(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モールドの外周に胴巻きにされた交流磁束及び直流磁束を生成する共用コイルと、
前記共用コイルを交流励磁する交流電源と、
前記共用コイルを直流励磁する直流電源と、を具備し、
前記直流電源は、前記交流電源が交流電力を出力している間は直流電力を停止し、前記交流電源が停止している間に直流電力を供給するものであり、かつ、前記交流電力と前記直流電力は交互に供給され、前記直流電力は交互に逆向きに流れる直流電流により供給される溶融金属流動制御装置。
【請求項２】
前記交流電源及び直流電源の双方の出力が休止する休止期間を備える請求項１に記載の溶融金属流動制御装置。
【請求項３】
前記モールドが、辺長がＬＡ［ｍｍ］、厚みがＬＢ［ｍｍ］である矩形であり、
溶融金属を注入するための浸漬ノズルの直径Ｄ［ｍｍ］が次式を満足する請求項１または２に記載の溶融金属流動制御装置。
（Ｌ−２×ａ）×０．７≦ Ｄ ≦ （Ｌ−２×ａ）×１．３
ただし、Ｌ ＝ （ＬＡ×ＬＢ）1/2［ｍｍ］
ａは交流電力で励磁したときの溶融金属の盛り上り高さ［ｍｍ］
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶融金属流動制御装置に係り、特にモールド内の溶融金属のメニスカス部に発生する流動不安定を抑制することの可能な溶融金属流動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶鉱炉で溶融された溶鋼からスラブ又はビレットを生産する連続鋳造においては、レードル内の溶鋼はタンディシュを介して浸漬ノズルからモールド内に注入される。そして、溶鋼はモールド底面から引き出されスラブ又はビレットに成形される。
【０００３】
成形の際、モールド内の溶鋼に水平方向の温度が不均一である場合には製品に表面割れやシェル破断が生じやすいので、モールド側壁上端にリニアモータコイルを設置し、溶鋼に循環力を付与させることが既に提案されている。
さらに製品の品質を一層向上させるために、メニスカス上に添加されたパウダの溶鋼とモールドの境界への巻き込みを促進するべく、所定周期ごとに高電圧と低電圧（零電圧も含む）を繰り返す交流電力による励磁を繰り返す、いわゆるパルス電磁攪拌も提案されている。
【０００４】
図１はパルス電磁攪拌を適用した場合の１辺の長さが１６００ｍｍである正方形の従来のビレット製造用のモールドの上面図（イ）及びＸ−Ｘ断面図（ロ）であって、モールド１０の周囲には電磁攪拌コイル１１が胴巻きにされ、モールド１０の中央には浸漬ノズル１２が設置される。
パルス電磁攪拌を適用した場合はメニスカスはモールド１０の両側壁から浸漬ノズル１２に向かって盛り上がる形状となるため、メニスカス近傍の溶鋼に浸漬ノズル１２からモールド周壁に向かう流れが発生する。
【０００５】
そして、電磁攪拌コイル１１は所定周期ごとに高電圧と低電圧を交互に繰り返す交流電力を出力する交流電源１３によって励磁されるため、浸漬ノズル１２からモールド周壁に向かう溶鋼の流れの速度は時間的に変動し、メニスカスに凹凸が発生し、ビレットに表面割れやシェル破断が発生し易くなる。
そこでメニスカスにおける流れの変動を抑制するために、浸漬ノズル１２を例えば直径９００ｍｍと太くしてメニスカス表面積を小とする等の対策が立てられている。
【０００６】
図２は直径９００ｍｍの浸漬ノズルを具備する一辺が１６００ｍｍの正方形のモールドの壁面に沿うメニスカスの基準レベルからの変動を示すグラフであって、横軸はモールド内周をＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａの順に一周する距離を、縦軸はメニスカスの基準レベルからの変動を表す。
