JP2014079780A - 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】鋳物の表面に非連続的な形状を形成することが可能な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を保持する溶湯保持炉１０１と、溶湯保持炉１０１に保持された溶湯Ｍ１の湯面から溶湯Ｍ１を導出するスタータＳＴと、湯面近傍に設置され、スタータＳＴによって導出される保持溶湯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１０２と、形状規定部材１０２を通過した保持溶湯Ｍ２を冷却する冷却ガスノズル１０６と、スタータＳＴ又は鋳物Ｍ３に衝撃を与える衝撃付与部１０７と、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。
特許文献１に記載の自由鋳造方法は、形状規定部材により連続的な形状を有する鋳物を形成することができるが、非連続的な形状の鋳物を形成することが困難である、という問題を有していた。なお、形状規定部材を瞬間的に変動させたとしても、凝固前の保持溶湯に非連続的な形状を付与することは困難である。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、連続鋳造する鋳物の表面に非連続的な形状を形成することが可能な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から前記溶湯を導出する導出部材と、
前記湯面近傍に設置され、前記導出部材によって導出される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、
前記導出部材又は前記鋳物に衝撃を与える衝撃付与部と、を備えているものである。このような構成により、鋳造する鋳物の表面に非連続的な形状を形成することができる。

前記衝撃付与部は、金属棒で前記導出部材又は前記鋳物を衝打することで当該導出部材又は当該鋳物に衝撃を与えることが好ましい。
また、前記衝撃付与部は前記導出部材の移動経路に沿って移動することが好ましい。それにより、鋳造の進行中、いつでも導出部材又は鋳物に衝撃を与えることが可能となる。

他方、衝撃付与部材は振動子であることが好ましい。それにより、鋳造する鋳物の表面に非連続的な形状を形成することができるとともに、保持溶湯の表面張力を向上させて、所望の形状の鋳物をより高精度に形成することができる。
また、前記衝撃付与部は前記導出部材に接触して固定されていることが好ましい。それにより、鋳造の進行中、いつでも導出部材に衝撃を与えることが可能となる。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造方法は、
導出部材により前記溶湯を導出して、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を通過させるステップと、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却するステップと、
衝撃付与部により前記導出部材又は鋳物に衝撃を与えるステップと、を備えているものである。このような構成により、鋳造する鋳物の表面に非連続的な形状を形成することができる。

前記衝撃付与部により金属棒で前記導出部材又は前記鋳物を衝打することで前記導出部材又は前記鋳物に衝撃を与えることが好ましい。
また、前記衝撃付与部を前記導出部材の移動経路に沿って移動させることが好ましい。それにより、鋳造の進行中、いつでも導出部材又は鋳物に衝撃を与えることが可能となる。

他方、前記衝撃付与部は振動子であることが好ましい。それにより、鋳造する鋳物の表面に非連続的な形状を形成することができるとともに、保持溶湯の表面張力を向上させて、所望の形状の鋳物をより高精度に形成することができる。
また、前記衝撃付与部を前記導出部材に接触して固定させることが好ましい。それにより、鋳造の進行中、いつでも導出部材に衝撃を与えることが可能となる。

本発明により、鋳物の表面に非連続的な形状を形成することが可能な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。 内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの平面図である。 実施の形態１に係る自由鋳造装置による鋳物の形成過程を示す模式図である。 実施の形態１に係る自由鋳造装置による鋳物の形成過程を示す模式図である。 実施の形態１に係る自由鋳造装置による鋳物の形成過程を示す模式図である。 実施の形態１に係る自由鋳造装置により形成された鋳物の一例を示す図である。 実施の形態２に係る自由鋳造装置の断面図である。

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、及び、衝撃付与部１０７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。図１の例では、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂが湯面に接触するように配置されている。しかしながら、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）の主面が湯面に接触しないように設置されてもよい。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の下側の主面と湯面との間に所定の（例えば０．５ｍｍ程度の）ギャップを設けてもよい。

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２は、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの平面図である。ここで、図１の内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの断面図は、図２のＩ−Ｉ断面図に相当する。図２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１に示すように、溶湯Ｍ１は、その表面膜や表面張力によりスタータ（導出部材）ＳＴ又は鋳物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、スタータＳＴ又は鋳物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。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、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、スタータＳＴや鋳物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、冷却ガスによりスタータＳＴや鋳物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、連続的に鋳物Ｍ３が形成されていく。

