(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造装置の溶湯受部と鋳型との間に配設される注湯用ノズルであって、
少なくとも１つの注湯通路を有し熱伝導率が０．１〜０．４Ｗ／（ｍ・℃）の耐火物からなる筒形の本体部を備え、この本体部の注湯通路に、熱伝導率が１０〜３０Ｗ／（ｍ・℃）の、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、グラファイトのいずれかで構成されたスリーブが嵌装されており、
かつ、前記スリーブに凸部または凹部を設ける一方、前記凸部または凹部に対応する凹部または凸部を本体部に設け、これらの凹凸嵌合によりスリーブが本体部の注湯通路に対して抜け止め状態に嵌装されていることを特徴とする注湯用ノズル。
【請求項２】
前記スリーブの厚さが０．５〜３ｍｍである請求項１に記載の注湯用ノズル。
【請求項３】
前記スリーブの溶湯入口側端部に外方に突出する鍔部を設ける一方、前記本体部の注湯通路の入口側端面に前記鍔部を嵌合させる凹部が設けられている請求項１または２に記載の注湯用ノズル。
【請求項４】
前記溶湯通路は、本体部の中心から偏位した位置に設けられている請求項１〜３のいずれかに記載の注湯用ノズル。
【請求項５】
前記本体部は複数の溶湯通路を有している請求項１〜４のいずれかに記載の注湯用ノズル。
【請求項６】
溶湯受部と、鋳型と、前記溶湯受け部と鋳型との間に配設され、請求項１〜５のいずれかに記載の注湯用ノズルとを備えることを特徴とする連続鋳造装置。
【請求項７】
前記連続鋳造装置は、前記注湯用ノズルの溶湯通路および鋳型の成形孔の中心軸がほぼ水平となるように配置される水平連続鋳造装置である請求項６に記載の連続鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶湯受部と鋳型との間に配設する  注湯用ノズル、およびこの注湯用ノズルを備えた連続鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は従来の水平連続鋳造装置(2)の構造を示している（特許文献１、２参照）。
【０００３】
前記水平連続鋳造装置(2)において、溶湯受部(10)内の溶湯（Ｍ）は、出湯口(11)を通り、注湯用ノズル(70)の注湯通路(71)を通った後、ほぼ水平に設置された筒状鋳型(40)内に入り、ここで強制冷却されて溶湯の外表面に凝固殻が形成される。さらに鋳型(40)から引き出された鋳塊（Ｓ）に冷却水（Ｃ）が直接放射され、鋳塊内部まで金属の凝固が進行しつつ鋳塊（Ｓ）が連続的に引き出される。また、(43)は、鋳型(40)の入口側に開口して鋳型内に潤滑油を供給するための供給管(43)である。
【０００４】
前記注湯用ノズル(70)の材料としては、熱伝導率が０．１〜０．４Ｗ／（ｍ・℃）程度の耐火材、例えばケイ酸カルシウムを多く含む耐火材が使用されている。
【特許文献１】特開平１１−１７００１４号公報
【特許文献１】特開２００６−１１０５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記構成の水平連続鋳造装置(2)でＭｇを１％以上含有するアルミニウム合金を鋳造する場合、溶湯と注湯用ノズル(70)を構成するケイ酸カルシウムとが反応して、Ｃａ、Ｍｇ、Ｏを含む化合物を生成し、これらの反応生成物が注湯通路(71)の壁面に付着するという問題点があった。注湯通路(71)に反応生成物が付着した状態で連続鋳造を行うと、流路断面における溶湯（Ｍ）の温度分布が不均一になり、鋳塊品質の低下の原因となり、さらに反応生成物が蓄積されていくと注湯通路(71)が塞がれて長時間の連続運転が不可能となることがある。また、溶湯（Ｍ）の流れにより壁面から反応生成物が剥がれ落ちて溶湯（Ｍ）に混入すると、反応生成物を巻き込んだままで凝固して鋳塊品質が著しく低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した技術背景に鑑み、溶湯との反応を防止して、高品質の鋳塊を長時間連続的に鋳造できる注湯用ノズル、およびこの注湯ノズルを備えた連続鋳造装置の提供を目的とする。
