JP5545041B2 - 連続鋳造での２次冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材の連続鋳造における２次冷却技術に係るもので、特に高速鋳造時における鋳片の均一な冷却に好適な２次冷却技術に関する。

鋼材の連続鋳造設備は、溶鋼を固めて鋼材（スラブ）を連続的に製造する設備である。すなわち、連続鋳造設備は、溶鋼をモールド（鋳型）に押し込むタンディッシュ、溶鋼を初期凝固させるモールド、その後、徐々に冷却しながら鋼材を中心まで固めていく２次冷却を行う２次冷却帯を備える。
上記２次冷却は、一般に鋼材表面温度が７００〜１０００℃程度で行われるが、近年の鋳造速度の増大に伴い、２次冷却能力が増強され、冷却中の表面温度が低下する傾向にある。このように鋳造速度の増大に伴い冷却能力が上がることにより、近年、鋳造片表面が局部的に７００℃を下回る過冷却が発生するようになった。過冷却が発生すると、図１に示すように、スラブ表面割れが発生する原因となる。そのため、鋳造速度の増大には限界があった。

これに対し、鋳片の表面割れを防ぐ冷却ノズルによる冷却技術が、特許文献１〜５に開示されている。

特開昭５０−１０３４２６号公報 特許第３７７９１９４号公報 特開昭５７−９１８５７号公報 特開平７−９１９１号公報 特開平９−２２５５９９号公報

本発明者らのこれまでの研究の結果によると、鋳造速度が速くなると過冷却の発生および表面割れが多く発生することが分かった。
発明者らが鋭意検討した結果、その理由は次の通りである。すなわち、鋳造速度が速くなると鋳片を速く凝固させなければいけないので、２次冷却の冷却能力が強くなり、ひいては冷却ノズルから噴射される冷却水、あるいはミストの量が増量する必要がある。そして、それによって冷却能力が強くなり冷却能力が強くなると、膜沸騰から遷移沸騰に変わる点であるＭＨＦ（Ｍｉｎｍｕｍ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ）点が高くなることが理由であった。また、冷却スプレーから噴射される冷却水の鋳片表面への衝突圧力が強くなり、鋳片表面と冷却水との間に蒸気膜が存在する膜沸騰状態が、冷却水が鋳片表面へ蒸気膜を破って接触し出す遷移沸騰へと突入するためである（図２参照）。

ここで、上記特許文献１には、先端に複数の噴射口を設けたフラットスプレーノズルを用いて、鋳片冷却時のロール間での急激な熱振幅を低減し、表面割れを防止することが開示されている。つまり冷却面積を広げて急激に過冷却されることを抑制している。しかし、フラットスプレーノズルを用いている以上、冷却時の衝突圧力が強く冷却水量も多いので、残留水を防ぐことができず、鋳造速度を増大に伴い過冷却が発生するおそれがある。

特許文献２に記載の技術は、フラットスプレーノズルを主体とした特許文献１に対して、厚み方向の噴射角度を広げたノズルを使用し、かつ複数の噴射口を設けた冷却ノズルで２次冷却を行う技術である。この技術においては、フラットスプレーノズルで冷却するよりも衝突圧を弱くすることができる。しかし通常の冷却ノズルで行う以上残留水の発生を防ぐことはできないため、鋳造速度を増大するに伴い過冷却が発生するおそれがある。

特許文献３は、冷却水を２５〜１００ｋｇ／ｃｍ²の高圧で噴射することにより滞留水の発生を防いで均一冷却を行うとするものであり、高圧水により滞留水（残留水）の発生を抑制して、均一冷却を狙ったもので、一定の効果はあると考えられる。しかしながら、特許文献３の技術にあっては、２次冷却の冷却帯は２０ｍ以上、長いものでは５０ｍもあるため、全冷却ゾーンに高圧水による冷却をすることは設備費が高く、たとえ上流部だけに絞ったとしても運転費がかさむため実用的ではない。

