JP3358989B2 - 鋼の連続鋳造用浸漬ノズル - Google Patents

鋼の連続鋳造用浸漬ノズル

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、鋼の連続鋳造用浸
漬ノズルに関し、特に、該ノズルの閉塞を抑制し、かつ
耐スポーリング性、耐溶損性を有する鋼の連続鋳造用浸
漬ノズルに関するものである。
【0002】
【従来の技術】鋼の連続鋳造に際しては、従来から、耐
スポーリング性に優れたA12O3−SiO2−C質ノズルが最も
広く用いられている。しかしながら、この材質ノズルを
Alキルド鋼の鋳造に用いる場合、溶鋼中A1203介在物の
付着に起因するノズル閉塞の問題が生じる。また、高酸
素含有鋼、高Mn含有鋼やステンレス鋼等の鋳造に用いる
場合は、逆にノズル溶損の問題が生じる。
【0003】ノズルの閉塞や溶損は、耐火物の使用寿命
の低下を招くばかりではなく、製鋼操業上の支障とな
り、また鋼材の品質にも悪影響を与える。そこで、耐閉
塞性と耐溶損性を兼備している鋼の連続鋳造用ノズルの
開発が、現在では急務となっている。
【0004】このような状況に対して、特開平3−24325
8号公報には、a)A12O3を90重量%以上含有,b)MgOを9
0重量%以上含有,C)ZrO2を90重量%以上含有、したカ
ーボンレスの各材料を円筒状スリーブとして1種又は2種
以上組み合わせて内挿使用するノズルが開示されてい
る。
【0005】また、ノズルの閉塞を低減する目的で、浸
漬ノズルの内孔体として、カーボンやSiO2含有量が、い
ずれも1重量%未満,スピネル 1〜40重量%,MgO 0.5
〜15重量%,残りはA12O3である耐火材料を使用するこ
とが、特開平5−237610号公報に提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】Alキルド鋼の鋳造にお
ける A12O3−SiO2−C質ノズル閉塞の主な機構について
は、次のように考えられている。まず、高温での耐火物
中において、耐火原料として使用されているSiO2とCと
の間に(1)式の反応が起こる。そして、生成したSiO
(気体、以下「(g)」と記載する)及びCO(g)が、ノ
ズルと溶鋼の界面に拡散し、溶鋼中のAlと(2)式,
(3)式の反応を起こして、ノズルの稼働面に網み目状
のA12O3層を生成する。組織的には網目状のA12O3層が非
常に粗いので、溶鋼中のA12O3介在物がその上に衝突・
付着しやすくなる。A12O3介在物の付着が進行すると、
ノズルの閉塞が進行する。 SiO2(s)+C(s)→SiO (g) + CO(g) (1) 3SiO(g)+2Al →A12O3(s)+ 3Si (2) 3CO (g)+2Al →A12O3(s)+ 3C (3) なお、上記式において、(s)は固相,(g)は気相を表
し、AlSiCは,溶鋼中の溶解状態のAl,Si及びCをそ
れぞれ表す。
【0007】一方、高酸素含有鋼,高Mn含有鋼やステン
レス鋼などの鋳造における A12O3−SiO2−C 質ノズルの
溶損機構については、本発明者の検討により次のことが
明らかになった。まず、耐火物稼働面中のカーボンが溶
鋼に溶解し、すなわち、 C(s)→ C (4) 稼働面がA12O3−SiO2系の酸化物になる。その後、溶鋼
中Mn,O,FeがMnO,FeO状態で稼働面に浸透し、すなわ
ち、 MnO →(MnO) (5) Fe(l)+O →(FeO) (6) なお、上記式において、(l)は液相、Mnは溶鋼中の溶解
状態のMnをそれぞれ表わす。さらに溶鋼中MnO−FeO系介
在物が稼働面へ衝突・付着する。この2つ原因で浸透し
てきたMnO,FeOは,稼働面中A12O3およびSiO2と反応し
て、A12O3−SiO2−MnO−FeO系の液体スラグを生成す
る。スラグが溶鋼の流れに流失すると、耐火物の溶損が
生しる。
【0008】しかし、前記特開平3−243258叉は特開平5
−237610に提案されたノズルには、次のような問題があ
