技術解説

薄板製造プロセスにおける鋳型界面での非定常伝熱特性の検討
松井 邦雄 *
Kunio

Matsui分である。一方、製鉄関係の鋳造プロセスでは薄１．まえがき

板を大量生産するためのスラブ（厚み数百 mm の鉄鋼業の生産品目は大きく分けて構造用型鋼薄板製造のための半製品）を連続鋳造することが（Ｈ型鋼など）、厚板（造船、圧力容器用など）、求められている。現在のスラブ連続鋳造機が出現

薄板（自動車、家電用など）に分けられるが、生する昭和 30 年代以前は金型鋳造（インゴットケー産量の 8 割以上が薄板（業界ではストリップと呼スと呼んでいた）でインゴットを造塊し、加熱炉んでいる）であり、大型製鉄所の設備はほとんどでの昇温後分塊圧延機でスラブを製造していた。

がストリップを生産するために存在するといって現在のスラブ連続鋳造機はスラブ表面の凝固殻も過言ではない。現在でも板厚 1 mm 以下のストを約 10 mm まで凝固させて連続鋳造機から出た直リップを生産するために数多くの圧延機を必要と後から水冷により完全凝固させて鋳造を完了してしており、熱間圧延ラインは数百メートルの長さいる。鋳造現象に水を用いることは非常に危険でに達している。

あり、水冷するタイミングを誤ればごく薄い凝固ストリップキャスターは溶鋼から直接板厚数

殻は内部の高温状態の溶鋼により復熱溶融し（もmm のストリップを生産できる連続鋳造機でありなかの皮が破けて中のあんこが飛び出す現象）、革新的な省設備、省エネが期待できるが、技術的水がかかることから水蒸気爆発を発生する。これには鋳造現象が短時間のためその完成は遅れていをブレークアウトと呼んでいるがスラブ連続鋳造た。最近になってやっとストリップキャスター実機導入当初では各地の製鉄所では頻繁に発生し、用化の計画が本格化してきた。以下ストリップの鉄鋼協会の講演会ではブレークアウトの回数が少生産手法の変遷を交えてストリップキャスター開ないことの学会発表競争をしていた時期もあっ発に必要な鋳型界面での伝熱特性把握の意義につた。スラブ連続鋳造では砂型、金型鋳造とは違いいて紹介する。

凝固時間が数十秒から長くとも数分で安定的に凝砂型鋳造で成型される対象物（大型鋳物部品）

固殻 10 mm を連続して凝固させる必要があり、信は大型のため鋳造が完了する（完全凝固）時間は頼性ある技術の完成に 20 年近く費やしていた。解数時間に及ぶものもあり、押し湯など引け巣防止決に導いた技術の一つとして、鋳型と溶鋼との界が主な課題であるため定常の伝熱特性の把握で十面にフラックスと呼ばれる無機物（Ca、Si などの＊計測事業部

材料試験部

部長

―

28―

酸化物、塩化物：いまだに各社企業秘密となっても内部温度が昇温せず推定できない。そのため表いるものもある）をはさむことで緩冷却凝固特性面から製作上可能な浅い深さ（2.5 mm）に CA 熱にし、凝固殻の不均一を防止できたことが成功の電対をセットして要素実験装置とした。また鋳型原因と言われている。

表面近傍の外部温度測定（R 熱電対）も応答性を

最近は鉄スクラップ量も増加しており生産量はあげるためにセラミックス保護管は使用できず、高炉ほど大量生産を要求されず、また膨大な設備かつ寸法的に保護管を使えば鋳型表面近傍を測定投資額を必要としない薄板製造プロセスが望まれすることもできないので、やむ終えを得ず保護管てきており、溶鋼から直接薄板を鋳造できるストなしで直径数ミクロンの裸Ｒ熱伝対をセットしリップキャスターが注目された。

た。

スラブ連続鋳造プロセスでは緩冷却特性により図１に示す実験装置を用い、駆動シリンダをタ凝固殻厚みを安定化する技術で現在主流の製造プイマーで制御し模擬鋳型を溶鋼プールに約 1 秒間ロセスとなっているが、ストリップキャスターの浸漬して温度変化を測定した。必要とされる時間

