JP2018051598A - 下注ぎ造塊設備 - Google Patents

Abstract

【課題】１本の湯道から複数の鋳型に対して下注ぎで注湯を行う場合において、鋳型の注入口での偏流発生と型内材の巻き込みを効果的に抑制でき、健全且つ高清浄な鋼塊を簡便な設備構成を用いて低コストで製造する。【解決手段】本発明の下注ぎ造塊設備１は、湯道３の先端に設けられると共に湯道３に対して略直交するように折れ曲がった分岐路４を経由して、分岐路４の先端に配備された鋳型５に対して溶鋼を注入して造塊を行う造塊設備であって、湯道３から分岐路４が上方に向かって分岐している分岐部１０には、上方に向かって曲面状に凹んだ凹部１１が形成されており、凹部１１の曲面の曲率半径をｒとし、湯道３の内径をｄｐとした際に、曲率半径ｒを内径ｄｐで除した係数Ｘが、所定の関係を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、型内材の巻込みを防止して、介在物欠陥の発生が抑えられた鋼塊を鋳造する下注ぎ造塊設備に関するものである。

従来より、鋳型を用いて鋼塊を製造する造塊には、溶鋼の注入方向の違いから「上注ぎ造塊」と「下注ぎ造塊」の２種類がある。「上注ぎ造塊」は、取鍋の溶鋼を、鋳型の上部より直接鋳型内に注ぎ込むものである。これに対して、「下注ぎ造塊」は、取鍋の溶鋼を、水平方向に沿って形成された湯道、及び上下方向に沿って垂直に設けられた注入管や注湯管などを経由して、鋳型の底部に設けられた注入口、つまり取鍋の下側から鋳型内に注ぎ込むものとなっている。

ところで、上述した「下注ぎ造塊」では、通常、溶鋼の酸化防止や鋳片肌を改善する目的で、鋳型内にパウダー状の型内材が使用される。このとき、鋳型の底部の吐出口から上向きに噴出された溶鋼が、鋳型内で注入流を発生させる。特に、鋳造初期には、この注入流によって鋳型内に添加された型内材が溶鋼中に巻き込まれ、鋼塊内に捕捉されてしまうことがある。このような溶鋼への型内材の巻き込みが生じると、鋼塊の底部の凝固殻に捕捉された型内材が介在物欠陥を生じさせる可能性がある。

このような型内材の巻き込みを防止するために、従来の下注ぎ造塊方法では、以下の特許文献１や特許文献２に示すような手段を設けている。
例えば、特許文献１には、鋳型の底部に設けられた吐出口から溶融金属を鋳型内に吐出する下注ぎ方式の注湯方法に使用される注湯管に関する発明であって、先端部が前記吐出孔に連通している注湯管において、前記吐出口から下方へ長さＬまでの領域内の注湯管の内孔の形状が、横方向断面（溶融金属進行方向に垂直な方向の断面をいう）の径が前記吐出口たる起点から下方向に向かって漸次曲線で縮径し、かつその漸次縮径する曲線が、注湯管の中心軸を通過する縦方向断面において所定の式によって表される形状を有することを特徴とするものが開示されている。この特許文献１の注湯管を用いれば、溶融金属の下注ぎ方式の注湯方法において、注湯速度を低下させることなく、複雑な装置を設置する等の生産性低下やコスト上昇等を招来することのない簡易な方法で、注湯中の鋳型内溶融金属の湯面方向（直上方向）の流速を低減させ、非金属介在物や酸化に伴う金属鋳塊の品質低下を低減することができるとされている。

また、特許文献２には、湯道形状を変更することで、鋳込流量を変更することなく、吐出圧を低減させ、型内材の巻き込みを低減する下注ぎ造塊の技術が開示されている。つまり、下注ぎ造塊において吐出圧が大きい場合、溶鋼表面の型内材が外周部に追いやられ、目玉と呼ばれる裸湯ゾーンが形成されることで、再酸化や水素ピックアップ、溶鋼温度低下などの問題が発生する。そのため、裸湯ゾーンの形成を抑制できるように型内材を多量に添加する必要があるが、型内材の多量添加は型内材の巻き込みを増長する。吐出圧を減少させて型内材の巻き込みを低減することもできるが、吐出圧の減少は製造効率の観点から鋳込流量を減少させることができない。

特開２０１２−０８６２３３号公報 特開平９−２３９４９４号公報

ところで、上述した特許文献１や特許文献２の技術は、鋳型底部に設けられる吐出口にテーパを設けたり曲面状に面取りを設けたりして、溶鋼の吐出流速を低減するものとなっている。
しかしながら、湯道の先端に湯道の形成方向と略直交する向きに分岐路を設けると、分岐路が湯道から分岐している分岐部で溶鋼の流れに偏りが発生しやすくなり、この溶鋼の流れの偏り（以降、偏流という）が注入口、ひいては鋳型内部での溶鋼の流れにも大きな偏りを発生させることになる。上述した偏流は分岐路の入口で発生するものであり、分岐路の入り側で偏流の発生を抑制しなければ型内材の巻き込みを確実に低減することはできない。

