JP5621623B2 - 連続鋳造機におけるロールの冷却方法、冷却装置及び鋳片支持ロール - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造機に使用されるロールの曲がりトラブルを解消できる連続鋳造機におけるロール冷却方法及び装置に関する。

連続鋳造機は、タンディッシュ、鋳型、鋳片を支持するロール群（鋳片を曲げるロール、矯正するロール、挟んで引き抜くピンチロール）、鋳片を冷却するスプレーノズル群、鋳片切断用ガス切断機などを備える。取鍋内の溶鋼は、中間容器としてのタンディッシュを介して鋳型に上方から注入される。鋳型に注入された溶鋼は、鋳型の下方から引き抜かれる。鋳型から引き抜かれた鋳片は未凝固の溶鋼が薄い凝固殻で包まれたものである。鋳片は下降するにつれ、表面が水又は水ミストのスプレーで冷却され凝固殻厚が増す一方、溶鋼静圧も上がる。この圧力で凝固殻が変形しないようにロール群で支える。

ロールは常に高温の鋳片と接触し水や蒸気、スケールなどの存在する悪環境に置かれており、長年の使用により磨耗や曲がりが発生する。このため、ロールは定期的に交換されている。ロールの交換中は連続鋳造を停止せざるを得ないので、ロールの寿命を延ばすために従来から様々な技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、連続鋳造機にロール冷却専用のミストノズル又はスプレーノズルを設置し、該ノズルからロール１個当たり０．３Ｌ／ｍｉｎ以上の水をロールに吹き付けることによって、ロールの表面を適正温度の６００℃以下に保持して表面の劣化を防ぐロール冷却方法が開示されている。

特許文献２には、ロールの表層部近傍に同心円上にロールの軸方向に伸びる複数の冷却水流路を形成し、複数の冷却水流路に流れる冷却水を流量調整治具によって制御する多孔ロールが開示されている。流量調整治具は、高温物体との接触側に冷却水が多く流れ、非接触側に冷却水が少なく流れるように冷却水の流量を制御している。複数の冷却水流路及び流量調整治具によって、ロール内の温度分布を均一化し、ロールに発生する熱変形を低減している。
特開２００２−１２６８５９号公報 実開平６−１８３４号公報

ところで、連続鋳造において、非定常時、すなわちタンディッシュの交換時や異鋼種接続時等にロールの回転の停止を余儀なくされる。ロールの回転が停止すると、ロールの鋳片に接触する側（接触側）と鋳片に接触しない側（非接触側）との温度差が大きくなり、ロールに温度差による過大な熱応力が発生する。特に厳しい冷却条件の下では、過大な熱影響を受けたロールが、熱応力により塑性変形して曲がりに至る事態が発生する。

しかし、上記特許文献１に記載の発明にあっては、ロールの回転が停止する非定常時には、ロールへの水の吹き付けを停止している（特許文献１，段落００２５〜００２６）。このため、ロールの鋳片に接触する側と鋳片に接触しない側の温度差が過大になり、ロールの曲がりが助長される。上記特許文献１には、ロールへの水の吹き付けを停止するのは、鋳片に水滴が垂れるのを防止するためであると説明されている。

さらに、上記特許文献１には、ロールの上部に放射式温度測定装置を設置し、放射式温度測定装置を用いてロールの外周面の温度を測定することが記載されている（特許文献１、段落００２８）。しかし、放射式温度測定装置を用いても、ロールの回転停止時にはロールの周方向の温度分布を測定することができず、またロールの外周面の温度はロールの内部の温度と異なるので、ロールの曲がりを正確に予測することができない。

上記特許文献２には、二つの測温装置をロールのアーバ（芯材）及びスリーブに設置し、二つの測温装置によってロールの中心部と周辺部の温度を測定することが記載されている（特許文献２,段落００２５）。しかし、特許文献２に記載の測温装置によっても、ロールの周方向の温度分布を測定することができない。また、ロールに軸方向に伸びる複数の冷却水流路を形成し、複数の冷却水流路に流れる冷却水を流量調整治具によって制御するのは、ロールの加工が困難になったり、冷却水の流量の制御が困難になったりするという問題があり、現実的ではない。

そこで本発明は、非定常時のロールの曲がりに起因するロールの周方向温度分布を測定することができ、ロールへの熱負荷の少ない適正な冷却条件が得られる連続鋳造におけるロールの冷却方法及び装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための第一の態様は、ノズルから鋳片及びロールの少なくとも一方に冷却水を吹き付けて鋳片を冷却する連続鋳造機におけるロールの冷却方法において、ロールの端面にロールの外周面と同心円上に複数の穴を空け、複数の穴それぞれに温度計を埋め込み、複数の温度計によってロールの周方向の温度分布を測定し、測定したロールの周方向の温度分布に基づいて、ノズルから噴出する冷却水の流量を制御する連続鋳造機におけるロールの冷却方法である。

