JP2006289431A - 合金溶湯の鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 凝固鋼塊の偏析の防止と組織の微細化の達成が可能な、新しい合金溶湯の鋳造方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、合金溶湯を保持するタンディッシュより、水冷モールド壁で囲まれた凝固空間へスラグを介して、合金溶湯を積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下の注入速度で注入し、溶湯プールを形成させつつ凝固させるとともに、合金溶湯の注入速度に応じて、水冷モールド下部より垂直方向に鋳塊を引き抜く合金溶湯の鋳造方法であり、好ましくはスラグとして融点５００〜１４００℃の低融点スラグを使用する。
また、本発明では、Ｆｅを主成分として、Ｆｅ以外の金属元素を５質量％以上含有するか、あるいはＣを０．１〜３．０質量％含有する合金溶湯に適用することが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、中心偏析、逆Ｖ偏析等の偏析を防止し、微細組織を形成することができる合金溶湯の鋳造方法である。

従来、偏析が少なく、微細組織が得られる合金溶湯の鋳造方法として、真空アーク再溶解法（ＶＡＲ）やエレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ）が良く用いられている。これらの方法は、水冷モールド壁で囲まれた凝固空間において、溶湯プールを形成させつつ、凝固させるものであり、凝固空間が小さく、積み上げるように凝固させる一般に積層凝固と呼ばれる凝固形態となる。
この積層凝固の形態は、凝固空間が小さいことに起因して、インゴット鋳造で発生する中心偏析や、逆Ｖ偏析といった偏析の発生を緩和することができる。また、水冷モールドの使用により、冷却速度を高めることとができるため、組織が微細均一になるという利点もある。

このように、有効な特徴をもつ再溶解法であるが、ＶＡＲ，ＥＳＲともに、再溶解用電極を製造する必要があり、多くの工数と、再溶解のためのエネルギーを必要とするものであった。
この様な問題を解決しようとする方法として、スラグ反応により精錬効果が期待できるＥＳＲ法を起源として、電極を使わず細滴化した溶湯を、加熱溶融したスラグ層を追加させ、精錬層底部から鋳塊を引き抜かれる技術が、特許文献１に示されている。
特開昭６２−４８４０号公報

上述した特許文献１に記載される具体的な方法は、溶鋼を精錬槽中に保持し、溶鋼を別に設けた水冷モールドから引き出すという連続鋳造法を開示するものである。特許文献１では、これを積層凝固と称しているが、ＥＳＲやＶＡＲ法における技術分野における積層凝固は、上述した通り、積み上げるように凝固させるものであって、特許文献１に開示される方法とは異なるものである。
そのため、特許文献１においては、スラグの精錬効果を発揮させるのには有効であるが、表層部のみが凝固した状態で引き抜かれざるを得ない連続鋳造法を適用しているため、特に高合金における中心偏析やセンターポロシティという欠陥の発生が問題となる。
本発明の目的は、凝固鋼塊の偏析の防止と組織の微細化の達成が可能な、新しい合金溶湯の鋳造方法を提供することである。

本発明者らは、溶湯を、銅製、鉄製等の金属製の水冷モールド向けてスラグを介して溶湯を供給することでも、ＥＳＲに近似する凝固空間の小さな溶湯プールが形成できることを見出し、さらに、スラグによる、溶湯プール表面の断熱及び外気遮断の作用によって、高品質の鋳塊を得ることができることを見出し本発明に到達した。

すなわち本発明は、合金溶湯を保持するタンディッシュより、水冷モールド壁で囲まれた凝固空間へスラグを介して、合金溶湯を積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下の注入速度で注入し、溶湯プールを形成させつつ凝固させるとともに、合金溶湯の注入速度に応じて、水冷モールド下部より垂直方向に鋳塊を引き抜く合金溶湯の鋳造方法である。

本発明において、スラグとして融点５００〜１４００℃の低融点スラグを使用することの望ましい。
また、本発明は、Ｆｅを主成分として、Ｆｅ以外の金属元素を５質量％以上含有するか、あるいはＣを０．１〜３．０質量％含有する合金溶湯に適用することが好ましい。

本発明によれば、溶湯から直接に、積層凝固鋼塊を得ることができるため、低コストかつ高い生産性を確保できる。また、本発明は、偏析の発生しやすい高合金の製造に適用すれば、工数を飛躍的に低減できるため、特に有効なものとなる。

