JP2016215238A - 下注ぎ造塊用の湯道及び下注ぎ造塊方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐火物の溶損や破損を招くことなく、簡単な構造で、型内材の巻き込みを生産性を損なうことなく確実に抑制する。【解決手段】本発明の下注ぎ造塊用の湯道の立ち上がり部５ｃは、下注ぎ造塊を行う際に使用される湯道立ち上がり部５ｃであって、鋳型１の底部に形成された下注入口６に、鋳型１の内部側に向かって広がるテーパ部１１が形成され、テーパ部１１の入側の内径をｄｉ、出側の内径をｄｏ、テーパ部１１の上下方向に沿った長さをｓ、テーパ部１１を通って鋳型１側に鋳込まれる単位時間当たりの溶鋼の鋳込み流量をＱとしたとき、テーパ部１１を、所定の式を満足するような形状とし、テーパ部１１を上下方向に沿って切断した断面形状において、当該テーパ部１１の入側の端部と出側の端部とを所定の式の関係を満足するような直線で結ぶように、テーパ部１１が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、溶鋼を下注ぎで注入しつつ鋼塊を製造する際に用いられる下注ぎ造塊用の湯道及び下注ぎ造塊方法に関するものである。

一般に、鋳型内で溶鋼を凝固させて鋼塊（鋳塊）を製造する造塊法として、鋳型内への溶鋼の注入方式が異なる上注ぎ法と下注ぎ法とが知られている。これらの造塊法は、圧延鋼材では製造できないような形状の製品や大型の製品の製造などに適用されるが、特に下注ぎ法は、良好な鋳塊肌が得られるという利点を有しているため、品質が重視される高級鋼の製造などに適用される。この下注ぎ造塊法は、予め大定盤上に二重定盤を配置し、その上に鋳型を配置した構成となっている。そして、この大定盤から水平方向に湯道用耐火煉瓦を設置するための溝を形成しておき、また二重定盤には垂直方向に貫通孔が形成されている。この溝、ならびに貫通孔に湯道をすでに形成した耐火煉瓦を設置し、取鍋から鋳型へ通ずる湯道を形成する。そして、下注ぎ造塊法では、この丸孔状の湯道を通った溶鋼が湯道の先端口から鋳型内に吐出されることで、鋳型に溶鋼が供給されて鋼塊の鋳込みが行われる。

この下注ぎ造塊方法では、鋳型内に下注ぎされた溶鋼の再酸化や抜熱の防止などを目的として、溶鋼の浴面（表面）に対して溶鋼被覆剤の添加が行われている。この溶鋼被覆剤は、溶湯の表面を被覆することで、溶鋼の大気酸化の防止や溶湯の表面からの抜熱を抑制することができる。しかし、浴面に浮遊する溶鋼被覆剤は、溶鋼の浴面が鋳型内で乱れるなどして溶鋼中に巻き込まれると、非金属介在物による欠陥となって製品の品質を著しく低下させたり、欠陥発生部位の切捨てにより製品の歩留まりを低下させたりする場合がある。したがって、鋳鍛鋼を鋳込む場合は、上述した非金属介在物による欠陥が完全に抑制されている状態が好ましい。

このような介在物欠陥は、主に鋳型内に供給された型内材（溶鋼被覆剤）の巻き込みが原因で発生することが多いと考えられている。つまり、型内材は、鋳込まれた溶鋼の表面を覆うように浮遊して溶鋼の保温を行うものであるが、湯道から鋳型内に吐出される溶鋼の勢いが強すぎるなどして溶鋼が鋳型内で強く攪拌されると、浮遊している型内材が溶鋼中に巻き込まれて介在物欠陥（粗大介在物欠陥）が発生する。

それ故、このような介在物欠陥の発生を抑制するためには、湯道の先端口から鋳型内に吐出される溶鋼の勢いを下げて、型内材の巻き込みを防止する必要がある。そのため、特許文献１〜３では、さまざまな手段で鋳型内での溶鋼の流れを変えることにより、型内材の巻き込みを防止できるようにしている。
例えば、特許文献１には、湯道の先端部（湯道の吐出口）を、基端側から先端側に向かうにつれて口径が大きくなるようなテーパ状に形成して、湯道から鋳型内に吐出される溶鋼の勢いを下げて、型内材の巻き込みを防止可能な技術が開示されている。

