JP5805030B2

JP5805030B2 - ストッパ

Info

Publication number: JP5805030B2
Application number: JP2012177132A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　潤; 潤佐藤; 元裕長尾; 上山　泰一; 泰一上山; 森下　雅史; 雅史森下; 斧田　博之; 博之斧田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: JP2014034052A

Description

本発明は、溶融金属を鋳造する際に溶融金属の流量を調整すると共にガスの吹き込みを行うストッパに関する。

従来より、真空中において溶鋼などの溶融金属を飛射しつつ鋳型内に注入することで、清浄な鋳塊（インゴット）を製造する真空上注ぎ鋳造方法がある。この真空上注ぎ鋳造方法では、容器（取鍋）内の溶融金属を、真空装置内に配置された鋳型に注入して鋳塊を製造する。真空装置内に注入する溶融金属の溶鋼量（スループット）は、ストッパによって調整するようになっており、このストッパは溶融金属のスループットを調整するだけでなく溶融金属にガスを吹き込むことができる。ストッパによって溶融金属にガスを吹き込むことにより、溶融金属は真空装置内で飛散し易くなる。このように、真空上注ぎ鋳造方法などに用いられるストッパとして、特許文献１や特許文献２に示すものがある。

特許文献１のストッパは、鋳造に際して溶融金属を収容する容器から排出する溶融金属の流量を調整すると共に、溶融金属にガスの吹き込みを行うストッパであって、ガスを流通させる管状の芯金と、該芯金の外周面を被覆する耐火物層とを具備し、該耐火物層は、少なくとも溶融金属に浸漬される浸漬部がキャスタブル耐火材料によって一体的に形成された不定形耐火物層により構成されているものである。

特許文献２のストッパは、溶融金属を注ぐ間にガスを供給するように構成されたストッパロッドであって、内部チャンバー及びガス放出ポートを備えるストッパ本体と、内部チャンバーをガス放出ポートに接続するボアとを有し、内部チャンバー及びボアがガス通路を形成するストッパロッドにおいて、ガス通路の壁が、使用温度でも一酸化炭素を発生しない層を備えている。

特開２０１０−０７５９４３号公報特開２００８−５０６５３６号公報

特許文献１及び２に開示されたストッパは、ガスが流通する管状の芯金の外側を耐火物層で単に被覆するという構成であって、芯金の先端は外部に露出している。そのため、ストッパを溶鋼に浸漬したときに、ストッパの先端が溶損して詰まり、十分にガスを溶融金属に吹き込むことができず、溶鋼をガスによって拡散することが難しくなる虞があった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、効率よくガスを溶融金属に吹き込むことができ、吹き込んだガスによって溶融金属を十分に飛散させることができるストッパを提供することを目的とする。

目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、溶融金属を鋳造する際に溶融金属の流量を調整すると共にガスの吹き込みを行うストッパにおいて、前記ガスが流通可能な第１ガス流通路を有する芯金と、前記第１ガス流通路からのガスが流通する第２ガス流通路を有し且つ前記芯金の先端に設けられたノズルチップと、前記芯金及びノズルチップの外側を覆う被覆部と、を備え、前記ノズルチップの先端部と前記被覆部の先端部との間に充填された不定形物の内部に、前記ノズルチップの第２ガス流通路からのガスが流通する第３ガス流通路が形成され、前記第３ガス流通路の距離は、５〜２０ｍｍとされていることを特徴とする。

前記ノズルチップは芯金に着脱自在とされており、当該ノズルチップのガスが流通する前記第２ガス流通路であって最も小さい部分の内径は２〜５ｍｍとされていることが好ましい。

本発明によれば、効率よくガスを溶融金属に吹き込むことができ、吹き込んだガスによって溶融金属を十分に飛散させることができる。

ストッパを備えた真空上注ぎ鋳造装置の全体図である。ストッパの先端部の断面図である。

以下、本発明のストッパについて図を基に説明する。
図１は、ストッパを備えた真空上注ぎ鋳造装置の全体を示したものである。
まず、真空上注ぎ鋳造装置について説明する。
図１に示すように、真空上注ぎ鋳造装置１は、上流工程にて精錬処理を行った溶融金属（溶鋼という）２が装入された取鍋３と、この取鍋３の下側に設置された中間鍋（タンディッシュ）４と、この中間鍋４の下側に設置された真空装置５とを備えている。

