JPH0639503A - 連続鋳造工程における溶鋼制御加熱方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】発熱体の内部の熱のこもりを抑え得、発熱体の
軸方向における単位長さあたりの投入電流を３０〜６５
Ａ／ｃｍと大電流化すること。 【構成】マグネシアを主成分とし半径方向における肉厚
を７ｍｍ〜１５ｍｍに設定した円筒状の発熱体２と発熱
体２の中央孔に装備された電極部３とからなるヒ−タ装
置１を用い、ヒ−タ装置１をその下端部から溶鋼に浸漬
した状態で、発熱体２の軸方向における単位長さあたり
の投入電流を３０〜６５Ａ／ｃｍで通電し、溶鋼を加熱
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は連続鋳造工程における溶
鋼制御加熱方法に関し、連続鋳造工程で使用されるタン
ディシュ内に保持された溶鋼を加熱して、その溶鋼の温
度調整を行う溶鋼制御加熱方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】連続鋳造法では、とりべから例えば１４
５０〜１６００℃程度の溶鋼をタンディシュに１次的に
うけ、タンディシュの吐出口から溶鋼を水冷鋳型に注入
して冷却固化し、冷却スプレ−帯による冷却の後、冷却
固化した部分をピンチロールで引張り、所定の長さに切
断し、これによりスラブやビレットなどを製造してい
る。上記した連続鋳造方法では、分塊圧延法に比較して
製造される製品の品質は向上しており、歩留も向上して
いる。しかし、近年、鉄鋼製品では一層の高品質化が要
求されているため、連続鋳造方法でも鉄鋼製品の高品質
化のため開発が鋭意進められている。

【０００３】ところで上記した連続鋳造方法では、鉄鋼
の溶鋼をタンディシュに１次的に受ける関係上、タンデ
ィシュ内で鉄鋼の溶鋼の温度が低下しがちであった。特
に連続鋳造する際、鋳造開始から時間が例えば５０〜８
０分間経過した鋳造末期では溶鋼の温度が数〜数１０℃
程度場合によってはそれ以上低下する。ここで、タンデ
ィシュは溶鋼が凝固する直前の最終容器であるため、タ
ンディシュ内の溶鋼温度は鉄鋼製品の表層下介在物指
数、炭素の中心偏析指数に大きな影響を与え、従って、
鉄鋼製品の高品質化に大きな影響を与える。故に、タン
ディシュ内の溶鋼が数〜数１０℃程度低下する場合であ
っても、品質管理上好ましくない。

【０００４】そこで、近年、鋭意研究の結果、本発明者
は、図７に示すような溶鋼に浸漬される溶鋼浸漬用ヒ−
タ装置を開発した。この溶鋼浸漬用ヒ−タ装置１００
は、マグネシアが常温域では電気絶縁材料であるが、鋼
の融点付近の１５００°Ｃ程度では導電性をもつこと、
溶鋼温度域での必要な固有抵抗値が得られること、マグ
ネシアが溶鋼に侵入したときにおける鋼への影響性が少
ないこと、価格、毒性等の要因に着目したものであり、
図７に示す様に、マグネシアを主成分とする筒状の発熱
体２００と、発熱体２００の中央孔に装備された電極部
３００とで構成されている。そして、図７に示す様にヒ
−タ装置１００を２個用い、２個１組のヒ−タ装置１０
０をタンディシュ４００内の溶鋼Ｗに浸漬した状態で、
ヒ−タ装置１００と溶鋼Ｗとの間に電圧を印加し、発熱
体２００の発熱で溶鋼Ｗを加熱する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したヒ−タ装置で
は、発熱体２００の発熱量を大きくする必要がある。発
熱量は抵抗値と電流値の二乗に比例し、（Ｑ＝ＫＲ
Ｉ² 、Ｑは発熱量、Ｋは定数、Ｒは抵抗値、Ｉは電流
値）、そのため、発熱体２００の半径方向における抵抗
値を増加させるべく、発熱体２００の半径方向の肉厚を
１０ｃｍ程度と厚く設定していた。この様に厚く設定す
ると、発熱体２００の半径方向における抵抗値を大きく
でき、従って発熱体２００の発熱量が増加するので、溶
鋼を効果的に加熱できる。

