JP2009090342A - 溶融合金のシール装置およびこの装置を用いた鋳造方法並びに連続鋳造開始時の断気方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融合金に接触する大気を不活性ガスでパージして、蓋をせずともシールを保つことを可能とする溶融合金のシール装置を提供する。さらに、このシール装置を用いた鋳造方法および連続鋳造の鋳造開始時の断気方法を提供する。
【解決手段】溶融合金を保持するモールドの開口部に不活性ガスを供給するためのノズルと、このノズルに不活性ガスを供給するための配管を備え、ノズルが、複数の孔を有するパイプと、パイプに巻き付けられた金属多孔質体からなるシール装置。また、ノズルが、金属繊維集合体と、金属繊維集合体の周囲を取り巻いて略円柱状をなす金属メッシュシートとからなるシール装置。さらに、ノズルが、不活性ガスが噴出する噴出口に向かって拡径する拡径ノズルであり、この拡径ノズルの噴出口に、平面状または曲面状の多孔質体を備えたシール装置。
【選択図】図３

Description

本願発明は、溶融合金を大気と断気するためのシール技術に係り、シールガスを用いて溶融合金の酸化および窒化を抑制する技術に関する。特に、鋳物などの鋳造プロセスでのシールと、溶融合金の連続鋳造において鋳造開始時の断気方法に関する。

溶融合金はその金属の種類によっては、非常に大気と反応しやすい場合がある。具体的には、溶融状態の鋼、ステンレス鋼、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｎｉ基合金などは、溶融状態で１４００℃以上の高温を保つために、溶融合金の表面が大気に暴露された状態では、酸化しやすい状態にある。また合金中にＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉなどの活性元素が添加されていると、これらが優先して大気中の酸素や窒素と反応して、それぞれ酸化物や窒化物を形成する。これらの酸化物や窒化物は大型の非金属介在物となり、溶融合金中に巻き込まれると、鋳造工程を経た鋳造品にて疵となってしまう場合がある。

そのため、溶融合金の表面が極力大気に曝露されないよう種々の方法が研究されており、鋼の連続鋳造の分野では、タンディッシュのシール技術は幾つか開示されている。タンディッシュの不活性ガスのシール技術は、蓋が比較的容易に設置できるという理由から、容易でありなおかつ効果も高いために、すでに一般的な技術となっている（例えば、特許文献１〜３参照）。

また、タンディッシュから連続鋳造鋳型に溶融合金を導くための浸漬ノズルのスライディングゲート部をシールする技術も開示されている（例えば、特許文献４参照）。さらに、連続鋳造鋳型を不活性ガスでシールする技術も幾つか示されている（例えば、特許文献５〜７参照）。

特許文献５に記載の技術は、鉄鋼製の箱をダミーバーの上に設置し、そこに不活性ガスを導入することで断気し、鋳造を開始する技術である。鋳造後、非定常部である箱を除去し、欠陥部を製品にもたらさないことを特徴としている。しかしながら、鉄鋼製の箱を鋳造に合わせて毎回作製することが必要となり、また、その鉄鋼製箱をセットする段取り作業をも要し、コストや工程数が増大して非現実的と言える。

特許文献６に記載の技術は、タンディッシュ下面と鋳型を遮蔽板で覆い、そこに活性ガスを導入することで断気し、鋳造を開始する技術である。この技術も、遮蔽板の設置に手間取るという問題があり、さらに、遮蔽板によって溶鋼上部を覆ってしまうため鋳造開始時に直接溶鋼が監視できず、ダミーバー（スラブ）の引き抜きスタートの号令のタイミングを見定めるのが困難であったり、非常時に対応できないなど問題が多く、非現実的であった。

特許文献７に記載の技術は、鋳型上面を蓋で覆い、その上で、不活性ガスを鋳型に導入し断気しながら、鋳造を開始する技術である。この技術によれば溶鋼上部が不活性ガスで置換されて好ましいものの、やはり、鋳造開始時に直接溶鋼が監視できないため、特許文献６に記載の技術と同様、非現実的であった。

特開平６−３９５０５号公報 特開平７−２０４８０８号公報 特開平８−２５７７０８号公報 特開２００２−１４３９９４号公報 特開昭５９−４５０６４号公報 特開昭６０−６２５３号公報 特開平１０−３１４９０１号公報

以上説明したとおり、大気の接触による溶融合金の酸化、窒化の抑制はかねてからの課題であり、不活性ガスによるシール方法が採用されてきた。特に、蓋をしやすく、容器を密閉しやすい場合には、蓋と不活性ガスの組み合わせの効果によって、ある程度シールが保たれていた。

しかしながら、蓋の設置が構造上難しい容器、例えば鋳造での砂型、連続鋳造機の鋳型などは、鋳造開始時に溶融合金を注ぎ込む工程があるため、上部に蓋をすると作業性を悪化させていた。

したがって、本願発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、本願発明の目的とするところは、溶融合金に接触する大気を不活性ガスでパージして、蓋をせずともシールを保つことを可能とする溶融合金のシール装置を提案することである。さらに、本願発明は、このシール装置を用いた鋳造方法および連続鋳造の鋳造開始時の断気方法も提案する。

本願発明は、溶融合金を不活性ガスでシールするためのシール装置であって、溶融合金を保持するモールドの開口部に不活性ガスを供給するためのノズルと、このノズルに不活性ガスを供給するための配管を備え、ノズルは、複数の孔を有するパイプと、パイプに巻き付けられた金属多孔質体からなることを特徴としている。

また、本願発明は、溶融合金を不活性ガスでシールするためのシール装置であって、溶融合金を保持するモールドの開口部に不活性ガスを供給するためのノズルと、このノズルに不活性ガスを供給するための配管を備え、ノズルは、金属繊維集合体と、金属繊維集合体の周囲を取り巻いて略円柱状をなす金属メッシュシートとからなることを特徴としている。

