JP2026031445A - 鋳造用浸漬ノズル及びこれを用いた鋼の鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】浸漬ノズル内壁への地金付着を防止することで、浸漬ノズルのアルミナによる閉塞を防止し得る鋳造用浸漬ノズル及びこれを用いた鋼の鋳造方法を提供する。
【解決手段】ノズル本体と、溶鋼流出路と、溶鋼吐出口と、スラグライン材質部と、内張り材と、ノズルフランジ部と、ノズル底部と、を備える鋳造用浸漬ノズルであって、
厚み寸法が０．１ｍｍ以上且つ該鋳造用浸漬ノズルの耐火物厚みの１／２以下である断熱層を、前記ノズル本体内で前記溶鋼流出路を囲むように設けたことを特徴とする鋳造用浸漬ノズルである。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋳型内の溶鋼にその下部を浸漬させた状態でタンディッシュから鋳型内に溶鋼を吐出させる鋳造用浸漬ノズル及びこれを用いた鋼の鋳造方法に関する。本明細書において、数値の範囲を表す「ｘ～ｙ」はｘ以上ｙ以下を意味し、境界値を含む。また、１チャージとは、取鍋１基ごと（取鍋１杯分）の溶鋼を意味する。さらに、連々鋳とは、連続鋳造作業を複数のチャージに亘って連続的に行うことを意味する。

鋳造用浸漬ノズル、特に連続鋳造用浸漬ノズルでは、アルミキルド鋼の鋳造時に鋼中のアルミナが析出することで、浸漬ノズルの閉塞が発生していた。このため、鋳造した鋼片の品質に悪影響を及ぼすばかりでなく、浸漬ノズルの交換頻度も高くなり、鋼片の生産効率の低下が余儀なくされていた。

そこで、このような浸漬ノズルの閉塞を抑制するために、特許文献１乃至７に記載の技術が提供されている。特許文献１乃至４に記載の技術は、浸漬ノズルの中心部を通る溶鋼流出路に不活性ガスであるＡｒガスの吹き込みを行い、その不活性ガスの被膜でアルミナの析出を防止するものである。

また、特許文献５及び６では、浸漬ノズルの内壁を形成する材質にＣａＯを添加し、浸漬ノズル内壁に付着したＡｌ_２Ｏ_３と浸漬ノズル材質中のＣａＯとの反応により、Ａｌ_２Ｏ_３－ＣａＯ系の低融点化合物を生成し、同化合物を鋳型内へ流出浮上させることで浸漬ノズル閉塞を抑制する方法が開示されている。

さらに、特許文献７に開示の技術では、浸漬ノズルの耐火物内に断熱層を設けることで、浸漬ノズルにおける閉塞の防止を図ろうとしている。

特開２０１０－２２１２７７号公報 特開２００２－２５４１４５号公報 特開平１１－２８５７９０号公報 特開昭６２－１３０７５４号公報 特開２００７－１３０６５３号公報 特開昭６２－０２４８４６号公報 特開２０１３－２１５７６３号公報

しかしながら、前記特許文献１乃至４に記載の技術では、下記の理由により、浸漬ノズルへのアルミナの付着を完全に抑制することは困難である。即ち、アルミナの付着はＡｒガスの吹き込み量に大きく依存しており、吹き込み量が多い場合には付着抑制効果が期待できる。しかし、その分、Ａｒガスの気泡が大量に溶鋼中へ流入することとなり、湯面が暴れることでヘゲ欠陥を招いたり、気泡に起因するブロー欠陥を招いたりすることがある。このため、実操業においては、Ａｒガスを大量に吹き込むことができない。一方、Ａｒガスの吹き込み量が少ない場合には、不活性ガスの被膜が十分に形成されず、アルミナの付着防止効果が期待できない。このように、実操業において、鋼の品質確保とアルミナ付着の抑制とを両立させる上で、どちらか一方を犠牲にせざるを得ず、浸漬ノズルへのアルミナの付着を完全に抑制することは難しい。

また、特許文献５及び６に記載の方法では、前記低融点化合物を鋳型内に流出させるには、浸漬ノズル内での溶鋼の流速が大きいことが必須条件となる。浸漬ノズル内での溶鋼の流速が小さい場合、即ち、鋳造速度が遅い場合には、浸漬ノズル内壁への前記低融点化合物の付着が進行することになり、却って浸漬ノズルの閉塞を抑制することができなくなるという不具合がある。

さらに、特許文献７に記載の方法では、鋳造初期や鋳造末期の溶鋼温度降下を考慮しておらず、断熱層はスラグラインよりも上方に位置するため、浸漬ノズルの浸漬部における保熱効果が十分でないという欠点がある。

そこで、発明者らは、製鋼における最も重要な要件である鋼片の品質に及ぼす浸漬ノズルの影響について着目し、アルミナ閉塞の生じた浸漬ノズルを観察することで、浸漬ノズルとアルミナ付着物との境界を詳しく研究した。
その結果、アルミナは浸漬ノズルの耐火物表面に直接付着していないことが明らかとなった。具体的には、鋳造初期や鋳造速度低下時における溶鋼の温度低下を主な原因として発生した地金層がまず浸漬ノズルの耐火物表面に必ず存在し、その地金層の凹凸又は反応によりアルミナが該地金層に付着し、アルミナはこれを起点として成長することが判明した。

即ち、発明者らは、溶鋼が浸漬ノズルを通過する際に、浸漬ノズルの肉厚を介して熱量が外部に逃げ、浸漬ノズル内の溶鋼の温度が低下することで、浸漬ノズル内部の溶鋼流出路に地金層が付着するようになり、これを起点としてさらにアルミナが付着した結果、溶鋼流出路の閉塞が進行するという知見を得た。そこで、発明者らは、浸漬ノズルの肉厚を介して熱量が外部へ逃げることを防止するという具体的な手段を創出し、本発明を完成させるに至った。

