WO2025115565A1 - 連続鋳造用浸漬ノズル及び鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

モールドパウダーの溶鋼への巻き込みを抑制することができる連続鋳造用浸漬ノズルを提供すること。タンディッシュから連続鋳造機の鋳型に溶鋼を注入するための浸漬ノズルであり、溶鋼に浸漬し、かつ鋳型の内部に形成される溶鋼湯面よりも上方向に露出して溶鋼湯面に設ける溶鋼整流部と、溶鋼整流部を上下方向に貫通し溶鋼を鋳型の内部に吐出する管状部とを備え、溶鋼整流部は、少なくとも溶鋼湯面から溶鋼の鋳造方向の所定範囲において、外周の横断面形状が前記鋳型の幅方向に長径を持つ楕円形状又は流線形状であり、溶鋼整流部の外周の横断面形状における長径ａに対する短径ｂの比率が０．９５以下である連続形状を有し、管状部の外周の横断面形状が鋳型の幅方向において円形状又は楕円形状であり、鋳型の長辺に略平行な一の軸の長さαに対する当該一の軸に直交する他の軸の長さβの比率が０．９０以上１．１以下であることを特徴とする。

Description

連続鋳造用浸漬ノズル及び鋼の連続鋳造方法

　本発明は、連続鋳造用浸漬ノズル及び鋼の連続鋳造方法に関する。詳しくは、溶鋼を連続鋳造する際に、溶鋼を鋳型内に注入する連続鋳造用浸漬ノズル及び当該連続鋳造用浸漬ノズルを用いた鋼の連続鋳造方法に関する。さらに詳しくは、溶鋼を連続鋳造する際に潤滑等の目的で使用するモールドパウダーの溶鋼への巻き込みを抑制することができる連続鋳造用浸漬ノズル及び鋼の連続鋳造方法に関する。

　連続鋳造機を用いて溶鋼を連続鋳造する場合には、最初にタンディッシュから鋳型に溶鋼が注がれる。鋳型に注がれた溶鋼が冷却されることによって、溶鋼の表面に初期凝固シェルが形成される。そして、初期凝固シェルが形成された後に続く２次冷却帯により、溶鋼が冷却されることにより、当該溶鋼の凝固が溶鋼の内部まで進行していく。

　溶鋼の鋳造中は、初期凝固シェルと鋳型との潤滑性を向上する目的で、モールドパウダーと呼ばれる複合酸化物が鋳型内に常に供給されている。鋳型内に供給された後に溶融状態となったモールドパウダーは、鋳型と初期凝固シェルの間に侵入していく。
　一方で、鋳型の溶鋼湯面(メニスカス)にも溶融状態のモールドパウダーが浮遊している。この鋳型の溶鋼湯面(メニスカス)に浮遊しているモールドパウダーは、鋳型内において発生した溶鋼の溶鋼流によって巻き込まれる。この溶鋼流によって巻き込まれたモールドパウダーが初期凝固シェルに捕捉されると、鋳造された溶鋼が鋼製品になった際に表面欠陥となってしまい、著しく当該鋼製品の品質を損ねてしまう。

　ところで、モールドパウダーが鋳型内において発生した溶鋼流に巻き込まれる現象については、これまで様々な研究がなされている。この現象の主な要因としては、鋳型の溶鋼湯面(メニスカス)の溶鋼流による削り込みであること、溶鋼流の渦による巻き込みであることが知られている。このような観点から、これまでモールドパウダーが溶鋼流に巻き込まれることを防止するために、電磁ブレーキによる手法や、浸漬ノズルの吐出孔及びその内面形状の適正化による手法が提案されている。

　例えば、特許文献１(特許第３４９１０９９号公報)には、メニスカスに静磁場を印加することでブレーキ力を溶鋼に付与し、メニスカス流速を低減してモールドパウダー巻き込みを防止する方法が提案されている。
　さらに、特許文献２には、吐出孔の縦横比とその面積を適正化することで吐出孔への介在物付着を抑制し、吐出孔詰り起因で発生する偏流を抑止することで、モールドパウダー巻き込みを防止する浸漬ノズルが提案されている。
　また、特許文献３(特許第６９６３１９２号公報)には、浸漬ノズルの内管形状の適正化することで、吐出孔の吸い込み現象の発生を抑制し、溶鋼へのモールドパウダーの巻き混みを防止する浸漬ノズルが提案されている。
　特許文献４(特許第７１７５５１３号公報)には、吐出孔の内周面の形状を球面状にすることで吐出孔からの溶鋼流速の分布が均一化され、モールドパウダーの溶鋼中への巻き込みを防止できる浸漬ノズルが提案されている。

特開平０７－３１４１００号公報 特開２００１－１２９６４５号公報 特開２０２１－０９４５８５号公報 特開２０２１－１２６６６３号公報

　しかしながら、前記従来の技術には、未だ解決すべき以下のような問題があった。すなわち、特許文献１に記載された静磁場を用いた鋼の連続鋳造方法は、静磁場を印可させる設備が必要となるため莫大な費用が掛かることに加えて、平均的なメニスカス流速は抑制されるものの、ノズル詰り等で発生する突発的な流速の速い流れがメニスカスで発生した場合には十分に流速を抑制することが出来ず、モールドパウダー巻き込みを抑制する効果が不十分であった。

　また、特許文献２～４に記載された浸漬ノズルの吐出孔及び内面形状の適正化による手法は、鋳造初期においてモールドパウダー巻き込みを抑制効果が期待される。しかしながら、特許文献２～４に記載されたモールドパウダー巻き込みを防止する浸漬ノズル等は、吐出流により、少なからず浸漬ノズル詰りや溶損が生じるために、鋳造工程の後期では適正な浸漬ノズル形状から乖離してしまい、メニスカスで突発的に流速の速い溶鋼の流れが発生してしまう。このように、特許文献１～４に記載された浸漬ノズル等は、溶鋼へのモールドパウダー巻き込みを抑制する十分な効果を得ることができないという問題点を有する。

