JP6813471B2 - 耐火物ノズル - Google Patents

Description

本発明は、鋼の連続鋳造で用いられる耐火物ノズルに関する。

鋼の連続鋳造設備では、取鍋から中間容器であるタンディッシュへと溶鋼を移注する際に、溶鋼の酸化を防ぐべく、専用の耐火物ノズル（「ロングノズル」ともいう。）を用いている。この耐火物ノズルは、内孔部や溶鋼に浸漬する浸漬部、溶鋼に浸漬しない本体部等の使用箇所に応じた異なる材質の耐火物によって形成されている。さらに、異なる材質の耐火物によって形成される本体の上部には、補強のために本体の外周を覆う鉄皮が取り付けられることもある。

このような耐火物ノズルとしては、内孔側へのアルミナの付着や、熱応力によるき裂や折損を防止することが重要となる。例えば、特許文献１には、連続鋳造設備のタンディッシュから鋳型へと溶鋼を移注する際に用いられる浸漬ノズルへのアルミナの付着を防止する方法として、浸漬ノズルの内孔に旋回羽根を設置する方法が開示されている。また、特許文献２，３には、耐火物ノズルの耐用性を向上させる方法として、耐火物製の本体の形状を適正化する方法が開示されている。

国際公開２００５／０１８８５１号 特開２０１２−９１２３５号公報 特開２０１５−１２３４７３号公報

ところで、鋼の連続鋳造で用いられる耐火物ノズルでは、耐用性の観点から、補強用の鉄皮といった本体に付随する部品に起因した応力集中が原因となることでの折損も防止する必要がある。特に、耐火物ノズルに補強用の鉄皮が設けられる場合、鉄皮の下端に応力が集中してしまい、耐火物ノズルが折損してしまうことがあった。これに対して、特許文献２，３の方法では、鉄皮の下端の応力を緩和することができず、折損を防ぐことができなかった。また、鉄皮の下端に生じる応力を解析し、応力を緩和するような形状に変更することも考えられるが、耐火物ノズルの形状は、操業や溶鋼（製品）の品質に与える影響が多いため、これらの影響を考慮した形状と耐用性との両立が容易ではなかった。さらに、応力を緩和する方法として耐火物ノズルを軽量化することも考えられるが、耐用時間が低下してしまうことが課題となる。

そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、耐火物ノズルの耐火物製の本体の形状を変更することなく、鉄皮の下端の応力集中に起因した折損を防止することができる耐火物ノズルを提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、鋼の連続鋳造で用いられる耐火物ノズルであって、耐火物製の円筒状の本体と、この本体の延在方向である上下方向の上部に設けられ、上記本体の外周を覆う鉄皮とを備え、この鉄皮は、上記上下方向の下端に、湾曲部を含む複数の切欠きが形成されることを特徴とする耐火物ノズルが提供される。

本発明の一態様によれば、耐火物ノズルの耐火物製の本体の形状を変更することなく、鉄皮の下端の応力集中に起因した折損を防止することができる耐火物ノズルが提供される。

本発明の一実施形態に係る耐火物ノズルを示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る耐火物ノズルを示す断面図である。 鉄皮を示す展開図である。 連続鋳造設備を示す模式図である。 変形例における鉄皮を示す展開図である。 実施例及び比較例における応力指数を示すグラフである。 実施例における試験方法を示す説明図である。 実施例における折損限界圧力指数を示すグラフである。

以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の細部について記載される。しかしながら、かかる特定の細部がなくても１つ以上の実施態様が実施できることは明らかであろう。他にも、図面を簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。

＜耐火物ノズル＞
はじめに、図１〜図４を参照して、本発明の一実施形態に係る耐火物ノズル１について説明する。耐火物ノズル１は、図１及び図２に示すように、本体２と、鉄皮３とを備える。
本体２は、円筒状の耐火物であり、延在方向である上下方向（図１及び図２の上下方向）の下端側が上下方向の中央（「首部」ともいう。）に比べて外径及び内径が大きくなるように形成される。また、本体２の上端側は、後述するように、使用時に耐火物ノズル１を保持する固定装置で保持可能なように、首部に比べて外径が大きくなるよう、フランジ状に形成される。また、本体２の上端側は、後述するように、取鍋のスライディングプレートと嵌合可能なように、内径が首部の内径に比べて大きくなるように形成される。本体２は、連続鋳造設備において通常用いられているものであり、内孔側の耐火物と、使用時に溶鋼に浸漬する下側表面の耐火物と、取鍋へと嵌合する上端側の耐火物と、中央表面の耐火物とが、それぞれ求められる特性に応じて異なる組成や性状の耐火物からなる。

