JP2006015361A

JP2006015361A - 鋳造用ノズル

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Publication number: JP2006015361A
Application number: JP2004194845A
Authority: JP
Inventors: Masasada Numano; 正禎沼野; Yoshihiro Nakai; 由弘中井; Toshiya Ikeda; 利哉池田; Mitsuyuki Kobayashi; 光行小林
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: CN100439009C; EP1704947A4; KR20070030169A; AU2005258587A1; US7721786B2; KR101249589B1; US20090000759A1; WO2006003855A1; EP1704947A1; JP4517386B2; DE602005020899D1; US20070095500A1; CA2544143A1; CA2544143C; AU2005258587B2; EP1704947B1; CN1905967A; US7814961B2

Abstract

【課題】表面性状に優れる鋳造材を得るのに最適な鋳造用ノズル、このノズルを用いた鋳造材の製造方法、この方法により得られる良好な表面品質の鋳造材を提供する。
【解決手段】溶解したアルミニウム合金又はマグネシウム合金の溶湯を貯留する湯だめに固定されて、湯だめから連続鋳造用の可動鋳型に溶湯を供給する鋳造用ノズルである。可動鋳型側に配置されるノズルの先端を熱伝導率が0.2W/mK以上の熱伝導性に優れる材料や弾性率が5000MPa以上、引張強さが10MPa以上の高強度、高弾性材料にて形成する。熱伝導性に優れる材料でノズルの先端を形成することで、溶湯の凝固の不均一を低減して表面性状を向上させる。高強度で弾性変形能に優れる材料にてノズルの先端を形成することで、ノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間を小さくする。
【選択図】なし

Description

本発明は、アルミニウム合金又はマグネシウム合金を連続鋳造する際に用いるのに適した鋳造用ノズル、この鋳造用ノズルを用いた鋳造材の製造方法、及びこの鋳造方法により得られる鋳造材に関するものである。特に、表面性状に優れる鋳造材を製造するのに最適な鋳造用ノズルに関するものである。

従来、ロールやベルトなどからなる可動鋳型に溶解させた金属を連続的に供給し、可動鋳型にて供給された金属を冷却して凝固させ、連続的に鋳造材を製造する連続鋳造が知られている。溶解させた金属溶湯は、ノズルを介して可動鋳型に供給される。この鋳造用ノズルとして、例えば、特許文献1〜3に記載されるものがある。特許文献1、2には、可動鋳型に接触する鋳造用ノズルの先端にセラミックファイバからなるフェルト層を設けたノズルが記載されている。特許文献3には、ノズル材料として、アルミナ-黒鉛材が記載されている。

特開昭63-101053号公報特開平5-318040号公報特開平11-5146号公報

連続鋳造に用いられる鋳造用ノズルの形成材料には、耐熱性及び保温性に優れるシリカ(酸化ケイ素(SiO₂))やアルミナ(酸化アルミニウム(Al₂O₃))などのセラミックが用いられている。しかし、セラミックからなるノズルでは、製造する鋳造材の表面性状の更なる改善を図ることが難しい。特に、最近、マグネシウム合金製品に対する適用分野の拡大と共に、要求される品質レベルが高くなってきており、軽量化や耐食性の改善の他、外観品質の向上に対する要求が高まっている。しかし、上記従来のノズルでは、特に、外観品質に関する要求を十分に満たすことが難しい。

そこで、本発明の主目的は、表面品質に優れる鋳造材を得るのに最適な鋳造用ノズルを提供することにある。また、本発明の他の目的は、この鋳造用ノズルを用いた鋳造材の鋳造方法、及びこの製造方法により得られた鋳造材を提供することにある。

本発明者らが検討した結果、鋳造時、素材の幅方向における凝固が不均一となること、及びノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間が大きいことが表面性状を低下させる原因となるとの知見を得た。この知見に基づき、本発明は、ノズルの先端の形成材料を特定することで、表面性状の向上を図る。

具体的には、素材の幅方向において溶湯の凝固を均一的に行うべく、熱伝導性に優れる材料を用いることを提案する。即ち、本発明は、溶解したアルミニウム合金又はマグネシウム合金の溶湯を貯留する湯だめに固定されて、湯だめから連続鋳造用の可動鋳型に溶湯を供給する鋳造用ノズルである。そして、可動鋳型側に配置されるノズルの先端に熱伝導率が0.2W/mK以上の材料からなる良熱伝導層を具える。

耐熱材料であるセラミックからなるノズルでは、連続鋳造する金属の組成によっては、可動鋳型側に配置されるノズルの先端の横断面幅方向において溶湯の温度が不均一となり、素材の横断面幅方向における凝固が不均一となって、縦割れを発生することがある。そのため、得られた鋳造材に切削などの表面処理を施す必要があった。従って、セラミックからなるノズルでは、表面品質に優れた鋳造材が得られる金属組成の範囲が狭く、組成範囲の拡大が望まれていた。

