(57)【要約】【課題】連続鋳造鋳片の二次冷却装置および二次冷却方法を提案する。【解決手段】連続鋳造鋳型の下流で、鋳片のパスラインに沿って、配列された複数基の冷却手段の少なくとも１基を、高圧ノズルを有し、Ｐｃ  ＝５．６４ＰＱ／Ｈ２  （ここで、Ｐｃ  ：噴射された液体冷媒から鋳片が受ける衝突圧、Ｐ：ノズル噴射圧、Ｑ：ノズル水量、Ｈ：ノズル−鋳片間の距離）で定義される衝突圧Ｐｃ  が可変である衝突圧可変冷却手段とする。衝突圧可変冷却手段では、高圧ノズルと、プランジャーポンプと、高圧ノズルの昇降手段とを有し、ポンプには、モータ回転数をインバーター制御する制御装置を有することが好ましい。二次冷却に際しては、鋳片のクレーターエンドが二次冷却装置内となりかつ鋳片の曲げ部および／または矯正部の表面温度が割れ発生領域外の温度となるように、鋳造条件に応じ、衝突圧Ｐｃ  を調整して冷却する。【選択図】  図１
2004167521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造鋳型の下流で、連続鋳造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であって、前記冷却手段の少なくとも１基を、高圧ノズルを有し、かつ下記（１）式で定義される衝突圧Ｐｃ  が可変である衝突圧可変冷却手段とすることを特徴とする連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
記
Ｐｃ  ＝５．６４ＰＱ／Ｈ２        ………（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  ：ノズル水量（ｌ／ｓ／ノズル１本）
Ｈ  ：ノズル−鋳片間の距離（ｃｍ）
【請求項２】
前記衝突圧可変冷却手段が、高圧ノズルに加え、さらにプランジャーポンプと、前記高圧ノズルの昇降手段とを有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二次冷却装置。
【請求項３】
前記プランジャーポンプが、モータ回転数をインバーダー制御したポンプであることを特徴とする請求項２に記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
【請求項４】
前記衝突圧可変冷却手段が、連続鋳造鋳片の凝固シェル厚ｄ（ｍｍ）と鋳片厚さＤ（ｍｍ）の比が１／３以下である位置に配設されてなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の連続鋳造鋳片の二次冷却装置。
【請求項５】
連続鋳造鋳型の下流で、連続鋳造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複数基の冷却手段を有する二次冷却装置により、該鋳片を二次冷却するにあたり、該鋳片のクレーターエンドが二次冷却装置内となりかつ該鋳片の曲げ部および／または矯正部の表面温度が割れ発生領域外の温度となるように、前記冷却手段の少なくとも１基で、高圧ノズルを用い、必要となる冷却能力に対応して、下記（１）式で定義される衝突圧Ｐｃ  を調整して冷却することを特徴とする連続鋳造鋳片の二次冷却方法。
記
Ｐｃ  ＝５．６４ＰＱ／Ｈ２        ………（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  ：ノズル水量（ｌ／ｓ／ノズル１本）
Ｈ  ：ノズル−鋳片間の距離（ｃｍ）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼の連続鋳造プロセスにおける連続鋳造鋳片の二次冷却に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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、  冷却水のみを噴射す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。
【０００４】
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機構を介し、鋳片に２５〜１００ｋｇｆ／ｃｍ２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１００  ｋｇｆ／ｃｍ２  超えとし、かつ冷媒の流量密度を１００  〜１００００  ｌ／ｍ２・ｍｉｎ  とする条件の冷媒噴射を行なう連続鋳片の二次冷却方法が提案されている。
【０００５】
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隔に、  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、冷却を行う連続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  〜７．５  ｍ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。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５７−１８７１５０  号公報
【特許文献２】
特開昭５７−９１８５７号公報
【特許文献３】
特開平５−１７７３２２  号公報
【特許文献４】
特開平９−２０１６６１  号公報
