JP5287640B2 - 連続鋳造用ノズル及びこれを用いた鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼の連続鋳造に用いられる連続鋳造用ノズル及びこれを用いた鋼の連続鋳造方法に関するものである。

鋼の連続鋳造においては、取鍋内の溶鋼をロングノズルを経由してタンディッシュに注湯し、さらに浸漬ノズルを経由して鋳型内に注湯している。これらのノズルとその直上の耐火物との間は不定形耐火物や難燃性のパッキング材によって接合し、溶鋼の漏れを防止している。しかし固体どうしの接触であるために外部からの空気の巻き込みを完全に防止することは困難であった。

すなわち、ノズルの内部には溶鋼が高速度で流れているため減圧状態となり、ノズル接合部のシールが不完全であると空気が巻き込まれる。巻き込まれた空気は鋳造品に気泡を形成して製品欠陥を招いたり、空気酸化によりアルミナクラスターを生成したりし、製品欠陥やノズル詰まりなどの問題を引き起こすこととなる。

そこでノズル内部にアルゴンガスを供給してノズル内部を正圧に維持し、空気の巻き込みを防止するとともに、アルゴンガスによりノズル内面に付着したアルミナクラスターを剥離させている。しかし鋳片に捕捉されたアルゴン気泡が製品欠陥になったり、また高価なアルゴンガスを大量に使用するため、ランニングコストが高くなるという問題があった。

このような問題を解決するために、特許文献１にはノズル接合部をＡｌまたはＡｌ合金からなる液体金属シールによってシールする技術が開示されており、特にその実施例３、４には、内外二重の難燃性パッキング材の間に液体金属シールを配置した構造が開示されている。このシール方法によれば、固体どうしの接触によるシールではないため、シール性を大幅に向上させることができる。ところが実際には、このシール構造を用いても完全なシールを行えないことがあった。シール不良を生じたノズル接合部を観察すると、液体金属シールが内外二重の難燃性パッキング材の間から外部に流失していることが観察された。

特開２００７−６９２５４号公報

従って本発明の目的は、液体金属シールを用いて、ノズル本体の上端面とその上部耐火物との間のノズル接合部を完全にシールすることができる連続鋳造用ノズルを提供することである。また本発明の他の目的は、この連続鋳造用ノズルを用いることにより、アルゴンガスを削減し、製品でのアルゴン気泡欠陥防止とランニングコストの引き下げを可能とした鋼の連続鋳造方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、ノズル本体の上端面とその上部耐火物との間のノズル接合部を、内外二重の耐火性パッキング材と、それらの間に保持され使用状態において溶融する液体金属シールとによりシールした連続鋳造用ノズルにおいて、内外二重の耐火性パッキング材が樹脂系バインダーを含有するものであり、液体金属シールを、耐火性パッキング材の軟化温度Ｔ_Ｓと樹脂系バインダーが蒸発後の硬化温度Ｔ_Ｈとの間に融点Ｔ_Ｍを持つ金属からなるものとしたことを特徴とするものである。

なお請求項２のように、耐火性パッキング材の軟化温度Ｔ_Ｓと、樹脂系バインダーが蒸発後の硬化温度Ｔ_Ｈと、液体金属シールを構成する金属の融点Ｔ_Ｍとが、下記の２式を満足することが好ましい。
Ｔ_Ｍ−２５０≦Ｔ_Ｓ（℃）≦Ｔ_Ｍ
Ｔ_Ｍ≦Ｔ_Ｈ（℃）≦Ｔ_Ｍ＋２５０

また請求項３のように、液体金属シールを構成する金属として、ＡｌまたはＡｌ合金、もしくはＳｎまたはＳｎ合金を用いることが好ましい。

また本発明の鋼の連続鋳造方法は、請求項１〜３の何れかに記載の連続鋳造用ノズルを用いた鋼の連続鋳造方法であって、ノズル接合部に与える押付け力を０．２〜１．５ＭＰａとして連続鋳造を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、樹脂系バインダーを含有する液体金属シールを、耐火性パッキング材の軟化温度Ｔ_Ｓと樹脂系バインダーが蒸発後の硬化温度Ｔ_Ｈとの間に融点Ｔ_Ｍを持つ金属からなるものとしたので、耐火性パッキング材が軟化した状態で液体金属シールが溶融を開始することとなり、両者の隙間は密着する。また使用温度が高温になると樹脂系バインダーが蒸発して硬化するが、その際にも液体金属シールは溶融状態にあるので、両者の隙間は密着する。このため、液体金属シールが内外二重の難燃性パッキング材の間から外部に流失することがなくなり、完全なシールが可能である。

