JP7171533B2 - タンディッシュ内溶鋼のシール方法 - Google Patents

Description

本発明は、タンディッシュ内の溶鋼をシールする方法に関する。

取鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入するとき、取鍋から注入される溶鋼を覆うため、シール部材が配置される。シール部材の内側に不活性ガスを吹き込むことにより、シール部材の内側の大気が追い出される。これにより溶鋼の酸化を抑制している。

特許文献１に記載された方法では、取鍋（レードル）とタンディッシュ内溶鋼との間に、取鍋から注入される溶鋼を覆うためのシールハット及び注入管が配置される。シールハット及び注入管の内側には、タンディッシュ内溶鋼表面近傍で、取鍋から注入された溶鋼流に不活性ガスが吹き付けられる。

特開昭６２－８１２５３号公報

取鍋内の溶鋼（１チャージ分の溶鋼）をタンディッシュへ注入終了後、取鍋を交換する。取鍋を交換するため、シール部材の上方に配置された取鍋を移動させると、シール部材の上端が開放される。このとき、シール部材の上端の開口からシール部材の内側に大気が巻き込まれる。これにより、タンディッシュ内の溶鋼が酸化するおそれがある。

特許文献１に記載された方法は、取鍋からタンディッシュに溶鋼を注入する時に実施する方法である。取鍋からタンディッシュに溶鋼を注入する時、シール部材の上端の開口は取鍋等によって塞がれている。本発明者らは、シール部材の上端が開放された時、特許文献１に記載された方法を実施した。その結果、タンディッシュ内の溶鋼の酸化を抑制できないことがわかった。

本発明は、取鍋交換時等のシール部材の上端が開放されている時、タンディッシュ内の溶鋼の酸化を抑制可能な方法を提供することを目的とする。

本発明は、タンディッシュ内の溶鋼をシールする方法であり、以下の特徴を有する。
取鍋からタンディッシュへ注入される溶鋼の周囲にシール部材が配置され、前記シール部材の上端の開口からタンディッシュ内溶鋼浴面までの間にシール空間が形成される。
前記シール空間は、タンディッシュ内溶鋼浴面が前記シール部材の下端より上方、又は、前記シール部材の下端と同じ高さに位置しているとき、前記シール部材の上端の開口からタンディッシュ内溶鋼浴面までの前記シール部材に囲まれた空間である。前記シール空間は、タンディッシュ内溶鋼浴面が前記シール部材の下端より下方に位置しているとき、前記シール部材の上端の開口からタンディッシュ内溶鋼浴面までの前記シール部材および前記タンディッシュに囲まれた空間である。
前記シール部材の上端が開放されている時、前記シール空間に配置されたガス吐出孔から前記シール空間に不活性ガスを２０（Ｎｍ³／ｈｒ）以上の流量で吹き込むとともに、下記（１）式で示される巻き込み指数Ａを１５．５６未満とする。

ここで、ｖは、前記シール空間に吹き込まれる不活性ガスの流速（ｍ／ｓｅｃ）であり、
Ｒは、前記シール空間の上端の直径（ｍ）又は前記シール空間の上端の等面積円相当径（ｍ）であり、
ｈは、前記シール空間の上端の高さから前記ガス吐出孔までの鉛直方向距離（ｍ）であり、
Ｖは、前記シール空間の体積（ｍ³）である。

本発明によると、シール部材の上端が開放されている時、タンディッシュ内の溶鋼の酸化を抑制することができる。

シール部材が配置されたタンディッシュの断面図である。 図１に示すシール部材及びタンディッシュの寸法を説明する図である。 シール部材が配置されたタンディッシュの他の例の断面図である。 図３に示すシール部材及びタンディッシュの寸法を説明する図である。 実機酸素濃度Ｃｙ（％）と水モデル実験酸素濃度Ｃｘ（％）との関係を示す図である。 実機換算酸素濃度Ｃ（％）と巻き込み指数Ａとの関係を示す図である。 実機換算酸素濃度Ｃ（％）と巻き込み指数Ａとの関係を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。

タンディッシュには、取鍋からタンディッシュへ注入される溶鋼を覆うためのシール部材が配置される。シール部材の上端が開放されている時（以下、「非定常時」と称する。）、シール部材の上端の開口からタンディッシュ内に大気が巻き込まれる（以下、「大気巻き込み」と称する）。これにより、タンディッシュ内の溶鋼が酸化される。
本発明者らの研究から、「大気巻き込み」に影響する４つのパラメータがあることがわかった。この４つのパラメータを変えることにより、タンディッシュ内に巻き込まれる大気の量（以下、「大気巻き込み性」と称する）が変化することがわかった。
また、この４つのパラメータを用いて得られた「巻き込み指数Ａ」によって、「大気巻き込み性」を評価できることがわかった。この「巻き込み指数Ａ」を用いることにより、非定常時のタンディッシュ内の溶鋼の酸化を抑制できるという知見が得られた。
以下、上記知見を得るために行った実験について説明する。

本実験では、２種類のシール部材（後述する「ケース１」及び「ケース２」）を用いた。以下では、先ず、実験で用いたシール部材及びタンディッシュの構成について説明し（後述する（１））、その後、「大気巻き込み性」を評価するために行った実験（後述する（２））について説明する。

