JP6527069B2 - 溶鋼用中間容器の操業方法 - Google Patents
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Description
さて、上注ぎ造塊法、下注ぎ造塊法に関わらず、大型鋼塊の造塊時は取鍋と鋳型の間に溶鋼用中間容器を設けて、溶鋼を鋳込むことがある。この理由としては、大型鋼塊の製造には取鍋の収容溶鋼容量の1回分だけでは鋳込みが完了せず、溶鋼が装入された取鍋を複数回搬送して鋳込みを行う必要があるため、取鍋と鋳型の間に設けられた溶鋼用中間容器に搬送された溶鋼を一旦移すことで、溶鋼が装入された取鍋に交換するときにおいても、溶鋼を途切れさせずに連続して鋳込みを可能にするためである。すなわち、取鍋と鋳型の間に設けられた溶鋼用中間容器は、バッファー機能を有するものである。
このような状況下で、中間容器内の溶鋼をすべて排出(鋳込み)しようとした場合、浮上物(すなわち不純物)が流出してしまうため、鋳込み末期において、製造される鋼塊の原料・溶製コスト、及び品質を考慮した上で、ある一定量の溶鋼を中間容器内に残して、スラグなどの浮上物の流出を防止するという「残鋼」が通常実施されている。
例えば、特許文献1、2は、同文献1の第1図(a)や、同文献2の図4に示すように、溶鋼を鋳込む際に溶鋼排出孔周囲を除いた底部を底上げした、すなわち段差部が設けられた中間容器を用いることで、浮上物等の流出防止を目的としている。
特許文献3は、取鍋内に残る溶鋼量を効率よく調節して歩留りの向上を図りつつ、取鍋からタンディッシュへのスラグ流出を防止して、清浄度の高い鋼を連続鋳造する方法を提供することを目的としている。概略としては、取鍋内の溶鋼量の低下に伴って、取鍋の底部に設けた出鋼口の上方付近に溶鋼の渦流が発生し、溶鋼上の浮上スラグ巻き込んで、溶鋼とともに流出し、製品の清浄度が低下するので、取鍋からの溶鋼注入末期において、最適な取鍋残鋼高さで溶鋼注入ノズルを閉めて、溶鋼渦流発生を防止し、浮上スラグの流出を防止するとともに、溶鋼歩留りを向上すると考えられる。
特許文献1の技術を用いて上注ぎ造塊法を行った場合、容器(鍋)内の残存溶融金属が減少したとき、容器内に滞留域が設けられているので、湯面上に浮上するスラグの巻き込みは発生しにくいと考えられるが、一度浮上分離した介在物が鋳型へ流出することを防ぐ技術とはなっていない。
まとめると、特許文献1〜3の技術では、溶鋼排出孔周囲における渦流に着目してスラグなどの浮上物の流出を防止しているが、水平流による介在物の再懸濁および流出を抑えることはできない。つまり、特許文献1〜3の技術では、鋼塊の製品品質を向上させることは難しい。
本発明にかかる溶鋼用中間容器の操業方法は、底部の一部に、式(2)を満たす高さを有する段差部を備え、前記段差部は上面平面視で扇形状であって当該段差部の開き角が90°〜180°であり、且つ前記段差部が設けられていない前記底部の他部に溶鋼排出孔が備えられた溶鋼用中間容器を用いて溶鋼を鋳型に注入して造塊するに際しては、
鋳込み末期における前記溶鋼用中間容器内での溶鋼の深さをH(m)と、前記鋳型への鋳込み流量をQ(m3/s)とが、式(1)、式(3)を満たすように溶鋼を鋳込むことを特徴とする。
まず、本実施形態の溶鋼用中間容器4が用いられている真空上注ぎ鋳造装置1について、説明する。
図1に示すように、真空上注ぎ鋳造装置1は、上流工程にて精錬処理が行われた溶鋼Xが装入された取鍋2と、この取鍋2の下側に設置され且つバッファー機能を有する溶鋼用中間容器4と、この溶鋼用中間容器4の下側に設置された真空装置13を備えている。
