JP4692114B2 - 連続鋳造用鋳型 - Google Patents

Description

本発明は、銅又は銅合金の連続鋳造機に用いられる連続鋳造用鋳型に関する。

従来、銅又は銅合金の連続鋳造においては、熱伝導性材料からなり筒状に形成されたモールドと、このモールドの内周面に接するように配置された黒鉛筒体とを有する連続鋳造用鋳型が広く使用されている。上記の連続鋳造用鋳型では、黒鉛筒体の一方の開口部が銅溶湯を供給する注湯口とされ、他方の開口部が凝固した鋳塊を製出する鋳塊製出口とされている。

上記のモールドは、熱伝導性と強度と加工性との観点から、銅又は銅合金等によって構成されている。このモールドには冷却水路が備えられており、冷却水路を流通する冷却水によってモールドが冷却される構造とされている。そして、このモールドの内周側部分、つまり銅溶湯や鋳塊が直接触れる部分に、銅溶湯との反応性が低いとともに固体潤滑性を有する黒鉛で構成された黒鉛筒体が配置されている。

上記の連続鋳造用鋳型では、注湯口から黒鉛筒体の内部に銅溶湯が注入され、冷却水によってモールドが冷却されるとともにこのモールドの内周面に配置された黒鉛筒体が冷却される。そして、黒鉛筒体内部の溶湯から熱が奪われ、黒鉛筒体の内周面に接する部分から凝固が開始し、鋳塊製出口側に向かうにしたがって凝固が内部に進行し、鋳塊製出口から鋳塊が連続的に製出されるものである。ここで、鋳型内の冷却状態は鋳塊の品質に大きな影響を与える因子であるため、これを制御する必要がある。

鋳型の冷却状態は、鋳型の熱通過率に大きく依存することになる。熱通過率は、単位面積及び単位時間当たりの熱通過量であり、熱の通過し易さを表す指標である。つまり、熱通過率が高い場合には、溶湯（高温側）から冷却水（低温側）への熱通過量が多くなるので冷却が強くなり凝固が進行することになる。この熱通過率は、溶湯と黒鉛筒体との間の熱伝達と、黒鉛筒体とモールドとの間の熱伝達と、冷却水とモールドとの間の熱伝達と、黒鉛筒体の熱伝導とモールドの熱伝導とによって決定されるものである。
一般に、鋳型の冷却状態を制御する場合には、冷却水の水量の調整によって冷却水とモールドとの熱伝達を変化させて熱通過率を制御しているが、その制御範囲は狭く冷却状態を十分に制御することができないものであった。

そこで、鋳型内の冷却状態を広い範囲で制御するために、特許文献１では、黒鉛筒体とモールドとの間に熱伝導率の低い断熱材を配備して熱通過率を低減させたものが提案されている。また、特許文献２では、黒鉛筒体とモールドとの間に均一な幅と深さを有する矩形の貫通孔を設けたものが提案されている。これらの連続鋳造用鋳型では、鋳型全体の熱通過率を低減したり、冷却が強い部分の熱通過率を抑えたりすることにより、鋳型の冷却状態を調整するものである。
特開平０２−１５１３４７号公報 特開平０６−２１８４９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された連続鋳造用鋳型では、黒鉛筒体とモールドとの間に断熱材を別途設置しているので、この断熱材を設置するために鋳型の製作に多くの労力と時間が必要となるといった問題があった。
また、鋳型を製作する際に断熱材を設置するために、鋳型製作作業のばらつきによって鋳型の熱通過率が変動してしまうといった問題があった。
また、特許文献１及び特許文献２に記載された連続鋳造用鋳型では、断熱材や貫通孔が注湯口から鋳塊製出口までの間に一様に配置されており、鋳塊の引き出し方向（黒鉛筒体の軸線方向）での熱通過率を制御できるものではなかった。