この点、上述した特許文献１や特許文献２の技術は、分岐路の出口における溶鋼の流速を平滑化するものではあっても、分岐路の入口における偏流の発生状態を考慮したものとなっておらず、十分な吐出圧低下効果が得られる可能性は低い。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、湯道から分岐路に入る際の溶鋼の流れを平滑化して、鋳型の注入口から吐出される吐出流を均一に分散することで偏流発生と型内材の巻き込みを効果的に抑制でき、健全且つ高清浄な鋼塊を製造することができる下注ぎ造塊設備を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の下注ぎ造塊設備は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の下注ぎ造塊設備は、湯道の先端に設けられると共に湯道に対して略直交するように折れ曲がった分岐路を経由して、前記分岐路の先端に配備された鋳型に対して、前記湯道の溶鋼を注入して造塊を行う造塊設備であって、前記湯道から分岐路が上方に向かって分岐している分岐部には、上方に向かって曲面状に凹んだ凹部が形成されており、前記凹部の曲面の曲率半径をｒ（該ｒの中心は湯道と分岐路の交点）とし、前記湯道の内径をｄ_ｐとした際に、前記曲率半径ｒを内径ｄ_ｐで除した係数Ｘが、以下の式（１）の関係を満足することを特徴とする。
［数１］
０．２≦Ｘ≦０．７ ・・・（１）
なお、好ましくは、前記凹部は、前記湯道における溶鋼の流れ方向に対して、前記分岐部における流れ方向の下流側に形成されているとよい。

本発明の下注ぎ造塊設備によれば、湯道から分岐路に入る際の溶鋼の流れを平滑化して、鋳型の注入口から吐出される吐出流を均一に分散することで偏流発生と型内材の巻き込みを効果的に抑制でき、健全且つ高清浄な鋼塊を製造することができる。

本実施形態の下注ぎ造塊設備を模式的に示した図である。 本実施形態の下注ぎ造塊設備の鋳型を拡大して示した断面図である。 本実施形態の下注ぎ造塊設備の分岐部を拡大して示した図である。 直径が７０ｍｍのストレートの分岐管における湯道平均流速と吐出口最大流速との関係をグラフとして示したものである。 直径が７０ｍｍのテーパ付きの分岐管における湯道平均流速と吐出口最大流速との関係をグラフとして示したものである。 直径が１１０ｍｍの分岐管における湯道平均流速と吐出口最大流速との関係をグラフとして示したものである。 比較例３の注入口から吐出される溶鋼の吐出流速の大きさを示す分布図である。 実施例５の注入口から吐出される溶鋼の吐出流速の大きさを示す分布図である。 比較例８の注入口から吐出される溶鋼の吐出流速の大きさを示す分布図である。 実施例１２の注入口から吐出される溶鋼の吐出流速の大きさを示す分布図である。 比較例１３の注入口から吐出される溶鋼の吐出流速の大きさを示す分布図である。 実施例１７の注入口から吐出される溶鋼の吐出流速の大きさを示す分布図である。 比較例５の注入口から吐出される溶鋼の吐出流速の大きさを示す分布図である。 実施例７の注入口から吐出される溶鋼の吐出流速の大きさを示す分布図である。 比較例１０の注入口から吐出される溶鋼の吐出流速の大きさを示す分布図である。 実施例１４の注入口から吐出される溶鋼の吐出流速の大きさを示す分布図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の下注ぎ造塊設備１の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
一般的に鋼塊を造塊する方法としては、鋳型内で溶鋼を凝固させて鋼片を製造する際の溶鋼の注入方法によって、下注ぎ造塊と上注ぎ造塊の２種類が知られている。上注ぎ造塊は取鍋の溶鋼を鋳型の上部の開口部から直接鋳型にを注ぎ込んで鋳造するのに対し、下注ぎ造塊は、ロート状の注ぎ口が上端に設けられた注入管２と呼ばれる垂直の管に溶鋼を注ぎ込み、注入管２の下端に接続された湯道３を介して溶鋼を水平方向に流通させ、湯道３から注湯管（後述する分岐した流路）を介して溶鋼を鋳型５の下側から注湯できるようになっている。下注ぎ造塊は上注ぎ造塊よりも良好な鋳肌が得られるという利点があり、品質が重視される高級鋼の製造などに適用される。なお、本実施形態の下注ぎ造塊設備１は、上述した２つの造塊法のうち、下注ぎ造塊を対象するものとなっている。

