JP6565516B2

JP6565516B2 - 鋳造装置

Info

Publication number: JP6565516B2
Application number: JP2015177669A
Authority: JP
Inventors: 隆法相川; 三嶋　節夫; 節夫三嶋
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2035-09-09
Also published as: JP2017051977A

Description

本発明は、鋳造装置に関し、さらに詳しくは、スラグが湯面上部に形成された合金溶湯から鋳塊を連続して製造するための鋳造装置に関する。

合金溶湯から鋳塊を得るための鋳造方法として、従来、真空アーク再溶解法（ＶＡＲ）やエレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ）がある。これらの方法は、水冷モールド壁で囲まれた凝固空間において、溶湯プールを形成させつつ、凝固させるものであり、積み上げるように凝固させることから、一般に積層凝固と呼ばれる凝固形態となる。この積層凝固は、凝固空間が小さいことに起因して、インゴット鋳造で発生する中心偏析や、逆Ｖ偏析といった偏析の発生を緩和することができ、また、水冷モールドの使用により、冷却速度を高めることができるため、組織が微細均一になるという利点もある。

しかしながら、これらＶＡＲやＥＳＲは、再溶解用電極を製造する必要があるため、そのための多くの工数と、再溶解のためのエネルギーを必要とするという問題もあった。一方、この問題を解決する技術として、特開２００７−１１１７６０号公報には、再溶解用電極を使わずに、合金溶湯を直接、水冷モールド壁で囲まれた凝固空間へ所定の注入速度で注入して、スラグ層が配置された溶湯プールを形成させつつ凝固させるとともに、合金溶湯の注入速度に応じて、水冷モールド下部より垂直方向に鋳塊を引き抜く技術が開示されている。

特開２００７−１１１７６０号公報

特開２００７−１１１７６０号公報では、引き抜かれた鋳塊の表面に不均一なスラグ層が形成されるという問題を解決するために、水冷モールド内のスラグ中に複数の加熱電極を設置して、スラグ温度に応じて特定の加熱電極毎に制御することで、水冷モールド内のスラグの不均一であった加熱状態が改善されてスラグ状態が均一化するので、平滑な鋳塊肌を得ることができることが記載されている。

上記公開公報に開示された技術では、各加熱電極と、水冷モールド下部より引き抜く鋳塊との間に電圧を印加するように電源を配置している。このため、加熱電極毎に設けたスイッチの操作によって加熱電極毎に通電の制御ができ、スラグ全体の溶融状態を均一化することができる。しかしながら、水冷モールド下部から引き抜く鋳塊が一定の長さになると、この長くなった鋳塊を切断する作業が生じる。この鋳塊を切断する際には、電源の配線の一方が鋳塊に接続していることから、この接続を水冷モールド側に残った鋳塊にし直す必要があり、その作業中は、全ての加熱電極で通電が行えず、鋳造工程自体が一時的に止まってしまうという問題がある。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、長くなった鋳塊を切断しても、加熱電極によるスラグの加熱を一時的に止めることなく連続して鋳造を行うことができるとともに、冷却モールド内のスラグの溶融状態を均一に維持することができる鋳造装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る鋳造装置は、合金溶湯から鋳塊を連続して製造するための鋳造装置であって、湯面上部にスラグ層が形成された合金溶湯を冷却、凝固して、これにより得た鋳塊を下部より引き抜く冷却モールドと、前記冷却モールド内のスラグ層を加熱するための加熱手段とを備え、この加熱手段は、前記スラグ層内に少なくとも一部が浸漬される複数の加熱電極と、前記複数の加熱電極間に電圧を印加する複数の電源とを更に備えるものである。なお、合金溶湯は、鋳塊を連続して製造するために、合金溶湯を保持するタンディッシュから適宜供給すればよい。

また、本発明に係る鋳造装置は、前記スラグ層の温度に応じて前記複数の加熱電極の各々を制御する制御装置を更に備えるようにしてもよい。この場合、前記複数の加熱電極の各々に対して、温度検出器または電流検出器を有してもよく、これら温度検出器または電流検出器の検出信号が前記制御装置に入力されるように構成してもよい。

