WO2012053476A1 - 下注ぎ方式の注湯管及び注湯方法 - Google Patents

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molten metal
pouring
pouring pipe
flow
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French (fr)
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有人 溝部
立川　孝一
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黒崎播磨株式会社
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D9/00—Machines or plants for casting ingots
    • B22D9/006—Machines or plants for casting ingots for bottom casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D35/00—Equipment for conveying molten metal into beds or moulds
    • B22D35/04—Equipment for conveying molten metal into beds or moulds into moulds, e.g. base plates, runners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
    • B22D41/50—Pouring-nozzles

Definitions

  • the present invention relates to a pouring method and a pouring pipe of a pouring method for producing a metal ingot by discharging / injecting molten metal from a discharge port at the bottom of a mold, and more specifically, from a discharge port at the bottom of a mold.
  • the present invention relates to an inner hole structure of a pouring pipe and a pouring method using the pouring pipe.
  • molten metal is poured into a mold and cooled and solidified.
  • This casting method includes an upper pouring method and a lower pouring method.
  • the pouring method of the pouring method connects the tip of the pouring pipe through which the molten metal passes to the discharge port provided at the bottom of the mold,
  • the molten metal in a molten metal container such as a ladle is discharged / injected from the discharge port at the bottom of the mold via the pouring pipe.
  • this bottom pouring method can make the molten metal flow in the mold gentler when pouring the molten metal into the mold. It has been adopted for the purpose of suppressing deterioration of the quality of metal ingots such as suspension due to objects.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of a mold provided with a conventional pouring pipe by a pouring method of pouring.
  • a pouring pipe 1 is connected to the discharge port 3 provided at the bottom of the mold 4, and the molten metal passes through the inner hole 2 of the pouring pipe 1 and rises, and the discharge port 3. Are discharged into the mold 4 and injected.
  • a cylindrical pipe having a generally constant inner diameter has been used as the pouring pipe 1 as the pouring pipe 1, a cylindrical pipe having a generally constant inner diameter has been used.
  • the shape of the pouring pipe 1 directly below the discharge port 3 is such a general cylindrical shape.
  • the speed (energy) in the upward direction at the front end (discharge port) of the pouring pipe 1, that is, in the pouring pipe axis direction increases. Therefore, a flow (six parts in FIG. 5) is formed in which the upper end surface (hereinafter referred to as “molten surface”) of the molten metal (5 in FIG. 5) rises in a raised shape.
  • the molten metal 5 in the mold 4 is vigorously stirred to entrain the slag 7 and the slag is diffused and suspended throughout the molten metal in the mold. As a result, the quality of the metal ingot is lowered.
  • Patent Document 1 discloses that the ratio of the inner diameter of the end of the runner (pouring pipe) to the inner diameter of the main body is 1.1 or more and the inner hole diameter is increased upward, By applying a pouring pipe having an inner hole taper shape in which the length of the hole diameter enlarged portion is 0.2 to 2.0 times the inner diameter of the tip, the discharge pressure of the molten metal is dispersed and the hot water rises in the center. A technique for stabilizing the molten metal surface in the mold by reducing the flow rate is disclosed.
  • the molten metal bath protrudes onto the molten metal surface at a shallow depth before the molten metal bath reaches a predetermined depth in the mold, or is stirred at a high speed. It is difficult to suppress this. Such a phenomenon becomes more remarkable as the depth of the molten metal bath is relatively shallow, particularly in the initial stage of pouring. In the technique of Patent Document 1, a sufficient effect for solving the above problems cannot be obtained.
  • Patent Document 2 when the molten metal is discharged into the mold by the down-pour method from the discharge port provided at the bottom of the mold, a part of the coating agent is caught if the hot water flow is suddenly upward. It has been proposed to cause the molten steel flow to slowly flow out in the lateral direction by using an ascending brick having an opening toward the short side of the mold as a solution to the cause of inclusions.
  • the “rising brick having an opening toward the short side of the mold” in Patent Document 2 has a wall shape with the top end closed, and the opening for discharging the molten steel in the lateral direction is formed on the lower part on the circumference.
  • the space (hole) that forms the molten steel path toward the opening is a “rising brick” that is “Y-shaped”, and the molten steel is located at 2 to 4 locations on the circumference. In this case, the ink is discharged only in the direction from the opening provided at the position of only the portion having the opening.
  • Patent Document 3 proposes to provide one or more swirl flow forming means (such as a twist plate for swirl flow formation) for forming a swirl flow in the molten metal in the pouring pipe. This is because a swirl flow is formed in the molten metal in the pouring pipe, which is a path of the molten metal, and a swirl flow centered on the central axis in the discharge port is formed in the molten metal discharged from the discharge port. It is intended to reduce the maximum velocity at the central portion in the direction directly above the flow, and to achieve diffusion to the outer peripheral side (periphery) of the shaft and a reduction in velocity.
  • a swirl flow is formed in the molten metal in the pouring pipe, which is a path of the molten metal, and a swirl flow centered on the central axis in the discharge port is formed in the molten metal discharged from the discharge port. It is intended to reduce the maximum velocity at the central portion in the direction directly above the flow, and to achieve diffusion to the outer peripheral side (periphery
  • the present invention provides a molten metal pouring method in a pouring method without reducing the pouring speed or even under conditions in which the pouring speed fluctuates (in particular, regardless of fluctuations in individual operating conditions). Similarly, when the pouring speed is increased in the same equipment, etc.) Similarly, the molten metal in the mold during pouring can be reduced by a simple method that does not lead to a decrease in productivity or an increase in cost, such as installation of complicated equipment. It is an object to reduce the flow velocity in the hot water surface direction (directly upward direction). As a result, it aims at reducing the deterioration of the quality of the metal ingot accompanying nonmetallic inclusions and oxidation.
  • the shape of the inner hole of the pouring pipe at the bottom of the mold and immediately below it is made a specific shape.
  • the present invention is used in a pouring method of a pouring method in which molten metal is discharged into a mold from a discharge port provided at the bottom of the mold, and in a pouring pipe whose tip is in communication with the discharge hole,
  • the shape of the inner hole of the pouring pipe in the region extending downward from the discharge port to the length L is the diameter of the cross section in the lateral direction (the cross section in the direction perpendicular to the molten metal traveling direction; the same applies hereinafter).
  • the diameter gradually decreases in the downward direction from the starting point as the outlet, and the gradually decreasing diameter has a shape represented by the following formula 1 in a longitudinal section passing through the central axis of the pouring pipe.
  • Equation 2 H is represented by Equation 2 below.
  • n 1.5 ⁇ n ⁇ 5.0
  • L is (Do ⁇ 1.1) ⁇ L ⁇ (Do ⁇ 4.0).
  • each character symbol of Formula 1 and Formula 2 shows the following matters.
  • Z Arbitrary downward from discharge port Length to the position of Dz: Diameter of the transverse cross section of the pouring pipe inner hole at the position of Z
  • the present invention provides a pouring method of pouring that lowers the flow rate of molten metal in the upward direction of the discharge port using the pouring pipe.
  • the inventors of the present invention flow the molten metal in the direction opposite to the downward pouring method that is the subject of the present invention, that is, downward from the discharge port provided at the bottom of the molten metal container. It has been found that the rectifying effect can be obtained by making the inner hole of the discharge port into a specific shape when flowing out.
  • the molten metal flow is determined by the position in the flow direction in the inner hole of the discharge port and the pressure distribution at each position. In other words, it is determined by the state of transition of the energy loss of the molten steel flow between the discharge port starting point and the position below it.
  • the discharge port Since the energy that supports the flow velocity of the molten metal flowing out from the discharge port of the molten metal container basically depends on the pressure of the molten metal at the discharge port (in this case, the range from the discharge port starting point to the lower small diameter side), the discharge port
  • the flow velocity V (z) of the molten steel at a distance Z from the starting point (on the same horizontal plane as the lower end surface of the container, on the large diameter side) is g
  • acceleration H
  • the molten metal head H
  • the flow coefficient k.
