JP2008173662A - 無酸素銅線または銅合金線の製造方法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】無酸素銅や銅合金を鋳造速度の速い移動鋳型を用いて連続鋳造する際に、鋳塊内にポロシティが発生することなく高品質の鋳塊を得、製造歩留まりの大きい無酸素銅線や銅合金線を製造する方法を提供する。
【解決手段】無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊が最終凝固する前の部分を圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法。
【選択図】なし
【解決手段】無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊が最終凝固する前の部分を圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法。
【選択図】なし
Description
本発明は、移動鋳型を用いて銅または銅合金を連続鋳造し、銅もしくは銅合金線を製造する方法およびその装置、特に、無酸素銅線または固液共存温度範囲の広い銅合金（コルソン合金）線を高速で製造する方法およびその装置に関する。
金属を連続あるいは半連続鋳造し、その内部ポロシティがある鋳塊を熱間圧延し、線材を製造する場合にはカッピング断線が発生するし、条材を製造する場合にはフクレ欠陥が発生する。また、鋳塊中のこのポロシティは熱間圧延・冷間圧延を施しても消滅しない為に、内部欠陥として内在し、その為に、伸線工程で断線等の不具合が発生する。
鋼の連続あるいは半連続鋳造において、中心偏析やポロシティの生成を防止する技術として、未凝固鋼塊を強冷し、鋼塊軸芯部が凝固完了した直後から常温まで冷却する間に圧縮変形を加える方法（例えば、特許文献１参照）や、固相率０．３〜０．７の区間はガイドロールで案内し、固相率０．９５で中心部と表面部との温度差が大きい区間では５％以上の圧下を付与する方法（例えば、特許文献２参照）、冷却を調整し、最終凝固部近傍の表面温度を７００〜８００℃とし、圧下を付与する方法（例えば、特許文献３参照）、軽圧下ロールの圧下量と冷却水量を調節する方法（例えば、特許文献４参照）等が提案されている。
また、鋳片のセンターポロシティを軽圧下により圧着消滅する技術として、中央に凸部をもつピンチロールとその直前に設けた冷却設備により６００〜４００℃で圧下する方法（例えば、特許文献５参照）や、圧延直前の未凝固率と圧下率が特定の関係を満たすように冷却速度を調整し、内質の優れた複数のサイズの鋳片を製造する方法（例えば、特許文献６参照）など、鉄鋼に関する連続鋳造方法が出願されている。
しかし、これらは鋳型から排出された未凝固領域が存在する鉄鋼の鋳塊に対して圧下加工が施されているものである。
鋼の連続あるいは半連続鋳造において、中心偏析やポロシティの生成を防止する技術として、未凝固鋼塊を強冷し、鋼塊軸芯部が凝固完了した直後から常温まで冷却する間に圧縮変形を加える方法（例えば、特許文献１参照）や、固相率０．３〜０．７の区間はガイドロールで案内し、固相率０．９５で中心部と表面部との温度差が大きい区間では５％以上の圧下を付与する方法（例えば、特許文献２参照）、冷却を調整し、最終凝固部近傍の表面温度を７００〜８００℃とし、圧下を付与する方法（例えば、特許文献３参照）、軽圧下ロールの圧下量と冷却水量を調節する方法（例えば、特許文献４参照）等が提案されている。
また、鋳片のセンターポロシティを軽圧下により圧着消滅する技術として、中央に凸部をもつピンチロールとその直前に設けた冷却設備により６００〜４００℃で圧下する方法（例えば、特許文献５参照）や、圧延直前の未凝固率と圧下率が特定の関係を満たすように冷却速度を調整し、内質の優れた複数のサイズの鋳片を製造する方法（例えば、特許文献６参照）など、鉄鋼に関する連続鋳造方法が出願されている。
しかし、これらは鋳型から排出された未凝固領域が存在する鉄鋼の鋳塊に対して圧下加工が施されているものである。
電子機器の小型化が進む中で、銅導体には細線化が求められ、延性や加工性に優れる無酸素銅が使用されるようになってきた。そこで、無酸素銅または低酸素銅の線材を生産能力の高いベルト＆ホイール式連続鋳造圧延で製造する方法が提案されている（例えば、特許文献７参照）。
一方、析出硬化型銅合金であるコルソン合金は、中間温度脆性が顕著な合金であることは公知であり、このため鋳造での割れを回避するのに十分な考慮が必要であることが指摘されている。
また、鋳型内での圧下加工においては、鋳塊とベルト間に発生するエアーギャップの消滅による冷却効率の向上などについて、非鉄金属の処理においても各種実用化されている。
