JPH07316627A

JPH07316627A - 溶融金属中の介在物除去方法

Info

Publication number: JPH07316627A
Application number: JP11809494A
Authority: JP
Inventors: Yuji Miki; 祐司三木; Nagayasu Bessho; 永康別所; Shigeo Sakai; 重郎坂井
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1995-12-05

Abstract

(57)【要約】【構成】溶融金属の注入・注出機能をもつ中間保持容
器において、溶融金属の注入を該中間保持容器の上部か
ら注湯ノズルを介して行うと共に、該注湯ノズル直下の
中間保持容器の底部から上方に向けてガスを吹込むこと
により、注入による溶融金属下降流に対向してガス吹込
みによる溶融金属上昇流を衝突させる。【効果】短絡流やスラグ巻き込み等の発生のおそれな
しに、溶融金属中の非金属介在物量を効果的に低減する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、溶融金属中に存在す
る非金属介在物の効果的な除去方法に関するものであ
る。この発明は、溶融金属中に存在する非金属介在物の
除去技術として、溶融金属の種類の如何を問わずいずれ
にも適用可能な技術であるが、以下、その代表例とし
て、溶鋼中に存在する非金属介在物を除去する場合につ
いて述べる。

【０００２】

【従来の技術】溶鋼中の非金属介在物（以下介在物とい
う）は、最終製品での欠陥発生原因となるため、鋼中か
ら極力分離・除去する必要がある。そのため、製造工程
中、とくにタンディッシュにおいてその分離・除去を促
進し、鋼品質の向上が図られている。かようなタンディ
ッシュにおける介在物の分離・除去方法として、例えば
特開昭53-89828号公報や特開昭63−157745号公報、特開
昭61−111748号公報、特開昭61−111749号公報では、鋼
中へのガス吹込みによって溶鋼に上昇流を付与し、また
気泡と介在物の合体によって介在物の浮上速度を増加さ
せることにより、介在物の分離を促進する方法が提案さ
れている。

【０００３】一例として、特開昭53-89828号公報に開示
の方法について詳述すると、この方法は、連鋳用タンデ
ィッシュの湯当たり部の周囲に、該中心から下記の条件
を満足するｌ又はｌ′を半径とする円形又は類似形の不
活性ガス供給物体を設置し、 2.0×Ｄ≦ｌ又はｌ′≦0.85×ＬただしＤ：取鍋ノズルの孔径Ｌ：取鍋からの落下点とタンディッシュノズルとの間
の距離ｌ：不活性ガス供給物体の半径ｌ′：不活性ガス供給物体と溶鋼落下点との間の最短距
離この不活性ガス供給物体から吹き込まれるガスバブルの
カ−テンに溶鋼流を通過させることによって、介在物を
低減するものである。

【０００４】しかしながら、上記の方法では、ガスの吹
込み条件如何で介在物の除去効率に大きな差が生じた。
すなわち、効率良く介在物を除去するには、一定のガス
の吹込み条件では駄目で、溶鋼流れや溶鋼中に含まれる
介在物の粒径分布に応じて、適切な吹込み角度、位置、
領域および吹込み量等を決定する必要があった。しか
し、このような制御は極めて難しいため、常に安定して
高能率の下で介在物を除去することはできなかったので
ある。なお、除去効率の悪い吹込み条件で、充分な介在
物の除去を行おうとすると、多量のガスを吹き込まなけ
ればならず、溶鋼湯面の乱れが助長されるだけでなく、
溶鋼の空気酸化や浴面上に存在するスラグやタンディッ
シュフラックスの巻き込みが増大するため、却って鋼中
介在物の増加が余儀なくされる。

【０００５】また、例えば特開昭58-22317号公報や特開
平２−299751号公報では、回転磁場によって溶鋼に水平
回転流を付与し、溶鋼と介在物の比重差に起因して介在
物に求心力が働くことを利用して、介在物を回転中心部
へ集中させて浮上分離する方法が提案されている。しか
しこの方法では、大型の介在物に対しては有効ではある
ものの、アルミナ等のクラスタ状の介在物に対しては比
重差が小さいことから、ほとんど効果は期待できない。
また特に特開平２−299751号公報に開示されているよう
に、注入孔から注出孔に短い経路で流れ出る短絡流れ
（ショ−トサ−キット）が生成しないようにするには、
回転槽の浴深さを十分に確保する必要があるため、タン
ディッシュ容量が大きくなり、設備の大型化に伴うコス
トアップが問題となる。

