鋼の連続鋳造方法
【課題】連続鋳造される鋳片に含まれるＡｒガス気泡や介在物を減少させ、鋳片の品質を向上させる鋼の鋳造方法を提供する。
【解決手段】浸漬ノズル３から下記式を満たす吐出角度θで溶鋼４を吐出し、電磁攪拌装置１０によって鋳型２内のメニスカスに旋回流１１を形成し、電磁ブレーキ装置によって浸漬ノズル３の吐出された溶鋼４に０．１テスラ以上の磁束密度の直流磁界を作用させた鋼の鋳造。
【解決手段】浸漬ノズル３から下記式を満たす吐出角度θで溶鋼４を吐出し、電磁攪拌装置１０によって鋳型２内のメニスカスに旋回流１１を形成し、電磁ブレーキ装置によって浸漬ノズル３の吐出された溶鋼４に０．１テスラ以上の磁束密度の直流磁界を作用させた鋼の鋳造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁攪拌装置によって鋳型内の上部の溶鋼を攪拌し、かつ、電磁ブレーキ装置によって浸漬ノズルから吐出された溶鋼に直流磁界を作用させて溶鋼を鋳造する鋼の連続鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼の連続鋳造プロセスでは、鋳造された鋳片の品質向上を目的として、例えば鋳型内に吐出された溶鋼に直流磁場を印加することが行われている。この直流磁場中での溶鋼の吐出流の周囲には、主流とは逆向きの対向流が発生することが知られている（非特許文献１）。
【０００３】
例えば通常の溶鋼の連続鋳造においては、図７に示すように、溶鋼１００を鋳型１０１内に吐出する浸漬ノズル１０２が使用される。浸漬ノズル１０２の側面の下端近傍には、下向きの吐出孔１０３が２箇所に形成されている。そしてこの浸漬ノズル１０２の吐出孔１０３から吐出された溶鋼１００の吐出流１０４に対して、例えば電磁ブレーキ装置によって直流磁場を印加した場合、この吐出流１０４の周囲に逆向きの対向流１０５が発生する。そして、吐出流１０４に含まれる不活性ガスの気泡、例えばＡｒガス（アルゴンガス）気泡１０６や、アルミナやスラグ系の非金属介在物１０７は、この対向流１０５によって、鋳型１０１内の溶鋼１００に深く侵入し難くなる。その結果、溶鋼１００が鋳造された鋳片の内部において、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を減少させることができる。また、例えば直流磁場の強度を増加させると、対向流１０５の流速が大きくなるので、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７がさらに侵入し難くなり、鋳片の内部のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数をさらに減少させることができる。
【０００４】
また、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７は、対向流１０５が浸漬ノズル１０２に沿って上昇する上昇流１０８に乗って、浸漬ノズル１０２の周辺に集中してメニスカス１０９まで浮上する。そしてメニスカス１０９において、浮上したＡｒガス気泡１０６や介在物１０７が除去される。
【０００５】
しかしながら、上昇流１０８は、メニスカス１０９近傍で浸漬ノズル１０２から鋳型１０１の側面に向かって水平に拡散する。この拡散流１１０によって、メニスカス１０９まで浮上したＡｒガス気泡１０６や介在物１０７は、鋳型１０１の側面に向かって流れる。そして、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７の一部はメニスカス１０９で除去されず、鋳型１０１の側面に形成された凝固シェルに捕捉されてしまう。その結果、溶鋼１００が鋳造された鋳片表層のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数が増加する。さらに、例えば直流磁場の強度を増加させると、凝固シェルに捕捉されるＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数がさらに増加する。
【０００６】
そこで、このようにＡｒガス気泡１０６や介在物１０７が鋳型１０１の側面の凝固シェルに捕捉されてしまうことを防止するために、例えば直流磁場の磁束密度を制限して、鋳片表層のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を最小にする方法が提案されている（非特許文献２）。また、鋳型１０１の上部のメニスカス１０９近傍で溶鋼１００を電磁攪拌することにより、図８に示すように、メニスカス１０９近傍の溶鋼１００に旋回流１１１を形成し、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７の凝固シェルでの捕捉を減少させる方法が提案されている（特許文献１）。
【０００７】
【非特許文献１】岡澤健介ら著 「電磁制動技術を利用した連続鋳型内の溶鋼噴流挙動」 鉄と鋼 Vol.84 (1998) No.7
【非特許文献２】H.Yamamura et al. “Optimum magnetic flux density in quality control of casts with levelDC magnetic field in continuous casting mold” ISIJ Int. Vol.41, No.10 (2001), pp. 1229-1235
【特許文献１】特開２０００−２７１７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献２に記載された直流磁場の磁束密度を制限する方法は、鋳片表層のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を減少させることはできるが、直流磁場の強度が弱いため、鋳片内部のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を減少させることはできなかった。
【０００９】
また、特許文献１に記載された電磁攪拌を併用する方法は、直流磁場の強度を強くすることができるので、鋳片内部のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を減少させることができるが、単純に電磁攪拌を行っただけでは、鋳片表層のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を減少させることはできなかった。この原因について発明者らが調べたところ、図８に示すように、メニスカス１０９近傍において、電磁攪拌による旋回流１１１と、対向流１０５が上昇して形成する拡散流１１０とが干渉し、流れの停滞域１１２を形成することがあることが分かった。そしてこの流れの停滞域１１２において、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７が捕捉されていることが分かった。
【００１０】
このように従来の連続鋳造方法によると、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７が鋳片の表層や内部に残存していたため、鋳片の強度の低下や、鋳片の表面疵の原因となり、鋳片の品質に改善の余地があった。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、連続鋳造される鋳片に含まれるＡｒガス気泡や介在物を減少させ、鋳片の品質を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本発明は、鋳型内の上部の溶鋼を攪拌する電磁攪拌装置と、その下方に鋳型の幅方向に一様な磁束密度分布を有する直流磁界を鋳型の厚み方向に付与できる電磁ブレーキ装置とを備えた連続鋳造用鋳型を用いて、前記鋳型内の溶鋼に浸漬し、下部には当該鋳型に斜め下向きの吐出溶鋼流を形成するための吐出孔が設けられた浸漬ノズル内にＡｒガスを吹き込みながら、前記電磁攪拌装置によって、前記鋳型内の上部の溶鋼を攪拌して前記鋳型の水平断面内で溶鋼の旋回流を形成し、かつ、前記電磁ブレーキ装置によって、前記浸漬ノズルの下部に形成された吐出孔から吐出された溶鋼に０．１テスラ以上の磁束密度の直流磁界を作用させて溶鋼を鋳造する鋼の連続鋳造方法において、前記浸漬ノズルから吐出される溶鋼は、下記式（２）を満たすように吐出されることを特徴としている。
