JPH0787968B2 - 金属の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、溶融金属を両端が解放された鋳型に連続的
に供給して凝固させていく連続鋳造法、または固体金属
を一旦溶解したのち、同じように連続鋳造する方法に関
し、特に、鋳片の表面に発生する二重肌、未溶着シェル
等の欠陥を少なくし、かつ鋳造の安定化を可能ちする電
磁力利用の連続鋳造法に関する。

（従来の技術） 精錬炉で溶製された溶融金属を連続的に鋳造する場合、
あるいはTiなどの活性金属の固体を真空容器内で再溶解
して直ちに連続的に鋳造する場合、鋳造量に相当する量
の液体状あるいは固体状の原料を鋳型に供給して、連続
鋳造の安定化を図るには原料供給速度の制御が重要であ
り、このため鋳型の入口部に置かれたタンディッシュ内
あるいは鋳型内における液体金属の自由表面の高さを精
度よく検出して溶湯ヘッドを一定に維持する必要があ
る。

従来、液体金属の自由表面を検出する手段としてレー
ザー、超音波、マイクロウェーブ、渦流センサー
などを用いた距離計が知られている。（例えば、「セン
サ実用便覧」フジ・テクシステム（1978）参照。） しかしながら、金属の連続鋳造の場合は、被測定物体が
高温であり輻射光を放射するので、反射光の中からレー
ザー放射光を分離判別することは困難であり、この点に
レーザー距離計の問題が残されている。また、超音波を
利用する方法では、被測定物の雰囲気が高温となる連続
鋳造の場合は気体の音速が被測定物の温度の影響を受け
るので精度の高い測定は困難であり、マイクロウェーブ
を用いる方法でも、測定精度の上で問題がある。更に、
渦流にセンサーを用いる測定方法は、一定距離以下にお
ける被測定物の存在の有無を検出するには都合がよい
が、定量的に距離を検知するのは難しい。

（発明が解決しようとする課題） 鋳型の近傍に交流を通電するコイルを配置し、LC回路の
共振現象を利用してコイル高周波電流を供給し、その
際、電磁気現象を利用して液体金属の形状制御、加熱、
固体原料の溶解などを併せて行う連続鋳造方法では、液
体金属の静水圧が変動するとピンチ効果で縮小した液体
金属の形状も変化する。このため通常の連続鋳造法より
も精度よく液体金属の自由表面位置を検知して、液体金
属の静水圧が一定となるように液体金属あるいは固体金
属の供給量を制御する必要がある。

しかしながら前述のように、高温金属の自由表面位置を
高精度で検知する手段が見当たらず、このため電磁保持
された液体金属の形状変動は避けられない。このような
液体金属の形状変動は、鋳片二重肌、未溶着シェルなど
の表面欠陥の発生原因となり、さらには連続鋳造操作の
安定化を阻害する要因一つとなっていた。

本発明の目的は、液体金属の静水圧の変動を検知する新
手法を見出し、その検出値に基づいて液体金属の静水圧
が一定に維持されるように、液体金属あるいは固体金属
の供給量を鋳造量に見合う適正な値に制御することによ
り表面欠陥の発生を防止し、高品質の鋳片を安定して鋳
造できる方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の要旨は、下記の諸点を特徴とする金属の連続鋳
造にある。

（ａ） 鋳型に液体金属を供給して凝固させるか、また
は鋳型に固体金属を供給して、これを一旦溶解した後凝
固させる金属の連続鋳造方法であって、 （ｂ） 鋳型の近傍に交流を通電するためのコイルを配
置し、LC回路の共振現象を利用してこのコイルに高周波
電流を供給し、 （ｃ） 鋳造操作中に上記のLC回路の共振周波数を検出
し、その共振周波数が予め定めた値になるように液体金
属の供給速度あるいは固体金属の供給速度を調整する。

（作用） 第１図は本発明方法の適用対象となる竪型連続鋳造装置
の一例を示す図であり、（ａ）は装置の縦断面図、
（ｂ）は通電コイルの水平断面（（ａ）のＡ−Ａ線断
面）拡大図である。

第１図に示す構成の鋳造装置を用いて鋳片を製造するに
は、取鍋２内の液体金属１をスライディンゲート３、給
湯ノズル４を介して液体金属自由表面の高さと流動の緩
衝機能を持つタンディシュ５に給湯する。そして、この
タンディシュ５内の液体金属１をさらにタンディシュ５
のヘッダー６および電コイル７を介して鋳型８に給湯す
る。鋳型８の内部には冷却水10が循環しているので鋳型
内面と接触する液体金属１は凝固して凝固シェル９が形
成される。

