JP5095901B2 - 圧力モジュレータを備える連続鋳造ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
（関連出願の説明）
本出願は、２０００年６月２３日に出願された米国仮出願番号６０／２１３，７７３の利益を主張し、その開示内容は引用により本明細書に組み込まれている。
【０００２】
（背景技術）
処理加工時に、液体金属及び特に液体鋼は、重力により湯溜まり等の一方の容器から鋳型等の他方のへ流れる。ノズルは、一方の容器から他方の容器へ流れる間に、液体金属の流動流を導いて収容することができる。
処理加工時に液体金属の流量を制御することは必要不可欠である。この目的のために、液体金属の流量調整を可能にする調整器又は流量制御器が使用される。一般的な調整器はストッパーロッドであるが、当業者に知られている任意の形式の流量調整器を使用できる。従って、典型的な連続溶鋼鋳造工程は、流量調整用ストッパーロッドを用いて、液体金属が湯溜まりからノズルを通って鋳型へ流れることを可能にする。
【０００３】
図１を参照すると、このような典型的な連続溶鋼鋳造工程において、湯溜まり１５は鋳型２０の真上に配置され、ノズル２５は湯溜まり１５に接続されている。ノズル２５は、液体金属１０がその中を通って湯溜まり１５から鋳型２０へ流れる管路をもたらす。湯溜まり１５内のストッパーロッド３０は、ノズル２５を通る流量を制御する。
【０００４】
図２は、図１のノズル２５のノズル穴４５の入口部３５及び下側部４０の部分拡大概略図である。図２において、入口部３５は、点１と点２との間に延びる。下側部４０は、点２と点３との間に延びる。ノズル穴４５の入口部３５は、湯溜まり１５に収容されている液体金属１０と連通する。ノズル穴４５の下側部４０は、鋳型２０の液体金属１０内に部分的に沈んでいる。
【０００５】
図１に戻ると、湯溜まり１５から鋳型２０への液体金属の流量を調整するために、ストッパーロッド３０は上昇及び下降する。例えば、液体金属１０の流れは、ストッパーロッド３０のノーズ５０がノズル穴４５の入口部３５を閉鎖するようにストッパーロッド３０が完全に下降すると停止する。ストッパーロッド３０が前述の完全に下降した位置から上昇すると、液体金属はノズル２５を通って流れることができる。ノズル２５を通る流量は、ストッパーロッド３０の位置の調整によって制御される。ストッパーロッド３０が上昇すると、ストッパーロッド３０のノーズ５０がノズル穴４５の入口部３５から遠くへ移動するので、ストッパーのノーズ５０とノズル２５との間の開口面積が大きくなり、大きな流量を得ることができる。
【０００６】
図３は、他の湯溜まり１５から鋳型２０への液体金属の流量制御システムを示す。本システムは、ストッパーロッド３０のノーズ５０とノズル穴４５の入口部３５との間に位置する制御ゾーン５５を有する。制御ゾーン５５は、ストッパーのノーズ５０とノズル穴４５の入口部３５との間の開通路の最も狭い部分である。湯溜まり１５の液体金属１０は、重力が引き起こす静圧を受ける。ストッパーロッド３０が液体金属１０のノズル穴４５への侵入を阻止しない場合、湯溜まり１５の液体金属１０の圧力は、液体金属１０を湯溜まり１５からノズル２５へ流出させる。
流量が最大流量未満の場合、制御ゾーン５５の開口面積の特性は、ノズル２５、その後に鋳型２０への流量の調整における主要因である。
【０００７】
図４は、湯溜まり１５から制御ゾーン５５を通ってノズル２５へ流出する液体金属１０の圧力変化を示すグラフである。図３に示すように、点６０は、制御ゾーン５５上流の、湯溜まり１５に収容されている液体金属１０内の全体的位置を表す。点６５は、制御ゾーン５５下流の、ノズル２５の穴４５内の全体的位置を表す。図４に示すように、点６０と点６５の間の液体金属１０の圧力の全体的傾向は、制御ゾーン５５前後で急激に低下する。一般に、点６０の圧力は大気圧よりも高い。一般に、点６５の圧力は、大気圧よりも低く、部分真空状態になっている。
【０００８】
図５は、入口挿入部７０及び本体７５を含む、２構成部品ノズルを示す。穴４５の入口部３５は、点２１から点２２、点２３へ延び、下側部４０は点２３から点２４へ延びる。
図６は、湯溜まり１５から鋳型２０への液体金属の流量制御システムを示し、図５のノズルが組み込まれている。図７は、図６のシステムの点６０から点６５までの圧力傾向を示す。図６のシステムの圧力傾向は、基本的に図３のものと同様であり、制御ゾーン５５前後で圧力の急激な低下が見られる。
【０００９】
