JP5116852B2 - 鋳造ノズル - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属を上方の冶金容器から下方の冶金容器に移すための注入ノズルに関する。特に、溶鋼をタンディッシュから鋳型へ、或いは、鋳造取鍋からタンディッシュに移すための耐火物製の注入ノズルに関する。

冶金容器の一方から他方に移すための注入ノズルは、溶融金属と大気との化学的な侵食を防止し、また周辺の雰囲気から熱的に遮蔽するために使用されるが、溶融金属から強く熱応力を受け磨耗する部材であり、その寿命が鋳造時間を制限する。最近、従来技術に記載されているノズルの挿入／除去装置が、この問題を解決してきた。（例えば、米国特許ＵＳＰ4,669,528号参照）。

例えば、ノズル注入路や溶融金属の注入流を配分するノズル孔にAl2O3等の非金属介在物が付着し堆積するノズル閉塞により鋳造ができなくなる場合や、鋳型内のメニスカス近傍でノズル外壁の侵食が一定のレベルに達し又はノズルが折損すると、直ちに、鋳造を中断し、十分短い時間で、磨耗したノズルが新しいノズルに交換され、鋳造が継続される。
通常このノズルは、アルミナグラファイト製で、形状は上部にフランジ状のプレートとこのフランジに続き円筒状注入路があり、溶融金属に浸漬する部位に注入流を配分するノズル孔を備える。

即ち、これらの装置においては、注入路を構成する管状部とその上端で注入孔を備えたプレートとで構成された注入ノズルを使用する。前記プレートは、注入路の上流部材に接触する上面と、ノズルの下部と接続する下面を備えている。通常前記下面は、鋳造孔の両側に配置された２つの平坦な支持面を備えている。

ノズルは、ガイド内で、溶湯を上部のタンディシュから排出するノズルのような注入孔、或いは、そのような注入孔に取り付けられた底板、或いは注入孔（例えば、上部ノズル）と注入ノズルとの間に挿入された鋳造流量制御装置に取り付けられた固定プレート、のいずれかの平坦な下面に対しても摺動するようになっている。本発明において、注入ノズルという場合、これは上部ノズルのような固定されたノズルではなく、装置内を摺動するようになっている注入ノズルとする。

ＰＣＴＷＯ００／３２３３７号公報には、金属ケースと耐火性ノズルとの間に衝撃吸収中間領域を備えたノズルが記載されている。
この中間領域は、周辺温度では固体であるが高温では変形する熱特性を有する材料で構成される。この緩衝領域は、鋳造の開始時に現れる熱-機械的応力によって発生する亀裂や微小亀裂の形成の危険性を減少させる。特にこのノズルは、上向きに押付け力を伝達できる 押し付け装置のガイド内に摺動する注入ノズルを開示し、ノズルはフランジの下面にテーパを設けて、このテーパを斜め上方に押付け、ノズルを固定する。この押付け力は、注入孔の一定の距離に配置されたバネにより得られ、或いはロッカーによって起動する。
この上向きの押付け力が、注入ノズルプレートを上流の耐火性部材、特に上部ノズル或いは耐火性プレート、に相対的にしっかりと押し付ける。

注入ノズルは、一体ブロックであり、あるいは数個の耐火性部材を組み合わせて構成されうる。ほとんどの場合、プレートの下面、およびノズルの管状部の上端は、金属ケースにより保護されている。

しかしながら、管状部材の上端に位置する管状部材とプレートの接合の位置に、亀裂や微小亀裂がしばしば現れることがある。
これらの亀裂は、ノズルの使用中に発生することがある。亀裂は、過度の熱的応力、機械的応力或いは熱−機械的応力が起源である。
これらの応力は、このノズルを装置内に維持するために加えられた力、振動或いは溶融金属流によっても発生する。

これらの亀裂はノズル部材の破壊を引き起こす。ノズルに亀裂が発生した場合は亀裂を通じてノズル内に空気が吸引される。空気中の酸素或いは窒素は、液体金属、特に溶鋼にとっては重大な汚染源となる。さらに、酸素と高温が組み合わさった作用の下では、耐火性材料は、酸素侵入により、亀裂の程度はかなり増大する。
この亀裂がさらに耐火性材料の局部的な劣化を増加させ、鋳造を停止せざるを得ない程度にまで拡大する。

