JP6122393B2 - 浸漬ノズル - Google Patents

Description

本発明は、溶鋼の連続鋳造において、タンディッシュ設備から鋳型モールドへ溶鋼を注入する際に用いる浸漬ノズルに関する。

浸漬ノズルにおいては、溶鋼による損耗、溶鋼中の介在物、例えば非金属であるアルミナ粒子の付着と堆積による内孔閉塞に起因する耐用限界、割れや折損などが理由となる交換のために、鋼の連続鋳造作業を中断又は終了しなくてはならない。しかし操業効率向上の要求から長時間注入を実現する方法として、鋼の連続鋳造作業を中断することなく浸漬ノズルを新しい浸漬ノズルに交換する装置が導入されている（例えば特許文献１、２）。

このような浸漬ノズル交換装置に適用される浸漬ノズルの基本的な構造は、溶鋼通過経路である内孔を鉛直方向に有する筒状のノズル本体部と、このノズル本体部を重力に対して支え上方向に押し上げて上方の部材と接触させるために浸漬ノズル交換装置の支持具で下方から支持される、水平方向に断面積を拡大させたフランジ部との２つに大別でき、断面積が拡大する境界部分を首部と呼ぶ。

首部は構造上の応力集中点であり、熱的応力と機械的応力が作用することで亀裂を生じ得ることが知られている。首部の亀裂は浸漬ノズルの耐用寿命と鋼の品質にとって問題となる。浸漬ノズルの内孔に溶鋼が流れることで内孔空間の圧力レベルが負圧に傾く結果、首部の亀裂から空気を吸い込み、耐火物を構成する炭素成分を酸化させる結果として漏鋼を引き起こす可能性があり、また鋼を酸素で汚染する可能性がある。

そこで従来より、首部の亀裂発生の抑制を課題として様々な提案がなされている（例えば特許文献３〜６）。これらの従来技術では、浸漬ノズルの構造・形状面からの対策、あるいはノズル本体部とフランジ部とを別材質で構成するなどの対策が講じられているが、いずれも首部の亀裂発生を十分に防ぐことはできない。何故ならノズル本体部において上向きに断面積が拡大する部位、すなわち首部と呼び得る形状が存在している限り、熱的・機械的応力が強く作用すれば亀裂が入り得る構造と言えるからである。

特許第２７９３０３９号公報 特公平４−５０１００号公報 特開２０００−３４３２０８号公報 特開２００１−３００４７号公報 特開２００８−１７８８９９号公報 特許第３５２３０８９号公報

本発明が解決しようとする課題は、浸漬ノズル交換装置に適用される浸漬ノズルにおいて、首部の亀裂発生を防止することにある。

上記課題の解決にあたり本発明者らは、首部に亀裂を発生させる原因となる応力は熱的応力と機械的応力の２つに分類できる単純な事実に着目した。すなわち熱的応力が集中する理由は、首部と呼び得る断面積の変化があることが原因であり、同じく機械的応力が集中する理由も、首部と呼び得る断面積の変化があることが原因である。つまりノズル本体部に首部と呼び得る断面積の変化がない形状こそが、首部亀裂に対する対策形状にふさわしいことを見出した。例えば直円筒形状のような断面積変化のない形状である。

具体的には本発明の一観点によれば、次の構成を有する浸漬ノズルが提供される。
「耐火物からなり鉛直方向に内孔を有するノズル本体部と、このノズル本体部の上端部外周を囲繞して水平方向に突出するように前記上端部外周に直接接合又は接着剤を介して接合された平板状の耐火物からなるフランジ部とを有し、前記フランジ部及びその下方のノズル本体部の一部の外周が金属ケースで囲繞され、前記ノズル本体部及び前記フランジ部の上端面が同一の水平面内にある浸漬ノズルであって、前記フランジ部の下面側を支持具で支持し水平方向にスライドさせて、当該浸漬ノズルの上方に位置する上ノズル部材の下端面に、前記ノズル本体部及び前記フランジ部の上端面が共に接合するように設置する浸漬ノズルにおいて、
前記支持具による上向きの支持力の力点部より上方では、前記ノズル本体部の外周面は、前記内孔の中心軸に対して寸法変化を伴うことなく鉛直方向に上端まで延びると共に、前記金属ケースと接触する面を有しておらず、
前記ノズル本体部と前記フランジ部との接合強度は、前記ノズル本体部及び前記フランジ部の曲げ強度より小さいことを特徴とする浸漬ノズル。」

