(57)【要約】【課題】注入管内を流下する溶鋼中にガスを均一に且つ安定して吹込むことが可能であり、このガスを微細な気泡としてタンディッシュ内の溶鋼に混入させ、溶鋼中の介在物を効率良く除去することができる連続鋳造用注入管を提供する。【解決手段】上記課題は、一端を取鍋側の溶鋼排出口に接合し、他端をタンディッシュ内の溶鋼に浸漬し、内部の溶鋼流出孔２内を流下させて取鍋内の溶鋼をタンディッシュ内へ注入する注入管であって、溶鋼流出孔の内径が、下方に向かって徐々に収縮する収縮部５と下方に向かって拡大する拡大部６と、が備えられ、側壁内部には非酸化性ガスを通すためのガス流路３が設置され、タンディッシュ内溶鋼に浸漬する部位にはガス流路と連結して溶鋼流出孔内に非酸化性ガスを吹込むためのガス吹込み部位４が設置され、ガス吹込み部位が、拡大部の範囲内又は拡大部の下方側に設けられている連続鋳造用注入管１によって解決される。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
その一端を取鍋側の溶鋼排出口に接合し、他端をタンディッシュ内の溶鋼に浸漬し、その内部の溶鋼流出孔内を流下させて取鍋内の溶鋼をタンディッシュ内へ注入する連続鋳造用注入管であって、前記溶鋼流出孔の内径が下方に向かって徐々に収縮する収縮部と、溶鋼流出孔の内径が下方に向かって拡大する拡大部と、が備えられ、前記注入管の側壁内部には、非酸化性ガスを通すためのガス流路が設置され、注入管のタンディッシュ内溶鋼に浸漬する部位には、前記ガス流路と連結して前記溶鋼流出孔内に非酸化性ガスを吹き込むためのガス吹き込み部位が設置されており、当該ガス吹き込み部位は、前記拡大部の範囲内又は拡大部の下方側に設けられていることを特徴とする連続鋳造用注入管。
【請求項２】
前記ガス吹き込み部位における溶鋼流出孔の断面積（ＳＬ  ）と、前記収縮部の下端位置における溶鋼流出孔の断面積（ＳＳ  ）との比ＳＬ  ／ＳＳ  が１．５〜２．５の範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造用注入管。
【請求項３】
前記収縮部は、下記の（１）式で定義される縮径テーパー値で０．１〜０．２の範囲内で溶鋼流出孔の内径が収縮していることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の連続鋳造用注入管。
Ｔｐ＝（Ｄ０−ＤＳ）／（２×Ｌ）  …（１）
但し、（１）式において、Ｔｐは縮径テーパー値、Ｄ０  は収縮部上端位置の溶鋼流出孔の直径、ＤＳ  は収縮部下端位置の溶鋼流出孔の直径、Ｌは収縮部の長さである。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼の連続鋳造において取鍋内の溶鋼をタンディッシュ内に注入するための注入管に関し、詳しくは注入管内を流下する溶鋼に不活性ガス等の非酸化性ガスを吹き込むことの可能な注入管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼中のアルミナを主体とする酸化物系非金属介在物（以下、「介在物」と記す）は、最終製品における表面疵等欠陥の発生原因となるので、極力除去する必要があり、そのため、最終製品の品質に直接関与する連続鋳造工程では、清浄性の優れた鋳片を得る手段として、種々の介在物低減対策が実施されてきた。そして、生産性向上のために鋳片引抜き速度を高速度化させた最近の操業形態では、鋳型内における介在物の分離・除去に限界があり、更に、近年の要求される品質の厳格化も加味され、溶鋼を鋳型に供給する以前のタンディッシュにおける清浄性向上対策も極めて重要となっている。
【０００３】
タンディッシュ内で介在物を除去する方法としては、不活性ガス等の非酸化性ガスを溶鋼中に吹き込み、介在物を非酸化性ガス気泡で捕捉させ、介在物を気泡と共に浮上・分離させる方法が有効であるが、ガス気泡が大きいと介在物捕捉の効果が少ないだけでなく、気泡が溶鋼表面から離脱する際に溶鋼表面に浮遊する溶滓を巻込んだり、空気による溶鋼の酸化の原因となり、却って鋳片品質を劣化させる場合も発生する。
【０００４】
これらの問題点は、非酸化性ガス気泡を微細化することによって防止可能であり、そのため、微細化した非酸化性ガス気泡をタンディッシュ内で生成させる手段が多数提案されている。例えば、特許文献１には、溶鋼の流れの方向に凹凸を有する通路を備えた堰をタンディッシュ内に設けて溶鋼を通過させ、凸部分から溶鋼中にガスを吹き込む方法が提案されている。特許文献１によれば、凸部分では断面積が減少することから溶鋼流速が速くなり、この溶鋼流によって剪断力が働き、気泡の離脱が促進され、微細な気泡を安定して溶鋼中に吹き込むことが可能となり、介在物を効率的に取り除くことができるとしている。
