JP5018144B2 - 鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼の連続鋳造方法に係り、特に、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（鋳片幅方向）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、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２には、電磁攪拌機構を持つ鋳造鋳型の基準面の鋼板厚みを実測して、鋼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３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４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ドル内溶湯流動方法が記載されている。

又、特許文献５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長辺に沿って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辺から長辺に沿って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、更には、第１長辺と第２長辺に沿う前記各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１乃至５に記載の技術は、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２００６−１９２４４１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、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、同一平面上で水平旋回タイプの攪拌を行なう従来の方法では、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、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には至っていない。

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、鋳型長辺方向に４極以上の極数を有するコイル又は２分割されたコイルを用いると共に、攪拌方向の下流側のコイルの周波数ｆ_２が、上流側のコイルの周波数ｆ_１に対して、次式を満足するようにし、旋回流の厚み方向へ影響する範囲を小さくして、旋回流自体を小さくする一方、凝固界面付近の位置では旋回流方向に強い流れが存在するように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。

ｆ_１＜ｆ_２ …（２）

本発明は、図１に示すように、（ａ）鋳型１０の長辺方向に４極以上の極数を有するコイル２０、もしくは、（ｂ）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に、旋回流の下流側に相当するコイルの周波数ｆ_２を、上流側に相当するコイルの周波数ｆ_１に比較して大きく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（ｂ）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）に概略を示すように、鋳型短辺から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の電流Ｉ_２を上流側のコイル２２の電流Ｉ_１より小として、下流側コイル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、図３に示す如く、鋳型長辺方向に４極以上の極数を有するコイル又は２分割されたコイルを有する電磁攪拌装置において、旋回流を付与する上流側のコイル２２の周波数ｆ_１と下流側のコイル２４の周波数ｆ_２を変更し、ｆ_１＜ｆ_２とすることで問題を解決したものである。

従来技術では、鋳片幅、鋳造厚み、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、各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、本発明方法を図３により説明する。本発明においては、旋回流と浸漬ノズル１２からの溶鋼吐出流の鋳型短辺からの反転流の干渉を解消するのに、旋回流の下流側のコイル２４の周波数ｆ_２を変更することを特徴とする。

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／分以上となると、下向きの２孔タイプの浸漬ノズル１２を使用するのが一般的であり、浸漬ノズル１２を通過した溶鋼は、鋳型短辺１０ａ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１０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、介在物や気泡が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、鋳型長辺方向に４極以上のコイルもしくは２分割されたコイルを有する電磁攪拌装置において、旋回流の下流側の攪拌推力（ローレンツ力）を単純に弱くするのみでは、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。

即ち、旋回流と反転流を回避するには、コイルの周波数を適正にすることが必要である。周波数が重要であることは以下の理由による。

電磁攪拌等の移動磁界による電磁力を利用する場合には、溶鋼等の導体にどの程度の領域まで電流を作用させられるか（一般的に表皮効果と呼ぶ）を考慮する必要がある。

周波数は、表皮効果に大きく影響する因子であり、表面から電流が流れる深さである表皮深さδ（skin depth）は次式で示される。

δ＝（１／π／σ／μ／ｆ）^0.5 …（３）
ここで、σ：鉄の導電率（＝7.14×10⁶Ｓ／ｍ）
μ：鉄の透磁率（＝1.2566×10^-6Ａ／ｍ）
ｆ：周波数（Ｈｚ）

図４に、周波数ｆと鉄の表皮深さδの関係を示す。表皮深さは、表面の磁束密度Ｂ０が１／ｅまで減衰する深さを表わす値であるが、周波数が大きくなるほど表皮深さが浅くなることが分かる。図４より、スラブの電磁攪拌において一般的に使用される交流電流の周波数０．５〜５Ｈｚにおける表皮深さは、０．８〜０．２５ｍであるが、この値は、一般的なスラブの連続鋳造の鋳型厚みのオーダーの値であり、以下に詳細を示すように、周波数による表皮効果を最適化して、攪拌旋回流と反転流による溶鋼流動の干渉箇所を解消することが重要な要素となる。

