JP5510047B2 - 連続鋳造方法および連続鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、取鍋底面のノズルを介して、取鍋内溶鋼をタンディッシュ内に注入する連続鋳造方法、並びに当該連続鋳造方法を実施するのに適した連続鋳造装置に関するものである。

鋼の連続鋳造プロセスにおいては、精錬を終えた溶鋼は取鍋と呼ばれる耐火物容器に貯留された状態で、タンディッシュ上方に配置された、たとえばターレットと呼ばれる取鍋旋回支持装置へ運搬され、当該取鍋がターレットのテーブルの所定位置にセットされる。その後、取鍋の下面側に取り付けられた注入ノズルを介して、一旦、取鍋下方に位置するタンディッシュに注入され、タンディッシュ内で流量調整された後、鋳型内に供給されている。

またタンディッシュは、上述のように流量を制御しつつ溶鋼を鋳型に供給する機能を持つほかに、鋼の精錬時に不可避的に混入した酸化物であるスラグや、脱酸のために添加されたアルミから生成されるアルミナなどの非金属介在物を、その比重が溶鋼の比重よりも小さいことを利用してタンディッシュ内で浮上分離させる機能を有している。これにより、圧延時の疵等の原因となる溶鋼中の非金属介在物などが、そのまま鋳型内に供給されることを抑制している。

しかしながら、通常のタンディッシュにおいて浮上分離される介在物は、直径５０〜２００μｍ直径程度の大きなものであり、５０μｍ直径未満の微小な介在物の浮上分離は少ない。このような微小な介在物は、タンディッシュ内を浮遊し、タンディッシュから鋳型へと溶鋼を注入する浸漬ノズル内など、乱流エネルギーが大きな領域で凝集肥大化し、鋳片内の介在物欠陥になるおそれがある。

一方、注入ノズルからタンディッシュ内に吐出された溶鋼流は、タンディッシュの底部に衝突し、タンディッシュ内のメニスカス面に向けて偏向されるが、衝突の際に発生する乱流によってメニスカス面がかく乱されるのを防止する目的で、窓部が形成されたボックス形状の衝撃パッドを、注入ノズルの直下でタンディッシュ内の底部に設けることが提案されている（特許文献１）。そしてこの特許文献１の従来技術として、窓部を持たない、側壁で囲まれたボックス形状の空間内に向けて、注入ノズルから溶鋼を注入する方法が記載されている。

特表２００４−５２５７７５号公報

特許文献１に記載の技術は、そもそも、注入ノズルから吐出された溶鋼が、タンディッシュの底部に衝突した際に、乱流が発生するのを抑制するためのものであり、したがって特許文献１の従来技術として記載されているものは、単に乱流が発生する従来技術として紹介されているのみである。したがって、前記したような、５０μｍ直径未満の微小な介在物の浮上分離を改善することについての示唆はない。

発明者の知見によれば、注入ノズルから吐出された溶鋼流は、タンディッシュ内で最も速い流速と乱流エネルギーを有する。通常、この流速と乱流エネルギーは、注入流が底面に衝突した後に広がることで急激に減少する。しかしながら、さらに考察すれば、タンディッシュ底部に設けたボックス状の空間内に向けて、注入ノズルから溶鋼を吐出すると、この乱流のエネルギーは当該空間内に閉じ込められ、溶鋼中の微小な介在物もある程度凝集して肥大化し、その結果、介在物の浮上に十分な大きさになると考えられる。すなわち、発明者によれば、タンディッシュ底部に設けたボックス状の空間内に向けて溶鋼を吐出した際の乱流エネルギーを利用することで、微小な介在物の凝集に効果があると考えられる。この点に関しては、特許文献１には何ら言及するところはない。なお介在物の凝集自体は、乱流エネルギー消散速度の平方根と介在物の滞留時間の積に比例することが知られている（例えばＴ．Ｎａｋａｏｋａ， Ｓ．Ｔａｎｉｇｕｃｈｉ， Ｋ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ ａｎｄ Ｓ．Ｔ．Ｊｏｈａｎｓｅｎ： ＩＳＩＪ−ｉｎｔ．， ４１（２００１）， １１０３．）。

ただし、そのように、ボックス状の空間内に乱流のエネルギーを閉じ込めたとしても、微小な介在物の凝集は十分ではなく、依然として、５０μｍ直径未満の微小な介在物の浮上分離が、そのままタンディッシュ内に浮遊するおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、取鍋底面のノズルを介して、取鍋内溶鋼をタンディッシュ内に注入するプロセスにおいて、溶鋼内の微小な介在物を効果的に浮上分離させることを目的としている。

