溶融金属排出用ノズル
【課題】簡単な構造で、内孔を通過する溶融金属の流れの乱れを抑制できるノズルを提供する。
【解決手段】ノズル長さをＬ、計算上のヘッド高さをＨｃ、ノズル上端から下方へ距離ｚの位置における内孔の半径をｒ(ｚ)としたとき、内孔の軸に沿って切断した内孔壁面の断面形状が、log(ｒ(ｚ))＝(１／ｎ)×log((Ｈｃ＋Ｌ)／(Ｈｃ＋ｚ))＋log(ｒ(Ｌ))(６≧ｎ≧１.５)で表される曲線を一部又は全部に含み、前記距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶融金属の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたグラフにおいて、当該グラフの線の近似式内に正負逆の定数となる部分を同時に含まず、かつ、その線を直線回帰による近似式とみなした場合に、その相関係数の絶対値が０．９５以上である溶融金属排出用ノズル。
【解決手段】ノズル長さをＬ、計算上のヘッド高さをＨｃ、ノズル上端から下方へ距離ｚの位置における内孔の半径をｒ(ｚ)としたとき、内孔の軸に沿って切断した内孔壁面の断面形状が、log(ｒ(ｚ))＝(１／ｎ)×log((Ｈｃ＋Ｌ)／(Ｈｃ＋ｚ))＋log(ｒ(Ｌ))(６≧ｎ≧１.５)で表される曲線を一部又は全部に含み、前記距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶融金属の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたグラフにおいて、当該グラフの線の近似式内に正負逆の定数となる部分を同時に含まず、かつ、その線を直線回帰による近似式とみなした場合に、その相関係数の絶対値が０．９５以上である溶融金属排出用ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属容器の底部に設置され、当該溶融金属容器から溶融金属を排出するために、溶融金属が通過する内孔を有する溶融金属排出用ノズル（以下単に「ノズル」という。）に関し、とくに、ノズルの内孔形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融金属容器の底部に設置されるノズルは、溶融金属のヘッド高さを推進力とし、内孔を通じて、ほぼ垂直方向に溶融金属を排出する。そして、そのノズルの内孔形状としては、垂直にまっすぐ伸びたストレート形状のもの、ノズル上端の角が円弧状になったもの、ノズル上端からノズル下端かけて傾斜したテーパー形状のものなどが一般的である。
【０００３】
また、ノズルには、単に溶融金属を排出するだけでなく、その排出量（排出速度）や排出方向を制御する機能を備えたものもある。例えば、タンディッシュ等の溶鋼容器の底部に設置される連続鋳造用のノズルとして、図４に示すようにその下方に流量制御装置（例えばスライディングノズル（ＳＮ）装置、図４の１２参照）を有する上ノズル１ａがある。一方で、図５に示すように流量制御装置を有しないオープンノズル１ｂもある。
【０００４】
このような流量制御装置の有無にかかわらず、従来、ノズルにおいては、内孔を通過する溶融金属の流れに乱れが生じると、種々の問題が生じることが知られている。例えば、流量制御装置を有する場合には流量制御に不都合を来したり、オープンノズルにおいてはノズル下端から開放されて排出される溶融金属流に飛散（図５の１５参照）が生じることがある。
【０００５】
内孔を通過する溶融金属の流れに乱れが生じる原因としては、内孔に溶融金属由来の非金属介在物等が付着（以下単に「介在物等付着」という。）する（図４の１４参照）、又は、内孔が不均一に溶損することによる内孔形状の変化等が挙げられる。
【０００６】
これらを回避するために、従来から種々の対策が試みられてきた。例えば特許文献１には、介在物等付着対策として、ノズルの内孔壁面からガスを吹き込むことが提案されている。また、特許文献２には、ノズルの内孔壁面に難付着性の耐火物層を形成することが提案されている。このようなノズルの内孔壁面からのガス吹き込みや難付着性の耐火物層の適用は、上ノズル、その下方のスライディングノズル装置、浸漬ノズル等の溶融金属排出口に連通するあらゆるノズルにおいて実施されており、ある程度の介在物等付着防止の効果が確認されている。しかし、個別の操業ごとに、また同一の操業であっても操業上の変動要因により、介在物等の付着部位やその形態、付着速度等は変化することが多く、介在物等付着の発生を完全に防止することは困難である。また、ノズルが一体構造（上下方向が一つのノズルで構成）の場合はノズルの部位ごとに、ノズルが分割構造（上下方向が上ノズル、浸漬ノズル等複数のノズルで構成） の場合はそれらノズルごとに、ガス吹き込みのための複雑な構造や、難付着性の耐火物層の配置が必要となることから、ノズルの製造が煩雑になり、また操業上の煩雑さや管理の煩雑さ等も加わって、コストの上昇の原因となっている。
【０００７】
また、オープンノズルの下端からの溶融金属飛散の対策としては、特許文献３に内孔に特異な形状の段差部分を形成することが、また特許文献４には内孔にテーパーを形成することが提案されている。しかし、特許文献３や特許文献４のオープンノズルでは、一部の特定の操業条件の場合に、操業初期にある程度の効果が認められるものの、操業条件の変動により効果の程度に差が生じたり、操業時間の経過と共に効果が小さくなる等の問題があり、十分な対策とはなっていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−９０４２３号公報
【特許文献２】特開２００２−９６１４５号公報
【特許文献３】特開平１１−１５６５０１号公報
【特許文献４】特開２００２−６６６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、簡単な構造で、内孔を通過する溶融金属の流れの乱れを抑制できるノズルを提供することを課題とする。
【００１０】
すなわち、本発明は、内孔を通過する溶融金属の流れの乱れを安定化させることができ、内孔壁面への介在物等付着や溶損、オープンノズルの下端の溶鋼飛散等を抑制することができるノズルを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、溶融金属容器の底部に設置され、当該溶融金属容器から溶融金属を排出するために、溶融金属が通過する内孔を有する溶融金属排出用ノズルであって、
ノズル長さをＬ、計算上のヘッド高さをＨｃ、ノズル上端から下方へ距離ｚの位置における内孔の半径をｒ(ｚ)としたとき、内孔の軸に沿って切断した内孔壁面の断面形状が、
log(ｒ(ｚ))＝(１／ｎ)×log((Ｈｃ＋Ｌ)／(Ｈｃ＋ｚ))＋log(ｒ(Ｌ))(６≧ｎ≧１.５)
… 式１
で表される曲線を一部又は全部に含み、
前記計算上のヘッド高さＨｃは、ノズル上端の内孔の半径をｒ（０）、ノズル下端の内孔の半径をｒ（Ｌ）としたとき、
Ｈｃ＝((ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ×Ｌ)／（１−(ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ）(６≧ｎ≧１.５)
… 式２
であり、
前記距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶融金属の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたグラフにおいて、当該グラフの線の近似式内に正負逆の定数となる部分を同時に含まず、かつ、その線を直線回帰による近似式とみなした場合に、その相関係数の絶対値が０．９５以上である溶融金属排出用ノズル、である。
【００１２】
以下、溶融金属容器のうち、溶鋼容器であるタンディッシュの底部の溶鋼排出口に設置されるノズル（連続鋳造用ノズル）を例に本発明を詳述する。
【００１３】
ノズルの内孔を通過する溶鋼流の乱れは、内孔における溶鋼の圧力分布の乱れに起因していることを本発明者らは見出した。
【００１４】
タンディッシュからノズルの内孔を通過する溶鋼流、内孔内の圧力等は、一般的な流体理論に基づき、溶鋼浴の深さＨｍ（実際のヘッド高さ、以下単に「Ｈｍ」ともいう。図１参照）に支配されると考えられている。また、タンディッシュの溶鋼量は、操業中ほぼ一定に保たれており、Ｈｍは一定である。理論的にはノズルから排出される溶鋼の圧力は、この一定のＨｍに支配され、一定又は安定状態になっていることになる。
【００１５】
しかし、実際の操業では、溶鋼がノズルから排出される間のノズルの内孔における溶鋼の圧力は、ノズル上端付近において大きく変化すること、及びその圧力変化部分を起点に溶鋼流の乱れを生じていることが、シミュレーション及び操業に供したノズルの解析結果等からわかった。