さらに、本願発明は、溶融合金を不活性ガスでシールするためのシール装置であって、溶融合金を保持するモールドの開口部に不活性ガスを供給するためのノズルと、このノズルに不活性ガスを供給するための配管を備え、ノズルは、不活性ガスが噴出する噴出口に向かって拡径する拡径ノズルであり、この拡径ノズルの噴出口に、平面状または曲面状の多孔質体を備えたことを特徴としている。

本願発明のシール装置を合金の鋳造時および連続鋳造の鋳造開始時に用いることで、鋳造時にあっては溶融合金の酸化や窒化にともなう非金属介在物性欠陥を防止でき、さらに、鋳造連続鋳造にあっては鋳造初期の非定常部の歩留まりを改善でき、品質の向上と製造コストの低減に貢献する。

本願発明の好ましい実施形態について図面を用いて以下に説明する。
１．連続鋳造工程
本願発明のシール装置を適用することができる連続鋳造工程において用いられるＣＣＭ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ、連続鋳造機）の模式図を図１に示す。図１に示す鋳造機は、溶融合金が上方から供給されてスラブが下方へ送出される垂直型の鋳造機である。本願発明は、鋳造開始時のスタートのシール技術であるので、連続鋳造機の型、すなわち垂直型、湾曲型、垂直曲げ型など型式は限定されるものではない。

まず、図示しない電気炉等で、原料を溶解する。その後、精錬工程として、脱炭、脱酸、脱硫を行い、取鍋精錬にて温度調整を行う。次に、図１に示すＣＣＭで溶融合金を鋳造し、スラブを製造する。図１において符号１０は取鍋であり、取鍋１０に、上記溶解工程と精錬工程を経た溶融合金２０を出鋼する。続いて溶融合金２０は、取鍋１０の下流側に設けられたタンディッシュ１１を経て、モールド１５に供給されて型入れされる。型に注湯された溶融合金２０は、モールド下側に設けられたスプレー冷却帯１７を通過することによって凝固させられつつ、ピンチロール１８によって引き抜かれて所定の厚さを有するスラブ２１が得られる。スラブ２１は、所定の位置にてトーチ１９によって切断される。以上は、鋳造開始後一定時間が経過した、鋳造の定常状態である。

続いて、連続鋳造のスタートについて説明する。図２は、上記連続鋳造機のスタートのセッティング状態であり、タンディッシュ１１とモールド１５部分をより詳細に示した拡大図である。タンディッシュ１１に保持された溶融合金２０は、ストッパー１４を制御することによって浸漬ノズル１２を経由して吐出孔１３から、モールド１５内に供給される。符号１６はシール材で、溶融合金が漏れ出さないようにシールする部材である。モールド１５内に所定量の溶融合金２０が注湯された後、ダミーバー２２（ピンチロール１８までセットされている）を鋳造方向（図において鉛直下方向）に引き抜いて鋳造を開始し、ダミーバー２２の引き抜きと共に溶融合金２０を供給し続けることで、連続的にスラブを鋳造する。

スタート前は、モールド１５内は大気で満たされており、溶融合金２０をモールド１５内に注湯する際、溶融合金２０が酸素や窒素を巻き込む。また、注湯開始からダミーバー２２を引き抜き始め、モールドパウダーを投入するまでの間に溶融合金２０の液面が大気に曝され続けることによって酸化物や窒化物が生成し、製造後のスラブの品質を悪化させることは既に述べたとおりである。本願発明は、図３に示すように、鋳造スタート時にモールド１５の上部にシール装置を設けることによって、溶融合金と大気の接触を抑制する断気方法である。

２．鋳型（砂型）を用いた鋳物
次に、本願発明のシール装置を適用することができる他の実施態様である鋳型における鋳物の鋳造工程の模式図を図４に示す。まず、図示しない電気炉等で、原料を溶解する。その後、精錬工程として、脱炭、脱酸、脱硫を行い、取鍋精錬にて温度調整を行い、取鍋１０に保持された溶融合金２０を得る。符号４０は、所望の部品形状が内部に形成された鋳型（砂型）であり、鋳型４０の注入口より、溶融合金２０を注湯する。これらを冷却して溶融合金２０が凝固した後、鋳型４０を取り外し、所望の鋳造物を得る。

上記工程において、溶融合金２０を鋳型４０に注湯するまでは、鋳型４０内は大気で満たされており、溶融合金２０を鋳型４０内に注湯する際、溶融合金２０が酸素や窒素を巻き込む。また、鋳型４０内が完全に溶融合金２０で満たされるまでの間に溶融合金２０の液面が大気に曝され続けることによって酸化物や窒化物が生成し、鋳造後の鋳造物の品質を悪化させることは既に述べたとおりである。本願発明は、図４に示すように、鋳造時に鋳型４０の上部であって開口部にシール装置を設けることによって、溶融合金２０と大気の接触を抑制する鋳造方法である。

３．シール装置
以下、本願発明の鋳造方法（断気方法）に用いるシール装置について詳細に説明する。図３は、本願発明の一実施形態に係るシール装置を連続鋳造機のモールドに設けた状態を示す斜視図である。モールド１５の上端開口部の片側には、配管３１と、この配管に接続された噴出ノズル３２からなるシール装置が設けられている。不活性ガスは、噴出ノズル３２から噴き出された後、モールド１５から大気を追い出し、モールド１５内部を不活性ガスで満たす。これによりモールド１５の内部と外界をシールすることができる。

図５〜７は、本願発明のシール装置の一実施形態に係るノズルの拡大図である。配管３１の先端には、不活性ガス噴出ノズル３２が接続されている。図５に示すように、ノズル３２においては、パイプに孔が複数設けられており、ここから不活性ガスが噴出する。さらに、図６に示すように、それら孔を覆うようにして、金属多孔質体が巻き付けられている。この金属多孔質体によって、孔から噴き出す不活性ガスは金属多孔質体全体に拡散して全面から微少量ずつ噴出するため、直管の一端から噴出する場合および複数の孔のみから噴出する場合と比較して流速を緩やかにすることができ、不活性ガスがモールド１５や鋳型４０を満たすにあたり、大気を巻き込むことが抑制される。

