連続鋳造用浸漬ノズル及び連続鋳造方法
【課題】旋回付与機構を使用しなくても、浸漬ノズル内から吐出する直前に浸漬ノズル内の流れを旋回させる。
【解決手段】円筒状のノズル本体１における底部１ａ近傍の側面１ｂの対向位置に２つの吐出孔２を有し、浸漬ノズル内下降流に円周方向の旋回流速を付与する旋回流付与機構を内部に有していない連続鋳造用浸漬ノズルである。吐出孔２の幅Ｗをノズル本体１の底部１ａの内径ｄよりも小さくする。水平面に投影した吐出孔２の側壁２ａの中心線がノズル本体１の横断面の中心を通らず、かつ水平面に投影した２つの吐出孔２をノズル本体１の横断面の中心に対して点対称に開孔する。
【効果】浸漬ノズル内に旋回流付与機構を設けなくても、吐出孔における流速分布が均一で、鋳型内流動が安定する浸漬ノズルを得ることができ、旋回流付与機構がもたらす非金属介在物による閉塞や、大がかりな電磁撹拌のような旋回流付与機構を用いる必要がない。
【解決手段】円筒状のノズル本体１における底部１ａ近傍の側面１ｂの対向位置に２つの吐出孔２を有し、浸漬ノズル内下降流に円周方向の旋回流速を付与する旋回流付与機構を内部に有していない連続鋳造用浸漬ノズルである。吐出孔２の幅Ｗをノズル本体１の底部１ａの内径ｄよりも小さくする。水平面に投影した吐出孔２の側壁２ａの中心線がノズル本体１の横断面の中心を通らず、かつ水平面に投影した２つの吐出孔２をノズル本体１の横断面の中心に対して点対称に開孔する。
【効果】浸漬ノズル内に旋回流付与機構を設けなくても、吐出孔における流速分布が均一で、鋳型内流動が安定する浸漬ノズルを得ることができ、旋回流付与機構がもたらす非金属介在物による閉塞や、大がかりな電磁撹拌のような旋回流付与機構を用いる必要がない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの吐出孔を有する連続鋳造用の浸漬ノズル、及びこの浸漬ノズルを用いて鋼等を連続鋳造する方法に係り、鋳型内溶融金属の流動を安定に保ち、高品質な鋳片の製造を可能とするものである。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造においては、鋳型内流動を空間的に均一かつ時間的に安定したものに制御することが、鋼の表面品質を良好に保つ観点から重要である。
【０００３】
この目的を達成する方法の一つとして、浸漬ノズルの改善に関する発明、例えば発明者らによる旋回流付与型浸漬ノズルが提案されている（例えば特許文献１）。
【０００４】
前記特許文献１の旋回流付与型浸漬ノズルは、単なるアイデアに留まっていた旋回流付与型浸漬ノズルの旋回羽根の仕様や旋回流ノズルの形状を明らかにしたもので、鋳型内電磁攪拌を不要とできるものである。
【０００５】
しかしながら、発明者のその後の実験、研究によれば、特許文献１で提案した旋回流付与型浸漬ノズルは、長期間の使用により捩り板状旋回羽根部に非金属介在物が付着し、閉塞に至る場合があることが判明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２３９６９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする問題点は、特許文献１で提案した旋回流付与型浸漬ノズルは、長期間の使用により捩り板状旋回羽根部に非金属介在物が付着し、閉塞に至る場合があるという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の連続鋳造用浸漬ノズルは、
旋回付与機構を使用しなくても、浸漬ノズル内から吐出する直前に浸漬ノズル内の流れを旋回させて、旋回流付与型浸漬ノズルと同等の吐出流の均等化や鋳型内流動の安定化に対する効果を得るようにするために、
円筒状のノズル本体における底部近傍の側面の対向位置に２つの吐出孔を有し、浸漬ノズル内下降流に円周方向の旋回流速を付与する旋回流付与機構を内部に有していない連続鋳造用浸漬ノズルであって、
前記吐出孔の幅をノズル本体底部の内径よりも小さくすると共に、水平面に投影した前記吐出孔側壁の中心線がノズル本体横断面の中心を通らず、かつ水平面に投影した２つの前記吐出孔をノズル本体横断面の中心に対して点対称に開孔したことを最も主要な特徴としている。
【０００９】
本発明では、円筒状のノズル本体の底部近傍に設ける２つの吐出孔を前記のように構成するので、浸漬ノズルの内部から吐出しようとする流れを旋回させる作用が生じる。従って、浸漬ノズル内の下降流に円周方向の旋回流速を付与する旋回流付与機構を有さなくても、旋回流付与型浸漬ノズルが有する吐出孔における流速分布の均等化や鋳型内流動の安定化の効果が生じる。
【００１０】
ここで旋回流付与機構とは、浸漬ノズルに内装された捩り板状の羽根や、浸漬ノズル本体の内壁に掘られた螺旋状の溝、あるいは電磁気力を利用した撹拌装置などをいう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、浸漬ノズルの内部から吐出しようとする流れを旋回させる作用が生じるので、浸漬ノズル内に旋回流付与機構を設けなくても、吐出孔における流速分布が均一で、鋳型内流動が安定する浸漬ノズルを得ることができる。従って、旋回流付与機構がもたらす非金属介在物による閉塞や、大がかりな電磁撹拌のような旋回流付与機構を用いる必要が無くなり、適用が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第２及び第３の本発明の連続鋳造方法に使用する本発明の浸漬ノズルを示した図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）の矢視Ｂ図である。
【図２】第１〜第３の本発明の連続鋳造方法に使用する本発明の浸漬ノズルを示した図１と同様の図である。
【図３】吐出流角度のみが図１と異なる浸漬ノズルに、旋回羽根を取付けた浸漬ノズルを示した図１と同様の図である。
【図４】図３に示した浸漬ノズルに取付けた旋回羽根を示した図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】吐出孔を横長とし、底部の内底面に衝立状突起を設けた浸漬ノズルを示した図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）の矢視Ｂ図、（ｄ）は（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】水平面に投影した際にノズル本体横断面の中心に設けた吐出孔が略正方形状の通常の浸漬ノズルを示した図１と同様の図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明では、旋回付与機構を使用しなくても、旋回流付与型浸漬ノズルと同等の吐出流の均等化や鋳型内流動の安定化に対する効果を得るようにするという目的を、吐出孔の開孔形状を工夫すること等によって実現した。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明について説明する。
本発明の連続鋳造用浸漬ノズルは、図１に示すように、円筒状のノズル本体１における底部１ａ近傍の側面１ｂの対向位置に、２つの吐出孔２を有し、浸漬ノズル内下降流に円周方向の旋回流速を付与する旋回流付与機構を内部に有さない浸漬ノズルである。
【００１５】
そして、吐出孔２の幅Ｗをノズル本体１の底部１ａの内径ｄよりも小さくしている。また、水平面に投影した吐出孔２の側壁２ａの中心線Ｌがノズル本体１の横断面の中心Ｃを通らず、かつ水平面に投影した２つの吐出孔２をノズル本体１の横断面の中心Ｃに対して点対称となる位置に開孔している。