ここで、冷却ノズルの液滴径に関して、例えば特許文献４及び５に開示がある。
特許文献４には、１００μｍ以上の液滴径で２次冷却することが開示されている。しかし、特許文献４は、過冷却を防止するためにミスト冷却の液滴径を大きくし、冷却能力を上げるために液滴径が小さくする発想の技術である。すなわち、特許文献４では、冷却能力を上げるために液滴径を小さくする発想のものであり、本発明のようにＭＨＦ点を下げるために液滴径を小さくするといった発想は記載も示唆も無い。また、表面酸化スケール及びモールドパウダー残りを有する鋳片表面を２次冷却にする点についてなんら記載がない。

また特許文献５には、１０μｍの液滴径でトップ部（最終鋳込部）を冷却することが記載されている。このとき、トップ部で、冷却を一時的に強くするために気水比を１００〜３００の範囲に上げているが、液滴径は５０μｍ以下になると空気抵抗によって浮遊（霧状態）となるため、実用的でない。また、特許文献５にあっても、過冷却がＭＨＦ点を下回ることで発生する点、及び表面酸化スケール及びモールドパウダー残りを有する鋳片表面を２次冷却にする点についてなんら記載も示唆も無い。

以上のように、引用文献４及び５には、過冷却を抑えるために、ＭＨＦ点を越える表面温度となるように２次冷却を制御するといった発想が開示されていない。また、鋳片表面に表面酸化スケール及びモールドパウダー残りを有するか否かについても考慮されていない。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、鋳造速度を増大しても、過冷却が原因となる鋳片の表面割れの発生を防ぐことができる連続鋳造での２次冷却技術を提供する。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、鋼材を鋳造する連続鋳造における鋳片の２次冷却の全部又は一部で、鋳片表面を冷却ノズルから噴射する水によって冷却を行う連続鋳造での２次冷却方法であって、
上記冷却ノズルによる冷却を、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度点であるＭＨＦ（Ｍｉｎｍｕｍ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ）点よりも鋳片表面温度が高い状態となるように、上記噴射される水の平均液滴径を２００μｍ以下に設定することを特徴とするものである。

次に、請求項２に記載した発明は、鋼材を鋳造する連続鋳造における鋳片の２次冷却の全部又は一部で、鋳片表面を冷却ノズルから噴射する水によって冷却を行う連続鋳造での２次冷却方法であって、
上記冷却ノズルによる冷却を、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度点であるＭＨＦ（Ｍｉｎｍｕｍ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ）点よりも鋳片表面温度が高い状態となるように、上記噴射される水の平均液滴径を２００μｍ以上に設定し且つその水温を５０℃以上に設定することを特徴とするものである。

本発明によれば、ＭＨＦ点よりも鋳片表面温度が高い状態で２次冷却を行うように制御することで、鋳造速度を増大しても、過冷却が原因となる鋳片の表面割れの発生を防ぐことができる連続鋳造での２次冷却技術を提供することが出来る。

また、発明者らが調査などによって得た知見によれば、表面酸化スケール及びモールドパウダー残りを有する鋳片表面（以下、単にスラブスケール面とも呼ぶ。）は、通常のスケール面に比べてＭＨＦ点が高い。一般的な圧延材のスケール厚みは５〜５０μｍ程度であるが、鋳片表面のスケール厚みは５０〜１０００μｍ程度、あるいはパウダーなどが残って１０００μｍ以上になることもある。これに対し本発明は、このような通常であればＭＨＦ点が高く割れが発生するような鋳片の２次冷却を対象としても、鋳片の表面割れの発生を防ぐことができる。

また本発明者らは、種々の実験その他によって、鋳片を２次冷却する際に、噴射される水の平均液滴径及び平均水温の少なくとも一方を制御することで、ＭＨＦ点の上昇を７００℃以下に抑えることが可能であることを突き止めた。
そして、請求項２に係る発明によれば、ＭＨＦ点の上昇を６００℃以下に抑えることが出来る。