また、特許文献２には、鋳型の底部に設けられた湯道の吐出口が、吐出口たる起点から下方に向かって曲線状に縮径する断面形状（曲線テーパ形状）となった造塊設備が開示されている。この特許文献２に示されるような吐出口を湯道に設けた場合にも、湯道の吐出口から鋳型内に吐出される溶鋼の勢いを下げることが可能となり、型内材の巻き込みを抑制可能となる。

さらに、特許文献３には、湯道内（注湯管内）にねじりテープ状の部材を設け、湯道を流れる溶鋼に旋回流を生起する技術が開示されている。このように溶鋼に旋回流を生起すれば、旋回を起こした分だけ吐出方向に沿った溶鋼の流れが弱くなって、溶鋼表面に裸湯が発生しにくくなり、型内材の巻き込みを防止することが可能となる。

特開平９−２３９４９４号公報 特開２０１２−８６２３３号公報 特開２００７−２１６２９５号公報

ところで、上述した特許文献１に示すように、湯道の吐出口（吐出側の端部）をテーパ状に形成すれば、湯道から溶鋼が拡散するように吐出され、拡散が起こった分だけ湯道から吐出される溶鋼の流れが弱くなって、型内材の巻き込まれが起き難くなると考えられる。
ところが、このような湯道から吐出される溶鋼の流れは、鋳型の大きさや鋳型への溶鋼の供給速度（鋳込み流量）が密接に関係するものとなっている。この点、引用文献１には、鋳込み流量の記述はあるものの、この鋳込み流量を変えた場合にテーパ形状をどのような形状とすればよいかについては全く記載されておらず、実際に湯道から鋳型内に吐出される吐出流速の値も不明となっている。それ故、特許文献１の方法を採用しても、さまざまなサイズの鋼塊を鋳造する製造現場では、湯道から吐出される溶鋼の流れを十分に弱くすることができず、結果として型内材の巻き込みの抑制ができない可能性がある。

また、特許文献１のテーパ形状には、テーパ形状に形成する湯道の長さ、言い換えればテーパ形状に形成された部分の鉛直方向に沿った長さについての規定がない。それゆえ、特許文献１のテーパ形状には、湯道の長さが短くて、テーパの出側の開口径が大きくなるような形状、つまりテーパー角度が大きな形状も含まれる。
ところが、吐出口のテーパ角度をあまり大きくしすぎると、テーパ面に沿って溶鋼を拡散することができなくなり、吐出する溶鋼の流れが吐出口の側壁から剥離してしまう。そうすると、テーパ面に沿って溶鋼が流れなくなり、結果として湯道の吐出口をテーパ形状に形成しても、湯道から吐出される吐出流速が十分に低減できず、型内材の巻込みを確実に抑制できなくなる可能性もある。

また、特許文献２に開示されるようにテーパ面を曲面状に形成する場合でも、鋳込み流量が大きいときには溶鋼の慣性によって曲面状のテーパに沿うことができず、吐出する溶鋼の流れが吐出口の側壁から剥離することがある。加えて、特許文献２でも、鋳込み流量とテーパ形状との関係がわかっていないので、実際に製造現場に適用することは困難である。

なお、テーパ面を曲線状に形成する場合、テーパ面の中にはテーパ角が大きくなる部分が必ず存在することになる。例えば、特許文献２に示されるテーパ面の場合であれば、先端に近い場所で急激に湯道の径が拡大し、テーパ角度が大きくなる。それ故、開口に近い部分では上述した剥離が生じやすくなり、剥離が生じた場合には吐出流速の低減が十分に行われず、型内材の巻込みを確実に抑制するのが困難になる。

