JP2008221243A - 鋼の連続鋳造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】幅・厚み、鋳造速度が絶えず変化するような連続鋳造設備において、鋳型内の電磁攪拌装置を用いて鋳造するにあたり、鋳型内に淀みや干渉点のない安定した溶鋼流動、溶鋼温度を達成する。
【解決手段】移動磁界コイルを有する電磁攪拌装置により鋳型内に旋回流を発生させて鋳造を行なう鋼の連続鋳造に際して、攪拌方向の下流側のコイル２４の軸心位置Ｌ_０を、攪拌方向の上流側のコイル２２の軸心位置Ｌ_２よりも、鋳造方向に対し低い位置に設置して鋳造する。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋼の連続鋳造方法及び装置に係り、特に、電磁攪拌装置により鋳型内に旋回流を発生させる鋼の連続鋳造に用いるのに好適な、製品でのヘゲ・スリーバー等と呼ばれる気泡・介在物性の欠陥を安定して減少させることができる鋼の連続鋳造方法及び装置に関する。

連続鋳造において溶鋼が凝固する際に、溶鋼内に残存する気泡や介在物が排除できずに製品まで持ち込まれると、ヘゲ・スリーバー欠陥と呼ばれる欠陥が発生し、安定した品質を確保することが困難となる。

これに対して連続鋳造においては、鋳型（モールドとも称する）内の溶鋼流動を制御して、溶鋼中の気泡や介在物の凝固シェルへの捕捉防止や鋳型下部への侵入を防止する技術が、現在一般的に実施されている。

ヘゲ・スリーバー欠陥等は、鋳型内の溶鋼流動において、流速の淀みが生じる箇所や温度が局所的に低下する箇所に起源を持ち易いことが知られており、この対策として鋳型内の凝固界面における溶鋼流動の鋳型長辺方向（鋳型幅方向）及び鋳造方向の均一化を目的に、交流磁界や静磁場を用いた電磁流動制御技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、浸漬ノズルの吐出口を浸漬ノズルの側方向から下向きに３５度以上７５度以下の範囲内の角度で開口すると共に、吐出口を電磁攪拌装置のコア下面よりも低い位置になるようにすることにより、浸漬ノズルから溶鋼が吐出されることによって生じる吐出流の影響を最小限に抑制して溶鋼を攪拌できるようにする連続鋳造方法が記載されている。

又、特許文献２には、連続鋳造設備における断面が長方形の鋳型の長辺側メニスカス（湯面とも称する）近傍に電磁攪拌装置を対向して設置し、前記電磁攪拌装置によって鋳型内溶鋼に幅方向の電磁攪拌流を付与すると共に、浸漬ノズルの吐出口における磁束密度が、電磁攪拌装置の最大磁束密度の５０％以下である位置に浸漬ノズルの吐出口を設置して鋳造する連続鋳造方法が記載されている。

又、特許文献３には、電磁攪拌装置を用いた鋼の連続鋳造方法において、溶鋼に浸漬した部分の浸漬ノズルの外壁と、鋳型の長辺側に形成された凝固シェルとの最小距離ｄが次式を満たすように鋳造する連続鋳造方法が記載されている。

ｄ＝（ｔ−Ｄ）／２−１８√（Ｌ／Ｖｃ）≧８６√（ｆ） …（１）
ここで、ｔ：鋳型短辺壁長さ（ｍｍ）
Ｄ：浸漬ノズル外径（ｍｍ）
Ｌ：浸漬ノズルと凝固シェルとの距離が最小となる部位までのメニスカスから
の距離（ｍ）
Ｖｃ：鋳造速度（ｍ／分）
ｆ：電磁攪拌コイルの周波数（Ｈｚ）

又、特許文献４には、平断面が長方形で、長短辺壁の長さ比（ａ／ｂ）が３以上の鋳型に、浸漬ノズルを介して溶鋼を吐出する溶鋼の連続鋳造において、前記浸漬ノズルとして、その外径に対する鋳型の短辺壁長さの比（ｂ／ｄ）が３以下で、溶鋼の吐出口が中心軸対称で一対設けられたものを用い、且つ、前記吐出口から次式を満足する方向に、溶鋼を連続的に吐出させるようにしたものが記載されている。

０＜θ＜θ_Ｍ
ここで、θ：溶鋼の吐出方向と浸漬ノズルの中心軸から鋳型の短辺壁面に下ろした垂線
とのなす角度
θ_Ｍ：浸漬ノズルの中心軸から鋳型の短辺壁面に下ろした垂線と鋳型の平断面
での対角線とのなす角度