本発明者は、鋭意、研究調査した結果、取鍋のノズルからタンディッシュに吐出される溶鋼流内に、直径がサブミリ〜ミリ単位の微細な気泡を混入させると、その個数が非常に多く単独の浮力では浮上分離しがたい、前記した微小な介在物と気泡が凝集し、付着した気泡の浮力によって、これら微小な介在物の分離能力を飛躍的に高められることを見出した。

しかしながら、通常、溶鋼と耐火物は濡れ難いため、例え多孔質レンガを通じてガスを吹き込んでも、溶鋼中に微細な気泡はできない。そこで本発明では、ノズル内において溶鋼の注入流の周囲にガス空間を形成し、注入流がノズル内の溶鋼表面に衝突した際に、周囲のガスを巻き込んで、直径がサブミリ〜ミリ単位の径の微細な気泡を形成できることを見出した。これに加えて、微小な介在物が、これら微細な気泡と凝集することを促進させるため、既述したタンディッシュ底部に設けたボックス内の乱流エネルギーを利用することにした。

以上のような観点から、本発明は、取鍋底面の注入ノズルを介して、取鍋内溶鋼をタンディッシュ内に注入する連続鋳造方法において、
前記注入ノズル内における溶鋼の注入流の周囲に不活性ガスのガス空間を形成して、注入流が注入ノズル内の溶鋼面に衝突した際に、前記ガス空間内の不活性ガスを巻き込ませて前記不活性ガスの気泡を溶鋼中に生成させ、
前記注入ノズルから吐出された前記気泡を含有する溶鋼流を、タンディッシュ内における前記ノズルの下端開口面に対向して設けられた、上面が開口した撹拌ボックス内で撹拌させるとともに、平面視における、注入ノズル外壁下端部と撹拌ボックス内壁上端部との間の距離の最大値をＬとし、注入ノズル下端面に形成された吐出口の面積をＳ _１ 、注入ノズル外壁面と撹拌ボックスの上端内側面と間の隙間が形成する流出部面積をＳ _２ 、ノズル内径をＤ _１ としたとき、Ｌ≦Ｄ _１ 、かつＳ _１ ≦Ｓ _２ 、とすることを特徴としている。

本発明によれば、注入ノズル内における溶鋼の注入流の周囲に不活性ガスのガス空間を形成して、注入流が注入ノズル内の溶鋼面に衝突した際に、前記ガス空間内の不活性ガスを巻き込ませるようにしたので、直径がサブミリ〜ミリ単位の微細な気泡を溶鋼中に生成することができ、また注入ノズルから吐出された気泡を含有する溶鋼流は、上面が開口した撹拌ボックス内で撹拌されるので、この撹拌ボックス内での撹拌により、溶鋼中の微小な介在物と気泡とが凝集することが促進される。そして気泡に付着した介在物は、気泡ごと浮上する。したがって、溶鋼中の微細な介在物が、そのままタンディッシュ内に浮遊したり、タンディッシュ底部の流出口から鋳型内に流出することを抑制することができる。なお不活性ガスとしては、例えばアルゴンガスを用いることができる。

前記ガス空間への不活性ガスの供給は、注入ノズルの上部から不活性ガスを吹き込んで行なってもよい。

前記ガス空間への不活性ガスの供給は、注入ノズルの胴部から不活性ガスを吹き込んで行なってもよい。

前記ガス空間への不活性ガスの供給は、撹拌ボックスの底部から注入ノズル内に向けて不活性ガスを吹き込んで行なってもよい。この場合、注入ノズル内の中心に向けて不活性ガスを吹き込むことが好ましい。

前記注入ノズル内のガス空間内雰囲気の圧力は、注入ノズル外雰囲気に対して正圧に維持することが好ましい。これは、取鍋の底部に設けられる流量調整用のスライディングノズルのプレートと注入ノズルと間には隙間があるため、注入ノズル内のガス空間が負圧になると、外部の空気を吸入しやすくなり、再酸化によって溶鋼中のアルミニウムが酸化してアルミナ介在物を生成するおそれがあるからである。

またより好ましくは、前記ガス空間内の雰囲気の圧力は、正圧でかつタンディッシュ内のメニスカス面からノズルの浸漬深さの溶鋼ヘッドより小さくすると良い。より望ましくは正圧で、かつ０．０３気圧以下（溶鋼ヘッド換算で５ｃｍ以下：０．０３８Ｍｐａ以下）に制御すると、注入ノズルから吐出されて撹拌ボックスの底部に衝突する溶鋼流の条件がほぼ一定に保たれ、生成する気泡サイズが安定する。

