JP2011230147A - 連続鋳造用鋳型 - Google Patents

Abstract

【課題】溶湯メニスカス部分での抜熱特性が良くて冷却制御が良好に行える冷却水路を備えて、容易に経済的に製作できる連続鋳造用鋳型を提供する。
【解決手段】銅又は銅合金製の鋳型１の鋳造方向に冷却水路６を設けた連続鋳造用鋳型であって、冷却水路６に冷却水を鋳造方向と平行に流して鋳塊を冷却する。冷却水路６内には、熱伝導率の異なる材料製の内部挿入管２１、２２を配置している。これらの内部挿入管２１、２２により、鋳造方向における前記冷却水路６部分の熱伝導率を調節して冷却能力を制御するようにている。
【選択図】図１

Description

本発明は連続鋳造用鋳型に係り、特に冷却能力を適切に制御できる冷却水路を備えた連続鋳造用鋳型の冷却装置に関する。

溶解炉からタンディッシュ経由で供給される溶湯から、鋳型で凝固シェルを生成して鋳塊を連続して製造する連続鋳造では、鋳造される鋳塊の品質を左右する大きな要因に、鋳造過程における冷却履歴の状況があるされている。そして、連続鋳造で鋳塊の冷却履歴を制御する理由には、鋳塊の外観品質の向上及び内部のひずみ低減や、合金成分の偏析防止等の内部品質向上を図ることが挙げられる。

一般に、連続鋳造機の鋳塊冷却機構は、図４に示すように一次冷却帯となる鋳型１と、
以後に設置されてシャワー式やスプレーノズル式等で鋳塊１０に直接冷却水を当てて冷却する二次冷却帯８、及び最終的に鋳塊全体の温度を引き抜きや切断時に支障のない温度まで冷却するための水槽等の三次冷却帯９を備えている。

そして、主に一次冷却帯である鋳型１で鋳塊１０の良好な外観を形成し、二次冷却帯８で鋳塊１０内部の結晶組織の成長方向や均一性等を制御し、三次冷却帯９で支障のない温度まで冷却した後、設置している引き抜き装置や切断装置で所定の鋳塊を製造するのが連続鋳造機の一連の製造工程となっている。

一次冷却帯である鋳型１での冷却は、溶湯メニスカス３部分から鋳型１の下部にかけて、凝固シェル５の成長が薄く直線的に進行することが望ましく、鋳型１での抜熱量が溶湯メニスカス３の位置で少なく、鋳型下部に向かって徐々に増加するのが理想的である。

ところが、実際の鋳造では凝固シェル５の成長と、鋳塊引き抜きによる外力の影響で鋳塊１の断面積に減少が生じ、鋳型内壁と鋳塊１との接触が離れて隙間が発生する。この隙間の発生した部分は、極端な抜熱量の低下を生じる。隙間の発生を防止するため、鋳型内壁には鋳造速度に一致したテーパーが設けられる。これらの条件が一致せず、抜熱量が鋳造方向に対して不連続となった場合、一旦凝固した凝固シェル５が再溶解し、減肉することになって、凝固シェルの断面形状は階段状に形成されてしまうことになる。

凝固シェル５の再溶解が大きく進行した場合は、鋳塊１０表面にまで影響が及び、凝固シェル５が鋳型１内面との摩擦抵抗や引き抜き力に耐えられずに破壊しまう現象が生じ、結果として割れ等の表面欠陥を生じる。更に酷い場合は、凝固シェル５の破れが溶湯プール４まで達してしまうと、鋳型１内部の溶湯が鋳塊１０表面に流出する所謂ブレークアウトにまで至る大事故なってしまうことになる。

また、更に凝固シェル５の亀裂に二次冷却帯８の水が浸入した場合は、溶湯プール４内で気化した水蒸気が急激に膨張し、溶湯を巻き込んだまま鋳型１の上部に噴出する所謂水蒸気爆発にまで至る極めて危険な状態となる。しかも、溶湯メニスカス４部分の抜熱量が多すぎた場合、湯面位置で凝固が開始してしまうため、溶湯の表面張力により凝固シェル５の先端が鋳型１の中心方向に倒れ込み、その隙間部分に溶湯が流れ込む現象が発生し、鋳塊１の表面に皺が発生する。この皺の発生する段階で、溶湯表面に浮遊する微小な酸化物を巻き込み表面欠陥となる場合もある。

欠陥の無い良好な鋳塊を鋳造するのには、鋳型１で溶湯から均一な凝固シェル５を形成し、続く二次冷却帯８にて健全な内部組織とすることが必要である。しかし、鋳型１の冷却部分で不完全な状態を作ってしまうと、二次冷却帯８では修正できない欠陥を作ることになるため、鋳型１の冷却制御は極めて重要となる。

