JP4874431B2 - 連続鋳造用浸漬ノズル - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼の連続鋳造において溶鋼を鋳型に注入するための浸漬ノズルに関する。
本願は、２００９年３月２５日に、日本に出願された特願２００９−０７４６８７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

鋳型内においては、浸漬ノズルの左右対となる吐出口からの溶鋼の吐出流は、鋳型の短辺側内壁に衝突し、鋳型内壁に沿って上昇する上向き流と鋳型内壁に沿って下降する下向き流に分流する。

その際、特に吐出流速が早い場合などにおいて、吐出口の上部と下部で不均一な流速分布が発生することがある。これにより、上向き流及び下向き流において左右の流量バランスが乱れたり局部的に強い吐出流が生じたりして流れが大きく変動する場合がある。そのような変動は、凝固殻の生成不良や、気泡及び介在物が起因する欠陥発生の要因となる。

そのような問題を解決するために、鋳型内の溶鋼の流れを緩慢にし、かつ均一な流れを形成することによって、気泡や介在物による欠陥を防止した連続鋳造が可能になると考えられている。この考えに沿って、上下方向２段に溶鋼の吐出口を設けた４孔式の浸漬ノズル（４孔ノズル）が、例えば下記の特許文献によって提案されている。

特許文献１には、４孔ノズルの上下に設けられた各吐出口（上孔、下孔）を横長の開口形状を有するものとし、かつ上孔・下孔間の開口距離ｌが、モールド長さＬ、４孔ノズルにおけるスループットｙ４、モールド上端からメニスカスに至るまでの距離Ｚとして、ｌ＜Ｌ−Ｚ−６４ｙ４−３７０になるようにすることが記載されている。この場合、スループットを高めてもモールドパウダーを巻き込むことなく品質の高い鋳片を得ることができると記載されている。

特許文献２には、４孔ノズルの内部流路の断面積を吐出部において小さくするとともに、下孔の内寸法（断面積）を上孔の内寸法（断面積）よりも小さくして、鋳型内で極端な上向きの吐出流の発生を抑制することが提案されている。これにより、湯面の変動を回避してパウダーの巻き込みなどの欠陥の発生を防止する。

特許文献１に記載の技術は、２孔ノズルで問題となる、吐出孔上部の負圧を解消することを目的とするものである。ところが、特許文献１におけるように上孔と下孔が同一形状という条件では、下孔側の偏流が大きくなるという問題がある。
また、特許文献２に記載の技術は、内部流路に段部を形成した特別な形状のノズルに関するものである。この技術では、段部による断面積変化に伴い、内部の流動が不安定となり、上孔、下孔からの流動変動が大きくなる場合があるという問題がある。

さらに、これらの従来技術においては、特に、吐出口から出た直後の溶鋼流速に着目しており、鋳型の短辺側内壁近傍での溶鋼流速については十分な検討がなされていない。
例えば、上部の凝固殻の薄い位置への溶鋼衝突流速が早い場合には、衝突流の作用により凝固部が再溶解し、操業が不安定になる。これとともに、下向き流の流速が早い場合にも、気泡や介在物が下向き流を介して鋳片の深部に侵入して品質欠陥の要因となる。

このように、吐出口を４孔化することで噴流幅を小さくするだけでは十分でない場合がある。このため、上下の吐出口での噴流の制御について、鋳型の短辺側内壁近傍での溶鋼流速の点からのさらなる検討が必要である。

特開平２−１８７２４０号公報 特開２００６−１９８６５５号公報

そこで、本発明は、連続鋳造において、従来の２孔ノズルの吐出孔を２つに分割した形状の４孔ノズルでは十分な減速効果が得られず、気泡や介在物が鋳片内部に侵入することを十分に抑制することができないという問題を解決して、内部欠陥の発生を少なくできる４孔ノズルを提供する。

