JP2006218488A - 連続鋳造用浸漬ノズル及び連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 使用回数が増加しても、旋回羽根配置部への介在物付着を抑制できるようにする。
【解決手段】 タンディッシュ底部における流量調整装置の下流側に取り付けられ、内部に捩り板型旋回羽根２を配置した連続鋳造用の浸漬ノズルである。捩り板型旋回羽根２の形状が、（１）外径：５０ｍｍ〜２５０ｍｍ、（２）捩り部の溶鋼流下方向長さ：旋回羽根外径の３０％〜２００％、（３）水平断面の厚さ：旋回羽根外径の５％〜３０％、（４）旋回羽根の捩り角：６０°〜１８０°の条件を満たし、かつ、この捩り板型旋回羽根２の捩り勾配が、溶鋼流入側で小さく、溶鋼流出側にかけて増大するように形成した。
【効果】 使用回数が増加しても、旋回羽根配置部への介在物付着を効果的に抑制でき、旋回流ノズルの使用回数の更なる延長が図れる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内部に配置した捩り板型旋回羽根により、ノズル内を流下する溶鋼に旋回流を付与する連続鋳造用浸漬ノズル（以下、旋回流ノズルともいう。）、及び、この旋回流ノズルを用いた連続鋳造方法に関するものである。

鋼の連続鋳造では、浸漬ノズルを通して鋳型内に溶鋼を流し込み、鋳型内でその周囲が凝固した鋼を鋳型下方から順次引き抜いていくことで、連続的に鋳造を行う。このような連続鋳造に際し、下端部の側面に複数の吐出口を有する浸漬ノズルを使用する場合、旋回羽根を有しない浸漬ノズルでは、溶鋼は、ノズル底部に直接的或いは間接的な衝突を介した後に吐出口から流出していく。

この溶鋼中には、通常、アルミナを主成分とする微粒子（以下、介在物という。）が含まれている。従って、このような流れの複雑な乱れに起因して、ノズル底部から吐出口近傍において介在物の付着が顕著に発生する。

吐出口近傍に付着した介在物は、
１）吐出流の不安定化に伴う鋳型内流動の不安定化、
２）吐出口における圧力損失の増加による鋳造速度の低下、
３）吐出口の閉塞による連続鋳造の中断、
等を招く。従って、溶鋼流動の安定化および吐出口の閉塞防止を目的として、従来から種々の検討がなされてきた。

その一つに浸漬ノズル内を流下する溶鋼に旋回流を付与するものがある。下端部の側面に対向する２つの吐出口を有する２孔ノズルでは、この旋回流の付与により、遠心力によって２つの吐出口に溶鋼が強制的に分配されるので、ノズル底部への溶鋼流の衝突が緩和されて流動が安定し、吐出口近傍における介在物付着が低減することが明らかになっている。

この旋回流ノズルにおいて、出願人は、たとえば特許文献１で、旋回羽根の捩り部における溶鋼流下方向長さ（以下、単に長さという。）をＬ（ｍｍ）、半径をＲ（ｍｍ）、捩り角（捩り板の捩り量を、捩り板の直径と平行な面に投影して求めた角度）をθ（ｒａｄ）とした場合、旋回羽根の捩りピッチＰｃ（捩り板が１８０°捩られるのに直径の何倍の長さを要するかという、捩りの強さを表す指標。その値が小さいほど捩りは強くなり、Ｌ・π／（２・Ｒ・θ）で求められる。）を０．８〜３．０、捩り角θを６０°〜１８０°、外径（＝２Ｒ）を５０ｍｍ〜２５０ｍｍ、厚さを前記外径の５％〜３０％としたものを提案している。
特開２００２−２３９６９０号公報

この特許文献１で提案した旋回流ノズルを使用すれば、吐出口近傍における介在物の付着が減少する。しかしながら、発明者等がこの旋回流ノズルを用いた連続鋳造を進めたところ、使用回数の増加に伴い、旋回羽根配置部への介在物の付着量が増加することが判明した。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の旋回流ノズルを使用した連続鋳造では、使用回数の増加に伴い、旋回羽根配置部への介在物付着量が増加するという点である。

