JP6435810B2 - 鋳造方法および鋳造用鋳型 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造方法および鋳造用鋳型に関し、特に、鋳造過程において発生する鋳片の表面の肌荒れを改善する鋳造方法および鋳造用金型に関する。

鉄鋼生産プロセスの１つとして、銑鋼一貫プロセスが挙げられる。具体的には、高炉で鉄鉱石から溶銑を製造し、続いて転炉で溶銑から溶鋼を製造後、二次精錬で高純度化した溶鋼を連続鋳造で凝固させるプロセスである。出来上がった鋳造品は、加熱後に熱間圧延され、その後、複数の工程を経て鉄鋼製品となる（非特許文献１）。

連続鋳造法は、溶湯を凝固させる鋳造を連続して行う方法であり、溶湯を鋳型に連続的に鋳造し、凝固した鋳片を連続的に取り出して生産する方法である。連続鋳造装置の設備としては、溶湯を取鍋から分配するタンディッシュと、溶湯を鋳型に導く浸漬ノズル、溶湯を固めて凝固殻を形成し、鋳片とする鋳型、および凝固殻を周囲から冷却する二次冷却帯、等がある。連続鋳造法によれば、溶湯を途切れることなく凝固することが可能であるため、生産性を高めることができる。また、鉄系、アルミニウム系、銅系およびこれらの合金等、さまざまな金属材料に対応することが可能な方法である。

合金溶湯を鋳造する際には、中心偏析や逆Ｖ偏析等、合金組成が凝固時に不均一になる偏析の発生を防止し、微細組織を形成することができるよう鋳造工程を制御することが好ましい。かかる制御方法の１つとしては、鋳片を鋳型から引抜く引抜速度を制御する方法が挙げられる。引抜速度を通常よりも低速に制御することにより、偏析を防止し、微細組織を形成した鋳片を鋳造することができる。

しかしながら、引抜速度を低速にすると、引き抜かれた鋳片の表面に凹凸形状の大きい肌荒れが発生する場合がある。このような肌荒れがある場合、次工程である圧延や鍛造等の加工工程において凹凸部から裂けるような割れが発生するという不具合をもたらす。また、肌荒れした部分は、組織が不均一になっている場合がある。そのため、次工程へ移る前に、肌荒れした部分も含めて鋳片の表面を削る中間工程を設けているところ、凹凸形状が大きいと、削り代が大きくなってしまい歩留まりが低下してしまう。そのため、鋳造により得られる鋳片の表面は、できるだけ平滑であることが要求される。

田中和明著、「よくわかる最新金属の基本と仕組み」、第１版、株式会社秀和システム、２０１３年３月１５日、ｐ．１２４−１２５

上記問題点に鑑み、本発明は、鋳造過程において発生する鋳片の表面の肌荒れを改善する鋳造方法および鋳造用金型を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明者は、まず、低速で鋳造した場合に鋳片の表面に肌荒れが発生する原因について追究した。その結果、スラグを配置した鋳型を用いて鋳片の引抜速度を低速にすると、鋳片は鋳型からゆっくりと引き抜かれることとなり、この場合、鋳型が溶鋼を過度に抜熱してしまうことがわかった。特に、スラグと溶鋼との境界近傍であって鋳型と接触する位置近傍、すなわち溶鋼のメニスカス位置近傍において、凝固殻の形成が始まるところ、当該近傍において過度に抜熱されることが、鋳片の表面に肌荒れを発生させる原因であることを突き止めた。この結果を基に、本発明者は、低速で鋳造した場合に発生する鋳片の表面の肌荒れを改善することのできる手段について、鋭意検討を行った。その結果、スラグと溶鋼との境界近傍であって鋳型と接触する位置近傍の鋳型に、空隙等の断熱層を設けることにより、メニスカス位置近傍における抜熱を緩和することが可能となり、凝固殻が緩やかに形成されることで鋳片の表面の肌荒れを改善することができた。また、鋳片の引抜速度を低速にして鋳造した際に、断熱層の断熱効果により、スラグの流動性を大きくすることができた。その結果、スラグスキンを薄膜化することが可能となり、得られる鋳片の表面肌を改善することができた。本発明者は、これらの知見を得て、本発明を想到するに至った。