ここで曲げ強度とは、ＪＩＳ Ｒ２２１３に準じた測定方法による曲げ強度をいう。また接合強度とは、試料の接着面を中心として切り出した境界部を加圧点とした前記の曲げ強度をいう。

本発明の浸漬ノズルは、上記構成により、ノズル本体部に首部と呼び得る断面積の変化がない形状としている。これにより、首部の亀裂発生を防止することができる。
この結果、亀裂からの吸気による浸漬ノズルの耐用低下、溶鋼への酸素混入による鋼の品質劣化等の問題も解消できて、溶鋼の連続鋳造操業の安定及び鋳片品質の低下防止を図ることができる。

本発明の浸漬ノズルは、当該浸漬ノズルを押し付ける力が強い浸漬ノズル交換装置に適用する場合に特に有効に作用し、ノズル本体部とフランジ部が同一の耐火物からなる連続的な一体構造のいわゆるモノブロックタイプの浸漬ノズルでは防止不可能であった首部の亀裂発生を有効に防止できる。

本発明の浸漬ノズルの一実施形態を示す断面図である。 図１の浸漬ノズルの使用状態を示す要部の断面図である。 本発明の浸漬ノズルの他の実施形態（支持部の変形例）を示す断面図である。 特表平５−５０７０２９号公報に開示されたノズル構造を模式的に再現した断面図である。 本発明の範囲外の浸漬ノズルを示す断面図である。 ＦＥＭ解析で使用した解析モデル形状を示す（本発明例）。 ＦＥＭ解析で使用した解析モデル形状を示す（比較例）。 図６の本発明例におけるノズル本体部の発生応力分布を示す。 図７の比較例におけるノズル本体部の発生応力分布を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の浸漬ノズルの一実施形態を示す断面図、図２は図１の浸漬ノズルの使用状態を示す要部の断面図である。

浸漬ノズル１０は、ノズル本体部１１とフランジ部１２とを有する。ノズル本体部１１は、耐火物（定形耐火物）からなり、鉛直方向に溶鋼通過経路である内孔１１ａを有するとともに、下端部には溶鋼を鋳型モールドへ吐出するために対称に位置する吐出孔１１ｂを有する。フランジ部１２は、平板状の前記ノズル本体部とは異なる耐火物（例えばキャスタブル耐火物）からなり、ノズル本体部１１の上端部外周を囲繞して水平方向に突出するように、ノズル本体部１１の上端部外周に直接接合又は接着剤を介して接合されている。ノズル本体部１１及びフランジ部１２の上端面は同一の水平面内にある。そして、フランジ部１２及びその下方のノズル本体部１１の一部の外周が金属ケース１３で囲繞されている。なお、金属ケース１３とノズル本体部１１との間には目地材１４（例えばモルタル等の不定形耐火物，ファイバーシート等）が介在している。

浸漬ノズル１０は、そのフランジ部１２の下面側を浸漬ノズル交換装置の支持具２０で支持し水平方向にスライドさせることで、図２に示すように、当該浸漬ノズル１０の上方に位置する上ノズル部材３０の下端面に、ノズル本体部１１及びフランジ部１２の上端面が共に接合するように設置されて使用される。なお、フランジ部１２の平面形状は、矩形、多角形、楕円形又は円形とすることができる。

以上の基本構成において、本発明の浸漬ノズル１０は、ノズル本体部１１に首部と呼び得る断面積の変化がない形状とし、従来の首部の亀裂発生の問題を解消している。すなわち、ノズル本体部１１の外周面は、支持具２０による上向きの支持力の力点部Ｐより上方（図２中の水平破線より上方）では、内孔１１ａの中心軸Ｃに対して寸法変化を伴うことなく鉛直方向に上端まで延びると共に、金属ケース１３と係合する面を有していない。

一方、首部がなければ、浸漬ノズル１０を重力に対して支持し上ノズル部材３０に対して押し付けることはできないが、本発明の浸漬ノズル１０では、ノズル本体部１１とは別体のフランジ部１２の下面側を支持具２０で支持することにより、上ノズル部材３０に対して押し付けるようにしている。すなわち、本発明の浸漬ノズル１０では、フランジ部１２の上端面が上ノズル部材３０の下端面に押し付けられ、ノズル本体部１１にはほとんど負荷が掛からない。言い換えれば、ノズル本体部１１の上端面での上ノズル部材３０の下端面との接合による圧縮応力は、フランジ部１２の上端面での上ノズル部材３０の下端面との接合による圧縮応力より小さい。

