JP2011245550A - 連続鋳造方法および連続鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タンディッシュ内溶鋼中の酸化物系非金属介在物を効率良く浮上分離することのできる連続鋳造方法および連続鋳造装置を提供する。
【解決手段】タンディッシュ内の、取鍋内から溶鋼を注入する注入ノズルの設定位置と、設定位置における溶鋼深さが（１）式、好ましくは更に（２）式を満たすように、取鍋の注入ノズルとタンディッシュの相対位置と、タンディッシュ内における溶鋼量を制御する。２×Ｈ＜Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＜４×Ｈ（１）、２×Ｈ＜Ｌ４＜４×Ｈ（２）、ここで、Ｌ１は連続鋳造用タンディッシュの底面における溶鋼の注入点から見て溶鋼流出ノズルと反対側となる側壁面から溶鋼の注入点の直下となる位置までの距離、Ｌ２は溶鋼の注入点から見て溶鋼流出ノズルと反対側となる側壁の溶鋼に浸漬している長さ、Ｌ３は溶鋼の溶鋼面における溶鋼の注入ノズルの中心線から側壁面までの距離、Ｌ４は溶鋼の注入点と溶鋼の流出点の水平距離、Hは注入ノズルの中心線の位置における溶鋼深さ
【選択図】図１

Description

本発明は、連続鋳造方法および連続鋳造装置に関し、詳しくは、タンディッシュ内に注入された溶鋼中の酸化物系非金属介在物を効率良く浮上分離することのできるものに関する。

鋼の連続鋳造では、取鍋内の溶鋼を、取鍋底部に設置したロングノズル（「注入ノズル」ともいう）を通してタンディッシュに供給しながら、タンディッシュ内に所定量の溶鋼が滞在した状態で、タンディッシュ内の溶鋼を、タンディッシュ底部に設置した溶鋼流出孔を通して各鋳型に分配・注入し、鋳片を製造している。溶鋼中には脱酸生成物を起源とするアルミナなどの酸化物系非金属介在物（以下「介在物」と記す）が懸濁しており、溶鋼が凝固する際に介在物が凝固層の中に取り込まれてしまうと、薄鋼板などの最終製品において介在物性の欠陥を引き起こす。そのため、タンディッシュには、介在物を浮上分離させる機能も求められている。

一般に、タンディッシュ内の溶鋼流動を一様流れとして注入点から流出孔への短絡流が起こらないように溶鋼流動を制御するとタンディッシュ内の介在物浮上分離が最大化される。このような考え方に基づき、タンディッシュ内に堰を設置してタンディッシュ内の溶鋼流動を制御する方法が用いられるようになり、介在物の少ない鋳片が製造できるようになってきた。しかし、高品質材料では非常に高い清浄性が求められており、さらに優れた介在物分離方法が求められている。

介在物の浮上・分離を促進するために、これまでにも様々なタンディッシュが提案されている。例えば、特許文献１には、ロングノズルからの溶鋼注入点と鋳型への溶鋼流出孔との間に少なくとも２個の堰を有し、第１の堰はタンディッシュ内溶鋼浴の一方の側壁側であって且つ溶鋼浴の上方部の溶鋼流を遮断することができ、第２の堰はタンディッシュ内溶鋼浴の他方の側壁側であって且つ溶鋼浴の上方部の溶鋼流を遮断することができ、第１、第２の堰何れも堰の反対側の側壁側は溶鋼属が流通することができる連続鋳造用タンディッシュが開示されている。

また、特許文献２には、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入するための溶鋼注入点と鋳型への溶鋼流出孔との間に、溶鋼を通すための貫通孔を複数有し、貫通孔の総面積がタンディッシュ内の溶鋼流路断面積の５０％以下であり、更に、貫通孔の位置がタンディッシュの長さ方向で交互になるようにした多孔堰を複数設置した連続鋳造用タンディッシュが開示されている。

特開２００５−１０３５６７号公報 特開２００５−２８３７６号公報

しかしながら上記従来技術には以下の問題点がある。即ち、特許文献１は、堰を設置することにより、ロングノズルから注入された溶鋼流が直接溶鋼流出孔から流出することを妨げ、介在物が浮上・分離できるだけの滞留時間を確保する方法である。また、特許文献２は、複数の貫通孔を有する堰を多段配置することによって溶鋼の一様流れを作り、溶鋼注入点から溶鋼流出孔への溶鋼の短絡流を防止する方法である。これらの発明はタンディッシュ内に堰を配置することで溶鋼がタンディッシュ内に留まっている時間（滞留時間）を長くし、介在物の浮上分離を促進する方法である。