（１）シール部材及びタンディッシュの構成
１）ケース１
図１及び図２に、ケース１のシール部材３０及びタンディッシュ１を示している。ケース１では、シール部材３０として、シールパイプ２１及び耐火シール材２３、２４、２５を用いた。

図１及び図２に、シール部材３０の上端が開放されている時（非定常時）を示している。シール部材３０の上端が開放されている時（非定常時）とは、シール部材３０の上端の開口３０ａの少なくとも一部が塞がれていない時である。シール部材３０は、取鍋からタンディッシュ１に溶鋼を注入していないとき、例えば取鍋交換時にも、タンディッシュ１に配置されている。

タンディッシュ１は、図１に示すように、タンディッシュ本体２及びタンディッシュ蓋３を有する。タンディッシュ蓋３は、タンディッシュ本体２の上部開口を覆っている。タンディッシュ１内には、注入室１０と、図示しないストランド室とが形成されている。注入室１０とストランド室は、堰等によって仕切られている。注入室１０には、図示しない取鍋から溶鋼が注入される。ストランド室は、例えば、タンディッシュ１内の溶鋼を各鋳型に分配する。

注入室１０に、シールパイプ２１が配置されている。シールパイプ２１は、筒部２１ａと、フランジ２１ｂとを有する。筒部２１ａは、筒状の部材である。筒部２１ａは、例えば円筒状でもよく、角筒状でもよい。フランジ２１ｂは、筒部２１ａの上端から外側に向かって延在している。フランジ２１ｂは、タンディッシュ蓋３に配置された支持材２２に支持されている。シールパイプ２１は、例えば、酸化アルミニウムなどの耐火物からなる。

フランジ２１ｂの上に、３つの耐火シール材２３、２４、２５が配置されている。耐火シール材２３、２４、２５はこれらの順に下から積まれている。耐火シール材２３、２４、２５には、それぞれ、シールパイプ２１の内側に連通した貫通孔が形成されている。耐火シール材２３、２４、２５は同じ構成でもよく、異なる構成でもよい。耐火シール材２３、２４、２５は、例えば、酸化アルミニウムやシリカなどを含むセラミックスファイバーからなる。

シールパイプ２１及び耐火シール材２３、２４、２５により、シール部材３０が構成されている。シール部材３０等により、「シール空間Ａ₁」が形成されている。図２には、「シール空間Ａ₁」に色を付している。

「シール空間」は、タンディッシュ内溶鋼浴面が前記シール部材の下端より上方、又は、前記シール部材の下端と同じ高さに位置しているとき、前記シール部材の上端の開口からタンディッシュ内溶鋼浴面までの前記シール部材に囲まれた空間である。「シール空間」は、タンディッシュ内溶鋼浴面が前記シール部材の下端より下方に位置しているとき、前記シール部材の上端の開口からタンディッシュ内溶鋼浴面までの前記シール部材および前記タンディッシュに囲まれた空間である。「シール空間」は、シール部材の上端が開放されているとき、シール部材の上端の開口を介して外部と連通する空間である。外部とは、シール部材の外側であり、且つ、タンディッシュの外側である。

図２に示すように、シール部材３０の上端からタンディッシュ１内の溶鋼浴面Ｍｓまで、シール部材３０が配置されている。この場合、「シール空間Ａ₁」は、シール部材３０の上端の開口３０ａからタンディッシュ１内の溶鋼浴面Ｍｓまでのシール部材３０に囲まれた空間である。図２に示すように、タンディッシュ１内およびタンディッシュ１の上方に、シール部材３０が配置されている場合、「シール空間Ａ₁」は、タンディッシュ１内の溶鋼浴面Ｍｓがシール部材３０の下端より上方、又は、シール部材３０の下端と同じ高さに位置しているときの、シール部材３０の上端の開口３０ａからタンディッシュ１内の溶鋼浴面Ｍｓまでのシール部材３０に囲まれた空間である。「シール空間Ａ₁」は、シール部材３０を構成するシールパイプ２１及び耐火シール材２３、２４、２５と、シールパイプ２１の内側の溶鋼浴面Ｍｓとに囲まれた空間である。

「シール空間Ａ₁」は、シール部材３０の上端が開放されているとき、シール部材３０の上端の開口３０ａを介して外部と連通する空間である。外部とは、シール部材３０の外側であり、且つ、タンディッシュ１の外側である。シール部材３０の上端が開放されているとき、シール部材３０の上端の開口３０ａから「シール空間Ａ₁」に大気が巻き込まれるおそれがある。

ケース１において、シール部材３０の外側の空間は、「シール空間Ａ₁」でない。例えば、図２において、シールパイプ２１、支持材２２、タンディッシュ１及び溶鋼浴面Ｍｓに囲まれた空間ｐ₁は、「シール空間」でない。空間ｐ₁は、シール部材３０の上端が開放されているとき、シール部材３０の上端の開口３０ａを介して外部と連通しない。

シール空間Ａ₁に、ガス吐出孔４１ａが配置されている。ガス吐出孔４１ａは、ガス吐出管４１の先端の開口である。ガス吐出孔４１ａからシール空間Ａ₁に、流速ｖ（ｍ／ｓｅｃ）で不活性ガスが吹き込まれる。不活性ガスは、例えば、窒素ガス又はアルゴンガスであるが、これらに限定されない。ガス吐出孔４１ａは、下方を向いている。ガス吐出孔４１ａは、溶鋼浴面Ｍｓに対向している。

