JP6855806B2 - 複層鋳片の連続鋳造方法及び連続鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋳片表層部と内部の濃度が異なる複層状の鋳片を鋳造する連続鋳造方法および連続鋳造装置に関する。

表層と内層の成分組成が異なる複層状の鋳片を製造する試みは古くから行われている。例えば、特許文献１に開示された方法があげられる。特許文献１には、長さの異なる二本の浸漬ノズルを鋳型内にある溶融金属のプールに挿入し、それぞれの吐出口を深さが異なる位置に設け、さらに異種の溶融金属間に直流磁場を利用して両金属の混合を防止しながら複層鋳片を製造する方法が開示されている。

しかしながら、上記方法では成分組成が異なる二種類の溶鋼を用いるため、二種類の溶鋼を同じタイミングで別々に溶製し、連続鋳造プロセスに搬送し、また、それぞれの溶鋼の中間保持容器として、タンディッシュをそれぞれ準備する必要がある。また、表層溶鋼と内層溶鋼で注入流量が大きく異なるため、１ヒート毎の必要溶鋼量が大きく異なり、通常の製鋼工場で実現するのは困難であった。

そこで、より簡便に鋳片の表層と内層の成分組成が異なる鋳片を鋳造する方法として、大きく分けて２つの方法が検討されている。ひとつは、鋳型内幅方向に一様な磁束密度分布を有する直流磁場を厚み方向に印加することで得られる電磁制動を利用して、その直流磁場帯の上方にワイヤー、あるいは連続鋳造用パウダーに何がしかの合金元素を含有させ連続的に供給することで鋳片表層を改質する方法が検討されている。

鋳型内にワイヤー等で元素を添加する方法を開示したものとして、例えば特許文献２があげられる。この方法では、鋳型内のメニスカス部よりも少なくとも２００ｍｍ下方に鋳型内溶鋼を遮断する直流磁場を設けるとともに、上方の溶鋼あるいは下部の溶鋼に所定元素を添加するとともに、元素を添加した溶鋼を撹拌することを特徴とする連続鋳造による複層鋼板の製造方法である。

連続鋳造用パウダーになにがしかの元素を含有させ連続的に供給する、あるいは、パウダー層の上方から連続的にパウダーと反応しにくい金属粉あるいは金属粒を供給することによって溶鋼に元素を添加する方法として、例えば、特許文献３に開示された方法があげられる。この方法では、合金元素を含有させた連鋳用パウダーを用い、連続鋳造鋳型内の上部に電磁撹拌装置を設置して鋳型内上部溶鋼の水平断面内で合金元素を溶解・混合する撹拌流を形成し、その下方に幅方向に直流磁場を鋳片の厚み方向に印加して溶鋼中に直流磁場帯を形成し、かつ、その直流磁場帯の下方に浸漬ノズルにより溶鋼を供給して鋳造することで、合金元素の鋳片表層部の濃度が内層に比べて高い複層状の鋳片を製造する方法である。

なお、非特許文献１には、直流磁場として０．２〜０．３Ｔの磁場を印加することで、表層／内層の分離が図れることが開示されている。

しかしながら、鋳型内では上部にパウダー層が存在し、かつ周囲から冷却され、さらに矩形断面形状となるため、過剰な撹拌を行うことができず、濃度の均一化が図りにくい。また、ストランド上部と下部に供給する溶鋼量を独立に制御しないため、上下プール間での溶鋼混合が避けられず、分離度の高い鋳片を製造しにくいという課題があった。

もうひとつは、鋳造後に鋳片表面を改質する方法として、例えば、特許文献４に、鋳片の表層を誘導加熱、プラズマ加熱のいずれか一方または双方により溶融させ、溶融した鋳片の表層部分に添加元素もしくはその合金を添加することを特徴とする鋳片の表層改質方法が開示されている。しかしながら、溶融プールの体積が小さいため、成分は添加できるものの濃度の均一化を図ることが難しいことや、方法上鋳片全面を一度に溶融されることが困難であり、鋳片表層全周にわたって改質するには複数回の溶融改質を行う必要がある等の課題があった。

特開昭６３−１０８９４７号公報 特開平３−２４３２４５号公報 特開平８−２９０２３６号公報 特開２００４−１９５５１２号公報

E.Takeuchi, M.Zeze, H.Tanaka, H.Harada and S.Mizoguchi: Ironmaking and Steelmaking, 24(1997),257.

一つの取鍋、一つのタンディッシュにて連続鋳造用溶鋼を供給し、鋳片表層部の合金元素濃度が内部と比較して異なる複層状の連続鋳造鋳片を鋳造することにより、上記課題を解決することができる。まず、鋳型部分に鋳型全幅にわたって厚み方向に直流磁場を印加して直流磁場帯を形成し、直流磁場帯の上部を上側溶鋼プール、下部を下側溶鋼プールとする。その上で、タンディッシュの底部に、内層溶鋼用浸漬ノズルと、さらにその下流側に表層溶鋼用浸漬ノズルを配置し、これら２つの浸漬ノズルの間にタンディッシュ堰を設置する。タンディッシュ堰にて区分された取鍋溶鋼注入側を第１領域、その反対側を第２領域とする。タンディッシュ堰には、第１領域と第２領域との間で溶鋼を流通可能とするように開口を設ける。第２領域側のタンディッシュ内溶鋼に対して所定の元素あるいはその合金を連続的に添加し濃度を調整する。そして、第１領域から内層溶鋼用浸漬ノズルを経由して下側溶鋼プールに取鍋溶鋼と同一成分の溶鋼を供給し、第２領域から表層溶鋼用浸漬ノズルを経由して濃度調整を行った溶鋼を上側溶鋼プールに供給する。これにより、下側溶鋼プールで凝固した鋳片の内層部は取鍋内溶鋼と同一成分となり、上側溶鋼プールで凝固した鋳片表層部はタンディッシュの第２領域で成分が調整された溶鋼の成分となり、複層鋳片を製造することができる。

タンディッシュ内における前記第２領域での成分調整において、元素添加量が少ない場合には、上記のようにタンディッシュ堰によってタンディッシュ内を第１領域と第２領域に分割して第２領域に追加成分を添加することで複層鋳片を製造することができる。一方、元素添加量が第２領域の溶鋼中において０．５質量％以上となると、第２領域内での成分の均一性が不十分となり、また添加した合金が十分に溶解しないなどのトラブルが生じることがあった。また、元素添加量の多寡に関わらず、タンディッシュの第２領域に添加した添加元素が、タンディッシュ内を逆流して第１領域に混入することがあった。

本発明は、一つの取鍋、一つのタンディッシュにて連続鋳造用溶鋼を供給し、鋳片表層部の合金元素濃度が内部と比較して異なる複層状の連続鋳造鋳片を鋳造するに際し、タンディッシュ内での添加元素量が多い場合であっても、十分な成分均一性を実現し、添加した合金が十分に溶解しないなどの鋳造上の問題が発生することなく、さらにタンディッシュ内の第２領域に添加した元素が第１領域に逆流することのない、複層鋳片の連続鋳造方法及び連続鋳造装置を提供することを目的としている。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）鋳片の表層と内層の成分組成が異なる複層鋳片を製造する方法であって、
タンディッシュの底部に、内層溶鋼用浸漬ノズルと、さらにその下流側に表層溶鋼用浸漬ノズルを配置し、これら２つの浸漬ノズルの間にタンディッシュ堰として上堰と下堰とを設置し、上堰下端と下堰上端との間の距離のタンディッシュ奥行方向平均値が１００〜５００ｍｍであり、
鋳型幅方向全幅にわたって厚み方向に直流磁場を印加する直流磁場発生装置を配置し、当該直流磁場発生装置によって形成される直流磁場帯をはさんだストランドの上部を上側溶鋼プール、下部を下側溶鋼プールとし、前記表層溶鋼用浸漬ノズルから上側溶鋼プールに溶鋼を供給し、内層溶鋼用浸漬ノズルから下側溶鋼プールに溶鋼を供給し、
前記タンディッシュ内のタンディッシュ堰にて区分された取鍋溶鋼注入側を第１領域、その反対側を第２領域とし、第２領域側のタンディッシュ内溶鋼に対してプラズマ加熱を行い、かつ第２領域のタンディッシュ底部からガス吹き込みを行いつつ、第２領域側のタンディッシュ内溶鋼に対して所定の元素あるいはその合金を連続的に添加し濃度を調整することで、取鍋溶鋼ならびに取鍋溶鋼とは異なる成分組成からなる２種類の溶鋼をタンディッシュ内で保持しつつ、
第１領域に収容された溶鋼を内層溶鋼用浸漬ノズルから下側溶鋼プール中で凝固によって消費される溶鋼量（以下「Ｇ₁（ｋｇ／ｓ）」という。）を鋳型内の下側溶鋼プールに供給し、第２領域に収容された溶鋼を表層溶鋼用浸漬ノズルから上側溶鋼プール中で凝固によって消費される溶鋼量（以下「Ｇ₂（ｋｇ／ｓ）」という。）を鋳型内の上側溶鋼プールに供給し、
前記タンディッシュ内の溶鋼表面について、第１領域の湯面レベルの溶鋼表面積をＳ_T1（ｍ²）、第２領域の湯面レベルの溶鋼表面積をＳ_T2（ｍ²）とし、Ｇ₁、Ｇ₂、Ｓ_T1、Ｓ_T2の関係が下記（１）式を満たすことを特徴とする複層鋳片の連続鋳造方法。
（Ｇ₁／Ｓ_T1）≦（Ｇ₂／Ｓ_T2） ・・・（１）
（２）表層溶鋼用浸漬ノズルと内層溶鋼用浸漬ノズルのうちの少なくとも一方に浸漬ノズル内の溶鋼流量を測定する溶鋼流量測定装置を設け、前記溶鋼流量測定装置を設けた一方の側の浸漬ノズルから溶鋼プールに供給する溶鋼量については、当該溶鋼プール内で凝固によって消費される溶鋼量にみあった溶鋼流量になるように調整し、他方の側の浸漬ノズルから溶鋼プールに供給する供給量については、鋳型内湯面レベルが一定となるように制御することを特徴とする（１）に記載の複層鋳片の連続鋳造方法。
（３）前記直流磁場帯の上方の鋳型内湯面近傍において水平断面内で旋回流を形成することを特徴とする（１）又は（２）に記載の複層鋳片の連続鋳造方法。
（４）鋳片の表層と内層の成分組成が異なる複層鋳片を製造する装置であって、
取鍋からの溶鋼を保持するタンディッシュの底部に、内層溶鋼用浸漬ノズルと、さらにその下流側に表層溶鋼用浸漬ノズルが鋳造幅よりも短い間隔で併設され、その間にタンディッシュ堰として上堰と下堰とを設置し、上堰下端と下堰上端との間の距離のタンディッシュ奥行方向平均値が１００〜５００ｍｍであり、
タンディッシュ堰で区分された取鍋溶鋼注入反対側の領域の溶鋼を加熱する溶鋼加熱装置、当該領域の底部にガス吹き込み装置、当該領域の溶鋼に成分を添加する成分添加装置を有し、
表層溶鋼用浸漬ノズルと内層溶鋼用浸漬ノズルのうちの少なくとも一方に浸漬ノズル内の溶鋼流量を測定する溶鋼流量測定装置を有するとともに鋳型内の湯面レベル計を有し、
鋳型内では湯面近傍において水平断面内で旋回流を形成する電磁撹拌装置と、その下方に鋳型幅方向全体にわたって厚み方向に直流磁場を印加する直流磁場発生装置を備え、当該直流磁場発生装置によって形成される直流磁場帯をはさんだストランドの上部を上側溶鋼プール、下部を下側溶鋼プールとし、前記表層溶鋼用浸漬ノズルから上側溶鋼プールに溶鋼を供給し、内層溶鋼用浸漬ノズルから下側溶鋼プールに溶鋼を供給する構造とすることを特徴とする複層鋳片の連続鋳造装置。

