JP5626895B2 - 連続鋳造用ロングノズル - Google Patents

Description

本発明は、取鍋からタンディッシュに溶鋼を注入する際に使用する連続鋳造用のロングノズルに関する。

鋼の連続鋳造において、取鍋からタンディッシュに溶鋼を注入する際には、溶鋼を空気から遮断し、整流化するためにロングノズルを使用し、そして、取鍋のノズル部には、取鍋から排出される溶鋼の流量を制御するために、スライディングノズルのような内孔の開孔面積を調整する機構を設けている。

ところが、この内孔の開孔面積を全内孔面積よりも小さい断面積にして注入する状態の下では、排出される溶鋼流に偏流を生じることが多い。この偏流によって、ロングノズルの内孔壁の特定の部分に溶鋼流が集中的に衝突し、この溶鋼流の集中的な衝突はロングノズル内孔壁の局部的な損傷を生じさせる。そして、このような損傷に起因してロングノズルの孔開き等のトラブルが発生することになる。

従来から、このような内孔壁の局部的な損傷に起因するトラブルの発生を防止するための対策が提案されてきた。例えば、特許文献１には、ロングノズル内孔面とその外周面の溶鋼接触面にロングノズル本体とは異なり、耐スポーリング性に優れた材質からなる層を、ロングノズル本体をなす耐火物層の表面側に配置する構造が提案されている。

また、ロングノズルは取鍋交換時の熱サイクルが大きいことから、その本体には耐熱衝撃性に優れた耐火物を採用し、しかも、この本体をなす耐火物層は、ロングノズル全体に亘って一体的に連続した構造とされて、破壊を防止する構造とされることが一般的である。

さらに、本体の耐火物よりも耐食性や耐摩耗性等の耐損傷性に優れる耐火物は、ほとんどの場合、本体の耐火物よりも耐熱衝撃性に劣るので、本体耐火物層の溶鋼接触面側に、相対的に薄い層として設置されることが多い。

特開２００６−１３０５５５号公報

しかしながら、このように、本体の耐火物よりも耐食性や耐摩耗性等の耐損傷性に優れた耐火物を、溶鋼接触面側に相対的に薄い層（表面耐火物層）として設置した構造では、その損傷程度等を正確に把握すること、それによって、残りの使用可能時間等を推測することは困難である。例えば、内孔側について、その断面積を目視で確認した際には、たとえ元の孔径より拡大していることが把握できても、断面内の正確な位置及び位置ごとの損傷の絶対的な程度を目視又は簡易な治具では把握することはできない。そのため、耐損傷性に優れる耐火物の損傷が進んで残厚がなくなって、溶鋼注入中にロングノズルの側壁に突然孔が生じて漏鋼する、折損や亀裂が生じる等のトラブルが発生することがある。

表面耐火物層が損傷して残厚がなくなった後、本体耐火物層の損傷が始まる。表面耐火物層と本体耐火物層とを凹凸のない、又は凹凸の小さい平面状で接触させた構造の場合は、表面耐火物層と本体耐火物層との境界がなだらかであることから、表面耐火物層の損傷位置や程度を目視では正確に認識することが困難である。

そこで、本発明の課題は、内孔側及び外周側を含む溶鋼接触面（表面領域）に、本体をなす耐火物層（本体耐火物層）とは異なる耐火物層（表面耐火物層）を配置した構造のロングノズルにおいて、表面耐火物層の損傷状態を目視でも正確に把握できる耐火物の配置構造を提供することにある。

溶鋼接触面の一部又は全部に表面耐火物層を配置したロングノズルにおいて、操業により表面耐火物層が損傷して本体耐火物層が表面に露出した際に、本体耐火物層と表面耐火物層とが隣接して存在している場合は、両者の色調及び光の陰影の差が生じる。しかしながら、特にその接合面を平滑にした場合には、その差が僅少であること、確認可能な作業時間はチャージ間の短時間であること、ロングノズルは１０００℃前後の温度域にあること、視覚によるので個人差や状況による差が生じること、等の理由により、正確に見極めることは困難である。

