JP2020171944A - 連続鋳造用注湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】浸漬ノズル下端に単孔の吐出孔を有する単孔浸漬ノズルを用いた連続鋳造において、浸漬ノズルやスライディングゲートの寿命を短縮することなく、浸漬ノズル内を流下する溶湯流に旋回流を付与することのできる、連続鋳造用注湯装置を提供する。【解決手段】連続鋳造用注湯装置のスライディングゲート１は、それぞれのプレート２における流路孔６の流路軸線方向と摺動面垂直下流方向との間の流路軸線傾斜角度αが５°以上７５°以下であり、摺動面流路軸線方向が、プレート相互間で相違し、下流に行くに従って時計回り方向あるいは反時計回り方向に変化することで、溶鋼の旋回流を形成する。浸漬ノズル１１は、浸漬ノズル底部に開孔させた単一の吐出孔を有してなる。【選択図】図１

Description

本発明は、連続鋳造用注湯装置に関するものである。

溶融金属、例えば溶鋼の連続鋳造においては、取鍋内に収容された溶鋼がタンディッシュに移注され、さらにタンディッシュから鋳型内に注入される。タンディッシュ底部にはスライディングゲートなどの流量調整機構が設けられ、スライディングゲートの下流側に浸漬ノズルが設けられ、浸漬ノズルの下端付近側部に、溶鋼を鋳型内に吐出する吐出孔が設けられている。

大断面ブルーム連続鋳造やスラブ連続鋳造では浸漬ノズル側面に２孔の吐出孔を有し、吐出孔は通常、鋳型の幅方向（鋳片の幅方向）両側に向けて設けられる。これに対して、小断面ブルーム連続鋳造やビレット連続鋳造では、浸漬ノズル下端に、下方に向いた単孔の吐出孔が設けられる。以下「単孔浸漬ノズル」ともいう。本発明は、浸漬ノズルの吐出孔形状として単孔浸漬ノズルを用いた、連続鋳造用注湯装置を対象とする。

単孔浸漬ノズルを用いた連続鋳造においては、吐出流がストランド内に深く浸入するとともに鋳型内溶鋼表面温度が低下しがちとなり、湯面は皮張りし始め、浮上する気泡や介在物を捕捉しやすくなる。その結果、鋳片中心部及び表層部の品質悪化や、モールドパウダーの滓化不良といった問題が生じることが知られている（非特許文献１参照）。さらに、ブレークアウトや浸漬ノズル破損といった操業上の問題につながる。

特許文献１では、鋼の連続鋳造方法において使用される、内部に捩り板型旋回羽根を設置してノズル内を流下する溶鋼に旋回流を付与する連続鋳造用浸漬ノズルを「旋回流ノズル」と呼び、この旋回流ノズルを用いた連続鋳造方法について開示している。
特許文献１によると、筒状ノズルの底部に１つの吐出孔を有する単孔浸漬ノズルの場合に旋回流ノズルを適用すると、遠心力により吐出流が広がりながら吐出するので、吐出流速が低下し、吐出流が鋳片内に侵入する深さが低下するという、電磁ブレーキ的効果が得られる。この効果により、鋳型内における介在物の浮上が促進されたり（例えば非特許文献２）、鋳型内湯面（メニスカス）温度が上昇してモールドパウダーの溶融滓化が促進され鋳片肌が改善されたり、鋳片内部の温度が低下して等軸晶が増え鋳片中心部のポロシティ（引け巣）欠陥が減少したりするといった効果が期待されている。
さらに特許文献１によると、ノズル孔の内壁から吐出孔に向って拡管状断面を有するような単孔浸漬ノズルを用い、旋回流ノズルを用いた結果として、旋回しつつ流下する溶鋼が遠心力により横に広がりつつ吐出するので、吐出流により非金属介在物が鋳片の深くへ持ち込まれたり、鋳型内湯面（メニスカス）への溶鋼供給が不十分で温度が低下し気泡や非金属介在物の浮上分離が妨げられるといった問題が解消される。また、吐出孔近傍での溶鋼流の淀み域が小さくなるので、吐出孔への介在物付着も減少する。旋回しつつ流下する溶鋼が遠心力により横に広がりつつ吐出されるので、鋳型内湯面（メニスカス）への上昇流が生じて湯面温度が上昇し、気泡や非金属介在物の浮上分離を促進されるという効果が得られる。

特許文献２には、タンディッシュから鋳型への注入過程にある中間ノズルの形状を工夫し浸漬ノズル内に旋回流を付与する方法が開示されているが、この方法は旋回を付与する機構の形状が複雑で製造が困難である。さらに、特許文献３には、スライディングゲートの流路に切り欠きを設けて溶鋼を旋回させる方法が開示されているが、この方法は壁面近傍の流れに限定的に旋回を付与するもので得られる旋回が弱いことや溝や切り欠きが溶損して旋回付与効果が維持できない。

特許文献１においては、ノズル内部に捩り板型旋回羽根を設置した旋回流ノズルにおいて、旋回羽根捩りピッチＰｃ、旋回羽根捩り角θ、旋回羽根の外径、旋回羽根の厚みを所定の範囲に規定した上で、旋回羽根下端と吐出孔との間において内径を絞り、タンディッシュと鋳型間の必要ヘッド予測値Ｈを所定の範囲内におさめた旋回流ノズルを使用して連続鋳造する方法が開示されている。

特開２００２−２３９６９０号公報 特開平０７−３０３９４９号公報 特開２００１−１２９６４６号公報

塚口友一ら著「丸ビレット連続鋳造用旋回流浸漬ノズル」 鉄と鋼Ｖｏｌ．９３（２００７）Ｎｏ．９，ｐｐ５７５−５８２ A. Vaterlaus et al, 3rd Conf. on CC(1998), 715

