JP4321325B2 - 連続鋳造鋳片の二次冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造鋳片の二次冷却方法に関する。

最近では、生産性向上のため、連続鋳造プロセスにおいても、鋳造速度を増加して、鋳造能率を向上させることが要望されている。しかし、鋼の連続鋳造プロセスにおいては、連続鋳造機の機長内で溶鋼を完全に凝固させることが必須であり、むやみに鋳造速度を増加させることはできない。

連続鋳造機の機長内で溶鋼を完全に凝固させるために、二次冷却水量を増加させ、冷却能を増加させてはじめて、鋳造速度を増加させることができる。例えば、特許文献１には、連続鋳造鋳型に続くロール案内装置を介して、連続的に引出される鋳片の両面に、冷却水のみを噴射せしめる前部強冷却装置と、冷却水に圧縮気体を混合した冷却媒体を噴射せしめる後部緩冷却装置を連続的に配列し、鋳片の凝固を促進する二次冷却設備が提案されている。

また、特許文献２には、加圧系にブースターポンプを備えた送水気孔を介し、鋳片に２５〜１００ｋｇｆ/ｃｍ^２の供給圧をもって冷却水を吹き付ける連続鋳造鋳片の二次冷却方法が提案されている。

また、特許文献３には、噴射される液体冷媒の噴射ノズル直前における圧力を１００ｋｇｆ/ｃｍ^２超とし、かつ冷媒の流量密度を１００〜１０００００Ｌ/ｍ^２/ｍｉｎとする条件の冷媒噴射を行う連鋳鋳片の二次冷却方法が提案されている。

また、特許文献４には、連続鋳造機のパスラインに沿ったサポートロールの間際に、搬送中の鋳片を案内する案内板を配し、案内板と鋳片間に水膜流連続床を形成して鋳片を支持するとともに、冷却も行う連鋳鋳片の二次冷却方法が提案されている。

また、特許文献５には、連続鋳造鋳型内メニスカスから１.０〜７.５ｍ位置の二次冷却帯区間内で、少なくとも未凝固圧下開始前から薄鋳片にデスケーリング高圧水を噴射しながら未凝固圧下を行う薄鋳片の連続鋳造方法が提案されている。
特開昭５７−１８７１５０号公報 特開昭５７−９１８５７号公報 特開平５−１７７３２２号公報 特開平９−２０１６６１号公報 特開２０００−１５８１０９号公報

特許文献１〜５に記載された各技術によれば、確かに冷却能は向上する。通常の連続鋳造で用いられるミストスプレーや水スプレーでは、供給水の圧力は５〜１０ｋｇｆ/ｃｍ^２程度であり、熱伝達係数は５００ｋｃａｌ/ｍ^２/ｈ/℃程度が限界である。これに対し、例えば特許文献３に記載された技術では、水膜流連続床を形成して鋳片を冷却し、高熱伝達係数の冷却を達成できるとしている。しかし、特許文献４に記載された技術では、水膜流連続床を形成するため、保守に多大の労力を要し、経済的に問題を残していた。

特許文献１〜５に記載された各技術によれば、確かに冷却能は向上する。しかし、特許文献１〜５に記載された各技術では、連続鋳造の開始から終了までを一定の冷却条件で冷却している。ところが、連続鋳造プロセスにおいては、操業状況に応じて鋳造速度を変化させる必要がある場合がある。

特許文献１〜５に記載された各技術におけるように、一定の高い冷却能で連続鋳造鋳片を冷却すると、特に、鋳造速度（引抜速度）１.８ｍ/ｍｉｎ以上の操業下では、鋳造速度が変化する領域（非定常部）が不均一冷却となり、表面割れ等の欠陥が多発し、鋳片の品質が低下する。そのため、手入れ等の負荷が増大し生産性が低下するという問題があった。かかる問題は、特許文献１〜５に記載がなく、また、これら特許文献には冷却条件を途中で変更する具体的手段についての示唆もない。

本発明は、上記従来技術の問題を解決し、連続鋳造鋳片の二次冷却過程の全てにおいて、連続鋳造鋳片に適正かつ均一な冷却が可能となるように、引抜速度の変化に応じて冷却速度の調整が可能な、連続鋳造鋳片の二次冷却方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋳片を均一にしかも速い冷却速度で二次冷却できる手段を鋭意検討し、その結果、まず、冷却水の鋳片への衝突圧が冷却能の有効な指標となりうることを知見した。そして、鋳片を均一にしかも速い冷却速度で二次冷却するためには、高圧スプレーノズル（以下、単に高圧ノズルという）を利用し、しかも鋳造条件に応じて冷却能を調整することが肝要であり、そのためには、冷却手段として、高圧ノズルを有し、冷却水の鋳片への衝突圧を可変とする衝突圧可変冷却手段を設けるのが良いことに想到した。

