(57)【要約】溶融金属の連続鋳造のための棒栓（２２）は、棒栓胴部（２２−３）と、該棒栓胴部の下端にある棒栓先端（２２−１）とを備えている。該棒栓先端は、凹んだ鼻部（２２−１ｂ）で終わる切頭円錐形の外表面（２２−１ａ）を有している。凹んだ鼻部は曲線面（例えば、球台）を有するが最も好ましいが、代わりに凹んだ非曲線面（例えば、角柱状、ピラミッド形、三角形、及び四角形の表面）が用いられていてもよい。棒栓の切頭円錐形の外表面（２２−１ａ）は、ノズル及び棒栓先端の表面上への異物の付着を最少にするように該ノズル及び棒栓先端の表面近くのその境界層厚さを減じるため、流れている溶融金属の速度を増すように十分に大きな角度を水平面に形成していることが最も好ましい。この角度θは７０°よりも大きく８５°よりも小さいことが好ましい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属の連続鋳造のための棒栓であって、棒栓胴部と、該棒栓胴部の下端にある棒栓先端とを備えており、該棒栓先端は、凹んだ鼻部で終わる切頭円錐形の外表面を有している、棒栓。
【請求項２】
前記凹んだ鼻部は凹んだ曲線面である、請求項１に記載の棒栓。
【請求項３】
前記凹んだ曲線面は球台である、請求項２に記載の棒栓。
【請求項４】
前記凹んだ鼻部は凹んだ非曲線面である、請求項１に記載の棒栓。
【請求項５】
前記凹んだ非曲線面は角柱状、ピラミッド形、三角形、及び四角形の表面から選択されている、請求項４に記載の棒栓。
【請求項６】
前記切頭円錐形の外表面は約５５°から約８５°の間にある角度θを水平面に対して形成している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の棒栓。
【請求項７】
前記角度θは約７０°よりも大きい、請求項６に記載の棒栓。
【請求項８】
前記棒栓胴部に形成されたガス供給通路を備えている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の棒栓。
【請求項９】
前記棒栓先端は、前記棒栓胴部の前記ガス供給通路につながる前記棒栓先端のガス供給通路を含んでいて、ガスが、前記棒栓胴部の前記ガス供給通路及び前記棒栓先端の前記ガス供給通路を介して、前記凹んだ鼻部の凹みに供給されるのを可能とするようになっている、請求項８に記載の棒栓。
【請求項１０】
前記棒栓胴部と前記切頭円錐形の外表面との間の結合部分は曲がっている／丸味付けられている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の棒栓。
【請求項１１】
溶融金属の連続鋳造のための装置であって、
鋳造されるべき溶融金属源を保持するための容器と、
該容器から溶融金属を放出するための放出ノズルと、
該放出ノズルを経て前記容器から放出される前記溶融金属の流量調節を可能とするべく前記放出ノズルに向かう方向及び前記放出ノズルから離れる方向への往復直線運動が可能に装着された棒栓とを備えており、
該棒栓は、
（ｉ）  棒栓胴部と、
（ii）  該棒栓胴部の下端にある棒栓先端とを備えており、
(iii)  該棒栓先端は、凹んだ鼻部で終わる切頭円錐形の外表面を有している、
前記装置。
【請求項１２】
前記棒栓先端の前記凹んだ鼻部は凹んだ曲線面である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記凹んだ曲線面は球台である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記棒栓先端の前記凹んだ鼻部は凹んだ非曲線面である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記凹んだ非曲線面は角柱状、ピラミッド形、三角形及び四角形の表面から選択されている、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記切頭円錐形の外表面は約５５°から約８５°の間にある角度θを水平面に対して形成している、請