JP2019063851A - 連続鋳造用の浸漬ノズル及び鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 浸漬ノズル内を流下する溶鋼中に吹き込まれた不活性ガス気泡の鋳片への捕捉を抑制し、且つ、メニスカスに添加されたモールドパウダーの鋳片への捕捉を抑制する。【解決手段】 本発明に係る浸漬ノズル１は、鋳型内の溶鋼に浸漬される部位に、浸漬ノズルの軸心に対して左右対称である二対以上の吐出孔２を有し、鉛直方向上下の位置関係の２つの吐出孔で、下側に位置する吐出孔４の開口部面積ＳＬが上側に位置する吐出孔３の開口部面積ＳＵと等しいかまたは大きく、各吐出孔の吐出角度α、βは、水平に対して上向き１５°を上向きの限度とし、且つ、水平に対して下向き５０°を下向きの限度とし、鉛直方向上下の位置関係の２つの吐出孔で、下側に位置する吐出孔の吐出角度αが上側に位置する吐出孔の吐出角度βよりも下向き角度が大きく、且つ、下側に位置する吐出孔の吐出角度と上側に位置する吐出孔の吐出角度との差が２０°以上５５°以下である。【選択図】 図１

Description

本発明は、溶鋼を連続鋳造する際に、溶鋼を鋳型内に注入する浸漬ノズル及びその浸漬ノズルを用いた鋼の連続鋳造方法に関し、詳しくは、浸漬ノズル内に吹き込まれる不活性ガス気泡の凝固シェルへの捕捉及びモールドパウダーの凝固シェルへの巻き込みの双方を抑制することのできる、連続鋳造用の浸漬ノズル及び鋼の連続鋳造方法に関する。

連続鋳造機で製造される鋼鋳片の品質を判定する基準として、浸漬ノズル内を流下する溶鋼中に吹き込まれたアルゴンガスなどの不活性ガス気泡の鋳片への捕捉量が少ないこと、及び、メニスカス（鋳型内溶鋼湯面）に添加されたモールドパウダーの鋳片への捕捉量が少ないことが挙げられる。鋳片に捕捉された不活性ガス気泡及びモールドパウダーは鋼製品の表面欠陥になるので、低減することが重要である。

連続鋳造機でスラブ鋳片を鋳造する場合、一般的に、使用する浸漬ノズルは、左右の鋳型短辺に相対する吐出孔を有する浸漬ノズルであり、したがって、浸漬ノズルの吐出孔から吐出された溶鋼の吐出流は、鋳型短辺側の凝固シェル（鋳片短辺凝固シェル）に衝突し、衝突した後に上下に分岐し、一方は鋳型下方に向かう流れ（以下、「分岐下降流」と記す）となり、他方は上部のメニスカスに向かう流れ（以下、「分岐上昇流」と記す）となる。

このうち、メニスカスに向う分岐上昇流は、スラブ鋳片の短辺凝固シェルに沿った上昇流（以下、「短辺側上昇流」と記す）を形成し、メニスカスでの溶鋼流速に大きな影響を与える。つまり、分岐上昇流が速いほど短辺側上昇流が速くなり、短辺側上昇流の流速増加に伴って、メニスカスでの溶鋼流速が速くなり、結果としてメニスカス上に存在するモールドパウダーの凝固シェルへの巻き込み頻度を増大させる。つまり、モールドパウダー性の欠陥を低減するためには、鋳片短辺凝固シェル衝突後の分岐上昇流を如何に減速するかが課題となる。

一方、鋳型下方に向かう分岐下降流は、スラブ鋳片の短辺凝固シェルに沿った下降流（以下、「短辺側下降流」と記す）を形成し、この短辺側下降流は未凝固層の深くまで到達する。この場合、分岐下降流が速いほど短辺側下降流が速くなり、短辺側下降流の未凝固層への侵入深さが増大する。

浸漬ノズル内壁でのアルミナ付着を防止するために浸漬ノズル内を流下する溶鋼中に吹き込まれたアルゴンガスなどの不活性ガスは、気泡となって浸漬ノズルの吐出孔から鋳型内溶鋼に排出される。鋳型内溶鋼に排出された不活性ガス気泡の一部は、分岐下降流とともに鋳型下方に侵入する。分岐下降流が速いほど短辺側下降流が速くなり、結果として不活性ガス気泡の未凝固層内部への侵入深さが深くなり、不活性ガス気泡の鋳片への捕捉量が増大する。つまり、不活性ガス気泡の鋳片への捕捉量を低減するためには、鋳片短辺凝固シェル衝突後の分岐下降流を如何に減速するかが課題となる。

