JP2020171937A - 連続鋳造ノズルの予熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通気性耐火物の気孔径拡大によるガス吹込みの変動を抑制して高清浄鋼を安定して製造することができる、連続鋳造ノズルの予熱方法を提供する。【解決手段】ＳｉＯ２及びＣを配合した通気性耐火物１５、１６を内孔面に配置した連続鋳造ノズル１１、１２の予熱に際し、予熱中の通気性耐火物１５、１６に通気する不活性ガスの流量である予熱時不活性ガス流量［Ｌ／ｍｉｎ］を、次式の条件を満足する値とする。冷間通気量［Ｌ／ｍｉｎ ａｔ ０．０９８ＭＰａ］×内孔面に露出する通気性耐火物１５、１６の単位面積当たり予熱時不活性ガス流量［ＮＬ／ｍｉｎ／ｃｍ２］×予熱時間［ｍｉｎ］≧６．８【選択図】図１

Description

本発明は、通気性耐火物を内孔面に配置した連続鋳造ノズルの予熱方法に関する。

溶鋼の高清浄化や連続鋳造ノズル内孔面への非金属介在物の付着抑制のため、連続鋳造ノズルから溶鋼中へ不活性ガスを吹込むことが広く行われている。溶鋼中に不活性ガスを吹込む機能を備えた連続鋳造ノズルでは、溶鋼と接する内孔面の一部又は全部に通気性耐火物を配置し、通気性耐火物の背面側に不活性ガスの流通経路及びガス圧力の均一化等を目的とする中空室（ガスプールともいう。）を設けた構造とし、中空室に不活性ガスを供給し、通気性耐火物を介して溶鋼中に不活性ガスを吹込む方法が多く採用されている。

しかし、内孔面に通気性耐火物を配置した連続鋳造ノズルの場合、連続鋳造操業において、鋳造開始時からの時間経過と共に、不活性ガスの気泡径が拡大する現象が起きることが確認されている。不活性ガスの気泡径拡大は、ガス気泡が鋳片内に残存した際に気泡系欠陥の発生を招くだけでなく、アルミナ等の非金属介在物の付着抑制効果が低下することによるノズル内孔閉塞も招くことになる。

そこで、例えば特許文献１では、安定的なガス吹込みを阻害する耐火物損傷の防止を目的として、予熱時の水分に着目した予熱方法が開示されている。この方法では、ノズルの予熱工程を第１予熱と第２予熱に分け、ノズル内に吸湿された水分を、第１予熱でスリット内部に正圧負荷を発生させることなくノズル系外へ排気し、ガス供給管に過剰な熱負荷がかかる前に第２予熱で供給管をガス冷却しつつ、耐火物を指定温度まで昇温させる。
また、特許文献２記載の連続鋳造用ノズルでは、粒径が１μｍ以下のＳｉＯ_２を配合した通気性耐火物を使用することで、気孔径の拡大が生じない効果を得たうえで、通気性耐火物の耐熱衝撃性等を改善してガス吹込みの安定化を図っている。

特開２０００−３１７６２６号公報 特開２０１１−２１２７２０号公報

特許文献１記載の技術によれば、ガス吹込みの安定化に関して相応の効果が得られる。しかしながら、耐火物損傷がなくてもガス吹込みが安定せず、高清浄鋼を安定して製造できない場合があることを本発明者らは発見した。
また、特許文献２記載の技術も、ガス吹込みの安定化に関して相応の効果が得られるが、ガス吹込みが安定しない場合があり、高清浄鋼を安定して製造するためには、さらなる改善が必要であることが判明した。

なお、ガス吹込みが安定しない（不活性ガスの通気特性が不安定になる）とは、操業に伴って、ガス流路断面積（通気性耐火物表面の気孔径やガス流路の径）が拡大することにより、不活性ガスの流量を一定にすると、時間の経過と共にガス供給圧（背圧）が低下していき、背圧を一定にすると、時間の経過と共に不活性ガスの流量が増加していくことをいう。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、ガス流路断面積の拡大によるガス吹込みの変動を抑制して高清浄鋼を安定して製造することができる、連続鋳造ノズルの予熱方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、ＳｉＯ_２及びＣを配合した通気性耐火物を内孔面に配置した連続鋳造ノズルの予熱に際し、
予熱中の前記通気性耐火物に通気する不活性ガスの流量である予熱時不活性ガス流量［Ｌ／ｍｉｎ］を、次式の条件を満足する値とすることを特徴としている。
冷間通気量［Ｌ／ｍｉｎ ａｔ ０．０９８ＭＰａ］×前記内孔面に露出する前記通気性耐火物の単位面積当たり予熱時不活性ガス流量［ＮＬ／ｍｉｎ／ｃｍ^２］×予熱時間［ｍｉｎ］≧６．８

