JP2020022984A - Continuous casting method for metal - Google Patents

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Abstract

To improve the cooling speed of a metal upon continuous casting.SOLUTION: A continuous casting method for a metal has a process where, while pulling up an object 6 to be cooled made of a molten metal 7 or an ingot 8 in a semi-solidified state from the inside of a mold 2, cooling water 5 added with high heat conduction particles having a heat conductivity higher than that of water is directly brought into contact with the object 6 to be cooled, and the object 6 to be cooled is cooled.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明はアルミニウム等の金属の連続鋳造法に関する。   The present invention relates to a method for continuously casting a metal such as aluminum.

なお、本明細書及び特許請求の範囲では、文中に特に明示した場合を除き、「連続鋳造」の語は半連続鋳造を含む意味で用いられる。   In the present specification and claims, the term "continuous casting" is used to mean semi-continuous casting unless otherwise specified in the text.

アルミニウム合金からなる部品への需要が高まる中、その素材である連続鋳造棒の生産性と機械的特性を上げることが望まれている。なかでも、鋳造用を主として、共晶、過共晶組成のAl−Si系合金の用途が拡大され、その耐摩耗性等の特性を生かして工業材料として使用されるようになっている。   With increasing demand for parts made of aluminum alloy, it is desired to increase the productivity and mechanical properties of a continuous cast rod as a material thereof. Above all, the use of Al-Si alloys having a eutectic or hypereutectic composition, mainly for casting, has been expanded, and they have come to be used as industrial materials by taking advantage of their properties such as wear resistance.

また、自動車の燃費規制強化にともない、その部品の材料となるアルミニウム合金の軽量化と更なる高強度化が求められているため、微細な結晶粒子を有するアルミニウム合金が求められている。   In addition, with the tightening of fuel efficiency regulations for automobiles, aluminum alloys as materials for such parts are required to be reduced in weight and further increased in strength. Therefore, aluminum alloys having fine crystal grains are required.

そのようなアルミニウム合金を得るためには、機械的特性を決定する重要な因子である晶出温度の制御及び凝固温度近傍での急冷凝固の制御が重要である。急速冷却によって機械的特性を向上させた連続鋳造棒を得る鋳造法として、冷却水を金属の溶湯ないしその半凝固物に直接衝突させて冷却する直接冷却鋳造法(ダイレクトチル鋳造法)がある。   In order to obtain such an aluminum alloy, it is important to control the crystallization temperature, which is an important factor determining the mechanical properties, and to control the rapid solidification near the solidification temperature. As a casting method for obtaining a continuous casting rod having improved mechanical properties by rapid cooling, there is a direct cooling casting method (direct chill casting method) in which cooling water is directly hit against a molten metal or a semi-solid product thereof to cool the metal.

金属の連続鋳造法において、冷却水が沸騰する領域での使用について、鋳塊の割れ、そり、くびれを抑制するために冷却速度を低下させる提案は行われていた(例えば、特開平05−057400号公報(特許文献1)、特開平06−142847号公報(特許文献2))。   In a continuous casting method of metal, with respect to use in a region where cooling water boils, proposals have been made to reduce a cooling rate in order to suppress cracks, warpage and constriction of an ingot (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 05-057400). Japanese Patent Application Laid-Open No. H06-142847 (Patent Document 2).

また、熱伝導性が改良された媒体については、以下の3件の文献をはじめ、さまざまに提案されているが、金属の連続鋳造法において冷却速度向上を目的とした先行文献はなかった。   In addition, various media have been proposed with respect to a medium having improved thermal conductivity, including the following three documents, but there is no prior document for improving the cooling rate in a continuous casting method for metal.

特開昭54−94481号公報(特許文献3)には、熱媒体の伝熱性状を改質する方法において熱媒体中にAlのような金属の微粉を分散せしめた組成物が提案されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-94481 (Patent Document 3) proposes a composition in which a fine powder of a metal such as Al is dispersed in a heat medium in a method for modifying the heat transfer properties of the heat medium. .

特開昭61−291388号公報(特許文献4)には、熱伝導促進手段として媒体中に分散せしめた熱伝導率の大きいセラミック粉末及び三次元網目状構造により形成される空洞中に媒体を充填した発泡金属又は発泡セラミックが提案されている。   JP-A-61-291388 (Patent Document 4) discloses that a medium is filled in a cavity formed by a ceramic powder having a high thermal conductivity dispersed in a medium and a three-dimensional network structure as a means for promoting heat conduction. Metal foams or ceramics have been proposed.

特開昭62−129378号公報(特許文献5)には、多価アルコール系材料の熱伝導率を改良するために多価アルコール中に金属及び/又はグラファイトを均一に分散せしめた組成物が提案されている。   JP-A-62-129378 (Patent Document 5) proposes a composition in which a metal and / or graphite is uniformly dispersed in a polyhydric alcohol in order to improve the thermal conductivity of the polyhydric alcohol-based material. Have been.

特開平05−057400号公報JP 05-0557400 A 特開平06−142847号公報JP-A-06-142847 特開昭54−94481号公報JP-A-54-94481 特開昭61−261388号公報JP-A-61-261388 特開昭62−129378号公報JP-A-62-129378

金属の連続鋳造棒の機械的特性を向上させるという課題の解決のため、冷却速度を上げる方策が採られているが、現在、冷却水として水のみが使用されており、その向上には限界がある。この限界を超えるために、さらなる冷却速度向上が求められている。   In order to solve the problem of improving the mechanical properties of metal continuous cast rods, measures have been taken to increase the cooling rate, but currently only water is used as cooling water, and the improvement is limited. is there. In order to exceed this limit, further improvement in cooling rate is required.