これらの課題に対して、いくつかの対策が提案されており、そのうちの一つとして、浸漬ノズルの溶鋼への浸漬部の左右の上下に、複数の吐出孔を有する浸漬ノズルを使用して連続鋳造する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、浸漬ノズルの溶鋼への浸漬部に、下側に設けられた吐出孔の開口部面積が上側に設けられた吐出孔の開口部面積よりも小さくなるように形成された、上下複数の吐出孔を有し、且つ、浸漬ノズル内部の溶鋼流路の内径が、吐出孔の設置されていない上部よりも吐出孔の設置された範囲の方が小さい連続鋳造用浸漬ノズルが提案されている。

特許文献１によれば、吐出孔からの吐出流を緩慢且つ均一な流れにでき、これにより、短辺側下降流を弱くすることができ、不活性ガス気泡や非金属介在物の鋳片への捕捉量を減少させることができるとしている。

特許文献２には、浸漬ノズルの溶鋼への浸漬部に、左列上段、左列下段、右列上段、右列下段の４つの吐出孔を有し、下段の吐出孔の開口部面積は、上段の吐出孔の開口部面積より小さく、且つ、上段及び下段の吐出孔の開口部面積の合計に対する下段の吐出孔の開口部面積の比が０．２以上０．４以下であり、下段の吐出孔の吐出角度が上段の吐出孔の吐出角度を基準として１０°以上下向きになるように形成された吐出孔を有する連続鋳造用浸漬ノズルが提案されている。

特許文献２によれば、鋳片短辺凝固シェル側の内壁近傍での溶鋼流速を十分に制御することができ、これにより、不活性ガス気泡や非金属介在物が短辺側下降流を介して鋳片の深部に侵入することを抑制して、内部欠陥の少ない鋳片を得ることができるとしている。

特開２００６−１９８６５５号公報 国際公開第２０１０／１０９８８７号

しかしながら、上記従来技術には以下の問題がある。

即ち、特許文献１は、吐出孔の吐出角度の好適範囲を上向き１０°から下向き４５°の範囲としているが、実施例では、下側に設けられた吐出孔の吐出角度と上側に設けられた吐出孔の吐出角度が同じであり、つまり、下側に設けられた吐出孔の吐出角度と上側に設けられた吐出孔の吐出角度とに差を設けておらず、したがって、上下の吐出孔から吐出された吐出流同士が合流してしまい、理想とする吐出流の減衰効果が得られにくい。

特許文献２は、下段の吐出孔の開口部面積が上段の吐出孔の開口部面積よりも小さく、また、下段の吐出孔の吐出角度と上段の吐出孔の吐出角度との差が小さいので、メニスカスでの溶鋼流速が速くなり、モールドパウダーの巻き込みの起こる危険性が高い。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、鋼の連続鋳造で溶鋼を連続鋳造用鋳型に注入するために使用される浸漬ノズルにおいて、浸漬ノズル内を流下する溶鋼中に吹き込まれたアルゴンガスなどの不活性ガス気泡の鋳片への捕捉を安定して抑制し、且つ、メニスカスに添加されたモールドパウダーの鋳片への捕捉を安定して抑制することのできる、連続鋳造用の浸漬ノズルを提供することであり、また、この浸漬ノズルを用いた鋼の連続鋳造方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］連続鋳造用鋳型内に溶鋼を注入する有底筒状の連続鋳造用の浸漬ノズルであって、前記連続鋳造用鋳型内の溶鋼に浸漬される部位に、浸漬ノズルの軸心に対して左右対称である二対以上の吐出孔を有し、鉛直方向上下の位置関係の２つの吐出孔で、下側に位置する吐出孔の開口部面積が上側に位置する吐出孔の開口部面積と等しいかまたは大きく、各吐出孔の吐出角度は、水平に対して上向き１５°を上向きの限度とし、且つ、水平に対して下向き５０°を下向きの限度とし、鉛直方向上下の位置関係の２つの吐出孔で、下側に位置する吐出孔の吐出角度が上側に位置する吐出孔の吐出角度よりも下向き角度が大きく、且つ、下側に位置する吐出孔の吐出角度と上側に位置する吐出孔の吐出角度との差が２０°以上５５°以下である、連続鋳造用の浸漬ノズル。
［２］前記浸漬ノズルの内部に設けられた溶鋼流路の内径は、浸漬ノズルの上端位置から鉛直方向最上側に設けられた吐出孔の上端位置までの範囲を内径Ｒとし、鉛直方向最上側に設けられた吐出孔の上端位置から浸漬ノズルの底までの範囲を内径ｒとし、内径ｒと内径Ｒとの内径比（ｒ／Ｒ）が０．８０以上０．９５以下である、上記［１］に記載の連続鋳造用の浸漬ノズル。
［３］上記［１］または上記［２］に記載の連続鋳造用の浸漬ノズルを使用し、メニスカスにモールドパウダーを添加し、前記浸漬ノズルの溶鋼流路を流下する溶鋼中に不活性ガスを吹き込みながら、前記浸漬ノズルを介してタンディッシュ内の溶鋼を連続鋳造用鋳型内に注入する、鋼の連続鋳造方法。
［４］連続鋳造用鋳型の背面に設置された直流磁場発生装置から前記浸漬ノズルの鉛直方向最上側の吐出孔の上側及び鉛直方向最下側の吐出孔の下側で鋳型内の溶鋼に直流静磁場を印加しながら、前記浸漬ノズルを介してタンディッシュ内の溶鋼を連続鋳造用鋳型内に注入する、上記［３］に記載の鋼の連続鋳造方法。
［５］連続鋳造用鋳型の背面に設置された交流磁場発生装置から連続鋳造用鋳型内の溶鋼に交流移動磁場を印加しながら、前記浸漬ノズルを介してタンディッシュ内の溶鋼を連続鋳造用鋳型内に注入する、上記［３］または上記［４］に記載の鋼の連続鋳造方法。

