(57)【要約】【課題】  鋳型内の溶融金属の外側から鋳型内の溶融金属のメニスカス近傍に交流磁場を印加し、交流磁場により誘起される電磁力をメニスカス近傍に働かせながら溶融金属を連続鋳造するにあたり、溶融金属のメニスカス部に効率的に電磁力を働かせて表面欠陥を軽減するとともに、気泡及び酸化物系介在物の凝固シェルへの捕捉を抑制する。【解決手段】  水冷機構を有する鋳型３を用い、鋳型によって凝固させた凝固シェル６を連続的に下方に引き抜くとともに、鋳型の外側に配置した電磁コイル４から鋳型内の溶融金属５の湯面９の近傍に交流磁場を印加して、交流磁場に誘起される電磁力を溶融金属の湯面近傍に働かせながら溶融金属を連続鋳造する、電磁力を利用した連続鋳造方法において、前記電磁コイルの鋳造方向の中心位置を、鋳型内の溶融金属湯面９よりも上方に位置させる。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水冷機構を有する鋳型を用い、鋳型によって凝固させた凝固シェルを連続的に下方に引き抜くとともに、鋳型の外側から鋳型内の溶融金属の湯面近傍に交流磁場を印加して、交流磁場に誘起される電磁力を溶融金属の湯面近傍に働かせながら溶融金属を連続鋳造する、電磁力を利用した連続鋳造方法において、前記交流磁場の鋳造方向における磁場分布の最大値を、鋳型内の溶融金属湯面よりも上方に位置させることを特徴とする、電磁力を利用した連続鋳造方法。
【請求項２】
水冷機構を有する鋳型を用い、鋳型によって凝固させた凝固シェルを連続的に下方に引き抜くとともに、鋳型の外側に配置した電磁コイルから鋳型内の溶融金属の湯面近傍に交流磁場を印加して、交流磁場に誘起される電磁力を溶融金属の湯面近傍に働かせながら溶融金属を連続鋳造する、電磁力を利用した連続鋳造方法において、前記電磁コイルの鋳造方向の中心位置を、鋳型内の溶融金属湯面よりも上方に位置させることを特徴とする、電磁力を利用した連続鋳造方法。
【請求項３】
前記交流磁場の周波数は２〜３５ｋＨｚであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の電磁力を利用した連続鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳型内の溶融金属の外側から鋳型内の溶融金属の湯面近傍に交流磁場を印加し、交流磁場により誘起される電磁力を利用して、鋳造される鋳片の表面性状を改善するとともに、気泡や酸化物系介在物の鋳片への捕捉を防止し、高品質の鋳片を得ることを可能とする、電磁力を利用した連続鋳造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水冷された鋳型内に溶鋼などの溶融金属を注入して凝固させ、凝固した鋳片を連続的に鋳型内から引き抜いて連続鋳造を実施する際に、鋳片の凝固は鋳型の壁面から開始して薄い凝固シェルが形成され、下方への引き抜きに伴って、つまり時間の経過に伴って、凝固シェル厚みを増大させつつ、鋳造が進行する。ここで、鋳片を鋳型から安定して連続的に引き抜くには、鋳型と凝固シェルとの潤滑を促進させる必要があり、鋼の連続鋳造においては、鋳型を上下に振動させるとともに、鋳型と凝固シェルとの間にフラックス（モールドパウダー）を強制的に流し込みながら鋳造している。この時、凝固シェルには大きな力が加わり、凝固シェルの変形によるオシレーションマークなどの鋳片表面の欠陥や、凝固シェルの破断（ブレークアウト）のような種々の問題が発生する。このような問題は、鋳造速度の増大に伴ってより一層顕著となる。
【０００３】
これらを解決するには、凝固シェルの強度を維持しつつ、鋳型と凝固シェルとの摩擦力を低減させ、凝固シェルの健全性を高めることが必要であり、このような課題を解決するために、従来から、電磁鋳造と呼ばれる鋳造方法が検討されている。電磁鋳造とは、電磁コイルから発生する交流磁場を鋳片に印加し、交流磁場によって鋳片に誘起される電磁力を利用して鋳造する方法である。
【０００４】
例えば、特許文献１に示されるように、連続鋳造用鋳型の外周に電磁コイルを配置し、溶融金属の鋳型内湯面（以下、「メニスカス」と記す）の近傍に交流磁場を印加する方法が提案されている。このとき、交流磁場を鋳型内部に貫通させる必要があるために、通常、スリットを有する櫛型の水冷鋳型が用いられる。この場合に誘起される電磁力は、凝固シェルや溶融金属を内側に押し込む方向に誘起されるので、鋳型と凝固シェルとの接触圧が軽減し、フラックスの流入が促進され、鋳型と凝固シェルとの潤滑が改善される。その結果、オシレーションマークに代表される表面欠陥は軽減する。
