JP4640349B2 - 連続鋳造装置および連続鋳造装置における鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一方向性の大粒径の結晶成長を可能にする連続鋳造装置、および該連続鋳造装置における鋳造方法に関する。

連続鋳造法は、被溶解材料を固形または他の溶解装置で溶解し液状で供給しながら溶解が連続して行われ、その間に、溶解された溶湯の一部は徐々に溶解域から離されて冷却され、溶解と凝固とが連続して行われ、これらの作業が継続されて溶解域の断面形状とほぼ同じ断面形状の長い棒状や厚板状のインゴットが連続して形成される方法である。この連続鋳造法を使用した連続鋳造装置にコールドクルーシブル誘導溶解連続鋳造装置がある（例えば、特許文献１を参照）。

図６は、コールドクルーシブル誘導溶解連続鋳造装置のルツボ（溶解炉）の部分の構成を示す断面図である。図中の符号１０Ａは誘導連続溶解鋳造装置のルツボ（例えば、内周面の直径が８０ｍｍ程度の溶解炉）であり、溶解炉１０Ａは円形断面のインゴットを鋳造するため、内部に冷却水通路１６ａを有する複数のセグメント１６が所定の寸法のスリット１７を介して円周方向に分割され、交互に隣接して形成された側壁２０と、この側壁２０の外周側の上部に、この側壁２０の半径方向外周に所定の間隔を有して螺旋状に巻回され、内部が冷却水通路１８ａになっている中空銅管製の誘導加熱コイル１８と、前記の側壁２０の内周面より水平方向の直径が僅かに小さく内周面に対し上下動可能に配置された水冷式の底板１と、この底板１を上下に移動する引抜シャフト１２などにより構成されている。

また、底板１は、上部材２と下部材３とから成り、両部材は水平方向断面の外径が側壁２０の内周面より僅かに小さい寸法で形成され、側壁２０との間に溶湯１４が漏れない程度の空間を有している。前記の上部材２は上下方向に短い底付きの中空円筒形であり、この中空円筒形の上部材２は倒立され、その底部２ａが上方に、中空筒部（冷却水室）２ｄが下方になるように配置されている。上に配置される底部２ａの半径方向中央部には、非貫通の凹部、この例では円錘台形の空間としての穴２ｂとして設けられているが、この穴を画定する側面２ｃはテーパ状、正確には逆テーパ状に形成されていて底板の上部材２の内部すなわち下方に行くほど広くなっている。一方、下部材３には、前記の上部材２の冷却水室２ｄに連通するように軸方向に延在する２つの貫通孔が設けられて、冷却水の流入口３ａと流出口３ｂとになっている。また、下部材３の半径方向中央部には引抜シャフト１２が固定されている。

前記の底板の上部材２と下部材３とは、この例では外周側からシール溶接されて一体にされている。このシール溶接により前記の中空円筒部は、冷却水の流入口３ａ、流出口３ｂと連通された冷却水室２ｄとなり、底板１全体を冷却する。図６に示したように、底板１は水冷されているため溶解されずに被溶解材料（溶解対象物）１３の凝固相１５との境界が明瞭に残るが、溶解の当初には溶湯１４は非貫通の穴２ｂに流れ込んで、この穴２ｂを埋めて溶湯下部の凝固相と一体に凝固する。この状態で引抜シャフト１２を下方に下げると逆テーパの側面２ｃを介して凝固相１５に引張り力が伝達され、凝固相１５と溶湯１４とは徐々に下降して、溶湯１４の下部は時間の経過とともに凝固相１５に変化し、鋳造品の長さは逐次大きくなってゆく。

底板１は更に下降されて、このような溶解と凝固とが継続して行われ、凝固相１５はその長さが下方に延長され棒状の鋳造品が形成される（例えば、３００ｍｍ〜４００ｍｍ程度の長さのインゴット）。この、誘導加熱による溶解炉１０Ａで、溶解炉１０Ａの初期溶融過程で炉床となる底板１が、側壁２０とは相互に隙間を有して独立して上下に移動可能に設けられ、被溶解材料１３の供給に合わせて溶湯１４の量を一定に保持したまま徐々に下降し、溶湯１４の下部が下降するにつれて誘導加熱コイル１８が巻回された溶解域から離れて、セグメント１６に誘導加熱コイル１８が巻回されていない鋳造域に移動して冷却され、外周側から徐々に凝固され、更に下降すると中央部までが凝固して金属あるいは合金などの丸棒が形成される。