なお注入ノズル内のガス空間を、前記したように正圧にした場合、ノズル内のメニスカス位置はタンディッシュのメニスカス位置より下方に位置する。注入流の乱流や水平振動等によりノズル内のメニスカス位置は、一般的に５〜１０ｃｍ程度は変動するので、タンディッシュ内の定常部のメニスカス位置よりも１０ｃｍ程度以上、下方まであることが望ましい。

また注入ノズル内に形成されるガス空間の高さ方向の長さは、短かすぎると、ノズル内のガス空間が安定形成されない。この点に関し、発明者が透明ガラスのモデルによって観察したところ、注入ノズルの内径以上であることが望ましい。すなわち、当該注入ノズル内上端面から注入ノズル内の溶鋼メニスカス面までの長さをＨとしたとき、Ｈ≧Ｄ_１であることがよい。

なお注入ノズルのタンディッシュ内溶鋼への浸漬深さについては、取鍋交換を伴い、鋳造を中断せずに多数のヒートを連続的に鋳造する、連続連続鋳造（いわゆる連々鋳）において、取鍋交換中にタンディッシュのメニスカスレベルが下がるが、次鍋開口時に注入ノズルが浸漬されていないと、メニスカスに浮遊しているスラグが注入流で叩き込まれて新たな介在物生成の原因となる。したがって、連々鋳においては、鍋交換中にタンディッシュのメニスカスが下がるレベルを基準にして、通常、それより０．１〜０．２ｍ程度深めに設定される。たとえば、標準的な連続鋳造装置では、定常操業中のタンディッシュ内の溶鋼湯面レベルに対し０．３〜０．５ｍ程度の深さである。

別な観点による本発明は、前記した本発明にかかる連続鋳造方法を実施するための連続鋳造装置であって、取鍋底面側に取り付けられて、タンディッシュへの注入位置に配置される注入ノズルと、タンディッシュ内における前記注入ノズルの下端開口面に対向して設けられた、上面が開口した撹拌ボックスとを有し、撹拌ボックス内空間は、注入ノズル下端部を挿入可能な形態を有し、注入ノズル上端面に形成される注入部の内径（通常は、スライディングノズルの口径）をＤ_０ としたとき、１．５Ｄ_０≦Ｄ_１≦３Ｄ_０ であることを特徴としている。

取鍋からの溶鋼の注入流は、一般には前記したスライディングノズルの孔径で決まり、その後は自由落下により僅かに縮流しつつ、注入ノズル内を流れる。従ってこのスライディングノズルの孔径とほぼ同じ程度の内径を有する注入ノズルでは、注入ノズル壁面に接触するかしないかという不安定な流れとなる。この点に関し、発明者が透明なシリカガラスのノズルを用いて、２〜１０ｔ／ｍｉｎの溶鋼注入条件で撹拌ボックス内の状態を観察したところ、１．５Ｄ_０≦Ｄ_１であれば、注入流は注入ノズルの内壁に接触することなく、安定してノズル内湯面に衝突して微細な気泡を生成し、溶鋼流も安定して撹拌ボックス内に進入することが確認できた。

一方、注入ノズルの内径を３Ｄ_０よりも大きくしすぎると、生成された気泡が撹拌ボックス内からタンディッシュへと流出しないまま、注入ノズル内に再浮上することが分かった。したがって、注入部の内径と注入ノズルの内径の大きさは、上記した条件を満たすものが好適である。

なお本発明において、注入ノズル外壁面と撹拌ボックスの上端内側面と間の隙間が形成する流出部面積Ｓ_２については、以下の通りである。
注入ノズル下端部が撹拌ボックス上端部よりも低い位置に配置されている場合、すなわち、注入ノズルが撹拌ボックス内空間に挿入されている場合は、平面視における注入ノズル外壁面と撹拌ボックスの上端内側面と間の隙間が形成する面積が流出部面積Ｓ_２となる。
一方、注入ノズル下端部が撹拌ボックス上端部よりも高い位置に配置されている場合、すなわち、注入ノズルが撹拌ボックス内空間に挿入されていない場合は、注入ノズル外壁下端部と撹拌ボックス内壁上端部との間の隙間の面積が、流出部面積Ｓ_２となる。なおこの場合の流出部面積Ｓ_２は、斜め部分の面積となる。

さらにまた撹拌ボックス内底面から撹拌ボックス上端までの高さをＨ_１、注入ノズル下端面と、撹拌ボックス内底面との間の距離をＨ_２、としたとき、後述のように、Ｈ_１≧（Ｄ_１／２）ｃｍ、（Ｄ_１／４）ｃｍ≦Ｈ_２≦Ｈ_１＋（Ｄ_１／２）、であることが好ましい。

