(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造機で鋳造されている鋳片を、垂直帯、湾曲帯、水平帯を有する２次冷却帯において２次冷却する連続鋳造鋳片の２次冷却方法であって、
前記水平帯の鋳造方向上流側部分における前段冷却工程と、前記水平帯の鋳造方向下流側部分における後段冷却工程とを有し、
前記前段冷却工程では、単位時間当たりの流量密度が３００〜４０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）（ただし、ｍｉｎは時間の単位の分である）の冷却水により前記鋳片を冷却して、該前段冷却工程における前記鋳片の表面の冷却水の沸騰状態を核沸騰にし、
前記後段冷却工程では、前記前段冷却工程における前記冷却水の前記流量密度の２％以上かつ５０％以下の単位時間当たりの流量密度の冷却水により前記鋳片を冷却して、該後段冷却工程における前記鋳片の表面の前記冷却水の沸騰状態を核沸騰に維持することを特徴とする連続鋳造鋳片の２次冷却方法。
【請求項２】
前記後段冷却工程では、前記鋳片の冷却開始時における前記鋳片の表面温度Ｔｓ（℃）と、該後段冷却工程における前記冷却水の前記流量密度Ｗ（リットル／（ｍ２・ｍｉｎ））とが、下記式（１）の関係を満たすようにすることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳片の２次冷却方法。
Ｔｓ＜１０＾［０．０８×ｌｎ（Ｗ）＋２］  ・・・（１）
ただし、上記式（１）中のｌｎは自然対数であり、＾はべき乗の演算子である。
【請求項３】
前記後段冷却工程では、鋳片の厚みをｔ（ｍ）、鋳片の未凝固部を除く厚さ方向平均熱伝導率をλ（ｋｃａｌ／（ｍ・ｈｏｕｒ・℃））、鋳片の凝固温度をＴｃ（℃）とするとき、前記冷却水の熱流束ｑ（ｋｃａｌ／（ｍ２・ｈｏｕｒ））が、下記式（２）の関係を満たすようにすることを特徴とする請求項２に記載の連続鋳造鋳片の２次冷却方法。
ｑ≧λ［４（Ｔｃ−Ｔｓ）／ｔ］  ・・・（２）
【請求項４】
前記後段冷却工程では、前記冷却水の前記流量密度Ｗが、下記式（３）の関係を満たすようにすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の連続鋳造鋳片の２次冷却方法。
Ｗ＞ｅ＾［（ｌоｇ（λ［４（Ｔｃ−Ｔｓ）／ｔ］）―５．２）／０．１７］  ・・・（３）
ただし、上記式（３）中のｅは自然対数の底であり、ｌоｇは常用対数であり、＾はべき乗の演算子である。
【請求項５】
前記水平帯において、軸方向を鋳造方向に垂直に向けたロールを鋳造方向に複数配置するとともに、鋳造方向に隣り合う前記ロールの間に、前記鋳片の表面に前記冷却水を噴射するスプレーノズルを鋳片幅方向に複数個備え、
前記スプレーノズルの各々から噴射される前記冷却水が前記鋳片の表面に衝突して形成される冷却面が、角丸長方形状、または楕円状となるようにし、
少なくとも前記前段冷却工程では、鋳造方向と垂直な方向に対して、前記冷却面の長軸が５〜４５度の範囲で傾斜するように前記冷却水を噴射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の連続鋳造鋳片の２次冷却方法。
【請求項６】
連続鋳造機で鋳造されている鋳片を、垂直帯、湾曲帯、水平帯を有する２次冷却帯において２次冷却する連続鋳造鋳片の２次冷却装置であって、
前記水平帯は前段冷却部と後段冷却部とを有し、
前記前段冷却部は、単位時間当たりの流量密度が３００〜４０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）（ただし、ｍｉｎは時間の単位の分である）の冷却水により前記鋳片を冷却して、該前段冷却部内における前記鋳片の表面の冷却水の沸騰状態を核沸騰にし、
前記後段冷却部は、前記前段冷却部の冷却水の前記流量密度の２％以上かつ５０％以下の単位時間当たりの流量密度の冷却水により前記鋳片を冷却して、該後段冷却部内における前記鋳片の表面の冷却水の沸騰状態を核沸騰に維持することを特徴とする連続鋳造鋳片の２次冷却装置。
【請求項７】
前記水平帯には、軸方向を鋳造方向に垂直に向けたロールが鋳造方向に複数配置されているとともに、鋳造方向に隣り合う前記ロールの間に、前記鋳片の表面に冷却水を噴射するスプレーノズルが鋳片幅方向に複数個備えられ、
前記スプレーノズルは、該スプレーノズルの各々から噴射される前記冷却水が前記鋳片の表面に衝突して形成される冷却面が、角丸長方形状、または楕円状となるように前記冷却水を噴射し、