る。1)溶鋼と接触するノズルの内挿または内孔体にはS
iO2及び黒鉛がはぼ含有されないので、Alキルド鋼を鋳
造する場合、(1)〜(3)式の反応により綱目状のA12O
3層を生せず、ノズル閉塞の抑制に対してある程度の効
果があるが、それほど有効ではない。それは、通常、耐
火物の中に+数%以上の気孔率が存在し、その組織が網
目状のA12O3層より比較的緻密であるが、やはり粗いの
で、その稼働面に溶鋼中のA12O3介在物が速やかに付着
することが避けられないからである。2)一方、もし内
挿または内孔体として、気孔率が数%以下のセラ ミッ
クのような緻密なものを用いるとすれば、耐スポーリン
グ性が低下するので、予熱あるいは使用中ノズルが割れ
る恐れがある。3)高酸素含有鋼,高Mn含有鋼やステン
レス鋼等の鋼種を鋳造する場合、耐火物中のフリーA12O
3またはZrO2の存在で、耐火物が溶損する。
【0009】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的とするところは、耐A12O3付着
性,耐溶損性及び耐スポーリング性を兼備している鋼の
連続鋳造用浸漬ノズルを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
種々の耐火物について調査研究し、特に、スピネルーペ
リクレース−黒鉛系の耐火物について調査研究した結
果、以下に記載するようなことを見いだし、本発明を完
成したものである。
【0011】即ち、高温では、スピネルーペリクレース
ー黒鉛系の耐火物の内部においてスピネル中のMgOまた
はペリクレースと黒鉛との間に次の反応が起こる。 MgO(s)+C(s) → Mg(g)+CO(g) (7) 生成したMgガスおよびCOガスが耐火物と溶鋼の界面に拡
散し、そこで次の2つの反応の何れかによって、耐火物
の表面に緻密なMgO層が生成する。反応1: Mgガスと溶
鋼中の溶解酸素(O)との反応、即ち、 Mg(g)+ O → MgO(s) (8) 反応2: MgガスとCOガスとの反応、即ち、 Mg(g)+CO(g)→ MgO(s)+ C (9) このMgO層が生成されると、Alキルドを鋳造する場合、
(1)〜(3)式のような反応に起因して、稼働面で綱目
状のA12O3層が生成することはない。また、このMgO層の
気孔率が零に近く、組織的に非常に緻密なので、溶鋼中
のA12O3介在物がその上に衝突・付着する可能性が非常
に小さい。すなわち、A12O3介在物の付着によるノズル
の閉塞を抑制する。
【0012】また、この緻密なMgO層は、高酸素含有
鋼,高Mn含有鋼やステンレス鋼等の鋼種を鋳造する場
合,溶鋼によるノズルの溶損を抑制する。そのメカニズ
ムとしては、次のように考えられる。 1)MgOと溶鋼の反応性が小さく、MgOに溶鋼からMnO及び
FeOが浸透しにくい。 2)MgO−スピネル二元系の固相線温度が2000℃以上で非
常に高いので、 MnO及びFeOが浸透して入っても、液体
のスラグ相が生じない。 3)MgO層が緻密なので、溶鋼中のMnO−FeO系介在物がノ
ズルの内部まで侵入できない。
【0013】なお、(7)〜(9)式の反応は、緻密なMg
O層が形成され、耐火物内のCO分圧が高くなれば進まな
くなる。そのとき、生成されるMgO層は厚みがわずか数1
0μmであるので、ノズルの耐スポーリング性に対して
悪影響を与えないからである。
【0014】以上のような知見をもとにして本発明の鋼
の連続鋳造用浸漬ノズルが完成されたのである。即ち、
本発明に係る鋼の連続鋳造用浸漬ノズルは、「鋼の連続
鋳造用浸漬ノズルにおいて、ノズル全体または溶鋼と接
するノズルの内孔部の全部もしくは一部が、スピネル 5
0〜95重量%,ペリクレース 3〜20重量%,黒鉛 5〜30
重量%,不可避の不純物 3重量%以下のスピネルーペ
リクレース−黒鉛系の耐火物であることを特徴とする鋼
の連続鋳造用浸漬ノズル」(請求項1)を要旨(発明を
特定する事項)とするものである。
