JPH01224142A - 連続鋳造用鋳型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、表面性状の良好な鋳片を高能率で鋳造する
ための連続鋳造用緩冷却鋳型に関するものである。

〈従来技術とその課題〉 凝固時の変態に伴う収縮量の多い包晶組成の如き鋼は、
水冷銅鋳型を用いて鋳込みを行うと初期の凝固シェル厚
が不均一となり易く、スラブの連続鋳造では縦割れ等の
表面欠陥を生じ易いものとして知られている。

近年、省エネルギー・省工程を目的として、従来はブル
ーム連続鋳造鋳片から圧延工程を経て丸ビレツト化して
きたビレット製造工程を排し、連続鋳造によって直接的
に丸ビレツト鋳片を得ることが試みられつつある。この
場合、ブルーム材を圧延すると言う従来法に近い生産性
を保つためには、丸ビレットの鋳込速度をブルームのそ
れの数倍とすることが要求される。

ところが、包晶組成鋼のような表面欠陥の出易い鋼では
、この鋳込速度増大に伴い表面割れ欠陥が助長されるだ
けでなく、割れに起因したブレークアウトが頻発するこ
とから、事実上、鋳込みは不可能とされていた。

ところで、一般に、凝固シェルの不均一化を防止する手
段として鋳片の冷却を緩和させることが有効であること
が知られており、このため、通常のスラブ連続鋳造用鋳
型では鋳片の表面割れを防止すべく、 （ａ）　　水冷銅鋳型内面に溝等の加工を施して伝熱を
緩和したもの（特開昭５１−５０８１９号公報）。

（ｂ）　　水冷銅鋳型内面にＮｉ、　Ｃｏ、　Ｃｒ等の
低熱伝導率金属をメンキしたもの。

（Ｃ）　　水冷銅鋳型内面に熱伝導率の低いステンレス
鋼等を張り付けたもの。

（ｄ）　　水冷銅鋳型内面にセラミックを溶射して伝熱
を緩和したもの（特開昭５９−１５３５５０号公報）。

等の緩冷却鋳型の提案がなされている。

しかし、上記（ａ）の如くに銅板（水冷銅鋳型内面）を
単に加工するだけでは緩冷却効果が不十分で表面欠陥の
改善にまで到らない。また、前記（ｂ）〜（ｄ）の如く
、銅板上（水冷銅鋳型内面）を熱伝導率−の小さな物質
で覆う手段では、所望の初期凝固シェル均一化効果を得
るのに低熱伝導物質層を厚くする必要があり、この場合
には、 ｌ）断熱層（低熱伝導物質層）内の温度勾配が大きいた
め、温度差による熱応力で断熱層を形成する物質が破損
する。

ｉｉ）鋳込み中に最も高温となる断熱層の溶鋼側表面が
、鋳込み中と鋳込み後の繰り返し熱履歴で疲労破壊する
。

ｉｉｉ　）銅板と断熱材（低熱伝導物質）との熱膨張差
のため銅板と断熱層の接合部に応力が加わり、銅板或い
は断熱層が破損する。

等の熱応力に起因した現象によって鋳型に割れ等の欠陥
が発生しがちであることから、実際の使用には耐えない
ものであった。

つまり、上記従来の緩冷却鋳型のうち、銅製鋳型本体の
内面にステンレス鋼を張り付けたものを例として、低熱
伝導物質層を設けた連続鋳造鋳型の熱的影響を調べると
次のような状況が分かる。