さらに、特許文献３の技術では、旋回流を生起可能なねじりテープ状の部材を湯道内に設置せねばならず、このような部材を設ければ湯道の耐火物の溶損や破損が大きくなるリスクがある。また、ねじりテープ状の部材は形状が複雑であるため、このように複雑な形状を耐火物で製造することは困難であり、鋳型の製造コストの高騰に繋がる虞がある。さらに、旋回流を発生させると、旋回方向に流れを生じさせる分、湯道から鋳型内に吐出される溶鋼の吐出流速が低下し、鋳型内に供給される溶鋼の供給速度（鋳込み速度）が小さくなる。そのため、鋳込み時間が長くなって鋼塊の生産性の低下を招いたり、沈降性介在物欠陥などの発生リスクを高くしたりする虞もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、耐火物の溶損や破損を招くことなく、また簡単な構造でありながら、型内材の巻き込みを生産性を損なうことなく確実に抑制することができる下注ぎ造塊用の湯道及び下注ぎ造塊方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の下注ぎ造塊用の湯道は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の下注ぎ造塊用の湯道は、下注ぎ造塊を行う際に使用される湯道であって、鋳型の底部に形成された下注入口に、前記鋳型の内部側に向かって広がるテーパ部が形成され、前記テーパ部の入側の内径をｄ_ｉ、出側の内径をｄ_ｏ、前記テーパ部の上下方向に沿った長さをｓ、前記テーパ部を通って鋳型側に鋳込まれる単位時間当たりの溶鋼の鋳込み流量をＱとしたとき、前記テーパ部を、式（１）を満足するような形状とし、前記テーパ部を上下方向に沿って切断した断面形状において、当該テーパ部の入側の端部と出側の端部とを式（２）及び式（３）の関係を満足するような直線で結ぶように、前記テーパ部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の下注ぎ造塊方法は、上述した湯道を用いて、下注ぎ造塊を行うことを特徴とするものである。

本発明の下注ぎ造塊用の湯道及び下注ぎ造塊方法によれば、耐火物の溶損や破損を招くことなく、簡単な構造で、型内材の巻き込みを生産性を損なうことなく確実に抑制することができる。

本実施形態の湯道が設けられた下注ぎ造塊装置を示した模式図である。 実施例及び比較例のシミュレーションに用いたテーパ部を示した模式図である。 テーパ部の断面プロファイルの曲線次数と、断面形状との関係を示した図である。 テーパ部の断面プロファイルの曲線次数を変化させた際に、湯道から吐出される溶鋼の吐出流速がどのように変化するかを示した図である。 テーパ部のテーパ角度と、湯道から吐出される溶鋼の吐出流速との関係が、入側の湯道の径を変化させた場合に、どのように変化するかをまとめた図である。 テーパ部のテーパ角度と、湯道から吐出される溶鋼の吐出流速との関係が、鋳込み流量を変化させた場合に、どのように変化するかをまとめた図である。 テーパ角度が適正な場合における溶鋼の吐出流速の分布を示す図である。 テーパ角度が適正値より大きな場合における溶鋼の吐出流速の分布を示す図である。

以下、図を参照しながら、本実施形態による下注ぎ造塊用の湯道及び下注ぎ造塊方法について説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態の下注ぎ造塊方法が適用される造塊装置２（下注ぎ造塊装置）について説明する。なお、図１は下注ぎ造塊を行う造塊装置２の概略構成を示したものである。

図１に示すように、本発明の造塊装置２は、鋼塊を鋳造するものであり、平板状に形成された大定盤３と、この大定盤３の中央に形成された塔状の注入管４とを有する。注入管４の上端より注入された溶鋼は大定盤３の上面に載置された鋳型１へと供給され、この鋳型１により鋳塊が鋳込まれることとなる。
大定盤３は、鋳型１が上面に載置可能とされた平板状の部材であり、この大定盤３の中央には塔状の注入管４が配設されている。大定盤３の内部には、溶鋼を流通させる湯道５が、注入管４の下側と、鋳型１の下側との２点間を水平方向に沿って結ぶように形成されている（後述する水平部５ｂ）。

注入管４には、その内部に上下方向に沿って貫通する湯道５（後述する垂直部５ａ）が形成されている。これらの湯道５は、円形の貫通孔を有する耐火煉瓦を設置することで形成され、この湯道５を通じて取鍋７の溶鋼を下方に（鋳型１側に）流通させることができるようになっている。
湯道５は、取鍋７の溶鋼を鋳型１内に流通させる流路であり、垂直部５ａ、水平部５ｂ、立ち上がり部５ｃの３つの部分を有している。この垂直部５ａは、注入管４及び大定盤３の内部を上下方向に沿って貫通するように形成された部分であって、溶鋼を上方から下方に向かって流通させている部分である。また、水平部５ｂは、大定盤３の内部を水平方向に沿って貫通するように形成された部分であって、溶鋼を水平に流通させている部分である。さらに、立ち上がり部５ｃは、大定盤３と二重定盤１３の内部を上下方向に沿って貫通するように形成された部分であって、溶鋼を下方から上方に向かって流通させている部分であり、当該鋳型１の内部に連通するようになっている。垂直部５ａ、水平部５ｂと同様に、あらかじめ貫通孔を有する耐火物で形成されている。