前記した連続鋳造装置においては、ガス空間内の雰囲気の圧力を調整する、例えばリリーフ弁、調整孔などの圧力調整機構を設けてもよい。

本発明によれば、取鍋底面の注入ノズルを介して、取鍋内溶鋼をタンディッシュ内に注入するプロセスにおいて、溶鋼内の微小な介在物を効果的に浮上分離させることが可能である。

実施の形態にかかる鋼の連続鋳造装置の注入ノズルと撹拌ボックスの構成を示す一部断面説明図である。 実施の形態にかかる鋼の連続鋳造装置の注入ノズルの断面図である。 実施の形態にかかる鋼の連続鋳造装置の注入ノズルと撹拌ボックスを模式的に示した説明図である。 平面視における注入ノズルと円筒形の撹拌ボックスを模式的に示した説明図である。 平面視における注入ノズルと方形の撹拌ボックスを模式的に示した説明図である。

以下、本発明の実施の形態を説明すると、図１は、実施の形態にかかる連続鋳造装置１の構成の概要を示しており、取鍋２の底面には、注入ノズル１０が設けられている。より詳細に説明すると、図２にも示したように、この注入ノズル１０は、ノズル本体１１とノズル本体１１の上部に固定された接続部１２を有している。接続部１２は、取鍋２の底面に設けられたスライディングノズル３の下側プレート４に下面に固定される下ノズル５に接続されている。ノズル本体１１の上部には、本体内に通ずる圧力調整機構１３が設けられている。圧力調整機構１３としては、たとえば圧力調整孔、圧力調整弁を適用できる。

スライディングノズル３は、前記した下側プレート４の上側（取鍋２側）に、中プレート１５を有し、さらにその上に上側プレート６を有している。上側プレート６の上部が、取鍋２の底部の流出口２ａに設けられたテーパ状の羽口ノズル７に固定されている。また、下側プレート４も固定されている。羽口ノズル７には、貫通孔７ａが形成され、上側プレート６、中プレート１５、下側プレート４、下ノズル５にも各々貫通孔６ａ、１５ａ、４ａ、５ａが形成されている。そして中プレート１５は、下側プレート４および上側プレート６に対してスライド自在であり、この中プレート１５をスライドさせることで、溶鋼Ｍの注入流量を調節することができる。スライディングノズル３は、固定部材８によって、取鍋底部固定されている。なお取鍋２の底部は、内側から順に、ウエアレンガ２ｂ、パーマレンガ２ｃ、鉄皮２ｄで構成されている。

図１に示したように、タンディッシュへ２０の注入位置に配置される注入ノズル１０の、下端開口面である吐出口１４に対向するように、タンディッシュ２０の底部には、上面が開口した撹拌ボックス２１が設けられている。この撹拌ボックス２１は、底部２１ａと側壁２１ｂとによって構成された、全体として有底円筒形状を有している。なお撹拌ボックス２１は、たとえばＭｇＯ、マグネシアなどの耐火物によって構成されている。また撹拌ボックス２１全体としての形状は、そのような有底円筒形状に限らず、例えば方形の箱型であってもよい。

また、撹拌ボックス２１は、側壁最上部から内側に向けた張出部を有するものであってもよい。いずれの場合でも、撹拌ボックス２１内の空間Ｐが、注入ノズル１０の下端部を挿入可能であれば、形状は問わない。なお、上記の張出部の水平方向の長さとしては、特に規定しないが、実用的には１０ｍｍ以上、好ましくは５０ｍｍ以上が例示できる。

一方、上記の張出部の水平方向の長さの好ましい上限は、以下の通りである。平面視における、注入ノズル外壁下端部と張出部との間の距離の最大値をＬ´、注入ノズル下端面に形成された吐出口の面積をＳ_１、注入ノズル外壁面と撹拌ボックスの上端内側面と間の隙間が形成する流出部面積をＳ_２´としたとき、後述の実施の形態で説明するように、Ｌ´≦Ｄ_１、かつＳ_１≦Ｓ_２´、であることが好ましい。