第５図は、水冷銅鋳型本体内面にステンレス鋼内筒を直
接的に接合した連続鋳造鋳型における前記内筒部に係る
応力を説明したグラフであるが、この第５図に示される
ように、鋳造による高熱が加わると、ステンレス鋼と銅
のヤング率及び熱膨張率の差により熱応力と鋳型本体（
外側の銅）からの拘束力との合成応力が発生し、これに
よってステンレス鋼内筒内面に大きな圧縮がかかうで降
伏を生じてしまう。即ち、第５図において、鋳造の際に
内筒の外面（銅と接する面）には引張の熱応力（Ａ）が
作用するが、銅鋳型本体から圧縮の拘束力（Ｂ）を受け
る。この結果内筒の外面には合成応力として（Ａ）＋（
Ｂ）がかかる。一方、内筒の内面（溶鋼と接する面）に
は圧縮の熱応力（Ｄ）が作用するが、銅鋳型本体からや
はり圧縮の拘束力（Ｃ）を受ける。そのため、内筒の内
面は合成応力としての（Ｃ）＋（Ｄ）を受けることとと
なる。このように、内筒内面には大きな圧縮応力が加わ
るので内面の座屈を誘発しがちとなる。

もっとも、これら応力の軽減のためにステンレス鋼内筒
の薄肉化が考えられるが、内筒厚みと溶鋼メニスカ入相
当部の熱流束及び熱流束比（銅鋳型の熱流束に対する比
）との関係を示す第６図からも確認できるように、内筒
を薄肉化した場合には銅鋳型本体への熱流束を落とすと
言う緩冷却効果が弱（なるので採用できない平文てであ
る（なお、熱流束比が低い値の方が緩冷却効果は大とな
る）。

そし°で、上記“内筒の薄肉化”とはメツキ或いは溶射
の形態にすることをも意味するものであり、前記説明で
はステンレス鋼を例にとったが、Ｎｉ。

Ｃｏ、Ｃｒ等の各メツキや、メタルやセラミックの溶射
でも同様な問題が生じることは言うまでもない。

また、これらとは別に、溶鋼側に高融点耐食材を用い、
これとバックアップの銅鋳型本体との間に中間層として
低熱伝導の断熱層を設けて連続鋳造鋳型を構成するアイ
デアもあるが、このような鋳型も前記の合成応力に対す
る解決にはなっておらず、中間断熱層の熱応力による破
壊や、中間断熱層の拘束力により高融点耐食材の内面降
伏が生じるのを避けることはできなかった。

しかも、従来提案された上記何れの緩冷却鋳型の場合で
も、断熱層をバックアップしている銅鋳型本体に対して
はその内外面に第７図中の実線で示す合成応力（引張り
）が働き、鋳型本体に降伏が生じる恐れを拭うことがで
きないものであった。

即ち、第７図は、水冷銅鋳型本体内面にステンレス鋼内
筒を直接的に接合した連続鋳造鋳型の本体部分にかかる
応力状況を説明したものであるが、鋳造の際、本体外面
には引張熱応力（Ａ）とステンレス鋼内筒による引張り
の拘束力（Ｂ）が加わり、この結果として本体外面は（
Ａ）＋（Ｂ）なる合成応力を受けることを示している。

一方、本体内面には圧縮の熱応力（Ｃ）が作用すると共
に、ステンレス鋼内筒からは引張の拘束力（Ｄ）が加わ
るので、本体外面は（Ｃ）　＋　（Ｄ）なる合成応力を
受けることとなり、鋳型の割れを引き起こす危険性は極
めて大きいことが分かる。

従って、少なくともバンクアップ鋼鋳型本体に対する内
面拘束応力を除外して第７図中の一点鎖線で示される熱
応力のみにし、鋳型本体に割れを生じる危険性を除くた
め、銅鋳型本体の内面側が拘束されない方式の鋳型構成
が必要であった。

〈発明が解決しようとする課題〉 上述した如く、鋼の連続鋳造におけるメニスカス近傍の
緩冷却化に対して幾つかの緩冷却鋳型が提案されてはい
るが、何れも実用には至っておらず、従って特に小断面
サイズの鋳片を転炉とマツチした速い鋳込速度で鋳造で
きる連続鋳造鋳型が見当たらないことから、このような
鋳片を鋳込む場合にはＣ当量が０．１０〜０．２０重量
％付近の包晶組成鋼域を外すか、或いはＭｎ添加量を増
量するなどして逃げているのが現状であって、設備集約
の大きな壁となっていた。

