JP2004283857A - 鋼の連続鋳造用ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】流量制御により発生する“ノズル内から吐出孔部までの溶鋼の偏流”を防止し、さらに、ノズル内孔部の特に突起間にアルミナが付着することを抑制することができる、鋳造用ノズルを提供する。
【解決手段】鋼の鋳造用ノズルの溶鋼流通孔部に、高さＨが３〜２０ｍｍの突起部（１１ａ）を配設した鋳造用ノズルであって、該突起部（１１ａ）を、溶鋼流通方向に対して平行な方向における“ノズル内管と突起部の下端部の成す角度θ”が６０°以下に配設した、鋼の連続鋳造用ノズル。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼の連続鋳造用ノズルに関し、特に、溶鋼の偏流を防止し、ノズル内管へのアルミナ付着を防止することを特徴とする鋼の連続鋳造用ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼の連続鋳造用ノズルとしては、浸漬ノズル，ロングノズル，タンディッシュノズル，セミイマージョンノズルなどが知られている。
鋼の連続鋳造用ノズルとして、“浸漬ノズル”を例に挙げて説明すると、この浸漬ノズルの使用目的は、タンディッシュ・モールド間をシールし、溶鋼の再酸化を防止すると共に、浸漬ノズルの吐出孔からの溶鋼流を制御し、かつモールド内に均一に溶鋼を供給し、操業の安定化，鋳片品質の向上を図ることにある。
【０００３】
浸漬ノズルを介して溶鋼をモールド内に供給する際、その流量制御方法としては、ストッパー方式とスライドプレート方式がある。特に、スライドプレート方式では、２枚組あるいは３枚組の孔の開いたプレートの内の一枚を摺動させ、その孔の開度により流量を調節するものであるから、開度が小さいときには、浸漬ノズル内に偏流が発生しやすい。浸漬ノズル内に偏流が発生すると、各吐出孔からの吐出流量が不均一となり、モールド内に偏流が発生し、鋳片品質が低下する。そのため、鋳片品質の向上のためには、浸漬ノズル内の偏流を防止することが重要である。
【０００４】
この浸漬ノズル内の偏流を防止する技術としては、内孔部の形状を改善する方法がある。例えば、「溶融金属の流通路表面に半球状の凹凸部を形成したノズル（特許文献１：特開昭６２−８９５６６号公報）」、「ノズル孔の内面に、断面円弧状をなす波形の襞が溶湯の流れる方向へ４山以上連ねて設けられ、該襞は山から山までの間隔が４〜２５ｃｍで、山から谷までの深さが０．３〜２ｃｍである連続鋳造用浸漬ノズル（特許文献２：特開平６−２６９９１３号公報）」といった“凹凸部を配設すること”が提案されている。
また、「溶鋼流通孔に複数の段差部を設けた浸漬ノズル（特許文献３：実公平７−２３０９１号公報）」、「溶融金属導入部分に絞り部を設け、該絞り部より吐出孔までの間を流速緩和部とした浸漬ノズル（特許文献４：特許第３０５０１０１号公報）」といった“環状突起を配設すること”も提案されている。
【０００５】
さらに、「浸漬管の自由横断面に絞り環が配置され、この絞り環が浸漬管の自由横断面を狭くし、絞り環の縦断面が流出口に溶湯の層流が生ずるように形成され、かつ絞り環が浸漬管内に配置されていることを特徴とする浸漬管（特許文献５：特開昭６２−２０７５６８号公報）」も提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６２−８９５６６号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平６−２６９９１３号公報（請求項１）
【特許文献３】
実公平７−２３０９１号公報（請求項１〜４）
【特許文献４】
特許第３０５０１０１号公報（請求項１〜１０）
【特許文献５】
