説明

カーボンレスロングノズル

【課題】カーボンレス耐火物を内孔表面に配置したカーボンレスロングノズルにおいて、カーボンレスロングノズルの下端部の亀裂や割れの発生を軽減することが可能なカーボンレスロングノズルを提供すること。
【解決手段】炭素質原料が15〜40質量%である本体耐火物の内面1に、炭素質原料が10質量%以下(0を含む)のカーボンレス耐火物4を配置したカーボンレスロングノズルにおいて、カーボンレス耐火物の下端面41が、本体耐火物の下端面32から上方に20mm以上100mm以下の範囲に位置している、または、本体耐火物の下端面から上方に20mm以上100mm以下の範囲を起点として下方側はカーボンレス耐火物の厚さが小さくなり、しかもカーボンレス耐火物の下端面は本体耐火物の下端面とほぼ一致しているカーボンレスロングノズルである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入に用いられるロングノズルに関し、とくに、内孔表面にカーボンレス耐火物を配置したカーボンレスロングノズルに関する。
【背景技術】
【0002】
ロングノズルは、溶鋼注入時の熱衝撃が大きいなど、過酷な条件下で使用されるため、耐スポーリング性に優れたアルミナ−黒鉛質の耐火物が使用されており、通常は、アルミナを主体とし黒鉛が15〜40質量%含有されるカーボンボンドの耐火物が使用されている。
【0003】
一方、極低炭素鋼のようなカーボン含有率の低い鋼種では、ロングノズルから溶鋼中へのカーボンの溶出が製品となる鋼の品質を低下させる。このため、ロングノズルの内孔表面にカーボンを含有しないかあるいはカーボン含有率が10質量%以下のカーボンレス耐火物を配置したロングノズルが使用されている。カーボンレス耐火物としては、一般的にはアルミナを主体としてシリカやマグネシア等を含む酸化物原料のみから構成される耐火物、あるいはこれらの耐火原料に少量の黒鉛やピッチ等の炭素質原料を含む耐火物が使用されている。
【0004】
しかし、カーボンレス耐火物は、黒鉛を含まないか含んでも10質量%以下というように、カーボン含有率が低いためロングノズルの本体耐火物と比較すると熱膨張率が大きくなる。このため、使用前の予熱時あるいは使用開始時にカーボンレス耐火物の熱膨張によって本体耐火物に大きな熱応力を与え、本体耐火物を押し割る現象が発生する。
【0005】
これに対して、例えば特許文献1では、円筒状のカーボンレス耐火物を長さ方向に分割し、またカーボンレス耐火物とノズル本体との間、カーボンレス耐火物の分割部間に目地を設け、この目地が使用前の予熱、使用中の加熱による膨張吸収代となることで本体材質の割れを防止している。
【0006】
特許文献2には、亀裂及び/またはスリットを有する内管材を配置した連続鋳造用ノズルが開示されており、内管材の周方向に膨張を逃がす余地をつくることによって、熱応力の発生を抑制し、本体の割れを防止している。
【0007】
特許文献3には、骨格となる本体耐火物の内孔表面の溶鋼と接触する面全体に、カーボンレス耐火物を配置したロングノズルが開示されており、カーボンレス耐火物であるCレス層の見掛け気孔率を18%以上にして、600℃以上の熱間での強度を低下させる組織にすることで、溶鋼通過時の熱膨張を緩和し、耐スポーリング性を確保している。
【0008】
特許文献4には、浸漬ノズルの先端内径が拡大したストレート浸漬ノズルが開示されている。鋳片の品質が向上したり、ノズル詰まり防止に効果があることが記載されている。
【特許文献1】特開平8−57601号公報
【特許文献2】特開2000−301321号公報
【特許文献3】特開2006−130555号公報
【特許文献4】特開平9−108793号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかし、特許文献1の方法では、発生頻度は少ないものの割れ自体は発生する場合がある。さらに、内孔体が複数に分離されており、これらを1つずつモルタルを介して本体に配置する作業に手間を要し製造コストが高くなるといった問題がある。
【0010】
