JP4490947B2

JP4490947B2 - 金属溶湯の排出構造。

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Publication number: JP4490947B2
Application number: JP2006176004A
Authority: JP
Inventors: 有務須藤; 智玲山内; 真一後藤
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: JP2008006444A

Description

本発明は金属溶湯の排出構造に関し、詳しくは、溶鋼を主とする金属溶湯の連続鋳造において、取鍋内の金属溶湯をタンディッシュに注入するときの金属溶湯による鋳造設備の浸食を抑制することが可能な機能を有する金属溶湯の排出構造に関する。

本発明は、いわゆる連続鋳造設備の一部を構成するものであるので、最初に連続鋳造設備の概要について簡単に説明する。

図３に示すように、連続鋳造設備は、転炉（図示せず）の金属溶湯を受ける取鍋２１と、取鍋２１内の金属溶湯をロングノズル２２を経て受け入れるタンディッシュ２３と、タンディッシュ２３内の金属溶湯を浸漬ノズル２４を経て受け入れる鋳型２５と、鋳片全幅にわたって冷却水をスプレーするスプレーノズル２６と、鋳片内の金属溶湯を電磁誘導撹拌し、等軸樹脂状晶を増し、最終凝固位置の溶質元素の偏析を多数の等軸晶間に分散する電磁誘導撹拌装置２７と、多数のサポートロール群２８と、鋳片引き抜き用ダミーバー２９と、ガス切断機３０とから主に構成される。

取鍋２１からタンディッシュ２３ならびにタンディッシュ２３から鋳型２５への金属溶湯の鋳造に際しては、耐火物製のロングノズル２２や浸漬ノズル２４により、金属溶湯と空気との接触による酸化を遮断し、タンディッシュ２３はスラグの金属溶湯への巻き込みを避けるために、その内部に堰やバッフルを設けて非金属介在物の浮上分離が図られ、鋳型２５には、湯面変動を抑制し凝固殻の表面性状を良好にする目的で、磁場をかけ、タンディッシュ２３から流入する金属溶湯流を制御する装置が使われるなど、鋳片の品質向上を図るための様々な工夫が施されている。その結果、鋳片の品質については、一定以上のレベルを確保することが可能になっている。

連続鋳造は高温（約１６５０℃）の金属溶湯を連続的に多くの鋳造設備を移動させつつ徐々に凝固させることにより行われるものであるが、この金属溶湯の移動時にスムーズな湯流れが確保されないと、鋳造設備が損傷することがある。そこで、係る事情を分かりやすく説明する。

図４は、図３から取鍋２１とタンディッシュ２３と鋳型２５を取り出して、分かりやすくするために拡大した模式図である。

図４において、取鍋２１は金属溶湯Ｍを収容し、取鍋２１の底部には上ノズル３１が形成され、この上ノズル３１の下側には取鍋２１の底面に沿ってスライドするスライディングノズル３２とスライディングノズル３２に固着した下ノズル３３が設置され、さらに、下ノズル３３にロングノズル２２が装着されている。そして、図示しない駆動装置を駆動させることにより、スライディングノズル３２と下ノズル３３とロングノズル２２は一体となって両矢示方向にスライドすることが可能である。ロングノズル２２は、取鍋２１の下方に設けたタンディッシュ２３内の金属溶湯Ｍに浸漬されている。上記スライディングノズル３２は取鍋２１から排出される金属溶湯Ｍの流量調整手段であり、下ノズル３３およびロングノズル２２と一体となったスライディングノズル３２が取鍋２１の底面に沿って両矢示方向にスライドすることにより、上ノズル３１が全閉状態となって金属溶湯Ｍの供給が絶たれたり、上ノズル３１の開口部とスライディングノズル３２の開口部が一致すれば、すなわち、全開状態になれば、所定量の金属溶湯Ｍがタンディッシュ２３に向けて排出されるようになっている。タンディッシュ２３内には複数の堰３４が設置されており、タンディッシュ２３に対するロングノズル２２の設置位置に対して長手方向反対側の底部には鋳型２５への金属溶湯の供給流路となる浸漬ノズル２４が設置され、鋳型２５を経て鋳片３５が製造されるようになっている。

