JP2006130552A

JP2006130552A - 連続鋳造用鋳型

Info

Publication number: JP2006130552A
Application number: JP2004325602A
Authority: JP
Inventors: 慶平 ▲冬▼; Kiyouhei Fuyu; Noriyuki Nomoto; 詞之野本; Koichi Furutoku; 浩一古徳
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】鋳型の耐火物内筒と背後の水冷ジャケットとの界面の局所的な非接触部分を解消して密着性を向上させた連続鋳造用鋳型を提供する。
【解決手段】一対の長辺２と一対の短辺３により上下が開放された矩形断面の鋳造空間４を形成する鋳型において、鋳造空間４に面して配置された耐火物内筒５と、耐火物内筒５の背後に設けられた水冷ジャケット６との間に、隙間８を形成し、隙間８の隙間上方部８Ａに不良熱伝導性物質９Ａを充填し、隙間下方部８Ｂに良熱伝導性物質９Ｂを充填した連続鋳造用鋳型を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種金属及びその合金の鋳塊を連続的に製造する連続鋳造用鋳型、特に、銅及び銅合金の連続鋳造に適する連続鋳造用鋳型に関するものである。

銅及び銅合金の連続鋳造は、一般的に、上下の両端が開放された鋳造空間を有する鋳造用鋳型を用いて、鋳型の上端から銅溶湯を注入しつつ下端から固化した銅を連続して引き抜くことにより、長い鋳塊を連続的に鋳造している。

このような連続鋳造に使用される鋳型は、通常、金属溶湯に接する耐火物と、この耐火物の背後に設けられた水冷ジャケットから構成されている。耐火物は、圧入または焼き嵌めによって水冷ジャケットの内側に嵌合し固定される。水冷ジャケットは、内部に冷却水路が設けられ、給排水口から供給排出される冷却水によって水冷される仕組みになっている。

そして、連続鋳造の際に注湯ノズルから鋳型に注入された溶湯は、鋳型内で冷却され、耐火物に接している部分から凝固し、鋳型の下部に移動するほど凝固シェルが厚くなる。続いて鋳型の下方に設けられたノズルから噴出される冷却水によって冷却されて全体が凝固し、これによって金属鋳塊が鋳造される。

図３は、従来の連続鋳造用鋳型を示す縦断説明図である。
図３の鋳型１０は、上下に開放された空間が金属溶湯に接する耐火物製内筒１１と、耐火物製内筒１１の背後に設けられた冷却水路１３を有する水冷ジャケット１２を備えている。耐火物製内筒１１は圧入または焼き嵌めによって水冷ジャケット１２の内側に嵌合し固定されている。

図３によると、連続鋳造装置（図示省略）のノズル１５から鋳型１０に注入された金属溶湯１６は、水冷ジャケット１２の冷却水路１３に供給される冷却水により鋳型１０の内部で冷却されて、耐火物製内筒１１に接している部分から凝固し、鋳型１０の下部になるほど凝固シェルが厚くなる。続いて鋳型１０の下方に設けられた水シャワー１４から噴出される冷却水によって冷却されて全体が凝固し、これによって銅あるいは銅合金などの金属の鋳塊１８が鋳造される。

図３に示した連続鋳造において、金属溶湯１６をノズル１５から鋳型１０に注入して冷却する場合、金属溶湯１６のメニスカス１７の近傍における凝固シェルの成長を均一化させるために、水冷ジャケット１２による冷却の制御は極めて重要である。

図４は、従来の連続鋳造用鋳型を示す横断説明図である。
図４において、鋳型１０は、耐火物製内筒１１と冷却水路１３を有する水冷ジャケット１２の外形が矩形状を呈し、耐火物製内筒１１は、上下に開放された矩形断面の鋳造空間を有する。

一方、溶鋼や中炭素鋼、溶融アルミニウムの連続鋳造において、鋳造用鋳型と金属溶湯のメニスカス近傍における冷却の関係を述べた文献が存在する。（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３）

特許文献１に記載されている鋳造用鋳型は、中炭素鋼の連続鋳造に当たり、メニスカス直下で形成される凝固シェルの成長を鋳型幅方向に均一化するために、鋳型に電流を印加すると吸熱する素子からなる冷却体と発熱体を設置している。

特許文献２に記載されている鋳造用鋳型は、溶鋼や溶融アルミニウムの鋳型として、断面矩形の鋳造空間を有する鋳型銅板とバックプレートと間に複数の冷却水溝を等間隔に形成している。