【００１６】
これをイメージで示すと、図２のように表すことができる。すなわち、図２の線９が溶鋼上面から下方に向かうに伴う圧力分布の理想的なイメージである。しかし、実際には図２の線８のイメージで示すように、ノズル上端付近で大きく変化する。
【００１７】
この原因は、溶鋼がタンディッシュの溶鋼面を含む溶鋼浴の広い範囲からノズルの内孔上端に向かう直接かつ均一な流れを形成するのではなく、溶鋼排出口の起点たるノズルの内孔上端近傍のタンディッシュ底面付近から内孔に向かう多方向からの流れを形成すること、その流速が相対的に大きいこと、その多方向からの流速相互の衝突等が生じること、等にあることがわかった。したがって、溶鋼排出口である内孔での溶鋼の流速や圧力に関しては、タンディッシュ底面付近から内孔上端に向かう流れを考慮する必要がある。
【００１８】
また、このタンディッシュ底面付近から内孔上端に向かう流れと、これに起因する圧力変動等の現象は、内孔上端付近の溶鋼流の変動にとどまらず、内孔の下方全体に亘って溶鋼流の形態（安定性、乱れ等）に強い影響を及ぼすこともわかった。
【００１９】
そして本発明者らは、このタンディッシュ底面付近から内孔に向かう流れと、これに起因する内孔内の圧力変動等の現象は、内孔の形状に強く影響されること、そしてこの内孔を後述のように特定の形状にすることで、整流化（溶鋼流の安定化、乱れの防止）を行うことができることを見出した。
【００２０】
内孔内の溶鋼の整流化（溶鋼流の安定化、乱れの防止）は、内孔内の溶鋼流動方向すなわち上下方向の位置とそれぞれの位置ごとの圧力分布によって決定付けられる。言い換えると、ノズル上端とそこから下方の位置との溶鋼流内のエネルギー損失の推移の状態によって決定付けられるということである。
【００２１】
ノズルの内孔を通過する溶鋼の流速を産み出すエネルギーは、基本的にタンディシュ内の溶鋼のヘッド高さであることから、ノズル上端（内孔上端）から下方へ距離ｚの位置における溶鋼の流速ｖ(ｚ)は、重力加速度をｇ、容器内の実際のヘッド高さをＨｍ、流量係数をｋとすると、
ｖ(ｚ)＝ｋ(２ｇ(Ｈｍ＋ｚ))1/2 … 式３
で表される。
【００２２】
そして、ノズルの内孔を通過する溶鋼の流量Ｑは、流速ｖと断面積Ａの積であるから、ノズル長さをＬとし、ノズル下端（内孔下端）における溶鋼の流速をｖ(Ｌ)、内孔下端の断面積をＡ(Ｌ)とすると、
Ｑ＝ｖ(Ｌ)×Ａ(Ｌ)＝ｋ(２ｇ(Ｈｍ＋Ｌ))1/2×Ａ(Ｌ) … 式４
で表される。
【００２３】
また、内孔内のどの位置で内孔軸に垂直に断面をとっても流量Ｑは一定であることから、ノズル上端（内孔上端）から下方へ距離ｚの位置における断面積Ａ(ｚ)は、
Ａ(ｚ)＝Ｑ/ｖ(ｚ)＝ｋ(２ｇ(Ｈｍ＋Ｌ))1/2×Ａ(Ｌ)／ｋ(２ｇ(Ｈｍ＋ｚ))1/2 …式５
で表され、両辺をＡ(Ｌ)で割ると、
Ａ(ｚ)／Ａ(Ｌ)＝((Ｈｍ＋Ｌ)／(Ｈｍ＋ｚ))1/2 … 式６
となる。
【００２４】
ここで、円周率をπとすると、Ａ(ｚ)＝πｒ(ｚ)2、Ａ(Ｌ)＝πｒ(Ｌ)2であるから、
Ａ(ｚ)／Ａ(Ｌ)＝πｒ(ｚ)2／πｒ(Ｌ)2＝ ((Ｈｍ＋Ｌ)／(Ｈｍ＋ｚ))1/2 … 式７
ｒ(ｚ)／ｒ(Ｌ)＝((Ｈｍ＋Ｌ)／(Ｈｍ＋ｚ))1/4 … 式８
となる。
【００２５】
したがって、内孔の任意の位置ｚの半径ｒ(ｚ)は、
log(ｒ(ｚ))＝(１／４)×log((Ｈｍ＋Ｌ)／(Ｈｍ＋ｚ))＋log(ｒ(Ｌ)) … 式９
で表され、内孔壁面の断面形状を当該式９を満たす形状とすることによって、エネルギー損失を最小とすることができる。
【００２６】
この式９をグラフに示すと４次の曲線を描く。そして、この式９のグラフに相当する内孔壁面形状の場合に最も溶鋼の圧力損失を小さくできることになる。しかも、この式９に合致する形状では、ノズル上端（内孔上端）から下方に任意の距離ｚの位置ごとに漸次（なだらかに）圧力が減少して、整流化された状態になることになる。
【００２７】
このようなＨｍを用いた圧力分布の算出式は、溶鋼がタンディッシュの溶鋼面のヘッド圧により、内孔上端にほぼ垂直方向に直接かつ均一に流れ込むことを前提としている。
【００２８】
しかし実際の操業では前述のように、溶鋼は、溶鋼排出口の起点たるノズル上端近傍のタンディッシュ底面付近から内孔に向かう多方向からの流れを形成する。したがって、内孔における現実の圧力分布を正確に把握するためには、Ｈｍに換えて、ノズル上端近傍のタンディッシュ底面付近からの溶鋼流動に対して影響の大きいヘッド高さを用いる必要がある。
【００２９】
そこで本発明者らは種々シミュレーションによる検討等を行った結果、前記式９においてｚ＝０としたときのＨｍを、計算上のヘッド高さＨｃ（以下単に「Ｈｃ」ともいう。）として用いることが有効であること見出した。
【００３０】
すなわち、Ｈｃは、次の式１０で表すことができる。
Ｈｃ＝((ｒ(Ｌ)／ｒ(０))４×Ｌ)／（１−(ｒ(Ｌ)／ｒ(０))４） … 式１０
【００３１】
このようにＨｃは、ノズル上端の内孔の半径ｒ（０）とノズル下端の内孔の半径ｒ（Ｌ）の比の大きさとノズル長さＬで規定され、この計算上のヘッド高さＨｃが、本発明のノズルの内孔内での溶鋼圧力に影響する。すなわち、前記式９のＨｍに換えてＨｃを使用した内孔壁面の断面形状によって、内孔上端近傍で発生する急激な圧力変化を抑えることができる。
【００３２】
なお、Ｈｃは、ｒ（０）とｒ（Ｌ）の比の関係に変換すると次の式１１で表すことができる。
ｒ(０)／ｒ(Ｌ)＝((Ｈｃ＋Ｌ)／(Ｈｃ＋０))1/4 … 式１１
【００３３】
Ｈｃを溶鋼容器（タンディッシュ）とノズル（連続鋳造用ノズル）の軸方向断面のイメージ図に示すと図１のとおりである。図１においてノズル１は、溶鋼が通過する内孔４を備える。そして、符号５がノズル上端２の内孔大径部（内孔半径（ｒ（０））であり、符号６がノズル下端３の内孔小径部（内孔半径（ｒ（Ｌ））であり、内孔大径部５から内孔小径部６にかけて内孔壁面７が存在する。なお、ノズル上端２が前記距離ｚの起点である。
【００３４】
以上のように、前記式９のＨｍに換えてＨｃを使用した内孔壁面の断面形状によって、ノズルの内孔中心の圧力分布を高さ方向に対して連続的に漸減させることができ、溶鋼流が安定し、エネルギー損失の少ないスムーズ(一定)な溶鋼の流れを作り出すことができるが、さらに本発明では、この溶鋼流の安定性、スムーズさを評価する方法として、コンピュータシミュレーションによる流体解析を行い、ノズル上端（内孔上端）から下方へ距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心での溶鋼の圧力を求めることが有効であることを見出した。
【００３５】
なお、このシミュレーションには、Ｆｌｕｅｎｔ社製の流体解析ソフトウェア、商品名「Ｆｌｕｅｎｔ Ｖｅｒ．６．３．２６」を使用した。この流体解析ソフトウェアでの入力パラメータは、以下のとおりである。
・計算セル数：約１２万（但し、モデルにより変動あり。）
・流体：水（但し、溶鋼の場合も、相対的に同様に評価できることが確認されている。）
密度９９８．２ｋｇ／ｍ３
粘度０．００１００３ｋｇ／ｍ・ｓ
・ヘッド高さ（Ｈｍ）：６００ｍｍ
・圧力：入口（溶鋼面）＝（（７００＋ノズル長さｍｍの値）×９．８）Ｐａ（ゲージ圧）
出口（ノズル下端）＝０Ｐａ
・ノズル長さ：１２０、２３０、８００ｍｍ（表１参照）
・Ｖｉｓｃｏｕｓ Ｍｏｄｅｌ： Ｋ−ｏｍｅｇａ計算
【００３６】
詳細な流体解析の結果、ノズル上端（内孔上端）から下方への距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶鋼の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたグラフ（以下「ｚ−圧力グラフ」という。）において、その線の形態が、本発明の課題を解決するために必要な溶鋼流の安定性（乱れの防止）に重要な影響を及ぼすことを、本発明者らは見出した。
【００３７】
すなわち、本発明のノズルは、ｚ−圧力グラフにおいて、前記距離ｚの増大に対し、前記圧力は急な変化を生じる部分がなく、なだらかに減少することを特徴とする（距離ｚが大きくなるに伴って前記圧力に急な変化を生じる部分があると、その部分を起点にその下方では溶鋼流に乱れが生じる。）。
【００３８】
言い換えれば、本発明のノズルは、ｚ−圧力グラフにおいて、当該グラフの線が、ほぼ直線状（例えば図６（ａ））又は緩やかな円弧に近い曲線（例えば図６（ｂ））を描くということである。例えば、アルファベットの「Ｓ」「Ｃ」「Ｌ」等に形態が似たような、急な曲率や方向が変化する部分（例えば図６（ｃ）、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄ等）を有さないということである。
【００３９】