【0015】
【発明の実施の形態】以下において、本発明を詳細に説
明する。本発明の鋼の連続鋳造用浸漬ノズルは、少なく
とも溶鋼と接するノズルの内孔部の一部が、スピネル
50〜95重量%,ペリクレース 3〜20重量%,黒鉛 5〜
30重量%,不可避の不純物 3 重量%以下のスピネルー
ペリクレース−黒鉛系の耐火物であるところに特徴があ
る。
【0016】ここにおいて、もしスピネルーペリクレー
スー黒鉛系耐火物中の黒鉛が5 重量%以下であれば、ノ
ズルの耐スポーリング性が悪くて、予熱や使用中割れる
恐れがある。また,黒鉛が30重量%以上であれば、
(7)〜(9)式によって稼働面にMgO層が生しても、MgO
層と本体間の結合が悪いので、 MgO層が本体から剥離し
やすくなり、その結果、要求される機能を持たせること
ができなくなる。
【0017】また、ペリクレースが20重量%を越える
と、あるいは、スピネルが95重量%を越えると、同様に
ノズルの耐スポーリング性が悪くなる。なお、スピネル
が50重量%未満であれば、ペリクレース及び黒鉛の割合
が必要な範囲を越えるので、生成するMgO層が本体から
剥離したり、ノズルの耐スポーリング性が悪くなったり
する。
【0018】上記スピネルーペリクレースー黒鉛系の耐
火物に使用する A12O3の成分としては、フリー A12O3
有原料を使わず、スピネル(MgO・A12O3)原料を用いる
ことが望ましい。フリーA12O3含有原料を使うと、高温
のノズルの内部でA12O3とペリクレースの間でスピネル
を生成する反応が起こる。この反応に伴ってノズルの局
部がところどころに膨張したり、収縮したりして、ノズ
ルが割れる恐れがある。
【0019】また、上記スピネルーペリクレースー黒鉛
系の耐火物に使用する耐火原料として、実用的な耐火原
料を使用する場合には、不可避の不純物が存在すること
がある。そのような不可避の不純物は、3重量%以下に
抑制することが好ましい。3重量%を越えると、(7)〜
(9)式の反応による緻密なMgO層の生成ができなくな
り、ノズルが閉塞するか溶損する。
【0020】本発明の鋼の連続鋳造用浸漬ノズルにおい
ては、上記のスピネルーペリクレースー黒鉛系の耐火物
をノズルの全体に使っても良いし、必要に応してノズル
の局部、例えば溶鋼と接するノズルの内孔部に使っても
良い。ただし、上記のスピネルーペリクレースー黒鉛系
の耐火物を内孔部の吐出口周りの部分の少なくとも一部
に使用する場合には、溶鋼と接するノズルの内孔部の他
の部分は、スピネル系又はスピネルーペリクレース系の
耐火物であることはない。
【0021】本発明の鋼の連続鋳造用浸漬ノズルの製造
は、上記スピネルーペリクレースー黒鉛系の耐火物をノ
ズルの内孔部に使う場合、・ノズルの内孔部を構成する
上記スピネルーペリクレースー黒鉛系の耐火物の原料配
合物と、ノズル本体を構成する耐火物の原料配合物とを
同時に加圧成形して所定のノズル形状に成形する方法
(同時成形法),・予め成形されたノズル本体に、内孔
部を構成する上記スピネルーペリクレースー黒鉛系の耐
火物を形成する耐火原料を混練した配合物を流し込み成
形または圧入成形した後、乾燥、場合によっては焼成
し、製造する方法(内装法)、などがある。
【0022】同時成形する場合には、フェノール樹脂や
多糖類をバイングーとして混練したA12O3−SiO2−C等の
ノズル本体を構成する耐火物の原料配合物と、内孔部を
構成する本発明の耐火物の原料配合物を、型枠の所定の
位置に充填、CIP 等により成形し、乾燥後、不焼成品と
するか、または焼成して製造することができる。なお、
ノズル本体を構成する耐火物と内孔部を構成する本発明
の耐火物とは同類のバインダーで混練するのが良い。
【0023】内装法による場合、慣用の方法により予め
作成されたノズル本体に、本体と同類のバインダーまた
は珪酸塩,リン酸塩のようなバインダーを用い、混練し
た原料配合物を流し込み成形または圧入成形した後、乾
燥、場合によっては焼成し、製造できる。しかしなが