上記衝突圧可変冷却手段としては、冷媒の流量密度を調整することにより、液体冷媒の噴射圧力を動的に制御できるものが、鋳造条件に対応して鋳片の均一冷却を行う上で、最適である。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（発明項１） 連続鋳造鋳型の下流で、同鋳型から連続的に引出される鋳片のパスラインに沿って、該鋳片の両面に液体冷媒を噴射するノズルを有する冷却手段を複数基配列してなる連続鋳造鋳片の二次冷却装置を用いて、該鋳片を二次冷却するにあたり、前記冷却手段の少なくとも１基を高圧ノズルによる衝突圧可変冷却手段となし、該衝突圧可変冷却手段を用いて、前記鋳片のクレーターエンドが前記二次冷却装置内となりかつ該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、下記（１）式で定義される衝突圧Ｐｃを、０.０１×１０^−３〜３０×１０^−３ＭＰａの範囲で、下記手順で算出した値に変更することを特徴とする、鋳造速度１.８ｍ/ｍｉｎ以上の連続鋳造鋳片の二次冷却方法。

記
Ｐｃ＝５.６４×Ｐ×Ｑ/Ｈ^２ ・・・（１）
ここで、Ｐｃ：噴射された液体冷媒から鋳片が受ける衝突圧（ＭＰａ）、Ｐ：ノズル噴射圧（ＭＰａ）、Ｑ：ノズル噴射流量（Ｌ/ｓ/ノズル１本）、Ｈ：ノズルと鋳片間の距離（ｃｍ）
手順：
(a) 所定の鋳造速度ならびに衝突圧可変冷却手段およびそれ以外の冷却手段の配設位置から、鋳片内のクレーターエンドが二次冷却装置内に収まり、かつ曲げ部および矯正部の鋳片表面温度が表面割れ危険領域外の温度となるように、所要の熱伝達係数αを決定する。
(b) 得られた所要の熱伝達係数αおよび所望の鋳片表面温度Ｔｓから、予め求めておいた関係式α＝ｆ（Ｔｓ，Ｐｃ）を用い、衝突圧可変冷却手段における所要の衝突圧Ｐｃを算出し、（１）式からノズル噴射圧Ｐおよびノズル噴射流量Ｑを決定する。
（発明項２） 前記（１）式のノズル噴射流量Ｑは、前記液体冷媒の流量密度１〜１０００Ｌ/ｍｉｎ/ｍ^２に対応する範囲で可変とすることを特徴とする発明項１記載の連続鋳造鋳片の二次冷却方法。

（発明項３） 前記衝突圧可変冷却手段はこれを前記鋳片の凝固シェル厚みｄと鋳片厚みＤの比ｄ/Ｄが１/３以下となるパスライン位置に配設することを特徴とする発明項１または２に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却方法。

（発明項４） 前記表面割れ発生領域外の温度が、７８０℃以上であることを特徴とする発明項１〜３のいずれかに記載の連続鋳造鋳片の二次冷却方法。

本発明によれば、連続鋳造鋳片の二次冷却において、鋳片に適正かつ均一な冷却を施すことが可能となり、非定常部での表面割れ発生を伴わずに鋳片の鋳造速度を増加することができ、連続鋳造の生産性が顕著に向上し、産業上格段の効果を奏する。

本発明に用いる二次冷却装置は、例えば図１に示すように、連続鋳造鋳型（以下、単に鋳型ともいう）１の下流に、鋳片６のパスラインに沿って、ノズルを有する冷却手段を複数基配列し、そのうち少なくとも１基を衝突圧可変冷却手段２Ａとする。

衝突圧可変冷却手段２Ａは、高圧ノズル２１とプランジャーポンプ４とを有し、プランジャーポンプ４には回転数をインバーター制御する制御装置５２を付設されたモータ５１が配設される。モータ５１の回転数を制御装置５２によりインバータ制御することにより、液体冷媒のノズル噴射圧Ｐおよびノズル噴射流量Ｑを所望の値に可変調整できる。高圧ノズル２１は最高１０ＭＰａから最低０.１ＭＰａまでのノズル噴射圧で噴射可能なものが好ましい。