また、本願発明においては、図７に示すように、ノズルを水平に設置した場合、鉛直方向で上半分にカバーを設けることができる。カバーを設けない場合、不活性ガスは全方向に噴出するが、カバーを設けることで不活性ガスは主に下方向のみに噴出され、不活性ガス流が乱されて大気を巻き込むことをより抑制することができる。

図８は、本願発明のシール装置の他の実施形態に係るノズル３２の拡大図である。配管３１の先端には、図示しない超極細ステンレス鋼繊維（繊維径５０μｍ以下）が充填されていて、その周囲をステンレスメッシュ３４によって覆われて構成されたノズル３２が接続されている。この超極細ステンレス鋼繊維およびステンレスメッシュによって、配管３１から供給される不活性ガスはノズル３２全体に拡散して全面から微少量ずつ噴出するため、流速を緩やかにすることができ、不活性ガスがモールド１５や鋳型４０を満たすにあたり、大気を巻き込むことが抑制される。

図１０（ａ）は、従来の配管の先端に多孔質体を設けたものの拡大図であり、図１０（ｂ）〜（ｅ）は、本願発明のシール装置の他の実施形態に係るノズル３２の拡大図である。（ｂ）〜（ｅ）は、ノズルの先端が拡径しており、不活性ガスの噴出口において多孔質体が平面状または球面の一部をなす曲面状に構成されている。このように、ノズル先端が拡径しているため、不活性ガス流は拡散して流速が急激に低下し、拡径ノズルの多孔質体全体から微少量ずつ噴出するため、流速を緩やかにすることができ、不活性ガスがモールド１５や鋳型４０を満たすにあたり、大気を巻き込むことが抑制される。

続いて、上述した溶融金属と大気の接触による問題を解決するために、本願発明者らが鋭意行った実験、およびその実験と併せて行った計算シミュレーションについて、以下に説明する。

まず、実験室において２０ｋｇの高周波誘導炉を用いてＳＵＳ３０４（Ｆｅ−１８ｍａｓｓ％Ｃｒ−８ｍａｓｓ％Ｎｉ）を溶解した。るつぼにはマグネシアを用い、Ａｌを０．１％添加して溶融合金を脱酸した。フリーボード（溶融合金上面からるつぼ上面までの空間）にＡｒガスを吹き付けて、連続的に酸素濃度計でフリーボードの雰囲気の酸素濃度を測るというシール実験を行った。ここでは、るつぼ上面に蓋をして機密性を維持した。そうしたところ、酸素を１０％以下に低下させると、溶融合金表面に形成するスカム（溶融合金が酸化した滓）が無くなることがわかった。ただし、実験後の鋼塊を調査したところ、１００μｍを超えるような大型の非金属介在物は存在していた。

さらに、雰囲気の酸素を５％以下まで低下させると、１００μｍを超えるような大型の非金属介在物も無くなることが明らかとなった。この予備実験から、シール技術の目標を酸素濃度で１０％以下必須、最終的ターゲットを５％以下と定めた。もちろん前提条件は、上記したとおり、作業性を阻害しないために「蓋なし」である。

続いて、実機的なレベルでの実験に移行した。まず、溶融合金を介さない冷間実験を実施した。まず従来条件での測定を行い、ベンチマークとした。溶融合金保持容器やモールド内をシールするために、内径３．１７ｍｍ（一分）のストレート型ノズルを用いてＡｒガスを吹き込んでいた。

その結果、シールするべき空間の酸素濃度は、１８〜２０％とほとんど大気と変わらないことが判明した。まずはストレート型ノズルを２個にしてシールを試みたが、酸素濃度は１６％ほどまでしか低下せず、狙った効果は得られなかった。この理由を、計算シミュレーションにより鋭意解析したところ、Ａｒで直線的な強い流れを作ると、その流れにつられて大気も引き込まれてしまうことがわかった。

そこで、強い直線的な流れを作らないように、流速を分散させるべくノズルを改造する必要があるとの結論に至った。種々のノズル形状を考案して試行したところ、比較的ポーラスな形態を持ち合わせるタイプが好ましいことが判明した。さらに、耐火性、耐久性を考慮に入れて、ステンレスたわしを内径６．３５ｍｍ（二分）の配管に接続して冷間実験に供したところ、酸素濃度計では測定限界以下まで酸素濃度を低下させることに成功した。ここでは、たわし１個あたり５０ｇであり、略球体の直径は８０ｍｍで、板幅０．５ｍｍ、板厚０．０５ｍｍ、長さ２５２ｍをらせん状に巻いたかさ比重０．１８７ｇ／ｃｍ^３の家庭用を用いた。なお、ステンレスたわしノズルは１つで行った。

さらに、冷間において、早期にパージして、溶融合金保持容器や鋳型内を不活性ガスで満たすためには、不活性ガスの供給量も１０Ｌ／ｍｉｎ以上に高く保つ必要性があるという結果であった。

続けて、実機レベルに最も近い状態の溶融合金を介する実験に移行した。ここでは、溶融合金を注ぐ時の不活性ガスによる断気の状態を、６０トン規模の溶融合金を鋳込む連続鋳造機のモールドを用いて実験した。原料を電気炉で溶解し、ＡＯＤおよびＶＯＤで精錬した６０トン規模のＮＨ８４０（ＩＮＣＯＬＯＹ８４０相当、ＵＮＳＳ３３４００相当；Ｆｅ−２０ｍａｓｓ％Ｃｒ−２０ｍａｓｓ％Ｎｉ−０．４ｍａｓｓ％Ｔｉ−０．４ｍａｓｓ％Ａｌ）の溶融合金とした。手順は冷間と同じく、浸漬ノズルを介してモールドに溶融合金を注ぐ前から、モールドをＡｒでシールし始めた。続けて、タンディッシュのストッパーを開けて、モールドに注湯を開始した。モールドを溶融合金が満たし、モールドパウダーを溶融合金表面に投入するまで、Ａｒシールを続けた。このような手順で３チャージほど繰り返し実験を行った。この一連の実験では、途中でＡｒガス流量を２〜３０００Ｌ／ｍｉｎの間で変化させ、酸素濃度がどのように影響を受けるかについても研究した。

