JP2015136713A

JP2015136713A - 連続鋳造装置の浸漬ノズル

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Publication number: JP2015136713A
Application number: JP2014009569A
Authority: JP
Inventors: 宏泰新妻; Hiroyasu Niizuma; 大川　幸男; Yukio Okawa; 幸男大川; 恭平山口; Kyohei Yamaguchi
Original assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Current assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2015-07-30

Abstract

【課題】連続鋳造装置の単孔浸漬ノズルでは、吐出流の沈み込み深さが深く、介在物等はモールド深くまで到達しやすい。
【解決手段】底端に吐出孔を備えた連続鋳造装置の単孔浸漬ノズルにおいて、ノズル内壁に複数個の突起を備えた突起部を有し、かつ突起部の下流側において内径が下端に向かって連続的に拡大するテーパ部を備えた構成としている。これによって、突起部で、溶鋼の流れは整流され、テーパ部で原則される。従って、溶鋼の沈み込みは浅くなり、鋳片中の介在物の量を低減させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続鋳造装置で使用する浸漬ノズルに関し、特に、底吐出型の単孔浸漬ノズルに関するものである。

連続鋳造装置において、タンディッシュからモールドへ溶鋼を注入するために浸漬ノズルが広く使用されている。浸漬ノズルは、溶鋼が大気と直接接触して再酸化することを予防する役割を持ち、鋳片の品質向上に大きく寄与する重要な耐火物である。

スラブのようにモールドの断面積が大きい連続鋳造装置の場合には、円筒状のノズルの底端付近の側面に複数個の吐出孔を設けた“横方向吐出型”の浸漬ノズルが適用される例が多い。しかし、小型のブルームやビレットのような小断面のモールドでは、モールド壁との距離が近いため、横方向に吐出された高温の溶鋼流が、モールド壁近傍で生成された凝固シェルに勢い良く衝突してシェルの再溶解を招き、その結果として、鋳片の縦割れ、ブレークアウト等のトラブルの原因となることがある。

このような問題を解決するために、小断面モールド用の浸漬ノズルは、底端に吐出孔を設け、鉛直方向下側へ溶鋼流を吐出させる“底吐出型”が採用されている。しかし、底吐出型の場合、溶鋼中の介在物等はモールド深くまで到達しやすいという問題点がある。

介在物を捕捉し、除去する目的でアルゴンガスなどの不活性ガスの吹き込みも行われているが、モールド深くまで吐出流が到達した場合、前記吹き込まれたガスの気泡も浮上出来ずに鋼中に取り込まれるため、介在物とともに欠陥の原因となり得る。

特公平６-１６９３０号特許第３０１８９６０号特許第４０６４７９４号

上記の欠陥の対策として、特公平６-１６９３０号公報（特許文献１）には、ノズル下端部分の内径を吐出孔に向かって連続的に拡大させて、吐出流速を低下させる技術が開示されている。また、特許第３０１８９６０号公報（特許文献２）には、モールドよりも上方で、内径を階段状に拡大させる技術が開示されている。

しかし、これらの技術を実機に適用したとしても、前記介在物の問題は軽減するものの完全には解決できていなかった。また、横方向吐出型の浸漬ノズルを使用したときと同様に、使用中にブレークアウト予知の警報のために鋳造速度を落とすなどの問題が依然として発生していた。

更に、横方向吐出型ではあるが、特許第４０６４７９４号には以下の記述および図３に示す浸漬ノズルが開示され、底吐出型の浸漬ノズルにも適用できる旨の開示がある。

すなわち、図３に示すように、ノズル管２００の内壁に、複数の半球状等の突起１１よりなる突起部１０を配設した浸漬ノズルであって、前記各突起１１は、溶鋼流通方向に対して平行及び垂直のいずれの方向にも非連続であって、千鳥状に配設した構成を備えたものである。

また、突起１１の高さをＨ、突起１１の基端（ノズルの元の内周に沿った位置）の最大長さをＫ、ノズルの内径をDとすると、以下の条件を備える
Ｈ≧２（単位：ｍｍ）・・・・・・・・（１）
Ｋ＞２×Ｈ（単位：ｍｍ）・・・・・（２）
K≦πＤ／３・・・・・・（３）
更に、前記半球状等の突起１１とは、半球状、楕円形状または略多角形錐形状のいずれかあるは、これらを組み合わせた形状である。

しかしながら、後に説明するように、上記の構成を底吐出型の浸漬ノズルにそのまま適用した場合は、吐出流の沈み込み深さが深く、介在物等はモールド深くまで到達しやすいという課題は解消されない。