　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、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、モールドパウダーの溶鋼への巻き込みを抑制することができる連続鋳造用浸漬ノズル及び鋼の連続鋳造方法を提供することである。

　発明者らは、上記課題を解決すべく、種々実験を重ねた結果、特定の形態を有する連続鋳造用浸漬ノズルを採用することにより、モールドパウダーの溶鋼への巻き込みを抑制することができ、鋳片に残留したモールドパウダーが少ない鋼製品を得ることができることを見出した。本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

　上記課題を有利に解決する本発明に係る連続鋳造用浸漬ノズルは、タンディッシュから連続鋳造機の鋳型に溶鋼を注入するための浸漬ノズルであって、
　前記浸漬ノズルは、前記溶鋼に浸漬し、かつ前記鋳型の内部に形成される溶鋼湯面よりも上方向に露出して前記溶鋼湯面に設ける溶鋼整流部と、
　前記溶鋼整流部を上下方向に貫通し前記溶鋼を前記鋳型の内部に吐出する管状部と、を備え、
　前記溶鋼整流部は、少なくとも前記溶鋼湯面から前記溶鋼の鋳造方向の所定範囲において、外周の横断面形状が前記鋳型の幅方向に長径を持つ楕円形状又は流線形状であり、
　前記溶鋼整流部の外周の横断面形状における長径ａに対する短径ｂの比率である（ｂ／ａ）の値が０．９５以下である連続形状を有し、
　前記管状部の外周の横断面形状が前記鋳型の幅方向において円形状又は楕円形状であり、前記鋳型の長辺に略平行な一の軸の長さαに対する当該一の軸に直交する他の軸の長さβの比率である（β／α）の値が０．９０以上１．１以下であることを特徴とする。
　なお、本発明に係る連続鋳造用浸漬ノズルは、（ａ）前記溶鋼整流部は、前記溶鋼湯面から前記溶鋼の鋳造方向に５０ｍｍ以上の範囲において前記連続形状を有していることなどがより好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

　さらに、上記課題を有利に解決する本発明に係る鋼の製造方法は、上記連続鋳造用浸漬ノズルを用いて、タンディッシュ内の溶鋼を連続鋳造機の鋳型に注入することを特徴とする。

　本発明に係る連続鋳造用浸漬ノズルによれば、偏流等によってメニスカスに流速の速い溶鋼流が発生した場合でも、当該浸漬ノズルの近傍での渦の発生を抑制することができるため、鋳造工程の初期だけでなく、鋳造工程の後期においても大掛かりな設備を必要とせずに溶鋼へのモールドパウダーの巻き込みを抑制することができる。

本発明に係る連続鋳造用浸漬ノズルの一例を示した概要図であって、連続鋳造用浸漬ノズルの斜視図である。 連続鋳造用浸漬ノズルの平面図である。 連続鋳造用浸漬ノズルの管状部が有している吐出孔の中心線を通る面で切断した場合の縦断面図である。 通常の浸漬ノズルを使用して行った鋳型内の溶鋼の流動状態を模式的に示した図である。 本発明に係る連続鋳造用浸漬ノズルを使用して行った鋳型内の溶鋼の流動状態を模式的に示した図である。

［第１実施形態］
　第１実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズルについて説明する。本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズルは、タンディッシュから連続鋳造機の鋳型に溶鋼を注入するための浸漬ノズルであって、前記浸漬ノズルは、前記溶鋼に浸漬し、かつ前記鋳型の内部に形成される溶鋼湯面よりも上方向に露出して前記溶鋼湯面に設ける溶鋼整流部と、前記溶鋼整流部を上下方向に貫通し前記溶鋼を前記鋳型の内部に吐出する管状部と、を備え、
　前記溶鋼整流部は、少なくとも前記溶鋼湯面から前記溶鋼の鋳造方向の所定範囲において、外周の横断面形状が前記鋳型の幅方向に長径を持つ楕円形状又は流線形状であり、前記溶鋼整流部の外周の横断面形状における長径ａに対する短径ｂの比率である（ｂ／ａ）の値が０．９５以下である連続形状を有し、
　前記管状部の外周の横断面形状が前記鋳型の幅方向において円形状又は楕円形状であり、前記鋳型の長辺に略平行な一の軸の長さαに対する当該一の軸に直交する他の軸の長さβの比率である（β／α）の値が０．９０以上１．１以下であることを特徴とする。

　一般的に、溶鋼を連続鋳造機の鋳型に注ぐことにより連続鋳造して製造されるスラブと呼ばれる半製品の鋳片は、その幅が厚さの約２倍以上であることから、鋳片の厚さに対して鋳片の幅が格段に大きい。溶鋼が注入される鋳型は、前後方向に対向する一対の鋳型長辺と左右方向に対向する一対の鋳型短辺とを備えている。鋳型は、鋳型短辺が鋳型長辺の内側を移動することができるように構成されている。

　鋳型に溶鋼を注入する連続鋳造用浸漬ノズルは、溶鋼を鋳型に注入するための複数の吐出孔を有している。複数の吐出孔は、一対の吐出孔から形成されていてもよい。一対の吐出孔が左右方向に対向するそれぞれの鋳型短辺に向けて形成されていてもよい。連続鋳造用浸漬ノズルは、鋳型短辺に向けて形成されているそれぞれの吐出孔から溶鋼を鋳型に注入している。

　そして、発明者等は、鋳型の内部における溶鋼の流動状態について解析を実行した。具体的には、鋳型の内部における溶鋼の流動状態を解析するための溶鋼の水モデル実験、数値シミュレーション、鋳型の内部に設置されたセンサーによる測定、溶鋼から製造された鋳片（スラブ）の解析を行った。その結果、鋳型の内部における溶鋼の流動に関する以下のメカニズムが明らかとなった。