【００１６】
本発明では、２つの吐出孔２を前記のようにノズル本体１に形成するので、浸漬ノズルに旋回流付与機構を有さなくとも、浸漬ノズルの内部から吐出しようとする流れに旋回作用が生じ、吐出孔２における流速分布の均等化や鋳型内流動の安定化が図れる。
【００１７】
本発明の浸漬ノズルは、旋回流形成手段を設ける場合ほどには強い旋回作用が得られないので、ノズル本体１の内部を流れる下降流がノズル本体１の内底面１ａａに当たって強い渦を生じ易くなる。ノズル本体１の底部１ａで強い渦が生じると、本発明のように吐出孔２の幅Ｗが浸漬ノズルの内径ｄに比べて比較的小さい場合には、吐出孔２における流速分布が不均一になり、吐出流の最大流速が過大となりやすく、鋳型内流動が乱れ易くなる。さらに、吐出孔２の形状と吐出流の流速分布が乖離し、本発明の意図通りに鋳型内流動を形成できなくなる場合がある。
【００１８】
そこで、ノズル本体１の底部１ａにおける渦の発生を抑えるため、図２に示すように、ノズル本体１の内底面１ａａに、前記内底面１ａａを二分する位置に衝立状突起３を設け、前記吐出孔２の側壁となすことが望ましい。この衝立状突起３は、水平面に投影した角度が０°もしくは２０°以下の方向に延び、長さＬ1が３０mm以上、幅Ｗ1が５mm〜１５mm、高さＨ1が１０mm〜４０mmにすることが必要である。
【００１９】
この衝立状突起３を設けることにより、浸漬ノズル内に旋回流発生機構を持たないゆえにノズル本体１の底部１ａで強い渦が発生しやすいという弱点を補うことができる。
【００２０】
前記衝立状突起３の延びる方向を、吐出孔２の側壁となす水平面に投影した角度が０°もしくは２０°以下とするのは、ノズル本体１の底部１ａで発生する渦の回転軸の方向が通常は吐出孔２の側壁２ａと平行だからである。すなわち、回転軸の方向が吐出孔２の側壁２ａと平行の渦を抑制するには、衝立状突起３の延びる方向が渦の回転軸の方向と同じ（すなわち前記角度が０°）にするのが最も好ましいからである。また、前記角度が０°でない場合にも両者がなす角度を２０°以下とすることによって、渦の発生を抑制する効果が発揮されるからである。
【００２１】
また、前記衝立状突起３の長さＬ1を３０mm以上とするのは、同長さＬ1が３０mm未満であると渦防止効果が不足するからである。同長さＬ1の上限値は、通常、浸漬ノズルの底部１ａの内径ｄとなる。また、同幅Ｗ1を５mm〜１５mmとするのは、５mm未満であると耐久性に劣り、１５mmを超えると渦防止効果が弱くなるからである。
【００２２】
なお、衝立状突起３の幅Ｗ1は高さＨ1方向の上から下まで同一であっても良いが、浸漬ノズルの製造を容易にする観点からは、上端部の幅が最も小さく下端部の幅が最も大きい形状とすることが望ましい。そのような場合には、幅Ｗ1の平均値が上記規定範囲に入ればよい。
【００２３】
また、同高さＨ1を１０mm〜４０mmとするのは、１０mm未満では渦抑制効果が不十分であり、４０mmを超えると耐久性が低下するとともに渦抑制効果がかえって弱まるからである。
【００２４】
前記衝立状突起３は、それによって隔てられたノズル本体１の底部１ａの面積が均等になるように、浸漬ノズルの底面を二分する位置に設けることが、渦抑制効果を高める観点から好ましい。
【００２５】
ノズル本体１の内底面１ａａを二分する位置に衝立状突起３を設けた浸漬ノズルは、２つの吐出流が鋳型の厚み方向に均等に開孔していないので、衝立状突起３により二分された内底面１ａａの一方の側に吐出孔２の一方が大きく開孔している（図２（ｂ）参照）。
【００２６】
また、衝立状突起３は吐出孔２の側壁２ａと概ね平行に設置され、通常、浸漬ノズルは吐出孔２の側壁２ａを鋳型の幅方向（鋳型長辺と平行）に設置するので、衝立状突起３は概ね鋳型の幅方向に設置されることになる。
【００２７】
従って、衝立状突起３を設けた本発明の浸漬ノズルを用いて連続鋳造する場合には、タンディッシュに備えたストッパーまたは鋳型幅方向に摺動するスライディングゲートにより、浸漬ノズルへの流量制御を行いつつ連続鋳造することが望ましい。これが第１の本発明の溶融金属の連続鋳造方法である。
【００２８】
この連続鋳造において、浸漬ノズル内の流量制御機構として、ストッパーまたは鋳型幅方向に摺動するスライディングゲートを採用することが望ましいのは、以下の理由による。
【００２９】
すなわち、浸漬ノズル内の下降流が鋳型の厚み方向に偏ると、衝立状突起３により二分された内底面１ａａのどちらか一方に下降流が偏り、この偏った内底面側に大きく開孔している吐出孔２からの吐出流が多くなり、鋳型内の偏流を引き起こすからである。
【００３０】
浸漬ノズル内の下降流が鋳型厚み方向に偏る現象は、鋳型厚み方向に摺動するスライディングゲートで浸漬ノズルに供給する溶融金属の流量を制御した場合に明確に生じるため、ストッパーまたは鋳型幅方向に摺動するスライディングゲートを用いるのである。
【００３１】
前記本発明の連続鋳造用浸漬ノズルを用いて溶融金属の連続鋳造を行うに際し、その効果をより明確に発揮させるためには、前記本発明の連続鋳造用浸漬ノズルに、更に以下の条件を加えることが望ましい。
【００３２】
すなわち、前記本発明の連続鋳造用浸漬ノズルの吐出孔２の幅Ｗを、ノズル本体１の底部１ａの内径ｄに対しＷ／ｄ＝０．３５〜０．８０の範囲とするのである。また、吐出孔２の上壁２ｂは、曲率半径Ｒが４０〜１５０mmの面で、図１又は図２に示すように、出口に向けて徐々にノズル本体１の底部１ａの内径部分が大きくなる形状、もしくは、下向２０°〜７５°の傾斜を有する面とするのである。さらに、吐出孔２の下壁２ｃは、上向７５°〜下向１５°の傾斜を有する面とし、吐出孔２の下壁２ｃの最も高い点から１０〜５０mm下方にノズル本体１の内底面１ａａを存在させるのである。
【００３３】
そして、連続鋳造に際しては、この連続鋳造用浸漬ノズルの、吐出孔出口における平均流速が０．５m／sec〜１．５m／secとなる条件で溶融金属を供給するのである。これが第２の本発明の溶融金属の連続鋳造方法である。
【００３４】
この第２の本発明方法において、使用する浸漬ノズルの吐出孔２の幅Ｗをノズル本体１の底部１ａの内径ｄに対しＷ／ｄ＝０．３５〜０．８０の範囲に規定するのは、Ｗ／ｄの値が０．８０を超えると、吐出しようとする流れを旋回させる作用が弱まるからである。Ｗ／ｄの上限値のより好ましい値は０．７、さらに好ましい値は０．６である。
【００３５】
本来、Ｗ／ｄの値は、小さくなるほど吐出しようとする流れが浸漬ノズル内で旋回流を形成する作用が強まって好ましいが、一方、Ｗ／ｄの値が０．３５未満となると吐出孔２の幅が小さくなりすぎて非金属介在物による閉塞を生じ易くなるので好ましくない。
【００３６】
また、吐出孔２の上壁２ｂの形状は、曲率半径Ｒが４０mm〜１５０mmの面で、出口に向けて徐々にノズル本体１の底部１ａの内径部分が広がるようにするのが最も好ましい。これは、ノズル本体１の底部１ａに当たって二つの吐出孔２に分配される流れが、吐出孔２の上壁２ｂから剥離することなく円滑に吐出するのに適した形状だからである。
【００３７】
その際、曲率半径Ｒが４０mmよりも小さいと、ノズル本体１の底部１ａの内径部分の広がりが急激過ぎて流れの剥離が生じ易くなる。反対に曲率半径Ｒが１５０mmよりも大きいと、吐出孔２の上壁２ｂ部の浸漬ノズルの肉厚が小さくなり過ぎて、耐火物の亀裂が生じ易くなる。発明者の調査結果によると、曲率半径Ｒのより好ましい範囲は、６０mm〜１２０mmである。
【００３８】
