連続鋳造鋳片の冷却方法
【課題】鋳片を切断しない状態で連続鋳造機内における３次冷却によって、均一に冷却することが可能な鋳片の冷却方法を提供する。
【解決手段】鋳型で凝固シェルが形成され、鋳型直下の２次冷却装置で冷却された鋳片を、複数対のピンチロールの間に配置された３次冷却装置でさらに冷却する連続鋳造鋳片の冷却方法であって、前記３次冷却装置が鋳造方向に配置された複数のスプレーノズルからなり、各スプレーノズルから噴射される冷却水によって前記鋳片の表面に形成される被冷却部が連続し、隣接するスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最低値が、単独のスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最大値の２５％以上であることを特徴とする連続鋳造鋳片の冷却方法。
【解決手段】鋳型で凝固シェルが形成され、鋳型直下の２次冷却装置で冷却された鋳片を、複数対のピンチロールの間に配置された３次冷却装置でさらに冷却する連続鋳造鋳片の冷却方法であって、前記３次冷却装置が鋳造方向に配置された複数のスプレーノズルからなり、各スプレーノズルから噴射される冷却水によって前記鋳片の表面に形成される被冷却部が連続し、隣接するスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最低値が、単独のスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最大値の２５％以上であることを特徴とする連続鋳造鋳片の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造された鋳片の冷却方法に関し、特に２次冷却後の鋳片を切断することなく連続鋳造機内で３次冷却する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造鋳片は、溶鋼を取鍋からタンディッシュに注入し、さらに鋳型内に注入し、鋳型下部から引き抜くことによって製造している。その際、鋳型内で凝固シェルが形成され、鋳型から引き抜かれた鋳片は２次冷却帯でさらに冷却され、凝固鋳片となる。
【０００３】
連続鋳造鋳片は、分塊圧延で再加熱する際に表面割れが発生することがある。また、再加熱した鋳片を圧延する際にも表面割れが発生することがある。この鋳片表面割れの発生を抑制するため、種々の対策が提案されている。
【０００４】
例えば、鋳片の表層組織の微細化を目的とし、３次冷却と称される２次冷却後の鋳片の冷却が実施されている。発明者らの調査によると、この３次冷却は、鋳片を圧延する際の表面割れの進展の抑制には効果があるものの、鋳片表面割れの発生の抑制には十分な効果が現在得られていない。さらに、鋳造鋼種による影響があるため、表面割れの発生の完全な抑制には至っていない。そのため、鋳片の分塊後の再加熱時および圧延時に発生する表面割れの発生の防止が望まれている。
【０００５】
３次冷却を適用する方法として、例えば特許文献１では、連続鋳造された鋳片（ブルーム）を所定の長さに切断した後、連続鋳造機外に設置されたブルームクーラー（スプレー冷却装置）を用いてＡｒ3変態点直上の温度域から冷却する方法が記載されている。この方法では、３次冷却の際の鋳片上面の冷却水の水量密度を５×１０-4〜４×１０-3ｍ3／ｓｍ2とし、鋳片側面および下面の水量密度を、それぞれ上面の水量密度の１．５倍以上および２．０倍以上としている。この方法によれば、冷却時における鋳片表面の割れがほとんど発生しないとされている。
【０００６】
また、特許文献２では、連続鋳造機外に設置されたブルームクーラーを用いてＡｒ3変態点直上の温度域から冷却する際に、鋳片（ブルーム）の移動速度を３〜１０ｍ／ｍｉｎとする方法が提案されている。この方法によれば、鋳片の下面からの冷却水の噴流が搬送ロールによって遮られることがないため、鋳片の下面を均一に冷却することができ、表面欠陥を低減できるとされている。
【０００７】
以上の特許文献１および特許文献２に記載の３次冷却方法は、切断した連続鋳造鋳片を連続鋳造機外でＡｒ3変態点直上の温度域から冷却し、復熱および分塊再加熱による組織微細化（γ粒微細化）を目的とした冷却方法である。
【０００８】
このように、連続鋳造鋳片を切断した後、３次冷却を連続鋳造機外で行うことは技術常識であり、数社で実施されている報告もある。しかし、発明者らの調査によると、これらの技術では鋳片の再加熱時および圧延時に発生する表面割れの抑制には至っていないのが現状である。
【０００９】
また、鋳片の切断後に連続鋳造機外で３次冷却を行う方法は、冷却用の水槽を新たに設け、この水槽に切断した鋳片を搬送する工程が必要となるため、効率が悪いという問題がある。
【００１０】
これに対して、連続鋳造鋳片を切断しない状態で、連続鋳造機内において３次冷却を行う方法として、特許文献３では、ピンチロールの鋳造方向下流側に設けた冷却装置で３次冷却を行う方法が提案されている。
【００１１】
連続鋳造鋳片を切断する前に３次冷却を行う方法では、３次冷却に用いる冷却装置を設置する場所によっては、鋼種によっては十分な冷却効果を得られない場合がある。この場合には鋳片の冷却を強化することによって３次冷却の効果を得ることができると考えられる。鋳片の冷却の強化は、一般的には鋳片に噴射する冷却水の量（水量密度）を増大させることで可能である。冷却水としてミストスプレーを使用する場合には、気水比を増大させることによって、冷却水の熱伝達係数を増大させ、冷却能を向上し、冷却を強化することができる。
【００１２】
しかし、冷却水量または気水比の増大による鋳片の冷却の強化は、スプレー単体での冷却能をただ向上させるだけであり、鋳片の部分的な急冷を余儀なくされる。鋳片の急冷を部分的に行うと、急冷された部分がマルテンサイト化し、復熱時にその部分が膨張して割れが発生するおそれがあるという問題がある。
【００１３】
また、連続鋳造鋳片を切断する前に冷却する方法では、部分的な急冷により冷却が不均一となり、鋳片の蛇行等が発生する問題がある。そのため、現在では、連続鋳造鋳片の３次冷却は切断後に行うのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１０−１７１９号公報
【特許文献２】特開２００５−４０８３７号公報
【特許文献３】特開平１０−２１６９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、連続鋳造鋳片を切断しない状態で、連続鋳造機内における３次冷却によって均一に冷却することが可能な鋳片の冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
図１は、鋳片の表面温度とミストの熱伝達係数との関係を示す図である（社団法人日本鉄鋼協会編、「鋼材の強制冷却」、社団法人日本鉄鋼協会、昭和５３年１１月１０日、ｐ．５９）。同図に示すように、一般的に、鋳片の表面温度が低いほどミストの熱伝達係数が大きくなる。これは、冷却水としてミストスプレーを用いた鋳片の冷却において、冷却水噴射時の鋳片の表面温度が重要であることを示している。
【００１７】
従来の冷却装置は鋳片の鋳造方向に複数のスプレーノズルが配置されている。この冷却装置を用いた鋳片の冷却では、あるスプレーノズルから噴射された冷却水で鋳片が冷却され、鋳片の表面温度が低下した部分は、次のスプレーノズルから噴射された冷却水によって冷却される位置に到達するまでに復熱によって表面温度が上昇し、その後冷却水を受けて表面温度が再び低下する。このように、複数のスプレーノズルからなる冷却装置を用いた場合には、冷却過程で表面温度の低下と上昇が繰り返され、冷却効率が劣っていた。
【００１８】
また、上述したように、スプレーノズル単体の冷却能を向上させるために冷却水量を増大させると、鋳片の部分急冷が余儀なくされ、鋳片に割れが発生するおそれがあった。
【００１９】
そこで、本発明者らが検討した結果、複数のスプレーノズルからなる冷却装置の冷却能を向上させる方法として、スプレーノズル単体から噴射する冷却水量を増加させて冷却能を向上させる方法ではなく、鋳造方向の冷却水の噴射範囲を増大させて、各スプレーノズルから噴射された冷却水が当たる部分（以下「被冷却部」ともいう。）を隣接するスプレーノズル間で途切れさせず、連続して冷却する方法に着目した。
