JP3937961B2 - 鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼の連続鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用鋼板を中心として鋼製品の品質向上要求が厳しくなり、スラブ段階から清浄度の優れた高品質のスラブの要求が高まっている。スラブの欠陥には、介在物や気泡に起因するものや溶鋼中の成分の偏析に起因するものがあり、鋳型内の流動は、これらと深い関係があるため、多くの研究、発明がなされてきた。その一つとして、磁界を用いた鋳型内流動制御方法が考えられている。
【０００３】
例えば、鋳型長辺を挟み対向する上下２段の磁極を鋳型長辺背面に配置し、下側に配置した磁極に直流静磁界と交流移動磁界とが重畳された磁界とするか、又は、上側に配置した磁極に直流静磁界と交流移動磁界とが重畳された磁界とし、下側に配置した磁極に直流静磁界を印加する鋳型内溶鋼流動の制御方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、複数個設置した電気コイルに適当なリニア駆動用交流電流と制動用直流電流を流すことにより鋳型内溶鋼流動を制御する装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
また、位相が１２０度づつずれた交流移動磁界と直流静磁界とを重畳する鋳型内流動制御技術もある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
浸漬ノズルから吐出された溶鋼流を包囲する位置に静磁場をかけ、流速を低下させると共に静磁場よりも下流位置に電磁攪拌装置を設置する電磁攪拌方法がある（例えば、特許文献４参照。）。
【０００７】
鋳型上部に移動磁界を形成する磁石（４００〜２０００ガウス）を設置し、メニスカス表層部を流れる上昇反転溶鋼流に移動磁場を作用させると共に、メニスカスから５００ｍｍ以上下方に静磁場を形成する磁石（１０００〜７０００ガウス）を設置し、吐出溶鋼流が鋳型短辺に当たって下降する溶鋼流に静磁場を作用させる鋳造方法および装置が示されている（例えば、特許文献５参照。）。
【０００８】
また、湯面から吐出孔（下向き５０度以上）の間に極芯中心を設置した磁石により移動磁界を作用させると共に極芯を浸漬ノズルより下部に設置した磁石により静磁場を作用させる鋳造技術が記載されている（例えば、特許文献６参照。）。
【０００９】
浸漬ノズル下端よりも上部に電磁攪拌用磁石を設置し、浸漬ノズル下端よりも下部に移動磁界、静磁界が印可できる磁石を設置し、鋼種や鋳造速度に応じて静磁場と移動磁場を使い分ける鋳造方法もある（例えば、特許文献７参照。）。
【００１０】
Ａｒガスを吹込みながら鋼を鋳造する時に、浸漬ノズルから出た直後の溶鋼流に磁束密度が０．１テスラ以上の静磁場を作用させ、その上部で電磁攪拌装置により連続的に攪拌あるいは攪拌方向を周期的に変化させる技術が知られている（例えば、特許文献８参照。）。
【００１１】
鋳型長辺側に対向して設置した長辺とほぼ同じ長さの電磁石により静磁場を作用させる電磁ブレーキが示されている（例えば、特許文献９参照。）。
【００１２】
鋳型幅中央ないし鋳型短辺より内側の所定位置から両端部近傍にかけて、鋳型上方側へ曲げるか傾斜させた磁極を、幅中央部で浸漬ノズル吐出孔より下部に設置し、直流磁場あるいは低周波交流磁場を作用させることによって鋳型内の溶鋼流動を制御する方法もある（例えば、特許文献１０参照。）。
【００１３】
鋳型全幅にわたって、ほぼ均一な磁束密度分布を有する直流磁場を、鋳型厚み方向に加えて、浸漬ノズルからの吐出流を制御することにより、メニスカス流速を０．２０〜０．４０ｍ／ｓに制御する技術が開示されている（例えば、特許文献１１参照。）。
【００１４】