少なくとも前記前段冷却部では、鋳造方向と垂直な方向に対して、前記冷却面の長軸が５〜４５度の範囲で傾斜するように、前記スプレーノズルが配置されていることを特徴とする請求項６に記載の連続鋳造鋳片の２次冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造機の２次冷却帯において鋳片を２次冷却する連続鋳造鋳片の２次冷却方法および２次冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼の連続鋳造において、鋳型内に注入された溶鋼は鋳型によって冷却されて、鋳型との接触面に凝固シェルを形成する。この凝固シェルを外殻とし、内部に未凝固溶鋼を有する鋳片は、鋳型下方に設けられた２次冷却帯において、冷却水によって冷却されながら鋳型下方に連続的に引抜かれ、やがて中心部までの凝固が完了する。【０００３】
中心部まで凝固が完了した鋳片を所定の長さに切断し、圧延用素材である鋳片が製造される。【０００４】
一般的に、２次冷却において、鋳片は膜沸騰状態で冷却される。膜沸騰とは、沸騰形態の一種であり、被冷却材の表面温度が高温で、冷却水が低圧・小流量の場合に生じやすく、冷却水と被冷却材の間に蒸気の層が生じ、被冷却材の冷却速度が比較的遅く、安定した冷却が可能であるが、生産性が低いという課題がある。【０００５】
連続鋳造では鋳片の品質とともに生産性の向上が望まれており、そのための１つの方策として、冷却水と鋳片の表面との熱伝達係数、すなわちスプレー冷却時の熱伝達係数を大きくすることが考えられる。【０００６】
そこで、特許文献１に開示されているように、冷却水を高圧で鋳片の表面に吹き付ければ、単位時間当たりに鋳片の表面に接触する冷却水量が増えて熱伝達係数が大きくなり、生産性も向上すると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２８５１４７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｊ．Ｖ．ＢＥＣＫ：Ｉｎｔ．Ｊ．ＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒ，１３（１９７０），ｐ．７０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の方法では、ポンプの増設や高圧対応型の配管などの新しい設備が必要になり、コストが上昇してしまう。【００１０】
また、熱伝達係数の増加には、膨大な水量が必要であり、既存の連続鋳造機への適用を考えると、使用可能な水量を大きく上回るため、実施するには大幅な設備投資が必要である。【００１１】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、大幅な設備投資を必要とせずに、効率的な２次冷却を実現できる連続鋳造鋳片の２次冷却方法および２次冷却装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）本発明に係る連続鋳造鋳片の２次冷却方法は、連続鋳造機で鋳造されている鋳片を、垂直帯、湾曲帯、水平帯を有する２次冷却帯において２次冷却するものであって、前記水平帯の鋳造方向上流側部分における前段冷却工程と、前記水平帯の鋳造方向下流側部分における後段冷却工程とを有し、前記前段冷却工程では、単位時間当たりの流量密度が３００〜４０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）（ただし、ｍｉｎは時間の単位の分である）の冷却水により前記鋳片を冷却して、該前段冷却工程における前記鋳片の表面の冷却水の沸騰状態を核沸騰にし、前記後段冷却工程では、前記前段冷却工程における前記冷却水の前記流量密度の２％以上かつ５０％以下の単位時間当たりの流量密度の冷却水により前記鋳片を冷却して、該後段冷却工程における前記鋳片の表面の前記冷却水の沸騰状態を核沸騰に維持することを特徴とするものである。
（２）また、上記（１）に記載の連続鋳造鋳片の２次冷却方法において、前記後段冷却工程では、前記鋳片の冷却開始時における前記鋳片の表面温度Ｔｓ（℃）と、該後段冷却工程における前記冷却水の前記流量密度Ｗ（リットル／（ｍ２・ｍｉｎ））とが、下記式（１）の関係を満たすようにすることを特徴とするものである。【００１３】
Ｔｓ＜１０＾［０．０８×ｌｎ（Ｗ）＋２］  ・・・（１）
ただし、上記式（１）中のｌｎは自然対数であり、＾はべき乗の演算子である。
（３）また、上記（２）に記載の連続鋳造鋳片の２次冷却方法において、前記後段冷却工程では、前記冷却水の熱流束ｑ（ｋｃａｌ／（ｍ２・ｈｏｕｒ））が、鋳片の厚みをｔ（ｍ）、鋳片の未凝固部を除く厚さ方向平均熱伝導率をλ（ｋｃａｌ／（ｍ・ｈｏｕｒ・℃））、鋳片の凝固温度をＴｃ（℃）とするとき、前記冷却水の熱流束ｑ（ｋｃａｌ／（ｍ２・ｈｏｕｒ））が、下記式（２）の関係を満たすようにすることを特徴とするものである。【００１４】
ｑ≧λ［４（Ｔｃ−Ｔｓ）／ｔ］  ・・・（２）
（４）また、上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の連続鋳造鋳片の２次冷却方法において、前記後段冷却工程では、前記冷却水の前記流量密度Ｗが、下記式（３）の関係を満たすようにすることを特徴とするものである。【００１５】
