JP5180876B2 - 連続鋳造用鋳型 - Google Patents

Description

本発明は、鋳片を製造するために使用する連続鋳造用鋳型に関する。

従来、上下方向に貫通する空間部が形成された冷却部材を有する連続鋳造用鋳型（以下、単に鋳型ともいう）を使用し、空間部に溶鋼を供給して冷却しながら鋳片を製造している。
この鋳型には、例えば、特許文献１に開示された鋳型の鋳造方向に渡って１つのテーパ（傾斜面）で形成される単一テーパ（シングルテーパともいう）の鋳型や、傾斜角度の異なる２つのテーパで形成される２段テーパの鋳型等がある。
しかし、溶鋼の凝固過程においては、凝固収縮が発生するため、鋳片の引き抜き方向へ向けて、鋳型内面と溶鋼の鋳型接触面側に形成される凝固シェルとの間に隙間が生じ、鋳片のコーナー部の冷却効率が他の部分よりも低下して、凝固遅れが発生していた。
そこで、特許文献２のように、鋳型内面（溶鋼接触面側）の形状を、鋳片の凝固プロフィールに対応させた形状、即ちマルチテーパとした鋳型が提案されていた。

特開２００１−７９６５０号公報 特開２００８−４９３８５号公報

しかしながら、溶鋼接触面側の形状をマルチテーパとした鋳型は、鋳型コーナー部での鋳片の凝固遅れを抑制、更には防止できるものの、溶鋼接触面側の鋳造方向全体に渡って、少しずつ異なる寸法の形状加工を施す必要があった。このため、加工がしずらく、作業性が悪くなると共に、製造コストの上昇を招き不経済であった。
また、溶鋼の鋳型接触面側の形状を決定するに際しては、複雑な計算式を用いる必要があり、これで算出された数値に基づいて形状加工を行うため、加工が複雑となり、製造コストの上昇を招いていた。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、加工を容易にでき、製造時の作業性を良好にできると共に製造コストの低減が図れ、しかも、鋳型コーナー部での鋳片の凝固遅れを抑制して、良好な品質の鋳片を製造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、上下方向に貫通した空間部を形成する冷却部材を有し、該空間部に溶鋼を供給して冷却しながら鋳片を製造する連続鋳造用鋳型において、
前記冷却部材の上下方向の長さは６００ｍｍ以上１２００ｍｍ以下であり、前記冷却部材の溶鋼接触面側に、前記溶鋼の湯面位置を上位置とし、該上位置から下方へ３００ｍｍ以上を下位置とする前記空間部側へ張り出す膨出部を設け、該膨出部の縦断面を、前記上位置から前記下位置まで３つ以上６つ以下の連続する直線部で構成し、しかも前記隣り合う直線部のなす角θを、１７４度以上１７９．９７度以下の範囲内とし、前記上位置と前記下位置を結ぶ直線を底辺とする前記膨出部の最大高さｈを０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内とした。

本発明に係る連続鋳造用鋳型において、前記冷却部材の前記上位置より上側の縦断面を、前記膨出部を構成する最上の前記直線部を延長して形成することが好ましい。
本発明に係る連続鋳造用鋳型において、前記隣り合う直線部の連接箇所は、前記冷却部材の上下方向に均等な間隔で設けられ、前記隣り合う直線部のなす角θは、同一角度であることが好ましい。

本発明に係る連続鋳造用鋳型において、前記冷却部材は、間隔を有して対向配置された一対の短辺と、該短辺を幅方向両側から挟み込んだ状態で対向配置された一対の長辺とで構成され、前記一対の短辺及び前記一対の長辺のいずれか一方又は双方に、前記膨出部を設けることが好ましい。
本発明に係る連続鋳造用鋳型において、前記冷却部材はチューブ状であることが好ましい。
本発明に係る連続鋳造用鋳型において、前記冷却部材の溶鋼接触面側には、コーティング層が形成されていることが好ましい。

