JP4355684B2

JP4355684B2 - 連続鋳造用鋳型

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Publication number: JP4355684B2
Application number: JP2005179460A
Authority: JP
Inventors: 勇一小川
Original assignee: Mishima Kosan Co Ltd
Current assignee: Mishima Kosan Co Ltd
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2025-06-20
Also published as: JP2006346734A

Description

本発明は、溶鋼を鋳造するための連続鋳造用鋳型に関する。

従来、連続鋳造設備に使用される連続鋳造用鋳型（以下、単に鋳型ともいう）は、一対の幅狭冷却部材である短辺部材（短片部材ともいう）と、この短辺部材を挟み込むように配置される一対の幅広冷却部材である長辺部材（長片部材ともいう）とを備え、この向かい合う長辺部材の両端部にそれぞれボルトを取付け、ばねを介してナットで短辺部材を固定した構造となっている。
長辺部材は、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、裏面に上下方向に多数の導水溝８０が設けられた銅板（冷却板の一例）８１と、銅板８１の裏面側に所定の取付け間隔で設けられたボルトにより固定された支持部材の一例であるバックプレート（冷却箱ともいう）８２とを有している。このバックプレート８２の銅板８１に接触する側の上端部及び下端部には、それぞれ排水部８３及び給水部８４が設けられ、給水部８４から流入した冷却水を導水溝８０を介して排水部８３へ流すことで、銅板８１の冷却を行っている。また、銅板８１とバックプレート８２の間には、導水溝８０、排水部８３、及び給水部８４を囲むようにＯリング８５が配置され、長辺部材からの水漏れを防止している。なお、短辺部材も、その幅が異なること以外は、長辺部材と略同様の構成となっており、長辺部材及び短辺部材の各銅板で鋳型本体が構成されている（例えば、特許文献１参照）。
そして、このような構成の鋳型に溶湯を供給し、鋳型内で凝固して形成される鋳片を連続的に下方へ引き抜きながら、冷却水を吹き付けて鋳片を製造している。

特開２００３−１３６２０４号公報

しかしながら、前記した連続鋳造用鋳型には、以下の問題があった。
従来の鋳型の銅板、特に電磁撹拌用鋳型のように厚みが薄い薄肉銅板は、その熱変形防止を目的として、図５（Ａ）に示すように、過密なピッチ（例えば、５０ｍｍ以上１５０ｍｍ未満）でバックプレートとのボルト締結がなされている。このため、銅板に拘束歪みが発生してクラックが発生し易かった。
また、近年、鋳造速度の上昇又は電磁撹拌の影響により、銅板のメニスカス部への熱負荷が従来よりも増大しているため、前記過密なボルト締結構造では、銅板のメニスカス部により大きな拘束歪みが発生してクラックが発生し易かった。
このように、銅板にクラックが発生することで、例えば、鋳片品質及びモールド寿命を大きく低下させる恐れがあった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、冷却板へのクラックの発生を抑制、更には防止して、品質が良好な鋳片を製造でき、しかも従来より長い期間安定した品質を維持可能な連続鋳造用鋳型を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る連続鋳造用鋳型は、裏面に多数の導水溝が設けられた冷却板と、該冷却板の上下方向に所定の取付け間隔で設けられる複数の取付け手段により、前記冷却板の裏面側に前記導水溝を囲むＯリングを介して固定された支持部材とを有し、該支持部材に設けられた給水部及び排水部を介して前記各導水溝に冷却水を流すことで、前記冷却板の冷却を行うと共に溶鋼の冷却を行って鋳片を製造する連続鋳造用鋳型において、
前記取付け手段は、前記冷却板のメニスカス部である該冷却板の上端位置から下方へ５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の範囲内を避けて設けられ、該メニスカス部の上下に位置する前記取付け手段の取付け間隔を他の部分の取付け間隔よりも広くし、更に、前記冷却板のメニスカス部の表面側には、前記鋳片の製造時の前記メニスカス部の熱膨張量に対応した凹み加工がなされ、しかも該凹み加工により形成される凹部の深さが０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。

そして、本発明に係る連続鋳造用鋳型において、前記メニスカス部の上方に位置する前記取付け手段の取付け位置は、前記冷却板の上端位置から下方へ６０ｍｍまでの範囲内であることが好ましい。

更に、本発明に係る連続鋳造用鋳型において、前記メニスカス部の上下に位置する前記取付け手段の取付け間隔は、１５０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であることが好ましい。