【０００５】
印加される交流磁場の鋳型内分布は電磁コイルの設置位置によって変化するが、交流磁場を溶融金属に効率的に印加するために、一般的に、電磁コイルの中心位置は、特許文献１に示されるように、メニスカスよりも下方に配置され、電磁コイル上端をメニスカス位置と一致させる場合が多い。尚、特許文献１には、磁場印加の更なる効率化を目的として、交流磁場の強度制御のための遮蔽スクリーンを用いた例が示され、溶融金属よりも上方に交流磁場が漏洩しないようにしている。
【０００６】
また、電磁鋳造の特殊な例として、特許文献２には、鋳型内のメニスカス上方に置かれた電磁コイルを用いて、溶融金属の上方から交流磁場を印加する方法が提案されている。しかしながら、この技術は、主として溶融金属の加熱、流動制御を目的としており、このような方法では、電磁力は、主として下向きに誘起されるために、凝固シェルを内側に押し込むことによる潤滑促進効果を得ることはできない。
【特許文献１】特開平８−３３９５９号公報
【特許文献２】特開平７−２５６４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示されるような電磁力を利用した連続鋳造方法では、上記のように電磁力による溶融金属及び凝固シェルの形状制御機能を利用しているが、同時に、交流磁場によって誘起される溶融金属の流動（「電磁流動」ともいう）の影響を大きく受けることから、電磁流動パターンの最適化を図る必要がある。
【０００８】
即ち、交流磁場により誘起される電磁流動パターンを、気泡や酸化物系介在物の凝固シェルへの捕捉を抑制する観点から考察すると、前記特許文献１のように、電磁コイルの上端がメニスカス位置と同等レベルになるように、溶融金属の外側に電磁コイルを配置した場合には、最も大きな電磁力を受ける部分はメニスカスよりも下方となり、その結果、メニスカスでは鋳型の中心部側から外側に向いた流れとなる。つまり、気泡や酸化物系介在物の凝固シェルへの捕捉を抑制する上では、好ましい流れ方向とはいえない。尚、電磁流動の影響は、交流磁場の周波数を低くするほど顕著となる。これは、交流磁場の周波数を低くするほど交流磁場の浸透深さが大きくなるからである。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、鋳型内の溶融金属の外側から鋳型内の溶融金属のメニスカス近傍に交流磁場を印加し、交流磁場により誘起される電磁力をメニスカス近傍に働かせながら溶融金属を連続鋳造するにあたり、溶融金属のメニスカス部に効率的に電磁力を働かせてオシレーションマークに代表される表面欠陥を軽減するとともに、電磁力による溶融金属の流動を効果的に利用することによって気泡及び酸化物系介在物の凝固シェルへの捕捉を抑制することのできる、電磁力を利用した連続鋳造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための第１の発明に係る電磁力を利用した連続鋳造方法は、水冷機構を有する鋳型を用い、鋳型によって凝固させた凝固シェルを連続的に下方に引き抜くとともに、鋳型の外側から鋳型内の溶融金属の湯面近傍に交流磁場を印加して、交流磁場に誘起される電磁力を溶融金属の湯面近傍に働かせながら溶融金属を連続鋳造する、電磁力を利用した連続鋳造方法において、前記交流磁場の鋳造方向における磁場分布の最大値を、鋳型内の溶融金属湯面よりも上方に位置させることを特徴とするものである。
【００１１】
第２の発明に係る電磁力を利用した連続鋳造方法は、水冷機構を有する鋳型を用い、鋳型によって凝固させた凝固シェルを連続的に下方に引き抜くとともに、鋳型の外側に配置した電磁コイルから鋳型内の溶融金属の湯面近傍に交流磁場を印加して、交流磁場に誘起される電磁力を溶融金属の湯面近傍に働かせながら溶融金属を連続鋳造する、電磁力を利用した連続鋳造方法において、前記電磁コイルの鋳造方向の中心位置を、鋳型内の溶融金属湯面よりも上方に位置させることを特徴とするものである。
【００１２】