これに対し、注湯口となる少なくともノズルの先端を熱伝導性に優れる材料にて形成されたノズルでは、溶湯に対し、ノズルの横断面幅方向に均一に熱を伝えることができる。そのため、ノズルの先端から可動鋳型に供給される溶湯は、ノズルの横断面幅方向において温度のばらつきが小さいため凝固が均一的になり、縦割れを減少して、表面性状に優れた鋳造材を得ることができる。そこで、本発明は、ノズルの先端に良熱伝導層を具えることを規定する。

また、ノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間を小さくするべく、強度と弾性変形能に優れる材料を用いることを提案する。即ち、本発明は、溶解したアルミニウム合金又はマグネシウム合金の溶湯を貯留する湯だめに固定されて、湯だめから連続鋳造用の可動鋳型に溶湯を供給する鋳造用ノズルである。そして、可動鋳型側に配置されるノズルの先端に弾性率が5000MPa以上、引張強さが10MPa以上の材料からなる高強度弾性層を具える。

特許文献1、2に記載されるセラミックファイバからなるノズルでは、耐熱性に優れる反面、比較的強度が低いため、ノズルの外周縁の先端を可動鋳型に接触させて配置させると、鋳造中に摩耗していき、同先端と可動鋳型間に隙間が生じ、この隙間から溶湯が漏れる、いわゆる湯漏れが生じることがあった。そこで、鋳造前において、ノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間を可能な限り狭くなるように配置していた。しかし、湯漏れを防止するには、鋳造前において、ノズルの外周縁の先端を可動鋳型にできるだけ接触させて配置することが望まれる。

また、特許文献1、2に記載される技術は、可動鋳型として一つのロールからなるものを用いており、このような単ロールタイプの可動鋳型の場合、鋳造時において、鋳造される素材から受ける力によりロールの位置が移動することがない。そのため、鋳造中、鋳造前に固定したノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間が変動することがほとんどない。これに対し、可動鋳型が一対のロールからなる場合、鋳造前においてロール間のギャップ、特に、両ロールが最も近接する際のギャップ(最小ギャップ)が一定の大きさとなるように調整していても、鋳造中、凝固した素材をロール間で圧下する際の反力によって、ロール間のギャップが開くことがある。そのため、鋳造前においてノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間をできる限り小さくなるようにノズルを配置していても、上記反力によりロール間が開いてしまうため、鋳造中、同隙間が大きくなることがある。具体的には、同隙間が0.8mm超となり、湯漏れが発生することがあった。

上記のような事情により、可動鋳型として、特に、一対のロールからなるものを利用する場合、従来は、ノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間から湯漏れを防止するべく、鋳造速度を一定速度以上に速くしたり、メニスカス(ノズルの先端から流出した溶湯が可動鋳型に最初に接触する部分までの領域に形成される溶湯面)が大きくなるように溶湯の流量を調整していた。しかし、鋳造速度を速めることで縦割れが生じ易くなったり、メニスカスを大きくすることでリップルマークが大きくなる傾向にあり、表面品質を低下させる原因となっていた。

これに対し、注湯口となる少なくともノズルの先端を強度に優れる材料にて形成したノズルでは、鋳造前においてノズルの先端を可動鋳型に接触させて配置させても、鋳造中、摩耗しにくい。かつ、注湯口となる少なくともノズルの先端を弾性変形能に優れる材料にて形成したノズルでは、鋳造前においてノズルの先端を可動鋳型に押し付けて配置させた際、弾性変形領域内で変形して可動鋳型に密着させて配置させることができる。また、鋳造中、ロール間のギャップが広がるなどの可動鋳型が動いても、その移動に追従することができ、長時間に亘り鋳造前に配置した状態を維持することができる。これらのことから、高強度で弾性変形能に優れる材料にて形成されたノズルでは、鋳造前においてノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間がより小さくなるように配置することができる、特に、同先端を可動鋳型に接触させて配置することができる。即ち、ノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間を実質的になくすることができる。かつ、可動鋳型が一対のロールからなるものであっても、弾性変形によりある程度ロールの移動に追従することができるため、鋳造中、ノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間が広がりにくい。従って、鋳造速度を従来よりも遅くしたり、メニスカスが小さくなるようにしても、湯漏れを防止できると共に、上記鋳造速度やメニスカスを小さくできることから、縦割れやリップルマークの大型化を抑制して表面品質の低下を低減し、表面性状に優れた鋳造材を得ることができる。そこで、本発明は、ノズルの先端に高強度弾性層を具えることを規定する。

以下、本発明をより詳しく説明する。
良熱伝導性の材料は、ノズルの横断面幅方向において、溶湯の温度のばらつきを小さく抑えられるように熱伝導率を0.2W/mK以上とする。0.2W/mK未満では、ノズルの横断面幅方向に均一に熱を伝える効果が少ない。より好ましくは、5W/mK以上である。特に、可動鋳型に接触する際の溶湯の横断面幅方向における温度のばらつきを抑えるべく、少なくとも可動鋳型側に配置されるノズルの先端には、上記熱伝導性に優れる材料にて形成された良熱伝導層を具える。特に、溶湯と接触する内周側に良熱伝導層を具えることが好ましい。ノズル全体をこの良熱伝導性の材料にて形成してもよい。このような熱伝導性に優れる材料としては、例えば、カーボン、C/Cコンポジット(Carbon Carbon Composite 炭素繊維を強化材とし、炭素をマトリックスとした複合材料)などの炭素系材料や、鉄、ニッケル、チタン、タングステン、モリブデン、及びこれらを50質量％以上含む合金などの金属材料が挙げられる。例えば、鉄を含有する合金としては、ステンレス、鋼などが挙げられる。また、このような材料からなる良熱伝導層は、その厚さが3.0mm未満といった薄い層であっても、上記熱特性を有する。実用的には、0.1mm以上とすることが好ましい。

