JP2021171772A

JP2021171772A - 銅線製造装置

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Publication number: JP2021171772A
Application number: JP2020075227A
Authority: JP
Inventors: 仁志木村; Hitoshi Kimura; 裕宣前川; Hironobu Maekawa
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-11-01
Anticipated expiration: 2040-04-21
Also published as: JP7404991B2

Abstract

【課題】鋳造バーの割れを発生しにくくすることが可能な銅線製造装置を提供する。【解決手段】回転軸６を中心に回転する鋳造リング１を用いて鋳造バー１２０を鋳造する鋳造部を備えた銅線製造装置であって、鋳造リング１は、その外周に沿って環状に形成された、鋳造バー１２０を鋳造するための溝を有し、鋳造リング１の直径ａは、２９００ｍｍ以上で、かつ鋳造リング１で鋳造する鋳造バー１２０の断面積と同じ面積を有する円の直径ｂに対して３３倍以上、５６倍以下の大きさを有する銅線製造装置を提供する。【選択図】図４

Description

本発明は、鋳造リングを備えた銅線製造装置に関するものである。

銅線の製造方法の１つとして、溶融した銅材（溶銅）を、水平方向を回転軸とする鋳造リングの外周面に設けられた溝とベルトとの間に設けられた空間内に流したあと、溶銅を冷却することによって銅材から成る鋳造バーを鋳造する方法が知られている。その後の工程で鋳造バーを圧延することで、銅線（銅荒引線）を製造することができる。

特許文献１（国際公開第２０１２／０９６２３８号）には、銅合金線材の製造方法として、銅または銅合金をベルト＆ホイール法で連続鋳造する方法が記載されている。

国際公開第２０１２／０９６２３８号

鋳造リングの溝内に注がれた溶銅は、当該鋳造リングの外周面の曲面に沿って曲線状に凝固して鋳造バーになり、その後、鋳造リングから離脱した鋳造バーは直線状にされる。このため、鋳造バーが曲線状から直線状にされた際に、鋳造バー内において、鋳造リングの底面側に配置されていた部分（下面部分）には引張応力が生じ、鋳造リングの底面側と対向するベルト側に配置されていた部分（上面部分）には圧縮応力が生じる。例えば、鋳造リングの直径が２５００ｍｍ程度である場合、曲線状に鋳造される鋳造バーの曲率が小さくなるため、直線状にされた鋳造バー内の上面部分と下面部分とのそれぞれに生じる上記応力が大きくなる。このため、上記のような直径を有する鋳造リングを用いて鋳造バーを鋳造しようとすると、当該応力によって鋳造バーに割れが生じる虞がある。

本発明の目的は、鋳造バーの割れを生じにくくすることが可能な銅線製造装置を提供することにある。

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態である銅線製造装置は、回転軸を中心に回転する鋳造リングを用いて鋳造バーを鋳造する鋳造部を備えた銅線製造装置であって、前記鋳造リングは、その外周に沿って環状に形成された、前記鋳造バーを鋳造するための溝を有し、前記鋳造リングの直径ａは、２９００ｍｍ以上で、かつ前記鋳造リングで鋳造する前記鋳造バーの断面積と同じ面積を有する円の直径ｂに対して３３倍以上、５６倍以下の大きさを有するものである。

本願において開示される一実施の形態によれば、鋳造バーの割れを発生しにくくすることが可能な銅線製造装置を提供することができる。

本発明の実施の形態である銅線製造装置の概略図である。図１のＡ−Ａ線における断面図である。図１に示す鋳造リング近傍を拡大して示す概略図である。図１に示す鋳造リング近傍を拡大して示す概略図である。比較例の鋳造リングの近傍を拡大して示す概略図である。

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

本実施の形態の銅線製造装置は、外周面に沿う溝を有する鋳造リングを、比較的大きい直径で形成するものである。以下では、直径の大きい鋳造リングを用いることで、酸素濃度が低い鋳造バーを、割れの発生を防ぎつつ鋳造する銅線製造装置について説明する。