特許文献2や3のノズルにおいては、最初の使用で内孔体自体が熱膨張を吸収できるため、亀裂や割れの発生はかなり改善できるものの、頻度は少ないがロングノズルの下端部付近に亀裂や割れが発生する問題がある。また、この亀裂や割れは、一旦冷却して再び使用するといった再使用時に発生頻度が高くなることもわかってきた。
【0011】
そこで本発明では、カーボンレス耐火物を内孔表面に配置したカーボンレスロングノズルにおいて、カーボンレスロングノズルの下端部の亀裂や割れの発生を軽減することが可能なカーボンレスロングノズルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明者等がカーボンレスロングノズルについて使用後の状態を調査したところ、ロングノズルの下端部を基点とした亀裂や割れが発生していることがわかった。そこで、このカーボンレスロングノズルに関して有限要素法により使用時の熱応力解析を行ってみると、下端部のしかも内面側に最も大きな熱応力が発生していることがわかった。この原因については、下端に開口部を有するロングノズルの構造的要因から熱膨張に伴う応力がどうしても下端部に集中すること、さらにカーボンレス耐火物は本体耐火物よりも炭素質原料の含有率が少ないため熱膨張率や弾性率が大きくなり、その結果、本体の外面よりも内面側に大きな応力を発生させることによると考えられる。しかもカーボンレス耐火物は、炭素質原料による過焼結抑制効果やスラグ浸潤抑制効果が少ないため使用中に焼結反応が進み弾性率が高くなってくるため、より発生応力は高くなる傾向になる。そこで、この亀裂発生のメカニズムに着目して検討したところ、内面側のカーボンレス耐火物の下端面を本体の下端面よりも上部に位置させること、あるいはカーボンレス耐火物の下端部の厚さを小さくすることで下端面を基点とした亀裂や割れの抑制効果があることを確認した。
【0013】
すなわち本発明の一態様は、炭素質原料が15〜40質量%である本体耐火物の内面に、炭素質原料が10質量%以下(0を含む)のカーボンレス耐火物を配置したカーボンレスロングノズルにおいて、カーボンレス耐火物の下端面が、ロングノズル本体の下端面から20mm以上100mm以下の範囲に位置しているカーボンレスロングノズルである。
【0014】
カーボンレス耐火物の下端面が、ロングノズル本体の下端面より20mm未満の場合には本体耐火物の下端部の応力抑制効果が不十分で亀裂や割れの抑制効果が不十分となり、100mmを超えると亀裂や割れの発生抑制効果はほとんど変わらず、むしろ本体耐火物が内孔に露出することによるカーボンピックアップの悪影響が問題になってくる。
【0015】
本体耐火物の炭素質原料はロングノズルとして十分な耐用性を得るために15〜40質量%必要であり、炭素質原料が15%未満では耐スポーリング性が不足し、40質量%を超えると強度及び耐食性が不十分となる。
【0016】
カーボンレス耐火物は、カーボンピックアップを防止するためには炭素質原料が少ない程良く使用しなくても良いが、少ない程耐スポーリング性が低下するため、予熱方法等の使用条件に応じて10質量%以下で使用することができる、10質量%を超えるとカーボンピックアップの抑制効果が悪くなる。また、カーボンピックアップ防止効果を高める点からは炭素質原料の使用量は5質量%以下がより好ましい。
【0017】
また本発明の他の態様は、炭素質原料が15〜40質量%である本体耐火物の内面に、炭素質原料が10質量%以下(0を含む)のカーボンレス耐火物を配置したカーボンレスロングノズルにおいて、本体耐火物の下端面から上方に20mm以上100mm以下の範囲を起点として下方側はカーボンレス耐火物の厚さが小さくなり、しかもカーボンレス耐火物の下端面は本体耐火物の下端面とほぼ一致しているカーボンレスロングノズルである。
【0018】
カーボンレス耐火物の厚さが小さくなる基点の位置が、ロングノズル本体の下端面より20mm未満の場合には本体耐火物の下端部の応力抑制効果が不十分で亀裂や割れの抑制効果が不十分となり、100mmを超えると亀裂や割れの発生抑制効果はほとんど変わらず、むしろカーボンレス耐火物の厚さが小さくなることで溶損などによって耐用性が低下し、その結果、本体耐火物が内孔に露出することによるカーボンピックアップの悪影響が問題になってくる。
【0019】
