JP3557430B2 - 金属鋳造用鋳型、金属鋳造方法及びそれに使用される耐火材組成物の成形体 - Google Patents

Description

この発明は、金属鋳造用鋳型と金属鋳造方法とに関するものであり、とくに鋼の鋳造及びその鋳造に使用される耐火材組成物に関するものである。
溶融金属を鋳型に注入し凝固させると、金属は凝固の際に収縮する。この収縮を補い、健全な鋳物が得られることを確保するためには、鋳物の上方又は側方に設置される所謂押湯を用いることが普通必要だとされている。鋳物が凝固して収縮するときには、溶融金属が押湯から鋳物へ供給され、収縮による空洞の発生を防ぐことになる。押湯保温効果を改善し、押湯の体積を最小限に減らすために、押湯金属をできるだけ長い時間溶融状態に保持するような、発熱性又は断熱性の耐火材で押湯キャビティ従って押湯それ自体を包囲することが一般に行われている。
また同じ理由により、インゴット例えば鋼インゴットの鋳造においては、インゴット鋳型の頭部又はインゴット鋳型に設置された押枠を発熱性及び／又は断熱性耐火材組成物で内張りすることが一般に行われている。
この２つの用途では、発熱性及び／又は断熱性耐火材組成物は、鋳造用鋳型の押湯を内張りするために円筒状スリーブのような形に、またインゴット鋳型の頭部又は押枠を内張りするためにボードのような形に予め成形されて使用される。
上述の用途に用いられる発熱性組成物は実質的に、容易に酸化することのできる金属、普通はアルミニウムと、その酸化剤例えば酸化鉄、硫酸ナトリウム又は二酸化マンガンとから構成されるのが普通である。その組成物は粒子状の耐火性充填材と、その組成物を成形体に予め成形しておくための粘結剤とを含むのが普通である。断熱性であると同時に発熱性であるように予め成形された成形体は、繊維性材料及び／又は軽量の粒子状耐火材を含むのが普通である。
発熱性組成物の感度を向上させるために、すなわち組成物が着火する温度に達するまでの時間と、組成物が実際に着火する時間とのずれを少なくするために、組成物に或る割合の無機の弗化物を含ませることが数年前に提案された。この目的に使用される無機の弗化物の例は、弗化ナトリウム又は弗化マグネシウムのような簡単な弗化物を含み、また珪弗化ソーダ、珪弗化カリウム、弗化アルミニウムナトリウム、弗化アルミニウムカリウムのような複雑な弗化物を含んでいる。無機の弗化物を含んだ発熱性組成物は、英国特許第627678、774491、889484及び939541号に記載されている。
非発熱性の耐火材組成物は、通常、粒子状耐火物と、無機及び／又は有機繊維と、粘結剤とから成るものである。
この両タイプの組成物では、粒子状耐火物としてアルミナ、シリカ又はアルミノ珪酸塩が一般に使用されており、アルミノ珪酸塩繊維は鋼の鋳造に用いられるべき組成物の繊維状成分として一般に用いられている。
鋼鋳物の押湯保温のためにスリーブの形で使用すべき耐火材組成物が、アルミナとシリカとを含む場合には、組成物中に存在するアルミナの量は、これをアルミナとシリカとの合計量の百分率として表すと、断熱性組成物の場合には少なくとも約55重量％であり、組成物が弗化物を含んだ発熱性組成物である場合には少なくとも約70量％であることが見出されている。
組成物の密度を小さくし、且つ組成物の断熱性を改良するために、従って金属鋳物又はインゴットの押湯保温性能を改良するために、発熱性且つ断熱性の組成物においてもまた断熱性の組成物においても、繊維が加えられる。そのような組成物は、或る方法によって例えばスリーブ又はボードのような形に一般に成形されるが、その方法は、組成物の成分を水中に分散させてスラリを作り、適当な形をした透過性の成形器にそのスラリを吸着させ又は押しつけ、その際に水が成形器を通過しスラリ中の固形分が成形器上に堆積して、希望する形の一体物が作られる、ということから成るものである。その後、こうして成形された成形体は成形器から取り出され、乾燥されて使用可能な成形体となる。この製造方法は、英国特許第1204472号に詳しく記載されている。
そのような方法は、化学品及びその他の物質で汚染された廃水を生じるので、また金属鋳物の押湯保温に用いられる組成物中の繊維の使用が、ことによると健康に危険を与えるかも知れないので、繊維を使わないこととし、また廃液を生じない別の方法によってスリーブ、ボード等を製造するのが、環境上の理由により望ましいことである。
押湯保温組成物としてまずまずの断熱性と満足な性能とを達成するためには、繊維を適当な耐火性を持ったそれに代わる低密度の材料で置き換えることが必要であり、とくにこの組成物を鋼の鋳造に使用しようとするときに必要とされる。
