連続鋳造用浸漬ノズル及び連続鋳造方法
【課題】鋳造時間が経過しても、非金属介在物による閉塞が生じ難く、その効果を維持できるようにする。
【解決手段】ノズル本体１の内部を流下する下降流が旋回流である場合に使用する浸漬ノズルである。ノズル本体１の底部１ａ近傍の外周部１ｂに設けられた１対の側面孔２に加えて底部１ａに底孔３を設けると共に、前記側面孔２を穿った部分における任意のノズル本体横断面内に存在する孔が２つである。この浸漬ノズルを使用し、２０〜８０m3／hrの流量速度Ｑで浸漬ノズルから鋳型内へ溶融金属を供給する。
【効果】溶融金属を供給する流量速度が大きい場合であっても、鋳型内の流動を静穏に保って連続鋳造を行うことができ、モールドパウダーの巻き込み欠陥や凝固シェルの再溶解などの問題を改善できる。
【解決手段】ノズル本体１の内部を流下する下降流が旋回流である場合に使用する浸漬ノズルである。ノズル本体１の底部１ａ近傍の外周部１ｂに設けられた１対の側面孔２に加えて底部１ａに底孔３を設けると共に、前記側面孔２を穿った部分における任意のノズル本体横断面内に存在する孔が２つである。この浸漬ノズルを使用し、２０〜８０m3／hrの流量速度Ｑで浸漬ノズルから鋳型内へ溶融金属を供給する。
【効果】溶融金属を供給する流量速度が大きい場合であっても、鋳型内の流動を静穏に保って連続鋳造を行うことができ、モールドパウダーの巻き込み欠陥や凝固シェルの再溶解などの問題を改善できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造に使用する浸漬ノズル、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、溶融金属の流量速度が大きい場合にも鋳型内の溶融金属の流動を静穏に保ち、湯面におけるモールドパウダーの巻き込みや凝固シェルの再溶融を防止しようとするものである。具体的には、幅が１０００〜２５００mm、厚みが２００〜４００mmの横断面を有するスラブの連続鋳造に適する技術である。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造において、浸漬ノズルから鋳型内へ供給する溶融金属の流量速度が大きい場合は、鋳型内に激しい流動が生じ、鋳型内溶融金属の湯面におけるモールドパウダーの巻き込みや、一旦形成された凝固シェルの再溶解が生じる。このような品質や操業上の問題を防止するには、浸漬ノズルの有効吐出孔面積を拡大して吐出流速を低減することが有効である。
【０００３】
しかしながら、底部近傍の側面に１対の２つの吐出孔を有する通常の浸漬ノズルの吐出流は吐出孔の下部から集中的に流出するので、単に吐出孔面積を拡大するだけでは有効吐出孔面積の増大には繋がらない。
【０００４】
これは、通常の浸漬ノズルでは、ノズル本体の内部を流下してきた下降流がノズル本体の底部に強く当って流れの方向を変え、水平方向の流速ベクトルを付加する形態であることに起因する。
【０００５】
よって、ノズル本体の底部に新たな吐出孔（以下、底孔という。）を穿って有効吐出孔面積を拡大した場合、ノズル本体の内部を流下する下降流が前記底孔から集中的に吐出し、側面の吐出孔（以下、側面孔という。）には広範囲に吸い込み流が生じ易くなる。
【０００６】
このように、通常の浸漬ノズルのノズル本体の底部に、底孔を単に追加するだけでは、有効吐出孔面積の拡大に繋がらないばかりか、非金属介在物や気泡が底部に追加した底孔からの吐出流に乗って鋳片深くに持ち込まれる問題が生じる。
【０００７】
このような問題を回避しつつ有効吐出孔面積を拡大し、鋳型内流動を静穏に保つ浸漬ノズルとして、従来、例えば特許文献１，２で開示されている技術が知られている。
【０００８】
これらの技術は、浸漬ノズルのノズル本体の底部に設けたスリット状の開口に特徴がある。これは、スリット状の狭い流路を形成することによって流路壁の摩擦抵抗を利用して吐出流速を軽減しつつスリットの長さによって吐出孔面積を拡大することを狙いとしている。
【０００９】
このようなスリット状の開口と、独立もしくはスリットによって繋がった２つの側面孔を有する浸漬ノズルは、単に２つの側面孔を底部近傍の側面に有する通常の浸漬ノズルに比べて吐出孔の有効面積を拡大することができる。
【００１０】
しかしながら、スリット状の狭い流路はアルミナ等の非金属介在物の付着によって閉塞しやすく、鋳造時間の経過とともに、その効果が損なわれるという難点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第２７７８４５５号公報
【特許文献２】特許第３５９５４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする問題点は、特許文献１，２で開示された技術は、鋳造時間の経過とともに、スリット状の狭い流路が非金属介在物の付着によって閉塞しやすくなるので、その効果が損なわれるという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の連続鋳造用浸漬ノズルは、
鋳造時間が経過しても、非金属介在物による閉塞が生じ難く、その効果を維持できるようにするために、
ノズル本体の内部を流下する下降流が旋回流である場合に使用する浸漬ノズルであって、
ノズル本体の底部近傍の外周部に設けられた１対の側面孔に加えて底部に底孔を設けると共に、前記側面孔を穿った部分における任意のノズル本体横断面内に存在する孔が２つであることを最も主要な特徴としている。
【００１４】
本発明は、ノズル本体の内部を流下する下降流が旋回流である場合に使用する浸漬ノズルであるので、下降流は旋回流に作用する遠心力によって水平方向の流速ベクトルを付加され、底孔のみならず側面孔からも吐出する。従って、底孔に分配される流れが減少し、側面孔と底孔との吐出流量のバランスが改善される。
【００１５】
そして、本発明では、スリット状の狭い流路でない底孔を用いて有効吐出孔面積を拡大するので、非金属介在物による閉塞が生じ難く、鋳造時間が経過してもその効果を維持することができる。
【００１６】
すなわち、ノズル本体の内部を流下する下降流が旋回流である場合に限って、１対の側面孔に加えて、単に底孔を追加するという、本発明の浸漬ノズル設計が合理的に成立するのである。
【００１７】
上記本発明の浸漬ノズルを使用した場合、浸漬ノズルから鋳型内に供給する溶融金属の流量速度が２０〜８０m3／hrの場合でも、鋳型内流動を静穏に保って連続鋳造することができる。これが本発明の連続鋳造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、浸漬ノズルから鋳型内に供給する溶融金属の流量速度が大きい場合であっても、鋳型内の流動を静穏に保って連続鋳造を行うことができるので、モールドパウダーの巻き込み欠陥や凝固シェルの再溶解などの問題を改善することができる。
【００１９】
さらに、本発明は、鋳型内に水平方向の電磁撹拌流を形成する場合にも、電磁撹拌が形成する流れと浸漬ノズルからの吐出流との干渉を抑制することが可能となり、溶融金属の連続鋳造に幅広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】発明例Ａ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Ｂ−Ｂ矢視図である。
【図２】発明例Ｃ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Ｂ−Ｂ矢視図である。
【図３】発明例Ｆ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Ｂ−Ｂ矢視図である。
【図４】発明例Ｇ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Ｂ−Ｂ矢視図である。
