JP2010069496A - 連続鋳造における二次冷却装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミストノズルを備えた連続鋳造設備の二次冷却過程において、冷却水温度に関係なく鋳片の均一冷却が可能な冷却装置を提供し、鋼の連続鋳造における冷却水温度変化による鋳片の表面割れや表面傷の発生を防止する。
【解決手段】連続鋳造において鋳片を二次冷却するための二次冷却装置であって、空気と冷却水を混合した冷却水ミスト２０ａを前記鋳片に噴霧するミストノズル２０が備えられると共に、前記冷却水の温度変化に応じて空気流量を制御可能な空気流量制御手段が備えられてなる。
【選択図】図９

Description

本発明は、連続鋳造設備において鋳片を二次冷却するための二次冷却装置及び方法に関し、更には、空気と冷却水を混合した冷却水ミストを前記鋳片に噴霧する二次冷却装置及び方法に関するものである。

従来、垂直曲げ型の連続鋳造設備においては、鋳型に注入された溶鋼は、鋳型内で冷却されて表面のみに凝固殻を形成した状態となり（一次冷却）、それを鋳型から引き抜くことにより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、連続鋳造設備の曲げ部、円弧部及び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二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行する様になっている（二次冷却）。

二次冷却帯は、鋳片の移送方向に複数配置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、二次冷却水（以下、単に冷却水とも言う）をシャワー状に噴射するスプレーノズル、または二次冷却空気（以下、単に冷却空気または空気とも言う）と二次冷却水を混合した状態で噴霧するミストノズルが採用されている。

この様な垂直曲げ型連続鋳造設備の従来技術に係るミストノズルを用いた二次冷却について、以下図１３を参照しながら説明する。図１３は、連続鋳造における従来技術に係る二次冷却装置及び方法を説明するための制御フロー図である。従来技術に係る二次冷却では、鋳造速度Ｖc［ｍ／ｍｉｎ］に応じて二次冷却水流量Ｆs［Ｎｍ^３／ｈ］を調整することにより、冷却抜熱量を制御している。

即ち、二次冷却水流量Ｆs［Ｎｍ^３／ｈ］は、この冷却水流量Ｆsを鋳造速度Ｖcの関数で定めたＦs＝ｆ(Ｖc)を基に、制御器３３の演算部３４内の水量分配テーブルに予め設定されており、その時点の設定鋳造速度 Ｖcを入力することにより算出される。

一方、二次冷却空気流量Ａs［Ｎｍ^３／ｈ］は、二次冷却水流量Ｆsに応じて前記演算部３４内の気水比テーブルに予め設定されており、前記冷却水流量Ｆsに対する空気流量Ａsが前記演算部３４にて算出される。前記気水比テーブルは、ミストノズル３０が冷却水流量Ｆsに応じて、最も均一冷却もしくは安定噴霧できる気水比条件を定めた関数Ａs＝ｆa(Ｆs)で設定されている。

そして、算出した冷却水流量Ｆs及び冷却空気流量Ａsとなるよう制御器３３内の制御部３５にて、冷却水流路３１及び空気流路３２に夫々介設された流量調整弁３１ａ，３２ａの開度を調節し、冷却水流量及び冷却空気流量を制御している。

従来より、冷却水温の変動が連続鋳造時の鋳片割れに影響を及ぼすことは知られていたが、もっぱら冷却水温が過度に低過ぎた場合に起こる鋳片の過冷却に関する現象であった。
しかしながら、上述した様な従来技術に係る二次冷却においても、鋳造時の鋳片割れ発生を十分に抑止し得なかった。

この様な課題を解決するため提案された従来例につき、以下に順次説明する。先ず、従来例１に係る冷却水制御装置は、鋳造速度に応じた冷却水流量を算出水流量として求める第１の手段と、二次冷却水の温度を計測して計測水流量に基づいて前記算出水流量を補正して設定冷却水流量を得て、この設定冷却水流量に応じて二次冷却水流量を制御する第２の手段とを有するものである（特許文献１参照）。

しかしながら、この従来例１に係る冷却水制御装置は、１流体ノズルであるスプレーノズルを用いた方法であり、２流体である気水ミストノズルを用いた方法ではない。また、二次冷却水温の変化による冷却能力変動を水流量調節により補正する方法であり、均一冷却性に対しては何ら言及していない。

次に、従来例２に係る連続鋳造における二次冷却方法及び装置につき、添付図１４を参照しながら説明する。図１４は、従来例２に係る二次冷却装置に利用される配管図である。この二次冷却方法は、低水流量域では気液二流体冷却とし、高水領域では一流体水冷却とする二次冷却方法である。

また、この二次冷却装置４０は、二次冷却帯に気液二流体冷却手段４１と一流体水冷却手段４２とを具備せしめるとともに、低水流量域では気液二流体冷却とし高水領域では一流体水冷却とする切替手段４３を具備せしめた二次冷却装置である（特許文献２参照）。しかし、この従来例２に係る二次冷却方法及び装置は、気液二流体冷却と一流体水冷却とを併用するものである。

