JPS62502389A - 鋼連続鋳造装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 記　述 鋼連続鋳造装置及び方法 技術分野 本発明は高温金属連続鋳造装置に関し、さらに詳しくは冷却流体の散布により鋳 型を冷却しさらに使用中の鋳型の膨張及び収縮の程度を制御するためのシステム に関従来の連続金属鋳造装置においでは、溶解金属が望ましい形状に凝固するた めに鋳型を通して通過させられる。

溶融金属が鋳型を通して通過するにつれて、外部シェルが形成され硬化する。多 くの装置においては、鋳型は垂直方向に配置され金泥ストランドが凝固°するに つれて水平方向に移動可能なように金属ストランドが９０度湾曲されて、次いで 個々のセグメントに切断される。水平連続鋳造装置の場合においては、ストラン ドは９０度湾曲されずに鋳型から水平方向に排出される。垂直及び水平装置のど ちらにおいても、ストランドは次いでセグメントあるいは所定の長さに切断され る。

溶鋼の温度は典型的には１５６６℃（２８５０’　Ｆ）であり、あるグレードの 鋼においては１４２７℃（２６０ｏ″Ｆ　’）の低温となることもある。一般的 に、本明細書においては鋼の鋳造について説明されているが、本発明はその液体 温度が１４２７℃（２６００”　ト）を越えるいかなる種類の金属あるいは金属 合金の鋳造にも適用することができる。

鋼ストランドを形成する鋳型は液状鋼を含んでおり又初期の凝固即ち外部シェル の硬化を提供する。凝固を続けるス１〜ランドは鋳型の上部に注湯される液状鋼 と同じ割合で鋳型の底部から連続して引き出される。ストランドの生産率はスト ランドが鋳型から出ていくときまでに内部の液状鋼コアを含むように外部シェル が十分に硬化するのに要求される時間により決定される。今日のほとんど全ての 鋳造装置においては、鋳型の周りに冷却水流を循環させることによる水システム により液状鋼は冷却される。水は鋳型を包囲する耐圧容器の底部から流入し、移 動する液状鋼の方向と逆り向の上方に運ばれる。この水流の「逆流」が連続鋼鋳 造装置における熱交換のために適当であることが確認されＣいる。このような冷 却システムは鋳型の周りを近接して包囲するバッフルジャケットを有しており、 これにより冷却水が流れる環状空間を形成している。

実際の操業において、鋳型が鋳造される溶融金属と直接接触することにより熱せ られ膨張すると、冷却水が循環する鋳型とバッフルジャケットとの間の環状空間 が減少するということが発見されている。これにより熱抽出率が減少し、鋳型が さらに加熱され膨張することになり、その結果環状空間及び冷却のために循環さ れる冷却水の量をさらに減少させることになる。この状態が連続すると極端な場 合には、鋳型壁とバッフルジ１１ケットの内部表面とが接触するようになる。こ のような接触が起こると、鋳型の完全な溶解が起るが、どんな場合でも冷却が顕 著に減少されストランドの品質が悪化することになる。

鋳型壁とバッフルジャケットとの相対位置を制御し維持しようとするために、連 続鋳造装置の設計者はときにはバッフルジャケットの内部表面上に小さなスペー サーバーあるいはピンを溶接することがあった。しかしこの方法は鋳型がスペー サーの間で膨張し鋳型の変形をさらに増加させるので比較的に成功したというこ とはできない。さらに、このような鋳型の変形は実際上長斜方形の脹み及び他の ストランド形状の変形を引き起こすことになる。もし鋳型の膨張が０．０７５５ インチを越えると、鋳型中に発生する応力が銅製鋳型の降伏強さを越えて鋳型が 永久的に変形することになり、その結果ストランドの品質がさらに悪化し鋳型を 破壊することになる。

本出願人の先行米国特許第４，４９４．５９４号においては、上述したシステム において発見された問題点の多くを克服したスプレー冷却システムが開示されて いる。

この特許に開示されているスプレー冷却システムは、上述した先行技術システム に比較して鋳型を冷却しざらにその膨張を制御するのにより効率的である。その 結果、特許第４，４９４．５９４号に開示されたスプレー冷却システムを使用し たときには、より高い品質の鋳造鋼ストランドを達成することができる。