　第１に、モールドパウダー巻き込み現象の大半は、浸漬ノズル近傍で発生した溶鋼の渦により発生すること。第２に、浸漬ノズル近傍の溶鋼湯面(メニスカス)での溶鋼の流速が大きくなり過ぎると、当該浸漬ノズル近傍に溶鋼の渦が発生して、溶鋼中にモールドパウダーが巻き込まれること。第３に、溶鋼中に存在する介在物によって、浸漬ノズルにノズル詰まりが発生して当該浸漬ノズルに形成されている一対の吐出孔の片側の吐出孔からの溶鋼流が過大となった場合には、溶鋼湯面(メニスカス)における溶鋼の流速がより過大となってしまうこと。第４に、浸漬ノズルに形成されている一対の吐出孔にノズル詰まりが発生していない場合であっても当該浸漬ノズルから吐出される溶鋼の吐出流の流速及びその向きは、時間で変化する。このため、溶鋼の流速が過大でその向きが溶鋼湯面(メニスカス)に向いた時には、溶鋼湯面(メニスカス)における溶鋼の流速がさらに過大となってしまうこと。

　発明者等は、このようなメカニズムに基づいてさらに研究開発を進め、浸漬ノズル近傍における渦の発生を抑制するためには、浸漬ノズルの横断面形状及び鋳造方向における浸漬ノズルの形状が重要であることを新たに見出した。すなわち、浸漬ノズルの近傍で渦が発生する理由は、浸漬ノズル周辺における溶鋼の流速が過大となり、浸漬ノズルから溶鋼の流れが剥離して、鋳型の下流側の浸漬ノズルの横に渦が発生することである。

　このような技術的観点から、発明者等は、浸漬ノズルの外周の横断面形状を鋳型幅方向に広い流線形もしくは楕円形状とすることにより、浸漬ノズルの近傍の溶鋼流が滑らかとなり、渦の発生を抑制することができることを見出した。以下、浸漬ノズルの近傍の溶鋼流が滑らかとなり、渦の発生を抑制することができる本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズルの構造について説明する。

＜連続鋳造用浸漬ノズルの概要図＞
　本発明に係る連続鋳造用浸漬ノズルの一例を示した概要図である。図１Ａは連続鋳造用浸漬ノズルの斜視図であり、図１Ｂは連続鋳造用浸漬ノズルの平面図であり、図１Ｃは連続鋳造用浸漬ノズルの吐出孔の中心線を通る面で切断した場合の縦断面図である。
　なお、図１Ａ～図１Ｃにおいて、符号１００は連続鋳造用浸漬ノズル、１２３は吐出孔（左側鋳型短辺）、１２４は吐出孔（右側鋳型短辺）、１０１は溶鋼整流部、１０３は溶鋼流路、１２２は管状部１０２の底（溶鋼整流部より下方部の底面）、ａは溶鋼整流部１０１の長径、ｂは溶鋼整流部１０１の短径、αは溶鋼整流部より下方の管状部１０２の長径、βは溶鋼整流部より下方の管状部１０２の短径、ｈは溶鋼湯面(メニスカス)２０１位置から鋳造方向に連続する溶鋼整流部１０１の長さ、すなわち、溶鋼整流部１０１が溶鋼２００に浸漬している浸漬深さである。

　図１Ａ～図１Ｃに示されるように、本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズル１００は、タンディッシュ（図示せず）から連続鋳造機の鋳型３００に溶鋼２００を注入するための浸漬ノズルである。本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズル１００は、ほぼストレートの管形状を有しており内孔１２１とその底面付近に複数の吐出孔を有している管状部１０２を基本構造とする。そして、連続鋳造用浸漬ノズル１００は、管状部１０２に鋳型３００の内部に形成された溶鋼湯面（メニスカス)２０１に発生する溶鋼流から形成される渦の発生を低減するための溶鋼整流部１０１が付加されている点に技術的特徴を有する。

　図１Ａ～図１Ｃに示された連続鋳造用浸漬ノズル１００は、溶鋼湯面(メニスカス)２０１位置での溶鋼整流部１０１の外周の横断面形状が楕円形である浸漬ノズルの一例である。すなわち、連続鋳造用浸漬ノズル１００は、溶鋼整流部１０１と管状部１０２とを備え、管状部１０２の鉛直方向上下の当該浸漬ノズルの軸芯に対して左右対称である１対の吐出孔を有する浸漬ノズルである。なお、鋳型３００は、鋳型短辺３０１と鋳型長辺３０２と鋳型底辺３０３から構成されている。
　以下、連続鋳造用浸漬ノズル１００が備えている溶鋼整流部１０１および管状部１０２について説明する。

＜連続鋳造用浸漬ノズルの溶鋼整流部＞
　連続鋳造用浸漬ノズル１００は、溶鋼整流部１０１を備えている。この溶鋼整流部１０１は、溶鋼２００に浸漬し、かつ、鋳型３００の内部に形成される溶鋼湯面２０１よりも上方向に露出して溶鋼湯面２０１に設けられている。すなわち、溶鋼整流部１０１の一部分が鋳型３００の内部の溶鋼２００に浸漬するとともに、溶鋼整流部１０１の他の部分が鋳型３００の内部に形成された溶鋼湯面（メニスカス)２０１からタンディッシュ方向に露出している。

