JP2016529107A - 耐火性セラミックノズル - Google Patents

Abstract

本発明は、冶金学的用途のための耐火性セラミックノズルに関する。用語「ノズル」は、製鋼のための連続鋳造プロセスにおいて使用されるような、液面下の入口ノズル（ＳＥＮ又は鋳込みノズルとも呼ばれる）を含む。従来技術及び本発明は、そのようなＳＥＮに関して記載されるが、本発明の範囲を限定するものではない。

Description

本発明は、冶金学的用途のための耐火性セラミックノズルに関する。用語「ノズル」は、製鋼のための連続鋳造プロセスにおいて使用されるような、液面下の入口ノズル（ＳＥＮ又は鋳込みノズルとも呼ばれる）を含む。従来技術及び本発明は、これより後、そのようなＳＥＮに関して記載するが、本発明の範囲を限定するものではない。

金属の鋳造中には、溶融金属がいわゆる取鍋（ドイツ語ではＰｆａｎｎｅ）からタンディッシュ（ドイツ語ではＶｅｒｔｅｉｌｅｒ）の中へ移送され、そこから対応するタンディッシュの出口を介して関連する鋳型の中へ移送される。

タンディッシュから鋳型中への溶融物の移送は、鉛直方向の使用位置に配置され、典型的には、通常は筒状の形状であり、中央長手方向ノズル軸を画定し、ノズル内壁を備え、貫流チャネルを取り囲み、この貫流チャネルは、ノズルの使用位置における上端である第１のノズル端部における入口開口部と、使用位置における下端である第２のノズル端部における少なくとも１つの出口開口部と、の間の軸長に沿って延在して、その入口開口部から前記貫流チャネルに沿った前記出口開口部を介した関連する溶融金属浴中への溶融金属の連続的な流れを可能にする、という特長を提供するノズルによって達成される。

そのような一般的な性能を改良するため、特許文献１は、横方向出口開口部の形状に従う流体流を生み出すために、少なくとも１つの出口開口部のノズル壁の内面に陥凹溝の形状の摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）を有するノズルを開示している。

特許文献２は、横方向の出口開口部の下の別々の底部開口部における制御された流れを改善するためのノズルの設計を開示する。

これら既知のノズルの、使用中、すなわち金属溶融物の鋳造中の主な問題は、ノズル内壁、穴、及び／又は開口部における詰まり（ｃｌｏｇ）の形成、すなわちいわゆる「閉塞効果」である。詰まりはとりわけ、
‐金属溶融物中に存在する酸化物の、それらが壁に付着するノズル内壁への輸送
‐これもまたノズル内壁上への凝集塊を形成する、溶融物と耐火材との間の化学反応
‐ノズル内壁で凝固する金属溶融物
によって引き起こされる。

そのようなつまり、凝集塊、又はケーキング（ドイツ語ではＡｎｂａｃｋｕｎｇｅｎ）は、貫流チャネル及び／又はノズル出口領域の内側断面積を変化させ、ノズルの流れパターンを変化させる。

例えば
‐溶融物から金属酸化物を除去するための抗酸化物の使用（特許文献３）
‐貫流チャネルの内壁に沿ったらせん溝の提供（特許文献４）
によるつまりを減少させる異なる試みが行われてきたが、所要の結果は達成されなかった。

欧州特許第２２２６１４１号明細書 米国特許第３９９１８１５号明細書 米国特許出願公開第２００７／００４５８８４号明細書 特許第３６７３３７２号公報

したがって、本発明の目的は、改良された耐詰まり挙動を有するノズルを提供することである。

特許文献３の提案は、鋳造システム内の化学的変化に基づくが、特許文献４による開示は、金属流れへの撹拌効果を開始させるためのノズルの構造的な変更に基づく。

水模型及びコンピュータシミュレーションを含む徹底的な調査が、溶融物の流れ挙動及び／又は対応する詰まり効果を研究するために行われた。

このような試行錯誤中に、金属溶融物の前記溝による撹拌は、２つの溝の場合には約１８０°だけオフセットされ、或いは３つの溝の場合には約１２０°だけオフセットされた前記溝はノズルの軸長全体に亘って流れパターンを特徴的に変えることが無いので、詰まりを効果的に減少させるか、若しくは回避することができないということが見い出された。