ところで、図６に示す従来のコールドクルーシブル誘導溶解連続鋳造装置の溶解炉１０Ａにおいては、誘導加熱コイル１８の電磁力により、溶湯内では矢印Ａ、Ｂで示される溶湯の流れが固液界面（溶湯と凝固相との境界面）の方向に生じ、溶湯が攪拌し、溶湯内の温度分布を均一にしようと働く。この場合に、溶湯内中央部でぶつかった流れの内、矢印Ｂで示す下方へ向かう流れにより、中央部の固液界面が下方へ掘り下げられる。このため、引抜凝固塊が誘導加熱コイル１８の加熱領域をはずれても、凝固塊内部は引抜き方向の深い部分まで溶融し、固液界面は凹面状となる。このように、固液界面が凹面状となることにより、側面からの初晶が生じ、一方向凝固性をもった結晶組織ができづらくなるという問題があった。これは、小粒径の結晶から大粒径の結晶となるためには、ある程度の結晶成長距離が必要なためである。従って、溶解炉内の固液界面をできるだけ水平面状にすることが望まれていた。

なお、従来技術の誘導加熱方式の溶解炉がある（例えば、特許文献２を参照）。この従来技術の溶解炉は、図７に示すように、溶湯を収容する収容室１０１と、その底に設けられた漏斗形状の通路体１０２とを有する溶解炉において、出湯流の流量をスカル層の溶融、凝固という間接的方法ではなく、溶解されて流出している溶解対象物自身に直接の力を作用させて流量を制御することを目的としている。このために、漏斗状の通路体１０２には、誘導加熱コイル１０３の他に、通路体１０２の外周の対向する位置にその両端１０４Ｎ、１０４Ｓが位置する磁性体１０４が設けられている。また、磁性体１０４を励磁するための励磁用コイル１０５と、図示してない出湯の流量を検出する流量計により検出された値に基づき、励磁用コイル１０５に流す電流を制御する直流電源制御部１０６とが設けられている。このような構成により、通路体１０２内の出湯流に磁場による力を直接作用させることで、出湯の流速を抑制している。しかしながら、特許文献２で開示された溶解炉では、上述したような溶解炉内で固液界面が凹面状となることにより、一方向凝固性をもった結晶組織ができづらくなるという問題を解決しようとするものではない。
特開平８−１４１７０５号公報 特開２００１−７４７３６号公報

上述したように、従来の溶解炉を用いた連続鋳造装置においては、溶解炉内の固液界面が凹面状となり、一方向凝固性をもった結晶組織ができづらくなるという問題があった。従って、溶解炉内の固液界面をできるだけ水平面状にすることが望まれていた。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、溶解炉内において、溶湯の固液界面が凹面状から水平面状となるようにし、一方向性の大粒径の結晶成長を可能にする連続鋳造装置、および該連続鋳造装置における鋳造方法を提供することにある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の鋳造装置は、上部より導電性の被溶解材料を添加しつつ、前記被溶解材料を加熱して溶湯を形成する溶解炉を備えると共に、前記溶解炉の底板が昇降可能に構成され、前記底板を下降させることにより前記溶解炉内で溶解した金属を凝固させながら下方に引き抜き、金属鋳塊を得る連続鋳造装置であって、前記溶解炉は、前記溶解炉の外周に巻回されると共に、前記被溶解材料を誘導加熱して溶湯を形成する誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの下部側であって前記誘導加熱コイルが巻回されていない溶解炉の外周領域から、前記溶湯に対して水平方向の直流磁場を印加する直流磁場発生源と、を備えることを特徴とする。
上記構成からなる本発明の鋳造装置では、溶解炉の底板を下降させることにより、溶解炉内で溶解した金属を凝固させながら下方に引き抜き金属鋳塊を得る鋳造装置において、前記溶解炉に、被溶解材料を誘導加熱して溶湯を形成する誘導加熱コイルを設けると共に、前記誘導加熱コイルの下部側であって該誘導加熱コイルが巻回されていない外周領域から、溶湯に対して水平方向の直流磁場を印加する直流磁場発生源を設ける。
これにより、連続鋳造装置の溶解炉内において、固液界面を掘り下げる溶湯の流れが直流磁場により制限され、固液界面が水平面状となり、大粒径の結晶組織が成長しやすくなる。これは、固液界面が凹面状から水平面状となることにより側面からの初晶がなくなり、大粒径の結晶が成長しやすくなるためである。すなわち、小粒径の結晶から大粒径の結晶となるためには、ある程度の結晶成長距離が必要であり、固液界面を水平面状にして結晶成長距離を確保することにより、一方向性の大粒径の結晶成長が可能となる。