ここで、金属材料の場合、熱伝導性を導電性に読み替えて扱うこともできる。即ち、熱伝導性に優れる材料に代わって、導電性に優れる材料を利用することもできる。導電率とする場合、5％IACS以上とすることが適する。特に、10％IACS以上が好ましい。このような導電性を有する金属材料として、鉄、ニッケル、チタン、タングステン、モリブデン、及びこれらを50質量％以上含む合金などが挙げられる。

強度と弾性に優れる材料は、可動鋳型と接触していても摩耗しにくい強度を有し、かつ可動鋳型に密着させたり、可動鋳型の動きに追従する弾性変形能を有するべく、引張強さを10MPa以上、弾性率を5000MPa以上とする。そして、少なくとも可動鋳型側に配置されるノズルの先端は、このような高強度で弾性に優れる材料にて形成された高強度弾性層を具える。ノズル全体をこの高強度、高弾性の材料にて形成してもよい。弾性に優れることから、鋳造前、ノズルの先端を可動鋳型に押し付けて弾性変形領域内で変形させて、可動鋳型に密着させた状態で配置することができる。また、弾性に優れることで、鋳造中における可動鋳型の動き、例えば、可動鋳型が一対のロールからなる場合、ロール間のギャップが広がるといった動きにも追従することができ、ノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間を小さく保持するために外部から付勢力などの力をノズルに加えることなく、長期に亘って同隙間を小さく保持することができる。具体的には、同隙間を0.8mm以下に保持することができる。

更に、上記のように鋳造前において可動鋳型に密着させて配置しても、強度に優れることから摩耗しにくく、長期に亘りノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間を小さく保持することができる。また、強度に優れることから、ノズルの小型化、薄肉化も可能になる。具体的には、ノズルの先端の厚さを3.0mm未満とすることができる。ノズルの先端をこのような薄肉とすることで、ノズルの外周縁の先端を可動鋳型に接触させた際、ノズルの先端と、ノズルの内周縁の先端の延長線と、可動鋳型とで囲まれる領域をより小さくできる。そのため、溶湯を可動鋳型に供給する際に形成されるメニスカスを小さくすることができ、その結果、リップルマークの大型化を抑制することが可能である。ノズルの先端の厚さは、薄いほど、上記領域を小さくして、メニスカスの小型化を図ることができるが、実用上、0.5〜2.0mm程度が適する。

引張強さが10MPa未満では、強度が弱いため、ノズルの先端を可動鋳型に接触させて配置すると摩耗し易く、また小型化、薄肉化が困難である。かつ弾性率が5000MPa未満では、ノズルの先端を可動鋳型に押し付けて配置しても弾性変形しにくく、密着させることが難しく、また鋳造中における可動鋳型の動きに追従できない。より好ましくは、引張強さ:20MPa以上、弾性率:7000MPa以上である。

このような強度と弾性に優れる材料としては、例えば、カーボン、C/Cコンポジットなどの炭素系材料や、鉄、ニッケル、チタン、タングステン、モリブデン、及びこれらを50質量％以上含む合金、例えば、ステンレスなどの金属材料などが挙げられる。これらの材料は、熱伝導性に優れる上に高強度で高弾性変形能を有する。このような材料にて少なくともノズルの先端を形成した場合、ノズルの横断面幅方向における溶湯の温度を均一的にできると共に、ノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間が小さい状態を保持させることができるため、表面品質により優れた鋳造材を安定して得られる。また、これらの材料は、アルミナやシリカなどの酸化物材料と比較して酸素濃度が低いため、特に、マグネシウム合金を連続鋳造する場合、マグネシウムが酸素と結合して、表面品質を低下させることを低減することができる。マグネシウムは、非常に活性な金属であることから、鋳造時、溶湯の主成分であるマグネシウムが上記酸化物材料中の酸素と結合して同材料を還元することがある。このとき、マグネシウムに酸素を奪われることでノズルが破損して、溶湯の保温性が低下し、素材の横断面幅方向における凝固が不均一になることがある。また、酸素との結合により生成された酸化マグネシウムは、再溶解することがないため、溶湯中に混入されると凝固を不均一にすることがある。このような凝固の不均一により、鋳造材の表面品質を低下させてしまう。しかし、上記のように酸素の含有量が少ない材料を用いることで、マグネシウムが酸素と結合することにより生じる表面品質の低下を低減することができる。