通常、銅及び銅合金の連続鋳造に使用する鋳型１は、溶湯及び凝固シェルに直接接触する鋳型内面７の内面素材２に、潤滑性のあるカーボンを使用、銅を基材としてクロム（Ｃｒ）又はニッケル（Ｎｉ）めっきを施して耐磨耗性を高めて使用、更には銅素材をそのままで使用するものなどがある。

そして、鋳型１は構造的にはプロテクターと称する鋳型本体と、鋳塊と直接接触する部分とに分けることができる。鋳型１の冷却能力を制御するため、一般的に鋳型本体は冷却水を流す冷却水路６を設けた水冷構造であって、冷却水を鋳造する方向と平行に流し、しかも水流の方向は矢印で示す如く鋳造方向と同じか又は逆方向に流して冷却している。鋳型１に設ける冷却水路６の構造には、鋳型本体を上下に貫通する数個の穴を形成して冷却水路６とし、この内部に冷却水を流すのが一般的であるが、冷却能力を制御するために種々工夫が施されている。

例えば、鋳型の抜熱量を鋳造方向で段階的に冷却制御するため、図５に示すように鋳型に形成する冷却水路の上部内面部分にＮｉ合金のメッキ層１１を施すものがある（特許文献１参照）。また、図５に示すように鋳型１に形成する冷却水路６は上方に絞り部分形成すると共に、冷却水路６に鋳造方向の下流側に給水部１２を設け、また給水部よりも鋳造方向の上流側に少なくとも二箇所の排水部１３Ａ、１３Ｂを離れて設け、一方の排水部１３Ｂに流量調節弁を備えることで、鋳型の上部と下部で抜熱量の調節を可能にしたものがある（特許文献２参照）。

更に、図６に示すように冷却水路６の一部に凹凸部１５を形成することにより、水路表面積を多くして抜熱量を変化させるものや、別の例として鋳型空間に面して配置された耐火物内筒の背後に、水冷ジャケットを設けるとき、両者間に隙間８を形成し、この上方部に不良熱伝導性物質を充填し、下方部に良熱伝導性物質を充填する連続鋳造用鋳型（特許文献３参照）等が知られている。

特開平１１−１７９４９２号公報 特開２００４−２７６０６５号公報 特開２００６−１３０５５２号公報

鋳型の抜熱量を鋳造方向で段階的に冷却制御するため、特許文献１の如く冷却水路６の内面にめっき層１１を施す場合、めっき層１１の厚さを均等に施すことが難しく、鋳型１の周方向でめっき層１１にばらつきを生じ易いし、めっき層１１の処理のために多大時間と費用を要する問題がある。

また、特許文献２の如く冷却水路６の排水部１３Ａ、１３Ｂの位置を変える場合、鋳型１の鋳造方向に直径の異なる多くの配管を設置する必要があり、設置面から見ても細かな冷却制御を行えるようにするには難しい問題点ある。更に、冷却水路６の内面に凹凸を付け表面積を変化させる場合、一度冷却水路６の内面に施工してしまうと位置の変更ができないし、また特許文献３の如く鋳型を構成する場合は全体構造が複雑となってしまう問題があった。

このため、連続鋳造用鋳型では、特に抜熱量を減少させたい溶湯メニスカス部分での冷却制御が良好に行え、溶湯の初期凝固の開始点が早めて凝固シェルの厚みを増して早期の凝固収縮を始めさせ、良好な品質の鋳塊が得られるようにすることが望まれている。

本発明の目的は、特に抜熱量を減少させたい溶湯メニスカス部分での抜熱特性が良くて冷却制御が良好に行える冷却水路を備えて、容易に経済的に製作できる連続鋳造用鋳型を提供することにある。

本発明の連続鋳造用鋳型は、銅又は銅合金製の鋳型の鋳造方向に冷却水路を設け、前記冷却水路に冷却水を鋳造方向と平行に流すように構成する際に、前記冷却水路内には熱伝導率の異なる材料製の内部挿入管を嵌合配置し、前記内部挿入管にて鋳造方向における前記冷却水路部分の熱伝導率を調節して冷却能力を制御したことを特徴としている。

また本発明の連続鋳造用鋳型は、銅又は銅合金製の鋳型の鋳造方向に冷却水路を設け、前記冷却水路に冷却水を鋳造方向と平行に流すように構成する際に、前記冷却水路内には熱伝導率の異なる材料製の少なくとも二つの内部挿入管を鋳型の鋳造方向に熱伝導率の小さな順に嵌合配置し、前記各内部挿入管にて鋳型の鋳造方向における前記冷却水路部分の熱伝導率を調節して冷却能力を制御したことを特徴としている。