【図５】比較例Ｏの浸漬ノズルを示した図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明では、鋳造時間が経過しても、非金属介在物による閉塞が生じ難く、その効果を維持できるようにするという目的を、浸漬ノズルのノズル本体内部を流下する下降流が旋回流である場合に限って、１対の側面孔に単に底孔を追加することによって実現した。
【実施例】
【００２２】
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、ノズル本体の内部を流下する旋回流を利用して、ノズル本体底部近傍の外周部に穿った１対の側面孔と底部に穿った底孔とに分配する溶融金属流の割合を調整するという、新たな思想に基づき成されたものである。
【００２３】
すなわち、本発明の連続鋳造用浸漬ノズルは、例えば図１に示すように、円筒状のノズル本体１の底部近傍の外周部１ｂに穿った１対の側面孔２に加えて、底部１ａに底孔３を穿ったものである。そして、この側面孔２を穿った部分における任意のノズル本体横断面内に存在する孔が２つであるものである。
【００２４】
なお、本発明の連続鋳造用浸漬ノズルにおいて、ノズル本体１の内部を流下する下降流を旋回流とする態様は特に限定されないが、例えばノズル本体１の基端側内部に羽根を取付け、この羽根を通過する際に下降流に旋回を付与するもの等がある。また、タンディッシュの底部に設ける孔を斜め状とし、この孔から浸漬ノズルに溶鋼を供給することで浸漬ノズルの下降流に旋回を与えるものでも良い。
【００２５】
本発明において、「１対の側面孔」とは、通常は２つの吐出孔を指すが、縦長の側面孔を上下で分割した４つ以上の吐出孔を有する形態であっても良い。
【００２６】
また、「任意のノズル本体横断面内に存在する孔が２つ」であるとは、任意のノズル本体横断面に側面孔を４つ有するような形態を含まないことを指す。
【００２７】
これは、任意のノズル本体横断面に２つの側面孔を有する場合には、側面孔からの吐出流を鋳型長辺面に平行に流出させることができるが、任意のノズル本体横断面に４つ以上の側面孔が存在すると、鋳型長辺面に向かう吐出流が形成されることを避け難いからである。
【００２８】
本発明の連続鋳造方法のように、浸漬ノズルから鋳型内に供給する溶融金属の流量速度が２０〜８０m3／hrの範囲の条件下で適用する場合には、鋳型長辺面へ向かう吐出流が形成されると、凝固シェルの再溶融を招いてしまうので、好ましくない。
【００２９】
また、「側面孔を底部近傍の外周部に穿つ」とは、具体的には、側面孔の下端がノズル本体の外周面の底から２００mm以内の高さに存在するように穿つことを意味する。側面孔の下端からノズル本体の外周面の底までの距離が無用に大きいことは、耐火物の無駄となるからである。
【００３０】
上記本発明の浸漬ノズルにあっては、側面孔２を穿った部分におけるノズル本体１の内径Ｄmはφ４０〜φ１２０mm、側面孔２の平均幅Ｗは２０〜１００mm、総高さＨは３０〜２５０mm、底孔３の円相当最低直径Ｄbはφ２０〜φ１００mmとすることが望ましい。
【００３１】
加えて、側面孔２の平均幅Ｗと側面孔２を穿った部分におけるノズル本体１の内径Ｄmとの比Ｗ／Ｄmが０．３〜０．９、底孔３の円相当最低直径Ｄbと側面孔２を穿った部分におけるノズル本体１の内径Ｄmとの比Ｄb／Ｄmが０．２〜０．９、底孔３の開孔面積Ａbと側面孔２の総開孔面積Ａsとの比Ａb／Ａsが０．０２〜０．８０とすることが望ましい。これが本発明の請求項２に係る発明である。
【００３２】
なお、底孔３の開孔面積Ａbはπ（Ｄm／２）2で、また、側面孔２の総開孔面積Ａsは２ＷＨで求められることは言うまでもない。
【００３３】
ノズル本体１の内部を流下する下降流が旋回流である場合には、ノズル本体１の内径Ｄmに対して側面孔２の平均幅Ｗが小さいことが望まれる。これは、側面孔２の平均幅Ｗがノズル本体１の内径Ｄmと同じ、若しくは大きい場合には、旋回流の影響によって吐出流が水平面上で広がり、吐出流の一部が鋳型長辺に向かうことになって鋳型長辺側の凝固シェルの成長を妨げるからである。
【００３４】
側面孔２を穿った部分におけるノズル本体１の内径Ｄmがφ４０〜φ１４０mmが望ましいのは、内径Ｄmがφ４０mm未満の場合は非金属介在物等による閉塞が生じ易くなるからである。一方、φ１４０mmよりも大きいと浸漬ノズルが巨大になって耐火物コストの上昇や取り扱い上の困難を引き起こすからである。
【００３５】
また、側面孔の平均幅Ｗが２０〜１００mmが望ましいのは、２０mm未満であると非金属介在物等による閉塞が生じ易くなるからであり、また１００mmを超えるほど大きい平均幅は不要であるし、前記平均幅の増大に伴う浸漬ノズル使用時の亀裂発生リスクが増すからである。
【００３６】
また、側面孔の総高さＨが３０〜２５０mmの範囲が望ましいのは、３０mm未満であると非金属介在物等による閉塞が生じ易くなるからであり、また２５０mmを超えるほど大きい高さは不要であるし前記総高さの増大に伴う浸漬ノズル使用時の亀裂発生リスクが増すからである。
【００３７】
ここで、「側面孔の総高さＨ」とは、１対２つの側面孔を有する場合には、その最大開孔高さを指し、縦長の側面孔を上下に分割している場合には、上下２つの孔の最大高さの和を指す。「開孔高さ」とは、側面孔出口（すなわちノズル本体の外周面）における孔の高さを言う。
【００３８】
また、底孔の最低直径Ｄbがφ２０〜φ１００mmの範囲が望ましいのは、φ２０mm未満であると非金属介在物等による閉塞が生じ易くなるからであり、φ１００mmを超えるほど大きい底孔は不要であるし、浸漬ノズル径の無用な増大を招くからである。
【００３９】
前記Ｗ／Ｄmを０．３〜０．９の範囲とするのが望ましいのは、０．３未満としても、吐出流の広がり抑制効果の向上は殆ど見込めないので、意味がないからである。反対に０．９を超える場合は、上記のように吐出流が大きく広がる弊害が顕著になるからである。Ｗ／Ｄのより好ましい範囲は、０．４〜０．８である。
【００４０】
また、前記Ｄb/Ｄmを０．９以下とするのは、ノズル本体の内径Ｄmよりも底孔の径Ｄbを規定の比率で小さく絞ることによって側面孔上部における吸い込み流の発生を防止できるからである。また、前記Ｄb／Ｄmを０．２以上とするのは、０．２未満の場合は、逆に側面孔下部における吸い込み流が発生しやすくなるからである。
【００４１】
このように、前記Ｄb／Ｄmは、側面孔における吸い込み流の発生を防止する設計因子である。ここで、底孔３の径Ｄbを最低直径で規定するのは、例えば図１に示すように、底孔３がノズル本体１の内部から外部に向かって徐々に径を拡大する場合を想定している。
【００４２】
そのような場合には、最低直径Ｄbと側面孔を穿った部分におけるノズル本体の内径Ｄmとの比Ｄb／Ｄmが側面孔における吸い込み流の防止という底孔の機能を主に規定するからである。また、Ｄbを円相当径として規定するのは、底孔３の横断面が楕円形状や矩形形状である場合に、それと面積を同じくする円の直径をＤbと定めることを意味する。
【００４３】
また、前記Ａb／Ａsは、大まかに底孔と側面孔からの吐出流量と吐出流速を規定している。Ａb／Ａsを０．０２〜０．８０の範囲としたのは、０．０２未満であると底孔からの吐出流量が小さくなって底孔による鋳型内流動静穏化作用が損なわれるからである。また逆に、側面孔からの吐出流速は増大し、気泡や非金属介在物がストランド深くまで持ち込まれてしまうからである。一方、Ａb／Ａsが０．８０よりも大きいと、底孔からの吐出流量が大きくなる一方、側面孔からの吐出流が不足し、鋳型内への溶融金属分配が浸漬ノズル直下に偏り、側面孔からの吐出流が担っている鋳型内湯面への熱供給が不足するからである。
【００４４】