特開昭６２−２０７５６８号公報（特許請求の範囲）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ノズル内孔部の形状に着目した前記従来技術では、部分的に乱流を生じさせ、溶鋼流の偏流を防止する効果がある程度は期待できる。
しかし、Ａｌキルド鋼などを鋳造する際、突起部の配設方法によっては、浸漬ノズルの溶鋼流通孔部に配設した突起部と突起部との間隙に、アルミナを主体とした非金属介在物（以下、本明細書において、単に“アルミナ”という）が付着堆積するという問題があった。
【０００８】
アルミナが付着し、突起間を埋めてしまうと、突起部を配設した効果が消滅し、偏流防止効果がなくなってしまうと同時に、内孔部の有効断面積を縮小してしまうため、所定のスループット（単位時間当りに通過する溶鋼量）を確保できなくなり、操業不能に陥るといった欠点があった。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の欠点、問題点に鑑み成されたものであって、その目的とするところは、流量制御により発生する“ノズル内から吐出孔部までの溶鋼の偏流”を防止し、さらに、ノズル内孔部の特に突起間にアルミナが付着する事を抑制することが出来る、鋳造用ノズルを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、すなわち、ノズル内孔部の偏流の抑制し、かつアルミナの付着を防止するため、本発明に係る鋳造用ノズルは、
「鋼の鋳造用ノズルの溶鋼流通孔部に、高さが３〜２０ｍｍの突起部を配設した鋳造用ノズルであって、該突起部を、溶鋼流通方向に対して平行な方向における“ノズル内管と突起部の下端部の成す角度”が６０°以下に配設してなることを特徴とする鋼の連続鋳造用ノズル。」を要旨とする。なお、上記「ノズル内管」とは、突起部を配設する前の元々の“ノズル内管の壁面”を指す。この内管壁面と突起部の下端部の成す角度を、本明細書中で、以下「突起部下端の角度」と呼称する。
【００１１】
上記「突起部下端の角度」を図示すると、例えば図１（Ｄ）中の“θ”に相当する。そして、本発明において、「突起部下端の角度」を６０°以下とすることにより、突起部直下の淀み部を解消し、突起間へのアルミナの付着を防止することが出来るものである。その結果、実機操業中に、ノズル内孔部の偏流及びアルミナ閉塞を抑制するため、安定操業や鋳片品質の向上に寄与することが出来る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鋳造用ノズルの実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係る鋳造用ノズルは、前記したとおり、鋳造用ノズルの溶鋼流通孔部に、高さが３〜２０ｍｍの突起部を配設する場合において、溶鋼流通方向に対して平行な方向（即ち縦断面）における“ノズル内管と突起の下端部の成す角度”、すなわち、「突起部下端の角度」が６０°以下であることを特徴とする。
【００１３】
ノズルの内孔部に配設する突起部の高さは、３ｍｍ未満では、整流効果が乏しく、また、スループットを確保するためには、突起の高さは２０ｍｍ以下であることが好ましい。
また、「突起部下端の角度」が６０°以下までの範囲では、突起間に淀み部が発生することもなく、従って、この突起部間にアルミナが付着することもない。なお、溶鋼流通方向に対して平行な方向（即ち縦断面）における突起の下部の形状が円弧の場合においては、「突起部下端の角度」は、円弧下端部における接線の角度とする（図３の実施例７の“θ”参照）。
【００１４】
図１の（Ｄ），（Ｅ）に流体計算結果例を示すが、「突起部下端の角度θ」が６０°を超えると、図１（Ｅ）に示すように、突起部直下に淀み部（１３）が発生する。
本発明において、「突起部下端の角度」を６０°以下と規定したが、図３の実施例５，６に示すように、下端部は２ｍｍ未満の高さ（ノズル内管中心方向への高さｈ）であれば、この範囲を外れていても良く、その際には、その部位の直上の角度が６０°以下であれば良い。なお、「突起部下端の角度」は、５０°以下が好ましく、より好ましくは、４０°以下、更に好ましくは３０°以下の範囲である。
