(57)【要約】【課題】溶融金属の連続鋳造において、連続鋳造鋳型内の溶融金属に流動を生じさせることにより、非金属介在物が鋳片の特に表面付近に捕捉されることを防止し、有効に鋳片の品質を向上する連続鋳造方法及び連続鋳造装置を提供する。【解決手段】溶融金属の連続鋳造方法であって、連続鋳造鋳型１内の溶融金属表面直下の厚み中央部における溶融金属２の温度を液相線温度＋５℃以上とし、連続鋳造鋳型内において固液界面に沿った溶融金属２の強制流動を起こさせることを特徴とする溶融金属の連続鋳造方法。連続鋳造鋳型１の外周に鉄心を有したリニアモーター電磁コイル５を配置し、該電磁コイル５によって溶融金属２に流速を付与する。連続鋳造鋳型１の外周に電磁誘導コイル８を配置し、電磁誘導コイル８によって溶融金属２にジュール熱を付加することによって溶融金属を加熱する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属の連続鋳造方法であって、連続鋳造鋳型内の溶融金属表面直下の厚み中央部における溶融金属の温度を液相線温度＋５℃以上とし、連続鋳造鋳型内において固液界面に沿った溶融金属の強制流動を起こさせることを特徴とする溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項２】
連続鋳造鋳型の外周に鉄心を有したリニアモーター電磁コイルを配置し、該電磁コイルによって溶融金属に流速を付与することを特徴とする請求項１に記載の溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項３】
前記連続鋳造鋳型内における溶融金属の強制流動は、溶融金属表面直下の鋳型長辺の１／４幅部において、固液界面に垂直な方向に固液界面から１０ｍｍ離れた部分における溶融金属の流速を０．２ｍ／ｓ以上とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項４】
連続鋳造鋳型内の溶融金属を加熱することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項５】
連続鋳造鋳型の外周に電磁誘導コイルを配置し、該電磁誘導コイルによって溶融金属にジュール熱を付加することによって溶融金属を加熱することを特徴とする請求項４に記載の溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項６】
前記溶融金属表面直下とは、溶融金属表面から０．０５〜０．１ｍ下方の範囲であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項７】
前記溶融金属は、液相線温度と固相線温度の差が５℃未満であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項８】
連続鋳造鋳型の外周に配置したリニアモーター電磁コイルと電磁誘導コイルとを有し、該リニアモーター電磁コイルは鉄心を有し、該リニアモーター電磁コイルは連続鋳造鋳型内の溶融金属に流速を付与することができ、該電磁誘導コイルは連続鋳造鋳型内の溶融金属を加熱することができることを特徴とする溶融金属の連続鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属の連続鋳造方法及び連続鋳造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶鋼をはじめとする溶融金属を連続鋳造するに際しては、連続鋳造鋳型内に溶融金属を注入し、連続鋳造鋳型と溶融金属との接触部において溶融金属を凝固させて凝固シェルを形成し、凝固を進行させつつ凝固シェルを下方に引抜き、最終的に鋳片を形成する。
【０００３】
連続鋳造鋳型内に注入される溶融金属中には、脱酸生成物をはじめとする微細な非金属介在物が含まれている。この非金属介在物が凝固シェル中に取り込まれて凝固が完了すると、金属製品の品質欠陥の原因となるので、溶融金属中の非金属介在物は極力連続鋳造鋳型内で浮上させ、溶融金属中から排除することが重要である。
【０００４】
例えば、鋼スラブを連続鋳造する場合、矩形の鋳造用鋳型の長辺側に沿って移動磁界生成コイルを配置して該コイルに交流電流を流し、それによって生じる移動磁界を溶鋼に印加させ、鋳型内の溶鋼横断面方向に旋回攪拌流を形成し、その結果溶鋼の偏析・酸化物の凝固シェルへの付着等を防止して欠陥の少ない鋳片を鋳造する技術、いわゆる電磁攪拌が知られている。その代表的な文献を挙げれば、「電磁力を利用したマテリアルプロセシング（第１２９・１３０回西山記念技術講座　１９８９年４月）に、交流磁場の電磁誘導及び攪拌技術と効果に関して説明されている。また、連続鋳造鋳型に配置した電磁攪拌装置の構造例として特公昭５８−４９１７２号公報に「連続鋳造用電磁攪拌装置」が開示されている。
