JP3055413B2 - 溶融金属の連続鋳造方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属の連続鋳造、特に
鋼の連続鋳造における鋳造速度を大幅に向上させる方法
及びその装置に係り、その結果、連続鋳造機の能力を著
しく向上させる発明に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼の連続鋳造における鋳造速度を向上さ
せるための技術開発は、従来から種々行われてきた。し
かし、鋳造速度を増大させると、ブレークアウトの発生
頻度が高くなるため、その発生頻度を抑える技術開発が
中心的課題であった。その技術内容は、鋳型内の初期凝
固を円滑に行わせるための技術であって、大別すると下
記の２点を目的としていた。

【０００３】 モールドパウダー流入を増大させ、凝
固シェル（以下、単にシェルという）と鋳型壁との間の
摩擦を低減すること シェルを強化し、健全なシェル形成を促進すること
を中心的課題とした。

【０００４】の摩擦を低減することは、鋳型の振動の
際に、シェルと鋳型壁間の潤滑を向上し、シェルに加わ
る引張応力を低減させることである。そのためには、モ
ールドパウダーの消費量を増大させることが重要であ
る。従来の研究（例えば、北川等、日本鋼管技術情報第
９３巻（１９８２）第１８頁）によると、単位鋳造表面
積当りのモールドパウダー消費量Ｑ（ｋｇ／ｍ² ）は下
式（１）により求められる。

【０００５】Ｑ＝ｋ・ｔ_p ・ｆ／Ｖｃ−−−−（１） ここで、 ｔ_p ＝ cos^-1（−Ｖｃ／２πＡｆ）／πｆ−−−（２） ｋ：定数 ｔ_p ：ポジティブストリップ時間 ｆ：振動数（モールド） Ａ：鋳型振動の振幅 Ｖｃ：鋳造速度

【０００６】（２）式から、ポジティブストリップ（以
下ＰＳ）時間ｔ_p をできる限り大きくすればよいが、そ
のためには鋳型振幅Ａを小さくし、振動数ｆを小さくす
ることが必要である。

【０００７】一方、シェルを強化し、健全なシェルの形
成を促進するためには、実操業からの経験により鋳型振
動の中のネガティブストリップ（以下ＮＳという）時間
比率（ＮＳＲという）（図７）が重要であることが判明
している。すなわち、シェル先端が高温であると、その
部分が脆弱であるため、シェルに対してＮＳ期間に圧縮
力を加えることが必要である。

【０００８】ここで、ＮＳＲは下式で表すことができ
る。 ＮＳＲ＝１−｛１／π・cos ^-1（−Ｖｃ／2 πＡｆ）｝ ＝ t_N ／（ t_p ＋ t_N ） ここで、ｔ_p ：１サイクル中におけるポジティブストリ
ップの時間 ｔ_N ：１サイクル中におけるネガティブストリップの時
間

【０００９】一般的には、ネガティブストリップ時間比
率３０％以上は必要であり、これ以下であるとシェル先
端の脆弱部分が引抜きの途中で破断し、拘束性ブレーク
アウトが発生し易くなる。ところが、図７から判断でき
るように鋳造スピードが大きくなると、ＮＳＲを確保す
ることが困難になってくる。

【００１０】すなわち、ＰＳ時間ｔｐとは逆に振幅Ａと
振動数ｆを大きくすることで鋳造速度Ｖｃの上昇時にも
ＮＳＲの低減を防止できるが、鋳型振動系の剛性の面か
らＡ×ｆの値には上限がある。そこで、ＮＳＲを十分に
確保することはできなくなる問題あった。

【００１１】一方、モールドパウダの物性もＱの大小に
影響する。一般的にはパウダーの粘性係数（η）を小さ
くすることでＱを大きくすることができるが、そのこと
によるＱの増加はわずかであり、鋳造速度Ｖｃの影響の
方がはるかに大きい。

