JP5057933B2

JP5057933B2 - 連続鋳造用ノズルの外装ヒーター

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Publication number: JP5057933B2
Application number: JP2007284884A
Authority: JP
Inventors: 吉成加藤; 純菊池; 一広山口; 新一福永; 泰次郎松井
Original assignee: Akechi Ceramics Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Akechi Ceramics Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2027-11-01
Also published as: JP2009107012A

Description

本発明は、連続鋳造用ノズルの外装ヒーターに関するものである。この外装ヒーターは特に、アルミニウムを含有する鋼等の連続鋳造において、溶鋼をタンディッシュから鋳型へ供給する連続鋳造用ノズルの内孔の狭さく、更には閉塞の効果的な抑制、サーマルショックによるノズル本体の割れ防止を目的とするものである。

タンディッシュからモールドへ溶鋼を注入する連続鋳造用ノズル（以下、単にノズルという。）は、注入の際に空気との接触による溶鋼の酸化を防ぐともに、溶鋼の飛散防止を図るために用いられる。さらに、ノズルは、注湯を整流化することにより、非金属介在物及びモールドの浮遊物等の鋳片内への巻き込みを防止している。

そして、ノズルは、主として黒鉛（約３０質量％）、酸化アルミニウム（60〜70質量％）からなり、少量の酸化ケイ素、炭化ケイ素等を含む材質から構成されている。

しかしながら、アルミキルド鋼等を鋳造する場合は、鋼中のアルミニウムが酸化し、これにより生成したアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）がノズル内壁に付着し、ノズル閉塞が生じ易い。生産性向上の点から鋳造の多連鋳化が進められているが、アルミナ付着によるノズル閉塞が生じると、溶鋼の流量制御が不可能となり、鋳造の継続が困難となる。また、鋳造途中に閉塞物が溶鋼の流れによって剥離する場合がある。剥離した閉塞物がモールド内の溶鋼中に混入して、鋳片中に取り込まれることが、鋳片の欠陥を生成する要因の1つとなっている。

上記したノズル閉塞を防止する方法の1つに、特開平８−１６８８５７号公報に開示されたガスブロー方式がある。この方式は、浸漬ノズル等の内孔部を多孔質化したり、ガスの通気可能な小径の流路を設置したりして、ノズル内壁側にＡｒガス等の不活性ガスを流し、該ガスの流れによりアルミナ付着を防止する方法である。また他の方式として、特開７−４００１５号公報や特開２００２−１４３９９３号公報に開示された難アルミナ付着性ノズルのように、ノズル等の内壁面側にＣａＯを含有した材料を配置し、溶鋼中に析出したアルミナとＣａＯとの反応によりＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の低融点物質を生成させ、溶鋼の流れによりその低融点化合物を取り除いて、アルミナ付着を防止する方法も使用されている。

また、ノズルに使用される材質は、例えば一般的に用いられるアルミナ−グラファイト質ノズルでは、炭素含有量として約30〜40質量％、酸化アルミニウム60〜70質量％であるため、熱伝導率は２〜１０Ｗ／ｍＫ以下である。鋳造開始と同時に1600℃に近い温度の溶鋼がノズル内孔を通過するため、ノズル内孔側と外周側に大きな温度差が生じ熱応力によるノズル割れが発生する。この対策として、使用前にガスバーナー等によって1000℃程度までノズルの予熱を行うことにより、鋳造初期に発生する熱応力を緩和させている。また予熱温度の低下を抑制するためにノズル外周部にセラミックスシートなどの断熱材を巻く等の方法が取られている。

しかしながら、上記ガスブロー方式では、ノズル閉塞が防止できる程度にガスを流すと、ガスの微細な気泡がモールド内に混入し、鋳片に取り込まれ欠陥を生成するという問題点がある。また湯面変動が大きくなり、介在物を溶鋼中に巻き込み易くなるため、同様に鋳片中に欠陥が生成し易くなる。また、上記ノズル内壁側にＣａＯ含有材料を配置する方法では、アルミナ付着防止効果は高いが、材料特性上耐スポーリング性に劣るという欠点がある。さらに、鋳造初期のノズルに対するサーマルショックを抑制する方法として、ノズル外表面全体にセラミックス製のシートやフェルト（熱伝導率０．０５Ｗ／ｍＫ程度）を巻いて予熱温度の低下防止をしているが、予熱終了から鋳造までの待機時間が常に一定でないことと、その間はノズルの予熱が中断されるため、ノズルの温度が大幅に低下してしまい、鋳造初期のサーマルショックによる割れが発生する問題がある。また、セラミックス製のシートやフェルトは、受熱により材料が変質して断熱特性が低下したり、表面が剥離・脱落して溶鋼中に巻き込まれたりするなどの問題もある。
特開平８−１６８８５７号公報特開平７−４００１５号公報特開２００２−１４３９９３号公報