Ｗ＞ｅ＾［（ｌоｇ（λ［４（Ｔｃ−Ｔｓ）／ｔ］）―５．２）／０．１７］  ・・・（３）
ただし、上記式（３）中のｅは自然対数の底であり、ｌоｇは常用対数であり、＾はべき乗の演算子である。
（５）また、上記（１）ないし（４）に記載の連続鋳造鋳片の２次冷却方法において、前記水平帯において、軸方向を鋳造方向に垂直に向けたロールを鋳造方向に複数配置するとともに、鋳造方向に隣り合う前記ロールの間に、前記鋳片の表面に前記冷却水を噴射するスプレーノズルを鋳片幅方向に複数個備え、前記スプレーノズルの各々から噴射される前記冷却水が前記鋳片の表面に衝突して形成される冷却面が、角丸長方形状、または楕円状となるようにし、少なくとも前記前段冷却工程では、鋳造方向と垂直な方向に対して、前記冷却面の長軸が５〜４５度の範囲で傾斜するように前記冷却水を噴射することを特徴とするものである。
（６）本発明に係る連続鋳造鋳片の２次冷却装置は、連続鋳造機で鋳造されている鋳片を、垂直帯、湾曲帯、水平帯を有する２次冷却帯において２次冷却するものであって、前記水平帯は前段冷却部と後段冷却部とを有し、前記前段冷却部は、単位時間当たりの流量密度が３００〜４０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）（ただし、ｍｉｎは時間の単位の分である）の単位時間当たりの流量密度の冷却水により前記鋳片を冷却して、該前段冷却部内における前記鋳片の表面の冷却水の沸騰状態を核沸騰にし、前記後段冷却部は、前記前段冷却部の冷却水の前記流量密度の２％以上かつ５０％以下の単位時間当たりの流量密度の冷却水により前記鋳片を冷却して、該後段冷却部内における前記鋳片の表面の冷却水の沸騰状態を核沸騰に維持することを特徴とするものである。
（７）また、上記（６）に記載の連続鋳造鋳片の２次冷却装置において、前記水平帯には、軸方向を鋳造方向に垂直に向けたロールが鋳造方向に複数配置されているとともに、鋳造方向に隣り合う前記ロールの間に、前記鋳片の表面に冷却水を噴射するスプレーノズルが鋳片幅方向に複数個備えられ、前記スプレーノズルは、該スプレーノズルの各々から噴射される前記冷却水が前記鋳片の表面に衝突して形成される冷却面が、角丸長方形状、または楕円状となるように前記冷却水を噴射し、少なくとも前記前段冷却部では、鋳造方向と垂直な方向に対して、前記冷却面の長軸が５〜４５度の範囲で傾斜するように、前記スプレーノズルが配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、水平帯における前段冷却工程では、冷却水の単位時間当たりの流量密度を３００〜４０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）として、前記前段冷却部内で鋳片の表面における冷却水の沸騰状態を核沸騰にし、後段冷却工程では、前段冷却工程の２％以上かつ５０％以下の流量で冷却して、鋳片の表面における冷却水の沸騰状態を核沸騰に維持するようにしたので、冷却水量を抑制でき、大幅な設備投資を必要とすることなく効率的な２次冷却を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】連続鋳造機の概要を説明する説明図である。
【図２】本実施の形態に係る２次冷却装置に用いる冷却スプレーの説明図である。
【図３】本実施の形態に係る２次冷却装置に用いる冷却スプレーの他の態様の説明図である。
【図４】冷却水の流量、鋳片の表面温度及び冷却能力の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本実施の形態に係る連続鋳造鋳片の２次冷却方法は、図１に示すように、連続鋳造機１で鋳造されている鋳片３を、垂直帯５、湾曲帯７、水平帯９を有する２次冷却帯１１において２次冷却するものである。水平帯９は、前段冷却工程が行われる前段冷却部１３と、後段冷却工程が行われる後段冷却部１５とを有している。
【００１９】
以下、各構成を詳細に説明する。
＜連続鋳造機＞
連続鋳造機１は、図１に示すように、タンディッシュ（図示なし）から鋳型１７に注入された溶鋼を、ロール１９によって支持し、かつロール１９間に設けられた冷却スプレー２１によって２次冷却しながら鋳片３として引き抜く装置である。
【００２０】
鋳片３を２次冷却する２次冷却帯１１は、図１に示すように、垂直帯５、湾曲帯７、水平帯９に分かれている。本発明の２次冷却方法は、水平帯９において鋳片３を冷却する方法に関するものである。
＜前段冷却工程＞
前段冷却工程は、２次冷却帯１１の水平帯９における前段冷却部１３において、冷却スプレー２１によって、冷却水の単位時間当たりの流量密度を３００〜４０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）（ただし、ｍｉｎは時間の単位の分である）として、前段冷却部１３内で鋳片３の表面における冷却水の沸騰状態を核沸騰にする冷却を行うものである。
