JP2004195526A - マグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳型内の均一な冷却および凝固シェル厚みを確保し、割れや凹凸のない良好な品質の鋳片が得られるマグネシウム合金の連続鋳造方法の提供。
【解決手段】マグネシウム合金溶湯を連続鋳造する方法であって、メニスカス近傍の鋳型３の幅方向に発熱体４および温度測定装置５を配置し、鋳型温度の測定置に基いて発熱体の発熱量を調整し、メニスカス近傍のマグネシウム合金溶湯８の温度を該合金の融点以上に制御するマグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法。マグネシウム合金溶湯の温度を融点以上に制御する方法は、メニスカス近傍の鋳型内表面の温度を前記合金の融点以上に制御することにより行うことが好ましい。また、本連続鋳造方法は、鋳型厚みと鋳型幅の比が１／１０以下である鋳型を用いる場合に、効果が大きい。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法に関し、さらに詳しくは、鋳型内のマグネシウム合金溶湯の温度を制御することにより表面性状の優れた鋳片を製造する連続鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融金属を浸漬ノズルを用いて連続鋳造鋳型内に注湯して鋳片を鋳造する場合に、鋳型内の全体にわたって均一温度となるように溶湯を供給することは困難である。なぜなら、鋳型の表面温度に影響をおよぼすメニスカス近傍の溶湯温度が鋳型内の幅方向で大きく相違するからであり、その理由は、浸漬ノズルから供給される溶湯が鋳型内壁に衝突する領域では溶湯温度が高温となるのに対して、この領域から離れた領域では溶湯温度が比較的低温となり、場合によっては、凝固が開始して鋳型の幅方向に均一な溶湯の供給が困難となるからである。この現象は鋳型の断面形状が偏平となるほど著しい。
【０００３】
また、溶湯あるいは凝固シェルから鋳型への熱流束は、溶湯と凝固シェルとの界面および溶湯あるいは凝固シェルと鋳型間の熱伝達係数の大きさに依存して変化する。この熱伝達係数は、溶湯の流速により変化し、溶湯の流速の大きいほど大きくなる。鋳型内の溶湯の流速は場所によって相違しているので、鋳型への熱流束も場所により相違し、凝固シェルの抜熱速度も位置により変化する。したがって、鋳型の幅方向により凝固シェルの温度および厚みに差異が生じ、凝固シェル内に熱応力が発生して鋳片に割れや凹凸形状が発生する。
【０００４】
これらの対策として、メニスカス直下の冷却能を低下させて比較的高めのメニスカス温度を確保する方法として、鋳型表面に熱伝導率の小さいセラミック層を設ける方法や、鋳型内に冷却体および発熱体を設置して温度制御を行う方法が開示されている。
【０００５】
特許文献１には、連続鋳造用鋳型の上部にセラミックを張り付けた鋳型を用いて、鋳造速度が大きい場合には溶鋼の湯面レベルをセラミックスのない銅板面の位置とし、鋳造速度が低下した場合には溶鋼の湯面レベルをセラミックス面に位置させて連続鋳造する抜熱量可変鋳型を用いた連続鋳造方法が開示されている。
【０００６】
しかしながら、例えばマグネシウム合金溶湯の鋳造の場合などでは、溶融マグネシウム合金とセラミックスの反応性が高いためにセラミックスの溶損が激しい。また、熱伝導率が小さい金属層を設けた場合には、鋳型潤滑材を用いない非鉄金属の連続鋳造鋳型においては、ベースとなる鋳型材質との熱膨張率の違いから金属層と鋳型との間に空隙が生じて剥離が発生する。さらに、鋳型表面にスリットやディンプルを施して凝固シェルと鋳型の間に空気層を設ければ、見かけの熱伝達係数を小さくすることができ、緩冷却化することは可能であるが、マグネシウム合金の場合には、鋳型との溶湯の濡れ性が良いことや、溶融状態のマグネシウム合金が空隙に存在する空気層と接触して溶融マグネシウム合金から着火性の極めて高い蒸気が発生するなどして、操業自体が不可能となる場合もある。
【０００７】
以上のとおり、マグネシウム合金溶湯の鋳造においては、少なくとも鋳型の内表面は滑らかで均質な材質とすることが不可欠であることがわかる。しかし、これらの方法では、依然として鋳造条件の変化に対応して冷却能を任意に変えることは不可能である。
また、特許文献２には、鋳型の長辺側銅板内のメニスカス相当位置近傍に複数個の冷却体と発熱体を設置した連続鋳造用鋳型、およびそれを用いて鋳型内部に向かう熱流束の鋳型幅方向の差に基き、冷却体および発熱体の温度制御を行う連続鋳造方法が開示されている。
【０００８】
