(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼を連続鋳造する鋳型への溶湯注入時にタンディッシュ注入ノズルからの溶湯流が浸漬ノズルで覆われていないオープン注入を行う連続鋳造のタンディッシュ注入ノズル下部から下方へ向かい溶湯流に沿って溶湯流の全周を覆うように不活性ガスを流すための注入流断気装置であって、
溶湯流を取り囲み、内部を不活性ガスが通過する円盤状をなし、不活性ガスは該円盤内の全周において放射状に溶湯流に向かって流れる第１ステージと、
第１ステージの下方に位置し、溶湯流を取り囲み、第１ステージの円盤の直径よりも小さい直径のつばを有し、第１ステージからの不活性ガスが該つばの中を溶湯流と平行に下方に向かって流れる第２ステージとを有することを特徴とする注入流断気装置。
【請求項２】
鋼は、炭素含有量が０．１重量％以下の鋼であることを特徴とする請求項１に記載の注入流断気装置。
【請求項３】
鋳型内の鋼に脱酸用のアルミニウムを添加することを特徴とする請求項２に記載の注入流断気装置。
【請求項４】
不活性ガスにかえ、あるいは不活性ガスとともに可燃性ガスを用いることを特徴とする請求項１に記載の注入流断気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続鋳造鋳型への溶湯注入時にタンディッシュ注入ノズルからの溶湯流が浸漬ノズルで覆われていないオープン注入を行う鋼の連続鋳造方法及び注入流断気装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼は、転炉あるいは電気炉等での精錬を完了した後、主に連続鋳造法によって鋳造し、鋳片とする。精錬を完了した溶鋼は取鍋に収容され、次いでタンディッシュと呼ばれる中間容器を経て連続鋳造鋳型内に注入され、鋳型の下方に引抜かれる過程で四周から凝固が進行し、最終的に凝固が完了した鋳片となる。タンディッシュを用いる理由は、複数ストランドへ同時に溶鋼を分配するため、及び連続鋳造においては鋳造は取鍋１ヒート分の鋳造が完了しても鋳造を中断せず、取鍋複数ヒートにわたって鋳造を連続することが行われるが、取鍋交換時に鋳型への溶鋼の供給が中断することを防止するための中間容器として機能するためである。
【０００３】
タンディッシュは溶鋼を中間的に収容する容器であり、その内表面は耐火物で覆われ、底部に溶鋼を連続鋳造鋳型内に注入するための耐火物製の注入ノズルを有する。同時に多数の鋳型による鋳造を行う多ストランドミルにおいては、タンディッシュの注入ノズルは鋳型の数だけ存在する。各注入ノズルにおいては、通常、注入流路の開閉及び注入流の流量を制御するためのバルブに相当する耐火物製ストッパーあるいはスライディングノズルが設置される。
【０００４】
鋳片の断面サイズの大きいスラブ連続鋳造装置、あるいはブルーム連続鋳造装置においては、注入ノズルは連続鋳造鋳型内まで延び、鋳型内の鋼浴内に浸漬する浸漬ノズルを用い、注入時に溶鋼が周囲の雰囲気と接触して酸化が進行することを防止する。しかし、小断面のビレット連続鋳造装置においては、鋳型の断面サイズが小さいため、浸漬ノズルを鋳型内に挿入することが困難であり、タンディッシュ底部の注入ノズルから下方の鋳型内への注入流が浸漬ノズルで覆われていないオープン注入が一般的に用いられている。
【０００５】
オープン注入を行う場合、注入流は安定した整流であることが必須である。注入流が整流でなく、飛散を伴う場合、飛沫の表面からの酸化の進行、鋳型内溶湯表面の不安定化によって製造した鋳片の表面品質欠陥が増大する。また飛沫が鋳型の壁面に付着・成長すると、鋳型直下で凝固シェルが破断して内部の溶湯が外部に漏出するブレークアウトが発生する原因となる。また、鋳型の壁面への飛沫の付着により、鋳型内溶湯表面レベル検出器の誤動作に伴う溶湯表面レベル変動が増大したり、鋳片の上端の液面レベルが鋳型下端から抜け出てしまうトラブルの原因となる。
【０００６】
