JP5023989B2 - 電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用電磁コイル装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋳型内溶鋼の流れを制御しつつ鋼を連続鋳造する際に適用する電磁ブレーキと電磁攪拌を兼用可能な電磁コイル装置に関するものである。

鋼の連続鋳造において、鋳型内における溶鋼の流動を制御することは、操業上ならびに鋳片の品質管理上、重要な技術である。この鋳型内溶鋼の流動状態の制御を実現する方法には、浸漬ノズルの形状を工夫する方法、鋳型内の溶鋼に電磁力を作用させる方法などがあるが、後者の溶鋼に電磁力を作用させる方法が広く利用されており、溶鋼吐出流に制動力を作用させる電磁ブレーキと、溶鋼を電磁力により撹拌する電磁撹拌に大別される。

このうち、電磁ブレーキは、吐出流を制動することにより、吐出流が鋳型短辺に衝突して凝固シェルが再融解し、品質が低下するのを抑制することや、メニスカス流速を抑制して鋳造速度を増加させることを目的として用いられている。一方、電磁撹拌は、品質改善に効果を有することが知られており、主として高品質材の鋳造に用いられている。

これらの電磁ブレーキ装置、電磁攪拌装置は、共に磁性体のコア部に巻き線を施した電磁コイル装置を鋳型背面に設置したものである。このうち、コア部には、強磁性体である鉄材が用いられることが多く、鉄芯と呼ばれる。この鉄芯材として、電磁ブレーキでは、軟鉄のバルク材が用いられる場合が多いが、交流電流を用いる電磁攪拌では、電磁誘導による鉄損を軽減するために、電磁鋼板が用いられる。

これらの電磁コイル装置は、通常、電磁ブレーキ又は電磁攪拌のどちらか単独の機能しか有していない。

そこで、発明者らは、以前から電磁ブレーキと電磁攪拌の両機能の兼用が可能な電磁コイル装置（以後、兼用コイル装置と言う。）の開発を行ってきた（例えば特許文献１）。
特開２００７−００７７１９号公報

本発明の兼用コイル装置の形状も基本的に特許文献１で開示したものと同じであり、出願人が特許文献２で開示した電磁コイル構造を利用している。
特開昭６０−０４４１５７号公報

この特許文献２で開示した兼用コイル装置１を、鋳型２の長辺２ａ側に各２個ずつ連続配置したものを図１０に示す。この兼用コイル装置１は、２個のティース部１ａａの夫々に巻き線（内側巻き線）１ｂを施し、更に２個のティース部１ａａをまとめて外側から巻き線（外側巻き線）１ｃを施していることが特徴である。この兼用コイル装置１は２個のティース部１ａａとヨーク部１ａｂからなるコア部１ａがギリシア文字のパイ（Π）に似ていることから、パイ型コイルと呼ばれている。なお、図１０中の２ｂは鋳型２の短辺、３はバックアッププレート、４は浸漬ノズルを示す。

ところで、電磁コイル装置の電磁攪拌能力や電磁ブレーキ能力は、励磁コイルに印加する電流値とコイル巻き数の積に依存する。よって、電磁コイル装置の性能を向上させるためには、コイル巻き数か電流値を増加する必要がある。但し、電流値を増加するためには、大電流に対応できるようにコイル巻き線の断面積を拡大する必要があり、その結果、コイル巻き数が減少してしまう。従って、電磁コイル装置の性能を向上させるには、コイル巻き数を増やすことが第一条件となる。この点は兼用コイル装置も同様である。

しかしながら、兼用コイル装置の場合は、内側励磁コイルと外側励磁コイルの二重の巻き線を必要とするため、巻き線を施すために広い領域が必要になる。特に、内側励磁コイルは２本のティース部間という限られた空間に設置する必要があり、その巻き数が制限されるので、電磁攪拌能力と電磁ブレーキの能力も制限されるという問題がある。