　溶鋼整流部１０１は、その一部分が溶鋼２００に浸漬しており、他の部分が鋳型３００の内部に形成された溶鋼湯面（メニスカス)２０１からタンディッシュ方向に露出していればよく、溶鋼２００の溶鋼流の流速、溶鋼湯面（メニスカス)２０１の変動等を考慮して、例えば、溶鋼湯面（メニスカス)２０１から上方に０．１～５０ｍｍの範囲にて当該溶鋼整流部１０１の他の部分が露出するように設けられていてもよい。特に、溶鋼整流部１０１は、溶鋼湯面（メニスカス)２０１の湯面変動を考慮して、想定される溶鋼湯面（メニスカス)２０１よりも上方のタンディッシュ方向に１．０ｍｍ以上設けるのが好ましい。

　連続鋳造用浸漬ノズル１００が備えている溶鋼整流部１０１は、少なくとも溶鋼湯面２０１から溶鋼２００の鋳造方向の所定範囲において、当該溶鋼整流部１０１の外周の横断面形状が鋳型３００の幅方向に長径を持つ楕円形状又は流線形状である。ここで、楕円形には、長楕円形を含む。また、楕円形に代えて、矩形の短辺側を円弧で置き換えた平行部を有する長円形とすることができる。また、流線形とは、溶鋼整流部１０１が溶鋼２００の流れの中に置かれたとき、その周りに渦を発生させず、溶鋼２００の流れから受ける抵抗が最も小さくなる曲線で構成される形をいう。

　例えば、溶鋼２００の一様な流れにあっては、溶鋼整流部１０１の流線形状の先端を尖った形状としてよい。溶鋼整流部１０１の外周の横断面形状を点対称及び線対称の流線形状としてもよい。溶鋼整流部１０１の外周の横断面形状を点対称及び線対称の流線形状とすることにより、鋳型３００の内部に溶鋼湯面（メニスカス)２０１に発生する溶鋼流から形成される渦の発生を低減することができるため好ましい。

　溶鋼整流部１０１は、当該溶鋼整流部１０１の外周の横断面形状における長径ａに対する短径ｂの比率である（ｂ／ａ）の値が０．９５以下である連続形状を有する。溶鋼整流部１０１の外周の横断面形状における長径ａに対する短径ｂの比率である（ｂ／ａ）の値が０．９５以下であることにより、溶鋼整流部１０１が溶鋼２００の溶鋼流速が過大となったとしても流体剥離がし難い形状となり、溶鋼整流部１０１から溶鋼２００の流れが剥離し、鋳造方向の下流側におけるノズル横に渦が発生することがないため好ましい。
　このような技術的観点から、さらに、溶鋼整流部１０１の外周の横断面形状における長径ａに対する短径ｂの比率である（ｂ／ａ）の値は、０．８５以下であってもよく、好ましくは０．６５以下、さらに好ましくは０．５０以下であってもよい。

　溶鋼整流部１０１の外周の横断面形状における長径ａに対する短径ｂの比率である（ｂ／ａ）の値が０．９５以下である連続形状は、少なくとも溶鋼湯面（メニスカス)２０１から溶鋼２００の鋳造方向の下方の所定範囲において形成されている。この連続形状が形成されている所定範囲は、鋳型３００の内部に形成される溶鋼湯面（メニスカス)２０１の高さ、溶鋼２００の流動状態等を考慮して適宜設定することができ、溶鋼整流部１０１から溶鋼２００の流れが剥離し、ノズル横の溶鋼湯面に渦が発生することがないように設定される。

　なお、溶鋼整流部１０１の外周の横断面形状の外形は、モールドパウダーによって損耗することがあるため、当該溶鋼整流部１０１の損耗量を予め考慮した上で、上記条件の外径形状を設定することが望ましい。さらに、溶鋼整流部１０１が溶鋼２００に浸漬する深さを鋳造時間と共に変化させることによって、溶鋼整流部１０１の同一位置をモールドパウダーに接触させない手法を採ることが多い。このような手法を採用した場合であっても、想定される鋳造の最初と最後における溶鋼整流部１０１が溶鋼に浸漬する深さに合わせて上記条件を設定することが好ましい。

＜連続鋳造用浸漬ノズルの管状部＞
　連続鋳造用浸漬ノズル１００は、溶鋼整流部１０１を上下方向に貫通する管状部１０２をその内部に備えている。管状部１０２は、ほぼストレート形状の管形状からなる浸漬ノズルに相当する。溶鋼整流部１０１と管状部１０２とを一体に成形してもよいし、溶鋼整流部１０１と管状部１０２と別々に成形し、これらの部材を組み合わせて成形してもよい。管状部１０２は、タンディッシュから搬送された溶鋼２００を鋳型３００の内部に吐出する。管状部１０２は、タンディッシュ方向に延びて位置する上端と鋳型底辺３０３方向に延びて位置する下端とを有している。

　ここで、管状部１０２は、ほぼストレートな形状を有しており、その上端の形状とその下端の形状は、ほぼ同一であってよい。また、管状部１０２は、タンディッシュから搬送された溶鋼２００が管状部１０２の上端から底面付近に形成された複数の吐出孔に流れる形状であれば、若干異なっていてもよい。管状部１０２の内部には、内孔１２１が形成されている。管状部１０２の底部には、管状部底面１２２が形成されている。管状部１０２の内部に形成されている内孔１２１は、管状部１０２の上端から注入された溶鋼２００が管状部１０２の管状部底面１２２付近まで流れる溶鋼２００の溶鋼流路１０３となる。

　さらに、管状部１０２は、その下端部に溶鋼２００を鋳型３００に吐出するために使用される一対の吐出孔として吐出孔１２３と吐出孔１２４を有している。吐出孔１２３は、鋳型３００の幅方向の左側に位置する鋳型短辺３０１に対向している。吐出孔１２４は、鋳型３００の幅方向の右側に位置する鋳型短辺３０１に対向している。