鉄皮３は、本体２の上部に、本体２の上部の外周を覆って形成される鉄製の円筒部材である。鉄皮３が設けられる長さは、使用時にタンディッシュ内の溶鋼からの熱影響を受けない程度、且つ使用時の振動による本体２の首部上側の変形が抑えられる程度の長さである。鉄皮３は、図１及び図３に示すように、下端に、円弧状の６個の切欠き３１が等間隔に設けられる。

このような耐火物ノズル１は、図４に示す連続鋳造設備で用いられる。図４に示すように、連続鋳造設備では、精錬処理され取鍋４に収容された溶鋼５が鋳造されることで、スラブやブルームといった鋳片が製造される。この際、取鍋４に収容された溶鋼５は、取鍋４の底部に設けられた羽口４１、注入量を調整するスライディングプレート４２及び耐火物ノズル１を通じて、タンディッシュ６へと移注される。タンディッシュ６へと移注された溶鋼５は、その後、タンディッシュ６から不図示の鋳型へと移注され、所定の形状に凝固されることで鋳片となる。
このような連続鋳造設備では、耐火物ノズル１は、不図示の固定装置によって、上端が取鍋４のスライディングプレート４２へと嵌合した状態で、上側へと押し付けられた状態で保持される。

＜変形例＞
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態の種々の変形例とともに本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲及び要旨に含まれるこれらの変形例または実施形態も網羅すると解すべきである。

例えば、上記実施形態では、鉄皮３の切欠き３１が円弧状であるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。鉄皮３の切欠き３１は、湾曲部が含まれ、複数設けられれば他の形状であってもよい。例えば、鉄皮３の切欠き３１は、図５に示すように、隣接する切欠き３１同士が曲線でつながった波形状に切欠かれたものであってもよい。なお、後述するように、耐火物ノズル１は、鉄皮３の下端が湾曲状に切欠かれていることで、鉄皮３の下端に掛かる応力を緩和することができる。このため、切欠き３１の形状や寸法は、使用時に耐火物ノズル１に掛かる力や鉄皮３の加工性等に応じて適宜選択される。
また、本体２の形状や材質等は、上記実施形態に限定されず、連続鋳造機で一般的に用いられるものであれば、他の形状や材質であってもよい。

＜実施形態の効果＞
（１）本発明の一態様に係る耐火物ノズル１は、鋼の連続鋳造で用いられる耐火物ノズル１であって、耐火物製の円筒状の本体２と、本体２の延在方向である上下方向の上部に設けられ、本体２の外周を覆う鉄皮３とを備え、鉄皮３は、上下方向の下端に、湾曲部を含む複数の切欠き３１が形成される。

ここで、耐火物ノズル１は、使用される溶鋼５の鋳造時において、図４に示すように、本体２の上端が取鍋４のスライディングプレート４２に押し付けられた状態で用いられる。この際、耐火物ノズル１内を溶鋼５が鉛直方向（図４の上下方向）に通るため、本体２は、上端が固定された状態で鉛直方向に直交する水平方向から力を受け、振動する。このため、耐火物ノズル１が本体２のみである場合には、固定装置によって保持されている首部の上端側が最も応力が大きくなる箇所となる。しかし、耐火物ノズル１に鉄皮３が設けられている場合、鉄皮３によって首部の上端側の変形が押さえられるため、鉄皮３の下端が最も応力が大きくなる箇所となる。

