JP5071206B2 - 連続鋳造材のガス切断方法及びガス切断機 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造された鋼材を火口を用いてガス切断する連続鋳造材のガス切断方法及びガス切断機に関する。

製鋼工場では、転炉、ＲＨ真空脱ガス装置などで精練された溶鋼は取鍋に収容されて連続鋳造機などの鋳造工程に搬送され、鋳造工程で鋳型内に鋳造されて所定の形状の鋳片に製造される。転炉は、高炉から出銑された溶銑中の不純物である燐、硫黄、炭素を除去する。脱ガス設備では、真空雰囲気中で溶銑中のガス抜きを行い、炭素等の不純物を数ｐｐｍになるまで除去する。また、溶銑中の不純物である珪素、燐、硫黄は転炉以前において除去される場合もある。連続鋳造機は、これらの設備を経由して到着した溶鋼を連続鋳造する。

図１に示されるように、連続鋳造機には、溶鋼を冷却して凝固させ、鋳片の外殻形状を形成する鋳型５が設置される。鋳型５の上方には、取鍋１から供給される溶鋼を鋳型５に中継供給するためのタンデッシュ２が設置されている。鋳型５の下方には、複数対の鋳片支持ロール３が配置されている。鋳片支持ロール３は、鋳型５から鋳片を連続的に引き抜くと共に、引き抜かれた鋳片をサポートする。溶鋼は鋳型５内で一次冷却され、また鋳片支持ロール３による搬送中に水又はミストで二次冷却される。スラブ等の所定の形状に固化した鋳片は、ガス切断機４によって所定の長さに切断され、次工程の圧延工場や精製工場に搬送される。

図２に示されるように、ガス切断機４は連続鋳造機から出てくるスラブＳをクランプ装置６で押さえ、カッター台車７をスラブＳに同調させてスラブＳの搬送方向に走行させる。カッター台車７は、火口８が取り付けられたトーチ９をスラブＳの幅方向に移動させる。火口８は、予熱火炎を形成するための燃料ガス及び予熱酸素を噴出すると共に、予熱火炎で予熱した鋼材を燃焼して切断するための切断用酸素を噴出する。予熱火炎で発火温度まで加熱した部分に高純度の切断用酸素を吹き付けることで、鋼材が切断される。スラブを切断し終わったら、カッター台車７は元の切断原点の位置に戻る。

連続鋳造機には、鋳造品の生産量を上げることが要請される。しかし、切断するスラブ５が短いとき（スラブ５の切断ピッチが短いとき）、スラブ５の切断後にカッター台車７が元の切断原点に戻ることができず、次の切断が行えなくなる。この問題を解決するためには、スラブ５の鋳造速度を下げるか、又は火口８によるスラブ５の切断速度を上げる必要がある。スラブ５の鋳造速度を下げると、鋳造品の生産量が落ちる。それゆえ、スラブ５の切断速度を上げる必要がある。

スラブの切断速度を上げる方法として、特許文献１には、火口に供給する切断用酸素の圧力をゲージ圧で１．５ＭＰａ以上に調整するガス切断方法が開示されている。当該特許文献１には、切断用酸素の圧力を高めることで、切断速度を４００ｍｍ／ｍｉｎから５００ｍｍ／ｍｉｎに上げることができる、と記載されている。
特開２００３−８０３５５号公報

しかし、スラブの切断速度を５００ｍｍ／ｍｉｎ以上に上げ、火口の切断用酸素の圧力を１．５ＭＰａ以上に高めたると、切断面のエグレ量が基準値をオーバーしてしまい、スラブの上面に上ノロが付着してしまう。

エグレとは切断面に生ずる凹みである。エグレ量が大きいまま次工程の圧延工程に移ると、図３に示されるように、圧延され、コイル状に巻き取られた薄板１１の端部が湾曲又は変形する。このため、薄板１１の端部を切断しなければならなくなり、製品歩留まりが低下する。上ノロとは、スラブを切断する過程でスラブ上面が溶け、溶けた地金がノロ状にスラブ上面に付着したものである。スラブに大きな上ノロが付着したまま次工程の圧延工程に移ると、図４に示されるように、圧延したとき、上ノロが薄板１１の表面に付着し、ヘゲ１０になる。