＜銅線製造装置の構造および銅線の製造方法＞
以下に、図１〜図３を用いて、本実施の形態の銅線製造装置の構造および銅線の製造方法について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る銅線製造装置１０は、銅線（銅荒引線）を連続鋳造圧延するための、所謂連続鋳造圧延装置であり、例えば、溶解炉２１０と、上樋２２０と、保持炉２３０と、添加部２４０と、下樋２６０と、タンディッシュ３００と、注湯ノズル３２０と、連続鋳造機５００と、熱間圧延装置６２０と、巻取機（コイラー）６４０とを有している。

溶解炉２１０は、銅原料を加熱して溶融し、溶銅１１０を生成するものであり、例えば、炉本体と、炉本体の下部に設けられるバーナーとを有している。銅原料が炉本体に投入され、バーナーで加熱されることで、溶銅１１０が連続的に生成される。銅材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）等を用いることができる。溶銅は酸素（Ｏ）を含有している。

上樋２２０は、溶解炉２１０の下流側に設けられ、溶解炉２１０と保持炉２３０との間を連結し、溶解炉２１０で生成された溶銅１１０を下流側の保持炉２３０に移送するものである。

保持炉２３０は、上樋２２０の下流側に設けられ、上樋２２０から移送される溶銅１１０を所定の温度で加熱して一時的に貯留するものである。また、保持炉２３０は、溶銅１１０を所定の温度に保持したまま、所定量の溶銅１１０を下樋２６０に移送するものである。添加部２４０は、下樋２６０内の溶銅１１０に、所定の金属元素を連続的に添加するものである。溶銅１１０に添加される金属元素としては、例えば、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）またはマンガン（Ｍｎ）などが挙げられる。つまり、好ましくは、これらの金属元素のうち少なくとも１つが、溶銅１１０に添加される。

下樋２６０は、保持炉２３０の下流側に設けられ、保持炉２３０から移送される溶銅１１０を下流側のタンディッシュ３００に移送するものである。下樋２６０には、添加部２４０が接続されている。なお、添加部２４０は、下樋２６０に接続される態様に限定されず、例えば保持炉２３０またはタンディッシュ３００に接続される態様であってもよい。

タンディッシュ３００は、下樋２６０の下流側に設けられ、下樋２６０から移送される溶銅１１０を一時的に貯留し、連続鋳造機５００に対して所定量の溶銅１１０を連続的に供給するものである。このようにして、連続鋳造機５００に対して供給するための溶銅１１０を用意する。

タンディッシュ３００の下流側には、貯留する溶銅１１０を流出させるための注湯ノズル３２０が接続されている。タンディッシュ３００に溜まった溶銅１１０は、注湯ノズル３２０を介して、連続鋳造機５００へと供給される。

連続鋳造機５００は、所謂ベルトホイール式の連続鋳造を行う装置であり、例えば、鋳造リング（鋳造ホイール）１と、ベルト３とを有している。円筒状の鋳造リング１は、外周に溝２（図２参照）を有している。鋳造リング１は銅線の製造工程において回転し、その回転軸６は水平面に沿っている。円筒状の鋳造リング１の内側には、鋳造リング１を保持する円柱状の保持部５が配置されている。鋳造リング１は保持部５に固定されており、保持部５と共に回転する。なお、鋳造リング１は円柱状または円盤状であってもよい。

また、ベルト３は、鋳造リング１の外周面の一部に接触しながら周回移動するよう構成されている。鋳造リング１の溝２とベルト３との間の空間に、タンディッシュ３００から流出される溶銅１１０が注入される。つまり、タンディッシュ３００および注湯ノズル３２０は、鋳造リング１の溝２内に溶銅１１０を供給する供給部３３０である。また、鋳造リング１およびベルト３は、例えば冷却水により冷却されている。これにより、溶銅１１０が冷却・固化（凝固）されて、棒状の鋳造バー（鋳造材）１２０が連続的に鋳造される。すなわち、鋳造リング１を備えた連続鋳造機５００は、溶銅１１０を凝固させて鋳造バー１２０を鋳造する鋳造部である。