この本発明の他の態様においては、本体耐火物の下端面から上方に10mmの位置でカーボンレス耐火物の厚さが起点の厚さの55%以下であることが好ましい。55%を超えるとロングノズル本体下端部に亀裂や割れが発生しやすくなる。
【発明の効果】
【0020】
カーボンレスロングノズルにおいて、使用時に発生する下端部の亀裂や割れを抑制することができるため、従来のカーボンレスロングノズルと比較すると鋳造作業を中断する頻度が大幅に少なくなり、より安定した操業ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
図1に本発明に係るカーボンレスロングノズルの縦断面図を示す。本発明のカーボンレスロングノズルは、上部にフランジ部31を有する略円筒状の本体耐火物3と、本体耐火物の内面1に配置された円筒状のカーボンレス耐火物4とからなる。このカーボンレスロングノズルは、フランジ部31が取鍋のスライディングノズル装置に取り付けられた下部ノズルに接続され、下部はタンディッシュに浸漬されて使用される。
【0022】
カーボンレス耐火物の下端面41は本体耐火物の下端面32よりも上方に位置しており、その距離は20mm以上100mm以下とする。カーボンレス耐火物4は、カーボンピックアップを防止する目的から本体耐火物3の内面側の溶鋼と接する部分の全面に配置することが理想的であるが、フランジ部31の下部ノズルとの接合面付近はカーボンレス耐火物4を配置しなくても良い。また、本体耐火物の内面1の80%(面積割合)以上にカーボンレス耐火物4を配置することがより好ましい。なお、ここで言う内面1とはフランジ部31の下部ノズルとの接合面6は含まないものとする。また、図1においてカーボンレス耐火物4の下端面41から本体耐火物3の下端面32までの間に本体耐火物を配置して内孔の段差を無くすことも可能である。
【0023】
また、本体耐火物3は、アルミナ系原料を主体とし炭素質原料を15〜40質量%含有する一般的なアルミナーカーボン質耐火物を使用することができる。具体的には、アルミナ系原料が40〜80質量%と炭素質原料が15〜40質量%とからなる耐火原料配合物を使用して製造することができる。また、耐火原料配合物としてアルミナ系原料と炭素質原料以外に、シリカを40質量%以下、またはマグネシア、ジルコン及びジルコニアのうち1種以上を10質量%以下含有することができる。さらに、これら以外にもロングノズルに一般的に使用されている金属、あるいは炭化硼素などの硼化物などを使用しても問題無い。なお、アルミナ系原料とは、アルミナ、ムライト、ジルコニアムライト、及びアルミナジルコニアのうち1種以上である。また、炭素質原料とは黒鉛あるいは非晶質炭素であって、具体的には鱗状黒鉛、膨張黒鉛、合成黒鉛、土壌黒鉛、ピッチ、タール、カーボンブラック、カーボンファイバー、及びコークス等のうち1種以上である。本発明で言う本体耐火物はロングノズルの骨格を構成する主要部位を構成する耐火物であり、スラグラインあるいはフランジ部等一部に使用される場合の本体耐火物とは材質の異なる耐火物は除く。
【0024】
カーボンレス耐火物4は、炭素質原料を含有しないかあるいは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下で含有する耐火物を使用することができ、炭素質原料以外に使用される耐火原料についてはとくに制限はなく、浸漬ノズルやロングノズルの内孔表面に配置されている耐火物に使用されているものを使用することができる。例えば炭素質原料以外としては、アルミナ、ムライト、ジルコニアムライト、アルミナジルコニア、マグネシア、ドロマイト、ジルコニア、ジルコン、カルシウムジルコネート、及びカルシウムシリケートのうち1種以上を使用することができる。さらに、これら以外にもロングノズルに一般的に使用されている金属、あるいは炭化硼素などの硼化物などを使用しても問題無い。より好ましくは、アルミナ系原料60〜95質量%、マグネシア及びアルミナマグネシアスピネルのうち1種以上を1〜40質量%、及び炭素質原料を10質量%以下(0を含む)、より好ましくは5質量%以下(0を含む)である耐火原料配合物を使用して製造することがきる。これによって、熱膨張率を抑えてかつ耐食性に優れるカーボンレス耐火物となり、耐用性が向上する。
【0025】