【０００６】しかしながら、ヒータ装置１００において
内部の熱が局部的に溜まり、局部的な高温部分が生じる
ことがある。この様な局部的な高温部分が一旦発生する
と、高温部分はますます高温となり、発熱の暴走現象が
発生する。即ち、発熱体２００を構成するマグネシアは
１５００°Ｃ付近において温度が高くなると、固有抵抗
値が低下する特性をもつので、高温化により電流が多く
流れる様になり、これによりＰ＝ＫＲＩ² の関係式に従
い、ますます局部的な高温部分が高温化するものであ
る。従って発熱体の肉厚が厚いと、溶鋼加熱に必要な電
流を投入できにくいものである。

【０００７】本発明は上記した実情に鑑みなされたもの
であり、その目的は、マグネシアを主成分とする発熱体
の発熱の暴走を回避するのに有効で、しかも溶鋼を効率
よく加熱でき、溶鋼の温度維持に有効な連続鋳造工程に
おける溶鋼制御加熱方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者はかかる目的の
もとに発熱体の発熱の暴走を回避すべく鋭意開発を進
め、そして、次の伝熱基礎式（１）に基づき発熱挙動を
シュミレーションした。 ここで、Ｃ_p は比熱であり、Ｔは温度であり、ｔは時間
であり、ｋは比例定数であり、ｒは半径であり、ρは比
重であり、Ｊは電流密度であり、σは導電率である。な
お、発熱体の抵抗Ｒ（Ω）は、発熱体を構成する材料の
固有抵抗値（Ωｃｍ）と発熱体の肉厚ｔ（ｃｍ）とに影
響される。

【０００９】そして、図３に示す様に、発熱体の外径を
１２ｃｍとし、さらに、発熱体の半径方向における肉厚
が１ｃｍのものを試片Ｄ１とし、発熱体の半径方向にお
ける肉厚が３ｃｍのものを試片Ｄ３とし、発熱体の半径
方向における肉厚が５ｃｍのものを試片Ｄ５とし、発熱
体への投入電流値と発熱体の実際の抵抗との関係を把握
した。また発熱体への投入電流と発熱体の発熱量との関
係も把握した。

【００１０】図３から理解される様に、マグネシアを主
成分とする発熱体の固有抵抗値は本来的には３０Ωｃｍ
以上と高いが、試片Ｄ５では、発熱体の肉厚が厚いの
で、投入電流が増加すると、図３の特性線Ｄ５に示す様
に固有抵抗値が急激に低下すること、また、試片Ｄ１で
は、発熱体の肉厚が薄いので、投入電流が増加しても、
特性線Ｄ１に示す様に抵抗値があまり低下しないことが
知見された。これは、実験により確認されている。上記
した様に発熱体の厚みが厚いと、特性線Ｄ５に示す様な
抵抗急激低下特性が得られる理由は、発熱体を構成する
マグネシアは１５００°Ｃ付近において温度が高くなる
と、固有抵抗値が急激に低下する特性をもつので、熱が
内部に溜まり易い厚肉の発熱体では、熱のこもりに起因
する高温化により実際の固有抵抗値が急激に低下したも
のと推察される。

【００１１】また図３の特性線Ｄ１から理解される様
に、発熱体の肉厚が１ｃｍの場合には、熱が内部にこも
りにくく、従って図４の特性線Ｄ１から理解される様
に、投入電流を大きくできるので、発熱体の軸方向の単
位長さ（１ｃｍ）における発熱量を７〜８ｋｗ／ｃｍを
越えるまで発熱させることができる。これに対して図４
の特性線Ｄ５から理解できる様に、熱が内部にこもり易
い試験片Ｄ５では、投入電流が１５Ａ／ｃｍ程度で発熱
量が３ｋｗ／ｃｍ程度においてすらも、発熱体で局部的
な溶融部分が生じてしまう。

