JP2015226915A - 引上式連続鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生産効率を向上することができる引上式連続鋳造装置を提供する。
【解決手段】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ＭＭＳから溶湯Ｍ１を導出するスタータＳＴと、湯面ＭＭＳ近傍に設置され、スタータＳＴによって導出される溶湯Ｍ１が通過することにより、鋳造する鋳物Ｍ３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、を備え、スタータＳＴ及び形状規定部材１０２の少なくとも一方は、当該スタータＳＴ又は当該形状規定部材１０２を冷却するフィンＦ１、Ｆ２を備える、自由鋳造装置１００。
【選択図】図２

Description

本発明は、引上式連続鋳造装置に関する。

特許文献１には、鋳型を要しない画期的な引上式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通過させながら、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。そのため、スタータ（もしくは形状規定部材）を水平方向に移動させながらスタータを引き上げることにより、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に記載の引上式連続鋳造方法において、生産効率を上げるためには、鋳造速度（引上速度）スタータの引き上げる速度を速くすることが求められる。しかし、引上げ速度を速くすると、スタータに追従して引き上げられた保持溶湯の冷却が不十分になり、保持溶湯が千切れてしまう場合がある。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、生産効率を向上することができる引上式連続鋳造装置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、を備え、前記導出部材及び前記形状規定部材の少なくとも一方は、当該導出部材又は当該形状規定部材を冷却する熱交換部材を備える。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造装置によれば、熱交換部材により導出部材及び形状規定部材の少なくとも一方が冷却されるため、導出部材及び形状規定部材近傍に位置する溶湯の温度が低下し、導出部材によって導出された溶湯がより一層冷却されやすくなる。そのため、導出部材を引き上げる速度を速くすることができ、引上げ式連続鋳造装置の生産効率を向上することができる。

生産効率を向上することができる引上式連続鋳造装置を提供することができる。

第１の実施の形態に係る自由鋳造装置を模式的に示す断面図である。 第１の実施の形態に係る自由鋳造装置を模式的に示す部分断面図である。 第１の実施の形態に係るフィンの形状及び配置の一例を示す平面図である。 第１の実施の形態に係るフィンの形状及び配置の一例を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る自由鋳造装置を用いた鋳造方法における冷却処理と成形処理を説明するフローチャートである。 比較例に係る自由鋳造装置を模式的に示す部分断面図である。 比較例に係る自由鋳造装置を用いた鋳造方法における冷却処理と成形処理を説明するフローチャートである。 第２の実施の形態に係る自由鋳造装置を模式的に示す部分断面図である。

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。

（第１の実施の形態）
まず、図１を参照して、第１の実施の形態に係る自由鋳造装置（引上式連続鋳造装置）１００について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る自由鋳造装置１００の模式的断面図である。図１に示すように、第１の実施の形態に係る自由鋳造装置１００は、溶湯保持炉（保持炉）１０１、形状規定部材１０２（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（冷却部）１０６、スタータ（導出部材）ＳＴ、引上機（図示省略）を備えている。なお、図１において、簡略化のため、アクチュエータ１０５、冷却ガスノズル１０６の断面を示すハッチングは省略している。後述する図２、図６、図８においても、同様に、冷却ガスノズル１０６の断面を示すハッチングは省略している。

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を収容するとともに、溶湯Ｍ１が流動性を有する所定の温度に溶湯Ｍ１の温度を保持する。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ＭＭＳ）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ＭＭＳを一定に保持するような構成としてもよい。ここで、溶湯保持炉１０１の設定温度を上げると凝固界面（鋳物Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との境界）の位置を上げることができ、溶湯保持炉１０１の設定温度を下げると凝固界面の位置を下げることができる。なお、当然のことながら、溶湯Ｍ１はアルミニウム以外の金属やその合金であってもよい。

形状規定部材１０２は内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂから構成されている。形状規定部材１０２は、例えばセラミックスやステンレスなどからなり、湯面ＭＭＳ上に配置されている。形状規定部材１０２は、鋳造する鋳物Ｍ３の断面形状を規定する。内部形状規定部材１０２ａは、パイプ状の鋳物Ｍ３の内部形状を規定し、外部形状規定部材１０２ｂは、鋳物Ｍ３の外部形状を規定する。

図１の例では、形状規定部材１０２（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（下面）が湯面ＭＭＳに接触するように配置されている。そのため、湯面ＭＭＳに形成される酸化膜や湯面ＭＭＳに浮遊する異物の鋳物Ｍ３への混入を防止することができる。
一方、形状規定部材１０２の下面を湯面ＭＭＳから所定の距離（例えば０．５ｍｍ程度）だけ離間して配置してもよい。形状規定部材１０２を湯面ＭＭＳから離間して配置した場合、形状規定部材１０２の熱変形や溶損が抑制され、形状規定部材１０２の耐久性が向上する。

