JP5915463B2 - ブレークアウト予知方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶鋼を連続鋳造する際に、モールドパウダーの劣化を原因として発生する可能性のあるブレークアウトの兆候を早期に発見し、大規模な溶鋼漏れ等のトラブルを未然に防止するためのブレークアウト予知方法に関する。

上下開放の内部水冷式鋳型を用いて溶鋼を連続鋳造する際には、生成する凝固シェルと鋳型との潤滑や溶鋼の空気酸化防止等を目的として、鋳型内にモールドパウダーが添加されている。このモールドパウダーは、凝固シェルと鋳型との間に流入してモールドパウダーフィルム層を形成する。このモールドパウダーが、その成分の変化やそれによる溶融特性の変化、或いは、供給量不足等といった要因によって流入不足が発生した場合には、モールドパウダーによる潤滑が不足し、凝固シェルと鋳型との焼き付きによる、いわゆる拘束性ブレークアウトが発生する。

このモールドパウダーの流入不良による焼き付きの他に、溶鋼の温度が高いことや異物が凝固シェルと鋳型との間に入り込むことにより、凝固シェルの凝固遅れが生じて局所的に凝固シェル厚みが薄い部分が形成され、鋳型下方で凝固シェルの薄い部分が未凝固溶鋼の静圧により破断することによるブレークアウトもある。

焼き付きによるブレークアウトに関しては、凝固シェルの破断が未だ鋳型内にとどまっている間にこれを検知し、鋳造速度を一時的に低下させる等の手段を講じてブレークアウトを未然に防止する、拘束性ブレークアウトの予知技術の開発がなされており、実用化されている。

例えば、鋳型のメニスカス（鋳型内溶鋼湯面）よりも下方の鋳片の引き抜き方向に交差する方向に少なくとも一列に測温素子群を設け、その各点での測温値の変化速度に基づいて凝固シェルの破断を検出し、ブレークアウトの発生を予知する技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。また、鋳型の幅方向に上下２段にわたって測温素子を複数配置し、凝固シェルの破断線の通過を検出して、より精度良く焼き付きに起因するブレークアウトの発生を予知する技術も開示されている（例えば、特許文献２を参照）。これらは何れも、凝固シェルの破断線が鋳型内壁を通過することによって鋳型銅板温度が上昇することを利用して、拘束性ブレークアウトを検知するという技術である。

特開平１−１４３７４８号公報 特開２００１−１６２３５８号公報

上記のように、凝固シェルと鋳型との焼き付きによる拘束性ブレークアウトは、特許文献１や特許文献２等に提案される手段によって予知できるようになり、現在では、拘束性ブレークアウトはほぼ完全に防止されている。

しかしながら、近年の高速鋳造を目的とする連続鋳造操業においては、連続鋳造操業が従来に増してモールドパウダーの影響を受けやすくなっており、モールドパウダーの特性劣化を原因として、凝固シェル厚みの不足によるブレークアウトや、凝固シェルと鋳型との焼き付きによる拘束性ブレークアウトが発生する場合があることを本発明者らは確認した。

拘束性ブレークアウトでは、一般的に、鋳型の幅方向及び鋳造方向に配置した各測温素子で、凝固シェルの破断線の通過による温度上昇及びその直後の温度降下が、鋳型の幅方向及び鋳造方向で時間差をおいて順次発生するが、モールドパウダーの特性劣化を原因とするブレークアウトでは、拘束性ブレークアウトで特徴的な「鋳型銅板温度の温度上昇及びその直後の温度降下が鋳型の幅方向及び鋳造方向で時間差をおいて順次発生する」という現象が起こる以前に、鋳型銅板温度の温度降下が発生することがわかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、鋼の連続鋳造において、拘束性ブレークアウトのうち、特にモールドパウダーの特性劣化に起因して発生するブレークアウトを早い段階で予知する方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］鋳型内にモールドパウダーを添加して溶鋼を連続鋳造する際に、鋳型銅板温度を測定し、測定される鋳型銅板温度が鋳造速度に応じて決まる鋳型銅板温度に対して所定の温度降下速度以下で降下し、鋳型銅板温度の温度降下量が所定の温度となったとき、または、鋳型銅板温度の温度降下量が所定の温度となった後から所定時間経過したときにブレークアウトが発生すると予知することを特徴とするブレークアウト予知方法。
［２］前記所定の温度が１５℃以上であることを特徴とする、上記［１］に記載のブレークアウト予知方法。
［３］前記所定の温度降下速度が１．０℃／ｓ以下であることを特徴とする、上記［１］または上記［２］に記載のブレークアウト予知方法。
［４］前記所定時間が２５０秒以下であることを特徴とする、上記［１］ないし上記［３］の何れか１項に記載のブレークアウト予知方法。

