JP4862718B2 - 連続鋳造機用クーリンググリッド装置および連続鋳造鋳片の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造機用クーリンググリッド装置及び連続鋳造鋳片の製造方法に関する。

鋼の連続鋳造においては、取鍋からタンディッシュに注入された溶鋼がタンディッシュの底部に設置された浸漬ノズルを介して水冷式の鋳型に注入され、その後、鋳型によって形成された凝固シェルを外郭とする鋳片が冷却されながら鋳型下方に連続的に引き抜かれ、連続鋳造鋳片が製造されている。

この場合、先ず、鋳型においては、溶鋼は鋳型と接することによって抜熱し、凝固シェルを形成する。その後、鋳型を抜けた鋳片は、ガイドロール、クーリンググリッド、クーリングプレートなどから構成される鋳片支持・案内装置によって支持されながら、ピンチロールによって鋳造方向に引き抜かれる。鋳片支持・案内装置によって支持されることにより、鋳片の厚み方向への膨らみ（「バルジング」という）が防止される。

この鋳片支持・案内装置には、水スプレーノズルやエアーミストスプレーノズルなどのスプレーノズル（以下、単に「スプレーノズル」と記載の場合は、水スプレーノズルとエアーミストスプレーノズルの両方を指すものとする）が配置されており、このスプレーノズルから噴霧される冷却水によって冷却されながら鋳片は引き抜かれ、やがて中心部までの凝固を完了させる。その後、連続鋳造機の機端に設置された鋳片切断機によって所定の長さに切断され、連続鋳造鋳片が製造される。

ところで、近年、製造コストを削減するべく、生産性の向上が以前にも増して要求されており、連続鋳造プロセスにおいては、製造ラインのスピード即ち鋳片の引き抜き速度の高速化が行なわれている。この引き抜き速度の高速化を実現するには、様々な問題を解決する必要があるが、その中でも特に、鋳片をより効率的に冷却する技術が必要となっている。

高速鋳造下では、鋳型直下における凝固シェルの厚みが薄くなり、この凝固シェルが破れてブレークアウトが発生したり、或いは、凝固シェルの破れまでには至らないものの、鋳片が鋳型直下で溶鋼静圧によってバルジングしてしまい、これによって鋳型内の溶綱湯面が上下に変動してモールドパウダーが凝固シェルに巻き込まれ、品質欠陥が発生したりするなどの問題が生じる。つまり、鋳型直下において、鋳片のバルジングが生じないように支持しながら、且つ、効率良く鋳片を冷却する方法が求められている。

従来、鋳片を鋳型直下で支持する方式としては、大きく分けて、ロール方式、クーリングプレート方式、クーリンググリッド方式の３種類の方式に分類される（例えば、非特許文献１参照）。

ロール方式では、隣り合うロールの隙間にスプレーノズルを設置し、スプレーノズルによって冷却しながらロールで鋳片を支持する。この場合、鋳片を冷却する観点からは、ロール径を大きくしてロール間隔を拡大させ、鋳片の水冷される面積を広くすることが望ましいが、このようにすると鋳片を支持する間隔が広がるため、バルジングしやすくなってしまうという問題がある。また、ロール即ち線で支持しているので、面で支持する他の２つの方式に比べて鋳片の支持面積が小さいという基本的な問題もある。

クーリングプレート方式では、鋳片の幅方向全体を１つのプレートで支持しており、このプレートは、水冷されていて鋳片を間接的に冷却するとともに、プレートの表面から鋳片に向けて水を噴出して鋳片を直接冷却する機能を備えている。このように、クーリングプレート方式では、鋳片の幅方向全体を大きな１つのプレートで支持しており、鋳片のバルジング防止には非常に有効な方式であるが、鋳片を直接冷却する面積が小さいので、鋳片の冷却効率が悪いという問題がある。また、ブレークアウトが発生した場合、プレート表面から噴射された水が鋳片を冷却した後に発生する蒸気の逃げ場がないため、水蒸気爆発が発生し、操業上に問題があった。更に、プレートが大きく、しかも一体構造であるため、加工及び補修が難しいことも大きな問題であった（例えば、特許文献１参照）。