本発明により、取鍋は１つ、タンディッシュは１つで連続鋳造用溶鋼を供給し、タンディッシュで溶鋼の領域を２つに分け、一方の領域への成分添加により取鍋から供給される母溶鋼とは異なる成分組成の溶鋼に成分調整することにより、複層鋳片を連続鋳造するに際し、タンディッシュ内での添加元素量が多い場合であっても、十分な成分均一性を実現し、添加した合金が十分に溶解しないなどの鋳造上の問題が発生することなく、さらにタンディッシュ内の２つの領域間で添加した元素が逆流することのない、複層鋳片の連続鋳造方法及び連続鋳造装置が可能となる。

本方法は添加する成分についての制約は少なく、ＮｉやＣだけでなく、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｂ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｓｎ，Ｗ等に加えて、強脱酸、強脱硫元素であるＣａ，Ｍｇ，ＲＥＭ等、鋼中に含有する元素を添加することができ、鋳片の表層成分を変えることで鋼材の新たな機能を比較的簡便な方法で可能となった。

本発明の装置ならびに方法を模式的に示した図である。 浸漬ノズルが２本で間にタンディッシュ堰を有するタンディッシュを示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図である。 タンディッシュ堰の開口形状の例を示す図であり、（Ａ）（Ｃ）はタンディッシュ長手方向から見た断面図、（Ｂ）（Ｄ）はタンディッシュ幅方向から見た断面図であり、（Ａ）は（Ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 Ｑ₁／Ｓ_T1、Ｑ₂／Ｓ_T2と、タンディッシュ内の溶鋼混合状況との関係を示す図である。 直流磁場帯により、ストランドが２つに分割された際の凝固シェル形成、表層と内層の界面がどのように形成されるかを模式的に示した図である。 タンディッシュ堰開口の開口距離と（Ａ）表層分離度、（Ｂ）表層濃度均一性の関係について調査した結果である。 表層厚みの鋳片幅方向分布に及ぼす電磁撹拌装置による旋回流の影響を示した図である。

以下に本発明の好ましい実施の形態を図１、５に基づいて説明する。まず、特許文献１にあるように、メニスカス（湯面１７）の下方の所定位置に直流磁場発生装置８を配置し、直流磁場帯１４を形成する。直流磁場帯１４においては、磁力線が鋳片の厚み方向に向かう直流磁場を印加し、磁束密度は鋳型幅方向にほぼ均一とする。このような直流磁場帯を形成することにより、直流磁場帯１４を通過しようとする溶鋼には電磁ブレーキがかかり、直流磁場帯１４上方の上側溶鋼プール１５と下方の下側溶鋼プール１６とが事実上遮断されることとなる。上側溶鋼プール１５で凝固した凝固シェルが鋳片の表層部（上側溶鋼プール凝固部分２４）を形成し、下側溶鋼プールで凝固した凝固シェルが鋳片の内層部（下側溶鋼プール凝固部分２５）を形成する。そして、直流磁場帯１４部分における凝固シェルの厚さＤが、鋳片の表層部の厚さに該当する。従って、直流磁場帯１４を配置するメニスカスからの高さＨは、目標とする表層部の厚さＤ、鋳型内における凝固係数Ｋ、鋳造速度Ｖ_Cに基づいて定めることとなる。

そのうえで、その直流磁場帯の上下それぞれに溶鋼を供給するために２本の浸漬ノズルを設置し、それぞれの溶鋼プールにおいて凝固する溶鋼量だけ、各浸漬ノズルから溶鋼を供給することで、表層と内層の成分組成が異なる鋳片が鋳造できる。ここで直流磁場帯とは直流磁場発生装置のコア高さと同じ範囲とする。理由はこの範囲内であれば均一な磁束密度の直流磁場が印加される。

直流磁場帯の磁束密度は、上側溶鋼プールと下側溶鋼プールとの間の溶鋼の入れ替わりを最小限にすることのできる磁束密度を選択する。鋳片の表層と内層の成分組成が異なる複層鋳片を製造するにあたり、それぞれの溶鋼量比を計算すると、鋳造速度、直流磁場帯の位置によって規定される表層厚みや鋳造幅によって変化するものの、スラブ鋳造の条件であれば、内層／表層＝３〜８と圧倒的に内層の流量が多い。従って、下側溶鋼プールへ溶鋼を供給する浸漬ノズルの吐出孔から流出した溶鋼流が、鋳型内溶鋼流動現象の大きな比率を占める。この吐出流は短辺凝固シェルに衝突して下側反転流と上側反転流を形成する。この上側反転流を抑制して直流磁場帯の通過を抑止できれば、上側溶鋼プールと下側溶鋼プールの溶鋼入れ替わりを最小限とできる。直流磁場帯の磁束密度が０．３Ｔ（テスラ）以上であれば、十分に溶鋼の入れ替わりを抑止することができる。この点は、前記非特許文献１にも記載のとおりである。

磁束密度の上限は高いほど好ましいが、超電導磁石によらず直流磁場を形成するうえではおよそ１．０Ｔが上限となる。鋳造条件に応じて０．３Ｔ〜１Ｔの範囲内で適正な磁束密度の磁場を印加すればよい。

本発明では基本的に、タンディッシュ２にて取鍋１から注入された溶鋼（以下、第１溶鋼２１）の一部を成分調整することで新たな溶鋼（以下、第２溶鋼２２）を作り出すとともに、１つのタンディッシュ内で２種類の溶鋼：第１溶鋼２１、第２溶鋼２２を保持し、第１溶鋼２１、第２溶鋼２２をそれぞれ、ストランド内の下側溶鋼プール１６、上側溶鋼プール１５それぞれの位置で凝固によって消費される量だけ鋳型内に安定して供給することが必要となる。

先ず、本発明では、タンディッシュ２で第１溶鋼２１と成分組成の異なる第２溶鋼２２をつくるに際し、タンディッシュ２にタンディッシュ堰４を設けてタンディッシュ内を２つの領域に分割する。前述のとおり、鋳片の表層と内層の成分組成が異なる複層鋳片を製造するにあたり、それぞれの溶鋼量比を計算すると、鋳造速度、直流磁場帯の位置によって規定される表層厚みや鋳造幅によって変化するものの、スラブ鋳造の条件であれば、内層／表層＝３〜８と圧倒的に内層の流量が多い。そこで、図１、図２に示すように、タンディッシュ底部に浸漬ノズルを配置する順番を、取鍋注入流１３側から内層溶鋼用浸漬ノズル５を配置し、その下流側に表層溶鋼用浸漬ノズル６を配置し、加えて、この両者の浸漬ノズルの間にタンディッシュ堰４であって溶鋼浸漬部に開口１０を有する堰を設ける。図１、図２に示したように、タンディッシュ堰４によってタンディッシュを複数領域に、すなわち、取鍋からの第１溶鋼２１を受ける第１領域１１と、第１溶鋼２１にワイヤー等によって所定元素あるいはその合金を添加し成分調整を行う第２領域１２の２つの領域にわける。第１領域１１には、取鍋注入流１３位置と内層溶鋼用浸漬ノズル５が配置され、第２領域１２には表層溶鋼用浸漬ノズル６が配置される。内層溶鋼用浸漬ノズル５からは第１溶鋼２１を下側溶鋼プール１６へ注入する。表層溶鋼用浸漬ノズル６からは第２溶鋼２２を上側溶鋼プール１５へ注入する。