本発明は、内壁面において溶融物の流れ内に乱流を引き起こし、それによって溶融物と壁面との間に追加的なせん断応力を生じさせることによって詰まりを大幅に減少させることができる、という発見に基づいている。

これは、ノズルの内壁に沿った少なくとも２つの溝状凹部間に分岐合流点（交差領域）を提供することによって達成される。特許文献４とは反対に、新しいノズルの設計は、これら交差領域／分岐合流点を提供するための、異なる（反対の）方向のスパイラル状（らせん様の）溝によって特徴づけられている。

言い換えると、新しい設計は金属流れを、異なる方向（少なくとも１つの時計回り、少なくとも１つの反時計回り）の異なる部分流、例えば、
‐ノズルの長手方向中心軸と略同軸の中央流れ、
‐第１の溝に沿った時計回りの第１の方向の第１のスパイラル流れ、
‐第２の溝に沿った反時計回りの第２の方向の第２のスパイラル流れ、
に分配／分割するように促し、第１及び第２のスパイラル流れは、それらの長さ及び傾斜（傾き、ドイツ語ではＳｔｅｉｇｕｎｇｓｍａｓｓ）に応じて、複数の分岐合流点で互いに交差する。

この一般概念は、ノズル内壁に３つ、４つ、若しくはさらに多くの溝を有するノズルの設計にも同様に転用することができ、それによって分岐合流点の数を増加させることができる。

本発明は、特許文献４によるノズルの内壁面に沿った溝の発想に従うものではあるが、異なる構造的な解決法に基づき、溶融物の異なる流れ挙動をもたらすものである。交差する溝は、溶融物の流れの中の壁近くの乱流の夥しい形成に寄与し、これら乱流は、一般的な金属流れへの負の効果無しに、詰まりを大幅に減少させることに寄与する。

同様の乱流を、前記溝を内壁面から突出するスパイラルフィンによって置き換えることによって達成することもできるが、対向するフィン区画間のチャンバ近傍の壁の形成が好ましくないデッドゾーンをもたらすので、この手段では大幅な詰まりの軽減は達成されなかった。

その最も一般的な実施形態において、本発明は以下を規定することができる。

耐火性セラミックノズルは以下を特徴とする。
‐長手方向ノズル中心軸（Ａ）を画定するとともに、貫流チャネルを取り囲むノズル内壁を備え、貫流チャネルは、ノズルの使用位置における上端である第１のノズル端部における入口開口部と、使用位置における下端である第２のノズル端部における少なくとも１つの出口開口部と、の間の軸長（Ｌ）に沿って延在して、その入口開口部から前記貫流チャネルに沿った前記出口開口部を介した関連する溶融金属浴中への溶融金属の連続的な流れを可能にする略筒状形状であって、少なくとも２つの溝が、ノズルの内壁に沿って提供されており、これら溝は、
‐スパイラル様に前記ノズルの内壁内の貫流チャネルの軸長の少なくとも１部に沿って提供された第１の溝と、
‐スパイラル様に前記ノズルの内壁内の貫流チャネルの軸長の少なくとも１部に沿って提供された第２の溝と、
を含み、
‐第１の溝及び第２の溝は、複数の分岐合流点において互いに交差する。

溝はノズルの壁の内面に沿って延在し、この内面は多くの場合、円形状の断面であるが、別の設計を有することもできる。

用語「スパイラル」は、円柱状のスパイラル／らせん状を必ずしも意味しないが、溝それぞれが三次元空間、すなわちそれに沿って金属が入口ポート（入口開口部）から１つ以上の出口ポート（出口開口部）へ流れるノズルの貫流チャネル、を取り囲む全ての三次元形状を含む。「スパイラル」は、例えば楕円形状、長方形形状、及び多角形形状を含む。