これをさらに詳述すると、急な方向や曲率が変化する部分を有する形態の場合、近似式を描くと複数の直線回帰線（相関係数の絶対値が約０．９５以上）や複数の非線形の曲線等を含むということである。また、このような曲線を回帰線の定数で評価した場合、ノズル上端位置（即ちｚ＝０）から下方の所定距離位置までの曲線回帰において複数の近似曲線が存在し、これらの曲線はＸ値に対する正負逆の定数でないこと（図６（ｃ）を例にこれを説明すると、図中の距離ｚと圧力の関係をプロットした曲線には、zを概ね３分割した領域ごとにア、イ、ウの３つの非線形の近似曲線を含む。このアとイ、及びイとウの近似式はそれぞれ正負逆の定数となる。）、すなわち、ｚ−圧力グラフの線自体にＸ値に対する正負逆の定数となる部分を同時に含まないことが必要であるということである。
【００４０】
また、このｚ−圧力グラフの線は、最も安定した溶鋼流を得るためには、一定の直線状であることが必要であって、限りなく直線状になることが好ましい。この直線状の評価基準としては、この線を直線回帰による近似式とみなした場合に、その相関係数の絶対値が０．９５以上であることが必要である。内孔内の溶鋼圧力が急に変化する部分があると、ｚ−圧力グラフの線を直線回帰による近似式とみなした場合の相関係数の絶対値も小さくなる。その絶対値が０．９５未満であると本発明の課題解決が困難になる程度の溶鋼流の乱れが生じる。
【００４１】
これらは前述のＦｌｕｅｎｔによるシミュレーション、実操業の結果等の実験により得た結果から決定した。
【００４２】
さらに本発明者らは、このシミュレーション等の結果から、前述の式９及び式１０における４次の次数が１．５以上６以下の範囲の曲線であれば、整流化が可能であることを見出した。
即ち、次数をｎと置き換えた場合に式９は、
log(ｒ(ｚ))＝(１／ｎ)×log((Ｈｃ＋Ｌ)／(Ｈｃ＋ｚ))＋log(ｒ(Ｌ))(６≧ｎ≧１.５)
… 式１
同様に式１０は
Ｈｃ＝((ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ×Ｌ)／（１−(ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ）(６≧ｎ≧１.５)
… 式２
と表すことができる。
【００４３】
ｎの値が１．５未満の場合及び６を超える場合には、ｚ−圧力グラフの線に急な変化を生じる（後述の実施例を参照）。
【００４４】
本発明の式１及び式２に基づくノズルの内孔壁面形状のイメージは、図３のようになる。図３は、上ノズル１ａを示しており、（ａ）は縦断面図、（ｂ）立体図である。図３中、符号１０がｎ＝１．５ときの内孔壁面形状であり、符号１１がｎ＝６のときの内孔壁面形状である。
【００４５】
なお、本発明の式１及び式２に基づくノズルの内孔壁面形状は、前述のｚ−圧力グラフの線が所定の要件に合致している部分（なだらかな曲線、かつ直線回帰による相関係数の絶対値が０．９５以上）を内孔全長に亘って形成していることが好ましいが、内孔全長中の少なくとも内孔上端を起点とする一部に含んでいればよい。この形状部分の下方にさらにノズル（溶鋼流路）の延長部分が存在していても、本発明の形状により整流化した溶鋼流が安定性を維持し、整流化の効果が損なわれていないことを、実施例により確認した。（実施例Ｂ参照。）
【発明の効果】
【００４６】
溶融金属容器から溶融金属を排出するノズルの内孔での溶融金属の流動状態を乱れがなく安定した状態にすることができる。これにより、内孔壁面への介在物等付着や内孔壁面の局部溶損等の発生を抑制することが可能となり、安定した流動状態で溶融金属排出操業を長時間維持することが可能となる。また、オープンノズルの下端からの溶融金属の飛散も抑制することが可能となる。
【００４７】
さらに本発明のノズルは、その内孔壁面を適正な形状にするのみで得られ、ガス吹き込み機構等の特別な機構を設ける必要はないので、構造が簡単で製造もしやすく、コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】溶鋼容器（タンディッシュ）とノズル（連続鋳造用ノズル）の軸方向断面のイメージ図である。
【図２】溶融金属容器とノズル内の溶融金属の圧力分布のイメージ図である。
【図３】本発明のノズルの内孔壁面形状のイメージ図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）立体図である
【図４】上ノズル（下方にスライディングノズルがある例）の軸方向断面のイメージ図である。なお、スライディングノズルの下方浸漬ノズルとの間に中間ノズルや下部ノズル等を含んでいてもよい。）
【図５】オープンノズルの軸方向断面のイメージ図である。
【図６】ｚ−圧力グラフの線のイメージ図で、（ａ）は直線状の例、（ｂ）は緩やかな円弧に近い例、（ｃ）複数の定数（正負）の異なる近似曲線を含む例（本例示は３つの場合）である。
【図７Ａ】比較例１のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｂ】比較例２のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｃ】比較例３のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｄ】比較例４のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｅ】実施例１のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｆ】実施例２のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｇ】実施例３のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｈ】実施例４のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｉ】実施例５のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｊ】実施例６のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｋ】比較例５のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｌ】実施例７のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｍ】実施例８のｚ−圧力グラフである。
【図８Ａ】比較例６のｚ−圧力グラフである。
【図８Ｂ】比較例７のｚ−圧力グラフである。
【図８Ｃ】実施例９のｚ−圧力グラフである。
【図８Ｄ】実施例１０のｚ−圧力グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、本発明の実施の形態をシミュレーション及び実操業における結果を基にした実施例により説明する。
【実施例】
【００５０】
＜実施例Ａ＞
実施例Ａは、タンディッシュからその下方の鋳型に溶鋼を排出するノズルのうち、ノズルの流路内に流量制御装置を有さないオープンノズル（図５参照）を例に、シミュレーションを行った結果である。表１に諸条件と結果を示す。
【００５１】
【表１】
【００５２】
シミュレーションは、前記Ｆｌｕｅｎｔ社製の流体解析ソフトウェア、商品名「Ｆｌｕｅｎｔ Ｖｅｒ．６．３．２６」を使用して行った。入力パラメータは、前記のとおりである。
【００５３】
図７Ａ〜図７Ｍには、表１の各例についての前記シミュレーションによるｚ−圧力グラブを示す。すなわち、図７Ａ〜図７Ｍは、表１の各例についての前記シミュレーションの結果を、ノズル上端（内孔上端）から下方への距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶鋼の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたものである。なお、この圧力は相対値であり、条件によって絶対値はスライドする。
【００５４】
実施例１〜８は、前記式１及び式２を適用した本発明のノズルである。そのうち、実施例１、２、５、６は、式１中のｎのみを１．５〜６まで変化させて、ｎの影響を観た例である。ｎが１．５（実施例１：図７Ｅ）と２（実施例２：図７Ｆ）の場合は、ｚ−圧力グラフの線が緩やかな円弧を描いており、屈曲部位は観られない。またｎが１．５から２へと大きくなるに伴い、円弧の曲率は緩やかになって直線に近づく。しかもこの２つの円弧の中には屈曲部位が存在しない。
【００５５】
そしてｎが４（実施例５：図７Ｉ）及び６（実施例６：図７Ｊ）になると、ｚ−圧力グラフの線がほぼ直線になっていることがわかる。さらにこの線を直線回帰による近似式とみなした場合の相関係数を観ると、前記ｎの増大に伴い、−０．９５、−０．９７、−０．９９、−０．９９と、極めて相関性の強い直線となっていることがわかる。