本発明者らは、従来の２孔ノズルの吐出孔を単に２つに分割した形状の４孔ノズルが、気泡や介在物が鋳片内部に侵入することを十分に抑制することができない原因は、溶鋼流速の十分な減速効果が得られないためと考えた。本発明者らが更にその原因を調査した。この結果、本発明者らは、４孔ノズルの場合でも、上孔と下孔との吐出流の流量バランスを一定範囲内に定めることが重要であることを知見した。また、本発明者らは、上孔と下孔よりそれぞれ吐出した噴流が負圧により途中で合流して１つの噴流となり、その結果噴流幅が広くなり、流速減衰効果が小さくなる場合があることを知見した。

そして、上孔と下孔を通過する溶鋼の流量分布を均一化し、上下の噴流が合流しない条件を検討した結果、次のような本発明に到達した。

（１） 本発明の一態様にかかるノズルは、鉄鋼の連続鋳造用の鋳型内に溶鋼を吐出する連続鋳造用浸漬ノズルであって、筒状のノズル本体を備え、前記ノズル本体の下端側の前記鋳型内の溶鋼に浸漬される部位に、左列上段、左列下段、右列上段、および右列下段の４つの溶鋼吐出口が開口され；前記左列の２つの吐出口と、前記右列の２つの吐出口とは、前記ノズルの軸心に対して対称な形状を有し；前記左列の吐出口は、前記鋳型の左の短辺側内壁に対向し；前記右列の吐出口は、前記鋳型の右の短辺側内壁に対向し；前記下段の吐出口の開口部面積は、前記上段の吐出口の開口部面積より小さく；前記上段及び下段の吐出口の開口部面積の合計に対する前記下段の吐出口の開口部面積の比は、０．２以上０．４以下である。
（２） 上記（１）のノズルにおいて、前記上段の吐出口の下端と前記下段の吐出口の上端との距離が１５ｍｍから１５０ｍｍの範囲であってもよい。
（３） 上記（１）または（２）のノズルにおいて、前記上段の吐出口と前記下段の吐出口との吐出角度が、いずれも水平に対して上向き５°から下向き４５°の範囲であって、前記下段の吐出口の吐出角度が前記上段の吐出口の吐出角度を基準として１０°以上下向きになるように、下孔と上孔が形成されていてもよい。
（４） 上記（１）または（２）のノズルにおいて、前記上段の吐出口および前記下段の吐出口がいずれも矩形であってもよい。

本発明の４孔ノズルを使用して連続鋳造することにより、鋳型の短辺側内壁近傍での溶鋼流速を十分に制御でき、下向き流を介して気泡や介在物が鋳片の深部に侵入するのを抑制して、内部欠陥の発生が少ない鋳片を得ることができる。

本発明の実施形態に係る４孔ノズルの断面形状を示す図である。 本発明の実施形態に係る４孔ノズルの、鋳型内における配置を示す概略断面図である。図２Ａは、鋳型の長辺側側面と垂直な視線から見た図である。 本発明の実施形態に係る４孔ノズルの、鋳型内における配置を示す概略断面図である。図２Ｂは、ノズルの軸方向に沿った視線から見た図である。 数値流体解析の結果得られた、２孔及び４孔ノズルにおける吐出流速分布を示す図である。 数値流体解析の結果得られた、２孔及び４孔ノズルにおける吐出流速の減衰効果を示す図である。 水モデル試験に用いた４孔ノズルの吐出口の構成を説明する図である。 水モデル試験の結果得られたノズルごとの下降流速を示す図である。 数値流体解析と水モデル試験の結果得られた、上孔と下孔の吐出流の角度差と気泡量の関係を示す図である。

