JP2008080397A - ストッパーヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】溶融金属の排出制御のために使用されるストッパーヘッド、とくにガスを吹き込む機能を有さない一体的な構造のストッパーヘッドにおいて、損傷が発生する危険性を低減し、さらには防止すること。
【解決手段】溶融金属を容器からノズルを経由して排出する際の排出開始若しくは停止、又は流量制御のために使用されるストッパーヘッド１０において、耐火物からなるストッパーヘッド本体１の下方先端部中央付近に、ストッパーヘッド本体１の外表面付近における耐火物組織の連続性を断絶し、応力を緩和する応力緩和部分５を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は容器中の溶融金属をノズルを経由して排出する際の排出開始若しくは停止、又は流量制御（以下、この「排出開始若しくは停止、又は流量制御」を単に「排出制御」という。）のために使用されるストッパーヘッドに関し、とくに、その損傷が発生する危険性を低減し、さらには防止する技術に関する。

溶融金属を容器からノズルを経由して排出する際の排出制御の方法には、図１３に示すように、容器内部に設置したストッパーヘッド１０をその縦方向中心軸Ａｃに沿って上下方向に操作して、ノズル２０のノズル孔２１との嵌合部１２の開度を調整するという方法がある。

溶鋼の連続鋳造の場合、タンディッシュ内への溶鋼注入前に、上ノズル又は内装式の浸漬ノズル上端部との間（嵌合部）を開放して約９００〜１３００℃程度で予熱し、溶鋼注入開始前に嵌合部を閉じて受鋼し、タンディッシュ内に所定量の溶鋼が蓄積された後に、ストッパーヘッドを上方に動かして嵌合部を再度開放することでモールドへの溶鋼排出を行う。

このような機能を担うストッパーヘッドは、溶鋼流の排出制御にとって極めて重要な部分であるが、ノズルと直接的にかつ強い圧力や機械的な衝撃を伴って接触するために機械的な損傷が発生することがある。

この機械的な損傷を防止するために、ストッパーヘッドには高強度、高耐摩耗性を重視した耐火材料を適用することが多いが、依然として、このストッパーヘッドが損傷するトラブルが発生している。ストッパーヘッドが損傷すると直ちに溶鋼の排出制御ができなくなって操業に重大な影響を及ぼすことから、その対策が求められている。

この損傷の形態としては、図１４に示すように、ストッパーヘッドの嵌合部付近又は芯棒である金属製のスピンドル２の先端付近でほぼ水平方向の亀裂１３が入り、その亀裂１３から断裂することが多い。

この原因の一つとして、スピンドルの膨張による押し割り等が指摘されている。そこで、その対策として特許文献１には、ストッパーヘッドの内孔（図１４の符号４）内に一定量の可燃物を挿入することにより、スピンドルの過剰な締め付けを防止すると共にスピンドルの膨脹を吸収することで、ストッパーヘッドの割れを防止する技術が開示されている。さらには、ストッパーヘッドの内孔とスピンドル先端との間にスピンドルの熱膨張代をはるかに超える大きさの空間を設けてストッパーヘッドを支持することも一般に行われている。

しかしながら、このようなスピンドルの熱膨張による影響を排除しても、依然として、ストッパーヘッドの嵌合部付近に亀裂が生じ、その亀裂から脱落して損壊する等の損傷（部分的な損傷や下方の欠落等を含む。以下単に「損傷」という。）によるトラブルが発生している。

このように、ストッパーヘッドの損傷が発生する危険性を低減し、あるいは損傷を防止することに関しては未だ有効な対策がなく、ストッパーヘッドの損傷によるトラブルは完全には抑制できていない。とくに、図１４に示すようなガスを吹き込む機能を有さない一体的な構造のストッパーヘッドにおいて、損傷の発生が顕著である。
特開平１０−１９３０５１号公報

本発明の課題は、溶融金属の排出制御のために使用されるストッパーヘッド、とくにガスを吹き込む機能を有さない一体的な構造のストッパーヘッドにおいて、損傷が発生する危険性を低減し、さらには防止することにあり、言い換えれば、損傷を発生し難いストッパーヘッドを提供することにある。

本発明者は、ストッパーヘッドの嵌合部付近に発生する損傷は、受鋼時又は予熱時の熱衝撃等に起因するストッパーヘッド内部に偏在する熱応力が主たる原因であり、有限要素法による熱応力解析の結果、この損傷の発生位置と熱衝撃等による発生応力が最大になる位置がほぼ一致することを知見し、この発生応力を緩和することで、ストッパーヘッドの嵌合部付近に損傷が発生する危険性を低減し、さらには防止できることを見出した。

そして、この発生応力の緩和には、耐火物からなるストッパーヘッド本体の下方先端部中央付近に、ストッパーヘッド本体の外表面付近における耐火物組織の連続性を断絶し、応力を緩和する応力緩和部分として、ストッパーヘッド本体の縦方向中心軸を中心とする、環状の溝状空間、凹状の穴又は貫通孔（以下本発明ではこれらを総称して、単に「応力緩和部分」という。）を設けることが有効であることを見出した。

この応力緩和部分は、前記のとおりストッパーヘッド本体の下方先端部中央付近に設けられるものであるから、前記の「ストッパーヘッド本体の外表面付近における耐火物組織の連続性」を断絶するとは、より具体的には、ストッパーヘッド本体の縦方向中心軸を含む縦方向の断面において、そのストッパーヘッドと接する下方のノズルとの左右の嵌合部付近から下方先端部側にかけての耐火物組織の連続性を断絶することをいう。（図１及び図１３参照）

以下に本発明を詳述する。

ガスを吹き込む機能を有さないストッパーヘッドは、図１４に示すように、中心部のスピンドル２設置付近の空間（内孔４）を除いて耐火物からなるほぼ連続した一体の構造となっている。

このような一体の構造体に急激な熱衝撃が加わった場合には、ストッパーヘッド本体１外表面から内孔面の間には大きな熱勾配が生じる。さらには急激な熱衝撃だけでなく、金属製のスピンドル２を一定以下の温度に保つ必要からスピンドル２及びストッパーヘッドの内孔４を冷却し続ける必要があるため、定常的な状態であっても大きな熱勾配が生じる。このストッパーヘッドの熱勾配はストッパーヘッド本体１外表面から内孔４に向かって、ストッパーヘッド本体１に使用される耐火物の熱膨張特性に応じて熱膨張代の差を発生させる。その熱膨張差のために、ストッパーヘッド本体１外表面付近には強い圧縮応力が発生し、ほぼ一体構造のストッパーヘッドの場合にはこのような圧縮応力がその外表面全体に及び、その圧縮応力が内孔面側に強い引張応力を発生させる。その結果、内孔面に凹部や厚み等の形状が急に変化するような応力が集中し易い部位（例えば図１４の符号１４部分）があると、その部位を基点としてさらにストッパーヘッド本体１に亀裂１３が生じ易くなり、損傷に至る。

なお、スピンドル挿入用等の内孔のない、耐火物の一体的な構造を有するストッパーヘッドの場合も、ストッパーヘッド本体外表面に発生する圧縮応力がその縦方向中心軸を中心とする半径方向の内部途中で引張応力に変化し、ストッパーヘッド本体の耐火物の欠陥部分等で損傷強度を超える部分を基点として損傷が発生する機構は、内孔がある場合と基本的に同様である。

これに対して、本発明は、前述のとおり、ストッパーヘッド本体の下方先端部中央付近の外表面付近における耐火物組織の連続性を断絶して応力を緩和する応力緩和部分を設けることにより、ストッパーヘッド本体外表面付近の圧縮応力を緩和し、その結果として内孔面側（内部側）の引張応力をも緩和することでストッパーヘッドの損傷が発生する危険を低減し、さらには防止する。

応力緩和部分によりストッパーヘッド本体の耐火物組織の連続性を断絶することで、この断絶部すなわち応力緩和部分を境界として、耐火物組織が連続しているそれぞれの部分は独立して熱膨張等に対応した変形を行うことになり、さらにこの応力緩和部分がストッパーヘッド本体の外表面付近における耐火物の膨張を吸収できるような機能をも有することで、ストッパーヘッド本体の外表面付近には大きな圧縮応力が発生しなくなり、又は発生する応力が分散若しくは緩和される。その結果、内孔側（内部側）に発生する引張応力をも低減することができ、また特定の局部に集中させないで分散させることができる。

本発明においては、このような応力緩和機能を顕著に発揮させるため、応力緩和部分の基本的な形態として、ストッパーヘッド本体の縦方向中心軸を中心とする、環状の溝状空間（例えば図１の符号５）、又は凹状の穴（例えば図２の符号６）を設ける。