吐出孔２の上壁２ｂの形状を、前記のような曲面に成形することが難しい場合には、次善の策として、吐出孔２上壁２ｂを、下向２０°〜７５°の傾斜を有する平面としても良い。この角度が下向２０°よりも小さい場合は、吐出孔２の上壁２ｂからの流れの剥離が生じ易くなり、下向７５°よりも大きい場合は、遠心力に対して吐出孔２の上壁２ｂの傾斜が大き過ぎて、吐出しようとする流れが浸漬ノズル内に旋回流を形成する作用が弱まってしまう。
【００３９】
吐出孔２の上壁２ｂを、このような平面で構成する場合には、２段階もしくは３段階の複数の傾斜面を組み合わせて、曲率半径Ｒが４０mm〜１５０mmの曲面の形状に近づけることが好ましい。そのように複数の傾斜面を組み合わせた場合には、その平均角度が下向２０°〜７５°の範囲に入るようにする。発明者の調査結果によると、吐出孔２の上壁２ｂを傾斜面とする場合のより好ましい傾斜角は、下向４５°〜６０°である。
【００４０】
また、吐出孔２の下壁２ｃを上向７５°〜下向１５°の傾斜を有する面とするのは、吐出孔２の上壁２ｂの下向き角度（曲率半径Ｒを有する曲面の場合はその平均下向き角度）よりも小さくするか、もしくは上向きに成形することが、吐出孔２における流速分布を均等化する点で有利だからである。発明者の調査結果によると、吐出孔２の下壁２ｃの角度のより好ましい範囲は、上向３５°〜上向５°である。
【００４１】
また、吐出孔２の下壁２ｃの最も高い点から１０mm〜５０mm下方にノズル本体１の内底面１ａａを存在させるのは、前記内底面１ａａで跳ね上がって吐出孔２へ達する流れの存在が、２つの吐出孔２からの吐出流を均等に分配する作用を有するからである。
【００４２】
吐出孔２の下壁２ｃの最も高い点は、吐出孔２の下壁２ｃが下向きの角度を有する場合は、吐出孔２の下壁２ｃとノズル本体１の底部１ａの内径ｄが交わるライン上にある。また、吐出孔２の下壁２ｃが上向きの角度を有する場合は、吐出孔２の下壁２ｃとノズル本体１の底部１ａの外径が交わるライン上にある。
【００４３】
吐出孔２の下壁２ｃの最も高い点とノズル本体１の内底面１ａａとの高さの差が、１０mm未満の場合は、吐出流の分配を均等化する作用が十分ではなく、５０mmを超えると無用に浸漬ノズルの長さが長くなり、上記作用が低減してしまう。発明者の調査結果によると、吐出孔１の下壁１ｃの最も高い点とノズル本体１の内底面１ａａとの高さの差のより好ましい範囲は、１５mm〜３０mmである。
【００４４】
また、第２の本発明方法において、吐出孔２の出口の平均流速が０．５m／sec〜１．５m／secとなる条件で溶融金属を供給するのは、０．５m／sec未満の場合は溶融金属の流量に対して吐出孔２の面積が大きすぎ、吐出流速を均一に保つのが難しいからである。反対に、平均流速が１．５m／secを超えると鋳型内流動が乱れ易くなるからである。
【００４５】
吐出孔２の出口における平均流速は、浸漬ノズルが用いられる代表的条件における溶鋼の時間当り流量に応じて、吐出孔２の面積を適正な値に設計することによって、上記適正な範囲に調整することができる。なお、吐出孔２の出口における平均流速は、溶鋼の時間当り流量を吐出孔２の総開孔面積で除することによって求めることができる。
【００４６】
衝立状突起３を設けた本発明の浸漬ノズルが、さらに第２の本発明方法で規定する条件を満たすようにすれば、吐出孔２における流速分布が均一かつ安定する。例えばフルスケールの水モデル実験によって吐出孔２における流速分布を測定した場合、任意の３分間の時間平均流速が負、すなわち吸い込み流となる領域が存在しなかった。そして、任意の吐出孔２の出口の測定点における時間平均流速が、吐出孔２の出口全面の平均流速に対して、±５０％の範囲内になった。
【００４７】
前記±５０％の範囲内であると、部分的に過大な吐出流速が生じて鋳型内流動が乱されたり、吐出流速が部分的に小さすぎてアルミナ等の非金属介在物が付着するという問題を解消できる。
【００４８】
また、前記本発明の連続鋳造用浸漬ノズルに加えて、或いは、前記第２の本発明の連続鋳造方法に使用する連続鋳造用浸漬ノズルに加えて、更に以下の条件を加えた場合は、鋳型短辺での反転表面流を形成する流動パターンの安定化が図れる。
【００４９】
すなわち、前記本発明の連続鋳造用浸漬ノズルの吐出孔２を、高さＨが幅Ｗの１．５倍〜３．０倍である縦長形状とし、吐出流が流出する上下方向の角度が平均で下向１５°〜下向４５°となるようにするのである。
【００５０】
そして、吐出流が鋳型内における鋳型短辺から鋳型長辺の１／４の長さを隔てた地点（以下、鋳型内１／４幅という。）の鋳型短辺と平行な鉛直断面において形成する時間平均流速の極大値が、２０cm／sec〜６０cm／secの範囲内となるようにして溶融金属の連続鋳造を行うのである。これが第３の本発明の連続鋳造方法であるが、この第３の本発明の連続鋳造方法は、垂直鋳型を有するスラブの連続鋳造機を用いて実施する。
【００５１】
この第３の本発明方法において、使用する浸漬ノズルの吐出孔２の高さＨが幅Ｗの１．５倍〜３．０倍の縦長形状とするのは、スラブの連続鋳造機に適用するからである。すなわち、スラブの連続鋳造用鋳型の場合に吐出流が流出する領域は、幅が狭く上下方向に広い（すなわち幅は鋳型厚み−凝固シェル厚×２に相当する数１０cmで、上下方向には少なくとも深さ１０数mに亘って鋳片内に溶融金属が存在する）。従って、そのような領域の溶融金属に安定した流動を付加するには、吐出流もまた縦長であることが好ましいからである。
【００５２】
また、吐出流が流出する上下方向の角度が、平均で下向１５°〜下向４５°となるようにするのは、前記下向き角度が１５°よりも小さいと吐出流と鋳型短辺からの反転表面流との干渉が生じるからである。また、下向き角度が４５°よりも大きいと鋳型短辺近傍で上昇流が十分に形成されず、鋳型短辺からの反転表面流を維持することが難しいからである。
【００５３】
つまり、前記上下方向の角度が平均で下向１５°〜下向４５°となるようにすれば、鋳型短辺近傍に達した吐出流の一部が鋳型短辺に沿った上昇流となり、浸漬ノズルに向けて反転する表面流を形成するのに適するからである。この鋳型短辺での反転表面流を形成する流動パターンの安定化を第３の本発明方法では目指しているのである。
【００５４】
吐出流が流出する上下方向の角度は、吐出孔２の上壁２ｂや下壁２ｃの形状や角度、上壁２ｂや下壁２ｃの厚み、ノズル本体１の底部１ａの形状、吐出孔２の縦横比等の影響を受けて変化する。
【００５５】
一般的な傾向として、吐出孔２の上壁２ａや下壁２ｂの角度が下向きに大きいほど、前記上下方向の角度は大きな下向き角度を有する流れとなり、吐出孔２の上壁２ｂや下壁２ｃの厚みが大きいほど、吐出孔２の上壁２ｂや下壁２ｃの角度の影響を受け易くなる。
【００５６】
また、ノズル本体１の底部１ａの内底面１ａａが凹面状の場合は、吐出流の一部が上向きに跳ね上げられ、下向きの角度が小さくなる。このノズル本体１の底部１ａの内底面１ａａ形状の影響は、吐出孔２が横長であるほど大きく現れる。
【００５７】
上記の複雑な影響を推定することは容易でないので、フルスケールの水モデル実験によって実験的に求めることで、容易で誤差が小さい推定が可能になる。
【００５８】
発明者は、フルスケールの水モデル実験により、鋳型内１／４幅の鋳型短辺に平行な鉛直断面において吐出流が形成する流速分布を測定し、時間平均流速がピークとなる位置と、浸漬ノズルの吐出孔の位置関係から、吐出流が流出する上下方向の角度を求めた。むろん、精度の高い数値流動解析によっても同様の結果が得られることは言うまでもない。
【００５９】
ここで言う位置関係とは、高さ方向の位置関係と、鋳型幅方向の位置関係の総称である。吐出孔における流速分布を測定し、時間平均流速がピークとなる部位の高さを、浸漬ノズルの吐出孔の代表高さとして定義する。
