特開 2024-137164 ロングノズル、連続鋳造装置及び鋳片の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024137164

(43)【公開日】2024-10-07

(54)【発明の名称】ロングノズル、連続鋳造装置及び鋳片の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22D 41/50 20060101AFI20240927BHJP

   B22D 41/58 20060101ALI20240927BHJP

   B22D 11/106 20060101ALI20240927BHJP

   B22D 11/10 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

B22D41/50 520

B22D41/58

B22D11/106 A

B22D11/10 360C

B22D11/10 320F

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023048575

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104444

【弁理士】

【氏名又は名称】上羽 秀敏

(74)【代理人】

【識別番号】100174285

【弁理士】

【氏名又は名称】小宮山 聰

(72)【発明者】

【氏名】開澤 昭英

(72)【発明者】

【氏名】青木 雅門

【テーマコード（参考）】

4E004

4E014

【Ｆターム（参考）】

4E004FB10

4E014DB01

(57)【要約】

【課題】空気の侵入を効果的に抑制することができるロングノズルを提供する。
【解決手段】ロングノズル１０は、溶鋼鍋の溶鋼排出装置の下部ノズル２２１と接続されるロングノズルであって、下部ノズル２２１に向かってガスを噴射する吐出口を有し、吐出口から下部ノズル２２１の外周面までの距離Ｌが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、吐出口からロングノズル１０の上端までの距離である高さＨが１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶鋼鍋の溶鋼排出装置の下部ノズルと接続されるロングノズルであって、
前記下部ノズルに向かってガスを噴射する吐出口を有し、
前記吐出口から前記下部ノズルの外周面までの距離Ｌが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、
前記吐出口から前記ロングノズルの上端までの距離である高さＨが１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である、ロングノズル。

【請求項2】

請求項１に記載のロングノズルと、
前記下部ノズルとを備える、連続鋳造装置。

【請求項3】

請求項２に記載の連続鋳造装置を使用して鋳片を製造する工程を備える、鋳片の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロングノズル、連続鋳造装置及び鋳片の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

連続鋳造装置では、ロングノズルと呼ばれるノズルを用いて、溶鋼鍋（取鍋）からタンディッシュへ溶鋼を注入する。

【0003】

特開２０１１－２１２７２１号公報には、メタルケースを備えるロングノズルが開示されている。このロングノズルは、メタルケースとノズル本体の耐火物との間に不活性ガスを噴き出す第１のガス噴出口が設けられるとともに、メタルケースの上端面に第２のガス噴出口が複数設けられている。

【0004】

特開平５－３１５５６号公報には、上部に位置するノズルとの上端部での気密嵌合部が、下側の嵌合テーパ面と上側の球面により構成される連続鋳造用ノズルが開示されている。この連続鋳造用ノズルは、下側の嵌合テーパ面が上部に位置するノズルの下側の嵌合面との間での有効嵌合率が６５％を満たす気密嵌合面であり、上側の球面が気密嵌合補助球面である。

【0005】

特開平８－１９８５５号公報には、溶鋼流出用の下部ノズルと接合する溶融金属注入用のノズルが開示されている。このノズルには、不活性ガス吹出口とノズル内部にあるガス均圧室とを結ぶガス流路が形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１１－２１２７２１号公報

【特許文献2】特開平５－３１５５６号公報

【特許文献3】特開平８－１９８５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

連続鋳造装置では、運転中に溶鋼鍋が取り替えられる場合がある。そのためロングノズルは、溶鋼鍋の溶鋼排出装置の下部ノズル（以下、単に「下部ノズル」という。）との接続を短時間で行える構造であって、かつ、空気の侵入を効果的に抑制できる構造であることが好ましい。

【0008】

特開２０１１－２１２７２１号公報、特開平５－３１５５６号公報及び特開平８－１９８５５号公報にも記載されているように、下部ノズルとロングノズルとの嵌合部にパージガスを噴射して、嵌合部からロングノズル内への空気の侵入を抑制することが行われている。一方、サクション効果によってパージガスに空気が随伴される場合があり、嵌合部の構造によっては、パージガスの流量を大きくしてもロングノズル内への空気の侵入を十分に抑制できない場合がある。