凝固時間は 100 ms 程度とスラブ連続鋳造とは 2 桁

帯は 0.1 秒以下であるので当時サンプリング間隔以上凝固時間が短い。この短時間で凝固殻を 1 mm

最速の LA コンピュータ、アナログのオシロチャ

程度凝固させるためには緩冷却法は目的に逆行すートを紙送り速度最大で使用した。

る技術であり、鋳造開始から 100 ms 程度の短時間での鋳型と溶鋼の界面伝熱特性が鋳型材質の選択、操業条件の基本設計にとって非常に重要となる。研究分野ではアモルファステープ作製に利用
エアシリンダーされる単ロール法において鋳型／溶湯界面のヒー

溶鋼例熱電対PR

0〜250 mm

著者はストリップキャスター開発前に上記 100 ms

500 ms

銅ブロック CS熱電対 3本

浸漬深さ

1 µs と極端に短いため参考にすることはできない。

浸漬時間

トフラックスが知られていたが、その凝固時間は2本程度の鋳造時間における鋳型／溶鋼の伝熱特性を求める基礎実験、解析を実施し、現在実用化目前となっているストリップキャスターの基本設計資
100 kg 誘導炉料を提案できたのでその内容を紹介する。
300

溶鋼
S10C
1530℃

２．浸漬実験
耐火物
55

鋳型と溶鋼界面の伝熱特性は界面での鋳型表面温度、溶鋼表面温度が任意の時刻で測定できれば銅ブロック

φ100

界面の熱伝達率は理論的には得ることができる。

φ180

しかし鋳型表面からの距離が 0 の位置に熱電対を埋め込むことは製作上不可能であり、また 100 ms以下の短時間での熱伝達率が必要なので鋳型内部
図１の温度測定から外挿して表面温度を推定する方法―

29―

浸漬実験装置IIC REVIEW/2006/4. No.35

実験結果は鋳型外部の R 熱電対は溶鋼への浸漬

テープ製造の例でもわかるように極短時間では桁時の熱衝撃で断線してたために測定できず、界面違いに大きな熱流束が実現している。比較的長時での熱特性を把握することは温度計測結果からは間鋳造の場合はほとんどが定常となった時間領域できなかった。

での操業のため伝熱特性の非定常を考えなくともしかし、鋳型に付着した時間に対する凝固殻の推定できたと考えられる。ストリップキャスター発達は比較的ばらつきが少なく、信頼性あるデーの場合は（1）（2）式からもわかるように通常のスタが得られた。図２に時間に対する鋳型に付着しラブ連続鋳造とは異なる伝熱特性を示したので次た凝固殻厚みを示す。溶鋼静圧により凝固殻発達

章にこの特性から界面の熱伝達特性を求める手法に違いがあることが予想されたのでそれをパラメを示す。

ータとして実験した結果から違いも明確に現れた。
３．界面の熱伝達率（αB）推定方法
δ = 21.2 √t （溶鋼静圧： 250 mm）（1）

δ = 15.3 √t （溶鋼静圧： 25 mm）（2）

界面の熱伝達率 α B は前述から時間とともに変化することが予想されるため以下のように仮定すδ：凝固厚さ（mm）る。

t ：凝固時間 （分）αB = kt-n

スラブ連続鋳造においても経験則として鋳型内

ただし凝固殻の推定は時間の平方根に比例することは知（3）k、n ：乗数t ：溶鋼接触からの時間（秒）られていたが、その比例乗数は 10 前後と小さい値
αB は時間とともに変化していくが非定常伝熱解クスを使用しないため凝固特性の大幅な向上が期

析を実施するうえで微小時間間隔では見かけ上一待できるとわかり、ストリップキャスター実現が定値（平均値）を採用するので時間 t0 で実験で得夢でないことがわかった瞬間である。またスラブられた凝固厚さ（1）、（2）式になるときの時刻０連続鋳造では上記ルート則から凝固時間内の熱伝から t0 まで αB が一定値であったとする値を αB* と達率は一定値と考えられていたが、アモルファスする。

凝固厚さ δ mmであった。ストリップキャスターの場合はフラッ1051155010

浸漬時間
図２100sec

浸漬時間と凝固厚さ―30―

これを任意の時刻t0 での見かけの熱伝達率と呼ぶ。

よって、真の熱伝達率 αB = (1-n*) k* t-n*

ここで実験で求められた凝固厚さは凝固後引き（9）上げられて測定されるため、凝固層の内部に合金これにより浸漬実験で模擬鋳型に付着した固液であるため生成される固液共存層（Mussy 層）をど共存層の割合がわかれば真の熱伝達係数は判明すの程度含んでいるか不明である。固液共存層の割ることになる。

