JP4325414B2 - 金属スラブの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、円柱状金属鋳塊から金属スラブを製造する方法に関する。

金属材料を製造するには、まず、構成各成分を所望の成分範囲内に調整した溶融金属を鋳型に流し込んで金属鋳塊とした後、多くの場合、鍛造、あるいは圧延を施して所望の寸法の直方体形状の金属片（スラブと呼ばれる）を得る。

構成各成分を所望の成分範囲内に調整することを、溶製という。溶製した溶融金属を鋳型に流し込んで金属鋳塊とすることを鋳造という。金属鋳塊を成形してスラブにすることを分塊という。

溶製から金属鋳塊を経て金属スラブを得るまでの一連の製造プロセスとしては、その金属材料の構成成分や特性に応じて適切な方法が選択される。

例えば、チタン、ジルコニウム等の金属材料は、真空溶解炉にて所望の成分範囲内に溶製し、これを円柱形状の鋳型に流し込むことによって円柱状金属鋳塊を得た後、直方体形状の金属スラブに成形するという製造プロセスを経る。円柱形状の鋳型を用いた場合、金属鋳塊の外周全周にわたって均一な冷却速度が得られるため、金属鋳塊製造時の材質の均一化、不純物の巻き込み抑制に有効だからである。

そして、このような円柱状金属鋳塊の場合、直方体形状の金属スラブに成形するには、圧延が用いられることが多い。圧延とは、上下一対のロールで金属スラブを挟圧しつつそれらロールを回転させて金属材料を薄く延ばすことをいう。

チタン、ジルコニウム等の金属材料の場合、前述の円柱状金属鋳塊を１０００℃内外に加熱し、図７に模式的に示すように、上下一対の水平圧延ロール４１で金属鋳塊１０を狭圧しつつそれら水平圧延ロール４１を回転させることで１パス圧延し、次にそれら水平圧延ロール４１を逆回転させることで２パス目を圧延し、更にそれら水平圧延ロール４１を１パス目と同じ方向に回転させることで３パス目を圧延する、という動作を何パスか繰り返し、徐々に金属鋳塊１０の厚さを減じていく製造プロセスを経ることが多い。補足的に言うと、金属鋳塊１０を幅方向に挟圧するもう一対の垂直圧延ロール４２があり、それらで挟圧しつつその垂直圧延ロール４２を回転させることで金属鋳塊１０の幅を所望の範囲内に調整する。

ちなみに、直方体でない金属鋳塊を直方体の金属スラブに圧延することを、特に分塊圧延と呼ぶこともある。

ところが、円柱状金属鋳塊を圧延して金属スラブを製造すると、図８に模式的に示すように、円柱状金属鋳塊の幅方向中央部６１の圧下量がもっとも大きく、この部分のメタルフローがもっとも大きくなる。このため、金属スラブの先尾端平面形状はタング６２状となる。

また、円柱状金属鋳塊の直径が大きいため、水平圧延（厚さを減じていく圧延のこと。幅を所望の範囲内に調整する垂直圧延と区別される）によるメタルフローが金属鋳塊の厚み方向中央部まで及ばず、表裏面近傍がメタルフローしやすくなる。このため、金属スラブの先尾端断面にはオーバーラップ６３（２枚板状になること）が生じる場合が殆どである。

このように、金属スラブの先尾端には、多くの場合、オーバーラップ６３をもつタング６２状のクロップ６５が生じるわけであるが、矩形の金属スラブ６４を得るには、このクロップ６５の部分は切除されるため、歩留り低下の原因となっている。

金属スラブの先尾端のクロップ量を低減する技術として、特許文献１には、円柱状金属鋳塊の端部に鍛造によって先細りテーパ部を形成した後、分塊圧延を施すことにより、クロップ量を低減する技術が開示されている。

