湾曲型連続鋳造機向けの浸漬ノズル
【課題】湾曲内側では下降流となり湾曲外側では上昇流となるような吐出流の流動パターンを実現しつつ、吐出孔の流路断面積を大きく設定することが可能な、全く新規な技術を提供する。
【解決手段】浸漬ノズル１の湾曲外側の内周面４であって、平面視で一対の吐出孔２の間に挟まれる位置に、整流突起５を次の（１）〜（４）の条件を満足するように特定形状の整流突起５を設ける。ここでＢは突起の平面視で鋳型幅方向の突起水平長さ［ｍｍ］、ｄ１は前記整流突起の下端である整流突起下端と、前記浸漬ノズルの内側底面との間の垂直方向における距離［ｍｍ］、ｄ２は前記整流突起の上端である整流突起上端と、上記の整流突起下端との間の垂直方向の距離［ｍｍ］である。０．０５≦Ａ／φ≦０．１５・・・（１）、０．４≦Ｂ／φ≦０．８・・・（２）、０．７５≦ｄ１／φ≦１．２５・・・（３）、２≦ｄ２／Ａ≦６・・・（４）
【解決手段】浸漬ノズル１の湾曲外側の内周面４であって、平面視で一対の吐出孔２の間に挟まれる位置に、整流突起５を次の（１）〜（４）の条件を満足するように特定形状の整流突起５を設ける。ここでＢは突起の平面視で鋳型幅方向の突起水平長さ［ｍｍ］、ｄ１は前記整流突起の下端である整流突起下端と、前記浸漬ノズルの内側底面との間の垂直方向における距離［ｍｍ］、ｄ２は前記整流突起の上端である整流突起上端と、上記の整流突起下端との間の垂直方向の距離［ｍｍ］である。０．０５≦Ａ／φ≦０．１５・・・（１）、０．４≦Ｂ／φ≦０．８・・・（２）、０．７５≦ｄ１／φ≦１．２５・・・（３）、２≦ｄ２／Ａ≦６・・・（４）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湾曲型連続鋳造機向けの浸漬ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
湾曲型連続鋳造機を用いて連続鋳造するに際し、凝固シェルの湾曲内側への介在物の捕捉・集積を抑制する技術として、例えば、特許文献１（特開昭５１−１３８５２６号公報）や特許文献２（実開平３−４７６４５号公報）は、浸漬ノズルの吐出孔の向きを平面視で湾曲内側に方向付けする構成を開示する。このような方向付けによれば吐出流が湾曲内側に方向付けされ、例えば特許文献１の第５図や特許文献２の第２図のように、吐出流の流動パターンは、湾曲内側では下降流となり湾曲外側では上昇流となり、もって、凝固シェルの湾曲内側への介在物の捕捉・集積を抑制できるようになっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記特許文献１等に開示の技術を採用するには、吐出孔の流路断面積を小さく設定しなければならない。というのは、仮に上記技術を利用するに際し吐出孔の流路断面積を大きくとると、浸漬ノズルの内側底面近傍で形成される単一の大径な渦流の旋回方向が吐出孔の向きよりも吐出流の向きに対して支配的となり、また、この大径の渦流の旋回方向はランダムに切り替わるものだから、結局のところ、吐出流が湾曲内側を向くか湾曲外側を向くかは定かでなくなるからである。
【０００４】
このように上記特許文献１等に開示の技術は、吐出孔の流路断面積を小さく設定しなければならないという技術的制約があるので、スループット（吐出流の単位時間あたりの流量）が比較的低く設定された連続鋳造を実施するには問題なかったが、スループットが比較的高く設定される連続鋳造を実施する昨今の操業では大きな問題となる。というのは、吐出孔の流路断面積が小さく、スループットが高いと、必然的に吐出流の流速が高くなり、凝固シェルの抜熱し難いコーナー部への入熱が過大となって、ブレークアウトを引き起こすような著しい凝固遅れを招く虞があるからである。また、吐出孔の流路断面積が小さいと詰まりも発生し易い。
【０００５】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、上記の技術的制約をブレークスルーするものであって、即ち、湾曲内側では下降流となり湾曲外側では上昇流となるような吐出流の流動パターンを実現しつつ、吐出孔の流路断面積を大きく設定することが可能な、全く新規な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００６】
本願発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、本願発明の発明者は、鋭意研究の末、浸漬ノズルの内側底面近傍で形成される単一の大径な渦流の旋回方向を固定する技術を見出し、以下の発明を完成させた。
【０００７】
本願発明の観点によれば、タンディッシュ内に保持される溶鋼を鋳型内へ注湯するのに供される有底円筒状の浸漬ノズルであって、湾曲型連続鋳造機向けであり、前記浸漬ノズルの周壁には、一対の対向する吐出孔が形成される、浸漬ノズルは、以下のように構成される。即ち、前記浸漬ノズルの湾曲外側の内周面であって、平面視で前記一対の吐出孔の間に挟まれる位置に、整流突起が設けられる。・前記整流突起の、平面視で鋳型厚み方向において特定する突起水平厚みＡ［ｍｍ］と、・前記整流突起の、平面視で鋳型幅方向において特定する突起水平長さＢ［ｍｍ］と、・前記整流突起の下端である整流突起下端と、前記浸漬ノズルの内側底面との間の垂直方向における距離である整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］と、・前記整流突起の上端である整流突起上端と、上記の整流突起下端との間の垂直方向における距離である突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］と、は、下記式（１）〜（４）の条件を満足する。
【０００８】
【数１】
【０００９】
【数２】
【００１０】
【数３】
【００１１】
【数４】
【００１２】
以下、本願発明に係る浸漬ノズルによる効果を、上記特許文献１等の浸漬ノズルと対比させながら説明する。
【００１３】
＜特許文献１等の浸漬ノズル＞図１（ａ）は上記特許文献１に開示の浸漬ノズルであって、吐出孔の流路断面積を比較的大きく設定したものの斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の一部切欠き斜視図であり、図１（ｃ）〜（ｄ）は図１（ｂ）に類似する図であって、溶鋼の流れをイメージした図である。図１に示す浸漬ノズルでは、内側底面に衝突した溶鋼は、内側底面と内周面によって形成される所謂湯溜り部にて、図１（ｃ２）に示すように鋳型幅方向を軸とする大きな単一の渦流を形成する。吐出孔の流路断面積が比較的大きく設定される場合は、この渦流が型崩れすることなく吐出孔の外方へと連続するので、鋳型厚み方向に偏りを持った吐出流が形成される。ところで、この大きな単一の渦流の旋回方向は、図１（ｃ２）に示すように上記内側底面から湾曲内側へ向かって上昇する反時計回りとなる場合と、図１（ｄ２）に示すように上記内側底面から湾曲外側へ向かって上昇する時計回りとなる場合と、の二つの場合があり、その旋回方向はランダムに切り替わる。従って、図１（ａ２）に示すように吐出孔の流路断面積を比較的大きく設定すると、例え図１（ａ１）に示すように吐出孔の向きを湾曲内側へ大きく方向付けしたとしても、図１（ｃ１）及び（ｄ１）に示すように吐出流が湾曲外側を向く（図１２（ａ）参照）か湾曲内側（図１２（ｂ）参照）を向くかは定かではない。
【００１４】