このように、包晶組成範囲の鋼をも小断面の丸ビレット
に速い鋳込速度で連続鋳造することが可能となれば、ブ
ルームの連続鋳造をすべて丸ビレツト連続鋳造に移行で
きることとなり、合理化による大きな便益が得られるも
のであったが、そのためには上記成分組成鋼を表面疵発
生等のトラブルなく速い鋳込速度で連続鋳造鋳造し得る
鋳型、即ち初期凝固シェルを安定して均一化できる緩冷
却鋳型の開発が欠かせない課題であった。

〈課題を解決するための手段〉 この発明は、鋼の連続鋳造に指摘されていた前記課題を
解決すべく、そのためには前述した緩冷却鋳型に発生す
る熱応力の害を効果的に回避する手段を見出すことが最
も重要であるとの認識の下に行われたところの、様々な
実験・検討を繰り返しながら行われた本発明者等の研究
によって完成されたものであり、 「連続鋳造鋳型を、銅製鋳型本体の溶鋼メニスカス相当
部及びその近傍に耐熱材料製内湾を内挿すると共に、該
内筒と銅製鋳型本体との間に粉粒状物質又は液状物質の
充填層を設けて成る構成とすることにより、表面割れを
生じ易い包晶組成鋼等の如き鋼種を鋳込む場合であって
も、速い鋳込速度で十分に健全な鋳片を安定して鋳造し
得るようにした点」 に特徴を有するものである。

第１図は、本発明に係る連続鋳造鋳型の１例を示した概
略模式図であり、水冷銅鋳型本体１のメニスカス相当部
のみが３層構造とされ、この３層の内の溶鋼２に接する
最内側層は耐熱材料製の内筒３を内挿して形成されると
共に、該内筒３と水冷銅鋳型本体１との間に粉粒状物質
又は液状物質の充填層４が設けられて構成されたものを
示している。な畜、この例では、内筒３は円筒状とされ
、鋳型上端より挿入並びに取り外しすることが可能にな
っている。そして、図面における符号５は内筒固定治具
を、６はスラグを、７は凝固シェルをそれぞれ示してい
る。

このように、本発明に係る連続鋳造鋳型は、メニスカス
相当部及びその近傍が粉粒状乃至液状物質を充填した中
間層を持つ３層鋳型とされた点を大きな特徴とするもの
であるが、以下、その作用と共に本発明の詳細構成を詳
述する。

く作用〉 本発明に係る連続鋳造鋳型における“粉粒状物質又は液
状物質の充填層”は、鋳込みの際の熱応力によって生じ
る“銅製鋳型本体がら内筒に対する拘束力”及び“内筒
から銅製鋳型本体に対する拘束力”を緩衝すると共に、
溶鋼の冷却を調整するために設けられるものである。

即ち、充填物質として粉粒状物を適用した場合には、鋳
込みによって鋳型が加熱されると“粒状物質自体の熱膨
張”は粉又は粒相互のすべりと粉粒相互間の空隙により
吸収可能であり、銅製鋳型本体或いは内筒（溶鋼に接す
る部材）との接触部での“両部材の熱膨張”も上記と同
様の機構で吸収することができる。そして、このように
粉粒状物充填層では熱応力を無視できるので、該充填層
の厚さを厚くしてこの部分の熱抵抗を調整することが可
能である上、充填密度の調整によっても熱抵抗の調整が
できることから、充填物材質として特定の熱伝導率の低
いものを選ぶ必要がな（、材質選択の範囲は極めて広い
。

上述のように、充填物材質やその粒度等としては格別に
制限されるものではなく、本質的にはどのようなものを
適用しても良いが、黒鉛粒やＣｕ粒等が可塑性に冨むこ
とから充填性の点から好ましい。

また、粉粒状物質の充填層の代替に液状物質を用いるこ
とも可能であり、特にＡＩ、　Ｐｂ等の低融点金属は鋳
込み中のみ液体となり、固体時も可塑性に富むので、取
り扱いが極めて容易である。