【００５６】
このように、ｚ−圧力グラフの線に屈曲部位がなく、距離ｚの増大に伴い圧力が漸減することは、内孔の流路全体に亘って乱れがなく、安定した流動状態が得られていることを示している。
【００５７】
実施例３、実施例４、実施例５は、ｎ＝４の場合において、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)すなわちノズル上端の内孔半径とノズル下端の内孔半径との比の大きさが、流動状態（ｚ−圧力グラフの線）に及ぼす影響を観た例である。これら実施例のいずれも、ｚ−圧力グラフの線（図７Ｇ〜図７Ｉ）に屈曲部位はなく、相関係数が−０．９９のほぼ直線状態を示しており、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)の影響は観られない。
【００５８】
実施例７、実施例８は、ｒ(Ｌ)及びｒ(０)が前記各実施例よりも大きく、さらにノズル長さＬも約７倍程度下方まで延長した場合において、ｒ(Ｌ)及びｒ(０)の大きさとノズル長さＬの影響を観た例である。ここで、ｎは４とし、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)は２及び２．５とし、実施例３、実施例４に対応した条件とした。ｚ−圧力グラフ（図７Ｌ及び図７Ｍ）から、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)及びノズル長さＬは流動状態に対し影響を及ぼさないことがわかる。
【００５９】
以上の実施例ではいずれもｚ−圧力グラフの線に屈曲部位はなく、相関係数が−０．９５程度以上のほぼ直線状態を示しており、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)及びノズル長さＬの影響は観られない。このことは、ｚ−圧力グラフの線に屈曲部位がなく、しかもその線の直線回帰の近似式の相関係数の絶対値が０．９５以上である場合には、ノズル長さが下方に長くなっても、安定した乱れのない溶鋼の流動状態を維持できることを示している。
【００６０】
前記実施例に対し、比較例４及び比較例５は、式１及び式２においてｎが本発明の範囲にない例である。
【００６１】
ｎ＝１．０の比較例４では、図７Ｄに示すようにｚ−圧力グラフの線にＳ字状の屈曲部位はないものの、勾配の大きく異なる直線を直角に近い角度で交差させたような曲線となっている。したがって、この場合には前記交差する部位付近から下方で、流速変動等のわずかな操業条件の変動によって溶鋼流の乱れを招来する虞が大きく、好ましくない。
【００６２】
ｎ＝７．０の比較例５では、図７Ｋに示すようにｚ−圧力グラフの線にＳ字状の屈曲部位が、極端な大きさではないものの観られる。すなわち、内孔上端及び内孔下端付近での近似曲線とその中間部分の近似曲線とが正負逆の定数を有する形態になっており、これらの境界付近を基点に溶鋼流の乱れを招来する虞が大きく、好ましくない。したがって、ｎは１．５以上６以下であることが必要である。
【００６３】
比較例１は内孔形状が上端から下端まで直線すなわち円筒状の例、比較例２はテーパー状の例、比較例３はＲ＝４７の円弧状の例である。これら何れの比較例もｚ−圧力グラフの線にＳ字状等の極端な屈曲部位を有しており（図７Ａ〜図７Ｃ）、これらの境界付近を基点に溶鋼流の乱れを招来する。
【００６４】
以上の本実施例Ａの各例ごとに模型を作製し、深さ約６００ｍｍの水槽からの水の排出状態を目視にて確認した。その結果、本発明の各実施例では飛散は小さく、又は視認できない程度であったのに対し、比較例では常時又は断続的に視認できる程度の飛散（図５の１５参照）が発生した。
【００６５】
＜実施例Ｂ＞
実施例Ｂは、タンディッシュからその下方の鋳型に溶鋼を排出するノズルのうち、ノズルの流路内に流量制御装置（スライディングノズル（ＳＮ）装置）を有する、いわゆるＳＮ上ノズルを例に、シミュレーション及び実操業にて検証を行った結果である。この場合の溶鋼流路は、タンディッシュを基点に下方に上ノズル（図４の１ａ参照）、スライディングノズル装置（図４の１２参照）、下部ノズル（図４はこれを図示していないが、図４の１２と１３の間に存在）、及び浸漬ノズルである（図４の１３参照）。なお、下部ノズル及び浸漬ノズルが一体的な場合（図４の場合）も本実施例の条件と同視できる。
【００６６】
表２に諸条件と結果を示す。この実施例Ｂのシミュレーションは、流量制御装置の面積開度を５０％とした。その他の条件は前記実施例Ａと同じとした。
【００６７】
【表２】
【００６８】
図８Ａ〜図８Ｄには、表２の各例についての前記シミュレーションによるｚ−圧力グラフを示す。すなわち、図８Ａ〜図８Ｄは、表２の各例についての前記シミュレーションの結果を、ノズル上端（内孔上端）から下方への距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶鋼の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたものである。なお、この圧力は相対値であり、条件によって絶対値はスライドする。
【００６９】
実施例９及び実施例１０は、前記式１及び式２を適用した本発明のノズルである。いずれも、ｚ−圧力グラフの線に屈曲部位は観られず、近似直線の相関係数の絶対値が０．９９のほぼ直線状となっている（図８Ｃ及び図８Ｄ）。
【００７０】
これに対し、比較例７は、実施例９及び実施例１０と同様に前記式１及び式２に基づく内孔壁面形状であるが、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)が１．１と、円柱に近い形状となっている。この比較例７では、図８Ｂに示すようにｚ−圧力グラフの線に屈曲部位が観られ、溶鋼流の乱れが存在することを示している。このように、式１及び式２の条件に合致するのみでは溶鋼流の乱れを抑制することが困難な場合があり、ｚ−圧力グラフの線の形態をも評価した上で、具体的な内孔壁面形状を決定する必要があることがわかる。
【００７１】
比較例６は内孔壁面形状がテーパー状の従来のノズルの例である。この例では、図８Ａに示すようにｚ−圧力グラフの線にＳ字状等の屈曲部位を有しており、これらの境界付近を基点に溶鋼流の乱れを招来する。
【００７２】
実施例１０のノズルを従来比較例６のノズルを使用している実操業に供した。その条件は、タンディッシュ内の実溶鋼ヘッド高さは約８００ｍｍ、溶鋼の排出速度は約１〜２ｔ／ｍｉｎ．鋳造（通鋼）時間は約６０分である。
【００７３】
この実操業での結果、実施例１０は上ノズルから下方の浸漬ノズル内壁のいずれの部位にも介在物等付着は観られず、また局部溶損も皆無で、極めて安定した鋳造状態（開度の調整頻度が少ない）を維持することができた。このことから、本発明の内孔形状部分の下方にさらにノズル（溶鋼流路）の延長部分が存在していても、本発明の形状により整流化した溶鋼流が安定性を維持し、整流化の効果が損なわれていないことがわかる。
【００７４】
これに対し、比較例６のノズルでは、上ノズルから下方の浸漬ノズル内壁の広範囲に亘って、平均２０ｍｍ厚みのアルミナを主とする付着層（図４の１４参照）が形成され、不安定な鋳造状態（開度の調整頻度が多い）であった。
【符号の説明】
【００７５】
１ ノズル
１ａ オープンノズル
１ｂ 上ノズル
２ ノズル上端
３ ノズル下端
４ 内孔
５ 内孔大径部
６ 内孔小径部、
７ 内孔壁面
８ 現実の溶鋼容器からノズル内の溶鋼圧力分布曲線（イメージ）
９ 溶鋼容器からノズル内の理想的な溶鋼圧力分布曲線（イメージ）
１０ ｎ＝１．５のときの内孔壁面形状
１１ ｎ＝６のときの内孔壁面形状
１２ 流量制御装置（スライディングノズル装置）
１３ 浸漬ノズル
１４ 付着物のイメージ
１５ 溶鋼飛散のイメージ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属容器の底部に設置され、当該溶融金属容器から溶融金属を排出するために、溶融金属が通過する内孔を有する溶融金属排出用ノズル（以下単に「ノズル」という。）に関し、とくに、ノズルの内孔形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融金属容器の底部に設置されるノズルは、溶融金属のヘッド高さを推進力とし、内孔を通じて、ほぼ垂直方向に溶融金属を排出する。そして、そのノズルの内孔形状としては、垂直にまっすぐ伸びたストレート形状のもの、ノズル上端の角が円弧状になったもの、ノズル上端からノズル下端かけて傾斜したテーパー形状のものなどが一般的である。
【０００３】
また、ノズルには、単に溶融金属を排出するだけでなく、その排出量（排出速度）や排出方向を制御する機能を備えたものもある。例えば、タンディッシュ等の溶鋼容器の底部に設置される連続鋳造用のノズルとして、図４に示すようにその下方に流量制御装置（例えばスライディングノズル（ＳＮ）装置、図４の１２参照）を有する上ノズル１ａがある。一方で、図５に示すように流量制御装置を有しないオープンノズル１ｂもある。
