JP7103170B2 - スライディングゲート - Google Patents

Description

本発明は、鋼等溶融金属の連続鋳造における取鍋からタンディッシュあるいはタンディッシュから鋳型への溶融金属の注入過程において、流量を調整するスライディングゲートに関する。具体的には、スライディングゲートを利用して溶融金属流を旋回させる方法に関する。

鋼等の溶融金属の連続鋳造において、取鍋からタンディッシュに溶融金属が注入される際に、溶融金属の流量を調整するために、取鍋底部にスライディングゲートが設けられている。このスライディングゲートは、複数枚のプレートからなり、それぞれのプレートには溶融金属が通過する流路孔が設けられ、接触するプレート相互間で摺動することにより、隣接するプレート間の流路孔の重なりである開口部の開口面積（以降、ゲート開度と呼称）を調整し、これによって溶融金属の流量調整を行うとともに、スライディングゲートの開閉を行うことができる。

取鍋底部のスライディングゲートから流出する溶融金属は、スライディングゲートを通過する時点ですでに下流側に向けた流速を有しており、スライディングゲートの下部に設けられたロングノズル中を落下する過程でさらに溶融金属の流速が増大する。そして、タンディッシュ内に注がれた溶融金属は、タンディッシュ底部を高速度で通過する流れを形成する。ここで、吐出流によってタンディッシュ内の流動に乱れが生じると、溶融金属中に含まれる非金属介在物がタンディッシュ内で十分に浮上分離する機会を得ることができず、非金属介在物が溶融金属とともに直接鋳型内に流入することとなり、鋳片の品質低下の原因となる。

そこで、溶融金属の注入ノズルにおいて、ノズル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。この効果を享受するために、例えば、特許文献１には、取鍋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旋回付与機構を設ける方法が開示されている。また、特許文献２には、タンディッシュから鋳型への注入過程にある中間ノズルの形状を工夫し浸漬ノズル内に旋回流を付与する方法が開示されている。さらに、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旋回付与機構を設ける方法が開示されている。

また、特許文献４には、溶鋼の流量制御を行うときに該溶鋼の流れを絞った場合にも、浸漬ノズル孔内の流速分布が均一になり偏流の発生がなく吐出流に変動が生じることがないよう、通湯孔の下方および内方に向かって傾斜する部分的な傾斜切り欠き部が設けられたスライドバルブ装置が開示されている。

特開２００６－３４６６８８号公報 特開平０７－３０３９４９号公報 特開２０００－２３７８５２号公報 特許第３６１５４３７号公報

しかしながら、特許文献１及び４に記載の方法は、壁面近傍の流れに限定的に旋回を付与するもので得られる旋回が弱いことや溝や切り欠きが溶損して旋回付与効果が維持できない。また、特許文献２に記載の方法は、旋回を付与する機構の形状が複雑で製造が困難である。さらに、特許文献３に記載の方法は、浸漬ノズル内の旋回付与機構およびその周囲が非金属介在物によって閉塞しやすいという問題点がある。

本発明は前述の問題点を鑑み、十分な強さの旋回流を、単純な機構で、流路の閉塞リスクを増すことなく付与できるスライディングゲートを提供することを目的とする。

本発明者らは、ノズル内を流下する溶融金属に旋回を付与するにあたり、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する以外の方法について検討した。そこで、本発明者らは、既存の流路を構成する部分の中で、流路を急激に絞り激しい流れを付与しているスライディングゲートに注目し、その形状を工夫することによって、旋回を与えることを見出した。

スライディングゲートに注目した第１の理由は、スライディングゲート内で絞られた小断面かつ高速の流れを作用対象とすることによって、旋回付与機構が単純に構成できるからである。また、第２の理由は、流路内の下降流に周方向流速を付与する際に流動が乱れ、耐火物の損傷や非金属介在物の付着を促進する懸念があるのに対し、元々激しい流れを生じているスライディングゲート内では新たに生じるリスクが少ないからである。

本発明は、かかる観点から、スライディングゲートのプレートに穿つ流路孔の形状を工夫して旋回流を得るものである。さらに本発明は、スライディングゲートを形成するプレート数を２枚に限定した際に、通常の上下２枚式のスライディングゲート装置の耐火物製プレートを入れ替えるだけで適用できるよう工夫したものである。すなわち、上下２枚のプレートを組み合わせてゲート開度を最大とした時に、上プレート上面と下プレート下面とにおける流路孔の中心を上から見て同じ位置とすることを特徴とし、通常のスライディングゲートと同じ金物装置を用いることができる。