そこで本発明は、ガス切断の切断速度を上げた上で、切断面のエグレ量、上ノロ共に小さくすることができる連続鋳造材のガス切断方法及びガス切断機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、連続鋳造設備によって鋳造された鋼材をガス切断する連続鋳造材のガス切断方法において、予熱火炎を形成するための燃料ガス及び予熱酸素を噴出すると共に、予熱火炎で予熱した鋼材を燃焼して切断するための切断用酸素を噴出する火口を用い、前記火口から前記鋼材からまでの高さを、１００ｍｍ以上１４０ｍｍ以下に設定し、前記火口に供給される前記切断用酸素の圧力を、ゲージ圧で１．０ＭＰａ以上１．２ＭＰａ以下に調整し、前記鋼材の切断速度を５００ｍｍ／ｍｉｎ以上に設定する連続鋳造材のガス切断方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の連続鋳造材のガス切断方法において、前記火口に供給される前記燃料ガスとしてコークス炉ガスを使用し、該コークス炉ガスの圧力をゲージ圧で０．２０ＭＰａ以上０．２５ＭＰａ以下に調整し、前記火口に供給される前記予熱酸素の圧力を、ゲージ圧で０．０３ＭＰａ以上０．０８ＭＰａ以下に調整することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、連続鋳造設備によって鋳造された鋼材をガス切断する連続鋳造材のガス切断機において、予熱火炎を形成するための燃料ガス及び予熱酸素を噴出すると共に、予熱火炎で予熱した鋼材を燃焼して切断するための切断用酸素を噴出する火口と、前記火口から前記鋼材からまでの高さを１００ｍｍ以上１４０ｍｍ以下に設定すると共に、前記火口を前記鋼材に対して５００ｍｍ／ｍｉｎ以上の切断速度で移動させるカッター台車と、前記火口にゲージ圧で１．０ＭＰａ以上１．２ＭＰａ以下に調整された前記切断用酸素を供給する切断用酸素供給手段と、を備える連続鋳造材のガス切断機である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の連続鋳造材のガス切断機において、前記連続鋳造材のガス切断機はさらに、前記火口に前記燃料ガスとして、ゲージ圧で０．２０ＭＰａ以上０．２５ＭＰａ以下に調整されたコークス炉ガスを供給するコークス炉ガス供給手段と、前記火口にゲージ圧で０．０３ＭＰａ以上０．０８ＭＰａ以下に調整された予熱酸素を供給する予熱酸素供給手段と、を備えることを特徴とする。

切断速度を上げた切断テストを何度も繰り返したところ、切断用酸素の圧力が高いと、炎の先端部が乱れてエグレが発生することがわかった。反対に切断用酸素の圧力が低いと、炎が切断速度に追従できなくなり、切り残しが発生する。また、火口の高さが高いと、切断用酸素の圧力が高いときと同様に炎の先端部が乱れ、エグレが発生する。

本発明によれば、火口に供給される前記切断用酸素の圧力を従来よりも低い所定の範囲に調整し、かつ火口から鋼材からまでの距離を従来よりも小さい所定の範囲に設定することで、切断速度を５００ｍｍ／ｍｉｎ以上に上げたときにも、エグレ量を次工程の圧延工程で問題にならないレベルまで小さくすることができる。

また、ガス切断する際の上ノロの発生状況を注意深く観察したところ、火口の進行方向の前方からしか上ノロが発生していないことがわかった。予熱火炎が鋼材の表面を溶かしすぎていることが上ノロ発生の原因であるから、予熱ガス及び予熱酸素の圧力を低くし、鋼材の表面を溶かさないようにすれば、上ノロの発生を防止できる。

本発明によれば、予熱火炎を形成するためのコークス炉ガス及び予熱酸素の圧力を従来よりも低い範囲に設定し、鋼材の表面を溶かしすぎないようにすることで、上ノロを次工程の圧延工程で問題にならないレベルまで小さくすることができる。

以下添付図面に基づいて、本発明の一実施形態における連続鋳造材のガス切断機を詳細に説明する。図５はガス切断機の側面図を示し、図６はガス切断機の正面図を示す。連続鋳造されるスラブ１６は、搬送ローラ２１によって搬送方向(1)に搬送される。スラブ厚は２００ｍｍ〜２５０ｍｍ程度であり、スラブ幅は７００〜１６５０ｍｍ程度である。ガス切断機は、スラブ１６の搬送方向と同方向にトーチ１８を移動させるカッター台車１２と、スラブ１６を上方からクランプするクランプ装置１７と、トーチ１８をスラブ１６の幅方向（紙面と直交方向）に横行させる横行機構２２と、を備える。