また、ダイレクトチル鋳造法では、冷却速度を決定する重要な因子の一つとして、冷媒の熱伝導率があり、冷媒の熱伝導率が高いほど冷却速度は向上するが、冷媒の熱伝導率の改良による冷却速度向上は行われてこなかった。また、実用化されている金属の殆どは、冷媒つまり水の沸点よりも高い温度から冷却されるため、機械的特性を決定するのに重要な晶出温度及び凝固温度近傍において、ライデンフロスト現象により十分が冷却速度を得られないという問題がある。   In the direct chill casting method, one of the important factors that determine the cooling rate is the thermal conductivity of the refrigerant, and the higher the thermal conductivity of the refrigerant, the higher the cooling rate. The cooling rate has not been improved by the improvement. In addition, most of the metals that are put into practical use are cooled from the temperature higher than the boiling point of the refrigerant, that is, water, so the Leidenfrost phenomenon occurs near the crystallization temperature and solidification temperature, which are important for determining the mechanical properties. There is a problem that a sufficient cooling rate cannot be obtained.

本発明は、金属の連続鋳造時の冷却速度向上における課題を解決しようとするものであって、鋳造時に用いる冷却用媒体に、熱伝導改良材として金属微粒子などを添加することで、冷却用媒体の熱伝導率が改良され、且つ、被冷却物である金属を、酸や塩基により腐食しにくいように改良した冷却用媒体を提供することを目的の一つとするものである。特に、ポットトップ鋳造法のように、表層が凝固し内部が液体の状態という半凝固状態のアルミニウム又はアルミニウム合金の鋳造時に所定の冷却水を使用することで、金属組織の微細化に重要な温度領域の冷却速度が向上し、組織が微細化しやすくなるため、今後のアルミニウム合金のさらなる高強度化に対する課題の解決手段の一つとなると期待できる。   The present invention is intended to solve the problem of improving the cooling rate during continuous casting of metal, and by adding metal fine particles and the like as a heat conduction improving material to a cooling medium used during casting, a cooling medium is provided. It is an object of the present invention to provide a cooling medium in which the heat conductivity of a metal is improved and the metal to be cooled is hardly corroded by an acid or a base. In particular, by using a predetermined cooling water at the time of casting aluminum or aluminum alloy in a semi-solid state in which the surface layer is solidified and the inside is in a liquid state, as in the case of the pot top casting method, the temperature important for miniaturization of the metal structure is increased. Since the cooling rate of the region is improved and the structure is easily refined, it is expected that this will be one of the solutions to the problem of further increasing the strength of the aluminum alloy in the future.

また、本発明は、冷媒に対し、冷媒より熱伝導率が高い固体を添加することにより、冷媒による冷却に加え、固体による冷却によって、冷媒の沸点温度以上である金属の晶出温度及び凝固温度近傍における冷却速度を向上させることも目的の一つとする。   In addition, the present invention provides, in addition to cooling by a refrigerant, a solid having a higher thermal conductivity than the refrigerant, by adding a solid to the refrigerant. Another object is to improve the cooling rate in the vicinity.

本発明は以下の手段を提供する。   The present invention provides the following means.

1) 金属の溶湯ないし半凝固状態の鋳塊からなる被冷却物を鋳型の内側から引き抜きながら、冷却水を前記被冷却物に直接接触させて前記被冷却物を冷却する金属の連続鋳造法であって、
冷却水として、水よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導粒子が添加された冷却水を用いる金属の連続鋳造法。
1) A continuous casting method for cooling a cooled object by bringing cooling water into direct contact with the cooled object while pulling the cooled object formed of a molten metal or a semi-solid ingot from the inside of a mold. So,
A continuous casting method for metal using cooling water to which high thermal conductive particles having higher thermal conductivity than water are added as the cooling water.

2) 前記高熱伝導粒子として、金属酸化物粒子、金属炭化物粒子、金属窒化物粒子、金属複合酸化物粒子、金属複合炭化物粒子、金属複合窒化物粒子及びセラミック粒子からなる群より選択される少なくとも一種が用いられる前項1記載の金属の連続鋳造法。   2) The high thermal conductive particles are at least one selected from the group consisting of metal oxide particles, metal carbide particles, metal nitride particles, metal composite oxide particles, metal composite carbide particles, metal composite nitride particles, and ceramic particles. 2. The continuous casting method for a metal according to the above item 1, wherein

3) 前記高熱伝導粒子の平均粒径が10nm〜100μmの範囲である前項1又は2記載の金属の連続鋳造法。   3) The continuous casting method for a metal according to the above 1 or 2, wherein the average particle diameter of the high thermal conductive particles is in a range of 10 nm to 100 µm.

4) 前記冷却水に対する前記高熱伝導粒子の濃度が0.001〜50質量%の範囲である前項1〜3のいずれかに記載の金属の連続鋳造法。   4) The continuous casting method for a metal according to any one of the above items 1 to 3, wherein the concentration of the high thermal conductive particles in the cooling water is in a range of 0.001 to 50% by mass.

5) 前記冷却水の粘度が前記冷却水の使用時の温度において1Pa・s以下である前項1〜4のいずれに記載の金属の連続鋳造法。   5) The continuous casting method for a metal according to any one of the above items 1 to 4, wherein the viscosity of the cooling water is 1 Pa · s or less at a temperature at the time of using the cooling water.

6) 前記冷却水は界面活性剤を含む前項1〜5のいずれかに記載の金属の連続鋳造法。   6) The metal continuous casting method according to any one of the above items 1 to 5, wherein the cooling water contains a surfactant.

7) 金属がアルミニウム又はアルミニウム合金である前項1〜6のいずれかに記載の金属の連続鋳造法。   7) The continuous casting method for a metal according to any one of the above items 1 to 6, wherein the metal is aluminum or an aluminum alloy.