かくして、上ノズル３１の開口部とスライディングノズル３２の開口部を一致させて、ロングノズル２２の先端をタンディッシュ２３内の金属溶湯Ｍに浸漬させながら、取鍋２１内の金属溶湯Ｍをタンディッシュ２３に注入すると、タンディッシュ２３内の金属溶湯Ｍは適宜の位置に設けられた堰３４に当接することにより行く手を阻まれ、金属溶湯Ｍに含まれる耐火物粒子等の軽量不純物の一部は堰３４に沿って金属溶湯Ｍの表面に浮上し、金属溶湯Ｍは浸漬ノズル２４を経て鋳型２５内で冷却されて凝固し、鋳片３５が製造される。上記は簡単のために単ストランド鋳造について説明したが、一般的には、図３に示すように、複数の取鍋２１から交互にタンディッシュ２３に金属溶湯が注入される多ストランド鋳造が行われている。この場合、金属溶湯が排出されない取鍋の金属溶湯排出口は閉塞する必要がある。そのため、図５に示すように、金属溶湯が排出されない取鍋においては、上部プレート３１ａと下部プレート３１ｂからなる上ノズル３１内には耐火物粒子（１００メッシュ程度の大きさのシリカまたはクロムを主成分とする耐火物）３６が充填される。

ところが、下ノズルとロングノズルの接合面の形状や耐火物粒子に起因して、取鍋からタンディッシュへの金属溶湯注入時に金属溶湯によってロングノズルが浸食されることがある。というのは、図５に示すように、下ノズル３３の下端面は平面状であり、この下ノズル下端面が当接するロングノズル２２上端部には図６（ａ）に示すように、セラミック製のリング４１が装着されており、このセラミック製のリング４１上に図５に示す下ノズル３３が着座することにより、下ノズルとロングノズルが接合する構造である。ところが、平面部が接合する構造のものは熱影響により接合面が変形しやすい。そのため、金属溶湯の流れが乱されやすい。しかも、金属溶湯とともにロングノズル内に流下してくる耐火物粒子（図５の番号３６参照）が抵抗となってロングノズル内に耐火物粒子のブリッジが形成されることのないように、図６（ａ）に示すように、セラミックリング４１に続いて拡径部４２、４３、４４が形成されているため、下ノズルから排出された金属溶湯はセラミックリング４１を経て拡径部４２、４３、４４に沿って流下するとき、流れの乱れが助長されやすい。その結果、拡径部４２、４３および４４は金属溶湯の不均一な流れによる局部的なアタック（熱衝撃）を受けて部分的に浸食（孔あき）されることがある。

この種の技術に関するものとして、特許文献１には、繰り返し使用に耐えうるロングノズルとして、ロングノズル本体内側の溶鋼接触面の少なくとも一部にドロマイトクリンカーを１０質量％以上含有する耐火物が内張りされているロングノズルが開示されている。このロングノズルによれば、ドロマイトクリンカーを１０質量％以上含有することにより地金や介在物が耐火物に付着しにくくなるという効果は期待できるが、上記した金属溶湯による熱衝撃に対する抵抗力を備えているとは言えない。

また、特許文献２には、金属溶湯の湯流れを改善して鋳片の品質を改善しうるノズルとして、ノズル吐出口開孔より上方の左右のノズル筒の肉厚の差が１．０mm以下である連続鋳造用ノズルが開示されている。このノズルによれば、金属溶湯の流れが乱れていない場合においては、鋳片の品質を改善することはできても、上記した金属溶湯の乱れた流れによる熱衝撃に対する抵抗力を備えているとは言えない。
特開２００５−１２５４０３号公報特開２００４−７４１９８号公報