第３の発明に係る電磁力を利用した連続鋳造方法は、第１または第２の発明において、前記交流磁場の周波数は２〜３５ｋＨｚであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、鋳型の外側から印加する交流磁場の鋳造方向における磁場分布の最大値を、鋳型内の溶融金属のメニスカスよりも上方に位置させるので、溶融金属に誘起される流動は、最も磁場強度の強いメニスカス表面では鋳型壁面から鋳型中心部に向いた流動となり、その結果、凝固シェル界面では上向きの流れとなる。この上向きの流れにより、凝固シェルへの気泡及び酸化物系介在物の捕捉が抑制される。更に、上向きの流れであるので、気泡及び酸化物系介在物は、凝固シェル先端部の所謂「爪部」へ引っ掛かることもなく、メニスカス表面に洗い流される。また、凝固シェルには鋳型中心部に向いた電磁力が誘起されるので、従来と同様に、オシレーションマークに代表される表面欠陥を抑制することができる。かくして、表面欠陥並びに表層部での気泡、酸化物系介在物の少ない高品質の鋳片を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１及び図２は、本発明を鋼のスラブ連続鋳造機に適用した例を示す連続鋳造機鋳型部の概略図であり、図１は、電磁コイルを鋳型上部の外周に設置した例を示し、図２は、図１の斜視図である。但し、図１は、スラブ鋳片の厚み方向から見た図であり、図２では、鋳型上部の外周に設置される電磁コイルを省略している。
【００１５】
図１及び図２において、タンディッシュ１の底部に配置された浸漬ノズル２の吐出孔８を介して、タンディッシュ１から鋳型３に溶鋼５が注入されている。鋳型３は冷却水によって冷却されており、鋳型３に注入された溶鋼５は鋳型３によって冷却され、鋳型３との接触面に凝固シェル６を形成する。そして、凝固シェル６を外殻とし、内部を未凝固の溶鋼５とする鋳片は、連続的に下方に引き抜かれ、鋳型内のメニスカス９の位置がほぼ一定位置に保持される。凝固シェル６は下方に引き抜かれるに応じて、鋳型３による冷却によって、凝固シェル厚みを増加させる。メニスカス９の上には、凝固シェル６と鋳型３との潤滑剤、メニスカス９を空気から遮断するための酸化防止剤及び溶鋼５の保温剤などの機能を有するモールドパウダー７が添加されている。
【００１６】
鋳型３の上部外周には、鋳型内溶鋼のメニスカス９の近傍に対して交流磁場を印加するための電磁コイル４が設置されている。この電磁コイル４は、鋳型３のほぼ全周に亘って設置されている。この場合、電磁コイル４の鋳造方向の中心位置がメニスカス９よりも上方になるように、電磁コイル４は配置されている。メニスカス９と電磁コイル４の鋳造方向の中心位置との距離は、５〜５０ｍｍ程度とすればよい。尚、本発明では、電磁力による凝固シェル６の形状制御機能を利用するために高周波の交流磁場を印加する。
【００１７】
鋳型３の上部には、貫通するスリット１０が設置されている。このスリット１０により、高周波の交流磁場による鋳型３での誘導電流が遮断され、鋳型３による高周波交流磁場のロスが抑制される。この場合、スリット１０の隙間は、溶鋼５や溶融したモールドパウダー７がスリット１０の内部に差し込まないようにするために狭くする。具体的には、２．０ｍｍ以下程度とする。また、スリット１０の内部に耐火物などの絶縁体を充填させてもよい。スリット１０の範囲は、原則として電磁コイル４の設置された範囲とするが、それ以上であっても、またそれ以下であっても構わない。尚、凝固シェル６の凝固収縮や変形による欠陥発生を防止する目的で、鋳型３にテーパーを付与すると、より安定した鋳造が可能となる。
【００１８】
鋳造中、電磁コイル４から交流磁場を印加する。交流磁場を鋳型内溶鋼のメニスカス９の近傍に印加すると、誘起される電磁力によりメニスカス９の形状が安定して、鋳型振動に起因する初期凝固部の湯面乱れが抑制されるとともに、鋳型−凝固シェル間の潤滑が改善され、オシレーションマークに代表される湯面変動起因の表面欠陥が著しく減少する。この時、交流磁場の周波数は、およそ２ｋＨｚ以上とすることが好ましい。２ｋＨｚ未満であると、交流磁場の溶鋼内部への浸透深さが増大し、電磁力による溶鋼流動の増大による湯面乱れが大きくなることから、表面性状の改善効果が得られがたい。
【００１９】