合を示す指標を固相率 fS と呼び、0 〜 1.0 の値で示４．真の熱伝達率 αB の決定される。
（0 ：完全液相、1 ：完全固相）図３、４に（1）（2）式の実験データに相当する αB の時間に対す鋳型からの抜熱だけの場合は凝固組織分析たとる変化について固相率をパラメータにして示す。

えばデンドライド二次アーム間隔の観察などから両対数グラフで直線のため固相率推定の推定も可能性はあったかもしれない

αB* = k* t0 - n*

が、浸漬ブロックを引き上げた瞬間から大気雰囲（4）気で冷却され、ブロック引き上げ時の凝固殻最表

だだし k*、n* ：比例乗数（実験で付着した凝固面部の固相率測定は不可能であった。

殻の固相率に依存する）とあらわせる。

そこで鋳型の非定常温度結果と比較することと見かけの熱伝達率 αB* は時間［0、t0］での真のした。図５、６に溶鋼静圧ごとの鋳型の表面から熱伝達率 αB の時間平均と考えられるので2.5、7.5 mm 深さに設置した熱電対による測定結αB* = 1 / t0 ∫ 0t0 αB d t

果を示し、前章で求められた固相率に相当する非（5）定常熱伝達率を用いた温度解析結果をフィッテイ（3）式を代入し積分するとングした。

αB* = k t0-n / (1-n)

図からわかるようにブロックに付着した凝固殻（6）は固相率約 0.4 の非定常熱伝達特性を用いた解析（4）、（6）式から結果が深さ 0.25、0.75 mm の測温結果と一致し、

k = (1-n) k*（8）以下の結論が得られた。
αB = 3000 t -0.5 （溶鋼静圧 250 mm）

みかけの熱伝達率 αB w/m2 ℃（7）

みかけの熱伝達率 αB w/m2 ℃

n = n*f s = 0.9104

f s = 0.7f s = 0.5310

浸漬深さ 250 mm

f s = 0.3
f s = 0.10.010.1

時間

図３1104f s = 0.9f s = 0.7f s = 0.5
310

浸漬深さ 25 mm
f s = 0.3
f s = 0.1
0.01

100.1

時間

sec

みかけの熱伝達率

図４―31―（10）110sec

みかけの熱伝達率

IIC REVIEW/2006/4. No.35

浸漬深さ

浸漬深さ

250 mm○

接触面より 7.5 mm●

20020001.01.5●

f s = 0.5
f s = 0.3
f s = 0.31001000.5

接触面より 7.5 mm

温度f s = 0.30○f s = 0.5f s = 0.5f s = 0.30

接触面より 2.5 mm℃

f s = 0.5

温度℃

接触面より 2.5 mm25 mm

温度測定位置 測定値 計測値

温度測定位置 測定値 計測値

2.000.5

図５

温度測定結果αB = 1800 t -0.5（溶鋼静圧 25 mm）

1.0

1.5

2.0

時間 t sec

時間 t sec

図６

温度測定結果握できたので自信を持ってストリップキャスター（11）の開発に自信がもて開発を促進していくことがでこれ以外にも表面に添加物を塗布した実験も実きた。

施して興味ある結果も判明したが、それについて最後に当初は温度測定から伝熱特性を把握するは省略する。

予定であったが、最終的には理論解析との組み合わせでこれを把握することになった。本来は現象
５．あとがきを直接観察して科学的根拠を明確にして技術とす

開発当初スラブ連続鋳造機での凝固特性では双ることが王道である。研究をしているころ 1600 ℃

ロール式ストリップキャスターは成立せず、圧延の環境下で耐えられるマイクロマシンとなってロ機のようにキャスターで完全固相になった後、塑ール鋳型上で溶鋼がどのように凝固殻となってい性加工して薄板とすべきという説もあった。これ

くかをみてみたいという夢があったことを思い出

は熱を奪う熱交換の機能をもつ鋳造用モールドとします。現在でも鋳造中の鋳片表面性状を計測す力を伝え塑性加工するための圧延ロールを同時にる手法はなく、上記夢が将来、この夢がかなうこ満たすことを要求されるので材質的にも強度的にとを期待したい。

も不可能である。今回鋳型界面での伝熱特性が把

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松井 邦男
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