この応力緩和部分により、ストッパーヘッド本体の耐火物の膨脹が確実に吸収され、応力が緩和される。その理由は、ストッパーヘッド本体の損傷を惹き起こす応力が発生する領域は、主にノズルとの嵌合部付近から下方の領域であり、前記の応力緩和部分が、この領域の耐火物組織の連続性を断絶し、さらにストッパーヘッド本体の耐火物の膨脹による縦方向中心軸側から嵌合部側、あるいは嵌合部側から縦方向中心軸側への変形を吸収し、その下方側の耐火物表面付近の圧縮応力を緩和し、これによりストッパーヘッド本体耐火物の内部（内孔側）の引張り応力をも緩和するからである。

この応力緩和部分の横断面の外郭形状は、ストッパーヘッド本体全体に、より均一な応力分布を得るため、ストッパーヘッド本体の縦方向中心軸を中心とする真円が最も好ましいが、楕円や多角形（但し、各角部分はＲ形状等によりなだらかであることが応力集中を避けるために好ましい）でもよい。

応力を十分に緩和するための溝状空間の最小厚み（図１のＴｍ）は、ストッパーヘッド本体の溝状空間より内側の部分の直径（図１のＤｓ）の１０００℃、より好ましくは１５００℃における熱膨張代相当長さの２分の１以上であることが好ましい（縦方向中心軸に沿った断面において、溝状空間は左右２箇所に存在するので、各溝状空間の厚みは前記の熱膨張代相当長さを吸収するにはその２分の１でよい。）。この厚みは縦方向中心軸側から嵌合部側への変形を吸収する厚みであり、この厚みがあれば、損傷を緩和ないし防止するに必要な応力緩和がなされる。

より安定的かつ十分に応力を緩和するには、ストッパーヘッド本体の熱膨脹代としては、縦方向中心軸に沿った断面においてそのストッパーヘッド本体の嵌合部から溝状空間の外周までを結ぶストッパーヘッド本体の外周線の長さ（図１の１２から１６までのストッパーヘッド本体の外周表面の長さ）を基準とした熱膨脹代も加味し、溝状空間の最小厚みは、このトータルの熱膨張代相当長さの２分の１以上とすることがより好ましい。すなわち、この厚みは、溝状空間より内側の部分の縦方向中心軸側から嵌合部側への変形に加えて、嵌合部側から縦方向中心軸側に向かう変形をも吸収する厚みである。

熱膨張率等の基準温度をより好ましくは１５００℃とするのは、ストッパーヘッド本体の使用時の最高温度、すなわち受鋼（溶鋼の温度約１５５０℃）による急加熱時におけるストッパーヘッド本体の温度が、溶鋼の若干の温度降下をも考慮すると１５００℃程度であり、この温度下が最大の熱膨脹代となり発生応力が最大となるからである。一方、使用前の予熱開始時の熱衝撃等を重視し、その急加熱の条件を１０００℃程度とみなして、１０００℃の熱膨脹率（熱膨張代）としても構わない。

なお、溶鋼よりも温度の低い溶融金属の鋳造においては、ストッパーヘッド本体の耐火物等の物性の基準となっている温度を、その溶融金属の鋳造時の温度付近（±５０℃程度の範囲内）に変えて物性を測定し、その物性を後記の各数式等に適用すればよい。

応力緩和の観点からは、溝状空間の厚みの上限寸法はとくに制限する必要はなく、溝状空間の厚みが最大の場合が凹状の穴となる。

前記の応力緩和部分の最大直径（図１、図２、図４、図５の符号Ｗ、図３の符号Ｄs（Ｗ））は、ストッパーヘッド本体とそれに嵌合するノズルとの嵌合部の直径未満にすることが好ましく、ストッパーヘッド保持・作動装置の接合部等のクリアランスや熱的な変形等に起因する、ストッパーヘッド本体の縦方向中心軸に直角な方向の変動寸法、すなわち直径方向の変動代（個別の装置仕様、構造物の特性、操業条件等によって異なる。）を差し引いた直径未満にすることがさらに好ましい。この最大直径が嵌合部の直径以上であると、嵌合部の密着効果が損なわれて溶鋼の排出制御に支障を来したり、ストッパーヘッド本体の嵌合部付近の損傷を来して漏鋼を生じる虞がある。

応力緩和部分はストッパーヘッド本体の縦方向中心軸と同一の軸を中心として配置すること、可能な限りその軸を中心とする回転体の形状を有するようにすることが、応力の均一な緩和と分散のためには好ましい。

応力緩和部分には、その内面の一部又は全部に、その縦方向中心軸に沿って下方向（ストッパーヘッド本体先端方向）に向けて拡径する傾斜部を設けることができる。このような拡径する傾斜部を設けることで、ストッパーヘッド本体先端付近の圧縮応力をさらに低減させることが可能となる。この理由は、応力緩和部分の内面とストッパーヘッド本体の外表面との交点部分の縦方向断面における角度がよりなだらかとなって応力の分散効果が大きくなること、ストッパーヘッド本体の外表面の長さが相対的に短くなることで熱膨脹代が小さくなること、等である。

前述のとおり、ストッパーヘッド本体の下方先端部中央付近に応力緩和部分を設けることにより、ストッパーヘッドの損傷の危険性を低減ないしは防止することができるが、ストッパーヘッド本体の下方先端部中央付近に応力緩和部分が空間部分としてそのまま存在すると、ストッパーヘッド本体の形状、これと嵌合するノズルの嵌合部付近の形状、鋼種、通鋼速度等の操業に関わる条件によっては、ストッパーヘッド本体の下方先端部中央付近の溶鋼流に渦流等の偏流が生じたり、滞留部分が生じてアルミナ等の鋼中介在物がストッパーヘッド本体の下方先端部中央付近やノズルとの嵌合部付近に付着ないし堆積して、鋳造に悪影響を及ぼすことがある。とくにストッパーヘッド本体の下方先端部中央付近の形状は、前述のような溶鋼流の変動等に及ぼす影響が比較的大きい。したがって、前述のような溶鋼流の変動等が問題になる場合には、応力緩和部分の一部又は全部に耐火物を充填することが有効である。

このように応力緩和部分に耐火物を充填する場合であっても、その応力緩和部分は応力を緩和する機能を保持することが必要である。このように耐火物を充填する場合にも応力を緩和する機能を維持する方法として、１．充填する耐火物自体に応力緩和能を示す特性を有するものを使用する、２．応力緩和部分の内面の一部又は全部に、その縦中心軸方向に対して角度を有する傾斜部を設け、かつ、その縦方向中心軸又は傾斜部に沿って、充填した耐火物が移動可能にする、等の方法を採ることができる。

前記１の「充填する耐火物自体に応力緩和能を示す特性を有するものを使用する」方法とは、その充填する耐火物として、ストッパーヘッド本体の耐火物よりも、（ア）弾性率が低い、（イ）約１０００℃ないし約１５００℃での熱間クリープ特性が大きい、（ウ）可縮性が大きい、（エ）破壊強度が小さい等の、圧縮応力を緩和することのできる機能のいずれかの特性を有する耐火物、言い換えればストッパーヘッド本体の耐火物よりも相対的に軟質又は低強度の耐火物（以下、単に「相対的軟質耐火物」という。）を使用するということであり、そのような特性を有していれば、充填する耐火物がストッパーヘッド本体の損傷の危険性の低減又は防止に悪影響を及ぼすことはない。

なお、前記の（ア）、（イ）は概ね（主として）、充填する耐火物自体の体積は殆ど変化することなく、その形状等を変化させることで、また前記の（ウ）、（エ）は概ね（主として）、充填する耐火物自体の体積が縮小又は減少を伴って変化することで、その周囲との間に発生する圧縮応力を緩和する能力又は性質である、とも言い換えることができる。

この相対的軟質耐火物を充填する形態としては、（Ａ）相対的軟質耐火物を一体的又は全体に充填する、又は（Ｂ）相対的軟質耐火物である目地材を介して、相対的軟質耐火物、若しくは相対的軟質耐火物でない耐火物を充填する、ことが可能である。なお、前記（Ｂ）の「相対的軟質耐火物でない耐火物」の場合は目地材が相対的軟質耐火物であることにより応力緩和部分内の耐火物全体としては前記特性を有することとなるので、目地材の内側の耐火物に関してはそのような特性を備えなくてもよい、すなわち相対的軟質耐火物でなくてもよいということである。

さらに、充填する相対的軟質耐火物による発生応力をもほぼ完全に抑制するためには、相対的軟質耐火物自体が熱膨張することによる寸法変化分又は体積変化分を吸収できることが好ましい。