本発明では、第１溶鋼と第２溶鋼のタンディッシュ内での混合を防止し、２つの溶鋼を１つのタンディッシュで安定的に保持する。そのため本発明では、タンディッシュ堰４の湯面１８より下部の溶鋼浸漬部分には開口１０を設け、この開口１０を通して第１領域１１と第２領域１２の溶鋼が流通可能となる。

このようにすることで、タンディッシュ内の第１領域１１では取鍋注入流１３から内層溶鋼用浸漬ノズル５への溶鋼流が形成されるのに対し、タンディッシュ堰４で区画した第２領域１２は図２に示すように第１領域１１から区画された領域となり、第２領域１２に前述したように成分添加装置７によって所定の元素あるいは合金をワイヤー等によって連続的に添加して含有成分を調整し、第２溶鋼２２をつくる。その結果、１つのタンディッシュ内で２種類の溶鋼：第１溶鋼２１、第２溶鋼２２を保持することが可能となる。なお、第２溶鋼２２への成分添加量を第２領域１２内に供給される溶鋼量に応じて調整することで、第２溶鋼の添加元素濃度を調整することができる。

本発明では、図５に模式的に示すように、鋳型幅全体にわたって形成される直流磁場帯１４によってストランドを上側溶鋼プール１５と下側溶鋼プール１６の２つに分割し、上側溶鋼プール１５には表層溶鋼用浸漬ノズル６から第２溶鋼２２を注入し、下側溶鋼プール１６には内層溶鋼用浸漬ノズル５から第１溶鋼２１を注入する。直流磁場帯１４の位置において、鋳片の表面側には第１溶鋼プールの溶鋼が凝固した凝固シェル（上側溶鋼プール凝固部分２４）が形成されている。直流磁場帯位置における凝固シェル断面積をＳ₂とする。この凝固シェル断面積Ｓ₂が、鋳造後鋳片の表層部面積Ｓ₂となる。鋳片断面積のうちの表層部面積Ｓ₂以外の部分が内層部面積Ｓ₁であり、Ｓ₁とＳ₂を足した値が鋳片断面積となる。上側溶鋼プールから凝固シェルとして下方に輸送される上側溶鋼プール凝固部分２４の単位時間輸送量Ｇ₂は、鋳造速度をＶ_Cとして、第１溶鋼、第２溶鋼の密度をρ₁、ρ₂とすると、
Ｇ₂＝ρ₂Ｓ₂Ｖ_C （２ａ）
また、下側溶鋼プールで凝固して下方に輸送される下側溶鋼プール凝固部分２５の単位時間輸送量Ｇ₁は、
Ｇ₁＝ρ₁Ｓ₁Ｖ_C （２ｂ）
となる。合計鋳造量をＧとすると、
Ｇ＝Ｇ₁＋Ｇ₂ （２ｃ）
となる。

次に、内層溶鋼用浸漬ノズル５から下側溶鋼プール１６に供給する溶鋼量をＱ₁、表層溶鋼用浸漬ノズル６から上側溶鋼プール１５に供給する溶鋼量をＱ₂とする。合計溶鋼量Ｑを
Ｑ＝Ｑ₁＋Ｑ₂ （３）
とおく。タンディッシュから鋳型への溶鋼供給量合計（Ｑ）については、メニスカス位置が一定を保持するように湯面レベル制御によって調整するので、
Ｑ＝Ｇ （４ａ）
が確保される。本発明では、各浸漬ノズルから各溶鋼プールに供給する溶鋼量について、
Ｑ₁＝Ｇ₁ （４ｂ）
Ｑ₂＝Ｇ₂ （４ｃ）
とすることにより、直流磁場帯を経由しての溶鋼の混合を防止し、タンディッシュの第２領域で形成した第２溶鋼の成分のままで鋳片の表層部を形成し、第１領域における第１溶鋼の成分のままで鋳片の内層部を形成することができる。

そこで本発明では、これら３者の溶鋼量Ｑ、Ｑ₁、Ｑ₂、を制御し、第１溶鋼と第２溶鋼とが直流磁場帯を通過して混合することのないように制御する。

具体的な制御方法について、図１、図５を用いて説明する。

予め、適用する連続鋳造装置における鋳型内での凝固係数Ｋ（ｍｍ／ｍｉｎ^0.5）を確認しておく。メニスカス（湯面１７）から直流磁場帯１４までの高さＨ、鋳造速度Ｖ_Cを定めることにより、直流磁場帯１４における凝固シェル厚さＤが
Ｄ＝Ｋ√（Ｈ／Ｖ_C） （５）
として求まる。求まった直流磁場帯における凝固シェル厚さＤを用いて、直流磁場帯における凝固シェル断面積Ｓ₂が定まり、前述の
Ｇ₂＝ρ₂Ｓ₂Ｖ_C （２ａ）
によってＧ₂が定まるので、
Ｑ₂＝Ｇ₂ （４ｃ）
となるように、表層溶鋼用浸漬ノズルからの溶鋼注入量Ｑ₂を定めればよい。

連続鋳造においては、一つのタンディッシュ２を用い、取鍋１を取り替えながら連続して次々と鋳造することが行われる。連々鋳と呼ばれる。一つの取鍋１からの溶鋼注入が終了すると、取鍋１からの注入を停止して当該取鍋１を取り外し、タンディッシュ２の上部に別の取鍋１を設置して、新たに取鍋１からタンディッシュ２への溶鋼注入を開始する。このような取鍋交換の際、タンディッシュ２への溶鋼注入が途絶えることになる。一方、取鍋交換中にも鋳片の引き抜きは継続するので、タンディッシュ２から鋳型３への溶鋼注入は継続する。従って、取鍋交換で取鍋１からの溶鋼注入が中断している間は、タンディッシュ２内の溶鋼量が減少し、タンディッシュ２の湯面１８位置（タンディッシュヘッド）が時間とともに低下することとなる。また、取鍋交換時以外の定常鋳造中においても、取鍋からの溶鋼供給量と、浸漬ノズルを経由しての鋳型への溶鋼排出量が同一でないときには、やはりタンディッシュヘッドが時間とともに低下することとなる。

タンディッシュヘッドが低下する際に、タンディッシュ２の第２領域１２の溶鋼が第１領域１１に逆流することがあると、成分添加によって溶鋼成分が増大している第２領域１２の溶鋼（第２溶鋼２２）が第１領域１１において第１溶鋼２１と混合してしまい、不都合である。

ここでは、タンディッシュの第１領域１１の湯面レベルの溶鋼表面積をＳ_T1、第２領域１２の湯面レベルの溶鋼表面積をＳ_T2と定める。それぞれの領域から各溶鋼プールへの溶鋼供給量はＱ₁、Ｑ₂である。取鍋１からタンディッシュ２への溶鋼注入が行われていない場合、第１領域１１と第２領域１２が遮断されているのであれば、第１領域１１、第２領域１２それぞれにおけるタンディッシュヘッドの低下速度は、それぞれＱ₁／Ｓ_T1、Ｑ₂／Ｓ_T2となる。実際には第１領域１１と第２領域１２を隔てるタンディッシュ堰４は開口１０を有し、タンディッシュヘッド低下時においても、両領域のタンディッシュヘッドが常に一定になるように、両領域間を溶鋼が移動する。Ｑ₁／Ｓ_T1＞Ｑ₂／Ｓ_T2であると、第１領域１１の溶鋼低減が速いので、タンディッシュヘッド低下時に第２領域１２から第１領域１１に溶鋼が移動することになり、第１領域１１で成分の混合が発生する。それに対して、Ｑ₁／Ｓ_T1＜Ｑ₂／Ｓ_T2であれば、タンディッシュヘッド低下時に第１領域１１から第２領域１２への溶鋼移動が発生するのみであり、第１領域１１における成分混合は発生しないはずである。

以上のような考え方のもとで、タンディッシュを２つの領域に分割するにあたり、タンディッシュ形状が具備すべき条件について簡単な水モデル実験を行い検討した。実験に用いた容器の概要を図２に示す。容器（タンディッシュ２）底面にコックをつけたノズル（浸漬ノズル）を２本配置し、その間に堰（タンディッシュ堰４）を設けてタンディッシュを第１領域１１と第２領域１２に区画し、その堰には水が流通できる開口部を設けた。取鍋１からの注入流が第１領域１１に流入する。実験では、第１領域１１の底部からは内層溶鋼用浸漬ノズル５を経由して流量Ｑ₁，第２領域１２の底部からは表層溶鋼用浸漬ノズル６を経由して流量Ｑ₂一定で流出する系において、取鍋１からの注入流量ＱをＱ＝Ｑ₁＋Ｑ₂として、タンディッシュヘッドを一定に保持する。底部からの流量Ｑ₁，Ｑ₂、堰の左右のタンディッシュ溶鋼表面積Ｓ_T1，Ｓ_T2を種々の値に変化させた。

