JP7010575B1

JP7010575B1 - 鋼の連続鋳造における鋳込流の酸化防止装置

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Publication number: JP7010575B1
Application number: JP2021129503A
Authority: JP
Inventors: 勝彦山田
Original assignee: 山田榮子
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2041-08-06
Also published as: JP2023023720A

Abstract

【課題】鋼の連続鋳造において、鋳込流の空気による酸化を防止する方法を提供する。【解決手段】鋳込流４を外気から遮断するため、タンディシュ底板７又は鋳型カバー１３のどちらか一方に機密性を以て鋳込流を取り囲む環状平板ノズル９を接続し、該平板ノズルの吐出面は多孔質体で構成して整流格子の機能を果たし、垂直方向の不活性ガスの気流膜１２を形成し、対面する鋳型カバー上には気密性を以て気流ガイド１４を設け、該気流を遠心状に放散させる。必要最小ガス量で雰囲気の酸素ガス濃度を１．０％以下とするため、遮蔽区間長さに対応して、吐出流速と気流膜を設定し、気流を層流状とする。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼の連続鋳造において鋳片の品質を改良するため、鋳込流の空気による酸化を防止する方法に関している。

鋼の連続鋳造においてコスト本位で製造される鉄筋用棒鋼では、通常、鋳込の流量と温度を制御するところのタンディシュからビレット用鋳型への鋳込には、流量制御・開閉・酸化防止等の機構を持たない全開ノズル（通称オープンノズル）が多用されている。
ノズルと鋳型間の気中で鋳込流は空気酸化され、鋳込面には常に酸化起因のスラグが生成・浮遊している。スラグの一部は鋳型面に付着して排出され、一部は溶鋼中に混入・残存する。また溶存酸素が増加するので鋳片皮下には気泡欠陥（ブローホール）が発生し易い。
オープンノズルと異なり、ノズル隘路がタンディシュ底板から突き出している三枚ゲート式スライドゲートにおいても同様の問題がある。

該空気酸化の防止にはタンディシュノズルから鋳込流を包囲して鋳込面直下まで侵入する浸漬ノズルの取付が適切であるが、耐火物製の開閉機構も含めてコスト高となり当該製品では全く採用されない。

耐火物を使用しない酸化防止の一例として、鋳込流の中間部分を旋回着脱容易な鋼管で覆い、大量の窒素ガスを噴出させて雰囲気制御する方法が一部でなされ効果が得られていたが、ガス使用量があまりに過大でコストに問題があった。

特許文献１には、鋳込流ではないがレードルからタンディシュへの注入流に対して、空気酸化を防止する方法が開示されている。
それによるとタンディシュカバー部材上に注入流を取り囲んで２重のガスカーテンノズルを設け、内部には還元性ガスを形成して、空気酸化による品質低下を防止している。ガスカーテンは環状ヘッダーパイプに設けた１ｍｍの錐孔列から吹き出し、当然乱流になっている。
当該方法を鋳込流に応用する場合、必要ガス流量が２ｍ³／分以上と記載され、注入量に対して数分の１以下である鋳込量にとってはガス流量は過大になるという問題がある。さらに還元性雰囲気としなければならない（非酸化性だけでは不十分）。

実用新案文献１には、鋳込流の雰囲気制御を効果的に行う方法が開示されている。それによると、鋳込流を取り囲むように２重鋼管を設け、内部に不活性ガスを装入して非酸化性の雰囲気とするが、１）鋳型の上下振動に追随するよう２重鋼管をばねによって伸縮させ、２）鋼管の内断面積を鋳型内断面積と等しくして鋳型振動による管内の呼吸現象を防止して雰囲気酸素濃度を安定させる、の二つの工夫が込められている。
当該方法は、品質向上・ブレイクアウト防止等いろいろ効果があったが、耐熱ばねのコストやメンテナンスの煩わしさがあった。

