JP6750533B2

JP6750533B2 - 溶鋼の流動を模擬する方法

Info

Publication number: JP6750533B2
Application number: JP2017032348A
Authority: JP
Inventors: 塚口　友一; 友一塚口
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2037-02-23
Also published as: JP2018134676A

Description

本願は、鋼の連続鋳造等の溶鋼を取扱う産業において、高温ゆえ観察の難しい溶鋼に代えて低融点金属を用いるモデル実験を行うにあたり、溶鋼との流れの相似性を追及するものである。

従来、溶鋼の流動を模擬する際に最も広く用いられてきたのは、水である（例えば、非特許文献１、２）。溶鋼は水に比べて重いが粘性も大きく、溶鋼と水とは動粘度がほぼ同じである。それゆえ、水を用いてフルスケール（スケール比１．０）で模擬した場合、溶鋼に対してフルード数とレイノルズ数との２つの無次元数を一致させることができる。すなわち、水を用いたフルスケールの模擬方法においては、重力と慣性力及び粘性力の影響に関して、溶鋼の流動を再現できる。

溶鋼の流動を模擬する際に用いられる他の材料としては、水銀やウッドメタルなどの低融点金属が挙げられる。従来においては、低融点金属を用いた模擬方法においては、フルード数のみ、レイノルズ数のみ、といった１つの無次元数、或いは、他の無次元数を加えた２つの無次元数を一致させることが一般的であった（例えば、非特許文献３、４）。

K. Moon et al.: ISIJ Int. 43 (2003), p1538 Q. He: ISIJ Int. 33 (1993), p343 H. Harada et al.: ISIJ Int. 41 (2001), p1236 Y. Tsukaguchi et al.: ISIJ Int. 44 (2004), p350

水の表面張力は溶鋼のそれに対してかなり小さい。そのため、フルスケールの模擬方法では、水面の波立ちや渦が、溶鋼に対して過大に発生する。あるいは、吹き込んだガスによって生成する気泡の大きさが、溶鋼に対して小さくなる。このように、水を用いた模擬方法にあっては、溶鋼の流動を正確に再現することは難しい。

一方、低融点金属を用いた場合、１つまたは２つの無次元数を溶鋼と一致させただけでは、一致してない無次元数が関わる物性値に影響を受ける現象が再現できない問題がある。例えば、フルード数が一致しているもののウェーバー数が一致しない場合には、溶鋼の表面の波立ちを再現することができない。あるいはフルード数が一致しているもののレイノルズ数が一致しない場合には、粘性によって生じる流速の減衰や渦の形態を再現することができない。このように、無次元数の不一致は、低融点金属における溶鋼流動現象の正確な再現を、本質的に不可能にする大きな問題である。

そこで、本願では、溶鋼の流動を正確且つ容易に再現可能な模擬方法を開示する。

本発明者は、模擬材料を用いて溶鋼の流動を模擬する場合に、数ある無次元数のなかで、フルード数、レイノルズ数及びウェーバー数の３つの無次元数を溶鋼と一致させることに想到した。しかしながら、従来においては、これら３つの無次元数のすべてを溶鋼と一致させることについて何ら着目されておらず、そのようなことが可能であるのか不明であった。そこで、本発明者は、水や低融点金属の物性値やその温度依存性を調査して、上記３つの無次元数が溶鋼と一致する条件を探索した。その結果、水については、ウェーバー数が溶鋼に対して何倍も大きくなってしまい、上記の３つの無次元数のすべてを溶鋼のそれと一致させることはできないことが分かった。一方で、低融点金属については、温度およびスケールを調整することで、上記の３つの無次元数を溶鋼のそれと一致させることができることが分かった。

以上より、本願は、上記課題を解決するための手段の一つとして、
融点が３００℃以下の低融点金属を用い、前記低融点金属を流動させる装置における前記低融点金属のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数を、溶鋼を流動させる装置における前記溶鋼のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数と一致させることを特徴とする、溶鋼の流動を模擬する方法
を開示する。

或いは、本願は、上記課題を解決するための手段の一つとして、
溶鋼の流動を模擬するシステムであって、融点が３００℃以下の低融点金属を用い、前記システムにおける前記低融点金属のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数を、溶鋼を流動させる装置における前記溶鋼のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数と一致させることを特徴とする、溶鋼の流動を模擬するシステム
を開示する。

