JP2009297721A - インゴット鋳造用鋳型およびインゴット鋳造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属溶湯Mを複数回にわたり鋳込んでインゴットを鋳造するための鋳型1であって、上端に開口部を有する円柱形状のキャビティCと、係るキャビティCの内壁面に複数形成され、平面視が環(リング)状を呈し、且つ上記開口部向に向いた段部6〜8と、を含む、インゴット鋳造用鋳型1。
【選択図】 図1
Description
しかしながら、上記段積み鋳造方法による場合、前回鋳込んだ溶湯は、凝固して鋳塊となる際に、円柱形のキャビティの内壁面との間に、凝固収縮による円筒形状の隙間が生じるため、新たに鋳込まれる溶湯の一部が係る隙間に浸入(いわゆる、差し込み)する。その結果、段積み鋳造された円柱形の鋳塊とキャビティの内壁面との隙間が極く小さくなり、係る鋳塊が複数個連続したインゴットを鋳型から抜き取る際に、係るインゴットの周面とキャビティの内壁面との間で広く摩擦力が働くので、インゴットの抜き取り作業が困難になる。
更に、キャビティの内壁面への溶湯の付着が不均一になると、当該キャビティ内で鋳造された鋳塊が斜め上方に浮き上がり、係る鋳塊により得られたインゴットを抜き取る際に、該インゴットの周面とキャビティの内壁面とが互いにこじった状態となるため、抜き取りが更に困難となるおそれがあった。
即ち、本発明のインゴット鋳造用鋳型(請求項1)は、金属溶湯を複数回にわたり鋳込んでインゴットを鋳造するための鋳型であって、上端に開口部を有するキャビティと、係るキャビティの内壁面に単数または複数形成され、且つ平面視が環状または枠状を呈する上記開口部に向いた段部と、を含む、ことを特徴とする。
また、前記鋳型のキャビティには、開口部から底部側に向かって、前記段部を挟んで縮径するテーパ(傾斜)を付しても良い。
更に、キャビティの内壁面に複数の段部が形成される形態では、係る段部の数は、溶湯が鋳込まれる回数よりも1つまたはそれ以上少なく形成される。尚、この省略される段部は、溶湯の落下距離が長く且つ温度低下して、キャビティの内壁面と鋳塊との隙間に溶湯が浸入しにくいキャビティの底部側である。
加えて、前記インゴットおよびキャビティの形状は、前記段部を含む円柱形のほか、前記段部を含む長円柱形、楕円柱形、あるいは各コーナーにアールが付されたほぼ四角柱形なども含まれる。
これによれば、鋳型カバーの表面上に付着した溶湯と、金属溶湯が注下された際の飛沫によってキャビティの内壁面に付着した溶湯とを、分離することができる。その結果、従来問題となっていた鋳型の上端面およびキャビティの内壁面に付着した溶湯が凝固収縮する際に、キャビティ内の鋳塊を浮き上がらせる事態を阻止できる。そのため、鋳込まれたインゴットが斜めに傾いて浮き上がり、キャビティの内壁面をこじる事態を防止できるため、インゴットの抜き出しが容易となる。更に、底部側が縮径するようなテーパ(傾斜)が付されたキャビティを有する鋳型を用いた場合に、インゴットが浮き上がってキャビティの内壁面との隙間が大きくなる事態を回避することもできる。
これによれば、鋳型カバーの表面上に付着した溶湯と、キャビティの内壁面に付着した溶湯とを、確実に分離することができる。尚、前記鋳型カバーの貫通孔の内面は、係る貫通孔の軸方向に沿った長さが極く短い形態も含む。
これによれば、注下される溶湯から飛沫が多く生じ、鋳型カバーの表面上に付着した溶湯、上記飛沫によってキャビティの内壁面に付着した溶湯、およびキャビティ内の鋳塊が一体に連なり、キャビティの内壁面に付着した溶湯が凝固収縮しても、その収縮代を前記弾性材が吸収する。その結果、前記鋳塊の浮き上がりや、係る浮き上がりによって、鋳塊とキャビティの内壁面との拡大した隙間に、次いで注下される溶湯が差し込んだり、複数回の鋳込みにより得られる鋳塊が軸方向と交差する方向に傾いて、鋳型のキャビティを擦ったり、こじる事態を防止できる。