本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、取鍋内の金属溶湯をタンディッシュに注入するときの金属溶湯によるロングノズルの浸食を抑制することが可能な機能を有する金属溶湯の排出構造を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の金属溶湯の排出構造は、取鍋底部に設けた上ノズルからスライディングノズル、下ノズルおよびロングノズルを経て取鍋内の金属溶湯を排出する金属溶湯の排出構造において、ロングノズル上端部の内側に下ノズル内径と略等しい内径の略円筒状の耐火リングを内張し、下ノズル下端面と上記耐火リング上端面に曲面部を形成し、下ノズルと耐火リングが曲面で接することを特徴としている。

本発明の金属溶湯の排出構造によれば、取鍋内の金属溶湯を排出する場合、ロングノズル着脱装置に装着したロングノズルを下ノズルの略直下まで移動させ、次いで、ロングノズル上端部に内張した耐火リング上端面を下ノズル下端面に当接させて曲面に沿って接合位置を微調整し、耐火リング開口部と下ノズル開口部を上下方向で一致させる。そして、スライディングノズル、下ノズルおよびロングノズルを一体として取鍋底面に沿ってスライドさせて上ノズル開口部とスライディングノズル開口部を一致させると、取鍋内の金属溶湯は上ノズルからスライディングノズルおよび下ノズルを経てロングノズル内に達する。ロングノズルに達した金属溶湯は略円筒状の耐火リング内面に沿って整流されるようにして流下する。

かくして、下ノズルと耐火リングの接合面は曲面であるから熱により変形しにくく、耐火リング内面は整然と流下する金属溶湯によって局部的にアタックされることもない。この整流効果を備えるためには、耐火リングの円筒長さは１００mm以上であるのが好ましい。一方、耐火リングには機械的強度や高温強度の高い高級耐火材料（例えば、７６重量％のアルミナと２２重量％のマグネシアを含むスピネル系の組成のもの、または、７５重量％のアルミナと１０重量％のシリカと１０重量％のカーボンを含む組成のもの）が使用されるので、耐火リングの円筒長さの上限値はコスト面を考慮すると、約４００mm程度とするのが好ましい。

曲面が球面であれば、加工が比較的簡単で、製造コストを抑えることができるので好ましい。

下ノズル下端面と耐火リング上端面に形成される球面は下に向かって凸であってもよく、下ノズル下端面と耐火リング上端面に形成される球面は上に向かって凸であってもよいが、下ノズル下端面と耐火リング上端面に形成される球面が上に向かって凸である場合、次に説明するような効果が期待できる。一般に、連続鋳造において、当該取鍋からの金属溶湯の排出を終えて次の取鍋からの金属溶湯を受け入れるまでの間に下ノズルと上ノズルの接合面の清掃、すなわち、その接合面に付着した異物の除去が行われる。異物除去が不十分であると、接合不良により、大気リークや金属溶湯の漏れのような不都合が生じやすいからである。というのは、取鍋からの金属溶湯の排出終了時に取鍋の金属溶湯排出口はスライディングノズルにより封鎖されるが、その封鎖が必ずしも良好でない場合（いわゆる、溶湯切れの悪い場合）がある。溶湯切れが悪くて金属溶湯が取鍋から漏れている状態で下ノズルとロングノズルの接合を切り離すと、漏れた金属溶湯がロングノズルの上端面に付着することがある。この付着物を除去するために高圧の酸素ガスを吹き付けているが、この付着物除去作業は高温環境下での肉体に対する負担が極めて大きい作業であり、次の取鍋と交換するまでの間の短い時間内に行わなければならないという制約もある。しかも、様々な関連設備が配置されている現場において、上記付着物除去部を直接確認するのは必ずしも容易でない。この点、下ノズル下端面と耐火リング上端面に形成される球面が上に向かって凸であれば、溶湯切れの悪いスライディングノズルであっても、取鍋から漏れた金属溶湯はロングノズル上端面（耐火リング上端面）に溜まらず、流れ落ちやすくなると思われる。また、漏れた金属溶湯がロングノズルの上端面（耐火リング上端面）に付着したとしても、この付着物除去作業は、耐火リング上端面に形成される球面が下に向かって凸である場合に比べて容易であり、この付着物除去部を確認することも耐火リング上端面に形成される球面が下に向かって凸である場合に比べて容易となることが期待できる。