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記角度θは約７０°よりも大きい、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記棒栓は、前記棒栓胴部に形成されたガス供給通路を更に含んでいる、請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記棒栓先端は、前記棒栓胴部の前記ガス供給通路につながる前記棒栓先端のガス供給通路を含んでいて、ガスが前記棒栓胴部の前記ガス供給通路及び前記棒栓先端の前記ガス供給通路を介して、前記凹んだ鼻部の凹みに供給されるのを可能とするようになっている、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記棒栓胴部と前記切頭円錐形の外表面との間の結合部分は曲がっている／丸味付けられている、請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
前記棒栓は、昇降機構に接続されるよう適応した横ピンを更に含んでいる、請求項１１〜２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記容器はとりべである、請求項１１〜２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
連続鋳造工程中に放出ノズルを介して容器から放出されている溶融金属の流量を調節するための方法であって、該方法は、
（ａ）  棒栓胴部と、該棒栓胴部の下端にある棒栓先端とを備えており、該棒栓先端は、凹んだ鼻部で終わる切頭円錐形の外表面を有している、棒栓を用意するステップと、
（ｂ）  前記棒栓先端が前記放出ノズルと協働して作動するように前記容器内に前記棒栓を位置決めするステップと、
（ｃ）  前記放出ノズルを介して前記容器から放出されている溶融金属の流量を調節するように前記棒栓先端を前記放出ノズルに対して制御可能に変位させるステップとを含んでいる、
方法。
【請求項２４】
前記ステップ（ｂ）は前記棒栓をとりべ内に位置決めすることである、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には、鋼、銅、アルミニウム及びそれらの合金のような溶融金属の鋳造に関するものである。特に、本発明は、連続鋳造工程中にタンデッシュもしくは湯だまりから放出される溶融金属の流量を調節するための棒栓に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶融金属の連続鋳造には、連続鋳造装置において鋳型の上方に自然の摂理に従って配置される例えばタンデッシュ又はとりべ（取鍋）のような適当な容器内に溶融金属の利用可能源を用意することが含まれている。溶融金属を保持するための容器としてタンデッシュを使用する場合、溶融金属の流れは、鋳造条件に適する流量で、そこからタンデッシュ放出ノズルを介して鋳型内に放出される。このタンデッシュ放出ノズルから放出されている溶融金属の流量は、棒栓により制御可能に調節される。より具体的に言うと、棒栓は、着座状態及び未着座状態の間をタンデッシュ放出ノズルに関して可動である。従って、タンデッシュ放出ノズルに関する棒栓の運動は、棒栓先端とタンデッシュ放出ノズルとの間に画定される、溶融金属が通り流れるのを可能にする環状のオリフィス領域を、選択的に調節するであろう。環状の有効オリフィス領域を調節可能に変えることによって、タンデッシュから放出されつつある溶融金属の流量を調節可能に制御することができるであろう。
【０００３】
溶融金属の流量の制御に関連した問題の一つは、典型的には、いわゆる異物（例えば、鋳造されている金属の酸化粒子のような溶融金属中の汚染物質）が、溶融金属がノズルを介してタンデッシュから放出されるときに、該溶融金属中に存在することである。タンデッシュ放出ノズルに着座することができる棒栓先端の特定の幾何学的な形状は、異物が棒栓及び／又はタンデッシュ放出ノズルの表面上に付着するのを助長する流れ分布を形成する可能性がある。従って、時がたつにつれて、タンデッシュ放出ノズルと棒栓先端との間に画定されたオリフィスの幾何学的な形状は、異物の連続的な付着のために変化することがあり、そのため、棒栓の流量制御特性が好ましからざる影響を最終的に受けることになる。