本発明は、２枚のプレートを重ねて構成されたスライディングゲートにおいて、通常は上から下に向かって鉛直に穿たれる流路孔を、鉛直方向からある角度を持った斜孔を組み合わせた屈曲形状とし、プレートの垂直方向（摺動方向）から見た屈曲流路の形状を「くの字形」と「逆くの字形」とを組み合わせた形状とする単純な構成にすることによって、下降流に周方向流速を付加し旋回流を形成するものである。

すなわち、本発明は以下の通りである。
（１）上プレートと下プレートとからなり、前記下プレートを摺動させて溶融金属の流量を調整するスライディングゲートであって、
前記上プレート及び前記下プレートのそれぞれに穿たれた流路孔の中心線が、摺動方向から見て、それぞれくの字形又は逆くの字形に屈曲し、かつ屈曲方向が互いに逆であり、
前記上プレートと前記下プレートとをゲート開度が最大となるように重ねた場合に、前記上プレート及び前記下プレートの流路孔の中心線が、上から投影すると四辺形を形成し、かつ前記上プレートの上面の流路孔の中心と前記下プレートの下面の流路孔の中心とが上から見て一致することを特徴とするスライディングゲート。
（２）ゲート開度が最大の状態から小さくなるように前記下プレートを摺動させた場合に、前記上プレートの流路孔の中心線と摺動方向に平行な直線との成す角の鋭角側から流路孔が閉じるように構成されていることを特徴とする上記（１）に記載のスライディングゲート。

本発明によれば、十分な強さの旋回流を、単純な機構で、流路の閉塞リスクを増すことなく付与できるスライディングゲートを提供することができる。

連続鋳造における溶融金属（溶鋼）を取鍋から鋳型まで流し込むまでの構成を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態におけるスライディングゲートの詳細な形状を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態におけるスライディングゲートの詳細な形状を説明するための図である。 好ましい流路孔の角度を説明するための図である。 一般的なスライディングゲートの例を説明するための図である。 一方向に傾斜した流路孔を備えたスライディングゲートの例を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、連続鋳造における溶融金属（溶鋼）を取鍋から鋳型まで流し込むまでの構成を説明するための図である。

図１に示すように、鋼等の溶融金属の連続鋳造においては、取鍋１４からタンディッシュ１５に溶融金属１８を注入し、さらにタンディッシュ１５から鋳型１６に溶融金属２１を注入する。それぞれの溶融金属１８の注入過程において、溶融金属１８の流量を調整するために、スライディングゲート１、１１が用いられる。

ここで、取鍋１４底部に設けられたスライディングゲート１は、２枚のプレート１ａ、１ｂからなり、それぞれのプレートには溶融金属が通過する流路孔が設けられる。接触するプレート相互間で摺動が可能であり、２枚のプレートのうちの下側のプレート（下プレート）は摺動面に沿って移動可能に設けられ、以下、スライド板と呼ぶ。一方、上側のプレート（上プレート）はスライディングゲート１が取り付けられる取鍋１４に対して移動せず、以下、上固定板と呼ぶ。スライド板を摺動することにより、開口部の開口面積を調整し、これによって溶融金属の流量調整を行うとともに、スライディングゲート１の開閉を行うことができる。なお、上固定板およびスライド板の詳細な構造については後述する。

取鍋１４底部に設けられたスライディングゲート１の下部には、ロングノズル１２が設けられ、スライディングゲート１から流出した溶融金属１８は、タンディッシュ１５に注入するに際し、ロングノズル１２内部の流路を経由してタンディッシュ１５内に導かれる。また、タンディッシュ１５底部に設けられたスライディングゲート１の下部には、浸漬ノズル１３が設けられ、スライディングゲート１１から流出した溶融金属１８は、鋳型１６内に注入するに際し、浸漬ノズル１１内部の流路を経由して鋳型１６内に導かれる。

次に、本実施形態におけるプレートの詳細な形状について具体的に説明する。ここでは、スライディングゲートのプレートを水平に設置する場合を前提にして説明する。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態に係るスライディングゲートのプレートの詳細を説明するための図である。図２（ａ）は、上固定板１ａを上面、前面および側面から見た図であり、図２（ｂ）は、スライド板１ｂを上面、前面および側面から見た図である。また、図２（ｃ）は、上固定板１ａとスライド板１ｂとをゲート開度が最大から最小になるよう摺動させた状態を説明するための図である。

図２に示す例では、図２（ａ）の上固定板１ａの流路孔の中心を結ぶ線（以下、中心線と呼ぶ）は、前面（摺動方向）から見て、くの字形に屈曲し、図２（ｂ）のスライド板１ｂの流路孔の中心線は、同方向から見て逆くの字形に屈曲している。さらに、図２（ａ）に示す上固定板１ａと図２（ｂ）に示すスライド板１ｂとで図２（ｃ）に示すようなゲート開度が最大となる状態２３（全開）において、流路孔の中心線が上から投影すると菱形（四辺形）を描く様に形成される。また、上固定板１ａの上面におけるスライディングゲート入口（流路孔の入口）２１と、スライド板１ｂの下面におけるスライディングゲート出口（流路孔の出口）２２との位置関係では、図２（ｃ）に示すようなゲート開度が最大となる状態２３において、上から（取鍋側から）見てそれら入口、出口の中心が同じ位置になるようにする。