【００２０】
そして、さらに検討した結果、連続した被冷却部全長の鋳片幅方向の一定幅にわたって所定の水量密度分布で鋳片を冷却することによって、スプレーノズル単体の冷却水量を増やさなくても、冷却装置全体の冷却能を向上させ、鋳片を部分急冷することなくスプレーノズル間における復熱を抑制できることを知見した。この検討とともに行った予備試験の内容については後述する。
【００２１】
本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（４）に示す連続鋳造鋳片の冷却方法にある。
【００２２】
（１）鋳型で凝固シェルが形成され、鋳型直下の２次冷却装置で冷却された鋳片を、複数対のピンチロールの間に配置された３次冷却装置でさらに冷却する連続鋳造鋳片の冷却方法であって、前記３次冷却装置が鋳造方向に配置された複数のスプレーノズルからなり、各スプレーノズルから噴射される冷却水によって前記鋳片の表面に形成される被冷却部が連続し、隣接するスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最低値が、単独のスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最大値の２５％以上であることを特徴とする連続鋳造鋳片の冷却方法。
【００２３】
（２）前記被冷却部において前記冷却水の鋳片への噴射面圧力が０．２ｇｆ／ｍｍ2以上であることを特徴とする前記（１）に記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【００２４】
（３）前記スプレーノズルと前記鋳片との距離が１００〜３００ｍｍであり、隣接する前記スプレーノズルの間隔が２００ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【００２５】
（４）前記鋳片の表面に形成される被冷却部の形状が矩形であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の連続鋳造鋳片の冷却方法によれば、連続鋳造機内での３次冷却によって、鋳片を切断しない状態で均一に冷却することができる。そのため、連続鋳造機内での鋳片の蛇行を抑制することができ、かつ部分的に急冷された部分の復熱および復熱による割れの発生を抑制することができる。また、鋳片を分塊圧延で、再加熱する際の割れの発生、および再加熱した鋳片を圧延する際の割れの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】鋳片の表面温度とミストの熱伝達係数との関係を示す図である。
【図２】冷却試験装置の構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は側面図である。
【図３】スプレーノズルとインゴットの正面図および側面図の模式図であり、同図（ａ）はインゴットの被冷却部の形状が楕円の場合、同図（ｂ）はインゴットの被冷却部の形状が矩形の場合を示す。
【図４】試験例１におけるインゴットの表面温度の変化を示す図である。
【図５】試験例２におけるインゴットの表面温度の変化を示す図である。
【図６】複数のスプレーノズルからなる冷却装置から噴射される冷却水によって形成される被冷却部における水量密度分布について説明するための図であって、同図（ａ）は冷却装置および鋳片の正面図、同図（ｂ）は鋳片の被冷却部に途切れる部分が生じる場合のスプレーノズルの位置と水量密度分布との関係を示す図、同図（ｃ）は鋳片の被冷却部が連続する場合のスプレーノズルの位置と水量密度分布との関係を示す図である。
【図７】鋳片の被冷却部の形状の例を示す図である。
【図８】本発明の鋳片の冷却方法が適用可能な全湾曲型の連続鋳造機の概略を示す図である。
【図９】比較例および本発明例の鋳片手入れ率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の着想から予備試験を行い、課題解決に至るまでの経過とともに、本発明を実施するための形態について説明する。
【００２９】
１．予備試験
１−１．冷却試験装置
図２は、冷却試験装置の構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は側面図である。本発明者らは、本発明についての着想を具体化するため、同図に示す冷却試験装置を試作し、鋳片の冷却条件と温度変化の関係について調査した。
【００３０】
図２に示すように、冷却試験装置内には、インゴット２が配置される。冷却装置は、スプレーノズル３を１個備える。スプレーノズル３は、インゴット２の側面に水平方向に冷却水を噴射することができる。スプレーノズル３は、鉛直方向に移動可能なフレーム４に固定される。フレーム４は、駆動伝達梁５および横棒６を介してスライダー１に接続されている。スライダー１を鋳片方向に移動させ、横棒６を介して駆動伝達梁５を作動させることにより、フレーム４とともにスプレーノズル３を上下に移動させることができる。
【００３１】
鋳片の鋳造方向に配置された複数のスプレーノズルからなる冷却装置を備える連続鋳造装置では、連続鋳造されている鋳片の表面の任意の点は、各スプレーノズルに対向する位置を通過する。各スプレーノズルが等間隔に配置され、かつ鋳造速度が一定である場合には、鋳片の表面の任意の点は、各スプレーノズルに対向する位置を周期的に通過し、その周期はスプレーノズルの間隔を鋳造速度で除した時間である。
【００３２】
図２に示す冷却試験装置では、フレーム４とともにスプレーノズル３を一定速度、一定周期で上下動させることにより、連続鋳造装置内に鋳造方向に配置された複数のスプレーノズルからなる冷却装置により冷却される鋳片の冷却履歴を、静止した状態のインゴットを用いて模擬することができる。また、インゴット２の内部に熱電対を１個埋め込み、この熱電対の温度の変化を測定することにより、冷却水噴射中のインゴット２の表面温度の変化を調査することができる。
【００３３】
１−２．試験条件
予備試験は、前記図２に示す冷却試験装置を用いて行い、試験条件は、下記表１に示す通りとした。同表に記載の鋼種となるように成分および温度を調整した溶鋼を用いて、ブルームの断面に相当するアスペクト比の底面を有する四角柱のインゴット２を鋳造した。インゴット２の内部には、冷却対象とする面の表面から１５ｍｍの位置に熱電対を１個埋め込んだ。鋳造したインゴット２は、型抜きして冷却試験装置まで搬送し、同図に示す位置に載置した後、スプレーノズル３から冷却水を噴射して冷却した。スプレーノズル３は、熱電対の位置がスプレーノズル３の上下動の範囲の中央となるように上下動させた。冷却対象とする面は、幅が４３５ｍｍの面とした。冷却後のインゴット２からは、サンプルを切り出して組織観察に供した。
【００３４】
【表１】
【００３５】
図３は、スプレーノズルとインゴットの正面図および側面図の模式図であり、同図（ａ）はインゴットの被冷却部の形状が楕円の場合、同図（ｂ）はインゴットの被冷却部の形状が矩形の場合を示す。被冷却部とは、スプレーノズル３から噴射された冷却水が直接インゴットに当たる部分をいう。表１のスプレーについての記載において、Ｗはインゴット２の被冷却部の幅（スプレーノズル３の移動方向に垂直な方向の長さ）、Ｌは被冷却部のスプレーノズル３の移動方向の長さをそれぞれ意味し、Ｈはインゴット２とスプレーノズル３との間の距離を意味する。ＷおよびＬの値から、インゴット２の表面での被冷却部の面積Ｓを算出できる。同図では、スプレーノズル３の上下動の範囲の上限位置および下限位置を二点鎖線で示し、上下動の範囲の中央位置を実線で示した。上下動の範囲の中央位置には、熱電対２ａが位置する。
【００３６】
冷却試験装置の動作条件は、スプレーノズル３の上下動距離を２５０ｍｍ、上下動周期を１２ｓとし、スプレー噴射回数を５回とした。これにより、鋳片が１２５０ｍｍ／ｍｉｎ（＝２５０ｍｍ／１２ｓ）で連続鋳造装置内を移動し、２５０ｍｍ間隔で５箇所のスプレーノズルからの冷却水の噴射を受ける状態を模擬した。
