JP7385116B2 - 電磁撹拌装置 - Google Patents
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Description
鋳片の品質を向上させるための装置として、電磁ブレーキがある。特許文献1に記載されているように、電磁ブレーキは、鋳型の長辺部を介して相互に対向するように配置された一組の電磁石のコイルに電流を流して直流磁場(静磁場)を鋳型の中空部内の溶融金属に印加することにより、溶融金属の下方に向かう流速を低減させる。
特許文献2には、浸漬ノズルの吐出口の上端の位置が、電磁撹拌装置の下端の位置よりも低い位置となるように電磁撹拌装置を配置することが記載されている。また、特許文献2には、電磁撹拌装置の下方に、磁気遮蔽板を設けることが記載されている。磁気遮蔽板は、電磁撹拌装置によって発生する磁場による鋳型の中空部内での溶融金属の流れの乱れを抑制するためのものとされている。
まず、本発明の実施形態に至った経緯について説明する。背景技術の欄で説明したように、電磁撹拌装置の鉄心と鋳型との間隔を一定にしないようにする技術はある。しかしながら、発明が解決しようとする課題の欄で説明したように、何れの技術を用いても、吐出流と撹拌流との干渉を十分に抑制することができない。そこで、本発明者らは、浸漬ノズルの吐出口の鋳造方向の位置と電磁撹拌装置の鋳造方向の位置とが重複する場合の浸漬ノズルと電磁撹拌装置との位置関係に着目した。
電磁撹拌装置を動作させる際には、例えば、コイル130、140に三相交流電流を流すことにより、鋳造厚方向(Y軸方向)の端部側の領域の溶鋼Mに対して、鋳造幅方向(X軸方向)に沿って相互に逆向きの進行磁場を発生させる。この進行磁場はファラデーの法則およびレンツの法則に従って溶鋼Mに渦電流を発生させる。この渦電流と進行磁場はフレミングの左手の法則に基づいて溶鋼Mに撹拌力を形成する。この撹拌力は水平面において、鋳型の一組の長辺部151、152および一組の短辺部153の内壁面に沿うように周回するような撹拌流(溶鋼Mの流れ)が発生する。尚、図1では図示を省略するが、短辺部153とは別に、鋳型の軸Aを対称軸として短辺部153に対して線対称となるように短辺部153と同じ構成の短辺部が配置される。電磁撹拌装置は、このような撹拌流により、連続鋳造設備で連続鋳造される鋳片の表面に気泡や異物(介在物等)が付着し、鋳片内に残留することを抑制する。即ち、電磁撹拌装置は、鋳片の品質を向上させることを目的とする装置である。
さらに、強い撹拌流によって加速した溶鋼Mが図3に示す凝固シェルSに衝突すると、当該衝突により凝固シェルSが再溶解することがある。凝固シェルSが再溶解すると、再溶解部が起点となって凝固シェルSが破け、溶鋼漏れ(ブレークアウト)などの操業トラブルに繋がることがあり、その場合には生産性が著しく阻害される。
まず、第1の実施形態を説明する。
図2Aおよび図2Bは、本実施形態の電磁撹拌装置を配設した連続鋳造設備の概略構成の一例を示す横断面図である。図2Aは、図3のI-I断面図であり、図2Bは、図3のII-II断面図である。図3は、本実施形態の電磁撹拌装置を配設した連続鋳造設備の概略構成の一例を示す縦断面図である。図3は、図2AのI-I断面図である。
図2Aおよび図2Bおよび図3において、本実施の形態の連続鋳造設備は、長辺部211~212および短辺部213~214を有する鋳型と、バックプレート221~224と、浸漬ノズル230と、鉄心241~242およびコイル251~252を有する電磁撹拌装置と、を有する。
尚、本実施形態では、鉄心241は、鉄心241の高さ方向(Z軸方向)に垂直な断面と同じ形状および大きさを有する軟磁性体板(例えば、方向性電磁鋼板または無方向性電磁鋼板)を、高さ方向(Z軸方向)において積層することにより構成される。従って、鉄心241の高さ方向(Z軸方向)の各位置において、櫛歯部241aと継鉄部241bとには境界線はない。
図7においてグラフ701は、本実施形態の電磁撹拌装置を用いた場合の撹拌力Fxを示す。グラフ702は、図1を参照しながら説明した一般的な電磁撹拌装置を用いた場合の撹拌力Fxを示す。