以上を要約すると、図１、３、及び６のノズルは、制御ゾーン前後で急激な圧力低下を引き起こす。この急激な圧力低下により、流量調整システムは非常に敏感になってしまう。非常に敏感な流量調整システムにより、オペレータは、所望の流量での流量安定化を得るために制御ゾーンの大きさ及び／又は幾何学的形状を調整できるよう正確な位置を得るために、調整器を頻繁に移動させる必要がある。適切な流量調整を得るためのハンチングは、入口部３５及びノズル２５の穴４５全体にわたる乱流を引き起こす。
【００１０】
ハンチング又は制御ゾーンの下流に生じる部分真空／圧力低下によって引き起こされる乱流は、制御ゾーンの周りのまわりの浸食を加速する。例えば、ストッパーロッド３０のノーズ５０及びノズル穴４５の入口部３５の浸食が起こる可能性がある。一般に、急激な浸食は制御ゾーン５５の直下流で起こる。制御ゾーン５５内又はその周りの浸食は、液体金属の流量調整の問題点を悪化させる。浸食による制御ゾーン５５の臨界幾何学的形状の望ましくない変化は、予測できない流量変動をもたらし、最終的に流量調整システムの完全な故障になる場合もある。
【００１１】
図５を再び参照すると、浸食を低減するために、従って、流量調整を改善するために、幾つかのノズルにおいて入口挿入部７０は耐浸食性の耐火材料で構成される。しかしながら、ノズル４０への入口挿入部７０の追加は、図４及び図７に示すような制御ゾーン５５を横切る急激な圧力低下に影響を及ぼさない。従って、従来のノズルに関する流量調整は、ノズルによって規定される制御ゾーンの大きさ及び形状に起因して、調整器の移動に対して非常に敏感なままであり、流量安定化を図ることが困難である。
【００１２】
従って、ノズル制御ゾーン前後での圧力差を最小にして、その浸食作用を低減すると共に制御ゾーンの大きさ及び形状を安定させ、結果的にハンチングを少なくして流量安定性を高めるようになったノズルに対するニーズがある。
【００１３】
（発明の開示）
本発明は、ノズル制御ゾーン前後において最小の圧力差をもつノズルを設けて、その浸食作用を低減すると共に制御ゾーンの大きさ及び形状を安定させ、結果的にハンチングを少なくして流量安定性を高めることで前述のニーズを満たすものである。
【００１４】
この目的のために、本発明は、液体金属を受け入れるための入口部を有する、液体金属の流れを制御するためのノズルを含む。ストッパーロッド等の調整器は、ノズルを通る流れをそれぞれ許可及び阻止するために入口部に関して開位置から閉位置まで移動可能である。入口部及び調整器は、その間に制御ゾーンを規定する。制御ゾーン下流の圧力モジュレータは、制御ゾーン前後の圧力差を最小にするようになっている。圧力モジュレータは、制御ゾーン下流の流れを妨げる。
【００１５】
本発明は、制御ゾーン下流のノズルの圧力を調節することで制御ゾーン前後の急激な圧力低下を減少させ、制御ゾーン直下流の流れの乱流を低減し、流量調整の過敏性を取り除く。本発明のノズルは、制御ゾーンの領域における浸食を低減して流量調整を安定化することができるので、連続鋳造時の流量制御及び鋳型レベル制御が改善される。
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、以下の説明から明らかになるであろう。
【００１６】
（発明を実施するための最良の形態）
図８及び図９は、本発明のノズル１００の第１の実施形態を示す。図８は、ノズル１００が組み込まれている、湯溜まり１５から鋳型２０への液体金属の流量制御システムを示す。図９はノズル１００の拡大図を示す。
【００１７】
図９を参照すると、ノズル１００は、圧力モジュレータ入口挿入部１０５と本体１１０との２つの構成部品を含む。ノズル１００は、点１２１から点１２２まで延びる入口部１２０と、点１２２から点１２３、点１２４、点１２５、及び点１２６まで延びる圧力モジュレータ部１３０、及び点１２６から点１２７まで延びる下側部１４０の３つの部分に分割されている穴１１５を有する。
圧力モジュレータ１３０は、急激かつ強力な圧縮流動を引き起こす。圧縮は、以下に説明するように、ノズル１００の制御ゾーン前後の圧力差を最小にして、そこでの浸食作用を低減すると共に制御ゾーンの大きさ及び形状を安定させる。このことは、ハンチングを少なくして流量安定性を高める。
【００１８】
図８を参照すると、ノズル１００は、ストッパーロッド３０のノーズ５０と、該ノーズ５０と反対側のノズル穴１１５の入口部１２０との間に位置する制御ゾーン５５を有する。当業者であれば、ストッパーロッド３０に代えて任意の公知の流量調整器を使用できることを理解できるであろう。