クランプ装置１７は、シリンダのロッド２３を昇降させ、ロッド２３の先端部でスラブ１６をクランプする。カッター台車１２は、スラブ１６の幅方向に伸びる架台１３と、架台１３の幅方向の両端部に設けられる車輪１４と、を備える。車輪１４は、スラブ１６の搬送方向に伸びるレール２５上を走行する。架台１３には、横行機構２２が取り付けられる。横行機構２２は、トーチ１８をスラブ１６の幅方向に移動させる。この実施形態では、架台１３には二つの横行機構２２が設けられる。二つの横行機構２２は、二本のトーチ１８をスラブ１６の幅方向に近接及び離間させる。

図７は、トーチ１８及びトーチ１８の先端に取り付けられる火口２０の詳細図を示す。トーチ１８及び火口２０の中央には、切断用酸素を噴出する切断用酸素通路２６が形成される。切断用酸素通路２６の周囲には、予熱火炎を形成するための予熱ガスを噴出する予熱ガス通路２７、及び予熱酸素を噴出する予熱酸素通路３０が形成される。予熱酸素通路３０は、予熱ガス通路２７の内側に形成される内側予熱酸素通路２８と、予熱ガス通路２７の外側に形成される外側予熱酸素通路２９（カーテン酸素通路）と、から構成される。この例の火口２０においては、火口２０の出口直前で予熱ガスと予熱酸素とが混合される。予熱ガスと予熱酸素とは火口の出口を出た後に混合されてもよい。

切断用酸素通路２６には、切断用酸素供給手段である酸素ボンベ及び酸素配管が接続される。切断用酸素通路２６に供給される切断用酸素の圧力は、酸素配管に設けた圧力調整バルブで調整される。切断用酸素の圧力は酸素配管に設けた圧力計によって測定される。

予熱ガスには、コークス炉で発生したコークス炉ガスを使用する。コークス炉ガスは石炭を乾留するときに発生するガスであり、メタン、水素を主成分とする。コークス炉ガスの発熱量は約４５００ｋｃａｌである。予熱ガス通路２７には、コークス炉ガス供給手段であるコークス炉ガス配管が接続される。コークス炉ガスの圧力は、コークス炉ガス配管に設けた圧力調整バルブによって調整される。コークス炉ガスの圧力は、コークス炉ガス配管に設けた圧力計によって測定される。

予熱酸素通路３０には、予熱酸素供給手段である酸素ボンベ及び酸素配管が接続される。予熱酸素通路３０に供給される予熱酸素の圧力は、酸素配管に設けた圧力調整バルブで調整される。予熱酸素の圧力は酸素配管に設けた圧力計によって測定される。

予熱ガスと予熱酸素とを混合させた混合ガスは、燃焼して予熱火炎を形成する。予熱火炎は鋼材を発火温度まで加熱する。予熱火炎で加熱した部分に高純度の切断用酸素を吹き付けると、鋼材が燃焼し、その燃焼熱で鋼材が溶融する。切断用酸素は、燃焼生成物と溶融金属を機械的エネルギで吹き飛ばす。この状態で火口をスラブに対して移動させることで、溝状に鋼材が除去され、切断が行われる。

図５（Ａ）に示されるように、スラブ１６の切断を開始するとき、カッター台車１２は切断原点の位置に移動する。そして、連続鋳造機から出てくるスラブ１６をクランプ装置１７で押さえる。図５（Ｂ）に示されるように、クランプ装置１７がスラブ１６を押さえると、カッター台車１２はスラブ１６に同調してスラブ１６の搬送方向に走行する。

図６（Ａ）に示されるように、カッター台車１２がスラブ１６に同調して走行した後、横行機構２２は火炎を噴出する二本のトーチ１８をスラブ１６の幅方向に互いに接近するように移動させる。図６（Ｂ）に示されるように、二本のトーチ１８をスラブ１６の幅方向の両端部から中心に向かって移動させることで、スラブ１６を切断することが可能になる。トーチ１８がスラブ１６を幅方向に切断している間、カッター台車１２はスラブ１６と共にスラブ１６の搬送方向に移動する。