  • V (z) k (2g (H + Z)) 1/2. It is represented by
  • the circumference is ⁇
  • the diameter (diameter) of the discharge port is Di
  • the diameter (diameter) of the position L below the discharge port is Do
  • Equation 10 energy loss (pressure loss) can be minimized by setting the cross-sectional shape of the inner hole of the discharge port to a shape that satisfies Equation 9 (Equation 10).
  • the inventors of the present invention have the effect of rectification due to the cross-sectional shape of the inner hole in the region from the discharge port to the lower length L based on the above-described formula in the fluid analysis by computer simulation and the actual operation based on the result. It has already been confirmed along with reproducibility and correlation.
  • This “applying as it is” means that in the down-pour method, an inner hole shape that expands to the lower (upstream) side of the pouring pipe is applied near the tip of the pouring pipe just below the mold, In this case, the molten metal is discharged upward (see FIG. 12). In this case, the effect of improving (reducing) the flow velocity at the center of the pouring pipe inner hole cannot be obtained (see Experimental Example F below).
  • the present inventors have applied the inner hole shape corresponding to the above-mentioned formula 9 (formula 10) based on the above-mentioned theory so that the diameter is increased in the mold side (that is, upward) direction in the pouring pipe, that is, the pouring pipe.
  • the shape of the inner hole is a shape that satisfies the above formulas 1 and 2, and the molten metal is allowed to flow from the small diameter side to the large diameter side of the pouring pipe inner hole of the above shape (in other words, when flowing out downward from the aforementioned container) It was found that the flow rate in the upper direction of the center of the pouring pipe immediately below the discharge port can be remarkably reduced.
  • the following effects can be obtained by diffusing the molten metal flow that passes through the inner hole of the pouring pipe and flows out from the discharge port into the mold.
  • Stabilization of the molten metal surface reduces the amount of slag entrained in the molten metal, reduces the tendency for antioxidants, etc. to be introduced to the molten metal surface to be unevenly distributed, greatly reducing the amount used. be able to.
  • the molten metal pouring (supplying) rate is easy (without reducing productivity) and without increasing production cost (or while making it possible to reduce production cost).
  • the quality of the metal ingot can be improved.
  • Experimental example B (Table 2), that is, in the pouring pipe shape of the present invention, is a simulation result on the influence of the value of n in the formulas 1 and 2 on the speed of the molten steel, about the upstream side just below the discharge port The transition of the speed in the upward direction of the molten steel center from about 400 mm to 250 mm immediately above the discharge port is shown. It is a simulation result of Experimental example B (Table 2), and shows the speed in the direction directly above the molten steel center at the position 250 mm directly above the discharge port. It is a simulation result of Experimental Example B (Table 2), and shows the velocity distribution of the molten steel flow from about 400 mm upstream of the discharge port of Example 2 to 250 mm immediately above the discharge port (white to black portion.
  • This portion has a deep color tone. High speed). It is a simulation result of Experimental Example B (Table 2), and shows the velocity distribution of the molten steel flow from about 400 mm upstream of the discharge port of Example 3 to 250 mm immediately above the discharge port (white to black portion. This portion has a deep color tone. High speed). It is a simulation result of Experimental Example B (Table 2), and shows the velocity distribution of the molten steel flow from about 400 mm upstream of the discharge port of Example 4 to 250 mm immediately above the discharge port (white to black portion. This portion has a strong color tone. High speed).
  • Experimental example C (Table 3), that is, in the shape of the pouring pipe of the present invention, is a simulation result on the effect of the Di / Do ratio value in Equation 2 on the speed of the molten steel, about 400 mm upstream immediately under the discharge port The transition of the speed in the directly upward direction of the molten steel center from the vicinity to 250 mm immediately above the discharge port is shown. It is a simulation result of Experimental example C (Table 3), and shows the upward direction speed of the molten steel center part at a position 250 mm directly above the discharge port.
  • This portion has a deep color tone. High speed). It is a simulation result of Experimental Example C (Table 3), and shows the velocity distribution of the molten steel flow from about 400 mm upstream of the discharge port of Example 9 to 250 mm immediately above the discharge port (white to black portion. This portion has a deep color tone. High speed).
  • Experimental example D (Table 4), that is, in the shape of the pouring pipe of the present invention, is a simulation result on the effect of the value of L in Formula 1 and Formula 2 on the speed of the molten steel, about the upstream side just below the discharge port The transition of the speed in the upward direction of the molten steel center from about 400 mm to 250 mm immediately above the discharge port is shown.
  • fluid analysis software manufactured by Fluent, trade name “Fluent Ver. 6.3.26” was used.
  • the input parameters in this fluid analysis software are as follows. Number of calculation cells: Approximately 120,000 (However, there are variations depending on the model.)
  • Mold diameter 1000mm -Calculated molten steel depth: 250 mm (assuming a pouring method in which the molten steel depth is 2000 mm and the maximum amount of molten steel in the mold is about 10 t, and an initial state of pouring is assumed.)
  • L Length (arbitrary length) of the change area (reduced diameter area) of the hole diameter in the pouring pipe downward from the discharge port Di: Diameter of the discharge port Do: Diameter of the transverse cross section of the pouring pipe inner hole at the position L,
  • FIG. 5 schematically shows the state of the molten metal and slag in the mold in an example of a casting pipe of the prior art near the mold and immediately below the mold.
  • FIG. 6D shows the molten steel flow velocity distribution by the computer simulation of this conventional shape (in which the pouring pipe inner diameter change is linear, ie, a cylinder. FIG. 2).
  • This simulation shows the state when the molten steel exists at a depth of 250 mm.
  • FIG. 6D it can be seen that the molten steel flow is concentrated in the upward direction with almost the same width as the diameter of the discharge port, the diffusion to the surroundings is small, and the molten steel flow flows out with little attenuation.
  • the main item 6 as shown in FIG. 5 is mainly caused by the concentrated and high-speed molten metal flow in the upward direction.
  • Such a concentrated and high-velocity molten metal flow immediately after reaching the molten metal surface is converted into a high-speed flow in the direction along the molten metal surface (lateral direction).
  • the hot water surface on the eyeball is exposed to the atmosphere with the molten metal exposed, and is oxidized.
  • the molten metal is oxidized. Further, at this time, slags on the molten metal surface are wound into the molten metal.
  • the molten metal flow in the transverse direction collides with the inner wall surface of the mold while maintaining a high speed, and forms a complicated and intense stirring flow such as a downward direction and a vortex flow to further add a large amount of slag into the molten metal. It spreads while being caught. In this way, the concentrated and high-velocity molten metal flow directly causes a suspension state or contamination due to molten metal slags.
  • the present invention reduces the occurrence of eyeballs and contamination of molten metal associated with such a concentrated and high-velocity molten metal flow.
  • the molten metal flow discharged from the discharge port is reduced. While diffusing, the flow velocity in the direction immediately above is reduced.
  • the diffusion of the molten metal flow discharged from the discharge port and the flow velocity in the directly upward direction can be evaluated based on the flow velocity in the directly upward direction of the central portion of the molten metal flow. That is, when the pouring speed (the amount of pouring per unit time, eg, t / min.) Is maintained and the flow velocity in the direction directly above the center of the molten metal flow is reduced, the flow velocity is dispersed in a direction other than the direction directly above. Will do.
  • the reason why the center portion is used is that the flow velocity in the transverse cross section of the molten metal flow becomes maximum at the center portion and gradually decreases as the distance from the center increases.
  • a specific target is set for the molten metal flow velocity in the direction directly above the center of the discharge port. Moreover, since the occurrence of eyeballs and contamination of the molten metal are particularly large when the molten metal depth in the mold at the beginning of pouring is shallow, a relative evaluation is performed based on the molten metal depth in the mold being 250 mm. The boundary value for solving the problem was determined.
  • FIG. 1 shows an example of a pouring pipe of the present invention.
