JP2016540649A - 溶鋼を鋳造するための鋳型 - Google Patents

Abstract

本発明は、溶鋼（Ｍ）を連続的に引き出されるストランド（Ｓ）に鋳造するための鋳型であって、鋳造される溶鋼（Ｍ）に面する鋳型（７）の内面（１３）のうちの少なくとも１つに表面組織（２２）が形成される、鋳型に関する。前記表面組織（２２）は、鋳型（７）に流し込まれた溶鋼（Ｍ）の表面に浮かんでいるスラグ（Ｋ）で鋳造中に湿潤される鋳型（７）の領域（Ａ３）にわたって少なくとも延在する。本発明による鋳型は、亀裂形成の危険性の点で重要な鋳型の領域において最適な凝固挙動を単純な手段を用いて可能にする。これは、本発明によると、無作為に分散された複数の窪み（２３）を自蔵した、閉じた構造として表面組織（２２）が設計されることによって実現される。【選択図】図２

Description

本発明は、溶鋼を連続的に引き出されるストランドに鋳造するための鋳型に関する。鋳造される溶鋼に面する鋳型の内面のうちの少なくとも１つに表面組織が形成される。この表面組織は、鋳型に流し込まれた溶鋼の表面に浮かんでいるスラグで鋳造中に浸潤される鋳型の領域の少なくともほぼ全体にわたって延在する。

連続鋳造において、溶鋼は取瓶から、バッファとして設けられた、「タンディッシュ」としても公知の分配器に流し込まれ、場合によっては、溶鋼をいくつかのストランドに分配するために、そこから浸漬管によって対応する鋳型に移送される。ここで、注入方向は、重力に対応する。

ストランドは、鋳型内で形成される。鋳型から鉛直方向に出て来るストランドがその外面に凝固した鋼の薄い殻を有し、この殻がストランド内の依然として液状の溶鋼を取り囲むように、溶鋼は鋳型の低温の内面と接触することによって凝固し始める。

鋳型から出た後、ストランドは、所謂「鋳造弓形部」において、複数のロールによって支持されて方向転換され、水平方向に流れるようになる。ストランドの凝固を制御するために、鋳造弓形部の領域において組織的に制御された冷却が行われる。次に、完全に凝固して水平方向に排出されたストランドから複数のスラブが分離され、更なる処理のために移送される。

スラグを形成するために、鋳型内の溶鋼の自由表面に鋳造パウダーが撒き散らされる。スラグは溶鋼を覆い、所謂「メニスカス」の領域において溶鋼と周囲大気との反応を防止する。同時に、スラグは、溶鋼内を上昇してきた不純物と結合し、鋼ストランドの凝固殻と鋳型との間の潤滑剤として働く。あるいは、事前溶融された鋳造パウダーが供給される鋳造方法、または鋳造パウダーの代わりに、所謂「鋳造油」すなわち液状鋳造媒体、を使用する鋳造方法、が存在する。後者の手法は、特にビレットまたは円形連続鋳造に適用される。鋳型の低温壁への鋼の付着を防止するために、および鋳型からのストランドの排出を支援するために、鋳型は、通常、振動される。

連続鋳造鋳型は、複数の鋳型板で構成することも、または１つの個別片として設計することも可能である。連続鋳造鋳型の内側は、通常、銅製である。摩耗および引裂きへの抵抗力を高めるために、形成されるストランドに接触する前記鋳型の内面をニッケル被膜で覆うことができる（特許文献１）。ただし、ニッケル被膜は、熱移動を著しく低下させる。この理由により、ニッケル被膜は、通常、連続鋳造設備の分配器に向けられる鋳型の上縁から一定距離にのみ設けられる。

鋳型の内面がニッケル被膜されているか否かに拘らず、連続鋳造法において溶鋼は、とりわけメニスカスの領域において、特に急速に冷える。これにより、傷付き易い鋼種の場合、冷却プロセス中に発生する内部応力に起因する表面欠陥が引き起こされ得る。