このような連続鋳造装置において、通電コイル７に高周
波電流を供給すると、コイルと液体金属間にピンチ力が
発生し、通電コイル前面に存在していた液体金属は内側
に押されてその横断面が縮小コイルとタンディッシュ耐
火物およびコイルと鋳型の間を含むコイル前面の領域に
液体金属が存在しない空間（図にＰとして示す）が形成
されて、液体金属は電磁保持される。

後述する第２図に示すように、サイリスタチョッパー電
源などで得られた高周波電流は、LC並列共振回路を介し
て、コイルに流される。その際、供振周波数（以下、f₀
と略記）は、共振回路のインダクタンス（以下、Ｌと略
記）とキャパシタンス（以下、Ｃと略記）が変化すると
公知の の関係式に従って変化する。

第１図に示す連続鋳造装置を用い、後述する実施例１に
示す条件で連続鋳造試験を実施し、その間、短時間スラ
イディングゲートを閉じて鋳片の引抜きを継続してタン
ディッシュ内の液体金属の自由表面の高さ位置を低くし
て、電磁保持された液体金属の形状変化と発振回路の
Ｌ、Ｃおよびf₀との関係を調査した。電磁保持された液
体金属の形状は磁気共鳴における緩和時間の差を検出
し、画像処理を行って観察した。結果は下記のとおりで
ある。

タンディッシュ内の液面が低下して、電磁保持された液
体金属の作用する静水圧が低下すると液体金属の形状は
コイルから離れる方向に変化し、水平断面が縮小する。
一方、LC回路に負荷されるＣは一定であるが、Ｌはわず
かであるが増加する。従って、f₀は前述の関係式から減
少することになる。

その後、スライディングゲートを開いて静水圧を増加す
ると液体金属はコイルに接近し、その際Ｌは減少しf₀は
増加する。

以上の結果から次のような結論が得られる。

一定のコイル電流で電磁保持された液体金属の形状は
その部分に作用する液体金属の静水圧に応じて変化す
る。

電磁保持された液体金属の形状が変動すれば、LC回路
の共振周波数が変動する。

従って、LC回路の共振周波数を測定することにより電
磁保持された液体金属の形状の変化を精度よく検知でき
る。そして、共振周波数の値が、電磁保持された液体金
属に適正形状を与える一定の値になるよう、液体金属あ
るいは固体金属の供給量を制御すると液体金属の静水圧
は一定に保持され、タンディッシュあるいは鋳型内の液
体の自由表面の位置は一定化されるので原料供給量と鋳
造量は等しくなる。

その結果、鋳片の二重肌、未溶着シェル等の表面欠陥
が減少し、高品質の鋳片が安定して製造できる。

第２図はコイルの共振周波数f₀を検出して流量制御を行
うシステムの一例を示す図である。

f₀は、クロック１を組み合わせた周波数カウンタ２を用
いて６桁程度まで正確に計測する。周波数カウンタ２に
はプリセット機能が付いており、電磁保持された液体金
属に適正な形状を与えるのに対応した一定周波数（以
下、f₀ と略記）をここで設定する。電磁保持された液体
金属の形状とf₀の関係はあらかじめ低融点金属などを用
いて調査しておけばプリセットする場合に都合がよい。
即ち、低融点金属を電磁保持してその部分に作用する液
体金属の静水圧を変えてその形状を変化させ、f₀と電磁
保持された液体金属との関係を事前に調査し、これによ
って電磁保持された液体金属に適正な形状を与えるf₀ の
値を求め、その値を周波数カウンタ２にプリセットする
のである。

連続鋳造の操業中、f₀がf₀ より高い場合は、電磁保持さ
れた液体金属の形状が設定値よりコイルに接近し、液体
金属の静水圧の増加していることを示す。この場合は、
レジスタ３、ソリッドステートリレーSSR−１を介して
スライディングゲートのゲート駆動モータ４を閉じる方
向に駆動する。その結果、液体金属の静水圧が低下し、
電磁保持された液体金属は縮小して設定の形状に戻りf₀
はf₀ に等しくなる。f₀とf₀ がほぼ同じ値に保たれている
間は、スライディングゲートの開度はそのそのまま保持
され、液体金属の静水圧も設定値に一定化されているの
で液体金属の供給量は鋳造量に等しくなり、安定した望
ましい操業が実施できることになる。

f₀がf₀ より低くなった場合には、上記とは逆にSSR−２
を介してスライディングゲートのゲート駆動モータ４を
開く方向に駆動し、液体金属の静水圧を上げて望ましい
安定操業状態にする。