また、前記本発明においては、前記側面孔２は、浸漬ノズルの中心軸に対して軸対称に配置し、前記底孔３は、浸漬ノズルの中心軸を中心とした円断面を有するものとすることが望ましい。これが本発明の請求項３に係る発明である。
【００４５】
側面孔２を、浸漬ノズルの中心軸を通る平面に対して面対称ではなく、浸漬ノズルの中心軸に対して軸対称に配置することは、旋回流を円滑に吐出させるのに有効だからである。側面孔２を浸漬ノズルの中心軸に対して軸対称に配置した場合、ノズル本体横断面における側面孔２の両側壁の長さに差が生じる。請求項３に係る発明では、側面孔２の長い方の側壁２ａが旋回流の上流側になるよう配置するのである。
【００４６】
最も好ましいのは、側面孔２の長い方の側壁２ａが円断面であるノズル本体１の内周壁の接線と一致するよう配置する場合である。このとき、ノズル本体１の内周壁に沿った旋回流が円滑に側面孔２へと流れる。
【００４７】
また、底孔３は、旋回流の周方向流速成分の減衰を抑制する観点から、浸漬ノズルの中心軸を中心とした円断面となるように鉛直に穿つべきである。
【００４８】
前記本発明の浸漬ノズルを使用する溶融金属の連続鋳造においては、浸漬ノズルから鋳型内に供給する溶融金属の流量速度Ｑを２０〜８０m3／hrとする。これが本発明の溶融金属の連続鋳造方法である。
【００４９】
浸漬ノズルから鋳型内に供給する溶融金属の流量速度Ｑが２０m3／hr未満の場合には、本発明の浸漬ノズルを使用してまで鋳型内流動を静穏化する必要が無いからである。また、前記流量速度Ｑが８０m3／hrを超えると、本発明の浸漬ノズルを使用しても鋳型内流動を静穏に保つことは難しいからである。
【００５０】
前記本発明の連続鋳造方法にあっては、前記側面孔直上における旋回流の平均周方向流速Ｖと平均下降流速Ｕとの比Ｖ／Ｕと、前記側面孔の総高さＨ、前記側面孔の平均幅Ｗ、前記側面孔を穿った部分のノズル本体内径Ｄmとの関係が下記式を満たすことが望ましい。これが請求項５に係る発明である。
０．２＜［Ｈ／｛（π・Ｄm−２Ｗ）／２｝］×（Ｖ／Ｕ）＜３．５
【００５１】
ここで、「側面孔直上」とは、ノズル本体の外周部に穿たれた側面孔を形成する上下左右の壁面の内、上壁がノズル本体の内面に交わる線の上端から上方５０mm以内の領域を指す。
【００５２】
前記式のＨ／｛（π・Ｄm−２Ｗ）／２｝は、側面孔の高さと、側面孔に挟まれたノズル本体の内周壁の周長との比を、簡易的に表す指数である。
【００５３】
旋回流の周方向流速と下降流速との比Ｖ／Ｕが大きい、すなわち旋回が強い場合には、前記指数を小さく、すなわち側面孔の高さを低くしたり幅を狭くすることによって、遠心力によって分配される側面孔への吐出流の分配比率が過大になることや側面孔上部に吐出流が偏ることを抑制できる。
【００５４】
また逆に、前記比Ｖ/Ｕが小さい、すなわち旋回が弱い場合には、前記指数を大きくする、すなわち側面孔の高さを高くしたり幅を広くすることによって、側面孔への吐出流の分配比率を高めることができる。
【００５５】
すなわち、［Ｈ／｛（π・Ｄm−２Ｗ）／２｝］×（Ｖ／Ｕ）の値を０．２以上、３．５以下の範囲に規定することによって、側面孔と底孔への吐出流の分配比を適正化し、側面孔において上下方向の吐出流速分布を均一化することができる。
【００５６】
このような前記式を指標とした調整と、請求項２の規定との組み合わせは、本発明による旋回流を活かした浸漬ノズル設計に多面的な指針を与え、適正な設計を可能にするものである。
【００５７】
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１，２及び図１〜図４に本発明の実施例を、下記表３及び図５に本発明の比較例を示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
【表３】
【００６１】
表１〜３において、「鋳型内流速指数」における「鋳型内流速」とは、浴深さが３mの、規定の断面サイズを有する連続鋳造鋳型の実物大水モデル実験装置において、それぞれの浸漬ノズルに規定のノズル本体内流れを与えて水を供給し、鋳型内１/４幅および３/４幅で１/２厚さ位置での水面下５０mmにおける流速を、プロペラ流速計を用いて０．５秒ピッチで１５分間測定した平均値をいう。そして、この鋳型内流速が１２cm／s未満であるときを甲、１２cm／s以上、１８cm／s未満であるときを乙、１８cm／s以上であるときを丙と定義した。なお、浸漬ノズルに設けた側面孔の上端よりも５０〜２００mm上方に鋳型内水面を維持するように、水を注入した。
【００６２】
また、「鋳型内流動安定度」とは、上記と同じ水モデル実験を行って０．５秒ピッチで１５分間測定したデータを５秒毎に平均化し、５秒ピッチで１５分間のデータの標準偏差を平均値で除した値で、この値が０．３０未満の場合を甲、０．３０以上、０．３５未満の場合を乙、０．３５以上の場合を丙と定義した。
【００６３】
表１のＡ〜Ｅは、本発明の請求項１〜５に規定する条件の全てを満たす実施例である。これら実施例Ａ〜Ｅの浸漬ノズルを、表１に記載した浸漬ノズル内旋回流と組み合わせて使用すると、鋳型内流動を静穏に保つ連続鋳造が実現する。
【００６４】
実施例Ａの浸漬ノズルを図１に示す。実施例Ａの浸漬ノズルでは、側面孔２は浸漬ノズルの中心軸に対して軸対称に穿たれている。その際、浸漬ノズル内の下降流が、図１（ｂ）に矢印で示す旋回方向と側面孔２の開孔形態との対比から明らかなように、側面孔２の長い方の側壁２ａが旋回流の上流側になるように側面孔２を穿っている。さらに、側面孔２は、側面孔２の長い方の側壁２ａが円断面であるノズル本体１の内周壁の接線と一致するよう穿っている。これは、ノズル本体１の内周壁に沿って回転する旋回流が円滑に側面孔２を通じて流出する形態である。他の実施例Ｂ〜Ｅの場合も、側面孔２を同様の形態で穿っている。
【００６５】
実施例Ｃの浸漬ノズルを図２に示す。実施例Ｃの浸漬ノズルは、１８０mmの総高さＨの側面孔２を、出口側の高さが９０mmの２段の孔で形成し、これら２段の孔間には上下方向の厚みが１５mmの隔壁２ｂが存在している。
【００６６】
このように側面孔２を上下に分割する場合には、その間に１０〜３０mmの厚さの隔壁２ｂを設ける。前記厚みが１０mm未満の場合は強度や耐久性に問題があり、３０mmを超えると浸漬ノズルが無用に長くなるからである。
【００６７】
なお、実施例Ｂの浸漬ノズルの場合、側面孔２の平均幅Ｗが７０mmと大きい反面、総高さＨが１６０mmと低いことを除き、実施例Ｃと同じ形状の隔壁で側面孔の出口側の高さを２等分している。
【００６８】
表２のＦは、本発明の請求項１，２，４，５に規定する条件を満たす実施例である。
この実施例Ｆの浸漬ノズルを図３に示す。
【００６９】
実施例Ｆは、前記実施例Ａ〜Ｅに勝るとも劣らない鋳型内流動静穏化効果を有する。しかしながら、実施例Ｆは、側面孔２が面対称に穿たれているので、浸漬ノズル内の旋回流が側面孔２を通じて流出する過程において、実施例Ａ〜Ｅに比べて渦や淀みを生じ易く、側面孔２の非金属介在物による閉塞が生じ易い。
【００７０】
但し、側面孔の開孔形態が通常の浸漬ノズルと類似していることから、製造現場における浸漬ノズル取り付け上のミスが生じるおそれや、オペレーターの心理的な不安が小さいという利点がある。
【００７１】
表２のＧは、本発明の請求項１，２，４，５に規定する条件を満たす実施例である。
この実施例Ｇの浸漬ノズルを図４に示す。
【００７２】
実施例Ｇは、前記実施例Ａ〜Ｅに勝るとも劣らない鋳型内流動静穏化効果を有する。しかしながら、実施例Ｇは、矩形の底孔３が対称に穿たれているので、浸漬ノズル内の旋回流が底孔３を通じて流出する過程において、実施例Ａ〜Ｅに比べて渦や淀みを生じ易く、底孔３の非金属介在物による閉塞が生じ易い。
【００７３】
また、底孔３を通過する際に旋回流の周方向流速が大きく減衰するので、底孔３からの吐出流が遠心力によって広がる作用が弱まる。その結果、底孔３からの吐出流が鋳片深くまで侵入し、非金属介在物や気泡が鋳片深くに持ち込まれる点で、実施例Ａ〜Ｆに劣る。
