JP5095901B2 - 圧力モジュレータを備える連続鋳造ノズル - Google Patents
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Description
(関連出願の説明)
本出願は、2000年6月23日に出願された米国仮出願番号60/213,773の利益を主張し、その開示内容は引用により本明細書に組み込まれている。
【0002】
(背景技術)
処理加工時に、液体金属及び特に液体鋼は、重力により湯溜まり等の一方の容器から鋳型等の他方のへ流れる。ノズルは、一方の容器から他方の容器へ流れる間に、液体金属の流動流を導いて収容することができる。
処理加工時に液体金属の流量を制御することは必要不可欠である。この目的のために、液体金属の流量調整を可能にする調整器又は流量制御器が使用される。一般的な調整器はストッパーロッドであるが、当業者に知られている任意の形式の流量調整器を使用できる。従って、典型的な連続溶鋼鋳造工程は、流量調整用ストッパーロッドを用いて、液体金属が湯溜まりからノズルを通って鋳型へ流れることを可能にする。
【0003】
図1を参照すると、このような典型的な連続溶鋼鋳造工程において、湯溜まり15は鋳型20の真上に配置され、ノズル25は湯溜まり15に接続されている。ノズル25は、液体金属10がその中を通って湯溜まり15から鋳型20へ流れる管路をもたらす。湯溜まり15内のストッパーロッド30は、ノズル25を通る流量を制御する。
【0004】
図2は、図1のノズル25のノズル穴45の入口部35及び下側部40の部分拡大概略図である。図2において、入口部35は、点1と点2との間に延びる。下側部40は、点2と点3との間に延びる。ノズル穴45の入口部35は、湯溜まり15に収容されている液体金属10と連通する。ノズル穴45の下側部40は、鋳型20の液体金属10内に部分的に沈んでいる。
【0005】
図1に戻ると、湯溜まり15から鋳型20への液体金属の流量を調整するために、ストッパーロッド30は上昇及び下降する。例えば、液体金属10の流れは、ストッパーロッド30のノーズ50がノズル穴45の入口部35を閉鎖するようにストッパーロッド30が完全に下降すると停止する。ストッパーロッド30が前述の完全に下降した位置から上昇すると、液体金属はノズル25を通って流れることができる。ノズル25を通る流量は、ストッパーロッド30の位置の調整によって制御される。ストッパーロッド30が上昇すると、ストッパーロッド30のノーズ50がノズル穴45の入口部35から遠くへ移動するので、ストッパーのノーズ50とノズル25との間の開口面積が大きくなり、大きな流量を得ることができる。
【0006】
図3は、他の湯溜まり15から鋳型20への液体金属の流量制御システムを示す。本システムは、ストッパーロッド30のノーズ50とノズル穴45の入口部35との間に位置する制御ゾーン55を有する。制御ゾーン55は、ストッパーのノーズ50とノズル穴45の入口部35との間の開通路の最も狭い部分である。湯溜まり15の液体金属10は、重力が引き起こす静圧を受ける。ストッパーロッド30が液体金属10のノズル穴45への侵入を阻止しない場合、湯溜まり15の液体金属10の圧力は、液体金属10を湯溜まり15からノズル25へ流出させる。
流量が最大流量未満の場合、制御ゾーン55の開口面積の特性は、ノズル25、その後に鋳型20への流量の調整における主要因である。
【0007】
図4は、湯溜まり15から制御ゾーン55を通ってノズル25へ流出する液体金属10の圧力変化を示すグラフである。図3に示すように、点60は、制御ゾーン55上流の、湯溜まり15に収容されている液体金属10内の全体的位置を表す。点65は、制御ゾーン55下流の、ノズル25の穴45内の全体的位置を表す。図4に示すように、点60と点65の間の液体金属10の圧力の全体的傾向は、制御ゾーン55前後で急激に低下する。一般に、点60の圧力は大気圧よりも高い。一般に、点65の圧力は、大気圧よりも低く、部分真空状態になっている。
【0008】
図5は、入口挿入部70及び本体75を含む、2構成部品ノズルを示す。穴45の入口部35は、点21から点22、点23へ延び、下側部40は点23から点24へ延びる。
図6は、湯溜まり15から鋳型20への液体金属の流量制御システムを示し、図5のノズルが組み込まれている。図7は、図6のシステムの点60から点65までの圧力傾向を示す。図6のシステムの圧力傾向は、基本的に図3のものと同様であり、制御ゾーン55前後で圧力の急激な低下が見られる。