上記の方法は、第１図に示すようなタンディッシュを介
して液体金属を供給する連続鋳造装置においてのみなら
ず、後記の第５図に示すような、固体金属を一旦溶解し
てから連続鋳造を行う装置においても利用できる。即
ち、共振現象から得られた高周波電流を利用する連続鋳
造方法の全てにおいて、本発明方法を実施すれば共振周
波数の変化から液体金属の流量を自動的に制御でき、品
質のよい鋳片を製造することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

（実施例１） 第１図に示したような装置を用いて本発明方法を実施し
た。

〔実験条件〕

鋳造鋼種:C:0.2％、Si:0.3％、Mn:0.4％、P:0.02％、S:
0.02％の 低炭素鋼 溶鋼温度:1520℃ 実験装置：第１図に示す竪型連続鋳造装置 溶鋼ヘッド（溶鋼自由表面と通電コイル上端の距離）:4
0〜70mm、 鋳造速度:1.2m/min 鋳片の直径:100mm 通電コイル：内径100mm、外径160mm、高さ30mmであっ
て、一部隅切りした断面が五角形の銅製リング状コイル 鋳型：内径100mm、外径180mm、長さ1000mm、上端におけ
る外径縮小部分の長さ50mmの円筒状銅製鋳型 溶鋼流量制御システム：第２図に示すもので、LC回路の
コンデンサの容量は20μＦ、抵抗は0.1Ω、コイルのイ
ンダクタンスは14μＨ、共振周波数は3kHz程度である。
クロックの周期は10秒であり、周波数を５桁の精度で測
定することができる。

銅製通電コイルおよび銅製鋳型内に常温の水道水を昇圧
して7m/sec以上の流速で供給した後、通電コイルに周波
数30000Hz、電流20000Aの高周波電流を通電した。ジュ
ール熱損失による通電コイルおよび鋳型の発熱はそれ程
大きくなく、冷却水の昇温は２℃以下であった。

続いて鋳型の下方から直径100mm、長さ70mmの母材鋳片
を鋳型内部を通して鋳型の上端を越えない条件で鋳型の
上端近傍まで挿入し、その後直ちにタンディシュを介し
て溶鋼を鋳型内に供給するとともに、母材鋳片を1.2m/m
inの速度で連続的に引き抜いた。引抜き時間はおよそ20
分であった。この間LC回路の共振周波数の経時変化およ
び取鍋のスライディングゲートの制御状況を第３図に示
す。

周波数カウンタは、１クロックインタバルτの間の信号
を積算し、共振周波数プリセット値f₀ と比較してon−of
fの信号を出力するように構成されている。図に示すよ
うに、第１および第３クロックインタバルの係数の終わ
りに近い時刻T₁およびT₄において、f₀の測定値がプリセ
ット値f₀ を超え、電磁保持された液体金属が設定値より
コイルに接近し、液体金属の静水圧が増加していること
が検知されている。時刻T₁およびT₄においては、周波数
カウンタ出力がonとなり、ゲートが駆動されて‘閉’の
状態に保持される。

第２クロックインタバルの終わりの時刻T₃では、f₀の測
定値がプリセット値f₀ より低く、液体金属の静水圧が減
少していることが検知されている。従って、時刻T₃にお
いては、周波数カウンタ出力はonとならず、第３クロッ
クインタバルのレジスタ出力がoffとなり、ゲートが駆
動されて‘閉’の状態に保持される。

以上のフィードバック制御を行った結果、鋳造中におけ
るf₀の変化は数ヘルツ以下であった。

鋳型内におる溶鋼と凝固シェル、鋳型およびタンデッシ
ュの耐火物との接触状態を観察するために、磁気共鳴に
おける緩和時間の差を検出して画像処理を行った。鋳型
内における溶鋼は第１図（ａ）にしめすようにタンディ
シュと通電コイルの接合部、および通電コイルと鋳型の
間隙に接触しておらずピンチ力により通電コイルの周囲
から溶鋼が排除されていることが判明した。また、電磁
保持された液体金属の形状はほぼ一定に保持された。