　溶鋼整流部１０１の上面１１２の中央部に突出してタンディッシュ方向に設けられた管状部１０２の上端に形成された内孔１２１から溶鋼２００が注入される。
　管状部１０２の内孔１２１は、溶鋼整流部１０１の内部１１１を貫通し、管状部１０２の上端から管状部１０２の下端まで連通している。このため、管状部１０２の上端に形成されている内孔１２１から注入された溶鋼２００は、溶鋼整流部１０１の内側に形成された管状部１０２の下端に形成されている内孔１２１を経由して、鋳造方向に管状部１０２の管状部底面１２２に向かって搬送される。

　管状部１０２に形成されている内孔１２１の鋳造方向に搬送された溶鋼２００は管状部底面１２２に到達する。管状部底面１２２に到達した溶鋼２００は、管状部１０２が有している吐出孔１２３と吐出孔１２４とから、吐出流２０２となって鋳型３００の内部に吐出される。その後、鋳型３００の内部に吐出された溶鋼２００が蓄積されることによって、鋳型３００の内部には、溶鋼湯面(メニスカス)２０１が形成される。

　次に、管状部１０２の形状及び管状部１０２の下方に形成された吐出孔１２３、吐出孔１２４について説明する。管状部１０２の外周の横断面形状を吐出孔１２３、吐出孔１２４の近傍に至るまで溶鋼整流部１０１の外周の横断面形状とほぼ同一の楕円若しくは流線形状にすると、必然的に吐出孔１２３、吐出孔１２４の吐出方向長さが通常の浸漬ノズルよりも長くなる。
　このため、浸漬ノズル詰りのリスクが格段に増加してしまい、モールドパウダーに起因する欠陥だけでなく、他の製鋼に関する欠陥も助長し、生産性を阻害してしまう。

　加えて、同一鋳造幅により溶鋼２００の連続鋳造を行う場合、通常の浸漬ノズルを使用して溶鋼２００の連続鋳造を行う時よりも、溶鋼２００の吐出位置が鋳型３００の鋳型短辺３０１に近づくことになる。その結果、管状部１０２に形成されている吐出孔１２３、吐出孔１２４から吐出される溶鋼２００の吐出流が鋳型短辺３０１に衝突する速度が過大となり、溶鋼２００の表面に形成された初期凝固シェルが再溶解し、鋳型３００を抜けた時に初期凝固シェルの厚みが不十分で溶鋼２００が漏れ出すという、所謂「ブレークアウト」が発生してしまう。

　以上のことから、本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズル１００は、管状部１０２の外周の横断面形状が鋳型３００の幅方向において円形状又は楕円形状であり、鋳型３００の長辺に略平行な一の軸の長さαに対する当該一の軸に直交する他の軸の長さβの比率である（β／α）の値が０．９０以上１．１以下である。
　すなわち、管状部１０２の吐出孔１２３、吐出孔１２４付近では、管状部１０２の外周の横断面形状が鋳型３００の幅方向において円形状又は楕円形状であり、鋳型３００の長辺に略平行な一の軸の長さαに対する当該一の軸に直交する他の軸の長さβの比率である（β／α）の値が０．９０以上に設定する必要がある。

　鋳型３００の長辺に略平行な一の軸の長さαに対する当該一の軸に直交する他の軸の長さβの比率である（β／α）の値が０．９０以上であれば、浸漬ノズル詰りのリスクが増加することなく、モールドパウダーに起因する欠陥のみならず、他の製鋼性欠陥を助長することがなく好ましい。
　一方、（β／α）の値が１．１より大きくなると、吐出孔流路の肉厚が過小となって、吐出流を上下方向に調整することができなくなる。そのため、（β／α）値の上限は１．１以下とした。

　なお、図１Ａ～図１Ｃに記載の連続鋳造用浸漬ノズル１００では、その吐出孔１２３、吐出孔１２４の角度が当該浸漬ノズルの軸心方向に対して略９０度であるが、これらの吐出孔角度や吐出孔形状、プール深さ及び形状については鋳造条件や鋳片に求められる品質に応じて、適切な値に変更すれば良い。

　このように本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズル１００は、所定の形状を有する溶鋼整流部１０１と管状部１０２を備えることによって、溶鋼整流部１０１から溶鋼２００の流れが剥離し、鋳造方向の下流側におけるノズル横に溶鋼２００の渦が発生することがなく、浸漬ノズル詰りや介在物付着のリスクを抑制することができる。

　以上説明したように、本実施形態に係る発明によれば、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、モールドパウダーの溶鋼への巻き込みを抑制することができる。

［第２実施形態］
　第２実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズルについて説明する。本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズルは、第１実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズルにおいて、溶鋼整流部が前記溶鋼湯面から前記溶鋼の鋳造方向に５０ｍｍ以上の範囲において前記連続形状を有していることを特徴とする。すなわち、本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズルが有している連続形状は、溶鋼２００の鋳造方向に対して、溶鋼湯面（メニスカス)２０１から少なくとも５０ｍｍ以上連続するように形成されている。

　この連続形状が５０ｍｍ以上であれば、当該連続形状を有していない鋳造方向の下方の部分で発生した溶鋼２００の流れの剥離によって生じる渦が溶鋼湯面（メニスカス)２０１に到達し、溶鋼２００がモールドパウダーを巻き込む可能性がないため好ましい。
　なお、溶鋼整流部１０１が有している連続形状は、吐出孔１２３および吐出孔１２４に被らない条件を満たすように連続して形成される。

　このように、本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズル１００は、溶鋼２００の流れの剥離によって生じる渦が溶鋼湯面（メニスカス)２０１に到達することがない。その結果、本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズル１００は、モールドパウダーを溶鋼２００に巻き込むことをより抑制することができる。