注入ノズル外壁面と撹拌ボックスの上端内側面と間の隙間が形成する流出部面積Ｓ_２´については、以下の通りである。
注入ノズル下端部が撹拌ボックス上端部よりも低い位置に配置されている場合、すなわち、注入ノズルが撹拌ボックス内空間に挿入されている場合は、平面視における注入ノズル外壁面と撹拌ボックスの上端内側面と間の隙間が形成する流出部面積Ｓ_２´となる。
一方、注入ノズル下端部が撹拌ボックス上端部よりも高い位置に配置されている場合、すなわち、注入ノズルが撹拌ボックス内空間に挿入されていない場合は、注入ノズル外壁下端部と撹拌ボックス内壁上端部との間の隙間の面積が、流出部面積Ｓ_２´となる。従って、この場合は斜め部分の面積となる。

また注入ノズル２１の上部には、ガス吹き込み部３１が設けられている。このガス吹き込み部３１を通じて、別途設けられているガス供給源（図示せず）からの不活性ガス、例えばアルゴンガスを、注入ノズル１０内に供給することができる。

次に注入ノズル１０と、撹拌ボックス２１の各部のサイズ、並びに両者の位置関係等について、図３，４に基づいて説明する。まず図３に示したように、注入ノズル１０上端面に形成される注入部、すなわち下ノズル５の内径をＤ_０、注入ノズル１０の内径をＤ_１としたとき、１．５Ｄ_０≦Ｄ_１≦３Ｄ_０となるように下ノズル５の内径をＤ_０、注入ノズル１０の内径をＤ_１が設定されている。

このような設定により、図１、図２に示したように、溶鋼Ｍを注入した際に、注入ノズル１０内に、適切な大きさのガス空間Ｇが形成され、注入時に溶鋼Ｍが注入ノズル内壁に接して安定した気泡生成が阻害されることを防止し、またノズル内メニスカス面に溶鋼の注入流が衝突した際に発生する気泡が、ノズル内で再浮上してしまうことを抑制できる。

図４に示したように、注入ノズル１０の外壁下端部と、撹拌ボックス２１の内壁上端部との間の距離の、平面視における最大値をＬ、注入ノズル１０の下端面に形成された吐出口１４の面積をＳ_１、注入ノズル１０の外壁面と撹拌ボックス２１の上端内側面と間の隙間が形成する流出部面積をＳ_２としたとき、Ｌ≦Ｄ_１、かつＳ_１≦Ｓ_２、となるように各々設定されている。

Ｌ≦Ｄ_１、とする理由は、まず、注入ノズル１０の外壁下端部と、撹拌ボックス２１の内壁上端部との隙間が広すぎると、注入ノズル１０から吐出された際に生ずる撹拌ボックス２１内の撹拌流をボックス内に閉じ込めにくくなり、撹拌ボックス２１内の空間Ｐ内のコーナー部にデッドスペースが発生し、全体として所期の撹拌効果が得られなくなるためである。

また、Ｓ_１≦Ｓ_２とする理由は、流出部面積Ｓ_２が注入ノズル下端面の吐出口面積Ｓ_１よりも狭いと、注入ノズル１０から吐出された溶鋼が、撹拌ボックスからタンディッシュへ流れにくくなるためである。また、注入ノズル１０から吐出された溶鋼が、一旦撹拌ボックス２１の底部２１ａに衝突して、当該隙間からタンディッシュ内に流出する際、流出する方向が垂直に近くなり、また流速も早くなってタンディッシュ内のメニスカス面を乱してしまう。そのため、当該隙間の最小値も定める必要があるが、撹拌ボックスの形状は様々のものを適用できるので、当該隙間の最小値は一義的には定まらない。

上記の点について、本発明者は溶鋼と同じ動粘性係数を有する水を使用した実験で、注入ノズル入口で添加したトレーサーインクが、撹拌ボックス２１内の底付近まで十分に達するかどうか、ならびに湯面を乱さないかどうか、について調べ、これらを満足する条件を見出した。

具体的には、撹拌ボックス２１の内壁上端部との間の距離の最大値Ｌは、注入ノズル１０の内径Ｄ_１以下であり、かつ、注入ノズル１０の下端面に形成された吐出口１４の面積をＳ_１、注入ノズル１０の外壁面と撹拌ボックス２１の上端内側面と間の隙間が形成する流出部面積（必ずしも水平断面積とは限らない）をＳ_２としたとき、Ｓ_１≦Ｓ_２となるように設定するのが好適であることが判明した。実際に、これらの範囲から外れると、撹拌ボックス２１内にデッドスペースが発生したり、タンディッシュ内メニスカス面を乱すことを確認した。

なお撹拌ボックスの形状を、図５に示したような方形の撹拌ボックス２５とした場合には、前記した撹拌ボックス２５の内壁上端部と、注入ノズル１０の外壁の間の距離の平面視の最大値Ｌは、注入ノズル１０の外壁から撹拌ボックス２５のコーナー部分との間の距離となる。

