JP2005095920A - 注湯用鋳型および鋳塊製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 普通鋳鉄やダクタイル鋳鉄からなる鋳型において繰り返し使用によって変質や劣化が起きて十分な鋳型寿命が得られない問題を解決する。
【解決手段】 普通鋳鉄やダクタイル鋳鉄鋳型に変わって鋼製鋳型の使用を可能にする。熱サイクルによる変質や劣化が起きる黒鉛を含まない鋼を用いることによって鋳型の寿命が改善でき、大幅な鋳型費の削減が可能となる。鋳鉄と比較して低下する熱伝導性を鋳型の肉厚を適正化することや鋳鉄内面の平滑性を向上させることにより改善する。すなわち、鋳型肉厚と鋳塊の横断面における最大幅の半分との比を０．５以上とする。少なくとも溶湯と接触する鋳型内面に表面粗さパラメータで２５Ｒａ以下の平滑性を持たせる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、鉄鋼などの溶融体を鋳造するときに用いられる注湯用鋳型および鋳塊製造方法に関するものである。

従来、鉄鋼のように比較的融点の高い金属を注湯する鋳型には鋳鉄が用いられているが、その主な理由は鋳鉄の材料費が比較的安価であり、また、黒鉛を内在させることにより熱伝導性の向上と熱変形量の低減が可能なためである。しかし、鉄鋼のような高融点の金属を鋳造する場合、前述した利点は同時に欠点ともなる。すなわち、黒鉛が存在することで材料自体の強度と靱性が元々低い上に繰り返し融点近くまでの加熱を受けることで黒鉛が変質して鋳型を加速的に脆弱化させ鋳型寿命を短くする。

そのため、特許文献１では、高炉より出銑される製鋼用溶鉄を脱硫処理し硫黄含有量を０．０１％以下として鋳型および台座に鋳造することで鋳型等の黒鉛形状を微細化させマトリックスを強化して鋳型等の寿命延長を図る方法が提案されている。また、特許文献２では、健全な鋼塊を製造する目的で鋳型の一部に耐火物を使用するものが提案されている。
特開昭５３−９９０３２号公報 特開昭５７−２５２７８号公報

上記のように、従来の鉄鋼用鋳型や定盤、あるいはその付属品には普通鋳鉄やダクタイル鋳鉄が用いられているが高温での繰り返し使用により鋳鉄内の黒鉛が変形や脱炭を起こし、鋳型内表面の亀甲割れやふくれを発生させる。そのため、過酷な熱サイクルを受ける鉄鋼用の鋳型は数十回から百回程度の使用回数で廃棄しなければならず、鋼塊の製造単価を押し上げる原因となっている。
鋳型の使用回数に影響するのは鋳型肉厚を貫通するような大きな割れと溶融金属と接触する内面に発生する亀甲状の割れやふくれ、溶損が主なものであるが、融点が高い鉄鋼の場合はこれらがより顕著に生じ、また、鋳型の内面庇は鋼塊の表面に転写されやすく鋼塊の表面欠陥となって割れ庇の原因ともなるため、その平滑性の維持は極めて重要である。そのため、鋼塊が大型になると鋳型寿命は著しく短くなる。

そのため、鋳型寿命の延長策として、内面溶損部、亀甲割れやふくれ部をチッピングあるいはグラインダーで削りとって除去したり、あるいは割れに対してはパッチ当てやボルトの埋め込み後溶接を行うなどの鋳型補修が広く行われている。しかし、これらの鋳型手入れの実施は結局鋳型維持費として鋼塊原価に影響する上、繰り返し補修により鋳型内面の形状が変化したり、鋳型肉厚の減少により冷却能が低下し鋳型としての能力を失う結果となる。一方、鋳型材質もその寿命に影響するが、多く用いられている普通鋳鉄製ではその成分をＣ＝３．５〜４．０％、Ｓｉ＝１．０〜２．０％、Ｍｎ＝０．３〜１．１％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％の範囲としている場合が多い。その中で鋳型寿命を延ばす方法として、大型の鋳型では初期割れ防止のためＣやＳｉをやや高目にし、小型では耐肌荒れ性を持たせるため、Ｃ、Ｓｉを低目にするなどの工夫がされている。しかし、このような鋳型材成分の変更によっても大幅な寿命延長は困難である。