上記各種方式の問題点を解決するために、アルミナ付着の原因を分析探求した。これによると、ノズル内壁面には地金が付着しており、その地金を起点にアルミナが付着していることが判った。この状況は、鋳造開始時のノズル内面温度が低下している為、ノズル内面と最初に接触する溶鋼の熱エネルギーがノズル本体に抜熱されることにより、溶鋼温度が低下して溶鋼が凝固し始め、そこにアルミナ付着が発生することが判明した。従って、ノズル内壁近傍の温度低下を防止することにより、溶鋼凝固による地金付着が起こらず、アルミナ付着の防止が可能となることが分かった。

本発明は上記知見に鑑みてなされたもので、特に、アルミニウムを含有する鋼等の連続鋳造において、溶鋼をタンディッシュから鋳型へ供給するノズルの内孔の狭さく、更には閉塞の効果的な抑制、サーマルショックによるノズルの割れ防止を可能としたノズルの外装ヒーターを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するための本願発明は、炭素含有量２５質量％以上の炭素質材料からシート部材を成形し、該シート部材に30〜220Ｖの商用電源から通電して抵抗発熱させる連続鋳造用ノズルの外装ヒーターであって、
前記シート部材は、粒子径100μｍのアルミナ粒子と繊維長５ｍｍのアルミナ繊維を１対１で混合した混合粉末と、酸処理した天然燐片状黒鉛を1,000℃以上で膨張化処理した膨張黒鉛から成ることを特徴とする。
そして、好ましくは前記膨張黒鉛はアスペクト比１０以上のものが５０質量パーセントを占め、
前記シート部材は前記膨張黒鉛と前記混合粉末を混合して厚みを0.1〜2.0ｍｍにローラー圧延成形して形成する。

また、好ましくは、前記シート部材の表面に、セラミックス材料で形成した空気遮断層を設ける。

さらにまた好ましくは、前記シート部材をノズルに外装したときの外周側に、セラミックス材料で形成した断熱材を設けたことを特徴とする。

本願発明に係るノズルの外装ヒーターによれば、炭素含有量が２５質量％以上の炭素質材料からシート部材を成形し、該シート部材に通電して抵抗発熱させる。ノズルをバーナー等で予熱した後、鋳造開始までの間で発生するノズル表面温度低下を防止・抑制することができる。シート部材への通電による発熱温度は、ノズルの予熱時及び使用時の８００℃以上とすることが好ましい。これにより、ノズル表面温度の低下が防止でき、鋳造初期に発生するサーマルショックの割れを回避できるとともに、溶鋼温度の低下を防止でき、溶鋼が凝固することによるアルミナの付着を防止できる。

尚、シート部材の炭素含有量が２５質量％未満であると、電気比抵抗が急激に上昇する。高電気抵抗材料に商用電源（100又は200V）の電気を印加し発熱させる場合、ヒーターとしての全電気抵抗を下げる必要があるため、ヒーターの断面積を大きくするかヒーターの全長を短くしなければならず、炭素含有量が２５質量％未満のシート部材は、ノズルの外装ヒーター用として有効でない。
シート部材への通電は、ガス予熱中あるいは終了後から鋳造開始あるいは鋳造開始後１０分間は電気を流しておく事が好ましい。通電終了後にヒーターを設置
した状態で鋳造しても、ノズルから取外しても良い。

そして、シート部材の表面に高耐熱性材料であるセラミックス材料で形成した空気遮断層を設けることにより、シート部材が大気に曝されることがなく、該シート部材の発熱温度が８００℃以上となっても、該シート部材を構成する炭素分の酸化消耗を防止することができる。これによりシート部材の消耗が抑えられ、安定した抵抗加熱を得ることが可能となる。

また、シート部材をノズルに外装したときの外周側に、高耐熱性材料であるセラミックス材料で形成した断熱材を設けることにより、抵抗発熱により得られた熱量を効率よくノズルに伝達することができる。

