JP6360561B2 - 金属パイプを鋳造するための連続鋳造ノズル組立体 - Google Patents

Description

本発明は、非鉄金属パイプを垂直上方鋳造するための、連続した鋳造に適した連続鋳造ノズル組立体に関するものである。本発明は、とりわけ請求項１の前提部に記載された連続鋳造ノズル組立体に係るものである。

従来のパイプ製造工程の多くは、最初に塊材を溶融及び鋳造し、塊材を予熱及び押出加工した後、ピルガー圧延を行なう工程を含む。代替手段としては、キャスト・アンド・ロール工程があり、これは金属の溶融及び厚肉パイプの水平鋳造、その後のパイプ表面の機械加工及び遊星ミリングを含むものである。これらは高度に複雑且つ制御が困難な工程である。

溶湯の自由表面から上方に向かって連続鋳造を行なうパイプ鋳造の従来技術の構成が、例えば米国特許第３，８７２，９１３号に開示されている。この文献には、異形製品を上方鋳造する方法及びその装置が開示されている。それによれば、溶湯がノズルにより吸い上げられ、ノズルは、表面が鋳型を形成し、その下端が溶湯に浸漬され、その上端部が冷却器に囲まれた管により冷却器支持部及び真空源に連結している。冷却器は、３本の同心円の管からなり、その間を冷却水用の円筒形の導管が延在する。最も内側の管は、異形パイプの横断面よりも大きな横断面を有する。ノズルは、一体物の耐火材により構成されており、その上端部は冷却器内に同軸的に延びている。冷却器支持部は、鋳造されるパイプと整合する開口部を有し、鋳型はこれよりも広い別の冷却ゾーンに連結しているため、真空源により溶湯をノズル内の冷却ゾーンに吸い込むことが可能になっている。
特開昭６３−１０４７６２号公報には、溶湯を取鍋からタンディッシュに注ぎ、タンディッシュから鋳型に注ぐ連続鋳造のための浸漬ノズルが開示されており、浸漬ノズルの吐出口を含む部分または全内面の使用前の粗さが３．５以下であることが記載されている。

従来技術によるノズル組立体は良く機能するが、連続鋳造設備の生産性を向上させるため、より効果的な鋳造装置が必要とされるにつれ、操業に欠陥のない改良されたノズル組立体へのニーズが現れている。

従来技術で公知のノズル組立体に関する問題点は、鋳造収縮により連続鋳造パイプの横断面が減少し始める箇所の上方で、分離した及び／若しくは漏れた金属並びに／又は合金元素並びに／又は酸素の様々な化合物が、ノズル組立体のノズルの内面に蓄積、堆積する場合があることである。このような化合物及び特に堆積物により、鋳造工程が妨げられ、鋳造製品の品質が損なわれる可能性がある。耐火性のノズル材料が黒鉛である場合、このような化合物又は堆積物は成形されやすい。黒鉛は、その他の点では優れた鋳型材料である。鋳造する金属がアルミニウム又はマグネシウムなどの活性反応金属である場合、又は鋳造する金属が無酸素銅などの特別に純粋な合金である場合、問題点は更に一層顕著なものになる。

従来技術の構成により生じる別の問題点は、連続鋳造における内部組織の結晶粒径が大きくなり、従って鋳造されたパイプの内部組成物が、更なる成形には適さない点である。

従来技術において、上記の問題点を解決するために、ホーニング加工により鏡面に相当するまでノズル組立体のノズルの内面を研磨することが試みられたが、これは、ノズル組立体の製造に時間がかかり、費用が嵩むことになる。この方法は、問題を満足のゆくレベルには解決しておらず、内面への様々な化合物の蓄積及び堆積により、金属パイプの連続鋳造、特に非鉄金属パイプの上方鋳造に問題が生じている。

米国特許第３，８７２，９１３号明細書 特開昭６３−１０４７６２号公報

本発明の目的は、従来技術の問題点及び欠点が除去された又は少なくとも最小化された連続鋳造ノズル組立体を開発することである。

本発明の目的は、非鉄金属パイプを垂直上方鋳造するための連続鋳造ノズル組立体を開発することである。鋳造収縮により連続鋳造パイプの横断面が減少し始める箇所の上方で、分離した及び／若しくは漏れた金属並びに／又は合金元素並びに／又は酸素の様々な化合物が、ノズル組立体のノズルの内面に蓄積し、堆積することに関連する既知のノズル組立体の欠点。