また、ダクタイル鋳鉄も鋳型材として使用され、亀甲割れやふくれに対しての抵抗力がありその上鋳型の薄肉化が可能なため鋳型消費量を低減する効果があるが、普通鋳鉄に比較して変形が大きく扁平鋳型では型抜きが困難となり、また、鋳型を厚肉とすると黒鉛を球状に保つのが困難となるため、使用が小型の鋳型に限られる欠点がある。
また、前記した特許文献１で示される提案技術では、黒鉛形状の微細化によって問題解決を図っているが、使用に伴う黒鉛の変形や脱炭は避けられず大幅な寿命延長は困難である。また、特許文献２で示される提案技術では、耐火材料の交換に伴う作業負担や材料費コストの増加の問題などがある。

本発明は上記の問題を解決するため、用いられる鋳型材として普通鋳鉄やダクタイル鋳鉄に変わり、熱サイクルによる変質や劣化が起きる黒鉛を含まない鋼を用いる鋳型を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明の注湯用鋳型のうち、請求項１記載の発明は、材質が鋼からなることを特徴とする。

請求項２記載の注湯用鋳型の発明は、請求項１記載の発明において、鋳型の全部で、鋳型肉厚と、該肉厚の鋳型で鋳込まれる鋳塊の横断面における最大幅の半分との比が０．５以上であることを特徴とする。

請求項３記載の注湯用鋳型の発明は、請求項１または２に記載の発明において、少なくとも溶湯と接触する鋳型内面が表面粗さパラメータで２５Ｒａ以下の平滑性を有することを特徴とする。

請求項４記載の注湯用鋳型の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、少なくとも溶湯と接触する鋳型内面に塗膜が形成されていることを特徴とする。

請求項５記載の鋳塊製造方法の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の鉄鋼注湯用鋳型を用いて、注湯温度が１４５０℃以上である溶融金属を鋳造することを特徴とする。

請求項６記載の鋳塊製造方法の発明は、請求項５記載の発明において、鋳型の温度を７００℃以下にして鋳造することを特徴とする。

請求項７記載の鋳塊製造方法の発明は、請求項５または６に記載の発明において、溶融金属にフラックスを添加して鋳型内面と溶融金属との界面に薄膜を形成して鋳造することを特徴とする。

すなわち、本発明によれば、鋳型の材質を鋼とすることにより、鋳鉄と比較して高強度・高靱性であり融点も２５０℃以上高く、また、内部に黒鉛を含まないことから鋳型が受ける過酷な熱サイクルによっても経年劣化しずらく、高温の溶融金属と接触することで生じる溶損に対する抵抗力も優れている。
なお、本発明では、鋳型として使用される鋼材料の化学成分に明確な制限はなく、炭素含有量が２．０質量％以下であるものとして示すことができる（鋳鉄は炭素含有量が２．０質量％を越えるものといえる）。本願発明の鋼は、炭素鋼として低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼のいずれでよく、また、合金鋼として低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼のいずれであってもよい。

なお、鋼を鋳型とした場合、鋳型の必要条件である熱伝導性が鋳鉄より劣る問題があるが、鋳型の肉厚を鋳塊との大きさとの関係で適正化することと鋳型内面の平滑性を向上させることにより鋼の熱伝導を改善することができる。
鋳鉄と鋼の伝熱に関する物性を比較すると、高温域での熱伝導率と比熱は鋼の方が小さく低温域では逆に鋼の熱伝導率が大きくなる。そこで本発明（請求項２、３、６）は、鋼鋳型の温度が鋳鉄よりも抜熱効果が小さくなる７００℃を越えないうちに溶融金属の凝固を完了させることを目的に鋳型の肉厚と鋳型内面の平滑性を工夫している。

熱伝導解析や種々の実験を行った結果、鋳型肉厚と鋼塊半径（鋳塊横断面円形以外では横断面の最大幅の半分）の比を０．５以上とすることで、従来の鋳型肉厚比による鋳鉄鋳型よりも鋼鋳型で凝固時間が早くなることを見出した。このような鋳型の肉厚の調整は、特に鋳型温度が高温となりやすい注湯部周辺の鋳型の肉厚を調整することで鋳型の昇温を効果的に抑制することができる。

