連続鋳造における非接触電磁攪拌による鋼質向上

連続鋳造プロセスにおいて、溶鋼の品質向上は常に重要な課題であり、プロセス開発の核心となっています。浸漬ノズル（SEN）の形状変更やジェット流角度の調整に加え、溶鋼と攪拌機が接触せずに流れを制御できる電磁技術が流れ制御手法として採用されています。その一種が電磁攪拌（EMS）で、リニア誘導モーターによるローレンツ力で流体流れを生成します。EMS技術は数十年にわたり鋼の連続鋳造で使用されてきましたが、その効果とメリットは断面サイズ、鋼種、製品用途によって大きく異なります。

連続鋳造における電磁攪拌の役割

元西ドイツのユンガンス試験連続鋳造機で連続鋳造の原理が鋼に初めて適用されて以来、鋳造製品の品質への関心は高まる一方です。近年はクリーン鋼の生産が重視され、鋳造製品の組織と成分均質化への要求が一層厳しくなっています。化学成分、凝固条件、型内での溶鋼流動は、鋳造製品の表面品質と内部組織に直接影響を与えます。EMS技術の適用により、ストランド内に等軸晶帯が形成されやすくなり、凝固組織の微細化、介在物の低減、表面・サブサーフェス・内部組織の品質向上が図れます。

連続鋳造では、溶鋼が型に注入され、型内で始まる凝固がストランドで継続して最終的な鋼殻が得られます。攪拌機やブレーカーなどの電磁装置は、最終鋳造製品の品質と鋳造速度の両方を向上させる確立された技術です。最終鋼殻の主な欠陥（組織や表面割れの観点）は、温度変動、溶鋼の流速・圧力、フリーサーフェス挙動、スラグ巻き込みなどの型内現象と直接関係しており、これらは最終製品の欠陥の主原因となります。なお、連続鋳造機で使用されるもう一つの電磁装置として電磁ブレーキ（EMBR）があります。これは主に型に設置され、リニアEMSに似ていますが、交流の代わりに直流を用います。

EMSの原理と分類

EMSの基本原理

EMSはリニアモーターの原理を利用し、従来の機械式や減圧式とは異なり、溶鋼に一切接触しない非接触攪拌機です。図2aに示すように、炉底に設置されたコイルに3相交流電圧を印加すると移動磁界（H）が生成され、フレミングの右手の法則により溶鋼に誘導電流（I）が流れます。この電流がコイルの磁界と作用し、フレミングの左手の法則により溶鋼に電磁力（F）、すなわちローレンツ力が生じます。

回転電磁攪拌機は非同期モーターの固定子に相当し、通常3相（場合により2相）の周波数変換器で駆動されます。生成される回転磁界が溶鋼内で変化すると渦電流が発生し、磁界と相互作用して力（ローレンツ力）を生み、最終的にトルクが発生して溶鋼を回転させます。生成トルクは（1）供給電流の強度、（2）コイルを構成する巻線数、（3）周波数、（4）システム形状などの要因に依存し、これらはM-EMS（型内電磁攪拌）、S-EMS（ストランド電磁攪拌）、F-EMS（最終電磁攪拌）の攪拌機タイプによって異なります。

磁界は非侵襲的な攪拌装置として働き、原理的には任意の攪拌パターンを設計可能です。攪拌機の設計、サイズ、位置などは、連続鋳造機のデータ、生産する鋼種、鋳造パラメータに応じて決定されます。

EMSの種類と設置位置

EMSは鋳造機での設置位置によって分類され、冶金的観点から以下の3タイプに大別されます（図3）。

• M-EMS（型内攪拌）：型内に設置され、一次攪拌とも呼ばれます。
• S-EMS（ストランド攪拌）：型下部の二次冷却域に設置され、まだ多くの溶鋼が残る領域で攪拌を行います（二次攪拌、型下攪拌）。
• F-EMS（最終攪拌）：冶金長の末端（凝固完了直前）に設置され、最終攪拌と呼ばれます。