【００６０】
本発明においては、このように実験的に求められる吐出流の上下方向流出角度が、適正な範囲内に収まるよう、試行錯誤を重ねて浸漬ノズルを設計するのである。
【００６１】
第３の本発明方法において、前記時間平均流速の極大値を２０cm／sec〜６０cm／secの範囲内とするのは、２０cm／sec未満では吐出流の運動エネルギーが小さすぎて鋳型内に安定した流動パターンを形成することができないからである。また、６０cm／secを超えると鋳型内の流動が激しくなり過ぎるからである。
【００６２】
ここで、前記の時間平均流速の極大値とは、例えばフルスケールの水モデル実験によって同断面内の流速分布を、測定点１点につき５分間測定し、その時間の平均値が最も大きくなる点における平均流速として得られる。むろん、精度の高い数値流動解析によっても同様の結果が得られることは言うまでもない。
【００６３】
前記の時間平均流速の極大値は、吐出孔における流速や吐出孔の横幅と鋳型厚みとの関係、吐出流の鋳型厚み方向への広がりの影響を受ける。一般的な傾向として、吐出孔における流速が大きいほど、前記の極大値も大きくなるが、鋳型厚みに対して吐出孔の横幅が大きい場合や、吐出流の鋳型厚み方向への広がりが大きい場合は、鋳型内１／４幅に到達するまでの間の減衰が大きくなる。
【００６４】
第３の本発明の連続鋳造方法では、このように実験的に求められる鋳型内１／４幅の鋳型長辺に垂直な鉛直断面において形成する時間平均流速の極大値が、適正な範囲内に収まるよう、試行錯誤を重ねて浸漬ノズルを設計するのである。
【００６５】
第３の本発明の連続鋳造方法において、垂直鋳型を有するスラブの連続鋳造機に、前記の浸漬ノズルを適用するのは、縦長の吐出孔から流出する縦長の吐出流が鋳型内の溶融金属を効率良く移動させて鋳型内流動パターンを形成するには、その流動形成領域すなわち鋳型が垂直であることが望ましいからである。
【００６６】
以下、本発明の効果を確認するために行った、実験結果について説明する。下記表１及び図１、図２に本発明の実施例を、下記表２及び図３〜図６に本発明の比較例を示す。
【００６７】
下記表１に記した吐出孔における最大流速及び吐出孔における最小流速とは、前記水モデル実験装置を用いて吐出孔における流速を吐出孔の幅方向と高さ方向の各５点、計２５点を各点３分間測定した各点の時間平均流速の中で最も大きな値と最も小さな値を示す。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
図１は実施例Ａを示した図であり、この実施例Ａの浸漬ノズルは、請求項１に係る発明の浸漬ノズル、請求項４、５に係る発明を実施する浸漬ノズルの要件を満たしたものである。
【００７１】
この実施例Ａは、吐出孔２での流速分布が均一となり、吐出流角度のみが実施例Ａと異なる浸漬ノズルに、図４に示す厚さ１３mmの板を１８０°捩った形状の旋回羽根４を設けた比較例Ｃの旋回流付与型浸漬ノズルの鋳型内流動と同等の安定したものとなった。しかも、旋回流付与機構（旋回羽根４）を設けていないので、ノズル閉塞に強いノズルとなった。
【００７２】
図２は実施例Ｂを示した図であり、この実施例Ｂの浸漬ノズルは、請求項１、２に係る発明の浸漬ノズル、請求項３〜５に係る発明を実施する浸漬ノズルの要件を全て満たしたものである。
【００７３】
この実施例Ｂは、請求項２で規定する衝立状突起３を設けているので、実施例Ａよりもさらに高いレベルの吐出孔２での流速分布の均一性及び安定性が得られた。また、第１の本発明の連続鋳造方法を満たすので、２つの吐出孔２への流量の分配が均等となって、実施例Ａおよび比較例Ｃと同様に優れた鋳型内流動の安定度が得られた。
【００７４】
実施例Ｂにおいて、仮に第１の本発明の連続鋳造方法を満たさない場合（スライディングゲートの摺動方向が鋳型厚み方向の場合）は、鋳型内流動は安定しても、２つの吐出孔２への流量の分配が不均等になり易くなる。従って、鋳型幅方向の流速が浸漬ノズルを挟んで一方で大きく、もう一方で小さい不均等な流速分布になり易い。
【００７５】
一方、図３に示した前記比較例Ｃは、浸漬ノズル内に旋回羽根４を有するので、本発明の実施例Ａ、Ｂと同等の安定した鋳型内流動が得られる。しかしながら、浸漬ノズル内に設けた旋回羽根４部において非金属介在物の付着による閉塞が発生し易くなる。
【００７６】
図５は比較例Ｄの浸漬ノズルで、水平面に投影した際にノズル本体１の横断面の中心に設けた吐出孔２を横長としたノズル本体１の底部１ａの内底面１ａａに衝立状突起３を設けたものである。この比較例Ｄは、衝立状突起３と横長の吐出孔２との相乗効果によって吐出孔２における流速分布の均一性が高いが、吐出孔２をさらに工夫して縦長とした本発明の実施例Ａ、Ｂに比べると、鋳型内流動の安定性において劣っていた。
【００７７】
図６は比較例Ｅの浸漬ノズルで、水平面に投影した際にノズル本体１の横断面の中心に設けた吐出孔２が、幅９０mm、高さ９５mmの略正方形状の通常の浸漬ノズルである。この比較例Ｅは、実施例Ａ、Ｂおよび比較例Ｃ、Ｄに比べて鋳型内流動は最も不安定であり、吐出孔２の流速分布は最も不均一であった。
【００７８】
本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７９】
１ ノズル本体
１ａ 底部
１ａａ 内底面
１ｂ 側面
２ 吐出孔
２ａ 側壁
２ｂ 上壁
２ｃ 下壁
３ 衝立状突起
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの吐出孔を有する連続鋳造用の浸漬ノズル、及びこの浸漬ノズルを用いて鋼等を連続鋳造する方法に係り、鋳型内溶融金属の流動を安定に保ち、高品質な鋳片の製造を可能とするものである。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造においては、鋳型内流動を空間的に均一かつ時間的に安定したものに制御することが、鋼の表面品質を良好に保つ観点から重要である。
【０００３】
この目的を達成する方法の一つとして、浸漬ノズルの改善に関する発明、例えば発明者らによる旋回流付与型浸漬ノズルが提案されている（例えば特許文献１）。
【０００４】
前記特許文献１の旋回流付与型浸漬ノズルは、単なるアイデアに留まっていた旋回流付与型浸漬ノズルの旋回羽根の仕様や旋回流ノズルの形状を明らかにしたもので、鋳型内電磁攪拌を不要とできるものである。
【０００５】
しかしながら、発明者のその後の実験、研究によれば、特許文献１で提案した旋回流付与型浸漬ノズルは、長期間の使用により捩り板状旋回羽根部に非金属介在物が付着し、閉塞に至る場合があることが判明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２３９６９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする問題点は、特許文献１で提案した旋回流付与型浸漬ノズルは、長期間の使用により捩り板状旋回羽根部に非金属介在物が付着し、閉塞に至る場合があるという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の連続鋳造用浸漬ノズルは、
旋回付与機構を使用しなくても、浸漬ノズル内から吐出する直前に浸漬ノズル内の流れを旋回させて、旋回流付与型浸漬ノズルと同等の吐出流の均等化や鋳型内流動の安定化に対する効果を得るようにするために、