鋳物又はインゴットの押湯保温とくに鋼鋳物又はインゴットの押湯保温に使用される、例えばスリーブ又はボードの形をした成形体は、アルミナ含有量が少なくとも約40重量％のアルミナとシリカ含有の中空微小球を使用すると、これを作り得ることがここに見出された。
この発明によると、少なくとも40重量％のアルミナが含まれているアルミナとシリカ含有の中空微小球と粘結剤とから成る耐火材組成物の成形体が提供される。
この発明の別の特徴によると、アルミナ含有量が少なくとも40重量％のアルミナとシリカ含有の中空微小球と粘結剤とから成る耐火材組成物の成形体を内部に含んでいる金属鋳造用鋳型が提供される。
この発明の別の特徴によると、鋳型内で鋳物を製造する方法が提供されるが、その方法は、アルミナ含有量が少なくとも40重量％のアルミナとシリカ含有の中空微小球と粘結剤とから成る耐火材組成物の成形体を、鋳型キャビティ又は押枠又は押湯キャビティ内に付設し、鋳型内に溶融金属を注入して溶融金属で鋳型を充たし、また押枠又は押湯キャビティが存在する場合にはこれを溶融金属で充たし、次いで溶融金属を凝固させることを特徴とするものである。
耐火材組成物の成形体は、例えばスリーブ又はボードの形をしたものであってもよく、またこれはインゴット鋳型の頂部又は金属鋳造用砂型の押湯キャビティ内に付設することができる。その代わりに、この押湯保温材料は砂鋳型においていわゆるパッディング材料として用いることもできる。上記の用途では、その材料はボード又はパッドの形として、鋳型内へ鋳込まれた金属の指向性凝固を促進させるのが好ましい場所で鋳型の金属接触面を構成するのに用いられる。
この発明に係る耐火材組成物の成形体は、金属鋳造用鋳型における押湯キャビティを内張りするためのスリーブを形成するのに用いられる以外に、またブレーカーコアを作るのに用いられる。ブレーカーコアは、通常中心孔を持った円板状成形体の形をしたものであって、押湯スリーブの底に付設されるものであるが、押湯スリーブと一体に成形されていてもよく、または押湯スリーブの底に固定されてもよい。ブレーカーコアは押湯と鋳物との間の接触面積を減らし、凝固後に鋳物からの押湯を取り除くのを容易にするくびれ部を与えるものである。
アルミナ含有量が少なくとも約40重量％であるアルミナとシリカ含有の中空微小球は、広い範囲の鋳造温度にわたって使用するのに適した押湯保温組成物を作るのに使用することができ、従って非鉄金属例えばアルミニウム、及び鉄又は鋼のような鉄系金属に使用するに適している。
押湯保温用に使用する組成物にフライアッシュ浮遊物又はセノスフィア（cenosphere）を使用することは知られているが、これらの組成物には温度限界があり、鋼の鋳造に使用するには不適当である。フライアッシュ浮遊物又はセノスフィアは約20から200ミクロンの直径を持った中空の微小球であって、55−61重量％のシリカと、26−30重量％のアルミナと、４−10重量％の酸化カルシウムと、１−２重量％の酸化マグネシウムと、0.5−４重量％の酸化ナトリウム／酸化カリウムとを含んでいる。
この発明に係る組成物に使用するに適したアルミナとシリカ含有の中空微小球は、ザ、ピーキュー、コーポレイションから、エクステンドスフィアズの商品名で市販されており、例えばエクステンドスフィアズSLGであって、それは10−300ミクロンの粒子直径を持ち、55重量％のシリカと、43.3重量％のアルミナと、0.5重量％の酸化鉄（F₂O₃として）と、1.7重量％の二酸化チタンとを含んでいる。
アルミナ含有の中空微小球のほかに、この発明に係る組成物は、またその他の粒子状耐火材、例えばアルミナ、シリカ、アルミナシリケート、例えばグログ又はシャモット、又はコークスを含んでいてもよい。
また、この組成物は、容易に酸化される金属と、その金属用の酸化剤と、弗化物とを含んで、組成物が使用時に発熱性であるとともに断熱性をもったものであってもよい。
容易に酸化される金属は、例えばアルミニウム、マグネシウム、又はシリコン、又はこれらの金属の１又は２以上を主成分として含む合金であってもよい。アルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。酸化剤は、例えば酸化鉄、二酸化マンガン、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、塩素酸ナトリウム又は塩素酸カリウムである。必要ならば、２又は３以上の酸化剤を組み合わせて使用することができる。適当な弗化物の塩の例は、弗化ナトリウム又は弗化マグネシウムのような単純な弗化物、及び珪弗化ソーダ、珪弗化カリウム、弗化アルミニウムナトリウム、又は弗化アルミニウムカリウムのような複雑な弗化物を含んでいる。