【特許文献５】
特開２０００−１５８１０９  号公報
【０００７】
【発明の解決しようとする課題】
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／ｃｍ２  程度であり熱伝達係数は５００ｋｃａｌ／ｍ２／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、１００ｋｇｆ／ｃｍ２以上の高圧水を噴射することにより、少ない流量密度で高い熱伝達係数を有する冷却を達成できるとしている。また、特許文献４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必要とし、経済的に問題を残していた。
【０００８】
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。連続鋳造プロセスにおいては、例えば、鋳造初期や鋳造末期あるいはチャージあるいは異鋼種の継目部などで、鋳造速度を遅くする必要がある。
【０００９】
特許文献１〜５に記載された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、このような連続鋳造プロセスにおける鋳造速度が遅くなる領域では過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。また、特許文献１〜５に記載された各技術では、途中で冷却条件を変更することは全く意図しておらず、また、冷却条件の変更の具体的な手段についての示唆もない。
【００１０】
本発明では、このような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、引抜速度の変化に対応して緩冷却から強冷却まで、冷却速度の調整が可能な、連続鋳造鋳片の二次冷却装置、および連続鋳造鋳片の二次冷却方法を提案することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するため、鋳片を均一にしかも速い冷却速度で二次冷却できる連続鋳片の二次冷却方法について鋭意検討した。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得ることを知見した。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、  単に高圧ノズルともいう）を利用し、しかも鋳造条件に応じ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とすることがよいことに想到した。衝突圧可変冷却手段としては、高圧ノズルと、プランジャーポンプを用い、さらにプランジャーポンプのモータ回転数をインバーター制御することがよいことに想到した。これにより液体冷媒の噴射圧力と流量を動的に制御でき、鋳造条件に対応して鋳片の均一冷却が可能となることを知見し、本発明を成すに至った。
【００１２】
すなわち、  本発明は、連続鋳造鋳型の下流で、連続鋳造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であって、前記冷却手段の少なくとも１基を、高圧ノズルを有し、次（１）式
Ｐｃ  ＝５．６４ＰＱ／Ｈ２        ………（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：ノズル水量（ｌ／ｓ／ノズル１本）、Ｈ：ノズル−鋳片間の距離（ｃｍ））
で定義される衝突圧Ｐｃ  が可変である衝突圧可変冷却手段とすることを特徴とする連続鋳造鋳片の二次冷却装置であり、また、本発明では、前記衝突圧可変冷却手段が、高圧ノズルと、プランジャーポンプと、前記高圧ノズルの昇降手段とを有することが好ましく、また、本発明では、前記プランジャーポンプが、モータ回転数をインバーター制御したポンプであることが好ましく、また、本発明では、前記衝突圧可変冷却手段が、連続鋳造鋳片の凝固シェル厚ｄ（ｍｍ）と鋳片厚さＤ（ｍｍ）の比が１／３以下である位置に配設されてなることが好ましい。
【００１３】
また、本発明は、連続鋳造鋳型の下流で、連続鋳造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複数基の冷却手段を有する二次冷却装置により、該鋳片を二次冷却するにあたり、該鋳片のクレーターエンドが二次冷却装置内となりかつ該鋳片の曲げ部および／または矯正部の表面温度が割れ発生領域外の温度となるように、前記冷却手段の少なくとも１基で、高圧ノズルを利用し、必要となる冷却能力に対応して、次（１）式
Ｐｃ  ＝５．６４ＰＱ／Ｈ２        ………（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：ノズル水量（ｌ／ｓ／ノズル１本）、Ｈ：ノズル−鋳片間の距離（ｃｍ））
で定義される衝突圧Ｐｃ  を調整して冷却することを特徴とする連続鋳造鋳片の二次冷却方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の連続鋳造鋳片の二次冷却装置は、連続鋳造鋳型１（以下、  単に鋳型ともいう）の下流に、鋳片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、そのうちの少なくとも１基を衝突圧可変二次冷却手段とする。本発明の鋳片の二次冷却装置の一例を模式的に図１に示す。
【００１５】