本発明における不活性ガスは、Ａｒ等の周期律表における不活性ガス以外に窒素ガスを含むものとする。
冷間通気量は、室温（５〜４０℃）、常圧下において０．０９８ＭＰａの空気供給圧力を通気性耐火物に負荷した際の単位時間当たり通気量で表される。室温の範囲では冷間通気量に有意な差は見られない。なお、単位Ｌはリットルである。
予熱時間は、６００℃以上の滞留時間である。

通気性耐火物に含まれるＳｉＯ_２がガス化することによりガス流路断面積が拡大し、不活性ガスの通気特性が不安定となる。他方、通気性耐火物に配合されているＣとガス化したＳｉＯ_２が反応して、ガス流路表面全体を覆うようにＳｉＣ層が生成されると、ＳｉＯ_２のガス化が停止する。
そこで、本発明者らは、連続鋳造ノズル予熱時に、ＳｉＯ_２のガス化とＣとの反応を促進させることにより、ＳｉＯ_２のガス化反応を概ね完了させておく発想に想到した。

本発明者らは、ＳｉＯ_２のガス化とＣとの反応を促進させるファクターとして、予熱前のガス流路の表面積（小さいほど反応が完了しやすい）、予熱時のガス流量（多いほど反応が促進される）、予熱時間（長いほど反応が促進される）が重要であると考えた。しかし、ガス流路の表面積の実測は困難であることから、本発明では、ガス流路の表面積とトレードオフの関係にあると考えられる冷間通気量を、ガス流路の表面積の代替として使用する。

上記想定に基づき鋭意検討した結果、本発明者らは、冷間通気量と、内孔面に露出する通気性耐火物の単位面積当たり予熱時不活性ガス流量と、予熱時間の積を一定値（６．８）以上とすることにより、ガス流路断面積の拡大が概ね完了し、高清浄鋼を安定して製造できることを見出した。

また、本発明に係る連続鋳造ノズルの予熱方法では、前記ＳｉＯ_２の一部又は全部に粒径１μｍ以下のＳｉＯ_２粒子が配合されていてもよい。

粒径１μｍ以下のＳｉＯ_２を用いると、鋳造初期において高清浄鋼の安定製造が困難になるという知見を本発明者らは得ている。例えばガス流量一定の場合、鋳造開始時とそれ以降の背圧の差が極めて大きく、鋳造開始時に通気性耐火物が破損するおそれがある。しかし、本発明によれば、ＳｉＯ_２の一部又は全部に粒径１μｍ以下のＳｉＯ_２粒子が配合されている通気性耐火物を用いた場合であっても、通気性耐火物の破損を防止し、背圧の低下を顕著に抑制することができる。

本発明に係る連続鋳造ノズルの予熱方法では、連続鋳造ノズル予熱時にＳｉＯ_２のガス化反応を概ね完了させるので、ガス流路断面積の拡大によるガス吹込みの変動が抑制され、高清浄鋼を安定して製造することができる。

本発明の一実施の形態に係る連続鋳造ノズルの予熱方法に使用される上ノズル及び浸漬ノズルの縦断面図である。 浸漬ノズルの予熱方法及び通気性耐火物の予熱温度測定方法を示した模式図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る連続鋳造ノズルの予熱方法に使用される上ノズル１１及び浸漬ノズル１２を図１に示す。
タンディッシュ１０の下面には、上ノズル１１から吐出される溶鋼の流量調節を行うスライディングノズル１３が取り付けられている。スライディングノズル１３は、上ノズル１１の下面に固定された上プレート１３ａ、浸漬ノズル１２の上端部に下ノズル１４を介して固定された下プレート１３ｃ、上プレート１３ａと下プレート１３ｃに挟まれた状態でスライドする中間プレート１３ｂ、及び中間プレート１３ｂをスライドさせるアクチュエータ（図示省略）から概略構成されている。