本発明のカーボンレスロングノズルは以上の耐火原料配合物を使用することで常法によって製造することができる。
【0026】
例えば、以上の耐火原料配合物に対して、それぞれフェノール樹脂、フラン樹脂等の有機バインダーを添加して混練しそれぞれの混練物を得る。これらの混練物を型枠内に分けて投入してCIP(Cold Isostatic Pressing)等によって一体成形し、1100℃の非酸化雰囲気で焼成を行う方法によって得られる。また、本体耐火物とカーボンレス耐火物とをそれぞれ別々に成形した後で、モルタル等を介して接合することもできる。
【0027】
なお、特許文献1〜3の公知のカーボンレスロングノズルにおいて本発明の手法を適用しても良い。使用中にカーボンレス耐火物が焼結し緻密になることで熱膨張率が大きくなりかつ弾性率が高くなった場合にも、カーボンレスロングノズル本体の下端部の割れや亀裂を抑制することができ耐用性が向上する。
【0028】
また、カーボンレス耐火物としてドロマイトなどの熱膨張率の高い材料を配置する場合には、本体耐火物との間に熱膨張吸収代を確保した公知の構造を採用することもできる。
【実施例】
【0029】
表1は、本発明のカーボンレスロングノズルの実炉でのテスト結果を示す。テストに使用したロングノズルは、図1のカーボンレスロングノズルにおいて、本体耐火物としてアルミナ70質量%と鱗状黒鉛30質量%とからなる耐火原料配合物を、カーボンレス耐火物としてアルミナ61質量%、及びアルミナマグネシアスピネル39質量%からなる耐火原料配合物を調製し、それぞれの耐火原料配合物にフェノール樹脂を溶剤に希釈した有機バインダー(残炭率35%)を5質量部添加して別々に混練した混練物を、内側と外側とに分けて同じ型枠内に投入してCIPで成形し、成形後、乾燥し1100℃の非酸化雰囲気で焼成したものである。カーボンレスロングノズルの全長は1500mm、本体耐火物の厚さは60mm、カーボンレス耐火物の厚さは20mm、下端部の内孔は直径150mmである。
【0030】
【表1】

【0031】
実施例1〜4及び比較例1、2については、成形時に使用した型枠の一部を変更することでカーボンレス耐火物の下端面の位置を変えて製造した。
【0032】
実炉テストでは、これらのロングノズルを実際の取鍋に取り付けて、あらかじめ約600℃に予熱した後、溶鋼を通過させた。鋳造では、1cast(350t取鍋4杯分)毎にロングノズルを常温で1時間以上放置した後、再び約600℃に予熱して使用した。1cast毎にロングノズルの下端部を観察し亀裂及び割れについて観察した。ロングノズルはそれぞれ10本使用した。
【0033】
また、このようにして製造したカーボンレスロングノズルから試験片を切り出して熱間での熱膨張率と弾性率とを測定した。1000℃の時の本体耐火物の熱膨張率は0.41%、弾性率は4.4GPaであり、3cast使用して変質した後の1000℃の時のカーボンレス耐火物の熱膨張率は0.86%、弾性率は5GPaである。熱応力計算では、比較例1、実施例1〜3のカーボンレスロングノズルについて、ロングノズルを600℃に予熱した後、溶鋼の流出を開始し、溶鋼流出開始1分後にロングノズルの温度が1000℃に達したという条件で、本体耐火物に発生する熱応力を有限要素法を用いて解析した。
【0034】
表1に示すように、カーボンレス耐火物と本体耐火物の下端面を一致させた比較例1では、3castで10本中1本に、及び4castでは10本中3本に下端割れが発生した。また、カーボンレス耐火物の下端を本体耐火物の下端より10mm上方に設置した比較例2においても、4castで下端割れが1本発生した。一方、カーボンレス耐火物の下端面を本体耐火物の下端面より20mm以上上方に設置した実施例1〜4では、下端割れは、確認されなかった。したがって、カーボンレス耐火物の下端面を本体耐火物の下端面より20mm以上上方に、好ましくは40mm以上上方に位置させることでロングノズルの下端割れ発生を抑えることができることがわかった。
【0035】
なお、カーボンレス耐火物の下端面を本体耐火物の下端面より100mm上方に設置した実施例4では、溶鋼中にわずかながらカーボンの溶出が考えられる。カーボン量が少ないカーボンレス耐火物を備えたカーボンレスロングノズルは、カーボンピックアップ防止を目的として利用されることが多い。したがって、本発明では、本体耐火物の下端面から100mmを超えて上方にカーボンレス耐火物の下端面を設けないようにする。