また、本発明の鋼の連続鋳造方法によれば、上記のような連続鋳造用ノズルを用いることによってアルゴンガスの使用量を従来よりも減少させ、製品でのアルゴン気泡欠陥防止とランニングコストの引き下げを図ることができる。

鋼の連続鋳造設備を示す断面図である。 要部の拡大断面図である。 液体金属シールを構成する金属の融点Ｔ_Ｍが耐火性パッキング材の軟化温度Ｔ_Ｓよりも低い場合の状態説明図である。 液体金属シールを構成する金属の融点Ｔ_Ｍが樹脂系バインダーが蒸発後の硬化温度Ｔ_Ｈよりも高い場合の状態説明図である。 液体金属シールを構成する金属の融点Ｔ_Ｍが、耐火性パッキング材の軟化温度Ｔ_Ｓよりも高く、樹脂系バインダーが蒸発後の硬化温度Ｔ_Ｈよりも低い場合の状態説明図である。

以下に本発明の実施形態を示す。
図１は鋼の連続鋳造設備を示す断面図であり、１は溶鋼を搬送する取鍋、２は取鍋の下面のスライディングノズル、３はこのスライディングノズル２を介して溶湯をタンディッシュ４に注湯するためのロングノズル、５はタンディッシュ４の下面のスライディングノズル、６はタンディッシュ４内の溶鋼をスライディングノズル５を介して鋳型７に注湯する浸漬ノズルである。本発明において連続鋳造用ノズルとは上記のロングノズル３と浸漬ノズル６とを包含するものであるが、以下に浸漬ノズル６の上端面とその上部耐火物であるスライディングノズル５との間のノズル接合部について説明するが、本発明はロングノズル３の上端面のノズル接合部についてもそのまま適用することができる。

図２はこのノズル接合部の拡大断面図であり、浸漬ノズル６の上端面とその上部耐火物であるスライディングノズル５との間に、内外二重の耐火性パッキング材１１、１２と、それらの間に保持され使用状態において溶融している液体金属シール１３とは配置されている。耐火性パッキング材１１、１２はそれぞれリング状のもので、それらの間に形成されたリング状の部分に液体金属シール１３が封入されている。

耐火性パッキング材１１、１２は耐火材粉末と樹脂系バインダーとからなるもので、耐火材粉末としてはアルミナ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、マグネシア系セラミックスなどの粒径が１ｍｍ以下の粉末が用いられる。また樹脂系バインダーは耐火材粉末１００質量部に対して外配で１０〜２０質量部が加えられる。このように耐火材粉末を樹脂系バインダーで固めた耐火性パッキング材１１、１２は、軟化温度Ｔ_Ｓになると樹脂系バインダーが軟らかくなり、硬化温度Ｔ_Ｈに加熱されると樹脂系バインダーが蒸発して耐火材だけが残り硬く焼結する。

本発明では液体金属シール１３として、耐火性パッキング材１１、１２の軟化温度Ｔ_Ｓと、樹脂系バインダーが蒸発後の硬化温度Ｔ_Ｈとの間に融点Ｔ_Ｍを持つ金属を用いる。具体的には、後記する実施例にも示すように、使用温度域において溶融するＡｌまたはＡｌ合金、もしくはＳｎまたはＳｎ合金を用いることが好ましい。Ａｌ合金としてはＡｌ-Ｍｇ合金、Ａｌ-Ｍｎ合金、Ａｌ-Ｚｎ合金等を用いることができる。またＳｎ合金としては、Ｓｎ-Ｐｂ合金、Ｓｎ-Ｚｎ合金などを用いることができる。

なお、ノズル接合部には０．２〜１．５ＭＰａの押付け力が加えられる。押付け力が０．２ＭＰａ未満であると液体金属シール１３が外部に流出しやすくなる。押付け力が１．５ＭＰａを超えるとノズル接合部が損傷する可能性が生ずる。また、タンディッシュ４、スライディングノズル５、浸漬ノズル６などを構成する耐火物を通じてアルゴン等の不活性ガスが吹き込まれている。