図２（ａ）に示す上固定板１ａ、及び図２（ｂ）に示すスライド板１ｂの流路孔を流体が上から下へ流れ降る時、流体には、取鍋側から見て時計回りの周方向に流速が付加され、旋回流が生じる。また、本実施形態に係るスライディングゲートの場合、上固定板１ａは固定されたままで、スライド板１ｂが図２（ｃ）に示す方向に摺動する。このとき、スライド板１ｂにはロングノズル１２が固定され、ロングノズル１２とともにスライド板１ｂが摺動する。スライド板１ｂが摺動する場合には、ゲート開度が最大となる状態２３から状態２４を経由し、ゲート開度が最小となる状態２５（全閉）へ移行する。その後、状態２５から状態２４を経由して状態２３へ移行し、これを繰り返す。

ここで、流路孔がプレートに垂直な通常の形状、および流路孔の中心線がくの字形または逆くの字形に屈曲していない場合について説明する。

図５（ａ）は、旋回付与作用を有さない通常のスライディングゲートに用いられる上固定板の例を示す図であり、図５（ｂ）は、旋回付与作用を有さない通常のスライディングゲートに用いられるスライド板の例を示す図である。図５（ａ）に示す上固定板、及び図５（ｂ）に示すスライド板の流路孔を介して流体が上から下へ流れ降る時、流体には周方向に流速が付加されない。したがって、下流側に向けた流速がそのまま増大してしまう。

図６は、上固定板およびスライド板それぞれに穿たれた流路孔がくの字形あるいは逆くの字形ではない直線状である例を示す図である。図６（ａ）の上固定板および図６（ｂ）のスライド板の組み合わせの場合には、流路孔を介して流体が上から下へ流れ降る時、流体にはわずかに周方向に流速が付加され旋回流がわずかに生じる。この旋回流により、ロング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わずかに抑制できる。

しかしながら、図６（ａ）の上固定板および図６（ｂ）のスライド板の組み合わせの場合、ゲート開度を最大とした瞬間では、上固定板の流路孔の上面における中心線の位置とスライド板の流路孔の下面における中心線の位置とが上から（取鍋側から）見て一致しない。このような場合には、上固定板とスライド板との２枚の耐火物製プレートを交換するだけでは適用できず、スライディングゲートの金物の変更が必要となり、大掛かりな設備の変更が必要となってしまう。

これに対して本実施形態では、上固定板およびスライド板それぞれに穿たれた流路孔の中心線が摺動方向から見てくの字形あるいは逆くの字形となっているので、より大きな旋回流を周方向に生じさせることができる。また、上固定板１ａの上面におけるスライディングゲート入口２１と、スライド板１ｂの下面におけるスライディングゲート出口２２との位置関係では、ゲート開度が最大となる状態で、上から見てその中心が同じ位置になるので、上固定板とスライド板との２枚の耐火物製プレートを交換するだけで、余計なコストが発生せずに適用できる。

（第２の実施形態）
図３は、より好適な第２の実施形態に係るスライディングゲートのプレートの詳細を説明するための図である。図３（ａ）は、上固定板を上面、前面および側面から見た図であり、図３（ｂ）は、スライド板を上面、前面および側面から見た図である。また、図３（ｃ）は、上固定板とスライド板とをゲート開度が最大から最小になるよう摺動させた状態を説明するための図である。

本実施形態では、第１の実施形態と同様に、上固定板の流路孔の中心線は、前面（摺動方向）から見て、くの字形に屈曲し、スライド板の流路孔の中心線は、同方向から見て逆くの字形に屈曲している。つまり、図３（ａ）に示す上固定板と図３（ｂ）に示すスライド板とで図３（ｃ）に示すようなゲート開度が最大となる状態３３（全開）において、流路孔の中心線が上から投影すると菱形（四辺形）を描く様に形成される。また、上固定板の上面におけるスライディングゲート入口（流路孔の入口）３１と、スライド板の下面におけるスライディングゲート出口（流路孔の出口）３２との位置関係では、図３（ｃ）に示すようなゲート開度が最大となる状態３３において、上から見てそれら入口、出口の中心が同じ位置になるようにする。

