JP2006095578A - ベルトホイール式連続鋳造機用リングモールド、ベルトホイール式連続鋳造機、荒引線の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋳型内に供給された金属の溶湯に対する冷却ムラを抑制し、この金属の溶湯が凝固するときに生成される３重点を消失させる。
【解決手段】 リングモールド４１の凹溝４２における底面４３と側面４４，４４との交差部４５，４５に、この交差部４５，４５側からの溶湯の凝固の進行方向を制御するＲ部４６，４６を設ける。凹溝４２の長手方向に直交する断面で見たときに、凹溝４２の深さＨを４５ｍｍ〜７０ｍｍとし、Ｒ部４６，４６の曲率半径Ｒを１５ｍｍ〜３５ｍｍとする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ベルトホイール式連続鋳造機に関するものである。

従来より、荒引銅線を連続的に製造する装置として、ベルトホイール式連続鋳造機を用いたＳＣＲ方式等が知られている。
ベルトホイール式連続鋳造機は、その主要部が、周回移動する無端ベルトとこの無端ベルトに外周の一部を接触させて回転するリングモールドとから構成されたものであり、ベルトとリングモールドの外周に形成された凹溝の底面及び側面との間に鋳型が画成されている。

また、ベルトホイール式連続鋳造機を溶解炉及び圧延機に連結したＳＣＲ方式の荒引線の製造装置では、溶解炉からの金属の溶湯がベルトホイール式連続鋳造機の鋳型内に供給されることによって鋳塊が連続的に鋳造され、このベルトホイール式連続鋳造機から導出される鋳塊が圧延機で圧延されることによって荒引線が連続的に製造される。
また、このようなベルトホイール式連続鋳造機においては、一般的に、無端ベルトとリングモールドにおける凹溝の底面及び側面とに対して、アセチレンが燃焼して発生するススを離型剤及び冷却剤として塗布するようになっている（特許文献１参照）。
実公昭６２−３２６８５号公報

ところで、アセチレン燃焼によって塗布される離型剤及び冷却剤としてのススは、火炎が直接接触する凹溝の底面に最も塗布されやすくなっているため、上述した特許文献１に開示されたベルトホイール式連続鋳造機では、凹溝の側面にも確実にススが塗布されるように改良が加えられている。
しかしながら、凹溝における底面と側面との交差部には、依然としてススが塗布され難いままであり、これら交差部に接触する溶湯の冷却を十分に行うことができず、冷却ムラを生じさせてしまうのであった。

このような冷却ムラが生じていると、ベルトホイール式連続鋳造機によって連続的に鋳造された鋳塊に、上記凹溝の交差部によって成形される部分からの凝固割れが生じやすくなるという問題がある。
とくに、ＳＣＲ方式の荒引線の製造装置のように、鋳造直後の鋳塊が真っ直ぐに伸ばされてから圧延される場合、凹溝の底面及び交差部によって成形される部分に著しい負荷が加わるため、鋳塊の割れが生じやすくなる問題がより顕著になる。

また、上記冷却ムラが生じていると、ベルトホイール式連続鋳造機によって連続的に鋳造された鋳塊に、後工程における鋳塊の加工時に破断や傷につながる引け巣（鋳塊の進行方向に対して後方側の部位の凝固が先に完了してしまい、進行方向に対して前方側の部位が中空になること）が生じやすくなるという問題もある。
なお、引け巣の発生には至らないような軽度な冷却ムラであっても、溶湯が凝固していくときの組織成長のバランスが崩れ、不均一な凝固組織となることは容易に推測できる。

以上のように、ベルトホイール式連続鋳造機の鋳型内に供給される金属の溶湯に対する冷却ムラは、凝固割れや引け巣などの凝固欠陥だけではなく、凝固組織の内部欠陥を生じさせる。つまり、健全で高品質の鋳塊を製造するためには、冷却ムラを抑制することが非常に重要となっているのである。
本発明者らは、鋳塊の品質を向上させることができるベルトホイール式連続鋳造機を発明するにあたり、まず、金属の溶湯が凝固していくときの組織成長について着目した。