第２領域１２に着色水を添加するとともに、取鍋１からの注入流量ＱをＱ＜Ｑ₁＋Ｑ₂として、タンディッシュヘッドが時間とともに低下する状況を実現し、その際の溶湯混合挙動を調査した。得られた結果を図４に示す。図４中に示す●、×の判定はタンディッシュ内の第２領域１２から第１領域１１側へ着色水が混入するか否かによって判定した。その結果、タンディッシュ内流動を一方向の流動として混合を防止するには、堰で区切られた下流側の領域のヘッドの変化量が上流側のヘッドの変化量より大とすればよく、流量Ｑと各領域のタンディッシュの表面積Ｓの大小関係から２つの領域間で混合が進行するか否かを整理できることがわかった。即ち、上述のとおり、Ｑ₁／Ｓ_T1＞Ｑ₂／Ｓ_T2であると第１領域１１で成分の混合が発生するのに対して、Ｑ₁／Ｓ_T1≦Ｑ₂／Ｓ_T2であれば、第１領域１１における成分混合は発生しなかった。

前述の（４ｂ）式、（４ｃ）式に示したように、Ｑ₁＝Ｇ₁、Ｑ₂＝Ｇ₂ として浸漬ノズル注入量制御を行うので、
（Ｇ₁／Ｓ_T1）≦（Ｇ₂／Ｓ_T2） ・・・（１）
を実現するような位置にタンディッシュ堰を設けることとすればよい。
なお、前述したように、スラブ鋳造の条件であれば、内層／表層＝３〜８ということを考慮すると、（１）式を変形して（Ｇ_１／Ｇ_２）≦（Ｓ_Ｔ１／Ｓ_Ｔ２）であってＧ_１／Ｇ_２＝３〜８であるから、（Ｓ_Ｔ１／Ｓ_Ｔ２）は大抵３以上ということになる。

従来、１つのタンディッシュで２種類の成分組成の溶鋼を形成して複層鋳片を製造するに当たり、タンディッシュ内の第２領域１２で添加する成分としては、せいぜい０．５質量％未満の成分添加量であった。それに対して、０．５％以上、さらには１％前後の成分を、タンディッシュ内の第２領域１２で添加するような用途が拡大している。

タンディッシュ２内の第２領域１２において０．５％以上の成分を添加しようとすると、新たに２つの問題が発生することがわかった。第１に、添加成分が増えたことによってタンディッシュ２の第２領域１２での溶鋼熱量が不足し、溶鋼温度が低下して、添加した合金が十分に溶解しない現象が発生するようになった。第２に、タンディッシュ内での添加成分の均一混合が難しくなり、複層鋳片における成分不均一が発生することがあった。

前述のとおり、鋳片の表層と内層の成分組成が異なる複層鋳片を製造するにあたり、それぞれの溶鋼量比を計算すると、鋳造速度、直流磁場帯の位置によって規定される表層厚みや鋳造幅によって変化するものの、スラブ鋳造の条件であれば、内層／表層＝Ｇ₁／Ｇ₂＝３〜８と圧倒的に内層の流量が多い。そのため、上記（１）式を満足するためには、第１領域１１の湯面レベル面積Ｓ_T1に対して、第２領域１２の湯面レベル面積Ｓ_T2を小さくする必要があり、第２領域１２はその容量が小さくなる。第２領域１２の容量が小さいことに起因して、第２領域１２内の溶鋼温度低下が激しくなり、溶鋼温度低下に起因して添加した合金が十分に溶解しない問題が発生することがあった。

以上のように、タンディッシュの第２領域１２での成分添加量が０．５％以上と増大し、かつ（１）式を満たすように第１領域１１と第２領域１２の容量比を実現しようとすると、その両者の影響が重畳し、溶鋼温度低下に起因して添加した合金が十分に溶解しない問題が発生することがあった。本発明では、第２領域１２における溶鋼の熱源不足を解消するため、第２領域１２側のタンディッシュ内溶鋼に対してプラズマ加熱を行うことを特徴とする。プラズマ加熱を行うための溶鋼加熱装置３４としては、図１に示すように第２領域１２の溶鋼表面、のぞましくは添加するワイヤーをプラズマ加熱することで添加物の溶融促進をはかる。図１はトーチをカソードとし、アノード電極として鉄板をタンディッシュ耐火物内に埋め込み、その表面が溶鋼と接触するように配置している。トーチは把持装置を介して、アノード電極と直流電源（図１には図示していない）と接続する。直流電源の出力はプラズマ加熱を行う通常の装置の電源として使用されるものでよく、２ＭＷ程度でよい。なお、ここで加熱手段としてプラズマ加熱を用いるのは、元素添加を行う湯面近傍に加熱ができること、さらにプラズマ加熱の輻射熱を利用することで溶鋼温度よりも融点の高い金属の溶融促進を図ることができるためである。また、図１にはシングルトーチの例を示したが、トーチを２本併設するツイントーチ方式でもよい。

次に、タンディッシュの第２領域１２での成分添加量が０．５％以上と増大したとき、タンディッシュ内での添加成分の均一混合が難しくなり、複層鋳片における成分不均一が発生する課題について検討した。そこで本発明では、取鍋からの溶鋼（第１溶鋼２１）に、所定の元素あるいはその合金をワイヤー等によって連続的に添加し成分調整を行う第２領域１２については、タンディッシュ底部からＡｒバブリングにより撹拌を付与することで均一混合を図ることとした。さらに好ましくは、ワイヤーを添加し撹拌を付与する領域とその後方に溶鋼を鎮静化する領域を設けることができればワイヤー添加時に巻き込まれた介在物等を浮上除去することが好ましい。このようにして、鋳型上部の上側溶鋼プール１５に供給する第２溶鋼２２が第２領域１２においてつくられる。プラズマ加熱トーチの直下が高温領域となるため、その下方のタンディッシュ底部にポーラスプラグを埋め込みAｒガス等を不活性ガスを吹き込めばよい。あるいは第２領域の体積が少ない場合には浸漬ノズルの羽口周囲にポーラスプラグを埋め込み、Ａｒガスを吹き込むことも可能である。ガス吹込み量は添加濃度に応じて調整すればよく、１ＮＬ／分から１０ＮＬ／分の範囲で適宜選択すればよい。

タンディッシュの第１領域１１と第２領域１２を画するタンディッシュ堰４には、溶鋼を流通させるための開口１０が設けられている。本発明では上記のように、第２領域１２の成分均一性を確保するため、第２領域１２の底部にガス吹き込み装置３５を設けて溶鋼をＡｒバブリングによって攪拌する。ここで、タンディッシュ堰４は式（１）を満たすように設けられているので、第２領域１２の容量は小さなものになることから、第２領域１２のＡｒバブリングによって、溶鋼がタンディッシュ堰４の開口１０を経由して第２領域１２から第１領域１１に逆流することが懸念される。そこで、第２領域１２と第１領域１１を区分するタンディッシュ堰４の開口形状を変えた条件で、第２領域１２のタンディッシュ底部からＡｒバブリングを行う条件で解析を行い、タンディッシュ内での濃度変化を調査した。タンディッシュ内溶鋼ヘッド高さは一般的な高さである１０００ｍｍの場合を例に取った。タンディッシュ堰４は上堰４ａと下堰４ｂとで構成され、上堰４ａ下端と下堰４ｂ上端との間の距離を開口距離１９と定義し、開口距離１９のタンディッシュ奥行方向平均値（平均開口距離）を１００〜５００ｍｍの間で変化させた。その結果、平均開口距離によって濃度の混合が変化し、平均開口距離を５００ｍｍ以下にすることが好ましいことがわかった。一方、平均開口距離が小さすぎると逆に成分不均一を生じることがあるが、平均開口距離が１００ｍｍ以上であれば問題なく鋳造を行うことができる。以上より、タンディッシュを内部が開口したタンディッシュ堰４を用いて上流側と下流側に分割し、その下流側において溶鋼表面をプラズマ加熱にて加熱しつつ、元素添加し、タンディッシュ底部からガス撹拌することで１つのタンディッシュにおいて成分組成が異なる２種類の溶鋼を保持することができる。また、下堰４ｂの最低高さは鋳造条件にもよるが、第２領域１２でＡｒ吹き込みを行う場合については、１００ｍｍよりも高さが低い条件では堰としての作用をはたさない。そのため、下堰４ｂの高さの下限値は１００ｍｍとする。

図３（Ａ）（Ｃ）において、ドットハッチング部分がタンディッシュ堰４の溶鋼浸漬部分２６のうちの堰存在部分であり、ドットハッチング部の間の空白部分が開口１０を示している。開口１０の設け方としては、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように上堰４ａと下堰４ｂとの組み合わせとする。また、上堰４ａの下端と下堰４ｂの上端は、図３（Ａ）に示すように直線とすることが好ましいが、図３（Ｃ）に示すように曲線としても良い。また、タンディッシュ堰４の上堰４ａと下堰４ｂは、図３（Ｂ）に示すように同一の垂直断面内に配置することが好ましいが、図３（Ｄ）に示すように異なった垂直断面内に配置することとしても良い。異なった垂直断面内に配置した場合でも、開口距離１９については上記定義した距離として定まる。

