JP6219267B2 - ３基の鋳型を対称に配置した下注造塊装置における下注造塊方法 - Google Patents

Description

本発明は、３基の鋳型を対称に配置した下注造塊装置における下注造塊方法に関する。

通常、下注造塊装置においては、取鍋からの溶鋼を注入する注入管を基準にすると、当該注入管に対して、左右対称に鋳型を配列して鋳造を行うことが多い。鋳型数が多くなると、各鋳型内で湯上がり速度にバラツキが生じて、注入管から最も遠い鋳型の湯上がり速度が速くなることがある。このような場合、例えば、湯面が同じ高さとなるまで溶鋼の注入を中断したり、取鍋のノズルを絞って溶鋼の注入速度を極端に少なくすることで湯面の高い鋳型内の溶鋼を湯道に逆流させることにより、鋳型間での湯面の高さを均一化をしている。

しかしながら、このような方法では、注湯速度の制御が非常に大変であると共に、注湯時間が長くなり、作業効率が低下してしまう。また、溶鋼を湯道に逆流させる方法を行った場合は、湯道内に残留していた溶損した耐火物などがゆっくりとした流れで他の鋳型内に持ち込まれると共に、持ち込まれた耐火物は鋳型内で浮上することが難しいため、鋼塊のボトム部に容易に捕捉されて、介在物による欠陥が発生してしまう虞がある。

さて、下注造塊方法として、特許文献１及び２に示すものがある。
特許文献１は、２つ以上並設された鋳型への溶鋼注入速度を均一化させ、鋳造欠陥を防止することを目的としている。特許文献１では、２つ以上並設された鋳型に各鋳型底部より溶鋼を導入して造塊する下注ぎ造塊方法であって、注入管よりｎ番目の鋳型ノズルより上流側湯道を流れる溶鋼流速をＶｎ，注入管よりｎ＋１番目の鋳型ノズルより上流側湯道を流れる溶鋼流速をＶｎ＋１としたとき、「Ｖｎ＜１．５Ｖｎ＋１」となるように造塊している。

特許文献２は、注入管からの距離が長くなるほどその鋳型への溶鋼注入速度が他の鋳型に比べ早まり注入終了時期が異なり品質を損なうのを防止することを目的としている。特許文献２では、定盤上に多数の鋳型を配置して下注造塊する定盤において、注入管から最長距離にある注入口径を他の注入口径より小径にした定盤を用いて造塊している。
また、上述した特許文献１及び２の他に、特許文献３に示す技術がある。この特許文献３は、溶融金属注入流に巻き込まれたガス体が湯道管を通じて鋳型内へ流れ込むことを防止することを目的としている。特許文献３では、下注ぎ管と鋳型との間に設けた湯道管の一部内径を他の湯道内径より小径にして、湯道全体の溶鋼流に抵抗を与え、ガスの巻き込みを防止している。

特開昭６１−２３５５５公報 特開昭５０−１１４３４８号公報 実開昭５０−８９９１３号公報

特許文献１では、湯道を細くすることが開示されているものの、湯道を細くする際の注入流量との関係が示されていない。特許文献２は、注入口の径を小さくするのに限られているため、注入口の煉瓦に負担が掛かりやすく、破損や侵食を受けやすいので、耐火物の巻き込みによる鋳片欠陥を引起したり、鋳造中に細径部が広がり、注湯速度を安定して保持することが難しい。

特許文献３は、湯道径を細くすることが開示されているものの、湯道径を短くする基準が示されていないと共に、細くした湯道部の長さについても示されておらず、湯面高さを一定にすることは困難である。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、３基の鋳型を対称に配置した下注造塊装置における下注造塊方法であって、各鋳型間の湯面高さの差を少なくしつつ、高品質の
鋼塊を製造することができる下注造塊方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、次の手段を講じた。
即ち、本発明に係る下注造塊方法は、注入管から分かれた湯道に、鋳型数が３基である右側鋳型と鋳型数が３基である左側鋳型とが設けられた下注造塊装置において下注ぎ鋳造を行うに際して、前記注入管に注入する注湯流量は５〜１０ｔ／ｍｉｎとされており、前記右側鋳型及び左側鋳型の湯道に関して、前記注入管から２番目の鋳型に至る第１湯道の内径を湯道内径Ｄ２（ｍｍ）とし、前記２番目の鋳型から３番目の鋳型に至る第２湯道に設けた細径部の内径を湯道内径Ｄ１（ｍｍ）とし、水モデルにおける注湯流量を実機に換算した場合の注湯流量をＷ _Ｒ としたとき、前記湯道内径Ｄ１、湯道内径Ｄ２は、式（１）及び（２）を満たし、前記第２湯道の細径部の長さＬ１（ｍｍ）が式（３）を満たすと共に前記第２湯道の細径部の終端位置から３番目の鋳型の注入口までの距離Ｌ２（ｍｍ）が式（４）を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、３基の鋳型を対称に配置した下注造塊装置を用いた下注造塊方法において、各鋳型間の湯面高さの差を少なくしつつ、高品質の鋼塊を製造することができる。

