とエンタルピーとの関係に基づいて該第２エンタルピーから前記液体金属の温度を求める手段と、を具備することを特徴とする、連続鋳造鋳型内溶湯温度の推定装置により、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、単位時間当たりの鋳片引抜き量と、鋳型の冷却水の入側と出側の温度差と、冷却水の時間あたり流量とを測定し、金属に関する温度とエンタルピーとの関係を利用することで、鋳型内の溶鋼に直接プローブ等を浸漬することなく、消耗品が極力少なく、経時的に連続して推定精度の良い鋳型内溶鋼温度を推定することができる。

したがって、鋳型内の溶鋼温度に起因する鋳片の品質異常や、鋳型内溶鋼温度を計算パラメータとして使用する技術計算、たとえば特許第３２３０５１３号にあるような鋳型内銅板温度から鋳型内の溶鋼流速を推定することが精度よく行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態について説明する。

図１は、本発明の１つの実施形態を示す連続鋳造機（垂直曲げ型の連続鋳造機）の断面の概略図である。なお、ここでは普通鋼のスラブ連鋳を対象として示した。

図１において、連続鋳造機は、液体金属である溶鋼２を貯えるタンディッシュ４と、冷却しながら溶鋼２を型取る鋳型６と、溶鋼２が凝固しつつある鋳片８を鋳型６から引抜くピンチローラ１０とを有して構成されている。

タンディッシュ４の先端側に、溶鋼２を鋳型６に注ぐ浸漬ノズル１２が設けられ、タンディッシュ４と浸漬ノズル１２の間には溶鋼湯面（メニスカス）１４のレベルが目標値に設定されるように、流量を調節するスライディングノズル１６が配置されている。

鋳型６には、冷却水路１８が配設され、冷却水路１８の入側に給水管２０、出側に排水管２２が連結されている。給水管２０及び排水管２２には夫々熱電対による第１水温計２４及び第２水温計２６が配置され、排水管２２には、電磁流量計２８が設置されている。

一部のピンチローラ１０には、鋳型６下端での鋳片引抜き速度を測定するための鋳片引抜き速度計３０が備えられている。

鋳型６の銅板に、給水管２０から冷却水が通水され、冷却水路１８内を流れ、溶鋼２の熱が奪われ、奪われた熱は排水管２２を介して外へ排出される。

第１温度計２４は、給水管２０の冷却水の温度を測定し、第２温度計２６は、排水管２２の中を流れる熱を奪った冷却水の温度を測定し、鋳型６の冷却水の入側と出側の温度差が求められる。

電磁流量計２８は、鋳型６から出て行く熱量を求めるため、排水管２２を流れる冷却水の流量を測定する。

鋳片引抜き速度計３０は、鋳型６出口での凝固シェル３２の厚み方向の平均温度を回帰式より求める（後述）ための独立変数等として必要な鋳造速度を測定する。

次に、本発明に係る鋳型６内の溶鋼２の温度を推定する方法について説明する。

まず鋳型６内での凝固の物理過程を考えると、浸漬ノズル１２から鋳型６内に注入された溶鋼２は顕熱と凝固潜熱を含めたあるエンタルピー（含熱量）を持っている。

一方、鋳型６は一般に銅板内に配設された冷却水路１８内を流れる冷却水が溶鋼２からの熱移動分のほぼすべてを吸収しているとみてよい。

したがって、冷却水の入側の温度と出側の温度との差に相当する熱量は、溶鋼２のエンタルピーから、鋳型６出口での凝固シェル３２の厚み方向平均温度でのエンタルピーまでの落差分に相当すると考えてよい。

以下、上記の原理を使用して、鋳型冷却水入出温度差から求まる鋳型６の総括抜熱量から鋳型６内の溶鋼温度を求める手順を図２におけるフローチャート及び図３における温度とエンタルピーとの関係を示すグラフに基づいて詳細に説明する。