後述の各実施例に係る外装ヒーター用のシート部材３は、酸処理した天然燐片状黒鉛を１，０００℃以上で膨張化処理した膨張黒鉛と、粒子径１００μｍのアルミナ粒子、繊維径５０μｍ、繊維長５ｍｍのアルミナ繊維を１対１で混合した混合粉末とを用い、前記膨張黒鉛と混合粉末の混合割合を、100：0から10刻みにて10：90までを混合した後ローラー圧延成形して、それぞれ厚み０．５ｍｍに調整したものである。なお用いた膨張黒鉛は、アスペクト比（粒子長辺の長さ（μｍ）／粒子の厚み（μｍ））が１０以上のものを、用いた膨張黒鉛を１００として、５０質量％以上のものを用いた。

各シート部材を、図1に示すように、幅30cm、長手（60cm）方向で略7等分した位置で、幅方向の両端から互い違いに切り込んで6本のスリット５を形成した。

比較として、上記膨張黒鉛と混合粉末の混合割合を90：10に調整し、円柱状（直径3.0mm、長さ30cm）に成形した円柱部材２３を得た。加熱対象物であるノズル表面を均一に加熱するために円柱部材２３の間隔を3mmとして、100本を電気的に直列に接続した。上記各シート部材３及び円柱部材２３より作成したヒーターの電気抵抗を測定した結果を表１のグラフ１に示す。

グラフ1に示すように、各シート部材３により作成したヒーターは、黒鉛含有量25％を境に電気抵抗が上昇した。この抵抗値では商用電源（30V以上220V以下。）であっても電流量が得られないため、発熱量を得ることは出来ない。円柱状ヒーターは、黒鉛含有量が90％であっても所望の加熱状況を得るためには電気抵抗が200Ωを超えることとなり商用電源では使用できない。また、円柱状ヒーターは、製造が困難であると同時に使用本数が多量となるため、取扱いが困難で実使用には適さない。

上記シート部材３の厚みは、0.1mm〜2.0mmまで使用可能である。0.1mm未満であるとシート部材３そのものの強度が低下しハンドリングが困難である。2.0mmを超えるとシート部材３の剛性が上がり可撓性に問題が生じる。このため、強度面及び可撓性の保持から、その厚みは0.1mmから1.0mmが望ましい。

上記炭素質材料の炭素源としては、天然または人造の非結晶質炭素、結晶質炭素及びそれらの加工品として、石油コークス、石炭コークス、土壌黒鉛、鱗片状黒鉛、熱分解炭素、炭素繊維など各種が使用可能である。
尚、シート部材の電気比抵抗を低くするためには、結晶質炭素を用い、形状的にはアスペクト比１０以上の大きいものを使用することが望ましい。

実施例1係る外装ヒーター１は、黒鉛含有量99％の上記シート部材３を使用し、空気遮断層として厚さ１ｍｍのマイカシートでシート部材３の全面を被覆したもの、ポリエチレン樹脂シートでシート部材の全面を被覆したもの、及び空気遮断層無しのものの3種類を用意した。これらの外装ヒーターに60V-30Aの電気を印加しヒーター表面温度を1000℃とした。この条件にて５分間保持した後、それぞれシート部材の酸化消耗率を調査した。その結果を表２のグラフ２に示す。

グラフ2に示すように、マイカシートで全面を被覆したシート部材３を用いた外装ヒーター１では0.5％の酸化消耗率であったのに対し、ポリエチレンで被覆したもの及び空気遮断層無しのものでは、85％以上の酸化消耗率となり酸化雰囲気の１０００℃レベルの実用には耐えられない。
マイカシートで被覆したものに対しては、引続き1時間通電を継続した。その場合の酸化消耗率は5.1％であった。

従って請求項１記載の外装ヒーターは、アルゴン等の不活性ガス雰囲気や窒素、二酸化炭素等の非酸化性雰囲気で用いる場合以外は、請求項２記載の空気遮断層を用いることが好ましい。また、請求項２記載の空気遮断層を設けない場合は、請求項１記載の外装ヒーターが酸化消耗しにくい１５０℃以下の温度で用いることが好ましい。なお浸漬ノズルの加熱においては、背景技術に記したノズル予熱（例えば１１００℃以下）以外に、浸漬ノズルに金属製治具を取り付ける際に使用するモルタルの乾燥予熱があり、該予熱は１５０℃以下で乾燥が実現できる。
上記空気遮断層としてマイカシート以外に、酸化物系、窒化物系、炭化物系セラミックスを使用することが出来る。