M-EMSの特徴と効果

回転型M-EMSはビレット・ブルーム攪拌装置の第一選択肢です。生成される回転磁界が溶鋼に円運動を与え、柱状デンドライトの先端を破砕して等軸晶核を生成することで中心等軸晶帯を拡大します。また、回転流が凝固フロントを洗い流し、介在物やガス泡の捕捉を防ぎます。さらに遠心力により軽相（介在物、ガス泡）がストランド中心へ移動し、凝固フロントから遠ざかります。

大型矩形断面にはリニアM-EMSが用いられ、鋳片の広幅側に水平に2台配置します。効果は回転攪拌と同様です。従来M-EMSは型に内蔵する内部設計でしたが、新型鋳造機では型の外側にコイルを巻く外部設計が採用され、型交換時にコイルが鋳造機に残るため作業性が向上しています。

M-EMSは通常型の下部に設置され、表面・サブサーフェス・内部品質を改善します。ピンホール、中心気孔、偏析の低減、凝固組織の改善、表面粗さの低減、伝熱率の向上などの効果があります。円形・角形設計があり、内部・外部設置が可能です。型メニスカス付近の攪拌速度を柔軟に制御するため、デュアルコイルM-EMS（図6）が開発されました。上部EMSでメニスカス流を制御し、下部EMSで型内主金属を攪拌します。上部の磁界を下部とは逆方向に回転させることでメニスカス付近の溶鋼速度を低減させ、多様な鋳造条件下でのEMS適用を可能にしています。

S-EMSの特徴と効果

リニアS-EMSでは電磁コイルをストランド片側に沿って設置し、ストランド内に垂直循環流を生成します（図3）。ストランド片側に配置されるため、さまざまなストランドサイズに対応可能です。中心等軸晶帯の拡大メカニズムは回転攪拌機と同様です。曲型連続鋳造機では介在物が上面近くの帯状に集中しがちですが、S-EMSによりより均一に分布させられます。型直下の最適位置に設置される回転型S-EMSはブレイクアウトに敏感です。

S-EMSは溶鋼を鋳片幅方向に水平に押し出し、バタフライ型流動パターンを生成します（図3）。支持ロール背後に設置できる場合（図4）、最小ロール径に依存せず、冶金的観点から最適なストランド位置に配置可能です。支持ロールに内蔵する場合は鉄心と巻線を収めるため最小ロール径が必要となり、メニスカスから離れるため効果は低下します。S-EMSは低周波で動作し、攪拌力のストランドへの浸透を確保します。結果として溶鋼は横方向に攪拌されます（図3）。S-EMSは通常M-EMSと組み合わせて使用され、リニアまたは回転型があり、設置・保護が容易なリニア型が一般的です。等軸晶組織の形成促進、鋳造製品の粒度微細化、収縮空洞・中心偏析・内部割れの低減、過熱の効果的除去などの効果があります。

F-EMSの特徴と効果

型より遠く、連続鋳造ストランドの最終凝固帯でEMSを適用する関心も高まっています。しかし、従来のEMSシステムはこの領域ではやや効果が限定的でした。解決策として、変調ローレンツ力を用いて最終帯域で広範囲にわたる強力な攪拌を実現する手法が注目されています。F-EMSは通常M-EMSやS-EMSと組み合わせて中心偏析のピークを低減・除去します。高炭素鋼や高合金鋼の鋳造で特に効果的です。F-EMSにより鋳造製品の凝固組織が改善し、等軸晶組織比と内部気孔率が向上、収縮が減少し、中心炭素偏析比が低下します。さらに二次デンドライト腕間隔（SDAS）が改善し、中心等軸晶粒比が大幅に増加して微細化が進み、鋳造製品品質が向上します。

攪拌モードの比較：回転攪拌と軸方向攪拌

連続鋳造への攪拌には大きく分けて「回転攪拌」と「上下（軸方向）攪拌」の2タイプがあります（図5）。近年多くの特許でさまざまな変種が提案されていますが、ほぼすべてがこれらのカテゴリに分類されます。

