(57)【要約】      （修正有）【課題】溶鋼への型内剤の巻き込みを防止すると共に高品質の鋼を製造する下注造塊方法の提供。【解決手段】鋳型底内径1000〜2000mmとし、鋳型底の注入口５から溶鋼を注入する際、湯道は鋳型底内の水平方向を向く水平湯道４と水平湯道４に連通し且つ上下方向を向き鋳型内へ溶鋼を注入する注入口５を有し、注入口５は湯道の鋳型側の端部に上方に向けて拡径されたテーパー状の拡径部５ａを有し、注入口５の１個あたりの溶鋼の注入流量を1.5〜3.0t/min、水平湯道４の内径D1[mm]と拡径部５ａの下端側における注入口５の内径D2[mm]との関係が（6.437×W＋0.741×D1−10.849≦D2≦D1）を満たし、内径D2の中心と内径D1の中心のズレ量dが（0.08×D1≦d≦0.5×D1）を満たし、拡径部５ａのテーパー角θが（2°≦θ≦8°）を満たす下注造塊方法。【選択図】図１Ｂ
2018134674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型底の内径が1000mm〜2000mmとされた鋳型に対して、鋳型底に設けられた注入口から溶鋼を湯道を通じて注入しつつ溶鋼の下注ぎ造塊を行うに際して、
前記湯道は、鋳型底内において水平方向を向く水平湯道と、当該水平湯道に連通すると共に上下方向を向き、且つ、前記鋳型内へ前記溶鋼を注入する注入口を有し、
前記注入口は、前記湯道における鋳型側の端部に、上方に向けて拡径されたテーパー状の拡径部を有し、
前記注入口１個あたりの溶鋼の注入流量Wが1.5〜3.0t/minとなるように注入し、
前記水平湯道の内径D1[mm]と、前記拡径部の下端側における、前記注入口の内径D2[mm]との関係が、式（１）で示す範囲を満たし、
6.437×W＋0.741×D1−10.849≦D2≦D1    ・・・（１）
ただし、W：鋳型１基あたりの溶鋼の注入流量[t/min]
前記内径D2の中心と、前記内径D1の中心のズレ量dが、式（２）で示す範囲を満たし、
0.08×D1≦d≦0.5×D1    ・・・（２）
上下方向に対する前記拡径部のテーパー角θが、式（３）で示す範囲を満たす
2°≦θ≦8°    ・・・（３）
ことを特徴とする下注造塊方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳型内に溶鋼を下注ぎ方式で注入して鋼塊を製造する下注造塊方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、鋳型を用いて鋼塊を製造する造塊方法には、溶鋼の注入方向の違いから「下注ぎ方式」と「上注ぎ方式」の２種類がある。上注ぎ方式は、取鍋から溶鋼を、鋳型の上部より直接鋳型内に注ぎ込む方式である。
それに対して、「下注ぎ方式」は、湯道の末端にロート状の「拡径部」を設けておき、上下方向に沿って垂直に設けられた湯道から水平方向の湯道を経由して、鋳型底に設けられ、垂直方向を向いた注入口から鋳型内に、溶鋼を下方から上方へ噴出させるように注ぎ込む方式である。
【０００３】
ところで、上記した「下注ぎ方式」の造塊方法（以降、下注造塊方法という）では、通常、溶鋼の酸化防止や、溶鋼の保温及び、鋳型と凝固殻の焼きつき防止を改善する目的で、鋳型内にパウダー状の型内剤を添加して鋳造を開始する。
しかしながら、鋳型底の注入口から溶鋼を上向きに噴出させる下注造塊方法では、鋳造の初期に鋳型内で発生する上向きの注入流によって、鋳型内に添加された型内剤が溶鋼中に巻き込まれて、鋳塊内に捕捉されてしまうことがある。
【０００４】
このような溶鋼への型内剤の巻き込みが生じてしまうと、型内剤が鋼塊のボトム部の凝固殻に捕捉されてしまい、その型内剤によって、介在物欠陥が発生してしまう虞がある。
このような型内剤の巻き込みを防止する方法として、鋳造初期における溶鋼の注入速度を低下させる方法がある。しかしながら、溶鋼注入の初期段階においては、湯道煉瓦の温度が低下しているため、溶鋼の注入速度を低くすると、湯道の内部で溶鋼が凝固してしまい、その凝固した溶鋼により、湯道の詰まりを発生させてしまう虞がある。
【０００５】
そこで、上記の課題を解決すべく、従来の下注造塊方法においては、以下の特許文献１〜４に示すような手段を設けて型内剤の巻き込みを防止している。
例えば、特許文献１は、溶融金属の下注ぎ方式の注湯方法において、注湯速度を低下させることなく、注湯中の鋳型内溶融金属の湯面を安定させて、スラグ類や非金属介在物の溶融金属への巻き込みを抑制するとともに注入口から上向きに噴出する溶鋼によって湯面を覆っていた型内剤が周囲に押しやられて目玉と称する裸湯の部分が発生し、溶鋼酸化するのを抑制し、金属鋳塊の品質を低下させる原因となる非金属介在物の金属鋳塊中への分散を減じて、金属鋳塊の品質向上を図ることを目的としている。
【０００６】
具体的には、下注ぎ方式の注湯方法に使用する注湯管において、溶融金属搬送容器から前記吐出口に連通して溶融金属を鋳型に供給する溶融金属の経路である注湯管内に、溶融金属に旋回流を形成させる旋回流形成手段を１個又は複数個設け、注湯管先端部での溶融金属の上方への流速が低下すると共に、旋回流によって生じた遠心力効果による吐出口からの溶融金属の拡散によって湯面の変動が小さくなって安定になり、鋳型中央部分に湧き上がるような現象が大きく減少して目玉の発生を抑制するとされている。
【０００７】
特許文献２は、シールガスとしてアルゴンガスを用いた場合には、シールガスの巻込みによる下注造塊用鋳型内の溶鋼の表面の揺らぎが顕著に発生し、注造塊用鋳型内の溶鋼の表面を盛り上げたり、あるいは溶鋼の表面で弾けたりして、溶鋼の表面に大きな揺らぎを生じる。この結果、造塊された鋼塊の表面が二重肌になったり、あるいは、溶鋼の表面を覆っている被覆材を巻込んで凝固し、鋼塊の表面に凹みや肌荒れを生じたりするなどといった、鋼塊の表面肌の悪化を防止することを目的としている。
【０００８】
具体的には、溶鋼を注入管の下端部の左右の側壁に設けた出口に接続する左右の水平な湯道に流して下注造塊用鋳型へ下注ぎする注湯方法において、注入管からの溶鋼を出口の直近の湯道内に設けた螺旋状の旋回板からなる溶鋼誘導板に通すことにより湯道を流れる溶鋼に旋回流を発生させて下注造塊用鋳型へ下注ぎし、巻き込んだシールガスの気泡を分散させて注湯する注湯方法であり、この方法により鋼塊表面肌が改善されるとされている。
【０００９】
特許文献３は、湯道を流れる溶鋼を旋回流とすることで注入管内で巻込んだシールガスの気泡を湯道内の中心部に集め、下注造塊用鋳型内への流入を複数の下注造塊用鋳型に分散させることで、下注造塊用鋳型内の溶鋼の表面の揺らぎを軽減し、鋼塊の表面肌の悪化や下注造塊用鋳型内で溶鋼の表面を覆っている被覆材の巻込みを防止することを目的としている。
【００１０】
具体的には、取鍋から注入管を経て下注造塊用の湯道に溶鋼を流す際に、垂直に配設した注入管の上部入口から溶鋼を流して落下させる。この場合、この注入管の下端部に段差部を設け、該段差部において、溶鋼の流れを垂直落下から切り替えて段差部の終端部に向け、さらにこの段差部の終端部に設けた下向きの下垂管部で溶鋼の流れを下垂管部の方向の下部に向けるものとし、さらに段差部の底面の延長線より低位かつ直近に位置する段差部の終端部の下垂管部の側壁に配設の出口から水平方向の湯道に溶鋼を流すことで、湯道において旋回流を発生させ、これにより鋼塊表面肌が改善されるとされている。
【００１１】
特許文献４は、大定盤上に設置した複数の下注鋳型により、複数の鋳塊を同時に製造する下注造塊装置に関し、更に詳しくは、高さの異なる鋳塊を同時に製造することを目的としている。
具体的には、大定盤上の複数の２重定盤に装備されたスライド弁を開状態として注入管内に溶湯を供給すると、その溶湯が大定盤内の水平方向の湯道を通り、更に、２重定盤内の垂直方向の湯道を通って、大定盤上の複数の鋳型内に一斉に供給される。そして、鋳型内の溶湯が所定レベルに達したものから順番にスライド弁を閉状態にして、２重定盤内の湯道を遮断する。これにより、１枚の大定盤と１本の注入管によって異高鋳塊を製造することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−２１６２９５号公報
【特許文献２】特開２００８−２６４８１６号公報
【特許文献３】特開２００８−２５４０５８号公報
【特許文献４】特開平７−１２４６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、従来の下注造塊方法では、鋳型底に設けられ、垂直方向を向いた注入口の内径を拡大する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献１〜４などの従来の技術においては、注入口と溶鋼の注入流量との関係が不明である。例えば、注入口の内径を大きく広げすぎてしまうと、注入口に設ける耐火物が多く必要となるので、耐火物のコストが増大することとなる。
【００１４】
また、注入口の上部へ向かうほど内径を広げる方法、すなわち上方に向かって広がるテーパー状の拡径部を注入口に設ける方法も提案されているが、拡径部を広げすぎてしまうと、注入流が注入口の内周壁から剥離してしまい、溶鋼の注入速度が減少しなくなるので、噴出流が弱まらない。つまり、鋳型内への溶鋼の流れが拡散しなくなる。また、拡径部を広げると注入口全体に設ける耐火物が多く必要となるので、耐火物のコストが増大することとなる。