すなわち、本発明に係る鋳造方法は、合金溶湯を、スラグを配置した鋳型へ注入する注入工程と、前記鋳型を冷却して前記溶湯を冷却することにより、未凝固部および当該未凝固部の外周部に凝固殻を有する鋳片を形成する鋳片形成工程と、を少なくとも含む鋳造方法であって、前記鋳型は、金型と、当該金型の内壁に内接する黒鉛スリーブと、前記内壁と前記黒鉛スリーブとの間に配置された空隙、断熱材または空隙と断熱材のいずれかからなる断熱層を少なくとも備え、前記鋳片形成工程は、前記合金溶湯の湯面が、前記断熱層が配置された範囲内に位置するよう制御する湯面位置制御工程を含む、鋳造方法である。

本発明は、別の側面で、鋳造用鋳型であり、当該鋳造用鋳型は、金型と、当該金型の内壁に内接する黒鉛スリーブと、前記内壁と前記黒鉛スリーブとの間に配置された空隙、断熱材または空隙と断熱材のいずれかからなる断熱層を、少なくとも備える鋳造用鋳型である。

本発明の鋳造方法および鋳造用鋳型によれば、鋳造過程において発生する鋳片の表面の肌荒れを改善することができる。

本発明の鋳造用鋳型を示す図。 図１とは異なる態様の鋳造用鋳型を示す図。 図１、図２とは異なる態様の鋳造用鋳型を示す図。 本発明の鋳造用鋳型の空隙の態様を説明する図。 鋳造する際の本発明の鋳造用鋳型の断面図。 本発明の鋳造用鋳型を備えた垂直型連続鋳造装置の装置断面を示す図。 実施例１にて使用した鋳造用鋳型の断面図。 従来の鋳造用鋳型を示す図。 実施例１で鋳造した鋳片の外観写真。 比較例２で鋳造した鋳片の外観写真。

以下、本発明の鋳造方法および鋳造用鋳型について、その一般的形態を詳細に説明する。ただし、本発明は、以下に説明する形態によって限定されるものではない。

本発明の鋳造方法は、注入工程と、鋳片形成工程と、を少なくとも含む。前記注入工程は、合金溶湯を、スラグを配置した鋳型へ注入する工程である。合金溶湯を凝固させて鋳片とするための前工程である。

合金溶湯としては、特に微細組織化と成分偏析の低減が困難である冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度工具鋼等の工具鋼、その他の高合金鋼等や、エレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ法）に適用される合金に適用することができる。具体的には、鉄を主成分として炭素を３．０質量％以下、鉄以外の金属元素を５質量％以上有する合金溶湯の鋳造に適用することが可能であり、特に炭素が０．１質量％〜３．０質量％の組成の合金溶湯の鋳造に適用することができる。

スラグは、介在物の捕捉や合金溶湯の脱硫といった製錬作用があり、また、鋳型内の合金溶湯の表面の断熱や、外気を遮断するといった作用を示す。これらの作用を考慮すると、スラグの厚さは２０ｍｍ〜１００ｍｍとすることができる。スラグは、鋳造の間、加熱手段によって加熱することができる。また、スラグは、融点が５００℃〜１４００℃の低融点スラグを用いることができる。

前記鋳片形成工程は、前記鋳型を冷却して前記溶湯を冷却することにより、未凝固部および当該未凝固部の外周部に凝固殻を有する鋳片を形成する工程である。この工程により、溶湯が冷却されて鋳片となる。

本発明の鋳造方法において、前記鋳型は、金型と、当該金型の内壁に内接する黒鉛スリーブと、前記内壁と前記黒鉛スリーブとの間にある断熱層を少なくとも備える。金型は、合金溶湯を注入することのできる上下方向に貫通した空間部を有する形状を有するものを用いることができる。当該空間部上部から金型に合金溶湯を注入し、注入された合金溶湯を冷却して製造した鋳片を当該空間部下部から垂直方向に引抜くことが可能であり、製造効率を上げることができるからである。金型の断面は、円形状や多角形形状等、合金の種類や凝固の均一性等を考慮して任意の形状とすることができる。金型の材質としては、熱伝導性に優れる鉄や銅等を使用することが可能である。

黒鉛は、スラグと反応しにくい性質を有する。そこで黒鉛材料を加工した黒鉛スリーブを金型の内壁に内接することで、黒鉛スリーブの内面がスラグによる浸食を受けず、合金溶湯を冷却して表面の平滑な鋳片とすることができる。黒鉛スリーブの断面形状は、金型の内周形状に対応した断面形状であると共に、黒鉛スリーブの内面と金型の内面は長手方向で面一であることが好ましい。このような形状であれば、形成された鋳片に余計な応力が作用することがないため、凝固殻が破断して表面の肌荒れが発生することを防止することができる。黒鉛スリーブは、金型の空間部上部から空間部下部に至るまで金型の内壁に内接する必要はなく、スラグと合金溶湯との境界近傍であって鋳型と接触する位置近傍の金型の内壁に内接していれば足りる。例えば、金型の空間部上部から合金溶湯の湯面を想定している位置（メニスカス上面位置）の１００ｍｍ下までの範囲に、黒鉛スリーブが内接していれば足りる。