【０００５】
この鋳型内電磁攪拌においては、連続鋳造鋳造内の溶融金属に水平に旋回する流れを形成し、鋳片表層にあたる凝固シェル前面に一定の流速を付与することにより、鋼中に存在する不純物粒子である脱酸により溶鋼に混在するアルミナやスラグ系の介在物を洗い流し、鋳片の表層の品質を高めることが可能であることが示されている。
【０００６】
凝固シェル前面の溶融金属が流動している場合においても、凝固シェルの凝固は進行している。溶融金属中の粒子が単純に凝固シェルに平行に移動しているだけでは、凝固の進行に伴う固液界面の前進により、結局、粒子は凝固シェルに捕捉されてしまう。一方、粒子がシェルの凝固方向に凝固速度よりも速い速度で凝固シェルから遠ざかる速度成分を有していれば、粒子が凝固シェルに捕捉されることはない。従って、この捕捉現象は、シェルの凝固速度とシェルからの粒子の離反速度の差で決まっている。
【０００７】
溶融金属が流速を有する場合、固液界面近傍の溶融金属は速度境界層を有し、固液界面に近づくほど流速が小さくなる。このため、この速度境界層内に存在する粒子は、固液界面から遠ざかる方向に力を受け、固液界面から遠ざかる方向の速度成分を有することとなる。溶融金属の流速が速いほど、粒子が固液界面から遠ざかる速度成分も大きくなる。鋳型内電磁攪拌においては、このような原理に基づき、溶融金属中に懸濁する粒子が凝固シェルに捕捉されるのを防止し、連続鋳造鋳片の清浄化を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に凝固シェル前面における溶融金属の流速を上昇させると、凝固シェル前面の温度勾配が大きくなり抜熱が促進され凝固速度が上昇するので、結果的に粒子が固液界面から遠ざかる速度と凝固シェルの凝固速度との速度差がかえって小さくなるという矛盾する現象があり、鋳片表層の清浄化効果を小さくするという矛盾があった。
【０００９】
本発明は、溶融金属の連続鋳造において、連続鋳造鋳型内の溶融金属に流動を生じさせることにより、非金属介在物が鋳片の特に表面付近に捕捉されることを防止し、有効に鋳片の品質を向上する連続鋳造方法及び連続鋳造装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）溶融金属の連続鋳造方法であって、連続鋳造鋳型１内の溶融金属表面直下の厚み中央部における溶融金属２の温度を液相線温度＋５℃以上とし、連続鋳造鋳型内において固液界面に沿った溶融金属２の強制流動を起こさせることを特徴とする溶融金属の連続鋳造方法。
（２）連続鋳造鋳型１の外周に鉄心を有したリニアモーター電磁コイル５を配置し、該電磁コイル５によって溶融金属２に流速を付与することを特徴とする上記（１）に記載の溶融金属の連続鋳造方法。
（３）前記連続鋳造鋳型内における溶融金属２の強制流動は、溶融金属表面直下の鋳型長辺の１／４幅部において、固液界面に垂直な方向に固液界面から１０ｍｍ離れた部分における溶融金属の流速を０．２ｍ／ｓ以上とすることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の溶融金属の連続鋳造方法。
（４）連続鋳造鋳型内の溶融金属２を加熱することを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の溶融金属の連続鋳造方法。
（５）連続鋳造鋳型１の外周に電磁誘導コイル８を配置し、電磁誘導コイル８によって溶融金属２にジュール熱を付加することによって溶融金属を加熱することを特徴とする上記（４）に記載の溶融金属の連続鋳造方法。
（６）前記溶融金属表面直下とは、溶融金属表面から０．０５〜０．１ｍ下方の範囲であることを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の溶融金属の連続鋳造方法。
（７）前記溶融金属は、液相線温度と固相線温度の差が５℃未満であることを特徴とする上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の溶融金属の連続鋳造方法。
