JP2019206018A - 鋼の給湯方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶鋼１０を溶鋼鍋１からタンディッシュ４に注入するに際し、微細な気泡を溶鋼中に吹き込むことを可能にする鋼の給湯方法を提供する。【解決手段】溶鋼鍋１内の溶鋼１０をスライディングノズル２とその下方に配置する注入管３を用いてタンディッシュ４に給湯する方法であって、スライディングノズル２の絞り部９の下端から下方に４００ｍｍ以内の耐火物溶鋼接触部に設置された貫通孔５から不活性ガスを吹き込みながら溶鋼を給湯する鋼の給湯方法。【選択図】図１

Description

本発明は、溶鋼を溶鋼鍋からタンディッシュに給湯する、鋼の給湯方法に関するものであり、特に、溶鋼鍋からの溶鋼流量を耐火物製のプレートを動かすスライディングノズルを用いて、プレートの中ほどにある孔を通して調整し、耐火物製の注入管でタンディッシュ内に給湯する方法において、流路内に不活性ガスを吹き込み、溶鋼を清浄化する技術に関するものである。

鋼の連続鋳造プロセスにおいては、精錬工程で成分と温度を調整された溶鋼は、耐火物容器である溶鋼鍋（取鍋）に貯留された状態で、連続鋳造工程を実施する連続鋳造機まで輸送される。輸送された溶鋼は、連続鋳造機の鋳型に注入されるが、取鍋から直接鋳型に注入すると、溶鋼の流量の制御が難しい。またその一方で、取鍋を交換しつつ、鋳型に継続的に溶鋼を供給して、鋳造を連続的に行う必要がある。このため、一般的には取鍋の溶鋼は、一旦取鍋下方に位置するタンディッシュと呼ばれる中間容器内に注入され、タンディッシュ内で流量調整された後、鋳型内に供給されている。

タンディッシュは、上述のように流量を制御しつつ溶鋼を鋳型に供給する機能を持つ他に、鋼の精錬時等に不可避的に混入したスラグや、脱酸のために添加されたアルミニウムから生成されるアルミナなどの非金属介在物を、その比重が鋼の比重よりも小さいことを利用してタンディッシュ内で浮上分離させる機能を有している。これにより、溶鋼中に存在する非金属介在物などがそのまま鋳型内に供給されることが防止されて、鋳片に混入する事がなく、非金属介在物などが原因で生じる圧延時の疵や割れなどを抑制できる。

非金属介在物を除去する方法として、溶鋼中に気泡を導入する方法がある。溶鋼と濡れ性の悪い非金属介在物は気泡と衝突すると気泡に付着するため、気泡の浮力によって介在物を湯面に浮かべて除去する事ができる。

特許文献１では、取鍋下部ノズルに設けられたポーラス煉瓦から不活性ガスを吹き込むことで溶鋼中に不活性ガス気泡を混入させる方法が提案されている。

特許文献２では、溶鋼鍋底部のスライディングノズルとタンディッシュの間に注入管を設け、注入管のタンディッシュ内溶鋼に浸漬させた部位に注入管の内面側に露出させてポーラス煉瓦を配置すると共に、ポーラス煉瓦から注入管内に不活性ガスを吹き込みながら溶鋼を注入することを特徴とする鋼の連続鋳造方法が提案されている。

特許第３２１６３８４号公報 特許第３５２５８９４号公報

しかし、特許文献１、２いずれの場合においても、溶鋼と耐火物（ポーラスレンガ）との濡れ性が悪いため、ポーラスレンガから気泡が流出したときに気泡径が粗大化し、不活性ガスの気泡の体積当たりの表面積が小さくなり溶鋼中の介在物を気泡に付着させて浮上除去する効果が低下する。また、粗大化した気泡はタンディッシュ内の湯面で破泡して湯面を乱し湯面の介在物を逆に巻き込んでしまうことが分かった。

またタンディッシュから鋳型へ溶鋼を給湯する浸漬ノズルについては、浸漬ノズル内にＡｒガスを吹き込むことは広く行われているが、タンディッシュの浴深は溶鋼鍋と比べると小さいためにノズル内の溶鋼流速が小さく気泡を微細化するためのせん断力も小さい。また、吹き込んだ気泡が不可避的に鋳型に入り、鋳片中に取り残されて欠陥となる可能性があるため大量の気泡を溶鋼内に吹き込むことが難しい。