【００７４】
表２のＨは、本発明の請求項１，２，３に規定する条件を満たす実施例である。
この実施例Ｈの浸漬ノズルは、実施例Ｄの浸漬ノズルと同じ形状であり、十分な鋳型内流動静穏化効果を有する。
【００７５】
しかしながら、実施例Ｈの浸漬ノズルを使用した連続鋳造では、流量速度Ｑが請求項４で規定する下限値よりも小さいので、本発明の浸漬ノズルを使用して鋳型内流動を静穏化する必要がない例である。逆に、このような流量速度Ｑが小さい場合に本発明の浸漬ノズルを用いると、鋳型内湯面の温度が低下する問題が生じるので、鋳型内電磁撹拌を合わせて適用するなどの対策が必要となる。
【００７６】
表２のＩは、本発明の請求項１，２，３に規定する条件を満たす実施例である。
この実施例Ｉの浸漬ノズルは、実施例Ｅの浸漬ノズルと同じ形状であり、鋳型内流動を静穏に保つ作用を有する。
【００７７】
しかしながら、実施例Ｉの浸漬ノズルを使用した連続鋳造では、請求項４で規定する範囲に比べて流量速度Ｑが過剰に大きいので、本発明の浸漬ノズルを使用しても鋳型内流速の抑制が十分ではない例である。それでも、後述の比較例Ｎに示すような、底孔を穿たない従来の２孔の浸漬ノズルを用いる場合に比べると、鋳型内の流速を低下することができる。
【００７８】
表１，２には、浸漬ノズルを溶鋼の連続鋳造に使用する具体的な例を合わせて示している。具体的には、規定サイズのスラブ連続鋳造鋳型内に、溶鋼と動粘度が同等の水を、これらの浸漬ノズルを使用して注入した場合の、鋳型内流動を測定した結果を評価して示している。
【００７９】
前記実施例Ａ〜Ｇは、鋳型内流速指数、鋳型内流動安定度ともに評価は甲と良好であった。
【００８０】
一方、流量速度Ｑが請求項４で規定する下限値よりも小さい実施例Ｈでは、鋳型内流速は十分に小さく鋳型内流速指数は甲と良好であるが、鋳型内流動安定度はやや劣る乙であった。これは、鋳型内流動が停滞し、流動パターンが定まり難かったことに起因すると推定されるが、鋳型内流速の絶対値が小さいので問題とはならない。
【００８１】
また、流量速度Ｑが請求項４で規定する範囲よりも大きい実施例Ｉでは、鋳型内流速を十分に下げることが難しく、鋳型内流速指数は乙とやや劣る結果であった。
【００８２】
表３のＪおよびＫは、それぞれ実施例Ａおよび実施例Ｄと同じ浸漬ノズルであるが、浸漬ノズル内の下降流が旋回流でない比較例である。
【００８３】
これらの比較例ＪおよびＫは、浸漬ノズル内の下降流に遠心力が作用しないので、側面孔への吐出流の分配が不足し、底孔からの吐出流速が大きくなる例である。これらの比較例ＪおよびＫの場合、側面孔の上部では吸い込み流が発生する。
【００８４】
側面孔への吐出流の分配が不足する結果、鋳型内湯面への熱移送が不足し、鋳型内湯面の温度低下に起因する様々な問題が生じることになる。様々な問題とは、非金属介在物や気泡の浮上分離が阻害されることや、モールドパウダーの溶融不良などである。
【００８５】
また、底孔からの吐出流速が大きくなると、非金属介在物や気泡が鋳片深くにまで持ち込まれて欠陥になるという問題が生じる。
【００８６】
これらの比較例ＪおよびＫは、鋳型内流速は十分に小さく鋳型内流速指数は甲と良好であるが、上述のように湯面への熱移送が不足する問題が大きい。また、鋳型内流動安定度が丙と劣るのは、一定の流動パターンが形成されないからであると推定される。
【００８７】
表３のＬおよびＭは、それぞれ実施例Ａおよび実施例Ｄに対して浸漬ノズルの底孔が無い形状の浸漬ノズルを用いた例である。これらの比較例ＬおよびＭは、浸漬ノズル内の旋回流の作用によって、側面孔からの吐出流が均一かつ均等になる利点はあるものの、底孔が無いので、本発明の実施例ＡおよびＤのように、鋳型内流動を静穏化することはできない。
【００８８】
これらの比較例ＬおよびＭは、底孔に一定の吐出流を分配することができないので、鋳型内に強い流動が形成され、鋳型内流速指数は丙と劣る結果となった。一方、浸漬ノズル内の旋回流が有する遠心力が側面孔からの吐出流を安定に分配するので、鋳型内流動は安定し、鋳型内流動安定度は良好な甲であった。
【００８９】
表３のＮは、浸漬ノズル内の下降流が旋回流でなく、面対称に開孔した側面孔を有する通常の２孔浸漬ノズルを用いた、一般的な鋳型内給湯方法を示す比較例である。この比較例Ｎは、底孔の効果も旋回流の効果も得られないので、鋳型内流動の乱れが大きくなる。
【００９０】
この比較例Ｎは、底孔が無いので、側面孔からの吐出流が強い鋳型内流動を形成し、鋳型内流動指数は丙と劣る結果になった。また、浸漬ノズル内下降流に遠心力が作用しないので、側面孔からの吐出流は乱れが大きく、鋳型内流動安定度が丙と劣る結果になった。
【００９１】
表３のＯは、浸漬ノズル内の下降流が旋回流であり、側面孔と底孔を有する点は本発明の実施例と同じであるが、図５に示すように側面孔２が同一高さで周方向に４つ開孔している点が異なる比較例である。
【００９２】
側面孔が周方向に４つ開孔していると、側面孔からの吐出流が鋳型長辺側の凝固シェルに衝突して再溶解を誘発する問題が生じる。
【００９３】
この比較例Ｏは、鋳型内流速指数および鋳型内流動安定度はともに甲と良好であったが、上述の凝固シェルの再溶解が問題となるので、実用に供することは難しい。
【００９４】
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。
【００９５】
例えば、本発明においては、浸漬ノズルの外径は特に規定しないが、耐火物の強度を確保し、かつ無駄な重量増加を避ける観点から、壁の厚みが１５〜３５mmの範囲になるよう浸漬ノズルの外径を定めるのが好ましい。また、浸漬ノズル底壁の厚みも同様に、１５〜３５mmの範囲とするのが好ましい。
【符号の説明】
【００９６】
１ ノズル本体
１ａ 底部
１ｂ 外周部
２ 側面孔
３ 底孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造に使用する浸漬ノズル、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、溶融金属の流量速度が大きい場合にも鋳型内の溶融金属の流動を静穏に保ち、湯面におけるモールドパウダーの巻き込みや凝固シェルの再溶融を防止しようとするものである。具体的には、幅が１０００〜２５００mm、厚みが２００〜４００mmの横断面を有するスラブの連続鋳造に適する技術である。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造において、浸漬ノズルから鋳型内へ供給する溶融金属の流量速度が大きい場合は、鋳型内に激しい流動が生じ、鋳型内溶融金属の湯面におけるモールドパウダーの巻き込みや、一旦形成された凝固シェルの再溶解が生じる。このような品質や操業上の問題を防止するには、浸漬ノズルの有効吐出孔面積を拡大して吐出流速を低減することが有効である。
【０００３】
しかしながら、底部近傍の側面に１対の２つの吐出孔を有する通常の浸漬ノズルの吐出流は吐出孔の下部から集中的に流出するので、単に吐出孔面積を拡大するだけでは有効吐出孔面積の増大には繋がらない。
【０００４】
これは、通常の浸漬ノズルでは、ノズル本体の内部を流下してきた下降流がノズル本体の底部に強く当って流れの方向を変え、水平方向の流速ベクトルを付加する形態であることに起因する。
【０００５】
よって、ノズル本体の底部に新たな吐出孔（以下、底孔という。）を穿って有効吐出孔面積を拡大した場合、ノズル本体の内部を流下する下降流が前記底孔から集中的に吐出し、側面の吐出孔（以下、側面孔という。）には広範囲に吸い込み流が生じ易くなる。
【０００６】