一方、最下側に設置された真空装置13は、鋳造時に内部が略真空状態となる真空タンク15と、この真空タンク15内に設置された鋳型14とを備えている。真空タンク15の上方には、溶鋼用中間容器4があり、真空タンク15の上部には溶鋼用中間容器4の溶鋼排出孔6が開口部16と一致するように設置されている。この開口部16の直下であって真空タンク15の内部に、溶鋼を鋳造する鋳型14が配置されている。
図2に示すように、溶鋼用中間容器4(以降、中間鍋と呼ぶ)は、有底円筒形で形成されたものである。なお、以降の説明においては、有底で円筒形状に形成された中間鍋4を例に挙げて説明するが、例えば有底で矩形状や多角形状、すなわち中間鍋4の外形状がいかなる有底箱形であってもよい。つまり、本発明は、当業者常法の範囲内の中間鍋4であれば適用可能である。
すなわち、この中間鍋4は、底部5の一部が底上げされた段差部7で構成される高位領域と、この段差部7の上面から見て低い非段差部10で構成される低位領域とを有するものとなっていて、この低位領域すなわち非段差部10は段差部7に対して凹部とされる。
また、本実施形態における段差部7の上縁8は、段差部7の上面と、非段差部10から鉛直上方向に向かって立設された段差側壁9とが交差する部分のことである。言い換えれば、段差部7の上縁8は、段差部7から非段差部10に切り替わる部分のことである。この段差部7の上縁8長さの合計が、流路長さL(詳細が後述)とされる。
図2に示すように、堰11は、段差部7の縁部に立設するように設けられている。すなわち、堰11は非段差部10側を向く側壁を有しており、この側壁が略扇形状とされた段差部7の略中心の上縁8に沿うものとなっている。すなわち堰11の側壁(非段差部10側を向く側壁)と、段差部7の略中心の段差側壁9とが面一となるように立設されている。
一方、中間鍋4の底部5であって、段差部7が形成されていない領域、すなわち非段差部10には、中間鍋4内の溶鋼Xを真空装置13内の鋳型14に注入するための溶鋼排出孔6が設けられている。
上記した真空上注ぎ鋳造装置1を用いて溶鋼Xの鋳込みを行うにあたっては、溶鋼処理工程で精錬された溶鋼Xが装入された取鍋2を鋳造ステーションに移動させる。取鍋2内の溶鋼Xを中間鍋4に装入し、溶鋼排出孔6やスライドバルブ17等を開放して中間鍋4内の溶鋼Xを真空タンク15の鋳型14に注入する。中間鍋4内の溶鋼Xを鋳型14に注入しているときには、真空装置13(真空タンク15)が真空状態とされているため、落下中の溶鋼流滴から水素等が脱ガスされる。
さて、上記の「発明が解決しようとする課題」で詳細を述べたように、例えば特許文献1〜3などの従来手法で溶鋼Xの鋳込みを行った場合、溶鋼Xの表面に浮遊しているスラグなどの浮上物の流出を防止することはできるが、溶鋼排出孔6周囲における渦流によるスラグ流出のみしか着目されていなかったので、一度浮上分離した非金属介在物が(単に、介在物と呼ぶこともある。)水平流によって溶鋼X中への再懸濁および鋳型への流出を防止することは困難であった。
そこで、本願出願人は、非金属介在物の流出防止を実現すべく、鋭意研究を重ねた。その結果、残鋼時つまり鋳込み末期で溶鋼Xの深さHが低くなると、段差部7の上縁8上において水平流(溶鋼Xが流路の断面積を通過する際の水平方向を向く流れ)が発生していることを確認した。
この水平流は、残鋼時において、その流速vが速いと溶鋼Xの液面上における介在物の浮上分離層からの介在物の再懸濁・流出を引き起こす原因となり、従来技術のように、溶鋼排出孔6周囲のスラグ流出だけの着目では、一度浮上分離した非金属介在物が水平流によって溶鋼X中への再懸濁および鋳型へ流出することを防止することができない。それ故、非金属介在物が鋳造される鋼塊に悪影響を与えることとなり、その鋼塊の清浄度を担保することは困難である。