また、本発明の鋳造装置は、前記直流磁場発生源は、前記溶解炉の外周の対向する位置にその両端が位置するように設けられた磁性体と、前記磁性体を励磁する励磁用コイルと、前記励磁用コイルに流す電流を可変に制御する直流電源制御部と、で構成されることを特徴とする。
上記構成からなる本発明の鋳造装置では、溶解炉の外周の対向する位置にその両端（磁極）が位置する磁性体を設ける。そして、この磁性体を励磁する励磁用コイルに流す電流を直流電源制御部により制御することにより、磁極間の磁束密度の強さを調整する。
これにより、溶解炉内において、固液界面を掘り下げる溶湯の流れが直流磁場により制限され、固液界面が水平面状となり、大粒径の結晶組織が成長しやすくなるという効果に加えて、被溶解材料の溶湯の性質等に応じて、磁極間の磁束密度の強さを好適に調整することができる。

また、本発明の鋳造装置は、前記誘導加熱コイルの下部側に、前記誘導加熱コイルにより生成される磁場を遮蔽する磁気遮蔽板を備えることを特徴とする。
上記構成からなる本発明の鋳造装置では、溶解炉において、誘導加熱コイルにより生成される磁場を磁気遮蔽板により遮蔽する。
これにより、溶解炉において、誘導加熱コイルにより生成される磁場が直流磁場に与える影響を少なくすることができる。

また、本発明の鋳造装置は、前記鋳造装置がコールドクルーシブル誘導溶解連続鋳造装置であることを特徴とする。
上記構成からなる本発明の鋳造装置では、コールドクルーシブル誘導溶解連続鋳造装置に本発明の溶解炉を使用するようにしたので、コールドクルーシブル誘導溶解連続鋳造装置の溶解炉内において、固液界面を掘り下げる溶湯の流れが直流磁場により制限され、固液界面が水平面状となり、大粒径の結晶組織が成長しやすくなる。

また、本発明の鋳造方法は、上部より導電性の被溶解材料を添加しつつ、前記被溶解材料を加熱して溶湯を形成する溶解炉を備えると共に、前記溶解炉の底板が昇降可能に構成され、前記底板を下降させることにより前記溶解炉内で溶解した金属を凝固させながら下方に引き抜き、金属鋳塊を得る連続鋳造装置における鋳造方法であって、前記溶解炉において、前記溶解炉の外周に巻回された誘導加熱コイルにより前記被溶解材料を誘導加熱して溶湯を形成する手順と、前記誘導加熱コイルの下部側であって前記誘導加熱コイルが巻回されていない溶解炉の外周領域から、前記溶湯に対して水平方向の直流磁場を印加する手順と、が行われることを特徴とする
上記手順を含む鋳造方法では、溶解炉内で溶解した金属を凝固させながら下方に引き抜き金属鋳塊を得る鋳造装置の溶解炉において、被溶解材料を誘導加熱コイルにより加熱して溶湯を形成すると共に、前記誘導加熱コイルの下部側の外周領域から、溶湯に対して水平方向の直流磁場を印加する。
これにより、溶解炉内において、固液界面を掘り下げる溶湯の流れが直流磁場により制限され、固液界面が水平面状となり、大粒径の結晶組織が成長しやすくなる。これは、固液界面が凹面状から水平面状となることにより側面からの初晶がなくなり、大粒径の結晶が成長しやすくなるためである。すなわち、小粒径の結晶から大粒径の結晶となるためには、ある程度の結晶成長距離が必要であり、固液界面を水平面状にして結晶成長距離を確保することにより、一方向性の大粒径の結晶成長が可能となる。

本発明によれば、溶解炉内において、固液界面を掘り下げる溶湯の流れが直流磁場により制限され、固液界面が水平面状となり、大粒径の結晶組織が成長しやすくなる。これは、固液界面が凹面状から水平面状となることにより側面からの初晶がなくなり、大粒径の結晶となるやすくなるためである。すなわち、小粒径の結晶から大粒径の結晶となるためには、ある程度の結晶成長距離が必要であり、固液界面を水平面状にして結晶成長距離を確保することにより、一方向性の大粒径の結晶成長が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る連続鋳造装置の構成を示す図である。図１に示す連続鋳造装置の溶解炉１０は、図６に示す従来技術の溶解炉１０Ａに対して、誘導加熱コイル１８の下側に、磁気遮蔽板２４と磁性体２１とを追加したものである。この磁性体２１は、溶解炉の外周の対向する位置に、その両端の磁極２１Ｎ（Ｎ極）、２１Ｓ（Ｓ極）が位置する。なお、磁気遮蔽板２４は金属板であり、誘導加熱コイル１８により生成される磁場を遮蔽し、磁性体２１により生成される直流磁場に影響を与えないようにするものである。