回転攪拌

回転攪拌の元来の研究はオーストリアの研究グループによって行われました。丸型型で鋳造されるビレットを型レベルまたは型直下で攪拌しました。確かに、回転攪拌が意味を持つのは型内領域のみと言えます。型よりかなり下部で回転攪拌を行うと、解決より多くの問題を生じさせる可能性があります。丸型ビレットの型内回転攪拌には一定のメリットがあります。固形介在物が鋳片表面から除去され、ストランドの固体シェルを型とより良く接触させることで伝熱が促進されます。型内回転攪拌ではシェル破断の危険はありません。最大の利点は装置設計が容易な点です。電気工学者はこの種の電磁誘導運動に精通しており、現在使用されているほぼすべての電動機と同じ原理だからです。

しかし、回転運動は工学的設計上問題ないものの、冶金的観点からは最良の運動とは言えません。回転攪拌の基本的問題の一つは、液体が遠心力を受け、軽成分（介在物など）が中心側へ偏析しやすいことです（図5）。これにより液体速度に上限が課され、これは必ずしも「ピクチャーフレーム効果」の出現による限界と一致しません。シームレスパイプ用の丸鋼鋳造などではこの考慮を無視できる場合もあります。しかし、もう一つ無視できないより厳格な制約があります。液体の円周速度を上げると固体シェルへの圧力が不均衡に増大し、シェルが破断する恐れがあります。この危険は、リン、セレン、鉛など強く偏析する元素を含む鋼種で鋳造する場合に特に顕著です。これらの元素が形成する低融点液相はデンドライト間に存在し、シェルの強度を低下させます。

型下で単一レベルのみで回転攪拌を行う場合に生じるもう一つの望ましくない状況は、液溜まりが上部（高温）と下部（低温）の2つに実質的に分離されることです。これは溜まり内の自然流動を乱すだけでなく、ブリッジング問題を引き起こす可能性があります。ブリッジングはマクロ偏析を悪化させ、近年型下でのみ回転攪拌を適用した際に報告された問題で実証されています。この問題は特に低速攪拌時に発生しやすくなります。マッシーゾーンから分離した大きなデンドライト片が低強度の攪拌では微細化できず、下部（低温）領域に沈降して成長・クラスター化し、ブリッジングを引き起こします。

さらに、EMSで介在物のサイズと含有量を大幅に低減するには、液体速度がある下限を超える必要があるという初期データがあります。例えばAISI 4335鋼種ではこの限界は0.5 m/s以上とされ、クリーンな表皮が得られる大型インゴットのリミング作用時の速度と比較されます。安全な回転液体運動の上限と、介在物低減に必要な高速要件が矛盾することはほぼ確実です。同様に、繊維状組織やタムナイト組織などの新しい凝固組織を生成するにも高速度が必要です。品質向上に積極的な鉄鋼分野では、高速攪拌によるこれらの組織実現が追求されつつあります。

軸方向攪拌（上下攪拌）

軸方向または「上下」攪拌は、凝固中ストランドの液相部分をストランド軸と平行な方向に動かすもので、自然に発生する熱対流流動パターンを強化するタイプの誘導運動です。型領域では自然流動を逆転させる理由があります。鋼の連続鋳造では、型領域は液溜まりのごく一部を占め、その深さは鋳造速度と機械サイズによって15 m以上になることもあります。型下では、流れは固体シェルに隣接して「下向き」、ストランド中心で「上向き」となります。

「上下」版EMSは冶金的観点から最も適切です。この技術では液体速度が実質的に無制限であり、所望の制御を適用する十分な自由度があります。電磁誘導力が液体を押し込むのではなく保持する方向に働くため、ブレイクアウトの危険が最小化されます。他にも大きなメリットがあります。上部の高温液体が速やかに溜まり底部へ運ばれるため、シェル厚がやや薄くなり、マッシーゾーン全体で高い温度勾配が維持されます。両効果とも伝熱を改善し、連続鋳造機の生産性向上に寄与します。また、固体シェルの輪郭を丸底形状に変化させ、液溜まり深度を浅くできるため、より高速鋳造が可能になります。中心線収縮と偏析の程度も低減できます。等温線が変化し、ストランド中心での成長により上向き成分が増加するためです。