上述したような造塊装置２にて造塊を行うにあたっては、まず、大定盤３上へ二重定盤１３を載置し、さらに二重定盤１３上に鋳型１を載置し、その上で、溶鋼が装入された取鍋７を注入管４の上側にクレーンで配置する。その後、取鍋７の底部の出湯口に設けられたスライドバルブ８を開状態とすることで、取鍋７内の溶鋼を注入管４の湯道５に導き入れ、定盤３の湯道５を経由して鋳型１に送る。このようにして湯道５を通って鋳型１に達した溶鋼は、立ち上がり部５ｃの上端（末端）、下注入口６から鋳型１内に供給される。やがて、鋳型１内に供給される溶鋼の量が鋳型１内の上部の押湯部９まで達すると、溶鋼の流入が停止される。このようにして鋳型１内で冷却された溶鋼を冷却させて凝固したものがインゴット等の鋳塊となる。

ところで、上述した造塊装置２で造塊を行う際には、鋳型１内に供給された溶鋼が大気に直接接触すると、溶鋼は大気との接触面から酸化して溶鋼の清浄度が低下してしまう。そこで、下注ぎ造塊方法においては、鋳型１に供給された溶鋼の浴面が大気と接触しないように、溶鋼の鋳型１内への注入が始まった段階で、溶鋼の浴面を被覆するため「型内材１０」といわれる被覆材を鋳型１内へ添加する。一般的に、「型内材１０」には溶融スラグ成分となる酸化物（例えばＳｉＯ_２−ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３）、および、「型内材１０」が均一に溶鋼表面を覆うために粉末の流動性を向上させる目的でＣが含まれており、溶鋼より比重が小さな「型内材１０」が溶鋼の表面を浮遊しつつ被覆することで、溶鋼の保温が可能となる。

ただ、上述したように下注入口６から吐出される溶鋼の勢いが強いと、表面に浮上している「型内材１０」が溶鋼中に巻き込まれ、巻き込まれた「型内材１０」が溶鋼内部に巻き込まれた状態で凝固が行われるので、冷却過程で凝固界面に捕捉された「型内材１０」が介在物欠陥になってしまう可能性がある。
そこで、本発明の鋳型１では、湯道５の出側（立ち上がり部５ｃ）にテーパ部１１を設けており、テーパ部１１を介して湯道５の溶鋼を鋳型１内に吐出するようにしている。言い換えれば、本発明の湯道５では、立ち上がり部５ｃがテーパ部１１を有している。

このテーパ部１１は、入側（下側）に比べて出側（上側）の方が大きな内径を有するような円錐状の部分であり、円錐状に形成された内周面に沿って溶鋼を拡散しつつ吐出することで、溶鋼が流れる部分の断面積が広くなった分だけ鋳型１内に吐出される溶鋼の流れを抑制できる（弱められる）ようになっている。また、テーパ部１１は、上側と下側とに円形の開口を有しており、下側（入側）に位置する開口の内径をｄ_ｉ、上側（出側）に位置する開口部の内径をｄ_ｏ、テーパ部１１の上下方向に沿った長さをｓ、テーパ部１１を通って鋳型１側に鋳込まれる単位時間当たりの溶鋼の鋳込み流量をＱとしたとき、式（１）を満足するような形状に形成されるものとなっている。

また、このテーパ部１１は、テーパ部１１を上下方向に沿って切断した断面形状において、テーパ部１１の入側の開口端と出側の開口端とを以下の式（２）及び式（３）の関係を満足するような直線で結ぶような形状とされている。