【０００６】さらに、上記した２つの方法を組み合わせ
た方法として、たとえば特開昭62−235416号公報には、
溶湯に回転流を与えつつガスを吹込む方法が提案されて
いる。この方法は、回転磁界で溶鋼に回転流を付与する
と共に、この溶鋼回転流を生起させた精錬容器の側壁部
もしくは底部の外側寄りに設置したノズルからガスを吹
込む方法である。しかしながら、この方法のように、溶
鋼を単純に回転させながらガスを吹込むだけでは、やは
り満足いく程の介在物の除去効果は得られなかったので
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の問
題を有利に解決するもので、(1) ガスの吹込み条件や溶
鋼流れ、溶鋼中に含まれる介在物の粒径分布等によって
介在物の除去効率に大きな差異が生ぜず、(2) 溶鋼湯面
を乱さず、従って溶鋼の空気酸化および浴面上に存在す
るスラグやタンディッシュフラックスの巻き込みがな
く、(3) 設備が小型で、しかもショ−トサ−キットの生
成がない、介在物の分離除去方法を提案することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、溶
融金属の注入・注出機能をもつ中間保持容器において、
溶融金属の注入を該中間保持容器の上部から注湯ノズル
を介して行うと共に、該注湯ノズル直下の中間保持容器
の底部から上方に向けてガスを吹込むことにより、注入
による溶融金属下降流に対向してガス吹込みによる溶融
金属上昇流を衝突させることを特徴とする溶融金属中の
非金属介在物の除去方法（第１発明）である。

【０００９】またこの発明は、溶融金属の注入・注出機
能をもつ円筒形の中間保持容器において、該円筒容器内
の溶融金属を水平に回転流動させながら、溶融金属の注
入を該円筒容器の軸心位置上部から注湯ノズルを介して
行うと共に、該注湯ノズル直下の中間保持容器の底部か
ら上方に向けてガスを吹込むことにより、溶融金属の回
転流動下に、注入による溶融金属下降流に対向してガス
吹込みによる溶融金属上昇流を衝突させることを特徴と
する溶融金属中の非金属介在物の除去方法（第２発明）
である。

【００１０】

【作用】この発明では、取鍋からタンディッシュへ注入
される溶鋼の下降流とガス吹込みによる溶鋼の上昇流と
を対向・衝突させることによって、気泡の浮上速度を低
下させ、溶鋼中における気泡の滞在時間を増加させると
同時に、溶鋼の偏流を低減し、少ないガス吹込み流量で
介在物との衝突確率を増加させることによって、介在物
の除去効率を向上させるものである。

【００１１】この技術において、重要なポイントは、図
１に示すように、取鍋からの注入流とガス吹込みによる
溶鋼流とを対向させることであり、このためにガス吹込
み位置は注湯ノズル直下とする必要がある。なお、この
ガス吹込みに際しては、気泡の拡がり角度を、注湯ノズ
ルからの溶鋼の噴流の拡がりを包み込む以上の角度とす
ること、すなわち注入流による噴流が気泡の拡がり領域
（空塔領域）を越えないようにする必要がある。もう一
つのポイントは、吹込みガス流量であり、ガス流量が小
さいとガス吹込みによる溶鋼上昇流が小さすぎでノズル
からの噴流を抑え切れないし、またガス流量が大き過ぎ
るとノズルからの噴流は抑えられるものの、ガス吹込み
による上昇流によって溶鋼上面が乱される結果、スラグ
巻き込みや空気酸化が助長され、かえって介在物量の増
加を招く。なお図１中、番号１は取鍋、２は注湯ノズ
ル、３はタンディッシュ、４はポーラスプラグ、５は注
出口、そして６は気泡である。