【００１３】
【数２】
【００１４】
但し、ｈ：メニスカスから浸漬ノズルの吐出孔中心までの距離（ｍ）、ｈＢ：メニスカスから電磁ブレーキ装置中心高さまでの距離（ｍ）、Ｗ：鋳型の幅（ｍ）、Ｄ：浸漬ノズルの外径（ｍ）、θ：浸漬ノズルの幾何学的溶鋼吐出角度（度）、Ｃ０：定数、ＢＳ：電磁攪拌装置が鋳型内に形成する磁束密度の最大値（Ｔ）、ＢＢ：電磁ブレーキ装置が鋳型内に形成する磁束密度の最大値（Ｔ）、ρ：溶鋼密度（ｋｇ／ｍ３）、Ａ：浸漬ノズルの吐出孔断面積の総和（ｍ２）、Ｑ：溶鋼の質量流量（ｋｇ／秒）
【００１５】
なお、前記式（２）における定数Ｃ０は、一般には鋳造品種によって決まるものであるが、この定数Ｃ０の意味は、鋳型内の上部のメニスカス近傍における溶鋼の流速が、溶鋼中に含まれるＡｒガス気泡や介在物が凝固シェルへ捕捉されるのを抑制する規定値以上であることを示すものである。すなわち、電磁攪拌装置によって形成される鋳型の上部のメニスカス近傍の溶鋼の旋回流と、電磁ブレーキ装置によって形成されるメニスカス近傍での拡散流とが干渉する箇所における旋回流と拡散流の流速差が規定値以上になるように、定数Ｃ０は決定される。そして、例えば鋳造された鋳片が表面疵に関して厳格な基準を有する薄板の場合には、一般に０．１ｍ／秒以上の流速が必要とされ、本発明においては０．１ｍ／秒を規定値としている。このメニスカス近傍の溶鋼の流速を０．１ｍ／秒以上とした根拠は次の通りである。例えば文献 CAMP-ISIJ Vol.8(1995)-344（沢田郁夫ら著）を参照すると、溶鋼の流速を上げると、凝固シェルと溶鋼の界面近傍の速度勾配が上がり、Ａｒ気泡や介在物が受ける揚力（凝固シェルからの離反力）が増大することが示されている。この溶鋼の流速の増加に伴い、一般には捕捉されるＡｒガス気泡や介在物の粒子の臨界粒径が急激に減少し、理論捕捉臨界粒径は５０〜１００μｍ径程度の値に漸近していく。特に０〜０．１ｍ／秒間の臨界粒径の減少は大きく、本発明におけるメニスカス近傍の溶鋼の臨界流速の規定値として０．１ｍ／秒を採用する。
【００１６】
定数Ｃ０の具体的な決定方法は、先ず、電磁攪拌装置が鋳型内に形成する磁束密度が最大値ＢＳで、電磁ブレーキ装置が鋳型内に形成する磁束密度が最大値ＢＢとした条件の下、浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θを変更して溶鋼を鋳造する。そして、鋳造された鋳片の鋳造方向に対して垂直な横断面（C断面と一般に呼称する）を凝固組織であるデンドライトを現出するように腐食し、その傾き角度を測定する。例えば文献 移動磁界中を成長するデンドライトの偏向現象、鉄と鋼Vol.86 No.4(2000),pp45-49（江阪久雄、藤 健彦、原田 寛、竹内栄一、藤崎敬介著）を参照すると、デンドライトは溶鋼流動の上流側に傾き、その角度と溶鋼流速の間には一定の関係があることが示されている。この関係式を使用し、測定した鋳片表層における傾き角度から、最低の傾き角度になっている部分の計算流速が前記の基準値０．１ｍ／秒以上であることを確認する。このように定数Ｃ０は、溶鋼の最低流速が０．１ｍ／秒となる臨界値として決定される。
【００１７】
発明者らが調べたところ、浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θが大きい場合には、吐出流と逆向きの対向流の鉛直成分が大きくなり、浸漬ノズルの外壁に沿ってメニスカスまで速い流れが上昇し、電磁攪拌装置によって形成される鋳型の上部の溶鋼の旋回流と干渉することが分かった。そして、この干渉している箇所において流れが停滞し、浸漬ノズルから吐出される吐出流に含まれるＡｒガス気泡や介在物が鋳型の側面に捕捉され、鋳片に残存することが分かった。したがって、浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θに制限を加えることで、吐出流と逆向きの対向流の大きさを制御する必要があることを見出した。そこで、発明者らがさらに調べたところ、浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θが前記式（２）の左辺とｓｉｎθとの関係式を満たせば、電磁ブレーキ装置によって形成される対向流の鉛直成分を十分に確保して、Ａｒガス気泡や介在物が溶鋼の内部に侵入するのを抑制できることが分かった。これによって、Ａｒガス気泡や介在物が鋳片内部に残存するのを抑制することができる。また、浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θが前記式（２）の左辺とｓｉｎθとの関係式を満たせば、鋳型上部のメニスカス近傍において、電磁攪拌装置によって形成される旋回流の流速が、電磁ブレーキ装置によって形成される拡散流の流速以上となるように、旋回流を適切に流すことができ、Ａｒガス気泡や介在物が鋳型の側面の凝固シェルに捕捉されるのを抑制できることが分かった。これによって、Ａｒガス気泡や介在物が鋳片内の表層に残存するのを抑制することができる。このように、鋳片の表層と内部の両方に残存するＡｒガス気泡や介在物の個数を減少させることができるので、鋳片の品質を向上させることができる。
【００１８】
前記浸漬ノズルから吐出される溶鋼が前記式（２）を満たすようにするために、当該浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θを調整するのが好ましい。
【００１９】
前記浸漬ノズルから吐出される溶鋼が前記式（２）を満たすようにするために、前記メニスカスから浸漬ノズルの吐出孔中心までの距離ｈを調整してもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、連続鋳造される鋳片の表層と内部の両方に含まれるＡｒガス気泡や介在物を減少させることができるので、鋳片の品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる鋼の連続鋳造方法を実施するための連続鋳造装置１の鋳型近傍の構成を示す平面図であり、図２は、連続鋳造装置１の鋳型近傍の構成を示す縦断面図である。
【００２２】
連続鋳造装置１は、図１に示すように例えば水平断面が長方形の鋳型２を有している。鋳型２内の上部には、図２に示すように浸漬ノズル３が設けられ、浸漬ノズル３はその下部が鋳型２内の溶鋼４に浸漬している。浸漬ノズル３の側面の下端近傍には、鋳型２内へ斜め下向きに溶鋼４を吐出する吐出孔５が２箇所形成されている。吐出孔５、５は、鋳型２の短辺２ａ側に形成されている。吐出孔５から吐出される吐出流６には、浸漬ノズル３内を洗浄するために吹き込まれるＡｒガスの気泡７や、アルミナやスラグ系の介在物８が含まれている。
【００２３】
鋳型２の長辺２ｂ側のメニスカス９近傍には、図１及び図２に示すように例えば電磁攪拌コイルなどの一対の電磁攪拌装置１０、１０が設けられている。この電磁攪拌装置１０の電磁攪拌により、図１に示すように鋳型２内のメニスカス９近傍の溶鋼４を水平面内で旋回させて、旋回流１１を形成することができる。
【００２４】
浸漬ノズル３の吐出孔５の下方には、図２に示すように例えば電磁石などの電磁ブレーキ装置１２が設けられている。電磁ブレーキ装置１２は、図３に示すように鋳型２の長辺２ｂの外側に設けられている。電磁ブレーキ装置１２は、図３及び図４に示すように、吐出孔５から吐出した直後の溶鋼４の吐出流６に対して、０．１テスラ以上の磁束密度で、鋳型２の幅方向（長辺２ｂ方向）にほぼ一様な磁束密度分布を有する直流磁界１３を鋳型２の厚み方向（短辺２ａ方向）に付与することができる。この直流磁界１３と吐出孔５から吐出した溶鋼４の吐出流６によって、図４に示すように、鋳型２の幅方向（長辺２ｂ方向）に誘導電流１４が発生し、この誘導電流１４と直流磁界１３によって、吐出流６の近傍に吐出流６と逆向きの対向流１５が形成される。対向流１５は吐出流６の吐出角度とほぼ同じ角度で浸漬ノズル３に衝突して上下流に分岐し、この上下流のうち、上昇流１６は浸漬ノズル３に沿ってメニスカス９まで上昇する。そして上昇流１６はメニスカス９近傍で水平方向に拡散し、この拡散流１７は鋳型２の短辺２ａ方向に拡散する。