【0009】

本発明の課題は、空気の侵入を効果的に抑制することができるロングノズル、及び連続鋳造装置を提供することである。本発明の他の課題は、不純物の少ない鋳片の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の一実施形態によるロングノズルは、溶鋼鍋の溶鋼排出装置の下部ノズルと接続されるロングノズルであって、前記下部ノズルに向かってガスを噴射する吐出口を有し、前記吐出口から前記下部ノズルの外周面までの距離Ｌが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、前記吐出口から前記ロングノズルの上端までの距離である高さＨが１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。

【0011】

本発明の一実施形態による連続鋳造装置は、上記のロングノズルと、上記の下部ノズルとを備える。

【0012】

本発明の一実施形態による鋳片の製造方法は、上記の連続鋳造装置を使用して鋳片を製造する工程を備える。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、ロングノズル内への空気の侵入を効果的に抑制することができる。また、本発明によれば、不純物の少ない鋳片を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の一実施形態によるロングノズルを含む、連続鋳造装置の要部の構成を模式的に示す断面図である。

【図2】図２は、本発明の一実施形態によるロングノズルと下部ノズルとの接続部分の構成を模式的に示す断面図である。

【図3】図３は、本発明の一実施形態によるロングノズルの部分断面図である。

【図4】図４は、本発明の一実施形態によるロングノズルと下部ノズルとの接続部分を拡大して示す断面図である

【図5】図５は、本実施形態の変形例のロングノズルの構成を模式的に示す部分断面図である。

【図6】図６は、実施例で使用した試験装置のブロック図である。

【図7】図７は、実施例で使用した試験装置の模式図である。

【図8】図８は、距離Ｌと空気吸込量との関係を示すグラフである。

【図9】図９は、高さＨと空気吸込量との関係を示すグラフである。

【図10】図１０は、実施例及び比較例の吸Ｎ量を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

【0016】

図１は、本発明の一実施形態によるロングノズル１０を含む、連続鋳造装置１の要部の構成を模式的に示す断面図である。連続鋳造装置１は、溶鋼鍋２１、溶鋼排出装置（例えばスライディングノズル装置）２２、ロングノズル１０、タンディッシュ２３、浸漬ノズル２４及び鋳型２５を備えている。

【0017】

連続鋳造装置１では、まず溶鋼鍋２１からタンディッシュ２３に溶鋼が注入され、次いでタンディッシュ２３から鋳型２５に溶鋼が注入される。溶鋼鍋２１からタンディッシュ２３への溶鋼の注入はロングノズル１０を用いて、タンディッシュ２３から鋳型２５への溶鋼の注入は浸漬ノズル２４を用いて、それぞれ溶鋼を空気から遮断した状態で行われる。ロングノズル１０は溶鋼鍋２１の溶鋼排出装置２２の下部ノズル２２１に接続される。

【0018】

図２は、ロングノズル１０と下部ノズル２２１との接続部分の構成を模式的に示す断面図である。図３は、ロングノズル１０の部分断面図である。ロングノズル１０は、ノズル本体１１、ケース１２及びガス導入管１３を備えている。

【0019】

ノズル本体１１は、例えば耐火物からなる。ノズル本体１１は、概ね筒状の形状を有しており、ノズル本体１１の上端部には、下部ノズル２２１を嵌合させるための凹部１１ａが形成されている。

【0020】

ケース１２は、例えば金属からなる。ケース１２は、ノズル本体１１の外周及び上端部を覆って形成されている。ケース１２の上端部には、下部ノズル２２１を挿入するための開口１２ａが形成されている。また、ケース１２の上端部の開口１２ａに隣接する位置には、他の部分よりも厚さの大きい厚肉部１２１が形成されている。

