JP2000508244A - 金属の連続鋳造方法および設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の連続鋳造設備は、断熱性材料で作られたホットトップ部材（３）を上部に有する冷却された金属壁（２）によって形成された壁（１）を有するインゴット鋳型を有する。加圧下ガスを注入するための孔、例えばスリット（１０）は少なくともホットトップ部材と金属壁との間の境界面で、インゴット鋳型に通じている。この設備は鋳造金属合金の組成および鋳造条件に従って熱膨張能が調節可能であるガスまたはガス混合物を供給するための上記孔に連結された手段（１３〜１７）を有する。注入されたガスの熱膨張能を調節することによって鋳造金属の凝固開始領域において上記鋳造金属から抜出される熱流の密度を調節することができる。特に鋼の連続鋳造に適している。

Description

【発明の詳細な説明】 金属の連続鋳造方法および設備 本発明は金属、特に鋼の連続鋳造に関するものである。 この連続鋳造運転は、周知のように、概念的には、鋳造金属の通路を規定する 無底の管状部材で基本的に構成されるインゴット鋳型に溶融金属を流し込むもの である。この鋳型の壁は、銅または、より一般には銅合金で作られ、循環水によ って強制冷却されている。厚さ数ｃｍにわたって外側が既に凝固した鋳造物が鋳 型から連続的に抜出される。次いで、この凝固は鋳造物の中心に向かって進行し 、鋳造物がインゴット鋳型の下流へ下降する間にいわゆる「二次冷却」領域にお いて水噴霧バーの作用下で完了する。得られた鋳造物、ブルーム、ビレットまた はスラブは一定の長さに切断され、次いで圧延され、その後、顧客に運送される か、またはその場でバー、ワイヤー、プロフィル、プレート、シート等に変形さ れる。 鋼の連続鋳造によって得られる鋳造物の表面欠陥または表面下の欠陥は、きず 物(scrap)の原因になることが多い。これは、上記欠陥が圧延操作に十分に耐え られないか、あるいはこの操作によって上記欠陥が拡大して圧延された鋳造物の 金属の性質が許容できない程度に低下することによる。 鋳造中、ノズルによってインゴット鋳型に供給される溶融金属は、インゴット 鋳型の冷却壁と接触すると固体膜(solid film)を形成する。この膜は鋳造物の抜 出し中にインゴット鋳型の垂直振動によって中断される律動的な動きによって下 方へ導かれ(driven)、同時に、この膜厚はインゴット鋳型の壁によって続けられ る熱抜出し(heat extraction)によって増加する。 従って、固体金属の新しい膜はインゴット鋳型内の金属の自由表面の高さで連 続的に生じ、この膜はインゴット鋳型の内壁の周辺(perimeter)全体にわたって 凝固し、インゴット鋳型内で下降する間に受ける冷却によって収縮しやすい固体 リングを形成する。 このリングの収縮は、熱抜出し量の増加につれて増大し、さらに、特に０．１ ％の炭素鋼またはAISI304グレードのステンレス鋼の場合のように、例えば凝固 終了時の固相の変化によって冷却時に収縮するという鋳造金属の本来の性質によ って増大する。 この周縁部収縮によって凝固外皮はインゴット鋳型の壁から離れやすくなり、 従って、上記外皮と冷却壁との接触が減少することによって熱交換が低下する。 この分離は一般に、凝固外皮の周辺にわたって一様でなく、最終的に得られる鋳 造物の表面欠陥の原因となる。 これらの欠陥を防止または制限するために、未だ工業化されていない垂直連続 鋳造とよばれる特殊な方法では、インゴット鋳型の冷却された金属壁の上に、断 熱性の断熱材料で作られたホットトップ部材を配置し、鋳造中は、金属浴の自由 表面を上記ホットトップ部材の高さに維持する（フランス特許第2000365号）。 