JP5515313B2 - Ｃｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道のトロリー線や電子部品の接続線等の素材として使用されるＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法に関するものである。

前述のＣｕ−Ｍｇ系荒引線においては、強度が高く、かつ、耐磨耗性に優れており、鉄道用トロリー線に適用することによってトロリー線の張替え頻度を減少させてランニングコストを削減可能であることから、広く利用されている。
従来、前述のＣｕ−Ｍｇ系荒引線は、バッチ式の溶解炉で原料を溶解し、銅溶湯の成分を調整した上で、円柱状の鋳造銅材を製出し、この鋳造銅材を押出加工することによって製造されていた。

また、鋳造から圧延までを一貫して行って銅線を連続的に製造する方法として、特許文献１に記載されるようなベルトホイール式連続鋳造機を用いた方法がある。
このベルトホイール式連続鋳造機は、その主要部が、周回移動する無端ベルトと、この無端ベルトに円周の一部を接触させて回転する鋳造輪とにより構成される。この連続鋳造機は、シャフト炉などの大型の溶解炉と連続され、さらに圧延機と連結されることによって、溶解炉からの溶銅を連続鋳造圧延して銅線を一連の生産ラインで高速に製造することができるものである。

特開２００１−３１４９５０号公報

ところで、従来のように円柱状の鋳造銅材を押出加工することによってＣｕ−Ｍｇ系荒引線を製出した場合、得られるＣｕ−Ｍｇ系荒引線の長さが鋳造銅材の大きさ（重量）に制約されてしまうため、長尺材を得ることが困難であった。長尺材を得るためには、複数のＣｕ−Ｍｇ系荒引線を接合することになるが、接合部の特性が他の部分と異なるため、品質が低下してしまうことになる。

一方、ベルトホイール式連続鋳造機を用いた場合には、鋳造銅材が連続的に製出されるため、長尺のＣｕ−Ｍｇ系荒引線を接合することなく製出することが可能である。
しかしながら、銅溶湯にＭｇを添加した場合、製出される鋳造銅材の温度が低下する傾向にあるため、鋳造銅材を圧延する際の負荷が高くなりすぎて圧延ができなくなるおそれがある。特に、連続鋳造圧延では、圧延工程がトラブル等で停止すると鋳造工程、溶解工程にまで影響を与えてしまうことになるため、圧延工程を安定して行うことが強く求められる。

また、製出される鋳造銅材の温度が低下すると、鋳造銅材の圧延が冷間加工領域で行われることになるため、製出されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線に圧延加工組織が残存することになり、その後の伸線加工で割れ等の欠陥が生じやすくなってしまう。さらに、圧延によって加工硬化した状態で製出されることになるため、製出されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線をコイラーで巻き取ろうとした際にスプリングバックしてしまい、取扱いが非常に困難であった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、高品質かつ取扱いが容易なＣｕ―Ｍｇ系荒引線を効率良く製造することができるとともに、長尺のＣｕ―Ｍｇ系荒引線を接合することなく製出することができるＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法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、本発明のＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法は、Ｍｇ；０．０１質量％以上０．７０質量％以下を含有するとともに、Ｏが１０ｐｐｍ以下とされ、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるＭｇ含有銅合金で構成されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法であって、銅原料を溶解して銅溶湯を生成する銅溶湯生成工程と、前記銅溶湯の酸素含有量を１０ｐｐｍ以下とする脱酸工程と、脱酸処理された前記銅溶湯にＭｇを添加するＭｇ添加工程と、Ｍｇが添加された前記銅溶湯をベルトホイール式連続鋳造機に供給し、鋳造銅材を連続的に得る連続鋳造工程と、前記鋳造銅材を連続的に圧延する連続圧延工程と、を備えており、前記連続鋳造工程における冷却状態を制御することで、前記ベルトホイール式連続鋳造機から製出される前記鋳造銅材の温度を７２０℃以上とし、前記連続圧延工程において、最終圧延時の銅線温度が４００℃以上とされていることを特徴としている。