本発明に係る連続鋳造用鋳型は、冷却部材の溶鋼接触面側に、溶鋼の湯面位置を上位置とし、上位置から下方へ３００ｍｍ以上を下位置とする空間部側へ張り出す膨出部を設け、この膨出部の縦断面を、上位置から下位置まで３つ以上６つ以下の連続する直線部で構成し、しかも隣り合う直線部のなす角θを、１７４度以上１７９．９７度以下の範囲内とし、上位置と下位置を結ぶ直線を底辺とする膨出部の最大高さｈを０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内とするので、冷却部材の溶鋼接触面側の形状を、鋳片の凝固プロフィールに対応させた形状に近づけると共に、簡単な形状にできる。
これにより、加工を容易にでき、製造時の作業性を良好にできると共に製造コストの低減が図れ、しかも、鋳型コーナー部での鋳片の凝固遅れを抑制して、良好な品質の鋳片を製造できる。

また、冷却部材の上位置より上側の縦断面を、膨出部を構成する最上の直線部を延長して形成する場合、冷却部材の溶鋼接触面側の形状を簡単にでき、製造コストの更なる低減が図れる。
そして、隣り合う直線部の連接箇所を、冷却部材の上下方向に均等な間隔で設け、隣り合う直線部のなす角θを、同一角度とする場合、膨出部の形状を更に簡単にでき、鋳型の製造を更に容易にできる。

本発明の一実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の長辺の縦断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ第１、第２の変形例に係る連続鋳造用鋳型の長辺の縦断面図である。

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。
図１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）１０は、上下方向（鋳造方向）に貫通した空間部１１を形成する冷却部材１２を有し、空間部１１に溶鋼１３を供給して冷却しながらスラブ（鋳片の一例）を製造する鋳型であり、冷却部材１２の溶鋼接触面１４側には、空間部１１側へ張り出す膨出部１５を設けている。なお、膨出部１５の空間部１１側への張り出し量は僅かであるが、説明の便宜上、図１、図２（Ａ）、（Ｂ）においては、誇張して示している。以下、詳しく説明する。

冷却部材１２は、間隔を有して対向配置された図示しない一対の短辺（短片ともいう）と、この短辺を幅方向両側から挟み込んだ状態で対向配置された一対の長辺１６（長片ともいう）とで構成された従来公知のものである。この短辺及び長辺１６の裏面側には、複数のボルト（締結手段）によってバックプレート（支持部材）がそれぞれ固定され、短辺及び長辺１６の裏面側の上下方向に設けられた多数の導水溝に冷却水を流すことで、短辺及び長辺１６の冷却を行うと共に溶鋼の冷却を行って鋳片を製造できる。

短辺は、例えば、幅が５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下程度（一対の長辺１６の間隔と等しい）、上下方向の長さが６００ｍｍ以上１２００ｍｍ以下程度である。また、長辺１６は、対向配置される一対の短辺の間隔を、６００ｍｍ以上３０００ｍｍ以下の範囲で変更可能とすることのできる幅を有し、上下方向の長さは短辺と同程度である。なお、短辺と長辺１６は、銅又は銅合金で構成されている。
これにより、例えば、幅が６００ｍｍ以上３０００ｍｍ以下程度、厚みが５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下程度のスラブを製造できる。

冷却部材１２を構成する一対の短辺及び一対の長辺１６の双方の溶鋼接触面１４側（即ち、冷却部材１２の内面側）に、その幅方向に渡って、溶鋼１３の湯面位置（メニスカス位置）を上位置Ｐ１とし、上位置Ｐ１から下方へ３００ｍｍ以上の位置を下位置Ｐ２とする空間部１１側へ張り出す膨出部１５が設けられている。この湯面位置は、長辺１６（短辺も同様）の上端位置を基点として、下方へ５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の範囲内（ここでは、１００ｍｍ程度）にある。
なお、膨出部１５は、一対の短辺及び一対の長辺のいずれか一方に設けてもよい。

ここで、膨出部１５の上位置Ｐ１を、湯面位置としたのは、溶鋼の冷却の起点位置だからである。また、膨出部１５の下位置Ｐ２を、上位置Ｐ１から下方へ３００ｍｍ以上の位置としたのは、溶鋼の鋳型接触面側に形成される凝固シェルと鋳型内面との間に隙間が生じる範囲が、この範囲内であることによる。
以上のことから、膨出部１５の形成位置を、溶鋼の湯面位置を上位置Ｐ１とし、上位置Ｐ１から下方へ３００ｍｍ以上の下位置Ｐ２までとしたが、下位置Ｐ２を、上位置Ｐ１から下方へ５００ｍｍ以上の位置、更には短辺及び長辺１６の下端位置とすることが好ましい。
なお、図２（Ａ）に示す長辺１７は、膨出部１８の形成位置を、溶鋼の湯面位置を上位置Ｐ１とし、上位置Ｐ１から下方へ３００ｍｍ以上の下位置Ｐ２までとし、図２（Ｂ）に示す長辺１９は、膨出部２０の形成位置を、溶鋼の湯面位置を上位置Ｐ１とし、下位置Ｐ２を長辺１９の下端位置としている。

