CN113260471B - 连续铸造用的塞棒及连续铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于，在连续铸造用的塞棒上，提高气体吐出部分附近的背压的掌握或管理的精度。具体而言，在本发明中，在上下方向中心部上具备用于气体流通的空洞(2)的连续铸造用的塞棒上，在包含与下方的喷嘴(20)的嵌合部(3)的缩径区域的顶端中央部或侧面上，设置有从空洞(2)贯穿到外部的一个或多个气体吐出孔(4)，并且，在空洞(2)的比气体吐出孔(4)更靠上方的位置的一部分上设置有压力控制零件(5)。
Description
技术领域
本发明涉及，在钢液的连续铸造中，主要在从浇口盘向铸型排出钢液时，通过从上方嵌合到设置在其浇口盘底部的喷嘴上来进行钢液的流量控制的，具备气体吹入功能的连续铸造用的塞棒、及使用该塞棒的连续铸造方法。
背景技术
在钢液的连续铸造中，在从浇口盘向铸型排出钢液时，在进行钢液的流量控制的塞棒上，为了使钢液中的夹杂物浮起或防止夹杂物向喷嘴内壁等附着等目的，而存在有一种具备气体吹入功能的塞棒。
例如在专利文献1中，公开有一种浇注装置，设置有可吐出(喷出)在塞棒内导通的气体并从浇注容器底部的喷嘴孔的入口向下方的出口贯穿的气体吐出口(气体喷出口)，由此，构成为可将残留在喷嘴孔中的金属熔液从喷嘴孔向下方排出，并且，为了防止熔液向气体吐出口内流入，即使在浇注中，也是对气体吐出口施加有气压的状态。
专利文献
专利文献1：日本特开2013-043199号公报
发明内容
通常，根据铸造速度即钢液排出速度、钢种等个別的作业条件，需要使从塞棒的气体吐出量(以下，仅称为“气体吐出量”)发生变化。因此，为了可得到发生变化的作业条件为最大时的所需气体吐出量，需要对气体吐出用的通孔的尺寸、数量进行设计。
另一方面，由于气体吐出量对于钢的质量的影响较大，因此需要与铸造中的条件变化相对应地进行适当的吐出量(流量)管理。
因此，在将气体吐出量管理成一定程度以下时，尤其是在气体吐出量少时，由于通常气压是通过远离气体吐出部分即塞棒的气体吐出口的供气源的装置来进行管理，因此即使如专利文献1所示，试图维持对气体吐出口施加气压(背压)的状态，气体吐出部分附近的气压即背压也会变低。因此，多是难以进行气体吐出部分附近的背压的掌握或管理。
本发明所要解决的技术问题是，在连续铸造用的塞棒上，提高气体吐出部分附近的背压的掌握或管理的精度。
本发明为下述的1～4所述的连续铸造用的塞棒及5所述的连续铸造方法。
1.一种连续铸造用的塞棒，在上下方向中心部上具备用于气体流通的空洞，其特征在于，
在包含与下方的喷嘴的嵌合部的缩径区域的顶端中央部或侧面部上，具备从所述空洞贯穿到外部的一个或多个气体吐出孔，
并且，在所述空洞的比所述气体吐出孔更靠上方的位置且所述缩径区域的一部分上，具备压力控制零件，
所述压力控制零件由在长度为20mm的试样上进行8×10-2MPa的加压的条件下不具有透气性的致密性耐火物构成，
且具备，被设置在该压力控制零件内或该压力控制零件的外周和塞棒本体之间，且从该压力控制零件或该压力控制零件的外周和塞棒本体之间的上端贯穿至下端的一个或多个通孔，
所述通孔的直径为，以将孔的截面视为圆形并将其截面换算成圆的尺寸计，为φ0.2mm以上φ2mm以下，
所述通孔的数量满足下述的式1、式2，
(-0.44×Hd2+1.88Hd-0.08)≦Ha≦{1.67×ln(Hd)+3.66} 式1
Hn＝Ha÷(Hd2×π÷4) 式2
在此，
Ha：所述通孔的总截面积(mm2)
Hn：所述通孔的数量(个)
Hd：所述通孔的直径(mm)
