JP6435977B2 - 連続鋳造中の鋳片幅変更方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造中の鋳片幅変更方法に関し、詳しくは、連続鋳造中に鋳型短辺を移動させて鋳片幅を拡大する方法に関する。

対向する２枚の鋳型長辺と当該鋳型長辺に挟まれ対向する２枚の鋳型短辺とを備える鋳型を用いて連続鋳造を行い、鋳型短辺間の距離を変更することで鋳片幅を変更する技術が広く知られている。なかでも、連続鋳造を継続しながら鋳片幅を変更する技術が、稼働率及び歩留り向上の観点から非常に重要となる。

鋳片の連続鋳造では、鋳造時に凝固収縮が生じるため、鋳型短辺を傾斜させることで、鋳型短辺と凝固殻が適切に接するようにしている。
以下の説明では、鋳型短辺に設ける傾斜を「テーパー」と呼ぶ。また、鋳型上端幅−鋳型下端幅＝テーパー量とし、テーパー量が大きい状態を「テーパーが強い」、テーパー量が小さい状態を「テーパーが弱い」と呼ぶ。なお、鋳型下端幅は、対向する鋳型短辺下端間の距離、鋳型上端幅は、対向する鋳型短辺上端間の距離である。
また、テーパー角度は、鋳型短辺の下端部を通る鉛直線に対する当該鋳型短辺の傾斜角度であり、鋳型短辺の上端が外方に向かう場合を正とする。

テーパーが適切で無い場合、テーパーが強いと、鋳型短辺が鋳片を押し込み、鋳片疵の発生要因となる。逆に、テーパーが弱いと、鋳型短辺と凝固殻の間に空隙が生じ、冷却不足によるブレークアウト発生の要因となる。
鋳片幅を変更する場合、鋳片疵及びブレークアウトを抑制するため、テーパーを適切に変更する必要がある。しかし、連続鋳造中に鋳型短辺を移動させる際の適切なテーパーは、鋳片幅一定で鋳造する際の適切なテーパーと異なる。また、凝固収縮量が凝固収縮率と鋳片幅に依存するため、鋳片幅が変化し続ける鋳型短辺移動時には、適切なテーパーが時々刻々変化する。従って、鋳片幅変更中に適切なテーパーを維持する技術が必要となる。

そこで、例えば、特許文献１には、鋳片幅変更開始時に鋳型短辺上端と鋳型短辺下端の速度差を一定としつつ加速させ、目標とする鋳片幅に至る途中で鋳型短辺上端と鋳型短辺下端の速度関係を逆転させてその速度差を一定に保ちつつ減速させ、目標とする鋳片幅で鋳型短辺の移動を停止させる方法が開示されている。
また、特許文献２には、連続鋳造中の鋳片幅変更操作を３ステップに分け、鋳型短辺移動中に鋳型短辺のテーパー角度を適切なテーパー角度に変更した後、鋳型短辺を一定速度で移動させ、最後に、目標とする鋳片幅における適切なテーパー角度に変更する方法が開示されている。この方法では、鋳型短辺の一定速度移動時に鋳型上端の移動速度を鋳型下端の移動速度より大きくすることで、鋳片幅変更と同時にテーパーを変更する。

特開昭６１−１４４２５５号公報 特開平３−１３３５４９号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法の場合、鋳型短辺上端と鋳型短辺下端の僅かな速度差を制御する必要があるため、誤差が必ず生じる。
一方、特許文献２記載の方法によれば、鋳型短辺上端及び鋳型短辺下端の移動速度差を適切に設定することで、鋳片幅変更中も鋳片幅に応じた適切なテーパーを維持することが可能であるが、鋳型短辺上端と鋳型短辺下端の移動速度を非常に精密に制御することが必要となる。しかし、工業的にこれを実現するのは困難であり、誤差が必ず生じる。