熱間圧延装置６２０は、連続鋳造機５００の下流側（鋳造バー排出側）に設けられ、連続鋳造機５００から移送される鋳造バー１２０を連続的に圧延して圧延材を形成する圧延部である。すなわち、熱間圧延装置６２０を用いて鋳造バー１２０を鋳造リング１の溝２内から引き出し、連続鋳造機５００外へ移送する。鋳造バー１２０が熱間圧延装置６２０によって圧延されて形成された圧延材を、熱間圧延装置６２０と巻取機６４０との間において表面清浄化処理することで、銅線（銅荒引線）１３０が鋳造加工される。

巻取機（コイラー）６４０は、熱間圧延装置６２０の下流側（銅合金材排出側）に設けられ、熱間圧延装置６２０から表面清浄化処理装置を経て移送される銅線１３０を巻き取るものである。以上の工程により、銅線（銅荒引線）１３０を形成することができる。

ここで、図１に示す鋳造リング１から取り出され、熱間圧延装置６２０で圧延される前の鋳造バー１２０は、酸素を含有している。また、同様に銅線１３０も酸素を含有している。鋳造バー１２０および銅線１３０のそれぞれの銅中の酸素含有量（酸素含有濃度）は、４５０ｍａｓｓｐｐｍ以下である。製造する銅線の硬さを高める観点において、酸素含有量のより好ましい値は１２０ｍａｓｓｐｐｍ以下である。

続いて、図２を用いて、鋳造リングの外周部の具体的な構造について説明する。図２は、鋳造リング１の回転軸（以下、単に回転軸と呼ぶ）６に沿う断面図であり、図２には鋳造リング１と、鋳造リング１の外周を覆うベルト３と、保持部５とを示している。図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。図２では、溶銅および鋳造バーはいずれも図示していない。

鋳造リング１の径方向（以下、単に径方向と呼ぶ）における外側の側面、つまり外周面には、回転軸６側に向かって凹んだ溝（凹部）２が鋳造バーの外周に沿って環状に形成されている。溝２は、鋳造リング１の外周（周方向）に沿って延在し、回転軸６の周囲を囲むように環状に形成されている。回転軸６に沿う方向（回転軸方向ともいう）における溝２の幅は、鋳造リング１の外周側から回転軸側６に向かって徐々に小さくなっている。つまり、溝２の断面形状は逆向きの台形である。溝２の断面形状が逆向きの台形であることで、溝２内で凝固した鋳造バー１２０（図１参照）を溝２内から取り出し易くすることができる。

ここでは図示していないが、溝２の表面は、スートと呼ばれる煤から成る耐火物膜により連続的に覆われている。また、ベルト３の表面のうち、鋳造リング１の底面と対向する面は、スートと呼ばれる煤から成る耐火物膜により覆われている。

鋳造リング１は、例えば主に銅（Ｃｕ）から成る。鋳造リング１は、銅にクロム（Ｃｒ）またはジルコニウム（Ｚｒ）などを混ぜたものにより構成されていてもよい。ベルト３と鋳造リング１の外周面との間の空間内（溝２内）に注入された溶銅１１０は、熱伝導率が比較的高い銅を主に含む鋳造リング１に熱を奪われ、これにより冷却されることで、鋳造リング１の周囲を１周する前に凝固する。

図１および図２に示すように、鋳造リング１の直径ａは、鋳造リング１の径方向の最大幅である。つまり、鋳造リング１の直径ａは、鋳造リング１の回転軸方向に垂直な面の直径である。本実施の形態の主な特徴の１つは、鋳造リング１の直径ａが２９００ｍｍ以上、３５００ｍｍ以下であり、比較的大きい点にある。より好ましくは、鋳造リング１の直径ａは、２９００ｍｍより大きく、３２００ｍｍ以下である。