本発明に係る浸漬ノズルを使用することで、浸漬ノズルの上下の吐出孔から吐出される溶鋼の吐出流量が適正に保たれ、且つ、上下の吐出孔から吐出された吐出流同士が合流することなく鋳片短辺凝固シェルに衝突し、上側に位置する吐出孔からの吐出流の鋳片短辺凝固シェル衝突後の分岐下降流と、下側に位置する吐出孔からの吐出流の鋳片短辺凝固シェル衝突後の分岐上昇流とが衝突して、それぞれの流速が減衰する。その結果、不活性ガス気泡の鋳片への捕捉に影響する短辺側下降流は、鉛直方向最下側の吐出孔から吐出された吐出流の鋳片短辺凝固シェル衝突後の分岐下降流が主体となり、一方、モールドパウダーの巻き込みを左右するメニスカスでの溶鋼流速に影響する短辺側上昇流は、最上側の吐出孔から吐出された吐出流の鋳片短辺凝固シェル衝突後の分岐上昇流が主体となり、これにより、短辺側上昇流及び短辺側下降流の双方を減速させることができ、モールドパウダーの巻き込み及び不活性ガス気泡の鋳片への捕捉の双方を安定して抑制することが実現される。

本発明に係る連続鋳造用の浸漬ノズルの１例を示す概略図である。 本発明に係る浸漬ノズルを使用した、鋳型内溶鋼流動を模擬した水モデル実験における鋳型内流動の調査結果を模式的に示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。

スラブ鋳片の横断面は鋳片厚みに対して鋳片幅が格段に大きく（鋳片幅／鋳片厚みが約４〜１２）、且つ、種々の鋳片幅のスラブ鋳片が必要である。したがって、スラブ鋳片を製造する連続鋳造機では、鋳造対象のスラブ鋳片の横断面寸法に応じて、矩形の鋳型内部空間を調整するために、相対する一対の鋳型長辺と相対する一対の鋳型短辺とを有し、鋳型短辺が鋳型長辺の内側を移動可能に構成された連続鋳造用鋳型が使用されている。

この連続鋳造用鋳型に溶鋼を注入する浸漬ノズルとしては、左右の鋳型短辺に相対する一対以上の吐出孔を有する浸漬ノズルが使用され、左右の鋳型短辺に向けてそれぞれの吐出孔から溶鋼を注入している。したがって、吐出孔から吐出された溶鋼の吐出流は、鋳型短辺側の凝固シェル、つまり鋳片短辺凝固シェルに衝突し、衝突した後に上下に分岐し、一方は鋳型下方に向かう流れ（分岐下降流）となり、他方は上部のメニスカスに向かう流れ（分岐上昇流）となる。メニスカスに向う分岐上昇流は、スラブ鋳片の短辺凝固シェルに沿った上昇流（「短辺側上昇流」と記す）を形成し、鋳型下方に向かう分岐下降流は、スラブ鋳片の短辺凝固シェルに沿った下降流（「短辺側下降流」と記す）を形成する。

本発明者らは、このようなスラブ連続鋳造機において、短辺側下降流及び短辺側上昇流の双方を減速することのできる浸漬ノズルについて検討した。

検討の結果、以下の形状の浸漬ノズルが最適であることがわかった。即ち、本発明に係る連続鋳造用の浸漬ノズルは、連続鋳造用鋳型内に溶鋼を注入する有底筒状の連続鋳造用の浸漬ノズルであって、前記連続鋳造用鋳型内の溶鋼に浸漬される部位に、浸漬ノズルの軸心に対して左右対称である二対以上の吐出孔を有し、鉛直方向上下の位置関係の２つの吐出孔で、下側に位置する吐出孔の開口部面積が上側に位置する吐出孔の開口部面積と等しいかまたは大きく、各吐出孔の吐出角度は、水平に対して上向き１５°を上向きの限度とし、且つ、水平に対して下向き５０°を下向きの限度とし、鉛直方向上下の位置関係の２つの吐出孔で、下側に位置する吐出孔の吐出角度が上側に位置する吐出孔の吐出角度よりも下向き角度が大きく、且つ、下側に位置する吐出孔の吐出角度と上側に位置する吐出孔の吐出角度との差が２０°以上５５°以下であることを必須とする。

