JP4995144B2 - 連続鋳造用鋳型設備 - Google Patents

Description

本発明は、鋼の連続鋳造に際し、鋳型内溶鋼に電磁ブレーキや電磁攪拌を行わせる電磁コイルを、有効に使用することが可能な連続鋳造用鋳型設備に関するものである。

鋼の連続鋳造において、鋳片の品質を向上させるため、鋳型内への溶鋼吐出流に電磁ブレーキを作用させることや、鋳型内の溶鋼を電磁攪拌することが行われており、従来、多くの提案がなされている（特許文献１〜５）。
特開昭６２−２０３６４８号公報 特開昭６３−１８８４６１号公報 特開２００４−３２２１７９号公報 特開平１０−５９４９号公報 特開２００７−７７１９号公報

しかしながら、特許文献１〜５で提案された発明は、いずれも電磁コイルに関する発明であり、電磁コイルを収納、配置するための鋳型に関しては、なんら開示や示唆はされていない。

電磁コイルに関しては、磁界の効率を上げる方法とは別に、電磁攪拌の適用時には特にメニスカス下に攪拌流を発生させることから、その鉄芯を極力メニスカスに近づけるための方法が開示されている。例えば特許文献６には、鉄芯を極力メニスカスに近づけるために、冷却水の流路を工夫した鋳型が開示されている。
実公昭５８−４９１７２号公報

しかしながら、単純に電磁コイルをメニスカスに近づけた場合、電磁コイルという重量の大きい物が鋳型の上部に配設されることになる。

鋳型幅を変化させる際に可動する鋳型短辺を、シリンダーやばね等で対向する鋳型長辺によって挟み込む形態の連続鋳造用鋳型では、鋳型上部に前記重量の大きい電磁コイルを設置すれば、対向する１対の長辺側固定プレートが、それぞれ鋳型長辺面の水平横断面における鋳型短辺と並行な方向（以下、水平方向という。）に広がる方向に作用する。

この作用により、鋳型長辺と鋳型短辺の突き合わせ部に隙間が生成する可能性が高くなる。特に上部のメニスカス近傍に隙間が生成した場合、この隙間への溶鋼の侵入は、操業支障に直結する。

また、広幅スラブを製造する連続鋳造用鋳型では、鋳型長辺面の水平方向の撓みを抑制することについての配慮も必要である。

電磁コイルを設置する場合は、溶鋼静圧や熱変形による長辺側鋳型銅板及び長辺側固定プレート自体の水平方向撓みに加えて、長辺側固定プレートの幅方向中央部に更なる荷重が作用する。従って、長辺側固定プレートの幅方向中央部では、その外側方向に広がるように撓み量が増大する。

更に、このように長辺側固定プレートの鋳造方向及び水平方向に負荷をかけた状態で長期間使用すると、撓みにより長辺側固定プレートが塑性変形して所要の平坦度を確保できなくなり、整備時に肉盛溶接、切削加工を行う必要が生じる。また、前記塑性変形が大きい場合には、長辺側固定プレート自体を廃棄しなければならず、整備コストの増大を招くことになる。

これらの理由から、電磁コイルを設置する長辺側固定プレートは、剛性を確保するために厚くせざるを得ず、電磁コイルの鉄芯と溶鋼との距離が長くなり、溶鋼に与える磁界の効率が悪くなる。

つまり、従来の技術では、鋳型に電磁コイルを設置した場合、長辺側固定プレートの剛性を確保するために厚みを厚くする必要があり、電磁流動制御適用時の磁束密度低下に繋がっていた。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の技術では、鋳型に電磁コイルを設置した場合、長辺側固定プレートの厚みを厚くする必要があったので、電磁流動制御適用時の磁束密度の低下に繋がっていたという点である。

本発明の連続鋳造用鋳型設備は、
長辺側固定プレートの剛性を低下させることなく、長辺側固定プレートを最小限の厚みとし、電磁コイルの有する磁束密度を最大限確保するために、
鋳型内の溶鋼に電磁力を作用させて鋼を連続鋳造する方法に用いる連続鋳造用鋳型設備であって、
連続鋳造用鋳型は、
対向配置された対をなす長辺側鋳型銅板、及びこれら長辺側鋳型銅板の間に対向配置すべく介在された、対をなす短辺側鋳型銅板と、
これら長辺側及び短辺側の鋳型銅板の外側にそれぞれ配置された、長辺側及び短辺側の固定プレートと、
前記長辺側固定プレートの外側の鋳造方向の上下部及び幅方向の両側部にそれぞれ接合状に設けられた、前記長辺側鋳型銅板固定用の上面プレート、下面プレート、及びサイドプレートを有すると共に、
前記長辺側固定プレートの外側の幅方向の適宜位置に、該長辺側固定プレートと前記上面プレート及び下面プレートに接合された補強用リブを配置し、この補強用リブの鋳造方向の任意位置における水平横断面形状が下記式を満たした構成で、
この連続鋳造用鋳型の長辺外側に配置する電磁コイルは、
前記長辺側固定プレートと、前記の上面プレート及び下面プレートと、前記の補強用リブ及びサイドプレートで構成される空間部に配置されるものであることを最も主要な特徴としている。
Ｗ_max ³／（ｔ_bp ³・ｔ_rib・Ｌ_rib ³）≦０．０５６
ここで、Ｗ_max：最大鋳型幅（mm）
ｔ_bp：長辺側固定プレートの厚み（mm）
ｔ_rib：補強用リブの厚み（mm）
Ｌ_rib：補強用リブの水平断面における長さ（mm）