請求項１〜３記載の連続鋳造用鋳型は、高熱負荷となるメニスカス部に取付け手段を設けることなく、このメニスカス部の上下に位置する取付け手段の取付け間隔を他の部分よりも広くすることで、冷却板のメニスカス部の支持部材による拘束力を緩め、冷却板の自由変形可能な量を従来よりも大きくできる。これにより、冷却板のメニスカス部での拘束歪みの発生を緩和し、メニスカス部のクラックの発生を抑制できる。
また、冷却板のメニスカス部の表面側に、鋳造の際のメニスカス部の熱膨張量に対応した凹み加工を行うことで、連続鋳造用鋳型の使用に際しても、目的とする形状に変形させることができ、良好な品質を備える鋳片を製造できる。

特に、請求項１記載の連続鋳造用鋳型は、メニスカス部の位置を規定するので、拘束歪みの影響を抑制可能である適切な位置に取付け手段を設けることができる。

請求項２記載の連続鋳造用鋳型は、メニスカス部の上方に位置する取付け手段の取付け位置を規定するので、取付け手段による冷却板への拘束歪みの影響を抑制できる。

請求項３記載の連続鋳造用鋳型は、メニスカス部の上下に位置する取付け手段の取付け間隔を規定するので、取付け手段による冷却板への拘束歪みの影響を更に抑制できると共に、支持部材に対する冷却板の取付けも確実にできる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の長辺部材の冷却板の背面図、（Ｂ）は図１（Ａ）のａ−ａ矢視断面図、図２は連続鋳造用鋳型を使用して鋳片を鋳造する際の冷却板形状を示す説明図である。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る連続鋳造用鋳型（以下、単に鋳型ともいう）は、一対の幅狭冷却部材である短辺部材（短片部材ともいう）と、一対の幅広冷却部材である長辺部材（長片部材ともいう）１０とを組合せることで製造されるものであり、鋳片の製造に際して、長辺部材１０を構成する冷却板１１のメニスカス部１２（溶鋼の湯面近傍）のクラックの発生を抑制するものである。なお、連続鋳造用鋳型の長辺部材１０と短辺部材は略同様の構成であり、長辺部材１０の冷却板１１と短辺部材の冷却板とで鋳型本体が構成されている。このため、以下、長辺部材１０について詳しく説明する。

長辺部材１０は、冷却板１１と、冷却板１１の裏面側に複数の取付け手段１３〜１８によって固定された支持部材の一例であるバックプレート（冷却箱、水箱とも言う）１９とを有している。
冷却板１１（例えば、厚み１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下程度）は、熱伝導性が良好な金属の一例である銅又は銅合金で構成され、その裏面側には上下方向に多数の導水溝２０（ここでは１１本）が設けられている。なお、各導水溝２０は、冷却板１１の幅方向に所定ピッチ（例えば、１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下程度）で形成され、その深さは、例えば、冷却板１１の厚みの１／３以上２／３以下程度である。

また、バックプレート１９（例えば、厚み５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下程度）は、例えばステンレスからなり、バックプレート１９の冷却板１１の接する側の下部及び上部に給水部２１及び排水部２２が設けられている。バックプレート１９の冷却板１１側周辺部には、バックプレート１９の給水部２１、排水部２２、及び冷却板１１の導水溝２０を囲むように溝が形成され、この溝にＯリング２３を配置している。
冷却板１１には雌ねじ部が形成され、この雌ねじ部に螺合する雄ねじ（例えば、ボルト）により、冷却板１１の裏面側にバックプレート１９が固定されている。なお、雄ねじを取付けるためにバックプレート１９に形成された孔（図示しない）には、防水可能なシール座金が予め配置されている。この雌ねじ部と雄ねじが取付け手段１３〜１８（ここでは合計１８箇所）を構成しており、この複数の取付け手段１３〜１８が、冷却板１１の幅方向及び上下方向に所定の取付け間隔で設けられている。

