JP2005028402A - 加熱機能を備えた鋼の連続鋳造用タンディッシュ - Google Patents

Abstract

【課題】溶鋼の温度制御と清浄化の機能を高めたタンディッシュを提供することを目的とする。
【解決手段】溶鋼を精錬工程から輸送する取鍋と、連続鋳造用鋳型との間に配置されるタンディッシュにおいて、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入するノズル位置と、タンディッシュから鋳型へ溶鋼を注入するノズル位置の間に１対の上堰と、該１対の上堰に挟まれる位置に下堰が設置され、かつ該１対の上堰間にプラズマ加熱電極が配置されたことを特徴とする加熱機能を備えた鋼の連続鋳造用タンディッシュ。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼の連続鋳造用のタンディッシュに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼の連続鋳造においては、精錬工程で成分と温度を調整された溶鋼を取鍋で連続鋳造工程に輸送する。輸送された溶鋼は、連続鋳造機の鋳型に耐火物製のノズルを用いて注入されるが、取鍋から直接注入するのは溶鋼の流量の制御が難しくまた、取鍋を交換し、連続鋳造を続けて行う目的もあって、一般にはタンディッシュと呼ばれる中間容器内にノズルあるいは酸化を抑える不活性ガスでシールしたシュラウドを通して溶鋼を一旦溜めて、流量を制御しつつ鋳型内にノズルを通じて溶鋼を供給するのが一般的である。
【０００３】
タンディッシュは、種々の形のものが存在するが、最も一般的には、舟の形をしたタンディッシュの中央部に取鍋からノズルを通じて溶鋼を供給し、舟の両舳先に相当する場所に設けられた上下に移動することにより流出口の断面積を制御して流量を制御する棒状のストッパー、あるいは丸孔が開いた２乃至３枚のプレートで孔の開口面積を制御し流量を制御するスライディングノズルにより、両端から溶鋼を２つの連鋳機（ストランドと呼ばれる）に供給する。
【０００４】
さらにタンディッシュは、前記のように溶鋼を１つの取鍋から２つの鋳型に注ぎ分ける機能を持つほか、通常鋼を精錬する際に不可避的に混入する酸化物であるスラグの液滴や、脱酸を行うために通常生成するアルミナなどのいわゆる非金属介在物を、その比重が鋼の比重の半分以下であることを利用して浮上分離し、鋳型内に侵入して鋼に捕捉され圧延時に疵を生成することを防止する機能も有している。
【０００５】
前記のように、比重の差を利用して、介在物を浮上させるものの、鋼中には数μｍ径からｍｍ単位のものまで存在しており、鋼の品質要求の高まりによって、年々介在物の浮上性改善要求が高まっている。そこで、同じタンディッシュで内部に堰を設けることにより流動を制御し、浮上分離率を高める試みとして、例えば（特許文献１）あるいは（特許文献２）には、非金属介在物の浮上性を高めるために複数の平板状の堰を配置する技術が開示されている。
【０００６】
上記の通り、取鍋から注入された溶鋼中の大きな介在物が浮上してできるスラグ溜りを、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を供給するノズル周りに溜めておいて、鋳型の方へ移動させないための上堰、取鍋からタンディッシュへ注入した溶鋼が、直接鋳型の方へ流れを作らないように設けられる下堰の２つを基本的な構成要素にしたものが多く開示されている。
【０００７】
一方、タンディッシュは上記の機能を有するが、溶鋼の温度は、鋳型内で凝固が始まるいわゆる液相線温度にスーパーヒートと呼称される付加的温度を与え、取鍋、タンディッシュ、ノズル内で溶鋼が凝固しないようにするのが通例である。
【０００８】
しかし、取鍋からタンディッシュへ注入される溶鋼の温度が、注入中に次第に低下することから、タンディッシュ内で溶鋼に熱を付与して、温度低下を抑制する技術が発明されている。例えば（非特許文献１）にあるように、熱プラズマを用いて、溶鋼を加熱する方法がある。
【０００９】
