JPH11291026A - 溶融鋼を鋳型に導入する没入ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋳型に溶融鋼を導入する没入ノズルにおいて
鋳物製品にペンシルパイプ欠陥が生じないようにする。 【解決手段】 没入ノズルは中心穴と中心穴の底と連通
する２つの横方向の出口ポートとを区画形成するノズル
構造体を具備し、中心穴は、ノズル構造体の周縁まで延
びかつ出口ポートの下側表面を形成する上方に向って皿
形の底面で終わっており、それにより上方に向って皿形
の底面を横切って流れる溶融鋼がノズル構造体から外側
上方に向って案内されるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶融した鋼を連続し
た鋳造型に導入するための没入ノズルに関し、さらに詳
細には没入ノズルの配置構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼の連続鋳造においては、溶融した鋼が
液体の鋼に沈積された耐熱性チューブにより鋳型に射出
される。この耐熱チューブは没入ノズルと称され、スラ
グ鋳造機の場合２つの出口ポートで終わる中心穴を含み
この２つの出口ポートは中心穴を横切って延びている。
没入ノズルの目的は鋼の再酸化を阻止することである。
アルミニウムが溶融鋼に添加され酸素を除去する。これ
は酸素を減少し又はなくすることができるが、これはま
たノズルの通路を詰まらせアルミニウム酸化物を増大さ
せるという望ましくない副作用をもたらす。通常の鋳造
方法においては窒素ガス、アルゴンガス又はこの２つの
ガスの混合物が鋳造中ノズルに射出され通路の内部のア
ルミニウム酸化物の付着形成物を洗浄し非金属含有物が
ノズルの内部に付着するのを防止するようにしている。

【０００３】鋳型において、スラグ（溶滓）層が、型の
中に型粉を添加し又は分配することにより溶融鋼の頂部
に鋼のメニスカス（型の縁付近の自由表面の曲がり）が
形成される。この液体スラグ層は、溶融鋼が凝固するに
つれて凝固した鋼の殻と型との間の隙間に流入する潤滑
剤として、また熱が液体鋼のメニスカスから逃げないよ
うにする絶縁材として作用する。

【０００４】適度の厚さのスラグ層を保証しそれにより
鋼がメニスカスの近くで凝固するのを阻止するため、メ
ニスカスの近くの鋼の温度は十分に高く保持されなくて
はならない。これは通常の鋳造ではアルゴンガスを没入
ノズルの中に射出することにより達成される。このアル
ゴンガスは液体鋼に浮揚性を与えそれにより鋼がノズル
の出口ポートから出るにつれてメニスカスに向って上昇
しそのため凝固に耐えるのに十分な温度が保たれるよう
にする。

【０００５】溶融鋼の生産、特に露出された自動付着に
関する超低炭素（ＵＬＣ）及び低炭素鋼の生産における
欠点はいわゆるペンシルパイプ欠陥である。ペンシルパ
イプ欠陥は非金属含有物のかたまりの捕捉と鋼の凝固殻
の鋳造中のアルゴンガスの泡とから生じる。鋼は薄いス
トリップに圧延されコイルとして収集されたスラグの形
式で鋳造機から出てくる。ストリップの次の処理の間ス
トリップの皮膜の下側にしかもその表面に密接して閉じ
込められたガスの泡が膨張しそして完成した生産物の表
面上に気泡を形成する。したがって、アルゴンガスの使
用は詰まりを減少させスラグ層の厚さを向上させメニス
カスの近くの温度を増大させるが、ガスの泡と含有物の
閉じ込められた固まりに起因する不都合なペンシルパイ
プ欠陥部を生じる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ペンシルパイプ欠陥部
の数はノズルの中へのアルゴンガスの射出をなくすこと
によってなくす又は実質的に減少することができる。し
かし、アルゴンガスの射出をなくした場合は、実際にス
ラグ層の厚が減少しまたその結果メニスカスの近くの鋼
が凝固する危険が増すことが発見された。これは“スラ
イバー”（細長い小片）といて知られている表面の欠陥
を形成することになる。