浸漬ノズル吐出孔の下部に設けた複数のコイルに直流電流を流すことにより静磁界を印加したり、交流電流を流すことにより移動磁界を印加したりすることにより溶鋼流動を制御する鋳造方法が開示されている（例えば、特許文献１２参照。）。
【００１５】
また、電磁誘導によって鋳型内の溶鋼流動を制御する際に、周波数１〜１５Ｈｚの静止交流磁場を溶鋼に印加する技術もある（例えば、特許文献１３参照。）。
【００１６】
スラブ連鋳機において、電磁攪拌により鋳型壁に沿った水平方向の溶鋼旋回流を得る技術（Ｍ−ＥＭＳ）が開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【００１７】
浸漬ノズルからの吐出流に交流移動磁場を作用させることにより、吐出溶鋼流を制動（ＥＭＬＳ）したり加速（ＥＭＬＡ）したりする技術が開示されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【００１８】
鋳型長辺側に鋳型内に供給される溶鋼電流を制御するように配された静磁場を有し、上方に移動磁界発生装置を配して溶鋼上表面を水平断面中央から短返側へ流動させる鋳型および鋳型上方の構造がある（例えば、特許文献１４参照。）。
【００１９】
また、モールド上部に電磁攪拌装置、モールド下部に電磁ブレーキを設置することにより、浸漬ノズルから出る吐出流を制御する（例えば、特許文献１５参照。）。
【００２０】
連続鋳造において、連鋳鋳型内の溶鋼湯面に静磁場を用い、連鋳用ノズルとしてストレートノズルを使用し、吐出口部に進行磁場を用い、その下部に静磁場を用いる鋳型内溶鋼流動制御技術が開示されている（例えば、特許文献１６参照。）。
【００２１】
浸漬ノズル吐出孔の上に置いた磁石により、幅方向全域に静磁界と高周波磁界を重畳して作用させると共に、吐出孔の下方に置いた磁石により、静磁界を作用させる鋼の鋳造方法がある（例えば、特許文献１７参照。）。
【００２２】
スラブの連続鋳造に際し、鋳型外に鋳片幅全体に鋳型厚み方向の均一な静磁界を浸漬ノズル吐出孔の上部、下部に作用させ、溶鋼吐出流に効果的な制動力を与え、流れを均一化する技術もある（例えば、特許文献１８参照。）。
【００２３】
なお、時間的に移動しない低周波交流静止磁界を付与し、凝固前面に低周波電磁振動を励起させることによって、凝固前面の柱状デンドライトを破断させ、溶融金属中に浮遊させて、凝固組織の微細化、中心偏析を低減する技術が記載されている（例えば、特許文献１９参照。）。
【００２４】
また、鋳造厚み方向に直流磁場と固定型の交流磁場とを重畳して印加し、これらの磁場を浸漬ノズル吐出口の上方あるいはさらに下方に配設した一対以上の磁場から印加し、交流磁場の周波数は０．０１〜５０Ｈｚである技術が示されている（例えば、特許文献２０参照。）。
【００２５】
【特許文献１】
特開平１０−３０５３５３号公報（第３頁左欄第１６行〜第３２行）
【００２６】
【特許文献２】
特許第３０６７９１６号公報（第３頁左欄第４０行〜第４８行）
【００２７】
【特許文献３】
特開平５−１５４６２３号公報（第２頁右欄第５行〜第１１行）
【００２８】
【特許文献４】
特開昭６１−１９３７５５号公報（第２頁左上欄第１８行〜右下欄第４３行）
【００２９】
【特許文献５】
特許第２６１０７４１号公報（第２頁右欄第３５行〜第４７行）
【００３０】
【特許文献６】
特開平６−２２６４０９号公報（第２頁左欄第３４行〜右欄第４行）
【００３１】
【特許文献７】
特開平９−２６２６５１号公報（第２頁右欄第１９行〜第２６行）
【００３２】
【特許文献８】
特開２０００−２７１７１０号公報（第２頁右欄第１３行〜第１８行）
【００３３】
【特許文献９】
特開平３−２５８４４２号公報（第３頁右上欄第１４行〜第１９行）
【００３４】
【特許文献１０】
特開平８−１９８４１号公報（第３頁左欄第１行〜第５行）
【００３５】
【特許文献１１】
国際公開特許Ｗ０９５／２６２４３号公報（第５頁欄第１８行〜第２１行）
【００３６】
【特許文献１２】
特開平９−２６２６５０号公報（第２頁右欄第２４行〜第４１行）
