JP6001397B2 - 鋼の連続鋳造における鋳片切断装置 - Google Patents

Description

本発明は鋼の連続鋳造において鋳片を機械的に切断する装置に関するものである。

鋼片を連続的に圧延する際、両端近傍は各パスで特異変形し、以後のパスへの噛み込みを阻害する。また製品にキズとして残存する。従って端部は途中で適宜切断除去される。これは圧延歩留まり損の一原因となっている。

連続鋳造鋳片を切断して鋼片とする際、端部を砲弾型に切断して上記問題を解決することは当業者の長い願望であるが未だに容易な方法が見つかっていない。切断方法はかつてはガス溶断が主流であったが油圧せん断機が上記問題に都合良く、現在では断面の大きいブルームやスラブでは前者であるが、ビレットでは後者が多用されている。

切断に三問題が挙げられる。一に上記の圧延歩留まり損であり、二は連続鋳造を高速化すると芯部が凝固直後又は未凝固の状態で切断することになり、せん断により噴出の他に芯部脆弱部がむしれ、鋳片のへりに移動して付着し、搬送を阻害する。あるいは刃間へ差し込み、作動不能となる。三に高速鋳込の場合には芯部が未凝固のため切断に伴う末端部の拡幅が過大になって搬送や圧延噛み込みに問題となる。

特許文献１にはビレットを対象に上記問題の解決策が提起されている。それによると切断を２段階で行い、初段は鋳片の切断予定位置を傾斜的に圧下して溶融芯を封鎖し、次段は該位置でせん断する。鋳込高速化と端部傾斜による圧延時の端部切断量の削減の効果が記載されている。本方法では新たに圧下装置の組み込みが問題となる。

特許文献２には、スラブを対象にした切断方法が提起されている。それによると相対する楔形切断歯を鋳片厚の中央部に向かって圧入し、切断面に傾斜をつけて鋳片を分断する。端部楔形（三角柱）となり切断バリは断面中央部に位置するのでカエリによるキズが発生せず、傾斜した端面は平坦となり圧延歩留まりが向上すると記載されている。

さらに４頁１６〜３２行には、楔の開き角が重要な要素であり、６０°以下では刃先が衝突する危険性が増し、６０°以上では歯先間が板厚の１０〜２０％に達した時点でスラブ軸方向の分離力により容易に分断されると記述されている。本方法がビレットの連続鋳造に応用できるなら大変好都合であるが疑問がある。

特許文献３には、前記文献２の改良方法が同一出願人によって開示されている。それによると楔形刃を圧入するとともに、刃先にはせん断部を設け、刃先をすれ違いさせて切断する。刃先部の開き角（通常９０°弱）が半減するので耐久に問題となろう。

スラブでは拡幅は問題とならないが、ビレットの場合、せん断では拡幅比（＝切断後幅／切断前幅）は約１．２前後で許容されているが、圧入では特に中空材への圧入では該比がかなり大きくなり問題になると予想される。

拡幅抑制に関し、圧延では圧下側面に拘束ガードが設けられることがある。切断に際して該ガードを付設することは容易そうだが具体的に検討すると意外に困難である。
１）せん断刃であれ圧入歯であれ拘束ガードの内側で両刃（又は歯）を作動させると拡幅に伴って刃（又は歯）先の両端頂部が鋳片に食い込み、頂部を摩耗させ易い。
２）頂部が食い込まないよう刃（歯）幅を充分に大きくすると拘束ガードの内幅が過大になって拘束にならない。
３）拘束ガードと刃（又は歯）を一体形成すると、せん断の場合は孔型せん断の形状になって頂部が無くなり且つ拘束が可能になる。しかし圧入の場合はせん断のように両歯はすれ違いできないので拘束ガードの高さは歯先の高さを越えられない。越えると互いに衝突する。圧入の末期には圧入に先行して拡幅が発生するので拘束にならない。
４）一方の拘束ガードの高さを歯先よりも高くし他方はガード無しとすると拘束可能だが、後者の歯は前者のガード内で作動し１）と同じ結果となる。簡単には解決できない。

公開特許公報平成１０−１８０４２８ 特許１６４０７３０ 公開実用新案公報昭６０−６１１１５

本発明は鋼のビレットの連続鋳造において鋳片切断装置の改良により、１）高速鋳込を容易にすること、２）ビレット端面形状を楔形に成形して圧延歩留まりを向上させることの二つを目的とし、そのため連続鋳造鋳片を切断するに当たり鋳片を挟んで対向する２個の楔形切断歯を鋳片面に圧入して噛み切るように分断する方式を採用する。その際１）確実に切断できること、２）切断バリの過大な拡幅を抑制すること、３）切断歯の充分耐久することが容易な切断装置を提供することを解決すべき課題とする。