このように、スラグ層内に浸漬される複数の加熱電極間に電圧を印加するように複数の電源を設置することで、冷却モールドの下部から延びる鋳塊を切断しても、加熱電極の電源配線には何らの影響もないので、加熱電極によるスラグの加熱を一時的に止めることなく連続して鋳造を行うことができる。また、複数の加熱電極間について加熱の制御ができるので、冷却モールド内のスラグの溶融状態を均一に維持することができる。よって、平滑な鋳塊肌を安定的に連続して得ることができる。

本発明に係る鋳造装置の一実施の形態を示す模式的な断面図である。図１に示す線II−IIに沿った鋳造装置の横断面図である。図２に示す線III−IIIに沿った鋳造装置の縦断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る鋳造装置の一実施の形態について説明する。なお、図面は、本発明の理解を優先するために構成を一部デフォルメまたは省略して描いており、縮尺通りのものではない。

図１に示すように、本実施の形態の鋳造装置は、合金溶湯１を保持するタンディッシュ１０から供給される合金溶湯を凝固させて鋳塊６を得る冷却モールド２０を備える。

タンディッシュ１０は、合金溶湯１を収容するタンディッシュ本体１１と、その底部に設けた合金溶湯を排出するためのノズル１２とを主に備える。ノズル１２には、合金溶湯を冷却モールド２０へ注入する速度を調整することができる弁（図示省略）が設けられている。タンディッシュ１０と冷却モールド２０との間には、合金溶湯と外気を遮断するためのシールド１４が配置されている。

冷却モールド２０は、タンディッシュ１０から注入される合金溶湯を鋳塊とするため、垂直方向に延びるモールド本体２１を備える。モールド本体２１の内径や長さ（高さ）は、所望する鋳塊の大きさによって変わるものであり、例えば、円柱形状であれば、内径を２００〜１０００ｍｍ、長さを２００〜８００ｍｍ、角柱形状であれば、一片が２００〜１０００ｍｍ、長さをを２００〜８００ｍｍとしてもよい。また、冷却モールド２０は、合金溶湯が注入される上側の開口部において、スラグ３を所定の温度に制御するための加熱電極３０を備える。更に、冷却モールド２０の鋳塊６が排出される下側の開口部には、凝固した鋳塊の引き抜きを行うための昇降装置（図示省略）や、引き抜いた鋳塊を更に冷却する２次冷却器、例えば、ミスト噴射器４０を備える。

本実施の形態におけるモールド本体２１及び加熱電極３０のより詳しい構成について、図２及び図３を用いて説明する。図２及び図３に示すように、モールド本体２１は、その円筒形の上側開口部の中心の位置に、タンディッシュ１０のノズル１２から溶湯流２が注入されるように配置されている。尚、ノズル１２は、スラグ３および溶湯に浸漬させる浸漬ノズルを用いることもできる。

また、この上側開口部には、複数の加熱電極３０が、スラグ３全体に対して温度を制御できるように、均等に配置されている。具体的には、８本の丸棒状の加熱電極３０ａ〜３０ｈが、モールド本体２１の溶湯流２が注入される位置を中心にして、それぞれ均等な間隔で環状に配置されているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、加熱電極の形状は、平ら又は湾曲した板状にしてもよいし、また、複数の加熱電極を、２重以上の環状に配置してもよい。

複数の加熱電極３０は、モールド本体２１の長さ方向に対してそれぞれ平行に延びるように配置されている。これら加熱電極３０の上側の端部（基端）は、絶縁物３４を介して支持部材３３にそれぞれ固定されている。また、これら加熱電極３０の下側の端部（先端）は、スラグ３に十分に浸漬する深さに位置するようにするとよい。

加熱電極３０の素材は、酸化やスラグの所定の温度に耐え得る素材であれば特に限定されず、例えば、純鉄やＭｏ（モリブデン）、ＺｒＯ_２（ジルコニア）を使用したサーメット耐火物等を採用することができる。