本発明は、吐出流の沈み込み深さを軽減し、気泡や介在物による欠陥の発生リスクを軽減するとともに、ブレークアウトなどのトラブルを予防することが出来る底吐出型の単孔浸漬ノズルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、以下の手段を採用している。

底端に吐出孔を備えた連続鋳造装置の単孔浸漬ノズルにおいて、ノズル内壁に複数個の突起を備えた突起部を有し、かつ突起部の下流側において内径が下端に向かって連続的に拡大するテーパ部を備えた構成としている。

前記突起部の長尺方向の長さをｍ、テーパ部の長さをｔ、ノズル全長をLとしたとき、０．１≦ｍ／Ｌ≦（１−ｔ／Ｌ）とし、突起部の縮径割合は、それぞれ拡大前の内径ｃに対して5〜20%であり、下端のテーパ部の長尺方向の長さｔが、全体のノズル長さＬに対して0.05≦t/L≦0.3であり、拡大後の内径ｄと拡大前の内径ｃから求められる内径拡大量ｅ (e=(d-c)/2)とテーパ部の長尺方向の長さｔとの間に0.05≦e/t≦0.3の関係が成り立つ構成とした。

前記突起部は溶鋼の吐出流を整流して鉛直真下方向に吐出させ、テーパ部では、吐出された溶鋼が減速されて介在物等が浮上しやすくなる。従って、鋳片中の介在物の量を低減させることができる。

図１は、本願発明の浸漬ノズルの縦断面図である。図２は、本願発明および、比較品の縦断面図である。図３は、横方向吐出型で突起部を備えた浸漬ノズルの縦断面図。

＜水モデルシミレーション＞
底吐出型の単孔浸漬ノズルにおいて、従来の技術を用いた幾つかの構造を実機スケールにて製造し、スライドゲート装置により流量制御した水モデルシミレーション装置を用いて、吐出流による介在物の沈み込み深さの測定を行った。加えて、水モデル試験での前記介在物の沈み込み深さの実測値と流体力学的手法で計算した計算値を比較した。

はじめに基本的な形状であるノズル管が単純な円形である直管型 (1)（図２（ａ））と、特許文献１に開示の浸漬ノズルの下端部を連続的に拡大させたテーパ部を備えたテーパ型（２）（図２（ｂ））について比較試験を行った。

テーパ型（２）は直管型（１）と比較すると沈み込みは浅くなっていることが確認できた。この現象は、連続の式より明らかなように、ノズル内の流れの系において径が拡大したために、通過流速が低下したためと考えられる（表２参照）。しかしながら、その沈み込み深さは、計算から期待される深さよりもより深くなっており、テーパの効果が十分に発揮出来ていないことが明らかになった。

また、直管型（１）の場合も、実測値は計算によって期待される値よりも深い結果となった。

直管型（１）、テーパ型（２）の吐出流の状況を詳細に観察すると、吐出流は左右対称に沈み込んでいるわけでは無く、どちらに偏っており、偏った側でより深くまで沈み込んでいることが判る。特にスライドゲート装置を用いて流量制御を行った場合は、スライドゲートの下端の開口形状が浸漬ノズルの上端の開口形状と一致していないので、前記左右いずれかの方向への偏りの傾向が顕著となる。さらに、偏りが生じて左右いずれかの方向への流れが速い吐出流は、ベルヌイの定理に従って、流速が速い方に向かって曲がり、鉛直方向から次第に外れて、一方のモールド壁に衝突することになる。この現象は、各モールド壁での凝固シェルの生成速度に差が生じることや、凝固シェルが部分的に再溶融する原因となることが考えられる。

実機操業時に時折発生するブレークアウト予知の警報は、このような吐出流の偏りが原因であることが考えられ、沈み込み深さの解決と共に、吐出流が鉛直真下方向へ吐出されることが安定操業には重要であることが理解できる。

前記吐出流の偏りは、ノズル管内で発生した流速分布の鉛直方向からの偏りが解消されないまま吐出されることが原因である。

一方、図３を用いて既に説明したように、特許第４０６４７９４号には、ノズル内壁に設けた複数の突起よりなる突起部で溶鋼の整流をする突起型の構成が開示されている。この開示は横方向に吐出口を備えた浸漬ノズルの偏流解消を目的としているが、底吐出型にも適用できる旨の記述がある。

そこで、特許第４０６４７９４号に開示された突起部を底吐出型の浸漬ノズルに適用して、突起型(3)（図２（ｃ））を作成し、吐出流の状況を試験した。突起型（３）の浸漬ノズルは突起部に分布する各突起に、溶鋼流が衝突することによって、溶鋼流が撹拌され均質化されて鉛直方向に沿った吐出流が形成され、吐出流の偏りは解消された。しかし、直管型（１）の浸漬ノズルと比較した場合、沈みこみ深さはより深くなった。突起部１０の水平断面積が、直管型（１）の水平断面積と比較すると小さいため、流れが加速されたと考えられる。

