ビームブランク鋳造技術：効率的な鋼ビーム生産の進化

ニアネットシェイプ断面「ビームブランク」または「ドッグボーン」の直接鋳造開発は、鋼連続鋳造の進化における最も顕著な成功事例の一つです。IビームやHビームなどの長尺鋼製品製造のためのビームブランク連続鋳造は、1968年にアルゴマスチール（現エッサールスチールアルゴマ、カナダ・ソーセントマリー）で初のビームブランク鋳造機が稼働して以来、効率的な商業プロセスとなっています。従来のブルーム鋳造に対する経済的優位性は、高生産性、低圧延コスト、エネルギー効率改善にあります。

多くの革新と同様、比較的保守的な鉄鋼業界がこの革命的概念を受け入れるには時間を要しました。成功は学際的協力と鋳造・圧延プロセスの最適化にかかっていました。この先駆的取り組みは、鉄鋼業界だけでなく学術界からも即座に広い関心を集めました（例：この複雑なストランド形状の凝固パターン研究）。それでも、次のビームブランク鋳造機が川崎製鉄水島製鉄所で稼働するまでさらに5年かかりました。

ニアネットシェイプビームブランク鋳造の発展

ビームブランク連続鋳造と圧延は、鋼ビーム生産における一般的な慣行となっています。近年の開発はニアネットシェイプビームブランク鋳造に集中しています。従来型とニアネットシェイプビームブランクの違いを図1に示します。従来型ビームブランクは比較的厚いフランジ（通常100mm超）を持ちますが、ニアネットシェイプはフランジ厚100mm未満（実用下限通常50mm）です。1つのビームブランクから圧延のみで数十、時には100本ものビームを生産できます。

小型ビームブランク直接鋳造は、必要圧延パス数を大幅に削減します。通常、標準ブルーム/ビレットからIPE 100断面（100×50×5mm）を成形するには、6回の粗圧延パスと10回の仕上圧延パス、計16パスが必要です。鋳造ビームブランクサイズを110×70×12mm（25kg/m）に縮小すれば、IPE100断面成形に総計6パスのみで済みます。

ニアネットシェイプビーム生産は、世界中のビーム生産者が近年関心を持つ分野で、ビームブランクの再加熱と圧延コスト削減を目的としています。これはニアネットシェイプビームブランク鋳造（ウェブ厚50mm）と直接圧延を組み合わせて行います。ニアネットシェイプのグレードは、所望の冶金組織を得るために必要な最小圧延パス数によって決定されます。

ニアネットシェイプビームブランク概念に基づくプラントは非常にコンパクトです。主にビームプラント鋳造機（ビームブランク供給）、圧延に必要な温度分布を達成する加熱炉、従来型粗圧延スタンド、ユニバーサル粗圧延スタンド・2ハイエッジングスタンド・ユニバーサル仕上スタンドを含むU1-E1-U2ユニバーサルスタンド群で構成されます。

経済的優位性

ビームブランク鋳造の経済的優位性は主に圧延プロセスに起因します。ビームブランクのニアネットシェイプにより、さらなる圧延操作に必要な断面を得るための粗圧延ミルでの圧延作業が少なくて済みます。例えば、アルベド・SWT（シュタールベルク・テューリンゲン）では過去、ビームIPE 300を80×300mm矩形ブルーム断面から粗圧延スタンドで11パス適用して生産していました。現在ではビームブランク断面使用により、同じ結果を得るのにわずか5パスで済みます。

従来型ビームブランク鋳造と圧延による以下の利点があります。

• 粗圧延ミルでの圧延パス数削減
• 既存圧延機生産性約15%向上
• 粗圧延スタンドでのエネルギー消費約55%削減
• 圧延スタンド数削減によるロールコスト低減
• 粗圧延スタンドメンテナンスコスト削減（約55%節約）

圧延機出力は約1%増加します。これはニアネットシェイプビームブランクによる形状形成改善の結果、特に圧延ビーム開始部分で顕著です。冷装入時のビームブランク表面積/体積比改善による再加熱エネルギーコスト約8%節約の追加ポテンシャルもあります。

ニアネットシェイプビームブランク鋳造によるビーム・形鋼生産の経済的優位性は、熱間圧延機粗圧延スタンドでの圧延コスト削減（または排除）に主に起因します。これらは以下の通りまとめられます。

• 投資コスト約30%低減
• 生産性約15%向上
• 粗圧延スタンドでの圧延パス排除
• 歩留まり約1.5%向上
• 操業コスト低減
• エネルギー消費低減とCO₂・NOx排出低減
• メンテナンスコスト約55%低減
• 鋼トン当たり必要人時削減
• ブルーム中間貯蔵不要

これらのメリットが近年のビームブランク鋳造急増に大きく寄与しています。

タンディッシュ操業

小型ビームブランクサイズでは、オープンストリーム注湯とオイル潤滑が適用されます。商業品質鋼のビレット鋳造と同様、均一な鋼供給のために型あたり2つのメータリングノズルを使用します。メータリングノズル鋳造では、ノズル目詰まりとピンホール形成の間の「操業ウィンドウ」を狙って、鋼酸素活性を慎重にバランスさせる必要があります。通常、プレーンなMn/Si脱酸が好まれ、ピンホール制御にはアルミニウムワイヤーを型に供給します。