このように、通常の浸漬ノズルのノズル本体の底部に、底孔を単に追加するだけでは、有効吐出孔面積の拡大に繋がらないばかりか、非金属介在物や気泡が底部に追加した底孔からの吐出流に乗って鋳片深くに持ち込まれる問題が生じる。
【０００７】
このような問題を回避しつつ有効吐出孔面積を拡大し、鋳型内流動を静穏に保つ浸漬ノズルとして、従来、例えば特許文献１，２で開示されている技術が知られている。
【０００８】
これらの技術は、浸漬ノズルのノズル本体の底部に設けたスリット状の開口に特徴がある。これは、スリット状の狭い流路を形成することによって流路壁の摩擦抵抗を利用して吐出流速を軽減しつつスリットの長さによって吐出孔面積を拡大することを狙いとしている。
【０００９】
このようなスリット状の開口と、独立もしくはスリットによって繋がった２つの側面孔を有する浸漬ノズルは、単に２つの側面孔を底部近傍の側面に有する通常の浸漬ノズルに比べて吐出孔の有効面積を拡大することができる。
【００１０】
しかしながら、スリット状の狭い流路はアルミナ等の非金属介在物の付着によって閉塞しやすく、鋳造時間の経過とともに、その効果が損なわれるという難点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第２７７８４５５号公報
【特許文献２】特許第３５９５４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする問題点は、特許文献１，２で開示された技術は、鋳造時間の経過とともに、スリット状の狭い流路が非金属介在物の付着によって閉塞しやすくなるので、その効果が損なわれるという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の連続鋳造用浸漬ノズルは、
鋳造時間が経過しても、非金属介在物による閉塞が生じ難く、その効果を維持できるようにするために、
ノズル本体の内部を流下する下降流が旋回流である場合に使用する浸漬ノズルであって、
ノズル本体の底部近傍の外周部に設けられた１対の側面孔に加えて底部に底孔を設けると共に、前記側面孔を穿った部分における任意のノズル本体横断面内に存在する孔が２つであることを最も主要な特徴としている。
【００１４】
本発明は、ノズル本体の内部を流下する下降流が旋回流である場合に使用する浸漬ノズルであるので、下降流は旋回流に作用する遠心力によって水平方向の流速ベクトルを付加され、底孔のみならず側面孔からも吐出する。従って、底孔に分配される流れが減少し、側面孔と底孔との吐出流量のバランスが改善される。
【００１５】
そして、本発明では、スリット状の狭い流路でない底孔を用いて有効吐出孔面積を拡大するので、非金属介在物による閉塞が生じ難く、鋳造時間が経過してもその効果を維持することができる。
【００１６】
すなわち、ノズル本体の内部を流下する下降流が旋回流である場合に限って、１対の側面孔に加えて、単に底孔を追加するという、本発明の浸漬ノズル設計が合理的に成立するのである。
【００１７】
上記本発明の浸漬ノズルを使用した場合、浸漬ノズルから鋳型内に供給する溶融金属の流量速度が２０〜８０m3／hrの場合でも、鋳型内流動を静穏に保って連続鋳造することができる。これが本発明の連続鋳造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、浸漬ノズルから鋳型内に供給する溶融金属の流量速度が大きい場合であっても、鋳型内の流動を静穏に保って連続鋳造を行うことができるので、モールドパウダーの巻き込み欠陥や凝固シェルの再溶解などの問題を改善することができる。
【００１９】
さらに、本発明は、鋳型内に水平方向の電磁撹拌流を形成する場合にも、電磁撹拌が形成する流れと浸漬ノズルからの吐出流との干渉を抑制することが可能となり、溶融金属の連続鋳造に幅広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】発明例Ａ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Ｂ−Ｂ矢視図である。
【図２】発明例Ｃ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Ｂ−Ｂ矢視図である。
【図３】発明例Ｆ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Ｂ−Ｂ矢視図である。
【図４】発明例Ｇ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Ｂ−Ｂ矢視図である。
【図５】比較例Ｏの浸漬ノズルを示した図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明では、鋳造時間が経過しても、非金属介在物による閉塞が生じ難く、その効果を維持できるようにするという目的を、浸漬ノズルのノズル本体内部を流下する下降流が旋回流である場合に限って、１対の側面孔に単に底孔を追加することによって実現した。
【実施例】
【００２２】
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、ノズル本体の内部を流下する旋回流を利用して、ノズル本体底部近傍の外周部に穿った１対の側面孔と底部に穿った底孔とに分配する溶融金属流の割合を調整するという、新たな思想に基づき成されたものである。
【００２３】
すなわち、本発明の連続鋳造用浸漬ノズルは、例えば図１に示すように、円筒状のノズル本体１の底部近傍の外周部１ｂに穿った１対の側面孔２に加えて、底部１ａに底孔３を穿ったものである。そして、この側面孔２を穿った部分における任意のノズル本体横断面内に存在する孔が２つであるものである。
【００２４】
なお、本発明の連続鋳造用浸漬ノズルにおいて、ノズル本体１の内部を流下する下降流を旋回流とする態様は特に限定されないが、例えばノズル本体１の基端側内部に羽根を取付け、この羽根を通過する際に下降流に旋回を付与するもの等がある。また、タンディッシュの底部に設ける孔を斜め状とし、この孔から浸漬ノズルに溶鋼を供給することで浸漬ノズルの下降流に旋回を与えるものでも良い。
【００２５】
本発明において、「１対の側面孔」とは、通常は２つの吐出孔を指すが、縦長の側面孔を上下で分割した４つ以上の吐出孔を有する形態であっても良い。
【００２６】
また、「任意のノズル本体横断面内に存在する孔が２つ」であるとは、任意のノズル本体横断面に側面孔を４つ有するような形態を含まないことを指す。
【００２７】
これは、任意のノズル本体横断面に２つの側面孔を有する場合には、側面孔からの吐出流を鋳型長辺面に平行に流出させることができるが、任意のノズル本体横断面に４つ以上の側面孔が存在すると、鋳型長辺面に向かう吐出流が形成されることを避け難いからである。
【００２８】
本発明の連続鋳造方法のように、浸漬ノズルから鋳型内に供給する溶融金属の流量速度が２０〜８０m3／hrの範囲の条件下で適用する場合には、鋳型長辺面へ向かう吐出流が形成されると、凝固シェルの再溶融を招いてしまうので、好ましくない。
【００２９】
また、「側面孔を底部近傍の外周部に穿つ」とは、具体的には、側面孔の下端がノズル本体の外周面の底から２００mm以内の高さに存在するように穿つことを意味する。側面孔の下端からノズル本体の外周面の底までの距離が無用に大きいことは、耐火物の無駄となるからである。
【００３０】
上記本発明の浸漬ノズルにあっては、側面孔２を穿った部分におけるノズル本体１の内径Ｄmはφ４０〜φ１２０mm、側面孔２の平均幅Ｗは２０〜１００mm、総高さＨは３０〜２５０mm、底孔３の円相当最低直径Ｄbはφ２０〜φ１００mmとすることが望ましい。
【００３１】
加えて、側面孔２の平均幅Ｗと側面孔２を穿った部分におけるノズル本体１の内径Ｄmとの比Ｗ／Ｄmが０．３〜０．９、底孔３の円相当最低直径Ｄbと側面孔２を穿った部分におけるノズル本体１の内径Ｄmとの比Ｄb／Ｄmが０．２〜０．９、底孔３の開孔面積Ａbと側面孔２の総開孔面積Ａsとの比Ａb／Ａsが０．０２〜０．８０とすることが望ましい。これが本発明の請求項２に係る発明である。