トーチ１８がスラブ１６を幅方向に切断した後、カッター台車１２は次の切断を開始できるように元の切断原点に戻らなければならない。もし、スラブの切断速度が遅いならば、カッター台車１２のストロークの範囲内でスラブ１６の切断が終わらなかったり、カッター台車１２が切断原点に戻ることができなかったりするという事態が発生する。これを防止するために、火口２０によるスラブ１６の切断速度を上げる必要がある。

火口２０に供給される切断用酸素の圧力を高くすれば、スラブ１６の切断速度を上げても切り残しが発生しなくなる。しかし、切断用酸素の圧力を高くすれば、スラブ１６の切断面のエグレ量、スラブ上面の上ノロ共に大きくなり、次工程に迷惑をかけてしまう。

切断面のエグレ量を１０ｍｍ以下にすること、スラブ上面の上ノロを減少させることを目標に、切断テストを何度も繰り返し、切断終了後のスラブ１６のエグレ量及び上ノロをチェックした。その結果、図８に示されるように、切断用酸素の圧力が高いと、炎の先端部が乱れてエグレが発生するというエグレのメカニズムがわかった。反対に、切断用酸素の圧力が低いと、炎が切断速度に追従できなくなり、切り残しが発生してしまう。また、図９に示されるように、火口の高さが高いと、切断用酸素の圧力の圧力を低くしても、切断用酸素の圧力が高いときと同様に炎の先端部が乱れ、エグレが発生する。

ここで、図１０に示されるように、エグレとは切断面に生ずる凹みであり、スラブの端面からの凹み量をエグレ量と称する。図１１に示されるように、上ノロとは、スラブを切断する過程でスラブ上面が溶け、溶けた地金がノロ状にスラブ上面に付着したものである。

表１は、切断テストの結果を示す。

スラブから火口までの高さを１００ｍｍ以上１４０ｍｍ以下に設定し、切断用酸素の圧力をゲージ圧で１．０ＭＰａ以上１．２ＭＰａ以下に調整すれば、切断速度を６００ｍｍ／ｍｉｎに設定してもエグレ量を１０ｍｍ未満にすることができた。スラブから火口までの高さを１１０ｍｍ以上１３０ｍｍ以下に設定すれば、エグレ量をさらに低減できた。

また、ガス切断する際の上ノロの発生状況を注意深く観察したところ、火口２０の進行方向の前方からしか上ノロが発生していないことがわかった。予熱火炎が鋼材の表面を溶かしすぎていることが上ノロ発生の原因であるから、予熱ガス及び予熱酸素の圧力を低くし、鋼材の表面を溶かさないようにすれば、上ノロの発生を防止できる。

予熱ガスの圧力を０．２５ＭＰａ以下に調整し、予熱酸素の圧力を０．１２ＭＰａから０．０１ＭＰａずつ下げて、スラブ観察を繰り返した。鋳造しながらのテストのため、０．０１１ＭＰａずつ慎重に調整した。一歩間違えば、切り残し、切断不能、鋳造ストップという事態が発生するからである。その結果、予熱酸素の圧力を０．０８ＭＰａまで下げたところで、上ノロが小さくなりはじめた。これ以上減圧すると切断できなくなるのではと思案しつつ、さらに０．０１ＭＰａずつ予熱酸素の圧力を下げた。その結果、予熱ガスの圧力を０．２ＭＰａ、予熱酸素の圧力を０．０４ＭＰａまで下げたところで、上ノロは非常に小さくなった。このとき、切断面のエグレ量も２〜３ｍｍとなり、目標としていた基準値を大きくクリアすることができた。国内最高水準の切断速度の６００ｍｍ／ｍｉｎとした上で、エグレ量、上ノロ共に極限まで低減できた。切断速度を６００ｍｍ／ｍｉｎにすることで、短尺スラブを鋳造するときにも、鋳造速度を減速する必要がなくなり、鋳造品の生産量も増加することができた。