オープン注入における注入流を安定した整流とするため、注入流量制御のためのストッパーやスライディングノズルを採用せず、注入ノズル内の形状を単純な円筒形とすることが行われている。
【０００７】
鋼の小断面ビレット連続鋳造に関しては、従来は鋼中の炭素含有量が０．１重量％を超えるいわゆる中炭素鋼、高炭素鋼が中心であり、炭素含有量０．１重量％以下の低炭素鋼をオープン注入によって小断面ビレット連続鋳造することは知られていなかった。しかし、最近になって低炭素鋼の小断面ビレット連続鋳造を行う必要性が生じ、実施されるに至った。低炭素鋼は、鋼中酸素レベルが高く、オープン鋳造に適さなかったことが主な理由であるが、最近鋳型内でのアルミニウム添加技術の進歩によって、低炭素鋼でも実施されるようになった。このアルミニウム添加技術は、線径２〜３ｍｍのアルミニウムワイヤを鋳型内に連続的に供給するものであり、特に、アルミニウムの溶け残りによる鋳片表面のヘゲ疵を防止するため、アルミニウムワイヤは注入流に確実に当るようにして注入流の滝壷に供給する必要がある。
【０００８】
そのため、低炭素鋼の小断面ビレット連続鋳造においては、オープン注入における注入流の断気を実現する手段として鋳型開口部と注入流を覆う形状の装置を用いることはできない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のようなオープン注入に対応した注入ノズルを有するタンディッシュを用いて鋼の連続鋳造をオープン注入によって行う場合、注入流が整流とならず、飛散が発生することを完全に防止することができなかった。特に、鋼の連続鋳造において、鋼中の炭素含有量が０．１重量％以下であるいわゆる低炭素鋼をオープン注入する場合において、飛沫の発生が激しく、正常な連続鋳造が妨げられるという問題が発生した。飛散が発生することによる問題は上述したとおりである。また、低炭素鋼のオープン注入による連続鋳造においては、鋳型内の鋼にアルミニウムを添加する必要があるため、鋳型の開口部と注入流を完全に覆ってしまう対策を取ることができないという制約がある。本発明は、このような飛散の発生を防止してオープン注入の注入流を整流化する鋼の連続鋳造方法及びそのための装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが、小断面ビレット連続鋳造のオープン注入における溶鋼飛散発生挙動について研究を行った結果、溶鋼飛散発生は、注入流中の鋼の酸素含有量によって影響を受け、酸素含有量が高いほど溶鋼飛散の発生が激しいことが判明した。溶鋼中の酸素は、オープン注入によって注入流が大気に曝される結果として、注入流が注入ノズルから鋳型に落下するまでの間に大気と接触し、大気酸化をうけることによって増大する。特に炭素含有量が０．１重量％以下の低炭素鋼においては、溶鋼飛散の発生が注入流中の酸素含有量の影響を大きく受けることも明らかになった。
【００１１】
溶鋼中の酸素含有量の増大によって溶鋼の飛散が増大する理由は、溶鋼中の酸素含有量が増大すると溶鋼表面を覆う酸素イオンが増大し、それによって溶鋼の表面張力が減少するためであると考えられる。
【００１２】
本発明は、上記研究結果に基づいてなされたもので、その要旨とするところは以下のとおりである。
【００１３】
その第１は、鋼を連続鋳造する鋳型への溶湯注入時にタンディッシュ注入ノズルからの溶湯流が浸漬ノズルで覆われていないオープン注入を行う連続鋳造のタンディッシュ注入ノズル下部から下方へ向かい溶湯流に沿って溶湯流の全周を覆うように不活性ガスを流すための注入流断気装置であって、溶湯流を取り囲み、内部を不活性ガスが通過する円盤状をなし、不活性ガスは該円盤内の全周において放射状に溶湯流に向かって流れる第１ステージと、第１ステージの下方に位置し、溶湯流を取り囲み、第１ステージの円盤の直径よりも小さい直径のつばを有し、第１ステージからの不活性ガスが該つばの中を溶湯流と平行に下方に向かって流れる第２ステージとを有することを特徴とする注入流断気装置である。炭素含有量が０．１重量％以下の低炭素鋼において、特に顕著な効果を得ることができる。鋳型内の鋼に脱酸用のアルミニウムを添加することも可能である。
