JP6135708B2 - 連続鋳造用の浸漬ノズル及び浸漬ノズルを用いた連続鋳造方法 - Google Patents
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Description
前記浸漬ノズル1においては、通常、垂直方向に設けられた内孔2から、吐出孔4を通じて水冷鋳型8へ溶鋼7を供給する。この連続鋳造においては、水冷鋳型8内における凝固過程の安定性と、製品の欠陥の原因となる鋳片内への介在物の巻き込みの低減とが求められている。特に、浸漬ノズル1は水冷鋳型8に溶鋼7を直接供給するため、凝固の安定性や介在物の巻き込みの低減などを目的として様々な改善がなされており、この浸漬ノズル1の形状には種々の形状のものがある。
さらに、特許文献4には、浸漬ノズルの側壁に水平面から上方向に0〜15°の吐出角度を持つ吐出孔を設けた例が紹介されている。適切な角度とすることで、溶鋼メニスカス部での溶鋼の更新を行うことができるとしている。
一方、後述のように本発明においては、側面吐出孔において吐出孔出口を吐出孔入口より小さくして先端を絞ることを特徴とするのであるが、それに関連する発明としては以下のようのものがある。
このような上向きの吐出孔を持つ浸漬ノズルを用いた場合、しばしば鋳片欠陥が発生する。
本発明は、浸漬ノズルの側壁に開けた吐出孔から、水平方向に対して上向きの吐出流を得て水冷鋳型内の溶鋼のメニスカス部の湯面の更新を図り安定した連続鋳造を行いながら、浸漬管の外側から吐出孔への溶鋼の吸い込みを抑制できる浸漬ノズルの供給にある。
その結果、図12のように水平方向から上向きにストレートに開けた吐出孔4の場合、浸漬ノズル1の内孔2から浸漬ノズル1の外側に向かう吐出流は斜めの吐出孔4の下部を主として流れ、上部では浸漬管の外部から浸漬ノズル1の内側に向かって逆流が起こり、その部分で溶鋼7の吸い込みが起こっていることを確認した。
そこで、吐出孔4の上部で発生する浸漬管外部から内部に向かった逆流を防止すべく、様々な吐出孔の形状について検討した。この際、浸漬管の側面吐出孔からの吐出方向と吐出流量によって決まる溶鋼表面における流れの状態が変化しないことを前提とした。
その結果、特許文献5と特許文献6に開示された吐出孔と類似した形状ではあるが、吐出孔の上端と下端の角度を変えて吐出孔の先端を絞るような形状にするとともに、上端と下端の角度をある特定の角度にし、また、吐出孔4の入口の面積と出口の面積を適正化することで、吐出孔4上部からの溶鋼7の逆流を防止する方法を見出したものである。
すなわち、本発明による前述の構成と方法により、やや上向きの溶鋼吐出流を維持することができ、水冷鋳型内の溶鋼湯面付近に温度の高い溶鋼を適正量供給し、メニスカスレベルを安定させるとともに、モールドパウダーの安定的な溶融を促し、溶融鋳型パウダー系凝固物であるスラグベアの生成を抑制することができる。
また、浸漬ノズル外側から吐出孔への溶鋼の吸い込みを押さえることができ、溶鋼の吸い込みに起因する鋳片欠陥の発生を抑えることができる。
さらには、浸漬ノズル外側から吐出孔への溶鋼の吸い込みを抑えることができ、溶鋼の吸い込みによっておこる溶融モールドパウダーによる吐出孔の溶損を抑制することができるので、良好な吐出流を維持でき、そのため、製品欠陥の少ない鋳片を鋳込むことが可能となる。
尚、従来例と同一又は同等部分には同一符号を付して説明する。
図1は周知の連続鋳造装置の一部である浸漬ノズル1の下部側壁1Mの要部を拡大し、かつ、吐出孔4の中心線43を通る吐出孔4付近の断面を示している。
前記吐出孔4は前記浸漬ノズル1の内孔2と連通し、前記内孔2内に供給された溶鋼7は前記吐出孔4を介して水冷鋳型8内へ吐出されるように構成されている。