本発明によれば、長辺側固定プレートの剛性を低下させることなく、該長辺側固定プレートを最小限の厚みとすることができる。従って、電磁コイルの有する磁束密度を最大限確保することができる。

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。
発明者等は、電磁コイル及び電磁コイルを設置する連続鋳造用鋳型について、電磁流動制御適用時の溶鋼に与える磁束密度低下を極力抑えるような最適な形状について検討した。

例えば電磁ブレーキの作用を有する電磁コイルを設置する場合、溶鋼の吐出流に対して磁場を効率的に与えるためには、以下の２つの方法がある。
(1) 印加する電流を大きくするか、コイルに巻く巻き線の数を増加させて磁場強度を向上させる方法。
(2) 電磁コイルの鉄芯の前面と、長辺側鋳型銅板の内面側に位置する溶鋼までの距離を極力小さくする方法。

前者の印加電流値を大きくする場合は、コイルに巻く巻き線が電流負荷によって焼損するおそれがある。従って、コイルに巻く巻き線の耐久性を確保するために、巻き線の太さを太くする必要があるが、コイルの外形寸法は鋳型寸法によって限界がある為、巻き線数が減少してしまい、磁場強度の増加には繋がらない。また巻き線の太さを太くしたり、巻き線の数を増加させた場合には、電磁コイルの重量増大を誘引する。

電磁コイルの重量増大は、長辺側固定プレートの変形を大きくする方向に作用するため、設備サイズの増大、コスト悪化を誘引する。よって、電磁コイルと鋳型内溶鋼の間の距離を狭める後者の手法が望ましいと考えられる。しかしながら、後者の方法も、長辺側固定プレートの厚みを薄くする必要があるので、プレート剛性の低下に繋がる。

従って、発明者等は、長辺側固定プレートに、重量の重たい電磁コイルを積載した状態でも、長辺側固定プレートの剛性の低下しない鋳型形状を応力解析等で検討した。その結果、前記電磁コイルを収納する長辺側固定プレートの外側幅方向中央部に、補強用リブを少なくとも１箇所設けることで、長辺側固定プレートの厚みを薄くしつつ、剛性を確保できることを見出した。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の連続鋳造用鋳型の一例を示す図面である。

図１において、１ａは対向配置された対をなす長辺側鋳型銅板、１ｂはこれら長辺側鋳型銅板１ａの間に対向配置すべく介在された、対をなす短辺側鋳型銅板である。これら短辺側鋳型銅板１ｂは、互いに接離移動が可能なように構成されている。そして、これら長辺側及び短辺側の鋳型銅板１ａ，１ｂの外周部に、長辺側及び短辺側の固定プレート２ａ，２ｂがそれぞれ設けられている。

３ａ〜３ｃは、前記長辺側固定プレート２ａの外側の上下部及び幅方向の両端部に接合状に設けられた、前記長辺側鋳型銅板１ａの固定用の上面プレート、下面プレート、及びサイドプレートである。このうちの上面プレート３ａ、下面プレート３ｂ、及びサイドプレート３ｃには、長辺側鋳型銅板１ａを流れる冷却水の流路を形成しても良い。

本発明では、前記長辺側固定プレート２ａの外側の少なくとも１箇所に、補強用リブ４を配置した構成である。この補強用リブ４は、例えば図１に示すように１箇所設置する場合は、長辺側固定プレート２ａの鋳造方向の撓み変形を抑制するために、長辺側固定プレート２ａの幅方向中央部に接合する。また、長辺側固定プレート２ａの鋳型幅方向の変形を抑制するために、その上面及び下面を、上面プレート３ａ及び下面プレート３ｂに接合する。

上記構成の連続鋳造用鋳型（鋳型の幅は１６５５mm、鋳造方向の長さは９００mm、長辺側固定プレートの厚みは７０mm、補強用リブの厚みは６０mm、水平断面における長さは３５cm。）に、各長辺側にそれぞれ６tonの重量の電磁コイルを積載した場合の応力計算を行った。

