JP5035115B2 - 鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳型内溶鋼に電磁ブレーキまたは電磁攪拌を選択的に作用させることが可能な電磁コイルを使用し、直流電流を通電して電磁ブレーキを作用させつつ鋼を連続鋳造する方法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。浸漬ノズル１の吐出孔１ａから出た溶鋼２は、鋳型３の短辺３ａ上の凝固シェル２ｃに衝突した後、上昇流２ａと下降流２ｂに分岐する。このうちの上昇流２ａは、さらにメニスカス（meniscus）４の下方近傍において、浸漬ノズル１に向かう水平流となる。なお、図７中の５はモールドパウダーを示す。

この鋳型内における溶鋼の流動制御は、操業上ならびに鋳片の品質管理上、極めて重要である。この溶鋼の流動制御を実現する方法として、浸漬ノズルから吐出される溶鋼流（以下、吐出流と言う。）に制動力を作用させる電磁ブレーキと、鋳型内の溶鋼を電磁力によって攪拌する電磁攪拌が広く利用されている。

電磁ブレーキは、前記吐出流が鋳型短辺上の凝固シェルに衝突することによる凝固シェルの再融解に伴うブレイクアウトの発生防止や品質低下の抑制、またはメニスカスの下方近傍を流れる溶鋼の流速を抑制して鋳造速度を増加することを目的として用いられている。一方、電磁攪拌は、品質改善に効果があ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及び電磁攪拌装置は、それぞれ磁性体コアに巻き線を施した電磁コイル装置として構成されている。磁性体コアには、強磁性体である鉄材が用いられることが多く、鉄芯と呼ばれることも多い。本明細書では、以後、単にコアと呼称する。このコアは、電磁ブレーキ装置には軟鉄が用いられることが多い。一方、交流電流を用いる電磁攪拌装置では、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。

通常、これらの電磁コイル装置は、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、以前から電磁ブレーキと電磁攪拌の両機能の兼用化を可能とする電磁コイル装置（以下、兼用コイルと言う。）が開発され、提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００７−００７７１９号公報

この兼用コイル１１は、図８に示すように、ギリシア文字のπ（PAI）のように、ヨーク部１１ａａに対して２個のティース部１１ａｂを突出状に設けたコア１１ａを、鋳型３の各長辺３ｂにｎ個（ｎは２以上の自然数）配置した構成である。

そして、これら各ティース部１１ａｂは、外側に夫々巻き線１１ｂを施し、かつこれら巻き線１１ｂを施したティース部１１ａｂは、さらに２個宛、外側に巻き線１１ｃを施してひとまとめになしている。なお、図８中の６はバックアッププレートを示す。

このような構成の兼用コイルの場合、電磁攪拌時はメニスカスの下方近傍を流れる溶鋼を攪拌することが目的である。また、電磁ブレーキ時は吐出流を制動することが目的である。なお、この兼用コイルの場合も、電磁攪拌性能を実現するために、コアには、電磁鋼板が用いられる。

ところで、鋼を連続鋳造する場合、鋳型の鋳片引抜き方向の長さ（高さ）は９００mm程度で、メニスカスは鋳型上端から１００mmの位置に、また、浸漬ノズルの吐出孔の出口側開口面は鋳型上端から３００〜４００mmの位置にある。

そして、電磁攪拌時には、メニスカスから下方に２００mm程度迄の範囲に位置する溶鋼を攪拌するので、鋳型上端から１００〜３００mmの範囲にコアを配置する必要がある。

一方、電磁ブレーキ時には、浸漬ノズルの吐出孔から噴出する吐出流に制動力を与える必要がある。吐出孔の設置角度（以下、吐出孔角度という。）が下向に傾いている場合は、吐出流は吐出孔の出口側開口面からその下方２００mm程度迄の流れとなる。よって、電磁ブレーキを作用させる場合は、鋳型の上端から３００〜６００mm程度下方の範囲にコアを配置する必要がある。

すなわち、兼用コイルの場合は、電磁攪拌と電磁ブレーキの両機能を満たす必要があるため、鋳型の上端から１００〜６００mm程度下方の範囲にコアを位置させる必要がある。よって、兼用コイルは鋳型の幅方向の長さより鋳片引抜き方向の長さが長い、縦長の形状となる。

