WO2021024920A1 - 連続鋳造鋳片の二次冷却装置及び二次冷却方法 - Google Patents

連続鋳造鋳片の二次冷却装置及び二次冷却方法 Download PDF

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WO2021024920A1
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secondary cooling
slab
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cooling
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顕一 大須賀
広和 杉原
上岡　悟史
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Ｊｆｅスチール株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary cooling device and a secondary cooling method for continuously cast slabs.
  • a general method for manufacturing a continuously cast slab will be described with reference to FIG. 4 by taking a vertical bending type continuous casting facility as an example.
  • the molten steel injected into the mold 21 from the tundish (not shown) is primarily cooled by the mold 21 to form a flat plate-shaped slab 5 forming a solidified shell, which is flat and descends from the vertical band 23 to the curved band 27. Proceed to. Then, at the bent portion 25 on the entry side of the curved band 27, the slab 5 is bent while being guided by a plurality of rolls (not shown) so as to maintain a constant radius of curvature.
  • the straightening portion 29 is bent back (corrected) while gradually increasing the radius of curvature, and when the straightening portion 29 is exited, the slab 5 becomes flat again and proceeds to the horizontal band 31.
  • the slab 5 is cut to a predetermined length by the gas cutting machine 33 installed on the exit side of the continuous casting machine.
  • the slab 5 is secondary using a water spray (water one-fluid spray or water-air two-fluid mixed mist spray) to complete solidification from the vertical band 23 to the horizontal band 31 to the center. Cooling is being carried out.
  • a water spray water one-fluid spray or water-air two-fluid mixed mist spray
  • the strength of the shell is secured by injecting a large flow rate of water in the vertical band 23 directly under the mold 21 to carry out strong cooling.
  • the cooling is weakened, and the surface temperature is raised (reheated) by heat conduction from the high temperature portion inside. Then, the surface temperature of the straightening portion 29 is adjusted so as to be equal to or higher than the embrittlement temperature range to avoid the occurrence of lateral cracks.
  • the casting speed changes significantly during the period from the start of continuous casting until the casting speed reaches the maximum speed, and the period during which the injection of molten steel into the mold is stopped and continuous casting is completed. At this time, the cooling conditions of the secondary cooling zone must be controlled according to the change in the casting speed.
  • the casting speed is increased, the central part of the slab is straightened without solidification, and strong cooling is performed in the horizontal zone at the end of the continuous casting process to complete solidification. Be done. Applicability of such a method differs depending on the steel type, and the range of the strong cooling zone and the amount of cooling water must be controlled by the thickness and speed of the slab in order to prevent excess or deficiency of cooling.
  • Patent Document 1 proposes a technique for obtaining a stable injection state even when the amount of water is significantly changed by a two-fluid spray using water and compressed air.
  • Patent Document 2 two systems of cooling water in which pressure and flow rate are independently controlled by cooling one fluid of water are introduced into a single injection port, and the supply flow rate of cooling water is significantly changed according to cooling conditions. Has been proposed.
  • Patent Document 3 proposes a technique for changing the supply flow rate of cooling water by properly using a water-one-fluid spray and a water-air two-fluid spray according to the amount of water.
  • Patent Document 4 proposes a technique of installing two rows of water-one-fluid sprays between rolls and switching between one or both rows for injecting water according to a change in casting speed for cooling.
  • Patent Document 1 Although a stable injection distribution can be obtained in a wide range of the amount of cooling water with a single nozzle, it is necessary to greatly change the supply pressure of the cooling water, so that the pressure is particularly high under a large flow rate condition. The loss will be large. In this case, since a large amount of compressed air is required, it is necessary to install a large-capacity compressor, which increases the equipment cost and the operating cost.
  • control range of the amount of water injected from the nozzle can be expanded by supplying two systems of cooling water having different pressures and flow rates without requiring compressed air.
  • the amount of sprayed water can be controlled by the pressure of water supplied to the nozzle, but it is generally known that the amount of sprayed water is proportional to the square root of the pressure.
  • the pressure ratio For example, in order to realize a turndown ratio of 40 times, the minimum / maximum pressure ratio becomes 1600 times, which exceeds the control capacity of the pump.
  • Patent Document 3 although the air consumption is suppressed by using the two-fluid spray only in the low flow rate region, there is a problem in equipment and operation cost as in Patent Document 1.
  • pressure loss is suppressed and the stability of the injection distribution is ensured, but the pipes of two water systems and one air system must be placed in the space between the same rolls. , The design load and manufacturing cost of the continuous casting machine increase.
  • Patent Document 4 Although the design is simplified by using two systems of water and one fluid, it is difficult to reduce the roll interval because two rows of sprays are arranged between the rolls.
  • the inability to reduce the roll interval is disadvantageous in suppressing bulging in which the central portion of the slab width swells due to the static pressure of the unsolidified molten steel in the central portion of the slab, resulting in poor internal quality of the slab.
  • the present invention provides a secondary cooling device and method for continuous casting of steel, which suppresses capital investment and operating costs, is applicable even in an environment with severe equipment restrictions, and has high cooling capacity controllability.
  • the purpose is to get.
  • a secondary cooling device for continuously cast slabs that cools slabs supported and guided by a plurality of guide rollers with a one-fluid water spray in the secondary cooling zone of the continuous casting machine, and has different flow rate characteristics. It is provided with more than one type of water spray nozzle, a plurality of water supply lines that supply water at a flow rate according to the flow rate characteristics of each water spray nozzle, and a switching device that switches the water supply line to be used, and the flow rate characteristics are different.
  • a secondary cooling device for continuously cast slabs which has a cooling zone in which two or more types of water spray nozzles are arranged in a row in a gap between the guide rollers in a direction parallel to the rotation axis of the guide rollers.
  • the secondary cooling device for continuously cast slabs according to (1) wherein the number of the water supply lines is the same as that of the type of the water spray nozzle.
  • the water volume density of the water sprayed by the spray nozzle having the largest spray flow rate is 20 times or more the water volume density of the water sprayed by the spray nozzle having the lowest spray flow rate.
  • the water volume density of the water sprayed by the spray nozzle having the largest injection flow rate is 500 L / (m 2 ⁇ min) or more and 2000 L / (m 2 ⁇ min) or less.
  • the water volume density of the water ejected by the spray nozzle having the smallest injection flow rate is 50 L / (m 2 ⁇ min) or more and less than 500 L / (m 2 ⁇ min), any one of (1) to (3).
  • a strong water-cooled section in which water is injected to cool the slab under the condition that the injected water is in a nuclear boiling state on the surface of the slab, and a section from the strong water-cooled section to the end of the horizontal zone on the downstream side in the casting direction.
  • two or more types of water spray nozzles having different flow rate characteristics a plurality of water supply lines that supply water at a flow rate according to the flow rate characteristics of each water spray nozzle, and a switching device that switches the water supply line to be used.
  • Two or more types of water spray nozzles with different flow rate characteristics are installed in a row in the gap between the guide rollers in a direction parallel to the rotation axis of the guide roller. It has high cooling capacity controllability without increasing the size, and can stably produce slabs without causing quality deterioration or trouble even when the casting speed changes.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a main part of a secondary cooling device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an arrangement of water spray nozzles and an injection pattern in the secondary cooling device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph illustrating a control range of water density in the secondary cooling device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an outline of a general continuous casting facility.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a main part of a secondary cooling device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an arrangement of water spray nozzles and an injection pattern in the secondary cooling device according to the embodiment of the present invention.
  • the secondary cooling device 1 for continuously cast slabs is a casting supported and guided by a plurality of guide rollers 3 in the secondary cooling zone of the continuous casting machine.
  • the piece 5 is cooled by a one-fluid water spray.
  • the secondary cooling device 1 corresponds to two or more types (four types in the present embodiment) of water spray nozzles 7A, 7B, 7C, and 7D having different injection flow rates, which are flow rate characteristics, and the flow rate characteristics of each water spray nozzle 7.
  • a switching device for switching between a plurality of water supply lines 9a, 9b, 9c, 9d in the present embodiment, the same number of four as the type of the water spray nozzle 7) and the water supply line 9 to be used.
  • a first switching valve 11, a second switching valve 13, and a third switching valve 15 are provided.