8) 前記冷却水のpHが4〜9の範囲である前項7記載の金属の連続鋳造法。   8) The metal continuous casting method according to the above item 7, wherein the pH of the cooling water is in the range of 4 to 9.

9) 前記冷却水のpHが6〜8の範囲である前項7記載の金属の連続鋳造法。   9) The continuous casting method for a metal according to the above item 7, wherein the pH of the cooling water is in the range of 6 to 8.

本発明は以下の効果を奏する。   The present invention has the following effects.

前項1では、冷却水の熱伝導率が水そのものよりも高くなるため、被冷却物を効率よく冷却することができる。また、冷却水の沸騰により発生した蒸気膜によって冷却水と被冷却物との間の熱伝達が不十分な場合(例:ライデンフロスト現象が発生した場合)であっても、冷却水中の高熱伝導粒子が被冷却物を冷却することで、被冷却物を効率よく冷却することができる。   In the first aspect, since the thermal conductivity of the cooling water is higher than that of the water itself, the object to be cooled can be efficiently cooled. Further, even when the heat transfer between the cooling water and the object to be cooled is insufficient due to the vapor film generated by the boiling of the cooling water (for example, when the Leidenfrost phenomenon occurs), the high heat transfer in the cooling water By cooling the object to be cooled by the particles, the object to be cooled can be efficiently cooled.

前項2では、被冷却物を確実に効率よく冷却することができる。   In the second aspect, the object to be cooled can be reliably and efficiently cooled.

前項3では、高熱伝導粒子の平均粒径が10nm以上であることにより、高熱伝導粒子を冷却水中に分散しやすい。高熱伝導粒子の平均粒径が100μm以下であることにより、冷却水中での高熱伝導粒子の沈殿を抑制しやすくなるし、高熱伝導粒子の被冷却物との接触面積が小さいことによる冷却効果の減少を抑制することができる。   In the above item 3, when the average particle diameter of the high thermal conductive particles is 10 nm or more, the high thermal conductive particles are easily dispersed in the cooling water. When the average particle diameter of the high thermal conductive particles is 100 μm or less, precipitation of the high thermal conductive particles in the cooling water is easily suppressed, and the cooling effect is reduced due to a small contact area between the high thermal conductive particles and the object to be cooled. Can be suppressed.

前項4では、高熱伝導率粒子の濃度が0.001質量%以上であることにより、冷却効果の向上が大きい。高熱伝導率粒子の濃度が50質量%以下であることにより、冷却水として扱いやすい。   In the above item 4, when the concentration of the high thermal conductivity particles is 0.001% by mass or more, the cooling effect is greatly improved. When the concentration of the high thermal conductivity particles is 50% by mass or less, it is easy to handle as cooling water.

前項5では、冷却水の粘度が1Pa・s以下であることにより、冷却水として扱いやすい。   In the preceding item 5, since the viscosity of the cooling water is 1 Pa · s or less, it is easy to handle as cooling water.

前項6では、高熱伝導粒子が例えば凝集しやすい粒子である場合であっても、冷却水が界面活性剤を含むことにより、高熱伝導粒子を冷却水中により分散させやすくすることができ、高熱伝導粒子の凝集による冷却能力低下を抑制できる。   In the above-mentioned item 6, even when the high heat conductive particles are, for example, particles that easily aggregate, the high heat conductive particles can be easily dispersed in the cooling water by including the surfactant, and the high heat conductive particles can be easily dispersed. Of the cooling capacity due to coagulation of water.

前項7では、金属としてのアルミニウム又はアルミニウム合金の連続鋳造法に適用することにより、冷却速度が向上する。   In the above item 7, the cooling rate is improved by applying the method to a continuous casting method of aluminum or an aluminum alloy as a metal.

前項8及び9では、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる連続鋳造棒の腐食を抑制できる。   In the preceding items 8 and 9, corrosion of a continuous cast rod made of aluminum or an aluminum alloy can be suppressed.

図1は、本発明の一実施形態に係る金属の連続鋳造法に用いられる連続鋳造装置としてのホットトップ鋳造装置の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a hot-top casting apparatus as a continuous casting apparatus used in a continuous casting method for metal according to an embodiment of the present invention. 図2は、実施例に用いたアルミニウム合金試料の概略斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view of the aluminum alloy sample used in the example.

次に、本発明の一実施形態について図面を参照して以下に説明する。   Next, an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の一実施形態に係る金属の連続鋳造法は、例えば、図1に示すように、連続鋳造装置としてホットトップ鋳造装置1を用いたホットトップ鋳造法により金属を連続鋳造して金属鋳造棒を製造するものである。   A continuous casting method for a metal according to an embodiment of the present invention is, for example, as shown in FIG. 1, a metal is continuously cast by a hot-top casting method using a hot-top casting apparatus 1 as a continuous casting apparatus. Is to manufacture.

ホットトップ鋳造装置1は、鋳型(モールド)2、溶湯受槽3などを具備している。鋳型2はその内部に充填された一次冷却水としての冷却水5により冷却されている。また、鋳型2には鋳型2内の冷却水5を二次冷却水として噴射する噴射口4が設けられている。溶湯受槽3は鋳型2の上側に設置されている。   The hot top casting apparatus 1 includes a mold 2 and a molten metal receiving tank 3. The mold 2 is cooled by cooling water 5 as primary cooling water filled therein. Further, the mold 2 is provided with an injection port 4 for injecting the cooling water 5 in the mold 2 as secondary cooling water. The molten metal receiving tank 3 is installed above the mold 2.