【００１２】そこで、最適ガス流量を明らかにするた
め、第２図に示すような流動解析シミュレ−ション計算
を行い、第３図(a) 〜(c) に示す解析結果を得た。な
お、このときの溶鋼供給量は４ton/min に設定した。図
３(a) では、ガス流量が小さ過ぎて注入流からの短絡流
を抑え切れず、また図３(b) ではガス流量が大き過ぎる
ため、短絡流は抑制できるものの、図中丸印内のノズル
近傍の溶鋼表面で上向きの流速が大きく、前述したスラ
グ巻き込みや空気酸化を助長してしまう。これに対し、
図３(c) は、ガス流量が適切であり、取鍋からの下降流
とガス吹込みによる上昇流とがちょうど良く釣り合って
いて、短絡流やスラグ巻き込み等の発生もない。

【００１３】上記の解析結果を下に、溶鋼の供給量とガ
ス吹込み量との好適関係について調査を行った。なお、
炉低ポーラスプラグのガス吹込み面積は 300〜40000mm²
程度、またノズル先端から底吹き位置までの設定高さは
300〜1800mm程度といずれも幅があるが、上記の実験は
通常の値であるガス吹込み面積：5000 mm²、ノズル先端
から底吹き位置までの設定高さ：1000mmの一定条件下で
行った。

【００１４】まず、表面の波立ちが起こる臨界ガス流量
を測定したところ、１〜10 ton/minの溶鋼注湯量範囲で
は、図４に示すように、吹込みガス流量をｘ(Nl/min)、
また溶鋼注湯量を(ton/min) とした場合、直線（ｙ＝
0.40ｘ）より上の条件では、溶鋼表面に波立ちが生じ
た。従って、かような波立ちを生じさせないためには、
次式ｙ(ton/min) ≦ 0.40 ｘ(Nl/min) の関係を満足させる必要がある。

【００１５】一方、溶鋼の下降流を止めるガス流量は、
ガス吹込みによって生じる溶鋼の上昇流の速度から求め
ることができる。文献（佐野ら；鉄と鋼第68年(1982)第
16号P.2451）によると、溶鋼の上昇速度ｕ_LPは次式で表
される。ｕ_LP＝ｕ_GP−(0.5ｄ_Bg)^1/2/(1−φ）ここで、ｕ_GPはガスの浮上速度、ｄ_Bは気泡径、ｇは動
加速度、φはガスホールドアップである。この式をもと
に、溶鋼の下降流速度を０にするためのガス流量を求
め、また水モデル実験で確認したところ、図４中、直線
（ｙ＝0.0016ｘ²)で示す曲線が得られた。従って、溶
鋼下降流を効果的に停止させるためには、次式ｙ(ton/min) ≧0.0016ｘ²(Nl/min) の関係を満足させる必要がある。

【００１６】上記の結果より、短絡流やスラグ巻き込み
等を発生させることのない好適ガス吹込み量は、図中に
斜線で示される領域、すなわち次式 0.0016ｘ²(Nl/min) ≦ｙ≦ 0.40 ｘ(Nl/min) で表されることが究明されたのである。従って、例えば
溶鋼供給量が４ton/min の場合における吹込みガス流量
の好適範囲は10〜50 Nl/min となる。

【００１７】上記の結果は、図１に示したような単孔ノ
ズルを用いた場合の解析結果であるが、注湯ノズルとし
て図５に示すような多孔ノズルを用いた場合もほぼ同様
の結果が得られた。しかし、この場合には、気泡の拡が
りを幾分広くして、気泡で注湯ノズルからの溶鋼の噴流
を十分に包み込ませることが重要である。このために
は、単孔ノズルの場合よりも、底部におけるガス吹込み
面積やノズル先端から底吹き位置までの高さを幾分大き
くしてやれば良い。なお、吹込みガスの種類は、溶鋼の
酸化を抑制する上から、Ar, N₂等の非酸化性ガスが好ま
しい。

【００１８】上述したように、溶鋼下降流に対向してガ
ス吹込みによる上昇流を対向・衝突させることにより、
短絡流やスラグ巻き込みの発生なしに、介在物を効果的
に分離・除去できることが判明したが、発明者らの研究
によれば、かような衝突を溶鋼を回転させた条件下、す
なわち図６に示すように、溶鋼の水平回転流動下に溶鋼
の注入を回転軸心位置上部から行うと共に、回転軸心部
底面からのガスを吹込んで溶鋼流を衝突させてやれば、
より一層良好な結果が得られることが判明した。なお、
図中番号７は回転磁界発生装置である。