【０００４】
このような流量制御装置の有無にかかわらず、従来、ノズルにおいては、内孔を通過する溶融金属の流れに乱れが生じると、種々の問題が生じることが知られている。例えば、流量制御装置を有する場合には流量制御に不都合を来したり、オープンノズルにおいてはノズル下端から開放されて排出される溶融金属流に飛散（図５の１５参照）が生じることがある。
【０００５】
内孔を通過する溶融金属の流れに乱れが生じる原因としては、内孔に溶融金属由来の非金属介在物等が付着（以下単に「介在物等付着」という。）する（図４の１４参照）、又は、内孔が不均一に溶損することによる内孔形状の変化等が挙げられる。
【０００６】
これらを回避するために、従来から種々の対策が試みられてきた。例えば特許文献１には、介在物等付着対策として、ノズルの内孔壁面からガスを吹き込むことが提案されている。また、特許文献２には、ノズルの内孔壁面に難付着性の耐火物層を形成することが提案されている。このようなノズルの内孔壁面からのガス吹き込みや難付着性の耐火物層の適用は、上ノズル、その下方のスライディングノズル装置、浸漬ノズル等の溶融金属排出口に連通するあらゆるノズルにおいて実施されており、ある程度の介在物等付着防止の効果が確認されている。しかし、個別の操業ごとに、また同一の操業であっても操業上の変動要因により、介在物等の付着部位やその形態、付着速度等は変化することが多く、介在物等付着の発生を完全に防止することは困難である。また、ノズルが一体構造（上下方向が一つのノズルで構成）の場合はノズルの部位ごとに、ノズルが分割構造（上下方向が上ノズル、浸漬ノズル等複数のノズルで構成） の場合はそれらノズルごとに、ガス吹き込みのための複雑な構造や、難付着性の耐火物層の配置が必要となることから、ノズルの製造が煩雑になり、また操業上の煩雑さや管理の煩雑さ等も加わって、コストの上昇の原因となっている。
【０００７】
また、オープンノズルの下端からの溶融金属飛散の対策としては、特許文献３に内孔に特異な形状の段差部分を形成することが、また特許文献４には内孔にテーパーを形成することが提案されている。しかし、特許文献３や特許文献４のオープンノズルでは、一部の特定の操業条件の場合に、操業初期にある程度の効果が認められるものの、操業条件の変動により効果の程度に差が生じたり、操業時間の経過と共に効果が小さくなる等の問題があり、十分な対策とはなっていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−９０４２３号公報
【特許文献２】特開２００２−９６１４５号公報
【特許文献３】特開平１１−１５６５０１号公報
【特許文献４】特開２００２−６６６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、簡単な構造で、内孔を通過する溶融金属の流れの乱れを抑制できるノズルを提供することを課題とする。
【００１０】
すなわち、本発明は、内孔を通過する溶融金属の流れの乱れを安定化させることができ、内孔壁面への介在物等付着や溶損、オープンノズルの下端の溶鋼飛散等を抑制することができるノズルを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、溶融金属容器の底部に設置され、当該溶融金属容器から溶融金属を排出するために、溶融金属が通過する内孔を有する溶融金属排出用ノズルであって、
ノズル長さをＬ、計算上のヘッド高さをＨｃ、ノズル上端から下方へ距離ｚの位置における内孔の半径をｒ(ｚ)としたとき、内孔の軸に沿って切断した内孔壁面の断面形状が、
log(ｒ(ｚ))＝(１／ｎ)×log((Ｈｃ＋Ｌ)／(Ｈｃ＋ｚ))＋log(ｒ(Ｌ))(６≧ｎ≧１.５)
… 式１
で表される曲線を一部又は全部に含み、
前記計算上のヘッド高さＨｃは、ノズル上端の内孔の半径をｒ（０）、ノズル下端の内孔の半径をｒ（Ｌ）としたとき、
Ｈｃ＝((ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ×Ｌ)／（１−(ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ）(６≧ｎ≧１.５)
… 式２
であり、
前記距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶融金属の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたグラフにおいて、当該グラフの線の近似式内に正負逆の定数となる部分を同時に含まず、かつ、その線を直線回帰による近似式とみなした場合に、その相関係数の絶対値が０．９５以上である溶融金属排出用ノズル、である。
【００１２】
以下、溶融金属容器のうち、溶鋼容器であるタンディッシュの底部の溶鋼排出口に設置されるノズル（連続鋳造用ノズル）を例に本発明を詳述する。
【００１３】
ノズルの内孔を通過する溶鋼流の乱れは、内孔における溶鋼の圧力分布の乱れに起因していることを本発明者らは見出した。
【００１４】
タンディッシュからノズルの内孔を通過する溶鋼流、内孔内の圧力等は、一般的な流体理論に基づき、溶鋼浴の深さＨｍ（実際のヘッド高さ、以下単に「Ｈｍ」ともいう。図１参照）に支配されると考えられている。また、タンディッシュの溶鋼量は、操業中ほぼ一定に保たれており、Ｈｍは一定である。理論的にはノズルから排出される溶鋼の圧力は、この一定のＨｍに支配され、一定又は安定状態になっていることになる。
【００１５】
しかし、実際の操業では、溶鋼がノズルから排出される間のノズルの内孔における溶鋼の圧力は、ノズル上端付近において大きく変化すること、及びその圧力変化部分を起点に溶鋼流の乱れを生じていることが、シミュレーション及び操業に供したノズルの解析結果等からわかった。
【００１６】
これをイメージで示すと、図２のように表すことができる。すなわち、図２の線９が溶鋼上面から下方に向かうに伴う圧力分布の理想的なイメージである。しかし、実際には図２の線８のイメージで示すように、ノズル上端付近で大きく変化する。
【００１７】
この原因は、溶鋼がタンディッシュの溶鋼面を含む溶鋼浴の広い範囲からノズルの内孔上端に向かう直接かつ均一な流れを形成するのではなく、溶鋼排出口の起点たるノズルの内孔上端近傍のタンディッシュ底面付近から内孔に向かう多方向からの流れを形成すること、その流速が相対的に大きいこと、その多方向からの流速相互の衝突等が生じること、等にあることがわかった。したがって、溶鋼排出口である内孔での溶鋼の流速や圧力に関しては、タンディッシュ底面付近から内孔上端に向かう流れを考慮する必要がある。
【００１８】
また、このタンディッシュ底面付近から内孔上端に向かう流れと、これに起因する圧力変動等の現象は、内孔上端付近の溶鋼流の変動にとどまらず、内孔の下方全体に亘って溶鋼流の形態（安定性、乱れ等）に強い影響を及ぼすこともわかった。
【００１９】
そして本発明者らは、このタンディッシュ底面付近から内孔に向かう流れと、これに起因する内孔内の圧力変動等の現象は、内孔の形状に強く影響されること、そしてこの内孔を後述のように特定の形状にすることで、整流化（溶鋼流の安定化、乱れの防止）を行うことができることを見出した。
【００２０】
内孔内の溶鋼の整流化（溶鋼流の安定化、乱れの防止）は、内孔内の溶鋼流動方向すなわち上下方向の位置とそれぞれの位置ごとの圧力分布によって決定付けられる。言い換えると、ノズル上端とそこから下方の位置との溶鋼流内のエネルギー損失の推移の状態によって決定付けられるということである。
【００２１】
ノズルの内孔を通過する溶鋼の流速を産み出すエネルギーは、基本的にタンディシュ内の溶鋼のヘッド高さであることから、ノズル上端（内孔上端）から下方へ距離ｚの位置における溶鋼の流速ｖ(ｚ)は、重力加速度をｇ、容器内の実際のヘッド高さをＨｍ、流量係数をｋとすると、
ｖ(ｚ)＝ｋ(２ｇ(Ｈｍ＋ｚ))1/2 … 式３
で表される。
【００２２】
そして、ノズルの内孔を通過する溶鋼の流量Ｑは、流速ｖと断面積Ａの積であるから、ノズル長さをＬとし、ノズル下端（内孔下端）における溶鋼の流速をｖ(Ｌ)、内孔下端の断面積をＡ(Ｌ)とすると、
Ｑ＝ｖ(Ｌ)×Ａ(Ｌ)＝ｋ(２ｇ(Ｈｍ＋Ｌ))1/2×Ａ(Ｌ) … 式４
で表される。
【００２３】
また、内孔内のどの位置で内孔軸に垂直に断面をとっても流量Ｑは一定であることから、ノズル上端（内孔上端）から下方へ距離ｚの位置における断面積Ａ(ｚ)は、
Ａ(ｚ)＝Ｑ/ｖ(ｚ)＝ｋ(２ｇ(Ｈｍ＋Ｌ))1/2×Ａ(Ｌ)／ｋ(２ｇ(Ｈｍ＋ｚ))1/2 …式５
で表され、両辺をＡ(Ｌ)で割ると、
Ａ(ｚ)／Ａ(Ｌ)＝((Ｈｍ＋Ｌ)／(Ｈｍ＋ｚ))1/2 … 式６