即ち、電磁攪拌においては、上述したように洗浄効果を付与するために、１０〜４０ｃｍ／秒の凝固界面への流速を与えることが重要であるが、特に旋回流の下流側は凝固界面近くまで鋳型短辺から浸漬ノズルに向かう反転流が生じているため、周波数の小さな磁場を印加した場合は、図２（ａ）に示したように、反転流の主体の位置まで反転流と逆向きの旋回流を生じることになり、干渉箇所が生じることを避けられない。

これに対して、旋回流の下流側のコイルの周波数を大きくした場合には、図３に示したように、旋回流の厚み方向へ影響する範囲は小さくなり、旋回流自体は小さくなるが、凝固界面付近の位置では旋回流方向に強い流れが存在し、干渉による流動の停滞を抑制することが可能となる。

この効果は、図２（ｂ）に示したように、周波数を大きくせずに単純に電流値等を小さくして攪拌推力（ローレンツ力）を小さくしても得られないものであり、周波数の変更が流動の干渉解消のために重要な要素である。

又、前述した特許文献１に記載の技術は、幅方向に一体化したコイルにおいて、鋳造条件に応じて周波数を変化させるというものであり、流動の干渉解消に対し、ある程度効果が期待できるといえるが、周波数を高くした場合には、旋回流の上流側のコイルに対する攪拌推力が低くなりすぎるため、鋳型長辺方向に洗浄効果を期待する流速を均一に達成できないという問題が発生してしまう。

本発明者等は、以上の理由から、鋳型長辺方向に４極以上の極数を有するコイル又は２分割されたコイルの旋回流の上流側のコイルの周波数ｆ_１よりも、下流側のコイルの周波数ｆ_２を大きくするようにしている。

実際の連続鋳造においては、鋳造速度、幅が絶えず変化し、鋳造の中断時間を利用して、鋳型の厚みや浸漬ノズルの種類等を変更するのが一般的である。本発明法は、鋳造の途中でも、上述した関係にコイルの周波数ｆを変更することで対応することが可能であり、鋳造条件の変更に対して最適化が困難であった従来の課題を解決することが可能となる。

以下、本発明を示す一実施例について示す。

本発明者等は、鋳片厚みが２００〜４００ｍｍ、鋳片幅が１０００〜２０００ｍｍ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°〜４５°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１．２〜２ｍ／分の条件とした。

電磁攪拌コイルは、幅方向で２分割されているタイプのものを使用し、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／ｍ^２以上の場合は×、４×１０^-4個／ｍ^２〜８×１０^-4個／ｍ^２以上の場合は△、０個／ｍ^２〜４×１０^-4個／ｍ^２の場合を○、０個／ｍ^２の場合を◎として評価した。

表１に鋳造幅１５００ｍｍに限定した例を示す。

表中には、鋳片厚み、鋳造速度、ノズル角度、コイル位置等の鋳造条件に併せて実験結果を示した。本発明の条件においては、表面欠陥の評価は、全て○印の結果となっており、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。

４極タイプの電磁攪拌装置の説明図 従来法における、電磁攪拌による旋回流と鋳型短辺反転流の溶鋼流動の干渉箇所を示す、鋳型上面から見た概略図 本発明法により、電磁攪拌による旋回流と鋳型短辺反転流の溶鋼流動の干渉箇所の解消を示す、鋳型上面から見た概略図 周波数と表皮深さの関係の例を示す図

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 (1)

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、
   鋳型長辺方向に４極以上の極数を有するコイル又は２分割されたコイルを用いると共に、
   攪拌方向の下流側のコイルの周波数ｆ_２が、上流側のコイルの周波数ｆ_１に対して、次式を満足するようにし、旋回流の厚み方向へ影響する範囲を小さくして、旋回流自体を小さくする一方、凝固界面付近の位置では旋回流方向に強い流れが存在するようにして鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
   ｆ_１＜ｆ_２

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