π：圆周率。
2.根据技术方案1所述的连续铸造用的塞棒，其特征在于，所述压力控制零件被设置在所述气体吐出孔的正上附近。
3.根据技术方案1或2所述的连续铸造用的塞棒，其特征在于，
所述压力控制零件由在长度为20mm的试样上进行8×10-2MPa的加压的条件下不具有透气性的致密性耐火物构成，
且具备，被设置在该压力控制零件内或该压力控制零件的外周和塞棒本体之间，且从该压力控制零件或该压力控制零件的外周和塞棒本体之间的上端贯穿至下端的一个或多个通孔，
所述通孔的直径为，以将孔的截面视为圆形并将其截面换算成圆的尺寸计，为φ0.2mm以上φ2mm以下，
所述通孔的数量满足下述的式1、式2，
(-0.44×Hd2+1.88Hd-0.08)≦Ha≦{1.67×ln(Hd)+3.66} 式1
Hn＝Ha÷(Hd2×π÷4) 式2
在此，
Ha：所述通孔的总截面积(mm2)
Hn：所述通孔的数量(个)
Hd：所述通孔的直径(mm)
π：圆周率。
4.根据所述3所述的连续铸造用的塞棒，其特征在于，所述通孔为狭缝状(以下称为“狭缝”)，将该狭缝的总截面积视为所述的Ha(mm2)，将该狭缝的厚度视为所述的Hd(mm)，将该狭缝的总截面积除以该狭缝的厚度的值作为该狭缝的总长度。
5.一种连续铸造方法，其特征在于，使用有所述1至所述4中任意一项所述的连续铸造用的塞棒，使比所述压力控制零件更靠上游侧的空洞的气压为2×10-2(MPa)以上8×10-2(MPa)以下，并将气体从所述塞棒的气体吐出孔吐出到钢液内。
下面，进行详述。
在从塞棒顶端附近吐出气体的作业中，在气体的流通路径即塞棒内部的空洞的端部上设置有气体吐出孔的结构上，气体背压的变化容易变大，此外容易变得不稳定。塞棒是浸渍在钢液内，且其顶端附近靠近钢液的排出用喷嘴孔，此外还担负钢液流量控制，因而钢液流速的变化较大。因此，从塞棒顶端附近吐出的气体的流量、压力的变化也变大，因而难以进行准确且高精度的控制。
在本发明中，在所述的塞棒内部的空洞的塞棒端部附近设置有，将所述空洞的连续性隔断，将空洞分割成上游侧和下游侧的2个空间来控制压力的零件(压力控制零件)。
通过该压力控制零件，可进行上游侧的空间(空洞)中的气压控制，且不会使来自塞棒顶端的压力的变化直接向上游侧传递。
该压力控制零件可设置在所述空洞的比气体吐出孔更靠上方的位置且塞棒顶端附近的缩径区域内的一部分上。
本发明者们发现，在用大致整体上具有透气性的多孔质的耐火物来构成该压力控制零件时，随着铸造时间的经过，该多孔质耐火物内的透气性会逐渐降低，经常导致气体的通过或吐出停止。
这不是由单一的原因而造成的，虽然机理不一定很明确，但本发明者们发现，通过用致密性耐火物来构成压力控制零件，并在该压力控制零件内或在该压力控制零件的外周和塞棒本体之间设置气体可通过的通孔，可消除多孔质耐火物中的气体的通过或吐出停止的现象。
然而，为了准确且高精度地控制气压或流量，优选调整气压的区域中的气压较高。
另一方面，塞棒本体通常使用有将氧化铝类无机质原材料-石墨质等耐火物一体成形的所谓的整体塞棒(以下称为“MBS”)。本发明者们发现，在这样的MBS上，当使空洞的气压提高到大致1×10-1(MPa)以上时，则气体会在MBS本体的侧壁部分上透过或散失。
并且，本发明者们也考虑到使用这样的MBS的情况，并发现应优选使比压力控制零件更靠上游侧的空洞的气压为2×10-2(MPa)以上8×10-2(MPa)以下，并将气体从所述塞棒的气体吐出孔吐出到钢液内。
作为前述优选范围的上限的8×10-2(MPa)为，在用于防止从前述的MBS本体的侧壁部分的气体的透过或散失的大致小于1×10-1(MPa)的压力下，考虑了MBS的个别的形状、材质的不均等所谓的安全率之后的值。
