特許 7461442 連続鋳造用ノズル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-26

(45)【発行日】2024-04-03

(54)【発明の名称】連続鋳造用ノズル

(51)【国際特許分類】

   B22D 11/10 20060101AFI20240327BHJP

   B22D 41/50 20060101ALI20240327BHJP

【ＦＩ】

B22D11/10 330Z

B22D11/10 330R

B22D41/50 520

B22D11/10 320Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022182054

(22)【出願日】2022-11-14

【審査請求日】2024-02-08

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000170716

【氏名又は名称】黒崎播磨株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001601

【氏名又は名称】弁理士法人英和特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】内田 裕也

(72)【発明者】

【氏名】岡田 卓也

(72)【発明者】

【氏名】黒田 貴宏

(72)【発明者】

【氏名】矢野 順也

(72)【発明者】

【氏名】藤井 覚

【審査官】池ノ谷 秀行

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１４－５１３６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２１３３５０８１２（ＣＮ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１５／１２９４２３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１１／１２１７２１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／１２８２８２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｄ １１／００－１１／２２

Ｂ２２Ｄ ４１／５０－４１／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶鋼が通過する内孔を鉛直方向に有する耐火物からなるノズル本体を含む連続鋳造用ノズルであって、
前記ノズル本体は上端にフランジ部を含み、
前記フランジ部は、外部下方からの押し付け力の作用する力点部が存在する領域に対応する外側面に前記内孔側に向けて下向きに傾斜するテーパ部を含むと共に、下面に前記テーパ部の下端から前記内孔側に向けて水平方向に延びる水平部を含み、
更に前記フランジ部の外周を覆う金属ケースを含み、
前記金属ケースは、前記フランジ部の水平部と一定厚さのモルタルを介して対向する水平板部を含み、
前記金属ケースの水平板部で前記外部下方からの押し付け力を受け、
前記テーパ部と前記水平部との水平方向の合計長さに対して、前記水平部の水平方向の長さが２０％以上８０％以下の範囲内にあり、
少なくとも前記金属ケースと前記テーパ部との間にモルタルが充填されている、連続鋳造用ノズル。

【請求項2】

前記金属ケースと前記テーパ部との間にはモルタルに代えて、金属製部材又はセラミック製部材が配置されている、請求項１に記載の連続鋳造用ノズル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鋼の連続鋳造に用いられる連続鋳造用ノズルに関する。

【背景技術】

【0002】

連続鋳造用ノズルにおいては、溶鋼による損耗、溶鋼中の介在物、例えば非金属であるアルミナ粒子の付着と堆積による内孔閉塞に起因する耐用限界、割れや折損などが理由となる交換のために、鋼の連続鋳造作業を中断又は終了しなくてはならない。しかし操業効率向上の要求から長時間注入を実現する方法として、鋼の連続鋳造作業を中断することなく連続鋳造用ノズルを新しい連続鋳造用ノズルに交換する装置が導入されている（例えば特許文献１、２）。

【0003】

このような連続鋳造用ノズル交換装置に適用される連続鋳造用ノズルの基本的な構造は、溶鋼通過経路である内孔を鉛直方向に有する筒状のノズル本体部と、このノズル本体部を重力に対して支え上方向に押し上げて上方の部材（上ノズル部材）と接触させるために連続鋳造用ノズル交換装置の支持具で下方から支持される、水平方向に断面積を拡大させたフランジ部との２つに大別でき、断面積が拡大する境界部分を首部と呼ぶ。

【0004】

首部は構造上の応力集中部であり、熱的応力と機械的応力が作用することで亀裂を生じ得ることが知られている。首部の亀裂は浸漬ノズルの耐用寿命と鋼の品質にとって問題となる。連続鋳造用ノズルの内孔に溶鋼が流れることで内孔空間の圧力レベルが負圧に傾く結果、首部の亀裂から空気を吸い込み、耐火物を構成する炭素成分を酸化させる結果として漏鋼を引き起こす可能性があり、また鋼を酸素で汚染する可能性がある。