一方、析出硬化型銅合金であるコルソン合金は、中間温度脆性が顕著な合金であることは公知であり、このため鋳造での割れを回避するのに十分な考慮が必要であることが指摘されている。
また、鋳型内での圧下加工においては、鋳塊とベルト間に発生するエアーギャップの消滅による冷却効率の向上などについて、非鉄金属の処理においても各種実用化されている。
移動鋳型にて連続鋳造を行う際には、一般的なＤＣ鋳造や水平横型連続鋳造方式に比較して圧倒的に鋳造速度が速いことが特徴として挙げられる。その為に、固液共存領域は鋳造方向に長く存在し、純金属である無酸素銅や銅合金に於いて最終凝固部にポロシティがタフピッチ銅に比較して容易に発生しやすくなる。
図５に示すような移動鋳型を用いて、例えば６ｍ／ｍｉｎ（１００ｍｍ／ｓｅｃ）以上の鋳造速度で鋳造する際に、通常鋳塊の最終凝固部にポロシティが発生する。特に無酸素銅の場合には、鋳造方向での冷却が不均一であることから凝固が均一に進まず、湯面からの距離と平均固相率をみると、一般に図６のグラフで示すような状況となり、固液共存領域が広くポロシティが発生する。また、固液共存領域が広いコルソン合金（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金）の場合には、Ｓｉによる見掛け粘度の上昇により高固相率領域での液相の流動性が大幅に阻害され、溶湯補給が出来なくなりポロシティが発生する。
そこで本発明は、無酸素銅や銅合金を鋳造速度の速い移動鋳型を用いて連続鋳造する際に、鋳塊内にポロシティが発生することなく良質の鋳塊を得、製造歩留まりの大きい高品質の無酸素銅線や銅合金線を製造する方法およびその装置を提供することを目的とする。
図５に示すような移動鋳型を用いて、例えば６ｍ／ｍｉｎ（１００ｍｍ／ｓｅｃ）以上の鋳造速度で鋳造する際に、通常鋳塊の最終凝固部にポロシティが発生する。特に無酸素銅の場合には、鋳造方向での冷却が不均一であることから凝固が均一に進まず、湯面からの距離と平均固相率をみると、一般に図６のグラフで示すような状況となり、固液共存領域が広くポロシティが発生する。また、固液共存領域が広いコルソン合金（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金）の場合には、Ｓｉによる見掛け粘度の上昇により高固相率領域での液相の流動性が大幅に阻害され、溶湯補給が出来なくなりポロシティが発生する。
そこで本発明は、無酸素銅や銅合金を鋳造速度の速い移動鋳型を用いて連続鋳造する際に、鋳塊内にポロシティが発生することなく良質の鋳塊を得、製造歩留まりの大きい高品質の無酸素銅線や銅合金線を製造する方法およびその装置を提供することを目的とする。
発明者らは、各種実験をして検討した結果、鋳塊中心部の凝固が完全には終了していない領域に外部から圧下加工を行うことで、その後方で発生するであろうポロシティを消滅させることができることを見出した。特に、凝固が完全には終了していないこの未凝固領域は、鋳塊の断面当たりの平均固相率が０．７以上から１．０未満の領域で、圧下加工を行うことが有効であることが分った。
すなわち、本発明は、
（１）無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊が最終凝固する前の部分を圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法、
（２）無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊断面当たりの平均固相率が０．７以上から１．０未満の領域を外部から圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法、
（３）無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊断面当たりの平均固相率が０．７以上から１．０未満の領域を鋳造ベルト外部から圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法、
（４）無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊が鋳造リングから離れる部位での鋳塊表面温度に基づき、鋳塊断面当たりの平均固相率が０．７以上から１．０未満の領域を予測し、鋳造ベルト外部からその領域を圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法、および