また、鋳型内面の平滑性は機械加工などによって２５Ｒａ相当以下とすることで溶融金属との境界で生じる熱抵抗が大幅に減少し、鋼塊から鋼鋳型への熱伝導が促進されることを見出した。なお、上記Ｒａは、表面粗さパラメータの一つである算術平均粗さを示すものであり、数値が小さいほど平滑性が高いことを示している。このパラメータは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に基づいて表現されるものである。平滑性を高める方法としては、鋳型内面の機械加工などが挙げられるが、本発明としては、特定の方法に限定されるものではなく、適宜の手法によって所望の平滑性が得られるものであればよい。

なお、鋳型の熱伝導性を改善する手段としては、鋳型の肉厚増加と同じく、またはこれと併せて、鋳型外面に圧搾空気を吹き付ける等の空冷などの鋳型の強制冷却手段を講じるものであってもよく、これによって鋳型の温度上昇を効果的に防止することができる。

また、上記のように鋳型内面の平滑性を向上させると鋳型と同種の金属を比較的高温で注入するとそのなじみの良さから溶着が生じやすい問題がある。その場合は鋳型内面に予め塗料を塗布するか注湯する際に適量のフラックスを同時に添加しながら鋳造することなどで鋳型界面と溶融金属の間に薄い膜を形成させ、鋳型と溶融金属が広い範囲で直接接するのを防止すれば鋼塊と鋳型は溶着することなく型抜きができる。

上記塗料としては、ほとんどがタール系または石油系のものであるが、黒鉛、糖蜜、ワニスなども例示される。
塗料の塗布は、刷毛およびスプレーなどの方法により行うことができる。塗膜の厚さは本発明としては特に限定されないが、例えば０．３〜１．０ｍｍを示すことができる。また、フラックスの種類としては、ＳｉＯ_２を主成分としてＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏなどを含むものが例示される。フラックスの添加量としては鋼塊重量当たり０．２〜０．５質量％を例示することができる。

本発明の鋼鋳型は使用回数が増えて来ても内面に割れなどの損傷はほとんど見られず、また、鋳型全体の変形も少ないことから鋳鉄鋳型と比較してその寿命が大幅に向上し、結果として鋳型のコストパフォーマンスも満足させることができる。
本発明によれば、鋳型として使用される鋼材料の化学成分には、上記のように明確な制限はないが、強いて挙げれば鋳造される溶融金属の注湯温度と用いる鋼鋳型の融点の差が２５０℃以下であることが望ましい。また、注入される溶融金属の種類も前述の２５０℃以下の条件であれば特に制限は無く、鋳造方法も下注や上注、あるいは真空鋳造のいずれでも良く、鋼塊重量が１ｔｏｎを越える大きさの鋳型を使用する全ての鋳造法にも適用できる。
なお、本発明では、鋳型横断面すなわち鋳塊の横断面形状としては、代表的には円形のものが示されるが、本発明ではこれに限定されず、楕円形、矩形、多角形であってもよく、また、その他の断面形状であっても良い。

以上のように、この発明によれば鋳型材が熱サイクルにより変質・劣化する黒鉛を含まないため、その耐久性を著しく向上させることができる。さらに鋳型内表面に割れなどの発生が少ないことから、特別な鋳型内表面の手入れを実施することなく、溶鋼との接触界面を常に平滑に保つことが可能となり、鋼塊の表面品質が向上するとともにその安定化にも貢献できる。

以下、この発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
図１における鋼製鋳型１１は、この実施形態ではＪＩＳ Ｓ３０Ｃ（融点：１５００℃）で示される鋼によって筒型（上部側ほど大径）に成形されており、その底部側筒壁１１ａが厚肉に形成されている。鋼製鋳型１１の肉厚は、それぞれの肉厚部分に対応する鋳塊の半径に対し、０．５〜０．７倍の範囲内にある。また、該鋳型１１の筒壁内表面１１ｂは、前記した表面粗さＲａで示すと２５Ｒａの平滑面に仕上げられている。

鋼製鋳型１１の上側空間は押湯部１２となる部分であり、該空間を囲む筒壁内面には断熱ボード１３が周回するように固着されている。
上記鋼製鋳型１１は、該鋼製鋳型１１と同材質によって構成された鋼製台盤１４上に設置されており、さらに鋼製台盤１４は、鋳鉄製定盤１５上に設置されている。また、鋳鉄製定盤１５上には、上記鋼製台盤１４および鋼製鋳型１１に隣接してトランペット１６が立設されている。