本実施形態では、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端よりも下の領域を含む第1の領域(継鉄部241bの、鉄心241の長辺部211側の端面)の鋳造厚方向(Y軸方向)の位置が位置Y1、Y3である場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしもこのようにする必要はない。例えば、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端よりも下の領域を含む第1の領域の鋳造厚方向(Y軸方向)の位置は、コイル251、252の領域のうち、鋳型の長辺部211、212と対向する位置にある領域の鋳造厚方向(Y軸方向)の両端の範囲内にあるのが好ましい。より具体的には、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端よりも下の領域を含む第1の領域の鋳造厚方向(Y軸方向)の位置は、位置Y1~Y2、Y3~Y4の範囲内とするのが好ましい。尚、図3に示すように、位置Y2、Y4は、コイル251、252の最外周に位置する輪郭領域のうち、鉄心241、242の長辺部211、212と対向する位置にある輪郭領域の鋳造厚方向(Y軸方向)の位置である。
尚、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端よりも下の領域を含む第1の領域の鋳造厚方向(Y軸方向)の位置が、位置Y1~Y2、Y3~Y4の範囲内の位置Y1、Y3以外の位置である場合、櫛歯部は、第2の領域だけでなく、第1の領域にも形成される。第1の領域に形成される櫛歯部と第2の領域に形成される櫛歯部は、鋳造方向(Z軸方向)において連続している。また、第1の領域に形成される櫛歯部の鋳造厚方向(Y軸方向)の長さは、第2の領域に形成される櫛歯部の鋳造厚方向(Y軸方向)の長さよりも短い(即ち、鋳造幅方向(X軸方向)から見た場合の櫛歯部の形状(Y-Z断面の形状)は、概略、文字Γの形状になる)。
ただし、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端よりも下の領域を含む第1の領域の鋳造厚方向(Y軸方向)の位置は、位置Y1~Y2、Y3~Y4の範囲内に限定されず、コイル251、252が配置されていない領域での鉄心241、242と鋳型の長辺部211、212との間隔が、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端よりも下の領域を含む第1の領域の方が、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端よりも上の領域を含む第2の領域よりも長くなるようにしていればよい。
また、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端よりも下の領域を含む第1の領域の上端の鋳造方向(Z軸方向)の位置は、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端部(鋳造方向の上流側の端部)よりも上の位置であっても、吐出流と撹拌流とが干渉する領域を小さくすることができるため、鋳型の短辺部213、214側で発生する上昇流および下降流の流速、および、凝固シェルSへの衝突流の流速を低減する効果を発現することができるので、このようにしてもよい。
ただし、本実施形態のように浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端よりも下の領域を含む第1の領域の上端の鋳造方向(Z軸方向)の位置が、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端部の位置と一致するようにすれば、吐出流と撹拌流とが干渉することをより確実に抑制することができると共に、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上方のより広い領域に撹拌流を発生させることができるのでより好ましい。
また、櫛歯部241aの直方体部の下に、それぞれ、非磁性且つ非伝導性の第2の直方体部を配置してもよい。第2の直方体部の鋳造幅方向(X軸方向)および鋳造厚方向(Y軸方向)の長さは、櫛歯部241aの直方体部の長さと同じである。第2の直方体部の鋳造方向(Z軸方向)の長さは、櫛歯部241aの直方体部の下端から継鉄部241bの下端までの鋳造方向(Z軸方向)の長さである。櫛歯部241aの直方体部の下端面と第2の直方体部の上端面とが合い、第2の直方体部の下端面と継鉄部241bの下端面とが面一となるように第2の直方体部を配置する。このようにすることにより、図1に示した一般的な電磁撹拌装置の鉄心110、120と同じ外形にすることができる。