本発明の目的は、結晶粒径が大きいことに関連する既知のノズル組立体の欠点が解決された、非鉄金属パイプの鋳造のための、とりわけ垂直上方鋳造のための連続鋳造ノズル組立体を開発することである。

本発明の目的は、非鉄パイプの上方鋳造に特に適した連続鋳造ノズル組立体を提供することである。

本発明の更なる目的は、改良された連続鋳造ノズル組立体を開発することである。

上記の目的及び以後の記載から明らかになる目的を達成するため、本発明による連続鋳造ノズル組立体は、請求項１に記載された構成を主な特徴とする。

本発明によれば、ノズル組立体のノズルの内面の表面粗さは、３〜５Ｒａである。従って、内面は、ホーニング加工なしに、削り加工、例えば穿孔又は旋削により製造可能である。ノズル組立体のノズルの内面粗さが本発明による値であれば、分離した及び／若しくは漏れた金属並びに／又は合金元素並びに／又は酸素の様々な化合物の有害な蓄積及び堆積が回避できる。

本発明の有利な構成によれば、ノズルの内面は、鋳造収縮により連続鋳造パイプの横断面が減少し始める箇所、即ち縮小領域の上方のノズルの内面上で、定義された値にある。縮小領域は、ノズル組立体の冷却器が効果を及ぼし始める箇所に位置し、それは溶湯の入口の方向から冷却器が見え始める箇所から約＋／−２２ｍｍである。ノズルの内面の表面粗さは、縮小領域の後の領域でも同じ値でよいが、異なっていてもよい。

有利な構成によれば、ノズル組立体のノズルの溶湯供給用開口部は、上向き角度０〜４５°に形成されており、１０〜２０°が有利である。

有利な構成によれば、ノズル組立体のマンドレルの溶湯供給用開口部は、上向き角度０〜８０°に形成されており、１０〜２０°が有利である。

ノズル及びマンドレルの溶湯供給用開口部の傾斜により、溶湯が良く混合されて、より均質な溶湯が実現され、更にはより高品質なパイプが製造される。

有利な構成によれば、ノズルの溶湯供給用の開口部及びマンドレルの溶湯供給用の開口部は正接しており、これによって溶湯の流れが冷却ゾーンに向けられ、従ってより良い結晶組織が実現される。

有利な構成によれば、マンドレルの溶湯供給用開口部の直径は、ノズルの溶湯供給用開口部の直径よりも大きく、マンドレルの溶湯供給用開口部の直径が１０〜１００％大きいことが有利であり、０．５ｍｍ大きいことが最も有利である。ノズルの溶湯供給用開口部の直径は、１．０〜５．０ｍｍが有利であり、マンドレルの溶湯供給用開口部の直径は、１．１〜１０．０ｍｍが有利である。

有利な構成によれば、ノズル又はマンドレルには溶湯供給用開口部を設けず、マンドレル又はノズルの溶湯供給用開口部を通してのみ、溶湯をノズル組立体の冷却ゾーンに供給する。

有利な構成によれば、ノズルには２〜６箇所の溶湯供給用開口部があり、３箇所の溶湯供給用開口部が有利である、またマンドレルには２〜６箇所の溶湯供給用開口部があり、３箇所の溶湯供給用開口部が有利である。

有利な構成によれば、マンドレルは円錐形であり、その先端の角度は０．５〜３°であり、２°が有利である。円錐形のマンドレルは管状で、壁の厚さは０．５〜１０ｍｍが有利であり、２〜４ｍｍがより有利である。

有利な構成によれば、ノズル組立体の冷却器は黒鉛又は他のセラミック材料でできており、冷却ゾーンの長さは４０〜４００ｍｍ、有利には８０ｍｍである。ノズルは管状で、壁の厚さは、特に冷却ゾーンにおいて、０．５〜４．０ｍｍが有利であり、１．０〜２．０ｍｍがより有利である。

有利な構成によれば、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）が、ノズル組立体の冷却器の製造方法として使用される。

寸法の最適化により、材料コストのかなりの節約が実現される。ノズル組立体の製造では、材料コストは製造コストの大半を占める。

有利な構成によれば、熱輻射による好ましくない影響を避けるために、断熱部がノズル組立体のマンドレルの底部に配置される。

有利な構成によれば、ノズルの全長は１００〜３００ｍｍであり、１７０ｍｍが有利である。マンドレルの全長は、ノズルの長さよりも２０〜３０％短いことが有利である。

ノズル組立体のノズル及び冷却器は、相互固定するための圧入当接部を有し、従って、ノズルの外径は、冷却器の内径よりも若干大きいことが有利である。

ノズル組立体のノズル及びマンドレルは、相互固定するための圧入当接部を有することが有利である。ノズルとマンドレルとの間の当接部を確実なものとするため、係止ピンを設けてもよい。