クーリンググリッド方式は、鋳片を支持するためのウエアプレートと、そのウエアプレートの隙間に設置されるスプレーノズルで構成されるクーリンググリッドを使用しており、千鳥配置された多数のウエアプレートが鋳片を支持し、かつ、多数のスプレーノズルで鋳片を直接冷却しており、鋳片の支持面積を確保すると同時に、鋳片の直接冷却の面積を確保するという両方を兼ね崔えた設備である（例えば、特許文献２及び特許文献３参照〉。
三好等、鉄と鋼、Ｖｏｌ．６０（１９７４）Ｎｏ．７，ｐ．８６０−８６７ 特開昭５７―２５２６８号公報 特開２００２−１２００５４号公報 実開平６−２３６４７号公報

しかしながら、現状のクーリンググリッド方式の設備を精査検討したところ、現状のクーリンググリッド装置では、主に、隣り合うウエアプレートの隙間に設置したスプレーノズルから供給される冷却水によって鋳片を冷却しており、鋳片を支持するためのウエアプレートが鋳片表面に接触することにより、鋳片とウエアプレートとの接触部には冷却水が当たらず、現状で求められている高速鋳造時には冷却能力が不十分であるという問題が判明した。

ウエアプレート自体は、水冷構造ではなく、ウエアプレートの隙間に設置したスプレーノズルから噴霧されるスプレー水によって間接的に冷却されており、従って、鋳片のウエアプレートとの接触部はウエアプレートによる間接冷却になる。
クーリンググリッド方式では、ウエアプレートの占める面積が４０％前後にもなり、つまり４０％前後の面積が、スプレー水による直接冷却が行なわれないことになる。また、クーリンググリッド方式では、ウエアプレートの部分には冷却水が当たらないので、鋳片幅方向において均一な冷却ができないという問題もあり、鋳片表面に割れが発生してしまう可能性も存在していた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、鋳型直下の鋳片支持をクーリンググリッド方式で実施するに当たり、ウエアプレート部分にも冷却機能を付与すると共に、水噴射による冷却よりも低水量での冷却を可能とし、鋳片の冷却能力に優れる、連続鋳造機用クーリンググリッド装置および連続鋳造鋳片の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、連続鋳造機の鋳型直下に設置されており、鋳片を支持するためのウエアプレートと、鋳片に冷却媒体を噴霧するためのスプレーノズルとを備えた連続鋳造機用クーリンググリッド装置であって、前記ウエアプレートに、鋳片から抜熱するための冷却機構が設けられ、前記冷却機構は、前記ウエアプレートに配置した多孔質金属体と、当該多孔質金属体に冷却媒体を供給して排出する冷却媒体給排機構とを備え、前記ウエアプレートは、前記多孔質金属体に隣接した冷却媒体の分岐路を有することを特徴とする連続鋳造機用クーリンググリッド装置を提供する。

本発明はまた、上記連続鋳造機用クーリンググリッド装置を備えた連続鋳造機を用い、当該クーリンググリッド装置のスプレーノズルに加えて、ウエアプレートによっても、鋳片を冷却しながら鋳造することを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法を提供する。

本発明によれば、鋳造される鋳片を効率的に冷却すると同時に、これまで不均一であったクーリンググリッド装置における冷却を均一化することができるので、鋳片引き抜き速度の高速化による生産量の増加が可能になると共に、これまで発生していた不均一冷却に起因する鋳片の表面割れを防止することが可能となる。
その結果、近年の鋳片引き抜き速度を高速化させた連統鋳造操業にあっても、操業トラブルを生じることなく安定して高品質の鋳片を鋳造することが実現され、工業上有益な効果がもたらされる。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す図であって、本発明に係るクーリンググリッド装置を備えた連続鋳造機の概略図である。図２は、図１におけるクーリンググリッド装置の拡大斜視図である。