この技術では、電極と溶鋼間に電位差を与え、プラズマを発生させ、そのジュール熱と輻射熱により溶鋼が加熱される。この加熱方法では溶鋼の一部を加熱するので、均等にするためにガス攪拌を利用することが併せて記されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１−２２４１５２号公報
【特許文献２】
特開平７−１３２３５３号公報
【非特許文献１】
第１２９、１３０回西山記念技術講座
電磁気力を利用したマテリアルプロセシング
社団法人 日本鉄鋼協会編 平成元年４月２８日刊 ページ２４７
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、（非特許文献１）ではガス攪拌を必要とすることから、タンディッシュ内に多孔質レンガのガス吹き込み口を設ける必要があるため整備の負荷が大きいという問題、また、ガス攪拌によって発生する流動の乱れにより、タンディッシュ内溶鋼表面付近で浮上中の介在物を再度内部に持ち込んだり、あるいは、溶鋼表面付近に浮いている酸化物を巻き込んでしまい溶鋼を汚染するという問題があった。
本発明は、溶鋼の温度制御と清浄化の機能を高めたタンディッシュを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）鋼を精錬工程から輸送する取鍋と、連続鋳造用鋳型との間に配置されるタンディッシュにおいて、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入するノズル位置と、タンディッシュから鋳型へ溶鋼を注入するノズル位置の間に１対の上堰と、該１対の上堰に挟まれる位置に下堰が設置され、かつ該１対の上堰間にプラズマ加熱電極が配置されたことを特徴とする加熱機能を備えた鋼の連続鋳造用タンディッシュ。
（２）後流側の上堰の下端とタンディッシュ底部との間隔Ｄ（ｍ）、該部位での溶鋼深さＨ（ｍ）、溶鋼流路平均幅Ｗ（ｍ）、溶鋼のスループットＱ（ｔ／分）、後流側の上堰と溶鋼流出口までの距離Ｌ（ｍ）が（１）式を満足することを特徴とする請求項１記載の加熱機能を備えた鋼の連続鋳造用タンディッシュ。
Ｌ＞α×｛Ｑ×（Ｈ＋Ｄ／２）^１／２｝／（Ｄ×Ｗ）・・・（１）
但し、α：γ／｛ρ×（β×ｇ×ΔＴ）^１／２｝
ρ：溶鋼の液相線温度での溶鋼密度（ｋｇ／ｍ^３）
β：溶鋼の体膨張率（１／Ｋ）
ｇ：重力加速度
ΔＴ：プラズマ加熱による平均の溶鋼温度上昇（Ｋ）
γ：操業条件によって決まる比例定数
である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の装置と作用を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に関わるタンディッシュの例を示す。精錬工程を経て取鍋１により輸送された溶鋼は、取鍋からの注入ノズル２を経て、タンディッシュ３に注入される。注入された溶鋼は、鋳型への注入ノズルにつながる溶鋼流出口４までタンディッシュ内を輸送される。すなわち、取鍋からタンディッシュ３へ注入された溶鋼は、上堰５、下堰６、上堰７を順次通り、鋳型への注入ノズルへ通じる溶鋼流出口４へ移動する。
【００１４】
ここで上堰５は、取鍋１から流入する大型の介在物やスラグ滴を浮上させ、そのまま溶鋼表面に保持し、鋳型側へ流出しないよう、堰きとめる作用をする。
次に上堰５をくぐった溶鋼は、下堰６に衝突し、上昇流を形成する。さらに、上堰７の前で下降流をつくり、その後、鋳型側へ流出する。
【００１５】
一般に、溶鋼は加熱がない場合、タンディッシュ内を通過する過程で、溶鋼表面から抜熱を受ける。従って、溶鋼は収縮し上部湯面及び壁際側で重くなり下方に沈み、いわゆる熱対流をつくることが知られている。
一方、本発明の構成の堰が設置されていない通常のタンディッシュで加熱を行なった場合には、加熱を行なっている湯面側の溶鋼だけが加熱され、この部分の溶鋼だけが膨張して軽くなるので、熱対流は起こりにくい状態となる。
【００１６】