上述したように、本発明の重要な特徴は、水冷モールドに向けてスラグを介して溶湯を供給することにある。
再溶解法のような電極を使わず、積層凝固するためには、合金溶湯を積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下という低速の注入速度で注入し、溶湯プールを形成させつつ供給した溶湯を速やかに凝固させることが必要であり、そのために水冷モールド壁で囲まれた凝固空間とすることが必要である。
そして、本発明では合金溶湯の注入速度に応じて、水冷モールド下部より垂直方向に鋳塊を引き抜く。これにより、一定形状のメニスカスを形成し、ＥＳＲと同様な、微細均一組織の積層凝固鋳塊を得ることができるものである。

なお、本発明においてタンディッシュとは、溶湯を保持する容器であればどのようなものでもかまわず、たとえば必要に応じて加熱手段を持つものでも良い。
また、水冷モールドによって形成される鋳型の形状は、凝固形態の均一性からは円形が好ましいが、鋳塊形状と製造性等を考慮し、楕円や矩形としても良い。

本発明において、スラグは、溶湯の脱硫といった精錬作用に加えて、溶湯プール表面の断熱及び外気遮断に取って重要である。
さらに、本発明者等の実験によれば、スラグの特性を調整することで、ＥＳＲには無い以下の新しい効果を得ることができる。
まず、スラグには精錬効果と、溶湯プール表面の断熱と外気との遮蔽の作用があるが、１４００℃を超える融点を有するスラグでは、溶湯からの伝熱だけでは、十分に液化できない場合があり、溶湯プールを囲むスラグ固化層シェルが発達しすぎて、鋳塊外層に異常組織が深く形成する場合がある。これに対して、１４００℃以下のスラグでは、溶湯からの熱を受けてスラグの固化が抑制され鋳塊外層の異常組織形成が著しく抑制される。また、このような低融点スラグは、粘性も低く鋳塊表面に不必要に厚いスラグスキンが形成されないという効果もある。

また、本発明は、ＥＳＲのような電極からのジュール熱による熱エネルギーの供給ではなく、あらかじめ溶けた溶湯を使用するため、スラグへの特別な加熱手段は必ずしも必要ではない。しかし、スラグの温度コントロールのために、別途加熱手段を設けることもできる。特に固化しやすい融点の高いスラグを使用する場合に有効な手段となる。
加熱手段としてはスラグ通電で得られるジュール熱の利用が簡便で有効な手段である。スラグ全体の温度を上げず、保温部材内面でのスラグ固化成長を抑えるには、スラグ外周部に集中して電気が流れるように通電用電極を設置することが好ましい。

スラグを加熱することで、表層異常組織の生成を抑制することができ、融点の高いスラグの有害性を緩和することができる。過度に高温までスラグを加熱すると、スラグから溶湯への熱移動がおこるため、冷却速度が遅くなる。スラグ温度としては鋳込み温度以下が好ましい。
なお、スラグとして融点５００℃以下のものは、現実的ではなく、好ましくは５００〜１４００℃の低融点スラグを使用するのが望ましい。
このようなスラグの効果を得るためには、スラグ層の厚さは２０ｍｍ以上が好ましく、最適な厚さ範囲は２０ｍｍ〜１００ｍｍである。

また、本発明において、合金溶湯の注入速度を凝固空間への合金溶湯の積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下としたのは、速すぎると、積層凝固の目的とする偏析の少ない均質な組織が得にくくなること、溶湯中へのスラグ巻き込みのおそれがあるためである。より好ましくは０．１ｍ／分以下、さらに望ましくは０．０５ｍ／分以下である。生産性を考慮すれば、０．００５ｍ／分以上とすることが望ましい。
また、溶湯としては、溶湯の酸化を防止するために連続した溶湯流として供給することが望ましい。

本発明において特に有効なのは、固液共存温度幅が大きく湯流れ性が不十分、かつ凝固収縮が大きい領域を持つ合金の鋳造である。たとえば、Ｆｅを主成分として、Ｆｅ以外の金属元素を５質量％以上含有するかもしくは、Ｃを０．１〜３．０質量％含有する鉄基材料の鋳造に有効である。より具体的には、１０質量％以上の合金添加量を有する工具鋼、あるいは高速度工具鋼である。