本発明における衝突圧可変二次冷却手段２Ａは、高圧ノズル２１と、高圧ノズルの昇降手段（図示せず）と、プランジャーポンプ４とを有し、昇降手段（図示せず）により、高圧ノズル２１と鋳片との間隔（ノズル−鋳片間の距離Ｈ）を変化させることができる。また、プランジャーポンプ４には、回転数をインバータ制御する制御装置５２が付設されたモータ５１が配設される。付設されたモータ５１の回転数を制御装置５２によりインバーター制御することにより、液体冷媒のノズル噴射圧力Ｐ、ノズル流量Ｑを所望の値となるように可変調整できる。なお、高圧ノズル２１は最高ノズル噴射圧：１００ｋｇｆ／ｃｍ２、最低ノズル噴射圧：５ｋｇｆ／ｃｍ２  程度までの高圧スプレー噴射が可能な高圧ノズルとすることが好ましい。
【００１６】
本発明における衝突圧可変二次冷却手段２Ａでは、液体冷媒は、プランジャーポンプ４によりノズル噴射圧力Ｐ、ノズル流量Ｑを調整されて二次冷却配管７を介し高圧ノズル２１に供給されるとともに、高圧ノズル移動手段によりノズル−鋳片間の距離Ｈを調整されて、鋳片に高圧スプレー２２として噴射される。なお、本発明では、液体冷媒は冷却水とすることが好ましい。
【００１７】
高圧ノズル２１は、二次冷却配管を介しポンプに直接接続してもよいが、ポンプの台数が多くなることからノズルヘッダー２３に複数個配設し、冷却水を噴射することが好ましい。
また、高圧ノズル移動手段は、図１にはとくに図示していないが、高圧ノズルを鋳片に対し垂直方向に移動できれば、その機構はとくに限定されない。移動機構としては、ねじ機構、油圧機構等が例示できる。
【００１８】
衝突圧可変二次冷却手段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１０ｋｇｆ／ｃｍ２  程度までのスプレー噴射が可能であればとくに問題はない。冷却手段３におけるポンプ４１の種類はとくに限定されないが、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。
【００１９】
本発明では、冷却能の指標として、次（１）式
Ｐｃ  ＝５．６４ＰＱ／Ｈ２        ………（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：ノズル水量（ｌ／ｓ／ノズル１本）、Ｈ：ノズル−鋳片間の距離（ｃｍ））
で定義される、液体冷媒の鋳片への衝突圧Ｐｃ  を採用する。
【００２０】
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、衝突圧Ｐｃ  と熱伝達係数αとは、鋳片表面温度Ｔｓに依存して、図２に示すような関係を有している。なお、図２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、  それに対する比で示した指標値として表示してある。
【００２１】
すなわち、熱伝達係数αは、
α∝ｆ（Ｔｓ  ，Ｐｃ  ）      ………（２）
なる関係を有し、表面温度Ｔｓ  、衝突圧Ｐｃ  から算出することができることになる。
したがって、本発明における衝突圧可変冷却手段を利用すれば、ノズル噴射圧Ｐ、ノズル水量Ｑ、ノズル−鋳片間の距離Ｈが可変であるため、鋳片への液体冷媒の衝突圧Ｐｃ  を可変とすることができ、すなわち二次冷却手段の冷却能を所望の冷却能に調整することができるようになる。なお、衝突圧可変冷却手段は、複数の位置（セグメント）に設置することが、冷却能を調整するという観点からは好ましい。また、衝突圧可変冷却手段は、鋳片の凝固シェル厚ｄ（ｍｍ）と鋳片厚さＤ（ｍｍ）との比ｄ／Ｄ、が１／３  以下の、メニスカス近傍の、比較的上部に設置することが、鋳造速度を増加させるという観点からは好ましい。
【００２２】
つぎに、本発明の二次冷却装置を利用して、鋳片を二次冷却する方法について説明する。
まず、定められた鋳造速度、衝突圧可変二次冷却手段およびそれ以外の二次冷却手段の配設位置から、伝熱凝固解析により、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・矯正部の表面温度が表面割れ発生領域外となるように、所要の熱伝達係数αを決定する。本発明で使用する伝熱凝固解析は、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。なお、表面割れ発生温度領域は、鋳造する鋼種によって種々変化する。この温度領域は通常、予め鋼種ごとに高温引張試験によって決定される。
【００２３】
得られた所要の熱伝達係数α、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、衝突圧可変二次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、ノズル流量Ｑ、ノズル−鋳片間の距離Ｈを決定する。なお、本発明では、衝突圧可変二次冷却手段以外の二次冷却手段では、噴射圧は一定とする）。
【００２４】