本発明の旋回流ノズルは、
使用回数が増加しても、旋回羽根配置部への介在物付着を抑制できるようにするために、
捩り板型旋回羽根の形状が、
（１）外径：５０ｍｍ〜２５０ｍｍ
（２）捩り部の長さ：旋回羽根外径の３０％〜２００％
（３）水平断面の厚さ：旋回羽根外径の５％〜３０％
（４）旋回羽根の捩り角：６０°〜１８０°
の条件を満たし、
かつ、
Ａ）この捩り板型旋回羽根の捩り勾配が、溶鋼流入側で小さく、溶鋼流出側にかけて増大するように形成した、
或いは、
Ｂ）この捩り板型旋回羽根の溶鋼流入側近傍における外周部の捩り勾配が、その内周部の捩り勾配より緩やかである、
ことを最も主要な特徴としている。
なお、本発明において、捩り勾配とは、旋回羽根における軸方向の単位長さ当りの捩り角度を言う。

そして、前記本発明の旋回流ノズルを用いて、溶鋼を連続鋳造した場合には、使用回数が増加しても、旋回羽根配置部への介在物付着を効果的に抑制できるので、旋回流ノズルからの吐出流が安定する。これが本発明の連続鋳造方法である。

本発明によれば、旋回羽根の形状を最適に規定して、旋回羽根部における流動性を改善することで、使用回数が増加しても、旋回羽根配置部への介在物付着を効果的に抑制でき、旋回流ノズルの使用回数の更なる延長が図れる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、発明成立に至るまでの過程と共に添付図面を用いて詳細に説明する。
発明者等は、旋回羽根配置部への介在物の付着状況から、旋回羽根部における流動状況との関連を考察し、流動の乱れや停滞が発生しうる場所で介在物の付着が発生しているとの推察から、同箇所の流動性を改善する旋回羽根形状について検討を行った。

発明者等は、介在物が付着した旋回流ノズルのより詳細な発生形態の観察を行い、それを数値計算による解析結果と対応させた結果、以下の現象を見出した。

まず、溶鋼流入側である旋回羽根の上端から約１ｃｍの位置（ａ図）と、旋回羽根の中央部（ｂ図）と、溶鋼流出側である旋回羽根の下端から約１ｃｍの位置（ｃ図）における、介在物の付着状態を調査した。その結果を模式的に示したのが図１である。この調査結果によれば、旋回羽根２の上端近傍における介在物１の付着が顕著で、さらに同部においては、旋回羽根２そのものへの付着より、旋回流ノズル３の内壁３ａへの付着が顕著であることが判明した。なお、図１（ａ）において、旋回羽根２の中心部が記載されていないのは、切断時に欠損したためである。

一方、数値解析により旋回羽根近傍における溶鋼流動を評価したところ、旋回羽根の中央付近では、ノズル入口からの直下流によって流動が形成されるが、旋回羽根の上端近傍のノズル内壁側は、旋回流が発達途中で、流動の停滞や一部流れの反転が発生し、上昇流に転じる場合があることが判明した。

この流動の停滞や一部流れの反転が発生する旋回羽根の上端近傍は、介在物付着の最大発生箇所と一致していることから、旋回羽根配置部のノズル内壁への介在物付着が、旋回羽根上端におけるノズル内壁近傍での流動不良によるものであると考えられる。

発明者等は、以上の結果から、旋回羽根上端におけるノズル内壁近傍での流動不良を抑制可能な、以下の本発明による旋回流ノズルを完成させた。
すなわち、第１の本発明の旋回流ノズルは、
前記捩り板型旋回羽根の形状が、
（１）外径：５０ｍｍ〜２５０ｍｍ
（２）捩り部の長さ：旋回羽根外径の３０％〜２００％
（３）水平断面の厚さ：旋回羽根外径の５％〜３０％
（４）旋回羽根の捩り角θ：６０°〜１８０°
の条件を満たし、
かつ、この捩り板型旋回羽根の捩り勾配が、溶鋼流入側で小さく、溶鋼流出側にかけて増大するように形成したものである。