図１に示すように、連続鋳造機１には、溶鋼１７を冷却して凝固させ、鋳片１８の外殻形状を形成するための鋳型５が設置され、この鋳型５の上方所定位置には、取鍋（図示せず）から供給される溶鋼１７を鋳型５に中継供給するためのタンディッシュ２が設置されている。一方、鋳型５の下方には、鋳型５の直下にクーリンググリッド装置６が設置され、クーリンググリッド装置６の下方には、対抗する複数対の鋳片支持ロール７が設置されている。

クーリンググリッド装置６及び鋳片支持ロール７は、鋳型５から引き抜かれる鋳片１８を支持しながら下方に案内するための鋳片支持・案内装置であり、鋳片支持ロール７には鋳片１８を引き抜くためのピンチロール（図示せず）が含まれる。隣り合う鋳片支持ロール７の間隙には、水スプレーノズル或いはエアーミストスプレーノズルなどのスプレーノズルが配置され、これらのスプレーノズル１２から噴霧される冷却水により、鋳片１８は引き抜かれながら冷却される。

タンディッシュ２の底部には、タンディッシュ２から鋳型５に注入される溶鋼１７の流量を調整するためのスライディングノズル３が設置され、このスライディングノズル３の下面には、溶鋼１７を鋳型５に注入するための耐火物製の浸漬ノズル４が設置されている。また、鋳片支持ロール７の下流側には、鋳造された鋳片１８を搬送するための複数の搬送ロール８が設置されており、この搬送ロール８の上方には、鋳造される鋳片１８から所定の長さの鋳片１８ａを切断するための鋳片切断機９が配置されている。

クーリンググリッド装置６は、図２に示すように、鋳片１８を支持するための、千鳥配置された多数のウエアプレート１０と、隣り合うウエアプレート１０とウエアプレート１０との隙間に設置される水スプレーノズル１２と、で構成されている。

また、図２では、クーリンググリッド装置６を鋳片１８の幅方向の一部のみで示しているが、鋳片１８の全幅に亘ってクーリンググリッド装置６が設置されている。ウエアプレート１０は、通常、鋳鋼製或いは鋳鉄製である。

なお、図２では、隣り合うウエアプレート１０の隙間に水スプレーノズル１２が設置されているが、水スプレーノズル１２である必要はなく、エアーミストスプレーノズルであってもよい。

また、図２に示すウエアプレート１０は、長方形型であるが、非特許文献１に示されるような格子型であってもよい。要は、ウエアプレート１０による鋳片１８の支持面積が２０〜６０％となり、その他の部位をスプレーノズルによって冷却できるような構造であるならば、ウエアプレート１０の形状はどのようであっても構わない。

また、図２に示すウエアプレート１０の幅は約６０ｍｍ、長さは約２００ｍｍ程度であるが、千鳥配置している関係上、長さが２００ｍｍより短いものが存在しても何ら問題にはならない。

さらに、クーリンググリッド装置６の鋳造方向の設置長さは特に限定されるものではなく、少なくともウエアプレート１０が鋳造方向に千鳥配置されるならば幾らであっても構わない。但し、クーリンググリッド装置６は、本来、鋳型直下で鋳片１８を支持する装置であるので、３ｍ以上の長さは必要としない。

図３（Ａ）は、本発明の第１実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。
本実施の形態では、ウエアプレート１０は、鋳片から抜熱するための冷却機構を備えている。すなわち、ウエアプレート１０の内部には、多孔質金属体１１が埋め込まれており、冷却水給排機構として、導入管１４Ａを通って冷却水がウエアプレート１０の内部の多孔質金属体１１に導入され、排出管１４Ｂを通って外に排出されるようになっている。

本実施の形態で用いた多孔質金属体１１は、抜熱性能に優れた冷却デバイスである。多孔質金属体１１としては、気孔が連続しており通水性があるものであれば、粒状あるいは繊維状の金属を焼結したもの、発砲金属など、製造方法は問わない。

また、多孔質金属体１１の材質は、一般的には熱伝導率の高い材料である、銅、ブロンズが用いられることが多いが、その他の材料であっても使用可能である。複数の材料を用いたものであってもよい。