その結果、溶融合金を注ぎ始めても、Ａｒを１００Ｌ／ｍｉｎ以上の供給量で吹き続ければ、酸素濃度１０％以下を達成できる。最終ターゲットの酸素濃度５％以下を達成するには、２００Ｌ／ｍｉｎ以上の流量を必要とすることも判明した。このように、冷間実験の１０Ｌ／ｍｉｎよりも高い供給量を要する理由は、１４００〜１５００℃と高温の溶融合金に曝された時に、気体が膨張して上部の室温の大気と入れ代わる流れが発生するからである。

以上説明したように、本願発明は、実験、解析、計算シミュレーションを通して完成されたものであり、具体的には、次の通りである。すなわち、溶融合金を保持するモールドの開口部に不活性ガスを供給するためのノズルと、このノズルに不活性ガスを供給するための配管を備え、ノズル先端が、多孔質体で構成されていることを特徴とする溶融合金を不活性ガスでシールするためのシール装置である。

また、上記多孔質体としてステンレスたわしを配したノズルを使用する場合、溶融合金の気相に暴露される表面積に対して、１個／４０００００ｍｍ^２以上の割合で配置することが望ましい形態である。そのステンレスたわしはかさ比重０．１〜０．４ｇ／ｃｍ^３であることがより望ましいものである。不活性ガスの流量は、１００〜２０００Ｌ／ｍｉｎに制御すべきである。そして、不活性ガスはＡｒがよい。

また、本願発明は鋳物の鋳造方法も提案しており、上記のシール装置を、溶融合金の鋳造時に鋳型の上に配置して、大気から断気することを特徴とする鋳造方法である。本願発明ではさらに、連続鋳造の鋳造開始時の断気方法も提案する。すなわち、連続鋳造の鋳造開始時に用いて溶融合金を大気から断気することを特徴とする連続鋳造の鋳造開始時の断気方法である。

以下に本願発明を実施するために最良の形態を、数値限定の理由を示しながら説明する。本願発明は、溶融合金を不活性ガスでシールするためのシール装置であり、ノズルとそれに不活性ガスを供給するための配管から構成されている。このノズルの先端には、多孔質体が設けられており、図５〜７に示す実施形態における金属多孔質体としては、細孔が全体に形成されていて不活性ガスを拡散することができる限りにおいてはその材質については特に限定されず、ステンレスウールやステンレスたわし等の多孔質体を使用することができる。本願発明の実施例においては、重さ５０ｇ、幅０．５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ、長さ２５０ｍ程度のステンレス線材を螺旋状に巻いた、かさ比重０．１８７ｇ／ｃｍ^３、直径８０ｍｍφのたわしを複数用いている。

パイプの長さは、使用するモールドや鋳型によって変化し、また、ステンレスたわしの使用個数はパイプ長さによって変化する。パイプ長さに対してたわしの使用個数が少ない場合、不活性ガスの拡散が全体的に不均一となる。たわしのかさ比重が低い領域ではそこから供給される不活性ガスの流速が高くなり、大気の巻き込みを起こし、鋳型内の酸素濃度は上昇してしまう。一方、パイプ長さに対してたわしの使用個数が多いと、かさ比重が極端に高くなってしまい、供給すべき不活性ガスが供給できず、断気状態を維持することができない。そのため、本願発明では最適パイプ長さを４００〜６００ｍｍとし、たわしの最適設置個数をパイプ１００ｍｍあたり１〜２個と定めた。好ましくは１００ｍｍあたり１〜１．５個である。また、金属多孔質体の好ましいかさ比重は、０．１〜０．４ｇ／ｃｍ^３である。

次に、図８に示す実施形態における超極細ステンレス鋼繊維としては、繊維径５０μｍ以下のものを用いることが好ましい。繊維径が５０μｍを超えると、空孔が不均一となり、不活性ガスの流速にばらつきが生じて好ましくない。また、超極細ステンレス鋼繊維の周囲に設けるステンレスメッシュとしては、同様の理由から、約５０メッシュ以下の格子を有するメッシュが好ましい。そのノズルの長さは、上記の実施形態と同様に３００〜５００ｍｍであり、直径は５０〜７０ｍｍが好ましい。金属繊維集合体はかさ比重０．１〜０．４ｇ／ｃｍ^３が好ましい。

図１０（ｂ）〜（ｅ）に示す実施形態におけるノズル先端に設ける多孔質体としては特に限定されず、樹脂製のスポンジや繊維集合体、あるいは金属多孔質体とすることができる。この多孔質体の形状は、図１０に示すように、平面状や曲面状とすることができ、曲面状の場合、球面の一部を構成する曲面であると、不活性ガス流が乱されず、好ましい。なお、不活性ガスの流量を２００Ｌ／ｍｉｎ（２０００００ｃｍ^３／ｍｉｎ）で一定とした場合の、拡径ノズルの形状、最大径、吐出面積、流速の関係を表１に示す。

このように、吐出面積が一定であれば、流速も一定となるので、例えば１方向へ不活性ガスを噴出させたい場合は（ｂ）を、全方向に噴出させたい場合は（ｅ）を選択するというように、形状を設定すればよい。

さらに、本願発明の各シール装置のノズルを、溶融合金の気相に暴露される表面積に対して、１個／４０００００ｍｍ^２以上の割合で配置することがより好ましい実施形態である。４０００００ｍｍ^２に1個未満の配置では、シールが破れる場所が発生してしまう。そのため、１個／４０００００ｍｍ^２以上の割合で配置することとした。特に限定はしないが、連続鋳造機で用いる場合、１００００ｍｍ^２未満の面積に１個以上配置すると、ノズルが溶融合金表面を遮ってしまうことによって、監視できなくなる可能性がある。