【０００４】
流体が三次元（３Ｄ）表面に沿った平らな曲線、湾曲した曲線又は３Ｄの曲線でよい固体表面上を流れるときに、境界層が生成される。これは、主として、表面のところに且つそれから遠く隔たった、いわゆる境界層の外側に速度勾配があるので、特徴付けられることである。この流れは非粘性流として挙動する。次いで、境界層の内側で、粘性力は慣性力もしくは対流の力に優っている。
【０００５】
境界層の内側の速度分布は表面の曲率半径に大きく依存している。この曲率半径は、流れの分離現象が特定の流れ条件次第で起こりうるような決定的要因になりうる。流れの分離現象は、負の圧力勾配により推進され表面に沿って下流に連続流動しない流体が正の圧力勾配の前にあることを意味している。これに類似する流れ状態は、ＳＥＮにおけるポート領域の不完全な利用を生じさせる下流の流れの不安定性をもたらす。換言すれば、流れの分離現象は、ＳＥＮの内壁及びそのポートに不安定性をもたらして、流量変動、鋳型における槽のメニスカス振動及び制御不能な速度の乱高下を促進する。これらの現象の全ては重大なスラブ欠陥(slab defects)を招来する。
【０００６】
棒栓を使用するタンデッシュにおける流量制御の主な根源は棒栓先端の形状である。連続鋳造工業における大抵の棒栓は、異なる半径をもつ丸い先端を有している。丸い先端が使用される場合、鋼は非常に厚い境界層を形成し、そこでは流体速度は非常に低い。次いでちょうど先端のところに滞留ゾーンもしくは領域が形成されると共に、この領域に触れるどの異物も運動量を失って先端のセラミック表面上に容易に捕捉されることができ、時間の経過につれて、閉塞問題になる。更に、丸くなった先端は先端の上流側のゾーンにおける境界層の厚さを増進させ、そしてこれらは異物を捕捉する傾向があり、ノズル詰りの危険が増すことになる。
【０００７】
従って、棒栓先端上への異物の付着を最少にして（完全に無くすわけではない）、それにより棒栓を長い期間にわたり供用状態に維持することを可能とし及び／又は鋼の清浄度を改善する、溶融金属の連続鋳造のための棒栓を設けることができれば、望ましいであろう。本発明が向けられているのはかかる必要性を満たすことである。
【発明の開示】
【０００８】
基本的に、本発明は、溶融金属の連続鋳造のための棒栓に具現されており、この棒栓は、溶融金属を保持している容器からノズルを介して該溶融金属が放出されるときに、金属の清浄度を高めるように、該溶融金属の流れ分布を生成する。即ち、本発明による棒栓は、棒栓先端上への異物（例えば、金属酸化物のような望ましくない粒子）の付着を邪魔する。本発明の特に好ましい一形態によれば、流れている溶融金属の速度を増すような幾何学的形状もしくはプロフィールを有する溶融金属の連続鋳造用棒栓が提供されており、この速度は、ノズル及び棒栓先端の表面上への異物の付着を最少にするように該表面の近くを流れる溶融金属の境界層の厚さを減じるのに十分な速度である。
【０００９】
有利なのは、本発明による棒栓先端の幾何学的形状もまた棒栓の持上げ力に対する感応性に決定的な影響を与えないことである。即ち、棒栓先端の幾何学的形状は、タンデッシュノズルに対する棒栓先端の物理的変位を行うことを困難にするような溶融金属の流れ分布を生成しない。その結果、本発明の棒栓は、タンデッシュから放出される溶融金属の流れについて、比較的に広範囲の流量制御を現す。
【００１０】
本発明の一形態によれば、溶融金属の連続鋳造のための棒栓は、棒栓胴部と、該棒栓胴部の下端にある棒栓先端とを備えており、該棒栓先端は、凹んだ鼻部で終わる切頭円錐形の外表面を有している。
【００１１】
有利なのは、前記凹んだ鼻部が凹んだ曲線面（例えば、球台）であるが、凹んだ非曲線面（例えば、角柱状、ピラミッド形、三角形、及び四角形の表面）が設けられていてもよい。