【０００７】
即ち、本発明は下記［１］〜［１０］に記載の構成を有する。
【０００８】
［１］連続鋳造装置の溶湯受部と鋳型との間に配設される注湯用ノズルであって、
少なくとも１つの注湯通路を有し耐火物からなる筒形の本体部を備え、この本体部の注湯通路に、熱伝導率が１０〜３０Ｗ／（ｍ・℃）で溶湯と反応しない材料で構成されたスリーブが嵌装されていることを特徴とする注湯用ノズル。
【０００９】
［２］前記スリーブの厚さが０．５〜３ｍｍである前項１に記載の注湯用ノズル。
【００１０】
［３］前記スリーブに凸部または凹部を設ける一方、前記凸部または凹部に対応する凹部または凸部を本体部に設け、これらの凹凸嵌合によりスリーブが本体部の注湯通路に対して抜け止め状態に嵌装されている前項１または２に記載の注湯用ノズル。
【００１１】
［４］前記スリーブの溶湯入口側端部に外方に突出する鍔部を設ける一方、前記本体部の注湯通路の溶湯入口側端面に前記鍔部を嵌合させる凹部が設けられている前項３に記載の注湯用ノズル。
【００１２】
［５］前記溶湯通路は、本体部の中心から偏位した位置に設けられている前項１〜４のいずれかに記載の注湯用ノズル。
【００１３】
［６］前記本体部は複数の溶湯通路を有している前項１〜５のいずれかに記載の注湯用ノズル。
【００１４】
［７］前記スリーブの材料は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、グラファイトのいずれかである前項１〜６のいずれかに記載の注湯用ノズル。
【００１５】
［８］前記本体部を構成する耐火物の熱伝導率が０．１〜０．４Ｗ／（ｍ・℃）である前項１〜７に記載の注湯用ノズル。
【００１６】
［９］溶湯受部と、鋳型と、前記溶湯受け部と鋳型との間に配設され、前項１〜８のいずれかに記載の注湯用ノズルとを備えることを特徴とする連続鋳造装置。
【００１７】
［１０］前記連続鋳造装置は、前記注湯用ノズルの溶湯通路および鋳型の成形孔の中心軸がほぼ水平となるように配置される水平連続鋳造装置である前項９に記載の連続鋳造装置。
【発明の効果】
【００１８】
上記［１］に記載の注湯用ノズルは、本体部の溶湯通路がスリーブで覆われているため、溶湯と本体部とは接触しない。このため、溶湯と本体部を構成する耐火物との反応物が生成することもなく、反応生成物の蓄積によって溶湯の温度分布が不均一になったり流れが阻害されることもない。ひいては、反応生成物に起因する鋳塊の品質低下がなく、高品質の鋳塊を長時間連続して鋳造することができる。
【００１９】
上記［２］に記載の注湯用ノズルによれば、スリーブは適度な強度を有している。しかも溶湯が過度に抜熱されることもないので、溶湯が早期に冷却されて流動性を低下することもない。
【００２０】
上記［３］［４］に記載の各注湯用ノズルによれば、注湯通路からのスリーブの脱落を阻止することができる。
【００２１】
上記［５］［６］に記載の各注湯用ノズルによれば、溶湯の温度分布を制御することができる。
【００２２】
上記［７］に記載の注湯用ノズルにおいて、材料として、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、グラファイトはスリーブの条件を満たす材料である。
【００２３】
上記［８］に記載の注湯用ノズルによれば、優れた断熱性が確保される
上記［９］に記載の連続鋳造装置は、上記［１］〜［８］のいずれに記載の注湯用ノズルを有しているので、注湯用ノズルで反応物が生成されず、高品質の鋳塊を長時間連続して鋳造することができる。
【００２４】
