TWI480379B

TWI480379B - How to use the sink

Info

Publication number: TWI480379B
Application number: TW102100236A
Authority: TW
Inventors: Arito Mizobe; Kento Furukawa; Tetsuo Tsuduki; Masaki Yamamoto; Joji Kurisu
Original assignee: Krosakiharima Corp
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2013-01-04
Publication date: 2015-04-11
Also published as: WO2014010136A1; JP2014030851A; US20150196954A1; US9718128B2; JP5156141B1; TW201402825A

Description

上水口的使用方法

本發明是關於一種上水口的使用方法，該上水口是被嵌合於裝設在鋼液分配器(tundish)底部之鋼液分配器風口，尤其是，於熔鋼所通過之內孔的壁面為了抑制夾雜物或原料金屬之附著而在內孔側配置通風性耐火物者。

在被嵌合於鋼液分配器風口的上水口中，於熔鋼所通過之內孔的壁面會附著有氧化鋁群等的夾雜物或原料金屬而使得流路縮小，為了去除此些，發生必須使用棒等進行內孔之洗淨，或是藉由必須進行氧氣洗淨而發生作業妨礙，或是有時候使內孔藉由該附著物完全地被堵塞，或是也會陷入作業無法繼續之狀況的情形。所以，防止該附著物之方法，迄今被提案有種種發明。

例如，在專利文獻1，著眼於上水口之內孔的形狀，提案一種上水口，該上水口是具備作出能量損耗少的勻順(一定)的熔鋼之流動，並能抑制附著物之發生的內孔形狀。

還有，在專利文獻2，提案一種連續鑄造用插入水口(上水口)，該上水口是多孔質耐火物(通風性耐火物)配置於熔鋼所通過之內孔側，並在內孔具有吹進惰性氣體之功能。

專利文獻1：國際公開第2009/113662號

專利文獻2：日本實開平01-84860號公報

上述專利文獻1的上水口是依本案發明人等所為之發明，而本案發明人等，是活用其優異的內孔形狀之下，為了更抑制附著物之發生，在上述專利文獻1的上水口上，嘗試了附加如上述專利文獻2的氣體吹進功能。

但是，僅在上述專利文獻1的上水口附加氣體吹進功能，可能為起因於熔鋼的流動與吹進氣體的流動之參差不齊的對內孔壁面一部分的夾雜物等的附著會發生，若仍繼續其成長則會遮住熔鋼之流路，而在抑制附著物之發生上還有更須改善之餘地。

亦即，本發明擬解決的課題，是在於提供一種上水口的使用方法，該上水口是在具備作出能量損耗少的修勻(一定)的熔鋼之流動，並能抑制附著物之發生的內孔形狀，附加氣體吹進功能，能更抑制附著物之發生。

依照本發明的觀點上，一種上水口的使用方法，該上水口是被嵌合於鋼液分配器(tundish)底部之鋼液分配器風口，並通風性耐火物配置於熔鋼所通過之內孔側配置有通風性耐火物，且滿足下述之條件(1)的上水口的使用方法，其特徵為滿足下述之條件(2)及條件(3)：

條件(1)

將水口長度作為L、將計算上的水頭高度作為H、將從上端部至下方的距離z的半徑作為r(z)時，沿著熔鋼所通過之內孔的軸所切剖之內孔壁面的斷面形狀，是以Log(r(z))=(1/1.5)×log((H+L)/(H+z))+log(r(L))及Log(r(z))=(1/6)×log((H+L)/(H+z))+log(r(L))所表示的曲線之間的r(z)之z微分所連續的曲線，而上述計算上的水頭高度H是，H=((r(L)/r(0))ⁿ ×L)/(1-(r(L)/r(0))ⁿ )(n=1.5~6)，上述內孔之上端的內徑r(0)為下端的內徑r(L)的1.5倍以上，

條件(2)

通過內孔之熔鋼的上水口最下端部之流速V_L (m/s)，及熔鋼的流量Q_L (L/s)與吹進氣體流量Q_G (NL/s)之體積比的氣體比率R_G =(Q_G /Q_L )×100(%)，為R_G ≦4.3×V_L 之關係，