【００１４】
タンディッシュ注入ノズル下部から下方へ向かい溶湯流に沿って溶湯流の全周を覆うように不活性ガスを流すことによって、注入ノズルから鋳型内に至る注入流と周辺の大気との間を不活性ガスの層で覆うことが可能になり、注入流の大気による酸化を防止でき、結果として注入流によって発生する溶鋼の飛散が大幅に低減した。
【００１５】
従来、オープン注入における注入流の酸化防止対策としては、タンディッシュ底部と鋳型開口部との間を断気筒で完全に覆うことによって大気と遮断する方法、あるいは注入流のまわりを液体窒素でコーティングする方法が知られていた。しかし、断気筒で覆う方法では注入流が断気筒で遮断されてしまうために注入流アルミニウム添加を行うことができないため不都合であり、また液体窒素コーティング法は設備が大掛かりになるためコストアップの要因となって不都合である。それに対し、本発明法であれば注入流を断気筒で遮断することなく安価に注入流の酸化を防止できるため、従来法が有していた不都合を解消できた。
【００１６】
炭素含有量０．１重量％以下の低炭素鋼において本発明法を採用した場合、溶鋼飛散減少の効果は特に顕著である。また、本発明法により、注入流の酸化を防止しつつ鋳型内の溶鋼にアルミニウムを添加することにより、噛み込み疵の大幅な低減が可能になった。
【００１８】
不活性ガスの吐出部を上記のような構造とすることにより、注入流を取り巻いて下方に吹き出される不活性ガスの流れが注入流の全周で均一となり、かつ下方へ安定して供給されるため、注入流の酸化をより有効に防止することが可能になる。
【００１９】
その第２は、不活性ガスにかえ、あるいは不活性ガスとともに可燃性ガスを用いることを特徴とする上記第１の発明の注入流断気装置である。
【００２０】
これにより、注入流の周囲に送り込まれた可燃性ガスは、注入流周辺の酸素ガスと混合し、高温の注入流によって着火して燃焼するので、注入流周辺を非酸化性の雰囲気とすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
オープン注入を行う小断面ビレット連続鋳造においては、タンディッシュ底部に注入ノズルを有し、この注入ノズルから下方の鋳型に対して溶鋼が注入される。オープン注入の場合、鋳片断面積が小さいので単位時間の注入量は少なく、注入ノズルの貫通孔の内径は１４〜１９ｍｍφ前後となる。注入ノズル下端から鋳型上端までの距離は３００〜５００ｍｍ前後であり、この間の注入流が周辺の雰囲気に曝される。
【００２２】
不活性ガスの吹き出し口は、タンディッシュ底部の注入ノズルの下部に注入流を取り囲むように配置する。吹き出し口の形状として、図１〜５には５種類の実施の形態を示す。図１は注入流１のまわりに下方に向けた多数の不活性ガス吐出口７を備えたもの、図２は図１の不活性ガス吐出口７の外側下方に円筒状の整流板９を設けたもの、図３は注入流１のまわりに円筒１０を設け、その内部に不活性ガスを導入したものである。図４は、不活性ガスの流路が第１ステージ１３と第２ステージ１４とを有し、第１ステージ１３は注入流１を取り囲み、内部を不活性ガスが通過する円盤状であり、不活性ガスは円盤１１の上部の全周に設けられた３２個の吐出口１５から第１ステージ内に送り込まれる。不活性ガスは第１ステージ１３の円盤内の全周において放射状に注入流に向かって流れる。第２ステージ１４は、第１ステージの下方に位置し、注入流を取り囲み、直径が第１ステージの円盤１１より小さい円筒状のつば１２を有する。第１ステージにおいて注入流に収束した不活性ガスは注入流１に沿って下方に向きを変え、第２ステージの円筒状のつば１２に沿って注入流１を包囲するように下方に流出し、そのまま鋳型４上端まで注入流１を包囲し続ける。図５は、注入流を取り囲む不活性ガスの吐出口７が上方に向けて開口し、鉄皮２と注入ノズル３の間の空間に不活性ガスを吹き出すものである。
【００２３】