多孔質金属体１１の気孔径、材料充填率、粒子/繊維径により、冷却水を流した時の冷却特性が変化するが、クーリンググリッド装置６のウエアプレート１０の冷却に必要な冷却特性を満足する範囲でこれらを決めればいい。

多孔質金属体１１の抜熱原理は、水の核沸騰を利用した伝熱である。伝熱面から多孔質金属体１１の内部に熱が伝わった際に、水との伝熱面積が増加することで高抜熱が実現する。また、抜熱効率が良いことから、低水量での抜熱が可能であるという特徴を有している。また、気孔間に材料があるため、核沸騰で発生した気泡がつながって伝熱効率が悪い膜沸騰領域になりにくい。よって、上記多孔質金属体を用いることで、少ない流量での高抜熱を実現することができる。

なお、本発明では、ウエアプレート内部に設置する多孔質金属体１１は、一体物であっても良いし、分割されていても構わない。また、材料、気孔径、充填率の異なる多孔質金属体１１を組み合わせたものであっても構わない。

なお、図３では、多孔質金属体１１がウエアブレート１０に対して縦方向に設置されているが、縦方向であっても、また斜め方向であってもよい。

このような構成の連続鋳造機１を用いて、タンディッシュ２に滞留する溶鋼ｌ７を、スライディングノズル３により流量を調整しながら浸漬ノズル４を介して鋳型５に注入する。鋳型５に注入された溶鋼１７は、鋳型５と接触して冷却され、凝固シェル１９を形成する。鋳型５における溶鋼湯面位置をほぼ一定位置に保ちながら、表面を凝固シェル１９とし、内部を未凝固相２０とする鋳片１８を鋳型５の下方に連続的に引き抜き、溶鋼１７の連続鋳造を実施する。鋳型５を引き抜かれた鋳片１８は、クーリンググリッド装置６及び鋳片支持ロール７で支持されながら冷却され、やがて内部まで完全に凝固する。クーリンググリッド装置６に設置される水スプレーノズル１２からの冷却水の噴霧量、並びに、鋳片支持ロール７の間隙に設置されるスプレーノズルからの冷却水の噴霧量は、特に規定するものではなく、鋳造する鋼種や鋳片の引き抜き速度に応じて適宜最適な範囲を設定するものとする。鋳造される鋳片１８を鋳片切断機９によって切断し、所定の長さの鋳片１８ａを製造する。

このような鋳造の際、上述した構成のクーリンググリッド装置６を用いて鋳片１８を冷却することで、即ち、水スプレーノズル１２だけでなく、ウエアプレート１０によっても、鋳片を冷却しながら鋳造することで、鋳片１８を効率的に冷却することができると同時に、これまで不均一であったクーリンググリッド装置６における冷却を改善することができるので、鋳片引き抜き速度の高速化による生産量の増加が可能になるとともに、これまで発生していた不均一冷却に起因する鋳片１８の表面割れを防止することが可能となる。

（第２の実施の形態）
図４（Ａ）は、本発明の第２実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。
本実施の形態では、ウエアプレート１０は、その内部に冷却水を分流して流す複数の分流路３１を有する。

すなわち、ウエアプレート１０の内部に複数本の分流路３１を設け、それぞれの分流路３１に、多孔質金属体１１を設置している。導入管１４Ａから入った冷却水は、その中で分流路３１を介して、多孔質金属体１１に流れ、再び合流した後、排出管１４Ｂで外に排出される。

（第３の実施の形態）
図５（Ａ）は、本発明の第３実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。
本実施の形態では、多孔質金属体１１は、ウエアプレート１０の鋳片側に露出して配置してあり、これにより、冷却水を鋳片に直接吹き付けるようになっている。

すなわち、多孔質金属体１１が鋳片側の面に露出してあり、鋳片に直接接触させている。この場合、導入管１４Ａから入った冷却水は多孔質金属体１１に流れ、鋳片には、微細なミスト状の冷却水を吹き付けることになり、水の蒸発熱で冷却する。