  • the shape of the inner hole 2 of the pouring pipe 1 in the range from the discharge port 3 provided at the bottom of the mold 4 to the vicinity of the tip of the pouring pipe (length L) below the discharge port 3 is the diameter of the cross section in the lateral direction. From the starting point, the diameter is gradually reduced along a curve satisfying the above-described Expressions 1 and 2.
  • the vertical cross section of the inner hole 2 of the pouring pipe 1 in the inner hole diameter changing region corresponding to the length L is discharged upward from the change start point of the region (a position below the discharge port 3 by the length L).
  • the molten metal flowing out from the discharge port 3 does not concentrate in the upward direction, but flows into the mold 4 while diffusing in the direction according to the curve of the inner hole 2.
  • a distribution state in which the upward flow velocity is averaged at a low level throughout the entire molten metal flow to be discharged is shown. This is considered to be because when the fluid moves according to the curves satisfying the above-mentioned formulas 1 and 2, the energy loss becomes small and the fluid can smoothly flow according to the curves.
  • the pouring pipe 1 of the present invention only needs to have the above-described shape in the longitudinal section of the inner hole 2 of the pouring pipe 1 in the inner diameter change region corresponding to the length L. Therefore, when manufacturing the pouring pipe of the present invention, there is no need to particularly limit the external shape of the pouring pipe, the method of dividing or connecting to the pouring pipe other than the target portion of the present invention, and the like.
  • a refractory earth material forming the pouring pipe is loaded into a mold having the above-mentioned inner hole shape and an arbitrary outer peripheral shape, and the longitudinal or lateral direction is used.
  • a general method for producing a refractory (nozzle or the like) such as molding by pressing, drying, firing, processing, or the like can be employed.
  • an arbitrary method such as a friction press, an oil press, or an isostatic press can be selected.
  • the refractory that constitutes the pouring pipe should be any refractory that is usually used for such a pouring type pouring pipe and that is designed for each operating condition. Can do.
  • Experimental example A shows an experimental example using computer simulation in which the pouring pipe of the present invention is compared with the prior art.
  • the test shape is the shape of the pouring pipe of the present invention as shown in FIG. 1 (Example 1), the pouring pipe of the comparative example is cylindrical (typical example, comparative example 1, FIG. 2), and the upward direction by a straight line.
  • the pouring pipe of the comparative example is cylindrical (typical example, comparative example 1, FIG. 2), and the upward direction by a straight line.
  • There are three types of diameter-expanded shapes tapeered in Patent Document 1, Comparative Example 2. FIG. 3), and discharge port inner holes are arc-shaped (R) (Comparative Example 3. FIG. 4).
  • Comparative Example 3 although the portion from the discharge port to the lower side is a curve, the comparison was performed as an example in the case where the above formulas 1 and 2 of the present invention were not satisfied. For these four samples, only the inner hole shape of the region from the discharge port to the lower position of the length L was different, and the other portions were the same.
  • FIG. 6A shows the discharge port from the vicinity of about 400 mm upstream immediately below the discharge port.
  • the transition of the speed in the upward direction of the molten steel center up to 250 mm directly above (hereinafter simply referred to as “molten steel speed transition”) is shown in FIG.
  • the speed in the direction directly above the center is shown.
  • FIGS. 6C to 6F are diagrams visualizing the state of the velocity distribution of the molten steel from about 400 mm upstream of the discharge port to 250 mm immediately above the discharge port in each example (hereinafter simply referred to as “molten steel velocity distribution”). This is indicated by a medium white to black part, and this part indicates that the higher the color tone, the higher the speed.
  • Comparative Example 1 the index of the central flow velocity (hereinafter simply referred to as “flow velocity index”) on the reference hot water surface with Comparative Example 1 being 100 is 3.3, which is a very remarkable effect. Is obtained.
  • Comparative Example 2 which is the technique of Patent Document 1 shows an improvement effect over Comparative Example 1, but the flow velocity index is only 16.6. Moreover, although the improvement effect with respect to the comparative example 1 is recognized by the comparative example 3, the flow velocity index has stopped at 36.3.
  • the present invention provides a significantly more remarkable effect than any of the prior arts.
  • the inner hole just below the discharge port is simply tapered or simply curved, and the diameter of the inner hole is expanded upward, the remarkable effect as in the case of the curved shape satisfying the above-described formulas 1 and 2 of the present invention can be obtained. I understand that there is no.
  • Experimental example B shows an experimental example using computer simulation about the influence of the value of n in the above-mentioned formulas 1 and 2 on the flow rate of the molten metal in the shape of the poured pipe of the present invention.
  • the target value of the flow rate index of the present invention is smaller than that of Comparative Example 2, that is, less than 16.6 (the following experimental examples) The same).
  • Table 2 shows the values of the elements (variables) of Formula 1 and Formula 2, and the results
  • FIG. 7A shows the transition of the molten steel speed
  • FIG. 7B shows the direction directly above the center of the molten steel at the reference level relative to the value of n. Indicates speed.
  • FIGS. 7C to 7G show the molten steel velocity distribution of each example.
  • Experimental example C shows an experimental example using computer simulation on the influence of the value of the Di / Do ratio in the formula 2 on the flow rate of the molten metal in the pouring pipe shape of the present invention.
  • the value of the Di / Do ratio was changed from 1.5 to 4.0 with reference to Example 1 of Experimental Example A.
  • Table 3 shows the values and results of each element (variable) of the above formulas 1 and 2, and FIG. 8A shows the change in the molten steel speed, and FIG. 8B shows the value at the reference level relative to the value of the Di / Do ratio. The speed in the direction directly above the molten steel center is shown. 8C to 8H show the molten steel velocity distribution of each example.
  • Di / Do ratio exceeds 4.0, it can estimate from the result of FIG. 8B that it deviates from a target value from 4.5 vicinity.
  • Experimental example D shows an experimental example using a computer simulation about the influence of the value of L in the formula 1 and the formula 2 on the flow rate of the molten metal in the shape of the pouring pipe of the present invention.
  • the value of L was changed from 1.0 to 4.0 (hereinafter, simply indicated by the value of magnification only) with respect to Do.
  • Table 4 shows the values of the elements (variables) of Formula 1 and Formula 2, and the results, FIG. 9A shows the change in the molten steel speed, and FIG. 9B shows the direction directly above the center of the molten steel at the reference level relative to the value of L. Indicates speed. Further, FIGS. 9C to 9F show the molten steel velocity distribution of each example.
  • the value of L exceeds 4.0, it can be estimated that the value of L does not greatly exceed the effect in the vicinity of 4.0 because the lower part approaches a straight line. Therefore, it is not necessary to have a shape that satisfies the above formula 1 and the above formula 2 until the value of L exceeds 4.0, and there is no advantage. Therefore, the value of L is 1.1 or more.
  • the maximum value may be 4.0 or less.
  • Experimental Example E shows an experimental example using computer simulation on the influence of the molten steel flow rate (t / min.) On the molten steel speed in the shape of the poured pipe of the present invention.
  • the molten steel flow rate was changed by a factor of 1/2.
  • Table 5 shows the values and results of the elements (variables) of Formula 1 and Formula 2
  • FIG. 10A shows the molten steel speed transition.
  • FIG. 10B and FIG. 10C show the molten steel velocity distribution of each example.
  • Experimental Example F is an experimental example using computer simulation when the pouring pipe shape of the present invention of Example 1 of Experimental Example A is installed upside down from Example 1 (see FIG. 12). Show. The conditions are the same as in Experimental Example A.
  • Table 6 compares the values and results of the elements (variables) of Formula 1 and Formula 2, the transition of the molten steel speed in FIG. 11A, and the molten steel speed distribution of Comparative Example 9 in FIG. Show.