【００１２】一般的には、Ｑの値が０．３ｋｇ／ｍ² を
下回ると、ブレークアウトの発生頻度が高まるので、こ
れ以上の値を確保しつつＶｃの向上を図る必要がある。
しかし、Ｖｃの影響が大きいため、実操業ベースでＮＳ
Ｒを３０％以上を確保し、かつＱを０．３ｋｇ／ｍ² を
確保しながらＶｃ＝３．０ｍ／分以上に上昇させること
は困難であった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の項において
述べたごとく、高速鋳造時には鋳型内において シェルの摩擦を低減すること シェル先端の圧縮を強化すること の２点が重要となる。しかし、この点に関しては、上記
の通り、鋳型振動には限界があり、従って従来の技術開
発の方向に限界がある。そこで、本発明においては、鋳
型振動のみに頼らない新しい初期凝固シェルの制御技術
を課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】発明者らは、高周波電磁
力を応用し、鋳型内メニスカス近傍で生成する初期凝固
シェルを鋳型壁から内部方向に湾曲させ、パウダーの流
入を増大させ、かつシエル先端の圧縮を強化させること
により、従来よりも高速な鋳造ができるとの着想を得
て、下記の様な発明をするに至った。

【００１５】（１）請求項１の発明は、下記の工程を備
えた溶融金属の連続鋳造方法である。 （ａ）鋳型上部がくし形であり、これに続く下部が一体
的に構成されている水冷の連続鋳造鋳型を用意し、
（ｂ）鋳型振動を行いながら前記鋳型に溶融金属を注湯
し、形成された鋳片を連続的に下方に引出しながら、
（ｃ）前記溶融金属のメニスカス水準近傍において鋳型
外部より上下二段に高周波電磁力を作用させ、メニスカ
ス近傍に生成している凝固シェルを内部方向に湾曲させ
ながら連続鋳造する。

【００１６】（２）請求項２の発明は、前記二段に作用
させる高周波電磁力のうち下側の電磁力は鋳型振動のポ
ジティブストリップの時期に作用させ、上側の電磁力は
ネガティブリップ時期に作用させる請求項１記載の溶融
金属の連続鋳造方法である。

【００１７】（３）請求項３の発明は、前記鋳型の鋳型
振動のネガティブリップ時間比率を２５％以下とする請
求項１または２に記載された溶融金属の連続鋳造方法で
ある。

【００１８】（４）請求項４に記載の発明は、前記溶融
金属がＦｅを含有する合金である請求項１または２記載
の溶融金属の連続鋳造方法である。

【００１９】（５）請求項５に記載の発明は、下記の部
材を備えた連続鋳造用鋳型である。 （ａ）鋳型の上部がくし形状であって、下部が一体的に
構成され、それぞれの内部が水冷できるようになってい
る銅もしくは銅合金製の連続鋳造用鋳型と、（ｂ）前記
鋳型の溶融金属のメニスカスに水準に相当する位置に、
その鋳型の中心軸を中心軸とする高周波コイルが該鋳型
の外周の上下方向に少なくとも二体備えられている。

【００２０】

【作用】本発明は、全ての溶融金属の連続鋳造に適用で
きるが、Ｆｅを含む合金に適用すると特に効果がある。
この合金は融点が高いために通常鋳造速度を上げること
ができないためである。前述の課題を解決するため、請
求項に記載したように、本発明では鋳型内メニスカス
（湯面）近傍に電磁力、特に高周波磁界を印加する。図
１に示す通り、高周波磁界（１０００Ｈｚ／ｓｅｃ超）
を印加すると溶融金属に誘導電流が発生し、この誘導電
流と印加された磁界との相互作用によりコイルと反発す
る方向にローレンツ力、即ち磁気圧力が発生する効果を
用いるものである。

【００２１】高周波磁界は、低周波磁界に比較して撹拌
力は十分小さく、磁気圧力の効果のみが期待される。た
だし、高周波磁界のみにより溶鋼を保持しつつ、凝固を
行わせることは拔熱の面から不可能である。そこで、従
来の振動鋳型との組み合わせで初期凝固制御させるもの
である。