【0021】

ノズル本体１１の外周面とケース１２の内周面との間には、周方向の全体に亘って所定の大きさの隙間が設けられており、この隙間によって、ノズル本体１１の周方向の外側に均圧室１０ａが形成されている。また、ノズル本体１１の上端面とケース１２との間にも所定の大きさの隙間が設けられており、この隙間によって、均圧室１０ａから下部ノズル２２１側の空間へ連続するスリット１０ｂが周方向の全体に亘って形成されている。

【0022】

ガス導入管１３は、均圧室１０ａにガスを導入できるように形成されている。ガス導入管１３から均圧室１０ａにガスを導入することによって、このガスが周方向全体から、スリット１０ｂを通って下部ノズル２２１に向かって噴射される。

【0023】

図３では、ガス導入管１３から導入されるガスの流れを矢印で模式的に示している。ロングノズル１０は、下部ノズル２２１に向かってガスを水平に噴射できる構造であることが好ましい。そのためスリット１０ｂは、水平面（ロングノズル１０の軸方向と垂直な平面）に平行に形成されていることが好ましい。

【0024】

下部ノズル２２１は、ノズル本体１１の凹部１１ａに嵌合している。下部ノズル２２１は、下部ノズル２２１とノズル本体１１とが密着するように、例えば所定の大きさの荷重でノズル本体１１に押し当てられている。しかし、下部ノズル２２１及びノズル本体１１の表面の凹凸等により、下部ノズル２２１とノズル本体１１との間に微小な隙間が生じている場合がある。また、下部ノズル２２１及びノズル本体１１の内側には溶鋼流が発生している。この溶鋼流によって、下部ノズル２２１とノズル本体１１との嵌合部から空気が吸い込まれる場合がある。

【0025】

本実施形態では、スリット１０ｂから下部ノズル２２１に向かってパージガス（例えばＡｒガス）を噴射する。これによって、下部ノズル２２１とノズル本体１１との嵌合部からのロングノズル１０内への空気の侵入を抑制する。一方、サクション効果によってパージガスに空気が随伴される場合があり、嵌合部の構造によっては、パージガスの流量を大きくしてもロングノズル１０内への空気の侵入を十分に抑制できない場合がある。

【0026】

図４は、ロングノズル１０と下部ノズル２２１との接続部分を拡大して示す断面図である。本実施形態では、ガスの吐出口から下部ノズルの外周面までの距離Ｌが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。

【0027】

距離Ｌは、より具体的には、スリット１０ｂの開口部から下部ノズル２２１の外周面までの距離（水平方向（ロングノズル１０の径方向）の距離）である。距離Ｌは、より詳しくは、スリット１０ｂの高さ方向（ロングノズル１０の軸方向）の中心を通る水平面における、スリット１０ｂの開口部Ｐ１から下部ノズル２２１の外周面Ｐ２までの距離とする。

【0028】

パージガスの噴射に伴う空気の随伴量は、二次元壁面噴流の場合、下記の式（１）及び（２）で表すことができる（Ｎ．ラジャラトナム原著、野村安正訳、「噴流」、森北出版、１９８１年）。
Ｑ_Ａｉｒ＝Ｑ－Ｑ_０ （１）
Ｑ＝Ｑ_０・０．２４８・ｘ／ｂ （２）

【0029】

ここで、Ｑ_Ａｉｒは単位長さ（スリット１０ｂの周方向の単位長さ。以下同じ。）あたりの空気の随伴量、Ｑは点Ｐｘ（図４を参照）における単位長さあたりの噴流（パージガスと空気との合成噴流）の流量、Ｑ_０は単位長さあたりのパージガスの流量、ｘはガスの吐出口から点Ｐｘまでの水平方向の距離（図４を参照）、ｂはスリット幅（スリット１０ｂのロングノズル１０の軸方向の寸法（図４を参照））である。なお、スリット幅ｂは特に限定されないが、例えば０．２５～１．５ｍｍである。