そこで、本発明の装置を用いた場合は、１対の上堰５，７間でプラズマ８により加熱させることにより上堰間で加熱された溶鋼を強制的に上堰７によりタンディッシュ底部側に押し出し、下部から熱供給するために、タンディッシュ内での溶鋼の温度低下を抑制し、かつ溶鋼温度をほぼ均一に保持することを可能としている。
【００１７】
次に、このような上堰７を設置すると、上堰７より上流側（取鍋からの注入ノズル側）で浮上できなかった介在物が、タンディッシュ底部まで輸送される可能性がある。すなわち、上堰７から下流側（鋳型への溶鋼流出口側）で浮上できない場合には、鋳型内に混入し鋳片内に捕捉されて欠陥を生成する可能性がある。従って、上堰７から鋳型への溶鋼流出口４までの距離は、介在物浮上に十分な距離を持たせることが好ましい。この距離は、介在物の熱対流と介在物の浮上速度により決まる。
【００１８】
通常のサイズのタンディッシュにおいて、浮上可能な介在物で、かつ溶鋼を汚染する問題のある介在物の大きさは、直径５０乃至１００μｍ程度で、その浮上速度はアレンの式（例えば、「機械工学便覧 Ｐ８〜２０ 改訂第６版 昭和５４年発行」に記載）で表されることが一般に知られている。
その浮上速度は０．１〜０．０２（ｍ／ｓ）程度であり、熱対流の速度は０．０５から０．１（ｍ／ｓ）程度であるから、浮上は熱対流に大きく左右されることがわかる。
ここで、温度変化による浮力＝ρ・β・ｇ・ΔＴで表現できる。
但し、ρは溶鋼の液相線温度での溶鋼密度（ｋｇ／ｍ^３）
βは溶鋼の体膨張率（１／Ｋ）
ｇは重力加速度
ΔＴはプラズマ加熱による平均の溶鋼温度上昇（Ｋ）である。
【００１９】
また、溶鋼側の慣性が運動エネルギー＝１／２・ρ・ｗ^２で表現できる。
従って、運動エネルギーが力と移動距離の積に等しいとおくと、
１／２・ρ・ｗ^２＝（ρ・β・ｇ・ΔＴ）・Ｈ’となり、
熱対流の速度ｗは、（β・ｇ・ΔＴ・Ｈ’）^１／２に比例すると簡易的に表現できる。
ここで、Ｈ’＝Ｈ＋Ｄ／２
ｗは溶鋼流速（ｍ／ｓ）である。
【００２０】
以上のことから、タンディッシュ底部からＤ／２の高さの位置から湯面までの距離Ｈ’を前記熱対流の速度で割った時間、即ち、熱対流が湯面に到達するまで の時間が、上堰７を出た溶鋼が有している平均流速Ｑ／（６０・ρ・Ｄ・Ｗ）で、上堰７から鋳型位置までの距離Ｌを割った値から求まる時間よりも短ければ、介在物は浮上すると考えることができ、その関係から下式が得られる。
Ｌ＞α｛Ｑ・（Ｈ＋Ｄ／２）^１／２｝／（Ｄ×Ｗ）・・・（１）
但し、αは、γ／｛ρ（β・ｇ・ΔＴ）^１／２｝
ここで、Ｄは後流側の上堰の下端とタンディッシュ底部との間隔（ｍ）
Ｈは該部位での溶鋼深さ（ｍ）
Ｗは溶鋼流路平均幅（ｍ）
Ｑは溶鋼のスループット（ｔｏｎ／分）
Ｌは後流側の上堰と溶鋼流出口までの距離（ｍ）
ρは溶鋼の液相線温度での溶鋼密度（ｋｇ／ｍ^３）
βは溶鋼の体膨張率（１／Ｋ）
ｇは重力加速度
ΔＴはプラズマ加熱による平均の溶鋼温度上昇（Ｋ）
γは操業条件によって決まる比例定数
である。
但し、上記のＷ（溶鋼流路平均幅）とは、
（溶鋼が通過するタンディッシュの流路の鉛直断面面積）／（流路の最大深さ）
で定義される。
【００２１】
【実施例】
図２に示す構造で、長さ７（ｍ）、平均幅１（ｍ）、深さ１（ｍ）の２ストランド用タンディッシュにおいて、後流側上堰７とタンディッシュ底部との距離Ｄを０．３（ｍ）、平均幅Ｗ０．７（ｍ）とし、後流側上堰７と鋳型への溶鋼流出口４間の水平距離Ｌを、後流側上堰７の位置を１．５（ｍ），２．０（ｍ），２．５（ｍ）の３水準で変えて試験した。また、プラズマ加熱条件は入力５００（ｋＷ）とした。
【００２２】
溶鋼内の介在物の評価は１／４幅、厚み方向の中央、深さ１０ｃｍの位置で採取した溶鋼サンプル１００（ｇ）を電解抽出法により非金属介在物のみ取り出し、介在物の平均的な大きさ（直径）である１００μｍ径の介在物を表すものとして、７５μｍから１２５μｍの間の直径の介在物の個数を調査した。
ここで、介在物の中には、鋳型内の潤滑剤であるパウダーが巻き込まれたものも存在するが、その中にナトリウムが存在するか否かを元にナトリウムが存在しない介在物をタンディッシュから持ち込まれた介在物として、その個数のみカウントし比較した。
【００２３】