図１及び図２には、１個のガス吐出孔４１ａがシール空間Ａ₁に配置されているが、複数のガス吐出孔がシール空間Ａ₁に配置されていてもよい。複数のガス吐出孔からシール空間Ａ₁に、不活性ガスが吹き込まれてもよい。各ガス吐出孔からシール空間Ａ₁へ吹き込まれる不活性ガスの流速ｖは同じでもよく、異なってもよい。

シール空間Ａ₁へ吹き込まれる不活性ガスの流量は、Ｑ（Ｎｍ³／ｈｒ）である。１個のガス吐出孔４１ａからシール空間Ａ₁へ不活性ガスが吹き込まれる場合、１個のガス吐出孔４１ａからシール空間Ａ₁へＱ（Ｎｍ³／ｈｒ）の不活性ガスが吹き込まれる。複数のガス吐出孔からシール空間Ａ₁へ不活性ガスが吹き込まれる場合、複数のガス吐出孔からシール空間Ａ₁へ合計Ｑ（Ｎｍ³／ｈｒ）の不活性ガスが吹き込まれる。

図２に示す各寸法を説明する。
・Ｒ（以下、「シール空間開口部内径Ｒ」と称する。）は、シール空間Ａ₁の上端の直径（ｍ）又はシール空間Ａ₁の上端の等面積円相当径（ｍ）である。
シール空間Ａ₁の上端は、円形でもよく、円形でなくてもよい。
シール空間Ａ₁の上端が円形である場合、シール空間開口部内径Ｒはシール空間Ａ₁の上端の直径（ｍ）である。
シール空間Ａ₁の上端が円形でない場合、シール空間開口部内径Ｒはシール空間Ａ₁の上端の等面積円相当径（ｍ）である。
シール空間開口部内径Ｒは、シール部材３０の上端の開口３０ａの直径（ｍ）又はシール部材３０の上端の開口３０ａの等面積円相当径（ｍ）でもある。シール部材３０の上端は、３つの耐火シール材２３、２４、２５のうち最上段の耐火シール材２５の上端である。
・ｈ（以下、「ガス吐出孔深さｈ」と称する。）は、シール空間Ａ₁の上端の高さからガス吐出孔４１ａまでの鉛直方向距離（ｍ）である。シール空間Ａ₁の上端の高さは、シール部材３０の上端と同じ高さである。

・ｒは、ガス吐出孔４１ａの直径（ｍ）である。
・Ｔは、シール空間Ａ₁の上端からタンディッシュ１内の溶鋼浴面Ｍｓまでの鉛直方向距離（ｍ）である。
・Ｕは、シール空間Ａ₁の上端の高さからシール部材３０の下端の高さまでの鉛直方向距離（ｍ）である。シール部材３０の下端は、シールパイプ２１の下端である。

・ｉは、耐火シール材２５の厚さ（ｍ）である。
耐火シール材２３、２４、２５が同じ構成である場合、耐火シール材２３の厚さはｉであり、耐火シール材２４の厚さはｉである。
・Ｉは、耐火シール材２３、２４、２５の合計厚さ（ｍ）である。耐火シール材２３、２４、２５が同じ構成である場合、Ｉ＝３ｉである。
耐火シール材の数を増減させることにより、Ｉを変えることができる。Ｉが変わることにより、Ｔ及びＵが変わる。

シール空間Ａ₁が円柱状であるとき、シール空間Ａ₁の体積Ｖは以下の式から算出される。
Ｖ＝π（Ｒ／２）²×Ｔ
ここで、πは円周率であり、
Ｒは、シール部材３０の上端の開口３０ａの直径（ｍ）である。
シール空間Ａ₁が円柱状でないとき、例えば、シール空間Ａ₁の上端が円形でないとき、「シール空間Ａ₁」の体積Ｖを以下の式から算出してもよい。
Ｖ＝π（Ｒ／２）²×Ｔ
ここで、Ｒは、シール空間Ａ₁の上端の等面積円相当径（ｍ）である。

２）ケース２
図３及び図４に、ケース２のシール部材１３０及びタンディッシュ１を示している。ケース２では、シール部材１３０として、シールボックス１２１及び耐火シール材２３、２４、２５を用いた。

図３及び図４に、シール部材１３０の上端が開放されている時（非定常時）を示している。シール部材１３０の上端が開放されている時（非定常時）とは、シール部材１３０の上端の開口１３０ａの少なくとも一部が塞がれていない時である。シール部材１３０は、取鍋からタンディッシュ１に溶鋼を注入していないとき、例えば取鍋交換時にも、タンディッシュ１に配置されている。以下において、ケース１と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を適宜省略する。

タンディッシュ蓋３の上に、シールボックス１２１が配置されている。シールボックス１２１の上に、３つの耐火シール材２３、２４、２５が配置されている。耐火シール材２３、２４、２５はこれらの順に下から積まれている。

シールボックス１２１は、上端部から下端部まで貫通した箱状の部材である。シールボックス１２１の内側の空間は、タンディッシュ１の注入室１０及び耐火シール材２３、２４、２５の貫通孔と連通している。シールボックス１２１は、例えば、鉄又はステンレスからなる。