  • the present invention can be applied to casting of a steel ingot by molten steel pouring method, and pouring into a mold by a pouring method of castings and other molten metals in general.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Casting Support Devices, Ladles, And Melt Control Thereby (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

　本発明は、溶融金属の下注ぎ方式の注湯方法において、注湯速度を低下させることなく、又は前記注湯速度が変動する条件下でも同様に、複雑な装置を設置する等の生産性低下やコスト上昇等を招来することのない簡易な方法で、注湯中の鋳型内溶融金属の湯面方向（直上方向）の流速を低減させることを目的とし、鋳型４の底部に設けられた吐出口３から下方へ長さＬまでの領域内の注湯管１の内孔２の形状が、横方向断面の径が吐出口３たる起点から下方向に向かって漸次曲線で縮径し、かつその漸次縮径する曲線が、注湯管の中心軸を通過する縦方向断面において特定の式によって表される形状を有するようにする。

Description

下注ぎ方式の注湯管及び注湯方法
　本発明は、鋳型底部の吐出口から溶融金属を吐出・注入して金属の鋳塊を製造する下注ぎ方式の注湯方法と注湯管に関し、より詳しくは、鋳型底部の吐出口からその直下の注湯管の内孔構造とその注湯管を用いた注湯方法に関する。
　金属の鋳塊を製造する鋳造方法には、鋳型に溶融金属を注入して冷却固化させる方法がある。
　この鋳造方法には上注ぎ方式と下注ぎ方式があるが、このうち下注ぎ方式の注湯方法は、鋳型の底部に設けた吐出口に溶融金属が通過する注湯管の先端を接続し、取鍋等の溶融金属容器内の溶融金属を、前記注湯管を経由させて鋳型底部の吐出口から吐出・注入するというものである。
　この下注ぎ方式は、上注ぎ方式等他の方式に比較して、鋳型内への溶融金属の注入時に鋳型内の溶融金属流を穏やかにすることができるので、溶融金属の酸化や非金属介在物による懸濁等の、金属鋳塊の品質低下を抑制することを目的として採用されている。
　図５は、下注ぎ方式の注湯方法による従来の注湯管を備えた鋳型の縦断面図である。同図に示すように、鋳型４の底部に設けられた吐出口３に注湯管１が接続されており、注湯管１の内孔２を溶融金属が通過しながら上昇し、吐出口３から鋳型４内に吐出・注入される。従来、注湯管１としては一般的に内孔径がほぼ一定の円筒状のものが使用されてきた。
　溶融金属を鋳型４内に吐出・注入（以下「注湯」ともいう。）するとき、吐出口３直下の注湯管１の形状がこのような一般的な円筒状であると、とくに注湯初期段階では注湯管１の先端部（吐出口）での上向きすなわち注湯管軸方向の速度（エネルギー）が大きくなる。そのため溶融金属（図５の５）の上端表面（以下「湯面」という。）が隆起状に盛り上がる流れ（図５の６部分）を形成する。このような吐出口直上の湯面の隆起部分では、溶融金属５の上面に浮かんでいるスラグや酸化防止材（パウダー）等（以下「スラグ類」という。）が周囲に押しのけられて、溶融金属が露出した部分、すなわち目玉６を生じ、溶融金属の酸化等を惹き起こす。また、吐出口直上部の速度（エネルギー）の大きい溶融金属の流れは、湯面に到達した後、吐出口直上軸の周辺で横方向ないし下方向への激しい流れを形成する。この横ないし下方向の流れは鋳型４の内壁に衝突する等により、さらに激しい回転流等を生じる。このときに鋳型４内の溶融金属５を激しく撹拌し、スラグ類７を巻き込み、鋳型内の溶融金属全体にそれらスラグ類が拡散・懸濁した状態になる。その結果、金属鋳塊の品質低下を来たす。
　この対策として、例えば特許文献１には、湯道（注湯管）の先端部内径と本体部内径の比を１．１以上として内孔径を上方向に向かって拡大し、かつ、先端の内孔径拡大部分の長さを先端部内径の０．２～２．０倍にした内孔テーパー形状を有する注湯管を適用することで、溶融金属の吐出圧を分散して中心部の湯上がりの流速を低下させて鋳型内の湯面を安定させる技術が開示されている。
　しかしながら、特許文献１の技術では、溶融金属吐出流の直上方向中心部の最高速度はある程度減ずることができるが、その程度は十分ではない。また、その溶融金属の高速度流は依然として吐出口直上縦方向の軸付近に集中しており、前記軸の外周側（周囲）への拡散や低速度化は実現できない。
　このようなことにより、鋳型内の溶融金属浴の深さが所定の深さに至る前の溶融金属浴の深さが浅い状態での溶融金属の湯面上への突出や高速度の撹拌等を抑制することは困難である。このような現象は、とくに注湯初期において、相対的に溶融金属浴の深さが浅いときほど顕著になる。特許文献１の技術では、前記諸問題点を解決するための十分な効果は得られない。
　また、特許文献２には、鋳型の底部に設けられた吐出口から溶融金属を下注ぎ方式で鋳型内に吐出する際、湯流れが上向きに急激であると被覆剤の一部が巻き込まれて介在物の原因となること、その解決策として鋳型の短辺側に向けた開口を有する昇りレンガを用いることにより溶鋼流を先ず横方向に緩やかに流出させることが提案されている。
　しかし、特許文献２の「鋳型の短辺側に向けた開口を有する昇りレンガ」は、上部先端が閉じた壁状になっていて、その下部に溶鋼を横方向に吐出する開口を円周上２～４箇所設けたもので、その開口に向けた溶鋼経路となる空間（孔）の形状は「Ｙ型」となった「昇りレンガ」であって、溶鋼は、円周上２～４箇所に設けた開口からその開口のある部分のみの位置でその方向に従って吐出するに過ぎない。
　このような構造の場合、吐出口の直上方向への溶鋼流速は低減できるものの、溶鋼を均一かつ広く横方向に拡散させることはできない。またこの場合は、限られた狭い部分から溶鋼流を横方向に吐出するので、吐出した溶鋼流の速度は大きくなる。この部分的な高速度の溶鋼流によって溶鋼内の非金属介在物の巻き込み流自体が、とくに溶鋼注湯初期のヘッドが浅い場合には著しくなる虞もある。
　また、特許文献３には、注湯管内に溶融金属に旋回流を形成させる旋回流形成手段（旋回流形成のための捩り板等）を１個又は複数個設けることが提案されている。これは、溶融金属の経路である注湯管内で、溶融金属に旋回流を形成させ、吐出口から排出された溶融金属にも吐出口縦方向中心軸を中心とする旋回流を形成させ、吐出流の直上方向中心部の最高速度を減ずると共に、前記軸の外周側（周囲）への拡散や低速度化を実現しようとするものである。
　しかしながら、特許文献３の技術では、溶融金属吐出流の直上方向中心部の最高速度はある程度減ずることができるものの、溶融金属の経路である注湯管内に設置する旋回流形成手段（旋回流形成のための捩り板等）が溶融金属流の大きな抵抗となって、注湯速度（単位時間当たりの鋳型への溶融金属注入量をいう。以下同じ。）を大きく低下させる虞がある。また注湯速度を低下させないようにする、又は注湯速度を大きくしようとすると、注湯管の内孔径を拡大する等の必要も生じる。
　さらに特許文献３の旋回流形成手段を注湯管内に設置するには、精度の高い旋回流形成手段（旋回流形成のための捩り板等）の作製が必要であって、これを注湯管内へ設置するための特別な注湯管構造及び施工技術も必要である。このため、新たな費用の発生、生産性の低下等の問題が生じる可能性がある。
　なお、下注ぎ方式では、連続鋳造方法におけるタンディッシュのような鋳型への注湯前にアルミナ等の非金属介在物を浮上させる容器がないことから、それら非金属介在物の多くは溶融金属内に拡散したままで鋳型内へ流入する。それらの微細な非金属介在物は浮上し難く、金属鋳塊中に分散した状態で滞留して、その品質を低下させることも多い。
特開平９－２３９４９４号公報 特開昭５１－０３７０３５号公報 特開２００７－２１６２９５号公報
