JP4910357B2 - 鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳型内の溶鋼に移動磁場を印加しながら鋳造する鋼の連続鋳造方法に関するものである。

連続鋳造機で鋳造される鋼のスラブ鋳片（以下、単に「鋳片」とも記す）に要求される品質の１つとして、鋳片中の非金属介在物（以下、「介在物」と記す）の含有量が少ないことが挙げられる。鋳片に捕り込まれる介在物には、(１)：Ａｌなどによる溶鋼の脱酸工程で発生し、溶鋼中に懸濁しているアルミナなどの脱酸生成物、(２)：タンディッシュや浸漬ノズルで溶鋼内に吹き込まれるＡｒガスなどの不活性ガスのガス気泡、(３)：鋳型内の溶鋼湯面上に散布したモールドパウダーが溶鋼中に巻込まれて懸濁したもの、などがある。これらは何れも薄鋼板製品において表面欠陥となるため、何れも少なくすることが重要である。

しかも、近年、連続鋳造機の生産性を向上させるために、鋳造速度即ち鋳型内への溶鋼の供給速度を増加させた高速鋳造化が推進されている。このような高速鋳造操業では、鋳型内への溶鋼の供給量の増加に伴って鋳型内に注入される溶鋼の吐出流速が増加するため、即ち鋳型内における溶鋼の運動エネルギーが増加するため、溶鋼中に巻込まれるモールドパウダーの発生頻度が高くなるとともに、浸漬ノズルからの吐出流が鋳型短辺側の凝固シェルに衝突した後に分岐して下流側に向かって流れる侵入流の侵入深さが増大し、この侵入流に随伴して未凝固層の深くまで侵入して鋳片中に捕捉される脱酸生成物も多くなり、全体的に鋳片の介在物含有量が増加する傾向となる。

そのため、高速鋳造時のスラブ鋳片中の介在物量の低減を目的とする、鋳型内溶鋼の運動エネルギーを低減する手段として、鋳型内の溶鋼に磁場を印加し、印加した磁場と溶鋼との作用によって誘導電流を生じさせ、この誘導電流と印加した磁場とが作用して溶鋼に生じる電磁気力を利用し、鋳型内における溶鋼の運動エネルギーを制御する方法が、広く採用されている。

例えば、特許文献１には、鋳型の長辺方向に沿って水平に移動する磁界（リニア型移動磁界）を、鋳型短辺側から浸漬ノズル側に向かう方向、つまり浸漬ノズルからの溶鋼の吐出方向と反対方向に移動させ、浸漬ノズルからの吐出流に制動力を与えながらスラブ鋳片を連続鋳造する方法が提案されている。また、特許文献２には、鋳型内の溶鋼湯面で一方向に循環する溶鋼流を形成するように、リニア型移動磁界を印加する方法が提案されている。
特開平９−１９２８０１号公報 特開平６−６０６号公報

ところで、鋳型内の溶鋼湯面は、鋳型幅つまり鋳片幅によって定まる固有の振動数、例えば鋳型幅を１波長とする或いは１／２波長とするなどの固有の振動数で湯面変動する場合がある。この湯面変動を定在波と称する。定在波が発生すると、共振した状態になることから鋳型内の湯面変動は極端に大きくなり、従って、モールドパウダーの巻き込みなどの品質面のみならず、操業の安定性の面からも定在波を抑制することが必要不可欠となる。この定在波の周波数は、下記の（１）式によって求めることができる。但し、（１）式において、ｆ₀ は定在波の周波数（Ｈｚ）、ｎはモード次数、ｇは重力加速度（ｍ／秒²）、Ｌは鋳片幅（ｍ）である。

