JPH0818118B2

JPH0818118B2 - 連続鋳造における湯面変動の制御方法

Info

Publication number: JPH0818118B2
Application number: JP16229886A
Authority: JP
Inventors: 俊雄政岡; 洋一丹村; 孝志森; 一生沖本; 融北川; 俊雄手嶋
Original assignee: 日本鋼管株式会社
Priority date: 1986-07-10
Filing date: 1986-07-10
Publication date: 1996-02-28
Anticipated expiration: 2011-02-28
Also published as: JPS6316842A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、鋼の連続鋳造等において、鋳造条件因子
により鋳型内湯面変動を推定する湯面変動の制御方法に
関する。

［従来の技術］鋼の連続鋳造においては、タンディッシュ内の溶鋼が
鋳型内の溶鋼に浸漬された浸漬ノズルを介して鋳型内に
注入される。浸漬ノズルの吐出口はノズル本体の軸方向
に対して傾斜しており、この吐出口から溶鋼は吐出され
る。一方、鋳型内湯面上には、鋳型内溶鋼を保温するパ
ウダが浮遊しており、このパウダは溶融すると鋳型と凝
固殻との間に介在して両者間を潤滑する作用も有する。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、このタンディッシュからの溶鋼流によ
り、鋳型内湯面が変動するいわゆる湯暴れ現象が激しく
なると、湯面上のパウダが鋳型内溶鋼中に混入して鋳型
内の凝固界面に捕捉され、鋳片に介在物欠陥を発生させ
る。一方、鋳型内湯面が静か過ぎても、例えば、鋳型と
鋳片との間の溶融スラグによる潤滑が円滑になされない
等の問題点が生じる。

この発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであっ
て、鋳型内の溶湯による湯面の変動を所定の範囲に制御
して高品質の鋳片を製造することができる連続鋳造にお
ける湯面変動の制御方法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］この発明に係る連続鋳造における湯面変動の制御方法
は、溶湯容器から浸漬ノズルを介して鋳型内に溶湯を注
入する肉厚スラブ用連続鋳造における湯面変動の制御方
法において、浸漬ノズルからの溶湯の吐出流量Ｑと、溶
湯流が鋳型内壁に衝突する際の衝突速度ｖ及び衝突速度
θと、並びに溶湯流が鋳型内壁に衝突する位置の湯面か
らの衝突深さＤと、の関数として下記数式（１）を用い
て求められる変動指数Ｒ（Q,v,θ,D）が１乃至10の範囲
に入るように、鋳造すべき鋳片の断面サイズが決まった
後に、浸漬ノズルの形状を選択し、浸漬ノズルからの溶
湯の吐出流量Ｑを制御し、浸漬ノズルへのガス吹き込み
量を制御することを特徴とする連続鋳造における湯面変
動の制御方法。

Ｒ＝ρQv（１−sinθ）/4D …（１）但し、ρ：溶湯密度（kg/m³）、Ｑ：溶湯流量（m³／秒）、ｖ：溶湯の衝突速度、 θ：溶湯の衝突角度、Ｄ：溶湯の衝突深さ（ｍ）。

浸漬ノズルからの噴流が鋳型短辺の内壁に衝突する直
前における噴流の速度をｖ、２つのうち１つの噴流の質
量をm₀（＝ρQ/2）、噴流の衝突角度をθとすると、１
つの噴流のもつ運動量はm₀ｖ（＝ρQv/2）となり、この
垂直方向成分はm₀vsinθとなる。さらに、噴流が鋳型短
辺の内壁に衝突した直後においては、噴流は内壁に沿っ
て上方に向かう質量m_uと下方に向かう質量m_dの２つにわ
かれ、それぞれの速度は衝突直前の速度ｖであるので、
上方に向かう溶湯流の運動量はm_uvとなり、下方に向か
う溶湯流の運動量はm_dvとなる。垂直方向の運動量保存
の法則から次式が成立する。

m₀vsinθ＝m_dv−m_uv 上式の両辺からｖを消去して次式を導出する。

m₀sinθ＝m_d−m_u また、噴流の鋳型短辺内壁への衝突前後における質量
保存の法則から次式が成立する。

m₀＝m_u＋m_d よって、これらの関係から上方質量m_uと下方質量m_dを
それぞれ求めると、次に示す関係が得られる。

m_u＝m₀・（１−sinθ）/2 ＝ρＱ（１−sinθ）/4 m_d＝m₀・（１＋sinθ）/2 ＝ρＱ（１＋sinθ）/4 以上のようにして湯面に直接的に影響を及ぼす上方へ
振り分けられる溶湯流の質量m_uが求まる。