すなわち、例えば、次の（式３）を満たす条件のような場合である。

（Ｄｓ×Ｓｈ）＋（Ｔｍ×２×Ｓｍ） ≧ （Ｄｓ×Ｅｓｈ）＋（Ｔｍ×２×Ｅｓｍ）
…（式３）
ここで、
Ｄｓ ：溝状空間内に目地材を充填した場合の目地部より縦方向中心軸側（中央側）のストッパーヘッド本体の外径（目地部内径）、又は、凹状の穴（貫通孔）の中に充填する芯状の耐火物の外径（目地部内径）若しくは凹状の穴（貫通孔）の中に一体的な耐火物を充填する場合のその凹状の穴（貫通孔）の内径（ｍｍ）。（前記目地部が真円でない場合はその最大寸法。）
Ｓｈ ：溝状空間に目地材を充填した場合の目地部より縦方向中心軸側（中央側）のストッパーヘッド本体、又は、凹状の穴（貫通孔）の中に充填する芯状の耐火物の熱間における可縮率（％）、
Ｅｓｈ：溝状空間に目地材を充填した場合の目地部より縦方向中心軸側（中央側）のストッパーヘッド本体、又は、凹状の穴（貫通孔）の中に充填する芯状の耐火物の熱間における熱膨張率（％）
Ｔｍ ：目地部（目地材）の厚み（ｍｍ）
Ｓｍ ：目地材の熱間における可縮率（％）
Ｅｓｍ：目地材の熱間における熱膨張率（％）

前記の（式３）の左辺は充填する耐火物の可縮代、右辺は充填する耐火物の熱膨張代を示し、可縮代が熱膨張代以上の場合に、充填する耐火物の外部すなわちストッパーヘッド本体側には圧縮応力が殆ど発生しないことを意味している。この（式３）では可縮性をその一つの指標としたが、圧縮応力が殆ど発生しないことを示す関係式でありさえすれば、可縮性の代わりに破壊強度、クリープ性等の他の特性（変形能等）を用いて評価することも可能である。

なお、前記の可縮率、熱膨張率は相対的なものであればよく、評価方法を限定したり絶対値を特定する必要はない。例えば、可縮率については熱間１０００℃程度において２ＭＰａ程度の荷重下での値（％）（目地材の場合は、例えば２個のφ２０ｍｍ×５０ｍｍのれんがのφ２０ｍｍの面間に１ｍｍの目地材を挟み込み、それを硬化させたサンプルにおいて、φ２０ｍｍ面に２ＭＰａの荷重を加えた状態で測定）とすることができる。ここで、１０００℃は、ストッパーヘッド本体表面から内孔等までの肉厚方向において、応力発生が大きくなる領域の下限温度付近であり、またこの温度を超えた場合の可縮性はほとんどの耐火物では増加するので、１０００℃での可縮性を用いればほぼ妥当であり、荷重２ＭＰａは、この値をストッパーヘッド本体の破壊強度の下限付近程度とみなしたものであり、２ＭＰａの荷重下の値を用いればほぼ妥当である。

以上のように応力緩和部分に耐火物を充填する場合は、例えば前記の（式３）に示す条件のように、充填する耐火物自体により発生する圧縮応力をその耐火物自体で吸収又は緩和して、ストッパーヘッド本体に圧縮応力を及ぼさないことが、より好ましい。

このように応力緩和部分に耐火物を充填したストッパーヘッド本体において、充填した耐火物による発生応力が、そのストッパーヘッド構造体を損傷しない程度に緩和される否かを確認するには、それら個別の耐火物を調査すること以外に、約１５００ないし１５５０℃程度の溶鋼にそのストッパーヘッド本体を直接浸漬して亀裂や破壊等の損傷が発生しないことを確認することが好ましい。この浸漬試験においてはストッパーヘッド本体を１０００℃程度で予熱しても構わないが、予熱しない方がより厳しい条件で評価することができる。これらの細部の条件は、個別の具体的な操業条件により決定すればよい。このような浸漬試験でストッパーヘッド本体に亀裂や破壊等の損傷が発生しない場合は、少なくとも応力緩和部分（組織断絶）による応力緩和作用が機能していること、及び充填した耐火物が前記の組織断絶による応力緩和作用を害していないことを意味する。

前記２の「応力緩和部分の内面の一部又は全部に、その縦中心軸方向に対して角度を有する傾斜部を設け、かつ、その縦方向中心軸又は傾斜部に沿って、充填した耐火物が移動可能にする」方法とは、応力緩和部分の内面に下方向（ストッパーヘッド本体先端方向）又は上方向（ストッパーヘッド本体先端と反対の方向）に向かって拡径する傾斜部を設け、かつ、前記応力緩和部分の径について、当該応力緩和部分の縦方向いずれの位置においても拡径側方向の径をその反対側方向に径以上の大きさにする、ということである。

このような傾斜部を設けることで応力を緩和する機構は次のとおりである。充填する耐火物やストッパーヘッド本体の耐火物が熱膨張した際に、これら耐火物間には縦方向中心軸に直角な方向又はストッパーヘッド外表面に沿う方向の圧縮応力が発生するが、傾斜部により圧縮応力が応力緩和部分縦軸方向側にも分解され、充填する耐火物がその傾斜にしたがって縦軸方向に移動することが可能になり、その移動によって圧縮応力が緩和される。言い換えると、充填する耐火物が傾斜部に沿って移動することが可能な条件の下、傾斜部は縦方向中心軸の上方に向かって拡径（下方に向かって縮径）しても下方に向かって拡径（上方に向かって縮径）してもよいが、縦方向中心軸に沿って同一の方向に拡径又は縮径する必要がある。

応力緩和部分の内面の一部に傾斜部を設ける場合、傾斜部はストッパーヘッド本体の外表面を起点として設けること、すなわちこのような傾斜部は、ストッパーヘッドの外表面側、最先端付近に設置することが最も効果的であり、好ましい。この傾斜部をストッパーヘッド本体外表面側、最先端付近に設けることが好ましい理由は、ストッパーヘッド本体に発生する圧縮応力は外表面を最大としてその外表面から内部に至るにしたがって低下し、ある点から圧縮応力が引張応力に転換するが、この圧縮応力を緩和することで引張応力も緩和されるので、圧縮応力の大きいストッパーヘッド本体下方外表面付近での圧縮応力を緩和するため、またその付近に傾斜部を設ける方がより効果的に充填する耐火物が移動するからである。

また、この傾斜部の角度に関しては、耐火物の静摩擦係数が０．２程度であることから、応力緩和部分の縦方向中心軸（ストッパーヘッド本体の縦方向中心軸と同一の場合は図１のＡｃ）に沿った断面において、その縦方向中心軸に平行な線に対し、各々５°程度以上であることが好ましく、１０°程度以上であることがより好ましい。

応力緩和部分が、溝状空間又は凹状の穴の場合は、その製造上の容易さ、応力緩和部分すなわちストッパーヘッド本体の内部に応力が集中しやすい鋭角部分を設けない等の観点からも、傾斜部分は下方向（ストッパーヘッド本体先端方向）に拡径するように設けて、充填した耐火物が下方向（ストッパーヘッド本体先端方向）に移動することができるようにすることが好ましい。

なお、傾斜部以外の部分には、充填した耐火物が移動した場合にも応力緩和部分の内面と充填した耐火物との間に隙間等が生じないようにするために、応力緩和部分の中心軸方向（充填した耐火物が移動する方向）の移動代以上の長さを有する、前記中心軸に平行な面（例えば前記中心軸を中心とする円柱状の面）を設けることが好ましい。

この応力緩和部分の傾斜部に充填する耐火物は、移動方向が拘束されていない等によりこの耐火物が移動可能なこと条件として、相対的軟質耐火物でなくてもよい。

このような傾斜部を利用した応力緩和作用を得るためには、耐火物を応力緩和部分に充填する際に使用する目地材や接着剤、又は充填する一体的な耐火物は、その充填する耐火物を単に保持する程度のストッパーヘッド本体との接着強度を備えていればよい。

この場合の接着強度は、例えば３点曲げの方法(例えば２個の２０ｍｍ×２０ｍｍのストッパーヘッド本体用耐火物の平面試料間に１ｍｍ厚みの目地材又は接着剤を挟んで設置し、１１０℃乾燥後の試料を使用、スパン８０ｍｍ)による接着強度で評価することができ、その最低値は、具体的には充填する耐火物が溶鋼から受ける圧力（溶鋼ヘッド圧に充填する耐火物の溶鋼接触面積を乗じた圧力）を充填する耐火物と応力緩和部分の接触面積で除した値を超えるものとし、最高値はストッパーヘッド本体用耐火物の曲げ強度(ＪＩＳ２２１３の測定方法等)未満であればよいが、充填する耐火物のスムーズな移動や応力緩和のためには、その１／２倍程度以下であることが好ましい。

