JP2008200704A - 連続鋳造機における鋳片冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミストノズルで構成された２次冷却帯を有する連続鋳造機において、過冷却を生じさせず且つ均一な鋳片の２次冷却ができ、その結果、鋳片の割れ発生などを抑制する。
【解決手段】ミストノズル２０で構成された２次冷却帯を有する連続鋳造機１を用いて鋳片５の連続鋳造を行うに際し、ミストノズル２０へ供給される冷却水の温度を３７℃以下５℃以上とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ミストノズル（気水ノズル、噴霧ノズル）から構成される２次冷却帯を備えた連続鋳造機を用いて鋳片を鋳造する際に採用可能な連続鋳造機における鋳片冷却方法に関する。

例えば、垂直曲げ型の連続鋳造機においては、鋳型に注入された溶鋼は、鋳型内で冷却されて表面部のみが凝固した状態となり（１次冷却）、それを鋳型下部から引き抜くことで鋳片が連続的に鋳造される。鋳片は鋳型から下方垂直に引き抜かれた後、連続鋳造機の曲げ部〜円弧部〜矯正部を経て水平方向に引き出されつつ、その移送方向に設けられた２次冷却帯から冷却水が吹き付けられ、凝固が鋳片内部へ進むようになっている（２次冷却）。
２次冷却帯は、鋳片の移送方向に複数配備された冷却ノズルにより構成されていて、冷却ノズルとしては、冷却水をシャワー状に噴射するスプレーノズル、又は空気と冷却水とを混合した状態（気液混合状態）で噴霧するミストノズルが採用されている。

従来、スプレーノズルから構成された２次冷却帯においては、ノズル設置位置、冷却水の水量分布、冷却水の衝突圧、水温などのファクタをコントロールして、鋳片の冷却能力の均一化や過冷却を防止し、鋳片の割れ防止等の品質向上を図るようにしていた。
例えば、特許文献１には、２次冷却帯において、幅方向に配備されたスプレーノズルからの冷却水量を変えて、鋳片の幅方向両端部の冷却を中央部よりも強化することにより、鋳片の幅方向に均一な凝固シェルを形成するようにした技術が開示されている。
特許文献２には、２次冷却帯において、鋳片の幅に応じてスプレーノズルと鋳片表面との間隔、及び隣り合うスプレーノズルの間隔を設定することにより、水量密度が鋳片幅方向について略均一とする技術が開示されている。

特許文献３には、２次冷却帯の冷却ノズルの少なくとも１基を衝突圧可変とし、鋳片の曲げ部および矯正部の表面温度が表面割れ発生領域外の温度となるように、衝突圧を鋳造速度に応じて変更するといった技術が開示されている。
特許文献４には、Ｃ≧０．３％の高炭素鋼を連続鋳造するにあたり、２次冷却帯における冷却水の水温を３８℃以上に保つという技術が開示されている。
一方、ミストノズルを用いた連続鋳造機の冷却方法では、上記したファクタに加え、噴射される冷却水Ｑｗと空気Ｑａとの体積比率（Ｑａ／Ｑｗ）である気水比を規定することにより、鋳片の冷却能力の均一化などを図ってきた。

例えば、特許文献５には、水圧と水量の特性曲線と所定粒滴径のミスト限界曲線とから、気水比一定線と空気量一定線の分岐点水圧とを求め、この分岐点水圧に対応する分岐点水量と冷却ノズルを流れている冷却水量の実測値とを比較し、その結果から、冷却ノズルから噴射される冷却水を「空気量一定制御」又は「気水比一定制御」のいずれかとする技術が開示されている。
特許文献６には、ミストノズルによる２次冷却において、鋳片表面の温度をＡ３変態点未満に低下させた後Ａ３変態点以上に復熱させる場合には、Ａ３変態点未満に温度低下させる際の冷却条件を気水比：５〜１５とし、Ａ３変態点未満に低下させない場合には、気水比：５０〜２００とする技術が開示されている。
特開平１０−２６３７７８号公報 特開平０７−１３６７５２号公報 特開２００５−２７９６９１号公報 特許第３４５５０３４号公報 特許第２０７５７０２号公報 特開２０００−２３７８５８号公報