また、従来例３に係る高炭素特殊鋼の連続鋳造方法によれば、冷却水温度３８℃以上に保つことにより鋳片表面割れ増加を低減する鋳造方法が記載されている（特許文献３参照）。しかしながら、連続鋳造設備による鋳片冷却の均一性について種々検討した結果、後で詳細に述べる様に、二次冷却水温が高過ぎると鋳片の均一冷却ができなくなることが分かった。また、この方法では水温範囲を制限して操業したり、或いは、冷却水温度が低下するまで鋳造停止しなければならず、生産性が低下する。そして、これを回避するには冷却設備の能力を増強しなければならない。
特開２０００−２７１７１３号公報 特開２００４−５８１１７号公報 特許第３４５５０３４号公報

本発明は、上述した様に、二次冷却水温が高過ぎると鋳片の均一冷却ができなくなることを知見し鋭意検討した結果なし得たものであって、ミストノズルを備えた連続鋳造設備の二次冷却過程において、冷却水温度に関係なく鋳片の均一冷却が可能な冷却装置及び方法を提供し、鋼の連続鋳造における冷却水温度変化による鋳片の表面割れや表面傷の発生を防止することを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係る連続鋳造の二次冷却装置が採用した手段は、連続鋳造において鋳片を二次冷却するための二次冷却装置であって、空気と冷却水を混合した冷却水ミストを前記鋳片に噴霧するミストノズルが備えられると共に、前記冷却水の温度変化に応じて空気流量を制御可能な空気流量制御手段が備えられてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係る連続鋳造の二次冷却装置が採用した手段は、請求項１に記載の連続鋳造における二次冷却装置において、前記空気流量制御手段が、前記冷却水の温度変化に応じてこの冷却水の蒸発蒸気量が空気流量に加えられた気体流量のうち、前記空気流量を一定に保つために、次式（１）により空気流量Ａstを演算する冷却空気演算部と、この演算結果に基づき空気流量を制御する空気流量制御機構とが備えられてなることを特徴とするものである。
Ａst＝Ａs−Ｆv （１）

ここで、
Ａs：冷却水常温における設定空気流量〔冷却水温度が常温（２０±１５℃）
にて設定される空気流量〕
Ｆv：蒸発蒸気量＝ｆv(Ａs，ｔw)＝（Ｍ・Ａs・ρa）／ρv （２）
Ｍ：飽和湿度＝ｆm（ｔw） （３）
ρa：空気密度
ρv：蒸気密度
ｔw：二次冷却水温度

本発明の請求項３に係る連続鋳造の二次冷却装置が採用した手段は、請求項２に記載の連続鋳造における二次冷却装置において、前記空気流量制御機構が、ミストノズルに空気を供給する空気供給流路に介設された空気流量調整弁を制御対象とする制御機構であって、前記空気供給流路に介設された空気流量計と、前記空気流量調整弁の弁開度を制御する空気流量制御部と、ミストノズルに冷却水を供給する冷却水供給流路に介設された冷却水温計とが備えられている。

一方、前記冷却空気演算部において、この冷却水温計によって検出された検出水温に基づき前式（２）で求められる蒸発蒸気量Ｆvが演算されると共に、前記冷却空気演算部において演算された前記空気流量Ａstと前記空気流量計によって検出された検出流量信号との差を基に、前記空気流量制御部において前記空気流量調整弁の弁開度操作量を決定し、この操作量信号により前記空気流量調整弁の弁開度が制御されてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係る連続鋳造の二次冷却方法が採用した手段は、連続鋳造において鋳片を二次冷却するための二次冷却方法であって、ミストノズルに空気と冷却水とを供給して冷却水ミストを発生させると共に、前記冷却水の温度変化に応じて前記空気の供給流量を制御しつつ前記鋳片に冷却水ミストを噴霧して二次冷却することを特徴とするものである。

本発明の請求項５に係る連続鋳造の二次冷却方法が採用した手段は、請求項４に記載の連続鋳造における二次冷却方法において、前記冷却水の温度変化に応じて発生する蒸発蒸気量Ｆvを前式（２）により演算すると共に、前記空気の供給流量が前式（１）により算出される空気流量Ａstとなる様に制御することを特徴とするものである。

本発明の請求項６に係る連続鋳造の二次冷却方法が採用した手段は、請求項５に記載の連続鋳造における二次冷却方法において、空気の供給流路に介設された空気流量計により空気流量を検出すると共に、この検出した空気流量信号と算出された前記空気流量Ａstとの差を基に、前記空気供給流路に介設された空気流量調整弁の弁開度操作量を決定し、この操作量信号により前記空気流量調整弁の弁開度を制御することを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係る連続鋳造の二次冷却装置によれば、連続鋳造において鋳片を二次冷却するための二次冷却装置であって、空気と冷却水を混合した冷却水ミストを前記鋳片に噴霧するミストノズルが備えられると共に、前記冷却水の温度変化に応じて空気流量を制御可能な空気流量制御手段が備えられてなるので、ミストノズルを用いた連続鋳造の二次冷却において、冷却水温に関係なく均一な鋳片冷却ができ、その結果、鋳片の表面割れや表面傷の発生を抑制可能な二次冷却装置を提供することができる。