溶湯受槽3内に供給された金属の溶湯7は、冷却された鋳型2の内側に受槽3から下方向に注入される。すると、溶湯7は、鋳型2との接触により一次的に冷却されて半凝固状態の鋳塊8になる。この状態の鋳塊8は一般的にその外周部に凝固殻が形成されている。そして、この状態の鋳塊8を鋳型2の内側から下方向に連続的に引き抜きながら、鋳型2の内側から引き抜かれた直後の当該鋳塊8に鋳型2の噴射口4から冷却水5を噴射して当該鋳塊8の表面に冷却水5を直接接触させる。これにより、当該鋳塊8が所定の冷却速度で二次的に冷却されてその大部分が凝固する。   The molten metal 7 supplied into the molten metal receiving tank 3 is injected downward from the receiving tank 3 into the cooled mold 2. Then, the molten metal 7 is primarily cooled by contact with the mold 2 to form a semi-solid ingot 8. In the ingot 8 in this state, a solidified shell is generally formed on the outer periphery. Then, while continuously drawing the ingot 8 in this state downward from the inside of the mold 2, the cooling water 5 is injected from the injection port 4 of the mold 2 to the ingot 8 immediately after being drawn from the inside of the mold 2. Then, the cooling water 5 is brought into direct contact with the surface of the ingot 8. Thus, the ingot 8 is secondarily cooled at a predetermined cooling rate, and most of the ingot is solidified.

上述した金属の連続鋳造法では、冷却水5として、水よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導粒子(図示せず)が水に添加分散されたものが用いられる。   In the metal continuous casting method described above, the cooling water 5 is obtained by adding and dispersing high heat conductive particles (not shown) having higher heat conductivity than water to water.

高熱伝導粒子としては、金属酸化物粒子、金属炭化物粒子、金属窒化物粒子、金属複合酸化物粒子、金属複合炭化物粒子、金属複合窒化物粒子及びセラミック粒子からなる群より選択される少なくとも一種が用いられる。   As the high thermal conductive particles, at least one selected from the group consisting of metal oxide particles, metal carbide particles, metal nitride particles, metal composite oxide particles, metal composite carbide particles, metal composite nitride particles and ceramic particles is used. Can be

ここで、本実施形態では、一次冷却水及び二次冷却水として共通の冷却水5が用いられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明では冷却水5は二次冷却水としてだけに用いられても良い。   Here, in the present embodiment, the common cooling water 5 is used as the primary cooling water and the secondary cooling water. However, the present invention is not limited to this. It may be used only as cooling water.

本実施形態における金属の連続鋳造法についてその作用・効果と併せて以下に説明をする。   The metal continuous casting method according to the present embodiment will be described below together with its operation and effects.

本実施形態における金属の連続鋳造法では、例えば水のようなベース流体の熱伝導率をベース流体そのものよりも高くするため、鋳造時における被冷却物(即ち金属の溶湯ないし半凝固状態の鋳塊)を効率よく冷却することができる。また、流体(即ち冷却水)の沸騰により発生した蒸気膜によって流体と被冷却物との間の熱伝達が不十分な場合であっても、流体中の粒子が被冷却物を冷却することで、被冷却物を効率よく冷却することが期待できる。   In the continuous casting method of the metal in the present embodiment, for example, the heat conductivity of the base fluid such as water is made higher than that of the base fluid itself. ) Can be efficiently cooled. Further, even when heat transfer between the fluid and the object to be cooled is insufficient due to a vapor film generated by boiling of the fluid (that is, cooling water), particles in the fluid cool the object to be cooled. It can be expected that the object to be cooled is efficiently cooled.

ベース流体は、水の他に既知の任意の熱伝達液体を含むことが可能である。   The base fluid can include any known heat transfer liquid in addition to water.

もちろん、水を含んでいれば、油を分散剤とした熱媒体としても使用できるが、有機溶剤を加えても良い。有機溶剤を用いる場合は、酸化力や還元力のある溶剤でなければ、そのまま使用できる。本実施形態では、特に金属の鋳造時の冷却効率(冷却速度)を大きくするためであるから、熱媒体としても大きな温度差の加熱/冷却に使用するのが効果的である。すなわちベース流体には広い温度範囲で安定した液体であるものが好ましく用いられる。高熱伝導の特性を生かすために、沸点が100℃以上の溶剤を用い、広い温度範囲に適用するのが良いが、難燃性となるように、含有量を減らすか、引火点や発火点以下で使用することが好ましい。さらに好ましくは凝固点が0℃以下のものを選ぶと良い。   Of course, if it contains water, it can be used as a heating medium using oil as a dispersant, but an organic solvent may be added. When an organic solvent is used, it can be used as it is unless the solvent has oxidizing power or reducing power. In the present embodiment, the purpose is to increase the cooling efficiency (cooling rate) particularly at the time of casting a metal. Therefore, it is effective to use the heat medium for heating / cooling with a large temperature difference. That is, a fluid that is stable over a wide temperature range is preferably used as the base fluid. In order to take advantage of the properties of high thermal conductivity, it is better to use a solvent with a boiling point of 100 ° C or higher and apply it over a wide temperature range, but reduce the content or make it less than the flash point or ignition point so that it is flame retardant It is preferable to use them. It is more preferable to select one having a freezing point of 0 ° C. or less.

ナノ粒子およびミクロン粒子は、相対的に大きな比表面積を持っているので、ベース流体の熱伝達能力を改善することが期待される。使用する金属やセラミックは、ベース流体より熱伝導率が高ければ構わないが、好ましくは熱伝導率が大きいCu、AgやSiC、Al(アルミナ)およびその合金や複合物およびそれらの組合せから選択するのが良い。 Nanoparticles and micron particles have a relatively large specific surface area and are expected to improve the heat transfer capability of the base fluid. The metal or ceramic used may have a higher thermal conductivity than the base fluid, but is preferably Cu, Ag, SiC, Al 2 O 3 (alumina) having a high thermal conductivity and alloys and composites thereof, and combinations thereof. Good to choose from.

