JPH08132185A

JPH08132185A - 連続鋳造用鋳型

Info

Publication number: JPH08132185A
Application number: JP27266494A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kokita; 雅彦小北; Hitoshi Nakada; 等中田; Kenzo Ayada; 研三綾田; Hiroyuki Yasunaka; 弘行安中; Kiyoshi Ebina; 清蝦名
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1994-11-07
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 1996-05-28

Abstract

(57)【要約】【目的】少ない電磁力でより大きな表面品質の改善を
図ることのできる連続鋳造用鋳型を提供する。【構成】金属製鋳型１０を用いて溶鋼１１の凝固メニ
スカス近傍に電磁気を印加し、連続鋳造を行う電磁界鋳
造装置において、金属製鋳型１１の熱伝導率より小さい
熱伝導率を有し、溶鋼１１から金属製鋳型１への抜熱を
抑制するための低熱伝導率層１３を、電磁コイル１２と
対応させて金属製鋳型１１内面に形成したことを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属製鋳型を用い溶鋼
に電磁気を印加しながら連続鋳造を行う電磁界鋳造装置
に関し、より詳しくは連続鋳造用鋳型に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】鋳片の表面層の品質を改善する目的とし
て、図１２に示すように、溶湯１のメニスカス近傍に電
磁コイル２を配置し、高周波の電磁力を作用させる電磁
界鋳造方法が提案されている。この鋳造方法によれば、
鋳片３表面の平滑度を改善することができ、また、表皮
下凝固組織を改善できることが知られている。

【０００３】同図に示す金属製鋳型４を用いた鋳造にお
いては、溶湯１に電磁界によるピンチ力が作用すること
により、溶湯形状が保持され、溶湯１と金属製鋳型４と
の接触圧が低減される。接触圧が低下されたその金属製
鋳型４と鋳片３と間隙には潤滑剤としてのパウダー流入
が促進され、金属製鋳型４は、オッシレーション機構に
よって少ない抵抗により上下動し、鋳片を連続的に製造
するようになっている。なお、パウダーはメニスカスを
保温するためのものでもあり、オッシレーション条件は
上記パウダーの流入と密接に関係している。

【０００４】このような電磁界鋳造方法においては、生
産性の向上，省エネルギーを目的として鋳造速度を増加
する傾向があり、鋳造速度を高め、且つ高品質の鋳片が
得られる電磁界鋳造技術が検討されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、鋳造速
度を速めた場合、上記したパウダーの安定流入が得られ
なくなり、表面品質が劣化する恐れがあるという問題が
ある。また、従来の電磁界鋳造方法では、溶湯メニスカ
ス近傍において電磁力を作用させることにより鋳片の表
面平滑度，表皮下凝固組織の改善は図れるものの、これ
を実施するには大きな電磁力を供給することのできる装
置が必要になるという問題があった。即ち、鋳片の表面
近傍の品質を改善することを目的とする場合、鋳片がメ
ニスカス部で失うヒートフラックスを減少させ、且つロ
ーレンツ力を作用させることが必要である。しかしなが
ら、通常の状態では、このローレンツ力とヒートフラッ
クスの関係は１：１でしか制御することができないた
め、品質は頭打ちとなっている。従って、表面品質の改
善にも限界があるため十分な改善効果が期待できないと
いう問題があった。

【０００６】さらにまた、大断面の鋳型を想定した場合
は、高周波，高出力の電源を製作するには困難が伴うこ
とから、経済的に印加できる電力量はおのずと制限され
ることになり、結局は従来の構成による電磁力を印加し
て鋳造せざるを得ず、表面品質の十分な改善は得られて
いない。

【０００７】本発明は以上のような従来の電磁界鋳造設
備の課題を考慮してなされたものであり、表面品質を低
下させることなく鋳造速度を速めることができ、少ない
電磁力でより大きな表面品質の改善を図ることのできる
連続鋳造用鋳型を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、金属製鋳型を
用いて溶鋼の凝固メニスカス近傍に電磁気を印加し、連
続鋳造を行う電磁界鋳造装置において、金属製鋳型の熱
伝導率より小さい熱伝導率を有する低熱伝導率層を、金
属製鋳型内面に形成した連続鋳造用鋳型である。