【００１９】この場合、図７に図解したように、吹き込
まれたガス気泡６は、溶鋼の水平回転流によって回転軸
心部に集中しつつ、溶鋼に上昇流８を与える。一方回転
軸心部では、上方から下方に向けて溶鋼の注入流９があ
り、この注入流９が回転軸中心に集中したガスによる上
昇流８と衝突して大きい乱流場10が形成される。この大
きい乱流場10の形成により、気泡と介在物の衝突が促進
されることになる。

【００２０】すなわち、この衝突は、対向する流れであ
るため大きい乱流場が得られるが、回転流が無いと、対
向する流れは条件次第では各々の流れにムラが生じ、う
まく合流・混合しない場合がある。この点、回転流を与
えてやれば、吹き込まれた気泡６は求心力11によって回
転軸心部に集中し、また溶鋼注入流も回転流速の小さい
回転軸心部を流れるので、効率よく流れの合流・混合状
態を形成できるのである。さらに、気泡の求心力に伴う
向心流も発生し、半径方向でも注入流と気泡による向心
流とを対向させることができるので、乱流効果の他、シ
ョ−トサ−キットを防止する上でも優れた効果が期待で
きる。ここに、溶鋼に付与すべき回転流の流速は、10〜
80 rpm程度とするのが好適である。

【００２１】この方法によれば、溶鋼中の気泡の運動軌
跡が一層長くなって滞在時間が増加し、また溶鋼の運動
軌跡も長くなると同時に偏流も低減する結果、より少な
いガス吹込み量で介在物との衝突確率が増大し、その効
果、介在物の除去効率が向上すると共に、ショ−トサ−
キット流出が効果的に防止されるのである。また回流槽
の浴深を十分確保しなくても良いため、タンディッシュ
の小型化が図れるという利点もある。

【００２２】図８は、溶鋼の回転流動下に、下降流と上
昇流とを対向・衝突させる回転槽の他、溶鋼の整流化を
導く整流槽をそなえるタンディッシュを示した図であ
り、かかる整流槽を併設することによって、より一層の
介在物除去が達成できる。

【００２３】以上述べたとおり、この発明によれば、取鍋からの注入流をガス流に対向させて溶鋼の運動エ
ネルギ−を消散させるようにしたから、従来の方式で見
られたような溶鋼の短絡流が消滅し、短絡流に起因する
モ−ルドへのスラグ、介在物の持ち込みがなくなる。さらに、流れの対向によって、気泡の上昇速度が抑制
され、気泡と介在物の衝突が促進されるので、それによ
り気泡表面にトラップされる介在物量が多くなる。また、流れが交わる領域で、溶鋼の攪拌エネルギ−が
増大し、ますます気泡と介在物の衝突確率を増加させる
ことができる。さらにここでは、介在物の分離、除去の
律速過程は、介在物と気泡の衝突過程と考えられ、一旦
介在物が気泡に捕捉されると、その浮上速度は著しく大
きくなる（すなわち介在物が気泡と共に浮上することに
なる）から、大きな脱酸速度が期待されることになる。

【００２４】

【実施例】

実施例１前述した流動解析結果に基づき、10 ton容量のタンディ
ッシュを用いて、次の条件下に実験を行った。100 ton
取鍋から溶鋼供給量：1.8 ton/min で、低炭アルミキル
ド鋼を10 tonタンディッシュに注入した。注湯ノズル直
下の吹込み用ポ−ラスプラグの面積は10000 mm²であ
り、吹込みガス流量は種々に変化させた。なおノズル下
端から底吹き場所までの高さは 500mmとした。鋳造後、
鋳片の介在物量をスライム抽出量で評価した。図９に、
吹込みガス流量と鋳片の介在物量の指数との関係を黒丸
印（●）で示す。同図から明らかなように、吹込みガス
流量が５ Nl/min から30 Nl/min までの範囲で介在物量
がとりわけ少なく、この範囲を逸脱した場合にはガス流
量が多くても少なくても介在物量は増大している。この
結果は、前述した流動計算結果から推定されるガス流量
にほぼ一致し、この発明の効果が確認された。