＜本願発明に係る浸漬ノズル＞図２（ａ）は本願発明に係る浸漬ノズルの斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の一部切欠き斜視図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）に類似する図であって、溶鋼の流れをイメージした図である。図２に示す本願発明の浸漬ノズルでは、溶鋼は、内側底面に衝突する前に、湾曲外側に設けられた整流突起と衝突する。そして、この衝突によって浸漬ノズル内の溶鋼の流れは一旦、湾曲内側寄りに集約される。このとき、前記整流突起と内側底面との間に大きな負圧域が形成され、上記溶鋼の流れはこの負圧域に引き寄せられるかたちで、図２（ｃ２）に示すように鋳型幅方向を軸とし、内側底面から湾曲外側へ向かって上昇する時計回りの、単一の大径な渦流を形成する。このように、本願発明に係る浸漬ノズルでは、上記の単一の大径な渦流の旋回方向が上記の整流突起によって固定されるので、吐出流の向きは湾曲内側に固定され、図１２（ｂ）に示すような、湾曲内側では下降流となり湾曲外側では上昇流となるような吐出流の流動パターンが安定して実現される。また、図２に開示の浸漬ノズルは上記の単一の大径な渦流を積極利用するものであるから、もはや上記の流動パターンを実現するために吐出孔の流路断面積を小さく設定しなければならないという技術的制約から解放され、従って、図１２（ｂ）に示すような上記の流動パターンを実現しつつ、吐出孔の流路断面積を大きく設定することが可能となる。
【００１５】
以上に説明した本願発明に係る浸漬ノズルを採用すれば、凝固シェルの湾曲内側への介在物の捕捉・集積を抑制できることはもちろん、高スループットの操業において、凝固シェルのコーナー部への入熱が過大となるのを回避することが可能となる。
【００１６】
なお、図２に開示の浸漬ノズルは本願発明を具現化した一例であり、本願発明の技術的範囲は図２によっては何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】特許文献１に開示の浸漬ノズルであって、吐出孔の流路断面積を比較的大きく設定したものの斜視図
【図２】本願発明に係る浸漬ノズルの斜視図
【図３】図５の３−３線矢視断面図であって、本願発明の一実施形態に係る浸漬ノズルの立面断面図
【図４】図５の４−４線矢視断面図であって、本願発明の一実施形態に係る浸漬ノズルの立面断面図
【図５】図４の５−５線矢視断面図であって、本願発明の一実施形態に係る浸漬ノズルの水平断面図
【図６】本願発明の一実施形態に係る浸漬ノズルによって実現される溶鋼の流れをイメージした図
【図７】整流突起の変形例を示す図
【図８】吐出孔の変形例を示す図
【図９】技術的効果の確認試験の試験方法に関する説明図
【図１０】整流突起による流体の剥離現象と、再付着の可能性について説明するための図
【図１１】湾曲内側への吐出角度と、介在物量と、の関係を示すグラフ
【図１２】湾曲型連続鋳造機の全体図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
周知の通り、連続鋳造機の鋳造経路に着目すると、湾曲型連続鋳造機と垂直曲げ型連続鋳造機なるものがある。前者は、鋳型から鋳造経路に沿って、円弧経路部と矯正経路部、水平経路部を有するものであり、後者は、上記円弧経路部の上流に垂直経路部を設け、溶鋼中の介在物浮上を図ったものである。また、連続鋳造機の鋳造する鋳片の断面形状に着目すると、断面形状のアスペクト比が２以上であるスラブと２以下のブルーム、更に、断面形状が正方形であるビレットなるものがある。本願発明の適用対象は、湾曲型連続鋳造機におけるスラブ又はブルームの連続鋳造で用いられる浸漬ノズルに限られる。以下、本明細書では、一例として、本願発明を、湾曲型連続鋳造機におけるスラブの連続鋳造で用いられる浸漬ノズルに適用した例を説明する。
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本願発明の一実施形態に係る浸漬ノズルの構成を説明する。図２に示される浸漬ノズル１は、タンディッシュ内に保持される溶鋼を鋳型内へ注湯するのに供されるものであって、有底円筒状に形成される。この浸漬ノズル１の周壁には、一対の対向する吐出孔２が、浸漬ノズル１の内側底面３から若干上方へ離れた位置に、形成される。そして、本実施形態に係る浸漬ノズル１の湾曲外側の内周面４であって、平面視で前記一対の吐出孔２の間に挟まれる位置に、整流突起５が設けられる。ここで、浸漬ノズル１の吐出孔２から吐出される溶鋼の吐出流の向きと、鋳型幅方向及び鋳型厚み方向は技術的に密接に関連するので、各図には極力、鋳型幅方向と鋳型厚み方向を図示した。図２に示すように浸漬ノズル１は、吐出孔２の形成方向６が鋳型幅方向と一致するように鋳型内に配される。各図には極力、鋳型幅方向及び鋳型厚み方向の何れにも直交する関係にある浸漬ノズル１の軸心方向も併せて図示した。以下、上記の浸漬ノズル１の構成を詳細に説明する。
【００２０】
（浸漬ノズル１）
浸漬ノズル１は、図３に示すように、内径φ［ｍｍ］を有する有底円筒状であって、整流突起５と共に耐火物で一体形成される。浸漬ノズル１の内径φ［ｍｍ］は例えば、６０〜１００とされる。
【００２１】
（吐出孔２）
吐出孔２は、図５に示すように一対で対向するように浸漬ノズル１の周壁に形成され、図４に示すように浸漬ノズル１の内周面４から外周面７へ向かって若干斜め下向きに傾斜し、図３に示すように浸漬ノズル１の内周面４においては丸みを帯びた矩形の縁８を有し、浸漬ノズル１の外周面７においても同様に丸みを帯びた矩形の縁９を有する（図４を併せて参照）。また、吐出孔２の形成方向６は、図５の平面視で鋳型幅方向に対して平行とされる。また、吐出孔２は、図５に示されるように浸漬ノズル１の内周面４から外周面７へ向かって緩やかに幅広となるように形成される。
【００２２】
図３に示すように、浸漬ノズル１の内周面４における吐出孔２の縁８の下端である吐出孔下端８ｄと内側底面３との間の垂直方向における距離である吐出孔下端距離ｈｄ［ｍｍ］は例えば、２０〜４０とされる。同様に、上記の縁８の上端である吐出孔上端８ｕと内側底面３との間の垂直方向における距離である吐出孔上端距離ｈｕ［ｍｍ］は例えば、５０〜１２０とされる。また、図３に示す立面視において、浸漬ノズル１の内周面４における吐出孔２の縁８を投影することで二次元的に特定できる、吐出孔２の流路断面積は、高スループットの操業のため、直径が７０〜１１０［ｍｍ］の円の面積相当となっている。具体的には、図３に示す立面視において、浸漬ノズル１の内周面４における吐出孔２の縁８を投影することで二次元的に特定できる、吐出孔２の流路幅Ｗｉ［ｍｍ］及び流路高さＨｉ［ｍｍ］は、夫々、５０〜９５、８０〜１００とされる。そして、図３において内側底面３と吐出孔下端８ｄと内周面４によって囲まれる空間は、一般に湯溜り部１０と称され、この湯溜り部１０は、主として鋳造開始時の溶鋼の飛び散りを防止する機能を発揮するものである。図４に示す立面視で吐出孔２の内底面２ａが水平と成す角度θである下向き吐出角θ［ｄｅｇ．］は概ね１０〜５５とされる。
【００２３】
（整流突起５）
＜断面形状＞図３に示すように、鋳型幅方向に対して垂直な断面において、整流突起５は略台形状であって、内周面４から浸漬ノズル１の軸心Ｃに向かって次第に窄まる形状である。即ち、整流突起５は、軸心Ｃ側下方へ向かって傾斜する平面としての突起上面１１と、軸心Ｃ側上方へ向かって傾斜する平面としての突起下面１２と、突起上面１１と突起下面１２を連結する突起内周面１３と、を有する。図３に示す断面視で突起上面１１及び突起下面１２は水平に対して概ね３０〜６０度で傾斜する。上記の突起内周面１３は平面であって、鋳型厚み方向に対して直交する関係にある。この突起内周面１３は図４に示す断面視において鋳型幅方向に延在し、特に突起内周面１３の下端線１３ｄ（整流突起５の下端部５ｄ）は、図４の立面視で鋳型幅方向に対して平行とされる。同様に、突起内周面１３の上端線１３ｕ（整流突起５の上端部５ｕ）も、図４の立面視で鋳型幅方向に対して平行とされる。端的に言えば、本実施形態において整流突起５は、鋳型幅方向に延在するように形成される。
【００２４】
＜突起垂直厚み＞図４に示す符号ｄ２は、上記の上端線１３ｕ（整流突起上端）と下端線１３ｄ（整流突起下端）との間の垂直方向における距離である突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］である。即ち、整流突起５の突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］は、突起内周面１３に着目して特定する。