「溶鋼」とは、鉄を主成分とする鋼であって、鉄以外の合金元素の濃度が１質量％以下のものと定義する。鉄以外の合金元素の濃度が１質量％以下の場合、流体としての物性が、純鉄の場合と同等と見なせる。
「低融点金属を流動させる装置」とは、本技術分野において溶鋼の流動を模擬するための装置として用いられているものをいずれも採用可能である。通常、「低融点金属を流動させる装置」としては、「溶鋼を流動させる装置」と相似の構造を有する装置を採用する。例えば、ノズルから吐出される溶鋼の流動を模擬する場合は、「低融点金属を流動させる装置」として、当該ノズルと相似の形状を有するノズルを採用可能である。
「溶鋼を流動させる装置」とは、溶鋼が適用される実際の設備をいう。例えば、炉、ノズル、鋳型、取鍋等である。
「一致」とは、誤差を許容するものである。具体的には、溶鋼における値に対して、低融点金属における値が±１５％の範囲内であれば、「一致」とみなす。好ましくは±１０％の範囲内である。

本開示の方法では、融点が３００℃以下の低融点金属を用いる。これにより、溶鋼の流動を低温にて容易に再現することができる。また、本開示の方法では、低融点金属を流動させる装置における当該低融点金属のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数を、溶鋼を流動させる装置における当該溶鋼のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数と一致させる。これにより、流動に対する重力、慣性力、粘性力、表面張力の影響を再現でき、溶鋼の内部の流動だけでなく、溶鋼表面の波立ち等も正確に再現できる。

１．溶鋼の流動を模擬する方法
本開示の方法は、溶鋼の流動を模擬する方法であって、融点が３００℃以下の低融点金属を用い、低融点金属を流動させる装置における低融点金属のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数を、溶鋼を流動させる装置における溶鋼のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数と一致させることを特徴とする。

１．１．溶鋼について
本開示の方法は、溶鋼の流動を模擬するものである。本願にいう溶鋼とは、鉄を主成分とするものであって、鉄以外の合金元素の濃度が１質量％以下のものと定義する。このような溶鋼は、流体としての物性が純鉄の場合と同等となる。このような溶鋼の具体例としては、製鉄所における転炉内の溶鋼、鋳造において浸漬ノズルから鋳型に流し込まれる溶鋼、取鍋内の溶鋼等が挙げられる。例えば、スラブ連続鋳造においては、通常、浸漬ノズルから鋳型の内部へと溶鋼が斜め下向きに吐出され、鋳型の内壁に突き当たった溶鋼が上下に分かれて、上昇流と下降流とを形成する。高速鋳造条件下において、浸漬ノズルからの溶鋼の吐出流は、鋳型短辺の凝固シェルを溶解してブレークアウトを引き起こしたり、上記の上昇流が湯面を乱して鋳片表面品質を悪化させたり、上記の下降流が非金属介在物を鋳片深くへ持ち込んで鋳片内部品質を悪化させたりと、様々な悪影響を及ぼす。それゆえ、連続鋳造時において、ノズルから吐出される溶鋼の流動状態や、鋳型に流し込まれた溶鋼の流動状態を正確に把握することが重要である。この点、本開示の方法では、低融点金属を用いて溶鋼の流動を容易且つ正確に模擬・再現可能であることから、連続鋳造において生じる問題の原因究明や、最適な連続鋳造条件の決定等に大いに役立つ。

１．２．低融点金属について
本開示の方法は、低融点金属を用いて溶鋼の流動を模擬するものである。ここで、低融点金属は融点が３００℃以下であることが重要である。融点が３００℃を超えると、低融点金属の取り扱いや低融点金属の流動状態の測定及び観察が困難となるためである。特に、常温（１５℃程度）において液体である低融点金属を用いることで、溶鋼の流動をより容易且つ安全に模擬することができる。

低融点金属の具体例としては、スズあるいはスズを含有する合金、ガリウムを含有する合金、水銀、等が挙げられる。安全性が高く、価格が低廉である点で、スズあるいはスズを含有する合金が好ましい。具体的には、スズ、スズと銀との合金、スズとビスマスとの合金、が挙げられる。

１．３．無次元数について
本開示の方法は、低融点金属を流動させる装置における低融点金属のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数を、溶鋼を流動させる装置における溶鋼のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数と一致させる点に大きな特徴がある。これにより、流動に対する重力、慣性力、粘性力、表面張力の影響を再現でき、溶鋼の内部の流動だけでなく、溶鋼表面の波立ち等も正確に再現できる。従来においては、これら３つの無次元数のすべてを溶鋼と一致させることについて何ら着目されておらず、そのようなことが可能であるのか不明であった。本発明者が鋭意研究したところ、低融点金属の種類に応じて、温度及びスケールのうちの少なくとも一つ、好ましくは両方を調整することで、低融点金属を流動させる装置における低融点金属のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数を、溶鋼を流動させる装置における溶鋼のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数と一致させることができることを見出した。