衝撃付与部１０７は、スタータＳＴ又は鋳物Ｍ３に衝撃を与える部である。衝撃付与部１０７は、例えば、金属棒、エアハンマー、電気ハンマー等でスタータＳＴ又は鋳物Ｍ３を衝打することでスタータＳＴ又は鋳物Ｍ３に衝撃を与える。衝撃付与部１０７によってスタータＳＴ又は鋳物Ｍ３に与えられた衝撃は、鋳物Ｍ３を伝搬する。それにより、鋳物Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との間には、凝固界面を境にして瞬間的にわずかな相対変位が生じる。この瞬間的な相対変位が生じた凝固界面付近の保持溶湯Ｍ２が凝固することにより、表面に非連続的な形状を有する鋳物Ｍ３が形成される。より具体的には、瞬間的な相対変位が生じた凝固界面付近の保持溶湯Ｍ２が凝固することにより、表面に所定幅（例えば、０．１ｍｍ程度の幅）の線形状を有する鋳物Ｍ３が形成される。鋳物Ｍ３の表面に（外周を囲むように）形成されたこの非連続的な形状（線形状）は、例えば、鋳物Ｍ３の基準位置を特定するための罫書き線として用いられる。

なお、衝撃付与部１０７は、スタータＳＴの移動経路に沿って移動可能である。例えば、衝撃付与部１０７は、引上機（不図示）の引き上げ動作によるスタータＳＴの上昇に伴って、上方向に移動可能である。それにより、衝撃付与部１０７は、鋳造の進行中、いつでもスタータＳＴ又は鋳物Ｍ３に衝撃を与えることが可能となる。

また、衝撃付与部１０７がスタータＳＴ又は鋳物Ｍ３に与える衝撃の強さは、鋳物Ｍ３の表面に目視可能な罫書き線を形成できる程度であればよく、少なくとも鋳物Ｍ３の全体形状に影響を与えないようにする必要がある。衝撃を与える方向は、引上げ方向に対して垂直方向（水平方向）が最も効果的であるが、引上げ方向と平行、あるいは、引上げ方向に対して斜めであっても良い。

次に、図１、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃ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。図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃは、図１に示す自由鋳造装置による鋳物Ｍ３の形成過程を時系列に示す模式図である。

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、溶湯Ｍ１は、スタータＳＴに追従して湯面から引き上げられ（導出され）保持溶湯Ｍ２を形成する（図３Ａ参照）。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（及び鋳物Ｍ３）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、鋳造の進行中、衝撃付与部１０７によりスタータＳＴ又は鋳物Ｍ３に衝撃が与えられると、鋳物Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との間には凝固界面を境にして瞬間的にわずかな相対変位が生じる（図３Ｂ参照）。

そして、瞬間的な相対変位が生じた凝固界面付近の保持溶湯Ｍ２が凝固することにより、表面に非連続的な形状を有する鋳物Ｍ３が形成される。例えば、鋳物Ｍ３の表面には非連続的な形状として罫書き線Ｋ１が形成される（図３Ｃ参照）。

図４は、図１に示す自由鋳造装置により形成された鋳物Ｍ３の一例を示す図である。図４の例では、滑らかに湾曲した円筒状の鋳物Ｍ３の上方に罫書き線Ｋ１が形成され、下方に罫書き線Ｋ２が形成されている。このように、円筒状等の角のない鋳物Ｍ３の場合、当該鋳物Ｍ３の表面に複数の罫書き線Ｋ１，Ｋ２を付与することにより、当該鋳物Ｍ３の３方向（ｘ，ｙ，ｚ方向）の基準位置を特定することが可能となる。

このように、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、スタータＳＴ又は鋳物Ｍ３に衝撃を与える衝撃付与部１０７を備える。それにより、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、連続鋳造する鋳物Ｍ３の表面に非連続的な形状（線形状）を形成することができる。鋳物Ｍ３の表面に形成されたこの非連続的な形状は、例えば、鋳物Ｍ３の基準位置を特定するための罫書き線として用いられる。それにより、鋳造後の別工程で鋳物Ｍ３に罫書き線を付与する場合と比較して作業時間を短縮することができる。

なお、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、形状規定部材１０２に衝撃を与える代わりに、スタータＳＴ又は鋳物Ｍ３に衝撃を与えている。それにより、形状規定部材１０２の瞬間的な変動により発生し得る、鋳物Ｍ３の寸法異常や鋳物Ｍ３への異物（酸化物等）の混入を回避することができる。また、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、引上機によりスタータＳＴ又は鋳物Ｍ３に衝撃を与える代わりに、衝撃付与部１０７によりスタータＳＴ又は鋳物Ｍ３に衝撃を与えている。それにより、鋳物Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との間に、より微小な相対変位を生じさせることができるため、鋳物Ｍ３の全体形状に影響を与えないようにすることができる。

