JP2006061939A - 連続鋳造用モールド - Google Patents

Abstract

【課題】 連続鋳造において効率的な冷却を達成し、かつ均一な冷却あるいは必要であればモールド内での任意位置での冷却能力を調整可能とし、引き抜き速度が高い場合もブレークアウトなく連鋳片の表面性状も良好に保つことができる連続鋳造用モールドを提供する。
【解決手段】 上記課題は、内部に水冷室を備えた枠体よりなるモールドにおいて、該水冷室に通水性の多孔質金属体を配置したことを特徴とする連続鋳造用モールドによって達成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は連続鋳造用のモールドに関し、効率的かつ均一に冷却を行う構造のモールドを提供するものである。

連続鋳造は、溶融金属を鋳型（モールド）に流し込み、モールドによる抜熱効果により溶融金属の周囲を凝固せしめ、連続的に引き抜くことにより金属製品あるいは半製品を製造するプロセスである。連続鋳造を高能率で行うためには、モールドによる抜熱効果を高める必要があり、モールドを効果的に冷却する必要がある。通常、モールドの冷却は溶融金属と接しない面からスプレー冷却する方法あるいは、溶融金属と接しない面に水路を設けて冷却水を供給する方法などが用いられることが多い。これらの方法では、冷却に寄与するモールドの表面積が限られており、連続鋳造の引き抜き速度を上げるとモールドの抜熱が追いつかなくなり、モールド自体の温度上昇による損傷や、溶融金属の凝固不足により溶融金属が漏れ出すブレークアウト事故が発生する場合があった。

モールドの冷却効率を高める方法としては、モールド内壁板と外壁材の間に波形芯材を重合積層する方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、冷却面積の増加により、冷却効率は上がるものの、波形芯材の加工とろう付け施工の費用がかかること、また熱応力によりろう付け部が破損しやすいことなどの欠点があった。さらに、冷却通水路中に旋回流を発生せしめる手段を設置する方法も提案されている（特許文献２）。この方法では、狭い冷却水通水路内において旋回流を発生せしめる手段が何種類か提示されているが、いずれも精密加工を必要とするもので、製作コスト上の問題があった。一方、連続鋳造用モールドには、全体的に見れば均一な冷却特性が要求される。モールド面の冷却が不均一な場合、凝固シェルの厚みが変動し、極端な場合にはシェル厚の薄い部分からブレークアウトが発生するために、モールドを全体的に見て均一に冷却することも重要である。前述の特許文献１あるいは特許文献２の場合、波形芯材あるいは旋回流を適用された冷却水通水路はあるピッチを持って設置されるために、そのピッチに相当した冷却むらが発生することになり、通常のモールド冷却よりも冷却能力が高まったぶん、冷却むらが拡大される問題もあった。

さらに連続鋳造用モールドを部分的に見ると、鋳片のコーナー部や、溶融金属表面に接する高さのモールド位置（メニスカス位置）などでは、通常の部分よりも強冷却あるいは緩冷却とすることにより、鋳片の割れなどの異常を防止することも試みられている。例えば、モールド下部コーナー部に切り欠きをいれ、切り欠き部から凝固直後の金属片のコーナー部を直接水冷する方法が提案されている（特許文献３）。この方法は、鋳片コーナー部の凝固遅れをスプレーによる直接冷却により回復しようとするものであるが、凝固の遅いコーナー部のモールドに切り欠きを入れることで、コーナー部からのブレークアウトの危険性はかえって高まる場合もあった。また、モールドを中空のジャケット構造とし、縦隔壁により整流するとともに、メニスカス位置では縦隔壁を切り欠いて水流を連通せしめることにより、メニスカス位置での周方向の温度を均一化し、溶融金属の初期不均一凝固の防止やメニスカス位置でのモールドの温度上昇の防止を図る方法も提案されている（特許文献４）。本方法では、溶融金属の圧力あるいは内部水冷の圧力によるモールド面の変形を防止するために、モールド金属の厚みを厚くする、あるいは縦隔壁を密に配置するなど、強度を保つための設計が必要となる。モールド金属の厚みを厚く、あるいは縦隔壁を密に配置のいずれの場合も溶融金属の冷却効率が悪化し、さらに縦隔壁部は不均一冷却の原因ともなり、その効果には限界があった。