図１の形状において、吐出口７は注入流１と同心円状に配置する。注入流中心から吐出口７までの距離は、３０〜５０ｍｍが適切である。吐出口７は円周上に均等に配置する。吐出口７の数は１６個以上が好適であり、数が多いほど不活性ガスの均一性が増大する。図２の形状において、円筒９の直径は８０〜１２０ｍｍ、長さは１０〜２０ｍｍが適切である。図３の形状において、円筒１０の直径は８０〜１２０ｍｍφが好適であり、円筒長さは２０ｍｍ以上が好適である。図４の形状において、第１ステージの円盤１１の外径は１００〜２００ｍｍφ、不活性ガスが通過する部分の円盤１１の厚みは５〜１５ｍｍが好適である。第１ステージに不活性ガスを供給する吐出口１５は、円盤状の第１ステージの全周に配置し、かつ極力円盤の外周に近い部分に配置する。吐出口１５の個数は多い方がガスの均一流入を得ることができる。吐出口１５は円形の口ではなく、注入流と同心円のスリット状としてもよい。第２ステージの周辺の円筒状のつば１２は、直径は８０〜１２０ｍｍφ、長さは１０〜２０ｍｍが好適である。
【００２４】
不活性ガスとしては、窒素ガスが安価なガスとして好適である。もちろん、アルゴンガス等の他の不活性ガスを用いてもよい。不活性ガスの流量は、１００〜２００Ｎｌ／ｍｉｎの範囲が良好である。
【００２５】
不活性ガスにかえ、あるいは不活性ガスとともに使用する燃焼ガスとしては、プロパンガスをはじめとする各種の炭化水素ガスを用いることができる。通常は工場内にプロパンガスが供給されているので、この工場に供給されているプロパンガスを用いることによって、容易に本発明を実施することができる。プロパンガスの供給量は１０００Ｎｌ／ｍｉｎ以下、好ましくは５００Ｎｌ／ｍｉｎ前後とし、ガス吹き出し口としては図４に示すものを用いることがより好適である。これにより、未燃焼ガス、不完全燃焼ガスを若干量積極的に生成させて注入流周辺の酸素ガスを消費することができる。
【００２６】
注入流の酸素からの遮断の程度を評価する手段として、注入流のかわりに水流を用いた１：１の水モデル装置を用い、タンディッシュ底部から１５０ｍｍ、２５０ｍｍの２箇所について注入流付近の雰囲気酸素濃度を測定した。タンディッシュ底部から鋳型上端までの距離は３５０ｍｍである。図１〜５に示した５種類の吹き出し口について水モデル装置による測定を行ったところ、表１に示す結果が得られた。５種類とも雰囲気酸素濃度の低減に効果が見られ、特に図４に示すタイプが良好な成績を有していた。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
不活性ガスの吹き出し口はタンディッシュ底部から５０〜１５０ｍｍ程度突出する程度であり、吹き出し口と鋳型上端との間には十分な空間が確保されている。そのため、鋳型内の溶鋼にアルミニウムワイヤー等を供給することも従来と同様容易に行うことができ、またパウダー鋳造のために鋳型内にパウダーを定常的に投入することも可能である。炭素含有量０．１重量％以下の低炭素鋼のオープン注入においては、従来不可能であった鋳造が安定的に行えるようになり、飛沫の減少による飛沫起因の噛み込み疵の減少、スカム疵の発生防止を実現することができる。
【００２９】
【実施例】
鋼のビレット連続鋳造装置において本発明を適用した。連続鋳造装置は８ストランドミルであり、鋳片サイズは１３０ｍｍ×１３０ｍｍ、鋳造速度は２．６〜３．２ｍ／ｍｉｎの条件で鋳造を行った。タンディッシュ容量は３３トンであり、転炉精錬法で精練した溶鋼を２４０トンの容量の取鍋に受け、この取鍋からタンディッシュへはロングノズルを介して溶鋼を注入する。タンディッシュ底部には８個の注入孔が一列に配置されている。注入ノズル３の注入流が通過する貫通孔の内径は１７．５ｍｍφである。注入ノズル下端と鋳型上端との間の間隔は３５０ｍｍである。
【００３０】
不活性ガスの吹き出し口として、図１のタイプ（タイプＡ）と図４のタイプ（タイプＢ）の２種類を用いた。タイプＡの形状において、吐出口７の直径は５ｍｍφ、吐出口７と注入流１との間の距離は３０ｍｍとした。タイプＢの形状において、第１ステージの円盤１１の外径は１５０ｍｍφ、不活性ガスが通過する部分の円盤１１の厚みは１０ｍｍ、第１ステージに不活性ガスを供給する吐出口１５の個数は３２個とした。第２ステージの周辺の円筒状のつば１２は、直径は８０ｍｍφ、長さは３０ｍｍとした。不活性ガスとして窒素ガスを用い、流量は１００Ｎｌ／ｍｉｎとした。