本発明により、鋳造収縮により連続鋳造パイプの横断面が減少し始める箇所の上方で、分離した及び／若しくは漏れた金属並びに／又は合金元素並びに／又は酸素の様々な化合物が、ノズル組立体のノズルの内面に蓄積し、堆積することに関する問題のない、連続鋳造用ノズル組立体が実現される。本発明により、鋳造されたパイプの内部組織の結晶粒径がより小さく形成された連続鋳造用ノズル組立体も実現される。従ってパイプの成形特性が著しく改善され、例えば、サニタリー管、工業管、並びに、銅及び、例えばＣｕＮｉのような様々な合金製の薄肉のＡＣＲ管さえ製造可能である。更に、操業時に故障がなく、より効果的な改良型ノズル組立体が実現し、連続鋳造設備の生産性を達することができる。

本発明による連続鋳造ノズルは、例えば、アルミニウム、銅、銅ニッケル、又は銅マグネシウムなどの非鉄材料製のパイプの鋳造に大変適している。本発明による連続鋳造ノズルは、上方鋳造に使用することが有利であるが、水平鋳造にも使用できる。

以下に、添付の図を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。添付図では、本発明の有利な具体例が詳細に示されるが、本発明はそれに狭義に限定されるべきでない。

本発明によるノズル組立体の１つの有利な具体例の概略縦側面投影図。 図１によるノズル組立体の部品の有利な具体例を概略的に示す。 図１によるノズル組立体の部品の有利な具体例を概略的に示す。 図１によるノズル組立体の部品の有利な具体例を概略的に示す。 図１によるノズル組立体の部品の有利な具体例を概略的に示す。

以下の説明では、他に記述がなければ、同じ符号は同じ又は対応する部品若しくは構成要素を示す。

図１の例では、ノズル組立体１０は、ノズル１１、マンドレル１２、保護ポット１３、断熱体１４、冷却器１５及び冷却液用空間１６を備える。ノズル１１は管状の部品であり、その内部の供給端部には、鋳造するパイプの中央開口部を形成するための管状のマンドレル１２が配置される。ノズル１１の出口端部の周囲には、冷却液用空間を備えた冷却器１５が配置されて、冷却ゾーンを形成する。冷却ゾーンの始点には、鋳造収縮により連続鋳造されるパイプの横断面が減少し始める縮小領域Ｚが位置する。本発明によれば、ノズル組立体１０のノズル１１の内面の少なくとも縮小領域Ｚは、表面粗さ３〜５Ｒａを有することが有利である。冷却器１５の周囲には断熱体１４が配置され、その周囲には保護ポット１３が配置される。別の断熱部１７がマンドレル１２の底部に配置される。

図２Ａの例では、ノズル組立体のノズル１１及びマンドレル１２を縦側面投影図で示す。ノズル１１は溶湯供給用の開口部２１を備え、マンドレル１２は溶湯供給用の開口部２２を備える。マンドレル１２の底部には、断熱部１７が配置される。図２Ｂの例では、ノズル１１を縦側面投影図で示す。ノズル１１の全長Ｌ１１は１００〜３００ｍｍであり、１７０ｍｍが有利である。マンドレル１２の全長Ｌ１２は、ノズル１１の長さＬ１１よりも２０〜３０％短いことが有利である。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、ノズル組立体１０のノズル１１の溶湯供給用開口部２１は、上向き角度０〜４５°であり、１０〜２０°が有利である、またノズル組立体１０のマンドレル１２の溶湯供給用開口部２２は上向き角度０〜８０°であり、１０〜２０°が有利である。ノズル１１の冷却ゾーンの始点には、鋳造収縮により連続鋳造されるパイプの横断面が減少し始める縮小領域Ｚが配置され、縮小領域Ｚの表面粗さは１〜８．０Ｒａであり、３〜５Ｒａが有利である。