前述したリニア型移動磁界を発生するためのリニア型移動磁場発生装置には、例えば図１に示すように、複数の電磁コイルが幅方向に並んで設置されており、隣り合う電磁コイルに流す電流の位相をずらすことにより、所謂リニアタイプの移動磁場を発生させている。図１において、１は鋳型、２は浸漬ノズル、３はリニア型移動磁場発生装置、Ｆ_X は溶鋼に作用する電磁力、Ｖ_X は移動磁場の移動速度、Ｂ_Yは移動磁場の磁束密度を表している。この磁場の移動速度Ｖ_X は、電磁コイルのポールピッチτと周波数ｆとから、下記の（２）式によって表される。電磁コイルのポールピッチとは、Ｓ極からＮ極までの距離である。

ローレンツの法則より、発生する誘導電流Ｊ_Z は下記の（３）式で表される。但し、（３）式において、σは溶鋼の電気伝導度、Ｖ_X は移動磁場の移動速度、Ｂ_Yは移動磁場の磁束密度である。

電磁力Ｆ_X は下記の（４）式で表され、主に磁場の移動方向と同じ向きに電磁力Ｆ_X が作用する。即ち、周波数ｆの周期で溶鋼に電磁力Ｆ_Xが作用することになる。

本発明者等は、印加するリニア型移動磁界の周波数ｆが定在波の周波数ｆ₀ と同一或いはその近傍であるときには、移動磁場を印加することで定在波の発生が助長されることを知見した。そして、鋳造速度を高速化するほど、定在波の発生が助長されることも知見した。

しかしながら、前述した特許文献１及び特許文献２に開示されるように、従来、印加する移動磁場の周波数と、鋳片幅によって定まる定在波の周波数とを関連させ、印加する移動磁場の周波数を鋳片幅に応じて設定することは、何ら提案されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、鋳型内の溶鋼にリニア型移動磁場を印加して鋳型内の溶鋼流動を制御するに際し、鋳片幅によって定まる定在波の発生を抑えながら、移動磁場による溶鋼流動制御を行うことのできる、鋼の連続鋳造方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る鋼の連続鋳造方法は、鋳型内の溶鋼に磁場を印加するための磁場発生装置として、リニア型移動磁場発生装置だけが鋳型長辺の背面に配置されたスラブ連続鋳造機を使用し、前記リニア型移動磁場発生装置を用いて鋳型内の溶鋼に移動磁場を印加し、当該溶鋼の流動を制御するに当たり、印加する移動磁場の周波数を、鋳造するスラブ鋳片の長辺幅寸法に基づき、下記の（１）式においてモード次数ｎが１、２及び３のときに当該（１）式によって算出される定在波の周波数から回避した範囲とすることを特徴とするものである。但し、（１）式において、ｆ₀ は定在波の周波数（Ｈｚ）、ｎはモード次数、ｇは重力加速度（ｍ／秒²）、Ｌはスラブ鋳片の長辺幅（ｍ）である。

第２の発明に係る鋼の連続鋳造方法は、第１の発明において、前記リニア型移動磁場発生装置は、鋳型内溶鋼に浸漬される浸漬ノズルを境として鋳型長辺の幅方向左右で２つに分割された、鋳型長辺を挟んで対向する合計４基のリニア型移動磁場発生装置から構成され、且つ、４基のリニア型移動磁場発生装置の鋳造方向の中心位置が前記浸漬ノズルの吐出孔位置の直下であることを特徴とするものである。
第３の発明に係る鋼の連続鋳造方法は、第１または第２の発明において、前記リニア型移動磁場発生装置から印加する移動磁場の周波数は２．０Ｈｚ以下であることを特徴とするものである。
第４の発明に係る鋼の連続鋳造方法は、第１ないし第３の発明において、タンディッシュから鋳型へ溶鋼を注入する浸漬ノズルとして、溶鋼の流下する内孔部に１段または複数の段差部が形成された浸漬ノズルを使用することを特徴とするものである。