この構成のＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法によれば、ベルトホイール式連続鋳造機から製出される前記鋳造銅材の温度を７２０℃以上としているので、鋳造銅材を圧延する際の負荷を低く抑えることができ、圧延時のトラブルの発生を防止することができる。よって、Ｃｕ−Ｍｇ系荒引線を安定して製出することが可能となる。
また、連続圧延工程において、比較的高温で圧延することが可能となり、製出されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線に圧延加工組織が残存することが防止される。よって、その後の伸線加工において割れ等が発生しない高品質のＣｕ−Ｍｇ系荒引線を製出することができる。また、製出されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線が必要以上に加工硬化していないので、コイラー等で円滑に巻き取ることができ、取扱い性が向上することになる。

さらに、脱酸工程において前記銅溶湯の酸素含有量を１０ｐｐｍ以下とした前記銅溶湯にＭｇを添加しているので、易酸化元素であるＭｇの酸化ロスを抑えることができ、目標成分とされたＣｕ−Ｍｇ系荒引線を得ることができる。なお、酸化ロスを確実に防止するためには、Ｏ（酸素）を５ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
また、ベルトホイール式連続鋳造機によって鋳造銅材を連続的に得る連続鋳造工程と、前記鋳造銅材を連続的に圧延する連続圧延工程とを備えているので、接合することなく、長尺のＣｕ−Ｍｇ系荒引線を得ることができる。

また、最終圧延時の銅線温度が４００℃以上に保持されていることから、圧延が冷間加工領域で行われておらず、製出されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線に圧延加工組織が残存することがなく、加工硬化も抑制される。よって、高品質で取扱いが容易なＣｕ−Ｍｇ系荒引線を確実に製出することができる。

ここで、前記連続鋳造工程で用いられる鋳型の導電率が、２０％ＩＡＣＳ以上５０％ＩＡＣＳ以下とされていることが好ましい。
通常、ベルトホイール式連続鋳造機に用いられる鋳型は、導電率が８０〜１００％ＩＡＣＳのものが使用されている。ここで、本発明では、鋳型の導電率を５０％ＩＡＣＳ以下としているので、ベルトホイール式連続鋳造機の鋳型における冷却（抜熱）が抑えられ、製出される鋳造銅材の温度を７２０℃以上とすることができる。一方、鋳型の導電率を２０％ＩＡＣＳ以上としているので、銅溶湯を確実に冷却して鋳造銅材を得ることができる。

本発明によれば、高品質かつ取扱いが容易なＣｕ―Ｍｇ系荒引線を効率良く製造することができるとともに、長尺のＣｕ―Ｍｇ系荒引線を接合することなく製出することができるＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の実施形態であるＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造装置の概略図である。 本発明の実施形態であるＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造方法のフロー図である。

以下に、本発明の実施形態に係るＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造装置及びこのＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造装置を用いたＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造方法について説明する。

本実施形態であるＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造装置１０及びＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造方法によって製出されるＣｕ―Ｍｇ系荒引線５０は、Ｍｇを０．０１質量％以上０．７０質量％以下含有するとともに、Ｏが１０ｐｐｍ以下とされ、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるＭｇ含有銅合金で構成されており、外径が８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とされている。

まず、本実施形態であるＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造装置１０について、図１を参照にして説明する。
図１に示すＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造装置１０は、溶解炉１１と、保持炉１２と、鋳造樋１３と、ベルトホイール式連続鋳造機３０と、連続圧延装置１５と、コイラー１８とを有している。

溶解炉１１として、本実施形態では、円筒形の炉本体を有するシャフト炉を用いている。炉本体の下部には円周方向に複数のバーナ（図示なし）が上下方向に多段状に配備されている。そして、炉本体の上部から原料である電気銅が装入され、前記バーナの燃焼によって溶解され、銅溶湯が連続的に製出される。

保持炉１２は、溶解炉１１でつくられた銅溶湯を、所定の温度で保持したままで一旦貯留し、一定量の銅溶湯を鋳造樋１３に送るためのものである。

鋳造樋１３は、保持炉１２から送られた銅溶湯を、ベルトホイール式連続鋳造機３０の上方に配置されたタンディッシュ２０にまで移送するものである。この鋳造樋１３は、例えばＡｒ等の不活性ガス又は還元性ガスでシールされている。なお、この鋳造樋１３には、不活性ガスによって銅溶湯を攪拌して溶湯中の酸素等を除去する脱ガス手段（図示なし）が設けられている。