本発明によれば、モールドパウダーの性状劣化に起因するブレークアウトに対して、鋳型銅板温度の測定値の降下に基づき、モールドパウダーの性状劣化を従来の拘束性ブレークアウトの検知方法よりも早期に検知するので、モールドパウダーの性状劣化に起因するブレークアウトを確実に防止することができ、連続鋳造操業の安定、生産性向上等の工業上有益な効果がもたらされる。

連続鋳造機の鋳型内を示す模式図である。 モールドパウダーの特性劣化起因のブレークアウトが発生したときの鋳型銅板温度の測温データである。 鋳型銅板の背面に測温素子を設置した例を示す図である。 本発明に係るブレークアウト予知ロジックの概念図である。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。

連続鋳造機の鋳型内の模式図を図１に示す。鋳型１の溶鋼との接触部位は水冷式の鋳型銅板１ａで構成されており、鋳型銅板１ａで囲まれた鋳型１の内部空間に浸漬ノズル２を介して溶鋼４を注入する。溶鋼４は鋳型銅板１ａによって冷却され、鋳型銅板１ａとの接触面に凝固シェル３を形成する。鋳型内の溶鋼上には、モールドパウダー５が添加されている。添加されたモールドパウダー５は鋳型内の溶鋼４から熱を受けて溶融し、溶融したモールドパウダー５は凝固シェル３と鋳型銅板１ａとの間に流入し、モールドパウダーフィルム層５ａを形成する。モールドパウダーフィルム層５ａは、凝固シェル３との接触側では溶融状態であり、鋳型銅板１ａとの接触側では固体状態となる。モールドパウダーフィルム層５ａのうちの溶融状態の部分が鋳型銅板１ａと凝固シェル３との潤滑に寄与する。凝固シェル３は、モールドパウダーフィルム層５ａを介して鋳型１によって冷却されている。

モールドパウダー５の性状が、溶鋼中のガス成分や長時間の鋳込みに起因して劣化する場合がある。モールドパウダー５の劣化のメカニズムは、例えば、鋳型内の溶鋼４から発生するガス（Ｈ₂等）が、溶鋼上のモールドパウダー５或いはモールドパウダーフィルム層５ａに取り込まれ、モールドパウダーフィルム層５ａにＨ₂の気泡が形成されて、モールドパウダーフィルム層５ａの密度が下がるという現象である。生成した気泡によってモールドパウダーフィルム層５ａの密度が低下すると、モールドパウダーフィルム層５ａの熱伝導度が低下し、これにより、凝固シェル３から鋳型１への熱伝達量が減少して凝固シェル３の成長不良が発生し、その結果、凝固シェル３の鋳型直下における破断が起きやすくなる。つまり、ブレークアウトの発生率が上昇する。また、モールドパウダー５の性状が劣化することで、凝固シェル３と鋳型１との潤滑が不足して凝固シェル３と鋳型１との焼き付きが発生しやすくなる。つまり、モールドパウダー５の性状劣化を放置すると、拘束性ブレークアウトの発生率も上昇する。

図２に、鋳型銅板温度を熱電対で測定していた際に、モールドパウダーの性状が劣化したことが原因でブレークアウトが発生したときの鋳型銅板温度の測温データの例を示す。モールドパウダーの性状が劣化していない状態のときは、鋳型銅板温度はほぼ一定の状態であるが、モールドパウダーの劣化によってモールドパウダーフィルム層の熱伝導度が低下すると、これに伴って鋳型銅板温度は徐々に降下する。この例での温度降下速度は約０．０２５℃／ｓであった。そして、鋳造速度に応じて決まる鋳型銅板温度に対して約１９℃温度降下し、約１９℃温度降下した時点から２８０秒経過した後にブレークアウトが発生した。

即ち、モールドパウダーの性状が劣化して凝固シェルから鋳型への抜熱量が低下し、これによって凝固シェル厚みが確保できず、鋳型直下で凝固シェルが破断することによって発生するブレークアウトは、鋳型銅板温度を測定し、測定される鋳型銅板温度を監視することで予知できることを見出した。

但し、鋳型銅板と凝固シェルとの焼き付きによる拘束性ブレークアウトの場合には、凝固シェルの破断線が鋳型銅板内壁面を通過することで、鋳型の幅方向または鋳造方向に並んで取り付けた測温素子による鋳型銅板の測定温度が一旦上昇してその後に降下するという現象が、鋳型の幅方向及び鋳造方向で時間差をおいて順次発生するが、モールドパウダー性状の劣化に起因するブレークアウトの場合には、鋳型銅板温度は、鋳造速度に応じて決まる鋳型銅板温度に対して、鋳型の幅方向に取り付けた各測温素子でほぼ同時に降下することが特徴であることがわかった。また、拘束性ブレークアウトの場合に比較して温度降下速度は遅く、その後の調査結果から、最大でも１．０℃／ｓ以下の温度降下速度であることがわかった。そして、この現象が発生した後に、更に上記した拘束性ブレークアウトに至る場合があることもわかった。