  • Water spray nozzles 7A, 7B, 7C, and 7D are installed in a line in the gap between the guide rollers 3 in a direction parallel to the guide rollers 3 to form a cooling zone.
  • the guide roller 3 gives the slab 5 a pulling force in the casting direction by rotating the slab 5 by sandwiching it vertically.
  • a plurality of guide rollers 3 are arranged at predetermined intervals in one segment.
  • a predetermined gap is provided between the guide rollers 3 adjacent to each other in the casting direction, and the water spray nozzle 7 is installed in this gap.
  • it depends on the scale of the equipment for example, in the horizontal band, nearly 100 guide rollers 3 are arranged at predetermined intervals in the casting direction, and a plurality of (for example, 10) guide rollers 3 are one segment. It is possible to control the flow rate as one unit. For example, 10 segments are installed in the horizontal zone.
  • the four types of water spray nozzles 7A, 7B, 7C, and 7D (water spray nozzle group) are installed in a line in the gap of the guide roller 3 in a direction parallel to the rotation axis of the guide roller 3.
  • the zone cooled by these water spray nozzles is called a cooling zone.
  • One or more cooling zones are installed in the horizontal zone.
  • two water spray nozzles 7A, three water spray nozzles 7B, two water spray nozzles 7C, and four water spray nozzles 7D are shown. However, these numbers do not indicate the total number of nozzles to be installed, and some of them are omitted. In fact, no matter which water spray nozzle 7 is selected, the slabs The number of each water spray nozzle 7 is set so as to cover the entire width in the width direction of 5.
  • the positions where the slabs 5 are arranged in the width direction are different for each type.
  • the injection angles of the water spray nozzles 7 are different so that the water spray nozzles 7 of different arrangements can be covered without gaps in the width direction of the slab 5 regardless of the type of water spray nozzles 7 selected.
  • the sprayed water spreads in a fan shape, a full cone shape, or a full angle pyramid shape, and the water density distribution on the surface to be cooled (the upper and lower surfaces of the slab sandwiched between the two guide rollers 3). It is preferable to use a nozzle having high uniformity. Therefore, the water sprayed from the water spray nozzle 7 becomes the water sprayed from the other water spray nozzles 7 so that the cooling water can be uniformly sprayed onto the surface to be cooled that the row of the water spray nozzles 7 is in charge of. It is preferable to adjust each water spray nozzle 7 so as not to interfere with each other.
  • the water spray nozzle 7 in which water spreads in a fan shape it is preferable to adjust the injection direction so that the injection surfaces of the water spray nozzle 7 do not line up in a straight line.
  • the water sprayed from the water spray nozzle 7 interferes with the water sprayed from another water spray nozzle 7. It is preferable to adjust the arrangement interval of each water spray nozzle 7 so that
  • FIG. 3 is a graph illustrating a control range of water density in the secondary cooling device according to the embodiment of the present invention.
  • the flow rate characteristics of each of the four types of water spray nozzles 7 will be described with reference to FIG.
  • the vertical axis of FIG. 3 is the water density (L / (m 2 ⁇ min)), and the horizontal axis is the supply pressure (MPa).
  • the water density is calculated by dividing the total amount of water (L / min) ejected from the rows of water spray nozzles 7 by the area of the surface to be cooled (m 2 ) covered by the rows of water spray nozzles 7. The value.
  • the water density shown in FIG. 3 is the average water density of each type of water spray nozzle 7, for example, if three water spray nozzles 7A are provided.
  • the water density of the water spray nozzles 7A, 7B, 7C, and 7D is A: 50 to 150 (L / (m 2 x min)), respectively, when the supply pressure is in the range of 0.1 to 0.5 (MPa).
  • the water spray nozzle 7A when the water spray nozzle 7A is selected and the supply pressure is 0.1 (MPa), the minimum water density is 50 (L / (m 2 ⁇ min)), and the water spray nozzle 7D is selected and supplied.
  • the pressure is 0.5 (MPa)
  • the maximum water density is 2000 (L / (m 2 ⁇ min)). That is, the water spray nozzle 7 of the present embodiment can have a pressure ratio of 5 times and a turndown ratio of 40 times.
  • four types of water supply lines 9 are provided in order to supply water at a flow rate corresponding to the four types of flow rate characteristics of the water spray nozzles 7A, 7B, 7C, and 7D.
  • the water supply line 9a that supplies water to the water spray nozzle 7A has a header portion 9a1 that is directly or indirectly connected to the main supply line 17, and a water spray nozzle 7A whose base end is connected to the header portion 9a1 and is connected to the tip. It is provided with a plurality of branch pipes 9a2 to which The capacity of the header portion 9a1 and the diameter of the branch pipe 9a2 are set for the header portion 9a1 and each branch pipe 9a2 according to the flow rate characteristics of the water spray nozzle 7A. The same applies to the water supply lines 9b, 9c, 9d that supply water to the water spray nozzles 7B, 7C, 7D.
  • a supply pump (not shown) is connected to the main supply line 17 that supplies water to each water supply line 9.
  • cooling water is supplied from the supply pump at a constant pressure equal to or higher than the pressure at which the maximum flow rate can be injected for each of the four types of water spray nozzles 7A, 7B, 7C, and 7D.
  • the cooling supplied to each water spray nozzle 7 is controlled by controlling the opening degree of the valve provided in the water supply lines 9a, 9b, 9c, 9d for supplying water to the water spray nozzles 7A, 7B, 7C, 7D. Change the water pressure.
  • the pressure of the supply water may be changed by changing the discharge pressure of the supply pump.
  • the opening control of the valves provided in the water supply lines 9a, 9b, 9c, 9d is used. And it can be changed by the drive control of the supply pump.
  • the first switching valve 11 to the third switching valve 15 are valves for switching which water supply line 9 the water flows through, and are composed of a four-way valve. By being composed of a four-way valve, it is possible to switch the flow path so that water is supplied to only one water supply line 9 and water is not supplied to the other three water supply lines 9.
  • the water spray nozzles 7A, 7B, 7C, 7D installed in each gap of the guide roller 3 are 1 depending on the cooling condition, that is, the required water volume density.
  • the type is selected, and the flow rate of water corresponding to the selected water spray nozzle 7 is supplied from the supply pump via the water supply lines 9a, 9b, 9c, 9d.
  • cooling water having a pressure of 0.1 (MPa) is supplied to the water supply line 9a and is supplied from the water spray nozzle 7A. It is discharged.
  • the cooling water is supplied from the supply pump to the water supply line 9a at a discharge pressure of 0.5 (MPa), and control is performed to reduce the opening degree of a valve (not shown) installed in the water supply line 9a.
  • the pressure is reduced to 1 (MPa) and supplied to the water spray nozzle 7A.
  • the operation of the first switching valve 11 to the third switching valve 15 is performed manually or automatically. In the case of automatic operation, an actuator (not shown) may be operated by a control signal of a control unit (not shown) to operate the first switching valve 11 to the third switching valve 15 according to the casting speed.
  • the water spray nozzles 7A to 7D are switched from the weak cooling condition to the strong cooling condition as shown in the relationship between the supply pressure and the water density in FIG. Therefore, a turndown ratio of 40 times can be realized while suppressing the pressure ratio to 5 times. As a result, high-speed casting can be stably realized without requiring a large capital investment or operating cost, and good surface texture and internal quality of the slab 5 can be obtained.
  • all the segments constituting the horizontal band have the same specifications so that any segment can be cooled with a large turndown ratio, and cooling control can be performed in the same manner at any position in the casting direction. It is preferable to do so.
  • the turndown ratio that can handle a wide range of cooling conditions as described above is preferably 20 times or more (50 to 1000 L / (m 2 x min)), and is about 40 times (50 to 2000 L / (m 2 x min)). ) Is more preferable, as examined by the inventor. [Embodiment 2] Next, the secondary cooling method using the secondary cooling device 1 described in the first embodiment will be described.
  • a suitable secondary cooling method can be realized even when the casting speed changes, but by using the secondary cooling device 1, the amount of cooling water can be further reduced.
  • the casting speed can be increased while reducing the amount. This point will be described below.
  • the slab 5 is sprayed with water (water one-fluid spray or water-air two-fluid mixed mist) to complete solidification from the vertical band 23 to the horizontal band 31 to the center after leaving the mold.