このような理由により、本実施形態の中間鍋4の操業方法においては、溶鋼Xを鋳型14に注入する際、中間鍋4内における溶鋼Xの水平方向の流れ(水平流)に着目し、その水平流に基づいて中間鍋4の操業条件を定義している。
本実施形態における中間鍋4の操業方法は、底部5の一部に、式(2)を満たす高さを有する段差部7を備えると共に、段差部7が設けられていない底部5の他部に溶鋼排出孔6が備えられた中間鍋4を用いて溶鋼Xを鋳型14に注入して造塊するに際しては、鋳込み末期における中間鍋4内での溶鋼Xの深さH(m)と、鋳型14への鋳込み流量Q(m3/s)とが、式(1)、式(3)を満たすように溶鋼Xを鋳込むこととしている。
次に、中間鍋4の内部の寸法の定義について、詳細に説明する。
図2、図3に示すように、中間鍋4の底面に形成された段差部7の高さをh(m) とし、非段差部10から段差部7の上面に至るまでの距離と定義する。すなわち、段差部7の高さhは、段差部7と非段差部10との高低差によって構成される凹部の深さともいえる。
なお、鋳込み末期においては取鍋2から中間鍋4へ溶鋼Xの移注がなくなり、鋳型14への鋳込みのみが行われている。そのため、中間鍋4の溶鋼量は減少し、それにともない溶鋼Xの深さH(湯面)は浅くなる。なお、溶鋼Xの深さHの定義に関しては、操業中において、時々刻々と変化する溶鋼Xの湯面高さの状態を対象としている。
例えば、図3に示すように、上方平面視で略扇形状とされた段差部7と、その段差部7で且つ略扇形状の中心に立設された堰11とを備える中間鍋4の場合は、流路長さLは堰11の両端に形成される段差部7の上縁8(L1,L2)の合計と定義される(L=L1+L2)。
また、図5に示すように、上方平面視で略扇形状とされた段差部7のみを備える中間鍋4の場合は、流路長さLは段差部7の上縁8(L1,L2,L3)の合計と定義される(L=L1+L2+L3)。
中間鍋4から鋳型14へ流し込む単位時間あたりの溶鋼体積を、鋳込み流量Q(m3/s)と定義する。鋳込み流量Qは、溶鋼排出孔6上部にあるストッパー12の開度調整や、下部にあるスライドゲート17(スライドバルブ)やスライディングノズル18などの開度調整により調整することができる。
前述で詳細に説明したが、本発明では、中間鍋4の操業中において、溶鋼X中の非金属介在物が鋳型14へ流出することを防止するためには、段差部7の上縁8を通過する水平流の流速(平均断面流速)vをコントロールする。ここで、水平流の流速vは、以下のように定義される。
よって、鋳込み流量Qを水平流の断面積((H−h)×L)で除すことで、水平流の流速vを算出することができる。本実施形態においては、鋳込み流量Qを水平流の断面積((H−h)×L)で除した値、すなわち水平流の流速vを0.12(m/s)未満と定義した。
次に、段差部7の高さhを式(2)とした理由について述べる。
通常、中間鍋4は繰り返し使用されるため、使用頻度が多くなると耐火物の溶損によって、段差部7の高さhがなくなるため、残鋼の低減効果が持続しない。このことより、本実施形態においては、段差部7の高さhが0.02(m)以上必要であると知見し、下限と定義した。
例えば、鋳込み流量Qと流路長さLを同じ数値とした場合、段差部7の高さhを大きくすると溶鋼Xの深さHも大きくせねばならず、定常時の溶鋼Xの液面が上昇する。この場合、中間鍋4の上端から液面までの距離が短くなり、溶鋼飛散物が鍋蓋や鍋外に飛び出しやすくなり、操業上、問題が生じる。
さらに、溶鋼Xの深さHと段差部7の高さhとの関係を、式(3)とした理由について述べる。
[実施例]
以下に、本実施形態の中間鍋4の操業方法の実施例と、対比するための比較例について、図と表に基づいて説明する。
