JP5641761B2 - 連続鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属の連続鋳造装置に関し、特には、超音波を印加して鋳造品の欠陥を低減することを企図した連続鋳造装置に関する。

連続鋳造装置は、タンディッシュ内の溶鋼等の溶融金属を、水冷等により冷却されている鋳型に流入して冷却し、所定の形状の鋳片又は鋳造品を得るものである。一般に溶鋼の冷却過程では、溶鋼の凝固面にデンドライト組織が生成され、該デンドライト組織の生成は鋼片の表面割れや内部欠陥の一因となるとされている。従って、連続鋳造過程において、該デンドライト組織を破壊して微粒化することが望まれている。

従来、鋳造品の表面割れを防止する手段として、超音波を該凝固面に付与することが提唱されている。例えば特許文献１には、棒状の添加材の先端を鋳型内の溶湯浴面下に浸漬し、該添加材に超音波振動を付与しながら連続鋳造する方法が開示されている。また特許文献２には、連続鋳造用鋳型内の溶融金属に直流磁場を印加し、さらに鋳型及び鋳片に超音波を印加して、鋳片の欠陥の低減を企図した連続鋳造方法及び装置が開示されている。

特開平９−２４４４１号公報 特開２０００−３５１０５１号公報

超音波によって凝固面のデンドライトを好適に微粒化するためには、振動子から発せられる超音波をなるべく減衰させずに凝固面に印加する必要があるが、従来の技術ではこれが困難であった。例えば特許文献１に記載の方法では、超音波を発振する部分が棒状の添加剤であるので、時間とともに添加剤が短くなっていき、凝固面に超音波発振部分を近接させることが難しい。その結果、超音波が凝固面に到達する前に相当減衰してしまい、デンドライト組織の微粒化に十分な量の超音波エネルギを凝固面に付与できない虞がある。

また特許文献２のように鋳型１の外側に超音波発振器１４を配置した場合、該発振器１４からの超音波は鋳型１内を通る間に大幅に減衰してしまい、溶鋼の凝固面まで十分な超音波エネルギが届かない虞がある。

そこで本発明は、超音波によるデンドライトの微粒化を効果的に行える機能を備えた連続鋳造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、連続鋳造用の鋳型を有する、鉄鋼の連続鋳造装置であって、前記鋳型内において鉄鋼の凝固面に超音波を印加するための少なくとも１つの振動子を備え、前記振動子は、超音波を発振する発振部と該発振部に接続されかつ前記鋳型内の溶鋼内に少なくとも部分的に浸漬される浸漬部とを有し、前記浸漬部は、前記鋳型内の溶鋼の温度に対する耐熱性を備えるとともに、前記鋳型内における鉄鋼の凝固面から、前記発振部から発せられて前記浸漬部内を伝播する超音波の主進行方向について２０ミリメートル以内の前記鋳型内の位置に前記浸漬部の先端が位置するように配置され、凝固面における超音波エネルギ密度を０．３３ＭＷ／ｍ²以上とすることを特徴とする、連続鋳造装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の連続鋳造装置において、前記振動子は、窒化珪素又はサイアロンを含むファインセラミックスから形成される、連続鋳造装置を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の連続鋳造装置において、前記浸漬部は少なくとも１つの屈曲部を有する、連続鋳造装置を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の連続鋳造装置において、前記振動子の前記浸漬部は、前記発振部の先端に一端が接続された第１直線部分と、該第１直線部分の他端から垂直に延びる第２直線部分とを有し、前記第１直線部分又は前記第２直線部分の長さが（1/2・ｎ＋1/4）λなる式で表され、ここでｎは０以上の整数であり、λは超音波の波長である、連続鋳造装置を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１又は２に記載の連続鋳造装置において、前記振動子の前記浸漬部は、前記発振部の先端に一端が接続された第１直線部分と、該第１直線部分の他端から垂直に延びる第２直線部分とを有し、前記第１直線部分の長さと前記第２直線部分の長さとの合計が（1/2・ｍ）λなる式で表され、ここでｍは１以上の整数であり、λは超音波の波長である、連続鋳造装置を提供する。

請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の連続鋳造装置において、前記振動子の前記浸漬部は、前記発振部の先端に一端が接続された第１直線部分と、該第１直線部分の他端から垂直に延びる第２直線部分とを有し、前記第１直線部分又は前記第２直線部分の長さが（1/2・ｎ＋1/4）λなる式で表され、かつ前記振動子の前記浸漬部の前記第１直線部分の長さと前記第２直線部分の長さとの合計が（1/2・ｍ）λなる式で表され、ここでｎは０以上の整数であり、ｍは１以上の整数であり、λは超音波の波長である、連続鋳造装置を提供する。

本発明によれば、振動子から凝固面までの超音波の減衰を抑制して、デンドライト組織の微粒化に十分な量の超音波エネルギを凝固面に到達させることができ、その結果欠陥の少ない製品を得ることができる。