【００１５】
そこで、本願発明者らは、鋳型内への噴出流の拡散について、鋭意研究を重ねた。
その結果、噴出流の拡散には、溶鋼の流れ、特に溶鋼が旋回するように流れることが大きく関与することを知見した。
さて、特許文献１においては、溶鋼の流れに旋回流を付与するため、湯道内に旋回羽として作用させる耐火物を使用しているが、その耐火物の破損による、破砕物の混入の虞がある。詳しくは、螺旋状の旋回羽が注入流の衝撃によって破損し、その破砕物が鋳型内に持ち込まれて、溶鋼内に取り込まれて介在物欠陥になる虞がある。
【００１６】
そこで、破損を防止するために、旋回羽として作用させる耐火物を厚くすると、溶鋼注入の初期段階において耐火物（旋回羽）の温度上昇が遅くなるため、溶鋼の温度が低下しやすく、湯道の内部で注入流（溶鋼）が凝固してしまい、旋回羽部での湯道の詰まりを発生させてしまう虞がある。
特許文献２においては、注入管内であって、鋳型注入口から離れた箇所に設けられている螺旋状の旋回板によって、注入流に旋回流を付与しようとするものであるが、大型の鋼塊を製造する場合、螺旋状の旋回板から鋳型までの距離がある、すなわち螺旋状の旋回板が鋳型から遠いと、注入流に旋回流を付与する効果が、弱まってしまう。
【００１７】
また、螺旋状の旋回板が注入流の衝撃によって破損し、その破砕物が鋳型内に持ち込まれて、溶鋼内に取り込まれて介在物欠陥になる虞がある。そこで、破損を防止するために、旋回羽として作用させる耐火物を厚くすると、溶鋼注入の初期段階において耐火物（旋回羽）の温度上昇が遅くなるため、溶鋼の温度が低下しやすく、湯道の内部で注入流（溶鋼）が凝固してしまい、旋回羽部での湯道の詰まりを発生させてしまう虞がある。
【００１８】
特許文献３においては、注入管内であって、鋳型注入口から離れた箇所に設けられている段差部によって、注入流に旋回流を付与しようとするものであるが、大型の鋼塊を製造する場合、段差部から鋳型までの距離がある、すなわち段差部が鋳型から遠いと、注入流に旋回流を付与する効果が、弱まってしまう。
また、従来の下注ぎ造塊方法に、特許文献３の技術を適用する場合、通常、注入管の耐火物を保持するための鋳鉄製の注入管の保持筒や定盤の改造、すなわち鋳型を大幅に改造する必要があるため、鋼塊の製造のコストアップに繋がる。
【００１９】
特許文献４においては、溶鋼注入の終了段階に、スライド弁を作用させるため、溶鋼注入の初期段階における注入流の鋳型内への拡散には影響を与えない。つまり、この技術は、鋳型内への噴出流を拡散させる効果は発現しないので、本願発明の目的とは異なる。たとえ、溶鋼注入の初期段階にスライド弁を作用させたとしても、水平湯道と鋳型注入口との中心がずれていないため、旋回流が生じず効果が発現しない。また、スライド弁からの湯漏れの虞や、スライド弁を設けることによる耐火物のコストが嵩むこととなる。
【００２０】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、水平湯道を経て流入してきた溶鋼を、鋳型底に設けられている注入口から、鋳型に注入するに際して、鋳型に注入する溶鋼の流量を規定しておき、注入口の内径を少なくとも水平湯道の内径以下とし、注入口の中心を水平湯道の中心からずらしておき、且つ、所定の開き角度とされた拡径部を注入口に設けておくことで、注入流に旋回流が付与され、その注入流が拡径部に沿って広がって注入されることにより、溶鋼への型内剤の巻き込みを防止すると共に、高品質の鋼を製造することができる下注造塊方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかる下注造塊方法は、鋳型底の内径が1000mm〜2000mmとされた鋳型に対して、鋳型底に設けられた注入口から溶鋼を湯道を通じて注入しつつ溶鋼の下注ぎ造塊を行うに際して、前記湯道は、鋳型底内において水平方向を向く水平湯道と、当該水平湯道に連通すると共に上下方向を向き、且つ、前記鋳型内へ前記溶鋼を注入する注入口を有し、前記注入口は、前記湯道における鋳型側の端部に、上方に向けて拡径されたテーパー状の拡径部を有し、前記注入口１個あたりの溶鋼の注入流量Wが1.5〜3.0t/minとなるように注入し、前記水平湯道の内径D1[mm]と、前記拡径部の下端側における、前記注入口の内径D2[mm]との関係が、式（１）で示す範囲を満たし、
6.437×W＋0.741×D1−10.849≦D2≦D1    ・・・（１）
ただし、W：鋳型１基あたりの溶鋼の注入流量[t/min]
前記内径D2の中心と、前記内径D1の中心のズレ量dが、式（２）で示す範囲を満たし、
0.08×D1≦d≦0.5×D1    ・・・（２）
上下方向に対する前記拡径部のテーパー角θが、式（３）で示す範囲を満たすことを特徴とする。
【００２２】
2°≦θ≦8°    ・・・（３）
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、水平湯道を経て流入してきた溶鋼を、鋳型底に設けられている注入口から、鋳型に注入するに際して、鋳型に注入する溶鋼の流量を規定しておき、注入口の内径を少なくとも水平湯道の内径以下とし、注入口の中心を水平湯道の中心からずらしておき、且つ、所定の開き角度とされた拡径部を注入口に設けておくことで、注入流に旋回流が付与され、その注入流が拡径部に沿って広がって注入されることにより、溶鋼への型内剤の巻き込みを防止すると共に、高品質の鋼を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】下注造塊装置に備えられている鋳型と湯道の概略を模式的に示した図である。
【図１Ｂ】本発明の湯道の概略を模式的に示した図であって、水平湯道、注入口、拡径部の概略を模式的に示した図である。
【図２】注湯流量Wを変化させた場合における、鋼塊のボトム部における超音波欠陥の個数の変化を示したグラフである。
【図３】注湯流量Wと、注入口の直上の水面における、湯面変動量２σの関係を示したグラフである。
【図４】従来ノズルを使用し、溶鋼に見立てた水の注入の初期段階における、鋳型内の水面変動の状況と、改善ノズル（本発明）を使用し、溶鋼に見立てた水の注入の初期段階における、鋳型内の水面変動の状況を示した画像である。
【図５Ａ】従来ノズルを用いて溶鋼に見立てた水を注入した際に、鋳型内の中心部において水面変動を測定した結果を示したグラフである。
【図５Ｂ】従来ノズルを用いて溶鋼に見立てた水を注入した際に、鋳型内の端部において水面変動を測定した結果を示したグラフである。
【図６Ａ】改善ノズル（本発明）を用いて溶鋼に見立てた水を注入した際に、鋳型内の中心部において水面変動を測定した結果を示したグラフである。
【図６Ｂ】改善ノズル（本発明）を用いて溶鋼に見立てた水を注入した際に、鋳型内の端部において水面変動を測定した結果を示したグラフである。
【図７】従来ノズルを用いた場合の鋳型内中心部における水面変動と、水面高さの関係を示したグラフである（図５Ａ，Ｂに対応）。
【図８】改善ノズル（本発明）を用いた場合の鋳型内中心部における水面変動と、水面高さの関係を示したグラフである（図６Ａ，Ｂに対応）。
【図９】従来ノズルと、改善ノズル（本発明）の形状を示した図である（耐火物の内部のみを示す）。
【図１０】水平湯道の内径D1=56mmφの場合における、鋳型内の湯面高さの変動量２σが32mmを超えない、鋳型１基あたりの溶鋼の注入流量Wと、注入口の内径D2の関係を示したグラフである。
【図１１】水平湯道の内径D1=64mmφの場合における、鋳型内の湯面高さの変動量２σが32mmを超えない、鋳型１基あたりの溶鋼の注入流量Wと、注入口の内径D2の関係を示したグラフである。
【図１２】水平湯道の内径D1=72mmφの場合における、鋳型内の湯面高さの変動量２σが32mmを超えない、鋳型１基あたりの溶鋼の注入流量Wと、注入口の内径D2の関係を示したグラフである。
【図１３】水平湯道の内径D1=80mmφの場合における、鋳型内の湯面高さの変動量２σが32mmを超えない、鋳型１基あたりの溶鋼の注入流量Wと、注入口の内径D2の関係を示したグラフである。
【図１４】水平湯道の内径D1と、図１０〜図１３において下限を示す直線の勾配aと切片bの関係を示したグラフである。
【図１５】水平湯道の内径D1=64mm、注入口の内径D2=56mm、テーパー角θ=4°の場合における、中心のズレ量の比(d/D1)と、湯面変動量２σとの関係を示したグラフである。
【図１６】水平湯道の内径D1=72mm、注入口の内径D2=60mm、テーパー角θ=4°の場合における、中心のズレ量の比(d/D1)と、湯面変動量２σとの関係を示したグラフである。
【図１７】水平湯道の内径D1=64mm、注入口の内径D2=56mmで、水平湯道の内径D1の中心と注入口の内径D2の中心のズレ量d=6.4mmの場合における、注入口の拡径部のテーパー角θと、湯面変動量２σの関係を示したグラフである。
【図１８】水平湯道の内径D1=72mm、注入口の内径D2=60mmで、水平湯道の内径D1の中心と注入口の内径D2の中心のズレ量d=6.4mmの場合における、注入口の拡径部のテーパー角θと、湯面変動量２σの関係を示したグラフである。