最後に、凝固時に生成される介在物（悪名高いアルミナクラスターなど）が固相に捕捉されることなく、速やかに溜まり頂部へ掃き出され、スラグと合流（メニスカス上へ浮上）して除去される機会を得られます。このタイプの流動は実装が比較的困難で、特に冶金長の相当部分にわたって攪拌を適用する場合（連続的な「上下」攪拌）は難易度が高まります。ただし、困難なのは電気工学側の問題です。コイル間やリニアモーターを形成する一連のコイル末端で大きな擾乱を伴わずに一方向流を実現するのは比較的困難です。これらの異常は鋳造組織において正または負の偏析バンドとして現れます。さらに、「上下」攪拌では通常、支持ロールのないかなり広いストランド領域、または少なくともリニアモーターの磁界を妨げないようロールを改造する必要があります。最後に、この攪拌に用いるリニアモーターの効率は非常に低く（1%程度以下）、主に電磁ループの高抵抗（大きな空気ギャップと固体金属シェルギャップ）が原因です。

間欠的逆方向攪拌

回転攪拌モードの変種として、日本の研究者たちによって間欠的に流れ方向を逆転させる手法が提案されました。この技術は等軸晶帯のサイズを改善すると主張されています。上記の回転攪拌に関する議論が概ね適用されますが、さらなる限定があります。間欠運動はエネルギーを浪費しますが、柱状デンドライト成長を阻害するというEMSの一つの目的に合致します。攪拌時の逆流は、局所乱流セルでのせん断によってデンドライトをより小さな破片に砕くだけでなく、常に流れに逆らって成長しようとする柱状デンドライトの単方向成長を阻害します。しかし、EMSの他の潜在的メリットがこの技術で得られるかは疑問です。

電磁攪拌が鋳造鋼製品品質に与える影響

化学成分、凝固条件、型内溶鋼流動の性質は、ストランドの表面品質と内部組織に本質的に影響します。ストランド形成プロセスは、型内と二次冷却域（SCZ）での溶鋼凝固を含みます。回転または移動磁界は液体内の流動性質に影響し、熱・物質移動プロセスを強化します。電磁攪拌がストランド品質に与える影響度は、EMSの技術的特性と連続鋳造曲げ軸に沿った配置に依存します。EMSは型内、SCZ、最終凝固帯（FCZ）に設置可能です。

表面、サブサーフェス、内部ストランド品質を改善するには、溶鋼攪拌を型内で行う必要があります。M-EMSは円形または角形設計で、内部・外部設置が可能です。M-EMS適用の結果、鋳造製品の中心気孔と偏析が低減します。型メニスカス付近の攪拌速度を柔軟に制御するため、デュアルコイルM-EMS（図6）が開発されました。これは2つの独立したEMSで構成され、上部EMSはメニスカスでの流れ制御用、下部EMSは型内主金属攪拌用です。上部EMS磁界を下部とは逆方向に回転させることでメニスカス付近の金属速度を低減します。このようなデュアルM-EMS設計により、溶鋼連続鋳造のさまざまな条件下でのEMS技術適用の幅が広がります。

鋼の電磁攪拌はストランド内に等軸晶帯の形成を促進します。攪拌は過熱鋳造でもストランド品質を改善します。中心偏析のピークをさらに低減・除去するには、F-EMSをM-EMSまたはS-EMSと組み合わせて使用する必要があります。F-EMSは高炭素鋼や高合金鋼の鋳造で特に効果的です。F-EMSとM-EMSの組み合わせでは、そうでなければセメンタイトやマルテンサイトが形成される最高炭素含有領域を低減できます。一次フェライトで凝固するステンレス鋼では、S-EMSとF-EMS使用時に還元比3.6で健全な中心が得られることが分かっています。S-EMSの適用により柱状組織の代わりに等軸晶帯が増大し、鋼ストランドの割れが減少します。1台または複数のEMSを組み合わせて使用することで得られるメリットを表1にまとめます。