【００２５】
鋳型２の内側面には、図２に示すように溶鋼４が冷却されて凝固した凝固シェル１８が形成されている。
【００２６】
以上の浸漬ノズル３、電磁攪拌装置１０、電磁ブレーキ装置１２は、浸漬ノズル３から吐出される溶鋼４の吐出流６が前記式（２）を満たす角度で吐出される位置に設置する必要がある（図５参照）。
【００２７】
前記式（２）の左辺とｓｉｎθとの関係式は、電磁ブレーキ装置１２によって形成される対向流１５の鉛直成分の大きさを十分に確保するため、すなわち電磁ブレーキ装置１２によって形成される吐出流６を制動するために必要な吐出流６の吐出角度θの最小角度の条件式を示している。具体的には、吐出流６が鋳型２の短辺２ａと衝突する位置が電磁ブレーキ装置１２の中心位置と等しいか、あるいはそれより深くなるように、吐出流６の吐出角度θが決定される。これにより、電磁ブレーキ装置１２によって形成される対向流１５の鉛直成分が十分に確保されて吐出流６が制動され、吐出流６に含まれるＡｒガス気泡７や介在物８が溶鋼４の内部に侵入するのを抑制することができる。
【００２８】
前記式（２）の右辺とｓｉｎθとの関係式は、電磁攪拌装置１０によって形成されるメニスカス９近傍の溶鋼４の旋回流１１の流速が、電磁ブレーキ装置１２によって形成される拡散流１７の流速以上となるために必要な吐出流６の吐出角度θの最大角度の条件式を示している。
【００２９】
浸漬ノズル３の吐出孔５から吐出される吐出流６の流速Ｖ０は、下記式（３）に示すように溶鋼４の質量流量Ｑを浸漬ノズル３の吐出孔５の断面積の総和Ａと溶鋼４の密度ρで除した値で算出される。
【００３０】
【数３】
【００３１】
吐出流６の対向流１５の流速Ｖ１は、電磁ブレーキ装置１２の電磁力の相似パラメータである磁束密度で決定され、下記式（４）に示すように吐出流６の流速Ｖ０の平方根と電磁ブレーキ装置１２が鋳型２内に形成する磁束密度の最大値ＢＢの積に比例する。
【００３２】
【数４】
【００３３】
対向流１５が浸漬ノズル３に衝突して分岐した上昇流１６の流速Ｖ２は、下記式（５）に示すように対向流１５の流速Ｖ１のほぼ(1+sinθ)/2の割合で分配される。
【００３４】
【数５】
【００３５】
上昇流１６がメニスカス９近傍で水平方向に拡散する拡散流１７のＶ３は、下記式（６）に示すように上昇流１６の流速Ｖ２に比例する。
【００３６】
【数６】
【００３７】
上記式（３）〜（６）を統合すると、下記式（７）に示す比例関係が成立し、定数Ｃ１を設定することにより下記式（８）の等式が成立する。
【００３８】
【数７】
【００３９】
【数８】
【００４０】
一方、図６に示す電磁攪拌装置１０の電磁攪拌により鋳型２内のメニスカス９近傍の溶鋼４に形成される旋回流１１の流速Ｖ４は、下記式（９）に示すように電磁攪拌装置１０の電磁力ｆｅｍの平方根に比例することから、電磁攪拌装置１０が鋳型２内に形成する磁束密度の最大値ＢＳに比例する。この式（９）に定数Ｃ２を設定することにより、下記式（１０）の等式が成立する。
【００４１】
【数９】
【００４２】
【数１０】
【００４３】
鋳型２内のメニスカス９に浮上したＡｒガス気泡７や介在物８が、鋳型２の側面に捕捉されないためには、旋回流１１が適切に流れている必要がある。具体的には、図６に示すように旋回流１１が停滞しないように、旋回流１１と拡散流１７が逆向きに干渉する箇所１９において、旋回流１１の流速Ｖ４が拡散流１７の流速Ｖ３以上である必要がある。したがって、前記式（８）と式（１０）から下記式（１１）が成立し、定数Ｃ０を設定することにより、前記式（２）の右辺とｓｉｎθとの関係式と同一の下記式（１２）が成立する。
【００４４】
【数１１】
【００４５】
【数１２】
【００４６】
前記式（１２）における定数Ｃ０は、電磁攪拌装置１０によって形成されるメニスカス９近傍の溶鋼４の旋回流１１の流速Ｖ４と、電磁ブレーキ装置１２によって形成される拡散流１７の流速Ｖ３との流速差（Ｖ４−Ｖ３）が０．１ｍ／秒以上となるように決定される。具体的には、先ず、電磁攪拌装置１０が鋳型２内に形成する磁束密度が最大値ＢＳで、電磁ブレーキ装置１２が鋳型２内に形成する磁束密度が最大値ＢＢとした条件の下、浸漬ノズル３の溶鋼４の吐出角度θを変更して溶鋼を鋳造する。鋳造された鋳片の鋳造方向に対して垂直な横断面を凝固組織であるデンドライトを現出するように腐食し、その傾き角度を測定する。そして、デンドライトの傾き角度と溶鋼の流速の関係式を使用し、測定した鋳片表層における傾き角度から、最低の傾き角度になっている部分の計算流速が前記の基準値０．１ｍ／秒以上であることを確認する。このように定数Ｃ０は、溶鋼の流速差（Ｖ４−Ｖ３）が０．１ｍ／秒となる臨界値として決定される。
【００４７】
本実施の形態にかかる連続鋳造装置１は以上のように構成されており、次にこの連続鋳造装置１を用いた溶鋼４の連続鋳造方法について説明する。
【００４８】
先ず、浸漬ノズル３から吐出される溶鋼４が前記式（２）を満たすように、浸漬ノズル３の吐出角度θが調整される。そして、浸漬ノズル３内にＡｒガスを吹き込みながら、浸漬ノズル３の吐出孔５から鋳型２内に溶鋼４を吐出する。溶鋼４は吐出角度θで斜め下方に溶鋼４を吐出され、吐出孔５から鋳型２の短辺２ａに向かって吐出流６が形成される。吐出流６にはＡｒガス気泡７や介在物８が含まれており、これらのＡｒガス気泡７や介在物８は、鋳型２内の溶鋼４中に浮遊する。
【００４９】
浸漬ノズル３から溶鋼４を吐出すると同時に、電磁ブレーキ装置１２を作動させる。この電磁ブレーキ装置１２によって、吐出流６と逆向きの対向流１５が形成され、対向流１５が浸漬ノズル３に衝突して、メニスカス９への上昇流１６が形成される。そして、溶鋼４中に浮遊しているＡｒガス気泡７や介在物８が、上昇流１６に乗ってメニスカス９近傍まで浮上する。
【００５０】
上述の電磁ブレーキ装置１２の作動と同時に、電磁攪拌装置１０も作動させる。この電磁攪拌装置１０の電磁攪拌により、鋳型２内のメニスカス９近傍の溶鋼４に旋回流１１が形成される。この旋回流１１の流速Ｖ４は、拡散流１７の流速Ｖ３以上であるため、旋回流１１が停滞することはない。そして上昇流１６に乗ってメニスカス９近傍まで浮上したＡｒガス気泡７や介在物８は、旋回流１１によって旋回し、鋳型２の側面の凝固シェル１８に捕捉されることなく、例えば溶融酸化物を有する連続鋳造パウダー（図示せず）に取り込まれて除去される。
【００５１】
このようにＡｒガス気泡７や介在物８が除去された溶鋼４は、固化して鋳片に鋳造される。
【００５２】
以上の実施の形態によれば、浸漬ノズル３の溶鋼４吐出角度θが前記式（２）の左辺とｓｉｎθとの関係式を満たしているので、電磁ブレーキ装置１２によって形成される対向流１５の鉛直成分の大きさを十分に確保することができる。これによって、浸漬ノズル３から吐出される溶鋼４の吐出流６に含まれるＡｒガス気泡７や介在物８が溶鋼４の内部に侵入するのを抑制することができる。したがって、Ａｒガス気泡７や介在物８が鋳片内部に残存するのを抑制することができる。
【００５３】
また、浸漬ノズル３の溶鋼４吐出角度θが前記式（２）の右辺とｓｉｎθとの関係式を満たすように設定されるので、電磁攪拌装置１０によって形成されるメニスカス９近傍の溶鋼４の旋回流１１の流速が、電磁ブレーキ装置１２によって形成される拡散流１７の流速以上となるように、旋回流１１を適切に流すことができる。これによって、浸漬ノズル３から吐出される溶鋼４の吐出流６に含まれるＡｒガス気泡７や介在物８が鋳型２の側面の凝固シェル１８に捕捉されるのを抑制することができ、メニスカス９近傍でＡｒガス気泡７や介在物８を除去することができる。したがって、Ａｒガス気泡７や介在物８が鋳片表層に残存するのを抑制することができる。