図２Ｃおよび図２Ｄの例では、ノズル１１及びマンドレル１２を端部の断面投影図で示す。ノズル１１の溶湯供給用開口部２１及びマンドレル１２の溶湯供給用開口部２２は正接する（接線方向である）。マンドレル１２の溶湯供給用開口部２２の直径Ｄ２２は、ノズル１１の溶湯供給用開口部２１の直径Ｄ２１よりも大きく、マンドレル１２の溶湯供給用開口部２２の直径Ｄ２２は１０〜１００％大きいことが有利であり、０．５ｍｍ大きいことが最も有利である。ノズル１１の溶湯供給用開口部２１の直径Ｄ２１は、１．０〜５．０ｍｍであることが有利であり、マンドレル１２の溶湯供給用開口部２２の直径Ｄ２２は、１．１〜１０．０ｍｍであることが有利である。ノズル１１には、２〜６箇所、有利には３箇所の溶湯供給用の開口部２１があり、マンドレル１２には、２〜６箇所、有利には３箇所の溶湯供給用の開口部２２がある。ノズル組立体１０では、ノズル１１及び冷却器１５は、相互に固定するための圧入当接部を有する。また、ノズル１１及びマンドレル１２も、相互に固定するための圧入当接部を有する。ノズル１１とマンドレル１２との間の当接を確実なものとするため、係止ピン２５を設けてもよい。マンドレル１２は円錐形であり、その先端の角度は０．５〜３°であり、２°が有利である。ノズル１１は管状で、冷却ゾーンにおける壁の厚さは０．５〜４．０ｍｍであり、１．０〜２．０ｍｍがより有利である。円錐形のマンドレル１２は管状で、壁の厚さは０．５〜１０ｍｍであり、２〜４ｍｍがより有利である。ノズル組立体１０の冷却器１５は黒鉛又は他のセラミック材料で作られ、冷却ゾーンは４０〜４００ｍｍ、有利には８０ｍｍの長さを有することが有利な構成である。

１０ ノズル組立体
１１ ノズル
１２ マンドレル
１３ 保護ポット
１４ 断熱体
１５ 冷却器
１６ 冷却液用空間
１７ 断熱部
２１、２２ 溶湯供給用開口部
Ｚ 縮小領域

Claims (25)