上ノズル１１（連続鋳造ノズルの一例）は、溶鋼の流通路となる内孔１１ａと、内孔１１ａを囲繞する耐火物からなる円錐台状のノズル本体１１ｂとから構成されている。内孔面には、ＳｉＯ_２及びＣを配合した通気性耐火物１５が配置されている。通気性耐火物１５には、ノズル系外から通気性耐火物１５の背面に向けて不活性ガスが供給される。

浸漬ノズル１２（連続鋳造ノズルの一例）は、上端部が溶鋼の流入口とされ、流入口から下方に延びる流路（内孔）１２ａが内部に形成された、底部を有する管体１２ｂから構成されている。管体１２ｂの下がわ側面部には、内孔１２ａと連通する一対の吐出孔１２ｃが対向して形成されている。
内孔面には、ＳｉＯ_２及びＣを配合した通気性耐火物１６が配置され、通気性耐火物１６と連通する中空室１７が管体１２ｂ内部に形成されている。通気性耐火物１６には、ノズル系外から中空室１７を経由して通気性耐火物１６の背面に不活性ガスが供給される。

前述したように、不活性ガスの通気特性が不安定になるのは、操業に伴って通気性耐火物表面の気孔径やガス流路の径が拡大することにより発生する。その場合、不活性ガスの流量を一定にすると、時間の経過と共に背圧が低下していき、背圧を一定にすると、時間の経過と共に不活性ガスの流量が増加していく。
以下の説明では、不活性ガスの流量を一定にする場合について説明するが、背圧を一定する場合も基本的な考え方は同じである。

［本発明の技術思想について］
溶鋼の高清浄化や連続鋳造ノズルの内孔面への非金属介在物の付着抑制を目的として、連続鋳造ノズルから溶鋼中への不活性ガス吹き込み技術を用いた場合、鋳造開始直後から初期にかけて（鋳造開始時に新品の連続鋳造ノズルを使用する前提で、例えば鋳造開始直後〜３０分）、不活性ガスの通気特性が不安定になる。具体的には、流量一定として不活性ガスを溶鋼中に吹き込んだ場合、ガス供給圧（背圧）が低下していく。

上記背圧低下は、ガス流路断面積（通気性耐火物表面の気孔径やガス流路径）の拡大に起因している。ガス流路断面積の拡大は気泡径の増大に直結するため、気泡欠陥の原因となる。また、気泡径の増大は、ガス流量一定下においては、気泡個数の減少、即ち全気泡の表面積合計の減少の原因となるため、介在物捕捉効果が低下し、介在物欠陥の原因ともなる。

一方、背圧が安定した後（例えば鋳造開始から３０分経過後）に適正な背圧となるように、予め気孔率が調整された通気性耐火物を使用すると、鋳造開始時（鋳造開始後０分）において高背圧となるため、耐火物の破損を招く場合がある。逆に、耐火物の破損を防止するため、背圧を下げてガス流量を低減させた場合は、介在物捕捉効果が低下する原因となる。
本発明者らが発見した上記課題は、特許文献２記載の技術、即ち１μｍ以下のＳｉＯ_２を使用した通気性耐火物の場合、極めて高い背圧となるため深刻な課題となる。

一般の通気性耐火物にはＳｉＯ_２が配合されているが、鋳造開始後に通気性耐火物が加熱された場合、ＳｉＯ_２がガス化（ＳｉＯガス）し、ガス流路断面積が拡大することを本発明者らは見出した。即ち、通気性耐火物に含まれるＳｉＯ_２がガス化することによりガス流路断面積が拡大し、不活性ガスの通気特性が不安定となることを本発明者らは見出した。

他方、通気性耐火物に配合されているＣとガス化したＳｉＯ_２（ＳｉＯガス）が反応して、ガス流路表面全体を覆うようにＳｉＣ層が生成されると、ＳｉＯ_２のガス化が停止し、ガス流路断面積の拡大が抑制される。

そこで、本発明者らは、連続鋳造ノズル予熱時に、ＳｉＯ_２のガス化とＣとの反応を促進させることにより、ＳｉＯ_２のガス化反応を概ね完了させておくこととした。
本発明者らは、ＳｉＯ_２のガス化とＣとの反応を促進させるファクターとして、予熱前のガス流路の表面積、予熱時のガス流量、予熱時間が重要であると考えた。