上記［１０］に記載の連続鋳造装置が水平連続鋳造装置である場合は、重力により鋳塊が鋳型の下面側に押し付けられることで冷却が早くなる傾向があり、部分的に凝固開始が速くなって鋳型における凝固バランスが崩れて凝固組織が不均質となる。このように、水平連続鋳造では竪型連続鋳造よりも凝固バランスが崩れる可能性が高いため、スリーブの嵌着により注湯用ノズルを通過する溶湯の温度分布を制御できる本発明を適用する意義が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１および図２は示す水平連続鋳造装置(1)は、本発明にかかる連続鋳造装置の一実施形態である。
【００２６】
前記水平連続鋳造装置(1)において、(10)は側壁に出湯口(11)を有する溶湯受部、(20)は断面円形の注湯通路(21)を有する注湯用ノズル、(40)は断面円形の成形孔(41)を有する筒状の鋳型である。これら(10)(20)(40)は、出湯口(11)、注湯通路(21)、成形孔(41)が連通し、かつ連通した孔の中心軸がほぼ水平になるように配置されている。そして、溶湯受部(10)内の溶湯（Ｍ）は、注湯用ノズル(20)の注湯通路(21)を通って鋳型(40)の成形孔(41)に導入され、冷却を受けて凝固する。凝固した鋳塊（Ｓ）は図外の引出装置によって連続的に鋳型(40)から引き抜かれる。引き抜きの速度が鋳造速度となり、例えば３００〜１５００ｍｍ／ｍｉｎとできる。
【００２７】
前記鋳型(40)は、内部にキャビティ(42)を有し、このキャビティ(42)に図外の供給管から導入される冷却水（Ｃ）を流通させることにより、鋳型(40)を冷却して成形孔(41)内の鋳塊（Ｓ）を一次冷却するとともに、出口側に設けられた開口部から冷却水（Ｃ）を噴出させて出口から鋳出されてくる鋳塊（Ｓ）に放射し、鋳塊（Ｓ）を二次冷却するものとなされている。また、前記成形孔(41)の入口側にはこの成形孔(41)に開口する潤滑油供給管(43)が設けられている。
【００２８】
図２は鋳型(40)の成形孔(41)側から見た注湯用ノズル(20)であり、成形孔(41)に臨む注湯用ノズル(20)の端面を示している。前記注湯用ノズル(20)は、耐火物からなる本体部(22)中心に直径（Ｄ１）の円形の注湯通路(21)が穿設され、この本体部(22)の注湯通路(21)に、本体部(22)よりも熱伝導率の良い窒化ケイ素からなる円筒形のスリーブ(23)が嵌装されている。前記スリーブ(23)の外径は注湯通路(21)の直径（Ｄ１）に対応し、スリーブ(23)は注湯通路(21)の壁面に密着状態で嵌装されている。かかる構成により、注湯通路(21)は本体部(22)が露出することなくスリーブ(23)で覆われている。また、前記スリーブ(23)の内径は（Ｄ２）であり、断面において直径（Ｄ２）の円形空間が実質的な注湯通路となっている。
【００２９】
前記本体部(22)を構成する耐火物は何ら限定されないが、熱伝導率が０．１〜０．４Ｗ／（ｍ・℃）の断熱性の高い材料を用いることが好ましい。熱伝導率が０．１Ｗ／（ｍ・℃）未満では構造材としての圧縮歪応力を満たす材料の入手が困難であり、０．４Ｗ／（ｍ・℃）を超えると断熱性が不足する。特に０．１２〜０．１７Ｗ／（ｍ・℃）の材料が好ましい。前記範囲の熱伝導率を有する材料として、ケイ酸カルシウム、シリカとアルミナの混合物等を例示できる。特に、スリーブ(23)を構成する材料の熱伝導率が該スリーブ材(23)の近傍を囲む本体部(22)を構成する耐火物の熱伝導率の２５〜３００倍であることが好ましく、特に５９〜２５０倍であることが好ましい。両者の熱伝導率の比率が上記範囲内となるように材料を選定することで、溶湯（Ｍ）からの熱を本体部(22)へ逃がすことなくスリーブ(23)に閉じこめることができ、さらにスリーブ(23)内の熱移動により温度の均一化が得られ、注湯通路(21)内の温度の均一化が得られるからである。
【００３０】