本願発明のシール装置に用いられる多孔質体はかさ比重０．１〜０．４ｇ／ｃｍ^３であるとより良い。０．４ｇ／ｃｍ^３超えでは密すぎて、不活性ガスの抵抗体となっていまい、すなわち圧力損失が大きく、供給量が低下しまうため、パージに時間を要するようになる。０．１ｇ／ｃｍ^３未満であると、流れが強くなり、大気を巻き込む。そのため、かさ比重０．１〜０．４ｇ／ｃｍ^３と定めた。好ましくは０．１５〜０．２５ｇ／ｃｍ^３である。

不活性ガスの流量は１００〜２０００Ｌ／ｍｉｎに調節する。１００ｍＬ／ｍｉｎ未満では、高温の溶融合金を注いだ時に、気体が膨張して上部の室温の大気と入れ代わる流れが発生し、断気状態が維持できなくなり酸素濃度が１０％を超えてしまう。２０００Ｌ／ｍｉｎを超えて高い供給量を得るには、設備費用を要するばかりでなく、溶融合金の表面を冷やしてしまい、地金を形成し、最悪ブレークアウトに至らしめる恐れがある。そのため、１００〜２０００Ｌ／ｍｉｎと定めた。好ましくは、雰囲気の酸素濃度を５％以下に低下させることのできる２００〜２０００Ｌ／ｍｉｎとする。さらに好ましくは、２００〜９００Ｌ／ｍｉｎである。

不活性ガスは、Ａｒ、二酸化炭素、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅが挙げられるが、コストやハンドリング性を考慮すると、Ａｒが好ましい実施形態である。また、気体の密度を考えると、Ａｒは大気よりも高い密度を持つので、鋳型に溜まりやすい。

上記の通り定めたシール装置を、溶融合金の鋳造時に鋳型の上に配置して使用すると、鋳造品の大気酸化による非金属介在物性欠陥を防止できる。また、上記の通り定めたシール装置を、連続鋳造の鋳造開始時に用いて溶融合金を大気から断気すると、溶融合金の酸化や窒化にともなう非金属介在物性欠陥を防止できる。

なお、この方法が適用できる合金は、普通鋼、ステンレス鋼、鋳鋼はもちろんのこと、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｎｉ基合金、Ｎｉ基超合金など多岐に亘り適用可能である。具体的には、ＮＷ２２０１（９９ｍａｓｓ％Ｎｉ）、ＵＮＳ Ｓ３３４００（ＩＮＣＯＬＯＹ８４０相当、ＮＨ８４０相当；Ｆｅ−２０ｍａｓｓ％Ｃｒ−２０ｍａｓｓ％Ｎｉ−０．４ｍａｓｓ％Ｔｉ−０．４ｍａｓｓ％Ａｌ）、ＳＵＳ３２１（Ｆｅ−１８ｍａｓｓ％Ｃｒ−８ｍａｓｓ％Ｎｉ−０．３ｍａｓｓ％Ｔｉ）、ＮＣＦ８２５（Ｆｅ−４２ ｍａｓｓ％Ｎｉ− ２１．５ ｍａｓｓ％Ｃｒ−３ｍａｓｓ％Ｍｏ−２ｍａｓｓ％Ｃｕ−１ｍａｓｓ％Ｔｉ）、ＮＣＦ６２５（Ｎｉ−２１．５ｍａｓｓ％Ｃｒ−９ｍａｓｓ％Ｍｏ−３．５ｍａｓｓ％Ｆｅ−３．６ｍａｓｓ％（Ｎｂ＋Ｔａ））、ＮＣＦ６９０（Ｎｉ‐３０．０ ｍａｓｓ％Ｃｒ‐９．５ ｍａｓｓ％Ｆｅ）、ＮＷ６０２２（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｃ−２２：Ｎｉ−２１．３ｍａｓｓ％Ｃｒ−１３．５ｍａｓｓ％Ｍｏ−４ｍａｓｓ％Ｆｅ−３ｍａｓｓ％Ｗ）、ＮＷ０２７６（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｃ−２７６：Ｎｉ−１５．５ｍａｓｓ％Ｃｒ−１６ｍａｓｓ％Ｍｏ−５．５ｍａｓｓ％Ｆｅ−３．８ｍａｓｓ％Ｗ）、ＮＷ４４００（Ｍｏｎｅｌ４００：Ｎｉ−３１．５ ｍａｓｓ％Ｃｕ）、ＮＣＦ６０１（ＩＮＣＯＮＥＬ ６０１： Ｎｉ−２３ｍａｓｓ％Ｃｒ−１４．４ ｍａｓｓ％Ｆｅ −１．４ ｍａｓｓ％Ａｌ）、ＮＣＦ６００（ＩＮＣＯＮＥＬ ６００：Ｎｉ−１５．５ ｍａｓｓ％Ｃｒ−７ｍａｓｓ％Ｆｅ）、ＳＵＨ６６０（Ｆｅ−２５ｍａｓｓ％Ｎｉ−１５ｍａｓｓ％Ｃｒ−１．２ｍａｓｓ％Ｍｏ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ−０．２ｍａｓｓ％Ａｌ）、ＮＣＦ７１８（Ｎｉ−１８．０ｍａｓｓ％Ｃｒ−３．０ｍａｓｓ％Ｍｏ−１８．５ｍａｓｓ％Ｆｅ−０．９ｍａｓｓ％Ｔｉ−０．５ｍａｓｓ％Ａｌ−５．１ｍａｓｓ％（Ｎｂ＋Ｔａ））、ＮＣＦ７５０（Ｎｉ−１５．５ ｍａｓｓ％Ｃｒ−７ ｍａｓｓ％Ｆｅ−２．５ ｍａｓｓ％Ｔｉ−０．９ ｍａｓｓ％Ａｌ−１．０ ｍａｓｓ％（Ｎｂ＋Ｔａ））、ＮＣＦ８００（３０〜３５ ｍａｓｓ％Ｎｉ−２１ ｍａｓｓ％Ｃｒ−Ｆｅ）、ＮＣＦ８００Ｈ（３０〜３５ｍａｓｓ％Ｎｉ−２１ ｍａｓｓ％Ｃｒ−Ｆｅ）、ＮＣＦ８０Ａ（Ｎｉ−１９．５ ｍａｓｓ％Ｃｒ−２．４ ｍａｓｓ％Ｔｉ−１．５ ｍａｓｓ％Ａｌ）、ＮＷ６００２（Ｎｉ−２１．５ｍａｓｓ％Ｃｒ−９ｍａｓｓ％Ｍｏ−１８．５ｍａｓｓ％Ｆｅ−１．２ｍａｓｓ％Ｃｏ）、ＮＷ５５００（ＭｏｎｅｌＫ５００： Ｎｉ−２９．５ ｍａｓｓ％Ｃｕ−３ｍａｓｓ％Ａｌ−０．５ｍａｓｓ％Ｔｉ）、Ｆｅ−３６％Ｎｉ、Ｆｅ−４２％Ｎｉ、ＰＢ（パーマロイＢ）、ＰＣ（パーマロイＣ）、Ｆｅ−５０．５％Ｎｉ、Ｆｅ−４２％Ｎｉ−６％Ｃｒ、Ｆｅ−４７％Ｎｉ−６％Ｃｒ等を挙げることができる。