  • Secondary cooling using (spray) is carried out.
  • the strength of the shell is secured by injecting a large flow rate of water in the vertical band 23 from directly under the mold to entering the curved band 27 to carry out strong cooling.
  • the cooling is weakened, and the surface temperature is raised (reheated) by heat conduction from the high temperature portion inside. Then, in the straightening zone, the surface temperature is adjusted so as to be above the embrittlement temperature range to avoid the occurrence of lateral cracks.
  • nucleate boiling is a boiling state in which bubbles are generated around the foaming point and the coolant can take very high heat from the object to be cooled.
  • the boiling state that has not reached nucleate boiling is called membrane boiling.
  • Membrane boiling is a boiling state in which a vapor film is formed at the boundary between the coolant and the object to be cooled, which becomes a heat insulating layer, and the amount of heat that the coolant can take from the object to be cooled is small.
  • the inventor found that 500 L / (m 2 ⁇ min) or more is required. It was also found that since the flow rate dependence of the cooling capacity becomes small in the nucleate boiling state, it is not necessary to excessively increase the cooling water supply capacity, and the water density may be 2000 L / (m 2 ⁇ min) or less.
  • the nucleate boiling state is realized with a large flow rate of cooling water and the surface temperature of the slab is lowered, the nucleate boiling can be maintained without injecting a large amount of cooling water. Therefore, when the total amount of cooling water that can be used in the entire continuous casting machine is limited, the water amount density in the subsequent stage of the strong cooling zone may be reduced to less than 500 L / (m 2 ⁇ min). However, as a result of the examination by the inventors, it was also found that the nucleate boiling state cannot be stably maintained unless the water density is 50 L / (m 2 ⁇ min) or more.
  • the amount of cooling water is reduced by performing strong cooling in the nucleate boiling state at a large flow rate in the previous stage and strong cooling at a small flow rate that maintains the nucleate boiling in the latter stage.
  • the casting speed can be increased.
  • the secondary cooling method for the continuously cast slab of the present embodiment is continuously composed of the vertical band 23, the bent portion 25, the curved band 27, the straightening section 29, and the horizontal band 31 from the upstream side in the casting direction.
  • This is a method for cooling a continuously cast slab in which the slab 5 is secondarily cooled by using the secondary cooling device 1 for the continuously cast slab according to the first embodiment in the secondary cooling zone of the casting machine.
  • the section on the upstream side in the casting direction in the horizontal zone 31 of the secondary cooling zone is a strong water cooling section in which the cooling water is injected to cool the slab 5 under the condition that the injected cooling water is in a nuclear boiling state on the surface of the slab.
  • the water volume density of the cooling water is reduced, and the boiling state of the coolant on the slab surface is maintained at nuclear boiling. It is a weak water cooling section.
  • nucleate boiling As a strong water cooling section that realizes nucleate boiling, it is sufficient that there is one minimum water amount control section that can individually control the water amount density in the uppermost stream portion of the horizontal zone 31. If the nucleate boiling is realized, in the subsequent sections, it is sufficient to cool with the minimum water density for maintaining the nucleate boiling, whereby the cooling by the nucleate boiling can be stably performed.
  • cameras will be installed in each section to monitor the amount of water smoke generated by visual observation or measurement with a transmissometer.
  • the threshold value of the amount of water smoke generated to distinguish between nucleate boiling and membrane boiling is obtained in advance by an experiment, and by confirming whether or not the amount of water smoke generated exceeds the threshold value, the nucleate boiling state is set in a predetermined section. You can check if you have achieved it. Then, if the nucleate boiling state has not been achieved, the amount of cooling water is adjusted to be increased. This ensures that the nucleate boiling state can be achieved and maintained.
  • the fluid temperature and the solid temperature are locally equal at the point of contact between them. Since the temperature of liquid water rises only to the boiling point under atmospheric pressure, it is considered that the surface temperature of the slab is also about 100 ° C. if nucleate boiling is realized. Therefore, the nucleate boiling state is achieved by measuring the temperature of the slab surface and the surrounding cooling water using a contact-type thermometer having a small probe and confirming that the temperature is stable at around 100 ° C. Can be confirmed if has been achieved. Then, if the nucleate boiling state has not been achieved, the amount of cooling water is adjusted to be increased. This ensures that the nucleate boiling state can be achieved and maintained.
  • each segment constituting the horizontal band 31 By making the design of each segment constituting the horizontal band 31 common, it is possible to control a wide jet water amount range with the same configuration, and further, it is possible to efficiently maintain the continuous casting machine.
  • the range of the strong water cooling section differs depending on the slab thickness and steel type, it is preferable that the range can be flexibly changed in the casting direction, that is, the longitudinal direction of the slab 5.
  • the secondary cooling device 1 capable of obtaining a large turndown ratio is installed in all the segments constituting the horizontal band 31.
  • the present invention is produced by manufacturing a slab 5 using a vertical bending type continuous casting machine (see FIG. 4) in which the secondary cooling device 1 (see FIGS. 1 and 2) of the first embodiment is installed in a horizontal band 31. An example in which the effect of is confirmed will be described.
  • the water spray nozzle 7 was designed to use four types, but in some examples, the nozzle types used are limited.
  • the machine length of the continuous casting machine is 45 m, and a thermometer and a gas cutting machine 33 for measuring the temperature distribution on the surface of the slab are installed at the machine end.
  • the slab 5 was manufactured by changing the cooling conditions, casting speed, and slab thickness, and the temperature unevenness during cooling, the surface texture and internal defects after casting, and the manufacturing cost were evaluated.
  • Comparative Example 1 and Examples 1 and 2 235 mm thick slabs 5 were manufactured under the conditions of the prior art and the conditions to which the technique of the present invention was applied, respectively.
  • Comparative Example 1 a section was set in which cooling was performed by a one-fluid spray and cooling was performed under a large flow rate condition on the way in order to increase the casting speed.
  • the minimum value of the set water density was 10 L / (m 2 ⁇ min)
  • the maximum value was 100 L / (m 2 ⁇ min)
  • the target turndown ratio was 10 times.
  • Example 1 the technique of the present invention is applied to use two types of water spray nozzles and a water supply line 9, and the water supply pressure ratio is 5 times and the turndown ratio is 20 times (minimum 50 L / (m 2). ⁇ min) to a maximum of 1000 L / (m 2 ⁇ min)) could be stably realized. Since the strong cooling conditions with a larger flow rate were stably realized than in the case of manufacturing using the prior art, the upper limit of the casting speed could be increased from 1.8 mpm to 2.7 mmp. Inspection after manufacturing revealed no defects such as cracks. In addition, because it is a one-fluid spray, it does not require an air compressor, and equipment installation costs and operating costs can be reduced.
  • Example 2 In Example 2, four types of nozzles and pipes are used, and the water supply pressure ratio is 5 times and the turndown ratio is 40 times (minimum 50 L / (m 2 ⁇ min) to maximum 2000 L / (m 2 ⁇ min)). It was possible to realize it stably. Since the strong cooling conditions with a large flow rate were stably realized as compared with the case of manufacturing using the conventional technique, the upper limit of the casting speed could be further increased from 1.8 mpm to 3.0 mpm. Inspection after manufacturing revealed no defects such as cracks.
  • Comparative Examples 2 and 3 and Examples 3 and 4 are examples in which the slab thickness was changed to 200 mm and 260 mm under the same cooling conditions as in Comparative Example 1 and Example 2, respectively.
  • Example 4 the maximum casting speed was 2.8 mpm, which was faster than the maximum of 1.3 mpm in Comparative Example 3, and it was possible to manufacture without causing defects.
  • Comparative Example 4 is a study result when one kind of two-fluid spray is used.
  • the cooling water supply pressure ratio is 30 times and the turndown ratio is 20 times (minimum 10 L / (m 2 x min) to maximum 200 L / (m 2 x min)), and Comparative Examples 1 to 1 to It was found that a high turndown can be achieved with a smaller pressure ratio than 3.
  • Comparative Example 5 is a method of switching between one-fluid spray and two-fluid spray, and a higher turndown ratio (20 times) can be realized with a lower pressure ratio (5 times) than that of Comparative Example 4. In this case as well, the cost was inferior to that of the examples, so the introduction of equipment was postponed.