本発明に係る浸漬ノズルは、連続鋳造用鋳型内の溶鋼に浸漬される部位に、浸漬ノズルの軸心に対して左右対称である二対以上の吐出孔を有している。これは、左右対称である二対以上の吐出孔を有することで、吐出孔から吐出される吐出流が分散されて、吐出流の流速が減速し、これにより、吐出流が鋳片短辺凝固シェルに衝突した後に形成される分岐下降流及び分岐上昇流の双方が減速することによる。

そして、鉛直方向上下の位置関係の２つの吐出孔では、下側に位置する吐出孔の開口部面積を、上側に位置する吐出孔の開口部面積と等しいかまたは大きくする。これは、左右対称の二対以上の吐出孔を有する浸漬ノズルでは、鉛直方向上側に位置する吐出孔からの吐出流の流速が短辺側上昇流、つまり、メニスカスでの溶鋼流速に影響するので、メニスカスでの溶鋼流速を減速すべく、鉛直方向上側に位置する吐出孔からの吐出流の流速を抑制するためである。

また、鉛直方向上下の位置関係の２つの吐出孔では、下側に位置する吐出孔の吐出角度が上側に位置する吐出孔の吐出角度よりも下向き角度が大きく、且つ、下側に位置する吐出孔の吐出角度と上側に位置する吐出孔の吐出角度との差を２０°以上５５°以下とする。このようにする理由は、上側に位置する吐出孔からの吐出流と、下側に位置する吐出孔からの吐出流とが鋳片短辺凝固シェルに衝突する以前では合流しないようにするためである。吐出角度の差が２０°未満では、２つの吐出孔からの吐出流が合流するおそれがある。一方、吐出角度の差が５５°を超えると、下側に位置する吐出孔からの吐出流が鋳型下端よりも下方の鋳片短辺凝固シェルに衝突して短辺側下降流の侵入深さが深くなる、或いは、上側に位置する吐出孔からの吐出流がメニスカス直下の鋳片短辺凝固シェルに衝突して短辺側上昇流が強くなる、のいずれかが起こるおそれがあるからである。

更に、各吐出孔の吐出角度を水平に対して上向き１５°を上向きの限度とし、且つ、水平に対して下向き５０°を下向きの限度とする。これは、各吐出孔の吐出角度を水平に対して上向き１５°よりも上向きにすると、鉛直方向最上側に設けられた吐出孔からの吐出流が鋳片短辺凝固シェルに衝突せず、且つ減速されないまま直接メニスカスに向かうおそれがあるからである。一方、各吐出孔の吐出角度を水平に対して下向き５０°よりも下向きにすると、鉛直方向最下側に設けられた吐出孔からの吐出流が鋳片短辺凝固シェルに衝突する位置が鋳型下端よりも深い位置となり、短辺側下降流が減速されないおそれがあるからである。

また更に、本発明に係る連続鋳造用の浸漬ノズルにおいて、浸漬ノズルの内部に設けられる溶鋼流路の内径を、浸漬ノズルの上端位置から鉛直方向最上側に設けられた吐出孔の上端位置までの範囲は内径Ｒとし、鉛直方向最上側に設けられた吐出孔の上端位置から浸漬ノズルの底までの範囲は内径ｒとし、内径ｒと内径Ｒとの内径比（ｒ／Ｒ）を０．８０以上０．９５以下とすることが好ましい。

内径比（ｒ／Ｒ）を０．８０以上０．９５以下とすることで、圧力差によって鉛直方向下流側の吐出孔から吐出される吐出流の流量が多くなる現象を緩和することが可能であり、短辺側下降流の更なる抑制が可能となる。内径比（ｒ／Ｒ）を０．８０未満とすると溶鋼流路が狭くなり、アルミナなどの付着物によって溶鋼流路が塞がるおそれがあり、好ましくない。

図１に、本発明に係る連続鋳造用の浸漬ノズルの１例を示す。図１（Ａ）は、左右の吐出孔の中心線を通る面で切断したときの縦断面図であり、図１（Ｂ）は、吐出孔と相対する方向から見た側面図である。尚、図１に示す浸漬ノズルは、溶鋼に浸漬される部位の鉛直方向上下に、浸漬ノズルの軸心に対して左右対称である二対の吐出孔を有する浸漬ノズルである。