【０００５】
又、特許文献２には、取鍋内の溶鋼をタンディッシュ内に注入するための注入管（「ロングノズル」とも呼ぶ）のタンディッシュ内溶鋼に浸漬させた部位にポーラス煉瓦を設置し、このポーラス煉瓦から注入管内にガスを吹き込む方法が提案されている。特許文献２によれば、高速で落下する溶鋼によって気泡が微細化され、微細化された気泡がタンディッシュ内で分散されるので、介在物を効率良く除去することができるとしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−１１７９３９号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２０００−２０２６０２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、ガス気泡によって溶鋼中の介在物を効率的に除去するためには、ガス気泡を小さくすること、具体的にはガス気泡の直径を２．０ｍｍ以下とすることにより、直径２０μｍ程度の微細な介在物も効率良く除去できることを確認している。
【０００９】
この観点から検討した結果、特許文献１では、堰を通過する際の溶鋼流速がそれほど速くならず、溶鋼流による剪断力が小さいため、直径２ｍｍ以下の気泡を安定して生成させることは極めて難しいことが判明した。又、特許文献１のようにタンディッシュ内でガスを吹き込む場合には、ガス吹き込み部位となる堰をタンディッシュ内に設置する必要があり、堰設置に伴う耐火物コストの問題や、堰の存在がタンディッシュの熱間再使用の障害となる等の問題点がある。
【００１０】
一方、特許文献２では、製造コストの過度の上昇を招くことなく、直径２ｍｍ以下の気泡が得られるものの、落下する溶鋼によって充填された内圧の高い部位でガスを吹き込むため、それによるトラブル、例えば、吹き込みガス圧力を高める必要性があり、それに起因して発生する、注入管とガス供給管との接続部からのガス漏れや、注入管に埋設したポーラス煉瓦のガスの流れやすい部位を優先してガスが通過するために、粗大な気泡が発生しやすい等の未だ改善の余地があることが判明した。
【００１１】
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、溶鋼の連続鋳造の際に、注入管内を流下する溶鋼中に不活性ガス等の非酸化性ガスを均一に且つ安定して吹き込むことが可能であり、吹き込まれた非酸化性ガスを微細な気泡としてタンディッシュ内の溶鋼に混入させ、タンディッシュ内において溶鋼中の介在物を安定して効率良く除去することができる連続鋳造用注入管を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための第１の発明に係る連続鋳造用注入管は、その一端を取鍋側の溶鋼排出口に接合し、他端をタンディッシュ内の溶鋼に浸漬し、その内部の溶鋼流出孔内を流下させて取鍋内の溶鋼をタンディッシュ内へ注入する連続鋳造用注入管であって、前記溶鋼流出孔の内径が下方に向かって徐々に収縮する収縮部と、溶鋼流出孔の内径が下方に向かって拡大する拡大部と、が備えられ、前記注入管の側壁内部には、非酸化性ガスを通すためのガス流路が設置され、注入管のタンディッシュ内溶鋼に浸漬する部位には、前記ガス流路と連結して前記溶鋼流出孔内に非酸化性ガスを吹き込むためのガス吹き込み部位が設置されており、当該ガス吹き込み部位は、前記拡大部の範囲内又は拡大部の下方側に設けられていることを特徴とするものである。
【００１３】
第２の発明に係る連続鋳造用注入管は、第１の発明において、前記ガス吹き込み部位における溶鋼流出孔の断面積（ＳＬ  ）と、前記収縮部の下端位置における溶鋼流出孔の断面積（ＳＳ  ）との比ＳＬ  ／ＳＳ  が１．５〜２．５の範囲内であることを特徴とするものである。
【００１４】
第３の発明に係る連続鋳造用注入管は、第１又は第２の発明において、前記収縮部は、下記の（１）式で定義される縮径テーパー値で０．１〜０．２の範囲内で溶鋼流出孔の内径が収縮していることを特徴とするものである。但し、（１）式において、Ｔｐは縮径テーパー値、Ｄ０  は収縮部上端位置の溶鋼流出孔の直径、ＤＳ  は収縮部下端位置の溶鋼流出孔の直径、Ｌは収縮部の長さである。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