特開昭５１−８１２４号公報 特開平９−１４１３９５号公報 特開平９−１０８７８３号公報 特開２００３−２６０５４１号公報

そこで、本発明の解決しようとする課題は、連続鋳造において効率的な冷却を達成し、かつ均一な冷却あるいは必要であればモールド内での任意位置での冷却能力を調整可能とし、引き抜き速度が高い場合もブレークアウトなく連鋳片の表面性状も良好に保つことができる連続鋳造用モールドを提供することである。

本発明者は、上記目的を達成するため、上記先行技術の欠点を調査し、下記のように考えた。
１）溶融金属を効果的に冷却するためには、溶融金属と接するモールド内面板を薄肉化することが効果的であるが、設備強度上の問題から限界がある。
２）溶融金属を効果的に冷却するためには、上記モールド内面板の溶融金属と接しない側、すなわち水冷側の表面積を大きくする必要があるが、凹凸などで表面積を大きくすると冷却の均一性が損なわれるとともに、熱疲労の起点となるため限界がある。
３）モールドの任意位置の冷却特性を他の部分と変化させることが容易でない。そこで上記先行技術の欠点を解決する方法を鋭意研究し、冷却室内に多孔質金属体を入れることを考えついた。

この方法によれば、溶融金属からモールド内面板に伝わる熱は、多孔質材料に熱伝導により伝わり、熱せられた多孔質材料中を流れる冷却水により抜熱される。多孔質材料は比表面積が非常に大きいために、抜熱効率が飛躍的に上昇するとともに、微細に分散した水流による冷却であるため、均一性にも優れている。さらに、多孔質板は母材金属に比べて多少強度は落ちるものの、金属板としての十分な強度を有しているために、モールド内面板を薄くして、さらに冷却効率を上げることが可能となる。

本発明は、これらの知見に基いてなされたものであり、内部に水冷室を備えた枠体よりなるモールドにおいて、該水冷室に通水性の多孔質金属体を配置したことを特徴とする連続鋳造用モールドを提供するものである。

本発明によって、冷却効率に優れ、かつ均一な冷却特性が得られ、必要に応じて部分的に冷却条件を変えることができる連続鋳造用モールドを提供できた。その結果、ブレークアウトが発生することなく連続鋳造の引き抜き速度の向上が達成され、さらに効果的な冷却および水冷溝などのない一様構造化による熱応力の低減によりモールド寿命の著しい向上を達成することができた。さらに鋳片のコーナー部やメニスカス部などの部分的な冷却条件を最適にすることができ、割れなどの表面欠陥も著しく低減することが可能となった。

本発明のモールドの本体部分を構成する枠体は、断面の内周面が鋳造される枠状体の断面に応じた筒状とされ、例えば正方形、長方形、丸形、八角形などにされる。そして、通常は溶融金属と接する内面板とその外側に配置されるバックアッププレードよりなり、内面板とバックアッププレードの間に水冷室が設けられる。

内面板は銅、銅合金、鉄系合金などの金属材料よりなり、厚みは１５〜１００ｍｍ程度、通常２０〜５０ｍｍ程度である。

内面板とバックプップグレードの間を水冷室とするために、両板の隙間を阻止する板を上下に設ける必要がある。この上下一方の板あるいは両板を内面板及びバックアッププレードと別体としてもよく、内面板又はバックアッププレードいずれかあるいは両方と一体に形成してもよい。

水冷室の内面板を冷却する面積、すなわち内面板と接する面積は、内面板の全面積、すなわち鋳造される金属と接触する面の面積は大きい程よく、水冷室に必要な上下壁を除く部分とするのが良い。水冷室の厚み、すなわち内面板とバックアッププレートの間の間隔は５〜７０ｍｍ程度、通常１０〜３０ｍｍ程度である。水冷室内を流れる水流は下から上、上から下、横方向など適宜決定すれば良く、かつ水冷室内をなるべく均一に流れるように給水口と排水口を配設する。給水口と排水口の数はそれぞれ１つづつでもよく、複数であってもよい。