また、図２は、本発明の実施の形態に係る連続鋳造装置の概観斜視図を示しており、図に示すように、磁性体２１には、該磁性体２１を励磁するための励磁用コイル２２が設けられており、この励磁用コイル２２に流す電流Ｉは直流電源制御部２３により制御される。この直流電源制御部２３により励磁用コイル２２に流す電流Ｉの強さを制御することにより、磁極２１Ｎ、２１Ｓ間の直流磁場の強さを調整する。

なお、前述した直流磁場発生源は、磁性体２１と、励磁用コイル２２と、直流電源制御部２３とが相当する。

図３は、直流磁場による溶湯流の抑制作用について説明するための図である。図３に示されるように、溶解炉内に被溶解材料（溶解対象物）１３が投入されると、溶解炉内の溶解対象物は、誘導加熱コイル１８よって誘導加熱されて溶湯となる。溶湯は矢印Ａ、Ｂで示す状態で流れようとし、溶解炉内の中心部における溶湯流が速度ベクトルＶを持って下方向に流れようとする。

この場合に、磁性体２１は、その両端２１N 、２１Ｓ 間で、直流電源制御部２３から励磁用コイル２２に供給された電力に応じた直流磁場を発生させる。直流磁場は、速度ベクトルＶを持った溶湯流の下方向の流れに対して垂直な方向に作用する。このため、速度ベクトルＶを持つ溶湯流に対して、この流れを抑制する方向に電磁力ベクトルＦが作用し、溶湯流の流れが抑制される。その結果、矢印Ｂで示す溶湯流の流れが制限されて、固液界面が水平面に近づくようになる。

更に、詳しく、溶湯流の制限について図４を参照しつつ説明する。図４は、速度ベクトルＶを持った溶湯流の直流磁場内のふるまいについて説明するための図である。
以下、図４を参照して、溶湯内を流れる金属液体に働く電磁力ベクトルＦについて説明する。溶湯流の流速をベクトルＶ［ｍ／Ｓ］、溶湯流と直交している磁束密度をベクトルＢとすると、溶湯流は導電性流体だから磁場中では、
「電磁力ベクトルＦｏ＝ベクトルＪｏ×ベクトルＢ」、
を受ける。厳密には、ベクトルＪｏの値は流体方程式と電磁場方程式を連成させて解かねばならないが、一次近似として下記の式の導出のようにおける。

補足的に説明すると、図４に示す「コ」の字型の導線に直線状の導線Ｌが乗っているものとし、外部より、導線で囲まれた平面を垂直に鎖交する磁束密度Ｂを考える。直線状導線Ｌ内では、銅の金属結晶内の格子点に銅原子が配置され、その周囲に自由電子（伝導電子）が自由に動きまわっている。この場合、格子点の原子も電子も電荷を持っていて、速度Ｖと磁束密度Ｂにより、ローレンツ力（Ｊｏ×Ｂ）を受ける。しかし、電子のみが自由に動き回れることにより、電流Ｊとなる。

一方、導電性の溶湯を対象としているので、溶湯も＋電荷を持った原子核の周りに自由電子が動き回っていると考えられる。図４に当てはめると、直線状導線Ｌを溶湯流とおけて、＋電荷の原子と自由電子の構成と考えられる。溶湯流の場合は、＋電荷の原子は、格子点に束縛されていないが、質量がはるかに電子より重いので、ローレンツ力による電流Ｊには寄与せず、導線の場合と同様に電子のみを誘導電流Ｊとおくことができる。
よって、下記のような式の導出が可能となる。

上式から分かるように、溶湯流は溶湯流の速度ベクトルに比例して、流れと反対方向に力を受ける、よって、溶湯流の流速は、減速されて磁場の大きさに応じた速度となる。

このように、誘導加熱コイル１８の下方に磁極２１N、２１Ｓを置き、溶場内に水平方向の直流磁場を印加することにより、下方へ向かおうとする溶湯流を制動しようとする電磁力が働き、下方への流動が抑えられる。その結果、固液界面が掘り下げられることがなくなり、ほぼ水平面状の固液界面となる。