断熱層は、金型の内壁と黒鉛スリーブとの間に配置する。このように配置することで、断熱層が断熱作用を示し、メニスカス位置近傍における抜熱を緩和することが可能となり、凝固殻が緩やかに形成されて、鋳片の表面の肌荒れを改善することができる。また、鋳片の引抜速度を低速にして鋳造した際に、断熱層の断熱効果により、スラグの流動性を確保することができる。その結果として、スラグスキンを薄膜化することが可能となり、得られる鋳片の表面肌を改善することができる。断熱層は、金型の内壁の一部を凹部形状とすることによりできる隙間に設けることが可能であり、黒鉛スリーブの金型に内接する面の一部を凹部形状とすることによりできる隙間に設けることも可能である。また、金型と黒鉛スリーブの両方に凹部形状を設けることによりできる隙間に、断熱層を設けることもできる。断熱層は、黒鉛スリーブの上部から下部に至るまで設ける必要はなく、スラグと合金溶湯との境界近傍であって鋳型と接触する位置近傍、すなわち合金溶湯のメニスカス位置近傍に位置するよう設ければ足りる。例えば、合金溶湯の湯面を想定している位置（メニスカス上面位置）の１００ｍｍ上から、メニスカス上面位置の１００ｍｍ下までの範囲に、断熱層を設ければ足りる。断熱層は、例えば金型の断面が円形状の場合、金型の内壁と黒鉛スリーブとの間を一周するリング形状とすることができる。このような形状とすることで、抜熱をムラなく緩和することができる。また、金型の断面が多角形形状の場合、断熱層を金型の内壁と黒鉛スリーブとの間を一周するリング状の多角形形状とすることが可能であり、また、コーナー部の抜熱を重点的に行うべく、コーナー部のみに断熱層を設けることもできる。

前記断熱層は、空隙、断熱材または空隙と断熱材のいずれかからなる。空隙のみでも断熱作用を発揮し、断熱材や空隙と断熱材とを組み合わせた場合でも断熱作用を発揮する。空隙と断熱材とを組み合わせた場合としては、例えば黒鉛スリーブと金型との間にできる隙間のうち、黒鉛スリーブ側に断熱材を設け、金型側を空隙とする断熱材層と空隙層の２層構造の断熱層とすることができる。また、黒鉛スリーブ側に空隙を設け、金型側を断熱材とする断熱材層と空隙層の２層構造の断熱層や、空隙と断熱材を複数組み合わせた多層構造の断熱層とすることができる。また、隙間の上部半分のみに断熱材を設け、下部半分を空隙とする断熱層や、隙間の上部半分のみに空隙とし、下部半分のみに断熱材を設ける断熱層も、例として挙げられる。

本発明の鋳造方法において、前記鋳型は、上記の構成の他、冷却効率の観点から金型を冷却する冷却手段等を備えることができる。例えば、金型の内部を冷却水が循環する水冷式の金型を用いることができる。

本発明の鋳造方法において、前記鋳片形成工程は、前記合金溶湯の湯面が、前記断熱層が配置された範囲内に位置するよう制御する湯面位置制御工程を含む。すなわち、合金溶湯の湯面を、鋳型のうち断熱層を設けた領域の範囲内に位置するように制御することで、断熱層が断熱作用を示し、メニスカス位置近傍における抜熱を緩和することが可能となり、凝固殻が緩やかに形成されて、鋳片の表面の肌荒れを改善することができる。湯面の制御は、任意の湯面制御手段により、制御することができる。

本発明の鋳造方法において、前記注入工程における単位時間当たりに鋳型へ注入する前記合金溶湯の注入高さ、すなわち合金溶湯を注入するときの注入速度は、０．０１ｍ／分〜０．１ｍ／分とすることができる。合金溶湯の注入速度が０．０１ｍ／分よりも遅い場合であっても、偏析の発生を防止し、微細組織を形成することができるものの、生産効率が低下してしまう。また、合金溶湯の注入速度が０．１ｍ／分よりも速い場合には、偏析が発生する場合がある。合金溶湯の注入速度が０．０１ｍ／分〜０．１ｍ／分の範囲であれば、中心偏析や逆Ｖ偏析等、合金組成が凝固時に不均一になる偏析の発生を防止し、微細組織を形成することができる。