【００２１】
ここで、前段冷却部１３における冷却水の単位時間当たりの流量密度は、前段冷却部１３における冷却水の総水量（リットル／ｍｉｎ）を、前段冷却部１３の面積（ｍ２）で除算することにより算出される値である。
【００２２】
冷却スプレー２１とは、液体または液体と気体の混合体を噴射して鋳片３の表面に散布する装置のことを指す。ここで、液体の一例として水、気体の一例として空気が挙げられる。
【００２３】
冷却スプレー２１は、図１に示すように、鋳片３を鋳造方向に搬送するロール１９とロール１９との間に配置されている。
【００２４】
また、冷却スプレー２１は、図２に示すように、各ロール１９間において、複数のスプレーノズル２３が鋳片３の幅方向に複数設けられている。図２に示したスプレーノズル２３はフラットスプレーノズルであり、このフラットスプレーノズルから噴射される冷却水としての冷媒２５は、スプレーノズル２３を中心として鋳片幅方向に扇状に広がる。よって、冷却水の鋳片表面への衝突面は、鋳造方向の幅が小さく、鋳片幅方向の幅が大きい、細長い線状の形状になる。本明細書では、フラットスプレーノズルから噴射される冷却水の鋳片表面への衝突面の細長い線状の形状を「角丸長方形状」という。
【００２５】
もっとも、スプレーノズル２３の種類は特に限定されず、フラットスプレーノズルの類似スプレーとして、オーバルスプレーノズル（楕円スプレー、長円吹きスプレー）、円錐状に噴射するノズルであるフルコーンスプレーノズル（円錐スプレー、丸吹スプレー）、フルコーンスプレーを角型にしたスクエアスプレー（角吹スプレー、正方形吹スプレー、長方形吹スプレー）といった四角錐形状に噴射するノズルであってもよい。
【００２６】
なお、スプレーノズル２３として、前記フラットスプレーノズル、またはオーバルスプレーノズルを使用する際には、通常は、角丸長方形状、または楕円状の冷却面（冷却水の鋳片の表面への衝突面）の長軸が、鋳造方向に垂直となるよう配置するところ、図３に示すように、前記長軸が、鋳造方向に対して垂直となる場合を０度として、５〜４５度の範囲で傾斜させて（図３中のθ＝５〜４５度）配置し冷却水を噴射するとより好適である。
【００２７】
この理由は以下の通りである。
【００２８】
上述のように、各ロール１９間においては、複数のスプレーノズル２３が鋳片３の幅方向に複数設けられる。スプレーノズル２３がフラットスプレーの場合、スプレーノズル２３から噴射されて鋳片３の表面を流れる冷却水の速度は、冷却水衝突面の長軸方向（以後、スプレーの幅方向とする）に速く、短軸方向（以後、スプレーの厚さ方向とする）は比較的遅い。そのため、鋳片の表面に衝突後の冷却水は、比較的緩やかにスプレーの厚さ方向、すなわち鋳造方向に広がる。一方、スプレーの幅方向については、隣り合うスプレーから噴射された冷却水が各々の端部で、互いに逆方向の速度で衝突し、その後、鋳造方向に向きを変えて広がることになる。この結果、冷却水は鋳片の表面に衝突後、比較的遅い速度で、鋳片の表面上を、鋳造方向に流れる。
【００２９】
他方、冷却面の長軸を鋳造方向に垂直な向きから傾斜させると、隣り合うスプレーから噴射された冷却水の干渉は、比較的速度が遅いスプレーの厚さ方向で生じ、速度が速いスプレーの幅方向では生じない。したがって、鋳片の表面上を、速い速度で冷却水が流れる。本発明者らの研究によれば、鋳片の表面上を冷却水が移動する際、冷却水の速さが速い方が、冷却能力が高くなることがわかっている。以上より、スプレーノズル２３を冷却面の長軸を鋳造方向に垂直な向きから傾斜させるよう配置することにより、冷却能力が向上する。ここで、冷却面の長軸の傾斜角度は、鋳造方向に対して垂直の方向を０度とした場合に、５〜４５度の範囲で傾斜して配置されていることが好適である。
【００３０】
冷却スプレー２１による前段冷却工程は、上述したように、単位時間当たりの流量密度が３００〜４０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）として、鋳片３の表面の少なくとも一部または全てにおける冷却水の沸騰状態を核沸騰にする冷却を行うが、このようにした理由を以下説明する。
【００３１】
水平帯９に入る前に高い熱伝達係数で鋳片の冷却を行う（以降、強冷却という）と、特に鋳片３のコーナー部に割れが生じるリスクが高いため、水平帯９で強冷却を行えばよい。
【００３２】
しかし、前述のように、設備投資抑制の観点からは冷却水の流量を抑制しつつ、強冷却を行う必要がある。そこで、前段冷却工程においてのみ大流量の冷却水を使用し、後段冷却部１５では小流量の冷却水を使用する方法について検討した。
【００３３】
図４は冷却水の流量、鋳片３の表面温度及び冷却能力の関係を表す概略図である。縦軸が冷却能力、横軸が鋳片の表面温度を示しており、図中には冷却水の流量が大、中、小の３つの場合が示されている。
【００３４】