（８）連続鋳造鋳型１の外周に配置したリニアモーター電磁コイル５と電磁誘導コイル８とを有し、リニアモーター電磁コイル５は鉄心７を有し、リニアモーター電磁コイル５は連続鋳造鋳型１内の溶融金属２に流速を付与することができ、電磁誘導コイル８は連続鋳造鋳型１内の溶融金属２を加熱することができることを特徴とする溶融金属の連続鋳造装置。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１、２に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
本発明においては、連続鋳造鋳型１内の溶融金属表面直下の厚み中央部における溶融金属２の温度を液相線温度＋５℃以上とし、その状態において、連続鋳造鋳型内で固液界面に沿った溶融金属２の強制流動を起こさせることを特徴とする。連続鋳造鋳型内の溶融金属温度を液相線温度＋５℃以上という高温に保持することにより、鋳型内における凝固シェルの凝固速度を遅くすることができる。その結果、連続鋳造鋳型内で固液界面に沿った溶融金属２の強制流動を起こした場合において、強制流動に伴って溶融金属内の非金属介在物が固液界面から遠ざかる速度を凝固シェルの凝固速度より速い速度に維持することができ、非金属介在物が凝固シェルに捕捉されるのを防止する。これにより、本発明の連続鋳造方法を適用した結果として、鋳片表面近くにおける非金属介在物を低減することが可能になり、鋳片品質を向上することができる。
【００１２】
連続鋳造鋳型内の溶融金属温度は、溶融金属表面直下の厚み中央部、鋳型長辺１ａの１／４幅部において測定している。溶融金属表面直下とは、溶融金属表面から０．０５〜０．１ｍ下方の範囲内とすると好ましい。このように測定部位を特定することにより、凝固シェルの凝固速度や鋳片品質を安定化させることができる。
【００１３】
連続鋳造鋳型内の溶融金属温度を液相線温度＋５℃以上ととするのは、これによって鋳型内における凝固シェルの凝固速度を十分に遅延化させることができ、連続鋳造鋳型内における固液界面に沿った強制流動が十分に効果を発揮して非金属介在物の凝固シェルへの捕捉を防止できるからである。ただし、連続鋳造鋳型内の溶融金属温度が液相線温度＋２０℃を超えると、鋳型内における凝固シェルの再溶解が発生する可能性があるので好ましくない。連続鋳造鋳型内の溶融金属表面直下の厚み中央部、鋳型長辺の１／４幅部における溶融金属温度は、液相線温度＋５℃〜液相線温度＋１５℃の範囲であるとより好ましい。
【００１４】
連続鋳造鋳型内における固液界面に沿った溶融金属の強制流動の発生は、連続鋳造鋳型１の外周に鉄心７を有したリニアモーター電磁コイル５を配置し、該電磁コイル５によって溶融金属２に流速を付与することとすると好ましい。例えばスラブ型連続鋳造装置であれば、図１、２に示すように、鋳型長辺１ａに沿って両長辺面の外側にリニアモーター電磁コイル５を配置する。このリニアモーター電磁コイル５に３相交流電源６を用いて交流電流を流すことにより、鋳型内の溶融金属に移動磁界を発生させ、溶融金属２に強制流動を起こさせる。長辺両サイドの移動磁界の方向を逆方向とすれば、図１に示すように、鋳造方向に垂直な面内において溶融金属２に旋回流４を発生させることができる。
【００１５】
固液界面に沿って溶融金属２に強制流を発生させた場合、固液界面付近には界面に近づくほど速度が小さくなる速度境界層が発生する。しかし、固液界面から１０ｍｍ以上離れれば速度境界層の範囲から外れる。これより鋳造空間３の中心側については、溶融金属空間の中心に近くなるほど磁界の強度が弱くなるので、固液界面から距離が離れるほど流速が徐々に減少する。
【００１６】
本発明においては、連続鋳造鋳型内における溶融金属の強制流動は、溶融金属表面直下の鋳型長辺の１／４幅部において、固液界面に垂直な方向に固液界面から１０ｍｍ離れた部分における溶融金属の流速を０．２ｍ／ｓ以上とすると好ましい。溶融金属の流速が０．２ｍ／ｍｉｎ以上であれば、溶融金属中の粒子が固液界面から遠ざかる速度を十分に付与することができ、鋳片の表面近傍における非金属介在物密度を低減して鋳片品質を向上することができる。一方、溶融金属の流速が０．５ｍ／ｍｉｎを超えると、逆に鋳片の表面近傍における非金属介在物密度の増大が見られるので好ましくない。高速流速における非金属介在物密度の増大は、潤滑剤として用いられるモールドフラックス（パウダー）が、溶鋼流速の増大によって発生する溶融したフラックスと溶鋼の界面の不安定化により多量に液滴として巻き込まれ、一部捕捉されることに起因しているものと考えられる。
【００１７】