  • Comparative Example 6 is an example in which two types of one-fluid spray nozzles are used to achieve a turndown ratio of 20 times (minimum 50 L / (m 2 ⁇ min) to maximum 1000 L / (m 2 ⁇ min)) at a pressure ratio of 5 times.
  • the distance between the guide rolls was widened, and two types of nozzles were arranged in two rows parallel to the rolls.
  • Experiments were conducted by introducing this cooling device only in some segments of the secondary cooling zone where a high turndown ratio is required.
  • the range of water density and the turndown ratio were the same as in Example 1, as a result of arranging the spray nozzles in two rows, the roll interval became wider and the bulging amount became larger. Therefore, when the slab 5 after casting was inspected, internal cracks were observed, and the degree of central segregation also deteriorated.
  • Example 5 is an example in which two types of one-fluid spray nozzles are used and the pressure ratio is doubled and the turndown ratio is 40 times (minimum 50 L / (m 2 ⁇ min) to maximum 2000 L / (m 2 ⁇ min)). Is. However, in this example, the control range of the cooling capacity was limited to two levels, weak cooling and strong cooling, so the supply pressure ratio could be reduced by 5 to 2 times by reducing the flow rate control range of each water spray nozzle. ..
  • control range of the flow rate of the entire cooling device is intermittent.
  • the controllability of the cooling capacity against fluctuations in the casting speed is inferior to that of the first and second embodiments, high-speed casting of the same degree is possible, and defects are also observed in the slab 5 after production. There wasn't.
  • Example 6 is an example in which two types of one-fluid spray nozzles are used and the pressure ratio is doubled and the turndown ratio is 11 times (minimum 50 L / (m 2 ⁇ min) to maximum 550 L / (m 2 ⁇ min)). Is.
  • the maximum water density was reduced to the extent that nucleate boiling could be maintained, so the upper limit of the casting speed was 2.5 mpm, which was higher than in Examples 1, 2, and 5 having the same slab thickness of 235 mm.
  • the cost is low. There was no operational problem, and no defects were found in the slab 5 after production.
  • Example 6 is an example in which two types of one-fluid spray nozzles are used and the pressure ratio is doubled and the turndown ratio is 11 times (minimum 50 L / (m 2 ⁇ min) to maximum 550 L / (m 2 ⁇ min)). Is.
  • the maximum water density was reduced to the extent that nucleate boiling could be maintained, so the upper limit of the casting speed was 2.5 mpm, which was higher than in Examples 1, 2, and 5 having the same slab thickness of 235 mm.
  • the cost is low. There was no operational problem, and no defects were found in the slab 5 after production.
  • Example 7 is an example in which two types of one-fluid spray nozzles are used and the pressure ratio is 5 times and the turndown ratio is 5 times (minimum 400 L / (m 2 ⁇ min) to maximum 2000 L / (m 2 ⁇ min)). Is.
  • Example 8 was a turndown ratio of 20 times 5 times pressure ratio by using two kinds of single-fluid spray nozzle (Min 45L / (m 2 ⁇ min) ⁇ up 900L / (m 2 ⁇ min) ) Example Is.
  • Min 45L / (m 2 ⁇ min) ⁇ up 900L / (m 2 ⁇ min) Example Is.
  • the upper limit of the casting speed was 2.6 mpm, although the slab had slight surface cracks.
  • the secondary cooling device 1 capable of increasing the turndown ratio, the controllability of the secondary cooling with respect to the fluctuation of the casting speed is improved, and the slab of high quality while increasing the casting speed. It was demonstrated that the production of 5 can be realized.
  • the present invention is applied to the horizontal zone 31 is shown, but it may be applied to another cooling zone on the upstream side of the horizontal zone 31, or may be applied across a plurality of cooling zones. ..

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Abstract

【課題】設備投資や運用コストを抑え、設備制約の厳しい環境でも適用可能で、高い冷却能力制御性を有した鋼の連続鋳造における冷却装置及び方法を得る。 【解決手段】本発明に係る連続鋳造鋳片の二次冷却装置１は、連続鋳造機の二次冷却帯において、ガイドローラー３によって支持案内される鋳片５を一流体水スプレーで冷却するものであって、流量特性の異なる二種類以上の水スプレーノズル７と、各水スプレーノズル７の流量特性に応じた流量の水を調整可能に供給する複数の水供給ライン９と、使用する水供給ライン９を切り換える切換バルブ１１、１３、１５とを備え、前記流量特性の異なる二種類以上の水スプレーノズル７が前ガイドローラー間の隙間に、ガイドローラー３と平行な方向に一列に並べて設置されている冷却ゾーンを有する。

Description

連続鋳造鋳片の二次冷却装置及び二次冷却方法
　本発明は、連続鋳造鋳片の二次冷却装置及び二次冷却方法に関する。
　一般的な連続鋳造鋳片の製造方法を、垂直曲げ型の連続鋳造設備を例に挙げて、図４に基づいて説明する。
　タンディッシュ（図示なし）から鋳型２１に注入された溶鋼は、鋳型２１にて一次冷却され、凝固シェルを形成した平板状の鋳片５となって平板状で垂直帯２３を降下し湾曲帯２７へと進む。そして湾曲帯２７の入側の曲げ部２５において鋳片５は一定の曲率半径を保つように複数のロール（不図示）でガイドされながら曲げられる。