図４のグラフにおいて、冷却能力の極大点以下の温度域は核沸騰領域、極小点以上の温度域は膜沸騰領域である。なお、核沸騰とは、発泡点を核として気泡が発生し、冷却水が、冷却対象から非常に高い熱を奪うことのできる沸騰状態である。また、膜沸騰とは、冷却水と冷却対象の境界に蒸気の膜が生じ、それが断熱層となり、冷却水が、冷却対象から奪うことのできる熱量が小さい沸騰状態である。
【００３５】
図４のグラフから、鋳片３の温度が低い場合、つまり、核沸騰領域では、冷却水の流量が冷却能力におよぼす影響が小さい。よって、前段冷却工程において、大流量で冷却し、鋳片３の表面温度を下げて核沸騰にし、その後の後段冷却部１５において、小流量で核沸騰を維持すれば、小流量で高い冷却能力を発揮することが可能である。
【００３６】
図４のグラフを用いて本発明の鋳片の冷却方法の概念を具体的に説明する。連続鋳造機の上流側から下流側に向かって鋳造が進んでいく際の鋳片の表面の温度履歴は、図４のグラフ上では、大略右（高温側）から左（低温側）となる。湾曲帯７にある鋳片３はまだ高温であるが、鋳片３の割れなどを防止するため、過度な冷却はせず冷却水の流量を抑えて操業する（図４上のＯ点より右側）。一方、鋳片３が湾曲帯７を抜け水平帯９に入ると（図４上のＡ点）、鋳片３の割れのリスクが低下するので、強冷却が可能になり、冷却水の流量を大幅に増加させることができる（図４上のＡ’点）。すなわち、本発明の前段冷却工程における大流量での冷却に入ることになる。鋳片３は大流量で強冷却され、その表面温度が大きく低下し、最も早い場合は、水平帯に入って最初のロール間に設置されたノズルから噴射された冷却水で冷却された鋳片の表面位置より鋳造方向下流側で、冷却水の状態は核沸騰状態に遷移する（図４上のＢ点）。そのまま冷却を継続すると、鋳片３の表面温度はさらに低下して図４上のＣ点に至る。鋳片３の表面温度がＣ点まで低下すれば冷却水が低流量の条件でも核沸騰が維持できるので、冷却水の流量を低下させて、すなわち後段冷却工程に移行して小流量で引き続き強冷却を行なう（図４上のＣ’点）。
【００３７】
なお、本発明における冷却水量は、概略、図４中における白抜き矢印で示したように遷移する。
【００３８】
そして、本実施の形態では、前段冷却工程における大流量での冷却は、単位時間当たりの流量密度を３００〜４０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）としている。このようにした理由は以下の通りである。
【００３９】
図４における、冷却能力の極小値は流量に応じて変化するが、本発明者らによる研究成果より、３００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）の単位時間当たりの流量密度にすることにより、冷却能力の極小値を示す温度が１０００℃程度になることが分かっている。
【００４０】
他方、一般に水平帯９における鋳片３の表面温度は１０００℃以下であり、冷却能力の極小値を示す温度よりも低い温度域である。したがって、３００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）の単位時間当たりの流量密度であれば、水平帯９における鋳片３を冷却能力の極小値よりも高い冷却能力で冷却を開始することができる。
【００４１】
また、図４に示されるように、冷却能力の極小値から極大値の間では、冷却水の流量が大きいほど冷却能力が高いので、水平帯９の前段冷却部１３では単位時間当たりの流量密度を大きくした方が有利である。
【００４２】
しかしながら、発明者の知見によると、流量密度が４０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）以上については、単位時間当たりの流量密度を増加させても、ほとんど冷却能力が変化しないことが分かっているため、冷却水の効果的な使用にはならない。
【００４３】
以上の理由により、前段冷却部１３における大流量での冷却は、単位時間当たりの流量密度を３００〜４０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）としている。なお、より好適な流量範囲は、３００〜２０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）である。
【００４４】
また、本実施の形態では、前段冷却工程において、大流量で冷却し、前段冷却工程中に鋳片３の表面温度を下げて核沸騰にし、その後の後段冷却工程において、小流量で核沸騰を維持するようにしているが、このような状態を実現できるための条件について以下に説明する。
【００４５】
本発明者らが、実験室において、鋳片３を水で冷却する種々の実験を行った結果、鋳片３の表面温度Ｔｓ（℃）がＴｓ＝１０＾［０．０８×ｌｎ（Ｗ）＋２］の場合に、冷却能力の極大値を示す温度になることがわかっている。
【００４６】
ただし、Ｗは単位時間当たりの流量密度（リットル／（ｍ２・ｍｉｎ））、ｌｎは自然対数である。