また、本実施の形態の鋳造バー１２０の断面積は、３０００ｍｍ^２以上、６０００ｍｍ^２以下である。より好ましくは、鋳造バー１２０の断面積は、３０００ｍｍ^２より大きく、４０００ｍｍ^２以下である。このとき、本実施の形態の銅線製造装置１０を用いて銅線を製造した場合、鋳造能力は、例えば、１時間当たり２０ｔ以上３０ｔ以下となる。本願でいう鋳造バーの断面積とは、鋳造バーの長手方向に垂直となる断面の面積である。

ここで、本実施の形態の鋳造バー１２０の断面積が、３０００ｍｍ^２以上、６０００ｍｍ^２以下であるとすると、当該断面積を有する円を想定した場合、その円の直径ｂは、約６２〜８７．４ｍｍである。したがって、鋳造リング１の直径ａが２９００ｍｍ以上、３５００ｍｍ以下であるとすると、直径ｂに対する直径ａの比の範囲は、３３〜５６で表される。

つまり、本実施の形態の銅線製造装置において、鋳造バー１２０の断面積と同じ面積を有する円の直径ｂに対する、鋳造リング１の直径ａの比の範囲は、３３〜５６である。言い換えれば、直径ａは、直径ｂに対して３３倍以上、５６倍以下の大きさを有する。

図３に、銅線の製造工程中の銅線製造装置１０を構成する鋳造リング１およびその近傍を示す。図３に示すように、溶銅１１０は鋳造リング１の外周の溝とベルト３との間の空間内に注湯ノズル３２０から注がれる。つまり、図３では、鋳造リング１の断面を示しており、鋳造リング１の面のうち、鋳造リング１と溶銅１１０とが耐火物膜（図示しない）を介して接している面は、図２に示す溝２の底面である。本願でいう鋳造リング１の底面とは、溝２の底面、つまり、溝２を構成する面のうち、回転軸６側の面を指す。

鋳造リング１は矢印の方向に溶銅１１０および鋳造バー１２０と共に回転している。また、ベルト３も鋳造リング１の外周面と同じ速度で移動している。鋳造バー１２０は鋳造リング１から曲線状の形状で取り出された後に直線状の形状にされ、続いて、図１を用いて説明したように、熱間圧延装置６２０により圧延される。

鋳造リング１に接し、鋳造リング１と共に回転している鋳造バー１２０の内部では、鋳造リング１の底面側に配置されている下面部分の近傍において圧縮応力が生じ、鋳造リング１の底面側とは反対側（ベルト３側）に配置されている上面部分の近傍において引張応力が生じているものと考えらえる。これに対し、鋳造リング１から取り出され、曲線状から直線状に変形された鋳造バー１２０は、当該変形により、内部に逆向きの応力を有している。つまり、鋳造リング１から取り出された後に直線状にされた鋳造バー１２０の内部では、鋳造リング１の底面側に配置されていた下面部分の近傍において引張応力が生じ、鋳造リング１側と反対側（ベルト３側）に配置されていた上面部分の近傍において圧縮応力が生じている。ここでは、直線状にされた鋳造バー１２０の下面部分に生じる引張応力は、上面部分に生じる圧縮応力よりも小さい。

上記のように、本実施の形態の銅線製造装置は、回転軸６を中心に回転する鋳造リング１（図４参照）を用いて鋳造バー１２０を鋳造する鋳造部を備えた銅線製造装置である。この銅線製造装置は、鋳造リング１の外周に沿って環状に形成された溝を有する。鋳造リング１の径方向の最大幅である直径（第１直径）ａは、２９００ｍｍ以上で、かつ鋳造リング１で鋳造する鋳造バー１２０の断面積と同じ面積を有する円の直径（第２直径）ｂに対して３３倍以上、５６倍以下の大きさを有する。

＜本実施の形態の効果＞
比較例として、図５に、比較的小さい直径を有する鋳造リングにより鋳造バーを鋳造する場合について説明する。図５は、比較例の鋳造リングの近傍を拡大して示す概略図である。比較例の銅線製造装置の構成は、鋳造リングの直径が比較的小さい点を除き、図１に示す銅線製造装置１０の構成と同様である。比較例においても、鋳造リングを用いて鋳造する鋳造バー１２０の断面積は、本実施の形態と同様に３０００ｍｍ^２以上、６０００ｍｍ^２以下であるものとする。