ら、慣用の方法により予め作成したノズル本体に、加圧
成形、流し込みあるいは圧入成形により、別に作成した
内装部を挿入、装填する方法では、ノズル本体を構成す
る耐火物とのなじみ(接着安定性)が悪いので好ましく
ない。特に本発明の内孔部を構成する耐火物が、上記ス
ピネルーペリクレースー黒鉛系耐火物からなるため、本
体の A12O3−C質や A12O3−SiO2−C質耐火物より膨張性
が大きく、使用時に高温に加熱されたとき安定して接着
性を持続させるためには、前記の同時成形法または内装
法が良い。
【0024】同様に、本体の耐火物と内孔部を構成する
耐火物は、前記したように同類のバインダーで混練する
ほうがなじみが良く、接着性を安定させることができ
る。本発明の耐火材料を形成するための出発原料配合物
の粒度については、1 mm以下、且つ0.5mm以下の粒度割
合が60重量%以上とすることが好ましい。そうではない
と、原料の粒径が大きすぎて、使用時に耐火組織の脆化
や粒の抜け落ち等が起きる恐れがある。また、特に同時
成形を行う際に成形性が劣り満足な成形体が得られない
ことが多い。
【0025】ノズル本体のパウダーライン部には、ZrO2
−C 系耐火物等の慣用の組成の耐火物を配置することが
できる。ノズル本体を構成する耐火物としては、従来使
用されているA12O3−SiO2−C質耐火材料等を適宜用いる
ことができる。A12O3−SiO2−C質耐火材料としては、慣
用の組成のものを使用することができる。例えば、A12O
3 30〜90重量%,SiO2 0〜35重量%,C 1O〜35重量%の
組成を有するものを使用することができる。また、ZrO2
−C系耐火物にあっては、CaO安定化ZrO2を使用する場
合、例えば、ZrO2 66〜88重量%,CaO 2〜4重量%及び
C 1O〜30重量%の組成を有するものを使用することがで
きる。なお、ZrO2原料としては、通常 CaO安定化ZrO2
広く使用されているが、この他にMgO安定化ZrO2,Y2O3
安定化ZrO2,バデライト等を用いることができる。
【0026】以下に本発明の実施の形態について、図面
を参照して説明するが、本発明は、以下の実施の形態に
限定されるものではなく、前記“発明を特定する事項”
の範囲内で適宜変更、変形することができる。
【0027】(第1の実施の形態) 図1は、本発明のノズルの第1の実施の形態を示す図
(配材パターン1)であって、12は、ノズル本体の全
体を上記スピネルーペリクレースー黒鉛系耐火物(スピ
ネル 50〜95重量%,ペリクレース 3〜20重量%,黒
鉛 5〜30重量%,不可避の不純物 3重量%以下)で構
成したものである。
【0028】(第2の実施の形態)図2は、本発明のノ
ズルの第2の実施の形態を示す図(配材パターン2)で
あって、21は、上記スピネルーペリクレースー黒鉛系
耐火物で構成した内孔部を示ている。22は、Al2O3−S
iO2−C系耐火物で構成したノズル本体を示し、23は、
ZrO2−C系耐火物で構成したパウダーライン部を示して
いる。
【0029】(第3の実施の形態)図3は、本発明のノ
ズルの第3の実施の形態を示す図(配材パターン3)で
あって、31は、上記スピネルーペリクレースー黒鉛系
耐火物で構成した内孔部の内の吐出口周りの部分を示し
ている。32は、Al2O3−SiO2−C系耐火物で構成されノ
ズル本体を示しし、33は、ZrO2−C系耐火物で構成し
たパウダーライン部を示している。
【0030】(第4の実施の形態)図4は、本発明のノ
ズルの第4の実施の形態を示す図(配材パターン4)で
あって、41は、上記スピネルーペリクレースー黒鉛系
耐火物で構成した内孔部を示している。42は、Al2O3
−SiO2−C系耐火物で構成したノズル本体を示し、43
は、ZrO2−C系耐火物で構成されパウダーライン部を示
している。
【0031】また、本発明をより明らかにするために、
以下に、比較のための配材パターンを示す。図5,6
は、本発明のノズルの第1〜4の実施の形態における配