上記トランペット１６の上端開口部から鋳鉄製定盤１５および鋼製定盤１４、鋼製鋳型１１の底部に亘って煉瓦製湯道１７が設けられており、前記トランペット１６から前記鋼製鋳型１１に対し、溶湯金属を下注ぎ注湯できるように構成されている。
なお、図中２０は、溶融金属を収容する取鍋であり、上記トランペット１５の上方に配置される。

次に、上記鋼製鋳型１１を用いた鋳造方法について説明する。
この実施形態では、鋳造用金属として低炭素鋼が用意されている。該鋳造用金属は、常法により溶解され、上記２０内に収容される。取鍋２０内の溶融金属は、注湯温度が約１５４０℃に設定されており、取鍋２０からトランペット１６に供給される。トランペット１６に供給された溶融金属は、煉瓦製湯道１７を通って鋼製鋳型１１の底部から下注ぎされて鋳型１１内に注湯され、鋼製鋳型１１内に満たされる。鋼製鋳型１１内に注湯された溶融金属は、鋳型１１が７００℃を越える前に速やかに凝固をし、所望の鋳塊が得られる。また、この際に鋳型内面では、繰り返しの使用によっても 割れなどの損傷はほとんど見られない。

なお、上記実施形態では、鋳型内面に対する処理について特に説明してないが、鋳型と同種の金属を鋳造するなどの際に、溶融金属が鋳型内面に溶着する問題がある場合には、鋳型内面に予め塗料を塗布するか注湯する際に適量のフラックスを同時に添加してもよい。

上記実施形態で説明した鋳型を用いて上記鋳造用金属を鋳造する際に、溶融金属注入直後から凝固完了までの温度測定結果として６ｔｏｎ鋼塊を例に図２に示す。なお、比較のため、鋳型に従来の鋳鉄製鋳型を用いる以外は同様の条件で鋳造を行い同様の測定を行い、図２にその結果を示した。図２から明らかなように従来の鋳鉄製鋳型より本発明の鋼製鋳型の方が凝固時間が短くなっている。

また、上記鋼製鋳型と鋳鉄製鋳型とを繰り返し使用し、それぞれの鋳型の使用（鋳造）回数が１３０回に達した時点で、鋳型内面の損傷状況を写真撮影し、その写真を図３に示す。図３から、繰り返し使用に対して本発明の鋼製鋳型の方が鋳鉄製鋳型よりも耐久性が優れているのは明らかであり、本発明の有用性が実証されている。

本発明の一実施形態の鋳型（下注ぎ）を示す図である。 鋳造実験で測定された従来の鋳造製鋳型と本発明の鋼製鋳型を用いた場合の鋼塊内部の冷却曲線を示す図である。 従来の鋳造製鋳型と本発明の鋼製鋳型における１３０回使用後の鋳型内面の表面性状を示す図面代用写真（倍率０．１倍）である。

符号の説明

１１ 鋼製鋳型
１１ａ 鋳型底部側筒壁
１１ｂ 鋳型筒壁内表面
１２ 押湯部
１３ 押湯部の断熱ボード
１４ 鋼製台盤
１５ 鋳鉄製定盤
１６ トランペット
１７ 湯道煉瓦
２０ 取鍋

Claims (7)

1. 材質が鋼からなることを特徴とする注湯用鋳型。
2. 鋳型の全部で、鋳型肉厚と、該肉厚の鋳型で鋳込まれる鋳塊の横断面における最大幅の半分との比が０．５以上であることを特徴とする請求項１記載の注湯用鋳型。
3. 少なくとも溶湯と接触する鋳型内面が表面粗さパラメータで２５Ｒａ以下の平滑性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の注湯用鋳型。
4. 少なくとも溶湯と接触する鋳型内面に塗膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の注湯用鋳型。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の注湯用鋳型を用いて、注湯温度が１４５０℃以上である溶融金属を鋳造することを特徴とする鋳塊製造方法。
6. 鋳型の温度を７００℃以下にして鋳造することを特徴とする請求項５記載の鋳塊製造方法。
7. 溶融金属にフラックスを添加して鋳型内面と溶融金属との界面に薄膜を形成して鋳造することを特徴とする請求項５または６に記載の鋳塊製造方法。