この場合、下ノズル下端面に形成される球面部の球の半径と耐火リング上端面に形成される球面部の球の半径が同一であれば、接合面の密着性が増し、シール性が向上するので好ましい。しかし、密着性が高いことに起因して球面に沿って接合位置を微調整するときの接触抵抗が比較的大きいという不都合がある。

そこで、下ノズル下端面と耐火リング上端面に形成される球面が下に向かって凸である場合、下ノズル下端面に形成される球面部の球の半径ｒ₁が耐火リング上端面に形成される球面部の球の半径ｒ₂より僅かに小さければ、下ノズル下端面と耐火リング上端面を当接させて球面に沿って接合位置を微調整するときに、接触抵抗が小さくなり、接合面の摩耗量が少なくなるので好ましい。例えば、ｒ₁はｒ₂の９５％から９９％の範囲とすることが好ましい。

同じように、下ノズル下端面と耐火リング上端面に形成される球面が上に向かって凸である場合、耐火リング上端面に形成される球面部の球の半径ｒ₄が下ノズル下端面に形成される球面部の球の半径ｒ₃より僅かに小されば、下ノズル下端面と耐火リング上端面を当接させて球面に沿って接合位置を微調整するときに、接触抵抗が小さくなり、接合面の摩耗量が少なくなるので好ましい。例えば、ｒ₄はｒ₃の９５％から９９％の範囲とすることが好ましい。

略円筒状の耐火リングの内径が上端面から下端面にかけて徐々に小さくなるテーパ形状であれば、金属溶湯の湯流れの整流効果を増すことができるので好ましい。例えば、そのテーパ形状としては、耐火リングの上端面の内径が１０５mmないし１１５mm程度で、耐火リングの円筒部の長さが２００mmの場合、耐火リングの下端面の内径は１００mm程度のものを採用することができる。

内張り耐火リングに引き続くロングノズルの内径Ａは耐火リング下端面の内径Ｂより大きく、且つその内径Ａはロングノズル下端面に至るまで同一であれば、耐火リングに引き続くロングノズル内においても金属溶湯の整流効果は発揮され、しかも、耐火物粒子によるブリッジが形成されにくいので好ましい。

本発明によれば、取鍋から排出された金属溶湯によってロングノズルが短期間のうちに熱的に損傷することはなく、スムーズな金属溶湯の流れを確保することができ、安定した鋳造作業を継続することができる。

以下に本発明の実施形態を図面を参照しながら説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において適宜変更や修正が可能である。

図１は、本発明の金属溶湯の排出構造を適用した連続鋳造設備の一例の断面を含む概略構成図である。図１において、タンディッシュ２３および鋳型２５は図４に示すものと同
じであり、同一構成のものには同じ参照番号を付して説明を省略する。

この実施形態において、取鍋１はスイングタワー２の一方の側に搭載されており、取鍋１の底部に形成された上ノズル３の下側には取鍋１の底面に沿ってスライドするスライディングノズル４とスライディングノズル４に固着した下ノズル５が設置され、さらに、下ノズル５にロングノズル６が装着されている。そして、図示しない駆動装置を駆動させることにより、スライディングノズル４と下ノズル５とロングノズル６は一体となって両矢視方向にスライドすることが可能である。

図２（ａ）は下ノズル５とロングノズル６が接合している状態の一例を拡大して示す断面図であり、図２（ｂ）はロングノズル６の上端部を取り出して示す断面図である。図２（ａ）に示すように、ロングノズル６の上端部の内側には略円筒状の耐火リング７が内張されている。下ノズル５の下端面８と耐火リング７の上端面９にはそれぞれ下に向かって凸の球面部が形成されており、下ノズル５と耐火リング７は球面で接している。図２（ａ）に示す下ノズル５の内径ｄは１００mm（上端から下端まで一定）であり、図２（ｂ）に示す耐火リング７の上端面の内径Ｄ₁は１１０mm、耐火リング７の下端面の内径Ｄ₂は１００mm、耐火リング７の円筒部の長さＬは２００mmである。この場合、下ノズル５の下端面と耐火リング７の上端面に、それぞれ上に向かって凸の球面部を形成することもできる。