テーパー率を（鋳型上端幅−鋳型下端幅）／鋳型下端幅／鋳型高さ×１００［％／ｍ］と定義すると、鋳型高さが例えば１０００ｍｍの場合、鋳片幅を変更しない状態における適切なテーパー率は１〜１．５％／ｍの範囲内の所定値となり、鋼種成分に応じて０．１％／ｍ単位で使い分ける必要がある。０．１％／ｍをテーパー角度に換算すると、鋳型下端幅が１ｍの場合、０．０３°程度となる。
鋳型短辺を移動（鋳片幅の増大）させながら、鋳型短辺上下端の速度差によってテーパーを強くする（テーパー角度を増大する）場合、鋳型短辺上下端の速度差を１〜１．５％程度とし、鋼種成分に応じて０．１％単位で使い分ける必要がある。鋳型短辺下端の移動速度を例えば１０ｍｍ／ｍｉｎとすると、鋳型短辺上端の移動速度は１０．１５ｍｍ／ｍｉｎ（テーパー率１．５％／ｍ）となり、鋳型短辺上下端の速度差は０．１５ｍｍ／ｍｉｎとなる。さらにまた、上記の例において、鋼種成分が異なる等の理由でテーパー率を０．１％／ｍ単位で変更する（増大する）場合、鋳型短辺上下端の速度差を０．０１ｍｍ／ｍｉｎ単位で変更する必要がある。
このように、特許文献１や特許文献２に記載されている従来方法の場合、僅かな速度差を制御しなければならず誤差の発生は避けられない。

従って、連続鋳造中に鋳型短辺を移動させて鋳造幅を変更する際、鋳片幅の変更量が大きいと、誤差が累積してテーパー角度が狙い値より大きく外れてしまい、鋳型短辺と凝固殻との接触を適切に保つことができなくなる。その結果、鋳型短辺の鋳片押し込みによる鋳片疵、若しくは空隙発生による冷却不足やそれによるブレークアウトが発生する。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、連続鋳造中における鋳片幅の変更量が大きい場合であっても、ブレークアウト及び鋳片疵の発生を抑制することが可能な連続鋳造中の鋳片幅変更方法を提供することを目的とする。

上述したように、速度差制御によって適正なテーパー角度を実現するのは困難であり、鋳片疵やブレークアウト発生の要因となる。そこで、本発明者等は、速度差制御によるテーパー角度制御よりも高精度な制御として鋳型短辺上下端の位置を制御することに着目し、本発明に想到した。

本発明は、鋳片幅がｗ_Ｓ、テーパー角度がθ_Ｓに設定されている一対の鋳型短辺を連続鋳造中に鋳型の中心軸に関して対称移動させて鋳片幅をｗ_Ｌ（ｗ_Ｌ≧ｗ_Ｓ＋５０ｍｍ）、テーパー角度をθ_Ｌ（θ_Ｓ＜θ_Ｌ）に変更する方法であって、以下の操作を行うことを特徴としている。
（Ａ）移動開始時における鋳型下端幅をｗ_１＝ｗ_Ｓ、移動完了時における前記鋳型下端幅をｗ_ｎ＝ｗ_Ｌ（ｎは２以上の整数）とする。
（Ｂ）前記鋳型下端幅がｗ_ｉ（ｉ＝１，…，ｎ−１）である状態で前記鋳型短辺の上端を外方に広げて該鋳型短辺のテーパー角度をθ_ｉ（θ_Ｓ＜θ_ｉ）に増大させた後、該鋳型短辺を平行移動させて前記鋳型下端幅をｗ_ｉ＋１（ｗ_ｉ＜ｗ_ｉ＋１≦ｗ_ｎ）とする操作をｉ＝１からｉ＝ｎ−１まで順次実施する。
（Ｃ）前記鋳型下端幅がｗ_ｎに到達した時点で前記鋳型短辺のテーパー角度をθ_Ｌ（θ_Ｌ＜θ_ｎ−１）に減少させる。

本発明においてｗ_Ｌ≧ｗ_Ｓ＋５０ｍｍとしたのは、鋳片の変更幅が５０ｍｍ以上の場合に本発明の課題が顕在化するためである。
θ_Ｓとθ_Ｌは共に鋳型短辺が移動しない状態におけるテーパー角度であり、通常、等しいテーパー率に設定される。しかし、θ_Ｓよりθ_Ｌのほうが鋳片幅が広いため、テーパー角度はθ_Ｓ＜θ_Ｌとなる。なお、テーパー率は、（鋳型上端幅−鋳型下端幅）／鋳型下端幅／鋳型高さ×１００［％／ｍ］である。

本発明の主たる特徴は、停止している鋳型短辺下端に対して鋳型短辺上端を外方に広げて鋳型短辺のテーパー角度を増大させ、増大後のテーパー角度で鋳型短辺を平行移動させる操作を、目標とする鋳片幅に鋳型短辺下端幅が到達するまで繰り返す点にある。

連続鋳造中に鋳片幅を拡大する場合、テーパー角度を増大させないと緩冷却によるブレークアウトが発生するおそれがある。本発明では、鋳型短辺の平行移動を行う前に鋳型短辺のテーパー角度を増大させる。停止している鋳型短辺下端に対して鋳型短辺上端の位置を変化させることで、狙いとするテーパー角度を容易に設定することができる。本発明におけるテーパー角度誤差は速度差制御におけるテーパー角度誤差の概ね半分程度となる。