本実施形態における金属の連続鋳造法では、高熱伝導粒子の平均粒径が10nm〜100μmの範囲であることが望ましい。その理由は次のとおりである。   In the metal continuous casting method in the present embodiment, it is desirable that the average particle size of the high thermal conductive particles be in the range of 10 nm to 100 μm. The reason is as follows.

粒子の平均粒径(直径)が大きい場合、例えば100μmより大きい場合では、ベース流体中に沈殿しやすくなり、後述する機械的輸送時に用いるポンプやスクリューへの負荷が大きくなる場合や、非使用時での粒子の沈殿または凝集により、流体が搬送できない状態や機械の破損が起きやすくなるため、好ましくない。また、例えば平均粒径10mmの固体を用いる場合では、配管を閉塞させることが考えられるため、使用は好ましくない。また、粒子の平均粒径が大きすぎる場合では、高熱伝導粒子の被冷却物との接触面積が小さく、冷却効果が減少する。一方で、粒子の平均粒径が小さい場合、例えば10nm未満では、気液界面や固液界面での凝集が起こりやすくなり、媒体中に分散しにくくなる場合が考えられる。   When the average particle diameter (diameter) of the particles is large, for example, when it is larger than 100 μm, the particles tend to precipitate in the base fluid, and the load on a pump or screw used during mechanical transportation described later increases, or when the particles are not used. This is not preferable because the particles cannot easily be conveyed or the machine is likely to be damaged due to the precipitation or aggregation of the particles. Further, for example, when a solid having an average particle size of 10 mm is used, use of the solid is not preferable because the pipe may be blocked. On the other hand, if the average particle size of the particles is too large, the contact area between the high thermal conductive particles and the object to be cooled is small, and the cooling effect is reduced. On the other hand, if the average particle size of the particles is small, for example, less than 10 nm, aggregation at the gas-liquid interface or solid-liquid interface is likely to occur, and it may be difficult to disperse the particles in the medium.

本実施形態における金属の連続鋳造法では、冷却水に対する高熱伝導粒子の濃度が0.001〜50質量%の範囲であることが望ましい。その理由は次のとおりである。   In the metal continuous casting method according to the present embodiment, the concentration of the high thermal conductive particles in the cooling water is desirably in the range of 0.001 to 50% by mass. The reason is as follows.

熱媒体(即ち冷却水)に対する高熱伝導粒子の濃度は、流動性を必要とする観点からは低い方が好ましいが、冷却効率を必要する観点からは高い方が好ましく、使用時の状況に応じて判断される。高熱伝導粒子の濃度は、好ましくは熱媒体全体の質量に対して0.001質量%以上50質量%以下である。0.001質量%未満では、熱媒体中に存在する高熱伝導粒子の比率が低く、熱媒体として高熱伝導粒子を添加した効果に乏しい。50質量%を超えると充填率が大きすぎ、液体としての流動性が低下する場合がある。   The concentration of the high thermal conductive particles with respect to the heat medium (that is, cooling water) is preferably low from the viewpoint of requiring fluidity, but is preferably high from the viewpoint of requiring cooling efficiency. Is determined. The concentration of the high thermal conductive particles is preferably 0.001% by mass or more and 50% by mass or less based on the mass of the entire heat medium. When the content is less than 0.001% by mass, the ratio of the high heat conductive particles present in the heat medium is low, and the effect of adding the high heat conductive particles as the heat medium is poor. If it exceeds 50% by mass, the filling rate is too large, and the fluidity as a liquid may decrease.

本実施形態における金属の連続鋳造法では、冷却水の粘度が冷却水の使用時の温度において1Pa・s以下であることが望ましい。その理由は次のとおりである。   In the metal continuous casting method according to the present embodiment, it is desirable that the viscosity of the cooling water be 1 Pa · s or less at the temperature at the time of using the cooling water. The reason is as follows.

熱媒体(即ち冷却水)の粘度は、機械的に熱媒体を移動させる場合に重要になる。もちろん自然対流を用いた状況でも使用は可能であるが、効率的に好ましいものではない。特に、ホットトップ鋳造法やフロート鋳造法などが提案されているアルミニウムやその合金を含む金属の一般に普及している鋳造工程においては、ポンプやスクリューによって熱媒体の圧力や流量を上げ、熱媒体を鋳造対象の金属に衝突させる際に、流速を上げることで冷却速度を向上させている。ここで熱媒体の粘度が大きいと、金属への衝突時に熱媒体が十分な流速を持たず、熱伝達の抵抗となる。また、層流状態または層流状態に近くなる場合もあるため、熱伝達の抵抗となる、粘度が低ければ、十分な流速を保つことができ、熱伝達の抵抗が大幅に減少する。したがって、使用時における熱媒体の粘度は小さいほど好ましいことになる。本実施形態では、使用温度で1Pa・s以下となるような使用状況を推奨する。好ましくは、ホットトップ鋳造法における冷却水の水量として、鋳造棒の直径1インチ当たり1L/min以上の流量を維持できる程度の粘度が好ましい。なお、冷却水の粘度を使用時の温度で規定したのは、冷却水の粘度が温度により大幅に変化する場合があるからである。   The viscosity of the heating medium (that is, cooling water) becomes important when mechanically moving the heating medium. Of course, it can be used in a situation where natural convection is used, but it is not efficient. In particular, in the widely used casting process of metals including aluminum and its alloys, for which hot-top casting and float casting have been proposed, the pressure and flow rate of the heat medium are increased by pumps and screws to reduce the heat medium. When colliding with the metal to be cast, the cooling speed is improved by increasing the flow velocity. Here, if the viscosity of the heat medium is large, the heat medium does not have a sufficient flow velocity at the time of collision with the metal, which causes resistance to heat transfer. In addition, since the state may be a laminar flow state or a state close to a laminar flow state, if the viscosity is low, which is a resistance to heat transfer, a sufficient flow velocity can be maintained, and the resistance to heat transfer is greatly reduced. Therefore, the lower the viscosity of the heat medium during use, the better. In the present embodiment, it is recommended that the use condition be 1 Pa · s or less at the use temperature. Preferably, the viscosity of the cooling water in the hot-top casting method is such that the flow rate is at least 1 L / min per inch of the diameter of the casting rod. The reason why the viscosity of the cooling water is defined by the temperature at the time of use is that the viscosity of the cooling water may greatly change depending on the temperature.