タンディッシュ２０には、銅溶湯中にＭｇを添加するＭｇ添加手段２１が設けられている。また、タンディッシュ２０の銅溶湯の流れ方向終端側には、注湯ノズル２２が配置されており、この注湯ノズル２２を介してタンディッシュ２０内の銅溶湯がベルトホイール式連続鋳造機３０へと供給される構成とされている。
ここで、本実施形態においては、注湯ノズル２２を加熱する加熱手段としてヒータ２３が設けられている。また、本実施形態では、注湯ノズル２２はカーボンセラミックスで構成されている。

ベルトホイール式連続鋳造機３０は、外周面に溝が形成された鋳造輪３１（鋳型）と、この鋳造輪３１の外周面の一部に接触するように周回移動される無端ベルト３２とを有している。このベルトホイール式連続鋳造機３０においては、前記溝と無端ベルト３２との間に形成された空間に注湯ノズル２２を介して銅溶湯が注入され、この銅溶湯を冷却・固化することで、棒状の鋳造銅材４０を連続的に鋳造するものである。
ここで、鋳造輪３１は、導電率 ２０％ＩＡＣＳ以上５０％ＩＡＣＳ以下の素材で構成されている。なお、本実施形態では、鋳造輪３１は、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ−Ａｌ合金で構成されており、その導電率が３５％ＩＡＣＳ〜４５％ＩＡＣＳとされている。

このベルトホイール式連続鋳造機３０は、連続圧延装置１５に連結されている。この連続圧延装置１５は、ベルトホイール式連続鋳造機３０から製出された鋳造銅材４０を連続的に圧延して、所定の外径のＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０を製出するものである。
連続圧延装置１５から製出されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０は、洗浄冷却装置１６および探傷器１７を介してコイラー１８に巻き取られる。

洗浄冷却装置１６は、連続圧延装置１５から製出されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０をアルコール等の洗浄剤で表面を洗浄するとともに冷却するものである。
また、探傷器１７は、洗浄冷却装置１６から送られたＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０の傷を探知するものである。

次に、前述のような構成とされたＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造装置１０を用いた本実施形態であるＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造方法について、図１及び図２を参照して説明する。
まず、溶解炉１１に、４Ｎ（純度９９．９９％）の電気銅を投入して溶解し、銅溶湯を得る（銅溶湯生成工程Ｓ１）。この銅溶湯生成工程Ｓ１では、シャフト炉の複数のバーナの空燃比を調整して溶解炉１１の内部を還元雰囲気とすることにより、銅溶湯の酸素含有量を２０ｐｐｍ以下とする。

溶解炉１１によって得られた銅溶湯は、保持炉１２及び鋳造樋１３を介してタンディッシュ２０まで移送される。
ここで、不活性ガス又は還元性ガスでシールされた鋳造樋１３を通過する銅溶湯は、前述の脱ガス手段によって攪拌されることによって、銅溶湯と不活性ガス又は還元性ガスとの反応が促進され、酸素含有量は１０ｐｐｍ以下にまで、より好ましくは５ｐｐｍ以下にまで低下することになる（脱酸工程Ｓ２）。

次に、Ｍｇ添加手段２１により、タンディッシュ２０に移送された銅溶湯にＭｇが連続的に添加され、Ｍｇの含有量が０．０１質量％以上０．７０質量％以下に調整される（Ｍｇ添加工程Ｓ３）。

成分調整された銅溶湯は、ベルトホイール式連続鋳造機３０に注湯ノズル２２を介して供給され、棒状の鋳造銅材４０が連続的に製出される（連続鋳造工程Ｓ４）。連続鋳造工程Ｓ４では、鋳造輪３１に形成された前記溝と無端ベルトとの間に形成された空間が台形状をなしていることから、断面略台形状をなす鋳造銅材４０が製出されることになる。
ここで、この連続鋳造工程Ｓ４においては、ベルトホイール式連続鋳造機３０から製出される鋳造銅材４０の温度が７２０℃以上になるように、冷却状態が制御される。なお、本実施形態では、前述のように、鋳造輪３１の導電率を２０％ＩＡＣＳ〜５０％ＩＡＣＳとするとともに、鋳造輪３１に流通される冷却水の圧力を１ＭＰａ以下に設定している。