浸漬部をファインセラミックスから形成することにより、溶融金属に対する耐熱性を具備した振動子を構成できる。

振動子に屈曲部を設けることにより、凝固面と振動子の浸漬部先端との距離を短くすることが容易になる。

振動子の寸法を好適に選定することにより、振動子の浸漬部の先端から発振される超音波の減衰を最小化することができる。

本発明の実施形態に係る連続鋳造装置の概略構成を示す図である。 図１の連続鋳造装置の鋳型を上方からみた概略図である。 （ａ）屈曲部を有する振動子の寸法決定の根拠を説明する図であって、該振動子の屈曲部が角張っている場合を示す図であり、（ｂ）振動子の屈曲部が丸みを有する場合を示す図である。

図１は、本発明に係る連続鋳造装置の概略構成を示す図である。連続鋳造装置１０は、図示しない取鍋から溶鋼等の溶融金属を受容するタンディッシュ１２と、タンディッシュ１２の下部に取り付けられた浸漬ノズル１４と、連続鋳造用鋳型（以降、単に鋳型と称する）１６とを有する。タンディッシュ１２内の溶融金属は、浸漬ノズル１４内を通って下方に導かれ、浸漬ノズル１４の下端近傍に設けられた吐出孔１８から鋳型１６内に流入する。

図２は、鋳型１６を上方から見た図である。同図に示すように、鋳型１６は通常、上方からみたときに略長方形を呈する略直方体形状を有し、該長方形の長辺に相当する第１板状部材２０と、短辺に相当する第２板状部材２２とを備える。鋳型１６内に流入した溶融金属は、第１板状部材２０及び第２板状部材２２によって冷却されて凝固し、鋳型１６の開放下端（図示せず）から切断機等の次工程（図示せず）に送られる。

図１に示すように、板状部材２０及び２２で冷却された溶融金属は凝固シェル２４を形成し、未だ凝固していない溶鋼２６との間に凝固面２８が形成される。そして鋳型１６内には、凝固面２８に超音波を印加するための少なくとも１つの振動子３０が設けられる。

振動子３０は、超音波を発振する発振部３２と、発振部３２に接続されかつ鋳型１６内の溶融金属内のメニスカス近傍に浸漬される浸漬部３４とを有し、浸漬部３４は溶融金属の温度（例えば１６００℃）に耐えられる耐熱性を有する材料から作製される。このような耐熱性材料としては、ファインセラミックス、より具体的には窒化珪素及びサイアロンが挙げられる。

本願発明者は、溶融金属の凝固面においてデンドライト組織を微粒化するためには、凝固面における超音波エネルギ密度を０．３３ＭＷ／ｍ²以上、好ましくは０．３５ＭＷ／ｍ²以上、より好ましくは０．３７ＭＷ／ｍ²以上とすればよいことを見出した。これは、実験をした結果、デンドライト組織を微粒化できた範囲が先端５０から２０ｍｍ以内の範囲であったことに基づく。該実験で用いた振動子は、直径４５ｍｍの中実の棒状部材であり、出力は６００Ｗであり、そのときの超音波エネルギ密度は０．３７ＭＷ／ｍ²であった。また先端５０から２０ｍｍ以内の範囲では、超音波の減衰が見られなかった。このようなエネルギ密度を実現するために、振動子３０は、浸漬部３４の先端部の端面３６と凝固面２８との間の、超音波の主進行方向についての距離が２０ｍｍ（ミリメートル）以内となるように配置される。なおここでいう「２０ｍｍ以内」には、端面３６が凝固面２８に接触している場合も含むものとする。ここで「超音波の主進行方向」とは、浸漬部３４内での超音波の伝播方向、すなわち本実施例では浸漬部３４の長手方向３８を意味する。また振動子３０の好適な具体例は、出力が約１．２５ＭＷ／ｍ²、周波数が１０〜２００ｋＨｚ、直径が５０ｍｍの超磁歪素子である。

なお振動子３０の製造コストが上がる方向ではあるが、振動子３０の長さを鋳型１６の高さよりも長くして、鋳型１６から外れた位置（すなわち凝固シェル２４の、鋳型１６より下方の部分）に超音波を印加できるようにしてもよい。

振動子は通常、デンドライト組織の微粒化を均等に行うために、鋳型１６の第１板状部材２０及び第２板状部材２２に沿って適当な間隔で（例えば図２において「×」印で示すような位置に）設けられる。ここで、振動子３０のような単純な棒形状の振動子を、参照符号４２で示すような場所で使用する場合、振動子３０が浸漬ノズル１４と干渉し、振動子３０の先端面３６と凝固面２８との距離を２０ｍｍ以内とすることが困難となることがある。