本発明者らは、本体耐火物層と表面耐火物層との間の境界面をノズルの円周方向に凹凸状に形成し、かつ隣り合う凹凸の頂点間の長さを所定値以上に大きくすることにより、その凹凸部分を目視によって明確に認識できることを知見した。これは、このように色調及び輝度が異なる材料（耐火物）を凹凸状に隣接させると、材質に関係なく、視覚上、色調及び光の陰影の差がより強調されることによる。

以下、内孔側の表面に本体耐火物層よりも損傷速度が小さい表面耐火物層を配置する場合を例に、本発明を詳述する。

本発明の実施形態を示す図１においては、溶鋼接触面として、連続鋳造用ロングノズル１０の内孔１面に本体耐火物層２とは異なる表面耐火物層３を目地を設けずに一体的に配置した例を示す。そして、本体耐火物層２と表面耐火物層３との境界である接合部分を、図２の拡大図に示すように、各頂点間の長さＬｒ、Ｌａｃ及びＬｂｃを有する凹凸状に形成している。

このような本体耐火物層２と表面耐火物層３の接合部分は、表面耐火物層３の損傷により現れる。そして、この接合部分に現れる凹凸のピッチ（長さ及び深さ）が５ｍｍ以上の場合に、目視によって、上記接合部分の出現、言い換えれば表面耐火物層３の損耗の程度を明確に認識できることが、実験によって確認された。

接合部分に現れる凹凸のピッチを５ｍｍ以上とするためには、凹凸の各頂点間の長さＬｒ、Ｌａｃ及びＬｂｃを以下のように設定する必要がある。

まず、凹凸の半径方向の深さ、すなわち凹凸の半径方向の隣接する頂点間の長さＬｒ（ｍｍ）は、本体耐火物層２及び表面耐火物層３の損傷速度の差により現れる凹部の半径方向の深さが、視認するために必要な５ｍｍ以上の長さになるために必要なチャージ数以上に耐用する長さでなければならない。すなわち、表面耐火物層３について、このチャージ数に表面耐火物層３の１チャージ当たりの損傷速度を乗じた長さ以上が必要である。

これを数式で表すと、凹凸の半径方向の深さ、すなわち凹凸の半径方向の隣接する頂点間の長さＬｒ（ｍｍ）は、本体耐火物層２の１チャージあたりの損傷速度をＡ（ｍｍ）、表面耐火物層３の１チャージあたりの損傷速度をＢ（ｍｍ）とするときに、式１を満足する長さであることが必要である。
Ｌｒ ≧ Ｂ×[５／（Ａ−Ｂ）] ・・・・・ 式１
ただし、Ａ＞Ｂ

式１中の[５／（Ａ−Ｂ）]部分は、視認するために必要な５ｍｍ以上の長さになるために必要なチャージ数である。この部分は、本体耐火物層２と表面耐火物層３の損傷後の差、すなわち凹部深さが５ｍｍ以上になるときに、表面耐火物層３の残寸を確保する必要性から、小数点以下を切り上げた整数の値とすることが必要である。

次に、凹凸の円周方向の隣接する頂点間の、表面耐火物層の長さＬｂｃ（ｍｍ）は、上記式１内に示すチャージ数を経た後も円周方向に５ｍｍ以上を確保する長さにすることが必要である。

これは式２の数式で表すことができる。
Ｌｂｃ ≧ ２×Ｂ×[５／（Ａ−Ｂ）]＋５ ・・・・・ 式２
ただし、Ａ＞Ｂ

本体耐火物層２が露出すると、その後の表面耐火物層３の円周方向の損傷は本体耐火物層２の消失に伴って２面で進行する。表面耐火物層３の円周方向の面も１チャージ当たりに損傷する長さＢの速度で損傷するが、円周方向には２面が露出するのでその２面分の長さとして前記Ｂに２を乗じ、さらに上述の式１のチャージ数、すなわち式２中の[５／（Ａ−Ｂ）]部分を乗じた長さが、チャージ数に応じて必要な長さとなる。さらにこのチャージ数を経た後も円周方向に５ｍｍ以上を確保するために、上述の２×[５／（Ａ−Ｂ）]に５ｍｍを加えた長さにすることが必要である。