第１の発明は、鋼のビレット用連続鋳造鋳片の切断に際して、鋳片を挟んで対向する１対の楔形切断歯の歯先を鋳片面に平行・鋳片幅方向に平行の状態で鋳片軸に垂直方向に圧入して噛み切るように切断する装置であって、
１）両切断歯の歯先を互いに鋳片引抜方向にずらして配置し、圧入深さを該両歯先が鋳片厚さの中間点を越えて歯先側面が互いに接するまでとする圧入停止手段を持ち、
２）前記楔形切断歯の両側面には鋳片側面と平行に鋳片の切断末端の拡幅を拘束する拡幅拘束案内板を設け、
３）前記拡幅拘束案内板の高さは前記楔形切断歯の高さよりも圧入方向に高く設定し、該案内板の引抜方向長さは鋳片厚の１／４以上とし、該案内板の取付範囲は一方の切断歯では切断点から上流側、他方は切断点から下流側とし、
４）前記切断歯の歯先部を着脱可能とし、歯先部幅を歯幅よりも大きくしたことを特徴とする連続鋳造鋳片の切断装置である。

第２の発明は、鋼のビレット用連続鋳造鋳片の切断に際して、鋳片を挟んで対向する１対の楔形切断歯の歯先を鋳片面に平行・鋳片幅方向に平行の状態で鋳片軸に垂直方向に圧入して噛み切るように切断する装置であって、
１）両切断歯の歯先を互いに鋳片引抜方向にずらして配置し、圧入深さが該両歯先が鋳片厚さの中間点を越えて歯先側面が互いに接するまでとする圧入停止手段を持ち、
２）一方の楔形切断歯の両側面には鋳片側面と平行に鋳片の切断末端の拡幅を拘束する拡幅拘束案内板を該切断歯と一体に設け他方には該拘束板を設けず、
３）前記拡幅拘束案内板の高さは前記楔形切断歯の高さよりも圧入方向に高く設定し、該案内板の引抜方向長さは鋳片厚の１／２以上とし、
４）前記一方の楔形切断歯の歯先部を着脱可能とし、歯先部幅を歯幅よりも大きくし、
５）他方の楔形切断歯の歯幅は前記拡幅拘束案内板の内幅とし、歯先の両端頂部の開き角を歯の開き角よりも小さくしたことを特徴とする連続鋳造鋳片の切断装置である。
以上の記述において歯の開き角の大きさにかかわらず３角形の稜線を圧入する形状を楔形と称する。

連続鋳造の高速化に伴う未凝固鋳片を切断するに際して、本発明では楔形切断歯の圧入によって噛み切るように溶融芯の封鎖と鋳片の切断を同時に行う。溶融芯の漏出が無いので鋳造能率が向上する。切断面（圧下面）は平滑であり端部形状は先細り型であるので圧延歩留まりが向上する。既存の油圧せん断機の部分改造だけで実施することができる。

圧入に際して、歯先は互いに鋳片進行方向に多少ずれていて、両歯先は鋳片厚中間点を越えて歯先側面が互いに接し、且つ圧入過剰にならない圧入終点の制御手段を持ち、従って歯先が互いに衝突することなく確実に切断することができる。未凝固鋳片を切断する際の異常拡幅に対して歯先と干渉しない拡幅拘束案内板が設けられ所望範囲に制御される。

歯先の、特に歯先両端部の耐久に対して、第１発明では切断歯の歯先部を交換可能とし、且つ歯先部幅を歯幅よりも大きくしているので歯と歯先部両端の摩耗問題は解決される。
第２発明では両端頂部の歯の開き角を小さくして頂部の負荷を軽減し耐久問題を解決している。

本発明を実施する連続鋳造機の概略側面図である。 本発明の切断方法の基本を説明する図である。 第１発明を実施する鋳片切断装置の要部の構造を示す。 第２発明を実施する鋳片切断装置の要部の構造を示す。 歯先部の着脱方法を説明する図である。 油圧せん断機を本発明の方法の装置に改造する説明図である。

図１は本発明を実施する連続鋳造機の概略側面図である。レードル１からタンデイシュ２を経て鋳型３に供給された溶鋼Ｍｅは該鋳型３で冷却され凝固殻を形成しながら鋳片５となる。該鋳片５はピンチ・ロール６により通常より高速で引き抜かれ、２次冷却帯４を経て伸直される。鋳片５の内部に溶融芯８を残したまま切断装置７を通過し、所定長さで該切断装置７により切断される。溶融芯８は封鎖され、溶融芯封入鋼片９が形成される。鋳造能率は速度に比例して増加する。

