JP4638545B2 - 連続鋳造用タンディッシュ衝撃パッド - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、溶融金属浴内での表面撹乱を低減するための装置に関し、更に詳しくは、連続鋳造時のタンディッシュ内での表面撹乱を低減するためにレードルからの進入流の液流パタンを制御するための衝撃パッドに関する。

発明の背景
鋳造の際には、溶融金属流が１つの容器から別の容器あるいは鋳型に流入する。例えば、鋼の連続鋳造に共通する操作として、溶融金属をレードル容器からタンディッシュ容器へ、そしてタンディッシュ容器から１個または複数個の鋳型へ移送する。典型的には溶融金属流はレードル底部に装着されたノズル、チューブ、シュラウドから出て、下降流としてタンディッシュに入る。溶融金属は典型的にはタンディッシュ底部の流出口から１本以上の放出流としてタンディッシュを出て行く。

水モデルは溶融金属の流れをシミュレートする方法として認知されており、レードルからタンディッシュに至る溶鋼流を調べるのに用いられてきた。水モデルによると、レードルからの進入流はタンディッシュの床から溶鋼表面へ向けて偏向させられる。偏向流が急上昇すると溶鋼表面に激しい撹乱が生ずる。タンディッシュの側壁や端部壁などの構造的な障害物で撹乱が増幅することもある。撹乱が激しいと表面の保護フラックス被覆が破壊され、ばらばらになったフラックス粒子が溶鋼中に巻き込まれる。空気との接触によって鋼の酸化も起きる。フラックス粒子は凝固した鋼中で介在物にもなる。これら２つはいずれも最終製品の品質悪化の要因になる。

タンディッシュ衝撃パッドは、レードルからの溶湯流によるエロージョンに対してタンディッシュ・ライニングを保護するために用いられており、また偏向流、撹乱、タンディッシュ内での溶融金属流を制御するためにも用いられている。衝撃パッドをタンディッシュの底に置いて、レードルからの進入流をこれに当てる。衝撃パッドの上面は、進入する溶融金属流の衝撃力とエロージョン作用に対して耐久性を持たせてある。衝撃パッドはエロージョンが起きても、タンディッシュ・ライニングよりも容易に交換できる。一般に、衝撃パッドの上面は進入流の断面積あるいは直径よりも大きくしてあり、レードルに対するタンディッシュの上下左右の動きをカバーできるようになっている。

従来技術のタンディッシュ衝撃パッドは、単純に耐火材料の平板を使って上面を形成していた。この衝撃パッドはタンディッシュ底面上あるいは底面の窪み内に配置する。望ましくは、パッドをレードルシュラウドの下に配置して、進入流がパッドの上面に当るようにする。この形態の場合は、偏向レードル流を制御することは余り考慮していない。

従来技術のもう１つの衝撃パッドは、偏向流を向き直させてタンディッシュ流挙動を改善するものである。従来技術のパッドの１つは、タンディッシュ内でのスプラッシュや撹乱を低減するために、進入流の偏向パタンおよびタンディッシュ内の流れ挙動全体を変えるような形状にしてある。スーフィ（Soofi）の米国特許第５,０７２,９１６号の衝撃パッドは、上面と側面を波状にしたことで、偏向流を向き直させたり減速させたりして、スプラッシュ、攪拌、撹乱を低減する。セイラー（Saylor）の米国特許第５,３５８,５５１号の衝撃パッドは、パッド上面の周囲全体にエンドレス側壁をめぐらせて内部スペースを形成してある。そしてこのエンドレス側壁に設けたアンダーカットで流れを上向きおよび内向きに反転させる。

シュミット他（Schmidt et al）の米国再発行特許第３５,６８５号の衝撃パッドは、外部側壁に設けたアンダーカットで流れを進入流に向けて反転させる。上述のセイラーとは異なり、この側壁がエンドレスであるとは説明されておらず、上面の周囲全体を包囲していない。流れの主部はタンディッシュの底部に沿ってタンディッシュ開口部へ向かい、上向きに溶融金属表面へは向かわない。