さらに本発明者らは、前記の応力緩和部分（溝状空間、凹状の穴）の形状に関し、応力緩和部分のストッパーヘッド本体表面からの深さＦ（ｍｍ）とストッパーヘッド本体の肉厚ｔ（ｍｍ）との関係、及び応力緩和部分のストッパーヘッド本体の縦方向中心軸を中心とする最大直径Ｗ（ｍｍ）とストッパーヘッド本体の外径Ｄ（ｍｍ）との関係が熱応力に及ぼす影響を有限要素法により解析したところ、発生応力は、（Ｆ／t）×（Ｗ／Ｄ）の値に対し−１．３の傾きの近似直線に従って減少すること、すなわち、応力緩和部分がない場合（Ｆ及びＷが０）の発生応力を１とすると、次の式（ａ）の関係があることがわかった。

１−１．３×（Ｆ／t）×（Ｗ／Ｄ） ∝ 発生応力(σ) …（ａ）

また、ストッパーヘッド本体内の発生応力と損傷抵抗性との関係は、ストッパーヘッド本体の、常温における弾性率（ＧＰａ）をＥ、１０００℃における熱膨張率（％）をα、４００℃における熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）をλとすると、次の式（ｂ）の関係となる。

ｔ×Ｅ×α/λ ∝ 発生応力(σ) …（ｂ）

前記の式（ａ）と式（ｂ）とから、次の式（ｃ）の関係を導くことができる。

｛１−１．３×（Ｆ／t）×（Ｗ／Ｄ）｝×（ｔ×Ｅ×α/λ） ∝ 発生応力 …（ｃ）

この関係から、応力緩和部分がない場合の発生応力を１とすると、応力緩和部分が存在する場合（Ｆ及びＷが≧０）に発生応力が１未満となること、すなわち、ストッパーヘッド本体の損傷の危険性が低減することがわかる。また、（Ｆ／t）又は（Ｗ／Ｄ）が大きいほど、発生応力の値（応力緩和部分がない場合の発生応力を１とする指数）が小さくなり、ストッパーヘッド本体の損傷の危険性が低減することがわかる。

ここで、（Ｆ／t）が最大になるのは、内孔を有するストッパーヘッドの場合は応力緩和部分が貫通しているとき、内孔を有さないストッパーヘッドの場合は応力緩和部分の深さＦがｔに等しくなる、すなわち応力緩和部分の深さが、嵌合部の接線に直角な線の延長線とストッパーヘッド本体の縦方向中心軸の線とが交差する位置までの深さのときである。同様に（Ｗ／Ｄ）が最大になるのは、応力緩和部分の最大直径Ｗが実用上ストッパーヘッド本体の嵌合部の直径を超えない、嵌合部のずれ幅を除いた最大の直径を有している場合である。

さらに本発明者らは、前記の式（ｃ）で表される発生応力がストッパーヘッド本体の常温の曲げ強度σs（ＭＰａ）に係数Ｋを乗じた値未満であれば、ストッパーヘッド本体の損傷を防止できることを見出した。すなわち、次の式（ｄ）の場合にストッパーヘッド本体の損傷を防止することができる。

｛１−１．３×（Ｆ／t）×（Ｗ／Ｄ）｝×（ｔ×Ｅ×α/λ） ＜ σs・Ｋ …（ｄ）

この式（ｄ）を書き換えると、次の式（ｅ）となる。

Ｆ・Ｗ ＞ Ｄ・（ｔ−Ｋ・σｓ・λ／（Ｅ・α））／１．３ …（ｅ）
ここで、
Ｆ ：応力緩和部分のストッパーヘッド本体表面からの深さ（ｍｍ）（図１のＦ）
Ｗ ：応力緩和部分のストッパーヘッド本体の縦方向中心軸を中心とする最大直径（ｍｍ）（図１のＷ）
Ｄ ：ストッパーヘッド本体の外径（ｍｍ）（図１のＤ）
ｔ ：ストッパーヘッド本体の肉厚（ｍｍ）（図１のｔ）
σｓ：ストッパーヘッド本体の常温の曲げ強度（ＭＰａ）
λ ：ストッパーヘッド本体の４００℃における熱伝導率（Ｗ/ｍＫ）
Ｅ ：ストッパーヘッド本体の常温における弾性率（ＧＰａ）（２０ｍｍ×２０ｍｍ×８０ｍｍの試料を使用した音波法の測定方法による弾性率）
α ：ストッパーヘッド本体の１０００℃における熱膨張率（％）
Ｋ ：係数

すなわち、本発明において応力緩和部分は前記の式（ｅ）を満たすことが好ましい。

なお、前記シミュレーションの条件、各変数の意味等は次の通りである。

有限要素法による熱応力解析は、ストッパーヘッド本体の外表面を１１００℃に予熱した状態から１５５０℃の急加熱を行い、すなわち実操業における熱応力発生時のストッパーヘッドの使用条件をモデルとし、非定常での数分間内の最大発生応力を基準にした。

前記のＤは、一般的には、ストッパーヘッド本体の縦方向中心軸に沿った断面において、ストッパーヘッド本体の左右の嵌合部間を結ぶ直径に１．２を乗じた長さと等しくなる。これは、ストッパーヘッド本体の一般的・平均的な直径の長さが、嵌合位置の機械的なズレや溶損等によるズレを許容する安全性等を考慮して決定される、合理的なストッパーヘッド本体の形状を基礎とすると、ストッパーヘッド本体の左右の嵌合部間を結ぶ長さに約１．２を乗じた長さに設計されるからである。

前記のｔについて詳しく説明すると、ｔは、ストッパーヘッド本体の縦方向中心軸に沿った断面において、ストッパーヘッド本体の嵌合部の位置（図１の１２）と、その位置の接線に直角な方向のストッパーヘッド本体の縦方向中心軸方向への延長線がストッパーヘッド本体の内孔表面と交差する位置（図１の１５）までの直線距離（図１のｔ）である。内孔がその部分に存在せずに前記延長線が内孔表面と交差する位置がない場合は、嵌合部の位置（図１の１２）から前記延長線とストッパーヘッド本体の縦方向中心軸（図１のＡｃ）との交点（図１の１７）までの直線距離をｔとしてかまわない。

前記のストッパーヘッド本体の曲げ強度σｓを常温の値とするのは、損傷の発生の起点となる引張応力が働く部分がストッパーヘッド本体の内孔側であって、この付近はスピンドルの冷却等により数百℃以下に保たれており、耐火物の常温での物性とほぼ同じであるからである。

前記のストッパーヘッド本体の熱伝導率λ（Ｗ/ｍＫ）を４００℃における値とするのは、冷却等による温度勾配の下、広範囲の平均的な温度域であるからである。

前記のストッパーヘッド本体の音波法の測定方法による弾性率Ｅを常温における値とするのは、損傷の発生の起点となる引張応力が働く部分がストッパーヘッド本体の内孔側であって、この付近はスピンドルの冷却等により数百℃以下に保たれており、耐火物の常温での物性とほぼ同じであること等による。

前記のストッパーヘッド本体の熱膨張率αを１０００℃における値とするのは、１０００℃が、予熱時における温度勾配が定常状態となったときのストッパーヘッド本体表面付近の平均的な温度であること、及び、１０００℃を超えた領域では軟化の影響が出始めて評価の精度が低下するので、より精度の高い評価のためにそれらを排除するためである。

前記のＫは、いわゆる安全率等を含む、定量的又は理論的に明らかにすることができない損傷に影響を及ぼす諸要素を総合的に集約した事実上の係数であって、本発明者らは、前述の計算結果（有限要素法による熱応力計算結果）と、それら計算の基礎となる応力緩和部分を有するストッパーヘッド本体を溶鋼中に浸漬したときの実際の損傷との対応関係を調査することで損傷を防止するためのＫの値を得た。その結果、前記の式（ｅ）においてＫの値が７以下の場合にストッパーヘッド本体の損傷を顕著に軽減ないしは防止できることを見出した。

すなわち、前記の式（ｅ）は、次の（式１）となる。

Ｆ・Ｗ ≧ Ｄ・（ｔ−７・σｓ・λ／（Ｅ・α））／１．３ …（式１）

ここで、応力緩和部分の径（円柱状の場合は直径、真円でない場合は最大長さを直径とみなした、その最大径。図１及び図２等の符号Ｗ）及び縦方向中心軸方向深さ（図１及び図２等の符号Ｆ）については、図９に示すように、これらの大きさと応力緩和程度は直線的な関係があることを本発明者らは見出したが、このことから、前記の径と深さが小さくても溝状の空間又は凹状の穴が存在しさえすれば応力を緩和することができることがわかる。すなわち、ストッパーヘッド本体の製造上の表面寸法精度又は耐火物自体の表面粗さ等により避けられない凹部等を除き、応力緩和効果を発現するための下限値はないといえる。