【００５４】
このように連続鋳造される鋳片の表層と内部の両方に残存するＡｒガス気泡７や介在物８の個数を減少させることができるので、鋳片の品質を向上させることができる。
【００５５】
以上の実施の形態では、浸漬ノズル３から吐出される溶鋼４が前記式（２）を満たすために、浸漬ノズル３の吐出角度θが調整されていたが、メニスカス９から浸漬ノズル３の吐出孔５の中心までの距離ｈを調整することで前記式（２）を満たすようにしてもよい。これによって、例えば鋳型２の幅Ｗが変更された場合に、浸漬ノズル３自体を交換する必要がなく、浸漬ノズル３の深さを変更することで前記式（２）を満たすように溶鋼４を吐出することができる。
【実施例１】
【００５６】
以下、本発明の鋼の連続鋳造方法を用いた場合に、溶鋼に含まれるＡｒ気泡と介在物を除去する効果について説明する。本実施例を行うに際し、鋼の連続鋳造を行う装置として、先に図１及び図２に示した連続鋳造装置１を用いた。
【００５７】
連続鋳造装置１の鋳型２には、幅Ｗが１２００ｍｍ、１６００ｍｍの２種類、高さが９００ｍｍ、厚みが２５０ｍｍの鋳型を用いた。鋳型２の下方には、長さが２．５ｍの垂直部（図示せず）と曲げ半径が７．５ｍの曲げ部（図示せず）が上からこの順で設けられている。電磁攪拌装置１０は、高さが１５０ｍｍであり、その上端がメニスカス９と同一の位置となる位置に設けられている。電磁攪拌装置１０の最大磁束密度ＢＳは０．０６Ｔである。電磁ブレーキ装置１２は、その中心位置ｈＢがメニスカス９から５００ｍｍ深さとなる位置に設けられている。電磁ブレーキ装置１２の最大磁束密度ＢＳは０．４Ｔである。溶鋼４には低炭アルミキルド鋼を用い、溶鋼４の体積流量Ｑ／ρとしては、鋳型２の幅Ｗが１２００ｍｍの場合、６．５×１０−３ｍ３／秒（２．２×１０−２ｍ／秒）と９．０×１０−３ｍ３／秒（３．０×１０−２ｍ／秒）の２通りの条件で鋼の鋳造を行い、鋳型２の幅Ｗが１６００ｍｍの場合、７．３×１０−３ｍ３／秒（１．８×１０−２ｍ／秒）と１．１×１０−２ｍ３／秒（２．７×１０−２ｍ／秒）の２通りの条件で鋼の鋳造を行った。浸漬ノズル３には、外径Ｄが１５０ｍｍで、内径が９０ｍｍのノズルを用いた。浸漬ノズル３は、その吐出孔５の中心位置ｈがメニスカス９から３００ｍｍ深さとなる位置に設けられている。浸漬ノズル３には円形の吐出孔５が鋳型２の短辺２ａ側に２箇所に形成され、吐出孔５の断面積の総和Ａは１００５３ｍｍ２（直径８０ｍｍ）である。吐出孔５の吐出角度θとしては、水平面から下向きに１５度、２０度、２５度、３０度、３５度、４０度、４５度の７通りの条件で鋼の鋳造を行った。なお、鋳型２の幅Ｗが１２００ｍｍで体積流量Ｑ／ρが６．５×１０−３ｍ３／秒（２．２×１０−２ｍ／秒）の場合には、４５度でも前記式（２）の制約条件の上限以下となるために、吐出角度θが５０度、５５度及び６０度まで実施し、幅Ｗが１６００ｍｍで体積流量Ｑ／ρが７．３×１０−３ｍ３／秒（１．８×１０−２ｍ／秒）の場合には、吐出角度θが５０度まで実施した。
【００５８】
以上の連続鋳造装置１を用いて鋼を鋳造し、鋳造された鋳片の表層と内部に含まれる１００μｍ以上の径のＡｒ気泡７と介在物８を計測した。鋳片の内部は、表面から１０ｍｍの深さまで計測した。なお、本実施例において、定数Ｃ０は１０としている。
【００５９】
鋳型２の幅Ｗが１２００ｍｍの場合のＡｒ気泡７と介在物８の計測結果を表１に、幅Ｗが１６００ｍｍの場合のＡｒ気泡７と介在物８の計測結果を表２に示す。Ａｒ気泡７と介在物８の計測結果は、各々の幅Ｗと体積流量Ｑ／ρの条件で品質が最もよかった鋳片中のＡｒ気泡７と介在物８の個数を基準値（１．０）として、この基準値に対するＡｒ気泡７と介在物８の個数の比を品質指数として表示している。また、表１及び表２中には、浸漬ノズル３からの溶鋼４の吐出角度θが前記式（２）を満たしているかどうかの評価についても示し、式（２）を満たしていれば“○”が、式（２）を満たしていなければ“×”が示されている。
【００６０】
表１及び表２を参照すると、浸漬ノズル３の吐出角度θが前記式（２）の下限と上限の両方を満たしている場合、品質指数は１．０〜１．２と低い値となり、鋳片に含まれるＡｒ気泡７と介在物８の個数が少なく、鋳片の品質が一定に保たれていることが分かった。一方、吐出角度θが前記式（２）の下限又は上限のいずれか一方でも満たしていない場合、品質指数は１．６以上の比較的高い値を示し、品質が悪化していることが分かった。以上のことから、本発明の鋳造方法によって溶鋼を鋳造すると、Ａｒ気泡７と介在物８を適切に除去できることが分かった。
【００６１】
【表１】
【００６２】
【表２】
【００６３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、電磁攪拌装置によって鋳型内の上部の溶鋼を攪拌し、かつ、電磁ブレーキ装置によって浸漬ノズルから吐出された溶鋼に直流磁界を作用させて溶鋼を鋳造する鋼の連続鋳造方法に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本実施の形態にかかる鋼の連続鋳造方法を実施するための連続鋳造装置の鋳型近傍の構成を示す平面図である。
【図２】本実施の形態にかかる鋼の連続鋳造方法を実施するための連続鋳造装置の鋳型近傍の構成を示す縦断面図である。
【図３】電磁ブレーキ装置を作動させた場合の直流磁場を示した説明図である。
【図４】電磁ブレーキ装置を作動させた場合の直流磁場、誘導電流、対向流の流れを示した説明図である。
【図５】本実施の形態にかかる鋼の連続鋳造方法を実施した場合の溶鋼の流れを示した説明図である。
【図６】本実施の形態にかかる鋼の連続鋳造方法を実施した場合の溶鋼の流れを示した説明図である。
【図７】従来の連続鋳造装置の鋳型近傍の構成を示す平面図である。
【図８】従来の連続鋳造装置の鋳型近傍の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ 連続鋳造装置
２ 鋳型
２ａ 鋳型の短辺
２ｂ 鋳型の長辺
３ 浸漬ノズル
４ 溶鋼
５ 吐出孔
６ 吐出流
７ Ａｒガス気泡
８ 介在物
９ メニスカス
１０ 電磁攪拌装置
１１ 旋回流
１２ 電磁ブレーキ装置
１３ 直流磁界
１４ 誘導電流
１５ 対向流
１６ 上昇流
１７ 拡散流
１８ 凝固シェル
１９ 旋回流と拡散流が干渉する箇所
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁攪拌装置によって鋳型内の上部の溶鋼を攪拌し、かつ、電磁ブレーキ装置によって浸漬ノズルから吐出された溶鋼に直流磁界を作用させて溶鋼を鋳造する鋼の連続鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼の連続鋳造プロセスでは、鋳造された鋳片の品質向上を目的として、例えば鋳型内に吐出された溶鋼に直流磁場を印加することが行われている。この直流磁場中での溶鋼の吐出流の周囲には、主流とは逆向きの対向流が発生することが知られている（非特許文献１）。
【０００３】
例えば通常の溶鋼の連続鋳造においては、図７に示すように、溶鋼１００を鋳型１０１内に吐出する浸漬ノズル１０２が使用される。浸漬ノズル１０２の側面の下端近傍には、下向きの吐出孔１０３が２箇所に形成されている。そしてこの浸漬ノズル１０２の吐出孔１０３から吐出された溶鋼１００の吐出流１０４に対して、例えば電磁ブレーキ装置によって直流磁場を印加した場合、この吐出流１０４の周囲に逆向きの対向流１０５が発生する。そして、吐出流１０４に含まれる不活性ガスの気泡、例えばＡｒガス（アルゴンガス）気泡１０６や、アルミナやスラグ系の非金属介在物１０７は、この対向流１０５によって、鋳型１０１内の溶鋼１００に深く侵入し難くなる。その結果、溶鋼１００が鋳造された鋳片の内部において、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を減少させることができる。また、例えば直流磁場の強度を増加させると、対向流１０５の流速が大きくなるので、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７がさらに侵入し難くなり、鋳片の内部のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数をさらに減少させることができる。