また、鋳型短辺を平行移動させることで、鋳型短辺の上端と下端の移動量が同一となり、鋳型短辺の移動精度が担保される。移動量の誤差は、狙いとする移動量（例えば１０ｍｍ）に対して±０．０１ｍｍ程度である。そのため、速度差制御のように誤差が累積してテーパー角度が狙い値より大きく外れるということがない。
なお、１回当たりの平行移動距離が５０ｍｍを超えると、ブレークアウトや鋳片疵の原因となる可能性があるため、１回当たりの平行移動距離は５０ｍｍ以下が好ましい。

鋳片幅一定で鋳造する際の適切なテーパーは、連続鋳造中に鋳型短辺を移動して鋳片幅を拡大させる際の適切なテーパーより小さくなる。従って、鋳型下端幅が目標とする鋳片幅ｗ_Ｌに到達した時点で、テーパー角度をθ_Ｌに減少させる。

本発明に係る連続鋳造中の鋳片幅変更方法では、鋳型短辺上下端の位置を制御するので、鋳片幅の変更量が大きい場合であってもテーパー設定に誤差が生じにくくなる。これにより、鋳型短辺のテーパーを適正に維持し、鋳片幅変更中におけるブレークアウト及び鋳片疵の発生を低減することができる。その結果、設備被害の防止、設備復旧のための生産性低下の防止、並びに鋳片疵発生による歩留り低下の防止が可能になる。

本発明の一実施の形態に係る連続鋳造中の鋳片幅変更方法に使用する鋳型の模式図である。 停止している鋳型短辺下端に対して鋳型短辺上端を外方に広げて鋳型短辺のテーパー角度を増大させる際の鋳型幅方向断面の模式図である。 （Ａ）本発明の一実施の形態に係る連続鋳造中の鋳片幅変更方法の実施過程における鋳型下端幅とテーパー率との関係を示したグラフ、（Ｂ）同方法の実施過程における鋳型短辺の移動状況を示した模式図である。 同実施の形態に係る連続鋳造中の鋳片幅変更方法の実施過程における鋳型下端幅とテーパー角度との関係を示したグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る連続鋳造中の鋳片幅変更方法に使用する鋳型１０の模式図を図１に示す。同図に示すように、鋳片Ｓを鋳造する鋳型１０は、対向配置された一対の鋳型長辺１２と、一対の鋳型長辺１２に挟持され対向する一対の鋳型短辺１１とを備えている。各鋳型短辺１１の背面上下端部には、鋳型短辺１１を鋳型長辺方向に移動させるためのアクチュエータ１３がそれぞれ取り付けられている。上下２段に配置されたアクチュエータ１３を制御することにより鋳型短辺１１の移動及びテーパー付与が行われる。

鋳片幅がｗ_Ｓ、テーパー角度がθ_Ｓに設定されている一対の鋳型短辺１１を連続鋳造中に鋳型１０の中心軸に関して対称移動させて鋳片幅をｗ_Ｌ（ｗ_Ｌ≧ｗ_Ｓ＋５０ｍｍ）、テーパー角度をθ_Ｌ（θ_Ｓ＜θ_Ｌ）に変更する手順を以下に示す。
ただし、θ_Ｓは鋳片幅がｗ_Ｓで一定のときの適切なテーパー率に対応するテーパー角度、θ_Ｌは鋳片幅がｗ_Ｌで一定のときの適切なテーパー率に対応するテーパー角度である。

［ＳＴＥＰ−１］移動開始時における鋳型下端幅をｗ_１＝ｗ_Ｓ、移動完了時における鋳型下端幅をｗ_ｎ＝ｗ_Ｌ（ｎは２以上の整数）とし、１回当たりの平行移動距離Δｗを設定する。ただし、１回当たりの平行移動距離Δｗは一定値ではなく可変値としても良い。また、１回当たりの平行移動距離Δｗは５０ｍｍ以下であることが好ましい。

［ＳＴＥＰ−２］以下の操作をｉ＝１からｉ＝ｎ−１まで順次実施する。
（１）鋳型下端幅がｗ_ｉである状態で、停止している鋳型短辺１１の下端に対して鋳型短辺１１の上端を外方に広げて鋳型短辺１１のテーパー角度をθ_ｉに増大させる。テーパー角度θ_ｉは、停止している鋳型短辺１１下端に対して鋳型短辺１１上端を外方に広げる際の適切なテーパー率に対応するテーパー角度である。
（２）テーパー角度をθ_ｉに維持した状態で鋳型短辺１１を平行移動させ、鋳型下端幅をｗ_ｉ＋１（ｗ_ｉ＋１＝ｗ_ｉ＋Δｗ）とする。