特許文献２には、上記したテーパ部の形成に代えて、分塊圧延時、ロールに金属鋳塊の長手方向端部を一旦噛み込ませて戻し、押し込み部を形成する方法が開示されている。

特開昭５９−２２５８０１号公報 特開昭６２−２１４８０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法には、鍛造により端部に先細りテーパを設ける際、テーパに段差が生じて、金属スラブの表面に欠陥として残存する場合がある、という問題がある。そこで、先細りテーパを設ける際、鍛造を何回にも分けて行うことで、テーパに段差が生じにくくすることも考えられるが、この場合、生産能率が低下するのは避けられない。

一方、特許文献２に記載の方法では、金属鋳塊端部の圧延された部分の大半は、前方、つまり金属鋳塊の長手方向端部側へメタルフローするので、オーバーラップ６３の減少効果が少ないという問題がある。

また、上記のいずれの方法も、種々の直径の円柱状金属鋳塊から所望の幅の金属スラブを製造する場合、あるいは、ある一定の直径の円柱状金属鋳塊から種々の幅の金属スラブを造り分けるのには問題がある。分塊圧延時の垂直ロール（図７中の４２がこれに相当）による幅圧下により、金属スラブの幅を造り分けようとすると、クロップが大きくなる場合が生じて歩留りの低下を招くのと、これを低減するため何回にも分けて幅圧下する方法だと作業能率の低下を招くのと、両方の理由による。

本発明では、上記のような問題を解決し、チタン、ジルコニウム等の金属材料の種々の直径の円柱状金属鋳塊から所望の幅の金属スラブを製造するに際し、高能率、かつ高歩留りで金属スラブを製造する方法を提供することを課題とする。

本発明は、直径７００ｍｍ以上１３００ｍｍ以下の円柱状金属鋳塊から厚さ１００ｍｍ以上３００ｍｍ未満の金属スラブを製造するに際し、前記円柱状金属鋳塊を、下記の関係を満たす寸法の中間厚金属塊まで鍛造してタング形状にした後、前記中間厚金属塊を金属スラブまで圧延してタング形状を打ち消すようにフィッシュテールの成長を図って先尾端平面形状を可及的に矩形化することにより、前記課題を解決したものである。

３００ｍｍ ≦ ｔ ≦ ６００ｍｍ ・・・（１）
３５０ｍｍ−０．２ｔ＋Ｗ ≦ ｗ ≦ ４５０ｍｍ−０．２ｔ＋Ｗ ・・・（２）
ここで、ｔ；中間厚金属塊の厚さ（ｍｍ）、ｗ；中間厚金属塊の幅（ｍｍ）、
Ｗ；金属スラブの幅（ｍｍ）

又、前記円柱状金属鋳塊を鍛造する際に、前記円柱状金属鋳塊の長手方向と金型の長手方向を揃えて前記円柱状金属鋳塊を鍛造し、該鍛造後の鋳塊の長手方向と金型の長手方向を交差させて該鍛造後の鋳塊を更に鍛造することで前記中間厚金属塊まで鍛造した後、前記中間厚金属塊を金属スラブまで圧延するようにしたものである。

あるいは、前記円柱状金属鋳塊を鍛造する際に、前記円柱状金属鋳塊の長手方向と金型の長手方向を揃えて前記円柱状金属鋳塊を前記中間厚金属塊まで鍛造した後、前記中間厚金属塊を金属スラブまで圧延するようにしたものである。

あるいは、前記円柱状金属鋳塊を鍛造する際に、前記円柱状金属鋳塊の長手方向と金型の長手方向を交差させて前記円柱状金属鋳塊を前記中間厚金属塊まで鍛造した後、前記中間厚金属塊を金属スラブまで圧延するようにしたものである。

本発明によれば、チタン、ジルコニウム等の金属材料の種々の直径の円柱状金属鋳塊から所望の幅の金属スラブを製造するにあたって、高能率、かつ高歩留りで金属スラブを製造することができる。

本発明では、対象とする円柱状金属鋳塊の直径を、一般に製造されている円柱状金属鋳塊の直径である、７００ｍｍ以上１３００ｍｍ以下とした。また、製造する金属スラブの寸法は、一般的な金属スラブの寸法である、厚さ１００ｍｍ以上３００ｍｍ未満とした。