條件(3)

將內孔壁面於高度方向分成5等分時之由各個部分的氣體吹進量，為整體吹進氣體流量之60%以下。

以下，將本發明予以詳細地加以說明。

首先，本發明的上水口，是為了作出能量損耗少的修勻(一定)的熔鋼之流動，並將滿足上述專利文獻1的內孔形狀作為前提，亦即，將滿足上述條件(1)作為前提。還有，在上述條件(1)中，以「Log(r(z))=(1/1.5)×log((H+L)/(H+z))+log(r(L))及Log(r(z))=(1/6)×log((H+L)/(H+z))+log(r(L))所表示的曲線」，是典型上以式1所表示的曲線。

Log(r(z))=(1/n)×log((H+L)/(H+z))+log(r(L))(n=1.5~6)．．．．式1

然後，將上述條件(1)之詳細，參照第1圖加以說明。第1圖是表示鋼液分配器及上水口的軸向斷面的圖像圖。在第1圖中，上水口1是具備熔鋼所通過的內孔4。又，符號5為水口上端2的內孔大徑部(內直徑(r(0))，符號6為水口下端3的內孔小徑部(內直徑(r(L))，而從內孔大徑部5至內孔小徑部6存在著內孔壁面7。還有，水口上端2為距離z的起點。

依照上述條件(1)，表示於第1圖內孔壁面7的斷面形狀是以 Log(r(z))=(1/1.5)×log((H+L)/(H+z))+log(r(L))及Log(r(z))=(1/6)×log((H+L)/(H+z))+log(r(L))所表示的曲線之間的平滑曲線、在典型上以上述式1所表示的曲線。在此所謂平滑曲線，是r(z)之z微分所連續的曲線。

該上水口之內孔壁面的斷面形狀，是如下所述，為依據將內孔壁面的面壓分布對高度方向作成穩定，就可作出能量損耗少的修勻(一定)的熔鋼之流動者。

首先，流在上水口之內孔的熔鋼量，是雖以設置於上水口之下部的滑動水口裝置所控制，惟擬得到熔鋼的流速的能量，是基本上在於鋼液分配器內的熔鋼之水頭之故，因而距內孔上端(水口上端)距離z之位置的熔鋼之流速v(z)，是將重力加速度作為g、將熔鋼的水頭高度作為H’、將流量係數作為k’，則以式2表示。

v(z)=k’(2g(H’+z))^1/2 ．．．．式2

然而，鋼液分配器內的熔鋼量，是作業中大致被保持成一定，而水頭高度是一定。但是，熔鋼並不是由鋼液分配器之熔鋼面直接流進上水口，眾所周知為由接近於鋼液分配器底面之位置流進。亦即，作為水頭高度，代替熔鋼之水頭高度H’，使用對於來自接近於水口上端近旁的鋼液分配器底面之位置的熔鋼流動影響大的計算上之水頭高度H較為有效。

因此，式2是被置換成為下式v(z)=k(2g(H+z))^1/2 ，此時k是將計算上的水頭高度作為H時的流量係數。

於是，流在上水口之內孔的熔鋼的流量Q，是因流速v與斷面積A之相乘積，因此將上水口之長度作為L、將在內孔下端的熔鋼之流速作為v(L)、將內孔下端之斷面積作為A(L)時，是以Q=v(L)×A(L)=k(2g(H+L))^1/2 ×A(L)表示。

還有，即使在內孔內之任一位置上垂直於內孔軸採取斷面，因流量Q也是一定，因此由內孔上端距離z之位置的斷面積A(z)，是以A(z)=Q/v(z)=k(2g(H+L))^1/2 ×A(L)/(k(2g(H+z))^1/2 )表示，而以A(L)相除兩邊，則成為A(z)/A(L)=((H+L)×(H+z))^1/2 。