【0005】

そこで従来、上述のような首部への応力集中を緩和する観点からは、例えば特許文献３に開示されているように、連続鋳造用ノズル交換装置の支持具で下方から支持されるフランジ部の下面（支承面）を下向きに傾斜するテーパ面とするなどの対策が採られていた。

【0006】

しかし、支承面をテーパ面とする構成の場合、例えば特許文献４で指摘されているように、連続鋳造用ノズルがテーパ面に沿って下方へずれ下がるという問題があった。これに対して特許文献４では、ノズル本体の外周にモルタル等の接着材を介して嵌着される金属ケースに水平面状の懸吊部を形成し、ノズル本体のテーパ面と金属ケースの懸吊部との間の断面三角形状の間隙内に金属製リングを介在させることが提案されている。

【0007】

しかし、本発明者らの試験によると、特許文献４の構成によっても依然として連続鋳造用ノズルのずれ下がりが生じることがわかった。
なお、上述の首部への応力集中の問題や連続鋳造用ノズルのずれ下がりの問題は、連続鋳造用ノズル交換装置に適用される連続鋳造用ノズル、特に浸漬ノズルに限った問題ではなく、例えば特許文献５で指摘されているように、連続鋳造用ノズル交換装置に適用されない連続鋳造用ノズル、例えばロングノズルにおいても生じる問題である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特許第２７９３０３９号公報

【文献】特公平４－５０１００号公報

【文献】特許第５９２６２３０号公報

【文献】特許第４０９７７９５号公報

【文献】特許第２５８７８７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明が解決しようとする課題は、首部への応力集中を緩和できると共にずれ下がりを抑制できる連続鋳造用ノズルを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するにあたり本発明者らは、まず連続鋳造用ノズルのずれ下がりの要因について詳細に検討した。この点、上述の特許文献４及び５では、専ら金属ケース（ノズルケース）や支持具（ホルダ）の熱膨張がずれ下がりの要因であるとされていたが、本発明者らの試験及び検討によると詳細は後述するが、ノズル本体と金属ケースとの間に介在するモルタルの座屈がずれ下がりの大きな要因であることが判明した。そして、本発明者らはこの要因分析を踏まえ、ずれ下がりの抑制と首部への応力集中の緩和とを両立することのできる連続鋳造用ノズルを実現するために更に試験及び検討を重ねた結果、本発明に想到するに至った。

【0011】

すなわち、本発明の一観点によれば次の連続鋳造用ノズルが提供される。
溶鋼が通過する内孔を鉛直方向に有する耐火物からなるノズル本体を含む連続鋳造用ノズルであって、
前記ノズル本体は上端にフランジ部を含み、
前記フランジ部は、外部下方からの押し付け力の作用する力点部が存在する領域に対応する外側面に前記内孔側に向けて下向きに傾斜するテーパ部を含むと共に、下面に前記テーパ部の下端から前記内孔側に向けて水平方向に延びる水平部を含み、
更に前記フランジ部の外周を覆う金属ケースを含み、
前記金属ケースは、前記フランジ部の水平部と一定厚さのモルタルを介して対向する水平板部を含み、
前記金属ケースの水平板部で前記外部下方からの押し付け力を受け、
前記テーパ部と前記水平部との水平方向の合計長さに対して、前記水平部の水平方向の長さが２０％以上８０％以下の範囲内にあり、
少なくとも前記金属ケースと前記テーパ部との間にモルタルが充填されている、連続鋳造用ノズル。

【発明の効果】

【0012】

本発明の連続鋳造用ノズルによれば、首部への応力集中を緩和できると共にずれ下がりを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態である連続鋳造用ノズルを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ方向断面図。

【図2】図１の連続鋳造用ノズルのノズル本体上部を下方から見た部分的な斜視図。

【図3】図１の連続鋳造用ノズルのノズル本体上部の部分的な断面図。

【図4】従来の連続鋳造用ノズルのノズル本体上部の部分的な断面図。

【図5】本発明の他の実施形態である連続鋳造用ノズルの平面図。

【図6】モルタルの座屈によるノズル本体のずれ下がりを説明するためのモデル図で、（ａ）は本発明の実施例、（ｂ）は比較例。

【図7】ノズル本体首部の発生応力の計算例を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１に、本発明の一実施形態である連続鋳造用ノズルを示しており、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ－Ａ方向断面図である。なお、同図（ｂ）では、連続鋳造用ノズルの下部を省略して上部のみを示している。また、図２は図１の連続鋳造用ノズルのノズル本体上部を下方から見た部分的な斜視図、図３は図１の連続鋳造用ノズルのノズル本体上部の部分的な断面図である。