上述した式（１）〜式（３）の関係を満足するテーパ部１１を立ち上がり部５ｃに設ければ、テーパ形状とされていない下注入口（従来の下注入口）、例えば円筒状の下注入口から鋳型内に直接溶鋼を吐出するのに比べて、鋳型１内に吐出される溶鋼の流れを抑えることができ、「型内材１０」が溶鋼内に捕捉されて生じる介在物欠陥の発生を抑制することが可能となる。なお、二重定盤１３を載置せずに鋳型１を大定盤３上へ直接載置する場合もあるが、そのような構成であっても、本発明で規定する注入口と鋳込み流量の関係を満足すれば、本発明の効果が発揮される。

次に、本発明の下注ぎ造塊用の立ち上がり部５ｃに設けられるテーパ部１１について、このテーパ部１１の形状と上述した式との関係を詳しく説明する。
図２に示すように、テーパ部１１は、湯道５を介して鋳型１側に送られてきた溶鋼を、テーパ面１２に沿って拡散しつつ鋳型１内に吐出する部分であり、先端（上方）に向かうにつれて内径が徐々に広くなるような逆円錐状（漏斗状）に形成されている。

具体的には、テーパ部１１は、上方と下方との双方に受かって開口していて、下側の開口から取り込んだ溶鋼を上側の開口から吐出できるようになっている。つまり、テーパ部１１に設けられる上側の開口の口径が、上述した式（１）の「入側の内径：ｄ_o」であり、またテーパ部１１に設けられる下側の開口の口径が、式（１）の「出側の内径：ｄ_i」である。なお、この下側の開口の口径は、湯道の水平部５ｂの内径と等しいものとされている。

また、式（１）の「Ｑ」は、鋳込み流量を示している。鋳込み流量は、鋳型１に対して単位時間当たりに供給される溶鋼の量を示している。この鋳込み流量は、鋳造しようとする鋼塊のサイズなどによって変動するが、通常は単位時間当たりに供給される溶鋼の量として、「t/min」で示されるような重量が用いられることが多い。しかし、純度が高い鋼だけでなく合金組成の鋼種の鋳込みも行うことがある製造現場では、溶鋼の組成や成分等で実質的な容積が大きく変化することがある。それゆえ、本発明の下注ぎ造塊方法では、鋳込み流量に「m³/s」で示される容積（体積）を適用している。

なお、上述した入側の内径：ｄ_o、出側の内径：ｄ_i、鋳込み流量：Ｑの間に、式（１）〜式（３）のような関係が成立するのは、次のような理由からである。
つまり、テーパ部１１から吐出される溶鋼の吐出流速Ｖ_oについては、吐出流速Ｖ_oを０．５５ｍ／ｓ以下としておけば、ＵＴ検査などを行っても介在物欠陥が検出されなくなり、型内材１０の巻き込みが発生しないことを、操業実績などから発明者らは経験的に知見している。原理的には、型内材１０の種類によって密度は増減するために、巻込まれやすさは変化すると考えられるが、当業者が通常使用する種類では差異が見られなかった。

ここで、テーパ部１１の入側及び出側はいずれも円形に開口しているのであるから、入側の内径ｄ_iを用いれば入側の開口面積Ｓ_iを算出することができ、また入側と同様に出側の内径ｄ_oを用いれば出側の開口面積Ｓ_oを算出することができる。一方、溶鋼の鋳込み流量Ｑは、入側の開口面積Ｓ_iと入側の吐出流速Ｖ_iとの積と等しく、また出側の開口面積Ｓ_oと出側の吐出流速Ｖ_oとの積に等しい。出側の開口面積Ｓ_oは入側の開口面積Ｓ_iよりも大きいため、出側の吐出流速Ｖ_oは入側の吐出流速Ｖ_iよりも小さくなる。ここで、入側の吐出流速Ｖ_iで出側の吐出流速Ｖ_oを除して、溶鋼の流速を無次元して整理すると、ｄ_o／ｄ_iの−１．４２乗に比例した。さらに吐出流速Ｖ_oが０．５５ｍ／ｓ以下となる不等式を整理すれば、上述した式（１）の関係が導かれる。以上が式（１）の関係が成立する理由である。