従って、この溶融金属はホットトップ部材と接触しても凝固せず、最初の凝固外 皮は冷却された金属壁の上側端縁からのみ生成される。これらの端縁は、自由表 面に近い乱流領域の下側に十分離れて位置しているので、固体外皮の生成および 成長はインゴット鋳型内の常に同じ高さで、流体力学的に静かな環境で、上部に 位置する液体金属の重さによって加えられる鉄の静圧が、インゴット鋳型の冷却 壁から最初の凝固外皮の離れる傾向を妨げる領域で、連続的に行われる。 この方法では、特許第EP-A-O 620 062号によって知られる改良は、上記ホット トップ部材の高さで少なくとも上記ホットトップ部材と冷却された金属壁との間 のまさに境界面で、加圧下ガスをインゴット鋳型に注入することにある。このガ スの注入は、上記冷却壁とホットトップ部材との間に形成された細い環状スリッ トによって行われ、液体金属に向けられこの壁に対して直角なジェット流を生成 し、このジェット流は断熱材料で作られたホットトップ部材と接触して形成され た全ての凝固外皮を剪断し、凝固が冷却壁のまさに上側端縁で有効に開始するこ とを保証する。 この方法の原理では、最終鋳造物のある程度の表面欠陥の出現を減らすことが できるが、この鋳造工程を連続鋳造可能な各種のグレードの鋼に、凝固中の各グ レードの鋼の加工熱挙動に関するこれら鋼の特殊性を考慮に入れて、適合させる ことに関する問題は解決されない。 本発明の目的は、上記の問題点を解決して、熱流の抜出し条件、特に凝固開始 領域における熱流の抜出し条件を制御することができ、これを容易に適合させる ことができる垂直連続鋳造法を提供することにある。 このために、本発明の対象は、断熱性材料で作られたホットトップ部材を上部 に有する強制冷却された金属壁を有するインゴット鋳型が用いられ、鋳造中は、 インゴット鋳型内に含まれる溶融金属の自由表面が上記ホットトップ部材の高さ に維持され、加圧下ガスが上記ホットトップ部材の高さで少なくともこのホット トップ部材と上記金属壁との間の境界面で、インゴット鋳型の周縁部全体にわた って注入される金属連続鋳造方法にある。本発明では、この方法は上記の注入さ れたガスが、調節可能な熱膨張能を有するガスまたはガス混合物であり、鋳造金 属合金の凝固開始領域において上記金属合金から抜出される熱流の密度は、上記 金属合金の組成および鋳造条件に従って、鋳造金属に特有の所定の値に調節され ることを特徴とする。 従って、本発明の方法では、鋳造金属から抜出された熱流密度を凝固外皮が生 成する高さに、特に上記金属、特に鋼鋳造用のグレードの金属の組成に、必要に 応じて容易に適合させることができる。 実際に、本発明者は、不活性ガス、例えばアルゴンまたはヘリウムをホットト ップ部材と冷却された金属壁との間の境界面に注入する鋳造試験中に、熱流密度 が上記ガスの熱膨張能の影響を強く受けているということを確認している。従っ て、被覆されていない銅合金で作られた冷却壁を有するインゴット鋳型で、１． ５ｍ／分の鋳造速度で０．８％の炭素鋼を鋳造する場合は、金属壁の上側端縁か ら４０ｍｍにわたる抜出された熱流密度は、注入されたアルゴンの温度が５００ ℃の場合は約５ＭＷ／ｍ²であり、注入されたアルゴンの温度が１００℃の場合 はわずか４．２、あるいは３．２ＭＷ／ｍ²であった。冷却壁の上側端縁を１． ５ｍｍのニッケル層で被覆したインゴット鋳型を用いて行われた、２ｍ／分の鋳 造速度で０．０９％の炭素鋼を鋳造するための別の試験では、抜出された熱流は 、注入されたアルゴンの温度が５００℃の場合は５．５ＭＷ／ｍ²であり、注入 されたアルゴンの温度が１００℃の場合はわずか３．５ＭＷ／ｍ²であっ た。 抜出された熱流の値のこれらの大きな差は、インゴット鋳型の上側部分に存在 する約１６００℃の鋳造金属に対するガスの温度の影響だけでは説明できないも のである。