JP4564774B2 - 鋼の連続鋳造用ノズル - Google Patents
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Description
鋼の連続鋳造用ノズルとして、“浸漬ノズル”を例にあげて説明すると、この浸漬ノズルの使用目的は、タンディッシュ・モールド間をシールし、溶鋼の再酸化を防止すると共に、浸漬ノズルの吐出孔からの溶鋼流を制御し、かつ、モールド内に均一に溶鋼を供給し、操業の安定化,鋳片品質の向上を図ることにある。
また、「溶鋼流通孔に複数の段差部を設けた浸漬ノズル(特許文献3:実公平7-23091号公報)」や、「溶融金属導入部分に絞りを設け、該絞り部より吐出孔までの間を流速緩和部とした浸漬ノズル(特許文献4:特許第3050101号公報)」といった“環状突起を配設すること”も提案されている。
しかし、突起部を設けることで抵抗が増し、所定のスループット(単位時間当りに通過する溶鋼量)を確保できなくなるという問題があった。また、Alキルド鋼などを鋳造する際、突起部の配設方法によっては、浸漬ノズルの溶鋼流通孔部に配設した突起部直上部と直下部に、アルミナを主体とした非金属介在物(以下、本明細書において、単に“アルミナ”という)が付着堆積するという問題もあった。
すなわち、ノズル内孔部の偏流を抑制し、所定のスループットを確保し、かつアルミナ付着を防止するため、本発明に係る鋳造用ノズルは、「鋼の鋳造用ノズルの溶鋼流通孔部に、高さが3〜20mmの、溶鋼流通方向に対する垂直な方向において環状に連続していない突起部を配設した鋳造用ノズルであって、該突起部は、溶鋼流通方向に対して平行な方向における“ノズル内管と突起部の上端部の成す角度”が60°以下で、かつ、“ノズル内管と突起部の下端部の成す角度”が“ノズル内管と突起部の上端部の成す角度”よりも大きく、90°以下であることを特徴とする鋼の連続鋳造用ノズル」を要旨とする。
上記「突起部上端の角度」および「突起部下端の角度」を図示すると、それぞれ図1の(E)〜(G)中の“α”および“β”に相当する。
本発明に係る鋳造用ノズルは、前記したとおり、鋳造用ノズルの溶鋼流通孔部に、高さが3〜20mmの、溶鋼流通方向に対する垂直な方向において環状に連続していない突起部を配設する場合において、溶鋼流通方向に対して平行な方向(即ち縦断面)における“ノズル内管と突起部の上端部の成す角度”、すなわち「突起部上端の角度」が60°以下で、かつ“ノズル内管と突起部の下端部の成す角度”、すなわち「突起部下端の角度」が「突起部上端の角度」よりも大きく、90°以下であることを特徴とする。
また、「突起部上端の角度」が60°以下までの範囲では、突起がスループット確保の妨げになることなく、突起の直上に流れが少ない領域が発生しないので、アルミナが付着することもない。また、「突起部下端の角度」が「突起部上端の角度」よりも大きく、90°以下である範囲では、突起の直下で効率的に乱流が発生し、整流効果に優れる。なお、溶鋼流通方向に対して平行な方向(即ち縦断面)における、「突起部上端の角度」および「突起部下端の角度」は、基本的には接線の角度とする(図1(E)の“α”“β”参照)。
また、「突起部下端の角度“β”」が「突起部上端の角度“α”」より大きい場合、図1(E)および(G)に示すように、突起の直下に乱流部(13a)および(13d)が発生する。しかし、図1の(G)では、突起(11d)の上部が60°以上であるため、この上部の領域(14d)にアルミナが付着し、好ましくない。突起の上部にアルミナが付着することなく、突起の下部で乱流が発生するような突起形状、例えば、図1(E)に示すような“突起(11a)の形状”とすることが重要である。
また、「突起部下端の角度」は30°以上90°以下が好ましく、より好ましくは40°以上90°以下、更に好ましくは50°以上90°以下、最も好ましくは60°以上90°以下の範囲である。
ノズル内を流下する溶鋼は、突起部の影響で乱流を発生するが、環状の突起では、ノズル中心方向へ流れの向きを変えるだけで、完全に偏流は解消せず整流効果までは到達し難い。溶鋼流通方向に対して垂直な方向において、環状に連続していない独立突起では、ノズル中心方向へ流れの向きを変え、さらに突起部の左右方向へも流れの向きを変えることができる。その結果、複雑な乱流を発生させることができ、局部的には乱流状態であるが、全体としてみれば整流化される。