電磁コイル４によって印加される交流磁場は、鋳型内にてコイル軸方向に凸型の分布を持ち、電磁コイル４の中心近傍で最大値を示す。前述したように、電磁コイル４の鋳造方向中心位置が鋳型内のメニスカス９よりも上方になるように、電磁コイル４を配置することで、メニスカス９の部分は交流磁場の最大値を示す位置よりも下方に位置することになる。但し、メニスカス９の部分が最も交流磁場の強度が高くなる。
【００２０】
このようにして配置した電磁コイル４から交流磁場を印加することにより、溶鋼５に誘起される流動は、最も大きな電磁力が働くメニスカス９の表面で、鋳型壁面から鋳型中心部に向いた流動となり、その結果、凝固シェル６の界面近傍では上向きの溶鋼流となる。この上向きの溶鋼流により、凝固シェル６への気泡及び酸化物系介在物（以下、単に「介在物」と記す）の捕捉が抑制され、更に、上向きの流れであることから、凝固シェル６の先端部の内側に曲がった所謂「爪部」に捕捉されることなく、気泡及び介在物はメニスカス９の表面に洗い流される。
【００２１】
また、交流磁場の印加により誘起される電磁力によって、溶鋼５の表層は表面圧力を受ける。この圧力がメニスカス９の形状制御作用として働き、メニスカス９の形状安定化をもたらす。この電磁力は、非伝導性である気泡・介在物に対しては電磁斥力として逆方向の力となり、気泡・介在物はメニスカス９の表面に引き付けられて泳動することになる。よって、メニスカス９の近傍で交流磁場が印加されると、気泡・介在物の除去促進効果が得られる。
【００２２】
これらの効果は交流磁場の周波数に依存する。即ち、周波数が低いと交流磁場の浸透深さが大きくなり、交流磁場の影響を受ける範囲が増大するが、電磁力自体は減少してしまい、気泡・介在物を泳動させ得るだけの力が生じない。また、電磁力は泳動の誘起に働き、形状制御効果は小さくなる。一方、周波数が高いと、電磁力は大きくなるとともに、交流磁場が溶鋼５の表層に集中し、形状制御効果は増大するが、交流磁場の浸透深さが浅くなり交流磁場の影響を受ける範囲は狭くなる。
【００２３】
ここで、本発明者等は、表層２〜３ｍｍに有効に働く交流磁場の周波数を検討した結果、２〜３５ｋＨｚの場合に、気泡・介在物の浮上促進効果が得られる可能性があることが分かった。このように、気泡・介在物が溶鋼５の表面に集積できれば、溶融したモールドパウダー７による除去や、鋳片の表面手入れによって高品質の鋳片が得られる。
【００２４】
尚、本発明は上記の説明の範囲に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。上記説明はスラブ連続鋳造機に適用した例であるが、ブルーム連続鋳造機やビレット連続鋳造機であっても、またその断面が矩形以外であっても、上記に沿って本発明を適用することができる。また、通常、電磁コイル４の中心軸は鋳型３の中心軸と並行または一致していることが一般的であるが、偏心させても問題はなく、また更に、鋳型形状に合わせて複数の電磁コイルを配置してもよい。
【実施例１】
【００２５】
厚み１００ｍｍ、幅１００ｍｍの鋳片を鋳造可能な連続鋳造試験機を用いて、鋼の鋳造実験を行った。鋳型には、内面寸法が１００ｍｍ×１００ｍｍの角形、外面寸法が１５０ｍｍ×１５０ｍｍの角形の水冷銅鋳型を用いた。鋳型の上部側１００ｍｍの範囲には、２０ｍｍ間隔でスリットを設置した。鋳造鋼種は、炭素濃度が０．０５質量％の炭素鋼であり、タンディッシュ内の溶鋼過熱度を３０℃とした。高周波誘導加熱炉で鋼を１２０ｋｇ溶解し、成分・温度調整の後に、タンディッシュから浸漬ノズルを介して水冷鋳型の内部に溶鋼を注入した。鋳型振動条件は、振動数６０ｃｐｍ、振幅±４．５ｍｍとし、鋳型内溶鋼の上面にモールドパウダーを投入しつつ、０．８ｍ／分の引き抜き速度で鋳造した。
【００２６】
使用した電磁コイルは、内径１６０ｍｍ角、外径１８０ｍｍ角、高さ５０ｍｍであり、巻き数は４ターンである。この電磁コイルを、鋳型の外周を取り囲むように配置した。メニスカス位置は、鋳型上端から５０ｍｍ下方位置とし、電磁コイルの鋳造方向中心位置を、メニスカス位置に対して１０ｍｍ上方位置となるように、電磁コイルを配置した。
【００２７】
鋳造が安定した後に、電磁コイルによる交流磁場の印加を実施した。電磁コイル電流は１００００Ａとし、交流磁場の周波数は１〜４０ｋＨｚの範囲で５水準に変化させた。また、比較のために磁場を印加しない試験も行った。