この問題は、特許文献２において既に対応されている。特許文献２においては、非特許文献１が参照されている。非特許文献１によると、ストランド殻に亀裂を発生させないという点で、特に、溶融金属のレベルの領域において鋳型壁を通る熱移動が重大な役割を果たす。この熱移動が大き過ぎると、亀裂の危険性が高くなる。形成されるストランド殻と鋳型の内面との間の熱移動を増やすために、特許文献２は、鋳型表面を粗くすることによってメニスカスの領域における熱抵抗を下げることを示唆している。これにより、鋳型内で形成されるストランド殻は、より薄い状態がより長い時間維持され、溶融金属のレベルからの距離が増すに伴い上昇する静鉄圧によって、連続鋳造鋳型の銅板に均等に押し当てられるはずである。このプロセスにおいては、鋳型の内面の粗さの機械加工深さが鋳型の内面の粗い区間から平滑区間へと漸次移行するように、ひいては制限された熱移動から無制限の熱移動への漸次移行も実現されるように、鋳型の内面の粗さが鋳造方向に減るように鋳型の表面が粗面化される。そこで考えられている１つの利点は、ＳＢＴ（Shot Blast Texturing）、ＥＤＴ（Electric Discharge Texturing）、ＥＢＴ（Electron Beam Texturing）、ＬＴ（Laser Texturing）など、それ自体が公知の方法によって、またはＧＬＴ（gelochte Textur）によって、または他の方法を用いて、鋳型の内面のマクロ構造を実現できる点である。

欧州特許第０ １２５ ５０９（Ｂ１）号 欧州特許第１ ０９９ ４９６（Ｂ１）号 欧州特許出願公開第０ ９８５ ４７１（Ａ１）号 独国特許出願公開第１９９ ０７ ８２７（Ａ１）号

「固化鋼の初期凝固ストランド表面の質感との関係（Ueber den Zusammenhang zwischen Anfangserstarrung und Beschaffenheit der Strangoberflaeche bei peritektisch erstarrenden Staehlen）」、論文、著：M. M. Wolf、フォルシュ（Forch）、2002年、P.61〜64

上記の従来技術に鑑み、本発明の目的は、亀裂形成の危険性の点で重要な鋳型の領域において最適な凝固挙動が単純な手段で保証される鋳型を作成することであった。

この課題は、本発明によると、請求項１により設計される鋳型によって解決される。

本発明の複数の有利な実施形態が従属請求項に記載されており、本発明の一般概念と共に、以下に詳細に説明する。

溶鋼を連続的に引き出されるストランドに鋳造するための本発明による鋳型においては、上で説明した従来技術により鋳造される溶鋼に面する鋳型の内面のうちの少なくとも１つに表面組織が形成される。この表面組織は、鋳型に流し込まれた溶鋼に浮かんでいるスラグで鋳造中に浸潤される鋳型の領域にわたって少なくとも延在する。

本発明によると、前記表面組織は、完全に囲まれた、無作為に分散された複数の窪みを有する閉じた構造として現在設計される。

本発明により表面組織として設けられる完全に画定された複数の窪みで形成される構造は、鋳型と液状溶鋼との間の熱伝達を減らす。露出された表面構造の場合とは異なり、凝固するスラグの一部は無作為な表面構造の複数の窪みを覆い、そこに付着する。したがって、鋳型の内面に付着しているスラグは、内面への溶鋼の直接接触を防止する断熱材として働く。スラグ層の前記断熱効果は、より低い熱供給を鋳型の横幅にわたってもたらし、より一様な熱供給をメニスカスの領域にもたらす。本発明により構造化された鋳型表面を使用すると、従来の鋳型表面に比べ、全体的に低下した、より一様な、熱供給の結果として、冷却プロセス中にストランド殻に発生する内部応力が小さくなる。その結果、表面欠陥の形成の危険性が減る。鋳造油が用いられる場合、ここに記載されている表面組織は浸潤される。この場合、複数の窪みに付着している油層は、断熱材としても働く。

例えば特許文献２で言及されている方法を用いて、あるいはショットブラスト処理または同様の方法によって、作成された、複数の窪みがそれぞれ重なり合い、したがって互いに画定されず、互いに一体化された、露出された表面および粗さの構造では、その粗さを鋳型材料の移動によって生じる材料の隆起から得ている。ただし、本発明により設けられる閉じた表面構造は、複数の空洞および窪みが互いに接続されていないことを特徴とする。前記閉じた、および本発明によると無作為に分散された、複数の窪みは、スラグのより良好な付着を保証し、スラグの流出を防止することが判明している。