ここで、複数の取付け手段１３〜１８の取付け位置の決定方法について説明する。
図２に示すように、冷却板の熱応力は、表面と裏面の間に温度差があり、しかも裏面側が拘束（変位拘束）されている場合に発生する。ここで、冷却板表面を高温にし裏面を低温にして、冷却板の裏面側の曲がりを完全に防止した平板の熱応力解σｔを、以下に示す。
σｔ＝±β・ΔＴ・Ｅ／２（１−ν）
β ：線膨張係数（１／℃）
ΔＴ：（表面温度）−（裏面温度）（℃）
Ｅ：ヤング率（ｋｇ／ｍｍ²）
ν ：ポアソン比
ここで、冷却板の表面は「−側」の値となって圧縮応力が働き、裏面は「＋側」の値となって引張応力が働く。
なお、表裏の温度差はあっても、裏面の拘束が全くない場合は、自由変形となり応力は発生しない。

また、冷却板のメニスカス部へのクラックの発生は、低サイクル疲労破壊が支配していると推測される。特に、高速鋳造用鋳型又は電磁撹拌用鋳型のように、冷却板のメニスカス部付近に高熱負荷を受ける鋳型では、鋳造中の冷却板表面の応力状態が、通常塑性域に達している。鋳型は、熱間状態と冷間状態に繰り返し晒されており、また、鋳造中の湯面変動により、応力振幅を繰り返す。このため、冷却板表面は、低サイクル疲れ状態（疲労寿命：１０³＜Ｎｆ＜１０⁵）にあると推測される。
この低サイクル疲れ状態では、疲労寿命Ｎｆが、塑性歪みに支配されていることから、以下に示すＭａｎｓｏｎ−Ｃｏｆｆｉｎの（１）式が成り立つ。

εｐ・Ｎｆⁿ＝Ｃｐ・・・（１）
εｐ：塑性歪み振幅
ｎ、Ｃｐ：材料定数
Ｎｆ：疲労寿命（回）
この（１）式を、疲労寿命Ｎｆについて整理する。
Ｎｆⁿ＝Ｃｐ／εｐ・・・（１´）
（１´）式から、塑性歪み振幅εｐが大きいほど、即ち熱応力解σｔの絶対値が大きくなるほど、疲労寿命Ｎｆが短くなり、早期にクラックが発生することが分かる。

ここで、疲労寿命Ｎｆを延ばす構造的な対策としては、前記熱応力解σｔが小さくなるように、即ち強冷却を行ってΔＴを小さくし、冷却板の表面と裏面の温度差を小さくする方法と、裏面側の曲がり拘束を緩める方法がある。
なお、電磁撹拌用鋳型の冷却板では、渦電流損を抑えるため薄肉の冷却板を使用しており、冷却板に大きな熱変形が発生し易くなっている。そして、この熱変形を防止するため、ボルト締結の数を増やし、ボルトピッチを過密にしている。このように、締結ボルトを過密に配置していることで、冷却板の裏面の曲がり拘束が強くなり、応力状態を悪化させているため、冷却板の塑性歪みが大きくなって疲労寿命も短くなる。
そこで、前記した２つの方法のうち、これを解消する効果的な方法は、高応力部となるメニスカス部近傍の取付け手段の数を減らすことである。

図１（Ａ）に示すように、冷却板１１の上部、即ちメニスカス部１２の上方に位置する取付け手段１３を、冷却板１１の上端位置Ｐから下方へ６０ｍｍまでの範囲Ｘ内に設ける。ここで、メニスカス部１２は、冷却板１１の上端位置Ｐから下方へ５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下（好ましくは、下限を７０ｍｍ、上限を１３０ｍｍ）の範囲内に位置するため、このメニスカス部１２の位置よりも上方に、取付け手段１３の取付け位置を設定する。これにより、取付け手段１３による拘束歪みがメニスカス部１２に影響を及ぼさないようにできる。
このことから、取付け手段１３の取付け位置の範囲Ｘを、好ましくは冷却板１１の上端位置Ｐから下方へ５０ｍｍまでとする。

また、メニスカス部１２の上下に位置する取付け手段１３と取付け手段１４の取付け間隔Ｄは、１５０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下にする。これは、冷却板１１の上下に位置する各取付け手段１３、１４が冷却板１１のメニスカス部１２を避け、しかも取付け手段１３、１４による拘束歪みのメニスカス部１２への影響を小さくする。

