JP4910997B2 - 電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用電磁コイル装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋳型内溶鋼の流れを制御しつつ鋼を連続鋳造する際に適用する電磁ブレーキと電磁攪拌を兼用可能な電磁コイル装置に関するものである。

一般的な鋼の連続鋳造では、２つの吐出孔を有する浸漬ノズルを用いて鋳型内に溶鋼を給湯する。図７は、この一般的な連続鋳造法における鋳型内溶鋼の流動状態を模式的に示す縦断面図であるが、浸漬ノズル１の吐出口１ａから出た溶鋼２は銅製鋳型３の短辺３ａに衝突した後、上昇流２ａと下降流２ｂに分岐する。そして、上昇流２ａは、さらにメニスカス位置において、浸漬ノズル１へ向かう水平流となる。なお、図７中の４はパウダーを示す。

この鋳型内溶鋼の流動制御は、操業上ならびに鋳片の品質管理上、極めて重要で、この溶鋼の流動制御を実現する方法として、浸漬ノズルの形状を工夫する方法、鋳型内の溶鋼に電磁力を作用させる方法などがある。このうちでは、後者の溶鋼に電磁力を作用させる方法が広く利用されており、溶鋼吐出流に制動力を作用させる電磁ブレーキと、溶鋼を電磁力により攪拌する電磁攪拌に大別される。

このうち、電磁ブレーキは、吐出流の制動により、吐出流が鋳型短辺に衝突して凝固シェルが再融解し、品質が低下するのを抑制することや、メニスカス流速を抑制して鋳造速度を増加させることを目的として用いられている。一方、電磁撹拌は、品質改善に効果を有することが知られており、主として高品質材の鋳造に用いられている。

これらの電磁ブレーキ装置、電磁攪拌装置は、共に磁性体のコア部に巻き線を施した電磁コイルを鋳型背面に設置したものである。このうち、コア部には、強磁性体である鉄材が多く用いられ、鉄芯と呼ばれる。この鉄芯として、電磁ブレーキでは、軟鉄が用いられる場合が多いが、交流電流を用いる電磁攪拌では、電磁誘導による鉄損を軽減するために、電磁鋼板が用いられる。

これらの電磁コイル装置は、通常、電磁ブレーキ又は電磁攪拌のどちらか単独の機能しか有していない。

そこで、発明者らは、以前から電磁ブレーキと電磁攪拌の両機能の兼用が可能な電磁コイル装置（以後、兼用コイル装置と言う。）の開発を行ってきた（例えば特許文献１、２）。
特開２００５−３４９４５４号公報 特開２００７−１５０６２７号公報

本発明の兼用コイル装置の形状も基本的に特許文献１、２で開示したものと同じであり、出願人が特許文献３で開示した電磁コイル構造を利用している。
特開昭６０−０４４１５７号公報

この特許文献１、２で開示した兼用コイル装置１１を、鋳型３の長辺３ｂ側に各２個ずつ連続配置したものを図８に示す。この兼用コイル装置１１は、２個のティース部１２ａの夫々に巻き線（内側巻き線）１３を施し、更に２個のティース部１２ａをまとめて外側から巻き線（外側巻き線）１４を施していることが特徴である。この兼用コイル装置１１は２個のティース部１２ａとヨーク部１２ｂからなるコア部１２がギリシア文字のパイ（Π）に似ていることから、パイ型コイルと呼ばれている。

ところで、上記パイ型の兼用コイル装置では、対面の電磁コイル同士が干渉して電磁攪拌能力が低下するのを防ぐために、特許文献１に開示されている通り、コア部を銅製鋳型から４０mm〜１６０mm離して設置する必要がある。

しかしながら、コア部を銅製鋳型から離して設置した場合、電磁ブレーキ時の磁束密度が低下するという問題があった。

本発明が解決しようとする問題点は、出願人が先に提案した兼用コイル装置では、コア部を銅製鋳型から離して設置するので、電磁ブレーキ時の磁束密度が低下するという点である。

本発明の兼用コイル装置は、
電磁力制御を用いた鋼の連続鋳造技術において、メニスカス位置での攪拌能力に加えて強力な電磁ブレーキ能力を有するようにするために、
鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置であって、
この電磁コイル装置は、
電磁コイルと、直流電源及び３相以上の交流電源を有し、
このうちの電磁コイルは、
ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
これら各ティース部は、外側に夫々巻き線を施し、これら巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に巻き線を施してひとまとめにした構成で、
この電磁コイルのヨーク部とティース部からなる磁性体のコア部を、前記ティース部の突出側が鋳型に向くように、メニスカスから浸漬ノズルの吐出孔を含む鋳片引抜き方向の範囲に、前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置するに際し、
前記ティース部のメニスカスから鋳片引抜き方向に２００mm以上隔てた領域の突出側を、鋳片引抜き方向側のコア部下端からＹmmの高さ範囲だけＸmm鋳型側に延長した構造として、このＹとＸが、Ｙ＞３５００／Ｘの関係となるようにしたことを最も主要な特徴としている。