直流磁場帯の磁場形成範囲は、湯面からの高さＨを中心として上下に幅を有している。そのため、Ｑ₁とＱ₂のバランスが若干変動しても、上側溶鋼プール１５と下側溶鋼プール１６の境界（溶鋼界面２７）が直流磁場帯１４の磁場範囲内に収まるのであれば、溶鋼界面位置を直流磁場帯内に制御でき、本発明の効果を十分に発揮することができる。湯面１７から直流磁場帯上限までの距離をＨ_H、直流磁場帯下限までの距離をＨ_Lとおく。上側と下側の溶鋼プール境界（溶鋼界面２７）がＨ_H又はＨ_Lにあるとき、凝固シェル厚さはそれぞれ
Ｄ_H＝Ｋ√（Ｈ_H／Ｖ_C） （６ａ）
Ｄ_L＝Ｋ√（Ｈ_L／Ｖ_C） （６ｂ）
となる。上側溶鋼プールでの凝固量Ｇ₂について、溶鋼プール境界がＨ_H又はＨ_Lにあるときの値をそれぞれＧ_2H、Ｇ_2Lとすると、
Ｇ_2H／Ｇ₂≒Ｄ_H／Ｄ＝√（Ｈ_H／Ｈ） （７ａ）
Ｇ_2L／Ｇ₂≒Ｄ_L／Ｄ＝√（Ｈ_L／Ｈ） （７ｂ）
となる。そして、上側溶鋼プールへの溶鋼供給量Ｑ₂が、Ｇ_2H〜Ｇ_2Lの範囲に入っていれば、溶鋼界面２７位置を直流磁場帯内に制御でき、上側溶鋼プールと下側溶鋼プールとの溶鋼混合を抑えて十分に良好な品質とすることができる。

一定鋳造速度Ｖ_C（単位時間鋳造量＝Ｇ）にて引き抜きを行い、タンディッシュから鋳型内へ供給する溶鋼量がＱ（＝Ｇ）である状況で、まず、取鍋からタンディッシュに供給する溶鋼量がＱで一定となるように制御する。タンディッシュに供給する溶鋼量をＱとするための注入制御方法としては、取鍋重量を測定して時間当たり重量変化量が０となるように注入制御を行う方法、あるいはタンディッシュ内溶鋼ヘッドが目視できる状況であれば当該溶鋼ヘッドが一定となるように注入制御を行う方法のいずれかを用いることができる。その結果、タンディッシュ内溶鋼ヘッドは一定の高さで保持される。この状態で、下側溶鋼プール１６に供給される第１溶鋼の流量Ｑ₁を、
Ｑ₁＝Ｑ−Ｑ₂＝Ｑ−Ｇ₂ （８）
となるように一定に制御する。具体的には、タンディッシュ内ヘッドを一定に保持しながら、あらかじめ定めた、スライディングノズル３３ｂ開度と流量のテーブルを用いて、規定開度を一定に保持することでＱ₁を一定に制御する。これだけでは、鋳型内全体に供給する溶鋼量Ｑに対して不足しているため、成分調整された第２溶鋼２２を上側溶鋼プール１５に供給する表層溶鋼用浸漬ノズル６のスライディングノズル３３ｃ流量調整において、鋳型内湯面レベルが一定となるように溶鋼量Ｑ₂を制御する。その結果、合計流量Ｑとストランド上下で消費される溶鋼量Ｑ₁、Ｑ₂それぞれを制御することができ、
Ｑ₂＝Ｇ₂ （４ｃ）
とすることができる。これにより、鋳型内の上側溶鋼プール１５では、供給される溶鋼量（Ｑ₂）と、凝固シェルとして排出される時間あたり輸送量（Ｇ₂）がバランスするとともに、下側溶鋼プール１６では、供給される溶鋼量（Ｑ₁）と凝固シェルとして排出される時間あたり輸送量（Ｇ₁）がバランスする。そのため、直流磁場帯を通過して混合する溶鋼流が生じないので、図１の第１溶鋼と第２溶鋼の界面を安定的に維持することができる。Ｑ₁とＱ₂のバランスによって決まる第１溶鋼と第２溶鋼の界面を直流磁場帯の範囲内に制御する。

この際、内層溶鋼用浸漬ノズル５の流量調整に用いるスライディングノズル３３ｂ開度と流量との関係が毎回一定ではない等の課題が考えられる。そこで、鋳造スタート時を活用して、スライディングノズル３３ｂの開度と流量特性の関係を把握し、特性を補正すればよい。鋳造スタート時には第２溶鋼の成分調整はまだできていないため、内層溶鋼用浸漬ノズルを経由しての第１溶鋼のみで鋳造を行う。その際においても、タンディッシュ内ヘッドを一定とし、かつ、鋳型内湯面レベルを一定に制御し、スライディングノズル３３ｂの開度と流量との関係を調整することで、流量補正が可能となる。

本発明において好ましくは、溶鋼量Ｑ₁、溶鋼量Ｑ₂の一方について、溶鋼流量測定装置３０を用いて溶鋼流量を実測し、溶鋼流量制御を行う。ここではまず、上側溶鋼プール１５に供給される第２溶鋼の溶鋼量Ｑ₂について、本発明の溶鋼流量測定装置３０を用いて溶鋼流量制御を行う場合について説明する。

前述のように、直流磁場帯１４における凝固シェル厚さＤが
Ｄ＝Ｋ√（Ｈ／Ｖ_C） （５）
として求まる。求まった直流磁場帯における凝固シェル厚さＤを用いて、直流磁場帯における凝固シェル断面積Ｓ₂が定まり、前述の
Ｇ₂＝ρ₂Ｓ₂Ｖ_C （２ａ）
によってＧ₂が定まるので、
Ｑ₂＝Ｇ₂ （４ｃ）
となるように、表層溶鋼用浸漬ノズルからの溶鋼注入量Ｑ₂を定めればよい。表層溶鋼用浸漬ノズル６上部の上ノズルに本発明の溶鋼流量測定装置３０を設置し、計測した溶鋼流量実績値が上記溶鋼量Ｑ₂に一致するように流量制御する。

その上で、第１溶鋼４１を下側溶鋼プール３６に供給する内層溶鋼用浸漬ノズル５の流量調整において、湯面レベル計４６で計測した鋳型内湯面レベルが一定となるように溶鋼量Ｑ₁を制御する。これにより、鋳型内の下側溶鋼プール３６では、供給される溶鋼量（Ｑ₁）と、凝固シェルとして排出される時間あたり輸送量（Ｇ₁）がバランスするとともに、上側溶鋼プール１５では、供給される溶鋼量（Ｑ₂）と凝固シェルとして排出される時間あたり輸送量（Ｇ₂）がバランスする。そのため、直流磁場帯を通過して混合する溶鋼流が生じないので、図１の上側溶鋼プール１５と下側溶鋼プール３６の界面を安定的に維持することができる。Ｑ₁とＱ₂のバランスによって決まる上側溶鋼プール１５と下側溶鋼プール３６の界面を直流磁場帯の範囲内に制御する。

鋳型内への溶鋼供給量制御方法としてあるいは、内層溶鋼用浸漬ノズル５上部の上ノズルに溶鋼流量測定装置３０を設置し、内層溶鋼用浸漬ノズル５からの溶鋼量Ｑ₁が下側溶鋼プール凝固量Ｇ₁となるように溶鋼流量制御を行い、表層溶鋼用浸漬ノズル６の溶鋼流量制御については、鋳型内の湯面レベルが一定になるように制御することとしても良い。また、図１に示す例と異なり、タンディッシュ２の第１領域１１には取鍋注入流３３位置と表層溶鋼用浸漬ノズル６が配置され、第２領域３２に内層溶鋼用浸漬ノズル５が配置される形態としても良い。

溶鋼流量測定装置３０としては、電磁流量計を用いることができる。浸漬ノズル内を流れる溶鋼流は導電性流体であるため、浸漬ノズルの外側から励磁コイルによって浸漬ノズルの流路内に磁場を励磁すると、励磁磁場を横切る溶鋼流によって誘導電流が形成されるので、誘導電流に起因する誘導磁場を浸漬ノズルの外側で計測することにより、浸漬ノズル内の溶鋼流量を測定することができる。

これらの方法を今回新たに導入することで、取鍋は１つ、タンディッシュは１つであるが、タンディッシュでの成分添加により取鍋から供給される第１溶鋼とは異なる成分組成の第２溶鋼に成分調整しつつ、タンディッシュ内での第１溶鋼との混合を防止することができ、これら２つの溶鋼を鋳型内の異なる深さの位置に長さの異なる２つの浸漬ノズルを介してそれぞれの溶鋼量を供給しつつ、鋳型内においても２つの溶鋼の混合を防止することで、鋳片の表層と内層の成分組成が異なる複層鋳片の製造が可能となる。

なお、直流磁場帯１４によってストランドを上側溶鋼プール１５と下側溶鋼プール１６に分割するが、前述したように直流磁場帯よりも上の上側溶鋼プールに供給される溶鋼量は、直流磁場帯よりも下の下側溶鋼プールに供給される溶鋼量と比較して少ない。そのため、上側溶鋼プール１５では、十分な溶鋼攪拌ができないことがある。本発明では、鋳型内周方向全体にわたっての凝固を均一化する手段として、上側溶鋼プール１５における鋳型内湯面近傍に電磁撹拌装置９を設置し、水平断面内で旋回流を付与し、溶鋼流動ならびに凝固を周方向に均一化すると好ましい。