以上説明した本願発明の断気方法を合金の連続鋳造の鋳造開始時に用いることで、溶融合金の酸化や窒化にともなう非金属介在物性欠陥を防止できるため、鋳造初期の非定常部の歩留まりを改善でき、品質の向上と製造コストの低減に貢献する。

以下に実施例を示して本願発明の効果を明確にする。
Ａ．複数孔を有するノズル＋ステンレスウール（連続鋳造）
図５および６にシール装置の模式図を示す。図５において、ノズル３２の長さは、５００ｍｍであり、５．５ｍｍφの切り穴を２１ｍｍ間隔で２３個空けた。ステンレスウールを固定するストッパーは、７５ｍｍφであった。このノズル３２に、表２に示す個数のステンレスたわしをストッパー間に挿入した。このステンレスたわしは、幅０．５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ、長さ２５０ｍ程度のステンレス製の線材を螺旋状に巻いてなる５０ｇの家庭用たわしを用いた。このシール装置（図６に図示）を、図３に示すように連続鋳造機のモールド１５の開口部に２箇所に設置して実験を行った。

また、図６に示すシール装置において、ステンレスウールの上半分をカバー３３で覆い、図７に示すシール装置を作製し、同様にして図３に示すように連続鋳造機のモールド１５の開口部に２箇所に設置して実験を行った。また、比較例として、ノズルを用いない、直径６．３５ｍｍφ（二分）のストレートタイプの配管を使用した。

鉄屑、ステンレス屑、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉなどの原料を、６０トン電気炉で溶解し、ＡＯＤおよびＶＯＤの両方または一つを用いて精錬した。取鍋に保持された溶融合金を連続鋳造機にて鋳造した。連続鋳造機は垂直型であり、モールドは銅板製で表面にＮｉメッキを施したものである。モールドのサイズは、１５４×８８０〜１２５０ｍｍとした。スタートセッティング時のモールドの高さは、ダミーバーのセッティングを除いて５００ｍｍである。

表２に示す鋼種でモールドシールを実施した。手順は、浸漬ノズルを介してモールドに溶融合金を注ぐ前から、モールドを不活性ガスでシールし始め、続けて、タンディッシュのストッパーを開けて、モールドに注湯を開始した。モールドを溶融合金が満たし、モールドパウダーを溶融合金表面に投入するまでシールを続けた。

各項目を以下のように評価し、その評価結果を表２に示した。
・酸素濃度：ジルコニア式酸素濃度計にて測定した。
・ガス流量：流量計にて測定した。
・＃１スラブ研削および切断歩留まり：連続鋳造の鋳造開始時のスラブである＃1スラブを研削した後、浸透探傷試験を行った。異物欠陥によるインジケーションが消え去るまで研削し、歩留りを重量変化から計算した。研削でも除去しきれない場合は、切断するがそれも考慮に入れた。

表２に示すように、本願発明の範囲内である発明例１〜６は、いずれも酸素濃度が１０ｖｏｌ％以下となり、＃１スラブの歩留まりが９０％以上と良好であった。この理由は、大気との反応により形成される酸化物、窒化物などの非金属介在物が、断気することによって形成しにくくなったためである。

一方、比較例１〜２はシール装置を用いなかったため、酸素濃度が下がらなかった。比較例３は、ガス流量が高過ぎて、溶湯が冷えて凝固物が発生した。比較例４および６は、Ａｒの流量が不足しており、大気のパージが不十分で酸素濃度が下がらなかった。比較例５は、たわし比率が低過ぎて、不活性ガスの拡散が不十分であったため、大気の巻き込みが起こってしまった。比較例７は、たわし比率が高すぎて、Ａｒの流量が十分確保できなかった。そのため、これらの比較例は＃１スラブの歩留まりが９０％未満と低くなってしまった。

また、図６に示すカバー無しの発明例２と、図７に示すカバーを有する発明例４において、モールド内のシール開始からの経過時間と酸素濃度の関係を表すグラフを、図１３および１４にそれぞれ示す。図に示すように、カバー無しの場合は最終的に酸素濃度が約５％で収束するのに対し、カバー有りの場合は約２％までも低下することが分かった。

Ｂ．超極細ステンレス鋼繊維＋ステンレスメッシュ
図８にシール装置の模式図を示す。図８に示すように、直径６．３５ｍｍφ（二分）のステンレスパイプに、超極細ステンレス鋼繊維を３３１ｇ使用し、かさ比重が０．１５ｇ／ｃｍ^３程度になるように、ストッパーが７５ｍｍφ、長さ５００ｍｍとなるように詰めた。なお、ここで超極細ステンレス鋼繊維とは、直径が５０μｍ以下の繊維である。次に、約５０メッシュのステンレスメッシュを１周巻き付け、高さ５００ｍｍ、直径７５ｍｍの円柱状ノズルとした。このシール装置を、図３におけるシール装置の代わりに用いて、モールドの冷間実験を行った。なお、シール装置は、モールドの開口部において１個のみを使用した。