在所述的气压小于2×10-2(MPa)时，可能会降低压力控制的准确性、精度。
本发明中的致密性耐火物是指，在实验室中的耐火物试样的测定方法中，在长度为20mm(不论宽度、面积)的试样上进行8×10-2MPa的加压时，具有不透气性质的耐火物。
由于前述的使用MBS的作业时的气压的上限值为8×10-2MPa，因此该试验中的8×10-2MPa的加压是选择了与该上限值相同的加压力，长度即为压力控制零件的实际的轴向长度，是考虑到其强度、设置的稳定性等时的作为最短(薄)长度而选择的长度。由于如果长度比该20mm更长，则透气性变小，因此如果在该条件下没有气体透过，则意味着即使使用比其更长的压力控制零件，在使用MBS的作业中，也不会有气体透过。
本发明者们进行了模拟并发现，应优选如前述3所示来特定这种压力管理所需的压力控制零件的相关的通孔的直径和数量。另外，是使用了通常的流体分析软件等而进行了该模拟。
综上所述，对于φ0.2mm以上φ2.0mm的范围内的任意、特定的通孔，为了使比压力控制零件更靠上游侧的空洞的气压处于8×10-2(MPa)以下2×10-2(MPa)以上的范围内，用于确定所需的通孔的数量的具体条件为，所需的通孔的数量为，由式1求出的通孔的总截面积除以通孔的截面积的值。
虽然优选所述的通孔为圆形，但不一定局限于圆形，也可以为，由椭圆或其他曲面构成的形状(非正圆)、多边形等的整个直径方向的长度比较接近的所谓的单孔状、或切口状(狭缝)。
在应用本发明时，在为圆以外的单孔状时，可基于该孔的截面积而换算成圆来确定其尺寸(直径)。
在为狭缝的情况下，可通过前述4所示的换算方法来确定其厚度和长度。
在无压力控制零件的现有技术上，存在有以下的问题。
(a)由于铸造中的背压低，趋势与产生有气体泄漏的状况相同，因此难以判断气体是否被稳定地吐出到钢液中(喷嘴内)。
(b)由于气体的背压的绝对值也低，因此极难进行气体的背压管理。
(c)容易产生气体吐出时的背压变化及流量变化，因而难以实现稳定的气体吐出。
(d)由于无法实现稳定的气体吐出，因此容易产生喷嘴堵塞或铸型内流动的恶化、铸型内的夹杂物浮起性恶化等，这些会最终导致起因于夹杂物的钢的质量恶化。
由于本发明的塞棒具备压力控制零件，因此能够消除这些问题。
即，通过本发明，可掌握塞棒顶端附近的靠近气体吐出孔的部分上的气体的背压，从而可以以更高的精度来掌握及管理、控制吐出到钢液内的气体的状态。由此，能够以更高精度来控制钢液内的气体的分布等，从而能够使钢的质量稳定化或提高。
在将压力控制零件设置在非缩径区域的上方的区域中的情况下，尤其是在从设置在塞棒顶端附近的气体吐出孔的气体吐出量较小时，钢液可能会侵入到气体吐出孔内而堵塞该气体吐出孔。
与此相反，由于在本发明中，在从塞棒外周至内侧的空洞的耐火物厚度较小的缩径区域的位置的一部分上具备压力控制零件，因此可在提高压力控制零件自身的温度的同时，可迅速提高通过压力控制零件的气体的温度，并且也可提高气体吐出孔附近的气压。由此，即使钢液侵入到气体吐出孔内，也可抑制侵入的钢液容易发生凝固，因而可减小堵塞该气体吐出孔的可能性。
并且，对于前述的用大致整体上具有透气性的多孔质耐火物来构成压力控制零件的情况下的因该多孔质耐火物内的透气性降低而造成的气体的通过或吐出的停止现象，也可防止通过压力控制零件的气体量及从塞棒顶端的气体吐出量的降低或停止。
附图说明
图1是本发明的具备压力控制零件和气体吐出孔的塞棒的例子，是在缩径区域的顶端中央部上存在有气体吐出孔的例子。