本発明者の立てた仮説は、この差は、一方は、凝固が開始される冷却 された金属壁の上側端縁のすぐ近くで注入されたガスによって生じる液体金属の 攪拌作用から、他方は、主として、注入孔のまさに出口で生成された気泡の影響 から生じるというものである。この影響に関しては、液体金属内に入る直前の上 記気泡の径は、ほぼ均一で、注入孔の寸法によって決定され、これは注入された ガスの温度には関係ないと考えられる。これらの気泡が溶融鋼に達すると、これ ら気泡の温度はほとんど同時に鋼の温度まで上昇する。その結果、気泡を形成す るガスの膨張によって気泡の体積が増加する。気泡の体積のこの膨張は温度変化 が大きいほど増大する。その結果、この気泡が溶融鋼の温度に達すると、この気 泡の径は注入されたガスの温度が低いほど、大きくなる。 ここで、注入孔のまさに出口で、従って、冷却壁のまさに上側端縁の高さで生 成される大きな気泡は、いわば、液体金属がこれらの冷却壁の上側端縁と直接接 触しないようし、従って、これらの壁によって抜出された熱流を大幅に減らすも のであり、一方、小さい気泡は、大きい気泡には劣るが、この直接接触を防ぎ、 従って抜出された熱流をほんのわずか減らすものである。 これらの気泡の効果の重要性は、冷却壁によって抜出された熱流が、鋳造金属 と冷却壁とが直接接触している場合、上記端縁から垂直方向の距離の関数として 迅速に減少することおよび気泡の遮熱効果が上記端縁のすぐ近く、従って冷却壁 によって通常抜出される熱流が最大となるまさににその領域で基本的に生じると いうことによることが理解できよう。 第１実施例では、注入されたガスの熱膨張能を調節するために、上記ガスの温 度を制御する。 本発明の特殊な構成では、注入されたガスの温度は５０〜６００℃で調節可能 であり、この調節範囲はガスの温度を、抜出された熱流密度が２．５〜６ＭＷ／ ｍ²になるような所定の値に固定することができ、従って鋳造金属合金の組成お よび他の各鋳造パラメータに応じて広く適合させることができる。 ガスの温度は、ほぼ一定の温度、例えば７００℃の高温源で生じるガスと、同 様にほぼ一定の温度、例えば２０℃の低温源で生じるガスとを、所定の体積比で 混合することによって調節するのが好ましい。注入されたガスの全流量は２つの 源からそれぞれ得られるガスの流量の合計である。これらの２つの流量の比によ って注入されたガスの温度を変えることができるが、ほぼ一定の全流量は維持さ れている。実際には、避けられない熱損失を考慮に入れると、上記の２つの源の 温度を用いて、注入されたガスの温度は５０〜６００℃で変えることができる。 特殊な構成では、特に熱損失をできるだけ減らすことができ、ガス混合物はイ ンゴット鋳型の壁および／またはホットトップ部材内に設置される混合室で作ら れて注入されたガスの温度は高温源および低温源からそれぞれ送り出され、上記 混合室に導入されるガスの流量を調節することによって調節される。 別の実施例では、注入されたガスは混合物を形成する少なくとも２種類のガス 、例えばアルゴンとヘリウムとの混合物であり、この混合物の熱膨張能は上記成 分ガスの相対比率を調節することによって調節される。この実施例では、この混 合物の成分ガスは異なる物理的特性、特に異なる密度を有し、これらの相対比率 に応じて、この混合物の密度を調節するのに用いられる。注入されたガスと鋼の 温度差が、気泡が溶融金属と接触したときのこの気泡の体積の膨張に与える影響 による上述の効果と同様に、注入されたガスの異なる物理的特性、例えば温度拡 散率および、特に密度は、注入されたガスの温度と溶融鋼の温度との所定の差の ために、上記ガスの気泡の膨張に影響を及ぼす。アルゴンとヘリウムとの混合物 に関しては、ヘリウムの密度がアルゴンの密度の約１０倍低いことが理解できよ う。その結果、これら２種類のガスの気泡の温度上昇を同じにした場合、これら の体積の膨張は極めて異なる。