【0015】

図１に示している連続鋳造用ノズル１は、鋼の連続鋳造においてタンディッシュ設備からモールドへ溶鋼を注入する際に用いる浸漬ノズルであり、上述の連続鋳造用ノズル交換装置に適用されるものである。
この浸漬ノズル１は、耐火物からなるノズル本体２を含む。ノズル本体２は、鉛直方向に溶鋼通過経路である内孔２１を有すると共に、上端にフランジ部２２を含む。本実施形態においてフランジ部２２は、ノズル本体２と同じ耐火物で一体的に形成された下部フランジ部２２ａと、ノズル本体２と異なる耐火物で形成された上部フランジ部２２ｂとからなるが、フランジ部２２全体をノズル本体２と同じ耐火物で一体的に形成してもよいし、逆に、フランジ部２２全体をノズル本体２と異なる耐火物で形成し、ノズル本体２に直接接合又は接着剤を介して接合してもよい。
いずれにしてもフランジ部２２は、外側面に内孔２１側に向けて下向きに傾斜するテーパ部２２１を含むと共に、下面にテーパ部２２１の下端から内孔２１側に向けて水平方向に延びる水平部２２２を含む。

【0016】

浸漬ノズル１は、フランジ部２２の外周を覆う金属ケース３を含む。ここで、フランジ部２２の外周とは、上述の外側面と下面を総称する概念である。本実施形態において金属ケース３は、フランジ部２２の外周、及びその下方のノズル本体２の一部の外周を覆うように配置されている。なお、本実施形態ではフランジ部２２の外周において外側面の上端部は金属ケース３で覆われておらず露出しているが、フランジ部２２の外周全体を金属ケース３で覆うようにしてもよい。

【0017】

図１（ｂ）に表れているように金属ケース３は、フランジ部２２の水平部２２２と一定厚さのモルタル４を介して対向する水平板部３１を含む。浸漬ノズル１は、この水平板部３１で外部下方からの押し付け力を受ける。この水平板部３１で受けた外部下方からの押し付け力は、モルタル４を介してフランジ部２２の水平部２２２へ伝達される。これにより、浸漬ノズル１が上方向に押し上げられ上方の部材（上ノズル部材）と接触する。

【0018】

図３には、ノズル本体２のフランジ部２２の水平部２２２へ作用する外部下方からの上向きの押し付け力Ｆ（以下、単に「力Ｆ」という。）を概念的に示している。上述の通り水平部２２２は、テーパ部２２１の下端から内孔２１側に向けて水平方向に延びるように存在するから、図４に示している、テーパ部を有しない従来の浸漬ノズルのノズル本体２と比較して、力Ｆが作用する水平部２２２の水平方向の長さＬ１は、テーパ部２２１の水平方向の長さＬ２の分だけ短くなる。そのため、ノズル本体２の首部２３に作用する、力Ｆによる応力（モーメント力）もその分低減し、首部２３への応力集中が緩和される。

【0019】

ここで、水平部２２２の水平方向の長さＬ１は、このＬ１とテーパ部２２１の水平方向の長さＬ２との合計長さＬに対して、２０％以上８０％以下の範囲内にあることが好ましい。Ｌ１がＬの８０％を超えると、上述の首部２３への応力集中の緩和効果が顕著には表れにくい。一方、Ｌ１がＬの２０％未満になると、後述するノズル本体２のずれ下がりの抑制効果が顕著には表れにくい。

