JP5168591B2 - 連続鋳造用水冷鋳型及び鋳塊の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造用水冷鋳型及び鋳塊の製造方法に関し、更に詳しくは、矩形筒体状のグラファイト製のモールドを有する連続鋳造用水冷鋳型及びこの連続鋳造用水冷鋳型を用いた鋳塊の製造方法に関する。

金属の連続鋳造では、一般的に水冷鋳型を備えた連続鋳造機が用いられ、融点以上に加熱された金属の溶湯を冷却して鋳塊を連続的に鋳造する。
銅又は銅合金の連続鋳造では、融点（銅の融点は約１０８３℃）以上に加熱された銅又は銅合金の溶湯を短時間で連続的に凝固させる必要があるため、段階的な冷却がなされる。具体的には、銅又は銅合金の連続鋳造機は、溶湯状態（液体状態）の段階から初期の凝固段階で鋳塊（製品）の形状を決定するために冷却を行う水冷鋳型（鋳型冷却）と、結晶粒の大きさ・方向を制御するための２次冷却装置（２次冷却帯）と、更に、鋳造以降の鋳塊の引き抜き装置や切断装置での作業性の向上と負荷軽減のために、常温近くまで鋳塊表面温度を下げるための３次冷却装置（３次冷却帯）とを備えている。

鋳塊、特に矩形断面の鋳塊(一般にケークと呼ばれる)の品質は、外観上の欠陥の有無と、内部組織の健全性で評価される。
外観上の欠陥の有無も内部組織の健全性も、冷却のバランスと冷却の均一性の良否により左右されるところが大であり、特に純銅に他の元素を配合した銅合金では、配合する元素の種類及び濃度が増加するほど影響が顕著に現れる。
一部の鋳塊品種を除いては、凝固初期から凝固終了点までの冷却条件、つまり鋳型冷却から２次冷却帯までの冷却バランスと均一性の良否により、鋳塊品質が決定される。

銅連鋳用の鋳型では、鋳塊と直接接触する筒体状の鋳型の内周面が鋳型素材（主に銅合金）そのものの表面であるか、或いは図３に示すように筒体状の銅鋳型１１１の内周面に、めっき１１２を施したものが一般的である。
このような鋳型の場合、鋳型そのものが熱伝導性の高い素材を使用していることから溶湯が急激に冷却されてしまう。
急激な冷却は指向性の高い熱流を生むため、鋳型内面の微細な凹凸或いは鋳塊表面の状態等による接触度合いで抜熱方向が変化しやすい。このため、結晶粒の成長方向を連続的に均一に保つことが難しい。
また、急激な冷却は同時に大きな凝固収縮を伴うため、鋳型内面と鋳塊表面との間にエアーギャップが発生しやすい。このエアーギャップの発生は、熱伝導性を低下させることに繋がり溶湯の凝固が停滞してしまう。極端な場合、一旦凝固した凝固殻が未凝固の溶湯の熱により再溶解することで、結晶粒の成長が不均一となり、外観的にも鋳塊表面に波打ちが発生する。

このような急激な冷却を回避するために、図４に示すような、いわゆるグラファイト鋳型では、筒体状の銅又は銅合金のプロテクタ（バックアップ）１１３内に、グラファイトモールド１１４を嵌め込んだ構造をしている（例えば、特許文献１、３参照）。銅合金に比べグラファイトの熱伝導率は低いことから緩慢な冷却が可能となり、抜熱時の熱流方向は分散され、結晶粒の成長方向が鋳造方向に向かって均一となりやすい。

図５に、従来の水冷構造を有するグラファイト鋳型の横断面図を示す。
このグラファイト鋳型は、図５に示すように、矩形筒体状の銅又は銅合金のプロテクタ１０１を有し、プロテクタ１０１の内側に、矩形筒体状のグラファイトのモールド１０３
が嵌め込まれている。モールド１０３は、長辺側側壁１０３ａと短辺側側壁１０３ｂとからなる長方形横断面の筒体状である。モールド１０３の外周面は、プロテクタ１０１の内周面によって保持されている。プロテクタ１０１内には、モールド１０３を取り囲んで冷却水水路１０５が設けられており、冷却水水路１０５は、鋳造方向である鉛直方向に沿って配設されている。モールド１０３は損耗により交換される部品であるため、モールド１０３は、その短辺側側壁１０３ｂが、短辺の中心位置で鋳造方向に沿う分割線１０７で分割された２分割構造となっている。