本発明によれば、メニスカス位置における攪拌能力と、強力な電磁ブレーキ能力を共に有する電磁ブレーキ・電磁攪拌兼用コイル装置を実現することができる。

以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの過程と共に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
上述したように、既存技術の兼用コイル装置では、コア部を銅製鋳型から離して設置する必要があるので、電磁ブレーキ時の磁束密度が低下するという問題があった。

スラブの連続鋳造では、メニスカス位置を電磁攪拌することが重要で、吐出孔位置の攪拌はあまり重要ではない。また、電磁ブレーキ時には、メニスカス位置に大きな磁束密度を印加する必要はなく、吐出孔位置で大きな磁束密度を印加できればよい。

このようなことから、発明者らは、兼用コイル装置の性能を確保するためには、メニスカス位置では銅製鋳型とコア部を離れた構造とし、吐出孔位置では銅製鋳型とコア部が近接したコイル構造とすればよいと考えた。

つまり、本発明の兼用コイル装置１１は、図１に示すように、ティース部１２ａの鋳型への突出側端面が、メニスカス位置では従来と同程度銅製鋳型３から離れ、吐出孔１ａ位置では従来より銅製鋳型３と接近するようにしている。すなわち、ティース部１２ａの鋳片引抜き方向下流側部分における鋳型への突出部の長さを、鋳片引抜き方向上流側部分における鋳型への突出部の長さよりも長くしたことが特徴である。

本発明においては、ティース部１２ａ（コア部１２）の前記延長部分は、ティース部１２ａ（コア部１２）と連続的に形成したものであっても、別体で形成したものであっても問題はない。延長部分を別体で形成する場合は、バックアッププレート５部に、積層した電磁鋼板または導電率の低い磁性体（フェライトコア等の粉末焼結体）を埋め込んだ構造とすることが望ましい。この埋め込み部を軟鉄とすることも可能であるが、電磁攪拌時に当該軟鉄部が加熱されるので、軟鉄とする場合はこれを冷却する設備が必要となる。

ところで、電磁攪拌性能と電磁ブレーキ性能を両立するためには、ティース部１２ａ（コア部１２）の前記延長部分の高さや長さには最適な範囲があると考えられる。そこで、発明者らは、電磁場解析と熱流体解析の数値解析シミュレーションを用いて、前記延長部分の最適範囲について検討を行った。

兼用コイル装置の性能のうち、電磁攪拌能力は、溶鋼中に発生する電磁力による攪拌力の向きと大きさで評価できる。また、電磁ブレーキ性能は、溶鋼に印加される磁束密度の大きさで評価できる。以下、本発明の検討例としての数値解析結果を示す。

図１に示すように、銅製鋳型３の外側に非磁性ステンレスをバックアッププレート５として設置し、本発明の兼用コイル装置１１のコア部１２の上端をメニスカスと同じ高さとした。コア部１２を構成するティース部１２ａへの内側巻き線１３及び外側巻き線１４の幅はそれぞれ５０mmである。

電磁攪拌を実施する場合は、印加する電流値は４５０００ATurnで周波数を４．０Hzの交流電流を印加した。電磁ブレーキを実施する場合は、印加する電流値は５４０００ATurnの直流電流を印加した。

電磁攪拌時のコイル電流位相は、出願人が特願２００７−１５０６２７号で提案した電流位相の組み合わせである。

すなわち、図２に示すように、励磁コイル(イ)〜(ハ)、励磁コイル(ニ)〜(ヘ)、励磁コイル(ト)〜(リ)、励磁コイル(ヌ)〜(オ)が夫々１つの電磁コイルで、励磁コイル(イ)、(ニ)、(ト)、(ヌ)が夫々２個のティース部１２ａをひとまとめにすべく外側巻き線１４を施した励磁コイルである。

そして、励磁コイル(イ)〜(ハ)と励磁コイル(ニ)〜(ヘ)を有する電磁コイルを、鋳型３の一方の長辺３ｂ側に順に配置し、他方の長辺３ｂ側の励磁コイル(ト)〜(リ)と励磁コイル(ヌ)〜(オ)を有する電磁コイルは、励磁コイル(イ)〜(ハ)と(ニ)〜(ヘ)を有する電磁コイルと向き合って配置する。