ボターン他（Vo Thanh et al）の米国特許第４,７７６,５７０号のレードル流ブレーカーは天井と側壁を持つ密閉ボックスである。天井にある開口にレードルシュラウドの下端が嵌め込まれていて、進入流をボックス内に導く。側壁には単純な直孔が複数設けてあり、溶融金属を複数の低エネルギーの分流にしてボックスから流出させる。天井が無いと、溶融金属は直孔から流出させられる要因がなくなるので、レードル流ブレーカーの頂部から流出するようになる。このレードル流ブレーカーは、スラグの巻き込みを防止し介在物の分離を良くすると説明されている。衝撃パッドとは異なり、レードル流ブレーカーは天井を持つ密閉ボックスである。更に、レードル流ブレーカーはレードルシュラウドに固定して用いるので、レードルとタンディッシュの相対的な横移動を妨げる。鋳造作業にとってレードルシュラウドをタンディッシュに対して動かせることは非常に重要であり、ほとんど必須とも言える。本発明者の観点ではレードル流ブレーカーが有用とは思えない。

従来技術の衝撃パッドでは、タンディッシュ内の溶融金属流を十分に制御できない。平坦な衝撃パッドでは、過剰なスプラッシュが発生して表面の撹乱や溶融金属の酸化を招く。タンディッシュ壁近傍にある強い上昇流と、進入流の周囲にある下向きの引きずり作用とによってスラグの巻き込みが起きる。その結果、鋼の清浄度が落ち、一般的には鋼品質の低下に結びつく。形状を備えた衝撃パッドを用いると、流れは主として上向きに向き直されてタンディッシュの頂面へ向かう。流れを浴表面に向き直させると、浴表面で撹乱が発生し、スラグやガスによる溶融金属の汚染が発生する。エンドレス側壁を用いた従来のパッドは、タンディッシュ内に形成される流れ全体のパタンとしても、非金属介在物の浮上分離に最適とは言えないし、化学変化の進行中に複数の金属化学反応の混在を低減するのにも最適ともいえない。エンドレスではない側壁を用いた従来の衝撃パッドは、タンディッシュの底面付近で流れを外向きに向き直させる。このように向き直させると、表面の撹乱を低減するには好適であるが、非金属介在物の浮上分離に最適とは言えないし、複数の金属化学反応の混在を低減するのにも最適ともいえない。

従来の衝撃パッドは、側壁を用いたものも用いないものも、流れを分割配分して上向きかつ外向きに向き直させることはしておらず、それにより表面撹乱の低減と介在物分離の促進とを同時に達成するという作用も得られない。

発明の概要
本発明のタンディッシュ衝撃パッドは、基盤プレートの衝撃上面の周囲を取り囲む側壁に貫通路が形成してある。側壁はエンドレスであってよく、基盤プレートと組み合わさって露出上面を持つ内部空間を形成している。

本発明の衝撃パッドは、衝撃面に流入する溶融金属流を受け入れて偏向させる。本発明の衝撃パッドは、偏向された流れを貫通路を通して流す。エンドレスの側壁を用いた場合は、流れは露出上面と貫通路のみを通って内部空間から流出できる。

本発明の目的の１つは、進入流を衝撃上面に平行に偏向させる衝撃パッドを提供することである。更に、偏向された流れはこの衝撃パッドにより分割配分され、分離した複数の部分流となり、パッド側壁に開いている複数の貫通路を通って外向きに、また、パッド頂部から上向きに進行する。

本発明のもう１つの目的は、偏向した流れを分割配分して上向きの流れと外向きの流れとを作ることにより、溶融金属浴の表面撹乱を低減する衝撃パッドを提供することである。

本発明のもう１つの目的は、タンディッシュ内の溶融金属のプラグ流（plug flow)、特に衝撃パッドからタンディッシュ流出口へ向かう偏向流のプラグ流を促進する衝撃パッドを提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、流れを分割して上向きの流れと外向きの流れとを作ることにより、衝撃パッドに中心を外れて当る進入流による撹乱や非対称性によって流れが受ける影響を低減することである。