また、第２の本発明の旋回流ノズルは、
前記捩り板型旋回羽根の形状が、
（１）外径：５０ｍｍ〜２５０ｍｍ
（２）捩り部の長さ：旋回羽根外径の３０％〜２００％
（３）水平断面の厚さ：旋回羽根外径の５％〜３０％
（４）旋回羽根の捩り角：６０°〜１８０°
の条件を満たし、
かつ、この捩り板型旋回羽根の溶鋼流入側近傍における外周部の捩り勾配が、その内周部の捩り勾配より緩やかにしたものである。

前記本発明の旋回流ノズルにおいて、前記捩り板型旋回羽根の外径を５０ｍｍ〜２５０ｍｍとするのは、５０ｍｍ未満であると、この旋回羽根によって所定の旋回流を付与するためには、溶鋼流路が狭過ぎることになって溶鋼や鋼中の非金属介在物の付着により容易に閉塞し、操業性が悪化するからである。一方、２５０ｍｍを超えると、ノズル本体が巨大化してハンドリングが困難になるなど、操業が阻害されるからである。

また、旋回羽根の捩り部の長さを、旋回羽根外径の３０％〜２００％とするのは、
３０％未満であると、ノズル内を流下する溶鋼に所要の旋回流を付与できないからである。一方、２００％を超えると、ノズル本体が長くなりすぎて大きな設置スペースが必要になるからである。

また、旋回羽根の厚さを旋回羽根外径の５％〜３０％とするのは、５％未満であると、構造体としての強度が不足し鋳込中に破損するおそれがあるからである。一方、３０％を超える厚みは、強度上不要であるばかりか、いたずらに流動抵抗を増す要因となるからである。但し、構造上の強度が求められるのは、タンディッシュからの溶鋼流にさらされる旋回羽根の上部であるので、必要に応じて前記厚みの範囲内において、上部を厚く下部を薄く形成してもよい。

また、旋回羽根の捩り角θを６０°〜１８０°とするのは、６０°未満であると、ノズル内流路横断面に占める旋回羽根の占有面積が小さくなり、均等な旋回流が得られなくなるからである。一方、１８０°を超えた捩り角θを付与するのは意味が無いばかりか、いたずらに流動抵抗を増やす原因となり、また、圧縮成型による旋回羽根の製造も困難となるからである。

以下、本発明の旋回流ノズルの詳細な原理について説明する。
図２に示すように、捩り板型旋回羽根２の水平断面形状が直線状の場合、図２中に２ａで示す旋回羽根２の中心（旋回流ノズル３の軸中心）から、図２中に２ｂで示す旋回羽根２の外周（旋回流ノズル３の内壁３ａ側）にいくほど、旋回羽根２の表面の接平面が鉛直線（旋回流ノズル３の軸）に対してなす角度（以下、斜度という。）が増加する。

このため、旋回流が未発達な溶鋼流入側である旋回羽根２の上端近傍では、旋回羽根２の外周２ｂ部を流下してくる溶鋼流の向きと、旋回羽根２の表面がなす角度が大きくなって衝突に近い形となり、前記の状況が発生するものと考えられる。

この場合、旋回羽根２の上端外周部における直下流の衝突状況を改善するためには、
Ａ．旋回羽根の上端側における全体の捩り勾配の抑制
Ｂ．旋回羽根の上端側における外周部の捩り勾配の抑制
のいずれかによる羽根形状の修正が有効と考えられる。

このうち、Ａの修正は、第１の本発明に相当するもので、図３に示すように、旋回羽根２の水平断面形状は直線状のまま、溶鋼流入側である旋回羽根２の上端部における捩り勾配を小さくするものである。