となる。
【００２４】
ここで、円周率をπとすると、Ａ(ｚ)＝πｒ(ｚ)2、Ａ(Ｌ)＝πｒ(Ｌ)2であるから、
Ａ(ｚ)／Ａ(Ｌ)＝πｒ(ｚ)2／πｒ(Ｌ)2＝ ((Ｈｍ＋Ｌ)／(Ｈｍ＋ｚ))1/2 … 式７
ｒ(ｚ)／ｒ(Ｌ)＝((Ｈｍ＋Ｌ)／(Ｈｍ＋ｚ))1/4 … 式８
となる。
【００２５】
したがって、内孔の任意の位置ｚの半径ｒ(ｚ)は、
log(ｒ(ｚ))＝(１／４)×log((Ｈｍ＋Ｌ)／(Ｈｍ＋ｚ))＋log(ｒ(Ｌ)) … 式９
で表され、内孔壁面の断面形状を当該式９を満たす形状とすることによって、エネルギー損失を最小とすることができる。
【００２６】
この式９をグラフに示すと４次の曲線を描く。そして、この式９のグラフに相当する内孔壁面形状の場合に最も溶鋼の圧力損失を小さくできることになる。しかも、この式９に合致する形状では、ノズル上端（内孔上端）から下方に任意の距離ｚの位置ごとに漸次（なだらかに）圧力が減少して、整流化された状態になることになる。
【００２７】
このようなＨｍを用いた圧力分布の算出式は、溶鋼がタンディッシュの溶鋼面のヘッド圧により、内孔上端にほぼ垂直方向に直接かつ均一に流れ込むことを前提としている。
【００２８】
しかし実際の操業では前述のように、溶鋼は、溶鋼排出口の起点たるノズル上端近傍のタンディッシュ底面付近から内孔に向かう多方向からの流れを形成する。したがって、内孔における現実の圧力分布を正確に把握するためには、Ｈｍに換えて、ノズル上端近傍のタンディッシュ底面付近からの溶鋼流動に対して影響の大きいヘッド高さを用いる必要がある。
【００２９】
そこで本発明者らは種々シミュレーションによる検討等を行った結果、前記式９においてｚ＝０としたときのＨｍを、計算上のヘッド高さＨｃ（以下単に「Ｈｃ」ともいう。）として用いることが有効であること見出した。
【００３０】
すなわち、Ｈｃは、次の式１０で表すことができる。
Ｈｃ＝((ｒ(Ｌ)／ｒ(０))４×Ｌ)／（１−(ｒ(Ｌ)／ｒ(０))４） … 式１０
【００３１】
このようにＨｃは、ノズル上端の内孔の半径ｒ（０）とノズル下端の内孔の半径ｒ（Ｌ）の比の大きさとノズル長さＬで規定され、この計算上のヘッド高さＨｃが、本発明のノズルの内孔内での溶鋼圧力に影響する。すなわち、前記式９のＨｍに換えてＨｃを使用した内孔壁面の断面形状によって、内孔上端近傍で発生する急激な圧力変化を抑えることができる。
【００３２】
なお、Ｈｃは、ｒ（０）とｒ（Ｌ）の比の関係に変換すると次の式１１で表すことができる。
ｒ(０)／ｒ(Ｌ)＝((Ｈｃ＋Ｌ)／(Ｈｃ＋０))1/4 … 式１１
【００３３】
Ｈｃを溶鋼容器（タンディッシュ）とノズル（連続鋳造用ノズル）の軸方向断面のイメージ図に示すと図１のとおりである。図１においてノズル１は、溶鋼が通過する内孔４を備える。そして、符号５がノズル上端２の内孔大径部（内孔半径（ｒ（０））であり、符号６がノズル下端３の内孔小径部（内孔半径（ｒ（Ｌ））であり、内孔大径部５から内孔小径部６にかけて内孔壁面７が存在する。なお、ノズル上端２が前記距離ｚの起点である。
【００３４】
以上のように、前記式９のＨｍに換えてＨｃを使用した内孔壁面の断面形状によって、ノズルの内孔中心の圧力分布を高さ方向に対して連続的に漸減させることができ、溶鋼流が安定し、エネルギー損失の少ないスムーズ(一定)な溶鋼の流れを作り出すことができるが、さらに本発明では、この溶鋼流の安定性、スムーズさを評価する方法として、コンピュータシミュレーションによる流体解析を行い、ノズル上端（内孔上端）から下方へ距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心での溶鋼の圧力を求めることが有効であることを見出した。
【００３５】
なお、このシミュレーションには、Ｆｌｕｅｎｔ社製の流体解析ソフトウェア、商品名「Ｆｌｕｅｎｔ Ｖｅｒ．６．３．２６」を使用した。この流体解析ソフトウェアでの入力パラメータは、以下のとおりである。
・計算セル数：約１２万（但し、モデルにより変動あり。）
・流体：水（但し、溶鋼の場合も、相対的に同様に評価できることが確認されている。）
密度９９８．２ｋｇ／ｍ３
粘度０．００１００３ｋｇ／ｍ・ｓ
・ヘッド高さ（Ｈｍ）：６００ｍｍ
・圧力：入口（溶鋼面）＝（（７００＋ノズル長さｍｍの値）×９．８）Ｐａ（ゲージ圧）
出口（ノズル下端）＝０Ｐａ
・ノズル長さ：１２０、２３０、８００ｍｍ（表１参照）
・Ｖｉｓｃｏｕｓ Ｍｏｄｅｌ： Ｋ−ｏｍｅｇａ計算
【００３６】
詳細な流体解析の結果、ノズル上端（内孔上端）から下方への距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶鋼の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたグラフ（以下「ｚ−圧力グラフ」という。）において、その線の形態が、本発明の課題を解決するために必要な溶鋼流の安定性（乱れの防止）に重要な影響を及ぼすことを、本発明者らは見出した。
【００３７】
すなわち、本発明のノズルは、ｚ−圧力グラフにおいて、前記距離ｚの増大に対し、前記圧力は急な変化を生じる部分がなく、なだらかに減少することを特徴とする（距離ｚが大きくなるに伴って前記圧力に急な変化を生じる部分があると、その部分を起点にその下方では溶鋼流に乱れが生じる。）。
【００３８】
言い換えれば、本発明のノズルは、ｚ−圧力グラフにおいて、当該グラフの線が、ほぼ直線状（例えば図６（ａ））又は緩やかな円弧に近い曲線（例えば図６（ｂ））を描くということである。例えば、アルファベットの「Ｓ」「Ｃ」「Ｌ」等に形態が似たような、急な曲率や方向が変化する部分（例えば図６（ｃ）、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄ等）を有さないということである。
【００３９】
これをさらに詳述すると、急な方向や曲率が変化する部分を有する形態の場合、近似式を描くと複数の直線回帰線（相関係数の絶対値が約０．９５以上）や複数の非線形の曲線等を含むということである。また、このような曲線を回帰線の定数で評価した場合、ノズル上端位置（即ちｚ＝０）から下方の所定距離位置までの曲線回帰において複数の近似曲線が存在し、これらの曲線はＸ値に対する正負逆の定数でないこと（図６（ｃ）を例にこれを説明すると、図中の距離ｚと圧力の関係をプロットした曲線には、zを概ね３分割した領域ごとにア、イ、ウの３つの非線形の近似曲線を含む。このアとイ、及びイとウの近似式はそれぞれ正負逆の定数となる。）、すなわち、ｚ−圧力グラフの線自体にＸ値に対する正負逆の定数となる部分を同時に含まないことが必要であるということである。
【００４０】
また、このｚ−圧力グラフの線は、最も安定した溶鋼流を得るためには、一定の直線状であることが必要であって、限りなく直線状になることが好ましい。この直線状の評価基準としては、この線を直線回帰による近似式とみなした場合に、その相関係数の絶対値が０．９５以上であることが必要である。内孔内の溶鋼圧力が急に変化する部分があると、ｚ−圧力グラフの線を直線回帰による近似式とみなした場合の相関係数の絶対値も小さくなる。その絶対値が０．９５未満であると本発明の課題解決が困難になる程度の溶鋼流の乱れが生じる。
【００４１】
これらは前述のＦｌｕｅｎｔによるシミュレーション、実操業の結果等の実験により得た結果から決定した。
【００４２】
さらに本発明者らは、このシミュレーション等の結果から、前述の式９及び式１０における４次の次数が１．５以上６以下の範囲の曲線であれば、整流化が可能であることを見出した。
即ち、次数をｎと置き換えた場合に式９は、
log(ｒ(ｚ))＝(１／ｎ)×log((Ｈｃ＋Ｌ)／(Ｈｃ＋ｚ))＋log(ｒ(Ｌ))(６≧ｎ≧１.５)
… 式１
同様に式１０は
Ｈｃ＝((ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ×Ｌ)／（１−(ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ）(６≧ｎ≧１.５)
… 式２
と表すことができる。
【００４３】
ｎの値が１．５未満の場合及び６を超える場合には、ｚ−圧力グラフの線に急な変化を生じる（後述の実施例を参照）。
【００４４】
本発明の式１及び式２に基づくノズルの内孔壁面形状のイメージは、図３のようになる。図３は、上ノズル１ａを示しており、（ａ）は縦断面図、（ｂ）立体図である。図３中、符号１０がｎ＝１．５ときの内孔壁面形状であり、符号１１がｎ＝６のときの内孔壁面形状である。
【００４５】
