JP5379671B2 - 水平連続鋳造装置及び水平連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属製の鋳造棒を連続鋳造するのに用いられる水平連続鋳造装置及び水平連続鋳造方法に関する。

従来、アルミニウム合金等の溶湯を水平連続鋳造して鋳造棒を製造する方法としては、溶湯を注湯口から冷却水シャワー装置を有する円筒鋳型内に供給し、その冷却水シャワー装置から放水される冷却水で溶湯を冷却して凝固させながら筒状鋳型から引き出して連続鋳造する水平連続鋳造装置（連続鋳造棒の製造方法）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、従来の冷却ノズルを有する筒状鋳型で鋳造棒を連続鋳造するときの状態を示す水平連続鋳造装置の要部断面図である。
図６に示すように、従来、例えば、直径が５５〜１０２ｍｍのアルミニウム合金製の鋳造棒４００（鋳塊）を連続鋳造する水平連続鋳造装置１００は、溶解炉で溶融された金属の溶湯３００を貯溜する保持炉２００と、この保持炉２００内の溶湯３００を放出する注湯口２１０と、この注湯口２１０から放水された溶湯３００が送り込まれる筒状の冷却鋳型５００と、冷却鋳型５００及びこの冷却鋳型５００から引き出される溶湯３００を冷却する冷却装置６００と、を備えている。

図７は、従来の水平連続鋳造装置の冷却鋳型を示す要部拡大縦断面図である。
図７に示すように、冷却装置６００は、冷却水Ｗ０を冷却鋳型５００に送るためのポンプ装置（図示省略）と、冷却鋳型５００内に形成されて、ポンプ装置から送られた冷却水Ｗ０でその冷却鋳型５００を冷却するウォータジャケット６１０と、冷却鋳型５００内から引き出される鋳造棒４００を前記冷却水Ｗ０で冷却するスリット状の噴射口からなる冷却ノズル６２０と、を備えている。
このような冷却装置６００を備えた水平連続鋳造装置１００により、鋳造棒４００を製造する場合は、２１５ｍｍ／ｍｉｎ程度の鋳造速度で水平連続鋳造している。

特開２００４−６６３４５号公報（図２）

特許文献１や図６及び図７に示すような水平連続鋳造装置１００で鋳造棒４００を、例えば、２１５ｍｍ／ｍｉｎの鋳造速度よりさらに速い鋳造速度で水平連続鋳造しようとすると、鋳造棒４００（鋳塊）に割れが生じるという問題点があった。
つまり、水平連続鋳造装置１００において、低コスト化を図るために、鋳造速度を速くして高速化しようとした場合には、鋳造棒４００を冷却する冷却能力や冷却効果が不足して、割れが発生するため、鋳造棒４００を種々の材料として使用できないという問題点があった。

そこで、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、鋳造棒が割れることなく鋳造速度を高速化することが可能な水平連続鋳造装置及び水平連続鋳造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の水平連続鋳造装置は、溶湯を冷却鋳型に設けた冷却装置によって、一次冷却、二次冷却及び三次冷却しながら鋳造棒を２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎの鋳造速度で連続的に鋳造する水平連続鋳造装置であって、前記冷却鋳型には、鋳造面に潤滑剤を供給する潤滑剤供給装置が設けられ、前記冷却装置は、前記冷却鋳型に内設されて、当該冷却鋳型を冷却することにより当該冷却鋳型内を通過する前記溶湯を前記一次冷却するウォータジャケットと、前記ウォータジャケット中の冷却水を、前記冷却鋳型内から引き出された前記鋳造棒の表面に放水して前記二次冷却する二次冷却ノズルと、前記ウォータジャケット中の前記冷却水を、前記冷却鋳型内から引き出されて鋳造方向に送られた前記鋳造棒の表面に放水して前記三次冷却する三次冷却ノズルと、を備え、前記二次冷却ノズルから放水された前記冷却水が前記鋳造棒に衝突する二次冷却水衝突中心位置から鋳造方向に離間され、前記三次冷却ノズルから放水された前記冷却水が前記鋳造棒に衝突する三次冷却水衝突中心位置までの冷却水衝突位置間隔（Ｙ）が、前記鋳造棒の直径に対して、３０〜６０％の比率（Ｒ）になるように設定されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、水平連続鋳造装置は、鋳造棒を２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎの高速の鋳造速度で連続的に鋳造する際に、まず、潤滑剤供給装置によって冷却鋳型の鋳造面に潤滑剤を供給するにより、溶湯が鋳造面に焼き付くのを防止することができる。また、ウォータジャケットでその冷却鋳型を冷却することにより冷却鋳型内と通過する溶湯を一次冷却して鋳造棒の表層に凝固殻を形成する。次に、冷却鋳型内から引き出された鋳造棒の二次冷却水衝突中心位置に二次冷却ノズルから放水された冷却水を当てることによって二次冷却する。さらに、鋳造棒の二次冷却水衝突中心位置のその先の三次冷却水衝突中心位置に三次冷却ノズルから放水された冷却水を当てることにより、三次冷却して鋳造棒を連続鋳造する。この場合、二次冷却ノズルから放水された冷却水が鋳造棒に当たる二次冷却水衝突中心位置から三次冷却ノズルから放水された冷却水が鋳造棒に当たる三次冷却水衝突中心位置までの冷却水衝突位置間隔（Ｙ）を、鋳造棒の直径に対して、３０〜６０％の比率（Ｒ）になる間隔をあけて冷却することにより、ウォータジャケットの冷却水で鋳造棒を三段階に亘って効率よく冷却して割れの発生を抑制することができる。