同様に、請求項３に係る発明であれば、ＭＨＦ点の上昇を７００℃以下に抑えることが出来る。なお、通常の冷却ノズルの平均液滴径は２０００μｍ以下である。
なお、水温を５０℃以上に設定し且つ平均液滴径を４３０μｍ以下とするか、水温を６０℃以上とすることで、更にＭＨＦ点の上昇を６００℃以下に抑えることが出来る。
この結果、鋳造速度を増大しても、確実に膜沸点領域での冷却が可能となる。この結果、鋳造速度を増大しても、過冷却が原因となる鋳片の表面割れの発生を防ぐことができる連続鋳造での２次冷却技術を提供することが可能となる。

鋳片の冷却ムラとその部分が表面割れとなることを説明する図である。 ＭＨＦ点と温度ムラ発生を説明する概念図である。 液滴径と水温によるＭＨＦ点への影響を説明する図である。 液滴径と水温によるＭＨＦ点への影響を説明する図である。 本発明に基づく実施形態に係る連続鋳造設備を説明する図である。 実施例１を説明する図である。 実施例２を説明する図である。 実施例３を説明する図である。

次に、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。
図５に、鋼材の連続鋳造設備の構成図を示す。
連続鋳造設備は、図５に示すように、溶鋼をモールド６に押し込むタンディッシュ１、溶鋼を初期凝固させるモールド６、徐々に冷却しながら鋳片２を案内する複数のサポートロール３、及び移動トーチカッター５を備える。また。隣り合うサポートロール３の間には２次冷却用の冷却ノズル４が挿入されている。図４では、２次冷却帯を第１〜第４ゾーンに区画する場合を例示している。

また、本実施形態は、鋳片表面がスラブスケール面となる鋳片を２次冷却の対象とする。
そして、本実施形態では、上記各冷却ノズル４として微小液滴冷却ノズルを採用し、ノズルから噴射する水の平均液滴径を２００μｍ以下に設定する。
若しくは、冷却ノズル４から噴射される水の平均液滴径を２００μｍ以上に設定し且つその水温を５０℃以上に設定する。

このようにすることで、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度点であるＭＨＦ点を７００℃以下となるように設定することが出来る。
さらに、そのＭＨＦ点よりも鋳片表面温度が高い状態、例えば鋳片表面温度が７００℃より高い温度であって１０００℃以下の範囲に収まる冷却条件となるように、鋳込み速度や溶鋼の温度等に基づき、鋳片表面に噴射する水量を調整する。

これよって、発明者らの知見によってＭＨＦ点が高くなるスラブスケール面の鋳片であっても、過冷却が原因となる鋳片の表面割れの発生を防ぐことができる。
ここで、上述したように、鋳片の表面温度がＭＨＦ点を下回るような状況で冷却を行うと、温度ムラ（過冷却）が発生、その温度ムラと表面ひび割れに密接な関係があることから、常に２次冷却においてはＭＨＦ点以上で冷却することが必要である。

これまでの発明者らの調査から、スラブスケール面は通常のスケール面に比べてＭＨＦ点が高いことが分かった。図３に、平均液滴径４３０μｍでスラブスケール面を切り出して再加熱をした場合のＭＨＦ点と、同じ材料をフライスにかけて再加熱した場合のＭＨＦ点とを比較した結果を示す。本調査においてスラブスケール面のスケールは約３２０μｍの厚さであり、スケール中にアルミナ（Ａｌ₂０₃）及びシリカ（ＳｉＯ₂）が含まれていた。フライスしたスケール面は１０００℃で１０分間の再加熱によって最大１１ミクロンのスケールが生成した。図３の結果から発明者らは、スラブスケール面は通常のスケール面に比べてＭＨＦ点が高い理由は、スラブスケール面は通常のスケール面に比べて厚みがあり、またパウダーにはアルミ酸化物やシリコン酸化物が含まれているため、水との親和力が高くなることが原因であることを突き止めた。

