JP2014057981A - 引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳物への異物の混入を抑制する引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る引上式連続鋳造装置は、溶湯Ｍ１を保持する保持炉１０１と、保持炉１０１に保持された溶湯Ｍ１の湯面近傍に設置され、溶湯Ｍ２が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材１０２ｂと、形状規定部材１０２ｂを通過した溶湯Ｍ２を冷却する冷却部１０６と、を備えている。形状規定部材１０２ｂは、湯面側の主面に、少なくとも主面から突出した凸部２２ｂ及び主面から窪んだ凹部２３ｂのいずれか一方を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法に関する。

特許文献１には、発明者らにより、鋳型を要しない画期的な連続鋳造方法として、自由鋳造方法が提案されている。特許文献１に示したように、溶融金属（溶湯）の表面（すなわち湯面）にスタータを浸漬させた後、当該スタータを引き上げると、溶湯の表面膜や表面張力によりスタータに追従して溶湯も導出される。ここで、湯面近傍に設置された形状規定部材を介して、溶湯を導出し、冷却することにより、所望の断面形状を有する鋳物を連続鋳造することができる。

通常の連続鋳造方法では、鋳型によって断面形状とともに長手方向の形状も規定される。とりわけ、連続鋳造方法では、鋳型内を凝固した金属（すなわち鋳物）が通り抜ける必要があるため、鋳造された鋳物は長手方向に直線状に延びた形状となる。
これに対し、自由鋳造方法における形状規定部材は、鋳物の断面形状のみを規定し、長手方向の形状は規定しない。そして、形状規定部材は、湯面に平行な方向（すなわち水平方向）に移動可能であるから、長手方向の形状が様々な鋳物が得られる。例えば、特許文献１には、長手方向に直線状でなく、ジグザグ状あるいは螺旋状に形成された中空鋳物（すなわちパイプ）が開示されている。

特開２０１２−６１５１８号公報

発明者は以下の課題を見出した。
自由鋳造方法は、引上式の連続鋳造方法であるため、湯面に形成される酸化物などの異物（一般的に、ノロと呼ばれる）が、鋳物の表面や内部に混入し、鋳物の表面欠陥、内部欠陥、寸法不良などの原因となる問題を有していた。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、鋳物への異物の混入を抑制する引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造装置は、
溶湯を保持する保持炉と、
前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却する冷却部と、を備え、
前記形状規定部材は、
前記湯面側の主面に、少なくとも前記主面から突出した凸部及び前記主面から窪んだ凹部のいずれか一方を備えているものである。このような構成により、湯面に浮いた異物を堰き止め、鋳物への異物の混入を効果的に抑制することができる。

前記形状規定部材は、前記溶湯が通過する溶湯通過部と、前記凸部として、前記溶湯透過部の縁に沿って形成された第１の凸部と、を備えていることが好ましい。
また、前記形状規定部材の前記主面と前記湯面との間にギャップが設けられていることが好ましい。これにより、溶湯の温度低下や湯面における異物の発生を抑制することができる。
さらに、前記形状規定部材は、前記第１の凸部の根元部に形成された前記凹部を備えていることが好ましい。これにより、堰き止めた異物を収容することができる。
また、前記形状規定部材は、前記第１の凸部の先端部から前記溶湯通過部と反対側に突出した第２の凸部を備えていることが好ましい。これにより、堰き止めた異物を保持する能力が高まる。

他方、前記形状規定部材は、断面三角形形状の前記凹部を複数備えていてもよい。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造方法は、
鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を溶湯の湯面近傍に設置するステップと、
前記形状規定部材を通過させて、前記溶湯を引き上げるステップと、
前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却するステップと、を備え、
前記形状規定部材の前記湯面側の主面に、少なくとも前記主面から突出した凸部及び前記主面から窪んだ凹部のいずれか一方を設けるものである。このような構成により、湯面に浮いた異物を堰き止め、鋳物への異物の混入を効果的に抑制することができる。

前記形状規定部材に、前記溶湯が通過する溶湯通過部と、前記凸部として、前記溶湯透過部の縁に沿って形成された第１の凸部と、を設けることが好ましい。
また、前記形状規定部材の前記主面と前記湯面との間にギャップを設けることが好ましい。これにより、溶湯の温度低下や湯面における異物の発生を抑制することができる。
さらに、前記形状規定部材に、前記第１の凸部の根元部に形成された前記凹部を設けることが好ましい。これにより、堰き止めた異物を収容することができる。
また、前記形状規定部材に、前記第１の凸部の先端部から前記溶湯通過部と反対側に突出した第２の凸部を設けることが好ましい。これにより、堰き止めた異物を保持する能力が高まる。