【０００７】これらの有害な副作用又はこの副作用の発
生は本発明の目的である没入ノズルの構造を適当に変え
ることにより、なくし又は実質的に減少させることがで
きる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は適当なスラグ層
の厚さとメニスカスへの熱の供給を保証しそれによりペ
ンシルパイプ欠陥とスライバーとが最小となるような没
入ノズルを提供する。本発明によれば、メニスカスの近
くの温度がアルゴンガスを噴射しないで又は従来のノズ
ルを用いる場合よりも低いガスの噴出量でメニスカスの
部分における鋼の凝固を阻止するのに十分なように高く
なる。またメニスカスにおける乱れが、スラグ粒子が液
体鋼の流れの中に引込まれる点にまで増大しないのが保
証される。

【０００９】没入ノズルはノズル構造を垂直に貫通して
延びる中心穴を区画形成するノズル構造体を含んでい
る。中心穴は上方に向って皿形状の底面で終っている。
上方に向って皿形状の表面は溶融鋼の流れを約１８０度
の間隔をあけて配された２つの出口ポートを通して案内
する。出口ポートはその上方部分が下方に傾斜したリッ
プにより区画形成されまた下方部分が上方に向って皿形
状の底面によって区画形成される。鋼の流れをノズルを
出るにしたがってほぼ下側方向に案内する従来のノズル
とは異なり、下方に傾斜したリップと組合せた皿形状の
底面が鋼の出てくる流れを水平に近い方向に案内する。
この結果、鋼のより大きな部分がより短い時間でメニス
カスに向って向きを変える。

【００１０】本発明の特徴によれば、上方に向って皿形
状の底面は垂直に延びる中心穴に直角な平面に対し約５
度から３５度の正の角度で傾斜している。本発明の他の
特徴によれば、下方に傾斜したリップは垂直に延びる中
心穴に直角の平面に対して約５度から３５度の負の角度
で下方に向って傾斜している。

【００１１】他の特徴は添付図面に関連した以下の詳細
な記載から明らかとなりまた十分に理解されるであろ
う。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１から３は溶融鋼を鋳型に導入
するための没入ノズル１０を示す。ノズル１０はほぼ管
状の耐熱材料で構成されまた湯だまりに連結されるよう
になっている頂端部１２と鋳型の中に没入される底端部
１４とを含んでいる。ほぼ円形の中心穴１６が垂直方向
にかつノズル１０を通って同心に延び、この中心穴の中
心は全体が軸線Ａ−Ａで示されるノズル１０の幾何学中
心によって画定されている。

【００１３】図１と３に示されるように、中心穴１６
は、ノズル１０の周縁まで延びまた中心穴１６を横切っ
て延びる一対の出口ポート２０ａ，２０ｂと連通してい
る皿状の底面１８で終っている。好ましい実施態様で
は、出口ポート２０ａ，２０ｂは約１８０度の間隔がお
かれている（図３に示されるように）。出口ポート２０
ａ，２０ｂは上方部分２１ａ，２１ｂと下方部分２３
ａ，２３ｂとからなっている。上方部分２１ａ，２１ｂ
はそれぞれの下方に向って傾斜されたリップ２２ａ，２
２ｂによって区画形成されている。リップ２２ａ，２２
ｂは中心穴１６の内壁２８からノズル１０の周縁又は外
壁へと延びている。出口ポート２０ａ，２０ｂの下方部
分２３ａ，２３ｂはその一部が皿状底面１８によって区
画されている。皿状底面１８は外側に向って軸線Ａ−Ａ
からノズル１０の周縁までわん曲されている。したがっ
て、底面１８は軸線Ａ−Ａに直角の水平面に対し正の角
度αで傾斜している。一方において、リップ２２ａ，２
２ｂは水平面に対し負の角度βで傾斜している。

【００１４】本発明によれば、角度αとβは５度から３
５度の間で変えることができる。所望の角度はノズルの
大きさ、鋳造速度、ノズルの没入深さ、及び与えられた
鋳造機の構造に特有のその他の特徴のような要素によっ
て決まる。好ましい実施態様では、角度αとβとは水平
面から１５度である。

【００１５】図４は液体の鋼が没入ノズル１０の出口ポ
ート２０ａ，２０ｂから出るときの流れの経路を示す。
本発明によれば、液体の鋼が中心穴１６と出口ポート２
０ａ，２０ｂとを通って流れるにつれて、上方部分２１
ａ，２１ｂが鋼の流れを水平面から下方に案内し、一方
下方部分２３ａ，２３ｂは鋼を上方部分２１ａ，２１ｂ
から案内される流れの一部とぶつかり又は衝突する上側
方向に向ける。