液体冷媒は、プランジャーポンプ４によりノズル噴射圧Ｐおよびノズル流量を調整されて二次冷却配管７を介し高圧ノズル２１に供給され、鋳片に高圧スプレー２２として噴射される。なお、液体冷媒は冷却水とすることが好ましい。

高圧ノズル２１は、二次冷却配管７を介しプランジャーポンプ４に直接接続してもよいが、プランジャーポンプ４の台数が多くなることからノズルヘッダー２３に複数個配設するのが好ましい。

衝突圧可変冷却手段２Ａ以外の冷却手段３は、従来の水スプレー、ミストスプレーが可能な通常の冷却手段とする。冷却手段３は、ノズル３１と、二次冷却配管７と、ポンプ４１とを有し、噴射圧最高１ＭＰａ程度までのスプレー噴射が可能であれば特に問題はない。ポンプ４１の種類は特に限定されないが、低コストで一定圧力の冷却水を大量に送水可能であるという観点からブースターポンプとすることが好ましい。なお、ノズル３１は、ノズルヘッダー３３に複数個配設することが好ましい。

本発明では、冷却能の指標として次（１）式で定義される、液体冷媒の鋳片への衝突圧Ｐｃを採用する。

Ｐｃ＝５.６４×Ｐ×Ｑ/Ｈ^２ ・・・（１）
ここで、Ｐｃ：噴射された液体冷媒から鋳片が受ける衝突圧（ＭＰａ）、Ｐ：ノズル噴射圧（ＭＰａ）、Ｑ：ノズル噴射流量（Ｌ/ｓ/ノズル１本）、Ｈ：ノズルと鋳片間の距離（ｃｍ）
一般に、鋳片の二次冷却においては冷却能を評価する場合、熱伝達係数αを使用しているが、本発明者らの検討によれば、熱伝達係数αは、鋳片表面温度Ｔｓおよび衝突圧Ｐｃとの間に図２に示すような関係を有する。なお、同図では、熱伝達係数αは、エアミストスプレーの場合を基準（＝１）とし、それに対する比を指標値として示した。すなわち、熱伝達係数αは、
α＝ｆ（Ｔｓ，Ｐｃ） ・・・（２）
なる関係を有し、鋳片表面温度Ｔｓと衝突圧Ｐｃとから算出できる。したがって、前記衝突圧可変冷却手段を利用し、鋳片への液体冷媒の衝突圧Ｐｃを変えることで、二次冷却装置の冷却能を所望の値に調整できる。もっとも、図２からもわかるように、衝突圧Ｐｃが０.０１×１０^−３ＭＰａ未満であると必要な冷却能が得られず、一方、衝突圧Ｐｃが３０×１０^−３ＭＰａ超では冷却能の増分が小さくなるので、本発明では、衝突圧Ｐｃの可変範囲を０.０１×１０^−３〜３０×１０^−３ＭＰａとした。

衝突圧Ｐｃをこの範囲とするには、前記（１）式のノズル噴射流量Ｑは、液体冷媒の流量密度１〜１０００Ｌ/ｍｉｎ/ｍ^２に対応する範囲で可変とすることが好ましい。液体冷媒の流量密度が１Ｌ/ｍｉｎ/ｍ^２未満では高圧ノズルから噴射した液体冷媒が鋳片に均一に到達し難く、一方、液体冷媒の流量密度が１０００Ｌ/ｍｉｎ/ｍ^２超では大量の冷媒自体が熱伝達の阻害要因となりやすいからである。

なお、冷却能をより精細に調整する観点から、衝突圧可変冷却手段は、複数の位置（セグメント）に配設することが好ましい。この配設する位置としては、ブレイクアウト防止、均一冷却等の観点から、前記鋳片の凝固シェル厚みｄと鋳片厚みＤの比ｄ/Ｄが１/３以下となるパスライン位置が好ましい。ここで、凝固シェル厚みｄとは、鋳片表面からの凝固層の厚さを表わし、また鋳片厚みＤとは、鋳片全厚を表わす。

次に、本発明により鋳片を二次冷却する方法について説明する。

まず、所定の鋳造速度ならびに衝突圧可変冷却手段およびそれ以外の冷却手段の配設位置から、凝固伝熱解析により、鋳片内のクレーターエンドが二次冷却装置内に収まり、かつ曲げ部および矯正部の鋳片表面温度が表面割れ危険領域外の温度となるように、所要の熱伝達係数αを決定する。前記凝固伝熱解析は、例えば、鉄と鋼、第６０巻（１９７４年）、１０２３頁に示される一般的手法を用いる。表面割れ危険領域は、鋼種によって異なるが、大多数の鋼種において７８０℃未満であるので、表面割れ危険領域外の温度は７８０℃以上とするのが好ましい。ここで、クレーターエンドとは、鋳片内部の凝固終了点のことである。