特許文献１に記載のように、浸漬ノズル内に捩り板型旋回羽根を設置することによって浸漬ノズル内を流下する溶湯流に旋回流を形成した上で、単孔浸漬ノズルを用いた連続鋳造を行うことにより、旋回しつつ流下する溶鋼が遠心力により横に広がりつつ吐出されるので、鋳型内湯面（メニスカス）への上昇流が生じて湯面温度が上昇し、気泡や非金属介在物の浮上分離を促進される。
また、加えて上記湯面温度上昇は湯面皮張りの抑制も期待され得る。
一方で、浸漬ノズル内に設けた捩り板型旋回羽根は溶損しやすく、効果が持続しないという課題があった。旋回羽根が溶損したときに浸漬ノズルを交換することとすると、浸漬ノズルの寿命が短くなるという問題が生じる。

本発明は、浸漬ノズルやスライディングゲートの寿命を短縮することなく、浸漬ノズル内を流下する溶湯流に旋回流を付与することのできる、連続鋳造用注湯装置を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
［１］溶融金属を鋳型内に注湯するための連続鋳造用注湯装置であって、
溶融金属の流量を調整するスライディングゲートと、前記スライディングゲートの下方に設けられる浸漬ノズルとを有し、
前記スライディングゲートは溶融金属が通過する流路孔が形成された複数のプレートを有し、前記プレートのうちの少なくとも１枚のプレートは摺動が可能なスライド板であり、
それぞれのプレートにおける流路孔は、プレートの表面のうち、通過する溶融金属の上流側に位置する上流側表面に上流側表面開孔を形成し、下流側に位置する下流側表面に下流側表面開孔を形成し、上流側表面開孔図形の重心から下流側表面開孔図形の重心に向く方向を流路軸線方向とし、
プレートの摺動面に垂直な下流方向（以下「摺動面垂直下流方向」という。）と前記流路軸線方向とがなす流路軸線傾斜角度αが５°以上７５°以下であり、
前記流路軸線方向を摺動面に投影した方向を摺動面流路軸線方向と呼び、スライディングゲートを閉とするときに前記スライド板を摺動する方向を摺動閉方向と呼び、摺動閉方向に対し、前記摺動面流路軸線方向が、前記摺動面垂直下流方向に見て時計回りになす角度を流路軸線回転角度θ（±１８０度の範囲）と呼び、当該流路軸線回転角度θは、隣接するプレート間で異なっており、最も上流側のプレートのθをθ₁、その一つ下流側のプレートのθをθ₂、さらに一つ下流側のプレートのθをθ₃と順に番号を付け、Δθ_N＝θ_N−θ_N+1（Ｎは１以上の整数でプレートの枚数−１まで）としたとき、
角度Δθ_Nがいずれも１０°以上かつ１７０°未満であって浸漬ノズル内に反時計回り旋回流を形成し、又は角度Δθ_Nがいずれも−１７０°超かつ−１０°以下であって浸漬ノズル内に時計回り旋回流を形成し、
前記浸漬ノズルは、浸漬ノズル底部に開孔させた単一の吐出孔を有してなることを特徴とする連続鋳造用注湯装置。
［２］前記浸漬ノズルの吐出孔形状は、浸漬ノズル内壁から吐出孔出口に向かって拡管状形状を有するように成形してなることを特徴とする［１］に記載の連続鋳造用注湯装置。
［３］スライディングゲートを形成するプレートの数が２枚もしくは３枚でありスライド板が１枚であることを特徴とする、［１］又は［２］に記載の連続鋳造用注湯装置。

溶融金属を鋳型内に注湯するための連続鋳造用注湯装置として本発明を用いることにより、単孔浸漬ノズルを用いた連続鋳造を行うに際し、浸漬ノズルやスライディングゲートの寿命を短縮することなく、浸漬ノズル内を流下する溶湯流に旋回流を形成し、鋳型内湯面（メニスカス）への上昇流を形成して湯面温度を上昇し、気泡や非金属介在物の浮上分離を促進することができる。

本発明の連続鋳造用注湯装置を示す概念断面図である。 本発明の連続鋳造用注湯装置のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）は上固定板、（Ｂ）はスライド板、（Ｃ）は下固定板のそれぞれ平面図、（Ｄ）はスライディングゲートと浸漬ノズルを組み合わせた正面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視図、（Ｆ）はＦ−Ｆ矢視断面図である。 本発明の連続鋳造用注湯装置のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）はＡ−Ａ矢視図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）はＣ−Ｃ矢視図、（Ｄ）はスライディングゲートと浸漬ノズルを組み合わせた正面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視図である。 本発明のスライディングゲート内の流れを示す図であり、（Ａ）はＡ−Ａ矢視図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）はＣ−Ｃ矢視図、（Ｄ）はスライディングゲートと浸漬ノズルを組み合わせた正面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視図である。 本発明の連続鋳造用注湯装置のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）は上固定板、（Ｂ）はスライド板、（Ｃ）はスライディングゲートと浸漬ノズルを組み合わせた正面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ矢視図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視断面図である。 本発明の連続鋳造用注湯装置のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）はＡ−Ａ矢視図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）はスライディングゲートと浸漬ノズルを組み合わせた正面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ矢視図である。 本発明の上固定板の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ矢視断面図である。 比較例のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）は上固定板、（Ｂ）はスライド板、（Ｃ）はスライディングゲートと浸漬ノズルを組み合わせた正面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ矢視図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視断面図である。 比較例のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）はＡ−Ａ矢視図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）はスライディングゲートと浸漬ノズルを組み合わせた正面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ矢視図である。 従来のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）は上固定板、（Ｂ）はスライド板、（Ｃ）は下固定板のそれぞれ平面図、（Ｄ）はスライディングゲートと浸漬ノズルを組み合わせた正面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視図、（Ｆ）はＦ−Ｆ矢視断面図である。 従来のスライディングゲートを示す図であり、（Ａ）はＡ−Ａ矢視図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視図、（Ｃ）はＣ−Ｃ矢視図、（Ｄ）はスライディングゲートと浸漬ノズルを組み合わせた正面図、（Ｅ）はＥ−Ｅ矢視図である。 本発明の連続鋳造用注湯装置の浸漬ノズルにおける吐出孔の形状を示す断面図である。 吐出孔先端からの吐出流の流線を示す断面図であり、（Ａ）は旋回流を形成した本発明例、（Ｂ）は旋回流を形成しない比較例である。