水冷鋳型の冷却水水路は、図６に示す構造のものが一般的である（例えば、特許文献２、３参照）。すなわち、筒体状の水冷鋳型１２０内には、水冷鋳型１２０の内周面に沿って多数の冷却水水路１２２が配設されており、冷却水Ｗは水冷鋳型１２０の下部から供給され、水冷鋳型１２０内の冷却水水路１２２を上昇して、水冷鋳型１２０の上部から排出されるように構成されている。
また、従来、図７に示す構造の冷却水水路も知られている。図７に示す冷却水水路１２４は、図６の冷却水水路１２２と同様に、水冷鋳型１２０内を水冷鋳型１２０の内周面に沿って配設されているが、水冷鋳型１２０の下部で内方へと傾斜して、水冷鋳型１２０の下面に冷却水Ｗの排出口（噴出口）１２４ａが形成されている。冷却水Ｗは、水冷鋳型１２０の上部から供給され、水冷鋳型１２０内の冷却水水路１２４を下降して、水冷鋳型１２０下面の排出口１２４ａから噴出される。つまり、冷却水Ｗの排水が、水冷鋳型１２０から出た瞬間の鋳塊に直接に噴き付けられるようになっている。このため、鋳造の早い段階での強い冷却が可能となることから、高速鋳造に適している。

また、従来、２次冷却帯に設置される２次冷却器（２次冷却装置）には、図８、図９に示す構造のものがある。
図８の２次冷却器は、矩形筒体状ないし矩形環状であって、２次冷却器の矩形の周壁部２０１の内側を鋳塊が通過する際に冷却水Ｗが噴き付けられる。２次冷却器の周壁部２０１は矩形環状の中空構造となっており、周壁部２０１の外周壁２０２に接続された配管２０５から周壁部２０１内に冷却水Ｗが供給され、周壁部２０１の内周壁２０３に形成されたスリット（噴出口）２０４から冷却水Ｗが噴出される。スリット２０４は、内周壁２０３に周方向に沿って形成されている。周壁部２０１内には、バッファ板２０６が設けられており、配管２０５から流入する冷却水Ｗが直接的にスリット２０４に向かうことがないように、一旦、冷却水Ｗをバッファ板２０６に当ててからバッファ板２０６を迂回させ、スリット２０４から冷却水Ｗが均一に噴出されるようにしている。
図９の２次冷却器は、図８の２次冷却器の噴出口であるスリット２０４を多数の穴（噴出口）２０７に変更したものであり、その他の構成は図８の２次冷却器と同様である。穴２０７は、内周壁２０３に周方向に沿って適宜間隔を隔てて形成されており、２次冷却器の周壁部２０１の内側を鋳塊が通過する際に、冷却水Ｗが多数の穴２０７からシャワー状に噴き付けられる。

特開昭６３−２２０９４８号公報 特開平１−１４３７４２号公報 特開２００６−１３０５５２号公報

上記図５に示すグラファイト鋳型では、銅のプロテクタ１０１内にグラファイトのモールド１０３を嵌め込んだ構造であり、プロテクタ１０１によって、モールド１０３の外側への変形は抑えられるが、モールド１０３の内側への変形は抑えられない。
ところで、モールド１０３の内周側は凝固殻・溶湯がある高温側であり、モールド１０３の外周側は冷却水水路１０５を有するプロテクタ１０１がある低温側であって、モールド１０３の内周側と外周側とには温度差がある。この温度差に起因する熱応力によって、モールド１０３が内周側へと反り返り、鋳造中にプロテクタ１０１とモールド１０３との間にエアーギャップが発生することがある。殊に、モールド１０３の長辺側側壁１０３では、一辺の長さが長いことから、モールド１０３とプロテクタ１０１との間に熱応力によるエアーギャップが生じやすい。
このエアーギヤップの発生により凝固殻の成長は停滞し、その厚みが薄くなると凝固殻の強度が低下して溶湯の静水圧に負け、溶湯の静水圧によってモールド１０３が銅プロテクタ１０１側へ押し戻される。このモールド１０３の反りと反り戻しの現象が周期的に発生するため、鋳造方向で不均一な結晶粒の成長と鋳塊表面の欠陥を発生させてしまうという問題があった。