図１は、タンディッシュと従来の平板衝撃パッドとの組合せによる流れのパタンを示す断面図である。 図２は、タンディッシュと従来の平面側壁を備えた衝撃パッドとの組合せによる流れのパタンを示す断面図である。 図３は、タンディッシュと従来の内向きに湾曲した側壁を備えた衝撃パッドとの組合せによる流れのパタンを示す断面図である。 図４は、タンディッシュと従来の内向きに湾曲した側壁を部分的に備えた衝撃パッドとの組合せによる流れのパタンを示す断面図である。 図５ａは、本発明の衝撃パッドを示す斜視図である。 図５ｂは、本発明の衝撃パッドを示す、図５ａの線Ａ−Ａにおける断面斜視図である。 図５ｃは、本発明の衝撃パッドを別の角度から見た斜視図である。 図６は、本発明の衝撃パッドをタンディッシュ内に設置した場合の流れのパタンを示す斜視図である。 図７は、本発明の衝撃パッドによる流れのパタンを示す断面斜視図である。 図８は、本発明の衝撃パッドによるプラグ流を示す断面図である。 図９ａは、本発明の別の実施形態を示す斜視図である。 図９ｂは、図９ａの断面斜視図である。 図１０ａは、本発明の更に別の実施形態を示す斜視図である。 図１０ｂは、図１０ａの断面斜視図である。 図１１は、本発明のダム状構造を備えたもう１つ別の実施形態を示す斜視図である。 図１２ａは、図１１の横断面図である。 図１２ｂは、図１１の縦断面図である。

本発明の一実施形態による衝撃パッドは、複数の貫通路を備えた多孔側壁が基盤プレートを取り囲んでいる。この側壁は、偏向流を貫通路に導く構成を有することが望ましい。この構成は、間通路の上方および下方の偏向表面を含む。

本発明の別の実施形態においては、内部空間にダム状壁を設けて複数の分室に分割することにより、偏向流を減速させる。偏向流はダム状壁の上または横を迂回して多孔側壁へ向かい、貫通路または頂部縁を通って内部空間から流出する。
発明の詳細な説明
図１に、従来の平板衝撃パッド２をタンディッシュ１の中に配置した状態を断面図で示す。各矢印は、タンディッシュ１に流入する進入流３、タンディッシュ１から流出する進出流４、タンディッシュ容積５内に収容されている溶融金属の他の流れ成分を、それぞれ示している。タンディッシュ容積５内の全体の流れパタンは、スプラッシュや攪拌により多数の成分がある。パッド１の衝撃表面７は進入流３を外向きに偏向させて偏向流６にする。偏向流６の一部は反転して上向きかつ内向きになり進入流３に逆らう反転流８となる。偏向流６の別の一部は上昇流１１としてタンディッシュ１の壁９に沿って上昇し溶融金属の湯面１０へ向かう。この上昇流１１によって、湯面１０では表面撹乱が生じ、溶融金属とフラックスとの混合が起きる。進入流３によって周囲の溶融金属が下向きに引きずられ、下降流１２が生ずる。下降流１２によって、湯面１０のフラックスが溶融金属内に引き込まれる。表面流１３は湯面沿いに進行してタンディッシュ流出口１４へ向かい、一方、タンディッシュ底面１６の付近を流出口１４へ向かう短絡流１５は短い経路でタンディッシュ流出口１４に達する。短絡流１５が存在すると、溶融金属中の不純物の浮上分離が限定される。図１の平板衝撃パッド２では、短絡流１５、上昇流１１、下降流１２といった望ましくない流れパタンを防止できない。

図２に、エンドレス（全周連続）側壁１８を備えた従来の衝撃パッド１を配置したタンディッシュ１を示す。進入流３の主部は下向きに進行してパッド１の衝撃面７に達し、偏向流６となってパッド２から外向きに進行する。偏向流６の一部は反転流８となり、進入流３に逆らって上向きかつ内向きに進行する。偏向流６の別の一部は上昇流１１Ａとなり、上向きかつ外向きに進行してパッド２の内部空間から出て行く。偏向流６の更に別の一部は上昇流１１となり、ほぼ上向きに進行してパッド２の内部空間から出て行く。図１の場合と同様に、表面流１３は溶融金属の湯面１０の近くを湯面１０に沿って進行しタンディッシュ流出口１４に向かう。同様に、図３には従来の衝撃パッド２を示す。このパッドは、エンドレス（全周連続）側壁１８のアンダーカット面１９に沿って偏向流６が進行する。偏向流６は上向きそして内向きに方向転換するように図示してある。それ以外は図２と同様の流れパタンである。