具体的には、本発明は、浸漬ノズル内壁への地金付着を防止することで、浸漬ノズルのアルミナによる閉塞を防止し得る鋳造用浸漬ノズル及びこれを用いた鋼の鋳造方法を提供することを目的とする。これにより、鋼の鋳造の安定性と生産性を向上させることで鋳造効率の向上を図り、併せて鋼の表面欠陥及び内部欠陥を減少させて品質向上を図ることも期待できる。

上記課題を有利に解決する本発明における第１の態様は鋳造用浸漬ノズルであり、該鋳造用浸漬ノズルは、ノズル本体と、溶鋼流出路と、溶鋼吐出口と、スラグライン材質部と、内張り材と、ノズルフランジ部と、ノズル底部と、を備え、厚み寸法が０．１ｍｍ以上且つ該鋳造用浸漬ノズルの耐火物厚みの１／２以下である断熱層を、前記ノズル本体内で前記溶鋼流出路を囲むように設けたことを特徴とする。

また、上記第１の態様に係る鋳造用浸漬ノズルにおいて、
（ａ）前記ノズル本体内で前記溶鋼流出路を囲むように、前記ノズルフランジ部の下端から前記スラグライン材質部の下端までの領域、又は前記ノズルフランジ部の下端から前記溶鋼吐出口の上端までの領域に前記断熱層を設けること、
（ｂ）さらに前記ノズル底部に前記断熱層を設けること、
（ｃ）前記断熱層として、空気層、低熱伝導気体層、及び低熱伝導材質層から選ばれる少なくとも１つを含む層が用いられること、及び
（ｄ）前記低熱伝導気体層は、前記ノズル本体内で前記溶鋼流出路を囲むように設け、連通した空隙に不活性ガスを吹き込むことにより形成されること
などが、より好ましい解決手段になる。

上記課題を有利に解決する本発明における第２の態様は、上記第１の態様に係る鋳造用浸漬ノズルを用いて行う鋼の鋳造方法であり、溶鋼の温度低下を抑制することで、前記ノズル本体の内管への地金付着を防止し、アルミナ付着を防止することを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも、ノズル本体の耐火物内において溶鋼流出路を囲むように断熱層が形成されているため、ノズル本体の肉厚を伝わって外部に逃げる熱量が減少する。これにより、溶鋼流出路の壁面温度が上昇し、ノズル本体の内管への地金付着が抑制される。これに伴い、地金を起点としたアルミナの成長も抑制され、鋳造用浸漬ノズルのノズル閉塞が防止される。このような理由から、鋼の鋳造の安定性と生産性を向上させることができ、併せて鋼の表面欠陥及び内部欠陥を減少させて品質向上を図ることも期待できる。

本発明の一実施形態に係る鋳造用浸漬ノズルを示す模式縦断面図である。 上記実施形態に係る鋳造用浸漬ノズルにつき、熱流束の算出方法を説明するための模式縦断面図である。 上記実施形態に係る鋳造用浸漬ノズルの効果につき、従来技術に係る鋳造用浸漬ノズルと比較したグラフである。 発明例及び比較例における、地金付着厚みとアルミナ付着厚みの合計と、熱流束との相関関係を示した散布図である。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構造や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものではない。即ち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

［第１実施形態］
＜鋳造用浸漬ノズル＞
本発明における第１実施形態は鋳造用浸漬ノズルである。
図１は、本実施形態に係る鋳造用浸漬ノズルを示す模式縦断面図である。図１中の鋳造用浸漬ノズル１は連続鋳造用のものであり、図示しないタンディッシュの底部に連結される。この鋳造用浸漬ノズル１は、ノズル本体２と、溶鋼流出路３と、溶鋼吐出口４と、スラグライン材質部５と、内張り材６と、ノズルフランジ部７と、ノズル底部８と、を備える。前記ノズル本体２は本実施形態に係る鋳造用浸漬ノズルの直胴部である。ノズル本体２は、円筒状に形成されており、その中心部に中空の前記溶鋼流出路３が設けられている。前記溶鋼吐出口４はノズル本体２の下部に形成されている。ここで、溶鋼吐出口４は、ノズル本体２の内面で溶鋼流出路３側の面に張られた管状の前記内張り材６もろともノズル本体２を貫通しており、ノズル本体２の軸線と交差する方向に向くように配置されている。内張り材６としては、耐火材等が用いられる。

使用時において、上記鋳造用浸漬ノズル１は連続鋳造設備の図示しない鋳型内に挿入される。図１中、符号１１は鋳型内の溶鋼を示し、符号１２はスラグ層９の下面であるとともに該溶鋼１１の上面位置である溶鋼上面を示す。該溶鋼上面１２上には上記スラグ層９が浮上しており、スラグ層上面１０がスラグ層９の上面位置となる。即ち、使用時において、鋳造用浸漬ノズル１はその下部が溶鋼とスラグ層の中に浸漬されている。

前記スラグライン材質部５は、ノズル本体２において、溶鋼吐出口４よりも上方の部位に設けられており、鋳型内溶鋼表面に形成され、上下するスラグ層９の範囲に対応したノズル長手方向の寸法を有する。具体的には、スラグ層９の表面であるスラグ層上面１０は、スラグライン材質部５の上端まで移動することがあり、また、スラグ層９と溶鋼１１との界面であるスラグ層下面（溶鋼上面）１２は、スラグライン材質部５の下端まで移動することがある。即ち、スラグライン材質部５の下端より上の部分が溶鋼面から露出し得る。前記ノズルフランジ部７は、ノズル本体２の上端に設けられており、図示しないタンディッシュに連結される。前記ノズル底部８はノズル本体２の下端に設けられており、溶鋼吐出口４よりも下方に位置する。

本実施形態に係る鋳造用浸漬ノズルはさらに断熱層１３を有する。断熱層を設けることで、地金層付着ひいてはアルミナ付着の原因となる、溶鋼やノズル耐火物の温度低下を抑制することが可能となる。