本発明が解決しようとする問題点は、出願人が先に提案した兼用コイル装置では、２本のティース部間という限られた空間に設置する内側励磁コイルの巻き数が制限されるので、電磁攪拌能力と電磁ブレーキの能力も制限される場合があるという点である。

本発明の兼用コイル装置は、
電磁ブレーキ性能と電磁攪拌性能を確保するために、
鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置であって、
この電磁コイル装置は、
電磁コイルと、直流電源及び３相以上の交流電源を有し、
このうちの電磁コイルは、
ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
これら各ティース部は、外側に夫々内側巻き線を施し、これら内側巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に外側巻き線を施してひとまとめになすと共に、この外側巻き線の巻き数を、
(1) 内側巻き線の巻き数を十分に確保できる場合は、前記内側巻き線の巻き数と等しくし、
(2) 内側巻き線の巻き数が不足する場合は、前記内側巻き線の巻き数よりも多く、かつ２．５倍以下とした構成で、
この電磁コイルを前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置すると共に、
前記のヨーク部とティース部からなるコア部を、メニスカス位置から浸漬ノズルの吐出孔を含む鋳片引抜き方向の範囲に配置したことを最も主要な特徴としている。

本発明によれば、電磁ブレーキ・電磁攪拌兼用コイルにおいて、内側励磁コイルに必要な巻き線を施せる場合は勿論、空間が足りず必要な巻き線を施せない場合でも、十分な電磁ブレーキ性能と電磁攪拌性能を確保することができる。

以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの過程と共に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

上述したように、兼用コイル装置では、電磁ブレーキ装置や電磁攪拌装置に使用されていた従来の電磁コイル装置と異なり、内側と外側の２種類の励磁コイルが存在する。そして、内側励磁コイルは巻き数がティース部の間隔で制限されるのに対して、外側励磁コイルでは巻き数を増やす空間的な余裕がある。

従って、内側励磁コイルと外側励磁コイルとでは、可能な巻き数が相違することになるが、従来は、これら内側励磁コイルや外側励磁コイルの巻き数の関係について、考慮されることはなかった。

そこで、発明者らは、ティース部の間隔で制限される内側励磁コイルの巻き数に対する外側励磁コイルの巻き数を変化させ、兼用コイルの性能に及ぼす影響について検討を行なった。

兼用コイル装置の性能のうち、電磁攪拌能力は溶鋼中に発生する電磁力による攪拌力で評価できる。また、電磁ブレーキ性能は溶鋼に印加される磁束密度の大きさで評価できる。

外側励磁コイルの巻き数を増加すれば、静磁場として作用する電磁ブレーキは単純に磁束密度が増加すると予測されるが、交流電流を重複して印加する電磁攪拌に支障がないかが問題となる。

そこで、発明者らは、数値解析シミュレーションの電磁場解析から、外側励磁コイルの巻き数を変化させた場合の攪拌力と磁束密度変化について検討を行った。

図１に電磁場解析の計算モデルを示す。（ａ）図は全体像を示す斜視図、（ｂ）図は水平断面図、（ｃ）図は垂直断面図を示し、図中の数字は当該モデルの各部の寸法（mm）を示す。

銅製鋳型２の外側に非磁性ステンレスをバックアッププレート３として設置し、コア部１ａの上端をメニスカスＭと同じ高さとした。励磁コイルの巻き数は、内側、外側ともに６０回である。

電磁攪拌を実施する場合は、７５０Aで周波数を４．０Hzの交流電流を印加した。また、電磁ブレーキを実施する場合は、９００Aの直流電流を印加した。

電磁攪拌時のコイル電流位相は、特願２００７−１５０６２７号で開示した電流位相の組み合わせである。

すなわち、図２に示すように、励磁コイル(イ)〜(ハ)、励磁コイル(ニ)〜(ヘ)、励磁コイル(ト)〜(リ)、励磁コイル(ヌ)〜(オ)が夫々１つの電磁コイルで、励磁コイル(イ)、(ニ)、(ト)、(ヌ)が夫々２個のティース部１ａａをひとまとめにすべく外側巻き線１ｃを施した外側励磁コイルである。