また、本発明ノズルはその先端に、かさ密度が0.7g/cm³超の材料からなる高密度層を具えていてもよい。かさ密度が0.7g/cm³以下の材料では、空孔率が高いため熱伝導性が悪くなると共に、強度が低くなるため、ノズルの先端が、その横断面幅方向において自重で変形して、可動鋳型との間の隙間を生じ、湯漏れの原因となる。従って、ノズルの先端にかさ密度0.7g/cm³超の高密度層を具えることで、熱伝導性及び強度の向上を図ることができる。より好ましくは、1.0g/cm³以上である。このような材料としては、例えば、カーボン、C/Cコンポジットなどの炭素系材料や、鉄、ニッケル、チタン、タングステン、モリブデン、及びこれらを50質量％以上含む合金、例えば、ステンレスなどの金属材料などが挙げられる。即ち、これらの材料からなる層は、熱伝導性に優れると共に、高強度で、弾性変形能に富み、高密度である。

本発明ノズルはその先端を、上記良熱伝導性の材料や高強度高弾性の材料、高密度の材料を複数用いて、異なる材料からなる層を複数具える多層構造としてもよい。例えば、カーボン層とモリブデン層との二層構造としてもよい。このとき、カーボン層及びモリブデン層は、双方とも良熱伝導性層、高強度層、高弾性層、高密度層として機能する。その他、上記種々の特性に優れた材料からなる層に加えて、セラミックファイバシートなどの熱伝導性の低い材料からなる層を具えてもよい。例えば、溶湯と接触するノズルの内周側にこのような熱伝導性の低い材料からなる層を設けてもよい。このとき、上記低熱伝導層と共に、上記良熱伝導層を設けることで、ノズルの横断面幅方向に均一に熱を伝える効果を得ることができる。また、熱伝導性に優れる材料で形成したノズルの先端がロールに接触する場合、ノズルを介して溶湯の熱がロールなどに逃げ、溶湯がロールに接触する前に凝固することがある。このような不具合を低減するには、溶湯とロール間に少なくとも一層のセラミックファイバシートなどの熱伝導性の低い層を介在させることがより好ましい。

このような本発明鋳造用ノズルは、アルミニウム合金やマグネシウム合金といった金属の連続鋳造を行う際に利用することが好適である。具体的には、連続鋳造装置において、湯だめから可動鋳型に溶湯を供給する部材として利用する。連続鋳造装置の具体的な構成としては、金属を溶解して溶湯とする溶解炉と、溶解炉からの溶湯を一時的に貯留する湯だめ(タンディッシュ)と、溶解炉と湯だめ間に配置される移送樋と、湯だめから供給された溶湯を鋳造する可動鋳型とを具えるものが挙げられる。そして、本発明ノズルは、一端を湯だめに固定し、他端(先端)を可動鋳型に接触させて配置するとよい。その他、ノズルの先端の近傍に配置されて、ノズルの外周縁の先端と可動鋳型間から溶湯が漏れるのをより効果的に防止する湯堰(サイドダム)を具えてもよい。溶解炉は、溶湯を貯留する坩堝と、金属を溶解するために坩堝の外周に配置される加熱手段とを具える構成が挙げられる。移送樋やノズルの外周には、溶湯の温度を維持するべく、加熱手段を具えることが好ましい。可動鋳型は、例えば、1.双ロール法(ツインロール法)に代表される一対のロールからなるもの、2.双ベルト法(ツインベルト法)に代表される一対のベルトからなるもの、3.車輪ベルト法(ベルトアンドホイール法)に代表される複数のロール(ホイール)とベルトとを組み合わせてなるものが挙げられる。これらロールやベルトを利用した可動鋳型では、鋳型の温度を一定に保持することが容易であると共に、溶湯と接触する面が連続的に現れるため、鋳造材の表面状態を平滑にかつ一定に保持し易い。特に、可動鋳型は、互いに異なる方向に回転する一対のロールを対向配置された構成、即ち、上記1.に代表される構成の場合、鋳型の作製精度が高いことに加えて、鋳型面(溶湯と接触する面)の位置を一定に保持し易いため、好ましい。また、ロールの回転に伴って溶湯に接触する面が連続的に現れる構成であるため、鋳造に用いられた面が再度溶湯と接触するまでの間に離型剤の塗布や付着物の除去などを効率よく行ったり、これら塗布や除去などの作業を行う設備を簡略化できる。

本発明においてアルミニウム合金とは、アルミニウムに添加元素を含有するもの(添加元素と残部がアルミニウムと不純物からなるもの)の他、アルミニウムと不純物とからなる純アルミニウムも含むものとする。添加元素を含有するアルミニウムとしては、例えば、JIS記号の1000系〜7000系から選択されるもの、例えば、5000系や6000系などが利用できる。また、本発明においてマグネシウム合金とは、マグネシウムに添加元素を含有するもの(添加元素と残部がマグネシウムと不純物からなるもの)の他、マグネシウムと不純物とからなる純マグネシウムも含むものとする。添加元素を含有するマグネシウムとしては、例えば、ASTM記号におけるAZ系、AS系、AM系、ZK系などが利用できる。その他、アルミニウム合金と炭化物からなる複合材料、アルミニウム合金と酸化物からなる複合材料、マグネシウム合金と炭化物からなる複合材料、マグネシウム合金と酸化物からなる複合材料の連続鋳造にも利用することができる。