シールボックス１２１及び耐火シール材２３、２４、２５により、シール部材１３０が構成されている。シール部材１３０及びタンディッシュ１等により、「シール空間Ａ₂」が形成されている。図４には、「シール空間Ａ₂」に色を付している。

図４に示すように、シール部材１３０の上端からタンディッシュ１内の溶鋼浴面Ｍｓまで、シール部材１３０及びタンディッシュ１が配置されている。この場合、「シール空間Ａ₂」は、シール部材１３０の上端の開口１３０ａからタンディッシュ１内の溶鋼浴面Ｍｓまでのシール部材１３０及びタンディッシュ１に囲まれた空間である。図４に示すように、タンディッシュ１の上方にシール部材１３０が配置されている場合、「シール空間Ａ₂」は、シール部材１３０の上端の開口１３０ａからタンディッシュ１内の溶鋼浴面Ｍｓまでのシール部材１３０及びタンディッシュ１に囲まれた空間である。「シール空間Ａ₂」は、タンディッシュ１と、タンディッシュ１の上方に配置されたシール部材１３０を構成するシールボックス１２１及び耐火シール材２３、２４、２５と、タンディッシュ１内の溶鋼浴面Ｍｓとに囲まれた空間である。

「シール空間Ａ₂」は、シール部材１３０の上端が開放されているとき、シール部材１３０の上端の開口１３０ａを介して外部と連通する空間である。外部とは、シール部材１３０の外側であり、且つ、タンディッシュ１の外側である。シール部材１３０の上端が開放されているとき、シール部材１３０の上端の開口１３０ａから「シール空間Ａ₂」に大気が巻き込まれるおそれがある。

シール空間Ａ₂に、ガス吐出孔１４１ａ及びガス吐出孔１４２ａが配置されている。ガス吐出孔１４１ａは、ガス吐出管１４１の先端の開口である。ガス吐出孔１４２ａは、ガス吐出管１４２の先端の開口である。ガス吐出孔１４１ａからシール空間Ａ₂に、流速ｖ（ｍ／ｓｅｃ）で不活性ガスが吹き込まれる。ガス吐出孔１４２ａからシール空間Ａ₂に、流速ｖ（ｍ／ｓｅｃ）で不活性ガスが吹き込まれる。ガス吐出孔１４１ａからシール空間Ａ₂へ吹き込まれる不活性ガスの流速ｖと、ガス吐出孔１４２ａからシール空間Ａ₂へ吹き込まれる不活性ガスの流速ｖとは、同じでもよく、異なってもよい。ガス吐出孔１４１ａ、１４２ａは、下方を向いている。ガス吐出孔１４１ａ、１４２ａは、溶鋼浴面Ｍｓに対向している。

図３及び図４には、２個のガス吐出孔１４１ａ、１４２ａがシール空間Ａ₂に配置されているが、１個又は３個以上のガス吐出孔がシール空間Ａ₂に配置されていてもよい。１個又は３個以上のガス吐出孔からシール空間Ａ₂に不活性ガスが吹き込まれてもよい。３個以上のガス吐出孔からシール空間Ａ₂に不活性ガスが吹き込まれる場合、各ガス吐出孔からシール空間Ａ₂へ吹き込まれる不活性ガスの流速ｖは同じでもよく、異なってもよい。

不活性ガスがシール空間Ａ₂へＱ（Ｎｍ³／ｈｒ）の流量で吹き込まれる。２個のガス吐出孔１４１ａ、１４２ａからシール空間Ａ₂へ不活性ガスが吹き込まれる場合、２個のガス吐出孔１４１ａ、１４２ａから合計Ｑ（Ｎｍ³／ｈｒ）の不活性ガスがシール空間Ａ₂へ吹き込まれる。１個のガス吐出孔からシール空間Ａ₂へ不活性ガスが吹き込まれる場合、１個のガス吐出孔から合計Ｑ（Ｎｍ³／ｈｒ）の不活性ガスがシール空間Ａ₂へ吹き込まれる。３個以上のガス吐出孔からシール空間Ａ₂へ不活性ガスが吹き込まれる場合、３個以上のガス吐出孔から合計Ｑ（Ｎｍ³／ｈｒ）の不活性ガスがシール空間Ａ₂へ吹き込まれる。

図４に示す各寸法を説明する。
・シール空間開口部内径Ｒは、シール空間Ａ₂の上端の直径（ｍ）又はシール空間Ａ₂の上端の等面積円相当径（ｍ）である。
シール空間Ａ₂の上端は、円形でもよく、円形でなくてもよい。
シール空間Ａ₂の上端が円形である場合、シール空間開口部内径Ｒはシール空間Ａ₂の上端の直径（ｍ）である。
シール空間Ａ₂の上端が円形でない場合、シール空間開口部内径Ｒはシール空間Ａ₂の上端の等面積円相当径（ｍ）である。
シール空間開口部内径Ｒは、シール部材１３０の上端の開口１３０ａの直径（ｍ）又はシール部材１３０の上端の開口１３０ａの等面積円相当径（ｍ）でもある。シール部材１３０の上端は、３つの耐火シール材２３、２４、２５のうち最上段の耐火シール材２５の上端である。
・ガス吐出孔深さｈ（ｈ₁₁）は、シール空間Ａ₂の上端の高さからガス吐出孔１４１ａまでの鉛直方向距離（ｍ）である。シール空間Ａ₂の上端の高さは、シール部材１３０の上端の高さと同じ高さである。
・ガス吐出孔深さｈ（ｈ₁₂）は、シール空間Ａ₂の上端の高さからガス吐出孔１４２ａまでの鉛直方向距離（ｍ）である。