【００４７】
したがって、後段冷却工程の単位時間当たりの流量密度に応じて、上記のＴｓよりも低い温度まで、前段冷却工程において大流量で冷却すればよい。換言すれば、後段冷却工程での冷却開始時の鋳片３の表面温度Ｔｓ（℃）が、下式（１）で規定される温度になるように前段冷却工程での冷却を行えばよい。
【００４８】
Ｔｓ＜１０＾［０．０８×ｌｎ（Ｗ）＋２］  ・・・（１）
＜後段冷却工程＞
後段冷却工程は、水平帯９における後段冷却部１５において、前段冷却工程の２％以上かつ５０％以下の単位時間当たりの流量密度で冷却して、鋳片３の表面における冷却水の沸騰状態を核沸騰に維持するものである。
【００４９】
ここで、後段冷却部１５における冷却水の単位時間当たりの流量密度は、後段冷却部１５における冷却水の総水量（リットル／ｍｉｎ）を、後段冷却部１５の面積（ｍ２）で除算することにより算出される値である。
【００５０】
前述したように、後段冷却工程の開始時における鋳片３の表面温度を、上記の式（１）で規定される温度になるように前段冷却工程を行えば、後段冷却工程では、小流量密度、具体的には式（１）の単位時間当たりの流量密度Ｗでの核沸騰での冷却を行うことができる。そして、この単位時間当たりの流量密度は、前段冷却工程の２％以上かつ５０％以下で適宜設定すればよい。なお、より好適な単位時間当たりの流量密度の範囲は、前段冷却工程の５％〜２０％である。
【００５１】
もっとも、鋳片３の内部からの復熱による熱流束により鋳片の表面温度は上昇するため、この温度上昇を抑制して、上記の温度に鋳片の表面温度を維持する必要がある。冷却能力の極大値を示す温度を超えると、流量の冷却能力依存性が大きくなるため、小流量での高い冷却能力を発揮できなくなってしまうからである。
【００５２】
そして、この温度上昇を抑制して、上記の温度に鋳片の表面温度を維持するには、鋳片３の外部からの冷却水噴射による熱流束を、鋳片３の内部からの復熱による熱流束よりも大きくすればよい。
【００５３】
鋳片３の温度分布は、理想的には、厚み中央で最高温度を示し、放物線で近似可能であることから、復熱の熱流束ｑ’（ｋｃａｌ／（ｍ２・ｈｏｕｒ））を、下記式（４）で表すことができる。
【００５４】
ｑ’＝λ［４（Ｔｃ−Ｔｓ）／ｔ］  ・・・（４）
ただし、上記式（４）において、ｔ：鋳片厚み（ｍ）、λ：鋳片の未凝固部を除く厚さ方向平均熱伝導率（ｋｃａｌ／（ｍ・ｈｏｕｒ・℃））、Ｔｃ：鋳片の凝固温度（℃）である。
【００５５】
したがって、後段冷却部１５における小流量での冷却を行うにあたっては、冷却時の熱流束ｑ（ｋｃａｌ／（ｍ２・ｈｏｕｒ））は、ｑ≧ｑ’すなわち、下記式（２）を満たすようにすればよい。
【００５６】
ｑ≧λ［４（Ｔｃ−Ｔｓ）／ｔ］  ・・・・（２）
なお、鋳片厚さ中心の温度の測定は困難であり、概ね鋳片３の凝固温度であるため、凝固温度とした。
【００５７】
発明者は、上記式（２）を満たす熱流束での冷却をするために必要とされる単位時間当たりの流量密度について検討した。
【００５８】
そして、実験室での鋼板の冷却実験で調査し、図４において熱流束（冷却能力）が極大になる条件を、熱流束の極大値と単位時間当たりの流量密度の関係として以下の実験式を得た。
【００５９】
ｑ’’＝１０＾［０．１７ｌｎ（Ｗ）＋５．２］  ・・・（５）
この式（５）と、上述した式（４）、すなわちｑ’＝λ［４（Ｔｃ−Ｔｓ）／ｔ］の２式から、後段冷却工程において満たすべき条件としては、ｑ’’＞ｑ’であり、これを単位時間当たりの流量密度Ｗに関するに変形すると、下記式（３）となる。
【００６０】
Ｗ＞ｅ＾［（ｌоｇ｛λ［４（Ｔｃ−Ｔｓ）／ｔ］｝―５．２）／０．１７］  ・・・（３）
ただし、上記式（３）中のｅは自然対数の底であり、ｌоｇは常用対数である。
【００６１】
したがって、上記式（３）を満足するように、後段冷却部１５の単位時間当たりの流量密度を設定することにより、後段冷却部１５において、少水量での核沸騰状態を維持した冷却を実現できる。
【００６２】
以上のように、本実施の形態の２次冷却方法においては、２次冷却帯１１の水平帯９において、前段冷却工程では大流量密度で鋳片３表面における冷却水の沸騰状態を核沸騰にし、前記後段冷却工程では、前段冷却工程の２％以上かつ５０％以下の単位時間当たりの流量密度で冷却して、鋳片３の表面における冷却水の沸騰状態を核沸騰に維持するようにしたので、水平帯９における冷却水量を抑制でき、大幅な設備投資を必要とすることなく効率的な２次冷却を実現できる。
【００６３】
上記のような連続鋳造鋳片の２次冷却方法を実現する２次冷却装置としては、水平帯９において前段冷却部１３と後段冷却部１５を有し、前記前段冷却部１３では、単位時間当たりの流量密度が３００〜４０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）として、鋳片３の表面における冷却水の沸騰状態を核沸騰にし、前記後段冷却部１５では、前段冷却部１３の２％以上かつ５０％以下の流量で冷却して、鋳片３の表面における冷却水の沸騰状態を核沸騰に維持する装置構成を採用すればよい。