膨出部１５の縦断面の溶鋼接触面１４側の輪郭線は、上位置Ｐ１から下位置Ｐ２まで３つ以上８つ以下（本実施の形態では、３つ）の連続する直線部Ｌ１〜Ｌ３で構成されており、長辺１６の溶鋼接触面１４が、傾斜角度の異なる３段以上８段以下の傾斜面で構成されている。
ここで、膨出部を構成する直線部が３つ未満（２つ以下）の場合、直線部の数が少な過ぎて、膨出部の縦断面形状が、部分的に突出する極端な形状となり、鋳片との接触抵抗が大きくなって、膨出部に摩耗損傷が発生し易くなる。一方、直線部の数が８つを超える（９つ以上）場合、直線部の数が多過ぎて、膨出部の加工が複雑となり、製造コストの増大を招く。
以上のことから、膨出部１５を、３つ以上８つ以下の直線部Ｌ１〜Ｌ３で構成したが、下限を４つとすることが好ましく、また上限を６つとすることが好ましい。なお、図２（Ａ）に示す長辺１７は、膨出部１８を、３つの直線部Ｍ１〜Ｍ３で構成し、図２（Ｂ）に示す長辺１９は、膨出部２０を４つの直線部Ｎ１〜Ｎ４で構成している。

なお、長辺１６（短辺も同様）の溶鋼接触面１４側であって、長辺１６の上位置Ｐ１より上側の縦断面は、膨出部１５を構成する最上の直線部Ｌ１を延長して形成されている。
この上位置Ｐ１より上側の縦断面は、図２（Ａ）に示すように、長辺１７（短辺も同様）の溶鋼接触面側であって、長辺１７の上位置Ｐ１より上側の縦断面を、膨出部１８を構成する最上の直線部Ｍ１を延長して形成することなく、長辺１７の裏面側と平行な垂直状態（傾斜角度０度）にしてもよい。

直線部Ｌ１〜Ｌ３については、最上の直線部Ｌ１と、この直線部Ｌ１に隣接する上から２番目の直線部Ｌ２のなす角θ１、この直線部Ｌ２と上から３番目の直線部Ｌ３のなす角θ２を、それぞれ１７４度以上１７９．９７度以下の範囲内としている。なお、各角θ１、θ２は、同一角度であるが、異なる角度にしてもよい。
ここで、隣り合う直線部のなす角θが１７４度未満の場合、膨出部の側断面視した形状が、部分的に突出する極端な形状となり、鋳片との接触抵抗が大きくなって、膨出部に摩耗損傷が発生し易くなる。一方、隣り合う直線部のなす角θが１７９．９７度を超える場合、直線部の数が多くなって膨出部の加工が複雑となり、製造コストの増大を招く。
以上のことから、隣り合う直線部Ｌ１〜Ｌ３のなす角θ１、θ２を、それぞれ１７４度以上１７９．９７度以下の範囲内としたが、下限を１７８．０度、更には１７９．０度とすることが好ましく、上限を１７９．９０度とすることが好ましい。

上記した最上の直線部Ｌ１と次の直線部Ｌ２の連接箇所Ｘ１と、直線部Ｌ２と次の直線部Ｌ３の連接箇所Ｘ２と、下位置Ｐ２は、長辺１６（短辺も同様）の上端位置から、長辺１６の上下方向に異なる間隔Ｓ１〜Ｓ３で設けられている。また、図２（Ｂ）に示す長辺１９も、直線部Ｎ１と直線部Ｎ２の連接箇所Ｙ１と、直線部Ｎ２と直線部Ｎ３の連接箇所Ｙ２と、直線部Ｎ３と直線部Ｎ４の連接箇所Ｙ３と、下位置Ｐ２とを、長辺１９の上下方向で異なる間隔Ｔ１〜Ｔ４で設けている。
なお、各連接箇所Ｘ１、Ｘ２と下位置Ｐ２は、長辺１６（短辺も同様）の上下方向の一部又は全部について、均等な間隔で設けてもよい。ここで、均等な間隔Ｓとは、各間隔の平均値に対して、±２０％（好ましくは±５％）の範囲内で、各間隔が異なる場合も含む。