图2是本发明的具备压力控制零件和气体吐出孔的塞棒的例子，是在缩径区域的侧面部上存在有气体吐出孔的例子。
图3是从上方对本发明的压力控制零件的上端面进行观察的示意图。
图4是通过模拟而得到的2×10-2(MPa)、8×10-2(MPa)的压力下的通孔的直径与总截面积的关系的曲线图。
图5是表示通过模拟而得到的，通孔为圆、椭圆2种的各形状时的，通孔总断面积相同时(以通孔的数量进行调整)的气压的差异的例子的曲线图。
图6是表示具备本发明的压力控制零件的情况下的和不具备压力控制零件的现有技术的情况下的铸造中的气体背压的例子的曲线图。
图7是表示具备本发明的压力控制零件的情况下和不具备压力控制零件的现有技术的情况下的铸造中的气体背压及流量的变化的例子的曲线图。
图8是表示具备本发明的压力控制零件的情况下的和不具备压力控制零件的现有技术的情况下的氧化铝类夹杂物的向喷嘴内壁的附着物厚度(以现有技术的情况为1的指数)的例子的曲线图。
图9是表示具备本发明的压力控制零件的情况下的和不具备压力控制零件的现有技术的情况下的铸型内的10mm以上的突发性液面变化的平均产生次数(次/ch)的例子的曲线图。
图10是水模型中的实验例，表示不同的气体吐出孔的形态、直径下的气体的流量、背压特性。
图11是水模型中的实验例，表示不同的气体吐出孔的形态、直径下的在铸型内假想的气泡直径和存在比例。
符号说明
10-塞棒；1-塞棒本体；2-空洞；3-嵌合部；4-气体吐出孔；5-压力控制零件；6-通孔；7-接缝材料；20-下方的喷嘴。
具体实施方式
与实施例(水模型实验例)一起对用于实施本发明的方式进行叙述。
在图1中，与下方的喷嘴一起，以纵截面表示有本发明的一个例子即塞棒的主要部分。同图所示的塞棒10在其上下方向中心部上具备用于气体流通的空洞2。即，空洞2被设置为在塞棒本体1的中心部上在上下方向上延伸，并且在空洞2的上端部上连接有未图示供气源。该塞棒10被典型配置在浇口盘内，并通过从上方嵌合到设置在该浇口盘底部上的喷嘴(下方的喷嘴)20来进行钢液的流量控制。
而且，该塞棒10在包含与下方的喷嘴20的嵌合部3的缩径区域的顶端中央部上具备一个从空洞2贯穿到外部的气体吐出孔4，并且，在空洞2的比气体吐出孔4更靠上方且缩径区域的位置的一部分上具备压力控制零件5。
另外，如图2所示，气体吐出孔4也可以设置在缩径区域的侧面部上，其数量也可以为多个。此外，气体吐出孔4也可以形成为狭缝状。
如此，本发明的塞棒优选，在比气体吐出孔更靠上方的位置的一部分上，在气体吐出孔的正上附近具备压力控制零件。其原因为，为了更加准确、高精度地掌握并控制从塞棒顶端附近吐出的气体的状态，优选在尽可能靠近该吐出孔的部位上以对压力进行掌握并控制。尽可能靠近该吐出孔的部位为，从大致塞棒的顶端部的缩径开始位置起下方的区域。具体而言，为距塞棒本体的顶端大致150mm以内。
在本发明的塞棒上，气体吐出孔是用于气体流通的空洞的顶端开口，该吐出孔的配置既可以为缩径区域的顶端中央部的1处，也可以为嵌合部附近(侧面部)的多处。但是，优选气体吐出孔的总开口面积为约3.1mm2(相当于2mm直径的开口面积)以下。
虽然压力控制零件可为多孔体(多孔质耐火物)的形态或通孔的形态的任一，但优选可在更高的压力下对气体流量进行控制。另外，所述的式1中规定的压力控制零件的气体通气特性、气体吐出孔的气体通气特性可分别在实验室中单独测定。
并且，在压力控制零件为多孔体(多孔质耐火物)的情况下，在产生有气体量的降低、堵塞等时，为了符合所述3中记述的式等的条件，优选将压力控制零件形成为前述的致密性耐火物，并形成将通孔设置在该压力控制零件内或该压力控制零件的外周和塞棒本体之间的结构。