図１において、符号１は浸漬ノズル、２は吐出孔、３は鉛直方向上側に位置する吐出孔（以下「上側吐出孔」と記す）、４は鉛直方向下側に位置する吐出孔（以下「下側吐出孔」と記す）、５は、浸漬ノズルの内部に設けられた溶鋼流路、６は浸漬ノズルの底、７は浸漬ノズルの上端位置、８は上側吐出孔の上端位置、αは上側吐出孔の吐出角度、βは下側吐出孔の吐出角度、Ｒは、浸漬ノズルの上端位置から上側吐出孔の上端位置までの範囲の溶鋼流路の内径、ｒは、上側吐出孔の上端位置から浸漬ノズルの底までの範囲の溶鋼流路の内径、Ｓ_Ｕは上側吐出孔の開口部面積、Ｓ_Ｌは下側吐出孔の開口部面積である。図１に示す浸漬ノズル１では、吐出孔２が鉛直方向上下に二対設けられていることから、上側吐出孔３が鉛直方向最上側に設けられた吐出孔に該当し、下側吐出孔４が鉛直方向最下側に設けられた吐出孔に該当する。

本発明に係る浸漬ノズルは、上記のように構成されている。以下、このように構成される本発明に係る浸漬ノズル１を用いた鋼の連続鋳造方法を説明する。

タンディッシュの底部に浸漬ノズル１を設置し、浸漬ノズル１が鋳型空間のほぼ中心に位置するようにタンディッシュを連続鋳造用鋳型の上方に設置し、転炉などの精錬炉で溶製された溶鋼を収容する取鍋からタンディッシュに溶鋼を注入しながら、浸漬ノズル１を介してタンディッシュから連続鋳造用鋳型に溶鋼を注入する。メニスカス（鋳型内溶鋼湯面）には、モールドパウダーを添加し、浸漬ノズル１の溶鋼流路５を流下する溶鋼中に、スライディングノズルや上ノズルを介して、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを吹き込む。

図２は、吐出孔２が鉛直方向上下に二対設けられている浸漬ノズル１を使用して行った、鋳型内溶鋼流動を模擬した水モデル実験における鋳型内流動の調査結果を模式的に示す図である。以下、図２に基づいて、鋳型内の溶鋼流動を説明する。尚、図２は、連続鋳造用鋳型の左側の半分のみを表示しているが、右側の半分も同様の形態を示す。

図２において、符号９は鋳型短辺、１０は鋳型内浴面（メニスカスに相当）、１１は上側吐出孔３からの吐出流、１２は下側吐出孔４からの吐出流、１３は、上側吐出孔３からの吐出流１１が分岐して形成される分岐上昇流、１４は、上側吐出孔３からの吐出流１１が分岐して形成される分岐下降流、１５は、下側吐出孔４からの吐出流１２が分岐して形成される分岐上昇流、１６は、下側吐出孔４からの吐出流１２が分岐して形成される分岐下降流、１７は、鋳片短辺に沿って流れる短辺側上昇流、１８は、鋳片短辺に沿って流れる短辺側下降流、１９はメニスカス流である。図２において、図１と同一の部分は同一符号で示し、その説明は省略する。また、図２において、符号２０は、水モデル実験において、メニスカス流１９の流速を測定する流速計センサー、２１は、短辺側下降流１８の流速を測定する流速計センサーである。図２では、吐出流１１及び吐出流１２を直線で表示しているが、吐出流１１及び吐出流１２は、実際には、時間の経過に伴って上下に変動しながら鋳型短辺９に向かって流れる。

図２に示すように、上側吐出孔３から吐出された吐出流１１及び下側吐出孔４から吐出された吐出流１２は、鋳型短辺９に衝突するまでの範囲で合流することなく鋳型短辺９に衝突する。鋳型短辺９に衝突した後、吐出流１１は、分岐上昇流１３と分岐下降流１４とに分岐し、吐出流１２は、分岐上昇流１５と分岐下降流１６とに分岐する。浸漬ノズル１では、吐出流が吐出流１１と吐出流１２との２つに分散されることから、鋳型内に注入する溶鋼量が同一の場合には、つまり、鋳片引き抜き速度が同一の場合には、吐出孔２が一対の場合（片側に１個のみ）における分岐上昇流及び分岐下降流に比較して、分岐上昇流１３、分岐下降流１４、分岐上昇流１５、分岐下降流１６の各流速は減速する。更に、分岐下降流１４と分岐上昇流１５とは、反対側に向いた流れであり、分岐下降流１４と分岐上昇流１５とが衝突・干渉して互いに減速する。