【００２５】
＜整流突起下端距離＞図４に示す符号ｄ１は、上記の下端線１３ｄと内側底面３との間の垂直方向における距離である整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］である。即ち、整流突起５の整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］は、突起内周面１３と内側底面３に着目して特定する。
【００２６】
＜突起水平厚み＞図５に示す符号Ａは、整流突起５の、図５の平面視で鋳型厚み方向（吐出孔２の形成方向６に対して垂直な方向）において特定する突起水平厚みＡ［ｍｍ］である。具体的には、突起水平厚みＡ［ｍｍ］は、図５の平面視で鋳型幅方向に対して垂直であり、浸漬ノズル１の軸心Ｃを通る直線Ｅと整流突起５との重複距離として特定される。
【００２７】
＜突起水平長さ＞図５に示す符号Ｂは、整流突起５の、図５の平面視で鋳型幅方向（吐出孔２の形成方向６に対して平行な方向）において特定する突起水平長さＢ［ｍｍ］である。具体的には、突起水平長さＢ［ｍｍ］は、図５において破線と実線で特定される整流突起５の、鋳型幅方向における最大長さそのものとして特定される。
【００２８】
以上の形状をした整流突起５は、更に、下記式（１）〜（４）の条件を満足する。
【００２９】
【数１】
【００３０】
【数２】
【００３１】
【数３】
【００３２】
【数４】
【００３３】
以上に、本実施形態に係る浸漬ノズル１の構成を説明した。なお、強度や溶損などの観点から、面と面は鈍角で交差するものとし、面と面の交差する部位には適度な丸みを付すのが好ましい。ただし、丸みを付すことで上記各寸法が不明瞭となった場合は、丸みが付されていない場合を想定したときに特定できる寸法を代わりに採用するものとする。
【００３４】
次に、図６に基づいて、本実施形態に係る浸漬ノズル１の作用を説明する。本実施形態に係る浸漬ノズル１では、図６（ａ）に示すように浸漬ノズル１の上端から下端へ向かって流れてきた溶鋼は、内側底面３に衝突する前に、湾曲外側に設けられた整流突起５と衝突する。そして、この衝突によって、浸漬ノズル１内の溶鋼の流れは一旦、湾曲内側寄りに集約される。このとき、整流突起５と内側底面３との間に大きな負圧域Ｆが形成され、上記溶鋼の流れはこの負圧域Ｆに引き寄せられるかたちで、図６（ｂ）に示すように鋳型幅方向を軸とし、内側底面３から湾曲外側へ向かって上昇する時計回りの、単一の大径な渦流Ｐを形成する。このように、本実施形態に係る浸漬ノズル１では、上記の単一の大径な渦流Ｐの旋回方向が上記の整流突起５によって固定されるので、吐出流の向きは湾曲内側に固定され、図１２（ｂ）に示すような、湾曲内側では下降流となり湾曲外側では上昇流となるような吐出流の流動パターンが安定して実現される。また、図２に開示の浸漬ノズル１は上記の単一の大径な渦流Ｐを積極利用するものであるから、もはや上記の流動パターンを実現するために吐出孔２の流路断面積を小さく設定しなければならないという技術的制約から解放され、従って、図１２（ｂ）に示すような上記の流動パターンを実現しつつ、吐出孔２の流路断面積を大きく設定することが可能となる。
【００３５】
従って、上記の浸漬ノズル１を採用すれば、凝固シェルの湾曲内側への介在物の捕捉・集積を抑制できることはもちろん、高スループットの操業において、凝固シェルのコーナー部への入熱が過大となるのを回避することが可能となる。
【００３６】
以上に本願発明の好適な実施形態を説明したが、上記の整流突起５や吐出孔２は、以下のように変更することができる。
【００３７】
即ち、図７（ａ１）に示す平面視で、整流突起５の突起内周面１３は、内周面４と同じように円弧を描くように形成されてもよい。突起水平厚みＡ［ｍｍ］や突起水平長さＢ［ｍｍ］、整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］、突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］の測定基準については、図７（ａ１）及び（ａ２）に示すように、上記実施形態と全く同様である。
【００３８】
また、図７（ｂ１）に示す平面視で、上記実施形態に係る整流突起５は、鋳型幅方向における端が斜めにカットされて形成されてもよい。突起水平厚みＡ［ｍｍ］や突起水平長さＢ［ｍｍ］、整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］、突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］の測定基準については、図７（ｂ１）及び（ｂ２）に示すように、上記実施形態と全く同様である。
【００３９】
また、図８（ｃ１）に示す平面視で、上記実施形態に係る吐出孔２は、内周面４から外周面７にかけて、一定の流路幅に形成されてもよい。
【００４０】
以下、上記実施形態に係る浸漬ノズル１の技術的効果を確認するための試験に関して説明する。上述した各数値範囲などは、下記の試験により合理的に裏付けられている。
【００４１】
≪試験：試験概要≫
各試験は、鋳型と溶鋼に代えて水槽と水を採用した所謂水モデル試験である。各試験は、浸漬ノズル１の構造や水槽のサイズなどに細かな変更を加えながら実施した。
【００４２】
≪試験：試験方法：図９≫
本試験においては、浸漬ノズル１に所定の水流量Ｗａｔ［Ｌ／ｍｉｎ］で水が供給されている定常状態において、１００秒間、浸漬ノズル１からの吐出流の様子を図９（ａ）の平面視で市販のビデオカメラを用いて撮影し記録した。このとき、浸漬ノズル１内を流れる水に対して空気を含ませることで、上記吐出流の様子を可視化した。そして、このときの映像を適宜の画像処理を踏まえて解析することで、上記１００秒のうちどれくらいの時間、吐出流の向きが湾曲内側へ十分に方向付けされていたかを調査した。この調査の結果、吐出流の向きが湾曲内側へ十分に方向付けされていた時間、具体的には湾曲内側への方向付けを正とする吐出流の吐出角α［ｄｅｇ．］が５以上であった時間を、上記１００秒で除した値としての内側吐出時間率Ｒを求めた。そして、この内側吐出時間率Ｒが略１００％であったとき、その浸漬ノズル１は、吐出流の向きを湾曲内側へ十分に方向付けできるとして「○」と評価し、そうでない場合を「×」と評価した。なお、図９における数値の単位はｍｍであり、符号Ｗは水槽の幅（鋳型幅に相当する。）を、符号Ｄは水槽の厚み（鋳型厚みに相当する。）を夫々示す。また、吐出流の吐出角α［ｄｅｇ．］の閾値として５を採用した根拠は、本願明細書の末尾に記載する。
【００４３】
≪試験：個別の試験条件及び試験結果≫
次に、各試験の個別の試験条件とその試験結果を下記表１に示す。下記表１において、列タイトル「Ｗ ｍｍ」は水槽のサイズであって、実機における鋳型幅に相当する。列タイトル「Ｄ ｍｍ」も水槽のサイズであって、実機における鋳型厚みに相当する。下記表１の水槽のサイズは、一般的なスラブ向けの鋳型を想定したものである。列タイトル「Ａｉｒ ＮＬ／ｍｉｎ」は試験中に浸漬ノズルに導入する空気の流量を意味する。この空気は、図２に示される浸漬ノズルの上端近傍から吹き込んだ。列タイトル「ＳＶ開閉方向」とあるのは、スライドバルブの開閉方向を意味する。即ち、一般に、浸漬ノズル１の上端には、鋳型への溶鋼の流量を調整するためのスライドバルブが設けられており、このスライドバルブは、バルブをある特定の方向にスライドさせ、このスライドの開度を調整することで上記流量を調整できるようになっている。このバルブのスライド方向が鋳型厚み方向と一致する場合、列タイトル「ＳＶ開閉方向」において該当する箇所に「鋳型厚方向」と記載し、このバルブのスライド方向が鋳型幅方向と一致する場合、同様に、「鋳型幅方向」と記載した。列タイトル「吐出孔形状」において、「ラッパ」とあるのは図５に相当し、「平行」とあるのは図８（ｃ１）に相当する。列タイトル「Ｓ ｍｍ」とあるのは、図３に示す立面視において、浸漬ノズル１の内周面４における吐出孔２の縁８を投影することで二次元的に特定できる吐出孔２の流路断面積を意味し、この流路断面積を同一の面積を有する円の直径で表現した場合のその直径［ｍｍ］を記載した。列タイトル「整流段差位置」において、「外側」とあるのは、図５の平面視で、湾曲外側に整流突起５を配置したことを意味し、「内側」とあるのは、図５の平面視で、湾曲内側に整流突起５を配置したことを意味する。列タイトル「数式（１）」などについては、各数式を参照されたい。なお、該当する数式を満足する場合を「○」とし、そうでない場合を「×」とした。列タイトル「Ｒ ％」は、上記の内側吐出時間率Ｒ［％］を意味する。参考までに、列タイトル「Ａｖｅ（α） ｄｅｇ．」欄には、吐出角α［ｄｅｇ．］の平均値を記載した。列タイトル「総合評価」には、上記内側吐出時間率Ｒの基づく評価の結果を記載した。なお、試験Ｎｏ．６、１１、２５、３０、４４、４９では、他の特別な理由でこの総合評価の欄が「×」となっている。