本発明は、図１に示すように、溶融金属を鋳型２２内に注湯するための連続鋳造用注湯装置２０であって、溶融金属の流量を調整するスライディングゲート１と、スライディングゲート１の下方に設けられる浸漬ノズル１１とを有する。スライディングゲート１において旋回流を形成し、溶融金属が浸漬ノズル内孔１２を旋回しつつ流下する。浸漬ノズル１１は、その底部に下方に向かって開孔させた吐出孔１３を有し、浸漬ノズル内孔１２を流下する溶融金属が旋回流を形成ながら吐出孔１３から吐出し、図１３（Ａ）に示すように、吐出流１９が鋳型内の鋳造方向と水平方向に対して浸漬ノズル中心軸端から同心円状に拡がり、吐出することを可能にしている。

《スライディングゲート》
まず、本発明のスライディングゲートについて、図１〜図１１に基づいて説明する。
鋼等の溶融金属の連続鋳造におけるタンディッシュ２１から鋳型２２への溶融金属２３の注入過程において、溶融金属２３の流量を調整する目的でスライディングゲート１が用いられる。２枚もしくは３枚のプレート２を重ねて構成されたスライディングゲート１において、各プレート２には流路孔６が設けられている。スライディングゲート１を構成するプレートのうちのスライド板４を摺動させ、各プレートの流路孔６の重なりによってスライディングゲート１が「開」となっているとき、流路孔６の上流側から下流側に向けて溶融金属が流通する。プレート２の摺動面３０に垂直で下流方向に向かう方向（摺動面垂直下流方向３２）は、上から下に向かって鉛直下方に向いている。

従来用いられているスライディングゲートにおいて、プレート２の流路孔６は、図１０、図１１に示すように、通常はその内周形状が円筒形であり、円筒の軸方向は摺動面垂直下流方向３２に平行に構成されている。これに対し本発明は、図２〜図９に示すように、流路孔６の向く方向を、摺動面垂直下流方向３２からある角度を持った斜孔とし、摺動面３０に投影した斜孔の方向を２枚ないしは３枚のプレートで異なった方向にしたものを適宜組み合わせることによって、スライディングゲート１及びその下流側の浸漬ノズル１１内部の溶融金属流について、下流側に向かう流れのみでなく、周方向流速を付加し旋回流を形成するのである。

流路孔６の断面形状として、通常は軸方向に垂直な断面が真円の円筒形状が用いられる。本発明のスライディングゲート１において、プレート２に形成される流路孔６は、円筒形状に限られるものではなく、また流路孔の軸方向についても、プレート内において変化するものであってもかまわない。そこでまず、プレート２に形成された流路孔６の軸線を定義することとする。

図１０によって、従来のスライディングゲート１の流路孔６について説明する。図１０のスライディングゲート１は、３枚のプレート２を有し、上流側から上固定板３、スライド板４、下固定板５からなる。各プレート２には、断面が真円の円筒形状であって、円筒の軸方向が摺動面３０に垂直下流方向（摺動面垂直下流方向３２）に向いた流路孔６が形成されている。各プレートの上流側表面を上流面７ｕ、下流側表面を下流面７ｄと呼ぶ。上流面７ｕにおいて流路孔６の内周面が形成する図形（上流側表面開孔）を上流開孔８ｕと呼ぶ。また、下流面７ｄにおいて流路孔６の内周面が形成する図形（下流側表面開孔）を下流開孔８ｄと呼ぶ。図１０に示す例では流路孔６の円筒形状の軸線が摺動面に垂直であるため、図１０（Ａ）〜（Ｃ）においては、上流開孔８ｕと下流開孔８ｄが重なっている。上流開孔８ｕ、下流開孔８ｄの形状をそれぞれ図形と見なすと、当該図形の重心を定義することができる。それぞれ、上流側表面開孔図形重心を上流開孔重心９ｕ、下流側表面開孔図形重心を下流開孔重心９ｄと呼ぶこととする。図１０に示す例では、上流開孔８ｕ、下流開孔８ｄともに図形形状が真円であるため、上流開孔重心９ｕ、下流開孔重心９ｄは真円図形の中心と一致している。次に、上流開孔重心９ｕと下流開孔重心９ｄを通過し、下流側に向く方向を、流路軸線方向１０と定義する。図１０に示す例では、流路軸線方向１０は摺動面垂直下流方向３２と同じ方向となる。図１０（Ｆ）おいて、一点鎖線で描写した線が流路軸線方向１０である。

