(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造機ストランド内の未凝固溶鋼に磁場を印加する磁場発生装置を備えた鋼の連続鋳造装置において、前記磁場発生装置が、直流電流を通電する電磁ブレーキコイルと、交流電流を通電する低周波電磁撹拌コイルと、これらが共通に巻かれた鉄心とを有し、鋳型の湯面近傍部および鋳型下部に装着されたものであることを特徴とする鋼の連続鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼の連続鋳造装置に関し、特に、磁場による溶鋼流動制御を行う鋼の連続鋳造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼の連続鋳造においては、湯面におけるモールドパウダの巻き込み防止や、介在物、気泡の侵入による製品欠陥（ＵＴ欠陥、ブリスター、ふくれ、スリバー）防止、介在物や気泡の凝固シェルへの付着防止、凝固シェルの均一成長促進、不均一凝固による割れ防止、あるいは凝固組織の改善等々のために、磁場による溶鋼流動の制御（ブレーキや撹拌）が行われている。
【０００３】
過大な溶鋼流動を抑制するための電磁ブレーキ技術として、例えば特開昭57−17356 号公報には、スラブ連鋳機の鋳型に電磁石を設置し、浸漬ノズルからの溶鋼吐出噴流に対してそれに垂直な方向の磁界を付与し、もって溶鋼中に誘導される電流と磁界との相互作用によって生ずるローレンツ力で溶鋼流動を制動し、前記吐出噴流が溶鋼プール中に深く侵入するのを抑制し、それによってモールドパウダの巻き込みを防止するとともに溶鋼中に持ち込まれた介在物の浮上を促進するという手法が提案されている。
【０００４】
また、上記手法をさらに発展させ、鋳造速度や鋳片幅、浸漬ノズルの形状、メニスカスの位置などの操業条件を変更した場合にも有効な方法として、特開平２−284750号公報に、鋳型全幅にわたる静磁場を浸漬ノズルの吐出口の上部および下部に印加する方法が提案されている。
また、溶鋼流れの淀みを防止するための電磁撹拌の例としては、パウダへの熱供給不足を解消し介在物が初期凝固シェルに捕捉されるのを防止するために、メニスカス部に低周波移動磁界を作用させて溶鋼に流れを与える方法が特開平２−37946 号公報に提案されている。
【０００５】
また、中炭素鋼の凝固シェル表面の縦割れ防止のために、電磁撹拌装置によりメニスカス近傍領域で凝固シェルの内周面に沿って溶鋼を40〜120cm/s の速度で流動させる方法が特開平１−228645号公報に提案されている。
さらに、電磁ブレーキと電磁撹拌を組み合わせた例として、浸漬ノズルからの吐出流に静磁場を印加し溶鋼吐出流速を低減して大形介在物の浮上を促進し、その下流では電磁撹拌装置により溶鋼を水平方向に攪拌し小形介在物が凝固シェルに捕捉されるのを防止する方法（特開昭61−193755号公報）、鋳型内で0.1m/sから0.4m/sの溶鋼流速が得られるように電磁撹拌を行うとともに、メニスカスの下方1.5mから連鋳機の垂直部までの間の場所に鋳片幅方向に均一な静磁界を作用させ、鋳片表層、内層部への介在物の集積を抑制して清浄性の優れた鋳片を製造する方法（特開平５−23803 号公報）、およびメニスカス位置にて低周波移動磁界を作用させてメニスカス流速を与えるとともに、浸漬ノズル吐出口の上下に幅方向に均一な静磁場を作用させて、注入した溶鋼の流動を抑止しながら鋳造することにより、鋳片の表面欠陥、内部欠陥を低減する方法（特開平５−154620号公報）が知られている。
【０００６】
また、同一の鉄心に複数のコイルを巻き付け、コイルに直流や、３相交流を切り替えて流すことにより鋳型内に移動磁場を印加したり、静磁場を印加する方法（特開平９−262650号公報、特開平９−262651号公報）が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
連続鋳造に残されている課題は、生産性向上のためにさらにスループットや鋳造速度を大きくすることである。しかし、スループットや鋳造速度を大きくすると、浸漬ノズルからの溶鋼の吐出流速が大きくなり、メニスカス近傍の流速が大きくなってパウダの巻き込みが起こり、介在物等が連鋳機深部へ侵入してしまう。従って吐出流からの上向き流および下向き流ともに減衰させ、かつメニスカス部等の凝固シェル前面では適度な流れを与えることにより、介在物が凝固シェルに捕捉されるのを防止する必要がある。また、連鋳機の種類によっては極端に広い幅の鋳片を低速で鋳造せざるを得ない場合もあり、この場合には流れの淀みを防止するために鋳型の上部側、下部側の両方ともに適度な流れを与える必要がある。