しかしながら、マグネシウム合金溶湯のように溶鋼に比べて単位体積当たりの比熱が小さく、また、極めて反応性の高い金属を断面の小さい鋳片を連続鋳造する場合には、単に保温や熱流束の制御のみでは、メニスカス近傍の溶湯を、必ずしも融点以上の温度に維持することができず、温度調整は非常に不安定となり、大きな温度変動をともなって、凝固する場合がしばしば発生し、表面性状の優れた鋳片を得ることが困難となるのが実情であった。
【特許文献１】
特開平６―２９２９４７号公報（特許請求の範囲、段落［０００６］）
【特許文献２】
特開平１１−１０４７８７号公報（特許請求の範囲、段落［００１７］〜［００２０］）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、浸漬ノズルを用いたマグネシウム合金溶湯の連続鋳造において、メニスカス近傍における溶湯の鋳型幅方向の温度分布を合金溶湯の融点以上に制御し、溶湯流速に不均一な分布を有する鋳型内においても均一な冷却条件および凝固シェル厚みを確保して、品質の安定した優れた鋳片の得られる連続鋳造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の課題を解決するために、前記した従来の問題点を踏まえてマグネシウム合金溶湯の連続鋳造について検討を加えた結果、鋳型に発熱体を設置して鋳型内表面の温度を調整することにより、鋳型幅方向のメニスカス近傍の溶湯温度を前記合金の融点以上とすることが効果的であることを見出した。
【００１１】
さらに、鋳造速度、浸漬ノズルの形状などの鋳造条件に応じて鋳型の抜熱能を鋳型幅方向の位置ごとに調整することにより、溶湯あるいは凝固シェルの冷却条件を均一化することが可能であるとの知見を得た。
【００１２】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（３）に示すマグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法にある。
【００１３】
（１）マグネシウム合金溶湯を連続鋳造する方法であって、メニスカス近傍の鋳型幅方向に発熱体および温度測定装置を配置し、該温度測定装置による鋳型温度の測定値に基いて発熱体の発熱量を調整し、メニスカス近傍のマグネシウム合金溶湯の温度を該合金の融点以上に制御するマグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法。
（２）前記（１）のマグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法において、メニスカス近傍のマグネシウム合金溶湯の温度を融点以上に制御する方法は、メニスカス近傍の鋳型内表面の温度を前記合金の融点以上に制御することにより行うことが好ましい。
【００１４】
（３）前記（１）または（２）に記載のマグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法は、鋳型厚みと鋳型幅の比が１／１０以下である鋳型を用いる場合に、効果が大きい。
【００１５】
本発明において、「メニスカス近傍」とは、溶湯のメニスカスの上下１００ｍｍ以内の領域を意味する。
また、「マグネシウム合金」とは、純マグネシウム金属はもちろんのこと、マグネシウム金属に、例えばＡｌ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｍｎなどの合金元素を添加して溶製されたマグネシウム合金を含む。
【００１６】
【発明の実施の形態】
連続鋳造鋳型内に浸漬ノズルを用いてマグネシウム合金溶湯を給湯する場合、浸漬ノズルからの吐出流が直接当たる鋳型内壁近傍では、溶湯温度は高く保持されるのに対して、この領域から離れるにつれて鋳型による冷却により溶湯温度は低下し、溶湯温度がその固相線温度よりも低下すると、溶湯が凝固し、溶湯の供給は困難となる。このように、鋳造操業におよぼす鋳型内溶湯温度の不均一分布による影響は、とくに鋳型厚みと鋳型幅との比が１／１０以下の断面形状を有する鋳型の場合に著しい。
上記のような鋳型内溶湯温度の不均一による影響を未然に防止するためには、鋳型幅方向全域において、メニスカス近傍の溶湯温度をその融点以上とする必要がある。
【００１７】
浸漬ノズルから供給される溶湯の流速および連続鋳造鋳型内における流速分布は、鋳造速度に依存して変化する。同一の浸漬ノズルを用いた場合、鋳造速度の大きいほど浸漬ノズルからの吐出流速は大きくなり、また、鋳型の短辺近傍に流速の大きな溶湯が達する。流速の大きい場合には、溶湯と鋳型との間の熱伝達係数も大きくなることから、鋳型短辺近傍における冷却能は大きくなる。これに対して、鋳造速度が小さい場合は、浸漬ノズルからの吐出流速は小さくなり、鋳型短辺近傍の溶湯流速も小さくなるため、鋳型短辺近傍における冷却能も低くなる。
【００１８】