［ＳＴＥＰ−３］鋳型下端幅がｗ_ｎに到達した時点で鋳型短辺１１のテーパー角度をθ_Ｌ（θ_Ｌ＜θ_ｎ−１）に減少させる。

ここで、停止している鋳型短辺１１下端に対して鋳型短辺１１上端を外方に広げて鋳型短辺１１のテーパー角度を増大させる際の適切なテーパー率について説明しておく。なお、鋳型短辺１１移動時の適切なテーパー率とは、鋳造速度及び鋳型短辺１１の移動速度を考慮したテーパー率である。

図２は、停止している鋳型短辺１１下端に対して鋳型短辺１１上端を外方に広げて鋳型短辺１１のテーパー角度を増大させる際の鋳型幅方向断面を示したものである。
鋳型短辺１１移動前におけるテーパー量をＴとすると、Ｔ＝Ｗ_Ｕ−Ｗ_Ｄである。なお、Ｗ_Ｕは鋳型上端幅、Ｗ_Ｄは鋳型下端幅である。
溶鋼が鋳型下端まで下降する時間をΔｔとすると、Δｔ＝ｈ／Ｖｃである。ただし、ｈは溶鋼深さ、Ｖｃは鋳造速度である。
一方、鋳型短辺１１移動に伴う、湯面位置における鋳型短辺１１の移動量はＶｍΔｔである。ただし、Ｖｍは鋳型短辺１１の移動速度である。

従って、Δｔ間に鋳型短辺１１上端が移動する移動量ΔＴは次式のようになる。ただし、Ｌは鋳型高さである。
ΔＴ＝ＶｍΔｔ×Ｌ／ｈ＝Ｖｍ×Ｌ／Ｖｃ
因って、鋳型短辺１１移動時の適切なテーパー率αは次式となる。
α＝（Ｔ＋２ΔＴ）／Ｗ_Ｄ／Ｌ
また、テーパー率αに対応するテーパー角度θは次式で算出される。
θ＝arcsin（（Ｔ＋２ΔＴ）／２／Ｌ）

次に、鋳造速度１．５ｍ／ｍｉｎで連続鋳造している低炭素鋼の鋳片幅を、本実施の形態に係る連続鋳造中の鋳片幅変更方法を用いて９８０ｍｍから１２００ｍｍに変更する手順について以下説明する。なお、鋳型短辺の移動速度は１０ｍｍ／ｍｉｎ、鋳型高さは９００ｍｍである。
本実施の形態に係る連続鋳造中の鋳片幅変更方法の実施過程における鋳型下端幅とテーパー率との関係を図３（Ａ）に、同方法の実施過程における鋳型短辺の移動状況を図３（Ｂ）に示す。また、その際の鋳型下端幅とテーパー角度との関係を図４に示す。

（１）鋳片幅変更開始前における鋳型下端幅は９８０．０ｍｍ、鋳型上端幅は９９２．７ｍｍ、テーパー率１．４４％／ｍ、テーパー角度０．４０°である。
（２）停止している鋳型短辺の下端に対して鋳型短辺の上端を外方に広げて鋳型短辺のテーパー角度を０．７９°に増大させる。このときの鋳型上端幅は１００４．７ｍｍ、テーパー率は２．８０％／ｍである。
（３）鋳型短辺のテーパー角度を０．７９°に維持した状態で鋳型短辺を平行移動させ、鋳型下端幅が１０３０．０ｍｍ、鋳型上端幅が１０５４．７ｍｍとなった時点で鋳型短辺の平行移動を停止する。その際のテーパー率は２．６６％／ｍである。

（４）停止している鋳型短辺の下端に対して鋳型短辺の上端を外方に広げて鋳型短辺のテーパー角度を０．８１°に増大させる。このときの鋳型上端幅は１０５５．３ｍｍ、テーパー率は２．７３％／ｍである。
（５）鋳型短辺のテーパー角度を０．８１°に維持した状態で鋳型短辺を平行移動させ、鋳型下端幅が１０８０．０ｍｍ、鋳型上端幅が１１０５．３ｍｍとなった時点で鋳型短辺の平行移動を停止する。その際のテーパー率は２．６１％／ｍである。