【００２５】実施例２次に、図５に示したような２孔ノズルを用い、ガス吹込
み用ポ−ラスプラグ部の面積を２倍（20000mm²）とする
以外は、実施例１と同様の条件で実験を行った。この時
の吹込みガス流量と鋳片の介在物量の指数との関係を、
白丸印（○）で図９に併記する。図５のような構造とす
ることで、さらに介在物量の低減が達成されることが判
明した。なお、このような効果は、溶鋼供給量が 10 to
n/min までは同様に実現されることが確認された。

【００２６】実施例３回転流の発生機能を持つ図６に示したようなタンディッ
シュ（容量：５ton ）を用い、 100 ton取鍋から低炭ア
ルミキルド鋼を 1.2 ton/minで注入する場合について同
様の実験を行った。このとき、吹込み用ポ−ラスプラグ
の面積は10000mm²であり、吹込みガスとしてArガスを 2
0 Nl/minで吹込んだ。また、溶鋼の水平回転流速は 50
rpm とした。回転流速およびガス吹込み量を変化させた
場合における介在物の除去効果を、スライム抽出法によ
って調査した結果を、図10に示す。なお図10には、比較
のため、溶鋼に対し回転流の付与やガス吹込みを行わな
い場合、また従来法に従い回転流の付与のみを行った場
合およびガス吹込みのみを行った（ただし、ガス吹込み
位置は下降流に対向していない）場合の調査結果も併せ
て示す。同図から明らかなように、溶鋼の回転流動と軸
心部底面からのガス吹込みとを併用することにより、溶
鋼中の非金属介在物は大幅に低減し、特に適合例２の場
合は比較例１に比べて介在物量を１／10程度まで低減す
ることができた。

【００２７】

【発明の効果】かくしてこの発明によれば、短絡流やス
ラグ巻き込み等の発生のおそれなしに、溶融金属中の非
金属介在物量を格段に低減することができるので、最終
製品の品質が向上するだけでなく、歩留り向上によるコ
ストダウンも併せて図り得る。また回転槽の浴深を十分
に確保する必要がないので、中間容器の小型化が可能と
なる。さらに、タンディッシュから鋳型へ注湯する際、
非金属介在物に起因した浸漬ノズル詰まりを低減できる
ので、、更なる多連化が可能となり、生産性の向上にも
寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施に用いて好適なタンディッシュ
の模式図である。

【図２】流動計算シミュレーション方法を示した図であ
る。

【図３】上記のシミュレーションによる解析結果を示し
た図である。

【図４】スラグ巻き込みや溶鋼の降下流制動効果に及ぼ
す溶鋼注湯量とガス流量との関係を示したグラフであ
る。

【図５】多孔ノズルを装備した好適タンディッシュの模
式図である。

【図６】回転流の発生機能をそなえる好適タンディッシ
ュの模式図である。

【図７】上昇流と下降流との衝突状況を示した模式図で
ある。

【図８】整流槽を併設した好適タンディッシュの模式図
である。

【図９】吹込みガス流量と鋳片中の介在物量との関係を
示したグラフである。

【図１０】溶鋼の回転流動およびガス吹込みの有無によ
る介在物の量的変化傾向を示したグラフである。

【符号の説明】

１取鍋２注湯ノズル３タンディッシュ４ポーラスプラグ５注出口６気泡７回転磁界発生装置８上昇流９注入流 10 乱流場 11 求心力

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融金属の注入・注出機能をもつ中間保
持容器において、溶融金属の注入を該中間保持容器の上
部から注湯ノズルを介して行うと共に、該注湯ノズル直
下の中間保持容器の底部から上方に向けてガスを吹込む
ことにより、注入による溶融金属下降流に対向してガス
吹込みによる溶融金属上昇流を衝突させることを特徴と
する溶融金属中の非金属介在物の除去方法。
【請求項２】溶融金属の注入・注出機能をもつ円筒形
の中間保持容器において、該円筒容器内の溶融金属を水
平に回転流動させながら、溶融金属の注入を該円筒容器
の軸心位置上部から注湯ノズルを介して行うと共に、該
注湯ノズル直下の中間保持容器の底部から上方に向けて
ガスを吹込むことにより、溶融金属の回転流動下に、注
入による溶融金属下降流に対向してガス吹込みによる溶
融金属上昇流を衝突させることを特徴とする溶融金属中
の非金属介在物の除去方法。