ここで、地金層は例えば、溶鋼が鋳造用浸漬ノズルを通過し始める際に温度低下により付着するものと考えられる。具体的には、鋳造開始までは、ノズル温度への影響は断熱層の有無によって左右されないとも考えられるが、ノズルの昇温停止から溶鋼が通過するまでの間に温度が低下することを考慮にいれるべきである。即ち、鋳造開始時付近において、鋳造用浸漬ノズルの温度は、昇温による温度上昇と、昇温停止による温度低下と、溶鋼の流入による温度上昇との３段階を経る。昇温停止により温度が低下した段階における温度は最低点であり、地金層の付着が発生しやすいタイミングでもある。その際、断熱層があることで耐火物に流れる熱量を低減でき、地金層の付着を抑制することができる。とりわけ、後述するノズル底部に設けられた断熱層が有効である。また、連続鋳造の終盤においても、ノズル温度が低下するため、地金層付着の可能性が高まる。即ち、連続鋳造では、その開始時と終了時において地金層が付着する確率が高まる。なお、連続鋳造（連々鋳）の途中においては、鋳造速度こそ変化しないものの、例えば、取鍋の交換時に溶鋼の温度低下が生じるため、地金層付着の原因となる。

本実施形態における断熱層１３は、例えば、ノズルフランジ部７の下端からスラグライン材質部５の下端にかけて、又は、ノズルフランジ部７の下端から溶鋼吐出口４の上端にかけて、ノズル本体２の肉厚内で溶鋼流出路３を囲むようにして形成されている。この場合、断熱層１３は溶鋼流出路３と同心の円筒状に形成されている。断熱層１３は、ノズルの内管から外側に向かって形成されていてもよく、即ち、上記内張り材６と接するように形成されていてもよい。しかしながら、ノズル本体２の強度確保の観点から、ノズル本体２の耐火物厚みの概ね中央部に該断熱層１３を設けることが好ましい。これにより、スポーリングに起因する折損等を回避することができる。以下において、ノズルフランジ部７の下端からスラグライン材質部５の下端までの領域を第１領域とし、ノズルフランジ部７の下端から溶鋼吐出口４の上端までの領域を第２領域とする。ここで、浸漬ノズルの構造上、吐出孔からの熱負荷によりスポーリングが発生した場合、割れの伝播が発生する可能性もあるため、第２領域に断熱層１３を配置する場合は第１領域に配置する場合と比較して容易ではない。しかし、第２領域に断熱層１３を配置する場合でも、例えば、格子状に配置することで強度を保つことが可能となる。第２領域に断熱層１３を設けることで、後述のように、浸漬ノズルのスラグ層や溶鋼に覆われている部分においても断熱効果が得られる。
また、断熱層１３は、上記ノズル本体２に設けたものに加え、ノズル底部８に設けられていてもよい。ノズル底部８にも断熱層１３を設ける場合、該断熱層は、ノズル底部８の強度確保を条件として、円盤状、プレート状等の様々な形状とすることができる。断熱層１３をノズル底部８にも設けることで、後述するノズル外部への熱伝導抑制効果がさらに向上することが期待できる。また、断熱層１３をノズル底部８に設けることで、ノズル本体２の内管で該ノズル底部８の直上に位置する部位やその近辺における地金付着防止効果が得られ、溶鋼吐出口４から吐出される溶鋼の流量を安定させることも可能となる。

ここで、図１に示す形態の鋳造用浸漬ノズル１では、ノズルフランジ部７の下端から溶鋼吐出口４の上端にかけての領域（第２領域）とノズル底部８とに断熱層１３が設けられている。図１に示す形態以外に、本発明の鋳造用浸漬ノズルは、例えば、前記第１領域とノズル底部８とに断熱層１３を設けていてもよく、第１領域にのみ断熱層１３を設けてもよい。

断熱層１３をノズル本体２に設ける場合、その厚み寸法（ノズル本体の径方向の寸法）を０.１ｍｍ以上とする。厚み寸法の上限としては、ノズル本体２の強度を確保できる範囲のものを採用することができる。具体的には、厚み寸法が０．１ｍｍ以上且つ鋳造用浸漬ノズル１の耐火物厚みの１／２以下である断熱層が好ましい。
ここで、例えば、粉体焼結で成型したノズル本体における粉体粒子の接触熱伝導による影響を考慮した場合、下限の０．１ｍｍはノズル耐火物に施工できる最小厚み寸法でもある。しかしながら、後述する低熱伝導材質層を断熱層として用いることを前提とした際、該低熱伝導材質の低熱伝導性が顕著である場合は、０．１ｍｍ未満の寸法も採用し得る。ここで、鋳造用浸漬ノズル１の耐火物厚みとは、ノズル本体２においては、スラグライン材質部５を除いた部分の耐火物の厚みをいい、ノズル底部８においては、該ノズル底部をなす耐火物の厚みをいう。厚み寸法が０．１ｍｍ未満である場合は、所望の熱伝導抑制効果が得られないおそれがあり、鋳造用浸漬ノズル１の耐火物厚みの１／２を超える場合は、ノズル本体２の強度を確保できなくなるおそれがある。また、断熱層１３をノズル底部８に設ける場合の上限及び下限も上記と同様とする。この場合、断熱層１３の厚み寸法はノズル底部８における垂直方向（直胴部の軸方向に一致する）の寸法である。