ここで、ノズル本体部１１とフランジ部１２とは別体であり、これらは直接接合又は接着剤を介して接合されていることから、フランジ部１２の下面側を支持具２０で支持して浸漬ノズル１０を上ノズル部材３０に対して押し付けるときの力は、ノズル本体部１１とフランジ部１２との接合境界に集中する。したがって、ノズル本体部１１とフランジ部１２との接合強度が弱い場合は、接合境界でずれが起こるのでノズル本体部１１は破壊されないが、接合強度が強い場合は首折れと同様な破壊現象が起こる。そこで、本発明の浸漬ノズル１０では、ノズル本体部１１とフランジ部１２との接合強度を、ノズル本体部１１及びフランジ部１２の曲げ強度より小さくすることで、上述の首折れを防止している。

なお、本実施形態において、支持具２０で支持するフランジ部１２の下面側の面は水平にした例を示している。これにより、支持具２０による押し付け力がノズル本体部１１とフランジ部１２との接合境界に過度ないし局部的に集中しないようにしている。
但し、前記のノズル本体部１１、フランジ部１２に関する要件を満たしさえすればフランジ部１２の下面側の面は水平形状に限定する必要はない。

本発明の浸漬ノズル１０においてノズル本体部１１の外周面は、支持具２０による上向きの支持力の力点部Ｐより上方では、内孔１１ａの中心軸Ｃに対して寸法変化を伴うことなく鉛直方向に上端まで延びると共に、金属ケース１３と係合する面を有していないことから、ノズル本体部１１が重力によって落下しないような対策が必要である。

その対策として図１の浸漬ノズル１０では、金属ケース１３に、ノズル本体部１１を支持する支持部を形成している。具体的には、金属ケース１３の内周にノズル本体部１１と係合するピン１３ａを形成するとともに、金属ケース１３の下部に下方に向けて縮径するテーパー部１３ｂを形成している。

ピン１３ａを形成する場合、ノズル本体部１１にはピン１３ａを係合させるための凹部を形成する必要があるが、凹部は応力集中点になるため、構造上の弱点となる懸念がある。しかし実際には挿入するピン１３ａを構成する充填物（ピン自体）や、その外周側を取り囲む目地材１４による応力緩和、金属ケース１３によるノズル本体部１１外周拘束の効果、及びノズル本体部１１を構成する耐火物自体が持つ低い亀裂伝搬性などの総合効果として、凹部から破壊することなく使用することが可能である。

例えば当該出願人はガスを吹き込むための構造を有する浸漬ノズル製品において、製品の外径１５０ｍｍの１３％である直径２０ｍｍ、製品の有効肉厚３２．５ｍｍに対して６７％の深さである２２ｍｍの深さまでガス管連結用のソケットを埋め込んだ製品を安定的に供給している。このように、ピン１３ａを係合させるための凹部の直径はノズル本体部１１の外径の１３％、深さは有効肉厚の６７％の深さであっても実績上許容できる。

このようにピン部の構造に関する設計は自由度が大きいので、実質的にはノズル内孔の損傷速度等を考慮した残肉厚以下の深さ、ピンの金属ケースへの設置作業のしやすさ等の要素により決定することもできる。

なお、本発明の浸漬ノズル１０では、フランジ部１２及びその下方のノズル本体部１１の一部の外周が金属ケース１３で囲繞されており、また、ノズル本体部１１とフランジ部１２との接合は、前記のとおり、曲げ強度より低い強度でありさえすれば良いので、その接合強度がノズル本体部１１を落下させずに支持することができる条件の場合は、上述したピン１３ａやテーパー部１３ｂといった支持部は必ずしも必要ではない。また、金属ケースに形成する支持部もピン１３ａやテーパー部１３ｂに限定されず、例えば図３に示すように、金属ケース１３の下端部を内側に直角に折り曲げることで支持部１３ｃを形成することもできる。なお、この支持部１３ｃは、テーパー部１３ｂのテーパー角度を９０°にした例と捉えることもできる。これらの支持部（ピン１３ａ、テーパー部１３ｂ、支持部１３ｃ）の位置も図１及び図３の位置に限定されず、要するに、力点部Ｐより下方の金属ケース１３のいずれかの位置であれば良い。