なお、従来技術による実操業上のストッパーヘッドの損傷トラブル発生率は約０．３％である。この損傷トラブルを生じた際の操業における予熱温度及びその時間の変動を調査し、それがストッパーヘッド本体内に発生する応力に及ぼす影響を検討したところ、発生応力が最大約３％程度高まっていたものと推測された。したがって、ストッパーヘッド本体内に発生する応力を約３％以上緩和することが好ましい。
本発明において、前述の応力緩和部分の形状と発生応力の割合とは図９に示す関係にあることから、この図９中の発生応力の割合（縦軸）が３％低下する点、すなわち０．９７以下になる（Ｆ／t）×（Ｗ／Ｄ）の値（横軸）になる応力緩和部分の形状が好ましい。詳述すると、ストッパーヘッド本体表面からの深さＦ（ｍｍ）とストッパーヘッド本体の肉厚ｔ（ｍｍ）との関係、及びストッパーヘッド本体の縦方向中心軸を中心とする最大直径Ｗ（ｍｍ）とストッパーヘッド本体の外径Ｄ（ｍｍ）との関係を示す、（Ｆ／t）×（Ｗ／Ｄ）の値が０．０３以上になるＦ及びＷを設定することが好ましいということである。

すなわち、本発明の応力緩和部分の形状は、図９において発生応力の割合（縦軸）が約０．９７以下（約３％の応力緩和）の場合である、応力緩和部分の径の比（Ｗ／Ｄ）と応力緩和部分の深さの比（Ｆ／t）との積が０．０３以上が好ましく、Ｋ≦７である前記（式１）の条件を満たす応力緩和部分の形状がより好ましい。

応力緩和部分の深さ（図１等のＦ）は、前記の式（ｅ）及び（式１）のとおり、深いほど応力緩和効果が高まる。その凹状の穴の深さが最大の場合が、ストッパーヘッド本体に内孔を有する場合はその内孔まで貫通する貫通孔である。

この貫通孔の場合は、前記の式（ｅ）及び（式１）のＦ／Ｔを１とみなすことができるので、前記（ｅ）式は次の式（ｆ）に置き換えることができる。

Ｗ ＞ Ｄ・（１−Ｋ・σｓ・λ／（Ｅ・α・ｔ））／１．３ …（ｆ）

前記の溝状の空間及び凹状の穴の場合と同じく、Ｋ≦７がより好ましいので、前記式（ｆ）は次の（式２）に置き換えることができる。

Ｗ ≧ Ｄ・（１−７・σｓ・λ／（Ｅ・α・ｔ））／１．３ …（式２）

また、このように応力緩和部分としてストッパーヘッド本体内部の内孔まで貫通する貫通孔を設けると、ストッパーヘッド本体の耐火物組織の中に亀裂の起点になり易い応力緩和部分の終点（溝状空間又は凹状の穴の上端部）がないため、この点からも損傷の危険性を低減又は防止する効果を高めることができる。

なお、アルミナ等の非金属介在物の付着防止する目的等で、ストッパーヘッド本体先端からガスを吹き込むための、すなわち不活性ガスの供給装置に連通した不活性ガスの流通経路としての数ミリメートル以下程度の小径の貫通孔を先端に設けたストッパーヘッドは既に存在する。このような貫通孔にガスを流通させると貫通孔周辺のストッパーヘッド本体は常時冷却され、約１０００℃以上から使用時は１５５０℃に曝されるストッパーヘッド本体の外表面との温度差が大きくなり、ストッパーヘッド本体内には強く、かつ複雑な分布の応力が発生し、損傷の危険性を高めることになる。したがって、ストッパーヘッド本体の損傷の危険を高めず、低減するためには貫通孔にはガスを流通させないことが好ましい。すなわち本発明の貫通孔は、そのようなガス吹き込みを目的とするものとは異なり、ガスを流通させることもガスを吹き込むこともなく、不活性ガスの供給装置に連通した不活性ガスの流通経路でもない。

因みに、前述のとおり、溝状の空間、凹状の穴又はガスを流通させない貫通孔の一部又は全部の内面がストッパーヘッド本体の外部に連通した空間であると、その内面からも熱がストッパーヘッド本体の内部に伝達するので、ストッパーヘッド本体内部の温度分布と応力分布がなだらかになり、ストッパーヘッド本体の損傷の危険性がより低下する。

このように貫通孔を設ける場合には、金属製のスピンドルの先端部分にセラミックス若しくは耐火物からなる部分やそれらに空冷装置を組み込んだ部分等を設けて金属製のスピンドルが溶鋼によって溶融若しくは強度を維持できない程度の温度（概ね３００℃以上）に上昇することを防止する、金属製のスピンドルまで溶鋼が到達しないようにするために貫通孔の上端部や下端外部に板状のセラッミックス製や耐火物製の蓋を設置する、又は貫通孔の一部又は全部に耐火物（以下「栓状耐火物」という。）を充填する、等の工夫を施す必要がある。このうち最も容易且つ安定的でコスト面からも現実的なのは貫通孔の一部又は全部に栓状耐火物を充填する方法であり、この方法が好ましい。この場合も凹状の穴の延長線上にあるので、溝状の空間又は凹状の穴の一部又は全部に耐火物を充填する場合と同様に、前述した１．充填する耐火物自体に応力緩和能を示す特性を有するものを使用する、２．応力緩和部分の内面の一部又は全部に、その縦中心軸方向に対して角度を有する傾斜部を設け、かつ、その縦方向中心軸又は傾斜部に沿って、充填した耐火物が移動可能にする、等と同様の手段を採ることができる。

なお、ストッパーヘッド本体下方外周面の昇温速度が大きい場合や、定常状態でのストッパーヘッド本体下方外周面と内孔側との温度差が大きいほどストッパーヘッド本体内の温度勾配が大きくなって、ストッパーヘッド本体外表面の圧縮応力は大きくなり、ストッパーヘッド本体内部内孔側の圧縮応力が引張応力に転換する点も移動する。そのような個別の操業上の条件、ストッパーヘッド本体の形状や構成耐火物の物性等が異なる場合にも、本発明の手段における各式等の変数を入れ替える等により、個別の条件にさらに特化した最適な応力緩和形状等を得ることができる。

本発明により、溶融金属の排出制御に使用するストッパーヘッド、とくにガスを吹き込む機能を備えない一体的な構造のストッパーヘッドの損傷の危険性を低減しあるいは防止することができる。

最初に本発明のストッパーヘッド本体の製造方法について説明する。

応力緩和部分として、前述の溝状の空間、凹状の穴又は貫通孔を有するストッパーヘッド本体は、例えば耐火物で一体形状に成形したストッパーヘッド本体に、応力緩和部分に相当する形状でストッパーヘッド本体先端をボーリングすることによって得ることができる。また、予め応力緩和部分を設ける形状に設計された成形用の金属製の芯棒や金属製の型枠を使用して、その型枠内に充填されたはい土をストッパーヘッド本体の縦方向中心軸方向にフリクションプレスにより加圧成形する等で得ることもできる。

応力緩和部分に耐火物を充填する場合は、中心側の充填する耐火物に目地材を塗布して装着する、応力緩和部分の内形状に合わせて成形した耐火物を嵌め込む、又は、とくに一体的な相対的軟質耐火物の場合には流し込み、パッチング、吹き付け（吹き込み）等の適宜な方法で充填することができる。

これらの方法で成形又は組み立てたストッパーヘッド本体は、目地材等の充填した耐火物の硬化、水分等の揮発分の除去等を目的に乾燥し、又は強度発現等を目的に焼成することができる。酸化防止材を塗布する場合は、乾燥若しくは焼成の前後又は間に塗布することができる。

充填する相対的軟質耐火物以外の耐火物としては、ストッパーヘッド本体からボーリングで得たコアやストッパーヘッド用材質類似の成分や物性を有する耐火物等を用いることができる。

目地材等の相対的軟質耐火物としては、一般的な耐火材料に使用されるアルミナ質、アルミナ−シリカ質、ジルコニア質、ジルコン質、スピネル質、マグネシア質、炭素質等の単独又はこれらの混合物若しくは化合物からなる耐火骨材を主たる構成物とし、これらに有機質若しくは無機質の結合材を含む耐火材料を使用することができる。これらにガラス成分（例えば珪酸アルカリ、アルカリ金属系酸化物、硼素系化合物等）等の個別の操業における予熱温度（通常は約１２００℃）以上、好ましくは約１０００℃以上の熱間で軟化する成分を含むことができる。

目地材の場合、応力緩和機能を発現するための変形能、可縮性等を大きくするために、目地材を構成する耐火原料の最大粒径は、設置する溝状の空間等の最小厚み以下であることが必要なのは当然であるが、その厚みが０．５ｍｍを超える場合にも０．５ｍｍ以下程度が好ましく、０．２ｍｍ以下がさらに好ましい。また、目地材の溶鋼による摩耗や化学的な侵食が大きい場合、その侵食等を抑制するためにはできるだけ目地材の厚みは小さくすることが好ましい。

