JP6818980B2 - 下注ぎ造塊設備 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、鋳型の底部に設けられた吐出口から溶融金属を鋳型内に吐出する下注ぎ方式の注湯方法に使用される注湯管に関する発明であって、先端部が前記吐出孔に連通している注湯管において、前記吐出口から下方へ長さLまでの領域内の注湯管の内孔の形状が、横方向断面(溶融金属進行方向に垂直な方向の断面をいう)の径が前記吐出口たる起点から下方向に向かって漸次曲線で縮径し、かつその漸次縮径する曲線が、注湯管の中心軸を通過する縦方向断面において所定の式によって表される形状を有することを特徴とするものが開示されている。この特許文献1の注湯管を用いれば、溶融金属の下注ぎ方式の注湯方法において、注湯速度を低下させることなく、複雑な装置を設置する等の生産性低下やコスト上昇等を招来することのない簡易な方法で、注湯中の鋳型内溶融金属の湯面方向(直上方向)の流速を低減させ、非金属介在物や酸化に伴う金属鋳塊の品質低下を低減することできるとされている。
しかしながら、湯道の途中にT字状に分岐した分岐部を設けると、分岐部では溶鋼の流れに偏りが発生しやすいため、この溶鋼の流れの偏り(以降、偏流という)が注入口での溶鋼の流れにも大きな偏りを発生させることになる。上述した偏流が大きくなるかどうかは湯道から分岐路に流れ込む溶鋼の流入速度に影響されるものであり、分岐路に流れ込む溶鋼の流入速度は取鍋に近い鋳型ほど大きくなるため、偏流の発生状態も鋳型によって異なったものとなる。
また、特許文献3の造塊技術は、上流側から下流側に欠けて断面積が段階的に小さくなる湯道を用いたものである。このような湯道を設ければ、取鍋に近い上流側の湯道での溶鋼の流速を低減することができ、上流側の鋳型で大きな偏流が発生することを抑制でき、溶鋼被覆剤の巻き込み低減も可能となる。しかし、上述した断面積が段階的に小さくなる湯道を設けると、造塊設備の構成が複雑となり、初期設置コストやランニングコストも大きいものとなる。
即ち、本発明の下注ぎ造塊設備は、湯道からT字状に分岐した分岐路に溶鋼を導き入れて、当該分岐路の先にある鋳型に溶鋼を注入して造塊を行う造塊設備であって、前記湯道から分岐路が上方に向かってT字状に分岐している分岐部には、当該分岐部の上隅が上方に向かって角箱形状に凹んだ角箱部と、角箱部と分岐路との角が丸面取りされた丸面取部と、が形成されており、前記角箱部の湯道に沿った寸法をX、前記丸面取部の曲率半径をR、前記湯道及び分岐路の吐出口側の内径をdとした際に、前記角箱部の寸法X、前記丸面取部の曲率半径R、前記内径dとの間に、以下の式(2)の関係が成り立つことを特徴とする。
[数2]
d×0.2≦X≦d×0.7
d×0.1≦R≦d×0.5・・・(2)
好ましくは、前記湯道には、当該湯道における溶鋼の流れ方向に沿って少なくとも2基以上の鋳型が並んで配設されており、前記角箱部及び丸面取部が、前記溶鋼の流れ方向における上流側に配設された鋳型に溶鋼を分岐する分岐部に形成されているとよい。
以下、本発明の下注ぎ造塊設備1の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
一般的に鋼塊を造塊する方法としては、鋳型内で溶鋼を凝固させて鋼片を製造する際の溶鋼の注入方法によって、下注ぎ造塊と上注ぎ造塊の2種類が知られている。上注ぎ造塊は取鍋の溶鋼を鋳型の上部の開口部から直接鋳型にを注ぎ込んで鋳造するのに対し、下注ぎ造塊は、ロート状の注ぎ口が上端に設けられた注入管2と呼ばれる垂直の管に溶鋼を注ぎ込み、注入管2の下端に接続された湯道3を介して溶鋼を水平方向に流通させ、湯道3から注湯管を介して溶鋼を鋳型5の下側から注湯できるようになっている。下注ぎ造塊は上注ぎ造塊よりも良好な鋳肌が得られるという利点があり、品質が重視される高級鋼の製造などに適用される。また、一度の造塊で1本の鋼片(鋼塊)しか生産できない上注ぎ造塊と比較して、下注ぎ造塊は一つの注入管2から湯道3(ランナー3)を介して溶鋼を分岐させることで、複数の鋳型5で鋼片(鋼塊)を同時に鋳込むことができる。そのため、上注ぎ造塊よりも生産性が高い下注ぎ造塊は連続鋳造法で鋳造できない鋼種や大断面の鋼塊製造において広く行われている。なお、第1実施形態及び第2実施形態の下注ぎ造塊設備1は、上述した2つの造塊法のうち、下注ぎ造塊を対象するものとなっている。