本実施形態の中間鍋4の操業方法を評価するにあたり、介在物流出評価実験(水モデル実験)を行った。詳しくは、介在物を模した模擬粒子を混入させた水を溶鋼Xと見立てると共に、実機の中間鍋4の形状を模して製作した鍋模型を用いて、水モデルにおける水平流による介在物巻き込み状況、すなわち介在物の流出状況を評価した。
なお、水モデルの流動状態に関し、無次元数として、式(4)で表されるFr数(フルード数)を実機と合わせることで、実際の中間鍋4の内径と異なっていても、実操業における溶鋼Xの流動状態の相似条件を満たすこととなる。このことから、水モデルの水平流が、実操業における溶鋼Xの水平流と同じとなることが保証される。つまり、実験の鍋模型4のサイズが同一であっても、移注流速uを変えることで、任意のサイズで中間鍋4の操業実験を行うことができる。
そして、鍋模型4内から所定の流量で水を外部に排出する。このとき、鍋模型内の水モデルが外部へ排出され終わるまで、鍋模型4内部を高速度カメラで動画を撮影する。
再懸濁の有無の確認後、水モデル実験で得られた数値(鍋模型4の縮尺や寸法、Fr数など)を、実機の設備スケールに換算し、実機の中間鍋4の寸法及び水平流の流速vを算出する。
No.1〜No.12の鍋模型4を用いた水モデル実験においては、高速度カメラにて撮影した水モデルの流れの動画を用い、溶鋼Xの深さHと段差部7の高さhとの差(H−h)が0.01(m)減ってゆくごとに水平流を観察して、介在物の流出を解析することとしている。
図6は、上方平面視で開き角が90°の略扇形状である段差部7(形状1)を備えた、No.1〜No.3の鍋模型(中間鍋4)の概略を示した図である。
表1は、水モデル実験において、水モデルでNo.1〜No.3の各鍋模型4から外部へ排出され終わるまで撮影された動画を解析して得られた数値を基に、介在物の流出の有無を確認したものである。
次いで、No.2の鍋模型4は、流路長さLが1.53(m)、高さhが式(2)を満たすように0.18(m)で形成されている。
No.2の鍋模型4を用いた水モデル実験において、(H−h)が0.22(m)のとき、水平流の流速vは、0.038(m/s)と確認できる。同様に(H−h)が0.01(m)減少ごとに水平流の流速vを観察すると、(H−h)が0.07(m)のとき、水平流の流速vが0.119(m/s)となり、介在物の流出が防止されていると確認できた(○印)。
さらに、No.3の鍋模型4は、流路長さLが1.53(m)、高さhが式(2)を満たすように0.216(m)で形成されている。
No.3の鍋模型4を用いた水モデル実験において、(H−h)が0.18(m)のとき、水平流の流速vは、0.046(m/s)と確認できる。同様に(H−h)が0.01(m)減少ごとに水平流の流速vを観察すると、(H−h)が0.07(m)のとき、水平流の流速vが0.113(m/s)となり、介在物の流出が防止されていると確認できる(○印)。
図7に示すように、段差部7形状の依存性の観点から考察すると、No.1〜No.3の鍋模型(中間鍋4)のような段差部7の形状如何にもかかわらず、式(1)〜式(3)すべてを満たすように、水平流の流速vを0.12(m/s)より遅くして鋳込むことで、介在物の鋳型14への流出を防止することができる。
表2は、水モデル実験において、水モデルでNo.4〜No.6の各鍋模型4から外部へ排出され終わるまで撮影された動画を解析して得られた数値を基に、介在物の流出の有無を確認したものである。
No.4の鍋模型4を用いた水モデル実験において、(H−h)が0.25(m)のとき、水平流の流速vは、0.036(m/s)と確認できる。同様に(H−h)が0.01(m)減少ごとに水平流の流速vを観察すると、(H−h)が0.08(m)のとき、水平流の流速vが0.111(m/s)となり、介在物の流出が防止されていると確認できた(○印)。