【０００９】本発明において、溶鋼から金属製鋳型へ流
れる熱流束が２００ｋＷ／ｍ² 〜１０００ｋＷ／ｍ² の
範囲となるように低熱伝導率層を形成することが好まし
い。本発明における低熱伝導率層の一例としてはセラミ
ックが示され、金属製鋳型内面におけるメニスカス接触
位置より下方で且つ５０mm長さに形成することができ
る。

【００１０】

【作用】本発明では、金属製鋳型の内面に、その熱伝導
率よりも低い熱伝導率からなる低熱伝導率層が形成され
ているため、鋳片から鋳型冷却水への抜熱が抑制され、
凝固開始時間を遅延させることができ、緩冷却によって
凝固シェルの成長が抑制できる。抜熱量が抑制できるこ
とにより、低い電磁気力であっても凝固殻の成長を抑制
するに足りる発熱が得られ、表面粗さに影響のある凝固
殻の薄い層にローレンツ力を作用させることができる。

【００１１】

【実施例】以下、図面に示した実施例に基づいて本発明
を詳細に説明する。本発明は鋳造速度を高めても高品質
の製品を得ることができる鋳造用鋳型を提供するもので
あり、(a) 鋳造速度を高めてもパウダーの流入が円滑に
行われること、及び(b) 電磁気による表面近傍の品質改
善をより低い電磁力で達成すること、を実現するもので
ある。

【００１２】(a) パウダーの円滑な流入オッシレーション条件はパウダーの流入と密接に関係し
ていることから、鋳造速度を速めると、パウダーが鋳型
と溶鋼と間に流入しにくくなり、潤滑不良による焼付き
などの操業上の問題を招く恐れが生じる。即ち、凝固シ
ェルが厚く形成されてしまった後は、その凝固シェルは
パウダーの流入に逆らうように働くため、これを防止す
る必要が生じる。

【００１３】本発明は、初期凝固において緩冷却のため
には熱伝導率の低い層を鋳型面に形成する必要があると
いう観点から、熱伝導率の低い材料であって熱衝撃にも
耐え得る材料としてセラミックを選択し、電磁界鋳造用
鋳型に適用し様々な実験を行ったものである。また、溶
射法によってセラミック層を鋳型内面に形成し、セラミ
ックの中でも特に熱伝導率の低い酸化物系の材料を選択
した。表１は緩冷却層の材料として適するセラミックを
示したものである。

【００１４】

【表１】

【００１５】エンジニアセラミックの中でも上記各セラ
ミックは、熱伝導率が低く、銅の熱膨張率との差が小さ
く、緩冷却層に好適である。ちなみに金属製鋳型の材質
として代表的である銅の物性は、熱伝導率は330kcal/mH
℃，融点は1100℃，熱膨張率は17，密度は8.9g/cm³であ
る。

【００１６】次に、表面にセラミック板の貼り付け有無
の２種類の銅製ブロックを疑似鋳型として溶鋼中に浸漬
し、抜熱挙動を調査した。なお、浸漬速度は20mm／sec
，浸漬深さ170mm ，溶鋼温度1555℃，溶鋼中保持時間
を０sec 、１６sec として実験を行った。

【００１７】図１に示すように、凝固シェル厚さは保持
時間が０sec ，１６sec ともセラミック層ありの場合の
方が薄く、また、保持時間が長くなるにつれてシェル厚
さの差（セラミック層有りとセラミック層なしとの間）
が大きくなる傾向がみられた。図２に示すように、銅
板内の温度はセラミック層有りの方が低く、且つ温度上
昇速度を緩やかであった。即ち、セラミック層無しの場
合、浸漬後約１２秒で銅板温度のピークに達するのに対
し、セラミック層有りの場合では上昇途中であった。