現状の技術において、ノズルの亀裂に対する抵抗性を増加させるためのいくつかの方法が提案されている。亀裂に対して優れた抵抗性を有する耐火性材料が知られている。しかし、これらの材料は、一般に侵食や腐食のような他の現象に対して敏感である。上記の解決手段及びここ数年続けられてきたそれらの改善により、技術は進歩したが、まだ多くの問題がある。

ノズル挿入及び／又は除去のための公知の装置では、ノズルプレート面を押してノズルを挿入する時の衝撃や、また、ノズル交換をする場合は新しいノズルを装置にセットし、新しいノズルのプレート前面で前ノズルのプレート後面を押出しながらノズル交換する。この時ノズルはフランジ部の側面下端傾斜面で押し付けられており、また、プレートが摺動するガイド方向からの押出し応力はプレート下端と本体首部の形状変化点を起点として水平及び上方に応力が掛り亀裂形成の原因となる。
プレートが摺動するガイドの方向に平行な軸の周りの曲げにより、変形することがある。

そこで、ＥＰ1590114Ｂ1（特表2006-515803）号公報には、図１に示すように、ノズル（１）のフランジ部（以下プレートという）（２）の下面側を2段の傾斜面（３、５）で構成し、押付け力（４）による亀裂発生を防止せんとしている。なを、この例ではプレートと注入ノズル（１）を金属ケースで保護されていない。このノズルは例えば図２に示すようにスプリングを介して押付け力を傾斜面（５）に対して作用させている。この図で、上部注入ノズル（７）は固定板（８）で固定されている。

上述の解決手段は、これらの曲げ応力を阻止し、或いはいこれら曲げ応力を緩和し、材料自体またはノズル組み立て技術に反映させることによって、これらの曲げ応力を低下させるものである。しかし、実施において、図３に示すような亀裂（１０、１１）が首部（１２）に発生することがあった。この理由はノズル押付け力は面積の小さい押付け板（９）で作用させているため、ノズル押付け力が水平方向又は垂直上方に向かい、図に示すような亀裂が発生しためであった。

このため、ノズル挿入時や鋳造中において、たびたびノズルが折損し、鋳造を中断した。
そこで更なる鋳造時間を延長し、安定した鋳造を行うためには、更なる改善が必要であった。そこで、新たなノズルを発明する必要があった。

米国特許ＵＳＰ４，６６９，５２８号公報 ＰＣＴＷＯ００／３２３３７号公報 ＥＰ１５９０１１４Ｂ１（特表2006-515803）号公報

従って、本発明は、使用の際に発生する応力及び、特に装置へのノズルの維持に関連した応力を分散するように設計された形状の注入ノズルの提供を目的とする。

本発明に係る注入ノズルは、連続鋳造において挿入又は除去装置に使用される注入ノズル(1)であって、溶融金属をタンディッシュから鋳型へ注入するための注入路(20)を有する管状部（21）と、該管状部の上端で該注入路(20)に接続される孔を有し、該注入路の上流の部材と接触する上面と、側面と、該管状部の上部と接続する下面とを有する４角形プレート(22)と、金属ケース(23)とを備え、対向する２つの側面が注入ノズル挿入又は除去方向と直角方向との両側にあり、該注入ノズル挿入又は除去方向と直角方向の側面と該下面との間に、所定の半径Ｒを有する凸状の円弧部(27)が形成されており、該プレートとこれに接続する該管状部の上部が該金属ケースで被覆補強されており、該円弧部(27)が、該ノズルの垂直方向に対して傾斜した支持平面(26)を有する挿入ガイド(25)によって支持されていることを特徴とする。