また、本発明の請求項２に係る連続鋳造の二次冷却装置によれば、前記空気流量制御手段が、前記冷却水の温度変化に応じてこの冷却水の蒸発蒸気量が空気流量に加えられた気体流量のうち、前記空気流量を一定に保つために、前式（１）により空気流量Ａstを演算する冷却空気演算部と、この演算結果に基づき空気流量を制御する空気流量制御機構とが備えられてなるので、前記冷却水の蒸発蒸気量による影響が排除される結果、冷却水温に関係なく均一な鋳片冷却ができ、鋳片の表面割れや表面傷の発生を防止可能な二次冷却装置を提供することができる。

更に、本発明の請求項３に係る連続鋳造の二次冷却装置によれば、前記空気流量制御機構が、ミストノズルに空気を供給する空気供給流路に介設された空気流量調整弁を制御対象とする制御機構であって、前記空気供給流路に介設された空気流量計と、前記空気流量調整弁の弁開度を制御する空気流量制御部と、ミストノズルに冷却水を供給する冷却水供給流路に介設された冷却水温計とが備えられている。

一方、前記冷却空気演算部において、この冷却水温計によって検出された検出水温に基づき前式（２）で求められる蒸発蒸気量Ｆvが演算されると共に、前記冷却空気演算部において演算された前記空気流量Ａstと前記空気流量計によって検出された検出流量信号との差を基に、前記空気流量制御部において前記空気流量調整弁の弁開度操作量を決定し、この操作量信号により前記空気流量調整弁の弁開度が制御されてなるので、冷却水温に関係なく均一な鋳片冷却が可能な連続鋳造の二次冷却装置に係る空気流量制御機構を具体化し得る。

そして、本発明の請求項４に係る連続鋳造の二次冷却方法によれば、連続鋳造において鋳片を二次冷却するための二次冷却方法であって、ミストノズルに空気と冷却水とを供給して冷却水ミストを発生させると共に、前記冷却水の温度変化に応じて前記空気の供給流量を制御しつつ前記鋳片に冷却水ミストを噴霧して二次冷却するので、冷却水温に関係なく均一な鋳片冷却ができ、その結果、鋳片の表面割れや表面傷の発生を抑制可能な二次冷却方法を提供することができる。

また、本発明の請求項５に係る連続鋳造の二次冷却方法によれば、前記冷却水の温度変化に応じて発生する蒸発蒸気量Ｆvを前式（２）により演算すると共に、前記空気の供給流量が前式（１）により算出される空気流量Ａstとなる様に制御するので、前記冷却水の蒸発蒸気量による影響が排除される結果、冷却水温に関係なく均一な鋳片冷却ができ、鋳片の表面割れや表面傷の発生を防止可能な二次冷却方法を提供することができる。

更に、本発明の請求項６に係る連続鋳造の二次冷却方法によれば、空気の供給流路に介設された空気流量計により空気流量を検出すると共に、この検出した空気流量信号と算出された前記空気流量Ａstとの差を基に、前記空気供給流路に介設された空気流量調整弁の弁開度操作量を決定し、この操作量信号により前記空気流量調整弁の弁開度を制御するので、冷却水温に関係なく均一な鋳片冷却が可能な連続鋳造の二次冷却方法に係る空気流量制御方法を具体化し得る。

先ず、本発明の実施の形態に係る二次冷却装置及び方法が適用可能な垂直曲げ型の連続鋳造設備につき、以下添付図１，２を参照しながら詳細に説明する。図１は垂直曲げ型連続鋳造設備の基本構造を示す模式図、図２は図１の矢視Ｘ−Ｘを示す断面図である。

垂直曲げ型連続鋳造設備１（以下、単に鋳造設備とも言う）には、鋳型２と、溶鋼３を一時的に蓄えて鋳型２へ注入するタンデッシュ４と、鋳型２から鋳抜かれた鋳片５を支えつつ搬送するサポートロール６とが備えられている。そして、取鍋７により運ばれてきた溶鋼３は、先ずタンデッシュ４に注がれ、このタンデッシュ４の底面に設けられた浸漬ノズル８から鋳型２に注入される。

鋳型２では溶鋼３が冷却（一次冷却）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の下部から垂直に引き抜かれるようになる。尚、引き抜かれた鋳片５の搬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ことにする。

そして、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/または短辺側に夫々配置された複数のサポートロール６で支持されつつ除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により所定長のスラブ片１１に分割される。

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が設置されており、その下流側は、鋳片５を円弧状に曲げる様にサポートロール６が複数配置された曲げ部１３となる。また、この曲げ部１３の下流側は、曲げ部１３を通過して円弧状となった鋳片５を搬送するサポートロール６が複数配置された円弧部１４となる。更に、この円弧部１４の下流側は、円弧状となった鋳片５が水平方向を向く様に矯正するためのサポートロール６が配置された矯正部１５となる。そして更に、この矯正部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を下流側に搬送する搬送ロール１７が配置されている。