次に、注入ノズル１０の吐出口１４と撹拌ボックス２１との位置関係、並びに撹拌ボックス２１の側壁２１ｂの高さ等について説明する。
ノズル内メニスカス面に衝突した際に発生する気泡と、介在物との凝集を促進させる目的では、注入ノズル１０の下端に形成された吐出口１４を、撹拌ボックス２１内の空間Ｐ内に挿入させて配置することが好ましい。

但し、注入ノズル１０の下端に形成された吐出口１４を、撹拌ボックス２１内の底部に近づけ過ぎると、注入ノズル１０と撹拌ボックス２１内の底部との隙間が小さくなり過ぎて、注入ノズル１０へ注入された溶鋼については、撹拌ボックス２１を経由したタンディッシュへの流れが、不十分となってしまう。
このため、注入ノズル１０と撹拌ボックス２１内の底部との隙間の面積は、吐出口１４の面積以上であれば、注入ノズル１０へ注入された溶鋼は、滞留することなく撹拌ボックス２１を経由してタンディッシュへ流出させることができる。
この様な観点から、注入ノズル１０下端面の吐出口１４と、撹拌ボックス２１内の底部２１ａとの間の距離Ｈ_２は、（Ｄ_１／４）ｃｍ以上必要である。

また、撹拌ボックス２１自体の高さ、すなわち側壁２１ｂの高さについては、溶鋼と同じ動粘性係数を有する水を使用した実験を行い、注入ノズル１０の入口で添加したトレーサーインクの、撹拌ボックス２１内での挙動を確認した。
その結果、上記の距離Ｈ_２の２倍以上確保しないと、撹拌流を充分に閉じ込めることがでないまま、横向きに流出してしまうことが、確認できた。

一方、注入ノズル１０の下端に形成された吐出口１４は、そのように必ずしも撹拌ボックス２１内の空間Ｐ内に位置していなくとも、換言すれば、吐出口１４の位置が、撹拌ボックス２１の側壁２１ｂよりも高い位置に位置していても、適正な位置の範囲であれば、溶鋼の吐出流によって、撹拌ボックス２１内の空間Ｐでは撹拌効果が得られる。ただしあまり高い位置に吐出口１４が位置すると、十分な撹拌効果が得られず、撹拌ボックス２１内の空間Ｐ内にデッドスペースが形成されてしまう。

この点に関しても発明者は、溶鋼と同じ動粘性係数を有する水を使用した実験を行い、注入ノズル１０の入口で添加したトレーサーインクが、撹拌ボックス２１内の底付近まで十分に達するときの条件を求めたところ、注入ノズル１０の吐出口１４の高さ位置と、撹拌ボックス２１の側壁２１ｂの高さとの差Ｈ_３の許容値は、注入ノズル１０の内径Ｄ_１の１／２程度であることが分かった。

これらを整理すると、注入ノズル１０下端面の吐出口１４と、撹拌ボックス２１内の底部２１ａとの間の距離Ｈ_２は、（Ｄ_１／４）ｃｍ≦Ｈ_２≦Ｈ_１＋（Ｄ_１／２）であることが適当である。

本実施の形態にかかる連続鋳造装置１は、以上のような構成を有しており、図１に示したように、取鍋２内の溶鋼Ｍを、注入ノズル１０を介してタンディッシュ２０内の撹拌ボックス２１に向けて注入すると、注入ノズル１０内の注入流の周囲にガス空間Ｇが形成される。このガス空間Ｇ内には、ガス吹き込み部３１から供給されたアルゴンガス雰囲気となっている。またガス空間Ｇ内の圧力は、圧力調整機構１３によって正圧が保たれている。

そして溶鋼Ｍの注入流が、ノズル内のメニスカス面に衝突すると、ガス空間Ｇ内のアルゴンガスを巻き込み、直径がサブミリ〜ミリ単位の径の微細な気泡が、溶鋼中に発生する。そしてこの微細な気泡を含んだ溶鋼の吐出流は、撹拌ボックス２１の空間Ｐ内で撹拌され、溶鋼中の微小な介在物は、当該撹拌によって、これら気泡と凝集することが促進される。気泡に付着した介在物は、溶鋼が撹拌ボックス２１から流出した際に、気泡の浮上とともに、タンディッシュ２０内の湯面に形成されたメニスカスに向けて浮上する。したがって、溶鋼中の微細な介在物が、そのままタンディッシュ２０内に浮遊したり、タンディッシュ底部の流出口（図示せず）から鋳型内に流出することを抑制することができる。その結果、介在物の少ない清浄鋼の製造が可能になる。