【００２２】すなわち、前述のパウダー流込み量の増
大、及び初期シェルの圧縮を２高周波磁界の印加により
補強するものである。なお、本発明で低周波磁界を用い
ないのは、前述のとおり、低周波磁界（１０００Ｈｚ／
ｓｅｃ以下）の場合は、磁気圧力のみならず大きな撹拌
力を生ずるためであり、湯面の変動を助長するからであ
る。

【００２３】鋳型の外側から鋳型の内部に高周波磁力を
印加することは表皮効果のため一般的には困難である。
しかし、コールドクルーシブル型の鋳型構造を用いるこ
とで可能となる。すなわち、鋳型上部にタテ方向にスリ
ットを設けたくし型の鋳型を用いると溶融金属に高周波
磁力が効率よく印加できるようになる（図２ｂ）。

【００２４】この場合、外部から印加された高周波磁界
により、コイルから遠ざかる方向に磁気圧力が作用する
とネガティブストリップの際に、シェルの先端から溶鋼
がオーバーフローして新たなシェルが形成されるが、こ
の際電磁力が内向きに作用するため鋳型から離れた位置
にシェルが形成されるため、鋳型と凝固シェル間のパウ
ダー流入の間隔が広まり、ネガティブストリップ期に鋳
型移動によるシェルに加わる引張り応力が軽減される。

【００２５】さらに、本発明では、鋳型の振動挙動にあ
わせて高周波磁場による高周波磁力を印加させ、先述の
ネガティブストリップの有する機能とポジティブストリ
ップの有する機能を更に増強するものである。

【００２６】本発明の装置は、図２（ｂ）に示すように
コールドクルーシブル型、即ち、くし型銅製もしくは銅
合金の鋳型の外側に水冷コイルを設置し、この水冷コイ
ルを、上部コイルと下部コイルの二つの部分に分けて設
ける。そして、メニスカスを下部コイルの上端付近に位
置させる。鋳型のＰＳ期に対応するように、または連続
的に下部コイルに高周波電流を印加する。こうすること
で、ＰＳ期に流れ込むパウダー量を増加させることがで
きる。

【００２７】高周波磁場をＰＳ期のみに印加するとオッ
シレーションマークの乱れを発生させることがないの
で、より望ましい。さらに、上部コイルにＮＳ期に対応
する時期に高周波電流を印加することが望ましい。こう
することでＮＳ期のシェル先端の内部方向への圧縮をさ
らに補強することができる。

【００２８】

【実施例】以下実施例に基づいて発明を具体的に説明す
る。図２は本発明に係る鋳造装置である。図２（ａ）は
全体図で、図２（ｂ）は鋳型１８の構造を詳細に示す。
鋳型は内径１００φ、外径１６０φ、長さ５００ｍｍＬ
の内部水冷式の銅製または銅合金製の鋳型であって、上
部はくし形の形状であり、その点ではコールドクルーシ
ブル型の鋳型である。

【００２９】このような形状の鋳型においてその直角方
向にコイルを設け外部より高周波磁界を印加すると、鋳
型内部の溶融金属に高周波磁力を効率よく導入できる。
上記鋳型は、それ自体で鋳型全体を構成するのではな
く、このくし形鋳型は、例えば鋼製の水箱を含む枠体内
に収容されている。また、実施例は円柱状鋳片を鋳造す
る例であるが、矩形条鋳片を鋳造する場合には矩形状鋳
型を用いればよい。

【００３０】すなわち、水冷コイルは水平方向に巻かれ
ており、スリットは垂直方向に鋳型上端から約２５０ｍ
ｍまで設けられている。鋳型の下部でコイルから十分離
れた部分（鋳型上端から２５０ｍｍより下の部分）では
スリットは設けられておらず、鋳型の周方向には導通が
あってもかまわない。このスリットから溶融金属が外部
に漏れることはない。くし型のスリット部分には高い高
周波磁場が存在するためである。しかし、このスリット
間に例えば耐火物を挿入することは望ましい。