（第１発明の説明）
図１に、第１発明の実施の形態に関する、円柱状金属鋳塊から金属スラブを製造するプロセスについて模式的に示す。本発明では、図示しない加熱炉にて加熱された円柱状金属鋳塊１１に、鍛造機１４により鍛造を施して中間厚金属塊１２とし、次いで、図示しない加熱炉にて再加熱された中間厚金属塊１２に、圧延機１５により圧延を施して所望の寸法の金属スラブ１３を製造する。

この際、発明者らは、中間厚金属塊１２の寸法に着目し、中間厚金属塊１２の厚さｔ、幅ｗの寸法を所定の条件を満たすように調整することで、金属スラブ１３の先尾端のクロップ量を低減でき、９６％以上の高い歩留りにて金属スラブ１３を製造できることを知見し、本発明を完成させた。

以下に、詳細を述べる。

鍛造により金属鋳塊の厚さを減じていく厚み圧下は、圧延により金属鋳塊の厚さを減じていく厚み圧下に比べて生産能率が低い。鍛造されつつある金属鋳塊の厚さｔが３００ｍｍ未満となり、その分長さが長くなると、能率の低下は特に顕著になる。このため、鍛造完了直後の中間厚金属塊１２の厚さｔを３００ｍｍ以上に限定した。

また、上記従来技術にも述べたように、円柱状金属鋳塊１１を直接、圧延することにより金属スラブ１３を製造する場合、円柱状金属鋳塊１１の直径が大きいため、金属スラブ１３の先尾端断面にオーバーラップ６３（図７参照）が生じるが、円柱状金属鋳塊１１を鍛造することにより得た中間厚金属塊１２を圧延することにより金属スラブ１３を製造する場合も、中間厚金属塊１２の厚さが大きい場合、金属スラブ１３の先尾端断面にオーバーラップ６３が生じる。オーバーラップ６３の発生は水平圧延ロール４１の直径と中間厚金属塊１２の厚さの比によってほぼ決まり、水平圧延ロール４１の直径に対し、中間厚金属塊１２の厚さを小さくすることにより、オーバーラップの発生を防止できる。具体的には、通常、圧延機１５の水平圧延ロール４１の直径は１３００ｍｍ程度であり、この場合、中間厚金属塊１２の厚さｔを６００ｍｍ以下とすると、オーバーラップ６３の発生を抑制できる。このため、中間厚金属塊１２の厚さｔを６００ｍｍ以下に限定した。

ところで、図２（ａ）に模式的に示すように、円柱状金属鋳塊１１を鍛造することにより得られる中間厚金属塊１２の先尾端平面形状は、上記した圧延の場合と同様に、幅中央のメタルフローが大きくなり、タング２１状となる。この際、中間厚金属塊の厚さが小さくなるほど、タング２１は大きくなる。これに対し、図２（ｂ）に模式的に示すように、中間厚金属塊１２を圧延する場合、得られる金属スラブ１３の先尾端平面形状は、垂直圧延ロール４２による中間厚金属塊１２の幅方向の圧下量、すなわち、幅圧下量を大きくすることにより、中間厚金属塊の両幅端部のメタルフローを促進し、フィッシュテール２２状とすることができる。幅圧下量が大きいほど、発生するフィッシュテール２２は大きくなる（後方に延びる長さが長くなる）。

本発明は、中間厚金属塊１２の寸法を最適化することにより、円柱状金属鋳塊１１を鍛造した際に形成された中間厚金属塊１２のタング２１に対し、中間厚金属塊１２を圧延する際に、これを打ち消すようにフィッシュテール２２の成長を図り、金属スラブ１３の先尾端平面形状の可及的な矩形化を図るものである。