（５）無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型で連続鋳造する工程に、鋳塊が最終凝固する前の部分を圧下加工する圧下ロールを有することを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造装置、
を提供するものである。
すなわち、本発明は、
（１）無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊が最終凝固する前の部分を圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法、
（２）無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊断面当たりの平均固相率が０．７以上から１．０未満の領域を外部から圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法、
（３）無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊断面当たりの平均固相率が０．７以上から１．０未満の領域を鋳造ベルト外部から圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法、
（４）無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊が鋳造リングから離れる部位での鋳塊表面温度に基づき、鋳塊断面当たりの平均固相率が０．７以上から１．０未満の領域を予測し、鋳造ベルト外部からその領域を圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法、および
（５）無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型で連続鋳造する工程に、鋳塊が最終凝固する前の部分を圧下加工する圧下ロールを有することを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造装置、
を提供するものである。
ベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊最終凝固部前を圧下加工することで内部のポロシティを消滅させることが可能となり、従来製造歩留が大幅に低下していた良質の無酸素銅線及び銅合金線の製造が可能となった。その結果、生産速度が速く、飛躍的な製造コストの低減や断線不良の低減が図れた。
本発明の移動鋳型を用いて連続鋳造を行い、無酸素銅線または銅合金線の製造方法を詳細に説明する。
移動鋳型で連続鋳造を行う場合には、周知のＤＣ鋳造や水平横型連続鋳造方式に比較して圧倒的に鋳造速度が速い為に、固液共存領域は鋳造方向に長く存在し、純金属である無酸素銅や銅合金に於いて最終凝固部にポロシティが容易に発生しやすくなるのは先に述べたとおりである。
鉄鋼の連続鋳造の場合には、１次鋳型下方のサポート・ロールでの２次冷却領域で凝固が完了する。そのために、中心部が未凝固状態の鋳塊表面温度を測定することで容易に凝固状態や鉛直方向での最終凝固位置を把握することができる。しかし、銅または銅合金においては、熱伝導率が高いために、移動鋳型（ベルト＆ホイール方式のＳＣＲや双ベルト方式のＣｏｎｔｉｒｏｄ）での連続鋳造では、各移動鋳型内で凝固が完了するのが一般的である。
したがって、鉄鋼の連続鋳造や半連続鋳造とは異なり、銅または銅合金の移動鋳型内でのズンプ形状の予測は極めて困難である。ズンプ形状とは、連続鋳造中の固相領域と液相領域の境のラインの形状である。明確なラインの定義は難しいので、数値計算などでは、流動限界をやや超える固相率０．６の位置をズンプとしている。
移動鋳型で連続鋳造を行う場合には、周知のＤＣ鋳造や水平横型連続鋳造方式に比較して圧倒的に鋳造速度が速い為に、固液共存領域は鋳造方向に長く存在し、純金属である無酸素銅や銅合金に於いて最終凝固部にポロシティが容易に発生しやすくなるのは先に述べたとおりである。
鉄鋼の連続鋳造の場合には、１次鋳型下方のサポート・ロールでの２次冷却領域で凝固が完了する。そのために、中心部が未凝固状態の鋳塊表面温度を測定することで容易に凝固状態や鉛直方向での最終凝固位置を把握することができる。しかし、銅または銅合金においては、熱伝導率が高いために、移動鋳型（ベルト＆ホイール方式のＳＣＲや双ベルト方式のＣｏｎｔｉｒｏｄ）での連続鋳造では、各移動鋳型内で凝固が完了するのが一般的である。
したがって、鉄鋼の連続鋳造や半連続鋳造とは異なり、銅または銅合金の移動鋳型内でのズンプ形状の予測は極めて困難である。ズンプ形状とは、連続鋳造中の固相領域と液相領域の境のラインの形状である。明確なラインの定義は難しいので、数値計算などでは、流動限界をやや超える固相率０．６の位置をズンプとしている。