まず、連続鋳造機で扱う金属に関する温度とエンタルピーとの関係として、鋼の温度−エンタルピー曲線を決定する。これは一般に知られている温度毎の比熱データおよび凝固潜熱データより決定する（ステップＳ１）。図３において、温度とエンタルピーとの関係並びに温度推定の手順を模式的に示した。

次に、鋳型６出口での凝固シェル３２の厚み方向の平均温度（Ｔ１_ａｖｅ）を求める（ステップＳ２）。これには伝熱凝固計算を用い、想定される鋳造速度（＝鋳片引抜き速度）Ｖｃの範囲内で複数の水準で計算し、鋳造速度Ｖｃを独立変数、厚み方向の平均温度Ｔ１_ａｖｅを説明変数とする回帰式を作成する。鋳造速度は、鋳片引抜き速度計３０で測定する。

平均温度Ｔ１_ａｖｅを求めた後、鋼の温度とエンタルピーとの関係に基づいて、平均温度Ｔ１_ａｖｅから第１エンタルピー（Ｈ_１）を求める（ステップＳ３）。

次に、鋳型冷却水入出温度差から、単位面積当りの鋳型内総括抜熱量である総括熱流束（Ｑ）を求める（ステップＳ４）。総括熱流束Ｑは次式で表される。

ここで、
Ｑ：鋳型内総括熱束（Ｗ／ｍ^２）、
ΔＴ：鋳型冷却水の入出温度差（℃）、
Ｒ：冷却水の時間あたり流量（ｍ^３／ｓ）、
ｈ：鋳型のメニスカスから鋳型出口までの距離（ｍ）、
Ｗ：鋳型幅（ｍ）
である。

なお、入出温度差ΔＴは、給水管２０及び排水管２２に配置された水温計２４、２６より求める。熱の流出は主に鋳片８の鋳型幅Ｗと鋳型のメニスカスから鋳型出口までの距離ｈとの面からのものとする。

次に、（１）式で求めた総括熱流束Ｑから、鋳型６出口での凝固シェル単位重量当たりの、溶鋼２からのエンタルピー落差である抜去エンタルピー量（ΔＨ）を次の（２）式から求める（ステップＳ５）。

ここで、
ρ：鋳型出口での凝固シェルの平均密度（ｋｇ／ｍ^３）、
Ｖｃ：鋳型下端での鋳片引抜き速度（ｍ／ｓ）、
ｄ：鋳型下端での凝固シェル厚（ｍ）
であり、凝固シェル厚ｄは、伝熱凝固計算を用い、想定されるＶｃから求める。

次に、鋳型６に注入された溶鋼２の第２エンタルピー（Ｈ_２）を次の（３）式で求める（ステップＳ６）。

Ｈ_２＝Ｈ_１＋ΔＨ ・・・（３）

次に、Ｈ_２を段階Ｓ１の鋼の温度−エンタルピー曲線を用いて対応する温度に変換する（ステップＳ７）。これにより鋳型６内の溶鋼温度Ｔ２を求める。

以上の手順によりＴ１_ａｖｅは、鋳造速度Ｖｃから、総括熱流束Ｑは、鋳型冷却水の入出温度差ΔＴと冷却水の時間あたり流量Ｒから、抜去エンタルピー量ΔＨは、鋳型下端での鋳片引抜き速度Ｖｃとこの鋳片引抜き速度Ｖｃから求まる凝固シェル厚ｄから、夫々時々刻々求めることができるため、鋳型内の溶鋼温度Ｔ２を溶鋼に測温プローブ等を浸漬することなく、経時的に連続して推定することができる。しかも、直接プローブ等を溶鋼に浸漬することがないので、消耗品が極力少なくて済む。