本発明を実施する装置を使用した本発明の鋳造工程の一例を図１に示す。図１は装置断面を示すものであり、合金溶湯１１を保持するタンディッシュ１０，水冷モールド２，鋳塊の引き抜きを行う昇降装置２０を具備する装置である。水冷モールドの形状は、長さ４００ｍｍ、内径は４５０ｍｍである。水冷モールド下方には２次冷却帯３０を配置している。
また、付加装置として、合金溶湯と外気を遮断するシールド１４およびスラグ通電電極１５を配置可能としている。

図１に示す装置において、合金溶湯１１を保持したタンディッシュ１０の底部に設けたノズル１２から溶湯流１３として、スラグ１を介して水冷モールド２に注入する。
これにより、水冷モールド２領域にメニスカス上面位置を有する溶湯プール３を形成でき、水冷モールド側にシェルを形成することができる。
そして、合金溶湯１１の注入量に合わせて、昇降装置２０を降下して鋳塊４を引き抜くことで、一定のメニスカス位置を保ちつつ、積層凝固を進行させることができる。また、水冷モールドから抜け出た鋳塊は２次冷却帯３０でミスト冷却されるようにしている。

図１の装置を用いて、鋳造実験を行った。なお、スラグ通電電極１５による通電加熱は、１４００℃を越えるスラグＮｏ．１を使用する場合に適用した。
タンディッシュに溶湯を保持し、表１に示す組成及び融点を有するスラグを５０ｍｍの厚さで配置して水冷モールドに鋳造を行った。溶湯は質量％ＪＩＳ ＳＫＤ１、ＳＫＨ５１相当の２鋼種を用いた。溶湯の成分を表２に示す。
溶湯温度を１５００℃とし、注入速度は、積層凝固速度０．０２ｍ／分（２０ｍｍ／分）相当として３ｍまで鋳造を行った。

得られた鋳塊の２分の１長さ位置の表層異常組織の深さおよびＤ／８、Ｄ／４およびＤ／２のＤＡＳIIの測定値を表３に示す。
表３に示すように、本発明により積層凝固が可能であることを確認した。ＤＡＳII値も、鋳型による造塊法の場合の３０〜５０％程度に微細化されている。
なお、スラグＮｏ．１に、通電加熱を適用したのは、通電加熱を適用しないとブレークアウトを起したためである。このことから、スラグ固化が進みやすい１４００℃以上の融点を持つスラグは、温度管理を慎重に行なう必要があることが分かった。
一方、融点１４００℃以下のスラグを適用した試料Ｎｏ．２ないし６では、特にスラグに対して通電加熱を行なわなくても鋳造が可能であり、鋳造条件に対する感受性が低く、取扱いが容易であるという利点が確認された。

また、表４に、低融点スラグを使用した試料Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４に対して、スラグ通電加熱を適用した場合を、試料Ｎｏ．７〜Ｎｏ．９として、得られた鋳塊の２分の１長さ位置の表層異常組織の深さおよびＤ／８、Ｄ／４およびＤ／２のＤＡＳIIの測定値を示す。
表４より、スラグ通電加熱でスラグ温度を制御することでＤＡＳIIや表層異常組織深さを、さらに小さくできることを確認できた。

本発明を適用する装置の一例を示す概念図である。

符号の説明

１．スラグ、２．水冷モールド、３．溶湯プール、４．鋳塊
１０．タンディッシュ、１１．合金溶湯、１２．ノズル、１３．溶湯流
１４．シールド、１５．スラグ通電電極、２０．昇降装置、３０．２次冷却帯

Claims (4)

1. 合金溶湯を保持するタンディッシュより、水冷モールド壁で囲まれた凝固空間へスラグを介して、合金溶湯を積層凝固速度にて、０．３ｍ／分以下の注入速度で注入し、溶湯プールを形成させつつ凝固させるとともに、合金溶湯の注入速度に応じて、水冷モールド下部より垂直方向に鋳塊を引き抜くことを特徴とする合金溶湯の鋳造方法。
2. スラグとして融点５００〜１４００℃の低融点スラグを使用することを特徴とする請求項１に記載の合金溶湯の鋳造方法。
3. 合金溶湯は、Ｆｅを主成分として、Ｆｅ以外の金属元素を５質量％以上含有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の合金溶湯の鋳造方法。
4. 合金溶湯は、Ｃを０．１〜３．０質量％含有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の合金溶湯の鋳造方法。

Images