本発明は、溶鋼を溶鋼鍋からタンディッシュに注入するに際し、微細な気泡を溶鋼中に吹き込むことを可能にする鋼の給湯方法を提供することを目的とする。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、溶鋼鍋（取鍋）からタンディッシュに溶鋼を供給する際に、溶鋼流量制御にスライディングノズル（Sliding Nozzle、以下ＳＮと略称）を使用し、スライディングノズルとタンディッシュ内溶鋼表面との間に注入管を有する方法で溶鋼を給湯する鋼の給湯方法を対象とする。不活性ガスの吹き込み位置を、スライディングノズルの下流側であって溶鋼流速が高速である位置とし、不活性ガスの吹き込み方法としてポーラスレンガではなく貫通孔を用いることにより、溶鋼とノズル耐火物との濡れ性の悪さの影響を受けることなく、スライディングノズルにおいて溶鋼流路が絞られることで溶鋼流速が増大することを利用して、溶鋼流動のせん断力によって気泡径を小さくし、溶鋼中に微細な気泡を発生させて溶鋼中の介在物を気泡に捕捉させ、給湯後の湯面に効率的に浮上除去させる方法を提供するものである。

すなわち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）鋼を溶鋼鍋から耐火物製のノズルをとおして中間容器であるタンディッシュに一度注入した後、鋳型内に給湯して鋳片を鋳造する方法において、溶鋼鍋内の溶鋼をスライディングノズルとその下方に配置する注入管を用いてタンディッシュに給湯する方法であって、スライディングノズルの絞り部の下端から下方に４００ｍｍ以内の耐火物溶鋼接触部に設置された貫通孔から不活性ガスを吹き込みながら溶鋼を給湯する鋼の給湯方法。
（２）不活性ガスの流量を溶鋼１ｔｏｎあたり１５ＮＬ以上とする（１）に記載の鋼の給湯方法。

本発明の鋼の給湯方法により、タンディッシュに給湯する溶鋼中に微細な不活性ガス気泡を形成することができ、溶鋼中の非金属介在物の浮上分離を有効に行うことができる。

本発明の鋼の給湯方法を説明するための概略断面図である。 スライディングノズルとその下部の注入管内における溶鋼流速分布の数値計算結果を示す断面図である。 数値計算結果に基づく、絞り部からの距離と最大溶鋼流速との関係を示す図である。 貫通孔を用いた不活性ガス吹き込み状況を示す部分断面図であり、（Ａ）は本発明例、（Ｂ）は比較例である。 横軸をアルゴン流量、縦軸をタンディシュ内溶鋼のＴ．Ｏ（全酸素）として、本発明と比較例の関係を示す図である。

図１〜５に基づいて本発明について説明する。
ノズル内へのＡｒガスの吹き込みは、溶鋼鍋−タンディッシュ間のみならず、タンディッシュ−鋳型間でも広く行われている。スライディングノズルの絞り部における溶鋼流速は、絞り部の上流側と下流側の圧力差の影響を最も大きく受ける。絞り部の上流側の圧力は、主に上流側溶鋼容器の溶鋼ヘッドと下流側の溶鋼容器の溶鋼ヘッドとの差（溶鋼ヘッド差）による静圧の影響を受ける。タンディッシュ内溶鋼ヘッドと鋳型内溶鋼ヘッドの溶鋼ヘッド差と比較して、溶鋼鍋内溶鋼ヘッドとタンディッシュ内溶鋼ヘッドの溶鋼ヘッド差（図１において、溶鋼鍋内溶鋼表面１１とタンディッシュ内溶鋼表面１２との高さ差）が大きい。以上より、スライディングノズルの絞り部の上流側と下流側の圧力差は、タンディッシュ底部のスライディングノズルに比較して溶鋼鍋底部のスライディングノズルの方が高いため、絞り部から流出する溶鋼流速が大きく、不活性ガスを吹き込んだ際のせん断力による気泡微細化をさらに促進できる。さらに、タンディッシュ−鋳型間で流路内に大量のＡｒガスを吹き込んだ場合は、湯面の乱れによるブレイクアウトや気泡が鋳片に捕捉されて欠陥となる場合があるが、取鍋−タンディッシュ間ではそれらの心配がない。そのため、タンディッシュ−鋳型間での流路内のＡｒ吹き込みと比較してより微細な気泡をより多く生成して溶鋼中の介在物を大きく低減できると考えた。即ち、図１に示すように、溶鋼鍋１内の溶鋼１０をスライディングノズル２とその下方に配置する注入管３を用いてタンディッシュ４に給湯するに際して溶鋼中に不活性ガスを吹き込み、微細な気泡を生成させることを着想した。