本発明者らは、一般に販売されている、通気性耐火物が配置された浸漬ノズルでは、通気性耐火物の冷間通気量が測定されていることに着目した。
冷間通気量とガス流路の表面積は概ねトレードオフの関係にあると考えられる。即ち、冷間通気量が少ないほど（細いガス流路が多数存在）、ガス流路の表面積が増大してガス流路に露出するＳｉＯ_２の量が増加し、ガス化させる対象となるＳｉＯ_２が増加すると考えられる。逆に、冷間通気量が多いほど（太いガス流路が少数存在）、ガス流路の表面積が減少してガス流路に露出するＳｉＯ_２の量が減少し、ガス化させる対象となるＳｉＯ_２が減少すると考えられる。

通気性耐火物は、概ね一定のかさ密度で製造されており、ガス流路の体積は概ね一定となるが、ガス流路の表面積の多寡は、上述したように、冷間通気量で評価できると考えられる。

また、ノズル内孔面に露出した通気性耐火物の単位面積当たりの予熱時不活性ガス流量が多くなると、ガス化したＳｉＯ_２を浸漬ノズル外へ除去する効果が得られ、ＳｉＯ_２のガス化反応が進行すると考えられる。
なお、予熱時間が長くなるほど、ＳｉＯ_２のガス化反応が進行するのは自明である。

予熱温度は、ＳｉＯ_２のガス化温度（顕著なガス化は６００℃以上で発生）以上とすれば、工業的に採用できる予熱温度（最高１１００℃程度）の範囲内において、ＳｉＯ_２のガス化とＣとの反応の進行状況に大差はないと考えられる。
一方、６００℃未満（例えば５００℃程度）の予熱では、ＳｉＯ_２のガス化とＣとの反応促進不足が懸念されると共に、鋳造開始時（通湯開始時）のスポーリングにより耐火物の損傷も懸念される。

［本発明の構成］
本発明では、ＳｉＯ_２及びＣを配合した通気性耐火物を内孔面に配置した連続鋳造ノズルの予熱に際し、
予熱中の通気性耐火物に通気する不活性ガスの流量である予熱時不活性ガス流量［Ｌ／ｍｉｎ］を、（１）式の条件を満足する値とする。
冷間通気量［Ｌ／ｍｉｎ ａｔ ０．０９８ＭＰａ］×内孔面に露出する通気性耐火物の単位面積当たり予熱時不活性ガス流量［ＮＬ／ｍｉｎ／ｃｍ^２］×予熱時間［ｍｉｎ］≧６．８ （１）

不活性ガスは、Ａｒ等の周期律表における不活性ガス以外に窒素ガスを含む。
予熱時間は、６００℃以上の滞留時間である。

通気性耐火物１００質量％に対して、単体（複合酸化物の場合を除く。）のＳｉＯ_２は２〜１２質量％程度、骨材として配合するＣは７〜３０質量％程度である。
冷間通気量と、内孔面に露出する通気性耐火物の単位面積当たり予熱時不活性ガス流量と、予熱時間の積の上限値は特に定めないが、実用的な予熱条件（最高予熱温度、最高ガス流量、工業的に採用できる予熱時間）の場合、１１５程度が上限と見られる。

ＳｉＯ_２の一部又は全部に粒径１μｍ以下のＳｉＯ_２粒子が配合されていてもよい。粒径１μｍ以下のＳｉＯ_２粒子の配合量は、通気性耐火物１００質量％に対して２〜１２質量％程度である。

図２は、浸漬ノズル１２の予熱方法及び通気性耐火物１６の予熱温度測定方法を示した模式図である。
浸漬ノズル１２を予熱する際は、吐出孔１２ｃから内孔１２ａにバーナー２０を挿入して内孔面を加熱すると共に、管体底面の直下にバーナー２０を配置して管体底面を加熱する。
内孔面に配置された通気性耐火物１６の予熱温度を測定する際は、吐出孔１２ｃを通して通気性耐火物１６に放射温度計２１を向けて赤外線を照射し、通気性耐火物１６の予熱温度を測定する。

なお、吐出孔１２ｃを通して内孔１２ａの底面に放射温度計２１を向けて赤外線を照射し、内孔１２ａの底面の予熱温度を測定した値を代用してもよい。内孔１２ａの底面は、予熱時に外気に触れるため予熱温度が最も低く、通気性耐火物１６の温度は測定温度以上であると考えられる。
あるいは、熱電対を通気性耐火物１６に直接接触させて測定する方法でもよい。