本発明に係る注入管では、タンディッシュ内溶鋼に浸漬された部位で、注入管の溶鋼流出孔内にＡｒ等の非酸化性ガスが吹き込まれる。この部位では、溶鋼は十分な落下エネルギーを有し且つ溶鋼流速は十分に高速であるので、吹き込まれた非酸化性ガスは、落下する溶鋼流によって剪断・粉砕され、容易に微細化される。更に、この部分では、溶鋼が注入管内に常に充満しているので、吹き込んだガスは溶鋼中に混入する。そして、溶鋼と共にタンディッシュ内に流入した微細な気泡は、微細であるがために浮上速度が小さく、溶鋼中の滞在時間が長くなり、溶鋼中を浮遊中に介在物と衝突・合体し、介在物を捕捉して浮上・分離するので、タンディッシュ内において介在物を効率良く除去することができる。
【００１７】
注入管の溶鋼流出孔の内面積が急激に拡大すると、拡大した部位における溶鋼内圧力はベルヌーイの法則によって低下する。例えば、内面積がＳ１  である収縮部の圧力Ｐ１  と、内面積がＳ２  （Ｓ２  ＞Ｓ１  ）である拡大部の圧力Ｐ２  との圧力差ΔＰは、下記の（２）式によって表される。但し、（２）式において、ρは溶鋼の密度、Ｖは内面積がＳ１  の位置における溶鋼の流速である。
【００１８】
【数２】
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【００１９】
従って、溶鋼流出孔の内径を絞った収縮部から、溶鋼流出孔の内径を拡大させた拡大部に流下すると、溶鋼内の圧力が小さくなるため、非酸化性ガスの供給圧力を昇圧させる等の対策を採ることなく、注入管の下部に設置したガス吹き込み部位から非酸化性ガスを溶鋼流出孔内に吹き込むことができる。又、溶鋼内の圧力が低下しているので、ガス吹き込み部位から供給された非酸化性ガスは、溶鋼に迅速に吸引され、微細な気泡として溶鋼中に分散する。
【００２０】
このように、注入管の溶鋼流出孔に収縮部とそれに続く拡大部とを設けることで、ガス吹き込みが簡単になり、安定して非酸化性ガスを溶鋼流出孔内に吹き込むことが可能になると同時に、吹き込まれた非酸化性ガスは溶鋼の落下エネルギーによって剪断されるため、微細な気泡を得ることが達成される。
【００２１】
この場合、ガス吹き込み部位における溶鋼流出孔の断面積（ＳＬ  ）と、収縮部の下端位置における溶鋼流出孔の断面積（ＳＳ  ）との比ＳＬ  ／ＳＳ（以下、「断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  」と記す）を１．５〜２．５の範囲内にすることが好ましい。これによって（２）式から計算される両者の位置の圧力差ΔＰは、収縮部下端位置における圧力ＰＳ  の２０％〜６０％になり、ガス吹き込み部位から供給される非酸化性ガスは吹き込まれると云うよりも吸引された状態になり、より一層ガス吹き込みが簡単になる。断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  が１．５以下の場合には、非酸化性ガスの吹き込み時に或る程度の圧力が必要になり、注入管内壁のガス吹き込み部位から均一に吹き込むことが困難になる。断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  が２．５を越えると、注入管内壁にアルミナや地金が付着した場合に、最小内径部が狭くなり過ぎて溶鋼通過量が減少し、連続鋳造機の鋳片引抜き速度を低下せざるを得ない事態も発生するため、好ましくない。
【００２２】
収縮部のテーパーは、上記の（１）式による縮径テーパー値で０．１〜０．２の範囲内とすることが好ましい。収縮部において、溶鋼は流下方向を曲げられるため、溶鋼には遠心力が作用する。この遠心力が大きいほど、溶鋼よりも密度の小さい介在物は中心側に曲げられて流下し、注入流の中心部に集まるため、収縮部の内壁にアルミナが付着し難くなる。縮径テーパー値が０．１未満では、溶鋼流出孔を流下する溶鋼の曲がり量が少ないため、遠心力の作用が小さく、収縮部にアルミナが付着しやすくなり、長時間の鋳造では所定の溶鋼量を注入できなくなる恐れがある。一方、縮径テーパー値が０．２を越えると、注入管内壁に地金やアルミナが付着した場合には最小内径部が狭くなり過ぎ、溶鋼通過量が不足する恐れがある。
【００２３】
吹き込まれる非酸化性ガスとしては、Ａｒが一般的であるが、水素ガスや窒素ガス或いはこれらとＡｒとの混合ガスを用いてもよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１及び図２は、本発明の実施の形態を示す図であって、図１は、本発明に係る注入管の１例を示す概略図、図２は、本発明に係る注入管の他の例を示す概略図、図３は、本発明に係る注入管を用いた連続鋳造設備の概略図である。
【００２５】