【００１２】
特に好ましい実施形態において、前記切頭円錐形の外表面は、約５５°から約８５°の間にある、好ましくは約７０°よりも大きい、角度θを水平面に対して形成している。中央のガス流れ通路及び先端のガス流れ通路が前記棒栓胴部及び前記棒栓先端にそれぞれ形成されていて、不活性ガスが前記凹んだ鼻部に供給されるのを可能にしている。前記切頭円錐形の外表面及び前記胴部の外表面の間の結合部分は、滑らかであること、即ち、方向の急激な変化がないことが望ましい。
【００１３】
本発明の別の形態によると、溶融金属の連続鋳造のための装置が提供されており、該装置は、鋳造されるべき溶融金属源を保持するための容器と、該容器から溶融金属を放出するための放出ノズルと、該放出ノズルを経て前記容器から放出される前記溶融金属の流量調節を可能とするべく前記放出ノズルに向かう方向及び前記放出ノズルから離れる方向への往復直線運動が可能に装着された棒栓とを備えており、かかる装置において、該棒栓は、棒栓胴部と、該棒栓胴部の下端にある棒栓先端とを備えており、該棒栓先端は、凹んだ鼻部で終わる切頭円錐形の外表面を有している。前記容器は、タンデッシュもしくはとりべ（取鍋）であることが有利である。
【００１４】
本発明の第３の形態によると、連続鋳造工程中に放出ノズルを介して容器から放出されている溶融金属の流量を調節するための方法が提供されており、該方法は、棒栓胴部と、該棒栓胴部の下端にある棒栓先端とを備えており、該棒栓先端は、凹んだ鼻部で終わる切頭円錐形の外表面を有している、棒栓を用意するステップと、前記棒栓先端が前記放出ノズルと協働して作動するように前記容器内に前記棒栓を位置決めするステップと、前記放出ノズルを介して前記容器から放出されている溶融金属の流量を調節するように前記棒栓先端を前記放出ノズルに対して制御可能に変位させるステップとを含んでいる。
【００１５】
これらの形態及び利点並びにその他の形態及び利点は、本発明の好適な例示的実施形態についての以下の詳細な説明を注意深く考慮した後、一層明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に添付図面を参照するが、種々の図を通じて同様の参照数字は類似の構造的な要素を表している。
【００１７】
添付の図１は、タンデッシュ１２を含む連続鋳造タンデッシュ装置１０を示しており、このタンデッシュ内に溶融金属１４が入っている。溶融金属１４は、タンデッシュ入口ノズル１６によりタンデッシュ１０内に導入されると共に、タンデッシュ放出ノズル１８を介してタンデッシュから放出される。このタンデッシュ放出ノズルは、溶融金属を連続鋳造鋳型（図示せず）に移送するように該連続鋳造鋳型と関連した潜入ノズル２０に接続されるのが典型的である。タンデッシュ１２が図示されており、これについて後から特に参照するが、溶融金属１４を保持するための容器として、とりべ（取鍋）もまた採用しうる。しかしながら、言及し易いために、タンデッシュ１２が本発明において使用するのに特に好ましい容器の代表例として、このタンデッシュについて以下に詳しく説明する。
【００１８】
本発明による棒栓２２は、この棒栓先端２２−１がタンデッシュ放出ノズル１８に向かう方向及びタンデッシュ放出ノズル１８から離れる方向（図１における矢印Ａ１）に実質的に垂直に変位できるように、タンデッシュ放出ノズル１８に対して往復直線運動が可能に装着されている。棒栓先端２２−１の変位により、タンデッシュ放出ノズル１８で画定されるオリフィス面積が変化し、この変化がそこを通り放出される溶融金属の流量を制御する。この点に関し、棒栓２２は、例えば液圧作動装置もしくはアクチュエータ（図示せず）である昇降機構に関係するアーム２４に結合された横ピン２２−２を含んでいる。
【００１９】
本発明による棒栓２２は、図２及び図３にもっと明瞭に記載されているであろう。これらの図に示すように、棒栓２２は、その上端２２−４と下端２２−５との間で幾分かテーパの付いた細長い、ほぼ円筒形の棒栓胴体部材２２−３である。この棒栓胴体部材２２−３は、溶融金属に浸漬されるように適合した高温セラミック材料から形成されるのが最も好ましい。