表1 1台または複数のEMS使用で得られるメリット
	M-EMS	M-EMS + F-EMS	M-EMS + S-EMS + F-EMS	M-EMS + S-EMS	S-EMS	S-EMS + F-EMS
ピンホール・ブローホール	+++	+++	+++	+++	−	−
表面・サブサーフェス割れ	+++	+++	+++	+++	−	−
ブレイクアウト低減	++	++	++	++	+*	+*
表面割れ（丸鋼）	++	++	++	++	−	−
凝固組織・内部割れ	++	++	+++	++	+**	+**
中心線偏析・中心気孔	++	+++	+++	++	++	+++
V偏析	+	+++	+++	++	+***	++

* 高位置S-EMS
** 製品中心部のみ組織改善、S-EMS位置以降は外部組織がM-EMS適用時より悪化。過剰攪拌時は負偏析リスクあり。
*** 低位置S-EMSの場合

より厳しい品質要求の場合、品質欠陥・調質・不合格のコスト、または大断面鋳造のコストが大きすぎるときにEMS使用が正当化されます。炭素含有量0.2%未満の炭素鋼には回転攪拌が用いられます。場合によっては二次攪拌で負偏析が見られるため、型内攪拌が好まれます。負偏析は機械的性質に影響しませんが、焼入れ性の局所的変動を招くという例外があります。炭素含有量0.2〜0.5%では二段攪拌が用いられ、型内攪拌に二次攪拌または最終攪拌を補完するのが良いとされます。炭素含有量0.5%以上および凝固範囲の広い合金鋼では三段攪拌が用いられます。

スラブでは形状が悪いとEMSのメリットが相殺されるため、機械加工に注意が必要です。EMBRによる浸漬ノズル対流電流の低減で清浄度を向上させる手法があります。これは型広幅面の外壁沿いに2組のコイルを配置し、磁界で溶鋼流速を低下させ、介在物を表面に浮上させてモールドパウダーで捕捉します。ブルーム鋳造機、より顕著にはスラブ鋳造機のロール隙間形状は、連続鋳造半製品の内部品質や各種偏析、その結果としてこれら偏析領域での元素濃度増大に大きく影響します。真のロール隙間からの偏差によって生じる主な偏析タイプは（1）柱間マクロ偏析、（2）中心線マクロ偏析、（3）中心外半マクロ偏析（V偏析またはスポット偏析とも呼ばれる）です。

1,300℃から凝固点までの温度範囲では、鋼の延性は非常に低くなります。これはFeSとMnSの液相がデンドライト境界に偏析するためです。両者の融点は鋼よりはるかに低く、これらの弱い境界はかなり低い引張歪みで開きます。

連続鋳造製品で見られる冶金的問題の一つは、巨大な柱状デンドライト帯の発生です。柱状成長が鋼の延性低下など機械的性質に与える影響はワイザーらによって調査されました。アルバニーらは、連続鋳造の中心線欠陥が柱状成長領域の制御によって大幅に低減できることを示しました。柱状成長の制御は、良質なストランド鋳造製品を生産する上で極めて重要です。

本質的に、誘導攪拌は固液界面に沿った掃き出し流を生じさせ、温度勾配、境界層厚、マッシーゾーンの構造とサイズなどの局所成長条件に影響を与えるため、最終凝固組織に影響します。マクロ偏析はデンドライト間流体流動の結果として知られているため、マッシーゾーンの長さを短くすることは、特に中心線に沿ったマクロ偏析の程度を効果的に低減します。複数の研究で、EMSが柱状成長を防止することで連続鋳造鋼の凝固組織を改善する効果的な手段であることが示されています。

柱状帯のサイズと関連するデンドライト間偏析・収縮気孔は、ストランド内または型内電磁攪拌の使用により大幅に低減されます。後者の技術は中心等軸晶凝固帯のサイズを効果的に増大させ、中心線収縮を大幅に低減します（図6）。鋳造断面における柱状帯と等軸晶帯の相対サイズは、溶鋼の過熱度にも影響されます。無攪拌ビレットでは高過熱により等軸晶デンドライトの核生成が遅れるため柱状帯が拡大します。EMSは高過熱の影響を低減しますが、高過熱温度で発達した柱状帯の拡大を完全に補償することはできません。