以上、述べた本発明の原理を検証するため、試験連鋳機を用いて鋳造試験を行った。試験連鋳機では、幅８００ｍｍ×厚１７０ｍｍの鋳片の鋳造が可能である。図１に示すように、鋳型内の湯面１７レベルから７５ｍｍ下方に電磁撹拌装置９のコア中心を設置し、鋳型内湯面近傍の水平断面内で最大０．６ｍ／ｓの旋回流を付与した。加えて、湯面レベルからＨ＝４００ｍｍ下方を中心に幅方向に均一な磁束密度分布を有する直流磁場を鋳片の厚み方向に印加することができる直流磁場発生装置８を設けた。この直流磁場発生装置８のコア厚みが２００ｍｍのため、湯面レベルからの高さがＨ_H＝３００ｍｍからＨ_L＝５００ｍｍの範囲内にわたってほぼ同じ磁束密度の直流磁場を最大０．５Ｔ印加することができる。従って、第２溶鋼供給量Ｑ₂とＧ₂との比（Ｑ₂／Ｇ₂）が、Ｇ_2H／Ｇ₂≒√（Ｈ_H／Ｈ）＝０．８７からＧ_2L／Ｇ₂≒√（Ｈ_L／Ｈ）＝１．１２の範囲内であれば、溶鋼界面位置を直流磁場帯内に制御できるので、本発明の効果を発揮することができる。

鋳型３の上方に設けるタンディッシュ２の仕様は以下の通りである。容量は１０ｔ、タンディッシュヘッド（湯面１８から底部までの距離）は１０００ｍｍで、タンディッシュ２は、内層溶鋼用浸漬ノズル５と表層溶鋼用浸漬ノズル６の２つの浸漬ノズルを有し、２つの浸漬ノズルの間隔は４００ｍｍである。タンディッシュ内において、２つの浸漬ノズルの中間位置にタンディッシュ堰４を設置し、タンディッシュ堰４として図３（Ａ）（Ｂ）に示すような上堰と下堰を用い、下堰高さを１５０ｍｍに固定して開口距離を条件によって変えた。タンディッシュ堰をはさんで上流側、第１領域１１の湯面レベルの面積Ｓ_T1と、下流側、第２領域１２の湯面レベルの面積Ｓ_T2の比率、Ｓ_T1／Ｓ_T2＝７とした。第２領域１２の上方にプラズマ加熱を行うため、出力５００ＫＷの溶鋼加熱装置３４を設置した。第２領域１２のタンディッシュ底部にガス吹き込み装置３５としてポーラス羽口を設け、Ａｒガスを５ＮＬ／分吹き込めるようにした。

鋳型内に溶鋼を供給する２つの浸漬ノズルの吐出孔位置は、鋳片幅方向には幅中心をはさんでそれぞれ１／４幅位置とした。また、深さ方向には、直流磁場発生装置８によって形成される直流磁場帯１４の上方に表層溶鋼用浸漬ノズル６の吐出口を設け、下方に内層溶鋼用浸漬ノズル５の吐出口を設置した。具体的には、表層溶鋼用浸漬ノズル６の吐出孔位置は湯面レベルから１５０ｍｍとし、内層溶鋼用浸漬ノズル５の吐出孔位置は湯面レベルから５５０ｍｍとした。ここで、鋳型内の凝固係数Ｋ値はおよそ２５ｍｍ／ｍｉｎ^0.5であることを確認しており、鋳造速度Ｖ_C＝１ｍ／分で鋳造した際の直流磁場発生装置８の中心までで形成される表層厚Ｄは約１６ｍｍである。この表層厚みから、直流磁場帯位置における凝固シェル断面積（鋳造後鋳片の表層部面積）Ｓ₂が定まり、この表層部面積Ｓ₂と鋳造速度から、下側溶鋼プールと上側溶鋼プールから下方に輸送される単位時間鋳造量がそれぞれＧ₁、Ｇ₂として定まり、Ｇ₁、Ｇ₂に等しくなるように第１溶鋼と第２溶鋼の流量（Ｑ₁、Ｑ₂）を規定することができる。

第１溶鋼２１と第２溶鋼２２の流量制御については、表層溶鋼用浸漬ノズル６の周囲に設けた電磁流量計を溶鋼流量測定装置３０として用いて、浸漬ノズル内の流量を測定しながら、その測定値が一定値（Ｑ₂＝Ｇ₂）となるようにスライディングノズル３３ｃ開度調整を行った。さらに、湯面レベルが一定となるように内層溶鋼用浸漬ノズル５の流量を調整した。

取鍋１から供給する溶鋼成分が第１溶鋼２１成分であり、第１溶鋼２１は低炭Ａｌキルド鋼である。取鍋から供給する第１溶鋼２１はタンディッシュ２の第１領域１１に供給され、その一部はタンディッシュ堰４の開口１０を経由して第２領域１２に供給される。第２領域内の第２溶鋼２２は第１溶鋼２１に対して、第２領域内に０．３ｍｍ厚の軟鋼板でかしめた鉄製ワイヤー（内部にＮｉ粒を含有：４２０ｇ／ｍ）をワイヤーフィーダーにて添加した。Ｑ₂＝Ｇ₂となる鋳造においては添加速度３ｍ／分で添加した。なお、この条件で上記Ｎｉ含有ワイヤーを添加すると、第１溶鋼に０．５％Ｎｉを添加することに相当する。

鋳片内Ｎｉ濃度分布を調査するため、表層については表面から８ｍｍ位置（表層厚みの中心）、内層については表面から４０ｍｍ位置（鋳片１／４厚）について、両短辺中央、１／４幅位置の表裏面、１／２幅位置の表裏面、のそれぞれ８箇所、表層、内層あわせて合計１６箇所から分析試料を採取し濃度を調査した。また、表層厚については、分析試料を採取した部位について、表面から４０ｍｍまでの領域を対象に、分析試料を採取したほぼ同じ位置でサンプルを切り出し、ＥＰＭＡにて厚み方向の濃度分布を調査した。添加した元素の濃度が高くなっている厚みを求めた。

得られた分析結果については以下の指標で表内層の分離度、表層濃度の均一性を評価した。鋳片表層濃度Ｃ_O、鋳片内層濃度Ｃ_I、取鍋内濃度Ｃ_Lとタンディッシュ内に添加した濃度Ｃ_Tから決まる表層分離度Ｘ_Oと鋳片表層厚み内の周方向平均値Ｃ_Mと標準偏差σから求められる濃度均一度Ｙを以下の式を用いて求めた。
Ｘ_O＝(Ｃ_O −Ｃ_I)／(Ｃ_T −Ｃ_L ) −−−−（９）
Ｙ＝σ／Ｃ_M −−−−（１０）

具体的な実験方法について説明する。前述した本発明の原理を検証するため、以下、３つの実験を行った。

まず、実験１として、タンディッシュ堰４の開口距離１９を変化させる実験を行い、表層分離度Ｘ_O、濃度均一度Ｙに及ぼす影響を調査した。なお、鋳型内の直流磁場帯１４に印加する磁束密度を０．４Ｔとし、Ｑ₂＝Ｇ₂として直流磁場帯１４を通過する溶鋼の発生を抑止し、鋳型内電磁撹拌装置９による撹拌流速は０．４ｍ／ｓの条件とした。結果を図６に示すが、開口距離が１００ｍｍ未満では溶鋼温度が低い場合には、濃度の均一性の点で課題があった。一方、開口距離が５００ｍｍを超えると分離度が低下し、濃度の均一性も低下した。タンディッシュ２の第１領域１１と第２領域１２の間で第１溶鋼２１と第２溶鋼２２の混合が生じたことによる。逆に、タンディッシュ堰の開口距離を調整し、開口距離が１００ｍｍ以上５００ｍｍ以下とすると、表層分離度Ｘ_Oは０．９以上１以下、濃度均一度Ｙは０．１以下となり、表層分離度、濃度均一度ともに良好な鋳片をえることができた。

次に、実験２として、鋳型内に印加する磁束密度を０．４Ｔ、表内層界面（溶鋼界面２７）位置を制動域内の４５０ｍｍ、タンディッシュ堰の開口は開口距離が２００ｍｍとなるように調整した条件で、上側溶鋼プール１５における鋳型内電磁撹拌装置９の撹拌流速を変えて鋳造した。表層ノズル側短辺部の表層厚み、内層ノズル側短辺部の厚み、幅中央部の表層部の厚みを調査し、撹拌条件との関係を調査した。

図７には鋳型内電磁撹拌の有無による表層厚みの周方向分布の違いについて調査した結果を示した。電磁撹拌を印加しない条件では下部に溶鋼を供給するノズル側（内層ノズル側）で溶鋼が停滞しやすく、表層厚みが厚くなる傾向がみられたが、０．３ｍ／ｓ以上の旋回流を湯面近傍で付与することで表層厚みの周方向分布を均一化することができ、好ましい。

本方法は以上のような方法で第２溶鋼の成分調整を行うので、第２溶鋼に添加する成分についての制約は少なく、ＮｉやＣだけでなく、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｂ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｓｎ，Ｗ等に加えて、強脱酸、強脱硫元素であるＣａ，Ｍｇ，ＲＥＭ等、鋼中に含有する元素を添加することができる。このため、鋳片の表層成分を変えることで鋼材の新たな機能を比較的簡便な方法で可能となる。