・ｒ（ｒ₁₁）は、ガス吐出孔１４１ａの直径（ｍ）である。
・ｒ（ｒ₁₂）は、ガス吐出孔１４２ａの直径（ｍ）である。
・Ｔは、シール空間Ａ₂の上端からタンディッシュ１内の溶鋼浴面Ｍｓまでの鉛直方向距離（ｍ）である。

シール空間Ａ₁の体積Ｖ（ｍ³）は、例えば以下の方法によって算出される。
Ｖ＝耐火シール材２３、２４、２５に囲まれた空間の体積（ｍ³）
＋シールボックス１２１に囲まれた空間の体積（ｍ³）
＋タンディッシュ１内の溶鋼が存在しない空間の体積（ｍ³）

（２）「大気巻き込み性」を評価するための実験
本発明者らは、シール部材の上端が開放されている時（非定常時）の「大気巻き込み」について研究した。その結果、下記４つのパラメータが「大気巻き込み」に影響することがわかった。
i)ガス流速ｖ（ｍ／ｓｅｃ）
ii)シール空間開口部内径Ｒ（ｍ）
iii)ガス吐出孔深さｈ（ｍ）
iv)シール空間の体積Ｖ（ｍ³）

上記４つのパラメータを変えて水モデル実験を実施し、非定常時の「大気巻き込み性」を調べた。「大気巻き込み性」は、タンディッシュ内に巻き込まれる大気の量である。「大気巻き込み性」が高くなるにつれて、タンディッシュ内へ巻き込まれる大気の量が多くなるため、タンディッシュ内の酸素濃度が増加する。そこで、非定常時の「大気巻き込み性」を酸素濃度によって評価することとした。

水モデル実験を以下の方法で実施した。

上記（１）で説明した装置を用いて水モデル実験を実施した。水モデル実験で用いた装置は、鋼を鋳造する際に用いられる装置と同じサイズの装置とした。水モデル実験では、溶鋼の代わりに水を用いる。水と溶鋼は、動粘性係数がほぼ等しく、流動特性が近いため、溶鋼の代わりに水を用いた場合、溶鋼を用いた場合と同様な流動が得られる。

シール空間の体積が表１に示すシール空間体積Ｖになるまで、タンディッシュの注入室に水を注入した後、シール部材の上端の開口を蓋で閉じた。ガス吐出孔からシール空間に不活性ガスを吹き込み、シール空間の酸素濃度を０．００ｖｏｌ％とした（以下、シール空間の酸素濃度の単位を「％」と示すことがある。）。シール空間に吹き込む不活性ガスの流量を、表１に示すガス流量Ｑとした後、シール部材の上端の開口を閉じた蓋を外し、シール部材の上端を開放した。その後、シール空間の酸素濃度の推移を測定した。酸素濃度は増加していき、ある酸素濃度に到達すると、酸素濃度が殆ど変化しない。表１には、変化しなくなった酸素濃度を示している。酸素濃度の測定は、シール空間において、水面から２００ｍｍ上方の高さで、且つ、ガス吐出孔から吹き出された不活性ガスが直接当たらない位置で行った。

本実験では、上記４つのパラメータ以外に、ガス流量Ｑ（Ｎｍ³／ｈｒ）、ガス吐出孔数ｎ（個）及びガス吐出孔径ｒ（ｍ）を変えた。また、不活性ガスとして窒素ガスを使用した。窒素ガスの密度は、他の不活性ガスの密度より小さいため、窒素ガスをシール空間へ吹き込んだ場合、他の不活性ガスをシール空間へ吹き込んだ場合より、シール空間の大気を追い出しにくい。そのため、窒素ガスを用いて溶鋼の酸化を抑制できた場合、他の不活性ガスを用いた場合も溶鋼の酸化を抑制できると考えられる。

表１に、実施条件と大気巻き込み性を示している。

表１に、「大気巻き込み性」として、「水モデル実験酸素濃度」と「実機換算酸素濃度」を示している。「水モデル実験酸素濃度」は、上述した水モデル実験で測定したシール空間の酸素濃度である。「実機換算酸素濃度」は、鋼を鋳造した場合（以下、「実機」と称する。）のシール空間の酸素濃度（以下、「実機酸素濃度」）の推測値であり、「水モデル実験酸素濃度」から推測した値である。以下に、「実機換算酸素濃度」の算出方法を説明する。

（実機換算酸素濃度の算出方法）
水モデル実験酸素濃度と実機のシール空間の酸素濃度（実機酸素濃度）は異なる。これは、以下の理由からである。

実機の場合、取鍋からタンディッシュに高温の溶鋼が注入されるため、タンディッシュ内の温度が高い。ここに不活性ガスを吹き込んだ場合、不活性ガスの温度が上昇し、タンディッシュ内で不活性ガスが膨張する。そのため、タンディッシュ内に大気が巻き込まれにくい。
一方、水モデル実験では、溶鋼の代わりに水を用いるため、実機のようにタンディッシュ内の温度が高くならない。ここに不活性ガスを吹き込んだ場合、不活性ガスは膨張しない。そのため、水モデル実験では、実機の場合より、タンディッシュ内に大気が巻き込まれやすい。
上記より、水モデル実験酸素濃度は、実機酸素濃度より高い。そこで、水モデル実験酸素濃度から実機酸素濃度を推測し、実機酸素濃度の推測値（実機換算酸素濃度）を得ることとした。