【図１９】鋳型の概略を模式的に示した図である。
【図２０】水モデル実験で用いる、下注造塊装置を模した実験装置の概略を模式的に示した図である。
【図２１】鋳型内における湯面変動を測定する方法を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明にかかる下注造塊方法の実施形態を、図を参照して説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。
本発明にかかる下注造塊方法は、鋳型６の底の内径が1000mm〜2000mmとされた鋳型６に対して、その鋳型６の底に設けられた注入口５から溶鋼７を湯道３を通じて注入しつつ溶鋼７の下注ぎ造塊を行うこととしている。
【００２６】
さて、鋳型６を用いて鋼塊を製造する造塊方法には、溶鋼７の注入方向の違いから「下注ぎ方式」と「上注ぎ方式」の２種類がある。上注ぎ方式は、取鍋９から溶鋼７を、鋳型６の上部の開口部より、直接鋳型６内に注ぎ込む方式である。
それに対して、「下注ぎ方式」は、図１に示すように、湯道３の末端にロート状の「拡径部５ａ」を設けておき、取鍋９から上下方向に沿って設けられた注入管２に溶鋼７が注入され、その溶鋼７は水平方向を向く水平湯道４を経由して、鋳型６の底（定盤）に設けられ且つ、垂直方向を向いた注入口５に送られ、その注入口５から溶鋼７を下方から上方へ噴出させるように、鋳型６内に注ぎ込む方法である。
【００２７】
すなわち、下注造塊方法の湯道３は、鋳型６の底内において水平方向を向く水平湯道４と、この水平湯道４に連通するとともに上下方向を向き、且つ、鋳型６内へ溶鋼７を注入する注入口５（垂直湯道）を有していて、注入口５は、湯道３における鋳型６側の端部に、上方に向けて拡径されたテーパー状の拡径部５ａを有している。
本実施形態においては、鋳型６の１基の注湯量が40t〜80tのインゴット鋳型６を対象としており、このような厚板製品の板厚と圧延比から、鋳型６の底の内径を1000mm〜2000mmとしている。
【００２８】
また、本実施形態においては、注入口５の１個あたりの溶鋼７の注入流量Wが、1.5〜3.0t/minとなるように、鋳型６へ溶鋼７を注入している。
まず、水モデル実験（詳細は後述）において確認すると、この水モデル実験における、注入口５の１個あたりの溶鋼７に相当する水の注入流量QM（添え字のMはモデルを表す）の範囲が、7〜13L/minであった。
【００２９】
その結果を踏まえ、実機における、注入口５の１個あたりの溶鋼７の注入流量QR（添え字のRは実機を表す）に換算すると、1.5〜3.0t/minに相当するものであった。この導出された1.5〜3.0t/minを、実機における、注入口５の１個あたりの溶鋼７の注入流量Wの範囲としている。
なお、本発明が対象とする、鋳型６の１基あたりの注湯量の範囲を、40〜80tとしている。また、鋳造時間の範囲を約14分〜50分としている。
【００３０】
図１Ｂに示すように、本実施形態においては、水平湯道４の内径D1[mm]と、拡径部５ａの下端側における注入口５の内径D2[mm]との関係が、式（１）で示す範囲を満たすこととしている。
6.437×W＋0.741×D1−10.849≦D2≦D1    ・・・（１）
ただし、W：鋳型１基あたりの溶鋼の注入流量[t/min]である。
【００３１】
詳しくは、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wとは、取鍋９の底部に備えられているノズルから注入管２に注入される溶鋼７の流量であって、ノズルに設けられているスライドバルブによって、溶鋼７の流量が制御される。
ここで、鋳型内への注入流（噴出流）の拡散について、説明する。
図１Ａに示すように、水平湯道と注入口において、溶鋼７の流れが、水平方向から垂直方向に切り替わる部位において、水平湯道の中心と、注入口の中心とをずらすことにより注入流に渦（旋回流）が付与され、拡径部５ａでテーパー状に沿って旋回流が付与された注入流が広がってゆき、それにより鋳型６の内部への噴出流（注入流）を弱めることができることを、本願発明者らは知得した。つまり、噴出流の拡散には、溶鋼の流れ、特に溶鋼が旋回するように流れることが大きく関与することを知見した。
【００３２】
なお、図１Ａの右図は、同図中の左図に示す鋳型のＡ部を拡大した図であって、注入口の拡径部を設けた図である。
式（１）に示すように、注入口５の内径D2を、水平湯道４の内径D1と同じ径あるいは少し小径に設定した場合、注入流に旋回流が付与され且つ、鋳型６の上方に向かって広がってゆく作用効果が発現することとなる。
【００３３】
しかし、注入口５の内径D2を、水平湯道４の内径D1より大きい径に設定する（式（１）を満たさない）と、注入口５の中心と水平湯道４の中心のズレによって生じた渦の発生が弱まってしまうこととなる。つまり、注入流に旋回流が付与されない。
一方で、注入口５の内径D2を、式（１）の左辺の値より小さい径に設定する（式（１）を満たさない）と、注入口５の内径が細くなりすぎるので、鋳型６内に噴出する注入流の上向きの流速が増加してしまい、渦発生による注入流の分散効果がなくなってしまう。
【００３４】
注入口５の内径D2の下限の値については、溶鋼７の注入流量Wが増加すると、それに伴って、注入口５の内径D2も大きくする必要がある。また、水平湯道４の内径D1の拡径によっても、注入口５の内径D2を大きくする必要がある。
また、本実施形態においては、注入口５の内径D2の中心と、水平湯道４の内径D1の中心のズレ量d[mm]が、式（２）で示す範囲を満たすこととしている。
【００３５】
0.08×D1≦d≦0.5×D1    ・・・（２）
注入口５の内径D2の中心と、水平湯道４の内径D1の中心とのズレ量dとは、例えば、図１ＢのＡ−Ａ矢視図に示すように、注入口５の内径D2の中心を含む上下方向の軸（中心軸）が、水平湯道４の内径D1の中心を含む上下方向の軸（中心軸）に対して、水平方向にずらした量のことである。
【００３６】
すなわち、注入口５の内径D2の中心と、水平湯道４の内径D1の中心は、上下方向において、同一直線状にさせていない。
式（２）を設定する理由としては、注入口５の内径D2の中心と、水平湯道４の内径D1の中心とのズレ量dが、(0.08×D1)より小さくなってしまうと、渦の発生がほとんど生じない。つまり、式（２）を満たさないと、注入流に旋回流が付与されない。なお以降、単に、中心のズレ量dと呼ぶこととする。
【００３７】
また、中心のズレ量dが(0.5×D1)より大きくなってしまうと、注入口５に設けられている耐火煉瓦と、水平湯道４に設けられている耐火煉瓦との接合部の面積が減少してしまい、注入口５への注入流の流速が増加することとなる。つまり、式（２）を満たさないと、渦発生による注入流の分散効果がなくなってしまう。
さらに、本実施形態においては、注入口５内において上方に向かって開く形状とされた拡径部５ａの開き角度θ、すなわち上下方向における拡径部５ａのテーパー角θ、が式（３）で示す範囲を満たすこととしている。
【００３８】
2°≦θ≦8°    ・・・（３）
式（３）を設定する理由としては、鋳型６内に溶鋼７を注入する際、鋳型６内に噴出しすぎないように、注入流の速度を低下させて注入する必要がある。その対応策として、図１Ｂに示すように、周囲に煉瓦が設けられている注入口５の内径を上方に行くほど広げる形状とすることとしている。つまり、注入口５に拡径部５ａを設けるようにしている。
【００３９】
この注入口５に設けられている拡径部５ａのテーパー角θを、2°以上にすると、盛り上がり高さが低下する効果がある。
しかしながら、テーパー角θが8°を上回る傾斜としてしまうと、注入流が拡径部５ａの内周壁から剥離してしまい、テーパー角に沿って広がらなくなる。つまり、式（３）を満たさないと、渦発生による注入流の分散効果がなくなってしまう。
【００４０】
次に、本発明にかかる下注造塊方法について、具体的に説明することとする。
まず、注入流による、溶鋼７への型内剤８の巻き込みの限界値の決定について、説明する。
図２に示すように、従来の形状のノズル２０を使用して70t鋼塊の下注造塊を行った場合、注入口５の１個あたりの溶鋼７の注入流量（注湯流量）Wを1.4t/min以下とすると、特に問題は生じなかった。
【００４１】
一方で、注入口５の１個あたりの溶鋼７の注入流量Wを1.5t/min以上とすると、鋼塊のボトム部において、型内剤８の巻き込みによる超音波欠陥が認められた。
なお、超音波試験については、鋼塊を40mm厚に圧延し、鋼塊のボトム部から上方へ500mmに相当する範囲内に生じている超音波欠陥の個数で評価した。
また、超音波試験で使用した測定機器については以下の通りである。
【００４２】
探傷器については、型番UI-25（菱電湘南エレクトロニクス株式会社製）のデジタル超音波探傷器を使用し、探傷子については、型番2C30Nを使用した。また、探傷感度については、標準試験片(STB-G V15-2.8（JIS))を使用し、疵エコー高さ80％で設定した。
以降、水モデル実験結果については実機に換算した注湯流量、湯面変動量、長さを用いて示す。
【００４３】