過熱度は、特に中高炭素鋼において、連続鋳造初期から最も基本的な要因の一つと認識されてきました。初期の報告では、150 mm × 150 mmビレットで高炭素鋼を鋳造するパイロットプラント試験が行われました。低過熱または液相線以下の温度で鋳造すると中心線偏析が最小化されることが実証されました。型での電磁攪拌（M-EMS）には一定のメリットがあり、ストランド（S）および最終（F）段階でのEMS適用が一部の鋳造機で導入され始めました。EMSの組み合わせ、すなわちブルームでは(S+F)-EMS、ビレットでは(M+S+F)-EMSが、さまざまなEMS条件の中でマクロ偏析低減に最も効果的であり、凝固最終段階でより急速に凝固させ、中心領域に沿ってより微細に分布した気孔と偏析スポットを生成させます。最適液溜まり厚は炭素含有量の増加とともに減少し、これは固相分率fs=0.3〜0.7の範囲で凝固時間が長くなることに起因すると考えられます。過熱度が凝固組織に与える影響が分析され、過熱度増大により柱状デンドライト成長が等軸晶成長に対して優位になるという経験的事実が検証されました。対流効果が、研究対象の高炭素（C ≤ 0.7%）および高マンガン鋼のミクロ偏析挙動に影響することが結論付けられています。

70鋼角ビレットの中心断面における電磁力と炭素濃度分布に対するF-EMSパラメータ（電流強度300 A→400 A、周波数4 Hz→12 Hz）の影響が研究されました。70鋼ビレットの中心断面炭素濃度を均一化し中心炭素偏析を最小化する最適F-EMSパラメータは、電流強度280 A、周波数12 Hzで得られました。この攪拌条件下では、すべてのサンプリングポイントの炭素偏析指数が0.92〜1.05の範囲に収まり、これは攪拌強度がストランド中心温度を低下させビレットの凝固速度を増加させるのに適しているためとされます。したがって、電磁攪拌後、偏析溶質元素の移動時間が限られるため中心偏析の低減が促進されます。

連続鋳造ブルームおよびビレットの中心部に気孔と収縮空洞が発生することはよく知られています。攪拌電流280 A、周波数12 Hzで炭素偏析レベルに良好な結果が得られたものの、さらなる調査でF-EMSが角ビレットの他の内部品質に相当な影響を与えることが示されています。

140 mm × 140 mmビレット連続鋳造プロセスにおけるF-EMSパラメータの中心偏析への影響が研究されました。モデルでは、液体とともに自由に移動できる等軸晶粒の初期成長をスラリーとして扱い、連続した等軸晶帯を多孔質媒質と見なしました。結果として、攪拌速度は中心偏析改善に影響する主要因子ではなく、電流強度と攪拌溜まり幅の影響がより大きいことが示されました。溶質移動は攪拌溜まり幅としての凝固速度によって制御されるため、中心偏析は電流強度増加とともに連続的に低下します。液溜まり幅が減少し、後期凝固で放出すべき潜熱が少なくなるため、F-EMSにより中心偏析をより顕著に改善できます。中心液相の溶質濃縮と攪拌帯域での液相蓄積により、さらに高い電流強度と攪拌溜まり幅の減少で中心偏析が逆転して上昇し、正偏析を形成、弱い攪拌では溶質が濃縮され中心偏析が悪化します。最適化された電流強度では、F-EMSによる中心偏析改善がより良好になります。

一部のF-EMS攪拌技術は、元来のデンドライト組織から球状組織への形態変換とその微細化において、他より効果的です。攪拌なしの鋳片マクロ組織は、攪拌ありのものとは異なります。従来の攪拌で得られる組織は、一部にデンドライトとデンドライト片が残るものの、大部分が球状結晶です。変調攪拌で得られる組織は完全に球状結晶で構成され、より微細に見えます。