即ち、この場合は最大変動は＋５ｍｍ、最小変動は−５ｍｍであり、振幅は約１０ｍｍとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ビレットの生産性を高めるためにモールドの辺長を２２００ｍｍにまで長くした場合には最大変動は＋１５ｍｍ、最小変動は−２０ｍｍ、振幅は３５ｍｍとなり、溶鋼の速度の変動を十分に抑制することが困難となり、ビレットの品質が劣化することを回避できない。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、メニスカス近傍における溶鋼の速度の変動を抑制することの可能な溶融金属の流動制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の溶融金属流動制御装置は、モールドの外周に胴巻きにされた交流磁束及び直流磁束を生成する共用コイルと、前記共用コイルを交流励磁する交流電源と、前記共用コイルを直流励磁する直流電源と、を具備し、前記直流電源は、前記交流電源が交流電力を出力している間は直流電力を停止し、前記交流電源が停止している間に直流電力を供給するものであり、かつ、前記交流電力と前記直流電力は交互に供給され、前記直流電力は交互に逆向きに流れる直流電流により供給されるものである。
【００１０】
前記直流電源は、前記交流電源が停止している間は交互に逆向き電流の直流電力の供給することもできる。
【００１１】
前記交流電源及び直流電源の双方の出力が休止する休止期間を備えることもできる。
【００１２】
前記モールドが、辺長がＬＡ［ｍｍ］、厚みがＬＢ［ｍｍ］である矩形であり、
溶融金属を注入するための浸漬ノズルの直径Ｄ［ｍｍ］が次式を満足する請求項１から３のいずれか１項に記載の溶融金属流動制御装置。
（Ｌ−２×ａ）×０．７≦ Ｄ ≦ （Ｌ−２×ａ）×１．３
ただし、Ｌ ＝ （ＬＡ×ＬＢ）1/2［ｍｍ］
ａは交流電力で励磁したときの溶融金属の盛り上り高さ［ｍｍ］
【００１６】
【発明の実施の形態】
図３は本発明の第１の実施形態に係る溶融金属の流動制御装置の構成図であって、（イ）は上面図、（ロ）はＹ−Ｙ断面図である。
即ち、第１の実施形態に係る溶融金属の流動制御装置は、一辺の長さＬが２２００ｍｍである正方形のモールド３０に胴巻きにされた電磁攪拌コイル３１及び浸漬ノズル３２の他に、電磁攪拌コイル３１の外側に電磁攪拌コイル３１と同じくモールド３０に胴巻きにされた直流コイル３３を具備している。
【００１７】
そして、電磁攪拌コイル３１は交流電源３４から供給される交流電力によって間欠的に励磁され、直流コイル３３は直流電源３５から供給される直流電力によって励磁される。
交流電力で励磁された電磁攪拌コイル３１によって生成される交流磁束によって溶融金属は浸漬ノズル３２を中心として凸形に盛り上がるため、溶融金属は浸漬ノズル３２からモールド周壁に向かい流動する。
【００１８】
しかし交流磁束はパルス状に変動するため、溶融金属の流速は時間的に変動する。そこでこの変動を抑制するために、直流コイル３３を直流電力で励磁する。
図４は本発明の第１の実施形態に係る溶融金属の流動制御装置の動作説明図である。
即ち、メニスカスにおいて直流コイル３３が発生する直流磁束Ｂz が溶融金属に対し垂直上向きに作用する。また溶融金属はモールド３０の中央から周壁に向かい速度Ｖy で流動している。よって、溶融金属中にはフレミングの右手の法則に従って壁面と平行に流れる電流Ｉx が惹起される。
【００１９】
すると、直流磁束Ｂz と電流Ｉx の相互作用によりフレミングの左手の法則に従って、速度Ｖy と逆方向、即ちモールド３０の周壁から中央に向かうローレンツ力Ｆy が発生し、溶融金属の速度を減速する方向に作用する。
即ち、溶融金属の速度が大であればローレンツ力Ｆy も大となり、溶融金属の速度が小であればローレンツ力Ｆy も小となり、溶融金属の速度の変動が抑制される。
【００２０】
図５は直流コイルの設置効果の説明図であって、横軸は時間を、縦軸は溶融金属の流速を示す。また、直線は直流コイルを励磁した場合を、破線は直流コイルを励磁しない場合を示す。
