JP7059816B2

JP7059816B2 - 溶融金属の注入ノズル

Info

Publication number: JP7059816B2
Application number: JP2018109726A
Authority: JP
Inventors: 友一塚口
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2038-06-07
Also published as: JP2019209368A

Description

本願は、溶融金属を旋回させながら吐出することが可能な、溶融金属の注入ノズルを開示する。

溶融金属の注入ノズルにおいて、内部の溶融金属流を旋回させると、ノズルから吐出する流れの最大流速が低下し吐出流による容器内流動の乱れを抑制できることが知られている。溶融金属流を旋回させる技術として、例えば、特許文献１には、レードルからタンディッシュへの注入に用いられるロングノズル内に螺旋状の溝を設ける技術が開示されている。また、特許文献２には、タンディッシュから鋳型への注入に用いられる浸漬ノズルの内壁に螺旋状の突起を設ける技術が開示されている。さらには、特許文献３には、タンディッシュから鋳型への注入に用いられる浸漬ノズル内にねじりテープ状の旋回羽根を設ける技術が開示されている。

特開２００６－３４６６８８号公報特開平１１－０４７８９６号公報特開２０００－２３７８５２号公報

特許文献１及び２に開示された技術は、ノズルの内壁面近傍の溶融金属流に限定的に旋回を付与するもので、得られる旋回流が弱いという課題がある。また、特許文献３に開示された技術は、浸漬ノズル内の旋回羽根及びその周囲が非金属介在物によって閉塞し易いという課題がある。さらに特許文献１～３に開示された技術は、溝、突起及び旋回羽根の周囲が非金属介在物や凝固した金属によって埋まって効果が損なわれ易いという課題や、溝、突起及び旋回羽根の縁の凸部が溶損して溶融金属を汚染し易いという課題もある。

本願は、上記課題を解決するための手段の一つとして、流路の横断面の形状が楕円又は長円であり、前記楕円又は前記長円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに１８０°以上３６００°以下捻られている、溶融金属を旋回させながら吐出することが可能な、溶融金属の注入ノズルであって、前記楕円又は前記長円の長径が、短径に対して１．２倍以上３倍以下であり、前記楕円又は前記長円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さが、前記長径と前記短径との差の０．３５倍以上３．５倍以下である、溶融金属の注入ノズルを開示する。
また本願は、上記注入ノズルを使用した溶融金属の注入方法であって、２Ｗ／３Ｕで計算される指数Ｓｗが０．５以上である溶融金属の注入方法を開示する。
ここで、Ｗ：ノズル出口における平均周方向流速であり、Ｕ：平均長手方向流速である。

「横断面」とは、ノズル長手方向に直交する方向における断面をいう。
「長円」とは、２つの円を２本の平行な共通接線で繋げた形状のものをいう。
「ノズル長手方向」とは、ノズル内部において流路が伸びる方向と一致する。
「前記楕円又は前記長円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに１８０°以上捻られており」とは、言い換えれば、ノズル長手方向の一端から他端へと向かって、楕円又は長円の長径の一端及び他端の軌跡が二重螺旋状となり、且つ、各螺旋がそれぞれ半周以上旋回していることを意味する。

本開示の注入ノズルのポイントは、断面形状はシンプルな楕円又は長円とした上で、それを流動方向に対して一定の向きで捻ることにある。この形状は、円断面に螺旋状の溝や突起を設けた従来技術や流路内部に旋回羽根を設けた従来技術とは異なり、溝、突起及び旋回羽根の周囲が非金属介在物や凝固した金属によって埋まって効果が損なわれたり、溝、突起及び旋回羽根の縁の凸部が溶損して溶融金属を汚染したり、流路が閉塞したり、といった課題を生じることがない。また、流路そのものを捻るので、流路内壁に螺旋状の溝や突起を設ける場合に比べて効率良く旋回を得ることができる。さらに、このような流路形状は、耐火物で構成することが容易であり、実製造プロセスへの適用が可能である。

本開示の溶融金属の注入ノズルの流路形状の一例を示す図である。本開示の溶融金属の注入ノズルの流路形状の一例を示す図である。本開示の溶融金属の注入ノズルの用途の一例を説明するための図である。比較例１に係るノズルの流路横断面形状を説明するための図である。比較例２に係るノズルの流路横断面形状を説明するための図である。