図１に示すように、上述した下注ぎ造塊を行う本実施形態の下注ぎ造塊設備１は、鋳造に用いる溶鋼が装入された取鍋６と、取鍋６の下方に設けられると共に上下方向に沿って垂直に起立した注入管２と、を備えている。この注入管２の上端は取鍋６に繋がっており、取鍋６内の溶鋼を注入管２の内部を通して下方に案内できるようになっている。また、注入管２の下側には、溶鋼を水平方向に送る湯道３が配備されており、湯道３の終端を経由して鋳型５に溶鋼を注入可能となっている。すなわち、図１に示す如く、本実施形態の下注ぎ造塊設備１は、取鍋６から排出された溶鋼が１つの鋳型５につながるものとされている。

具体的には、本実施形態の下注ぎ造塊設備１は、床面などに対して水平方向に移動可能とされた定盤上に台盤７を配置し、台盤７上に上述した鋳型５（モールド）が配置されている。また、定盤と台盤７の双方を上下方向に貫通するように湯道３用の貫通孔８が形成されている。この貫通孔８の内壁には耐火煉瓦が内張りされていて、丸孔状の湯道３が形成されている。また、取鍋６の下部には注入ノズル９が設置されており、注入ノズル９から上述した注入管２のロート状の注ぎ口に溶鋼を注ぎ込み、注入管２の下側に接続された湯道３を経由して、鋳型５側に溶鋼が送られる。このようにして鋳型５側に送られてきた溶鋼は、鋳型５の底部の注入口から鋳型５内に下方から流し込まれ、流し込まれた溶鋼を凝固させることで鋼片（鋼塊）が製造される。

なお、上述した下注ぎ造塊法では、鋳込み時の溶鋼の大気酸化や溶鋼温度の低下などを防ぐために、鋳型５内の溶鋼表面を型内材（溶鋼被覆剤）で覆うようにして造塊が行われる。
また、図２に示すように、上述した湯道３は、注入管２の下端から外側に向かって水平方向に沿って形成されており、注入管２の下端から水平方向に延びる湯道３を経由して取鍋６の溶鋼が流通されている。そして、湯道３の溶鋼は、この湯道３に設けられた分岐した流路を通って鋳型５に導かれ、鋳型５の底の注入口から当該鋳型５に溶鋼が注湯される。本実施形態の下注ぎ造塊設備１の場合、１本の注入管２の下端に、水平方向に伸びるように１本の湯道３が形成されている。

なお、本実施形態の下注ぎ造塊設備１は、大量の鋼片（インゴット）を効率よく鋳造工場から搬出するため、鋳造した鋼片を鋳型５、注入管２、湯道３ともども運搬用列車の台車に積載して移動させる構成とされている。また、鋳造工場の省スペース化の観点から、湯道３は、台車の長手方向、すなわち図１の紙面における左右方向に沿った配列となっている。

上述したランナーと鋳型５との間には、上下方向に沿って伸びる分岐した流路が形成されており、分岐した流路を介して湯道３の溶鋼を鋳型５に流通可能となっている。この分岐した流路の下端はランナーに対して直交状態で交差しており、分岐した流路は湯道３に沿って流れてきた溶鋼の流通方向を９０°切り換えて鋳型５に流通可能となっている。
つまり、本実施形態の下注ぎ造塊設備１では、略Ｌ字状の分岐路４に流し込まれた溶鋼は取鍋６から最も遠い位置にある鋳型５に送られ、鋳型５の底部に設けられた注入口１２から鋳型５内に注入される。

ところで、上述した分岐路４が形成された分岐部１０においては、湯道３を流れる溶鋼の向きが９０°という大きな角度で切り替わるため、どうしても分岐路４の入り口側で溶鋼の流れに偏りが発生する。つまり、湯道３を流れてきた溶鋼は、この湯道３に対して略Ｌ字状に分岐した分岐路４に入ってもすぐには向きが変わらず、分岐路４の奥側（取鍋６から遠い側）の内周面（内壁面）に押しつけられるようにして分岐路４に入ることになり、内周面に押しつけられることで溶鋼の強い流れが発生する。このような分岐部１０で発生した溶鋼の強い流れは、分岐路４の終端（注入口１２）や取鍋６内でも、残ってしまうため、鋳型５内での溶鋼の流速も平滑とはならず、鋳型５内の湯面が乱れる（暴れる）などして型内材の巻き込まれなどが起きやすくなる。このようにして巻き込まれた型内材（溶鋼被覆剤）は鋼塊の凝固界面に補足され、鋼塊中に残存してしまう。そのため、鍛造、機械加工後の超音波探傷（ＵＴ）検査や磁粉探傷検査によって欠陥として検出されることがあり、欠陥とされた部分は切り捨てられることから型内材の巻き込まれは鋼塊の歩留まりを悪化させる主たる要因となっている。