この目地材等の相対的軟質耐火物の変形能又は可縮性等の調整は、目地材等を構成する耐火物の組成として、例えばＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−ＣａＯ系や前記のガラス成分（例えば珪酸アルカリ、アルカリ金属系酸化物、硼素系化合物等）等の、約８００℃〜約１５００℃程度の温度でそれらが単独で若しくは相互に反応して軟化若しくは低融化するような成分を含ませ、その含有量を調整したり、黒鉛や粘土等のそれ自体が可縮性を有する耐火原料を含ませる等の方法によって行うことができる。このほか、有機繊維や有機物の粒子若しくは有機物の液体等を目地材中に予め混入させておき、乾燥後若しくは昇温後にそれらを消失させて目地材中に小さな空間を多数分散させ、その空間に目地材を構成する耐火骨材を、ストッパーヘッド本体内部に発生する応力に応じて移動可能にする等によりその膨張を吸収させることでストッパーヘッド本体の耐火物よりも変形能若しくは可縮性を高め又は強度を低下させる方法等をも採り得る。

次に、本発明のストッパーヘッドに設ける応力緩和部分に関する実施形態の具体例を図面を参照して説明する。

図１〜図８に示す本発明のストッパーヘッド１０の基本構成はいずれも同じであり、図１を参照して説明すると、耐火物からなるストッパーヘッド本体１の縦方向中心軸Ａｃ上にスピンドル２が挿入され、固定用目地３によって固定されている。また、スピンドル２の先には、中空状の内孔４が残されている。

このような基本構成において、図１の例では、応力緩和部分として溝状空間５を設けている。この溝状空間５は、その外周がストッパーヘッド本体１の縦方向中心軸Ａｃを中心とした直径Ｗの円周上に位置し、厚みＴｍを有する環状の空間である。

図２の例は、図１に示した溝状空間５の厚みＴｍを最大にした例として、凹状の穴６を設けた例である。

図３（ａ）及び（ｂ）の例は、図２に示した凹状の穴に耐火物７を充填した例である。この穴の形状は、穴の縦軸方向の面がストッパーヘッド本体１の縦方向中心軸の方向に対して平行な場合（図３（ａ））の他、穴の縦軸方向の面がストッパーヘッド本体１の縦方向中心軸の方向に対して拡径した、台形のような形状等（図３（ｂ））とすることもできる。

充填する耐火物７の材質は、図３（ａ）の場合は、前述の通り相対的軟質耐火物を適用することが好ましいが、図３（ｂ）の場合には相対的軟質耐火物ではないストッパーヘッド本体１用の耐火物と同等の物性を有する材質等を適用することもできる。この理由は、図３（ｂ）に示すようにストッパーヘッド本体の下端外部方向に拡がる傾斜部（テーパー）を有する截頭円錐状等の形状（図３（ｂ）中のＤｓ＞Ｄｓｓ）であれば、充填した耐火物７が熱膨張により下方に移動することが可能であるからである。この移動によりストッパーヘッド本体１用の耐火物の熱膨張により発生する応力を緩和することが可能となる。

図４の例は、応力緩和部分として、ストッパーヘッド本体１の下方先端部から内孔４まで貫通する貫通孔を設け、この貫通孔に、目地材９を介してストッパーヘッド本体１用の耐火物と同等の物性を有する栓状耐火物８を設置した例である。図４の例において、その応力緩和部分の形状は、ストッパーヘッド本体１の縦方向中心軸を中心とした回転体となるほぼ円柱状としている。なお、目地材９の厚みＴｍは、前記の（式３）を満たすように設定している。

図５の例は、図４の例と同様に、応力緩和部分として、ストッパーヘッド本体１の下方先端部から内孔４まで貫通する貫通孔を設け、この貫通孔に、目地材９を介してストッパーヘッド本体１用の耐火物と同等の物性を有する栓状耐火物８を設置した例であるが、この図５の例では、その応力緩和部分の形状をストッパーヘッド本体１の下方向に拡大する截頭円錐状（図５中のＤｓ＞Ｄｓｓ）、すなわち傾斜部１１を有する形状としている。また、この例ではストッパーヘッド本体１の縦方向中心軸と応力緩和部分の中心軸をほぼ同一にしている。これによって、ストッパーヘッド本体１の下方先端部と栓状耐火物８とが熱によって膨張した場合に、栓状耐火物８がその膨張代の差の程度に応じて下方に移動し、ストッパーヘッド本体１の下方先端部に発生する圧縮応力を緩和することができる。

図６の例は、応力緩和部分がストッパーヘッド本体１の縦方向中心軸方向で段付きの構造を有し、その上下段の間を傾斜部１１とした例である。図６の例のように、応力緩和部分の内孔４側の径を先端（下端）側の外周の径よりも大きくすることで栓状耐火物８の脱落を防止することができ、また内孔４への溶鋼の侵入を防止することができ、さらに、傾斜部１１により、栓状耐火物８の上下方向への若干の移動も可能となる。

図７の例は、前記の図４の例と同様の構造を有するが、応力緩和部分に充填した栓状耐火物８の下方先端側にさらに穴状の空間６ａを設けた例である。このように先端部分に穴状の空間６ａを有すると、先端部分での拘束力がより一層小さくなって圧縮応力が生じにくくなると共に、ストッパーヘッド本体１の内孔４側への熱伝導速度も速まって、内孔面側の引張応力の発生を低位に止めることもできるので、図４の例よりもさらに応力緩和能が高まる。つまり、とくに急激な温度変化のある使用条件下で発生する応力を緩和する能力が高まる。

図８（ａ）及び図８（ｂ）の例は、前記の図４ないし図７の例と同様に、応力緩和部分としての貫通孔に目地材９を介して栓状耐火物８を充填した構造を有するが、応力緩和部分の下方先端側に傾斜部１１を設けた例である。図８（ａ）の例では、傾斜部１１が上方に向かって拡径しているので、熱膨張により栓状耐火物８は上方に移動することができ、図８（ｂ）の例では、傾斜部１１が下方に向かって拡径しているので、熱膨張により栓状耐火物８は下方に移動することができる。このような熱膨張による栓状耐火物８の移動の効果は熱膨張が最も大きい部分に傾斜部１１を設けることでその最大の効果も得られるので、傾斜部１１はこの図８の例のように応力緩和部分の先端（下端）部分に設けることが好ましい。

図８（ａ）及び図８（ｂ）のいずれの例でも、応力緩和部分の傾斜部１１以外の一部には、ストッパーヘッド本体１の縦方向中心軸に平行で栓状耐火物８の移動代以上の長さを有する内面、すなわちストッパーヘッド本体１の縦方向中心軸を中心軸とする円柱状の部分を設けている。この円柱状の部分の存在により、栓状耐火物８が移動してもストッパーヘッド本体１の外部から内孔４までの間に空隙が生じることがなく、溶鋼が内孔４に侵入することを抑制することが可能となり、より安全性を高めることができる。なお、図８（ｂ）の例では応力緩和部分としての貫通孔、傾斜部等に加えて下方先端を平面状にしており、これにより先端付近の発生応力をさらに低減させている。

本実施例は、前記の式（ａ）に関し、Ｆ／ｔの値及びＷ／Ｄの値と、有限要素法によるストッパーヘッド本体内の発生応力計算結果との関係を示すものである。

この計算においては、図１に示す形状を基本とし、ｔ＝５０ｍｍ、Ｄ＝１５５ｍｍ、ストッパーヘッド本体外周面の初期温度を１２００℃、内孔表面の初期温度を１０００℃とし、ストッパーヘッド本体外周面を１５５０℃に急加熱したと仮定したとき、加熱開始から１分間以内の非定常状態での最大発生応力を計算した。

なお、この計算においてストッパーヘッド本体をなす耐火物の物性は、４００℃における熱伝導率λを１０（Ｗ/ｍＫ）、常温における音波法での測定による弾性率Ｅを２０（ＧＰａ）、１０００℃における熱膨張率αを０．７（％）とした。

計算結果を表１及び図９に示す。

表１の（Ｆ／ｔ）×（Ｗ／Ｄ）の値を横軸に、発生応力指数を縦軸にグラフ化した図９から、その傾きが約１．３の近似直線を得ることができることがわかる。

前記の計算例の他、ｔ＝３０〜７０、Ｄ＝８０〜１８０、λ＝２〜１５、Ｅ＝５〜３０、α＝０．５〜１．２の範囲でも同様に、前記の傾きが約１．３となることを確認した。

本実施例は、前記の式（ｅ）に関し、式中の各変数を変化させて、式（ｅ）のＫ値を求め、それらと熱衝撃試験及び実操業における亀裂、欠落等の発生率との関係を調査した結果を示す。

この計算において、比較例は図１４に示す形状を基本とし、実施例はそれに図１ないし図４（いずれの形状でも式（ｅ）の計算結果に影響はない）に示すように応力緩和部分（Ｆ及びＷ）を加えた形状とした。ここで、用いた形状寸法のうち、ｔは５０ｍｍ、Ｄは１５５ｍｍである。