【００４４】
【表１】
【００４５】
（まとめ）
（請求項１）
以上説明したように上記実施形態において、浸漬ノズル１は、以下のように構成される。即ち、浸漬ノズル１の湾曲外側の内周面４であって、平面視で一対の吐出孔２の間に挟まれる位置に、整流突起５が設けられる。下記式（１）〜（４）の条件を満足する。
【００４６】
【数１】
【００４７】
【数２】
【００４８】
【数３】
【００４９】
【数４】
【００５０】
以上の構成によれば、上記の単一の大径な渦流Ｐの旋回方向が上記の整流突起５によって固定されるので、吐出流の向きは湾曲内側に固定され、図１２（ｂ）に示すような、湾曲内側では下降流となり湾曲外側では上昇流となるような吐出流の流動パターンが安定して実現される。また、図２に開示の浸漬ノズル１は上記の単一の大径な渦流Ｐを積極利用するものであるから、もはや上記の流動パターンを実現するために吐出孔２の流路断面積を小さく設定しなければならないという技術的制約から解放され、従って、図１２（ｂ）に示すような上記の流動パターンを実現しつつ、吐出孔２の流路断面積を大きく設定することが可能となる。
【００５１】
上記実施形態に係る浸漬ノズル１を採用すれば、凝固シェルの湾曲内側への介在物の捕捉・集積を抑制できることはもちろん、高スループットの操業において、凝固シェルのコーナー部への入熱が過大となるのを回避することが可能となる。
【００５２】
（考察）
以下、上記表１の結果を詳細に考察する。
【００５３】
（吐出孔形状）
試験Ｎｏ．１〜５７によれば、吐出孔形状のバリエーションとして、図５に示すラッパ型に加え、図８（ｃ１）に示す平行型も十分、有効であることが実証された。
【００５４】
（吐出孔の流路断面積）
試験Ｎｏ．１〜５７によれば、吐出流の向きを湾曲内側に方向付けしつつ、吐出孔２の流路断面積を特許文献１等と比較して大きく設定することが可能であることが示された。
【００５５】
（整流段差位置）
試験Ｎｏ．１、２０、３９と、その他の試験と、の対比によれば、上記の整流突起５を湾曲内側に配置するか湾曲外側に配置するかということと、吐出流の向きが湾曲内側に方向付けされるか湾曲外側に方向付けされるかということと、が密接に一対一で対応していることが判る。なお、実際に試験してはいないが、整流突起５を湾曲外側でも湾曲内側でもない他の位置へ配置した場合は、理屈で考えると図６に示すような渦流Ｐは形成されないだろう。また、試験Ｎｏ．２、２１、４０では、整流突起５を設けなかった。このときの溶鋼の流れはまさに図１（ｃ２）及び（ｄ２）の行き来だった。
【００５６】
（数式１、数式２）
試験Ｎｏ．２〜１１、２１〜３０、４０〜４９によれば、図５の平面視において整流突起５が過小であると、内側吐出時間率Ｒに関する評価が良好ではなかったことが判る。このときの溶鋼の流れはまさに図１（ｃ２）及び（ｄ２）の行き来だっただろう。即ち、図６（ａ）に示す負圧域Ｆが十分には確保されなかったからだと考えられる。
【００５７】
また、試験Ｎｏ．６、２５、４４のように図５の平面視において整流突起５の厚みが過大であると、内側吐出時間率Ｒに関する評価は良好ではあるものの、熱衝撃に弱くなり、実際に使用するにあたって十分な強度を確保することが難しい。従って、これらの試験Ｎｏ．における総合評価は「×」とした。
【００５８】
また、試験Ｎｏ．１１、３０、４９のように図５の平面視において整流突起５の幅が過大であると、内側吐出時間率Ｒに関する評価は良好ではあるものの、段差位置の方向性がなくなり（特に、図７（ａ１）のケースで、Ｂ／φ＝１．０の場合は完全に内周面４に沿った段差となってしまい、方向性が完全に失われる。）、渦流Ｐの発生は不安定になると考えられる。また、浸漬ノズル１の平面視で特定できる流路断面積が小さくなるので、浸漬ノズル１内の流速が増大し、流速が大きいまま吐出孔２から吐出されるので、凝固シェルのコーナー部への入熱が過大になりかねない。従って、これらの試験Ｎｏ．における総合評価は「×」とした。
【００５９】
（数式３）
試験Ｎｏ．１２〜１５、３１〜３４、５０〜５３によれば、ｄ１／φが１．０に近いほど内側吐出時間率Ｒに関する評価が良好であることが判る。これは、ｄ１／φが１．０に近いほど、図６（ａ）に示すように、整流突起５と内側底面３と内周面４に囲まれる領域が一層正方形に近づき、この領域が正方形に近ければ近いほど渦流Ｐが発生し易く、また、発生した渦流Ｐが真円形に近く、更には、発生した渦流Ｐが型崩れし難いからだと考えられる。
【００６０】
（数式４）
試験Ｎｏ．１６、３５、５４に係る整流突起５の断面形状では、実機の鋳造で使用に耐え得る十分な強度を確保することはできない。この意味で、いずれにせよ、これらの試験Ｎｏ．の総合評価は×となる。また、試験Ｎｏ．１９、３８、５７によれば、図３に示す整流突起５の断面形状を扁平形状とすると、内側吐出時間率Ｒに関する評価が良好ではないことが判る。これは、図１０に示すように、整流突起５の突起上面１１との衝突で剥離した溶鋼の流れが整流突起５の突起内周面１３上に再付着し、この結果、整流突起５の下方に、十分な大きさの負圧域Ｆが形成されなかったからだと考えられる。なお、『機械工学便覧 基礎編α４ 流体工学 初版Ｐ．４７』には、『流れ方向の長さがＢで厚さがＨである角柱において、・・・、Ｂ／Ｈ＞６．０では、前縁角から剥離した剪断層は側壁上で再付着し・・・』なる記載がある。この記載は、上記実施形態において数式（４）の右辺に６．０を採用することとした補強的な裏付けとなっている。
【００６１】
なお、上記式（１）〜（４）において、比を用いて表現してるのは、以下の理由による。即ち、一般的な連続鋳造において、浸漬ノズル１の管内や湯溜り部１０は十分に乱流場となっており、浸漬ノズル１の内側の形状や、浸漬ノズル１の内側における溶鋼の流れには相似則が適用され、サイズが異なっても比が一定であれば溶鋼の流れも変化しないだろうからである。
【００６２】
＜閾値の根拠：図１１＞
図１１に、特開昭５１−１３８５２６号公報に開示のデータをグラフ化したものを示す。なお、下向き吐出角θ［ｄｅｇ．］は何れのプロットにおいても１５である。このグラフによれば、吐出角α［ｄｅｇ．］を５以上とすれば、吐出角α［ｄｅｇ．］が０の場合と比較して介在物量を概ね６割程度、低減し、鋳片品質を改善できることが判る。従って、得られる鋳片品質の観点から、吐出角α［ｄｅｇ．］の閾値として５を採用した。
【符号の説明】
【００６３】
１ 浸漬ノズル
２ 吐出孔
３ 内側底面
５ 整流突起
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湾曲型連続鋳造機向けの浸漬ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