図１に、本発明の実施形態に係る４孔ノズルの形状を示す。
鉄鋼の連続鋳造に用いられる鋳型５には、平面視矩形のものが一般に用いられる。溶鋼は浸漬ノズルを介してこの鋳型５内に吐出される。浸漬ノズル本体１は、左右対となる吐出口２，３を備える。片側の吐出口は上孔２および下孔３を含む。これらの吐出口を通じ、鋳型５内に溶鋼が、左上、左下、右上、および右下の４方向に分かれて吐出される。左右の吐出口からの溶鋼の吐出流は、鋳型５の短辺側内壁５ａに衝突し、鋳型５内壁に沿って上昇する上向き流と鋳型５内壁に沿って下降する下向き流とに更に分流する。
浸漬ノズル本体１は、溶鋼が上から下に通過できるように筒状に形成され、その下端部の鋳型５内に浸漬される位置には溶鋼の吐出口が設けられている。この吐出口は、上孔２と下孔３に分けて上下２段に形成されている。鉄鋼の鋳型５の２つの短辺側内壁５ａに対向する位置に、ノズル軸心を挟んで左右にそれぞれ２個、合計４個の吐出口が設けられている。
左列の２つの吐出口と、右列の２つの吐出口とは、前記ノズルの軸心に対して略対称な形状を有する。左右の吐出口がノズル軸心を含む平面に対して鏡面対称であってもよいし、左右の吐出口がノズル軸心に対して回転対称であってもよい。左列の吐出口は、前記鋳型の左の短辺側内壁に対向する。一方、右列の吐出口は、前記鋳型の右の短辺側内壁に対向する。下段の吐出口の開口部面積は、上段の吐出口の開口部面積より小さい。左右夫々の列において、上段及び下段の吐出口の開口部面積の合計に対する下段の吐出口の開口部面積の比は、０．２以上０．４以下である。

図２Ａおよび図２Ｂに、鋳型５内の浸漬ノズル本体１の配置を示す。鋳型５を構成する垂直の壁面は、平面視した場合略矩形であり、一組の短辺と一組の長辺を有する。浸漬ノズル本体１の左右一対の吐出口２，３は、それぞれが鋳型５の短辺側内壁５ａに対向して開口する。

一般に、ノズルから吐出される溶鋼の流速は、噴流幅の減少に伴い減衰量が大きくなることが知られており、４孔ノズルとすることにより、個々の吐出孔の噴流幅を小さくできる。その結果、流速の減衰効果により、噴流内の最大流速の値が小さくなり、気泡や介在物が鋳片内部に侵入することを抑制する効果が期待される。

しかし、本発明者らが、４孔ノズルを用いて連続鋳造を実施した結果、従来の２孔ノズルの吐出孔を単に２つに分割した形状にしただけでは、十分な減速効果が得られず、気泡や介在物が鋳片内部に侵入することを十分に抑制することができない場合があることを知見した。

本発明者らは、十分な減速効果が得られない原因を次のように分析した。すなわち、上孔と下孔の形状が同じ場合には、溶鋼の高さ方向の圧力差によって上孔と下孔を通過する流量バランスが崩れた状態にある。さらには、上孔と下孔よりそれぞれ吐出した噴流が、それらの噴流の間に発生する負圧により途中で合流して１つの噴流となる。この結果、噴流幅が広くなり、流速の減衰効果が小さくなる場合がある。本発明者らは、これらが不十分な減速の原因の一部であると考えた。

そこで、上孔と下孔を通過する溶鋼の流量分布を均一化し、上下の噴流が合流しない条件を求めるため、上孔と下孔のそれぞれの大きさ及び上孔と下孔のそれぞれの溶鋼噴流の吐出角度について検討した。

まず、上孔と下孔の大きさの最適値について、溶鋼の挙動を数値流体解析することよって検討した。
溶鋼の高さ方向の圧力差があるため、同じノズル形状でも上孔と下孔を通過する溶鋼の流量が相違する。そこで上孔と下孔を通過する溶鋼の流量分配を適正化して、鋳型の短辺側内壁近傍での溶鋼の下降流の流速を低減することをこの解析の目標とした。このために、上孔と下孔の吐出部の面積比を変化させた複数の形状のノズルについて数値流体解析を行い、面積比の変化の影響を検討した。