以下に図３〜図５を参照しつつ、本発明の作用について説明する。
先ず図３は液体金属シールを構成する金属の融点Ｔ_Ｍが耐火性パッキング材の軟化温度Ｔ_Ｓよりも低い場合を示す。この場合には液体金属シールが溶融し始めても耐火性パッキング材１１，１２は硬化したままであるため、耐火性パッキング材１１，１２と浸漬ノズル６の上端面との接触部には、ミクロな隙間が存在している。このためノズル接合部が加圧されると溶融金属がこの隙間を通じて外部に流出する可能性がある。

次に図４は液体金属シールを構成する金属の融点Ｔ_Ｍが樹脂系バインダーが蒸発後の硬化温度Ｔ_Ｈよりも高い場合を示す。この場合には耐火性パッキング材が硬化した後に液体金属シールが溶融し始めるため、使用状態すなわち溶融状態においては、耐火性パッキング材１１，１２と浸漬ノズル６の上端面との接触部に存在するミクロな隙間を通じて外部に流出する可能性がある。

これに対して図５に示す本願発明のように金属の融点Ｔ_Ｍを耐火性パッキング材１１，１２の軟化温度T_Ｓと硬化温度Ｔ_Ｈとの間の温度域とした場合には、耐火性パッキング材１１，１２が先ず軟化し、浸漬ノズル６の上端面との接触部が密着しミクロな隙間が存在しない状態において液体金属シールが溶融するので、耐火性パッキング材１１，１２と浸漬ノズル６の上端面との接触部から液体金属シールが流出しない。

なお、耐火性パッキング材の軟化温度Ｔ_Ｓと液体金属シールを構成する金属の融点Ｔ_Ｍとは、Ｔ_Ｍ−２５０≦Ｔ_Ｓ（℃）≦Ｔ_Ｍの関係にあることが好ましい。また樹脂系バインダーが蒸発後の硬化温度Ｔ_Ｈと、液体金属シールを構成する金属の融点Ｔ_Ｍとは、Ｔ_Ｍ≦Ｔ_Ｈ（℃）≦Ｔ_Ｍ＋２５０の関係にあることが好ましい。これらの式を満足する場合には図５に示されるようにＴ_Ｍ−２５０とＴ_Ｍ＋２５０との間にＴ_ＳとＴ_Ｈとが入ることとなる。Ｔ_ＳとＴ_Ｈがこの温度範囲に無いと、変形する温度範囲が広いため、ノズルの押付けによって耐火性パッキング材が大きく変形し、十分な液体金属厚みが確保できないことがある。

このように本発明によれば、液体金属シールが流出することがなく完全なシールが可能となるので、アルゴンガスなどの不活性ガスの流量をノズル内を通過する単位溶鋼重量当り０〜１ＮＬ／トンとして連続鋳造を行うことができる。実施例のデータに示すように、従来のシール方法では不活性ガスの流量を１ＮＬ／トン未満とすると空気の巻き込みが発生するため、鋳造されたスラブ内の気泡個数が増加するとともにノズルの閉塞を生じ易くなるが、本発明によれば不活性ガスの流量を０〜１ＮＬ／トンにまで絞っても支障なく連続鋳造を行うことができる。このためランニングコストの引き下げを図ることができる。なお不活性ガスの流量がこれよりも増加すると、スラブ段部の気泡数が増加するため好ましくない。

表１に示す様々な液体金属シールと耐火性パッキング材との組み合わせについて、押付け力とアルゴンガス流量を変えて普通鋼の連続鋳造実験を行い、シール残存率、スラブ段部気泡個数、ノズル閉塞状況によりノズル接合部のシール性能を評価した。使用した液体金属シールは何れも、常温における厚みが６ｍｍ、径方向の幅が１０ｍｍである。また耐火性パッキング材は何れも、常温における厚みが６ｍｍ、径方向の幅が１５ｍｍである。