複数の加熱電極３０ａ〜３０ｈは、例えば２つを一対として、配線３１ａ〜３１ｄを介して、複数の電源３２ａ〜３２ｄに接続されている。また、加熱電極間毎に個別に加熱の制御ができるように、配線３１ａ〜３１ｄに、通電をオン／オフする切替器（図示省略）が設けられている。また、モールド本体２１内のスラグ３の温度を検出するために、温度検出器（図示省略）が複数配置されている。例えば、各加熱電極３０の先端に、温度検出器を設けてもよい。更に、各加熱電極３０には、その電極の電流を測定するための電流検出器（図示省略）が設けられている。そして、これら温度検出器および電流検出器からの検出信号が入力され、これらの信号から得られた情報に従って、スラグ３の状態を均一に保つように各電源３２や加熱電極３０の切替器を制御する制御装置（図示省略）が設けられている。

また、電流検出器（図示省略）の信号をフィードバックして、電源３２の出力電流を一定値（設定値）に調整する制御装置を配置し、温度検出器（図示省略）の信号により制御装置（図示省略）で電源３２の出力電流を調整して、スラグ３の温度を均一に保つこともできる。

また、加熱電極の２つを対にして用いる他、複数個と複数個を対にして電源に接続することもでき、加熱電極間に電圧を印加する手段は適宜変更できる。

モールド本体２１は、内部に注入される合金溶湯を冷却するための水冷部２２と、スラグを保温するための黒鉛スリーブ２５を備える。黒鉛スリーブ２５は、水冷部２２の内側に、すなわち、モールド本体２１の内側に面して設けられている。

黒鉛スリーブ２５は、保温部材であり、モールド本体２１内のスラグ３が形成される位置および凝固シェルの形成位置に配置することが好ましい。黒鉛スリーブ２５の上端は、モールド本体２１の上側開口部の端に位置する。

水冷部２２は、その内側に形成される溶湯プールを冷却、凝固させるために、その内部で水が循環して流れるように構成されている。水冷部２２は、黒鉛スリーブ２５の下端から、モールド本体２１の鋳塊が排出される下側開口部まで配置されている。

以上のような構成を備えた本実施の形態の鋳造装置によれば、先ず、タンディッシュ１０内の例えば約１５００℃を有する合金溶湯１を、その底部のノズル１２から、溶湯流２として冷却モールド２０に注入する。合金溶湯１の注入速度は、０．３ｍ／分以下の速度が好ましい。また、スラグ３は、詳しくは後述するが、複数の電源３２ａ〜３２ｄによって、複数対の加熱電極３０ａ−３０ｂ、３０ｃ−３０ｄ、３０ｅ−３０ｆ、３０ｇ−３０ｈ間にそれぞれ電圧が印加されており、各対で加熱が制御可能であることから、均一な溶融状態を維持することができる。

ノズル１２から注入される溶湯は、冷却モールド２０の黒鉛スリーブ２５の下端より上側に上面が位置する溶湯プール４を形成する。溶湯プール４と黒鉛スリーブ２５内面との界面には、メニスカス４ｍが形成され、この部分において溶湯プール４の上面が下がる。そして、この溶湯プール４は、水冷部２２で冷却されて水冷部２２側にシェル５が形成され、更に冷却が進み、凝固して鋳塊６が形成される。合金溶湯１の注入速度に合わせて、昇降装置（図示省略）によって鋳塊６を冷却モールド２０から下方に引き抜くことで、積層凝固を連続して行うことができる。また、この下方から出てきた鋳塊６は、ミスト噴射器４０からミスト４１を噴射して冷却することもできる。