図４には、もう１つの従来の衝撃パッド２を断面図で示す。上記各図と同様に、進入流３は下向きに進行して衝撃パッド２の衝撃面７に達し、偏向流６となって外向きに進行する。側壁１８に設けたアンダーカット面１９によって偏向流は進入流３に逆らう反転流８となる。この従来技術では、パッド２から出て行く反転流８は湯面１０に向かって上昇せずに、パッド２の開放端２０（側壁なし）から外向きに進行するとされている。短絡流１５は概ねタンディッシュ１の底面１６付近を進行して流出口１４から進出流４として出て行く。

これら従来技術の衝撃パッドでは、タンディッシュ内の溶融金属に望ましい流れを付与することができない。例えば、図２、図３にはエンドレス（全周連続）側壁１８が示されている。どちらのパッドでも、パッド内部から出て行く流れは概ね上向きに進行して浴の湯面に向かう。その結果、上昇流によってタンディッシュ内の溶融金属の湯面が撹乱される。湯面が撹乱されると、溶融金属とスラグや湯面上のガス雰囲気とが有害な相互作用を起こす。この問題は特に、進入流が衝撃面の中心に当らない場合に顕著になり、非対称で高速の上昇流が生ずる。図１および図４の従来技術では、汚染減少の可能性を低下させる短絡流が多くなって、タンディッシュから出て行く。

プラグ流は、混入と撹乱を低減ないし理想的には解消する流れのタイプである。プラグ流は物質を「プラグ（栓）」の状態で容器を出入させ、個々のプラグが容器内に滞在する時間はほぼ同等である。タンディッシュ内がプラグ流になると、レードルシュラウドからタンディッシュ流出口に至る流れが均一になる。プラグ流が形成されると、湯面での撹乱とそれによる溶融金属の汚染が低減する。プラグ流は更に短絡流の発生も防止し、浮上分離によって溶鋼から非金属汚染物質を除去する時間と可能性が増大する。更に、プラグ流によって、タンディッシュ内の既存溶融金属と進入溶融金属との混合を起こす渦巻きの発生が低減し、それにより化学的変化にとって望ましい条件になる。プラグ流により撹乱が低減し酸化とスラグ巻き込みも減少するので鋳造にとっても利点がある。従来技術の衝撃パッドではタンディッシュ内にプラグ流を生成できない。進入流がタンディッシュ内の既存材料と混ざり合うと、滞在時間の異なる複数の流れが発生し、滞在時間の短い短絡流と停滞領域とがタンディッシュ内に形成される。これは望ましくない流れパタンであり、溶融金属からの非金属種の分離効率に悪影響を及ぼす。

図５ａ、５ｂ、５ｃに、本発明の衝撃パッドを示す。図５ａはパッドの斜視図、図５ｂは図５ａの線Ａ−Ａでの切断図、図５ｃは切断したパッドを低い視点から見た図である。
図示したパッド２の基盤プレート２１は上面７が衝撃面である。衝撃面７は少なくとも一部が側壁１８で囲まれている。側壁１８は内面２２があり、全体として衝撃面７の周縁に位置している。側壁１８には複数の貫通路２３が開いている。内面２２には貫通路２３を取り囲んでアーチ天井付き段差付き構造２４がある。アーチ天井付き段差付き構造２４にはアーチ天井を形成している第１境界面２５がある。アーチ天井２６は側壁の内部または表面に形成されていて、ロフト状（複数階）の屋根と壁を持つ。貫通路は、段差２７を貫通路内に形成する少なくとも１つの面を持つ第３の表面を備えていてもよい。

本発明の１つの実施形態においては、全体として８角形のパッドであって、エンドレス（全周連続）の側壁が８つの区分面（ファセット）から成り、個々の区分面にそれぞれアーチ天井付き段差付き貫通路があり、合計８つの貫通路を備えている。貫通路を形成する各面は内面２２に対して概ね垂直である。アーチ天井２５は衝撃面７から上方へ延在しており、アーチ天井高さ２８およびアーチ天井幅２９を持つ。アーチ天井付き貫通路は段差高さ３０を持つ。本実施形態においては、各貫通路２３はアーチ天井高さ２８が等しく、アーチ天井幅２９が等しく、段差高さ３０が等しいが、別の実施形態においては貫通路の諸寸法が異なっていても良い。