図３に、後述する水モデル実験にて、注入口５の１個あたりの溶鋼７の注湯流量Wと、注入口５の直上の水面の変動量２σの関係を調査した結果を示す。
湯面変動量２σは、注入口５の１個あたりの溶鋼７の注湯流量Wの増加とともに増加する。
超音波欠陥が生じなかった際における、注入口５の１個あたりの溶鋼７の注入口５の注湯流量Wは、1.4t/min以下であり、その条件に基づいて水モデル実験にて、湯面変動量２σを測定した。その結果、鋳型６底から上方500mmまで範囲内であって、湯面変動量２σは32mmであり、この値以下では問題は発生しなかった。これに従って、本実施形態においては、湯面変動量２σを32mm以下と規定している。
【００４４】
さて、パウダー状の型内剤８は、ビニール袋にくるまれ、さらにそのビニール袋の上から厚紙（厚手の封筒に使用されるような紙材）でくるまれたものである。このような、袋・紙材などにくるまれた型内剤８は、針金で縛られて、鎖で鋳型６上端からぶら下げられる。
溶鋼７注入前に、袋・紙材などにくるまれた型内剤８を鋳型６底から100mm〜200mm上方の位置にセットする。そして、溶鋼７が鋳型６内に注入されると、溶鋼７の熱によって型内剤８が加熱され、厚紙とビニールが加熱されて先に燃え、その後型内剤８が鋳型６内へ落下することとなる。
【００４５】
このような手順で、鋳型６内にパウダー状の型内剤８が添加されて、鋳造が開始される。
次に、水面変動量２σを測定する方法について説明する。
水モデル実験において、鋳型６を模した容器内の水面変動を、超音波式変位センサー１０により測定した。測定する点としては、注入口５の直上、及び、注入口５（鋳型６の内壁から実寸で820mm離れた位置）と、鋳型６壁の中間位置（鋳型６の内壁から実寸で200mm離れた位置）の2点（鋳型６内の中心部と端部）とした。
【００４６】
図４に、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wを2.46t/minに相当するものとし、溶鋼７と見立てた水を容器（鋳型６）内へ注入したときの初期段階における、鋳型６内の水面変動の状況を示した検証画像の一例を示す。
図４中の左側画像は、偏心（D2の中心とD1の中心のズレなし）も拡径もしていない、従来ノズル２０（水平湯道の内径D1=72mmφ、注入口５の内径D2=72mmφ、図９の左図参照）を使用した時における、鋳型６内の水面変動の状況を示した画像である。
【００４７】
図４中の右側画像は、注入口５を細くし、偏心（D2の中心とD1の中心のズレ有り）と拡径した（拡径部５ａを有する）本発明の改善ノズル５(水平湯道４の内径D1=72mmφ、注入口５の内径D2=60mmφ、中心のズレ量d=6.4ｍｍ、テーパー角θ=4°、図９の右図参照)を使用した時における、鋳型６内の水面変動の状況示した画像である。
図４を参照すると、水平湯道４の内径D1の中心に対して、注入口５の内径D2の中心を偏心させ、且つ、上方に向かって広げた拡径部５ａを有する、改善ノズル（本発明の注入口５）の使用することにより、溶鋼７注入の初期段階において、ノズルの直上での注入流の盛り上がりが減少していることがわかる。つまり、本発明の注入口５を使用すると、鋳型６内の水面変動を減少させることができる。
【００４８】
図５Ａに、従来ノズル２０を用いて溶鋼７と見立てた水を注入した際に、鋳型６内の中心部において水面変動を測定した結果を示す。図５Ｂに、従来ノズル２０を用いて溶鋼７と見立てた水の注入を実施した際に、鋳型６内の端部において水面変動を測定した結果を示す。
図６Ａに、改善ノズル５を用いて溶鋼７と見立てた水を注入した際に、鋳型６内の中心部において水面変動を測定した結果を示す。図６Ｂに、改善ノズル５を用いて溶鋼７と見立てた水の注入を実施した際に、鋳型６内の端部において水面変動を測定した結果を示す。なお、図５Ａ，Ｂ及び図６Ａ，Ｂの実験条件については、図４に示す検証画像の場合と同じである。
【００４９】
図６Ａに示すように、改善ノズル５を用いて溶鋼７と見立てた水の注入を実施した場合、図５Ａに示す従来ノズル２０を用いて溶鋼７と見立てた水の注入を実施した結果と比較して、特に鋳型６内の中心部、すなわち注入口５の直上における水面変動が小さくなっていることがわかる。また、図５Ｂと図６Ｂを比較すると、鋳型６内の端部においても、改善ノズル５を用いた場合の方が水面変動が小さくなっていることがわかる。
【００５０】
つまり、注入口５の内径D2の中心を、水平湯道４の内径D1の中心に対して偏心させ、且つ、上方に向かって広げた拡径部５ａを備えると、水面変動の抑制効果が顕著である。
続いて、注入口５から噴出される注入流による、鋳型６内の各水面高さにおける水面変動量２σを測定する方法について説明する。
注入口５の直上における水面の変動については、0.01sec（実機では0.02sec相当）間隔で測定した。一方で、注入口５と鋳型６壁の中間位置で測定された水面変動については、0.01sec（実機では0.02sec相当）間隔で測定し、時間平均した値から水面の上昇速度を求め、各時間における水面位置（鋳型６底からの距離）を求めた。
【００５１】
また、激しく変動している注入口５の直上における水面の瞬間高さと、鋳型端部で測定された各時間における水面位置の平均値との差の標準偏差σの2倍を、水面変動量２σとした。
図７に、従来ノズル２０（図９左図参照）を用いた場合における、水面変動量と、鋳型６底からの水面高さの関係の一例を示す（図５Ａ，Ｂに対応）。図８に、改善ノズル５（図９右図参照）を用いた場合における、水面変動量と、鋳型６底からの水面高さの関係の一例を示す（図６Ａ，Ｂに対応）。
【００５２】
図８に示すように、改善ノズル５を用いて溶鋼７を注入すると、図７に示す従来ノズル２０の使用に対して、水面変動が大幅に小さくなっていることがわかる。なお、この実験結果には多少のバラつきがあるので、実験条件ごとに３回繰り返した結果から平均の２σを求め、その２σを水面変動量としてノズル（注入口５）の効果を評価した。
次いで、水平湯道４の内径D1、注入口５の内径D2、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量W、及び、湯面変動量２σの関係について説明する。以降、水モデルの場合も単に湯面変動量２σと呼ぶ。
【００５３】
水モデル実験を実施してみると、鋳型６内であって、注入口５の直上における水面高さの湯面変動量２σが32mm以下となるように、偏心と拡径させた条件下(中心のズレ量d=6.4mm、拡径部５ａのテーパー角θ=4°)の改善ノズル５を使用しても、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wや、水平湯道４の内径D1と注入口５の内径D2の値によっては、注入口５の直上における水面高さの湯面変動量２σが、32mm以下を、必ずしも満足しないことがわかった。
【００５４】
そこで、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量W、並びに、水平湯道４の内径D1と注入口５の内径D2を変化させて、検証実験を行った。
この検証実験では、水の注入流量QMを、7L/min,9L/min,11L/min,13L/minと変化させた。この値を実機に換算すると、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが、1.57t/min,2.02t/min,2.46t/min,2.91t/minに相当するものとなる。
【００５５】
図１０〜図１３に、上記の検証実験の結果を示す。
図１０は、水平湯道４の内径D1=56mmφの場合における、湯面変動量２σが32mmを超えない、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wと、注入口５の内径D2の関係を示したグラフである。図１１は、水平湯道４の内径D1=64mmφの場合における、湯面変動量２σが32mmを超えない、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wと、注入口５の内径D2の関係を示したグラフである。
【００５６】
図１２は、水平湯道４の内径D1=72mmφの場合における、湯面変動量２σが32mmを超えない、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wと、注入口５の内径D2の関係を示したグラフである。図１３は、水平湯道４の内径D1=80mmφの場合における、湯面変動量２σが32mmを超えない、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wと、注入口５の内径D2の関係を示したグラフである。
【００５７】
なお、図１０〜図１３においては、注入口５からの噴出する注入流による、湯面変動量２σが、32mm以下となる場合を○印で表示し、そうでない場合を×印で表示している。
ここで、鋼塊を鋳造する下注造塊装置１の装置構成について説明する。
図１９に示すように、下注造塊装置１は、定盤と呼ばれている鋳鉄製の盤の上に、内部に耐火物が配設され且つ、上下方向に長い鋳鉄製の注入管２が配置され、その側方に鋳鉄製のインゴットケース（鋳型６）を１個または複数個、配置されている。本実施形態においては、注入管２の側方に、鋳型６が１個配置されているものを例に挙げている。