連続鋳造方法において、合金溶湯の注入と鋳片の引抜は、別々に制御することが可能である。但し、前記注入速度と鋳片の引抜速度が違いすぎると、連続して鋳造することが困難となる。そのため、合金溶湯の注入と鋳片の引抜は、ある程度の関連性をもって制御することが好ましい。すなわち、合金溶湯の前記注入速度と鋳片の引抜速度は略同一であることが好ましい。例えば、注入速度が０．０１ｍ／分である場合には、引抜速度も０．０１ｍ／分とすれば、鋳造を円滑に行うことができる。なお、連続鋳造の鋳造速度は、引抜速度と同一であり、引抜速度が０．０１ｍ／分であれば、鋳造速度も０．０１ｍ／分となる。鋳造速度が０．０１ｍ／分〜０．１ｍ／分である場合には、低速で鋳造していることとなる。

本発明の鋳造方法において、前記断熱層の厚みは、１ｍｍ〜３ｍｍとすることができる。断熱層の厚みが１ｍｍよりも薄い場合には、抜熱を緩和する効果が小さくなり、鋳片の表面の肌荒れを改善することが困難となる場合がある。また、断熱層の厚みが３ｍｍよりも厚い場合には、抜熱の緩和効果が大きくなるものの、鋳型による冷却が抑制されて合金溶湯の冷却が進みにくくなってしまい、凝固殻の形成に不具合が生じるおそれがある。断熱層の厚みが１ｍｍ〜３ｍｍの範囲であれば、鋳型の冷却効果を損なうことなく、抜熱の緩和効果が得られる。ここで、断熱層が空隙と断熱材とを組み合わせである場合、断熱材の厚みを１ｍｍ〜２ｍｍとし、残りの断熱層の厚みを空隙とすることができる。

本発明の鋳造方法において、前記断熱材は、セラミックシートとすることができる。セラミックシートであれば、断熱効果を十分に発揮することができる。

本発明の鋳造方法は、連続鋳造方法とすることが可能であり、上記工程の他、引抜工程と、冷却工程と、を少なくとも含むことができる。前記引抜工程は、前記鋳片を前記鋳型より引抜く工程である。この工程により、引抜かれた鋳片が次工程で冷却され、また、鋳片が取り出された鋳型へ順次溶湯が注入される。前記冷却工程は、前記引抜工程後の前記鋳片を冷却する工程である。この工程により、凝固殻が冷却されると共に、未凝固部も冷却されて凝固する。冷却は、得られる鋳片の熱容量により、２次冷却帯等の冷却設備を用いて強制的に冷却してもよいところ、鋳造環境下の室温雰囲気下において自然冷却すれば足りる。これらの工程を含む連続鋳造方法であれば、合金溶湯を連続的に鋳造されて鋳片を製造することが可能である。

本発明の鋳造方法は、鉄系、アルミニウム系、および銅系の合金等、さまざまな合金材料に対応することが可能である。

次に、本発明の鋳造用鋳型について、説明する。本発明の鋳造用鋳型は、金型と、当該金型の内壁に内接する黒鉛スリーブと、前記内壁と前記黒鉛スリーブとの間にある断熱層を少なくとも備える。金型は、合金溶湯を注入することのできる上下方向に貫通した空間部を有する形状を有するものを用いることができる。当該空間部上部から金型に合金溶湯を注入し、注入された合金溶湯を冷却して製造した鋳片を当該空間部下部から垂直方向に引抜くことが可能であり、製造効率を上げることができるからである。金型の断面は、円形状や多角形形状等、合金の種類や凝固の均一性等を考慮して任意の形状とすることができる。金型の材質としては、熱伝導性に優れる鉄や銅等を使用することが可能である。

黒鉛は、スラグと反応しにくい性質を有する。そこで黒鉛材料を加工した黒鉛スリーブを金型の内壁に内接することで、黒鉛スリーブの内面がスラグによる浸食を受けず、合金溶湯を冷却して表面の平滑な鋳片とすることができる。黒鉛スリーブの断面形状は、金型に対応して同一の断面形状であると共に、黒鉛スリーブの内面と金型の内面は面一であることが好ましい。このような形状であれば、形成された鋳片に余計な応力が作用することがないため、凝固殻が破断して表面の肌荒れが発生することを防止することができる。黒鉛スリーブは、金型の空間部上部から空間部下部に至るまで金型の内壁に内接する必要はなく、スラグと合金溶湯との境界近傍であって鋳型と接触する位置近傍の金型の内壁に内接していれば足りる。例えば、金型の空間部上部から合金溶湯の湯面を想定している位置（メニスカス上面位置）の１００ｍｍ下までの範囲に、黒鉛スリーブが内接していれば足りる。