ここで、連続鋳造においては、凝固初期の冷却、つまり注湯口側での冷却が過剰となった場合には、注湯口側で急激に凝固収縮してエアーギャップが生じて冷却能が低下することにより、凝固開始直後の鋳塊表面が再溶解して、いわゆる発汗という現象が起こるといった問題があった。
また、鋳型内を鋳塊の引き出し方向（黒鉛筒体の軸線方向）に沿った断面で見た場合における固相と液相との境界線、いわゆるズンプ線が鋳型の注湯口側に位置し過ぎる場合には、鋳塊断面の周囲部に割れが生じ、ズンプ線が鋳型の鋳塊製出口側に位置し過ぎる場合には、鋳塊断面の中央部に割れが生じることが経験的に知られている。

例えば、縦型連続鋳造用鋳型では、鋳塊の凝固収縮を考慮して鋳型上部（注湯口側）から下部（鋳塊製出口側）にかけて縮径するようにテーパが付されており、鋳型中間部から下部にかけて凝固が進行するときに、一旦、型離れした鋳塊が再び鋳型に接触するようになる。このように再接触するときの熱通過量が過剰であるとズンプ線が上方に位置し過ぎるため鋳塊断面周囲部に割れが生じやすくなる。一方、再接触の際の熱通過率を抑制し過ぎると、ズンプ線が下方に位置し過ぎるため鋳塊断面中央部に割れが生じやすくなるのである。この現象はリン脱酸銅を始め、凝固時に固液共存域を有し、凝固収縮しやすい銅合金では特に顕著である。

上記のように、連続鋳造においては、鋳塊引き出し方向（黒鉛筒体の軸線方向）における冷却状態、つまり熱通過量を精度よく調整して上記ズンプ線の位置や形状を制御することが必要となる。したがって、連続鋳造に使用される連続鋳造用鋳型においては、黒鉛筒体の軸線方向でその熱通過率が調整でき、ズンプ形状を制御できる黒鉛鋳型が望まれていた。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、構造が簡単であり、鋳塊の引き出し方向（黒鉛筒体の軸線方向）において黒鉛筒体からモールドへの熱通過率を精度良く調整でき、鋳型内のズンプ形状を制御できる連続鋳造用鋳型を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の連続鋳造用鋳型は、熱伝導性材料からなり筒状に形成されたモールドと、該モールドの内周面に配置された黒鉛筒体とを有し、該黒鉛筒体の一方の開口部が銅溶湯を注入する注湯口とされ、他方の開口部が前記銅溶湯が凝固した鋳塊を製出する鋳塊製出口とされた銅又は銅合金の連続鋳造用鋳型であって、前記モールドは、熱伝導率の異なる２以上の分割ブロックを有し、該分割ブロックが前記注湯口から前記鋳塊製出口へ向けて層状に配置されており、前記分割ブロックが、銅又は銅とアルミニウムの２元合金とによって構成されており、前記分割ブロックの熱伝導率が前記アルミニウムの含有量によって調整され、前記アルミニウムの前記含有量が０％から４％の範囲内とされていることを特徴とする。

上記構成の連続鋳造用鋳型では、モールドが熱伝導率の異なる２以上の分割ブロックで構成され、この分割ブロックが注湯口から鋳塊製出口へ向けて、つまり鋳塊の引き出し方向において層状に配置されているので、鋳塊の引き出し方向における黒鉛筒体からモールドへの熱通過率を鋳型の設計段階で予め調整することができる。
また、アルミニウムの含有量が０％から４％の範囲内とされているので、添加されたアルミニウムはすべて銅に固溶するために、熱伝導率を精度良く調整することができ、所定の熱伝導率を有する分割ブロックを得ることができる。

請求項２に記載の連続鋳造用鋳型は、前記分割ブロックは、前記注湯口側から前記鋳塊製出口側へ向けて、熱伝導率が段階的に高くなるように配置されていることを特徴とする。この構成の連続鋳造用鋳型では、注湯口側に熱伝導率の低い分割ブロックが配置されているので、注湯口側での熱通過率を低くして凝固初期段階での冷却を抑えることができる。また、鋳塊製出口側に熱伝導率の高い分割ブロックが配置されているので、鋳塊製出口側での熱通過率を高くして鋳塊の凝固を促進することができる。