さらに、該側面上の該金属ケース部分に突起部(24)を設けることができ、該円弧部(27)が該挿入ガイド(25)の支持面によって支持されるとき、該突起部(24)が該挿入ガイド(25)の側面と接触することができる。
また、該突起部(24)は、前記金属ケースを成形加工する際に、一体的に形成されたものとすることができる。
さらに、該突起部(24)は、例えば、中心部の垂直方向断面が半球形状を有し、前記円弧部(27)の半径Ｒは、15ｍｍ以上であることが好適である。
さらに、該挿入ガイド(25)の支持面は、該傾斜した支持平面(26)に代えて、該円弧部(27)を支持するための、該半径Ｒより大きな半径の凹状円弧部(28)を有することができる。

本発明のノズルは、
１）押付け板２６（図４）が円弧部２７を１点で押付けるため押付け力が均等に分散し、ノズルの首部形状変化点（１０）での亀裂が発生しにくい。
２）従って、１本のノズルをより長時間使用でき、鋳造を中断せずそれだけ長時間使用でき、生産能率を保持できる。
３)また、ノズル交換のために鋳造を中断すると鋳片の表面性状が変化するためその部分をスカーフィング等をするので、製造歩留まりが低下するが、本発明ノズルでは、鋳片歩留まりが高くなる。その他多くの利点がある。

図１は従来技術の注入ノズルの断面を示す図である。 図２は従来注入ノズルの支持方法を示す図である。 図３は従来注入ノズルにおける亀裂発生箇所を示す図である。 図４は本発明の注入ノズルのX方向の断面図を示す図である。 図５は本発明の注入ノズルの上から見た平面図である。 図６は本発明の注入ノズルのY方向断面図である。 図７は本発明の注入ノズルのX方向の断面図と円弧部を円弧状支持部材で支持する他の態様を示す図である。

本発明をより理解しやすくするために、本発明の実施形態を図面を参照して記述するが、本発明はこれらの寸法に限定されるものではない。
本発明の注入ノズルは、先行文献に記載してあるとおり、例えばアルミナグラファイト製で、上部プレートの大きさは約２００ｍｍ角、厚さ４０ｍｍ、垂直方向の長さ１０００ｍｍ、注入孔の直径８０ｍｍ、外直径１５０ｍｍ前後のノズルである。ノズルの下端部にはノズル側方に溶湯を排出させる流出孔を備える。

このノズルは、主に鉄鋼の場合２００ｍｍ×１２００から２０００ｍｍ巾のスラブを鋳型で鋳造するために使用する。２００Tonの溶鋼を２ストランド連続鋳造機で約１時間で鋳造する。望ましくは、ノズル１本で、連続して長時間（例えば６時間）鋳造したいので、ノズルの折損、溶損を可及的に防止したい。
なお、上記において寸法、鋳造時間等を述べたが、これ等の数値に限定されない。

本発明のノズルの形状を、図４〜図７に示す。図４はノズル１を挿入する鋳型の厚み方向（Y方向という）のノズル断面図である。溶鋼は上部方向から注入路２０に流れる。挿入及び／又は除去装置用の注入ノズル１であって、該ノズルは、注入路２０を構成する管状部２１と、その上端で注入路２０を設けた孔を有する４角形プレート２２と、を備える。

前記プレート２２の厚みは例えば３０〜７０ｍｍ程度であり、注入路の上流の部材と接触する上面と、ノズルの管状部２１の上部と接続する下面と、ノズル挿入方向及びその直角方向(X方向という)にそれぞれ配置された側面（２つづつ）とを有し、Y方向の側面が所定の半径Rを有する円弧状の支持部(円弧部)２７に接続されており、X方向の側面は水平な支持面２９（図６参照）に接続されており、前記プレート２２とこれに接続する前記管状部２１上部が金属製ケース２３で被覆補強されていることを特徴とする。

さらに、前記ノズルは、ノズル上部を被覆補強する金属ケース２３を有し、Y方向の両面外側に挿入ガイド２５との隙間を充填する突起部２４を備えていることが望ましい。この突起部は、金属ケースを加工する際に一体的に成形されることがのぞましい。金属ケースは例えば鋼板で３〜５ｍｍの厚さがあり、強度が高い。