従来、提案されてきた２次冷却帯の冷却制御方法は、ほとんどスプレーノズルに関するものであって、ミストノズルに関するものは少なかった。ミストノズルを備えた２次冷却帯に対しては、現場の実績値（ノウハウ）を適用したり、かかる従来技術（例えば、特許文献５，６）に基づく冷却制御を行っていた。
しかしながら、従来からの２次冷却帯の制御方法を用いた際に、鋳片の過冷却や不均一冷却が発生し、それに起因する鋳片の割れ発生が起こることが現場の実績として挙がってきており、解決すべき課題となっている。

そこで、本発明では、上記問題に鑑み、ミストノズルから構成される２次冷却帯を有する連続鋳造機において、過冷却を生じさせず且つ均一な鋳片冷却ができ、その結果、鋳片の割れ発生を抑制可能とする鋳片冷却方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明にかかる冷却方法は、ミストノズルで構成された２次冷却帯を備える連続鋳造機を用いて鋳片の連続鋳造を行うに際し、前記ミストノズルへ供給される冷却水の温度を３７℃以下５℃以上とすることを特徴とする。
本願発明者らは、ミストノズルで構成された２次冷却帯を有する連続鋳造機において、実操業データの検証を行うと共に様々な実験を実施した結果、ミストノズルに供給される冷却水の温度が高すぎると、鋳片の冷却速度が大きすぎて過冷却となったり、鋳片の均一な冷却ができなくなることを見出した。

また、ミストノズルでは、供給される冷却水の温度が高い方がノズル直下の冷却速度が大きくなり、過冷却になりやすいことも明らかとした。
すなわち、ミストノズルから噴射される冷却ミストの平面分布において、そのミスト分布の中心（ノズル直下部）とミスト分布の周縁部（ノズル周辺部）での冷却速度を検証した結果、ミストノズルに供給される冷却水の温度が３７℃より大きいと、ノズル直下部の冷却速度がノズル周辺部より大きくなって、両者間での差が著しくなり、不均一冷却の原因となることを知見するに至った。

以上の知見より、冷却ミストの温度を低くする、具体的には、ミストノズルへ供給される冷却水の温度を３７℃以下とするようにした。なお、多くの製鉄所において、連続鋳造機へ供給される冷却水を所定の温度にするために冷却水クーラを備えており、冷却水の水温を所定のものとしている。現状の冷却水クーラの性能等を鑑み、冷却水を０℃に近づけることはコスト面の観点から得策ではない。かかる観点から、本願発明人らは冷却水の温度を５℃以上としている。
なお好ましくは、前述の条件を、垂直曲げ型の連続鋳造機の曲げ部及び／又は矯正部に配備されたミストノズルに適用するとよい。

本発明に係る鋳片冷却方法を採用することで、ミストノズルを備えた連続鋳造機において、過冷却を生じさせず且つ均一な鋳片冷却ができ、その結果、鋳片の割れ発生を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図を基に説明する。
図１に示すように、本実施形態の連続鋳造機１は垂直曲げ型であって、鋳型２と、溶鋼３を一時的に蓄えて鋳型２へ注入するタンディッシュ４と、鋳型２から鋳抜かれた鋳片５を支えつつ移送する複数のサポートロール６とを有している。
取鍋７により運ばれてきた溶鋼３はタンディッシュ４に注がれ、タンディッシュ４の底にある浸漬ノズル８によって鋳型２に注入される。鋳型２では溶鋼３が冷却（１次冷却）され、その表面部のみが凝固した状態の鋳片５となって、鋳型２の下部から垂直方向に引き抜かれるようになる。