図５に示すような鋳塊Ｓを鋳造する場合、鋳型４（無端ベルト１とリングモールド２における凹溝３の底面３Ａ及び側面３Ｂ，３Ｂとの間に画成される鋳型４）内に供給された金属の溶湯は、まず、無端ベルト１とリングモールド２における凹溝３の底面３Ａ及び側面３Ｂ，３Ｂとによって４方向から冷却される。
これにより、まず、凝固シェルが形成され、次いで、無端ベルト１側から凝固組織Ｓ１が成長し、リングモールド２における凹溝３の底面３Ａ側から凝固組織Ｓ２が成長し、かつ、リングモールド２における凹溝３の側面３Ｂ，３Ｂ側から凝固組織Ｓ３，Ｓ３が成長していく。最終的に、４方向から成長してきた凝固組織Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ３同士が会合して、溶湯の凝固が完了することにより、鋳塊Ｓが鋳造される。

ここで、従来のベルトホイール式連続鋳造機のように冷却ムラが生じていると、凹溝３の底面３Ａ側から成長する凝固組織Ｓ２と、凹溝３の側面３Ｂ，３Ｂ側から成長する凝固組織Ｓ３，Ｓ３と、無端ベルト１側から成長する凝固組織Ｓ１とが会合する、いわゆる３重点Ｓ４，Ｓ４が生成される。これら３重点Ｓ４，Ｓ４には最も大きい歪みが蓄積されるため、鋳造された鋳塊Ｓは、凹溝３の交差部３Ｃ，３Ｃによって成形される部分から３重点Ｓ４，Ｓ４にかけて凝固割れが生じやすくなってしまうのである。
また、異なる方向から成長してきた凝固組織Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ３同士が会合する界面には、例えば上述したＳＣＲ方式の荒引線の製造装置において、鋳造直後の鋳塊Ｓをすぐに圧延するときには、鋳造組織の連続性がなく、歪みも蓄積されやすいため、この界面が圧延割れを引き起こす起点になることがある。

本発明者らは、鋭意検討を続けた結果、鋳型内に供給された金属の溶湯に対する冷却ムラを抑制し、この金属の溶湯が凝固するときに生成される上記３重点を消失させるためには、リングモールドにおける凹溝の底面と側面との交差部に工夫を設ければよいことを見出した。

このようにしてなされた本発明によるベルトホイール式連続鋳造機用リングモールドは、ベルトホイール式連続鋳造機に用いられ、深さＨが４５ｍｍ〜７０ｍｍとされた凹溝が外周に形成されたリングモールドであって、前記凹溝における底面と側面との交差部に、この交差部側からの溶湯の凝固の進行方向を制御するＲ部が設けられていて、前記凹溝の長手方向に直交する断面で見たときに、前記Ｒ部の曲率半径Ｒが１５ｍｍ〜３５ｍｍとされていることを特徴としている。また、本発明によるベルトホイール式連続鋳造機は、ベルトとこのベルトに外周の一部を接触させて回転する本発明のリングモールドとを備え、前記ベルトと前記リングモールドの外周に形成された凹溝の底面及び側面との間に画成される鋳型内に、金属の溶湯が供給されることによって鋳塊を連続的に鋳造することを特徴としている。

本発明によれば、リングモールドの凹溝における底面と側面との交差部に上記のようなＲ部が設けられ、かつ、凹溝の深さＨとＲ部の曲率半径Ｒとが上記範囲に設定されていることから、鋳型内に供給された金属の溶湯は、凹溝の交差部に接触する部位への冷却が十分になされつつ４方向から冷却されていく。これにより、凹溝における底面と側面との交差部側からの凝固が促進され、凹溝の底面側から成長する凝固組織と凹溝の側面側から成長する凝固組織とが滑らかに連続させられる。
したがって、鋳造された鋳塊の凝固割れの発生を防止することができ、かつ、上述したような３重点を消失させて潜在的な凝固組織の不健全性をなくすことができるので、高品質の鋳塊を連続的に鋳造していくことが可能となる。

以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
本実施形態による荒引線（例えば低酸素銅線）の製造装置１０は、図１に示すように、その主要部が、溶解炉Ａと、保持炉Ｂと、鋳造樋Ｃと、ベルトホイール式連続鋳造機Ｄと、圧延機Ｅと、コイラーＦとから構成されている。

溶解炉Ａは、還元性の雰囲気で燃焼を行い金属の溶湯（例えば溶銅）をつくるものであって、円筒形の炉本体を有する、例えばシャフト炉が好ましく用いられており、この溶解炉Ａの下部には、円周方向に複数のバーナー（図示略）が、上下方向に多段状に設けられている。還元性の雰囲気は、例えば、天然ガスと空気との混合ガスにおいて、燃料比を高めることで得られる。