その結果、モールドパウダーの巻き込みを左右するメニスカス流１９に影響する短辺側上昇流１７は、分岐上昇流１５の影響をほとんど受けることはなく、主に分岐上昇流１３の流速によって決定される。分岐上昇流１３は、吐出孔２が一対の場合の分岐上昇流の速度よりも減速していることから、短辺側上昇流１７が減速し、これによってメニスカス流１９の流速が低下する。

同様に、ガス気泡の鋳片への捕捉に影響する短辺側下降流１８は、分岐下降流１４の影響をほとんど受けることはなく、主に分岐下降流１６の流速によって決定される。分岐下降流１６は、吐出孔２が一対の場合の分岐下降流の速度よりも減速していることから、短辺側下降流１８の流速が低下する。

即ち、本発明に係る浸漬ノズル１を使用して溶鋼を連続鋳造することで、モールドパウダーの巻き込みに影響するメニスカス流１９及びガス気泡の鋳片への捕捉に影響する短辺側下降流１８がともに減速され、モールドパウダーの巻き込み及び不活性ガス気泡の鋳片への捕捉の双方を安定して抑制することができる。

ところで、近年の連続鋳造操業では、モールドパウダーの巻き込み及び不活性ガス気泡の鋳片への捕捉を抑制するために、鋳型内溶鋼に磁場を印加して鋳型内溶鋼の流動を制御することが行われている。

本発明においても、連続鋳造用鋳型の背面に直流磁場発生装置を、上側吐出孔３の上側及び下側吐出孔４の下側にそれぞれ１段、合計２段設置し、この２段の直流磁場発生装置から、それぞれ、上側吐出孔３の上側、及び、下側吐出孔４の下側で、鋳型内の溶鋼に直流静磁場を印加することが好ましい。鋳型内溶鋼に直流静磁場を印加することで、鋳型内溶鋼にローレンツ力が働き、吐出流１１、吐出流１２、及び、衝突後の分岐上昇流１３、分岐下降流１４、分岐上昇流１５、分岐下降流１６が減速され、これによりメニスカス流１９及び短辺側下降流１８の減速が可能である。

また、連続鋳造用鋳型の背面に交流磁場発生装置を設置し、この交流磁場発生装置から連続鋳造用鋳型内の溶鋼に交流移動磁場を印加することが好ましい。短辺側上昇流１７には凝固シェルに捕捉された不活性ガス気泡及び非金属介在物を洗い流す洗浄効果があり、本発明に係る浸漬ノズル１を使用することで、短辺側上昇流１７による洗浄効果までも低減されることがあるが、溶鋼に交流移動磁場を印加して、鋳型内溶鋼を強制的に流動させる、特に鋳型内溶鋼をメニスカスで水平方向に旋回させることで洗浄効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、モールドパウダーの巻き込みを左右するメニスカスでの溶鋼流速に影響する短辺側上昇流１７及び不活性ガス気泡の鋳片への捕捉に影響する短辺側下降流１８の双方を減速させることができ、モールドパウダーの巻き込み及び不活性ガス気泡の鋳片への捕捉の双方を安定して抑制することが実現される。

鋳型内溶鋼流動を模擬した１／１水モデル実験を行った。実際の流動との相似性を保つため、レイノルズ数、フルード数を合わせた実験系とした。連続鋳造用鋳型と種々の浸漬ノズルとを組み合わせた、図２に示す水モデル実験装置を用い、鋳型幅１／４位置におけるメニスカス流１９の流速を流速計センサー２０で測定するとともに、鋳型短辺に衝突した後の分岐下降流によって形成される鋳型下端における短辺側下降流１８の流速を流速計センサー２１で測定した。流速計センサー２０、２１としてはプロペラ流速計を用いた。測定ピッチは０．１秒であり、２分間測定した平均値を用いた。

試験では、図１に示す浸漬ノズルと同様に、吐出孔が鉛直方向上下に二対設けられている浸漬ノズルを使用し、連続鋳造用鋳型に供給する水量、浸漬ノズルの上側吐出孔（上孔）の吐出角度、下側吐出孔（下孔）の吐出角度、上側吐出孔の開口部面積（Ｓ_Ｕ）と下側吐出孔の開口部面積（Ｓ_Ｌ）との開口部面積比（Ｓ_Ｕ／Ｓ_Ｌ）、及び、溶鋼流路の内径ｒと内径Ｒとの内径比（ｒ／Ｒ）を変更し、鋳型幅１／４位置におけるメニスカス流の流速、及び、鋳型下端における短辺側下降流の流速に及ぼす影響を調査した。また、試験では、比較のために、浸漬ノズルの左右に一対の吐出孔を有する浸漬ノズルも使用した。

試験では、鋳型幅１／４位置におけるメニスカス流の流速が小さければ、モールドパウダーの巻き込みが低減され、鋳型下端における短辺側下降流が小さければ、不活性ガス気泡の侵入深さが浅くなると考えた。