分岐合流部の数は、溝それぞれの長さと傾斜とに依存する。以下は、ノズルを設計するための可能な選択肢であり、個々に、又は累計反復若しくは除外されない場合には任意の組み合わせで、実現することができる。
‐少なくとも２つの溝は、長手方向ノズル中心軸（Ａ）に対して、２０°より大きく８０°より小さいらせん角を有する
‐前記溝のうちの少なくとも１つは、長手方向ノズル中心軸（Ａ）に対して、３０°より大きいらせん角を有する
‐前記溝のうちの少なくとも１つは、長手方向ノズル中心軸（Ａ）に対して、４０°より大きいらせん角を有する
−前記溝のうちの少なくとも１つは、長手方向ノズル中心軸（Ａ）に対して、７０°より小さいらせん角を有する
−前記溝のうちの少なくとも１つは、長手方向ノズル中心軸（Ａ）に対して、５５°より小さいらせん角を有する

‐少なくとも第１の溝及び第２の溝は同じらせん角を有し、この実施形態は、平均角度に対して＋／−１０°の許容誤差［（第１の角度＋第２の角度）／２］を含む
‐第１の溝と第２の溝は１８０°＋／−３０°だけ、長手方向ノズル中心軸（Ａ）に垂直な平面（Ｐ）に沿ってオフセットされている。１８０°のオフセットの場合、２つの溝は長手方向中心軸を備える平面に対して鏡面対象の態様で延びる
‐少なくとも第１の溝及び第２の溝は、貫流チャネルの同じ軸方向長さに沿って延びる。
‐３つの溝を有する実施形態では、溝は互いに１２０°だけオフセットされる
‐前記溝のうちの少なくとも１つは、ノズルの入口開口部まで所定の距離（ｄ）において始端する
‐前記溝の少なくとも１つは、ノズルの出口開口部まで所定の距離（ｄ）において終端する
‐前記溝のうちの少なくとも１つは、半円形断面を有する。他の断面形状は、例えば楕円形、長方形、インボリュート曲線状である
‐２〜１５ｍｍの溝径を有する
‐５ｍｍより大きい及び／又は１０ｍｍより小さい溝径を有する
‐少なくとも前記第１の溝及び前記第２の溝は、それらの端部のうちの少なくとも一方で共通の環状溝に合流する

最後に記載した実施形態を含むノズルの生産は、以下のように達成することができる。

ノズルは、（貫流チャネル領域を開状態に保持するための）内側マンドレルが、その外面に（隣接する領域から突出する）スパイラル／らせん状の構造を有して、圧縮成型中に凹部状の溝を形成することを条件として、（当業者には既知である）従来の液圧プレス又は平衡作動プレスによって生産される。言い換えると、圧縮中には、突出部は雄部であり、凹部は雌部である。マンドレルは多部品マンドレルであり、それによって、圧縮ステップの後にノズル内部から引き抜くことができる。

前記溝を形成するための別のオプションは、圧縮ステップ中に溝を形成するマンドレルの外面上に対応する取り外し可能なテンプレートを装着することである。テンプレートの材料は、溝に望ましい形状を与えるように十分強くなければならず、成形プロセスの後には焼け落ちることができるように可燃性であってそれによって溝を露出させることができる。