該鋼片９は直接もしくは保持炉（図示せず）を通して次工程の熱間圧延に供給される。圧延への搬送中又は保持中に芯部の凝固と均熱化が進む。鋼片の保有熱量（温度）が通常より増加するので再加熱の熱量や圧延電力量等が削減される。粗圧延の途中で材料の両端部は形状や表面性状の不適格のため適宜切断除去されるが、本発明では不適格部が短かくなるので切断長さは短縮され圧延歩留まりが向上する。

図２は本発明に関わる鋳片の切断方法を示す。１対の楔形切断歯２２，２２’が鋳片２１を挟んで引抜方向と直角に鋳片上下面に圧入される。両切断歯２２，２２’の歯先は鋳片引抜方向に少しずらせて（ズレ量G）設けてある。圧入の進行につれまず凝固殻２３が傾斜陥没し、溶融芯２４が封鎖される。
次いで両切断歯２２，２２’の歯先は互いに衝突せずに鋳片厚さの中間点を越えて歯先側面が互いに接するまで圧入される。接する直前に鋳片は噛み切るように分断される。変形の形態は末期までは圧下分断、末期はせん断＋引張りである。従って確実に切断される。
ズレ量Ｇは数ｍｍあればよい。過小だと衝突の危険性が残る。過大だと間隙の材料が切断の進行を妨害する。プラスティシン・モデルから鋳片厚さの５％以下が望ましいと解った。ズレＧの下限は１％とする。

圧下面の性状は圧延と同様に平滑である。これが圧延時において両端部の表面性状の不適長さが短くなる根拠である。切断部の形状は楔形となって、搬送時の引っかかりが無くなり、ロールへの噛み込み性が良くなる。

図３は第１発明を実施する鋳片切断装置の概略構造を示し、ほぼ同一形状の下歯３１と上歯３１’とから構成される。それぞれ歯台３３、３３’と歯台３３，３３’上に設けられた楔形切断歯３２，３２’と該切断歯３２，３２’の両側面に設けられた拡幅拘束案内板３４，３５，３４’，３５’とから成る。上下の該案内板の一方は切断点から引抜方向の前方、他方は後方に配置される。両歯は鋳片軸に対してほぼ対象に配置され、歯先が鋳片面に平行且つ鋳片軸に横断して待機し、鋳片軸に垂直に圧入される。

切断歯の圧入により鋳片の厚さ中間の切断末端部に拡幅が発生する。拡幅拘束案内板３４，３５、３４’，３５’は該拡幅を許容範囲に抑える機能を持つ。従って該案内板３４，３５，３４’，３５’の内幅は所定の許容範囲値、鋳片幅の１２０％以下が望ましい。該案内板は拡幅に先行して拡幅部位に位置どりする必要があるので該案内板３４，３５，３４’，３５’の圧入方向への高さは切断歯３２、３２’の高さよりも大きくする。高さ差は鋳片厚さの２０％以上５０％以下が望ましい。該案内板３４，３５，３４’，３５’の引抜方向の長さは全体で拡幅部の長さ（鋳片厚さの約１／２）でよいが鋳片先端の案内の機能もあるのでそれぞれ鋳片厚さの１／４以上とする。上下の案内板は圧入に際して互いにすれ違うように鋳片厚中間点を越えて送り込まれ、合体して拘束機能を果たす。

圧入が進み、両歯先がすれ違った時点で両歯３１，３１’を引き戻し、歯に無益な荷重をかけない。作動させる油圧シリンダーの動きには多少はづみがあるので強固な停止機構を必要とする。そのため本発明では確実な圧入終点制御手段を採る。圧入終点において前記拘束案内板３４，３４’の上面が対面の歯台３３’に衝突して以後の圧入を停止する。該終点時と該衝突時を一致させるよう間隙調整ライナー３６，３６’の厚さを調節する。

図４は第２発明を実施する鋳片切断装置の概略構造を示し、異なる形状の下歯４１と上歯４１’とから構成される。それぞれ歯台４２、４２’と歯台４２，４２’上に設けられた楔形切断歯４３，４３’とから成る。前記切断歯４３の両側面には該切断歯４３と一体に拡幅拘束案内板４４，４５が付設される。該案内板の引抜方向長さは鋳片厚さの半分以上とし、取付部位は切断点前後を覆う。