図６、図７に、本発明の衝撃パッド２を備えたタンディッシュ１内における流れの挙動を示す。図６にはパッド周囲の流れ挙動を示す。タンディッシュ１への進入流によって発生した下降流３がパッド２の衝撃面に当る。パッド側壁の貫通路を上記形態としたことにより、流れが概略上向きの流れ１１と概略外向きの流れ３１に分割される。外向きの流れ３１は分離した複数の分流として配分されて各貫通路から外向きに進行する。図７はタンディッシュ１全体における流れを示しており、溶融金属がタンディッシュ流出口１４へ移動している。溶融金属が流出口１４へ進行する際にプラグ流が直ちに形成される。図８に示すように、衝撃パッド２によってタンディッシュ１内でプラグ流３２の形成が促進されるのは、衝撃パッド２が流れを上向きの流れ１１と外向きの流れ３１とに分割することで流れが拡散され、この拡散した流れが溶融金属の流出口１４への進行に伴って容易にプラグ流となるからである。流れを上向きと外向きとに分割することで、浴面の撹乱も低減する。それは、流れが主として上向きとはならずに、上向きと外向きの両方に配分され、しかも分割された複数の別々の分流として貫通路から外向きに進行するからである。

本発明の側壁は、必ずしもエンドレス（全周連続）である必要はないが、貫通路は必ず備えている。側壁に設ける貫通路の寸法、個数、位置は種々に変更可能であり、パッド全体の形状も種々に変更可能である。衝撃パッドの内部形状に応じて、貫通路にアーチ天井を付けても付けなくてもよい。図９および図１０に、側壁１８の貫通路２３がアーチ天井付き構造３３を備えている衝撃パッド２の第２、第３の実施形態を示す。

別の実施形態においては、図１１および図１２に示すように、衝撃パッド２は、基盤プレート２１と、少なくとも１つの貫通路２３を持つ側壁１８を少なくとも１つと、ダム状の内部壁３４を少なくとも１つを備えている。個々の鋳造条件に応じて側壁はエンドレス（全周連続）であってもよいしエンドレスでなくてもよい。貫通路２３はアーチ天井付き構造であってよいが、平坦な側壁を貫通する単純な孔であってもよい。内部壁３４は衝撃パッド２の内部空間を複数の分室に区切る。個々の分室３５ａ、３５ｂは頂部開口を持ち、出て行く流れを配送するモジュールとして機能する。頂部開口を持つ中央分室３５ａの主たる機能は、衝撃受容分室としてレードルシュラウド流からの下降流の持つエネルギーを捕獲することである。複数の流出分室３５ｂの主たる機能は、配送モジュールとして流れを安定に均等配分してプラグ流を形成することである。

衝撃パッド２は、進入流を進出流から分離し、両者の相互作用や混合を低減しなくてはならない。進入流と進出流とを分離することにより、中央分室で衝撃流のエネルギーを吸収し、流出分室３５ｂを進行する流れを促進することができる。流れを分離することは、衝撃パッド２内にプラグ流の形成にも寄与する。

ダム状内壁は進入流の運動エネルギーを消耗させ、流出分室への流れを穏やかにする。
ダム状内壁の高さ、形状、位置は個々の鋳造条件に応じて調整すればよい。特に、種々のタンディッシュ形態に応じてプラグ流を形成できるように各分室へ流れを配分するように内壁を調整することが重要である。内壁の高さは適宜設定して良く、側壁と同じ高さにすることが多い。個々の内壁の高さが異なっていても良いし、基盤プレートまで延在していても、いなくても良い。図１２ａおよび図１２ｂに示すダム状内壁３４は脚部３６が基盤プレート２１まで延在している。内壁３４、脚部３６、基盤プレート２１によって孔３７が形成されている。孔３７を通して分室３５ａ、３５ｂ間を、特に中央分室３５ａと各流出分室３５ｂとの間を液体が流通できる。孔の有無にかかわらず、内壁３４の頂面３９に凹部３８を設けて分室間を液体が流通できるようにしてもよい。重要なのは、どのような形態の内壁であれ流出分室への流れを制御して進出流が貫通路２３と頂部開口を通って出て行くようにすることである。これにより、衝撃パッドとタンディッシュ流出口との間にプラグ流が形成される。