結果を表２、図１０及び図１１に示す。

熱衝撃試験及び実操業においては、実施例ａ〜ｃは本発明の図３（ａ）に示す構造、実施例ｄ〜ｆは本発明の図４に示す構造、比較例は図１４に示す構造とした。本実施例におけるストッパーヘッド本体用耐火物、栓状耐火物、目地材の物性は表３に示すとおりである。

実施例ａ〜ｃ、すなわち図３（ａ）の構造の凹状の穴の中には表２に示す目地材を充填した。なお、目地材は原料粒径０．２ｍｍ以下の珪酸塩結合のアルミナ−シリカ質に炭素を含む耐火材料であり、ストッパーヘッド本体用耐火物、栓状耐火物よりも可縮性が大きい耐火物、すなわち「相対的軟質耐火物」である。

実施例ｄ〜ｆ、すなわち図４の構造の実施例では、応力緩和部分の内径＝目地部の外径（図４のＷ）を３０ｍｍ、Ｄを１５５ｍｍ、栓状耐火物のストッパーヘッドの縦方向長さ（図４のＨｃ）を６５ｍｍ、目地材の厚み（図４のＴｍ）を１ｍｍとした。なお、実施例ｄ〜ｆの場合、前記の（式３）の計算結果は、いずれも左辺≧右辺の条件を満たしている

熱衝撃試験では、実タンディッシュの操業時に本実験用の試料を操業用のストッパーヘッドの横に配置し、無予熱のほぼ常温の試料を、約１５００℃〜１６００℃のタンディッシュへ注入された溶鋼に浸漬（急加熱）し、溶鋼中で１０分間保持した後、外気中での自然冷却後に、ストッパーヘッド本体をその縦方向中心軸に沿って切断し内部の亀裂を観察した。

実操業での試験では、タンディッシュ内の予熱装置による試料の外面からのガスバーナーによる約１２００℃×約１時間保持の予熱後に供し、約１５００℃〜１６００℃のタンディッシュへ注入された溶鋼に浸漬して操業に供した。そして、操業の間の先端の欠落の有無及び操業終了から冷却後にストッパーヘッド本体をその縦方向中心軸に沿って切断し内部の亀裂を観察した。

表２に示すように、実施例ａ〜ｆのＫ値は、物性値が同じ（同材質）であって従来形状である比較例２に対し、何れも低い値となっており、熱衝撃試験による亀裂発生率はこのＫ値の低減に対応して改善効果が高まっていることがわかる。さらにＫ値が７以下の実施例（実施例ｂ、ｃ、ｅ、ｆ）ではいずれも熱衝撃試験による亀裂発生率はゼロであり、さらに顕著な改善効果があることがわかる。

これらの実施例のうち、最も改善効果が高くて実用上ストッパーヘッドの損傷が発生する危険性が最も低いと考えられる実施例ｆを実操業に供した。その結果、亀裂や欠落はゼロすなわち発生率０％（約１年間の実操業での値）で、比較例１の発生率０．３％（約１０年間の実操業での平均値）、比較例２の発生率０．０５％（約３年間の実操業での平均値）に対し大幅な改善効果が確認できた。

なお、比較例３は本発明のように応力緩和部分を設ける手段以外の手段として、物性（耐火物の材質）のみの変更、すなわち熱応力緩和能、耐熱衝撃性等に優れる材質を適用したものである。この比較例３についてはＫ値は１．４と大幅に小さく、前記の熱衝撃試験及び実操業における使用のいずれにおいても亀裂や欠落はゼロすなわち発生率０％（約３年間の実操業での平均値）であった。しかし、このように物性（耐火物の材質）のみの変更、すなわち耐熱衝撃性の改善を材質の変更のみで行おうとした場合は、耐食性や耐摩耗性の著しい低下や嵌合部の異状損傷を招来して、ストッパーヘッドの耐用性を大幅に低下させる状況が多発し、ストッパーヘッドとしての基本的かつ最も重要な機能である、溶融金属の排出制御に支障を来し、実用性に欠ける結果となった。したがって、このような材質のみでの熱応力緩和方法は、流量制御を伴わない溶鋼の排出開始及び停止のみの機能、並びに侵食性や酸化性の比較的小さい鋼種やスラグ等の一部の特殊な条件下でのみ使用可能であって、広く一般的なストッパーヘッドの課題解決手段とはなり得ない。

本発明の図４の実施例及び図５の実施例につき、有限要素法による熱応力解析を行ってストッパーヘッド内に発生する応力を比較例（図１４）と比較した。

図１２（ａ）ないし図１２（ｃ）に、熱応力解析結果（応力分布）を示す。ここで、図１２（ａ）が図４の例、図１２（ｂ）が図５の例、図１２（ｃ）が比較例を示す。

設定した条件は、ストッパーヘッドの外周面に１５００℃の溶鋼を受鋼して７０分後の状態とし、ストッパーヘッドの外径（図４、図５、図１４のＤに相当）はいずれも１５５ｍｍ、応力緩和部分の下方先端部の外径Ｗ（＝Ｄs＋Ｔｍ×２）は、図１２（ａ）では２０ｍｍ、図１２（ｂ）では３０ｍｍかつ側面部分は２５°の傾斜付き、応力緩和部分の高さ（図４、図５のＨｃに相当）は図１２（ａ）、図１２（ｂ）共に６５ｍｍとし（ただし、Ｆ／ｔ＝５０／５０で１とみなせる）、いずれも応力緩和部分は発生する応力を完全に吸収できる可縮性を有するものとした。

図中のＥ１は圧縮応力の領域、Ｅ２は引張応力１．２ＭＰａ以上１．８ＭＰａ未満の領域、Ｅ３は引張応力１．８ＭＰａ以上２．４ＭＰａ未満の領域、Ｅ４は引張応力２．４ＭＰａ以上３．０ＭＰａ未満の領域、Ｅ５は引張応力３．０ＭＰａ以上の領域を示す。

本応力計算の条件の場合、ストッパーヘッドが破壊に至る引張応力は約４ＭＰａと推定されるので、最大引張応力は少なくとも４ＭＰａ未満にする必要があるが、比較例のストッパーヘッド内孔面側の最大引張応力はその破壊が生じる４ＭＰａに近い３．６ＭＰａとなっており、損傷が生じる確率が高いことを示している。これに対し、図４の例では２．０ＭＰａ、図５の例では１．４ＭＰａと大幅に応力が緩和されており、破壊が生じると推定される最大引張応力の約１／２以下に低減されていることがわかる。さらに、耐火物内全体の応力分布も低位でかつ緩やかに分散した状態になり、安全性が高まっていることがわかる。

本実施例は前記の実施例３の熱応力解析結果の検証結果を示す。すなわち。前記の実施例３に対応する本発明及び比較例のストッパーヘッドにつき、溶鋼中に浸漬して熱衝撃を加えてストッパーヘッド本体内の亀裂や破壊の発生状況を調査した。

本発明のストッパーヘッドは、図４及び図５の実施例とし、図４の例においては応力緩和部分の内径＝目地部の外径Ｗを３０ｍｍ、ストッパーヘッド本体の外径Ｄを１５５ｍｍ、Ｈｃを６５ｍｍ、目地材の厚みＴｍを１ｍｍとした。各耐火物の材質、物性は前記の表３と同じである。

また、図５の例においては、応力緩和部分の下端の内径＝目地部の外径Ｗを４０ｍｍ、応力緩和部分の上端の内径＝目地部の外径Ｗｕを２０ｍｍ、Ｄを１５５ｍｍ、Ｈｃを６５ｍｍ、目地材９の厚みを前記の図４の例よりも薄い０．５ｍｍとした。なお、図５の例では、栓状耐火物８が下方向に移動することができることから、ストッパーヘッド本体の表面（特に下端）付近の発生応力を緩和することができるので、目地材９の厚みは前記の（式３）の条件を満たす必要はない。

比較例は、従来技術の構造（図１４）とし、ストッパーヘッド本体の外径Ｄは、前記の実施例と同じ１５５ｍｍとした。

実験は、実タンディッシュの操業時に本実験用の試料を操業用のストッパーセットの横に配置し、実操業の条件下、すなわちタンディッシュ内の予熱装置による試料の外面からのガスバーナーでの約１２００℃×約１時間保持の予熱後、１５００℃〜１６００℃のタンディッシュへ注入された溶鋼に浸漬する方法で行った。

その結果、比較例の使用後の縦方向中心軸に沿った切断面には、図１４に示す亀裂１３と同様のほぼ水平方向の亀裂とさらにその亀裂の内孔４側の基点付近からストッパーヘッド本体の下端方向へも亀裂が生じた。

これに対し、本発明の実施例（図４及び図５の例）では、そのいずれにも使用後の縦方向中心軸に沿った切断面には亀裂は観られず、前記の実施例３の熱応力解析結果と合致する結果を得ることができ、前記の実施例３の熱応力解析の有効性が確認できた。同時に本発明により、ストッパーヘッド本体の応力緩和、すなわち課題を解決できることが確認できた。