【００２０】
棒栓先端２２−１は、その下端２２−５で棒栓胴体部材２２−３の下端に結合されると共に、最も好ましくは、溶融金属に浸漬されるように適合した高温セラミック材料から形成されている。棒栓先端２２−１は、棒栓胴体部材２２−３と比べて同一又は異なるセラミック材料から形成することができる。更に、棒栓胴体部材２２−３及び棒栓先端２２−１は、別個の構造要素として描かれているが、それらは、例えば、一体構造が望ましいのなら一体構造として形成することができる。
【００２１】
先端排気通路２２−６は、棒栓先端２２−１の中央に形成されており、また、棒栓胴体部材２２−３に形成された中央の排気通路２２−７と連通している。先端排気通路２２−６は、中央の排気通路２２−７と比較して小さな直径であることが最も好ましい。先端排気通路２２−６と中央の排気通路２２−７とは、共同で、棒栓胴体部材２２−３及び棒栓先端２２−１を形成するセラミック材料により発生される可能性のある排ガスが内部の溶融金属１４を汚染しないようにタンデッシュ１２外に排気されることを可能にする。先端排気通路２２−６及び中央の排気通路２２−７は図１〜図３に示されているが、本発明に基づく棒栓２２はかかる排気通路なしに提供することができる。更に、図５に示すように、棒栓先端２２−１を通る通路２２−９が設けられていてもよく、該通路２２−９は、不活性パージガスがそこを通るべく導入されるのが望ましければ、特に有用である。代表的には、アルゴンが通路２２−７及び２２−９を介して先端に供給される。
【００２２】
開口２２−８は、横ピン２２−２を受け入れるように棒栓胴体部材２２−３を貫いて形成されている。棒栓２２を持ち上げる別の手段も設けることができる。例えば、棒栓２２を昇降ロッドに螺着しうるように、ねじ付きナットを棒栓胴体部材２２−３の上端に取着するか又は物理的に植設することができる。かかる目的のため、代替的に又は追加的に、外圧式カラーを棒栓胴体部材２２−３の上端に取着してもよい。
【００２３】
本発明にとって重要なことは、棒栓先端２２−１が、凹んだ鼻部２２−１ｂを含む切頭円錐形状の外表面２２−１ａを有することである。最も好ましいのは、凹んだ鼻部２２−１ｂが球台のような滑らかな弓形凹面であることである。しかしながら、実際上は、本発明の実施に際して任意の凹面を採用することができる。従って、凹んだ鼻部２２−１ｂは規則的又は不規則的な曲線面に採り入れられてもよい。代案として、非曲線面（例えば、角柱状、ピラミッド形、三角形、四角形等）を採用して凹んだ鼻部２２−１ｂを形成することができる。
【００２４】
棒栓先端２２−１の切頭円錐形状の外表面２２−１ａは、流動する溶融金属の速度を増すように十分な角度θを水平面に対して形成していることが最も好ましく、これによりノズル及び棒栓先端の表面に近い溶融金属の境界層厚さが減少し、そこへの異物の付着が最少になるようになる。加えて、切頭円錐形状の外表面２２−１ａにより形成されたこの角度θは、棒栓２２の昇降力反応性に決定的な影響を与えるほどは大きくない。有利なのは、棒栓先端２２−１の切頭円錐形状の外表面２２−１ａが約５５°〜約８５°の間にある角度θを水平面に対して形成することである。本発明の特に好ましい実施形態によれば、切頭円錐形状の外表面２２−１ａにより形成される角度θは、約７０°よりも大きく、例えば、７０°〜７６°の間である。
【００２５】
凹んだ又は窪んだ鼻部２２−１ｂの採用は、使用時に、圧力の急激な変化を生じさせて鋳造金属（鋼）の速度を上昇させ、次いで滞留金属の大きさを減少させる。窪みの深さは約５ｍｍとすべきである。
【００２６】