しかしながら、特許文献１、２は小さな開口を多数設けた堰を用いているので、開口部詰まりの問題が起こりやすく、操業管理やメンテナンスが難しい問題がある。また、多数の堰を設けることはランニングコストの観点からも好ましくない。

本発明は上記課題を解決する連続鋳造方法および連続鋳造用タンディッシュを提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．連続鋳造用タンディッシュに取鍋内から溶鋼を一つの注入ノズルで供給し、前記連続鋳造用タンディッシュ内から鋳型へ溶鋼を一つの溶鋼流出ノズルで供給する連続鋳造方法であって、前記連続鋳造用タンディッシュ内における、前記取鍋内から溶鋼を注入する前記注入ノズルの溶鋼注入点の設定位置と、前記溶鋼注入点における溶鋼深さが下式を満たすように、前記取鍋の注入ノズルと前記連続鋳造用タンディッシュの相対位置と、連続鋳造用タンディッシュ内における溶鋼量を制御することを特徴とする連続鋳造方法。

２×Ｈ ＜ Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３ ＜ ４×Ｈ
ここで、Ｌ１は連続鋳造用タンディッシュの底面における、溶鋼の注入点から見て溶鋼流出ノズルと反対側となる側壁面から溶鋼の注入点の直下となる位置までの距離、Ｌ２は溶鋼の注入点から見て溶鋼流出ノズルと反対側となる側壁の溶鋼に浸漬している長さ、Ｌ３は溶鋼の溶鋼面（浴面）における、溶鋼の注入ノズルの中心線から側壁面までの距離、Hは注入ノズルの中心線の位置における溶鋼深さ
２．更に、溶鋼注入点と溶鋼流出点間の水平距離が下式を満たすことを特徴とする１記載の連続鋳造方法。

２×Ｈ ＜ Ｌ４ ＜ ４×Ｈ
ここで、Ｌ４は注入ノズルの中心線から溶鋼流出ノズルの中心線までの距離、Hは注入ノズルの中心線の位置における溶鋼深さ
３．取鍋と連続鋳造用タンディッシュと連続鋳造用鋳型と前記連続鋳造用タンディッシュ内における湯面高さを制御する湯面制御装置を備えた連続鋳造装置であって、
前記取鍋と前記連続鋳造用タンディッシュの位置関係と、前記連続鋳造用タンディッシュの寸法形状は、前記湯面制御装置による前記溶鋼注入点における溶鋼深さをHとした場合に、下式を満足することを特徴とする連続鋳造装置。
２×Ｈ ＜ Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３ ＜ ４×Ｈ
ここで、Ｌ１は連続鋳造用タンディッシュの底面における、溶鋼の注入点から見て溶鋼流出ノズルと反対側となる側壁面から溶鋼の注入点の直下となる位置までの距離、Ｌ２は溶鋼の注入点から見て溶鋼流出ノズルと反対側となる側壁の溶鋼に浸漬している長さ、Ｌ３は溶鋼の溶鋼面（浴面）における、溶鋼の注入ノズルの中心線から側壁面までの距離、Hは注入ノズルの中心線の位置における溶鋼深さ
４．更に、前記取鍋と前記連続鋳造用タンディッシュの位置関係と、前記連続鋳造用タンディッシュの形状寸法が下式を満たすことを特徴とする３記載の連続鋳造装置。
２×Ｈ ＜ Ｌ４ ＜ ４×Ｈ
ここで、Ｌ４は注入ノズルの中心線から溶鋼流出ノズルの中心線までの距離、Hは注入ノズルの中心線の位置における溶鋼深さ

本発明によればタンディッシュ内流動を一様流れとして、介在物の浮上分離に必要な時間を確保することが可能なため、堰を多数設けることなく鋼中介在物が少なく清浄性に優れた連続鋳造スラブおよびそれを用いた各種鋼材が得られ、産業上極めて有用である。

本発明に係る連続鋳造方法における、取鍋の溶鋼注入ノズルと連続鋳造用タンディッシュの位置関係を説明する図。 本発明による連続鋳造用タンディッシュ内の溶鋼の流れを示す模式図。 比較例：連続鋳造用タンディッシュ内の溶鋼の流れを説明する模式図。 比較例：連続鋳造用タンディッシュ内の溶鋼の流れを説明する模式図。 本発明を彎曲した側壁を有する連続鋳造用タンディッシュに適用する場合の、側壁寸法を説明する模式図。 実施例（数値流体シミュレーション結果を示す図）。