特開昭５２－４７５２３実用新案公報昭５４－４４９１

本願発明は、鋼の連続鋳造においてタンディシュから鋳型へのオープンノズルを介した鋳込流の空気による酸化を、簡便且つ低コストの方法によって防止することを解決すべき課題とする。

第１の発明は、鋼の連続鋳造において、鋳込流の空気による酸化を防止する方法であって、タンディシュ底板又はスライドゲートノズルの底板と鋳型カバーのどちらか一方に気密性を以て鋳込流を取り囲む平板内均等な吐出圧を持つ環状平板ノズルを接続し、該環状平板ノズルから垂直方向に不活性ガスを層流状に吐出して厚膜筒状の気流膜を形成し、他方には同様に気密性を以て傾斜気流ガイドを設け、該気流膜を受け遠心状に放散させて外気の気流膜内側への侵入を防止することを特徴とする鋳込流の空気酸化防止方法である。

第２の発明は、下記４条件、
１）気流膜の厚さが吐出面と傾斜気流ガイド間の距離の５％以上１５％以下であること、
２）吐出速度が０．５ｍ／秒以上２．０ｍ／秒以下であること、
３）環状平板ノズルの吐出面の部材を通気性を持つ金属又は耐火物によって構成すること、
４）気流膜の内側空間の酸素ガス濃度を容量濃度で１．０％以下とすること、
のうちどれか一つ以上を組み込んだことを特徴とする第１発明に記載した鋳込流の空気酸化防止方法である。

本願発明の第１の効果は、気流膜を適切に形成することにより気流膜内側空間の雰囲気は酸素ガス濃度が１％以下の非酸化性になり、鋳込流の空気による酸化が防止され、鋳片皮下に発生しがちなブローホール欠陥が減少する。
第２に、鋳込流の酸化によって鋳込面に形成される浮遊スラグが減少し、スラグの鋳込流による叩き込みが少なくなって、マクロ非金属介在物の混入が減少する。
第３に、Ａｌ含有鋼の場合、Ａｌの酸化による浮遊スラグの硬質化・肥大化が生じやすいが、それが抑制されスラグカミコミ起因のブレイクアウトが減少する。
第４に、常時鋳型面に自動塗布される潤滑油の一部は空気によって燃焼してロスとなっているが、本発明の酸化防止により、潤滑性能が向上して溶鋼の付着現象が減少し、且つ消費原単位は半減する。
第５に、装置は低廉であり、不活性ガス消費量も大きくはなく、コスト上問題が無い。

タンディシュから鋳型への鋳込流を外気から遮断する装置の概略図である。タンディシュから鋳型への鋳込流を外気から遮断する装置の他の例である。気流膜を形成するガス量と気流膜内の酸素ガス濃度と冶金上の効果との関係を示す。

本発明を実施するための装置を図１に従って説明する。連続鋳造において鋳込の流量と温度を調節するところのタンディシュ１内の溶鋼２はタンディシュノズル３を通して鋳込流４となり、ビレット用の鋳型５内に鋳込まれ、凝固殻６を形成しつつ鋳片となって連続的に引き抜かれる。

該タンディシュ１と鋳型５の間には、非常時に鋳込流４を遮断して流路を切り換えるロンダー８が出入自在に設けられ、鋳込の一時停止や再開を容易にする。該ロンダー８の介在が空気酸化防止装置を考案する際、鋳込流４と交錯して問題解決を困難にしている。

本発明では、タンディシュ１の底板７に鋳込流４を取り囲んで環状平板ノズル９を気密性を以て接続する。該環状平板ノズル９は、送風室１０と、通気性の耐火物又は金属から成る吐出板１１とから構成される。
不活性ガスを送風室１０に送り、垂直下方に吐出させて筒状で層流状の気流膜１２を形成する。
該吐出板１１の通気性を適切に設定すると、送風抵抗から送風室全体が均等な圧力となり吐出圧が安定し、整流格子の機能を果たす。吐出流速が低速であると層流又は層流状の気流が得やすい。
気密性とは、該環状平板ノズル９とタンディシュ底板７との隙間から外気が気流膜内側に侵入しないことを意味する。