保持炉Ｂは、溶解炉Ａから送られた溶湯を、一旦貯蔵するとともに、所定の温度に保持したまま鋳造樋Ｃに送るためのものである。
鋳造樋Ｃは、保持炉Ｂから送られた溶湯を、非酸化雰囲気でシールしてタンディッシュ２０まで移送する。シールは、鋳造樋Ｃの溶湯流路の上面を、カバーにより覆うことでなされ、非酸化雰囲気は、不活性ガスや還元性ガスを鋳造樋Ｃ内に吹き込むことで形成される。

保持炉Ｂには、鋳造樋Ｃを介して、ベルトホイール式連続鋳造機Ｄが連結されており、このベルトホイール式連続鋳造機Ｄには、タンディッシュ２０に設けられた注湯ノズル２１から、溶湯が供給されるようになっている。
ベルトホイール式連続鋳造機Ｄは、図２に示すように、その主要部が、周回移動する無端ベルト４０と、この無端ベルト４０に外周の一部を接触させて回転するリングモールド４１とから構成されている。

図３に示すように、リングモールド４１の外周には、底面４３と底面４３から屹立する一対の側面４４，４４とから構成される凹溝４２が形成されている。凹溝４２の一対の側面４４，４４は、凹溝４２の横断面（凹溝４２の長手方向に直交する断面）において、凹溝４２の底部の幅よりも凹溝４２の開口部の幅Ｗの方が広くなるように、テーパ状に形成されている。
そして、無端ベルト４０が、凹溝４２の開口部を閉塞するようにして、リングモールド４１の外周の一部に接触していることにより、無端ベルト４０とリングモールド４１における凹溝４２の底面４３及び側面４４，４４との間に鋳型４７が画成されている。

また、本実施形態では、凹溝４２における底面４３と側面４４，４４との交差部４５，４５に、交差部４５，４５側からの溶湯の凝固の進行方向を制御するＲ部４６，４６が設けられている。
さらに、上記横断面で見たときには、凹溝４２の深さＨが４５ｍｍ〜７０ｍｍとされ、Ｒ部４６，４６の曲率半径Ｒが１５ｍｍ〜３５ｍｍとされている。

ここで、ベルトホイール式連続鋳造機Ｄには、図２に示すように、注湯ノズル２１から供給される溶湯に接触する前の状態にある無端ベルト４０とリングモールド４１における凹溝４２の底面４３及び側面４４，４４とに対して、それぞれ、離型剤及び冷却剤としてのススを塗布するための塗布手段４８，４９とが設けられている。
塗布手段４８，４９は、例えばアセチレンガスを燃焼させながら吹き付けることによって、無端ベルト４０とリングモールド４１における凹溝４２の底面４３及び側面４４，４４とに対して離型剤及び冷却剤としてのススを塗布するものである。

このベルトホイール式連続鋳造機Ｄは、さらに圧延機Ｅと連結されている。
圧延機Ｅは、ベルトホイール式連続鋳造機Ｄから導出された鋳塊Ｓを圧延して荒引線６０とするものであり、探傷器７０を介してコイラーＦに連結されている。

以上のような構成とされた荒引線の製造装置１０では、溶解炉Ａから保持炉Ｂへ移送された溶湯が、昇温された後、鋳造樋Ｃ、タンディッシュ２０を経てベルトホイール式連続鋳造機Ｄの鋳型４７内に供給される。
ベルトホイール式連続鋳造機Ｄにおいては、鋳型４７内に供給される金属の溶湯に接触する前の状態にある無端ベルト４０とリングモールド４１における凹溝４２の底面４３及び側面４４，４４とに対して、塗布手段４８，４９によって離型剤及び冷却剤としてのススが塗布される。

このとき、凹溝４２における底面４３と側面４４，４４との交差部４５，４５には、上述したＲ部４６，４６が設けられていることから、塗布手段４９からのススは、凹溝４２の底面４３及び側面４４，４４だけではなく、これら底面４３と側面４４，４４との交差部４５，４５にも確実に塗布される。

鋳型４７内に供給された金属の溶湯は、図４に示すように、無端ベルト４０とリングモールド４１における凹溝４２の底面４３及び側面４４，４４とによって４方向から冷却される。
これにより、まず、凝固シェルが形成され、次いで、無端ベルト４０側から凝固組織Ｓ１が成長し、リングモールド４１における凹溝４２の底面４３側から凝固組織Ｓ２が成長し、かつ、リングモールド４１における凹溝４２の側面４４，４４側から凝固組織Ｓ３，Ｓ３が成長していく。