本発明の他の態様は、ノズルから鋳片及びロールの少なくとも一方に冷却水を吹き付けて鋳片を冷却する連続鋳造機におけるロールの冷却装置において、ロールの端面にロールの外周面と同心円上に複数の穴が空けられるロールと、ロールの複数の穴それぞれに埋め込まれる温度計と、複数の温度計が測定したロールの周方向の温度分布に基づいて、ノズルから噴出する冷却水の流量を制御する制御装置と、を備える連続鋳造機におけるロールの冷却装置である。

本発明のさらに他の態様は、連続鋳造機に使用される、鋳片を支持するためのロールであって、ロールの端面にロールの外周面と同心円上に複数の穴が空けられ、前記複数の穴それぞれに温度計が埋め込まれる鋳片支持ロールである。

本発明によれば、ロールの端面にロールの外周面と同心円上に複数の穴に埋められた複数の温度計によって、ロールの曲がりトラブルに起因するロール内部の周方向の温度分布を測定することができる。このため、ロールがどの程度の熱影響を受けているかを判断し、非定常時のロールの曲がりトラブルの発生を防止することができる。

連続鋳造機の全体概略図 ロールの側面図 ロールの詳細図（図中（ａ）はロールの軸線方向から見たロールの端面を示し、図中（ｂ）はロールの軸線に沿った断面図を示す） ロールに発生する応力の解析手法を示す模式図 実施例のロールセグメントの概略図 ロール温度の測定結果を示すグラフ

以下に添付図面に基づいて、本発明の一実施形態の連続鋳造機におけるロール冷却装置を説明する。図１は、ロール冷却装置が組み込まれた連続鋳造機の全体の概略図を示す。

図１において、符号１はスラブ連続鋳造機、２はタンディッシュ、ｘはタンディッシュ内の溶鋼、３は流量調整用のスライディングノズル、４は浸漬ノズル、５は鋳型、６〜８は鋳片支持ロール（６は鋳型から引き抜き直後の鋳片を支持するサポートロール、７は鋳片を曲げたり、矯正したりするガイドロール、８は鋳片を挟んで引き抜くピンチロール）、９は鋳造された鋳片を搬送するための複数の搬送ロール、１０は、鋳造される鋳片から所定の長さのスラブを切断するためのトーチカッター、１４は鋳片に冷却水を吹き付けるノズル、１５はノズルから噴出する冷却水の流量を制御する流量調整弁、１６は流量調整弁を制御する制御装置である。

図１において、タンディッシュ２内の溶鋼ｘは浸漬ノズル４を介して鋳型５に注入される。溶鋼ｘは鋳型５で冷却されて凝固シェル１２を形成し、内部に未凝固相１１を有する鋳片１８として、鋳型５の下方に設けられたサポートロール６及びガイドロール７に支持されつつ、ピンチロール８の駆動力により鋳型５の下方に連続的に引抜かれる。鋳型５の出口から１ｍないし４ｍ程度はなれた位置に配置される複数対のガイドロール７は、鋳片１８の支持・案内方向が鉛直方向から湾曲方向へと方向を変える曲げ帯（上部矯正帯２１）を構成している。鋳型５から垂直方向に引き抜かれた鋳片１８は、上部矯正帯２１で次第に半径が一定の円弧状に曲げられる。湾曲部以降に配置される複数対のガイドロール７は、鋳片１８の支持・案内方向が湾曲方向から水平方向へと方向を変える矯正帯（下部矯正帯２２）を構成している。鋳片１８は矯正帯で次第に平板状に曲げ戻される。

鋳片１８は、鋳片支持ロール（サポートロール６、ガイドロール７及びピンチロール８）を通過する間、ノズル１４から吹き付けられる冷却水で冷却され、やがて内部までの凝固を完了する。凝固完了した鋳片１８は、トーチカッター１０によって所定の長さに切断されてスラブ１８ａとなる。スラブ１８ａは搬送ロール９によって搬送される。

鋳造方向に隣り合うサポートロール６、ガイドロール７及びピンチロール８の間隙には、水スプレーノズル或いはエアーミストスプレーノズルなどのノズル１４が配置され、二次冷却帯が構成される。二次冷却帯のノズル１４から噴出する冷却水（二次冷却水）によって鋳片１８は引き抜かれながら冷却される。複数のノズル１４のそれぞれには、流量調整弁１５が接続される。ノズル１４から噴出する冷却水の流量は流量調整弁１５によって調整される。流量調整弁１５のバルブ開度は制御装置１６によって制御される。流量調整弁１５の上流には、ノズル１４に冷却水を供給するポンプ１７が設けられる。