湾曲型連続鋳造機を用いて連続鋳造するに際し、凝固シェルの湾曲内側への介在物の捕捉・集積を抑制する技術として、例えば、特許文献１（特開昭５１−１３８５２６号公報）や特許文献２（実開平３−４７６４５号公報）は、浸漬ノズルの吐出孔の向きを平面視で湾曲内側に方向付けする構成を開示する。このような方向付けによれば吐出流が湾曲内側に方向付けされ、例えば特許文献１の第５図や特許文献２の第２図のように、吐出流の流動パターンは、湾曲内側では下降流となり湾曲外側では上昇流となり、もって、凝固シェルの湾曲内側への介在物の捕捉・集積を抑制できるようになっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記特許文献１等に開示の技術を採用するには、吐出孔の流路断面積を小さく設定しなければならない。というのは、仮に上記技術を利用するに際し吐出孔の流路断面積を大きくとると、浸漬ノズルの内側底面近傍で形成される単一の大径な渦流の旋回方向が吐出孔の向きよりも吐出流の向きに対して支配的となり、また、この大径の渦流の旋回方向はランダムに切り替わるものだから、結局のところ、吐出流が湾曲内側を向くか湾曲外側を向くかは定かでなくなるからである。
【０００４】
このように上記特許文献１等に開示の技術は、吐出孔の流路断面積を小さく設定しなければならないという技術的制約があるので、スループット（吐出流の単位時間あたりの流量）が比較的低く設定された連続鋳造を実施するには問題なかったが、スループットが比較的高く設定される連続鋳造を実施する昨今の操業では大きな問題となる。というのは、吐出孔の流路断面積が小さく、スループットが高いと、必然的に吐出流の流速が高くなり、凝固シェルの抜熱し難いコーナー部への入熱が過大となって、ブレークアウトを引き起こすような著しい凝固遅れを招く虞があるからである。また、吐出孔の流路断面積が小さいと詰まりも発生し易い。
【０００５】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、上記の技術的制約をブレークスルーするものであって、即ち、湾曲内側では下降流となり湾曲外側では上昇流となるような吐出流の流動パターンを実現しつつ、吐出孔の流路断面積を大きく設定することが可能な、全く新規な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００６】
本願発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、本願発明の発明者は、鋭意研究の末、浸漬ノズルの内側底面近傍で形成される単一の大径な渦流の旋回方向を固定する技術を見出し、以下の発明を完成させた。
【０００７】
本願発明の観点によれば、タンディッシュ内に保持される溶鋼を鋳型内へ注湯するのに供される有底円筒状の浸漬ノズルであって、湾曲型連続鋳造機向けであり、前記浸漬ノズルの周壁には、一対の対向する吐出孔が形成される、浸漬ノズルは、以下のように構成される。即ち、前記浸漬ノズルの湾曲外側の内周面であって、平面視で前記一対の吐出孔の間に挟まれる位置に、整流突起が設けられる。・前記整流突起の、平面視で鋳型厚み方向において特定する突起水平厚みＡ［ｍｍ］と、・前記整流突起の、平面視で鋳型幅方向において特定する突起水平長さＢ［ｍｍ］と、・前記整流突起の下端である整流突起下端と、前記浸漬ノズルの内側底面との間の垂直方向における距離である整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］と、・前記整流突起の上端である整流突起上端と、上記の整流突起下端との間の垂直方向における距離である突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］と、は、下記式（１）〜（４）の条件を満足する。
【０００８】
【数１】
【０００９】
【数２】
【００１０】
【数３】
【００１１】
【数４】
【００１２】
以下、本願発明に係る浸漬ノズルによる効果を、上記特許文献１等の浸漬ノズルと対比させながら説明する。
【００１３】
＜特許文献１等の浸漬ノズル＞図１（ａ）は上記特許文献１に開示の浸漬ノズルであって、吐出孔の流路断面積を比較的大きく設定したものの斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の一部切欠き斜視図であり、図１（ｃ）〜（ｄ）は図１（ｂ）に類似する図であって、溶鋼の流れをイメージした図である。図１に示す浸漬ノズルでは、内側底面に衝突した溶鋼は、内側底面と内周面によって形成される所謂湯溜り部にて、図１（ｃ２）に示すように鋳型幅方向を軸とする大きな単一の渦流を形成する。吐出孔の流路断面積が比較的大きく設定される場合は、この渦流が型崩れすることなく吐出孔の外方へと連続するので、鋳型厚み方向に偏りを持った吐出流が形成される。ところで、この大きな単一の渦流の旋回方向は、図１（ｃ２）に示すように上記内側底面から湾曲内側へ向かって上昇する反時計回りとなる場合と、図１（ｄ２）に示すように上記内側底面から湾曲外側へ向かって上昇する時計回りとなる場合と、の二つの場合があり、その旋回方向はランダムに切り替わる。従って、図１（ａ２）に示すように吐出孔の流路断面積を比較的大きく設定すると、例え図１（ａ１）に示すように吐出孔の向きを湾曲内側へ大きく方向付けしたとしても、図１（ｃ１）及び（ｄ１）に示すように吐出流が湾曲外側を向く（図１２（ａ）参照）か湾曲内側（図１２（ｂ）参照）を向くかは定かではない。
【００１４】
＜本願発明に係る浸漬ノズル＞図２（ａ）は本願発明に係る浸漬ノズルの斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の一部切欠き斜視図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）に類似する図であって、溶鋼の流れをイメージした図である。図２に示す本願発明の浸漬ノズルでは、溶鋼は、内側底面に衝突する前に、湾曲外側に設けられた整流突起と衝突する。そして、この衝突によって浸漬ノズル内の溶鋼の流れは一旦、湾曲内側寄りに集約される。このとき、前記整流突起と内側底面との間に大きな負圧域が形成され、上記溶鋼の流れはこの負圧域に引き寄せられるかたちで、図２（ｃ２）に示すように鋳型幅方向を軸とし、内側底面から湾曲外側へ向かって上昇する時計回りの、単一の大径な渦流を形成する。このように、本願発明に係る浸漬ノズルでは、上記の単一の大径な渦流の旋回方向が上記の整流突起によって固定されるので、吐出流の向きは湾曲内側に固定され、図１２（ｂ）に示すような、湾曲内側では下降流となり湾曲外側では上昇流となるような吐出流の流動パターンが安定して実現される。また、図２に開示の浸漬ノズルは上記の単一の大径な渦流を積極利用するものであるから、もはや上記の流動パターンを実現するために吐出孔の流路断面積を小さく設定しなければならないという技術的制約から解放され、従って、図１２（ｂ）に示すような上記の流動パターンを実現しつつ、吐出孔の流路断面積を大きく設定することが可能となる。
【００１５】
以上に説明した本願発明に係る浸漬ノズルを採用すれば、凝固シェルの湾曲内側への介在物の捕捉・集積を抑制できることはもちろん、高スループットの操業において、凝固シェルのコーナー部への入熱が過大となるのを回避することが可能となる。
【００１６】
なお、図２に開示の浸漬ノズルは本願発明を具現化した一例であり、本願発明の技術的範囲は図２によっては何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】特許文献１に開示の浸漬ノズルであって、吐出孔の流路断面積を比較的大きく設定したものの斜視図
【図２】本願発明に係る浸漬ノズルの斜視図
【図３】図５の３−３線矢視断面図であって、本願発明の一実施形態に係る浸漬ノズルの立面断面図
【図４】図５の４−４線矢視断面図であって、本願発明の一実施形態に係る浸漬ノズルの立面断面図
【図５】図４の５−５線矢視断面図であって、本願発明の一実施形態に係る浸漬ノズルの水平断面図
【図６】本願発明の一実施形態に係る浸漬ノズルによって実現される溶鋼の流れをイメージした図
【図７】整流突起の変形例を示す図
【図８】吐出孔の変形例を示す図