一方、従来の電磁ブレーキ装置の場合、コアは、特許文献２に開示されているような、鋳型の幅方向に長い断面形状を有するコイル（広幅鉄芯コイル）や、特許文献３に開示されているような、正方形の断面形状である。
特開昭５７―１７３５６号公報 特開平２―８９５４４号公報

鋳型の幅方向に長い断面形状や正方形の断面形状をしている理由は、吐出流に効率良く磁束を印加するためである。吐出流は、先に図７を用いて説明したように、浸漬ノズルの吐出孔から鋳型の短辺に向かう流れとなる。

よって、磁束密度の高い領域を吐出流が通過する時間を長くするためには、コアは、鋳型の幅方向に長い形状とすることが有利である。ただし、コアの断面積が増加すると磁化に必要な電力も増加するため、通常は正方形に近い形状のものが用いられている。

これに対して、兼用コイルは、前記のように、コアの断面形状が、鋳型の幅方向よりも鋳片引抜き方向に長い縦長状となるため、吐出流が磁束密度の高い領域を通過する時間が短く、従来の電磁ブレーキ専用コイルに比べて制動力が若干不足することになる。

本発明が解決しようとする問題点は、鋼の連続鋳造時に、兼用コイルによって電磁ブレーキを作用させる時は、電磁ブレーキ専用コイルによって電磁ブレーキを作用させる時と比べて、制動力が若干不足するという点である。

本発明の鋼の連続鋳造方法は、
兼用コイルによって電磁ブレーキを作用させた時にも、電磁ブレーキ専用コイルによる電磁ブレーキ時と比べて、制動力が不足しないようにするために、
鋳型長辺の外周側に設置され、鋳型内溶鋼に電磁ブレーキまたは電磁攪拌を選択的に作用させることが可能な電磁コイルに、電磁ブレーキを作用させつつ鋼を連続鋳造する方法において、
前記電磁コイルは、鉄芯の鋳型幅方向の長さをＷ、鋳片引抜き方向の長さをＨとした場合、Ｈ／Ｗが１．０を超え、４．５以下のものを使用し、
鋳型内に溶鋼を供給する浸漬ノズルは、下向に１５°以上、４０°以下の範囲内で傾いて設けられた吐出孔の出口側開口面が、前記鉄芯の鋳片引抜き方向の中心を含む位置となるように位置させて鋳造することを最も主要な特徴としている。

本発明では、縦長の断面形状のコアを有する兼用コイルを用いて、電磁ブレーキを作用させつつ連続鋳造する場合にも、浸漬ノズルの吐出孔角度によらず、電磁ブレーキ専用コイルを使用した時と比べて制動力が不足せず、安定した連続鋳造が行える。

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、図１〜図６を用いて説明する。

電磁ブレーキ性能を良くするには、吐出流が磁束密度の高い領域Ａを通過する時間を長くすることが重要であるが、吐出流は、浸漬ノズルの浸漬深さｄと、吐出孔角度θの幾何学的な取り合い通りの単純な流れを形成するものではない（図１参照）。

よって、発明者等は、数値解析シミュレーションによる検討を行い、鋳型の幅方向よりも鋳片引抜き方向に長い縦長の断面形状を有するコアを有する兼用コイルを用いて、電磁ブレーキを作用させた場合の、浸漬ノズルの適切な条件について検討した。

高速で連続鋳造する場合に問題となるのは、メニスカスの下方近傍を流れる溶鋼（以下、メニスカス下の溶鋼という。）の流速や、鋳型の短辺に衝突する溶鋼の流速が高速となることである。

メニスカス下の溶鋼の流速が高速になると、メニスカス面の盛り上がりやモールドパウダーの巻き込みに起因する欠陥が発生する。一方、鋳型の短辺に衝突する溶鋼の流速が高速になると、凝固シェルの再溶解が起こってブレイクアウトの発生率が増加する。

よって、電磁ブレーキ性能の評価として、数値解析シミュレーションから得られるメニスカス下の溶鋼の流速と、鋳型の短辺に衝突する溶鋼の流速を評価することによって、浸漬ノズルの適切な条件の選定を行った。

数値解析の検討は、図８に示した、縦長の断面形状を有するコアを有する兼用コイルを用いて、電磁ブレーキを作用させた時の条件で行った。

コアのサイズは、鋳型幅方向の長さ（幅）が１２０mm、コアの間隔が１２０mm、コアの鋳片引抜き方向の長さ（高さ）が４５０ｍｍである。

浸漬ノズルは、外径が１５２mm、内径が９０mmの円筒形状であり、吐出孔の出口側開口面の幅は８０mm、高さは９０mmで、吐出孔の出口側開口面の下端から２０mm下方が、浸漬ノズルの下端である。