ここで、断熱層１３としては、空気層、低熱伝導気体層、及び低熱伝導材質層等が挙げられる。以下において、これら各種断熱層について詳述する。

＜空気層＞
第１領域又は第２領域に断熱層としての空気層を形成する場合、鋳造用浸漬ノズル１の焼成時に焼失する材料からなる部材であって、所望する断熱層と同一形状又はこれに近い形状の円筒状の部材をまずノズル本体２をなす耐火材（耐火物）の内部に埋設しておく。さらに、ノズル本体２の内側には内張り材をなす耐火材を内張りしておく。この状態で鋳造用浸漬ノズル１の全体を焼成すれば、前記円筒状の部材は焼失して円筒状の空気層が形成される。ここで、第１領域において断熱層１３を形成する場合、ノズル長手方向における該空気層の両端は、自ずとノズルフランジ部７の下端及びスラグライン材質部５の下端によって閉じられる。また、第２領域において断熱層１３を形成する場合、ノズル長手方向における該空気層の両端は、自ずとノズルフランジ部７の下端及び溶鋼吐出口４の上端によって閉じられる。このようにして、空気層である断熱層１３が形成される。

なお、前記焼失する材料からなる部材の形状を断熱層と同一形状又はこれに近い形状としたのは、鋳造用浸漬ノズル１の焼成により耐火材が変形することで、焼失する材料の形状と、焼失により形成される空気層の形状とが完全に一致しない場合もあるからである。また、第１領域又は第２領域のみならず、ノズル底部８にもこのような断熱層としての空気層を形成する場合も上記と同様の方法を用いることができる。さらに、ノズル耐火物自身の有する通気性（気孔率）により、熱膨張が生じた際の空気を逃がすための通路を例えば、ノズルの上部等に別途設ける必要はない。

＜低熱伝導気体層＞
第１領域又は第２領域に断熱層としての低熱伝導気体層を形成する場合、熱伝導率の低い気体が用いられる。具体的には、アルゴン、キセノン、窒素のうちいずれか又は他の気体が挙げられる。低熱伝導気体層とする場合は、例えば、ノズル本体２の耐火物内に予め形成した、溶鋼流出路３を囲む円筒状の連通した空隙にアルゴンガス等の不活性ガスを鋳造操業中に吹き込む構成としてもよい。この場合、不活性ガスを導入する機構をノズルフランジ部７内に設けてもよい。負圧により該不活性ガスがノズル本体２の内管に引き込まれた際は、溶鋼の酸化防止に寄与することも期待できる。具体的には、例えば、溶鋼吐出口４まで不活性ガスを送り込む際は、溶鋼吐出口付近の特定部位が負圧となり、該不活性ガスが引き込まれる場合がある。このように、不活性ガスを吹き込む構成は、第２領域に断熱層を設ける場合に特に有用である。即ち、低熱伝導気体層を断熱層として用いた場合、該低熱伝導気体層は断熱層及び不活性ガス通路としての作用を果たすことができる。これにより、不活性ガスの気泡により付着アルミナを洗い流すという観点からも、同じく不活性ガスを流す図示しない上ノズルに加えて、複数箇所においてアルミナ付着対策が可能となる。また、前記連通した空隙は、第１領域に断熱層を設ける場合は、少なくともスラグライン材質部５の下端まで連通していることを要し、第２領域に断熱層を設ける場合は、少なくとも溶鋼吐出口４の上端まで連通していることを要する。
ここで、第１領域又は第２領域のみならず、ノズル底部８にもこのような断熱層としての低熱伝導気体層を形成する場合も上記と同様の方法を用いることができる。

＜低熱伝導材質層＞
第１領域又は第２領域に断熱層としての低熱伝導材質層を形成する場合、ノズル本体２の材質よりも熱伝導率の低い材質が用いられる。低熱伝導材質層は、例えば、ノズル本体２の成型時において、内側から外側に向かって焼成等により積層させていく方法によってノズル本体２の耐火物内に配置することができる。さらに、固体である低熱伝導材質層を断熱層として用いた場合、ノズル耐火物自身の熱伝導率低下を図ることができる。

低熱伝導材質層の材質をシミュレーションするために以下のような伝熱計算を行った。ノズルの外側上部が大気温度であること、ノズルの内側が空気として溶鋼とほぼ同じ１５００℃の温度であることとした。ノズルの内面を通常よりも３０℃以上高くすることを目標に、断熱層として低熱伝導材質層を用いた場合の材質および厚み寸法を変更して伝熱計算した。例えば、鋳造用浸漬ノズルの耐火物がアルミナ・カーボン質であることを前提として、熱伝導度が１．０Ｗ／ｍ・Ｋであるシリカを低熱伝導材質層に用いた場合の厚み寸法は５ｍｍ乃至１０ｍｍであることが好ましく、熱伝導度が３．０Ｗ／ｍ・Ｋであるジルコニアを低熱伝導材質層に用いた場合の厚み寸法は１０ｍｍ乃至１５ｍｍであることが好ましい。ノズル耐火物よりも低い熱伝導度を有する上記材質の低熱伝導材質層を上記範囲内の厚み寸法で用いることにより、前記空気層や低熱伝導気体層と同等の効果が得られる。
ここで、第１領域又は第２領域のみならず、ノズル底部８にもこのような断熱層としての低熱伝導材質層を形成する場合も上記と同様の材質や方法を用いることができる。

ここで、例えば、ノズル本体２における第１領域又は第２領域に加えて、ノズル本体２の下端に設けられたノズル底部８内にも断熱層１３を設ける場合は、上記空気層、低熱伝導気体層、及び低熱伝導材質層のうちの一種又は二種以上を適宜組み合わせて配置する構成としてもよい。例えば、第１領域又は第２領域のいずれかに配置した断熱層１３と、ノズル底部８に配置した断熱層１３とは同一種類のものであってもよく、異なっていてもよい。

また、前記内張り材の内面であって、前記スラグ層９の上面位置であるスラグ層上面１０より上の領域にさらに別の層を配置することも可能である。この別の層は、内部を流下する溶鋼の抜熱防止と、付着する地金の反応防止とのいずれか又は両方の機能が備わっていることが好ましい。