下注ぎ造塊を行う下注造塊装置の概略図である。 湯道内径と、2.5L/min、5.0L/min、7.5L/minの鋳型内への注入流量における最大注入流量差との関係を示す図である。 湯道内径と、2.5L/min、5.0L/min、7.5L/minの鋳型内への注入流量における最大注入流量差をパーセントで表した場合の最大注入流量差との関係を示す図である。 水モデルの模型を示す図である。 D2=16mmφでの細湯道内径D1と、最大注入流量差と注入管への注湯流量Qとの関係を示す図である。 注湯流量Qと細湯道内径D1との関係を示す図である。 最大注入流量差が7.1%以下となる状況下における、注湯流量Qと、主湯道内径D2及び細湯道内径D1との関係を示す図である。 細径部の長さL1と最大注入流量差との関係を示す図である。 注湯流量Qと、細湯道内径D1及び細径部の長さL1との関係を示す図である。 スプラッシュの状態を示す図である。 D2=16mmφ、D1=11mmφ、L1=314mmでの注湯流量Qと、離間距離L2と、スプラッシュの有無の関係図である。 D2=16mmφ、D1=13mmφ、L1=314mmでの注湯流量Qと、離間距離L2と、スプラッシュの有無の関係図である。 D2=18mmφ、D1=13mmφ、L1=314mmでの注湯流量Qと、離間距離L2と、スプラッシュの有無の関係図である。 注湯流量Ｑと、スプラッシュ発生の有無の離間距離Ｌ2の境界との関係を示す図である。 注湯流量18.0L/min、D1=D2=16mmφとした場合の注入開始からの時間と湯面高さとの関係を示す図である。 注湯流量18.0L/min、D1=11mmφ、D2=16mmφとした場合の注入開始からの時間と湯面高さとの関係を示す図である。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
造塊法として、下注ぎ造塊法と上注ぎ造塊法の２種類がある。上注ぎ造塊法では鋳型の上部の開口部に取鍋から直接、溶鋼を注ぎ込んで鋳造するのに対し、下注ぎ造塊法では、注入管と呼ばれるロート状の注ぎ口が設けられた垂直の管に溶鋼を注ぎ込んで、湯道を介して鋳型に注湯することにより鋳造を行う。本発明では、造塊法のうち、下注ぎ造塊法を対象としている。

下注ぎ造塊法において、２基以上の鋳型に同時に注湯する場合は、注入管の下部から左右若しくは多方向に分岐された湯道を経由して、各鋳型の底の注入口から当該鋳型内に溶鋼が注湯される。ここで、鉄鋼メーカでは多くの場合、大量のインゴットを効率良く鋳造し、注入場から搬出するため、鋳造したインゴットを鋳型と注入管、湯道ともども、運搬用列車の台車に積載して移動させる。このようなことから、湯道は、台車の長手方向、即ち、左右方向に沿った配列になる。つまり、湯道は、注入管から左右に分かれて設置される。

さて、本発明の下注ぎ造塊法では、注入管を基準として、左右対称に鋳型を配置する。また、この下注造塊方法では、１ヒート分の溶解量が９０〜３００ｔで、鋳造時間が４５分〜１．５時間、注湯流量は５〜１０ｔ／ｍｉｎ、１基の鋳型当たりの注湯量が１５〜３０ｔの範囲である。
通常、大型の高品質インゴットの下注造塊方法下では、鋳片品質を保つためにスループットを１０ｔ／ｍｉｎを超えて大きくすることは、注入口から鋳型内に噴出する溶鋼流速が過大になり鋳型内に投入される型内剤や保温剤を巻き込むため行われていない。また、注湯流量が２ｔ／ｍｉｎ以下の場合、溶鋼の温度低下、湯道内での溶鋼の凝固による詰まりを引き起こす虞があるため、２ｔ／ｍｉｎ以下での鋳造は行われない。なお、本発明では、３基の鋳型を対称に配置した下注造塊装置で造塊を行うこととしており、鋳型数が６基である。また、１基当たりの注湯量が１５〜３０ｔであるため、注湯時間が長くならないよう注湯流量は５ｔ/ｍｉｎ以上で鋳造を行うこととしている。

まず、下注造塊方法を行う下注造塊装置の構造について説明する。
図１は、下注造塊装置の全体を示している。
図１に示すように、下注造塊装置１は、下注ぎ造塊法により溶鋼２を鋳造するものであって、取鍋３内の溶鋼２を注入する注入管４と、注入管４の下端から左右に分岐した湯道５と、この湯道５に連通する鋳型６とを備えている。