しかしながら、連続鋳造の操業は、鋳造速度、鋳片幅、鋳片厚み等が絶えず変化するのが一般的であり、上記の方法では、ある一定条件の鋳造に対しては有効な場合も存在するものの、問題を完全に解決するには至っていない。

又、上記の技術に加えて電磁攪拌装置を用いて幅方向に旋回流を付加する連続鋳造方法において、鋳型長辺方向に２分割以上のコイルを有し、その攪拌力や印加電流に差をつけることで、旋回流と浸漬ノズルからの反転流の干渉を低減しようとする技術も提案されている。

例えば、特許文献５には、電磁攪拌機構を持つ鋳造鋳型の基準面の銅板厚みを実測して、銅板厚みに対応して前記電磁攪拌機構の発生するローレンツ力が最大となる電源の動作周波数を求め、該動作周波数の電流を電磁攪拌コイルに供給することを特徴とする金属の連続鋳造方法が記載されている。

又、特許文献６には、矩形をした連続鋳造用鋳型内で、向かい合った長辺に沿って相対する方向に電磁力を加える溶鋼の電磁攪拌方法において、溶鋼の流れを一方の短辺から長辺に沿って内側に向かわせる初期の加速段階のローレンツ力Ｆ１と、溶鋼の流れを前記内側から他方の短辺に向かわせる後期の加速段階のローレンツ力Ｆ２の比Ｆ２／Ｆ１を、０．１５〜０．５の範囲に制御し、溶鋼の流速を２０〜６０ｃｍ／秒に確保することを特徴とする溶鋼の攪拌方法が記載されている。

又、特許文献７には、金属スラブの連続鋳造において、モールドの横断面中央部に設けた浸漬ノズルからモールド内に溶湯を注入しつつ、メニスカス面内の２つのモールド長辺に沿って設けた電磁攪拌コイルにより、溶湯をメニスカス面内で流動させる方法であって、２つのモールド長辺に沿う電磁攪拌推力を互いに逆向きにし、且つ、浸漬ノズルからモールドに向かう向きの電磁攪拌推力を、モールド短辺から浸漬ノズルに向かう向きの電磁攪拌推力よりも大きくすることにより、メニスカス面内の溶湯に一様な回転流を与えることを特徴とする連続鋳造におけるモールド内溶湯流動方法が記載されている。

又、特許文献８には、電磁力の発生装置である電磁石が、鋳型に溶融金属を注入するノズルの流出口と実質上同一レベルに、鋳型の対向２長辺に沿って配置され、該レベルで２長辺に水平循環駆動される溶融金属の各長辺に沿う流動の起点側鋳型短編から長辺に沿って１／４長辺幅点における鋳型長辺方向に沿う水平方向の溶融金属水平速度である起点側速度Ｖｓが、各長辺に沿う流動の終点側鋳型短辺から鋳型長辺に沿って１／４長辺幅点における鋳型長辺方向に沿う水平方向の溶融金属水平速度である終点側速度Ｖｅに対して、Ｖｓ≧Ｖｅとなる電磁力を溶融金属に与えることを特徴とする溶融金属の流動装置が記載され、更に、第１長辺と第２長編に沿う前記水平流の各起点側に配置した電磁石の励磁電流Ｉ_１に対する各終点側に配置した電磁石の励磁電流Ｉ_２の比α＝Ｉ_２／Ｉ_１が、０≦α≦０．５である溶融金属の流動制御装置が記載されている。

特許文献５乃至８の技術は、内容が異なるものの、幅方向の流速を均一化することを目的とする点で共通する。

特開２００４−４２０６２号公報 特開２００１−４７２０１号公報 特開２００６−１９２４４１号公報 特開２０００−２６３１９９号公報 特許第２９７８３５６号公報 特許第３１２９９４２号公報 特許第２９４８４４３号公報 特許第３５７７３８９号公報

しかしながら、同一平面上で水平旋回タイプの攪拌を行なう上では程度の改善は可能であるが、旋回流と反転流の干渉による流動の淀みを完全に回避することは不可能であり、問題が残っていた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、幅・厚み、鋳造速度が絶えず変化するような連続鋳造設備において、鋳型内の電磁攪拌装置を用いて鋳造するにあたり、鋳型内に淀みや干渉点のない安定した溶鋼流動、溶鋼温度を達成することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、移動磁界コイルを有する電磁攪拌装置により鋳型内に旋回流を発生させて鋳造を行なう鋼の連続鋳造に際して、攪拌方向の下流側のコイルの軸心位置を、攪拌方向の上流側のコイルの軸心位置よりも、鋳造方向に対し低い位置に設置して鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法である。