本実施形態に係る鋳造用浸漬ノズル１では、上方のタンディッシュから供給される溶鋼が溶鋼流出路３の上端からノズル本体２内に流入し、流下した溶鋼はノズル本体２の下部に設けられた溶鋼吐出口４より鋳型内に吐出される。このとき、スラグ層９の上面位置であるスラグ層上面１０より上の領域、即ち、鋳造用浸漬ノズル１のスラグ層９及び溶鋼１１のいずれにも浸漬していない領域では、内張り材６とノズル本体２とを伝わって溶鋼流出路３内を流下する溶鋼の熱が鋳造用浸漬ノズル１の外部に逃げようとする。

ここで、本実施形態に係る鋳造用浸漬ノズル１は、少なくともノズル本体２における第１領域に断熱層１３を有する。これにより、鋳造用浸漬ノズル１の上記領域にある溶鋼流出路３内を流れる溶鋼に関しては、溶鋼熱の外部への伝導が抑制されることで、溶鋼が過度に冷却されることなく下方に移動することができる。即ち、本実施形態に係る鋳造用浸漬ノズル１において、少なくともノズル本体２内に断熱層１３を設けたことで、溶鋼の熱伝導抑制効果が得られる。一方、スラグ層９の上面位置であるスラグ層上面１０より下の領域、即ち、鋳造用浸漬ノズル１のスラグ層９及び溶鋼１１の双方に浸漬している領域では、鋳造用浸漬ノズル１の外部をスラグ層９と溶鋼１１とが覆っているため、鋳造用浸漬ノズル１の内部における溶鋼の温度低下は殆ど発生しない。ここで、上述のように、ノズル本体２における第２領域やノズル底部８に断熱層１３を設けることで、上記スラグ層９の上面位置であるスラグ層上面１０より下の領域においても、溶鋼の熱伝導抑制効果が期待できる。

このように、本実施形態に係る鋳造用浸漬ノズル１では、断熱層１３の配置箇所を適宜調整することにより、スラグ層９の上面位置であるスラグ層上面１０より上の領域及び該スラグ層上面１０より下の領域の双方において、ノズル本体２内にある溶鋼の熱量が外部へ逃げるのを抑制することができ、上記双方の領域における溶鋼の温度低下を抑制することができる。具体的には、例えば、０．１ｍｍの空気層で試算した場合、断熱層の有無でノズル内面の温度に約３００℃の差が生じる。

また、例えば、鋳造開始前に鋳造用浸漬ノズルを１０００℃で予熱し、溶鋼が流入したときの温度が１５５０℃であった場合、通常、溶鋼の温度は約２００℃乃至３００℃下がることもある。界面であるノズル外面の温度の低下具合を考慮した場合、断熱層の存在により、ノズル外面（ノズル外壁面）の温度は相対的により低くなる。また、ノズル耐火物から外に出ていく単位面積当たりの熱量である熱流束の観点からも、断熱層を設けたことで、ノズル内側からの抜熱が減少し、ノズル外面の温度が低下した。具体的には、熱流束を以下に示す定量的方法であるフーリエの法則により算出し、熱流束が７０００Ｗ／ｍ^２以下となるような断熱層を用いることがより好ましいことが明らかとなった。図２は、本実施形態における熱流束の算出方法を説明するための模式縦断面図である。図２（ａ）は、浸漬ノズル耐火物の中央に断熱層としての空気層を設けた場合における熱流束の算出方法についての説明図である。一方、図２（ｂ）は、浸漬ノズル耐火物に断熱層が設けられていない場合における熱流束の算出方法についての説明図である。図２（ａ）中、Ｔ∞は大気温度を表す。Ｔｃは浸漬ノズル外壁面の温度を表す。Ｔｂは空気層を挟んで外側よりの耐火物壁面の温度を表す。Ｔａは空気層を挟んで内側よりの耐火物壁面の温度を表す。δ１は空気層で隔てられた内側及び外側の耐火物の厚みを表す。δ２は空気層の厚みを表す。また、図２（ｂ）中、Ｔ∞は大気温度を表す。Ｔｃは浸漬ノズル外壁面の温度を表す。δ３は浸漬ノズル耐火物全体の厚みを表す。ここで、図２（ａ）及び（ｂ）において、δ１、δ２、及びδ３は、δ３＝２δ１＋δ２の関係にある。

例えば、空気層で隔てられた内側及び外側の耐火物の厚みδ１をそれぞれ０．０１２７５ｍ（１２．７５ｍｍ）とし、断熱層としての空気層の厚みδ２を０．００１ｍ（１．０ｍｍ）とし、浸漬ノズル耐火物全体の厚みδ３を０．０２６５ｍ（２６．５ｍｍ）とし、大気温度Ｔ∞を２５℃とし、浸漬ノズル内壁面の温度を１５００℃とし、浸漬ノズル耐火物の熱伝導率ｋ１を２３．６Ｗ／ｍ・Ｋとし、空気層の熱伝導率ｋ２を０．０２４Ｗ／ｍ・Ｋとし、大気の熱伝達係数ｈを５Ｗ／ｍ^２・Ｋとした場合、熱流束Ｑ及び浸漬ノズル外壁面の温度Ｔｃは、断熱層（空気層）が設けられている場合と設けられていない場合とでそれぞれ下記のように求まる。

［断熱層ありの場合］
断熱層としての空気層が設けられている場合は、下記の数式１及び２を用いて熱流束Ｑ及び浸漬ノズル外壁面の温度Ｔｃの算出を行った。
[数１]
１５００－Ｔ∞＝Ｑ＊（δ１／ｋ１＋δ２／ｋ２＋δ１／ｋ１＋１／ｈ）
[数２]
Ｔｃ－Ｔ∞＝Ｑ／ｈ
まず、数式１に上記該当する値をそれぞれ代入したところ、熱流束はＱ＝６２６２Ｗ／ｍ^２であると算出された。そして、該熱流束値、大気温度、及び大気の熱伝達係数を数式２に代入したところ、浸漬ノズル外壁面の温度はＴｃ＝１２８２℃であると算出された。

