振動: 連続鋳造と圧延における重要な動作制御
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定義と基本概念
鋼鉄産業における振動は、連続鋳造または圧延プロセス中に型や設備に適用される制御された往復運動を指します。この機械的動きは、特定の振幅、周波数、波形特性を持つ周期的な前後の変位パターンを含みます。振動は、固化する鋼と型の表面間の付着を防ぎ、摩擦を減少させ、最終製品の表面品質を制御するために重要です。
冶金処理において、振動は機械工学の原則と材料科学を結びつける基本的なプロセス制御パラメータを表します。この技術は、単純な機械的解決策から、現代の鋼製造操作における微細構造の発展、表面品質、生産性に大きな影響を与える精密に制御された変数へと進化しました。
物理的性質と理論的基盤
物理的メカニズム
固化する鋼と型の表面の間のインターフェースで、振動は接触力学を周期的に変化させる動的境界条件を作り出します。負のストリップ時間（型の速度が鋳造速度を超えるとき）には、型が固化するシェルから引き離され、型粉が隙間に浸透します。この浸透は、摩擦を減少させ、固化する鋼が型壁に付着するのを防ぐ潤滑フィルムを生成します。
振動サイクルは、固化するシェルを通じて伝播する局所的な応力場を誘発します。これらの周期的な応力は、固化中の樹枝晶成長パターンに影響を与え、粒子の核生成と成長の動力学に影響を与えます。結果として生じる微細構造の変化は、鋳造製品の表面に振動マークとして観察され、振動サイクルの物理的な現れを示します。
理論モデル
連続鋳造における振動を説明する基本的な理論モデルは、1980年代に竹内とブリマコームによって初めて形式化された正弦波変位関数です。このモデルは、型の動きを次のように特徴付けます：
$s(t) = \frac{s_0}{2}(1-\cos(2\pi ft))$
以前のアプローチは振動を単純な機械的必要性として扱っていましたが、現代のモデルは流体力学、固化動力学、および鋼-型インターフェースでの摩擦的相互作用を組み込んでいます。
現代の理論的アプローチには、負のストリップ時間を最適化しつつ衝撃力を最小限に抑える非正弦波振動モデルが含まれています。計算モデルは、振動パラメータを熱伝達、流体の流れ、固化現象と統合した包括的なプロセスシミュレーションを行っています。
材料科学の基盤
振動は、微視的スケールで固化前線の形態に直接影響を与えます。圧力と潤滑条件の周期的な変化は、特に初期シェル形成ゾーンにおける樹枝晶アームの間隔と方向に影響を与えます。この関係は、結果として得られる粒子構造と一次および二次相の分布に明らかになります。
粒界では、振動によって誘発される応力場が合金元素の分離を促進または抑制することがあります。周期的な機械的作用は、固化中の局所的な冷却速度と溶質の再分配パターンを修正します。これらの微細構造の影響は、後続の処理ステップを通じて連鎖的に影響を与え、最終的な機械的特性に影響を与えます。
振動の根本的な材料科学の原則は、固化中の機械的力と相変化動力学との結合です。この結合は、振動パラメータを操作して鋳造鋼製品の欠陥形成、表面品質、内部構造を制御する効果的な方法を決定します。
数学的表現と計算方法
基本定義式
正弦波振動運動を説明する基本的な方程式は次のとおりです：
$s(t) = \frac{s_0}{2}(1-\cos(2\pi ft))$
ここで：
- $s(t)$ は時間 $t$ における変位 [mm]
- $s_0$ はストローク（ピークからピークまでの振幅） [mm]
- $f$ は周波数 [Hz]
- $t$ は時間 [s]
関連計算式
振動制御における重要なパラメータである負のストリップ時間（NST）は、次のように計算されます：
$NST = \frac{1}{2\pi f}\cos^{-1}(1-\frac{2v_c}{s_0 \pi f})$
ここで：
- $NST$ は負のストリップ時間 [s]
- $v_c$ は鋳造速度 [mm/s]
負のストリップ距離（NSD）は次のように決定されます：
$NSD = \frac{s_0}{2}(1-\cos(2\pi f \cdot NST)) - v_c \cdot NST$
振動マークの深さは次のように推定できます：
$d = C \cdot \frac{NSD^2}{t_s}$
ここで：
- $d$ は振動マークの深さ [mm]
- $C$ は経験的定数
- $t_s$ はメニスカスでのシェルの厚さ [mm]
適用条件と制限
これらの式は、特に正弦波振動パターンに適用され、弾性変形のない剛性型の挙動を仮定しています。モデルは、慣性効果が重要になる非常に高い周波数（>500 Hz）では精度が低下します。
負のストリップ時間の計算は、完璧な潤滑条件と均一な熱収縮を仮定しています。実際には、型粉の特性や熱勾配の変動が理論的予測からの逸脱を引き起こす可能性があります。
これらの数学モデルは、実際の鋳造操作で発生するフェロスタティック圧力の変動や膨張現象の影響を通常無視します。非正弦波振動パターンにこれらの式を適用する際には、追加の補正係数が必要になる場合があります。
測定と特性評価方法
標準試験仕様
- ISO 13404:2007 - 鋼の連続鋳造 - 型振動の測定方法
- ASTM A1030 - 鋼板製品の平坦性特性を測定するための標準的な実践
- JIS G 0415 - 連続鋳造スラブの振動マークの測定方法
ISO 13404は、産業環境における振動パラメータの測定に関する包括的な手順を提供します。ASTM A1030は、振動