JP6638142B2 - 下注造塊方法 - Google Patents
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Description
そこで、従来の下注造塊方法では、以下の特許文献1〜特許文献3に示すような手段を設けて型内剤の巻き込みを防止している。
また、特許文献2には、鋳型の下方に設けられた吐出口(注入口)から溶融金属を鋳型内に吐出する下注ぎ方式の注湯方法であって、溶融金属搬送容器から吐出口に連通して溶融金属を鋳型に供給する溶融金属の経路である注入管内に、溶融金属に旋回流を形成させる旋回流形成手段を1個又は複数個設けた下注ぎ方式の注湯方法が開示されている。
また、特許文献2の技術は、耐火物で形成された旋回流形成手段が破損した場合に、破損した耐火物が鋼塊中に混入する虞があると共に旋回流形成手段内で溶鋼が凝固し、つまる虞があり、品質を安定させるという観点から好ましいものとは言えない。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、鋳型へ溶鋼を下注ぎで注入する際に、注入初期時に型内剤が溶鋼中に巻き込まれることを防止し、介在物欠陥の発生が抑制された高品質の鋼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。
即ち、本発明の下注造塊方法は、鋳型底の内径が600mm〜1100mmとされ且つ型内剤が内装された鋳型に対して、鋳型底に設けられた注入口から溶鋼を湯道を通じて注入しつつ溶鋼の下注ぎ造塊を行うに際して、前記湯道における鋳型側の端部に、上方に行くほど拡径された拡径部を有する注入口を設けておき、前記注入口から溶鋼を、注入流量Qが0.92t/min〜1.73t/minとなるように注入するものであって、上下方向に対する前記拡径部の開き角度をθ(°)、前記注入口下端の内径をD(mm)とした場合に、以下の式(1)〜式(3)の関係が成立する形状に前記拡径部を形成しておくことを特徴とする
鋼塊の造塊法としては、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、図22に示すように、注入管2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3を介して鋳型1に注湯することにより鋳造を行う。本発明では、上述した2つの造塊法のうち、下注ぎ造塊法を対象としている。
すなわち、図1に示すように、下注造塊方法は、鋳型底の短径(内径)が600mm〜1100mmとされた鋳型1に対して、鋳型底に設けられた注入口4から溶鋼を湯道3を通じて注入しつつ溶鋼の下注ぎ造塊を行うに際して、湯道3における鋳型1側の端部に、上方に行くほど拡径された拡径部5を有する注入口4を設けておき、注入口4から溶鋼を、注入流量Qが0.92t/min〜1.73t/minとなるように注入するものであって、上下方向に対する拡径部5の開き角度をθ(°)、注入口4下端の内径をD(mm)とした場合に、以下の式(1)〜式(3)の関係が成立する形状に拡径部5を形成しておくことを特徴とするものである。
まず、下注造塊方法の説明に先立ち、下注造塊方法に用いられる下注造塊装置6について簡単に説明する。
図22に示すように、下注造塊装置6は、下注ぎ造塊法により溶鋼を鋳造するものであって、取鍋内の溶鋼を注入する注入管2と、注入管2の下端から左方に向かって水平に伸びる湯道3と、この湯道3に連通する鋳型1とを備えている。
詳しくは、下注造塊装置6の定盤には1本の注入管2が立設され、注入管2の下端であって定盤の内部には当該注入管2から枝分かれした湯道3が形成されていて、この湯道3の先端に注入口4(拡径部5)が形成されている。