尚、前記弾性材には、複数個のコイルバネのほか、複数個の板バネ、あるいは円弧形またはリング形の耐熱ゴム材または耐熱樹脂材などが含まれる。
これによれば、金属溶湯を鋳型のキャビティ内に注下する際に、前記段部よりも湯面が高くなるように鋳込むことで、得られるインゴットとキャビティの内壁面との間に、段部を挟んだ複数の隙間が形成される。このため、上記インゴットを鋳型から、比較的少ない力でスムース且つ確実に抜き出すことができる。従って、効率の良いインゴット鋳造が可能となる。
尚、インゴットを一旦抜き取った鋳型は、所定温度付近まで冷却され、キャビティが当初の寸法に復帰した後、次のインゴットを得るための複数回の鋳込み工程が行われる。
図1は、本発明のインゴット鋳造用鋳型1およびこれに金属溶湯Mを鋳込むための溶解炉20を模式的に示す垂直断面図である。尚、鋳型1内のキャビティCに付したテーパは、図1とこれ以降の図面とにおいて、誇張して示されている。
インゴット鋳造用鋳型(以下、単に鋳型という)1は、図1に示すように、例えば、鋳鋼や鋳鉄などの金属からなるほぼ円筒形の本体2と、係る本体2の上端面3に開口し、且つ底面4に明けた貫通孔5に向かって縮径するように極く僅かのテーパ(傾斜)が付されたほぼ円柱形のキャビティCと、係るキャビティCの内壁面に形成され、平面視がリング形状を呈する複数の段部6〜8と、を備えている。
尚、上記鋳型1は、定盤9の表面上に載置され、当該鋳型1の貫通孔5の底面に露出する上記定盤9の表面は、前記キャビティCの底面を構成している。
尚、段部6〜8の位置は、後述するように、複数回の鋳造工程ごとに注下される金属溶湯Mの湯面L(n)のレベルよりも低い。また、段部6〜8は、前記キャビティCの垂直な軸方向に対し直交し且つ前記開口部向きの水平面または後述する底部側に傾いた傾斜面であり、これらの幅は、平面視において溶湯Mが凝固して鋳塊mとなる際の縮み代の半分またはこれよりも大であることが望ましい。即ち、平面視における段部6〜8の幅が、溶湯Mが凝固する際の縮み代の半分よりも小さいと、凝固収縮した鋳塊mの上端部に形成される凸部が、段部6〜8の水平面または傾斜面に支持されず、段部6〜8の下側に形成される前記隙間に、次回の溶湯が差し込む。このため、段部の幅の範囲は、上記範囲とすることが推奨される。
尚、上記鋳型カバー10の貫通孔16の内径dは、キャビティCの開口部の内径Dよりも30mm以上小さく設定されている。即ち、鋳型カバー10の貫通孔16の内面とキャビティCの開口部の内面との距離は、15mm以上である。
係る溶解炉20は、銅からなり内部に冷却水が循環され、且つ円周方向に沿って絶縁材を介して接続された複数のセグメントによって全体が円筒形を呈する水冷銅ルツボ22、その外側面に沿って巻き付けて配置した誘導コイルc1、上記ルツボ22の底部25の中心部から垂下し、金属溶湯Mの注湯孔28を内設する注湯筒26、およびその外側面に沿って巻き付けた誘導コイルc2を備えている。
予め、銅ルツボ22の内側24に、スポンジTiやTiスクラップなどのTi原料を装入した後、誘導コイルc1に所要の高周波電流を通電すると、係る電流により誘導コイルc1の内・外側面に沿って励磁される磁界が、銅ルツボ22の内側24に装入されたTi原料に浸透する。係る磁界によって、Ti原料を誘導加熱すると共に、同時に生じるローレンツ斥力によって、図1に示すように、溶解されたTi合金の溶湯Mが、ほぼ半球形状の盛り上がり、銅ルツボ22の内側24の内壁面から離れる。
尚、銅ルツボ22の底部25上には、Ti合金からなる凝固層Sがほぼ円盤形状に形成されている。また、注湯筒26の注湯孔28内には、前回に溶解した溶湯Mの残部である凝固片gが予め位置し、当該注湯孔28を閉じている。付言すると、上記注湯筒26と誘導コイルc2とは、電磁ノズルを構成している。