　その後、矯正部２９において曲率半径を順次大きくしながら曲げ戻され（矯正され）、矯正部２９を出たところで鋳片５は再び平板状になって水平帯３１へと進む。水平帯３１で凝固が完了した後、鋳片５は連続鋳造機出側に設置されたガス切断機３３によって所定の長さに切断される。
　鋳片５は鋳型２１を出た後、垂直帯２３から水平帯３１にかけて中心部まで凝固を完了させるために水スプレー（水一流体スプレーや水-空気二流体混合ミストスプレー）を使った二次冷却を実施している。
　通常、二次冷却は鋳型２１直下の垂直帯２３において大流量の水を噴射して強冷却を実施することでシェルの強度を確保している。湾曲帯２７以降では逆に冷却を弱め、内部の高温部からの熱伝導によって表面温度を上昇（復熱）させている。そして矯正部２９において表面温度が脆化温度域以上になるように調整し、横割れの発生を回避している。
　連続鋳造を開始してから鋳造速度が最高速度に達するまでの期間や、鋳型への溶鋼の注入を停止し連続鋳造を終了する期間は鋳造速度が大きく変化する。この時、二次冷却帯の冷却条件を鋳造速度の変化に合わせて制御しなければならない。
　冷却条件の制御が適切でない場合、例えば、垂直帯において冷却過剰となれば、矯正帯通過時に鋼のIII領域脆化（γ低温領域からγ／α変態温度域にかけての鋼の脆化現象）に起因した表面割れ（横割れ）を生じてしまう。
　鋳片の温度が低下し過ぎた場合には、連続鋳造機出側でのガス切断時に切断不良とそれに伴う鋳造速度調整などのトラブルを招いてしまう。
　一方、生産効率向上の目的で鋳造速度を増加させ、鋳片中心部が未凝固のまま矯正を行い、連続鋳造工程の終盤の水平帯で強冷却を実施することで凝固を完了させる方法もとられる。このような方法は鋼種によって適用可否が異なり、冷却の過不足を防ぐために鋳片の厚みや速度によって強冷却帯の範囲や冷却水の水量を制御しなければならない。
　以上のように、連続鋳造における鋳片の二次冷却においては、冷却条件を大きく変化させる必要がある。これに対応する方法として、例えば、特許文献１では、水と圧縮空気による二流体スプレーによって水量が大きく変化した場合でも安定した噴射状態を得られる技術が提案されている。
　特許文献２では、水一流体の冷却で、圧力や流量を独立に制御した二系統の冷却水を単一の噴射口に導入し、冷却条件に応じて冷却水の供給流量を大きく変化させる技術が提案されている。
　特許文献３では、水量域に応じて水一流体スプレーと水空気二流体スプレーを使い分けることで冷却水の供給流量を変化させる技術が提案されている。
　さらに、特許文献４では、ロール間に二列の水一流体スプレーを設置し、鋳造速度の変化に応じて水を噴射する列を片方若しくは両方で切り換えて冷却する技術が提案されている。
特開２０１６－７６０２号公報 特開平５－２２０５５０号公報 特開２００４－５８１１７号公報 特開昭５２－１２８８３６号公報
　特許文献１の技術では、単一のノズルで幅広い冷却水の水量範囲で安定した噴射分布が得られているものの、冷却水の供給圧力を大きく変化させる必要があるので、特に大流量条件では圧力損失が大きくなってしまう。この場合、大量の圧縮空気を必要となるので、大容量のコンプレッサーを設置する必要があり設備コストと運用コストが大きくなってしまう。
　特許文献２の技術では、圧縮空気は必要とせずに、圧力・流量の異なる二系統の冷却水を供給することでノズルからの噴射水量の制御範囲を広げられるとしている。
　水一流体スプレーの場合、噴射水量はノズルへの水の供給圧力によって制御することができるが、一般に噴射水量は圧力の平方根に比例することが知られている。ターンダウン比を大きくするには圧力比を大きくする必要がある。例えば、４０倍のターンダウン比を実現するためには最小・最大の圧力比が１６００倍となりポンプの制御能力を超えてしまう。
　また、供給圧力を下げて水量を小さくした場合には水の噴射角度が設計値よりも小さくなってしまう危険がある。この結果、冷却面に衝突する水の流量分布が不均一になり冷却むらが発生し、表面温度むらに起因した熱応力による表面割れ（縦割れ）が発生するという問題がある。
　一方、特許文献３の技術では、低流量域のみで二流体スプレーを使用することで空気の消費量を抑えているものの特許文献１と同様に設備・運用コストに問題がある。二種類の配管とノズルを使用することで圧力損失を抑制し噴射分布の安定性を確保しているが、水二系統と空気一系統の配管を同じロール間のスペースに配置しなければならず、連鋳機の設計負荷および製造コストが増加する。
　特許文献４の技術では、水一流体二系統とすることで設計は簡素化されるものの、ロール間にスプレーを二列配置するので、ロール間隔を小さくすることが困難になる。ロール間隔を小さくできないことは、鋳片中心部の未凝固溶鋼の静圧によって鋳片幅中央部が膨らむバルジングの抑制に不利であり、鋳片の内部品質不良を招いてしまう。
　以上のように、大きな設備投資や運用コストを必要とせずに高い冷却能力制御性を有し、鋳造速度の大きな変化に対応して高速鋳造を安定的に実現し、更に良好な表面性状や内部品質が得られる二次冷却装置及び二次冷却方法の開発が望まれている。
　そこで、本発明は、上記の問題を鑑み、設備投資や運用コストを抑え、設備制約の厳しい環境でも適用可能で、高い冷却能力制御性を有した鋼の連続鋳造における二次冷却装置及び方法を得ることを目的とする。
（１）連続鋳造機の二次冷却帯において、複数のガイドローラーによって支持案内される鋳片を一流体水スプレーで冷却する連続鋳造鋳片の二次冷却装置であって、流量特性の異なる二種類以上の水スプレーノズルと、各水スプレーノズルの流量特性に応じた流量の水を供給する複数の水供給ラインと、使用する水供給ラインを切り換える切換装置と、を備え、前記流量特性の異なる二種類以上の水スプレーノズルが、前記ガイドローラー間の隙間に、前記ガイドローラーの回転軸と平行な方向に一列に並べて設置されている冷却ゾーンを有する、連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
（２）前記水供給ラインの数は、前記水スプレーノズルの種類と同数である、（１）に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
（３）前記二種類以上の水スプレーノズルのうち、最も噴射流量の多いスプレーノズルによって噴射される水の水量密度は、最も噴射流量が少ないスプレーノズルによって噴射される水の水量密度の２０倍以上である、（１）または（２）に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
（４）前記二種類以上の水スプレーノズルのうち、最も噴射流量の多いスプレーノズルによって噴射される水の水量密度は５００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）以上２０００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）以下であり、最も噴射流量が少ないスプレーノズルによって噴射される水の水量密度は５０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）以上５００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）未満である、（１）から（３）のいずれか１つに記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
（５）鋳造方向上流側から、垂直帯、曲げ部、湾曲帯、矯正部、水平帯の順で構成される前記連続鋳造機の二次冷却帯において、前記冷却ゾーンが、前記水平帯内に１ゾーン以上設置される、（１）から（４）のいずれか１つに記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
（６）（５）に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置を用いて鋳片を二次冷却する連続鋳造鋳片の冷却方法であって、前記水平帯における鋳造方向上流側区間を、噴射された水が鋳片表面で核沸騰状態となる条件で水を噴射して鋳片を冷却する強水冷区間とし、かつ、前記強水冷区間より鋳造方向下流側で前記水平帯末端までの区間を、前記強水冷区間よりも水量密度を低下させ、かつ鋳片表面における冷却液の沸騰状態を核沸騰に維持する弱水冷区間とする、連続鋳造鋳片の二次冷却方法。
　本発明においては、流量特性の異なる二種類以上の水スプレーノズルと、各水スプレーノズルの流量特性に応じた流量の水を供給する複数の水供給ラインと、使用する水供給ラインを切り換える切換装置とを備え、流量特性の異なる二種類以上の水スプレーノズルがガイドローラー間の隙間に、当該ガイドローラーの回転軸と平行な方向に一列に並べて設置されていることにより、ガイドローラー間の隙間を大きくすることなく、高い冷却能力制御性を有し、鋳造速度が変化した場合でも品質低下やトラブルを招くことなく、鋳片を安定的に製造できる。
図１は、本発明の実施の形態に係る二次冷却装置の要部を説明する説明図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る二次冷却装置における水スプレーノズルの配置及び噴射パターンを説明する説明図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る二次冷却装置における水量密度の制御範囲を説明するグラフである。 図４は、一般的な連続鋳造設備の概要を説明する説明図である。
　［実施の形態１］
　図１は、本発明の実施の形態に係る二次冷却装置の要部を説明する説明図である。図２は、本発明の実施の形態に係る二次冷却装置における水スプレーノズルの配置及び噴射パターンを説明する説明図である。