【００３７】
【特許文献１３】
特開平８−１９８４０号公報（第２頁右欄第３７行〜第４０行）
【００３８】
【特許文献１４】
特開昭６１−１４０３５５号公報（第２頁右下欄第５行〜第１９行）
【００３９】
【特許文献１５】
特開昭６３−１１９９５９号公報（第２頁左下欄第２０行〜右下欄第６行）
【００４０】
【特許文献１６】
特許第２８５６９６０号公報（第２頁右欄第１１行〜第２３行）
【００４１】
【特許文献１７】
特開平６−１９０５２０号公報（第２頁右欄第３６行〜第４４行）
【００４２】
【特許文献１８】
特開平２−２８４７５０号公報（第２頁右下欄第７行〜第１２行）
【００４３】
【特許文献１９】
特開平２−２７４３５０号公報（第２頁右上欄第１３行〜左下欄第１３行）
【００４４】
【特許文献２０】
特開２０００−３２６０５４号公報（第３頁左欄第１０行〜第２８行）
【００４５】
【非特許文献１】
鉄と鋼６６（１９８０）、ＰＳ７９７（第１頁第５行〜第６行）
【００４６】
【非特許文献２】
材料とプロセスｖｏｌ３（１９９０）、Ｐ．２５６（第１頁第２５行〜第３０行）
【００４７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように磁界を用いた種々の鋳型内流動制御があるが、さらに近年の表面品質ニーズの高まり、コストダウンの要求から、よりすぐれた鋳片表面の品質改善技術が望まれており、より効果的な鋳型内流動の制御が必要となっている。本発明はこのような鋳型内流動制御技術に改善を加えた連続鋳造方法を提供することを目的とする。
【００４８】
【課題を解決するための手段】
本発明方法では、鋳型の厚み方向の流速分布を規制する。すなわち、厚み中央付近では、流速を小さくし、モールドフラックスの巻き込みを抑えつつ、鋳型壁面に近い凝固界面の流速を大きくして、気泡、介在物に洗浄効果を与えて、凝固核への捕捉を抑制する。
【００４９】
このための手段として、交流磁場の印加態様を工夫する必要があり、モデル実験およびシミュレーション計算を実施した。その結果、以下の結論を得るに至った。
【００５０】
（１）移動磁界によるマクロ流動は、凝固界面の気泡・介在物の捕捉を抑制するが、時として、モールドフラックスの巻き込みを増加させるため、かえって品質を劣化させる場合がある。
【００５１】
（２）振動磁界を印加する際に、振動磁界を強く受ける位置が固定されると、電磁力の弱い位置で、気泡・介在物の捕捉を十分に抑制できない部分が生じる場合がある。
【００５２】
（３）このため、振動磁界によるローレンツ力のピーク位置を移動させることが効果的である。
【００５３】
（４）ローレンツ力のピーク位置を移動させるには、隣り合う３つのコイル、あるいは、コイル群の位相を、真中のコイルの位相を最後とするにように設定するとよい。ここで、振動磁界とは、時間とともにローレンツ力の向きが反転する磁場をいう。
【００５４】
以下、上記（４）について説明する。図１に示すような櫛歯状のコイルの各コイルに振動磁界を与え、各コイルごとに位相を変化させる。図２〜図４はこのような各コイルごとに付与する位相の説明図である。図中の振動磁界発生用コイル３１ａ、３１ｂの各コイルの横に付してある数字は、ある時刻におけるそのコイルの電流の位相角（度）を記入したものである。図２は移動磁界、図３は振動磁界、図４は振動磁界のピーク位置を移動させた場合の例を示した。図４に示すように、連続鋳造用鋳型の鋳型長辺幅方向に４個以上の電磁石を並べ、隣り合う電磁石に通電する電流の位相が、一方向に増加、あるいは、減少することなく、少なくとも真中の位相が両側の位相よりも遅れるように設定することによって、磁界は単に一方向に移動するのではなく、振動しながら移動することになる。以上のように、４個以上の隣り合うコイルの位相が、０、ｎ、２ｎ、ｎ（但しｎは２相交流で９０゜、３相交流で６０゜又は１２０゜）の配列部分をもたせることによって、振動磁界のピーク位置を移動させることができる。