溶融金属に強制流を起こさせる範囲は、鋳型内表面直下の溶融金属表面から０．０５〜０．１ｍ下方の範囲を含む領域とすると好ましい。この範囲において溶融金属が固液界面に沿った流速を保持することにより、鋳片表層部における非金属介在物の捕捉を防止することができる。もちろん、溶融金属表面から０．０５〜０．１ｍ下方の範囲において十分な流速を有していれば、それよりもさらに下方の領域における溶融金属の流動については、流動が存在していても存在していなくてもかまわない。
【００１８】
本発明において、連続鋳造鋳型内の特に溶融金属表面直下における強制流動を対象としているのは、溶融金属表面直下の固液界面における非金属介在物の捕捉が問題となるからである。
【００１９】
連続鋳造鋳型内における溶融金属の流速は、鋳造後の鋳片断面を腐食し組織を可視化し、その樹枝状組織（デンドライト）が流速と一定の関係を有して上流側に傾くことを利用し、その傾きを測定することにより算出するか、あるいは歪ゲージを貼りつけた耐火物ロッドを鋳造中に溶鋼に浸漬し、ロッドの流動による変形により発生する歪を、予めオフラインで検量した値で換算する方法により測定することができる。デンドライトの傾きと流速に関する文献として、例えばＨ．Ｅｓａｋａ　ｅｔ．ａｌ．，　ＩＳＩＪ．ｉｎｔ．Ｖｏｌ．３６，（１９９６），　Ｎｏ．１０，　ｐｐ１２６４−１２７２がある。
【００２０】
連続鋳造鋳型内の溶融金属温度を液相線温度＋５℃以上とするための手段は、連続鋳造鋳型１の外周に電磁誘導コイル８を配置し、電磁誘導コイル８によって溶融金属にジュール熱を付加することによって溶融金属２を加熱することとすると好ましい。電磁誘導コイル８は、例えば図１、２に示すように連続鋳造鋳型１を取り巻くように配置し、この電磁誘導コイル８に単相交流電源９を接続して１００Ｈｚ以下の電流を流すことによって溶融金属２に誘導電流を発生させ、この誘導電流によって溶融金属２をジュール加熱する。
【００２１】
連続鋳造鋳型内の溶融金属表面直下における溶融金属の温度を、液相線温度＋０℃〜５℃の範囲となるように注入を行い、その上で連続鋳造鋳型内で誘導加熱を行って溶融金属温度を１０℃〜１５℃の範囲で加熱することとすると好ましい。これは、適正温度が必要なモールド内で熱を付与すればよいために、タンディッシュ内でそれほど温度を上げる必要がなく、また鋳型内の加熱によってシェルが溶融して鋳片表面性状が悪くならない範囲にとどめたいことによる。
【００２２】
連続鋳造鋳型内の溶融金属温度を液相線温度＋５℃以上とするための手段としては、連続鋳造鋳型内で溶融金属２を誘導加熱するのではなく、例えばタンディッシュ内の溶融金属を加熱することとしても良い。この場合は、プラズマ加熱などの手段を採用することができる。ただし、タンディッシュ内の溶融金属を加熱する手段においては効率が悪いという問題があるので、上記連続鋳造鋳型内における誘導加熱の方が好ましい。
【００２３】
また、連続鋳造鋳型内の溶融金属温度を液相線温度＋５℃以上とするための手段としては、タンディッシュに注入する前の取鍋内溶融金属温度を上昇させる手段を用いることもできる。ただし、この場合には、昇温後ノズルや鋳型内を溶鋼流が通過する際に抜熱を受けてメニスカス直下の温度上昇効率が悪くなるという問題がある。
【００２４】
本発明を適用して連続鋳造を行う溶融金属としては、液相線温度と固相線温度の差が５℃未満の溶融金属において特に有効である。これは、両温度差が小さい場合には、メニスカスの初期凝固部に爪状の凝固を起こしやすく、この爪状のものが介在物の捕捉しやすさを増すことによる。液相線温度と固相線温度の差は、計算によってもしくは測定によって定めることができる。
【００２５】
本発明は、スラブ連続鋳造において最も好ましい結果を得ることができるが、ブルーム連続鋳造やビレット連続鋳造において用いても良好な効果を発揮できることはいうまでもない。
【００２６】
図１、２は鋼のスラブ連続鋳造において本発明を適用した場合における連続鋳造鋳型の一例を示す図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図、図２は斜視図である。連続鋳造鋳型１は、銅板及びステンレス等の板で冷却水流路を備えたバックプレートから成る１対の長辺１ａと短辺１ｂで構成される。この連続鋳造鋳型１で囲まれた鋳造空間内で、鋳造空間３のメニスカス部に、鋳造空間の注入用ノズルを中心として鋳型内溶鋼の上表面付近の溶鋼を旋回運動４させる。溶鋼に旋回運動を起こさせるためのリニアモーター電磁コイルは、移動磁界発生電磁コイル（リニアモーター）５、これに接続された交流電源６によって構成される。これにより、鋳型内溶鋼表面直下における溶鋼は鋳型壁面付近ほど強く水平旋回運動させられる。また旋回流速は概ね磁場の２乗と周波数の積で決まる。また、図１に示すように、リニアモーター電磁コイルの上下には溶鋼加熱用の電磁誘導コイル（８ａ、８ｂ）を配置している。この電磁誘導コイル８で発生した誘導電流は溶鋼にジュール熱を発生し、凝固せんとする溶融金属に熱を供給する。