凹凸の円周方向の隣接する頂点間の、本体耐火物層の長さＬａｃ（ｍｍ）も、上記式１内に示すチャージ数を経た後において円周方向に５ｍｍ以上を確保する長さであることが必要である。凹凸の円周方向における本体耐火物層側の長さは、上記Ｌｂｃで説明したとおり、Ｂの２倍の損傷速度で、チャージ数が大きくなるに伴って漸次増大する。したがって、凹凸の円周方向の隣接する頂点間の、本体耐火物層の長さＬａｃ（ｍｍ）は、凹凸を形成するためにゼロを超えることを前提として、式３を満足する長さとすれば、凹凸の円周方向における本体耐火物層側の長さは５ｍｍ以上となる。
Ｌａｃ ≧ ５−２×Ｂ×[５／（Ａ−Ｂ）] ・・・・・ 式３
ただし、Ａ＞Ｂ、Ｌａｃ＞０

耐火物の損傷状態の確認及び判定を行う時点の凹凸の円周方向の隣接する頂点間の長さ（Ｌａｃ及びＬｂｃに対応する長さ）が５ｍｍ未満の場合は付着物等により凹凸が滑らかになることがあって目視では凹凸の区別がし難くなる。なお、このＬｂｃに対応する長さが５ｍｍ未満の場合は、内孔側に凸状に飛び出した表面耐火物部分が破壊する虞もある。

Ｌａｃ及びＬｂｃの上限は定めるべき理由はない。しかし、Ｌａｃに関しては漸次拡大するので、初期（損傷のない状態）のＬａｃは、表面耐火物層２の損傷速度に応じて目視による確認時点で５ｍｍ以上になるような長さにしておけばよい。Ｌａｃは上述のとおり、Ｌｂｃの損傷長さの２倍の長さ分漸次増大するので、製造上可能な最小の値の長さにすることが好ましい（例えば、１〜３ｍｍ等）。

凹凸部分（接合部分）において円周方向に隣接する本体耐火物層２と表面耐火物層３の方向が変化する部分すなわち頂点４、５の形状は、鋭角になっている場合には応力の集中により破壊が発生する懸念があるので、数ミリ程度のＲを形成することが好ましい。

また、Ｌａｃは、図３に示すように表面領域側が本体耐火物層側よりも大きくなるような凹凸形状、すなわち、本体耐火物層２を外周側から内孔側に拡大する扇状の形状にすることが好ましい。

このような形状にすることで、表面耐火物層３は内孔側から外周側に拡大する扇状の形状になる。すると、Ｌａｃに対応する本体耐火物層２の長さは損傷の進行に伴って漸次小さくなり、Ｌｂｃに対応する表面耐火物層３の長さは損傷の進行に伴って漸次大きくなる。その結果、チャージ数が増大して損傷が大きくなっても、表面耐火物層３の露出部分がより強固に本体耐火物層２側に固定されると共に、本体耐火物層３の損傷面積も極小化することが可能になる。

なお、凹凸部分は、図２及び図３の形状に限定されず、図４のような形状であってもよい。この場合、図２で説明した表面領域側のＬａｃは、ゼロを超える極小値をとる。

本体耐火物層２が露出してその損傷が始まってから、取鍋１チャージの注入中に本体耐火物層２の残厚が失われた場合はロングノズルの孔開き等の事故につながる。したがって、表面耐火物層３が損傷して本体耐火物層２が表面に露出する部分、すなわち、ロングノズル横方向断面の半径方向における本体耐火物層の最も内側（表面領域側）の頂点から同半径方向の最外周面（最背面）までの長さＣｉ（図２参照）は、５ｍｍの凹深さになるのに必要なチャージ数に１チャージあたりの本体耐火物層２の損傷速度Ａを乗じた値に相当する長さを超えていることが必要である。

これは式４の数式で表すことができる。
Ｃｉ ＞ Ａ×[５／（Ａ−Ｂ）] ・・・・・ 式４
ただし、Ａ＞Ｂ
安全代を得るためには、前記ＣｉにＬｒを加えた長さであることが好ましい。

表面耐火物層３は、主としてロングノズル内孔の溶鋼の偏流等による損傷が大きい部位に配置し、その配置部位は、ロングノズルの縦方向断面上の一部又は全部、横方向断面上の一部又は全部のいずれであってもよい。

なお、本発明の溶鋼接触面側に関する上述のロングノズル構造は、内孔側にとどまらず、外周側の溶鋼やスラグ等に接触する面にも適用することが可能である。ただし、その場合は、外周側に損傷速度が相対的に小さい耐火物を設置する。