一方、前記スリーブ(23)は溶湯（Ｍ）に直接接触する部分であり、溶湯（Ｍ）と反応しない材料で構成する必要がある。溶湯（Ｍ）と反応しない材料は概して熱伝導率が良く抜熱性の高いものであるが、ノズルとして必要な断熱性は本体部(22)によって確保されているので、本体部(22)のような低い熱伝導率は要求されない。このため、スリーブ(23)の材料は、溶湯と反応しない材料を得られる熱伝導率が１０〜３０Ｗ／（ｍ・℃）のものを用いる。熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・℃）未満では気孔率の高いものとなって繰り返しの使用が困難であり、３０Ｗ／（ｍ・℃）を超えると溶湯との反応性が高い物質が多くなるためである。特に好ましい熱伝導率は、１６〜２６Ｗ／（ｍ・℃）である。前記範囲の熱伝導率を有し、かつ溶湯と非反応性の材料として、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、グラファイトを推奨できる。
【００３１】
また、前記スリーブの厚さ（Ｔ）は０．５〜３ｍｍの範囲が好ましい。厚さ（Ｔ）が０．５ｍｍ未満では強度も弱く破損の危険性が高くなり、また十分な反応防止効果を得られないおそれがある。一方、３ｍｍを越えると鋳造開始時に抜熱され、流路での溶湯（Ｍ）の流動性が低下するおそれがある。前記スリーブ(23)の好ましい厚さ（Ｔ）は１〜２ｍｍである。
【００３２】
上述した構造の注湯用ノズル(20)は、溶湯（Ｍ）が直接接触するスリーブ(23)とは反応しないのでは反応物は生成されない。また、溶湯（Ｍ）の流路としての断熱性は本体部(22)により確保されているので溶湯（Ｍ）が早期に冷却されて流動性を低下することもない。従って、溶湯（Ｍ）の流路に反応生成物が付着して流路断面における溶湯温度が不均一になることがなく、かつ剥がれ落ちた反応生成物が溶湯（Ｍ）に混入して鋳塊（Ｓ）に巻き込まれることもないので、品質の良い鋳塊を連続鋳造できる。さらに、反応生成物が蓄積されて流路を塞ぐこともないので、長時間の連続運転が可能となる。これらにより、高品質の鋳塊を効率良く製造することができる。
【００３３】
また、溶湯（Ｍ）と本体部(22)とは直接接触しないので本体部(22)の損傷や消耗が免れるので、スリーブ(23)を交換すれば本体部(22)を繰り返し使用することができる。
【００３４】
図１のスリーブ(23)は、本体部(22)の注湯通路(21)とのクリアランスを可及的に小さくすることで本体部(22)からの抜け落ちを阻止しているが、以下のように凹凸嵌合を利用することにより抜け落ちを確実に阻止することができる。
【００３５】
図３に示す注湯用ノズル(30)において、スリーブ(33)は概略円筒形であり、その外径は本体部(32)の溶湯通路(31)の直径（Ｄ１）に対応する寸法に設定されている。また、円筒体の溶湯入口側の周縁には外方に突出する鍔部(34)が設けられている。一方、前記本体部(32)の溶湯通路(31)の溶湯入口側の端面には、前記鍔部(34)の肉厚に対応する凹陥状の段差部(35)が形成されている。そして、前記本体部(32)の溶湯通路(31)の入口側からスリーブ(33)を挿入するとスリーブ(33)の鍔部(34)が本体部(32)の段差部(35)に嵌合し、注湯用ノズル(30)の入口側端面は、２つの部材によって連続する一つの平面を形成する。このような嵌合構造の注湯用ノズル(30)において、溶湯（Ｍ）は常に鋳型(40)側へと流れるので鍔部(34)が段差部(35)に押し付けられることとなり、スリーブ(33)は抜け止め状態となる。
【００３６】
注湯用スリーブにおける本体部とスリーブの嵌合構造は図示例に限定されない。スリーブに凹部を設け、本体部に凸部を設けるようにしても良い。但し、薄肉のスリーブに凹部を設けると強度が低下するので、厚肉の本体部に凹部を設けてスリーブに凸部を設けることが好ましい。また、スリーブに凸部を設けることでスリーブの強度も向上する。
【００３７】
本発明の注湯用スリーブにおいて、注湯通路の数や位置は限定されない。図１〜３に示した注湯用スリーブ(20)(30)は中心に１つの注湯通路(21)(31)を有するものであるが、注湯通路を中心から偏位した位置に設けることも、複数の注湯通路を設けることもできる。
【００３８】