次に、上方質量m_uの運動量（m_uv）は湯面近傍に到達
して湯面を揺らすまでに減衰するので、その減衰係数を
求める。鋳型内壁の衝突点で溶湯流が有していた衝突速
度ｖは、湯面に到達するまでに鋳型内壁等から受ける摩
擦力によって減衰し、湯面での溶湯流の速度v_sとなる。
その減衰の程度を見積もる場合に、厚肉スラブ用の連続
鋳造機では長辺の幅に比べて短辺の幅は無視できないほ
ど広いので、「放射状壁面噴流の速度減衰モデル」を適
用する。このモデルではv_s∝1/Dの関係にあり、ｎ＝１
となる。減衰係数として1/Dを上方質量m_uに乗じると、
湯面変動の程度を推定するために導入した概念として変
動指数Ｒ（Q,v,θ,D）が上記の数式（１）のように求ま
る。

さらに、この変動指数Ｒが１乃至10の範囲に入るよう
に、実際の湯面変動を検出し、その検出結果に基づき浸
漬ノズルの浸漬深さ、浸漬ノズルへのガス吹き込み量、
鋳型内溶湯への電磁撹拌強度のうち少なくとも１つを変
更する。これにより溶湯流の垂直上方成分の運動量を低
減させ、湯面の変動を抑制する。

［実施例］本願発明者等は、鋳型内湯面の変動を支配する因子に
ついて、鋭意研究実験を重ねた結果、浸漬ノズルから吐
出した溶湯流が鋳型内壁に衝突して上方及び下方に分岐
する場合に、この湯面に向かう溶鋼上昇流の運動量が湯
面変動に大きく影響を与えていることに想到した。この
ような溶鋼流の運動量に対応する変動指数Ｒ（Q,v,θ,
D）としては、例えば、下記（１）式にて示すものがあ
る。

Ｒ＝ρQv（１−sinθ）／（4D） …（１）但し、ρ：溶鋼密度（kg/m³）、Ｑ：溶鋼流量（m³／秒）、ｖ：溶鋼の衝突速度（m/秒）、 θ：溶鋼の衝突角度、Ｄ：溶鋼の衝突深さ（ｍ）。

この各溶鋼流動条件を示す因子を第１図に示す。浸漬
ノズル１は鋳型２内の溶鋼３中に浸漬されており、この
溶鋼の湯面上にはパウダ４が浮遊している。この場合
に、溶鋼流の中心の軌跡を矢印５にて示すが、溶鋼は浸
漬ノズル１の吐出口から鋳型内壁に向かってほぼ２次曲
線に沿って流動する。衝突角度θは、溶鋼が鋳型内壁に
衝突する際の溶鋼の流れ方向と、鋳型２の内壁に直交す
る方向とがなす角度として現される。衝突深さＤは、こ
の溶鋼が鋳型内壁に衝突する位置と溶鋼湯面との間の距
離である。

浸漬ノズル１の吐出口は通常２個であるが、この場合
に各吐出口から吐出される溶鋼の注入流量はQ/2とな
る。また、衝突前の速度（衝突速度）をｖとすると、衝
突時の溶鋼流がもつ運動量はρQv/2となる。衝突後の溶
鋼流は上方へ（１−sinθ）/2、下方に（１＋sinθ）/2
と振分けられる。従って、衝突後の上方に向かう溶鋼流
の運動量は、（ρQ/2）（1/2）ｖ（１−sinθ）と現さ
れる。この衝突時に保有していた運動量は、溶鋼流が上
昇して湯面に到達するまでに減衰すると考えられる。こ
のため、溶鋼流が湯面に到達した時に保持している運動
量は、衝突時に保有していた運動量の1/Dⁿ（通常、ｎは
約１）になると考えられる。従って、鋳型内溶鋼の上昇
流はその湯面において、下記（１）式にて示す運動量を
有している。

Ｒ＝ρQv（１−sinθ）／（4D） …（１）この（１）式の中で、溶鋼の密度ρは定数として入力
すればよく、流量Ｑは鋳型鋳片サイズと鋳造速度により
決まる。一方、衝突角度θ及び衝突深さＤは浸漬ノズル
１の吐出口からの溶鋼流動の軌跡から求めることができ
る。この軌跡は、浸漬ノズル１の中心から鋳型内壁に向
かう方向をｘ軸にとり、溶鋼吐出口から下方に向かう方
向をｙ軸にとって現すと、下記（２）式に示す回帰式に
より近似的に現すことができる。