次に図２によって、本発明のスライディングゲート１の流路孔６について説明する。図２のスライディングゲート１は、３枚のプレートを有し、上流側から上固定板３、スライド板４、下固定板５からなる。各プレートには、軸方向断面が真円の円筒形状であって、円筒の軸方向が摺動面垂直下流方向３２から傾いた方向となる流路孔６が形成されている。図２（Ａ）（Ｆ）により、上固定板３を例にとって説明する。図２（Ｆ）は図２（Ａ）のＦ−Ｆ矢視断面図である。円筒の軸方向と摺動面垂直下流方向３２とが傾いているため、図２（Ａ）において上流開孔８ｕと、下流開孔８ｄが異なった位置に描かれている。軸方向断面が真円で、軸方向が摺動面垂直下流方向３２から傾いた円筒形状であるため、上流開孔８ｕと下流開孔８ｄとはそれぞれ僅かに真円から外れた楕円を形成している。ただし、図面上は便宜上真円として描画している。上流開孔８ｕと下流開孔８ｄそれぞれの図形の重心を上流開孔重心９ｕ、下流開孔重心９ｄとして定めることができる。さらに、上流開孔重心９ｕと下流開孔重心９ｄとを通過して下流側に向くように、流路軸線方向１０を定めることができる。図２（Ｆ）において、一点鎖線で描写した線が流路軸線方向１０である。図２に示す例では、流路軸線方向１０は、流路孔６を形成する、軸方向断面が真円の円筒形状の軸線方向と一致している。ここにおいて、プレートの摺動面に垂直な下流方向（摺動面垂直下流方向３２）と流路軸線方向１０とがなす角度を流路軸線傾斜角度αとおく。ここで、流路軸線方向を定めるのに円の中心ではなく開孔重心を用いているのは、開孔形状が真円でない場合にも普遍的に流路軸線方向を定義するためである。

図１０に示す例では、上固定板３の下流開孔８ｄとスライド板４の上流開孔８ｕ、スライド板４の下流開孔８ｄと下固定板５の上流開孔８ｕが、それぞれ一致するように、スライド板４の摺動位置が定まっており、即ちスライディングゲート１は全開の状態である（図１０（Ｄ）参照）。図１０に示すスライディングゲート１は、スライド板４を図の左方向に移動することにより、スライディングゲート１の開度を小さくすることができる。図１１は、図１０と同じスライディングゲート１について、開度を１／２とした状態を示している。スライド板４の位置をさらに図の左側に移動することにより、スライディングゲート１を全閉とすることができる。図２、図３に示す例でも同様である。図２はスライディングゲート１が全開であり、上固定板３の下流開孔８ｄとスライド板４の上流開孔８ｕ、スライド板４の下流開孔８ｄと下固定板５の上流開孔８ｕが、それぞれ一致するように、スライド板４の摺動位置が定まっている。図３は図２と同じスライディングゲート１について、スライディングゲート１の開度が１／２の状態を示している。そこで、スライディングゲート１を閉とするときにスライド板４を摺動する方向を、以下「摺動閉方向３３」と呼ぶ。

図２に示す本発明の例では、流路軸線方向１０が摺動面垂直下流方向３２に対して流路軸線傾斜角度αで傾いているため、流路軸線方向１０を摺動面に投影した方向を摺動面流路軸線方向３１としたとき、摺動面流路軸線方向３１を定めることができる。図２（Ａ）〜（Ｃ）、（Ｆ）それぞれ、摺動面流路軸線方向３１を細線矢印で示している。なお、図２（Ａ）〜（Ｃ）では、摺動面流路軸線方向３１は流路軸線方向１０と重なっている。また、図１０に示す例では、流路軸線方向１０が摺動面垂直下流方向３２を向いているため、図１０（Ａ）〜（Ｃ）には摺動面流路軸線方向３１が現れない。

次に、摺動面流路軸線方向３１と摺動閉方向３３との間の角度関係について定義する。摺動閉方向３３に対し、摺動面流路軸線方向３１が、摺動面垂直下流方向３２に見て時計回りになす角度を流路軸線回転角度θと呼ぶ。流路軸線回転角度θは、±１８０°の範囲の角度として定義する。即ち、摺動面流路軸線方向３１が、摺動面垂直下流方向３２に見て時計回りに＋１８０°を超える角度（θ’）となったときには、「θ＝θ’−３６０°」として、角度θをマイナスの値として定める。角度θの下添え字として、最も上流側のプレートのθをθ₁、その一つ下流側のプレートのθをθ₂、さらに一つ下流側のプレートのθをθ₃と順に番号を付ける。代表してθ_Nと表現するとき、Ｎは１以上の整数でスライディングゲート１のプレート枚数までの数値を意味する。図２に示す例では、上固定板３は角度θ₁＝−４５°、スライド板４は角度θ₂＝＋９０°、下固定板５は角度θ₃＝−１３５°となる。

さらに、スライディングゲート１において、相互に接する２枚のプレート間の流路軸線回転角度の関係について以下のように定義する。即ち、Δθ_N＝θ_N−θ_N+1としてΔθ_Nを定める。Δθ_Nは、上記θ_Nと同様、±１８０度の範囲の角度として定義する。即ち、Δθ_Nが＋１８０°を超える角度（Δθ_N’）となったときには、「Δθ_N＝Δθ_N’−３６０°」として、Δθ_Nをマイナスの値として定める。また、Δθ_Nが−１８０°未満の角度（Δθ_N’）となったときには、「Δθ_N＝Δθ_N’＋３６０°」として、Δθ_Nをプラスの値として定める。これにより、Δθ_Nは±１８０°の範囲内の数字となる。ここで、Δθ_Nが０°超＋１８０°未満の場合には、上流から下流に向けて、流路軸線回転角度θ_Nが反時計回りに変化していることを示す。逆に、Δθ_Nが−１８０°超０°未満の場合には、上流から下流に向けて、流路軸線回転角度θ_Nが時計回りに変化していることを示す。図２に示す例では、Δθ₁＝θ₁−θ₂＝−１３５°、Δθ₂’＝θ₂−θ₃＝２２５°であるからΔθ₂＝Δθ₂’−３６０°＝−１３５°となる。Δθ₁、Δθ₂いずれも−１８０〜０°の範囲内にあるので、流路軸線回転角度が時計回りに変化していることを示す。