前記突起部２４の水平方向厚みと両先端部の差が１ｍｍ以上であり、Y方向では先端部又は後端部で０ｍｍ、又は先端部及び後端部の両方とも０ｍｍであり、ノズルを交換する場合、円滑にノズル支持ガイド２５に挿入できる構造となっている。

前記ノズルの円弧の半径Rは、１５ｍｍ以上４０ｍｍ以下で、例えば２０ｍｍであることが実用的である。このRは図４に示すように管状部外形とプレートの外形との水平方向の距離差と等しく、円弧部が開始し終了する間の垂直方向の高さでもある。従って円弧部は円の１/４円弧である。前記２つの円弧状の支持面２７は、ノズルを支持する垂直方向に傾斜した平面２６を備えているガイドで支持される。
また、この平面２６に代えて、前記半径Rより大きな半径を有する凹状円弧部２８で支持されることも可能である。

前記従来ノズルでアルミキルド鋼を２ストランド連続鋳造機で鋳造した場合と本発明のノズルを使用した場合の亀裂発生トラブル発生比率は下記の通りであり、１００本のテスト結果では０％になった。単にノズル費用を低減したばかりでなく、鋳造能率も２０％増加した。
操業条件
取鍋容量：２００ｔ
ＴＤ容量： ７０ｔ
モールド幅：２２５ｍｍ
モールド長さ：２０５０ｍｍ
鋳造速度 ：Ｍａｘ．１．６ｍ
２ストランド

トラブル発生率（％）

１ 注入ノズル
２ 従来ノズルのプレート部
３ 従来ノズルの管状部
４ ノズルに対する押付け力
５ 傾斜した平坦な支持面
７ 注入軸
８ 上部排出ノズルの固定板
７ 上部排出ノズル
９ ノズル押付け板
１０、１１ ノズル首部に発生する亀裂
１２ ノズル首部（プレートと管状部と接合部）
２０ 本発明ノズルの注入路
２１ 本発明ノズルの管状部
２２ 本発明ノズルの４角形プレート部
２３ 本発明ノズルの金属ケース
２４ 金属ケースのX方向外側に設けた突起部
２５ Y方向に挿入するためのガイド
２６ 上記ガイドの傾斜したノズル支持平面
２７ ノズル支持部の円弧部（半径R）
２８ 金属ケースを支持するガイドの凹部円弧部
２９ ノズル支持面

Claims (6)

1. 連続鋳造において挿入又は除去装置に使用される注入ノズル(1)であって、
   溶融金属をタンディッシュから鋳型へ注入するための注入路(20)を有する管状部（21）と、
   該管状部の上端で該注入路(20)に接続される孔を有し、該注入路の上流の部材と接触する上面と、側面と、該管状部の上部と接続する下面とを有する４角形プレート(22)と、
   金属ケース(23)とを備え、
   対向する２つの側面が注入ノズル挿入又は除去方向と直角方向との両側にあり、該注入ノズル挿入又は除去方向と直角方向の側面と該下面との間に、所定の半径Ｒを有する凸状の円弧部(27)が形成されており、
   該プレートとこれに接続する該管状部の上部が該金属ケースで被覆補強されており、
   該円弧部(27)が、該ノズルの垂直方向に対して傾斜した支持平面(26)を有する挿入ガイド(25)によって支持されている、
   ことを特徴とした注入ノズル。
2. さらに、該側面上の該金属ケース部分に突起部(24)を設け、該円弧部(27)が該挿入ガイド(25)の支持面によって支持されるとき、該突起部(24)が該挿入ガイド(25)の側面と接触することを特徴とする請求項1に記載の注入ノズル。
3. 該突起部(24)は、前記金属ケースを成形加工する際に、一体的に形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の注入ノズル。
4. 該突起部(24)は、中心部の垂直方向断面が半球形状を有することを特徴とする請求項2又は３に記載の注入ノズル。
5. 前記円弧部(27)の半径Ｒは、15ｍｍ以上であることを特徴とする請求項1に記載の注入ノズル。
6. 該挿入ガイド(25)の支持面が、該傾斜した支持平面(26)に代えて、該円弧部(27)を支持するための、該半径Ｒより大きな半径の凹状円弧部(28)を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の注入ノズル。

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