ｙ＝（b₁＋a₁α）G₁x² −（b₂＋a₂α）G₂x …（２）但し、αは、浸漬ノズルの吐出口の傾斜角度（下向きを
正とする）であり、a₁、a₂、b₁、b₂は浸漬ノズル形状で
決まる定数である。浸漬ノズルの内壁に溶鋼中の介在物
が付着することを防止するため、浸漬ノズルの内側にAr
ガス等のガスを吹き込むことがあるが、この浸漬ノズル
へのガス吹き込みも、溶鋼の流動軌跡に影響を与える。
この吹き込みガスの量は、前記（２）におけるG₁及びG₂
に影響を及ぼすが、このG₁及びG₂は、下記（３）式にて
示される。

但し、θ₁は、浸漬ノズルから吐出した直後の溶鋼流
の方向（実質吐出角）であり、Q₁は、浸漬ノズルへのガ
ス吹き込み量である。また、c₁、c₂、m₁、m₂は浸漬ノズ
ルにより決まる定数である。θ₁は、例えば、下記
（４）式にて現すことができる。

θ₁＝−tan^-（dy/dx），（ｘ＝0.1） …（４）回帰式（２）は、種々のα、Ｑ、θ₁及びQ₁につい
て、連続鋳造の溶鋼流動をシミュレートする水モデル実
験によりその流動軌跡を求め、そのデータを下に回帰計
算を実施して求めることができる。この回帰式は浸漬ノ
ズルの形状によって異なる。つまり、浸漬ノズルは、第
２図に示すように、溶鋼がノズルの軸方向に対して傾斜
した下方にそのまま吐出される逆Ｙ型、及び、第３図に
示すように、溶鋼が一旦ノズル底部に落下した後斜め下
方に吐出されるプール型等がある。また、その吐出口の
形状が円形のもの又は角形のもの等があり、その傾斜角
度も異なる。このように浸漬ノズルの形式が異なること
によって、吐出溶鋼流の流動軌跡が異なるので、前記流
動軌跡の回帰式は各ノズル形状毎に求めておく必要があ
る。なお、前記（２），（３）式の各定数はプール型の
円形状孔を有する浸漬ノズルについて下記の如くにな
る。

Ｑ＝0.005〜0.012m³／秒 Q₁＝０〜3.3×10^-4m³／秒 a₁＝0.003 a₂＝0.01466 b₁＝0.1779 b₂＝0.2684 c₁＝０ c₂＝0.3551 m₂＝1.2739 水モデル実験により観察された溶湯の流動をビデオカ
メラにより記録し、この記録結果に基づいて求めた流動
軌跡のプロットと、その回帰式の一例を第４図に示す。
第４図において、横軸は浸漬ノズル中央からの水平距離
ｘであり、縦軸は溶鋼吐出開始点からの深さである。第
４図は溶湯流量が4.98トン／分の場合であり、第４図
（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、夫々、浸漬ノズルの吐出
口の傾斜角度αが−15°、−35°及び−45°の場合のデ
ータである。これらのグラフ図から明らかなように、回
帰式と実験データとはよく対応しており、実験データの
回帰式からのバラツキは小さい。従って、各ノズル毎に
このような回帰式（回帰曲線）を求めておくことによ
り、浸漬ノズルから吐出した溶鋼の流動軌跡を推定する
ことができる。つまり、各タンディッシュに２個の浸漬
ノズルが設置されている場合には、各浸漬ノズルの中心
から鋳型壁までの距離は鋳型の鋳造断面の幅寸法ｗの1/
4であるから、ｘを（1/4）ｗとして前記（２）式に代入
すれば、衝突深さＤはそのときのｙの値として求まり、
衝突角度θは下記（５）式から求めることができる。

θ＝−tan^-（dy/dx），（ｘ＝w/4） …（５）第５図（ａ）及び（ｂ）は、溶湯流量が3.65トン／分
の場合に、浸漬ノズルへのガス吹き込み量が溶湯の流動
軌跡に及ぼす影響を示すグラフ図であり、（ａ）は浸漬
ノズルの吐出口の傾斜角度が−15°の場合、（ｂ）は−
35°の場合である。この図から明らかなように、ガス吹
き込み量が多くなると、衝突角度θが小さくなると共
に、衝突深さＤが浅くなる。このため、前記（１）式か
ら明らかなように、ガス吹き込み量が多くなると、湯面
変動を現す変動指数Ｒが大きくなり、湯面変動が激しく
なることが推定される。換言すれば、ガス吹き込み量を
調節することにより、湯面変動を多少調整することもで
きる。