　下注ぎ方式において金属鋳塊の品質を低下させる原因となる「目玉」の発生、スラグ類や非金属介在物の溶融金属への巻き込みとそれらの鋳型内の溶融金属中への分散と滞留等は、溶融金属の吐出口から湯面、すなわち吐出口からの直上方向の溶融金属流速が相対的に大きいことが直接の主たる原因となっている。
　このような目玉の発生、鋳型内の溶融金属流の乱れ等、及びこれらによる金属鋳塊の品質の低下は、鋳型形状、注湯速度、鋼種等の個別の操業条件によって変動する。
　しかし、品質低下の直接的な原因である「目玉」の発生、スラグ類や非金属介在物の溶融金属への巻き込み等の発生及び程度は、吐出口での鋳型へ流入する溶融金属の流動形態によってほぼ決定付けられる。すなわち、これらの最も大きな又は根本的な要因は、吐出口から流入する溶融金属の直上方向の流速の程度にある。そのため、個別に変動する操業条件においても、これら問題点を解消することのできる、共通の課題を解決することが必要である。
　そこで本発明は、溶融金属の下注ぎ方式の注湯方法において、注湯速度を低下させることなく、又は前記注湯速度が変動する条件下でも（個別の操業条件の変動に拘わらず、またとくに同一設備において注湯速度を増大させる場合等）同様に、複雑な装置を設置する等の生産性低下やコスト上昇等を招来することのない簡易な方法で、注湯中の鋳型内溶融金属の湯面方向（直上方向）の流速を低減させることを課題とする。ひいては非金属介在物や酸化に伴う金属鋳塊の品質低下を低減することを目的とする。
　本発明は、鋳型底部の吐出口及びその直下（すなわち注湯管先端部分の、鋳型の吐出口に至る直前の領域）の注湯管の内孔形状を特定の形状にする。
　すなわち本発明は、鋳型の底部に設けられた吐出口から溶融金属を鋳型内に吐出する下注ぎ方式の注湯方法に使用され、先端部が前記吐出孔に連通している注湯管において、前記吐出口から下方へ長さＬまでの領域内の注湯管の内孔の形状が、横方向断面（溶融金属進行方向に垂直な方向の断面をいう。以下同じ。）の径が前記吐出口たる起点から下方向に向かって漸次曲線で縮径し、かつその漸次縮径する曲線が、注湯管の中心軸を通過する縦方向断面において下記の式１によって表される形状を有することを特徴とする下注ぎ方式の注湯管を提供する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　ここで、Ｈは下記の式２によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　式２において、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　また、式１及び式２において、
　ｎは、１．５　≦　ｎ　≦　５．０であり、
　Ｌは、（　Ｄｏ　×　１．１　）　≦　Ｌ　≦　（　Ｄｏ　×　４．０　）である。
 
　ここで、式１及び式２の各文字記号は以下の事項を示す。
　Ｌ　　：　吐出口から下方への注湯管内孔径の変化領域の長さ
　Ｄｉ　：　吐出口の径
　Ｄｏ　：　前記Ｌの位置における注湯管内孔の横方向断面の径
　Ｚ　　：　吐出口から下方への任意の位置までの長さ
　Ｄｚ　：　前記Ｚの位置における注湯管内孔の横方向断面の径
　また本発明は、前記注湯管を用いて吐出口上方向の溶融金属の流速を低下させる下注ぎ方式の注湯方法を提供する。
　以下、本発明を詳細に説明する。
　本発明者らは本発明に先立って、本発明の対象である下注ぎ方式とは逆方向に溶融金属を流出させる場合、すなわち、溶融金属を溶融金属容器の底部に設けた吐出口から下方に流出させる場合に、吐出口の内孔を特定の形状にすることで、整流化効果を得ることができることを見出した。
　この場合、溶融金属流は、吐出口の内孔での流動方向の位置とそれぞれの位置ごとの圧力分布によって決定付けられる。言い換えると、吐出口起点とそこから下方の位置との溶鋼流のエネルギー損失の推移の状態によって決定付けられるということである。
　まず、この溶融金属を溶融金属容器の底部に設けた吐出口から下方に流出させる場合の形状について説明する。
　溶融金属容器の吐出口から流出する溶融金属の流速を支えるエネルギーは、基本的に吐出口（この場合吐出口起点から下方の小径側までの範囲）における溶融金属の圧力に依存するから、吐出口起点（容器下端面と同じ水平面上、大径側）から下方へ距離Ｚの位置における溶鋼の流速Ｖ（ｚ）は、加速度をｇ、吐出口起点における溶融金属ヘッドをＨ、流量係数をｋとすると、
　　　　　　Ｖ（ｚ）＝ｋ（２ｇ（Ｈ＋Ｚ））１／２　・・・　式３
で表される。
　そして、吐出口を通過する溶融金属の流量Ｑは、流速ｖと断面積Ａの積であるから、吐出口から吐出口下方までの長さをＬとし、吐出口起点から下方Ｌの位置における溶融金属の流速をｖ（Ｌ）、吐出口起点から下方Ｌの位置の断面積をＡ（Ｌ）とすると、
　Ｑ＝Ｖ（Ｌ）×Ａ（Ｌ）＝ｋ（２ｇ（Ｈ＋Ｌ））１／２×Ａ（Ｌ）・・・　式４
で表される。
　また、吐出口の内孔のどの位置でも溶融金属進行方向中心軸に対し垂直に断面をとっても流量Ｑは一定であることから、吐出口起点から下方へ距離Ｚの位置における断面積Ａ（ｚ）は、Ｚ点における溶鋼の流速をＶ（ｚ）とすると、
Ａ（ｚ）＝Ｑ／Ｖ（ｚ）＝ｋ（２ｇ（Ｈ＋Ｌ））１／２×Ａ（Ｌ）／ｋ（２ｇ（Ｈ＋Ｚ））１／２
・・・　　式５
で表わされ、両辺をＡ（Ｌ）で割ると、
　Ａ（ｚ）／Ａ（Ｌ）＝（（Ｈ＋Ｌ）／（Ｈ＋Ｚ））１／２　・・・　　　式６
となる。
　ここで、円周率をπ、吐出口の径（直径）をＤｉ、吐出口から下方Ｌの位置の径（直径）をＤｏ、吐出口から下方の位置方向への距離Ｚの位置における吐出口の内孔の径（直径）をＤｚとすると、Ａ（ｚ）＝πＤｚ２／４、Ａ（Ｌ）＝πＤｏ２／４であるから、
Ａ（ｚ）／Ａ（Ｌ）＝（πＤｚ２／４）／（πＤｏ２／４）＝（（Ｈ＋Ｌ）／（Ｈ＋Ｚ））１／２　・・・　式７
　Ｄｚ２／Ｄｏ２＝（（Ｈ＋Ｌ）／（Ｈ＋Ｚ））１／２　　　・・・　式８
　Ｄｚ＝（（Ｈ＋Ｌ）／（Ｈ＋Ｚ））１／４×Ｄｏ　　　　　・・・　式９
となり、以下の関係が成り立つ。
ｌｎ（Ｄｚ）＝（１／４）×ｌｎ（（Ｈ＋Ｌ）／（Ｈ＋Ｚ））＋ｌｎ（Ｄｏ）　・・・　式１０
　すなわち、吐出口の内孔の断面形状を式９（式１０）を満たす形状とすることによって、エネルギー損失（圧損）を最小とすることができる。
　ここで、Ｈは上記の流動に関する式を基礎に、前記式２ように表す（変形する）ことができる（但し、ｎ＝４）。
　前記式１０をグラフに示すと４次の曲線を描く。そして、この式１０のグラフに相当する、吐出口から下方長さＬまでの領域の内孔の断面形状の場合に、最も溶融金属の圧力損失を小さくできることになる。しかも、この式１０に合致する形状では、吐出口起点から下方に任意の距離Ｚの位置ごとに漸次（なだらかに）圧力が減少して、整流化された状態になる。
　本発明者らは、前述の式に基づく吐出口から下方長さＬまでの領域の内孔の断面形状による整流化の効果を、コンピュータ・シミュレーションによる流体解析とその結果に基づく実操業において、高い再現性・相関性と共に既に確認している。
　しかし、このような溶融金属容器から前述のような吐出口（上側に拡径する形状）を経由して溶融金属を下方向に流出させる方法を、下注ぎ方式にそのまま適用しても、本発明の下注ぎ方式の課題を解決することはできない。
　この「そのまま適用する」場合とは、下注ぎ方式において、鋳型直下の注湯管の先端部付近に注湯管の下方（上流）側に拡径する内孔形状を適用して、鋳型内に溶融金属を上方向に吐出させる場合（図１２参照）である。この場合は、注湯管内孔の中心部流速の改善（低減）効果は得られない（後記実験例Ｆ参照）。
　本発明者らは、前述の理論に基づく前記式９（式１０）に対応する内孔形状を、注湯管においては鋳型側（すなわち上）方向に拡径するように適用、すなわち注湯管の内孔形状を前記式１及び式２を満足する形状とし、溶融金属を前記形状の注湯管内孔の小径側から大径側に流動させる（言い換えると、前述の容器から下方に流出させる場合とは逆の流動とする）ことで、吐出口直下の注湯管内孔の中心部上方向流速を顕著に小さくすることができることを見出した。これは、本発明の注湯管の内孔を通過して鋳型に流出する溶融金属は、その内部でエネルギーロスが局部的に大きい部分等を生じることなく、スムーズに拡径方向に流動するためと考えられる。さらに本発明者らは、前記式１及び式２の諸変数についても一定の幅で変化させることができること、及びその特定の範囲を見出した。