【００３２】
なお、底孔３の開孔面積Ａbはπ（Ｄm／２）2で、また、側面孔２の総開孔面積Ａsは２ＷＨで求められることは言うまでもない。
【００３３】
ノズル本体１の内部を流下する下降流が旋回流である場合には、ノズル本体１の内径Ｄmに対して側面孔２の平均幅Ｗが小さいことが望まれる。これは、側面孔２の平均幅Ｗがノズル本体１の内径Ｄmと同じ、若しくは大きい場合には、旋回流の影響によって吐出流が水平面上で広がり、吐出流の一部が鋳型長辺に向かうことになって鋳型長辺側の凝固シェルの成長を妨げるからである。
【００３４】
側面孔２を穿った部分におけるノズル本体１の内径Ｄmがφ４０〜φ１４０mmが望ましいのは、内径Ｄmがφ４０mm未満の場合は非金属介在物等による閉塞が生じ易くなるからである。一方、φ１４０mmよりも大きいと浸漬ノズルが巨大になって耐火物コストの上昇や取り扱い上の困難を引き起こすからである。
【００３５】
また、側面孔の平均幅Ｗが２０〜１００mmが望ましいのは、２０mm未満であると非金属介在物等による閉塞が生じ易くなるからであり、また１００mmを超えるほど大きい平均幅は不要であるし、前記平均幅の増大に伴う浸漬ノズル使用時の亀裂発生リスクが増すからである。
【００３６】
また、側面孔の総高さＨが３０〜２５０mmの範囲が望ましいのは、３０mm未満であると非金属介在物等による閉塞が生じ易くなるからであり、また２５０mmを超えるほど大きい高さは不要であるし前記総高さの増大に伴う浸漬ノズル使用時の亀裂発生リスクが増すからである。
【００３７】
ここで、「側面孔の総高さＨ」とは、１対２つの側面孔を有する場合には、その最大開孔高さを指し、縦長の側面孔を上下に分割している場合には、上下２つの孔の最大高さの和を指す。「開孔高さ」とは、側面孔出口（すなわちノズル本体の外周面）における孔の高さを言う。
【００３８】
また、底孔の最低直径Ｄbがφ２０〜φ１００mmの範囲が望ましいのは、φ２０mm未満であると非金属介在物等による閉塞が生じ易くなるからであり、φ１００mmを超えるほど大きい底孔は不要であるし、浸漬ノズル径の無用な増大を招くからである。
【００３９】
前記Ｗ／Ｄmを０．３〜０．９の範囲とするのが望ましいのは、０．３未満としても、吐出流の広がり抑制効果の向上は殆ど見込めないので、意味がないからである。反対に０．９を超える場合は、上記のように吐出流が大きく広がる弊害が顕著になるからである。Ｗ／Ｄのより好ましい範囲は、０．４〜０．８である。
【００４０】
また、前記Ｄb/Ｄmを０．９以下とするのは、ノズル本体の内径Ｄmよりも底孔の径Ｄbを規定の比率で小さく絞ることによって側面孔上部における吸い込み流の発生を防止できるからである。また、前記Ｄb／Ｄmを０．２以上とするのは、０．２未満の場合は、逆に側面孔下部における吸い込み流が発生しやすくなるからである。
【００４１】
このように、前記Ｄb／Ｄmは、側面孔における吸い込み流の発生を防止する設計因子である。ここで、底孔３の径Ｄbを最低直径で規定するのは、例えば図１に示すように、底孔３がノズル本体１の内部から外部に向かって徐々に径を拡大する場合を想定している。
【００４２】
そのような場合には、最低直径Ｄbと側面孔を穿った部分におけるノズル本体の内径Ｄmとの比Ｄb／Ｄmが側面孔における吸い込み流の防止という底孔の機能を主に規定するからである。また、Ｄbを円相当径として規定するのは、底孔３の横断面が楕円形状や矩形形状である場合に、それと面積を同じくする円の直径をＤbと定めることを意味する。
【００４３】
また、前記Ａb／Ａsは、大まかに底孔と側面孔からの吐出流量と吐出流速を規定している。Ａb／Ａsを０．０２〜０．８０の範囲としたのは、０．０２未満であると底孔からの吐出流量が小さくなって底孔による鋳型内流動静穏化作用が損なわれるからである。また逆に、側面孔からの吐出流速は増大し、気泡や非金属介在物がストランド深くまで持ち込まれてしまうからである。一方、Ａb／Ａsが０．８０よりも大きいと、底孔からの吐出流量が大きくなる一方、側面孔からの吐出流が不足し、鋳型内への溶融金属分配が浸漬ノズル直下に偏り、側面孔からの吐出流が担っている鋳型内湯面への熱供給が不足するからである。
【００４４】
また、前記本発明においては、前記側面孔２は、浸漬ノズルの中心軸に対して軸対称に配置し、前記底孔３は、浸漬ノズルの中心軸を中心とした円断面を有するものとすることが望ましい。これが本発明の請求項３に係る発明である。
【００４５】
側面孔２を、浸漬ノズルの中心軸を通る平面に対して面対称ではなく、浸漬ノズルの中心軸に対して軸対称に配置することは、旋回流を円滑に吐出させるのに有効だからである。側面孔２を浸漬ノズルの中心軸に対して軸対称に配置した場合、ノズル本体横断面における側面孔２の両側壁の長さに差が生じる。請求項３に係る発明では、側面孔２の長い方の側壁２ａが旋回流の上流側になるよう配置するのである。
【００４６】
最も好ましいのは、側面孔２の長い方の側壁２ａが円断面であるノズル本体１の内周壁の接線と一致するよう配置する場合である。このとき、ノズル本体１の内周壁に沿った旋回流が円滑に側面孔２へと流れる。
【００４７】
また、底孔３は、旋回流の周方向流速成分の減衰を抑制する観点から、浸漬ノズルの中心軸を中心とした円断面となるように鉛直に穿つべきである。
【００４８】
前記本発明の浸漬ノズルを使用する溶融金属の連続鋳造においては、浸漬ノズルから鋳型内に供給する溶融金属の流量速度Ｑを２０〜８０m3／hrとする。これが本発明の溶融金属の連続鋳造方法である。
【００４９】
浸漬ノズルから鋳型内に供給する溶融金属の流量速度Ｑが２０m3／hr未満の場合には、本発明の浸漬ノズルを使用してまで鋳型内流動を静穏化する必要が無いからである。また、前記流量速度Ｑが８０m3／hrを超えると、本発明の浸漬ノズルを使用しても鋳型内流動を静穏に保つことは難しいからである。
【００５０】
前記本発明の連続鋳造方法にあっては、前記側面孔直上における旋回流の平均周方向流速Ｖと平均下降流速Ｕとの比Ｖ／Ｕと、前記側面孔の総高さＨ、前記側面孔の平均幅Ｗ、前記側面孔を穿った部分のノズル本体内径Ｄmとの関係が下記式を満たすことが望ましい。これが請求項５に係る発明である。
０．２＜［Ｈ／｛（π・Ｄm−２Ｗ）／２｝］×（Ｖ／Ｕ）＜３．５
【００５１】
ここで、「側面孔直上」とは、ノズル本体の外周部に穿たれた側面孔を形成する上下左右の壁面の内、上壁がノズル本体の内面に交わる線の上端から上方５０mm以内の領域を指す。
【００５２】
前記式のＨ／｛（π・Ｄm−２Ｗ）／２｝は、側面孔の高さと、側面孔に挟まれたノズル本体の内周壁の周長との比を、簡易的に表す指数である。
【００５３】
旋回流の周方向流速と下降流速との比Ｖ／Ｕが大きい、すなわち旋回が強い場合には、前記指数を小さく、すなわち側面孔の高さを低くしたり幅を狭くすることによって、遠心力によって分配される側面孔への吐出流の分配比率が過大になることや側面孔上部に吐出流が偏ることを抑制できる。
【００５４】
また逆に、前記比Ｖ/Ｕが小さい、すなわち旋回が弱い場合には、前記指数を大きくする、すなわち側面孔の高さを高くしたり幅を広くすることによって、側面孔への吐出流の分配比率を高めることができる。
【００５５】
すなわち、［Ｈ／｛（π・Ｄm−２Ｗ）／２｝］×（Ｖ／Ｕ）の値を０．２以上、３．５以下の範囲に規定することによって、側面孔と底孔への吐出流の分配比を適正化し、側面孔において上下方向の吐出流速分布を均一化することができる。
【００５６】
このような前記式を指標とした調整と、請求項２の規定との組み合わせは、本発明による旋回流を活かした浸漬ノズル設計に多面的な指針を与え、適正な設計を可能にするものである。