【0036】
図2は、ロングノズルを縦方向に切断した際の右側断面を用いて熱応力解析による熱応力の分布を示した図であり、縦横とも1目盛が20mmである。発生する応力の大きさは、図中に示すように色分けしており、例えば最も濃い部分の応力は6.9MPa以上、次に濃い部分が5.4MPa以上6.9MPa未満である。そして、左側から1目盛がカーボンレス耐火物、残りが本体耐火物である。
【0037】
図2(a)においては、カーボンレス耐火物と本体耐火物の下端面が一致する比較例1の計算結果であり、本体耐火物下端部の内側に最も大きな応力が発生していることがわかる。そしてカーボンレス耐火物の下端面が上方に行く程発生応力は小さくなっており、40mm上方(図2(c))では最も応力の高い領域がほとんど無くなることがわかる。また、カーボンレス耐火物の下端面が本体耐火物の下端面より20mm上方に位置する実施例1の計算結果においては、表1に示すように下端部の発生応力は最大で4.3MPaに減少し、さらに図2(b)の応力の分布図からも下端部の応力が大きく低下していることがわかる。さらに40mm上方に位置させた実施例2の計算結果は、最大で3.5MPa、60mm上方に位置させた実施例3では、最大で3.3MPaとなっている。このようにカーボンレス耐火物の下端面を本体耐火物の下端面よりも20mm以上上方に位置させることで本体耐火物に発生する応力が大幅に低減していることがわかった。
【0038】
表2は、表1とは耐火原料配合物が異なる場合、及び形状が異なる場合のカーボンレスロングノズルについて、表1の場合と同じ製法にて製造し、表1の場合と同じテスト条件で10本のテストを実施した結果を示す。実施例5から実施例8までのカーボンレスロングノズルの形状は実施例2と同じであり、カーボンレス耐火物の下端面を本体耐火物の下端面より40mm上方に位置させたタイプである。また、比較例3から比較例6は実施例5から実施例8にそれぞれ対応した耐火原料配合物を使用し、カーボンレス耐火物の下端面が本体耐火物の下端面と一致した形状である。
【0039】
【表2】

【0040】
実施例5は、実炉で10本使用した結果、下端部の亀裂や割れが発生するものはなく良好な結果となった。これに対して、実施例5と同じ耐火原料配合物を使用しているがカーボンレス耐火物と本体耐火物との下端面が一致している比較例3は、4castでの使用中に1本下端部に割れが発生した。
【0041】
同様に、実施例6から実施例8のカーボンレスロングズルは4cast使用しても本体下端部の割れは発生しなかった。これに対して、比較例4では2本、比較例5では1本、比較例6では3本がいずれも4castでの使用中に下端部の割れが発生した。
【0042】
なお、図3に、実施例9のカーボンレスロングノズルを示す。図3において、カーボンレス耐火物の下端面41は本体耐火物の下端面32と一致しているが途中に段差5を有し、この段差5より下方の厚さが10mm、上方の厚さが20mmとなっている。この段差5は本体耐火物の下端面32から上方に40mmの位置となっている。図3のカーボンレスロングノズルは、形状面ではこの点のみが図1のカーボンレスロングノズルと異なっている。この実施例9に関して熱応力計算を行ったこところ、本体耐火物下端部での発生応力は4.5MPaとなり、下端の厚さが20mmの場合の比較例1と比べると大きく低下していることがわかる。図3においては、熱応力が集中する本体下端部でのカーボンレス耐火物の厚さをより小さくすることで、カーボンレス耐火物4の熱膨張による応力をより小さくし、しかもカーボンレス耐火物4を本体耐火物3の下端まで覆うことができるため、本体耐火物3が露出せず、カーボンピックアップの防止効果が高まる。ここで、カーボンレス耐火物4と本体耐火物3との下端面はほぼ一致していれば良く、具体的には、カーボンレス耐火物の下端面41は本体耐火物の下端面32に対してプラスマイナス5mmの範囲であれば支障はない。
【0043】