また、櫛歯部241aはなくてもよい。この場合、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端よりも上の領域を含む第2の領域の鋳型の長辺部211、212と対向する面は1つの平面になり、当該平面が櫛歯部241aの直方体部の先端面に対応する。
本実施形態のように、櫛歯部241aの直方体部の下端面の鋳造方向(Z軸方向)の位置が、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端部の位置と一致するようにすれば、第2の領域の鋳造方向(Z軸方向)の範囲と、吐出流が流れる鋳造方向(Z軸方向)の範囲とは重複しなくなる(図6を参照)。このようにすれば、吐出流と撹拌流とが干渉する領域をなくすことができるため、鋳型の短辺部213、214側で発生する上昇流および下降流の流速、および、凝固シェルSへの衝突流の流速をより低減することができる。
また、例えば、第2の領域は、浸漬ノズルの吐出口の鋳造方向における第1の端部よりも第2の側の領域を含むようにすることができる。
本実施形態では、浸漬ノズルの吐出口の鋳造方向における第1の端部は、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上側(Z軸の正の方向側)の端部である。また、第1の側は、下側(Z軸の負の方向側)であり、第2の側は、上側(Z軸の正の方向)である。
次に、第2の実施形態を説明する。第1の実施形態では、鉄心241~242の上側(浸漬ノズルから溶鋼(吐出流)が吐出される方向とは反対側の第2の側)にのみ櫛歯部241aを設ける場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、鉄心241~242の上側に加え下側にも櫛歯部を設ける場合について説明する。このように本実施形態と第1の実施形態は、鉄心の構成が主として異なる。従って、本実施形態の説明において、第1の実施形態と同一の部分については、図2A~図7に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
図9において、鉄心841は、第1の櫛歯部841aと、継鉄部841bと、第2の櫛歯部841cと、を有する。
尚、本実施形態では、鉄心841は、鉄心841の高さ方向(Z軸方向)に垂直な断面と同じ形状および大きさを有する軟磁性体板(例えば、方向性電磁鋼板または無方向性電磁鋼板)を、高さ方向(Z軸方向)において積層することにより構成される。従って、鉄心841の高さ方向(Z軸方向)の各位置において、第1の櫛歯部841aと継鉄部841b、および第2の櫛歯部841cと継鉄部841bには境界線はない。
位置Z1から位置Z5までの鋳造方向(Z軸方向)の長さZL[mm]は以下の(1)式を満たすのが好ましい。
ZL≧ZD+ZH+{(W-D)÷2}×tanθ ・・・(1)
ここで、ZD[mm]は湯面(メニスカス)から浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端部までの鋳造方向(Z軸方向)における長さである(図8を参照)。ZH[mm]は浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの鋳造方向(Z軸方向)の長さである(図8を参照)。W[mm]は鋳型の短辺部213、214の内壁面の鋳造幅方向(X軸方向)の間隔である(図2Bを参照)。D[mm]は浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの重心位置における外径である(図8を参照)。θ[°]は浸漬ノズル230の(吐出口230a、230bにおける)吐出角θである。
また、鉄心841、842の第2の領域の鋳造幅方向(X軸方向)の長さと、鉄心841、842の第3の領域の鋳造幅方向(X軸方向)の長さとを同じにする。これにより、鉄心841、842の第2の領域を構成する電磁鋼板と、鉄心841、842の第3の領域を構成する電磁鋼板とを共通化することができる。
撹拌力Fxは図7を参照しながら説明したものと同じである。図11に示す位置Z1、Z2、Z4、Z5は、図8に示した位置Z1、Z2、Z4、Z5に対応する。