請求項２に記載の水平連続鋳造装置は、請求項１に記載の水平連続鋳造装置であって、前記冷却鋳型は、鋳造面の鋳造方向の開口部内に拡開して形成された拡開部を有し、前記二次冷却ノズルは、前記拡開部の溶湯供給口寄りに形成されると共に、前記鋳造棒に対する鋳造方向の前記二次冷却ノズルの二次冷却水噴射角度（θ１）が２０度〜５０度に設定され、前記三次冷却ノズルは、前記拡開部の開口端寄りに形成されると共に、前記鋳造棒に対する鋳造方向の前記三次冷却ノズルの三次冷却水噴射角度（θ２）が５度〜４５度に設定されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、水平連続鋳造装置の冷却鋳型において、二次冷却ノズルは、冷却鋳型の拡開部の溶湯供給口寄りに形成されて、前記ウォータジャケットで冷却された鋳造棒に向けて鋳造方向に２０度〜５０度の二次冷却水噴射角度（θ１）で冷却水を放水して二次冷却する。このため、二次冷却ノズルから放水された冷却水が、冷却鋳型の型内から出た直後の鋳造棒を強制冷却する。
三次冷却ノズルは、二次冷却ノズルよりも冷却鋳型の拡開部の開口端寄りに形成されて、鋳造棒に対して鋳造方向に５度〜４５度の三次冷却水噴射角度（θ２）で冷却水を放水して三次冷却する。このため、三次冷却ノズルから放水された冷却水は、前記二次冷却水で冷却した箇所から所定間隔を介して、さらに、その先端側の位置に冷却水を当てて強制冷却する。

請求項３に記載の水平連続鋳造装置は、請求項２に記載の水平連続鋳造装置であって、前記二次冷却ノズル及び前記三次冷却ノズルは、円筒状に形成された前記拡開部に、周方向に所定間隔で複数配置されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、二次冷却ノズル及び前記三次冷却ノズルは、拡開部の周方向に所定間隔で複数配置されていることによって、鋳造棒の外周に、二段階に亘ってシャワー状に冷却水を当てて強制冷却することができる。

請求項４に記載の水平連続鋳造方法は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水平連続鋳造装置を用いて、前記ウォータジャケットと、前記二次冷却ノズルと、前記三次冷却ノズルとで前記溶湯を冷却しながら前記鋳造棒を製造することを特徴とする。

かかる構成によれば、水平連続鋳造方法は、鋳造棒を連続鋳造する際に、ウォータジャケットにより冷却鋳型を介在して冷却し、さらに、二次冷却ノズル及び三次冷却ノズルから放水される冷却水を溶湯に当てることによって、鋳造棒を効率よく冷却することができる。このため、鋳造速度を速くしても割れが発生することがない。

本発明の請求項１に係る水平連続鋳造装置によれば、冷却鋳型内の溶湯をウォータジャケットで強制的に一次冷却し、次に、冷却鋳型内から出た鋳造棒に二次冷却ノズルの冷却水で二次冷却し、さらに、その二次冷却した先の位置を三次冷却ノズルの冷却水で三次冷却して鋳造棒を冷却することにより、適宜な間隔で三段階にわたって効率よく強制冷却できる。このため、水平連続鋳造装置の冷却能力を向上させて、２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎの鋳造速度で連続鋳造しても、割れが発生するのを防止することができる。その結果、鋳造速度を高速化して生産効率を向上させて、コスト低減を図ることができる。

本発明の請求項２に係る水平連続鋳造装置によれば、二次冷却ノズルと三次冷却ノズルの冷却水噴射角度を適宜に相違する角度にしたことにより、二次冷却水から放水された冷却水を冷却鋳型の型内から出た直後の鋳造棒の部位を強制的に二次冷却し、さらに、その二次冷却ノズルの冷却水で二次冷却した部位よりも先端側の予め設定した所望の部位を三次冷却ノズルから放水された冷却水で三次冷却して連続的に強制冷却することができる。このため、鋳造棒に割れが発生するのを抑制して、安定した高品質の鋳造棒を得ることができる。

本発明の請求項３に係る水平連続鋳造装置によれば、拡開部の周方向に複数配置された二次冷却ノズル及び前記三次冷却ノズルによって、鋳造棒の全周に、二段階に亘ってシャワー状に冷却水を当てて効率よく冷却することができる。

本発明の請求項４に係る水平連続鋳造方法によれば、鋳造速度を２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎまで上げて高速化しても割れが発生することがなく、鋳造棒の大量生産能力及び生産効率を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る水平連続鋳造装置を示す一部断面を有する要部斜視図である。 本発明の実施形態に係る水平連続鋳造装置を示す要部縦断面図である。 本発明の実施形態に係る水平連続鋳造装置の冷却鋳型の要部拡大縦断面図である。 図３の二次冷却ノズル及び三次冷却ノズルの拡大図である。 本発明の実施形態に係る水平連続鋳造装置の冷却鋳型を示す図であり、（ａ）は要部拡大正面図、（ｂ）はＺ部拡大図である。 従来の水平連続鋳造装置を示す要部拡大縦断面図である。 従来の水平連続鋳造装置の冷却鋳型を示す要部拡大縦断面図である。

以下、図１〜図５を参照して発明を実施するための形態を説明する。

≪水平連続鋳造装置の構成≫
図１に示すように、水平連続鋳造装置１は、金属の溶湯３から棒状の鋳造棒４（鋳塊）を凝固させて鋳造する際に、鋳造棒４を冷却装置６で冷却しながら水平方向に送って連続鋳造する装置である。水平連続鋳造装置１は、溶湯３を冷却鋳型５に設けた冷却装置６によって、一次冷却用のウォータジャケット６１と、二次冷却用の二次冷却ノズル６２の冷却水Ｗと、三次冷却用の三次冷却ノズル６３の冷却水Ｗとで溶湯３を三段階に冷却しながら鋳造棒４を２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎの速い鋳造速度で連続的に鋳造する連続鋳造装置である。
この水平連続鋳造装置１は、溶湯３が貯溜される保持炉２と、この保持炉２内の溶湯３が供給される冷却鋳型５と、この冷却鋳型５及び鋳造棒４を冷却する冷却装置６と、冷却鋳型５の鋳造面５ａ（図２参照）に潤滑剤を供給する潤滑剤供給装置７と、冷却鋳型５から送り出される鋳造棒４を搬送する搬送装置８と、を主に備えている。

≪保持炉の構成≫
保持炉２は、溶解炉（図示省略）で溶融された金属の溶湯３を保温した状態に一時的に貯溜する炉である。保持炉２は、下部側壁に、冷却鋳型５の型内に溶湯供給口５ｂを介して溶湯３を供給するための流出口２ａが形成されている。

