(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属の流通量を調整するためのストッパー及び上ノズルを備えた治金容器の前記ストッパー及び／又は上ノズルにおいて、通過する溶融金属と接する面を部分的に酸素イオン伝導体で構成し、該酸素イオン伝導体と溶融金属との間に直流電流を印加する手段を備え、
前記ストッパー及び／又は上ノズルの前記酸素イオン伝導体に直流電流を印加する手段が、直流電源と、該電源の正極端子と前記酸素イオン伝導体とを接続する接点電極と、前記電源の負極端子と溶融金属とを導通するための対極電極よりなり、
前記酸素イオン伝導体は、ストッパーヘッド及び／又は上ノズル表面の部位内で少なくとも前記ストッパーが遮断したときに両者が接する部分を含む部位において厚みが３０ｍｍ未満で周回させたものであり、該酸素イオン伝導体の成分組成がライムを５ｍｏｌ％含有し残部がジルコニア及び不可避的不純物であり、
前記上ノズルにおける上記接点電極は、前記酸素イオン伝導体を包囲するように周設されており、該接点電極の材質がフェライト系ステンレス鋼であり、
上記対極電極は、ストッパー、上ノズル、該上ノズル周囲の羽口レンガの１又は２以上に埋め込まれ、その一端が溶融金属に接する面に露出した筒状材又は複数の棒状材であり、該対極電極の材質が実質鉄又はカーボン含有耐火物であることを特徴とする治金容器のストッパー及び／又は上ノズル。
【請求項２】
前記上ノズルの前記接点電極の外周を絶縁耐火物で包囲したことを特徴とする請求項１に記載の治金容器のストッパー及び／又は上ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属を収容する冶金容器に配し、溶融金属の注入量を調整するためのストッパー及び上ノズルであり、特に該ノズルの表面への金属酸化物付着堆積を防止するためのストッパー及び上ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融金属を収容する冶金容器、例えば取鍋やタンディッシュの底部から鋳型などへ溶融金属を注入するに際し、冶金容器の底部に注入口を配置し、該注入口の上部に昇降自在のストッパーを配置し、該ストッパー先端部と注入口上端部との間の開度を調整することによって溶融金属の注入量を調整し、また注入のオンオフを行なう。注入口は耐火物によって構成し、注入口の上端を構成する耐火物は上ノズルと呼ぶ。
【０００３】
冶金容器として鋼の連続鋳造に用いるタンディッシュを例にとって説明する。鋼の連続鋳造においては、精錬を行なった溶鋼を取鍋に収容し、該取鍋からタンディッシュに溶鋼を注入し、更にタンディッシュから鋳型内に溶鋼を注入して鋼の連続鋳造を行なう。通常の連続鋳造装置は複数の鋳型を有し、タンディッシュには鋳型の数に等しいストッパー及び注入口が配置される。ストッパーの昇降によって溶鋼注入のオンオフのための開閉を行なうとともに、鋳型から引き抜かれる鋳片の鋳造スピードに応じて溶鋼を鋳型内に供給するため、ストッパーと注入口上ノズルの開度を調整することによって溶鋼注入量の調整を行なう。
【０００４】
溶鋼は精錬終了時に溶鋼中に酸素を含有している。精錬終了後、溶鋼中に脱酸材を添加して含有酸素を金属酸化物とし、その大部分は溶鋼から浮上分離する。一部の金属酸化物は溶鋼中に残存するため、タンディッシュから注入する溶鋼は微量の金属酸化物を含有しており、溶鋼注入中に該金属酸化物がストッパー表面や上ノズルの壁面に付着堆積することが知られている。特に、脱酸材としてアルミニウムを使用するアルミキルド鋼においては、注入中にノズル内壁にアルミナを中心とする金属酸化物が付着堆積しやすいことがよく知られている。アルミナの付着堆積が進行するとノズルが閉塞して溶鋼の注入ができなくなるため、種々の付着防止対策が考えられている。
【０００５】