ここで、凹溝４２の交差部４５，４５には、組織の成長方向を制御するためのＲ部４６，４６が設けられており、かつ、離型剤及び冷却剤としてのススが底面４３及び側面４４，４４と同様に均一に塗布されているため、冷却ムラがなく、交差部４５，４５側からも凝固が十分に促進されつつ進行する。

したがって、凹溝４２の底面４３側から成長する溶湯の凝固組織Ｓ２と凹溝４２の側面４４，４４側から成長する溶湯の凝固組織Ｓ３，Ｓ３とが滑らかに連続し、最終的に、無端ベルト４１側から成長する凝固組織Ｓ１と凹溝４２側から成長する凝固組織Ｓ２，Ｓ３，Ｓ３とが会合することにより、溶湯の凝固が完了して鋳塊Ｓが鋳造される。
そして、ベルトホイール式連続鋳造機Ｄから導出された鋳塊Ｓが、圧延機Ｅによって圧延されることで荒引線（例えば低酸素銅線）６０となり、探傷器７０で傷の有無が検知されながらコイラーＦに巻回される。

本実施形態によれば、リングモールド４１の凹溝４２における底面４３と側面４４，４４との交差部４５，４５に上記のようなＲ部４６，４６が設けられ、かつ、凹溝４２の開口部の幅Ｗと凹溝４２の深さＨとＲ部４６，４６の曲率半径Ｒとが上記範囲に設定されていることから、鋳型４７内に供給された溶湯は、凹溝４２の交差部４５，４５側からの凝固の進行方向が制御され、凹溝４２の底面４３側から成長する凝固組織Ｓ２と凹溝４２の側面４４，４４側から成長する凝固組織Ｓ３，Ｓ３とが滑らかに連続させられる。

つまり、鋳型４７内に供給された金属の溶湯は、４方向から冷却されているのにも関わらず、これによって得られる鋳塊Ｓが、無端ベルト４１側から成長する凝固組織Ｓ１と凹溝４２側から成長する凝固組織Ｓ２，Ｓ３，Ｓ３とが会合する界面によって２分されただけのものとなり、従来のような３重点が生成されることはないのである。
そのため、鋳造された鋳塊Ｓの凝固割れの発生を防止することができ、かつ、潜在的な凝固組織の不健全性をなくすことができるので、高品質の鋳塊Ｓを連続的に鋳造していくことが可能となる。

なお、Ｒ部４６，４６について、上記横断面での曲率半径Ｒが１５ｍｍよりも小さくなると、鋳塊Ｓの型離れ性が悪化するといった生産上の不具合が生じたり、上記３重点が出現して品質向上の効果が認められないおそれがあり、逆に３５ｍｍよりも大きくなると、鋳塊Ｓの横断面での面積が減少して生産効率が悪化するおそれがある。

ここで、図６（ａ）〜（ｇ）に、凹溝４２の開口部の幅Ｗが１２０ｍｍ、凹溝４２の深さＨが６０ｍｍの場合において、凹溝４２の交差部４５（Ｒ部４６）の曲率半径Ｒを変化させたときの凝固界面の移動速度のシミュレーション結果を示す。凝固界面の移動速度分布は、実際のマクロ組織の形態と類似することから、この図６に示されるように、曲率半径Ｒが１５ｍｍ以上のときに効果が得られることが分かる。
また、具体的な実験例として、図７に、従来のベルトホイール式連続鋳造機で鋳造された鋳塊のマクロ組織を示し、図８に、本発明のベルトホイール式連続鋳造機で鋳造された鋳塊のマクロ組織を示す。

〔試験１〕
本発明の一例によるベルトホイール式連続鋳造機を用いて銅の鋳塊を鋳造し、ＳＣＲ方式の荒引線の製造装置によって低酸素銅線を製造した。また、従来のベルトホイール式連続鋳造機を用いて銅の鋳塊を鋳造し、ＳＣＲ方式の荒引線の製造装置によって低酸素銅線を製造した。これらの線材について捻回試験（線材を両端固定した状態で捻回し、捻じ切れるまでの回数を計測）を行った。

本発明の一例によるベルトホイール式連続鋳造機のリングモールドは、その凹溝の開口部の幅を１００ｍｍとし、高さを５０ｍｍとし、交差部（Ｒ部）の曲率半径を２０ｍｍとした。従来のベルトホイール式連続鋳造機のリングモールドは、その凹溝の開口部の幅を１２０ｍｍとし、高さを６０ｍｍとし、交差部の曲率半径を１２ｍｍとした。また、両者の製造条件としては、リングモールドの横断面形状のみが異なり、溶湯温度、冷却水量、鋳造速度、原料の品位や含有酸素濃度といった条件は同一にした。