【００１２】そこで本発明者は図３、図４に示す特性線
Ｄ１に基づき、マグネシアを主成分とする発熱体の半径
方向における肉厚を、１ｃｍ程度、即ち７ｍｍ〜１５ｍ
ｍと薄く設定するとともに、発熱体の軸方向における単
位長さ（１ｃｍ）あたりの投入電流を３０〜６５Ａ／ｃ
ｍと設定すれば、溶鋼を効果的に加熱できると共に発熱
体の発熱の暴走の回避に有効であることを知見し、実験
で確認した。本発明はかかる知見、確認に基づき完成さ
れたものである。

【００１３】即ち、本発明にかかる連続鋳造工程におけ
る溶鋼制御加熱方法は、マグネシアを主成分とする有底
筒状の発熱体と発熱体の中央孔に装備された丸棒状の電
極部とからなるヒ−タ装置を用い、ヒ−タ装置の発熱体
の肉厚を７ｍｍ〜１５ｍｍに設定し、ヒ−タ装置をその
下端部からタンディシュ内の溶鋼に浸漬した状態で、発
熱体の軸方向における単位長さあたりの投入電流を３０
〜６５Ａ／ｃｍで通電し、溶鋼を加熱することを特徴と
するものである。投入電流の単位Ａ／ｃｍとは、円筒状
の発熱体の軸方向における単位長さ１ｃｍあたりでの発
熱体の半径方向に投入する電流値を意味する。

【００１４】本発明で用いるヒータ装置の発熱体はマグ
ネシアを主成分として形成されている。この場合マグネ
シア（ＭｇＯ）、マグネシアとジルコニア（ＺｒＯ₂ ）
との混合体、マグネシアとジルコニアとアルミナ（Ａｌ
₂ Ｏ₃ ）との混合体で構成できる。ここで、アルミナ
は、マグネシアの熱衝撃性を抑制するのに有効であり、
また、抵抗値を制御するのに有効である。ジルコニアは
耐熱性、衝撃性、熱間特性及び抵抗値の制御に有効であ
る。マグネシアとジルコニアとアルミナとの混合体を用
いる場合には、熱衝撃性、熱膨張性、固有抵抗値等を考
慮すると、その配合割合は例えば、重量％で、マグネシ
アが６０〜１００％、特に８５〜９５％が好ましく、ジ
ルコニアが０〜４０％。特に５〜２．５％が好ましく、
アルミナが０〜４０％、特に２．５〜１５％が好まし
い。溶鋼の加熱において、発熱体の固有抵抗値は１５０
０℃付近で、５０Ωｃｍ以上であることが望ましく、特
に２００Ωｃｍ以上であることが望ましく、例えば、一
例として、その固有抵抗値が３６０Ωｃｍ程度のものを
採用することができる。

【００１５】

【表１】 なお、表１に示す様な配合組成でサンプルＲ−１〜Ｒ−
９を作製し、各サンプルについて温度と固有抵抗との関
係を調べ、図５に示した。前述した様に、溶鋼の場合に
は、温度１５００〜１６００°Ｃの領域において、発熱
体の固有抵抗値は目標値としては２００Ωｃｍ以上が望
ましい。そのため図５から理解できる様にサンプルＲ−
７、Ｒ−８が好ましい。また、発熱体を形成するマグネ
シアの粒度は抵抗値、電流の偏流化に影響を与えること
があり、そのため最大粒径は０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度が
望ましく、特に０．７ｍｍ〜３ｍｍ程度が望ましい。