本発明は、連続鋳造用タンディッシュに取鍋内から溶鋼を注入する注入ノズルと、前記連続鋳造用タンディッシュ内から鋳型へ溶鋼を供給する溶鋼流出ノズルの相対的位置関係を、連続鋳造用タンディッシュ内の溶鋼深さに関連して規定することを特徴とする。
以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。

図１に本発明に係る連続鋳造方法における、取鍋の溶鋼注入ノズルと連続鋳造用タンディッシュの位置関係を示す。図において、１は連続鋳造用タンディッシュ、２は取鍋（図では省略）の注入ノズル、３は溶鋼流出ノズル、４は溶鋼、４ａは溶鋼面（浴面）、５は溶鋼流出ノズルの中心線、６は注入ノズル２の中心線、１１、１２は連続鋳造用タンディッシュ１の側壁、１１ａ、１２ａは側壁１１、１２の側壁面、１３は連続鋳造用タンディッシュ１の底部、１３ａは底部１３の底面、１４は注入ノズル２の先端部における中心線６の位置で注入点、１５は底面１３ａにおける溶鋼流出ノズル３の中心線５の位置で流出点、Ｌ１は連続鋳造用タンディッシュ１の底面１３ａにおける、溶鋼の注入点１４から見て溶鋼流出ノズル３と反対側となる側壁面１２aから溶鋼の注入点１４の直下となる位置までの距離、Ｌ２は溶鋼の注入点１４から見て溶鋼流出ノズル３と反対側となる側壁１２の溶鋼４に浸漬している長さ、Ｌ３は溶鋼４の溶鋼面（浴面）４ａにおける、溶鋼の注入ノズル２の中心線６から側壁面１２aまでの距離、Ｌ４は注入ノズル２の中心線６から溶鋼流出ノズル３の中心線５までの距離（Ｌ４を溶鋼の注入点１４と溶鋼の流出点１５の水平距離という場合がある）、Hは注入ノズル２の中心線６の位置における溶鋼深さ（Hを溶鋼深さと言う場合がある）を示す。

本発明は、連続鋳造用タンディッシュ１に取鍋内から溶鋼４を一つの注入ノズル２で供給し、溶鋼４は、連続鋳造用タンディッシュ１から鋳型（図示しない）へ底面１３ａに設けた、一つの溶鋼流出ノズル３で供給する場合を対象とする。

本発明では、注入ノズル２と溶鋼流出ノズル３の相対的位置関係を、注入ノズル２の中心線６における溶鋼深さＨを用いて（１）式を満たすように規定する。注入ノズル２と溶鋼流出ノズル３の相対的位置関係は例えば連続鋳造用タンディッシュに対して取鍋を移動させて行うことで可能である。

２×Ｈ ＜ Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３ ＜ ４×Ｈ・・・（１）
ここで、Ｌ１：連続鋳造用タンディッシュの底面１３ａにおける、溶鋼の注入点１４から見て溶鋼流出ノズル３と反対側となる側壁面１２ａから注入点１４の直下となる位置bまでの距離、Ｌ２：溶鋼の注入点１４から見て溶鋼の流出ノズル３と反対側となる側壁１２の溶鋼に浸漬している長さ、Ｌ３は溶鋼４の溶鋼面（浴面）４ａにおける、溶鋼の注入ノズル２の中心線６から側壁面１２aまでの距離、Hは注入ノズル２の中心線６の位置における溶鋼深さを示す。注入ノズル２と溶鋼流出ノズル３の相対的位置関係の調整は、例えば、取鍋を連続鋳造用タンディッシュに対して移動させて行うことで可能である。

図２は、本発明による、連続鋳造用タンディッシュ１の内部での溶鋼４の流れを示す模式図で、溶鋼の注入点１４から連続鋳造用タンディッシュ１の内部に流入した溶鋼は主に２種類の経路７、８を通って溶鋼の流出ノズル３（溶鋼流出点１５）へ流れる。

経路７は直接、鋳型（図示しない）に向かってタンディッシュの底面１３ａに沿う流れ（底流れ）、経路８は側壁面１２aで反転して浴面４ａを通る流れ（反転流れ）である。本発明によれば、経路７（底流れ）と浴面を流れる経路８（反転流れ）とが同程度の強さとなり、タンディッシュ内の溶鋼流れは一様流れとなる。溶鋼流れが一様流れに近づくほど介在物は浮上分離されやすくなるので、タンディッシュ内の介在物の除去性能を向上することができる。

経路８（反転流れ）は底面１３ａ、側壁面１２、浴面４ａに沿って流れるので、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３の距離が大きくなるほど浴面流速が減衰して小さくなる。

Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３の値がＨの４倍以上の場合（図３）、タンディッシュ内の溶鋼流動分布は底面１３ａで強く浴面４aで弱い分布になり、タンディッシュ底部に短絡流が発生して介在物の浮上分離性が悪化する。
一方、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３の値がＨの２倍以下の場合（図４）、反転流れがうまく形成されなくなり、注入点１４から流入した溶鋼が全てタンディッシュ底を伝って流れ、タンディッシュ底に短絡流が発生して介在物の浮上分離特性が悪化する。

更に、介在物の浮上分離性を向上させる場合、溶鋼の注入点１４と溶鋼の流出点１５の水平距離Ｌ４と溶鋼深さＨは（２）式を満たすように設定することが好ましい。
２×Ｈ ＜ Ｌ４ ＜ ４×Ｈ・・・（２）
介在物の浮上分離は主に一様流れとなっている部分で起こるので、溶鋼の注入点１４と溶鋼の流出点１５の水平距離Ｌ４が深さＨの２倍よりも小さいと介在物の浮上分離が不十分となり、介在物が鋳型へ流出する。一方、Ｌ４が大きいほど介在物の浮上分離が促進されるが、Ｌ４がＨの４倍以上になると、Ｌ４を大きくしても介在物分離能力が変わらなくなる。また、Ｌ４を大きくすると、タンディッシュの浴面４ａからの冷却が強くなって溶鋼４の温度が低下するので、温度低下による鋳片品質や加熱コストの悪化を考慮して、Ｌ４は深さＨの４倍未満とすることが好ましい。

以上の説明に用いた図において、連続鋳造用タンディッシュの側壁、底部はいずれも直線状であったが、溶鋼の注入点１４から見て溶鋼の流出点１５と反対側に位置する側壁１２は必ずしも鉛直でなくてもよく、傾斜した側壁や、湾曲した側壁でもよい。側壁が湾曲している場合は、図５のように側壁の湾曲に沿った側壁面１２ａの長さをＬ２とする。底部の場合も同様にする。

尚、相似な形状のタンディッシュ間では、溶鋼流動状態は同等になることが過去の実験やシミュレーションによる検討で判明しているので、本発明では最適なＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の値を溶鋼の深さＨに対する比で与えた。

また、本発明による装置は、取鍋と連続鋳造用タンディッシュと連続鋳造用鋳型と前記連続鋳造用タンディッシュ内における湯面高さを制御する湯面制御装置を備えた連続鋳造装置であって、前記取鍋と前記連続鋳造用タンディッシュの位置関係と、前記連続鋳造用タンディッシュの寸法形状は、前記湯面制御装置による前記取鍋の注入ノズルの位置における溶鋼深さをHとした場合に、上記（１）式を満足することを特徴とする連続鋳造装置で、更に、前記取鍋と前記連続鋳造用タンディッシュの位置関係と、前記連続鋳造用タンディッシュの形状寸法が上記（２）式を満たす連続鋳造装置である。

本発明の効果を数値流体シミュレーションで検証した。シミュレーションは有限体積法を用い、乱流モデルにｋ−ε乱流モデルを用いた。またタンディッシュ壁面の境界条件は標準壁関数を用い、浴面はすべり壁条件を用いた。そしてシミュレーションで得られた流れ場に対して粒子追跡法を用い、溶鋼注入点から径５０μｍの介在物粒子を投入してその運動軌跡を計算した。浴面に到達した介在物粒子は消失するとして計算し、最終的に溶鋼流出ノズルから流出する介在物数をカウントすることで評価した。

タンディッシュは溶鋼容量が５５トンで堰を使用しないとした。溶鋼の注入ノズルにおける溶鋼深さＨは１２５０ｍｍおよび９５０ｍｍとした。表１に、シミュレーションモデル毎の、図１で規定した各部の寸法を示す。

図６に表１の各シミュレーションモデル毎の介在物流出数を示す。介在物流出数を実施例１における介在物流出数を１とした指数で表している。

実施例１、２、３、７、８、９、１０、１１は（１）、（２）式の両者を満たす場合で、比較例４は（１）式を満たさない条件、すなわち側壁の位置を変えてＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３の値を（１）式の下限よりも小さくした条件、比較例５は、（１）式の上限よりも大きくした条件である。比較例６は（１）式のみを満たし（２）式は満たさない条件、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３は適正な値であり、Ｌ４のみが（２）式の下限より小さい場合である。比較例１２は、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３は適正な値であり、Ｌ４のみが（２）式の上限より大きい場合である。