なお、冷却板１１の上側に位置する取付け手段１３、１４の取付け間隔Ｄを除く、他の取付け手段１４、１５、取付け手段１５、１６、取付け手段１６、１７、取付け手段１７、１８の各取付け間隔は、従来の冷却板と同様の取付け間隔、例えば、５０ｍｍ以上１５０ｍｍ未満にしている。
また、長辺部材の冷却板の端部（溶鋼が接触しない部分である短辺部材の合わせ位置よりも外側）では、熱負荷がかからないため、取付け手段の各取付け間隔は、従来の取付け間隔と同程度でよい。
このように、メニスカス部１２近傍の取付け手段の数を減らし、取付け手段１３、１４の取付け間隔Ｄを他の取付け手段１４〜１８の取付け間隔よりも広くすることで、冷却板１１の応力緩和が可能になる。

しかし、冷却板１１をバックプレート１９へ取付けるための取付け手段の数を減らすことで、冷却板１１の拘束力は小さくなり、冷却板の変形量は大きくなる。そのため、冷却板のメニスカス部１２の表面側に凹部２４を形成している。
この凹部２４は、鋳造中にメニスカス部１２が熱膨張し、その結果、冷却板１１表面が目的としたプロフィール（鋳型の下方へかけてその中央へ傾斜した形状）になるように、冷却板表面側に熱変形をキャンセルさせたプロフィール加工（凹み加工）を行うことにより形成する。凹部２４は、湯面位置に急激な凹み（凹み加工がなされていない冷却板１１表面から、例えば、深さが０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下程度）を設け、冷却板１１の下方へ向かってなだらかに凹み量を小さくした形状である。
なお、このプロフィール加工は、予め分かっている鋳造の際の操業条件や冷却板の冷却条件に基づき、冷却板１１の変形量を数値解析により予測して行うことが可能である。
これにより、熱変形による冷却板１１の形状（テーパ）崩れを防止できる。

以上の構成となった連続鋳造用鋳型を使用し、バックプレート１９の下側の給水部２１に設けられた給水口（図示しない）から各導水溝２０に冷却水を供給し、しかも冷却板１１の下側から上側にかけて流れた冷却水（例えば、工業用水）を、バックプレート１９の上側の排水部２２に設けられた排水口（図示しない）から排出して、冷却板１１の冷却を行っている。このとき、Ｏリング２３により、冷却板１１とバックプレート１９との密着性を向上させているので、排水部２２から排出する際の導水溝２０からの冷却水の漏れを防止している。
このようにして、冷却板１１へのクラックの発生を抑制、更には防止しながら冷却板１１の冷却を行うと共に、溶鋼の冷却を行って品質が良好な鋳片を製造できる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行ったＦＥＭ改善検討結果（以下、改善例という）について説明する。ここで、図３（Ａ）は本発明の改善例に係る連続鋳造用鋳型の冷却板の部分斜視図、（Ｂ）は従来例に係る連続鋳造用鋳型の冷却板の部分斜視図、図４（Ａ）はボルトの取付け位置を変えた場合の冷却板熱変形の解析結果の説明図、（Ｂ）は冷却板のメニスカス部への凹み加工による熱影響の解析結果の説明図である。

図３（Ａ）に示すように、改善例に係る鋳型の冷却板３０上側には、上下方向にボルト３１〜３３が設けられ、ボルト３１は冷却板３０の上端から４０ｍｍ（前記した範囲Ｘ内）下方位置に取付け、ボルト３１とボルト３２の間隔を１７０ｍｍ（前記した取付け間隔Ｄ内）、ボルト３２とボルト３３の間隔を１００ｍｍとした。一方、図３（Ｂ）に示すように、従来例に係る鋳型の冷却板３４上側には、上下方向にボルト３５〜３８が設けられ、ボルト３５は冷却板３４の上端から４０ｍｍ下方位置に取付け、ボルト３５とボルト３６、ボルト３６とボルト３７、ボルト３７とボルト３８の間隔を、それぞれ６０ｍｍ、１００ｍｍ、１００ｍｍとした。

このように、改善例に係る鋳型の冷却板３０上側に位置する各ボルト３１〜３３は、従来例に係る鋳型の冷却板３４の２段目のボルト３６が除去されて、冷却板３０のメニスカス部３９（ここでは、冷却板３０上端から下方へ１００ｍｍの位置）を避け、その上下に位置するボルト３１、３２の取付け間隔をボルト３２、３３の間隔よりも広くしている。なお、改善例に係る鋳型の冷却板３０のメニスカス部３９には、凹み加工がなされて凹部が形成されている。