　本発明によれば、注湯管の内孔を通過して吐出口から鋳型内に流出する溶融金属流を拡散させることで、次のような効果を得ることができる。
１.注湯管先端（吐出口）での溶融金属の上方への流速が低下すると共に、溶融金属の拡散によって湯面の変動が小さくなって安定になり、溶融金属が鋳型中央部分に湧き上がるような現象が大きく減少して目玉の発生が抑制される。
２.湯面上方にあるスラグ類の巻き込みも低減される。その結果、溶融金属中への介在物としてのスラグ類の混入及び分散が減少し、金属鋳塊の品質を向上させることができる。
３.湯面が安定することにより、溶融金属内に巻き込まれるスラグ類が減少し、湯面に投入する酸化防止材等が周辺側に偏在する傾向も少なくなり、その使用量を大幅に低減することができる。
４．注湯管内に複雑かつ溶融金属流の流動抵抗を生じやすい装置等を設置する必要がなく、改善費用や操業（ランニング）費用の増大がなく、注湯技術、方法、条件等に大幅な改変を伴わないで課題を解決することができる。
５．これらにより、溶融金属の注湯（供給）速度を低下させることなく（生産性を低下させることなく）、また生産コストを上昇させることなく（又は生産コストを低下させることも可能としつつ）、容易に金属鋳塊の品質を向上させることができる。
本発明の注湯管を示す縦断面図（イメージ）であり、（ａ）は鋳型を含むその全体図、（ｂ）は吐出口及びその直下（ａ部）の拡大図である。 従来技術の注湯管の例（内孔が筒状＝直管）を示す縦断面図（イメージ）であり、（ａ）は鋳型を含むその全体図、（ｂ）は吐出口及びその直下（ａ部）の拡大図である。 従来技術の注湯管の例（内孔がテーパー状＝特許文献１）を示す縦断面図（イメージ）であり、（ａ）は鋳型を含むその全体図、（ｂ）は吐出口及びその直下（ａ部）の拡大図である。 比較例の注湯管の例（内孔がＲ＝球面状）を示す縦断面図（イメージ）であり、（ａ）は鋳型を含むその全体図、（ｂ）は吐出口及びその直下（ａ部）の拡大図である。 鋳型及び鋳型直下付近の従来技術の注湯管の例における、鋳型内の溶融金属、スラグ類の状態を模式的に示す。（但し、同時に溶融金属内への介在物の分散があるが、その状態は本図中には示していない。） 実験例Ａ（表１）、すなわち本発明と従来技術の注湯管形状の比較に関するシミュレーション結果であり、吐出口直下の上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼中心部の直上方向速度の推移を示す。 実験例Ａ（表１）のシミュレーション結果であり、吐出口直上２５０ｍｍ位置での溶鋼中心部の直上方向速度を示す。 実験例Ａ（表１）のシミュレーション結果であり、実施例１の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ａ（表１）のシミュレーション結果であり、比較例１の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ａ（表１）のシミュレーション結果であり、比較例２の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ａ（表１）のシミュレーション結果であり、比較例３の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｂ（表２）、すなわち本発明の注湯管形状において、前記式１及び前記式２中のｎの値が溶鋼の速度に及ぼす影響に関するシミュレーション結果であり、吐出口直下の上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼中心部の直上方向速度の推移を示す。 実験例Ｂ（表２）のシミュレーション結果であり、吐出口直上２５０ｍｍ位置での溶鋼中心部の直上方向速度を示す。 実験例Ｂ（表２）のシミュレーション結果であり、実施例２の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｂ（表２）のシミュレーション結果であり、実施例３の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｂ（表２）のシミュレーション結果であり、実施例４の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｂ（表２）のシミュレーション結果であり、実施例５の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｂ（表２）のシミュレーション結果であり、比較例４の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｃ（表３）、すなわち本発明の注湯管形状において、前記式２中のＤｉ／Ｄｏ比の値が溶鋼の速度に及ぼす影響に関するシミュレーション結果であり、吐出口直下の上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼中心部の直上方向速度の推移を示す。 実験例Ｃ（表３）のシミュレーション結果であり、吐出口直上２５０ｍｍ位置での溶鋼中心部の直上方向速度を示す。 実験例Ｃ（表３）のシミュレーション結果であり、比較例５の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｃ（表３）のシミュレーション結果であり、比較例６の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｃ（表３）のシミュレーション結果であり、実施例６の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｃ（表３）のシミュレーション結果であり、実施例７の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｃ（表３）のシミュレーション結果であり、実施例８の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｃ（表３）のシミュレーション結果であり、実施例９の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｄ（表４）、すなわち本発明の注湯管形状において、前記式１及び前記式２中のＬの値が溶鋼の速度に及ぼす影響に関するシミュレーション結果であり、吐出口直下の上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼中心部の直上方向速度の推移を示す。 実験例Ｄ（表４）のシミュレーション結果であり、吐出口直上２５０ｍｍ位置での溶鋼中心部の直上方向速度を示す。 実験例Ｄ（表４）のシミュレーション結果であり、比較例７の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｄ（表４）のシミュレーション結果であり、実施例１２の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｄ（表４）のシミュレーション結果であり、実施例１３の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｄ（表４）のシミュレーション結果であり、実施例１４の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｅ（表５）、すなわち本発明の注湯管形状において、溶鋼の流量（ｔ／ｍｉｎ．）の値が溶鋼の速度に及ぼす影響に関するシミュレーション結果であり、吐出口直下の上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼中心部の直上方向速度の推移を示す。 実験例Ｅ（表５）のシミュレーション結果であり、実施例１５の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｅ（表５）のシミュレーション結果であり、実施例１６の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 実験例Ｆ（表６）、すなわち実験例Ａの実施例１の本発明の注湯管形状を、実施例１とは上下逆方向に設置して（比較例９）、溶鋼の速度を調査したシミュレーション結果であり、吐出口直下の上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼中心部の直上方向速度の推移を示す。 実験例Ｆ（表６）のシミュレーション結果であり、比較例９の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼流の速度分布を示す（白色～黒色部分。この部分は色調が濃い程高速度）。 本発明の前記式１及び前記式２を満足する内孔形状の注湯管を、上下逆に設置した（実験例Ｆの比較例９）場合の縦断面図（イメージ）であり、（ａ）は鋳型を含むその全体図、（ｂ）は吐出口及びその直下（ａ部）の拡大図である。