従って、ほぼ同じ温度で注入されたこれらガスの 混合物の気泡の膨張の効果は、この混合物におけるこれらガスの比率に応じて変 化し、従ってインゴット鋳型の冷却壁によって鋳造鋼から抜出される熱流の強度 を調節するにはこの比率を調節するだけで十分であることは理解できよう。 本発明の対象はさらに、断熱性材料で作られたホットトップ部材を上部に有す る冷却された金属壁によって形成された壁を有するインゴット鋳型と、加圧下ガ スをジェット流の形で上記インゴット鋳型に注入するための上記インゴット鋳型 に通じる注入孔とを有し、この加圧下ガスがホットトップ部材の高さで少なくと も上記ホットトップ部材と上記金属壁との間の境界面で、インゴット鋳型の周縁 部にわたって分配される金属連続鋳造設備において、 上記孔に連結された上記ガスの供給手段を有し、注入されたガスの熱膨張能が 調節可能であることを特徴とする設備にある。 上記ガス供給手段は注入されたガスの温度制御手段、または注入されたガスを 形成するガス混合物の少なくとも２種類の成分ガスの相対比率を制御するための 手段を有することができる。 注入されたガスの温度または注入されたガス混合物を形成するガスの比率を容 易に調節可能にするために、鋳造設備は上記孔にそれ自体が連結されている混合 室に連結された２つのガス源と、上記ガス源からそれぞれ送り出されて混合室に 導入されるガスの流量を調節するための手段とを有するのが好ましい。 １つの構成では、混合室はインゴット鋳型の外側に設置され、インゴット鋳型 の壁に形成された分配導管に連結されている。 別の構成では、混合室はインゴット鋳型の壁内に設置されている。この場合、 特に注入されたガスの温度を調節するのに適しており、この混合室は特に、ホッ トトップ部材に形成され高温ガス源に連結された第１分配室と、金属壁に形成さ れ低温ガス源に連結された第２分配室とで構成される。 設計を容易にするために、混合室または分配導管は冷却された金属壁内に全体 を設置することもできる。この場合は、ガスが上記混合室または上記導管を通る ときに、ガスの冷却を最小限に抑えるために、混合室の壁は断熱性材料で被覆す ることができる。 本発明の他の特徴および利点は、本発明のホットトップ垂直連続鋼鋳造設備の ２つの実施例を示す以下の説明からより良く理解できよう。 添付図面を参照する： 図１は第１実施例を概念的に示すインゴット鋳型の上側部分の縦方向部分断面 図。 図２は第２実施例を示す図。 図１に示すインゴット鋳型の壁１は断熱性の断熱材料で作られたホットトップ 部材３を上部に有する銅または銅合金で作られる金属壁２で構成される。上記金 属壁２は図１の概念図で示される導管４内の内部循環水によって強制冷却される 。上記ホットトップ部材３は極めて絶縁性のある断熱材料で作られた、高さが例 えば２００ｍｍの上側部分５と、上側部分５に比べて絶縁性は場合によっては劣 るが強度が勝っている断熱材料、例えば、厚さが例えば２０ｍｍのSiAlONとよば れる材料で作られた下側部分６とで構成されている。 インゴット鋳型の壁１は鋳造物のための通路を規定し、この通路には上記ホッ トトップ部材３の高さに位置する開口部９を有するノズル８によって溶融鋼７が 一般に供給される。 上記インゴット鋳型にはさらに、上記壁１の内側表面に通じるガス注入孔が上 記ホットトップ部材３と上記金属壁２との間の境界面に、好ましくは上記インゴ ット鋳型の周縁部にわたって連続的なスリットの形で設けられ、周縁部仝体の周 りにおけるガスの均一な注入を保証している。 この狭いスリット１０は高さが約１０分の数ｍｍ、例えば０．２ｍｍであり、 これはホットトップ部材の下側部分６と金属壁２との間に挿入され外側の壁に設 けられたスペーサー１１によって決定される。上記スリット１０は上記インゴッ ト鋳型の周縁部全体にわたって上記インゴット鋳型の壁の内側表面に通じている 。 