なお操業中は、ガス空間Ｇは正圧に維持されるが、ガス空間の高さ方向の長さは、短かすぎると、安定して気泡が形成されない場合があるため、注入ノズル１０内上端面から注入ノズル１０内の溶鋼メニスカス面までの長さをＨとしたとき、Ｈ≧Ｄ_１であることが好ましい。

前記実施の形態では、ガス吹き込み部３１は、注入ノズル１０の上部に設けていたが、図１に示したように、注入ノズル１０のノズル本体１１の胴部に、ガス吹き込み部３２を設けてもよく、あるいは、撹拌ボックス２１の底部２１ａにガス吹き込み部３３を設けてもよい。撹拌ボックス２１の底部２１ａにガス吹き込み部３３を設けた場合、吹き込み方向は、注入ノズル１０の吐出口１４内に向ける必要があるが、とりわけ吐出口１４の中心に向けて吹き込むことが好ましい。

また前記実施の形態で使用したスライディングノズル３は、下側プレート４の上側に、中プレート１５を有し、さらにその上に上側プレート６を有する構成のものを採用し、中プレート１５をスライドさせることで、溶鋼の注入流量を調節するものであったが、これに代えて、固定された上側プレートと可動する下側プレートの、いわゆる２枚プレート構成のスライディングノズルを使用してもよい。かかる場合、移動により注入ノズル１０は下側プレートとともに移動するが、ノズル移動時に撹拌ボックス２１にノズル下端部が衝突せず、かつ注入ノズル１０から吐出された溶鋼が、攪拌ボックス２１内で攪拌できるように、操業を行なえばよい。

長さ７ｍ、深さ１ｍ、奥行き湯面部１．２ｍ、底部０．６ｍのサイズを有する２ストランド用のタンディッシュに対して、注入ノズルによって溶鋼を注入する。注入ノズルについては、従来型については、外形が０．２ｍ、内径が０．１ｍで一定のストレート型の注入ノズルを用いた。注入流の周囲にガス空間が形成できる内径を持った注入ノズルについては、注入部内径が０．１ｍ、吐出口内径が０．２ｍで、外形が０．３ｍで、さらにノズル内メニスカスより上方０．１ｍまでは、内径が０．２ｍで、その上では漸近的に注入部内径の寸法に近づく、いわゆる徳利状のものを使用し、各々比較した。そしてタンディッシュ内には、従来の撹拌ボックスを持たない場合と、有底円筒形の撹拌ボックスを設置した場合について、各々比較した。またガスの吹き込みが有る場合と無い場合とについても調べ、ガス空間を形成した場合には、圧力制御の有無、圧力制御がある場合には、しきい値を０．２３ＭＰａ（０．３ｍＦｅ）、０．０３８ＭＰａ（０．０５ｍＦｅ）に設定し、当該しきい値以下となるように圧力制御するようにした。

溶鋼のタンディッシュへの注入量は、１ストランドあたり５ｔ／分とした。注入ノズル下端の浸漬深さは、０．３ｍとした。そして、タンディッシュ出側浸漬ノズル上部のストッパー横で、タンディッシュ底面より０．１ｍの深さ位置で採取した溶鋼サンプル中の介在物個数を、１〜１５０μｍについて電解抽出法を用いて評価した。サンプルは定常操業中にタイミングを変えて５分おきに５つのサンプルを採取し、直径５０μｍ未満の介在物と、直径５０μｍ以上の介在物に分類し、その個数の平均と、偏差を調べた。その結果を表１に示す。

これによれば、ガス空間を形成するノズルを使用して、撹拌ボックスを有するタンディッシュに溶鋼を注入した場合、よりも、直径５０μｍ未満の介在物と、直径５０μｍ以上の介在物のいずれについても、大幅な個数の低減、ばらつきの低減が確認された。なお、ストレートノズルを用い、攪拌ボックスを使用せず、ガス吹き込みや圧力制御を行わない場合の、直径５０μｍ未満の介在物、および直径５０μｍ以上の介在物の個数密度をそれぞれ測定し、それぞれの個数密度をベースとして、各条件のそれぞれの個数密度を相対値で表示したものを、介在物個数指数として示している。

個別に検討すると、まずガス空間を形成する注入ノズルを使用した方が、従来のストレートノズルよりも介在物個数指数が低減しているので、気泡による介在物の浮上分離効果が確認できる。さらにまた、撹拌ボックスについても、これを設置した場合の方が、設置しない場合よりも、介在物個数指数が低減しており、撹拌ボックスでの撹拌による気泡と介在物の凝集促進効果が確認できた。さらにまた圧力制御についても、これを実施した場合の方が、介在物の低減に効果があることが判った。さらに制御値については、０．２３ＭＰａ（０．３ｍＦｅ）よりも０．０３８ＭＰａ（０．０５ｍＦｅ）に制御した方がばらつきは小さく、生成する気泡サイズは安定していることが推認できる。