実験終了後、鋳片の表面および内部の観察を行ったとこ
ろ、コールドシャットに起因する表面疵は皆無であり、
内部組織にも中心偏析や内部割れが存在せず極めて良質
の鋳片であった。

（実施例２） 第４図に示す装置を使用して、本発明方法を実施した。
なお、この装置については、本出願人が特願平１−2724
61として特許出願している。

第４図（ａ）は、竪型連続鋳造装置の縦断面図、（ｂ）
は（ａ）図のＡ−Ａ矢視水平断面図拡大図である。この
装置は、タンディッシュ５の給湯ノズル５−１、鋳型８
および液体金属１が同時に接する部分（以下、三重点と
記す）がある鋳型の上部に、鋳造方向に沿ってスリット
部12を形成し、それを周回して通電コイル７を装置して
ある。このスリット付きの鋳型には強い誘導電流が生起
するので、二次的に生ずる鋳型−液体金属間のピンチ力
を利用すると三重点付近の磁束密度も高まり、三重点付
近の液体金属が排斥されてその部分に液体金属の無い空
間Ｐができる。これによって三重点から発生する表面欠
陥を発生を効果的に防止することができる。

上記の装置により丸鋳片を製造した。装置の緒元および
鋳造条件は下記のとおりである。

鋳造鋼種：実施例１と同じ 溶鋼温度:1,520℃ 実験装置：第４図に示す竪型連続鋳造装置、 溶鋼ヘッド（溶鋼自由表面から鋳型三重点までの距
離）:40〜70mm 鋳造速度:1.2m/min 鋳片直径:100mm 給湯ノズル内径:80mm 鋳型：内径100mm、外径130mm、長さ1,000mm、 鋳型スリット：幅1mm、長さ100mm、個数32個、 通電コイル：内径150mm、外径210mm、高さ30mm、の銅製
水冷コイル、 通電コイルに流れる実効電流:20,000A、 高周波電流の周波数:20kHz、 溶鋼流量制御システム：前記第２図に示したもので、LC
回路のコンデンサの容量は56μＦ、抵抗は0.1Ω、コイ
ルのインダクタンスは1.4μＨ、共振周波数は18kHz程度
である。

鋳造に際しては鋳型８と通電コイル７に常温の冷却水を
供給しつつ、鋳型８の下方から直径100mm、長さ70mmの
ダミーバーを供給ノズルの下端部まで挿入した。そのあ
と溶鋼１をタンディシュ５から供給ノズルを介して鋳型
内に給湯して凝固シェル９を形成させ、それを1.2m/min
の速度で20分間連続して引き抜いた。

この間、実施例１と同様に第３図に示すような制御を実
施した。その際、三重点における溶鋼の排除状況を観察
するために磁気共鳴の緩和時間差を検出して画像処理を
行った結果、三重点に溶鋼の存在しない空洞Ｐが形成さ
れていた。空洞の大きさおよびタンディシュ内の溶鋼ヘ
ッドはほぼ一定に保持されていることが確認された。

鋳造終了後、鋳片の表面および内部を検査したところ、
コールドシャットに起因する表面欠陥は全くなく、偏析
や割れなどの内部欠陥もにない品質のきわめて良好な鋳
片であった。

（実施例３） この実施例は、第５図に示す溶解るつぼを兼ねた水冷銅
製鋳型を使用して、固体金属を溶解し、直ちに連続鋳造
する例である。溶解された金属は鋳型壁に接触しないよ
うに電磁保持され、鋳型下方で凝固して引き抜かれてい
く。なお、第５図に示す装置についても本出願人が平成
１年１月29日付けで特許出願している。

この実施例では、チタンを溶解し連続鋳造した。

第５図（ａ）は、用いた装置の縦断面、（ｂ）は（ａ）
図のＡ−Ａ矢視水平断面図である。装置の緒元および鋳
造条件は下記のとおりである。

〔溶解鋳造装置緒元〕

銅製鋳型8:高さ180mm、内径60mm、標準外径100mm、 鋳型上部領域８−1:高さ50mm、中空構造（内部は冷却水
10が通過） 鋳型中間部領域８−2:近似的に台形の横断面を有する16
個の中空セクターによって構成され内部は冷却水10が通
過。セクター間のスリット12に耐火物を充填。