しかし、その先行米国特許第４，４９４，５９４号の出願人により開示されたバ ッフルジ１１ケットのデザイン及びそのスプレー冷却システムのどちらも連続鋳 造装置において観察される差別的な膨張領域（メニスカス、中間領域、底部領域 ）については考慮していす、この先行技術装置にはこれらの領域中の鋳型の膨張 を常時モニターしかつ予め定められた最大膨張を維持するために冷却率を調整す る手段は何等備えられていない。この従来の鋳型冷却システムで鋳型の膨張を制 御できないということが、連続鋳造装置のオペレーターあるいは研究者をして、 鋳造された構造体上に制御できない鋳型膨張の望ましくない効果及びそれに関連 するその後の作業及び級終製品の品質に与える望ましくない効果を受け入れるこ とを余儀無くさせる。

発明の開示 本発明によると、望ましい鋳型形状を維持するためにスプレー冷却システムの一 つあるいは複数のパラメータが定義され確立され、さらに鋳型の変形が検知され て修正される連続金属Ｈ造装置が提供される。

出願人は先行米国特許第４，４９４，５９４号に開示されているある種の状態を 利用しさらに他の作業条件を修正することにより、鋳型膨張を正確に制御しさら にその結果鋳型中で連続的に鋳造されるストランドの品質を制御することができ るということを発見した。さらに詳しくは、メニスカスレベルの上方的２．５イ ンチからメニスカスレベルの下方的２．５インチまでの領域に向けられる冷却水 を注意深（規制することにより最も効果的に鋳型の変形を制御できるということ を発見した。ビレット、スラブ及び他の形状のためのほとんどの連続鋳造装置に おいては、この領域は鋳型アセンブリの上端部から２〜１４インチ下方に位置す る。溶融金属の迅速で一様な凝固を開始させるために、このメニスカス領域にお いて溶融金属の熱量の約７０％が抽出されなければならない。出願人はさらに鋳 造ストランドの表面上及び表面下の品質に対する最大許容鋳型膨張は鋳型の縦軸 を横切る方向に約０．０７５５インチであり、メニスカス領域において０．０５ ５０インチが望ましい限界値であることを発見した。中間及び底部領域において は、鋳造ストランドに悪影響を及ぼさずに０．０７５５インチまでの膨張を許容 することができる。もしこれらの最大値が超過されると、鋳造ストランドは横り 向及び縦方向の表面クラック、表面下０．０２５インチ〜１．２５０インチまで の表面下クラック、長斜方形のｌｌ＆み及び他の形状変形、及び過度の振動マー ク深さく０．００フインチ〜０゜１００インチ）を有するようになる。それに加 えて、過度の鋳型の摩耗が起こる。

本発明によりこれらの問題を検知し修正するために、鋳型の外部（冷却）表面に １個乃至複数個のゆがみ測定ゲージを接触させ鋳造作業の間それのぞれの面の膨 張をモニターするようにする。鋳型の全ての望ましい面上の膨張がその面におけ る熱抽出率をある所定範囲内で選択的に調整り゛ることにより制御される。

鋳造作業の間このように正確な鋳型膨張の制御を達成するために、スプレーノズ ルにおいて以Ｆのパラメータが維持される。

（ａ）メニスカス領域における冷却水ノズルの散布角が１００度を越えないよう に選択される。

（ｂ）メニスカス領域におけるスプレーノズル圧力が１５　ｐｓｉｑ以上に維持 される。

（Ｃ）メニスカス領域における散布パターンオーバーラツプが隣接するノズル間 の到達範囲パターンが単位散布表面当りで一様となるように設計される。

（ｄ）メニスカス領域における滴下水サイズが約４７５ミフロン〜約１４５０ミ クロンの範囲内となるように維持される。

他の領域においては、出願人の先行米国特許第４，４９４．５９４号に記載され ている条件に従って膨張制御が達成される。

メニスカス領域において溶融金属から大量の熱が抽出されなければならないので 、迅速で一様な冷ｆｄｌを達成するためには蒸発する散布水により形成された水 蒸気バリヤが水滴により貫通されなければならない。散布角度が約１００度を越 えると、散布パターンの縁部においては冷却されるべき鋳型表面に垂直方向の水 滴のベクトル力は水蒸気バリヤを貫通するのには十分ではなくなる。同様にして 、ノズルにおける水圧が１５ｐＳｉｇ以下になると水滴が水蒸気バリヤを貫通し なくなる。さらに、滴下水滴サイズが蒸気バリヤを貫通する水スプレーの能力及 び熱抽出の迅速さに影響を与えるので、水滴サイズが一ヒ述した領域内に維持さ れたとぎ最上の作業条件を得られる。