本発明によれば、移動磁場を印加するに当たり、鋳片幅によって定まる定在波の周波数を回避した範囲の周波数を有する移動磁場を印加するので、定在波の発生を抑制しつつ移動磁場による鋳型内溶鋼流動の制御を行うことができる。その結果、定在波に起因する鋳型内湯面変動量を大幅に減少させることが可能となり、移動磁場印加による効果に加えて定在波に起因する鋳型内湯面変動の低減効果が重なり、脱酸生成物、Ａｒガスなどの不活性ガスのガス気泡、及びモールドパウダーの巻き込みのない、清浄な鋳片を鋳造することができ、工業上有益な効果がもたらされる。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１及び図２は、本発明を実施する際に用いたスラブ連続鋳造機の概略図であり、図１は、鋳型部位の概略斜視図、図２は、鋳型部位の概略正面図である。

図１〜２において、相対する鋳型長辺６と、この鋳型長辺６の内側に内装された、相対する鋳型短辺７とを具備した鋳型１の上方所定位置にタンディッシュ４が配置されており、このタンディッシュ４の底部には上ノズル８が設置され、そして、上ノズル８の下面に接して、固定板９、摺動板１０及び整流ノズル１１からなるスライディングノズル５が配置され、更に、スライディングノズル５の下面に接して、下部に一対の吐出孔１２を有する浸漬ノズル２が配置され、タンディッシュ４から鋳型１への溶鋼流出孔１３が形成されている。浸漬ノズル２の内壁面へのアルミナ付着防止のために、上ノズル８、固定板９、浸漬ノズル２などから溶鋼流出孔１３の内部にＡｒガスや窒素ガスなどの不活性ガスが吹き込まれている。

鋳型長辺６の背面には、浸漬ノズル２を境として鋳型長辺６の幅方向左右で２つに分割された合計４基のリニア型移動磁場発生装置３が、その鋳造方向の中心位置を吐出孔１２の直下位置とし、鋳型長辺６を挟んで対向して配置されている。それぞれのリニア型移動磁場発生装置３は電源（図示せず）と結線され、また、電源は、磁場の移動方向、磁場強度及び磁場の周波数を制御する制御装置（図示せず）と接続されており、制御装置から入力される磁場移動方向、磁場強度及び磁場の周波数に基づいて電源から供給される電力により、リニア型移動磁場発生装置３から印加される磁場強度、磁場移動方向及び磁場の周波数が、それぞれ個別に制御されるようになっている。

それぞれのリニア型移動磁場発生装置３には、図１に示すように複数の電磁コイルが幅方向に並んで設置されており、隣り合う電磁コイルに流す電流の位相をずらすことにより、所謂リニアタイプの移動磁場を発生させている。図１は、鋳型短辺側から鋳型中央の浸漬ノズル側に向かって移動する磁場を印加した場合について示している。図１において、Ｆ_X は溶鋼に作用する電磁力、Ｖ_X は移動磁場の移動速度、Ｂ_Yは移動磁場の磁束密度を表している。この磁場の移動速度Ｖ_X は、電磁コイルのポールピッチτと周波数ｆとから、前述した（２）式によって表され、電磁力Ｆ_Xは前述した（４）式によって表される。電磁力Ｆ_X は、主に磁場の移動方向と同じ向きに、周波数ｆの周期で溶鋼に作用する。

このリニア型移動磁場発生装置３により印加される移動磁場の印加パターンは３種類であり、浸漬ノズル２からの溶鋼吐出流１８に制動力を与える場合には、図３に示すように、移動磁場の移動方向を鋳型短辺７から浸漬ノズル２に向いた方向とし、また、凝固界面に沿って水平方向に回転するような溶鋼流動を誘起させる場合には、図４に示すように、移動磁場の移動方向を相対する鋳型長辺６に沿ってそれぞれ相反する向きとし、更に、浸漬ノズル２からの溶鋼吐出流１８に加速力を与える場合には、図５に示すように、移動磁場の移動方向を浸漬ノズル２から鋳型短辺７に向いた方向とする。尚、図３、図４、図５は、磁場の移動方向を鋳型１の真上から示した図であり、図中の矢印が磁場の移動方向を表している。

鋳型１の下方には、鋳造される鋳片１９を支持するための複数のガイドロール（図示せず）と、鋳片１９を鋳型１の下方に引き抜くための複数のピンチロール１４とが設置されている。尚、図１ではピンチロール１４を１つのみ記載し、他のピンチロールは省略している。