图3(A)～(J)示出有该通孔的设置例及形状例。
图3(A)为，将具有1个通孔6的压力控制零件5介由接缝材料7而设置在塞棒本体1上的例子。
图3(B)为，将具有多个通孔6的压力控制零件5介由接缝材料7而设置在塞棒本体1上的例子。
图3(C)为，在压力控制零件5的外周缘部上作为槽而形成有多个通孔6，并将该压力控制零件5不介由接缝材料而设置在塞棒本体1上的例子。
图3(D)为，在压力控制零件5的外周和塞棒本体1的之间的接缝材料7中设置有多个通孔6的例子。
图3(E)为，在压力控制零件5的外周和塞棒本体1之间且塞棒本体1的空洞2侧，多个通孔6被设置成槽状，且不介由接缝材料而设置压力控制零件5的例子。
图3(F)为，将具有多个狭缝状的通孔6(狭缝)的压力控制零件5介由接缝材料7而设置在塞棒本体1上的例子。
图3(G)为，在压力控制零件5的外周和塞棒本体1之间设置有多个狭缝状的通孔6(狭缝)的例子。
图3(H)为，在塞棒本体1上设置有由多孔质耐火物构成的压力控制零件5的例子。另外，虽然在图3(H)中表示有无接缝材料的情况，但也有具有接缝材料的情况。
图3(I)是表示通孔6为狭缝状的一个例子的其厚度t与长度L的图。
图3(J)是表示通孔6为狭缝状的其他例子的其厚度t和长度L的图。
在本发明中，像图3(A)～(G)、(I)、(J)、图5所示的通孔的例子那样，通孔可为各种各样的形状。另外，虽然图3(H)是压力控制零件5为多孔体(多孔质耐火物)的例子，但可为下述等各种各样的形态，即，整体上为多孔体、或使一部分为多孔体、或介由接缝材料等形态。
如图4所示，通孔只需配置成处于下述范围内即可，即，2×10-2(MPa)、8×10-2(MPa)的压力(比压力控制零件更靠上游侧的空洞的压力)下的表示圆形的通孔的直径与总截面积的关系的近似曲线的范围内。换言之，只需将下述值作为通孔的数量，并配置在压力控制零件上即可，即，图4的曲线图的纵轴所示的通孔的总截面积的值(Ha)除以同一横轴上的具有通孔的直径值(Hd)的通孔的截面积(Hd2×π÷4)的值。
如前所述，通孔的形状也可以为由圆形、椭圆、其他曲面构成的形状(非正圆)、多边形等的单孔状、或狭缝状。
图5中示出有通过圆形和狭缝状对通孔的形状进行比较的例子。该例子中的狭缝的形状为，使两端部为圆的一部分，并使两端的圆向两端外方向延伸而形成狭缝状。在该例子中，可观察到总截面积相同时的压力值(比压力控制零件更靠上游侧的空洞的压力值)。另外，在此，是通过改变这些各个通孔的数量，来使总截面积成为相同的总截面积。
其结果可知，在圆形和狭缝状的情况下，在压力上几乎没有差异。即，可知，在狭缝状的通孔的情况下，可由前述4所示的换算方法来确定通孔的形状和数量。
图6示出具备本发明的压力控制零件的情况下的(图1及图3(A)的情况，以下相同)和不具备压力控制零件的现有技术的情况下的铸造中的气体(Ar)的背压的例子。可知，在不具备压力控制零件的现有技术的情况下，背压极低，与此相反，在具备本发明的压力控制零件的情况下，可较高地管理背压。
图7示出具备本发明的压力控制零件的情况下和不具备压力控制零件的现有技术的情况下的铸造中的气体(Ar)的背压及流量的变化的例子。可知，在具备本发明的压力控制零件时，不仅是背压，气体流量(吐出量)也比不具备压力控制零件的现有技术的情况更稳定。
图8示出具备本发明的压力控制零件的情况下的和不具备压力控制零件的现有技术的情况下的氧化铝类夹杂物的向喷嘴内壁的附着物厚度(以现有技术的情况为1的指数)的例子。可知，在具备本发明的压力控制零件的情况下，氧化铝类夹杂物的向喷嘴内壁的附着物厚度比不具备压力控制零件的现有技术的情况更小。