前記吐出孔4の内孔2側の吐出孔入口44から供給された前記溶鋼7は、吐出孔上端41の上端角度51及び吐出孔下端42の下端角度52を介して水冷鋳型8側へ吐出され、この水冷鋳型8内で溶鋼湯面付近から浸漬ノズル1に沿って降下した溶鋼の流れEは、前記吐出孔出口45から吐出される溶鋼吐出流Iと合流し、水冷鋳型8へ向かって流れる。このため、吐出孔4への溶鋼の吸い込みを起こすことがない。
また、図3は、吐出孔4の前記上端角度51を逆方向の傾斜とすると共に、前記下端角度52の傾斜を図2よりもやや急峻とした形態を示している。
また、図5は、図1の円筒形の浸漬ノズル1の縦断面を示す。
また、図6は図5の浸漬ノズル1のD−D断面図であり、前記吐出孔4が4個形成されていると共に、前記各吐出孔4の間には柱部46が形成されている。
すなわち、本発明は、吐出孔4の吐出孔上端41の上端角度51と下端角度52を適正化することを特徴とするものである。前記の通り、吐出孔入口44から吐出孔出口45に向かって上方向に傾斜する場合の符号をプラスとし、下方向に傾斜する場合の符号をマイナスとする。さらに、前記吐出孔上端41の角度と比較して、前記下端角度52を上方向に大きくすることによって、前記吐出孔入口44の面積に比較し、前記吐出孔出口45の面積を小さくして、吐出孔4の先端を絞った形状となる。従って、適度に絞り込むことで、良好な吐出流を生むと同時に、吐出孔出口45からの溶鋼7の逆流を抑制することが可能となる構成である。
尚、本発明においては、浸漬ノズル1の垂直断面を前記垂直方向断面Fと吐出孔垂直断面Gに分けて説明している。
すなわち、前記垂直方向断面Fは、図1〜図5及び図12で示すような段落0026で説明済のノズル中心線3を含む垂直断面のことで段落0026で説明している。
また、前記吐出孔垂直断面Gは、図7〜図10で示すような吐出孔出口45の断面で、段落0029で説明している。
前記吐出孔4の中心線43と浸漬ノズル1の中心軸3が交差する場合と交差しない場合を含め、吐出孔4の中心線43とノズル中心軸3と平行な直線とがなす面と垂直かつ、ノズル中心軸3に平行な面で切断した際の吐出孔出口45の断面を図7で示す吐出孔垂直断面Gと定義する。吐出孔垂直断面Gの形状は特には規定されないが、例えば、円形、楕円、長円形、矩形などとすることができる。
前記吐出孔出口45における吐出孔垂直断面Gの形状は、円形断面より縦方向の長さHより横方向の長さWが大きい横長の楕円形または長円形とすることがより好ましい。吐出孔出口45における吐出孔垂直断面Gの形状を楕円形または長円形とすることで、吐出孔出口45の上方の溶鋼を吸い込みを抑えることができる。より好ましい縦横比H/Wは、0.3〜0.65の範囲である。0.3未満では、開口部の幅Wが大きくなりすぎて、浸漬ノズル1の底部を支える吐出孔4の柱部46が細くなって強度が低下するという問題点がある。
前記吐出孔垂直断面Gを矩形とした場合、矩形の角部をC形状、あるいはR形状としてもかまわない。R形状とすることで、角部への応力集中を防いで浸漬ノズルを割れ難くする。
また、前記吐出孔垂直断面Gの形状を吐出孔入口44から吐出孔出口45に向かって、途中で形状を変更してもさしつかえない。例えば、吐出孔入口44の形状を円形として、吐出孔出口では楕円または長円とするなどとしても良く、種々の組み合わせができる。
一方、吐出孔4をノズル側面に複数個設けるのと併せて、図4のように、浸漬ノズル下面に底部吐出孔47を設けても良い。底部吐出孔47の浸漬ノズル下面に平行な方向な断面における形状は円形であることを基本とするが、多角形形状でも構わない。また、浸漬ノズル下面1Aに垂直な断面方向での形状は、直線をなす場合、曲線をなす場合、複数の直線または曲線を組み合わせる場合、中央部で凸となる形状などを選択できる。
更には、複数個の底部吐出孔47を開けることも可能である。また、複数個開けた底部吐出孔47の吐出方向をノズル中心軸3に対して傾斜を持たせ、さらに吐出方向がノズル中心軸3と交わらないように設けることも可能である。