そして、励磁コイル(イ)〜(ハ)と励磁コイル(ニ)〜(ヘ)を有する電磁コイルを、鋳型２の一方の長辺２ａ側に順に配置し、他方の長辺２ａ側の励磁コイル(ト)〜(リ)と励磁コイル(ヌ)〜(オ)を有する電磁コイルは、励磁コイル(イ)〜(ハ)と(ニ)〜(ヘ)を有する電磁コイルと向き合って配置する。

このような配置とした場合、前記各電磁コイルの各ティース部１ａａに内側巻き線１ｂを施した励磁コイル(イ)〜(オ)に、３相交流電流における１２０度の位相差を有する各位相U、V及びWを、前記励磁コイルの順番に、図２（ａ）のように−W、＋V、＋U、＋W、−V、−U、−W、＋U、＋V、＋W、−U及び−Vを印加するか、または図２（ｂ）のように−W、＋V、＋U、−V、＋U、＋W、＋V、−W、−U、＋W、−U及び−Vを印加するのである。

一方、電磁ブレーキ時は、２本のティース部１ａａの巻かれている３つの巻き線１ｂ，１ｃ全てに同方向の電流を印加するのである。

図３は、外側励磁コイルの巻き数と鋳型厚み中心における磁束密度の関係を示した図である。この図３から、磁束密度は外側励磁コイルの巻き数に比例して増加することが分かる。

図４は、鋳型厚み中心における磁束密度分布を示した図で、（ａ）図は内側と外側の励磁コイルの巻き数が同一の６０巻きの場合、（ｂ）図は６０巻きの内側励磁コイルに対して外側励磁コイルの巻き数を１００巻きにした場合を示す。図４は磁束密度の最大値から１０等分した等高線を示している。

この図４から、外側励磁コイルの巻き数を内側励磁コイルの巻き数よりも増加した場合でも、磁束密度分布に大きな変化がないことが確認できた。

発明者らは、次に内側励磁コイルに対して外側励磁コイルの巻き数を増加した場合の電磁攪拌能力について検討を行った。

図５は、外側励磁コイルの巻き数と鋳型内に発生する最大攪拌力の関係を示した図である。この図５より、外側励磁コイルの巻き数を増加させることにより攪拌力を向上できることが分かる。

図６は、外側励磁コイルの巻き数を変化させた場合の鋳型長辺近傍における攪拌力分布を示す図である。この図６に示した攪拌力分布は、メニスカス位置の鋳型長辺から５mmの位置のものであり、図７のＡ−Ａ’の位置の長辺方向の攪拌力分布である。

この図６から、６０巻きの内側励磁コイルに対して外側励磁コイルの巻き数を４０巻きに減じた場合（破線）は、鋳型長辺の全域において攪拌力が低下していることが分かる。一方、外側励磁コイルの巻き数を１２０巻きに増加した場合（点線）は、最大攪拌力は増加しているものの、鋳型長辺左端の逆方向の攪拌力が大きくなり、鋳型中心においても攪拌力は０以下となっている。

この攪拌力分布から判断すると、内側励磁コイルに目標の巻き数を施せる場合は、内側励磁コイルと外側励磁コイルの巻き数が等しい場合が最適であることが分かる。但し、ティース部の間隔から内側励磁コイルに目標の巻き数を施せない場合がある。その場合は、攪拌状況は若干悪化してしまうものの、外側励磁コイルの巻き数を増せば必要とする電磁攪拌を実現できると考えられる。

ちなみに、図１（ｂ）（ｃ）に示したように、ティース部１ａａの幅を１４０mm、ティース部１ａａの間隔を１４０mmとした兼用コイル装置を作製するに当たり、数値解析の結果から電磁攪拌時は７５０A×６０Turnの電流が必要となった。

しかしながら、ティース部１ａａの間隔が１４０mmの兼用コイルに、７５０A以上の電流を印加可能な銅管を励磁コイルの巻き線として使用すると、内側励磁コイルの巻き線を６０巻きにするだけの空間がなく、４０巻きが限界であった。