特許文献３に記載されている鋳造用鋳型は、筒状鋳壁の内部空間を有する鋳型本体と、筒状鋳壁の長手方向に並設された複数の冷却区域を設けた水冷装置を備え、鋳型の上下で冷却機能を分離し、鋳型上部の通水量を減少させている。
特許第３４１４２１９号公報（図２）特許第３４９３９６６号公報（図３）特開平１−１４３７４２号公報（図１）

しかし、連続鋳造用鋳型において、圧入または焼き嵌めによって嵌合し固定される耐火物製内筒とその外側の水冷ジャケットとは、完全な密着が難しく、界面に局所的な非接触部分が生じる。局所的な非接触部分が生じると、溶湯から耐火物、水冷ジャケットへの熱移動が局所的に遅くなり、鋳型の冷却能力の低下及び冷却不均一（冷却むら）の原因になるという問題があった。

また、耐火物製内筒の外側に水冷ジャケットを有する鋳型を用いた連続鋳造においては、鋳型の長手方向または幅方向に冷却むらが存在するため、鋳塊の凝固シェルも不均一になり、鋳塊の表面欠陥の原因になるばかりでなく、鋳型内の温度むらにより熱歪が生じて耐火物の寿命が低下する等の欠点を招いていた。特に合金元素が偏析し易い合金、または共晶を生じ易い銅合金の場合は、鋳型冷却の不均一に起因する鋳塊の芯割れが生じやすいという問題があった。

さらに、圧入または焼き嵌めによって嵌合固定される耐火物製内筒とその外側の水冷ジャケットから構成された鋳型は、ノズルから供給される金属溶湯の流動や鋳型の冷却むらにより、メニスカス直下で形成される凝固シェルの形成位置や成長速度が鋳型の幅方向（長辺方向）において不均一となる。通常、溶湯温度が高く、ノズルから供給された溶湯の流速が速い程、幅方向（長辺）中央部の凝固シェル成長が遅れるという問題があった。

従って、本発明の目的は、鋳型の耐火物内筒とその背後に設けられた水冷ジャケットとの界面に存在する局所的な非接触部分を解消した連続鋳造用鋳型を提供することにある。

本発明の他の目的は、鋳型の上下における冷却機能を分離して、鋳型の冷却効果を向上させて鋳型幅方向の冷却むらを無くすとともに、メニスカス直下における凝固シェルの形成位置、並びに成長速度を制御できる連続鋳造用鋳型を提供することにある。

本発明は、上記の目的を実現するために、一対の長辺と一対の短辺により、上下が開放された矩形断面の鋳造空間を形成する連続鋳造用鋳型において、
前記鋳造空間に面して配置された耐火物と、前記耐火物の背後に設けられた水冷ジャケットとの間に、隙間を形成したことを特徴とする連続鋳造用鋳型を提供する。

本発明において、隙間は、不良熱伝導性物質が充填される隙間上方部と、良熱伝導性物質が充填される隙間下方部を有することが好ましい。

本発明において、隙間上方部は、不良熱伝導性物質として、Ａｌ₂Ｏ₃粉、ＺｒＯ₂粉、Ｓｉ₃Ｎ₄粉、および空気から選択された１つ以上の物質であることが好ましい。

本発明において、隙間下方部は、良熱伝導性物質として、電気銅粉、炭素粉、ＳｉＣ粉、あるいはＢｅＯ粉から選択された１つ以上の物質であることが好ましい。

本発明において、隙間上方部は、鋳型の金属溶湯のメニスカスレベルの下方に、好ましくは２０ｍｍ以上〜１００ｍｍ未満の位置より上方の隙間が、不良熱伝導性物質によって充填されていることが好ましい。

本発明において、隙間上方部の不良熱伝導性物質は、単体の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の粉粒状物質であることが好ましい。

本発明において、隙間下方部の良熱伝導性物質は、単体の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の粉粒状物質であることが好ましい。

本発明の連続鋳造用鋳型によると、鋳造空間に面して配置された耐火物内筒と耐火物内筒の背後に設けられた水冷ジャケットとの間に隙間が形成され、隙間上方部には不良熱伝導性物質が充填され、隙間下方部には良熱伝導性物質が充填されており、しかも、不良熱伝導性物質の粉粒体と良熱伝導性物質の粉粒体は、熱伝導性が異なるために、鋳型の隙間上方部と隙間下方部の冷却機能を鋳型の上下で分離することができる。
この結果、鋳型の冷却効果を高め、鋳塊の幅方向及び長手方向の冷却を均一にして鋳型の冷却むらを無くすとともに、メニスカス直下での凝固シェル生成位置、並びに成長速度を制御して、鋳塊の表面欠陥及び内部割れを防止でき、鋳塊の品質を向上させることができるという効果が得られる。