大型サイズでは、不均一凝固、ストランド表面凹み、割れ、ブリーダーを最小化するためモールドパウダー適用が好まれます。この場合、オープンストリーム注湯と浸漬耐火物ファネルを組み合わせてパウダー巻き込みを防止します。高張力要求のアルミニウム微細粒鋼では、ストッパーによる能動流制御と浸漬ノズル（SEN）によるストリームシュラウディングを適用し、一般的に単一SEN配置を使用します。これは型レベル制御と操業コストの点で有利です。

型設計

型設計と操業はビームブランク鋳造の重要因子です。型設計は以下の3世代の設計バリエーションで区別されます。

• 第1世代：ガンドリル水孔を持つブロック型で、2半分から構成。開閉ロックは空気モーターで行い、インシデント時のブランク取り出しを容易に。後にフットローラー2段追加で改良。
• 第2世代：ハイブリッドブロック/プレート設計。側壁が溝付き冷間圧延銅板で、より高い水速を実現。
• 第3世代：上記と類似だが、狭面を広面間でクランプ固定し、より高い調整性を確保。

後者の設計は、幅広フランジビーム断面の広範な製品レンジ生産に特に有用であることが判明しました。小型断面には肉厚6〜32mmのチューブ型型が使用されます。

現在、ビームブランク型には主に以下の2つの基本設計が使用されています。第一はチューブ型で、主に外形断面寸法300mm×400mmまでのビームブランクフォーマットに用いられます。ビームブランクサイズに応じて、銅管肉厚は最大32mmまであり、一次冷却水は銅管外表面と特殊バッフル管の間を流れます。製造上の理由で、肩部にネガティブテーパーを設計したり、銅管肉厚変化によるビームブランクストランド周円周温度均質化を行うことはできません。

大型ビームブランク断面にはプレート型がより適しています。個別銅板をサポートプレートに固定し、ネジで接続して断面を形成します。一次冷却水は冷却スロットと孔を通って流れます。この設計では、ウェブ収縮補償のための肩部ネガティブテーパーと、銅表面温度均質化のための冷却孔改良配置が可能です。

長寿命化のため、通常CuCrZnを高耐摩耗性型材料として使用します。これはクロムメッキでさらに強化され、場合によっては多層コーティング（3層）が使用されます。

比較的重い型には堅牢な振動が必要です。モーター駆動エキセントリックとプッシュロッドによる短レバー設計は、実質的にメンテナンスフリーで、パスライン偏差0.02mm未満の高いガイダンス精度を保証します。浅い振動マークには、構造用鋼の低炭素域では短ストローク/高周波モードが最適です。

テーパー設計

型設計での特有の課題は、複雑なビームブランク形状に適したテーパー選択です。外側フランジにはポジティブテーパーを適用しますが、ウェブフィレットにはゼロまたはネガティブテーパーが必要です。フランジ内側角度とフランジ-ウェブ間の半径も重要です。近年、テーパー設計は有限要素法（FEM）による型熱伝達、シェル成長、シェル収縮解析でサポートされています。

ストランド初期凝固のための幾何学的・熱的型条件は、優れた表面・内部品質を持つストランドを得るために極めて重要です。したがって、適切に設計された一次冷却システムと型テーパーは、これら要件を満たすための必要前提条件です。2次元（2D）完全連成熱機械有限要素モデルを用いて、型内初期凝固中のストランド温度場と変位場を計算します。

このタイプのシミュレーションは、特定ビームブランク断面の複雑な収縮挙動をよりよく理解させ、型内輪郭の形状とテーパーを正確に決定可能にします。

この2D有限要素モデルは、シェル成長、内部・表面ビームブランク品質、型摩耗の点で成功しています。

縦方向熱流束を無視した過渡解析により、温度場と変位場が得られます。異なる型テーパーがシェル成長、温度場、シェル収縮による接触圧力に与える影響を容易に研究できます。内部鉄圧はストランドシェルが型を通過するにつれて増加します。

ストランド支持長さ

ストランド支持長さ設計には、通常ビーム断面の過渡熱伝達解析が実施されます。この解析により、ストランド支持内でのシェル成長と正確な冶金長に関する必要情報が得られます。ウェブストランド支持が短すぎるとウェブ中心の膨らみや開口を引き起こし、鋼偏析とウェブ厚変動につながります。フランジストランド支持が短すぎると膨らみと界面割れを引き起こします。ビームブランク断面の独特形状により、表面の4つの異なる領域を個別に支持する必要があります。

• ウェブ：ウェブ膨らみとそれによるより顕著な中心偏析を防ぐため、ウェブ幅全体で十分な凝固が達成されるまでウェブを支持する必要があります。2D熱解析が必要支持長さの情報を提供。
• フランジ：膨らみと内部割れ防止のためフランジを支持。2D熱解析で温度場と対応するシェル厚を得られます。続く応力解析で、液体鋼芯からの内部鉄圧による応力/歪みと変位場が表示されます。この領域の支持長さ基準は、フランジ内面の液体/固体移行点での鉄圧による界面歪み生成です。
• フランジ先端：フランジ全体と同様の基準が適用され、一般的に支持長さは鋳造サイズと鋳造速度に依存。多くの場合、特に低鋳造速度と小型ビームブランク断面では、型フットローラー以外の追加支持は不要。
• 肩部：物理的形状によりアーチのように振る舞うため、通常支持は不要。2D有限要素解析で応力と変位場を示します。