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、スタータＳＴと化合（結合）した後、その表面膜や表面張力により外形を維持したままスタータＳＴに追従して引き上げられ、溶湯通過部１０２ｃを通過する。すなわち、溶湯Ｍ１が形状規定部材１０２の溶湯通過部１０２ｃを通過することにより、溶湯Ｍ１に対し形状規定部材１０２から外力が付与され、鋳物Ｍ３の断面形状が規定される。溶湯の表面膜や表面張力によってスタータＳＴに追従して引き上げられた溶湯Ｍ１が凝固して形成されたものを鋳物Ｍ３と呼ぶ。また、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ＭＭＳ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との境界が凝固界面である。

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（例えば、空気、窒素、アルゴンなど）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が連結されている。そのため、アクチュエータ１０５により内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを、その位置関係を維持したまま上下方向（鉛直方向つまりｚ軸方向）に移動させることができる。このような構成により、鋳造の進行による湯面ＭＭＳの低下とともに、形状規定部材１０２を下方向に移動させることができる。また、アクチュエータ１０５により内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを、その位置関係を維持したまま水平方向に移動させてもよい。これにより、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、スタータＳＴ、外部形状規定部材１０２ｂに冷却ガス（例えば、空気、窒素、アルゴンなど）を吹き付け、冷却する。これにより、鋳物Ｍ３に追従して引き上げられた保持溶湯Ｍ２が間接的に冷却される。引上機（図示省略）がスタータＳＴを引き上げることにより、スタータＳＴに追従して鋳物Ｍ３が引き上げられ、冷却ガスにより鋳物Ｍ３、スタータＳＴ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が形成される。冷却ガスの流量を増やすと凝固界面の位置を下げることができ、冷却ガスの流量を減らすと凝固界面の位置を上げることができる。なお、冷却ガスノズル１０６も、形状規定部材１０２とともに上下方向に移動可能となっている。

また、冷却ガスノズル１０６の冷却ガスの噴出口は、徐々に幅広となる形状を有している。これにより、冷却ガスが鋳物Ｍ３だけでなく、スタータＳＴ及び外部形状規定部材１０２ｂにも吹き付けられるようになっている。また、冷却ガスノズル１０６は、溶湯通過部１０２ｃの周方向に沿って略等間隔に複数延設されている。

スタータＳＴは、引上機に固定されている。スタータＳＴを介して引上機により鋳物Ｍ３が引き上げられ、冷却ガスにより鋳物Ｍ３が冷却される。これにより、凝固界面ＳＩＦ近傍の保持溶湯Ｍ２が上側から下側へ順次凝固し、鋳物Ｍ３が形成されていく。引上機による引上速度を速くすると凝固界面ＳＩＦの位置を上げることができ、引上速度を遅くすると凝固界面の位置を下げることができる。

また、引上機を水平方向に移動させながら引き上げることにより、保持溶湯Ｍ２を斜め方向に導出することができる。そのため、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。なお、引上機を水平方向に移動させる代わりに、形状規定部材１０２を水平方向に移動させることにより、鋳物Ｍ３の長手方向の形状を自由に変化させてもよい。

また、第１の実施の形態１においては、スタータＳＴは、スタータＳＴの表面に、当該スタータＳＴを冷却するための熱交換部材として、複数のフィンＦ１を備えている。同様に、形状規定部材１０２は、形状規定部材１０２の上面（溶湯Ｍ１に接している面と反対側の面）に、当該形状規定部材１０２を冷却するため熱交換部材として、複数のフィンＦ２を備えている。

そして、図２に示すように、スタータＳＴのフィンＦ１及び形状規定部材１０２のフィンＦ２に冷却ガスノズル１０６から冷却ガスが吹き付けられることにより、スタータＳＴ及び形状規定部材１０２が冷却される。具体的には、冷却ガスは、隣接するフィンＦ１とフィンＦ１との間を通り抜けることにより、スタータＳＴを冷却する。同様に、冷却ガスは、隣接するフィンＦ２とフィンＦ２との間を通り抜けることにより、形状規定部材１０２を冷却する。そして、スタータＳＴと形状規定部材１０２とが冷却されることにより、スタータＳＴ及び形状規定部材１０２近傍に位置する溶湯（溶湯Ｍ１及び鋳物Ｍ３）の温度が低下し、スタータＳＴによって導出された保持溶湯Ｍ２がより一層冷却されやすくなる。そのため、スタータＳＴを引き上げる速度を速くすることができ、自由鋳造装置１００の生産効率を向上することができる。