【００１６】発熱体の肉厚は７〜１５ｍｍに設定する。
薄すぎると、溶鋼加熱に必要な抵抗値を確保できない
し、厚すぎると熱がこもり、発熱の暴走をきたす。本発
明で用いるヒータ装置の電極部は、発熱体に電気を流す
ためのものである。電極部の材質は導電率、熱伝達率等
を考慮して選択する。この場合、導電率を高くし熱伝達
率を小さくすることができる。但し、物質は一般的に
は、導電率が高くなると、熱伝達率も高くなる傾向にあ
るので、単一の材料で電極部を形成するよりも導電率の
高い材料と熱伝達率の小さい材料とを適宜組合せて、電
極部の導電性を確保しつつ、電極部の見掛けの熱伝達度
合を小さくすることができる。

【００１７】本発明では、上記の肉厚に設定されたヒ−
タ装置をその下端部からタンディシュ内の溶鋼に浸漬し
た状態で、発熱体の軸方向における単位長さあたりの投
入電流を３０〜６５Ａ／ｃｍで通電し、タンディシュ内
の溶鋼を加熱する。投入電流は、溶鋼の温度に応じて適
宜調整する。投入当初は、電流値の増加速度を小さくす
ることが好ましい。

【００１８】

【実施例】本発明にかかる連続鋳造工程における溶鋼制
御加熱方法の一実施例について説明する。本実施例にか
かるヒ−タ装置１を図１に示す。このヒ−タ装置１はシ
リンダタイプであり、円筒状の発熱体２と、丸棒状電極
部３とで構成されている。発熱体２は、重量％で、マグ
ネシア９０％、ジルコニア５％、アルミナ５％、不可避
の不純物を含有する混合セラミックスで形成されてお
り、すなわち前記したサンプルＲ−７の材質で形成され
ている。発熱体２は、フランジ状の基端部２０と、基端
部２０につながる中央部２１と、中央部２１につながる
３次元曲面形状つまり半球状の先端部２２とから構成さ
れている。中央部２１の肉厚は実質的に一定である。こ
こで本実施例では、発熱体２の軸方向の全体の長さＬ１
が８００ｍｍ程度、中央部２１の長さＬ２が６３５ｍｍ
程度、先端部２２の長さＬ３が３５ｍｍ程度、中央部２
１の外径が７０ｍｍ、中央部２１の内径が５０ｍｍ、従
って中央部２１の半径方向における肉厚が１０ｍｍであ
る。なお基端部２０がフランジ状であるのはホルダで保
持するためである。

【００１９】棒状電極部３は炭素質で形成されており、
その外径は約５０ｍｍ程度、その全長が８５０ｍｍ程度
である。また発熱体２の内周部と棒状電極部３の外周部
との間には、炭素粉末を装填した薄肉状の導電層４０
（厚み１．５ｍｍ程度）が介在している。導電層４０は
発熱体２の内周部と棒状電極部３の外周部との間におい
て電気的接触性、熱的接触性を確保するのに役立つ。導
電層４０の固有抵抗値は１５００℃において６６００Ω
ｃｍである。炭素粉末は平均粒径が４０μｍ〜６０μｍ
であり、発熱体２と電極部３とを周方向に相対回転させ
つつ両者間の隙間に炭素粉末を装填して構成した。な
お、導電層４０のうち電極部３の下方の底部位４ａは比
較的厚くされている。

【００２０】本実施例の溶鋼浸漬用ヒ−タ装置１は次の
ように製造した。即ち、原料セラミックス粉末（最大粒
径３ｍｍ）を所定の配合割合で調整した後、水を加えて
スラリを形成する調整工程、スラリを型のキャビティに
流し込んで成形する成形工程、成形した成形体を型から
外した後に養生し、更に１５０℃で１５時間乾燥する乾
燥工程、乾燥した成形体を１６５０℃で１０時間加熱し
て焼結する焼結工程とを順に実施して製造した。尚、発
熱体２の成形法についてはラバープレス法、機械成形法
も可能である。