鋳造製品のほとんどの形状変形は、鋳造されている金属と冷却されている鋳型壁 との間の非一様性接触を引き起こす鋳型の非一様性膨張により鋳造装置の鋳型中 において引き起こされる。鋳造作業を上述したパラメータの範囲内で行ないさら に鋳造作業中の鋳型壁の変形の程度を観察し、鋳型上にスプレーする冷ｆＪ］水 の量を増加したりあるいは減少させたりすることにより、オペレーターあるいは 研究者のとって望ましいどのような鋳型膨張条件でも達成することが可能となる 。その結果鋳造製品の条件及び品質も又制御される。例えば、もし望むならば鋳 型の他の領域は同時に収縮し一つの領域のみを膨張させるようにすることもでき るし、あるいは全ての鋳型領域を同程度の膨張及び収縮率に制御することも可能 である。

本発明によると、鋳造装置のオペレーターは鋳造プロセス全体を通じて膨張条件 をモニターできそれにより鋳型中で起きる条件に応じて冷却システムを必要とさ れるように調整できるので、凝固するストランドの品質に影響を与えられる。よ ってビレット、ブルーム、スラブ、丸棒（ラウンド）あるいは他の形状を製造す る全ての連続鋳造装置においてその凝固プロセスを完全に制御することが可能と なる。ざらに、オペレーターは鋳型膨張を観察できそれ故にストランドと鋳型と の接触を観察できるので、オペレーターは鋳造ストランドと鋳型との接触、鋳型 の応力及び銅製鋳型の昇温表面温度を制御することもでき、この結果直接的に及 び効果的に鋳型摩耗及び／あるいは鋳型の悪化に影響を与えられる。鋳造金泥の 高温に起因り゛る鋳型の悪化はメニスカス領域で最も迅速に起こるので、鋳型膨 張及び鋳型の温度を連続的に観察し制御できるというオペレータの能力は、鋳型 摩耗パターンに直接的に及び効果的に影響を与えられる。

スラブの鋳造においては、鋳型は隅部において結合された複数枚のプレートによ り構成されプレートとプレートとの間に大きな空間を形成している。多くの場合 、スラブはその断面積が非常に大きいので、大量の熱を除去しなければならずさ らに銅製鋳型により大きな静圧を維持しなければならない。従来のスラブ鋳造の 鋳型においては、上の事実によりｒＡ製プレートの（冷部）背面上にさらに他の 支持システムを設ける必要がある。この支持を必要とするメカニズムは小さな断 面積（ビレット及び／あるいはブルーム）の鋳造において遭遇するのと実質上同 一である。本発明によると、設計者あるいはオペレーターにとってバックアップ 支持システムを顕著に減少することができ、さらに多くの場合においては鋳型の 第２次的な支持システムを全て除去することができる。

図面の簡単な説明 本発明のその他の目的、特徴及び利益は図面を参照しながら以下の説明を考慮す ることにより一層明らかとなるであろう。添附図面において同一符号は幾つかの 図面において同一部分を示している。