一方、上述した式（１）を満足する場合であっても、テーパ部１１の内周面（以降、この内周面をテーパ面１２ということがある）の傾き（テーパ角θ）が大きすぎる場合は、テーパ面１２に沿って溶鋼を案内することができなくなり、流れの剥離という状態に陥る。この状態になると溶鋼の流れはテーパ面１２に沿うことなく、溶鋼の拡散が不十分となって入側の吐出流速をほぼ保ったまま鋳型１内に流れ込むために、型内材１０の巻き込みが発生する可能性が高くなる。また、テーパ部１１の入側から出側までの距離ｓが短すぎる場合にも、テーパ部１１のテーパ角θが大きくなりすぎて、出側の吐出流速Ｖ_oが０．５５ｍ／ｓを超える可能性がある。

つまり、テーパ部１１の入側から出側までの距離ｓが十分に大きい場合や、「鉛直方向に対してテーパ部１１の内周面が為す角度」として示されるテーパ角θが、適した角度となっている場合は、テーパ部１１の内周面に沿って溶鋼が流れ、内周面に沿って広がるため、出側の吐出流速Ｖ_oを０．５５ｍ／ｓ以下に抑えることが可能となる。ところが、テーパ部１１の入側から出側までの距離ｓが小さすぎる場合や、テーパ角θが大きすぎると、溶鋼の流れが内周面から剥離し、内周面から離れた部分にポテンシャルコアと呼ばれる流速が低下しない領域が形成されるため、溶鋼が内周面に沿って拡散しなくなる。

上述した理由から、本発明の湯道の立ち上がり部５ｃでは、以下の式（２）に示すように、テーパ部１１の入側から出側までの距離ｓを、少なくとも入側の開口の内径の２倍以上として、テーパ角θが大きくなりすぎて溶鋼の流れの剥離が生じることを防いでいる。
また、式（３）に示すように、テーパ角θを７．３deg以下とすることで、テーパ角θが大きくなりすぎて溶鋼の流れの剥離が生じることを防いでいる。なお、上述したテーパ部１１の内周面は、一般に中子を用いて成形されるため、製造上の制約から中子の引き抜きを可能とするために、ある程度のテーパ角が設けられている必要がある。それゆえ、本発明のテーパ部１１では、テーパ角θの下限値を１deg以上としている。

以上のような理由から、式（２）及び式（３）の関係が導かれる。

なお、上述したテーパ角θは、テーパの勾配を意味するものであり、入側の内径：ｄ_o、出側の内径：ｄ_i、テーパ部１１の入側から出側までの距離ｓを用いて、式（４）のように示される。

また、上述した式（１）〜式（３）の関係は、上下方向に沿って切断したテーパ面１２の断面が、曲線ではなく直線となる場合に限ったものである。このようにテーパ部１１の形状を、断面が直線である場合に限定するのは、次のような理由による。
まず、テーパ面１２の断面を、１次より大きな次数の曲線にしたり、１次未満の次数の曲線にしたりした場合を考える。

例えば、図３を見ればわかるように、２次〜５次の曲線でテーパ面１２の断面が形成された例では、上側の開口と下側の開口とを直線的に結んだ直線状のテーパ面１２の断面に対して、テーパ面１２の断面が上方に膨らむように湾曲した形状となる。この場合、上側の開口に近づけば近づくほどテーパ角度が大きくなり、直線よりもテーパ角度が大きいものとなる。

また、１／２次の曲線でテーパ面１２の断面が形成された例では、下側の開口部のテーパ角度が大きくなり、直線よりもテーパ角度が大きいものとなる。つまり、テーパ面１２が直線状の断面を有する場合であれば、テーパ面１２内のどの位置でもテーパ角を溶鋼の流れがテーパ面１２から剥離しない限界の角度に保持することは可能であるが、曲線状の断面を備えたテーパ面１２では部分的にテーパ角度が大きくなる場所が生じるため、テーパ面１２から溶鋼の流れが剥離してしまうことを確実に抑制することはできない。それゆえ、本発明の鋳型１では、テーパ面１２の断面を直線としているのである。

上述した式（１）〜式（３）を満足する直線状のテーパ部１１を湯道５の末端に設けた湯道５では、溶鋼の鋳込み流量Ｑが変化した場合にも鋳型１内に吐出される溶鋼の流れを０．５５ｍ／ｓ以下に抑えることが可能となる。それゆえ、溶鋼の表面に浮遊する型内材１０が溶鋼中に巻き込まれなくなり、型内材１０の巻き込みを原因とする介在物欠陥の発生を確実に抑制することが可能となる。また、テーパ部１１のような簡単な部材を湯道５の末端に設けるのみであれば、湯道５を構成する耐火物の溶損や破損を招くことがなく、簡単な構造であるため、鋳造にかかる設備コストを高騰させる心配もない。