以上のような準備のもと、本発明のスライディングゲート１が具備すべき条件とその理由について説明する。

従来のスライディングゲート１においては、図１０、図１１に示すように、流路軸線方向１０が摺動面に垂直であり、即ち流路軸線傾斜角度αが０°であり、傾きを有していなかった。それに対して本発明は、流路軸線方向１０が摺動面垂直下流方向３２に対して傾いており、流路軸線傾斜角度αが０°ではないことを第１の特徴とする。流路軸線が摺動面垂直下流方向３２に対して傾いていることから、プレート内を流れる溶融金属は、摺動面垂直下流方向３２の速度成分のみならず、摺動面垂直下流方向３２に対して直角の速度成分（水平方向の速度成分）を有することとなる。本発明においては、流路軸線傾斜角度αが５°以上７５°以下である。角度αを５°以上とすることにより、溶融金属は十分な水平方向の速度成分を持つこととなり、下記に示すように浸漬ノズル内における旋回流の形成を可能とする。角度αは、好ましくは１５°以上、より好ましくは２５°以上である。一方、角度αが大きすぎると耐火物の強度確保や損耗抑制の観点から好ましくないので、角度αを７５°以下とする。角度αは、好ましくは６５°以下、より好ましくは５５°以下である。

連続鋳造中のスライディングゲート１の開口状況について、タンディッシュ内の湯面レベルが一定で、一定鋳造速度で鋳造を行っている定常状態においては、スライディングゲートの開口を全開（図１０参照）とするのではなく、開度を絞った状態（図１１参照）で鋳造が行えるよう、スライディングゲート流路孔断面積の選択が行われている。図１１はスライディングゲート１の開度が１／２である。この場合、スライディングゲート１の開口面積は、真円である流路孔の断面積の０．３１倍と計算される。定常の連続鋳造中において、このように絞られた小断面が開口面積となる結果、スライディングゲート１のスライド板４よりも下流側については、流路内を小断面の高速な流れが流れていく状況となる。

図３は、図２に示す形状の本発明のスライディングゲート１（開度全開）の開度を変更し、開度を１／２としたときのスライディングゲートを示している。図３（Ａ）は図３（Ｄ）のＡ−Ａ矢視図であり、上固定板３の下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれており、スライド板４については上流開孔８ｕ（４）のみが同じく一部実線、一部破線で描かれている。図３（Ｂ）は図３（Ｄ）のＢ−Ｂ矢視図であり、スライド板４の上流開孔８ｕが全部実線、下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれており、下固定板５の上流開孔８ｕが同じく一部実線、一部破線で、下流開孔８ｄが全部破線で描かれている。図３（Ｃ）は図３（Ｄ）のＣ−Ｃ矢視図であり、下固定板５の上流開孔８ｕが全部実線、下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれている。

図３に示すように開度を１／２としたときの、スライディングゲートの流路孔内及び浸漬ノズル内の溶融金属の流れについて、図４に基づいて説明を行う。図４において、図４（Ａ）は図４（Ｄ）のＡ−Ａ矢視図であり、上固定板３の下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれており、スライド板４については上流開孔８ｕのみが同じく一部実線、一部破線で描かれている。図４（Ｂ）は図４（Ｄ）のＢ−Ｂ矢視図であり、上固定板３の下流開孔８ｄ（３）の位置が２点鎖線で示され、スライド板４の上流開孔８ｕが全部実線、下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれており、下固定板５の上流開孔８ｕが同じく一部実線、一部破線で、下流開孔８ｄが全部破線で描かれている。図４（Ｃ）は図４（Ｄ）のＣ−Ｃ矢視図であり、スライド板４の下流開孔８ｄ（４）の位置が２点鎖線で示され、下固定板５の上流開孔８ｕが全部実線、下流開孔８ｄが一部実線、一部破線で描かれている。また、溶融金属の流線１８が、図４（Ａ）〜（Ｃ）には太線矢印で、（Ｄ）（Ｅ）には太破線矢印で示されている。

図２、図３のスライディングゲート１については、前述のように、隣接する流路軸線回転角度θ_Nの差Δθ_Nは、Δθ₁＝Δθ₂＝−１３５°であって、いずれもΔθ_Nが−１８０°超０°未満であるから、上流から下流に向けて、流路軸線回転角度θ_Nが時計回りに変化していることを示す。上固定板３の流路孔６内を流れる溶融金属流は、図４（Ａ）に示すように、上固定板３の流路軸線方向１０に沿って流れる。上固定板３とスライド板４の接触面では、上固定板３の下流開孔８ｄ（図４（Ｂ）の２点鎖線）とスライド板４の上流開孔８ｕ（図４（Ｂ）の実線）との重なり部（開口部）の小断面内を下流側に流下する。スライド板４の流路孔６内においては、上固定板３の下流開孔８ｄ（図４（Ｂ）の２点鎖線）とスライド板４の上流開孔８ｕ（図４（Ｂ）の実線）との重なり部（開口部）の小断面から流出した溶融金属流は、図４（Ｂ）に流線１８を示すように、スライド板４の流路孔６の内側壁面（円筒面）に沿った旋回流を形成し、下流側の、スライド板４の下流開孔８ｄ（図４（Ｃ）の２点鎖線）と下固定板５の上流開孔８ｕ（図４（Ｃ）の実線）との重なり部（開口部）の小断面から、さらに下固定板５の流路孔６内に流出する。下固定板５の流路孔６内では、図４（Ｃ）に流線１８を示すように、下固定板５の流路孔６の内側壁面（円筒面）に沿った旋回流を形成し、そのまま、下流側の浸漬ノズル１１内に流出し、図４（Ｄ）（Ｅ）に示すように、流路内で流線１８は旋回流を維持したまま、浸漬ノズル１１内を下流側に移動していく。