【０００８】
しかしながら、特開平２−37946 号公報に開示の、メニスカス部に低周波移動磁界を作用させて溶鋼に流れを与える方法では、吐出下降流を減衰させることはできず、浸漬ノズルより持ち込まれた介在物や一旦巻き込まれたパウダの連鋳機内部への侵入を防止することは不可能である。また、極広幅鋳片の低速鋳造に適用すると溶鋼の流れが強くなりすぎてパウダが巻き込まれる結果となり一旦巻き込まれたパウダが連鋳機内部へ侵入する。
【０００９】
また、特開平２−284750号公報に開示の、鋳型全幅にわたる静磁場を浸漬ノズルの吐出口の上部および下部に印加する方法によっても、高速で鋳造する場合に、介在物の侵入を防止しようとして磁場を強くすると、メニスカス部で流れが弱くなりすぎ、淀みが発生して介在物が凝固シェルに捕捉される。
特開昭61−193755号公報に開示の、吐出流を包囲する位置に静磁場を、その下流に移動磁場を組合せ印加する方法でも、吐出流を制動しようとして静磁場を強くすると吐出流が反射して上昇流が強くなり、メニスカス近傍の流速が大きくなってパウダの巻き込みが起こる現象は防止できない。
【００１０】
特開平５−23803 号公報に開示の、鋳型内に移動磁場を、鋳型下方に幅方向に均一な静磁場を印加する方法でも、高速で鋳造する場合にはパウダの巻き込みを防止できず、介在物が垂直部の流れの淀み部で凝固シェルに捕捉されることがある。
特開平５−154620号公報に開示の、メニスカス部に移動磁界を、ノズル吐出口の上下に幅方向に均一な静磁場を組合せ印加する方法でも、下部の静磁場を通過した介在物の凝固シェルへの付着には効果がない。
【００１１】
特開平９−262650号公報および特開平９−262651号公報に開示の、電流の種類を直流や３相交流などに切り替えて１対の電磁力によって鋳型内に移動磁場を印加したり静磁場を印加する方法でも、ある場所で制動か攪拌のいずれか一方しか実施できない。
これらの溶鋼流動制御方法の問題点は、ある場所で流れの制動もしくは撹拌を行おうとするときに、いずれか一方しか実施できないことにある。
【００１２】
特開平５−154620号公報に開示の方法でいえば、メニスカス部に移動磁界を、ノズル吐出口の上下に幅方向に均一な静磁場を組合せ印加することはできても、全く同一の場所において流れの撹拌と制動とを両方とも達成することはできない。この方法でもある程度までメニスカスでの流動を適正範囲に収めることが可能ではあるが、本来は鋳型の幅方向、鋳造方向の位置だけでなく、厚み方向の位置でも適正な流動範囲が存在するはずであるから、例えば、湯面近傍部において、初期凝固シェル前面では適度な流動を与えて介在物の付着を防止し、内部のモールドパウダと接している部分では流れを制動してパウダの巻き込みを防止するといった流動制御が理想である。
【００１３】
本発明は、この理想に近い溶鋼流動制御を実現しようとするもので、その目的は、溶鋼プール内のいかなる場所であってもその場所に応じた適正な流動を確保でき、もってモールドパウダの巻き込み、および介在物・気泡の凝固シェルへの付着を有効に防止できる鋼の連続鋳造装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、鋼の連続鋳造方法において、連続鋳造機ストランド内の未凝固溶鋼に、強度および／または方向が時間により変動しかつその時間平均値が０でない磁界を印加することができる。
前記変動の周波数は0.5Hz 〜10Hzであることが好ましい。
【００１５】
前記磁界の時間平均値および該平均値を中心とする変動幅は、鋳造条件に応じてそれぞれ独立に変更されることが好ましい。
前記磁界の時間平均値および該平均値を中心とする変動幅は、幅方向および／または鋳込方向の位置に応じてそれぞれ独立に変更されることが好ましい。
前記磁界が印加される場所としては、主として鋳型内、もしくは主として鋳型下部、もしくは主として湯面近傍部及び鋳型下部、またはこれらのうちの二つ以上の組合せが考えられる。
【００１６】