分配導管１２は、金属壁２の上側面に形成された溝の形で上記金属壁２に形成 され、上記インゴット鋳型の周縁部全体にわたってスリット１０と連通している 。 この鋳造設備はさらに、それ自体公知な加熱手段によって約７００℃に加熱さ れた不活性ガス、例えばアルゴンの高温源１３および周囲温度、例えば２０℃に 保持された同じガスの低温源１４を有する。これら２つのガス源は調節バルブ１ ５，１６を備えたパイプ(conduit)によって混合室１７に連結され、この混合室 １７はそれ自体分配導管１２に連結されている。 鋳造中、混合室１７で生じる加圧下ガスは導管１２に分配され、スリット１０ によってインゴット鋳型に注入される。こうして注入されたガスの温度は各源で それぞれ生じるガスの流量の比に作用することにより、バルブ１５および１６に よって調節することができる。 分配導管１２は断熱材料で作られたホットトップ部材３に形成することもでき 、これは高温、約８００℃の上記ホットトップ部材により生じるガスの熱損失を 制限するという利点を有する。しかし、金属壁２内の分配導管を加工する方が容 易であり、この場合、わずか約１００℃の温度の上記壁の金属に接触したガスの 冷却を制限するために、上記導管の壁は絶縁材料、例えばジルコニアまたは窒化 ホウ素で被覆することができる。 図２に示す実施例では、金属壁２に形成された溝１２に加えて、第２の溝２２ がホットトップ部材の下側部分６に溝１２と向かい合わせに形成され、スリット １０と連通している。高温ガス源１３はバルブ１５によってこの溝２２に連結さ れ、低温ガス源１４はバルブ１６によって溝１２に連結されている。これら２つ の溝によって規定される容積（空間）は分配室と、上記インゴット鋳型の壁１内 に全体が設置された混合室の双方を含む。 上記実施例は単なる例であって本発明はこれに限定されるものではなく、注入 されたガスの温度は、高温ガスと低温ガスとを混合する上記手段以外の手段によ って調節することができる。 比率の調節されたアルゴンとヘリウムとの混合物を用いる場合は、図１に示す ような設備は、例えば高温源１３と低温源１４の代わりにそれぞれ、アルゴン源 とヘリウム源を使用することによって使用することができ、この場合、調節バル ブ１５および１６はチャンバー１７で混合されたこれら２種類のガスの流量をそ れぞれ調節することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 アスコメタル ソシエテ アノニム フランス国 92800 ピュトー ラ デフ ァンス ７ クール バルミー 11／13 イムーブル“ラ パシフィク”（番地な し) (71)出願人 ソシエテ アノニム デ フォルジュ エ アシエリー ドゥ ディラン（ソシエテ アノニム) ドイツ連邦共和国 66748 ディリンゲン サッレ（番地なし) (72)発明者 ジョリヴェ，ジャン―マルク フランス国 57310 ルランジュ―レ―テ ィオンヴィル ルゥト ドゥ メツェレシ ュ 14 (72)発明者 ペラン，エリック フランス国 57000 メッツ リュ ドゥ コートロスケ １ビス (72)発明者 サラリス，コジモ フランス国 57158 モンティニ―レ―メ ッツ リュ エルクマン―シャトリアン ４ (72)発明者 スピケル，ジャック フランス国 57158 モンティニ―レ―メ ッツ リュ サン―ポール 19 (72)発明者 ヴェセルダンジェ，エドワール フランス国 57120 ロンバ リュ ドゥ ギスボンヌ 45 (72)発明者 ブルティ，マルク フランス国 57420 マリュール リュ ドュ スタド ３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．