［断熱層なしの場合］
断熱層が設けられていない場合は、下記の数式３及び４を用いて熱流束Ｑ及び浸漬ノズル外壁面の温度Ｔｃの算出を行った。
[数３]
１５００－Ｔｃ＝Ｑδ３／ｋ１
[数４]
Ｔｃ－Ｔ∞＝Ｑ／ｈ
まず、数式３と数式４の加算により得られた式である１５００－Ｔ∞＝Ｑ（δ３／ｋ１＋１／ｈ）に上記該当する値をそれぞれ代入したところ、熱流束はＱ＝７５５７Ｗ／ｍ^２であると算出された。そして、該熱流束値、大気温度、及び大気の熱伝達係数を数式４に代入したところ、浸漬ノズル外壁面の温度はＴｃ＝１５４２℃であると算出された。

上記の結果から、断熱層としての空気層が設けられている場合は、断熱層が設けられていない場合と比較して、浸漬ノズル外壁面の温度Ｔｃが２６０℃低く、断熱効果があることが確認された。なお、本実施形態の鋳造用浸漬ノズルは円筒状に形成されているため、熱流束の計算はその内面積と外面積との差を考慮して行われ、円筒座標系における断熱層の位置を考慮して行われた。即ち、熱流束の観点から、ノズル外壁面の温度で断熱層の効果を評価した。

ノズル本体２内にある溶鋼の温度低下を抑制することで、鋳造用浸漬ノズル１の温度を維持できるようになる。これにより、鋳造用浸漬ノズル１の内面、具体的にはノズル本体２内に配された内張り材６の表面に地金層が付着しにくくなり、地金付着防止効果が得られる。地金層の付着が抑制されることで、それを起点とするアルミナの成長も著しく減少し、アルミナによる溶鋼流出路３の閉塞や狭隘化を防止することができる。
ここで、鋳造用浸漬ノズルの内面に地金層が形成され、該地金層にアルミナが付着し、アルミナが成長していく過程としては、例えば、具体的に下記のような機序が考えられる。一般的に、連続鋳造においてスラブを鋳込む際、鋳型内の凝固遅れを防止するために、タンディッシュ内の温度を凝固温度＋２０℃～４０℃の範囲に制御する。タンディッシュから鋳型までは鋳造用浸漬ノズルを介して溶鋼が注入されるため、浸漬ノズルでの抜熱が２０～４０℃と大きい場合は浸漬ノズル出口の溶鋼は凝固温度にまで低下するおそれがある。その場合、浸漬ノズル内を通過する溶鋼がノズルの内壁に付着し凝固することで、地金層が形成される。特に、鋳造用浸漬ノズルに真熱が付いていない鋳造開始時や、鋳造速度の低下時にはこのような影響が顕著となる。一旦地金が浸漬ノズル内に付着してしまうと、ノズルの内壁面に凹凸が生じ、アルミナ介在物が地金層に付着しやすい状態となる。これを起点として、アルミナが累積的に付着し成長していくことで、操業に支障をきたすようになる。

この点、アルミナ付着抑制に関しては、従来、Ａｒガス等の不活性ガスを吹き込むことで浸漬ノズル内壁のガスシールを行う方法が一般的であった。しかしながら、不活性ガスの吹き込みは溶鋼温度よりも低い温度で行われるため、溶鋼温度の低下を招き、浸漬ノズル内壁への地金付着を促進する虞があった。これに対し、本実施形態に係る鋳造用浸漬ノズルは、さらに所定の部位に設けられた断熱層によって溶鋼の温度低下の抑制を図ることを実現しており、不活性ガスの吹き込みに起因する温度低下を極力抑制することができる。即ち、本実施形態では、従来と異なる観点から鋳造用浸漬ノズル内壁への地金付着を防止することで、アルミナによる浸漬ノズルの閉塞を防止することができる。これにより、鋼の鋳造の安定性と生産性を向上させることができ、併せて鋼の表面欠陥及び内部欠陥を減少させて品質向上を図ることも期待できる。
また、本実施形態に係る鋳造用浸漬ノズルを２孔ノズルとして図１中に例示しているが、言うまでもなく、本実施形態は例えば４孔ノズル等の各種多孔ノズルにも適用され得る。当然ながら、４孔ノズル等の各種多孔ノズルの場合においても、上記効果と同様の効果が発揮され得る。

［第２実施形態］
＜鋼の鋳造方法＞
本発明における第２実施形態は、上記第１実施形態に記載の鋳造用浸漬ノズルを用いて行う鋼の鋳造方法であり、安定して鋼を鋳造するためのものである。上記鋳造用浸漬ノズルを用いて鋳造を行うことで、ノズル本体２内やノズル底部８に設けられた断熱層１３により、溶鋼の温度低下を抑制することが可能となる。これにより、ノズル本体２の内管への地金付着を防止し、これを起点としたアルミナの付着を防止することができるようになる。また、上述のように各種断熱層及びその配置位置を適宜選択し、組み合わせることで、断熱層１３がもたらす熱伝導抑制効果をさらに向上させることも期待できる。

このように、本実施形態においても、鋳造用浸漬ノズル内壁への地金付着を防止することで、アルミナによる浸漬ノズルの閉塞を防止することができる。これにより、鋼の鋳造の安定性と生産性を向上させることができ、併せて鋼の表面欠陥及び内部欠陥を減少させて品質向上を図ることも期待できる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は下記に示す実施例に限定されるものではない。