なお、連続鋳造機は完全垂直型、湾曲型など形式を問わない。

又、通常は鋳型の長辺銅板、短辺銅板それぞれに独立して流量調節の可能となっている場合が多いが、銅板でまとめて１つの流量調節計でも問題は無い。

又、凝固シェルの厚み及び凝固シェルの厚み方向の平均温度は、伝熱凝固計算を用いて鋳造速度から求めているが、凝固シェルの厚みについては、例えば超音波を用いて測定し、前記平均温度については、鋳型直下での鋳片の表面温度を、例えば放射温度計で測定し、平均温度を推計してもよい。

次に、具体的にスラブ連鋳機に適用した本発明による実施例を示す。

本実施例では表１に示すような成分の薄板用極低炭素鋼で行った。

スラブ連鋳機の装置構成の概略は上記の発明の実施形態同様に図１に示したものであり、表２に示すような鋳造条件で鋳造した。

図４は、鋳片引抜き速度計３０により測定された、鋳込み長さに対する鋳造速度Ｖｃの経時的トレンドデータを示したものである。

図５はタンディッシュ内溶鋼温度（スポット測定）及び、それと同じタイミングで測定した鋳型内の溶鋼温度のデータを示すもので、この鋳型内の溶鋼温度のデータは、本発明に係る推定方法により求めた鋳型内溶鋼温度の値との比較用として測定したものである。

この温度の測定は、熱電対に透明石英保護管を被せたものを使用し、保護管の先端を湯面１４下８０ｍｍにまで浸漬させ行った。

又、図６は、鋳型冷却水の入出側温度差ΔＴのデータから求めた、鋳型内総括熱流束Ｑのトレンドである。このデータは鋳型長辺の前後面のそれぞれの入出側温度差ΔＴを平均し、その値に対する総括熱流束Ｑを求めた。またデータは経時的にみた場合、スラブ１枚毎の平均値データである。

以下、実施形態で述べた手順にしたがって、鋳型内総括熱流束Ｑから鋳型内溶鋼温度Ｔ２を推定した方法について述べる。

ｉ）まず、鋼の温度−エンタルピー曲線は、図７に示した値を用い、データ間は直線補間とした（ステップＳ１に対応）。なお、値はキャリブレーションしたものである。

ｉｉ）次に、鋳型出口での凝固シェル厚みの平均温度Ｔ１_ａｖｅは、伝熱凝固計算を複数の鋳造速度で行ない、次の（４）式のように決定した（ステップＳ２に対応）。

Ｔ１_ａｖｅ＝２８．７５×Ｖｃ＋１２３４．２７５・・・（４）

ｉｉｉ）この平均温度Ｔ１_ａｖｅから第１エンタルピーＨ_１を求めた（ステップＳ３に対応）。

ｉｖ）鋳型内冷却水入出温度差ΔＴから、鋳型内総括熱流束Ｑを計算するには（１）式を用いた（ステップＳ４に対応）。求めた鋳型内総括熱流束Ｑの経時トレンドは図６に示した通りである。

ｖ）この鋳型内総括熱流束Ｑから抜去エンタルピー量ΔＨを求めた（ステップＳ５に対応）。

ｖｉ）鋳型に注入された溶鋼の第２エンタルピーＨ_２は（３）式によって求めた（ステップＳ６に対応）。

ｖｉｉ）最後に鋳型内の溶鋼温度Ｔ２は、図７に示されたような、鋼の温度とエンタルピーとの関係データを用い、段階ｖｉ）で求めた鋳型内の溶鋼の第２エンタルピーＨ_２を温度Ｔ２に変換することで求めた（ステップＳ８に対応）。

このようにして求めた鋳型内の溶鋼温度の推定値Ｔ２を図８に示す。“◆”印のプロット列が本発明の鋳型内溶鋼温度の推定値Ｔ２であり、“●”印のプロットは図５にも示した、鋳型内溶鋼温度のスポット測定値である。