本発明ノズルを用いて連続鋳造を行うことで、実質的に無限に長い鋳造材を得ることができる。特に、本発明ノズルを用いることで、湯漏れを効果的に防止できると共に、表面性状に優れる鋳造材を得ることができる。

以上説明したように本発明鋳造用ノズルを用いて連続鋳造を行う場合、本発明ノズルは、特に、可動鋳型側に配置される先端が熱伝導性に優れるため、横断面幅方向における溶湯の温度のばらつきを小さくして凝固を均一的にでき、表面性状に優れた鋳造材を得ることができる。また、本発明鋳造用ノズルを用いて連続鋳造を行う場合、本発明ノズルは、特に、可動鋳型側に配置される先端が高強度で弾性変形能に優れるため、鋳造前においてノズルの先端を可動鋳型に接触或いは密接させて配置することができ、ノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間を小さくすることができる。そして、鋳造中、可動鋳型が動いても、その動きに追従してノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間を小さく保持することができる。従って、湯漏れを防止できると共に、鋳造速度を比較的遅くすることができることで縦割れを生じにくくし、メニスカスを小さくしてリップルマークの大型化を抑制し、表面品質の低下を低減することができる。従って、本発明鋳造用ノズルを用いて連続鋳造することで、表面性状に優れた鋳造材を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、溶湯の自重を利用して可動鋳型に溶湯を供給する連続鋳造装置の概略構成図である。この装置は、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの金属を溶解して溶湯1とする溶解炉10と、溶解炉10からの溶湯1を一時的に貯留する湯だめ12と、溶解炉10と湯だめ12間に配置されて、溶解炉10から湯だめ12に溶湯1を輸送する移送樋11と、湯だめ12から一対のロール14間に溶湯1を供給するノズル13と、供給された溶湯1を鋳造して鋳造材2を形成する一対のロール14とを具える。

溶解炉10は、金属を溶解し溶湯1を貯留する坩堝10aと、坩堝10aの外周に配置されて、溶湯1を一定の温度に保持するためのヒータ10bと、これら坩堝10aとヒータ10bとを収納する筐体10cとを具える。また、溶湯1の温度を調節するべく、温度測定器(図示せず)と温度制御部(図示せず)を具える。更に、坩堝10aは、ガスの導入配管10d、排出配管10eと、ガスの制御部(図示せず)とを具え、アルゴンなどの不活性ガスやSF₆などの防燃ガスを含有した大気を坩堝10a内に導入して、雰囲気制御可能な構成である。また、坩堝10aには、溶湯1を攪拌するフィン(図示せず)を具え、攪拌可能な構成としている。

移送樋11は、一端を坩堝10aの溶湯1に挿入し、他端を湯だめ12に接続させており、溶湯1を輸送する際、溶湯1の温度が低下しないように外周にヒータ11aが配置されている。

湯だめ12は、その外周にヒータ12aと、温度測定器(図示せず)及び温度制御部(図示せず)とを具える。ヒータ12aは、主に運転開始時に用い、溶解炉10から輸送された溶湯1が凝固しない温度以上となるように湯だめ12を加熱するものである。安定運転時は、溶解炉10から移送される溶湯1からの入熱と、湯だめ12から放出される排熱とのバランスをみて、適宜ヒータ12aを利用することができる。また、坩堝10aと同様に湯だめ12にも、ガスによる雰囲気制御を行うべく、ガスの導入配管12b、排出配管12cと、ガスの制御部(図示せず)とを具える。更に、坩堝10aと同様に湯だめ12にも、溶湯1を攪拌するフィン(図示せず)を具え、攪拌可能な構成としている。

ノズル13は、一端を湯だめ12に接続固定させ、ロール14側に配置される先端からロール14間に溶湯1を供給する。先端13近傍には、先端部分に供給される溶湯1の温度管理を行うために、測温器(図示せず)を具える。測温器は、溶湯1の流れを阻害しないように配置している。そして、溶湯1の自重により、ノズル13の先端からロール14間に溶湯1を供給できるように、ロール14間のギャップの中心線20が水平方向となるようにすると共に、湯だめ12から先端を介してロール14間に水平方向に溶湯が供給され、水平方向に鋳造材2が形成されるように、湯だめ12、ノズル13、ロール14を配置している。このノズル13の位置は、湯だめ12内の溶湯1の液面よりも低くしている。特に、湯だめ12内の溶湯1の液面は、ロール間14のギャップの中心線20から所定の高さhとなるように調整するべく、液面を検出するセンサ15を具える。センサ15は、図示しない制御部に接続され、センサ15の結果に連動させてバルブ11bを調整して、溶湯1の流量を制御することで、ノズルの先端からロール14間に供給する際の溶湯1の圧力を調整する。