次に、図３、４を参照して、フィンＦ１、Ｆ２の形状及び配置について説明する。図３、図４は、フィンＦ１、Ｆ２の形状及び配置の一例を示す平面図である。具体的には、図３、図４は、スタータＳＴの表面上に形成されたフィンＦ１及び形状規定部材１０２の上面に形成されたフィンＦ２の形状及び配置を示している。
図３に示すように、フィンＦ１、Ｆ２は、上面視波形の板状部材がスタータＳＴの表面及び形状規定部材１０２の上面に立設されたものであってもよい。また、図３に示すように、複数の当該波形のフィンＦ１、Ｆ２は、互いにその波形が揃うように、隣接している。
また、図４に示すように、フィンＦ１、Ｆ２は、上面視断面が扁平な六角形形状の板状部材がスタータＳＴの表面及び形状規定部材１０２の上面に立設されたものであってもよい。また、図４に示すように、複数の当該六角形形状のフィンＦ１、Ｆ２は、マトリクス状に配置されている。なお、図４に示すように、複数の当該六角形形状のフィンＦ１、Ｆ２は、図４の横方向及び縦方向に沿って互いに少し位置をずらしながら配置されていてもよいし、整列して配置されていてもよい。

また、第１の実施の形態においては、スタータＳＴ及び形状規定部材１０２の両方にフィンＦ１、Ｆ２が備えられることとしたが、スタータＳＴ又は形状規定部材１０２のどちらか一方にフィンＦ１、Ｆ２が備えられてもよい。スタータＳＴが引上機によって引き上げられるにつれて、スタータＳＴは冷却ガスノズル１０６から遠ざかってしまうため、自由鋳造装置１００の生産効率の向上の観点から、少なくとも形状規定部材１０２にはフィンＦ２が設けられることが好ましい。

次に、図５を参照して、第１の実施の形態に係る自由鋳造装置１００を用いた鋳造方法における冷却処理と成形処理を説明する。
まず、自由鋳造装置１００が軌道されると、鋳物Ｍ３の温度を計測して、凝固界面付近の鋳物Ｍ３の冷却が足りないか否かを判断する（ステップＳ１）。この判断は、鋳物Ｍ３の計測温度に基づいて、ユーザが判断してもよいし、自由鋳造装置１００に設けられている制御部（図示省略）が判断してもよい。また、鋳物Ｍ３の温度は、スタータＳＴに取り付けられた各種の計測機器を用いることにより計測することができる。

次に、ステップＳ１において、凝固界面付近の鋳物Ｍ３の冷却が足りている場合には（ステップＳ１；Ｎｏ）、ステップＳ４に進む。
一方、ステップＳ１において、凝固界面付近の鋳物Ｍ３の冷却が足りない場合には（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、冷却ガスノズル１０６から噴出する冷却ガスの流量を増加する（ステップＳ２）。これにより、鋳物Ｍ３だけでなく、スタータＳＴ及び形状規定部材１０２の冷却が強化される。具体的には、冷却ガスノズル１０６から増量された冷却ガスが、スタータＳＴのフィンＦ１及び形状規定部材１０２のフィンＦ２に吹き付けられることによって、スタータＳＴ及び形状規定部材１０２の冷却が強化される。

次に、ステップＳ３において、鋳物Ｍ３の成形が終了したか否かを判断する（ステップＳ３）。この判断は、ユーザが判断してもよいし、自由鋳造装置１００に設けられている制御部（図示省略）が判断してもよい。また、鋳物Ｍ３の成形が終了したか否かは、目視又は界面観察と、鋳物Ｍ３の寸法計測結果とに基づいて判断される。
ステップＳ３において、鋳物Ｍ３の成形が終了していない場合には（ステップＳ３；Ｎｏ）、ステップＳ２に戻る。
ステップＳ３において、鋳物Ｍ３の成形が終了している場合には（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、成形処理を終了する。

次に、図６を参照して、比較例に係る自由鋳造装置２００を説明する。図６に示すように、比較例に係る自由鋳造装置２００は、第１の実施の形態１に係る自由鋳造装置１００と、スタータＳＴ及び形状規定部材１０２がフィンＦ１、Ｆ２を備えない点のみが異なる。そのため、同一の構成については同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。

次に、図７を参照して、比較例に係る自由鋳造装置２００を用いた鋳造方法における冷却処理と成形処理を説明する。なお、図７に示すフローチャートは、ステップＳ１０２のみが、図５に示すフローチャートのステップＳ２と異なる。すなわち、図７に示すフローチャートＳ１０１、Ｓ１０３は、図５に示すフローチャートのステップＳ１、Ｓ３と同様であるため、その説明を省略する。