　以上説明したように、本実施形態に係る発明によれば、連続形状を有していない鋳造方向の下方の部分で発生した溶鋼の流れの剥離によって生じる渦が溶鋼湯面（メニスカス)に到達することが抑制し、モールドパウダーの溶鋼への巻き込みを防止することができる。

［第３実施形態］
　第３実施形態に係る鋼の製造方法について説明する。本実施形態に係る鋼の製造方法は上記実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズルを用いて鋼を製造することを特徴とする。まず、本実施形態に係る鋼の製造方法において、タンディッシュの底部に本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズル１００を設置する。
　次に、連続鋳造用浸漬ノズル１００が鋳型３００から形成される空間のほぼ中心に位置するようにタンディッシュを鋳型３００の上方に設置する。このように、本実施形態に係る鋼の製造方法において、溶鋼を連続鋳造するために必要な部材であるタンディッシュと連続鋳造用浸漬ノズル１００と連続鋳造用の鋳型３００とを準備して設置する。

　さらに、本実施形態に係る鋼の製造方法において、転炉などの精錬炉で溶製された溶鋼２００を収容する取鍋からタンディッシュに溶鋼２００を注入しながら、連続鋳造用浸漬ノズル１００を介してタンディッシュから鋳型３００に溶鋼２００を注入する。溶鋼２００が連続鋳造用浸漬ノズル１００を介して鋳型３００に注入されることにより、当該鋳型３００の内部に注入された溶鋼２００が溜まっていく。鋳型３００の内部に注入された溶鋼２００が溜まることによって、当該鋳型３００の内部に溶鋼湯面(メニスカス)２０１が形成される。

　溶鋼２００の連続鋳造において、モールドパウダーが鋳型３００の内部に注入された溶鋼２００に供給される。鋳型３００の内部に供給されて溶融状態となったモールドパウダーは、鋳型３００の内部において溶鋼２００が冷却することによって形成された初期凝固シェルの間に侵入していく。一方、鋳型３００の内部に供給されて溶融状態となったモールドパウダーの一部は、鋳型３００の溶鋼湯面(メニスカス)２０１に浮遊する。
　さらに、モールドパウダーを鋳型３００の内部に注入する際には、溶鋼２００に供給され連続鋳造用浸漬ノズル１００の溶鋼流路１０３を流下する溶鋼２００にスライディングノズル、上ノズル等を介してアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスを吹き込んでもよい。

　図２は、通常の浸漬ノズルを使用して溶鋼の鋳造を行った場合における鋳型内の溶鋼の流動状態を模式的に示した図である。ここで、図２において符号３０１は連続鋳造鋳型短辺、符号２０１は溶鋼湯面(メニスカス相当)、符号２０２は吐出孔１２３からの吐出流、符号２０３は吐出孔からの吐出流２０２が分岐して形成される分岐上昇流、符号２０４はメニスカス流、符号２０５は浸漬ノズルに沿った剥離点から発生する剥離流、符号２０６は剥離流内に形成された溶鋼２００の渦である。

　図２に示されるように、浸漬ノズル４００から吐出される溶鋼２００の吐出流は、時間で変動しており、右側の吐出孔１２４からの溶鋼２００の吐出流２０２が強くなっており、当該溶鋼２００の吐出流２０２は、鋳造方向の斜めに向かって深く潜り込んでいる状態であることが理解される。
　一方、左側の吐出孔１２３からの吐出流２０２は、右側の吐出孔１２４からの吐出流２０２と比較すると、その吐出流２０２は、上側（タンディッシュ側）向いており、連続鋳造鋳型短辺３０１に衝突後に溶鋼湯面(メニスカス)２０１に向いた流れになる。そして、左側の吐出孔１２３からの吐出流２０２は、溶鋼湯面(メニスカス)２０１に到達後、浸漬ノズル４００方向に向くメニスカス流２０４になる。この時、吐出孔１２４の右側ではメニスカス流２０４は発生しておらず、浸漬ノズル４００の左側から右側に向かうメニスカス流２０４が発生する。

　このように、図２に示した通常の浸漬ノズル４００を使用して溶鋼２００の鋳造を行った場合、メニスカス流２０４の剥離点において浸漬ノズル４００が有している吐出孔１２３からの吐出流２０２が剥離することにより剥離流２０５が発生する。その結果、浸漬ノズル４００の右側で吐出流２０２の乱れが剥離流２０５によって発生し、溶鋼２００から形成される渦２０６が発生してしまう。この渦２０６によって、溶鋼湯面(メニスカス)２０１に浮かんでいるモールドパウダーが巻き込まれて、鋼製品の品質を悪化させる。

　図３は、連続鋳造用浸漬ノズルを使用して溶鋼の鋳造を行った場合における鋳型内の溶鋼の流動状態を模式的に示した図である。なお、図３において示された各符号は、図２において示された各符号と同一であり、符号２０７はノズルに沿った流れが剥離せずにノズル後方に形成する溶鋼２００の後方流である。
　図３に示されるように、本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズル１００を使用して溶鋼２００の鋳造を行った場合には、当該浸漬ノズル１００の左右を流れる吐出流２０２において当該浸漬ノズルからの剥離が生じない。

　さらに、溶鋼２００の連続鋳造時における諸条件により、連続鋳造用浸漬ノズル１００の左右を流れる溶鋼２００の溶鋼流において当該浸漬ノズルからの剥離が生じたとしても僅かであり、渦２０６の発生頻度が激減する。さらに、連続鋳造用浸漬ノズル１００を使用して溶鋼２００の鋳造を行った場合には、鋳造方向の楕円形状部分も所定の長さを確保した連続形状としているため、溶鋼湯面(メニスカス)２０１の下方で発生する溶鋼湯面(メニスカス)２０１と同じ向きの溶鋼２００の溶鋼流を原因として発生する剥離流２０５及び渦２０６の発生も抑制することが可能となる。