【００３７】
試験例１では、フラットスプレーを使用し、インゴット２の被冷却部の形状は、図３（ａ）に示す楕円形とした。また、模擬したスプレーノズルの間隔が２５０ｍｍであったのに対して、スプレーによる被冷却部はスプレーノズル３の移動方向の長さＬが５０ｍｍであったことから、熱電対２ａは試験中において冷却水の噴射を間欠的に受ける状態であった。すなわち、被冷却部に途切れる部分が生じる場合について模擬した。
【００３８】
試験例２では、矩形タイプのスプレーノズル３を使用し、インゴット２の被冷却部の形状は、図３（ｂ）に示す矩形とした。また、模擬したスプレーノズルの間隔が２５０ｍｍであったのに対して、被冷却部はスプレーノズル３の移動方向の長さＬが２５０ｍｍであったことから、熱電対２ａは試験中において常に冷却水の噴射を受ける状態であった。すなわち、被冷却部が連続する場合について模擬した。試験例２では被冷却部の面積が試験例１よりも大きいため、試験例１よりも水量密度が小さかった。
【００３９】
１−３．試験結果
図４は、試験例１におけるインゴットの表面温度の変化を示す図である。同図では横軸を冷却水の噴射を開始してから経過した時間とした。同図より、スプレー噴射によりインゴット２の表面温度が低下し、その後復熱してスプレーノズル３の通過回数に応じて温度の低下および上昇を繰り返していることがわかる。図中の下向きの矢印は、温度の極大値を示す。この温度の低下および上昇の繰り返しは、従来の冷却装置では、熱電対が冷却水の噴射を間欠的に受けるため、すなわち被冷却部が途切れるため、冷却が不十分な区間が存在することを意味する。５回の冷却水の噴射により、最終的に到達した温度（自然放熱前に最も低下した温度）は３３８．２Ｋ（６５．０℃）であった。
【００４０】
図５は、試験例２におけるインゴットの表面温度の変化を示す図である。同図には、比較のため、前記図４でインゴットの表面温度の極大値を示した時間および温度に下向きの矢印を付している。図５より、前記図４と比較して温度の低下および上昇の繰り返しが現れなくなり、冷却水の噴射を受けている間は温度が単調に減少したことがわかる。また、５回の冷却水の噴射により最終的に到達した温度（自然放熱前に最も低下した温度）は３０９．８Ｋ（３６．６℃）であり、試験例１と比較して２８．４Ｋ低下したことがわかる。
【００４１】
試験例２では、試験例１とスプレーノズル３からの噴射水量が同じで、前記図３に示すようにスプレーノズル３から噴射された冷却水によるインゴット２の被冷却部がスプレーノズル３の移動方向に広かった。そのため、表１に示すように、試験例１と比べて試験例２の方が、スプレー単体の水量密度が小さく、部分的なインゴット２の表面温度の低下率が小さかった。しかし、インゴット２の被冷却部が連続するため、冷却による温度低下と復熱による温度上昇とが繰り返されず、インゴット２の表面温度が逐次低下した。そのため、冷却の時間ロスが少なく、スプレーノズル３から噴射された冷却水の熱伝達率が前記図１に示すように増大し、冷却効果が大きくなったと考えられる。また、冷却による温度低下と復熱による温度上昇とを繰り返した場合よりも、単調的に温度を低下させた場合の方が、インゴットの冷却の均一性が高い。
【００４２】
２．複数のスプレーノズルからなる冷却装置における水量密度分布
図６は、複数のスプレーノズルからなる冷却装置から噴射される冷却水によって形成される被冷却部における水量密度分布について説明するための図であって、同図（ａ）は冷却装置および鋳片の正面図、同図（ｂ）は鋳片の被冷却部に途切れる部分が生じる場合のスプレーノズルの位置と水量密度分布との関係を示す図、同図（ｃ）は鋳片の被冷却部が連続する場合のスプレーノズルの位置と水量密度分布との関係を示す図である。同図を用いて、スプレーノズル単体の水量密度と、複数のスプレーノズルからなる冷却装置における水量密度分布について説明する。スプレーノズルの水量密度とは、鋳片の被冷却部における単位面積当たりの冷却水量を意味する。
【００４３】
図６（ａ）に示すように、スプレーノズル１７は、鋳片１２の鋳造方向に所定の間隔で複数配置され、冷却装置１８を構成する。同図（ｂ）および（ｃ）は、同図（ａ）の破線で囲んだ部分を拡大して示したものである。水量密度分布は、同図（ｂ）および（ｃ）に示すように、スプレーノズルに対向する位置で最も高く、この位置から離れるほど低い分布となる。
【００４４】
本発明者らは、単体のスプレーノズルによる被冷却部において、水量密度が最大となる位置、すなわちスプレーノズルに対向する位置での水量密度を１００％と定義した。図６（ｂ）に示すように鋳片の被冷却部に途切れる部分が生じる場合には、隣接するスプレーノズル１７の間に水量密度が０となる部分が生じる。そして、検討を重ねた結果、以下の知見を得た。スプレーノズル１７の配置および被冷却部の大きさの設定により、図６（ｃ）に示すように被冷却部を連続させ、鋳片１２の表面において、隣接するスプレーノズル１７の間の水量密度が最も低い部分でも、各スプレーノズル１７から噴射された冷却水を合計した水量密度を２５％以上として冷却する。このように冷却すれば、複数のスプレーノズル１７からなる冷却装置１８によって構成される冷却帯において、鋳片１２を均一に冷却し、鋳片１２の復熱および復熱に伴う鋳片１２の割れの発生を抑制することが可能である。また、隣接するスプレーノズル１７の間の水量密度が最も低い部分でも水量密度を２５％以上とすることにより、連続鋳造機内で鋳片１２を切断しない状態で３次冷却しても、鋳片１２の蛇行が発生しない。
【００４５】
３．スプレーノズルと鋳片の被冷却部との距離
一般に、同一スプレーノズルを用いた場合、スプレーノズルと鋳片との距離が長いほど鋳片の被冷却部の面積は大きくなる。そのため、スプレーノズルと鋳片との距離を調整することによって、複数のスプレーノズルから噴射される冷却水で形成される鋳片の被冷却部に途切れをなくすことができる。
【００４６】
しかし、スプレーノズルと鋳片との距離を単に大きくしただけでは、鋳片の被冷却部の途切れをなくすことができるものの、冷却水の鋳片への噴射面圧力（以下単に「インパクト」ともいう。）が低下し、冷却能が低下する。スプレー噴射のインパクトを低下させない方法としては、例えば高圧スプレーを用いる方法が挙げられる。
【００４７】
通常のミストスプレーでは、冷却水噴射時の圧力が約５ｋｇｆ／ｃｍ2であり、高圧スプレーでは約１０ｋｇｆ／ｃｍ2である。通常のミストスプレーおよび高圧スプレーを使用した場合に、最低限度のインパクトを確保するとともに、インパクトの調整範囲を確保するには、スプレーノズルと鋳片との距離を１００〜３００ｍｍとすることが好ましい。また、鋳片の被冷却部における冷却水のインパクトは、０．２ｇｆ／ｍｍ2以上とすることが好ましい。さらに、水量密度を確保するため、隣接するスプレーノズルの間隔（以下「スプレーピッチ」ともいう。）はいずれの被冷却部の形状の場合も２００ｍｍ以下が好ましい。
【００４８】
４．鋳片の被冷却部の形状
図７は、鋳片の被冷却部の形状の例を示す図である。スプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される鋳片１２の表面の被冷却部の形状は、同図に示す円形、楕円および矩形のいずれでもよい。いずれの形状でも鋳片１２の被冷却部の途切れをなくすことができる。同図には、鋳片１２の幅４３５ｍｍの面に、冷却対象とする部分の鋳片幅方向の長さを３００ｍｍとして冷却水を噴射した場合の被冷却部の形状を示す。すなわち、鋳造方向に隣接するスプレーノズルによる被冷却部の重複部分（以下「ラップ部」ともいう。）の鋳片幅方向の長さを３００ｍｍとした場合の被冷却部の形状を示す。いずれの形状においても、ラップ部での水量密度は２５％以上となるようにラップ部の大きさを設定した。同図では、鋳片１２のコーナー部近傍での過冷却を防止するため、鋳片１２の幅方向端部は被冷却部としなかった場合を示す。
【００４９】
被冷却部の形状が円形の場合は、被冷却部の直径を４００ｍｍとした。ラップ部の鋳片幅方向の長さを３００ｍｍとしたため、ラップ部の鋳造方向の長さＣ（以下「ラップ幅」ともいう。）は６７．７ｍｍ、スプレーピッチＤは２６４．６ｍｍであった。