加えて、各サポートロール６間には、鋳片５に冷却水ミストを噴射して二次冷却を行うミストノズル２０からなる二次冷却帯が構成されている。このミストノズル２０の機幅方向への配置は、図２に示す如く、鋳片５へ到達する冷却水ミスト２０ａの噴霧領域Ａが不連続部を形成することなく配置されることが肝要である。また、二次冷却帯における二次冷却過程では、鋳片５がミスト噴霧の直下を通過する時とその周辺を通過する時に冷却速度が変化するので、鋳片５の割れ抑制のためには、この温度差を可能な限り小さくして均一冷却することが肝要である。

本発明者等は、この様な垂直曲げ型連続鋳造設備１のミストノズル２０を用いて、前述の従来技術に係る二次冷却方式の冷却均一性について種々検討した結果、下記に説明する通り、二次冷却水温が高すぎると鋳片５の均一冷却ができなくなることが分かった。即ち、鋳造設備１自体の負荷変動や冷却水クーラーの負荷変動により冷却水温度が上昇したり、夏季に鋳造設備１が定期整備などにより停止した時に冷却水温度が外気温度と同等まで上昇すると、鋳片５のミスト冷却の均一性に大きな影響を及ぼすのである。

そこで、連続鋳造設備１の二次冷却帯における鋳片５の冷却時表面温度の実測結果について、添付図３〜７を参照しながら説明する。図３は二次冷却帯における鋳片の温度測定部位を説明するための片側側面図、図４は冷却水温３０℃における鋳片表面温度の経時変化を示す図、図５は冷却水温８０℃における鋳片表面温度の経時変化を示す図、図６は冷却水温３０℃における鋳片表面温度と鋳片への熱伝達率との関係を示す図、図７は冷却水温８０℃における鋳片表面温度と鋳片への熱伝達率との関係を示す図である。

鋳片５の温度測定部位は、図３に示す如く、二次冷却帯におけるミストノズル２０の噴射直下にある鋳片５の表面をノズル直下部Ｂとし、ミスト噴霧領域Ａ内においてノズル直下部Ｂから下流側に４０ｍｍ離れた鋳片５の表面をノズル周辺部Ｃとし、冷却中の両部Ｂ，Ｃの鋳片表面温度を測定した。これらの表面温度測定結果は、図４，５に示す通り、ノズル直下部Ｂの方が周辺部Ｃよりも冷却速度が大きいため、これら両部Ｂ，Ｃ間に鋳片表面温度差が発生するが、冷却水温が３０℃の場合に比べ８０℃の方がこの温度差が大きくなることが分かった。

これらの鋳片温度測定結果から、鋳片冷却における冷却ミスト２０ａから鋳片５への熱伝達率を算出した結果、図６，７に示す様に、冷却水温３０℃の場合よりも８０℃の場合の方が、ノズル直下Ｂと周辺部Ｃ間の熱伝達率差が大きい。即ち、ミストノズル噴霧領域Ａにおけるノズル直下部Ｂとノズル周辺部Ｃの温度差は、冷却水温が高いほど大きくなり、冷却の均一性が劣ることを見出した。

ミストノズル２０は、冷却水と圧縮空気を供給混合されて微細な冷却水ミスト２０ａを生成することを特徴としているが、冷却水温が上昇した場合、空気と水の混合部において、冷却水が蒸発することによって発生した蒸気が空気に加わり、前記ノズル２０から噴出される実質の気体量が、前記空気流量と蒸発水蒸気量の合計値に増加する。

即ち、図８に示す様に、水温が上昇し実質の気体量が増加することにより気水比も増加する。図８は、冷却水温が上昇した時に、空気量に冷却水の蒸発蒸気が加えた実質の気水比の差を示す図である。ここで、前記気水比は、ミストノズル２０において空気流量と水流量のバランスを意味し、二次冷却空気流量/二次冷却水流量で表す。また、横軸の水流量比とは、ミストノズル２０の設計最大水流量を１００％と設定したときの水流量比率を示す。

水温が上昇することにより均一冷却性が悪化するのは、ミストノズル２０から噴出される実質の気体量が増加することにより、前記ノズル２０直下でのミスト衝突力が大きくなったり、衝突後に鋳片５上に残る水の排除される速度が大きくなる等の現象が起こり、その結果、ミストノズル２０直下の冷却速度が周辺部に比べて大きくなるからだと考えられる。

この様な知見を得てなされた本発明の実施の形態に係る二次冷却装置及び方法につき、以下図９を主体に前図１，２も参照しながら説明する。図９は、連続鋳造における本発明の実施の形態に係る二次冷却装置及び方法を説明するための制御フロー図である。

本発明の実施の形態に係る二次冷却装置には、冷却水と空気とが混合されることによって、冷却水ミスト２０ａを形成して鋳片５を冷却する複数のミストノズル２０が備えられると共に、これらのミストノズル２０に冷却水を供給する冷却水供給流路２１と、空気を供給する空気供給流路２２とが備えられている。そして、前記冷却水供給流路２１には、冷却水流量を調整するための冷却水流量調整弁２１ａとこの流量を測定するための冷却水流量計２１ｂとが介設されると共に、前記空気供給流路２２には、空気流量を調整するための空気流量調整弁２２ａとこの流量を測定するための空気流量計２２ｂとが介設されている。