各場合において、鋳型は１５００（ｍｍ）幅、厚み２５０（ｍｍ）、鋳造速度１．５（ｍ／分）で同じ条件とした。また、サンプリング時期も鋳造開始からの時間を１０分で統一し、溶鋼のベースとなる清浄度がほぼ同じであることを、タンディッシュの入り側でとったサンプルからの介在物の電解抽出により確認した。
また、比較例として、堰もプラズマ加熱電極も設置されていない通常のタンディッシュを用い、溶鋼流出口４の位置は、上記の後流側上堰７の位置を１．５ｍの場合と同じ位置で実施した。
【００２４】
結果の比較を図３に示す。ここで、鋳型への介在物個数指数とは取鍋からの流入口で与えた介在物個数に対して、鋳型へ溶鋼を注入するノズルを通じて鋳型に流出する介在物個数の比を、堰なしの場合を１として相対的に示した指数である。
【００２５】
その結果、本発明の装置を用いて後流側上堰７の位置を１．５ｍとすると、鋳型への介在物個数指数は大幅に減少し、さらに後流側上堰７の位置を２．０ｍと長くすることで、介在物個数指数は著しく減少できた。
さらに、（１）式を満足する様に、後流側上堰７の位置を２．５ｍとすると、１００（μｍ）径介在物が発見されず、鋳型に流出する介在物をなくすことができた。
【００２６】
次に、本願発明の装置で下堰のみが設置されていない場合を比較例として、上堰７がＬ＝２．５（ｍ）の位置にある場合について、鋳型への溶鋼流出口４の位置でタンディッシュの底部から０．２ｍの高さ（タンディッシュ出側と記載）で溶鋼温度を測定した。参考までに、取鍋からの注入ノズル２の位置（タンディッシュ入側と記載）の溶鋼温度については、タンディッシュの底部から０．２ｍの高さで溶鋼温度を測定した。
【００２７】
その結果は図４に示す通り、本願発明の装置の様に下堰６が設置されている場合は、比較例の様に下堰６が設置されていない場合よりも５（Ｋ）温度が高くなっていた。従って、下堰６ありの場合、鋳型に注入される溶鋼の加熱温度を上げ、実質的な熱効率を上げる効果が確認された。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の装置を用いれば、加熱効率が良く、また、大型介在物が少ない清浄鋼の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置構成を示す説明図。
【図２】本発明の装置により発生する流動を模式的に示す説明図。
【図３】実施例の後流側上堰と鋳型位置間の距離と介在物の比較図。
【図４】実施例のタンディシュ出側における溶鋼温度の測定比較図。
【符号の説明】
１ 取鍋
２ 取鍋からの注入ノズル
３ タンディッシュ
４ 鋳型への溶鋼流出口
５ 上堰
６ 下堰
７ 上堰
８ プラズマ
９ 電極
１０ 流動

Claims (2)

1. 溶鋼を精錬工程から輸送する取鍋と、連続鋳造用鋳型との間に配置されるタンディッシュにおいて、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入するノズル位置と、タンディッシュから鋳型へ溶鋼を注入するノズル位置の間に１対の上堰と、該１対の上堰に挟まれる位置に下堰が設置され、かつ該１対の上堰間にプラズマ加熱電極が配置されたことを特徴とする加熱機能を備えた鋼の連続鋳造用タンディッシュ。
2. 後流側の上堰の下端とタンディッシュ底部との間隔Ｄ（ｍ）、該部位での溶鋼深さＨ（ｍ）、溶鋼流路平均幅Ｗ（ｍ）、溶鋼のスループットＱ（ｔ／分）、後流側の上堰と溶鋼流出口までの距離Ｌ（ｍ）が（１）式を満足することを特徴とする請求項１記載の加熱機能を備えた鋼の連続鋳造用タンディッシュ。
   Ｌ＞α×｛Ｑ×（Ｈ＋Ｄ／２）^１／２｝／（Ｄ×Ｗ）・・・（１）
   但し、α：γ／｛ρ×（β×ｇ×ΔＴ）^１／２｝
   ρ：溶鋼の液相線温度での溶鋼密度（ｋｇ／ｍ^３）
   β：溶鋼の体膨張率（１／Ｋ）
   ｇ：重力加速度
   ΔＴ：プラズマ加熱による平均の溶鋼温度上昇（Ｋ）
   γ：操業条件によって決まる比例定数
   である。

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