上記シール装置とモールド上面との距離を様々に変化させて不活性ガスを流し、シール装置とモールド上面との距離と、モールド内酸素濃度の関係を調べた。その結果を図９のグラフに示す。図に示すように、モールド内の酸素濃度を５％以下に抑えるには、シール装置とモールドの距離を３０ｍｍ以内に設定する必要があることが分かった。これは、距離が３０ｍｍを超えると、ノズルから噴出した不活性ガスが、モールド周辺の大気の流れの影響を大きく受け、モールド内のシール性を悪化させてしまうためである。また、モールド上面より下（マイナス表記）は、操業上−３０ｍｍまでしか下げることができない。このように、シール装置とモールドの距離を好ましい距離に設定することで、酸素濃度を１％程度まで低減できることが明らかになった。表３に、このシール装置を用いて連続鋳造機にて行った実施例を示す。この実施例では、モールド上面とシール装置との距離を全て＋１０ｍｍとして実施した。

表３に示すように、本願発明の範囲内である発明例７〜１０は、いずれも酸素濃度が１０ｖｏｌ％以下となり、＃１スラブの歩留まりが９０％以上と良好であった。この理由は、大気との反応により形成される酸化物、窒化物などの非金属介在物が、断気することによって形成しにくくなったためである。

一方、比較例１１はシール装置を用いなかったため、酸素濃度が下がらなかった。比較例１０は、Ａｒの流量が高過ぎて、溶湯が冷えて凝固物が発生した。比較例９は、Ａｒの流量が不足しており、大気のパージが不十分で酸素濃度が下がらなかった。比較例８は、従来のストレートタイプを用いており、不活性ガスの拡散が不十分であったため、大気の巻き込みが起こってしまった。そのため、これらの比較例は＃１スラブの歩留まりが９０％未満と低くなってしまった。

Ｃ．拡径ノズル
Ｃ−１）鋳物
図１０（ａ）〜（ｅ）に、従来のストレートパイプ配管および本願発明の拡径ノズルを有するシール装置の模式図を示す。図１０（ａ）は従来のストレートパイプ配管であり、拡径ノズルは、図に示すように、（ｂ）径を拡大して多孔質体で平面状に覆ったもの、（ｃ）半球状に覆ったもの、（ｄ）略球状に覆ったもの、（ｅ）球状に覆ったものがある。各発明例および比較例で使用した（ａ）〜（ｅ）のタイプおよび拡径した直径を表３に示す。これらのシール装置を図４に示すように鋳型に設けて、不活性ガスを噴出させた。

５００ｋｇの高周波誘導炉を用いてＳＵＳ３０４（Ｆｅ−１８ｍａｓｓ％Ｃｒ−８ｍａｓｓ％Ｎｉ）など、表４に示す鋼種を溶解した。耐火物にはマグネシア系スタンプ材を用いた。また、いずれもＡｌを０．１％添加して脱酸した。溶鋼温度は１６００℃とした。その後、図４に示すように、取鍋１０に受けて、砂型（鋳型）４０に次々と湯を注いでいった。

各項目を以下のように評価し、この評価結果を表４に併記した。
・酸素濃度：ジルコニア式酸素濃度計にて測定した。測定位置はシールに使わない押し湯部とした。
・ガス流量：流量計にて測定した。
・欠陥：Ｘ線透過試験を行い、０．５ｍｍ以上の欠陥があるものを有りと記した。実際、破壊して欠陥部を見ると非金属介在物性の欠陥があった。

表４に示すように、本願発明の範囲内である発明例１１〜１５は、いずれも酸素濃度が１０％以下となり、欠陥が防止できた。一方の比較例は、１２はシールなし、１３と１４はいずれも従来の（ａ）ストレートタイプであり、酸素濃度が下がらず欠陥が発生した。比較例１５は本願発明のシール装置を適用したが、流量が低すぎて欠陥が発生した。比較例１６は逆に流量が高すぎて、溶湯を冷却してしまい、溶鋼が細部に回らなかった。

Ｃ−２）連続鋳造
上記鋳物の項目と同様、図１０に示すシール装置を用いた。これらシール装置を、図３におけるシール装置の代わりに用いて、モールドの冷間実験を行った。なお、シール装置は、モールドの開口部において１個のみを使用した。

鉄屑、ステンレス屑、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉなどの原料を、６０トン電気炉で溶解し、ＡＯＤおよびＶＯＤの両方または一つを用いて精錬した。取鍋に保持された溶融合金を連続鋳造機にて鋳造した。連続鋳造機は垂直型であり、モールドは銅板製で表面にＮｉメッキを施したものである。モールドのサイズは、１５４×８００〜１２３０ｍｍである。スタートセッティング時のモールドの高さは、ダミーバーのセッティングを除いて５００ｍｍである。

表５に示す鋼種でモールドシールを実施した。手順は、浸漬ノズルを介してモールドに溶融合金を注ぐ前から、モールドを不活性ガスでシールし始め、続けて、タンディッシュのストッパーを開けて、モールドに注湯を開始した。モールドを溶融合金が満たし、モールドパウダーを溶融合金表面に投入するまでシールを続けた。

各項目を以下のように評価し、その評価結果を表５に示した。
・酸素濃度：ジルコニア式酸素濃度計にて測定した。
・ガス流量：流量計にて測定した。
・＃１スラブ研削および切断歩留まり：連続鋳造の鋳造開始時のスラブである＃1スラブを研削した後、浸透探傷試験を行った。異物欠陥によるインジケーションが消え去るまで研削し、歩留りを重量変化から計算した。研削でも除去しきれない場合は、切断するがそれも考慮に入れた。

表５に示すように、本願発明の範囲内である発明例１２〜１８は、いずれも酸素濃度が１０ｖｏｌ％以下となり、＃１スラブの歩留まりが９０％以上と良好であった。この理由は、大気との反応により形成される酸化物、窒化物などの非金属介在物が、断気することによって形成しにくくなったためである。