図１に示すように、上位置Ｐ１と下位置Ｐ２を結ぶ直線Ｌ４を底辺とする膨出部１５の最大高さｈ（ここでは、上から１番目の直線部Ｌ１と２番目の直線部Ｌ２との連接箇所Ｘ１の高さ）を、０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内としている。
ここで、最大高さｈが０．２ｍｍ未満の場合、膨出部の空間部側への張り出し量が小さ過ぎて、膨出部の表面形状がスラブの凝固収縮に追従できず、膨出部の表面と溶鋼の鋳型接触面側に形成される凝固シェルとの間に隙間が生じる。一方、最大高さｈが５ｍｍを超える場合、膨出部の縦断面が、部分的に突出する極端な形状となり、鋳片との接触抵抗が大きくなって、膨出部に摩耗損傷が発生し易くなる。
以上のことから、膨出部１５の最大高さｈを０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内としたが、下限を０．５ｍｍ、更には０．５５ｍｍとすることが好ましく、上限を２．５ｍｍ、更には２．２ｍｍとすることが好ましい。

以上に示した膨出部の形成位置、膨出部を構成する直線部の数、隣り合う直線部のなす角θ、及び膨出部の最大高さｈは、以下に示す条件を考慮したり、また実際に測定した結果を基にして、３次元のスラブの凝固収縮及び鋳型の熱変形を考慮したＦＥＭ解析（有限要素法を用いた解析）により、前記した範囲内で決定するのがよい。
１）スラブの形状、スラブのサイズ、又は鋳込み条件（例えば、鋳込み温度、引き抜き速度、鋳型冷却条件等）。
２）鋳込み鋼種の成分に由来する物理量（例えば、液相温度、固相温度、変態温度、線膨張率、剛性値等）。
３）鋳型とスラブ間の接触熱移動量（スラブの収縮量は、この量に大きく影響される）。
この接触熱移動量については、特開２００８−４９３８５号公報に開示されているため、その詳細内容については省略する。

短辺及び長辺１６の溶鋼接触面１４側には、例えば、溶射によりコーティング層が形成されている。
溶射を行うコーティング層は、同一種類の成分を、短辺及び長辺１６に使用する銅板（又は銅合金板、以下同様）の表面全体に渡って形成してもよく、また、複数種類の成分を、銅板の上下方向の異なる領域に、各成分の機能に応じてそれぞれ形成してもよい。
以上に示した短辺及び長辺１６は、銅板を、前記した形状に従来公知の機械加工を行って加工した後、その表面にコーティング層を形成し、必要に応じて更に仕上げ加工を行う。
このコーティング層としては、機械加工した短辺及び長辺１６の表面に溶射を行った後に、熱処理して使用するヒュージングタイプのものと、熱処理することなく使用するヒュージングレスタイプのものがある。

ヒュージングタイプの材料には、Ｎｉ又はＣｏをベースとしたＣｒ−Ｓｉ−Ｂ系の合金を使用でき、必要に応じてこれにサーメットを添加したものを使用できる。
また、ヒュージングレスタイプの材料には、Ｃｏ、Ｎｉ、又はこれらの合金に、ＷＣ（タングステンカーバイト）等の炭化物系、ＴｉＮ等の窒化物系、及びＣｒＢ等の硼化物系のいずれか１又は２以上を添加したものを使用できる。
なお、短辺と長辺には、上記したいずれのタイプの材料を適用することもできるが、熱処理が終了した後の銅板の形状変化を考慮すれば、短辺にヒュージングタイプの材料を、長辺にヒュージングレスタイプの材料を、それぞれ適用することが好ましい。
なお、コーティング層はめっきでもよい。このめっきの材料としては、例えば、Ｃｏ−ＮｉのようなＣｏ合金、Ｎｉ−ＦｅのようなＮｉ合金、又はＮｉを使用できる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
ここでは、膨出部の形成範囲、膨出部の縦断面を構成する連続する直線部の数、隣り合う直線部のなす角θ、及び膨出部の最大高さｈを、表１に示す条件に調整した長辺を備える鋳型を使用し、幅１２００ｍｍ、厚み２５０ｍｍのスラブを、鋳造速度１．４ｍ／分で鋳造した結果について示す。