ここで、本発明の浸漬ノズル１０のようにノズル本体部１１とフランジ部１２とを別体とした構造においてノズル本体部１１の落下防止対策としては、特表平５−５０７０２９号公報に開示されたノズル構造、すなわち図２の力点部Ｐより上方においてフランジ部１２及び本体部１１との間で凹凸を形成して保持することが考えられる。図４は、この特表平５−５０７０２９号公報に開示されたノズル構造を模式的に再現したもので、外周にディンプル（凹部）１１ｃを形成したノズル本体部１１がキャスタブル耐火物からなるフランジ部１２に埋設されている。

しかし、このノズル構造ではディンプル１１ｃ部分においてノズル本体部１１の断面積の拡大又は縮小部分があり、これが首部に相当する形状、すなわち応力集中点が存在することとなる。ディンプル形状はノズル本体部１１の落下防止には効果があるが、特に浸漬ノズル１０を上側に押し付ける力が非常に強い場合、その押し付ける力がフランジ部１２を押し上げてディンプル１１ｃ部分に作用して亀裂が生じる可能性がある。なお、ディンプル１１ｃ部分（凹部）が凸部になっても同様である。

このほか本発明の浸漬ノズル１０と類似するノズル構造として、図５に示すように、ノズル本体部１１の上端部で断面積を減じることも考えられるが、このノズル構造では、フランジ部１２の鋭角になった部分が浸漬ノズル交換の際のスライド時に損傷を受ける可能性が高まること、ノズル本体部１１の製造工程における切削加工ロスが増すこと、また製造工程上でのハンドリングが不安定になることなどの問題が生じる。

以上より、本発明の浸漬ノズル１０のノズル構造、すなわち、支持具２０による上向きの支持力の力点部Ｐより上方では、内孔１１ａの中心軸Ｃに対して寸法変化を伴うことなく鉛直方向に上端まで延びると共に、金属ケース１３と係合する面を有していないことが、本発明の課題解決手段としては最適である。

本発明の浸漬ノズル１０は、例えば以下の方法によって製造可能である。

金属ケース１３にノズル本体部１１をセットし、金属ケース１３とノズル本体部１１との間にキャスタブル耐火物を充填しフランジ部１２を形成する。このとき、上ノズル部材３０の下端面との接合面となるノズル本体部１１及びフランジ部１２の上端面は、金属ケース１３の上端より上方に突き出した位置とし、ノズル本体部１１及びフランジ部１２の上端面が同一の水平面をなすように機械加工する。なお、金属ケース１３にはピン１３ａを設置するための孔を予め穿孔加工しておく。次いで、ノズル本体部１１に、金属ケース１３の孔と対応する位置に穿孔加工を施し、この孔にピン１３ａを装着したうえで金属ケース１３に溶接する。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、実施形態ではフランジ部１２をキャスタブル耐火物で形成したが、定形耐火物で形成することもできる。

ノズル本体部１１に関しては、本発明を明確化する観点から、便宜上簡略化して同一かつ一体的な構造として図示している。しかし本発明はこのような同一かつ一体的な構造に限定する必要はない。例えばモールドのパウダー部に相当する外周部分付近、内孔面の一部又は全部、又は吐出孔付近の一部又は全部等に、それら以外のノズル本体部１１に適用する耐火物とは異なる耐火物を適用することや、内孔にガスを吹き込むためにノズル本体部１１の一部にガスプールやガス導入経路を備えた構造等も採用することができる。

以下、本発明の効果をＦＥＭ解析（有限要素法）にて検証した結果を説明する。

図６及び図７は使用した解析モデル形状を示す。

図６は本発明例であり、支持具による上向きの支持力の力点部より上方では、ノズル本体部１１の外周面は、内孔の中心軸に対して寸法変化を伴うことなく鉛直方向に上端まで延びると共に、金属ケース１３と係合する面を有しておらず、ノズル本体部１１及びフランジ部１２の上端面は共に上ノズル部材３０の下端面に接触している。

図７は比較例であり、支持具による上向きの支持力の力点部より上方において、ノズル本体部１１の外径を僅かに拡大させることでノズル本体部１１を重力に対して落下させない構造としている。また、ノズル本体部１１の上端面は、フランジ部１２の上端面より１ｍｍ突き出しており、上ノズル部材３０との接合状態において、ノズル本体部１１の上端面のみが上ノズル部材３０の下端面に接触し、フランジ部１２は上ノズル部材３０と接触していない。