【００３１】鋳型の下部にスリットを設けない理由は、
コイル近傍のくし型状鋳型の内部水冷された銅モールド
部を電気的に連結させるためである。また、この部分で
は磁場を印加されるメニスカス部からは十分離れている
ため磁場を印加させる必要ないためである。一方、磁場
を発生させる水冷銅コイルについては上部コイル４４と
下部コイル４２に分かれている。実施例として、上部コ
イルは２ターン、下部コイルも２ターンとした。

【００３２】上部コイル、下部コイルはそれぞれ別の電
源と連結されており、それぞれの電流の印加タイミング
を鋳型の振動時期に合わせて変えることが望ましい。コ
イルのターン数は理論的にはターン数が多い方が同一コ
イル電流で磁束密度が高くなるが、他方コイルのインピ
ーダンスが増えるので電源の二次電圧（コイル電圧）を
高くする必要が生じるという不利な点がある。従って、
実機においては巻数を増やすことで得られる効果と電圧
上昇という不利な点との総合的な観点から巻数を決定す
る。

【００３３】図３に高周波磁場の印加方法の様態を示し
た。この装置では鋳型振動と上部コイルと下部コイルへ
の電流印加のタイミングを種々変化させることができ
る。図３で、（ａ）は鋳型振動波型であり、（ｂ）〜
（ｅ）に電流印加の態様を示した。（ｂ）は下部コイル
のみに鋳型振動に拘わらず連続的に電流を印加した場
合、（ｃ）は下部コイルのＰＳ期のみ印加した場合、
（ｄ）は上部コイルのみに鋳型振動に拘わらず連続的に
電流を印加した場合、（ｅ）は上部コイルにＮＳ期のみ
印加した場合である。表１には、これらの種々の組合せ
をまとめて示した。

【００３４】

【表１】

【００３５】印加した高周波電流は周波数１０ｋＨｚ、
電力３００ｋＷであり、上部の上部コイル、下部コイル
ともに８０００Ａのコイル電流値まで試験した。その他
の試験条件は表２に示すが主要な点について述べる。

【００３６】

【表２】

【００３７】鋳型速度は４ｍ／分の高速鋳造であり、鋳
型振動はサイン波で、ストローク±４ｍｍ、振動数１８
０ｃｐｍ、ネガティブストリップ時間比率は、 （ＮＳＲ）＝（ｔ_N ／ｔ_p ＋ｔ_N ）×１００＝１５％ とした。

【００３８】ここで、ＮＳＲを通常の操業でブレークア
ウトを回避するのに必要な３０％より大幅に低下させた
理由は、敢えてこれを低下させ、初期シェルへの圧縮力
を小さくして不利な条件にしておき、その際の高周波磁
場印加の効果をより顕著にするためであった。鋳造を行
った鋼種はＣ＝０．１０％のアルミニウムキルド鋼であ
る。なお、本発明の方法はＮＳＲが２５％以下の場合に
おいてその効果を発揮する。即ち、従来よりも高速鋳造
する場合にその効果を発揮するためである。

【００３９】前述の図２（ａ）に示すように、溶鋼は取
鍋よりタンディシュ（ＴＤ）１２、浸漬ノズル１４を経
由して鋳型１８に注入される。浸漬ノズル１４からの流
量を制御し、鋳型内湯面レベルは、下部コイル４２上端
とし、±２〜３ｍｍの精度の湯面制御を行った。また、
モールドパウダー１６は表３に示すものを用いており、
パウダー流入量Ｑは鋳造終了時、鋳片を鋳型内に中止め
し、冷却後取り出して鋳片の表面に付着しているスラグ
厚みより計算で求めた。