本発明のロングノズルは、一般的なアルミナ−黒鉛質のロングノズルの製造方法に準じて製造することができる。本発明の表面耐火物層を形成するには、ＣＩＰ成形用のモールドに予め所定の形状に成形した仕切り板を表面耐火物層とするはい土と本体耐火物とするはい土の間に設置し、それぞれのはい土を充填した後に前記の仕切り板を除去すればよい。

本発明によると、表面耐火物層が損傷した際に、表面耐火物層とその表面耐火物層の背面側に位置する本体耐火物層との境界である接合部分に明確な凹凸を認識させることができ、目視による表面耐火物層の損傷状態の確認を正確かつ迅速に行うことができる。

本発明により、ロングノズルの残りの使用可能チャージ数等（残りの寿命）を推測することができ、また、交換すべき時期を正確に把握することができ、ロングノズルの孔開き、亀裂・折損等の事故の発生を未然に防止することが可能となる。ひいては操業の安全及び安定に寄与することができ、鋳片の品質の安定化や向上にも寄与することができる。

本発明の連続鋳造用ロングノズルの一例（内孔全面に表面耐火物層を配置した例）を示し、（ａ）はその縦方向断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１の連続鋳造用ロングノズルにおいて表面耐火物層と本体耐火物層との境界である接合部分を概念的に示す拡大図である。 凹凸の形状（パターン）例を示す。 凹凸の他の形状（パターン）例を示す。

以下、具体的な実施例に基づいて、本発明の実施形態を説明する。

（計算例）
表１に、本体耐火物層と異なる損傷速度を有する表面耐火物層につき、その損傷速度の大小によって上記式１によるＬｒを算出した計算例を示す。

（実施例Ａ）
実施例Ａは、上述の長さＬｂｃ（表面耐火物層の円周方向頂点間長さ）と長さＬｒ（半径方向の凹深さ）につき、目視による判定可能性を調査した例である。

これは、図１に示す内径（表面耐火物層３部分の内径）が９０ｍｍ、外径（本体耐火物２部分の外径）が１５０ｍｍの連続鋳造用ロングノズルにおいて、本体耐火物層２としてカーボン３０％シリカ２５％のアルミナカーボン質、表面耐火物層３としてカーボン２０％シリカ２０％のアルミナカーボン質の耐火物を使用した例である。

表２に結果を示す。表２から、上述の長さＬｂｃと長さＬｒの両方が５ｍｍ以上の場合に目視による判定が可能であることがわかる。

（実施例Ｂ）
実施例Ｂは、図１に示す連続鋳造用ロングノズルにおいて、本体耐火物層２の損傷速度をＡｍｍ／ｃｈ（ｃｈはチャージの略）と表面耐火物層３の損傷速度をＢｍｍ／ｃｈとした場合の損傷速度の差による、上述の長さＬｒ（半径方向の凹深さ）と目視により判定が可能となるチャージ数との関係を示す。

表３は、損傷速度Ａが１．０ｍｍ／ｃｈの本体耐火物層２に対して損傷速度Ｂが０．７ｍｍ／ｃｈの表面耐火物層３を組み合わせた場合の、鋳造チャージ数に伴うそれぞれの耐火物層の半径方向の損傷長さの差を示す。この場合の半径方向の凹凸頂点間長さの初期値である、式１によるＬｒは１１．９ｍｍ（必要長さの最小値）である。

この場合、１７ｃｈで表面耐火物層３の半径方向の残寸がゼロになり、同時に本体耐火物層２との差が５ｍｍ以上となることがわかる。仮にＬｒが１１．９ｍｍ（必要長さの最小値）より小さい場合には、１７ｃｈ前に表面耐火物層３の残寸が消失するので、その消失後には本体耐火物層２と表面耐火物層３との差が５ｍｍ以上になることはない。

なお、この場合のＬｂｃは、２８．８ｍｍ以上となる。計算上のＬａｃの最小値は負の値（−１８．８ｍｍ）となるが、Ｌｂｃの損傷量に合わせて２３．８ｍｍ／ｃｈ以上拡大するので、Ｌａｃはゼロより大きい製造上可能な最小値でよいことになる。Ｃｉは、１７ｍｍ以上、Ｌｒとの合計である２８．９ｍｍ以上であることが好ましいことになる。