そこで、テーパ型（２）と前記突起型（３）を組み合わせた突起・テーパ型（４）（図２（ｄ））の浸漬ノズルを作成して同様の試験を行ったところ、吐出流は鉛直方向に吐出され、かつ沈み込み深さは前記４つの各型（１）〜(4)の中でもっとも浅くなっていることが明らかになった。

＜実施の形態＞
本発明の基本構成は、図１（図２（ｄ）の拡大図）に示すように、ノズル管の内壁に設けた複数の突起１１よりなる突起部１０と、その下流側に下端部の内径が連続的に拡大するテーパ部２０を組み合わせた点にある。前記突起部１０の構成は、前記した特許第４０６４７９４号に開示された内容に従う。また、テーパ部２０は、直線状に内径が拡大する形状であってもよいし、放物線等の曲線状に拡大する形状であってもよい。

上記の構成により、溶鋼流は突起部１０を通過する際に流れが均質化され、鉛直方向に整流された流れが形成される。また、下端部のテーパ部２０を通過する際に流束径が拡大され、流速が遅くなるため、結果として吐出流は鉛直真下方向に浅く吐出される。

突起部１０の長尺方向の長さをｍ、テーパ部２０の長さをｔ、ノズル全長をLとしたとき、０．１≦ｍ／Ｌ≦（１−ｔ／Ｌ）とすることが好ましい。

ｍ／Ｌが０．１未満であると、溶鋼流の均質化を十分に図ることが出来ない。ノズル内壁の突起部１０の長尺方向の長さｍは、テーパ部２０の長さｔを除く全ての部分とすること（ｍ／Ｌ＝（１−ｔ／Ｌ）も可能であるが、ｍ／Ｌが０．５より大きくなると溶鋼流の均質化は飽和する。一方、突起部１０の長さｍを長くすると、製造コスト上昇に繋がるため、ｍ／Ｌを０．５より大きくすることは経済的ではない。より好ましくは、0.15≦m/L≦0.5である。

尚、突起部１０の上部に、更に別の突起部を設けること、あるいは突起部１０の上部に、ノズル管の内径を縮小した縮径部を設けてもかまわない。前記別の突起部あるは縮径部の長尺方向の長さをm’とした場合、m>m’であり、ノズル全長に対する長さm’は0.05≦m’/L≦0.2の範囲が好ましい。

突起部１０の形成による縮径割合は元のノズル内径ｃに対して5〜20%が適しており、より望ましくは8〜15%である。縮径割合が5%未満の場合、流れを均質化する効果が不十分であり、一方20%以上の場合には、必要以上に突起部１０の断面積が小さくなるため、要求される流量を得ることが出来ない不具合が生じる。

下端のテーパ部２０の長尺方向の長さtはノズル全長に対して0.05≦t/L≦0.3の範囲であると効果を発揮し、より望ましくは0.1≦t/L≦0.25である。テーパ部２０の長さt が0.1以下の場合には、流速低減効果が十分に発揮されない。長さt が 0.3より大きい場合、れんがの肉厚が薄い部分が長くなるため、製造上の歩留まりの低下、使用準備中のハンドリング中に欠損し易いといった別の問題が生じる。

下端のテーパ部２０の内径拡大量ｅを、ノズルの元の内径ｃと拡大後の内径ｄから e=(d-c)/2と定義した場合、tとeの関係は0.05≦e/t≦0.3が適しており、より好ましくは0.1≦e/t≦0.25である。e/tが0.05未満の場合は、拡大量が少ないため、減速効果が十分には発揮されない。一方、e/tが0.3よりも大きい場合、急激に孔径が拡大するが、吐出流が間壁に沿って流れず剥離してしまうため、こちらも十分には減速効果を得ることが出来ない。

テーパ部２０はノズル管形状を側断面からみた場合に、拡大部の鉛直方向断面は、直線状に底端に向かって拡大するテーパであっても、放物線等の曲線で底端に向かって拡大するテーパでであっても良い。加えて、管内が溶鋼で完全に満たされていない非充満な状態の場合、ノズル管の径拡大による減速の効果は十分には発揮されない。即ち、内径拡大部はノズル管が溶鋼で充満されている2次メニスカスよりも下側に設置した方が効果的である。

本発明は、浸漬ノズル構造に属するものであり、材質の制約は受けない。すなわち、アルミナ・シリカ・カーボン質、ジルコニア・カーボン質、マグネシア・カーボン質、スピネル・カーボン質、アルミナ・シリカ質、スピネル質等にて使用可能である。