好ましくは、内部挿入管には熱伝導率の異なる材料製の少なくとも二つを用い、前記各内部挿入管は鋳型の鋳造方向に熱伝導率の小さな順に前記冷却水路内に挿入配置して構成したことを特徴としている。

また好ましくは、前記ねじ部と前記内部挿入管との間に冷却調整部材を介在させて構成したことを特徴としている。

本発明のように連続鋳造用鋳型を構成すれば、鋳型に冷却水路を設けて冷却水を流すとき、冷却水路内に嵌合配置する内部挿入管を活用して、鋳造方向の全体における冷却水路部分の熱伝導率を調節して冷却能力を、鋳造品種や条件に応じて容易に変更できるし、しかも連続鋳造用鋳型を容易に経済的に製作できる。また、溶湯メニスカス部分での抜熱特性の良い連続鋳造用鋳型を構成できるため、品質の良い鋳塊の製造に活用できる利点がある。

本発明の一実施例である連続鋳造用鋳型を示す概略縦断面図である。 図１の連続鋳造用鋳型に用いる真鍮製の内部挿入管の例を示す拡大縦断面図である。 図１の連続鋳造用鋳型に用いる鉄製の内部挿入管の例を示す拡大縦断面図である。 一般的な連続鋳造機における冷却帯の配置を示す概略図である。 従来の連続鋳造用鋳型を示す概略縦断面図である。 従来の連続鋳造用鋳型の別の例を示す概略縦断面図である。 従来の連続鋳造用鋳型の更に別の例を示す概略縦断面図である。

本発明の連続鋳造用鋳型は、銅又は銅合金製の鋳型の鋳造方向に冷却水路を設け、前記冷却水路に冷却水を鋳造方向と平行に流す構造である。そして、前記冷却水路内には、熱伝導率の異なる材料製の内部挿入管を配置し、前記内部挿入管にて鋳造方向における前記冷却水路部分の熱伝導率を調節して冷却能力を制御して構成している。

以下本発明の連続鋳造用鋳型について、従来と同一部分に同符号を付した図１から図３を用いて説明する。図１に示すように銅又は銅合金製である鋳型１は、その鋳造方向に通常と同様に十分な冷却能力を維持できるように複数の冷却水路６を設けている。これら冷却水路６は、鋳造方向における定めた範囲の冷却能力を適切に制御できるようにするため、本発明の特別の工夫を施している。

即ち、冷却水路６内には、図１に示す如く鋳造方向における特定の範囲に、冷却能力を制御するの内部挿入管２１、２２を嵌合配置し、これ以外の冷却水路６部分は何の加工もしない状態にしている。この内部挿入管２１、２２によって、鋳型１は鋳造方向における特定の範囲の冷却能力を変更されるため、全体としてより適切な冷却能力の制御を行うことができる。

冷却水路６は、この例では内面部分にねじ部２５を設けており、内部挿入管２１、２２を嵌合配置している。即ち、ねじ部２５に内部挿入管２１、２２を螺着して嵌合配置し、これにより各内部挿入管２１、２２の位置決めや固定を確実に行える構造にしている。冷却水路６内への内部挿入管２１、２２の嵌合配置は、ねじ部２５に限らず他の嵌合手段も活用することができる。

内部挿入管２１、２２は、表１に示すような機械加工が容易で価格も安くて入手可能な
熱伝導率の異なる材料、つまり熱伝導率の異なった銅、アルミニュウム、鉄、真鍮等の金属材料を用い、所定の長さの円筒状に製作して使用する。

そして、これら内部挿入管２１、２２を、冷却水路６内の鋳造方向における予め定めけられる所定の範囲の冷却能力を変えて制御したい箇所に嵌合配置し、冷却水路６の鋳造方向における熱伝導率を適宜調節し、適切な範囲を冷却制御できるようにしている。鋳型１に設ける冷却水路６は、鋳造品種や鋳造条件によって最適な冷却制御の範囲があるから、望ましくは実機での確認を行って、内部挿入管２１、２２の材質とその長さを定めて使用する。

本発明の図１に示す実施例では、溶湯メニスカス部分３で抜熱量を極力少なくし、徐々に抜熱量を増加させるため、内部挿入管２１、２２の材質を表１中の金属材料から選定し、熱伝導率の値の小さい材料とより大きな材料を用いて製作し、これら使用する。この配置により鋳造方向に向かって徐々に抜熱量が増加する構造にできるから、図１の上部から下部の鋳造方向に向かって、凝固シェルが均一な勾配で成長する連続鋳造用鋳型を構成できる。