【０００４】
また、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７は、対向流１０５が浸漬ノズル１０２に沿って上昇する上昇流１０８に乗って、浸漬ノズル１０２の周辺に集中してメニスカス１０９まで浮上する。そしてメニスカス１０９において、浮上したＡｒガス気泡１０６や介在物１０７が除去される。
【０００５】
しかしながら、上昇流１０８は、メニスカス１０９近傍で浸漬ノズル１０２から鋳型１０１の側面に向かって水平に拡散する。この拡散流１１０によって、メニスカス１０９まで浮上したＡｒガス気泡１０６や介在物１０７は、鋳型１０１の側面に向かって流れる。そして、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７の一部はメニスカス１０９で除去されず、鋳型１０１の側面に形成された凝固シェルに捕捉されてしまう。その結果、溶鋼１００が鋳造された鋳片表層のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数が増加する。さらに、例えば直流磁場の強度を増加させると、凝固シェルに捕捉されるＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数がさらに増加する。
【０００６】
そこで、このようにＡｒガス気泡１０６や介在物１０７が鋳型１０１の側面の凝固シェルに捕捉されてしまうことを防止するために、例えば直流磁場の磁束密度を制限して、鋳片表層のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を最小にする方法が提案されている（非特許文献２）。また、鋳型１０１の上部のメニスカス１０９近傍で溶鋼１００を電磁攪拌することにより、図８に示すように、メニスカス１０９近傍の溶鋼１００に旋回流１１１を形成し、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７の凝固シェルでの捕捉を減少させる方法が提案されている（特許文献１）。
【０００７】
【非特許文献１】岡澤健介ら著 「電磁制動技術を利用した連続鋳型内の溶鋼噴流挙動」 鉄と鋼 Vol.84 (1998) No.7
【非特許文献２】H.Yamamura et al. “Optimum magnetic flux density in quality control of casts with levelDC magnetic field in continuous casting mold” ISIJ Int. Vol.41, No.10 (2001), pp. 1229-1235
【特許文献１】特開２０００−２７１７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献２に記載された直流磁場の磁束密度を制限する方法は、鋳片表層のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を減少させることはできるが、直流磁場の強度が弱いため、鋳片内部のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を減少させることはできなかった。
【０００９】
また、特許文献１に記載された電磁攪拌を併用する方法は、直流磁場の強度を強くすることができるので、鋳片内部のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を減少させることができるが、単純に電磁攪拌を行っただけでは、鋳片表層のＡｒガス気泡１０６や介在物１０７の個数を減少させることはできなかった。この原因について発明者らが調べたところ、図８に示すように、メニスカス１０９近傍において、電磁攪拌による旋回流１１１と、対向流１０５が上昇して形成する拡散流１１０とが干渉し、流れの停滞域１１２を形成することがあることが分かった。そしてこの流れの停滞域１１２において、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７が捕捉されていることが分かった。
【００１０】
このように従来の連続鋳造方法によると、Ａｒガス気泡１０６や介在物１０７が鋳片の表層や内部に残存していたため、鋳片の強度の低下や、鋳片の表面疵の原因となり、鋳片の品質に改善の余地があった。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、連続鋳造される鋳片に含まれるＡｒガス気泡や介在物を減少させ、鋳片の品質を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本発明は、鋳型内の上部の溶鋼を攪拌する電磁攪拌装置と、その下方に鋳型の幅方向に一様な磁束密度分布を有する直流磁界を鋳型の厚み方向に付与できる電磁ブレーキ装置とを備えた連続鋳造用鋳型を用いて、前記鋳型内の溶鋼に浸漬し、下部には当該鋳型に斜め下向きの吐出溶鋼流を形成するための吐出孔が設けられた浸漬ノズル内にＡｒガスを吹き込みながら、前記電磁攪拌装置によって、前記鋳型内の上部の溶鋼を攪拌して前記鋳型の水平断面内で溶鋼の旋回流を形成し、かつ、前記電磁ブレーキ装置によって、前記浸漬ノズルの下部に形成された吐出孔から吐出された溶鋼に０．１テスラ以上の磁束密度の直流磁界を作用させて溶鋼を鋳造する鋼の連続鋳造方法において、前記浸漬ノズルから吐出される溶鋼は、下記式（２）を満たすように吐出されることを特徴としている。
【００１３】
【数２】
【００１４】
但し、ｈ：メニスカスから浸漬ノズルの吐出孔中心までの距離（ｍ）、ｈＢ：メニスカスから電磁ブレーキ装置中心高さまでの距離（ｍ）、Ｗ：鋳型の幅（ｍ）、Ｄ：浸漬ノズルの外径（ｍ）、θ：浸漬ノズルの幾何学的溶鋼吐出角度（度）、Ｃ０：定数、ＢＳ：電磁攪拌装置が鋳型内に形成する磁束密度の最大値（Ｔ）、ＢＢ：電磁ブレーキ装置が鋳型内に形成する磁束密度の最大値（Ｔ）、ρ：溶鋼密度（ｋｇ／ｍ３）、Ａ：浸漬ノズルの吐出孔断面積の総和（ｍ２）、Ｑ：溶鋼の質量流量（ｋｇ／秒）
【００１５】
なお、前記式（２）における定数Ｃ０は、一般には鋳造品種によって決まるものであるが、この定数Ｃ０の意味は、鋳型内の上部のメニスカス近傍における溶鋼の流速が、溶鋼中に含まれるＡｒガス気泡や介在物が凝固シェルへ捕捉されるのを抑制する規定値以上であることを示すものである。すなわち、電磁攪拌装置によって形成される鋳型の上部のメニスカス近傍の溶鋼の旋回流と、電磁ブレーキ装置によって形成されるメニスカス近傍での拡散流とが干渉する箇所における旋回流と拡散流の流速差が規定値以上になるように、定数Ｃ０は決定される。そして、例えば鋳造された鋳片が表面疵に関して厳格な基準を有する薄板の場合には、一般に０．１ｍ／秒以上の流速が必要とされ、本発明においては０．１ｍ／秒を規定値としている。このメニスカス近傍の溶鋼の流速を０．１ｍ／秒以上とした根拠は次の通りである。例えば文献 CAMP-ISIJ Vol.8(1995)-344（沢田郁夫ら著）を参照すると、溶鋼の流速を上げると、凝固シェルと溶鋼の界面近傍の速度勾配が上がり、Ａｒ気泡や介在物が受ける揚力（凝固シェルからの離反力）が増大することが示されている。この溶鋼の流速の増加に伴い、一般には捕捉されるＡｒガス気泡や介在物の粒子の臨界粒径が急激に減少し、理論捕捉臨界粒径は５０〜１００μｍ径程度の値に漸近していく。特に０〜０．１ｍ／秒間の臨界粒径の減少は大きく、本発明におけるメニスカス近傍の溶鋼の臨界流速の規定値として０．１ｍ／秒を採用する。
【００１６】