図１及び図２に示すように、本発明に係る耐火物製の注入管１は、注入管１の内部の溶鋼流出孔２が下方に向かって徐々に収縮する収縮部５と、収縮部５に続いて、溶鋼流出孔２が下方に向かって拡大する拡大部６とを備えている。そして、注入管１の側壁内部には、ガス流路となるスリット３が設けられ、注入管１の下方側先端部には、ガス吹き込み部位であるポーラス煉瓦４が設けられており、スリット３とポーラス煉瓦４とは連通しており、注入管１に取り付けられたガス導入管７からスリット３内に供給されるＡｒや水素等の非酸化性ガスは、スリット３を通り、ポーラス煉瓦４を介して注入管１の溶鋼流出孔２内に吹き込まれるようになっている。ポーラス煉瓦４は、拡大部６の範囲内若しくは拡大部６の下方側に、溶鋼流出孔２に露出して配置されている。図中のＬは収縮部５の長さ、Ｄ０  は収縮部５の上端位置における溶鋼流出孔２の直径、ＤＳ  は収縮部５の下端位置における溶鋼流出孔２の直径、ＤＬ  はガス吹き込み部位即ちポーラス煉瓦４の設置位置における溶鋼流出孔２の直径である。拡大部６は、図１に示すように下方に向かって徐々に拡大しても、一方、図２に示すように急激に拡大してもどちらでも構わない。
【００２６】
前述したように、ガス吹き込み部位即ちポーラス煉瓦４の設置位置における溶鋼流出孔２の断面積（ＳＬ  ）と、収縮部５の下端位置における溶鋼流出孔２の断面積（ＳＳ  ）との断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  が１．５〜２．５の範囲内となるように、注入管１の形状を決めることが好ましく、又、収縮部５のテーパーが、前述した（１）式に示す縮径テーパー値で０．１〜０．２の範囲内となるように、注入管１の形状を決めることが好ましい。
【００２７】
このような構成の注入管１を、例えば図３に示すような連続鋳造設備に用いて溶鋼を連続鋳造する。
【００２８】
図３において、内面を耐火物で構築されたタンディッシュ９が、タンディッシュカー（図示せず）に搭載されて鋳型１１の上方所定位置に配置され、又、タンディッシュ９の上方所定位置には溶鋼１４を収容した取鍋８が配置されている。取鍋８の底部には上ノズル１２が設置され、この上ノズル１２の下面側にはスライディングノズル１３が設置され、スライディングノズル１３に密着して注入管１が接合されている。スライディングノズル１３は、取鍋８からの溶鋼１４の流量調整手段であり、スライディングノズル１３の下端が取鍋８の溶鋼排出口となる。タンディッシュ９の注入管１の設置位置に対して長手方向反対側の底部には、鋳型１１への溶鋼供給流路となる浸漬ノズル１０が設置されている。
【００２９】
そして、注入管１の先端をタンディッシュ９内の溶鋼１４に浸漬させながら取鍋８内の溶鋼１４をタンディッシュ９に注入する。その際に、収縮部５の範囲を含む、注入管１の下部の部位を、タンディッシュ９内の溶鋼１４に浸漬させ、ポーラス煉瓦４から溶鋼流出孔２内にＡｒ、水素、窒素等、及び、これらの混合ガス等からなる非酸化性ガスを吹き込む。
【００３０】
注入管１内に吹き込まれた非酸化性ガスは、タンディッシュ９内の溶鋼１４中に微細な気泡となって混入し、気泡中に溶鋼１４中の介在物を吸着させ、次いで、タンディッシュ９内の溶鋼湯面に浮上する。そのため、介在物は効率良く溶鋼１４から除去され、鋳型１１へは介在物の少ない清浄な溶鋼１４が鋳造される。鋳型１１内に鋳造された溶鋼１４は鋳型１１内で冷却されて凝固し、清浄性の優れた鋳片１５が鋳造される。
【００３１】
尚、上記説明は単ストランド鋳造のタンディッシュ９における説明であるが、本発明は単ストランド鋳造に限るものではなく、多ストランド鋳造であっても上記に従って本発明を適用することができる。又、注入管１からの非酸化性ガスの吹き込み方法も上記説明に限るものではなく、例えばポーラス煉瓦４の代わりに複数の細孔を有する煉瓦を用いて吹き込んでもよい。
【００３２】
【実施例】
［実施例１］
非酸化性ガスとしてＡｒを用い、図１に示す注入管において、ガス吹き込み部位における溶鋼流出孔の断面積（ＳＬ  ）と収縮部の下端位置における溶鋼流出孔の断面積（ＳＳ  ）との断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  を、１．２５〜３．０の範囲で変更した試験結果を説明する。又、比較のために断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  が１．０の注入管を用いた試験も実施した。
【００３３】
内径１００ｍｍ、外径２００ｍ、肉厚５０ｍｍ、長さ２ｍのアルミナ−黒鉛製の図１に示す注入管を、図３に示す連続鋳造設備に設置した。用いた注入管では、スリットを溶鋼の浸漬部分まで伸長し、浸漬部分にポーラス煉瓦を埋め込んだ。注入管のＡｒ導入口は注入管の上部、即ちスライディングノズルとの繋ぎの直下に設けた。この位置から浸漬部までの長さは１ｍ以上であった。