また、図2に示すように、上述した湯道3は、注入管2の下端から外側に向かって水平方向に沿って形成されており、注入管2の下端から左右もしくは前後の多方向に向かって複数に分岐された湯道3を経由して取鍋6の溶鋼が流通されている。そして、複数の湯道3の溶鋼は、それぞれの湯道3に設けられた分岐路4を通って各鋳型5に導かれ、各鋳型5の底の注入口から当該鋳型5に溶鋼が注湯される。第1実施形態の下注ぎ造塊設備1の場合、1本の注入管2の下端に、注入管2の下端を起点として放射状に伸びるように4本の湯道3が形成されている。つまり、これら4本の湯道3のそれぞれはランナー3とも呼ばれており、それぞれのランナー3には5基の鋳型5が配備されていて、第1実施形態の下注ぎ造塊設備1は4本のランナー3と合計で20基の鋳型5を有したものとなっている。
また、従来の下注ぎ造塊法では鋳型底部の注入口から吐出される溶鋼の平均吐出流速(注入管2からの鋳込流量を湯道の断面積で除した流速)を用いて型内材の巻き込みが発生の可否を判断していた。しかし、1本のランナーから複数の鋳型に鋳込みを行う際には、上述した分岐部において溶鋼流に偏りが発生する場合があり、溶鋼流の偏りによって注入口において局部的に強い溶鋼の流れが発生した場合にも、型内材の巻き込みが発生していることがわかった。つまり、型内材の巻き込みに対しては、溶鋼の最大吐出流速を考慮する必要がある。
[数3]
d×0.1≦X≦d×0.7 ・・・(1)
上述した分岐部10に上方に向かって曲面状に凹むと共に、式(1)の関係を満足する凹部11を設けた場合には、分岐部10から鋳型5底部の注入口にかけての分岐路4において偏りが生じていた溶鋼の流れを分散させることが可能となる。つまり、注入口において偏流が発生しにくくなるので、局部的に吐出流速が大きくなることがなくなり、最大吐出流速を低減することも可能となる。それゆえ、第1実施形態の下注ぎ造塊設備1を用いた場合には、型内材の巻き込みを効果的に抑制することができる。
図3に示すように、上述した分岐部10は、水平方向に沿って配備された湯道3と、鋳型5に溶鋼を送る分岐路4とが、正面から見てT字状に交差する部分である。図例のように、取鍋6が設けられた側(内側)から外側に向かって5つの鋳型5が設けられている場合は、最も取鍋6から遠い側(反取鍋6側または外側)に位置する鋳型5を除く、内側の4基の鋳型5に溶鋼をそれぞれ分配している分岐路4との交差部分はいずれもT字状であり、本発明の分岐部10と考えることができる。このような分岐部10では、湯道3と分岐路4とが側方視でT字状に交差しており、上述した溶鋼の流れの偏りが発生する可能性がある。
また、図3の例では、取鍋6から最も遠い側に位置する鋳型5と湯道3との交差部分は「分岐部10」として扱っていない。これらは、取鍋6から最も遠い側の交差部分がL字状に湯道3と分岐路4が交差しているから(T字状に交差していないから)である。しかし、取鍋6から最も遠い側の交差部分であっても、湯道3と分岐路4とが正面視でT字状に交差している場合には、本発明の分岐部10として扱い、この分岐部10に凹部11を形成しても良い。
以降の説明では、取鍋6から最も近い鋳型5に湯道3から溶鋼を送る分岐部10のみに凹部11を設けた例を挙げて、第1実施形態の造塊設備を説明する。
図4及び図5に示すように、第1実施形態の造塊設備に設けられる凹部11は、耐火物の表面を上方に向かって曲面状に凹ませた部分(お椀を伏せた形状部)であり、上方に向かって凹んだ状態に欠肉状に形成された部分であって、この凹んだ部分で溶鋼を反転し、分岐路4の内周面に沿った偏った流れを剥離・分散させることで溶鋼の流れに偏りが発生することを抑制可能となっている。
[第2実施形態]
次に、本発明の下注ぎ造塊設備1の第2実施形態を説明する。
上述した丸面取部13は、角箱部12の上面と分岐路4の下端部とが交差しあう部分に形成された曲面状の部分であり、角箱部12に流れ込んだ溶鋼をスムーズに分岐路4に導入(案内)できるようになっている。具体的には、丸面取部13は、角箱部12の上面と分岐路4とが直交する部分に対して、交差部分の角をなくした丸面状の曲面に形成したものとなっている。
[数4]
d×0.2≦X≦d×0.7
d×0.1≦R≦d×0.5・・・(2)
なお、「角箱部12の寸法X」とは、図9に示すように、分岐路4の内壁面から左右方向(湯道3の形成方向)に沿って離れた角箱部12の側面までの距離である。また、「丸面取部13の曲率半径R」とは、丸面取部13を構成する曲面の曲率半径の中心であり、図例の丸面取部13の場合であれば右側の丸面取部13のさらに右上方に位置している。