同時に、この二次冷却装置には、前記冷却ミスト２０ａを形成させる上で、冷却水と空気の各必要流量を演算するための演算部２４と、前記各流量を制御する制御部２５が収納された制御器２３が備えられている。そして、前記演算部２４には、水量分配テーブルが収納された冷却水演算部２４ａと気水比テーブルが収納された冷却空気演算部２４ｂが、前記制御部２５には、冷却水流量制御部２５ａと空気流量制御部２５ｂが夫々収納されている。

前記冷却水演算部２４ａに収納された水量分配テーブルは、冷却水流量Ｆsを鋳造速度Ｖcの関数で定めたＦs＝ｆ(Ｖc)を基に設定されており、設定鋳造速度Ｖcの入力に応じて必要な冷却水流量Ｆsが算出される様に構成されている。一方、前記冷却空気演算部２４ｂに収納された気水比テーブル２４ｂは、ミストノズル２０が冷却水流量Ｆsに応じて、冷却水温度が常温において均一冷却もしくは安定噴霧できる気水比条件を関数として求めた空気流量Ａs＝ｆa(Ｆs)が設定されている。

冷却水温が上昇すると、冷却水が蒸発することによって発生した蒸気が二次冷却空気に加わり、ミストノズル２０から噴霧される時の実質の気体量が、空気流量と蒸発水蒸気量の合計値に増加する。そのため、前記冷却空気演算部２４ｂには、前記空気流量Ａs中に含まれる蒸発蒸気流量Ｆvが、前記空気流量Ａsと冷却水流路２１に設けられた冷却水温計２１ｃにより計測された冷却水温度ｔwの関数Ｆv＝ｆv(Ａs，ｔw)Ｆvとして設定されると共に、実質の気体流量を冷却水温ｔwに拘わらず一定に保つため、前記蒸発蒸気量Ｆv分を空気流量Ａsから減じる様に補正する。

即ち、本発明に係る二次冷却の空気流量Ａst［Ｎｍ^３／ｈ］が次式（１）の如く設定されている。
Ａst＝Ａs−Ｆv （１）
ここで、
Ｆv：蒸発蒸気量［Ｎｍ^３／ｈ］
＝ｆv(Ａs，ｔw)＝（Ｍ・Ａs・ρa）／ρv （２）
ρa：空気密度［ｋｇ／Ｎｍ３］
ρv：蒸気密度［ｋｇ／Ｎｍ３］
ｔw：二次冷却水温度［Ｋ］

また、Ｍは次式（３）で定義されるｔwの関数ｆmにより算出される飽和湿度［ｋｇ水蒸気／ｋｇ空気］である。
Ｍ＝ｆm（ｔw） （３）

そして、この様に算出された前記冷却水流量Ｆsは、制御部２５内の冷却水流量制御部２５ａに送信されて、冷却水流路２１に介設された冷却水流量調整弁２１ａの弁開度を以下の如く制御する一方、前記の如く算出された空気流量Ａstは、制御部２５内の空気流量制御部２５ｂに送信され、空気流路２２に介設された空気流量調整弁２２ａの弁開度を以下の如く制御する様に構成されている。

即ち、前記冷却水流量制御部２５ａ及び空気流量制御部２５ｂには、夫々冷却水流量Ｆs及び空気流量Ａstが入力信号として送信される一方、冷却水流路２１及び空気流路２２に介設された冷却水流量計２１ｂ及び空気流量計２２ｂからの夫々の検出流量信号ＰＶ１，ＰＶ２も常時送信されている。

そして、前記冷却水流量制御部２５ａ及び空気流量制御部２５ｂにおいて、前記冷却水流量Ｆs信号と検出流量信号ＰＶ１との差及び空気流量Ａst信号と検出流量信号ＰＶ２との差を基に、前記冷却水流量調整弁２１ａの弁開度操作量ＭＶ１及び空気流量調整弁２２ａの弁開度操作量ＭＶ２が決定され、制御信号として前記冷却水流量調整弁２１ａ及び空気流量調整弁２２ａに送信され、冷却水流量及び空気流量を制御する様に構成されている。

次に、本発明の実施の形態に係る二次冷却方法につき、以下図９を主体に前図１，２も参照しながら説明する。

先ず、制御器２３に、連続鋳造設備１の設定鋳造速度Ｖcを入力する。この設定鋳造速度Ｖcの入力は手動入力でも良いし、連続鋳造設備１からの信号による自動入力でも良い。すると、演算部２４内の冷却水演算部２４ａにおいて、水量分配テーブルＦs＝ｆ(Ｖc)により冷却水流量Ｆsが自動的に算出される一方、この冷却水流量Ｆs信号が冷却空気演算部２４ｂへ送られ、この冷却空気演算部２４ｂ内において、気水比テーブルＡs＝ｆa(Ｆs)から空気流量Ａsが算出されると共に、前式（２）により蒸発蒸気量Ｆvが算出される。そして、この蒸発蒸気量Ｆvにより補正された二次空気流量Ａstが前式（１）より算出される。