【００５５】
ここで、単純に振動磁界を誘起させた場合には、振動磁界の振幅が大きいところと小さいいところができる。このピーク位置を移動させることによって、全ての位置で、凝固界面を洗浄することが可能となる。
【００５６】
なお、ここで、コイルの櫛歯数が１２本の例を示したが、櫛歯数は４、６、８、１０、１２、１６本などから選ぶことができ、また、交流は２相、３相のいずれでも良い。
【００５７】
特開平６−１９０５２０号公報（特許文献１７）に示されるような、厚み方向の磁場では、交流電流の表皮効果を利用して、凝固界面あるいは溶鋼表面にローレンツ力を集中させていたが、これだけでは、効率的にローレンツ力を集中できない。このため、電磁場を凝固界面に集中させることが重要であり、磁力線分布を制御する必要がある。
【００５８】
このための手段として、幅方向に交互に位相が反転する電磁石を配置して、交番させることが効果的であることがわかった。厚み方向に振動させる場合には、電磁力を鋳型壁面、すなわち、凝固界面に集中することができなくなるため、幅方向に磁界を振動させる必要がある。ここで、交互の電磁石に通電する電流の位相が、実質反転する必要があり、そのためには、交互の位相は１２０度以上異なる、幅方向に３つ以上の櫛歯状コイルにして、かつ、隣同士のコイルの位相を反転させることによって、幅方向の磁界を振動させることができる。
【００５９】
次に、静磁界を重畳させることによって、Ｆ＝Ｊ×Ｂ式におけるＢ項が大きくなるために、ローレンツ力を増加させることができるが、さらに、ローレンツ力の向きが、静磁界を重畳しない場合と大きく異なり、溶鋼の流動状態も変化して、幅方向および鋳造方向の流動が大きくなるので、凝固界面に捕捉される気泡や介在物の洗浄効果を期待することができる。また交流磁界と直流磁界とを重畳することにより、厚み中央での溶湯の流速を低減することができ、モールドフラックスの巻き込みも防止することができる。
【００６０】
この際の交流電流の周波数は、低すぎるとマクロな流動が励起されてしまい、高過ぎると、溶鋼が電磁場に追随しなくなるので、１Ｈｚから８Ｈｚの範囲が適当であることがわかった。さらに、電磁場を凝固界面に集中させるには、コイル構造が重要であり、特に、コイルの磁極間と、溶鋼までの距離を最適化することが効果的である。さらに、特開平２−２７４３５０号公報（特許文献１９）の技術では、デンドライトの破断が起こって、柱状晶組織から等軸晶組織に変化してしまう。極低炭素鋼などでは、柱状晶組織のみの方が、圧延時に、集合組織として制御しやすくなるため、等軸晶化することによって、結晶方位をそろえ難くなるという問題がある。従って、交流振動磁界および直流磁界の強度の上限が必要である。
【００６１】
そこで、本発明方法では、幅方向に磁界を振動させつつ、厚み方向に直流磁界を印加することにより、従来方法と大きく異なった鋳型幅方向および鋳造方向に大きな流動を溶湯に誘起させることができるため、以上のような作用が期待できるのである。
【００６２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は鋼の連続鋳造用鋳型２１の平面図及び電磁石３１、３２の配列例を示したものである。
【００６３】
鋳型２１には連続鋳造用浸漬のズル２２が上方のタンデイッシュの底部から吊下されて鋳型２１内に浸漬され、溶鋼２３を供給する。連続鋳造用鋳型２１の長辺の外側に１ａ〜１２ａ、１ｂ〜１２ｂの電磁石（コイル）を並べた振動磁界発生用コイル３１及び直流磁界発生用の直流コイル３２が配設されている。電磁石（コイル）１ａ〜１２ａ、１ｂ〜１２ｂにはそれぞれ振動磁界を発生する振動電流が付加され、その振動電流のピーク値は、鋳型長辺幅方向に沿って移動するように印加される。この移動は、隣合うコイルの位相が０、ｎ、２ｎ、ｎの配列部分をもつように印加される。
【００６４】