図4に、実施例10のカーボンレスロングノズルを示す。図4において、カーボンレス耐火物の下端面41は本体耐火物の下端面32と一致しているが、本体耐火物の下端面32から上方に40mmの位置を基点としてカーボンレス耐火物3の内孔径が下方に向って拡径し、カーボンレス耐火物3の厚さは小さくなっている。下端面でのカーボンレス耐火物3の厚さは5mmで、下端面から10mm上方での厚さは約9mmである。また、下端面から40mm上方の基点のカーボンレス耐火物3の厚さは20mmである。図4のカーボンレスロングノズルは、形状面ではこの点のみが図1のカーボンレスロングノズルと異なっている。この実施例10においても実炉試験の結果、下端部の亀裂や割れが発生することなく良好な結果となった。この場合も図3の場合と同様に、熱応力が集中する本体下端部でのカーボンレス耐火物の厚さをより小さくすることで、カーボンレス耐火物の熱膨張による応力をより小さくし、しかもカーボンレス耐火物を本体耐火物の下端まで覆うことができるため、本体耐火物が露出せずカーボンピックアップの防止効果が高まる。さらに、基点が段差でなく緩やかになっているため亀裂の基点になる可能性がない。
【0044】
なお、図3及び図4の例では、カーボンレス耐火物の下端面を本体耐火物の下端面と一致させているが、これは少しでも多くの内面にカーボンレス耐火物を配置することで、よりカーボンピックアップ防止効果を高めるためである。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】実施例1〜4のカーボンレスロングノズルに関する縦断面図による説明図である。
【図2】カーボンレスロングノズルの熱応力計算結果を示し、(a)は比較例1、(b)は実施例1、(c)は実施例2、(d)は実施例3の熱応力計算結果を示す。
【図3】実施例9のカーボンレスロングノズルの縦断面図である。
【図4】実施例10のカーボンレスロングノズルの縦断面図である。
【符号の説明】
【0046】
1 本体耐火物の内面
2 開口部
3 本体耐火物
31 フランジ部
32 本体耐火物の下端面
4 カーボンレス耐火物
41 カーボンレス耐火物の下端面
5 段差

【特許請求の範囲】
【請求項1】
炭素質原料が15〜40質量%である本体耐火物の内面に、炭素質原料が10質量%以下(0を含む)のカーボンレス耐火物を配置したカーボンレスロングノズルにおいて、カーボンレス耐火物の下端面が、本体耐火物の下端面から上方に20mm以上100mm以下の範囲に位置しているカーボンレスロングノズル。
【請求項2】
炭素質原料が15〜40質量%である本体耐火物の内面に、炭素質原料が10質量%以下(0を含む)のカーボンレス耐火物を配置したカーボンレスロングノズルにおいて、本体耐火物の下端面から上方に20mm以上100mm以下の範囲を起点として下方側はカーボンレス耐火物の厚さが小さくなり、しかもカーボンレス耐火物の下端面は本体耐火物の下端面とほぼ一致しているカーボンレスロングノズル。
【請求項3】
本体耐火物の下端面から上方に10mmの位置でカーボンレス耐火物の厚さが起点の厚さの55%以下となっている請求項2に記載のカーボンレスロングノズル。

【図1】
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【図3】
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【図4】
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【図2】
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【公開番号】特開2010−29924(P2010−29924A)
【公開日】平成22年2月12日(2010.2.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−196690(P2008−196690)
【出願日】平成20年7月30日(2008.7.30)
【出願人】(000170716)黒崎播磨株式会社 (314)
【出願人】(000006655)新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Fターム(参考)】