【００３１】
上記タイプＢについては、更に可燃性ガスを吐出する例についても実施を行った。可燃性ガスとしてはプロパンガスを用い、流量は５００Ｎｌ／ｍｉｎとした。
【００３２】
鋳造する品種として、中炭素鋼と低炭素鋼を用い、低炭素鋼については鋳型内アルミワイヤー有無で２品種を選択した。各品種の代表的タンディッシュ内溶鋼成分を表２に示す。各品種について、不活性ガス吹き出しなし、タイプＡ使用、タイプＢ使用の３種類について鋳型内の飛散発生状況を評価した。鋳型内の溶鋼の飛散は、鋳型の外に飛散する飛沫の単位時間あたりの重量比として評点化した。評価結果を表３に示す。数字が小さい程飛沫が少なく良好であることを示す。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
【表３】
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【００３５】
本発明の不活性ガス吹き出し口を有しない実施例においては、鋼中の炭素濃度が低いほど鋳型内飛散評点が高く、飛散の発生が激しいことがわかる。これに対し、本発明の不活性ガス吹き出し口を有する実施例はいずれも飛散評点が低下し、改善されている。特にタイプＢにおいて、使用ガスが窒素ガス、プロパンガスいずれも良好な成績を実現することができた。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によってタンディッシュ注入ノズル下部から下方へ向かい溶湯流に沿って溶湯流の全周を覆うように不活性ガスを流す断気鋳造を行うことにより、オープン注入を行う鋼の連続鋳造において鋳型内での溶鋼飛沫発生の少ない連続鋳造が可能になった。特に低炭素鋼においてその効果が顕著である。また、断気鋳造を行いながら鋳型内にアルミニウム等を添加することも可能となった。不活性ガスにかえて、あるいは不活性ガスとともに可燃性ガスを導入することによっても同様の効果を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の不活性ガス吹き出し口を示す図であり、（ａ）はガス吹き出し口を下から見た図、（ｂ）はＡ−Ａ’部の横断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の不活性ガス吹き出し口を示す図であり、（ａ）はガス吹き出し口を下から見た図、（ｂ）はＢ−Ｂ’部の横断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の不活性ガス吹き出し口を示す図であり、（ａ）はガス吹き出し口を下から見た図、（ｂ）はＣ−Ｃ’部の横断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態の不活性ガス吹き出し口を示す図であり、（ａ）はガス吹き出し口を下から見た図、（ｂ）はＤ−Ｄ’部の横断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態の不活性ガス吹き出し口を示す図であり、（ａ）はガス吹き出し口を下から見た図、（ｂ）はＥ−Ｅ’部の横断面図である。
【符号の説明】
１  注入流
２  鉄皮
３  注入ノズル
４  鋳型
５  鋳片
６  不活性ガスたまり
７  吐出口
８  不活性ガス導入口
９  円筒
１０  整流板
１１  円盤
１２  つば
１３  第１ステージ
１４  第２ステージ
１５  吐出口
１６  タンディッシュ底部耐火物
【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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