JP5723044B1 - 鋼の連続鋳造用タンディシュノズル及び連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルの閉塞問題をクリアし、Ａｌ脱酸鋼ビレットの連続鋳造を容易にするタンディシュノズルの提供。
【解決手段】ビレットの連続鋳造に通常使用されている傾斜全開ノズル７の設置部位をタンディシュ内底面からタンディシュ鉄皮底板１の下方に円筒ノズル３を介して移設し、当該部位を加熱し高温に維持する。加熱方法として円筒ノズル３の外周に同心状に円筒黒鉛９を挟んで誘導加熱コイル１０を配置し該円筒黒鉛９を誘導加熱し、該円筒黒鉛９から放射加熱する。又は円筒ノズル３を導電性耐火物として直接誘導加熱する。全開ノズル７の高温化によりＡｌ脱酸に伴う隘路８でのアルミナ等の付着が抑制され且つ熔蝕反応が誘発される。スライディングゲート等の流量制御機構を要せずＡｌ脱酸鋼の鋳込が容易になる。
【選択図】図１

Description

本発明は鋼の連続鋳造において使用されるタンディシュノズルに関するものである。

鋼の連続鋳造において、精錬を終えた取鍋中の溶鋼はタンディシュに注入され、所定温度に調整され、耐火物製タンディシュノズルを経て所定の流量で連続的に鋳型に鋳込まれる。鋳型で鋳片の外皮が形成され冷却と凝固を経て鋳片が製造される。

鋳込の流量を調整するには３方法がある。一般に流量の大きいスラブやブルームの鋳込ではストッパーノズル方式又はスライディングゲート方式が採用される。
前者では所定の流量に対して大き目のノズル径を設定し、ラッパ状に拡大するノズル上部曲面に球面状のストッパーヘッドを接近させてリング状の隘路を形成し、その隙間に対応して流量を調節する。
後者はノズル下面に３枚の有孔耐火物板をその孔がノズル孔と直列するよう連接し、中間板を摺動させて隘路を形成し調節する。
流量の小さいビレットでは通常全開ノズル方式が採用されている。全開ノズルとは下方に向かって傾斜・縮小する孔を持ち最下面で隘路が形成され、常時全開状態で流出するノズルである。流出流の乱れが少ないことが特徴である。流量は最下面断面積と溶鋼深さ（正常時には一定）に依存する。従って所定流量に対してノズル径が一意的に設定される。
ノズルの上下には流量に影響する構造物や流量調節機構は置かれない。

全開ノズル方式の長所は耐火物コストが小さいことである。高級耐火物であるノズルの単重が小さい、耐久に良い、且つ落下流の乱れが少ないので浸漬ノズルのような補助耐火物は不要で１個で足りる。他の方式では落下流の乱れのため下端が鋳型内溶鋼に浸漬する浸漬ノズルの連接が不可欠である。必要耐火物数は３〜５個、単重の増加、耐用の低下（最弱部で決まる）等によりコストが数倍にも大きくなる。

他方短所はＡｌ脱酸鋼を鋳込む場合、ノズル内面に付着物が堆積し早々と鋳込は不能になる。いわゆるノズル閉塞問題である。該問題は当方式が最もやっかいである。
閉塞のメカニズムに関して種々の研究がなされてきたが未だ解決には至っていない。単純なアルミナの付着だけではなく、耐火物表層の変質、耐火物と溶鋼中のＡｌやアルミナとの反応、タンディシュでの再酸化で発生したＦｅＯの影響、鉄の粒子や層の生成と堆積、ノズル温度・温度勾配等が複雑に絡んでいる。

堆積は隘路だけでなくその下方の浸漬ノズル内面でも発生し問題となっている。奇妙にも上方では堆積は少なく、議論になっていない。多分付着物がズレ流れて隘路を通過するらしい。対策はいくつかあるが本願発明に関わりそうな方法について検討する。

特許文献１にはＡｌ脱酸鋼の付着問題に関して、隘路スライディングゲートの下方にある浸漬ノズルへの付着は該ノズルを高温に維持することにより抑制されること、高温に維持する方法として浸漬ノズルの内部に導電性耐火物を埋設し、周辺から高周波誘導加熱することが開示されている。冶金的効果の他に誘導による溶鋼・機器への漏電が無いことが強調されている。

本方法の問題は耐火物コストであり、高価な浸漬ノズルが複雑・高価になること、耐久が低下すること等により一層高価になることである。
他の問題として従来の全開ノズルはタンディシュ底に設けられているので本方法は応用できないことが挙げられる。