前記磁界が印加される場所は、実質的に鋳片全幅にわたることが好ましい。
本発明は、鋼の連続鋳造装置において、直流電流を通電する電磁ブレーキコイルと交流電流を通電する低周波電磁撹拌コイルとを個別に備え、これらコイルを同じ鉄心に巻き付けてなる磁場発生装置を少なくとも１つ有することを特徴とする鋼の連続鋳造装置である。
【００１７】
前記磁場発生装置は、鋳型の湯面近傍部および鋳型下部に装着するものとする。
なお、本発明において、「磁場」と「磁界」とは同義であり、「鋳型内」とは、メニスカス位置から該メニスカス位置を起点として鋳込方向に沿って計られる距離（鋳込距離と称する）１ｍの位置までの範囲、「鋳型下部」とは鋳込距離１ｍの位置から５ｍの位置までの範囲、「湯面近傍部」とは、メニスカス位置から鋳込み方向に0.2 ｍ程度までの範囲である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
一般に電磁力「ベクトルｆ（以下、単にｆと記す）」は、電流密度「ベクトルＪ（以下、単にＪと記す）」および磁束密度「ベクトルＢ（以下、単にＢと記す）」により、次の式
ｆ＝Ｊ×Ｂ                         (1)
で表される。ここに「×」は外積である（以下同じ）。また、電流密度Ｊは、電気伝導度σ、および、電界の強さ「ベクトルＥ（以下、単にＥと記す）」、溶鋼流速「ベクトルｖ（以下、単にｖと記す）」により、次の式
Ｊ＝σ（Ｅ＋ｖ×Ｂ）               (2)〔Ohm の法則〕
で表される。磁場の時間変化がある場合、電界の強さＥは、時間ｔ、電気ポテンシャルφおよびベクトルポテンシャル「ベクトルＡ（以下、単にＡと記す）」により、次の式
Ｅ＝−∇φ−∂Ａ／∂ｔ             (3)〔Faraday の法則〕
で表される。ここに「∇」はナブラであり（以下同じ）、ベクトルポテンシャルＡは、次の式
Ｂ＝∇×Ａ                         (4)
を満たす。
【００１９】
式(1) に式(2),式(3) を代入すると、電磁力ｆは、次の式
ｆ＝σ〔−∇φ×Ｂ＋ｖ×Ｂ×Ｂ−（∂Ａ／∂ｔ）×Ｂ〕    (5)
で表される。
式(5) 右辺第２項が制動力を、同第３項が撹拌力を表している。なお、同第１項は戻り電流による力を表している。
【００２０】
本発明の装置によれば、時間により強度（大きさ、強さ）および／または方向（向き）が変化し、かつその時間平均値が０でない磁界を溶鋼に印加することができるから、速い流れには磁場の直流成分（直流磁界；式(5) 右辺第２項）がブレーキとして作用し、遅い流れには磁場の交流移動成分（交流移動磁界；式(5) 右辺第３項）がスターラとして作用する。
【００２１】
また、交流移動磁界の周波数を0.5Hz 〜10Hzとすると、表皮効果による磁力の浸透深さを変化させて、所望の場所での溶鋼流動を自在に制御することができる。すなわち、一つには周波数が高いほど表面近傍に撹拌力を付与することができるが、10Hzを超えると磁力が凝固シェルや鋳型銅板までにしか及ばず溶鋼を十分に撹拌できないため周波数の上限を10Hzとした。また一つには、周波数が低いほど溶鋼内部まで磁力を波及させることができるが、0.5Hz 未満では実効ある撹拌力が得られないことから周波数の下限を0.5Hz とした。この周波数範囲はいわゆる低周波域に属する。なお、より好ましい周波数範囲は１Hz〜５Hzである。
【００２２】
このように交流移動磁界の作用は溶鋼表面（凝固シェル前面）に近いところほど強く、遠いところ（内部）ほど弱い。一方、直流磁界の方は表面、内部の別に関わりなく作用するため、式(5) より、凝固シェル前面では撹拌の効果を大きく、内部ではブレーキの効果を大きくすることができる。
さらに、本発明の装置によれば、磁界（変動磁界）の強さの時間平均値および該平均値回りの変動幅を、鋳造条件（鋼種、鋳片幅、鋳造速度等）や幅方向位置、鋳込方向位置に応じてそれぞれ独立に変更することにより、制動力や撹拌力を各条件・各位置毎に最適と目される値に一致させることが可能であり、各条件・各位置で所望の溶鋼流動を付与することができる。
【００２３】
本発明の磁場発生装置では、直流電流を通電する電磁ブレーキコイルと交流電流を通電する低周波電磁撹拌コイルとをそれぞれ別個に備え、これらコイルを共通の鉄心に巻いてあるから、この共通の鉄心から時間変動する磁場を発生させ得るようになり、同一の位置において電磁ブレーキと電磁撹拌とを自在に運用できるようになる。