さて、本発明に係る鋳型では、粉粒状物質又は液状物質
の充填層で緩冷却能を調整できるので、適当な充填材を
選択することで内筒（溶鋼に接する部材）の外面温度を
高温に保持し、この内筒外面と溶鋼に接触する内筒内面
との温度勾配を減少させて熱応力を軽減することが可能
となり、内筒の破壊或いは降伏を防止することができる
。その上、充填層で緩冷却能を調整できることから、内
筒（溶鋼に接する部材）が負担すべき熱抵抗は少なくて
済み、該内筒の材質選択範囲が拡がると共に内筒の薄肉
化が可能となって、この内筒自体の熱応力低減を図るこ
ともできる。

内筒の材質としては、５ＵＳ３０４等のステンレス鋼が
一般的であるが、鋳型寿命延長のために高温強度や高温
クリープ強度が一段と高い耐熱合金（例えばインコネル
系統の高合金やＴｉ系合金）を適用するのがより望まし
い。また、アルミナグラファイトやフユーズドシリカ等
のセラミックスで構成された内筒も有効であるが、この
場合には溶融スラグとの反応性や凝固シェルに対する耐
摩耗性等を含めて考慮する必要があり、この点からはジ
ルコニアや窒化ケイ素系等の耐溶融スラグ性能に勝るも
のが有望である。

なお、内筒の形状としては角筒形でも円筒形でも良いが
、充填層により耐食性が増加したとは言え水冷銅鋳型本
体よりも寿命は短い内筒の性状を考慮すれば、鋳込み場
所での取り付け・取り外しが容易な円筒形を採用するの
が好ましい。また、内筒の形状を円筒形とすれば、中間
充填層となる粉粒状乃至液状物質の保持が容易となる上
、熱応力が円筒方向となって変形を生じにくいと言う点
からも有利である。

上述したように、粉粒状又は液状充填層を有する本発明
鋳型では、内筒や充填材の材質値を選択して種々に組み
合わせることにより所定の緩冷却効果が簡単かつ的確に
発揮できる上、内筒が銅鋳型本体からの拘束力を受けな
いので前記第５図で説明した“内筒が受ける応力”は外
面熱応力（Ａ）と内面熱応力ＣＢ）のみになり、また銅
鋳型本体が内筒からの拘束力を受けないので前記第７図
で説明した“銅鋳型本体が受ける応力″も外面熱応力（
Ａ）と内面熱応力（Ｂ）のみとなって、両者が受ける応
力が大幅に軽減されることとなる。従って、鋳片の初期
凝固シェルの十分な均一化が確保されることに加えて、
鋳型の内外面の割れ発生も安定して抑えられるので、包
晶組成の如き表面疵が生じ易い鋼の“鋳込み速度の速い
連続鋳造”においても、表面欠陥の無い健全な鋳片を得
ることが可能となる。

続いて、この発明の効果を実施例によって具体的に説明
する。

〈実施例〉 まず、本発明に係る緩冷却鋳型では、内筒及び粉粒状充
填材の材質選択により種々の組み合わせが考えられるの
で、所望の緩冷却実現のための組み合わせの指標を得る
ため、第１表に示す組み合わせによる“緩冷却効果（熱
流束：従来銅鋳型の熱流束に対する比）”及び“内筒応
力”を推定した。

なお、この計算は、第２図に示す如き寸法の丸ビレツト
連続鋳造鋳型について行い、その他の計算条件は下記の
通りとした。

鋳込鋼種：０．１％Ｃ鋼。

鋳片サイズ：１８０鶴φ。

溶鋼過熱度（ΔＴ）：３５℃。

鋳造速度：　２　ｍ／ｓｉｎ。

鋳型全厚：３０ｍ５゜ これらの計算結果を第２表に示す。

次いで、上記第２表に表わされた条件の確認のため、５
ＵＳ３０４製内筒と黒鉛粒、アルミナグラファイト製内
筒と黒鉛粒、並びにフユーズドシリ力製内筒と黒鉛粒の
組み合わせについて実証試験を実施した。