発明者らの調査によれば、第１の本発明では、捩り勾配の抑制領域は、旋回羽根２の溶鋼流入側の上端２ｃから、ノズル本体内径Ｄの少なくとも１／５の長さだけ下流側に至る範囲（図４ではＤ／２の範囲）とすることが望ましいことが確認された。

そして、この範囲の捩り勾配は、必要な旋回量を得る単一の捩り勾配の旋回羽根の５０％以下となるようにすることで、旋回羽根２の入口部における流動状況をより改善でき、更なる介在物付着を低減することができることが確認できた。

この捩り勾配の抑制領域を、旋回羽根２の上端２ｃから、ノズル本体内径Ｄの少なくとも１／５の長さだけ下流側に至る範囲としたのは、発明者等の前記調査結果によるもので、ノズル本体内径Ｄの１／５の長さの範囲で、介在物１の付着が顕著であったからである。

また、前記範囲における捩り勾配を、必要な旋回量を得る単一の捩り勾配の５０％以下となるようにするのは、発明者等の調査結果によると、５０％を超えると、溶鋼流が旋回羽根に衝突に近い形で接触し、ノズル内壁近傍での流動不良が発生するからである。

この修正を、単一の捩り勾配の場合と同一の旋回羽根長さで行った場合、全体の旋回量が足りず、旋回不足となる場合があるが、その場合は、旋回羽根の下流部側の長さを延長するか、下流部側の捩り勾配を大きくすればよい。

旋回羽根の下流部側の捩り勾配の増加に関しては、単純に増加させた場合、導入部と下流部の継目において、流動の乱れが発生する場合があるが、その場合は、下流部の捩り勾配を一定とせず、導入部の捩り勾配から段階的に捩り勾配を増加させることにより同現象を抑制することができる。

一方、Ｂの修正は、第２の本発明に相当するもので、旋回羽根２の溶鋼流入側近傍（図６の例ではノズル本体内径Ｄの１／２の長さだけ下流側に至る範囲）における外周２ｂ部の捩り勾配が、その内周部の捩り勾配より緩やかになるように、旋回羽根２の水平断面形状を、旋回流ノズル３の軸方向に対して段階的に変形させていき、旋回羽根２の外周２ｂ部における捩り勾配の抑制を実現するものである。

この場合、例えば、旋回流ノズル３の流入側から見て時計回り方向への旋回羽根２である場合、図５に示すように、旋回羽根２の上端２ｃの水平断面形状がＳ字状から、軸方向に沿って旋回とともに徐々に直線状となるようにする、あるいは、さらに、直線状から逆Ｓ字状となるようにすれば、旋回羽根２の外周２ｂ部近傍の捩り勾配を、従来の旋回羽根よりも、より効果的に抑制することができる。

このような水平断面形状は、たとえば、３次方程式Ｙ＝Ａ×Ｘ³による曲線を軸方向に対し旋回していくものとし、その際、係数Ａを軸方向座標の関数として単調に減ずることにより、前記の変形が実現される。

なお、旋回羽根２の水平断面形状がＳ字状の場合の捩り角度θは、旋回羽根２の水平断面の羽根厚さの中央位置における曲線において、旋回羽根２の中心２ａにおける接線方向をＳ字断面における旋回羽根２の向きとして求める。たとえば図５（ａ）の場合、旋回羽根２の上端２ｃの向きは、紙面左右方向になる。

前記の本発明の旋回流ノズル３を用いて、溶鋼を連続鋳造すれば、その使用回数が増加しても、旋回羽根２の配置部への介在物付着を効果的に抑制でき、旋回流ノズル２からの吐出流が安定する。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。
下記表１に示す化学成分の低炭素鋼による連続鋳造実験（鋳片の厚さ２７０ｍｍ、幅１６００ｍｍ）を、定常部の鋳造速度１．８ｍ／分にて行った。なお、使用に供した溶鋼は６００トンである。

実験は、下記表２の実施例１、実施例２に示した形状の旋回流ノズルと、単一の捩り勾配を有する旋回羽根を配置した旋回流ノズル（比較例１）と、旋回羽根を有さない浸漬ノズル（比較例２）を用いて行った。