【００６４】
冷却水の沸騰状態を核沸騰に維持するための具体的な方法としては、例えば、鋳片３の冷却前後の冷却水の温度を測定し、この冷却水の温度の上昇量の値を用いて、冷却水の沸騰モードを推定し、推定された沸騰モードが核沸騰に維持されるように冷却水の水量を調整する方法を採ることができる。核沸騰と膜沸騰とを比較すると、核沸騰時の方が熱流束が大きいため、核沸騰時の冷却水の温度の上昇量は、膜沸騰時の冷却水の温度の上昇量よりも大きくなる。
【００６５】
冷却水の温度の上昇量は、下記式（６）により推定できる。ただし、熱の一部が気化熱として消費されるため、下記式（６）による冷却水の温度の上昇量は概算値である。
【００６６】
ΔＴ＝ｑ／（ρｃＷ）  ・・・（６）
ここで、ΔＴは冷却水の温度の上昇量（℃）、ｑは鋳片から冷却水への熱流束（Ｗ・ｍ２）、ρは冷却水の密度（ｋｇ／ｍ３）、ｃは冷却水の比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、Ｗは冷却水の単位時間当たりの流量密度（ｍ３／（ｍ２・ｓ））である。
【００６７】
上述のとおり、核沸騰時と膜沸騰時とでは熱流束ｑの値が異なるため、上記式（６）により推定される冷却水の温度の上昇量ΔＴの値は、核沸騰時と膜沸騰時とで異なる。そこで、鋳片３の冷却前後の冷却水の温度の測定値から求められる実際の温度上昇量が、上記式（６）による温度上昇量の核沸騰時における推定値と、膜沸騰時における推定値のどちらに近いかにより、冷却水の沸騰モードを推定できる。そして、推定された沸騰モードが核沸騰状態に維持されるように、冷却水の水量を調整することで、冷却水の沸騰状態を核沸騰に維持することができる。
【実施例１】
【００６８】
本発明の効果を実証するため、連続鋳造機１を用いて、低炭素鋼の鋳造を行ったので、以下これについて説明する。なお、実施例で説明する数値等は、本発明の更なる理解のために示したものであり、本発明はこの実施例によって何ら限定されるものではない。【００６９】
連続鋳造機１の機長は４５ｍで、そのうち水平帯９は、各２ｍの長さのセグメントが１５個で構成される。鋳造条件として、鋳造速度は２ｍｐｍ、鋳片厚さは２５０ｍｍ、鋳片の幅は１５００ｍｍとした。冷却水には水を使用し、空気と混合し、冷却スプレー２１から噴射した。水温および空気の温度は３０℃であった。【００７０】
水平帯９に到達したときの鋳片３の表面温度は８５０℃であった。【００７１】
また、凝固温度は固相線温度であり１５００℃、平均熱伝導率は３９．４ｋｃａｌ／（ｍ・ｈｏｕｒ・℃）であった。【００７２】
温度の測定には、放射温度計を用いた。【００７３】
凝固位置については、鋲打ち試験から求めた。【００７４】
上記の条件の下で、水平帯９における冷却条件を種々変更した。ここで、前段冷却部１３と後段冷却部１５の切り分け、および単位時間当たりの流量密度の設定はセグメント単位で行なった。なお、熱流束については、実機を模擬した実験装置を製作し、操業条件に相当する実験を行ない、その結果を基に計算で求めた。具体的には、上記実験で、鋳片の表面温度を放射温度計で測定すると同時に凝固界面位置を超音波測定器で計測し、その結果を基に、非特許文献１に記載の熱流束逆算方法を用いて計算した。【００７５】
比較例１として、水平帯９における単位時間当たりの流量密度を１８０リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）一定とした。【００７６】
比較例２、３については、水平帯９に設置された上流側の５セグメントを前段冷却部１３、残りの１０セグメントを後段冷却部１５とし、単位時間当たりの流量密度を個別に設定し、冷却を行った。例えば比較例２では、前段冷却部１３は単位時間当たりの流量密度２５０リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）で５セグメント分冷却し、後段冷却部１５では単位時間当たりの、流量密度を１４０リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）に減じて残りの１０セグメント分を冷却した。後段冷却開始時、すなわち単位時間当たりの流量密度を２５０リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）から１４０リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）に減じたタイミングでの鋳片３の表面温度は７６３℃であった。【００７７】