このような配置とした場合、前記各電磁コイルの各ティース部１２ａに内側巻き線１３を施した励磁コイル(イ)〜(オ)に、３相交流電流における１２０度の位相差を有する各位相U、V及びWを、前記励磁コイルの順番に、図２（ａ）のように−W、＋V、＋U、＋W、−V、−U、−W、＋U、＋V、＋W、−U及び−Vを印加するか、または図２（ｂ）のように−W、＋V、＋U、−V、＋U、＋W、＋V、−W、−U、＋W、−U及び−Vを印加するのである。

一方、電磁ブレーキ時は、２本のティース部１２ａの巻かれている３つの巻き線１３，１４全てに同方向の電流を印加するのである。

銅製鋳型３は幅が１６２０mmで、厚みは２７０mmとした。電磁コイルのコア部１２の高さは４５０mmで、浸漬ノズル１は底部をメニスカス位置から３００mmの位置とした。メニスカス位置にあるティース部１２ａの鋳片引抜き方向上流側の半分は銅製鋳型３から８０mm離し、ティース部１２ａの鋳片引抜き方向下流側の半分は銅製鋳型３と密着させた。

ティース部１２ａの鋳型への突出側端面を銅製鋳型３と密着させた場合に電磁ブレーキ時の磁束密度は最大となるが、この場合、電磁攪拌性能は最も劣化する。この場合の電磁攪拌時の電磁力分布を従来の兼用コイルの電磁力分布と比較した。

図３（ａ）は上端をメニスカスと同じ高さとした、高さ４５０mmのティース部の突出側端面を銅製鋳型から８０mm離した従来の兼用コイルの電磁力分布を示す図である。図３（ｂ）はティース部の鋳片引抜き方向上流側の半分（メニスカス位置から２２５mmの範囲）は、突出側端面を銅製鋳型から８０mm離し、ティース部の鋳片引抜き方向下流側の半分（メニスカス位置から２２５mm〜４５０mmの範囲）は突出側端面を銅製鋳型と密着させた本発明の兼用コイルの電磁力分布を示す図である。

図３より、従来の電磁力分布と比べて本発明ではティース部の鋳片引抜き方向下流側の半分の延長部分に逆方向の電磁力が発生していることが確認できる。この逆方向の電磁力がメニスカスに近い位置で発生するとメニスカスの攪拌を妨げる要因となる。

図３（ｂ）の電磁力分布を用いて熱流動解析を行った結果を図４に示す。
図４は、メニスカス位置（０mm）から１００mm、１９０mm、２３０mm、２７０mm、３２０mmの各深さ位置における水平断面の溶鋼の流動分布を示した図である。

図４より、メニスカス位置から２３０mm深さまでは鋳型壁に沿った巡回流が形成されており、良好に電磁攪拌されていると判断できる。一方、ティース部の突出側端面が延長され、コア部と銅製鋳型が密着している、メニスカス位置から２７０mm、３２０mmの位置では、流速が低下している領域（図４中の破線領域）が存在し、良好な電磁攪拌状態であるとは言えない。

しかしながら、スラブの連続鋳造時における電磁攪拌は、メニスカス位置で攪拌を行うことにより表面欠陥を低減することが目的であるため、凝固初期にあたるメニスカス位置から２００mm深さまで攪拌できれば十分である。

一方、ティース部の鋳型への突出部分を延長して銅製鋳型と密着させた範囲では、電磁攪拌が劣化することが明らかであるため、ティース部の突出側端面を銅製鋳型に密着させる範囲は、メニスカスから鋳片引抜き方向に２００mm隔てた位置より鋳片引抜き方向下流側の範囲とすればよい。

次に、本発明の兼用コイル装置の電磁ブレーキ性能の検討を行った。
ティース部の突出側端面を密着させる延長部の高さＹの範囲を変化させた場合の、鋳型の厚み方向の中心における最大磁束密度を図５に示す。

図５の横軸は、電磁コイルのティース部の鋳片引抜き方向の下端から、ティース部の突出側端面を銅製鋳型に密着させる範囲（延長部の高さＹ）を示しており、０mmの場合がティース部の突出側の延長部が無い従来の兼用コイル装置を意味する。

図５より、従来の兼用コイル装置では、２９１６Gaussが限界であった磁束密度が、ティース部突出側の延長部の形成範囲が１００mmの場合は２００Gauss程度、２００mmの場合は５００Gauss程度増加していることが分かる。