詳しくは、定盤７には１本の注入管４が立設され、注入管４の下端であって定盤７の内部には当該注入管４から枝分かれした湯道５が形成されている。また、注入管４を基準として、左側に３基の鋳型６ａ、６ｂ、６ｃが設けられ、右側にも３基の鋳型６ｄ、６ｅ、６ｆが設けられている。注入管４、湯道５、注入口８の内面は耐火物で構成され、鋳型６は鋳鉄で構成されている。また、鋳型６上部の押湯部の内面には耐火物が貼られている。以降、説明の便宜上、左側に設けた３基の鋳型６ａ、６ｂ、６ｃのことを「左側鋳型」、右側に設けた３基の鋳型６ｄ、６ｅ、６ｆのことを「右側鋳型」という。また、左側鋳型に関し、注入管４を基準として、１番目に左側に位置する鋳型６ｃのことを「鋳型Ｃ」、２番目に左側に位置する鋳型６ｂのことを「鋳型Ｂ」、注入管４から３番目（最も左側に位置する）鋳型６ａのことを「鋳型Ａ」という。右側鋳型に関し、注入管４を基準として、当該注入管４から１番目に位置する鋳型６ｄのことを「鋳型Ｄ」、２番目に位置する鋳型６ｅのことを「鋳型Ｅ」、注入管４から３番目（最も右側に位置する）鋳型６ｆのことを「鋳型Ｆ」という。

各鋳型（鋳型Ａ、鋳型Ｂ、鋳型Ｃ、鋳型Ｄ、鋳型Ｅ、鋳型Ｆ）の幅方向中央部には注入口８が形成されている。また、湯道５に関し、注入管４から左側鋳型（鋳型Ａ、鋳型Ｂ、鋳型Ｃ）に向かう左側湯道５Ｆは、左側鋳型の注入口８に接続されている。注入管４から右側鋳型（鋳型Ｄ、鋳型Ｅ、鋳型Ｆ）に向かう右側湯道５Ｒは、右側鋳型の注入口８に接続されている。

図１に示すように、左側湯道５Ｆに関して、注入管４から２番目の鋳型（鋳型Ｂ）に至る第１湯道５Ｆ−１と、２番目の鋳型（鋳型Ｂ）から３番目の鋳型（鋳型Ａ）に至る第２湯道５Ｆ−２とに分けた場合、第２湯道５Ｆ−２には、内径が第１湯道５Ｆ−１の内径以
下である細径部９Ｆが形成されている。第２湯道５Ｆ−２の細径部９Ｆ以外の湯道径は第1湯道５Ｆ-1の内径と同じである。

右側湯道５Ｒに関して、注入管４から２番目の鋳型（鋳型Ｅ）に至る第１湯道５Ｒ−１と、２番目の鋳型（鋳型Ｅ）から３番目の鋳型（鋳型Ｆ）に至る第２湯道５Ｒ−２とに分けた場合、第２湯道５Ｒ−２には、内径が第１湯道５Ｒ−１の内径以下である細径部９Ｒが形成されている。第２湯道５Ｒ−２の細径部９Ｒ以外の湯道径は第1湯道５Ｒ-1の内径と同じである。
つまり、左側湯道５Ｆであって、鋳型Ａと鋳型Ｂとの間の第２湯道５Ｆ−２には、細径部９Ｆが形成され、右側湯道５Ｒであって、鋳型Ｅと鋳型Ｆとの間の第２湯道５Ｒ−２には、細径部９Ｒが形成されている。

以上、まとめると、下注造塊装置１は、注入管４を中心として３基の鋳型を左右対称に設置した装置で、湯道には細径部９Ｆ及び細径部９Ｒが形成されている。
次に、下注造塊方法について詳しく説明する。
例えば、２基の鋳型を注入管４を中心として対称に設置た場合、鋳型間の注入速度は略一定と考えられるが、水モデル実験結果により、当該左右対称の鋳造でも、鋳型毎の注入流量のバラツキが生じている。しかしながら、左右対称の鋳造において、注湯流量を変化させて鋳造し、鋳型毎の注入流量のバラツキがあったとしても、品質上の問題は発生していない。そこで、左側に３基の鋳型を設置し、右側に３基の鋳型を設置した場合においても、最大注入流量差（注入流量の差が最も大きい場合での流量差）が従来のような左右対称の鋳造と同等以下であれば問題がないとした。

図２及び図３は、左側に２基、右側に２基の左右対称の鋳型における水モデルの結果をまとめたものである。
水モデルでは、注湯流量を１０Ｌ／ｍｉｎ、２０Ｌ／ｍｉｎ、３０Ｌ／ｍｉｎの３つのパターンとし、各パターンにおいて、左右の湯道の内径を同じとした。湯道の内径は、１４ｍｍφ、１６ｍｍφ、１８ｍｍφとした。また、水モデルでは、注湯流量を各パターンに応じて変化させ、各鋳型への湯上り速度を測定し、各鋳型への注入流量を求め、各鋳型間で生じる注入流量の最大値を最大注入流量差とした。左右に配置した鋳型の合計は４基であるため、各鋳型への注入流量は、注湯流量を鋳型基数の４で割った値（２．５Ｌ／ｍｉｎ、５．０Ｌ／ｍｉｎ、７．５Ｌ／ｍｉｎ）である。

このような水モデルでは、湯道管径（湯道内径）と、各注入流量における最大注入流量差との関係は、図２に示す結果となった。また、最大注入流量差を各鋳型への注入流量で割り、最大注入流量差をパーセントで示すと図３の結果となった。
図３に示すように、注入流量において最大注入流量差が７．１％以下であれば、品質上の問題は生じないと考えられる。