表２に示す実施条件で水モデル実験と鋳造を実施し、水モデル実験酸素濃度と実機酸素濃度を測定した。

（水モデル実験）
上述した表１の水モデル実験と同じ方法で水モデル実験を実施し、シール空間の酸素濃度を測定した。

（鋳造）
当業者の常法通りに、転炉を用いた一次精錬、及び、取鍋精錬炉（ＬＦ）を用いた二次精錬を実施した。その後、ブルーム連続鋳造機にて、当業者の常法通りに高炭素鋼を鋳造した。鋳造中、シール空間の上端が開放された時（非定常時）、シール空間の酸素濃度の推移を測定した。酸素濃度の測定は、シール部材の上端の高さから２００ｍｍ下の位置で行った。酸素濃度は増加していき、ある酸素濃度に到達すると、酸素濃度は殆ど変化しない。表２には、変化しなくなった酸素濃度を示している。また、非定常時はタンディッシュに溶鋼が供給されないため、鋳造を進めるにつれて溶鋼浴面が低下する。これによりシール空間の体積Ｖが増加していく。表２には、シール空間の上端を開放した瞬間の体積（非定常状態開始時）を示している。シール空間の上端を開放した瞬間の体積は、非定常時においてシール空間の体積が最も小さいときの体積である。

表２のａは、表１の実験番号８と同じ条件である。表２のｂは、表１の実験番号１０と同じ条件である。

図５に、表２に示す「水モデル実験酸素濃度」と「実機酸素濃度」との関係を示している。図５に示すように、原点（０、０）とａとｂを通る近似線ｚが得られた。近似線ｚは、下記（ａ）式によって示される。
Ｃｙ＝０．００６１Ｃｘ²－０．００８９Ｃｘ・・・（ａ）
ここで、Ｃｘは水モデル実験酸素濃度（％）であり、
Ｃｙは実機酸素濃度（％）である。
上記近似式（ａ）により、水モデル実験酸素濃度から実機酸素濃度を推測することができる。

上記より、近似式（ａ）を用いて、表１の水モデル実験酸素濃度から実機酸素濃度を推測し、実機酸素濃度の推測値（実機換算酸素濃度）を得た。表１に「実機換算酸素濃度」を示している。

（大気巻き込み性の評価）
上述した大気巻き込み性に影響する４つのパラメータ（ガス流速ｖ、ガス吐出孔深さｈ、シール空間体積Ｖ、シール空間開口部内径Ｒ（表１参照））は、大気巻き込み性に以下のような影響を与える。
・ガス流速ｖが速いほど、不活性ガス流の周囲の大気がタンディッシュ内に巻き込まれやすい。
・シール空間開口部内径Ｒが大きいほど、タンディッシュ内に大気が巻き込まれやすい。
・ガス吐出孔深さｈが深いほど、ガス吐出流がシール空間の上端の開口から遠ざかるため、タンディッシュ内に大気が巻き込まれにくい。
・シール空間体積Ｖが大きいほど、タンディッシュ内に巻き込まれた大気の影響が小さい。

上記より、ガス流速ｖ及びシール空間開口部内径Ｒは、大きくなるにつれて、大気が巻き込まれやすいパラメータである。一方、ガス吐出孔深さｈ及びシール空間体積Ｖは、大きくなるにつれて、大気の影響を受けにくいパラメータである。これらから、「大気巻き込み性」を評価する指標として、ガス流速ｖ及びシール空間開口部内径Ｒを分子とし、ガス吐出孔深さｈ及びシール空間体積Ｖを分母としたｖＲ／ｈＶにおいて各パラメータ（ｖ、Ｒ、ｈ、Ｖ）に指数を設定した「巻き込み指数Ａ」を得ることとした。

各パラメータ（ｖ、Ｒ、ｈ、Ｖ）の指数を変えて、「大気巻き込み性」を評価することができる「巻き込み指数Ａ」を検討した。その結果、「巻き込み指数Ａ」と「実機換算酸素濃度Ｃ」の近似直線の決定係数が１に近い値になるように指数を設定した「巻き込み指数Ａ」を見出した。この「巻き込み指数Ａ」は、下記（１）式によって示されることがわかった。

表３に、上記（１）式から算出された実験番号１～２３の「巻き込み指数Ａ」と「実機換算酸素濃度Ｃ」とを示している。表３に示す「実機換算酸素濃度Ｃ」は、表１に示す「実機換算酸素濃度」である。

図６に、表３に示す「巻き込み指数Ａ」と「実機換算酸素濃度Ｃ」との関係を示している。図６に、「巻き込み指数Ａ」と「実機換算酸素濃度Ｃ」の近似直線αを示している。近似直線αは、下記（２）式によって示される。近似直線αは、決定係数が１に近い近似直線である。
Ｃｙ＝０．０３７３Ａ－０．０８０６ ・・・（２）