低融点金属を融点以上に加熱して液体とした場合、低融点金属の温度を上昇させるほど、低融点金属の密度や粘度や表面張力が低下し、これに合わせて上記の３つの無次元数が変化する。これは、密度や粘度や表面張力の温度依存性がそれぞれ異なるからである。また、本開示の方法を実施する装置のスケールを変更することによっても、上記の３つの無次元数を変化させることができる。すなわち、温度及びスケールを調整することで、いくつかの低融点金属について、上記の３つの無次元数を溶鋼と一致させることができる。

２．溶鋼の流動を模擬するシステム
以下、「物の発明」の一例として、溶鋼の流動を模擬するシステム（方式）について説明する。本開示のシステムは、溶鋼の流動を模擬するシステムであって、融点が３００℃以下の低融点金属を用い、当該システムにおける低融点金属のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数を、溶鋼を流動させる装置における溶鋼のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数と一致させることを特徴とする。各構成要素の詳細については本開示の方法において説明したものと同様であるため、ここでは説明を省略する。

本開示のシステムにおいては、実際に溶鋼を流動させる装置と相似の構造を有する装置を用い（例えば、ノズルから吐出される溶鋼の流動を模擬する場合は、当該ノズルと相似の形状を有するノズルを用い）、用いる低融点金属の種類に応じて、当該装置における低融点金属の温度、当該装置のスケールを変更することで、低融点金属についての上記３つの無次元数を、溶鋼のそれと一致させることができる。

ここで、例えば、複数の低融点金属について、（１）温度に対する上記３つの無次元数の依存性や（２）装置のスケールに対する上記３つの無次元数の依存性を事前に調べておくとよい。（１）及び（２）を考慮して、低融点金属の種類に応じて、最適なシステムを設計することができる。

種々の低融点金属について、ウェーバー数（Ｗｅ）、フルード数（Ｆｒ）及びレイノルズ数（Ｒｅ）を、溶鋼と一致させることが可能な条件を探索した。探索結果の一例として、下記表１及び２に、所定の寸法を有するノズルから所定の流速にて吐出された所定温度の溶鋼（純鉄）のＷｅ、Ｆｒ及びＲｅを示す（参考例１）。また、下記表１に当該溶鋼のＷｅ、Ｆｒ及びＲｅと一致するような低融点金属の種類及び条件（温度、スケール）を示す（実施例１〜４）。また、下記表２に当該溶鋼のＷｅ、Ｆｒ及びＲｅと一致させられなかった低融点金属の種類及び条件を示す（比較例１〜３）。また、下記表２に、当該溶鋼のＷｅ、Ｆｒ及びＲｅと一致させられなかった例として水を用いた例についても示す（比較例４、５）。さらに、下記表２に、当該溶鋼のＷｅ、Ｆｒ及びＲｅと一致するような高融点金属の種類及び条件（温度、スケール）を示す（比較例６）。

表１、２において、relative Fr、relative Re、relative Weとは、それぞれの無次元数の実験条件における値を溶鋼における値で除し、溶鋼における無次元数に対する比率で表したものである。表１において、溶鋼の物性値は純鉄のものを流用した。

３無次元数のすべてを一致させることができる低融点金属組成・温度・スケール比の組み合わせは１つではない。表１、２では実施例及び比較例の一例として、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ系合金、Ｓｎ−Ｐｂ系合金、水銀（Ｈｇ）及び水について示した。なお、ここでは金属の種類を元素記号で表している。

尚、表１、２においては、各無次元数を算出する際の代表寸法を、ノズルの直径としたが、他の任意の寸法であっても結果に差異はない。すなわち、本開示の方法は、ノズルにおける溶鋼の流動を模擬する方法に限られず、例えば、炉における溶鋼の流動を模擬する方法や鋳型における溶鋼の流動を模擬する方法としても適用できる。

実施例１は、融点が２２２℃であるＳｎ−３．８％Ａｇ（Ｓｎをベースに３．８ｍａｓｓ％のＡｇを添加したことを示す。以下、同様に表記する。) の低融点金属を用いた模擬において、温度を３００℃まで上げ、スケール比を最適化することによって、フルード数、レイノルズ数、ウェーバー数の３つを溶鋼と一致させた実施例である。なお、実施例１では低融点金属の密度も溶鋼のそれと一致している。密度が一致することは、ガスジェットの貫入現象のように運動量が支配する現象の再現が可能な点で、より好ましい。