【図９】技術的効果の確認試験の試験方法に関する説明図
【図１０】整流突起による流体の剥離現象と、再付着の可能性について説明するための図
【図１１】湾曲内側への吐出角度と、介在物量と、の関係を示すグラフ
【図１２】湾曲型連続鋳造機の全体図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
周知の通り、連続鋳造機の鋳造経路に着目すると、湾曲型連続鋳造機と垂直曲げ型連続鋳造機なるものがある。前者は、鋳型から鋳造経路に沿って、円弧経路部と矯正経路部、水平経路部を有するものであり、後者は、上記円弧経路部の上流に垂直経路部を設け、溶鋼中の介在物浮上を図ったものである。また、連続鋳造機の鋳造する鋳片の断面形状に着目すると、断面形状のアスペクト比が２以上であるスラブと２以下のブルーム、更に、断面形状が正方形であるビレットなるものがある。本願発明の適用対象は、湾曲型連続鋳造機におけるスラブ又はブルームの連続鋳造で用いられる浸漬ノズルに限られる。以下、本明細書では、一例として、本願発明を、湾曲型連続鋳造機におけるスラブの連続鋳造で用いられる浸漬ノズルに適用した例を説明する。
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本願発明の一実施形態に係る浸漬ノズルの構成を説明する。図２に示される浸漬ノズル１は、タンディッシュ内に保持される溶鋼を鋳型内へ注湯するのに供されるものであって、有底円筒状に形成される。この浸漬ノズル１の周壁には、一対の対向する吐出孔２が、浸漬ノズル１の内側底面３から若干上方へ離れた位置に、形成される。そして、本実施形態に係る浸漬ノズル１の湾曲外側の内周面４であって、平面視で前記一対の吐出孔２の間に挟まれる位置に、整流突起５が設けられる。ここで、浸漬ノズル１の吐出孔２から吐出される溶鋼の吐出流の向きと、鋳型幅方向及び鋳型厚み方向は技術的に密接に関連するので、各図には極力、鋳型幅方向と鋳型厚み方向を図示した。図２に示すように浸漬ノズル１は、吐出孔２の形成方向６が鋳型幅方向と一致するように鋳型内に配される。各図には極力、鋳型幅方向及び鋳型厚み方向の何れにも直交する関係にある浸漬ノズル１の軸心方向も併せて図示した。以下、上記の浸漬ノズル１の構成を詳細に説明する。
【００２０】
（浸漬ノズル１）
浸漬ノズル１は、図３に示すように、内径φ［ｍｍ］を有する有底円筒状であって、整流突起５と共に耐火物で一体形成される。浸漬ノズル１の内径φ［ｍｍ］は例えば、６０〜１００とされる。
【００２１】
（吐出孔２）
吐出孔２は、図５に示すように一対で対向するように浸漬ノズル１の周壁に形成され、図４に示すように浸漬ノズル１の内周面４から外周面７へ向かって若干斜め下向きに傾斜し、図３に示すように浸漬ノズル１の内周面４においては丸みを帯びた矩形の縁８を有し、浸漬ノズル１の外周面７においても同様に丸みを帯びた矩形の縁９を有する（図４を併せて参照）。また、吐出孔２の形成方向６は、図５の平面視で鋳型幅方向に対して平行とされる。また、吐出孔２は、図５に示されるように浸漬ノズル１の内周面４から外周面７へ向かって緩やかに幅広となるように形成される。
【００２２】
図３に示すように、浸漬ノズル１の内周面４における吐出孔２の縁８の下端である吐出孔下端８ｄと内側底面３との間の垂直方向における距離である吐出孔下端距離ｈｄ［ｍｍ］は例えば、２０〜４０とされる。同様に、上記の縁８の上端である吐出孔上端８ｕと内側底面３との間の垂直方向における距離である吐出孔上端距離ｈｕ［ｍｍ］は例えば、５０〜１２０とされる。また、図３に示す立面視において、浸漬ノズル１の内周面４における吐出孔２の縁８を投影することで二次元的に特定できる、吐出孔２の流路断面積は、高スループットの操業のため、直径が７０〜１１０［ｍｍ］の円の面積相当となっている。具体的には、図３に示す立面視において、浸漬ノズル１の内周面４における吐出孔２の縁８を投影することで二次元的に特定できる、吐出孔２の流路幅Ｗｉ［ｍｍ］及び流路高さＨｉ［ｍｍ］は、夫々、５０〜９５、８０〜１００とされる。そして、図３において内側底面３と吐出孔下端８ｄと内周面４によって囲まれる空間は、一般に湯溜り部１０と称され、この湯溜り部１０は、主として鋳造開始時の溶鋼の飛び散りを防止する機能を発揮するものである。図４に示す立面視で吐出孔２の内底面２ａが水平と成す角度θである下向き吐出角θ［ｄｅｇ．］は概ね１０〜５５とされる。
【００２３】
（整流突起５）
＜断面形状＞図３に示すように、鋳型幅方向に対して垂直な断面において、整流突起５は略台形状であって、内周面４から浸漬ノズル１の軸心Ｃに向かって次第に窄まる形状である。即ち、整流突起５は、軸心Ｃ側下方へ向かって傾斜する平面としての突起上面１１と、軸心Ｃ側上方へ向かって傾斜する平面としての突起下面１２と、突起上面１１と突起下面１２を連結する突起内周面１３と、を有する。図３に示す断面視で突起上面１１及び突起下面１２は水平に対して概ね３０〜６０度で傾斜する。上記の突起内周面１３は平面であって、鋳型厚み方向に対して直交する関係にある。この突起内周面１３は図４に示す断面視において鋳型幅方向に延在し、特に突起内周面１３の下端線１３ｄ（整流突起５の下端部５ｄ）は、図４の立面視で鋳型幅方向に対して平行とされる。同様に、突起内周面１３の上端線１３ｕ（整流突起５の上端部５ｕ）も、図４の立面視で鋳型幅方向に対して平行とされる。端的に言えば、本実施形態において整流突起５は、鋳型幅方向に延在するように形成される。
【００２４】
＜突起垂直厚み＞図４に示す符号ｄ２は、上記の上端線１３ｕ（整流突起上端）と下端線１３ｄ（整流突起下端）との間の垂直方向における距離である突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］である。即ち、整流突起５の突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］は、突起内周面１３に着目して特定する。
【００２５】
＜整流突起下端距離＞図４に示す符号ｄ１は、上記の下端線１３ｄと内側底面３との間の垂直方向における距離である整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］である。即ち、整流突起５の整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］は、突起内周面１３と内側底面３に着目して特定する。
【００２６】
＜突起水平厚み＞図５に示す符号Ａは、整流突起５の、図５の平面視で鋳型厚み方向（吐出孔２の形成方向６に対して垂直な方向）において特定する突起水平厚みＡ［ｍｍ］である。具体的には、突起水平厚みＡ［ｍｍ］は、図５の平面視で鋳型幅方向に対して垂直であり、浸漬ノズル１の軸心Ｃを通る直線Ｅと整流突起５との重複距離として特定される。
【００２７】
＜突起水平長さ＞図５に示す符号Ｂは、整流突起５の、図５の平面視で鋳型幅方向（吐出孔２の形成方向６に対して平行な方向）において特定する突起水平長さＢ［ｍｍ］である。具体的には、突起水平長さＢ［ｍｍ］は、図５において破線と実線で特定される整流突起５の、鋳型幅方向における最大長さそのものとして特定される。
【００２８】
以上の形状をした整流突起５は、更に、下記式（１）〜（４）の条件を満足する。
【００２９】
【数１】
【００３０】
【数２】
【００３１】
【数３】
【００３２】
【数４】
【００３３】
以上に、本実施形態に係る浸漬ノズル１の構成を説明した。なお、強度や溶損などの観点から、面と面は鈍角で交差するものとし、面と面の交差する部位には適度な丸みを付すのが好ましい。ただし、丸みを付すことで上記各寸法が不明瞭となった場合は、丸みが付されていない場合を想定したときに特定できる寸法を代わりに採用するものとする。
【００３４】