このように構成される連続鋳造機において、溶鋼１５を、取鍋（図示せず）からタンディッシュ４に注入し、次いで、タンディッシュ４から溶鋼流出孔１３を介して鋳型１に注入する。溶鋼１５は、鋳型短辺７に向かう溶鋼吐出流１８となって鋳型内に注入される。鋳型１に注入された溶鋼１５は鋳型１により冷却され、凝固シェル１６を形成する。そして、ピンチロール１４により、外殻を凝固シェル１６として内部に未凝固の溶鋼１５を有する鋳片１９を鋳型１の下方に連続的に引き抜く。鋳片１９の引き抜き時、鋳型１における溶鋼湯面１７の位置をほぼ一定位置に制御し、鋳片引き抜き速度を所定の速度とする。溶鋼湯面１７の上にはモールドパウダー２０を添加する。モールドパウダー２０は溶融して、溶鋼１５の酸化防止や凝固シェル１６と鋳型１との間に流れ込んで潤滑剤としての効果を発揮する。

この鋳造に際し、リニア型移動磁場発生装置３によって移動磁場を印加し、鋳型内の溶鋼１５に電磁力Ｆ_X を作用させる。その際に、移動磁場の周波数ｆを、鋳片１９の幅寸法によって定まる定在波の周波数を回避した範囲の周波数に設定する。具体的には、前述した（１）式を用いて、鋳造する鋳片１９の幅寸法における定在波の周波数ｆ₀を求める。鋳片１９の幅が１０００ｍｍ及び２０００ｍｍにおける定在波の周波数ｆ₀ の計算値を表１に示す。

表１に示すように、鋳片幅が２０００ｍｍの鋳片１９の場合には、１次の定在波の周波数ｆ₀ は０．６２Ｈｚ、２次の定在波の周波数ｆ₀ は０．８８Ｈｚ、３次の定在波の周波数ｆ₀は１．０８Ｈｚ、４次の定在波の周波数ｆ₀ は１．２５Ｈｚ、５次の定在波の周波数ｆ₀ は１．４０Ｈｚであるので、２０００ｍｍｍ幅の鋳片１９を鋳造する際には、これらの周波数を外した周波数ｆを設定し、その周波数で印加する。この場合、次数（ｎ）が大きくなると、定在波の発生は弱くなるので、全ての次数（ｎ）の周波数を回避する必要はなく、４次以降或いは５次以降の周波数は回避しなくてもよい。つまり、２０００ｍｍ幅の鋳片１９を鋳造する際には、移動磁場の周波数ｆを、４次の周波数である１．２５Ｈｚ以上にしてもよいということである。但し、少なくとも１〜２次の周波数は回避しなければならない。当然ではあるが、周波数を低い方の側に回避することもでき、また、例えば、１次の定在波の周波数ｆ₀と２次の周波数ｆ₀ との中間の周波数とするなどしてもよい。

移動磁場の印加パターンは、前述した図３〜５に示す３種類の印加パターンのなかから、例えば、移動磁場を印加していないときの、鋳型短辺７の近傍の溶鋼湯面１７における溶鋼流速を測定し、その流速に応じて設定すればよい。つまり、鋳型短辺７の近傍の溶鋼流速が速い場合（例えば、０．３ｍ／秒以上）には、図３に示す印加パターンとし、遅い場合（例えば、０．２０ｍ／秒以下）には、図４に示す印加パターンまたは図５に示す印加パターンとし、更に遅くなった場合（０．１０ｍ／秒以下）には図５に示す印加パターンとするなどすればよい。但し、定在波の発生は高速鋳造になると激しくなることから、本発明を適用する際の印加パターンは、図３に示す印加パターンが主体となる。