本実施形態では、位置Z1から位置Z5までの鋳造方向(Z軸方向)の長さZLが(1)式を満たす場合を例に挙げて説明した。このようにすれば、吐出流が発生する多くの領域を第1の領域とすることができるので好ましい。しかしながら、吐出流の方向や吐出流と撹拌流との干渉の抑制効果の程度に応じて第1の領域を定めることができる。例えば、浸漬ノズル230の下端の鋳造方向(Z軸方向)の位置を位置Z5としてもよい。また、(1)式を満たす範囲で、浸漬ノズル230の下端の鋳造方向(Z軸方向)の位置よりも下方の位置を位置Z5としてもよい。また、(1)式の右辺を[ZD+ZH+{(W-D)÷2}×tanθ]÷2に変更してもよい。また、浸漬ノズルの吐出口から水平方向に溶鋼Mを吐出させる場合には、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの下端の鋳造方向(Z軸方向)の位置を位置Z5としてもよい。この場合、例えば、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの上端(一方の端部)の鋳造方向(Z軸方向)の位置を位置Z2とし、浸漬ノズル230の吐出口230a、230bの下端(他方の端部)の鋳造方向(Z軸方向)の位置を位置Z5としてもよい。
また、本実施形態においても第1の実施形態で説明した種々の変形例を採用することができる。
次に、第3の実施形態を説明する。第2の実施形態では、鉄心841、842の下端面が、鋳型の長辺部211、212よりも上に位置する場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、鉄心841、842の下端面の鋳造方向(Z軸方向)の位置と、鋳型の長辺部211、212の下端面の鋳造方向(Z軸方向)の位置とを同じにする場合について説明する。このように本実施形態と第2の実施形態は、鉄心の構成(具体的には第3の領域の鋳造方向(Z軸方向)の長さ)が主として異なる。従って、本実施形態の説明において、第1の実施形態と同一の部分については、図2A~図11に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
鉄心1241、1242(第2の櫛歯部)の下端面の鋳造方向(Z軸方向)の位置と鋳型の長辺部211、212の鋳造方向(Z軸方向)の位置は位置Z4で一致する。
撹拌力Fxは図7を参照しながら説明したものと同じである。図13に示す位置Z1、Z2、Z4、Z5は図12に示した位置Z1、Z2、Z4、Z5に対応する。
本実施形態においても第1の実施形態および第2の実施形態で説明した種々の変形例を採用することができる。
Claims (15)
- 鋳型の長辺部を介して相互に対向する位置に配置される第1の鉄心および第2の鉄心と、
前記第1の鉄心に対して前記鋳型の鋳造幅方向に巻き回された第1のコイルと、
前記第2の鉄心に対して前記鋳型の鋳造幅方向に巻き回された第2のコイルと、
を有し、
前記第1のコイルおよび前記第2のコイルに流れる交流電流に基づく進行磁場を鋳造幅方向に発生させることにより、浸漬ノズルの吐出口から前記鋳型の短辺部側に向けて前記鋳型の中空部に注入された溶融金属を電磁撹拌する電磁撹拌装置であって、
前記第1の鉄心および前記第2の鉄心は、それぞれ、第1の領域と、前記第1の領域と鋳造方向の位置が異なる領域であって、前記第1の領域よりも前記鋳型の長辺部との間隔が短い領域である第2の領域とを有し、
前記第1の領域は、前記第1の鉄心および前記第2の鉄心の鋳造方向における両端の間の一部を鋳造方向の範囲とする領域であり、
前記第1の領域の鋳造方向の範囲と、前記浸漬ノズルの吐出口から前記鋳型の短辺部側に向かう溶融金属の流れである吐出流が流れる鋳造方向の範囲とが重複する範囲の方が、前記第2の領域の鋳造方向の範囲と、前記吐出流が流れる鋳造方向の範囲とが重複する範囲よりも長く、
前記電磁撹拌の際に、前記第1の領域の鋳造方向の範囲と鋳造方向の範囲が同じ範囲における前記溶融金属の磁束密度を、前記第2の領域の鋳造方向の範囲と鋳造方向の範囲が同じ範囲における前記溶融金属の磁束密度の最大値よりも小さくすることを特徴とする電磁撹拌装置。 - 前記第2の領域の鋳造方向の範囲と、前記吐出流が流れる鋳造方向の範囲とは重複しないことを特徴とする請求項1に記載の電磁撹拌装置。
- 前記第1の領域は、前記第1の領域に対向する前記鋳型の面と平行な1つの平面の領域であり、
前記第2の領域は、前記コイルが巻き回されていない領域であり、且つ、鋳造幅方向において間隔を有して配置される複数の領域であり、且つ、前記第2の領域に対向する前記鋳型の面と平行な平面の領域であることを特徴とする請求項1または2に記載の電磁撹拌装置。 - 前記浸漬ノズルの吐出口は、鋳造幅方向を基準として第1の側に傾斜しており、