応力緩和部分として環状の溝状空間を設けた本発明のストッパーヘッドの例を示す。 応力緩和部分として凹状の穴を設けた本発明のストッパーヘッドの例を示す。 （ａ）は図２に示す凹状の穴に耐火物を充填した本発明のストッパーヘッドの例を示す。（ｂ）は応力緩和部分としての截頭円錐形状の凹状の穴に耐火物を充填した本発明のストッパーヘッドの例を示す。 応力緩和部分としての円柱形状の貫通孔に目地部を介して栓状の耐火物を充填した本発明のストッパーヘッドの例を示す。 応力緩和部分としての截頭円錐形状の貫通孔に目地部を介して栓状の耐火物を充填した本発明のストッパーヘッドの例を示す。 応力緩和部分としての貫通孔に目地部を介して段付き形状の栓状の耐火物を充填した本発明のストッパーヘッドの例を示す。 応力緩和部分としての貫通孔に目地部を介して円柱形状の栓状の耐火物を充填すると共にその下端側にさらに孔状の空間を設けた本発明のストッパーヘッドの例を示す。 （ａ）（ｂ）いずれも応力緩和部分としての截頭円錐形状の貫通孔に目地部を介して栓状の耐火物を充填した本発明のストッパーヘッドの例のうち、下端付近に傾斜部を設けた例を示す。（ａ）は上方に向かって拡径し、（ｂ）は下方に向かって拡径した例を示す。 (Ｆ／ｔ)×(Ｗ／Ｄ)の値と発生応力比率との関係を示す。 表３におけるＫ値（式（１）のＫ値）と熱衝撃試験による亀裂発生率の関係を示す。 表３におけるＫ値（式（ｅ）のＫ値）と実操業での亀裂発生率の関係を示す。 熱応力解析結果（応力分布）を示し、（ａ）は図４の例、（ｂ）は図５の例、（ｃ）は比較例（図１４の例）の結果を示す。 ストッパーヘッドと上ノズルとの嵌合状態を示す。 従来のストッパーヘッドを示す。

符号の説明

１ ストッパーヘッド本体
２ スピンドル
３ スピンドルとストッパーヘッド本体の固定用目地
４ ストッパーヘッド本体の内孔
５ 溝状空間
６ 凹状の穴
７ 凹状の穴に充填した耐火物
８ 貫通孔に設置した栓状耐火物
９ 貫通孔内に栓状の耐火物を設置するための目地材又は接着材
１０ ストッパーヘッド
１１ 応力緩和部分の傾斜部（截頭円錐の側面）
１２ ストッパーヘッド本体と上ノズルの嵌合部
１２ａ 嵌合部の接線
１２ｂ 嵌合部の接線に直角な線
１３ 亀裂
１４ 亀裂の内孔面側の基点
１５ ストッパーヘッド本体外表面の嵌合部の接線に直角な方向の延長線が内孔表面と交差する点
１６ 応力緩和部分の最外部、ストッパーヘッド本体の外周表面との交点
１７ ストッパーヘッド本体外表面の嵌合部の接線に直角な方向の延長線がストッパーヘッド本体の縦方向中心軸と交差する点
２０ ノズル
２１ ノズル孔

Claims (13)

1. 溶融金属を容器からノズルを経由して排出する際の排出開始若しくは停止、又は流量制御のために使用されるストッパーヘッドにおいて、
   耐火物からなるストッパーヘッド本体の下方先端部中央付近に、ストッパーヘッド本体の外表面付近における耐火物組織の連続性を断絶し、応力を緩和する応力緩和部分として、環状の溝状空間又は凹状の穴を設けたことを特徴とするストッパーヘッド。
2. 前記応力緩和部分の一部又は全部に、その縦方向中心軸に沿ってストッパーヘッド本体先端方向に向けて拡径する傾斜部を設けた請求項１に記載のストッパーヘッド。
3. 前記応力緩和部分の一部又は全部に、１０００℃以上の熱間においてストッパーヘッド本体よりも変形能若しくは可縮性の大きい、又は強度の低い耐火物が充填されている請求項１又は請求項２に記載のストッパーヘッド。
4. 前記応力緩和部分の一部又は全部に、１０００℃以上の熱間においてストッパーヘッド本体よりも変形能若しくは可縮性の大きい、又は強度の低い目地材を介して、耐火物が充填されている請求項１又は請求項２に記載のストッパーヘッド。
5. 前記傾斜部の一部が少なくともストッパーヘッド本体の外表面を起点にしてストッパーヘッド本体の外周先端側に設けられており、かつ少なくとも前記傾斜部の一部又は全部に、耐火物が充填されている請求項２に記載のストッパーヘッド。
6. 前記応力緩和部分が、次の（式１）を満足する請求項１から請求項５のいずれかに記載のストッパーヘッド。
   Ｆ・Ｗ ≧ Ｄ・（ｔ−７・σｓ・λ／（Ｅ・α））／１．３ …（式１）
   ここで、
   Ｆ ：応力緩和部分のストッパーヘッド本体表面からの深さ（ｍｍ）
   Ｗ ：応力緩和部分のストッパーヘッド本体の縦方向中心軸を中心とする最大直径（ｍｍ）
   Ｄ ：ストッパーヘッド本体の外径（ｍｍ）
   ｔ ：ストッパーヘッド本体の肉厚（ｍｍ）
   σｓ：ストッパーヘッド本体の常温の曲げ強度（ＭＰａ）
   λ ：ストッパーヘッド本体の４００℃における熱伝導率（Ｗ/ｍＫ）
   Ｅ ：ストッパーヘッド本体の常温における弾性率（ＧＰａ）
   α ：ストッパーヘッド本体の１０００℃における熱膨張率（％）
7. 溶融金属を容器からノズルを経由して排出する際の排出開始若しくは停止、又は流量制御のために使用されるストッパーヘッドにおいて、
   耐火物からなるストッパーヘッド本体の下方先端部中央付近に、ストッパーヘッド本体の外表面付近における耐火物組織の連続性を断絶し、応力を緩和する応力緩和部分として、ストッパーヘッド本体の内孔まで貫通しており、かつ、ガスの流通経路に連通していない貫通孔を設けたことを特徴とするストッパーヘッド。
8. 前記応力緩和部分の一部又は全部に、その縦方向中心軸に沿ってストッパーヘッド本体先端方向又はストッパーヘッド本体先端と反対の方向に向けて拡径する傾斜部を設けており、かつ、前記応力緩和部分の径は、当該応力緩和部分の縦方向いずれの位置においても拡径側方向の径がその反対側方向の径以上の大きさである請求項７に記載のストッパーヘッド。
9. 前記応力緩和部分のうち、ストッパーヘッド本体の外表面を起点にしたストッパーヘッド本体の外周先端側を空間とし、この空間を除く残余の応力緩和部分の一部又は全部に、耐火物が充填されている請求項７又は請求項８に記載のストッパーヘッド。
10. 前記応力緩和部分の一部又は全部に、１０００℃以上の熱間においてストッパーヘッド本体よりも変形能若しくは可縮性の大きい、又は強度の低い目地材を介して、耐火物が充填されている請求項７から請求項９のいずれかに記載のストッパーヘッド。
11. 前記応力緩和部分の一部又は全部に、前記応力緩和部分の内面との間に目地材を介さないで、１０００℃以上の熱間においてストッパーヘッド本体よりも変形能若しくは可縮性の大きい、又は強度の低い耐火物が充填されている請求項７から請求項９のいずれかに記載のストッパーヘッド。
12. 前記傾斜部の一部が少なくともストッパーヘッド本体の外表面を起点にしてストッパーヘッド本体の外周先端側に設けられており、かつ少なくとも前記傾斜部の一部又は全部に、耐火物が充填されている請求項８に記載のストッパーヘッド。
13. 前記応力緩和部分が、次の（式２）を満足する請求項７から請求項１２のいずれかに記載のストッパーヘッド。
    Ｗ ≧ Ｄ・（１−７・σｓ・λ／（Ｅ・α・ｔ））／１．３ …（式２）
    ここで、
    Ｗ ：応力緩和部分のストッパーヘッド本体の縦方向中心軸を中心とする最大直径（ｍｍ）
    Ｄ ：ストッパーヘッド本体の外径（ｍｍ）
    ｔ ：ストッパーヘッド本体の肉厚（ｍｍ）
    σｓ：ストッパーヘッド本体の常温の曲げ強度（ＭＰａ）
    λ ：ストッパーヘッド本体の４００℃における熱伝導率（Ｗ/ｍＫ）
    Ｅ ：ストッパーヘッド本体の常温における弾性率（ＧＰａ）
    α ：ストッパーヘッド本体の１０００℃における熱膨張率（％）

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