次に、３基の鋳型を左右対称に設置した鋳造において、鋳型間の注入速度を一定にするための湯道内径（湯道管径）の検証を行った。
まず、図１に示した下注造塊装置１の１／５に相当する対称の水モデルの模型を作成する。具体的には、図４に示すように、水モデルでは、３基の左側鋳型６ａ、６ｂ、６ｃに相当する鋳型（便宜上、鋳型Ａ、鋳型Ｂ、鋳型Ｃという）を左側に設置し、３基の右側鋳型６ｄ、６ｅ、６ｆに相当する鋳型（便宜上、鋳型Ｄ、鋳型Ｅ、鋳型Ｆという）を右側に設置した。

また、左側鋳型の湯道５Ｆに相当する湯道１１Ｆを鋳型Ａ、鋳型Ｂ及び鋳型Ｃに接続する。右側鋳型の湯道５Ｒに相当する湯道１１Ｒを鋳型Ｄ、鋳型Ｅ及び鋳型Ｆに接続する。そして、第１湯道に関し、第１湯道５Ｆ−１に相当する第１左湯道１１Ｆ−１を形成し、第１湯道５Ｒ−１に相当する第１右湯道１１Ｒ−１を形成した。第２湯道に関し、第２湯道５Ｆ−２の細径部９Ｆに相当する細径部１２Ｆを形成し、第２湯道５Ｒ−２の細径部９Ｒに相当する細径部１２Ｒを形成する。

説明の便宜上、実機の第１湯道に相当する第１左湯道１１Ｆ−１及び第１右湯道１１Ｒ−１の内径を「主湯道内径」という。実機の細径部に相当する細径部１２Ｆ及び細径部１２Ｒの内径を「細湯道内径」という。
水モデルを用いて、細湯道内径と、主湯道内径と、注湯流量とを、それぞれ変化させた場合の各鋳型への注入流量を求めた。なお、細湯道内径を変化させるにあたっては、細径部１２Ｆの内径と細径部１２Ｒの内径とを同じにした。主湯道内径を変化させるにあたっても、第１左湯道１１Ｆ−１の内径と第１右湯道１１Ｒ−１の内径を同じにした。また、主湯道内径（第１左湯道１１Ｆ−１及び第１右湯道１１Ｒ−１）は、１６ｍｍφとした。細径部１２Ｆ及び細径部１２Ｒのそれぞれの長さは３１４ｍｍの一定とした。左右の第２湯道内の細径部以外の湯道内径は主湯道内径と同じにした。

図５は、主湯道内径をＤ２を１６ｍｍφとした場合において、細湯道内径Ｄ１と、鋳型への最大注入流量差との関係をまとめたものである。各鋳型（鋳型Ａ、鋳型Ｂ、鋳型Ｃ、鋳型Ｄ、鋳型Ｅ）内の０〜４００ｍｍ高さまでの湯面の上昇速度を平均し、各鋳型の湯面の平均上昇速度から各鋳型の平均注入流量を求めた。さらに最も平均注入流量の大きい鋳型と最も小さい鋳型の差を最大注入流量差とした。

図５のカギ状のマークは最大注入流量差が７．１％以下となる限界を示しており、このカギ状マークの下の範囲では最大注入流量差が７．１％以下で品質上問題のないレベルであることを示している。
ここで、主湯道内径Ｄ２を１６ｍｍφとした場合において、最大注入流量差が７．１％以下となる細湯道内径Ｄ１と注湯流量Ｑとの関係をまとめると図６に示す結果となった。図６に示すように、注湯流量Ｑが１６Ｌ／ｍｉｎを超える場合には、注湯流量Ｑに応じて細湯道内径Ｄ１を主湯道内径Ｄ２よりも小さくすることにより、最大注入流量差を７．１％以下にすることができる。また、注湯流量Ｑが１６Ｌ／ｍｉｎ以下では、細湯道内径Ｄ１を主湯道内径Ｄ２と同じ径以下とすることによって、最大注入流量差を７．１％以下にすることができる。

図６に示す結果、即ち、主湯道内径Ｄ２を１６ｍｍφとした場合において、最大注入流量差が範囲以下（７．１％以下）となるための注湯流量Ｑと、細湯道内径Ｄ１（細径部１２Ｆの内径と細径部１２Ｒの内径）の最大値Ｄ１maxとの関係をまとめると、式（ａ１）及び式（ｂ２）となった。

なお、水モデルにおける細径部１２Ｆ及び細径部１２Ｒは、実機において、それぞれ第２湯道５Ｆ−２の細径部９Ｆに相当し、第２湯道５Ｒ−２の細径部９Ｒに相当する。そのため、便宜上、式（ａ１）及び式（ｂ１）において、第２湯道５Ｆ−２の細径部９Ｆ及び第２湯道５Ｒ−２の細径部９Ｒの内径における最大値を湯道内径Ｄ１maxとしている。
次に、水モデルにおいて、主湯道内径が１４ｍｍφ、１８ｍｍφについても同様な方法で、最大注入流量差が７．１％以下となる細湯道内径の最大値Ｄ１maxと注湯流量Ｑと主湯道内径Ｄ２との関係についてまとめると、式（ａ’）及び式式（ｂ’）となった。