【００１８】また、図３は深さ方向の銅板温度差から算
出した熱流束をグラフに示したものであり、セラミック
層有りでは、セラミック層無しに比べてほぼ１／２の熱
流束となっている。

【００１９】図４はセラミック層無しの場合の初期凝固
特性を示し、図５はセラミック層有りの場合を示してい
る。図４における“Ｔ_SL”は凝固点を示しており、従っ
て銅板表面温度“Ｓｔ surf ”との交点に対応する凝固
時間（横軸）を見れば、凝固開始時間が得られることに
なる。この場合、０．２２秒となる。これに対し、図５
のセラミック層無しの場合では、凝固開始時間は１．６
８秒となる。

【００２０】そこで、例えば鋳造速度Ｖｃ＝１．８m/mi
n とすると、１．６８×３０mm／sec ＝５０．４mmとな
り、セラミック層を有する鋳型では計算上、メニスカス
の下方約５０mmの位置までは凝固しないことになる。ま
た、同様にＶｃ＝２．４m/min とすると、メニスカスの
下方約７０mmの位置までは凝固しないことになる。実際
の鋳造用鋳型においてセラミック層の長さは、セラミッ
ク層形成のコスト面，凝固シェルが厚くなる部分ではセ
ラミック層を形成する意味がないことから、短いほど好
ましい。従って、セラミック溶射長さは、少なくとも鋳
型におけるメニスカス接触位置より下で、且つ、少なく
とも５０mm長さに形成されたものであれば、凝固殻の成
長を遅くする効果が得られる。

【００２１】(b) 電磁気による表面品質の改善また、溶湯メニスカス近傍に電磁気を作用させることに
より、鋳片の表面平滑度，表皮下凝固組織の改善を図る
ことが可能なことは前述した如く知られている。これら
の効果は、主として電磁気による以下の二つの作用によ
って達成される。即ち、交流磁場によって誘導される
溶湯内の渦電流によるジュール熱が、初期凝固部での凝
固速度を緩和し、高温であり且つ強度が不十分な凝固シ
ェルに対して大きな熱収縮力が働くことを防止する作
用、交流磁場によってメニスカスの溶湯に流れる渦電
流及び印加磁場との相互作用により表面力（ローレンツ
力）が付与され、それにより初期凝固部の溶湯静圧によ
る変形を保持しつつ、鋳型と溶湯の軟接触を実現する作
用、である。

【００２２】図６は表面品質に及ぼす抜熱量（Heat Flu
x ）と接触圧（Contact Pressure）の影響を模式的に表
したものである。同図から、抜熱量及び接触圧の減少に
ともなって品質が向上していることがわかる。図中曲線
Ａは品質レベルの等高線であり、各曲線は鋳片の表面粗
さが等しいことを示している。ここで、抜熱量及び接触
圧は、特定の溶湯、特定の鋳型、印加する磁場の周波数
等の条件を決めると一律に決まってしまう性質のもので
あるため、印加電力を変化させることにより制御できる
のは、図６に示した鎖線Ｂ上だけである。このため、鋳
片の品質は、図７の印加電力（Electric Power）−表面
粗さ特性に描かれた曲線で示されるように、ある一定以
上の電力を印加しても一定のレベルからなかなか向上し
ない。

【００２３】この問題を解決するため、本実施例では、
鋳型溶湯側の面、即ち鋳型内壁に断熱層を設けて抜熱量
のレベルを減少させている。このような構成によれば、
電磁気印加によって制御できる抜熱量と接触圧との関係
は、図６の実線Ｃ上に押し上げることができるようにな
る。この実線Ｃ上で制御を行えば、より少ない電力でよ
り高い表面品質を得ることが可能になるわけである。