図１１に示すような従来のスライディングゲート１を用いた場合、スライディングゲート１の開口部から流出する際に溶融金属流が有している運動エネルギーのすべてが下流方向に向かう流速に費やされている。それに対して、図３に示すような本発明のスライディングゲート１を用いた場合、スライディングゲート１から流出する際に、溶融金属流の運動エネルギーは下流方向に向かう流速と旋回して浸漬ノズルの内周面を旋回する旋回速度とに分散されるので、図１１に示す従来のスライディングゲート１と比較し、下流方向に向かう流速を抑制することが可能となる。

スライディングゲート１の流路孔６内に旋回流を形成し、スライディングゲート下流側の浸漬ノズル内においても旋回流を形成するための、隣接するプレートの流路軸線回転角度θ_N相互間の差である角度Δθ_Nの条件について説明する。前述のように、Δθ_Nは±１８０°の範囲内の角度として定義されている。ここにおいて、Δθ_N＝−１０°超かつ＋１０°未満の場合には、流路軸線回転角度θ_Nとθ_N+1の差異が小さすぎ、旋回流を形成できない。一方、Δθ_Nが＋１７０°以上又は−１７０°以下の場合、Δθ_Nの絶対値が大きすぎ、かえって旋回流の形成を阻害することとなる。スライディングゲート１が２枚のプレートを有する場合、Δθ₁のみが定義され、当該Δθ₁が上記条件を満たしていれば良い。スライディングゲート１が３枚以上のプレートを有する場合、Δθ₁に加え、Δθ₂、さらにはそれ以上のΔθ_Nが定義される。そして、Δθ_Nがいずれも１０°以上かつ１７０°未満、又は角度Δθ_Nがいずれも−１７０°超かつ−１０°以下であることが必要である。これにより、プレートの１枚目と２枚目の流路軸線方向１０が時計回りに変化するときには３枚目以降についても同じように時計回りに変化し、プレートの１枚目と２枚目の流路軸線方向１０が反時計回りに変化するときには３枚目以降についても同じように反時計回りに変化するので、スライディングゲート内で旋回流を有効に形成することが可能となる。Δθ_Nのより好ましい範囲は、３０°以上、１６５°未満、又は−１６５°超、−３０°以下である。

スライディングゲート１を形成するプレートの数は、２枚もしくは３枚であると好ましい。図２〜図４に示す例は、上述のとおり、プレートの数が３枚の場合である。図５、図６は、プレートの数が２枚であり、上流側から１枚目が上固定板３、２枚目がスライド板４を構成している。図５は開度が全開、図６は開度が１／２の場合である。α＝５１．９５°、θ₁＝−２６．５７°、θ₂＝＋２６．５７°であり、Δθ₁＝−５３．１４°であって、時計回りの旋回流を形成することができる。スライディングゲート１を形成するプレートの数が２枚もしくは３枚であると好ましい理由は、スライディングゲートの絞り機構発現には最低２枚のプレートが必要であり、４枚以上のプレートは流量調整に不要で、プレート数の増加に伴いコストが上昇するからである。

プレートに形成する流路孔６については、図７に示すような形状の流路孔６とすることもできる。図７は上固定板３の一例を示す。プレートの上流面７ｕから厚みの途中までは、流路孔６の形状は、断面真円の円筒形状であって、円筒の軸線が摺動面垂直下流方向３２に向いている。プレートの下流面７ｄから厚みの途中までは、流路孔６の形状は、断面真円の円筒形状であって、円筒の軸線が摺動面垂直下流方向３２から傾斜して形成されている。プレートの厚み途中において、上流面７ｕからの流路孔６と下流面７ｄからの流路孔６が段差なく接続されている。このような形状の流路孔６を有するプレートにおいても、図７（Ｄ）に示すように、上流側表面開孔図形の重心（上流開孔重心９ｕ）から下流側表面開孔図形の重心（下流開孔重心９ｄ）に向く方向を流路軸線方向１０として定義することができる。

なお、スライディングゲート１を構成するプレートの厚みは同一でもよいが、スライド板４が最も薄いなどプレート毎に厚みが異なっていても構わない。また、スライディングゲート各プレートの入口および出口の流路孔形状は同じ大きさの円でもよいが、これが楕円もしくは長円であっても、本発明の規定を満たす限りにおいては、旋回流を得ることが可能である。あるいはその開孔面積が各プレートの入口および出口で異なっていても構わない。

角度αについては、全てのプレートで同一であっても異なっていても構わない。

《水モデル実験》
連続鋳造中における、吐出流の水平方向成分を定量的に評価するため、１／１スケール水モデル実験装置を用いた粒子画像流速計測法による吐出孔付近の速度分布計測を行った。特に、ゲート内径をＤとした時に吐出孔先端から１．０Ｄの位置における速度分布に注目し、その位置での水平方向速度成分の平均を「水平方向速度強さ」とした。ここで、連続鋳造の１／１スケールの水モデル実験は、フルード数Ｆｒとレイノルズ数Ｒｅが一致している観点から溶鋼流動を十分に再現している。

スライディングゲートとして、浸漬ノズル内で旋回流を形成する本発明のスライディングゲート（以下「本発明ゲート」という。）と、従来から用いられている通常のスライディングゲート（以下「通常ゲート」という。）とを準備した。本発明ゲート、通常ゲートのいずれも、プレート厚みは３５ｍｍ、プレートの流路孔径はφ５０ｍｍである。ここで、流路孔はプレートへの穴あけに使用するドリル径と一致する。

プレート２の摺動面３０に垂直な下流方向（摺動面垂直下流方向３２）と流路軸線方向１０とがなす流路軸線傾斜角度αについては、上固定板３のαをα₁、スライド板４のαをα₂、下固定板５のαをα₃と順に番号を付ける。摺動面流路軸線方向３１が摺動面垂直下流方向３２に見て時計回りになす角度である流路軸線回転角度θについても同様に、上固定板３、スライド板４、下固定板５それぞれのθをθ₁、θ₂、θ₃と順に番号を付ける。