また、変動磁界の印加場所は、(i )主として鋳型内、(ii)主として鋳型下部、(iii )主として湯面近傍部および鋳型下部、のいずれか又はこれらのうちの二つ以上の組合せが考えられ、(i )では主に鋳片表層における介在物や気泡の付着と鋳片表面割れとを防止でき、(ii)では主に鋳片内部への介在物や気泡の侵入と鋳片内層への介在物や気泡の付着とを防止できるが、(iii )では主に湯面でのモールドパウダ巻き込みと初期凝固シェルへの介在物や気泡の付着とに加え鋳片内部への介在物や気泡の侵入と鋳片内層への介在物や気泡の付着とを防止できるという効果を奏するので、本発明では磁場発生装置を鋳型の湯面近傍部及び鋳型下部に装着するものとする。
【００２４】
また、変動磁界の印加場所を実質的に鋳片全幅とすることにより、幅方向のどの位置でも上記効果が得られる。勿論、鋳片幅方向に磁界の強度分布を設け得るようにすることで、幅方向の各位置でその位置に対応した所望の溶鋼流動が得られる。
【００２５】
図１は、本発明に係る磁場発生装置の一例を示す立体図である。同図には鋳型の１長辺分に対応する部分を示した。図示のように、電磁ブレーキコイル１および低周波電磁撹拌コイル２が共通の鉄心３に巻かれている。鉄心３には幅方向位置毎に低周波電磁撹拌コイル２を設け得るようにコイル通し用の抜き孔４が開けられている。なお添字「A 」は個体区別のために付した。
【００２６】
図２は、図１の磁場発生装置を鋳型に装着した状態を示す側断面図である。同図において、５は鋳型長辺（鋳型長辺銅板）、６は浸漬ノズル、７は凝固シェル（鋳片凝固シェル）、８は溶鋼、９は吐出口（ノズル吐出口）、10は鋳型短辺（鋳型短辺銅板）、11はメニスカス（湯面）であり、図１と同一または相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。図示のように、この磁場発生装置は鋳込み方向位置に関する磁界印加場所を湯面近傍部および鋳型下部の二段として二段磁界印加を行うものである。この状態で、電磁ブレーキコイル１，１A の電流値を個別に変えることにより上段と下段とで独立に磁界の強さの時間平均値を変更することができ、また、低周波電磁撹拌コイル２，２A の電流値を変えることにより上段と下段とで独立に磁界の強さの時間変動幅を変更することができる。
【００２７】
図３、図４は、それぞれ、ストランド内溶鋼への磁界印加場所を鋳込方向に一段設ける場合に好適な磁場発生装置の参考例を示す平断面図である。これらの図において、図２と同一または相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。いずれの例でも、直流専用の電磁ブレーキコイル１（添字「B 」〜「E 」は個体区別のために付した）および交流専用の低周波電磁撹拌コイル２を共通の鉄心３に巻いてあり、この段の幅方向、厚み方向のどの位置にある溶鋼８に対しても、直流磁界と交流移動磁界とを重畳させ、その位置に応じた強さに調整して印加することができる。
【００２８】
図５は、本発明の装置を用いた方法（ｃ）と従来法（従来電磁ブレーキ法（ａ），従来電磁撹拌法（ｂ））とによる発生磁界を比較して示す波形図である。同図の縦軸は磁束密度のｘ方向成分（鋳型短辺に平行な方向の成分）Ｂx 、横軸は鋳型幅方向位置（鋳型長辺に平行にとった座標軸上の位置）を表す。幅方向に均一な静磁場を印加する従来電磁ブレーキ法では、（ａ）の通りＢx の同時刻値が幅方向で一定で時間変化もない特性をもつ直流磁界のみが発生するから、この印加場所では制動力のみが作用し、撹拌力は発生しない。一方、従来電磁撹拌法では、（ｂ）の通りＢx の同時刻値が幅方向に正弦波形を描きこの波形が時間とともに幅方向に移動する特性をもつ交流移動磁界のみが発生するから、この印加場所では撹拌は十分でも制動が不十分となる。これら従来法に対し、本発明の装置を用いた方法では、（ｃ）の通り直流磁界と交流移動磁界とが重畳して発生するから、同じ印加場所で状況に応じて制動と撹拌とがどちらも十分となるように自在に磁界を調整することができる。
【００２９】
【実施例】