本発明者は、ノズル内を流下する溶融金属に旋回付与するにあたり、従来技術の問題点を解消する方法について考察と実験を重ねた。その際、流路の閉塞等を防止する観点から、流路を二分する羽根のような構造物を内挿せず、ノズル内壁の形状を工夫することとした。次に、ノズル内壁の形状を工夫するにあたっては、横断面の一部に溝や突起を設けるのではなく横断面全体の形状を変化させて、旋回流付与効果を高めることを指向した。さらに、内壁耐火物の損耗を防止する観点等から、内壁面に局所的な溝や突起を設けることは避けた。

上記指針をもって実験と考察を重ねた結果、本発明者は、ノズルの流路の横断面の形状を楕円又は長円とし、当該楕円又は長円の長径方向をノズルの上から下に向けて一方向に捻る基本アイデアを思い付いた。本発明者は、上記の基本アイデアを得た上で、溶融金属流に十分な強さの旋回を付与することができ、かつ耐火物による製造が可能で、耐火物の耐久性を確保可能な具体的なノズル内面形状について、実験と計算機シミュレーションとによる検討を進めた。その結果、以下の本開示のノズルを完成させた。

図１及び２に、本開示の溶融金属の注入ノズルの一例を示す。図１（Ａ）はノズル全体を半透明に描画した概略図であり、図１（Ｂ）及び（Ｃ）は、ノズルの縦断面の構造を描画した概略図であり、図２は流路形状を抜き出して描画した概略図である。分かり易さのため、一部実線にて輪郭を示している。図１及び２に示すように、本開示の溶融金属の注入ノズルは、流路の横断面の形状が楕円又は長円であり、前記楕円又は前記長円の長径が、短径に対して１．２倍以上３倍以下であり、前記楕円又は前記長円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに１８０°以上捻られており、前記楕円又は前記長円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さが、前記長径と前記短径との差の０．３５倍以上３．５倍以下である。

１．流路の横断面の形状
本開示のノズルは、流路の横断面の形状が楕円又は長円であることが重要である。尚、図１及び２に示す一例においては流路の横断面形状が楕円であるが、長円であっても同様の効果を発揮する。このようなシンプルな断面形状とすることで、溶融金属注入時のノズルの閉塞の問題等を回避しつつ、溶融金属流に適切に旋回を付与することが可能である。また複雑な成形加工が不要であり、簡易な製造工程によってノズルを容易に製造することが可能となる。

２．長径と短径との比
本開示のノズルは、上記の楕円又は長円の長径が、短径に対して１．２倍以上３倍以下であることが重要である。下限が好ましくは１．５倍以上、上限が好ましくは２．５倍以下である。長径が短径に対して１．２倍よりも小さいと、流路の断面形状が真円に近付いて十分な旋回付与効果が得られない虞がある。一方、３倍よりも大きいと、長径と短径との差が大きくなり過ぎて、耐火物で製造した際に熱衝撃に弱くなる虞がある。

本開示のノズルにおいて、上記の長径及び短径の絶対値については、ノズルによって溶融金属流に付与すべき旋回の大きさ、ノズルによって注入すべき溶融金属の量や注入速度等に応じて適宜決定されればよい。例えば、長径を５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下とし、短径を２０ｍｍ以上１３５ｍｍ以下とすることが好ましい。

３．捻り角
本開示のノズルにおいては、上記の楕円又は前記長円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに１８０°以上捻られていることが重要である。すなわち、図２に示すように、ノズル長手方向の一端から他端へと向かって、楕円又は長円の長径の一端及び他端の軌跡が二重螺旋状となり、各螺旋がそれぞれ半周以上旋回する。尚、図１及び２に示す一例においては捻り角を３６０°とした。捻り角が１８０°よりも小さいと、十分な旋回付与効果が得られない。捻り角の下限は好ましくは２７０°以上、より好ましくは３６０°以上である。捻り角の上限は特に限定されるものではないが、耐火物からなるノズルが採り得る径と長さとの関係から、１０回転以下（３６００°以下）とすることが好ましい。

４．ノズル長さ
本開示のノズルは、上記の楕円又は長円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さが、上記の長径と短径との差の０．３５倍以上３．５倍以下であることが重要である。下限が好ましくは０．４倍以上、上限が好ましくは２．５倍以下である。０．３５倍よりも小さいと、流路内壁の凹凸が激しくなり、流路内壁の損耗が大きくなる。一方、３．５倍よりも大きいと、旋回付与効果が小さくなる。