注入口を構成する上ノズルの内壁やストッパーヘッド先端部に多孔質耐火材料を設け、該多孔質耐火材料を通してノズルを通過する溶鋼にアルゴンなどの不活性ガスを噴出し、これによって金属酸化物がノズル内壁に付着するのを防止する対策が図られている。しかしながら溶鋼流に巻き込まれた不活性ガスが鋳型内に混入するため、鋳型内の溶鋼表面近傍において該不活性ガス気泡が凝固鋳片の表層近傍に捕獲され、その結果、鋳片表面にあばた状の欠陥が発生するなどの品質上の問題を有している。
【０００６】
冶金容器のノズル壁に金属酸化物からなる付着物の形成を防止するための方法として、該冶金容器のノズル壁を酸素イオン伝導体で構成し、該酸素イオン伝導体と溶融金属浴との間に電圧を適用することにより、電気化学的作用により金属酸化物からなる付着物の形成を防止する方法が知られている。特許第２５６８０７６号公報においては、冶金容器のノズルのうち、溶融金属浴が通過するノズル壁の部分を酸素イオン伝導体で構成し、酸素イオン伝導体と溶融金属浴との間に適当な電圧を適用することにより、ノズル壁への金属酸化物の付着を防止し、あるいは既に形成された付着物を浴中に再溶解させる方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許第２５６８０７６号公報に記載のものは、ノズルのうち溶融金属浴が通過するノズル壁の部分全体を酸素イオン伝導体で構成している。これによりノズル壁への金属酸化物の付着を防止できるものの、酸素イオン伝導体は高価であるため、ノズルの単価が高くなるという問題を有する。また、溶融金属浴と接触する広い面積に電流が流れるため、消費電力が大きく、ランニングコストが高価であるという問題もあった。更に、溶融金属浴中を流れる電流によって消費される電力も大きく、これによってもランニングコストが高くなる。
【０００８】
酸素イオン伝導体をノズルの内壁に用いると、酸素イオン伝導体自身が溶融金属との接触によって溶損し、ノズルの寿命が十分に確保できないという問題があった。
【０００９】
酸素イオン伝導体そのものの電気伝導性が十分に確保できず、また、電源の正極を接続するための接点電極と酸素イオン伝導体との間の接触が不良となり、必要な電流を流すことができない場合があった。
【００１０】
本発明は、冶金容器のストッパー及び上ノズルにおいて、酸素イオン伝導体を用いてノズル内壁への金属酸化物付着を防止するに際し、経済性を格段に向上し、酸素イオン伝導体の寿命を延長し、常に必要な電流を確保することのできるストッパー及び上ノズルを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）溶融金属の流通量を調整するためのストッパー及び上ノズルを備えた治金容器の前記ストッパー及び／又は上ノズルにおいて、通過する溶融金属と接する面を部分的に酸素イオン伝導体で構成し、該酸素イオン伝導体と溶融金属との間に直流電流を印加する手段を備え、前記ストッパー及び／又は上ノズルの前記酸素イオン伝導体に直流電流を印加する手段が、直流電源と、該電源の正極端子と前記酸素イオン伝導体とを接続する接点電極と、前記電源の負極端子と溶融金属とを導通するための対極電極よりなり、前記酸素イオン伝導体は、ストッパーヘッド及び／又は上ノズル表面の部位内で少なくとも前記ストッパーが遮断したときに両者が接する部分を含む部位において厚みが３０ｍｍ未満で周回させたものであり、該酸素イオン伝導体の成分組成がライムを５ｍｏｌ％含有し残部がジルコニア及び不可避的不純物であり、前記上ノズルにおける上記接点電極は、前記酸素イオン伝導体を包囲するように周設されており、該接点電極の材質がフェライト系ステンレス鋼であり、上記対極電極は、ストッパー、上ノズル、該上ノズル周囲の羽口レンガの１又は２以上に埋め込まれ、その一端が溶融金属に接する面に露出した筒状材又は複数の棒状材であり、該対極電極の材質が実質鉄又はカーボン含有耐火物であることを特徴とする治金容器のストッパー及び／又は上ノズル。
（２）前記上ノズルの前記接点電極の外周を絶縁耐火物で包囲したことを特徴とする上記（１）に記載の治金容器のストッパー及び／又は上ノズル。
【００１２】
【発明の実施の形態】