　コンピュータ・シミュレーションにより解析した結果を用いて、本発明を説明する。
　このシミュレーションには、Ｆｌｕｅｎｔ社製の流体解析ソフトウェア、商品名「Ｆｌｕｅｎｔ　Ｖｅｒ．６．３．２６」を使用した。この流体解析ソフトウェアでの入力パラメータは、以下のとおりである。
　計算セル数：　約１２万（但し、モデルにより変動あり。）
　Ｖｉｓｃｏｕｓ　Ｍｏｄｅｌ：　Ｋ－ｏｍｅｇａ計算
　流体（溶融金属）：　溶鋼
　・ 溶鋼温度　　　　　　：　１５８０（℃）
　・ 溶鋼密度　　　　　　：　６．０（ｇ／ｃｍ３）
　・ 注湯速度　　　　　　：　１．３ｔ／ｍｉｎ．
　・ 鋳型径　　　　　　　：　１０００ｍｍ
　・ 計算時溶鋼深さ　　　：　２５０ｍｍ（溶鋼深さが２０００ｍｍで鋳型内溶鋼最大量が１０ｔ程度の下注ぎ方式の注湯方法を想定し、かつ注湯初期の状態を想定した。）
　・Ｌ　：　吐出口から下方への注湯管内孔径の変化領域（縮径領域）の長さ（任意の長さ）
　・Ｄｉ：　吐出口の径
　・Ｄｏ：　前記Ｌの位置における注湯管内孔の横方向断面の径、
　図５は、鋳型及び鋳型直下付近の従来技術の注湯管の例における、鋳型内の溶融金属及びスラグ類の状態を模式的に示す。また図６Ｄはこの従来形状（注湯管内径変化が直線状すなわち円筒の例。図２。）のコンピュータ・シミュレーションによる溶鋼流速分布を示す。
　本シミュレーションでは溶鋼が２５０ｍｍ深さ存在する時点の状態を示している。図６Ｄに示すように、溶鋼流は吐出口の径とほぼ同じ幅で直上方向に集中して周囲への拡散が小さく、またほとんど減衰することなく流出していることがわかる。このように、図５に示したような目玉６が発生するのは、集中的かつ高速度の直上方向の溶融金属流が主たる原因であることがわかる。
　このような集中的かつ高速度の直上方向の溶融金属流は湯面に到達した後、湯面に沿った方向（横方向）の高速度の流れに転換する。この際に湯面上のスラグ類（図５の７）は目玉の周囲に押し流されて移動するので、目玉上の湯面は溶融金属が露出して雰囲気に直接曝された状態になり、酸化性の雰囲気であれば溶融金属の酸化を招来する。さらにこの際に湯面上のスラグ類を溶融金属内に巻き込む。その後、この横方向の溶融金属流は鋳型内壁面に高速度をほぼ維持した状態で衝突し、下方向や渦流等の複雑かつ激しい撹拌流を形成して、スラグ類をさらに溶融金属中に多量に巻き込みながら拡散させてしまう。このように、集中的かつ高速度の直上方向の溶融金属流は、溶融金属のスラグ類による懸濁状態の招来すなわち汚染の一つの原因ともなる。
　本発明は、このような集中的かつ高速度の直上方向の溶融金属流に伴う目玉の発生及び溶融金属の汚染等を減少させるものであり、言い換えると、吐出口から放出される溶融金属流を拡散させると共に、直上方向の流速を低減させるものである。吐出口から放出される溶融金属流の拡散と直上方向の流速は、前記溶融金属流の中心部の直上方向の流速を基準として評価することができる。すなわち、注湯速度（単位時間当たりの注湯量、例＝ｔ／ｍｉｎ．）を維持して前記溶融金属流の中心部の直上方向の流速を低下させると、直上方向以外の方向へ流速が分散することになる。なお、ここで中心部とするのは、溶融金属流の横方向断面において流速は、中心部で最大となり、その中心から遠ざかるに従い漸次低下するからである。
　このような理由から、本発明では吐出口中心部直上方向の溶融金属流速について具体的な目標を設定した。また、目玉の発生及び溶融金属の汚染等はとくに注湯初期の鋳型内の溶融金属深さの浅い時点で大きいので、鋳型内の溶融金属深さが２５０ｍｍ時点を基準として相対的な評価を行い、課題解決のための境界値を決定した。
　図１は本発明の注湯管の例を示す。鋳型４の底部に設けられた吐出口３からその下方の注湯管先端付近（長さＬ）の範囲の注湯管１の内孔２の形状が、横方向断面の径が吐出口３たる起点から下方向に向かって、前記式１及び式２を満足する曲線で漸次縮径している。
　言い換えると、長さＬに相当する内孔径変化領域の注湯管１の内孔２の縦方向断面が、その領域の変化開始点（吐出口３から長さＬ下方の位置）から上方の吐出口３に向かって、前記の式１及び式２を満足する曲線を描きながら、漸次拡大する形状になっている。
　このような形状にすることで、吐出口３から流出する溶融金属は上方向に集中せず、内孔２の曲線に従った方向に拡散しながら鋳型４内に流入する。しかも吐出する溶融金属流内の全体に亘って上方向の流速が低位に平均化された分布状態を示す。これは、流体が前記式１及び式２を満足する曲線に従って移動する場合にはエネルギー損失が小さくなり、その曲線に従ってスムーズに流動することができるためと考えられる。
　本発明の注湯管１は、長さＬに相当する内孔径変化領域の注湯管１の内孔２の縦方向断面が前述の形状になっていればよい。したがって、本発明の注湯管の製造にあたっては、その外部の形状や、本発明の対象部分以外の注湯管との分割又は接続方法等にとくに制限を設ける必要はない。
　本発明の注湯管の製造方法としては、前述の内孔形状と任意の外周形状を備えた金型に、当該注湯管を成す耐火物はい土を装填して、縦方向又は横方向から加圧して成形し、乾燥、焼成、加工等を行う等の一般的な耐火物（ノズル等）の製造方法を採ることができる。このような製造方法における成形方法は、フリクション・プレス、オイル・プレス、アイソスタティック・プレス等の任意の方法を選択することができる。また、当該注湯管を成す耐火物等としては、通常このような下注ぎ方式の注湯管に用いられる、またそれぞれの操業条件に対応して設計された、任意の耐火物等とすることができる。
 [実験例Ａ]
　実験例Ａは、本発明の注湯管を従来技術と比較した、コンピュータ・シミュレーションを用いた実験例を示す。
　供試形状は、本発明の注湯管は図１の形状（実施例１）、比較例の注湯管は円筒状（典型的な例、比較例１。図２）、直線による上方への拡径形状（特許文献１のテーパー状、比較例２。図３）、吐出口内孔が円弧（Ｒ）状（比較例３。図４）の３種類である。なお、比較例３は、吐出口から下方にかけての部分が曲線ではあるものの、本発明の前記式１及び式２を満足しない場合の例として比較を行った。これら４つの供試料は、吐出口から長さＬの下方位置までの領域の内孔形状のみが異なる条件とし、それ以外の部分は同一の条件とした。
　表１に、各形状及び本発明の場合の前記式１及び式２内の各要素（変数）の値、並びに結果を、また、図６Ａに、吐出口直下の上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼中心部の直上方向速度の推移（以下、単に「溶鋼速度推移」という。）を、図６Ｂに、吐出口直上２５０ｍｍ位置（以下単に「基準湯面」という。）での溶鋼中心部の直上方向速度を示す。さらに、図６Ｃから図６Ｆには、各例の吐出口上流側約４００ｍｍ付近から吐出口直上２５０ｍｍまでの溶鋼の速度分布状態を視覚化した図を示す（以下単に「溶鋼速度分布」という。図中白色～黒色部分で示し、この部分は色調が濃い程高速度であることを示す。以下同じ。）。