次に、本発明の下注ぎ造塊用の湯道及び下注ぎ造塊方法が備える作用効果を、実施例及び比較例を用いて、さらに詳しく説明する。
実施例及び比較例は、図２に示すようなテーパ部１１に対して、パラメータとして「入側の開口の内径：d_i (m)」、「出側の開口の内径：d_o(m)」、「テーパ部１１の入側から出側までの距離：s(m)」、「テーパ角度：θ(deg)」、「鋳込み流量：Ｑ(m³/s)」を変化させた場合に、テーパ部１１の出側で溶鋼の吐出流速がどのように変化するかをシミュレーションを用いて実験したものである。

なお、シミュレーションには流体解析ソフトウェアである「ANSYS Fluent 14.5」を用い、シミュレーションの実験条件は表１に示すようなものを採用した。また、シミュレーションで求める「テーパ部１１の出側における溶鋼の吐出流速」とは、テーパ部１１（湯道５）の中心を通って上下に伸びる線上において、テーパ部１１の出側で生じる溶鋼の流量を計測したものである。なお、以降では、このテーパ部１１から溶鋼内に突出される溶鋼の吐出流速を、単に「吐出流速」と呼ぶことがある。

まず、テーパ部１１の断面が示す曲線の次数を、１／２次〜５次で変化させた場合に、吐出流速がどのように変化するかを上述したシミュレーションにより求めた。
なお、テーパ部１１の断面が示す曲線の次数が１次の場合とは、上下方向に沿って切断されたテーパ部１１の断面が直線で構成されていることを示しており、入側の開口と出側の開口とが直線で結ばれた断面を有する状態を示している。また、テーパ部１１の断面が示す曲線の次数が２次〜５次の場合とは、入側の開口と出側の開口とを結ぶ直線に対して、この直線より上方に向かって膨らむように湾曲した曲線にテーパ部１１の断面が形成されていることを示している。さらに、テーパ部１１の断面が示す曲線の次数が１／２次の場合とは、入側の開口と出側の開口とを結ぶ直線に対して、この直線より下方に向かって膨らむように湾曲した曲線にテーパ部１１の断面が形成されていることを示している。

「テーパ部１１の断面が示す曲線の次数」を変えた場合に、吐出流速がどのように変化するかを計測し、計測結果を表２及び図４に示す。

図４に示すように、「テーパ部１１の断面が示す曲線の次数」が１より大きい場合には、次数が大きくなればなるほど、溶鋼の吐出流速が大きくなる傾向がある。また、「テーパ部１１の断面が示す曲線の次数」が１より小さい場合にも、次数が小さくなればなるほど、溶鋼の吐出流速が大きくなる傾向があり、溶鋼の吐出流速は次数が１の前後で極小値をとることがわかる。このことから、溶鋼の吐出流速を低減するのに最も効果的なテーパ部１１の断面形状は、径方向の距離を変数とした場合に、変数の１次曲線、つまり径方向の距離に対して直線的に変化するような形状であると判断できる。

そこで、テーパ部１１の断面形状を直線状とした場合に、上述したパラメータを変更した場合の吐出流速の変化を実験により求めた。結果を、表３に示す。

表３及び図５、図６に示すように、鋳込み流量Ｑを２．２t/minに保持したまま、テーパ角度θを０degから大きくすると、テーパ角度θが大きくなるに連れて吐出流速は低下する傾向が見られる。また、このように吐出流速がテーパ角度θに対して低下するという傾向は、入側の内径ｄ_iを８０ｍｍに保持したまま、テーパ角度θを増加させた場合にも、同様に見られる。このことから、吐出流速は、テーパ角度θ、鋳込み流量Ｑ、入側の内径ｄ_iなどにそれぞれ影響することがわかる。