【0009】
以上を要約すると、図1、3、及び6のノズルは、制御ゾーン前後で急激な圧力低下を引き起こす。この急激な圧力低下により、流量調整システムは非常に敏感になってしまう。非常に敏感な流量調整システムにより、オペレータは、所望の流量での流量安定化を得るために制御ゾーンの大きさ及び/又は幾何学的形状を調整できるよう正確な位置を得るために、調整器を頻繁に移動させる必要がある。適切な流量調整を得るためのハンチングは、入口部35及びノズル25の穴45全体にわたる乱流を引き起こす。
【0010】
ハンチング又は制御ゾーンの下流に生じる部分真空/圧力低下によって引き起こされる乱流は、制御ゾーンの周りのまわりの浸食を加速する。例えば、ストッパーロッド30のノーズ50及びノズル穴45の入口部35の浸食が起こる可能性がある。一般に、急激な浸食は制御ゾーン55の直下流で起こる。制御ゾーン55内又はその周りの浸食は、液体金属の流量調整の問題点を悪化させる。浸食による制御ゾーン55の臨界幾何学的形状の望ましくない変化は、予測できない流量変動をもたらし、最終的に流量調整システムの完全な故障になる場合もある。
【0011】
図5を再び参照すると、浸食を低減するために、従って、流量調整を改善するために、幾つかのノズルにおいて入口挿入部70は耐浸食性の耐火材料で構成される。しかしながら、ノズル40への入口挿入部70の追加は、図4及び図7に示すような制御ゾーン55を横切る急激な圧力低下に影響を及ぼさない。従って、従来のノズルに関する流量調整は、ノズルによって規定される制御ゾーンの大きさ及び形状に起因して、調整器の移動に対して非常に敏感なままであり、流量安定化を図ることが困難である。
【0012】
従って、ノズル制御ゾーン前後での圧力差を最小にして、その浸食作用を低減すると共に制御ゾーンの大きさ及び形状を安定させ、結果的にハンチングを少なくして流量安定性を高めるようになったノズルに対するニーズがある。
【0013】
(発明の開示)
本発明は、ノズル制御ゾーン前後において最小の圧力差をもつノズルを設けて、その浸食作用を低減すると共に制御ゾーンの大きさ及び形状を安定させ、結果的にハンチングを少なくして流量安定性を高めることで前述のニーズを満たすものである。
【0014】
この目的のために、本発明は、液体金属を受け入れるための入口部を有する、液体金属の流れを制御するためのノズルを含む。ストッパーロッド等の調整器は、ノズルを通る流れをそれぞれ許可及び阻止するために入口部に関して開位置から閉位置まで移動可能である。入口部及び調整器は、その間に制御ゾーンを規定する。制御ゾーン下流の圧力モジュレータは、制御ゾーン前後の圧力差を最小にするようになっている。圧力モジュレータは、制御ゾーン下流の流れを妨げる。
【0015】
本発明は、制御ゾーン下流のノズルの圧力を調節することで制御ゾーン前後の急激な圧力低下を減少させ、制御ゾーン直下流の流れの乱流を低減し、流量調整の過敏性を取り除く。本発明のノズルは、制御ゾーンの領域における浸食を低減して流量調整を安定化することができるので、連続鋳造時の流量制御及び鋳型レベル制御が改善される。
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、以下の説明から明らかになるであろう。
【0016】
(発明を実施するための最良の形態)
図8及び図9は、本発明のノズル100の第1の実施形態を示す。図8は、ノズル100が組み込まれている、湯溜まり15から鋳型20への液体金属の流量制御システムを示す。図9はノズル100の拡大図を示す。
【0017】
図9を参照すると、ノズル100は、圧力モジュレータ入口挿入部105と本体110との2つの構成部品を含む。ノズル100は、点121から点122まで延びる入口部120と、点122から点123、点124、点125、及び点126まで延びる圧力モジュレータ部130、及び点126から点127まで延びる下側部140の3つの部分に分割されている穴115を有する。
圧力モジュレータ130は、急激かつ強力な圧縮流動を引き起こす。圧縮は、以下に説明するように、ノズル100の制御ゾーン前後の圧力差を最小にして、そこでの浸食作用を低減すると共に制御ゾーンの大きさ及び形状を安定させる。このことは、ハンチングを少なくして流量安定性を高める。
【0018】
図8を参照すると、ノズル100は、ストッパーロッド30のノーズ50と、該ノーズ50と反対側のノズル穴115の入口部120との間に位置する制御ゾーン55を有する。当業者であれば、ストッパーロッド30に代えて任意の公知の流量調整器を使用できることを理解できるであろう。