≪溶湯及び鋳造棒の構成≫
溶湯３は、前記溶解炉（図示省略）で溶融された金属であり、例えば、アルミニウム合金等の合金からなる。
また、鋳造棒４は、水平連続鋳造装置１によって鋳造されて溶湯３が凝固した鋳片（鋳塊）であり、例えば、直径Ｘ（図２参照）が５５〜１０２ｍｍ程度の丸棒に鋳造される。

≪冷却鋳型の構成≫
図２に示すように、冷却鋳型５は、溶湯供給口５ｂから型内の供給された溶湯３を冷却装置６で強制冷却しながら引き出すことにより、棒状の鋳造棒４を連続鋳造する鋳型であり、略筒状に形成されている。図３に示すように、冷却鋳型５は、それぞれ後記する鋳造面５ａと、溶湯供給口５ｂと、開口部５ｃと、拡開部５ｄと、開口端５ｅと、外壁５ｆと、鋳型本体５１と、鋳型枠体５２と、仕切部材５３と、シール部材５４と、冷却装置６（ウォータジャケット６１、二次冷却ノズル６２及び三次冷却ノズル６３）と、を有する三次冷却鋳型からなる。

図２及び図３に示すように、鋳造面５ａは、溶湯３から棒状の鋳造棒４を鋳造する型面であり、スリーブ状（円筒状）に形成されている。この鋳造面５ａの上流側の部位には、潤滑剤の供給口（図示省略）が複数形成されている。
溶湯供給口５ｂは、鋳造面５ａの上流側に形成されて、保持炉２内の溶湯３が供給される供給口であり、保持炉２の流出口２ａ（図２参照）に連続して形成されている。
開口部５ｃは、冷却鋳型５の鋳造面５ａ内から鋳造棒４が引き出される部位であり、鋳造面５ａの鋳造方向側に形成されている。
拡開部５ｄは、冷却鋳型５の鋳造面５ａの鋳造方向側の端部から開口端５ｅに向けて拡径して略テーパー状に形成された部位であり、開口部５ｃ内に形成されている。拡開部５ｄは、その拡開部５ｄに、多数の二次冷却ノズル６２を鋳造方向（下流方向）に対してそれぞれ適宜な角度に傾けた状態で、予め設定した所定間隔で環状に配置することを可能にすると共に、その拡開部５ｄ内を通過する鋳造面５ａから出た直後の鋳造棒４に二次冷却ノズル６２から放水された冷却水Ｗを当てることを可能にしている。
前記開口端５ｅは、拡開部５ｄの最も鋳造方向側の下流側に形成された部位である。
鋳造方向側の外壁５ｆの開口端５ｅの周囲は、多数の三次冷却ノズル６３が予め設定した所定間隔で環状に配置されて、開口端５ｅから外側に出た鋳造棒４の周囲を三次冷却ノズル６２から冷却水Ｗが放水されるようになっている。

図３に示すように、鋳型本体５１は、軸心側の内壁に鋳造面５ａを有し、前側側面にウォータジャケット６１の一部を形成する流路面を有する鋳型である。この鋳型本体５１は、例えば、略筒状（図２参照）に形成された熱伝導率の高い銅製の鋳型からなる。
鋳型枠体５２は、鋳型本体５１の前側に密着させて組み付けられる部材であり、冷却水Ｗが流れるウォータジャケット６１の一部を形成する流路面と、そのウォータジャケット６１に連通する二次冷却ノズル６２が形成される拡開部５ｄと、三次冷却ノズル６３が形成される外壁５ｆと、を有している。この鋳型枠体５２は、例えば、ステンレス鋼製のものからなる。
仕切部材５３は、潤滑剤を鋳造面５ａに供給する流路の一部を形成するための部材であり、鋳型本体５１の後側に密着した状態に組み付けられている。この仕切部材５３は、例えば、アルミニウム合金等によって形成されている。
シール部材５４は、鋳型本体５１と鋳型枠体５２とが組み合わされる面に形成された凹部に嵌入されて密着される部材である。

≪冷却装置の構成≫
図２に示すように、冷却装置６は、冷却鋳型５及び鋳造棒４を冷却するための装置であり、冷媒として工業用水や水道水等の冷却水Ｗを使用している。冷却装置６は、冷却水Ｗを冷却鋳型５に送るための動力源となるポンプ装置（図示省略）と、一端がこのポンプ装置に接続され、他端が冷却鋳型５内に形成されたウォータジャケット６１に接続された冷却水供給用配管６４と、冷却水供給用配管６４から送られた冷却水Ｗで冷却鋳型５及びこの冷却鋳型５を介在して溶湯３を冷却する前記ウォータジャケット６１（一次冷却部）と、このウォータジャケット６１内を通過した冷却水Ｗを放水して鋳造棒４を冷却する二次冷却ノズル６２及び三次冷却ノズル６３と、を備えている。

＜ウォータジャケットの構成＞
図２に示すように、ウォータジャケット６１は、冷却鋳型５を冷却する冷却水Ｗを流動させると共に、二次冷却ノズル６２及び三次冷却ノズル６３から噴出させる冷却水Ｗを供給するための通水路である。ウォータジャケット６１は、冷却鋳型５内に形成された冷却水Ｗの流路であり、鋳型本体５１と鋳型枠体５２との間に形成された隙間（一次冷却部）からなる。ウォータジャケット６１は、冷却水Ｗと冷却鋳型５の熱とを熱交換させて強制冷却することにより、冷却鋳型５内を通過する溶湯３を一次冷却して鋳造棒４の表層に凝固殻を形成させる。ウォータジャケット６１は、鋳型本体５１と、鋳型枠体５２と、仕切部材５３とによって冷却鋳型５内を蛇行するように形成された冷却水Ｗの流路からなる。ウォータジャケット６１は、冷却鋳型５において、このウォータジャケット６１の上流側に冷却水Ｗが供給される冷却水供給口６１ａが形成されて、下流側に二次冷却ノズル６２及び三次冷却ノズル６３が形成されている。なお、従来の鋳型における冷却水の流速は、淀んだ部分があるので、場所によって異なり、０．２〜１．８ｍ／ｓである。ウォータジャケット６１（一次冷却部）内を流れる冷却水Ｗの流速は、１．９ｍ/ｓ程度であり、従来の鋳型装置の流速よりも速く流れるように設定されている。