そこで発明者らは、図５に示すホイール１、駆動ロール６で可動する冷却作用をもつ鋳造ベルト２を有するベルト＆ホイール式移動鋳型の連続鋳造機で、注湯ノズル５から合金溶湯４を注湯し、（材質：コルソン合金、鋳塊断面積：３２００ｍｍ２、鋳造速度：１０．５ｍ／ｍｉｎ（１７５ｍｍ／ｓｅｃ）、鋳型導電率：８０％ＩＡＣＳ）の条件で、鋳造中に熱電対を装入し温度測定を行い、実際の凝固データを収集した。温度測定は溶銅中に上部から熱電対を挿入し、凝固中のシェルへ熱電対を固着させてそのまま鋳ぐるませて測温を継続した。その為に、鋳造速度と同じ速度で熱電対を繰り出していった。併せて、図５に示す温度測定で鋳塊表面温度の測定を行う。この測温結果を元に、３次元凝固シミュレーションを用いて鋳造時の固相率分布を再現した。
得られた鋳造方向での固相率分布を図６に示すが、極めて広範囲に渡って固液共存領域が存在する。
得られた鋳造方向での固相率分布を図６に示すが、極めて広範囲に渡って固液共存領域が存在する。
この結果を踏まえて、例えば図１に示す設備構成のベルト＆ホイール式移動鋳型の連続鋳造機において、鋳塊が鋳造リングから離れる部位での鋳塊表面（鋳塊ベルト側表面）の温度を測定し、各種条件（同一水冷条件で、鋳塊断面・鋳造速度・鋳型材質を変更）下での平均固相率との対比を図った。例えば、コルソン合金において、鋳造速度を操業において実用化されている６〜１２ｍ／ｍｉｎ（１００〜２００ｍｍ／ｓｅｃ）で測定し、整理した結果を図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。鋳造条件を変更してもあまりばらつきがない結果が得られ、鋳塊内の固相率分布を極めて容易に予測できることが判明した。その為に、事前にこれらの関係を把握し、移動鋳型の鋳塊が鋳造リングから離れる部位での鋳塊表面の温度に基づき、湯面からの距離で示される必要な領域を圧下加工することでポロシティの消滅を図ることができる。
なお、平均固相率は、鋳塊を長手方向の所定寸法（たとえば数ｃｍ程度）で切り出して単位体積（単位：たとえばｍ３）を定義した際の当該単位体積あたりの完全固相量（単位：たとえばｍ３）を、前記単位体積で除算することにより求められる。すなわち、以下の式で計算したものである。
平均固相率＝単位体積当たりの完全固相量÷単位体積
なお、平均固相率は、鋳塊を長手方向の所定寸法（たとえば数ｃｍ程度）で切り出して単位体積（単位：たとえばｍ３）を定義した際の当該単位体積あたりの完全固相量（単位：たとえばｍ３）を、前記単位体積で除算することにより求められる。すなわち、以下の式で計算したものである。
平均固相率＝単位体積当たりの完全固相量÷単位体積
本発明での連続鋳造では、鋳塊が最終凝固する前の部分、すなわち鋳塊の凝固が完全には終了していない領域（鋳塊断面の平均固相率が１．０に達する部分の前）、を圧下加工することで鋳塊の内部欠陥であるポロシティの消滅を図ることができる。また、圧下加工は、鋳塊断面での平均固相率が０．７以上１未満の領域に加えるのが好ましく、平均固相率が０．９以上１未満の領域がさらに好ましい。
前記したように、移動鋳型の鋳塊が鋳造リングから離れる部位での鋳塊表面の温度に基づき、鋳塊断面当たりの平均固相率が０．７以上１．０未満の領域を算出し、鋳造ベルトを介して圧下ロールにより鋳塊に変位を与えることができる。
前記したように、移動鋳型の鋳塊が鋳造リングから離れる部位での鋳塊表面の温度に基づき、鋳塊断面当たりの平均固相率が０．７以上１．０未満の領域を算出し、鋳造ベルトを介して圧下ロールにより鋳塊に変位を与えることができる。
圧下加工方法としては、図１、図４に示すような間接圧下方式では、小径の圧下ロール７で冷却作用を有する鋳造ベルト２の外部から鋳塊３に力を付与する方法がある。また、図３に示すような直接圧下方式では、圧下ロール７で鋳塊３に直接変位を与えることができる。
なお、ベルトベルト２と鋳塊３との間にはエアーギャップが発生している為に、このエアーギャップ量以上の圧下が必要となる。適用する圧下率は、特に限定されるものではないが、２％〜１０％程度が好ましい。ここでいう圧下率は次の式で示されるものである。
圧下率＝（圧下ロール降下代 − エアーギャップ代 ）÷ 鋳塊厚さ ×１００
また、圧下ロール幅は、鋳塊幅に対して１０％以上であることが好ましく、さらに２０％以上が好ましい。なお、ベルトの塑性変形を修正する上で、図４に示すような後方に鋳造ベルトの矯正ロール８を設置することも有用である。