【0020】

次に、Ｌ１及びＬ２を含むＬの定義（決定方法）について、特に図１（ａ）及び図５を参照しつつ説明する。本発明において水平部２２２の水平方向の長さＬ１とテーパ部２２１の水平方向の長さＬ２との合計長さＬは、力Ｆの作用する力点部Ｐが存在する領域において、内孔２１の中心２１１を通る水平方向の直線のうちＬに対応する長さが最短となる直線上における長さとする。
例えば本実施形態の浸漬ノズル１は、上述の通り連続鋳造用ノズル交換装置に適用されるから、力Ｆの作用する力点部Ｐは、図１（ａ）に概念的に示しているように平面視略四角形状のフランジ部２２の下面において内孔２１を挟むように対向して対称に２箇所存在する。このような場合、図１（ａ）中に示す直線Ｘ１が上述の最短となる直線であり、この直線Ｘ１上における水平部２２２の水平方向の長さＬ１とテーパ部２２１の水平方向の長さＬ２との合計長さがＬである。
一方、連続鋳造用ノズル交換装置に適用されない連続鋳造用ノズル、例えばロングノズルの場合、力Ｆの作用する力点部Ｐは、図５に概念的に示しているように内孔２１を囲むようにリング状に存在する場合がある。このような場合、図５中に示す直線Ｘ２が上述の最短となる直線であり、この直線Ｘ２上における水平部２２２の水平方向の長さＬ１とテーパ部２２１の水平方向の長さＬ２との合計長さがＬである。

【0021】

このように本発明においてＬ１及びＬ２を含むＬは、力Ｆの作用する力点部Ｐが存在する領域において決定する。Ｌ１及びＬ２を含むＬの長さが応力集中等の観点から問題になるのは、力点部Ｐが存在する領域であるからである。また、同様の観点からテーパ部２２１は、力点部Ｐが存在する領域に対応する領域に形成しておけばよい。例えば本実施形態の浸漬ノズル１では、図１（ａ）等に表れているように、力点部Ｐが存在する領域に対応する一方の一対の外側面にのみテーパ部２２１を形成し、他方の一対の外側面にはテーパ部を形成していない。無論、他方の一対の外側面にもテーパ部を形成してもよい。

【0022】

図１（ｂ）に表れているように、本実施形態の浸漬ノズル１において金属ケース３とテーパ部２２１との間にはモルタル４が充填されている。このモルタル４は金属ケース３の水平板部３１と水平部２２２との間に介在するモルタル４と同材質で一体化している。このように、金属ケース３とテーパ部２２１との間にモルタル４を充填することで、金属ケース３によってフランジ部２２の外周を隙間なく安定して覆うことができる。なお、金属ケース３とテーパ部２２１との間にはモルタル４に代えて、リング状の金属製部材やセラミック製部材を別途配置してもよい。ただし、金属ケース３によってフランジ部２２の外周を覆う際の作業性や安定性の観点からは、本実施形態のように金属ケース３とフランジ部２２の外周との間には、その全体にモルタル４を充填することが好ましい。すなわち、フランジ部２２の外周にモルタル４を塗布し、その後、金属ケース３を装着することで、金属ケース３とフランジ部２２の外周との間の全体にモルタル４を充填することができる。

【0023】

なお、本実施形態の金属ケース３においてフランジ部２２のテーパ部２２１と対向する部分は、フランジ部２２の水平部２２２と一定厚さのモルタル４を介して対向する水平板部３１を延長して水平板状に形成しているが、後述する図６（ａ）に示しているようにフランジ部２２のテーパ部２２１に倣うようにテーパ状に形成してもよい。
また、本実施形態においてテーパ部２２１は「平面」により形成したが、これには限定されず、例えば「曲面」により形成してもよく、「階段状の段差面」により形成してもよい。いずれにしても本発明において「テーパ部」とは、「内孔側に向けて下向きに傾斜する」ものであればよい。また、「内孔側に向けて下向きに傾斜するテーパ部」とは、そのテーパ部の全体として内孔側に向けて下向きに傾斜するものであればよい。ただし、テーパ部の形成の容易性等を考慮すると、テーパ部は本実施形態のように「平面」により形成することが好ましい。