定数Ｃ０の具体的な決定方法は、先ず、電磁攪拌装置が鋳型内に形成する磁束密度が最大値ＢＳで、電磁ブレーキ装置が鋳型内に形成する磁束密度が最大値ＢＢとした条件の下、浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θを変更して溶鋼を鋳造する。そして、鋳造された鋳片の鋳造方向に対して垂直な横断面（C断面と一般に呼称する）を凝固組織であるデンドライトを現出するように腐食し、その傾き角度を測定する。例えば文献 移動磁界中を成長するデンドライトの偏向現象、鉄と鋼Vol.86 No.4(2000),pp45-49（江阪久雄、藤 健彦、原田 寛、竹内栄一、藤崎敬介著）を参照すると、デンドライトは溶鋼流動の上流側に傾き、その角度と溶鋼流速の間には一定の関係があることが示されている。この関係式を使用し、測定した鋳片表層における傾き角度から、最低の傾き角度になっている部分の計算流速が前記の基準値０．１ｍ／秒以上であることを確認する。このように定数Ｃ０は、溶鋼の最低流速が０．１ｍ／秒となる臨界値として決定される。
【００１７】
発明者らが調べたところ、浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θが大きい場合には、吐出流と逆向きの対向流の鉛直成分が大きくなり、浸漬ノズルの外壁に沿ってメニスカスまで速い流れが上昇し、電磁攪拌装置によって形成される鋳型の上部の溶鋼の旋回流と干渉することが分かった。そして、この干渉している箇所において流れが停滞し、浸漬ノズルから吐出される吐出流に含まれるＡｒガス気泡や介在物が鋳型の側面に捕捉され、鋳片に残存することが分かった。したがって、浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θに制限を加えることで、吐出流と逆向きの対向流の大きさを制御する必要があることを見出した。そこで、発明者らがさらに調べたところ、浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θが前記式（２）の左辺とｓｉｎθとの関係式を満たせば、電磁ブレーキ装置によって形成される対向流の鉛直成分を十分に確保して、Ａｒガス気泡や介在物が溶鋼の内部に侵入するのを抑制できることが分かった。これによって、Ａｒガス気泡や介在物が鋳片内部に残存するのを抑制することができる。また、浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θが前記式（２）の左辺とｓｉｎθとの関係式を満たせば、鋳型上部のメニスカス近傍において、電磁攪拌装置によって形成される旋回流の流速が、電磁ブレーキ装置によって形成される拡散流の流速以上となるように、旋回流を適切に流すことができ、Ａｒガス気泡や介在物が鋳型の側面の凝固シェルに捕捉されるのを抑制できることが分かった。これによって、Ａｒガス気泡や介在物が鋳片内の表層に残存するのを抑制することができる。このように、鋳片の表層と内部の両方に残存するＡｒガス気泡や介在物の個数を減少させることができるので、鋳片の品質を向上させることができる。
【００１８】
前記浸漬ノズルから吐出される溶鋼が前記式（２）を満たすようにするために、当該浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θを調整するのが好ましい。
【００１９】
前記浸漬ノズルから吐出される溶鋼が前記式（２）を満たすようにするために、前記メニスカスから浸漬ノズルの吐出孔中心までの距離ｈを調整してもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、連続鋳造される鋳片の表層と内部の両方に含まれるＡｒガス気泡や介在物を減少させることができるので、鋳片の品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる鋼の連続鋳造方法を実施するための連続鋳造装置１の鋳型近傍の構成を示す平面図であり、図２は、連続鋳造装置１の鋳型近傍の構成を示す縦断面図である。
【００２２】
連続鋳造装置１は、図１に示すように例えば水平断面が長方形の鋳型２を有している。鋳型２内の上部には、図２に示すように浸漬ノズル３が設けられ、浸漬ノズル３はその下部が鋳型２内の溶鋼４に浸漬している。浸漬ノズル３の側面の下端近傍には、鋳型２内へ斜め下向きに溶鋼４を吐出する吐出孔５が２箇所形成されている。吐出孔５、５は、鋳型２の短辺２ａ側に形成されている。吐出孔５から吐出される吐出流６には、浸漬ノズル３内を洗浄するために吹き込まれるＡｒガスの気泡７や、アルミナやスラグ系の介在物８が含まれている。
【００２３】
鋳型２の長辺２ｂ側のメニスカス９近傍には、図１及び図２に示すように例えば電磁攪拌コイルなどの一対の電磁攪拌装置１０、１０が設けられている。この電磁攪拌装置１０の電磁攪拌により、図１に示すように鋳型２内のメニスカス９近傍の溶鋼４を水平面内で旋回させて、旋回流１１を形成することができる。
【００２４】
浸漬ノズル３の吐出孔５の下方には、図２に示すように例えば電磁石などの電磁ブレーキ装置１２が設けられている。電磁ブレーキ装置１２は、図３に示すように鋳型２の長辺２ｂの外側に設けられている。電磁ブレーキ装置１２は、図３及び図４に示すように、吐出孔５から吐出した直後の溶鋼４の吐出流６に対して、０．１テスラ以上の磁束密度で、鋳型２の幅方向（長辺２ｂ方向）にほぼ一様な磁束密度分布を有する直流磁界１３を鋳型２の厚み方向（短辺２ａ方向）に付与することができる。この直流磁界１３と吐出孔５から吐出した溶鋼４の吐出流６によって、図４に示すように、鋳型２の幅方向（長辺２ｂ方向）に誘導電流１４が発生し、この誘導電流１４と直流磁界１３によって、吐出流６の近傍に吐出流６と逆向きの対向流１５が形成される。対向流１５は吐出流６の吐出角度とほぼ同じ角度で浸漬ノズル３に衝突して上下流に分岐し、この上下流のうち、上昇流１６は浸漬ノズル３に沿ってメニスカス９まで上昇する。そして上昇流１６はメニスカス９近傍で水平方向に拡散し、この拡散流１７は鋳型２の短辺２ａ方向に拡散する。
【００２５】
鋳型２の内側面には、図２に示すように溶鋼４が冷却されて凝固した凝固シェル１８が形成されている。
【００２６】
以上の浸漬ノズル３、電磁攪拌装置１０、電磁ブレーキ装置１２は、浸漬ノズル３から吐出される溶鋼４の吐出流６が前記式（２）を満たす角度で吐出される位置に設置する必要がある（図５参照）。
【００２７】
前記式（２）の左辺とｓｉｎθとの関係式は、電磁ブレーキ装置１２によって形成される対向流１５の鉛直成分の大きさを十分に確保するため、すなわち電磁ブレーキ装置１２によって形成される吐出流６を制動するために必要な吐出流６の吐出角度θの最小角度の条件式を示している。具体的には、吐出流６が鋳型２の短辺２ａと衝突する位置が電磁ブレーキ装置１２の中心位置と等しいか、あるいはそれより深くなるように、吐出流６の吐出角度θが決定される。これにより、電磁ブレーキ装置１２によって形成される対向流１５の鉛直成分が十分に確保されて吐出流６が制動され、吐出流６に含まれるＡｒガス気泡７や介在物８が溶鋼４の内部に侵入するのを抑制することができる。
【００２８】
前記式（２）の右辺とｓｉｎθとの関係式は、電磁攪拌装置１０によって形成されるメニスカス９近傍の溶鋼４の旋回流１１の流速が、電磁ブレーキ装置１２によって形成される拡散流１７の流速以上となるために必要な吐出流６の吐出角度θの最大角度の条件式を示している。
【００２９】
浸漬ノズル３の吐出孔５から吐出される吐出流６の流速Ｖ０は、下記式（３）に示すように溶鋼４の質量流量Ｑを浸漬ノズル３の吐出孔５の断面積の総和Ａと溶鋼４の密度ρで除した値で算出される。
【００３０】
【数３】
【００３１】
吐出流６の対向流１５の流速Ｖ１は、電磁ブレーキ装置１２の電磁力の相似パラメータである磁束密度で決定され、下記式（４）に示すように吐出流６の流速Ｖ０の平方根と電磁ブレーキ装置１２が鋳型２内に形成する磁束密度の最大値ＢＢの積に比例する。
【００３２】
【数４】
【００３３】
対向流１５が浸漬ノズル３に衝突して分岐した上昇流１６の流速Ｖ２は、下記式（５）に示すように対向流１５の流速Ｖ１のほぼ(1+sinθ)/2の割合で分配される。
【００３４】
【数５】
【００３５】