ノズル材質としては、アルミナ-黒鉛質をはじめ、マグネシア-黒鉛質、スピネル−黒鉛質、ジルコニア−黒鉛質、アルミナ質、粘土質、スピネル質、溶融石英質等が使用可能である。
(実施例1)
本発明の効果を数値解析によって検証した。また、いくつかの数値解析の結果を水モデル実験によって確かめ、数値解析結果が正しいことを確認した。
数値解析はCHAM−Japan社製の流体解析ソフトウェア「PHOENICS VR editor 2014」を使用した。この流体解析に用いたパラメータは以下の通りである。
・計算セル数:約80万(モデルにより変動)
・流体:溶鋼(1560℃、密度7.08g/cm3)
表1及び表2で示す4孔ブルーム連続鋳造機において、吐出孔を浸漬ノズル下部側面に4つ設けた4孔タイプの浸漬ノズルについて数値解析による検討を行った。この際、浸漬ノズルの内径はφ58mm、モールド断面サイズは300mm×400mmで、スループットを0.6t/分とした。
表1に、本発明例を、表2に比較例を示す。
「吐出孔出口からの吸い込み」については、数値解析の結果を基に以下のように評価した。吐出孔上部での吸い込みが極めて大きい:×××、吸い込みが大きい:××、吸い込みはあるが小さい:×、吸い込みは無いが流れが停滞:△、吐出孔上部でも小さい吐出流がある:○、吐出孔上部でも大きな吐出流がある:◎。ただし、吸い込みは無いが流れが停滞する場合、停滞部に介在物が堆積する恐れがあるので必ずしも好ましい状態ではないが、許容範囲とした。
「表面流速」については、鋳型内の溶鋼表面に適切な量の溶鋼が供給されるかどうか判断した。数値解析結果から、溶鋼表面における浸漬ノズルの中心軸と水冷鋳型の中点での、水冷鋳型から浸漬ノズル方向への流速を読み取り、表面流速と規定した。表面流速は、大きい方から順に、過大、大、やや大、適量、やや小、小、過小と判定した。適量であることが好ましいが、やや大、やや小については使用の許容範囲とした。一方、過大、大は不適当と判定し、また、小、過小も不適当と判定した。
本発明品は、いずれも吐出孔上部での溶鋼の吸い込みが無く、また、鋳型内の表面流速も適切な大きさとなった。
それに対し、比較例1は、吐出孔上端と下端の角度がいずれも30°の場合であるが、著しい溶鋼の吸い込みがあって好ましくない。
比較例2は、特許文献5の第2図を模したものであり、吐出孔下端の角度が小さいため、表面流速が小さくなったため好ましくない。吐出孔上端と下端の角度差が小さいためか、溶鋼の吸い込みが少ないながら観測され、この点でも好ましくない。
比較例3は、吐出孔上端角度を−15°とした場合であるが、表面流速が低下した。
比較例4は、吐出孔上端角度を15°とした場合であるが、表面流速は適正となったが、吐出孔からの吸い込みが大きかった。
比較例5は、吐出孔下端角度が小さすぎる場合で、表面流速が小さくなり、また、吸い込み無いが吐出孔上部で溶鋼の停滞が観測され、好ましくない。
比較例6は、吐出孔下端の角度が50°と大きすぎる場合で、表面流速が大きくなり好ましくない。
このように、前述の実施例Aによって本発明の優位性は明らかである。
表3及び表4で示す2孔のスラブ連続鋳造機において、吐出孔を浸漬ノズル下部の側面に2つ設けた2孔の浸漬ノズルを用いた場合について数値解析により検討した。浸漬ノズルの内径はφ60mm、モールドサイズは220mm×1600mm、スループットは1.8t/分とした。
表3に本発明例を、表4に比較例を示す。
本発明例は、いずれも良好な結果を得た。
それに対し、比較例7は、吐出孔上端と下端の角度がいずれも30°の場合であるが、著しい溶鋼の吸い込みがあって好ましくない。
比較例8は、特許文献5の第2図を模したものであり、吐出孔下端の角度が小さいため、表面流速が小さくなったため好ましくない。吐出孔上端と下端の角度差が小さいためか、溶鋼の吸い込みが少ないながら観測され、この点でも好ましくない。