図４Ａ〜図４Ｄは、鋳型(40)の成形孔(41)側から見た注湯用ノズルの端面を示している。図４Ａの注湯用ノズル(50)は、本体部(52)の中心から外方に寄った位置に１つの注湯通路(51)を設けたものであり、注湯通路(51)にはスリーブ(53)が嵌装されている。図４Ｂの注湯用ノズル(55)は、本体部(57)の中心を挟んで上下に２つの注湯通路(56)を設けたものであり、各注湯通路(56)にはスリーブ(58)が嵌装されている。図４Ｃの注湯用ノズル(60)は、本体部(62)の下方部に３つの注湯通路(61)を設けたものであり、各注湯通路(61)にはスリーブ(63)が嵌装されている。図４Ｄの注湯用ノズル(65)は、本体部(67)の中心を挟んで上下左右に４つの注湯通路(66)を設けたものであり、各注湯通路(66)にはスリーブ(68)が嵌装されている。
【００３９】
上述したようにスリーブは本体部よりも熱伝導率の良い材料で構成されているので、注湯通路の数や位置の設定によりスリーブからの抜熱量を調節することができ、ひいては鋳型に流入させる溶湯の温度分布を調節して鋳型における凝固バランスを調節することができる。
【００４０】
また、本発明の注湯用スリーブを備えた連続鋳造装置において、注湯用スリーブ以外の部分の構成は何ら限定されない。例えば、図５に示した水平連続鋳造装置は、鋳型(40)の成形孔(41)の周壁に自己潤滑性の高い材料、例えばグラファイトで形成したスリーブ(45)を装着することにより鋳塊の滑りを向上させたものである。
【００４１】
本発明の連続鋳造装置は、注湯用ノズルの注湯通路および鋳型の成形孔の中心軸がほぼ水平となるように配置されて鋳塊がほぼ水平に進行する図示例の水平連続鋳造装置に限定されるものではなく、竪型連続鋳造装置等の他の鋳造装置に適用することもできる。但し、以下の理由により、本発明による効果は水平連続鋳造装置において顕著である。
【００４２】
水平連続鋳造においては、鋳塊は重力により鋳型の下面側に押し付けられることで冷却が早くなり、それに伴い下面側の凝固開始が速くなると考えられる。部分的に凝固開始が速くなると鋳型における凝固バランスが崩れて凝固組織が不均質となる。このように、水平連続鋳造では竪型連続鋳造よりも凝固バランスが崩れる可能性が高いため、スリーブの嵌着により注湯用ノズルを通過する溶湯の温度分布を制御できる本発明を適用する意義が大きい。
【００４３】
本発明の注湯用ノズルは、任意の金属の鋳造に用いることができる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の連続鋳造に適用できる。特に固着しやすい金属の連続鋳造に用いる場合に顕著な効果を奏することができる。かかる固着しやすい金属として、Ｍｇ含有Ａｌ合金を例示できる。
【実施例】
【００４４】
図１および図２に示す本発明の水平連続鋳造装置(1)、および図６に示す従来の水平連続鋳造装置(2)において、溶湯受部(10)と鋳型(40)との間に配置する注湯用ノズル(20)(70)の条件を変えてＪＩＳ  ５０５６アルミニウム合金アルミニウム合金の連続鋳造試験を行った。
【００４５】
表１に示す実施例１〜４の前記注湯用ノズル(20)は、断面円形の注湯通路(21)を有する本体部(22)に円筒形のスリーブ(23)を嵌装したものである。前記本体部(22)の材料として熱伝導率が０．１３８Ｗ／（ｍ・℃）のケイ酸カルシウム板（ニチアス株式会社製、商品名：ルミボード）を用い、前記スリーブ(23)の材料として熱伝導率が１６．７Ｗ／（ｍ・℃）の窒化ケイ素を用いた。前記スリーブ(23)は、厚さ（Ｔ）が０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍの４種類を準備した。これらのスリーブ(23)の内径はいずれも１５ｍｍであり、外径を変化させることで前記厚さ（Ｔ）となされている。一方、前記本体部(22)には各スリーブ(23)の外径に対応する直径の注湯通路(21)を穿設し、注湯通路(21)にスリーブ(23)を嵌装した。