さらに、本発明の連続鋳造用鋳型によると、従来の鋳造装置に新たな設備を設置することなく、従来の鋳型を本発明の連続鋳造用鋳型に置き換えるだけで適用することができるために、鋳造装置の費用が安価に抑えられるという経済的な効果がある。

図１は、本発明の実施の形態による連続鋳造用鋳型を示す縦断説明図である。
図１の鋳型１は、一対の長辺と一対の短辺により、上下に開放された矩形断面の鋳造空間４を形成する耐火物内筒５と、耐火物内筒５の背後に設けられた冷却水路７を有する水冷ジャケット６を備えている。

また、図１の鋳造空間４に面して配置された耐火物内筒５と、耐火物内筒５の背後に設けられた水冷ジャケット６との間には、隙間８が形成されている。
グラファイトなどの耐火物内筒５は、圧入または焼き嵌めによって、熱伝導性の高い銅または銅合金製の水冷ジャケット６の内側に嵌合し固定されている。

図１において、鋳型１の隙間８は、さらに、不良熱伝導性物質９Ａが充填される隙間上方部８Ａと、良熱伝導性物質９Ｂが充填される隙間下方部８Ｂを有する。
隙間上方部８Ａに充填される不良熱伝導性物質９Ａは、Ａｌ₂Ｏ₃粉、ＺｒＯ₂粉、Ｓｉ₃Ｎ₄粉、あるいは空気から選択された１つ以上の物質である。
隙間下方部８Ｂに充填される良熱伝導性物質９Ｂは、電気銅粉、炭素粉、ＳｉＣ粉、あるいはＢｅＯ粉から選択された１つ以上の物質である。

また、図１において、隙間上方部８Ａの不良熱伝導性物質９Ａは、単体の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の粉粒状物質である。
隙間下方部８Ｂの良熱伝導性物質９Ｂは、単体の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の粉粒状物質である。

さらに、図１において、隙間上方部８Ａは、鋳造空間を流動する金属溶湯のメニスカスレベルを基準として、２０ｍｍ以上〜１００ｍｍ未満下方の位置より上方の隙間、好ましくは３０ｍｍ以上〜６０ｍｍ未満下方の位置より上方の隙間に、不良熱伝導性物質９Ａを有する。

図２は、本発明の実施の形態による連続鋳造用鋳型を示す横断説明図である。
図２において、鋳型１は、耐火物内筒５と冷却水路７を有する水冷ジャケット６の外形が矩形状を呈し、耐火物内筒５は、一対の長辺と一対の短辺により上下に開放された矩形断面の鋳造空間４を形成している。耐火物内筒５と水冷ジャケット６の間に形成した隙間８には、上方部に不良熱伝導性物質、下方部に良熱伝導性物質がそれぞれ充填されている。

本発明の連続鋳造用鋳型において、グラファイト等の耐火物内筒と水冷ジャケットとの間に形成される隙間は、隙間の形状、大きさに関して特に制限はない。例えば、鋳型の上端から下端に向かってくさび形または逆くさび形の隙間を形成しても良い。また、グラファイト製耐火物内筒と水冷ジャケットとの間の一部または全面に隙間を設けてもよい。

隙間に充填する熱伝導性物質粉粒体は、所定の熱伝導率を満たしているならば、粉粒体の種類、粒度に関して特に制限はない。隙間への粉粒体の充填方法に関しても制限がなく、鋳型を振動させながら粉粒体を充填してもよい。

本発明の連続鋳造用鋳型において、鋳型下端からメニスカスより２０ｍｍ以内の下方まで良熱伝導性物質を充填した場合は、鋳型の上部緩冷却機能が不十分になり、メニスカスの近くで凝固シェルが形成されて、凝固シェルが不均一になり易い。一方、鋳型下端からメニスカスより１００ｍｍ以上の下方まで良熱伝導性物質を充填した場合は、鋳型の冷却能力が不足して、鋳造速度の低下を招くことになる。
したがって、本発明の連続鋳造用鋳型においては、メニスカスレベルより２０ｍｍ以上〜１００ｍｍ未満下方の位置までは良熱伝導性の物質を充填し、好ましくは、メニスカスレベルより３０ｍｍ以上〜６０ｍｍ未満下方の位置までは良熱伝導性の物質を充填する。