さて、実機において、細径部が５５ｍｍφ以上（水モデルでは１１ｍｍφ以上）であると、湯道での溶鋼の詰まりが発生しないことから、細湯道内径の上下限値を考慮して、湯道内径Ｄ１と注湯流量Ｑをまとめると、図７の結果となった。主湯道内径Ｄ２、細湯道内径Ｄ１、注湯流量Ｑとの関係を整理すると、式（ａ）及び式（ｂ）となる。なお、式（ａ’）及び式（ｂ’）のＤ１maxに対し、効果をより確実にするために式（ａ）及び式（ｂ
）ではＤ１を式（ａ’）及び式（ｂ’）のＤ１max未満とした。したがって、式（ａ）及び式（ｂ）では最大注入流量差が７．１％未満となる場合を示す。

なお、水モデルにおける第１左湯道１１Ｆ及び第１右湯道１１Ｒは、それぞれ第１湯道５Ｆ−１、第１湯道５Ｒ−１に相当する。そのため、便宜上、式（ａ）及び式（ｂ）において、第１湯道（第１湯道５Ｆ−１、第１湯道５Ｒ−１）の内径を湯道内径Ｄ２とした。
さて、上述した結果は水モデルによる結果であるため、式（Ａ）を用いて、水モデルにおける注湯流量Ｑを実機のスループットＷ_Ｒ（ｔ／ｍｉｎ）に換算する。そうすると、スループット（実機の注湯流量）Ｗ_Ｒと、湯道内径Ｄ１と、湯道内径Ｄ２とは、式（１）及び式（２）となった。

式（１）及び式（２）に示すように、湯道内径Ｄ１を、湯道内径Ｄ２と注湯流量Ｗ_Ｒに基づいて設定することにより、各鋳型の湯上がり速度を一定にすることができると考えられる。
発明者は、左側鋳型及び右側鋳型の細径部（細径部９Ｆ、細径部９Ｒ）について、さらに検証したところ、湯道内径Ｄ１を湯道内径Ｄ２と注湯流量Ｗ_Ｒに基づいて設定したとしても、細径部の長さが短すぎると効果が無いことが分かった。
そこで、実機の細径部９Ｆ及び細径部９Ｒの長さを求めるために、まず、水モデルにおいて、最大注入流量差が７．１％未満となる細径部１２Ｆ及び細径部１２Ｒの長さＬ１について検証を行うこととした。

主湯道内径Ｄ２を１６ｍｍφとし、細湯道内径Ｄ１（細径部１２Ｆの内径と細径部１２Ｒの内径）を１３ｍｍφとして、細径部１２Ｆ、１２Ｒの長さＬ１を変化させた。最大注入流量差と、細径部１２Ｆ、１２Ｒの長さＬ１は、図８に示す結果となった。図８に示す矢印は、最大注入流量差が７．１％となったとき細径部１２Ｆ、１２Ｒの長さを示している。

水モデルにおいて、細湯道内径を１１ｍｍφ、１３ｍｍφ、１５ｍｍφに変化させ、同様に、細径部１２Ｆ、１２Ｒの長さを変化させた。細湯道内径が１１ｍｍφ、１３ｍｍφ、１５ｍｍφとした場合において、最大注入流量差が７．１％未満となる場合の注湯流量Ｑと、細径部１２Ｆ、１２Ｒの長さＬ１との関係は、図９に示す結果となった。
主湯道内径を１６ｍｍφした場合において、最大注入流量差が７．１％未満となる細径部１２Ｆ、１２Ｒの長さＬ１と、注湯流量Ｑと、細湯道内径Ｄ１との関係についてまとめると、式（３ａ）に示す結果となった。

なお、水モデルにおける細径部１２Ｆ、１２Ｒは、実機における細径部９Ｆ及び細径部９Ｒに相当するため、式（３ａ）では、細径部の長さについては、水モデルのパラメータで示した。また、上述した実施形態では、主湯道内径Ｄ２を１６ｍｍφにした場合の結果
について説明しているが、主湯道内径Ｄ２を１４ｍｍφ、１８ｍｍφにした場合でも同様の結果が得られた。

ここで、水モデルの細径部１２Ｆ、１２Ｒの長さを実機に置き換えると、実機における細径部の長さＬ１は、式（３）となった。

以上、下注造塊装置によって下注造塊方法を行うには、右側鋳型及び左側鋳型の湯道に関して、注入管４から２番目の鋳型（鋳型Ｂ、鋳型Ｅ）に至る第１湯道５Ｆ−１、５Ｒ−１の内径を湯道内径Ｄ２とし、２番目の鋳型（鋳型Ｂ）から３番目の鋳型（鋳型Ａ）に至る第２湯道５Ｆ−２、５Ｒ−２に設けた細径部９Ｆ、９Ｒの内径を湯道内径Ｄ１（ｍｍ）としたとき、湯道内径Ｄ１、湯道内径Ｄ２は、式（１）及び（２）を満たし、第２湯道５Ｆ−２、５Ｒ−２の細径部９Ｆ、９Ｒの長さＬ１は、式（３）を満たす必要がある。なお、細径部Ｌ１を長くすると湯道内での溶鋼の詰まりが発生する虞があるので湯道内径にも依存するが、最大で１２００〜１６００ｍｍとするのが望ましい。