本発明のさらなる特徴は、従属請求項及び他の出願書類の特徴から得られる。

本発明は、以降により詳細に、本発明の１つの可能な実施形態を図的に示す添付の図面に関して説明される。

本発明によるノズルの２次元の垂直断面図である。 ノズル内壁の表面に溝を提供するためのテンプレートの図である。

図１によるノズルは、上述に説明されたような耐火性セラミックＳＥＮ（液面下の入口ノズル１０：ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ｅｎｔｒｙ ｎｏｚｚｌｅ １０）であり、
‐長手方向ノズル中心軸Ａを画定するとともに、貫流チャネル１４を取り囲むノズル内壁１２を備える略筒状形状を有し、貫流チャネル１４は、ノズル１０の使用位置における上端である第１のノズル端部１８における入口開口部１６と、（図示された）使用位置における下端である第２のノズル端部２４における２つの横方向出口開口部２０、２２と、の間の軸長Ｌに沿って延在して、その入口開口部１６から前記貫流チャネル１４に沿った前記出口開口部２０、２２を介した関連する溶融金属浴Ｂ中への溶融金属（矢印Ｍ）の連続的な流れを可能にする
‐第１の溝２６が、入口開口部１６への所定の距離（ｄ１）における上端部２６ｕから、出口開口部２０、２２の下端まで所定の距離（ｄ２）における下端２６Ｉまでスパイラルの態様で前記ノズル内壁１２中の貫通チャネル１４の軸長（Ｌ）の一部（長さＬ１）に沿って、延在する
‐第２の溝２８が、入口開口部１６への同じ所定の距離（ｄ１）における上端部２８ｕから、出口開口部２０、２２の下端まで所定の同じ距離（ｄ２）における下端２８Ｉまでスパイラルの態様で前記ノズル内壁１２中の貫通チャネル１４の軸長（Ｌ）の一部（同じ長さＬ１）に沿って、延在する
−第１の溝２６及び第２の溝２８は、複数の分岐合流部Ｊにおいて互いに交差する
ことを特徴とする。

開示された実施形態において、第１の溝２６及び第２の溝２８は、１８０°だけオフセットされており、それによって図１による対照的な形状が達成されるとともに、分岐合流部に衝突領域を有する２つの溝区画に沿った金属溶融物の、回転対象であるが対向する流れパターンが開示されている。

１つの金属部分流が前記溝２６、２８の１つに沿って、入口開口部２６から出口ポート２８まで、時計回りに延びており、前記第２の溝２８、２６に沿ったもう１つの別な部分流が、反時計方向に回転しており、（長手方向中心軸Ａの周りの）中心流れは、前記さらなるらせん流れによって著しく影響を受けることはない。

このことは、ノズルの内壁１２と、前記溝２６、２８の近傍における金属溶融物Ｍと、の間の望ましいせん断応力のプロファイルをもたらすとともに、特定の分岐合流（交差）領域だけでなく、隣接する区画にも効果的である、分岐合流点それぞれにおける繰り返す乱流を包含する。

これは、内壁面１２における詰まりの大幅な削減に対する決定的に重要な要因である。

示された実施形態は、以下の特徴によってさらに特徴づけられている。
‐溝の形状：半円形状
‐溝の直径：７ｍｍ
‐長手方向中心軸Ａに対する溝２８のらせん角度α：４５°
‐長手方向中心軸Ａに対する溝２６のらせん角度β：４５°
‐ノズル壁の材料：アルミナ‐グラファイト（６０Ｍ−％Ａｌ_２Ｏ_３、１０Ｍ−％ＳｉＯ_２、３０Ｍ−％Ｃ）

図２は、低融点材料、ここではビスマス合金からなる、２つのストリングＴ２６及びＴ２８を有するテンプレートＴを示し、ストリングＴ２６及びＴ２８の両方はらせん状に配置されており、分岐合流点ＴＪ並びに、上部リングＴＵＲ及び下部リングＴＬＲにおいて互いに連結されて、このテンプレートＴが対応するマンドレル上に配置されてプレス成形鋳型にセットされた際に、好適な剛性を提供する。

前記ストリングＴ２６、Ｔ２８は、図１に関連して記載されたような圧縮成型中に、対応する溝２６、２８を提供するとともに、マンドレルがセラミックノズルから引き抜かれ、ノズルが鋳型から引き抜かれた後に溶融する。

Ａ 長手方向ノズル中心軸
１４ 貫流チャネル
１２ ノズル内壁
１０ ノズル
１８ 第１のノズル端部
１６ 入口開口部
２４ 第２のノズル端部
２０、２２ 出口開口部
Ｌ、Ｌ１ 軸長
２６、２８ 溝
Ｊ 分岐合流点
α、β らせん角度
ｄ１、ｄ２ 所定の距離