この形状の流路孔を介して流体が上から下へ流れ降る時、流体には上から見て反時計回りの周方向流速が付加され、旋回流が生じる。また、図３（ａ）の上固定板１ａのくの字形の流路孔における流動方向の摺動方向成分は、摺動方向（ゲートを閉じる方向）と同方向となる。つまり、ゲート開度が最大の状態から小さくなるようにスライド板１ｂを摺動させた場合に、上固定板１ａの流路孔の中心線と摺動方向に平行な直線との成す角の鋭角側から流路孔が閉じるように構成されている。これらが第１の実施形態と異なっている。

図２に示した例では、上固定板１ａのくの字形の流路孔における流動方向の摺動成分は、摺動方向（ゲートを閉じる方向）と逆方向となる。つまり、ゲート開度が最大の状態から小さくなるようにスライド板１ｂを摺動させた場合に、上固定板１ａの流路孔の中心線と摺動方向に平行な直線との成す角の鈍角側から流路孔が閉じるように構成されている。この場合、状態２４のように上固定板１ａにおける流動方向の摺動方向成分とは逆方向にゲート開度が絞られ、上固定板１ａの流路孔からスライド板１ｂの流路孔に流れ込む流体において下向きの流れが形成され、上固定板１ａの流路孔内の流れに対向する成分が大きくなる。

これに対して本実施形態では、上固定板１ａにおける流動方向の摺動方向成分と一致した方向にゲート開度が絞られるため、上固定板１ａの流路孔からスライド板１ｂの流路孔に流れ込む流体は、比較的少ない乱れで流れることができ、効率良く旋回流を形成できる。その結果、第１の実施形態に比べると圧力損失を抑え、エネルギー効率が向上する。

次に、上述した第１及び第２の実施形態における好ましい流路孔の角度等について説明する。図４に示すような、流路孔の中心線と、スライディングゲートの摺動方向との成す角度αについては、旋回流を発生させるための機能を備える程度の角度でよいが、効果がより顕著となるためには角度αは１０°以上であることが好ましい。また、耐火物の強度を確保したり流路孔の損耗を抑制したりする観点から、角度αは４５°以下であることが好ましい。より好ましくは１５°以上３０°以下である。

また、図４に示すような、流路孔の中心線と鉛直方向（プレートの垂直方向）との成す角度βについても、旋回流を発生させるための機能を備える程度の角度でよいが、効果がより顕著となるためには角度αは１０°以上であることが好ましい。また、耐火物の強度を確保したり流路孔の損耗を抑制したりする観点から、角度αは４５°以下であることが好ましい。より好ましくは１５°以上３０°以下である。

さらに、図２及び図３に示した例では、上固定板１ａの中心線とスライド板１ｂの中心線とをそれぞれくの字形と逆くの字形としたが、屈曲方向が互いに逆の関係にあればよいため、反対に逆くの字形とくの字形としても同様である。本実施形態では、くの字形と逆くの字形との組み合わせとすることにより旋回流を発生させるため、ともにくの字形、もしくはともに逆くの字形とした場合は旋回流が発生しない。また、上述した第１及び第２の実施形態では、流路孔の入口及び出口の形状は円であったが、これが楕円もしくは長円であってもよく、旋回流を得ることが可能である。

さらに上述した例では、取鍋からタンディッシュへ溶融金属を注入する際のスライディングゲートに本発明を適用する例について説明したが、タンディッシュから鋳型へ溶融金属を注入する際のスライディングゲートに適用することもできる。しかしながら、スライド板とともにスライド板下部に設置した浸漬ノズルも摺動して浸漬位置が動いてしまうことから、取鍋からタンディッシュへ溶融金属を注入する際のスライディングゲートに適用することが好ましい。

１、１１ スライディングゲート
１ａ 上固定板
１ｂ スライド板
１２ ロングノズル
１３ 浸漬ノズル
１４ 取鍋
１５ タンディッシュ
１６ 鋳型
１８ 溶融金属
２１、３１ スライディングゲート入口
２２、３２ スライディングゲート出口

Claims (2)

1. 上プレートと下プレートとからなり、前記下プレートを摺動させて溶融金属の流量を調整するスライディングゲートであって、
   前記上プレート及び前記下プレートのそれぞれに穿たれた流路孔の中心線が、摺動方向から見て、それぞれくの字形又は逆くの字形に屈曲し、かつ屈曲方向が互いに逆であり、
   前記上プレートと前記下プレートとをゲート開度が最大となるように重ねた場合に、前記上プレート及び前記下プレートの流路孔の中心線が、上から投影すると四辺形を形成し、かつ前記上プレートの上面の流路孔の中心と前記下プレートの下面の流路孔の中心とが上から見て一致することを特徴とするスライディングゲート。
2. ゲート開度が最大の状態から小さくなるように前記下プレートを摺動させた場合に、前記上プレートの流路孔の中心線と摺動方向に平行な直線との成す角の鋭角側から流路孔が閉じるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスライディングゲート。

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