冶金容器として連続鋳造タンディッシュ１を例にとり、タンディッシュ１のストッパー３及び注入口７の一般的な形状を図２に示す。ストッパー３を昇降することによりストッパー３と上ノズル５の間の開度を調整している。通常は、上ノズル５の下方には浸漬ノズル６を配置し、注入口から鋳型８内に注入する溶融金属を周囲の雰囲気から遮断することができる。
【００１３】
ストッパー３のうちの溶融金属２に浸漬する部分の長さ、あるいは上ノズル５の長さは、例えば２０トン容量のタンディッシュ１を用いる連続鋳造設備の場合、それぞれ約１００ｃｍ、約１０ｃｍの長さを有する。前記特許第２５６８０７６号公報に記載されているように、ストッパー３及び上ノズル５を構成するすべての耐火物を酸素イオン伝導体９で形成しようとすると、非常に大きなブロックの酸素イオン伝導体９を製造することが必要となり、このような大きな酸素イオン伝導体９を製造することはほとんど不可能である。
【００１４】
ノズル耐火物の全体を酸素イオン伝導体９で置き換えるのではなく、ノズルのうちの溶融金属２が接する表面部分のみの全体を酸素イオン伝導体９とすることも考えられる。この場合においても、このストッパー３及び上ノズル５の全長にわたってストッパー３の表面あるいは上ノズル５の内壁を酸素イオン伝導体９で構成しようとすると、やはり製造コストが非常に高いものとなる。
【００１５】
本発明者らの研究の結果、冶金容器のストッパー表面及び上ノズル内壁への金属酸化物付着については、溶融金属２に接するすべての部分にわたって付着するのではなく、特定の部位に集中して付着することが判明した。最も付着が激しいのは、ストッパー３先端のストッパーヘッド４及び上ノズル５の表面であって、更に該ストッパーヘッド４と上ノズル５との間隔が最も狭くなる部位である。即ち、図１に示すように、通過する溶融金属２と接する面をこの範囲内において部分的に酸素イオン伝導体９で構成すれば、金属酸化物の付着を十分に防止し、また付着した金属酸化物を溶融除去できることが判明し、本発明を完成するに到った。この結果、酸素イオン伝導体９の大きさを小さくすることができるためノズルの製造コストが減少し、酸素イオン伝導体９と溶融金属２との接触面積が小さいために流す電流を低下することができた。
【００１６】
対極電極１０の配置位置として、上記特許第２５６８０７６号公報に記載のものは、同公報の図面にあるように、冶金容器内に電極（１１）を設けている。この場合、対極電極１０と酸素イオン伝導体９との間の溶融金属内を電流が流れ、該溶融金属の有する電気抵抗によって電力が消費される。本発明においては、対極電極１０は上ノズル５、ストッパー３、羽口レンガ１６の１又は２以上に埋め込まれている。図１においては、羽口レンガ１６に対極電極１０が埋め込まれている。この結果、対極電極１０の溶融金属２に露出している部分と酸素イオン伝導体９との距離が極めて短くなり、溶融金属内を流れる電流によって消費される電力を減少させることができる。
【００１７】
ノズルに使用する酸素イオン伝導体９として、従来はライム（ＣａＯ）含有量１５％の理論組成を有するライム安定化ジルコニアが用いられていた。該理論組成において酸素イオン伝導体のイオン輸率が最大となるためである。ところが、該使用する酸素イオン伝導体は、流動する高温の溶融金属と接する部分に配置すると溶損の進行が激しく、ノズル寿命が短いために経済性が著しく損なわれるという問題を有していた。
【００１８】
本発明者らの研究の結果、酸素イオン伝導体としてライムを５ｍｏｌ％含有するジルコニアを用いることにより、ノズルを構成する耐火物として使用した際の耐溶損性が著しく向上し、ノズル寿命が改善されることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、ライムの含有量を５ｍｏｌ％とすれば酸素イオン伝導体のイオン伝導性を必要なだけ確保することができ、ノズルに使用したときの溶損速度を低下させることができるので、ライムの含有量を５ｍｏｌ％と規定した。
【００１９】