まず、ボルトの取付け位置の影響について説明するが、ここでは、他の要因が影響しないように、改善例に係る冷却板３０と同様の位置にボルトを設け、メニスカス部に凹部が設けられていないものを使用している。
図４（Ａ）に示すように、メニスカス部の上下のボルトの取付け間隔を広くした冷却板（実線）を使用することで、メニスカス部のボルトによる冷却板の拘束をなくすことができ、従来例に係る鋳型の冷却板３４（一点鎖線）よりも熱変形量（自由変形）を大きくできる。このことから、ボルト取付け間隔を広くした冷却板は、従来例に係る鋳型の冷却板３４よりも塑性歪みを緩和でき、その疲労寿命を従来例に係る鋳型の冷却板３４の疲労寿命の２．１倍程度に改善できると推測される。

次に、改善例に係る鋳型の冷却板３０の凹み加工の影響について、図４（Ｂ）を参照しながら説明する。ここで、冷間時（破線）とは、常温での冷却板３０の表面形状を意味し、鋳造中（熱間時：実線）とは、鋳造の際に熱膨張した冷却板３０の表面形状を意味する。
図４（Ｂ）に示すように、予め分かっている鋳造の際の操業条件に基づき、冷却板３０の変形量を数値解析して凹み加工を行うことで、鋳造の際には、冷却板３０の局所的な熱膨張部分が発生することなく、所定の形状、即ち対向して配置される冷却板の内幅が鋳型の下方へ向かって縮幅する形状を保障できる。
これにより、この鋳型を使用することで、品質が良好な鋳片を製造できる。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の連続鋳造用鋳型を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、長辺部材の取付け手段の取付け位置について説明したが、必要に応じて、長辺部材及び短辺部材の両方について、又は短辺部材のみについての取付け手段の取付け位置を設定することも可能である。なお、ここで、長辺部材の幅が広い場合は、必要に応じて、メニスカス部に相当する冷却板の高さ位置で、メニスカス部を外して長辺部材の幅方向両端部のみに取付け手段を設けることも可能である。これは、短辺部材についても同様である。

（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の長辺部材の冷却板の背面図、（Ｂ）は図１（Ａ）のａ−ａ矢視断面図である。連続鋳造用鋳型を使用して鋳片を鋳造する際の冷却板形状を示す説明図である。（Ａ）は本発明の改善例に係る連続鋳造用鋳型の冷却板の部分斜視図、（Ｂ）は従来例に係る連続鋳造用鋳型の冷却板の部分斜視図である。（Ａ）はボルトの取付け位置を変えた場合の冷却板熱変形の解析結果の説明図、（Ｂ）は冷却板のメニスカス部への凹み加工による影響の解析結果の説明図である。（Ａ）は従来例に係る連続鋳造用鋳型の長辺部材の背面図、（Ｂ）は図５（Ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。

符号の説明

１０：長辺部材、１１：冷却板、１２：メニスカス部、１３〜１８：取付け手段、１９：バックプレート（支持部材）、２０：導水溝、２１：給水部、２２：排水部、２３：Ｏリング、２４：凹部、３０：冷却板、３１〜３３：ボルト、３４：冷却板、３５〜３８：ボルト、３９：メニスカス部

Claims

裏面に多数の導水溝が設けられた冷却板と、該冷却板の上下方向に所定の取付け間隔で設けられる複数の取付け手段により、前記冷却板の裏面側に前記導水溝を囲むＯリングを介して固定された支持部材とを有し、該支持部材に設けられた給水部及び排水部を介して前記各導水溝に冷却水を流すことで、前記冷却板の冷却を行うと共に溶鋼の冷却を行って鋳片を製造する連続鋳造用鋳型において、
前記取付け手段は、前記冷却板のメニスカス部である該冷却板の上端位置から下方へ５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の範囲内を避けて設けられ、該メニスカス部の上下に位置する前記取付け手段の取付け間隔を他の部分の取付け間隔よりも広くし、更に、前記冷却板のメニスカス部の表面側には、前記鋳片の製造時の前記メニスカス部の熱膨張量に対応した凹み加工がなされ、しかも該凹み加工により形成される凹部の深さが０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
請求項１記載の連続鋳造用鋳型において、前記メニスカス部の上方に位置する前記取付け手段の取付け位置は、前記冷却板の上端位置から下方へ６０ｍｍまでの範囲内であることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
請求項１及び２のいずれか１項に記載の連続鋳造用鋳型において、前記メニスカス部の上下に位置する前記取付け手段の取付け間隔は、１５０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であることを特徴とする連続鋳造用鋳型。