使用する浸漬ノズル２は、溶鋼流出孔１３を形成する内孔部が図２に示すようなストレート形状であっても構わないが、定常波の発生をより一層抑えるためには、図６に示すような、内孔部２１に、溶鋼流出孔１３の断面積を小さくさせる段差部２２を有する浸漬ノズル２Ａを使用することが好ましい。

浸漬ノズル２の内径は、アルミナなどの付着による閉塞、或いは鋳造開始時の地金生成による閉塞などを防止するために、定常時の注入速度に必要な有効径よりも１．５倍ないし２倍程度大きくしている。従って、定常操業時には、摺動板１０をずらし、所定の注入速度に必要な開度まで絞った状態で注入している。この絞り状態の注入では、固定板９と摺動板１０とで形成する開口部の位置は、浸漬ノズル２の中心に対して偏心しているため、浸漬ノズル２の溶鋼流出孔１３を流下する溶鋼１５に偏流を生じさせ、そのため、吐出孔１２からの溶鋼吐出流１８が不均等になる所謂「片流れ現象」が現れる。その結果、鋳型内の溶鋼流動も特定方向に偏った偏流が発生しやすくなり、定常波を促進させる。

これに対して、内孔部２１に段差部２２を設置した浸漬ノズル２Ａでは、段差部２２で溶鋼流速が速められ、段差部２２よりも下流側の溶鋼流速が速まり、定常乱流状態となるために、溶鋼流出孔１３における偏流が解消され、吐出孔１２からの溶鋼吐出流１８が均一化される。これにより定常波も抑制される。尚、図６に示す浸漬ノズル２Ａでは段差部２２が一箇所であるが、段差部２２を２箇所以上に設置してもよい。

このようにして周波数ｆを設定した移動磁場を印加して鋳造することで、鋳片幅によって定まる定在波の発生を抑制しながら、移動磁場による鋳型内溶鋼流動の制御を行うことができる。これにより、定在波に起因する鋳型内湯面変動量は大幅に減少し、その結果、移動磁場印加による効果に、更に定在波に起因する鋳型内湯面変動の低減効果が加わり、脱酸生成物、Ａｒガスなどの不活性ガスのガス気泡、及びモールドパウダーの巻き込みのない清浄な鋳片１９を安定して鋳造することが可能となる。

尚、上記説明では２枚板構成のスライディングノズル５の例を挙げたが、３枚板構成のスライディングノズルについても上記に沿って本発明を適用することができる。また、ストッパー方式の場合にも、上記に沿って本発明を適用することができる。

図１〜２に示すスラブ連続鋳造機を用い、厚み２５０ｍｍ、幅２１００ｍｍのスラブ鋳片を、２．４ｍ／分の引き抜き速度で鋳造した。鋳造には、Ｃ：０．０８〜０．１０質量％、Ｓｉ：０．２〜０．３質量％、Ｍｎ：１．０〜１．２質量％、Ｐ：０．０２０質量％以下、sol.Ａｌ：０．０２〜０．０４質量％の中炭素Ａｌキルド鋼を供した。

その際に、リニア型移動磁場発生装置から、周波数を１．０Ｈｚ及び２．０Ｈｚの２水準として、図３に示す印加パターンで移動磁場を印加した。また、浸漬ノズルとしては、内孔部に段差部を設置していない内径９０ｍｍの通常のもの（「一般ノズル」と称す）と、段差部の内径を８０ｍｍ、それ以外の内径を９０ｍｍとする段差部を設置したもの（「段差ノズル」と称す）とを使用した。そして、浸漬ノズルの段差の有無と、移動磁場の周波数を１．０Ｈｚとした場合と２．０Ｈｚとした場合との合計４水準で、鋳型内の湯面変動を比較調査した。因みに、幅２１００ｍｍのスラブ鋳片の定在波の周波数は、１次の周波数ｆ₀ は０．６１Ｈｚ、２次の周波数ｆ₀ は０．８６Ｈｚ、３次の周波数ｆ₀は１．０６Ｈｚ、４次の周波数ｆ₀ は１．２２Ｈｚである。表２に、鋳造条件及び湯面変動測定結果を示す。