酸素イオン伝導体の見かけ気孔率は、従来は電極としての用途から５％以下のものが用いられていた。本発明に用いる酸素イオン伝導体９の見かけ気孔率としては、溶融金属が通過する際の温度変動によるサーマルクラックを防止する観点から、５％以上とすることが好ましい。
【００２０】
ストッパー３及び上ノズル５への金属酸化物の付着は、溶融金属が流通するノズル表面の周方向いずれにおいても付着が発生する。そのため、酸素イオン伝導体を配置するにあたっては、図１に示すように、酸素イオン伝導体９がストッパーヘッド４及び上ノズル５を構成する部材の溶融金属２と接する面を周回させたものであることが好ましい。更に、酸素イオン伝導体９が十分な酸素イオン伝導性を有するのは温度が約７００℃以上の高温においてである。従って、注入口に溶融金属を流通させている全期間にわたって付着物堆積防止機能を維持するためには、酸素イオン伝導体９の厚み（溶融金属と接する面から反対側の面までの厚み）を３０ｍｍ未満とすることが好ましい。これにより、高温の溶融金属からの熱供給で常に７００℃以上の温度を確保することができる。酸素イオン伝導体の厚みを３０ｍｍ以上とする場合には、ヒーター等の加熱装置を付加することによって酸素イオン伝導性を確保することもできるが、設備費が高額になり経済的に好ましくない。
【００２１】
直流電源１３の正極端子と酸素イオン伝導体９とを接続するために接点電極１１が設けられる。接点電極１１は、酸素イオン伝導体９の溶融金属と接する面と反対の面に接して設けられる。酸素イオン伝導体９が上ノズル５を構成する部材の溶融金属と接する面を周回させたものとする場合においては、接点電極１１も図４に示すのように酸素イオン伝導体９を包囲するように周設することが好ましい。
【００２２】
接点電極１１から溶融金属に接する部分までの酸素イオン伝導体９の温度を上記のように７００℃以上に確保するため、当然接点電極１１の温度も７００℃以上の高温となる。そのため、接点電極１１が高温耐久性を要求されるのは当然である。更に、酸素イオン伝導体９からは常に酸素が供給されるため、接点電極１１は酸素雰囲気に暴露される。従って、接点電極１１は耐酸化性をも要求される。安価で高温耐久性を有する材料としては鉄を用いることが考えられるが、鉄の場合は高温における耐酸化性が十分ではない。また、オーステナイト系ステンレス鋼は耐食性が良好であるが、融点が低いという問題がある。本発明においては、経済性、高温耐久性と耐酸化性を兼ね備えた材料として、接点電極１１としてはＪＩＳ工業規格のフェライト系ステンレス鋼が好ましいことを見出した。
【００２３】
なお、接点電極１１としてフェライト系ステンレス鋼を用いた場合、接点電極１１と酸素イオン伝導体９との間を接触させて電気伝導を確保する必要がある。フェライト系ステンレス鋼の熱膨張率はジルコニア系の酸素イオン伝導体の熱膨張率よりも大きい。従って、溶融金属流通中の高温においても両者が接触して十分な電気伝導を確保するためには、酸素イオン伝導体９の周囲に接点電極１１を設置するに際し、図３に示すように焼き嵌めとすることが好ましい。常温において接点電極１１の内径を酸素イオン伝導体９の外径よりも小さく製造し、接点電極１１のみを高温に熱して熱膨張させ、両者を焼き嵌めする。
【００２４】
直流電源１３からの電流は、電源１３の正極端子からリード線１２を経由し接点電極１１を通して酸素イオン伝導体９に流れ、更に溶融金属２を通して対極電極１０に流れ、リード線１２を経由して電源１３の負極端子に戻る。一方、注入口７周辺を構成する耐火物の中には電気伝導性を有するものがある。例えばアルミナグラファイトで構成された浸漬ノズル６は電気伝導性を有する。このような場合、接点電極から漏洩した電流が浸漬ノズル６を経由して流れ、電力ロスを生じることとなる。従って、このような漏洩電流の発生を防止するため、本発明においては、図１に示すように接点電極１０の外周を絶縁耐火物１４で被覆することが好ましい。絶縁耐火物１４としてはアルミナ等を用いることができる。
【００２５】