攪拌条件を変えることで粒度を変化させられます。F-EMS従来攪拌では、無攪拌組織と比較して鋳片中間半径部と中心部の両方で粒径が減少します。さらなる粒径減少は逆回転変調攪拌と非変調攪拌で達成されています。しかし、無攪拌鋳片の粒径と比較して最も小さな粒径が得られたのは単方向変調攪拌でした。

一般的に、F-EMS使用時の試料微細組織は、攪拌で得られた組織では球状粒と延長粒、さまざまな化合物を含む微細な粒界共晶ネットワークで構成されます。無攪拌鋳造製品の粗大デンドライト組織は、従来攪拌の適用により主に球状組織に、一部バラ状組織へと変化します。単方向変調攪拌で得られる組織は、微細な球状グローブと大型延長粒の混合物で構成され、従来攪拌よりさらに微細化して見えます。

従来攪拌で得られた鋳片の中間半径部と中心部を合わせた微細組織におけるグローブの平均面積と長さは、他の鋳片組織と比較されます。攪拌なしの組織ではグローブ平均面積を減らせません。単方向変調攪拌で得られた鋳片では、従来攪拌と比較してグローブ平均面積が減少します。同様の傾向がグローブ長さの減少でも見られます。グローブサイズの減少と同時に、それらの密度は増加しています。M-EMSの凝固組織への影響は、固定過熱度、鋳造速度、二次冷却強度、M-EMS周波数の下で調べられました。中心等軸晶帯比は、過熱度低下、鋳造速度増加、二次冷却強度低下、M-EMS電流増加で増加することが分かりました。しかし等軸晶帯にはM-EMSでの限界があり、柱状帯に対する責任が大きいためです。粒度は過熱度低下とM-EMS電流増加で明確に減少しましたが、鋳造速度と二次冷却強度にはあまり敏感ではありませんでした。

ホワイトバンド偏析

近年の電磁攪拌（EMS）の使用増加に伴い、ホワイトバンドとして知られる問題への関心が高まっています。ホワイトバンドは負偏析帯（硫黄プリントで白く見える）で、S-EMS攪拌製品で頻繁に見られ、攪拌時の凝固フロント位置に対応します。偏析の外観が名称の由来となっただけでなく、おそらくこれがホワイトバンドの最も望ましくない特徴です。ホワイトバンドでの負偏析程度は中心線の正偏析より小さいですが、熱間加工後も残存することで、主に外観上の理由から顧客受け入れの阻害要因となります。コアは、ホワイトバンドがストランド攪拌の開始と終了時の成長率変化の結果であると説明しています。ホワイトバンドは、ブリッジとロジャーズによって最初に発見された溶質洗浄メカニズムによるものです。これはEMSによる乱流がデンドライト網目を貫き、濃富化したデンドライト間液を掃き出すと提案しています（図7）。しかし、この作用を維持するには、除去された溶質が残存液体全体に非常に速やかに分散すると仮定する必要があります。これが真なら、攪拌終了時に観測される溶質濃富化を説明するのは困難です。

数学的モデリング

数学的モデリングは、攪拌が熱流動に与える影響などの理解を深める上で、EMS実装において重要な役割を果たしてきました。シュヴェルトフェガーらによる一連の研究が、この分野のモデリングの基礎を築きました。具体的には、鋼の連続鋳造に特徴的な丸ビレット、矩形ブルーム、スラブ形状における攪拌効果を実験的・理論的に探求しました。これらのモデルは、液体金属の速度場に関するナビエ・ストークス方程式と、誘導磁束密度に関するマクスウェル方程式で構成されます。原理的には双方向結合であり、交流磁界がローレンツ力を生じて速度場を駆動し、これが逆に磁界に影響を与えます。さらに、磁界の周波数は通常、ローレンツ力の時間平均値をナビエ・ストークス方程式の入力として使用できるほど十分に高いです。