そして、前記演算部２４においてこの様に算出された前記冷却水流量Ｆsは、制御部２５内の冷却水流量制御部２５ａに送信され、冷却水供給流路２１に介設された冷却水流量調整弁２１ａの弁開度を制御する一方、算出された前記空気流量Ａstは、制御部２５内の空気流量制御部２５ｂに送信され、空気供給流路２２に介設された空気流量調整弁２２ａの弁開度を制御する。

前記冷却水制御部２５ａ及び空気流量制御部２５ｂは、夫々演算された冷却水流量Ｆs及び空気流量Ａstを受信する一方、夫々冷却水供給流路２１及び空気供給流路２２に介設された冷却水流量計２１ｂ及び空気流量計２２ｂによる夫々の検出流量信号ＰＶ１，ＰＶ２を常時受信している。

そして、前記冷却水流量制御部２５ａ及び空気流量制御部２５ｂにおいて、前記冷却水流量Ｆs信号と検出流量信号ＰＶ１との差及び空気流量Ａst信号と検出流量信号ＰＶ２との差を基に、前記冷却水流量調整弁２１ａの弁開度操作量ＭＶ１及び空気流量調整弁２２ａの弁開度操作量ＭＶ２を決定し、制御信号として前記冷却水流量調整弁２１ａ及び空気流量調整弁２２ａに送信して、冷却水流量及び空気流量を制御するのである。

以上の通り、本発明に係る二次冷却水制御装置及び方法により、空気と冷却水を混合した冷却水ミストを前記鋳片に噴霧するミストノズルと、前記冷却水の温度変化に応じて前記空気の供給流量を制御可能な空気流量制御手段とが備えられ、前記ミストノズルに空気と冷却水とを供給して冷却水ミストを発生させると共に、前記冷却水の温度変化に応じて前記空気流量を制御しつつ前記鋳片に噴霧して二次冷却するので、冷却水温が上昇しても実質の気体量を一定に保つ、即ち、蒸発蒸気量分を空気流量から減じ、実質の気体量を水温にかかわらず一定に保つことにより、均一冷却性の悪化を低減できる。その結果、高水温での鋳片均一冷却性を改善することができる。

次に、本発明の実施の形態に係る二次冷却水制御装置及び冷却方法により高温鋳片を冷却した実施例と、従来技術により冷却した比較例とを、図１０〜１２及び前図１〜３を参照しながら以下に説明する。

図１０は本発明の比較例に係り、水温３０℃〜８０℃の冷却水により従来技術を用いて高温鋳片を冷却した時の、鋳片表面温度６００℃〜８００℃の熱伝達率偏差率と累積度数率の関係を示す図、図１１は本発明の比較例及び実施例に係り、水温８０℃の冷却水により従来技術及び本発明の実施の形態により高温鋳片を冷却した時の、鋳片表面温度６００℃〜８００℃の熱伝達率偏差率と累積度数率の関係を示す図、図１２は本発明の比較例及び実施例に係り、水温３０℃〜８０℃の冷却水により従来技術及び本発明の実施の形態により高温鋳片を冷却した時の、鋳片表面温度６００℃〜８００℃の累積度数率９０％における熱伝達率偏差率を示す図である。

実施例においては、鋳片冷却する二次冷却水の水流量密度を５５０Ｌ／ｍ^２／分、水温を８０℃とし、ミストノズルに供給する空気流量Ａstを前式（１）により補正した１６７０ＮＬ／ｍ^２／分、気水比を３として鋳片５を冷却した。一方、比較例においては、水温３０℃、４０℃、６０℃及び８０℃の４条件において、空気流量は気水比テーブルに設定されている３５４２０ＮＬ／ｍ^２／分、気水比を２５.３として鋳片５を冷却した。尚、蒸発蒸気量を考慮した実質の気水比は、水温３０℃で２６.４、水温４０℃で２７.３、水温６０℃で３１.６、水温８０℃で４８.３である。

そして、図３に示した鋳片５の表面におけるノズル直下部Ｂの３点及び周辺部Ｃの６点に貼り付けた図示しない鋳片温度計９点と、前記ノズル直下部Ｂ及び周辺部Ｃ夫々から深さ２５ｍｍに埋め込んだ図示しない鋳片温度計９点の、合計１８点における各鋳片温度を０．５秒ごとに検出し、冷却中の鋳片温度が９００℃から６００℃まで低下する間の、前記ノズル直下部Ｂ及び周辺部Ｃ夫々における冷却水ミスト２０ａから鋳片５への熱伝達率αを算出した。

次に、鋳片表面のＢ点及びＣ点において、熱伝達率αと熱伝達率αの平均値αaveから、次式（４）で定義される熱伝達率の平均値αaveとの偏差率Δα（以下、熱伝達率偏差率と称す）[％]を算出する。
Δα＝｛｜α−αave｜／αave｝×１００ （４）

連続鋳造における二次冷却帯において、鋳片５はミスト冷却、放射冷却及びロール冷却を繰り返しながら冷却される。そのため、ミスト冷却時の熱伝達率偏差率Δαがある一定の範囲内に収まっていれば、放射冷却及びロール冷却中は常に均一冷却であるため、ミスト冷却時の熱伝達率偏差Δαから生じた鋳片５表面及び内部の温度差が、鋳片５内部の熱伝導によって収束するため、均一冷却であるといえる。