　図１、図２に示すように、本実施の形態に係る連続鋳造鋳片の二次冷却装置１は、連続鋳造機の二次冷却帯において、複数のガイドローラー３によって支持、案内される鋳片５を一流体水スプレーで冷却するものである。二次冷却装置１は、流量特性である噴射流量が異なる２種類以上（本実施の形態では４種類）の水スプレーノズル７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄと、各水スプレーノズル７の流量特性に応じた流量の水を供給する複数（本実施の形態では、水スプレーノズル７の種類と同数の４個）の水供給ライン９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと、使用する水供給ライン９を切り換える切換装置としての第１切換バルブ１１、第２切換バルブ１３、第３切換バルブ１５の３つを備える。水スプレーノズル７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄがガイドローラー３間の隙間に、ガイドローラー３と平行な方向に一列に並べて設置されて冷却ゾーンが構成される。
　ガイドローラー３は、鋳片５を上下で挟んで回転することで、鋳片５に鋳造方向への引き抜き力を与える。一つのセグメントに複数のガイドローラー３が所定の間隔で配設されている。鋳造方向で隣接するガイドローラー３間には、所定の隙間が設けられており、この隙間に水スプレーノズル７が設置されている。設備の規模にもよるが、例えば、水平帯には、１００近くのガイドローラー３が、鋳造方向に所定の間隔で配設されており、複数（例えば１０本）のガイドローラー３は一つのセグメントとして構成されて一つのまとまりとして流量制御が可能になっている。水平帯には、例えば、１０個のセグメントが設置される。
　４種類の水スプレーノズル７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ（水スプレーノズル群）は、図２に示すように、ガイドローラー３の隙間に、ガイドローラー３の回転軸と平行な方向に一列に並べて設置されている。これらの水スプレーノズル群によって冷却されるゾーンを冷却ゾーンという。水平帯には、当該冷却ゾーンが１ゾーン以上設置される。図１、２では、水スプレーノズル７Ａが２個、水スプレーノズル７Ｂが３個、水スプレーノズル７Ｃが２個、水スプレーノズル７Ｄが４個、図示されている。しかしながら、これらの個数は設置されるノズル数を全て示しているものではなく、一部が省略されており、実際には、いずれの水スプレーノズル７が選択された場合であっても、鋳片５の幅方向の全幅をカバーできるように各水スプレーノズル７の数が設定される。
　本実施の形態では、流量特性の異なる複数種類の水スプレーノズル７を一列に配置しているので、種類ごとに鋳片５幅方向の配置される位置が異なっている。図２に示すように、異なる配置のどの種類の水スプレーノズル７が選択された場合でも鋳片５の幅方向で隙間なくカバーできるように、水スプレーノズル７の噴射角度を異ならせている。
　使用する水スプレーノズル７は、噴射された水が扇形もしくは充円錐形や充角錐形に広がり、被冷却面（２本のガイドローラー３に挟まれた鋳片の上下表面）での水量密度分布の均一性が高いノズルを用いることが好ましい。このため、水スプレーノズル７の列が受け持つ被冷却面に対して均一に冷却水を噴射できるように、水スプレーノズル７から噴射される水が、他の水スプレーノズル７から噴射される水に干渉しないように各水スプレーノズル７を調整することが好ましい。例えば、扇形に水が広がる水スプレーノズル７を用いた場合には、水スプレーノズル７の噴射面が直線上に並ばないように、噴射方向を調整することが好ましい。例えば、噴射した水が充円錐形や充角錐形となる水スプレーノズル７を用いた場合には、水スプレーノズル７から噴射される水と他の水スプレーノズル７から噴射される水との干渉が最小になるように、各水スプレーノズル７の配置間隔を調整することが好ましい。
　図３は、本発明の実施の形態に係る二次冷却装置における水量密度の制御範囲を説明するグラフである。図３を用いて、４種類の水スプレーノズル７の種類ごとの流量特性を説明する。図３の縦軸は水量密度（Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））であり、横軸は供給圧力（ＭＰａ）である。水量密度とは、水スプレーノズル７の列から噴射される水の総水量（Ｌ／ｍｉｎ）を、水スプレーノズル７の列が受け持つ被冷却面の面積（ｍ２）で除して算出される値である。
　図３に示す水量密度は、水スプレーノズル７の種類毎、例えば水スプレーノズル７Ａが３個設けられるとすれば、３個の平均の水量密度である。水スプレーノズル７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄの水量密度は、供給圧力が０．１～０．５（ＭＰａ）の範囲で、それぞれ、Ａ：５０～１５０（Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））、Ｂ：１５０～３７０（Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））、Ｃ：３７０～８８０（Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））、Ｄ：８８０～２０００（Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））である。
　したがって、水スプレーノズル７Ａを選択して供給圧力を０．１（ＭＰａ）とした場合には最小の水量密度５０（Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））となり、水スプレーノズル７Ｄを選択して供給圧力を０．５（ＭＰａ）とした場合には最大の水量密度２０００（Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））となる。すなわち、本実施の形態の水スプレーノズル７は、圧力比が５倍でターンダウン比を４０倍にできる。
　水供給ライン９は、水スプレーノズル７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄの４種類の流量特性に応じた流量の水を供給するために、本実施の形態では、４種類設けられている。
　例えば、水スプレーノズル７Ａに水を供給する水供給ライン９ａは、主供給ライン１７に直接又は間接的に接続されたヘッダ部９ａ１と、基端がヘッダ部９ａ１に接続され先端に水スプレーノズル７Ａが接続された複数の分岐管９ａ２とを備えている。そして、ヘッダ部９ａ１及び各分岐管９ａ２は水スプレーノズル７Ａの流量特性に応じてヘッダ部９ａ１の容量及び分岐管９ａ２の径が設定されている。水スプレーノズル７Ｂ、７Ｃ、７Ｄに水を供給する水供給ライン９ｂ、９ｃ、９ｄについても同様である。
　各水供給ライン９に水を供給する主供給ライン１７には図示しない供給ポンプが接続されている。通常、供給ポンプからは、水スプレーノズル７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄの４種類について、各々最大流量が噴射可能な圧力以上の一定の圧力で冷却水が供給される。そして、水スプレーノズル７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄに水を供給する水供給ライン９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ内に設けられたバルブの開度を制御して各水スプレーノズル７に供給される冷却水の圧力を変更する。供給ポンプの吐出圧を変更することで、供給水の圧力を変更してもよい。
　選択された水スプレーノズル７の種類と、必要とされる水量密度によって必要とされる供給圧力が異なるので、これを水供給ライン９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ内に設けられたバルブの開度制御や、供給ポンプの駆動制御によって変更できるようにしている。
　第１切換バルブ１１～第３切換バルブ１５は、どの水供給ライン９に水を流すかを切り換えるバルブであり、４方弁によって構成される。４方弁で構成されることで、一つの水供給ライン９にのみ水を供給し、他の三つの水供給ライン９には水が供給されないように流路を切り換えることができる。
　上記のように構成された本実施の形態では、ガイドローラー３の各隙間に設置された水スプレーノズル７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄは、冷却条件、すなわち必要とされる水量密度に応じて、１種類が選択され、選択された水スプレーノズル７に応じた流量の水が供給ポンプから水供給ライン９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを介して供給される。
　例えば、必要とされる水量密度が５０（Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））の場合には、０．１（ＭＰａ）の圧力の冷却水が水供給ライン９ａに供給され、水スプレーノズル７Ａから吐出される。冷却水は供給ポンプより吐出圧力０．５（ＭＰａ）で水供給ライン９ａに供給され、水供給ライン９ａ内に設置されたバルブ（図示せず）の開度を小さくする制御が行われ、０．１（ＭＰａ）に減圧されて水スプレーノズル７Ａに供給される。第１切換バルブ１１～第３切換バルブ１５の操作は、手動又は自動で行われる。自動で行う場合には、図示しない制御部の制御信号によって、図示しないアクチュエータを作動させて、鋳造速度に応じて第１切換バルブ１１～第３切換バルブ１５を操作すればよい。
　本実施の形態によれば、鋳造速度が変化しても、弱冷条件から強冷条件までを、図３の供給圧力と水量密度の関係に示すように、水スプレーノズル７Ａ～７Ｄへ切り換えることで、圧力比を５倍に抑えながらターンダウン比４０倍を実現できる。これにより、大きな設備投資や運用コストを必要とせず、高速鋳造を安定的に実現し、更に鋳片５の良好な表面性状や内部品質が得られる。
　上記の説明では、ガイドローラー３とガイドローラー３の一つの隙間に設置する水スプレーノズル７Ａ～７Ｄ及び水供給ライン９ａ～９ｄの構成について説明したが、連続鋳造機の整備を効率的に行うためには、各セグメントの設計は共通であることが好ましい。そのため同一の構成で広い水量密度範囲に制御できる二次冷却装置、つまり、冷却水の水量密度の制御可能な最小値と最大値の比（ターンダウン比）が大きな二次冷却装置が求められる。
　そこで、例えば、水平帯を構成する全てのセグメントについて共通の仕様にして、どのセグメントであっても大きなターンダウン比で冷却できるようにし、鋳造方向のどの位置であっても、同様に冷却制御できるようにすることが好ましい。