【００２１】そして図７の場合と同様に、ヒ−タ装置１
を２個用い、各ヒ−タ装置１の棒状電極部３の上端部に
導線をバンドで固定して電源につなぐと共に、ヒ−タ装
置１を容器内の溶鋼Ｗに浸漬した。この状態で２個の電
極部３と溶鋼Ｗとの間に電圧を印加し、周波数６０Ｈｚ
の電流を流す。この場合、溶鋼の温度に応じて、電圧は
０Ｖから４４０Ｖまで適宜印加し、投入電流は０Ａ／ｃ
ｍから６７Ａ／ｃｍまで適宜流した。この結果、ヒ−タ
装置１の発熱体２が発熱して溶鋼Ｗが加熱される。投入
電流は図４に示す特性線Ｄ３を基準として行った。

【００２２】なお、溶鋼の容量が増した場合には、発熱
体２の軸方向における長さを長くしたヒータ装置１を用
い、発熱体２の溶鋼への浸漬長さを増加すれば、前述同
様に、電流値２５Ａ／ｃｍから６７Ａ／ｃｍ流がせば、
発熱量を増加できるので、溶鋼の増量化に対処できる。
本実施例では、発熱体２の中央部２１の肉厚が薄いの
で、発熱体２の内部に熱がこもりにくく、従って投入電
流を２５Ａ／ｃｍから６７Ａ／ｃｍと大きくできる。ま
た発熱体２の中央部２１の半径方向における肉厚は一定
であるため、発熱体２から溶鋼へと流れる電流の偏流化
防止に有効である。また本実施例では、発熱体２の先端
部２２は３次元曲面形状としての半球状であり、電流が
集中しやすい角部が形成されていないので、電流の偏流
化防止に一層有利である。

【００２３】次に、連続鋳造工程について説明する。ま
ず、連続鋳造工程で使用する連続鋳造装置について説明
する。この連続鋳造装置は、図６に示すように、鉄鋼溶
鋼を保持する容器としてのタンディシュ５０と、タンデ
ィシュ５０よりも下方に配置された水冷鋳型５１と、冷
却スプレ−帯５２と、ピンチロール５３と、整直ロ−ル
５４とで構成されている。なお、タンディシュ５０は、
溶鋼を５ｔ程度保持する容量である。

【００２４】次に連続鋳造する際について説明する。ま
ず、図１に示すヒ−タ装置１を２個用い、各ヒ−タ装置
１の発熱体２をバーナーで加熱して８００〜１２００℃
程度に予熱する。このようにヒ−タ装置１を予熱した状
態で、とりべ５５から移されてタンディシュ５０に保持
されている１５００〜１６００℃程度の高温の溶鋼に２
個のヒ−タ装置１を先端部２２から浸漬する。とりべか
ら移されたタンディシュ５０内の溶鋼は図６に示すよう
に吐出口５０ａに向けて流れ、水冷鋳型５１に落下す
る。前記のように溶鋼を浸漬する前にヒ−タ装置１を予
熱すれば、発熱体２の急熱を防止でき、発熱体２に亀裂
が生じることを極力抑制することができる。なお発熱体
２に亀裂が生じた場合には、溶鋼と電極部３とが直接に
導通し、発熱体２の発熱量が小さくなり、ヒ−タ装置１
を有効に利用できない不具合が生じる。上記した予熱に
より、マグネシアを主成分とする高温度領域で導電性を
帯びる発熱体２の導電性を確保できる。