本解析において、ノズル径は１６０ｍｍとした。吐出口としては、表１に示す開口面積を有する矩形の上孔と下孔を形成した４孔ノズル１〜５と、従来の２孔ノズルとを想定してそれぞれの評価を行った。これらの評価において、ノズルから吐き出し直後の溶鋼最大流速を３．４ｍ／ｓｅｃとする条件で流速分布を求め、ノズル軸心から８００ｍｍ離れた位置での流速を評価した。

図３に、各ノズルから吐出する噴流の流量分布を図示し、図４に各ノズルにおける最大流速を示す。図３はノズル軸心に沿った各ノズルの断面図であり、一定量以上の噴流の存在する点にドットがプロットされている。
図３に示されるように、４孔ノズルにおいて、上孔対下孔の開口面積比を変化させることにより、流量分布が変化する。
次に、表１に代表される複数の構成のノズルについて、それぞれノズル軸心から８００ｍｍ離れた位置での最大下降流速（ｍ／ｓｅｃ）を求めた。図４は、この結果を解析したものであり、上孔と下孔の開口部の面積比（以下、開口面積比とする）に対して、最大下降流速をプロットしたグラフである。
図４に示されるように、開口面積比が０．２以上０．４以下の範囲において、最大下降流速が低いという結果が得られた。特に、開口面積比が０．２５以上０．３７５以下の範囲において最大下降流速がより低くなる。

つぎに、上孔と下孔のそれぞれの溶鋼噴流の吐出角度について、水モデル試験を行って検討した。
２４０×１３００×１３９０ｍｍ（厚さ、幅、深さ）の鋳型を用い、上孔と下孔の吐出角度が異なる４孔ノズルを製作した。これらのノズルに水を流通させる水モデル試験を実施し、吐出流の流速、湯面変動及び気泡巻き込み量を測定した。
図５に、水モデル試験に用いた４孔ノズルの吐出口の構成をまとめて示す。図に示すように、上孔の吐出角度は、下向き角度＝１５°、水平、上向き角度＝７°の３種類とし、下孔の吐出角度は、すべて下向き角度＝１５°とした。また、比較のために２孔ノズルも作成し、これについても試験を行った。

水モデル試験での湯面変動の測定は、メニスカス部（水面部）を高速ビデオカメラにて撮影し、60秒間の平均湯面変動の振幅を測定することにより行った。また、巻き込み気泡量の測定は、ノズルの中間部位から空気を吹き込み、鋳型内の下降流発生位置を中心に高速ビデオカメラにて撮影し、画面内の気泡数を測定することにより行った。

図６に、ノズルから吐出後、メニスカスから１０００ｍｍ位置での下降流速（最大値）を示す。上孔の吐出角度を変化させることにより下降流速が変化することが示されており、吐出角度が０°（水平）のノズルが最小値を示す結果が得られた。なお、吐出角度についてマイナスの数値は水平方向を基準として上向き、プラスの数値は水平方向を基準として下向きを示す。

各ノズルを用いた水モデル試験の結果を表２に示す。なお、測定値は、２孔ノズルの測定結果を１００とし、他のノズルの測定結果を標準化して示した。
下降流による巻き込み気泡量について、４孔ノズルはいずれも中程度以下であった。しかし、上孔を上向き７°の吐出角度で形成したノズルの場合は、湯面変動が大きかった。また、上孔と下孔の吐出角度が同一の場合よりも、１５°の差を設けたノズルの方が巻き込み気泡量が少ない結果が得られた。この結果より、上孔と下孔からの溶鋼噴流に吐出角度差を設けることにより、上孔吐出流と下孔吐出流の合流効果を低減できることがわかった。

以上のような、数値流体解析による検討及び水モデルを用いた実験を基に、さらに検討した結果、前記の本発明に到達した。
以下、本発明を構成する個々の事項についてさらに説明する。