【0030】

式（１）及び（２）から分かるとおり、ガスの吐出口からの距離ｘが大きくなるほど、空気の随伴量が大きくなる。そのため、ガスの吐出口から下部ノズル２２１の外周面Ｐ２までの距離Ｌを小さくすることで、空気の随伴量を小さくすることができる。距離Ｌを１０ｍｍ以下にすることによって、下部ノズル２２１とノズル本体１１との嵌合部からの空気の吸込みをより効率的に抑制することができる。距離Ｌの上限は、より好ましくは８ｍｍであり、さらに好ましくは５ｍｍである。

【0031】

一方、距離Ｌが小さすぎると、下部ノズル２２１をノズル本体１１に設置する際の作業性が低下する。具体的には、下部ノズル２２１とケース１２とが接触する可能性があり、最悪の場合には下部ノズル２２１をノズル本体１１に設置できなくなる可能性がある。そのため、距離Ｌの下限は３ｍｍとする。

【0032】

本実施形態ではさらに、ガスの吐出口からロングノズル１０の上端までの距離である高さＨが１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。

【0033】

高さＨは、より具体的には、スリット１０ｂの開口の上端Ｐ３から、厚肉部１２１の上端Ｐ４までの鉛直方向（ロングノズル１０の軸方向）の距離である。なお、厚肉部１２１の内周面１２１ａ（下部ノズル２２１と対向する面）は鉛直方向と平行な面であることが好ましく、また、内周面１２１ａはスリット１０ｂの開口と径方向の位置が揃っていることが好ましい。

【0034】

高さＨを１０ｍｍ以上とすることで、スリット１０ｂから噴射するガスの流れを上向きにすることができる。これによって、空気の巻込みをさらに抑制することができる。高さＨの下限は、好ましくは１３ｍｍであり、さらに好ましくは２３ｍｍである。

【0035】

一方、高さＨが大きすぎると、嵌合部の視認性が低下し、下部ノズル２２１をノズル本体１１に設置する際の作業性が低下する。そのため、高さＨの上限は５０ｍｍとする。高さＨの上限は、好ましくは４０ｍｍである。

【0036】

このように、距離Ｌを３ｍｍ以上１０ｍｍ以下にし、さらに高さＨを１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下にすることによって、噴射ガスによる空気の巻込みを抑制することができる。これによって、ロングノズル１０内への空気の侵入を効果的に抑制することができる。

【0037】

噴射するパージガスの流量は特に限定されないが、例えば５０～１０００ＮＬ／分である。噴射するパージガスの流量を変えても、噴流が空気を随伴するメカニズムは同じであるため、距離Ｌ及び高さＨの適切な範囲は変わらないと考えられる。噴射するパージガスの流量は、好ましくは１００～５００ＮＬ／分である。

【0038】

以上、本発明の一実施形態によるロングノズル１０、及びロングノズル１０を備えた連続鋳造装置１を説明した。本実施形態によるロングノズル１０によれば、ロングノズル１０内への空気の侵入を効果的に抑制することができる。そのため、ロングノズル１０を備えた連続鋳造装置１で鋳片を製造することによって、窒素等の不純物の少ない鋳片を製造することができる。

【0039】

上記では、ケース１２の上端部に厚肉部１２１が形成されている場合を説明したが、ロングノズル１０の構成はこれに限定されない。ロングノズル１０は、ガスの吐出口からロングノズル１０の上端までの距離である高さＨが１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であればよい。例えば、ケース１２の上端部の全体を厚肉にすることによって、高さＨを１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下にしてもよい。また、ケース１２とは別の部品をケース１２等に取り付けることで高さＨを１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下にしてもよい。

【0040】

上記では、ガスを噴射する構成の一例として、ノズル本体１１とケース１２との間に隙間を設けてスリット１０ｂを形成する場合を説明した。ロングノズル１０は、下部ノズル２２１に向かってガスを噴射する吐出口を有していればよく、ガスを噴射するための具体的な構成は任意のものを用いることができる。