本発明は、取鍋底面の注入ノズルを介して、取鍋内溶鋼をタンディッシュ内に注入する鋼の連続鋳造に有用である。

１ 連続鋳造装置
２ 取鍋
２ａ 流出口
２ｂ ウエアレンガ
２ｃ パーマレンガ
２ｄ 鉄皮
３ スライディングノズル
４ 下側プレート
４ａ 貫通孔
５ 下ノズル
５ａ 貫通孔
６ 上側プレート
７ 羽口ノズル
１０ 注入ノズル
１１ ノズル本体
１２ 接続部
１３ 圧力調整機構
１４ 吐出口
１５ 中プレート
２０ タンディッシュ
２１ 撹拌ボックス
２１ａ 底部
２１ｂ 側壁
３１ ガス吹き込み部
Ｇ ガス空間
Ｍ 溶鋼
Ｐ 空間

Claims (10)

1. 取鍋底面の注入ノズルを介して、取鍋内溶鋼をタンディッシュ内に注入する連続鋳造方法において、
   前記注入ノズル内における溶鋼の注入流の周囲に不活性ガスのガス空間を形成して、注入流が注入ノズル内の溶鋼面に衝突した際に、前記ガス空間内の不活性ガスを巻き込ませて前記不活性ガスの気泡を溶鋼中に生成させ、
   前記注入ノズルから吐出された前記気泡を含有する溶鋼流を、タンディッシュ内における前記ノズルの下端開口面に対向して設けられた、上面が開口した撹拌ボックス内で撹拌させるとともに、
   平面視における、注入ノズル外壁下端部と撹拌ボックス内壁上端部との間の距離の最大値をＬとし、注入ノズル下端面に形成された吐出口の面積をＳ _１ 、注入ノズル外壁面と撹拌ボックスの上端内側面と間の隙間が形成する流出部面積をＳ _２ 、ノズル内径をＤ _１ としたとき、Ｌ≦Ｄ _１ 、かつＳ _１ ≦Ｓ _２ 、とすることを特徴とする、連続鋳造方法。
2. 前記ガス空間への不活性ガスの供給は、注入ノズルの上部から不活性ガスを吹き込んで行なうことを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造方法。
3. 前記ガス空間への不活性ガスの供給は、注入ノズルの胴部から不活性ガスを吹き込んで行なうことを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造方法。
4. 前記ガス空間への不活性ガスの供給は、撹拌ボックスの底部から注入ノズル内に向けて不活性ガスを吹き込んで行なうことを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造方法。
5. 前記注入ノズル内のガス空間内雰囲気の圧力を、ノズル外雰囲気に対して正圧に維持することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の連続鋳造方法。
6. 注入ノズル内上端面からノズル内の溶鋼メニスカス面までの長さをＨとしたとき、Ｈ≧Ｄ_１であることを特徴とする、請求項５に記載の連続鋳造方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の連続鋳造方法を実施するための連続鋳造装置であって、
   取鍋底面側に取り付けられて、タンディッシュへの注入位置に配置される注入ノズルと、
   タンディッシュ内における前記ノズルの下端開口面に対向して設けられた、上面が開口した撹拌ボックスとを有し、
   撹拌ボックス内空間は、注入ノズル下端部を挿入可能な形態を有し、
   注入ノズル上端面に形成される注入部の内径をＤ _０ としたとき、
   １．５Ｄ_０≦Ｄ_１≦３Ｄ_０、
   であることを特徴とする、連続鋳造装置。
8. 撹拌ボックス内底面から撹拌ボックス上端までの高さをＨ_１、注入ノズル下端面と、撹拌ボックス内底面との間の距離をＨ_２、としたとき、
   Ｈ_１≧（Ｄ_１／２）ｃｍ、
   （Ｄ_１／４）ｃｍ≦Ｈ_２≦Ｈ_１＋（Ｄ_１／２）、
   であることを特徴とする、請求項７に記載の連続鋳造装置。
9. 撹拌ボックスの最上部の内側に、張出部が設けられていることを特徴とする、請求項７または８のいずれか一項に記載の連続鋳造装置。
10. 前記ガス空間内の雰囲気の圧力を調整する、圧力調整機構を有することを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の連続鋳造装置。

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