図５に示す比較例の鋳造リング４の直径ｃは、２９００ｍｍ未満である。直径ｃは、例えば２５００ｍｍ程度であり、比較的小さい。このような鋳造リング４で鋳造した鋳造バー１２０は直線状にされる際、図４を用いて説明したように、下面部分で引張応力が生じ、上面部分で圧縮応力が生じる。このとき、鋳造リング４の直径ｃが２５００ｍｍ程度と比較的小さいため、このような鋳造リング４を用いて鋳造バー１２０を鋳造すると、直線状にされた鋳造バー１２０内において、上面部分と下面部分とのそれぞれに生じる上記応力が大きくなる。具体的には、直線状にされた鋳造バー１２０内の下面部分に生じる引張応力が上面部分に生じる圧縮応力よりも大きくなる。そのため、直線状にされた鋳造バー１２０の下面部分に割れが生じる虞がある。

また、銅線の硬さを高めることなどを目的として、酸素含有量が低い銅から成る鋳造バーを鋳造することが考えられる。しかし、鋳造バーの酸素含有量が低くなる程、鋳造バーは固くなる反面、脆くなる性質がある。例えば、鋳造バーの酸素含有量が４５０ｍａｓｓｐｐｍ以下になると、鋳造バーは、その内部に生じる応力により割れ易くなる。特に、鋳造バーの酸素含有量が５０〜１２０ｍａｓｓｐｐｍになると、鋳造バーは非常に脆くなり、鋳造バーの内部に生じる応力により割れ易くなる。

したがって、酸素含有量が低い鋳造バーを、比較例のように直径ｃが小さい鋳造リング４で鋳造すると、鋳造バー１２０を直線状にした際に鋳造バー１２０に割れが生じる虞がある。このような割れは、鋳造バー１２０の圧延後も欠陥として線材に内在する。また、鋳造バー１２０の割れが大きい場合（特に、鋳造バー１２０を目視観察することによって検出される割れが鋳造バー１２０の表面から鋳造バー１２０の中心部分にかけて１ｃｍ以上である場合）には、圧延の際に鋳造バー１２０の破断に至ることもある。

鋳造バー１２０の表面に上述した割れを残したまま製造された銅線１３０では、その表面に傷が多く発生する。そのため、表面に傷が多い銅線（その表面を市販の渦流探傷器によって探傷したときに検出される１．５Ｖ以上の傷の個数が５０個以上の銅線）１３０を次工程で伸線しようとすると、鋳造時の割れに起因する欠陥を起点にして伸線材に割れまたは破断が生じ、歩留まりが低下する。また、鋳造バー１２０の割れに起因して鋳造バー１２０が破断する場合は、設備故障の原因となる。よって、鋳造バー１２０の割れによって破断が生じると、銅線製造装置の操業を停止し、銅線の製造作業をやり直す必要が生じる。このため、銅線製造装置を用いた銅線の製造に要する時間が増大し、製造コストが増大する。すなわち、このような鋳造バー１２０の割れおよびそれに起因する破断が起き易い銅線製造装置は、銅線の製造能力が低く、信頼性が低いという問題がある。

また、銅以外の金属を含有する鋳造バー１２０は、そのような金属を含まず銅の純度が高い鋳造バー１２０に比べ、割れ易いことが考えられる。鋳造バー１２０に添加される金属元素は、例えば、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）またはマンガン（Ｍｎ）などである。このような金属を含む鋳造バー１２０は、上記のような割れによる問題が起き易い。