このように、浸漬ノズルを用いて鋳型内へ溶湯を供給する場合には、鋳型による冷却能に差異が生じ、また、さらに鋳型内の位置によっても偏差が生じることは避けられない。
【００１９】
熱的定常状態においては、溶湯と凝固シェルとの間、凝固シェル内、凝固シェルと鋳型との間、および鋳型本体内における熱流束の値は等しい。鋳型本体内における熱流束は、鋳型の熱伝導率と鋳型本体内における温度勾配との積により表すことができるので、鋳型本体内の温度勾配を変化させることにより、鋳型本体内の熱流束を変化させ、凝固シェルと鋳型との間、さらには凝固シェル内などの熱流束を変化させることができる。つまり、このようにして、鋳型の冷却能を変化させることができる。
【００２０】
本発明の連続鋳造方法は、連続鋳造鋳型に複数の発熱体を設置して少なくとも鋳型幅方向の位置により発熱体の発熱量を変化させて鋳型幅方向の鋳型内表面の温度を調整することにより、鋳型内幅方向のメニスカス近傍の溶湯温度をその融点以上に制御する方法である。
【００２１】
【実施例】
本発明の効果を確認するため、連続鋳造装置を用いてマグネシウム合金溶湯の鋳造試験を行った。
【００２２】
図１は、本発明のマグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法を模式的に示す図である。
【００２３】
また、試験条件は下記に示すとおりである。
〔試験条件〕
1)マグネシウム合金：Ｍｇ−３％Ａｌ−１％Ｚｎ−０．０１％Ｓｉ−０．００５％Ｍｎ（融点：６３２℃）、
2)注湯温度：７５０℃、
3)雰囲気：大気雰囲気、
4)鋳型サイズ：幅７００ｍｍ×厚さ３０ｍｍ×高さ２００ｍｍ、
5)鋳型材質：ＳＵＳ３０４、
6)鋳型の加熱方法：発熱体（シースヒータ）による加熱、
7)発熱体の設置領域：メニスカス直下から下方へ１００ｍｍまでの範囲内。
【００２４】
鋳型幅方向に領域を３等分割し、温度測定装置（熱電対）による測温値に基いて発熱体の発熱量を各領域毎に独立に制御。
8)発熱体の出力：最大１０ＫＷ、
9)浸漬ノズルの形状：水平２孔、吐出口直径１０ｍｍ、
10)浸漬ノズルのサイズ：外径２０ｍｍ、肉厚２ｍｍ、
11)鋳片引き抜き速度：０．３ｍ／ｍｉｎ、
12)鋳片引き抜き条件：間欠式。
【００２５】
タンディッシュ１内のマグネシウム合金溶湯８を、浸漬ノズル２を介して連続鋳造鋳型３内に供給した。鋳型本体内発熱体としてシースヒータ４が設置されており、また、温度制御用の温度測定装置として熱電対５が設置されている。熱電対による温度測定結果を温度制御装置６に入力し、それらの温度測定結果に基づいて、シースヒータに供給する電力を制御することにより、鋳型内表面の温度を目標温度に制御した。マグネシウム合金溶湯は、鋳型内表面との接触部分から次第に凝固シェルを生成し、鋳型下方に引き抜かれてマグネシウム合金鋳片９を形成した。
温度測定装置である熱電対先端（計測端）の鋳型内表面からの位置は、２〜１０ｍｍとするのが好ましい。２ｍｍ未満では、鋳型内表面を研削、手入れすることができず、寿命が短くなり、また、１０ｍｍを超えると、例えば溶湯の温度変化に対する熱電対の応答時間が長くなり、制御性が悪くなるからである。
また、熱電対先端位置を鋳型内表面からの距離を違えて、鋳型本体内に少なくとも２箇所以上設置すれば、鋳型本体内における温度勾配を測定できるから、鋳型本体の熱伝導率を乗じることにより熱流束を求めることができる。この場合の熱電対先端の設置位置は、鋳型本体内の厚さ方向に相互に２〜５ｍｍ程度の差を持たせるのが好ましい。温度勾配を精度良く把握できるからである。
【００２６】
鋳型内表面温度は、下記のようにして求めることができる。
【００２７】
鋳型内表面から一定の距離における鋳型本体内温度のみが測定されている場合は、鋳型本体内における厚さ方向の伝熱計算結果と前記測温結果とを組合わせることにより鋳型内表面温度を推定することができる。
また、鋳型内本体の厚さ方向に２箇所以上の温度が測定されている場合は、測定された温度分布を鋳型内表面まで外挿することにより、鋳型内表面の温度を推定することができる。鋳型内表面まで温度分布を外挿する際に、温度測定が２箇所の場合には直線近似により、また３箇所以上測定されている場合には２次式などの曲線近似により、外挿すればよい。
【００２８】
本発明例の試験では、鋳型幅方向に領域を３分割し、熱電対による温度測定結果に基いて発熱体の発熱量を各領域毎に独立に制御した。
【００２９】
図３は、鋳型本体内の発熱領域を鋳型幅方向に３分割した場合の、鋳型本体内における発熱体および温度測定装置の設置状況を示す図である。同図に示される３つの領域における発熱体の発熱量を制御することにより、鋳型幅方向の各位置における鋳型内表面温度が６５０℃で一定となるように調整した。