他方、前記形状規定部材に、断面三角形形状の前記凹部を複数設けてもよい。

本発明により、鋳物への異物の混入を抑制する引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法を提供することができる。

実施の形態１に係る自由鋳造装置の断面図である。 図１おける内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂのみを示した拡大断面図である。 内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの上面図である。 内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの下面図である。 実施の形態２に係る内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを示した断面図である。 図５において点線で囲った外部形状規定部材１０２ｂの拡大断面図である。 図６に示した外部形状規定部材１０２ｂの変形例である。 実施の形態３に係る内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを示した断面図である。 図８において点線で囲った外部形状規定部材１０２ｂの拡大断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
まず、図１を参照して、実施の形態１に係る自由鋳造装置（引上式連続鋳造装置）について説明する。図１は、実施の形態１に係る自由鋳造装置の断面図である。図１に示すように、実施の形態１に係る自由鋳造装置は、溶湯保持炉１０１、内部形状規定部材１０２ａ、外部形状規定部材１０２ｂ、支持ロッド１０３、１０４、アクチュエータ１０５、冷却ガスノズル１０６を備えている。

溶湯保持炉１０１は、例えばアルミニウムやその合金などの溶湯Ｍ１を収容し、所定の温度に保持する。図１の例では、鋳造中に溶湯保持炉１０１へ溶湯を補充しないため、鋳造の進行とともに溶湯Ｍ１の表面（つまり湯面）は低下する。他方、鋳造中に溶湯保持炉１０１へ溶湯を随時補充し、湯面を一定に保持するような構成としてもよい。なお、当然のことながら、溶湯Ｍ１は他のアルミニウム以外の金属や合金であってもよい。

内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂは、例えばセラミックスやステンレスなどからなり、湯面近傍に配置されている。より具体的には、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂは、それらの下側（湯面側）の主面と湯面とのギャップＧが０．５ｍｍ程度となるように、設置されている。ギャップＧを設けることにより、溶湯の温度低下や湯面におけるノロ（異物）Ｍ４の発生を抑制することができる。

図２は、図１おける内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂのみを示した拡大断面図である。図２に示すように、内部形状規定部材１０２ａはベース部２１ａ、凸部２２ａを備えている。ここで、ベース部２１ａから（すなわち外部形状規定部材１０２ｂの下側主面から）下側へ突出した凸部２２ａが、内部形状規定部材１０２ａの外縁に沿って形成されている。また、外部形状規定部材１０２ｂはベース部２１ｂ、凸部２２ｂを備えている。ここで、ベース部２１ｂから（すなわち外部形状規定部材１０２ｂの下側主面から）下側へ突出した凸部２２ｂが、外部形状規定部材１０２ｂの内縁に沿って形成されている。

さらに、内部形状規定部材１０２ａは、鋳造する鋳物Ｍ３の内部形状を規定し、外部形状規定部材１０２ｂは、鋳造する鋳物Ｍ３の外部形状を規定する。図１に示した鋳物Ｍ３は、水平方向の断面（以下、横断面と称す）の形状が管状の中空鋳物（つまりパイプ）である。すなわち、より具体的には、内部形状規定部材１０２ａは、鋳物Ｍ３の横断面の内径を規定し、外部形状規定部材１０２ｂは、鋳物Ｍ３の横断面の外径を規定する。

図３は、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの上面図である。また、図４は、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの下面図である。ここで、図２は、図３、４のＩ−Ｉ断面図に相当する。図３、４に示すように、外部形状規定部材１０２ｂは、例えば矩形状の平面形状を有し、中央部に円形状の開口部を有している。内部形状規定部材１０２ａは、円形状の平面形状を有し、外部形状規定部材１０２ｂの開口部の中央部に配置されている。内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの間の間隙が、溶湯が通過する溶湯通過部１０２ｃとなる。このように、内部形状規定部材１０２ａ、外部形状規定部材１０２ｂ、溶湯通過部１０２ｃから形状規定部材１０２が構成されている。