【００２４】以下、より定量的に説明する。通常の鋳造
において、溶湯メニスカスからメニスカス下方５０mmま
での範囲における溶鋼側から鋳型側への熱流束は１５０
０ｋＷ／ｍ² から３０００ｋＷ／ｍ² 程度であることが
わかっている。また、通常の電磁界鋳造において、溶鋼
でのジュール発熱量を１０００ｋＷ／ｍ² 程度となるよ
うに電磁気を印加すると、溶鋼から鋳型への熱流束が２
０００ｋＷ／ｍ² から３０００ｋＷ／ｍ² となる。この
結果、溶鋼の冷却に使用される実質の熱量はこの差分で
ある１０００ｋＷ／ｍ² から２０００ｋＷ／ｍ² 程度と
なっていることになる。この値は通常の鋳造における１
５００ｋＷ／ｍ² 〜３０００ｋＷ／ｍ²の抜熱より小さ
なものであり、このことにより、電磁気を印加した場合
の凝固殻の成長は遅れることとなる。それにより、通常
より初期凝固部の強度が弱まり、この部位にローレンツ
力が作用して鋳片の表面性の改善が実現されることにな
る。

【００２５】そこで、鋳型表面に上記した低熱伝導率層
を設ければ、その熱量を１０００ｋＷ／ｍ² 以下にする
ことが可能になり、それにより、同じローレンツ力が働
いている部位の凝固シェルの強度を弱くすることができ
るようになる。このことにより、より高いレベルの表面
品質の改善が達成される。しかしながら、熱流束を２０
０ｋＷ／ｍ² 以下に下げると、通常の鋳造では電磁コイ
ルが設置してある位置でのローレンツ力の発生部位にお
いて凝固シェルが発生していない状態となり、電磁鋳造
による表面品質の改善効果は返って損なわれることにな
る。

【００２６】以下、本実施例を図面を参照してさらに具
体的に説明する。［実施例１］図８は本発明の連続鋳造用鋳型の一実施例
を示したものである。同図において、偏平な断面形状を
有する１５０mm角の水冷銅製の鋳型１０内には、図示し
ない浸漬ノズルを通して溶湯１１が供給されており、こ
の溶湯１１は、その上部にメニスカスを形成するととも
に、鋳型１０内壁により冷却されて凝固殻を形成し、鋳
型１０内壁の下方に進むにつれてその凝固殻を成長さ
せ、鋳型１０から引き抜かれるようになっている。ま
た、鋳型１０の外側であって溶湯１１のメニスカス近傍
には、電磁コイル１２が配置されており、高周波の電磁
力をその溶湯１１に作用するようになっている。鋳型１
０の内壁稼働面には、低熱伝導率層１３としての厚さ１
００μm 〜５mmからなるＺｒＯ₂ を、メニスカス下方５
０mmの範囲について溶射している。

【００２７】次に、このような構成の鋳型１０を用いた
鋳造を説明する。溶鋼１１を鋳型１０内に注入し、２０
ｋＨｚ，最大２００ｋＷ（溶鋼でのジュール発熱は６０
ｋＷ）の電源，高さ１００mmの電磁コイル１２を用いて
メニスカス近傍に電磁力を印加した。

【００２８】図９は電磁力を印加した場合としない場合
の熱流束の関係を示したグラフである。横軸はＺｒＯ₂
の溶射厚さを示し、縦軸は、溶鋼から鋳型への熱流束−
溶鋼でのジュール発熱量を示している。同グラフから、
ＺｒＯ₂ 断熱層の厚さが厚くなるにつれて熱流束の値が
小さくなることがわかる。

【００２９】図１０はＺｒＯ₂ 溶射厚さと鋳片における
表面粗さの関係を示したグラフである。同グラフから、
ＺｒＯ₂ 断熱層厚さが０．１mmから４mmの範囲で表面品
質の改善効果が顕著であることがわかる。また、ＺｒＯ
₂ 断熱層厚さが１mmまでについては表面粗さが著しく小
さくなっているのは、鋳片から鋼板への抜熱量が減少
し、電磁コイル前面のローレンツ力の働く領域で従来よ
り薄い凝固殻が形成されるからであり、一方、１mmから
厚さを増やしても表面粗さが小さくならないのは、鋳片
から鋼板への抜熱量が少なくなりすぎ、電磁コイル前面
のローレンツ力の働く領域で凝固殻ができず、液相状態
となるからである。従って、溶射する断熱層厚さを１mm
までの範囲に設定すると表面品質を効果的に改善するこ
とができる。