耐火性パッキング材はいずれも未焼結の加圧成形体であり、種類Ａ〜Ｅの内容は次の通りである。Ａはアルミナ粉末、カーボン粉末、粘土、アクリル系樹脂の混合物、Ｂはアルミナ粉末、カーボン粉末、粘土、酢酸ビニル系樹脂の混合物、Ｃはアルミナ粉末、カーボン粉末、粘土、ポリスチレン系樹脂の混合物、Ｄはアルミナ粉末、カーボン粉末、粘土、フェノール系樹脂の混合物、Ｅはアルミナ粉末、カーボン粉末、粘土、ポリカーボネート系樹脂の混合物からなる。前述したように耐火材はアルミナ以外に例えばジルコニア、マグネシア、あるいはこれらの混合物などを用いても良い。また、必要とする軟化温度、および硬化温度によって、上記以外の樹脂系バインダーを使うことができる。

耐火性パッキング材の軟化温度Ｔ_Ｓはバインダーが揮発して軟化し始める温度であり、押付け力により変形、減厚する。また耐火性パッキング材の硬化温度Ｔ_Ｈはバインダーの燃焼が完了し、残った耐火材が焼結し硬化する温度であり、押付け力を受けても変形、減厚しない。Ａｒ流量は常温における溶鋼１トン当たりのＡｒ流量である。

シール残存率は、鋳造後、常温での金属シール材の残存面積率である。常温まで冷却すると凝固収縮孔が生成するため、残存面積率が９０％以上であれば鋳造中は完全に液体シールができていたと判断した。ノズル閉塞状況は、７連連鋳でノズル内部の付着物を除去する酸素洗浄を要しない場合を○、酸素洗浄を必要とした場合を×とした。

比較例Ｂ１，Ｂ６はＴ_Ｈ≦Ｔ_Ｍであり、シール残存率が小さくなっていた。比較例Ｂ２，Ｂ７はＴ_Ｍ≦Ｔ_Ｓであり、やはりシール残存率が小さくなっていた。比較例Ｂ３、Ｂ８は押付け力が低すぎるため、やはりシール残存率が小さくなっていた。比較例Ｂ４、Ｂ５、Ｂ９、Ｂ１０はアルゴンガス流量が多く、スラブ段部の気泡数が増加している。これに対して本発明の実施例では、シール残存率は全て９０％以上であり、スラブ段部の気泡数は４５０個以下であり、ノズル閉塞も生じていない。

１ 取鍋
２ スライディングノズル
３ ロングノズル
４ タンディッシュ
５ スライディングノズル
６ 浸漬ノズル
１１ 耐火性パッキング材
１２ 耐火性パッキング材
１３ 液体金属シール

Claims (4)

1. ノズル本体の上端面とその上部耐火物との間のノズル接合部を、内外二重の耐火性パッキング材と、それらの間に保持され使用状態において溶融する液体金属シールとによりシールした連続鋳造用ノズルにおいて、内外二重の耐火性パッキング材が樹脂系バインダーを含有するものであり、液体金属シールを、耐火性パッキング材の軟化温度Ｔ_Ｓと樹脂系バインダーが蒸発後の硬化温度Ｔ_Ｈとの間に融点Ｔ_Ｍを持つ金属からなるものとしたことを特徴とする鋼の連続鋳造に用いられる連続鋳造用ノズル。
2. 耐火性パッキング材の軟化温度Ｔ_Ｓと、樹脂系バインダーが蒸発後の硬化温度Ｔ_Ｈと、液体金属シールを構成する金属の融点Ｔ_Ｍとが、下記の２式を満足することを特徴とする請求項１記載の鋼の連続鋳造に用いられる連続鋳造用ノズル。
   Ｔ_Ｍ−２５０≦Ｔ_Ｓ（℃）≦Ｔ_Ｍ
   Ｔ_Ｍ≦Ｔ_Ｈ（℃）≦Ｔ_Ｍ＋２５０
3. 液体金属シールを構成する金属として、ＡｌまたはＡｌ合金、もしくはＳｎまたはＳｎ合金を用いることを特徴とする請求項１記載の鋼の連続鋳造に用いられる連続鋳造用ノズル。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の連続鋳造用ノズルを用いた鋼の連続鋳造方法であって、ノズル接合部に与える押付け力を０．２〜１．５ＭＰａとして連続鋳造を行うことを特徴とする鋼の連続鋳造方法。