図６より実施例１，２，３、７，８，９，１０，１１は比較例４，５に対して１／２から１／３程度まで介在物流出が減っていることが分かる。比較例６は比較例４、５に対して介在物流出指数を低減できているが、実施例１、２、３ではさらに優れた介在物流出特性を示していることが確認された。以上より、本発明例で介在物の浮上分離特性が向上していることが確認できた。また、比較例１２はＬ４を本発明の範囲よりさらに大きくした条件であり、実施例と同等の介在物指数の減少を示しているが、介在物指数は本発明の実施例７，９と同程度である。Ｌ４を本発明の範囲よりも大きくしても更なる介在物除去効果は得られておらず、一方鋼温度低下防止の観点からはＬ４を小さくしたほうが好ましいので、Ｌ４は本発明の範囲内とすることが最良である。

１ 連続鋳造用タンディッシュ
２ 注入ノズル
３ 溶鋼流出ノズル
４ 溶鋼
４ａ 溶鋼面（浴面）
５、６ 中心線
７、８ 経路
９ 溶鋼の流動分布
１１、１２ 側壁
１１ａ、１２ａ 側壁面
１３ 底部
１３ａ 底面
１４ 注入点
１５ 流出点

Claims (4)

1. 連続鋳造用タンディッシュに取鍋内から溶鋼を一つの注入ノズルで供給し、前記連続鋳造用タンディッシュ内から鋳型へ溶鋼を一つの溶鋼流出ノズルで供給する連続鋳造方法であって、前記連続鋳造用タンディッシュ内における、前記取鍋内から溶鋼を注入する前記注入ノズルの溶鋼注入点の設定位置と、前記溶鋼注入点における溶鋼深さが下式を満たすように、前記取鍋の注入ノズルと前記連続鋳造用タンディッシュの相対位置と、連続鋳造用タンディッシュ内における溶鋼量を制御することを特徴とする連続鋳造方法。
   ２×Ｈ ＜ Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３ ＜ ４×Ｈ
   ここで、Ｌ１は連続鋳造用タンディッシュの底面における、溶鋼の注入点から見て溶鋼流出ノズルと反対側となる側壁面から溶鋼の注入点の直下となる位置までの距離、Ｌ２は溶鋼の注入点から見て溶鋼流出ノズルと反対側となる側壁の溶鋼に浸漬している長さ、Ｌ３は溶鋼の溶鋼面（浴面）における、溶鋼の注入ノズルの中心線から側壁面までの距離、Hは注入ノズルの中心線の位置における溶鋼深さ
2. 更に、溶鋼注入点と溶鋼流出点間の水平距離が下式を満たすことを特徴とする請求項１記載の連続鋳造方法。
   ２×Ｈ ＜ Ｌ４ ＜ ４×Ｈ
   ここで、Ｌ４は注入ノズルの中心線から溶鋼流出ノズルの中心線までの距離、Hは注入ノズルの中心線の位置における溶鋼深さ
3. 取鍋と連続鋳造用タンディッシュと連続鋳造用鋳型と前記連続鋳造用タンディッシュ内における湯面高さを制御する湯面制御装置を備えた連続鋳造装置であって、
   前記取鍋と前記連続鋳造用タンディッシュの位置関係と、前記連続鋳造用タンディッシュの寸法形状は、前記湯面制御装置による前記溶鋼注入点における溶鋼深さをHとした場合に、下式を満足することを特徴とする連続鋳造装置。
   ２×Ｈ ＜ Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３ ＜ ４×Ｈ
   ここで、Ｌ１は連続鋳造用タンディッシュの底面における、溶鋼の注入点から見て溶鋼流出ノズルと反対側となる側壁面から溶鋼の注入点の直下となる位置までの距離、Ｌ２は溶鋼の注入点から見て溶鋼流出ノズルと反対側となる側壁の溶鋼に浸漬している長さ、Ｌ３は溶鋼の溶鋼面（浴面）における、溶鋼の注入ノズルの中心線から側壁面までの距離、Hは注入ノズルの中心線の位置における溶鋼深さ
4. 更に、前記取鍋と前記連続鋳造用タンディッシュの位置関係と、前記連続鋳造用タンディッシュの形状寸法が下式を満たすことを特徴とする請求項３記載の連続鋳造装置。
   ２×Ｈ ＜ Ｌ４ ＜ ４×Ｈ
   ここで、Ｌ４は注入ノズルの中心線から溶鋼流出ノズルの中心線までの距離、Hは注入ノズルの中心線の位置における溶鋼深さ

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