【００５０】
被冷却部の形状が楕円の場合は、被冷却部の長径を鋳片幅方向に一致させ、その長径Ｗを４００ｍｍ、短径Ｌを５０ｍｍとした。ラップ部の鋳片幅方向の長さを３００ｍｍとしたため、ラップ幅Ｃは８．５ｍｍ、スプレーピッチＤは４１．５ｍｍであった。
【００５１】
被冷却部の形状が矩形の場合は、被冷却部の鋳片幅方向の長さＷを３００ｍｍ、鋳造方向の長さＬを１００ｍｍとした。被冷却部の形状を矩形とする方法としては、スプレーノズルの形状を、矩形の長軸側に太めのカットを入れ、短軸側をクロスさせて厚みを持たせた形状とする方法が挙げられる。被冷却部の形状が矩形であるため、必然的にラップ部の鋳片幅方向の長さは３００ｍｍとなる。ラップ幅を４．０ｍｍとしたため、スプレーピッチは９６．０ｍｍであった。各形状についての各部の寸法を表２にまとめる。
【００５２】
【表２】
【００５３】
次に、被冷却部の各形状の特性を比較する。円形の場合は、ラップ幅が最も広く、その一方で鋳片幅方向の水量密度分布が不均一となる。楕円の場合は、ラップ幅が最も狭く、そのため鋳片幅方向の水量密度分布は円形の場合と比較して均一である。しかし、スプレーピッチが最も狭いため、鋳造方向の長さが同一の被冷却部を形成するには、最も多数のスプレーノズルが必要である。また、円形、楕円のいずれも、冷却対象とする部分の鋳片幅方向の長さが３００ｍｍであるのに対して、被冷却部の鋳片幅方向の長さが４００ｍｍであり、鋳片の表面を均一に冷却するのは困難である。
【００５４】
矩形の場合は、スプレーピッチは円形と楕円の間であり、必要なスプレーノズルの数も円形と楕円の間である。しかし、冷却対象とする部分の鋳片幅方向の長さと被冷却部の鋳片幅方向の長さを一致させることができ、かつ鋳片幅方向の水量密度分布が均一である。そのため、円形および楕円と比較して、鋳片の表面を均一に冷却するのは最も容易である。さらに、設備費および冷却水の使用効率の面で、上記３種の被冷却部の形状の中では矩形が最も有効である。特に３次冷却は、鋳片表層の組織の微細化を目的とするため、過冷却されやすい端部を除いた鋳片表層の全面を均一に冷却することが好ましいことから、被冷却部の形状を矩形とすることが好ましい。
【００５５】
５．鋳片の製造方法
図８は、本発明の鋳片の冷却方法が適用可能な全湾曲型の連続鋳造機の概略を示す図である。同図に示すように、図示しないタンディッシュから供給された溶鋼は、鋳型１１内に注入され、鋳型１１内での１次冷却により凝固して、鋳片１２の表面を構成する凝固シェルが形成される。鋳片１２は、鋳型１１の下部に設けられた２次冷却帯１３では、セグメントロール１４で支持されながら、冷却水のスプレーによる２次冷却により凝固が促進される。凝固した鋳片１２は、複数のピンチロール１５で構成された矯正帯１６において湾曲が矯正されるとともに、矯正帯１６に設けられた３次冷却帯で冷却装置１８からの冷却水のスプレーにより３次冷却される。冷却装置１８は、隣接するピンチロール１５間に配置される。冷却装置１８としては前記図６に示す配置のスプレーノズルを使用することができる。３次冷却帯では、本発明の鋳片の冷却方法が適用可能であり、隣接するスプレーノズルの間の水量密度が最も低い部分でも、各スプレーノズルから噴射された冷却水を合計した水量密度を２５％以上とする冷却が可能である。冷却方法としては、水冷却、ミストスプレーおよび高圧スプレーのいずれも適用可能である。
【００５６】
本発明の冷却方法では、上記連続鋳造装置の３次冷却帯において鋳片を切断しない状態で均一に冷却することができる。そのため連続鋳造機内での、鋳片の蛇行が抑制される。また、上記連続鋳造装置の３次冷却帯において、本発明の冷却方法で冷却された鋳片は、復熱および復熱に伴う割れの発生が抑制されている。さらに、この鋳片を分塊して再加熱する際の割れの発生、および再加熱した鋳片を圧延する際の割れの発生も抑制される。本発明の冷却方法は、ブルームの製造に限られず、スラブやビレット等の製造にも適用可能である。また、冷却対象とする面は、上面および下面からの冷却による鋳片の長辺面に限られず、側面からの冷却による短辺面であってもよいし、長辺面および短辺面の両方であってもよい。
【実施例】
【００５７】
本発明の連続鋳造鋳片の冷却方法の効果を確認するため、以下に示す試験を実施して、その結果を評価した。
【００５８】
１．試験条件
連続鋳造装置として、３次冷却帯を備えた前記図８に示す装置を用いて鋳片を連続鋳造した。鋳造条件および３次冷却条件は表３に示す通りとし、鋳片は下記断面サイズのブルームとした。３次冷却帯に設けられた冷却装置は、鋳片の鋳造方向に配置された６対のスプレーノズルからなるものを用いた。スプレーノズルは、鋳片の上面および下面に冷却水を噴射する。鋳片の被冷却面は、ピンチロールに接触する上面および下面とし、幅が４３５ｍｍの面とした。
【００５９】
【表３】
【００６０】
比較例は、スプレーノズルとしてフラットスプレーを使用し、鋳片とスプレーノズルとの距離は１５０ｍｍとした。鋳片の被冷却部の形状は楕円とし、その鋳造方向の長さは５０ｍｍ、被冷却部の鋳片幅方向の長さは３００ｍｍとした。スプレーノズルの間隔は９６ｍｍとしたため、被冷却部のラップ部は形成されなかった。
【００６１】
本発明例は、スプレーノズルとして矩形タイプのものを使用し、鋳片とスプレーノズルとの距離は１５０ｍｍとした。鋳片の被冷却部の形状は矩形とし、その鋳造方向の長さは１００ｍｍ、被冷却部の鋳片幅方向の長さは３００ｍｍとした。スプレーノズルの間隔は９６ｍｍとしたため、被冷却部のラップ部の鋳造方向の長さは４ｍｍであった。ラップ部での水量密度は２５％以上であった。本発明例および比較例とも、鋳造した鋳片の本数Ａは、６本とした。
【００６２】
２．試験結果
上記条件で作製した連続鋳造鋳片について、「鋳片手入れ率」を評価項目として評価を行った。鋳片手入れ率とは、鋳造した鋳片の本数をＡ、そのうち手入れが必要であった鋳片の本数をＢとした場合にＢ／Ａ×１００（％）で表される値である。手入れが必要であった鋳片とは、表面割れを取り除くためにグラインダーで研削した面積が鋳片全体の面積の６．２５％以上であった鋳片をいう。
【００６３】
図９は、比較例および本発明例の鋳片手入れ率を示す図である。同図に示すように、本発明例では、鋳片手入れ率が比較例の約１／３であった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の連続鋳造鋳片の冷却方法によれば、連続鋳造機内での３次冷却によって、鋳片を切断しない状態で均一に冷却することができる。そのため、連続鋳造機内での鋳片の蛇行を抑制することができ、かつ部分的に急冷された部分の復熱および復熱による割れの発生を抑制することができる。また、鋳片を分塊圧延で再加熱する際の割れの発生、および再加熱した鋳片を圧延する際の割れの発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１：スライダー、 ２：インゴット、 ２ａ：熱電対、 ３：スプレーノズル、
４：フレーム、 ５：駆動伝達梁、 ６：横棒、 １１：鋳型、 １２：鋳片、
１３：２次冷却帯、 １４：セグメントロール、 １５：ピンチロール、
１６：矯正帯、 １７：スプレーノズル、 １８：冷却装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造された鋳片の冷却方法に関し、特に２次冷却後の鋳片を切断することなく連続鋳造機内で３次冷却する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造鋳片は、溶鋼を取鍋からタンディッシュに注入し、さらに鋳型内に注入し、鋳型下部から引き抜くことによって製造している。その際、鋳型内で凝固シェルが形成され、鋳型から引き抜かれた鋳片は２次冷却帯でさらに冷却され、凝固鋳片となる。
【０００３】
連続鋳造鋳片は、分塊圧延で再加熱する際に表面割れが発生することがある。また、再加熱した鋳片を圧延する際にも表面割れが発生することがある。この鋳片表面割れの発生を抑制するため、種々の対策が提案されている。
【０００４】