本開示のノズルにおいては、上記の９０°捻るのに要するノズルの長さを、上記のように「長径と短径との差」を基準として規定することが重要である。単に捻りピッチを規定するのでは、長径と短径との差が小さい場合に旋回が弱まってしまう。長径と短径との差を基準としてノズル長さを規定することで、長径と短径との差が小さい、すなわち強い旋回が得られ難い条件においては、流路横断面の楕円又は長円の長径方向を９０°捻るのに要するノズル長さが小さく規定されるので、ノズルの単位長さあたりの捻り角が大きくなる。これにより、旋回を強めることができるので、長径と短径との差が小さいという不利な条件を補うことができる。逆に、長径と短径との差が大きい、すなわち強い旋回が得られ易い条件においては、当該長径方向を９０°捻るのに要するノズル長さを大きくすることによって、ノズル内面形状が過度に捻られて激しい凹凸を有することを避けることができる。

以上の通り、上記の１～４を満たす本開示のノズルによれば、簡便な構成で溶融金属流に対して強い旋回を付与することができる。また、ノズル閉塞の問題も起こし難い。

５．補足
５．１．ノズル外壁の形状
本開示のノズルは、ノズル内部の流路の形状が、上記したような特定の捻り形状であればよく、ノズル外壁の形状は特に限定されるものではない。横断面におけるノズルの外壁の形状は、例えば図１に示すような円形のほか、多角形とすることも可能である。

５．２．ノズル材質
本開示のノズルは、従来のノズルと同様の耐火物によって構成すればよい。上記の通り本開示のノズルは、流路内壁に溝や突起や旋回羽根等の複雑な構造を設ける必要がなく、耐火物を成形して容易に製造可能である。

５．３．用途
本開示のノズルは、容器間で溶融金属を注入する工程において好適に用いられる。特に、図３（Ａ）に示すように、鋼の連続鋳造において、レードルからタンディッシュへと溶融金属を注入する場合のロングノズルとして、或いは、タンディッシュからモールドへと溶融金属を注入する場合の浸漬ノズルとして用いることが好ましい。すなわち、本開示のノズルによって注入される溶融金属は溶鋼であることが好ましい。尚、ノズルの上部において十分な旋回が得られれば、ノズルの下部は通常の円断面とするなど、ノズルの長手方向の一部にのみ上記本開示のノズルの構造を採用しても構わない。例えば、図３（Ｂ）に示すように、ロングノズルの上部にのみ本開示のノズルを採用し、ロングノズルの下部は従来と同様のノズルとすることも可能である。

以下、実施例及び比較例を示しつつ本開示のノズルについてさらに詳細に説明する。

１．評価用のノズルの形状
表１に実施例及び比較例に係るノズルの形状を示す。以下に示す実施例及び比較例において、流路の横断面形状（楕円又は長円）の短径をＤ_１、長径をＤ_２とし、当該楕円又は長円の長径方向をノズルの長手方向に沿って９０°捻るのに要するノズル長さをＬとし、当該長径方向の総捻り角をθとする。

２．ノズルの評価
実施例及び比較例に係る各ノズルをフルスケール水モデル実験に供した。
具体的には、ノズルの流路の横断面と同一形状で捻りの無い楕円断面又は長円断面の給水管をノズルの入り口に接続してノズル長手方向に２ｍ／ｓの流速を付与する一方、ノズル出口に流路の横断面の長径と同じ直径の円断面で長さが５００ｍｍの排水管を接続して、排水管の出口における平均周方向流速Ｗを測定し、平均長手方向流速をＵとして、２Ｗ／３Ｕで計算される指数Ｓｗを求めた。この指数Ｓｗは、概ね０．５以上であれば旋回流付与効果が確保できる。結果を下記表１に示す。

実施例１に係るノズルは、流路の横断面の形状が楕円であり、前記楕円の長径Ｄ_２が、短径Ｄ_１に対して１．５７倍であり、前記楕円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに３６０°捻られており、前記楕円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さＬが、前記長径Ｄ_２と前記短径Ｄ_１との差（Ｄ_２－Ｄ_１）の２．２５倍である。実施例１に係るノズルは、図１及び２に示すような流路形状を有する。このようなノズルを用いた場合、Ｓｗが０．８となり、十分な旋回流付与効果を確保できた。

実施例２に係るノズルは、流路の横断面の形状が長円であり、前記長円の長径Ｄ_２が、短径Ｄ_１に対して２．００倍であり、前記長円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに５４０°捻られており、前記長円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さＬが、前記長径Ｄ_２と前記短径Ｄ_１との差（Ｄ_２－Ｄ_１）の０．５０倍である。このようなノズルを用いた場合、Ｓｗが１．４となり、十分な旋回流付与効果を確保できた。