このような衝突圧可変二次冷却手段におけるノズル噴射条件を、定常および非定常の鋳造条件で算出し、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鋳造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、鋳片全体で均一な二次冷却が可能となり、過冷却の発生が防止でき、鋳片表面の割れ発生が防止できる。上記した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基づき、鋳造速度：１．３ｍ／ｍｉｎの場合について、衝突圧可変二次冷却手段を使用した場合と、通常の低圧の二次冷却手段のみの場合について、鋳片表面温度ＴＳ、凝固シェル厚みを計算した例を図４に示す。衝突圧可変二次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、クレータエンドが二次冷却装置内に収まり、かつ曲げ・矯正部の表面温度を表面割れ危険温度域外とすることができる。
【００２５】
【実施例】
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に模式的に示す本発明の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。鋳造は４チャージの連続とした。なお、図１に示す本発明の二次冷却装置では、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）を有し、ノズル噴射圧を５〜１００ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲で調整可能で、ノズル−鋳片間距離を２００  〜４００ｍｍ  の範囲で可変である、のものとした。なお、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冷却手段とした。
【００２６】
定常鋳込み、および連々の継目の非定常鋳込みについて、伝熱凝固解析を行い、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・矯正部の表面温度が表面割れ発生領域外となるように、鋳造速度、熱伝達係数αを求める。ついで、予め決定しておいた熱伝達係数αと鋳片表面温度Ｔｓ  、衝突圧Ｐｃ  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  から、適正なノズル噴射圧Ｐ、ノズル水量Ｑ、ノズル−鋳片間距離Ｈを求め、衝突圧可変冷却手段２Ａのプランジャーポンプ４の回転数をインバータ制御して、二次冷却し、本発明例とした。
【００２７】
また、図１の衝突圧可変冷却手段に代えて、（ａ）噴射圧１００ｋｇｆ／ｃｍ２の一定圧で高圧スプレーする冷却手段、あるいは（ｂ）噴射圧５０ｋｇｆ／ｃｍ２  の一定圧で、ノズル−鋳片間距離を３００ｍｍ  一定で、高圧スプレーする冷却手段、（ｃ）噴射圧２５ｋｇｆ／ｃｍ２  の一定圧で、ノズル−鋳片間距離を３００ｍｍ  一定とし、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し、比較例とした。なお、冷却手段を全てエアミストスプレーとした場合を、従来例とした。
【００２８】
得られた鋳片について、表面２ｍｍ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、表面割れ性を評価した。割れ個数が０個／ｍの場合を○、０〜０．５  個／ｍの場合を△、０．５  個／ｍ以上の場合を×として評価した。
また、各二次冷却装置を用いた場合について、クレータエンドが各二次冷却装置内に収めることができる最大鋳造速度を求めた。従来例（鋳造速度：１．０  ｍ／ｍｉｎ  ）を基準として、鋳造速度の向上が０〜３０％未満の場合を△、３０％以上の場合を○として鋳造速度の向上度を評価した。
【００２９】
得られた結果を表２に示す。
【００３０】
【表１】
2004167521.tif 000003
【００３１】
【表２】
2004167521.tif 000004
【００３２】
本発明例は、二次冷却をダイナミックに制御することが可能であり、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、従来例にくらべ３０％以上の鋳造速度の向上が得られる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、連続鋳造の二次冷却において、鋳片に適正かつ均一な冷却が可能となり、非定常部においても表面割れの発生もなく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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の連続鋳造鋳片の二次冷却装置の一例を模式的に示す説明図である。
【図２】熱伝達係数αと衝突圧Ｐｃ  、鋳片表面温度Ｔｓ  との関係の一例を示すグラフである。
【図３】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。
【図４】鋳片表面温度、凝固シェル厚みの変化の計算例を示すグラフである。
【符号の説明】
１  連続鋳造鋳型（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  高圧ノズルヘッダー
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
５１  モータ
５２  制御装置（インバータ制御装置）
６  鋳片（連続鋳造鋳片）
７  二次冷却配管
【図１】
2004167521.tif 000005
【図２】
2004167521.tif 000006
【図３】
2004167521.tif 000007
【図４】
2004167521.tif 000008