発明例として、前段冷却部１３と後段冷却部１５のセグメント数および単位時間当たりの流量密度を個別に設定し、冷却を行った。例えば発明例１では、前段冷却部１３は単位時間当たりの流量密度３００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）で５セグメント分冷却し、後段冷却部１５では、単位時間当たりの流量密度を１５０リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）に減じて残りの１０セグメント分を冷却した。後段冷却開始時の鋳片３の表面温度は１４０℃であった。【００７８】
具体的な数値については、表１に示す。【００７９】
なお、実施例１においては、スプレーノズルは、図２に示すように、冷却面の長軸が鋳造方向に対して垂直な向きになっている。【００８０】
【表１】
0006989060.tif 000002
【００８１】
比較例１、２では、式（１）、式（２）を満たしておらず、水平帯９全域で膜沸騰領域での冷却となり、冷却量が不足し、冷却部出側の温度が高くなった。【００８２】
比較例３では、式（１）を満たし、前段冷却部１３では核沸騰域での冷却となり、温度が十分に下がったが、式（２）を満たしておらず、後段冷却部１５において、核沸騰が崩壊し、膜沸騰域での冷却となり、冷却能力が不足し、冷却部出側の温度が高くなった。【００８３】
発明例１〜５においては、前段冷却部１３では核沸騰域での冷却となり、温度が十分に下がり、また、後段冷却部１５において核沸騰が維持でき、冷却能力が十分で、冷却部出側の温度を低温で維持でき、その結果、凝固完了までにかかる時間が短くなった。これは、鋳造速度を増加できることと同義であるため、生産性向上に寄与するものである。
【実施例２】
【００８４】
スプレーノズルを傾斜させることの効果を確認するための実験を行ったので、以下説明する。連続鋳造機及び操業条件は実施例１と同様である。【００８５】
水平帯９に設置されたフラットスプレーノズルを、スプレーノズルから噴射される冷却水により鋳片の表面に形成される角丸長方形状の冷却面の長軸を鋳造方向に垂直な向きから傾斜させるよう設置した。【００８６】
発明例６では、水平帯９に設置された全てのスプレーノズルから噴射される冷却水により鋳片の表面に形成される角丸長方形状の冷却面の長軸を鋳造方向に垂直な向きから２０°傾斜させた。前段冷却部１３は単位時間当たりの流量密度３００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）で５セグメント分冷却し、後段冷却部１５では単位時間当たりの、流量密度を１５０リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）に減じて残りの１０セグメント分を冷却した。後段冷却開始時の鋳片３の表面温度は１２８℃であった。【００８７】
発明例７は、前段冷却部１３及び後段冷却部１５の単位時間当たりの流量密度が発明例６と同じで前記長軸を６０°傾斜させたものである。【００８８】
発明例８は、前段冷却部１３の単位時間当たりの流量密度は１０００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）で、後段冷却部１５の単位時間当たりの流量密度は１００リットル／（ｍ２・ｍｉｎ）とし、前記長軸を２０°傾斜させたものである。【００８９】
発明例９は、前段冷却部１３及び後段冷却部１５の単位時間当たりの流量密度が発明例８と同じで前記長軸を６０°傾斜させたものである。【００９０】
【表２】
0006989060.tif 000003
【００９１】
前記長軸の傾斜角度を２０°にした発明例６、８は、前記長軸の傾斜角度が０°の発明例１、発明例３（表１参照）及び長軸の傾斜角度が６０°の発明例７、９よりも、鋳片の表面上を、速い速度で冷却水が流れるようになった。その結果、冷却能力が向上し、凝固完了までにかかる時間がさらに短くなった。これは、鋳造速度を増加できることと同義であるため、生産性向上に寄与するものである。【００９２】
このように、スプレーノズルから噴射される冷却水により鋳片の表面に形成される角丸長方形状の冷却面の長軸を、鋳造方向に垂直な向きから所定の範囲（５〜４５度）の範囲で傾斜させることで、冷却能力を向上させる効果が期待できることが示唆されている。【００９３】
なお、傾斜角度の好ましい範囲として５〜４５度としたのは、傾斜角度が５度未満では傾斜させることによる効果が小さいこと、４５度を超えると、上記の６０度の場合で示唆されているように、冷却能力が低下することが考えられるからである。
【符号の説明】
【００９４】
１  連続鋳造機
３  鋳片
５  垂直帯
７  湾曲帯
９  水平帯
１１  ２次冷却帯
１３  前段冷却部
１５  後段冷却部
１７  鋳型
１９  ロール
２１  冷却スプレー
２３  スプレーノズル
２５  冷媒
【図１】
0006989060.tif 000004
【図２】
0006989060.tif 000005
【図３】
0006989060.tif 000006
【図４】
0006989060.tif 000007