特許文献２には前記方法の問題を解決し、使い易くした方法が開示されている。
それによると、浸漬ノズルの外周に断熱部材で裏打ちされたヒーターによって放射加熱する。付着物の堆積を抑制し、既存の浸漬ノズルがそのまま使うことができ、ヒーターを割型にして着脱容易にしていて実用性が高い。
当該方法も前記方法と同様全開ノズルに応用することは困難である。

付着堆積を抑制する他の例を挙げる。Ａｌ脱酸鋼に対して溶鋼中にＡｌ添加後Ｃａを添加し、付着し易いアルミナを低融点の化合物に改質して鋳造の継続が可能になる。
効果はあるが付着が完全に無くなるわけではない。全開ノズルではわずかの付着でも流量が低下すること、付着物がノズル下面に回りこんで鋳込み流が乱れることもあり、鋳込継続時間は不十分となる。ストッパーノズル方式やスライディングゲート方式では十分に有効である。

小断面のビレットにおいてＡｌ脱酸鋼を鋳込む方法として、しばしばＡｌワイヤーを鋳型内で連続添加する方法がなされているが、均一性に欠けること、アルミナ介在物が多発することで低級鋼にしか適用できない。

公開特許公報２００２−３３６９４２ 公開特許公報２０１０−１６７４９５

Ａｌ脱酸鋼の連続鋳造ではノズル内面にＡｌ化合物等が付着堆積する。全開ノズル方式による鋳込の場合早期にノズル閉塞し易い。本願発明は全開ノズル方式において当該ノズル閉塞問題を解決することを課題とし、効果的なタンディシュノズルと効果的な鋳込方法を提供する。

第１発明は、タンディシュ内溶鋼を鋳型へ鋳込むために供される連続鋳造用のタンディシュノズルであって、１）上端がタンディシュ底に位置し下端がタンディシュ鉄皮底板を通過して下方に突出した円筒ノズルと、該円筒ノズルの内部に設けられた下方に傾斜縮小する孔を持つ全開ノズルとから成り、２）該全開ノズルの最小径が所定の溶鋼ヘッドにおいて所定流量に対応して設定され、３）該円筒ノズルの外周に間隙を持って同心状に設けられた高周波誘導加熱コイルから該全開ノズルの周辺が加熱され高温に維持されることを特徴とするタンディシュノズルである。

第２の発明は、円筒ノズルの下端が鋳型上に止められ、誘導加熱コイルと該円筒ノズルの間に円筒黒鉛が設けられ、該円筒黒鉛が誘導加熱され、高温の該円筒黒鉛から全開ノズルの周辺が放射加熱されることを特徴とする第１発明に記載したタンディシュノズルである。

第３の発明は、円筒ノズルの下端に下端が鋳型内溶鋼に浸漬する浸漬管が気密に接続されたことを特徴とする第２の発明に記載したタンディシュノズルである。

第４の発明は、円筒状ノズルの下端が鋳型内溶鋼に浸漬し、材質が導電性であり、全開ノズル周辺が直接誘導加熱されることを特徴とする第１の発明に記載したタンディシュノズルである。

第５の発明は、タンディシュ内溶鋼を下方に傾斜縮小する孔を持つ全開ノズルを通して鋳型へ鋳込む連続鋳造方法において、全開ノズルを上端がタンディシュ底にあり下端がタンディシュ鉄皮底板を通過して下方に突出した円筒ノズルの内部に設け、該全開ノズルの最小径を所定の溶鋼ヘッドにおいて所定流量に対応して設定し、該円筒ノズルの外周に間隙を持って同心状に設けられた高周波誘導加熱コイルから該全開ノズルの周辺を加熱し高温に維持するることを特徴とする連続鋳造方法である。

上記の発明による第１の効果は、Ａｌ脱酸鋼の鋳込に際して、隘路部の耐火物が誘導加熱により高温に維持されるので、１）隘路でのアルミナ等の付着堆積が極めて少なくなり、２）耐火物材質によっては熔蝕も起こる。適切な加熱入力により連続鋳造が維持される。

第２の効果は、Ａｌ脱酸鋼の鋳込に際して、耐火物コストの高いストッパーノズルとかスライディングゲート等の流量制御機構が不要であり、円筒ノズルと全開ノズルから成る比較的単純な複合ノズルだけであるから耐火物コストが大きく低減する。放射による間接加熱の場合、円筒ノズルを高価な導電性耐火物から通常の低級耐火物に代替させることができさらに低減される。