可動鋳型は、一対のロール14からなるものである。両ロール14は、ロール14間にギャップを設けて対向配置させ、各ロール14は、図示されない駆動機構により互いに異なる方向(一方のロールが右回り、他方のロールが左回り)に回転可能な構成である。特に、ロール14間のギャップの中心線20が水平方向となるように配置している。このロール14間に溶湯1が供給され、各ロール14が回転すると、ノズルの先端から供給された溶湯1は、ロール14に接触しながら凝固することで鋳造材2として排出される。この例では、鋳造方向が水平方向となる。

そして、本発明の特徴とするところは、ノズル13の先端の形成材料として、良熱伝導性の材料や高強度高弾性の材料を用いた点にある。図2は、ノズルの先端部分を説明する概略構成図であり、(A)は、鋳造前においてノズルの先端を可動鋳型に接させて配置した状態、(B)は、鋳造中、ロールが移動した状態を示す。なお、図2において、ノズルは断面を示す。本例では、上記熱伝導性、強度、弾性に優れ、高密度である等方性黒鉛にてノズルの先端全体を形成した。このようなノズルを利用することで、図(A)に示すように鋳造前において、ノズル13の外周縁の先端P₁をロール14に接触させて配置することができる。特に、本例では、弾性変形能に優れる材料にて形成しているため、ロール14に押し付けて先端P₁を弾性変形領域内で変形させて、ロール14に密着させて配置することも可能である。このような配置により、ノズル13の先端P₁とロール14間の隙間を小さくすることができる。本例では、実質的に隙間をなくすことができる。このような配置状態で長時間に亘って連続鋳造を行っても、高強度であることから摩耗しにくく、長時間経っても、ロール14間との隙間を小さいままに維持することができる。また、鋳造中、凝固した素材をロール14間で圧下する際の反力によって、図2(B)に示すように点線で示す位置から実線で示す位置にロール14が移動しても、ノズル13が弾性変形領域内で変形することで、ロール14間との隙間lを小さいままに維持することができる。具体的には、同隙間を0.8mm以下とすることができる。なお、隙間lとは、ノズル13の先端P₁からロール14の中心C_rに向かう方向(ロール14の半径方向)の直線とロール14との交点P₂間とする。

また、上記のようにノズルの先端P₁とロール14間の隙間が小さいことで、メニスカスMを小さくすることができる。

更に、熱伝導性に優れる材料にて形成したことで、ノズル13の先端の横断面幅方向において溶湯1の温度のばらつきをほとんど無くすることができるため、先端からロール14間に供給された溶湯1は、均一的に凝固することができる。

なお、凝固完了点Eがロール14の中心軸を通る平面(鋳型センタCと呼ぶ)と先端間(この領域をオフセットOと呼ぶ)に存在するように鋳造速度を調整することで、凝固した部分が可動鋳型により圧縮されることになる。この圧縮により、凝固した部分内にボイドが存在しても消滅又は縮小させることができる。また、完全に凝固してからロール14による圧下が小さいため、鋳造の際、ロール14の圧下に起因する割れなどの不具合がほとんど発生しない、或いは全く発生しない。更に、凝固した部分は、最終凝固後においても両ロール14で挟まれており、両ロール14がつくる密閉区間内でロール14から抜熱されるため、ロール14間が最も近接してロール14間のギャップが最も小さい部分(最小ギャップG₀又はG₁部分)を通過してロール14から排出(開放)された際、鋳造材2の表面温度が十分に冷却されており、急激な酸化などによる表面品質の低下を防止できる。

以下、表1に示す特性を有する種々の材料でノズルの先端を形成し、このノズルを図1に示す連続鋳造装置に取り付けて、連続鋳造を行い、鋳造材の表面性状を調べてみた。

(試験例1)
溶解する金属として純アルミニウムを用いて、連続鋳造を行った。本例では、ノズルの先端の形成材料として、厚さ0.9mm×幅100mmの黒鉛単板を用い、ノズルの外周縁の先端間の大きさ(図2に示すW₀)を7mmとした。ノズルの先端の厚さ(図2に示すt₀)を0.9mmとした。ロール間の最小ギャップ(図2に示すG₀)は、4mm tとした。そして、ロール間のギャップが6mmになる部分(図2に示すW₁)にノズルの先端が位置するようにノズルを湯だめに固定した。即ち、鋳造前において、ノズルの外周縁の先端とロール間の隙間が実質的に0とした。なお、実際に調べたところ、同隙間が最も大きなところでも、0.3mm以下であった。この状態で、純アルミニウム30kgを溶湯温度750℃として、幅100mmの鋳造材を鋳造した。

すると、鋳造中、ロール間のギャップ(図2に示すG₁)は、反力などにより4.8mm tに拡大していた。また、このロールの移動に伴い、ノズルの外周縁の先端間の大きさ(図2に示すW₂)も変化していた。しかし、鋳造中、ノズルの外周縁の先端とロール間の隙間は0.3mm以下であり、ノズルの先端がロール間のギャップの拡大に追随しており、湯漏れがないことを確認した。また、鋳造時において、ノズルの先端の横断面幅方向における溶湯温度を調べてみた。本例では、横断面幅方向に任意に5点とって、測温器により各点の温度を測定してみた。すると、最小値:742℃、最大値:743℃とほぼ均一であることを確認した。そして、得られた鋳造材は、割れやリップルマークがなく、光沢面を呈しており、良好な表面品質であった。