中間鍋４の下部には、当該中間鍋４内の溶鋼２を真空装置５内の鋳型６に注入するノズル７が設けられている。また、中間鍋４内には、上下移動自在なストッパ８が設けられている。ストッパ８は、鋳型６に注入する溶鋼量（スループット）を所定の量に調整すると共に、ガスを溶鋼に吹き込むものである。
真空装置５は、鋳造時に内部が略真空状態となる真空タンク１０と、この真空タンク１０内に設置された鋳型６とを備えている。真空タンク１０の上部に、中間鍋４が設置されている。真空タンク１０の上部には、中間鍋４のノズル７から注入された溶鋼２を受け入れる開口部１１が設けられ、この開口部１１の直下に鋳型６が配置されている。

このような真空上注ぎ鋳造装置１を用いて真空造塊を行うにあたっては、電気炉又は転炉などの精錬炉から溶鋼２を取鍋３に出鋼し、溶鋼処理工程で精錬された溶鋼２が装入された取鍋３を鋳造ステーションに移動させる。そして、取鍋３内の溶鋼２を中間鍋４に装入し、ストッパ８によって中間鍋４から鋳型６内に注入する溶鋼量を調整しながら溶鋼の鋳込みを行う。溶鋼の鋳込み中では、真空装置５（真空タンク１０）内を真空引きして、当該真空装置５内を真空状態とし、落下中の溶鋼２の流滴に含まれる水素等を脱ガスする。脱ガスした水素等は、真空タンク１０の排出口１２から排出される。

さて、アルミキルド鋼は、精錬処理の際に酸素を除去しているため、溶鋼２に含まれる酸素が非常に少ない。このような溶鋼中に酸素が少ない溶鋼２を真空鋳造した場合、溶鋼２を真空雰囲気下に晒しても飛散し難くなる。そのため、ストッパ８の先端からＡｒや窒素などの不活性ガスを吹き込み、溶鋼２と一緒に不活性ガスを真空装置５内に導入することにより、溶鋼２を強制的に流滴化し易いようにしている。

次に、ストッパの構成について詳しく説明する。
ストッパ８は、溶鋼２のスループットを調整するときなど、溶鋼２に触れることから、溶鋼２に触れる部分は耐火物１３で構成する必要がある。しかしながら、耐火物１３は、高温の溶鋼にも耐えられる一方、脆いため、耐火物１３のみでストッパ８の全体を構成することは難しい。

図２に示すように、本発明では、ストッパ８を、主に、金属製の芯金２０と、芯金２０の先端側に設けたノズルチップ２１と、芯金２０及びノズルチップ２１の外側を覆う被覆部２２とで構成している。
芯金２０は、丸棒に形成されていて、その内部にはガスを流通させるガス流通路（第１ガス流通路）２３が形成されている。この実施形態では、強度を向上させることや内部の冷却を考慮し、芯金２０を基端部から先端部までが中空状となっている鋼管で形成している。

芯金２０の第１ガス流通路２３に関して、基端部から中央部までの第１ガス流通路２３の内径は、中央部から先端部までの第１ガス流通路２３の内径よりも大きくなっている。即ち、芯金２０の第１ガス流通路２３は、内径が大きい部分である大径部２４と、内径が小さい小径部２５とで構成されている。
さらに、大径部２４内には、当該大径部２４内を軸心方向に仕切る仕切部２６が設けられている。この大径部２４に関し、仕切部２６から基端部側は、冷却用のガスが通る冷却ガス室２４Ａとされ、仕切部２６から先端側は、吹き込み用のガスが通る吹き込みガス室２４Ｂとされている。

冷却ガス室２４Ａ内には、冷却用のガスを導入する冷却ガス管２７が設けられ、吹き込みガス室２４Ｂ内には、溶鋼へ不活性ガスを吹き込むための吹込ガス管２８が設けられている。冷却ガス管２７の先端部は、冷却ガス室２４Ａ内であって仕切部２６の手前に配置され、吹込ガス管２８の先端部は、吹き込みガス室２４Ｂ内であって小径部２５の手前に配置されている。