本発明ゲートは、図２〜図４に示す形状を有し、α₁＝α₃＝３５．５３１°、α₂＝３２°であり、θ₁＝３６．１０１°、θ₂＝９０°、θ₃＝−１４３．８９９°（３６．１０１−１８０）であり、浸漬ノズル内孔に流下する溶鋼流に時計回りの旋回流を形成する。通常ゲートは、図１０、１１に示す形状を有し、α₁＝α₂＝α₃＝０°であり、θ₁、θ₂、θ₃は値がない。

浸漬ノズル１１は、いずれも浸漬ノズル底部に下方に向けて吐出孔１３が開孔する単孔浸漬ノズルを用いた。吐出孔１３の形状として、図１２に示す３種類を用いた。図１２（Ａ）は、吐出孔１３が直管である。図１２（Ｂ）（Ｃ）は、浸漬ノズル内壁から吐出孔出口に向かって拡管状形状を有している。図１２（Ｂ）は吐出孔１３が直線状に拡管する山型であり、図１２（Ｃ）は吐出孔１３が内壁から滑らかに曲線で開孔するラッパ型である。さらに、直管単孔浸漬ノズルについては、浸漬ノズル上方の内壁形状が単純な円筒である通常直管単孔浸漬ノズルと、浸漬ノズル上方に、特許文献１に示す羽根が形成されている羽根付き直管単孔浸漬ノズルの２種類を用意した。

スライディングゲートと浸漬ノズルについて、表１に示すような組み合わせを準備し、それぞれで水モデル実験を行った。

表１の試験条件Ｃ（本発明例）と試験条件Ｅ（比較例）のそれぞれについて、吐出孔１３の下流側における吐出流１９の流速と流れの方向を計測した。吐出孔の内径をＤ（＝５０ｍｍ）とし、吐出孔の出口、吐出孔から１．０Ｄ下方、吐出孔から２．０Ｄ下方における流速と流れの方向を計測し、結果の模式図を図１３に示した。図１３（Ａ）は試験条件Ｃ（本発明例）、図１３（Ｂ）は試験条件Ｅ（比較例）である。図１３に示したように、通常ゲートを用い、旋回流を付与しない場合には、吐出孔１３下方の吐出流１９は、水平方向の流速成分を持たず、また下方に向かうにつれての流路の広がりも僅かである。それに対して、旋回流を付与した本発明の場合には、吐出孔１３下方の吐出流１９は、水平方向の流速成分を有し、また下方に向かうにつれての流路の広がりも大きくなることが明らかとなった。

さらに表１の試験条件Ａ〜Ｅのすべてについて、水平方向速度成分強さと鋳造方向速度成分強さの計測結果を同じ表１に示す。
まず、単孔浸漬ノズルの吐出孔の出口形状が直管である場合について、スライディングゲート（以下単に「ゲート」とも呼称）と浸漬ノズル上部内部構造との組合せが旋回流に及ぼす影響を評価した。表１から明らかなように、浸漬ノズル上部内部構造が通常の円筒構造で通常ゲートとの組合せ（試験条件Ｅ）では鋳造方向に大きな吐出流速を示しているが、浸漬ノズル上部内部構造が羽根付きの構造で通常ゲートとの組合せ（試験条件Ｄ）及び本発明ゲートと浸漬ノズル上部内部構造が通常の円筒構造の組合せ（試験条件Ｃ）では、鋳造方向へ流れる流体の速度が小さくなることがわかる。これは、浸漬ノズル上部内部構造が通常の円筒構造で通常ゲートとの組合せ（試験条件Ｅ）で発生しなかった水平方向速度が浸漬ノズル内に旋回流を発生させる本発明ゲートと浸漬ノズル上部内部構造が通常の円筒構造の組合せ（試験条件Ｃ）で付加されたためだと考えられる。
次に、スライディングゲートとして本発明ゲートを用い、単孔浸漬ノズルの吐出孔の出口形状が及ぼす影響を評価した。単孔浸漬ノズルの吐出孔の出口形状に注目すると、出口形状が直管形状（試験条件Ｃ）であっても旋回の効果によって鋳造方向速度が抑制され、水平方向速度が付加されている。一方で、吐出孔の出口形状がラッパ型形状（試験条件Ａ）や山型形状（試験条件Ｂ）だと、直管形状（試験条件Ｃ）に比べてより大きな鋳造方向速度の抑制効果と水平方向速度の増強効果が明らかになった。これは、壁付近の粘性によって、鋳造方向へ流れる流体がラッパ型形状や山型形状の壁に引き寄せられるように水平方向に向かう、コアンダ効果が発現しているためと考える。

取鍋溶鋼量が２００トンのブルーム連続鋳造装置（２ストランド）において、本発明を適用した。鋳造する鋳片形状は、幅：２５０ｍｍ、厚み：２５０ｍｍである。タンディッシュ容量は３５トンであり、タンディッシュの底部に連続鋳造用注湯装置を設ける。連続鋳造用注湯装置は、溶融金属の流量を調整するスライディングゲートと、スライディングゲートの下方に設けられる浸漬ノズルとを有する。スライディングゲートは溶融金属が通過する流路孔が形成された３枚のプレートを有し、中央のプレートは摺動が可能なスライド板である。浸漬ノズルは、単孔浸漬ノズルである。