円筒状のノズル本体における底部近傍の側面の対向位置に２つの吐出孔を有し、浸漬ノズル内下降流に円周方向の旋回流速を付与する旋回流付与機構を内部に有していない連続鋳造用浸漬ノズルであって、
前記吐出孔の幅をノズル本体底部の内径よりも小さくすると共に、水平面に投影した前記吐出孔側壁の中心線がノズル本体横断面の中心を通らず、かつ水平面に投影した２つの前記吐出孔をノズル本体横断面の中心に対して点対称に開孔したことを最も主要な特徴としている。
【０００９】
本発明では、円筒状のノズル本体の底部近傍に設ける２つの吐出孔を前記のように構成するので、浸漬ノズルの内部から吐出しようとする流れを旋回させる作用が生じる。従って、浸漬ノズル内の下降流に円周方向の旋回流速を付与する旋回流付与機構を有さなくても、旋回流付与型浸漬ノズルが有する吐出孔における流速分布の均等化や鋳型内流動の安定化の効果が生じる。
【００１０】
ここで旋回流付与機構とは、浸漬ノズルに内装された捩り板状の羽根や、浸漬ノズル本体の内壁に掘られた螺旋状の溝、あるいは電磁気力を利用した撹拌装置などをいう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、浸漬ノズルの内部から吐出しようとする流れを旋回させる作用が生じるので、浸漬ノズル内に旋回流付与機構を設けなくても、吐出孔における流速分布が均一で、鋳型内流動が安定する浸漬ノズルを得ることができる。従って、旋回流付与機構がもたらす非金属介在物による閉塞や、大がかりな電磁撹拌のような旋回流付与機構を用いる必要が無くなり、適用が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第２及び第３の本発明の連続鋳造方法に使用する本発明の浸漬ノズルを示した図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）の矢視Ｂ図である。
【図２】第１〜第３の本発明の連続鋳造方法に使用する本発明の浸漬ノズルを示した図１と同様の図である。
【図３】吐出流角度のみが図１と異なる浸漬ノズルに、旋回羽根を取付けた浸漬ノズルを示した図１と同様の図である。
【図４】図３に示した浸漬ノズルに取付けた旋回羽根を示した図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】吐出孔を横長とし、底部の内底面に衝立状突起を設けた浸漬ノズルを示した図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）の矢視Ｂ図、（ｄ）は（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】水平面に投影した際にノズル本体横断面の中心に設けた吐出孔が略正方形状の通常の浸漬ノズルを示した図１と同様の図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明では、旋回付与機構を使用しなくても、旋回流付与型浸漬ノズルと同等の吐出流の均等化や鋳型内流動の安定化に対する効果を得るようにするという目的を、吐出孔の開孔形状を工夫すること等によって実現した。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明について説明する。
本発明の連続鋳造用浸漬ノズルは、図１に示すように、円筒状のノズル本体１における底部１ａ近傍の側面１ｂの対向位置に、２つの吐出孔２を有し、浸漬ノズル内下降流に円周方向の旋回流速を付与する旋回流付与機構を内部に有さない浸漬ノズルである。
【００１５】
そして、吐出孔２の幅Ｗをノズル本体１の底部１ａの内径ｄよりも小さくしている。また、水平面に投影した吐出孔２の側壁２ａの中心線Ｌがノズル本体１の横断面の中心Ｃを通らず、かつ水平面に投影した２つの吐出孔２をノズル本体１の横断面の中心Ｃに対して点対称となる位置に開孔している。
【００１６】
本発明では、２つの吐出孔２を前記のようにノズル本体１に形成するので、浸漬ノズルに旋回流付与機構を有さなくとも、浸漬ノズルの内部から吐出しようとする流れに旋回作用が生じ、吐出孔２における流速分布の均等化や鋳型内流動の安定化が図れる。
【００１７】
本発明の浸漬ノズルは、旋回流形成手段を設ける場合ほどには強い旋回作用が得られないので、ノズル本体１の内部を流れる下降流がノズル本体１の内底面１ａａに当たって強い渦を生じ易くなる。ノズル本体１の底部１ａで強い渦が生じると、本発明のように吐出孔２の幅Ｗが浸漬ノズルの内径ｄに比べて比較的小さい場合には、吐出孔２における流速分布が不均一になり、吐出流の最大流速が過大となりやすく、鋳型内流動が乱れ易くなる。さらに、吐出孔２の形状と吐出流の流速分布が乖離し、本発明の意図通りに鋳型内流動を形成できなくなる場合がある。
【００１８】
そこで、ノズル本体１の底部１ａにおける渦の発生を抑えるため、図２に示すように、ノズル本体１の内底面１ａａに、前記内底面１ａａを二分する位置に衝立状突起３を設け、前記吐出孔２の側壁となすことが望ましい。この衝立状突起３は、水平面に投影した角度が０°もしくは２０°以下の方向に延び、長さＬ1が３０mm以上、幅Ｗ1が５mm〜１５mm、高さＨ1が１０mm〜４０mmにすることが必要である。
【００１９】
この衝立状突起３を設けることにより、浸漬ノズル内に旋回流発生機構を持たないゆえにノズル本体１の底部１ａで強い渦が発生しやすいという弱点を補うことができる。
【００２０】
前記衝立状突起３の延びる方向を、吐出孔２の側壁となす水平面に投影した角度が０°もしくは２０°以下とするのは、ノズル本体１の底部１ａで発生する渦の回転軸の方向が通常は吐出孔２の側壁２ａと平行だからである。すなわち、回転軸の方向が吐出孔２の側壁２ａと平行の渦を抑制するには、衝立状突起３の延びる方向が渦の回転軸の方向と同じ（すなわち前記角度が０°）にするのが最も好ましいからである。また、前記角度が０°でない場合にも両者がなす角度を２０°以下とすることによって、渦の発生を抑制する効果が発揮されるからである。
【００２１】
また、前記衝立状突起３の長さＬ1を３０mm以上とするのは、同長さＬ1が３０mm未満であると渦防止効果が不足するからである。同長さＬ1の上限値は、通常、浸漬ノズルの底部１ａの内径ｄとなる。また、同幅Ｗ1を５mm〜１５mmとするのは、５mm未満であると耐久性に劣り、１５mmを超えると渦防止効果が弱くなるからである。
【００２２】
なお、衝立状突起３の幅Ｗ1は高さＨ1方向の上から下まで同一であっても良いが、浸漬ノズルの製造を容易にする観点からは、上端部の幅が最も小さく下端部の幅が最も大きい形状とすることが望ましい。そのような場合には、幅Ｗ1の平均値が上記規定範囲に入ればよい。
【００２３】
また、同高さＨ1を１０mm〜４０mmとするのは、１０mm未満では渦抑制効果が不十分であり、４０mmを超えると耐久性が低下するとともに渦抑制効果がかえって弱まるからである。
【００２４】
前記衝立状突起３は、それによって隔てられたノズル本体１の底部１ａの面積が均等になるように、浸漬ノズルの底面を二分する位置に設けることが、渦抑制効果を高める観点から好ましい。
【００２５】
ノズル本体１の内底面１ａａを二分する位置に衝立状突起３を設けた浸漬ノズルは、２つの吐出流が鋳型の厚み方向に均等に開孔していないので、衝立状突起３により二分された内底面１ａａの一方の側に吐出孔２の一方が大きく開孔している（図２（ｂ）参照）。
【００２６】
また、衝立状突起３は吐出孔２の側壁２ａと概ね平行に設置され、通常、浸漬ノズルは吐出孔２の側壁２ａを鋳型の幅方向（鋳型長辺と平行）に設置するので、衝立状突起３は概ね鋳型の幅方向に設置されることになる。