図８は、内側励磁コイルの巻き数を理想的な巻き数の６０巻きとし、外側励磁コイルの巻き数を６０巻きとした場合（実線）と、内側励磁コイルの巻き数を理想的な巻き数よりも少ない４０巻きとし、外側励磁コイルの巻き数を１００とした（内側と外側巻き数の比が２．５）場合（破線）の流速分布を示す図である。

この図８の流速は、メニスカス位置の鋳型長辺から５mmの位置における値であり、図７のＡ−Ａ’ の位置の長辺方向の値である。

図８から、内側励磁コイルと外側励磁コイルの巻き数が６０巻きで等しい場合（実線）には、鋳型長辺のほぼ全域において１０cm／s以上の流速が得られており、良好な攪拌であるといえる。

一方、内側励磁コイルの巻き数が４０巻きで外側励磁コイルの巻き数が１００巻きの場合（破線）には、鋳型中心において流速が５cm／sに低下してしまっているが、内側と外側の励磁コイルの巻き数が等しい場合に準ずる流速分布が得られている。

図９は、内側励磁コイルの巻き数を理想的な巻き数よりも少ない４０巻きとし、外側励磁コイルの巻き数を１２０巻きとした（内側と外側の巻き数比が３）場合（実線）と、内側と外側の巻き数を等しく４０巻きとした場合（破線）の流速分布を示す図である。

図９より、内側励磁コイルの巻き数が理想的な巻き数よりも少ない場合に、外側励磁コイルの巻き数を内側励磁コイルの巻き数の３倍としたときは、最大流速は増加しているものの、鋳型中心における流速が０以下まで低下してしまっていることが分かる。

このことから、外側励磁コイルの巻き数を内側励磁コイルの巻き数の３倍とした場合は、浸漬ノズルの近傍にて流速が停滞または反転してしまって、電磁攪拌として不適であることが分かる。

また、図９より、内側励磁コイルの巻き数が理想的な巻き数よりも少ない場合は、内側と外側の励磁コイルの巻き数を等しくしても攪拌力が不足して流速が０程度となる領域が広く存在し、電磁攪拌として不適であることも分かる。

以上の検討結果より、兼用コイル装置における励磁コイルの巻き数は、内側励磁コイルの巻き数が十分に確保できる場合は、内側と外側の励磁コイルの巻き数を等しくするのが最適であることが判明した。

一方、内側励磁コイルの巻き数が十分に確保できない場合は、外側励磁コイルの巻き数を内側励磁コイルの巻き数よりも多く、かつ２．５倍以下とすれば適切な電磁攪拌が可能となることが判明した。

また、電磁ブレーキ時の磁束密度を比較すると、外側励磁コイルが１００巻きの場合は３１７９Gaussであるが、４０巻きの場合は２４６５Gaussであり、本発明を適用すると電磁ブレーキ性能として十分な３０００Gauss以上の磁束密度を得ることができた。

本発明は、以上の電磁場解析の結果に基づいてなされたもので、鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置において、十分な電磁ブレーキ性能と電磁攪拌性能を確保するために、以下の構成の電磁コイルを使用する。

すなわち、直流電源と３相以上の交流電源に繋げる電磁コイルを、
ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
これら各ティース部は、外側に夫々内側巻き線を施し、これら内側巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に外側巻き線を施してひとまとめになすと共に、この外側巻き線の巻き数を、
(1) 内側巻き線の巻き数を十分に確保できる場合は、前記内側巻き線の巻き数と等しくし、
(2) 内側巻き線の巻き数が不足する場合は、前記内側巻き線の巻き数よりも多く、かつ２．５倍以下とした構成で、
この電磁コイルを前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置すると共に、
前記のヨーク部とティース部からなるコア部を、メニスカス位置から浸漬ノズルの吐出孔を含む鋳片引抜き方向の範囲に配置した構成とするのである。
これが本発明の兼用コイル装置である。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、交流電流は３相でなくても、電流位相差が９０度から１２０度であればそれ以上でも良い。