アルゴンガスが棒栓から噴射されたとき、アルゴンガスは凹みもしくは窪みで大きな速度に達し、ガス泡が鼻部の詰り材料をはぎ取る。棒栓ノズルにおける流体のフローパターンはアルゴンの供給により改善されるが、その理由は、棒栓−先端円錐部と、タンデッシュ底部と、棒栓鼻部及び円筒形胴部の間の結合部分上方の領域との表面に沿った境界層の厚さが流線形にされていると共に、単一相の流れで観察されるものよりも薄いためである。タンデッシュ中の異物の浮動率が上がる。凹み又は窪みの表面上の境界層を減少させることに加えて、不活性ガスの噴射は、鋼とガスの混合物の局所密度を減少させ、その結果、ノズル−窪みスロート部における浮力がより高くなる。これは、近傍における異物の浮遊を容易にする。不活性ガス（例えば、アルゴン）の噴射はタンデッシュにおけるフローパターンを安定化する。液体全体のフローパターンは、不活性ガスの流量に関係なく一貫しているであろう。不活性ガスを噴射するための大きな孔寸法は上述した利点を改善するが、ある程度の冷却効果は予想される。これは、例えば５ｍｍよりも２ｍｍ程の小さな穴寸法が何故好ましいのかの唯一の理由である。
【００２７】
鼻部の切頭円錐形の表面と棒栓の円筒形胴部との間の（尖鋭な）結合部分における境界層を更に減少するために、この結合部分は、図５に符号２２−１ｃで示すように丸味を付けておくことができる。
【００２８】
この環状の結合部分に丸味を付けることは、幾つかの利点をもたらす。即ち、
ｉ）  丸味付けにより円筒形の棒栓胴部及び切頭円錐形の先端に沿って流れる鋼の速度が減少する。
ii）  丸味付けにより高い速度の場を減少させ棒栓ノズルスロート部の非常に近くに高い速度を集中させる。
iii)  棒栓スロート部近くの異物“泳動”が低い速度の場にあり、その結果、慣性力によりノズルスロート部に向かい引っ張るのではなく、浮力が異物を上向きに進める。
iv）  丸味付けは、先端又はノズルスロート部に位置した領域ではなく、棒栓の胴部上への異物の付着を増進させるであろう。
【００２９】
本発明は、以下の非限定的な実施例を参照することによって更に理解されるであろう。
【実施例】
【００３０】
粒子の軌跡もしくは経路について、ラグランジュモデルを加味した数理乱流モデルに基づいてコンピュータシミュレーションを行った。運動量移動の選択モデルはｋ−εとして知られている乱流レジームであった。検査している棒栓の各々について毎分４.０トンの一定鋳造率でシミュレートした。
【００３１】
第１比較棒栓（ＣＳＲ１）は、上側の円筒形表面部分と、中間の切頭円錐形表面部分と、末端の滑らかな凸状鼻部とを有するように構成された棒栓先端を具備して形成されている。第２比較棒栓（ＣＳＲ２）は、半楕円形の表面形状を有する棒栓先端を具備して形成されている。本発明による棒栓は、上述の図１〜図３に示すように構成されていた。棒栓の各々についての障害物を形成する捕捉異物の割合の棒グラフは図４に示されている。本発明による棒栓は、本発明の範囲外にある棒栓ＣＳＲ１及びＣＳＲ２と比較して捕捉異物の割合が実質的に低くなっていることは明らかである。
【００３２】
本発明を現時点で最も役立ち且つ好ましい実施形態と考えられるものと関係して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、反対に、特許請求の範囲の精神及び範囲内に含まれる種々の変形例及び均等的配置を含むものと考えられている。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の特に好ましい実施形態に基づく溶融金属の連続鋳造のための棒栓を有するタンデッシュの略横断面図である。
【図２】図１に記載された棒栓の横断面図である。
【図３】棒栓先端の拡大詳細横断面図である。
【図４】本発明の範囲外にある棒栓と比較して、本発明に基づく棒栓の耐火性表面上に捕捉されると予測しうる溶融金属中の捕捉異物の割合を示す棒グラフである。
【図５】本発明の棒栓の更なる実施形態の図２と同様の図である。
【図６】本発明の棒栓の更に別の実施形態の図２及び図５と同様の図である。
【図１】
2008540130.tif 000003
【図２】
2008540130.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008540130.tif 000007
【図６】
2008540130.tif 000008
【国際調査報告】
2008540130.tif 000009
2008540130.tif 000010
2008540130.tif 000011