図２は、鋳片１８の上面側に位置するガイドロール７（以下、単にロールという）の側面図を示し、図３はこのロール７の詳細図を示す。図３（ａ）に示すように、ロール７の端面７ａ（正確にはロール７の軸線方向の端面７ａ）には、ロール７の外周面７ｂと同心円上に（すなわちロール７の中心からの半径方向の距離を等しくして）複数の穴２４が空けられる。複数の穴２４ぞれぞれはロール７の外周面７ｂから半径方向の内側に例えば１０〜２０ｍｍの範囲に配置される。なお、穴２４を空けるロールは、ガイドロールに限られることはなく、サポートロール６やピンチロール８であってもよい。

図３（ｂ）に示すように、各穴２４は深穴加工により形成されていて、その深ｄさはロール７の端面７ａからロール７の軸方向へロール７の中央付近まで至る。ただし、各穴２４の深さｄは、ロール７の鋳片接触領域まで至っていればよく、必ずしもロール７の軸線方向の中央付近まで至る必要はない。各穴２４には、温度計としての熱電対２６が埋め込まれる。熱電対２６は、端を接合した２種の異なった導体からなる温度センサである。２種の異なった導体の２つの接点の間で発生する熱電圧は、２つの接点間の温度差に比例している。熱電対２６の高温側の接点は穴の最深部に配置され、低温側の接点は穴の外側に配置される。低温側の接点を既知の温度に保てば、高温側の接点の温度、すなわちロール７の軸線方向の中央付近の温度を測定することが可能になる。

図３（ａ）に示すように、複数の穴は周方向に均等間隔を空けて（この実施形態では３０度の均等間隔を空けて）合計１２個設けられる。複数の熱電対２６も同様に周方向に均等間隔を空けて合計１２個設けられる。熱電対２６の数は２つ以上であれば、その数は１２個に限定されるものではないが、非定常時にロール７がどの角度で停止しても鋳片接触部に近い熱電対２６を推定することができるように温度計は４つ以上あるのが望ましい。

複数の熱電対２６は制御装置１６（図１参照）に電気的に接続されており、オンラインでロール７の温度を常時測定することが可能となっている。制御装置１６は、熱電対２６からの信号に測定される熱電圧に基づいてロール７の内部温度を算出する。１２個の熱電対２６がロール７の周方向に配列されているので、制御装置１６はロール７の周方向の温度分布を算出することが可能になっている。ロール７の周方向の温度分布は、定常時、非定常時にかかわらず熱電対２６によって連続的に測定され、制御装置１６によって連続的に算出される。

ロール７の回転が停止する非定常時には、ロール７の鋳片１８に接触する側（接触側）と鋳片１８に接触しない側（非接触側）とでの温度差が大きくなる。制御装置１６には、予め温度差の閾値（例えば４００〜５００℃の範囲内のいずれかの温度）が設定されている。そして、制御装置１６は、ロール７の接触側と非接触側とでの温度差（具体的には複数の熱電対２６で検出したロール７の温度の最大値と最小値との差）が予め設定された閾値以上のとき、熱応力により塑性変形が発生する（すなわちロール７に曲がりが発生する）と判断し、自動的に電気信号により流量調整弁１５のバルブ開度を大きくし、ノズル１４から噴出する二次冷却水の流量を増やす。これにより、ロール曲がりトラブルの発生を防止するのに必要なロール外冷、及び二次冷却水流量を確保することができ、非定常時のロールの曲がりトラブルの発生を防止することができる。

ノズル１４が噴出する二次冷却水量を増量させる閾値は、オンライン測定結果を元に図４に示すような熱応力解析を行うことよって決定される。すなわち、まず、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、オンライン測定したロール７の周方向の温度分布から熱伝導解析を行い、ロール断面における定常・非定常時の温度分布を求める。次に、図４（ｃ）に示すように、非定常時のロール７の周方向の温度分布から弾塑性解析を行い、熱応力を求めて、ロール７が塑性変形に至るかを検証する。そして、ロール７が塑性域に達する最低限度の温度を閾値として決定する。

図５に示すセグメントロールのＮｏ．２ロール７−２（ロール径φ３３０ｍｍ、ロール長２４２６ｍｍ、材質ＳＵＳ４３１Ｍ）に熱電対２６を埋め込んだ。具体的には、ロール７−２のセンター付近、及びロール表面から１５ｍｍの同心円上に７箇所の深穴加工を施し、合計７箇所の穴のそれぞれに熱電対２６を埋め込んだ。複数の穴は円周方向に不均等に配列した。