＜二次冷却ノズルの構成＞
図３及び図４に示すように、二次冷却ノズル６２は、ウォータジャケット６１中の冷却水Ｗを、冷却鋳型５内から引き出された鋳造棒４の表面に放水して二次冷却する冷却水噴射ノズルである。換言すると、二次冷却ノズル６２は、冷却鋳型５内から引き出された直後の鋳造棒４の後記する二次冷却水衝突中心位置Ｐ１（二次冷却水衝突領域Ｐ１０）に向けて一次冷却で使用した冷却水Ｗを放水して、鋳造棒４を強制冷却するノズルである。二次冷却ノズル６２は、拡開部５ｄの外側の外壁５ｆに設けられた三次冷却ノズル６３より鋳造面５ａ側寄りの位置の周方向に、所定間隔を介して環状に配置されると共に、鋳造棒４に対する鋳造方向の二次冷却ノズル６２の二次冷却水噴射角度θ１が２０度〜５０度（好ましくは２５度）に傾けて設定されている。

二次冷却水噴射角度θ１を２０度〜５０度にすることにより、二次冷却ノズル６２から放水される冷却水Ｗは、開口端５ｅの軸心側付近の鋳造棒４の表面（二次冷却水衝突領域Ｐ１０）に向けて放水されるようになる。
二次冷却水噴射角度θ１が５０度より大きい角度の場合は、開口端５ｅよりも鋳造面５ａに寄り過ぎた部位を二次冷却ノズル６２の二次冷却水で冷却することになる。
二次冷却水噴射角度θ１が２０度より小さい角度の場合は、開口端５ｅから鋳造方向に大きく離れた部位を二次冷却ノズル６２の二次冷却水で冷却することになる。二次冷却ノズル６２及び三次冷却ノズル６３の噴射口の形状は、例えば、円形のものからなり、その形状は特に限定されない。

図４に示すように、二次冷却水衝突領域Ｐ１０は、二次冷却ノズル６２の噴射口から前後左右方向に徐々に広がって放水された冷却水Ｗが、鋳造棒４の表面に衝突するリング状の領域である。二次冷却水衝突領域Ｐ１０及び後記する三次冷却水衝突領域Ｐ２０の広さは、二次冷却ノズル６２及び三次冷却ノズル６３の形状を適宜に変更することによって調節することができる。
始点Ｐ１１は、二次冷却水衝突領域Ｐ１０の最も基端側の位置である。始点Ｐ１１は、鋳造棒４が鋳造面５ａから引き出された直後の位置であって、冷却鋳型５の拡開部５ｄ内の略中央部部分である。つまり、始点Ｐ１１は、鋳造面５ａから鋳造方向に離間した位置にある。
終点Ｐ１２は、二次冷却水衝突領域Ｐ１０の最も先端側の位置である。終点Ｐ１２は、鋳造棒４が開口端５ｅから鋳造方向へ適宜な距離だけ離間した位置であって、始点Ｐ１１から二次冷却水衝突領域Ｐ１０の長さ分だけ鋳造方向へ移動した位置である。

二次冷却水衝突中心位置Ｐ１とは、二次冷却ノズル６２から放水された冷却水Ｗの中心部が鋳造棒４に衝突する位置であり、例えば、開口端５ｅの内側付近である。二次冷却水衝突中心位置Ｐ１は、拡開部５ｄの基端部５ｇから距離Ｌ（鋳造棒４の直径Ｘが９０ｍｍの場合は５〜２５ｍｍ程度）鋳造方向へ離間した位置である。二次冷却水衝突中心位置Ｐ１及び後記する三次冷却水衝突中心位置Ｐ２は、任意の位置であり、前後方向へ適宜にずらしても構わない。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、二次冷却ノズル６２は、例えば、口径が２ｍｍ程度の大きさの孔を１０ｍｍのピッチＰの間隔で、テーパー状の拡開部５ｄの内周面に多数（例えば、２０個）設けられている。このため、例えば、２０個の二次冷却ノズル６２は、鋳造棒４の外周部に周方向にピッチＰの間隔で環状に配列される二次冷却水衝突中心位置Ｐ１に向けて冷却水Ｗをシャワー状に放水して冷却するので、冷却能力が大きい。

＜三次冷却ノズルの構成＞
図３及び図４に示すように、三次冷却ノズル６３は、ウォータジャケット６１中の冷却水Ｗを、冷却鋳型５内から引き出された鋳造棒４の表面に放水して三次冷却する冷却水噴射ノズルである。換言すると、三次冷却ノズル６３は、冷却鋳型５から引き出されて鋳造方向に送られた鋳造棒４の二次冷却水衝突中心位置Ｐ１（二次冷却水衝突領域Ｐ１０）から鋳造方向に離間された三次冷却水衝突中心位置Ｐ２（三次冷却水衝突領域Ｐ２０）に、一次冷却で使用した冷却水Ｗを放水して、その鋳造棒４を強制冷却するノズルである。三次冷却ノズル６３は、開口端５ｅの外周の外壁５ｆに周方向に前記二次冷却ノズル６２から１／２ピッチ分ずれた位置にピッチＰ間隔で多数形成されると共に、鋳造棒４に対する鋳造方向の三次冷却ノズル６３の三次冷却水噴射角度θ２が５度〜４５度（好ましくは８．５度）に設定されている。

図４に示すように、三次冷却水噴射角度θ２を５度〜４５度にすることにより、三次冷却ノズル６３から放水される冷却水Ｗは、二次冷却ノズル６２の冷却水が鋳造棒４に衝突する二次冷却水衝突領域Ｐ１０に対して、三次冷却ノズル６３の冷却水が鋳造棒４に衝突する三次冷却水衝突領域Ｐ２０を重なり合うことがない部位に向けて放水できるようになる。
三次冷却水噴射角度θ２が４５度より大きい角度の場合は、三次冷却ノズル６３の三次冷却水で冷却する三次冷却水衝突領域Ｐ２０が二次冷却水衝突領域Ｐ１０に寄り過ぎた部位を三次冷却することになる。三次冷却水噴射角度θ２が５度より小さい角度の場合は、三次冷却水衝突領域Ｐ２０が所望とする最適な位置よりも鋳造方向に離れた部位を三次冷却ノズル６３の二次冷却水で冷却することになる。