このように構成した芯金２０では、吹込ガス管２８に不活性ガスを通すと、不活性ガスは吹込ガス管２８の先端から放出され、吹き込みガス室２４Ｂに入り、小径部２５を経て芯金２０の先端側に流れていく。また、冷却ガス管２７に冷却ガスを通すと、冷却ガスは冷却ガス管２７の先端から放出され、冷却ガス室２４Ａに入り、当該冷却ガス室２４Ａの仕切部２６に当たって向きを変えて、芯金２０の基端部側に流れていく。即ち、芯金２０は、溶鋼２に吹き込む不活性ガスが先端から放出されると共に、冷却ガスが基端から大気へと放出される２重配管構造となっており、吹き込み用の不活性ガスと、冷却用の冷却ガスとが混合しないようになる。

芯金２０の先端部には、凹部２９が形成されており、この凹部２９にノズルチップ２１の基礎端側を着脱自在に嵌めこむことができるようになっている。ノズルチップ２１は、金属製の材料で高温においても劣化し難いＳＵＳ３１０及びＳＵＳ３１０Ｓ等から形成されている。
詳しくは、ノズルチップ２１は、芯金２０の凹部２９に着脱自在に取り付け可能な筒状の取付部３０と、この取付部３０から先端側に延設された細管３１とで構成されている。取付部３０の内部と細管３１との内部は、ガスが流通可能に連通していて、不活性ガスが流通する第２ガス流通路３２とされている。

取付部３０側の第２ガス流通路３２の内径は、芯金２０の小径部２５と同じ径とされ、細管３１側の第２ガス流通路３２の内径は、取付部３０側の内径よりもさらに小さい径となっている。
詳しくは、細管３１の内径（ノズルチップ２１に形成した第２ガス流通路３２の中で最も小さい部分の内径）は、２〜５ｍｍとされている。細管３１の内径が２ｍｍよりも小さいときは、圧力損失が大きくなり、先端部から不活性ガスを放出した場合、ガス流量が足りなくなることがあり、ストッパ８の先端部側が閉塞する可能性がある。また、細管３１の内径が５ｍｍよりも大きいときは、ストッパ８の先端部側の吹き込みガスの流速が小さくなることがあり、十分に溶鋼に不活性ガスを吹き込むことが難しいことがある。

このように、ノズルチップ２１では、芯金２０の先端部から放出された不活性ガスが取付部３０に入り、細管３１を経て、ノズルチップ２１の先端から外部に放出する。また、ノズルチップ２１は、取付部３０を芯金２０の凹部２９に嵌めこむことにより着脱自在となっている。そのため、ノズルチップ２１は、芯金２０に対して容易に交換することができる。ノズルチップ２１の溶損など何らかの事情で、ノズルチップ２１を交換する必要が発生した場合、芯金２０を交換しなくてもノズルチップ２１のみを交換することができる。即ち、ノズルチップ２１と芯金２０とが一体型のものでは、ノズルチップ２１の交換のために芯金２０全体を交換する必要があるが、本発明では、ノズルチップ２１のみを取り外しができ、ランニングコストを低減することができると共に、芯金２０を交換する作業を無くすことができる。

被覆部２２は、定形耐火物等を加工することにより形成されている。被覆部２２を構成する耐火物１３Ａと、被覆部２２以外の耐火物１３Ｂとは、それぞれ別々に構成されたもので、芯金２０を被覆部２２（１３Ａ）で覆った後に、被覆部２２（１３Ａ）と、耐火物１３Ｂとをモルタル等で接合する。
この被覆部２２は、その内部に芯金２０の中央部から先端部までを挿入する凹状の第１挿入部３５を有している。第１挿入部３５は、芯金２０の外周面よりも少し大きく形成されていて第１挿入部３５を構成する内壁に、芯金２０の中央部から先端部の外周面に形成された雄ネジ部３６と螺合する雌ネジ部３７が形成されている。