さて、左側鋳型及び右側鋳型において、注入管４から最も遠い鋳型、即ち、３番目の鋳型（鋳型Ａ、鋳型Ｆ）では、細径部９Ｆ、９Ｒの終端位置から３番目の鋳型の注入口８までの距離Ｌ２が短いと、注入初期に図１０に示すようなスプラッシュが発生する虞がある。スプラッシュは出来る限り発生しないことが好ましい。
そこで、水モデルにおいて、図４に示すように、実機の細径部９Ｆ、９Ｒに相当する細径部１２Ｆ、１２Ｒから鋳型Ａ及び鋳型Ｆの注入口１３までの部分には、細径部１２Ｆ、１２Ｒよりも大きな内径を有する大径部１５を設けてスプラッシュの実験を行うこととした。細径部９Ｆ、９Ｒ以外の部分の内径については、第１左湯道１１Ｆ及び第１右湯道１１Ｒの内径と同じにした。即ち、大径部１５の内径も、第１左湯道１１Ｆ及び第１右湯道１１Ｒと同じとした。なお、細径部９Ｆ、９Ｒ以外の部分の内径のことを、細径部外内径という。

この水モデルでは、上述した式（１ａ）〜式（３ａ）を満たすことを前提とした。
この水モデルでは、細径部の終端部２１から注入口１３までの距離Ｌ２（離間距離Ｌ２という）を変化させ、スプラッシュの有無について調査を行った。スプラッシュの状況は、鋳造開始時の注入流の噴出状況をビデオ撮影によって撮像して確認した。
細径部外内径が１６ｍｍφ、細湯道内径が１１ｍｍ、細径部長さが３１４ｍｍであるときの注湯流量と、離間距離Ｌ２と、スプラッシュの有無の関係は図１１に示す結果となった。図１１に示すように、注湯流量の増加に応じて離間距離Ｌ２を大きくすれば、スプラッシュは発生しなくなる。

また、細径部外内径が１６ｍｍφ、細湯道内径が１３ｍｍ、細径部長さが３１４ｍｍであるときの注湯流量と、離間距離Ｌ２と、スプラッシュの有無の関係は図１２に示す結果となった。細径部外内径が１８ｍｍφ、細湯道内径が１３ｍｍ、細径部長さが３１４ｍｍであるときの注湯流量と、離間距離Ｌ２と、スプラッシュの有無の関係は図１３に示す結果となった。

細径部外内径Ｄ２、細湯道内径Ｄ１、注湯流量Ｑを変えて同様な実験を行い、スプラッシュが発生しない離間距離Ｌ２と、細径部外内径Ｄ２と、細湯道内径Ｄ１と注湯流量Ｑとの関係を整理すると図１４に示すものとなり、実験式で示すと式（４ａ）に示す通りとなった。

次に、式（Ａ）を用いて、水モデルにおける注湯流量を実機のスループットＷ_Ｒに換算すると、スプラッシュが発生しない離間距離Ｌ２とスループット（実機の注湯流量）Ｗ_Ｒと、細湯道内径Ｄ１、細径部外内径Ｄ２との関係は、式（４）となった。

なお、水モデル流量を実機のスループットに換算するに際しては、フルード数を適用した。即ち、流体の流速を「Ｖ」、代表寸法を「Ｌ」、動粘性係数を「ν」、フルード数を「Ｆｒ」、レイノルズ数を「Ｒｅ」、重力の加速度を「ｇ」とするとこれらの関係は、式（Ｂ）、（Ｃ）となる。

運動方程式を無次元化すると、（慣性項）＋（粘性項）／Ｒｅ＋（外力項）＝０でＦｒは外力項に（１／Ｆｒ^２）で入る。Ｒｅが大きくなれば、（粘性項）／Ｒｅが小さくなるため、Ｒｅは運動方程式より消去されることになる。Ｒｅ＞４０００以上で通常乱流領域とされており、Ｆｒ数近似を用いることができる。本発明の範囲ではＲｅ＞３８、０００となるので、乱流域となることからＦｒ数近似を適用した。

インゴットの下注ぎ鋳造における実機と模型実験のフルード数の一致させ、実機の代表寸法と水モデル模型の代表寸法比を５：１、すなわち１／５の縮尺モデルとした場合、フルード数一致の観点から、Ｖ／Ｌ^０．５を同じにする必要がある。縮尺を１／λ（＝１／５）とすると、Ｖ_Ｒ／Ｌ_Ｒ ^０．５＝Ｖ_Ｍ／Ｌ_Ｍ ^０．５（ここでＲは実機、Ｍはモデルを示す。）となる。