垂直曲げ型の連続鋳造機により、吐出口径70mmの逆Ｙ型二孔浸漬ノズルを使用して鋳造速度1.8m/minおよび2.5m/minにて幅1500mm、厚み220mm の低炭素アルミキルド鋼鋳片を鋳造する際に、図１に例示した本発明の磁場発生装置を、図２の配置で鋳型に設置し、鋳造中、電磁ブレーキコイル１による磁場強度（静磁場磁力）を1000〜5000ガウスの範囲で変更し、かつ低周波電磁撹拌コイル２により湯面近傍部の溶鋼流速（メニスカス流速）を10〜80cm/sの範囲で変更して実施例とした。
【００３０】
鋳造後のスラブを熱間圧延し、さらに冷間圧延して厚み1.0mm ×幅1500mmに仕上げた冷延コイルについて、内部欠陥発生率及び表面欠陥発生率を磁粉探傷検査及び目視検査により調査した。
また、図２の磁場発生装置に代えて、図６に示すように、湯面近傍部には低周波電磁撹拌コイル２を、鋳型下部には電磁ブレーキコイル１を鉄心３に巻いた静磁場発生器を独立に設置し、鋳造中、電磁ブレーキコイル１による磁場強度（静磁場磁力）を1000〜5000ガウスの範囲で変更し、かつ低周波電磁撹拌コイル２によりメニスカス流速を10〜80cm/sの範囲で変更した比較例１と、図７に示すように、湯面近傍部に低周波電磁撹拌コイル２を設置するのみとし、低周波電磁撹拌コイル２によりメニスカス流速を０〜80cm/sの範囲で変更した比較例２について、実施例と同様の調査を行った。
【００３１】
これらの調査結果を表１に示す。なお、表１の欠陥発生率は比較例２No.1との相対比で表示した。表１より、湯面近傍部にて溶鋼を電磁撹拌するだけの比較例２よりも、これに加えて鋳型下部にて溶鋼を電磁制動した比較例１のほうが、内部、表面とも欠陥発生率が低かった。この比較例１に比べ、湯面近傍部及び鋳型下部の各場所にて電磁撹拌と電磁制動を重複させた実施例では、同じメニスカス流速ではあっても、湯面（内部）での流速が制動されてパウダの巻き込みが減少するため、内部欠陥、表面欠陥ともにさらに一段と低減した。
【００３２】
【表１】
0003700396.tif 000002
【００３３】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、直流電流を通電する電磁ブレーキコイルと交流電流を通電する低周波電磁撹拌コイルとを個別に備え、これらコイルを同じ鉄心に巻き付けてなる磁場発生装置を鋳型の湯面近傍部および鋳型下部に装着したものを用いて、時間により強度および／または方向が変化し、かつその時間平均値が０でない磁界を連続鋳造機ストランド内の未凝固溶鋼に印加することで、所望の溶鋼流動が得られ、表面欠陥、内部欠陥が両方とも効果的に低減するという効果を奏し、また、従来のように電磁ブレーキ用と電磁撹拌用に別々の装置を備える必要もなく、設備簡素化、コスト低減の効果もある。
【００３４】
また、鋳造速度が変化する鍋交換時等の鋳片長手方向部分（品質が低下しがちな非定常部）に対して、印加磁場を自在に調整して定常部と同様の流動状態に維持することができるようになるから、当該非定常部の品質低下をも防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る磁場発生装置の一例を示す立体図である。
【図２】  図１の磁場発生装置を鋳型に装着した状態を示す側断面図である。
【図３】  ストランド内溶鋼への磁界印加場所を鋳込方向に一段設ける場合に好適な磁場発生装置の参考例を示す平断面図である。
【図４】  ストランド内溶鋼への磁界印加場所を鋳込方向に一段設ける場合に好適な磁場発生装置の参考例を示す平断面図である。
【図５】  本発明の装置を用いた方法（ｃ）と従来法（従来電磁ブレーキ法（ａ），従来電磁撹拌法（ｂ））とによる発生磁界を比較して示す波形図である。
【図６】  比較例１の磁場発生装置を鋳型に装着した状態を示す側断面図である。
【図７】  比較例２の磁場発生装置を鋳型に装着した状態を示す側断面図である。
【符号の説明】
１  電磁ブレーキコイル
２  低周波電磁撹拌コイル
３  鉄心
４  抜き孔
５  鋳型長辺（鋳型長辺銅板）
６  浸漬ノズル
７  凝固シェル（鋳片凝固シェル）
８  溶鋼
９  吐出口（ノズル吐出口）
10  鋳型短辺（鋳型短辺銅板）
11  メニスカス（湯面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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