ステップＳ１０１において、凝固界面付近の鋳物Ｍ３の冷却が足りない場合には（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、冷却ガスノズル１０６から噴出する冷却ガスの流量を増加する（ステップＳ１０２）。これにより、鋳物Ｍ３の冷却が強化される。しかしながら、比較例に係る自由鋳造装置２００では、スタータＳＴがフィンＦ１を備えず、形状規定部材１０２がフィンＦ２を備えない。そのため、ステップＳ１０２の処理によって、スタータＳＴ及び形状規定部材１０２の冷却は強化されないか、強化されたとしても、第１の実施の形態に係る自由鋳造装置１００に比べて、強化の程度は極めて少ない。

そのため、比較例に係る自由鋳造装置２００において、スタータＳＴを引き上げる速度を速くすると、図６に示すように、保持溶湯Ｍ２と鋳物Ｍ３との間の凝固界面付近で、鋳物Ｍ３又は保持溶湯Ｍ２が千切れてしまう。そのため、比較例に係る自由鋳造装置２００では、鋳物Ｍ３又は保持溶湯Ｍ２が千切れないように、スタータＳＴを引き上げる速度を所定の速さより速くすることができず、生産効率を向上することができない。

以上に説明した第１の実施の形態１に係る自由鋳造装置１００によれば、フィンＦ１、Ｆ２によりスタータＳＴ及び形状規定部材１０２が冷却されるため、スタータＳＴ及び形状規定部材１０２近傍に位置する溶湯（溶湯Ｍ１及び鋳物Ｍ３）の温度が低下し、スタータＳＴよって導出された保持溶湯Ｍ２がより一層冷却されやすくなる。そのため、スタータＳＴを引き上げる速度を速くすることができ、自由鋳造装置１００の生産効率を向上することができる。

（第２の実施の形態）
図８を参照して、第２の実施の形態に係る自由鋳造装置（引上式連続鋳造装置）３００について説明する。図８に示すように、第２の実施の形態にかかる自由鋳造装置３００は、第１の実施の形態１に係る自由鋳造装置１００と、冷却部として、冷却ガスノズル１０７、１０８を更に備える点のみが異なる。そのため、同一の構成については同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。

冷却ガスノズル１０７は、スタータＳＴのフィンＦ１に冷却ガス（例えば、空気、窒素、アルゴンなど）を吹き付け、スタータＳＴを冷却する。同様に冷却ガスノズル１０８は、形状規定部材１０２のフィンＦ２に冷却ガス（例えば、空気、窒素、アルゴンなど）を吹き付け、形状規定部材１０２を冷却する。なお、冷却ガスノズル１０７、１０８も、冷却ガスノズル１０６と同様に、スタータＳＴ及び形状規定部材１０２とともに上下方向に移動可能となっていてもよい。また、冷却ガスノズル１０７、１０８は、冷却ガスノズル１０６と同様の形状を有する。これにより、広範囲の複数のフィンＦ１、Ｆ２に冷却ガスを吹き付けることができる。

なお、図８においては、冷却ガスノズル１０７はスタータＳＴに対して内部形状規定部材１０２ａ側から冷却ガスを吹き付けているが、冷却ガスノズル１０７の配置は図８に示す配置に限定されるものではない。例えば、冷却ガスノズル１０７は、スタータＳＴの周囲に等間隔に複数設けられてもよい。
同様に、図８においては、冷却ガスノズル１０８は内部形状規定部材１０２ａのフィンＦ２に対して冷却ガスを吹き付けているが、冷却ガスノズル１０８の配置は図８に示す配置に限定されるものではない。例えば、冷却ガスノズル１０８は、外部形状規定部材１０２ｂを冷却するものと、内部形状規定部材１０２ａを冷却するものと、複数設けられてもよい。

以上に説明した第２の実施の形態に係る自由鋳造装置３００によれば、第１の実施の形態に係る自由鋳造装置１００と同様の効果が得られるのは勿論のこと、冷却ガスノズル１０６に加えて、スタータＳＴ及び形状規定部材１０２を冷却するための冷却ガスノズル１０７、１０８を備える。そのため、より確実にスタータＳＴ及び形状規定部材１０２を冷却することができ、自由鋳造装置３００の生産効率をより確実に向上することができる。

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。

１００、２００、３００ 自由鋳造装置（引上式連続鋳造装置）
１０１ 溶湯保持炉（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、１０７、１０８ 冷却ガスノズル（冷却部）
Ｍ１ 溶湯
Ｍ２ 保持溶湯
Ｍ３ 鋳物
ＭＭＳ 湯面
Ｆ１、Ｆ２ フィン（熱交換部材）

Claims (1)

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、を備え、
   前記導出部材及び前記形状規定部材の少なくとも一方は、当該導出部材又は当該形状規定部材を冷却する熱交換部材を備える、引上式連続鋳造装置。

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