【００２７】
従って、衝立状突起３を設けた本発明の浸漬ノズルを用いて連続鋳造する場合には、タンディッシュに備えたストッパーまたは鋳型幅方向に摺動するスライディングゲートにより、浸漬ノズルへの流量制御を行いつつ連続鋳造することが望ましい。これが第１の本発明の溶融金属の連続鋳造方法である。
【００２８】
この連続鋳造において、浸漬ノズル内の流量制御機構として、ストッパーまたは鋳型幅方向に摺動するスライディングゲートを採用することが望ましいのは、以下の理由による。
【００２９】
すなわち、浸漬ノズル内の下降流が鋳型の厚み方向に偏ると、衝立状突起３により二分された内底面１ａａのどちらか一方に下降流が偏り、この偏った内底面側に大きく開孔している吐出孔２からの吐出流が多くなり、鋳型内の偏流を引き起こすからである。
【００３０】
浸漬ノズル内の下降流が鋳型厚み方向に偏る現象は、鋳型厚み方向に摺動するスライディングゲートで浸漬ノズルに供給する溶融金属の流量を制御した場合に明確に生じるため、ストッパーまたは鋳型幅方向に摺動するスライディングゲートを用いるのである。
【００３１】
前記本発明の連続鋳造用浸漬ノズルを用いて溶融金属の連続鋳造を行うに際し、その効果をより明確に発揮させるためには、前記本発明の連続鋳造用浸漬ノズルに、更に以下の条件を加えることが望ましい。
【００３２】
すなわち、前記本発明の連続鋳造用浸漬ノズルの吐出孔２の幅Ｗを、ノズル本体１の底部１ａの内径ｄに対しＷ／ｄ＝０．３５〜０．８０の範囲とするのである。また、吐出孔２の上壁２ｂは、曲率半径Ｒが４０〜１５０mmの面で、図１又は図２に示すように、出口に向けて徐々にノズル本体１の底部１ａの内径部分が大きくなる形状、もしくは、下向２０°〜７５°の傾斜を有する面とするのである。さらに、吐出孔２の下壁２ｃは、上向７５°〜下向１５°の傾斜を有する面とし、吐出孔２の下壁２ｃの最も高い点から１０〜５０mm下方にノズル本体１の内底面１ａａを存在させるのである。
【００３３】
そして、連続鋳造に際しては、この連続鋳造用浸漬ノズルの、吐出孔出口における平均流速が０．５m／sec〜１．５m／secとなる条件で溶融金属を供給するのである。これが第２の本発明の溶融金属の連続鋳造方法である。
【００３４】
この第２の本発明方法において、使用する浸漬ノズルの吐出孔２の幅Ｗをノズル本体１の底部１ａの内径ｄに対しＷ／ｄ＝０．３５〜０．８０の範囲に規定するのは、Ｗ／ｄの値が０．８０を超えると、吐出しようとする流れを旋回させる作用が弱まるからである。Ｗ／ｄの上限値のより好ましい値は０．７、さらに好ましい値は０．６である。
【００３５】
本来、Ｗ／ｄの値は、小さくなるほど吐出しようとする流れが浸漬ノズル内で旋回流を形成する作用が強まって好ましいが、一方、Ｗ／ｄの値が０．３５未満となると吐出孔２の幅が小さくなりすぎて非金属介在物による閉塞を生じ易くなるので好ましくない。
【００３６】
また、吐出孔２の上壁２ｂの形状は、曲率半径Ｒが４０mm〜１５０mmの面で、出口に向けて徐々にノズル本体１の底部１ａの内径部分が広がるようにするのが最も好ましい。これは、ノズル本体１の底部１ａに当たって二つの吐出孔２に分配される流れが、吐出孔２の上壁２ｂから剥離することなく円滑に吐出するのに適した形状だからである。
【００３７】
その際、曲率半径Ｒが４０mmよりも小さいと、ノズル本体１の底部１ａの内径部分の広がりが急激過ぎて流れの剥離が生じ易くなる。反対に曲率半径Ｒが１５０mmよりも大きいと、吐出孔２の上壁２ｂ部の浸漬ノズルの肉厚が小さくなり過ぎて、耐火物の亀裂が生じ易くなる。発明者の調査結果によると、曲率半径Ｒのより好ましい範囲は、６０mm〜１２０mmである。
【００３８】
吐出孔２の上壁２ｂの形状を、前記のような曲面に成形することが難しい場合には、次善の策として、吐出孔２上壁２ｂを、下向２０°〜７５°の傾斜を有する平面としても良い。この角度が下向２０°よりも小さい場合は、吐出孔２の上壁２ｂからの流れの剥離が生じ易くなり、下向７５°よりも大きい場合は、遠心力に対して吐出孔２の上壁２ｂの傾斜が大き過ぎて、吐出しようとする流れが浸漬ノズル内に旋回流を形成する作用が弱まってしまう。
【００３９】
吐出孔２の上壁２ｂを、このような平面で構成する場合には、２段階もしくは３段階の複数の傾斜面を組み合わせて、曲率半径Ｒが４０mm〜１５０mmの曲面の形状に近づけることが好ましい。そのように複数の傾斜面を組み合わせた場合には、その平均角度が下向２０°〜７５°の範囲に入るようにする。発明者の調査結果によると、吐出孔２の上壁２ｂを傾斜面とする場合のより好ましい傾斜角は、下向４５°〜６０°である。
【００４０】
また、吐出孔２の下壁２ｃを上向７５°〜下向１５°の傾斜を有する面とするのは、吐出孔２の上壁２ｂの下向き角度（曲率半径Ｒを有する曲面の場合はその平均下向き角度）よりも小さくするか、もしくは上向きに成形することが、吐出孔２における流速分布を均等化する点で有利だからである。発明者の調査結果によると、吐出孔２の下壁２ｃの角度のより好ましい範囲は、上向３５°〜上向５°である。
【００４１】
また、吐出孔２の下壁２ｃの最も高い点から１０mm〜５０mm下方にノズル本体１の内底面１ａａを存在させるのは、前記内底面１ａａで跳ね上がって吐出孔２へ達する流れの存在が、２つの吐出孔２からの吐出流を均等に分配する作用を有するからである。
【００４２】
吐出孔２の下壁２ｃの最も高い点は、吐出孔２の下壁２ｃが下向きの角度を有する場合は、吐出孔２の下壁２ｃとノズル本体１の底部１ａの内径ｄが交わるライン上にある。また、吐出孔２の下壁２ｃが上向きの角度を有する場合は、吐出孔２の下壁２ｃとノズル本体１の底部１ａの外径が交わるライン上にある。
【００４３】
吐出孔２の下壁２ｃの最も高い点とノズル本体１の内底面１ａａとの高さの差が、１０mm未満の場合は、吐出流の分配を均等化する作用が十分ではなく、５０mmを超えると無用に浸漬ノズルの長さが長くなり、上記作用が低減してしまう。発明者の調査結果によると、吐出孔１の下壁１ｃの最も高い点とノズル本体１の内底面１ａａとの高さの差のより好ましい範囲は、１５mm〜３０mmである。
【００４４】
また、第２の本発明方法において、吐出孔２の出口の平均流速が０．５m／sec〜１．５m／secとなる条件で溶融金属を供給するのは、０．５m／sec未満の場合は溶融金属の流量に対して吐出孔２の面積が大きすぎ、吐出流速を均一に保つのが難しいからである。反対に、平均流速が１．５m／secを超えると鋳型内流動が乱れ易くなるからである。
【００４５】
吐出孔２の出口における平均流速は、浸漬ノズルが用いられる代表的条件における溶鋼の時間当り流量に応じて、吐出孔２の面積を適正な値に設計することによって、上記適正な範囲に調整することができる。なお、吐出孔２の出口における平均流速は、溶鋼の時間当り流量を吐出孔２の総開孔面積で除することによって求めることができる。
【００４６】
衝立状突起３を設けた本発明の浸漬ノズルが、さらに第２の本発明方法で規定する条件を満たすようにすれば、吐出孔２における流速分布が均一かつ安定する。例えばフルスケールの水モデル実験によって吐出孔２における流速分布を測定した場合、任意の３分間の時間平均流速が負、すなわち吸い込み流となる領域が存在しなかった。そして、任意の吐出孔２の出口の測定点における時間平均流速が、吐出孔２の出口全面の平均流速に対して、±５０％の範囲内になった。
【００４７】
前記±５０％の範囲内であると、部分的に過大な吐出流速が生じて鋳型内流動が乱されたり、吐出流速が部分的に小さすぎてアルミナ等の非金属介在物が付着するという問題を解消できる。