前記第1の側は、前記浸漬ノズルから溶融金属が吐出される方向側であり、
前記第1の領域は、前記浸漬ノズルの吐出口の鋳造方向における第1の端部よりも前記第1の側の領域を含み、
前記浸漬ノズルの吐出口の鋳造方向における前記第1の端部は、前記浸漬ノズルの吐出口の鋳造方向の第2の側の端部であり、
前記第2の側は、前記第1の側の反対側であることを特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載の電磁撹拌装置。 - 前記第2の領域は、前記浸漬ノズルの吐出口の鋳造方向における前記第1の端部よりも前記第2の側の領域を含むことを特徴とする請求項4に記載の電磁撹拌装置。
- 前記浸漬ノズルの吐出口から斜め下方に溶融金属が吐出され、
前記第1の側は、下側であり、
前記第2の側は、上側であり、
前記浸漬ノズルの吐出口の鋳造方向における前記第1の端部は、前記浸漬ノズルの吐出口の上側の端部であることを特徴とする請求項4または5に記載の電磁撹拌装置。 - 前記第1の領域の上側の端部の鋳造方向における位置は、前記浸漬ノズルの吐出口の上側の端部の鋳造方向における位置から前記浸漬ノズルの下側の端部の鋳造方向の位置までの範囲の何れかの位置であることを特徴とする請求項6に記載の電磁撹拌装置。
- 前記第1の鉄心の前記第1の領域の、前記鋳型の長辺部と対向する面の鋳造厚方向の位置は、前記第1のコイルの領域のうち、前記鋳型の長辺部と対向する位置にある領域の鋳造厚方向の両端の範囲内にあり、
前記第2の鉄心の前記第1の領域の、前記鋳型の長辺部と対向する面の鋳造厚方向の位置は、前記第2のコイルの領域のうち、前記鋳型の長辺部と対向する位置にある領域の鋳造厚方向の両端の範囲内にあることを特徴とする請求項1~7の何れか1項に記載の電磁撹拌装置。 - 前記第1の鉄心および前記第2の鉄心は、それぞれ、前記第1の領域と、前記第2の領域と、前記第1の領域よりも前記鋳型の長辺部との間隔が狭い領域である第3の領域とを有し、
前記第3の領域は、前記第1の領域よりも第1の側に配置され、
前記第2の領域は、前記第1の領域よりも第2の側に配置され、
前記第1の側は、前記浸漬ノズルから溶融金属が吐出される方向側であり、
前記第2の側は、前記第1の側の反対側であることを特徴とする請求項1~8の何れか1項に記載の電磁撹拌装置。 - 前記第3の領域は、前記コイルが巻き回されていない領域であり、且つ、鋳造幅方向において間隔を有して配置される複数の領域であり、且つ、前記鋳型の前記第3の領域に対向する面と平行な平面の領域であることを特徴とする請求項9に記載の電磁撹拌装置。
- 前記第2の領域と、前記鋳型の長辺部との間隔と、前記第3の領域と、前記鋳型の長辺部との間隔とは同じであることを特徴とする請求項9または10に記載の電磁撹拌装置。
- 前記浸漬ノズルの吐出口は、鋳造幅方向を基準として前記第1の側に傾斜していることを特徴とする請求項9~11の何れか1項に記載の電磁撹拌装置。
- 前記浸漬ノズルの吐出口から斜め下方に溶融金属が吐出され、
前記第1の領域の下端の鋳造方向における位置は、前記浸漬ノズルの吐出口の下端の鋳造方向における位置、または、前記浸漬ノズルの吐出口の下端の鋳造方向における位置よりも下であることを特徴とする請求項9~12の何れか1項に記載の電磁撹拌装置。 - 前記浸漬ノズルの吐出口から斜め下方に溶融金属が吐出され、
前記第3の領域の下端の鋳造方向における位置と、前記鋳型の長辺部の下端の鋳造方向における位置は同じであることを特徴とする請求項9~13の何れか1項に記載の電磁撹拌装置。 - ZL[mm]を、前記第2の領域の鋳造方向における前記第2の側の端部から、前記第3の領域の鋳造方向における前記第1の側の端部までの鋳造方向の長さとし、
ZD[mm]を、前記鋳型の中空部内の溶融金属の湯面から前記浸漬ノズルの吐出口の鋳造方向における前記第1の端部までの鋳造方向における長さとし、
ZH[mm]を、前記浸漬ノズルの吐出口の鋳造方向の長さとし、
W[mm]を、前記鋳型の短辺部の内壁面の鋳造幅方向の間隔とし、
D[mm]を、前記浸漬ノズルの吐出口の重心位置における前記浸漬ノズルの外径とし、
θ[°]を、前記浸漬ノズルの吐出角として、
以下の(A)式を満たすことを特徴とする請求項9~14の何れか1項に記載の電磁撹拌装置。
ZL≧ZD+ZH+{(W-D)÷2}×tanθ ・・・(A)
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