本発明の衝撃パッドは、進入するレードル流を側壁の貫通路と頂部開口とを通して進行させる。衝撃パッドは、下降流の持つ高エネルギーを捕獲し貫通路に伝える。これらの作用は、貫通路を取り巻くアーチ天井付き段差付き構造によって、あるいは、衝撃パッドを複数の分室に分割するダム状内壁によって更に促進される。進出流は衝撃パッドを出て、タンディッシュ高さ方向に均一なスピード分布でタンディッシュ流出口へ向かう。本発明の衝撃パッドは、進入流を分離するので、衝撃流が衝撃パッドの中心に当らないときの撹乱や非対称性の影響を流れが受け難くなる。

本発明の衝撃パッドは、単一ストランド方式、２ストランド方式、多数ストランド方式等の非対称の場合も含めて、種々のタンディッシュ形態に対応することができる。側壁の貫通路や流出分室は、液流に必要な条件に合わせた個々の形態に適合させることができる。例えば、タンディッシュの端部付近に衝撃パッドを配置する際に側壁を取り去っても良い。

特定の実施形態に関して本発明を説明したが、他の形態も可能であることは当業者が十分に認識できる。本発明はここに記載した特定の形態に限定されない。

Claims (6)

1. 連続鋳造に用いるタンディッシュ衝撃パッドであって、
   ａ）基盤プレート（２１）が、溶融金属の進入流を受け入れて偏向させる衝撃面（７）を備えかつ周縁を持ち、
   ｂ）側壁（１８）が、上記周縁の少なくとも一部に沿って上記基盤プレートから上に向かって延在しかつ上記衝撃面に面した内面（２２）を持ち、かつ、
   上記側壁は、上記内面にあるアーチ天井付き段差付き構造（２４）に取り囲まれた複数の貫通路（２３）を備え、かつ、上記偏向された進入流の少なくとも一部を該貫通路を通して流出させる、連続鋳造用タンディッシュ衝撃パッド。
2. 上記側壁が上記基盤プレートの周縁全周を取り囲むことにより、頂部開口を持つ内部空間を形成していることを特徴とする請求項１記載のタンディッシュ衝撃パッド。
3. 上記側壁が複数の区分面（４０）を持ち、個々の区分面に少なくとも１つの貫通路を備えていることを特徴とする請求項２記載のタンディッシュ衝撃パッド。
4. 上記区分面が８つあることを特徴とする請求項３記載のタンディッシュ衝撃パッド。
5. 上記アーチ天井付き段差付き構造（２４）が、上記貫通路を跨ぐアーチ部を成す第１境界面（２５）と、上記貫通路の下方の段差（２７）を形成する第２境界面とを備えていることを特徴とする請求項１記載のタンディッシュ衝撃パッド。
6. 連続鋳造に用いるタンディッシュ衝撃パッドであって、
   ａ）基盤プレート（２１）が、溶融金属の進入流を受け入れて偏向させる衝撃面（７）を備えかつ周縁を持ち、
   ｂ）側壁（１８）が、上記周縁の少なくとも一部に沿って上記基盤プレートから上に向かって延在しかつ上記衝撃面に面した内面（２２）を持ち、かつ、
   上記側壁は、複数の貫通路（２３）を備え、かつ、上記偏向された進入流の少なくとも一部を該貫通路を通して流出させ、
   上記側壁が上記基盤プレートの周縁全周を取り囲むことにより、頂部開口を持つ内部空間を形成しており、
   上記基盤プレートから少なくとも１つのダム状内壁（３４）が上へ延在して上記内部空間を複数の分室（３５ａ、３５ｂ）に分割しており、
   受け入れ分室が進入流を受け入れ、これと連通する少なくとも１つの流出分室が、頂部開口と、少なくとも１つの貫通路とを備えており、
   上記ダム状内壁（３４）が少なくとも１つの脚部（３６）上で上記基盤プレートから上へ延在し、該脚部と、該内壁と、該基盤プレートとによって形成された孔（３７）が上記分室間の液体の流通を可能としており、
   上記ダム状内壁（３４）が、頂面（３９）と、該頂面上に設けられ上記分室間の液体の流通を可能にする凹部（３８）とを備えていることを特徴とする連続鋳造用タンディッシュ衝撃パッド。

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