調査結果を表１に示す。表１では、連続鋳造用鋳型に供給する水量を「相当溶鋼流量」で表示し、また、浸漬ノズルの左右に一対の吐出孔を有する浸漬ノズルは下側吐出孔を有するとして表示している。更に、本発明の範囲の浸漬ノズルを使用した試験を「本発明例」として表示し、その他の試験を「比較例」として表示している。

表１に示すように、各相当溶鋼流量において、鋳型下端における短辺側下降流の流速は、本発明例の方が比較例に比べて小さな値となっていた。同様に、メニスカス流の流速も、本発明例の方が比較例に比べて小さな値となっていた。

また、鉛直方向上下に二対の吐出孔を有する浸漬ノズルにおいては、上側吐出孔と下側吐出孔の吐出角度の差が２０°以上になると、一対の吐出孔を有する浸漬ノズルに比べて流速が低減されていた。これは、上側吐出孔と下側吐出孔下孔の吐出角度の差が２０°未満であると、上側吐出孔からの吐出流と下側吐出孔からの吐出流とが、鋳型短辺に達する以前に合流し、上側吐出孔からの吐出流の分岐下降流と下側吐出孔からの吐出流の分岐上昇流とが衝突して、それぞれの流速が減衰する効果が得られないためである。

一方、上側吐出孔と下側吐出孔の吐出角度の差が５５°を超えると、メニスカス流の流速及び短辺側下降流が大きくなった。これは、下側に位置する吐出孔からの吐出流が鋳型下端よりも下方の鋳片短辺凝固シェルに衝突して短辺側下降流の侵入深さが深くなる、或いは、上側に位置する吐出孔からの吐出流がメニスカス直下の鋳片短辺に衝突して短辺側上昇流が強くなる、のいずれかが起こることによる。

また、下側吐出孔の開口部面積（Ｓ_Ｌ）が上側吐出孔の開口部面積（Ｓ_Ｕ）より小さくなると、短辺側下降流が大きくなった。これは、上側吐出孔からの吐出流の流速が速くなりすぎ、下側吐出孔からの吐出流の影響が弱くなるためであると考えられる。

また更に、内径比（ｒ／Ｒ）が０．８０〜０．９５の場合には、短辺側下降流の更なる抑制が確認できた。

実機スラブ連続鋳造機において、本発明に係る浸漬ノズルを使用して連続鋳造操業を実施した（本発明例）。連続鋳造したスラブ鋳片の横断面寸法は、厚みが２２０〜２６０ｍｍ、幅が１０００〜２２００ｍｍであり、浸漬ノズルに吹き込む不活性ガスとしてアルゴンガスを使用し、メニスカスには、鋳片引き抜き速度及び鋼種に応じて最適なモールドパウダーを添加した。また、比較のために、浸漬ノズルの左右に一対の吐出孔を有する浸漬ノズル、及び、浸漬ノズルの左右に二対の吐出孔を有するものの、二対の吐出孔の設置条件が本発明の範囲外である浸漬ノズルも使用した（比較例）。

使用した連続鋳造用鋳型は、磁場発生装置が設置されていない鋳型、直流磁場発生装置が、連続鋳造用鋳型の背面に、上側吐出孔の上側及び下側吐出孔の下側にそれぞれ１段、合計２段、鋳型長辺を挟んで相対して設置された鋳型、交流磁場発生装置が連続鋳造用鋳型の背面に鋳型長辺を挟んで相対して設置された鋳型の３種類の連続鋳造用鋳型である。

直流磁場発生装置が設置された連続鋳造用鋳型を使用した連続鋳造操業では、上下２段の直流磁場発生装置から、それぞれ、上側吐出孔の上側、及び、下側吐出孔の下側で、鋳型内の溶鋼に直流静磁場を印加した。また、交流磁場発生装置を設置した連続鋳造用鋳型を使用した連続鋳造操業では、交流磁場発生装置から連続鋳造用鋳型内の溶鋼に交流移動磁場を印加し、メニスカスにおいて鋳型内溶鋼を水平方向に旋回させながら、連続鋳造した。

スラブ連続鋳造機で製造したスラブ鋳片を熱間圧延して熱延鋼板とし、この熱延鋼板でアルゴンガス気泡及びモールドパウダーに起因する表面欠陥を調査し、この表面欠陥から、鋳片に残留したアルゴンガス気泡及びモールドパウダーを評価した。つまり、鋼製品の欠陥指数が低いほど、鋳片に残留したアルゴンガス気泡及びモールドパウダーが少ないと評価した。