なお、各突起部の配設については、溶鋼流通方向に対して垂直な一面上において2ヶ所以上あることが好ましく、さらに好ましくは3ヶ所以上である。また、溶鋼流通方向に対して垂直な方向における突起部と突起部の間隔は、5mm以上が好ましく、更に好ましくは10mm以上である。
また、本発明における突起部は、鋳造用ノズルの溶鋼流通孔部の全面に配置しても良いし、一部に配設しても良く、特に配設部位は限定しないが、少なくとも浸漬部には配設した方が望ましい。
本発明に関連する、流量制御により発生する“ノズル内から吐出孔部までの溶鋼の偏流”を防止する技術としては、前掲の特許文献1(特開昭62-89566号公報)には「溶融金属の流通路表面に半球状の凹凸部を形成したノズル」が開示されている。これは、凹凸半径がR=2〜9mmで、凹凸部の耐火物内全流路面積に対する比率は7〜40%程度が好ましいとあり、また、浸漬ノズルの実施例においては、半球状の凹部と凸部を交互に多数形成したものが開示されている。
また、前掲の特許文献2(特開平6-269913号公報)には「ノズル孔の内面に、断面円弧状をなす波形の襞が溶湯の流れる方向へ4山以上連ねて設けられ、該襞は山から山までの間隔が4〜25cmで、山から谷までの深さが0.3〜2cmである連続鋳造用浸漬ノズル」が開示されている。
更に、前掲の特許文献3(実公平7-23091号公報)には「溶鋼流通孔に複数の段差部を設けた浸漬ノズル」が、前掲の特許文献4(特許第3050101号公報)には「溶融金属導入部分に絞りを設け、該絞り部より吐出孔までの間を流速緩和部とした浸漬ノズル」が開示されている。
「突起部上端の角度」が60°を超えると、突起部自体の抵抗が大きくなり、所定のスループットの確保が困難になり、更に、流れが少ない領域が発生するため、アルミナ付着の起点になる。また、「突起部下端の角度」が「突起部上端の角度」よりも小さいと、突起直下部で効率的に乱流が発生せず、突起部を配設した効果が消滅すると考えられる。この点で、本発明とは異なるものである。
この特許文献5には、突起部縦断面において、突起部下部の半径が上部より大きいことについて言及しているものの、具体的な角度についての記載は無く、この点が本発明と異なるものである。また、この絞り環は一種の環状突起の部類に相当し、環状突起では効果が少ないとする本発明と異なる。更に、絞り環の配設方法が、内管および絞り環のテーパを利用した方法を採用しているのに対し、本発明では一体成形であることも異なるものである。
実施例1及び比較例1〜3について、図1の(A)〜(G)を参照して説明する。なお、図1の(A)は、実施例1の浸漬ノズルを、図1の(B),(C),(D)は、比較例1,2,3の浸漬ノズルを、それぞれ示した図であって、それらは、いずれも溶鋼流通方向に平行な方向に縦割りにした図である。また、図1の(E)は同(A)の浸漬ノズル(実施例1)の、図1の(F)は同(C)の浸漬ノズル(比較例2)の、図1の(G)は同(D)の浸漬ノズル(比較例3)の、溶鋼流通方向に対して平行な方向の突起部の断面をそれぞれ示した図であって、実施例1,比較例2,比較例3の浸漬ノズルの「水モデル実験」の結果を説明するための図である。
なお、実施例1の突起部(11a)、比較例2の突起部(11c)および比較例3の突起部(11d)は、いずれも環状に連続しておらず、溶鋼流通方向に対して垂直な一面上に4ヶ、溶鋼流通方向に対して平行な方向に3段の合計12ヶ配設した。
これに対して、比較例2の浸漬ノズル(10c)は、突起部(11c)直下に乱流は見られず、整流効果は期待できない。更に、突起部(11c)の直上では、流れが遅い領域(14c)が確認され、比較例3と同様、実機では、ここにアルミナが付着するものと考えられる[図1(F)の“水の流れ(12c)”参照]。
一方、実施例1の浸漬ノズル(10a)では、1180L/minと、突起部(11a)を配設した影響が認められるが、実機操業上影響が無い程度にとどめることができた。これは、実施例1では、突起部上端の角度“α”が45°であって、突起部自体の抵抗が少なく、突起の直上に流れが少ない領域が発生せず、突起部直下で乱流が発生しても、スループットが確保できたのに対し、比較例2では、突起部上端の角度“α”が85°と抵抗が大きく、更に、比較例3は、突起部上端の角度“α”が大きいことに加え、突起部下端の角度“β”も85°と大きいため、水がスムーズに流れない状態になってしまったと考えられる。この比較例2,3のように、突起部直上で流体がスムーズに流れないと、流れが少ない領域(14c),(14d)ができ、実機では、ここがアルミナ付着の起点になっていることが経験的に判明している。