計算は、短辺側固定プレートを挟み込む長辺側固定プレートに、２４００〔K〕相当の熱による締め付けタイロッド荷重（タイボルト１本当たりの締め付け力が８tonで、鋳型全体では３２ton。）を与えた条件で行った。

その結果、図２に示すように、発明例の場合、長辺側固定プレートにおける鋳造方向の上部・中部・下部のいずれの部位においても、比較例（補強用リブを設けないだけで、他の諸元は同じ。）に比べて、幅方向の撓み分布が低減していることが分かる。

次に、発明者等は、補強用リブの鋳型水平方向の断面積についても規定する必要があると考え、検討を行った。

適用する鋳型の最大幅が広い場合、熱変形や鋳型内からの溶鋼静圧の影響を受け易くなり、鋳型幅方向で撓み易くなる。従って、適用する鋳型の最大幅が広い場合は、前記補強用リブの水平面における断面係数を大きくする必要がある。

そこで、発明者等は、鋳型幅に対して必要な補強用リブ形状を検討した結果、下記(1)式で整理できることを見出した。

Ｗ_max ³／（ｔ_bp ³・ｔ_rib・Ｌ_rib ³）≦０．０５６ …(1)
ここで、Ｗ_max：最大鋳型幅（mm）
ｔ_bp：長辺側固定プレートの厚み（mm）
ｔ_rib：補強用リブの厚み（mm）
Ｌ_rib：補強用リブの水平断面における長さ（mm）

(1)式の内容について以下に説明する。
両端固定支持における梁の撓み計算では、撓み量は梁の長さの３乗に比例することが知られている。よって、長辺側固定プレート２ａの図３に示す変形を考えた場合、鋳型幅Ｗ_maxは広いほど長辺側固定プレート２ａは撓み易く、その撓み量は鋳型幅Ｗ_maxの３乗で影響を及ぼす。

一方、前記梁の断面積が撓み量に及ぼす影響は、断面２次モーメントに反比例することが知られている。前記梁の断面積は長辺側固定プレート２ａの図３に示す変形を考えた場合、長辺側固定プレート２ａの厚みｔ_bp、補強用リブ４の水平断面における長さＬ_rib、及び厚みｔ_ribが、長辺側固定プレート２ａの変形に及ぼす影響に置き換えることが可能である。

長辺側固定プレート２ａの厚みｔ_bp、補強用リブ４の水平断面における長さＬ_rib、及び厚みｔ_ribが、図３に示す長辺側固定プレート２ａの撓みに及ぼす影響は、長辺側固定プレート２ａ及び補強用リブ４それぞれの断面２次モーメントの関係から、それぞれ３乗、３乗、比例の関係性を有している。

以上から、前記(1)式の左辺の関係性を導出した。
(1)式の右辺にあたる閾値は、発明者等が鋳型形状を変化させた際の鋳型中央部の撓み状況を調査した結果、下記表１を得て、それをもとに決定した。下記表１における撓み状況の「均一」、「不均一」の判定は、鋳造方向の上部、中部及び下部における鋳型幅方向の撓み量のばらつき（最大値と最小値の差）が０．０５mm以上ある場合を「不均一」、０．０５mm未満を「均一」と定義して判定した。

次に、本発明の補強用リブ設置による長辺側固定プレートの薄肉化の効果について説明する。

前記表１のＮｏ．２の補強用リブを設けた本発明の場合と、補強用リブを設けないだけで、他の諸元は同じ比較例において、長辺側固定プレートの厚みｔ_bpを変化させた場合の、幅方向の最大撓み量を図４に示す。

図４によれば、例えば補強リブがない比較例において、長辺側固定プレートの厚みｔ_bpを９０mmとすると、補強リブを設けた本発明の場合は、長辺側固定プレートの厚みｔ_bpを７０mmにすることができることが分かる。この薄肉化は、同一の電磁コイルを使用した場合でも、電磁ブレーキコイルにおける中心磁場に換算すると、２９％の磁場強度向上に寄与する。

次に、本発明の効果を更に発揮する為に、電磁コイルの最適な形状について説明する。
本発明では、前記補強用リブ４を設置するので、長辺側固定プレート２ａの外側は一部仕切られた状態になる。

従って、本発明の連続鋳造用鋳型に積載する電磁コイル５は、補強用リブ４を配置する部位に干渉しないよう、電磁コイル５の鋳造方向全長に亘って、補強用リブ４の水平横断面形状を包含可能な大きさの隙間部５ａを有する電磁コイル５が必要となる。