（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に係る自由鋳造装置の断面図である。図５に示す自由鋳造装置は、図１に示す自由鋳造装置と比較して、衝撃付与部として振動子１０７ａを備える。図５に示す自由鋳造装置のその他の構成については、図１に示す自由鋳造装置と同様であるため、その説明を省略する。

振動子１０７ａは、一定周期で細かく振動することにより、一定周期で細かくスタータＳＴに衝撃を与える。それにより、鋳物Ｍ３の表面には、非連続的な形状が一定間隔で細かく形成される。即ち、鋳物Ｍ３の表面には、微小な凸凹形状が形成される。それにより、鋳造する鋳物Ｍ３の意匠性及び放熱性を向上させることができる。

なお、振動子１０７ａは、スタータＳＴの移動経路に沿って移動可能である。例えば、振動子１０７ａは、引上機（不図示）の引き上げ動作によるスタータＳＴの上昇に伴って、上方向に移動可能である。あるいは、振動子１０７ａは、スタータＳＴに接触して固定されていてもよい。それにより、振動子１０７ａは、鋳造の進行中、いつでもスタータＳＴに衝撃（振動）を与えることが可能となる。

このように、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、スタータＳＴに一定周期で細かく衝撃を与える振動子１０７ａを衝撃付与部として備える。それにより、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、連続鋳造する鋳物Ｍ３の表面に非連続的な形状を一定間隔で細かく形成することができる。それにより、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、鋳造する鋳物Ｍ３の意匠性及び放熱性を向上させることができる。

さらに、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、振動子１０７ａを用いてスタータＳＴに一定周期で衝撃を与えて保持溶湯Ｍ２を振動させることにより、保持溶湯Ｍ２の表面張力を高めることができる。それにより、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、（鋳物Ｍ３の横断面の形状となる）凝固界面付近の保持溶湯Ｍ２の横断面の形状と、形状規定部材１０２付近の保持溶湯Ｍ２の横断面の形状と、の差分を小さくすることができるため、所望の形状の鋳物Ｍ３をより高精度に形成することができる。

さらに、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、振動子１０７ａを用いてスタータＳＴに一定周期で衝撃を与えて保持溶湯Ｍ２を振動させることにより、鋳造する鋳物Ｍ３の結晶組織を微細化したり、保持溶湯Ｍ２の表面酸化膜の破壊を促進したり、スタータＳＴと溶湯Ｍ１との結合力を向上させたり、することができる。

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。

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
１０７ 衝撃付与部
１０７ａ 振動子
Ｍ１ 溶湯
Ｍ２ 保持溶湯
Ｍ３ 鋳物
ＳＴ スタータ

Claims (10)

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から前記溶湯を導出する導出部材と、
   前記湯面近傍に設置され、前記導出部材によって導出される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、
   前記導出部材又は前記鋳物に衝撃を与える衝撃付与部と、を備えている、引上式連続鋳造装置。
2. 前記衝撃付与部は、金属棒で前記導出部材又は前記鋳物を衝打することで当該導出部材又は当該鋳物に衝撃を与える、請求項１に記載の引上式連続鋳造装置。
3. 前記衝撃付与部は前記導出部材の移動経路に沿って移動する、請求項１又は２に記載の引上式連続鋳造装置。
4. 前記衝撃付与部は振動子である、請求項１に記載の引上式連続鋳造装置。
5. 前記衝撃付与部は前記導出部材に接触して固定されている、請求項４に記載の引上式連続鋳造装置。
6. 導出部材により前記溶湯を導出して、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を通過させるステップと、
   前記形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却するステップと、
   衝撃付与部により前記導出部材又は前記鋳物に衝撃を与えるステップと、を備えている、引上式連続鋳造方法。
7. 前記衝撃付与部により金属棒で前記導出部材又は前記鋳物を衝打することで前記導出部材又は前記鋳物に衝撃を与える、請求項６に記載の引上式連続鋳造方法。
8. 前記衝撃付与部を前記導出部材の移動経路に沿って移動させる、請求項６又は７に記載の引上式連続鋳造方法。
9. 前記衝撃付与部は振動子である、請求項６に記載の引上式連続鋳造方法。
10. 前記衝撃付与部を前記導出部材に接触して固定させる、請求項９に記載の引上式連続鋳造方法。

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