なお、本発明は、上述したコールドクルーシブル誘導溶解連続鋳造装置の溶解炉だけを対象とせず、側壁が耐火物のルツボにも適用することができる。耐火物のルツボでも誘導加熱コイルの領域をはずれたら、投入電力が放熱より少なくなり、凝固が始まる。この場合でも、コールドクルーシブル誘導溶解連続鋳造装置の場合と同じように下方に向かう流れにより、固液界面が凹面状となる現象は生じるので、本発明を適用することができる。

また、図５は、本発明による効果の例を示す図であり、インゴット（金属鋳塊）の右半分（中心軸に添って２分割した右半分）の断面図を示している。図５（Ａ）に示す従来例の場合の固液界面Ｍ１は凹面状であるのに対して、図５（Ｂ）に示す本発明の場合の固液界面Ｍ２は、ほぼ水平面に近づいていることが分かる。

以上説明したように、本発明の連続鋳造装置によれば、溶解炉内の溶湯に直流磁場を作用させて溶湯流を減速させることにより、固液界面を水平面に近づける。これにより、側面からの初晶が少なくなり、一方向性の大粒径の結晶を成長させることができる。すなわち、小粒径の結晶から大粒径の結晶となるためには、ある程度の結晶成長距離が必要であり、この結晶成長距離を確保することにより、一方向性の大粒径の結晶成長を可能としている。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の連続鋳造装置は、上述の図示例にのみ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内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明においては、溶湯の固液界面が凹面状から水平面状となるようにし、一方向性の大粒径の結晶成長を可能にする効果を奏するので、本発明は、連続鋳造装置等に有用である。

本発明の実施の形態に係る連続鋳造装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る連続鋳造装置の概観斜視図である。 直流磁界による溶湯流の抑制作用について説明するための図である。 速度ベクトルＶを持った溶湯流の直流磁場内のふるまいについて説明するための図である。 本発明による効果の例を示す図である。 従来のコールドクルーシブル誘導溶解連続鋳造装置の溶解炉の構成を示す図である。 従来の誘導加熱方式の溶解炉の他の例を示す図である。

符号の説明

１・・・底板、１０、１０Ａ・・・溶解炉、１２・・・引抜シャフト、１３・・・被溶解材料、１４・・・溶湯、１５・・・凝固相、１６・・・セグメント、１７・・・スリット、１８・・・誘導加熱コイル、２０・・・側壁、２１・・・磁性体、２１N、２１Ｓ・・・磁極、２２・・・励磁用コイル、２３・・・直流電源制御部、２４・・・磁気遮蔽板

Claims (5)

1. 上部より導電性の被溶解材料を添加しつつ、前記被溶解材料を加熱して溶湯を形成する溶解炉を備えると共に、前記溶解炉の底板が昇降可能に構成され、前記底板を下降させることにより前記溶解炉内で溶解した金属を凝固させながら下方に引き抜き、金属鋳塊を得る連続鋳造装置であって、
   前記溶解炉は、
   前記溶解炉の外周に巻回されると共に、前記被溶解材料を誘導加熱して溶湯を形成する誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルの下部側であって前記誘導加熱コイルが巻回されていない溶解炉の外周領域から、前記溶湯に対して水平方向の直流磁場を印加する直流磁場発生源と、
   を備えることを特徴とする連続鋳造装置。
2. 前記直流磁場発生源は、
   前記溶解炉の外周の対向する位置にその両端が位置するように設けられた磁性体と、
   前記磁性体を励磁する励磁用コイルと、
   前記励磁用コイルに流す電流を可変に制御する直流電源制御部と、
   で構成されることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造装置。
3. 前記誘導加熱コイルの下部側に、
   前記誘導加熱コイルにより生成される磁場を遮蔽する磁気遮蔽板を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の連続鋳造装置。
4. 前記鋳造装置がコールドクルーシブル誘導溶解連続鋳造装置であること
   を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の連続鋳造装置。
5. 上部より導電性の被溶解材料を添加しつつ、前記被溶解材料を加熱して溶湯を形成する溶解炉を備えると共に、前記溶解炉の底板が昇降可能に構成され、前記底板を下降させることにより前記溶解炉内で溶解した金属を凝固させながら下方に引き抜き、金属鋳塊を得る連続鋳造装置における鋳造方法であって、
   前記溶解炉において、
   前記溶解炉の外周に巻回された誘導加熱コイルにより前記被溶解材料を誘導加熱して溶湯を形成する手順と、
   前記誘導加熱コイルの下部側であって前記誘導加熱コイルが巻回されていない溶解炉の外周領域から、前記溶湯に対して水平方向の直流磁場を印加する手順と、
   が行われることを特徴とする鋳造方法。

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