【００１６】これらの流れ特性は従来の没入ノズルより
優れた幾多の利点をもたらす。比較によれば、図５，６
及び７に示される従来のノズルは、その一部分がノズル
の底端部で皿形に形成されている（図６と７）くぼみ１
１１によって特徴づけられている。これら公知のノズル
ではいずれもくぼみ１１１が開示された発明におけるよ
うにはノズルの周縁にまで延びていない。さらに、図
５，６及び７に示される従来のノズル１１０は出口ポー
ト１２０ａ，１２０ｂが外方に下側に向って傾斜してい
ることを特徴としている。これは出口ポート１２０ａ，
１２０ｂが図５，６及び７の矢印で示されるように出口
ポート１２０ａ，１２０ｂの近くで水平面からほぼ下方
に向う方向に液体の流れを向けるようにする。これは液
体の鋼がノズル１１０を出るときに集中され乱れた流れ
の経路を生じる。

【００１７】従来のノズル１１０とは異なり、本発明の
皿状の底面１８はノズル１０の周縁が外側上方に向って
延びそれにより液体の鋼の流れを図４の矢印によって示
されるように出口ポート２０ａ，２０ｂの付近で水平面
から上方に向けさせる。この結果、液体の鋼のより大き
な部分が従来のノズルで行われるよりもメニスカスの方
に向けられる。図４に示す流れの経路と図５，６及び７
に示す流れの経路との比較は本発明のノズル１０から出
る液体の鋼の流れの経路が従来のノズル１１０の流れの
経路に比べて実質的により水平となることを示してい
る。これは、メニスカスにおける乱流を減少させそのた
め溶融スラグを液体の鋼の流れの中に引き入れる可能性
を減少させる静かな流れの経路をもたらす。

【００１８】没入ノズル１０は、従来のノズルがアルゴ
ンを噴射しないで達成できた場合よりも実質的に改善さ
れた速度でメニスカスに熱を伝達するのを促進させる鋳
型の中の流れパターンを形成する。これはメニスカスの
近くの鋼の温度が型の粉末を溶融させるのに十分に高く
それにより十分均一な厚さの型スラグ層をもたらし不純
物を吸収しまた溶融鋼が凝固するとき鋳造機と型との間
の潤滑剤として作用するようにしている。

【００１９】ある種の従来のノズルは、ノズルの中にア
ルゴンガスを噴射し溶融した鋳物のメニスカスの近くで
より高い温度が得られるようにし、それによりアルゴン
ガスが溶融鋼をメニスカスに向って浮かんだ状態で案内
することに依存していた。本発明の流れの特徴はアルゴ
ンガスを噴射する必要をなくし又は実質的にその必要を
少なくする。アルゴンガスの噴射を用いないことによ
り、本発明は溶融鋳物の凝固する殻の下側に残っている
アルゴンガスの泡によって生じるペンシルパイプの欠陥
が起きる可能性を少なくする。さらにまた、本発明の流
れ経路がメニスカスの近くに従来のノズルで得られたよ
りも高い温度を保証するため、メニスカスの近くで溶融
した鋼が凝固する可能性を少なくする。この結果、“ス
ライバー”として知られている表面の欠陥が生じる可能
性が少なくなる。

【００２０】本発明の没入ノズル１０の流れ特性が図５
に示される従来のノズル１１０の流れ特性よりも優れて
いる利点を実証するため試験が行われた。詳細には水モ
デルのシミュレーション（模擬実験）が０．４の尺度の
水モデル鋳造機で行われた。水モデルにおける速度の状
態は粒子像計速技術〔Ｐａｒｔｉｃｌｅ ＩｍａｇｅＶ
ｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ（ＰＩＶ）技法〕を用いて測定さ
れた。

【００２１】図８と９は型の上方部分で各ノズル１０，
１１０から出てくる液体の鋼の速度ベクトルを示す液体
鋼の型における垂直平面（これら平面は紙面の平面に平
行となっている）を表わしている。各図の右側部分はノ
ズルの軸線Ａ−Ａが位置する垂直の平面（紙面の平面に
直角）を表わす。各図の左側の大部分はノズルの軸線Ａ
−Ａから型の縁（図示しない）までの距離の約６０％で
ある垂直平面（紙面の平面に直角）を表わし、型の縁は
１３−インチ幅広型では狹い面となっている。ガス噴射
は両方のノズルの試験では行われなかった。鋳造速度は
毎分約５０インチ（１２７cm）であり各ノズルの没入深
さは約６インチ（１５．２４cm）であった。