本発明では、ノズルの両側に上下２段の吐出口を設けた４孔ノズルとする。４孔ノズルを用いることにより、２孔ノズルを用いた場合と比べて溶鋼の流れを緩慢にし、均一な流れを形成しやすくなる。

ノズル下部の溶鋼中に浸漬される部分であって、鋳型の２つの短辺側内壁に対向する位置に、それぞれ上孔と下孔よりなる上下２段の吐出口が設けられている。

吐出口の形状は特に限定はされないが、上孔、下孔とも矩形がより好ましい。そのようにした場合には、各吐出口からの吐出量のバラツキをより小さくすることができ、均一な流れを形成することに役立つ。

下孔の開口部の面積は上孔の開口部の面積よりも小さいことが望ましい。下孔の開口面積を上孔と下孔の合計開口面積の０．２〜０．４倍とすることが望ましい。
このように下孔の開口部面積を上孔と下孔の合計開口面積の０．２〜０．４倍とすることにより、溶鋼の高さ方向の圧力差があっても上孔と下孔を通過する溶鋼の流量分布を均一にすることができる。この結果、上孔と下孔から吐出する吐出流の緩慢化及び均一化を図って溶鋼を鋳型内に吐出でき、鋳型の短辺側内壁近傍での溶鋼の下降流の流速を低減できる。

下孔と上孔からの溶鋼噴流の吐出角度（吐出口軸心の傾斜角度）は、それぞれ水平に対して上向き５°から下向き４５°の範囲とするのが好ましい。
上孔、下孔とも、上向き角度が５°を超えると湯面変動によりパウダーの巻き込みが問題になる。また、下向き角度が４５°を超えると気泡や介在物が鋳片の内部に侵入しやすくなる。上孔の吐出角度は、気泡や介在物の進入をより効果的に防止するために、上向き５°から下向き１５°の範囲が好ましい。

なお、図１では、上孔２の軸心は水平（傾斜角度：α＝０°）、下孔３の軸心は水平に対して下向き（傾斜角度：β）に形成されている場合を示している。

また、上孔と下孔の吐出角度差によって上孔からの吐出流と下孔からの吐出流の合流位置が変化する。このため、下孔での吐出角度が上孔での吐出角度よりも１０°以上下向きになるように、下孔と上孔の軸心の角度を形成するのが好ましい。

図７に、数値流体解析と水モデル試験の結果得られた、上孔と下孔の吐出流の角度差と気泡量の関係を示す。図７において、（ａ）部は、上孔と下孔の角度差と上孔と下孔の吐出流の合流位置（ノズル中心からの距離）の関係を示すグラフ、（ｂ）部は、合流位置での噴流速度の関係を示すグラフ、（ｃ）部は、噴流速度と巻き込み気泡量の関係を示すグラフである。

（ａ）部に示されるように、吐出流の角度差を０〜２２°まで変化させると、角度差の増加に伴い、合流位置は吐出口から離れた位置に移動する。合流位置が吐出孔から離れるに伴い、（ｂ）部に示されるように噴流速度は減少し、その減少に伴い、（ｃ）部に示されるように気泡巻き込み量は減少する。
図７の（ｃ）部から（ａ）部に向かう矢印に示されるように、下孔での吐出角度が、上孔での吐出角度に対して下向き方向に１０°以上の角度差を持つよう設定された場合、巻き込み気泡量が安定的に減少する。角度差が１０°以上２２°以下の範囲内である場合、更に好ましく気泡量が減少する。更に好ましくは、角度差が１５°以上２０°以下の範囲内である。このような構成では、上孔と下孔からの溶鋼の吐出噴流の合流をより効果的に防ぐことができる。