　上記のような幅広い冷却条件に対応可能なターンダウン比は２０倍以上（５０～１０００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））であることが好ましく、４０倍程度（５０～２０００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））であることがより好ましいことが発明者の検討により分かっている。
［実施の形態２］
　次に、上記の実施の形態１で説明した二次冷却装置１を用いた二次冷却方法について説明する。
　実施の形態１で説明した二次冷却装置１を用いることで、鋳造速度が変化する場合にも、好適な二次冷却方法が実現できるが、二次冷却装置１を用いることでさらに冷却水量を低減しつつ鋳造速度を高めることができる。この点について以下説明する。
　背景技術で説明したように、鋳片５は鋳型を出た後、垂直帯２３から水平帯３１にかけて中心部まで凝固を完了させるために水スプレー（水一流体スプレーや水－空気二流体混合ミストスプレー）を使った二次冷却を実施している。二次冷却は鋳型直下から湾曲帯２７に入るまでの垂直帯２３において大流量の水を噴射して強冷却を実施することでシェルの強度を確保している。湾曲帯２７以降では逆に冷却を弱め、内部の高温部からの熱伝導によって表面温度を上昇（復熱）させている。そして矯正帯において表面温度が脆化温度域以上になるように調整し、横割れの発生を回避している。
　一方、中心部については生産性の向上のために鋳造速度を上げると未凝固のまま矯正部２９を通過することになる。このため、更に鋳造速度を増加するには、水平帯で確実に凝固させるために水平帯３１前段の水量を増加させて強冷却条件で冷却することが必要になる。
　特に、安定した強冷却条件を実現するためには鋳片５の表面で冷却水が核沸騰状態にあることが好ましい。ここで、核沸騰とは、発泡点を核として気泡が発生し、冷却液が、冷却対象から非常に高い熱を奪うことのできる沸騰状態である。核沸騰に至っていない沸騰状態を膜沸騰という。膜沸騰は、冷却液と冷却対象の境界に蒸気の膜が生じ、それが断熱層となり、冷却液が、冷却対象から奪うことのできる熱量が小さい沸騰状態である。
　発明者は、鋳片５が強冷却帯に進入して速やかに核沸騰状態を実現するための水量密度を検討した結果、５００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）以上必要であることが分かった。核沸騰状態では冷却能力の流量依存性が小さくなるため、冷却水の供給能力を過剰に大きくする必要は無く、水量密度２０００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）以下とすればよいことも分かった。
　更に、大流量の冷却水で一旦核沸騰状態が実現され鋳片表面温度が低下すれば、大量の冷却水を噴射せずとも核沸騰は維持できる。そのため、連続鋳造機全体で使用できる冷却水の総量に制限がある場合などは、強冷却帯の後段の水量密度を５００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）未満に水量を絞っても構わない。ただし、発明者らの検討の結果、水量密度が５０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）以上でなければ安定して核沸騰状態を維持できないことも分かった。
　このように、水平帯３１においてはその前段において大流量で核沸騰状態での強冷却を行い、後段では核沸騰を維持する程度の小流量での強冷却を行うことで、冷却水量を低減しながら鋳造速度を増大できる。
　すなわち、本実施の形態の連続鋳造鋳片の二次冷却方法は、鋳造方向上流側から、垂直帯２３、曲げ部２５、湾曲帯２７、矯正部２９、水平帯３１の順で構成される連続鋳造機の二次冷却帯において、実施の形態１に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置１を用いて鋳片５を二次冷却する連続鋳造鋳片の冷却方法である。二次冷却帯の水平帯３１における鋳造方向上流側区間は、噴射された冷却水が鋳片表面で核沸騰状態となる条件で冷却水を噴射して鋳片５を冷却する強水冷区間であり、かつ、当該強水冷区間よりも鋳造方向下流側であって水平帯３１の末端までの区間は、冷却水の水量密度を低下させ、かつ鋳片表面における冷却液の沸騰状態を核沸騰に維持する弱水冷区間である。このように強水冷区間および弱水冷区間を設定することにより、冷却水量を低減しつつ鋳造速度を高めることができる。
　核沸騰を実現する強水冷区間として、水平帯３１の最上流部に個別に水量密度を制御できる最小の水量制御区間が１つあればよい。核沸騰が実現すれば、それ以降の区間では、核沸騰を維持するための最小限の水量密度で冷却すればよく、これにより、核沸騰による冷却を安定して行うことができる。
　冷却水が鋳片表面に接触して沸騰すると、気化して水蒸気となる。この水蒸気が空気中で凝結した湯気（水煙）が観察される。ここで、核沸騰状態では、鋳片表面に接触した冷却水は激しく発泡して、大量の水蒸気が発生するので、水煙の発生量が多くなる。これに対して、膜沸騰状態では、沸騰する冷却水の発泡が少ないので、水蒸気および水煙の発生量も少なくなる。
　そこで、各区間にカメラを設置し、水煙の発生量を、目視による観測や透過率計による計測により監視する。予め、実験により核沸騰と膜沸騰とを区別する水煙の発生量の閾値を求めておき、当該水煙の発生量が閾値を超えるか否かを確認することで、所定の区間で核沸騰状態が達成できているか確認できる。そして、核沸騰状態が達成できていない場合には冷却水の水量を増やすように調整する。これにより、確実に核沸騰状態を達成および維持できる。
　沸騰を含めた対流熱伝達において、流体温度と固体温度とは両者が接触する点で局所的に等しくなる。大気圧下において液体状態の水は沸点までしか温度が上昇しないので、核沸騰が実現されていれば、鋳片の表面温度も約１００℃になっていると考えられる。このため、小型のプローブを有する接触式の温度計を用いて鋳片表面と周囲の冷却水の温度を測定し、当該温度が１００℃近傍で安定していることを確認することによって核沸騰状態が達成できているか確認できる。そして、核沸騰状態が達成できていない場合には冷却水の水量を増やすように調整する。これにより、確実に核沸騰状態を達成および維持できる。
　水平帯３１を構成する各セグメントの設計を共通にすることで、同一の構成で広い噴射水量範囲に制御でき、さらには連続鋳造機の整備を効率的に行うことができる。
　強水冷区間の範囲は、鋳片厚さや鋼種によって異なるため、鋳造方向すなわち鋳片５の長手方向で柔軟に変更できることが好ましい。
　このためには、実施の形態１で説明したように、ターンダウン比を大きくとれる二次冷却装置１が、水平帯３１を構成する全てのセグメントに設置されていることが好ましい。
　実施の形態１の二次冷却装置１（図１、図２参照）を水平帯３１に設置した垂直曲げ型の連続鋳造機（図４参照）を用いて鋳片５を製造して、本発明の効果を確認した実施例を説明する。
　水スプレーノズル７は、四種類使用する設計としたが、一部の実施例では使用するノズル種を限定している。連続鋳造機の機長は４５ｍで、機端には鋳片表面の温度分布を測定する温度計とガス切断機３３が設置されている。
　冷却条件や鋳造速度、スラブ厚を変化させて鋳片５を製造し、冷却中の温度むらや鋳造後の表面性状や内部欠陥、製造コストを評価した。
　製造条件と評価を下記の表１に示す。表中、本発明例の範囲のものを実施例１～５とし、発明範囲を外れるものを比較例１～７としている。
　一部の比較例では事前の数値解析による検討の結果、コストの問題から実際には設備を製作せず、製造を行っていないものもある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　比較例１および実施例１、２では、２３５ｍｍ厚の鋳片５をそれぞれ従来技術の条件と本発明の技術を適用した条件とで製造した。
　比較例１では一流体スプレーで冷却し、鋳造速度高速化のために途中大流量条件で冷却する区間を設定した。設定水量密度の最小値を１０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）、最大値を１００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）として目標ターンダウン比を１０倍とした。
　しかしながら、この比較例１では、冷却水の供給圧力比が１００倍となり実際には圧損のために目標通りのターンダウンは実現できなかった。そのため鋳造速度の最高値は１．８ｍｐｍに制限された。大流量条件ではスプレーの冷却パターンが不均一になり、冷却によって鋳片表面に温度むらが発生した。その結果、表面に不均一な熱応力が生じて、鋳造後に表面を検査したところ表面割れが確認された。
　一方、実施例１では本発明の技術を適用して、２種類の水スプレーノズルおよび水供給ライン９を使用し、水の供給圧力比５倍でターンダウン比２０倍（最小５０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）～最大１０００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））を安定的に実現できた。従来技術を用いて製造した場合よりも大流量の強冷却条件が安定的に実現されたことで、鋳造速度の上限を１．８ｍｐｍから２．７ｍｐｍまで高めることができた。製造後に検査したところ割れなどの欠陥は認められなかった。加えて、一流体スプレーのため、エアコンプレッサーを必要とせず設備の導入コスト、運用コストを抑えることができた。
　実施例２では、４種類のノズルおよび配管を使用し、水の供給圧力比５倍でターンダウン比４０倍（最小５０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）～最大２０００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））を安定的に実現できた。従来技術を用いて製造した場合よりも大流量の強冷却条件が安定的に実現されたことで、鋳造速度の上限を１．８ｍｐｍから３．０ｍｐｍまで更に高めることができた。製造後に検査したところ割れなどの欠陥は認められなかった。