この発明に係る組成物は、アルミナ珪酸塩繊維又は珪酸カルシウム繊維のような繊維を或る割合で含むことができるが、そのような組成物は余り好ましくない。
適当な粘結剤の例は、フェノールホルムアルデヒド樹脂、尿素ホルムアルデヒド樹脂又はアクリル樹脂のような樹脂、アラビアゴムのようなゴム類、亜硫酸濾液、砂糖又は澱粉のような炭水化物、又はコロイド状シリカゾルから誘導されたシリカのようなコロイド状酸化物を含んでいる。必要ならば、２種又は３種以上の粘結剤を組み合わせて使用することができる。
この発明に係る組成物は、混合した成分を適当な成形型に入れて手又は機械により搗き固めたり、又は混合した成分を成形型内にブローイング又はシューティングという方法によって、成形体例えばスリーブ又はボードの形に成形することができる。
次の実施例は、この発明を具体的に説明するのに役立つものである。
実施例 １
重量を基準とした下記の組成物から３種の発熱性スリーブを作った。

スリーブは、盲の円筒状スリーブ（即ち、そのスリーブは大気に通じる通気孔を除いて上端が閉じられている）で、楔形のウイリアムズコアを持っていて、そのウイリアムズコアは上端カバーと一体に成形されてスリーブの内部を横切って延びていた。スリーブは内径が100mmで外面の高さが130mmであった。スリーブは混合した成分を成形型内に手で搗き固めて作った。
その後、各スリーブを150mm×150mm×150mmの立方体の鋼鋳物を作るための上注ぎ底湯道鋳型で、珪酸ナトリウムを二酸化炭素の通気により固化して成形体としたシリカサンド製の鋳型の押湯キャビティを包囲するのに使用した。アルミニウムを使用して脱酸した公称炭素含有量0.25％の普通の炭素鋼を、1600℃±10℃の温度て鋳型内に鋳込み、溶融鋼の高さをスリーブにおける通気孔の上端にまで到達させた。鋳造後に鋳物を鋳型から取り出し、押湯を持った鋳物を切断した。
各テストで下記のデータを記録した。
組成物１ 組成物２ 組成物３
スリーブ重量 488.3g 502.2g 530.0g
マクロ押湯保温％ ＋20mm ＋15mm ＋23mm
押湯表皮高 114mm 115mm 114mm
スリーブ内径の広がり 1mm ０ ０
スリーブ内径の広がりは、押湯下端における押湯の内径から鋳造前のスリーブの内径を差し引くことによって定められ、スリーブ組成物の耐火度の尺度である。その結果は、鉄の静圧が比較的低い試験に用いられる小さな鋳物及び押湯を用いる場合でも、フライアッシュ浮遊物を含んだ組成物は不満足であったが、アルミナの中空微小球及びエクステンドスフィアズ SLGという商品名のアルミナ／シリカ中空微小球では広がりゼロであった。
前に述べたように、鋼鋳物の押湯保温に用いるには、アルミナとシリカの合計量の百分率として表される弗化物含有の発熱性押湯保温組成物におけるアルミナ含有量は、少なくとも約70重量％でなければならないと一般に考えられている。
組成物１に用いられているフライアッシュ浮遊物の場合に、その方法で表されるアルミナ含有量は、供給者から与えられている組成情報によって決定すると、約32から33％であり、従って不満足な結果は予測されたことであった。しかし、驚いたことには、エクステンドスフィアズ SLGという微小球のアルミナ含有量は、組成物中のアルミナとシリカとの合計量として表されるとき約44％に過ぎないけれども、組成物３は純粋のアルミナ微小球を含んだ組成物２と同じように働いた。
３種の鋳物の何れについても、押湯に近接して鋳物の上端に存在し、且つスリーブ下端に接触しているリング状部分を調べた。組成物１を用いて作った鋳物上のリング表面は、組成物の耐火性が不充分なために不健全なものであったが、他の２種の鋳物上のリング表面は平滑であった。
実施例 ２
実施例１の組成物１と組成物３とを用いて、公称内径が150mm、公称高さが150mm、公称壁厚が20mmの開放円筒状スリーブ６箇を作った。
その６箇のスリーブは、珪酸ナトリウムを二酸化炭素の通気により固めたシリカサンド製で、260mm×240mm×75mmの大きさのブロック鋳造鋳型上に、１つのスリーブの上端上に他のスリーブを乗せて型込めされた。ブロック鋳造鋳型と６箇のスリーブすべてを満たすように、実施例１で用いられたタイプの普通の炭素鋼を何れの場合も1600℃±10℃で上端のスリーブ中に注ぎ込んだ。150gの振掛け保温剤（フォセコの商品名 フェラックス707）を使用して、炭素鋼の表面を覆った。鋳造物を凝固させ、鋳型から取り出し、シヨットブラストした。