そのため、従来の下注ぎ造塊法では、型内材（溶鋼被覆剤）の成分を調整し、粘性を制御することで巻込み防止を狙っているが、鋳込み初期は湯面が低く、型内材と溶鋼の深さが浅いため、溶鋼の流れの影響を強く受け、型内材の巻込みを確実に防止できない。
また、型内材の性状を変化させる以外にも、溶鋼の流動状態を制御するなどして、型内材の巻込みを防止する技術も開発されている。例えば、超音波探傷（ＵＴ）検査で確認される型内材の巻き込みは、鋳型５の注入口から吐出される吐出流速が0.6m/s以上になると生じており、吐出流速を0.6m/s未満に低減すれば型内材の巻込みを防止することも可能となる。

ただ、鋳込み時の鋳込み速度を低減すれば、偏流時の最大流速を低減することが可能となる反面、溶鋼注入を絞りすぎた結果、取鍋６の鋳込みノズル閉塞や湯道３内での閉塞の問題を招きやすくなる。また、鋳込み時の鋳込み速度を低減すれば、下注ぎ造塊を終えるまでの時間も延長されることになり、生産性の低下に繋がったり、鋳込み終了時に溶鋼の温度が低下し過ぎて沈降性介在物が発生しやすくなったりするリスクも増大する。特に、本発明の下注ぎ造塊法は連続鋳造法では製造することができないような大型の鋼塊を製造するものであり、生産性の確保は何よりも優先すべきものの一つである。そのため、生産性の低下や沈降性介在物の発生リスクを増加させる可能性がある「鋳込み速度の低減」という手段は簡単に採用できるものではない。

そこで、本実施形態の下注ぎ造塊設備１は、鋳込み速度を落とすことなく生産性を担保するために、湯道３及び分岐路４の形状を変更して型内材の巻き込みを抑制するようにしている。
具体的には、上述した型内材の巻込みは、鋳型５内の溶鋼界面の流速がある臨界値を越えると生じるようになる。ここで、溶鋼界面の流速は鋳型５の底部に形成された注入口１２から吐出される溶鋼の吐出流速と相関があり、鋳込み速度、つまり注入口１２からの吐出流速が大きいほど、溶鋼界面の流速も大きくなり、型内材の巻き込みも起きやすくなる。

また、上述した「背景技術」に示した従来の下注ぎ造塊法では鋳型底部の注入口から吐出される溶鋼の平均吐出流速（注入管２からの鋳込流量を湯道の断面積で除した流速）を用いて型内材の巻き込みが発生の可否を判断している。しかし、下注ぎ造塊で鋳込みを行う際には、上述した分岐部において溶鋼流れに偏りが発生する場合があり、溶鋼流れの偏りが鋳型でも残った場合に、特に型内材の巻き込みが発生していることがわかった。つまり、型内材の巻き込みに対しては、平均的な溶鋼の流速ではなく、局部的な流速の大きさも加味した溶鋼の最大吐出流速を考慮する必要がある。

以上のことから、本発明の下注ぎ造塊設備１は、取鍋６から水平方向に離れた鋳型５に溶鋼を送っている分岐路４が設けられた分岐部１０に対して、上方に向かって曲面状に凹んだ凹部１１を形成している。この凹部１１の曲面の曲率半径をｒとし、湯道３の内径をｄ_ｐとした際に、曲率半径ｒを湯道３の内径ｄ_ｐで除した係数Ｘが、以下の式（１）の関係を満足するものとなっている。つまり、本発明の下注ぎ造塊設備１は、分岐部１０で発生した溶鋼の流れの偏りを解消するために、分岐路４の入り口側に上述した凹部１１を形成したものとなっている。本実施形態の場合、この曲率半径ｒは、湯道の内周面のうち、最も上部に位置する部分を結んだ線と、分岐路の内周面のうち、凹部１１が設けられた側の分岐路の内周面を上下に結んだ線と、が交わる交点（図３において点「S」で示される点）を、曲率の起点としたものとなっている。なお、本発明の下注ぎ造塊設備１に設けられる凹部１１は、必ずしも上述した交点Sを曲率の起点としなくても良い。例えば、交点Sから多少離れた位置にある点を起点として曲率半径を設定していても良い。
［数１］
ｄ×０．１≦Ｘ≦ｄ×０．７ ・・・（１）
上述した分岐部１０に上方に向かって曲面状に凹むと共に、式（１）の関係を満足する凹部１１を設けた場合には、分岐部１０から注入口１２にかけての分岐路４において偏りが生じていた溶鋼の流れを分散させることが可能となる。つまり、分岐部１０での溶鋼の流れに偏流が発生しにくくなるので、注入口１２から吐出される吐出流速が局部的に大きくなることもなくなり、結果として最大吐出流速を低減することが可能となる。それゆえ、本発明の下注ぎ造塊設備１を用いた場合には、型内材の巻き込みを効果的に抑制することができる。