【0041】

図５は、本実施形態によるロングノズルの変形例であるロングノズル１０Ａの構成を模式的に示す部分断面図である。ロングノズル１０Ａは、ロングノズル１０（図３）のスリット１０ｂに代えて、ノズル本体１１に形成された複数の貫通孔１１ｂを有している。貫通孔１１ｂの各々は、均圧室１０ａから下部ノズル２２１側の空間へ連続するように形成されている。ロングノズル１０Ａの構成によっても、パージガスを下部ノズル２２１に向かって噴射することができる。この他に例えば、ノズル本体１１とケース１２との間に多孔質の耐火材を配置して、この多孔質の耐火材からパージガスを噴射する構成としてもよい。

【0042】

上記では、ロングノズル１０Ａがノズル本体１１とケース１２とからなる場合を説明したが、これに代えて、例えば単一の部材を加工して均圧室１０ａやスリット１０ｂに相当する空間を形成するようにしてもよい。

【実施例0043】

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。

【0044】

［実施例１］
距離Ｌ及び高さＨを変えた複数のロングノズルを作製して、パージ効果の検証のための試験を行った。スリット幅ｂ（図４）は０．５ｍｍとした。図６は、この試験に使用した試験装置のブロック図であり、図７は、この試験装置の模式図である。ロングノズルは、上端側の３００ｍｍの部分のみを使用し（下端側を切断し）、下端側の開口を密閉容器で覆って閉塞した。下部ノズルの溶鋼注入口上端はガスホースと接続し、ポンプ、流量計、圧力計及び酸素濃度計を接続した。

【0045】

ロングノズルのガス導入管から３００ＬＮＬ／分のＡｒガスを供給した。また、下部ノズルの溶鋼注入口上端からポンプで１０ＮＬ／分でガス（パージガスであるＡｒガスと、嵌合部から侵入する空気との混合ガス）を吸引した。この吸引速度は、溶鋼流によって随伴されると想定される流量である。吸引したガスの酸素濃度を連続分析し、定常状態の酸素濃度から吸い込まれた空気量を求め、パージ効果を検証した。空気吸込量の目標値を１ＮＬ／分以下とした。

【0046】

図８及び図９に試験結果を示す。図８に示すように、長さＬを短くするほど空気の吸込量は低減した。また、図９に示すように、高さＨを大きくするほど空気の吸込量は低減した。長さＬを１０ｍｍ以下、高さＨを１０ｍｍ以上とすることで、目標値である空気吸込量１ＮＬ／分以下を達成することができた。

【0047】

［実施例２］
次に、距離Ｌ＝８ｍｍ、高さＨ＝２３ｍｍのロングノズルを用いて、タンディッシュに溶鋼を注入する試験を行った。パージガスとしてＡｒガスを使用した。Ａｒガスの元圧は概ねゲージ圧０．１ＭＰａ、総流量は３００ＮＬ／分であった。このロングノズルを用いて溶鋼鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入し、その際の吸Ｎ量を評価した。吸Ｎ量は前工程である二次精錬での処理後に採取したメタルサンプルと、タンディッシュの注入側で採取したメタルサンプルとのＮ含有量の分析値［Ｎ］の差で評価した。また、比較例として、距離Ｌ＝１３ｍｍ、高さＨ＝３ｍｍのロングノズルを用いて同様の試験を行った。

【0048】

結果を図１０に示す。比較例のロングノズルでは約１ｐｐｍの吸Ｎが認められた。下部ノズルとロングノズルとの嵌合部から空気を巻込み、溶鋼が吸Ｎしたものと考えられる。一方、実施例のロングノズルでは吸Ｎ量が約０．４ｐｐｍと大幅に低減していた。ロングノズルの構造を変更することで、空気の巻込量が大幅に低減したと考えられる。

【0049】

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示にすぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、発明の範囲内で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

【符号の説明】

【0050】

１ 連続鋳造装置
１０、１０Ａ ロングノズル
１０ａ 均圧室
１０ｂ スリット
１１ ノズル本体
１１ａ 凹部
１２ ケース
１２ａ 開口
１２１ 厚肉部
１２１ａ内周面
１３ ガス導入管
２１ 溶鋼鍋
２２ 溶鋼排出装置
２２１ 下部ノズル
２３ タンディッシュ
２４ 浸漬ノズル
２５ 鋳型

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】