これに対し、本実施の形態の銅線製造装置１０では、図４に示すように、酸素含有量が４５０ｍａｓｓｐｐｍ以下の鋳造バー１２０を鋳造するために、２９００ｍｍ以上、３５００ｍｍ以下という比較的大きい直径ａを有する鋳造リング１を用いている。このように直径ａが大きい鋳造リング１は、図５に示した比較例に比べて外周面の曲率が大きい。このため、鋳造リング１から取り出した鋳造バー１２０を曲線状から直線状にした際に、鋳造バー１２０の内部における下面部分の引張応力が、上面部分の圧縮応力より大きくなることを防ぐことができる。したがって、例えば、酸素含有量が４５０ｍａｓｓｐｐｍ以下の鋳造バー１２０であっても、曲線状から直線状にした際に、鋳造バー１２０に割れ（鋳造バー１２０を目視観察することによって検出される割れが鋳造バー１２０の表面から鋳造バー１２０の中心部分にかけて１ｃｍ以上であるもの）または破断が生じにくくなる。そして、このようにして得られた鋳造バー１２０を熱間圧延装置６２０で圧延することにより、表面に割れが少ない銅線１３０を得ることができる。なお、表面に割れが少ない銅線１３０とは、銅線１３０の表面を市販の渦流探傷器によって探傷したときに検出される１．５Ｖ以上の傷の個数が１０個以下である銅線である。また、本実施の形態の銅線製造装置１０では、酸素含有量が１２０ｍａｓｓｐｐｍ以下の鋳造バー１２０であっても、鋳造バー１２０の割れまたは破断の発生を防ぐことができる。また、本実施の形態の銅線製造装置１０では、鋳造する鋳造バー１２０が銅以外の金属元素を含有する場合であっても、割れおよび破断の発生を防ぐことができる。

比較例の銅線製造装置を用いて、断面積が３０００ｍｍ^２以上、６０００ｍｍ^２以下である鋳造バーを鋳造しようとすると鋳造バーが割れる虞があるが、本実施の形態の銅線製造装置を用いれば、同様の断面積を有する鋳造バーを鋳造しても、鋳造バーの割れを発生しにくくすることができる。

つまり、鋳造リング１の直径ａが２９００ｍｍ以上で、かつ鋳造バー１２０の断面積と同じ面積を有する円の直径ｂに対する、鋳造リング１の直径ａの比の範囲が、３３〜５６である銅線製造装置を用いれば、本実施の形態の効果を得ることができる。

すなわち、鋳造バーの割れを発生しにくくして鋳造バーの破断を防ぐことで、伸線時の割れまたは破断の発生による歩留まり悪化を防ぎ、銅線製造装置を停止させることなく操業させることができる。つまり、銅線製造装置による銅線の製造能力を向上させ、さらに、銅線製造装置の信頼性を向上させることができる。また、銅線の製造コストを低減することができる。特に、酸素含有量が低く、硬度が高い銅線を製造する際、および、銅以外の金属を含有する銅線を製造する際に、上記効果を得ることができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１、４鋳造リング
２溝
３ベルト
５保持部
６回転軸
１０銅線製造装置
１１０溶銅
１２０鋳造バー
１３０銅線
３００タンディッシュ
３３０供給部
５００連続鋳造機（鋳造部）
６２０熱間圧延装置（圧延部）
ａ直径（第１直径）

Claims

回転軸を中心に回転する鋳造リングを用いて銅材から成る鋳造バーを鋳造する鋳造部と、前記鋳造バーを圧延して圧延材を形成する圧延部と、を備えた銅線製造装置であって、
前記鋳造リングは、その外周に沿って環状に形成された、前記鋳造バーを鋳造するための溝を有し、
前記鋳造リングの直径ａは、２９００ｍｍ以上で、かつ前記鋳造リングで鋳造する前記鋳造バーの断面積と同じ面積を有する円の直径ｂに対して３３倍以上、５６倍以下の大きさを有する、銅線製造装置。
請求項１記載の銅線製造装置において、
前記鋳造リングの前記直径ａは、２９００ｍｍ以上、３５００ｍｍ以下である、銅線製造装置。
請求項１または２に記載の銅線製造装置において、
前記鋳造バーの酸素含有量は、４５０ｍａｓｓｐｐｍ以下である、銅線製造装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の銅線製造装置において、
前記鋳造バーは、錫、インジウム、チタン、マグネシウム、銀、アルミニウム、カルシウムまたはマンガンを含有している、銅線製造装置。