上孔（上段の吐出口）の下端と下孔（下段の吐出口）の上端との距離Ｄは、１５ｍｍから１５０ｍｍの範囲とすると、更に好ましい。この間隔を１５ｍｍ以上とすると、吐出口から出た上下の溶鋼流の合流が、より効果的に防止され、溶鋼を２孔から分散させて吐出させた効果が更に増強される。また、上下の吐出口の間隔を１５０ｍｍ以下とすれば、溶鋼の高さ方向の圧力差が存在する場合においても、上下の吐出口を通過する流量バランスを、更に好適に維持できる。

本発明は、以上のように構成されるものであり、以下、実施例により、本発明の実施可能性及び効果についてさらに説明する。

垂直曲げ連続鋳造機によりＣ量：０．０８質量％のＡｌ−Ｓｉキルド鋼を鋳造した。
鋳造にあたって、実施例として、以下の構成のノズルを用いた。
（１）下孔の開口部面積が上孔と下孔の合計面積の３７．５％で、上孔と下孔の吐出角度がいずれも下向き１５°の４孔ノズル（実施例１）。
（２）上孔の吐出角度が０°、下孔の吐出角度が下向き１５°の４孔ノズル（実施例２）。
また、比較例として、以下の構成のノズルを用いた。
（３）２孔ノズル（比較例１）。
（４）下孔と上孔の開口部面積が等しく、吐出角度はいずれも下向き１５°の４孔ノズル（比較例２）。

得られた鋳片の、中心部の気泡、介在物は光学顕微鏡で観察・測定し、比較例１の２孔ノズルを使用して得た鋳片の測定結果を１００として、他のノズルを使用して得た鋳片の測定結果を指数化（正規化）した。

表３に、それぞれのノズルを用いて鋳造された鋳片の気泡・介在物指数を示す。本発明の実施例では、比較例２の従来の４孔ノズルに比べて鋳片への気泡・介在物の進入を抑制できた。また、上孔と下孔の吐出角度に１０°以上の差を設けた実施例２の場合には、さらに良好な結果が得られた。

本発明の４孔ノズルを使用して連続鋳造することにより、内部欠陥の発生が少ない鋳片を得ることができるので、本発明は、連続鋳造分野において、大きな産業上の利用可能性を有する。

１ 浸漬ノズル本体
２ 上孔
３ 下孔
Ｄ 上孔の下端と下孔の上端との距離
５ 鋳型
５ａ 短辺側内壁
５ｂ 長辺側内壁

Claims (4)

1. 鉄鋼の連続鋳造用の鋳型内に溶鋼を吐出する連続鋳造用浸漬ノズルであって、筒状のノズル本体を備え、
   前記ノズル本体の下端側の前記鋳型内の溶鋼に浸漬される部位に、左列上段、左列下段、右列上段、および右列下段の４つの溶鋼吐出口が開口され；
   前記左列の２つの吐出口と、前記右列の２つの吐出口とは、前記ノズルの軸心に対して対称な形状を有し；
   前記左列の吐出口は、前記鋳型の左の短辺側内壁に対向し；
   前記右列の吐出口は、前記鋳型の右の短辺側内壁に対向し；
   前記下段の吐出口の開口部面積は、前記上段の吐出口の開口部面積より小さく；
   前記上段及び下段の吐出口の開口部面積の合計に対する前記下段の吐出口の開口部面積の比は、０．２以上０．４以下であることを特徴とする浸漬ノズル。
2. 前記上段の吐出口の下端と前記下段の吐出口の上端との距離が１５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の浸漬ノズル。
3. 前記上段の吐出口と前記下段の吐出口との吐出角度が、いずれも水平に対して上向き５°から下向き４５°の範囲であって、前記下段の吐出口の吐出角度が前記上段の吐出口の吐出角度を基準として１０°以上下向きになるように、下孔と上孔が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の浸漬ノズル。
4. 前記上段の吐出口および前記下段の吐出口がいずれも矩形であることを特徴とする請求項１または２に記載の浸漬ノズル。