鋳型のサイズは、長辺側の内面長さ（幅）が１６２０mm、短辺側の内面長さ（厚さ）が２７０mmとし、鋳型の厚さ方向の中心位置での磁束密度の最大値は３０００Gaussとして計算を行った。

この条件で、浸漬ノズルの吐出孔の出口側開口面が、コアの鋳片引抜き方向の中心位置を含むのは、浸漬深さが２４５mmから３２５mmの範囲である。

数値解析による評価は、鋳型長辺３ｂの１／４の位置における鋳型３の厚さ方向の中心位置（図２に●印で示す位置）の、メニスカス下の溶鋼の流速により行った。

連続鋳造における溶鋼の流れは乱流であり、時間と共に変動しているので、メニスカス下の溶鋼の流速の最大値または時間平均値と、浸漬ノズルの条件（浸漬深さと吐出孔の角度）との関係について解析した。その結果を図３、図４に示す。

図３から、メニスカス下における溶鋼の最大流速値は、浸漬ノズルの浸漬深さｄが深くなるほど低下する傾向があり、浸漬ノズルの浸漬深さｄが２４５mmから２２５mmになった場合の増加率が大きい。

メニスカス下の溶鋼の最大流速値が４０cm／sec以上となった場合に、モールドパウダーの巻き込みが起こって欠陥を生じる場合が多い。よって、図３から、浸漬ノズルの浸漬深さｄが２４５mm以上であれば浸漬ノズルの吐出孔角度θに左右されずに鋳造が可能であることが分る。

一方、メニスカス下の溶鋼の流速が低速すぎる場合も、メニスカス面に皮張りが生じたり、凝固初期における洗浄効果が低下するために欠陥を生じたりする場合が多い。一般的にメニスカス下の溶鋼の時間平均流速が１０cm／sec以下となると、これらの問題が生じる。

図４から、浸漬ノズルの浸漬深さｄが３４５mmとなると、浸漬ノズルの吐出孔角度θが下向きに３５°と４０°の場合に、前記時間平均流速が１０cm／sec以下となっている。よって、図４より、浸漬ノズルの浸漬深さｄが３２５mm以下であれば、浸漬ノズルの吐出孔角度θによらず鋳造が可能であることが分る。

図５に鋳型短辺への溶鋼の最大衝突流速値と浸漬ノズル条件の関係を示す。鋳型短辺への溶鋼の最大衝突流速値は、時間平均化した流速値で、鋳型短辺の凝固シェルから５mmの位置における最大流速値で評価した。図５から、鋳型短辺への溶鋼の最大衝突流速値と浸漬ノズル条件の関係は単純ではないことが分る。

例えば浸漬ノズルの吐出孔角度θを大きくすると、鋳型短辺までの直線距離が長くなり、溶鋼の鋳型短辺への衝突流速値は低下する傾向にある。しかしながら、吐出孔角度θが大きくなりすぎて、吐出流が磁束密度の高い領域Ａから外れてしまうと、前記衝突流速値が増加する。

過去の操業実績から、鋳型短辺への溶鋼の衝突流速値が７cm／sec以上となった場合にブレイクアウトを起こす確率が高くなる。よって、図５より、浸漬ノズルの浸漬深さｄが２４５mm以上、３２５mm以下であれば浸漬ノズルの吐出孔角度θに左右されずにブレイクアウトを生じる確率を低くすることができることが分る。

以上のように、メニスカス下における溶鋼の流速と鋳型短辺への衝突流速から判断すると、浸漬ノズルの吐出孔角度θが下向きに１５°以上、４０°以下であれば、浸漬深さｄが２４５mm以上、３２５mm以下が最適な条件と言える。この浸漬深さｄが２４５mm以上、３２５mm以下の範囲では、吐出孔１ａの外面側開口面１ａａがコアの鋳片引抜き方向の中心位置を含んでいる。

浸漬ノズルの吐出孔角度θは、連続鋳造中に浸漬ノズル内にアルミ酸化物などが堆積するために変化する可能性があるため、吐出孔角度θに関わらず、安定した連続鋳造が行えることは大きな利点である。