図６にロールの温度の測定結果を示す。定常時には、ロール７−２の温度は５０℃〜１００℃の範囲にあり、ロール７−２の鋳片１８に接触する側と接触しない側とでそれほどの温度差は生じなかった。一方、非定常時には、ロール７−２の鋳片１８に接触する側の熱電対の温度が急激に上昇し、タンディッシュ２の交換中に最大３２０℃まで上昇した。ロール７−２の温度は定常時よりも非定常時の方がより高くなることがわかった。

その後、ロール７−２の周方向の温度分布を測定・算出し、ロール７−２の周方向の温度分布に基づいてロール７−２の熱応力解析を行った。その結果から閾値を決定し、流量調整弁１５の自動制御を行い、ロール冷却条件の最適化を図った。ロール冷却条件の最適化を行った結果、ロール曲がりトラブルによりダウンタイムはゼロになった。

なお、上記説明は、スラブ連続鋳造機１について行ったが、本発明が対象とする連続鋳造機はスラブ連続鋳造機１に限るものでなく、ブルーム連続鋳造機またはビレット連続鋳造機の何れであっても本発明を適用することができる。また、連続鋳造機の型式には、鋳片の引き抜き方向の違いにより、垂直型連続鋳造機、垂直曲げ型連続鋳造機、全湾曲型連続鋳造機及び水平連続鋳造機などの型式があるが、その何れであっても本発明を適用することができる。更には、鋳型内或いは二次冷却帯に存在する鋳片の未凝固相の流動を制御する電磁攪拌装置、電磁ブレーキ装置、更には中心偏析や内部割れ防止のために凝固末期の鋳片をロールによって軽圧下する軽圧下装置などを装着していても、何ら問題なく本発明を適用することができる。

また、本発明において、非定常時には、ロールが停止する時のみならず、鋳造速度等の変更を含めた異常時も含まれる。ロールは鋳片を支持するロールであればガイドロールに限られることはなく、サポートロールやピンチロールであってもよい。

さらに、本発明は、鋳片を冷却するノズルに限られることはなく、ロールを冷却するノズルにも適用することができる。

１…連続鋳造機
２…タンディッシュ
６…サポートロール（ロール）
７…ガイドロール（ロール）
７ａ…端面
７ｂ…外周面
８…ピンチロール（ロール）
１０…トーチカッター
１４…ノズル
１５…流量調整弁
１６…制御装置
１８…鋳片
２４…穴
２６…熱電対（温度計）

Claims (7)

1. ノズルから鋳片及びロールの少なくとも一方に冷却水を吹き付けて鋳片を冷却する連続鋳造機におけるロールの冷却方法において、
   ロールの端面にロールの外周面と同心円上に複数の穴を空け、複数の穴それぞれに温度計を埋め込み、
   複数の温度計によってロールの周方向の温度分布を測定し、
   測定したロールの周方向の温度分布に基づいて、ノズルから噴出する冷却水の流量を制御する連続鋳造機におけるロールの冷却方法。
2. ロールの鋳片に接触する側の温度と接触しない側の温度との差が所定の閾値以上のとき、ノズルから噴出する冷却水の流量を増やすことを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造機におけるロールの冷却方法。
3. 前記複数の穴は、ロールの端面に周方向に均等間隔を空けて配列されることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続鋳造機におけるロールの冷却方法。
4. ノズルから鋳片及びロールの少なくとも一方に冷却水を吹き付けて鋳片を冷却する連続鋳造機におけるロールの冷却装置において、
   ロールの端面にロールの外周面と同心円上に複数の穴が空けられるロールと、
   ロールの複数の穴それぞれに埋め込まれる温度計と、
   複数の温度計が測定したロールの周方向の温度分布に基づいて、ノズルから噴出する冷却水の流量を制御する制御装置と、を備える連続鋳造機におけるロールの冷却装置。
5. 前記制御装置は、ロールの鋳片に接触する側の温度と接触しない側の温度との差が所定の閾値以上のとき、ノズルから噴出する冷却水の流量を増やすことを特徴とする請求項４に記載の連続鋳造機におけるロールの冷却装置。
6. 前記複数の穴は、ロールの端面に周方向に均等間隔を空けて配列されることを特徴とする請求項４又は５に記載の連続鋳造機におけるロールの冷却装置。
7. 連続鋳造機に使用される、鋳片を支持するためのロールであって、
   ロールの端面にロールの外周面と同心円上に複数の穴が空けられ、
   複数の穴それぞれに温度計が埋め込まれる鋳片支持ロール。

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