対極電極１０は、高温の溶融金属２に接して電流を流す必要があるため、電気伝導性と溶融金属に対する耐溶損性の両方の性質を具備する必要がある。軟鋼等のあらゆる鉄鋼材質を含む鉄は、その全体が溶融金属と同じ温度となると溶融してしまうが、本発明のようにストッパー３、上ノズル５、羽口レンガ１６等に埋め込まれ、更にその一端が溶融金属２に接する面に露出した筒状又は複数の棒状の形状とした場合は、溶融金属と接して溶融が進行するのはごく一部である。従って、対極電極１０として鉄を用いても十分な寿命を確保することができる。一方では対極電極１０として鉄を用いた場合、溶融金属２と接する面は常に溶解が進行するため、溶鋼と一体化して常に対極電極としての特性が発揮されるという効果を有するために好ましい。また、対極電極１０の材質として、アルミナグラファイト材質等のカーボン含有耐火物も電気伝導性を有しかつ溶損速度が極めて小さく、有効である。
【００２６】
【実施例】
本発明の実施例を図１〜図３をもとに説明する。
２８０トン転炉より出鋼した溶鋼２７５トンを取鍋に受けると同時にアルミニウムを添加して脱酸し、ＲＨ還流真空脱ガス処理を行なった後、タンディッシュ１を介して鋳片サイズ３５０ｍｍ×５６０ｍｍとする連続鋳造を行なった。タンディッシュ１から鋳型８へ注入する溶鋼流量を調整するためにストッパー３を用いた。注入口７の上ノズル５の下部には浸漬ノズル６を配置した。本発明例のすべてと比較例２においては、図１、図３に示すストッパー及び注入口を用い、比較例１においては図２に示すストッパー及び注入口を用いた。ストッパー３及び注入口７の詳細については表１に示すとおりである。酸素イオン伝導体９の気孔率は、すべて１０％とした。この条件において、同一のタンディッシュ１を用いて５チャージ以上の連々鋳を目標として鋳造を行なった。鋳造結果も表１に示す。
【００２７】
【表１】
0004231176.tif 000002
【００２８】
本発明例１は最も好ましい条件であり、同一のタンディッシュで連続１０チャージの鋳造を何ら支障なく行なうことができ、かつ最終鋳造チャージまで鋳型湯面変動量は３ｍｍ以内の極めて良好な結果を得た。鋳造終了後にストッパー３及び注入口７を解体調査したところ、付着物の堆積は認められなかった。
【００２９】
本発明例２は本発明例１に対して上ノズル５へ電流印加を行なわなかった例であり、湯面変動量が４ｍｍ以内に若干増大したものの操業に支障なく１０チャージの鋳造を終えた。鋳造終了後にストッパー３及び注入口７を解体調査したところ、上ノズル５に軽微な付着堆積現象が認められたが操業には支障のないレベルであった。
【００３０】
本発明例３は本発明例１に対してストッパー３への電流印加を行なわなかった例であり、湯面変動量が４ｍｍ以内に若干増大したものの操業に支障なく１０チャージの鋳造を終えた。鋳造終了後にストッパー及び注入口７を解体調査したところ、ストッパーヘッド４に軽微な付着堆積現象が認められたが操業には支障のないレベルであった。
【００３１】
参考例４は本発明例１に対して酸素イオン伝導体９の厚みを４０ｍｍに増加した例であり、最初の１チャージ目は付着堆積現象により鋳型湯面変動が若干乱れたものの、その後は回復して１０チャージを何ら支障なく鋳造でき、なおかつ最終鋳造チャージまでも鋳型湯面変動は３ｍｍ以内の極めて良好な結果を得た。鋳造終了後にストッパー３及び注入口７を解体調査したところ、付着物の堆積は認められなかった。
【００３２】
参考例５は本発明例１に対して接点電極１１の材質にオーステナイト系ステンレス鋼を適用した例であり、６チャージの鋳造が達成できたが最終チャージはやや鋳型湯面変動が増大した。鋳造終了後にストッパー３及び注入口７を解体調査したところ、接点電極１１に高温による溶融現象が認められたため寿命は６チャージと判断できた。
【００３３】
本発明例６は本発明例１に対して酸素イオン伝導体９と接点電極１１との接合に溶接を用いた例であり、６チャージの鋳造が達成できたが最終チャージはやや鋳型湯面変動が増大した。鋳造終了後にストッパー３及び注入口７を解体調査したところ、接点電極１１の熱膨張により酸素イオン伝導体９との間に空隙が生じていたため寿命は６チャージと判断できた。