断熱層は、金型の内壁と黒鉛スリーブとの間に配置する。このように配置することで、断熱層が断熱作用を示し、メニスカス位置近傍における抜熱を緩和することが可能となり、凝固殻が緩やかに形成されて、鋳片の表面の肌荒れを改善することができる。また、鋳片の引抜速度を低速にして鋳造した際に、断熱層の断熱効果により、スラグの流動性を大きくすることができる。その結果として、スラグスキンを薄膜化することが可能となり、得られる鋳片の表面肌を改善することができる。断熱層は、金型の内壁の一部を凹部形状とすることによりできる隙間に設けることが可能であり、黒鉛スリーブの金型に内接する面の一部を凹部形状とすることによりできる隙間に設けることも可能である。また、金型と黒鉛スリーブの両方に凹部形状を設けることによりできる隙間に、断熱層を設けることもできる。断熱層は、黒鉛スリーブの上部から下部に至るまで設ける必要はなく、スラグと合金溶湯との境界近傍であって鋳型と接触する位置近傍、すなわち合金溶湯のメニスカス位置近傍に位置するように設ければ足りる。例えば、合金溶湯の湯面を想定している位置（メニスカス上面位置）の１００ｍｍ上から、メニスカス上面位置の１００ｍｍ下までの範囲に、断熱層を設ければ足りる。断熱層は、例えば金型の断面が円形状の場合、金型の内壁と黒鉛スリーブとの間を一周するリング形状とすることができる。このような形状とすることで、抜熱をムラなく緩和することができる。また、金型の断面が多角形形状の場合、断熱層を金型の内壁と黒鉛スリーブとの間を一周するリング状の多角形形状とすることが可能であり、また、コーナー部の抜熱を重点的に行うべく、コーナー部のみに断熱層を設けることもできる。

前記断熱層は、空隙、断熱材または空隙と断熱材のいずれかからなる。空隙のみでも断熱作用を発揮し、断熱材や空隙と断熱材とを組み合わせた場合でも断熱作用を発揮する。空隙と断熱材とを組み合わせた場合としては、例えば黒鉛スリーブと金型との間にできる隙間のうち、黒鉛スリーブ側に断熱材を設け、金型側を空隙とする断熱材層と空隙層の２層構造の断熱層とすることができる。また、黒鉛スリーブ側に空隙を設け、金型側を断熱材とする断熱材層と空隙層の２層構造の断熱層や、空隙と断熱材を複数組み合わせた多層構造の断熱層とすることができる。また、隙間の上部半分のみに断熱材を設け、下部半分を空隙とする断熱層や、隙間の上部半分のみに空隙とし、下部半分のみに断熱材を設ける断熱層も、例として挙げられる。

本発明の鋳造用鋳型は、上記の構成の他、冷却効率の観点から金型を冷却する冷却手段等を備えることができる。例えば、金型の内部を冷却水が循環する水冷式の金型を用いることができる。

本発明の鋳造用鋳型において、前記断熱層の厚みは、１ｍｍ〜３ｍｍとすることができる。断熱層の厚みが１ｍｍよりも薄い場合には、抜熱を緩和する効果が小さくなり、鋳片の表面の肌荒れを改善することが困難となる場合がある。また、断熱層の厚みが３ｍｍよりも厚い場合には、抜熱の緩和効果が大きくなるものの、鋳型による冷却が抑制されて合金溶湯の冷却が進みにくくなってしまい、凝固殻の形成に不具合が生じるおそれがある。断熱層の厚みが１ｍｍ〜３ｍｍの範囲であれば、鋳型の冷却効果を損なうことなく、抜熱の緩和効果が得られる。ここで、断熱層が空隙と断熱材との組み合わせである場合、断熱材の厚みを１ｍｍ〜２ｍｍとし、残りの断熱層の厚みを空隙とすることができる。