７２０℃以上で製出された鋳造銅材４０は、連続圧延装置１５に供給されてロール圧延加工が施されることにより、所定の外径のＣｕ―Ｍｇ系荒引線５０となる（連続圧延工程Ｓ５）。ここで、本実施形態では、連続圧延装置１５（連続圧延工程Ｓ５）において、最終圧延を行う際の銅線温度が４００℃以上となるように設定されている。
そして、このＣｕ―Ｍｇ系荒引線５０が洗浄冷却装置１６によって洗浄・冷却され（洗浄工程Ｓ６）、探傷器１７によって外傷の有無が検査される（検査工程Ｓ７）。
以上のようにして、Ｃｕ―Ｍｇ系荒引線５０が製出される。

このような構成とされた本実施形態であるＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造装置１０及びこの製造装置１０を用いたＣｕ―Ｍｇ系荒引線の製造方法によれば、銅溶湯から鋳造銅材４０を連続的に得るベルトホイール式連続鋳造機３０と、この鋳造銅材４０を連続的に圧延する連続圧延機１５とを備えているので、接合することなく長尺のＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０を、効率的に製出することができる。
また、ベルトホイール式連続鋳造機３０から製出される鋳造銅材４０の温度を７２０℃以上としているので、この鋳造銅材４０を圧延する際の負荷が高くなることを抑えることができる。よって、圧延時のトラブルの発生を抑制することができ、溶解炉１１、ベルトホイール式連続鋳造機３０及び連続圧延装置１５を用いてＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０を、安定して、かつ、効率的に製出することが可能となる。

そして、ベルトホイール式連続鋳造機３０の鋳造輪３１（鋳型）が、導電率２０％ＩＡＣＳ以上５０％ＩＡＣＳ以下の素材で構成されており、より具体的には、導電率が３５ ％ＩＡＣＳ〜４５％ＩＡＣＳとされたＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ−Ａｌ合金で構成されているので、鋳造輪３１における冷却（抜熱）が抑えられ、製出される鋳造銅材４０の温度を７２０℃以上とすることができる。
さらに、本実施形態では、鋳造輪３１に流通される冷却水の圧力を１ＭＰａ以下に設定しているので、冷却（抜熱）がさらに低く抑えられ、製出される鋳造銅材４０の温度を確実に７２０℃以上とすることができる。

また、連続圧延工程Ｓ５において、比較的高温で圧延することが可能となり、製出されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０に圧延加工組織が残存することを防止できる。したがって、その後の伸線加工において割れ等が発生しない高品質のＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０を製出することができる。また、製出されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０が加工硬化していないので、コイラー１８で円滑に巻き取ることができ、取扱い性が向上する。

特に、本実施形態では、連続圧延装置１５（連続圧延工程Ｓ５）において、最終圧延を行う際の銅線温度が４００℃以上となるように設定されているので、圧延が冷間加工領域で行われておらず、製出されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０に圧延加工組織が残存することがなく、加工硬化もしない。よって、高品質で取扱いが容易なＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０を確実に製出することができる。

さらに、脱酸工程Ｓ２において酸素含有量を１０ｐｐｍ以下、好ましくは５ｐｐｍ以下とした銅溶湯にＭｇを添加しているので、易酸化元素であるＭｇの酸化ロスを抑えることができ、目標成分とされたＣｕ−Ｍｇ系荒引線５０を得ることができる。
また、本実施形態においては、タンディッシュ２０からベルトホイール式連続鋳造機３０に向けて銅溶湯を供給する注湯ノズル２２を加熱するヒータ２３を備えているので、注湯ノズル２２の閉塞を防止することができ、Ｃｕ−Ｍｇ系荒引線５０の製造を安定して行うことができる。しかも、本実施形態では、注湯ノズル２２をカーボンセラミックス製としていることから、Ｍｇと注湯ノズル２２との反応を防止して、注湯ノズル２２の詰まりの発生を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、溶解炉をシャフト炉としたもので説明したが、これに限定されることはなく、低周波誘導炉等の溶解炉であってもよい。

また、鋳造輪（鋳型）を、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ−Ａｌ合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の合金で構成されていてもよい。さらに、鋳造輪に流通される冷却水の圧力を１ＭＰａ以下に設定したもので説明したが、これに限定されることはない。すなわち、ベルトホイール式連続鋳造機から製出される鋳造銅材の温度が７２０℃以上に設定されるものであればよい。