表１の実施例１〜５に示すように、膨出部の形成範囲、直線部の数、なす角θ、及び最大高さｈを、前記した本発明の最適範囲とすることで、良好な品質のスラブを製造できた（評価：○）。
一方、比較例１のように、最大高さｈが前記した本発明の最適範囲を外れた場合（５ｍｍ超）、また、比較例２のように、直線部の数、なす角θ、及び最大高さｈが、いずれも前記した本発明の最適範囲を外れた場合（直線部の数：３未満、なす角θ：１７４度未満、最大高さｈ：５ｍｍ超）は、いずれも凝固遅れが発生して、スラブの品質が悪くなっていた（評価：×）

特に、長辺の形状を、実施例１、４、５のように、直線部の数を３つとしたテーパとすることで、マルチテーパにした場合と比較して、その加工コストを１／３程度に抑制できた。これは、直線部の数を３つとした溶射コーティング付きの短辺の加工は、溶鋼接触面側の研磨を３回行えばよいが、マルチテーパにする場合、ボールエンドミルでのマシニング加工が必要となることによる。
以上の結果から、本発明の連続鋳造用鋳型を使用することで、加工を容易にでき、製造時の作業性を良好にし、製造コストの低減が図れ、鋳片の凝固遅れを抑制して、良好な品質の鋳片を製造できることを確認できた。

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、冷却部材として、一対の短辺と一対の長辺とで構成される４つ組みしたものについて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ビレット（例えば、幅及び厚みが１００〜２００ｍｍ程度）又はブルーム（例えば、幅及び厚みが２００〜４００ｍｍ程度）を製造するチューブ状のものでもよい。従って、鋳型の構成についても、スラブとは形状と寸法の異なる他の鋳片、例えば、上記したビレットやブルーム、又はビームブランク（Ｈ型鋼用に使用）を製造する鋳型、更には、鍛造又は鍛造した銅ブロックに導水孔を穿孔したブロック鋳型に、本願発明を適用することも勿論可能である。

１０：連続鋳造用鋳型、１１：空間部、１２：冷却部材、１３：溶鋼、１４：溶鋼接触面、１５：膨出部、１６、１７：長辺、１８：膨出部、１９：長辺、２０：膨出部

Claims (6)

1. 上下方向に貫通した空間部を形成する冷却部材を有し、該空間部に溶鋼を供給して冷却しながら鋳片を製造する連続鋳造用鋳型において、
   前記冷却部材の上下方向の長さは６００ｍｍ以上１２００ｍｍ以下であり、前記冷却部材の溶鋼接触面側に、前記溶鋼の湯面位置を上位置とし、該上位置から下方へ３００ｍｍ以上を下位置とする前記空間部側へ張り出す膨出部を設け、該膨出部の縦断面を、前記上位置から前記下位置まで３つ以上６つ以下の連続する直線部で構成し、しかも前記隣り合う直線部のなす角θを、１７４度以上１７９．９７度以下の範囲内とし、前記上位置と前記下位置を結ぶ直線を底辺とする前記膨出部の最大高さｈを０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内としたことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
2. 請求項１記載の連続鋳造用鋳型において、前記冷却部材の前記上位置より上側の縦断面を、前記膨出部を構成する最上の前記直線部を延長して形成することを特徴とする連続鋳造用鋳型。
3. 請求項１又は２記載の連続鋳造用鋳型において、前記隣り合う直線部の連接箇所は、前記冷却部材の上下方向に均等な間隔で設けられ、前記隣り合う直線部のなす角θは、同一角度であることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の連続鋳造用鋳型において、前記冷却部材は、間隔を有して対向配置された一対の短辺と、該短辺を幅方向両側から挟み込んだ状態で対向配置された一対の長辺とで構成され、前記一対の短辺及び前記一対の長辺のいずれか一方又は双方に、前記膨出部を設けたことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の連続鋳造用鋳型において、前記冷却部材はチューブ状であることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の連続鋳造用鋳型において、前記冷却部材の溶鋼接触面側には、コーティング層が形成されていることを特徴とする連続鋳造用鋳型。

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