上歯４１’の切断歯４３’の幅は前記拡幅拘束案内板４４，４５の内幅とする。圧入に際し該切断歯４３’の側面は前記案内板４４，４５内側を密接摺動して侵入する。両者の間隙が大きいと噛み残しが起こる。上歯４１’の歯先の両端は頂点をなす。該頂点は圧入初期には鋳片に接しないが、末期では拡幅により鋳片に食い込むことになり摩耗上の問題が生ずる。頂部は本体部よりも大きい力と熱の二重の負荷を受ける。

圧入中の頂部近傍の材料の流れを観察すると、頂部の外側に空隙が発生している。楔圧入は材料を分断するが歯先が存在しない外側にもその作用が及んでいることが解る。このことから歯幅は材料幅よりも多少小さくても切断可能である。
空隙部に歯肉を盛り上げても切断に不都合は無く、切断歯の頂部と側面を補強することになる。適切な側面肉盛りは前記頂部の二重の負荷を軽減する。具体的方法として該頂部のみ歯の開き角を小さくする。頂部が肉盛り部に相当、頂部間が本来の歯先に相当する。頂部間の分断作用が頂部での切り裂きを補助する。その結果頂部の摩耗は抑制される。

切断歯３２，３２’，４２の歯先部は交換可能な構造とする。目的は歯先の両端を使用しないこと及び消耗に容易に対応することである。具体例を図５に示す。
切断歯３２（図５Ａ）の歯先部５１は４角柱の形状を持ち、耐熱・耐摩材で構成し、歯先部５１の歯幅は本体部よりも長くし、両端部５２，５３の延長した分だけ拡幅拘束案内板３４に設けられた楔形溝５４，５５にはめ込む。切断歯４２の場合（図５Ｂ）は、３角柱の形状とし、同様に延長した分だけ両端部５２，５３を拡幅拘束案内板４４，４５の中に設けられた装入溝５６，５７に摺動して嵌め込み、該溝の残りを埋める固定具５８，５９により固定する。いずれも頂部は稼働範囲外となる。

図６は第２発明を実施する切断機の構造の正面図である。該構造は歯以外は通常の油圧せん断機と同様であって既設の油圧せん断機を部分改造して実施することができる。
切断歯の圧入反力を受ける枠６１内の片端に油圧シリンダー６２の底面を固定し、シリンダーヘッド６３に移動歯６４を取り付ける。枠６１内の他端には固定歯６４’を設け、両歯６４，６４’は鋳片６８を挟んで対向する。シリンダー６２の膨張により切断歯６５，６５’は鋳片６８に圧入され、鋳片厚の中間点を越えて一方の歯先が他方に接する時点で拡幅拘束案内板６６、６６’の上面に設けられた間隙調整ライナー６７、６７’が他方の歯台６４’面に衝突するよう該ライナー６７、６７’の厚さを調節しておく。

未凝固鋳片（変形上では中空材と見なされる）の場合、圧入に伴い切断末端は約３５％拡幅することもある。この大きさはとても許容されないが既述の拡幅拘束ガード５６，５６’が機能し、拡幅比は１．２以内に容易に止められる。
歯の開き角αが大きいほど圧入荷重が増加する。他方高速鋳込に伴い鋳片の平均温度の上昇による軟化、未凝固による実効断面積の減少等の負荷軽減要因もある。ナイフのように過小では切断の挙動が圧入から切り裂きのような方向に変化し漏出の危険性が生ずる。９０°ならせん断とほぼ同等の荷重となる。当該角前後が適正値である。
本発明は高速鋳込を行わない場合でも圧延歩留まりの向上が得られる。

実施例１： 有限要素法による変形の解析を行った。鋼種はＳＳ４１、鋳片断面形状は１００ｍｍ角、切断温度は１０００℃一定とし、変形抵抗は最大荷重の推定のため通常より大きく８０ＭＰａとした。芯部４０ｍｍ径は空洞とし、楔形切断歯の形状は幅１５０ｍｍ高さ５０ｍｍ、開き角αはｔａｎ（α／２）＝５０／７５である。
圧下率ｒが０．５では未封鎖であるが、０．７で芯部は完全に封鎖される。歯の圧入に際して延展性のある表皮が陥没し、異常流れは見られない。拡幅率は拘束板が無い場合は１．３５、該板により設定通りの１．０４になる。しかし文献２に示されたような圧入途中残り寸法が１０〜２０％で分断されることはなく、両歯の会合直前でも分断されない。
最大荷重はせん断の場合の１．６倍になるが、開き角の縮小により軽減される。