【００５７】
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１，２及び図１〜図４に本発明の実施例を、下記表３及び図５に本発明の比較例を示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
【表３】
【００６１】
表１〜３において、「鋳型内流速指数」における「鋳型内流速」とは、浴深さが３mの、規定の断面サイズを有する連続鋳造鋳型の実物大水モデル実験装置において、それぞれの浸漬ノズルに規定のノズル本体内流れを与えて水を供給し、鋳型内１/４幅および３/４幅で１/２厚さ位置での水面下５０mmにおける流速を、プロペラ流速計を用いて０．５秒ピッチで１５分間測定した平均値をいう。そして、この鋳型内流速が１２cm／s未満であるときを甲、１２cm／s以上、１８cm／s未満であるときを乙、１８cm／s以上であるときを丙と定義した。なお、浸漬ノズルに設けた側面孔の上端よりも５０〜２００mm上方に鋳型内水面を維持するように、水を注入した。
【００６２】
また、「鋳型内流動安定度」とは、上記と同じ水モデル実験を行って０．５秒ピッチで１５分間測定したデータを５秒毎に平均化し、５秒ピッチで１５分間のデータの標準偏差を平均値で除した値で、この値が０．３０未満の場合を甲、０．３０以上、０．３５未満の場合を乙、０．３５以上の場合を丙と定義した。
【００６３】
表１のＡ〜Ｅは、本発明の請求項１〜５に規定する条件の全てを満たす実施例である。これら実施例Ａ〜Ｅの浸漬ノズルを、表１に記載した浸漬ノズル内旋回流と組み合わせて使用すると、鋳型内流動を静穏に保つ連続鋳造が実現する。
【００６４】
実施例Ａの浸漬ノズルを図１に示す。実施例Ａの浸漬ノズルでは、側面孔２は浸漬ノズルの中心軸に対して軸対称に穿たれている。その際、浸漬ノズル内の下降流が、図１（ｂ）に矢印で示す旋回方向と側面孔２の開孔形態との対比から明らかなように、側面孔２の長い方の側壁２ａが旋回流の上流側になるように側面孔２を穿っている。さらに、側面孔２は、側面孔２の長い方の側壁２ａが円断面であるノズル本体１の内周壁の接線と一致するよう穿っている。これは、ノズル本体１の内周壁に沿って回転する旋回流が円滑に側面孔２を通じて流出する形態である。他の実施例Ｂ〜Ｅの場合も、側面孔２を同様の形態で穿っている。
【００６５】
実施例Ｃの浸漬ノズルを図２に示す。実施例Ｃの浸漬ノズルは、１８０mmの総高さＨの側面孔２を、出口側の高さが９０mmの２段の孔で形成し、これら２段の孔間には上下方向の厚みが１５mmの隔壁２ｂが存在している。
【００６６】
このように側面孔２を上下に分割する場合には、その間に１０〜３０mmの厚さの隔壁２ｂを設ける。前記厚みが１０mm未満の場合は強度や耐久性に問題があり、３０mmを超えると浸漬ノズルが無用に長くなるからである。
【００６７】
なお、実施例Ｂの浸漬ノズルの場合、側面孔２の平均幅Ｗが７０mmと大きい反面、総高さＨが１６０mmと低いことを除き、実施例Ｃと同じ形状の隔壁で側面孔の出口側の高さを２等分している。
【００６８】
表２のＦは、本発明の請求項１，２，４，５に規定する条件を満たす実施例である。
この実施例Ｆの浸漬ノズルを図３に示す。
【００６９】
実施例Ｆは、前記実施例Ａ〜Ｅに勝るとも劣らない鋳型内流動静穏化効果を有する。しかしながら、実施例Ｆは、側面孔２が面対称に穿たれているので、浸漬ノズル内の旋回流が側面孔２を通じて流出する過程において、実施例Ａ〜Ｅに比べて渦や淀みを生じ易く、側面孔２の非金属介在物による閉塞が生じ易い。
【００７０】
但し、側面孔の開孔形態が通常の浸漬ノズルと類似していることから、製造現場における浸漬ノズル取り付け上のミスが生じるおそれや、オペレーターの心理的な不安が小さいという利点がある。
【００７１】
表２のＧは、本発明の請求項１，２，４，５に規定する条件を満たす実施例である。
この実施例Ｇの浸漬ノズルを図４に示す。
【００７２】
実施例Ｇは、前記実施例Ａ〜Ｅに勝るとも劣らない鋳型内流動静穏化効果を有する。しかしながら、実施例Ｇは、矩形の底孔３が対称に穿たれているので、浸漬ノズル内の旋回流が底孔３を通じて流出する過程において、実施例Ａ〜Ｅに比べて渦や淀みを生じ易く、底孔３の非金属介在物による閉塞が生じ易い。
【００７３】
また、底孔３を通過する際に旋回流の周方向流速が大きく減衰するので、底孔３からの吐出流が遠心力によって広がる作用が弱まる。その結果、底孔３からの吐出流が鋳片深くまで侵入し、非金属介在物や気泡が鋳片深くに持ち込まれる点で、実施例Ａ〜Ｆに劣る。
【００７４】
表２のＨは、本発明の請求項１，２，３に規定する条件を満たす実施例である。
この実施例Ｈの浸漬ノズルは、実施例Ｄの浸漬ノズルと同じ形状であり、十分な鋳型内流動静穏化効果を有する。
【００７５】
しかしながら、実施例Ｈの浸漬ノズルを使用した連続鋳造では、流量速度Ｑが請求項４で規定する下限値よりも小さいので、本発明の浸漬ノズルを使用して鋳型内流動を静穏化する必要がない例である。逆に、このような流量速度Ｑが小さい場合に本発明の浸漬ノズルを用いると、鋳型内湯面の温度が低下する問題が生じるので、鋳型内電磁撹拌を合わせて適用するなどの対策が必要となる。
【００７６】
表２のＩは、本発明の請求項１，２，３に規定する条件を満たす実施例である。
この実施例Ｉの浸漬ノズルは、実施例Ｅの浸漬ノズルと同じ形状であり、鋳型内流動を静穏に保つ作用を有する。
【００７７】
しかしながら、実施例Ｉの浸漬ノズルを使用した連続鋳造では、請求項４で規定する範囲に比べて流量速度Ｑが過剰に大きいので、本発明の浸漬ノズルを使用しても鋳型内流速の抑制が十分ではない例である。それでも、後述の比較例Ｎに示すような、底孔を穿たない従来の２孔の浸漬ノズルを用いる場合に比べると、鋳型内の流速を低下することができる。
【００７８】
表１，２には、浸漬ノズルを溶鋼の連続鋳造に使用する具体的な例を合わせて示している。具体的には、規定サイズのスラブ連続鋳造鋳型内に、溶鋼と動粘度が同等の水を、これらの浸漬ノズルを使用して注入した場合の、鋳型内流動を測定した結果を評価して示している。
【００７９】
前記実施例Ａ〜Ｇは、鋳型内流速指数、鋳型内流動安定度ともに評価は甲と良好であった。
【００８０】
一方、流量速度Ｑが請求項４で規定する下限値よりも小さい実施例Ｈでは、鋳型内流速は十分に小さく鋳型内流速指数は甲と良好であるが、鋳型内流動安定度はやや劣る乙であった。これは、鋳型内流動が停滞し、流動パターンが定まり難かったことに起因すると推定されるが、鋳型内流速の絶対値が小さいので問題とはならない。
【００８１】
また、流量速度Ｑが請求項４で規定する範囲よりも大きい実施例Ｉでは、鋳型内流速を十分に下げることが難しく、鋳型内流速指数は乙とやや劣る結果であった。
【００８２】
表３のＪおよびＫは、それぞれ実施例Ａおよび実施例Ｄと同じ浸漬ノズルであるが、浸漬ノズル内の下降流が旋回流でない比較例である。
【００８３】
これらの比較例ＪおよびＫは、浸漬ノズル内の下降流に遠心力が作用しないので、側面孔への吐出流の分配が不足し、底孔からの吐出流速が大きくなる例である。これらの比較例ＪおよびＫの場合、側面孔の上部では吸い込み流が発生する。
【００８４】
側面孔への吐出流の分配が不足する結果、鋳型内湯面への熱移送が不足し、鋳型内湯面の温度低下に起因する様々な問題が生じることになる。様々な問題とは、非金属介在物や気泡の浮上分離が阻害されることや、モールドパウダーの溶融不良などである。
【００８５】
また、底孔からの吐出流速が大きくなると、非金属介在物や気泡が鋳片深くにまで持ち込まれて欠陥になるという問題が生じる。
【００８６】
これらの比較例ＪおよびＫは、鋳型内流速は十分に小さく鋳型内流速指数は甲と良好であるが、上述のように湯面への熱移送が不足する問題が大きい。また、鋳型内流動安定度が丙と劣るのは、一定の流動パターンが形成されないからであると推定される。