　また、溶鋼２００の連続鋳造において、鋳込み時間が経過することに伴い、連続鋳造用浸漬ノズル１００の吐出孔１２３、吐出孔１２４が介在物等で閉塞する現象が知られている。連続鋳造用浸漬ノズル１００が有している左右の吐出孔１２３及び吐出孔１２４のうち、片方の吐出孔の付近に詰りが発生すると、片側の吐出孔のみから大量の溶鋼２００が吐出されることになる。片側の吐出孔のみから大量の溶鋼２００が吐出されることにより、溶鋼湯面(メニスカス)２０１への溶鋼の流速の増加を招くため、モルダーパウダー巻き込みの要因となる。

　しかしながら、連続鋳造用浸漬ノズル１００を使用して溶鋼２００の鋳造を行った場合には、連続鋳造用浸漬ノズル１００の吐出孔１２３、吐出孔１２４が介在物等で閉塞される現象が起きても、溶鋼２００へのモールドパウダー巻き込みを抑制することが可能となる。即ち、上記実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズル１００を使用して溶鋼２００を連続鋳造することで、モールドパウダーの巻き込みを抑制した極めて表面品質の良い鋳片等の鋼製品を得ることが出来る。

　なお、近年における溶鋼の連続鋳造操業では、介在物の鋳片への捕捉を抑制するために、連続鋳造鋳型内の溶鋼に磁場を印加して当該鋳型内の溶鋼の流動を制御することが行われている。本実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズル１００を使用して溶鋼２００の鋳造を行った場合においても、吐出流に静磁場を印加して介在物の潜り込みを抑制してもよいし、移動磁場を印加して介在物を洗い流す洗浄効果を狙った旋回流を付与しても本発明の効果には影響がないため、併用しても問題ない。

　このように本実施形態に係る鋼の製造方法によれば、上記実施形態に係る連続鋳造用浸漬ノズル１００を使用して溶鋼２００の連続鋳造を行うことにより、溶鋼流によって巻き込まれたモールドパウダーが初期凝固シェルに捕捉されることがなく、鋳造された溶鋼２００が鋼製品になった際に表面欠陥となることがなく、当該鋼製品の品質を損ねることがない。

　以上説明したように、本実施形態に係る発明によれば、モールドパウダーの巻き込みの大部分を決定する連続鋳造用浸漬ノズルの横側で発生する渦を抑制することができる。このため、本実施形態に係る鋼の製造方法によれば、安定的にモールドパウダーの巻き込み防止を可能とし、極めて表面品質の良い鋳片を得ることができる。

［他の実施形態］
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術的範囲で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステム、または装置も、本発明の技術的範囲に含まれる。

　以下、本発明の効果を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

＜発明例１＞
　実機スラブ連続鋳造機において、本発明に係る連続鋳造用浸漬ノズルを使用して連続鋳造操業を実施した。連続鋳造した鋳片（スラブ）の横断面寸法は、厚みが２２０～２６０ｍｍ、幅が１０００～２０００ｍｍである。また、連続鋳造用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採択して添加した。

（連続鋳造用浸漬ノズルの設計仕様）
　本発明に係る連続鋳造用浸漬ノズルを製造し、当該製造した連続鋳造用浸漬ノズルを用いて鋼を製造した。発明例１において、連続鋳造用浸漬ノズルが備えている外管である溶鋼浸漬部の断面形状を楕円形状に設定した。さらに、発明例１において、楕円形状である外管の外周の長径をａとし、その短径をｂとしたとき、これらの比である（ｂ／ａ）の値を０．９１、メニスカス位置から溶鋼の鋳造方向に連続する楕円形状の距離であるｈの値を５０ｍｍ、溶鋼整流部より下方の管状部の外管の長径をαとし、その短径をβとしたとき、これらの比である（β／α）の値を１．０となるように設定して連続鋳造用浸漬ノズルを製造した。

（鋼製品及び製造プロセスの評価）
　発明例１で製造した連続鋳造用浸漬ノズルを用いて、溶鋼流量を３．４ｔｏｎ／ｍｉｎに設定することにより、溶鋼を鋳造して鋼製品を製造した。発明例１において、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である。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、鋳片に残留したモールドパウダーが少ないと評価した。

　また、溶鋼の鋳造中、鋳型短辺の熱電対の温度挙動から鋳型内の凝固シェル厚を推定し、閾値以下となった場合、ブレークアウトが発生するリスクが高まったとして、警報が鳴る仕組みを採用している。そこで、発明例１では、連続鋳造の操業性の評価として、ブレークアウト警報の有無も評価した。

　このように、鋼製品の評価は、鋼製品の欠陥指標により行った。さらに、発明例１において製造した連続鋳造用浸漬ノズルを用いた鋼の製造方法の評価をブレークアウト警報の有無により行った。表１に発明例１の連続鋳造用浸漬ノズルの設計、鋼製品及び製造プロセスの評価結果を示した。

＜発明例２～４＞
　連続鋳造用浸漬ノズルが備えている外管である溶鋼浸漬部の断面形状、断面形状の外管の長径をａとし、その短径をｂとしたとき、これらの比である（ｂ／ａ）の値、メニスカス位置から溶鋼の鋳造方向に連続する楕円形状の距離であるｈの値、管状部の外周の長径をαとし、その短径をβとしたとき、これらの比である（β／α）の値を変更した以外は、発明例１と同様にして連続鋳造用浸漬ノズルを製造した。

　さらに、発明例２～４で製造したそれぞれの連続鋳造用浸漬ノズルを用いて、溶鋼流量を変更した以外は、発明例１と同様にして溶鋼を鋳造して鋼製品を製造した。また、発明例２～４で製造した鋼製品の評価、製造した連続鋳造用浸漬ノズルを用いた鋼の製造方法の評価を発明例１と同様に行った。表１に発明例２～４の連続鋳造用浸漬ノズルの設計、鋼製品及び製造プロセスの評価結果を示した。