在此，將圓周率作為π時，則因A(z)=πr(z)² 、A(L)=πr(L)² ，因此成為 A(z)/A(L)=πr(z)² /πr(L)² )=((H+L)×(H+z))^1/2 r(z)/r(L)=((H+L)×(H+_z ))^1/4 ．．．．式3。

因此，內孔之任一位置的內徑(半徑)r(z)，是以Log(r(z))=(1/4)×log((H+L)/(H+z))+log(r(L))．．．．式4所表示，並藉由將內孔壁面之斷面形狀作成滿足該條件的形狀，就能夠將能量損耗作成最小。

可是，上水口之內孔下端(內孔小徑部)的內直徑，是藉由產量所決定。另一方面，內孔上端(內孔大徑部)的內直徑，是作成內孔小徑部的內直徑1.5倍以上，就能夠抑制在內孔上端近旁所發生的急遽之壓力變化。此為，內孔大徑部的內直徑，是在內孔小徑部的內直徑不足1.5倍，則會使發生於上水口上端(內孔大徑部)的壓力(能量)變動變高，並會發生紊流。還有，內孔大徑部的內直徑，是內孔小徑部之內直徑的2.5倍以下較理想。內孔大徑部的內直徑愈大，且鋼液分配器之風口也變寬等，並不合乎現實。

另一方面，內孔大徑部與內孔小徑部的內直徑之比率，是因利用上述之式3以r(0)/r(L)=((H+L)×(H+0))^1/4 =1.5~2.5．．．．式5 所表示，因此若決定了內孔大徑部與內孔小徑部的內直徑，與兩內直徑的比率，則能夠求出計算上的水頭高度H。亦即計算上的水頭高度H，是以H=((r(L)/r(0))⁴ ×L)/(1-(r(L)/r(0))⁴ )所表示。

在此，在上述式4中，作為Log(r(z))=(1/n)×log((H+L)/(H+z))+log(r(L))，若為具備變更n值的斷面形狀之壁面的內孔形狀的上水口，即使n=4以外，與先前者相比較也能形成修勻的熔鋼之流動的情形是在上述專利文獻1被證實。

還有，在計算上的水頭高度H也同樣地適用變數n，能夠作成H=((r(L)/r(0))ⁿ ×L)/(1-(r(L)/r(0))ⁿ )也在上述專利文獻1被證實。

亦即，上述式5是成為r(0)/r(L)=((H+L)/(H+0))^1/n =1.5~2.5．．．．式6 ，由該式6，若決定了內孔大徑部與內孔小徑部的內直徑，與兩內直徑的比率，則能夠求出因應於n值的計算上之水頭高度H。

以上為成為本發明的前提之條件(1)的詳細，在該前提之下，本案發明人等做種種檢討之結果，通過鋼液分配器用上水口之內孔的熔鋼流的紊流會影響到夾雜物等附著於內孔壁面與成長，而發現了該熔鋼流的紊流是對熔鋼的流量與吹進氣體流量上有很大關係。

現在，熔鋼的下降力F_L ，是以式7表示。

F_L =Q_L ×V_L ．．．．式7

在此，Q_L 是熔鋼的流量(L/s)、V_L 是在上水口最下端部(z=L)的熔鋼的流速(m/s)。

同樣地，吹進氣體的上升力F_G ，是以式8表示。

F_G =Q_G ×V_G ．．．．式8

在此，Q_G 是吹進氣體的流量(NL/s)、V_G 是氣體上升速度(m/s)。

考量利用熔鋼的下降力F_L 與吹進氣體的上升力F_G 的相撞關係在水口的內孔會發生紊流者。由式7及式8發生紊流的條件是以下式9所表示。亦即，對熔鋼的下降力F_L 若吹進氣體的上升力F_G 變強成一定比率以上，則會發生紊流。