セクター：高さ50mm、内径60mm、最小外径80mm（セクタ
ーのほぼ中間高さにおいて）最大外径100mm 鋳型下部領域８−3:高さ80mm、中空構造（内部は冷却水
10が通過） Ar導入細孔13:ルツボの下部領域に冷却水流路と独立し
て設けた細孔。セクター間のスリット部分に充填された
耐火物内の細孔を介してルツボの内側に開孔している。

誘導コイル7:肉厚5mm、高さ30mm、冷却水の通過断面積3
00mm²の銅管、図示のようにセクターの外周形状に沿っ
て平均直径120mmで一重に巻き付けられている。

溶鋼流量制御システム：前記第２図に示したもので、LC
回路のコンデンサの容量は56μＦ、抵抗は0.1Ω、コイ
ルのインダクタンスは1.4μＨ、共振周波数は18kHz程度
である。

原料供給量の制御：ロータリーフィーダー。

上記装置を用いてチタン鋳片を製造した。

まず、引抜き棒16の先端にチタンの母材を取付け、その
上面を誘導コイルの高さの中程に設置した。高周波発振
器の出力の増加とともにチタン母材の上端部は溶解を開
始する。その際、同時にAr導入細孔13から流量10/min
〜100/minのArガスを鋳型内に供給し、排気口15から
系外に取り出し、雰囲気調整容器14内を大気圧と同圧の
不活性雰囲気とした。この状態で高周波発振器の出力を
定格値55kwまで高めた。

溶湯ドームＭの頂部が誘導コイルの頂部に到達してか
ら、フィーダーＦから固体原料（チタンチップ）Ｇを20
0g/minの供給速度で供給し、引抜き棒16を1.6cm/minの
速度で引き降ろした。

この操作中、前述の第３図に示す手順で、フィーダーＦ
の出力を制御して、チタンチップＧの供給速度を微調整
すると溶湯ドームＭの自由表面の高さ位置はほぼ一定と
なり、溶湯とルツボ内壁の距離は2mm以上に維持され
た。36分後、O₂:2000ppm、C:230ppm、N₂:105ppm、Cu＜2
0ppm、Ti:残りの組成を有する表面状態および内質とも
に良好な6.5kgのインゴットが得られる。

なお操業中、短時間固体金属Ｇの投入を停止して引抜き
を続けたときのf₀の変化を測定した。液体金属の自由表
面高さが1mm低下するとf₀は10Hz増加した。f₀計測の最
大誤差は±0.1Hzであり、液体金属の自由表面高さの変
動を1mm以下に保持することは容易である。

（発明の効果） 前述のとおり、本発明の連続鋳造方法によれば、電磁保
持された液体金属の形状および液体自由表面の高さ位置
を一定に保持した操業が可能となり、原料供給量は鋳造
量と等しくなるように制御できるので、コールドシャッ
トによる表面欠陥や偏析などのないすぐれた連続鋳造鋳
片を安定して製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明方法を実施する竪型連続鋳造装
置の一例の縦断面を示す図、 第１図（ｂ）は、第１図（ａ）のＡ−Ａ矢視水平断面拡
大図、 第２図は、本発明を実施をするための原料供給速度の制
御システムの一例を示す図、 第３図は、本発明方法を実施した連続鋳造中のLC回路の
共振周波数の経時変化および取鍋のスライディングゲー
トの制御状況を示す図、 第４図（ａ）は、本発明を実施する竪型連続鋳造装置の
他の一例の縦断面を示す図、 第４図（ｂ）は、第４図（ａ）のＡ−Ａ矢視水平断面拡
大図、 第５図（ａ）は、本発明を実施するのに用いた固体金属
の溶解電磁保持連続鋳造装置の縦断面を示す図、 第５図（ｂ）は、第５図（ａ）のＡ−Ａ矢視水平断面
図、である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋳型の近傍に交流を通電するためのコイル
   を配置し、LC回路の共振現象を利用してこのコイルに高
   周波電流を供給するとともに、鋳型内で液体金属を凝固
   させるか、または固体金属を一旦溶解した後凝固させる
   金属の連続鋳造方法において、LC回路の共振周波数を検
   出し、その共振周波数が予め定めた値になるように液体
   金属の供給速度あるいは固体金属の供給速度を調整する
   ことを特徴とする金属の連続鋳造方法。