例えば、鋳片の表層組織の微細化を目的とし、３次冷却と称される２次冷却後の鋳片の冷却が実施されている。発明者らの調査によると、この３次冷却は、鋳片を圧延する際の表面割れの進展の抑制には効果があるものの、鋳片表面割れの発生の抑制には十分な効果が現在得られていない。さらに、鋳造鋼種による影響があるため、表面割れの発生の完全な抑制には至っていない。そのため、鋳片の分塊後の再加熱時および圧延時に発生する表面割れの発生の防止が望まれている。
【０００５】
３次冷却を適用する方法として、例えば特許文献１では、連続鋳造された鋳片（ブルーム）を所定の長さに切断した後、連続鋳造機外に設置されたブルームクーラー（スプレー冷却装置）を用いてＡｒ3変態点直上の温度域から冷却する方法が記載されている。この方法では、３次冷却の際の鋳片上面の冷却水の水量密度を５×１０-4〜４×１０-3ｍ3／ｓｍ2とし、鋳片側面および下面の水量密度を、それぞれ上面の水量密度の１．５倍以上および２．０倍以上としている。この方法によれば、冷却時における鋳片表面の割れがほとんど発生しないとされている。
【０００６】
また、特許文献２では、連続鋳造機外に設置されたブルームクーラーを用いてＡｒ3変態点直上の温度域から冷却する際に、鋳片（ブルーム）の移動速度を３〜１０ｍ／ｍｉｎとする方法が提案されている。この方法によれば、鋳片の下面からの冷却水の噴流が搬送ロールによって遮られることがないため、鋳片の下面を均一に冷却することができ、表面欠陥を低減できるとされている。
【０００７】
以上の特許文献１および特許文献２に記載の３次冷却方法は、切断した連続鋳造鋳片を連続鋳造機外でＡｒ3変態点直上の温度域から冷却し、復熱および分塊再加熱による組織微細化（γ粒微細化）を目的とした冷却方法である。
【０００８】
このように、連続鋳造鋳片を切断した後、３次冷却を連続鋳造機外で行うことは技術常識であり、数社で実施されている報告もある。しかし、発明者らの調査によると、これらの技術では鋳片の再加熱時および圧延時に発生する表面割れの抑制には至っていないのが現状である。
【０００９】
また、鋳片の切断後に連続鋳造機外で３次冷却を行う方法は、冷却用の水槽を新たに設け、この水槽に切断した鋳片を搬送する工程が必要となるため、効率が悪いという問題がある。
【００１０】
これに対して、連続鋳造鋳片を切断しない状態で、連続鋳造機内において３次冷却を行う方法として、特許文献３では、ピンチロールの鋳造方向下流側に設けた冷却装置で３次冷却を行う方法が提案されている。
【００１１】
連続鋳造鋳片を切断する前に３次冷却を行う方法では、３次冷却に用いる冷却装置を設置する場所によっては、鋼種によっては十分な冷却効果を得られない場合がある。この場合には鋳片の冷却を強化することによって３次冷却の効果を得ることができると考えられる。鋳片の冷却の強化は、一般的には鋳片に噴射する冷却水の量（水量密度）を増大させることで可能である。冷却水としてミストスプレーを使用する場合には、気水比を増大させることによって、冷却水の熱伝達係数を増大させ、冷却能を向上し、冷却を強化することができる。
【００１２】
しかし、冷却水量または気水比の増大による鋳片の冷却の強化は、スプレー単体での冷却能をただ向上させるだけであり、鋳片の部分的な急冷を余儀なくされる。鋳片の急冷を部分的に行うと、急冷された部分がマルテンサイト化し、復熱時にその部分が膨張して割れが発生するおそれがあるという問題がある。
【００１３】
また、連続鋳造鋳片を切断する前に冷却する方法では、部分的な急冷により冷却が不均一となり、鋳片の蛇行等が発生する問題がある。そのため、現在では、連続鋳造鋳片の３次冷却は切断後に行うのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１０−１７１９号公報
【特許文献２】特開２００５−４０８３７号公報
【特許文献３】特開平１０−２１６９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、連続鋳造鋳片を切断しない状態で、連続鋳造機内における３次冷却によって均一に冷却することが可能な鋳片の冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
図１は、鋳片の表面温度とミストの熱伝達係数との関係を示す図である（社団法人日本鉄鋼協会編、「鋼材の強制冷却」、社団法人日本鉄鋼協会、昭和５３年１１月１０日、ｐ．５９）。同図に示すように、一般的に、鋳片の表面温度が低いほどミストの熱伝達係数が大きくなる。これは、冷却水としてミストスプレーを用いた鋳片の冷却において、冷却水噴射時の鋳片の表面温度が重要であることを示している。
【００１７】
従来の冷却装置は鋳片の鋳造方向に複数のスプレーノズルが配置されている。この冷却装置を用いた鋳片の冷却では、あるスプレーノズルから噴射された冷却水で鋳片が冷却され、鋳片の表面温度が低下した部分は、次のスプレーノズルから噴射された冷却水によって冷却される位置に到達するまでに復熱によって表面温度が上昇し、その後冷却水を受けて表面温度が再び低下する。このように、複数のスプレーノズルからなる冷却装置を用いた場合には、冷却過程で表面温度の低下と上昇が繰り返され、冷却効率が劣っていた。
【００１８】
また、上述したように、スプレーノズル単体の冷却能を向上させるために冷却水量を増大させると、鋳片の部分急冷が余儀なくされ、鋳片に割れが発生するおそれがあった。
【００１９】
そこで、本発明者らが検討した結果、複数のスプレーノズルからなる冷却装置の冷却能を向上させる方法として、スプレーノズル単体から噴射する冷却水量を増加させて冷却能を向上させる方法ではなく、鋳造方向の冷却水の噴射範囲を増大させて、各スプレーノズルから噴射された冷却水が当たる部分（以下「被冷却部」ともいう。）を隣接するスプレーノズル間で途切れさせず、連続して冷却する方法に着目した。
【００２０】
そして、さらに検討した結果、連続した被冷却部全長の鋳片幅方向の一定幅にわたって所定の水量密度分布で鋳片を冷却することによって、スプレーノズル単体の冷却水量を増やさなくても、冷却装置全体の冷却能を向上させ、鋳片を部分急冷することなくスプレーノズル間における復熱を抑制できることを知見した。この検討とともに行った予備試験の内容については後述する。
【００２１】
本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（４）に示す連続鋳造鋳片の冷却方法にある。
【００２２】
（１）鋳型で凝固シェルが形成され、鋳型直下の２次冷却装置で冷却された鋳片を、複数対のピンチロールの間に配置された３次冷却装置でさらに冷却する連続鋳造鋳片の冷却方法であって、前記３次冷却装置が鋳造方向に配置された複数のスプレーノズルからなり、各スプレーノズルから噴射される冷却水によって前記鋳片の表面に形成される被冷却部が連続し、隣接するスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最低値が、単独のスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最大値の２５％以上であることを特徴とする連続鋳造鋳片の冷却方法。
【００２３】
（２）前記被冷却部において前記冷却水の鋳片への噴射面圧力が０．２ｇｆ／ｍｍ2以上であることを特徴とする前記（１）に記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【００２４】
（３）前記スプレーノズルと前記鋳片との距離が１００〜３００ｍｍであり、隣接する前記スプレーノズルの間隔が２００ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【００２５】
（４）前記鋳片の表面に形成される被冷却部の形状が矩形であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の連続鋳造鋳片の冷却方法によれば、連続鋳造機内での３次冷却によって、鋳片を切断しない状態で均一に冷却することができる。そのため、連続鋳造機内での鋳片の蛇行を抑制することができ、かつ部分的に急冷された部分の復熱および復熱による割れの発生を抑制することができる。また、鋳片を分塊圧延で、再加熱する際の割れの発生、および再加熱した鋳片を圧延する際の割れの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】鋳片の表面温度とミストの熱伝達係数との関係を示す図である。