【００２５】上記のようにヒ−タ装置１を浸漬した状態
で、２個の電極部３の端子を交流電源に接続し、端子間
について１００〜６００Ｖの電圧を印加する。これによ
りタンディシュ５０に保持されている溶鋼を介してヒ−
タ装置１の発熱体２の間で、周波数６０Ｈｚの電流を流
す。なお加熱当初は、緩やかに加熱することが好まし
い。発熱体２への電流量は２５Ａ／ｃｍ〜６７Ａ／ｃｍ
程度である。これにより発熱体２は高温に発熱する。し
たがってタンディシュ５０内に保持された溶鋼は、加熱
されて約１〜３０℃昇温し、温度調節される。このよう
にタンディシュ５０内で温度調整された溶鋼は、タンデ
ィシュ５０の吐出口５０ａから吐出され、水冷鋳型５１
で冷却固化され、さらに冷却スプレ−帯５２からの冷却
水の噴出で冷却され、冷却固化したものはピンチロール
５３で下方に引張られる。その後は切断機により所定の
長さに切断される。

【００２６】上記のように本適用例では、ヒ−タ装置１
でタンディシュ５０内に保持した溶鋼を加熱して溶鋼の
温度調整できるので、タンディシュ５０に保持した溶鋼
の温度を適切に確保することができ、連続鋳造方法で製
造したブルーム、ビレットなどの製品の品質を向上する
のに有利である。本発明方法で使用する他のヒータ装置
を図２に示す。このヒータ装置は前記したものと基本的
には同じ構成であり、同じ様に使用する。ただし、電極
部３のうち、溶鋼Ｗの液面Ｗ１０付近の外径ｄ３（具体
的には２７ｍｍ）は下部の外径ｄ４（具体的には４７ｍ
ｍ）よりも小さく設定されている。したがって導電層４
のうち、溶鋼Ｗの液面Ｗ１０付近の導電層部分４ｅの肉
厚は１０ｍｍで半径方向で厚肉化されており、下部の導
電層部分４ｆよりも半径方向における抵抗値が大きく、
よって導電性は低下している。そのため、発熱体２のう
ち、溶鋼Ｗの液面Ｗ１０付近の発熱量を抑えることがで
き、発熱体２の溶鋼Ｗの液面Ｗ１０付近の溶損を抑える
のに有利である。勿論、この発熱体２の肉厚は１ｃｍと
薄いので、熱のこもりを抑え得る投入電流を大きくでき
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明にかかる連続鋳造工程における溶
鋼制御加熱方法によれば、発熱体の半径方向における肉
厚を薄く設定しているので、発熱体における熱のこもり
を抑え得、従って発熱体の軸方向における単位長さあた
りの投入電流を３０〜６５Ａ／ｃｍと大電流化でき、よ
って発熱体の発熱の暴走を抑えつつ溶鋼を加熱できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヒータ装置の断面図である。

【図２】他の実施例にかかるヒータ装置の断面図であ
る。

【図３】発熱体の肉厚を変えた場合における発熱体への
投入電流と発熱体の抵抗値との関係を示すグラフであ
る。

【図４】発熱体の肉厚を変えた場合における発熱体への
投入電流と発熱体の発熱量との関係を示すグラフであ
る。

【図５】マグネシアを主成分とする発熱体の温度と固有
抵抗値との関係を示すグラフである。

【図６】連続鋳造工程における構成図である。

【図７】従来のヒータ装置で溶鋼を加熱している状態の
断面図である。

【符号の説明】

図中、１はヒータ装置、２は発熱体、３は電極部を示
す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 吉成 岐阜県瑞浪市寺河戸町1113の２ (72)発明者 小島 榮藏 愛知県東海市加木屋町小家の脇４−11

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マグネシアを主成分とする円筒状の発熱体
   と該発熱体の中央孔に装備された丸棒状の電極部とから
   なるヒ−タ装置を用い、 該ヒ−タ装置の発熱体の半径方向における肉厚を７ｍｍ
   〜１５ｍｍに設定し、 上記の肉厚に設定された該ヒ−タ装置をその下端部から
   タンディシュ内の溶鋼に浸漬した状態で、該発熱体の軸
   方向における単位長さあたりの投入電流を３０〜６５Ａ
   ／ｃｍで通電し、溶鋼を加熱することを特徴とする連続
   鋳造工程における溶鋼制御加熱方法。