F_G >α×F_L ．．．．式9

在此，α是常數。

由式7、8、9，成為(Q_G ×V_G )>α×(Q_L ×V_L )，而式10被導出。

Q_G /Q_L >(α×V_L )/V_G ．．．．式10

在此，若作成(Q_G /Q_L )×100=R_G 、(α/V_G )×100=β，則R_G 是對熔鋼的流量Q_L (L/s)的吹進氣體流量Q_G (N_L /s)的體積比率(%)，亦即為氣體比率(%)，針對於β，在所吹進的氣體之氣體直徑的不相同等之條件下，雖氣泡上升速度V_G 是稍有變化，惟考量大致一定(V_G ≒0.4m/s左右)之故，因而實質上為常數。因此，若將式10予以變形，則重寫成以下的式11。

R_G >β×V_L ．．．．式11

式11為紊流發生於水口之內孔的條件，相反地，下式12為紊流未發生於水口之內孔的條件。

R_G ≦β×V_L ．．．．式12

依據該理論，在鋼液分配器用上水口的種種條件下進行依電腦模擬所為之流體解析。還有，氣體之膨脹是6倍，而氣體是在假想由內孔壁面的高度方向整體均等地吹進下進行。

依電腦模擬所為之流體解析，是使用ANSYS公司所製的流體解析軟體、商品名稱「FluentVer.6.3.26」來進行。在該流體解析軟體的輸入參數，是如下所述。

．計算網格數：大約12萬(但是依模型有所變動。)

．流體：水(在此，熔鋼的情形，已確認相對性地能夠同樣地評價。) ：密度998.2kg/m³ ：黏度0.001003kg/(m．s)

．黏度模型(Viscous Model)：K-omega計算

在第2圖表示依電腦模擬所為之流體解析結果的例子。圖式中的CFD(Computational Fluid Dynamics)流動狀態為表示依電腦模擬所為之流體解析結果的氣體之軌跡。該氣體之軌跡位在以線狀排列的狀態者是判斷為未發生紊流，而氣體之軌跡並不是線狀，明顯地呈迷失狀態或是蛇行狀態，或是發生渦流者是判斷為發生紊流。還有，在第2圖的本發明形狀，是將內孔形狀(內孔壁面的斷面形狀)在上述式1中作成n=4之曲線者，而先前形狀是與本發明形狀在最上端部內直徑(2r(0))、最下端部內直徑(2r(230))及水口長度L是同一，惟內孔形狀，是從最下端部朝上方至50mm為止仍作成最下端部內直徑，而從最下端部距上方50mm之位置直到最上端部為止，斷面形狀為作成直線之推拔形狀者。還有，本發明形狀與先前形狀，都是將水口本體整體設定為以通風性耐火物所構成的情形。

同樣地將水口形狀、流體流速、及吹進氣體流量等予以變動，而在種種之條件下，以與第2圖同樣的要領進行依電腦模擬所為之流體解析。將其解析結果表示於表1。

表1中的CFD流動狀態欄，從與第2圖同樣的氣體之軌跡狀態來判斷有無紊流之發生狀況者，○記號是表示未發生紊流的狀態，而×記號是表示發生紊流的狀態。

以下將標繪表1之解析結果中的流體流速V_L (m/s)、及流體流量Q_L (L/s)與吹進氣體流量Q_G (NL/s)之比率的氣體比率R_G (%)之間的關係的圖表表示於第3圖。

在第3圖中與表1之標示同樣地，在CFD流動狀態中未發生紊流的狀態以○記號加以層別，而發生紊流的狀態以×記號加以層別。那麼說，如以第3圖的虛線所示地，明確的相關被認定，知道表示上述式12的關係，亦即知道以β=4.3%(m/s)表示。由此，在上出口內孔的熔鋼流動中，可說滿足下式13的方式調整吹進氣體流量等來抑制紊流之發生，就能夠抑制附著物發生在內孔壁面。此為本發明的條件(2)。

R_G (%)≦4.3×V_L (m/s)．．．．式13

在此，氣體之吹進壓力是作成0.05MPa以上較理想。若吹進壓力不足0.05MPa，則無法得到穩定的氣體之流出狀態，又，依吹進氣體所為之氣幕效果會變小，而降低抑制附著物之發生的效果。