＜実施例＞
同一清浄度の溶鋼にて比較するために、２ストランド設備を用いて、同一のタンディッシュの各ストランドに従来技術に係る鋳造用浸漬ノズルと本発明に係る鋳造用浸漬ノズルとを取り付け、連々７杯以上（４００分以上）の連続鋳造を実施して比較評価した。実施例のうち、本発明に係る鋳造用浸漬ノズルを用いた例を発明例とし、従来技術に係る鋳造用浸漬ノズルを用いた例を比較例とした。ここで、溶鋼の清浄度とは、溶鋼中の酸素濃度（酸素量）をいう。地金付着厚み及びアルミナ付着厚みの測定は、浸漬ノズルの内管であって、スラグ層９の上面位置であるスラグ層上面１０の直上部分に相当する箇所と吐出孔４の直上部分に相当する箇所とで行い、その平均値にて評価を行った。また、地金付着厚みとアルミナ付着厚みとの合計も求めた。
各連々数における発明例と比較例との比較において、Ａｒガスの流量をいずれも１０Ｌ／ｍｉｎとし、溶鋼吐出口の寸法をいずれも側面視で９０ｍｍ×９０ｍｍとし、内張り材としての内管材質はいずれも炭素非含有材質を用いた。また、発明例では、断熱層として、空気層又は低熱伝導材質層のいずれの層が用いられ、該断熱層の配置位置として、前記第１領域又は第２領域を採用した。一方、比較例では、断熱層を有しない鋳造用浸漬ノズルを用いた。発明例１乃至６で用いた空気層の熱伝導率は０．０２４Ｗ／ｍ・Ｋであり、発明例７で用いた低熱伝導材質層の熱伝導率は１．００Ｗ／ｍ・Ｋであった。また、比較例１乃至５において、浸漬ノズル耐火物の熱伝導率は２３．６Ｗ／ｍ・Ｋであった。各発明例及び比較例で得られた測定結果を表１に示す。なお、熱流束の計算は上述の通りに行った。

図３は、本発明に係る鋳造用浸漬ノズル（発明例）の効果と、従来技術に係る鋳造用浸漬ノズル（比較例）の効果とを比較した一例を示すグラフである。これは、各鋳造用浸漬ノズルの溶鋼流出路の壁面（内張り材の表面）に付着した地金とアルミナの厚み寸法を測定した結果であり、指標値として示している。なお、図３に示す結果は、いずれも連々数１０杯、Ａｒガス流量１０Ｌ／ｍｉｎ、溶鋼吐出口寸法９０ｍｍ×９０ｍｍ、及び内管材質アルミナグラファイトという条件の下で得られたものである。図３における比較において、発明例に係る鋳造用浸漬ノズルでは、空気層を断熱層として用い、その厚み寸法を１．０ｍｍとし、及びその配置位置を第２領域とした。一方、比較例に係る鋳造用浸漬ノズルとしては、上記のように断熱層を有しないものを用いた。

（発明例１）
発明例１では、断熱層を第１領域に配置し、連々７杯で連続鋳造を行った。また、断熱層として、空気層を用い、該断熱層の厚み寸法を０．１ｍｍとした。測定された地金付着厚みは８．０ｍｍで、アルミナ付着厚みは１２．６ｍｍであった。さらに、計算した熱流束値は７４０５Ｗ／ｍ^２であった。

（発明例２）
発明例２では、断熱層を第１領域に配置し、連々９杯で連続鋳造を行った。また、断熱層として、空気層を用い、該断熱層の厚み寸法を０．５ｍｍとした。測定された地金付着厚みは５．２ｍｍで、アルミナ付着厚みは９．８ｍｍであった。さらに、計算した熱流束値は６８４９Ｗ／ｍ^２であった。

（発明例３）
発明例３では、断熱層を第１領域に配置し、連々８杯で連続鋳造を行った。また、断熱層として、空気層を用い、該断熱層の厚み寸法を１．０ｍｍとした。測定された地金付着厚みは２．８ｍｍで、アルミナ付着厚みは５．２ｍｍであった。さらに、計算した熱流束値は６２６２Ｗ／ｍ^２であった。

（発明例４）
発明例４では、断熱層を第２領域に配置し、連々８杯で連続鋳造を行った。また、断熱層として、空気層を用い、該断熱層の厚み寸法を０．１ｍｍとした。測定された地金付着厚みは６．２ｍｍで、アルミナ付着厚みは１０．３ｍｍであった。さらに、計算した熱流束値は７４０５Ｗ／ｍ^２であった。

（発明例５）
発明例５では、断熱層を第２領域に配置し、連々９杯で連続鋳造を行った。また、断熱層として、空気層を用い、該断熱層の厚み寸法を０．５ｍｍとした。測定された地金付着厚みは４．４ｍｍで、アルミナ付着厚みは８．５ｍｍであった。さらに、計算した熱流束値は６８４９Ｗ／ｍ^２であった。

（発明例６）
発明例６では、断熱層を第２領域に配置し、連々８杯で連続鋳造を行った。また、断熱層として、空気層を用い、該断熱層の厚み寸法を１．０ｍｍとした。測定された地金付着厚みは１．５ｍｍで、アルミナ付着厚みは５．２ｍｍであった。さらに、計算した熱流束値は６２６２Ｗ／ｍ^２であった。

（発明例７）
発明例７では、断熱層を第２領域に配置し、連々７杯で連続鋳造を行った。また、断熱層として、低熱伝導材質層であるシリカ層を用い、該断熱層の厚み寸法を１．０ｍｍとした。測定された地金付着厚みは７．２ｍｍで、アルミナ付着厚みは１３．８ｍｍであった。さらに、計算した熱流束値は７５２１Ｗ／ｍ^２であった。

（比較例１）
比較例１では、断熱層を有しない鋳造用浸漬ノズルを用いて、連々７杯で連続鋳造を行った。測定された地金付着厚みは７．３ｍｍで、アルミナ付着厚みは１５．３ｍｍであった。また、計算した熱流束値は７５５７Ｗ／ｍ^２であった。

（比較例２）
比較例２では、断熱層を有しない鋳造用浸漬ノズルを用いて、連々９杯で連続鋳造を行った。測定された地金付着厚みは８．０ｍｍで、アルミナ付着厚みは、１６．８ｍｍであった。また、計算した熱流束値は７５５７Ｗ／ｍ^２であった。