図１に模式的に示した鋳造装置で低炭Ａｌキルド鋼を鋳造する実験を行った。溶鋼の溶製は、転炉出鋼後、二次精錬にて脱ガス、成分調整した。取鍋溶鋼は２５０ｔであった。

容量５０ｔ、タンディッシュヘッド（湯面１８から底部までの距離）は１０００ｍｍのタンディッシュ２底部に内層溶鋼用浸漬ノズル５と表層溶鋼用浸漬ノズル６の２つの浸漬ノズルを設けた。２つの浸漬ノズルの間隔は６００ｍｍである。その中間位置にタンディッシュ堰４を設置し、開口部の形状と開口距離は条件によって変更した。堰をはさんで上流側、第１領域１１の湯面レベル１８ａの面積Ｓ_T1と、下流側、第２領域１２の湯面レベル１８ｂの面積Ｓ_T2の比率、Ｓ_T1／Ｓ_T2＝７とした。ただし一部の条件では浸漬ノズルを設置する位置や、タンディッシュ形状を変化させた。下流の第２領域１２の上方に溶鋼加熱装置３４としてトーチ３４ａを設けカソードとし、タンディッシュ壁に鉄板を埋め込みアノード電極３４ｂとし、出力１ＭＷのプラズマ加熱を行った。第２領域１２のタンディッシュ底部にガス吹き込み装置３５としてポーラス羽口を設け、Ａｒガスを１０ＮＬ／分吹き込めるようにした。表層溶鋼用浸漬ノズル６内の溶鋼流量を測定するため、溶鋼流量測定装置３０を設置した。なお、鋳造中、取鍋１からの溶鋼供給量は必ずしも一定ではなかったが、タンディッシュ内溶鋼量は平均値が５０ｔとなるように調整した。

鋳型内の湯面１７レベルから１００ｍｍ下方に電磁撹拌装置９のコア中心を設置し、鋳型内の上部溶鋼プール中に水平断面内で最大０．６ｍ／ｓの旋回流を形成した。かつ湯面レベルから４５０ｍｍ下方に幅方向に均一な磁束密度分布を有する直流磁場を鋳片の厚み方向に印加することができる直流磁場発生装置８を設けた。最大０．５Ｔの直流磁場が印加できる。この直流磁場発生装置８のコア厚みが２００ｍｍのため、湯面レベルから３５０〜５５０ｍｍの範囲内にわたってほぼ同じ磁束密度の直流磁場を最大０．５Ｔ印加することができる。そのため、直流磁場帯１４の範囲は湯面レベルからの高さがＨ_H＝３５０ｍｍからＨ_L＝５５０ｍｍの範囲となる。従って、第２溶鋼供給量Ｑ₂とＧ₂との比（Ｑ₂／Ｇ₂）が、Ｇ_2H／Ｇ₂≒√（Ｈ_H／Ｈ）＝０．８８からＧ_2L／Ｇ₂≒√（Ｈ_L／Ｈ）＝１．１１の範囲内であれば、溶鋼界面２７位置を直流磁場帯１４内に制御できるので、本発明の効果を発揮することができる。

鋳型内に溶鋼を供給する浸漬ノズルの位置については、まず、鋳片幅方向には幅中心をはさんでそれぞれ１／４幅位置とした。また、浸漬ノズルの吐出孔位置については、深さ方向には直流磁場発生装置によって形成される制動領域（直流磁場帯１４）の上側（表層溶鋼用浸漬ノズル６）部と、下側（内層溶鋼用浸漬ノズル５）にそれぞれ設置した。具体的には、表層溶鋼用浸漬ノズル６の吐出孔位置は湯面レベルから２００ｍｍとし、内層溶鋼用浸漬ノズル５の吐出孔位置は湯面レベルから６００ｍｍとした。

鋳造条件は、１２００ｍｍ幅、２５０ｍｍ厚、鋳造速度１．５ｍ／分で鋳造した。ここで、鋳型内の凝固係数Ｋ値はおよそ２５ｍｍ／ｍｉｎ^0.5であることを確認しており、鋳型内直流磁場発生装置８の中心までで形成される表層厚は約１４ｍｍである。この表層厚みから、直流磁場帯位置における凝固シェル断面積（鋳造後鋳片の表層部面積）Ｓ₂が定まり、この表層部面積Ｓ₂と鋳造速度から、下側溶鋼プールと上側溶鋼プールから下方に輸送される単位時間鋳造量がそれぞれＧ₁、Ｇ₂として定まり、Ｇ₁、Ｇ₂に等しくなるように第１溶鋼と第２溶鋼の流量（Ｑ₁、Ｑ₂）を規定することができる。溶鋼密度が７５００ｋｇ／ｍ³とすると、第１溶鋼の流量Ｑ₁は４８．８ｋｇ／ｓ、第２溶鋼の流量Ｑ₂は７．５ｋｇ／ｓである。

第２溶鋼の流量Ｑ₂については前述したように表層溶鋼用浸漬ノズル６内の溶鋼流量を溶鋼流量測定装置３０によって測定し、その流量が一定（Ｑ₂＝Ｇ₂）となるように制御し、第１溶鋼の流量Ｑ₁については、湯面レベル計３１で計測した湯面レベルが一定となるように制御した。

タンディッシュでの成分調整について説明する。前述したタンディッシュの第２領域１２内に０．３ｍｍ厚の軟鋼板でかしめた鉄製ワイヤー（外径１２ｍｍ、Ｎｉ粉含有量：４５２ｇ／ｍ）を添加速度１２ｍ／分で添加した。なお、この条件で上記Ｎｉ含有ワイヤーを添加すると、第２溶鋼２２に１．２％Ｎｉを添加することに相当する。

鋳片内Ｎｉ濃度分布を調査するため、表層については表面から７ｍｍ位置（表層厚みの中心）、内層については表面から６０ｍｍ位置（鋳片１／４厚）について、両短辺中央、１／４幅位置の表裏面、１／２幅位置の表裏面、のそれぞれ８箇所、表層、内層あわせて合計１６箇所から分析試料を採取し濃度を調査した。また、表層厚Ｄ_Rについては、分析試料を採取した部位について、表面から６０ｍｍまでの領域を対象に、分析試料を採取したほぼ同じ位置でサンプルを切り出し、ＥＰＭＡにて厚み方向の濃度分布を調査した。添加した元素の濃度が高くなっている厚みを求めた。

得られた分析結果については以下の指標で表内層の分離度、表層濃度の均一性を評価した。鋳片表層濃度Ｃ_O、鋳片内層濃度Ｃ_I、取鍋内濃度Ｃ_Lとタンディッシュ内に添加した濃度Ｃ_Tから決まる表層分離度Ｘ_Oと鋳片表層厚み内の周方向平均値Ｃ_Mと標準偏差σから求められる濃度均一度Ｙを以下の式を用いて求める。
Ｘ_O＝(Ｃ_O −Ｃ_I)／(Ｃ_T −Ｃ_L ) −−−−（９）
Ｙ＝σ／Ｃ_M −−−−（１０）

次に、本発明の原理を検証するために行った実験内容について説明する。
◆実験３：タンディッシュ形状、堰形状を変化させ、表／内層分離度、表層濃度の均一性に及ぼす影響を調査する。
◆実験４：プラズマ加熱を行う溶鋼加熱装置３４の出力とガス吹き込み装置３５を用いたＡｒガス吹込み量を変化させ、タンディッシュ２での元素添加が安定的に行えるか、表／内層分離度、表層濃度の均一性に及ぼす影響を調査する。
◆実験５：タンディッシュ堰４の開口の開口距離１９を変えて鋳造を行い、表／内層分離度、表層濃度の均一性に及ぼす影響を調査する。
◆実験６：鋳型内電磁撹拌装置の撹拌流速を変えて鋳造を行い、表層厚の鋳片周方向均一性に及ぼす影響を調査する。
実験３の結果を表１、表２に、実験４、実験５、実験６それぞれの結果を表３、表４、表５に示した。表１〜表４において、本発明範囲から外れる数値にアンダーラインを付している。

表１ではタンディッシュ堰を設ける位置の影響を調査した。堰の開口距離１９を２５０ｍｍ、鋳型内に印加する直流磁場の磁束密度は０．５Ｔ、鋳型内電磁撹拌装置９による撹拌流速は０．４ｍ／ｓ、溶鋼加熱装置３４のプラズマ加熱は１ＭＷ、Ａｒガス吹き込み量は６ＮＬ／分の条件で、タンディッシュ堰４を設ける位置を変化した。鋳型への注入流量Ｇを一定に保持しつつ、取鍋１からタンディッシュ２への溶鋼注入量については、流量Ｇを中心として増減させ、タンディッシュ内湯面高さが上下に変動する条件を発生させた。その結果、Ｇ₁／Ｓ_T1とＧ₂／Ｓ_T2の大小で表／内層分離度ならびに表層濃度の均一性が変化し、Ｇ₁／Ｓ_T1≦Ｇ₂／Ｓ_T2の本発明条件では良好な分離度、表層濃度均一な鋳片が得られた。