材パターン1〜4とは異なる配材パターン5,6を示す
図であって、52,62は、 Al2O3−SiO2−C系耐火物
で構成したノズル本体を示し、53,63は、ZrO2−C
系耐火物で構成されパウダーライン部を示している。ま
た、61は、高純度アルミナ耐火物で構成した内孔部を
示している。
【0032】
【実施例】次に本発明の実施例を参考例および比較例と
共に挙げ、本発明を具体的に説明する。 [実施例1〜4,参考例] ノズルの配材パターンとして、図2に示したものを用い
た。パウダーライン部23は、ZrO−C系耐火物(CaO
安定化ZrO 80重量%,黒鉛20重量%)で構成し、ノズル
本体22は、常用のA1O−SiO−C系耐火物(SiO
25重量%,C 28重量%,残りはA1O)で構成し
た。内孔部21の耐火物として、上記スピネルーペリク
レースー黒鉛系を用いた。その原料配合を表1に示す。
なお、内孔部21の耐火物の厚みは、8mmである。
【0033】
【表1】
【0034】[比較例1]ノズルの配材パターンとし
て、図5に示したものを用いた。パウダーライン部53
は、ZrO2−C系耐火物(CaO安定化ZrO 80重量%,黒鉛20
重量%)で構成し、ノズル本体52は、常用のA12O3−S
iO2−C系耐火物(SiO2 25重量%,C 28重量%,残り
はA12O3)で構成した。
【0035】[比較例2]ノズルの配材パターンとし
て、図6に示したものを用いた。パウダーライン部63
は、ZrO2−C系耐火物(CaO安定化ZrO 80重量%,黒鉛
20重量%)で構成し、ノズル本体62は、常用のA12O3
−SiO2−C 系耐火物(SiO2 25重量%,C 28重量%,残
りはA12O3)で構成した。内孔部61の耐火物として高
純度A12O3(厚みが8mm)を使用した。
【0036】本発明のノズルの効果を評価するため、実
機テストを行った。 [テスト1] 本テストは、低炭素Alキルド鋼[組成(重量%)はC:
0.08, Si:0.03, Mn:0.2, P:0.01, S:0.01, A
l:0.05, O:0.003]を鋳造した場合のテストである。
鋳造温度は1580℃で、鋳造時間は250分間であった。テ
ストの結果、比較例1及び比較例2のノズルの稼働面に
それぞれ厚みが12mm,15mmのA1O付着層があったの
に対して、実施例1〜4,参考例のノズルは、何れもA1
O付着層がわずか2〜4mmであり、大幅なA1O付着
低減効果が見られた。また、ノズルの割れや脱落もまっ
たくなく、安全に操業することができた。しかし、比較
例2のノズルを用いた場合は、4本の中で1本が使用中割
れてしまった。
【0037】[テスト2] 本テストは、高酸素含有鋼[組成(重量%)はC:0.00
3, Si:0.002, Mn:0.3,P:0.01, S:0.01, Al:
0.001ppm, O:0.06]を鋳造した場合のテストである。
鋳造温度は1560℃で、鋳造時間は230分間であった。テ
ストの結果、内管の最大損傷厚みは、比較例1及び比較
例2のノズルがそれぞれ8mm,11mmであるのに対して、
実施例1〜4,参考例のノズルは何れもわずかに1〜3mm
であり、ノズルの溶損が顕著に小さかった。また、この
場合でも、ノズルの割れや脱落はまったくなく、安全に
操業することができた。
【0038】[テスト3] 本テストは、高 Mn含有鋼[組成(重量%)はC:0.04,
Si:0.02,Mn:1.5,P:0.01, S:0.01,O:0.01]を
鋳造した場合のテストである。テストの結果、1560℃で
210分間鋳造した後の内管の最大損傷厚みは、比較例1
及び比較例2のノズルがそれぞれ10mm,13mmであるのに
対して、実施例1〜4,参考例のノズルは何れもわずか
1〜4mmであり、ノズルの溶損が遥かに低減した。また、
ノズルの割れや脱落はなかった。
【0039】[テスト4] 本テストは、ステンレス鋼[組成(重量%)はC:0.0
5, Si:0.5,Mn:1.0,P:0.04, S:0.02, Ni:8.