このような場合には、図１の右側に示す振動子４４のような、浸漬部が少なくとも１つの屈曲部を有するものを使用することが有効である。図示例の振動子４４は、発振部４６と、発振部４６に接続されて鋳型１６内の溶融金属内に浸漬される浸漬部４８とを有し、浸漬部４８が略Ｌ字形状又は略Ｊ字形状に形成されている。またＬ字の角部には、適当な丸み（Ｒ）を付してもよい。このような形状の振動子を使用すれば、図２において参照符号４２で示すような位置に振動子を設置する場合であっても、浸漬部４８の先端部の端面５０と凝固面２８との間の、超音波の主進行方向についての距離を２０ｍｍ以内とすることが極めて容易となる。なお浸漬部４８の代わりに又はそれに加えて、発振部４６に屈曲部を設けて同等の効果を得ることも可能である。

なお振動子４４のような屈曲部を有する振動子を使用する場合、浸漬部４８の先端５０から発振される超音波の減衰を最小化するために、浸漬部４８の略鉛直部分５２及び略水平部分５４の長さはいずれも、（1/2・ｎ＋1/4）λなる式で表されることが好ましい。これは、屈曲部に振動の節を設置することにより、該屈曲部での減衰を最小限にし、振動子の全体の長さが（1/2・ｍ）λなる式で表されることにより、超音波の振動の腹の位置が先端５０と合致するためである。ここでλは超音波の周波数であり、ｎ、ｍは任意の整数である。なお鉛直部分５２と水平部分５４とにおいて、ｎは同一でも異なっていてもよい。図３（ａ）及び（ｂ）は、そのような寸法の振動子を超音波の振幅とともに概略図示したものである。なお図３（ａ）は振動子４４の屈曲部が角張っている場合を例示し、図３（ｂ）は振動子４４の屈曲部が丸み（Ｒ）部を有している場合を例示しているが、上述の超音波の周波数及び振幅に関する考え方は同様に適用することができる。

ある実施例では、凝固面２８に所定量以上のエネルギを到達させるために、振動子２０又は４４を鋳型１６の外側に配置するのではなく、溶融金属内に浸漬させ、さらに浸漬部３４又は４８の先端面と凝固面２８との間の、超音波の主進行方向についての距離を１５ｍｍとする。これにより、少なくとも溶融金属が溶鋼である場合には、凝固面における超音波エネルギ密度を０．３３ＭＷ／ｍ²以上とすることができ、デンドライト組織を効率的に微粒化して好適な組織の製品を得ることができる。

１０ 連続鋳造装置
１２ タンディッシュ
１４ 浸漬ノズル
１６ 鋳型
２８ 凝固面
３０、４４ 振動子
３２、４６ 発振部
３４、４８ 浸漬部

Claims (6)

1. 連続鋳造用の鋳型を有する、鉄鋼の連続鋳造装置であって、
   前記鋳型内において鉄鋼の凝固面に超音波を印加するための少なくとも１つの振動子を備え、
   前記振動子は、超音波を発振する発振部と該発振部に接続されかつ前記鋳型内の溶鋼内に少なくとも部分的に浸漬される浸漬部とを有し、
   前記浸漬部は、前記鋳型内の溶鋼の温度に対する耐熱性を備えるとともに、前記鋳型内における鉄鋼の凝固面から、前記発振部から発せられて前記浸漬部内を伝播する超音波の主進行方向について２０ミリメートル以内の前記鋳型内の位置に前記浸漬部の先端が位置するように配置され、凝固面における超音波エネルギ密度を０．３３ＭＷ／ｍ²以上とすることを特徴とする、連続鋳造装置。
2. 前記振動子は、窒化珪素又はサイアロンを含むファインセラミックスから形成される、請求項１に記載の連続鋳造装置。
3. 前記振動子は少なくとも１つの屈曲部を有する、請求項１又は２に記載の連続鋳造装置。
4. 前記振動子の前記浸漬部は、前記発振部の先端に一端が接続された第１直線部分と、該第１直線部分の他端から垂直に延びる第２直線部分とを有し、前記第１直線部分又は前記第２直線部分の長さが（1/2・ｎ＋1/4）λなる式で表され、ここでｎは０以上の整数であり、λは超音波の波長である、請求項１又は２に記載の連続鋳造装置。
5. 前記振動子の前記浸漬部は、前記発振部の先端に一端が接続された第１直線部分と、該第１直線部分の他端から垂直に延びる第２直線部分とを有し、前記第１直線部分の長さと前記第２直線部分の長さとの合計が（1/2・ｍ）λなる式で表され、ここでｍは１以上の整数であり、λは超音波の波長である、請求項１又は２に記載の連続鋳造装置。
6. 前記振動子の前記浸漬部は、前記発振部の先端に一端が接続された第１直線部分と、該第１直線部分の他端から垂直に延びる第２直線部分とを有し、前記第１直線部分又は前記第２直線部分の長さが（1/2・ｎ＋1/4）λなる式で表され、かつ前記振動子の前記浸漬部の前記第１直線部分の長さと前記第２直線部分の長さとの合計が（1/2・ｍ）λなる式で表され、ここでｎは０以上の整数であり、ｍは１以上の整数であり、λは超音波の波長である、請求項３に記載の連続鋳造装置。

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