なお、ベルトベルト２と鋳塊３との間にはエアーギャップが発生している為に、このエアーギャップ量以上の圧下が必要となる。適用する圧下率は、特に限定されるものではないが、２％〜１０％程度が好ましい。ここでいう圧下率は次の式で示されるものである。
圧下率＝（圧下ロール降下代 − エアーギャップ代 ）÷ 鋳塊厚さ ×１００
また、圧下ロール幅は、鋳塊幅に対して１０％以上であることが好ましく、さらに２０％以上が好ましい。なお、ベルトの塑性変形を修正する上で、図４に示すような後方に鋳造ベルトの矯正ロール８を設置することも有用である。
さらに、本発明は、無酸素銅線または銅合金線を製造する装置に係るもので、その具体例を図１に示す。ホイール１および鋳造ベルト２を有するベルト＆ホイール式移動鋳型の連続鋳造装置で、鋳塊が最終凝固する前の部分を圧下加工する圧下ロール７を設置したものである。圧下ロール７の設置位置は自由に変更できるものである。
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。
［実施例１］
表１に示す各合金組成を有する銅合金または無酸素銅を、表に示す鋳造速度を適用して、表示の各種連続鋳造圧延機で、荒引線の製造を行った。熱的安定状態に至った時点で、図１に示すごとく鋳塊が鋳造リングから離れる部位で鋳塊表面温度を測定し、それに基づいて所定の圧下位置を算出し、圧下加工を実施した。その後、鋳塊を回収し、その断面観察を次のように行った。
まず、鋳造方向に直角に鋳塊を切断し、スライス状のブロックを採取し、その断面をフライス盤で研削し、赤色染色法で目視して５０μｍ以上のポロシティの探索を行った。その結果を表に示す。
表中のポロシティの項目は、「◎」：５０μｍ以上のポロシティなし、「○」：５０μｍ以上の微細なポロシティがあるが、熱延で消滅、「×」：有害な５０μｍ以上のポロシティあり、を表す。
［実施例１］
表１に示す各合金組成を有する銅合金または無酸素銅を、表に示す鋳造速度を適用して、表示の各種連続鋳造圧延機で、荒引線の製造を行った。熱的安定状態に至った時点で、図１に示すごとく鋳塊が鋳造リングから離れる部位で鋳塊表面温度を測定し、それに基づいて所定の圧下位置を算出し、圧下加工を実施した。その後、鋳塊を回収し、その断面観察を次のように行った。
まず、鋳造方向に直角に鋳塊を切断し、スライス状のブロックを採取し、その断面をフライス盤で研削し、赤色染色法で目視して５０μｍ以上のポロシティの探索を行った。その結果を表に示す。
表中のポロシティの項目は、「◎」：５０μｍ以上のポロシティなし、「○」：５０μｍ以上の微細なポロシティがあるが、熱延で消滅、「×」：有害な５０μｍ以上のポロシティあり、を表す。
１ ホイール
２ 鋳造ベルト
３ 鋳塊
４ 合金溶湯
５ 注湯ノズル
６ 駆動ロール
７ 圧下ロール
８ ベルト矯正ロール
２ 鋳造ベルト
３ 鋳塊
４ 合金溶湯
５ 注湯ノズル
６ 駆動ロール
７ 圧下ロール
８ ベルト矯正ロール
Claims (5)
- 無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊が最終凝固する前の部分を圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法。
- 無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊断面当たりの平均固相率が０．７以上から１．０未満の領域を外部から圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法。
- 無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊断面当たりの平均固相率が０．７以上から１．０未満の領域を鋳造ベルト外部から圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法。
- 無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型を用いて連続鋳造を行う際に、鋳塊が鋳造リングから離れる部位での鋳塊表面温度に基づき、鋳塊断面当たりの平均固相率が０．７以上から１．０未満の領域を予測し、鋳造ベルト外部からその領域を圧下加工し、内部のポロシティを消滅させることを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造方法。
- 無酸素銅または銅合金の溶銅をベルト＆ホイール式若しくは双ベルト式の移動鋳型で連続鋳造する工程に、鋳塊が最終凝固する前の部分を圧下加工する圧下ロールを有することを特徴する無酸素銅線または銅合金線の製造装置。
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