図２〜図４は、ある瞬間におけるコイル１ａ〜１２ａ、１ｂ〜１２ｂの振動磁界の位相の分布を数字（位相角の値）で記載して示したものである。振動磁界のピーク位置は鋳型２１の長辺に沿う方向に順次移動する。図２では隣接コイルの位相差が９０度で、対向するコイル３１ａ、３１ｂで１８０度異なる２相交流の移動磁界が示されている。図３では隣接コイルの位相差が１８０度で、対向するコイル３１ａ、３１ｂで同位相の２相交流の振動磁界が印加されている。図４では隣接コイルの位相差が９０度で、対向するコイル３１ａ、３１ｂで１８０度異なる半波整流２相交流が印加されている。
【００６５】
本発明方法によって、凝固界面のみを効率的に振動させて、気泡、介在物の捕捉を抑制できるので、鋳片の表面品質を大幅に向上させることが出来る。
【００６６】
【実施例】
約３００トンの溶鋼を転炉で溶製し、ＲＨ処理によって極低炭素鋼のアルミキルド鋼とし、連続鋳造機でスラブを鋳造した。代表的な溶鋼成分を表１に示す。なお、スラブの幅は１５００〜１７００ｍｍ、スラブの厚みは２２０ｍｍ、溶鋼のスループット量は４〜５トン／ｍｉｎの範囲とした。コイル構造として、図１に示すような、幅方向に１２等分した櫛歯状の鉄芯を用い、鋳型２１の幅方向に交互に位相が反転する磁場を発生するように配置した。交流磁界による磁束は最大１０００ガウスとした。表２に、実験条件および実験結果をまとめて示した。表２中のコイルパターンの符号は次の通りである。
【００６７】
Ａ：０、ｎ、２ｎ、ｎ（実施例）
Ｃ：０、ｎ、２ｎ、３ｎ（比較例）
Ｄ：０、２ｎ、０、２ｎ（比較例）
但し、ｎは位相角で、２相交流ではｎ＝９０度、３相交流ではｎ＝６０度又は１２０度である。
【００６８】
鋳片の表面偏析はスラブ研削後エッチングを行い、目視観察によって１ｍ²当たりの偏析個数を調査した。また、冷間圧延後のコイルの表面欠陥を目視検査し、欠陥サンプルを採取後、欠陥部を分析することによってモールドフラックスによる欠陥個数を調査した。介在物量は鋳片の１／４厚みの位置からスライム抽出法によって介在物を抽出後、質量を測定した。表面偏析、モールドフラックス欠陥および介在物量とも、指数化に際しては、全条件のうち、もっとも悪かったものを１０とし、それに対する線形な比で表示した。
【００６９】
表２からわかるように、振動磁界を印加することによって、表面偏析、モールドフラックスによる欠陥、気泡、非金属介在物低減が可能となる。
【００７０】
なお、振動磁界の強度が強すぎると、溶湯表面のフラックスの巻き込みが大きくなって、表面品質を悪化させ、周波数が高すぎると、磁界に溶湯が追随できなくなって、凝固界面の洗浄効果が低下し、気泡、介在物欠陥が増加している。
【００７２】
【表２】

【００７３】
【発明の効果】
本発明により、捕捉される気泡、非金属介在物および鋳片表面偏析、モールドフラックス起因の表面欠陥および内部介在物の少ない鋳片を鋳造することができ、高品質の金属製品の製造が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるコイルと鋳型を示した平面模式図である。
【図２】 コイルの位相を示した模式図である。
【図３】 コイルの位相を示した模式図である。
【図４】 コイルの位相を示した模式図である。

Claims (3)

1. 連続鋳造用鋳型の鋳型長辺方向に沿って４個以上の電磁石を並べ、振動磁界を発生させながら該振動磁界のピーク位置を鋳型長辺方向に沿って移動させることを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
2. ４個以上の隣り合うコイルの位相が、０、ｎ、２ｎ、ｎの配列部分をもつことを特徴とする請求項１記載の鋼の連続鋳造方法。
   ただし、３相交流でｎ＝６０゜又は１２０゜、２相交流でｎ＝９０゜である。
3. 前記振動磁界に直流磁界を重畳することを特徴とする請求項１又は２記載の鋼の連続鋳造方法。

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