このようにして生じる地形的外観に加え、平均粗さ指数Ｒａおよび平均粗さ深さＲｚが前記表面構造を指定する点で重要である。平均粗さ指数Ｒａおよび平均粗さ深さＲｚはどちらも、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ４２８７に従って決定される必要がある。本発明による表面構造の場合、理想的な平均粗さ指数Ｒａは１０μｍと５０μｍの間であり、平均粗さ深さＲｚは８０μｍと２５０μｍの間である。平均粗さ値および平均粗さ深さが前記の値範囲内であると、表面欠陥の減少が最大になり、プロセスの信頼性が安定する。これは、平均粗さ指数Ｒａが１０μｍと５０μｍの間、特に１５μｍと５０μｍの間、である場合に、特に当てはまる。

表面組織の窪みの最大深さが５００μｍであると、表面組織へのスラグの最適な付着がもたらされる。目標の粗さを確実に実現するために、各窪みの深さは少なくとも５μｍである必要がある。

ここで言及する種類の鋳型は、通常、非鉄金属合金製であり、通常、溶鋼から遠い側が冷却される。鋳型の断面は、正方形または丸みを帯びた形状として設計可能である。矩形または正方形の鋳型の使用時にさまざまな幅のストランドを製造するために、鋳型の空所の短辺を画成する鋳型板のうちの少なくとも１つを幅方向に調整可能にすることができる（特許文献３）。

本発明により設けられる表面構造は、鋳型の空所を画成する内面の少なくとも１つに設けられる。勿論、これは、対応する表面構造を鋳型の全ての内面または少なくとも対向面にそれぞれ形成する選択肢を含む。幅の調整が可能な鋳型の場合においても、本発明により構造化される表面組織は、これら内面のうちの少なくとも１つに存在する必要がある。前記内面に対して移動される鋳型の辺の調整時に覆われる領域は、本発明による表面構造が無くてもよい。ただし、これは、鋳型の空所を画成する表面同士が接触する各コーナー領域の密閉という観点から有利である場合に限られる。したがって、鋳型の場合、その厚さまたは幅の調整は、その辺のうちの少なくとも１つを変位させることによって可能である。鋳型の最小厚または幅が構成される場合、この表面組織は、前記表面組織が設けられた内面の幅にわたって延在し、当該内面は鋳造される溶鋼にこの表面組織を介して接触する。

本発明により構造化される表面組織は、メニスカスを覆うスラグによって鋳造中に浸潤される、鋳型の当該内面の領域にわたって少なくとも延在する必要がある。今日使用されている鋳型の場合、鋳型の上縁から下方に少なくとも１０ｍｍの距離において始まり、最大６００ｍｍの距離において終わる面域にわたって表面組織が延在すると有用であることが実証されている。

表面構造が設けられた内面が鋳型の上縁から一定の距離において始まる区間にわたってニッケル層で覆われる場合、本発明により設計された表面組織が鋳型の上縁に向けられた端縁領域に重なると、鋳造されたストランドの表面欠陥を減らすという点で特に好都合であることが実証されている。実際には、重なり合う面域は、鋳造方向に測定されたときに、少なくとも５０ｍｍ、であると有用であることが実証されている。本発明による表面組織へのニッケル被膜の重なりは、当該内面の無被膜区間からニッケル被膜区間の間の移行ゾーンにおける熱伝導率の突然の断絶を防止する。

鋳型の当該表面に設けられる表面組織の本発明による構造は、型押し（圧力）によって、または、例えば複数の針を用いた、打撃または衝撃の勢いによって、表面に導入可能である。この構造は、鋳型表面の変形によって導入され、プロセス中に材料が除去されない。鋳型の当該内面に対する打撃または加圧歪みの結果としてもたらされる冷間加工硬化は、鋳型の耐用寿命の長期化に寄与し得る。

型打ち法が用いられる場合、作成される構造のネガがマトリクス、球体、またはローラに適用される。次に、前記ネガは、圧力および工具表面に応じて、表面構造を鋳型に適用するために用いられる。打撃または衝撃の勢いに基づく方法を用いて構造が作成される場合、本発明により画成される構造は、高運動量で打撃する工具によって作製される。このためには、例えば特許文献４などにおいては、特定の表面粗さを生じさせることができる所謂「針」が適している。

以下においては、一実施形態に関する図面を用いて本発明をより詳細に説明する。各図は、概略図を表す。

ストランド鋳造設備の側面図を示す。 図１によるストランド鋳造設備に用いられる鋳型の長手方向断面を示す。 本発明により設けられる表面組織の一部の７．５倍拡大斜視図を示す。