（６）停止している鋳型短辺の下端に対して鋳型短辺の上端を外方に広げて鋳型短辺のテーパー角度を０．８３°に増大させる。このときの鋳型上端幅は１１０６．０ｍｍ、テーパー率は２．６７％／ｍである。
（７）鋳型短辺のテーパー角度を０．８３°に維持した状態で鋳型短辺を平行移動させ、鋳型下端幅が１１３０．０ｍｍ、鋳型上端幅が１１５６．０ｍｍとなった時点で鋳型短辺の平行移動を停止する。その際のテーパー率は２．５６％／ｍである。

（８）停止している鋳型短辺の下端に対して鋳型短辺の上端を外方に広げて鋳型短辺のテーパー角度を０．８５°に増大させる。このときの鋳型上端幅は１１５６．６ｍｍ、テーパー率は２．６２％／ｍである。
（９）鋳型短辺のテーパー角度を０．８５°に維持した状態で鋳型短辺を平行移動させ、鋳型下端幅が１１８０．０ｍｍ、鋳型上端幅が１２０６．６ｍｍとなった時点で鋳型短辺の平行移動を停止する。その際のテーパー率は２．５１％／ｍである。

（１０）停止している鋳型短辺の下端に対して鋳型短辺の上端を外方に広げて鋳型短辺のテーパー角度を０．８７°に増大させる。このときの鋳型上端幅は１２０７．３ｍｍ、テーパー率は２．５７％／ｍである。
（１１）鋳型短辺のテーパー角度を０．８７°に維持した状態で鋳型短辺を平行移動させ、鋳型下端幅が１２００．０ｍｍ（目標幅）、鋳型上端幅が１２２７．３ｍｍとなった時点で鋳型短辺の平行移動を停止する。その際のテーパー率は２．５３％／ｍである。

（１２）停止している鋳型短辺の下端に対して鋳型短辺の上端を内方に狭めて、鋳型上端幅を１２１５．６ｍｍまで減少させる。移動完了時のテーパー率は１．４４％／ｍ、テーパー角度は０．５０°である。

上記操作において、実際のテーパーと適切なテーパーとの差が最も大きくなるのは鋳型下端幅が１０３０ｍｍ、鋳型上端幅が１０５４．７ｍｍで平行移動を停止する瞬間であり、０．６ｍｍ（テーパー率で０．０７％／ｍ）である。
また、鋳型短辺の変位量監視による制御を行った場合、速度誤差の蓄積は無く、停止精度に起因する誤差のみが生じる。この誤差は±０．２ｍｍ程度である。
一方、鋳型短辺の下端速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ、鋳型短辺の上端速度を１０．１３ｍｍ／ｍｉｎ（速度差：０．１３ｍｍ／ｍｉｎ）で制御する場合、速度制御の精度を±０．０５ｍｍ／ｍｉｎとすると、±１．１ｍｍ（鋳型下端幅が１２００ｍｍのときテーパー率で０．１０％／ｍ）の誤差が生じ得る。速度制御では、この誤差に加え、上記停止精度に起因する誤差±０．２ｍｍも生じ得る。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。

１０：鋳型、１１：鋳型短辺、１２：鋳型長辺、１３：アクチュエータ、Ｓ：鋳片

Claims (1)

1. 鋳片幅がｗ_Ｓ、テーパー角度がθ_Ｓに設定されている一対の鋳型短辺を連続鋳造中に鋳型の中心軸に関して対称移動させて鋳片幅をｗ_Ｌ（ｗ_Ｌ≧ｗ_Ｓ＋５０ｍｍ）、テーパー角度をθ_Ｌ（θ_Ｓ＜θ_Ｌ）に変更する方法であって、
   移動開始時における鋳型下端幅をｗ_１＝ｗ_Ｓ、移動完了時における前記鋳型下端幅をｗ_ｎ＝ｗ_Ｌ（ｎは２以上の整数）とし、
   前記鋳型下端幅がｗ_ｉ（ｉ＝１，…，ｎ−１）である状態で前記鋳型短辺の上端を外方に広げて該鋳型短辺のテーパー角度をθ_ｉ（θ_Ｓ＜θ_ｉ）に増大させた後、該鋳型短辺を平行移動させて前記鋳型下端幅をｗ_ｉ＋１（ｗ_ｉ＜ｗ_ｉ＋１≦ｗ_ｎ）とする操作をｉ＝１からｉ＝ｎ−１まで順次実施し、
   前記鋳型下端幅がｗ_ｎに到達した時点で前記鋳型短辺のテーパー角度をθ_Ｌ（θ_Ｌ＜θ_ｎ−１）に減少させることを特徴とする連続鋳造中の鋳片幅変更方法。

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