又、請求項２に係る発明は、請求項１において、上流側のコイルの軸心位置Ｌ_２と下流側のコイルの軸心位置Ｌ_０の差Ｌ_１が、次式を満足するように設定することにより、表面品質に特に優れたスラブの製造を可能とすることを特徴とする鋼の連続鋳造方法である。

Ｌ_１＝０．８×Ｌ_０〜１．２×Ｌ_０（ｍｍ） …（２）
Ｌ_０＝２×１０^６×（ＴＰ／Ｗ／２×cosθ）^0.8
−400×Ｌ_２−2000×（Ｄ−0.3）−1000×Ｗ^0.5（ｍｍ） …（３）
（但し、Ｌ_０＜０の場合はＬ_０＝０とする）
ここで、Ｌ_０：旋回流下流側の移動磁界コイルのコイル軸心〜湯面間の距離（ｍ）
Ｌ_２：旋回流上流側の移動磁界コイルのコイル軸心〜湯面間の距離（ｍ）
ＴＰ：スループット（トン／分）
Ｗ：鋳片幅（ｍ）
θ：下向きノズル角度（°）
Ｄ：鋳片厚み（ｍ）

又、請求項３に係る発明は、前記移動磁界コイルが、鋳型長辺の方向に分割されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼の連続鋳造方法である。

又、請求項４に係る発明は、前記移動磁界コイルが、鋳型長辺に対して傾けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼の連続鋳造方法である。

又、請求項５に係る発明は、移動磁界コイルを有する電磁攪拌装置により鋳型内に旋回流を発生させて鋳造を行なう鋼の連続鋳造装置において、攪拌方向の下流側のコイルの軸心位置が、攪拌方向の上流側のコイルの軸心位置よりも、鋳造方向に対し低い位置に設置されていることを特徴とする鋼の連続鋳造装置である。

本発明は、図１に示すように、鋳型１０の長辺方向（図の左右方向）に２分割されたコイル２２、２４を有する電磁攪拌装置を用いる場合でも、コイルの軸心位置を同一高さ平面上ではなく、旋回流の下流側に相当するコイル位置を下方とすることで、旋回流と反転流の干渉による流動の停滞域を解消することを必要条件とする。図において、１２は浸漬ノズルである。

図２は、図１に示したような、鋳型長辺方向に２分割された電磁攪拌コイル２２、２４を用いた場合の鋳型内模式図を示す。図２（ａ）に示すように、鋳型短辺の反転流と水平旋回流が干渉することにより、湯面に流動停滞域が生じ、介在物や気泡除去に支障を来たすことが広く知られている。これに対して、図２（ｂ）に示すように、水平旋回流の下流側のコイル２４の攪拌推力（ローレンツ力）を低下させることにより、干渉範囲を改善させることは可能であるが、位置や領域が変化するのみで、完全には干渉を回避できないという問題が生じる。

そこで本発明者等は、この問題を解決するために、鋳型長辺方向に２分割されたコイルの軸心の鋳造方向の位置を、旋回流の上流側と下流側のコイルで同一高さとしないことを特徴とする。

従来技術では、鋳片幅、鋳片厚み、鋳造速度等が実操業中に変化すると、鋳型内の電磁攪拌による旋回流とノズル吐出流に起因する流れの間に複雑な干渉が生じるため、コイル段階でヘゲ・スリーバー欠陥の全く無い安定した製品を製造することは困難であったが、本発明法を適用することで、上記条件毎に最適なノズル形状に変更する必要が無くなり、高生産性と高品質の両立が可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

まず、本発明の第１実施形態を図３により説明する。図３は、第１実施形態の対象とする電磁攪拌用コイルと鋳型の位置関係を鋳型側から見た図を示すものであり、鋳型１０の長辺方向に対して、電磁攪拌により旋回流を付与するためのコイルの内、下流側のコイル２４の軸心位置を、上流側のコイル２２に比較してメニスカスからの位置が低くなるように設置したものである。

上流側のコイル２２に比較して下流側のコイル２４の位置をメニスカスから低くするのは、以下の理由による。通常、連続鋳造においては、１ストランドの単位時間当たりの溶鋼の鋳造量を表わすスループットＴＰが３トン／分以上になると、下向きの２孔タイプの浸漬ノズルを使用するのが一般的であり、浸漬ノズルを通過した溶鋼は、鋳型短辺に衝突して反転流を形成する。