　これらの結果から、比較例１は溶鋼流速がほとんど減衰することなく基準湯面に達していることがわかる。この比較例１に対し本発明の実施例１では、比較例１を１００とする基準湯面における中心部流速の指数（以下単に「流速指数」という。）が３．３となり、極めて顕著な効果が得られている。一方、特許文献１の技術である比較例２は、比較例１に対する改善効果が認められるが、流速指数は１６．６に止まっている。また、比較例３は、比較例１に対する改善効果が認められるが、流速指数は３６．３に止まっている。
　これらの結果から、本発明では従来技術のいずれよりも極めて顕著な効果が得られることがわかる。また、吐出口直下の内孔が単にテーパー状又は単に曲線状で上方に拡径していても、本発明の前記式１及び式２を満足する曲線状の場合ほどの顕著な効果は得られないことがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
 [実験例Ｂ]
　実験例Ｂは、本発明の注湯管形状において、前記式１及び式２中のｎの値が溶融金属の流速に及ぼす影響についての、コンピュータ・シミュレーションを用いた実験例を示す。
　本発明の目的は、従来技術よりも溶融金属の流速を減ずることにあるので、本発明の流速指数の目標値は比較例２よりも小さい値、すなわち１６．６未満とした（以下の実験例にて同じ）。
　この実験例では、前記実験例Ａの実施例１を基準に、ｎの値を１．０から６．０まで変化させた。
　表２に前記式１及び式２の各要素（変数）の値、並びに結果を、また、図７Ａに溶鋼速度推移を、図７Ｂにｎの値に対する基準湯面での溶鋼中心部の直上方向速度を示す。さらに、図７Ｃから図７Ｇには、各例の溶鋼速度分布を示す。
　これらの結果から、ｎの値が１．５以上５．０以下で、目標値を満足しかつ顕著な効果が得られることがわかる。ｎの値が６．０の比較例４では、比較例１に対する改善効果は得られるものの、溶鋼速度が比較例２よりも大きくなっている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 [実験例Ｃ]
　実験例Ｃは、本発明の注湯管形状において、前記式２中のＤｉ／Ｄｏ比の値が溶融金属の流速に及ぼす影響についての、コンピュータ・シミュレーションを用いた実験例を示す。ここでは、前記実験例Ａの実施例１を基準に、Ｄｉ／Ｄｏ比の値を１．５から４．０まで変化させた。
　表３に前記式１及び式２の各要素（変数）の値、並びに及び結果を、また、図８Ａに、溶鋼速度推移を、また図８ＢにＤｉ／Ｄｏ比の値に対する基準湯面での溶鋼中心部の直上方向速度を示す。さらに、図８Ｃから図８Ｈには、各例の溶鋼速度分布を示す。
　これらの結果から、Ｄｉ／Ｄｏ比の値が１．８以上、また本実験での最大値４．０以下の範囲で、目標値を満足しかつ顕著な効果が得られること、及びＤｉ／Ｄｏ比の値が２．０付近で最も顕著な効果を得ることができることがわかる。
　なお、Ｄｉ／Ｄｏ比の値が４．０を超える場合は、４．５付近から目標値を外れるものと、図８Ｂの結果から推測できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
 [実験例Ｄ]
　実験例Ｄは、本発明の注湯管形状において、前記式１及び前記式２中のＬの値が溶融金属の流速に及ぼす影響についての、コンピュータ・シミュレーションを用いた実験例を示す。ここでは、前記実験例Ａの実施例１を基準に、Ｌの値をＤｏに対する倍率で、１．０から４．０（以下、単に倍率の値のみで示す。）まで変化させた。
　表４に前記式１及び式２の各要素（変数）の値、並びに結果を、また、図９Ａに溶鋼速度推移を、図９ＢにＬの値に対する基準湯面での溶鋼中心部の直上方向速度を示す。さらに、図９Ｃから図９Ｆには、各例の溶鋼速度分布を示す。
　これらの結果から、Ｌの値が１．１以上、また本実験での最大値４．０以下の範囲で、目標値を満足しかつ顕著な効果が得られること、及びＬの値が２．０付近で最も顕著な効果を得ることができることがわかる。
　なお、Ｌの値が４．０を超える場合は、下方部分が直線に近づくこと等により、Ｌの値が４．０付近での効果よりも大きく上回ることはないと推測できる。したがって、Ｌの値が４．０を超える範囲にまで前記式１及び前記式２を満足する形状にする必要性はなく、利点もないので、Ｌの値は１．１以上また本実験での最大値４．０以下とすればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
 [実験例Ｅ]
　実験例Ｅは、本発明の注湯管形状において、溶鋼流量　（ｔ／ｍｉｎ．）が溶鋼の速度に及ぼす影響についての、コンピュータ・シミュレーションを用いた実験例を示す。ここでは、前記実験例Ａの実施例１を基準に、この溶鋼流量を１／２倍、２倍に変化させた。
　表５に前記式１及び式２の各要素（変数）の値、並びに結果を、また、図１０Ａに溶鋼速度推移を示す。さらに、図１０Ｂ及び図１０Ｃには、各例の溶鋼速度分布を示す。
　これらの結果から、溶鋼流量の変化に伴い相対的に溶鋼速度も変化するものの、溶鋼流量の大小にかかわらず、本発明の注湯管では顕著な効果が得られることがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
 [実験例Ｆ]
　実験例Ｆは、実験例Ａの実施例１の本発明の注湯管形状を、実施例１とは上下逆方向に設置した場合（図１２参照）の、コンピュータ・シミュレーションを用いた実験例を示す。諸条件は実験例Ａと同じである。
　表６に前記式１及び式２の各要素（変数）の値、並びに結果を、また、図１１Ａに溶鋼速度推移を、図１１Ｂにこの比較例９の溶鋼速度分布を比較例１と対比して示す。
　この結果から、本発明の注湯管形状を逆方向に設置した場合は、中心部流速及び速度分布共に、比較例１（筒状）に対する実質的な改善効果は観られない。すなわち注湯管内で整流化されても、拡散効果は得られないことを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
　本発明は、溶鋼の下注ぎ方式による鋼塊の鋳造をはじめ、鋳物その他の溶融金属全般の下注ぎ方法による鋳型内への注湯に適用することができる。
　１　注湯管
　２　注湯管の内孔（溶融金属の通過経路たる空間）
　３　吐出口（鋳型底部（下端面）の開孔部）
　４　鋳型
　５　鋳型内の溶融金属（充満状態。但し、従来技術では介在物が懸濁した状態。）
　６　目玉
　７　スラグ類（介在物等）

Claims (2)

  1. 　鋳型の底部に設けられた吐出口から溶融金属を鋳型内に吐出する下注ぎ方式の注湯方法に使用され、先端部が前記吐出孔に連通している注湯管において、
    　前記吐出口から下方へ長さＬまでの領域内の注湯管の内孔の形状が、横方向断面（溶融金属進行方向に垂直な方向の断面をいう。以下同じ。）の径が前記吐出口たる起点から下方向に向かって漸次曲線で縮径し、かつその漸次縮径する曲線が、注湯管の中心軸を通過する縦方向断面において下記の式１によって表される形状を有することを特徴とする下注ぎ方式の注湯管。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    　ここで、Ｈは下記の式２によって表される。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
    　式２において、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
    　また、式１及び式２において、
    　ｎは、１．５　≦　ｎ　≦　５．０であり、
    　Ｌは、（　Ｄｏ　×　１．１　）　≦　Ｌ　≦　（　Ｄｏ　×　４．０　）である。
     
    　ここで、式１及び式２の各文字記号は以下の事項を示す。
    　Ｌ　　：　吐出口から下方への注湯管内孔径の変化領域の長さ
    　Ｄｉ　：　吐出口の径
    　Ｄｏ　：　前記Ｌの位置における注湯管内孔の横方向断面の径
    　Ｚ　　：　吐出口から下方への任意の位置までの長さ
    　Ｄｚ　：　前記Ｚの位置における注湯管内孔の横方向断面の径
  2. 　請求項１に記載の注湯管を用いた下注ぎ方式の注湯方法であって、前記注湯管を用いて吐出口上方向の溶融金属の流速を低下させる下注ぎ方式の注湯方法。
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