本実施形態における金属の連続鋳造法では、冷却水は界面活性剤を含むことが望ましい。その理由は次のとおりである。   In the metal continuous casting method according to the present embodiment, the cooling water desirably contains a surfactant. The reason is as follows.

凝集が起こりやすい高熱伝導粒子を用いる場合には、界面活性剤を用いることで、界面張力の低下と濡れ性の向上により、分散を促進し、凝集による冷却能力低下や配管閉塞といった問題を起こりにくくすることとができる。   When using high thermal conductive particles that are likely to cause aggregation, the use of a surfactant reduces the interfacial tension and improves wettability, thereby promoting dispersion and reducing the possibility of reduced cooling capacity and pipe blockage due to aggregation. You can do it.

本実施形態における金属の連続鋳造法では、金属がアルミニウム又はアルミニウム合金であることが望ましい。その理由は次のとおりである。   In the continuous casting method of the metal in the present embodiment, the metal is preferably aluminum or an aluminum alloy. The reason is as follows.

特にダイレクトチル鋳造法で、アルミニウム又はアルミニウム合金を鋳造する際に、冷却水を本実施形態の上述した冷却水5に代替すると、冷却速度の向上が期待できる。さらに、既存設備をそのまま使用することができるため、新規設備導入の投資額が少ない。   In particular, when casting the aluminum or aluminum alloy by the direct chill casting method, if the cooling water is replaced with the above-described cooling water 5 of the present embodiment, an improvement in the cooling rate can be expected. Further, since existing equipment can be used as it is, the investment amount for introducing new equipment is small.

本実施形態における金属の連続鋳造法では、金属がアルミニウム又はアルミニウム合金である場合において、冷却水のpHが4〜9の範囲であることが望ましい。その理由は次のとおりである。   In the metal continuous casting method in the present embodiment, when the metal is aluminum or an aluminum alloy, the pH of the cooling water is preferably in the range of 4 to 9. The reason is as follows.

これは、アルミニウムまたはアルミニウム合金の性質として、pH4〜9の範囲外では、酸化や還元といった反応により、腐食が起こりやすくなるためである。pH4〜9の範囲であっても、緩やかに腐食が進行する場合があるが、冷却用媒体が触れる時間は、鋳造時の時間のみである上、アルミニウム表面の酸化皮膜によって、腐食が殆ど進行しないため、問題はない。   This is because, as a property of aluminum or an aluminum alloy, when the pH is outside the range of 4 to 9, corrosion tends to occur due to reactions such as oxidation and reduction. Even when the pH is in the range of 4 to 9, corrosion may progress slowly, but the time that the cooling medium touches is only the time during casting, and corrosion hardly progresses due to the oxide film on the aluminum surface. So there is no problem.

さらに、アルミニウム又はアルミニウム合金を鋳造する際に、特に腐食しやすい2000系や7000系合金を鋳造する場合や、配管内に腐食しやすい金属を使用している場合には、pHが6〜8の範囲内である冷却用媒体を用いることが望ましい。   Further, when casting aluminum or aluminum alloy, particularly when casting 2000 series or 7000 series alloy, which is particularly easily corroded, or when using a metal which is easily corroded in the piping, the pH is 6 to 8. It is desirable to use a cooling medium that is within the range.

以上で本発明の実施形態を説明したが本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified without departing from the gist of the present invention.

本発明では、冷却水は、特別な設備を使用せず、金属(合金を含む)の鋳塊の製造に用いても良いが、既存のホットトップ鋳造法やフロート鋳造法などのダイレクトチル鋳造法の設備を使用し、金属の鋳塊を製造することに用いても良く、その方法および設備においては限定をしない。   In the present invention, the cooling water may be used for the production of ingots of metals (including alloys) without using any special equipment. However, existing cooling methods such as hot top casting and float casting may be used. The apparatus may be used to produce a metal ingot, and there is no limitation in the method and equipment.

また本発明に係る金属の連続鋳造法は、金属の水平連続鋳造法であっても良い。   Further, the continuous casting method for metal according to the present invention may be a horizontal continuous casting method for metal.

本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。ただし本発明は下記実施例に限定されるものではない。   Specific examples and comparative examples of the present invention are shown below. However, the present invention is not limited to the following examples.

図2に示すように、熱電対11を鋳込んだ、Siを14質量%、Cuを4質量%、Mgを0.5質量%含有したアルミニウム合金の逆円錐台状の試料10を加熱した後、冷却して、その際の冷却速度を測定した。条件は次に示すとおりである。   As shown in FIG. 2, after heating a thermocouple 11, a truncated cone-shaped sample 10 of an aluminum alloy containing 14% by mass of Si, 4% by mass of Cu, and 0.5% by mass of Mg. After cooling, the cooling rate at that time was measured. The conditions are as follows.

また、水に添加する高熱伝導粒子として、水よりも高い熱伝導率を有するSiC粒子(270W/(m・K))を選択し、その効果を検証した。   In addition, SiC particles (270 W / (m · K)) having higher thermal conductivity than water were selected as the high thermal conductive particles to be added to water, and the effect was verified.