各々の制御ゾーン55は、ノズル穴115の入口部120とストッパーのノーズ50との間の開通路の最も狭い部分である。一般的に、各々の制御ゾーン55は、圧力モジュレータ部130の上方に位置しており、制御ゾーン55を変更でき、圧力モジュレータ部130への液体金属の流量を調整できる任意の構造によって形成される。
【0019】
ノズル100の圧力調節は、収縮ゾーンによってもたらされる。図8の液体金属システムは、ノズル100の制御ゾーン55の下流に位置する収縮ゾーン150を有する。収縮ゾーン150は、圧力モジュレータ挿入部105により形成されている、ノズル穴115の最も狭い部分を横切って配置される。ストッパーロッド30がノズル穴115の入口部120を閉鎖しない場合、流れを許容するように制御ゾーン55が開き、湯溜まり15内で重力によって引き起こされる液体金属10の圧力は、液体金属10を湯溜まり15からノズル100へ流出させる。流量が最大流量未満の場合、制御ゾーン55の開口面積の特性は、ノズル100、その後に鋳型20への流量の調整における主要因である。
【0020】
湯溜まり15から制御ゾーン55を通ってノズル100の入口部120へ、その後、収縮ゾーン150を通って下側部140へ流出する際の液体金属10の圧力変動は、図10に概略的に示されている。点60は、制御ゾーン55上流の湯溜まり15に収容されている液体金属内の全体的位置を表す。制御ゾーン55下流であるがノズル穴115のモジュレータ部130内の収縮ゾーン150上流の、ノズル穴内の全体的位置を表す。点80は、収縮ゾーン150下流のノズル穴115の下側部140におけるノズル穴内の全体的位置を表す。
【0021】
図10に示すように、制御ゾーン55前後の最初の小さな圧力低下の後に収縮ゾーン150を横切る別の圧力低下が生じる。図8、10、17、及び19の点60及び点65は、図3、4、6、及び7の点60及び点65に類似している。図10を図4及び図7と比較すると、圧力モジュレータ部130の収縮ゾーン150は、制御ゾーン55前後の圧力低下の大きさを低減することが分かる。つまり、点65の圧力は、制御ゾーン55前後の圧力低下が低減されるように調節される。
【0022】
図9を再び参照すると、ノズル100の圧力モジュレータ130は、A、B、L1、及びL2の設計パラメータを有する。単純化するために、図11から図16は、前述のパラメータを変更して得られる種々の構造の描線による概略図を示す。「A」は、収縮ゾーンの寸法である。「B」は、収縮ゾーンの直上流の穴の圧力モジュレータ部130内の開通路の寸法である。「L1」は、収縮ゾーン上方の圧力モジュレータの長さである。「L2」は、収縮ゾーンの長さである。圧力モジュレータ内の収縮ゾーン上流の流れ領域は圧力空間である。収縮比はB/Aで定義される。圧力空間比はL1/Bで定義される。相対収縮長さ比はL2/Aで定義される。
【0023】
点65の圧力は、圧力モジュレータの収縮比、圧力空間比、及び相対収縮長さ比の影響を受ける。点65の圧力に有効に影響を与えて調節するためには、圧力空間内の流れ分離を最小限にする必要があり、そのためには一般に、収縮比(B/A)を約1.4より大きくすること、圧力空間比(L1/B)を約0.7より大きくかつ8.0未満にすること、及び相対収縮長さ比(L2/A)を約6.0未満にする必要がある。
【0024】
また、図11から図16は、収縮部の棚部と上流のノズル穴との間の角度Φを示す。この角度Φの大きさは、流れを妨げる効率、結果的に圧力モジュレータの効力に影響を与える。許容できる効率を得るためには、角度Φは約135°、好ましくは約80°から100°の範囲である必要がある。
角度Φが大きすぎるか又は小さすぎる場合、圧力モジュレータは、流れの急激な収縮又は強い圧力勾配に対して効果を発揮できず、結果的に圧力を調節できない。圧力モジュレータが圧力を調節できない場合は、従来のノズルと同様に、ノズルはノズル制御ゾーン前後の圧力差を低減できないであろう。圧力差が低減すると、浸食作用が低減されて制御ゾーンの大きさ及び形状が安定するので、結果的にハンチングが少なくなり流量安定性が高まる。
【0025】
例えば、角度Φが小さすぎる場合、収縮部上流の圧力モジュレータの両壁が収縮ゾーンへ向かって拡大する図13のようにノズルが形成されると、圧力空間内に激しい流れ分離が発生する場合があるので、圧力調節は上手くできない。圧力空間内の流れ分離が発生すると圧力モジュレータの圧力調節性能は低下する。同様に、角度Φが小さすぎる場合、ノズルが図15のように形成されると、圧力空間内に激しい流れ分離が発生する場合がある。角度Φが小さくなると流れ分離が発生する危険性が高くなる。