実施例２は、融点が１３９℃であるＳｎ−４０％Ｂｉの低融点金属を用いた模擬において、温度を２８０℃まで上げ、スケール比を最適化することによって、フルード数、レイノルズ数、ウェーバー数の３つを溶鋼と一致させた実施例である。

実施例３は、常温（２０℃）で液体であるＧａ−２０．５％Ｉｎ−１２．５％Ｓｎ（融点１０．５℃）の低融点金属を用い、スケール比を最適化することによって、フルード数、レイノルズ数、ウェーバー数の３つを溶鋼と一致させた実施例である。

実施例４は、常温（２０℃）の水銀（融点−３８．８℃）を用い、スケール比を最適化することによって、フルード数、レイノルズ数、ウェーバー数の３つを溶鋼と一致させた実施例である。水銀の場合には、実施例１〜３に比べると、スケール比の小さい条件で上記３無次元数を一致させられる。

比較例１は、融点が１８３℃であるＳｎ−３７％Ｐｂの低融点金属を用いた実験において、２００℃の温度条件下でスケール比を工夫してフルード数およびウェーバー数を溶鋼と一致させたものの、レイノルズ数が乖離した比較例である。

比較例２は、実施例２と同じＳｎ−４０％Ｂｉの低融点金属を用いた実験において、溶融金属の温度が実施例２の２８０℃に対し１９０℃と低いので、スケール比を工夫してフルード数およびレイノルズ数を溶鋼と一致させられたものの、ウェーバー数が乖離した比較例である。

比較例３は、常温（２０℃）の水銀を用いた実験において、スケール比の選定が不適切なので、レイノルズ数、ウェーバー数の２つを溶鋼と一致させられなかった比較例である。

比較例４は、３０℃の水を用いてフルード数およびレイノルズ数を一致させた、一般的なフルスケール水モデル実験の方法を示す比較例である。この場合、ウェーバー数は一致せず、溶鋼に対して表面張力が小さい流動現象が生じる。

比較例５は、３０℃の水を用いて、スケール比を小さくすることによってフルード数およびウェーバー数を一致させた比較例である。この場合、レイノルズ数は一致せず、溶鋼に比べて見掛けの粘性が大きな流れになる。

比較例６は、融点が３４３℃であるＳｎ−３％Ａｇ−４％Ｃｕの合金を用いているので実験温度が３６０℃と高く、実施例に比べると実施に困難を伴う例である。

以上の通り、複数の組成において、模擬温度と物理モデルのスケール比を適正に組み合わせることによって、フルード数、レイノルズ数、ウェーバー数という３つの無次元数を溶鋼と一致させられる。その結果、溶鋼を正確に再現した流動実験が可能になるのである。

本開示の方法やシステムによれば、低融点金属を用いて溶鋼の流動を容易且つ正確に模擬・再現可能である。そのため、例えば、転炉吹錬時における炉内の溶鋼の流動状態や、連続鋳造時における浸漬ノズルから吐出される溶鋼の流動状態や、鋳型に流し込まれた溶鋼の流動状態を正確に把握する場合に利用可能である。本開示の方法やシステムによれば、例えば、吹錬や連続鋳造において生じる問題の原因究明や、最適な連続鋳造条件の決定等に大いに役立つ。本開示の方法やシステムによって、吹錬や連続鋳造の最適な条件を見出し、実プロセスに反映させることで、例えば、品質に優れた鋳片を連続的に製造することができる。この点、「本開示の方法やシステムにより炉内の溶鋼の流動を解析し、解析結果に基づいて吹練条件を決定する、吹練条件の決定方法」や「本開示の鋳造方法やシステムにより浸漬ノズルにおける溶鋼の流動及び鋳型に流し込まれた溶鋼の流動を解析し、解析結果に基づいて連続鋳造条件を決定する、連続鋳造条件の決定方法」などといったように、本開示の方法は、業として、製鉄所における種々の製造プロセスに組み込まれて実施され得る。

Claims

融点が３００℃以下の低融点金属を用い、
前記低融点金属を流動させる装置における前記低融点金属のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数を、溶鋼を流動させる装置における前記溶鋼のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数と一致させることを特徴とする、
溶鋼の流動を模擬する方法。
溶鋼の流動を模擬するシステムであって、
融点が３００℃以下の低融点金属を用い、
前記システムにおける前記低融点金属のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数を、溶鋼を流動させる装置における前記溶鋼のフルード数、レイノルズ数及びウェーバー数と一致させることを特徴とする、
溶鋼の流動を模擬するシステム。