1)試料寸法:上面φ105mm×下面φ62mm×高さ125mm
2)測温部分:鋳塊内部(上面から35mm、中心から10mm)
3)測温範囲:450〜300℃
4)昇温条件:500℃の電気炉内で試料10を2時間保持し、試料温度を480℃まで上昇させる。
1) Sample size: upper surface φ105mm × lower surface φ62mm × height 125mm
2) Temperature measurement part: inside the ingot (35 mm from the top surface, 10 mm from the center)
3) Temperature measurement range: 450 to 300 ° C
4) Temperature raising condition: The sample 10 is kept in an electric furnace at 500 ° C. for 2 hours, and the sample temperature is raised to 480 ° C.

5)冷却水量:10L
6)冷却水容器内寸法:上面φ269.66mm×下面φ245mm×高さ205.5mm−試料体積mm
7)冷却水温:開始10℃
8)冷却条件:試料温度が450℃まで上昇した後、火ばさみで取り出してから、即座に冷却水中に試料全面を浸漬する。この時、試料10と冷却水容器は非接触状態で、300℃未満に試料10が冷却されるまで、火ばさみで冷却水中に浮遊した状態に試料10を保持する。この時、450℃〜300℃までの時間を冷却時間として定義した。
5) Cooling water volume: 10L
6) the coolant vessel dimensions: top Fai269.66Mm × lower surface Fai245mm × height 205.5mm- sample volume mm 3
7) Cooling water temperature: start 10 ° C
8) Cooling conditions: After the sample temperature has risen to 450 ° C., the sample is taken out with a fire scoop and immediately immersed in cooling water immediately. At this time, the sample 10 and the cooling water container are not in contact with each other, and the sample 10 is held in a state of being suspended in the cooling water with a fire scissor until the sample 10 is cooled to a temperature lower than 300 ° C. At this time, the time from 450 ° C. to 300 ° C. was defined as the cooling time.

9)高熱伝導粒子:SiC粒子、平均粒径4μm(#3000)、1質量%、媒体はSiC粒子のみを含み、10Lとする。   9) High thermal conductive particles: SiC particles, average particle size 4 μm (# 3000), 1% by mass, medium containing only SiC particles, 10 L.

10)測温条件
・熱電対11:K熱電対クラス2
・測定頻度:100ms。
10) Temperature measurement conditions-Thermocouple 11: K thermocouple class 2
-Measurement frequency: 100 ms.

さらに、シミュレーション条件を以下に示す。   Further, simulation conditions are shown below.

1)計算ソフト:ANSYS fluent18.0
2)計算手法:有限要素法、倍精度、圧力ベースソルバ、混相流モデル:VOF法、乱流モデル:k−ωSST、非定常計算
3)物性値:表1に示す。
1) Calculation software: ANSYS fluent 18.0
2) Calculation method: finite element method, double precision, pressure-based solver, multiphase flow model: VOF method, turbulence model: k-ωSST, unsteady calculation 3) Physical property values: shown in Table 1.

Figure 2020022984
Figure 2020022984

表1において、水の粘度および熱伝導率は、熱物性ハンドブック、日本熱物性学会、養賢堂、2008年表を参考に計算した。   In Table 1, the viscosity and thermal conductivity of water were calculated with reference to the Thermophysical Properties Handbook, The Society of Thermophysical Properties of Japan, Yokendo, 2008 Table.

4)混合物物性値計算法(Tc:混合物の熱伝導率、_c:混合物、_s:溶質、_l:溶媒、a:体積分率、k:熱伝導率、ρ:密度)
・ρ_c=ρ_s×a+ρ_l(1−a)
・Cp_c=(ρ_s×a×Cp_s+ρ_l(1−a)Cp_l)/ρ_c
・Tc_c=k_l{k_l(1−a(2/3))+k_s×a(2/3)}/{k_l(1−a(2/3)+a)+k_s(a(2/3)−a)}
・体積分率を立方体で置換し一次元熱伝導で計算
・μ_c:スラリーについては、不明なため、水で計算
5)試料寸法:上面φ105mm×下面φ62×高さ125mm
6)冷媒体積:上面φ269.66mm×下面φ245mm×高さ205.5mm−試料体積mm
7)試料位置:冷媒中心
8)初期温度:冷媒18℃、試料500℃
9)測温位置:上面から35mm、中心から10、20、30mm
10)冷却時間:10mm地点が450℃に到達してから300℃に到達するまでの時間。
4) Method for calculating physical properties of a mixture (Tc: thermal conductivity of a mixture, _c: mixture, _s: solute, _l: solvent, a: volume fraction, k: thermal conductivity, ρ: density)
Ρ_c = ρ_s × a + ρ_l (1-a)
Cp_c = (ρ_s × a × Cp_s + ρ_l (1-a) Cp_l) / ρ_c
· Tc_c = k_l {k_l (1 -a (2/3)) + k_s × a (2/3)} / {k_l (1-a (2/3) + a) + k_s (a (2/3) -a) }
・ Calculate with one-dimensional heat conduction by substituting the volume fraction with a cube. ・ Μ_c: For slurry, it is unknown, so calculate with water. 5) Sample size: upper surface φ105 mm × lower surface φ62 × height 125 mm
6) the coolant volume: top Fai269.66Mm × lower surface Fai245mm × height 205.5mm- sample volume mm 3
7) Sample position: refrigerant center 8) Initial temperature: refrigerant 18 ° C, sample 500 ° C
9) Temperature measurement position: 35 mm from top surface, 10, 20, 30 mm from center
10) Cooling time: Time from when the 10 mm point reaches 450 ° C. to when it reaches 300 ° C.

以上の結果を表2に示す。   Table 2 shows the above results.