請求項１にかかる発明によれば、断熱材などの別途独立な部材を使用することなく熱通過率を調整できるので、鋳型製作時の労力と時間を大幅に低減できるとともに、鋳型製作作業のばらつきによる鋳塊の熱通過率の変動を防止することができる。
また、鋳塊の引き出し方向における黒鉛筒体からモールドへの熱通過率を任意に設定することができるので、鋳造する銅合金や鋳造条件に合わせて鋳型内のズンプ形状を予め予測して鋳型を設計でき、高品質の鋳塊を製出できる。
さらに、熱伝導率の異なる分割ブロックをアルミニウムの含有量を調整することで提供できるので、熱伝導率が精度良く調整された分割ブロックを層状に配置してモールドを構成して鋳塊の引き出し方向における黒鉛筒体からモールドへの熱通過率を任意に設定でき、ズンプ線の位置や形状を精度良く制御することができる。
また、アルミニウムの含有量が４％以下とされているので、添加されたＡｌはすべてＣｕに固溶され、熱伝導率を精度良く調整することができるとともに、融点が大きく低下せず耐熱性が劣化することがない。
ここで、アルミニウムは、銅に添加された際の熱伝導率の変化が比較的大きいので、熱伝導率の調整が簡単に行うことができる。

請求項２にかかる発明によれば、凝固初期段階での冷却を抑えることができるので、注湯口側でのエアーギャップの発生を抑制でき、凝固開始直後の鋳塊表面が再溶解していわゆる発汗という現象が起こることを防止できる。
また、型離れした鋳塊が再び鋳型に接触する鋳塊製出口側の部分の分割ブロックの熱伝導率を適正な範囲のものとすることにより、ズンプ線の位置を調整でき、鋳塊断面周囲部や鋳塊断面中央部に割れが発生することを防止できる。

このように、本発明の連続鋳造用鋳型によれば、構造が簡単であり、鋳塊の引き出し方向において黒鉛筒体からモールドへの熱通過率を調整でき、鋳型内のズンプ形状を制御できる連続鋳造用鋳型を提供することができる。

本発明の第１の実施形態について明細書に添付した図面を参照して説明する。図１、図２に第１の実施形態である連続鋳造用鋳型を示す。
連続鋳造用鋳型１０は、概略円筒状に形成されたモールド２０と、モールド２０がなす円筒の内部に配置された黒鉛筒体３０とを有し、その上面と下面とが開口された形状とされている。

モールド２０は、軸線Ｌを中心とした円筒状に形成されており、その円筒の径方向の厚みは、円周方向で一定あるとともに軸線Ｌ方向にも一定である。モールド２０の内周面は平滑な面に形成されており、モールド２０の外周側には、冷却水が流通される冷却水路２１が形成されている。この冷却水路２１の一端側には冷却水が供給される給水口２２が形成され、他端側にはモールド２０の下方からモールド２０がなす円筒の径方向内側に向けて開口された排水口２３が形成されている。

そして、このモールド２０は、熱伝導率の異なる２つの分割ブロックが層状に配置されて構成されており、上方に配置された上部ブロック２４と下方に配置された下部ブロック２５とを有する。ここで、上部ブロック２４は、例えばＣｕ−４％Ａｌ合金で構成され、その熱伝導率は約８０Ｗ／ｍ・Ｋとされている。また、下部ブロック２５は、例えば無酸素銅によって構成され、その熱伝導率は約３９０Ｗ／ｍ・Ｋとされている。