表5及び表6で示す5孔のブルーム連続鋳造機において、吐出孔を浸漬ノズル下部側壁に4つと浸漬ノズル下面に吐出孔を1つ設けた5孔タイプの浸漬ノズルについて数値計算による検討を行った。この際の計算条件は実施例Aと同様で浸漬ノズルの内径はφ58mm、下孔径はφ30mm、モールド断面サイズは300mm×400mmでスループットを0.6t/分とした。
表5に本発明例を、表6に比較例を示す。
本発明例は、いずれも良好な結果を得た。
それに対し、比較例9は、吐出孔上端と下端の角度がいずれも30°の場合であるが、著しい溶鋼の吸い込みがあって好ましくない。
比較例10は、特許文献5の第2図を模したものであり、吐出孔下端の角度が小さいため、表面流速が小さくなったため好ましくない。吐出孔上端と下端の角度差が小さいためか、溶鋼の吸い込みが少ないながら観測され、この点でも好ましくない。
ブルーム連続鋳造機において、吐出孔を浸漬ノズル下部側面に4つ設けた4孔タイプの浸漬ノズルおいて、前述の本発明品3と比較例1を用いて、介在物の低減効果を確認した。
炭素量が0.05%の普通鋼を用い、浸漬ノズルの内径はφ58mm、モールド断面サイズが300mm×400mmで、スループットを0.6t/分として連続鋳造を行った。
各浸漬ノズル当たり300tの鋳造を行い、介在物起因の欠陥発生数を比較した。欠陥発生率は比較例1の欠陥発生率を100とした際、68にまで減少した。
また、使用後のノズルを回収して観察したところ、比較例1の浸漬ノズルでは、吐出孔内の上部は溶損されており、付着スラグからは溶融モールドパウダー成分が検出された。このことから、溶融モールドパウダーの吸い込みが発生していたことが確認された。
それに対し、本発明品3では、吐出孔は健全であり、溶融モールドパウダーの吸い込みは確認されなかった。
このことからも、本発明の優位性は明らかである。
すなわち、円筒形をなす浸漬ノズル1の下部側壁1Mの外表面1aに複数個の横向きの吐出孔4を設け、水冷鋳型8内に溶鋼を直接供給するようにした構成よりなる連続鋳造用の浸漬ノズルにおいて、前記吐出孔4の中心線43を通り前記浸漬ノズル1のノズル中心軸3と平行な断面である垂直方向断面Fでみて、前記吐出孔4の上端角度51を水平面50に対して上方向に水平+10°から下方向に水平10°とし、前記吐出孔4の下端角度52は前記水平面50から上方向に水平+20°〜45°とし、前記吐出孔4の吐出孔入口44の第1断面積をAとし、前記吐出孔4の吐出孔出口45の第2断面積をBとした時、前記第1断面積Aに対する前記第2断面積Bの比をR(R=B/A)とすると、Rが0.4以上、0.65以下である構成であり、また、前記吐出孔4の前記中心線43と前記ノズル中心軸3と平行な直線とがなす面と垂直かつ、前記ノズル中心軸3に平行な面で切断した際の吐出孔出口45の断面を吐出孔垂直断面Gとした際、前記吐出孔垂直断面Gが矩形であり、前記吐出孔出口45高さをH、出口幅をWとした時、縦横比H/Wが0.3〜0.65の横長の矩形である構成であり、また、本発明による浸漬ノズルを用いた連続鋳造方法は、下部側壁1Mの外表面1aに複数個の横向きの吐出孔4を設けると共に円筒形をなす浸漬ノズル1を用いて水冷鋳型8内に溶鋼を直接供給するようにした浸漬ノズルを用いた連続鋳造方法において、前記吐出孔4の中心線43を通り前記浸漬ノズル1のノズル中心軸3と平行な断面である垂直方向断面Fでみて、前記吐出孔4の上端角度51を水平面50に対して上方向に水平+10°から下方向に水平10°とし、前記吐出孔4の下端角度52は前記水平面50から上方向に水平+20°〜45°とし、前記吐出孔4の吐出孔入口44の第1断面積をAとし、前記吐出孔4の吐出孔出口45の第2断面積をBとした時、前記第1断面積Aに対する前記第2断面積Bの比をR(R=B/A)とすると、Rが0.4以上、0.65以下である方法であり、また、前記吐出孔4の前記中心線43と前記ノズル中心軸3と平行な直線とがなす面と垂直かつ、前記ノズル中心軸3に平行な面で切断した際の吐出孔出口45の断面を吐出孔垂直断面Gとした際、前記吐出孔垂直断面Gが矩形であり、前記吐出孔出口45高さをH、出口幅をWとした時、縦横比H/Wが0.3〜0.65の横長の矩形である方法である。