第１図は従来システムの鋳型及びバッフルジャケットの破断：ａｇｆＩ面図； 第２図は第１図の装置の横断面図： 第３図は第１図に類似しており、冷却流体空間に対する鋳型膨張の効果を模式的 に示している：第４図は第２図に類似しており、第３図に示された鋳型膨張を示 している； 第５図は第２図と類似しているさらに他の先行技術システムを示しており、この 図において銅製鋳型の膨張を制御するためにスペーサーが使用されておりこれに より鋳型が膨張したときに冷却流体空間が減少するのを防止している： 第６図は第５図のシステムの第４図に類似する図であリ、スペーサーが使用され た場合の鋳型の大きなゆがみを示している： 第７図は本発明をその中に取入れた連続鋳造装置のスプレー冷却鋳型部分の縦断 面図； 第８図は第７図のシステムの横断面図；第９図はいくらか拡大された鋳型部分及 び一対の隣接するスプレーノズルの概略図であり散布されるべき単位面積当り実 質上一様なスプレー到達範囲を達成するための隣接するスプレーのオーバーラツ プを示している；第１０図は鋳型の多くの領域の膨張が本発明により制御されて いる鋳型の概略横断面図； 第１１図はスラブ鋳型の一部の横断面図であり、鋳型を形成するためにどのよう にして銅プレートが互いに結合されているかを示している： 第１２図は第１１図に類似しており、第１１図の鋳型のバックアップ支持システ ムを示している；第１３図は第１１図に類似しており、温度及び静圧により若起 されたスラブ鋳型プレートのゆがみを概略的に示している。

発明を実施するための最良の実施態様 先ず最初に第１図〜第６図及び第１１図〜第１２図を参照すると先行技術システ ムはそれぞれ一般的に符号１０及び１０′で示されている。第１図〜第６図にお いて、鋳型１１はバッフルジャケット１２中に同軸的に伸長しており、矢印Ａで 示されるような冷却水の循環のための環状空間１３をそれらの間に形成している 。第３図及び第４図に示されるように、鋳型がその中を流れる溶融金属により加 熱されると、鋳型は膨張し″ｃ環状空間１３のサイズを減少し、その結果鋳型表 面を流れる冷却水の這及び速度が変動して熱転位に影響を及ぼす。

第５図及び第６図において、第３図及び第４図に図示された問題を克服するため の試みが符号１４の配置に示されている。この先行技術配置においては、ビンあ るいはスペーサー１５が鋳型の外部表面に当接するように設けられている。しか し第６図に示されているように、このシステムによっては鋳型変形は防止できず 、実際スペーサーが鋳型の変形をざらに増加させるように作用する。

第１１図〜第１３図に示されているスラブ鋳型１０’は複数のプレート１６をボ ルト結合して構成されており、スラブ鋳型空間１７を形成している。第１２図に 示されるように、バックアップ支持プレート１８が鋳型の両側の銅製プレート上 にボルト止めされている。第１３図においては、バックアップ支持システムは除 去されプレートの膨張を制御するために水スプレーが使用されている。

例えば、鋳型の中間部近辺においては冷ｎ１水の流量を多くし鋳型の端部におい ては冷却水の量を少なくするようにしている。

本発明は第７図において一般的に符号２０で示されており、フレーム２１の上部 壁２４に中央開口部２３が聞けられており、この開口部２３に整列して解放入口 及び解放出口を有する銅鋳型２２の上端部が取付けられている。典型的な構成に おいては、フレーム２１はＡ〜３６鋼から形成され、鋳型チューブはＤＨＰ−グ レードの銅から形成される。−筋の溶鋼２５が、凝固率及びストランドの引き抜 き率に対応して鋳型の上部領域のメニスカス２５ａの位置、即ち鋳型の上端部か ら約２インチル約１４インチの位置の鋳型中に注湯される。鋳型はフレームの底 部２６にその底部では結合していずに鋳型の−Ｆ端部のみでただ単に吊り下げら れており底部壁２６とは連結されないようになっている。鋳型の下端部は底部壁 ２６の開口部２７と整列されており、この開口部２７を通してストランドが引ぎ 抜かれることになる。

第１図〜第６図に示されたようなバツフルジ１７ケツト及び冷却流体のための環 状空間の代りに、本発明は鋳型の周りに離間されて配置された複数個のスプレー パイプ２８を利用する。各々のバイ１２８には符号３０で示されるように水のス プレーを形成するための複数個のスプレーノズル２９が設けられている。水は供 給パイプ３１により上述したパイプ及びノズルに供給される。鋳型とノズルとの 間の間隔及びノズル同志の間の間隔は本出願人の先行米国特許第４，４９４，５ ９４号に記載されたのと実質的に同一である。さらにノズルサイズ、流量及びノ ズルでの水圧は前記特許に記載されたのと実質的に同一である。しかし、本明細 書において前に指摘されたように、散布角は１００度以下にセットされ全ての散 布領域において一様なスプレー到達範囲が得られるようにスプレーオーバーラツ プが選択され、スプレー粒子の滴下サイズが約４７５ミクロン〜１４５０ミクロ ンの領域に保持され、鋳型膨張は最大一つの面につき０．０７５５インチ（メニ スカス領域においては０．０５５０インチが望ましい）に限定され、水圧は約１ ５ｐｓｉｏ以上に保持される。