上ノズル１１の予熱温度を測定する際は、内孔１１ａの上方から、内孔面に配置された通気性耐火物１５に放射温度計２１を向けて赤外線を照射し、通気性耐火物１５の予熱温度を測定する。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
検証試験には、内孔面に通気性耐火物を配置した２種類のアルミナグラファイト質浸漬ノズルを使用した。２種類の浸漬ノズルＡ及びＢに配置されている通気性耐火物の組成及び構造を表１に示す。

通気性耐火物は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、骨材に配合されたＣを含み、残部はＣａＯ等の酸化物、バインダーとしてのＣ、イグニッションロス等である。
浸漬ノズルＡの通気性耐火物は粒径１μｍ以下のＳｉＯ_２粒子を２質量％含み、浸漬ノズルＢの通気性耐火物は粒径１μｍ以下のＳｉＯ_２粒子を含まない。

試験結果の一覧を表２に示す。
予熱時間は６００℃以上に加熱している時間とし、予熱時の通気性耐火物には、不活性ガス（窒素ガス）を表２記載の予熱時不活性ガス流量一定として供給した。

試験結果の評価は以下のように行った。
実機の鋳造開始後０分の通気性耐火物に不活性ガス（Ａｒガス）を供給する際の供給圧力（背圧）を１００％として鋳造開始後３０分の背圧が９０％以上の場合、実機に適用することができるので、○とした。
規定流量の通気は可能であるが、鋳造開始後０分の背圧を１００％として鋳造開始後３０分の背圧が９０％未満、もしくはスポーリングで耐火物に割れが発生した場合、△とした。ただし、実機には適用不可である。
鋳造初期の背圧が高く耐火物が破損するおそれがあるため、ガス流量を減少させた場合、実機に適用できないので、×とした。

検証試験から判明したことを以下に列記する。
・実施例は全て評価が○であった。
・粒径１μｍ以下のＳｉＯ_２粒子が配合されている通気性耐火物を使用した比較例１〜４は、鋳造初期の背圧が高く耐火物が破損するおそれがあるため、ガス流量を減少せざるを得なかった。
・比較例５、６は、粒径１μｍ以下のＳｉＯ_２粒子が配合されていない通気性耐火物を使用していたが、（１）式の値が６．８未満であったため、評価が△であった。

・冷間通気量を変更して（１）式の値を６．８以上とすることにより背圧の安定化が確認された（実施例１と比較例１の比較）。
・内孔面に露出する通気性耐火物の単位面積当たり予熱時不活性ガス流量を変更して（１）式の値を６．８以上とすることにより背圧の安定化が確認された（実施例１と比較例３の比較）。
・予熱時間を変更して（１）式の値を６．８以上とすることにより背圧の安定化が確認された（実施例１と比較例２の比較、実施例５と比較例５の比較）。

１０：タンディッシュ、１１：上ノズル（連続鋳造ノズルの一例）、１２：浸漬ノズル（連続鋳造ノズルの一例）、１１ａ、１２ａ：内孔、１１ｂ：ノズル本体、１２ｂ：管体、１２ｃ：吐出孔、１３：スライディングノズル、１３ａ：上プレート、１３ｂ：中間プレート、１３ｃ：下プレート、１４：下ノズル、１５、１６：通気性耐火物、１７：中空室、２０：バーナー、２１：放射温度計

Claims (2)

1. ＳｉＯ_２及びＣを配合した通気性耐火物を内孔面に配置した連続鋳造ノズルの予熱に際し、
   予熱中の前記通気性耐火物に通気する不活性ガスの流量である予熱時不活性ガス流量［Ｌ／ｍｉｎ］を、次式の条件を満足する値とすることを特徴とする連続鋳造ノズルの予熱方法。
   冷間通気量［Ｌ／ｍｉｎ ａｔ ０．０９８ＭＰａ］×前記内孔面に露出する前記通気性耐火物の単位面積当たり予熱時不活性ガス流量［ＮＬ／ｍｉｎ／ｃｍ^２］×予熱時間［ｍｉｎ］≧６．８
2. 請求項１記載の連続鋳造ノズルの予熱方法において、前記ＳｉＯ_２の一部又は全部に粒径１μｍ以下のＳｉＯ_２粒子が配合されていることを特徴とする連続鋳造ノズルの予熱方法。

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