【００３４】
鋳造中には注入管内を溶鋼が通過するため、注入管は１０００℃以上の高温状態にあり、この中をＡｒが通過していくことによりＡｒは加熱され、ポーラス煉瓦から溶鋼中に吹き出される時には急激な熱膨張は起こらなかった。
【００３５】
図４は、注入管内の溶鋼通過量を９．８トン／分とした鋳造中にＡｒ流量を２０Ｎｌ／分の一定として鋳造したときの、スラブ鋳片から抽出した介在物量の調査結果を示す図である。図４に示すように、抽出介在物量は、断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  を大きくするほど減少し、良好な清浄性を示すことが分かった。しかし、断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  を３とした場合には、収縮部の断面積が小さくなり、鋳造の中期以降、注入管内壁にアルミナが付着・堆積して注入管を通過する溶鋼流量が減少し、鋳片引抜き速度を低下せざるを得ない状態になった。従って、断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  は１．５〜２．５の範囲内が好ましいことが分かった。このスラブ鋳片を圧延して製造した極薄肉厚の飲料缶の不良品発生率は、従来の１／１０であった。尚、図４は、断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  が１．０のデータを基準として介在物量を指数化している。
【００３６】
［実施例２］
実施例１と同じ連続鋳造設備で、非酸化性ガスとしてＡｒを用い、図２に示す注入管を用いてスラブ鋳片を鋳造した。本実施例では、断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  を２．５の一定とし、収縮部のテーパーを、（１）式の縮径テーパー値で０．０５〜０．２５の範囲で変化させた。即ち、収縮部の長さＬを変更した。溶鋼の注入量は９．８トン／分、ポーラス煉瓦からのＡｒ流量は２０Ｎｌ／分とした。又、比較のためにテーパー値がゼロの注入管を用いた試験も実施した。
【００３７】
図５にスラブ鋳片からの抽出介在物量と、収縮部におけるテーパー値との関係を示す。図５に示すように、縮径テーパー値が０．１〜０．２の範囲で介在物量が減少した。縮径テーパー値が０．１よりも小さくなると、収縮部に多量のアルミナが付着して溶鋼の通過量が不足気味になった。一方、縮径テーパー値が０．２を越えると、ポーラス煉瓦にアルミナが付着して均一な吹き込みが困難になった。これらの結果から、収縮部の縮径テーパー値は０．１〜０．２の範囲内が好ましいことが分かった。尚、図５は、縮径テーパー値が０のデータを基準として介在物量を指数化している。
【００３８】
【発明の効果】
本発明に係る注入管によれば、注入管の溶鋼流出孔に収縮部とそれに続く拡大部とを設けているので、ガス吹き込みが簡単になり、安定して非酸化性ガスを吹き込むことが可能になると同時に、吹き込まれた非酸化性ガスは溶鋼の落下エネルギーによって剪断されるため、微細な気泡を得ることが可能となり、この気泡によりタンディッシュ内において介在物を効率良く除去することができ、工業上有益な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す図であって、本発明に係る注入管の１例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す図であって、本発明に係る注入管の他の例を示す概略図である。
【図３】本発明に係る注入管を用いた連続鋳造設備の概略図である。
【図４】スラブ鋳片の介在物量と断面積比ＳＬ  ／ＳＳ  との関係を示す図である。
【図５】スラブ鋳片の介在物量と収縮部のテーパー値との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  注入管
２  溶鋼流出孔
３  スリット
４  ポーラス煉瓦
５  収縮部
６  拡大部
７  ガス導入管
８  取鍋
９  タンディッシュ
１０  浸漬ノズル
１１  鋳型
１２  上ノズル
１３  スライディングノズル
１４  溶鋼
１５  鋳片
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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