【００４８】
また、前記本発明の連続鋳造用浸漬ノズルに加えて、或いは、前記第２の本発明の連続鋳造方法に使用する連続鋳造用浸漬ノズルに加えて、更に以下の条件を加えた場合は、鋳型短辺での反転表面流を形成する流動パターンの安定化が図れる。
【００４９】
すなわち、前記本発明の連続鋳造用浸漬ノズルの吐出孔２を、高さＨが幅Ｗの１．５倍〜３．０倍である縦長形状とし、吐出流が流出する上下方向の角度が平均で下向１５°〜下向４５°となるようにするのである。
【００５０】
そして、吐出流が鋳型内における鋳型短辺から鋳型長辺の１／４の長さを隔てた地点（以下、鋳型内１／４幅という。）の鋳型短辺と平行な鉛直断面において形成する時間平均流速の極大値が、２０cm／sec〜６０cm／secの範囲内となるようにして溶融金属の連続鋳造を行うのである。これが第３の本発明の連続鋳造方法であるが、この第３の本発明の連続鋳造方法は、垂直鋳型を有するスラブの連続鋳造機を用いて実施する。
【００５１】
この第３の本発明方法において、使用する浸漬ノズルの吐出孔２の高さＨが幅Ｗの１．５倍〜３．０倍の縦長形状とするのは、スラブの連続鋳造機に適用するからである。すなわち、スラブの連続鋳造用鋳型の場合に吐出流が流出する領域は、幅が狭く上下方向に広い（すなわち幅は鋳型厚み−凝固シェル厚×２に相当する数１０cmで、上下方向には少なくとも深さ１０数mに亘って鋳片内に溶融金属が存在する）。従って、そのような領域の溶融金属に安定した流動を付加するには、吐出流もまた縦長であることが好ましいからである。
【００５２】
また、吐出流が流出する上下方向の角度が、平均で下向１５°〜下向４５°となるようにするのは、前記下向き角度が１５°よりも小さいと吐出流と鋳型短辺からの反転表面流との干渉が生じるからである。また、下向き角度が４５°よりも大きいと鋳型短辺近傍で上昇流が十分に形成されず、鋳型短辺からの反転表面流を維持することが難しいからである。
【００５３】
つまり、前記上下方向の角度が平均で下向１５°〜下向４５°となるようにすれば、鋳型短辺近傍に達した吐出流の一部が鋳型短辺に沿った上昇流となり、浸漬ノズルに向けて反転する表面流を形成するのに適するからである。この鋳型短辺での反転表面流を形成する流動パターンの安定化を第３の本発明方法では目指しているのである。
【００５４】
吐出流が流出する上下方向の角度は、吐出孔２の上壁２ｂや下壁２ｃの形状や角度、上壁２ｂや下壁２ｃの厚み、ノズル本体１の底部１ａの形状、吐出孔２の縦横比等の影響を受けて変化する。
【００５５】
一般的な傾向として、吐出孔２の上壁２ａや下壁２ｂの角度が下向きに大きいほど、前記上下方向の角度は大きな下向き角度を有する流れとなり、吐出孔２の上壁２ｂや下壁２ｃの厚みが大きいほど、吐出孔２の上壁２ｂや下壁２ｃの角度の影響を受け易くなる。
【００５６】
また、ノズル本体１の底部１ａの内底面１ａａが凹面状の場合は、吐出流の一部が上向きに跳ね上げられ、下向きの角度が小さくなる。このノズル本体１の底部１ａの内底面１ａａ形状の影響は、吐出孔２が横長であるほど大きく現れる。
【００５７】
上記の複雑な影響を推定することは容易でないので、フルスケールの水モデル実験によって実験的に求めることで、容易で誤差が小さい推定が可能になる。
【００５８】
発明者は、フルスケールの水モデル実験により、鋳型内１／４幅の鋳型短辺に平行な鉛直断面において吐出流が形成する流速分布を測定し、時間平均流速がピークとなる位置と、浸漬ノズルの吐出孔の位置関係から、吐出流が流出する上下方向の角度を求めた。むろん、精度の高い数値流動解析によっても同様の結果が得られることは言うまでもない。
【００５９】
ここで言う位置関係とは、高さ方向の位置関係と、鋳型幅方向の位置関係の総称である。吐出孔における流速分布を測定し、時間平均流速がピークとなる部位の高さを、浸漬ノズルの吐出孔の代表高さとして定義する。
【００６０】
本発明においては、このように実験的に求められる吐出流の上下方向流出角度が、適正な範囲内に収まるよう、試行錯誤を重ねて浸漬ノズルを設計するのである。
【００６１】
第３の本発明方法において、前記時間平均流速の極大値を２０cm／sec〜６０cm／secの範囲内とするのは、２０cm／sec未満では吐出流の運動エネルギーが小さすぎて鋳型内に安定した流動パターンを形成することができないからである。また、６０cm／secを超えると鋳型内の流動が激しくなり過ぎるからである。
【００６２】
ここで、前記の時間平均流速の極大値とは、例えばフルスケールの水モデル実験によって同断面内の流速分布を、測定点１点につき５分間測定し、その時間の平均値が最も大きくなる点における平均流速として得られる。むろん、精度の高い数値流動解析によっても同様の結果が得られることは言うまでもない。
【００６３】
前記の時間平均流速の極大値は、吐出孔における流速や吐出孔の横幅と鋳型厚みとの関係、吐出流の鋳型厚み方向への広がりの影響を受ける。一般的な傾向として、吐出孔における流速が大きいほど、前記の極大値も大きくなるが、鋳型厚みに対して吐出孔の横幅が大きい場合や、吐出流の鋳型厚み方向への広がりが大きい場合は、鋳型内１／４幅に到達するまでの間の減衰が大きくなる。
【００６４】
第３の本発明の連続鋳造方法では、このように実験的に求められる鋳型内１／４幅の鋳型長辺に垂直な鉛直断面において形成する時間平均流速の極大値が、適正な範囲内に収まるよう、試行錯誤を重ねて浸漬ノズルを設計するのである。
【００６５】
第３の本発明の連続鋳造方法において、垂直鋳型を有するスラブの連続鋳造機に、前記の浸漬ノズルを適用するのは、縦長の吐出孔から流出する縦長の吐出流が鋳型内の溶融金属を効率良く移動させて鋳型内流動パターンを形成するには、その流動形成領域すなわち鋳型が垂直であることが望ましいからである。
【００６６】
以下、本発明の効果を確認するために行った、実験結果について説明する。下記表１及び図１、図２に本発明の実施例を、下記表２及び図３〜図６に本発明の比較例を示す。
【００６７】
下記表１に記した吐出孔における最大流速及び吐出孔における最小流速とは、前記水モデル実験装置を用いて吐出孔における流速を吐出孔の幅方向と高さ方向の各５点、計２５点を各点３分間測定した各点の時間平均流速の中で最も大きな値と最も小さな値を示す。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
図１は実施例Ａを示した図であり、この実施例Ａの浸漬ノズルは、請求項１に係る発明の浸漬ノズル、請求項４、５に係る発明を実施する浸漬ノズルの要件を満たしたものである。
【００７１】
この実施例Ａは、吐出孔２での流速分布が均一となり、吐出流角度のみが実施例Ａと異なる浸漬ノズルに、図４に示す厚さ１３mmの板を１８０°捩った形状の旋回羽根４を設けた比較例Ｃの旋回流付与型浸漬ノズルの鋳型内流動と同等の安定したものとなった。しかも、旋回流付与機構（旋回羽根４）を設けていないので、ノズル閉塞に強いノズルとなった。
【００７２】
図２は実施例Ｂを示した図であり、この実施例Ｂの浸漬ノズルは、請求項１、２に係る発明の浸漬ノズル、請求項３〜５に係る発明を実施する浸漬ノズルの要件を全て満たしたものである。
【００７３】
この実施例Ｂは、請求項２で規定する衝立状突起３を設けているので、実施例Ａよりもさらに高いレベルの吐出孔２での流速分布の均一性及び安定性が得られた。また、第１の本発明の連続鋳造方法を満たすので、２つの吐出孔２への流量の分配が均等となって、実施例Ａおよび比較例Ｃと同様に優れた鋳型内流動の安定度が得られた。
【００７４】