鋳型1は、上方に向かって開口した有底の容器であり、空洞とされた内部に溶鋼を注入して鋼塊を形成可能とされている。鋳型1の内部は、鋼塊の引き抜きを考慮して、底部の内径に比べて上端側の内径の方がやや大きくなるような形状、言い換えれば下方から上方に向かうにつれて広がるような形状に形成されている。また、鋳型1の内部の底は、短径と、短径より長い長径との2辺で構成される長方形状とされている。具体的には、鋳型1の底部の短径(内径)は、厚板製品の板厚と圧延比を考えて、600mm〜1100mmとされている。例えば、角形の鋳型1の場合であれば、底部側の鋳型1の短径が600mm〜1100mmとされていて、上端側の鋳型1の短径は底部側よりも長寸となっている。
型内剤は、鋳型1内に溶鋼の酸化防止や鋳片肌を改善する目的で添加されるものであり、溶融スラグ成分となる酸化物などを含んでいる。型内剤は、ビニール袋でくるまれた上から、さらに厚紙(厚手のクラフト紙など)で二重にくるまれており、鋳型1内の注入口4と鋳型壁との間に吊り下げ状態で配備されている。鋳型1中に溶鋼が注入されて湯面が上昇すると溶鋼の輻射熱によって厚紙とビニール袋が燃え、くるまれた型内剤が溶鋼中に落下することで、上述した型内剤は溶鋼中に添加される。
通常、従来の下注ぎ鋳造では鋳造の初期に鋳型内に上向きに噴出する注入流によって、溶鋼の酸化防止や鋳片肌を改善する目的で鋳型内に添加されたパウダー状の型内剤が溶鋼中に巻き込まれ、鋼塊内に捕捉される結果、鋼塊のボトム部の凝固殻に容易に捕捉され介在物欠陥を生じる。これを防止するためには初期注入速度を低下させる方法が考えられるが、注入初期は湯道煉瓦の温度が低下しているため、初期注入速度を低下させると湯道部で溶鋼が凝固し、詰まりを発生させる可能性がある。また、これを改善するために、従来技術では注入口の径を広げる方法も提案されているが、注入速度との関係が不明であり、注入口の径を広くしすぎると注入口の耐火物サイズも大きくなり、耐火物コストが増大してしまう虞もある。また、注入口の径を広げる方法の場合、拡径した注入口の長さ(長手方向に沿った長さ)が不明であり、長くしすぎると注入口の耐火物が肉厚になり、コストが増大するばかりか湯道の折り曲げ部(曲がった部分)で発生した渦流の勢いが減少してしまう可能性もあり、効果的とは言えない。
図1に示すように、本願発明の下注造塊方法は、鋳型底の内径(短径)が600〜1100mmとされた下注鋳型1を用いた場合を対象とするものであり、注入口の1箇所当たりの溶鋼の注入流量Qが0.92t/minから1.73t/minで注入する場合を対象とするものである。また、本願発明の下注造塊方法で規定される関係が成立するのは、鋳型1に注入された溶鋼が、底面(鋳型底)からの高さで500mmまでの範囲で、拡径部5の上端と水平部湯道煉瓦内径上端部との距離を一定範囲内とし、かつ拡径部5の長さ(上下方向に沿った長さ)を一定の長さ以上として注入流量を制御しながら注湯する場合に限られる。
さらに、本願発明の下注造塊方法が対象とする範囲は、1ヒート分の溶解量が90t〜300tで、鋳型1基の注湯量が30t〜60t、鋳造時間が15分〜30分の範囲である。なお、以降に示す実施例は鋳型1基の注入流量が1.84〜3.46t/minの範囲に関するものである。
また、本願発明の下注造塊方法では、水平方向を向く湯道3が上下方向を向く方向に曲がった部分(鋳型1の底方向に向かって水平方向から直角に曲がった湯道)を経て、鋳型1内に溶鋼が導かれるが、この曲がった部分で渦流が生じる。この渦流が、注入口4から噴出する際に注入流が拡径部5で広がり鋳型1底内に噴き出すときに拡散されるので鋳型1内の湯面変動が減少する。
まず、式(1)〜式(3)の導出過程に先立ち、注入流による型内剤の巻き込み限界を決定する、言い換えれば欠陥が発生しない注入流量を求める。
図3に示すように、従来の下注造塊装置6で使用されていた内径が55mmφの拡径していない通常の注入口4を湯道3の終端に設けた場合に、鋼塊底部500mmまでの範囲で超音波欠陥が認められるかどうかを超音波試験で評価した。超音波試験により、1箇所当たりの注入口4の流量が0.92t/minの場合は鋼塊ボトム部で型内剤の巻き込みによる超音波欠陥が認められず、1箇所当たりの注入口4の流量が1.0t/min以上では鋼塊ボトム部での型内剤の巻き込みによる超音波欠陥が認められた。