【００４０】

【表３】

【００４１】図４は表１のｃａｓｅおよびに示す条
件での試験結果であり、下部コイルのみに電流を印加
し、コイル電流Ｉとパウダー消費量Ｑとの関係を示すも
のである。下部コイルに鋳型振動の全域に電流を印加し
た場合、電流Ｉを大きくすることで消費量Ｑが増大する
現象が確認された。

【００４２】一方、下部コイルにＰＳ期にのみ電流を印
加しても、ほぼ同様の効果が確認されており、連続的に
通電したものと大差ない結果となった。これは鋳型振動
の際、ＰＳ期に優先的にパウダーが鋳型と凝固させる間
に流入していることを示すものである。この際に下部コ
イルに通電することで内周（コイルから離れる方向）に
高周波磁力が作用し、溶湯を内方向に押し戻すことによ
って流入するパウダーの厚みが増すことによると考えら
れる。

【００４３】また、連続的に高周波磁力を印加したもの
がＰＳ期のみのものと大差ない理由として、ＮＳ期に下
部コイルに通電してもすでにシェルがある程度強度を持
っており、これに内向に高周波磁力を作用させてもシェ
ルが移動せず、パウダー流入にはほとんど貢献しないた
めと考えられる。

【００４４】図５は、同じく表１のｃａｓｅ及びに
示す条件での結果であるが、下部コイルに連続的に印加
したものは鋳片表面のオシレーションマーク（ＯＳＭと
いう）の乱れがコイル電流の増大に伴って大きくなって
いたが、ＰＳ期のみのものは、オシレーションマークの
乱れはほとんどない結果となった。

【００４５】一般的にスリット部において磁束密度が高
くなっていること、また、スリット部がＯＳＭの形成さ
れる位置に対応していることからＮＳ期にＯＳＭが形成
され、この際、電磁力によるジュール熱により凝固遅れ
が生じていることによると考えられる。一方、ＰＳ期の
み印加したものは、ＯＳＭ形成時（ＮＳ期）にはコイル
通電を行っていないため、ＮＳ期に均等にシェル形成が
なされてるためにオシレーションの乱れが少ない結果に
なったと考えられる。

【００４６】図６は、上部コイルの影響を示すものであ
る。上部コイルは上述のようにメニスカスより上に位置
することで、これによりメニスカスが斜め下方（鋳型内
部方向）に高周波磁力を受ける。これによって初期凝固
シェルの先端の脆弱な部分を斜め方向に押し曲げ、シェ
ル内に圧縮力が作用し、ＮＳによる圧縮を補足する

【００４７】上述の様に、鋳造速度４ｍ／分でのＮＳＲ
が１５％の条件ではシェル先端での圧縮が不足するた
め、ＯＳＭ直下に微小な内部割れが多発する。これは鋳
造時のシェルの拘束に発展し得るものであり、従来はＮ
ＳＲを大きくすることで防止していた。図６は、この問
題を上部コイルの電流を増大させることで防止できるこ
とを示すものであり、ＮＳ期に上部コイルに通電するこ
とでＯＳＭ下の内部割れ発生の頻度が大幅に低減できる
ことを示す。

【００４８】一方、連続的に上部コイル通電したもの
は、コイル電流を増大してもほとんど効果がみられない
結果となった。これは連続的に通電することでＰＳ期に
も上部コイルより斜め下方に高周波磁力が働き、メニス
カスの形状そのものが斜めになったまま凝固するので、
シェル先端には圧縮力が作用しないためであると考えら
れる。

【００４９】以上の結果、上部、下部コイルにそれぞれ
５０００Ａ以上（ＮＳ期に上部コイルに、ＰＳ期に下部
コイルに）通電することで、４ｍ／分の高速鋳造時にＮ
ＳＲ＝１５％という不安定な鋳造条件においてもブレー
クアウト発生頻度（Ｂ．Ｏ．の指数化した発生頻度）を
従来に対してを１／１０にすることができるようになっ
た。