連続鋳造後に、旋回流ノズルへの介在物の付着状況を、ノズルの輪切り断面観察により行った。
この結果、下記表３の付着厚さ欄に示すように、請求項１及び請求項２を満たす実施例１、請求項３及び請求項４を満たす実施例２を使用した場合には、比較例１，２に比べて付着量が低減することが明らかになった。このことから、本発明の旋回流ノズルを使用した連続鋳造では、旋回流ノズルからの吐出流が安定した状態で、長期間の操業が継続して行えるようになることが分る。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

本発明は、低炭素鋼鋳片のみならず中炭素鋼や高炭素鋼などの連続鋳造にも適用できる。

旋回羽根の上端から約１ｃｍの位置（ａ図）と、旋回羽根の中央部（ｂ図）と、旋回羽根の下端から約１ｃｍの位置（ｃ図）における、介在物付着状態の模式図である。 従来の旋回羽根の形状を説明する図で、（ａ）は上方から見た図、（ｂ）は斜め上方から見た図である。 実施例１における旋回羽根の形状を説明する図２と同様の図である。 旋回羽根の溶鋼流入側の捩り勾配を抑制した旋回流ノズルのイメージ図である。 実施例２における旋回羽根の形状を説明する図２と同様の図である。 旋回羽根の溶鋼流入側の外周側捩り勾配を抑制し、徐々に大きくする場合の旋回流ノズルのイメージ図である。 比較例１における旋回羽根の形状を説明する図２と同様の図である。

符号の説明

２ 旋回羽根
２ａ 中心
２ｂ 外周
２ｃ 上端
３ 旋回流ノズル
３ａ 内壁

Claims (5)

1. タンディッシュ底部における流量調整装置の下流側に取り付けられ、内部に捩り板型旋回羽根を配置した連続鋳造用の浸漬ノズルであって、
   前記捩り板型旋回羽根の形状が、
   （１）外径：５０ｍｍ〜２５０ｍｍ
   （２）捩り部の溶鋼流下方向長さ：旋回羽根外径の３０％〜２００％
   （３）水平断面の厚さ：旋回羽根外径の５％〜３０％
   （４）旋回羽根の捩り角：６０°〜１８０°
   の条件を満たし、
   かつ、この捩り板型旋回羽根の捩り勾配が、溶鋼流入側で小さく、溶鋼流出側にかけて増大するように形成したことを特徴とする連続鋳造用浸漬ノズル。
2. 前記捩り板型旋回羽根の溶鋼流入側の上端から、ノズル本体内径の少なくとも１／５の長さだけ下流側に至る範囲では、前記捩り勾配が、流下する溶鋼に必要な旋回量を与える単一の捩り勾配の５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造用浸漬ノズル。
3. タンディッシュ底部における流量調整装置の下流側に取り付けられ、内部に捩り板型旋回羽根を配置した連続鋳造用の浸漬ノズルであって、
   前記捩り板型旋回羽根の形状が、
   （１）外径：５０ｍｍ〜２５０ｍｍ
   （２）捩り部の溶鋼流下方向長さ：旋回羽根外径の３０％〜２００％
   （３）水平断面の厚さ：旋回羽根外径の５％〜３０％
   （４）旋回羽根の捩り角：６０°〜１８０°
   の条件を満たし、
   かつ、この捩り板型旋回羽根の溶鋼流入側近傍における外周部の捩り勾配が、その内周部の捩り勾配より緩やかであることを特徴とする連続鋳造用浸漬ノズル。
4. 前記旋回羽根の水平断面形状が、溶鋼流入側近傍は矩形をＳ字状に曲げた形状であり、溶鋼流出側近傍は直線状あるいは逆Ｓ字状の矩形であることを特徴とする請求項３に記載の連続鋳造用浸漬ノズル。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の連続鋳造用浸漬ノズルを用いて、溶鋼を連続鋳造することを特徴とする連続鋳造方法。
   

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