また、上記図７に示す構造の冷却水水路１２４では、水冷鋳型１２０を冷却した冷却水Ｗの排水が、水冷鋳型１２０から出た瞬間の鋳塊に直接に噴き付けられる。しかし、一般的には鋳型を出たばかりの鋳塊内部ではまだ未凝固部分が存在しており、鋳型での抜熱量と鋳造速度による鋳型への供給熱量のバランスとで未凝固部分の先端位置が変化する。
ところが、図７の冷却水水路１２４では、冷却水Ｗの排出口１２４ａの位置は水冷鋳型１２０の上下方向の長さによって決まることと、鋳塊に噴き付ける冷却水量が水冷鋳型１２０の冷却水水路１２４に流す冷却水Ｗの水量によって決まってしまうことから、高速鋳造が可能な反面、冷却条件の設定が難しく未凝固部分の急激な冷却に繋がってしまうために、凝固収縮による引っ張り応力の逃げ場が無くなって、鋳塊内部で割れが発生することがある。

本発明は、モールドとプロテクタとの間のエアーギャップの発生を抑制し、結晶粒が均一に成長した鋳塊を製造する連続鋳造用水冷鋳型及びこの連続鋳造用水冷鋳型を用いた鋳塊の製造方法を提供するものである。

本発明の第１の態様は、グラファイトからなり、矩形筒体状のモールドと、熱伝導性材料からなり、嵌め込まれた前記モールドの外周面を保持するプロテクタと、前記プロテクタに設けられた冷却水水路とを備え、前記モールドの上部に供給された金属溶湯を冷却して前記モールドの下方に鋳塊を連続的に鋳造する連続鋳造用水冷鋳型において、前記モールドの外周コーナー部が面取りされていると共に、前記外周コーナー部の面取りにより、前記モールドの外周コーナー部と前記プロテクタの内周コーナー部との間に隙間が形成されている連続鋳造用水冷鋳型である。

本発明の第２の態様は、第１の態様の連続鋳造用水冷鋳型において、矩形筒体状の前記モールドの長辺側側壁が、前記長辺側側壁の長辺方向の中間位置で、前記鋳塊を鋳造する方向に沿って分割されている連続鋳造用水冷鋳型である。

本発明の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様の連続鋳造用水冷鋳型において、前記冷却水水路は、前記モールドを冷却するモールド冷却用水路と、前記モールド冷却用水路とは別系統に設けられ、前記モールドから引き出された前記鋳塊に冷却水を噴出する噴出口を有する鋳塊冷却用水路とを有する連続鋳造用水冷鋳型である。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかの連続鋳造用水冷鋳型を用いて鋳塊を連続鋳造する鋳塊の製造方法である。

本発明によれば、モールドとプロテクタとの間のエアーギャップの発生を抑制でき、均一に結晶粒が成長した鋳塊が得られる。

本発明の一実施形態に係る連続鋳造用水冷鋳型を示す横断面である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 従来の銅鋳型の縦断面図である。 従来のグラファイト鋳型の縦断面図である。 従来の連続鋳造用水冷鋳型を示す横断面図ある。 従来の冷却鋳型における冷却水水路を示す縦断面図である。 従来の冷却鋳型における冷却水水路を示す縦断面図である。 従来の２次冷却器の縦断面図である。 従来の２次冷却器の縦断面図である。

本発明の一実施形態に係る連続鋳造用水冷鋳型を、図１、図２を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る連続鋳造用水冷鋳型の横断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。

本実施形態の連続鋳造用水冷鋳型は、熱伝導性材料、例えば銅又は銅合金からなる矩形筒体状のプロテクタ１と、グラファイトからなる矩形筒体状のモールド３と、プロテクタ１に設けられ冷却水Ｗが給排される冷却水水路として、モールド冷却用水路５および鋳塊冷却用水路８を備えている。
プロテクタ１の内側に、矩形筒体状のグラファイトのモールド３が嵌め込まれ、モールド３の外周面（側壁面）は、プロテクタ１の内周面によって保持されている。プロテクタ１の下部周壁１ａは内側に張り出して、このプロテクタ１の下部周壁１ａの上面にモールド３の下面が当接している。プロテクタ１の下部周壁１ａの内側の開口断面（内径）は、モールド３の内側の開口断面（内径）と略一致している。