図４に示すように、内部形状規定部材１０２ａの下側主面には、内部形状規定部材１０２ａにおける溶湯通過部１０２ｃの縁（つまり外縁）に沿って、凸部２２ａが形成されている。また、外部形状規定部材１０２ｂの下側主面には、外部形状規定部材１０２ｂにおける溶湯通過部１０２ｃの縁（つまり内縁）に沿って、凸部２２ｂが形成されている。ここで、図４に示すように、凸部２２ａ、２２ｂは先端部が溶湯に浸漬している。そのため、凸部２２ａ、２２ｂによって、湯面に浮いたノロＭ４を堰き止めることができ、鋳物Ｍ３へのノロＭ４の混入を効果的に抑制することができる。

図１に示すように、溶湯Ｍ１は、その表面膜や表面張力により鋳物Ｍ３に追従して引き上げられ、溶湯通過部１０２ｃを通過する。ここで、溶湯の表面膜や表面張力によって、鋳物Ｍ３に追従して湯面から引き上げられた溶湯を保持溶湯Ｍ２と呼ぶ。また、鋳物Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との界面が凝固界面である。

支持ロッド１０３は、内部形状規定部材１０２ａを支持し、支持ロッド１０４は、外部形状規定部材１０２ｂを支持する。支持ロッド１０３、１０４により、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの位置関係を維持することができる。また、支持ロッド１０３、１０４により、ギャップＧを設けることができる。ここで、支持ロッド１０３をパイプ構造とし、これに冷却ガスを流し、さらに内部形状規定部材１０２ａに吹出孔を設ければ、内側からも鋳物Ｍ３を冷却することができる。

アクチュエータ１０５には、支持ロッド１０３、１０４がともに連結されている。アクチュエータ１０５によって、支持ロッド１０３、１０４は、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの位置関係を維持したまま、上下方向（鉛直方向）及び水平方向に移動可能である。このような構成により、鋳造の進行による湯面の低下とともに、ギャップＧを一定値に維持したまま、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを下方向に移動させることができる。また、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを水平方向に移動させることができるため、鋳物Ｍ３の長手方向の形状を自由に変化させることができる。

冷却ガスノズル（冷却部）１０６は、鋳物Ｍ３に冷却ガス（空気、窒素、アルゴンなど）を吹き付け、冷却するためのものである。スタータＳＴに連結された引上機（不図示）により鋳物Ｍ３を引き上げつつ、冷却ガスにより鋳物Ｍ３を冷却することにより、凝固界面近傍の保持溶湯Ｍ２が順次凝固し、鋳物Ｍ３が形成されていく。

次に、図１を参照して、実施の形態１に係る自由鋳造方法について説明する。
まず、スタータＳＴを降下させ、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの間の溶湯通過部１０２ｃを通して、スタータＳＴの先端部を溶湯Ｍ１に浸漬させる。

次に、所定の速度でスタータＳＴの引き上げを開始する。ここで、スタータＳＴが湯面から離間しても、表面膜や表面張力によって、スタータＳＴに追従して湯面から引き上げられた保持溶湯Ｍ２が形成される。図１に示すように、保持溶湯Ｍ２は、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの間の溶湯通過部１０２ｃに形成される。つまり、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとにより、保持溶湯Ｍ２に形状が付与される。

次に、スタータＳＴは、冷却ガスノズル１０６から吹き出される冷却ガスにより冷却されているため、保持溶湯Ｍ２が上側から下側に向かって順に凝固し、鋳物Ｍ３が成長していく。このようにして、鋳物Ｍ３を連続鋳造することができる。

ここで、上述の通り、内部形状規定部材１０２ａに設けた凸部２２ａ、外部形状規定部材１０２ｂに設けた凸部２２ｂによって、溶湯Ｍ１が溶湯通過部１０２ｃを通過する前に湯面に浮いたノロＭ４を堰き止めることができる。そのため、溶湯通過部１０２ｃを通過した保持溶湯Ｍ２へのノロＭ４の混入を抑制し、結果的に、鋳物Ｍ３へのノロＭ４の混入を効果的に抑制することができる。また、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの下側の主面と湯面との間に０．５ｍｍ程度のギャップＧを設けているため、溶湯の温度低下や湯面におけるノロＭ４の発生を抑制することができる。なお、ギャップＧを設けなくても、凸部２２ｂによって、鋳物Ｍ３へのノロＭ４の混入を効果的に抑制することができる。従って、実施の形態１において、ギャップＧは必須ではない。