【００２２】従来のノズル１１０の出口ポート１２０
ａ，１２０ｂが水を下方に向って、本発明のノズル１０
により実験された（図８に矢印４０で全体が示されてい
る）よりも急の角度（全体が図９で矢印１４０で示され
ている）で案内したことがわかった。この結果、本発明
のノズル１０からの液体鋼の流れは従来のノズル１１０
の突入深さよりも浅い突入深さを示している。

【００２３】図１０に示されるように、従来のノズル１
１０から出る液体鋼は狹い面に衝突しそして２重回転様
式として従来技術で公知の２つの経路に分かれる。一方
の部分は狹い面に沿って上方に向って流れ次にメニスカ
スに沿って戻りノズル１１０に向う。他の部分は下方に
向って流れそしてこれもまたノズル１１０に向って戻
る。この２重回転流れ様式は立上り波の様相をもたらし
型スラグ層の不均一な厚さを生じそのため型スラグがノ
ズル１１０又はその周囲よりも狭い面の近くで比較的薄
くなる。

【００２４】従来のノズル１１０から液体鋼の流れの深
い突入はまたアルゴンガスの含有物の固まり又は泡が溶
融鋼の溜まりの中に突入する深さを増大させる。図１１
に概略示されるように、アルゴンガスが上方に向って浮
かぶ作用はアルゴンの含有物の固まりをわん曲した型の
内側半径の凝固殻体の下側に閉じ込めることにより妨げ
られる。鋼の次の処理、例えば焼なましは、閉じ込めら
れたガスが膨張し圧延された生産物の表面に火ぶくれを
形成することによりペンシルパイプの欠陥を生じる。

【００２５】さて図８を参照すると、本発明のノズル１
０から出る液体の鋼の流れの様相は図９に示される従来
のノズル１１０の流れの様相と比べて実質的により水平
となっていることがわかる。この結果、液体の鋼の突入
の深さはより低くまたアルゴンの含有物の固まりがわん
曲した型の内側半径のわん曲部の下側により小さい距離
で突入する。したがって、アルゴン含有物の固まりが内
側半径の下側に閉じ込められこれがペンシルパイプ欠陥
部を形成する可能性が実質的に少なくなる。

【００２６】またメニスカスの近くの鋼の速度が本発明
のノズル１０では従来のノズル１１０における鋼の速度
よりも実質的に低いことがわかる。これは型スラグ層か
らの粒子が型の中の循環液体の流れに引込まれスライバ
ー又はペンシルパイプのような欠陥が生じる可能性を少
なくする。これは、シリコンオイルが用いられ型スラグ
を模擬実験する水成形試験によって確認された。この試
験は、ガスを噴射しない条件のもとで本発明のノズル１
０が穏かで平坦なメニスカス（従来のノズル１１０の立
上り波の様相と比べて）を６０インチ／分（１５２．４
cm／分）の高い鋳造速度でも生産することを示した。一
方、従来のノズル１１０は４５インチ／分（１１４．３
cm／分）より低い鋳造速度でスラグを引き込み始めた。
したがって、本発明の没入ノズル１０を用いることによ
り従来のノズル１１０を用いることによって得られるよ
りも高速度で鋳造が行われると考えられる。この結果、
鋳造機の全体の生産性が実質的に向上する。

【００２７】図８は、流れが最初に狹い面に衝突するま
で溶融鋼の流れがメニスカスに向って流れない従来のノ
ズル１１０と異なり、本発明のノズル１０は鋼がノズル
１０を出た後直ちに溶融鋼の流れの一部をメニスカスに
向って案内することを示している。図８の上方左側の隅
部はメニスカスに案内された流れが没入ノズル１０から
の鋼がノズル１０から狹い面までの距離のわずか約４０
％に達した時に始まることを示している。このように、
本発明のノズル１０の出口ポート２０ａ，２０ｂから放
出された液体の鋼が従来のノズル１１０の出口ポート１
２０ａ，１２０ｂから放出される鋼よりも早くメニスカ
スに向って案内される。したがって、本発明のノズル１
０が、メニスカス部分の溶融鋼の速度が減少した場合で
も入ってくる溶融鋼の流れからの熱がメニスカスに、メ
ニスカスの温度が型の粉末を溶融し鋳造のため適当な潤
滑をもたらすのに十分に高くなるような十分に長い時間
にわたって伝達される。