【0024】

また、本実施形態においてフランジ部２２の平面視形状は略四角形状としたが、多角形、楕円形又は円形とすることもできる。更に、フランジ部２２を除いたノズル本体２の平面視形状も円形には限定されず、例えば矩形又は楕円形とすることもできる。

【実施例】

【0025】

まず、モルタルの座屈によるノズル本体のずれ下がりについて説明する。図６に、そのためのモデル図を示し、同図（ａ）は本発明の実施例、同図（ｂ）は比較例である。同図（ａ）に示す実施例では、水平部２２２の水平方向の長さＬ１を１０ｍｍ、テーパ部２２１の水平方向の長さＬ２を２０ｍｍ、Ｌ１とＬ２との合計長さＬを３０ｍｍとし、また、テーパ部２２１の高さＨを７５ｍｍ、水平部２２２と水平板部３１との間に介在するモルタル４の厚さＴを２ｍｍとしている。このような形態において、図示しない上方の部材（上ノズル部材）との接触による反力として、ノズル本体２に鉛直方向下向きの力が作用するとモルタル４が座屈し、ノズル本体２がずれ下がる。ただし、この実施例の場合、水平部２２２が存在するから、ノズル本体２のずれ下がりはモルタル４の厚さＴ、すなわち２ｍｍで納まることになる。一方、同図（ｂ）に示す比較例の場合、テーパ部２２１のみで水平部２２２が存在しない。そうすると、テーパ部２２１においてモルタル４の鉛直方向の厚さが大きいことから、モルタル４の座屈によるノズル本体２のずれ下がりが大きくなり、この比較例の場合、計算上５．４ｍｍとなり実施例の２倍以上となる。
このようなモルタルの座屈の問題は、従来認識されていなかったが、本発明者らの試験及び検討によると、このようなモルタルの座屈がノズル本体のずれ下がりの大きな要因であることが判明した。そこで本発明では、テーパ部２２１と共に水平部２２２を設けることで、ノズル本体２のずれ下がりの抑制効果が得られる。

【0026】

次に、首部への応力集中の抑制効果について説明する。図７に、図３においてテーパ部２２１と水平部２２２との水平方向の合計長さＬに対する水平部２２２の長さＬ１の割合を変化させて、それぞれ首部２３に発生する応力を計算した結果を示している。ここで、水平部２２２の長さＬ１の割合が１００％の場合は、図４に示した従来の浸漬ノズルのノズル本体２に相当し、図７の縦軸「首部応力指数」とは、Ｌ１の割合が１００％の場合における首部２３の発生応力を１００とする指数である。図７から明らかなように、水平部２２２の長さＬ１の割合が低いほど、言い換えればテーパ部２２１の長さＬ２の割合が高いほど、首部２３に発生する応力が低くなることが確認された。すなわち、テーパ部２２１を設けることで、首部への応力集中の抑制効果が得られることが確認された。

【符号の説明】

【0027】

１ 浸漬ノズル（連続鋳造用ノズル）
２ ノズル本体
２１ 内孔
２１１ 内孔の中心
２２ フランジ部
２２ａ 下部フランジ部
２２ｂ 上部フランジ部
２２１ テーパ部
２２２ 水平部
２３ 首部
３ 金属ケース
３１ 水平板部
４ モルタル
Ｐ 力点部

【要約】

【課題】首部への応力集中を緩和できると共にずれ下がりを抑制できる連続鋳造用ノズルを提供する。
【解決手段】溶鋼が通過する内孔２１を鉛直方向に有する耐火物からなるノズル本体２を含む連続鋳造用ノズル１において、ノズル本体２は上端にフランジ部２２を含み、フランジ部２２は、外側面に内孔２１側に向けて下向きに傾斜するテーパ部２２１を含むと共に、下面にテーパ部２２１の下端から内孔２１側に向けて水平方向に延びる水平部２２２を含む。更に連続鋳造用ノズル１はフランジ部２２の外周を覆う金属ケース３を含み、金属ケース３は、フランジ部２２の水平部２２２と一定厚さのモルタル４を介して対向する水平板部３１を含み、この水平板部３１で外部下方からの押し付け力を受ける。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】