この幅方向中央部に隙間部５ａを形成するにあたり、鉄心５ｂを幅方向で分割した電磁コイル５（図５（ａ）（ｂ））を適用してもよいし、補強用リブ４に合わせた鉄芯５ｂのティース部５ｂａを有する電磁コイル５（図５（ｃ））を適用してもよい。なお、図５中の５ｃはコイルに巻く巻き線部を示す。

以上の本発明によれば、長辺側鋳型銅板１ａの固定用の長辺側固定プレート２ａの厚さを薄くすることが可能となり、特に電磁ブレーキの作用時において鋳型の厚み方向中心部の磁束密度を高めることに寄与する。

従って、本発明の連続鋳造用鋳型設備は、電磁ブレーキ単体の機能を有する電磁コイルや、電磁攪拌と電磁ブレーキを選択的に作用させることが可能な兼用電磁コイルを適用する場合に有効に活用できる。

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。

本発明の連続鋳造用鋳型設備は、電磁ブレーキ単体の機能を有する電磁コイルや、前記兼用電磁コイルを適用する場合に限らず、電磁攪拌のみの機能を有する電磁コイルを適用しても良い。電磁攪拌のみの機能を有する電磁コイルを適用する場合は、鋳型重量の低減や長辺側固定プレート２ａの材料費低減に寄与することができる。

また上記の例では、補強用リブ４は、長辺側固定プレート２ａの幅方向中央部に１箇所設けたものを示したが、長辺側固定プレート２ａの幅方向の適宜の位置に複数箇所設けても良い。この場合、それぞれの補強用リブ４が前記(1)式を満足するようにする。

また、上記の例では、補強用リブ４の水平断面形状が鋳造方向に一定のものを示したが、鋳造方向に変化したものでも良い。この場合、最小断面積の部分が前記(1)式を満足すれば良い。

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用の鋳型であっても適用できる。

本発明の連続鋳造用鋳型を示す図面で、（ａ）は鋳型を上方から見た図、（ｂ）は同じく長辺側の側方から見た図、（ｃ）は同じく短辺側の側方から見た図である。 本発明例と比較例における鋳型垂直方向の幅方向の撓み量の計算結果である。 鋳型の上方から見た場合の鋳型の変形を示す図である。 長辺側固定プレートに補強用リブを設けた場合（発明例）と設けない場合（比較例）において、長辺側固定プレートの厚みｔ_bpと幅方向撓み量最大値の関係を示す図である。 本発明の鋳型と電磁コイルを組み合わせた状態を示す図で、（ａ）、（ｂ）は鉄芯を幅方向で分割した電磁コイルの一例、（ｃ）は補強用リブに合わせて鉄芯のティース部を有する電磁コイルの一例を示す。

符号の説明

１ａ 長辺側鋳型銅板
１ｂ 短辺側鋳型銅板
２ａ 長辺側固定プレート
２ｂ 短辺側固定プレート
３ａ 上面プレート
３ｂ 下面プレート
３ｃ サイドプレート
４ 補強用リブ
５ 電磁コイル
５ａ 隙間部

Claims (2)

1. 鋳型内の溶鋼に電磁力を作用させて鋼を連続鋳造する方法に用いる連続鋳造用鋳型設備であって、
   連続鋳造用鋳型は、
   対向配置された対をなす長辺側鋳型銅板、及びこれら長辺側鋳型銅板の間に対向配置すべく介在された、対をなす短辺側鋳型銅板と、
   これら長辺側及び短辺側の鋳型銅板の外側にそれぞれ配置された、長辺側及び短辺側の固定プレートと、
   前記長辺側固定プレートの外側の鋳造方向の上下部及び幅方向の両側部にそれぞれ接合状に設けられた、前記長辺側鋳型銅板固定用の上面プレート、下面プレート、及びサイドプレートを有すると共に、
   前記長辺側固定プレートの外側の幅方向の適宜位置に、該長辺側固定プレートと前記上面プレート及び下面プレートに接合された補強用リブを配置し、この補強用リブの鋳造方向の任意位置における水平横断面形状が下記式を満たした構成で、
   この連続鋳造用鋳型の長辺外側に配置する電磁コイルは、
   前記長辺側固定プレートと、前記の上面プレート及び下面プレートと、前記の補強用リブ及びサイドプレートで構成される空間部に配置されるものであることを特徴とする連続鋳造用鋳型設備。
   Ｗ_max ³／（ｔ_bp ³・ｔ_rib・Ｌ_rib ³）≦０．０５６
   ここで、Ｗ_max：最大鋳型幅（mm）
   ｔ_bp：長辺側固定プレートの厚み（mm）
   ｔ_rib：補強用リブの厚み（mm）
   Ｌ_rib：補強用リブの水平断面における長さ（mm）
2. 前記電磁コイルは、前記補強用リブに該当する部位に干渉しないよう、補強用リブの水平横断面形状を包含可能な大きさの隙間部を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造用鋳型設備。

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