【００１５】
また、本発明での突起部は、溶鋼流通方向に対する垂直な方向において、環状に連続していないことを特徴とする。
ノズル内を流下する溶鋼は、突起部に衝突し乱流を発生するが、環状の突起では、ノズル中心方向へ流れの向きを変えるだけで、完全に偏流は解消せず整流効果までは到達しがたい。溶鋼流通方向に対して垂直な方向において、環状に連続していない独立突起では、ノズル中心方向へ流れの向きを変えるだけでなく、突起部の左右方向へも流れの向きを変えることができる。その結果、複雑な乱流を発生させることができ、局部的には乱流状態であるが、全体としてみれば整流化される。
【００１６】
なお、溶鋼流通方向に対して垂直な方向における突起部と突起部の間隙は、溶鋼流通方向に対して垂直な一面上において、２ヶ所以上あることが好ましく、更に好ましくは３ヶ所以上あることが好ましい。また、この溶鋼流通方向に対して垂直な方向における突起部と突起部の間隙は、５ｍｍ以上が好ましく、更に好ましくは１０ｍｍ以上である。
【００１７】
本発明において、突起部は、溶鋼流通孔部に４ヶ以上配設されていることが好ましい。３ヶ所以下では、溶鋼が突起に衝突して“局所的には乱流，全体的には整流化”とする効果に乏しい。より好ましくは６ヶ所以上であり、更に好ましくは８ヶ所以上である。
【００１８】
本発明における突起部は、鋳造用ノズルの本体と一体成形されていることを特徴とする。一体成形でない嵌め込み式等の場合は、突起部と本体の隙間に溶鋼や鋼中介在物が入り込み、突起部の脱落につながることが懸念されるため、好ましくない。
また、本発明における突起部は、鋳造用ノズルの溶鋼流通孔部の全面に配設しても良いし、一部に配設しても良く、特に配設部位は限定しないが、少なくとも浸漬部には配設していたほうが好ましい。
【００１９】
ここで、前記“従来の技術”の項で挙げた先行技術と本発明とを対比することで、本発明を更に詳細に説明する。
【００２０】
本発明に関連する、流量制御により発生するノズル内から吐出孔部までの溶鋼の偏流を防止する技術としては、前掲の特許文献１（特開昭６２−８９５６６号公報）には、「溶融金属の流通路表面に半球状の凹凸部を形成したノズル」が開示されている。これは、凹凸半径がＲ＝２〜９ｍｍで、凹凸部の耐火物内全流路面積に対する比率は７〜４０％程度が好ましいとあり、また、浸漬ノズルの実施例においては、半球状の凹部と凸部を交互に多数形成したものが開示されている。
また、前掲の特許文献２（特開平６−２６９９１３号公報）には、「ノズル孔の内面に、断面円弧状をなす波形の襞が溶湯の流れる方向へ４山以上連ねて設けられ、該襞は山から山までの間隔が４〜２５ｃｍで、山から谷までの深さが０．３〜２ｃｍである連続鋳造用浸漬ノズル」が開示されている。
更に、前掲の特許文献３（実公平７−２３０９１号公報）には、「溶鋼流通孔に複数の段差部を設けた浸漬ノズル」が開示されている。
【００２１】
しかしながら、上記特許文献１〜３には、いずれも「突起部下端の角度」についての記載がなく、この角度についての重要性については考慮されていない。
「突起部下端の角度」が６０°を超えると、突起部直下に淀み部が生じ、ここにアルミナが付着し、突起部を配設した効果が消滅するものと考えられる。この点で、本発明とは異なるものである。
【００２２】
また、前掲の特許文献５（特開昭６２−２０７５６８号公報）には、「浸漬管の自由横断面に絞り環が配置され、この絞り環が浸漬管の自由横断面を狭くし、絞り環の縦断面が流出口に溶湯の層流が生ずるように形成されかつ絞り環が浸漬管内に配置されていることを特徴とする浸漬管」が開示されている。この絞り環の縦断面形状は、上部の半径より下部の半径のほうが大きいことを特徴とし、絞り環の配設方法は内管のテーパによる嵌めこみ方式を想定している。また、絞り環の個数は１ヶの場合が記載されている。