【００２８】
鋳造された鋳片を目視で観察してオシレーションマークの有無を調査した。また、鋳片表面から１ｍｍごとに段削を行い、表層５ｍｍまでの介在物・気泡の存在頻度を計測して比較した。表１に、各試験の試験条件及び鋳片の調査結果を示す。尚、表１に示す、鋳片の介在物・気泡の存在頻度は、磁場を印加しないとき（試験１）の頻度を１００として指数化して示した。また、表１の評価の欄の符号は、×：「不良」、△：「可」、○：「良」、◎：「秀」であり、「秀」が最も品質レベルが高いことを表している。
【００２９】
【表１】
2009172638.tif 000003
【００３０】
表１に示すように、磁場を印加しない鋳片では、明瞭な横縞状の凹み、即ちオシレーションマークが存在したが、交流磁場の印加によってオシレーションマークが軽減されることが確認できた。また、周波数を３〜３０ｋＨｚの範囲とした試験３〜５では、鋳片の介在物・気泡の存在頻度が少なく、交流磁場の印加によってこれらが減少することが確認できた。
【実施例２】
【００３１】
厚み１００ｍｍ、幅１００ｍｍの鋳片を鋳造可能な連続鋳造試験機を用いて鋼の鋳造実験を行った。鋳造鋼種は、炭素濃度が０．０５質量％の炭素鋼であり、タンディッシュ内の溶鋼過熱度を３０℃とした。高周波誘導加熱炉で鋼を１２０ｋｇ溶解し、成分・温度調整の後に、タンディッシュから浸漬ノズルを介して水冷鋳型の内部に溶鋼を注入した。鋳型振動条件は、振動数６０ｃｐｍ、振幅±４．５ｍｍとし、鋳型内溶鋼の上面にモールドパウダーを投入しつつ、０．８ｍ／分の引き抜き速度で鋳造した。鋳型の上部側１００ｍｍの範囲には、２０ｍｍ間隔でスリットを設置した。
【００３２】
使用した電磁コイルは、内径１６０ｍｍ角、外径１８０ｍｍ角、高さ５０ｍｍであり、巻き数は４ターンである。この電磁コイルを、鋳型の外周を取り囲むように配置した。メニスカス位置は、鋳型上端から５０ｍｍ下方位置とし、電磁コイルの鋳造方向中心位置を、メニスカス位置に対して５０ｍｍ上方位置から５０ｍｍ下方位置の範囲で６水準に変化させた。
【００３３】
鋳造が安定した後に、電磁コイルによる交流磁場の印加を実施した。電磁コイル電流は１００００Ａとし、交流磁場の周波数は１０ｋＨｚとした。また、比較のために磁場を印加しない試験も行った。
【００３４】
鋳造された鋳片を目視で観察してオシレーションマークの有無を調査した。また、鋳片表面から１ｍｍごとに段削を行い、表層５ｍｍまでの介在物・気泡の存在頻度を計測して比較した。表２に、各試験の試験条件及び鋳片の調査結果を示す。尚、表２に示す、鋳片の介在物・気泡の存在頻度は、磁場を印加しないとき（試験７）の頻度を１００として指数化して示した。また、表２の評価の欄の符号は、×：「不良」、○：「良」、◎：「秀」であり、「秀」が最も品質レベルが高いことを表している。また更に、表２のコイル中心−湯面距離の欄の「マイナスの値」は、電磁コイルの鋳造方向中心位置の方がメニスカスよりも下方であることを表している。
【００３５】
【表２】
2009172638.tif 000004
【００３６】
表２に示すように、電磁コイルの鋳造方向中心位置がメニスカスよりも上方である場合に、鋳片の介在物・気泡の存在頻度が少なくなることが確認できた。但し、試験８のように、電磁コイルの鋳造方向中心位置とメニスカス位置との距離が拡大すると、介在物・気泡の低減効果は減少する傾向であった。また、鋳片の表面性状は、試験１３では、鋳型内溶鋼の内部に強い流動が誘起され表面乱れが大きかったが、交流磁場を印加した、その他の試験８〜１２では、良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を鋼のスラブ連続鋳造機に適用した例を示す連続鋳造機鋳型部の概略図であり、電磁コイルを鋳型上部の外周に設置した例を示す図である。
【図２】図１の斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  タンディッシュ
２  浸漬ノズル
３  鋳型
４  電磁コイル
５  溶鋼
６  凝固シェル
７  モールドパウダー
８  吐出孔
９  メニスカス
１０  スリット
【図１】
2009172638.tif 000005
【図２】
2009172638.tif 000006