次いで、No.5の鍋模型4は、流路長さLが1.44(m)、高さhが式(2)を満たすように0.18(m)で形成されている。
No.5の鍋模型4を用いた水モデル実験において、(H−h)が0.22(m)のとき、水平流の流速vは、0.040(m/s)と確認できる。同様に(H−h)が0.01(m)減少ごとに水平流の流速vを観察すると、(H−h)が0.08(m)のとき、水平流の流速vが0.111(m/s)となり、介在物の流出が防止されていると確認できた(○印)。
さらに、No.6の鍋模型4は、流路長さLが1.44(m)、高さhが式(2)を満たすように0.216(m)で形成されている。
No.6の鍋模型4を用いた水モデル実験において、(H−h)が0.18(m)のとき、水平流の流速vは、0.048(m/s)と確認できる。同様に(H−h)が0.01(m)減少ごとに水平流の流速vを観察すると、(H−h)が0.08(m)のとき、水平流の流速vが0.106(m/s)となり、介在物の流出が防止されていると確認できた(○印)。
図9に示すように、段差部7形状の依存性の観点から考察すると、No.4〜No.6の鍋模型(中間鍋4)のような段差部7の形状如何にもかかわらず、式(1)〜式(3)すべてを満たすように、水平流の流速vを0.12(m/s)より遅くして鋳込むことで、介在物の鋳型14への流出を防止することができる。
表3は、水モデル実験において、水モデルでNo.7の鍋模型4から外部へ排出され終わるまで撮影された動画を解析して得られた数値を基に、介在物の流出の有無を確認したものである。
No.7の鍋模型4を用いた水モデル実験において、(H−h)が0.15(m)のとき、水平流の流速vは、0.059(m/s)と確認できる。同様に(H−h)が0.01(m)減少ごとに水平流の流速vを観察すると、(H−h)が0.08(m)のとき、水平流の流速vが0.110(m/s)となり、介在物の流出が防止されていると確認できた(○印)。
図11に示すように、段差部7形状の依存性の観点から考察すると、形状3で形成された段差部7を備えるNo.7の中間鍋4であっても、式(1)〜式(3)満たすように、すなわち水平流の流速vを0.12(m/s)より遅くして鋳込むことで、介在物の鋳型14への流出を防止することができる。
表4は、水モデル実験において、水モデルがNo.8〜No.10の各鍋模型4から外部へ排出され終わるまで撮影された動画を解析して得られた数値を基に、介在物の流出の有無を確認したものである。
No.8の鍋模型4を用いた水モデル実験において、(H−h)が0.15(m)のとき、水平流の流速vは、0.058(m/s)と確認できる。同様に(H−h)が0.01(m)減少ごとに水平流の流速vを観察すると、(H−h)が0.08(m)のとき、水平流の流速vが0.108(m/s)となり、介在物の流出が防止されていると確認できた(○印)。
次いで、No.9の鍋模型4は、流路長さLが1.48(m)、高さhが式(2)を満たすように0.18(m)で形成されている。
No.9の鍋模型4を用いた水モデル実験において、(H−h)が0.17(m)のとき、水平流の流速vは、0.051(m/s)と確認できる。同様に(H−h)が0.01(m)減少ごとに水平流の流速vを観察すると、(H−h)が0.08(m)のとき、水平流の流速vが0.108(m/s)となり、介在物の流出が防止されていると確認できた(○印)。
さらに、No.10の鍋模型4は、流路長さLが1.48(m)、高さhが式(2)を満たすように0.216(m)で形成されている。