これに対して、上記（１）の構成によれば、湾曲した切欠き３１が鉄皮３の下端に形成されることにより、鋳造時の振動によって本体２が弾性変形した場合でも、本体２の変形に合わせて鉄皮３が弾性変形し易くなる。このため、例えば、従来のように鉄皮３の下端が直線である場合に比べ、鉄皮３の下端と接触する本体２の首部の応力が緩和されることから、本体２の首部の折損を防止することができる。また、上記（１）の構成によれば、本体２の形状を変更する必要がないことから、操業や溶鋼（製品）の品質に与える影響がない。
（２）上記（１）の構成において、切欠き３１は、円弧状である。
上記（２）の構成によれば、鉄皮３の切欠き３１の加工が容易になる。

次に、本発明者らが行った実施例について説明する。実施例では、図１〜図３に示す耐火物ノズル１について、水平方向に負荷を加えた時に、本体２の鉄皮３の下端と接触する箇所に生じる応力を数値解析した。また、比較例として、鉄皮３に切欠き３１を設けずに、下端を直線状とした耐火物ノズル１についても同様な条件で数値解析を行い、生じる応力について比較を行った。

図６に実施例の解析結果を示す。図６の縦軸は、本体２の鉄皮３の下端と接する表面において最大となる応力を指数化したものである。なお、実施例では、比較例の応力値を１として指数化を行った。図６に示すように、実施例では比較例に比べて、応力が１．４％程度緩和されることが確認された。このことから、鉄皮３の下端に湾曲部を有する切欠き３１を設けることにより、鉄皮３の下端における応力が緩和され、鉄皮３の下端の応力集中に起因した折損を防止することができることが確認された。

さらに、発明者らは、実施例として、耐火物ノズル１を加熱し、その後、耐火物ノズル１に負荷を加えて折損に至る力及び折損位置を調査した。実施例では、まず、図７に示す加熱装置７を用いて耐火物ノズル１を加熱した。加熱装置７は、内部を加熱する加熱炉７０と、耐火物ノズル１を支持するホルダー７１とを有する。耐火物ノズル１の加熱では、ホルダー７１で耐火物ノズル１の上端を支持し、耐火物ノズル１の下端側を加熱炉７０内に設置し、加熱炉７０で加熱をすることで、加熱炉７０内の耐火物ノズル１が約１０００℃となるまで加熱を行った。その後、加熱された耐火物ノズル１を加熱炉７０から取り出し、取り出した耐火物ノズル１の下端部に、水平方向に油圧ピストンを用いて負荷を加え、耐火物ノズル１を折損させた。この際、耐火物ノズル１が折損に至る力と折損位置とを評価した。また、比較例として、鉄皮３の下端に切欠き３１を設けずに、下端を直線状として耐火物ノズルについても、実施例と同様な条件で試験し、折損に至る力と折損位置とを比較した。

図８に、実施例及び比較例における試験結果を示す。図８の縦軸は、本体２が折損に至った圧力として、比較例の応力を１００として指数化した値（折損限界圧力指数）を示す。図６の数値解析の結果と同様に、実施例では、比較例に比べて、１２％高い応力に耐えられることが確認できた。つまり、本発明によれば、本体２の形状や材質等を変更することなく、耐火物ノズル１の折損を抑制できることが確認できた。

さらに、比較例では、耐火物ノズルの折損位置が、耐火物ノズルの全長を１００として数値化した場合、上端より３０の位置となることが確認できた。これに対して、実施例では、耐火物ノズルの折損位置が、耐火物ノズルの全長を１００として数値化した場合、上端より４０の位置となることが確認できた。つまり、鉄皮３の下端に切欠き３１を設け、形状を変更することで、折損位置が変わることが確認された。鉄皮３の下端の形状により折損位置が異なることから、折損位置を事前に把握し、さらに本体２の形状を変更することで、耐火物ノズルの折損をさらに防止できることが想定された。

１ 耐火物ノズル
２ 本体
３ 鉄皮
３１ 切欠き
４ 取鍋
４１ 羽口
４２ スライディングプレート
５ 溶鋼
６ タンディッシュ
７ 加熱装置
７０ 加熱炉
７１ ホルダー

Claims (1)

1. 鋼の連続鋳造で用いられる耐火物ノズルであって、
   耐火物製の円筒状の本体と、
   該本体の延在方向である上下方向の上部に設けられ、前記本体の外周を覆う鉄皮と
   を備え、
   該鉄皮は、前記上下方向の下端に、円弧状の複数の切欠きが形成されることを特徴とする耐火物ノズル。

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