実施例2に係るノズルの外装ヒーター１は、実施例1と同様の黒鉛含有量99％のシート部材を使用し、空気遮断層として厚さ１ｍｍのマイカシートでシート部材の全面を被覆するとともに、背面（シート部材をノズルに外装したときの外周側）に、断熱材として厚さ１０ｍｍで熱伝導率０．０５Ｗ／ｍＫのアルミナ断熱材を配置したもの、発砲スチロールを配置したもの、及び断熱材無しのものの3種類を用意した。

上記実施例2の外装ヒーター１は、それぞれ図３、図４に示すように全面を高耐熱性材料であるマイカシート2で被覆した発熱体となるシート部材３と、該シート部材３がノズル１１に外装されたとき外周側に配置されるアルミナ質断熱材４とから構成される。この外装ヒーター1をノズル外表面に接触させて巻装した後、ノズル内孔１２にセラミックスヒータ１３を挿入して１，４００℃に加熱した。この加熱温度は、実操業でのノズル予熱状況を仮想したものである。そして、ノズル外表面温度が１１００℃に到達した時点で加熱終了すると同時に、それぞれシート部材に60V−30Aで通電し、ノズル外表面の温度変化を測定位置Ｍで測定した。その結果を表３のグラフ３に示す。

グラフ3に示すように、アルミナ質断熱材４を配置した場合の表面温度低下は、発泡スチロールを配置したもの、断熱材無しのものと比較し大幅に改善できる。泡スチロール断熱材は、予熱時より燃焼し予熱終了時には断熱材の形状を呈していなかった。上記断熱材としてアルミナ質以外に、酸化物系、窒化物系、炭化物系セラミックスを使用することが出来、熱伝導率は０．０２〜０．１W/mK以下の材料を使用するのが好ましい。

また、高さ寸法３００ｍｍ、厚み０．５ｍｍの炭素含有量９９質量％の黒鉛シートを、厚み０．５ｍｍのマイカシートで被覆して形成したシート部材３の背面に、厚み２０mmのセラミックスウールを配置して、外装ヒーター１を製作した。また該外装ヒーター１の前記セラミックスウールが無いものも製作した。これらの外装ヒーターを用いて、１２００℃加熱終了後、シート部材３に60V−30Aの電気を印加した。予熱終了から鋳造開始までの時間は２０分であった。実際に溶鋼３５０トンを連続鋳造した。

比較として外装ヒーター無しの通常ノズルを２本使用した。その結果、通常ノズルは鋳造開始時に２本中１本でクラックの発生が見られたが、上記外装ヒーターをセットしたノズル１１では何れもクラックの発生が無かった。鋳造終了後ノズル内孔１２への付着物を確認したところ外装ヒーター１を装着したノズル１１は、通常品と比較し付着物の減少が観察された。またセラミックウールを配置しない外装ヒーターを装着したノズルは、付着物が観察されたものの、問題が顕在化しないレベルであった。ノズル内孔１２への付着物の厚みを測定した結果を表４のグラフ４に示す。

外装ヒーター用シート部材の正面図である。比較財のセット図である。ノズル外表面の温度測定状況を示した断面図である。同、横断面図である。

１外装ヒーター
２マイカシート
３シート部材
４アルミナ質断熱材

Claims

炭素含有量２５質量％以上の炭素質材料からシート部材を成形し、該シート部材に30〜220Ｖの商用電源から通電して抵抗発熱させる連続鋳造用ノズルの外装ヒーターであって、
前記シート部材は、粒子径100μｍのアルミナ粒子と繊維長５ｍｍのアルミナ繊維を１対１で混合した混合粉末と、酸処理した天然燐片状黒鉛を1,000℃以上で膨張化処理した膨張黒鉛から成ることを特徴とする連続鋳造用ノズルの外装ヒーター。
前記膨張黒鉛はアスペクト比１０以上のものが５０質量パーセントを占め、
前記シート部材は前記膨張黒鉛と前記混合粉末を混合して厚みを0.1〜2.0ｍｍにローラー圧延成形して形成したことを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造用ノズルの外装ヒーター。
前記シート部材の表面に、セラミックス材料で形成した空気遮断層を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の連続鋳造用ノズルの外装ヒーター。
前記シート部材をノズルに外装したときの外周側に、セラミックス材料で形成した断熱材を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の連続鋳造用ノズルの外装ヒーター。