Ｖ_Ｍ／Ｖ_Ｒ＝Ｌ_Ｍ ^０．５／Ｌ_Ｒ ^０．５＝１／λ^０．５＝１／５^０．５≒０．４４７となる。つまり、Ｖ_Ｍ≒０．４４７Ｖ_Ｒとなる。したがって、縮尺１／５の模型実験では、０．４４７倍の流速でＦｒ数の一致が得られることになる。ここで、流量をＱ、時間をＴとすると、
Ｔ_Ｒ＝Ｌ_Ｒ／Ｖ_Ｒ
Ｔ_Ｍ＝Ｌ_Ｍ／Ｖ_Ｍ
Ｔ_Ｒ＝Ｔ_Ｍ・Ｌ_Ｒ／Ｌ_Ｍ・Ｖ_Ｍ／Ｖ_Ｒ＝Ｔ_Ｍλ^０．５
Ｑ_Ｍ／Ｑ_Ｒ＝（Ｌ_Ｍ ^３／Ｔ_Ｍ）／（Ｌ_Ｒ ^３／Ｔ_Ｒ）＝λ^−３・λ^０．５＝λ^−２．５
となり、この結果、水モデルの流量は、実機の流量の１／５^２．５＝０．０１７９倍となる。また、水モデルの流量Ｑ_Ｍ（Ｌ／ｍｉｎ）を実機スループットＷ_Ｒ（ｔ／ｍｉｎ）に換算する場合、溶鋼の比重を７ｔ／ｍ^３とすると、上述した式（Ａ）となる。

なお、水モデルでは、細径部の段差部は直角としたが、実機で湯道を耐火煉瓦で作る場合、木型や金型内で造型した後に煉瓦原料を型から抜き出すのを容易にするため、最大で２０ｍｍＲのコーナーＲもしくは２０ｍｍＣのチャンファーを設ける場合がある。細径部において、Ｒ部やチャンファー部を除く各長さが上述した長さを満たしておればよい。

表１〜９は、本発明の下注造塊方法に基づいて実験を行った例と、本発明の下注造塊方法とは異なる方法によって実験を行った例とをまとめたものである。

２０ｔ鋼塊用鋳型の実機の１／５のスケールの模型を用いて実験を行った。水モデルでは、鋳型は、透明ポリ塩化ビニル製であって、上部が底部よりも広がった上広鋳型とした。詳しくは、底面は、２４０×２２０ｍｍ、上面は、２８０×２４０ｍｍ、高さは、５００ｍｍ、注入管の内径は、２６ｍｍφとした。水モデルにおいて、注入管から最も近い鋳型Ｃまでの湯道長さは２５０ｍｍ、鋳型Ｃから鋳型Ｂまでの湯道長さは３９０ｍｍ、した
がって、第１湯道に相当する長さは６４０ｍｍ（２５０ｍｍ＋３９０ｍｍ）、鋳型Ｂから鋳型Ａまでの湯道長さは、３９０ｍｍとした。鋳型１基の注湯量が１５〜３０ｔの鋳型の場合、第１湯道は実寸で、２５００〜４０００ｍｍ、第２湯道は、１５００〜２５００ｍｍである。

細径部以外の湯道内径は、１４ｍｍφ、１６ｍｍφ、１８ｍｍφとした。細径部の内径は、１１ｍｍφ、１２ｍｍφ、１３ｍｍφ、１４ｍｍφ、１５ｍｍφ、１６ｍｍφ、１８ｍｍφとした。実機では、湯道内で溶鋼が固まって湯道詰まりを防ぐため通常、内径５５ｍｍφ以上の煉瓦が使用される。そのため、水モデルでは、最も細い部分の内径を１１ｍｍφ（実機５５ｍｍφ相当）とした。

細径部の長さは、１１４ｍｍ、１７１ｍｍ、２２８ｍｍ、２８５ｍｍ、３１４ｍｍとした。細径部から注入口までの距離（離間距離）は、５ｍｍ〜４０ｍｍの間で５ｍｍ刻みとした。
注湯流量Ｑは、１２．０Ｌ／ｍｉｎ（実機で４．６８ｔ／ｍｉｎ相当）、１４．０Ｌ／ｍｉｎ（実機で５．４６ｔ／ｍｉｎ相当）、１６．０Ｌ／ｍｉｎ（実機で６．２４ｔ／ｍｉｎ相当）、１８．０Ｌ／ｍｉｎ（実機で７．０２ｔ／ｍｉｎ相当）、２０．０Ｌ／ｍｉｎ（実機で７．８０ｔ／ｍｉｎ相当）、２２．０Ｌ／ｍｉｎ（実機で８．５８ｔ／ｍｉｎ相当）、２４．０Ｌ／ｍｉｎ（実機で９．３６ｔ／ｍｉｎ相当）とした。なお、水モデルにおける注湯流量は、注入管に水を注入する前の配管に取り付けた流量計で注湯流量を計測した値である。実機における注湯流量は５ｔ／ｍｉｎから１０ｔ／ｍｉｎを対象としているので、注湯流量Ｑが、１２．０Ｌ／ｍｉｎの実験は式（ａ）、式（ｂ）を導くために行なった。

水モデルでは、透明な鋳型内に赤色インクで着色した水の湯面上昇速度をデジタルムービーカメラで撮影し、撮影した画像を再生し、一定時間ごとの湯面位置から上昇速度を求め、鋳型への注入流量に換算した。鋳型への注入流量は、例えば、２．０Ｌ／ｍｉｎ（実機で０．７８ｔ／ｍｉｎ相当）、２．３Ｌ／ｍｉｎ（実機で０．９０ｔ／ｍｉｎ相当）、２．７Ｌ／ｍｉｎ（実機で１．０５ｔ／ｍｉｎ相当）、３．０Ｌ／ｍｉｎ（実機で１．１７ｔ／ｍｉｎ相当）、３．３Ｌ／ｍｉｎ（実機で１．２９ｔ／ｍｉｎ相当）、３．７Ｌ／ｍｉｎ（実機で１．４４ｔ／ｍｉｎ相当）、４．０Ｌ／ｍｉｎ（実機で１．５６ｔ／ｍｉｎ相当）となった。