（実施の形態２）
次に、図５を参照して、実施の形態２に係る自由鋳造装置について説明する。図５は、実施の形態２に係る内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを示した断面図である。実施の形態２に係る内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂは、図２に示した実施の形態１に係る内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂと比べ、ノロＭ４を堰き止めるための構造が複雑になっている。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

図６は、図５において点線で囲った外部形状規定部材１０２ｂの拡大断面図である。図６に示すように、外部形状規定部材１０２ｂはベース部２１ｂ、第１の凸部２２ｂ、凹部２３ｂ、第２の凸部２４ｂを備えている。ここで、ベース部２１ｂから下側へ突出した第１の凸部２２ｂが、外部形状規定部材１０２ｂの内縁に沿って形成されている。凹部２３ｂは、第１の凸部２２ｂの根元部においてベース部２１ｂに形成された溝構造であって、平面視で円環状に形成されている。第２の凸部２４ｂは、第１の凸部２２ｂの先端から外側に突出して形成されている。図６に示すように、外部形状規定部材１０２ｂの断面は、フック形状を有している。なお、当然のことながら、凹部２３ｂの断面形状は、矩形状に限らず、三角形状、半円状など他の形状であってもよい。

実施の形態２に係る外部形状規定部材１０２ｂは、凹部２３ｂを備えている。そのため、凹部２３ｂに堰き止めたノロＭ４を収容することができ、実施の形態１に係る外部形状規定部材１０２ｂよりも鋳物Ｍ３へのノロＭ４の混入をより効果的に抑制することができる。
さらに、実施の形態２に係る外部形状規定部材１０２ｂは、第２の凸部２４ｂを備えているため、実施の形態１に係る外部形状規定部材１０２ｂよりも堰き止めたノロＭ４を保持する能力が高い。その結果、鋳物Ｍ３へのノロＭ４の混入をより効果的に抑制することができる。
図５に示した、内部形状規定部材１０２ａも外部形状規定部材１０２ｂと同様の構造を有しているため、同様の効果を奏する。

図７は、図６に示した外部形状規定部材１０２ｂの変形例である。図７に示すように、図６において第２の凸部２４ｂが形成されていない構造であっても、凹部２３ｂによって堰き止めたノロＭ４を収容することができ、実施の形態１に係る外部形状規定部材１０２ｂよりも鋳物Ｍ３へのノロＭ４の混入をより効果的に抑制することができる。

（実施の形態３）
次に、図８を参照して、実施の形態３に係る自由鋳造装置について説明する。図８は、実施の形態３に係る内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを示した断面図である。実施の形態３に係る内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂは、図２に示した実施の形態１に係る内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂと比べ、ノロＭ４を堰き止めるための構造が異なっている。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

図９は、図８において点線で囲った外部形状規定部材１０２ｂの拡大断面図である。図６に示すように、外部形状規定部材１０２ｂはベース部２１ｂ、複数の凹部２３ｂを備えている。ここで、複数の凹部２３ｂは、ベース部２１ｂの下側主面に形成された溝構造であって、平面視で同心円の円環状に形成されている。複数の凹部２３ｂは、何れも断面が三角形状である。ベース部２１ｂの下側主面を凹部２３ｂの断面を構成する三角形の底辺とすると、底辺と対向する頂点は、何れの凹部２３ｂにおいても底辺の中央より内側に位置している。また、三角形の高さ（つまりギャップＧ）は、０．５ｍｍ程度であることが好ましい。図９に示すように、外部形状規定部材１０２ｂの断面は全体として、鋸刃状の形状を有している。

実施の形態３に係る外部形状規定部材１０２ｂは、凹部２３ｂにより、ノロＭ４を堰き止め、かつ、収容することができる。ここで、上述の通り、凹部２３ｂの断面を構成する三角形の底辺と対向する頂点を、底辺の中央より内側に位置させることにより、このような効果をより高めることができる。そして、凹部２３ｂを複数設けることにより、鋳物Ｍ３へのノロＭ４の混入をさらに効果的に抑制することができる。
図８に示した、内部形状規定部材１０２ａも外部形状規定部材１０２ｂと同様の構造を有しているため、同様の効果を奏する。