この特許文献５には、突起部縦断面において、突起部下部の半径が上部より大きいことについては言及しているものの、具体的な角度についての記載はなく、この点が本発明と異なるものである。また、この絞り環は一種の環状突起の部類に相当し、環状突起では効果が少ないとする本発明と異なる。更に、絞り環の配設方法が、内管および絞り環のテーパを利用した方法を採用しているのに対し、本発明では一体成形であることも異なるものである。
【００２３】
つまり、従来の技術では、鋼の鋳造用ノズルの溶鋼流通孔部に、高さが３〜２０ｍｍの突起部を配設し、ノズル溶鋼流通孔部を流下する溶鋼を整流化させる場合において、「突起部下端の角度」を６０°以下とすることで、突起部直下にアルミナが付着し、突起部間をアルミナが埋めてしまうことを防止できるという知見は得られておらず、ここに本発明の新規性がある。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明の実施例を比較例と共に挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例１〜７によって限定されるものではない。
【００２５】
（実施例１、比較例１，２：図１参照）
実施例１及び比較例１，２について、図１の（Ａ）〜（Ｅ）を参照して説明する。なお、図１の（Ａ）は、実施例１の浸漬ノズルを、図１の（Ｂ）および（Ｃ）は、比較例１および２の浸漬ノズルを、それぞれ示した図であって、それらは、いずれも溶鋼流通方向に平行な方向に縦割りにした図である。また、図１の（Ｄ）は、同（Ａ）の浸漬ノズル（実施例１）の、図１の（Ｅ）は、同（Ｃ）の浸漬ノズル（比較例２）の、溶鋼流通方向に対して平行な方向の突起部の断面を、それぞれ示した図であって、実施例１，比較例２の浸漬ノズルの「水モデル実験」の結果を説明するための図である。
【００２６】
実施例１について図１の（Ａ），（Ｄ）を参照して説明すると、本実施例１は、内径φ８０ｍｍの透明なアクリル製浸漬ノズル（１０ａ）に、高さＨ＝１０ｍｍ，突起部下端の角度θ＝４５°の突起部（１１ａ）を配設した例である。また、比較例１は、図１の（Ｂ）に示すように、突起部を配設しない浸漬ノズル（ストレートノズル）（１０ｂ）であり、比較例２は、図１の（Ｃ）に示すように、高さＨ＝１０ｍｍ，突起部下端の角度θ＝７０°の突起部（１１ｃ）を配設した浸漬ノズル（１０ｃ）である。
なお、実施例１の突起部（１１ａ）および比較例２の突起部（１１ｃ）は、いずれも環状に連続しておらず、溶鋼流通方向に対して垂直な一面上に４ヶ、溶鋼流通方向に対して平行な方向に３段の合計１２ヶ配設した。
【００２７】
実施例１及び比較例１，２の各浸漬ノズルに対して「水モデル実験」を行った。まず、スループット：５ｓｔｅｅｌ Ｔ／ｍｉｎ相当で内孔部の水の流れを目視で確認した結果、実施例１の浸漬ノズル（１０ａ）は、突起部（１１ａ）の直下にも水が流れ、淀み部がないことが確認された［図１（Ｄ）の“水の流れ（１２ａ）”参照］。
これに対して、比較例２の浸漬ノズル（１０ｃ）は、突起部（１１ｃ）の直下には、水がスムーズに流れておらず、淀み部（１３）が存在していた［図１（Ｅ）の“水の流れ（１２ｂ）”参照］。
【００２８】
続いて、実施例１及び比較例１，２の各浸漬ノズルにおける最大スループットを測定した。これは、浸漬ノズルの上部に取付けているスライドバルブを全開にし、水を循環させるポンプ近傍にある流量調整バルブを調整することで、モールド内の水面を所定の高さ（吐出孔上端から上に２５０ｍｍの位置）に安定させ、この時の流量をフロート式流量計にて測定したものである。
【００２９】
測定結果は、比較例１の浸漬ノズル（ストレートノズル）（１０ｂ）では、最大スループット：１２００Ｌ／ｍｉｎまで流れたのに対し、比較例２の浸漬ノズル（１０ｃ）では、１０８０Ｌ／ｍｉｎしか流れなかった。