1a 外表面
1M 下部側壁
2 浸漬ノズルの内孔
3 ノズル中心軸
4 吐出孔
7 溶鋼
8 水冷鋳型
9 溶融モールドパウダー
10 吐出孔壁
41 吐出孔上端
42 吐出孔下端
43 吐出孔の中心線
44 吐出孔入口
45 吐出孔出口
46 吐出孔の柱部
47 浸漬ノズル下面の底部吐出孔
50 水平面
51 上端角度(θ(U))
52 下端角度(θ(L))
F 垂直方向断面
G 吐出孔垂直断面
I 溶鋼吐出流
Claims (4)
- 円筒形をなす浸漬ノズル(1)の下部側壁(1M)の外表面(1a)に複数個の横向きの吐出孔(4)を設け、水冷鋳型(8)内に溶鋼を直接供給するようにした構成よりなる連続鋳造用の浸漬ノズルにおいて、
前記吐出孔(4)の中心線(43)を通り前記浸漬ノズル(1)のノズル中心軸3と平行な断面である垂直方向断面(F)でみて、前記吐出孔(4)の上端角度(51)を水平面(50)に対して上方向に水平+10°から下方向に水平10°とし、
前記吐出孔(4)の下端角度(52)は前記水平面(50)から上方向に水平+20°〜45°とし、前記吐出孔(4)の吐出孔入口(44)の第1断面積を(A)とし、前記吐出孔(4)の吐出孔出口(45)の第2断面積を(B)とした時、前記第1断面積(A)に対する前記第2断面積(B)の比をR(R=B/A)とすると、Rが0.4以上、0.65以下であることを特徴とする連続鋳造用の浸漬ノズル。 - 前記吐出孔(4)の前記中心線(43)と前記ノズル中心軸(3)と平行な直線とがなす面と垂直かつ、前記ノズル中心軸(3)に平行な面で切断した際の吐出孔出口(45)の断面を吐出孔垂直断面(G)とした際、前記吐出孔垂直断面(G)が矩形であり、前記吐出孔出口(45)高さを(H)、出口幅を(W)とした時、縦横比H/Wが0.3〜0.65の横長の矩形であることを特徴とする請求項1に記載の連続鋳造用の浸漬ノズル。
- 下部側壁(1M)の外表面(1a)に複数個の横向きの吐出孔(4)を設けると共に円筒形をなす浸漬ノズル(1)を用いて水冷鋳型(8)内に溶鋼を直接供給するようにした浸漬ノズルを用いた連続鋳造方法において、
前記吐出孔(4)の中心線(43)を通り前記浸漬ノズル(1)のノズル中心軸(3)と平行な断面である垂直方向断面(F)でみて、前記吐出孔(4)の上端角度(51)を水平面(50)に対して上方向に水平+10°から下方向に水平10°とし、
前記吐出孔(4)の下端角度(52)は前記水平面(50)から上方向に水平+20°〜45°とし、前記吐出孔(4)の吐出孔入口(44)の第1断面積を(A)とし、前記吐出孔(4)の吐出孔出口(45)の第2断面積を(B)とした時、前記第1断面積(A)に対する前記第2断面積(B)の比をR(R=B/A)とすると、Rが0.4以上、0.65以下であることを特徴とする浸漬ノズルを用いた連続鋳造方法。 - 前記吐出孔(4)の前記中心線(43)と前記ノズル中心軸(3)と平行な直線とがなす面と垂直かつ、前記ノズル中心軸(3)に平行な面で切断した際の吐出孔出口(45)の断面を吐出孔垂直断面(G)とした際、前記吐出孔垂直断面(G)が矩形であり、前記吐出孔出口(45)高さを(H)、出口幅を(W)とした時、縦横比H/Wが0.3〜0.65の横長の矩形であることを特徴とする請求項3に記載の浸漬ノズルを用いた連続鋳造方法。
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