図2,図3の左側の部分垂直断面図で示すように、上記溶湯Mは、キャビティCにおける底面4側の定盤9の表面上から、その上方に位置する最下段の段部6の上方の湯面L1のレベルまで注がれる(第1回の鋳込み工程)。
図3の左側の部分断面図中の一点鎖線部分Xを拡大した図3の右側の部分拡大図で示すように、段部6の幅wは、予め、鋳造すべき金属溶湯Mの凝固に伴う縮み代(鋳塊の直径方向の減少分)の半分z(次述する図4の右側中に示す)、あるいはそれ以上に設定されている。
一方、段部6よりも高い位置の鋳塊mの上端部も、段部6の外径と同等かこれ以上であった直径が凝固収縮することで、段部6の外径よりも小径な円環状の凸部vとなる。係る凸部vと段部6よりも上方のキャビティCの内壁面との間には、高さの低いリング形状の隙間s2(凝固代)が形成される。
尚、上側の隙間s2には、段部6の上方に注下される新たな金属溶湯Mの一部が差し込むが、後述するように、凸部vよりも大径化した凸部rとなり、該凸部rは、キャビティCの内壁面に接触するか、極く僅かの隙間が形成される。
更に、前記溶解炉20で溶解された新たな金属溶湯Mが前記鋳塊mの上方におけるキャビティC内に順次注下され、前記段部7の上方の湯面(図示せず)のレベルまで鋳込まれる(第2回の鋳込み工程)。
この際、図5の左側に示すように、前記溶解炉20から注下して鋳型カバー10の表面14に付着した溶湯Mの一部M1とキャビティCの内壁面に付着した溶湯M2とは、鋳型カバー10によって分離される。その結果、係る溶湯M2が凝固時に収縮しても、キャビティC内の鋳塊mは、浮き上がらない。従って、第4回の鋳込み工程における溶湯Mの注下を支障なく行える。
尚、前記溶解炉20から注下した溶湯Mの一部M1が、不用意にキャビティCの軸心付近から逸れた位置に落下しても、鋳型カバー10の円環形の表面14上に落ちた後、貫通孔16からキャビティC内に落下し、前記鋳塊mの一部となる。また、図5に示すように、前記鋳塊mの上端部には、一部が前記溶湯M2と接続した円環状の凸部rが形成されている。
ところで、図5の右側に示すように、前記溶解炉20からの溶湯Mが振れて、鋳型カバー10の表面14に多量の溶湯M3が付着し、係る溶湯M3とキャビティCの内壁面に付着した溶湯M2とが、帯状の溶湯jを介して一連に連なる場合がある。係る場合、前記コイルバネbがないと、上記溶湯M2および溶湯jの凝固収縮により、鋳塊mに上向きの力が作用して、該鋳塊mが浮き上がろうとする。これに対し、本実施形態では、前記鋳型カバー10をコイルバネbで支持しているため、図5の右側中の実線の矢印で示すように、該コイルバネbがその圧縮代相当分だけ収縮する。その結果、キャビティC内の鋳塊mが鋳型1の上端面3側に浮き上がるのを阻止することができる。
そして、前記定盤9を取り除いた後、図示しないノックアウトロッドをキャビティCの底部側から開口部側に向って上昇させることで、複数の鋳塊mが軸方向に連なったインゴットGを、鋳型1のキャビティCから抜き取る工程が行われる。この際、各鋳塊mごとの周囲には、前記隙間s1が位置しており、且つ段部6〜8付近ごとに生じる摩擦力が小さいため、インゴットGを少ない力で容易且つ確実に抜き取れる。
尚、係るインゴットGは、例えば、真空アーク再溶解炉内において、垂直に支持された消耗電極として用いられ、その下端と対向する炉底側の電極との間で生じるアークにより、再度溶解されて緻密な合金組織のインゴットなどにされる。
また、前記鋳型1において、少なくとも最下段の段部6は、第2回目の鋳込み工程での溶湯Mの落下距離が長く、且つ溶湯Mの温度が低下し、凝固し易くなっているため、当初に鋳込まれた鋳塊mとキャビティCの内壁面との隙間に浸入しにくくなるので、省略しても良い。
更に、前記溶解炉20から注下される溶湯Mの振れが小さい場合は、前記コイルバネbを省略し、鋳型カバー10を鋳型1の上端面3に直に取り付けても良い。