黒鉛筒体３０は、軸線Ｍを中心とした円筒状に形成されている。黒鉛筒体３０がなす円筒の径方向の厚みは、円周方向では一定であり、軸線Ｍ方向では下方に向かうに従い厚くなるように形成されており、黒鉛筒体３０の外周面は軸線Ｍと平行に延びるように形成されている。つまり、黒鉛筒体３０の内周面は下方に向かうにしたがい縮径するテーパ面とされているのである。

黒鉛筒体３０が、モールド２０がなす円筒の内部に嵌入されて焼き嵌めすることにより、モールド２０の内周面と黒鉛筒体３０の外周面とが密着され、軸線Ｌ、Ｍが一致するように、つまり同心円状になるようにしてモールド２０と黒鉛筒体３０とが配置される。ここで、黒鉛筒体３０の上方の開口部が注湯口１１とされ、黒鉛筒体３０の下方の開口部が鋳塊製出口１２とされる。

上記の連続鋳造用鋳型１０は、連続鋳造機（図示略）に固定され、モールド２０の冷却水路２１の給水口２２に冷却水用配管（図示略）が接続される。この給水口２２から冷却水路２１内に冷却水が供給され、モールド２０を冷却して排水口２３から排出される。また、黒鉛筒体３０の下方の鋳塊製出口１２に、移動底部（図示略）が挿入されることにより黒鉛筒体３０に底部が形成される。つまり、黒鉛筒体３０の内周面と移動底部とによって、円柱状の空間が形成されるのである。

銅溶湯は、連続鋳造用鋳型１０の上方に設けられたタンディシュ（図示略）から注湯口１１を介して黒鉛筒体３０の内部へ供給される。黒鉛筒体３０には移動底部が挿入されているので、黒鉛筒体３０のなす筒体の内部に供給された溶湯は鋳塊製出口１２から漏れることなく黒鉛筒体３０の内部に貯留され、黒鉛筒体３０の内周面より冷却されて凝固が開始する。

移動底部付近の溶湯が凝固した時点で、移動底部を下方に移動させ鋳塊製出口１２より引き出すことにより、黒鉛筒体３０の下方側には鋳塊が形成され、黒鉛筒体３０上方側には溶湯が存在する状態となる。この黒鉛筒体３０の下方側に形成された鋳塊が移動底部の役割をして、黒鉛筒体３０内部の溶湯が鋳塊製出口１２から漏れることなく黒鉛筒体３０の内部に貯留される。
凝固して得られた鋳塊が鋳塊製出口１２より連続的あるいは間欠的に引き出され、モールド２０の排水口２３から排出される冷却水が鋳塊の表面に直接当てられ鋳塊の冷却が行われる。

この構成の連続鋳造用鋳型１０では、モールド２０が上部ブロック２４と下部ブロック２５とを有しており、注湯口１１側に配置された上部ブロック２４の熱伝導率が約８０Ｗ／ｍ・Ｋと低くされているので、注湯口１１側、つまり凝固初期段階での冷却が抑えられ、鋳塊の急激な凝固収縮がなくエアーギャップの発生が抑制される。よって、凝固開始直後の鋳塊表面が再溶解するいわゆる発汗という現象が起こることを防止できる。
また、鋳塊製出口１２側の下部ブロック２５の熱伝導率が約３９０Ｗ／ｍ・Ｋと高くされているので、凝固終了段階での冷却が促進されてズンプ線が下方に位置し過ぎることがなく、鋳塊内部割れの発生を防止できる。

また、鋳塊引き出し方向における熱通過率をモールド２０の熱伝導率を変化させることで制御でき、連続鋳造用鋳型１０内での凝固の開始位置やズンプ形状を精度よく制御できるので、高品質な鋳塊を得ることができる。
また、断熱材等の別途独立の部材を設けることなく連続鋳造用鋳型１０の熱通過率を低減できるので、連続鋳造用鋳型１０の製作に係る労力と時間を節約できるとともに、連続鋳造用鋳型１０の製作作業のばらつきによって連続鋳造用鋳型１０の熱通過率が変動することを防止できる。