本発明の鋳造用鋳型において、前記断熱材は、セラミックシートとすることができる。セラミックシートであれば、断熱効果を十分に発揮することができる。

以下、本発明の鋳造方法および鋳造用鋳型について、その実施の形態を、図面を参照して説明する。この場合において、本発明は図面の実施形態に限定されるものではない。

図８は、従来の鋳型を示す図である。図８（ａ）は、鋳型１０１の斜視図であり、鋳型１０１は上下方向に貫通した空間部１０２を有する金型１０３である。図８（ｂ）は、鋳造する際の鋳型１０１の断面図である。スラグ１０４を配置した鋳型１０１へ合金溶湯１０５を注入し、金型１０３を冷却して合金溶湯１０５を冷却する。これにより、合金溶湯１０５のメニスカス位置Ｒを起点として、融液と固相の混合物１０６を経て凝固殻１０７が形成され、鋳片となる（図８（ｂ））。金型は、スラグの浸食を受けやすい。そのため、スラグ１０４と接触する金型１０３の内壁の平滑性が損なわれる場合がある。金型の内壁が平滑でないと、鋳片の表面に肌荒れが発生し易くなる。また、鋳造速度が低速である場合には、凝固殻が形成される起点となる合金溶湯１０５のメニスカス位置Ｒにおいて過度に抜熱されることが、鋳片の表面に肌荒れを発生させる要因となる。

図１は、本発明の鋳造用鋳型を示す図である。図１（ａ）は、鋳型１−１の斜視図であり、鋳型１−１は上下方向に貫通した空間部２を有する金型３である。金型３の内壁には、黒鉛スリーブ４が内接する。図１（ｂ）は、図１（ａ）の鋳型１−１のＡ−Ａ断面図である。金型３の内壁と黒鉛スリーブ４との間に断熱層５を備える。黒鉛スリーブ４の内面６と金型３の内面７は面一である。黒鉛スリーブ４は、金型３の空間部上部８から、合金溶湯の湯面と想定しているメニスカス上面位置９の下までの範囲１０に内接している。断熱層５は、メニスカス上面位置９の上下数ｃｍの範囲に設けられている。図１（ｃ）は、図１（ｂ）の鋳型１−１のＢ−Ｂ断面図である。断熱層５は、金型３の内壁と黒鉛スリーブ４との間を一周するリング状の四角形形状となっている（図１（ａ）、（ｃ））。

本発明の鋳造用鋳型は、断面が四角形の鋳型１−１の他、断面が円形の鋳型１−２や（図２）、断面が六角形の鋳型１−３（図３）等、任意の断面形状とすることができる。また、断熱層５は、金型３の内壁の一部を凹部形状１８とすることによりできる隙間に設けることが可能であり（図４（ａ））、黒鉛スリーブ４の金型３に内接する面の一部を凹部形状１９とすることによりできる隙間に設けることも可能である（図４（ｂ））。また、金型３と黒鉛スリーブ４の両方に凹部形状を設けることによりできる隙間に、断熱層を設けることもできる（図４（ｃ））。断熱層は、合金溶湯のメニスカス上面位置の上下数ｃｍの範囲に位置すればよく、黒鉛スリーブ４の下部域２０に位置することや（図４（ｂ））、黒鉛スリーブ４の中央域２１に位置する等（図４（ａ））、任意の位置とすることができる。

断熱層５は、リング状の四角形形状（図１（ａ）、（ｃ））の他、金型の断面が円形状の場合は、金型の内壁と黒鉛スリーブとの間を一周するリング形状とすることができる（図２）。金型がコーナー部を有する断面が多角形形状の場合、コーナー部の抜熱を重点的に抑制すべく、コーナー部のみに断熱層５を設けることもできる（図３）。

図５は、鋳造する際の鋳型１−１の断面図である。スラグ１４を配置した鋳型１−１へ合金溶湯１５を注入し、金型３を冷却して合金溶湯１５を冷却する。これにより、合金溶湯１５のメニスカス位置Ｒを起点として、融液と固相の混合物１６を経て凝固殻１７を形成し、鋳片となる（図５）。合金溶湯１５のメニスカス位置Ｒは、スラグ１４と反応しにくい黒鉛スリーブ４が金型３の内壁に内接していることにより、鋳片の平滑性が向上する。さらに、合金溶湯１５のメニスカス位置Ｒの近傍に断熱層５が位置していることにより、抜熱が緩和されて凝固殻１７が緩やかに形成され、鋳片の表面の肌荒れが改善される。

図６は、本発明の鋳造用鋳型を備えた垂直型連続鋳造装置の装置断面を示す図である。図示の連続鋳造装置３０は、合金溶湯３１を保持するタンデッシュ３２、鉄製の水冷モールド３３、水冷モールド３３の下部から下降する鋳片３４を垂直方向に引抜く昇降装置３５、水冷モールド３３から引抜かれた鋳片３４を冷却する２次冷却帯３６、合金溶湯３１を溶湯流３７として、スラグ３８を配置した水冷モールド３３に注入するためのタンデッシュ３２の底部に設けたノズル３９、合金溶湯３１を外気から遮断するシールド４０、およびスラグ通電電極４１を備える。タンデッシュ３２が保持する合金溶湯３１は、ノズル３９から水冷モールド３３に注入される。水冷モールド３３に注入された合金溶湯３１は、水冷モールド３３に注入されることにより冷却され、融液５０から融液と固相の混合物５１を経て、さらに固相５２となる。水冷モールド３３により冷却されて固相５２による凝固殻が形成された鋳片３４は、昇降装置３５により水冷モールド３３から引き抜かれ、冷却される。