図7に示すように、前記同様の本体2およびキャビティCを有する鋳型1aは、キャビティCの内壁面に軸方向に沿って段部6a〜8aを前記同様の位置に形成している。図7中の段部7aで例示するように、段部6a〜8aは、キャビティCの開口部側に向き、且つ該キャビティCの中心軸側が低くなるように傾いた平面視がリング形の傾斜面である。尚、平面視における段部6a〜8aの幅wは、鋳込まれる溶湯Mが凝固する際の縮み代の半分以上に設定されている。
図7,図8に示すように、前記溶解炉20から新たな金属溶湯Mを、段部7aよりも高い湯面L2のレベルまで注下する鋳込み工程を行う。
鋳込まれた溶湯Mは、冷却に伴ない径方向および軸方向に沿って凝固収縮し、図9に示すように、鋳塊mとなって、段部7aよりも下側では、キャビティCの内壁面との間に、円筒形状の隙間s1が形成される。
この際、鋳塊mの凸部vは、段部7aの傾斜面上に面接触するか、あるいはこれと同等の状態となる。その結果、段部7aの下側に位置する隙間s1は、上側の隙間s2と分離されるので、次回の金属溶湯Mの差し込みが生じない。
以上のような鋳型1aを用いて、前記製造法の各工程を行うことで、、前記同様の作用が奏され、前記同様のインゴットGを鋳造できると共に、係るインゴットGを容易に抜き取ることが可能となる。
尚、上記鋳型1aにおいても、少なくとも最下段の段部6aを省略しても良い。
また、鋳型のキャビティに形成する段部は、水平面または傾斜面の何れか1つのみとしても良い。係る形態では、前記鋳込み工程を2回または3回以上行う。
更に、同じ鋳型のキャビティに、水平面の段部と傾斜面の段部とが異なる位置に併設された形態でも良い。
また、前記鋳型カバーは、円環状の表面に限らず、中央付近に貫通孔が配置されていれば、平面視で角形状の形態としても良い。
加えて、鋳造すべき金属溶湯は、特に限定されないが、TiやTi合金の他、炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼、あるいは特殊鋼、あるいは銅や銅合金などからなるものでも良い。
3………………………上端面
6〜8,6a〜8a…段部
10……………………鋳型カバー
14……………………円環面
16……………………貫通孔
M………………………金属溶湯
C………………………キャビティ
w………………………段部の幅
D,d…………………内径
b………………………コイルバネ(弾性材)
L1〜L3……………湯面
G………………………インゴット
Claims (5)
- 金属溶湯を複数回にわたり鋳込んでインゴットを鋳造するための鋳型であって、
上端に開口部を有するキャビティと、
上記キャビティの内壁面に単数または複数形成され、且つ平面視が環状または枠状を呈し且つ上記開口部に向いた段部と、を含む、
ことを特徴とするインゴット鋳造用鋳型。 - 前記鋳型の上端面側には、平面視で、前記キャビティの上端における開口部の内側に位置する貫通孔を有する鋳型カバーが取り付けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載のインゴット鋳造用鋳型。 - 平面視における前記キャビティの軸心から外側に向かう全ての方向において、前記鋳型カバーの貫通孔の内面と前記キャビティの開口部の内面との距離が、15mm以上である、
ことを特徴とする請求項2に記載のインゴット鋳造用鋳型。 - 前記鋳型カバーは、前記キャビティの上端における開口部の周囲を囲む前記鋳型の上端面に弾性材を介して取り付けられている、
ことを特徴とする請求項2または3に記載のインゴット鋳造用鋳型。 - 請求項1乃至4の何れか一項のインゴット鋳造用鋳型を用い、
上記鋳型の開口部から前記キャビティ内に金属溶湯を、前記段部よりも湯面が上方に位置するように鋳込む工程、を含む、
ことを特徴とするインゴット鋳造方法。
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