得られた所要の熱伝達係数αおよび所望の鋳片表面温度Ｔｓから、予め求めておいた（２）式の関係を用い、衝突圧可変冷却手段における所要の衝突圧Ｐｃを算出し、ノズル噴射圧Ｐおよびノズル噴射流量Ｑを決定する。なお、衝突圧可変冷却手段以外の冷却手段については噴射圧を一定とする。

上記のようにして、定常および非定常の鋳造速度条件に対応したノズル噴射条件を算出し、得られたノズル噴射条件にしたがって定常または非定常時の二次冷却を行う。これにより、鋳造条件に対応した、適切でかつ鋳片全体にわたる均一な二次冷却が可能となり、鋳片表面の割れが防止できる。なお、上記計算手順のフローチャートを図３に示す。

図３のフローチャートに沿って、鋳造速度：２.０ｍ/ｍｉｎの場合について、衝突圧可変冷却手段を利用した場合と、通常の低圧の冷却手段のみ用いた場合について、鋳片表面温度Ｔｓおよび凝固シェル厚みの変化を計算した例を図４に示す。衝突圧可変冷却手段を利用し適正な高圧スプレー冷却条件を設定することにより、クレーターエンド（この例では凝固シェル厚みが１０７.５ｍｍとなる部位）が二次冷却装置内に収まり、かつ曲げ部および矯正部の鋳片表面温度を表面割れ危険領域外（この例では７８０℃以上）とすることができる。

また、図３のフローチャートによれば、種々の鋳造速度条件に対応した最適な二次冷却条件が得られるから、その得られた種々の最適な二次冷却条件にそれぞれ対応する鋳造速度条件のうちから最速のものを抽出することができ、これを実操業での鋳造速度とすることで、鋳片表面割れの発生なく鋳造速度を向上させることができる。

なお、本発明は、鋳造速度が１.８ｍ/ｍｉｎ未満の場合に適用しても効果が顕著に現れないので、鋳造速度１.８ｍ/ｍｉｎ以上に適用するのがよい。

比較的表面割れ感受性が高い、表１に示す組成の溶鋼を、連続鋳造鋳型に注入し、図１に示した二次冷却装置を用いて二次冷却し、断面サイズが２１５ｍｍ×１５００ｍｍの鋳片とした。二次冷却装置では、メニスカス下３〜４ｍの位置に衝突圧可変冷却手段２Ａを１基取付けた。衝突圧可変冷却手段２Ａは高圧ノズル（噴射角度：４０〜５０度）２１を有し、ノズル噴射圧を０.１〜１０ＭＰａの範囲で調整可能であるものとした。衝突圧可変冷却手段２Ａ以外の冷却手段３はエアミストスプレーによるものとした。

凝固伝熱解析を行い、鋳片内のクレーターエンドが二次冷却装置内に収まり、かつ曲げ部および矯正部の鋳片表面温度が表面割れ危険領域外（この例では７８０℃以上）となるように、熱伝達係数αを求めた。次いで、予め決定しておいた前記（２）式の関係から、適正な二次冷却ができる衝突圧Ｐｃを決定し、この衝突圧Ｐｃが得られる適正なノズル噴射圧Ｐおよびノズル噴射流量Ｑとなるように、プランジャーポンプ４の回転数をインバーター制御して、二次冷却を実行し、本発明例とした。本発明例では、鋳造速度の変更に応じて、上記手順にて適正な二次冷却ができる衝突圧Ｐｃを決定しなおし、前記インバーター制御により二次冷却条件をダイナミックに制御した。

また、図１において衝突圧可変冷却手段に代えて、（ａ）噴射圧１０ＭＰａの一定圧で高圧スプレーする冷却手段、（ｂ）噴射圧５ＭＰａの一定圧で高圧スプレーする冷却手段、あるいは（ｃ）噴射圧２.５ＭＰａの一定圧で高圧スプレーする冷却手段を用い、一定冷却能で二次冷却を実行し、比較例とした。なお、前記高圧スプレーに代えてエアミストスプレーを用いた二次冷却も実行し、従来例とした。