水冷室内には、整流の目的であるいは内面板をバックアッププレートに支承させて補強する目的で仕切板、支柱等を適宜設けることができる。これらは内面板、バックアッププレートのいずれかあるいは両方と一体に設けてもよく、多孔質金属と一体に設けてもよく、単独に別体として設けてもよい。仕切板の数としては水流と直角方向の長さ１ｍ当り２〜２０個所程度が適当である。仕切板の方向は、冷却水流を妨げないよう水流方向に合わせることが好ましい。

本発明はこのようなモールドの水冷室に多孔質金属体を配置するところに特徴がある。この多孔質金属体としては、気孔が連続しており通水性があるものであれば、粒状あるいはファイバー状の金属を焼結したもの、発砲金属など、どのような製造方法によるものでも良い。また、その材質は鉄系、ステンレス系、銅系、黄銅系などの様々なものを使用できる。さらに、多孔質金属中の気孔率や焼結材の場合の粒度やファイバー径なども任意に選定することが可能である。材質、気孔率、粒度／ファイバー径などにより、冷却水を多孔質金属内に流した際の冷却特性が変化するが、モールド内面板に必要な冷却特性を満足する範囲でこれらを選択すれば良い。例えばモールドの図３に示すコーナー部７、図４に示す凝固開始部（メニスカス）８などで、他の部分と異なる冷却特性を得たい場合もある。コーナー部７の冷却特性を変化させたい場合は、図５に示すように、多孔質材の特性を５I、５IIと複数種類用いることにより、冷却特性の変更が可能である。また、メニスカス部に相当する位置の冷却特性を変化させる場合も同様に、図４に示すように、複数種類の多孔質材の特性を用いることで達成可能である。特性の異なる多孔質金属板の製造方法としては、素材（材料、粒度など）の異なるものを相当位置に配合した後に焼結する方法でも良いし、特性の異なる多孔質金属板をそれぞれ焼結した後に組み立て配置する方法でも良い。

この多孔体は水冷室に対応する形状、通常は板状（直板状あるいは曲板状）にされる。多孔質金属体の水冷室充填率の上限は１００％であるが、給水口及び／又は排水口の部分に配水を均一にする目的で溜め（室）を設けることも好ましい。充填は水流に偏流を生じないよう、水流と直角方向に全面を埋めるように配置する。これは内面板をバックアッププレートに支承させる目的にも適合する。一方、水流方向については連続充填の外、適宜断点があってもよい。

ところで、多孔質金属板中で、冷却水は基本的には高圧力の部分から低圧力の部分に向かって流れ、圧力が等しければ透過率の大きいほう（一般的には気孔率の大きいほう、気孔率が同じであれば、平均気孔率が大きいほう）に流れる。一方、多孔質金属板のサイズが大きい場合は気孔率や透過率を一様に製作することが困難になる場合がある。また、コーナー部のように、側面の抵抗のために冷却水が流れにくくなる恐れがあるところにもある。これらは多孔質金属板を用いるがための懸念点であるが、本懸念を解決するために、図７、８に示すごとく、多孔質金属板を分割し、分割された多孔質金属板間に冷却水路の仕切り板９を設けることを考案した。供給された冷却水は仕切り板９により整流され、全体として大きな構造であっても冷却水の偏流が発生することなく良好な冷却特性を得ることができる。多孔質金属板は横方向に分割されている場合には、水流は横方向に流れるが、この場合も冷却水の偏流を防止して良好な冷却特性を得ることができる。これらの際に、仕切り板９は水流を遮断することが目的であり、極薄いものでよいため、仕切り板による冷却むらは発生しない。どのような方向に入れてもよい。また、このような多孔質金属板の製造に当たっては、分割された多孔質板と仕切り板を組み立てても良く、仕切り板と素材をセットしてまとめて焼結した一体型でも良い。