【００４６】
一方、比較例の注湯用ノズル(70)は、前記ケイ酸カルシウム板に直径１５ｍｍの注湯通路(71)を穿設したものである。
【００４７】
また、各実施例および比較例において、鋳型(40)の成形孔の直径は４０ｍｍである。
【００４８】
上記注湯用ノズル(20)(70)を備えた水平連続鋳造装置(1)(2)により、鋳造温度：７００℃±１０℃、鋳造速度：６００ｍｍ／ｍｉｎの条件で連続鋳造を行い、円滑な鋳造が不可能となるまで連続運転を行った。
【００４９】
連続鋳造した鋳塊（Ｓ）の外観を観察するとともに、ＦＰＭＡにより介在物を調べて品質を評価した。また、鋳造後の注湯用ノズル(20)(70)の内部を観察し、反応生成物の有無とスリーブ(23)または本体部(71)の状態を調べた。その結果、各実施例のスリーブ(23)には溶湯（Ｍ）と反応した形跡はなく反応生成物も認められなかった。一方、比較例の注湯通路(71)の壁面には溶湯（Ｍ）との反応が認められ、反応生成物が蓄積されていた。比較例の連続運転は、注湯通路(71)に蓄積された反応生成物によって阻害されたものである。
【００５０】
さらに、連続鋳造時間、反応生成物、鋳塊品質に基づいて、○（優れている）と×（劣っている）の２段階で総合的に評価した。
【００５１】
表１に注湯用ノズルの構成を示すとともに、評価結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
0005324081.tif 000002
【００５３】
表１より、注湯用ノズルの注湯通路にスリーブを嵌装することにより、溶湯との反応物の生成がなく、高品質の鋳塊を効率良く鋳造できることを確認することができた。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の注湯用ノズルは、本体部の溶湯通路に溶湯と反応しないスリーブが嵌装されていので、溶湯と本体部とが接触せず、これらの反応生成物が発生しない。このため、反応生成物の蓄積によって連続運転が阻害されることがないので、長時間の安定した鋳造に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明にかかる注湯用ノズルの一実施形態、およびこの注湯用ノズルを備えた水平連続鋳造装置を示す模式断面図である。
【図２】注湯用ノズルの鋳型側端面を鋳型の成形孔から見た図である。
【図３】他の注湯用ノズルおよびこの注湯用ノズルを備えた水平連続鋳造装置を示す模式断面図である。
【図４Ａ】他の注湯用ノズルの鋳型側端面を鋳型の成形孔から見た図である。
【図４Ｂ】他の注湯用ノズルの鋳型側端面を鋳型の成形孔から見た図である。
【図４Ｃ】他の注湯用ノズルの鋳型側端面を鋳型の成形孔から見た図である。
【図４Ｄ】他の注湯用ノズルの鋳型側端面を鋳型の成形孔から見た図である。
【図５】本発明の連続鋳造装置の他の実施形態を示す模式断面図である。
【図６】従来の水平連続鋳造装置を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…水平連続鋳造装置（連続鋳造装置）
10…溶湯受部
20,30,50,55,60,65,70…注湯用ノズル
21,31,51,56,61,66,71…注湯通路
22,32,52,57,62,67…本体部
23,33,53,58,63,68…スリーブ
40…鋳型
41…成形孔
【図１】
0005324081.tif 000003
【図２】
0005324081.tif 000004
【図３】
0005324081.tif 000005
【図４Ａ】
0005324081.tif 000006
【図４Ｂ】
0005324081.tif 000007
【図４Ｃ】
0005324081.tif 000008
【図４Ｄ】
0005324081.tif 000009
【図５】
0005324081.tif 000010
【図６】
0005324081.tif 000011