水冷モールド３３は、上部内壁に黒鉛スリーブ４２を備え、さらに内壁と黒鉛スリーブ４２との間に断熱層４３を備える。また、水冷モールド３３内には、冷却水が流通する冷却用空間４４が備えられている。

以上説明したように、本発明の鋳造方法および鋳造用鋳型によれば、鋳造過程において発生する鋳片の表面の肌荒れを改善することができる。

以下、実施例等を示して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
図６に示す連続鋳造装置３０を用いて、鋳造を行った。なお、スラグ通電電極４１は用いていない。タンディッシュ３２に合金溶湯３１を保持し、表１に示す組成を有するスラグ３８を５０ｍｍの厚さで配置した水冷モールド３３に合金溶湯３１を注入し、鋳造を行った。合金溶湯は、ＪＩＳ ＳＫＤ１１相当の鋼種を用いた。溶湯の成分を表２に示す。合金溶湯の温度は１５００℃とし、合金溶湯の注入速度を０．０２ｍ／分に制御することにより、鋳造速度を０．０２ｍ／分（２０ｍｍ／分）相当として、３ｍまで鋳造を行った。

実施例１において使用した水冷モールド３３の断面図を図７に示す。水冷モールドは４００ｍｍ角の鋳片を鋳造するものであり、内側の形状は、縦４００ｍｍ、横４００ｍｍ、長さ４００ｍｍである。上部２００ｍｍ部分の内壁には、４方の内壁を一周するように厚さ８ｍｍの黒鉛スリーブ４２を内設している。黒鉛スリーブ４２の外壁であって、金型に内接する面の一部を、４方の外壁を一周するように凹部形状とすることにより、黒鉛スリーブの下部より３０ｍｍ上に、高さ４０ｍｍ、厚さ２ｍｍの隙間を設け、厚さ１ｍｍのセラミックシートを巻きつけた。これにより、黒鉛スリーブ側に厚さ１ｍｍのセラミックシート層５３を配置すると共に、金型側に厚さ１ｍｍの空隙層５４を配置した断熱層を設けた。

断熱層による抜熱の緩和効果が、合金溶湯３１のメニスカス位置Ｒにて発揮されるよう、湯面が、断熱層の上端より２０ｍｍ下の位置であって、断熱層の高さの中央の位置となるように制御した。

［比較例１］
図８に示すように、黒鉛スリーブおよび断熱層を設けていない鋳型を水冷モールドとし、その他の条件は実施例１と同様として鋳造を行った。

実施例１の鋳造方法により得た鋳片の外観写真を図９に示す。この図９に示すように、実施例１の鋳造方法により得た鋳片は、表面の肌荒れが改善された。一方で、比較例１の鋳造方法により得た鋳片は、ブレイクアウトし、鋳片を得ることができなかった。

［実施例２］
実施例２では、実施例１よりも断面の大きい鋳片を、鋳造速度を速めて鋳造した。
表３に示す組成を有するスラグ３８を使用し、合金溶湯の注入速度を０．０３ｍ／分に制御することにより、鋳造速度を０．０３ｍ／分相当として、４００分まで鋳造を行った。水冷モールドについては以下に説明する。その他の条件は、実施例１と同じ条件とした。

実施例２において使用した水冷モールド３３の断面図を図７に示す。水冷モールドは短辺が４００ｍｍ、長辺が６００ｍｍの鋳片を鋳造するものであり、内側の形状は、縦４００ｍｍ、横６００ｍｍ、長さ４００ｍｍである。上部２００ｍｍ部分の内壁には、４方の内壁を一周するように厚さ８ｍｍの黒鉛スリーブ４２を内設している。黒鉛スリーブ４２の外壁であって、金型に内接する面の一部を、４方の外壁を一周するように凹部形状とすることにより、黒鉛スリーブの下部より３０ｍｍ上に、高さ４０ｍｍ、厚さ２ｍｍの隙間を設け、厚さ１ｍｍのセラミックシートを巻きつけた。これにより、黒鉛スリーブ側に厚さ１ｍｍのセラミックシート層５３を配置すると共に、金型側に厚さ１ｍｍの空隙層５４を配置した断熱層を設けた。