また、発明者らの以前の検討（特願２００７―１５０６２７）から、兼用コイルのコアの幅は８０〜２００mm、望ましくは１２０〜１７０mmであることが分っている。よって、コアの高さを４５０mmに固定し、コアの幅を８０〜２００mmの範囲で変化させた場合のメニスカス下における溶鋼の最大流速値の変化を調べた。その結果を図６に示す。

ここで、浸漬ノズルの条件は、前記の解析範囲で最も流速が速くなる、浸漬ノズルの浸漬深さｄが２４５mm、吐出孔角度θを下向き１５°とした。また、磁束密度は鋳型の厚さ方向の中心面における最大磁束密度を３０００Gaussとした。

図６から、コアの鋳型幅方向の長さＷに対する鋳片引抜き方向の長さＨの比Ｈ／Ｗが、４．５以上となると制動力が不足し、メニスカス下における溶鋼の最大流速値が４０cm/sec以上となって不適切であることが分る。

よって、コアの鋳型幅方向の長さＷに対する鋳片引抜き方向の長さＨの比Ｈ／Ｗが１．０を超える縦長状のコアを有する兼用コイルを使用する場合、コアの前記比Ｈ／Ｗは４．５以下とする必要があることが分った。

本発明の鋼の連続鋳造方法は、上記の発明者らによる解析結果に基づいて成されたものであり、
鋳型長辺の外周側に設置され、鋳型内溶鋼に電磁ブレーキまたは電磁攪拌を選択的に作用させることが可能な電磁コイルに、電磁ブレーキを作用させつつ鋼を連続鋳造する方法において、
前記電磁コイルは、鉄芯の鋳型幅方向の長さをＷ、鋳片引抜き方向の長さをＨとした場合、Ｈ／Ｗが１．０を超え、４．５以下のものを使用し、
鋳型内に溶鋼を供給する浸漬ノズルは、下向に１５°以上、４０°以下の範囲内で傾いて設けられた吐出孔の出口側開口面が、前記鉄芯の鋳片引抜き方向の中心を含む位置となるように位置させて鋳造することを特徴とするものである。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、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、上記の説明では、最良の形態例として、浸漬ノズルが鋳型の幅方向と厚さ方向の両中心に位置する場合についてのものを示したが、必ずしも浸漬ノズルが鋳型の幅方向と厚さ方向の両中心に位置しなくても良い。

以上の本発明は、浸漬ノズルを使用する連続鋳造であれば、湾曲型、垂直型など、どのような型式を用いて連続鋳造する際にも適用できる。また、スラブの連続鋳造だけでなくブルームの連続鋳造にも適用できる。

浸漬ノズルと兼用コイルのコアの位置関係を説明する図である。 メニスカス下の溶鋼の流速の評価位置を説明する図である。 メニスカス下の溶鋼の流速の最大値と浸漬ノズルの条件（浸漬深さと吐出孔の角度）との関係を示した図である。 メニスカス下の溶鋼の流速の時間平均値と浸漬ノズルの条件（浸漬深さと吐出孔の角度）との関係を示した図である。 鋳型短辺への溶鋼の最大衝突流速値と浸漬ノズル条件（浸漬深さと吐出孔の角度）の関係を示した図である。 コアの高さを４５０mmに固定し、コアの幅を８０〜２００mmの範囲で変化させた場合のメニスカス下における溶鋼の最大流速値の変化を示した図である。 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。 本発明方法に適用する兼用コイルを説明する図で、（ａ）は水平断面図、（ｂ）は垂直断面図である。

符号の説明

１ 浸漬ノズル
１ａ 吐出孔
１ａａ 出口側開口面
２ 溶鋼
３ 鋳型
３ｂ 長辺
１１ 兼用コイル
１１ａ コア

Claims (1)

1. 鋳型長辺の外周側に設置され、鋳型内溶鋼に電磁ブレーキまたは電磁攪拌を選択的に作用させることが可能な電磁コイルに、電磁ブレーキを作用させつつ鋼を連続鋳造する方法において、
   前記電磁コイルは、鉄芯の鋳型幅方向の長さをＷ、鋳片引抜き方向の長さをＨとした場合、Ｈ／Ｗが１．０を超え、４．５以下のものを使用し、
   鋳型内に溶鋼を供給する浸漬ノズルは、下向に１５°以上、４０°以下の範囲内で傾いて設けられた吐出孔の出口側開口面が、前記鉄芯の鋳片引抜き方向の中心を含む位置となるように位置させて鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。

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