No.10の鍋模型4を用いた水モデル実験において、(H−h)が0.18(m)のとき、水平流の流速vは、0.047(m/s)と確認できる。同様に(H−h)が0.01(m)減少ごとに水平流の流速vを観察すると、(H−h)が0.07(m)のとき、水平流の流速vが0.117(m/s)となり、介在物の流出が防止されていると確認できた(○印)。
図13に示すように、段差部7形状の依存性の観点から考察すると、No.8〜No.10の中間鍋4のような段差部7の形状如何にもかかわらず、式(1)〜式(3)すべてを満たすように、水平流の流速vを0.12(m/s)より遅くして鋳込むことで、介在物の鋳型14への流出を防止することができる。
表5は、水モデル実験において、水モデルがNo.11、No.12の各鍋模型4から外部へ排出され終わるまで撮影された動画を解析して得られた数値を基に、介在物の流出の有無を確認したものである。
No.11の鍋模型4を用いた水モデル実験において、鋳込み流量Qは0.0193(m3/s)[1.16(m3/min)]である。
次いで、No.12の鍋模型4を用いた水モデル実験において、鋳込み流量Qは0.0064(m3/s)[0.39(m3/min)]である。
No.12の鍋模型4を用いた水モデル実験において、(H−h)が0.18(m)のとき、水平流の流速vは、0.023(m/s)と確認できる。同様に(H−h)が0.01(m)減少ごとに水平流の流速vを観察すると、(H−h)が0.04(m)のとき、水平流の流速vが0.096(m/s)となり、介在物の流出が防止されていると確認できた(○印)。
表1に示すように、鋳込み流量Qが0.0128(m3/s)[0.77(m3/min)]であるNo.3の鍋模型4を用いた水モデル実験においても、同様に観察すると、(H−h)が0.07(m)のとき、水平流の流速vが0.113(m/s)で、介在物の流出が防止されていると確認できた(○印)。
さて、以下に本実施形態の中間鍋4の操業方法における残鋼低減効果を述べる。
表6は、段差部7の高さhに対する、残鋼低減効果を示したものである。
すなわち、以上述べた本実施形態の中間鍋4の操業方法で定義した式(1)〜式(3)を満たすように、実操業を行えば、段差部7の形状に拘わらずに、介在物の流出を防止しつつ、残鋼を少なくすることが可能となる。
以上述べたように、本発明よれば、溶鋼Xを鋳型14に注入して鋳鍛鋼品用の大型鋼塊を製造する際に、スラグ流出の抑制のみならず、製品品質を低下させる介在物が鋳型14に流出することを防止して高清浄度化を実現し、かつ残鋼低減を行うことができる。すなわち、本発明は、鋼塊の鋳造において、介在物よる欠陥の発生を防止することができ、溶鋼歩留ならびに製品品質を向上させることが可能である。
2 取鍋
3 ノズル
4 溶鋼用中間容器(中間鍋、鍋模型)
5 底部
6 溶鋼排出孔
7 段差部
8 上縁
9 段差側壁
10 非段差部
11 堰
12 ストッパー
13 真空装置
14 鋳型
15 真空タンク
16 開口部
17 スライドバルブ
18 スライディングノズル
X 溶鋼
Claims (1)
- 底部の一部に、式(2)を満たす高さを有する段差部を備え、前記段差部は上面平面視で扇形状であって当該段差部の開き角が90°〜180°であり、且つ前記段差部が設けられていない前記底部の他部に溶鋼排出孔が備えられた溶鋼用中間容器を用いて溶鋼を鋳型に注入して造塊するに際しては、
鋳込み末期における前記溶鋼用中間容器内での溶鋼の深さをH(m)と、前記鋳型への鋳込み流量をQ(m3/s)とが、式(1)、式(3)を満たすように溶鋼を鋳込む
ことを特徴とする溶鋼用中間容器の操業方法。
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