上述したように1箇所当たりの注入口4の流量が1.0t/min以下の場合、超音波欠陥が生じておらず、このとき1/5のサイズの水モデルにより測定された鋳型底から100mm位置での湯面高さの差(湯面高さの変動幅)は60mmであったので、鋳型底から100mm位置での湯面高さの差が60mm以下となる範囲で湯面が変動する場合は超音波欠陥は発生しないものとした。
次に、実施例及び比較例を用いて、式(1)〜式(3)の導出過程、及び本願発明の作用効果をさらに詳しく説明する。
「式(1)の導出過程」
まず、式(1)の導出過程及びこの式(1)の関係を満足した場合の作用効果を説明する。
なお、図6の水モデルは、後述するフルード数が実機の鋳型1と一致する水槽9を用いたものである。水モデルに用いた水槽9の形状や寸法、及び実機と水モデルとの相似性については後ほど詳しく説明する。
実験結果には多少のバラつきがあるので、各実験条件(ノズルの種類)ごとに湯面変動の測定を3回繰り返し、3回分のデータに対してフィッティング(二次関数による近似)を行い、「鋳型1の底面から湯面までの距離」と「湯面高さの差」との関係を実験式として求めた。求められた実験式と測定データとの関係を、ストレートノズルを用いた場合については図9に、また拡径ノズルを用いた場合については図10に示す。
上述した式(4)にx=100mmを代入すると、各注入流量ごとの鋳型1の底面から100mm位置における湯面高さの差、言い換えれば型内剤が供給された時点での湯面高さの差を計算することができる。図12に式(4)より求めたθ=0°の場合の鋳型1の底面から100mm位置での湯面高さの差と注入流量との関係を示す。また、θ=3°の場合に加えてθ=10°の場合についても同様に、各注入流量ごとの鋳型1底からの距離x(mm)と湯面高さの差y(mm)の関係式を求め、求められた関係式にx=100mmを代入し、各注入流量ごとの鋳型1底から100mm位置の湯面高さの差を計算すればよい。このようにして求めたθ=0°、3°、10°の場合の鋳型底から100mm位置での湯面高さの差と注入流量の関係を図13に示す。
も緩やかになるような傾向を示す。また、この注入流量の最大値Quの変化傾向は、注入口4の内径D(拡径部5の下端の内径D)によっても大きく変化する。
図16〜図18を見ると、θの2次の項、θの1次の項、定数項は、いずれも注入口4の拡径部5の下端の湯道内径Dの1次関数として表現可能であることがわかる。
なお、表1の実験No.1〜No.80に示すように、上述した式(1)を満足する実施例(表1の実験No.5, No.9, No.13, No.17, No.21, No.25, No.26, No.29, No.30, No.33, No.37, No.41, No.42, No.45, No.46, No.49, No.53, No.54, No.57, No.58, No.61, No.62, No.63, No.65, No.69, No.70, No.73, No.74, No.77, No.78, No.79)においては、「湯面高さ≦60mm」の評価も○となっており、湯面の高さの差を60mm以下に抑えることができていることがわかる。また、このときの総合評価も、いずれも○であって、式(1)を満足する実施例では、欠陥も発生しないことが確認された。一方、上述した式(1)を満足しない比較例においては、「湯面高さ≦60mm」の評価は×となっており、湯面の高さの差を60mm以下に抑えることができておらず、欠陥の発生を確実に抑制できない可能性がある。
「式(2)の導出過程」
次に、実施例及び比較例を用いて、式(2)の導出過程及びこの式(2)の関係を満足した場合の作用効果を説明する。
図19に、L1+L2=100mmの時に鋳型底から100mm位置での湯面高さの差が60mm以下となる条件下(D=55mmφ、Q=1.28t/min、θ=7°とD=70mmφ、Q=1.28t/min、θ=7°とD=80mmφ、Q=1.56t/min、θ=10°)でL1+L2を増加させた場合の結果を示す。図19を見ると、L1+L2の長さが150mmまでは60mm以下であるが、200mmを超えると許容値60mmを超える。