ヴィニッキーによる最近の研究では、丸ビレット連続鋳造への回転EMS適用問題を再検討し、ローレンツ力成分を決定するために元来使用された手法が非一意解を導くことが判明しました。これは、誘導磁束密度の接線成分ではなく法線成分が境界条件として規定されていたことが原因です。さらに、法線成分が矩形ブルームの縦方向攪拌モデルでも規定されているため、それらのモデルでも非一意性が生じることが予想されます。また、ローレンツ力成分の式が依然として頻繁に使用されていることを考えると、特に変調EMSへの現代的関心を鑑み、この問題の解決は依然として時宜を得ています。この場合、異なる周波数の磁界が適用され、結果として生じるローレンツ力は一定の時間平均部分と時間変動部分を持つことが意図されています。磁界の正しい境界条件を設定することが、モデリングから意味のある結果を得るために重要であることは言うまでもありません。

EMSの初期工業導入以来、特に凝固範囲の広い要求の厳しい鋼種は、鋳造型内だけでなく後期凝固段階での攪拌にも恩恵を受けることが認識されてきました。このタイプの攪拌は、溶鋼の連続鋳造において最終凝固帯攪拌またはF-EMSとして知られるようになりました。F-EMSの鋳造ストランド内部品質、特に組織健全性と偏析への有効性に関する初期報告があるものの、長期的にはF-EMSの冶金的性能が有効性と一貫性の両面で不十分であることが判明しました。これはいくつかの決定的要因に起因します。第一に、溶湯体積中の一定固相分率レベルに対応する凝固段階に関してF-EMSを位置決めすることが重要です。第二に、この凝固段階での攪拌は、徐々に減少する攪拌トルクと増加する溶湯粘性の条件下で行われます。前者は攪拌溜まり半径の減少、後者は溶湯固相分率の増加によるものです。

攪拌効果に影響する追加の重要因子として、攪拌に使用される磁界の性質に起因するものがあります。現在、連続鋳造鋼製品の生産に採用されている攪拌システムは、回転磁界（RMF）の適用に基づいています。このような磁界は、結果として生じる角速度が半径位置に関してほぼ一定であるという事実から、後期または高度な凝固段階での適用に限界があります。この流動パターンは、固液界面での強烈なせん断力と乱流を特徴とし、デンドライト破砕とそれに続く等軸晶凝固組織の発達には非常に効果的ですが、溶湯体積内、特に中心領域での混合にはほとんど影響を与えません。対照的に、結晶網目の形成と、それに伴う気孔・き裂・溶質偏析などの構造欠陥の発生を阻止するためには、後期凝固段階で溶湯体積全体にわたる強烈な乱流と混合が必要です。

後期凝固段階でのRMFベース攪拌を、半径-軸平面での二次流動強化によって改善するための開発が数多く行われてきました。したがって、強制期間と休止期間を順次用いる間欠攪拌と交互攪拌の両スキームが1980年代に導入されました。小島らは実験的に、デビッドソンとボイサンは理論的に、初期渦流の軸方向勾配により、休止期間（活性攪拌なし）中に半径-軸方向への強い循環流が発生することを示しました。

しかし、これらの攪拌手法はF-EMS性能の大幅な改善にはつながっていません。その理由は、エッカートらの最近の研究で、強い循環流の発生が攪拌と鋳造パラメータの狭い範囲の提供に依存していることが示されたためです。それらの条件を満たさない場合、攪拌性能に悪影響を及ぼし、無効または有害になる可能性があります。攪拌コイルに変調電流を通電させ、時間平均成分と時間変動成分の両方を持つ変調電磁界を生成することで、凝固中溶湯バルクの乱流と混合を強化する試みが最近いくつかあります。これらの最近の開発は理論的および実験室規模にとどまり、生産実践への導入はありません。逆回転磁界も、ヴィヴェスによるアルミニウム合金の実験室実験でテストされ、この攪拌法で凝固組織の大幅な改善が達成されています。

EMSの利点

最終製品におけるEMSの利点は用途によって異なり、主な例として（1）熱間加工性の向上：バーの押出・鍛造時の内部欠陥頻度が低下、（2）せん断性の向上：割れを引き起こす組織を回避、（3）焼入れ性の向上：均質性改善による、（4）ワイヤロッド引抜き性能の向上：カップアンドコーン破断頻度の低下、（5）バーの疲労特性の向上：より高く一貫した疲労特性などが挙げられます。