モールド１０３は、長辺側側壁３ａと短辺側側壁３ｂとからなる長方形横断面の筒体状である。モールド３の長辺側側壁３ａと短辺側側壁３ｂとが交差する外周コーナー部（四隅）は、従来のような直角形状ではなく、面取りされて面取り部４が形成されている。この面取り部４の形成により、モールド３の外周コーナー部とプロテクタの内周コーナー部との間に隙間（空隙）９が形成されている。
図１に示すモールド３の外周コーナー部の面取り部４は、直線状のＣ面取りに近似した形状であるが、曲線状に例えばＲ面取り状としても、或いは、直線を複数組み合わせた折れ線状の面取り形状や、直線と曲線を組み合わせた面取り形状等でもよい。また、モールド３の外周コーナー部の面取りは、通常のコーナー部の損傷等を防止するための面取りとは異なり、モールド３の外周コーナー部の肉厚を薄くして、モールド３の長辺側側壁３ａ、短辺側側壁３ｂの曲げ強度を低減させることを主目的とするものであり、図示例の面取り部４より更にモールド３の内周側に窪んだような形状の面取りとしてもよい。また、図示例の面取り部４は、モールド３の上下方向（鋳造方向）に一定の横断面形状・寸法で面取りされているが、モールド３の上下方向（鋳造方向）で面取り部の横断面形状・寸法を変化させてもよい。
また、隙間９は、空気が満たされた空隙に限らず、プロテクタ１とは異なる材料、例えば、より熱伝導性の低い材料からなる粉体等を充填してもよい。
なお、図示するように、モールド３の内周コーナー部６は、直角形状ではなく、直線あるいは曲線で滑らかに接続された形状としている。

モールド１０３は、一対の長辺側側壁３ａが、長辺の中心位置で鋳造方向（上下方向）
に沿う分割線７で分割された２分割構造となっている。モールド３は使用により所定量の損耗を受けたときに、交換される。モールド１０３の長辺側側壁３ａでの分割位置は、長辺の中心位置に限らない。また、長辺側側壁３ａだけでなく、更に短辺側側壁３ｂも分割してもよい。更に、長辺側側壁３ａが、長辺方向の中間位置で、複数に分割されていてもよく、また分割線７は垂直な直線でなくて、斜めの直線等でもよい。

プロテクタ１に設けられる冷却水水路は、モールド３を冷却するモールド冷却用水路５と、モールドから引き出された鋳塊に冷却水Ｗを噴出する噴出口８ａを有する鋳塊冷却用水路８とからなる。
モールド冷却用水路５は、モールド３を取り囲んで、プロテクタ１内に設けられている。モールド冷却用水路５、プロテクタ１の内周面から同一距離の位置に、鋳造方向（上下方向）に平行に配置され、且つプロテクタの周方向に沿って等間隔に複数本配置されている。
また、鋳塊冷却用水路８は、モールド冷却用水路５とは別系統に設けられ、すなわち独立した水系統により任意に水量を制御できるように構成されている。鋳塊冷却用水路８は、プロテクタ１の下部（下部周壁１ａ）に形成され、プロテクタ１の下面に、プロテクタ１の内側方向に冷却水Ｗを噴出する噴出口８ａを有している。

上記の実施形態の連続鋳造用水冷鋳型を用いて鋳造する際には、モールド３の上部に金属溶湯を供給し、冷却された鋳塊をモールド３の下方に引き抜いて鋳塊を連続的に鋳造する。冷却水Ｗは、モールド冷却用水路５の下部から導入され、モールド冷却用水路５を上昇し、モールド冷却用水路５の上部からプロテクタ１の外部に排出される。モールド冷却用水路５を流れる水量は任意に制御され、モールド３を冷却する。また、鋳塊冷却用水路８に任意に水量が制御された冷却水Ｗが導入されて、鋳塊冷却用水路８の噴出口８ａより、プロテクタ１から出てきた鋳塊に直接冷却水Ｗが当てられる。