具体的には、式（２）に示すように、中間厚金属塊１２の幅ｗと金属スラブ１３の幅Ｗの差、すなわち、圧延の際の幅圧下量（ｗ−Ｗ）を、中間厚金属塊１２の厚さｔ を用いて、（３５０−０．２ｔ）以上（４５０−０．２ｔ）以下に規定することにより、得られる金属スラブ１３の先尾端平面形状を可及的に矩形とし、これにより、クロップ量の低減、すなわち、歩留りの向上を図るものである。

中間厚金属塊１２の幅ｗと金属スラブの幅Ｗの差（ｗ−Ｗ）が、（３５０−０．２ｔ）未満の場合、圧延後の金属スラブ１３には、鍛造の際の大きなタング２１が残存し、一方、（４５０−０．２ｔ）よりも大きい場合、圧延後の金属スラブ１３には圧延の際の大きなフィッシュテール２２が残存する。いずれの場合も、クロップ量が大きくなり、９６％以上の高い歩留りを得ることはできない。

次に、鍛造方法について述べる。

上記のように、本発明においては、金属スラブ１３の先尾端平面形状の可及的な矩形化を図るため、適正な幅圧下量（ｗ−Ｗ）で圧延を行うことが重要になるから、中間厚金属塊１２の寸法、すなわち、厚みｔと幅ｗを、適正な条件を満たすように調整することが重要となる。以下に、所望の寸法の中間厚金属塊１２を得るための鍛造方法について述べる。

（第２発明の説明）
図３（ａ）に模式的に示すように、円柱状金属鋳塊１１の長手方向と上金型３１ａの長手方向が揃うように、円柱状金属鋳塊１１を下金敷３２上に載置し、上金型３１ａを上方から垂直に押下することにより、円柱状金属鋳塊１１を鍛造する。ちなみに、このような鍛造方法を、幅出し鍛造と呼ぶ。鍛造の際の幅広がりが大きいため、幅の広い中間厚金属塊１２を得ることができるからである。ここで、円柱状金属鋳塊１１の長手方向と上金型３１ａの長手方向が揃うとは、図３（ｂ）に模式的に示すように、円柱状金属鋳塊１１の長手方向と上金型３１ａの長手方向のなす角θの絶対値が１０゜以下のことを言う。

この後、図４（ａ）に模式的に示すように、下金敷３２を下金型３１ｂに交換し、円柱状金属鋳塊１１の長手方向と上金型３１ａ、下金型３１ｂの長手方向が交差するように、円柱状金属鋳塊１１の一端をマニピュレータ３３により掴み、円柱状金属鋳塊１１の長手方向半分を所望の寸法まで鍛造した後、円柱状金属鋳塊１１のもう一端をマニピュレータ３３により掴み直し、残るもう一方の長手方向半分を所望の寸法まで鍛造する。この際、マニピュレータ３３により、円柱状金属鋳塊１１を円周方向に９０゜回転させれば、厚さ方向と幅方向の両方の圧下を施すことができ、所望の寸法の中間厚金属塊１２に仕上げることができる。ちなみに、このような鍛造方法を、仕上げ鍛造と呼ぶ。仕上げ鍛造の場合、幅出し鍛造に比べ、鍛造の際の幅拡がりは小さく、むしろ長手方向の延びが大きいため、幅を広げたくない場合に適用できる。ここで、円柱状金属鋳塊１１の長手方向と上金型３１ａの長手方向が交差するとは、図４（ｂ）に模式的に示すように、円柱状金属鋳塊１１の長手方向と上金型３１ａの長手方向のなす角αの絶対値が８０゜以上１００゜以下のことを言う。

上記した幅出し鍛造と仕上げ鍛造をそれぞれ何回行うか、それと、各回の鍛造時の圧下量をそれぞれどれだけにするか、適宜に調整することにより、所望の寸法の中間厚金属塊１２を得ることができる。また、金属スラブ１３まで圧延した際に、先尾端平面形状の可及的な矩形化を図ることができる。