【００５０】なお、上部、下部コイルの設置位置は条件
を変えた試験を行っても同様な効果を得たが、上部コイ
ルをなるべくメニスカスに近い位置に設定した場合の方
がＯＳＭ直下の内部割れ発生防止に大きい効果がある。

【００５１】

【発明の効果】本発明の方法及び装置により、従来より
も鋳造速度を上げてもブレイクアウトがほとんど発生せ
ず、従って鋳造の能率を著しく高めることができ、ま
た、表面性状の良好な鋳片の製造が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶融金属と印加した高周波電流との間に生ずる
電磁力を示す図である。

【図２】本発明に係る電磁力を応用した鋳造方法の概略
と（ａ）と、鋳型とコイルの位置関係を示す図（ｂ）で
ある。

【図３】本発明における鋳型振動と上部コイルと下部コ
イルへの電流印加のタイミングを示す図である。

【図４】本発明における下部コイルへの印加電流とパウ
ダー消費量との関係を示す図である。

【図５】本発明における下部コイルへの印加電流とＯＳ
Ｍの乱れとの関係を示す図である。

【図６】本発明における上部コイルへの印加電流とオッ
シレーションマーク直下の内部割れ発生頻度との関係を
示す図である。

【図７】従来の連続鋳造における鋳型振動と鋳造速度と
の関係を示す図である。

【符号の説明】

２ 溶融金属 ４ 電磁コイル ４２ 下部電磁コイル ４４ 上部電磁コイル ６ 高周波電流 ８ 誘導電流 １０ ローレンツ力 １２ タンデッシュ １４ 浸漬ノズル １６ パウダー １８ 鋳型

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｂ２２Ｄ 27/02 Ｂ２２Ｄ 27/02 Ｖ (72)発明者 西岡 信一 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−115952（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−83348（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−138843（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−178247（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−96360（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−13443（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−212512（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−90255（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−90183（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−13442（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−147150（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−132189（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−266004（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−246405（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−223060（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−320238（ＪＰ，Ａ) 国際公開96／5926（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 11/115 B22D 11/04 311 B22D 11/16 105 B22D 27/02 B22D 11/07

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の工程を備えた溶融金属の連続鋳造
   方法。 （ａ）鋳型上部がくし形であり、これに続く下部が一体
   的に構成されている水冷の連続鋳造鋳型を用意し、
   （ｂ）鋳型振動を行いながら前記鋳型に溶融金属を注湯
   し、形成された鋳片を連続的に下方に引出しながら、
   （ｃ）前記溶融金属のメニスカス水準近傍において鋳型
   外部より上下二段に高周波電磁力を作用させ、メニスカ
   ス近傍に生成している凝固シェルを内部方向に湾曲させ
   ながら連続鋳造する。
2. 【請求項２】 前記二段に作用させる高周波電磁力のう
   ち下側の電磁力は鋳型振動のポジティブストリップの時
   期に作用させ、上側の電磁力はネガティブリップ時期に
   作用させる請求項１記載の溶融金属の連続鋳造方法。
3. 【請求項３】 前記鋳型の鋳型振動のネガティブリップ
   時間比率を２５％以下とする請求項１または２に記載さ
   れた溶融金属の連続鋳造方法。
4. 【請求項４】 前記溶融金属がＦｅを含有する合金であ
   る請求項１または２に記載された溶融金属の連続鋳造方
   法。
5. 【請求項５】 下記の部材を備えた連続鋳造用鋳型。 （ａ）鋳型の上部がくし形状であって、下部が一体的に
   構成され、それぞれの内部が水冷できるようになってい
   る銅もしくは銅合金製の連続鋳造用鋳型と、（ｂ）前記
   鋳型の溶融金属のメニスカス水準近傍に相当する位置
   に、その鋳型の中心軸を中心軸とする高周波コイルが該
   鋳型の外周の上下方向に少なくとも二体備えられてい
   る。