（比較例３）
比較例３では、断熱層を有しない鋳造用浸漬ノズルを用いて、連々８杯で連続鋳造を行った。測定された地金付着厚みは８．７ｍｍで、アルミナ付着厚みは１５．５ｍｍであった。また、計算した熱流束値は７５５７Ｗ／ｍ^２であった。

（比較例４）
比較例４では、断熱層を有しない鋳造用浸漬ノズルを用いて、連々８杯で連続鋳造を行った。測定された地金付着厚みは８．７ｍｍで、アルミナ付着厚みは１５．２ｍｍであった。また、計算した熱流束値は７５５７Ｗ／ｍ^２であった。

（比較例５）
比較例５では、断熱層を有しない鋳造用浸漬ノズルを用いて、連々９杯で連続鋳造を行った。測定された地金付着厚みは８．６ｍｍで、アルミナ付着厚みは１６．６ｍｍであった。また、計算した熱流束値は７５５７Ｗ／ｍ^２であった。

表１に示す結果から明らかなように、比較例１乃至５では、地金付着厚みが１０．２ｍｍ乃至１２．６ｍｍであり、その上のアルミナ付着厚みが２１．３ｍｍ乃至２４．５ｍｍであったのに対して、発明例１乃至７では、地金層及びその上のアルミナ層が２０％以上低減する結果となった。

また、上述のように、本発明における実施例では、２ストランド設備を用いて、同一のタンディッシュの各ストランドに発明例に係る鋳造用浸漬ノズルと比較例に係る鋳造用浸漬ノズルとを取り付けて、連続鋳造を実施している。従って、第１領域に断熱層を設けた鋳造用浸漬ノズルを用いた発明例１、２、及び３はそれぞれ、比較例１、２、及び３と対応しており、第２領域に断熱層を設けた鋳造用浸漬ノズルを用いた発明例４、５、６、及び７はそれぞれ、比較例４、５、４、及び１と対応している。
また、ノズル外上部の大気温度を３０℃とし、ノズル内の温度を１５５０℃とし、ノズル外面（外壁表面）の温度を７００℃乃至８００℃とした場合、断熱層を設けることで、該ノズル外面の温度は６００℃乃至７００℃にまで低下した。
ここで、図４は、各発明例及び比較例における、地金付着厚みとアルミナ付着厚みの合計と、熱流束との相関関係を示した散布図である。図４から明らかなように、発明例において、熱流束が７０００Ｗ／ｍ^２以下となるような断熱層を用いた場合、該断熱層による地金付着抑制効果及びアルミナ付着抑制効果が著しく、より好ましいことが明らかとなった。

このように、発明例では、鋳造用浸漬ノズル内における地金層の付着量が減少した結果、これを起点として成長するアルミナ層の付着量も激減した。これにより、鋼の鋳造の安定性と生産性を向上させることができる。また、アルミナ層の生成に起因する鋼の品質低下を防止することができる。さらに、鋳造用浸漬ノズルの交換頻度が下がることで、鋼の生産効率向上が期待できる。

なお、本発明における実施形態では、鋳造用浸漬ノズルをノズル本体と内張り材とから構成される２層としており、先述のように、内張り材の内面に別の層を形成することも可能である。内張り材の内面に形成される層とは別に、ノズル本体の外面に別の層を形成してもよい。ノズル本体の外面に形成される層としては、例えば、鋳型内のスラグ層や溶鋼の位置と温度に対応した耐熱層等が挙げられる。

本発明に係る鋳造用浸漬ノズル及びこれを用いた鋼の鋳造方法は、連続鋳造を行う上で、地金層付着に起因するアルミナ付着を抑制することにより、ノズル閉塞等の不具合を防止するのに特に有用である。これにより、鋼の鋳造の安定性と生産性を向上させることができ、併せて鋼の表面欠陥や内部欠陥を減少させて品質向上を図ることも期待できる。

１ 鋳造用浸漬ノズル
２ ノズル本体
３ 溶鋼流出路
４ 溶鋼吐出口
５ スラグライン材質部
６ 内張り材
７ ノズルフランジ部
８ ノズル底部
９ スラグ層
１０ スラグ層上面
１１ 溶鋼
１２ 溶鋼上面
１３ 断熱層

Claims (6)

1. ノズル本体と、溶鋼流出路と、溶鋼吐出口と、スラグライン材質部と、内張り材と、ノズルフランジ部と、ノズル底部と、を備える鋳造用浸漬ノズルであって、
   厚み寸法が０．１ｍｍ以上且つ該鋳造用浸漬ノズルの耐火物厚みの１／２以下である断熱層を、前記ノズル本体内で前記溶鋼流出路を囲むように設けたことを特徴とする鋳造用浸漬ノズル。
2. 前記ノズル本体内で前記溶鋼流出路を囲むように、前記ノズルフランジ部の下端から前記スラグライン材質部の下端までの領域、又は前記ノズルフランジ部の下端から前記溶鋼吐出口の上端までの領域に前記断熱層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の鋳造用浸漬ノズル。
3. さらに前記ノズル底部に前記断熱層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の鋳造用浸漬ノズル。
4. 前記断熱層として、空気層、低熱伝導気体層、及び低熱伝導材質層から選ばれる少なくとも１つを含む層が用いられることを特徴とする請求項１に記載の鋳造用浸漬ノズル。
5. 前記低熱伝導気体層は、前記ノズル本体内で前記溶鋼流出路を囲むように設け、連通した空隙に不活性ガスを吹き込むことにより形成されることを特徴とする請求項４に記載の鋳造用浸漬ノズル。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の鋳造用浸漬ノズルを用いて行う鋼の鋳造方法であって、溶鋼の温度低下を抑制することで、前記ノズル本体の内管への地金付着を防止し、アルミナ付着を防止することを特徴とする鋼の鋳造方法。