両者はよく一致しており、本発明による鋳型内溶鋼温度の推定値Ｔ２をもって鋳型内の溶鋼温度の絶対値および時々刻々の変化を知ることができることがわかる。

但し、図８を見てもわかるように、鋳造速度Ｖｃが変化している非定常部においては鋳型内溶鋼温度の推定値Ｔ２が異常となっている。これは、この実施例において鋳造速度Ｖｃは時々刻々の瞬時値を使用しているのに対し、鋳型内総括熱流束Ｑは、鋳型冷却水入出温度差ΔＴのスラブ切断単位データを使用しているためである。

本発明に係る実施形態の連続鋳造機の概略を示す断面図 本発明に係る手順を示すフローチャート 温度とエンタルピーとの関係を模式的に示すグラフ 本実施例において、測定された鋳造速度のトレンドを示すグラフ タンディッシュ内及び鋳型内の溶鋼温度の測定値を示すグラフ 鋳型内総括熱流束の経時トレンドを示すグラフ 実施例で使用した温度とエンタルピーとの関係を示すグラフ 本実施例による鋳型内溶鋼温度の推定値を示すグラフ

符号の説明

２…溶鋼
６…鋳型
８…鋳片
３２…凝固シェル

Claims (2)

1. 液体金属を冷却させ、凝固シェルを形成して固体金属になりつつある該液体金属の鋳片を鋳型から引抜く液体金属の連続鋳造に際し、
   鋳型出口における凝固シェルの厚みと該凝固シェル厚み方向の平均温度とを求める段階と、
   前記固体金属に関する温度とエンタルピーとの関係に基づいて前記平均温度から前記固体金属の単位量あたりエンタルピーである第１エンタルピーを求める段階と、
   鋳型の冷却水の入側と出側の温度差及び冷却水の流量により、前記液体金属から流出する全熱量に対応する鋳型内における総括熱流束を求める段階と、
   該総括熱流束、前記鋳片引抜き量、前記凝固シェル厚み、及び前記鋳型出口での凝固シェルの平均密度から、前記液体金属から抜き去られたエンタルピー量である前記固体金属の単位量あたり抜去エンタルピー量を求める段階と、
   前記第１エンタルピーに前記抜去エンタルピー量を加算し、鋳型内に注入された時点での前記液体金属の単位量あたりエンタルピーである第２エンタルピーを求める段階と、
   前記液体金属に関する温度とエンタルピーとの関係に基づいて該第２エンタルピーから前記液体金属の温度を求める段階と、
   からなることを特徴とする、連続鋳造鋳型内溶湯温度の推定方法。
2. 液体金属を冷却させ、凝固シェルを形成して固体金属になりつつある該液体金属の鋳片を鋳型から引抜く液体金属の連続鋳造における鋳型内溶湯温度の推定装置において、
   単位時間当たりの鋳片引抜き量を測定する手段と、
   鋳型出口における凝固シェルの厚みと該凝固シェル厚み方向の平均温度とを求める手段と、
   前記固体金属に関する温度とエンタルピーとの関係に基づいて前記手段で求められた平均温度から前記固体金属の単位量あたりエンタルピーである第１エンタルピーを求める手段と、
   鋳型の冷却水の入側と出側の温度差及び冷却水の流量を求める手段と、
   該測定された鋳型の冷却水の入側と出側の温度差及び冷却水の流量により、前記液体金属から流出する全熱量に対応する鋳型内における総括熱流束を求める手段と、
   該総括熱流束、前記鋳片引抜き量、前記凝固シェル厚み、及び前記鋳型出口での凝固シェルの平均密度から、前記液体金属から抜き去られたエンタルピー量である前記固体金属の単位量あたり抜去エンタルピー量を求める手段と、
   前記第１エンタルピーに前記抜去エンタルピー量を加算し、鋳型内に注入された時点での前記液体金属の単位量あたりエンタルピーである第２エンタルピーを求める手段と、
   前記液体金属に関する温度とエンタルピーとの関係に基づいて該第２エンタルピーから前記液体金属の温度を求める手段と、
   を具備することを特徴とする、連続鋳造鋳型内溶湯温度の推定装置。

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