【００５８】
注入管２から注入された溶鋼７を鋳型６まで導くために、鋳型６底とされている定盤内に流路が水平方向を向く水平湯道４が設けられている。水平湯道４は、定盤のほぼ中央に配置された注入管２と、各鋳型６の鋳型６底の中心部に設けられている注入口５の間を結ぶ耐火物管である。
水平湯道４は、シャモットなどの煉瓦で造られており、その煉瓦の内径を内径D1[mm]と定義している。また、注入口５（垂直湯道）もシャモットなどの煉瓦で造られており、拡径部５ａ下端における、煉瓦の内径を内径D2[mm]と定義している。
【００５９】
次に、水平湯道４の内径D1[mm]と、拡径部５ａの下端側における注入口５の内径D2[mm]との関係を示す式（１）の導出過程について、説明する。
図１０〜図１３は、水平湯道４の内径D1が56mmφ,64mmφ,72mmφ,80mmφの場合における検証実験の結果である。図１０〜図１３において、下限を示す直線の式（注入口５の内径D2と、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wの関係を示す）の勾配aと切片bの値は、水平湯道４の内径D1の値によって変化する。
【００６０】
そこで、勾配a・切片bの値と、水平湯道４の内径D1との関係を表すと、図１４に示すようになる。
図１４を参照すると、勾配aについては、水平湯道４の内径D1の影響をほとんど受けず、平均値が6.437でほぼ一定である。一方で、切片bは、b=0.7407×D1-10.849の関係で示される。したがって、注入口５の内径D2の下限（式（１）の左辺）は、以下のように定義される。
【００６１】
6.437×W+0.741×D1-10.849
以上の結果より、湯面変動量２σが、32mm以下となる注入口５の内径D2の範囲は、式（１）となる。
6.437×W+0.741×D1-10.849≦D2≦D1    ・・・（１）
これらの結果から、注入口５の内径D2の上限は、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wに関わらず、水平湯道４の内径D1以下である。また、注入口５の内径D2の下限は、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wの増加とともに増え、式（１）で示される。
【００６２】
すなわち、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wの増加とともに、湯面変動量２σが32mm以下となるように、注入口５の内径D2を大きくする必要がある。
なお、中心のズレ量d=6.4mm、テーパー角θ=4°以外であっても、それぞれの値(W,D1,D2)が最適な範囲である場合は、同様な関係を示した。
D2=6.437×W+0.741×D1-10.849
続いて、中心のズレ量dと、湯面変動量２σの関係、すなわち式（２）の導出過程について、説明する。
【００６３】
鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが、実機において1.57〜2.91t/minに相当する範囲で、水平湯道４の内径D1=64mm、注入口５の内径D2=56mm、テーパー角θ=4°の場合において、中心のズレ量dを0〜(0.5×D1)の範囲、つまり0〜32mmの間で変化させて、中心のズレ量の比(ｄ/D1)と、湯面変動量２σの関係を調査した。その調査した結果の例を、図１５に示す。
【００６４】
また、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが、実機において1.57〜2.46t/minに相当する範囲で、水平湯道４の内径D1=72mm、注入口５の内径D2=60mm、テーパー角θ=4°の場合において、中心のズレ量dを0〜(0.5×D1)の範囲、つまり0〜36mmの間で変化させて、中心のズレ量の比(d/D1)と、湯面変動量２σの関係を調査した、その調査した結果の例を、図１６に示す。
【００６５】
なお、図１６について、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量W=2.91t/minのとき、水平湯道４の内径D1=72mm、注入口５の内径D2=60mmの場合、式（１）を満たさないため、除外した。
図１５、図１６のいずれの場合においても、中心のズレ量の比(d/D1)が大きくなるほど湯面変動量２σは小さくなる。また、中心のズレ量の比(d/D1)が0.08以上となると、型内剤８の巻き込みの限界値である、湯面変動量２σが32mm以下となる。
【００６６】
なお、中心のズレ量の比(d/D1)が0.08より小さくなると、湯面変動量２σが大きくなるのは、渦（旋回流）の発生がほとんど生じなくなるためである。
一方で、中心のズレ量の比(d/D1)が0.5より大きくなってしまうと、注入口５に配設されている耐火煉瓦と、水平湯道４に配設されている耐火煉瓦との接合部の面積が減少し、注入口５への溶鋼７の流速が増加して、湯面変動量２σが大きくなってしまうこととなる。
【００６７】
なお、実際の鋳造においても、中心のズレ量ｄを(0.5×D1)より大きくすると、鋳型６の定盤部分の大幅な改造を必要とすることとなり、手間やコストの問題が発生する。
すなわち、中心のズレ量dを上で述べた範囲にすれば、水平湯道４及び注入口５の周辺などを少しだけ改造することに留まるので、手間やコストの大幅な低減が可能となる。
また、中心のズレ量の比(d/D1)が0.08未満の場合、湯面変動量２σが大きくなってしまうこととなる。
【００６８】
以上の結果を踏まえて、拡径部５ａのテーパー角θが2°〜8°の範囲で、式（１）を満たす条件下で実施すると、上記と同様な結果が得られた。
したがって、上記の条件に加えて、中心のズレ量dが式（２）を満たせば、湯面変動量２σを32mm以下とすることができる。
0.08×D1≦ｄ≦0.5×D1    ・・・（２）
拡径部５ａのテーパー角θと、湯面変動量２σとの関係、すなわち式（３）の導出過程について、説明する。
【００６９】
鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが、実機において1.57〜2.91t/minの範囲で、水平湯道４の内径D1=64mm、注入口５の内径D2=56mm、中心のズレ量d=6.4mmの場合において、拡径部５ａのテーパー角θを0〜12°の間で変化させて、テーパー角θと、湯面変動量２σの関係を調査した。その調査した結果の例を図１７に示す。
また、注入流量Wが、実機において1.57〜2.46t/minの範囲で、水平湯道４の内径D1=72mm、注入口５の内径D2=60mm、中心のズレ量d=6.4mmの場合において、拡径部５ａのテーパー角θを0〜12°の間で変化させて、テーパー角θと、湯面変動量２σの関係を調査した。その調査した結果の例を図１８に示す。
【００７０】
なお、図１８について、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量W=2.91t/minのとき、水平湯道４の内径D1＝72mm、注入口５の内径D2=60mmの場合、式（１）を満たさないため
、除外した。
図１７、図１８のいずれの場合においても、テーパー角θが大きくなる（開く）ほど、湯面変動量２σは小さくなる。また、テーパー角θが2°以上であると、型内剤８の巻き込みの限界値である、湯面変動量２σが32mm以下となる。また、テーパー角θが2°より大きくなると、湯面変動量２σは減少するようになる。
【００７１】
一方で、テーパー角θが、2°未満及び8°を超えてしまうと、湯面変動量２σは32mmより大きくなる。
以上の結果を踏まえて、拡径部５ａのテーパー角θが2°〜8°の範囲で、式（１）、式（２）を満たす条件下で実施すると、上記と同様な結果が得られた。
したがって、式（１）、式（２）を満たし且つ、式（３）の関係を満たせば、湯面変動量２σを32mm以下とすることができる。
【００７２】
2°≦θ≦8°    ・・・（３）
注入口５の上部側に拡径部５ａを設けて、且つテーパー角θを上記の範囲内とした場合、水平湯道４から注入口５に流入してきた溶鋼７の流れに対して渦が巻かれている状態、すなわち注入流に対して旋回流が付与され、注入口５（拡径部５ａ）内において、渦流（注入流）が上方に向かって広がる様子が観察された（例えば、図１Ａの右図参照）。
【００７３】
しかし、他の試験条件が本試験（水モデル実験）の条件範囲内であっても、テーパー角θが8°を超えてしまうと、溶鋼７の流れ（渦流）が注入口５壁（拡径部５ａのテーパー状の内壁面）から剥離して広がらなくなる、つまり渦流が拡径部５ａに沿って広がらないため、湯面変動量２σが増加してしまうこととなった。
［実施例］
以下に、本発明の下注造塊方法に従って、実施した水モデル実験の実施例及び、本発明と比較するために実施した比較例について説明する。
【００７４】
まず、水モデル実験の実験条件及びパラメータの定義について、述べることとする。
水モデル実験は、1/4スケールのモデルを用いて実施した。
なお、相似条件については、フルード数Frを一致させている。