各々の制御ゾーン５５は、ノズル穴１１５の入口部１２０とストッパーのノーズ５０との間の開通路の最も狭い部分である。一般的に、各々の制御ゾーン５５は、圧力モジュレータ部１３０の上方に位置しており、制御ゾーン５５を変更でき、圧力モジュレータ部１３０への液体金属の流量を調整できる任意の構造によって形成される。
【００１９】
ノズル１００の圧力調節は、収縮ゾーンによってもたらされる。図８の液体金属システムは、ノズル１００の制御ゾーン５５の下流に位置する収縮ゾーン１５０を有する。収縮ゾーン１５０は、圧力モジュレータ挿入部１０５により形成されている、ノズル穴１１５の最も狭い部分を横切って配置される。ストッパーロッド３０がノズル穴１１５の入口部１２０を閉鎖しない場合、流れを許容するように制御ゾーン５５が開き、湯溜まり１５内で重力によって引き起こされる液体金属１０の圧力は、液体金属１０を湯溜まり１５からノズル１００へ流出させる。流量が最大流量未満の場合、制御ゾーン５５の開口面積の特性は、ノズル１００、その後に鋳型２０への流量の調整における主要因である。
【００２０】
湯溜まり１５から制御ゾーン５５を通ってノズル１００の入口部１２０へ、その後、収縮ゾーン１５０を通って下側部１４０へ流出する際の液体金属１０の圧力変動は、図１０に概略的に示されている。点６０は、制御ゾーン５５上流の湯溜まり１５に収容されている液体金属内の全体的位置を表す。制御ゾーン５５下流であるがノズル穴１１５のモジュレータ部１３０内の収縮ゾーン１５０上流の、ノズル穴内の全体的位置を表す。点８０は、収縮ゾーン１５０下流のノズル穴１１５の下側部１４０におけるノズル穴内の全体的位置を表す。
【００２１】
図１０に示すように、制御ゾーン５５前後の最初の小さな圧力低下の後に収縮ゾーン１５０を横切る別の圧力低下が生じる。図８、１０、１７、及び１９の点６０及び点６５は、図３、４、６、及び７の点６０及び点６５に類似している。図１０を図４及び図７と比較すると、圧力モジュレータ部１３０の収縮ゾーン１５０は、制御ゾーン５５前後の圧力低下の大きさを低減することが分かる。つまり、点６５の圧力は、制御ゾーン５５前後の圧力低下が低減されるように調節される。
【００２２】
図９を再び参照すると、ノズル１００の圧力モジュレータ１３０は、Ａ、Ｂ、Ｌ１、及びＬ２の設計パラメータを有する。単純化するために、図１１から図１６は、前述のパラメータを変更して得られる種々の構造の描線による概略図を示す。「Ａ」は、収縮ゾーンの寸法である。「Ｂ」は、収縮ゾーンの直上流の穴の圧力モジュレータ部１３０内の開通路の寸法である。「Ｌ１」は、収縮ゾーン上方の圧力モジュレータの長さである。「Ｌ２」は、収縮ゾーンの長さである。圧力モジュレータ内の収縮ゾーン上流の流れ領域は圧力空間である。収縮比はＢ／Ａで定義される。圧力空間比はＬ１／Ｂで定義される。相対収縮長さ比はＬ２／Ａで定義される。
【００２３】
点６５の圧力は、圧力モジュレータの収縮比、圧力空間比、及び相対収縮長さ比の影響を受ける。点６５の圧力に有効に影響を与えて調節するためには、圧力空間内の流れ分離を最小限にする必要があり、そのためには一般に、収縮比（Ｂ／Ａ）を約１．４より大きくすること、圧力空間比（Ｌ１／Ｂ）を約０．７より大きくかつ８．０未満にすること、及び相対収縮長さ比（Ｌ２／Ａ）を約６．０未満にする必要がある。
【００２４】
また、図１１から図１６は、収縮部の棚部と上流のノズル穴との間の角度Φを示す。この角度Φの大きさは、流れを妨げる効率、結果的に圧力モジュレータの効力に影響を与える。許容できる効率を得るためには、角度Φは約１３５°、好ましくは約８０°から１００°の範囲である必要がある。
角度Φが大きすぎるか又は小さすぎる場合、圧力モジュレータは、流れの急激な収縮又は強い圧力勾配に対して効果を発揮できず、結果的に圧力を調節できない。圧力モジュレータが圧力を調節できない場合は、従来のノズルと同様に、ノズルはノズル制御ゾーン前後の圧力差を低減できないであろう。圧力差が低減すると、浸食作用が低減されて制御ゾーンの大きさ及び形状が安定するので、結果的にハンチングが少なくなり流量安定性が高まる。
【００２５】
例えば、角度Φが小さすぎる場合、収縮部上流の圧力モジュレータの両壁が収縮ゾーンへ向かって拡大する図１３のようにノズルが形成されると、圧力空間内に激しい流れ分離が発生する場合があるので、圧力調節は上手くできない。圧力空間内の流れ分離が発生すると圧力モジュレータの圧力調節性能は低下する。同様に、角度Φが小さすぎる場合、ノズルが図１５のように形成されると、圧力空間内に激しい流れ分離が発生する場合がある。角度Φが小さくなると流れ分離が発生する危険性が高くなる。