従来のグラファイト鋳型では、上述したように、熱応力によってグラファイトモールドが内周側へと反り返り、鋳造中に銅プロテクタとグラファイトモールドとの間にエアーギャップが発生する。このため、凝固時の結晶粒の成長が不均一となると共に、凝固停滞域では、特に合金の場合、偏析が発生してしまう問題があった。

これに対し、本実施形態では、グラファイトのモールド３の外周コーナー部分を面取りし、外周コーナー部のモールド３の肉厚を薄くすることで、モールド３の側壁３ａ、３ｂの曲げ強度を低下させ、特に長辺側側壁３ａのそり易さを高めた。このため、溶湯の静水圧によるモールド３のプロテクタ１への押し付け易さを向上させることができ、モールド３とプロテクタ１との密着性が高まり、均一な抜熱が行われることで、鋳塊の結晶粒の成長速度と方向が均一化される。
更に、モールド３を、短辺側側壁３ｂではなく長辺側側壁３ａで分割したことにより、長辺側側壁３ａのそり易さが向上し、静水圧の押し付け効果が高まる。
特に、純銅に他の元素を高濃度に配合した銅合金では、凝固停滞域において溶質成分の濃化が起こって偏析を誘発し、熱間加工での鋳塊割れや製品のカブリ欠陥の原因となるが、これを解消できる。

また、冷却水系統を、モールド冷却用水路５と鋳塊冷却用水路８とに分割して独立化することにより、鋳造条件（冷却条件）の設定の自由度が増し鋳塊組織の制御を容易にすることができる。更に、モールド冷却用水路５と鋳塊冷却用水路８との冷却系統の独立化により、鋳型冷却水量を減少させ鋳型での凝固殻の成長を抑えることが可能となる。

更に、グラファイトのモールド３による緩慢な冷却で結晶粒が微細化し、その結果として粒界強度が高まり熱間圧延での粒界割れを防止できる。また、モールド３の外周コーナ
ー部の面取りによって隙間（空隙など）９が発生するため、鋳型のコーナー部の冷却効果を緩慢にすることができる。ケーク鋳造においてコーナー部分は他の部分と比較して抜熱量が大きいために、常に過冷却ぎみになり外観的に鋳塊のシワが発生しやすいが、隙間９によって冷却効果を緩慢にすることで、鋳塊コーナーのシワを低減できる。

１ プロテクタ
３ モールド
３ａ 長辺側側壁
３ｂ 短辺側側壁
４ 面取り部
５ モールド冷却用水路
７ 分割線
８ 鋳塊冷却用水路
８ａ 噴出口
９ 隙間
Ｗ 冷却水

Claims (4)

1. グラファイトからなり、矩形筒体状のモールドと、熱伝導性材料からなり、嵌め込まれた前記モールドの外周面を保持するプロテクタと、前記プロテクタに設けられた冷却水水路とを備え、前記モールドの上部に供給された金属溶湯を冷却して前記モールドの下方に鋳塊を連続的に鋳造する連続鋳造用水冷鋳型において、
   前記モールドの外周コーナー部が面取りされていると共に、前記外周コーナー部の面取りにより、前記モールドの外周コーナー部と前記プロテクタの内周コーナー部との間に隙間が形成されていることを特徴とする連続鋳造用水冷鋳型。
2. 請求項１に記載の連続鋳造用水冷鋳型において、
   矩形筒体状の前記モールドの長辺側側壁が、前記長辺側側壁の長辺方向の中間位置で、前記鋳塊を鋳造する方向に沿って分割されていることを特徴とする連続鋳造用水冷鋳型。
3. 請求項１又は２に記載の連続鋳造用水冷鋳型において、
   前記冷却水水路は、
   前記モールドを冷却するモールド冷却用水路と、
   前記モールド冷却用水路とは別系統に設けられ、前記モールドから引き出された前記鋳塊に冷却水を噴出する噴出口を有する鋳塊冷却用水路と
   を有することを特徴とする連続鋳造用水冷鋳型。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の連続鋳造用水冷鋳型を用いて鋳塊を連続鋳造することを特徴とする鋳塊の製造方法。

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