該吐出板１１に対面する鋳型カバー１３上に、該気流膜１２を受けて遠心状に放散させる円筒台側面状の傾斜気流ガイド１４が気密性を以て設けられる。気流は円滑に拡散する。ロンダー８の駆動範囲には気流のみしか存在しないので作業上極めて便利である。
上記気密性とは、傾斜気流ガイド１４と鋳型カバー間の隙間の気密性を言う。

鋳込流４の雰囲気における酸素ガス濃度をより低下させるには、気流膜を適切に構成しなければならない。ローソクの火炎表面やタバコ煙の上昇流のように、完全な層流で膜を形成することが理想であるが、いずれも流長が高々２００ｍｍを超えると乱流になって周辺との混合が発現し、外気の侵入を許すことになること、そもそも膜状の層流自体の形成が容易ではないと言う問題がある。
汚染ガスを遮蔽するような通常のエアカーテンでは強力な吐出と強力な吸引によって乱流域であっても効果を得ているが、本願発明の課題には流量が過大となって適さない。

本願発明では、必要な遮蔽能力（酸素希釈度）を必要最小流量で達成するため、遮蔽区間Ｂ（鋳込流長Ａより小）・気流の状態（層流／層流状／乱流）・吐出流速Ｖ・気流膜厚Ｄ等と酸素ガス濃度との関係を検討し、望ましい条件を明らかにした。

遮蔽区間Ｂが極めて小さい場合（例；５０ｍｍ以下）、流速を低位に設定して層流によって遮蔽することができる。膜厚は小さくても良い。
区間Ｂが２００ｍｍを超えると、それに応じて流速を増加させなければならない。流れの先の表層は渦を伴う緩い乱流となり、当外部では外気と混合する。ある程度の膜厚があると気流表層部は前記の緩い乱流であるが、膜内では層流であって遮蔽効果が継続する。当該状態を層流状とする。流速が秒速数ｍを超えると全体が乱流になって外気の混合は避けられない。
区間Ｂは、実際にはロンダーがあるので３００ｍｍ以下にすることは困難である。通常の約５００ｍｍでは流速不足だと気流ガイド近辺で乱流への変化が絡み遮蔽が低下する。
遮蔽区間Ｂの増加に対応して、流速Ｖ・膜厚Ｄをそれぞれ増加させることの併用が必要になる。

単純な模型による実験で上記関係の概略を把握することができた。内径１００ｍｍ、外形１４０ｍｍ（気流膜厚２０ｍｍ）の環状平板ノスルにおいて遮蔽区間３００ｍｍであれば、流速１．０ｍ以下で気流膜内の酸素分圧は容易に１．０％以下に低下、さらに丁寧に操作すると０．５％以下となった。
実際の連続鋳造では、高温溶鋼によるガスの膨張や鋳型カバーの上下振動により気流の性状は影響を受け、乱流側に移行し易い。鋳込流の酸化防止のための適正条件は以下とされる。
気流膜厚Ｄを遮蔽区間Ｂの５％以上１５％以下とし、気流速度を０．５ｍ／分以上２．０ｍ／分以下とする。
以上の範囲で、完全な層流ではないが層流状の膜が形成され内部の酸素の希釈効果が発現する。希釈は侵入抑制と潤滑油の分解した可燃ガスの燃焼により発現する。
区間Ｂが３００ｍｍ以下では、流速０．２ｍ／分でも層流が得られるが（タバコ煙が侵入しない）実操業では攪乱要因があるので下限を０．５ｍ／分とした。上限は乱流抑制のため２．０ｍ／秒とした。膜厚の下限は実験から無難な値とし、上限は大きいほど遮蔽効果に良いがガス量が過大となるので当該値とした。最適値は実操業の中で最小流速、最小気流膜厚を求める。