また、図16は、収縮部の上面棚部と上流のノズル穴との間の半径Rを示す。また、許容できる効率及び効力を得るためには、半径Rは、(B−A)/2未満、好ましくは(B−A)/4未満である必要がある。
【0026】
液体金属10の流れは、長さL1を規定する部分に最も近い圧力モジュレータに流入し、この部分は、L1/Bの比は、約0.7から8.0、好ましくは約1.0から2.5の範囲にある全体的寸法Bを有する。流れは、圧力モジュレータ部130の棚部135において妨げられ、全体的寸法BはAまで小さくなる。B/Aの比は、約1.4より大きく、好ましくは約1.7から2.5の範囲にある必要がある。前述のように、棚部は、棚部と圧力モジュレータの穴との間の角度Φを規定する。角度Φは、約135°未満、好ましくは約80°から100°の範囲に有ることが必要である。圧力モジュレータの収縮部は、長さL2を有し、L2/Aの比は、約6.0未満、好ましくは0.3から0.5の範囲にある。
【0027】
図17は、本発明による第2の実施形態のノズル200が組み込まれている、湯溜まり15から鋳型20への液体金属の流量制御システムを示す。図18に示すように、ノズル200は、入口挿入部203、圧力モジュレータ挿入部205、及び本体210の3つの構成部品を含む。ノズル100と同様に、ノズル200は、点221から点223まで延びる入口部220、点223から点227まで延びる圧力モジュレータ部230、及び点227から点228まで延びる下側部240の3つの部分に分割されている穴215を有する。入口挿入部203と圧力モジュレータ挿入部205とは、各々異なる速度で摩耗するので別体になっている。入口挿入部203及び圧力モジュレータ挿入部205は必要に応じて別々に交換できる。
【0028】
圧力モジュレータ130と同様に、圧力モジュレータ230は、急激かつ強力な流体圧縮を引き起こすので、ノズル200の制御ゾーン前後の圧力差、及びそこでの浸食を最小にし、最終的に流れ安定性を高めることができる。
【0029】
また、本発明は、図20から図26の構造を想定することができ、全ての構造は、前述の圧力調節を可能にするノズル300、400、500、600、700、800、及び900を含む。ノズル300、400、500、600、700、800、及び900の各々は、図8及び図17の3つの部分に対応する、3つの部分を有する。即ち、入口部320、420、520、620、720、820、又は920、圧力モジュレータ部330、430、530、630、730、830、又は930、及び下側部340、440、540、640、740、840、又は940である。図20から図23は、後段調節型の種々の目的のための異なる構造を備える下側部の実施形態を示す。図24から図26は、前段調節型の種々の目的のための異なる構造を備える入口部の実施形態を示す。圧力モジュレータが前述のものである限る、種々の後段調節型又は前段調節型の形状は、有益な効果をもたらすであろう。
【0030】
本発明は、特定の実施形態に関連して説明されているが、当業者であれば、多くの別の変更例及び変形例、及び別の用途を理解できるであろう。本発明は、本明細書の特定の開示内容に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術の連続鋳造ノズルが組み込まれている液体金属の流量制御システムの概略図である。
【図2】 図1の従来技術のノズル入口部及びノズル穴の下側部に関する部分拡大概略図である。
【図3】 第2の従来技術の連続鋳造ノズルが組み込まれている液体金属の流量制御システムの概略図である。
【図4】 図3の構造を通って流れる液体金属の流体圧力のグラフである。
【図5】 図1の従来技術の別のノズル入口部及びノズル穴の下側部に関する部分拡大概略図である。
【図6】 図5のノズルが組み込まれている液体金属の流量制御システムの概略図である。
【図7】 図6の構造を通って流れる液体金属の流体圧力のグラフである。
【図8】 本発明による第1の実施形態の連続鋳造ノズルが組み込まれている液体金属の流量制御システムの概略図である。
【図9】 図8の実施形態の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図10】 図8の実施形態を通って流れる液体金属の流体圧力のグラフである。