表４は、損傷速度Ａが１．０ｍｍ／ｃｈの本体耐火物層２に対して損傷速度Ｂが０．５ｍｍ／ｃｈの表面耐火物層３を組み合わせた場合の、鋳造チャージ数に伴うそれぞれの耐火物層の半径方向の損傷長さの差を示す。この場合の半径方向の凹凸頂点間長さの初期値である、式１によるＬｒは５ｍｍ（必要長さの最小値）である。

この場合、１０ｃｈで表面耐火物層３の半径方向の残寸がゼロになり、同時に本体耐火物層２との差が５ｍｍ以上となることがわかる。１１ｃｈ目以降は、表面耐火物層３が存在していた半径方向外側には表面耐火物層３は存在しない。つまり１１ｃｈ目以降は本体耐火物層２が露出し、その隣接する本体耐火物２と同一の損傷速度で損傷が進行することになって、半径方向凹部深さは５ｍｍを維持することになる。仮にＬｒが５ｍｍ（必要長さの最小値）より小さい場合には１０ｃｈ前に表面耐火物層３の残寸が消失するので、その消失後には本体耐火物層２と表面耐火物層３との差が５ｍｍ以上になることはない。

なお、この場合のＬｂｃは、１５ｍｍ以上となる。計算上のＬａｃの最小値は負の値（−５ｍｍ）となるが、Ｌｂｃの損傷量に合わせて１０ｍｍ／ｃｈ以上拡大するので、Ｌａｃはゼロより大きい製造上可能な最小値でよいことになる。Ｃｉは、１０ｍｍ以上、Ｌｒとの合計である１５ｍｍ以上であることが好ましいことになる。

上記表３、表４の結果から、概念的には、ＡとＢの差が小さい場合は表面耐火物層３の半径方向の凹凸頂点間長さであるＬｒを大きくする必要があり、ＡとＢの差が大きい場合は小さくてよいといえる。これらのことは、ロングノズルの本体及び表面の耐火物それぞれの材質、それぞれの肉厚等の設計、並びに計画寿命の決定等において、基準の一つとすることができる。

１０ 連続鋳造用ロングノズル
１ 内孔
２ 本体耐火物層
３ 表面耐火物層
４，５ 凹凸の頂点

Claims (2)

1. 本体耐火物層とは損傷速度が異なる表面耐火物層を側壁の一部又は全部の表面領域に配置した構造の連続鋳造用ロングノズルにおいて、
   前記表面耐火物層とその表面耐火物層の背面側に位置する本体耐火物層との境界である接合部分が、円周方向において凹凸状になっており、
   凹凸の半径方向の隣接する頂点間の長さＬｒ（ｍｍ）が、本体耐火物層の１チャージあたりの損傷速度をＡ（ｍｍ）、表面耐火物層の１チャージあたりの損傷速度をＢ（ｍｍ）とするときに、式１を満足し、
   凹凸の円周方向の隣接する頂点間の、表面耐火物層の長さＬｂｃ（ｍｍ）が式２を満足し、
   凹凸の円周方向の隣接する頂点間の、本体耐火物層の長さＬａｃ（ｍｍ）が、式３を満足し、
   半径方向における本体耐火物層の最も表面領域側の頂点から同半径方向最背面までの長さＣｉが、式４を満足することを特徴とする連続鋳造用ロングノズル。
   Ｌｒ ≧ Ｂ×[５／（Ａ−Ｂ）] ・・・・・ 式１
   Ｌｂｃ ≧ ２×Ｂ×[５／（Ａ−Ｂ）]＋５ ・・・・・ 式２
   Ｌａｃ ≧ ５−２×Ｂ×[５／（Ａ−Ｂ）] ・・・・・ 式３
   Ｃｉ ＞ Ａ×[５／（Ａ−Ｂ）] ・・・・・ 式４
   ただし、Ａ＞Ｂ、Ｌａｃ＞０、[５／（Ａ−Ｂ）]は小数点以下を切り上げた整数とする。
2. 前記Ｌａｃは、表面領域側が本体耐火物側よりも大きい請求項１に記載の連続鋳造用ロングノズル。

Images