上昇流１６がメニスカス９近傍で水平方向に拡散する拡散流１７のＶ３は、下記式（６）に示すように上昇流１６の流速Ｖ２に比例する。
【００３６】
【数６】
【００３７】
上記式（３）〜（６）を統合すると、下記式（７）に示す比例関係が成立し、定数Ｃ１を設定することにより下記式（８）の等式が成立する。
【００３８】
【数７】
【００３９】
【数８】
【００４０】
一方、図６に示す電磁攪拌装置１０の電磁攪拌により鋳型２内のメニスカス９近傍の溶鋼４に形成される旋回流１１の流速Ｖ４は、下記式（９）に示すように電磁攪拌装置１０の電磁力ｆｅｍの平方根に比例することから、電磁攪拌装置１０が鋳型２内に形成する磁束密度の最大値ＢＳに比例する。この式（９）に定数Ｃ２を設定することにより、下記式（１０）の等式が成立する。
【００４１】
【数９】
【００４２】
【数１０】
【００４３】
鋳型２内のメニスカス９に浮上したＡｒガス気泡７や介在物８が、鋳型２の側面に捕捉されないためには、旋回流１１が適切に流れている必要がある。具体的には、図６に示すように旋回流１１が停滞しないように、旋回流１１と拡散流１７が逆向きに干渉する箇所１９において、旋回流１１の流速Ｖ４が拡散流１７の流速Ｖ３以上である必要がある。したがって、前記式（８）と式（１０）から下記式（１１）が成立し、定数Ｃ０を設定することにより、前記式（２）の右辺とｓｉｎθとの関係式と同一の下記式（１２）が成立する。
【００４４】
【数１１】
【００４５】
【数１２】
【００４６】
前記式（１２）における定数Ｃ０は、電磁攪拌装置１０によって形成されるメニスカス９近傍の溶鋼４の旋回流１１の流速Ｖ４と、電磁ブレーキ装置１２によって形成される拡散流１７の流速Ｖ３との流速差（Ｖ４−Ｖ３）が０．１ｍ／秒以上となるように決定される。具体的には、先ず、電磁攪拌装置１０が鋳型２内に形成する磁束密度が最大値ＢＳで、電磁ブレーキ装置１２が鋳型２内に形成する磁束密度が最大値ＢＢとした条件の下、浸漬ノズル３の溶鋼４の吐出角度θを変更して溶鋼を鋳造する。鋳造された鋳片の鋳造方向に対して垂直な横断面を凝固組織であるデンドライトを現出するように腐食し、その傾き角度を測定する。そして、デンドライトの傾き角度と溶鋼の流速の関係式を使用し、測定した鋳片表層における傾き角度から、最低の傾き角度になっている部分の計算流速が前記の基準値０．１ｍ／秒以上であることを確認する。このように定数Ｃ０は、溶鋼の流速差（Ｖ４−Ｖ３）が０．１ｍ／秒となる臨界値として決定される。
【００４７】
本実施の形態にかかる連続鋳造装置１は以上のように構成されており、次にこの連続鋳造装置１を用いた溶鋼４の連続鋳造方法について説明する。
【００４８】
先ず、浸漬ノズル３から吐出される溶鋼４が前記式（２）を満たすように、浸漬ノズル３の吐出角度θが調整される。そして、浸漬ノズル３内にＡｒガスを吹き込みながら、浸漬ノズル３の吐出孔５から鋳型２内に溶鋼４を吐出する。溶鋼４は吐出角度θで斜め下方に溶鋼４を吐出され、吐出孔５から鋳型２の短辺２ａに向かって吐出流６が形成される。吐出流６にはＡｒガス気泡７や介在物８が含まれており、これらのＡｒガス気泡７や介在物８は、鋳型２内の溶鋼４中に浮遊する。
【００４９】
浸漬ノズル３から溶鋼４を吐出すると同時に、電磁ブレーキ装置１２を作動させる。この電磁ブレーキ装置１２によって、吐出流６と逆向きの対向流１５が形成され、対向流１５が浸漬ノズル３に衝突して、メニスカス９への上昇流１６が形成される。そして、溶鋼４中に浮遊しているＡｒガス気泡７や介在物８が、上昇流１６に乗ってメニスカス９近傍まで浮上する。
【００５０】
上述の電磁ブレーキ装置１２の作動と同時に、電磁攪拌装置１０も作動させる。この電磁攪拌装置１０の電磁攪拌により、鋳型２内のメニスカス９近傍の溶鋼４に旋回流１１が形成される。この旋回流１１の流速Ｖ４は、拡散流１７の流速Ｖ３以上であるため、旋回流１１が停滞することはない。そして上昇流１６に乗ってメニスカス９近傍まで浮上したＡｒガス気泡７や介在物８は、旋回流１１によって旋回し、鋳型２の側面の凝固シェル１８に捕捉されることなく、例えば溶融酸化物を有する連続鋳造パウダー（図示せず）に取り込まれて除去される。
【００５１】
このようにＡｒガス気泡７や介在物８が除去された溶鋼４は、固化して鋳片に鋳造される。
【００５２】
以上の実施の形態によれば、浸漬ノズル３の溶鋼４吐出角度θが前記式（２）の左辺とｓｉｎθとの関係式を満たしているので、電磁ブレーキ装置１２によって形成される対向流１５の鉛直成分の大きさを十分に確保することができる。これによって、浸漬ノズル３から吐出される溶鋼４の吐出流６に含まれるＡｒガス気泡７や介在物８が溶鋼４の内部に侵入するのを抑制することができる。したがって、Ａｒガス気泡７や介在物８が鋳片内部に残存するのを抑制することができる。
【００５３】
また、浸漬ノズル３の溶鋼４吐出角度θが前記式（２）の右辺とｓｉｎθとの関係式を満たすように設定されるので、電磁攪拌装置１０によって形成されるメニスカス９近傍の溶鋼４の旋回流１１の流速が、電磁ブレーキ装置１２によって形成される拡散流１７の流速以上となるように、旋回流１１を適切に流すことができる。これによって、浸漬ノズル３から吐出される溶鋼４の吐出流６に含まれるＡｒガス気泡７や介在物８が鋳型２の側面の凝固シェル１８に捕捉されるのを抑制することができ、メニスカス９近傍でＡｒガス気泡７や介在物８を除去することができる。したがって、Ａｒガス気泡７や介在物８が鋳片表層に残存するのを抑制することができる。
【００５４】
このように連続鋳造される鋳片の表層と内部の両方に残存するＡｒガス気泡７や介在物８の個数を減少させることができるので、鋳片の品質を向上させることができる。
【００５５】
以上の実施の形態では、浸漬ノズル３から吐出される溶鋼４が前記式（２）を満たすために、浸漬ノズル３の吐出角度θが調整されていたが、メニスカス９から浸漬ノズル３の吐出孔５の中心までの距離ｈを調整することで前記式（２）を満たすようにしてもよい。これによって、例えば鋳型２の幅Ｗが変更された場合に、浸漬ノズル３自体を交換する必要がなく、浸漬ノズル３の深さを変更することで前記式（２）を満たすように溶鋼４を吐出することができる。
【実施例１】
【００５６】
以下、本発明の鋼の連続鋳造方法を用いた場合に、溶鋼に含まれるＡｒ気泡と介在物を除去する効果について説明する。本実施例を行うに際し、鋼の連続鋳造を行う装置として、先に図１及び図２に示した連続鋳造装置１を用いた。
【００５７】
連続鋳造装置１の鋳型２には、幅Ｗが１２００ｍｍ、１６００ｍｍの２種類、高さが９００ｍｍ、厚みが２５０ｍｍの鋳型を用いた。鋳型２の下方には、長さが２．５ｍの垂直部（図示せず）と曲げ半径が７．５ｍの曲げ部（図示せず）が上からこの順で設けられている。電磁攪拌装置１０は、高さが１５０ｍｍであり、その上端がメニスカス９と同一の位置となる位置に設けられている。電磁攪拌装置１０の最大磁束密度ＢＳは０．０６Ｔである。電磁ブレーキ装置１２は、その中心位置ｈＢがメニスカス９から５００ｍｍ深さとなる位置に設けられている。電磁ブレーキ装置１２の最大磁束密度ＢＳは０．４Ｔである。溶鋼４には低炭アルミキルド鋼を用い、溶鋼４の体積流量Ｑ／ρとしては、鋳型２の幅Ｗが１２００ｍｍの場合、６．５×１０−３ｍ３／秒（２．２×１０−２ｍ／秒）と９．０×１０−３ｍ３／秒（３．０×１０−２ｍ／秒）の２通りの条件で鋼の鋳造を行い、鋳型２の幅Ｗが１６００ｍｍの場合、７．３×１０−３ｍ３／秒（１．８×１０−２ｍ／秒）と１．１×１０−２ｍ３／秒（２．７×１０−２ｍ／秒）の２通りの条件で鋼の鋳造を行った。浸漬ノズル３には、外径Ｄが１５０ｍｍで、内径が９０ｍｍのノズルを用いた。浸漬ノズル３は、その吐出孔５の中心位置ｈがメニスカス９から３００ｍｍ深さとなる位置に設けられている。浸漬ノズル３には円形の吐出孔５が鋳型２の短辺２ａ側に２箇所に形成され、吐出孔５の断面積の総和Ａは１００５３ｍｍ２（直径８０ｍｍ）である。吐出孔５の吐出角度θとしては、水平面から下向きに１５度、２０度、２５度、３０度、３５度、４０度、４５度の７通りの条件で鋼の鋳造を行った。なお、鋳型２の幅Ｗが１２００ｍｍで体積流量Ｑ／ρが６．５×１０−３ｍ３／秒（２．２×１０−２ｍ／秒）の場合には、４５度でも前記式（２）の制約条件の上限以下となるために、吐出角度θが５０度、５５度及び６０度まで実施し、幅Ｗが１６００ｍｍで体積流量Ｑ／ρが７．３×１０−３ｍ３／秒（１．８×１０−２ｍ／秒）の場合には、吐出角度θが５０度まで実施した。