また、図２（ａ）に示す下ノズル５の下端面８に形成される球面部の球の半径ｒ₁（１４５mm）は耐火リング７の上端面９に形成される球面部の球の半径ｒ₂（１５０mm）より僅かに小さい。その結果、下ノズル５の下端面８と耐火リング７の上端面９を当接させて球面に沿って接合位置を微調整するときの接触抵抗を小さくすることができる。この場合、下ノズル５の下端面と耐火リング７の上端面に、それぞれ上に向かって凸の球面部を形成した場合、耐火リング７の上端面に形成される球面部の球の半径ｒ₄（１４５mm）を下ノズル５の下端面に形成される球面部の球の半径ｒ₃（１５０mm）より僅かに小くすることにより、下ノズル５の下端面と耐火リング７の上端面を当接させて球面に沿って接合位置を微調整するときの接触抵抗を小さくすることができる。

また、図２（ａ）に示す耐火リング７に引き続くロングノズル６の内面１０の内径Ｗ（１５０mm）は耐火リング７下端面の内径Ｄ₂（１００mm）より大きく、且つロングノズル６の下端面１１に至るまで内径Ｗは同一である。

図１において、ロングノズル６は取鍋１の側方に配置されている図示しないロングノズル着脱装置のアームによって保持され、常時所定の押し付け力で押し付けられながら下ノズル５に装着されている。押し付け力が弱すぎると下ノズル５と耐火リング７またはロングノズル６の間隙から金属溶湯が漏れ出し、逆に、その押し付け力が強すぎると下ノズル５、耐火リング７またはロングノズル６が破損するので、ロングノズル着脱装置のアームによる押し付け力は適正な範囲（一般的には、５〜７kg／cm²）になるように制御されている。

図１において、取鍋１内の金属溶湯Ｍをタンディッシュ２３内に注入することによって取鍋１が空になると、スライディングノズル４をスライドさせて上ノズル３の開口部を封鎖する。次に、ロングノズル６の押し付け力を解除し、先端がタンディッシュ２３よりも上方に位置するまで、取鍋昇降装置１２によって取鍋１を上昇させる。そして、ロングノズル６を下ノズル５から離して、ロングノズル６を保持している図示しないロングノズル着脱装置のアームをスイングタワー２の旋回の支障にならない位置まで退避させる。そして、スイングタワー２を回転軸１３の周りに旋回させて、空になった取鍋１をスイングタワー２の他方の側に搭載されている金属溶湯を満たした取鍋と交換する。

次に、図示しないロングノズル着脱装置のアームを伸ばして、図２（ａ）に示すロングノズル６を下ノズル５の略直下の位置にくるまで移動させ、その後、下ノズル５の下端面８と耐火リング７の上端面９を当接させ、且つそれら下ノズル５と耐火リング７の開口部が上下方向で一致するまで球面に沿って当接状態を微調整し、接合部から金属溶湯が漏れることなく、接合部が破損することもないように、ロングノズル着脱装置のアームによる適切な押し付け力で耐火リング７を下ノズル５に押し付ける。

そして、図１に示すように、ロングノズル６の先端がタンディッシュ２３内の金属溶湯Ｍに浸漬するまで、取鍋昇降装置１２によって取鍋１を下降させる。その後、スライディングノズル４をスライドさせて、上ノズル３とスライディングノズル４の開口部を一致させて全開状態とし、取鍋１から上ノズル３、スライディングノズル４、下ノズル５およびロングノズル６を経てタンディッシュ２３内へ金属溶湯Ｍを注入する。

この場合、図１において取鍋１からロングノズル６に達した金属溶湯Ｍは、図２（ａ）に示す耐火リング７の内壁面に沿って整流されるようにして流下するので、耐火リング７の内面が金属溶湯により局部的にアタックされにくく、しかも、耐火リング７に引き続くロングノズル６の内面１０の内径Ｗは下端面１１に至るまで同一であるから、耐火リング７を過ぎた後のロングノズル６内においても金属溶湯は整然と流下するので、ロングノズル６の内面が金属溶湯により局部的にアタックされにくい。