なお、引き抜かれた鋳片５の移送方向に沿って、鋳型２に近い側を上流側、鋳型２から遠い側を下流側と呼ぶ。
鋳型２から引き抜かれた鋳片５は、その断面の長辺側及び／又は短辺側にそれぞれ配置された複数のサポートロール６で保持されつつ徐々に水平方向に湾曲され、水平になった鋳片５は下流側に備えられたガス切断機９により所定長さのスラブ片１１に分割される。
詳しくは、鋳型２の直下には鋳片５を最初に支持するフットロール１２が配置されており、その下流側には、鋳片５を円弧状に曲げるようにサポートロール６が配置されている。この部分を曲げ部１３と呼ぶ。曲げ部１３の下流側には、曲げ部１３を通過して円弧状となった鋳片５を保持しつつ移送するサポートロール６が複数配置されており、この部分を円弧部１４と呼ぶ。円弧部１４の下流側には、円弧状となった鋳片５が水平方向を向くように矯正するためのサポートロール６が配置されていて、この部分を矯正部１５と呼ぶ。矯正部１５の下流側には、鋳片５を引き抜くピンチロール１６や鋳片５を下流側に移送する移送ロール１７、ガス切断機９で切断されたスラブ片１１を搬送する搬送ロール１８が配置されている。

加えて、各サポートロール６間には、図２に示す如く、鋳片５に冷却水を噴射して２次冷却を行うミストノズル２０（気水ノズル、噴霧ノズル）が複数配置されおり、これらミストノズル２０から２次冷却帯が構成されている。
このミストノズル２０による鋳片冷却では、鋳片５が冷却ミストの直下を通過する時と、冷却ミストの周辺部を通過する時に冷却速度などが変化することは明らかである。鋳片５の割れや表面疵発生を抑えるためには、かかる冷却速度の差を可能な限り小さくし均一冷却を行って、鋳片表面での温度差を抑えることが必要である。

また、鋳片表面が内部よりも過度に冷却されることを防ぐことも重要である。特に、垂直曲げ型の連続鋳造機１では、曲げ部１３および矯正部１５を通過する鋳片５が過冷却状態となって脆化温度域に入ることがないように、冷却速度を調節することが重要である。こうすることでも、鋳片５の割れを防止することができる。
そこで、本発明では、ミストノズル２０へ供給される冷却水の温度を３７℃〜５℃の範囲としている。なお好ましくは、冷却水の温度を３５℃〜１０℃にするとよい。
このような冷却条件を満たすことで、鋳型２から引き抜かれた鋳片５を均一に冷却でき、且つ当該鋳片５に過冷却が生じることを防ぐことができるようになる。よって鋳片５に割れや表面疵などが発生することを極力防ぐことができる。

鋳片５に曲げ力が加わり移送曲率が変わる「曲げ部１３」と「矯正部１５」は、鋳片５に縦割れなどが多く発生する場所と考えられる。したがって、前述の２次冷却帯に対する条件を、連続鋳造機１の曲げ部１３、矯正部１５のいずれか、又はその両方に配備されたミストノズル２０に適用すると、鋳片５の割れ等を確実に防ぐことができるようになる。当然ながら、２次冷却帯の全てに適用することは非常に好ましい。
図３は鋳片５の温度測定部位を示す。この図に示す如く、ミストノズル２０の噴射直下をノズル直下部Ｂとし、ノズル直下部Ｂから鋳造方向に４０ｍｍ離れた鋳片５の表面をノズル周辺部Ｃとし、両部Ｂ，Ｃの温度を測定した。

図４は、測定により得られたノズル直下部Ｂとノズル周辺部Ｃとの温度推移の結果である。ミストノズル２０の噴霧範囲Ａのうち、ノズル直下部Ｂでの表面温度が９００℃になった時点を時間ゼロとして、ノズル直下部Ｂとノズル周辺部Ｃでの表面温度の推移を示している。
この際の気水比は２０であって、水量密度は５５０Ｌ/ｍ²・ｍｉｎである。ミストノズル２０から鋳片５までの距離を１５０ｍｍとしている。なお、冷却水の水温に関しては、３３〜７９℃まで変化させている。