【００８７】
表３のＬおよびＭは、それぞれ実施例Ａおよび実施例Ｄに対して浸漬ノズルの底孔が無い形状の浸漬ノズルを用いた例である。これらの比較例ＬおよびＭは、浸漬ノズル内の旋回流の作用によって、側面孔からの吐出流が均一かつ均等になる利点はあるものの、底孔が無いので、本発明の実施例ＡおよびＤのように、鋳型内流動を静穏化することはできない。
【００８８】
これらの比較例ＬおよびＭは、底孔に一定の吐出流を分配することができないので、鋳型内に強い流動が形成され、鋳型内流速指数は丙と劣る結果となった。一方、浸漬ノズル内の旋回流が有する遠心力が側面孔からの吐出流を安定に分配するので、鋳型内流動は安定し、鋳型内流動安定度は良好な甲であった。
【００８９】
表３のＮは、浸漬ノズル内の下降流が旋回流でなく、面対称に開孔した側面孔を有する通常の２孔浸漬ノズルを用いた、一般的な鋳型内給湯方法を示す比較例である。この比較例Ｎは、底孔の効果も旋回流の効果も得られないので、鋳型内流動の乱れが大きくなる。
【００９０】
この比較例Ｎは、底孔が無いので、側面孔からの吐出流が強い鋳型内流動を形成し、鋳型内流動指数は丙と劣る結果になった。また、浸漬ノズル内下降流に遠心力が作用しないので、側面孔からの吐出流は乱れが大きく、鋳型内流動安定度が丙と劣る結果になった。
【００９１】
表３のＯは、浸漬ノズル内の下降流が旋回流であり、側面孔と底孔を有する点は本発明の実施例と同じであるが、図５に示すように側面孔２が同一高さで周方向に４つ開孔している点が異なる比較例である。
【００９２】
側面孔が周方向に４つ開孔していると、側面孔からの吐出流が鋳型長辺側の凝固シェルに衝突して再溶解を誘発する問題が生じる。
【００９３】
この比較例Ｏは、鋳型内流速指数および鋳型内流動安定度はともに甲と良好であったが、上述の凝固シェルの再溶解が問題となるので、実用に供することは難しい。
【００９４】
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。
【００９５】
例えば、本発明においては、浸漬ノズルの外径は特に規定しないが、耐火物の強度を確保し、かつ無駄な重量増加を避ける観点から、壁の厚みが１５〜３５mmの範囲になるよう浸漬ノズルの外径を定めるのが好ましい。また、浸漬ノズル底壁の厚みも同様に、１５〜３５mmの範囲とするのが好ましい。
【符号の説明】
【００９６】
１ ノズル本体
１ａ 底部
１ｂ 外周部
２ 側面孔
３ 底孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル本体の内部を流下する下降流が旋回流である場合に使用する浸漬ノズルであって、
ノズル本体の底部近傍の外周部に設けられた１対の側面孔に加えて底部に底孔を設けると共に、前記側面孔を穿った部分における任意のノズル本体横断面内に存在する孔が２つであることを特徴とする溶融金属の連続鋳造用浸漬ノズル。
【請求項２】
前記側面孔を穿った部分におけるノズル本体の内径Ｄmはφ４０〜φ１４０mm、前記側面孔の平均幅Ｗは２０〜１００mm、総高さＨは３０〜２５０mm、前記底孔の円相当最低直径Ｄbはφ２０〜φ１００mmであり、
前記側面孔の平均幅Ｗと前記側面孔を穿った部分におけるノズル本体の内径Ｄmとの比Ｗ／Ｄmが０．３〜０．９、前記底孔の円相当最低直径Ｄbと前記側面孔を穿った部分におけるノズル本体の内径Ｄmとの比Ｄb／Ｄmが０．２〜０．９、前記底孔の開孔面積Ａbと前記側面孔の総開孔面積Ａsとの比Ａb／Ａsが０．０２〜０．８０であることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属の連続鋳造用浸漬ノズル。
【請求項３】
前記側面孔は、浸漬ノズルの中心軸に対して軸対称に配置され、
前記底孔は、浸漬ノズルの中心軸を中心とした円断面を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融金属の連続鋳造用浸漬ノズル。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の浸漬ノズルを使用し、２０〜８０m3／hrの流量速度Ｑで浸漬ノズルから鋳型内へ溶融金属を供給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】
前記側面孔直上における旋回流の平均周方向流速Ｖと平均下降流速Ｕとの比Ｖ／Ｕと、前記側面孔の総高さＨ、前記側面孔の平均幅Ｗ、前記側面孔を穿った部分のノズル本体の内径Ｄmとの関係が下記式を満たすことを特徴とする請求項４に記載の溶融金属の連続鋳造方法。
０．２＜［Ｈ／｛（π・Ｄm−２Ｗ）／２｝］×（Ｖ／Ｕ）＜３．５
【請求項１】
ノズル本体の内部を流下する下降流が旋回流である場合に使用する浸漬ノズルであって、
ノズル本体の底部近傍の外周部に設けられた１対の側面孔に加えて底部に底孔を設けると共に、前記側面孔を穿った部分における任意のノズル本体横断面内に存在する孔が２つであることを特徴とする溶融金属の連続鋳造用浸漬ノズル。
【請求項２】
前記側面孔を穿った部分におけるノズル本体の内径Ｄmはφ４０〜φ１４０mm、前記側面孔の平均幅Ｗは２０〜１００mm、総高さＨは３０〜２５０mm、前記底孔の円相当最低直径Ｄbはφ２０〜φ１００mmであり、
前記側面孔の平均幅Ｗと前記側面孔を穿った部分におけるノズル本体の内径Ｄmとの比Ｗ／Ｄmが０．３〜０．９、前記底孔の円相当最低直径Ｄbと前記側面孔を穿った部分におけるノズル本体の内径Ｄmとの比Ｄb／Ｄmが０．２〜０．９、前記底孔の開孔面積Ａbと前記側面孔の総開孔面積Ａsとの比Ａb／Ａsが０．０２〜０．８０であることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属の連続鋳造用浸漬ノズル。
【請求項３】
前記側面孔は、浸漬ノズルの中心軸に対して軸対称に配置され、
前記底孔は、浸漬ノズルの中心軸を中心とした円断面を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融金属の連続鋳造用浸漬ノズル。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の浸漬ノズルを使用し、２０〜８０m3／hrの流量速度Ｑで浸漬ノズルから鋳型内へ溶融金属を供給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】
前記側面孔直上における旋回流の平均周方向流速Ｖと平均下降流速Ｕとの比Ｖ／Ｕと、前記側面孔の総高さＨ、前記側面孔の平均幅Ｗ、前記側面孔を穿った部分のノズル本体の内径Ｄmとの関係が下記式を満たすことを特徴とする請求項４に記載の溶融金属の連続鋳造方法。
０．２＜［Ｈ／｛（π・Ｄm−２Ｗ）／２｝］×（Ｖ／Ｕ）＜３．５
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１８３５６８（Ｐ２０１２−１８３５６８Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４９２４３（Ｐ２０１１−４９２４３）
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【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２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【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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