一方、ティース部突出側の延長部の形成範囲が３００mm以上となると、磁束密度の増加量は８５０Gauss程度で限界となっている。よって、ティース部突出側の延長部の形成範囲（延長部の高さＹ）は、ティース部の鋳片引抜き方向の下端から少なくとも１００mm以上、望ましくは２００mm以上とすることで磁束密度を大きく増加することができる。

ところで、バックアッププレートの強度低下を避けるため、ティース部の突出側端面を銅製鋳型に密着するまで延長できない場合がある。この場合も、ある程度従来のティース部の突出側端面を銅製鋳型に近づけることにより、磁束密度を増加することができる。

図６は、ティース部の突出側端面の延長距離Ｘと、延長部高さＹと、磁束密度の増加量の関係を示した図である。図６より、前記ティース部延長距離Ｘと、延長部高さＹの関係を、Ｙ＞３５００／Ｘとすれば、従来の兼用コイル装置より１００Gauss以上の磁束密度の増加を達成することができることが分かる。

本発明は、発明者らの知見に基づく上記電磁場解析と熱流体解析の数値解析シミュレーションによる検討の結果なされたものであり、
鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置であって、
この電磁コイル装置は、
電磁コイルと、直流電源及び３相以上の交流電源を有し、
このうちの電磁コイルは、
ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
これら各ティース部は、外側に夫々巻き線を施し、これら巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に巻き線を施してひとまとめにした構成で、
この電磁コイルのヨーク部とティース部からなる磁性体のコア部を、前記ティース部の突出側が鋳型に向くように、メニスカスから浸漬ノズルの吐出孔を含む鋳片引抜き方向の範囲に、前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置するに際し、
前記ティース部のメニスカスから鋳片引抜き方向に２００mm以上隔てた領域の突出側を、鋳片引抜き方向側のコア部下端からＹmmの高さ範囲だけＸmm鋳型側に延長した構造として、このＹとＸが、Ｙ＞３５００／Ｘの関係となるようにしたことを特徴としている。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、交流電流は３相でなくても、電流位相差が９０度から１２０度であればそれ以上でも良い。

以上の本発明は、連続鋳造であれば、湾曲型、垂直型など、どのような方式の連続鋳造であっても適用できる。

本発明の兼用コイル装置のコイル形状を説明する図で、（ａ）は水平断面図、（ｂ）は鋳型長辺面の垂直断面図、（ｃ）は鋳型短辺面の垂直断面図である。 （ａ）（ｂ）は特願２００７−１５０６２７号で開示した兼用コイルの電流位相の組み合わせを説明する図である。 （ａ）は従来の兼用コイルの電磁力分布を、（ｂ）は本発明の兼用コイルの電磁力分布を示す図である。 メニスカス位置（０mm）から１００mm、１９０mm、２３０mm、２７０mm、３２０mmの各深さ位置における水平断面の溶鋼の流動分布を示した図である。 ティース部の突出側端面を密着させる延長部の高さＹの範囲を変化させた場合の、鋳型の厚み方向の中心における最大磁束密度を示した図である。 ティース部の突出側端面の延長距離Ｘと、延長部高さＹと、磁束密度の増加量の関係を示した図である。 一般的な連続鋳造法における鋳型内溶鋼の流動状態を模式的に示す縦断面図である。 従来の兼用コイル装置のコイル形状を説明する図で、（ａ）は水平断面図、（ｂ）は鋳型長辺面の垂直断面図、（ｃ）は鋳型短辺面の垂直断面図である。

符号の説明

１ 浸漬ノズル
１ａ 吐出口
２ 溶鋼
３ 鋳型
３ａ 短辺
３ｂ 長辺
１１ 兼用コイル装置
１２ コア部
１２ａ ティース部
１２ｂ ヨーク部
１３ 内側巻き線
１４ 外側巻き線

Claims (1)

1. 鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置であって、
   この電磁コイル装置は、
   電磁コイルと、直流電源及び３相以上の交流電源を有し、
   このうちの電磁コイルは、
   ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
   これら各ティース部は、外側に夫々巻き線を施し、これら巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に巻き線を施してひとまとめにした構成で、
   この電磁コイルのヨーク部とティース部からなる磁性体のコア部を、前記ティース部の突出側が鋳型に向くように、メニスカスから浸漬ノズルの吐出孔を含む鋳片引抜き方向の範囲に、前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置するに際し、
   前記ティース部のメニスカスから鋳片引抜き方向に２００mm以上隔てた領域の突出側を、鋳片引抜き方向側のコア部下端からＹmmの高さ範囲だけＸmm鋳型側に延長した構造として、このＹとＸが、Ｙ＞３５００／Ｘの関係となるようにしたことを特徴とする電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用電磁コイル装置。