また、図20には、鋳型1の底面から100mm位置で、湯面高さの差が60mmを超える条件下で、L1+L2を増加させた場合の結果を示している。図19と同様にL1+L2の長さが150mmまでと200mmを超えると領域とでは湯面高さの差に差が生じており、図20の場合でもL1+L2の長さを150mm以下にすることで同様に湯面高さを小さくできることがわかる。
上述した図19の結果を表2のNo.1〜24に、また図20の結果を表2のNo.25〜48に示した。
「式(3)の導出過程」
次に、実施例及び比較例を用いて、式(3)の導出過程及びこの式(3)の関係を満足した場合の作用効果を説明する。
図21を見ると、図21の横軸に示されるL2/Dが0.6以上では、湯面高さの差が60mm以下となっており、L2/Dの比が0.6より小さくなると許容値である60mmよりも湯面高さの差が大きくなることがわかる。以上をまとめると、式(3)の関係が導かれる。
上述した図21の結果を、表3のNo.1〜30に示す。
次に、上述した実施例及び比較例に用いた水モデルと、実際に製造に用いられる下注造塊装置6との相似性について説明する。
まず、フルード数の算出方法について述べる。
図22に示すように、下注造塊装置6においては、注入管2の中心から遠い側の各鋳型1の鋳型底の注入口4中心までの距離をA1、注入管2の中心から近い側の鋳型1の鋳型底の注入口4中心までの距離をA2とする。下注造塊装置6には、鋳型Aと鋳型Bの2つの鋳型1が存在するが、これらは注入管2を境に左右対称であるため、注入管2の中心から距離A1及び距離A2に注入口4の中心が位置する点は、鋳型Aでも鋳型Bでも同じである。
つまり、Re>4000となるような領域、言い換えれば通常は「乱流領域」と言われる領域では、上述したFr数近似を用いる(Re数の項を無視する)ことができる。上述した水モデルではRe>38,000となるので、乱流域となり、Fr数近似を適用することができる。
例えば、実機の代表寸法と水モデル実験の代表寸法の比を5:1とする場合、すなわち1/5の縮尺モデルの場合を考える。フルード数一致の観点から、V/L0.5を同じにする必要がある。縮尺を1/λ(=1/5)とすると、水モデルでの水の流速VMと、実機での溶鋼の流速VRとの間には、次の式(11)のような関係が成立する。なお、添え字の「R」は実機、「M」は水モデルを示している。
また、実機の流量QR及び時間TR、水モデルの流量QM及び時間TMの間には、式(12)の関係が成立する。
また、水モデルの流量QM(L/min)を、実機でのスループット(実機の流量)WR(t/min)に換算する場合、溶鋼の比重を7t/m3とすれば、式(13)のような関係を用いて換算することができる。
最後に、上述した実施例及び比較例は、以下の表4に示すような寸法や条件で行ったものである。
2 注入管
3 湯道
4 注入口
5 拡径部
6 下注造塊装置
8 超音波距離測定センサー
9 水槽
Claims (1)
- 鋳型底の内径が600mm〜1100mmとされ且つ型内剤が内装された鋳型に対して、鋳型底に設けられた注入口から溶鋼を湯道を通じて注入しつつ溶鋼の下注ぎ造塊を行うに際して、
前記湯道における鋳型側の端部に、上方に行くほど拡径された拡径部を有する注入口を設けておき、
前記注入口から溶鋼を、注入流量Qが0.92t/min〜1.73t/minとなるように注入するものであって、
上下方向に対する前記拡径部の開き角度をθ(°)、前記注入口下端の内径をD(mm)とした場合に、以下の式(1)〜式(3)の関係が成立する形状に前記拡径部を形成しておく
ことを特徴とする下注造塊方法。
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JP2016015498A JP6638142B2 (ja) | 2016-01-29 | 2016-01-29 | 下注造塊方法 |
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