（第３、第４発明の説明）
なお、必ずしも、幅出し鍛造と仕上げ鍛造の両方を行う必要はなく、幅出し鍛造のみで所望の寸法の中間厚金属塊１２を得ることができれば、仕上げ鍛造を行う必要はない（第３発明）。また、幅出し鍛造を行うことなく、仕上げ鍛造のみで所望の寸法の中間厚金属塊１２まで仕上げてもよい（第４発明）。

以上は所望の寸法の中間厚金属塊１２を得るための鍛造方法の一例であり、鍛造機の設備仕様に応じて、この他の鍛造方法により、中間厚金属塊１２を製造してもよい。また、各回の鍛造時の圧下量、鍛造の回数は、特に制限するものではなく、円柱状金属鋳塊１１、金型３１、金属スラブ１３の寸法等に応じて適宜設定すればよい。

また、圧延方法は、特に限定するものではなく、例えば、図５に模式的に示すような一般的な圧延機にて、水平圧延ロール４１と垂直圧延ロール４２を用いて、水平方向（厚さ方向）と垂直方向（幅方向）に圧下を施し、所望の寸法の金属スラブ１３に仕上げればよい。

真空溶解炉を用いて溶製した純チタンを円柱鋳型に鋳込んで、円柱状純チタン鋳塊を製造した。円柱状純チタン鋳塊の寸法は、鋳塊Ａ；直径９８０ｍｍ、長さ２４３０ｍｍ、鋳塊Ｂ；直径１２２０ｍｍ、長さ２７００ｍｍの２種とした。次いで、円柱状純チタン鋳塊を加熱炉に挿入して９８０℃に均熱した後、幅出し鍛造のみ、仕上げ鍛造のみ、あるいは、幅出し鍛造と仕上げ鍛造により、表１に示す種々の寸法の中間厚純チタン塊を製造した。

幅出し鍛造、仕上げ鍛造のパススケジュールは表１に示す通りとした。金型には、幅８００ｍｍ、長さ３０００ｍｍの金型を用いた。得られた中間厚純チタン塊を再度、加熱炉に挿入して９７０℃に均熱した後、圧延により、厚さ２００ｍｍ、幅１２５０ｍｍ、あるいは、厚さ２００ｍｍ、幅１０００ｍｍの純チタンスラブを製造した。水平圧延ロールの直径は１３００ｍｍ、垂直圧延ロールの直径は１０００ｍｍ、また、水平圧延時の圧下量は３０〜１０ｍｍ、垂直圧延時の圧下量は３０〜１０ｍｍとした。

得られた純チタンスラブについて、先尾端のクロップを切除して、純チタンスラブの歩留りを測定した。表１に得られた結果を示す。また、図６に、製造した純チタンスラブの寸法が厚さ２００ｍｍ、幅１２５０ｍｍの場合、すなわち、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１２の場合についてのみ、本発明で規定した（１）式、（２）式に対する、中間厚純チタン塊の寸法と得られた歩留りの関係を示す。なお、仕上げ鍛造を施さない場合、中間厚純チタン塊の幅は、長手方向で一定でないが、この場合、長手方向１／４位置での幅をもって中間厚純チタン塊の幅ｗとした。

本発明例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．３、Ｎｏ．６〜Ｎｏ．９及びＮｏ．１２では、得られた純チタンスラブの先尾端平面形状は、ほぼ矩形であり、９６％以上の高い歩留りを得ることができた。これに対し、比較例であるＮｏ．４とＮｏ．１１は、中間厚純チタン塊の幅が（２）式で規定した範囲に比べ小さく、得られた純チタンスラブの先尾端平面形状はタングに、一方、比較例であるＮｏ．５とＮｏ．１０は、中間厚純チタン塊の幅が（２）式で規定した範囲に比べ大きく、得られた純チタンスラブの先尾端平面形状はフィッシュテールになり、いずれも９６％未満の低い歩留りとなった。また、比較例であるＮｏ．１０とＮｏ．１２は、中間厚純チタン塊の厚みが（１）式で規定した範囲に比べ大きく、得られた純チタンスラブの断面形状がオーバーラップとなり、９６％未満の低い歩留りとなった。