三次冷却水衝突領域Ｐ２０は、三次冷却ノズル６３の噴射口から前後左右方向に徐々に広がって放水された冷却水Ｗが、鋳造棒４の表面に衝突するときの領域である。
始点Ｐ２１は、三次冷却水衝突領域Ｐ２０の最も基端側の位置である。始点Ｐ２１は、前記二次冷却水衝突領域Ｐ１０の終点Ｐ１２から鋳造方向に適宜な間隔だけ離間した位置にある。
終点Ｐ２２は、三次冷却水衝突領域Ｐ２０の最も先端側の位置である。終点Ｐ２２は、始点Ｐ２１から三次冷却水衝突領域Ｐ２０の長さ分だけ鋳造方向へ移動した位置である。
三次冷却水衝突中心位置Ｐ２とは、三次冷却ノズル６３から放水された冷却水Ｗの中心部が鋳造棒４に衝突する位置であり、前記二次冷却水衝突中心位置Ｐ１から鋳造方向に後記する冷却水衝突位置間隔Ｙ分だけ離間した位置である。

冷却水衝突位置間隔Ｙは、前記二次冷却水衝突中心位置Ｐ１から三次冷却ノズル６３から放水された冷却水Ｗが鋳造棒４に衝突する三次冷却水衝突中心位置Ｐ２までの間隔であり、鋳造棒４の直径Ｘに対して、３０〜６０％の比率Ｒになるように設定されている。
二次冷却水衝突中心位置Ｐ１と三次冷却水衝突中心位置Ｐ２との間に前記比率Ｒの冷却水衝突位置間隔Ｙが介在されるように、二次冷却ノズル６２と三次冷却ノズル６３とが相違する角度に傾けて冷却鋳型５に設けられていることにより、高温な鋳造棒４によって沸騰状態に加熱された二次冷却水衝突領域Ｐ１０の二次冷却水から鋳造方向に冷却水衝突位置間隔Ｙ分だけ離間した部位に、三次冷却ノズル６３の三次冷却水を当てることができるようになる。このため、三次冷却ノズル６３から噴射された三次冷却水は、沸騰状態の二次冷却水の二次冷却水衝突中心位置Ｐ１から離れた部位を適宜なタイミングで間欠的に冷却することにより、沸騰状態の二次冷却水があったとしても、その二次冷却水（膜状の蒸気）を弾き飛ばして鋳造棒４の表面に直接当てて再度強制冷却することができるため、鋳造棒４を効果的に冷却することが可能となる。
その冷却水衝突位置間隔Ｙは、例えば、直径Ｘが９０ｍｍの鋳造棒４を鋳造する場合、３６〜５４ｍｍ程度である。また、冷却水衝突位置間隔Ｙは、例えば、直径Ｘが６５ｍｍの鋳造棒４を鋳造する場合、２６〜３９ｍｍ程度である。

なお、冷却水衝突位置間隔Ｙが鋳造棒４の直径Ｘに対して３０〜６０％以下の比率Ｒである場合は、二次冷却水衝突中心位置Ｐ１と三次冷却水衝突中心位置Ｐ２との間隔が小さく、二次冷却水衝突領域Ｐ１０と三次冷却水衝突領域Ｐ２０とが重なり合うので、二次冷却ノズル６２の流量を増加して二次冷却水衝突領域Ｐ１０の範囲を広げた１つの領域を二次冷却ノズル６２のみで放水したときと同じ結果になる。このため、効率よく鋳造棒４を冷却することはできない。
また、冷却水衝突位置間隔Ｙが鋳造棒４の直径Ｘに対して３０〜６０％以上の比率Ｒである場合は、二次冷却水衝突中心位置Ｐ１と三次冷却水衝突中心位置Ｐ２との間隔が大きくなり過ぎて、二次冷却ノズル６２から放水され冷却水Ｗが、鋳造面５ａ及び二次冷却水衝突領域Ｐ１０から鋳造方向へ大きく離れた鋳造棒４の部位を冷却することになる。このため、二次冷却ノズル６２の冷却水Ｗで二次冷却した際に、鋳造棒４の軸心部位が凝固されず、液相と固相との境界線ａが鋳造方向に長く、固液共存の状態が長くなるので、割れが発生する可能性が高くなる。
そして、冷却水衝突位置間隔Ｙの鋳造棒４の直径Ｘに対する比率Ｒが３０〜６０％の場合には、高速で連続鋳造する際に、二次冷却ノズル６２から放水される二次冷却水と、三次冷却ノズル６３から放水される三次冷却水とで、鋳造棒４に割れが発生しない最適な冷却位置を冷却することになるが、後記する実施例の実験で確認できている。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、三次冷却ノズル６３は、例えば、二次冷却ノズル６２と同様に、口径が２ｍｍ程度の大きさの孔を１０ｍｍのピッチＰの間隔で、拡開部５ｄの外周の外壁５ｆに多数（例えば、２０個）設けられている。このため、三次冷却ノズル６３は、鋳造棒４の外周部に向けて冷却水Ｗをシャワー状に放水するようになっている。

≪潤滑剤供給装置の構成≫
図３に示すように、潤滑剤供給装置７は、溶湯３が供給される冷却鋳型５の鋳造面５ａに潤滑剤を注入することによって、溶湯３が鋳造面５ａに焼き付くのを防止するための装置である。潤滑剤供給装置７は、潤滑油等の潤滑剤を貯留したタンク（図示省略）と、タンク内の潤滑剤を冷却鋳型５に供給する潤滑剤供給配管７１（図１参照）と、この潤滑剤供給配管７１が接続されて、潤滑剤供給配管７１から送られて来た潤滑剤を冷却鋳型５の鋳造面５ａに供給する潤滑剤供給路７２と、を備えている。