なお、本発明の式１及び式２に基づくノズルの内孔壁面形状は、前述のｚ−圧力グラフの線が所定の要件に合致している部分（なだらかな曲線、かつ直線回帰による相関係数の絶対値が０．９５以上）を内孔全長に亘って形成していることが好ましいが、内孔全長中の少なくとも内孔上端を起点とする一部に含んでいればよい。この形状部分の下方にさらにノズル（溶鋼流路）の延長部分が存在していても、本発明の形状により整流化した溶鋼流が安定性を維持し、整流化の効果が損なわれていないことを、実施例により確認した。（実施例Ｂ参照。）
【発明の効果】
【００４６】
溶融金属容器から溶融金属を排出するノズルの内孔での溶融金属の流動状態を乱れがなく安定した状態にすることができる。これにより、内孔壁面への介在物等付着や内孔壁面の局部溶損等の発生を抑制することが可能となり、安定した流動状態で溶融金属排出操業を長時間維持することが可能となる。また、オープンノズルの下端からの溶融金属の飛散も抑制することが可能となる。
【００４７】
さらに本発明のノズルは、その内孔壁面を適正な形状にするのみで得られ、ガス吹き込み機構等の特別な機構を設ける必要はないので、構造が簡単で製造もしやすく、コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】溶鋼容器（タンディッシュ）とノズル（連続鋳造用ノズル）の軸方向断面のイメージ図である。
【図２】溶融金属容器とノズル内の溶融金属の圧力分布のイメージ図である。
【図３】本発明のノズルの内孔壁面形状のイメージ図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）立体図である
【図４】上ノズル（下方にスライディングノズルがある例）の軸方向断面のイメージ図である。なお、スライディングノズルの下方浸漬ノズルとの間に中間ノズルや下部ノズル等を含んでいてもよい。）
【図５】オープンノズルの軸方向断面のイメージ図である。
【図６】ｚ−圧力グラフの線のイメージ図で、（ａ）は直線状の例、（ｂ）は緩やかな円弧に近い例、（ｃ）複数の定数（正負）の異なる近似曲線を含む例（本例示は３つの場合）である。
【図７Ａ】比較例１のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｂ】比較例２のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｃ】比較例３のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｄ】比較例４のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｅ】実施例１のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｆ】実施例２のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｇ】実施例３のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｈ】実施例４のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｉ】実施例５のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｊ】実施例６のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｋ】比較例５のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｌ】実施例７のｚ−圧力グラフである。
【図７Ｍ】実施例８のｚ−圧力グラフである。
【図８Ａ】比較例６のｚ−圧力グラフである。
【図８Ｂ】比較例７のｚ−圧力グラフである。
【図８Ｃ】実施例９のｚ−圧力グラフである。
【図８Ｄ】実施例１０のｚ−圧力グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、本発明の実施の形態をシミュレーション及び実操業における結果を基にした実施例により説明する。
【実施例】
【００５０】
＜実施例Ａ＞
実施例Ａは、タンディッシュからその下方の鋳型に溶鋼を排出するノズルのうち、ノズルの流路内に流量制御装置を有さないオープンノズル（図５参照）を例に、シミュレーションを行った結果である。表１に諸条件と結果を示す。
【００５１】
【表１】
【００５２】
シミュレーションは、前記Ｆｌｕｅｎｔ社製の流体解析ソフトウェア、商品名「Ｆｌｕｅｎｔ Ｖｅｒ．６．３．２６」を使用して行った。入力パラメータは、前記のとおりである。
【００５３】
図７Ａ〜図７Ｍには、表１の各例についての前記シミュレーションによるｚ−圧力グラブを示す。すなわち、図７Ａ〜図７Ｍは、表１の各例についての前記シミュレーションの結果を、ノズル上端（内孔上端）から下方への距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶鋼の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたものである。なお、この圧力は相対値であり、条件によって絶対値はスライドする。
【００５４】
実施例１〜８は、前記式１及び式２を適用した本発明のノズルである。そのうち、実施例１、２、５、６は、式１中のｎのみを１．５〜６まで変化させて、ｎの影響を観た例である。ｎが１．５（実施例１：図７Ｅ）と２（実施例２：図７Ｆ）の場合は、ｚ−圧力グラフの線が緩やかな円弧を描いており、屈曲部位は観られない。またｎが１．５から２へと大きくなるに伴い、円弧の曲率は緩やかになって直線に近づく。しかもこの２つの円弧の中には屈曲部位が存在しない。
【００５５】
そしてｎが４（実施例５：図７Ｉ）及び６（実施例６：図７Ｊ）になると、ｚ−圧力グラフの線がほぼ直線になっていることがわかる。さらにこの線を直線回帰による近似式とみなした場合の相関係数を観ると、前記ｎの増大に伴い、−０．９５、−０．９７、−０．９９、−０．９９と、極めて相関性の強い直線となっていることがわかる。
【００５６】
このように、ｚ−圧力グラフの線に屈曲部位がなく、距離ｚの増大に伴い圧力が漸減することは、内孔の流路全体に亘って乱れがなく、安定した流動状態が得られていることを示している。
【００５７】
実施例３、実施例４、実施例５は、ｎ＝４の場合において、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)すなわちノズル上端の内孔半径とノズル下端の内孔半径との比の大きさが、流動状態（ｚ−圧力グラフの線）に及ぼす影響を観た例である。これら実施例のいずれも、ｚ−圧力グラフの線（図７Ｇ〜図７Ｉ）に屈曲部位はなく、相関係数が−０．９９のほぼ直線状態を示しており、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)の影響は観られない。
【００５８】
実施例７、実施例８は、ｒ(Ｌ)及びｒ(０)が前記各実施例よりも大きく、さらにノズル長さＬも約７倍程度下方まで延長した場合において、ｒ(Ｌ)及びｒ(０)の大きさとノズル長さＬの影響を観た例である。ここで、ｎは４とし、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)は２及び２．５とし、実施例３、実施例４に対応した条件とした。ｚ−圧力グラフ（図７Ｌ及び図７Ｍ）から、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)及びノズル長さＬは流動状態に対し影響を及ぼさないことがわかる。
【００５９】
以上の実施例ではいずれもｚ−圧力グラフの線に屈曲部位はなく、相関係数が−０．９５程度以上のほぼ直線状態を示しており、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)及びノズル長さＬの影響は観られない。このことは、ｚ−圧力グラフの線に屈曲部位がなく、しかもその線の直線回帰の近似式の相関係数の絶対値が０．９５以上である場合には、ノズル長さが下方に長くなっても、安定した乱れのない溶鋼の流動状態を維持できることを示している。
【００６０】
前記実施例に対し、比較例４及び比較例５は、式１及び式２においてｎが本発明の範囲にない例である。
【００６１】
ｎ＝１．０の比較例４では、図７Ｄに示すようにｚ−圧力グラフの線にＳ字状の屈曲部位はないものの、勾配の大きく異なる直線を直角に近い角度で交差させたような曲線となっている。したがって、この場合には前記交差する部位付近から下方で、流速変動等のわずかな操業条件の変動によって溶鋼流の乱れを招来する虞が大きく、好ましくない。
【００６２】
ｎ＝７．０の比較例５では、図７Ｋに示すようにｚ−圧力グラフの線にＳ字状の屈曲部位が、極端な大きさではないものの観られる。すなわち、内孔上端及び内孔下端付近での近似曲線とその中間部分の近似曲線とが正負逆の定数を有する形態になっており、これらの境界付近を基点に溶鋼流の乱れを招来する虞が大きく、好ましくない。したがって、ｎは１．５以上６以下であることが必要である。