連続鋳造では、浸漬ノズル１２からの溶鋼により持ち込まれた気泡や介在物を、半製品となるスラブに持ち込むと製品欠陥の原因となるため、極力凝固シェルに捕捉されないように鋳型から除去することが重要であり、その一手段として移動磁界を用いた電磁攪拌装置が、スラブ・ブルーム等の連続鋳造において一般的に利用されている。電磁攪拌装置により、メニスカス部分に１０〜４０ｃｍ／秒の旋回流速が付与されると、介在物や気泡は凝固シェルに捕捉されるのが防止される洗浄効果が期待される。

しかしながら、旋回流の下流側では、反転流と旋回流が衝突・干渉することにより凝固界面に有効な流速が付与されない場合は、その箇所が起点となって介在物や気泡が捕捉されることとなり、製品でのヘゲ・スリーバー欠陥の発生が問題となる。

本発明者等は、低融点金属を用いたモデル実験や数値計算を駆使して上記の旋回流と反転流の干渉を抑制するのに有効な手段を検討した。その結果、鋳型長辺方向で２分割されたコイルの攪拌推力（ローレンツ力）を単純に下流側を弱くするのみでは、メニスカス部の干渉箇所を完全に解消することは困難であることを究明した。

旋回流と反転流の干渉を回避するには、旋回流下流側に位置するコイル２４の位置を鋳造方向に下げることにより回避することが有効である。又、旋回流下流側のコイル２４を上流側のコイル２２に対して低下させる量は、反転流の強度に応じて変化させるのが、より良い。

鋳型メニスカス近傍の凝固界面における反転流の流速や位置を決定付ける要因について、本発明者等が調査を行なった結果、スループットＴＰ、スラブ幅Ｗ、ノズル吐出角度（下向き）θ、鋳型厚みＤが大きく影響していることが判明した。

上流側のコイル２２の軸心部のメニスカスからの距離Ｌ_２としたとき、反転流が旋回流と干渉しないための下流側のコイル２４の軸心部のメニスカスからの距離をＬ_０とすると、上記の影響因子を用いて経験的に次式で表記できることが判明した。

Ｌ_１＝０．８×Ｌ_０−１．２×Ｌ_０（ｍｍ） …（２）
Ｌ_０＝２×１０^６×（ＴＰ／Ｗ／２×cosθ）^0.8
−400×Ｌ_２−2000×（Ｄ−0.3）−1000×Ｗ^0.5（ｍｍ） …（３）
（但し、Ｌ_０＜０の場合はＬ_０＝０とする）

但し、スループットＴＰは、次式で算出される。

ＴＰ＝ＶＲ×Ｄ×Ｗ×ρＦｅ …（４）
ここで、ＶＲ：引抜速度（ｍ／分）
ρＦｅ：溶鋼密度（kg／ｍ³）

上記の式は、以下の考え方に基づき算出されたものである。

反転流が大きい場合は、Ｌ_１を大きくする必要があり、反転流の大きさを表わす項は（ＴＰ／Ｗ／２×cosθ）^0.8であるため、この項の係数は正の値となる。

又、上流側のコイル２２の軸心位置Ｌ_２が大きい場合は、上流側コイル２２が深い位置にあり、下流側コイル２４は反転流の影響をあまり受けないため、上流側よりそれほど下方に位置させる必要が無く、この項の係数は負となる。

又、鋳型厚みＤが大きい場合は、反転流が凝固界面付近まで届かないため、影響が小さく、鋳型厚みＤが３００ｍｍ以上では凝固界面に反転流が殆んど到達しなくなる。従って、Ｄが大きいほど、上流側と下流側のコイルの距離に差をつける必要がなくなるため、この項の係数も負となる。

最後の鋳片幅ＷのＷ^0.5の値は、旋回流の加速区間に対応するものであり、この値が大きいほど、上流側のコイル２２で流速が加速されるため、下流の旋回流が短辺近くで下方に潜り込もうとする傾向が顕著となる。従って、コイル位置を下方に下げる必要が無くなるため、この項の係数も負となる。

以上の係数は、これらの傾向について、本発明者等が、数値計算あるいはラボや実機のテストから経験的に導いた値である。

上流側コイル２２よりも下流側コイル２４の軸心位置Ｌ_０を距離Ｌ_１だけ低下させると、旋回流と反転流の干渉が殆んど解消され、流動の停滞に起因する表面欠陥の発生が回避できる。