均一冷却であれば、鋳片５の表面及び内部の温度差や、凝固厚さの偏差が小さくなるため、表面割れや表面傷は発生しにくくなる。ミスト冷却時に熱伝達率偏差率Δαのバラツキが大きくある一定の範囲を超え、鋳片５の表面及び内部の温度差が、鋳片５内部の熱伝導によって収束しない場合は、鋳片５の凝固厚さが不均一になり、凝固収縮、変態等による応力集中が生じるため、表面割れや表面傷が発生し易くなる。

表１に、水温３０℃〜８０℃の冷却水を用い、鋳片表面温度６００℃〜８００℃で連続鋳造中の高温鋳片を二次冷却した比較例及び実施例における表面割れ及び表面傷の発生結果を示す。表中のノズルタイプとはミストノズルの型式を示し、同一符号のものは同一形状、同一寸法のノズルであることを示す。この結果によれば、従来の二次冷却技術でも、水温３０℃〜４０℃であれば、表面割れや表面傷は発生していないが、気温が上昇する夏場に長時間の連続鋳造を行い水温が６０℃以上に上がった場合、表面割れ、表面傷が発生することがある。

上記一連の試験結果を、前式（４）で定義した熱伝達率偏差率Δαに対する累積度数率として表した図１０によれば、各冷却水温における熱伝達率偏差率Δαに対する累積度数率をつなぐ分布曲線が、熱伝達率偏差率Δαが２０％において、累積度数率が０〜７５％の範囲を通過する場合は表面割れや表面傷が発生し、累積度数率が９０〜１００％の範囲を通過する場合は表面割れや表面傷は発生しない。つまり、鋳片の表面割れや表面傷は、熱伝達偏差率０〜２０％の累積度数率が７５％以下であれば発生し、９０％以上であれば発生しないことが分かった。

そこで次に、冷却水温８０℃の冷却水を用いて高温鋳片を二次冷却した時の、鋳片表面温度６００℃〜８００℃における熱伝達率偏差率Δαと累積度数率の関係を、比較例−１と共に実施例−１について示した図１１によれば、熱伝達偏差率２０％における累積度数率が、比較例−１の７５％から実施例−１の９３％に改善される。即ち、空気流量を水温により補正する本発明に係る二次冷却は、従来技術に比べ熱伝達率偏差率Δαのバラツキが小さく、水温８０℃の高温冷却水でも、熱伝達偏差率２０％における累積度数率が９０％以上となり表面割れや表面傷が発生しない。

図１０，１１に示した比較例及び実施例において、累積度数率が９０％の時の冷却水温と熱伝達率偏差Δαの関係を示す図１２によれば、比較例においては、冷却水温３０℃及び４０℃では熱伝達率偏差率Δαが１３〜１８％で表面割れや表面傷は発生しないが、冷却水温６０℃では熱伝達率偏差率Δαが２８％、冷却水温８０℃に至ると熱伝達率偏差率Δαが３３％となり、冷却水温が上昇するにつれ熱伝達率のばらつきが大きくなり、表面割れや表面疵が発生することを示している。

一方、実施例では、冷却水温８０℃でも熱伝達率偏差率１８％であり、従来技術を用いた冷却水温３０℃、４０℃の比較例と同等に均一冷却できており、表面割れや表面傷が発生しない。即ち、本発明に係る二次冷却装置や方法を用いることにより、冷却水温度変化による鋳片割れや表面傷を防止することができる。

以上説明した通り、本発明に係る連続鋳造の二次冷却水制御装置によれば、冷却水の温度変化に応じて前記空気流量を調整可能な空気流量制御手段が備えられてなるので、前記ミストノズルを用いた連続鋳造の二次冷却において均一な鋳片冷却ができ、その結果、鋳片の表面割れや表面傷の発生を防止することができる。

一方、本発明に係る連続鋳造の二次冷却方法によれば、空気と冷却水を混合した冷却水ミストを噴霧するミストノズルを用い、前記冷却水の温度変化に応じて前記空気流量を調整しつつ前記鋳片に前記ミストを噴霧して二次冷却するので、連続鋳造における均一な鋳片冷却がなされ、鋳片の表面割れや表面傷の発生を防止することができる。

垂直曲げ型連続鋳造設備の基本構造を示す模式図である。 図１の矢視Ｘ−Ｘを示す断面図である。 二次冷却帯における鋳片の温度測定部位を説明するための片側側面図を示す。 冷却水温３０℃における鋳片表面温度の経時変化を示す図である。 冷却水温８０℃における鋳片表面温度の経時変化を示す図である。 冷却水温３０℃における鋳片表面温度と鋳片への熱伝達率との関係を示す図である。 冷却水温８０℃における鋳片表面温度と鋳片への熱伝達率との関係を示す図である。 冷却水温が上昇した時に、空気量に冷却水の蒸発蒸気が加えた実質の気水比の差を示す図である。 連続鋳造における本発明の実施の形態に係る二次冷却装置及び方法を説明するための制御フロー図である。 本発明の比較例に係り、水温３０℃〜８０℃の冷却水により従来技術を用いて高温鋳片を冷却した時の、鋳片表面温度６００℃〜８００℃の熱伝達率偏差率と累積度数率の関係を示す図である。 本発明の比較例及び実施例に係り、水温８０℃の冷却水により従来技術及び本発明の実施の形態により高温鋳片を冷却した時の、鋳片表面温度６００℃〜８００℃の熱伝達率偏差率と累積度数率の関係を示す図である。 本発明の比較例及び実施例に係り、水温３０℃〜８０℃の冷却水により従来技術及び本発明の実施の形態により高温鋳片を冷却した時の、鋳片表面温度６００℃〜８００℃の累積度数率９０％における熱伝達率偏差率を示す図である。 連続鋳造における従来技術に係る二次冷却装置及び方法を説明するための制御フロー図である。 従来例２に係る二次冷却装置に利用される配管図である。