第３の効果は、脱酸方法とは無関係に鋳込温度が低過ぎるとノズル閉塞が生ずる。防止するため通常精錬終了温度は高めに設定される。本発明のノズルでは閉塞が起こりにくい。精錬温度は低位に誘導され省エネルギーに役立つ。

本発明の原型の概念図である。 本発明の実施例２の概念図である。 本発明の実施例３の概念図である。 本発明の実施例４の概念図である。 本発明の実施例５の概念図である。

以下実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１はタンディシュから鋳型への鋳込要部に本発明の原型を適用する場合を説明する。
タンディシュ鉄皮底板１の上にノズル受け煉瓦２を設け、該ノズル受け煉瓦２の上には従来の方法では全開ノズルが嵌め込まれるが本発明ではに円筒ノズル３が挿入され、該円筒ノズル３の上端はタンディシュ底に位置し下端４は鉄皮底板１に設けられた開口５から下方、鋳型６から上方に突き出ている。該円筒ノズル３には下方に向かって傾斜縮小する孔を持つ全開ノズル７が内装される。該ノズル７の下面に隘路８が形成される。
該円筒ノズル３の外周には同心状に円筒黒鉛９の発熱体とさらに外周に高周波誘導加熱コイル１０が配置される。

鋳込に際し、数１０分前から誘導加熱コイル１０に通電して円筒黒鉛９の発熱体を加熱し、該発熱体から放射加熱により円筒ノズル３及び内部の全開ノズル７を十分に予熱する。円筒ノズルの上部開口は数ｍｍ厚の軟鋼板の蓋で閉じておく。取鍋からタンディシュに注入された溶鋼が所定深さに達するまでに蓋が溶解して勢いよく鋳型に鋳込まれる。隘路周辺は十分高温であるから溶鋼の固着による閉塞は起こらない。所定深さになると以後維持される。
鋳込流はビレット用で多用されている全開ノズルの流出流と同様で乱れは小さく、狭い鋳型の開口の中央に落下する。
溶鋼が過剰に低温になってもノズルが凝固閉塞することが無くなるので精錬終了温度を低くすることができる。

鋳込流量は下記式により求められ、所定流量に対応して全開ノズルの最小径が一意的に決定される。
Ｗ＝ρ・Ｖ・π・ｄ²／４
Ｖ＝√（２ｇｈ）
Ｗ：鋳込流量(kg/s)、ρ：溶鋼密度(kg/m³)、Ｖ：隘路流速(m/s)、
ｄ：ノズル最小径(m)、ｇ：重力の加速度(0.98m/s²)、
ｈ：溶鋼ヘッド（タンディシュ内溶鋼表面から隘路までの深さ）(m)
１００〜２００ｍｍ角のビレットの鋳込では通常鋳造能率は１０〜３０ｔ／ｈの範囲にあり、溶鋼ヘッドは５００〜８００ｍｍの範囲にあり、使用される全開ノズルの内径（最小部）は１３〜２０ｍｍである。本願発明ではノズルが下方に移動するので溶鋼ヘッドは２００〜５００ｍｍ増加する。その分ノズル径を修正する必要がある。

円筒ノズルの内径は全開ノズルの内径の３〜６倍が望ましい。３倍以下であると流出流が乱れた場合、はねが円筒ノズル内面に付着し成長して流れが鋳型縁に落下する。６倍以上では耐火物の無駄が大きくなる。

既述文献からＡｌ脱酸鋼の鋳込においてノズルの高温加熱によりアルミナ等の付着・堆積が抑制されるがゼロではない。本発明のタンディシュノズルでは全開ノズルを使用しているので付着の影響は大きい。対策として常套手段のＣａ添加を行う。
付着は進行するが一部はＣａの作用により半溶融となる、耐火物表層も付着物と反応して融点が下がり半溶融となって共に熔蝕され易い。付着による孔の縮小と熔蝕による拡大の両反応が進行していることは知られている。通常付着が勝る。多少の付着はストッパーノズル方式では耐えられるが全開ノズル方式では流量に影響し長くは耐えられない。

本発明では全開ノズル周辺全体が高温例えば溶鋼温度に近い１５００℃以上に維持される。その結果付着物の堆積に作用する凝固鉄の付着がまず起こらなくなる。付着物が成長しにくい。耐火物表層が半溶融して熔蝕されやすい。条件次第で熔蝕が勝る。ノズルの加熱条件やＣａ処理の条件により均衡させることが容易になる。