また、図１に示す実施例では、鋳型１の鋳造方向の上部には、熱伝導率の小さい材料製の内部挿入管２１を、続いて熱伝導率の大きな材料製の内部挿入管２２を、鋳造方向に対して順に嵌合配置したものである。より具体的には、鋳型１の上部に鉄製の内部挿入管２１、続いて真鍮製の内部挿入管２２が存在するように嵌合配置し、他の部分には何も配置しない構造にしている。これにより、冷却水路６内の鋳造方向の全体としてみると抜熱量が次第に増加するようにできるから、鋳造方向の適切な範囲を良好に冷却制御が行える構造となる。

内部挿入管２１、２２を冷却水路６内に嵌合配置する際には、冷却水路６の上部或いは下部からねじ部２０に内部挿入管２１、２２を螺着し、所定位置に嵌合配置してから、上部蓋板２３及び下部蓋板２４を冷却水路６の所定位置に冷却水の漏れが完全にない状態に固定して使用する。

鉄製の内部挿入管２１及び真鍮製の内部挿入管２２を冷却水路６内に嵌合配置した例を、図２及び図３に示している。鉄製の内部挿入管２１及び真鍮製の内部挿入管２２の双方とも、冷却水路６の内面に形成したねじ部２５に螺着して嵌合配置したものであるが、鉄製の内部挿入管２１を用いた図２の例では、嵌合部分に冷却調整部材２５を介在させて嵌合配置し、更に抜熱量を調整したものである。

冷却調整部材２５としては、表１に示すエポキシ樹脂やシリコーンゴム等の著しく熱伝導率の小さな材料を用いる。例えばエポキシ樹脂を使用する場合、冷却水路６の内面のねじ部２５に予めエポキシ樹脂を塗布しておき、内部挿入管２１を螺着して嵌合配置する。エポキシ樹脂の介在を確実にし、冷却調整部材２５として活用するためには、望ましくは内部挿入管２１のねじ面を形が小さくなるように加工して使用する。

このように冷却水路６に内部挿入管２１、２２との間に、冷却調整部材２５を介在させて嵌合配置すると、内部挿入管２１、２２をそのまま使用して嵌合配置する構造に比べて、より細かく抜熱量の低減を図ることできる。このため、鋳型１の鋳造方向における特定の範囲或いは全体にわたって、冷却水路６部分の熱伝導率をより細かく調節し、一層冷却能力を制御した連続鋳造用鋳型が得られる。

なお、図１の例では二つの内部挿入管２１、２２を使用したものであるが、異なる材料で製作した二つ以上の内部挿入管を組み合わせて嵌合配置する構造や、更にこれら内部挿入管に冷却調整部材２５を介在させる構造を組み合わせて使用することができえる。これにより、冷却水路６の鋳造方向における任意の範囲で、抜熱量を更に一層細かく変更できるから、適切な範囲の冷却制御が行える連続鋳造用鋳型の構造にすることができる。

また、使用する内部挿入管２１、２２の面に、表１に示すクロムやニッケル等のメッキを良く知られているように施し、これにより熱伝導率を変えて鋳造方向における冷却能力を制御する組み合せも使用することもできることは明らかである。

１…鋳型、５…凝固シェル、６…冷却水路、１０…鋳塊、２０…ねじ部、２１、２２…内部挿入管、２５…冷却調整部材。

Claims (4)

1. 銅又は銅合金製の鋳型の鋳造方向に冷却水路を設け、前記冷却水路に冷却水を鋳造方向と平行に流す連続鋳造用鋳型において、前記冷却水路内には熱伝導率の異なる材料製の内部挿入管を嵌合配置し、前記内部挿入管にて鋳造方向における前記冷却水路部分の熱伝導率を調節して冷却能力を制御したことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
2. 銅又は銅合金製の鋳型の鋳造方向に冷却水路を設け、前記冷却水路に冷却水を鋳造方向と平行に流す連続鋳造用鋳型において、前記冷却水路内には熱伝導率の異なる材料製の少なくとも二つの内部挿入管を鋳型の鋳造方向に熱伝導率の小さな順に嵌合配置し、前記各内部挿入管にて鋳型の鋳造方向における前記冷却水路部分の熱伝導率を調節して冷却能力を制御したことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
3. 請求項１又は２のいずれかにおいて、前記冷却水路内にはねじ部を設け、前記ねじ部に
   前記内部挿入管を螺着して構成したことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
4. 請求項３において、前記ねじ部と前記内部挿入管との間に冷却調整部材を介在させて構成したことを特徴とする連続鋳造用鋳型。

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