即ち、直流コイルを励磁した場合は溶融金属の流動変動が抑制されているが、これは溶融金属の速度Ｖy が大であると電流Ｉx が大となりその結果ローレンツ力Ｆy が大となり、溶融金属の速度Ｖy が小であると電流Ｉx が小となりその結果ローレンツ力Ｆy が小となるからである。
【００２１】
上記から明らかなように、直流コイルが発生する磁束密度は交流コイルによる溶融金属の攪拌を妨げずに溶融金属の速度の変動を抑制できればよく、０．０５〜０．６テスラ程度で足りる。
なお交流コイル３１と並列に共振コンデンサ３５を挿入することにより交流電源３４の電源容量を低減することも可能である。
【００２２】
上記第１の実施形態においては、交流コイルと直流コイルを別個のコイルとしているが、共にモールドに胴巻きにしたコイルであるため交流電力と直流電力を重畳した電力で励磁することによりコイルを１つとすることが可能である。
図６は本発明の第２の実施形態に係る溶融金属の流動制御装置の構成図であって、（ハ）は上面図、（ニ）はＹ−Ｙ断面図である。
【００２３】
即ち第２の実施形態に係る溶融金属の流動制御装置は、一辺の長さＬが２２００ｍｍである正方形のモールド３０に胴巻きにされた共用コイル６１及び浸漬ノズル３２を具備している。
そして、共用コイル６１は交流電源３４から供給される交流電力によって間欠的に励磁されるとともに直流電源３５から供給される直流電力によっても励磁される。
【００２４】
図７及び図８は共用コイルの励磁方法の説明図（その１）及び（その２）であって、（ホ）は交流電源３４と直流電源３５を単純に直列接続した場合である。即ち、直流電源３５は電圧ＶDCである直流電力を常時供給し、交流電源３４はＰ−Ｐ電圧がＶACである交流電力を５０ミリ秒ごとに５０ミリ秒間間欠的に供給する。
【００２５】
この場合は共用コイル６１の定格電流は交流電流と直流電流の和から決定されるため、共用コイル６１の巻線を太くしなければならない。
（ヘ）は交流電力と直流電力を交互に印加する場合であって、共用コイル６１の定格電流は交流電流と直流電流の大きい方（通常は交流電流）によって規定されるので、共用コイル６１の巻線を必要以上に太しなくてもすむ。
【００２６】
ただし、この場合直流電流は常に一方向に流れるため、電源に含まれる複数のスイッチング素子のなかで導通状態となる素子と阻止状態となる素子が固定されてしまい、導通状態となる素子の発熱が大となることを回避できない。
（ト）は上記課題を解決するためのもので、交流電力と直流電力を交互に印加するとともに、直流電流を交互に逆向きに供給する場合を示す。
【００２７】
即ちこの場合は、
ＶDC→ＶAC→−ＶDC→ＶAC→ＶDC
の順に電力を供給することによりスイッチング素子の発熱を均等にすることが可能となる。
（チ）はさらに共用コイルに電力を供給しない休止期間を設ける場合であって、例えば渦電流式湯面計で湯面レベルを計測する場合に交流電力及び直流電力による励磁の影響を排除することが可能となる。
【００２８】
なお、第２の実施形態においても共振コンデンサ３６を適用可能であることは明らかである。
さらに溶融金属の速度の変動を一層抑制するために、浸漬ノズル３２の直径をモールドの辺長の増加割合以上に浸漬ノズルの直径を大きくしてメニスカスの表面積を減少することが有効である。
【００２９】
即ち、辺長を１６００ｍｍから２０００ｍｍに増加した場合には、浸漬ノズルの直径を９００ｍｍから１２４０ｍｍの増加すれば溶融金属の注入時間を一定に維持することが可能であるが、浸漬ノズルの直径を以下のように定めることにより溶融金属の速度の変動を一層抑制することが可能となる。
交流コイルによる励磁中溶鋼はモールド３０の内壁から浸漬ノズル３２に向かって盛り上がる。そこで、浸漬ノズル３２の直径Ｄは次式によって決定すると、溶融金属の速度の変動が効果的に抑制される。
【００３０】