以下、このようなモールドパウダーの特性劣化に起因するブレークアウトの予知方法を説明する。鋳型銅板の背面（溶鋼と接触する側の反対側）に熱電対や抵抗測温体等の測温素子を例えば図３のように取り付ける。図３（Ａ）は、鋳型銅板としてスラブ連続鋳造機の鋳型長辺銅板６を示し、図３（Ｂ）は、鋳型銅板としてスラブ連続鋳造機の鋳型短辺銅板７を示している。鋳型銅板の背面側に孔を設け、この孔の内部に、測温素子８がその先端を鋳型銅板に接して配置されている。測温素子８は鋳造方向に１箇所でもよいが、予知精度が向上することから、図３のように上下２段、或いは、上下に複数段、５０〜２００ｍｍの間隔で取り付けることが好ましく、また、鋳片幅方向には５０〜３００ｍｍの間隔で複数個取り付けることが好ましい。

この場合、測温素子８の設置位置は、メニスカス（鋳型内溶鋼湯面）から１０〜３００ｍｍ鋳造方向下流側の範囲内とすることが好ましい。メニスカスから１０ｍｍ未満の範囲は、鋳造中のメニスカスの上下動による温度変動の影響を受けるので、鋳型銅板温度の変化を正確に捉えることが困難となる。一方、メニスカスから３００ｍｍを超えた位置では、鋳型銅板温度の絶対値が低くなり、温度降下を適切に把握することが困難となる場合が発生する。また、鋳型銅板温度の変化を正確に捉えるために、鋳型銅板の溶鋼側稼働面（溶鋼側表面）から測温素子８の先端までの距離は２０ｍｍ以下とすることが好ましい。

測温素子８で測定される鋳型銅板温度は、メニスカスから測温素子８までの距離、測温素子８と鋳型銅板の溶鋼側稼働面との距離、及び、鋳片の鋳造速度（引き抜き速度）に依存する。具体的には、メニスカスから測温素子８までの距離が大きくなれば測定される鋳型銅板温度は低下し、測温素子８と鋳型銅板の溶鋼側稼働面との距離が小さくなれば測定される鋳型銅板温度は上昇し、また、鋳造速度が速くなれば測定される鋳型銅板温度は上昇する。逆に、メニスカスから測温素子８までの距離及び測温素子８と鋳型銅板の溶鋼側稼働面との距離が一定で、且つ、鋳造速度が一定の場合には、測定される鋳型銅板温度は基本的には一定となる。

但し、鋳型の上下振動（オシレーション）の影響によって鋳型銅板温度は或る振動幅で振動することがあるので、鋳型銅板温度の読み取り方法としては、例えば１秒ピッチで測定した温度データ２５個分の移動平均を取ることで振動による変動分を平均化することができる。鋳型幅方向及び鋳造方向に複数個の測温素子８を使用している場合は、鋳造方向に同じ列の測温素子８の温度測定値を平均し、その移動平均を用いることもできる。但し、振動による変動分を取り除く考え方はこの方法に限る必要はなく、例えば、振動の下限をつないだ温度線での判定、或いは、下限をつないだ温度と上限をつないだ温度線の中央の線で判定する等、振動の影響を取り除く方法である限り、どのような方法であっても構わない。

モールドパウダーの性状が劣化している場合には、測温素子８で測定される鋳型銅板温度が、鋳造速度が低下していないにも拘わらず、鋳造速度に応じて決まる鋳型銅板温度に対して徐々に温度降下し、この状態が続くと、凝固シェル厚が薄いことによるブレークアウト或いは拘束性ブレークアウトに至る。

このモールドパウダーの性状劣化に起因するブレークアウトを予知するためには、ブレークアウトが発生する可能性のある温度降下幅を判定する必要がある。測温素子８が前述した設置範囲（メニスカスからの距離）及び設置深さ（鋳型銅板深さ）に設置されている場合には、移動平均値が例えば１５℃以上降下した状態をブレークアウトの発生可能性がある状態と判定することができる。移動平均値が１５℃以上降下するとブレークアウトの発生可能性があるとした根拠は、上記図２の例のように、実際にモールドパウダーの性状が劣化してブレークアウトしたときの複数の温度測定結果に基づいている。測温素子８を鋳造方向の２箇所以上に複数段設置した場合には、何れかの段の測温素子８で測温値が１５℃以上降下したときに、ブレークアウトが発生すると予測すればよい。