詳しくは、第１挿入部３５に芯金２０の先端側及び中央部を挿入して雄ネジ部３６と雌ネジ部３７とを螺合すると、第１挿入部３５の内壁は、芯金２０の先端側及び中央部の外周面の全体を覆うようになる。
また、被覆部２２の内部であって、第１挿入部３５から先端側に引き続いて、ノズルチップ２１を挿入する凹状の第２挿入部３８が形成されている。第２挿入部３８の内径は、ノズルチップ２１の取付部３０の外径よりも大きくなっていて、第２挿入部３８の先端側からノズルチップ２１を挿入可能となっている。ノズルチップ２１を第２挿入部３８内で芯金２０に装着した状態では、当該第２挿入部３８の内壁と、細管３１及び取付部３０の間に隙間があり、ノズルチップ２１の細管３１及び取付部３０の外周面との間には、これらの隙間を埋めるための不定形物（例えば、モルタル）３９が充填されている。

さて、第２挿入部３８の軸心方向の長さＬ１は、ノズルチップ２１の軸心方向の長さＬ２よりも長く設定されている。ノズルチップ２１を第２挿入内で芯金２０に装着した状態では、ノズルチップ２１の細管３１の先端部は、第２挿入部３８の先端部（被覆部２２の先端）に達しておらず、当該第２挿入部３８内に収まっている。
ノズルチップ２１の細管３１の先端部と、被覆部２２の先端との間にもモルタル３９が充填されている。ただし、ノズルチップ２１の細管３１から放出された不活性ガスが被覆部２２の先端部から放出できるように、ノズルチップ２１の細管３１の先端部と被覆部２２の先端部に充填されたモルタル３９の内部には、不活性ガスが流通するガス流通路（第３ガス流通路４０）４０が形成されている。この第３ガス流通路４０の内径は、細管３１の内径と同じ径に設定されている。

さて、図２に示すように、ノズルチップ２１の細管３１の先端部（ノズルチップ２１の先端部）と、被覆部２２の先端部との間の距離Ｌ３（先端部厚みという）は、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とされている。
先端部厚みＬ３が５ｍｍ未満であって、例えば、細管３１の先端部が被覆部２２の先端部よりも外側に突出していたり、細管３１の先端部と被覆部２２の先端部との距離が殆ど無い場合、ストッパ８を溶鋼に浸したとき、ノズルチップ２１の細管３１や取付部３０の金属部分が溶鋼に接触するため、細管３１が溶損して、第２ガス流通路３２が閉塞し、不活性ガスが放出できなくなる。

一方、先端部厚みＬ３が２０ｍｍを超えると、ストッパ８を溶鋼に浸したとき、溶鋼が細管３１に到達し難くなるため第２ガス流通路３２は閉塞しなくなるが、第３ガス流通路４０が長くなる。第３ガス流通路４０はモルタル３９を貫通して形成しているため、摩擦係数が大きく圧力損失が増加し、不活性ガスの流速が非常に遅くなり、中間鍋４から鋳型６へ注入した溶鋼が十分に飛散しない場合がある。このようなことから、ノズルチップ２１の先端部と、被覆部２２の先端部との間の先端部厚みＬ３は、５ｍｍ〜２０ｍｍにしている。

表１は、本発明のストッパを用いて真空鋳造を行った実施例と、本発明とは異なるストッパを用いて真空鋳造を行った比較例とをまとめたものである。

真空鋳造では、原子炉の圧力容器に用いられるアルミキルド鋼を鋳造した。鋳込重量は、１００〜５００ｔｏｎとした。中間鍋４は、３０〜７０ｔｏｎの溶鋼を貯留するものを用いた。中間鍋４の内壁に施工した耐火物は、ＳｉＯ_２−ＺｒＯ_２系のものを使用した。ストッパ８に用いた被覆部２２は、Ａｌ_２Ｏ_３系のものを使用した。芯金２０の材料は、ＳＴＰＴ４１０とし、ストッパに吹き込む不活性ガスの圧力（入側の圧力）は、８〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とした。ノズルチップ２１の材料は、ＳＵＳ３１０Ｓとした。溶鋼に吹き込む不活性ガスはＡｒとした。なお、不活性ガスは窒素等であってもよい。不活性ガスの吹き込み量（Ａｒガスの吹き込み量）は、２０〜２００ＮＬ／ｍｉｎ、流量制御は当業者常法通り、自動制御とした。真空装置内の真空度は、０．１〜１００Ｔｏｒｒとした。中間鍋４から鋳型６に注入したときの溶鋼の飛散状況は、目視で判定した。鋳型６への鋳込み速度は１．５〜１５ｔｏｎ／ｍｉｎとした。