≪搬送装置の構成≫
図１に示すように、搬送装置８は、冷却鋳型５で鋳造された鋳造棒４を搬送する装置であり、例えば、モータ（図示省略）によって回転される複数のローラ８１等を備えている。ローラ８１は、冷却鋳型５の開口端５ｅの近傍の下側から鋳造棒４が送られる鋳造方向に沿って、鋳造棒４の下側に敷設するように複数配置されている。

≪作用≫
次に、本発明の実施形態に係る水平連続鋳造装置及び水平連続鋳造方法の作用を説明する。
図１及び図２に示すように、水平連続鋳造装置１で鋳造棒４を連続鋳造する場合は、まず、保持炉２内の溶湯３を溶湯供給口５ｂから冷却鋳型５の鋳造面５ａ内にゆっくりと流し込む。冷却鋳型５は、鋳造面５ａの外側の冷却鋳型５内にウォータジャケット６１が内設されていることにより、ウォータジャケット６１内を流れる冷却水Ｗと、溶湯３によって加熱された冷却鋳型５とが熱交換されて冷却される。この場合、ウォータジャケット６１内を流れる冷却水Ｗは、下流の２つの二次冷却ノズル６２及び三次冷却ノズル６３から放水する都合上、流速が速く、水量が多く、水圧が高く設定されている。このため、ウォータジャケット６１は、従来の循環タイプのウォータジャケットと比較して冷却能力が高く、鋳造速度が速くても、いわゆる発汗という現象や、溶湯３が鋳造面５ａから出るブレークアウトが起きるのを防止することができる。そのウォータジャケット６１で冷却された冷却鋳型５内に送られた溶湯３は、鋳造面５ａに接触することにより一次冷却されると共に、潤滑剤供給装置７から供給された潤滑剤で潤滑されながら、溶湯３の表層に凝固殻が形成されて丸棒形状（鋳造棒４）に凝固される。このときの鋳造速度は、２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎである。

図３及び図４に示すように、前記一次冷却に使用したウォータジャケット６１内の冷却水Ｗは、周方向にピッチＰの間隔で多数の配置された二次冷却ノズル６２及び三次冷却ノズル６３から鋳造棒４の外周面に向けてシャワー状に放水されている（図１及び図５参照）。鋳造面５ａを通過した鋳造棒４は、拡開部５ｄの鋳造方向先端の開口端５ｅ付近の二次冷却水衝突領域Ｐ１０まで搬送装置８（図２参照）によって搬送されると、円筒状の二次冷却水衝突領域Ｐ１０で多数の二次冷却ノズル６２から放水された冷却水Ｗがシャワー状に衝突して二次冷却される。鋳造棒４に衝突した冷却水Ｗは、二次冷却ノズル６２から噴射された勢いで二次冷却水衝突領域Ｐ１０よりもさらに広い範囲に亘って浸水して鋳造棒４を二次冷却した後、下方へ落ちて回収される。この二次冷却によって、鋳造棒４の内部の溶融状態であった溶湯３が、強制冷却されて芯まで凝固される。
このように鋳造棒４は、鋳造面５ａから出ると直ぐに二次冷却ノズル６２の冷却水Ｗによって強制冷却されることにより、鋳造速度が速くても、液相と固相との境界線ａが鋳造方向に長く形成されるのを抑制して短くすることができる。

鋳造棒４は、搬送装置８によって鋳造方向に搬送され、二次冷却水衝突領域Ｐ１０の終点Ｐ１２より先まで送られると、二次冷却ノズル６２から噴射された冷却水Ｗが直接当たらなくなる。鋳造棒４は、搬送装置８によってさらに鋳造方向に搬送されて、三次冷却水衝突領域Ｐ２０まで送られると、環状に配置された多数の三次冷却ノズル６３から放水された冷却水Ｗが前記二次冷却と同様に当たって三次冷却される。ウォータジャケット６１と二次冷却ノズル６２とによって強制冷却された鋳造棒４は、さらに、この三次冷却ノズル６３により、適宜なタイミングをあけて三段階に亘って効率よく冷却されて鋳造される。さらに、鋳造棒４は、搬送装置８（図２参照）によって引っ張られるようにして鋳造方向へ搬送される。

このように、本発明の実施形態に係る水平連続鋳造装置１は、溶湯３を一次冷却、二次冷却及び三次冷却することによって、冷却装置６の冷却能力が向上されて、鋳造速度が高速であっても、割れが発生することなく、品質のよい鋳造棒４をハイスピードで連続鋳造して生産することができる。このため、水平連続鋳造装置１は、鋳造棒４を生産するスピード及び生産性が向上されて、短時間で多量に生産できるので、コストの低減を図ることができる。

次に、表１、図４及び図５（ａ）、（ｂ）を主に参照して実施例を説明する。なお、既に説明した構成は同じ符号を付してその説明を省略する。
表１は、本発明の実施形態に係る水平連続鋳造装置を用いたφ９０及びφ６５の鋳造棒を実際に鋳造した際のデータを示す表である。

実施例では、図４及び図５（ａ）に示す冷却装置６を備えた水平連続鋳造装置１で溶湯３から鋳造棒４を連続鋳造した際に割れが発生するかを確認するために、ウォータジャケット６１に流入する水量を３気圧、水温及び室温を３０℃、鋳塊径が９０ｍｍのときの二次冷却ノズル６２及び三次冷却ノズル６３が放出する流量を９０リットル／分±１０％、鋳塊径が６５ｍｍのとき二次冷却ノズル６２及び三次冷却ノズル６３が放出する流量を６５リットル／分±１０％、溶湯３の材料をアルミニウム合金（ＫＤ６１０（神戸製鋼所））として、鋳造面５ａがφ９０の冷却鋳型５と、鋳造面５ａがφ６５の冷却鋳型５と、図６に示す前記従来の水平連続鋳造装置１００を使用して実験を行い、割れの発生の割れ性について確認した。

この場合、各条件で鋳造した１００本の鋳造棒４を３ｍの長さに切断し、超音波探傷検査装置により内部割れを検査した。割れの本数が０〜５％のものの評価を◎、割れの本数が５〜１０％のものの評価を○、割れの本数が１０〜２０％のものの評価を△、割れの本数が２０％以上のものの評価を×とし、割れの本数が２０％未満のものを合格として評価をした。