図４から明らかなように、冷却水の水温が５０℃以上の場合、それより小さい場合に比して、ノズル直下部Ｂ及びノズル周辺部Ｃの冷却速度が著しく大きくなっている。すなわち、冷却水の水温が５０℃以上の場合に、冷却時間経過に対する温度低下の度合いが大きく、冷却曲線の傾きが大きいものとなっている。したがって、冷却水の水温が５０℃以上になると、ミスト冷却による鋳片過冷却の虞が大である。一方、冷却水の水温が３７℃以下の場合、ノズル直下部Ｂとノズル周辺部Ｃとでは、冷却速度は略同じであり比較的緩やかなものとなっている。したがって、鋳片５が過冷却される虞は少ない。

また、冷却水の水温が５０℃以上の場合、ノズル直下部Ｂの冷却速度がノズル周辺部Ｃより大きなものとなり、それに起因して、例えば、冷却時間が４０〜５０秒程度経過した際には、ノズル直下部Ｂの表面温度がノズル周辺部Ｃより数百℃低いといった状況下になることがわかった。ゆえに、冷却水の水温が５０℃以上になると、均一冷却が望めない状況となることは明らかである。冷却水の水温が３７℃以下の場合、ノズル直下部Ｂとノズル周辺部Ｃとでは、冷却速度は略同じであり、ノズル直下部Ｂとノズル周辺部Ｃとの差は約５０〜１００℃程度と比較的小さい。したがって、鋳片表面はいずれの位置あっても同じ状況で冷却され、鋳片５は均一冷却されることになる。

このときのミスト冷却における熱伝達率を求め、その関係をまとめたものが図５，図６である。
図５は、冷却水の温度と、その冷却水で冷却される鋳片５における熱伝達率との関係を模式的に示したものである。
この図に示すように、スプレーノズルでは、低水温の方がサブクール度（冷却水と鋳片５との温度差）が大きいため過冷却になりやすいが、ミストノズル２０では、従来のスプレーノズルとは逆の関係があり、水温が高い方がノズル直下部Ｂの熱伝達率が大きくなり、ノズル周辺部Ｃとの熱伝達率の差が開き、鋳片５は過冷却されやすく且つ不均一冷却されることになる。ところが、本発明のように、冷却水の水温が低温、特に３７℃以下であれば、熱伝達率の値が比較的小さく、且つノズル直下部Ｂとノズル周辺部Ｃの間の熱伝達率の差が所定値内となって、鋳片５は過冷却されず且つ均一冷却され、その結果、鋳片５に割れや表面疵等が発生することを防止できることがわかった。

図６には、「鋳片５の表面温度」と「熱伝達率の差」との関係が示されている。すなわち、この図の横軸にはノズル直下部Ｂに対応する位置での鋳片５の表面温度が記され、縦軸にはノズル直下部Ｂとノズル周辺部Ｃの熱伝達率の差が示されていて、冷却水の温度が高温の場合（７９℃）と低温の場合（３３℃）におけるデータがプロットされている。
この図に示すように、水温３３℃の場合は、鋳片５の表面温度が変化しても、熱伝達率の差は５００ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃前後であまり大きくは変動しない。一方、水温７９℃の場合は、鋳片５の表面温度が高温の場合は、約１０００ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃であるが、鋳片５の表面温度が５００℃近くなると、約２５００ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃と、２倍以上となる。このことから、ミスト冷却で冷却水の水温が高い場合、均一冷却ができない。

なお、冷却水の水温が高いほど熱伝達率の差が大きくなる理由は、水温変化による水の蒸発量の違いや、高温の鋳片５へ接触する際のミスト蒸発速度が水温とともに変化することに起因するものと思われる。例えば、ミストノズル２０から噴射される冷却ミストは、予め水と空気とが混合され微細な霧となっているが、高水温時には、ミストノズル２０に設けられた「水・空気の混合部」での水の蒸発量が多いため、設定した気水比から得られるガス量(空気量と水蒸気量の合計)よりも、ミストノズル２０から実際に噴霧される時のガス量が大きくなる。そのため、ノズル直部下でのミスト衝突力が大きくなったり、ノズル周辺部Ｃにおける冷却水の排除速度が大きくなったりするなどの現象が起こり、結果としてノズル直下部Ｂの冷却速度がノズル周辺部Ｃに比べて大きくなると考えられる。