(試験例2)
溶解する金属としてマグネシウム合金(ASTM規格範囲内のAZ31合金)を用いて、連続鋳造を行った。本例では、ノズルの先端の形成材料として、厚さ0.5mm×幅150mmのC/Cコンポジット板、厚さ0.5mm×幅150mmのセラミックファイバシート、厚さ0.6mm×幅150mmの黒鉛シートを用いた。図3(A)に示すように、ロール14側に黒鉛シート30、次にセラミックファイバシート31、そして溶湯と接触する側にC/Cコンポジット板32となるように貼り合わせてノズルの先端を形成した(先端の厚さ:1.6mm t)。ノズルの外周縁の先端間の大きさを7mmとした。ロール間の最小ギャップは、3.5mm tとした。そして、ロール間のギャップが6mmになる部分にノズルの先端が位置するようにノズルを湯だめに固定した。即ち、鋳造前において、ノズルの外周縁の先端とロール間の隙間を実質的に0とした。なお、実際に調べたところ、同隙間が最も大きなところでも、0.1mm以下であった。この状態で、AZ31合金15kgを溶湯温度705℃として、幅300mmの鋳造材を鋳造した。本試験においてノズルの先端の内周面には、離型剤として窒化ホウ素などの塗布を行った。

すると、鋳造中、ロール間のギャップは、反力などにより4.2mm tに拡大していた。しかし、鋳造中、ノズルの外周縁の先端とロール間の隙間は0.3mm以下であり、ノズルの先端がロール間のギャップの拡大に追随しており、湯漏れがないことを確認した。また、鋳造時において、ノズルの先端の横断面幅方向における溶湯温度を調べてみた。本例では、横断面幅方向に任意に5点とって、測温器により各点の温度を測定してみた。すると、最小値:695℃、最大値:698℃とほぼ均一であることを確認した。そして、得られた鋳造材は、割れやリップルマークがなく、光沢面を呈しており、良好な表面品質であった。

(試験例3)
溶解する金属としてマグネシウム合金(ASTM規格範囲内のAZ91合金)を用いて、連続鋳造を行った。本例では、ノズルの先端の形成材料として、厚さ0.2mm×幅150mmのモリブデン板、厚さ0.5mm×幅150mmのセラミックファイバシート、厚さ0.2mm×幅150mmの黒鉛シートを用いた。図3(B)に示すように、ロール14側に黒鉛シート40、次にセラミックファイバシート41、そして溶湯と接触する側にモリブデン板42となるように貼り合わせてノズルの先端を形成した(先端の厚さ:0.9mm t)。ノズルの外周縁の先端間の大きさを7mmとした。ロール間の最小ギャップは、3.5mm tとした。そして、ロール間のギャップが6mmになる部分にノズルの先端が位置するようにノズルを湯だめに固定した。即ち、鋳造前において、ノズルの外周縁の先端とロール間の隙間を実質的に0とした。なお、実際に調べたところ、同隙間が最も大きなところでも、0.2mm以下であった。この状態で、AZ91合金15kgを溶湯温度670℃として、幅250mmの鋳造材を鋳造した。

すると、鋳造中、ロール間のギャップは、反力などにより4.2mm tに拡大していた。しかし、鋳造中、ノズルの外周縁の先端とロール間の隙間は0.3mm以下であり、ノズルの先端がロール間のギャップの拡大に追随しており、湯漏れがないことを確認した。また、鋳造時において、ノズルの先端の横断面幅方向における溶湯温度を調べてみた。本例では、横断面幅方向に任意に5点とって、測温器により各点の温度を測定してみた。すると、最小値:662℃、最大値:666℃とほぼ均一であることを確認した。そして、得られた鋳造材は、割れやリップルマークがなく、光沢面を呈しており、良好な表面品質であった。

(試験例4)
溶解する金属としてアルミニウム合金(JIS記号 5183)を用いて、連続鋳造を行った。本例では、ノズルの先端の形成材料として、厚さ0.3mm×幅40mmのSUS316板10枚、厚さ0.5mm×幅409mmのセラミックファイバシート、厚さ0.5mm×幅409mmの黒鉛シートを用いた。SUS316板は、板間の隙間が1mmとなるように幅方向に並べて、板間の隙間を含んだ全体の幅を409mmとし、これらSUS316板をセラミックファイバシートで覆い、更にロールと接する側に黒鉛シートを貼り付けて、ノズルの先端を形成した(先端の厚さ:1.8mm t)。即ち、図3(C)に示すように、ロール14側に黒鉛シート50、次にセラミックファイバシート51、次にSUS板52、そして溶湯と接触する側にセラミックファイバシート51となるようにした。ノズルの外周縁の先端間の大きさを8mmとした。ロール間の最小ギャップは、3.5mm tとした。そして、ロール間のギャップが6mmになる部分に注湯口が位置するようにノズルを湯だめに固定した。即ち、鋳造前において、ノズルの外周縁の先端とロール間の隙間を実質的に0とした。なお、実際に調べたところ、同隙間が最も大きなところでも、0.3mm以下であった。この状態で、アルミニウム5183合金100kgを溶湯温度720℃として、幅300mmの鋳造材を鋳造した。