また、テーパ角度θを7.3degまで大きくすると、吐出流速がそれ以上は低下しなくなり、テーパ角度θを7.3degより大きくすると今度は吐出流速が増加するようになる。つまり、吐出流速は、テーパ角度θに対して7.3deg付近に極小値を持ち、テーパ部１１のテーパ角を7.3deg程度にしたときに、吐出流速を最も小さくできると判断される。
具体的には、過去の操業実績などから、図５に実線で示されるように吐出流速を０．５５ｍ／ｓ以下にしたときに、型内材１０の巻き込みが抑制され、介在物欠陥の発生を防止できることがわかっている。このことから、吐出流速が図５の実線より小さくなるように、テーパ角度θ、鋳込み流量Ｑ、入側の内径ｄ_iを決める、言い換えれば、表３の式（１）を満足するように各パラメータを決めることで、型内材１０の巻き込みを抑制して、介在物欠陥の発生を防止できることがわかる。

なお、図５や図６の実線より吐出流速が小さくなる場合でも、溶鋼の流れがテーパ部１１の内周面から剥離してしまう場合には、実際の吐出流速が図５や図６のように十分に小さくならず、型内材１０の巻き込みを確実に抑制できなくなる場合もある。
例えば、図７Ａに示すようにテーパ角θが7.3deg以下である場合には、図中の「Ｃ」にあるように溶鋼の流れがテーパ部１１の内周面（テーパ面１２）から剥離することはなく、溶鋼の流れはテーパ面１２に沿って拡散し、テーパ部１１から吐出される溶鋼の吐出流速も０．５５ｍ／ｓ以下となる。

ところが、図７Ｂに示すようにテーパ角θが7.3degより大きい場合には、図中の「Ｄ」にあるようにテーパ部１１の内周面から溶鋼が剥離し、内周面の近傍の流れが吐出流速の方向とは逆転した領域が生じている。このような剥離が生じると、溶鋼の流れがテーパ面１２に沿って拡散しなくなり、テーパ部１１から吐出される溶鋼の吐出流速が減速されず、０．５５ｍ／ｓを超えてしまう可能性も高くなる。また、内周面の近傍で生じた溶鋼の乱れが生じると、耐火物が剥離したり溶損を助長するリスクも高くなる。

以上のことから、表３の式（１）を満足するように各パラメータを決めるだけでなく、式（２）や式（３）の関係をも満足するように各パラメータを決めることが必要であると判断される。なお、表３では、式（１）〜式（３）のすべての関係を満足する場合には、溶鋼の吐出流速はいずれも０．２６３〜０．５３８m³/sの範囲に収まっており、溶鋼の吐出流速を十分に低く抑えることが可能になり、型内材１０の巻き込みを原因とする介在物欠陥の発生を効果的に抑制できていることがわかる。

以上、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 下注ぎ造塊用の鋳型
２ 造塊装置（下注ぎ造塊装置）
３ 大定盤
４ 注入管
５ 湯道
５ｂ 水平部
５ａ 垂直部
５ｃ 立ち上がり部
６ 下注入口
７ 取鍋
８ スライドバルブ
９ 押湯部
１０ 型内材
１１ テーパ部
１２ テーパ面
１３ 二重定盤
ｄ_ｉ 入側に位置する開口の内径
ｄ_ｏ 出側に位置する開口の内径
ｓ テーパ部の上下方向に沿った長さ
Ｑ 鋳型側に鋳込まれる単位時間当たりの溶鋼の鋳込み流量
θ テーパ部のテーパ角

Claims (2)

1. 下注ぎ造塊を行う際に使用される湯道であって、
   鋳型の底部に形成された下注入口に、前記鋳型の内部側に向かって広がるテーパ部が形成され、
   前記テーパ部の入側の内径をｄ_ｉ、出側の内径をｄ_ｏ、前記テーパ部の上下方向に沿った長さをｓ、前記テーパ部を通って鋳型側に鋳込まれる単位時間当たりの溶鋼の鋳込み流量をＱとしたとき、前記テーパ部を、式（１）を満足するような形状とし、
   前記テーパ部を上下方向に沿って切断した断面形状において、当該テーパ部の入側の端部と出側の端部とを式（２）及び式（３）の関係を満足するような直線で結ぶように、前記テーパ部が形成されている
   ことを特徴とする下注ぎ造塊用の湯道。
   
2. 請求項１に記載された湯道を用いて、下注ぎ造塊を行うことを特徴とする下注ぎ造塊方法。