なお、この試験で使用した鋳込鋼種は第３表に示す成分
組成の包晶鋼であり、溶鋼規模は１トンで、第２図に示
される構成の鋳型によって１８０鶴φの鋳片を引抜速度
：　２ｍｕｓｌｉｎにて連続鋳造し、均一シェル化の状
況を調査した。

第　　　３　　　表 （注）残部成分は実質的にＦｅである。

ここで、均一シェル化の状況の調査は、鋳造の際にＳを
添加し、鋳片の凝固後にその横断面のサルファプリント
を実施してシェル厚の状態を観察する方法によった。

この実証試験の結果を第３図及び第４図に示す。

なお、第３図におけるサルファプリントの写真は、横断
面のＡの状況を示している。

第３図に示される結果からも、本発明に係る鋳型を使用
した試験番号１〜３では均一厚のシェルが形成され、健
全肌の鋳片を安定製造し得ることが明らかであるのに対
して、銅単体の従来の鋳型を使用した試験番号４ではシ
ェル厚が不均一になっていて縦割れ発生の危険を持って
いることが分かる。更に、第３図に示される結果は、本
発明に係る鋳型の中でもフユーズドシリカ製内筒と黒鉛
粒との組み合わせが最も緩冷却効果が大きくて均一シェ
ルが得られ易く、順次、アルミナグラファイト製内筒と
黒鉛粒との組み合わせ、５ＵＳ３０４製内筒と黒鉛粒と
の組み合わせがこれに続（ことも確認できる。

一方、第４図は、鋳型出口部での“鋳片シェル厚不均−
を示す標準偏差”をまとめて比較したグラフであるが（
標準偏差は、鋳片全周のシェル厚を中心角５°毎に測定
し、そのバラツキを算出して求めた）、この第４図から
は、平均シェル厚さを考慮に入れても本発明に係る鋳型
を使用した方法ではシェル厚さの均一度が高くなってい
て、本発明に係る緩冷却鋳型の有効性が明らかであり、
本発明に係る緩冷却鋳型によれば縦割れ性ブレークアウ
トの発生防止が可能となって、包晶組成鋼の丸ビレツト
連続鋳造化の目処が立つことを確認できる。

く効果の総括〉 以上に説明した如く、この発明によれば、初期凝固シェ
ルを安定して均一化することができ、しかも熱応力によ
る自身の割れや変形等を生じることのない連続鋳造鋳型
が実規され、スラブやブルーム等の鋳片表面品質の更な
る改善や、高い鋳込み速度での包晶組成鋼の丸ビレツト
連続鋳造が可能となるなど、産業上極めて有用な効果が
もたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る緩冷却連続鋳造鋳型の１例を示
す概略模式図である。 第２図は、実施例で適用した本発明に係る連続鋳造鋳型
の各部寸法を示す説明図である。 第３図は、実施例で得られた鋼鋳片のサルファプリント
′ｆＩＪｉ織を比較した写真図である。 第４図は、実施例で得られた鋼鋳片の鋳型出口シェル厚
標準偏差を比較したグラフである。 第５図は、水冷銅鋳型本体内面にステンレス鋼内筒を直
接的に接合した連続鋳造鋳型における前記内筒部に係る
応力を説明したグラフである。 第６図は、内筒厚みとメニスカス熱流束及び緩冷却効果
度との関係を示すグラフである。 第７図は、水冷銅鋳型本体内面にステンレス鋼内筒を直
接的に接合した連続鋳造鋳型の本体部分にかかる応力状
況を説明したグラフである。 図面において、 ｌ・・・水冷銅鋳型本体。 ２・・・溶鋼、　　　　　　　３・・・内筒。 ４・・・粉粒状物質又は液状物質の充填層。 ５・・・内筒固定治具、　　　６・・・スラグ。 ７・・・凝固シェル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 銅製鋳型本体の溶鋼メニスカス相当部及びその近傍に耐
   熱材料製内筒を内挿すると共に、該内筒と銅製鋳型本体
   との間に粉粒状物質又は液状物質の充填層を設けて成る
   連続鋳造鋳型。