【図11】 図8及び図9の実施形態のための圧力モジュレータの概略図である。
【図12】 図8及び図9の実施形態のための別の圧力モジュレータの概略図である。
【図13】 図8及び図9の実施形態のための別の圧力モジュレータの概略図である。
【図14】 図8及び図9の実施形態のための別の圧力モジュレータの概略図である。
【図15】 図8及び図9の実施形態のための別の圧力モジュレータの概略図である。
【図16】 図8及び図9の実施形態のための別の圧力モジュレータの概略図である。
【図17】 本発明による第2の実施形態の連続鋳造ノズルが組み込まれている液体金属の流量制御システムの概略図である。
【図18】 図17の実施形態の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図19】 図17の実施形態を通って流れる液体金属の流体圧力のグラフである。
【図20】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図21】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図22】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図23】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図24】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図25】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
【図26】 本発明の入口部、圧力モジュレータ、及び下側部に関する部分拡大概略図である。
Claims (7)
- 液体金属が流れ、且つ液体金属の流れを制御するために可動式ストッパーロッドと共に使用するようになっている、ノズルであって、
前記液体金属が流れ方向に流れる貫通穴を規定する内面と、
可動式ストッパーロッドのノーズとの間に制御ゾーンが規定される入口部と、
前記制御ゾーンの下流に位置する圧力モジュレータを有する圧力モジュレータ部と、
前記圧力モジュレータ部の下流に位置する下側部と、を備え、
前記圧力モジュレータは、流れの圧縮を生じさせることによって、前記制御ゾーン前後の圧力差を低減するようになっており、
前記圧力モジュレータ部は、前記流れ方向に配置された側面と、前記流れ方向に対して直交する底面を有し、前記側面及び前記底面は、角度Φを定め、前記角度Φは、135°よりも小さく、
前記圧力モジュレータは、前記ノズルに取付けられる挿入部を備え、前記挿入部は、前記入口部を規定し、前記入口部下流及び前記圧力モジュレータの下流の流れを妨げるための、少なくとも1つの収縮ゾーンを含み、前記収縮ゾーンは、前記流れ方向に直交する幅「A」を有し、前記圧力モジュレータ部は、前記流れ方向に直交する幅「B」を有し、前記圧力モジュレータ部の側面及び底面の間に、半径Rの丸みを形成し、前記半径Rは、(B−A)/2未満であることを特徴とするノズル。 - 前記収縮ゾーンは、前記流れ方向の長さ「L2」を有し、前記圧力モジュレータ部は、前記流れ方向の長さ「L1」を有することを特徴とする請求項1に記載のノズル。
- 前記幅「B」を前記幅「A」で除算した収縮比「B/A」、前記長さ「L1」を前記幅「B」で除算した圧力空間比「L1/B」、及び前記長さ「L2」を前記幅「A」で除算した相対収縮長さ比「L2/A」の各々は、流れの剥離を低減するように選択されることを特徴とする請求項2に記載のノズル。
- 前記幅「B」を前記幅で「A」除算した収縮比「B/A」は、1.4よりも大きいことを特徴とする請求項2又は3に記載のノズル。
- 前記長さ「L1」を前記幅「B」で除算した圧力空間比「L1/B」は、0.7よりも大きくかつ8.0未満であることを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載のノズル。
- 前記長さ「L2」を前記幅「A」で除算した相対収縮長さ比「L2/A」は、6.0未満であることを特徴とする請求項2から5のいずれか1項に記載のノズル。
- 請求項1から6のいずれか1項に記載のノズル内の、特定の流れ方向を有する流体の流れを制御するための方法。
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