以上の本発明は、連続鋳造であれば、湾曲型、垂直型など、どのような方式の連続鋳造であっても適用できる。また、スラブの連続鋳造だけでなくブルームの連続鋳造にも適用できる。

電磁場解析の計算モデルを示す図で、（ａ）は全体像を示す斜視図、（ｂ）は水平断面図、（ｃ）図は垂直断面図を示す図である。 （ａ）（ｂ）は特願２００７−１５０６２７号で開示した兼用コイルの電流位相の組み合わせを説明する図である。 外側励磁コイルの巻き数と鋳型厚み中心における磁束密度の関係を示した図である。 鋳型厚み中心における磁束密度分布（磁束密度の最大値から１０等分した等高線）を示した図で、（ａ）図は内側と外側の励磁コイルの巻き数が同一の６０巻きの場合、（ｂ）図は外側励磁コイルの巻き数を１００巻きにした場合を示す。 外側励磁コイルの巻き数と鋳型内に発生する最大攪拌力の関係を示した図である。 外側励磁コイルの巻き数を変化させた場合の鋳型長辺近傍における攪拌力分布を示す図である。 攪拌力と流速の比較位置を示した図である。 内側励磁コイルの巻き数を理想的な巻き数の６０巻き、外側励磁コイルの巻き数を６０巻きとした場合と、内側励磁コイルの巻き数を理想的な巻き数よりも少ない４０巻き、外側励磁コイルの巻き数を１００とした場合の流速分布を示す図である。 内側励磁コイルの巻き数を理想的な巻き数よりも少ない４０巻きとし、外側励磁コイルの巻き数を１２０巻きとした場合と、内側と外側の巻き数を等しく４０巻きとした場合の流速分布を示す図である。 兼用コイルの形状を説明する図で、（ａ）は水平断面図、（ｂ）は垂直断面図である。

符号の説明

１ 兼用コイル装置
１ａ コア部
１ａａ ティース部
１ａｂ ヨーク部
１ｂ 内側巻き線
１ｃ 外側巻き線
２ 鋳型
２ａ 長辺
２ｂ 短辺
４ 浸漬ノズル

Claims (2)

1. 鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置であって、
   この電磁コイル装置は、
   電磁コイルと、直流電源及び３相以上の交流電源を有し、
   このうちの電磁コイルは、
   ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
   これら各ティース部は、外側に夫々内側巻き線を施し、これら内側巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に外側巻き線を施してひとまとめになすと共に、この外側巻き線の巻き数を前記内側巻き線の巻き数と等しくした構成で、
   この電磁コイルを前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置すると共に、
   前記のヨーク部とティース部からなるコア部を、メニスカス位置から浸漬ノズルの吐出孔を含む鋳片引抜き方向の範囲に配置したことを特徴とする電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用電磁コイル装置。
2. 鋳型長辺の外周に配置する電磁コイルに直流電流又は３相以上の交流電流を通電することにより、鋳型内の溶鋼に電磁ブレーキ又は電磁攪拌を選択的に作用させて鋼を連続鋳造する電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用の電磁コイル装置であって、
   この電磁コイル装置は、
   電磁コイルと、直流電源及び３相以上の交流電源を有し、
   このうちの電磁コイルは、
   ヨーク部から２個のティース部を突出状に設け、
   これら各ティース部は、外側に夫々内側巻き線を施し、これら内側巻き線を施した２個のティース部のさらに外側に外側巻き線を施してひとまとめになすと共に、この外側巻き線の巻き数を前記内側巻き線の巻き数よりも多く、かつ２．５倍以下とした構成で、
   この電磁コイルを前記各長辺にｎ個（ｎは２以上の自然数）ずつ配置すると共に、
   前記のヨーク部とティース部からなるコア部を、メニスカス位置から浸漬ノズルの吐出孔を含む鋳片引抜き方向の範囲に配置したことを特徴とする電磁攪拌・電磁ブレーキ兼用電磁コイル装置。

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