0, Cr:18.0, O:0.005]を鋳造した場合のテストで
ある。テストの結果、1550℃260分間鋳造した後の内管
の最大損傷厚みは、比較例1及び比較例2のノズルがそ
れぞれ8mm,9mmであるのに対して、実施例1〜4,参考
のノズルは何れもわずか0.5〜2mmであり、ノズルの
溶損が大幅に低減した。また、ノズルの割れや脱落はな
かった。
【0040】[テスト5] 本テストは、Ca処理鋼[組成(重量%)はC:0.05, S
i:0.3, Mn:0.8, P:0.01, S:0.01, Al:0.02,
Ca:0.003, O:0.002]を鋳造した場合のテストであ
る。テストの結果、1580℃で200分間鋳造した後の内管
の最大損傷厚みは、比較例1及び比較例2のノズルがそ
れぞれ8mm,10mmであるのに対して、実施例1〜4,参
考例のノズルは何れもわずか2mmであり、浸漬ノズルの
溶損が著しく減少した。また、ノズルの割れや脱落はな
かった。
【0041】
【発明の効果】以上詳記したとおり、本発明の鋼の連続
鋳造用浸漬ノズルは、少なくとも溶鋼と接するノズルの
内孔部の一部が、スピネル 50〜95重量%,ペリクレー
3〜20重量%,黒鉛 5〜30重量%,不可避の不純物
3重量%以下のスピネルーペリクレース−黒鉛系の耐
火物からなることにより、Alキルド鋼鋳造に使用された
場合、鋼中A1O付着によるノズルの閉塞は大幅に抑
制され、また、高酸素含有鋼,高Mn含有鋼,ステンレス
鋼やCa処理鋼鋳造に使用された場合は、ノズルの溶損は
顕著に低減した。また、ノズルが割れる恐れも無く、安
全に操業することができた。すなわち、本発明の鋼の連
続鋳造用浸漬ノズルは、耐A1O付着性,耐溶損性及
び耐スポーリング性を兼備しているという優れた効果を
奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のノズルの第1の実施態様を示す図であ
る。
【図2】本発明のノズルの第2の実施態様を示す図であ
る。
【図3】本発明のノズルの第3の実施態様を示す図であ
る。
【図4】本発明のノズルの第4の実施態様を示す図であ
る。
【図5】従来のノズル(比較例1)の配材パターンを示
す図である。
【図6】従来のノズル(比較例2)の配材パターンを示
す図である。
【符号の説明】
12 ノズル本体(スピネルーペリクレース−黒鉛系の
耐火物) 21,41 内孔部(スピネルーペリクレース−黒鉛系
の耐火物) 31 内孔部の吐出口周り部分(スピネルーペリクレー
ス−黒鉛系の耐火物) 61 内孔部(高純度アルミナ) 22,32,42,52,62 ノズル本体(Al2O3-Si
O2-C系耐火物) 23,33,43,53,63 パウダーライン部(Zr
O2-C系耐火物)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B22D 11/10 330 B22D 41/54

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鋼の連続鋳造用浸漬ノズルにおいて、ノ
    ズル全体または溶鋼と接するノズルの内孔部の全部もし
    くは一部が、スピネル 50〜95重量%,ペリクレース
    3〜20重量%,黒鉛 5〜30重量%,不可避の不純物 3
    重量%以下のスピネルーペリクレース−黒鉛系の耐火物
    であることを特徴とする鋼の連続鋳造用浸漬ノズル。
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