図２は実施例２を示す。図１に示した構造を原型にして円筒ノズル３の下端４に新たに鋳型内溶鋼１２に浸漬する浸漬管１１を気密に接続する。通常の浸漬ノズル・パウダーキャスティングを行ってもよいし、油潤滑鋳込でもよい。注意すべきは気密にすることにより浸漬管１１内には溶鋼が充満し、溶鋼ヘッドはタンディシュ内溶鋼表面から鋳型内溶鋼面までの深さとなる。

当鋳込方法では全開ノズルと浸漬ノズルには従来同様高級耐火物が必要であるが、両方とも質量が小さくコスト有利である。円筒ノズルにはシャモット系等の中級を使用することができ同様コスト有利である。

図３は実施例３を示す。図１の原型において円筒ノズル３の下端を鋳型内溶鋼１２中に浸漬させる。市販の浸漬ノズルが適切である。材質を黒鉛アルミナ質とする。アルミナ中に黒鉛が５〜１５％含まれ、比抵抗は黒鉛のそれ（約０．００１Ωｃｍ）の配合比に近い値（約０．０１Ωｃｍ）が得られる。導電性が有り直接容易に誘導加熱することができる。
当方法では全開ノズル部の加熱は早くなされる。

図４は実施例４を示す。円筒ノズル３を上下に分割する。上部ノズル３１の下端は底板直下に止め、下部ノズル３２は一般的な黒鉛アルミナ質の浸漬ノズルを気密に接続し誘導コイルから直接加熱する。全開ノズルを除いて通常の加熱付き浸漬ノズルと同様になる。

図５は実施例５を示す。方法３において全開ノズルの材質を円筒ノズル３の材質と同一とし、一体成形する。全開ノズルの最小径部をのど状に延長すると熔蝕に対して耐久する。
付着・堆積と熔蝕を均衡させ易い可能性がある。

本願発明は既存のビレット用連続鋳造に容易に適用することができる。

１：鉄皮底板 ２：ノズル受け煉瓦 ３：円筒ノズル ４：下端 ５：鉄皮開口 ６：鋳型 ７：全開ノズル ８：隘路 ９：円筒黒鉛 １０：誘導加熱コイル １１：浸漬管 １２：鋳型内溶鋼 ３１：上部ノズル ３２：下部ノズル ４１：全開ノズル

Claims (4)

1. タンディシュ内溶鋼を鋳型へ鋳込むために供される連続鋳造用のタンディシュノズルであって、１）上端がタンディシュ底に位置し下端がタンディシュ鉄皮底板を通過して下方に突出した円筒ノズルと、該円筒ノズル前記突出した部分の内部に設けられた下方に傾斜縮小する孔を持つ全開ノズルとから成り、２）該全開ノズルの上下にはストッパー又はスライディングゲートのいずれかの流量調節機構を保有せず該全開ノズル自体で流量が設定され、３）該全開ノズルが高温に保持されるよう該円筒ノズルの外周に抵抗発熱体の円筒黒鉛が設けられさらに外周に誘導加熱コイルが設けられたことを特徴とするタンディシュノズル。
2. タンディシュ内溶鋼を鋳型へ鋳込むために供される連続鋳造用のタンディシュノズルであって、１）上端がタンディシュ底に位置し下端がタンディシュ鉄皮底板を通過して下方に突出した円筒ノズルと、該円筒ノズルの前記突出した部分のの内部に設けられた下方に傾斜縮小する孔を持つ全開ノズルとから成り、２）該全開ノズルの上下にはストッパー又はスライディングゲートのいずれかの流量調節機構を保有せず該全開ノズル自体で流量が設定され、３）該円筒ノズルの材質が少なくとも前記突出した部分において黒鉛含有率（質量％）５％以上１５％以下の黒鉛アルミナ質であり、４）該全開ノズルが高温に保持されるよう該円筒ノズルの外周に誘導加熱コイルが設けられたことを特徴とするタンディシュノズル。
3. 全開ノズルの形状が、孔径が最小となる下端において流れ方向に同一径の平行部を附加し延長したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したタンディシュノズル。
4. タンディシュ内溶鋼を下方に傾斜縮小する孔を持つ全開ノズルを通して鋳型へ鋳込む連続鋳造方法において、全開ノズルを上端がタンディシュ底にあり下端がタンディシュ鉄皮底板を通過して下方に突出した円筒ノズルの前記突出した部分の内部に設け、該全開ノズルの上下にはストッパー又はスライディングゲートのいずれかの流量調節機構を保有せず該全開ノズル自体で流量を設定し、該円筒ノズルの外周に間隙を持って同心状に設けられた高周波誘導加熱コイルによって該全開ノズルの周辺を加熱し高温に維持することを特徴とする連続鋳造方法。

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