以下、本発明に係る鋳片冷却方法を垂直曲げ型の連続鋳造機１に適用し、鋳造を行った実施例について、比較例と比較しつつ以下説明する。
ミストノズル２０から鋳片５までの距離は１５０ｍｍ、水量密度は５５０Ｌ/ｍ²・ｍｉｎ、常温常圧における気水比は２１．５とした。冷却水の水温は、実施例１では３３℃、実施例２では３７℃と一定に保って鋳片５を冷却した。
２次冷却帯を構成するミストノズル２０の中から、所定のミストノズル２０を選び出し、そのノズル直下部Ｂとノズル周辺部Ｃの表面温度、裏面温度を測定し、それを基に熱伝達率を算出した。具体的には、鋳片表面下の深さ５ｍｍ（表面）および深さ２５ｍｍ（裏面）での鋳片温度を測定し、鋳片５の鋳片温度が９００℃〜５００℃まで変化する間の熱伝達率を計算した。

算出された熱伝達率の結果を表１に示す。

比較例１〜３は、冷却水温が５０，５８，７９℃である。
比較例１〜３のいずれにおいても、鋳片温度が６００℃以下の低温の場合、ノズル直下部Ｂとノズル周辺部Ｃとの熱伝達率の差は、１０００ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃以上となり、大きい値の場合、２０００ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃を越えることもあった。特に、比較例３の如く水温が７９℃であると、鋳片温度が９００℃〜５００℃において、熱伝達率の差は８３０〜２５９０ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃と大きな値となる。このような大きな熱伝達率の差がある状況下で鋳片５の冷却を行うと、当該鋳片５の均一な冷却ができず、鋳片５に表面割れ・表面疵が発生することを回避できない。

一方、実施例１，２は、冷却水温が３３，３７℃であって、両者とも鋳片温度が９００〜５００℃の間で、ノズル直下部Ｂとノズル周辺部Ｃとの熱伝達率の差は１０００ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃以下、具体的には６１０ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃より小さかった。かかる熱伝達率の差であれば、鋳片５の均一な冷却が可能であって、鋳片５の表面割れ・表面疵の発生を防ぐことができる。
なお、本明細書に記載した実施形態は本願発明の例示であって、これに限定するものではない。

例えば、冷却水の水温を３７℃以下にする手段は特に限定されるものでなく、冷却塔等を用いるとよい。冷却塔の操業条件は適宜設定でき、冷却塔から供給される水の一部のみをさらにクーラなどで冷却してもよい。
また、ミストノズル２０は、ノズル先端に複数個（例えば２条）のミスト噴射口２１を有していてもよい。当然、１個（１条）であってもよい。
また、本発明の鋳片冷却方法を適用可能な連続鋳造機は、垂直曲げ型の連続鋳造機１に限定されるものではない。湾曲型や垂直型の連続鋳造機にも採用可能である。

連続鋳造機の模式図である。 ２次冷却帯の鋳片幅方向の断面模式図である。 ２次冷却帯の拡大側面図である。 ミスト冷却時における鋳片表面温度の遷移を示した図である。 ミスト冷却時における熱伝達率の傾向を示した図である。 ミスト冷却時における熱伝達率の差の変化を示した図である。

符号の説明

１ 連続鋳造機
２ 鋳型
３ 溶鋼
４ タンディッシュ
５ 鋳片
６ サポートロール
１３ 曲げ部
１５ 矯正部
２０ ミストノズル
２１ ミスト噴射口
Ａ 冷却ミストの噴霧範囲
Ｂ ノズル直下部
Ｃ ノズル周辺部

Claims (2)

1. ミストノズルで構成された２次冷却帯を備える連続鋳造機を用いて鋳片の連続鋳造を行うに際し、前記ミストノズルへ供給される冷却水の温度を３７℃以下５℃以上とすることを特徴とする連続鋳造機における鋳片冷却方法。
2. 請求項１に記載された条件を、垂直曲げ型の連続鋳造機の曲げ部及び／又は矯正部に配備されたミストノズルに適用することを特徴とする連続鋳造機における鋳片冷却方法。

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