定常時、タンディッシュ内酸素濃度が０．５％未満であるとき、製品の品質に問題が生じないことが知られている（特開平０４－３７３５２号公報の段落００１８の表１参照）。定常時とは、シール空間の上端の開口が全て塞がれた状態である。表３及び図６に示す「実機換算酸素濃度Ｃ」は、非定常時の「実機換算酸素濃度Ｃ」であるが、定常時のタンディッシュ内酸素濃度が０．５％未満であるとき、製品の品質に問題が生じないことから、非定常時においても、タンディッシュ内酸素濃度が０．５％未満であるとき、製品の品質に問題が生じないと考えられる。
上記より、非定常時、タンディッシュ内酸素濃度が０．５％未満であれば、タンディッシュ内の酸化が抑制されると考えられる。

図６において、非定常時の「実機換算酸素濃度Ｃ」が０．５％となるのは、近似直線αから、「巻き込み指数Ａ」が１５.５６のときであった。このことから、非定常時、「巻き込み指数Ａ」が１５.５６未満となるようにすると、「実機換算酸素濃度Ｃ」が０．５％未満となるため、タンディッシュ内溶鋼の酸化が抑制される。

以上より、鋼の鋳造に際して、非定常時、シール空間に不活性ガスを吹き込むとともに、下記（１）式で示される「巻き込み指数Ａ」が１５.５６未満となるようにする。これにより、タンディッシュ内溶鋼の酸化が抑制される。

図３に示すように複数のガス吐出孔１４１ａ、１４２ａからシール空間Ａ₂に不活性ガスを吹き込む場合、各ガス吐出管のガス流速ｖおよびガス吐出孔深さｈが異なることがある。複数のガス吐出孔からシール空間に不活性ガスを吹き込む場合、各ガス吐出管について、上記（１）式で示される「巻き込み指数Ａ」が１５.５６未満となるようにする。例えば、図３に示す装置を用いる場合、ガス吐出孔１４１ａのガス流速ｖ及びガス吐出孔深さｈ（ｈ₁₂）について「巻き込み指数Ａ」が１５.５６未満となるようにし、且つ、ガス吐出孔１４２ａのガス流速ｖ及びガス吐出孔深さｈ（ｈ₁₂）について「巻き込み指数Ａ」が１５.５６未満となるようにする。

また、鋳造中、非定常時のシール空間の体積Ｖが増加していく。上記（１）式から、シール空間の体積Ｖが増加するにつれて、巻き込み指数Ａが小さくなる。非定常時、シール空間の体積Ｖが最も小さい時は、シール空間の上端を開放した瞬間である。そのため、シール空間の上端を開放した瞬間の「巻き込み指数Ａ」が１５.５６未満である場合、その後は、シール空間の体積Ｖが増加することに伴い、巻き込み指数Ａが小さくなるため、「巻き込み指数Ａ」が１５.５６未満である。

なお、シール空間に吹き込まれる不活性ガスの流量Ｑ（Ｎｍ³／ｈｒ）が少ないとき、タンディッシュ内の大気を不活性ガスに置換するまでに時間がかかる。例えば、鋳造初期やタンディッシュに大気が巻き込まれた際、シール空間に吹き込まれる不活性ガスの流量が少ないとき、タンディッシュ内の酸素が置換されずに残留し、タンディッシュ内の酸素濃度が上昇することがある。この場合、溶鋼が再酸化されることがある。表１の実験番号２４では、不活性ガスの流量Ｑが少なかったため、水モデル実験酸素濃度及び実機換算酸素濃度が高かったと考えられる。本発明者らの研究から、不活性ガスの流量Ｑを２０（Ｎｍ³／ｈｒ）以上とすることにより、タンディッシュ内の大気が不活性ガスに置換されやすいことがわかった。不活性ガスの流量Ｑの上限に制限はない。例えば、不活性ガスの流量Ｑを１００（Ｎｍ³／ｈｒ）以下とするとよい。

以上より、鋼を連続鋳造するに際し、非定常時、シール空間に不活性ガスを２０（Ｎｍ³／ｈｒ）以上の流量で吹き込むとともに、上記（１）式で示される「巻き込み指数Ａ」が１５．５６未満となるようにする。これにより、非定常時、タンディッシュ内の溶鋼の酸化を抑制することができる。

また、以下の場合、非定常時、タンディッシュ内の溶鋼の酸化を抑制する効果を高めることができることがわかった。

図６において、近似直線αを上方へ移動させると、「実機換算酸素濃度Ｃ」が０．５％未満となる「巻き込み指数Ａ」が小さくなる。図６のＮｏ.１（表１の実験番号１）は、近似直線αから上方に最も離れたケースである。そこで、近似直線αを、Ｎｏ.１（表１の実験番号１）を通る位置まで上方へ移動させると、図７に示す直線βが得られた。
直線βは、下記（３）式によって示される。
Ｃｙ＝０．０３７３Ａ＋０．２０６０ ・・・（３）

直線βと近似直線αとを比較した場合、所定の「実機換算酸素濃度Ｃ」となる「巻き込み指数Ａ」が異なる。直線βと近似直線αとにおいて所定の「実機換算酸素濃度Ｃ」となる「巻き込み指数Ａ」を比較した場合、直線βから得られる「巻き込み指数Ａ」は、近似直線αから得られる「巻き込み指数Ａ」より小さい。このことから、直線βの場合、近似直線αの場合に比べ、より一層、大気を巻き込みにくい設計にすることができると考えられる。