次に、図６に基づいて、本実施形態に係る浸漬ノズル１の作用を説明する。本実施形態に係る浸漬ノズル１では、図６（ａ）に示すように浸漬ノズル１の上端から下端へ向かって流れてきた溶鋼は、内側底面３に衝突する前に、湾曲外側に設けられた整流突起５と衝突する。そして、この衝突によって、浸漬ノズル１内の溶鋼の流れは一旦、湾曲内側寄りに集約される。このとき、整流突起５と内側底面３との間に大きな負圧域Ｆが形成され、上記溶鋼の流れはこの負圧域Ｆに引き寄せられるかたちで、図６（ｂ）に示すように鋳型幅方向を軸とし、内側底面３から湾曲外側へ向かって上昇する時計回りの、単一の大径な渦流Ｐを形成する。このように、本実施形態に係る浸漬ノズル１では、上記の単一の大径な渦流Ｐの旋回方向が上記の整流突起５によって固定されるので、吐出流の向きは湾曲内側に固定され、図１２（ｂ）に示すような、湾曲内側では下降流となり湾曲外側では上昇流となるような吐出流の流動パターンが安定して実現される。また、図２に開示の浸漬ノズル１は上記の単一の大径な渦流Ｐを積極利用するものであるから、もはや上記の流動パターンを実現するために吐出孔２の流路断面積を小さく設定しなければならないという技術的制約から解放され、従って、図１２（ｂ）に示すような上記の流動パターンを実現しつつ、吐出孔２の流路断面積を大きく設定することが可能となる。
【００３５】
従って、上記の浸漬ノズル１を採用すれば、凝固シェルの湾曲内側への介在物の捕捉・集積を抑制できることはもちろん、高スループットの操業において、凝固シェルのコーナー部への入熱が過大となるのを回避することが可能となる。
【００３６】
以上に本願発明の好適な実施形態を説明したが、上記の整流突起５や吐出孔２は、以下のように変更することができる。
【００３７】
即ち、図７（ａ１）に示す平面視で、整流突起５の突起内周面１３は、内周面４と同じように円弧を描くように形成されてもよい。突起水平厚みＡ［ｍｍ］や突起水平長さＢ［ｍｍ］、整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］、突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］の測定基準については、図７（ａ１）及び（ａ２）に示すように、上記実施形態と全く同様である。
【００３８】
また、図７（ｂ１）に示す平面視で、上記実施形態に係る整流突起５は、鋳型幅方向における端が斜めにカットされて形成されてもよい。突起水平厚みＡ［ｍｍ］や突起水平長さＢ［ｍｍ］、整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］、突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］の測定基準については、図７（ｂ１）及び（ｂ２）に示すように、上記実施形態と全く同様である。
【００３９】
また、図８（ｃ１）に示す平面視で、上記実施形態に係る吐出孔２は、内周面４から外周面７にかけて、一定の流路幅に形成されてもよい。
【００４０】
以下、上記実施形態に係る浸漬ノズル１の技術的効果を確認するための試験に関して説明する。上述した各数値範囲などは、下記の試験により合理的に裏付けられている。
【００４１】
≪試験：試験概要≫
各試験は、鋳型と溶鋼に代えて水槽と水を採用した所謂水モデル試験である。各試験は、浸漬ノズル１の構造や水槽のサイズなどに細かな変更を加えながら実施した。
【００４２】
≪試験：試験方法：図９≫
本試験においては、浸漬ノズル１に所定の水流量Ｗａｔ［Ｌ／ｍｉｎ］で水が供給されている定常状態において、１００秒間、浸漬ノズル１からの吐出流の様子を図９（ａ）の平面視で市販のビデオカメラを用いて撮影し記録した。このとき、浸漬ノズル１内を流れる水に対して空気を含ませることで、上記吐出流の様子を可視化した。そして、このときの映像を適宜の画像処理を踏まえて解析することで、上記１００秒のうちどれくらいの時間、吐出流の向きが湾曲内側へ十分に方向付けされていたかを調査した。この調査の結果、吐出流の向きが湾曲内側へ十分に方向付けされていた時間、具体的には湾曲内側への方向付けを正とする吐出流の吐出角α［ｄｅｇ．］が５以上であった時間を、上記１００秒で除した値としての内側吐出時間率Ｒを求めた。そして、この内側吐出時間率Ｒが略１００％であったとき、その浸漬ノズル１は、吐出流の向きを湾曲内側へ十分に方向付けできるとして「○」と評価し、そうでない場合を「×」と評価した。なお、図９における数値の単位はｍｍであり、符号Ｗは水槽の幅（鋳型幅に相当する。）を、符号Ｄは水槽の厚み（鋳型厚みに相当する。）を夫々示す。また、吐出流の吐出角α［ｄｅｇ．］の閾値として５を採用した根拠は、本願明細書の末尾に記載する。
【００４３】
≪試験：個別の試験条件及び試験結果≫
次に、各試験の個別の試験条件とその試験結果を下記表１に示す。下記表１において、列タイトル「Ｗ ｍｍ」は水槽のサイズであって、実機における鋳型幅に相当する。列タイトル「Ｄ ｍｍ」も水槽のサイズであって、実機における鋳型厚みに相当する。下記表１の水槽のサイズは、一般的なスラブ向けの鋳型を想定したものである。列タイトル「Ａｉｒ ＮＬ／ｍｉｎ」は試験中に浸漬ノズルに導入する空気の流量を意味する。この空気は、図２に示される浸漬ノズルの上端近傍から吹き込んだ。列タイトル「ＳＶ開閉方向」とあるのは、スライドバルブの開閉方向を意味する。即ち、一般に、浸漬ノズル１の上端には、鋳型への溶鋼の流量を調整するためのスライドバルブが設けられており、このスライドバルブは、バルブをある特定の方向にスライドさせ、このスライドの開度を調整することで上記流量を調整できるようになっている。このバルブのスライド方向が鋳型厚み方向と一致する場合、列タイトル「ＳＶ開閉方向」において該当する箇所に「鋳型厚方向」と記載し、このバルブのスライド方向が鋳型幅方向と一致する場合、同様に、「鋳型幅方向」と記載した。列タイトル「吐出孔形状」において、「ラッパ」とあるのは図５に相当し、「平行」とあるのは図８（ｃ１）に相当する。列タイトル「Ｓ ｍｍ」とあるのは、図３に示す立面視において、浸漬ノズル１の内周面４における吐出孔２の縁８を投影することで二次元的に特定できる吐出孔２の流路断面積を意味し、この流路断面積を同一の面積を有する円の直径で表現した場合のその直径［ｍｍ］を記載した。列タイトル「整流段差位置」において、「外側」とあるのは、図５の平面視で、湾曲外側に整流突起５を配置したことを意味し、「内側」とあるのは、図５の平面視で、湾曲内側に整流突起５を配置したことを意味する。列タイトル「数式（１）」などについては、各数式を参照されたい。なお、該当する数式を満足する場合を「○」とし、そうでない場合を「×」とした。列タイトル「Ｒ ％」は、上記の内側吐出時間率Ｒ［％］を意味する。参考までに、列タイトル「Ａｖｅ（α） ｄｅｇ．」欄には、吐出角α［ｄｅｇ．］の平均値を記載した。列タイトル「総合評価」には、上記内側吐出時間率Ｒの基づく評価の結果を記載した。なお、試験Ｎｏ．６、１１、２５、３０、４４、４９では、他の特別な理由でこの総合評価の欄が「×」となっている。
【００４４】
【表１】
【００４５】
（まとめ）
（請求項１）
以上説明したように上記実施形態において、浸漬ノズル１は、以下のように構成される。即ち、浸漬ノズル１の湾曲外側の内周面４であって、平面視で一対の吐出孔２の間に挟まれる位置に、整流突起５が設けられる。下記式（１）〜（４）の条件を満足する。
【００４６】
【数１】
【００４７】
【数２】
【００４８】
【数３】
【００４９】
【数４】
【００５０】
以上の構成によれば、上記の単一の大径な渦流Ｐの旋回方向が上記の整流突起５によって固定されるので、吐出流の向きは湾曲内側に固定され、図１２（ｂ）に示すような、湾曲内側では下降流となり湾曲外側では上昇流となるような吐出流の流動パターンが安定して実現される。また、図２に開示の浸漬ノズル１は上記の単一の大径な渦流Ｐを積極利用するものであるから、もはや上記の流動パターンを実現するために吐出孔２の流路断面積を小さく設定しなければならないという技術的制約から解放され、従って、図１２（ｂ）に示すような上記の流動パターンを実現しつつ、吐出孔２の流路断面積を大きく設定することが可能となる。