また、本実施形態では、黒鉛筒体３０の内周面が下方に向かうにしたがい縮径するテーパ面とされているので、鋳塊が凝固収縮した場合でも、黒鉛筒体３０の内周面と鋳塊との間にエアーギャップが生じにくく、連続鋳造用鋳型１０内で鋳塊内部まで確実に冷却することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３に第２の実施形態である連続鋳造用鋳型４０を示す
この第２の実施形態においては、モールド２０は、熱伝導率の異なる３つの分割ブロックが層状に配置されており、最も上部に配置された第１ブロック４１と中間に配置された第２ブロック４２と、最も下部に配置された第３ブロック４３とを有する。ここで、第１ブロック４１は、例えばＣｕ−３％Ａｌ合金で構成され、その熱伝導率は約１００Ｗ／ｍ・Ｋとされている。また、第２ブロック４２は、例えばＣｕ−２％Ａｌ合金で構成され、その熱伝導率は約１２０Ｗ／ｍ・Ｋとされている。また、第３ブロック４３は、例えばＣｕ−１％Ａｌ合金で構成され、その熱伝導率は約１６０Ｗ／ｍ・Ｋとされている。

この構成の連続鋳造用鋳型４０では、鋳塊引き出し方向に３段階の熱伝導率の異なる分割ブロックが配置されているので、鋳塊引き出し方向における熱通過率をさらに細かく調整でき、連続鋳造用鋳型４０内のズンプ形状をさらに精度良く制御することができる。
さらに、熱伝導率が段階的に変化するように構成されており、冷却が鋳塊製出側に向かうにしたがって徐々に強くなっていくので、冷却の急激な変化がなく、高品質の鋳塊を製出することができる。

なお、本実施の形態においては、黒鉛筒体及びモールドを円筒形状として説明したが、これに限定されることはなく、例えば、断面長方形の筒体であって、断面長方形の鋳塊を製出する黒鉛鋳型であってもよい。

また、モールドをＣｕ−Ａｌの２元合金として説明したが、他の熱伝導性材料であっても良く、例えば、Ｃｕ―Ｚｎ合金やＣｕ−Ｎｉ合金やＣｕ−Ｓｎ合金等のＣｕに固溶する固溶型合金であれば熱伝導率を簡単に調整できるので好ましい。

本発明の第１の実施形態である連続鋳造用鋳型の断面図である。 本発明の第１の実施形態である連続鋳造用鋳型の上面図である。 本発明の第２の実施形態である連続鋳造用鋳型の断面図である。

符号の説明

１０ 連続鋳造用鋳型
１１ 注湯口
１２ 鋳塊製出口
２１ モールド
２４ 上部ブロック（分割ブロック）
２５ 下部ブロック（分割ブロック）
２６ 第１ブロック（分割ブロック）
２７ 第２ブロック（分割ブロック）
２８ 第３ブロック（分割ブロック）
３０ 黒鉛筒体

Claims (2)

1. 熱伝導性材料からなり筒状に形成されたモールドと、該モールドの内周面に配置された黒鉛筒体とを有し、該黒鉛筒体の一方の開口部が銅溶湯を注入する注湯口とされ、他方の開口部が前記銅溶湯が凝固した鋳塊を製出する鋳塊製出口とされた銅又は銅合金の連続鋳造用鋳型であって、
   前記モールドは、熱伝導率の異なる２以上の分割ブロックを有し、該分割ブロックが前記注湯口から前記鋳塊製出口へ向けて層状に配置されており、
   前記分割ブロックが、銅又は銅とアルミニウムの２元合金とによって構成されており、前記分割ブロックの熱伝導率が前記アルミニウムの含有量によって調整され、前記アルミニウムの前記含有量が０％から４％の範囲内とされていることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
2. 前記分割ブロックは、前記注湯口側から前記鋳塊製出口側へ向けて、熱伝導率が段階的に高くなるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造用鋳型。

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