一方、比較例１６はシールなし、比較例１３〜１５はいずれも従来のストレートタイプであり、酸素濃度が下がらなかった。比較例１７は本願発明のシール装置を適用したが、流量が低すぎた。比較例１８は逆に流量が高すぎて溶湯を冷却してしまい、溶鋼表面に凝固物が形成し、それが巻き込まれてしまった。そのため、これらの比較例は＃１スラブの歩留まりが９０％未満と低くなってしまった。

連続鋳造の鋳造開始時のスラブである＃１スラブを、鋳造方向に垂直な断面で切断し、浸透探傷試験を行った時のスラブ断面の画像を図１１および１２に示す。鋳造鋼種はＮＨ８４０であり、スラブの採取位置は、ダミーバーと接している面から４５０ｍｍの部分に位置しており、まさしく鋳造開始地点である。図１１は本願発明のシール装置を用いずに鋳造した比較例２の＃１スラブ断面である。図１２は本願発明のシール装置を用いて鋳造した発明例２の＃１スラブ断面である。

図１１では、外縁部の染色部分、すなわち非金属介在物が多く見られるのに対し、図１２のスラブでは、これが大幅に低減されていることが分かる。なお、各写真中央部の染色については、製品に無害な大きさのセンターポロシティーであるので、比較は外縁部の染色部についてのみ行えばよい。

また、発明例８（表３）において、シール開始からの時間経過と、モールド内の酸素濃度との関係を表すグラフを図１５に示す。このグラフから明らかなように、本願発明のシール装置を用いれば、酸素濃度は速やかに低減し、注湯開始前に５％を実現することができた。さらに、注湯開始後もその低濃度を維持することができて好適である。

非金属介在物性欠陥を防止し、鋳造合金の歩留まりおよび品質を向上させ、さらに製造コストの低減に寄与する。

本願発明における連続鋳造機を示す模式図である。 タンディッシュ部分とモールド部分の拡大図である。 本願発明の連続鋳造におけるシール装置の設置状態を示す斜視図である。 本願発明の鋳造におけるシール装置の設置状態を示す斜視図である。 本願発明の複数孔を有するノズルを示す模式図である。 本願発明の複数孔を有するノズルにステンレスウールを装着したシール装置を示す模式図である。 本願発明の複数孔を有するノズルにステンレスウールを装着したシール装置にカバーを設けた状態を示す模式図である。 本願発明の超極細ステンレス鋼繊維ノズルにステンレスメッシュを装着したシール装置を示す模式図である。 本願発明のシール装置のノズルとモールドの距離とモールド内酸素濃度の関係を示すグラフである。 本願発明の拡径ノズルを示す模式断面図である。 従来の方法で作製したスラブ断面の浸透探傷試験結果を示す写真である。 本願発明の方法で作製したスラブ断面の浸透探傷試験結果を示す写真である。 本願発明におけるシール開始からの経過時間とモールド内酸素濃度の関係を示すグラフである。 本願発明におけるシール開始からの経過時間とモールド内酸素濃度の関係を示すグラフである。 本願発明におけるシール開始からの経過時間とモールド内酸素濃度の関係を示すグラフである。

符号の説明

Ｃ 連続鋳造機
１０ 取鍋
１１ タンディッシュ
１２ 浸漬ノズル
１３ 吐出孔
１４ ストッパー
１５ モールド
１６ シール材
１７ スプレー冷却帯
１８ ピンチロール
１９ トーチ
２０ 溶融合金
２１ スラブ
２２ ダミーバー
３１ 配管
３２ 噴出ノズル
３３ カバー
３４ ステンレスメッシュ
４０ 鋳型

Claims (12)

1. 溶融合金を不活性ガスでシールするためのシール装置であって、溶融合金を保持するモールドの開口部に上記不活性ガスを供給するためのノズルと、このノズルに上記不活性ガスを供給するための配管を備え、上記ノズルは、複数の孔を有するパイプと、上記パイプに巻き付けられた金属多孔質体からなることを特徴とする溶融合金のシール装置。
2. 前記パイプの延在方向を水平にして設置した場合において、巻き付けられた前記金属多孔質体のうち鉛直上半分の表面がカバーで覆われていることを特徴とする請求項１に記載の溶融合金のシール装置。
3. 溶融合金を不活性ガスでシールするためのシール装置であって、溶融合金を保持するモールドの開口部に上記不活性ガスを供給するためのノズルと、このノズルに上記不活性ガスを供給するための配管を備え、上記ノズルは、金属繊維集合体と、上記金属繊維集合体の周囲を取り巻いて略円柱状をなす金属メッシュシートとからなることを特徴とする溶融合金のシール装置。
4. 前記金属繊維集合体は、直径が５０μｍ以下の繊維からなることを特徴とする請求項３に記載の溶融合金のシール装置。
5. 溶融合金を不活性ガスでシールするためのシール装置であって、溶融合金を保持するモールドの開口部に上記不活性ガスを供給するためのノズルと、このノズルに上記不活性ガスを供給するための配管を備え、上記ノズルは、不活性ガスが噴出する噴出口に向かって拡径する拡径ノズルであり、この拡径ノズルの噴出口に、平面状または曲面状の多孔質体を備えたことを特徴とする溶融合金のシール装置。
6. 前記曲面は、球面の一部であることを特徴とする請求項５に記載の溶融合金のシール装置。
7. 前記不活性ガスの流量が１００〜２０００Ｌ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の溶融合金のシール装置。
8. 前記ノズルを、前記溶融合金の気相に暴露される表面積に対して、１個／４０００００ｍｍ^２以上の割合で配置することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載に記載の溶融合金のシール装置。
9. 前記多孔質体または金属繊維集合体は、かさ比重０．１〜０．４ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の溶融合金のシール装置。
10. 前記不活性ガスは、Ａｒであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の溶融合金のシール装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の溶融合金のシール装置を、溶融合金の鋳造時に鋳型の上に配置して、上記鋳型に保持された溶融合金を大気から断気することを特徴とする鋳造方法。
12. 請求項１〜１０のいずれかに記載の溶融合金のシール装置を、連続鋳造の鋳造開始時に用い、モールドに保持された溶融合金を大気から断気することを特徴とする連続鋳造開始時の断気方法。

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