【００２７】
【実施例】
鋼のスラブ連続鋳造装置において本発明を適用した。図１に示すような、幅１６５０ｍｍ、高さ８００ｍｍ、キャビティー（鋳造空間）厚み２５５ｍｍの鋳型１に対し、鋳造幅と同程度の幅を有し、高さ１５０ｍｍ、厚み１５０ｍｍの鉄芯に３相交流を流すコイル２４本のスロットを有する４ポールリニアモーター電磁コイル５を配置した。さらに該リニアモーター電磁コイル５の上方及び下方に、鋳造方向と同軸に連続鋳造鋳型１を取り囲むように電磁誘導コイル（８ａ、８ｂ）を配置した。
【００２８】
リニアモーター電磁コイル５に交流電流を付加することにより、鋳型内溶鋼に図１に示すような旋回流４を発生させた。鋳型内の溶鋼表面から０．０５〜０．１ｍ下方の長辺１／４幅部の固液界面から１０ｍｍ離れた部分における溶鋼の流速を、前述のデンドライト傾角による方法によって測定した。このようにして測定した溶鋼の流速を、０〜０．６ｍ／ｓの範囲で０．１ｍ／ｓピッチで変化させた。また、電磁誘導コイル８によって付加する磁束密度と周波数を変化させることにより、鋳型内溶鋼を０〜１５℃の範囲で５℃ピッチで変化させて加熱した。
【００２９】
この装置を用いて、鋳造速度１．５ｍ／ｍｉｎで低炭アルミキルド鋼の鋳造を行った。電磁誘導コイル８による加熱を行わない場合において、鋳型内の長辺１／４幅部の厚み中央部において、溶鋼表面から０．０５〜０．１ｍにおける溶鋼温度が液相線温度＋３℃となるように鋳造を行い、上記の種々の処理条件において鋳片品質を比較した。表面及び内部の品質は、図３に示すように、鋳片１０の表層から深さ１０ｍｍまでの表層サンプル１２を切り出し、電解抽出法によって介在物を取り出し、大型介在物個数とその種類（アルミナ系及びパウダー系に識別）別に評価して表層と内部品質への影響を調査した。
【００３０】
品質評価結果を図４に示す。鋳型内溶鋼加熱を行わなかった●印のものは、鋳型内の溶鋼温度が液相線温度＋３℃程度であり、固液界面の流速のいずれの領域においても鋳片表層介在物指数の改善が十分ではなかった。鋳型内溶鋼を５℃加熱した■印は鋳型内溶鋼温度が液相線温度＋８℃程度であり、鋳型内溶鋼を１０℃加熱した△印は鋳型内溶鋼温度が液相線温度＋１３℃程度であり、いずれも、固液界面の流速が０．２〜０．５ｍ／ｍｉｎの範囲において鋳片表層介在物指数が低い値を示し、本発明の効果を発揮していることがわかった。一方、鋳型内溶鋼を１５℃加熱した鋳造については、鋳型内において凝固シェルの再溶解が発生し、ブリードと呼ばれる凝固シェルが一部溶融し鋳片表面状態が悪くなり、一部ブレークアウトしかかった状況となったために鋳造を行うことができなかった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、鋳型内の溶融金属の温度を加熱などの手段によって液相線温度＋５℃以上にしつつ鋳型内容遊金属に強制流動を起こさせることにより、溶融金属中に含まれる非金属介在物が凝固シェルに捕捉されることを防止し、鋳片の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の連続鋳造装置における連続鋳造鋳型近傍を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】本発明の連続鋳造装置における連続鋳造鋳型近傍を示す斜視図である。
【図３】鋳片から採取する品質評価サンプルの採取位置を示す図である。
【図４】溶融金属に付与した流速及び溶融金属の加熱状況と、鋳片表層介在物評価結果との関係を示す図である。
【符号の説明】
１　連続鋳造鋳型
１ａ　鋳型長辺
１ｂ　鋳型短辺
２　溶融金属
３　鋳造空間
４　旋回流
５　リニアモーター電磁コイル
６　３相交流電源
７　鉄心
８　電磁誘導コイル
９　単相交流電源
１０　鋳片
１１　鋳造方向
１２　表層サンプル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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