【００３０】また、図１１は断熱層を設けない場合と、
ＺｒＯ₂ 断熱層を０．３mm溶射した場合の印加電力と表
面品質の関係を示したグラフである。断熱層なしの場
合、２００ｋＷの電力印加で達成された表面品質レベル
が、ＺｒＯ₂ 断熱層を溶射した場合には、約４５ｋＷ以
下の電力で達成し得ることがわかる。

【００３１】なお、本発明の低伝導率層は、上記実施例
では熱伝導率が低く、且つ耐衝撃性が高いという利点を
有することからＺｒＯ₂ セラミックで構成したが、これ
に限らず、炭化物系の炭化ケイ素，窒化物系の窒化ケイ
素などを利用することも可能である。また、Ｎｉ、高合
金等を利用することもできる。要するに鋳型に使用して
いる金属の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する素材で
あり、鋳型内面に形成することが可能なあればものであ
れば任意の素材を利用することができる。また、鋳型へ
設ける方法についても溶射に限らず、鍍金などによって
形成することもできる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明の連続鋳造用鋳型によれば、低熱伝導率層が鋳型
に添設されているため、初期凝固における緩冷却を実現
することができ、それにより、鋳片表面品質を向上させ
ることができる。また、メニスカスへの電磁気力印加に
よる鋳片表面品質の改善を、より低い電磁気力で、より
高い品質レベルまで向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る凝固シェル厚みを示すグラフであ
る。

【図２】本発明に係る抜熱挙動を示すグラフである。

【図３】本発明に係る熱流束を示すグラフである。

【図４】本発明の一実施例に係るセラミック層無しの場
合の初期凝固特性を示すグラフである。

【図５】本発明の一実施例に係るセラミック層有りの場
合の初期凝固特性を示すグラフである。

【図６】本発明に係る、表面品質に対する接触圧及び抜
熱量の影響を示すグラフである。

【図７】本発明に係る、電磁気による表面粗さの改善効
果を示すグラフである。

【図８】本発明の一実施例の構成を示す要部断面図であ
る。

【図９】実施例に係る低熱伝導率層厚さと熱流束との関
係を示すグラフである。

【図１０】実施例に係る低熱伝導率層厚さと表面粗さの
関係を示すグラフである。

【図１１】実施例に係る低熱伝導率層添設による鋳片表
面品質の改善効果を示すグラフである。

【図１２】従来の鋳型を用いた電磁界鋳造の構成を示す
断面図である。

【符号の説明】

１０鋳型１１溶湯１２電磁コイル１３低熱伝導率層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者綾田研三兵庫県加古川市尾上町池田字池田開拓2222 番地１株式会社神戸製鋼所加古川研究地区内 (72)発明者安中弘行兵庫県加古川市尾上町池田字池田開拓2222 番地１株式会社神戸製鋼所加古川研究地区内 (72)発明者蝦名清兵庫県加古川市尾上町池田字池田開拓2222 番地１株式会社神戸製鋼所加古川研究地区内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属製鋳型を用いて溶鋼の凝固メニスカ
ス近傍に電磁気を印加し、連続鋳造を行う電磁界鋳造装
置において、前記金属製鋳型の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する
低熱伝導率層を、前記金属製鋳型内面に形成したことを
特徴とする連続鋳造用鋳型。
【請求項２】前記溶鋼から前記金属製鋳型へ流れる熱
流束が２００ｋＷ／ｍ² 〜１０００ｋＷ／ｍ² の範囲と
なるように前記低熱伝導率層を形成した請求項１に記載
の連続鋳造用鋳型。