その結果を以下の表１に示すが、この表１からも分かるように、本発明の一例によって得られた低酸素銅線では、圧延される前の鋳塊のマクロ組織において凝固組織同士が会合する面が１つしかなくなったことで、凝固組織の連続性が向上し、同時に内在する歪みが軽減されたことにより、鋳塊の圧延加工において、より均一な加工組織が実現したことが分かる。

〔試験２〕
本発明の一例によるベルトホイール式連続鋳造機を用い、凝固割れ感受性の比較的高いてタフピッチ銅ベースの銀入合金及びリン脱酸銅の鋳塊を鋳造し、ＳＣＲ方式の荒引線の造装置によって荒引線を製造した。また、従来のベルトホイール式連続鋳造機を用いてタフピッチ銅ベースの銀入合金及びリン脱酸銅の鋳塊を鋳造し、ＳＣＲ方式の荒引線の製造装置によって荒引線を製造した。これらの線材について圧延工程を出た後の線表面を渦流探傷装置（（株）日本エステック製 ＲＰ−７０００）で連続全面検査した。

本発明の一例によるベルトホイール式連続鋳造機のリングモールドと、従来のベルトホイール式連続鋳造機のリングモールドとは、試験１と同一のものとした。また、両者の製造条件も、試験１と同様に、リングモールドの横断面形状のみが異なり、溶湯温度、冷却水量、鋳造速度、原料の品位や含有酸素濃度といった条件は同一にした。
その結果を以下の表２に示すが、この表２からも分かるように、本発明が凝固割れに対して優位性があることが分かる。

本発明の実施形態による荒引線の製造装置を概略的に示した構成図である。 図１におけるベルトホイール式連続鋳造機を概略的に示した構成図である。 図２におけるリングモールドの横断面を概略的に示した構成図である。 本発明のベルトホイール式連続鋳造機で鋳造される鋳塊の横断面を概略的に示した構成図である。 従来のベルトホイール式連続鋳造機で鋳造される鋳塊の横断面を概略的に示した構成図である。 凹溝の交差部（Ｒ部）の曲率半径を変化させたときの凝固界面の移動速度のシミュレーション結果である。 従来のベルトホイール式連続鋳造機で鋳造された鋳塊のマクロ組織を示す断面図である。 本発明のベルトホイール式連続鋳造機で鋳造された鋳塊のマクロ組織を示す断面図である。

符号の説明

１０ 荒引線の製造装置
４０ 無端ベルト
４１ リングモールド
４２ 凹溝
４３ 底面
４４ 側面
４５ 交差部
４６ Ｒ部
４７ 鋳型
４８，４９ 塗布手段
Ａ 溶解炉
Ｂ 保持炉
Ｃ 鋳造樋
Ｄ ベルトホイール式連続鋳造機
Ｅ 圧延機
Ｆ コイラー
Ｓ 鋳塊

Claims (4)

1. ベルトホイール式連続鋳造機に用いられ、深さＨが４５ｍｍ〜７０ｍｍとされた凹溝が外周に形成されたリングモールドであって、
   前記凹溝における底面と側面との交差部に、この交差部側からの溶湯の凝固の進行方向を制御するＲ部が設けられていて、
   前記凹溝の長手方向に直交する断面で見たときに、前記Ｒ部の曲率半径Ｒが１５ｍｍ〜３５ｍｍとされていることを特徴とするベルトホイール式連続鋳造機用リングモールド。
2. ベルトとこのベルトに外周の一部を接触させて回転する請求項１に記載のリングモールドとを備え、前記ベルトと前記リングモールドの外周に形成された凹溝の底面及び側面との間に画成される鋳型内に、金属の溶湯が供給されることによって鋳塊を連続的に鋳造することを特徴とするベルトホイール式連続鋳造機。
3. 請求項２に記載のベルトホイール式連続鋳造機と、このベルトホイール式連続鋳造機から導出される前記鋳塊を圧延する圧延機とを備え、荒引線を連続的に製造することを特徴とする荒引線の製造装置。
4. 請求項３に記載の荒引線の製造装置を用いて、荒引線を連続的に製造することを特徴とする荒引線の製造方法。
   

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