得られた鋳片について、表面から深さ２ｍｍまでの部分をスカーフィングしたのち、ＪＩＳ Ｚ ２３４３の規定に準拠して浸透液試験（ＰＴ試験）を実施し、肉眼で割れ個数を測定し、割れ個数（個/ｍ）の値が０の場合を○、０超０.５未満の場合を△、０.５以上の場合を×として、表面割れの発生程度を評価した。

また、各例について、クレーターエンドを二次冷却装置内に収めうる最速の鋳造速度を定常部鋳造速度とした。

得られた結果を表２に示す。本発明例では、鋳造速度が一定な定常部は無論のこと、鋳造速度が低下する非定常部でも表面割れの発生は認められなかった。また、本発明例では、鋳造速度の向上度も高く、従来例に比べ３０％以上の鋳造速度の向上が得られた。

本発明は、鋼の連続鋳造操業とくに高速連続鋳造操業に利用することができる。

本発明に用いる二次冷却装置の一例を示す模式図である。 熱伝達係数αと衝突圧Ｐｃおよび鋳片表面温度Ｔｓとの関係の一例を示すグラフである。 本発明の二次冷却条件を設定する手順を示すフローチャートである。 鋳片表面温度および凝固シェル厚の推移の計算例を示すグラフである。

符号の説明

１ 鋳型（連続鋳造鋳型）
２Ａ 衝突圧可変冷却手段
２１ 高圧ノズル（高圧スプレーノズル）
２２ 高圧スプレー
２３ ノズルヘッダー
３ 冷却手段
３１ ノズル（スプレーノズル）
３２ スプレー
３３ ノズルヘッダー
４ プランジャーポンプ
４１ ポンプ（ブースターポンプ）
５１ モータ
５２ 制御装置（インバーター制御装置）
６ 鋳片（連続鋳造鋳片）
７ 二次冷却配管

Claims (4)

1. 連続鋳造鋳型の下流で、同鋳型から連続的に引出される鋳片のパスラインに沿って、該鋳片の両面に液体冷媒を噴射するノズルを有する冷却手段を複数基配列してなる連続鋳造鋳片の二次冷却装置を用いて、該鋳片を二次冷却するにあたり、前記冷却手段の少なくとも１基を高圧ノズルによる衝突圧可変冷却手段となし、該衝突圧可変冷却手段を用いて、前記鋳片のクレーターエンドが前記二次冷却装置内となりかつ該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、下記（１）式で定義される衝突圧Ｐｃを、０.０１×１０^−３〜３０×１０^−３ＭＰａの範囲で、下記手順で算出した値に変更することを特徴とする、鋳造速度１.８ｍ/ｍｉｎ以上の連続鋳造鋳片の二次冷却方法。
   記
   Ｐｃ＝５.６４×Ｐ×Ｑ/Ｈ^２ ・・・（１）
   ここで、Ｐｃ：噴射された液体冷媒から鋳片が受ける衝突圧（ＭＰａ）、Ｐ：ノズル噴射圧（ＭＰａ）、Ｑ：ノズル噴射流量（Ｌ/ｓ/ノズル１本）、Ｈ：ノズルと鋳片間の距離（ｃｍ）
   手順：
   (a) 所定の鋳造速度ならびに衝突圧可変冷却手段およびそれ以外の冷却手段の配設位置から、鋳片内のクレーターエンドが二次冷却装置内に収まり、かつ曲げ部および矯正部の鋳片表面温度が表面割れ危険領域外の温度となるように、所要の熱伝達係数αを決定する。
   (b) 得られた所要の熱伝達係数αおよび所望の鋳片表面温度Ｔｓから、予め求めておいた関係式α＝ｆ（Ｔｓ，Ｐｃ）を用い、衝突圧可変冷却手段における所要の衝突圧Ｐｃを算出し、（１）式からノズル噴射圧Ｐおよびノズル噴射流量Ｑを決定する。
2. 前記（１）式のノズル噴射流量Ｑは、前記液体冷媒の流量密度１〜１０００Ｌ/ｍｉｎ/ｍ^２に対応する範囲で可変とすることを特徴とする請求項１記載の連続鋳造鋳片の二次冷却方法。
3. 前記衝突圧可変冷却手段はこれを前記鋳片の凝固シェル厚みｄと鋳片厚みＤの比ｄ/Ｄが１/３以下となるパスライン位置に配設することを特徴とする請求項１または２に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却方法。
4. 前記表面割れ発生領域外の温度が、７８０℃以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の連続鋳造鋳片の二次冷却方法。

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