本発明者らは、前記従来技術の問題点を解決するために、溶鋼流路の溶鋼中に不活性ガス（Ａｒガス）を吹き込みながら溶鋼をタンディッシュ内に給湯することで、溶鋼中に不活性ガスの気泡を作り、気泡表面に介在物を付着させて湯面に浮上、除去する方法を検討した。しかし、不活性ガス吹き込みにポーラスレンガを用いた場合、前述のように、溶鋼とノズル耐火物との濡れ性が悪いことに起因して不活性ガスを溶鋼中に吹き込んだとしても気泡が大径化して気泡の体積当たりの表面積が小さくなり除去効率が低下する。これに対して、本発明は不活性ガス吹き込みにポーラスレンガを用いるのではなく、図１に示すように、溶鋼流路の耐火物の溶鋼接触面に開口する貫通孔５を設け、この貫通孔５から不活性ガスを溶鋼中に吹き込む方法を採用することとした。これにより、耐火物から貫通孔５を経由して溶鋼中に吹き込んだ不活性ガス気泡が濡れ性の影響で粗大化することなく、微細な気泡を形成することができる。

以上のように、本発明では、溶鋼鍋１−タンディッシュ４間のスライディングノズル２の絞り部９では溶鋼流速が速いことを利用し、さらに不活性ガス吹き込みノズルとして貫通孔５を用いることにより、微細な気泡を溶鋼中に形成することとした。一方、スライディングノズル２の絞り部９下流側では、絞り部９の直下は高い溶鋼流速を有しているものの、スライディングノズル２の下方に配置した注入管３中に充満する溶鋼によって、下流に行くに従って溶鋼流速は減少すると考えられる。

そこで発明者らは、スライディングノズル２とその下部の注入管３内の流速分布に関する数値計算を行い、計算結果から、絞り部９からの距離と溶鋼流速の最大値の関係を算出した。計算条件は、開口部の直径が５０ｍｍのスライディングノズル２と、その下方に同じく内径５０ｍｍの注入管３を備える状況において、スライディングノズル２に開度５０％（面積開度は３９％）を模擬した絞り部９を作り溶鋼流路の面積を絞った部分を設け、溶鋼の流量は１ｔｏｎ／ｍｉｎとした。図２に流路（スライディングノズル２及び注入管３）内の溶鋼流速分布を示す。図２において、矢印の向きは当該位置の溶鋼の流れる方向を意味し、矢印の長さは流速を意味している。溶鋼流速がスライディングノズル２を模擬した流路の絞り部９で最大になり、溶鋼流は溶鋼が充満した注入管３内を下降し、下方に行くほど流速が低下しているのが分かる。図３に最大溶鋼流速と絞り部９からの距離との関係を示す。絞り部９直下で最大溶鋼流速は４．６ｍ／ｓであり、絞り部９からの距離が約４００ｍｍの位置で溶鋼流速は約１．９ｍ／ｓとなり最終的に１．２ｍ／ｓまで低下することが分かった。そのため、絞り部９の流速を活かすためには流路内の最終的な流速１．２ｍ／ｓの１．５倍以上の流速がある、絞り部９から約４００ｍｍ以内の耐火物溶鋼接触部で貫通孔５から不活性ガスを吹き込むことで、溶鋼流速によるせん断力を利用して気泡を微細化し、介在物を除去できると考えた。

そこで、絞り部９直下から不活性ガスを吹き込む試験を行った。
試験では、大気溶解炉で溶解した、Ｃ濃度０．２質量％のアルミキルド鋼５ｔを溶鋼鍋１に収容し、溶鋼鍋１の底部に設けた３枚プレートのスライディングノズル２から、スライディングノズル２に密着した注入管３を経由して、容量１．５ｔのタンディッシュ４内に平均１ｔｏｎ／ｍｉｎで給湯した。この時、３枚プレートのスライディングノズル２として、図４に示すように、上部プレート６、スライディングプレート７、下部プレート８からなるものを使用し、溶鋼鍋１のスライディングノズル２の開度は５０％（面積開度は３９％）で固定した。注入管３の長さは１２００ｍｍであり、注入管３の下端はタンディッシュ４内の溶鋼１０に浸漬深さ１００ｍｍで浸漬しており、注入管３内は溶鋼で充満している。