【図２】冷却試験装置の構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は側面図である。
【図３】スプレーノズルとインゴットの正面図および側面図の模式図であり、同図（ａ）はインゴットの被冷却部の形状が楕円の場合、同図（ｂ）はインゴットの被冷却部の形状が矩形の場合を示す。
【図４】試験例１におけるインゴットの表面温度の変化を示す図である。
【図５】試験例２におけるインゴットの表面温度の変化を示す図である。
【図６】複数のスプレーノズルからなる冷却装置から噴射される冷却水によって形成される被冷却部における水量密度分布について説明するための図であって、同図（ａ）は冷却装置および鋳片の正面図、同図（ｂ）は鋳片の被冷却部に途切れる部分が生じる場合のスプレーノズルの位置と水量密度分布との関係を示す図、同図（ｃ）は鋳片の被冷却部が連続する場合のスプレーノズルの位置と水量密度分布との関係を示す図である。
【図７】鋳片の被冷却部の形状の例を示す図である。
【図８】本発明の鋳片の冷却方法が適用可能な全湾曲型の連続鋳造機の概略を示す図である。
【図９】比較例および本発明例の鋳片手入れ率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の着想から予備試験を行い、課題解決に至るまでの経過とともに、本発明を実施するための形態について説明する。
【００２９】
１．予備試験
１−１．冷却試験装置
図２は、冷却試験装置の構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は側面図である。本発明者らは、本発明についての着想を具体化するため、同図に示す冷却試験装置を試作し、鋳片の冷却条件と温度変化の関係について調査した。
【００３０】
図２に示すように、冷却試験装置内には、インゴット２が配置される。冷却装置は、スプレーノズル３を１個備える。スプレーノズル３は、インゴット２の側面に水平方向に冷却水を噴射することができる。スプレーノズル３は、鉛直方向に移動可能なフレーム４に固定される。フレーム４は、駆動伝達梁５および横棒６を介してスライダー１に接続されている。スライダー１を鋳片方向に移動させ、横棒６を介して駆動伝達梁５を作動させることにより、フレーム４とともにスプレーノズル３を上下に移動させることができる。
【００３１】
鋳片の鋳造方向に配置された複数のスプレーノズルからなる冷却装置を備える連続鋳造装置では、連続鋳造されている鋳片の表面の任意の点は、各スプレーノズルに対向する位置を通過する。各スプレーノズルが等間隔に配置され、かつ鋳造速度が一定である場合には、鋳片の表面の任意の点は、各スプレーノズルに対向する位置を周期的に通過し、その周期はスプレーノズルの間隔を鋳造速度で除した時間である。
【００３２】
図２に示す冷却試験装置では、フレーム４とともにスプレーノズル３を一定速度、一定周期で上下動させることにより、連続鋳造装置内に鋳造方向に配置された複数のスプレーノズルからなる冷却装置により冷却される鋳片の冷却履歴を、静止した状態のインゴットを用いて模擬することができる。また、インゴット２の内部に熱電対を１個埋め込み、この熱電対の温度の変化を測定することにより、冷却水噴射中のインゴット２の表面温度の変化を調査することができる。
【００３３】
１−２．試験条件
予備試験は、前記図２に示す冷却試験装置を用いて行い、試験条件は、下記表１に示す通りとした。同表に記載の鋼種となるように成分および温度を調整した溶鋼を用いて、ブルームの断面に相当するアスペクト比の底面を有する四角柱のインゴット２を鋳造した。インゴット２の内部には、冷却対象とする面の表面から１５ｍｍの位置に熱電対を１個埋め込んだ。鋳造したインゴット２は、型抜きして冷却試験装置まで搬送し、同図に示す位置に載置した後、スプレーノズル３から冷却水を噴射して冷却した。スプレーノズル３は、熱電対の位置がスプレーノズル３の上下動の範囲の中央となるように上下動させた。冷却対象とする面は、幅が４３５ｍｍの面とした。冷却後のインゴット２からは、サンプルを切り出して組織観察に供した。
【００３４】
【表１】
【００３５】
図３は、スプレーノズルとインゴットの正面図および側面図の模式図であり、同図（ａ）はインゴットの被冷却部の形状が楕円の場合、同図（ｂ）はインゴットの被冷却部の形状が矩形の場合を示す。被冷却部とは、スプレーノズル３から噴射された冷却水が直接インゴットに当たる部分をいう。表１のスプレーについての記載において、Ｗはインゴット２の被冷却部の幅（スプレーノズル３の移動方向に垂直な方向の長さ）、Ｌは被冷却部のスプレーノズル３の移動方向の長さをそれぞれ意味し、Ｈはインゴット２とスプレーノズル３との間の距離を意味する。ＷおよびＬの値から、インゴット２の表面での被冷却部の面積Ｓを算出できる。同図では、スプレーノズル３の上下動の範囲の上限位置および下限位置を二点鎖線で示し、上下動の範囲の中央位置を実線で示した。上下動の範囲の中央位置には、熱電対２ａが位置する。
【００３６】
冷却試験装置の動作条件は、スプレーノズル３の上下動距離を２５０ｍｍ、上下動周期を１２ｓとし、スプレー噴射回数を５回とした。これにより、鋳片が１２５０ｍｍ／ｍｉｎ（＝２５０ｍｍ／１２ｓ）で連続鋳造装置内を移動し、２５０ｍｍ間隔で５箇所のスプレーノズルからの冷却水の噴射を受ける状態を模擬した。
【００３７】
試験例１では、フラットスプレーを使用し、インゴット２の被冷却部の形状は、図３（ａ）に示す楕円形とした。また、模擬したスプレーノズルの間隔が２５０ｍｍであったのに対して、スプレーによる被冷却部はスプレーノズル３の移動方向の長さＬが５０ｍｍであったことから、熱電対２ａは試験中において冷却水の噴射を間欠的に受ける状態であった。すなわち、被冷却部に途切れる部分が生じる場合について模擬した。
【００３８】
試験例２では、矩形タイプのスプレーノズル３を使用し、インゴット２の被冷却部の形状は、図３（ｂ）に示す矩形とした。また、模擬したスプレーノズルの間隔が２５０ｍｍであったのに対して、被冷却部はスプレーノズル３の移動方向の長さＬが２５０ｍｍであったことから、熱電対２ａは試験中において常に冷却水の噴射を受ける状態であった。すなわち、被冷却部が連続する場合について模擬した。試験例２では被冷却部の面積が試験例１よりも大きいため、試験例１よりも水量密度が小さかった。
【００３９】
１−３．試験結果
図４は、試験例１におけるインゴットの表面温度の変化を示す図である。同図では横軸を冷却水の噴射を開始してから経過した時間とした。同図より、スプレー噴射によりインゴット２の表面温度が低下し、その後復熱してスプレーノズル３の通過回数に応じて温度の低下および上昇を繰り返していることがわかる。図中の下向きの矢印は、温度の極大値を示す。この温度の低下および上昇の繰り返しは、従来の冷却装置では、熱電対が冷却水の噴射を間欠的に受けるため、すなわち被冷却部が途切れるため、冷却が不十分な区間が存在することを意味する。５回の冷却水の噴射により、最終的に到達した温度（自然放熱前に最も低下した温度）は３３８．２Ｋ（６５．０℃）であった。
【００４０】
図５は、試験例２におけるインゴットの表面温度の変化を示す図である。同図には、比較のため、前記図４でインゴットの表面温度の極大値を示した時間および温度に下向きの矢印を付している。図５より、前記図４と比較して温度の低下および上昇の繰り返しが現れなくなり、冷却水の噴射を受けている間は温度が単調に減少したことがわかる。また、５回の冷却水の噴射により最終的に到達した温度（自然放熱前に最も低下した温度）は３０９．８Ｋ（３６．６℃）であり、試験例１と比較して２８．４Ｋ低下したことがわかる。
【００４１】