従って、この発明の形態例においては、測温素子８で測定される鋳型銅板温度が鋳造速度に応じて決まる鋳型銅板温度に対して１５℃以上低下した時点でブレークアウト警報を発報するか、または、１５℃以上低下した時点から或る所定時間経過した時点でブレークアウト警報を発報する。所定時間経過した時点でブレークアウト警報を発報する場合も、上記のように２８０秒程度経過するとブレークアウトの危険があるので、２５０秒経過する時点までにはブレークアウト警報を発報することが好ましい。連続鋳造機の操作者は警報が発せられた場合には、鋳込み中の溶鋼の鋳造速度の減速或いはタンディッシュから鋳型への溶鋼の注入を中止し、ブレークアウト発生の可能性が高い状態を回避する。

図４に、本発明に係るブレークアウト予知方法及びブレークアウト警報の発報の時期の概念図を示す。図４は、ブレークアウト閾温度降下幅（＝１５℃以上）になった時点でブレークアウト警報を発報する例である。ブレークアウト警報の発報後、拘束性ブレークアウトの予兆である急激な温度上昇及び温度下降が起こり、ブレークアウトに至ることがある。尚、この拘束性ブレークアウトの予兆は、凝固シェルの鋳型への焼き付き位置と熱電対の位置との関係によっては観測されない場合もある。

尚、前述したように、ブレークアウト予知の温度閾値は、測温素子８の設置位置によって変化するが、以下のようにすることで、測温素子８の設置位置に拘わらず本発明を適用することができる。即ち、モールドパウダーの特性が劣化したときのモールドパウダーフィルム層５ａの熱伝導度を、例えば図２の鋳型銅板温度の降下量に基づいて、鋳型内の熱伝達計算によって求め、求めたモールドパウダーフィルム層５ａの熱伝導度を用いて、モールドパウダーの特性が劣化したときの鋳型各部位における熱伝達計算を行う。この熱伝達計算によって求めた、鋳型の鋳造方向及び鋳型厚み方向各位置での鋳型銅板温度と、熱伝達計算によって求めた、モールドパウダーの特性が劣化していないときの鋳型各位置での鋳型銅板温度との差をその部位での温度閾値と設定する。つまり、測温素子８の設置位置に対応する鋳型部位での温度差を温度閾値と設定することで、測温素子８の設置位置に拘わらず本発明を適用することが可能となる。この場合、温度降下速度も鋳型各位置によって変化するので、非定常の伝熱計算を用いる等によって鋳型各位置毎の温度降下速度を求めておくことが好ましい。

また、本発明方法ではモールドパウダーの劣化に起因するブレークアウトのみに対して予知が可能であるので、他の原因のブレークアウトにも対応できるように他の検出手法と組み合わせて使用してもよい。

鋳片の厚み２２０ｍｍ、幅１５００ｍｍのスラブ鋳片の連続鋳造時に本発明を適用した例を示す。熱電対をメニスカス下５０ｍｍ位置に鋳型長辺銅板及び鋳型短辺銅板の背面に１５０ｍｍ間隔で取り付けた。これら全ての熱電対の指示温度を平均し、更に、その平均値を１秒毎に２５秒分取って平均化した移動平均値でブレークアウトの判定を行った。

安定鋳造時には鋳型銅板温度の移動平均値が１８０℃であったが、０．５℃／ｓで降下し始め１９℃降下した１６１℃になったところでブレークアウト警報が発報した。操作者は直ちに１．５ｍ／ｍｉｎであった鋳造速度を０．８ｍ／ｍｉｎに低下させた。これにより、未然にブレークアウトを防ぐことができた。

１ 鋳型
１ａ 鋳型銅板
２ 浸漬ノズル
３ 凝固シェル
４ 溶鋼
５ モールドパウダー
５ａ モールドパウダーフィルム層
６ 鋳型長辺銅板
７ 鋳型短辺銅板
８ 測温素子

Claims (4)

1. 鋳型内にモールドパウダーを添加して溶鋼を連続鋳造する際に、鋳型銅板温度を測定し、測定した鋳型銅板温度の移動平均を取ることで鋳型振動による分を平均化した鋳型銅板温度の移動平均値が、鋳造速度を一定として鋳造しているときに当該鋳造速度に応じて決まる鋳型銅板温度に対して上昇することなく所定の温度降下速度以下で降下し、前記移動平均値の温度降下量が所定の温度となったとき、または、前記移動平均値の温度降下量が所定の温度となった後から所定時間経過したときに、ブレークアウトが発生すると予知することを特徴とするブレークアウト予知方法。
2. 前記所定の温度が１５℃以上であることを特徴とする、請求項１に記載のブレークアウト予知方法。
3. 前記所定の温度降下速度が１．０℃／ｓ以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のブレークアウト予知方法。
4. 前記所定時間が２５０秒以下であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載のブレークアウト予知方法。

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