符号の説明

Ａ：ミスト噴霧領域， Ｂ：ノズル直下部， Ｃ：ノズル周辺部，
１：（垂直曲げ型）連続鋳造設備， ２：鋳型， ３：溶鋼，
４：タンデッシュ， ５：鋳片， ６：サポートロール，
７：取鍋， ８：浸漬ノズル， ９：ガス切断機，
１１：スラブ片， １２：フットロール，
１３：曲げ部， １４：円弧部， １５：矯正部，
１６：ピンチロール， １７：搬送ロール，
２０：ミストノズル， ２０ａ：冷却水ミスト，
２１：冷却水供給流路， ２１ａ：冷却水流量調整弁， ２１ｂ：冷却水流量計，
２１ｃ：冷却水温計，
２２：空気供給流路， ２２ａ：空気流量調整弁， ２２ｂ：空気流量計，
２３：制御器，
２４：演算部， ２４ａ：冷却水演算部， ２４ｂ：冷却空気演算部，
２５：制御部， ２５ａ：冷却水流量制御部， ２５ｂ：空気流量制御部

Claims (6)

1. 連続鋳造において鋳片を二次冷却するための二次冷却装置であって、空気と冷却水を混合した冷却水ミストを前記鋳片に噴霧するミストノズルが備えられると共に、前記冷却水の温度変化に応じて空気流量を制御可能な空気流量制御手段が備えられてなることを特徴とする連続鋳造における二次冷却装置。
2. 前記空気流量制御手段が、前記冷却水の温度変化に応じてこの冷却水の蒸発蒸気量が空気流量に加えられた気体流量のうち、前記空気流量を一定に保つために、次式（１）により空気流量Ａstを演算する冷却空気演算部と、この演算結果に基づき空気流量を制御する空気流量制御機構とが備えられてなることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造における二次冷却装置。
   Ａst＝Ａs−Ｆv （１）
   ここで、
   Ａs：冷却水常温における設定空気流量〔冷却水温度が常温（２０±１５℃）
   にて設定される空気流量〕
   Ｆv：蒸発蒸気量＝ｆv(Ａs，ｔw)＝（Ｍ・Ａs・ρa）／ρv （２）
   Ｍ：飽和湿度＝ｆm（ｔw） （３）
   ρa：空気密度
   ρv：蒸気密度
   ｔw：二次冷却水温度
3. 前記空気流量制御機構が、ミストノズルに空気を供給する空気供給流路に介設された空気流量調整弁を制御対象とする制御機構であって、
   前記空気供給流路に介設された空気流量計と、
   前記空気流量調整弁の弁開度を制御する空気流量制御部と、
   ミストノズルに冷却水を供給する冷却水供給流路に介設された冷却水温計とが備えられる一方、
   前記冷却空気演算部において、この冷却水温計によって検出された検出水温に基づき前式（２）で求められる蒸発蒸気量Ｆvが演算されると共に、
   前記冷却空気演算部において演算された前記空気流量Ａstと前記空気流量計によって検出された検出流量信号との差を基に、前記空気流量制御部において前記空気流量調整弁の弁開度操作量を決定し、この操作量信号により前記空気流量調整弁の弁開度が制御されてなることを特徴とする請求項２に記載の連続鋳造における二次冷却装置。
4. 連続鋳造において鋳片を二次冷却するための二次冷却方法であって、ミストノズルに空気と冷却水とを供給して冷却水ミストを発生させると共に、前記冷却水の温度変化に応じて前記空気の供給流量を制御しつつ前記鋳片に冷却水ミストを噴霧して二次冷却することを特徴とする連続鋳造における二次冷却方法。
5. 前記冷却水の温度変化に応じて発生する蒸発蒸気量Ｆvを前式（２）により演算すると共に、前記空気の供給流量が前式（１）により算出される空気流量Ａstとなる様に制御することを特徴とする請求項４に記載の連続鋳造における二次冷却方法。
6. 空気の供給流路に介設された空気流量計により空気流量を検出すると共に、この検出した空気流量信号と算出された前記空気流量Ａstとの差を基に、前記空気供給流路に介設された空気流量調整弁の弁開度操作量を決定し、この操作量信号により前記空気流量調整弁の弁開度を制御することを特徴とする請求項５に記載の連続鋳造における二次冷却方法。

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