Fr=V/(gL)0.5
ただし、V：流速[m/s]、L：長さ[m]、g：重力加速度[m/s2]
水モデル実験の相似条件については、周知のように、流体の流速をV、代表寸法をL、動粘性係数をν、フルード数をFr、レイノルズ数をRe、重力加速度をgとすると、以下に示す式となる。
【００７５】
Fr=V/(g×L)0.5 
Re=LV/ν
そして、運動方程式を無次元化すると、「(慣性項)+(粘性項)/Re+(外力項)=0」となり、Frは外力項に(1/Fr2)で代入される。Reが大きくなれば、(粘性項)/Reが小さくなるため、Reは運動方程式より消去されることになる。
【００７６】
Re＞4000以上では、通常、乱流領域とされており、Fr数近似を用いることができる。本願発明で規定する範囲においては、Re＞5000となるので、乱流領域となり、Fr数近似を適用した。
水モデル実験で用いる、下注造塊装置１を模した実験装置の構成については、以下の通りである。
【００７７】
図２０に示すように、実験装置１は、垂直方向を向く注入管２と、その注入管２と連通し、且つ水平方向を向く水平湯道４と、その水平湯道４と連通し、且つ垂直方向を向く注入口５（垂直湯道）と、注入口５と連通し且つ、溶鋼７と見立てた水を貯留可能とされている、鋳型６を模した容器からなっている。
注入管２の上部に設けられているファンネル部２ａから、周囲の空気を巻き込みながら注入管２に、溶鋼７を模した水が注入される。このことは、実機でも同様の状況であって、溶鋼７の酸化を防止するため、取鍋９とファンネル部２ａ間はArガス雰囲気となっている。
【００７８】
なお、実機においてArガスが、取鍋９からの注入流によって、注入管２内、水平湯道４内、注入口５内、及び鋳型６内に巻き込まれている状況を、水モデル実験でも実現させている。
鋳型６を模した容器は、上広鋳型であって、実機で70t鋼塊用鋳型の1/4サイズで、透明エンビで製作したものである。この容器６の寸法は、底面：412mmφ、上面：500mmφ、高さ：665mmである。
【００７９】
注入管２については、内径D0を25mmφとしている。なお、実機に換算すると、100mmφに相当するものとなる。この注入管２は、テフロン（登録商標）管を加工したものであり、上部にファンネル部２ａが取り付けられている。
水平湯道４については、長さを443mmとし、内径D1が14mmφ,16mmφ,18mmφ,20mmφといった複数のものを用意して用いた。なお、実機に換算すると、長さ1772mmに相当するものとなり、内径D1は56mmφ,64mmφ,72mmφ,80mmφに相当するものとなる。
【００８０】
注入口５については、内径D2が10mmφ,11mmφ,12mmφ,13mmφ,14mmφ,15mmφ,16mmφ,17mmφ,18mmφ,19mmφ,20mmφ,21mmφ,22mmφといった複数のものを用意して用いた。なお、実機に換算すると、40mmφ,44mmφ,48mmφ,52mmφ,56mmφ,60mmφ,64mmφ,68mmφ,72mmφ,76mmφ,80mmφ,84mmφ,88mmφに相当するものとなる。
中心のズレ量の比(d/D1)については、0、0.05、0.08、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6とした。また、拡径部５ａのテーパー角（開き角度）θについては、0°,2°,4°,6°,8°,10°,12°とした。
【００８１】
注入口５の垂直部５ｂの長さL1については、15mm、22.5mm、35mmといった複数のものを用意して用いた。なお、実機に換算すると、60mm、90mm、140mmに相当するものとなる。また、拡径部５ａの長さL2については、72.5mm、65mm、52.5mmといった複数のものを用意して用いた。なお、実機に換算すると、290mm、260mm、210mmに相当するものとなる。
上記より、（垂直部５ｂの長さL1＋拡径部５ａの長さL2）は、最大で87.5mmとなり、実機に換算すると、350mmに相当する。
【００８２】
なお、本実験においては、(L1+L2)が350mmの場合で実施しているが、渦流（注入流＋旋回流）の発生の仕方から推察すると、(L1+L2)が500mm程度までは、本発明と同様な作用効果が得られると考えられる。
なお、この注入口５は、鋳型６（容器）に１か所設けられている。
注入口５の１個あたりの溶鋼７の注入流量Wについては、以下の通りである。
【００８３】
水モデル実験における、注入口５の１個あたりの溶鋼７と見立てた水の注入流量QMを、7.0L/min、9.0L/min、11.0L/min、13.0L/minとした。なお、実機に換算すると、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが、1.57t/min、2.02t/min、2.46t/min、2.91t/minに相当するものとなる。
水モデル流量QM[L/min]を、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量W[t/min]に換算する手順については、フルード数Fr近似で換算した。
【００８４】
フルード数Frは、下式で表される。
Fr=V/(g×L)0.5
ただし、V：水の流速[m/s]、L:代表長さ[m]、g:重力加速度[m/s2]
インゴット下注ぎ鋳造における実機のフルード数と、水モデル実験のフルード数を一致させている。
【００８５】
実機の代表寸法と水モデル実験の代表寸法比を4：1としている。すなわち、1/4の縮尺モデルの場合、フルード数一致の観点から、(V/L0.5)を同じ値にする必要がある。
縮尺を1/λ(＝1/4)とすると、以下のように示される。なお、ここでの添え字Rは実機を示し、添え字Mはモデルを示す。
VR/LR0.5=VM/LM0.5 
VM/VR=LM0.5/LR0.5=1/λ0.5=1/40.5=0.5
VM=0.5VR
したがって、縮尺1/4の水モデル実験における流速VMを、実機における流速VRの0.5倍のにすると、Fr数の一致が得られる。
【００８６】
また、注入口５の１個あたりの溶鋼７の注入流量をQとし、時間をTとすると、以下のように示される。
TR=LR/VR
TM=LM/VM
TR=TM・LR/LM・VM/VR=TMλ0.5
QM/QR=(LM3/TM)/(LR3/TR)=λ-3・λ0.5=λ-2.5
以上の結果より、水モデル実験における、注入口５の１個あたりの溶鋼７と見立てた水の注入流量QMは、実機における、注入口５の１個あたりの溶鋼７の注入流量QRの1/42.5＝0.0313倍となる。
【００８７】
また、水モデル実験における、注入口５の１個あたりの溶鋼７の注入流量QM[L/min]を、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量W[t/min]に換算する場合、溶鋼７の比重を7t/m3とすると、式（Ａ）のように示される。
W＝7×QM/(0.0313×103)＝0.224×QM    ・・・（Ａ）
また、水モデル実験では、ファンネル部２ａから溶鋼７と見立てた水を注入する前の配管２ｂに、電磁流量計を取り付けておき、その電磁流量計で、注入口５の１個あたりの溶鋼７と見立てた水の注入流量QMを計測した。
【００８８】
鋳型６（容器）内における湯面変動の測定方法については、注入口５の真上と、鋳型６壁から50mm（実機では200mm)離れた位置の鋳型６底から約200mm（実機では約800mm)上方に、超音波式変位センサー１１を設置して測定した。
なお、上記の湯面変動の測定については、株式会社キーエンス社製で、（品番：UD-310）のセンサヘッド１１ａと、（品番：UD-300）のアンプユニット１１ｂ、からなる超音波式変位センサーを２台用いて測定し、その測定データをデータロガー１２に保存した。
【００８９】
表１〜表１２に、本発明の下注造塊方法に従って、実施した水モデル実験の実施例、及び、本発明と比較するために実施した比較例を示す。
表１〜表４は、湯面変動量２σに及ぼす、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量W、水平湯道４の内径D1、注入口５の内径D2の影響について、まとめたものである。なお、垂直部５ｂの長さL1=60mm、拡径部５ａの長さL2=290mm、テーパー角θ=4°、中心のズレ量d=6.4mm又は7.2mmで一定にしている。
【００９０】
【表１】
2018134674.tif 000003
【００９１】
表１の実験番号２について、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが1.57t/minである。また、水平湯道４の内径D1が56.0mmであり、注入口５の内径D2が44.0mmであるので、式（１）の右辺(D2≦D1)を満たす。また、式（１）の左辺が40.7mmと算出されるので、D2=44.0mm以下となり満たす。つまり、式（１）を満足することとなる。
なお、中心のズレ量dは6.4mmとしているので、式（２）を満足している。また、テーパー角θを4°としているので、式（３）を満足している。
【００９２】