表２に示すように、一般ノズルを使用して移動磁場の周波数を１．０Ｈｚとした試験Ｎo.１では、３次の定在波の周波数ｆ₀ とほぼ同等の周波数であり、平均湯面変動量は１８ｍｍであった。これに対して、一般ノズルを使用して移動磁場の周波数を、４次の定在波の周波数ｆ₀よりも高い２．０Ｈｚとした試験Ｎo.３では、平均湯面変動量は５ｍｍであり、また、段差ノズルを使用し且つ移動磁場の周波数を２．０Ｈｚとした試験Ｎo.４では、平均湯面変動量は４ｍｍであった。段差ノズルを使用したが移動磁場の周波数を１．０Ｈｚとした試験Ｎo.２では、平均湯面変動量は１５ｍｍであり、試験Ｎo.１よりも湯面変動は減少したものの、試験Ｎo.３及び試験Ｎo.４に比べると湯面変動は大きく、効果は少なかった。つまり、本発明を適用することで、鋳型内の湯面変動量を大幅に低減できることが確認できた。

本発明を実施する際に用いたスラブ連続鋳造機の概略図で、鋳型部位の概略斜視図である。 本発明を実施する際に用いたスラブ連続鋳造機の概略図であり、鋳型部位の概略正面図である。 溶鋼吐出流に制動力を与える場合の印加パターンである。 水平方向に回転するような流動を誘起させる場合の印加パターンである。 溶鋼吐出流に加速力を与える場合の印加パターンである。 内孔部に段差部を有する浸漬ノズルの概略断面図である。

符号の説明

１ 鋳型
２ 浸漬ノズル
３ リニア型移動磁場発生装置
４ タンディッシュ
５ スライディングノズル
６ 鋳型長辺
７ 鋳型短辺
８ 上ノズル
９ 固定板
１０ 摺動板
１１ 整流ノズル
１２ 吐出孔
１３ 溶鋼流出孔
１４ ピンチロール
１５ 溶鋼
１６ 凝固シェル
１７ 溶鋼湯面
１８ 溶鋼吐出流
１９ 鋳片
２０ モールドパウダー
２１ 内孔部
２２ 段差部

Claims (4)

1. 鋳型内の溶鋼に磁場を印加するための磁場発生装置として、リニア型移動磁場発生装置だけが鋳型長辺の背面に配置されたスラブ連続鋳造機を使用し、前記リニア型移動磁場発生装置を用いて鋳型内の溶鋼に移動磁場を印加し、当該溶鋼の流動を制御するに当たり、印加する移動磁場の周波数を、鋳造するスラブ鋳片の長辺幅寸法に基づき、下記の（１）式においてモード次数ｎが１、２及び３のときに当該（１）式によって算出される定在波の周波数から回避した範囲とすることを特徴とする、鋼の連続鋳造方法。
   ｆ₀ ＝[(ｎｇ)／(4πＬ)]^0.5 …（１）
   但し、（１）式において、ｆ₀ は定在波の周波数（Ｈｚ）、ｎはモード次数、ｇは重力加速度（ｍ／秒² ）、Ｌはスラブ鋳片の長辺幅（ｍ）である。
2. 前記リニア型移動磁場発生装置は、鋳型内溶鋼に浸漬される浸漬ノズルを境として鋳型長辺の幅方向左右で２つに分割された、鋳型長辺を挟んで対向する合計４基のリニア型移動磁場発生装置から構成され、且つ、４基のリニア型移動磁場発生装置の鋳造方向の中心位置が前記浸漬ノズルの吐出孔位置の直下であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼の連続鋳造方法。
3. 前記リニア型移動磁場発生装置から印加する移動磁場の周波数は２．０Ｈｚ以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の鋼の連続鋳造方法。
4. タンディッシュから鋳型へ溶鋼を注入する浸漬ノズルとして、溶鋼の流下する内孔部に１段または複数の段差部が形成された浸漬ノズルを使用することを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の鋼の連続鋳造方法。

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