图9示出具备本发明的压力控制零件的情况下的和不具备压力控制零件的现有技术的情况下的铸型内的10mm以上的突发性液面变化的平均产生次数(次/ch)的例子。可知，在具备本发明的压力控制零件时，铸型内的10mm以上的突发性液面变化的平均产生次数也比不具备压力控制零件的现有技术的情况更少。
在此，在塞棒的缩径区域的顶端中央部的1处上配置有气体吐出孔的情况下，优选以塞棒的上下方向中心轴为基准，在塞棒的半径方向上，设置在±10mm以内的位置上。其原因为，如果配置在所述的位置上，则吐出的气流不容易受到沿着塞棒顶端外周(所谓的头部)流动的钢液流的影响，气泡不容易聚合，可防止粗大气泡的生成，其结果，可有效地抑制喷嘴堵塞、促进铸型内的夹杂物浮起。
在此，在塞棒的缩径区域的顶端附近的多处上配置有气体吐出孔的情况下，优选以塞棒的上下方向中心轴为基准，在塞棒的半径方向上，设置在10mm以上且嵌合部(与下方的喷嘴的接触点)以内的位置上。其原因为，如果配置在所述的位置上，则吐出的气流分散且气泡不容易聚合，可防止粗大气泡的生成，其结果，可有效地喷抑制嘴堵塞、促进铸型内的夹杂物浮起，且通过将气体吐出到比嵌合部(与下方的喷嘴的接触点)更靠下方，可将气体切实地吹入到下方的喷嘴内孔。
在塞棒的缩径区域的顶端中央部的1处或侧面部的多处上配置有气体吐出孔的情况下，根据实验的结果，优选该气体吐出孔的顶端开口(吐出口)的直径为2mm以下。其原因为，可以以更高精度来进行流量控制，以及小直径的气泡(大致小于3mm)的比例较多等，所述小直径的气泡容易使钢液内夹杂物浮起而不容易产生钢的缺陷。图10及图11示出它们的水模型实验结果。
Claims (4)
1.一种连续铸造用的塞棒，在上下方向中心部上具备用于气体流通的空洞，其特征在于，
在包含与下方的喷嘴的嵌合部的缩径区域的顶端中央部或侧面部上，具备从所述空洞贯穿到外部的一个或多个气体吐出孔，
并且，在所述空洞的比所述气体吐出孔更靠上方的位置且所述缩径区域的一部分上，具备压力控制零件，
所述压力控制零件由在长度为20mm的试样上进行8×10-2MPa的加压的条件下不具有透气性的致密性耐火物构成，
且具备，被设置在该压力控制零件内或该压力控制零件的外周和塞棒本体之间，且从该压力控制零件或该压力控制零件的外周和塞棒本体之间的上端贯穿至下端的一个或多个通孔，
所述通孔的直径为，以将孔的截面视为圆形并将其截面换算成圆的尺寸计，为φ0.2mm以上φ2mm以下，
所述通孔的数量满足下述的式1、式2，
(-0.44×Hd2+1.88Hd-0.08)≦Ha≦{1.67×ln(Hd)+3.66}式1
Hn＝Ha÷(Hd2×π÷4) 式2
在此，
Ha：所述通孔的总截面积(mm2)
Hn：所述通孔的数量(个)
Hd：所述通孔的直径(mm)
π：圆周率。
2.根据权利要求1所述的连续铸造用的塞棒，其特征在于，所述压力控制零件被设置在所述气体吐出孔的正上附近。
3.根据权利要求1所述的连续铸造用的塞棒，其特征在于，所述通孔为狭缝状，以下称为狭缝，将该狭缝的总截面积视为所述的Ha(mm2)，将该狭缝的厚度视为所述的Hd(mm)，将该狭缝的总截面积除以该狭缝的厚度的值作为该狭缝的总长度。
4.一种连续铸造方法，其特征在于，使用有权利要求1至权利要求3中任意一项所述的连续铸造用的塞棒，使比所述压力控制零件更靠上游侧的空洞的气压为2×10-2(MPa)以上8×10-2(MPa)以下，并将气体从所述塞棒的气体吐出孔吐出到钢液内。
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