【００５１】
上記実施形態に係る浸漬ノズル１を採用すれば、凝固シェルの湾曲内側への介在物の捕捉・集積を抑制できることはもちろん、高スループットの操業において、凝固シェルのコーナー部への入熱が過大となるのを回避することが可能となる。
【００５２】
（考察）
以下、上記表１の結果を詳細に考察する。
【００５３】
（吐出孔形状）
試験Ｎｏ．１〜５７によれば、吐出孔形状のバリエーションとして、図５に示すラッパ型に加え、図８（ｃ１）に示す平行型も十分、有効であることが実証された。
【００５４】
（吐出孔の流路断面積）
試験Ｎｏ．１〜５７によれば、吐出流の向きを湾曲内側に方向付けしつつ、吐出孔２の流路断面積を特許文献１等と比較して大きく設定することが可能であることが示された。
【００５５】
（整流段差位置）
試験Ｎｏ．１、２０、３９と、その他の試験と、の対比によれば、上記の整流突起５を湾曲内側に配置するか湾曲外側に配置するかということと、吐出流の向きが湾曲内側に方向付けされるか湾曲外側に方向付けされるかということと、が密接に一対一で対応していることが判る。なお、実際に試験してはいないが、整流突起５を湾曲外側でも湾曲内側でもない他の位置へ配置した場合は、理屈で考えると図６に示すような渦流Ｐは形成されないだろう。また、試験Ｎｏ．２、２１、４０では、整流突起５を設けなかった。このときの溶鋼の流れはまさに図１（ｃ２）及び（ｄ２）の行き来だった。
【００５６】
（数式１、数式２）
試験Ｎｏ．２〜１１、２１〜３０、４０〜４９によれば、図５の平面視において整流突起５が過小であると、内側吐出時間率Ｒに関する評価が良好ではなかったことが判る。このときの溶鋼の流れはまさに図１（ｃ２）及び（ｄ２）の行き来だっただろう。即ち、図６（ａ）に示す負圧域Ｆが十分には確保されなかったからだと考えられる。
【００５７】
また、試験Ｎｏ．６、２５、４４のように図５の平面視において整流突起５の厚みが過大であると、内側吐出時間率Ｒに関する評価は良好ではあるものの、熱衝撃に弱くなり、実際に使用するにあたって十分な強度を確保することが難しい。従って、これらの試験Ｎｏ．における総合評価は「×」とした。
【００５８】
また、試験Ｎｏ．１１、３０、４９のように図５の平面視において整流突起５の幅が過大であると、内側吐出時間率Ｒに関する評価は良好ではあるものの、段差位置の方向性がなくなり（特に、図７（ａ１）のケースで、Ｂ／φ＝１．０の場合は完全に内周面４に沿った段差となってしまい、方向性が完全に失われる。）、渦流Ｐの発生は不安定になると考えられる。また、浸漬ノズル１の平面視で特定できる流路断面積が小さくなるので、浸漬ノズル１内の流速が増大し、流速が大きいまま吐出孔２から吐出されるので、凝固シェルのコーナー部への入熱が過大になりかねない。従って、これらの試験Ｎｏ．における総合評価は「×」とした。
【００５９】
（数式３）
試験Ｎｏ．１２〜１５、３１〜３４、５０〜５３によれば、ｄ１／φが１．０に近いほど内側吐出時間率Ｒに関する評価が良好であることが判る。これは、ｄ１／φが１．０に近いほど、図６（ａ）に示すように、整流突起５と内側底面３と内周面４に囲まれる領域が一層正方形に近づき、この領域が正方形に近ければ近いほど渦流Ｐが発生し易く、また、発生した渦流Ｐが真円形に近く、更には、発生した渦流Ｐが型崩れし難いからだと考えられる。
【００６０】
（数式４）
試験Ｎｏ．１６、３５、５４に係る整流突起５の断面形状では、実機の鋳造で使用に耐え得る十分な強度を確保することはできない。この意味で、いずれにせよ、これらの試験Ｎｏ．の総合評価は×となる。また、試験Ｎｏ．１９、３８、５７によれば、図３に示す整流突起５の断面形状を扁平形状とすると、内側吐出時間率Ｒに関する評価が良好ではないことが判る。これは、図１０に示すように、整流突起５の突起上面１１との衝突で剥離した溶鋼の流れが整流突起５の突起内周面１３上に再付着し、この結果、整流突起５の下方に、十分な大きさの負圧域Ｆが形成されなかったからだと考えられる。なお、『機械工学便覧 基礎編α４ 流体工学 初版Ｐ．４７』には、『流れ方向の長さがＢで厚さがＨである角柱において、・・・、Ｂ／Ｈ＞６．０では、前縁角から剥離した剪断層は側壁上で再付着し・・・』なる記載がある。この記載は、上記実施形態において数式（４）の右辺に６．０を採用することとした補強的な裏付けとなっている。
【００６１】
なお、上記式（１）〜（４）において、比を用いて表現してるのは、以下の理由による。即ち、一般的な連続鋳造において、浸漬ノズル１の管内や湯溜り部１０は十分に乱流場となっており、浸漬ノズル１の内側の形状や、浸漬ノズル１の内側における溶鋼の流れには相似則が適用され、サイズが異なっても比が一定であれば溶鋼の流れも変化しないだろうからである。
【００６２】
＜閾値の根拠：図１１＞
図１１に、特開昭５１−１３８５２６号公報に開示のデータをグラフ化したものを示す。なお、下向き吐出角θ［ｄｅｇ．］は何れのプロットにおいても１５である。このグラフによれば、吐出角α［ｄｅｇ．］を５以上とすれば、吐出角α［ｄｅｇ．］が０の場合と比較して介在物量を概ね６割程度、低減し、鋳片品質を改善できることが判る。従って、得られる鋳片品質の観点から、吐出角α［ｄｅｇ．］の閾値として５を採用した。
【符号の説明】
【００６３】
１ 浸漬ノズル
２ 吐出孔
３ 内側底面
５ 整流突起
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンディッシュ内に保持される溶鋼を鋳型内へ注湯するのに供される有底円筒状の浸漬ノズルであって、湾曲型連続鋳造機向けであり、前記浸漬ノズルの周壁には、一対の対向する吐出孔が形成される、浸漬ノズルにおいて、
前記浸漬ノズルの湾曲外側の内周面であって、平面視で前記一対の吐出孔の間に挟まれる位置に、整流突起が設けられ、
・前記整流突起の、平面視で鋳型厚み方向において特定する突起水平厚みＡ［ｍｍ］と、
・前記整流突起の、平面視で鋳型幅方向において特定する突起水平長さＢ［ｍｍ］と、
・前記整流突起の下端である整流突起下端と、前記浸漬ノズルの内側底面との間の垂直方向における距離である整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］と、
・前記整流突起の上端である整流突起上端と、上記の整流突起下端との間の垂直方向における距離である突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］と、
は、下記式（１）〜（４）の条件を満足する。
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
【請求項１】
タンディッシュ内に保持される溶鋼を鋳型内へ注湯するのに供される有底円筒状の浸漬ノズルであって、湾曲型連続鋳造機向けであり、前記浸漬ノズルの周壁には、一対の対向する吐出孔が形成される、浸漬ノズルにおいて、
前記浸漬ノズルの湾曲外側の内周面であって、平面視で前記一対の吐出孔の間に挟まれる位置に、整流突起が設けられ、
・前記整流突起の、平面視で鋳型厚み方向において特定する突起水平厚みＡ［ｍｍ］と、
・前記整流突起の、平面視で鋳型幅方向において特定する突起水平長さＢ［ｍｍ］と、
・前記整流突起の下端である整流突起下端と、前記浸漬ノズルの内側底面との間の垂直方向における距離である整流突起下端距離ｄ１［ｍｍ］と、
・前記整流突起の上端である整流突起上端と、上記の整流突起下端との間の垂直方向における距離である突起垂直厚みｄ２［ｍｍ］と、
は、下記式（１）〜（４）の条件を満足する。
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１８８４０２（Ｐ２０１０−１８８４０２Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３７４８５（Ｐ２００９−３７４８５）
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]