試験例２では、試験例１とスプレーノズル３からの噴射水量が同じで、前記図３に示すようにスプレーノズル３から噴射された冷却水によるインゴット２の被冷却部がスプレーノズル３の移動方向に広かった。そのため、表１に示すように、試験例１と比べて試験例２の方が、スプレー単体の水量密度が小さく、部分的なインゴット２の表面温度の低下率が小さかった。しかし、インゴット２の被冷却部が連続するため、冷却による温度低下と復熱による温度上昇とが繰り返されず、インゴット２の表面温度が逐次低下した。そのため、冷却の時間ロスが少なく、スプレーノズル３から噴射された冷却水の熱伝達率が前記図１に示すように増大し、冷却効果が大きくなったと考えられる。また、冷却による温度低下と復熱による温度上昇とを繰り返した場合よりも、単調的に温度を低下させた場合の方が、インゴットの冷却の均一性が高い。
【００４２】
２．複数のスプレーノズルからなる冷却装置における水量密度分布
図６は、複数のスプレーノズルからなる冷却装置から噴射される冷却水によって形成される被冷却部における水量密度分布について説明するための図であって、同図（ａ）は冷却装置および鋳片の正面図、同図（ｂ）は鋳片の被冷却部に途切れる部分が生じる場合のスプレーノズルの位置と水量密度分布との関係を示す図、同図（ｃ）は鋳片の被冷却部が連続する場合のスプレーノズルの位置と水量密度分布との関係を示す図である。同図を用いて、スプレーノズル単体の水量密度と、複数のスプレーノズルからなる冷却装置における水量密度分布について説明する。スプレーノズルの水量密度とは、鋳片の被冷却部における単位面積当たりの冷却水量を意味する。
【００４３】
図６（ａ）に示すように、スプレーノズル１７は、鋳片１２の鋳造方向に所定の間隔で複数配置され、冷却装置１８を構成する。同図（ｂ）および（ｃ）は、同図（ａ）の破線で囲んだ部分を拡大して示したものである。水量密度分布は、同図（ｂ）および（ｃ）に示すように、スプレーノズルに対向する位置で最も高く、この位置から離れるほど低い分布となる。
【００４４】
本発明者らは、単体のスプレーノズルによる被冷却部において、水量密度が最大となる位置、すなわちスプレーノズルに対向する位置での水量密度を１００％と定義した。図６（ｂ）に示すように鋳片の被冷却部に途切れる部分が生じる場合には、隣接するスプレーノズル１７の間に水量密度が０となる部分が生じる。そして、検討を重ねた結果、以下の知見を得た。スプレーノズル１７の配置および被冷却部の大きさの設定により、図６（ｃ）に示すように被冷却部を連続させ、鋳片１２の表面において、隣接するスプレーノズル１７の間の水量密度が最も低い部分でも、各スプレーノズル１７から噴射された冷却水を合計した水量密度を２５％以上として冷却する。このように冷却すれば、複数のスプレーノズル１７からなる冷却装置１８によって構成される冷却帯において、鋳片１２を均一に冷却し、鋳片１２の復熱および復熱に伴う鋳片１２の割れの発生を抑制することが可能である。また、隣接するスプレーノズル１７の間の水量密度が最も低い部分でも水量密度を２５％以上とすることにより、連続鋳造機内で鋳片１２を切断しない状態で３次冷却しても、鋳片１２の蛇行が発生しない。
【００４５】
３．スプレーノズルと鋳片の被冷却部との距離
一般に、同一スプレーノズルを用いた場合、スプレーノズルと鋳片との距離が長いほど鋳片の被冷却部の面積は大きくなる。そのため、スプレーノズルと鋳片との距離を調整することによって、複数のスプレーノズルから噴射される冷却水で形成される鋳片の被冷却部に途切れをなくすことができる。
【００４６】
しかし、スプレーノズルと鋳片との距離を単に大きくしただけでは、鋳片の被冷却部の途切れをなくすことができるものの、冷却水の鋳片への噴射面圧力（以下単に「インパクト」ともいう。）が低下し、冷却能が低下する。スプレー噴射のインパクトを低下させない方法としては、例えば高圧スプレーを用いる方法が挙げられる。
【００４７】
通常のミストスプレーでは、冷却水噴射時の圧力が約５ｋｇｆ／ｃｍ2であり、高圧スプレーでは約１０ｋｇｆ／ｃｍ2である。通常のミストスプレーおよび高圧スプレーを使用した場合に、最低限度のインパクトを確保するとともに、インパクトの調整範囲を確保するには、スプレーノズルと鋳片との距離を１００〜３００ｍｍとすることが好ましい。また、鋳片の被冷却部における冷却水のインパクトは、０．２ｇｆ／ｍｍ2以上とすることが好ましい。さらに、水量密度を確保するため、隣接するスプレーノズルの間隔（以下「スプレーピッチ」ともいう。）はいずれの被冷却部の形状の場合も２００ｍｍ以下が好ましい。
【００４８】
４．鋳片の被冷却部の形状
図７は、鋳片の被冷却部の形状の例を示す図である。スプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される鋳片１２の表面の被冷却部の形状は、同図に示す円形、楕円および矩形のいずれでもよい。いずれの形状でも鋳片１２の被冷却部の途切れをなくすことができる。同図には、鋳片１２の幅４３５ｍｍの面に、冷却対象とする部分の鋳片幅方向の長さを３００ｍｍとして冷却水を噴射した場合の被冷却部の形状を示す。すなわち、鋳造方向に隣接するスプレーノズルによる被冷却部の重複部分（以下「ラップ部」ともいう。）の鋳片幅方向の長さを３００ｍｍとした場合の被冷却部の形状を示す。いずれの形状においても、ラップ部での水量密度は２５％以上となるようにラップ部の大きさを設定した。同図では、鋳片１２のコーナー部近傍での過冷却を防止するため、鋳片１２の幅方向端部は被冷却部としなかった場合を示す。
【００４９】
被冷却部の形状が円形の場合は、被冷却部の直径を４００ｍｍとした。ラップ部の鋳片幅方向の長さを３００ｍｍとしたため、ラップ部の鋳造方向の長さＣ（以下「ラップ幅」ともいう。）は６７．７ｍｍ、スプレーピッチＤは２６４．６ｍｍであった。
【００５０】
被冷却部の形状が楕円の場合は、被冷却部の長径を鋳片幅方向に一致させ、その長径Ｗを４００ｍｍ、短径Ｌを５０ｍｍとした。ラップ部の鋳片幅方向の長さを３００ｍｍとしたため、ラップ幅Ｃは８．５ｍｍ、スプレーピッチＤは４１．５ｍｍであった。
【００５１】
被冷却部の形状が矩形の場合は、被冷却部の鋳片幅方向の長さＷを３００ｍｍ、鋳造方向の長さＬを１００ｍｍとした。被冷却部の形状を矩形とする方法としては、スプレーノズルの形状を、矩形の長軸側に太めのカットを入れ、短軸側をクロスさせて厚みを持たせた形状とする方法が挙げられる。被冷却部の形状が矩形であるため、必然的にラップ部の鋳片幅方向の長さは３００ｍｍとなる。ラップ幅を４．０ｍｍとしたため、スプレーピッチは９６．０ｍｍであった。各形状についての各部の寸法を表２にまとめる。
【００５２】
【表２】
【００５３】
次に、被冷却部の各形状の特性を比較する。円形の場合は、ラップ幅が最も広く、その一方で鋳片幅方向の水量密度分布が不均一となる。楕円の場合は、ラップ幅が最も狭く、そのため鋳片幅方向の水量密度分布は円形の場合と比較して均一である。しかし、スプレーピッチが最も狭いため、鋳造方向の長さが同一の被冷却部を形成するには、最も多数のスプレーノズルが必要である。また、円形、楕円のいずれも、冷却対象とする部分の鋳片幅方向の長さが３００ｍｍであるのに対して、被冷却部の鋳片幅方向の長さが４００ｍｍであり、鋳片の表面を均一に冷却するのは困難である。
【００５４】
矩形の場合は、スプレーピッチは円形と楕円の間であり、必要なスプレーノズルの数も円形と楕円の間である。しかし、冷却対象とする部分の鋳片幅方向の長さと被冷却部の鋳片幅方向の長さを一致させることができ、かつ鋳片幅方向の水量密度分布が均一である。そのため、円形および楕円と比較して、鋳片の表面を均一に冷却するのは最も容易である。さらに、設備費および冷却水の使用効率の面で、上記３種の被冷却部の形状の中では矩形が最も有効である。特に３次冷却は、鋳片表層の組織の微細化を目的とするため、過冷却されやすい端部を除いた鋳片表層の全面を均一に冷却することが好ましいことから、被冷却部の形状を矩形とすることが好ましい。
【００５５】
５．鋳片の製造方法