比較例１に係るノズルは、流路の横断面の形状が楕円であり、前記楕円の長径Ｄ_２が、短径Ｄ_１に対して１．１３倍であり、前記楕円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに３６０°捻られており、前記楕円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さＬが、前記長径Ｄ_２と前記短径Ｄ_１との差（Ｄ_２－Ｄ_１）の１．００倍である。図４に、比較例１に係るノズルの流路の横断面形状を示す。比較例１に係るノズルは、長径Ｄ_２が短径Ｄ_１に対して１．１３倍と小さく、流路の横断面形状が真円に近い。そのため、Ｓｗが０．２となり、十分な旋回流付与効果を確保できなかった。

比較例２に係るノズルは、流路の横断面の形状が長円であり、前記長円の長径Ｄ_２が、短径Ｄ_１に対して３．５０倍であり、前記長円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに２７０°捻られており、前記長円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さＬが、前記長径Ｄ_２と前記短径Ｄ_１との差（Ｄ_２－Ｄ_１）の０．８０倍である。図５に、比較例２に係るノズルの流路の横断面形状を示す。比較例２に係るノズルは、Ｓｗが１．１となり十分な旋回流付与効果を確保できるものの、長径Ｄ_２が短径Ｄ_１に対して３．５０倍と大きく、耐火物で製造した場合に熱衝撃に弱いという問題がある。

比較例３に係るノズルは、流路の横断面の形状が楕円であり、前記楕円の長径Ｄ_２が、短径Ｄ_１に対して１．７１倍であり、前記楕円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに７２０°捻られており、前記楕円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さＬが、前記長径Ｄ_２と前記短径Ｄ_１との差（Ｄ_２－Ｄ_１）の０．３０倍である。比較例３に係るノズルは、Ｌが小さ過ぎるので、ノズル内に入った下降流が流路内壁の凹凸によって激しく衝突する。その結果、流路内壁の損耗が大きくなるという問題がある。

比較例４に係るノズルは、流路の横断面の形状が楕円であり、前記楕円の長径Ｄ_２が、短径Ｄ_１に対して１．３８倍であり、前記楕円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに１８０°捻られており、前記楕円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さＬが、前記長径Ｄ_２と前記短径Ｄ_１との差（Ｄ_２－Ｄ_１）の４．５０倍である。比較例４に係るノズルは、Ｌが大き過ぎることから、Ｓｗが０．２となり、十分な旋回流付与効果を確保できなかった。

比較例５に係るノズルは、流路の横断面の形状が楕円であり、前記楕円の長径Ｄ_２が、短径Ｄ_１に対して１．５７倍であり、前記楕円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに１２０°捻られており、前記楕円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さＬが、前記長径Ｄ_２と前記短径Ｄ_１との差（Ｄ_２－Ｄ_１）の２．２５倍である。比較例５に係るノズルは、θが１２０°と総捻り角が小さ過ぎたため、Ｓｗが０．４となり、十分な旋回流付与効果を確保できなかった。

以上の実施例及び比較例、並びに、計算機シミュレーションの結果、以下の（１）～（４）の要件をすべて満たす場合に、溶融金属の注入時における流路内壁の損耗を抑制可能であるとともに熱衝撃に対して対抗可能であり、流路の閉塞を防止しつつ十分な旋回流付与効果を確保可能なノズルとなり得ることが分かった。
（１）流路の横断面の形状が楕円又は長円であること。
（２）前記楕円又は前記長円の長径が、短径に対して１．２倍以上３倍以下であること。
（３）前記楕円又は前記長円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに１８０°以上捻られていること。
（４）前記楕円又は前記長円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さが、前記長径と前記短径との差の０．３５倍以上３．５倍以下であること。

本開示のノズルは、例えば、鋼の連続鋳造において、レードルからタンディッシュへと溶融金属を注入する場合のロングノズルとして、或いは、タンディッシュからモールドへと溶融金属を注入する場合の浸漬ノズルとして、好適に利用可能である。

Claims

流路の横断面の形状が楕円又は長円であり、前記楕円又は前記長円の長径方向が、ノズル長手方向に沿って連続的且つ一定の向きに１８０°以上３６００°以下捻られている、溶融金属を旋回させながら吐出することが可能な、溶融金属の注入ノズルであって、
前記楕円又は前記長円の長径が、短径に対して１．２倍以上３倍以下であり、
前記楕円又は前記長円の長径方向を９０°捻るのに要するノズルの長さが、前記長径と前記短径との差の０．３５倍以上３．５倍以下である、
溶融金属の注入ノズル。
請求項１に記載の注入ノズルを使用した溶融金属の注入方法であって、２Ｗ／３Ｕで計算される指数Ｓｗが０．５以上である溶融金属の注入方法。
ここで、Ｗ：ノズル出口における平均周方向流速であり、Ｕ：平均長手方向流速である。