次に、本実施形態の下注ぎ造塊設備１に設けられる分岐部１０、及びこの分岐部１０に形成される凹部１１について説明する。
図２及び図３に示すように、上述した分岐部１０は、水平方向に沿って配備された湯道３と、取鍋６から最も遠い位置にある鋳型５に溶鋼を送る分岐路４とが、正面から見てＬ字状に交差する部分である。つまり、本実施形態の分岐部１０は、図例のように、取鍋６が設けられた側（内側）から外側に向かって複数の鋳型５が設けられている場合は、最も取鍋６から遠い側（反取鍋６側または外側）に位置する鋳型５に溶鋼を送る部分となる。この分岐部１０は、湯道３と分岐路４とはいずれもＬ字状に交差している。このような分岐部１０では、湯道３を流れてきた溶鋼が分岐路４に入ったところで急激に向きを変えるので、上述した分岐部１０において溶鋼の流れに偏りが発生する。そこで、本実施形態の下注ぎ造塊設備１では、湯道３と分岐路４とが正面視でＬ字状に交差している分岐部１０に凹部１１を設けて、溶鋼の流れに偏りが発生することを抑制している。

なお、本実施形態の下注ぎ造塊設備１は、Ｌ字状の分岐部１０に凹部１１が設けられているものであれば、他の分岐した流路、つまり湯道３から正面視で略Ｌ字状に分岐している分岐部に上述した凹部をさらに追加で設けても良い。
さらに、上述した湯道３及び分岐路４は、直径が４０ｍｍ〜１００ｍｍとされている。なお、本実施形態では、湯道３と分岐路４とは同じ内径とされていても良いが、上述した内径の範囲で異なる内径に形成されていてもよい。

以降の説明では、取鍋６から最も近い鋳型５に湯道３から溶鋼を送る分岐部１０のみに凹部１１を設けた例を挙げて、本実施形態の造塊設備を説明する。
図４〜図６は、上述した分岐部１０で発生する溶鋼の流れ方向や流速の分布を、本実施形態の下注ぎ造塊設備１での場合と、従来の下注ぎ造塊設備の場合とで比較した結果である。

図３に示すように、本実施形態の下注ぎ造塊設備１に設けられる凹部１１は、耐火物の表面を上方に向かって曲面状に凹ませた部分（お椀を伏せた形状部）であり、上方に向かって凹んだ状態に欠肉状に形成された部分であって、この凹んだ部分に溶鋼を衝突させ滞留させることで溶鋼の流れに偏りが発生することを抑制可能となっている。
つまり、従来の分岐部（凹部を備えていない分岐部）では、水平方向を向く湯道を流れてきた溶鋼は、湯道に対して略Ｌ字状に交差した流路に流れ込んだ際に、まず分岐した流路の管内周面のうち、奥側（取鍋から遠い側）に位置する管内周面に衝突し、それから分岐した流路の管内周面に沿って上方に移動して鋳型に注湯される。このとき、分岐した流路の奥側の管内周面に衝突した溶鋼は、内周面に貼り付いたまま流路の上方に移動し、注入口から鋳型内に吐出される。

ところが、本実施形態の下注ぎ造塊設備１の分岐部１０では、凹部１１が設けられているため、湯道３から分岐路４に流れ込んだ溶鋼はまず凹部１１の内周面に衝突する。そして、凹部１１に一時的に滞留し、勢いを削がれた状態で溶鋼が分岐路４に入り込む。その結果、分岐路４の内部で溶鋼が内周面に強く押しつけられることが無くなり、管内周面から離れた分岐路４の中央側に流れが形成される。さらに、この分岐路４の中央側に形成された流れは鋳型５に達するまでに分散され、注入口１２から鋳型５内に吐出されるときには溶鋼の流れに偏りが殆ど見られなくなる。そのため、本実施形態の下注ぎ造塊設備１では偏流が抑制され、鋳型５内で溶鋼の均等な流れを実現可能となり、型内材の巻き込みを抑制できるのである。

なお、上述した凹部１１は、取鍋６側から見て分岐部１０の奥側、つまり取鍋６から遠い側の隅（湯道３と分岐路４とが交差している角の部分、以下同じ）に形成されている必要がある。つまり、取鍋６側から見て分岐部１０の奥側の隅に凹部１１が形成されていれば、取鍋６側から見て分岐部１０の手前側（取鍋６から近い側）の隅には凹部１１は形成しても良いし、形成されていなくても良い。少なくとも手前側の隅に凹部１１を形成しておけば十分な偏流抑制の効果を得ることができるからである。