【００３４】
本発明例７は本発明例１に対して対極電極１０の材質にアルミナグラファイト耐火物を用いた例であり、１０チャージを何ら支障なく鋳造でき、なおかつ最終チャージまで鋳型湯面変動は２ｍｍ以内の極めて良好な結果を得た。鋳造終了後にストッパー３及び注入口７を解体調査したところ、付着物の堆積は認められなかった。
【００３５】
本発明例８は本発明例１に対して対極電極１０の材質にカーボンロッドを用いた例であり、７チャージの鋳造が達成できたが最終チャージはやや鋳型湯面変動が増大した。鋳造終了後にストッパー３及び注入口７を解体調査したところ、対極電極１０のカーボンロッドが溶損によりほとんどなくなっていたため寿命は７チャージと判断できた。
【００３６】
比較例１は本発明例１に対して酸素イオン伝導体９を全く配置しなかった例であり、１チャージ目開始直後から鋳型湯面変動が２０ｍｍ以上と大きく操業に支障が生じたため同チャージ途中で操業を断念した。鋳造終了後にストッパー３及び注入口７を解体調査したところ、特にストッパーヘッド４及び上ノズル５への付着堆積現象が著しかった。
【００３７】
比較例２は本発明例１に対して酸素イオン伝導体のライム含有率を１５ｍｏｌ％に高めた例であり、１チャージ目開始直後から徐々に鋳型湯面変動が大きくなり、同チャージ中盤には２０ｍｍ以上と大きくなり操業に支障が生じたため操業を断念した。鋳造終了後にストッパー及び注入口７を解体調査したところ、ストッパーヘッド４及び上ノズル５の溶損が著しかった。
【００３８】
【発明の効果】
ストッパー及び上ノズルの溶融金属と接する面を部分的に酸素イオン伝導体で構成することにより、酸素イオン伝導体の大きさを小さくすることができるためノズルの製造コストが減少し、酸素イオン伝導体と溶融金属との接触面積が小さいために流す電流を低下することができた。
【００３９】
対極電極の配置位置としてストッパー、上ノズル、羽口レンガの１又は２以上に埋め込むことにより、対極電極の溶融金属に露出している部分と酸素イオン伝導体との距離が極めて短くなり、溶融金属内を流れる電流によって消費される電力を減少させることができた。
【００４０】
酸素イオン伝導体としてライムを５ｍｏｌ％含有するジルコニアを用いることにより、ノズルを構成する耐火物として使用した際の耐溶損性が著しく向上し、ノズル寿命が改善された。
【００４１】
酸素イオン伝導体を溶融金属を周回するように配置し、酸素イオン伝導体の厚みを３０ｍｍ未満とすることにより、酸素イオン伝導体の酸素イオン伝導性を常に確保することができた。接点電極にフェライト系ステンレス鋼を用い、酸素イオン伝導体に焼き嵌めすることにより、良好な接触を確保することができた。
【００４２】
対極電極は、その一端が溶融金属に接する面に露出した筒状材又は複数の棒状材とし、その材質を実質鉄又はカーボン含有耐火物とすることにより、良好な寿命を確保することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したタンディッシュ底部のストッパー及び注入口の縦断面を模式的に示した図である。
【図２】本発明を適用しないタンディッシュ底部のストッパー及び注入口の縦断面を模式的に示した図である。
【図３】本発明を適用する酸素イオン伝導体、周回する接点電極、リード線の構成状況を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１  タンディッシュ
２  溶融金属
３  ストッパー
４  ストッパーヘッド
５  上ノズル
６  浸漬ノズル
７  注入口
８  鋳型
９  酸素イオン伝導体
１０  対極電極
１１  接点電極
１２  リード線
１３  直流電源
１４  絶縁耐火物
１５  ストッパースリーブ
１６  羽口レンガ
１７  溶接
【図１】
0004231176.tif 000003
【図２】
0004231176.tif 000004
【図３】
0004231176.tif 000005