表１〜９では、最大注入流量差が７．１％未満の場合を良好「○」、最大注入流量差が７．１％以上の場合を不良「×」として評価を行った。また、スプラッシュが発生していない場合を良好「○」、最大注入流量差が７．１％以上、或いは、スプラッシュが発生している場合を不良「×」とし、総合評価を行った。
表１〜９に示すように、注入管に注入する注湯流量（実機換算値）が４．７〜９．４ｔ／ｍｉｎであって、湯道内径Ｄ１、湯道内径Ｄ２は、式（ａ）及び（ｂ）を満たし、第２湯道の細径部の長さＬ１は、式（３ａ）を満たし、さらに、離間距離Ｌ２が式（４ａ）を満たしている場合は、最大注入流量差を７．１％未満にすることができると共に、スプラッシュを抑制することができた。

一方、湯道内径Ｄ１、Ｄ２が式（ａ）〜式（ｂ）を満たさなかったり、細径部の湯道長さＬ１が式（３ａ）を満たさない場合、最大注入流量差を７．１％未満にすることができなかった。また、離間距離Ｌ２が式（４ａ）を満たしていない場合は、スプラッシュが発生した。
例えば、実験１７、１８では、湯道内径Ｄ１、Ｄ２が式（ａ）及び式（ｂ）を満たしているが、細径部の湯道長さが式（３ａ）を満たすことができなかったため、最大注入流量差が７．１％以上であった（総合評価「×」）。実験２１、２４では、細径部の湯道長さが式（３ａ）を満たしているが、湯道内径Ｄ１、Ｄ２が式（ａ）及び式（ｂ）を満たしていないため、最大注入流量差を７．１％未満にすることができなかった。

図１５及び図１６は、左側に３基の鋳型、右側に３基の鋳型を設置した下注造塊装置において下注造塊を行った実験結果をまとめた図である。図１５は、湯道内径Ｄ１と湯道内径Ｄ２とを同じにした結果（Ｄ１＝Ｄ２＝１６ｍｍφ）である。図１６は、湯道内径Ｄ１
を湯道内径Ｄ２よりも小さくして細径部を設けた結果（Ｄ１＝１１ｍｍφ、Ｄ２＝１６ｍｍφ、Ｌ１＝１７１ｍｍ）で、共に注湯流量Ｑが、１８．０Ｌ／ｍｉｎの場合である。

図１５で示したように湯道内径が同じ場合、注入管から最も遠い鋳型Ａや鋳型Ｆの鋳型の注入速度が最も速く、注入管から最も近い鋳型Ｃや鋳型Ｄの注入速度が遅くなり、鋳型の湯面上昇速度のバラツキが大きい。一方、図１６に示したように注入管から２番目に近い鋳型までの湯道径Ｄ２は１６ｍｍφで同じとし、２番目に近い鋳型と３番目の鋳型との間の湯道内径Ｄ１をＤ２より１１ｍｍφと細径とした場合は、各鋳型間の湯面の上昇速度の傾向は同じであるが、そのバラツキはかなり減少した。

以上、本発明によれば、各鋳型間の湯面高さの差を少なくしつつ、高品質の鋼塊を製造することができる。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 下注造塊装置
２ 溶鋼
３ 取鍋
４ 注入管
５ 湯道
５Ｆ−１、５Ｒ−１ 第１湯道
５Ｆ−２、５Ｒ−２ 第２湯道
６ 鋳型
９Ｆ 細径部
９Ｒ 細径部

Claims (1)

1. 注入管から分かれた湯道に、鋳型数が３基である右側鋳型と鋳型数が３基である左側鋳型とが設けられた下注造塊装置において下注ぎ鋳造を行うに際して、
   前記注入管に注入する注湯流量は５〜１０ｔ／ｍｉｎとされており、
   前記右側鋳型及び左側鋳型の湯道に関して、前記注入管から２番目の鋳型に至る第１湯道の内径を湯道内径Ｄ２（ｍｍ）とし、前記２番目の鋳型から３番目の鋳型に至る第２湯道に設けた細径部の内径を湯道内径Ｄ１（ｍｍ）とし、水モデルにおける注湯流量を実機に換算した場合の注湯流量をＷ _Ｒ としたとき、
   前記湯道内径Ｄ１、湯道内径Ｄ２は、式（１）及び（２）を満たし、
   前記第２湯道の細径部の長さＬ１（ｍｍ）が式（３）を満たすと共に前記第２湯道の細径部の終端位置から３番目の鋳型の注入口までの距離Ｌ２（ｍｍ）が式（４）を満たすことを特徴とする３基の鋳型を対称に配置した下注造塊装置における下注造塊方法。