Claims (15)

1. ‐長手方向ノズル中心軸（Ａ）を画定するとともに、貫流チャネル（１４）を取り囲むノズル内壁（１２）を備える略筒状形状を有し、前記貫流チャネル（１４）は、ノズル１０の使用位置における上端である第１のノズル端部（１８）における入口開口部（１６）と、前記使用位置における下端である第２のノズル端部（２４）におけるすくなくとも１つの出口開口部（２０、２２）と、の間の軸長（Ｌ）に沿って延在して、前記入口開口部（１６）から前記貫流チャネル（１４）に沿った、前記出口開口部（２０、２２）を介した溶融金属の連続的な流れを可能にし、少なくとも２つの溝（２６、２８）が、前記ノズル内壁（１２）に沿って設けられ、前記２つの溝部は、
   ‐前記ノズル内壁（１２）内に、前記貫通チャネル（１４）の前記軸長（Ｌ）の少なくとも一部に沿って、スパイラルの態様で設けられた第１の溝（２６）と、
   ‐前記ノズル内壁（１２）内に、前記貫通チャネル（１４）の前記軸長（Ｌ）の少なくとも一部に沿って、スパイラルの態様で設けられた第２の溝（２８）と、
   を備え、
   ‐前記第１の溝（２６）と、前記第２の溝（２８）と、は複数の分岐合流点（Ｊ）において互いに交差している、
   ことを特徴とする耐火性セラミックノズル。
2. 前記少なくとも２つの溝（２６、２８）のそれぞれは、前記長手方向ノズル中心軸（Ａ）に対して、２０°より大きく、８０°より小さならせん角度（α、β）を有することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
3. 前記溝（２６、２８）の少なくとも一方は、前記長手方向ノズル中心軸（Ａ）に対して、３０°より大きならせん角度（α、β）を有することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
4. 前記溝（２６、２８）の少なくとも一方は、前記長手方向ノズル中心軸（Ａ）に対して、４０°より大きならせん角度（α、β）を有することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
5. 前記溝（２６、２８）の少なくとも一方は、前記長手方向ノズル中心軸（Ａ）に対して、７０°より小さならせん角度（α、β）を有することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
6. 前記溝（２６、２８）の少なくとも一方は、前記長手方向ノズル中心軸（Ａ）に対して、５５°より小さならせん角度（α、β）を有することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
7. 少なくとも前記第１の溝（２６）及び前記第２の溝（２８）は、同じらせん角度（α、β）を有することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
8. 前記第１の溝（２６）と、前記第２の溝（２８）と、は、前記長手方向ノズル中心軸（Ａ）に垂直な平面（Ｐ）に沿って、１８０°＋／−３０°だけオフセットしていることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
9. 少なくとも前記第１の溝（２６）と、前記第２の溝（２８）と、は、前記貫流チャネル（１４）の同じ軸長（Ｌ１）に沿って延在することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
10. 前記溝（２６、２８）の少なくとも一方は、前記ノズル（１０）の前記入口開口部（１６）へ所定の距離（ｄ１）において始端することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
11. 前記溝（２６、２８）の少なくとも一方は、前記ノズル（１０）の前記出口開口部（２０、２２）へ所定の距離（ｄ２）において終端することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
12. 前記溝（２６、２８）の少なくとも一方は、半円状の断面を有することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
13. ３〜１５ｍｍの溝径を有する、請求項１２に記載のノズル。
14. ５〜１０ｍｍの溝径を有する、請求項１２に記載のノズル。
15. 少なくとも前記第１の溝（２６）と、前記第２の溝（２８）と、は、前記第１の溝（２６）と、前記第２の溝（２８）と、の少なくとも一方の端部で、共通の溝に合流することを特徴とする請求項１に記載のノズル。

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