図１に示されている、それ自体は公知の方法で構築されたストランド鋳造設備１において、溶鋼ＭをストランドＳに鋳造するために、溶鋼Ｍは取鍋２から分配器３に移送される、すなわち、取鍋シュラウド４によって分配器３に流し込まれる。分配器３の底部出口に、鉛直に位置合わせされた浸漬管５が接続される。この浸漬管５は、ストッパ６によって閉鎖および制御可能である。

浸漬管５が開いているとき、溶鋼Ｍは鋳型７に流入する。鋳型７は、冷却される鋳型板８、９、１０、１１で構成される。鋳型板８、９、１０、１１は、非鉄金属製または非鉄金属合金製である。銅または銅合金が用いられることが好ましい。鋳型７は、上から見てほぼ矩形の空所断面を有する。前記断面の長辺は、幅広の鋳型板８、９によってそれぞれ画成され、短辺は幅狭の鋳型板１０、１１によってそれぞれ画成される。

鋳型の空所１２にそれぞれ向けられた鋳型板８〜１１の内面１３を、多くの場合、ニッケル層１４で覆うことができる。ニッケル層１４は、溶鋼Ｍの鉛直に位置合わせされた流れの方向Ｆに測定したとき、分配器３に向けられた鋳型７の上縁１５からの可変距離において始まる。距離Ａ１は、この場合は３００ｍｍであるが、一般には可変距離として構成可能である。ここでは一例として、ニッケル層を有する矩形の鋳型が用いられている。ただし、さまざまな被膜を有する他の複数の鋳型形状も可能である。

鋳型７内で溶鋼Ｍから形成されるストランドＳは、流れの鉛直方向Ｆに鋳型７から流出し、鋳造弓形部１６によって水平方向Ｆｈに案内される。鋳造弓形部１６の領域においてストランドは複数のローラ１９、２０によって案内される。同時に集中冷却が行われる。この冷却は、ストランドＳが鋳造弓形部１６の端部に達するまでにストランドＳが可能最大まで完全に凝固し、更なる処理のために移送可能になるように、行われる。

鋳型の空所１２を画成する鋳型板８〜１１の内面１３には、鋳型の上縁１５に向けられた区間２１に表面組織２２が構成される。この実施形態において、表面組織２２は、鋳型の上縁１５から流れの方向Ｆに１０ｍｍの距離Ａ２において始まり、４００ｍｍの距離Ａ３において終わる。したがって、表面組織２２は、流れの方向Ｆに測定して１００ｍｍの長さにわたる重なり領域Ｕにおいてニッケル層１４に重なる。この表面組織は、通常、鋳型の上縁１５から見て６００ｍｍの距離Ａ３まで導入することも可能である。表面組織２２によって覆われる区間では、鋳造中に流し込まれる溶鋼Ｍのメニスカスに浮かんでいるスラグＫが銅板８〜１１の内面１３を湿潤する。

表面組織２２は、隔壁２４によってそれぞれ完全に囲まれた複数の窪み２３によって形成される。各隔壁２４は、隣接配置された２つの窪み２３を画成する。各窪み２３は、ほぼ円形の開口断面を有する個々の穴状圧痕として、またはこのような圧痕がいくつか合体することによって、形成可能であり、当該窪み２３を囲む自蔵式隔壁２４によって囲まれる。例えばショットブラスト法の使用時に発生する材料のリッジングは、この構造においては望ましくない。その理由は、前記リッジングは、ストランド殻によって磨滅されるからである。これは、構造の劣化をもたらし、粗さ特性を低下させることになる。代わりに窪みを鋳型材料に導入する目的は、冷間加工硬化を実現させ、表面構造を維持するためである。鋳型の空所１２の長辺を画成する鋳型板８、９において、表面組織２２の幅Ｂは、最も幅狭の領域に限定される。この最も幅狭の領域とは、鋳型の空所１２の短辺を画成する鋳型板１０、１１が移動された場合に銅板１０、１１によって覆われない領域である。

最大深さが５００μｍの窪み２３は、ここには図示されていない標準的な針装置を用いて、複数の針によって製作される。この針装置の複数の針は、大きな力を用いて内面に打ち込まれ、針が接触した材料を圧縮させ、これにより当該窪み２３を形成する。材料の摩耗は一切発生していない。図３に示されている窪み２３と隔壁２４とを備えた構造を維持するために、以下のパラメータが設定された。
− 針装置ハウジングと機械加工対象の表面との間の距離、
− 送り速度と送り方向、
− 針装置ハウジング／針装置の移動パターン、および、
− 各針が機械加工対象の表面に当たる際の力。