Figure 2020022984
Figure 2020022984

表2から明らかなように、実験例2では、実験例1よりも冷却速度が7%、2.3℃/s向上していた。また、実験例2とシミュレーション例2を比較すると、両者は冷却速度が異なるが、相対冷却速度が一致していた。このため、水よりも高い熱伝導率を有する粒子を冷却水に添加することで、冷却速度が向上することが裏付けられた。   As is clear from Table 2, in Experimental Example 2, the cooling rate was improved by 7% and 2.3 ° C./s as compared with Experimental Example 1. In addition, when the experimental example 2 and the simulation example 2 are compared, both have different cooling rates, but have the same relative cooling rate. For this reason, it was confirmed that the addition of particles having a higher thermal conductivity than water to the cooling water improves the cooling rate.

さらに、シミュレーション例2と3から、SiC粒子の添加量を増加させることで、さらに冷却速度が向上することがわかった。また、シミュレーション例4と5から、SiC粒子だけでなくアルミナ粒子を添加することで、冷却能力が向上している。したがって、水よりも高い熱伝導率を有する粒子を冷却水に添加することで、冷却水の冷却能力が向上することが分かった。   Further, from simulation examples 2 and 3, it was found that the cooling rate was further improved by increasing the amount of SiC particles added. Also, from the simulation examples 4 and 5, the cooling capacity is improved by adding not only the SiC particles but also the alumina particles. Therefore, it was found that the cooling ability of the cooling water was improved by adding particles having a higher thermal conductivity than the water to the cooling water.

先行特許(特表2014−534273号公報)の結果から、SiC粒子、アルミナ粒子に限らず、水よりも熱伝導率が高く、水と反応せず、同程度の粒径を持つ金属酸化物粒子、金属窒化物粒子、セラミック粒子を水に添加することでも、冷却能力を向上させた冷却水が得られると考えられる。   From the results of the prior patent (Japanese Patent Application Publication No. 2014-534273), not only SiC particles and alumina particles, but also metal oxide particles having higher thermal conductivity than water, not reacting with water, and having the same particle size It is considered that cooling water with improved cooling capacity can be obtained by adding metal nitride particles and ceramic particles to water.

したがって、金属の連続鋳造法において、冷却水(例:一次冷却水及び二次冷却水のうち少なくとも二次冷却水)として、水よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導粒子が添加された冷却水を用いることにより、金属の晶出温度及び凝固温度近傍における被冷却物の冷却速度を向上させることができる。   Therefore, in the continuous casting method of metal, as cooling water (eg, at least secondary cooling water of primary cooling water and secondary cooling water), cooling water to which high heat conductive particles having higher thermal conductivity than water is added. By using, the cooling rate of the object to be cooled in the vicinity of the crystallization temperature and the solidification temperature of the metal can be improved.

本発明はアルミニウム等の金属の連続鋳造法に利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICATION This invention can be utilized for the continuous casting method of metals, such as aluminum.

1:ホットトップ鋳造装置
2:鋳型
5:冷却水
6:被冷却物
7:金属の溶湯
8:鋳塊
1: Hot-top casting apparatus 2: Mold 5: Cooling water 6: Object to be cooled 7: Molten metal 8: Ingot

Claims (9)

金属の溶湯ないし半凝固状態の鋳塊からなる被冷却物を鋳型の内側から引き抜きながら、冷却水を前記被冷却物に直接接触させて前記被冷却物を冷却する金属の連続鋳造法であって、
冷却水として、水よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導粒子が添加された冷却水を用いる金属の連続鋳造法。
A metal continuous casting method for cooling a cooled object by directly contacting cooling water with the cooled object while pulling the cooled object formed of a molten metal or a semi-solid ingot from the inside of a mold, ,
A continuous casting method for metal using cooling water to which high thermal conductive particles having higher thermal conductivity than water are added as the cooling water.
前記高熱伝導粒子として、金属酸化物粒子、金属炭化物粒子、金属窒化物粒子、金属複合酸化物粒子、金属複合炭化物粒子、金属複合窒化物粒子及びセラミック粒子からなる群より選択される少なくとも一種が用いられる請求項1記載の金属の連続鋳造法。   As the high thermal conductive particles, at least one selected from the group consisting of metal oxide particles, metal carbide particles, metal nitride particles, metal composite oxide particles, metal composite carbide particles, metal composite nitride particles and ceramic particles is used. The method for continuous casting of a metal according to claim 1, which is performed. 前記高熱伝導粒子の平均粒径が10nm〜100μmの範囲である請求項1又は2記載の金属の連続鋳造法。   The method for continuously casting metal according to claim 1, wherein the average particle diameter of the high thermal conductive particles is in a range of 10 nm to 100 μm. 前記冷却水に対する前記高熱伝導粒子の濃度が0.001〜50質量%の範囲である請求項1〜3のいずれかに記載の金属の連続鋳造法。   The continuous casting method for a metal according to any one of claims 1 to 3, wherein a concentration of the high thermal conductive particles with respect to the cooling water is in a range of 0.001 to 50% by mass. 前記冷却水の粘度が前記冷却水の使用時の温度において1Pa・s以下である請求項1〜4のいずれに記載の金属の連続鋳造法。   5. The continuous casting method for a metal according to claim 1, wherein the viscosity of the cooling water is 1 Pa · s or less at a temperature when the cooling water is used. 前記冷却水は界面活性剤を含む請求項1〜5のいずれかに記載の金属の連続鋳造法。   The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the cooling water contains a surfactant. 金属がアルミニウム又はアルミニウム合金である請求項1〜6のいずれかに記載の金属の連続鋳造法。   The continuous casting method for a metal according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal is aluminum or an aluminum alloy. 前記冷却水のpHが4〜9の範囲である請求項7記載の金属の連続鋳造法。   The method for continuously casting metal according to claim 7, wherein the pH of the cooling water is in the range of 4 to 9. 前記冷却水のpHが6〜8の範囲である請求項7記載の金属の連続鋳造法。   The continuous casting method for a metal according to claim 7, wherein the pH of the cooling water is in a range of 6 to 8.
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