＜φ９０の冷却鋳型の場合＞
まず、表１に示すように、鋳造面５ａがφ９０の冷却鋳型５，５００（図６及び図７参照）で鋳造棒４の直径Ｘ（鋳塊径）が９０ｍｍの鋳造棒４，４００を鋳造速度２６０ｍｍ/ｍｉｎで連続鋳造した。
初めに、図６に示す前記従来の冷却鋳型５００を使用して、二次冷却水衝突中心位置Ｐ１が５ｍｍ、三次冷却ノズル６３なし、冷却水衝突位置間隔Ｙが０ｍｍ、冷却水衝突位置間隔Ｙの鋳造棒４の鋳塊径に対する比率Ｒを０％、二次冷却水噴射角度θ１を４５度として連続鋳造した。冷却鋳型５００の場合は、鋳造棒４に割れが発生し、割れ性が悪い（×）。

次に、鋳型タイプＡ（表１参照）の冷却鋳型５を使用し、図３及び図４に示す二次冷却水衝突中心位置Ｐ１が５ｍｍ、三次冷却水衝突中心位置Ｐ２が２６ｍｍ、冷却水衝突位置間隔Ｙが２１ｍｍ、前記比率Ｒが２３％、二次冷却水噴射角度θ１が４５度、三次冷却水噴射角度θ２が２０度の水平連続鋳造装置１で鋳造棒４を連続鋳造した。鋳型タイプＡの場合、割れが発生し、割れ性は悪い（×）。

鋳型タイプＢ（表１参照）の冷却鋳型５を使用し二次冷却水衝突中心位置Ｐ１が５ｍｍ、三次冷却水衝突中心位置Ｐ２が４５ｍｍ、冷却水衝突位置間隔Ｙが４０ｍｍ、前記比率Ｒが４４％、二次冷却水噴射角度θ１が４５度、三次冷却水噴射角度θ２が１２度の水平連続鋳造装置１で鋳造棒４を連続鋳造した。鋳型タイプＢの場合、割れが発生せず、割れ性は良かった（○）。

鋳型タイプＣ（表１参照）の冷却鋳型５を使用し二次冷却水衝突中心位置Ｐ１が２５ｍｍ、三次冷却水衝突中心位置Ｐ２が５５ｍｍ、冷却水衝突位置間隔Ｙが３０ｍｍ、前記比率Ｒが３３％、二次冷却水噴射角度θ１が１８度、三次冷却水噴射角度θ２が１０度の水平連続鋳造装置１で鋳造棒４を連続鋳造した。鋳型タイプＣの場合、僅かに割れが発生し、割れ性は冷却鋳型５００で鋳造するときよりも向上された（△）。

鋳型タイプＤ（表１参照）の冷却鋳型５を使用し二次冷却水衝突中心位置Ｐ１が１５ｍｍ、三次冷却水衝突中心位置Ｐ２が６５ｍｍ、冷却水衝突位置間隔Ｙが５０ｍｍ、前記比率Ｒが５６％、二次冷却水噴射角度θ１が２５度、三次冷却水噴射角度θ２が８．５度の水平連続鋳造装置１で鋳造棒４を連続鋳造した。鋳型タイプＤの場合、割れが全く発生せず、割れ性は良好であった（◎）。

鋳型タイプＥ（表１参照）の冷却鋳型５を使用し二次冷却ノズル６２なし、三次冷却水衝突中心位置Ｐ２が４５ｍｍ、冷却水衝突位置間隔Ｙが０ｍｍ、前記比率Ｒが０％、三次冷却水噴射角度θ２が１２度の水平連続鋳造装置１で鋳造棒４を連続鋳造した。鋳型タイプＥの場合、鋳塊上部が半溶融状態で、鋳塊が千切れて湯漏れのおそれがあったため、鋳造開始直後に実験を中止した。このため、割れ性の評価は行っていない。

このように、φ９０の冷却鋳型５の場合、鋳型タイプＡ〜Ｄ（表１参照）の冷却鋳型５は、三次冷却水衝突中心位置Ｐ２を鋳型タイプＡの５ｍｍより大きい１５ｍｍ以上にし、冷却水衝突位置間隔Ｙを鋳型タイプＡの２１ｍｍより大きい５０ｍｍ（冷却水衝突位置間隔Ｙを鋳造棒４の直径Ｘに対して約３０〜６０％）にすることにより、割れが発生するのを防止できることを確認できた。これにより、水平連続鋳造装置１は、高品質の鋳造棒４を製造することができるといえる。
なお、冷却水衝突位置間隔Ｙが鋳造棒４の直径Ｘに対して１００％以上に広い場合には、三次冷却ノズル６３による冷却効果が小さくなり、割れ抑制効果が小さくなるものと推測される。また、冷却水衝突位置間隔Ｙは、鋳造速度依存性を持つものと考えられるが、冷却鋳型５で直径Ｘが９０ｍｍの鋳造棒４を鋳造する場合に通常通り得られる鋳造速度が２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎでは、鋳造速度依存性を考慮せずに、冷却水衝突位置間隔Ｙを設定しても、事実上問題がない。

＜φ６５の冷却鋳型の場合＞
次に、表１に示すように、鋳造面５ａがφ６５の冷却鋳型５，５００で鋳造棒４の直径Ｘが６５ｍｍの鋳造棒４，４００を鋳造速度３８５ｍｍ/ｍｉｎで連続鋳造した。
初めに、図６に示す従来の冷却鋳型５００を使用して、二次冷却水衝突中心位置Ｐ１が５ｍｍ、三次冷却水衝突中心位置Ｐ２が５ｍｍ（つまり、三次冷却ノズル６３なし）、冷却水衝突位置間隔Ｙが０ｍｍ、冷却水衝突位置間隔Ｙの鋳造棒４の鋳塊径に対する比率Ｒを０％、二次冷却水噴射角度θ１が４５度として連続鋳造した。冷却鋳型５００の場合は、鋳造棒４に割れが発生し、割れ性が悪い（×）といえる。