また、丸面取部13の曲率半径Rは、原則として角箱部12の寸法Xを超えることはない。つまり、角箱部12の寸法Xと丸面取部13の曲率半径Rとの間には、X≧Rなる関係が成立する。
上述した鍛造工程においては、鋼塊を加熱し、所定の丸棒寸法となるまで鍛造、加熱を繰り返し実施する。そして、鍛造後、旋盤にて表層を深さ2mm旋削実施し、黒皮(酸化スケール)を除去した。最後に、超音波探傷試験により、製品形状の介在物検査(皮下介在物検査)を実施した。
上述した流体の解析の条件に基づいて、凹部11を設けていない分岐部10の注入口で発生する溶鋼の最大吐出流速を比較例として求めると共に、曲率半径Xを分岐路4の内径dの0.1倍〜0.7倍に変化させた凹部11を有する分岐部10で発生する溶鋼の最大吐出流速を第1実施形態の実施例として求めた。また、溶鋼の最大吐出流速は、ランナー3を流れる鋳込流速(ランナー鋳込流速)によっても変化するため、通常の鋳込み流量(以降、ベース流量という)を基準として、上述したランナー鋳込流速がベース流量の0.5倍〜3.0倍となるように流速を変えて溶鋼の最大吐出流速を求めた。
結果を表4に示す。
表4の結果を見ると、凹部11の曲率半径Xが内径dの0.1倍〜0.7倍とされた実施例1〜実施例28では、「丸孔最大吐出流速/R付与最大吐出流速」は30〜75となっており、最大吐出流速が比較例に比して大きく下がっていることがわかる。
なお、最大度出流速が0.60m/s以上の範囲であっても、最大吐出流速を従来よりも低減することにより、従来切り捨てられていた鋼塊底部の溶鋼被覆剤巻き込み範囲の切捨て重量を少なくできる効果がある。つまり、最大吐出流速の低減は下注ぎ造塊によって非常に重要であり、最大度出流速が0.6m/s以下でなくとも、極力低減することで鋼材の歩留まり向上効果がある。そこで、表に関しては0.60m/s以上の範囲も本願発明に含まれるものと扱っている。
「第2実施形態の下注ぎ造塊設備に対応した実施例(実施例29〜実施例52)」
上述した流体の解析の条件に基づいて、角箱部12及び丸面取部13を設けていない分岐部10の注入口で発生する溶鋼の最大吐出流速を比較例として求めると共に、角箱部12の寸法Xを分岐路4の内径dの0.2倍〜0.7倍、丸面取部13の曲率半径Rを内径dの0.1倍〜0.5倍に変化させた分岐部10で発生する溶鋼の最大吐出流速を第2実施形態の実施例として求めた。
結果を表6に示す。
また、湯道3を流れる溶鋼の流速に対して、鋳型5の注入口で吐出される最大吐出流速が増加する率も小さくなる。
以上のことから、上述した実施例29〜実施例52に示すように、寸法Xが内径dの0.2倍〜0.7倍となるような角箱部12と、曲率半径Xが内径dの0.1倍〜0.5倍となるような丸面取部13を分岐部10に設けた場合には、鋳型5の注入口での偏流発生と型内材の巻き込みを効果的に抑制でき、健全且つ高清浄な鋼塊を簡便な設備構成を用いて低コストで製造することができると判断される。
2 注入管
3 湯道
4 分岐路
5 鋳型
6 取鍋
7 台盤
8 貫通孔
9 注入ノズル
10 分岐部
11 凹部
12 角箱部
13 丸面取部
Claims (3)
- 湯道からT字状に分岐した分岐路に溶鋼を導き入れて、当該分岐路の先にある鋳型に溶鋼を注入して造塊を行う造塊設備であって、
前記湯道から分岐路が上方に向かってT字状に分岐している分岐部には、当該分岐部の上隅が上方に向かって角箱形状に凹んだ角箱部と、角箱部と分岐路との角が丸面取りされた丸面取部と、が形成されており、
前記角箱部の湯道に沿った寸法をX、前記丸面取部の曲率半径をR、前記湯道及び分岐路の吐出口側の内径をdとした際に、前記角箱部の寸法X、前記丸面取部の曲率半径R、前記内径dとの間に、以下の式(2)の関係が成り立つことを特徴とする下注ぎ造塊設備。
[数2]
d×0.2≦X≦d×0.7
d×0.1≦R≦d×0.5・・・(2) - 前記湯道には、当該湯道における溶鋼の流れ方向に沿って少なくとも2基以上の鋳型が並んで配設されており、
前記角箱部及び丸面取部が、前記溶鋼の流れ方向における上流側に配設された鋳型に溶鋼を分岐する分岐部に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の下注ぎ造塊設備。 - 前記角箱部及び丸面取部は、前記湯道における溶鋼の流れ方向に対して、前記分岐部における流れ方向の下流側に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の下注ぎ造塊設備。
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