そこで本発明者らはミストスプレーノズルなどの冷却ノズルから噴射される液滴径に注目した。液滴径を変更してスラブスケール面を冷却したときのＭＨＦ点の結果を図４に示す。この図４に示すように、ミストスプレーノズルなどからなる冷却ノズルから噴射される液滴径が小さければ、ＭＨＦ点が下がることが分かり、さらに冷却時の水温も高ければＭＨＦ点が下がることが分かった。

ここで、図４に示すように、平均液滴径２００μｍ以下に設定すれば、鋳片表面がスラブスケール面となる鋳片に対し、ＭＨＦ点が６００℃以下とすることが出来る。
また図４に示すように、水温を５０℃以上とした場合、平均液滴径が２０００μｍ以下であれば、ＭＨＦ点が７００℃以下となる。通常の冷却スプレーの平均液滴径は２０００μｍ以下である。更に、水温を５０℃以上とし且つ平均液滴径を４３０μｍ以下に設定するか、水温を６０℃以上に設定し平均液滴径が２０００μｍ以下であれば、ＭＨＦ点が６００℃以下とすることが出来る。

以上のように、ＭＨＦ点を下げて２次冷却を行えば、過冷却が発生しにくくなる。ＭＨＦ点が７００℃以下、好ましくは６００℃以下であれば、温度ムラが発生しにくい。

「実施例１」
上記実施形態で説明した連続鋳造設備を使用した本発明の実施例１を説明する。
上記連続鋳造設備として、長さ４５ｍ、幅２ｍの鋳片を鋳造できる連続鋳造設備を使用した。そして、モールド６より下流の２次冷却帯に、平均液滴径が４００μｍの通常の冷却ノズルによる冷却と本発明に基づく平均液滴径が２００μｍの微小液滴冷却ノズルを切り替えて使用できるように配置した。

ここで、冷却ノズルから噴射される噴射中の液体の液滴径は、移動ドップラ法（ＰＤＡ：Ｐｈａｓｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ）により調査した。平均液滴径は、ザウダー平均径（Ｄ３２）で、測定は各条件で５回行い、その平均値を用いた。なお、厳密には、計測した液滴の体積の総和と表面積の総和の比（Ｄ３２＝Σ（ｎ_i・ｄ_i ³）／Σ（ｎ_i・ｄ_i ²）、ｎ_iは粒子数、ｄ_iは直径）をザウダー平均径と呼ぶ。他の実施例でも同様である。

そしてまず、幅２０００ｍｍ、板厚２５０ｍｍ、鋳造速度１．５ｍｐｍにおいて、平均液滴径が４００μｍの通常の冷却ノズルによる冷却で冷却水温度は２７℃で鋳造を開始した。鋳造当初は第３ゾーンと第４ゾーンの間に設置されている温度プロフィール計（不図示）で測温したところ、図６に示す温度分布を示すように、温度偏差約４０℃以内と均一な２次冷却が実施されていた。しかし、同一条件で、鋳造速度を２．０ｍｐｍに上げて、２次冷却水を増加させたところ、温度偏差が２５０℃以上に拡大した。このように温度偏差が拡大したところに、本発明の約２００μｍの微小液滴冷却ノズルに冷却水を供給した。供給開始から約５分後に温度偏差が縮小し、約１０分後には温度偏差は４５℃以内へとなった（図６参照）。
このように、本発明を適用することで、鋳込速度を増大しても過冷却の発生を防止できることが分かる。

「実施例２」
実施例１と同じ連続鋳造設備を使用した。そして、モールド６より下流の２次冷却帯に、平均液滴径が４００μｍの通常の冷却ノズルによる冷却と本発明の約２００μｍの微小液滴冷却ノズルを切り替えて使用できるように配置した。