発明条件として、発明１条件と発明２条件の２条件で試験を行った。発明１条件では、図４（Ａ）に示すように、絞り部９からの距離が約２０ｍｍに位置する下部プレート８にφ０．３ｍｍの貫通孔５を２２．５度ずつ、上下二段にして設けた。すなわち、上下にそれぞれ１６個ずつ計３２個設けた。Ａｒ流量を５〜１００ＮＬ／ｍｉｎとして、溶鋼をタンディッシュ内に給湯中に貫通孔５からＡｒガスを吹き込んだ。図示しない発明２条件では、注入管３の側面であって、絞り部９からの距離が約４００ｍｍの位置にφ０．３ｍｍの貫通孔５を２２．５度ずつ、上下二段にして設けた。すなわち、上下にそれぞれ１６個ずつ計３２個設けた。Ａｒ流量を５、３０ＮＬ／ｍｉｎとして、溶鋼をタンディッシュ内に給湯中に貫通孔５からＡｒガスを吹き込んだ。

比較条件として第１に、Ａｒ吹き込みを行わない条件での鋳造を行った。また比較条件として第２に、図４（Ｂ）に示すように、発明条件と同様の数の貫通孔を流路の絞り部９の直上に位置する上部プレート６に設置し、Ａｒ流量を３０ＮＬ／ｍｉｎとして、溶鋼をタンディッシュ内に給湯中に貫通孔５からＡｒガスを吹き込んだ。

タンディッシュ出側付近の湯面からサンプラーを浸漬して溶鋼サンプルを採取した。得られたサンプルは、Ａｌ₂Ｏ₃などの酸化物系の介在物濃度を評価するため、全酸素濃度の測定に供した。全酸素濃度（Ｔ．Ｏ）は、サンプルを黒鉛坩堝内で溶融し、鋼中の酸素と坩堝中の炭素を反応させて一酸化炭素ガスとし、赤外線吸収検出機によってその一酸化炭素ガスを検出して求めた。

結果を図５に示す。貫通孔５から同じＡｒ流量（３０ＮＬ／ｍｉｎ）でＡｒガスを吹き込んだ条件同士で比較すると、スライディングノズル２の絞り部９から１０ｍｍ下方の下部プレート８でＡｒガスを吹き込んだ本発明１（図４（Ａ））の条件（図５の黒四角印）では、絞り部上方の上部プレート６からＡｒガスを吹き込んだ比較（図４（Ｂ））条件（図５の三角印）と比べて大きくＴ．Ｏが減少しており介在物が低減したことが分かった。絞り部９からの距離が約４００ｍｍの位置で注入管３からＡｒガスを吹き込んだ発明２条件（図５の◇印）も良好な結果を示している。同じ発明条件（図５の黒四角印（発明１条件）、◇印（発明２条件））のいずれでも、Ａｒ流量が増大するほどＴ．Ｏの値は低くなっている。溶鋼スループット１ｔｏｎ／ｍｉｎにおいてＡｒ流量１５ＮＬ／ｍｉｎ以上はＴ．Ｏが低く、特に効果が高いことが分かった。溶鋼トン当たりに置き換えると、Ａｒ流量１５ＮＬ／トン以上において特に良好な効果を発揮する。

１ 溶鋼鍋
２ スライディングノズル
３ 注入管
４ タンディッシュ
５ 貫通孔
６ 上部プレート
７ スライディングプレート
８ 下部プレート
９ 絞り部
１０ 溶鋼
１１ 溶鋼鍋内溶鋼表面
１２ タンディッシュ内溶鋼表面

Claims (2)

1. 溶鋼を溶鋼鍋から耐火物製のノズルをとおして中間容器であるタンディッシュに一度注入した後、鋳型内に給湯して鋳片を鋳造する方法において、溶鋼鍋内の溶鋼をスライディングノズルとその下方に配置する注入管を用いてタンディッシュに給湯する方法であって、スライディングノズルの絞り部の下端から下方に４００ｍｍ以内の耐火物溶鋼接触部に設置された貫通孔から不活性ガスを吹き込みながら溶鋼を給湯する鋼の給湯方法。
2. 不活性ガスの流量を溶鋼１ｔｏｎあたり１５ＮＬ以上とする請求項１に記載の鋼の給湯方法。