表２は、予熱ガス及び予熱酸素の圧力を下げたときのスラブ観察の結果を示す。

表２から、予熱ガス圧力を０．２０ＭＰａ以上０．２５ＭＰａ以下に調整し、予熱酸素の圧力を０．０３ＭＰａ以上０．０８ＭＰａ以下に調整すれば、上ノロの大きさを小さくすることができ、次工程の圧延工程でヘゲが発生するのを防止できることがわかる。予熱ガス圧力を０．２０ＭＰａ未満に下げすぎると、燃焼ガスの絶対量が不足するので、切断速度が上げられなかった。また、予熱酸素は予熱ガスを燃焼させるための酸素であり、予熱酸素の圧力には予熱ガスの圧力に相当する圧力が必要になる。予熱酸素が少なすぎると（０．０３ＭＰａになると）未燃焼となる。

なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態に具現化できる。例えば、カッター台車に取り付けられるトーチは一本のみであってもよい。火口には、図１２に示されるように、予熱酸素３３と予熱ガス３４を火口３５の先端で混合し、炎を中央に集中させて切断するポストミックスタイプの火口３５を用いてもよい。

連続鋳造機の斜視図 ガス切断機の側面図 コイルに巻き取られた薄板の端部の湾曲及び変形を示す概略図 圧延された薄板に発生するヘゲを示す概略図 本発明の一実施形態のガス切断機の側面図（図５（Ａ）はカッター台車が切断原点に移動した状態を示し、図５（Ｂ）はカッター台車がスラブに同調して移動している状態を示す） 本発明の一実施形態のガス切断機の正面図（図６（Ａ）は切断開始前の状態を示し、図６（Ｂ）は切断中の状態を示す） 火口の垂直方向断面図 エグレの発生のメカニズムを示す概念図（切断用酸素の圧力とエグレとの関係） エグレの発生のメカニズムを示す概念図（火口の高さとエグレとの関係） エグレを示す概略図（スラブの切断面の斜視図） 上ノロを示す概略図（スラブの端部の平面図） 火口の他の例を示す垂直方向断面図

符号の説明

１２…カッター台車
１６…スラブ（鋼材）
１７…クランプ装置
１８…トーチ
２０，３５…火口
２６…切断用酸素通路
２７…予熱ガス通路
３０…予熱酸素通路

Claims (4)

1. 連続鋳造設備によって鋳造された鋼材をガス切断する連続鋳造材のガス切断方法において、
   予熱火炎を形成するための燃料ガス及び予熱酸素を噴出すると共に、予熱火炎で予熱した鋼材を燃焼して切断するための切断用酸素を噴出する火口を用い、
   前記火口から前記鋼材からまでの高さを、１００ｍｍ以上１４０ｍｍ以下に設定し、
   前記火口に供給される前記切断用酸素の圧力を、ゲージ圧で１．０ＭＰａ以上１．２ＭＰａ以下に調整し、
   前記鋼材の切断速度を５００ｍｍ／ｍｉｎ以上に設定する連続鋳造材のガス切断方法。
2. 前記火口に供給される前記燃料ガスとしてコークス炉ガスを使用し、該コークス炉ガスの圧力をゲージ圧で０．２０ＭＰａ以上０．２５ＭＰａ以下に調整し、
   前記火口に供給される前記予熱酸素の圧力を、ゲージ圧で０．０３ＭＰａ以上０．０８ＭＰａ以下に調整することを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造材のガス切断方法。
3. 連続鋳造設備によって鋳造された鋼材をガス切断する連続鋳造材のガス切断機において、
   予熱火炎を形成するための燃料ガス及び予熱酸素を噴出すると共に、予熱火炎で予熱した鋼材を燃焼して切断するための切断用酸素を噴出する火口と、
   前記火口から前記鋼材からまでの高さを１００ｍｍ以上１４０ｍｍ以下に設定すると共に、前記火口を前記鋼材に対して５００ｍｍ／ｍｉｎ以上の切断速度で移動させるカッター台車と、
   前記火口にゲージ圧で１．０ＭＰａ以上１．２ＭＰａ以下に調整された前記切断用酸素を供給する切断用酸素供給手段と、
   を備える連続鋳造材のガス切断機。
4. 前記連続鋳造材のガス切断機はさらに、
   前記火口に前記燃料ガスとして、ゲージ圧で０．２０ＭＰａ以上０．２５ＭＰａ以下に調整されたコークス炉ガスを供給するコークス炉ガス供給手段と、
   前記火口にゲージ圧で０．０３ＭＰａ以上０．０８ＭＰａ以下に調整された予熱酸素を供給する予熱酸素供給手段と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の連続鋳造材のガス切断機。

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