以下，針對於在上水口之內孔的高度方向的氣體吹進量之平衡加以說明。第4A圖至第4D圖，是表示將上水口之內孔壁面如第5圖所示地於高度方向分成5等分B1至B5部分，並變更來自各部分的氣體吹進量時的依電腦模擬所為之流體解析結果的CFD流動狀態。在第4A圖至第4D圖中，水口之內孔形狀(內孔壁面之斷面形狀)是在上述式1中作成n=4之曲線。

第4A圖是變更來自高度方向中央的B3部分的氣體吹進量時之結果。第4A圖之(a)是也包括B3部分而來自各部分的氣體吹進量為均等，亦即來自各部分的的氣體吹進量都成為整體的吹進氣體流量的20%的例子，(b)是將來自B3部分的氣體吹進量作成60%而將剩餘從其他部分均等(10%)地吹進的例子，都未被確認有發生紊流。

另一方面，第4A圖之(c)、(d)、(e)，是各別將來自B3部分的氣體吹進量作成70%、80%、100%者，在(c)中被確認有微小的紊流，在(d)及(e)中被確認有顯著的紊流。亦即，在此些例子中，隨著從B3部分集中地施以氣體吹進，使該部分的氣體流量比率局部地且極端地不相同的結果，被推測有發生紊流。

第4B圖之(a)至第4B圖之(e)，是各別將來自B1部分、B2部分、B3部分、B4部分及B5部分的氣體吹進量作成60%，而將剩餘從其他部分均等(10%)地吹進的例子，都未被確認有發生紊流。

第4C圖之(a)至第4C圖之(e)，是各別將來自B1部分、B2部分、B3部分、B4部分及B5部分的氣體吹進量作成70%，而將剩餘從其他部分均等(7.5%)地吹進的例子，都有發生紊流。

第4D圖之(a)是在B1部分作成整體之氣體吹進量的5%之比率，同樣地在B2、B3、B4部分別作成30%之比率，而B5部分作成5%之比率的例子，(b)是在B1部分作成0%之比率，而在B2、B3、B4、B5部分別作成25%之比率的例子，(c)是在B1、B2部分分別作成0%之比率，B3部分作成20%之比率、B4部作成30%之比率，而B5部分作成50%之比率的例子，都被確認未發生紊流

由此些例子，因將各該部分的氣體流體比率作成60%以下，因此避免集中地進行氣體吹進之結果，被推測紊流是未發生。

由以上，來自上水口的內孔壁面的氣體吹進量是在高度方向儘量作成均等較理想，至少將內孔壁面於高度方向分成5等分時之由各個部分的氣體吹進量，是可說是必須作成整體吹進氣體流量之60%以下。此為本發明的條件(3)。

還有，在本發明中，通風性耐火物是若滿足本發明的條件(2)及條件(3)，則如上所述的各例子地配置於內孔側的高度方向整體也可以，或是局部性地配置也可以。任何情形也藉由周知的製造方法，就能夠製造具有氣體吹進功能的鋼液分配器用上水口。

藉由本發明，能夠抑制氧化鋁群等的夾雜物或原料金屬附著於上水口的內孔壁面。還有，能夠維持無上水口之內孔的閉塞又穩定的連續鑄造作業之故，因而能夠防止鑄造中斷，而且能夠確保所鑄造的鑄片缺陷也少的良好品質，並也有助於提高生產性等，而其效果是具有很大者。