以上より、湯面変動量２σが28.0mmとなり、32mm以下となり満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号１９については、式（１）の左辺が49.4mmと算出されるので、D2=40.0mmを超えてしまうので、式（１）を満たさない。これにより、湯面変動量２σが41.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【００９３】
【表２】
2018134674.tif 000004
【００９４】
表２の実験番号３４について、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが2.02t/minである。また、水平湯道４の内径D1が64.0mmであり、注入口５の内径D2が52.0mmであるので、式（１）の右辺(D2≦D1)を満たす。また、式（１）の左辺が49.6mmと算出されるので、D2=52.0mm以下となり満たす。つまり、式（１）を満足することとなる。
なお、中心のズレ量dは6.4mmとしているので、式（２）を満足している。また、テーパー角θを4°としているので、式（３）を満足している。
【００９５】
以上より、湯面変動量２σが29.0mmとなり、32mm以下となり満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号４６については、式（１）の左辺が55.3mmと算出されるので、D2＝44.0mmを超えてしまうので、式（１）を満たさない。これにより、湯面変動量２σが40.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【００９６】
【表３】
2018134674.tif 000005
【００９７】
表３の実験番号６４について、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが2.02t/minである。また、水平湯道４の内径D1が72.0mmであり、注入口５の内径D2が68.0mmであるので、式（１）の右辺(D2≦D1)を満たす。また、式（１）の左辺が55.5mmと算出されるので、D2=68.0mm以下となり満たす。つまり、式（１）を満足することとなる。
なお、中心のズレ量dは6.4mmとしているので、式（２）を満足している。また、テーパー角θを4°としているので、式（３）を満足している。
【００９８】
以上より、湯面変動量２σが21.0mmとなり、32mm以下を大幅に下回り、満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号７４については、式（１）の左辺が61.2mmと算出されるので、D2=52.0mmを超えてしまうので、式（１）を満たさない。これにより、湯面変動量２σが39.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【００９９】
【表４】
2018134674.tif 000006
【０１００】
表４の実験番号９３について、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが2.02t/minである。また、水平湯道４の内径D1が80.0mmであり、注入口５の内径D2が76.0mmであるので、式（１）の右辺(D2≦D1)を満たす。また、式（１）の左辺が61.4mmと算出されるので、D2=76.0mm以下となり満たす。つまり、式（１）を満足することとなる。
なお、中心のズレ量dは7.2mmとしているので、式（２）を満足している。また、テーパー角θを4°としているので、式（３）を満足している。
【０１０１】
以上より、湯面変動量２σが20.0mmとなり、32mm以下を大幅に下回り、満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号１０３については、式（１）の左辺が67.2mmと算出されるので、D2=60.0mmを超えてしまうので、式（１）を満たさない。これにより、湯面変動量２σが38.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【０１０２】
表５、表６は、湯面変動量２σに及ぼす、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量W、水平湯道４の内径D1、注入口５の内径D2の影響について、まとめたものである。なお、垂直部５ｂの長さL1=90mm、拡径部５ａの長さL2=260mm、テーパー角θ=4°、中心のズレ量d=6.4mm又は7.2mmで、一定にしている。
【０１０３】
【表５】
2018134674.tif 000007
【０１０４】
表５の実験番号２０２について、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが1.57t/minである。また、水平湯道４の内径D1が64.0mmであり、注入口５の内径D2が48.0mmであるので、式（１）の右辺(D2≦D1)を満たす。また、式（１）の左辺が46.7mmと算出されるので、D2=48.0mm以下となり満たす。つまり、式（１）を満足することとなる。
【０１０５】
なお、中心のズレ量dは6.4mmとしているので、式（２）を満足している。また、テーパー角θを4°としているので、式（３）を満足している。
以上より、湯面変動量２σが30.0mmとなり、32mm以下となり満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号２２２については、式（１）の左辺が55.3mmと算出されるので、D2=44.0mmを超えてしまうので、式（１）を満たさない。これにより、湯面変動量２σが41.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【０１０６】
【表６】
2018134674.tif 000008
【０１０７】
表６の実験番号２３３について、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが1.57t/minである。また、水平湯道４の内径D1が80.0mmであり、注入口５の内径D2が72.0mmであるので、式（１）の右辺(D2≦D1)を満たす。また、式（１）の左辺が58.5mmと算出されるので、D2=72.0mm以下となり満たす。つまり、式（１）を満足することとなる。
【０１０８】
なお、中心のズレ量dは7.2mmとしているので、式（２）を満足している。また、テーパー角θを4°としているので、式（３）を満足している。
以上より、湯面変動量２σが20.0mmとなり、32mm以下を大幅に下回り、満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号２５１については、式（１）の左辺が67.2mmと算出されるので、D2=60.0mmを超えてしまうので、式（１）を満たさない。これにより、湯面変動量２σが39.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【０１０９】
表７、表８は、湯面変動量２σに及ぼす、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量W、水平湯道４の内径D1、注入口５の内径D2の影響について、まとめたものである。なお、垂直部５ｂの長さL1=140mm、拡径部５ａの長さL2=210mm、テーパー角θ=4°、中心のズレ量d=6.4mm又は7.2mmで、一定にしている。
【０１１０】
【表７】
2018134674.tif 000009
【０１１１】
表７の実験番号３０２について、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが1.57t/minである。また、水平湯道４の内径D1が64.0mmであり、注入口５の内径D2が48.0mmであるので、式（１）の右辺(D2≦D1)を満たす。また、式（１）の左辺が46.7mmと算出されるので、D2=48.0mm以下となり満たす。つまり、式（１）を満足することとなる。
【０１１２】
なお、中心のズレ量dは6.4mmとしているので、式（２）を満足している。また、テーパー角θを4°としているので、式（３）を満足している。
以上より、湯面変動量２σが30.0mmとなり、32mm以下となり満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号３２２については、式（１）の左辺が55.3mmと算出されるので、D2=44.0mmを超えてしまうので、式（１）を満たさない。これにより、湯面変動量２σが42.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【０１１３】
【表８】
2018134674.tif 000010
【０１１４】
表８の実験番号３３３について、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが1.57t/minである。また、水平湯道４の内径D1が80.0mmであり、注入口５の内径D2が72.0mmであるので、式（１）の右辺(D2≦D1)を満たす。また、式（１）の左辺が58.5mmと算出されるので、D2=72.0mm以下となり満たす。つまり、式（１）を満足することとなる。