表２ではＳ_T1／Ｓ_T2＝７とし、タンディッシュ堰４の開口距離１９の影響と下堰有無の影響を調査した。下堰の上端は直線状で、その高さはタンディッシュの底から１５０ｍｍとした。鋳型内に印加する直流磁場の磁束密度は０．５Ｔ、鋳型内電磁撹拌装置９による撹拌流速は０．４ｍ／ｓ、プラズマ加熱は１ＭＷ、Ａｒガス吹き込み量は６ＮＬ／分の条件で、タンディッシュ堰４の開口距離１９を変化した。その結果、下堰有りの条件（本発明３〜５、比較例３、４）では、開口距離１９によって表／内層分離度ならびに表層濃度の均一性が変化し、開口距離１９が１００ｍｍ以上５００ｍｍ以下の本発明条件では良好な分離度、表層濃度均一な鋳片が得られた。一方、下堰無しの条件（比較例５）では、開口距離が本発明５と同じであっても、表層分離度、濃度均一度ともに、不良であった。

表３ではタンディッシュ堰の開口距離１９を２００ｍｍ、鋳型内に印加する直流磁場の磁束密度は０．５Ｔ、鋳型内電磁撹拌装置９による撹拌流速は０．４ｍ／ｓの条件で、プラズマ加熱の出力、Ａｒガス吹き込み量を変化して鋳造した。プラズマ加熱を行わない条件では、鋳造の中期以降で添加したワイヤー溶解が不良となり合金添加を安定して行うことができなかった。プラズマ加熱した条件でＡｒガス吹き込みを行わない条件では表層濃度の均一性が不十分であった。プラズマ加熱を行い、Ａｒガス吹き込みを行った条件では分離度、均一度ともに良好な結果が得られた。

表４ではプラズマ加熱の出力が１ＭＷ、Ａｒガス吹込み量を６ＮＬ／分、鋳型内に印加する直流磁場の磁束密度は０．５Ｔ、鋳型内電磁撹拌装置による撹拌流速は０．４ｍ／ｓの条件で、タンディッシュ堰の開口距離１９を変化して鋳造した。開口距離１９が１００ｍｍ〜５００ｍｍに調整した本発明９〜１１では分離度、均一度ともに良好な結果が得られたが、開口距離１９が大きい比較例１０では分離度、均一性ともに不十分であった。また、開口距離１９が小さい比較例１１では均一性におとる条件もあり、不適であった。

表５ではプラズマ加熱の出力が１ＭＷ、Ａｒガス吹込み量を６ＮＬ／分、鋳型内に印加する直流磁場の磁束密度は０．５Ｔ、タンディッシュ堰の開口距離１９を３００ｍｍの条件で、鋳型内電磁撹拌装置の撹拌流速を変えて鋳造した。表層溶鋼用浸漬ノズル６側短辺部の表層厚み、内層溶鋼用浸漬ノズル５側短辺部の厚み、幅中央部の表層部の厚みを調査し、撹拌条件との関係を調査した。鋳型内電磁撹拌による撹拌流を付与しない本発明１４では品質上問題にはならないものの表層厚みの不均一がみられた。一方、鋳型内電磁撹拌装置による撹拌流を付与した本発明１２，１３ではいずれも表層溶鋼用浸漬ノズル６側短辺厚、内層溶鋼用浸漬ノズル５側短辺厚と幅中央部の表層厚みがほぼ同じであった。そのため、鋳型内電磁撹拌による撹拌流を付与することで表層厚みが鋳片周方向に均一になるため、好ましい。

１ 取鍋
２ タンディッシュ
３ 鋳型
４ タンディッシュ堰
４ａ 上堰
４ｂ 下堰
５ 内層溶鋼用浸漬ノズル
６ 表層溶鋼用浸漬ノズル
７ 成分添加装置
８ 直流磁場発生装置
９ 電磁攪拌装置
１０ 開口
１１ 第１領域
１２ 第２領域
１３ 取鍋注入流
１４ 直流磁場帯
１５ 上側溶鋼プール
１６ 下側溶鋼プール
１７ メニスカス（湯面）
１８ 湯面
１９ 開口距離
２０ 溶鋼
２１ 第１溶鋼
２２ 第２溶鋼
２３ 凝固シェル
２４ 上側溶鋼プール凝固部分（表層部）
２５ 下側溶鋼プール凝固部分（内層部）
２６ 溶鋼浸漬部分
２７ 界面
２９ 鋳片
３０ 溶鋼流量測定装置
３１ 湯面レベル計
３２ 制御装置
３３ 流量調整装置
３４ 溶鋼加熱装置
３４ａ トーチ
３４ｂ アノード電極
３５ ガス吹き込み装置

Claims (4)

1. 鋳片の表層と内層の成分組成が異なる複層鋳片を製造する方法であって、
   タンディッシュの底部に、内層溶鋼用浸漬ノズルと、さらにその下流側に表層溶鋼用浸漬ノズルを配置し、これら２つの浸漬ノズルの間にタンディッシュ堰として上堰と下堰とを設置し、上堰下端と下堰上端との間の距離のタンディッシュ奥行方向平均値が１００〜５００ｍｍであり、
   鋳型幅方向全幅にわたって厚み方向に直流磁場を印加する直流磁場発生装置を配置し、当該直流磁場発生装置によって形成される直流磁場帯をはさんだストランドの上部を上側溶鋼プール、下部を下側溶鋼プールとし、前記表層溶鋼用浸漬ノズルから上側溶鋼プールに溶鋼を供給し、内層溶鋼用浸漬ノズルから下側溶鋼プールに溶鋼を供給し、
   前記タンディッシュ内のタンディッシュ堰にて区分された取鍋溶鋼注入側を第１領域、その反対側を第２領域とし、第２領域側のタンディッシュ内溶鋼に対してプラズマ加熱を行い、かつ第２領域のタンディッシュ底部からガス吹き込みを行いつつ、第２領域側のタンディッシュ内溶鋼に対して所定の元素あるいはその合金を連続的に添加し濃度を調整することで、取鍋溶鋼ならびに取鍋溶鋼とは異なる成分組成からなる２種類の溶鋼をタンディッシュ内で保持しつつ、
   第１領域に収容された溶鋼を内層溶鋼用浸漬ノズルから下側溶鋼プール中で凝固によって消費される溶鋼量（以下「Ｇ₁（ｋｇ／ｓ）」という。）を鋳型内の下側溶鋼プールに供給し、第２領域に収容された溶鋼を表層溶鋼用浸漬ノズルから上側溶鋼プール中で凝固によって消費される溶鋼量（以下「Ｇ₂（ｋｇ／ｓ）」という。）を鋳型内の上側溶鋼プールに供給し、
   前記タンディッシュ内の溶鋼表面について、第１領域の湯面レベルの溶鋼表面積をＳ_T1（ｍ²）、第２領域の湯面レベルの溶鋼表面積をＳ_T2（ｍ²）とし、Ｇ₁、Ｇ₂、Ｓ_T1、Ｓ_T2の関係が下記（１）式を満たすことを特徴とする複層鋳片の連続鋳造方法。
   （Ｇ₁／Ｓ_T1）≦（Ｇ₂／Ｓ_T2） ・・・（１）
2. 表層溶鋼用浸漬ノズルと内層溶鋼用浸漬ノズルのうちの少なくとも一方に浸漬ノズル内の溶鋼流量を測定する溶鋼流量測定装置を設け、前記溶鋼流量測定装置を設けた一方の側の浸漬ノズルから溶鋼プールに供給する溶鋼量については、当該溶鋼プール内で凝固によって消費される溶鋼量にみあった溶鋼流量になるように調整し、他方の側の浸漬ノズルから溶鋼プールに供給する供給量については、鋳型内湯面レベルが一定となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の複層鋳片の連続鋳造方法。
3. 前記直流磁場帯の上方の鋳型内湯面近傍において水平断面内で旋回流を形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複層鋳片の連続鋳造方法。
4. 鋳片の表層と内層の成分組成が異なる複層鋳片を製造する装置であって、
   取鍋からの溶鋼を保持するタンディッシュの底部に、内層溶鋼用浸漬ノズルと、さらにその下流側に表層溶鋼用浸漬ノズルが鋳造幅よりも短い間隔で併設され、その間にタンディッシュ堰として上堰と下堰とを設置し、上堰下端と下堰上端との間の距離のタンディッシュ奥行方向平均値が１００〜５００ｍｍであり、
   タンディッシュ堰で区分された取鍋溶鋼注入反対側の領域の溶鋼を加熱する溶鋼加熱装置、当該領域の底部にガス吹き込み装置、当該領域の溶鋼に成分を添加する成分添加装置を有し、
   表層溶鋼用浸漬ノズルと内層溶鋼用浸漬ノズルのうちの少なくとも一方に浸漬ノズル内の溶鋼流量を測定する溶鋼流量測定装置を有するとともに鋳型内の湯面レベル計を有し、
   鋳型内では湯面近傍において水平断面内で旋回流を形成する電磁撹拌装置と、その下方に鋳型幅方向全体にわたって厚み方向に直流磁場を印加する直流磁場発生装置を備え、当該直流磁場発生装置によって形成される直流磁場帯をはさんだストランドの上部を上側溶
   鋼プール、下部を下側溶鋼プールとし、前記表層溶鋼用浸漬ノズルから上側溶鋼プールに溶鋼を供給し、内層溶鋼用浸漬ノズルから下側溶鋼プールに溶鋼を供給する構造とすることを特徴とする複層鋳片の連続鋳造装置。

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