スライディングゲートとして、前記水モデル実験と同様の本発明ゲート、通常ゲートを用いた。また、浸漬ノズルとして、前記水モデル実験と同様のノズルを用いた。

湯面温度低下による湯面皮張りの評価方法として、鋳造後の鋳片中のパウダー巻き込み性欠陥の発生率を取り上げる。鋳片中のパウダー巻き込み性欠陥の発生率は、製品段階で判明するパウダー起因の欠陥発生率として評価した。連続鋳造用注湯装置のスライディングゲートとして通常ゲートを用い、浸漬ノズルとして通常ノズルを用いた条件（試験条件Ｅ）におけるパウダー巻き込み性欠陥の発生率を基準（１．０）とし、各条件のパウダー巻き込み性欠陥の発生率を指数化し、「鋳片品質」とした。

連続鋳造用注湯装置の耐久性について、連続鋳造用注湯装置耐火物を交換なしで使用できる最長の鋳込み時間（以下「交換なし鋳込み時間」）に基づいて評価した。連続鋳造用注湯装置のスライディングゲートとして通常ゲートを用い、浸漬ノズルとして通常ノズルを用いた条件（試験条件Ｅ）における交換なし鋳込み時間を基準（１．０）とし、各条件の交換なし鋳込み時間を指数化し、「耐久性指数」とした。

連続鋳造用注湯装置として使用したスライディングゲート、浸漬ノズルの条件、鋳造結果について表２に示す。

表２から、鋳型への給湯流に旋回を発生させる羽根付きノズル（試験条件Ｄ）と本発明ゲート（試験条件Ａ〜Ｃ）では、鋳片品質が向上し、鋳型内湯面皮張りが減ったと推測できる。さらに、浸漬ノズルの出口形状を山型形状（試験条件Ｂ）やラッパ型形状（試験条件Ａ）にすると、さらに鋳片品質が向上することがわかる。これは、表１に示されるように単孔浸漬ノズルの吐出孔の出口形状が山型形状やラッパ型形状であれば水平方向速度成分強さがより大きな値を示す傾向と一致している。つまり、吐出孔の出口形状が山型形状やラッパ型形状であれば、鋳型内湯面の熱供給量が増大し、鋳型内湯面の皮張りが防止されることを示唆している。また、耐火物耐久性に関しては、一番低い数値を示している羽根付きノズル（試験条件Ｄ）に比べて、本発明ゲート（試験条件Ａ〜Ｃ）は高い数値を示した。さらに、本発明ゲート（試験条件Ａ〜Ｃ）の耐火物耐久性指数は１．３と試験条件Ｅの通常ゲートよりも高い数値を示すことも明らかとなった。

１ スライディングゲート
２ プレート
３ 上固定板
４ スライド板
５ 下固定板
６ 流路孔
７ｕ 上流面（上流側表面）
７ｄ 下流面（下流側表面）
８ｕ 上流開孔（上流側表面開孔）
８ｄ 下流開孔（下流側表面開孔）
９ｕ 上流開孔重心（上流側表面開孔図形重心）
９ｄ 下流開孔重心（下流側表面海溝図面重心）
１０ 流路軸線方向
１１ 浸漬ノズル
１２ 浸漬ノズル内孔
１３ 吐出孔
１８ 流線
１９ 吐出流
２０ 連続鋳造用注湯装置
２１ タンディッシュ
２２ 鋳型
２３ 溶融金属
３０ 摺動面
３１ 摺動面流路軸線方向
３２ 摺動面垂直下流方向
３３ 摺動閉方向
α 流路軸線傾斜角度
θ 流路軸線回転角度

Claims (3)

1. 溶融金属を鋳型内に注湯するための連続鋳造用注湯装置であって、
   溶融金属の流量を調整するスライディングゲートと、前記スライディングゲートの下方に設けられる浸漬ノズルとを有し、
   前記スライディングゲートは溶融金属が通過する流路孔が形成された複数のプレートを有し、前記プレートのうちの少なくとも１枚のプレートは摺動が可能なスライド板であり、
   それぞれのプレートにおける流路孔は、プレートの表面のうち、通過する溶融金属の上流側に位置する上流側表面に上流側表面開孔を形成し、下流側に位置する下流側表面に下流側表面開孔を形成し、上流側表面開孔図形の重心から下流側表面開孔図形の重心に向く方向を流路軸線方向とし、
   プレートの摺動面に垂直な下流方向（以下「摺動面垂直下流方向」という。）と前記流路軸線方向とがなす流路軸線傾斜角度αが５°以上７５°以下であり、
   前記流路軸線方向を摺動面に投影した方向を摺動面流路軸線方向と呼び、スライディングゲートを閉とするときに前記スライド板を摺動する方向を摺動閉方向と呼び、摺動閉方向に対し、前記摺動面流路軸線方向が、前記摺動面垂直下流方向に見て時計回りになす角度を流路軸線回転角度θ（±１８０度の範囲）と呼び、当該流路軸線回転角度θは、隣接するプレート間で異なっており、最も上流側のプレートのθをθ₁、その一つ下流側のプレートのθをθ₂、さらに一つ下流側のプレートのθをθ₃と順に番号を付け、Δθ_N＝θ_N−θ_N+1（Ｎは１以上の整数でプレートの枚数−１まで）としたとき、
   角度Δθ_Nがいずれも１０°以上かつ１７０°未満であって浸漬ノズル内に反時計回り旋回流を形成し、又は角度Δθ_Nがいずれも−１７０°超かつ−１０°以下であって浸漬ノズル内に時計回り旋回流を形成し、
   前記浸漬ノズルは、浸漬ノズル底部に開孔させた単一の吐出孔を有してなることを特徴とする連続鋳造用注湯装置。
2. 前記浸漬ノズルの吐出孔形状は、浸漬ノズル内壁から吐出孔出口に向かって拡管状形状を有するように成形してなることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造用注湯装置。
3. スライディングゲートを形成するプレートの数が２枚もしくは３枚でありスライド板が１枚であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の連続鋳造用注湯装置。

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