また、図１６は、収縮部の上面棚部と上流のノズル穴との間の半径Ｒを示す。また、許容できる効率及び効力を得るためには、半径Ｒは、（Ｂ−Ａ）／２未満、好ましくは（Ｂ−Ａ）／４未満である必要がある。
【００２６】
液体金属１０の流れは、長さＬ１を規定する部分に最も近い圧力モジュレータに流入し、この部分は、Ｌ１／Ｂの比は、約０．７から８．０、好ましくは約１．０から２．５の範囲にある全体的寸法Ｂを有する。流れは、圧力モジュレータ部１３０の棚部１３５において妨げられ、全体的寸法ＢはＡまで小さくなる。Ｂ／Ａの比は、約１．４より大きく、好ましくは約１．７から２．５の範囲にある必要がある。前述のように、棚部は、棚部と圧力モジュレータの穴との間の角度Φを規定する。角度Φは、約１３５°未満、好ましくは約８０°から１００°の範囲に有ることが必要である。圧力モジュレータの収縮部は、長さＬ２を有し、Ｌ２／Ａの比は、約６．０未満、好ましくは０．３から０．５の範囲にある。
【００２７】
図１７は、本発明による第２の実施形態のノズル２００が組み込まれている、湯溜まり１５から鋳型２０への液体金属の流量制御システムを示す。図１８に示すように、ノズル２００は、入口挿入部２０３、圧力モジュレータ挿入部２０５、及び本体２１０の３つの構成部品を含む。ノズル１００と同様に、ノズル２００は、点２２１から点２２３まで延びる入口部２２０、点２２３から点２２７まで延びる圧力モジュレータ部２３０、及び点２２７から点２２８まで延びる下側部２４０の３つの部分に分割されている穴２１５を有する。入口挿入部２０３と圧力モジュレータ挿入部２０５とは、各々異なる速度で摩耗するので別体になっている。入口挿入部２０３及び圧力モジュレータ挿入部２０５は必要に応じて別々に交換できる。
【００２８】
圧力モジュレータ１３０と同様に、圧力モジュレータ２３０は、急激かつ強力な流体圧縮を引き起こすので、ノズル２００の制御ゾーン前後の圧力差、及びそこでの浸食を最小にし、最終的に流れ安定性を高めることができる。
【００２９】
また、本発明は、図２０から図２６の構造を想定することができ、全ての構造は、前述の圧力調節を可能にするノズル３００、４００、５００、６００、７００、８００、及び９００を含む。ノズル３００、４００、５００、６００、７００、８００、及び９００の各々は、図８及び図１７の３つの部分に対応する、３つの部分を有する。即ち、入口部３２０、４２０、５２０、６２０、７２０、８２０、又は９２０、圧力モジュレータ部３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、又は９３０、及び下側部３４０、４４０、５４０、６４０、７４０、８４０、又は９４０である。図２０から図２３は、後段調節型の種々の目的のための異なる構造を備える下側部の実施形態を示す。図２４から図２６は、前段調節型の種々の目的のための異なる構造を備える入口部の実施形態を示す。圧力モジュレータが前述のものである限る、種々の後段調節型又は前段調節型の形状は、有益な効果をもたらすであろう。
【００３０】
本発明は、特定の実施形態に関連して説明されているが、当業者であれば、多くの別の変更例及び変形例、及び別の用途を理解できるであろう。本発明は、本明細書の特定の開示内容に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術の連続鋳造ノズルが組み込まれている液体金属の流量制御システムの概略図である。
【図２】 図１の従来技術のノズル入口部及びノズル穴の下側部に関する部分拡大概略図である。
【図３】 第２の従来技術の連続鋳造ノズルが組み込まれている液体金属の流量制御システムの概略図である。
【図４】 図３の構造を通って流れる液体金属の流体圧力のグラフである。
【図５】 図１の従来技術の別のノズル入口部及びノズル穴の下側部に関する部分拡大概略図である。
【図６】 図５のノズルが組み込まれている液体金属の流量制御システムの概略図である。
【図７】 図６の構造を通って流れる液体金属の流体圧力のグラフである。
【図８】 本発明による第１の実施形態の連続鋳造ノズルが組み込まれている液体金属の流量制御システムの概略図である。
【図９】 図８の実施形態の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図１０】 図８の実施形態を通って流れる液体金属の流体圧力のグラフである。
【図１１】 図８及び図９の実施形態のための圧力モジュレータの概略図である。
【図１２】 図８及び図９の実施形態のための別の圧力モジュレータの概略図である。