次に、流速ｖの回帰式について説明する。浸漬ノズル
からの吐出流の流速ｖは下記（６）式で現すことができ
る。

ｖ＝｛ｄ＋fQ/（60S）｝L^-k …（６）但し、S;浸漬ノズル内断面積（m²） L;流動軌跡に沿う吐出口からの距離（ｍ） k;浸漬ノズルの形状で決まる定数（0.4〜0.7） d,f;浸漬ノズルで決まる定数但し、円形状の吐出口を有するプール型浸漬ノズルの
場合は、ｄが0.01703であり、ｆは0.09152である。

θ＝−tan^-｛dy/dx｝,x＝w/2 …（７）この速度の回帰式も水モデル実験による観察結果によ
り求めることができる。第６図にこのようにして求めた
回帰式の曲線を水モデル実験により求めたデータと共に
示す。第６図から明らかなように、前記（６）式により
衝突速度ｖを求めることができる。

以上のようにして、各鋳造条件因子を下に、衝突角度
θ、衝突深さＤ及び衝突速度ｖが求まる。そして、この
データを前記（１）式に代入すると、変動指数Ｒを算出
することができ、この変動指数Ｒの大小により鋳型内溶
鋼湯面の変動を推定することができる。第７図は、横軸
にこの変動指数Ｒをとり、縦軸に水モデル実験により求
められた湯面変動をとって、両者の関係を示すグラフ図
である。この図から明らかなように、変動指数Ｒと湯面
変動量との間には、極めて強い相関関係が存在し、鋳造
条件因子により決まる変動指数Ｒを下に、湯面変動量を
高精度で推定することができる。湯面変動量を１乃至7m
mの範囲にすることが鋳片品質上必要であるから、変動
指数Ｒは１乃至10の範囲、好ましくは２乃至７の範囲に
入ることが必要である。このため、鋳造すべき鋳片の断
面サイズが決まった後に、変動指数Ｒがこの所定の範囲
に入るように、浸漬ノズルを選択し、又は鋳造の溶鋼流
量等の鋳造因子を適宜選択する。

［発明の効果］この発明によれば、連続鋳造において、鋳型内溶湯の
流動に起因する湯面変動を、溶湯流の運動量を含む変動
指数Ｒにより、高精度で推定することができる。このた
め、適宜の鋳造条件因子を修正することにより、この変
動指数Ｒが所定範囲に入るようにすることができ、その
結果、湯面変動を常に最適範囲内にすることができるか
ら、高品質の鋳片を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は変動指数Ｒを説明する図、第２図及び第３図は
浸漬ノズルを示す断面図、第４（ａ）図乃至第４（ｃ）
図は流動軌跡の回帰曲線の正当性を示すグラフ図、第５
図（ａ）及び第５図（ｂ）は浸漬ノズルへのガス吹込み
の影響を示すグラフ図、第６図は速度の回帰曲線の正当
性を示す示すグラフ図、第７図は変動指数Ｒと湯面変動
との関係を示すグラフ図である。 1;浸漬ノズル、2;鋳型、3;溶鋼、4;スラグ

フロントページの続き (72)発明者沖本一生東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者北川融東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者手嶋俊雄東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶湯容器から浸漬ノズルを介して鋳型内に
溶湯を注入する厚肉スラブ用連続鋳造における湯面変動
の制御方法において、浸漬ノズルからの溶湯の吐出流量
Ｑと、溶湯流が鋳型内壁に衝突する際の衝突速度ｖ及び
衝突速度θと、並びに溶湯流が鋳型内壁に衝突する位置
の湯面からの衝突深さＤと、の関数として下記数式
（１）を用いて求められる変動指数Ｒ（Q,v,θ,D）が１
乃至10の範囲に入るように、鋳造すべき鋳片の断面サイ
ズが決まった後に、浸漬ノズルの形状を選択し、浸漬ノ
ズルからの溶湯の吐出流量Ｑを制御し、浸漬ノズルへの
ガス吹き込み量を制御することを特徴とする連続鋳造に
おける湯面変動の制御方法。Ｒ＝ρQv（１−sinθ）/4D …（１）但し、ρ：溶湯密度（kg/m³）、Ｑ：溶湯流量（m³／秒）、ｖ：溶湯の衝突速度、 θ：溶湯の衝突角度、Ｄ：溶湯の衝突深さ（ｍ）。