すると、鋳造中、ロール間のギャップは、反力などにより4.7mm tに拡大していた。しかし、鋳造中、ノズルの外周縁の先端とロール間の隙間は0.5mm以下であり、ノズルの先端がロール間のギャップの拡大に追随しており、湯漏れがないことを確認した。また、鋳造時において、ノズルの先端の横断面幅方向における溶湯温度を調べてみた。本例では、横断面幅方向に任意に5点とって、測温器により各点の温度を測定してみた。すると、最小値:705℃、最大値:709℃とほぼ均一であることを確認した。そして、得られた鋳造材は、割れやリップルマークがなく、光沢面を呈しており、良好な表面品質であった。

本発明鋳造用ノズルは、アルミニウム合金やマグネシウム合金の連続鋳造を行う際、湯だめから可動鋳型に溶湯を供給する部材として利用するとよい。また、本発明鋳造材の製造方法は、表面性状に優れる鋳造材を得るのに最適である。更に、この製造方法により得られた鋳造材は、圧延などの二次加工材として利用することができる。

溶湯の自重を利用して可動鋳型に溶湯を供給する連続鋳造装置の概略構成図である。ノズルの先端部分を説明する概略構成図であり、(A)は、鋳造前においてノズルの先端を可動鋳型に接させて配置した状態、(B)は、鋳造中、ロールが移動した状態を示す。本発明鋳造用ノズルの先端部分を示す部分拡大断面図であり、(A)は、試験例2に利用したもの、(B)は、試験例3に利用したもの、(C)は、試験例4に用いたものを示す。

符号の説明

1 溶湯 2 鋳造材
10 溶解炉 10a 坩堝 10b ヒータ 10c 筐体 10d 導入配管
10e 排出配管 11 移送樋 11a ヒータ 11b バルブ 12 湯だめ
12a ヒータ 12b 導入配管 12c 排出配管 13,13A,13B,13C ノズル
14 ロール 15 センサ 20 中心線
30,40,50 黒鉛シート 31,41,51 セラミックファイバシート
32 C/Cコンポジット板 42 モリブデン板 52 SUS板

Claims

溶解したアルミニウム合金又はマグネシウム合金の溶湯を貯留する湯だめに固定されて、湯だめから連続鋳造用の可動鋳型に溶湯を供給する鋳造用ノズルであって、
前記可動鋳型側に配置されるノズルの先端は、熱伝導率が0.2W/mK以上の材料からなる良熱伝導層を具えることを特徴とする鋳造用ノズル。
溶解したアルミニウム合金又はマグネシウム合金の溶湯を貯留する湯だめに固定されて、湯だめから連続鋳造用の可動鋳型に溶湯を供給する鋳造用ノズルであって、
前記可動鋳型側に配置されるノズルの先端は、弾性率が5000MPa以上、引張強さが10MPa以上の材料からなる高強度弾性層を具えることを特徴とする鋳造用ノズル。
可動鋳型側に配置されるノズルの先端は、かさ密度が0.7g/cm³超の材料からなる高密度層を具えることを特徴とする請求項1又は2に記載の鋳造用ノズル。
可動鋳型側に配置されるノズルの先端は、引張強さが10MPa以上の材料からなる高強度層を具えることを特徴とする請求項1に記載の鋳造用ノズル。
可動鋳型側に配置されるノズルの先端は、弾性率が5000MPa以上である材料からなる高弾性層を具えることを特徴とする請求項1に記載の鋳造用ノズル。
可動鋳型側に配置されるノズルの先端は、熱伝導率が0.2W/mK以上の材料からなる良熱伝導層を具えることを特徴とする請求項2に記載の鋳造用ノズル。
可動鋳型側に配置されるノズルの先端の厚さが3.0mm未満であることを特徴とする請求項1又は2に記載の鋳造用ノズル。
良熱伝導層は、炭素を含む炭素含有材料にて形成されることを特徴とする請求項1に記載の鋳造用ノズル。
可動鋳型側に配置されるノズルの先端は、異なる材料からなる層を複数具える多層構造であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の鋳造用ノズル。
請求項1に記載の鋳造用ノズルを用いて、アルミニウム合金又はマグネシウム合金を連続鋳造することを特徴とする鋳造材の製造方法。
請求項2に記載の鋳造用ノズルを用いて、アルミニウム合金又はマグネシウム合金を連続鋳造することを特徴とする鋳造材の製造方法。
鋳造用ノズルの外周縁の先端と可動鋳型間の隙間を0.8mm以下とすることを特徴とする請求項11に記載の鋳造材の製造方法。
可動鋳型は、互いに異なる方向に回転する一対のロールを対向配置されたものであることを特徴とする請求項10〜12のいずれかに記載の鋳造材の製造方法。
請求項10〜13のいずれかに記載の製造方法により得られたことを特徴とする鋳造材。