以上のように、種々の直径の円柱状金属鋳塊から所望の寸法の金属スラブを製造する際に、中間厚金属塊の寸法を本発明において規定した寸法範囲内とすることにより、従来技術にあるような特別な鍛造、あるいは、特別な圧延を行うことなく、高い生産能率にて、９６％以上の高い歩留りを得ることができた。

本発明の適用対象は、チタンやジルコニウムに限定されない。

本発明における円柱状金属鋳塊から金属スラブを製造する工程を模式的に示す斜視図 円柱状金属鋳塊から金属スラブを製造する際に発生するクロップを模式的に示す斜視図 本発明における幅出し鍛造の例を模式的に示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ） 本発明における仕上げ鍛造の例を模式的に示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ） 本発明における圧延の例を模式的に示す斜視図 中間厚金属塊の寸法と得られる歩留りを比較して、本発明の効果を示す図 従来の圧延の様子を模式的に示す斜視図 従来の圧延により、円柱状金属鋳塊から金属スラブを製造する際に発生するクロップを模式的に示す斜視図

符号の説明

１１…円柱状金属鋳塊
１２…中間厚金属塊
１３…金属スラブ
１４…鍛造機
１５…圧延機
２１…タング
２２…フィッシュテール
３１…金型
３１ａ；上金型
３１ｂ；下金型
３２…下金敷
３３…マニピュレータ
４１…水平圧延ロール
４２…垂直圧延ロール
６１…円柱状金属鋳塊の幅方向中央部
６２…タング
６３…オーバーラップ
６４…金属スラブ
６５…クロップ

Claims (4)

1. 直径７００ｍｍ以上１３００ｍｍ以下の円柱状金属鋳塊から厚さ１００ｍｍ以上３００ｍｍ未満の金属スラブを製造するに際し、
   前記円柱状金属鋳塊を、下記の関係を満たす寸法の中間厚金属塊まで鍛造してタング形状にした後、前記中間厚金属塊を金属スラブまで圧延してタング形状を打ち消すようにフィッシュテールの成長を図って先尾端平面形状を可及的に矩形化することを特徴とする金属スラブの製造方法。
   ３００ｍｍ ≦ ｔ ≦ ６００ｍｍ ・・・（１）
   ３５０ｍｍ−０．２ｔ＋Ｗ ≦ ｗ ≦ ４５０ｍｍ−０．２ｔ＋Ｗ ・・・（２）
   ここで、ｔ；中間厚金属塊の厚さ（ｍｍ）、ｗ；中間厚金属塊の幅（ｍｍ）、
   Ｗ；金属スラブの幅（ｍｍ）
2. 前記円柱状金属鋳塊を鍛造する際に、
   前記円柱状金属鋳塊の長手方向と金型の長手方向を揃えて前記円柱状金属鋳塊を鍛造し、該鍛造後の鋳塊の長手方向と前記金型の長手方向を交差させて該鍛造後の鋳塊を更に鍛造することで前記中間厚金属塊まで鍛造した後、前記中間厚金属塊を金属スラブまで圧延することを特徴とする前記請求項１に記載の金属スラブの製造方法。
3. 前記円柱状金属鋳塊を鍛造する際に、
   前記円柱状金属鋳塊の長手方向と金型の長手方向を揃えて前記円柱状金属鋳塊を前記中間厚金属塊まで鍛造した後、前記中間厚金属塊を金属スラブまで圧延することを特徴とする前記請求項１に記載の金属スラブの製造方法。
4. 前記円柱状金属鋳塊を鍛造する際に、
   前記円柱状金属鋳塊の長手方向と金型の長手方向を交差させて前記円柱状金属鋳塊を前記中間厚金属塊まで鍛造した後、前記中間厚金属塊を金属スラブまで圧延することを特徴とする前記請求項１に記載の金属スラブの製造方法。

Images