＜比較例１～４＞
　発明例１～４との比較のために連続鋳造用浸漬ノズルの設計変更を行い、比較例１～４の連続鋳造用浸漬ノズルを製造した。比較例１～４で製造した連続鋳造用浸漬ノズルを用いて鋳造を行った。すなわち、比較例１～４で製造した連続鋳造用浸漬ノズルを用いて鋳造を行った以外は発明例と同じ条件で溶鋼の鋳造を行った。また、比較例１～４で製造した鋼製品の評価、製造した連続鋳造用浸漬ノズルを用いた鋼の製造方法の評価を発明例１と同様に行った。表１に比較例１～４の連続鋳造用浸漬ノズルの設計、鋼製品及び製造プロセスの評価結果を示した。

　表１に示されるように、比較例１～４で製造した連続鋳造用浸漬ノズルの設計仕様は、具体的に以下の通りである。
比較例１：（ｂ／ａ）＞０．９５の関係を満たす連続鋳造用浸漬ノズル
比較例２：（ｂ／ａ）≦０．９５、ｈ＜５０ｍｍの関係を満たす連続鋳造用浸漬ノズル
比較例３：（ｂ／ａ）≦０．９５、ｈ≧５０ｍｍ、（β／α）＜０．９の関係を満たす連続鋳造用浸漬ノズル
比較例４：（ｂ／ａ）≦０．９５、ｈ≧５０ｍｍ、（β／α）＞１．１の関係を満たす連続鋳造用浸漬ノズル

　表１に操業条件及び操業結果を示す。発明例１～４と比較例１－１～１－３とを比較すると、本発明例１～４の鋼製品の欠陥指数を大幅に改善することができた。また、比較例２－１、２－２では、比較例１－１～１－３よりも改善は見られたが、十分な改善には至らなかった。比較例３－１、３－２では、鋼製品の品質は良好であったが、鋳込みの後半でブレークアウト警報が発報したため、鋳造を中止した。

　さらに、比較例３－２では、鋳込み初期でブレークアウト警報が発報したため、鋳込み中止となり、鋼製品になるには十分な鋳片を得ることができずに鋼製品の品質の評価はできなかった。比較例４－１、４－２においては、発明例１～４と大差無い良好な鋼製品の品質が得られたものの、鋳造途中で浸漬ノズルの内管部分が介在物で詰まったために、鋳込み中止となった。つまり、本発明に係る連続鋳造用浸漬ノズルを適用することで、鋼製品の欠陥指数を大幅に低減でき、且つ、操業上も安定した製造が可能であることがわかった。

　本発明に係る連続鋳造用浸漬ノズルによれば、浸漬ノズルの近傍での渦の発生を抑制し、モールドパウダーの巻き込みを抑制することができるので、極めて表面品質の良い鋳片等の鋼製品を得ることができるとともに溶鋼の連続鋳造の安定操業を実現できるので、製鉄業等の関連産業の発達に寄与し、産業上有用である。

１００　　連続鋳造用浸漬ノズル
１０１　　溶鋼整流部
１０２　　管状部（溶鋼整流部より下方部）
１０３　　溶鋼流路
１１１　　整流部下面
１１２　　整流部上面
１２１　　内孔
１２２　　管状部底面（溶鋼整流部より下方部底面）
１２３　　吐出孔（左側鋳型短辺）
１２４　　吐出孔（右側鋳型短辺）
２００　　溶鋼
２０１　　溶鋼湯面（メニスカス）
２０２　　吐出流
２０３　　分岐上昇流
２０４　　メニスカス流
２０５　　剥離流
２０６　　渦（溶鋼）
２０７　　後方流
３００　　鋳型
３０１　　鋳型短辺
３０２　　鋳型長辺
３０３　　鋳型底辺
４００　　浸漬ノズル（従来品）
ａ　　　　溶鋼整流部長径
ｂ　　　　溶鋼整流部短径
α　　　　管状部の径（一の軸）
β　　　　管状部の径（他の軸）
ｈ　　　　溶鋼湯面（メニスカス）位置から鋳造方向に連続する整流部の長さ

Claims (3)

1. 　タンディッシュから連続鋳造機の鋳型に溶鋼を注入するための浸漬ノズルであって、
   　前記浸漬ノズルは、前記溶鋼に浸漬し、かつ前記鋳型の内部に形成される溶鋼湯面よりも上方向に露出して前記溶鋼湯面に設ける溶鋼整流部と、
   　前記溶鋼整流部を上下方向に貫通し前記溶鋼を前記鋳型の内部に吐出する管状部と、を備え、
   　前記溶鋼整流部は、少なくとも前記溶鋼湯面から前記溶鋼の鋳造方向の所定範囲において、外周の横断面形状が前記鋳型の幅方向に長径を持つ楕円形状又は流線形状であり、
   　前記溶鋼整流部の外周の横断面形状における長径ａに対する短径ｂの比率である（ｂ／ａ）の値が０．９５以下である連続形状を有し、
   　前記管状部の外周の横断面形状が前記鋳型の幅方向において円形状又は楕円形状であり、前記鋳型の長辺に略平行な一の軸の長さαに対する当該一の軸に直交する他の軸の長さβの比率である（β／α）の値が０．９０以上１．１以下であることを特徴とする連続鋳造用浸漬ノズル。
2. 　前記溶鋼整流部は、前記溶鋼湯面から前記溶鋼の鋳造方向に５０ｍｍ以上の範囲において前記連続形状を有してい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。
3. 　請求項１又は２に記載の連続鋳造用浸漬ノズルを用いて、タンディッシュ内の溶鋼を連続鋳造の鋳型に注入することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
   
    

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