次に、鋳型タイプＤ１（表１参照）の冷却鋳型５を使用し、図３及び図４に示す二次冷却水衝突中心位置Ｐ１が１５ｍｍ、三次冷却水衝突中心位置Ｐ２が４８ｍｍ、冷却水衝突位置間隔Ｙが３３ｍｍ、前記比率Ｒが５１％、二次冷却水噴射角度θ１が２５度、三次冷却水噴射角度θ２が８．５度の水平連続鋳造装置１で鋳造棒４を連続鋳造した。鋳型タイプＤ１の場合、割れが発生せず、割れ性は良かった（○）。

鋳型タイプＤ２（表１参照）の冷却鋳型５を使用し二次冷却水衝突中心位置Ｐ１が１５ｍｍ、三次冷却水衝突中心位置Ｐ２が４８ｍｍ、冷却水衝突位置間隔Ｙが３３ｍｍ、前記比率Ｒが５１％、二次冷却水噴射角度θ１が４５度、三次冷却水噴射角度θ２が３０度の水平連続鋳造装置１で鋳造棒４を連続鋳造した。鋳型タイプＤ２の場合、割れが発生せず、割れ性は良かった（○）。

鋳型タイプＤ３（表１参照）の冷却鋳型５を使用し二次冷却水衝突中心位置Ｐ１が１５ｍｍ、三次冷却水衝突中心位置Ｐ２が４０ｍｍ、冷却水衝突位置間隔Ｙが２５ｍｍ、前記比率Ｒが３８％、二次冷却水噴射角度θ１が４５度、三次冷却水噴射角度θ２が３０度の水平連続鋳造装置１で鋳造棒４を連続鋳造した。鋳型タイプＤ３の場合、割れが僅かに発生した（△）。

このように、φ６５の冷却鋳型５の場合、鋳型タイプＤ１，Ｄ２（表１参照）の冷却鋳型５は、三次冷却水衝突中心位置Ｐ２を鋳型タイプＤ３の４０ｍｍより大きい４８ｍｍにし、冷却水衝突位置間隔Ｙを鋳型タイプＤ３の２５ｍｍより大きい３３ｍｍにすることにより、割れの発生を防止できることが確認できた。これにより、高品質の鋳造棒４を製造することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造及び変更が可能であり、本発明はこれら改造及び変更された発明にも及ぶことは勿論である。

例えば、前記実施形態では、図３及び図４に示すように、二次冷却ノズル６２の噴射口の位置Ｐ０を、鋳造面５ａの先端から鋳造方向へ少しずらした位置に配置した場合を説明したが、その噴射口を鋳造面５ａの先端の隣接した位置に配置しても構わない。
このようにすれば、冷却装置１の冷却能力がさらに向上され、鋳造速度が速くても、発汗や、ブレークアウトが発生するのを確実に防止することができる。

１ 水平連続鋳造装置
３ 溶湯
４ 鋳造棒
５ 冷却鋳型
５ａ 鋳造面
５ｂ 溶湯供給口
５ｃ 開口部
５ｄ 拡開部
５ｅ 開口端
６ 冷却装置
６１ ウォータジャケット
６２ 二次冷却ノズル
６３ 三次冷却ノズル
Ｐ ピッチ（所定間隔）
Ｐ１ 二次冷却水衝突中心位置
Ｐ２ 三次冷却水衝突中心位置
Ｐ１０ 二次冷却水衝突領域
Ｐ２０ 三次冷却水衝突領域
Ｒ 冷却水衝突位置間隔の鋳造棒の鋳塊径に対する比率
Ｗ 冷却水
Ｘ 鋳造棒の直径
Ｙ 冷却水衝突位置間隔
θ１ 二次冷却水噴射角度
θ２ 三次冷却水噴射角度

Claims (4)

1. 溶湯を冷却鋳型に設けた冷却装置によって、一次冷却、二次冷却及び三次冷却しながら鋳造棒を２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎの鋳造速度で連続的に鋳造する水平連続鋳造装置であって、
   前記冷却鋳型には、鋳造面に潤滑剤を供給する潤滑剤供給装置が設けられ、
   前記冷却装置は、前記冷却鋳型に内設されて、当該冷却鋳型を冷却することにより当該冷却鋳型内を通過する前記溶湯を前記一次冷却するウォータジャケットと、
   前記ウォータジャケット中の冷却水を、前記冷却鋳型内から引き出された前記鋳造棒の表面に放水して前記二次冷却する二次冷却ノズルと、
   前記ウォータジャケット中の前記冷却水を、前記冷却鋳型内から引き出されて鋳造方向に送られた前記鋳造棒の表面に放水して前記三次冷却する三次冷却ノズルと、を備え、
   前記二次冷却ノズルから放水された前記冷却水が前記鋳造棒に衝突する二次冷却水衝突中心位置から鋳造方向に離間され、前記三次冷却ノズルから放水された前記冷却水が前記鋳造棒に衝突する三次冷却水衝突中心位置までの冷却水衝突位置間隔（Ｙ）が、前記鋳造棒の直径に対して、３０〜６０％の比率（Ｒ）になるように設定されていることを特徴とする水平連続鋳造装置。
2. 前記冷却鋳型は、鋳造面の鋳造方向の開口部内に拡開して形成された拡開部を有し、
   前記二次冷却ノズルは、前記拡開部の溶湯供給口寄りに形成されると共に、前記鋳造棒に対する鋳造方向の前記二次冷却ノズルの二次冷却水噴射角度（θ１）が２０度〜５０度に設定され、
   前記三次冷却ノズルは、前記拡開部の開口端寄りに形成されると共に、前記鋳造棒に対する鋳造方向の前記三次冷却ノズルの三次冷却水噴射角度（θ２）が５度〜４５度に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の水平連続鋳造装置。
3. 前記二次冷却ノズル及び前記三次冷却ノズルは、円筒状に形成された前記拡開部に、周方向に所定間隔で複数配置されていることを特徴とする請求項２に記載の水平連続鋳造装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水平連続鋳造装置を用いて、前記ウォータジャケットと、前記二次冷却ノズルと、前記三次冷却ノズルとで前記溶湯を冷却しながら前記鋳造棒を製造することを特徴とする水平連続鋳造方法。
   

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