直線βを用いた場合、図７に示すように、「実機換算酸素濃度Ｃ」が０．５％となるのは、「巻き込み指数Ａ」が７．８８のときである。このことから、鋼の鋳造において、非定常時、シール空間にガスを２０（Ｎｍ³／ｈｒ）以上の流量で吹き込むとともに、上記（１）式で示される「巻き込み指数Ａ」が７．８８未満となるようにすると、タンディッシュ内溶鋼の酸化を抑制する効果を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、図１及び図２では、シール部材３０がシールパイプ２１及び耐火シール材２３、２４、２５から構成されるケース１について説明した。図３及び図４では、シール部材１３０がシールボックス１２１及び耐火シール材２３、２４、２５から構成されるケース２について説明した。しかし、シール部材は、図１及び図３に示す構成に限られない。例えば、耐火シール材の数は、３個でなくてもよい。耐火シール材は、１個でもよく、２個でもよく、４個以上でもよい。また、シール部材は、耐火シール材２３、２４、２５を有さなくてもよい。例えば、ケース１において、シール部材は、シールパイプ２１だけから構成されてもよい。例えば、ケース２において、シール部材は、シールボックス１２１だけから構成されてもよい。また、シールパイプ２１、シールボックス１２１及び耐火シール材２３、２４、２５の構成は、上記構成に限られない。例えば、シールパイプは、下端に近付くにつれて径が大きくなるテーパ状であってもよい。

また、上記実施形態では、タンディッシュ１に注入室１０と図示しないストランド室が形成され、これらが堰等によって仕切られている。しかし、タンディッシュに注入室とストランド室が形成されていなくてもよい。

また、ガス吐出孔の位置は変更可能である。さらに、上記実施形態では、図１及び図２において、ガス吐出孔４１ａが下方を向き、溶鋼浴面に対向している。また、図３及び図４において、ガス吐出孔１４１ａ、１４２ａが下方を向き、溶鋼浴面に対向している。しかし、ガス吐出孔の向きは変更可能である。例えば、図１及び図２において、ガス吐出孔４１ａがシールパイプ２１に対向していてもよい。この場合、ガス吐出孔深さｈは、シール空間Ａ₁の上端の高さからガス吐出孔４１ａの最も高い位置までの鉛直方向距離とすることが好ましい。また、図３及び図４において、ガス吐出孔１４１ａ、１４２ａがタンディッシュ１の内壁に対向していてもよい。この場合、ガス吐出孔深さｈ₁₁は、シール空間Ａ₁の上端の高さからガス吐出孔１４１ａの最も高い位置までの鉛直方向距離とすることが好ましい。ガス吐出孔深さｈ₁₂は、シール空間Ａ₁の上端の高さからガス吐出孔１４２ａの最も高い位置までの鉛直方向距離とすることが好ましい。

本発明が採用される鋼種は限定されない。また、本発明は、スラブ、ブルーム及びビレットのいずれの鋳造にも採用することができる。

１ タンディッシュ
２ タンディッシュ本体
３ タンディッシュ蓋
１０ 注入室
２１ シールパイプ
２１ａ 筒部
２１ｂ フランジ
２３、２４、２５ 耐火シール材
３０、１３０ シール部材
３０ａ、１３０ａ 開口
４１、１４１、１４２ ガス吐出管
４１ａ、１４１ａ、１４２ａ 開口（ガス吐出孔）
１２１ シールボックス
Ａ₁、Ａ₂ シール空間
Ｍｓ 溶鋼浴面

Claims (1)

1. タンディッシュ内の溶鋼をシールする方法であり、
   取鍋からタンディッシュへ注入される溶鋼の周囲にシール部材が配置され、
   前記シール部材の上端の開口からタンディッシュ内溶鋼浴面までの間にシール空間が形成され、
   前記シール空間は、タンディッシュ内溶鋼浴面が前記シール部材の下端より上方、又は、前記シール部材の下端と同じ高さに位置しているとき、前記シール部材の上端の開口からタンディッシュ内溶鋼浴面までの前記シール部材に囲まれた空間であり、タンディッシュ内溶鋼浴面が前記シール部材の下端より下方に位置しているとき、前記シール部材の上端の開口からタンディッシュ内溶鋼浴面までの前記シール部材および前記タンディッシュに囲まれた空間であり、
   前記シール部材の上端が開放されている時、前記シール空間に配置されたガス吐出孔から前記シール空間に不活性ガスを２０（Ｎｍ³／ｈｒ）以上の流量で吹き込むとともに、下記（１）式で示される巻き込み指数Ａを１５．５６未満とすることを特徴とするタンディッシュ内溶鋼のシール方法。
   

   

   ここで、ｖは、前記シール空間に吹き込まれる不活性ガスの流速（ｍ／ｓｅｃ）であり、
   Ｒは、前記シール空間の上端の直径（ｍ）又は前記シール空間の上端の等面積円相当径（ｍ）であり、
   ｈは、前記シール空間の上端の高さから前記ガス吐出孔までの鉛直方向距離（ｍ）であり、
   Ｖは、前記シール空間の体積（ｍ³）である。

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