表２、表３、表４及び表５に操業条件及び操業結果を示す。表２は比較例のデータ、表３は、本発明例のうちで磁場発生装置が設置されていない連続鋳造用鋳型を使用したときのデータ、表４は、本発明例のうちで直流磁場発生装置が設置された連続鋳造用鋳型を使用したときのデータ、表５は、本発明例のうちで交流磁場発生装置が設置された連続鋳造用鋳型を使用したときのデータである。

鋼製品の欠陥指数が、比較例では平均値で約０．３３であるのに対し、本発明例では最大でも０．２５であり、０．１０以下になることも確認できた。つまり、本発明を適用することで、鋼製品の欠陥指数を大幅に低減できることがわかった。

また、磁場を印加しない条件に比べて、直流静磁場または交流移動磁場を印加した条件では、鋼製品の欠陥指数が低下した。これは、直流静磁場の印加によって吐出流及びメニスカス流の流動が抑制されたこと、及び、交流移動磁場の印加によって凝固シェルに捕捉されていたアルゴンガス気泡及び非金属介在物が洗浄されたことによると考えられる。

１ 浸漬ノズル
２ 吐出孔
３ 上側吐出孔
４ 下側吐出孔
５ 溶鋼流路
６ 浸漬ノズルの底
７ 浸漬ノズルの上端位置
８ 上側吐出孔の上端位置
９ 鋳型短辺
１０ 鋳型内浴面
１１ 上側吐出孔からの吐出流
１２ 下側吐出孔からの吐出流
１３ 分岐上昇流
１４ 分岐下降流
１５ 分岐上昇流
１６ 分岐下降流
１７ 短辺側上昇流
１８ 短辺側下降流
１９ メニスカス流
２０ 流速計センサー
２１ 流速計センサー
α、β 吐出角度
Ｒ 浸漬ノズルの上端位置から上側吐出孔の上端位置までの範囲の溶鋼流路の内径
ｒ 上側吐出孔の上端位置から浸漬ノズルの底までの範囲の溶鋼流路の内径
Ｓ_Ｕ 上側吐出孔の開口部面積
Ｓ_Ｌ 下側吐出孔の開口部面積

Claims (5)

1. 連続鋳造用鋳型内に溶鋼を注入する有底筒状の連続鋳造用の浸漬ノズルであって、
   前記連続鋳造用鋳型内の溶鋼に浸漬される部位に、浸漬ノズルの軸心に対して左右対称である二対以上の吐出孔を有し、
   鉛直方向上下の位置関係の２つの吐出孔で、下側に位置する吐出孔の開口部面積が上側に位置する吐出孔の開口部面積と等しいかまたは大きく、
   各吐出孔の吐出角度は、水平に対して上向き１５°を上向きの限度とし、且つ、水平に対して下向き５０°を下向きの限度とし、
   鉛直方向上下の位置関係の２つの吐出孔で、下側に位置する吐出孔の吐出角度が上側に位置する吐出孔の吐出角度よりも下向き角度が大きく、且つ、下側に位置する吐出孔の吐出角度と上側に位置する吐出孔の吐出角度との差が２０°以上５５°以下である、
   連続鋳造用の浸漬ノズル。
2. 前記浸漬ノズルの内部に設けられた溶鋼流路の内径は、浸漬ノズルの上端位置から鉛直方向最上側に設けられた吐出孔の上端位置までの範囲を内径Ｒとし、鉛直方向最上側に設けられた吐出孔の上端位置から浸漬ノズルの底までの範囲を内径ｒとし、内径ｒと内径Ｒとの内径比（ｒ／Ｒ）が０．８０以上０．９５以下である、
   請求項１に記載の連続鋳造用の浸漬ノズル。
3. 請求項１または請求項２に記載の連続鋳造用の浸漬ノズルを使用し、メニスカスにモールドパウダーを添加し、前記浸漬ノズルの溶鋼流路を流下する溶鋼中に不活性ガスを吹き込みながら、前記浸漬ノズルを介してタンディッシュ内の溶鋼を連続鋳造用鋳型内に注入する、鋼の連続鋳造方法。
4. 連続鋳造用鋳型の背面に設置された直流磁場発生装置から前記浸漬ノズルの鉛直方向最上側の吐出孔の上側及び鉛直方向最下側の吐出孔の下側で鋳型内の溶鋼に直流静磁場を印加しながら、前記浸漬ノズルを介してタンディッシュ内の溶鋼を連続鋳造用鋳型内に注入する、請求項３に記載の鋼の連続鋳造方法。
5. 連続鋳造用鋳型の背面に設置された交流磁場発生装置から連続鋳造用鋳型内の溶鋼に交流移動磁場を印加しながら、前記浸漬ノズルを介してタンディッシュ内の溶鋼を連続鋳造用鋳型内に注入する、請求項３または請求項４に記載の鋼の連続鋳造方法。

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