そしてまず、幅２０００ｍｍ、板厚２５０ｍｍ、鋳造速度１．５ｍｐｍにおいて、平均液滴径が４００μｍの通常の冷却ノズルによる冷却で冷却水温度は２７℃で鋳造を開始した。鋳造当初は第３ゾーンと第４ゾーンの間に設置されている温度プロフィール計（不図示）で測温したところ、図７に示す温度分布のように、温度偏差約４０℃以内と均一な２次冷却が実施されていたが、鋳造速度を２．０ｍｐｍに上げて、２次冷却水を増加させたところ、過冷却が発生し温度偏差が２５０℃以上に拡大した。このように温度偏差が拡大したところに、第３、４ゾーンに本発明の約２００μｍの微小液滴冷却ノズルに冷却水を供給した。供給開始してから１０分しても温度偏差は２００℃以上あった。そこで、過冷却が発生していると見られる第１、２ゾーンに本発明の約２００μｍの微小液滴ノズルに冷却水を供給した。供給開始から約５分後に温度偏差が縮小し、約１０分後には温度偏差は４５℃以内へとなった（図７参照）。
このように、本発明を適用することで、鋳込速度を増大しても過冷却の発生を防止できることが分かる。

「実施例３」
実施例１と同じ連続鋳造設備を使用した。そして、モールド６より下流の２次冷却帯に、平均液滴径が４００μｍの通常の冷却ノズルによる冷却が設置されており、さらに５０℃以上の温水が供給できるように配置した。

そしてまず、幅２０００ｍｍ、板厚２５０ｍｍ、鋳造速度１．５ｍｐｍにおいて、平均液滴径が４００μｍの通常の冷却ノズルによる冷却で冷却水温度は２７℃で鋳造を開始した。鋳造当初は第３ゾーンと第４ゾーンの間に設置されている温度プロフィール計（不図示）で測温したところ図８の温度分布を示すように、温度偏差約４０℃以内と均一な２次冷却が実施されていたが、鋳造速度を２．０ｍｐｍに上げて、２次冷却水を増加させたところ、過冷却が発生し温度偏差が２５０℃以上に拡大した。このように温度偏差が拡大したところに、第１、第２ゾーンに水温５０℃の冷却水を供給した。供給開始から約５分後に温度偏差が縮小し、約１０分後には温度偏差は４５℃以内へとなった（図８参照）。

このように、本発明を適用することで、鋳込速度を増大しても過冷却の発生を防止できることが分かる。
以上からから分かるように、２００μｍ以下の微小液滴ノズルで２次冷却行うことにより、また、２００μｍ以上の冷却ノズルの場合は２次冷却水に５０℃以上の冷却水を給水することにより、過冷却の発生を抑制することができ、過冷却が原因となる鋳片の表面割れの発生を防ぐことができる。また、高速鋳造が可能となるので、鋳片の増産が可能となり、また低コスト化にも寄与する。

１ タンディッシュ
２ 鋳片
３ サポートロール
４ 冷却ノズル
５ 移動トーチカッター
６ モールド

Claims (2)

1. 鋼材を鋳造する連続鋳造における鋳片の２次冷却の全部又は一部で、鋳片表面を冷却ノズルから噴射する水によって冷却を行う連続鋳造での２次冷却方法であって、
   上記冷却ノズルによる冷却を、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度点であるＭＨＦ（Ｍｉｎｍｕｍ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ）点よりも鋳片表面温度が高い状態となるように、上記噴射される水の平均液滴径を２００μｍ以下に設定することを特徴とする連続鋳造での２次冷却方法。
2. 鋼材を鋳造する連続鋳造における鋳片の２次冷却の全部又は一部で、鋳片表面を冷却ノズルから噴射する水によって冷却を行う連続鋳造での２次冷却方法であって、
   上記冷却ノズルによる冷却を、膜沸騰から遷移沸騰に変わる温度点であるＭＨＦ（Ｍｉｎｍｕｍ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ）点よりも鋳片表面温度が高い状態となるように、上記噴射される水の平均液滴径を２００μｍ以上に設定し且つその水温を５０℃以上に設定することを特徴とする連続鋳造での２次冷却方法。

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