本発明の浸漬ノズルは、単孔用の浸漬ノズルに適用される、適用用途はブルーム、ビレットなどの小断面モールド用が適しており、断面が丸型あっても矩形であっても適用可能である。

＜実施例および比較例＞
（実施例１）
実機と同じスケールの水モデルシミレーション装置を用い、全長450ｍｍ、内径50ｍｍの単孔浸漬ノズルをベースに内孔の形状等を表１（本発明の突起・テーパ型）および表2（比較例１：直管型、比較例２：テーパ型、比較例３：突起型）に示す形状に変更して、水モデル実験を行った。流量制御には3枚式のスライドプレートを採用した。モールドサイズは250 x 250mmの矩形モールド、スループットは溶鋼換算で1t/minとした。試験中は上ノズル位置から空気を一定量吹き込み、モールド側へ運ばれた気泡のモールド内での到達深さ、左右方向への偏りの程度を全長450ｍｍ、内径50ｍｍの直管型（比較例1）と比較した。

テーパ部２０のみを備えた比較例2（特公平６-１６９３０）の場合、流れの到達深さは改善されたが、モールド左右へ溶鋼流の偏りは解消されなかった。また、突起部１０のみを備えた比較例3の場合、気泡の流れ（溶鋼流）は、直管型（１）（比較例1）と比較した場合、左右方向への偏りは解消されるが深さ方向はより深くまで到達した。

それに対し本発明品では、突起部１０の長さmが全長Lに対して10〜80%の範囲である場合、ノズル管の流れの偏りを解消する効果は得られた（本発明品1, 3-5）が、10%以下では偏りの解消効果は小さかった（本発明品2）。

突起部１０の縮径割合が元のノズル内径に対して低い場合、スライドプレートによる絞りに起因するノズル内での流れの偏りを解消する効果が不十分であり、吐出流にやや偏りが見られた（本発明品6）。突起部１０の縮径割合が元のノズル内径に対し5〜20%の場合、満足する効果が得られた（本発明品7-9）。

テーパ部２０の長さtが全長Lに対して長く、t/L < 0.3の場合（本発明品14）、および短く、t/L> 0.05の場合（本発明品10）、気泡の到達深さは0.05≦t/L≦0.3の範囲（本発明品11-13）と比較すると、改善効果は不十分であった。更に、テーパ部２０によるノズル管の内径拡大量eと拡大部の長さtの関係e/tが小さすぎる場合（本発明品15）、あるいは大きすぎる場合(本発明品19)内径拡大による減速効果は不十分であったが、0.05≦e/t≦0.3の場合（本発明品16-18）、十分な効果が得られた。

（実施例２）
実施例1の構造を小断面ブルームにて実際に使用した。発明品の効果の確認方法としては、鋳造後の鋳片に認められる気泡性あるいは介在物性の欠陥の発生率を比較例1の結果と比較して評価した。

実施例1の浸漬ノズルを使用して鋳造された鋳片では、鋳片中の欠陥率が減少し、鋳片品質の向上が認められた。

以上説明したように、本発明の浸漬ノズルによって、吐出流を鉛直下側に真っ直ぐに吐出され、かつ介在物等が浮上しやすいように吐出流速を遅くすることができるため、鋳片中の介在物の量を低減させることができる。

以上説明したように、本発明は、鋳片中の介在物の量を低減して、欠陥を少なくすることができるので、鉄鋼産業への利用可能性が極めて高い。

２００・・ノズル管
１０・・・突起部
１１・・・突起
２０・・・テーパ部

Claims

ノズル管の底端に吐出孔を備えた連続鋳造装置の単孔浸漬ノズルにおいて、
ノズル管の内壁に設けた複数個の突起よりなる突起部と、
前記突起部の下流側において内径が下端に向かって連続的に拡大するテーパ部と、
を備えたことを特徴とする連続鋳造装置の単孔浸漬ノズル。
複数突起部１０の長尺方向の設置長さをｍ、内径が連続的に拡大する部分Tの長さをｔ、ノズル全長をLとしたとき、０．１≦ｍ／Ｌ≦（１−ｔ／Ｌ）とし、複数突起部１０の縮径割合は、それぞれ拡大前の内径寸法ｃに対して5〜20%であり、下端の内径拡大部Tの長尺方向での設置長さｔが、全体のノズル長さＬに対して0.05≦t/L≦0.3であり、拡大後の内径寸法ｄと拡大前の寸法ｃから求められる内径拡大量ｅ (e=(d-c)/2)と拡大部長尺方向の設置長さｔとの間に0.05≦e/t≦0.3の関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造装置の単孔浸漬ノズル。