一方、実施例１の浸漬ノズル（１０ａ）では、１１７０Ｌ／ｍｉｎと、突起部（１１ａ）を配設した影響が僅かに認められるが、実機操業上、影響が無い程度にとどまる事ができた。これは、実施例１では、突起部下端の角度が４５°であって、必要な角度を確保していたため、突起部（１１ａ）の直下にも水が流れ、スループットを確保することが出来たのに対し、比較例２では、突起部下端の角度θが７０°と大きいため、突起部（１１ｃ）の直下には、水がスムーズに流れず、つまり内孔そのものを全体的に縮径してしまったのと同じような状態になってしまったためと考えられる。この比較例２のように、突起部直下へ流体がスムーズに流れないと、ここは淀み部（１３）となり、実機ではアルミナが付着することが経験的に判明している。
【００３０】
（実施例２，比較例３：図２参照）
実施例２および比較例３を、図２の（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明する。なお、図２の（Ａ）は、実施例２の浸漬ノズルを、図２の（Ｂ）は、比較例３の浸漬ノズルを、それぞれ示した図であって、それらは、いずれも溶鋼流通方向に平行な方向に縦割りにした図である。また、図２の（Ｃ）は、同（Ａ）の浸漬ノズル（実施例２）の、図２の（Ｄ）は、同（Ｂ）の浸漬ノズル（比較例３）の、吐出流を説明するための概略図である。
【００３１】
実施例２は、図２の（Ａ）に示すように、内径φ７０ｍｍの透明なアクリル製浸漬ノズル（２０ａ）に、高さ：１３ｍｍ，突起部下端の角度：３５°の突起部（２１ａ）を、溶鋼流通方向に対して垂直な一面上に４ヶずつ４段、合計１６ヶ配設した例である。一方、比較例３は、図２の（Ｂ）に示すように、実施例２と同じ縦断面形状を有する突起部ではあるが、溶鋼流通方向に対して垂直な一面上では連続した環状の突起部（２１ｂ）であり、これを４段配設した浸漬ノズル（２０ｂ）である。
【００３２】
実施例２および比較例３の各浸漬ノズルに対して「水モデル実験」を行った。水モデル実験の条件としては、図２の（Ｃ），（Ｄ）に示すように、スライドプレート（２３）は３枚式で、中プレートをモールド（２４）の長辺と平行に摺動させて流量を制御し、スループット４ｓｔｅｅｌ Ｔ／ｍｉｎ相当で行った。また、モールド（２４）内の水（２６）の流れが観察しやすいように、スライドプレート（２３）の直上に設置した上ノズル（２２）から、空気を５Ｌ／ｍｉｎで吹き込んだ。
【００３３】
実施例２の結果を図２の（Ｃ）に、比較例３の結果を図２の（Ｄ）に示す。これは吐出孔から吐出されたモールド（２４）内での水の流れ、すなわち、吐出流（２５ａ），（２５ｂ）を簡易的に図示したものである。
突起部が独立突起である実施例２の浸漬ノズル（２０ａ）では、モールド（２４）内の水の流れ［吐出流（２５ａ）］がほぼ左右均等で安定していたのに対し、突起部が環状突起である比較例３の浸漬ノズル（２０ｂ）では、右側の吐出流（２６ｂ）が左側より深く潜りこんでおり、偏流を解決できていないことが判ることから、溶鋼流通方向に対して垂直な一面上において連続した環状突起より、独立した突起の方が好ましいことが判る。
【００３４】
（実施例３〜７，比較例４〜８：図３参照）
図３に、実施例３〜７，比較例４〜８の浸漬ノズルに配設した「突起部の断面形状（溶鋼流通方向に対して平行に切断した断面形状）」を示した。このうち、実施例５，６の突起部は、その下端部高さ（ノズル内管中心方向への高さｈ）を１ｍｍとした例である。
なお、実施例３〜７，比較例４〜８の浸漬ノズルは、いずれも内径φ８０ｍｍの透明なアクリル製浸漬ノズルであり、また、最大高さ８ｍｍの突起部を配設した例である。
【００３５】