本発明の連続鋳造用鋳型において、鋳型の隙間下方部に充填する熱伝導性粉粒体単体の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の場合は、グラファイト製耐火物内筒と水冷ジャケットとの間の熱伝導が不十分となり、鋳型の冷却能力が低下し、鋳造速度の低下を招いてしまう。したがって、鋳型の隙間下方部に充填する熱伝導性粉粒体の熱伝導率は５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とし、好ましくは１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。
一方、鋳型の隙間上方部に充填する熱伝導性粉粒体単体の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上では、鋳型の上部での緩冷却機能が不十分となり、凝固シェルの生成位置がメニスカス近くに達し、凝固シェルの成長も不均一になり易い。

グラファイト製の耐火物内筒と水冷ジャケットとの隙間に、鋳型の下端からメニスカス相当位置より４０ｍｍ下方まで平均粒径１１．５μｍ、単体の熱伝導率が３８８Ｗ／ｍ・Ｋの電解銅粉を充填し、その上の隙間に平均粒径８３μｍ、単体の熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・ＫのＡｌ₂Ｏ₃粉を充填して鋳型を構成した。

グラファイト製耐火物内筒と水冷ジャケットとの隙間に、鋳型の下端からメニスカス相当位置より６５ｍｍ下方まで平均粒径２３μｍ、単体の熱伝導率が３８５Ｗ／ｍ・Ｋの電解銅粉を充填し、その上の隙間に平均粒径６１μｍ、単体の熱伝導率が１３Ｗ／ｍ・ＫのＺｒＯ₂粉を充填して鋳型を構成した。

グラファイト製の耐火物内筒と水冷ジャケットとの隙間に、鋳型の下端からメニスカス相当位置より５５ｍｍ下方まで平均粒径６１μｍ、単体の熱伝導率が１３３Ｗ／ｍ・Ｋの炭素粉を充填し、その上から鋳型の上端までの隙間に平均粒径６１μｍ、単体の熱伝導率が２１Ｗ／ｍ・ＫのＳｉ₃Ｎ₄粉を充填して鋳型を構成した。

グラファイト製の耐火物内筒と水冷ジャケットの隙間に、鋳型の下端からメニスカス相当位置より２０ｍｍ下方まで平均粒径３３μｍ、単体の熱伝導率が３８８Ｗ／ｍ・Ｋの電解銅粉を充填し、その上の隙間を保温性のある空気層として鋳型を構成した。

実施例１から実施例４までの連続鋳造用鋳型を連続鋳造装置に設置して銅合金の連続鋳造を行なった。いずれの実施例においても表面品質がよく、芯割れのない銅鋳塊が得られた。

本発明の実施の形態による連続鋳造用鋳型を示す縦断説明図である。本発明の実施の形態による連続鋳造用鋳型を示す横断説明図である。従来の連続鋳造用鋳型を示す縦断説明図である。従来の連続鋳造用鋳型を示す横断説明図である。

符号の説明

１鋳型
２長辺
３短辺
４鋳造空間
５耐火物内筒
６水冷ジャケット
７冷却水路
８隙間
８Ａ隙間上方部
８Ｂ隙間下方部
９Ａ不良熱伝導性物質
９Ｂ良熱伝導性物質
１０鋳型
１１耐火物製内筒
１２水冷ジャケット
１３冷却水路
１４水シャワー
１５ノズル
１６金属溶湯
１７メニスカス
１８鋳塊

Claims

一対の長辺と一対の短辺により、上下が開放された矩形断面の鋳造空間を形成する連続鋳造用鋳型において、
前記鋳造空間に面して配置された耐火物と、前記耐火物の背後に設けられた水冷ジャケットとの間に、隙間を形成したことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
前記隙間は、不良熱伝導性物質が充填される隙間上方部と、良熱伝導性物質が充填される隙間下方部を有することを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造用鋳型。
前記隙間上方部は、前記不良熱伝導性物質として、Ａｌ₂Ｏ₃粉、ＺｒＯ₂粉、Ｓｉ₃Ｎ₄粉、および空気から選択された１つ以上の物質を有することを特徴とする請求項２に記載の連続鋳造用鋳型。
前記隙間下方部は、前記良熱伝導性物質として、電気銅粉、炭素粉、ＳｉＣ粉、およびＢｅＯから選択された１つ以上の物質を有することを特徴とする請求項２に記載の連続鋳造用鋳型。