断熱性材料で作られたホットトップ部材（３）を上部に有する強制冷却され た金属壁（２）を有するインゴット鋳型が用いられ、鋳造中は、インゴット鋳型 内に含まれる溶融金属（７）の自由表面が上記ホットトップ部材の高さに維持さ れ、加圧下ガスが上記ホットトップ部材の高さで少なくともこのホットトップ部 材と上記金属壁との間の境界面で、インゴット鋳型の周縁部全体にわたって注入 される金属連続鋳造方法において、 上記の注入されたガスが、調節可能な熱膨張能を有するガスまたはガス混合物 であり、鋳造金属合金の凝固開始領域において上記金属合金から抜出される熱流 の密度は、上記金属合金の組成および鋳造条件に従って調節されることを特徴と する方法。 ２．上記ガスの熱膨張能が、抜出された熱流密度が２．５〜６ＭＷ／ｍ²になる ように決定される請求項１に記載の方法。 ３．注入されたガスの熱膨張能を調節するために、上記ガスの温度を調節する請 求項１または２に記載の方法。 ４．注入されたガスの温度が５０〜６００°で調節可能である請求項３に記載の 方法。 ５．ガスが不活性ガス、例えばアルゴンである請求項３に記載の方法。 ６．注入されたガスが、少なくとも２種類の混合物成分ガスの混合物であり、こ の混合物の熱膨張能は上記成分ガスの相対比率を調節することによって調節され る請求項１または２に記載の方法。 ７．注入されたガスがアルゴンとヘリウムとの混合物である請求項６に記載の方 法。 ８．注入されたガスの熱膨張能が、２つの源（１３，１４）で生じるガスを所定 の体積比で混合することによって調節される請求項１に記載の方法。 ９．ガス混合物がインゴット鋳型の壁（１）および／またはホットトツプ部材 （３）内に設置される混合室（１２，２２）で作られ、注入されたガスの温度は ほぼ一定の温度の高温源（１３）および同様にほぼ一定の温度の低温源（１４） でそれぞれ生じるガスの流量を調節することによって調節されることを特徴とす る請求項３と組み合わされた請求項８に記載の方法。 １０．断熱性材料で作られたホットトップ部材（３）を上部に有する冷却された 金属壁（２）によって形成された壁を有するインゴット鋳型と、加圧下ガスをジ ェット流の形で上記インゴット鋳型に注入するための上記インゴット鋳型に通じ る注入孔（１０）とを有し、この加圧下ガスがホットトップ部材の高さで少なく とも上記ホットトップ部材と上記金属壁との間の境界面で、インゴット鋳型の周 縁部にわたって分配されるる金属連続鋳造設備において、 上記孔に連結された上記ガスの供給手段（１３〜１７）を有し、注入されたガ スの熱膨張能が調節可能であることを特徴とする設備。 １１．上記ガス供給手段が、注入されたガスの温度を調節するための手段を有す る請求項１０に記載の設備。 １２．上記ガス供給手段が、注入されたガスを形成するガス混合物の少なくとも ２種類の成分ガスの相対比率を調節するための手段を有する請求項１１に記載の 設備。 １３．上記ガス供給手段が、上記孔にそれ自体が連結されている混合室（１７； １２，２２）に連結された２つのガス源（１３および１４）と、上記ガス源から それぞれ送り出され、混合室に導入されるガスの流量を調節するための手段（１ ５，１６）とを有する請求項１０に記載の設備。 １４．混合室（１７）がインゴット鋳型の外側に設置され、インゴット鋳型の壁 （１）に形成された分配導管（１２）に連結されている請求項１３に記載の設備 。 １５．混合室（１２，２２）がインゴット鋳型の壁（１）内に設置されている請 求項１３に記載の設備。 １６．混合室が、ホットトップ部材（３）に形成され高温ガス源（１３）に連結 された第１分配室（２２）と、金属壁（２）に形成され低温ガス源（１４）に連 結された第２分配室（１２）とで構成される請求項１５に記載の設備。 １７．上記混合室（１２）の壁が断熱性材料で被覆される請求項１５に記載の設 備。