また、上述した凹部１１については、上述した式（１）に示すように、凹部１１の曲面の曲率半径をＸとし、湯道３の内径をｄ_ｐとした際に、曲率半径Ｘと内径ｄ_ｐとの間に、以下の式（１）の関係が成り立つような形状とするのが良い。式（１）の関係が成り立つような形状の凹部１１を設ければ、分岐路４の管内周面から引き離された中央側に溶鋼の流れを形成することができ、鋳型５内に溶鋼を均等に吐出することが可能となる。

なお、上述した式（１）の関係は、内径がφ40〜100mmの湯道３または分岐路４に対して成立するものとなっている。また、ランナーの鋳込流量が１本当りで0.5t/min〜4t/minであって、鋼塊の重量範囲が1ton〜100tonとされた場合に成立するものとなっている。

次に、実施例及び比較例を用いて、本発明の下注ぎ造塊設備１の作用効果を、さらに詳しく説明する。
実施例及び比較例は、図３に示すようなテーパ状の注入部１２に対して、パラメータとして「入側の開口の内径：d_i (m)」、「出側の開口の内径：d_o(m)」、「注入部１２の入側から出側までの距離：s(m)」、「注入部１２のテーパ面が垂直方向に対して為す角度：θ(deg)」、「鋳込み流量：Ｑ(m³/s)」を変化させた場合に、注入部１２の出側で溶鋼の吐出流速がどのように変化するかをシミュレーションを用いて実験したものである。

なお、シミュレーションには流体解析ソフトウェアである「ANSYS Fluent 14.5」を用い、シミュレーションの実験条件は表１に示すようなものを採用した。また、シミュレーションで求める「注入部１２の出側における溶鋼の吐出流速」とは、テーパ部１１（湯道５）の中心を通って上下に伸びる線上において、注入部１２の出側で生じる溶鋼の流量を計測したものである。なお、以降では、この注入部１２から溶鋼内に突出される溶鋼の吐出流速を、単に「吐出流速」と呼ぶことがある。

具体的には、注入口１２の形状としては、「ストレート形状」、「９０ｍｍφのテーパ形状」、及び「１１０ｍｍφのテーパ形状」を用いた。すなわち、「ストレート状」は、注入口１２の下端側の口径が７０ｍｍφであって上端側の口径が７０ｍｍφのものであり、また「９０ｍｍφのテーパ形状」は、注入口１２の上端から下方に向かって３５０ｍｍの範囲に対して、下端側の口径が７０ｍｍであって上端側の口径が９０ｍｍとなるようにテーパを形成したものである。さらに、「１１０ｍｍφのテーパ形状」は、注入口１２の
上端から下方に向かって３５０ｍｍの範囲に対して、下端側の口径が７０ｍｍであって上端側の口径が１１０ｍｍとなるようにテーパを形成したものである。

また、溶鋼の最大吐出流速は、注入口１２の鋳型底部吐出口断面における位置で計測された値を用いた。
図５〜図７に示すように、注入口１２の形状が「ストレート形状」、「９０ｍｍφのテーパ形状」、及び「１１０ｍｍφのテーパ形状」のいずれの場合であっても、鋳込速度を大きくするほど、溶鋼の最大吐出流速も大きくなる傾向がある。また、同じ鋳込み速度で比較すると、実施例の注入口１２、つまり凹部１１を設けた注入口１２から吐出される溶鋼の最大吐出流速が、凹部１１を備えていない比較例の最大吐出流速よりも小さくなっており、凹部１１を設けることで最大吐出流速を低減可能であることが分かる。

注入口１２から吐出される溶鋼の吐出流速については、最大吐出流速Ｍを０．６０ｍ／ｓ以下としておけば、ＵＴ検査などを行っても介在物欠陥が検出されなくなり、型内材の巻き込みが発生しないことを、操業実績などから発明者らは経験的に知見している。
上記から、注入口１２からの溶鋼が最大吐出流速が0.60m/sより大きくなると介在物が発生し、0.60m/s以下に制御されるのが好ましいと判断され、これにより鋼塊での介在物の発生、つまり型内材の巻き込みが抑制可能と判断される。

次に、湯道３と分岐路４とが略Ｌ字状に交差した分岐部１０に対して、シミュレーションで溶鋼に発生する流動状態の解析を行った。なお、流動状態の解析を行った分岐部１０は、最も取鍋６から最も遠い位置に設けられたものとなっている。また、流動状態の解析条件は、以下の表１に従うものとなっている。