散布オーバーラツプに関しては、本発明による散布オーバーラツプを示している 第９図を参照されたい。散布ノズルにより形成された全水石の約８０％が、ここ ではノズル２９より形成された散布パターンＯと同心的に配置された中央領ｔｔ Ｃとして示されている約５０％以上の到達領域で起こることを出願人は観察して いる。よって、隣接するスプレージェットの中央領域Ｃが丁度接触するように、 最大散布角及び水圧を考慮してノズル２９のノズル間の距離及び鋳型との間の距 離が調節される。

本発明によると、鋳造作業の間の鋳型の膨張及び収縮の程度を測定するために一 つあるいは複数個のゆがみ（変形）測定装置３２が鋳型に関係付けられる。第７ 図、第８図及び第９図に示されているように、これらの測定装置は鋳型表面の近 辺に伸長した細長いアーム３３により構成され、アーム３３の先端から突出して 鋳型の外部表面に接触するさぐり針あるいはフィンガー３４が設けられている。

さぐり針の変位即ちさぐり針により接触された鋳型表面の変位を示すために指示 器３５がさぐり針に連結されている。鋳造装置のオペレーターにとって容易に観 察できるように指示器は取付けられるか、あるいはオートマチック制御及び調整 を達成するためにコンピュータに連結される。もし望むならば、他の型のゆがみ 測定機器も使用することができる。指示器を観察することにより、オペレーター は鋳型のゆがみあるいは膨張状態を確認することができる。前に指摘されたよう に、ゆがみを０．０７５５インチ以下そして望ましくはメニスカス領域において は約０．０５５０インチ以下に維持することが重要である。この限定範囲内に鋳 型の膨張を維持するために鋳型に向けられる冷却流体の流量が制御される。これ は手により作動されるあるいは指示器（第７図において一点鎖線３７で示されて いる）の読みに対応して自動的に作動される流量制御装置３６を含む多くの方法 により達成される。さらに、スプレーパイプ２８をセクション２８ａ、２８ｂ等 により構成し、各々のセクションが複数のノズル２９を有しそれぞれの供給パイ プ３１ａ、３１ｂ等に連結され、制御装置３６ａ、３６ｂ等（第７図において一 点鎖線で示されている）により制御されるようにすることもできる。

第８図に一点鎖線３８で示されるように、鋳型の面に直接冷却流体を案内するよ うにノズルを位置させることもできる。

作業条件を本明細書中に記載したようなパラメータに維持し、鋳造作業の間鋳型 の膨張及び収縮を測定し制御することにより、第１０図に一点鎖線で示すように 各々の面Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤのゆがみ程度を正確に制御することができる。その結 果、鋳造ストランドの品質は制御され本明細書において前に指摘したように欠陥 を有するものを受入れる必要はない。これらの欠陥はその後の鋳造ストランドの プロセスにおけるスクラップ損失につながりさらに最終ユーザーに基準以下の最 終製品を提供したことに起因する金属組織的なりレームのコストに関連する。