本発明のモールドを用いた連続鋳造方法は従来のモールドと同様でよく、上方から注がれる溶融金属を凝固させつつ下方に引き抜く方式でよい。

本発明のモールドで鋳造される金属の種類は特に制限されるものではなく、鋼、銅等に広く適用できる。

本発明の一実施例であるモールドの斜視図を図１に、そしてそのＡ−Ａ部断面図を図２に、それぞれ示す。

このモールドは２枚の長辺モールド板１ａと２枚の短辺モールド板１ｂの４辺からなる四角筒状のモールドであり、それぞれのモールド板には冷却水の供給／排水用の配管群２ａ、２ｂが配置されている。各モールド板１ａ、１ｂ、図２に示すように、平板状のモールド内面板４と、平板の周端に突縁が形成された浅皿状のバックアッププレート６よりなり、両者の間に水冷室が形成されて、そこに多孔質金属板５が収容されている。この多孔質金属板５はモールド内面板４とバックアッププレート６の内壁面に略密接している。また、バックアッププレートの背面上端及び下端近傍には複数の冷却水配管接続孔２Ｃが設けられている。このモールドは銅合金よりなり、その寸法は、長辺モールド板１ａが縦９００、×横１９００、×厚み１００ｍｍ、短辺モールド板１ｂが縦９００×横２３０×厚み１００ｍｍのものを用いた。また、それぞれ内面板厚み２０ｍｍ、水冷室（多孔質体）厚み３０ｍｍ、バックアッププレート厚み５０ｍｍである。多孔質金属板５は焼結銅よりなり、粒径３００μｍ、気孔率５０％のものを用いた。

このモールドの上方から溶融金属を注入すると溶融金属３ａはモールド内面板４と直接、あるいはモールドフラックス（図略）を介して接触する。モールド内面板によって溶融金属は冷却・凝固せしめられ、凝固層３ｂが得られる。そして、多孔質金属板中を冷却水が通過することによりモールド内面板の冷却を行う。なお、本図では２ａ、２ｂ、冷却水配管接続孔２ｃを独立した配管、接続孔として例示しているが、横方向に連続したスリット状の給水孔形状としても良い。冷却により表面が固化した溶融金属はモールドの下部から連続的に引き抜かれて方形の棒状体とされる。

本発明の別の実施例であるモールドの斜視図を図３に、そのＡ−Ａ部断面図を図４に、そしてＢ−Ｂ部断面図を図５に、それぞれ示す。

このモールドは、水冷室に充填する多孔質金属板５を複数種類のものの組合せとした例である。多孔質金属体５は、図４に示すように、凝固開始部８を取囲むように横方向に、そして図５に示すように、コーナー部７に対応する短辺モールド板１ｂの両端部に縦方向に冷却特性の異なる多孔質金属板５ＩＩをそれぞれ配置している。

本発明のさらに別の実施例であるモールドの斜視図を図６に、そのＡ−Ａ部断面図を図７に、そしてＢ−Ｂ部断面図を図８に、それぞれ示す。

このモールドは多孔質金属板５を仕切板９で仕切った２つの態様のものである。第１の態様は、図７に示すように、仕切板９を横方向に並べて多孔質金属板５を仕切っており、図２の態様は、図８に示すように、仕切板９を縦方向に並べて多孔質金属板９を縦方向に並べて多孔質金属体を仕切っている。

本発明のモールドは、鋼、銅等の溶融金属を棒状体に連続鋳造する際に使用されるものである。

本発明の一実施例である連続鋳造用モールドの斜視図である。 そのＡ−Ａ部断面図である。 本発明の別の実施例である連続鋳造用モールドの斜視図である。 そのＡ−Ａ部断面図である。 そのＢ−Ｂ部断面図である。 本発明のさらに別の実施例である連続鋳造用モールドの斜視図である。 そのＡ−Ａ部断面図である。 そのＢ−Ｂ部断面図である。

符号の説明

１ａ…長辺モールド板
１ｂ…短辺モールド板
２ａ、２ｂ…冷却水の給水管／排水管
２ｃ…冷却水配管接続孔
３ａ…溶融金属
３ｂ…凝固層
４…モールド内面板
５、５Ｉ、５ＩＩ、５ＩＩＩ…多孔質金属板
６…バックアッププレート
７…コーナー部
８…メニスカス位置
９…仕切り板

Claims (3)

1. 内部に水冷室を備えた枠体よりなるモールドにおいて、該水冷室に通水性の多孔質金属体を配置したことを特徴とする連続鋳造用モールド
2. 多孔質金属体が冷却能力の異なる複数のものの組合せである請求項１記載の連続鋳造用モールド
3. 水冷室が仕切板で仕切られている請求項１又は２記載の連続鋳造用モールド

Images