実施例２： 上記解析の１／２スケールでプラスチシン・モデルの実験を行った。２０ｍｍ径の空洞のある５０ｍｍ角の供試材側面に１対の木製の楔形歯を当て、万力で締め付けて切断した。圧下率０．６で内部の圧接が確認された。両歯先が１〜２ｍｍに接近した時点で折れるように分断した。圧下面は極めて平滑である。拡幅率は約１．３になった。本方法が端面の平滑性に極めて優れることが確認された。歯の開き角αを９０゜にしても同様であった。６０゜の場合は中心部の圧接が少し遅れ圧下率約７０％で圧接が確認できた。
残り寸法が１０〜２０％で分断されると言うような都合の良い結果が得られなかった。

実施例３： 次ぎに鋼材を対象とした。２０ｍｍ角の棒鋼を約１１００℃に加熱して開き角９０°の歯の圧入・分断試験を行った。結果はプラスティシン（展性はあるが延性は小さい）と異なり圧入だけでは分断は不確実であり、圧入後分断直前に曲げを作用させると確実に分断できた。ここから圧入だけでは生産設備として不十分である。
歯先を前後に少しずらせて送り込み過剰とすると分断できることが判明した。ズレ分、過剰分はわずかでよい。切断末期でせん断と引張りが作用すると考えられる。

１：レードル ２：タンディシュ ３：鋳型 Ｍｅ：溶鋼 ４：２次冷却帯 ５：鋳片 ６：ピンチロール ７：切断機 ８：溶融芯 ９：溶融芯封入鋼片 ２１：鋳片 ２２，２２’：切断歯 ２３：凝固殻 ２４：溶融芯 ３１：下歯 ３１’：上歯 ３２，３２’：切断歯 ３３，３３’：歯台 ３４，３５，３４’,３５’：拡幅拘束案内板 ３６，３７：間隙調整ライナー ４１：下歯 ４１’：上歯 ４２，４２’：切断歯 ４３，４３’：歯台 ４４，４５：拡幅拘束案内板 ５１：歯先部 ５２，５３：端部 ５４，５５：楔形溝 ５６，５７：挿入溝 ５８，５９：固定具 ６１：枠 ６２：油圧シリンダー ６３：シリンダーヘッド ６４，６４’：歯 ６５，６５’：切断歯 ６６，６６’：拡幅拘束案内板 ６７，６７’：間隙調整ライナー ６８：鋳片

Claims (2)

1. 鋼のビレット用連続鋳造鋳片の切断に際して、鋳片を挟んで対向する１対の楔形切断歯の歯先を鋳片面に平行・鋳片幅方向に平行の状態で鋳片軸に垂直方向に圧入して噛み切るように切断する装置であって、１）両切断歯の歯先を互いに鋳片引抜方向にずらして配置し、圧入深さを該両歯先が鋳片厚さの中間点を越えて歯先側面が互いに接するまでとする圧入停止手段を持ち、２）前記楔形切断歯の両側面には鋳片側面と平行に鋳片の切断末端の拡幅を拘束する拡幅拘束案内板を設け、３）前記拡幅拘束案内板の高さは前記楔形切断歯の高さよりも圧入方向に高く設定し、該案内板の引抜方向長さは鋳片厚の１／４以上とし、該案内板の取付範囲は一方の切断歯では切断点から上流側、他方は切断点から下流側とし、４）前記切断歯の歯先部を着脱可能とし、歯先部幅を歯幅よりも大きくしたことを特徴とする連続鋳造鋳片の切断装置。
2. 鋼のビレット用連続鋳造鋳片の切断に際して、鋳片を挟んで対向する１対の楔形切断歯の歯先を鋳片面に平行・鋳片幅方向に平行の状態で鋳片軸に垂直方向に圧入して噛み切るように切断する装置であって、１）両切断歯の歯先を互いに鋳片引抜方向にずらして配置し、圧入深さが該両歯先が鋳片厚さの中間点を越えて歯先側面が互いに接するまでとする圧入停止手段を持ち、２）一方の楔形切断歯の両側面には鋳片側面と平行に鋳片の切断末端の拡幅を拘束する拡幅拘束案内板を該切断歯と一体に設け他方には該拘束板を設けず、
   ３）前記拡幅拘束案内板の高さは前記楔形切断歯の高さよりも圧入方向に高く設定し、該案内板の引抜方向長さは鋳片厚の１／２以上とし、４）前記一方の楔形切断歯の歯先部を着脱可能とし、歯先部幅を歯幅よりも大きくし、５）他方の楔形切断歯の歯幅は前記拡幅拘束案内板の内幅とし、歯先の両端頂部の開き角を歯の開き角よりも小さくしたことを特徴とする連続鋳造鋳片の切断装置。

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