以上本発明を特別な実施態様を参照して説明してきたが、これらの実施態様は本 発明の原理を適用するためのただの例示すぎないことを理解すべきである。本発 明の精神及び範凹を逸説せずに多くの変形が可能であり他の配置も考えられる。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）フレームと； 溶融金属が注湯される開口した入口端部及びそれを通して凝固しつつある鋳造金 属ストランドが引き抜かれる開口した出口端部を有し前記フレームに取付けられ た鋳型と； 鋳型及びその鋳型中で鋳造される金属から熱を抽出して金属の凝固を開始させる ために鋳型表面に冷却流体を向かわしめる手段と： 鋳造されている金属から最も一様な熱抽出率を達成しさらに鋳造金属と直接接触 に起因する鋳型の変形程度を最少にするために冷却流体の流量を制御しこれによ り鋳造される金属ストランドの品質を制御する手段と；加熱された金属がその中 を通過するとき鋳型の変形を検知し冷却流体制御手段の調整を可能ならしめこれ により変形の程度の制御及び鋳造金属ストランドの品質をさらに制御する鋳型に 作動的に連結された変形測定手段とから構成される溶融金属を連続鋳造するため の装置。
2. （２）冷却流体は水であり、水スプレー手段が水のスプレーを鋳型に向かわせる ように鋳型の周りに配置されている請求の範囲第１項記載の連続鋳造装置。
3. （３）変形測定手段が鋳型の縦軸を横切る方向の鋳型の膨張及び収縮を検知する ために鋳型の外部表面に接触するさぐり針を含んでいる請求の範囲第２項記載の 連続鋳造装置。
4. （４）制御手段が冷却流体の流量を調整するために冷却流体に作動的に連結され ておりそれにより鋳型の膨張を制御する請求の範囲第３項記載の連続鋳造装置。
5. （５）制御手段が測定手段により検知される鋳型の観察変形量に対応して手動に より操作される請求の範囲第４項記載の連続鋳造装置。
6. （６）制御手段が測定手段により検知される鋳型の測定変形量に対応して冷却媒 体の流量を調整するように自動的に作動される請求の範囲第４項記載の連続鋳造 装置。
7. （７）スプレー手段がスプレー領域の実質上一様なスプレー到達範囲が得られる ように各々のスプレーノズル間及びスプレーノズルと鋳型との間が離間されてい る複数のスプレーノズルから構成される請求の範囲第２項記載の連続鋳造装置。
8. （８）スプレーノズルがそこから散布される水の散布角が１００度を越えず、ス プレーの液滴サイズが約４７５ミクロン〜約１４５０ミクロンの領域内にあり、 ノズルでのスプレー圧が１５ｐｓｉｇ以上であるように構成されている請求の範 囲第７項記載の連続鋳造装置。
9. （９）フレームと； 溶融金属が注湯される開口した入口端部とそれを通して凝固している鋳造金属ス トランドが引き抜かれる開口した出口端部を有し前記フレームに取付けられた鋳 型と；鋳型を冷し鋳型中で鋳造される金属から熱を抽出し金属の凝固を開始させ るために鋳型表面に冷却水を向かわしめるスプレー手段とから構成され、前記ス プレー手段は鋳型から離間した複数本のスプレーパイプを含み各々のスプレーパ イプには複数個のスプレーノズルが設けられており、前記スプレーノズルはそこ から散布される水の角度が１００度を越えず、散布される液滴サイズが約４７５ ミクロン〜約１４５０ミクロンの領域内にあり、ノズルでのスプレー圧が１５ｐ ｓｉｇ以上であり、散布される単位面積当りの実質上一様なスプレー到達領域を 得るために隣接するノズルからのスプレーが十分にオーバーラップするように構 成され配置されている溶融金属を連続して鋳造するための連続鋳造装置。
10. （１０）その中に溶融金属が注湯されさらにそこから凝固中の金属ストランドが 引き抜かれる鋳型を有する連続鋳造装置の鋳型膨張を制御する方法であって、金 属を凝固するために冷却流体が鋳型及びその中の金属を冷却するために鋳型に向 かって供給され、制御方法は次のステップから構成される： 鋳造操作中の鋳型の変形程度を測定すること；及び測定された鋳型の変形に応じ て冷却流体を制御しそれにより変形を制御しさらに結果的には鋳造金属ストラン ドの品質を制御すること。
11. （１１）冷却流体は鋳型に向かってスプレーされ、さらに鋳型の増加温度により 引起こされた鋳型の変形を制御するために散布される冷却流体の流量が調整され る請求の範囲第１０項記載の方法。
12. （１２）ノズルから散布される流体の散布角度が１００度以下であり、スプレー の液滴サイズが約４７５ミクロン〜約１４５０ミクロンの領域内にあり、ノズル におけるスプレー圧が約１５ｐｓｉｇ以上であり、散布される単位面積当りの実 質上一様なスプレー到達範囲が得られるように隣接するノズルからのスプレーが 互いに十分にオーバーラップするように鋳型の周りに配置された複数個のノズル から冷却流体が散布される請求の範囲第１１項記載の方法。