本発明は金属溶湯によるロングノズルの浸食を抑制することが可能な構造の連続鋳造設備に関するものであるが、金属溶湯注入時の熱衝撃による過酷な条件での使用に耐えるためには、耐火リングおよびロングノズルの材質として、耐スポーリング性に優れたアルミナ−黒鉛材質やジルコニア−黒鉛材質やマグネシア−黒鉛材質のものを採用することが好ましいが、近年、極低炭素鋼のような炭素含有量の少ない鋼種が増え、それに対応してロングノズルに使用される耐火物も溶鋼中への炭素の溶出を抑制するために、炭素の含有量を極力少なくする必要性が高まっている。それに対応するために、ロングノズル用の耐火物として、溶鋼中への炭素溶出だけでなく、耐食性低下や介在物付着の原因となるシリカ等を使用しないアルミナ系、スピネル系、ジルコニア系等の耐火骨材を主な構成成分とする耐火物を用いることもできる。

本発明は、溶鋼を主とする金属溶湯を連続鋳造する際に使用される設備に適用することができ、特に、取鍋内の金属溶湯をタンディッシュに注入するときの金属溶湯によるロングノズルの浸食を抑制することが可能な構造を有する設備として適している。

本発明の金属溶湯の排出構造を適用した連続鋳造設備の一例の断面を含む概略構成図である。図２（ａ）は本発明の下ノズルおよびロングノズルが接合している状態の一例を拡大して示す断面図、図２（ｂ）はロングノズルの上端部を取り出して示す断面図である。一般的な連続鋳造設備の概略構成図である。従来の金属溶湯の排出構造を有する連続鋳造設備の断面を含む概略構成図である。従来の取鍋の上ノズル付近を拡大して示す断面図である。図６（ａ）は従来のロングノズルを拡大して示す断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の上端部の右半分を拡大して示す図である。

符号の説明

１取鍋
２スイングタワー
３上ノズル
４スライディングノズル
５下ノズル
６ロングノズル
７耐火リング
８下ノズルの下端面
９耐火リングの上端面
１０ロングノズルの内面
１１ロングノズルの下端面
１２取鍋昇降装置
２１取鍋
２２ロングノズル
２３タンディッシュ
２４浸漬ノズル
２５鋳型
２６スプレーノズル
２７電磁誘導撹拌装置
２８サポートロール群
２９鋳片引き抜き用ダミーバー
３０ガス切断機
３１上ノズル
３２スライディングノズル
３３下ノズル
３４堰
３５鋳片
３６耐火物粒子
４１リング
４２拡径部
４３拡径部
４４拡径部

Claims

取鍋底部に設けた上ノズルからスライディングノズル、下ノズルおよびロングノズルを経て取鍋内の金属溶湯を排出する金属溶湯の排出構造において、ロングノズル上端部の内側に下ノズル内径と略等しい内径の略円筒状の耐火リングを内張し、下ノズル下端面と上記耐火リング上端面に曲面部を形成し、下ノズルと耐火リングが曲面で接することを特徴とする金属溶湯の排出構造。
曲面が球面であることを特徴とする請求項１記載の金属溶湯の排出構造。
下ノズル下端面と耐火リング上端面に形成される球面が下に向かって凸であり、下ノズル下端面に形成される球面部の球の半径と耐火リング上端面に形成される球面部の球の半径が同一であることを特徴とする請求項２記載の金属溶湯の排出構造。
下ノズル下端面と耐火リング上端面に形成される球面が下に向かって凸であり、下ノズル下端面に形成される球面部の球の半径が耐火リング上端面に形成される球面部の球の半径より僅かに小さいことを特徴とする請求項２記載の金属溶湯の排出構造。
略円筒状の耐火リングの内径が上端面から下端面にかけて徐々に小さくなるテーパ形状であることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の金属溶湯の排出構造。
内張り耐火リングに引き続くロングノズルの内径Ａは耐火リング下端面の内径Ｂより大きく、且つその内径Ａはロングノズル下端面に至るまで同一であることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の金属溶湯の排出構造。