以上の通り、実施の形態１〜３に係る内部形状規定部材１０２ａは、下側（湯面側）の主面に、少なくとも凸部２２ａ及び凹部（凹部２３ｂに相当するもの）のいずれか一方を備えているため、ノロＭ４を堰き止めることができ、その結果、鋳物Ｍ３へのノロＭ４の混入を効果的に抑制することができる。同様に、実施の形態１〜３に係る外部形状規定部材１０２ｂは、下側（湯面側）の主面に、少なくとも凸部２２ｂ及び凹部２３ｂのいずれか一方を備えているため、ノロＭ４を堰き止めることができ、その結果、鋳物Ｍ３へのノロＭ４の混入を効果的に抑制することができる。

なお、上記実施の形態１〜３において、内部形状規定部材１０２ａにはノロＭ４を堰き止めるための構造を設けずに、外部形状規定部材１０２ｂのみに堰き止めるための構造を設けても、一定の効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施の形態に示した中空鋳物に代えて中実鋳物を鋳造する場合には、内部形状規定部材１０２ａを使用せずに、上記実施の形態に係る外部形状規定部材１０２ｂのみを使用すればよい。上記実施の形態と同様に、鋳物へのノロ（異物）の混入を効果的に抑制することができる。なお、この場合、外部形状規定部材１０２ｂに設けられた開口部が、そのまま溶湯通過部１０２ｃとなる。

２１ａ、２１ｂ ベース部
２２ａ、２２ｂ 凸部（第１の凸部）
２３ｂ 凹部
２４ｂ 第２の凸部
１０１ 溶湯保持炉
１０２ 形状規定部材
１０２ａ 内部形状規定部材
１０２ｂ 外部形状規定部材
１０２ｃ 溶湯通過部
１０３、１０４ 支持ロッド
１０５ アクチュエータ
１０６ 冷却ガスノズル
Ｇ ギャップ
Ｍ１ 溶湯
Ｍ２ 保持溶湯
Ｍ３ 鋳物
Ｍ４ ノロ（異物）
ＳＴ スタータ

Claims (12)

1. 溶湯を保持する保持炉と、
   前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、
   前記形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却する冷却部と、を備え、
   前記形状規定部材は、
   前記湯面側の主面に、少なくとも前記主面から突出した凸部及び前記主面から窪んだ凹部のいずれか一方を備えている、引上式連続鋳造装置。
2. 前記形状規定部材は、
   前記溶湯が通過する溶湯通過部と、
   前記凸部として、前記溶湯透過部の縁に沿って形成された第１の凸部と、を備えている、請求項１に記載の引上式連続鋳造装置。
3. 前記形状規定部材の前記主面と前記湯面との間にギャップが設けられている、請求項２に記載の引上式連続鋳造装置。
4. 前記形状規定部材は、
   前記第１の凸部の根元部に形成された前記凹部を備えている、請求項２又は３に記載の引上式連続鋳造装置。
5. 前記形状規定部材は、
   前記第１の凸部の先端部から前記溶湯通過部と反対側に突出した第２の凸部を備えている、請求項４に記載の引上式連続鋳造装置。
6. 前記形状規定部材は、
   断面三角形形状の前記凹部を複数備えた、請求項１に記載の引上式連続鋳造装置。
7. 鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を溶湯の湯面近傍に設置するステップと、
   前記形状規定部材を通過させて、前記溶湯を引き上げるステップと、
   前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却するステップと、を備え、
   前記形状規定部材の前記湯面側の主面に、少なくとも前記主面から突出した凸部及び前記主面から窪んだ凹部のいずれか一方を設ける、引上式連続鋳造方法。
8. 前記形状規定部材に、
   前記溶湯が通過する溶湯通過部と、
   前記凸部として、前記溶湯透過部の縁に沿って形成された第１の凸部と、を設ける、請求項７に記載の引上式連続鋳造方法。
9. 前記形状規定部材の前記主面と前記湯面との間にギャップを設ける、請求項８に記載の引上式連続鋳造方法。
10. 前記形状規定部材に、
    前記第１の凸部の根元部に形成された前記凹部を設ける、請求項８又は９に記載の引上式連続鋳造方法。
11. 前記形状規定部材に、
    前記第１の凸部の先端部から前記溶湯通過部と反対側に突出した第２の凸部を設ける、請求項１０に記載の引上式連続鋳造方法。
12. 前記形状規定部材に、
    断面三角形形状の前記凹部を複数設ける、請求項７に記載の引上式連続鋳造方法。

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