1. 連続した鋳造に適した、非鉄金属パイプの垂直上方鋳造のための連続鋳造ノズル組立体（１０）であって、ノズル（１１）、マンドレル（１２）及び冷却器（１５）を備える連続鋳造ノズル組立体において、
   前記ノズル（１１）が管状部材であり、該管状部材の内部の供給端には、管状の前記マンドレル（１２）が配置され、前記ノズル（１１）の出口端部周囲には、冷却液用空間（１６）を備えた前記冷却器（１５）が配置されて冷却ゾーンを形成し、該冷却ゾーンの始点には、鋳造収縮により連続鋳造されるパイプの横断面が減少し始める縮小領域（Ｚ）が位置し、
   前記ノズル組立体（１０）の前記ノズル（１１）の内面の少なくとも一部の表面粗さが３〜５Ｒａであり、前記ノズル（１１）の内面の少なくとも一部が、縮小領域（Ｚ）であることを特徴とする、連続鋳造ノズル組立体。
2. 前記ノズル組立体（１０）の前記ノズル（１１）の前記内面の表面粗さが、鋳造収縮により連続鋳造されるパイプの横断面が減少し始める箇所、即ち縮小領域の上方の前記ノズル（１１）の前記内面上で３〜５Ｒａであり、
   前記縮小領域は、前記ノズル組立体（１０）の前記冷却器（１５）が溶湯に対し効果を及ぼし始める箇所に位置し、前記効果を及ぼし始める箇所は、溶湯の入口の方向から前記冷却器（１５）が見え始める箇所から＋／−２２ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載された連続鋳造ノズル組立体。
3. 前記ノズル組立体（１０）の前記ノズル（１１）が、前記ノズル（１１）に溶湯供給用開口部（２１）を備え、該溶湯供給用開口部（２１）は上向き角度０〜４５°に形成されており、前記ノズルの溶湯供給用開口部（２１）が正接することを特徴とする、請求項１に記載された連続鋳造ノズル組立体。
4. 前記ノズルの前記溶湯供給用開口部（２１）の上向き角度が１０〜２０°であることを特徴とする請求項３に記載された連続鋳造ノズル組立体。
5. 前記ノズル組立体（１０）の前記マンドレル（１２）が、前記マンドレルに溶湯供給用開口部（２２）を備え、該溶湯供給用開口部（２２）は上向き角度０〜８０°に形成されており、前記マンドレルの溶湯供給用開口部（２２）が正接することを特徴とする、請求項１に記載された連続鋳造ノズル組立体。
6. 前記マンドレルの前記溶湯供給用開口部（２２）の上向き角度が１０〜２０°であることを特徴とする請求項５に記載された連続鋳造ノズル組立体。
7. 前記ノズル組立体（１０）の前記マンドレル（１２）が、前記マンドレルに溶湯供給用開口部（２２）を備え、該溶湯供給用開口部（２２）は上向き角度０〜８０°に形成されており、前記マンドレルの溶湯供給用開口部（２２）が正接して、
   前記マンドレル（１２）の溶湯供給用開口部（２２）の直径（Ｄ２２）が、前記ノズル（１１）の溶湯供給用開口部の直径（Ｄ２１）よりも大きいことを特徴とする、請求項３または請求項４に記載された連続鋳造ノズル組立体。
8. 前記マンドレルの前記溶湯供給用開口部（２２）の上向き角度が１０〜２０°であることを特徴とする請求項７に記載された連続鋳造ノズル組立体。
9. 前記マンドレル（１２）の溶湯供給用開口部（２２）の直径（Ｄ２２）が、前記ノズル（１１）の溶湯供給用開口部の直径（Ｄ２１）よりも１０〜１００％大きいことを特徴とする、請求項７または請求項８に記載された連続鋳造ノズル組立体。
10. 前記マンドレル（１２）の溶湯供給用開口部（２２）の直径（Ｄ２２）が、前記ノズル（１１）の溶湯供給用開口部の直径（Ｄ２１）よりも０．５ｍｍ大きいことを特徴とする、請求項７または請求項８に記載された連続鋳造ノズル組立体。
11. 前記ノズル（１１）は、２〜６箇所の溶湯供給用開口部（２１）を備え、前記マンドレル（１２）は、２〜６箇所の溶湯供給用開口部（２２）を備えることを特徴とする、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載された連続鋳造ノズル組立体。
12. 前記ノズル（１１）が３箇所の溶湯供給用開口部（２１）を備えることを特徴とする、請求項１１に記載された連続鋳造ノズル組立体。
13. 前記マンドレル（１２）は、３箇所の溶湯供給用開口部（２２）を備えることを特徴とする、請求項１１または請求項１２に記載された連続鋳造ノズル組立体。
14. 前記マンドレル（１２）が円錐形であり、その先端の角度は０．５〜３°であり、
    前記マンドレル（１２）が管状であり、壁の厚さは０．５〜１０ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載された連続鋳造ノズル組立体。
15. 前記マンドレル（１２）の円錐形の先端の角度が２°であることを特徴とする、請求項１４に記載された連続鋳造ノズル組立体。
16. 前記マンドレル（１２）の管状の壁の厚さが２〜４ｍｍであることを特徴とする、請求項１４または請求項１５に記載された連続鋳造ノズル組立体。
17. 前記ノズル（１１）が管状であり、壁の厚さは０．５〜４．０ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載された連続鋳造ノズル組立体。
18. 前記ノズル（１１）の管状の壁の厚さが１．０〜２．０ｍｍであることを特徴とする、請求項１７に記載された連続鋳造ノズル組立体。
19. 前記ノズル組立体（１０）の前記冷却器（１５）が、黒鉛又は他のセラミック材料でできており、前記ノズル組立体（１０）の前記冷却ゾーンの長さが４０〜４００ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載された連続鋳造ノズル組立体。
20. 前記ノズル組立体（１０）の前記冷却ゾーンの長さが８０ｍｍであることを特徴とする、請求項１９に記載された連続鋳造ノズル組立体。
21. 前記ノズル組立体が、前記マンドレル（１２）の底部に配置された断熱部（１７）を備えることを特徴とする、請求項１に記載された連続鋳造ノズル組立体。
22. 前記ノズル（１１）の全長（Ｌ１１）が１００〜３００ｍｍであり、前記マンドレル（１２）の全長（Ｌ１２）が、前記ノズル（１１）の全長（Ｌ１１）よりも２０〜３０％短いことを特徴とする、請求項１に記載された連続鋳造ノズル組立体。
23. 前記ノズル（１１）の全長（Ｌ１１）が１７０ｍｍであることを特徴とする、請求項２２に記載された連続鋳造ノズル組立体。
24. 前記ノズル組立体（１０）では、前記ノズル（１１）及び前記冷却器（１５）が、相互固定するための圧入当接部を有し、前記ノズル（１１）及び前記マンドレル（１２）が、相互固定するための圧入当接部を有することを特徴とする、請求項１に記載された連続鋳造ノズル組立体。
25. 前記ノズル組立体（１０）が、保護ポット（１３）、断熱体（１４）及び冷却液用空間（１６）を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載された連続鋳造ノズル組立体。

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