図８は、本発明の鋳片の冷却方法が適用可能な全湾曲型の連続鋳造機の概略を示す図である。同図に示すように、図示しないタンディッシュから供給された溶鋼は、鋳型１１内に注入され、鋳型１１内での１次冷却により凝固して、鋳片１２の表面を構成する凝固シェルが形成される。鋳片１２は、鋳型１１の下部に設けられた２次冷却帯１３では、セグメントロール１４で支持されながら、冷却水のスプレーによる２次冷却により凝固が促進される。凝固した鋳片１２は、複数のピンチロール１５で構成された矯正帯１６において湾曲が矯正されるとともに、矯正帯１６に設けられた３次冷却帯で冷却装置１８からの冷却水のスプレーにより３次冷却される。冷却装置１８は、隣接するピンチロール１５間に配置される。冷却装置１８としては前記図６に示す配置のスプレーノズルを使用することができる。３次冷却帯では、本発明の鋳片の冷却方法が適用可能であり、隣接するスプレーノズルの間の水量密度が最も低い部分でも、各スプレーノズルから噴射された冷却水を合計した水量密度を２５％以上とする冷却が可能である。冷却方法としては、水冷却、ミストスプレーおよび高圧スプレーのいずれも適用可能である。
【００５６】
本発明の冷却方法では、上記連続鋳造装置の３次冷却帯において鋳片を切断しない状態で均一に冷却することができる。そのため連続鋳造機内での、鋳片の蛇行が抑制される。また、上記連続鋳造装置の３次冷却帯において、本発明の冷却方法で冷却された鋳片は、復熱および復熱に伴う割れの発生が抑制されている。さらに、この鋳片を分塊して再加熱する際の割れの発生、および再加熱した鋳片を圧延する際の割れの発生も抑制される。本発明の冷却方法は、ブルームの製造に限られず、スラブやビレット等の製造にも適用可能である。また、冷却対象とする面は、上面および下面からの冷却による鋳片の長辺面に限られず、側面からの冷却による短辺面であってもよいし、長辺面および短辺面の両方であってもよい。
【実施例】
【００５７】
本発明の連続鋳造鋳片の冷却方法の効果を確認するため、以下に示す試験を実施して、その結果を評価した。
【００５８】
１．試験条件
連続鋳造装置として、３次冷却帯を備えた前記図８に示す装置を用いて鋳片を連続鋳造した。鋳造条件および３次冷却条件は表３に示す通りとし、鋳片は下記断面サイズのブルームとした。３次冷却帯に設けられた冷却装置は、鋳片の鋳造方向に配置された６対のスプレーノズルからなるものを用いた。スプレーノズルは、鋳片の上面および下面に冷却水を噴射する。鋳片の被冷却面は、ピンチロールに接触する上面および下面とし、幅が４３５ｍｍの面とした。
【００５９】
【表３】
【００６０】
比較例は、スプレーノズルとしてフラットスプレーを使用し、鋳片とスプレーノズルとの距離は１５０ｍｍとした。鋳片の被冷却部の形状は楕円とし、その鋳造方向の長さは５０ｍｍ、被冷却部の鋳片幅方向の長さは３００ｍｍとした。スプレーノズルの間隔は９６ｍｍとしたため、被冷却部のラップ部は形成されなかった。
【００６１】
本発明例は、スプレーノズルとして矩形タイプのものを使用し、鋳片とスプレーノズルとの距離は１５０ｍｍとした。鋳片の被冷却部の形状は矩形とし、その鋳造方向の長さは１００ｍｍ、被冷却部の鋳片幅方向の長さは３００ｍｍとした。スプレーノズルの間隔は９６ｍｍとしたため、被冷却部のラップ部の鋳造方向の長さは４ｍｍであった。ラップ部での水量密度は２５％以上であった。本発明例および比較例とも、鋳造した鋳片の本数Ａは、６本とした。
【００６２】
２．試験結果
上記条件で作製した連続鋳造鋳片について、「鋳片手入れ率」を評価項目として評価を行った。鋳片手入れ率とは、鋳造した鋳片の本数をＡ、そのうち手入れが必要であった鋳片の本数をＢとした場合にＢ／Ａ×１００（％）で表される値である。手入れが必要であった鋳片とは、表面割れを取り除くためにグラインダーで研削した面積が鋳片全体の面積の６．２５％以上であった鋳片をいう。
【００６３】
図９は、比較例および本発明例の鋳片手入れ率を示す図である。同図に示すように、本発明例では、鋳片手入れ率が比較例の約１／３であった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の連続鋳造鋳片の冷却方法によれば、連続鋳造機内での３次冷却によって、鋳片を切断しない状態で均一に冷却することができる。そのため、連続鋳造機内での鋳片の蛇行を抑制することができ、かつ部分的に急冷された部分の復熱および復熱による割れの発生を抑制することができる。また、鋳片を分塊圧延で再加熱する際の割れの発生、および再加熱した鋳片を圧延する際の割れの発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１：スライダー、 ２：インゴット、 ２ａ：熱電対、 ３：スプレーノズル、
４：フレーム、 ５：駆動伝達梁、 ６：横棒、 １１：鋳型、 １２：鋳片、
１３：２次冷却帯、 １４：セグメントロール、 １５：ピンチロール、
１６：矯正帯、 １７：スプレーノズル、 １８：冷却装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型で凝固シェルが形成され、鋳型直下の２次冷却装置で冷却された鋳片を、複数対のピンチロールの間に配置された３次冷却装置でさらに冷却する連続鋳造鋳片の冷却方法であって、
前記３次冷却装置が鋳造方向に配置された複数のスプレーノズルからなり、各スプレーノズルから噴射される冷却水によって前記鋳片の表面に形成される被冷却部が連続し、隣接するスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最低値が、単独のスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最大値の２５％以上であることを特徴とする連続鋳造鋳片の冷却方法。
【請求項２】
前記被冷却部において前記冷却水の鋳片への噴射面圧力が０．２ｇｆ／ｍｍ2以上であることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【請求項３】
前記スプレーノズルと前記鋳片との距離が１００〜３００ｍｍであり、隣接する前記スプレーノズルの間隔が２００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【請求項４】
前記鋳片の表面に形成される被冷却部の形状が矩形であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【請求項１】
鋳型で凝固シェルが形成され、鋳型直下の２次冷却装置で冷却された鋳片を、複数対のピンチロールの間に配置された３次冷却装置でさらに冷却する連続鋳造鋳片の冷却方法であって、
前記３次冷却装置が鋳造方向に配置された複数のスプレーノズルからなり、各スプレーノズルから噴射される冷却水によって前記鋳片の表面に形成される被冷却部が連続し、隣接するスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最低値が、単独のスプレーノズルから噴射される冷却水によって形成される前記被冷却部における水量密度の最大値の２５％以上であることを特徴とする連続鋳造鋳片の冷却方法。
【請求項２】
前記被冷却部において前記冷却水の鋳片への噴射面圧力が０．２ｇｆ／ｍｍ2以上であることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【請求項３】
前記スプレーノズルと前記鋳片との距離が１００〜３００ｍｍであり、隣接する前記スプレーノズルの間隔が２００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【請求項４】
前記鋳片の表面に形成される被冷却部の形状が矩形であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の連続鋳造鋳片の冷却方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２２６２０（Ｐ２０１３−２２６２０Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５９５４０（Ｐ２０１１−１５９５４０）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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