両解析モデルともノズル本体部１１は定形耐火物、フランジ部１２はキャスタブル耐火物で形成し、これらを直接接合することを前提とした。この場合、ノズル本体部１１とフランジ部１２との接合強度は極めて低いため、ＦＥＭ解析では、ノズル本体部１１とフランジ部１２との境界面は接触定義とし、外力によって面のずれが起こるように設定した。そして、これらの解析モデルに、浸漬ノズル交換装置の支持具による支持力、内孔を通過する溶鋼からの加熱、及び外周部の自然冷却を与えることで、機械的応力と熱応力を同時に発生させた。

その結果を図８及び図９に示す。図８は、図６の本発明例におけるノズル本体部１１の発生応力分布を示し、図９は、図７の比較例におけるノズル本体部１１の発生応力分布を示す。

図６の本発明例では、図８からもわかるとおり発生応力の大きな集中は見られず、最大主応力値は３．６ＭＰａであった。これに対して図７の比較例では、図９からもわかるとおり首部（ノズル本体部１１の外径拡大部）に発生応力の顕著な集中が見られ、最大主応力値は５．７ＭＰａであった。

このＦＥＭ解析上の最大主応力値がノズル本体部１１の破壊に結び付くか否かは、ノズル本体部１１を形成する耐火物の引っ張り強度と比較すれば良い。ノズル本体部用の通常の耐火物の曲げ強度は約８〜１０ＭＰａ程度であり、この引っ張り強度は約４〜５ＭＰａと推測できる。また、ＦＥＭ解析で求めた最大主応力値は材料力学での定義があり，これは引っ張り応力である。そうすると、図６の本発明例では最大主応力値が３．６ＭＰａであり、通常のノズル本体部用の耐火物の破壊強度を超えないので、ノズル本体部１１は破壊しない。これに対して図７の本発明例では最大主応力値が５．７ＭＰａであり、通常のノズル本体部用の耐火物の破壊強度を超え、ノズル本体部１１の破壊に結び付く。

なお、実際の連続鋳造装置で図６の本発明例の形状の浸漬ノズルを使用した結果、亀裂の発生はなかったのに対し、図７の比較例の形状の浸漬ノズルを使用したところ、ＦＥＭ解析で最も高い応力値が観測される場所、すなわち首部に亀裂が発生した。

１０ 浸漬ノズル
１１ ノズル本体部
１１ａ 内孔
１１ｂ 吐出孔
１１ｃ ディンプル（凹部）
１２ フランジ部
１３ 金属ケース
１３ａ ピン（支持部）
１３ｂ テーパー部（支持部）
１３ｃ 支持部
１４ 目地材
２０ 支持具
３０ 上ノズル部材

Claims (4)

1. 耐火物からなり鉛直方向に内孔を有するノズル本体部と、このノズル本体部の上端部外周を囲繞して水平方向に突出するように前記上端部外周に直接接合又は接着剤を介して接合された平板状の耐火物からなるフランジ部とを有し、前記フランジ部及びその下方のノズル本体部の一部の外周が金属ケースで囲繞され、前記ノズル本体部及び前記フランジ部の上端面が同一の水平面内にある浸漬ノズルであって、前記フランジ部の下面側を支持具で支持し水平方向にスライドさせて、当該浸漬ノズルの上方に位置する上ノズル部材の下端面に、前記ノズル本体部及び前記フランジ部の上端面が共に接合するように設置する浸漬ノズルにおいて、
   前記支持具による上向きの支持力の力点部より上方では、前記ノズル本体部の外周面は、前記内孔の中心軸に対して寸法変化を伴うことなく鉛直方向に上端まで延びると共に、前記金属ケースと係合する面を有しておらず、
   前記ノズル本体部と前記フランジ部との接合強度は、前記ノズル本体部及び前記フランジ部の曲げ強度より小さいことを特徴とする浸漬ノズル。
2. 前記力点部より下方において前記金属ケースに、前記ノズル本体部を支持する支持部を形成した、請求項１に記載の浸漬ノズル。
3. 前記フランジ部がキャスタブル耐火物からなる、請求項１又は２に記載の浸漬ノズル。
4. 前記フランジ部を当該浸漬ノズルの上方からみた際の平面形状が、矩形、多角形、楕円形又は円形である、請求項１から３のいずれかに記載の浸漬ノズル。