また、Ｍｇ添加手段によってタンディッシュ２０にＭｇを添加する構成として説明したが、これに限定されることはなく、溶解炉、保持炉及び鋳造樋にＭｇを添加する構成としてもよい。
さらに、注湯ノズルをカーボンセラミックス製のものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の耐火物で構成されていてもよい。また、注湯ノズルの加熱手段を備えたものとして説明したが、これに限定されることはない。

以下に、本発明のＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法及びＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法の効果を確認すべく行った確認実験の結果を説明する。
比較例として、ベルトホイール式連続鋳造機の鋳造輪（鋳型）を導電率８５％ＩＡＣＳのＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金で構成されたものを用いて直径１８ｍｍＣｕ−Ｍｇ系荒引線を製出し、ベルトホイール式連続鋳造機から製出される鋳造銅材の温度を７２０℃未満とした。
本発明例として、ベルトホイール式連続鋳造機の鋳造輪（鋳型）を導電率４０％ＩＡＣＳのＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ−Ａｌ合金で構成されたものを用いて直径１８ｍｍのＣｕ−Ｍｇ系荒引線を製出し、ベルトホイール式連続鋳造機から製出される鋳造銅材の温度を７２０℃以上とした。
そして、比較例、本発明例について、Ｃｕ−Ｍｇ系荒引線の製造状況を評価した。評価結果を表１に示す。

表１に示すように、比較例においては、ベルトホイール式連続鋳造機から製出される鋳造銅材の温度が７０３℃とされており、その後の連続圧延機において負荷が許容値を超えてしまい圧延が不可能となった。
一方、本発明例においては、ベルトホイール式連続鋳造機から製出される鋳造銅材の温度が８００℃とされており、その後の連続圧延機において円滑に圧延加工を行うことができ、直径１８ｍｍのＣｕ−Ｍｇ系荒引線を安定して製出することができた。

次に、本発明例によって得られたＣｕ−Ｍｇ系荒引線について特性評価（引張強度、延び、導電率）を行った。また、直径０．１８ｍｍまで伸線加工した後の銅線の引張強度（ＴＳ）についても評価した。さらに、直径８０μｍまで伸線加工を行った際の伸線状況について確認した。なお、従来例として、押出によって製出されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線についても評価した。評価結果を表２に示す。

引張強度、伸び、導電率等の特性、伸線加工性についても、押出によって製出された比較例と本発明例とで差はなく、本発明のＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法及びＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造装置によって従来と同等の特性のＣｕ−Ｍｇ系荒引線を得ることが可能であることが確認された。
また、従来の押出法によっては、接合なしで得られるＣｕ−Ｍｇ系荒引線の重量が２００ｋｇであるのに対して、本発明例においては、接合なしで重量５ｔの長尺のＣｕ−Ｍｇ系荒引線を得ることができた。

１０ Ｃｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法
１１ 溶解炉
１５ 連続圧延機
２０ タンディッシュ
２１ Ｍｇ添加手段
２２ 注湯ノズル
２３ ヒータ（加熱手段）
３０ ベルトホイール式連続鋳造機
３１ 鋳造輪（鋳型）
４０ 鋳造銅材
５０ Ｃｕ−Ｍｇ系荒引線

Claims (2)

1. Ｍｇ；０．０１質量％以上０．７０質量％以下を含有するとともに、Ｏが１０ｐｐｍ以下とされ、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるＭｇ含有銅合金で構成されたＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法であって、
   銅原料を溶解して銅溶湯を生成する銅溶湯生成工程と、前記銅溶湯の酸素含有量を１０ｐｐｍ以下とする脱酸工程と、脱酸処理された前記銅溶湯にＭｇを添加するＭｇ添加工程と、Ｍｇが添加された前記銅溶湯をベルトホイール式連続鋳造機に供給し、鋳造銅材を連続的に得る連続鋳造工程と、前記鋳造銅材を連続的に圧延する連続圧延工程と、を備えており、
   前記連続鋳造工程における冷却状態を制御することで、前記ベルトホイール式連続鋳造機から製出される前記鋳造銅材の温度を７２０℃以上とし、
   前記連続圧延工程において、最終圧延時の銅線温度が４００℃以上とされていることを特徴とするＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法。
2. 前記連続鋳造工程で用いられる鋳型の導電率が、２０％ＩＡＣＳ以上５０％ＩＡＣＳ以下とされていることを特徴とする請求項１に記載のＣｕ−Ｍｇ系荒引線の製造方法。

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