実施例Ｂにおいて、仮に第１の本発明の連続鋳造方法を満たさない場合（スライディングゲートの摺動方向が鋳型厚み方向の場合）は、鋳型内流動は安定しても、２つの吐出孔２への流量の分配が不均等になり易くなる。従って、鋳型幅方向の流速が浸漬ノズルを挟んで一方で大きく、もう一方で小さい不均等な流速分布になり易い。
【００７５】
一方、図３に示した前記比較例Ｃは、浸漬ノズル内に旋回羽根４を有するので、本発明の実施例Ａ、Ｂと同等の安定した鋳型内流動が得られる。しかしながら、浸漬ノズル内に設けた旋回羽根４部において非金属介在物の付着による閉塞が発生し易くなる。
【００７６】
図５は比較例Ｄの浸漬ノズルで、水平面に投影した際にノズル本体１の横断面の中心に設けた吐出孔２を横長としたノズル本体１の底部１ａの内底面１ａａに衝立状突起３を設けたものである。この比較例Ｄは、衝立状突起３と横長の吐出孔２との相乗効果によって吐出孔２における流速分布の均一性が高いが、吐出孔２をさらに工夫して縦長とした本発明の実施例Ａ、Ｂに比べると、鋳型内流動の安定性において劣っていた。
【００７７】
図６は比較例Ｅの浸漬ノズルで、水平面に投影した際にノズル本体１の横断面の中心に設けた吐出孔２が、幅９０mm、高さ９５mmの略正方形状の通常の浸漬ノズルである。この比較例Ｅは、実施例Ａ、Ｂおよび比較例Ｃ、Ｄに比べて鋳型内流動は最も不安定であり、吐出孔２の流速分布は最も不均一であった。
【００７８】
本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７９】
１ ノズル本体
１ａ 底部
１ａａ 内底面
１ｂ 側面
２ 吐出孔
２ａ 側壁
２ｂ 上壁
２ｃ 下壁
３ 衝立状突起
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のノズル本体における底部近傍の側面の対向位置に２つの吐出孔を有し、浸漬ノズル内下降流に円周方向の旋回流速を付与する旋回流付与機構を内部に有していない連続鋳造用浸漬ノズルであって、
前記吐出孔の幅をノズル本体底部の内径よりも小さくすると共に、水平面に投影した前記吐出孔側壁の中心線がノズル本体横断面の中心を通らず、かつ水平面に投影した２つの前記吐出孔をノズル本体横断面の中心に対して点対称に開孔したことを特徴とする連続鋳造用浸漬ノズル。
【請求項２】
前記ノズル本体の内底面に、前記吐出孔の側壁となす、水平面に投影した角度が０°もしくは２０°以下の方向に延びた、長さが３０mm以上、幅が５mm〜１５mm、高さが１０mm〜４０mmの、底面を二分する衝立状突起を有することを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造用浸漬ノズル。
【請求項３】
タンディッシュに備えたストッパーまたは鋳型幅方向に摺動するスライディングゲートにより、請求項２に記載の連続鋳造用浸漬ノズルへの流量制御を行いつつ連続鋳造することを特徴とする溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項４】
吐出孔の幅Ｗがノズル本体底部の内径ｄに対しＷ／ｄ=０．３５〜０．８０の範囲にあり、吐出孔の上壁は曲率半径Ｒが４０〜１５０mmの面を出口に向けて徐々にノズル本体底部の内径部分が大きくなる形状、もしくは下向２０°〜７５°の傾斜を有する面で、吐出孔の下壁は上向７５°〜下向１５°の傾斜を有する面であり、吐出孔の下壁の最も高い点から１０〜５０mm下方にノズル本体の内底面がある、請求項１又は２に記載の連続鋳造用浸漬ノズルの、吐出孔出口における平均流速が０．５m／sec〜１．５m／secとなる条件で溶融金属を供給して連続鋳造することを特徴とする溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項５】
吐出孔は、高さＨが幅Ｗの１．５倍〜３．０倍である縦長形状で、吐出流が流出する上下方向の角度が平均で下向１５°〜下向４５°であり、吐出流が鋳型内における鋳型短辺から鋳型長辺の１／４の長さを隔てた地点の鋳型短辺と平行な鉛直断面において形成する時間平均流速の極大値が２０cm／sec〜６０cm／secの範囲内である、請求項１又は２に記載の連続鋳造用浸漬ノズル、又は請求項４に記載の連続鋳造方法に使用する連続鋳造用浸漬ノズルを、垂直鋳型を有するスラブの連続鋳造機に適用して溶融金属の連続鋳造を行うことを特徴とする溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項１】
円筒状のノズル本体における底部近傍の側面の対向位置に２つの吐出孔を有し、浸漬ノズル内下降流に円周方向の旋回流速を付与する旋回流付与機構を内部に有していない連続鋳造用浸漬ノズルであって、
前記吐出孔の幅をノズル本体底部の内径よりも小さくすると共に、水平面に投影した前記吐出孔側壁の中心線がノズル本体横断面の中心を通らず、かつ水平面に投影した２つの前記吐出孔をノズル本体横断面の中心に対して点対称に開孔したことを特徴とする連続鋳造用浸漬ノズル。
【請求項２】
前記ノズル本体の内底面に、前記吐出孔の側壁となす、水平面に投影した角度が０°もしくは２０°以下の方向に延びた、長さが３０mm以上、幅が５mm〜１５mm、高さが１０mm〜４０mmの、底面を二分する衝立状突起を有することを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造用浸漬ノズル。
【請求項３】
タンディッシュに備えたストッパーまたは鋳型幅方向に摺動するスライディングゲートにより、請求項２に記載の連続鋳造用浸漬ノズルへの流量制御を行いつつ連続鋳造することを特徴とする溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項４】
吐出孔の幅Ｗがノズル本体底部の内径ｄに対しＷ／ｄ=０．３５〜０．８０の範囲にあり、吐出孔の上壁は曲率半径Ｒが４０〜１５０mmの面を出口に向けて徐々にノズル本体底部の内径部分が大きくなる形状、もしくは下向２０°〜７５°の傾斜を有する面で、吐出孔の下壁は上向７５°〜下向１５°の傾斜を有する面であり、吐出孔の下壁の最も高い点から１０〜５０mm下方にノズル本体の内底面がある、請求項１又は２に記載の連続鋳造用浸漬ノズルの、吐出孔出口における平均流速が０．５m／sec〜１．５m／secとなる条件で溶融金属を供給して連続鋳造することを特徴とする溶融金属の連続鋳造方法。
【請求項５】
吐出孔は、高さＨが幅Ｗの１．５倍〜３．０倍である縦長形状で、吐出流が流出する上下方向の角度が平均で下向１５°〜下向４５°であり、吐出流が鋳型内における鋳型短辺から鋳型長辺の１／４の長さを隔てた地点の鋳型短辺と平行な鉛直断面において形成する時間平均流速の極大値が２０cm／sec〜６０cm／secの範囲内である、請求項１又は２に記載の連続鋳造用浸漬ノズル、又は請求項４に記載の連続鋳造方法に使用する連続鋳造用浸漬ノズルを、垂直鋳型を有するスラブの連続鋳造機に適用して溶融金属の連続鋳造を行うことを特徴とする溶融金属の連続鋳造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１１０６０３（Ｐ２０１１−１１０６０３Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７２０８３（Ｐ２００９−２７２０８３）
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
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