表面欠陥に対して極めて要求仕様の厳しい鋼種に対しては、０．８×Ｌ_１〜１．２×Ｌ_１の距離に、下流側のコイルを上流側のコイルに比べて低く設定できると、品質改善効果が大きいことが判明している。

なお、上記の軸心位置の設定は、操業中にコイル軸心位置を自動で変更できるように駆動系を設けることで操業条件の変化にオンラインで可能となる。

又、図４に示す第２実施形態のように、鋳型長辺方向に対して、コイル軸心が傾き角度を有するように移動磁界コイル２０を設置することによっても、同様の効果が得られることも確認している。この場合には、鋳型長辺方向に分割されていないコイル２０を使用することも可能となる。

以下、本発明を示す一実施例について示す。

本発明者等は、鋳型厚みが２００ｍｍ〜３００ｍｍ、鋳片幅が１０００ｍｍ〜２０００ｍｍのスラブを、スラブ連続鋳造機で鋳造した。溶鋼成分は一般的な極低炭素鋼である。

浸漬ノズルは２孔で、吐出角度が下向き２５度もしくは３５度のものを用い、浸漬深さは２５０ｍｍ一定とした。鋳造速度は、定常速度部で１．２〜２．２ｍ／分の条件とした。

電磁攪拌コイルは、周波数２Ｈｚ、印加電流７５０Ａ一定で使用した。

コイルにおけるヘゲ・スリーバー欠陥を目視検査にて実施し、コイル１本当たりの欠陥個数が１．２×１０^-3個／ｍ²以上の場合は×、４×１０^-4個／ｍ²〜８×１０^-4個／ｍ²以上の場合は△、０個／ｍ²〜４×１０^-4個／ｍ²の場合は○、０個／ｍ²の場合は◎として評価した。

表１に各実験条件並びに実験結果を示した。

本発明の条件においては、コイルにおけるヘゲ・スリーバー欠陥を完全に抑制できることが確認できた。

電磁攪拌コイルを鋳型上面から見た概略図 電磁攪拌による旋回流とノズル吐出流からの反転流の干渉を表わす鋳型縦断面の概略図 本発明の第１実施形態におけるコイル設置位置を示す鋳型縦断面の概略図 鋳型長辺方向に分割されていない電磁攪拌コイルを使用する場合の本発明の第２実施形態におけるコイル設置位置を示す鋳型縦断面の概略図

符号の説明

１０…鋳型
１２…浸漬ノズル
２０…移動磁界コイル
２２…上流側コイル
２４…下流側コイル

Claims (5)

1. 移動磁界コイルを有する電磁攪拌装置により鋳型内に旋回流を発生させて鋳造を行なう鋼の連続鋳造に際して、
   攪拌方向の下流側のコイルの軸心位置を、攪拌方向の上流側のコイルの軸心位置よりも、鋳造方向に対し低い位置に設置して鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
2. 請求項１において、上流側のコイルの軸心位置Ｌ_２と下流側のコイルの軸心位置Ｌ_０の差Ｌ_１が、次式を満足するように設定することにより、表面品質に特に優れたスラブの製造を可能とすることを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
   Ｌ_１＝０．８×Ｌ_０〜１．２×Ｌ_０（ｍｍ）
   Ｌ_０＝２×１０^６×（ＴＰ／Ｗ／２×cosθ）^0.8
   −400×Ｌ_２−2000×（Ｄ−0.3）−1000×Ｗ^0.5（ｍｍ）
   （但し、Ｌ_０＜０の場合はＬ_０＝０とする）
   ここで、Ｌ_０：旋回流下流側の移動磁界コイルのコイル軸心〜湯面間の距離（ｍ）
   Ｌ_２：旋回流上流側の移動磁界コイルのコイル軸心〜湯面間の距離（ｍ）
   ＴＰ：スループット（トン／分）
   Ｗ：鋳片幅（ｍ）
   θ：下向きノズル角度（°）
   Ｄ：鋳片厚み（ｍ）
3. 前記移動磁界コイルが、鋳型長辺の方向に分割されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼の連続鋳造方法。
4. 前記移動磁界コイルが、鋳型長辺に対して傾けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼の連続鋳造方法。
5. 移動磁界コイルを有する電磁攪拌装置により鋳型内に旋回流を発生させて鋳造を行なう鋼の連続鋳造装置において、
   攪拌方向の下流側のコイルの軸心位置が、攪拌方向の上流側のコイルの軸心位置よりも、鋳造方向に対し低い位置に設置されていることを特徴とする鋼の連続鋳造装置。

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