【０１１５】
なお、中心のズレ量dは7.2mmとしているので、式（２）を満足している。また、テーパー角θを4°としているので、式（３）を満足している。
以上より、湯面変動量２σが22.0mmとなり、32mm以下を大幅に下回り、満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号３５１については、式（１）の左辺が67.2mmと算出されるので、D2=60.0mmを超えてしまうので、式（１）を満たさない。これにより、湯面変動量２σが40.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【０１１６】
つまり、表１〜表８によれば、本発明で規定している、式（１）〜式（３）を満足させておけば、垂直部５ｂの長さL1、及び、拡径部５ａの長さL2の変更による影響はない。
表９、表１０は、湯面変動量２σに及ぼす、中心のズレ量ｄの影響について、まとめたものである。なお、垂直部５ｂの長さL1=60mm、拡径部５ａの長さL2=290mm、テーパー角θ=4°で、一定にしている。
【０１１７】
【表９】
2018134674.tif 000011
【０１１８】
表９の実験番号４０６について、水平湯道４の内径D1が64.0mmである。また、0.08×D1=5.12mmであり、0.5×D1=32mmである。中心のズレ量ｄは、25.6mmであり、式（２）を満足することとなる。
なお、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが1.57t/minであり、注入口５の内径D2が56.0mmである。また、式（１）の左辺は、46.7mmと算出される。これにより、式（１）を満足している。また、テーパー角θを4°としているので、式（３）を満足している。
【０１１９】
以上より、湯面変動量２σが20.5mmとなり、32mm以下を大幅に下回り、満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号４２５については、中心のズレ量ｄが0mmである、すなわち「ズレなし」であるので、勿論、式（２）を満足することはない。これにより、湯面変動量２σが47.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【０１２０】
【表１０】
2018134674.tif 000012
【０１２１】
表１０の実験番号４３９について、水平湯道４の内径D1が72.0mmである。また、0.08×D1=5.76mmであり、0.5×D1=36mmである。中心のズレ量ｄは、36.0mmであり、式（２）を満足することとなる。
なお、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが1.57t/minであり、注入口５の内径D2が60.0mmであり、式（１）の左辺が52.6mmと算出される。これにより、式（１）を満足している。また、テーパー角θを4°としているので、式（３）を満足している。
【０１２２】
以上より、湯面変動量２σが23.3mmとなり、32mm以下を大幅に下回り、満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号４４８については、水平湯道４の内径D1が72.0mmである。また、0.08×D1=5.76mmであり、0.5×D1=36mmである。中心のズレ量ｄが43.2mmであり、式（２）を満足していない。これにより、湯面変動量２σが38.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【０１２３】
表１１，１２に、湯面変動量２σに及ぼす、拡径部５ａのテーパー角θの影響について、まとめたものである。なお、垂直部５ｂの長さL1=60mm、拡径部５ａの長さL2=290mm、中心のズレ量d=6.4mmで、一定にしている。
【０１２４】
【表１１】
2018134674.tif 000013
【０１２５】
表１１の実験番号５０２について、テーパー角θを2°としているので、式（３）を満足している。
なお、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが1.57t/minである。また、水平湯道４の内径D1が64.0mmであり、注入口５の内径D2が56.0mmである。また、式（１）の左辺が46.7mmと算出される。これにより、式（１）を満足している。また、中心のズレ量dは6.4mmとしているので、式（２）を満足している。
【０１２６】
以上より、湯面変動量２σが27.0mmとなり、32mm以下を大幅に下回り、満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号５０６については、テーパー角θを12°としているので、式（３）を満足していない。これにより、湯面変動量２σが45.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【０１２７】
【表１２】
2018134674.tif 000014
【０１２８】
表１２の実験番号５２２について、テーパー角θを8°としているので、式（３）を満足している。
なお、実機における、鋳型６の１基あたりの溶鋼７の注入流量Wが2.91t/minである。また、水平湯道４の内径D1が64.0mmであり、注入口５の内径D2が56.0mmである。また、式（１）の左辺が55.3mmと算出される。これにより、式（１）を満足している。また、中心のズレ量dは6.4mmとしているので、式（２）を満足している。
【０１２９】
以上より、湯面変動量２σが31.0mmとなり、32mm以下となり満足することとなる。つまり、湯面変動の抑制効果が発現される。
一方で、実験番号５２５については、テーパー角θを0°としているので、式（３）を満足していない。すなわち、拡径部５ａを有していない。これにより、湯面変動量２σが44.0mmとなり、32mmを大幅に超えてしまう。つまり、湯面変動の抑制効果が発現されない。
【０１３０】
まとめると、本発明の下注造塊方法は、水平湯道４を経て流入してきた溶鋼７を、鋳型６底に設けられている注入口５から、鋳型６内に注入するに際して、注入口５の１個から鋳型６に注入する溶鋼７の流量Wを、1.5〜3.0t/minと規定しておき、注入口５の内径D2を、(6.437×W+0.741×D1-10.849)以上、水平湯道４の内径D1以下とし、注入口５の中心を水平湯道４の中心から、(0.08×D1)以上(0.5×D1)以下の範囲内となるように、ずらしておき、且つ、拡径部５ａのテーパー角θを2°≦θ≦8°の範囲としておくことにある。
【０１３１】
本発明によれば、注入口５の内径D2を少なくとも水平湯道４の内径D1以下とし、水平湯道４の内径D1の中心と、注入口５の内径D2の中心とをずらすことで、注入流に旋回流を付与すること、すなわち渦の発生を助長させることが可能となると共に、その注入流が規定のテーパー角θを有する拡径部５ａに沿って広がって注入されることにより、溶鋼７注入の初期段階に添加する型内剤８の溶鋼７への巻き込みを防止すると共に、介在物欠陥を低減させて高品質の鋼を製造することができる。
【０１３２】
また、規定のテーパー角を有する拡径部５ａを注入口５に設けておくことで、特殊な耐火物を使用することなく、注入流を鋳型６内へ拡散させることができる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【符号の説明】
【０１３３】
１  下注造塊装置（実験装置）
２  注入管
２ａ  ファンネル部
２ｂ  ファンネル部に水を注入する前の配管
３  湯道
４  水平湯道
５  注入口（改善ノズル、垂直湯道）
５ａ  拡径部
５ｂ  垂直部
６  鋳型（容器）
７  溶鋼（水）
８  型内剤
９  取鍋
１０  超音波式変位センサー
１１  超音波式変位センサー
１１ａ  センサヘッド
１１ｂ  アンプユニット
１２  データロガー
２０  従来ノズル注入口
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2018134674.tif 000021
【図６Ａ】
2018134674.tif 000022
【図６Ｂ】
2018134674.tif 000023
【図７】
2018134674.tif 000024
【図８】
2018134674.tif 000025
【図９】
2018134674.tif 000026
【図１０】
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【図１１】
2018134674.tif 000028
【図１２】
2018134674.tif 000029
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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