また、流動状態を解析するための計算条件や、解析の際に用いる物性値は表２及び表３に示すようなものとなっている。

上述した流体の解析の条件に基づいて、凹部を設けていない分岐部の注入口で発生する溶鋼の最大吐出流速を比較例として求めると共に、曲率半径ｒを湯道３の内径ｄ_ｐで除した係数Ｘを０．１倍〜０．７倍の範囲で変化させた凹部１１を有する分岐部１０で発生する溶鋼の最大吐出流速を実施例として求めた。また、溶鋼の最大吐出流速は、注入管２から４本の湯道３に流れ込む溶鋼の流量、つまり鋳込流速（ランナー鋳込流速）によっても変化するため、通常の製造条件で鋳込みが行われる際のベース流量を基準として、実際に鋳込み実験を行う際の鋳込流速がベース流量の０．５倍〜１．５倍となるように流速を変えて鋳込みを行い、溶鋼の最大吐出流速を求めた。

求められた最大吐出流速などの結果を表４に示す。

表４では、凹部を備えていない比較例１〜比較例１５の分岐部で発生する最大吐出流速に比して、凹部１１を備えた実施例１〜実施例１９の分岐部１０で発生する最大吐出流速がどの程度の割合になるか、「丸孔最大吐出流速／Ｒ付与最大吐出流速」で示した。なお、この「丸孔最大吐出流速／Ｒ付与最大吐出流速」は百分率で示されている。
表４の結果を見ると、「ストレート形状」の注入口を用いた場合、係数Ｘの値が０．２１〜０．６４となる凹部１１を備えた実施例１〜実施例９では、「丸孔最大吐出流速／Ｒ付与最大吐出流速」は６７％〜８０％となっており、比較例１〜比較例５の１００％に比して大きく下がっていることがわかる。

一方、注入口を「９０ｍｍφのテーパ形状」とした場合、凹部を設けていない注入口を用いた比較例６〜比較例１０の場合であっても、「丸孔最大吐出流速／Ｒ付与最大吐出流速」は６３％〜７５％となっており、注入口をテーパ形状とすることで最大吐出流量はストレート形状の場合より大きく下がることがわかる。ところが、係数Ｘの値が０．３９となる凹部１１を備えた実施例１０〜実施例１４では、「丸孔最大吐出流速／Ｒ付与最大吐出流速」はさらに４４％〜５４％となっており、比較例６〜比較例１０の結果に比しても最大吐出流速が大きく下がっていることがわかる。このことから、上述した式（１）の関係を満足する凹部１１を形成するだけでなく、注入口１２にテーパ形状を採用した場合には、さらに大きな最大吐出流速の低減効果を得ることが可能であると判断される。

さらに、上述した実施例１０〜実施例１４で確認される効果は、注入口を「１１０ｍｍφのテーパ形状」とした実施例１５〜実施例１９の場合にも確認される。つまり、比較例１１〜比較例１５の「丸孔最大吐出流速／Ｒ付与最大吐出流速」が５５％〜８３％であるのに比して、実施例１５〜実施例１９の「丸孔最大吐出流速／Ｒ付与最大吐出流速」が２９％〜３８％となる。このことから、上述した実施例１０〜実施例１４で確認される効果（テーパ形状と凹部１１との双方を設けた場合の相乗的な効果）は注入口１２の上端側の
口径が１１０ｍｍの場合にも成立すると判断される。

なお、図４や数式中に用いた「ｄ_ｐ」、「ｄ_０」、「ｄ_ｉ」、「ｓ」、「ｓ_ｔ」、「Ｑ」、「ｒ」、「Ｘ」、「Ｍ」は、表５に示すような定義に従うものとなっている。

上述した表４の結果は、吐出流速の分布を濃淡で示した図８〜図１７からも明らかである。
つまり、「ストレート形状」の注入口１２を用いた分岐路４を経由して溶鋼を取鍋６内に注入する場合、図８に示す比較例３（凹部を備えていない比較例３）では、湯道に沿って流れてきた溶鋼が、湯道から取鍋に入ったところで取鍋から遠い側の分岐路の内壁面に衝突し、遠い側の分岐路の内壁面に吐出流速が速い部分（例えば、流速が１．９m/s以上の部分）が形成される。そして、この衝突で形成された速い溶鋼の流れは注入口でも残り、取鍋内にも吐出流速が速い偏流が確認される。

ところが、図９に示す実施例５（凹部１１を備えた実施例５）では、比較例３と同様に湯道３に沿って流れてきた溶鋼は、湯道３から分岐路４に入ったところで取鍋から遠い側の分岐路４の管内周面に衝突するものの、凹部１１から遠い側の分岐路４の管内周面に形成される吐出流速が速い部分（例えば、流速が１．９m/s以上の部分）の面積は比較例３ほど大きくない。また、このように管内周面に衝突することで形成された速い溶鋼の流れも注入口１２まで来れば殆ど消失し、取鍋６内では吐出流速が速い偏流は殆ど確認されなくなる。