　比較例２、３および実施例３、４はそれぞれ比較例１および実施例２と同様の冷却条件でスラブ厚を２００ｍｍと２６０ｍｍに変更した例である。
　スラブ厚を２３５ｍｍから２００ｍｍに薄くした場合、鋳造速度を上昇することができるが、比較例２では比較例１と同様に冷却むらによって表面割れが発生した。一方、実施例３では欠陥は発生せず、鋳造速度も最高で３．３ｍｐｍとなり、比較例２の最高２．３ｍｐｍよりも増速することができた。
　スラブ厚を２３５ｍｍから２６０ｍｍに厚くした場合、最高鋳造速度が制限される上に比較例３では比較例１と同様に冷却むらによって表面割れが発生した。
　一方、実施例４では最高鋳造速度は２．８ｍｐｍとなり、比較例３の最高１．３ｍｐｍよりも高速で鋳造可能であり、欠陥を生じることなく製造することができた。
　比較例４は一種類の二流体スプレーを用いた場合の検討結果である。ノズルの能力評価の段階では、冷却水の供給圧力比３０倍でターンダウン比が２０倍（最小１０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）～最大２００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））となり、比較例１～３と比べて小さな圧力比で高ターンダウンを実現できることが分かった。
　しかし、高圧、大流量の圧縮空気を供給する必要があり、一流体スプレーのみを用いた実施例１などよりもエアコンプレッサーの導入コストと運用中のエネルギーコストが大きくなるので設備導入は見送った。
　一方、比較例５は一流体スプレーと二流体スプレーを切り換えて使用する方法で、比較例４よりも更に低い圧力比（５倍）で高いターンダウン比（２０倍）が実現できたが、この場合も実施例に比べてコスト面で劣ったので設備導入は見送った。
　比較例６は二種類の一流体スプレーノズルを使用して圧力比５倍でターンダウン比２０倍（最小５０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）～最大１０００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））を実現した例である。この例では、ガイドロールの間隔を広げ、二種類のノズルをロールと平行に二列で配置した。この冷却装置を二次冷却帯の内で高ターンダウン比が求められる一部のセグメントにのみ導入して実験を行った。水量密度の範囲とターンダウン比は実施例１と等しいものの、スプレーノズルを二列で配置した結果、ロール間隔が広くなりバルジング量が大きくなった。このため、鋳造後の鋳片５を検査したところ内部割れが認められ、中心偏析の程度も悪化した。
　実施例５は二種類の一流体スプレーノズルを使用して圧力比２倍でターンダウン比を４０倍（最小５０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）～最大２０００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））とした例である。ただし、この例では冷却能力の制御範囲を弱冷却と強冷却の二水準に限定したので、各水スプレーノズルの流量制御範囲を小さくすることで供給圧力比を５倍から２倍により小さくできた。
　一方で、冷却装置全体の流量の制御範囲は断続的になっている。この例では、実施例１や実施例２と比べて鋳造速度の変動に対する冷却能力の制御性は劣るものの、同程度の高速鋳造が可能であり、製造後の鋳片５にも欠陥は認められなかった。
　実施例６は二種類の一流体スプレーノズルを使用して圧力比２倍でターンダウン比を１１倍（最小５０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）～最大５５０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））とした例である。
　この例では、最大の水量密度を核沸騰が維持できる範囲で小さくしたので、鋳造速度の上限は２．５ｍｐｍとなり、スラブ厚が同じ２３５ｍｍの実施例１、２、および５と比べて鋳造速度上昇代は少なくなった。操業上の問題はなく、製造後の鋳片５にも欠陥は認められなかった。
　実施例６は二種類の一流体スプレーノズルを使用して圧力比２倍でターンダウン比を１１倍（最小５０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）～最大５５０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））とした例である。
　この例では、最大の水量密度を核沸騰が維持できる範囲で小さくしたので、鋳造速度の上限は２．５ｍｐｍとなり、スラブ厚が同じ２３５ｍｍの実施例１、２、および５と比べて鋳造速度上昇代は少なくなった。操業上の問題はなく、製造後の鋳片５にも欠陥は認められなかった。
　実施例７は二種類の一流体スプレーノズルを使用して圧力比５倍でターンダウン比を５倍（最小４００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）～最大２０００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））とした例である。
　この例では、最小の水量密度を大きくしたので、鋳片の冷却が速く、鋳造速度の上限は３．０ｍｐｍとなり、かつ弱水冷区間より機端側で冷却水の噴射を停止した。操業上の問題はなく、製造後の鋳片５にも欠陥は認められなかった。
　実施例８は二種類の一流体スプレーノズルを使用して圧力比５倍でターンダウン比を２０倍（最小４５Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）～最大９００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ））とした例である。この例では、最小の水量密度を小さくしたので、核沸騰を速やかに実現することができず、鋳片の幅方向で温度偏差が発生した。このため、鋳片に軽微な表面割れが発生したものの鋳造速度の上限は２．６ｍｐｍとなった。
　以上のように、ターンダウン比を大きくとることができる二次冷却装置１を用いることで、鋳造速度の変動に対する二次冷却の制御性が高まり、鋳造速度を大きくしながらも高品質の鋳片５の製造が実現できることが実証された。上記実施例では水平帯３１に本発明を適用した例を示したが、水平帯３１よりも上流側の他の冷却帯に適用してもよく、複数の冷却帯にまたがって適用してもよい。
　１　二次冷却装置
　３　ガイドローラー
　５　鋳片
　７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ　水スプレーノズル
　９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ　水供給ライン
　９ａ１、９ｂ１、９ｃ１、９ｄ１　ヘッダ部
　９ａ２、９ｂ２、９ｃ２、９ｄ２　分岐管
　１１　第１切換バルブ
　１３　第２切換バルブ
　１５　第３切換バルブ
　１７　主供給ライン
＜従来例＞
　２１　鋳型
　２３　垂直帯
　２５　曲げ部
　２７　湾曲帯
　２９　矯正部
　３１　水平帯
　３３　ガス切断機

Claims (6)

  1. 　連続鋳造機の二次冷却帯において、複数のガイドローラーによって支持案内される鋳片を一流体水スプレーで冷却する連続鋳造鋳片の二次冷却装置であって、
    　流量特性の異なる二種類以上の水スプレーノズルと、
    　各水スプレーノズルの流量特性に応じた流量の水を供給する複数の水供給ラインと、
    　使用する水供給ラインを切り換える切換装置と、
    を備え、
    　前記流量特性の異なる二種類以上の水スプレーノズルが、前記ガイドローラー間の隙間に、前記ガイドローラーの回転軸と平行な方向に一列に並べて設置されている冷却ゾーンを有する、連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
  2. 　前記水供給ラインの数は、前記水スプレーノズルの種類と同数である、請求項１に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
  3. 　前記二種類以上の水スプレーノズルのうち、最も噴射流量の多いスプレーノズルによって噴射される水の水量密度は、最も噴射流量が少ないスプレーノズルによって噴射される水の水量密度の２０倍以上である、請求項１または請求項２に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
  4. 　前記二種類以上の水スプレーノズルのうち、最も噴射流量の多いスプレーノズルによって噴射される水の水量密度は５００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）以上２０００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）以下であり、最も噴射流量が少ないスプレーノズルによって噴射される水の水量密度は５０Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）以上５００Ｌ／（ｍ２×ｍｉｎ）未満である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
  5. 　鋳造方向上流側から、垂直帯、曲げ部、湾曲帯、矯正部、水平帯の順で構成される前記連続鋳造機の二次冷却帯において、前記冷却ゾーンが、前記水平帯内に１ゾーン以上設置される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
  6. 　請求項５に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置を用いて鋳片を二次冷却する連続鋳造鋳片の冷却方法であって、
    　前記水平帯における鋳造方向上流側区間を、噴射された水が鋳片表面で核沸騰状態となる条件で水を噴射して鋳片を冷却する強水冷区間とし、かつ、前記強水冷区間より鋳造方向下流側で前記水平帯末端までの区間を、前記強水冷区間よりも水量密度を低下させ、かつ鋳片表面における冷却液の沸騰状態を核沸騰に維持する弱水冷区間とする、連続鋳造鋳片の二次冷却方法。
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