実施例３〜７，比較例４〜８の浸漬ノズルに対して、「水モデル実験」を行った。その結果を図３に表示した。図３から明らかなように、本発明で特定する「突起部下端の角度θ＝６０°以下」の範囲内の実施例３，４，７の浸漬ノズルでは、いずれも、突起部の直下に淀みが認められず、かつ良好な整流効果が得られた。また、実施例５，６のように、突起部の下端部高さ（ノズル内管中心方向への高さｈ）を“１ｍｍ”としても、この高さが２ｍｍ未満であって、かつ「突起部下端の角度θ」が本発明で特定する範囲内とすることで、突起部の直下に淀みが認められず、かつ良好な整流効果が得られることが判った。
これに対して、本発明で特定する「突起部下端の角度θ」の範囲外の比較例４〜８の浸漬ノズルでは、いずれも、突起部の直下に淀みが認められ、良好な整流効果が得られなかった。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳記したとおり、本発明に係る鋳造用ノズルは、鋳造用ノズルの溶鋼流通孔部に突起部を配設する場合、該突起部間にアルミナが付着・堆積して突起部の整流効果を減ずることを防止するため、高さ：３〜２０ｍｍの突起部を配設する浸漬ノズルにおいて、溶鋼流通方向に対して平行な方向、すなわち、縦断面における“ノズル内管と突起の下端部の成す角度”が６０°以下であることを特徴とする。これにより、突起部の配設による整流効果を鋳造終了まで確実に維持することができ、操業の安定化や鋼の鋳片品質の向上に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１及び比較例１，２の浸漬ノズルを説明する図である。そのうち、（Ａ）は実施例１の浸漬ノズルを、（Ｂ）及び（Ｃ）は比較例１及び２の浸漬ノズルを示す図であって、溶鋼流通方向に平行な方向に縦割りにした断面図である。また、（Ｄ）は（Ａ）の浸漬ノズル（実施例１）の、（Ｅ）は（Ｃ）の浸漬ノズル（比較例２）の、溶鋼流通方向に対して平行な方向の突起部の断面を示す図であって、実施例１，比較例２の浸漬ノズルの「水モデル実験」の結果を説明する図である。
【図２】実施例２及び比較例３の浸漬ノズルを説明する図である。そのうち、（Ａ）は実施例２の浸漬ノズルを、（Ｂ）は比較例３の浸漬ノズルを示す図であって、溶鋼流通方向に平行な方向に縦割りにした図である。また、（Ｃ）は同（Ａ）の浸漬ノズルの、（Ｄ）は（Ｂ）の浸漬ノズルの、吐出流を説明するための概略図である。
【図３】実施例３〜７及び比較例４〜８の浸漬ノズルに配設した「突起部の断面形状（溶鋼流通方向に対して平行に切断した断面形状）」を示し、さらに、「突起直下の淀みの有無」および「整流効果」を表示す図である。
【符号の説明】
（１０ａ），（１０ｂ），（１０ｃ），（２０ａ），（２０ｂ） 浸漬ノズル
（１１ａ）， − ，（１１ｃ），（２１ａ），（２１ｂ） 突起部
（１２ａ），（１２ｂ） 水の流れ
（２２） 上ノズル
（２３） スライドプレート
（２４） モールド
（２５ａ），（２５ｂ） 吐出流
（２６） 水
θ 突起部下端の角度
Ｈ 突起部の高さ
ｈ 突起部の下端部高さ（ノズル内管中心方向への高さ）

Claims (4)

1. 鋼の鋳造用ノズルの溶鋼流通孔部に、高さが３〜２０ｍｍの突起部を配設した鋳造用ノズルであって、該突起部を、溶鋼流通方向に対して平行な方向における“ノズル内管と突起部の下端部の成す角度”が６０°以下に配設してなることを特徴とする鋼の連続鋳造用ノズル。
2. 前記突起部は、溶鋼流通方向に対する垂直な方向において環状に連続していないことを特徴とする請求項１記載の鋼の連続鋳造用ノズル。
3. 前記突起部が溶鋼流通孔部に４ヶ以上配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鋼の連続鋳造用ノズル。
4. 前記突起部は、鋳造用ノズルの本体と一体成形されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼の連続鋳造用ノズル。

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