【図１３】 図８及び図９の実施形態のための別の圧力モジュレータの概略図である。
【図１４】 図８及び図９の実施形態のための別の圧力モジュレータの概略図である。
【図１５】 図８及び図９の実施形態のための別の圧力モジュレータの概略図である。
【図１６】 図８及び図９の実施形態のための別の圧力モジュレータの概略図である。
【図１７】 本発明による第２の実施形態の連続鋳造ノズルが組み込まれている液体金属の流量制御システムの概略図である。
【図１８】 図１７の実施形態の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図１９】 図１７の実施形態を通って流れる液体金属の流体圧力のグラフである。
【図２０】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図２１】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図２２】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図２３】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図２４】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図２５】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図２６】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。

Claims (7)

1. 液体金属が流れ、且つ液体金属の流れを制御するために可動式ストッパーロッドと共に使用するようになっている、ノズルであって、
   前記液体金属が流れ方向に流れる貫通穴を規定する内面と、
   可動式ストッパーロッドのノーズとの間に制御ゾーンが規定される入口部と、
   前記制御ゾーンの下流に位置する圧力モジュレータを有する圧力モジュレータ部と、
   前記圧力モジュレータ部の下流に位置する下側部と、を備え、
   前記圧力モジュレータは、流れの圧縮を生じさせることによって、前記制御ゾーン前後の圧力差を低減するようになっており、
   前記圧力モジュレータ部は、前記流れ方向に配置された側面と、前記流れ方向に対して直交する底面を有し、前記側面及び前記底面は、角度Φを定め、前記角度Φは、１３５°よりも小さく、
   前記圧力モジュレータは、前記ノズルに取付けられる挿入部を備え、前記挿入部は、前記入口部を規定し、前記入口部下流及び前記圧力モジュレータの下流の流れを妨げるための、少なくとも１つの収縮ゾーンを含み、前記収縮ゾーンは、前記流れ方向に直交する幅「Ａ」を有し、前記圧力モジュレータ部は、前記流れ方向に直交する幅「Ｂ」を有し、前記圧力モジュレータ部の側面及び底面の間に、半径Ｒの丸みを形成し、前記半径Ｒは、（Ｂ−Ａ）／２未満であることを特徴とするノズル。
2. 前記収縮ゾーンは、前記流れ方向の長さ「Ｌ２」を有し、前記圧力モジュレータ部は、前記流れ方向の長さ「Ｌ１」を有することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
3. 前記幅「Ｂ」を前記幅「Ａ」で除算した収縮比「Ｂ／Ａ」、前記長さ「Ｌ１」を前記幅「Ｂ」で除算した圧力空間比「Ｌ１／Ｂ」、及び前記長さ「Ｌ２」を前記幅「Ａ」で除算した相対収縮長さ比「Ｌ２／Ａ」の各々は、流れの剥離を低減するように選択されることを特徴とする請求項２に記載のノズル。
4. 前記幅「Ｂ」を前記幅で「Ａ」除算した収縮比「Ｂ／Ａ」は、１．４よりも大きいことを特徴とする請求項２又は３に記載のノズル。
5. 前記長さ「Ｌ１」を前記幅「Ｂ」で除算した圧力空間比「Ｌ１／Ｂ」は、０．７よりも大きくかつ８．０未満であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のノズル。
6. 前記長さ「Ｌ２」を前記幅「Ａ」で除算した相対収縮長さ比「Ｌ２／Ａ」は、６．０未満であることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載のノズル。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のノズル内の、特定の流れ方向を有する流体の流れを制御するための方法。

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