図２はスライドゲート式タンディシュノズルにおける鋳込流の酸化防止装置を示す。タンディシュ２０の底部の鋳込位置にガイドノズル２２が設けられ、該ガイドノズル２２の下面はタンディシュ底板から突き出し、密接してスライドゲート式のタンディシュノズル２１が取り付けられる。該タンディシュノズル２１は金枠２３と２枚の固定耐火物板２４と該固定耐火物板２４間で摺動するゲート板２５と該ゲート板２５を摺動させる油圧シリンダー２６とから成る。ロンダーは撤去される。
環状平板ノズル２７は金枠２３の下面に気密性を以て接合され、図１と同様不活性ガスによる気流膜２８が形成される。対面には傾斜気流ガイド２９が設けられる。

本方法の鋳込ではタンディシュノズルが底板よりも下方に突き出ていること、ロンダーが無いことから遮蔽区間Ｂはかなり小さくすることができる。即ち、吐出流速、気流膜幅とも小さくすることができ必要流量が削減される。

図３は鋳込流の雰囲気酸素濃度と冶金上の効果との関係を示す。該図は引用文献１の方法において、大量の操業データを解析・整理したものである。筒内への送風量に対して雰囲気酸素濃度はかなりばらつくが測定上の問題、作業上の問題が絡んでいる。
冶金的効果を得るには少なくとも酸素濃度１％以下が必要条件であることが解る。

上記方法に対して本願の方法では遮蔽が鋼管から気流膜に変わるので必要ガス量は当然増加する。いくつかの実験データから約１０倍になることが判明した。ガス量原単位は約１ｍ³／ｔであって、コスト上問題が無い。

以上、環状平板ノズルはタンディシュ側に、気流ガイドは鋳型側に設けた例で説明したが、一長一短があって上下逆にしても良い。
吐出板の材質を耐火物又は金属と特定した理由は、鋳込流の強烈な放射熱に対処するためである。
環状平板ノズルの形状は円盤状としたが角状でもよい。その際、対面する気流ガイドの形状も角状にしなければならない。

不活性ガスの最小流量で最大の外気遮蔽効果を得るため、遮蔽区間Ｂは小さい方が良い。
ロンダーの設計寸法を見直し、ロンダー高さを２００ｍｍ以下とした。Ｂは５００ｍｍから３００ｍｍに短縮される。前記簡易実験装置（気流膜厚２０ｍｍ）において、流速１．０ｍ／分で酸素濃度０．５％以下が認められた。最適条件はこの近辺にあると考えらる。

本願発明の鋳込流の保護方法は実施容易であり、品質・コスト上の効果を発揮する。

１；タンディシュ２；溶鋼３；タンディシュノズル４；鋳込流５；鋳型
６；凝固殻７；タンディシュ底板８；ロンダー９；環状平板ノズル１０；送風室１１；吐出板１２；気流膜１３；鋳型カバー１４；傾斜気流ガイド２０；タンディシュ２１；タンディシュノズル２２；ガイドノズル２３；金枠２４；固定耐火物板２５；ゲート板２６；油圧シリンダー
２７；環状平板ノズル２８；気流膜２９；傾斜気流ガイドＡ；気流長Ｂ；遮蔽区間

Claims

鋼の連続鋳造において、鋳込流の空気による酸化を防止する方法であって、タンディシュ底板又はスライドゲートノズルの底板と鋳型カバーのどちらか一方に気密性を以て鋳込流を取り囲む平板内均等な吐出圧を持つ環状平板ノズルを接続し、該環状平板ノズルから垂直方向に不活性ガスを層流状に吐出して厚膜筒状の気流膜を形成し、他方には気密性を以て傾斜気流ガイドを設け、該気流膜を受け遠心状に放散させて外気の気流膜内側への侵入を防止するに当たり、気流膜の厚さが吐出面と傾斜気流ガイド間の距離の５％以上１５％以下であり、吐出速度が０．５ｍ／秒以上２．０ｍ／秒以下であり、気流膜内側の酸素ガス濃度を容量濃度で１．０％以下とすることを特徴とする鋳込流の空気酸化防止方法。