加熱電極３０の制御について詳しく説明すると、複数の加熱電極３０ａ〜３０ｈのうちの対となる２つの加熱電極間に電圧を印加することで、図３に示すように、各加熱電極３０からその下の溶湯プール４への電流経路３５ａに電流が流れるとともに、溶湯プール４内において、対となる加熱電極３０ａ−３０ｂ、３０ｃ−３０ｄ間の電流経路３５ｂに電流が流れる。制御装置では、溶湯鋼種の融点を考慮して目標スラグ温度範囲が、例えば１３５０〜１４００℃と設定され、複数の加熱電極３０の温度検出器の値が均等になるように加熱電極３０に流す電流の大きさを制御する。すなわち、スラグ３の温度が高い部分では、温度検出器の値が高くなる。よって、温度検出器の値が高い一対の加熱電極の通電を切替器で小さくすることで、温度が高い部分のスラグ加熱を弱める。そして、当該一対の加熱電極の温度検出器の値が、他の温度検出器の値と等しくなったら、切替器によって電流を一定値にする。このような制御を繰り返し行うことで、冷却モールド２０内のスラグ３の温度分布が均一になるように制御することができる。

上記の制御によってスラグ３を均一な状態に維持することで、冷却モールド２０からは平滑な鋳塊肌を有する鋳塊６を、連続して安定的に得ることができる。また、このように連続して鋳塊６を製造することで、一定の長さになった鋳塊６を途中で切断する必要があるが、本発明では、電源３２は加熱電極３０とモールド内電極２３との間に電圧を印加するように配線がされていることから、加熱電極と鋳塊の間に電圧を印加する従来の技術とは異なり、鋳塊６を切断しても加熱電極３０によるスラグ３の加熱が中断されることはない。

以下の構成の鋳造装置を用いて鋳塊の製造およびスラグの加熱実験を行った。タンディッシュに保持する合金溶湯は、ＪＩＳＳＫＤ１１相当の鋼種を用いた。スラグの組成を表１に示す。

黒鉛スリーブが内装された冷却モールドの形状は、内側の寸法において４００ｍｍ×６００ｍｍの長方形である。また、鉄製の丸棒電極を加熱電極ａ〜ｄとして、１００ｍｍ間隔で配置した。加熱電極の下端は、黒鉛スリーブ下端から上方に４０ｍｍの位置となるように配置した。

そして、溶湯温度を約１５００℃、溶湯の注入速度が０．０３ｍ／分（３０ｍｍ／分）となるように、引抜鋳造を行った。加熱電極でのスラグ加熱は、スラグの深さを約８０ｍｍ、目標スラグ温度範囲を１３５０℃とし、電源の電流を３００Ａに設定して、電極の各々の先端に配置した温度検出器の値が均等になるように電源の電流を制御しながら行った。このとき、電極の各々に配置した温度検出器で検出された温度を表２に示す。

表２に示すように、スラグ温度差が、初期では約１００℃あったものが、本発明の構成の場合、制御によって差が縮まり、溶融状態を均一化することができた。このようにして、鋳造初期の不均一なスラグの温度分布を、複数の加熱電極の制御によって是正し、スラグ温度を目標温度範囲内で均一化することができ、スラグの不均一凝固を防止できることが確認できた。

１合金溶湯
２溶湯流
３スラグ
４溶湯プール
５シェル
６鋳塊
１０タンディッシュ
１２ノズル
２０冷却モールド
２２水冷部
２５黒鉛スリーブ
３０加熱電極
３１配線
３２電源
３３支持部材
３４絶縁物
３５電流経路
４０ミスト噴射器

Claims

合金溶湯から鋳塊を連続して製造するための鋳造装置であって、
湯面上部スラグ層が形成された合金溶湯を冷却、凝固して、これにより得た鋳塊を下部より引き抜く冷却モールドと、
前記冷却モールド内のスラグ層を加熱するための加熱手段であって、この加熱手段が、前記スラグ層内に少なくとも一部が浸漬される複数対の加熱電極と、前記複数対の加熱電極の各対の加熱電極間に電圧を印加する電源を複数備える加熱手段と
を備える鋳造装置。
前記スラグ層の温度に応じて前記複数対の加熱電極の各々を制御する制御装置を更に備える請求項１に記載の鋳造装置。
前記複数対の加熱電極の各々に対して、温度検出器または電流検出器を有し、これら温度検出器または電流検出器の検出信号が前記制御装置に入力されるように構成されている請求項２に記載の鋳造装置。