1‧‧‧上水口

2‧‧‧水口上端

3‧‧‧水口下端

4‧‧‧內孔

5‧‧‧內孔大徑部

6‧‧‧內孔小徑部

7‧‧‧內孔壁面

第1圖是鋼液分配器及上水口的軸向斷面的圖像圖。

第2圖是表示依電腦模擬所為之流體解析結果的例子。

第3圖是標繪流體流速V_L 、及流體流量Q_L 與吹進氣體流量Q_G 之比率的氣體比率R_G 之間的關係的圖表

第4A圖是表示將上水口之內孔壁面於高度方向分成5等分，並變更來自各部分的氣體吹進量時的依電腦模擬所為之流體解析結果的氣體之軌跡的圖式。

第4B圖是表示將上水口之內孔壁面於高度方向分成5等分，並變更來自各部分的氣體吹進量時的依電腦模擬所為之流體解析結果的氣體之軌跡的圖式。

第4C圖是表示將上水口之內孔壁面於高度方向分成5等分，並變更來自各部分的氣體吹進量時的依電腦模擬所為之流體解析結果的氣體之軌跡的圖式。

第4D圖是表示將上水口之內孔壁面於高度方向分成5等分，並變更來自各部分的氣體吹進量時的依電腦模擬所為之流體解析結果的氣體之軌跡的圖式。

第5圖是表示將上水口之內孔壁面於高度方向分成5等分時的各部分。

以下，依據實施例，將本發明的實施形態加以說明。

[實施例]

將本發明實際上適用於連續鑄造設備之鋼液分配器實用機器的結果加以說明。但是，本實施例只是本發明的實施形態，而本發明並不被限定於下述實施例者。

於表2表示將本發明的實施例及比較例之上水口使用於鋼液分配器實用機器的結果。

表示於表2的實施例1至4及比較例3、4的水口形狀是在第2圖所說明的本發明形狀，又比較例1、2的水口形狀是在第2圖所說明的習知形狀。夾雜物等的附著狀況，是將所回收的上水口朝向長度方向豎劈為兩半，而以目視評價附著之狀況。○記號是表示幾乎沒有夾雜物等之附著的狀態、△記號是雖確認夾雜物等之附著但少量的狀態、×記號是表示夾雜物等之附著很顯著的狀態。表中之水口更換ch數的例如>16ch，是表示雖以其他原因成為更換，惟由上水口的夾雜物等的附著狀態也充分地能夠使用其以上。還有，實施例及比較例，將水口的內孔壁面分成5等分時之由各部分的氣體吹進量是都作成均等。

實施例1至4，是水口形狀能滿足上述條件(1)的本發明形狀，也能滿足上述條件(2)，亦即也能滿足R_G ≦4.3×V_L( R_G /V_L ≦4.3)。夾雜物等之附著是幾乎沒有或是少量，而水口之壽命也充分。

另一方面，比較例1，是雖滿足上述條件(2)，惟水口形狀未能滿足上述條件(1)的習知形狀。比較例2，是未能滿足上述條件(1)及上述條件(2)雙方的例子。比較例3、4，是雖滿足上述條件(1)，惟未能滿足上述條件(2)的例子。比較例都是夾雜物等之附著顯著，又水口的壽命短。

如上所述地，在本發明的實施例中夾雜物等之附著被抑制，並能夠將水口的壽命延長到1.5至2倍以上。

Claims

一種上水口的使用方法，該上水口是被嵌合於鋼液分配器(tundish)底部之鋼液分配器風口，並於熔鋼所通過之內孔側配置有通風性耐火物，且滿足下述之條件(1)的上水口的使用方法，其特徵為滿足下述之條件(2)及條件(3)：條件(1)將水口長度作為L、將計算上的水頭高度作為H、將從上端部至下方的距離z的半徑作為r(z)時，沿著熔鋼所通過之內孔的軸所切剖之內孔壁面的斷面形狀，是以Log(r(z))=(1/1.5)×log((H+L)/(H+z))+log(r(L))及Log(r(z))=(1/6)×log((H+L)/(H+z))+log(r(L))所表示的曲線之間的r(z)之z微分所連續的曲線，而上述計算上的水頭高度H是，H=((r(L)/r(0))ⁿ ×L)/(1-(r(L)/r(0))ⁿ )(n=1.5~6)，上述內孔之上端的內徑r(0)為下端的內徑r(L)的1.5倍以上，條件(2)通過內孔之熔鋼的上水口最下端部之流速V_L (m/s)，及熔鋼的流量Q_L (L/s)與吹進氣體流量Q_G (NL/s)之體積比的氣體比率R_G =(Q_G /Q_L )×100(%)，為R_G ≦4.3×V_L 之關係，條件(3)將內孔壁面於高度方向分成5等分時之由各個部分的氣體吹進量，為整體吹進氣體流量之60%以下。