結果は、比較例2では、モールド(24)左右の狭面の冷却水温度差が5.8℃であったのに対し、実施例1では、0.5℃であり、モールド(24)内の偏流防止効果が認められた。また、スライドプレート(23)の開度も、比較例2では、82%であったのに対し、実施例1のノズルでは77%であって、突起が抵抗になっていないことを示した。さらに、使用後のノズルを回収して切断してみたところ、比較例2では、突起間にアルミナが最大12mmも付着して内管を狭窄していたのに対し、実施例1では、アルミナ付着量が最大でも1.5mmとほとんど無く良好であった。
実施例2および比較例4を、図2の(A)〜(D)を参照して説明する。なお、図2の(A)は、実施例2の浸漬ノズルを、図2の(B)は、比較例4の浸漬ノズルを、それぞれ示した図であって、それらは、いずれも溶鋼流通方向に平行な方向に縦割りにした図である。また、図2の(C)は、同(A)の浸漬ノズル(実施例2)の、図2の(D)は、同(B)の浸漬ノズル(比較例4)の、吐出流を説明するための概略図である。
突起部が独立突起である実施例2の浸漬ノズル(20a)では、モールド(24)内の水の流れ[吐出流(25a)]がほぼ左右均等で安定していたのに対し、突起部が環状突起である比較例4の浸漬ノズル(20b)では、右側の吐出流(25b)が左側より深く潜りこんでおり、偏流を解決できていないことが判ることから、溶鋼流通方向に対して垂直な一面上において連続した環状突起より、独立した突起の方が整流効果に関して好ましいことがわかる。
図3に、実施例3〜7,比較例5〜9の浸漬ノズルに配設した「突起部の断面形状(溶鋼流通方向に対して平行に切断した断面形状)」を示した。このうち、実施例5の突起部は、その上端部高さ(ノズル内管中心方向への高さ“h”)を1.5mmとした例である。なお、実施例3〜7,比較例5〜9の浸漬ノズルは、いずれも内径φ80mmの透明なアクリル製浸漬ノズルであり、また、最大高さ9mmの突起部を配設した例である。
これに対して、本発明で特定する「突起部上端の角度“α”と下端の角度“β”」の少なくとも片方が範囲外の比較例5〜9の浸漬ノズルは、突起部直上に流れの遅い領域が認められるものや、突起部直下に乱流が発生していないものであり、良好な整流効果が得られなかったものや、良好な整流効果は得られたものの、スループットが確保できないものであった。
(11a), − (11c),(11d),(21a),(21b) ・・・・・・ 突起部
(12a), − (12c),(12d) ・・・・・・ 水の流れ
(22) ・・・・・・ 上ノズル
(23) ・・・・・・ スライドプレート
(24) ・・・・・・ モールド
(25a),(25b) ・・・・・・ 吐出流
(26) ・・・・・・ 水
α ・・・・・・ 突起部上端の角度
β ・・・・・・ 突起部下端の角度
H ・・・・・・ 突起部の高さ
h ・・・・・・ 突起部上端の高さ(ノズル内管中心方向への高さ)
Claims (3)
- 鋼の鋳造用ノズルの溶鋼流通孔部に、高さが3〜20mmの、溶鋼流通方向に対する垂直な方向において環状に連続していない突起部を配設した鋳造用ノズルであって、該突起部は、溶鋼流通方向に対して平行な方向における“ノズル内管と突起部の上端部の成す角度”が60°以下で、かつ、“ノズル内管と突起部の下端部の成す角度”が“ノズル内管と突起部の上端部の成す角度”よりも大きく、90°以下であることを特徴とする鋼の連続鋳造用ノズル。
- 前記突起部が溶鋼流通孔部に4ヶ以上配設されていることを特徴とする請求項1に記載の鋼の連続鋳造用ノズル。
- 前記突起部は、鋳造用ノズル本体と一体成形されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の連続鋳造用ノズル。
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