断熱層による抜熱の緩和効果が、合金溶湯３１のメニスカス位置Ｒにて発揮されるよう、湯面が、断熱層の上端より２０ｍｍ下の位置であって、断熱層の高さの中央の位置となるように制御した。

［比較例２］
図８に示すように、黒鉛スリーブおよび断熱層を設けていない鋳型を水冷モールドとし、その他の条件は実施例２と同様として鋳造を行った。

実施例１と同様に、実施例２の鋳造方法によっても、表面の肌荒れが改善された鋳片を得ることができた。一方、比較例２の鋳造方法により得た鋳片の外観写真を図１０（ａ）、表面の近接写真を図１０（ｂ）に示す。この図１０に示すように、比較例２の鋳造方法により得られた鋳片は、鋳造方向の全長（図１０（ａ））および角部（図１０（ｂ））に筋状の凹凸が発生し、鋳片の表面が肌荒れしていることを確認した。

以上より、スラグと溶鋼との境界近傍であって鋳型と接触する位置近傍の鋳型に、空隙を設けることにより、メニスカス位置近傍における抜熱を緩和することが可能となった。その結果として、凝固殻が緩やかに形成されることで、低速で鋳造した際に発生する鋳片の表面の肌荒れを改善できることを確認した。

本発明によれば、鋳造過程において発生する鋳片の表面の肌荒れを改善することができるため、産業上有用である。

１−１ 鋳型
１−２ 鋳型
１−３ 鋳型
２ 空間部
３ 金型
４ 黒鉛スリーブ
５ 断熱層
６ 黒鉛スリーブの内面
７ 金型の内面
８ 金型の空間部上部
９ メニスカス上面位置
１０ 金型３の空間部上部からメニスカス上面位置の下までの範囲
１４ スラグ
１５ 合金溶湯
１６ 融液と固相の混合物
１７ 凝固殻
１８ 金型の内壁の凹部形状
１９ 黒鉛スリーブの凹部形状
２０ 黒鉛スリーブの下部域
２１ 黒鉛スリーブの中央域
３０ 連続鋳造装置
３１ 合金溶湯
３２ タンデッシュ
３３ 水冷モールド
３４ 鋳片
３５ 昇降装置
３６ ２次冷却帯
３７ 溶湯流
３８ スラグ
３９ ノズル
４０ シールド
４１ スラグ通電電極
４２ 黒鉛スリーブ
４３ 断熱層
４４ 冷却用空間
５０ 融液
５１ 融液と固相の混合物
５２ 固相
５３ セラミックシート層
５４ 空隙層
１０１ 鋳型
１０２ 空間部
１０３ 金型
１０４ スラグ
１０５ 合金溶湯
１０６ 融液と固相の混合物
１０７ 凝固殻
Ｒ メニスカス位置

Claims (2)

1. 合金溶湯を、スラグを配置した鋳型へ０．０１ｍ／分〜０．１ｍ／分の注入速度で注入する注入工程と、
   前記鋳型を冷却して前記溶湯を冷却することにより、未凝固部および当該未凝固部の外周部に凝固殻を有する鋳片を形成する鋳片形成工程と、
   を少なくとも含む鋳造方法であって、
   前記鋳型は、前記合金溶湯が注入される上下方向に貫通した空間部を有する金型と、当該金型の内壁に内接する黒鉛スリーブと、前記内壁と前記黒鉛スリーブとの間に配置された空隙と断熱材からなる厚みが１ｍｍ〜３ｍｍの断熱層を少なくとも備え、
   前記黒鉛スリーブは、前記金型の前記空間部上部から、前記合金溶湯の湯面を想定している位置の１００ｍｍ下までの範囲に前記金型の内壁に内接しており、
   前記断熱層は、前記黒鉛スリーブと前記金型との間にできる隙間のうち、前記黒鉛スリーブ側に前記断熱材を設け、前記金型側を空隙とする、断熱材層と空隙層とからなる２層構造であり、且つ前記断熱層は、前記内壁と前記黒鉛スリーブとの間を一周するリング状に設けられており、前記断熱層は、前記合金溶湯の湯面を想定している位置の１００ｍｍ上から、１００ｍｍ下までの範囲に設けられており、
   前記鋳片形成工程は、前記合金溶湯の湯面が、前記断熱層が配置された範囲内に位置するよう制御する湯面位置制御工程を含む、鋳造方法。
2. 前記断熱材は、セラミックシートである請求項１に記載の鋳造方法。