（Ｌ−２×ａ）×０．７≦  Ｄ  ≦  （Ｌ−２×ａ）×１．３
ただし、Ｌ  ＝  （ＬＡ×ＬＢ）1/2 
ＬＡはモールドの辺長
ＬＢはモールドの壁厚
ａは交流励磁したときの溶融金属の盛り上り高さ
モールドの一辺長が２２００ｍｍ厚みが２５０ｍｍである場合は、交流励磁による溶鋼の盛り上がり高さａは約２５０ｍｍであるので、浸漬ノズル３２の直径Ｄは、
Ｄ  ＝  ７４２  −  ２×２５０  ＝  ２４２
１６９≦  Ｄ  ≦３１５
となる。
【００３１】
図９は本発明の効果の説明図であって、横軸は一辺長が２２００ｍｍの正方形のモールドの内周をＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａの順に一周する距離を、縦軸はメニスカスの基準レベルからの変動を表す。また、破線は浸漬ノズル３２の直径が１４０ｍｍで直流コイルを励磁しない場合を、実線は浸漬ノズル３２の直径が２００ｍｍで直流コイルを励磁した場合を示す。
【００３２】
即ち、浸漬ノズル３２の直径が１４０ｍｍで直流コイルを励磁しない場合のメニスカスの最大振幅は３５ｍｍに達するが、浸漬ノズル３２の直径が２００ｍｍで直流コイルを励磁した場合は最大振幅を１５ｍｍに抑制することが可能となる。
なお、浸漬ノズル３２の直径を上式により決定した場合には直流コイルを励磁しなくてもある程度溶融金属の流速変動は抑制される。
【００３３】
【発明の効果】
第１の発明に係る溶融金属の流動制御装置によれば、溶融金属のメニスカスに垂直の直流磁束が作用し、モールド中心から周壁に向かう溶融金属の速度の変動を抑制することが可能となる。
また、交流磁束及び直流磁束を１つの共用コイルによって生成するので、構成を簡略化することが可能となる。
【００３４】
さらに、共用コイルの定格電流を交流電力の電流及び直流電力の電流のうち大電流である一方のみによって決定すればよいので、共用コイルの大型化を防止できる。
さらにまた、直流電力は交互に逆向きに供給されるので、電源内のスイッチング素子の発熱を均一にすることができる。
【００３５】
第２の発明に係る溶融金属の流動制御装置によれば、コイルに電力が供給されない期間が存在するので、湯面を正確に計測することが可能となる。
第３の発明に係る溶融金属の流動制御装置によれば、モールドを大型化した場合にもモールド周壁と浸漬ノズルの間の最小隙間が溶融金属の盛り上がり高さと等しくなるように浸漬ノズルの直径を定めることにより、溶融金属の速度の変動をさらに抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のビレット製造用モールドの上面図及びＸ−Ｘ断面図である。
【図２】メニスカスの基準レベルからの変動を示すグラフである。
【図３】第１の実施形態に係る溶融金属の流動制御装置の構成図である。
【図４】第１の実施形態に係る溶融金属の流動制御装置の動作説明図である。
【図５】直流コイルの設置効果の説明図である。
【図６】第２の実施形態に係る溶融金属の流動制御装置の構成図である。
【図７】共用コイルの励磁方法の説明図（その１）である。
【図８】共用コイルの励磁方法の説明図（その２）である。
【図９】本発明の効果の説明図である。
【符号の説明】
３０…モールド
３１…交流磁束発生用コイル
３２…浸漬ノズル
３３…直流磁束発生用コイル
【図１】
0004288020.tif 000002
【図２】
0004288020.tif 000003
【図３】
0004288020.tif 000004
【図４】
0004288020.tif 000005
【図５】
0004288020.tif 000006
【図６】
0004288020.tif 000007
【図７】
0004288020.tif 000008
【図８】
0004288020.tif 000009
【図９】
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