（第４の実施の形態）
図６（Ａ）は、本発明の第４実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。

本実施の形態では、ウエアプレート１０は、その内部に冷却水を分流して流す複数の分流路３１を有し、また、多孔質金属体１１は、ウエアプレート１０の鋳片側に露出して配置してあり、これにより、冷却水を鋳片に直接吹き付けるようになっている。

すなわち、ウエアプレート１０の内部に複数本の分流路３１を設け、それぞれの分流路３１に、多孔質金属体１１を設置している。導入管１４Ａから入った冷却水は、その中で分流路３１を介して、多孔質金属体１１に流れる。

また、多孔質金属体１１が鋳片側の面に露出してあり、鋳片に直接接触させており、鋳片には、微細なミスト状の冷却水を吹き付けることになり、水の蒸発熱で冷却する。

（第５の実施の形態）
図７（Ａ）は、本発明の第５実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。
本実施の形態では、ウエアプレート１０は、多孔質金属体１１に隣接した冷却水の分岐路３２を有する。

すなわち、ウエアプレート１０内の冷却路水内に多孔質金属体１１を設置する際、冷却水路の厚みより薄い多孔質金属体１１が鋳片側の面に接触して設置してあり、これにより、多孔質金属体１１の反鋳片側に、冷却水の分岐路３２を設けている。この場合、冷却水路内の圧力損失が小さくなるため、冷却水の流量を増量することが可能となる。

（第６実施の形態）
図８（Ａ）は、本発明の第６実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。
多孔質金属体１１は、分割した複数の分割体からなり、これら分割体の間に、隙間３３が形成してある。

すなわち、多孔質金属体１１を分割し、ウエアプレート１０の冷却水路内に設置する際に、多孔質金属体１１同士の問に隙間３３が空けてある。
冷却対象の条件によるが、多孔質金属体１１内部で蒸発した気泡が、多孔質金属体１１を設置していない水路で復水し、次の多孔質金属体１１の内部で蒸発するというサイクルとなり、核沸騰領域をより有効に使用できる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、本発明の思想の範囲内で種々変形可能である。

本発明の第１実施の形態を示す図であって、本発明に係るクーリンググリッド装置を備えた連続鋳造機の概略図である。 図１におけるクーリンググリッド装置の拡大斜視図である。 （Ａ）は、本発明の第１実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。 （Ａ）は、本発明の第２実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。 （Ａ）は、本発明の第３実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。 （Ａ）は、本発明の第４実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。 （Ａ）は、本発明の第５実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。 （Ａ）は、本発明の第６実施の形態に係るウエアプレートの正面断面図であり、（Ｂ）は、その側面断面図である。

符号の説明

１ 連続鋳造機
２ タンディッシュ
３ スライディングノズル
４ 浸漬ノズル
５ 鋳型
６ クーリンググリッド装置
７ 鋳片支持ロール
８ 搬送ロール
９ 鋳片切断機
１０ ウエアプレート
１１ 多孔質金属体
１２ 水スプレーノズル
１４Ａ 導入管
１４Ｂ 排出管
１８ 鋳片
１９ 凝固シェル
２０ 未凝固相
３１ 分流路
３２ 分岐路
３３ 隙間

Claims (2)

1. 連続鋳造機の鋳型直下に設置されており、鋳片を支持するためのウエアプレートと、鋳片に冷却媒体を噴霧するためのスプレーノズルとを備えた連続鋳造機用クーリンググリッド装置であって、
   前記ウエアプレートに、鋳片から抜熱するための冷却機構が設けられ、
   前記冷却機構は、
   前記ウエアプレートに配置した多孔質金属体と、
   当該多孔質金属体に冷却媒体を供給して排出する冷却媒体給排機構とを備え、
   前記ウエアプレートは、前記多孔質金属体に隣接した冷却媒体の分岐路を有することを特徴とする連続鋳造機用クーリンググリッド装置。
2. 請求項１に記載の連続鋳造機用クーリンググリッド装置を備えた連続鋳造機を用い、当該クーリンググリッド装置のスプレーノズルに加えて、ウエアプレートによっても鋳片を冷却しながら鋳造することを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法。

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