なお、鋳型幅方向の領域の分割は、３分割に限る必要はなく、鋳型サイズおよび目標とする制御精度に応じて決定すればよい。
比較例の試験では、上記のような鋳型内表面温度の制御は行わずに鋳造試験を行った。
【００３０】
図２は、比較試験の連続鋳造方法を模式的に示す図である。タンディッシュ１内のマグネシウム合金溶湯８は、浸漬ノズル２により連続鋳造鋳型３内に供給され、凝固シェル７を生成しながら鋳型下方に引き抜かれてマグネシウム合金鋳片９を形成した。
【００３１】
試験結果を表１にまとめて示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
同表において、試験番号１〜５は、本発明例の試験であり、試験番号６は、比較例についての試験である。
【００３４】
熱流束の値は、図３に示される鋳型幅方向の３つの領域、すなわちＬ領域、Ｃ領域およびＲ領域に区分し、Ｃ領域における熱流束を基準（１．０）として、熱流束比により表示した。
【００３５】
また、鋳造試験により得られた鋳片の表面割れについては、割れの有無を目視により観察し、長さが３ｍｍ以上の割れにつきその長さを測定し、比較例の試験番号６の結果を基準（１．０）として指数化した。凹凸形状については、レーザー距離計を用いて１ｍｍ以上の凹凸がある場合につき測定し、割れの場合と同様に試験番号６を基準として指数化した。
【００３６】
Ｌ領域、Ｃ領域およびＲ領域における熱流束が全て等しい試験番号１では、表面割れおよび凹凸形状が全く発生しない極めて良好な鋳片が得られた。また、鋳型幅方向の中央領域（Ｃ領域）に比べてＬ領域およびＲ領域の熱流束を高く制御した試験番号２および３、ならびにＣ領域に比べてＬ領域およびＲ領域の熱流束を低く制御した試験番号４および５では、わずかに表面割れおよび凹凸形状が発生したものの、容易に修復可能な軽微なものであり、製品歩留りにも全く影響を及ぼさなかった。
【００３７】
これに対して、試験番号６では、鋳片に大きな割れおよび凹凸形状が発生したため、鋳片の表層を切削して修復する必要が生じた。このため、製品歩留りが大幅に低下するとともに、切削費および切削工数も発生した。
【００３８】
なお、上記の説明では、発熱体および温度測定装置を鋳型幅方向に設置した例について記したが、必要に応じてさらに鋳型の高さ方向にも設置して温度制御すれば、一層精度の高い合金溶湯の温度制御が可能となる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の連続鋳造方法によれば、メニスカス近傍におけるマグネシウム合金溶湯の温度を合金の融点以上に制御し、溶湯流速に不均一な分布を有する鋳型内においても均一な冷却条件および凝固シェル厚みを確保して、表面割れおよび凹凸形状のない良好な品質の鋳片を得ることができるので、本発明の方法は、当技術分野の発展に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法を模式的に示す図である。
【図２】比較試験のマグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法を模式的に示す図である。
【図３】鋳型本体内における発熱体および温度測定装置の設置位置を示す図である。
【符号の説明】
１：タンディッシュ、
２：浸漬ノズル、
３：連続鋳造鋳型、
４：発熱体（シースヒータ）、
５：温度測定装置（熱電対）、
６：温度制御装置、
７：凝固シェル、
８：マグネシウム合金溶湯、
９：マグネシウム合金鋳片。

Claims (3)

1. マグネシウム合金溶湯を連続鋳造する方法であって、メニスカス近傍の鋳型幅方向に発熱体および温度測定装置を配置し、該温度測定装置による鋳型温度の測定値に基いて発熱体の発熱量を調整し、メニスカス近傍のマグネシウム合金溶湯の温度を該合金の融点以上に制御することを特徴とするマグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法。
2. マグネシウム合金溶湯を連続鋳造する方法であって、メニスカス近傍の鋳型幅方向に発熱体および温度測定装置を配置し、該温度測定装置による鋳型温度の測定値に基いて発熱体の発熱量を調整し、メニスカス近傍の鋳型内表面の温度を前記合金の融点以上に制御することを特徴とするマグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法。
3. 鋳型厚みと鋳型幅の比が１／１０以下である鋳型を用いることを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム合金溶湯の連続鋳造方法。

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