【００５８】
以上の連続鋳造装置１を用いて鋼を鋳造し、鋳造された鋳片の表層と内部に含まれる１００μｍ以上の径のＡｒ気泡７と介在物８を計測した。鋳片の内部は、表面から１０ｍｍの深さまで計測した。なお、本実施例において、定数Ｃ０は１０としている。
【００５９】
鋳型２の幅Ｗが１２００ｍｍの場合のＡｒ気泡７と介在物８の計測結果を表１に、幅Ｗが１６００ｍｍの場合のＡｒ気泡７と介在物８の計測結果を表２に示す。Ａｒ気泡７と介在物８の計測結果は、各々の幅Ｗと体積流量Ｑ／ρの条件で品質が最もよかった鋳片中のＡｒ気泡７と介在物８の個数を基準値（１．０）として、この基準値に対するＡｒ気泡７と介在物８の個数の比を品質指数として表示している。また、表１及び表２中には、浸漬ノズル３からの溶鋼４の吐出角度θが前記式（２）を満たしているかどうかの評価についても示し、式（２）を満たしていれば“○”が、式（２）を満たしていなければ“×”が示されている。
【００６０】
表１及び表２を参照すると、浸漬ノズル３の吐出角度θが前記式（２）の下限と上限の両方を満たしている場合、品質指数は１．０〜１．２と低い値となり、鋳片に含まれるＡｒ気泡７と介在物８の個数が少なく、鋳片の品質が一定に保たれていることが分かった。一方、吐出角度θが前記式（２）の下限又は上限のいずれか一方でも満たしていない場合、品質指数は１．６以上の比較的高い値を示し、品質が悪化していることが分かった。以上のことから、本発明の鋳造方法によって溶鋼を鋳造すると、Ａｒ気泡７と介在物８を適切に除去できることが分かった。
【００６１】
【表１】
【００６２】
【表２】
【００６３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、電磁攪拌装置によって鋳型内の上部の溶鋼を攪拌し、かつ、電磁ブレーキ装置によって浸漬ノズルから吐出された溶鋼に直流磁界を作用させて溶鋼を鋳造する鋼の連続鋳造方法に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本実施の形態にかかる鋼の連続鋳造方法を実施するための連続鋳造装置の鋳型近傍の構成を示す平面図である。
【図２】本実施の形態にかかる鋼の連続鋳造方法を実施するための連続鋳造装置の鋳型近傍の構成を示す縦断面図である。
【図３】電磁ブレーキ装置を作動させた場合の直流磁場を示した説明図である。
【図４】電磁ブレーキ装置を作動させた場合の直流磁場、誘導電流、対向流の流れを示した説明図である。
【図５】本実施の形態にかかる鋼の連続鋳造方法を実施した場合の溶鋼の流れを示した説明図である。
【図６】本実施の形態にかかる鋼の連続鋳造方法を実施した場合の溶鋼の流れを示した説明図である。
【図７】従来の連続鋳造装置の鋳型近傍の構成を示す平面図である。
【図８】従来の連続鋳造装置の鋳型近傍の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ 連続鋳造装置
２ 鋳型
２ａ 鋳型の短辺
２ｂ 鋳型の長辺
３ 浸漬ノズル
４ 溶鋼
５ 吐出孔
６ 吐出流
７ Ａｒガス気泡
８ 介在物
９ メニスカス
１０ 電磁攪拌装置
１１ 旋回流
１２ 電磁ブレーキ装置
１３ 直流磁界
１４ 誘導電流
１５ 対向流
１６ 上昇流
１７ 拡散流
１８ 凝固シェル
１９ 旋回流と拡散流が干渉する箇所
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型内の上部の溶鋼を攪拌する電磁攪拌装置と、その下方に鋳型の幅方向に一様な磁束密度分布を有する直流磁界を鋳型の厚み方向に付与できる電磁ブレーキ装置とを備えた連続鋳造用鋳型を用いて、前記鋳型内の溶鋼に浸漬し、下部には当該鋳型内に斜め下向きの吐出溶鋼流を形成するための吐出孔が設けられた浸漬ノズル内にＡｒガスを吹き込みながら、前記電磁攪拌装置によって、前記鋳型内の上部の溶鋼を攪拌して前記鋳型の水平断面内で溶鋼の旋回流を形成し、かつ、前記電磁ブレーキ装置によって、前記浸漬ノズルの下部に形成された吐出孔から吐出された溶鋼に０．１テスラ以上の磁束密度の直流磁界を作用させて溶鋼を鋳造する鋼の連続鋳造方法において、
前記浸漬ノズルから吐出される溶鋼は、下記式（１）を満たすように吐出されることを特徴とする、鋼の連続鋳造方法。
【数１】
但し、ｈ：メニスカスから浸漬ノズルの吐出孔中心までの距離（ｍ）、ｈＢ：メニスカスから電磁ブレーキ装置中心高さまでの距離（ｍ）、Ｗ：鋳型の幅（ｍ）、Ｄ：浸漬ノズルの外径（ｍ）、θ：浸漬ノズルの幾何学的溶鋼吐出角度（度）、Ｃ０：定数、ＢＳ：電磁攪拌装置が鋳型内に形成する磁束密度の最大値（Ｔ）、ＢＢ：電磁ブレーキ装置が鋳型内に形成する磁束密度の最大値（Ｔ）、ρ：溶鋼密度（ｋｇ／ｍ３）、Ａ：浸漬ノズルの吐出孔断面積の総和（ｍ２）、Ｑ：溶鋼の質量流量（ｋｇ／秒）
【請求項２】
前記浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θを調整することによって、当該浸漬ノズルから吐出される溶鋼が前記式（１）を満たすように吐出されることを特徴とする、請求項１に記載の鋼の連続鋳造方法。
【請求項３】
前記メニスカスから浸漬ノズルの吐出孔中心までの距離ｈを調整することによって、当該浸漬ノズルから吐出される溶鋼が前記式（１）を満たすように吐出されることを特徴とする、請求項１に記載の鋼の連続鋳造方法。
【請求項１】
鋳型内の上部の溶鋼を攪拌する電磁攪拌装置と、その下方に鋳型の幅方向に一様な磁束密度分布を有する直流磁界を鋳型の厚み方向に付与できる電磁ブレーキ装置とを備えた連続鋳造用鋳型を用いて、前記鋳型内の溶鋼に浸漬し、下部には当該鋳型内に斜め下向きの吐出溶鋼流を形成するための吐出孔が設けられた浸漬ノズル内にＡｒガスを吹き込みながら、前記電磁攪拌装置によって、前記鋳型内の上部の溶鋼を攪拌して前記鋳型の水平断面内で溶鋼の旋回流を形成し、かつ、前記電磁ブレーキ装置によって、前記浸漬ノズルの下部に形成された吐出孔から吐出された溶鋼に０．１テスラ以上の磁束密度の直流磁界を作用させて溶鋼を鋳造する鋼の連続鋳造方法において、
前記浸漬ノズルから吐出される溶鋼は、下記式（１）を満たすように吐出されることを特徴とする、鋼の連続鋳造方法。
【数１】
但し、ｈ：メニスカスから浸漬ノズルの吐出孔中心までの距離（ｍ）、ｈＢ：メニスカスから電磁ブレーキ装置中心高さまでの距離（ｍ）、Ｗ：鋳型の幅（ｍ）、Ｄ：浸漬ノズルの外径（ｍ）、θ：浸漬ノズルの幾何学的溶鋼吐出角度（度）、Ｃ０：定数、ＢＳ：電磁攪拌装置が鋳型内に形成する磁束密度の最大値（Ｔ）、ＢＢ：電磁ブレーキ装置が鋳型内に形成する磁束密度の最大値（Ｔ）、ρ：溶鋼密度（ｋｇ／ｍ３）、Ａ：浸漬ノズルの吐出孔断面積の総和（ｍ２）、Ｑ：溶鋼の質量流量（ｋｇ／秒）
【請求項２】
前記浸漬ノズルの溶鋼吐出角度θを調整することによって、当該浸漬ノズルから吐出される溶鋼が前記式（１）を満たすように吐出されることを特徴とする、請求項１に記載の鋼の連続鋳造方法。
【請求項３】
前記メニスカスから浸漬ノズルの吐出孔中心までの距離ｈを調整することによって、当該浸漬ノズルから吐出される溶鋼が前記式（１）を満たすように吐出されることを特徴とする、請求項１に記載の鋼の連続鋳造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−６６６１８（Ｐ２００９−６６６１８Ａ）
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３７６０６（Ｐ２００７−２３７６０６）
【出願日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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