これにより内面１３のニッケル層１４と表面組織２２との重なり領域の内側および外側に作成される２つの表面組織の平均粗さ深さＲｚおよび平均粗さ指数Ｒａを表１に示す。

１ 連続鋳造設備
２ 取鍋
３ 分配器（タンディッシュ）
４ 取鍋シュラウド
５ 浸漬管
６ ストッパ
７ 鋳型
８〜１１ 銅板
１２ 鋳型の空所
１３ 鋳型７の内面
１４ ニッケル層
１５ 鋳型の上縁
１６ 鋳造弓形部
１９、２０ ローラ
２１ 内面１３の区間
２２ 表面組織
２３ 窪み
２４ 隔壁
Ａ１〜Ａ３ 流れの方向Ｆに測定された距離
Ｂ 表面組織が設けられた内面１３の区間の幅
Ｆ 鋳型７内の溶鋼Ｍの流れの方向
Ｆｈ 流れの水平方向
Ｋ スラグ
Ｍ 溶鋼
Ｓ ストランド
Ｕ 重なり領域

Claims (12)

1. 溶鋼（Ｍ）を連続的に引き出されるストランド（Ｓ）に鋳造するための鋳型であって、鋳造される前記溶鋼（Ｍ）に面する前記鋳型（７）の複数の内面（１３）のうちの少なくとも１つに表面組織（２２）が形成され、前記表面組織は、前記鋳型（７）に流し込まれた前記溶鋼（Ｍ）に浮かんでいるスラグ（Ｋ）で鋳造中に湿潤される前記鋳型（７）の領域（Ａ３）にわたって少なくとも延在する、鋳型において、
   前記表面組織（２２）は、完全に縁取られた、無作為に分散された複数の窪み（２３）を有する閉じた構造として設計されることを特徴とする鋳型。
2. 前記表面組織（２２）は、前記鋳造方向（Ｆ）に測定したときに、前記鋳型の上縁（１５）から下方に少なくとも１０ｍｍの距離（Ａ２）において始まり、最大６００ｍｍの距離（Ａ３）において終わる面域にわたって延在することを特徴とする、請求項１に記載の鋳型。
3. 前記表面組織（２２）の前記複数の窪み（２３）の最大深さは５００μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の鋳型。
4. 前記表面組織（２２）の平均粗さ指数Ｒａは１０μｍと５０μｍの間であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の鋳型。
5. 前記表面組織（２２）の粗さの平均深さＲｚは８０μｍと２５０μｍの間であることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の鋳型。
6. 前記鋳型（７）は、正方形または丸みを帯びた空所断面を有することと、前記表面組織（２２）は前記鋳型（７）の複数の前記内面（１３）のうちの少なくとも１つに構成され、前記鋳型（７）は前記空所断面をその一方の長辺に画成することを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の鋳型。
7. 前記鋳型（７）は、その短辺（１０、１１）の少なくとも一方を移動させることによって幅の調整が可能であることと、前記鋳型（７）が最小幅（Ｂ）に設定される場合は、前記表面組織（２２）は、前記表面組織（２２）が設けられる前記内面（１３）の前記幅（Ｂ）にわたって延在し、前記内面（１３）は鋳造される前記溶鋼（Ｍ）に前記表面組織（２２）を介して接触することを特徴とする、請求項６に記載の鋳型。
8. 前記表面組織（２２）は、前記鋳型（７）の前記内面（１３）に衝撃を与えることによって導入されることを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の鋳型。
9. 前記表面組織（２２）は、複数の針を用いて前記内面（１３）に導入されることを特徴とする、請求項８に記載の鋳型。
10. 前記表面組織（２２）は、前記鋳型（７）の前記内面（１３）に型押しされることを特徴とする、請求項１〜９の何れか一項に記載の鋳型。
11. 前記表面組織（２２）が設けられた前記内面（１３）は、前記鋳型の前記上縁（１５）からの距離（Ａ１）において始まる区間にわたってニッケル層（１４）で覆われることと、前記表面組織（２２）は前記鋳型の前記上縁（１５）に割り当てられた前記ニッケル層（１４）の端縁領域（Ｕ）に重なることとを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載の鋳型。
12. 前記表面組織（２２）は、鋳造方向（Ｆ）に測定して少なくとも５０ｍｍだけ前記ニッケル層（１４）に重なることを特徴とする、請求項１１に記載の鋳型。