【００２８】水モデルの試験がノズル１０，１１０に対
して行われ本発明のノズル１０が従来のノズル１１０と
同じ又はより大きな速度で十分な熱をメニスカスに伝え
ることのできることを示した。熱い水が各ノズル１０，
１１０を通って型の中の液体の鋼を表わす水の比較的冷
たい（室温）溜まりに供給された。温度の反応が測定さ
れメニスカスの各点の範囲にわたって各ノズル１０，１
１０について平均値が求められた。

【００２９】図１２は、アルゴンガスの噴射のない本発
明のノズル１０と分当り５リットルのガスの噴射を伴う
従来のノズル１１０との間のメニスカスにおける温度の
比較の例を示す。十分な熱をメニスカスの特定の点に伝
える各ノズル１０，１１０の流れ経路の能力が２０秒か
ら３０秒の範囲の温度の最初の上昇によって表わされて
いる。図１２が示すように、アルゴンガスの噴射のない
ノズル１０の熱反応は分当り５リットルのアルゴンガス
を噴射する従来のノズル１１０の熱反応と同じである。

【００３０】本発明はある程度の特定例について記載さ
れてきたが、当業者ならば特許請求の範囲に記載された
本発明の精神又は範囲から逸脱することなく種々の変更
を行うことのできることが理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により構成された没入ノズルの垂直断面
図である。

【図２】図１に示されるノズルの側面図である。

【図３】図１に示されるノズルの底面図である。

【図４】溶融鋼がノズルから出るときの流れの経路を示
す図１のノズルの底端部の破截断面図である。

【図５】溶融鋼がノズルから出るときの流れの経路を示
す従来のノズルの底端部の破截断面図である。

【図６】溶融鋼がノズルから出るときの流れの経路を示
す従来のノズルの底端部の破截断面図である。

【図７】溶融鋼がノズルから出るときの流れの経路を示
す従来のノズルの底端部の破截断面図である。

【図８】図１に示されるノズルの鋳型の上方部分の速度
線図を示すグラフである。

【図９】従来のノズルの鋳型の上方部分の速度線図を示
すグラフである。

【図１０】従来のノズルを有する鋳型における溶融鋼の
２重回転流パターンを示す図である。

【図１１】アルゴン含有物のかたまりが凝固殻体と内側
にわん曲に曲がり部分の下側に閉じ込められたところを
示す図である。

【図１２】従来のノズルと本発明により構成された没入
ノズルとを比較した鋼の鋳型のメニスカスにおける熱反
応を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…没入ノズル １２…頂端部 １４…底端部 １６…中心穴 １８…底面 ２０ａ，２０ｂ…出口ポート ２１ａ，２１ｂ…上方部分 ２２ａ，２２ｂ…リップ ２３ａ，２３ｂ…下方部分

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融した鋼を鋳型に導入するための没入
   ノズルであって、 （ａ）中心穴と該中心穴の底部に連通する２つの横方向
   の出口ポートとを区画形成するノズル構造体を具備し、 （ｂ）前記中心穴が、前記ノズル構造体の周縁まで延び
   かつ前記出口ポートの下側表面部分を形成する上方に向
   って皿形の底面で終わっており、それにより該上方に向
   って皿形の底面を横切って流れる溶融した鋼が前記ノズ
   ル構造体から外側上方に向って案内されるようにしてい
   ることを特徴とする溶融鋼導入用没入ノズル。
2. 【請求項２】 前記出口ポートが下方に向って傾斜した
   リップによって一部が区画形成された上側部分を有しそ
   れにより前記リップを横切る溶融鋼の流れが前記上方に
   向って皿形の底面に沿って溶融鋼の出てくる流れの中に
   外側下方に向って案内されるようにしている請求項１に
   記載の没入ノズル。
3. 【請求項３】 前記上方に向って皿形の底面が垂直に延
   びる中心穴と直角な平面に対し約５度から３５度の正の
   角度で傾斜している請求項１に記載の没入ノズル。
4. 【請求項４】 前記下方に向って傾斜したリップが垂直
   に延びる中心穴に直角な平面に対して約５度から３５度
   の負の角度で傾斜している請求項２に記載の没入ノズ
   ル。