実施例１〜９では、先端部厚みＬ３を５〜２０ｍｍとすると共に、ガス流通路の内径（細管３１の内径）を２〜５ｍｍとしているため、溶鋼の飛散状況も良好（飛散状況の欄「○」）であり、ストッパの先端部の溶損も発生しなかった（先端溶損の欄「○」、総合評価の欄「○」）。
一方、比較例１及び２では、ガス流通路の内径が２ｍｍ未満であったため、溶鋼の飛散状況が悪く、スットッパの先端部の溶損も発生した（総合評価の欄「×」）。比較例３及び４では、ガス流通路の内径が５ｍｍ超であったため、溶鋼の飛散状況が悪かった（飛散状況の欄「×」）。

また、比較例５〜７では、先端部厚みＬ３は５ｍｍ未満であったり、２０ｍｍ超であったため、溶鋼の飛散状況が悪く、ストッパの先端部の溶損が発生することがあった。
本発明のストッパ８によれば、溶鋼２中にガスを吹き込むことで、真空鋳造における真空中において溶鋼２が急速に膨張し、膨張したガスの運動量により、溶鋼２の流滴をより小さく広く飛散させることができる。ストッパ８から吹き込まれたガスは溶鋼２に元々含まれていたガス成分に加わるため、より溶鋼２を小さく広く飛散させることが可能となり、特に、真空鋳造における介在物の低減効果や脱ガスを促進することができる。

以上述べたように、本発明のストッパ８によれば、効率よくガスを溶融金属に吹き込むことができ、吹き込んだガスによって溶融金属を十分に飛散させることができるようになる。
なお、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、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事項を採用している。なお、芯金２０の外周面の少なくとも一部と、被覆部２２との間に、断熱煉瓦層を更に設けてもよい。具体的には、断熱性向上のため被覆部２２を、芯金２０の外部を覆い且つ断熱性の高い部分（断熱煉瓦層）と、断熱煉瓦層の外側に位置する外側層との２重構造する。これにより、芯金２０の耐熱性が向上して、熱によって当該芯金２０が曲がることを防止する。

１真空上注ぎ鋳造装置
２溶融金属（溶鋼）
３取鍋
４中間鍋
５真空装置
６鋳型
７ノズル
８ストッパ
１０真空タンク
１１開口部
１２排出口
２０芯金
２１ノズルチップ
２２被覆部
２３第１ガス流通路
２４大径部
２５小径部
２６仕切部
２４Ａ冷却ガス室
２４Ｂ吹き込みガス室
２７冷却ガス管
２８吹込ガス管
２９凹部
３０取付部
３１細管
３２第２ガス流通路
３５第１挿入部
３６雄ネジ部
３７雌ネジ部
３８第２挿入部
３９モルタル
４０第３ガス流通路
Ｌ１第２挿入部の軸心方向の長さ
Ｌ２ノズルチップの軸心方向の長さ
Ｌ３先端部厚み

Claims

溶融金属を鋳造する際に溶融金属の流量を調整すると共にガスの吹き込みを行うストッパにおいて、
前記ガスが流通可能な第１ガス流通路を有する芯金と、
前記第１ガス流通路からのガスが流通する第２ガス流通路を有し且つ前記芯金の先端に設けられたノズルチップと、
前記芯金及びノズルチップの外側を覆う被覆部と、
を備え、
前記ノズルチップの先端部と前記被覆部の先端部との間に充填された不定形物の内部に、前記ノズルチップの第２ガス流通路からのガスが流通する第３ガス流通路が形成され、前記第３ガス流通路の距離は、５〜２０ｍｍとされていることを特徴とするストッパ。
前記ノズルチップは芯金に着脱自在とされており、当該ノズルチップのガスが流通する前記第２ガス流通路であって最も小さい部分の内径は２〜５ｍｍとされていることを特徴とする請求項１に記載のストッパ。