【００６３】
比較例１は内孔形状が上端から下端まで直線すなわち円筒状の例、比較例２はテーパー状の例、比較例３はＲ＝４７の円弧状の例である。これら何れの比較例もｚ−圧力グラフの線にＳ字状等の極端な屈曲部位を有しており（図７Ａ〜図７Ｃ）、これらの境界付近を基点に溶鋼流の乱れを招来する。
【００６４】
以上の本実施例Ａの各例ごとに模型を作製し、深さ約６００ｍｍの水槽からの水の排出状態を目視にて確認した。その結果、本発明の各実施例では飛散は小さく、又は視認できない程度であったのに対し、比較例では常時又は断続的に視認できる程度の飛散（図５の１５参照）が発生した。
【００６５】
＜実施例Ｂ＞
実施例Ｂは、タンディッシュからその下方の鋳型に溶鋼を排出するノズルのうち、ノズルの流路内に流量制御装置（スライディングノズル（ＳＮ）装置）を有する、いわゆるＳＮ上ノズルを例に、シミュレーション及び実操業にて検証を行った結果である。この場合の溶鋼流路は、タンディッシュを基点に下方に上ノズル（図４の１ａ参照）、スライディングノズル装置（図４の１２参照）、下部ノズル（図４はこれを図示していないが、図４の１２と１３の間に存在）、及び浸漬ノズルである（図４の１３参照）。なお、下部ノズル及び浸漬ノズルが一体的な場合（図４の場合）も本実施例の条件と同視できる。
【００６６】
表２に諸条件と結果を示す。この実施例Ｂのシミュレーションは、流量制御装置の面積開度を５０％とした。その他の条件は前記実施例Ａと同じとした。
【００６７】
【表２】
【００６８】
図８Ａ〜図８Ｄには、表２の各例についての前記シミュレーションによるｚ−圧力グラフを示す。すなわち、図８Ａ〜図８Ｄは、表２の各例についての前記シミュレーションの結果を、ノズル上端（内孔上端）から下方への距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶鋼の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたものである。なお、この圧力は相対値であり、条件によって絶対値はスライドする。
【００６９】
実施例９及び実施例１０は、前記式１及び式２を適用した本発明のノズルである。いずれも、ｚ−圧力グラフの線に屈曲部位は観られず、近似直線の相関係数の絶対値が０．９９のほぼ直線状となっている（図８Ｃ及び図８Ｄ）。
【００７０】
これに対し、比較例７は、実施例９及び実施例１０と同様に前記式１及び式２に基づく内孔壁面形状であるが、ｒ(Ｌ)／ｒ(０)が１．１と、円柱に近い形状となっている。この比較例７では、図８Ｂに示すようにｚ−圧力グラフの線に屈曲部位が観られ、溶鋼流の乱れが存在することを示している。このように、式１及び式２の条件に合致するのみでは溶鋼流の乱れを抑制することが困難な場合があり、ｚ−圧力グラフの線の形態をも評価した上で、具体的な内孔壁面形状を決定する必要があることがわかる。
【００７１】
比較例６は内孔壁面形状がテーパー状の従来のノズルの例である。この例では、図８Ａに示すようにｚ−圧力グラフの線にＳ字状等の屈曲部位を有しており、これらの境界付近を基点に溶鋼流の乱れを招来する。
【００７２】
実施例１０のノズルを従来比較例６のノズルを使用している実操業に供した。その条件は、タンディッシュ内の実溶鋼ヘッド高さは約８００ｍｍ、溶鋼の排出速度は約１〜２ｔ／ｍｉｎ．鋳造（通鋼）時間は約６０分である。
【００７３】
この実操業での結果、実施例１０は上ノズルから下方の浸漬ノズル内壁のいずれの部位にも介在物等付着は観られず、また局部溶損も皆無で、極めて安定した鋳造状態（開度の調整頻度が少ない）を維持することができた。このことから、本発明の内孔形状部分の下方にさらにノズル（溶鋼流路）の延長部分が存在していても、本発明の形状により整流化した溶鋼流が安定性を維持し、整流化の効果が損なわれていないことがわかる。
【００７４】
これに対し、比較例６のノズルでは、上ノズルから下方の浸漬ノズル内壁の広範囲に亘って、平均２０ｍｍ厚みのアルミナを主とする付着層（図４の１４参照）が形成され、不安定な鋳造状態（開度の調整頻度が多い）であった。
【符号の説明】
【００７５】
１ ノズル
１ａ オープンノズル
１ｂ 上ノズル
２ ノズル上端
３ ノズル下端
４ 内孔
５ 内孔大径部
６ 内孔小径部、
７ 内孔壁面
８ 現実の溶鋼容器からノズル内の溶鋼圧力分布曲線（イメージ）
９ 溶鋼容器からノズル内の理想的な溶鋼圧力分布曲線（イメージ）
１０ ｎ＝１．５のときの内孔壁面形状
１１ ｎ＝６のときの内孔壁面形状
１２ 流量制御装置（スライディングノズル装置）
１３ 浸漬ノズル
１４ 付着物のイメージ
１５ 溶鋼飛散のイメージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属容器の底部に設置され、当該溶融金属容器から溶融金属を排出するために、溶融金属が通過する内孔を有する溶融金属排出用ノズルであって、
ノズル長さをＬ、計算上のヘッド高さをＨｃ、ノズル上端から下方へ距離ｚの位置における内孔の半径をｒ(ｚ)としたとき、内孔の軸に沿って切断した内孔壁面の断面形状が、
log(ｒ(ｚ))＝(１／ｎ)×log((Ｈｃ＋Ｌ)／(Ｈｃ＋ｚ))＋log(ｒ(Ｌ))(６≧ｎ≧１.５)
… 式１
で表される曲線を一部又は全部に含み、
前記計算上のヘッド高さＨｃは、ノズル上端の内孔の半径をｒ（０）、ノズル下端の内孔の半径をｒ（Ｌ）としたとき、
Ｈｃ＝((ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ×Ｌ)／（１−(ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ）(６≧ｎ≧１.５)
… 式２
であり、
前記距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶融金属の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたグラフにおいて、当該グラフの線の近似式内に正負逆の定数となる部分を同時に含まず、かつ、その線を直線回帰による近似式とみなした場合に、その相関係数の絶対値が０．９５以上である溶融金属排出用ノズル。
【請求項１】
溶融金属容器の底部に設置され、当該溶融金属容器から溶融金属を排出するために、溶融金属が通過する内孔を有する溶融金属排出用ノズルであって、
ノズル長さをＬ、計算上のヘッド高さをＨｃ、ノズル上端から下方へ距離ｚの位置における内孔の半径をｒ(ｚ)としたとき、内孔の軸に沿って切断した内孔壁面の断面形状が、
log(ｒ(ｚ))＝(１／ｎ)×log((Ｈｃ＋Ｌ)／(Ｈｃ＋ｚ))＋log(ｒ(Ｌ))(６≧ｎ≧１.５)
… 式１
で表される曲線を一部又は全部に含み、
前記計算上のヘッド高さＨｃは、ノズル上端の内孔の半径をｒ（０）、ノズル下端の内孔の半径をｒ（Ｌ）としたとき、
Ｈｃ＝((ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ×Ｌ)／（１−(ｒ(Ｌ)／ｒ(０))ｎ）(６≧ｎ≧１.５)
… 式２
であり、
前記距離ｚを横軸（Ｘ軸）、その距離ｚ位置における水平方向断面の内孔中心の溶融金属の圧力を縦軸（Ｙ軸）にプロットしたグラフにおいて、当該グラフの線の近似式内に正負逆の定数となる部分を同時に含まず、かつ、その線を直線回帰による近似式とみなした場合に、その相関係数の絶対値が０．９５以上である溶融金属排出用ノズル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図７Ｅ】
【図７Ｆ】
【図７Ｇ】
【図７Ｈ】
【図７Ｉ】
【図７Ｊ】
【図７Ｋ】
【図７Ｌ】
【図７Ｍ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図７Ｅ】
【図７Ｆ】
【図７Ｇ】
【図７Ｈ】
【図７Ｉ】
【図７Ｊ】
【図７Ｋ】
【図７Ｌ】
【図７Ｍ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【公開番号】特開２０１１−２５２７４（Ｐ２０１１−２５２７４Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７２８０５（Ｐ２００９−１７２８０５）
【出願日】平成２１年７月２４日（２００９．７．２４）
【出願人】（０００１７０７１６）黒崎播磨株式会社 (314)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２４日（２００９．７．２４）
【出願人】（０００１７０７１６）黒崎播磨株式会社 (314)
【Ｆターム（参考）】
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