一方、図１０、図１２に示すように、「テーパ形状」の注入口１２を用いた分岐路４を経由して溶鋼を取鍋６内に注入する場合、凹部を備えていない比較例８や比較例１３では、分岐路４の内壁面に吐出流速が速い部分（例えば、流速が１．９m/s以上の部分）が形成されるものの、この速い溶鋼の流れは「テーパ形状」の注入口１２で弱まり、取鍋６内には流速が１．４m/sまでの若干吐出流速が速い偏流は残るものの、「ストレート形状」の注入口１２の場合ほど吐出流速が速い偏流は確認されない。

また、図１１、図１３に示すように、「テーパ形状」の注入口１２を用いるに加えて、凹部１１を備えた実施例１２や実施例１７では、注入口１２を「テーパ形状」にするのに加えて、凹部１１を設けているため、比較例８や比較例１３に比して吐出流速が速い偏流がさらに確認されなくなる。その結果、実施例１２や実施例１７では、取鍋６内において流速が１．０m/sまでに抑えられ、偏流が効果的に抑制されていることがわかる。

上述した図８〜図１３は、いずれも鋳込速度がベース流量の場合（2.217ton/minの場合）のものであったが、鋳込速度をベース流量の１．５倍まで上げると、偏流の発生が起き易くなる。例えば、図１４〜図１６に示すように、「テーパ形状」の注入口１２を用いるか、凹部１１を設けたものでは、取鍋６内に吐出流速が速い部分（例えば、流速が１．９m/s以上の部分）が多少なりとも確認される。ところが、図１７に示すように、「テーパ形状」の注入口１２を用いた上で、さらに分岐部１０に凹部１１を設けた例では、ベース流量の１．５倍まで鋳込速度が大きくなっていても、偏流はあまり確認されない。このことから、取鍋内で偏流を確実に抑制するためには「テーパ形状」の注入口１２を用いた上で、さらに分岐部１０に凹部１１を設けるのが好ましいと考えられる。

以上のことから、上述した式（１）を満足する形状の凹部１１を分岐部１０に設けた場合には、鋳型５の注入口１２での偏流発生と型内材の巻き込みを効果的に抑制でき、健全且つ高清浄な鋼塊を簡便な設備構成を用いて低コストで製造することができると判断される。
なお、最大度出流速が0.60m/s以上の範囲であっても、最大吐出流速を従来よりも低減することにより、従来切り捨てられていた鋼塊底部の溶鋼被覆剤巻き込み範囲の切捨て重量を少なくできる効果がある。つまり、最大吐出流速の低減は下注ぎ造塊によって非常に重要であり、最大度出流速が0.60m/s以下でなくとも、極力低減することで鋼材の歩留まり向上効果がある。そこで、表に関しては0.60m/s以上の範囲も本願発明に含まれるものと扱っている。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

例えば、上述した実施形態は、湯道３からＬ字状に分岐した分岐路４が湯道３の終端側（取鍋６から遠い側、出側）に１本だけ設けられ、この分岐路４が分岐される分岐部１０に凹部１１が設けられたものであった。しかし、本発明の凹部１１は、湯道３の中途側（注入管２が設けられた入側から出側までの間）に分岐路４を設けておいて、この分岐路４が分岐される分岐部１０に設けられたものであっても良い。また、分岐部１０の形状はＬ字以外の形状、例えば略Ｔ字状であっても良い。

１ 下注ぎ造塊設備
２ 注入管
３ 湯道
４ 分岐路
５ 鋳型
６ 取鍋
７ 台盤
８ 貫通孔
９ 注入ノズル
１０ 分岐部
１１ 凹部
１２ 注入口

Claims (2)

1. 湯道の先端に設けられると共に湯道に対して略直交するように折れ曲がった分岐路を経由して、前記分岐路の先端に配備された鋳型に対して、前記湯道の溶鋼を注入して造塊を行う造塊設備であって、
   前記湯道から分岐路が上方に向かって分岐している分岐部には、上方に向かって曲面状に凹んだ凹部が形成されており、
   前記凹部の曲面の曲率半径をｒとし、前記湯道の内径をｄ_ｐとした際に、前記曲率半径ｒを内径ｄ_ｐで除した係数Ｘが、以下の式（１）の関係を満足することを特徴とする下注ぎ造塊設備。
   ［数１］
   ０．２≦Ｘ≦０．７ ・・・（１）
2. 前記凹部は、前記湯道における溶鋼の流れ方向に対して、前記分岐部における流れ方向の下流側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の下注ぎ造塊設備。