その後鋳物を測定し、検査し、次のデータを記録した。
組成物１ 組成物３
全スリーブの高さ 900mm 900mm
鋳物高さ 867mm 895mm
広がりによる高さの減少 35mm 5mm
スリーブの内径 148mm 148mm
下端における鋳物直径 157mm 148mm
広がり 9mm なし
表面仕上がり 凹凸 平滑
下端スリーブの下端に接触していたブロック鋳物上のリング状部分も検査した。組成物１を使用して作った鋳物の表面には凹凸があったが、組成物３を使用した鋳物の表面は平滑であった。
実施例 ３
実施例１に記載したタイプの断熱スリーブを下記の組成物４を用いて手で搗き固めて作った。
組成物４
コロイド状シリカゾル（30％重量％固形分） 19.0
澱 粉 0.7
アクリル系樹脂（Dussek 7.3
Campbell E1861）
アルミナ・シリカ中空微小球 73.0
（Extendospheres SLG）
実施例１に記載した方法で、英国特許第1283692号に記載されたタイプのアルミナ／アルミノ珪酸塩繊維をベースとする組成物製の同じ大きさのスリーブと比較して、上で得たスリーブをテストしたが、そのアルミナ／アルミノ珪酸塩繊維をベースとするスリーブは鋼鋳物の押湯保温に工業上広く用いられているものである。
組成物４から作ったスリーブのアルミナ含有量は、アルミナとシリカとの合計量の百分率として表すと、40.8％に過ぎず、比較用スリーブの57.5％に比べると少ないが、上記２つのスリーブは押湯特性と広がりの点では実際に同じ結果を与えた。

Claims (11)

1. アルミナとシリカとを含んだ中空微小球と、アルミニウム、マグネシウム、シリコン及びこれらの金属の１又は２以上を含む合金からなる群から選ばれた金属と、その金属に対する酸化剤と、弗化物の塩と、粘結剤とを含む組成物からなり、上記中空微小球は少なくとも40重量％のアルミナを含んでいて、組成物中に存在するアルミナの量は、アルミナとシリカとの合計量の百分率として表わすと、70重量％以下となっていることを特徴とする、発熱性耐火材組成物の成形体。
2. 組成物が中空微小球以外に１種又は２種以上の粒子状耐火材を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の耐火材組成物の成形体。
3. 粘結剤がフェノールホルムアルデヒド樹脂、尿素ホルムアルデヒド樹脂、アクリル系樹脂、ゴム、亜硫酸濾液、炭水化物又はコロイド状酸化物であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の耐火材組成物の成形体。
4. 請求項１−３の何れか１つの項に記載の発熱性耐火材組成物の成形体を内部に含んでいることを特徴とする、金属鋳造用鋳型。
5. 鋳型がインゴット鋳型であって、耐火材組成物の成形体がスリーブ又はボードの形をしていて、インゴット鋳型の頂部又はインゴット鋳型に設置される押枠内に付設されていることを特徴とする、請求項４に記載の鋳型。
6. 鋳型が砂型であって、耐火材組成物の成形体がスリーブ又はボードの形をしていて、砂型の押湯キャビティ内に付設されていることを特徴とする、請求項４に記載の鋳型。
7. 鋳型が砂型であって、耐火材組成物の成形体がボード又はパッドの形をしていて、鋳型内に鋳込まれた金属の指向性凝固を促進させることが望ましい場所で、金属との接触面を構成するように付設されていることを特徴とする、請求項４に記載の鋳型。
8. 耐火材組成物の成形体が押湯スリーブの下端に付設されるブレーカーコアの形とされていることを特徴とする、請求項４に記載の鋳型。
9. 発熱性の耐火材組成物の成形体が、中空微小球のほかに、１種又は２種以上の他の粒子状耐火材を含んでいることを特徴とする、請求項４−８の何れか１つの項に記載の鋳型。
10. 粘結剤がフェノールホルムアルデヒド樹脂、尿素ホルムアルデヒド樹脂、アクリル系樹脂、ゴム、亜硫酸濾液、炭水化物又はコロイド状酸化物であることを特徴とする、請求項４−９の何れか１つの項に記載の鋳型。
11. 請求項１に記載の耐火材組成物の成形体を鋳型キャビティ内又は鋳型に設置された押枠若しくは押湯キャビティ内に付設し、鋳型内に溶融金属を注入して鋳型を溶融金属で満たし、また押枠若しくは押湯キャビティが存在する場合にはそれを溶融金属で満たして、溶融金属を凝固させることを特徴とする、鋳型内で鋳物を製造する方法。