JPH0126787B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この明細書で述べる技術は、圧力容器材や大型
のリング材等の筒状鍛鋼品等を製造するときの素
材：中空状金属塊、特に中空鋼塊を製造する方法
およびその方法の実施に用いる装置に関するもの
である。

（従来の技術） 筒状鍛鋼品等の製造に供する中空鋼塊の製造方
法としては、円筒形の鋳型内に中実状の金属、砂
型の中子を同軸に設置して、鋳型と中子との間に
形成される環状の鋳造空間に、上注ぎあるいは下
注ぎにより溶鋼を冷却凝固させる方法、あるいは
全く異なる遠心鋳造技術による中空鋼塊の製造方
法等が提案されている。しかし、これらの方法
は、中子の段取りが複雑であつたり、鋼塊表面性
状が不良であつたり、中子側の冷却が不足して偏
析が大きい等の問題があり、十分満足すべき中空
鋼塊が得られていなかつた。

最近これらの問題点を解決する技術として、溶
鋼と接する外管に金属円筒を用いさらにその内側
に中空あるいは中実金属を配設した構造の中子を
構成し、その間隙に空気や水蒸気等の冷却媒体を
流す中空鋼塊製造方法（英国特許第520598号）が
提案されている。さらには、定盤上に据付けた鋳
型内の中央部に円筒状鋼管とその内壁に接して形
成する円筒状耐火部材よりなる中子を設置し、そ
の鋳型と中子との間に溶湯を注入して中空鋼塊を
製造する方法も特開昭54−117326号として提案さ
れている。

これら既知の方法は中子の段取りが容易であ
り、中子側の冷却を改善し、多くの問題を解決し
た。しかしながら、例えば英国特許第520598号と
して提案の技術においては、溶鋼と接する金属製
外管が溶鋼注入時に溶鋼流により溶損する危険が
あり、一度溶損すると中子内に溶鋼が浸入して中
空鋼塊として使用できなくなる。一方金属製外管
の厚みを増加したり、冷却を強化すれば、溶鋼が
凝固収縮する際に凝固殻に応力が働き、鋼塊内表
面に割れが発生する。この中空鋼塊の中空内表面
の割れは、鍛造後の製品に悪影響を与えるため好
ましくない。確かに中子の冷却を強化するために
水や水蒸気、液体金属等の利用は有効であるが設
備が複雑になるばかりでなく、その操作が非常に
難しい。これに対し利用が簡単な気体を冷媒とし
て用いると、公知の通流技術では十分な冷却が得
られないなどの問題点が残つていた。

また、特開昭54−117326号の開示技術は、鋼塊
内面に凝固収縮による割れが発生せず、万が一溶
鋼と接する円筒状鋼管が溶損しても問題とならな
い構造で、鋼塊凝固後中子を容易に取り外すこと
ができる等の特徴があり、従来技術による中空鋼
塊製造法における問題点の多くを解決した。しか
しながら鋼塊内に発生する逆Ｖ偏析を完全に克服
したわけでなく、場合によつては鍛造後機械加工
時に製品内面に逆Ｖ偏析線が現われ製品品質を損
うという問題点が残されていた。

要するにこれらの問題点は、最近中空鋼塊を用
いて製造する製品がより大型化していること、そ
の製品品質の要求がより高くなつてきたことが主
たる要因である。実際上記従来法のかかえる問題
点は致命的であり、要求される高品質で大型の中
空鋼塊の製造は事実上困難である。本発明は、か
かる問題点を解決し、製品品質の高い、大型中空
鋼塊の製造を可能にする技術について提案するこ
とを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 鋳型内中心部に筒形金属中子を同軸に設置し、
鋳型と中子間に形成される環状の鋳造空間に溶鋼
を注入して冷却凝固させることにより中空状の鋼
塊を得る方法において、 上記中子を内管と薄肉の外管とからなる同心２
重管で構成し、内・外管の間に形成される環状間
隙に不活性ガスを14m／sec以上のガス線速度で
通流させる一方、内管内周面には冷却空気を吹付
けて該中子を冷却し、そうした中子冷却条件下
に、溶鋼の湯上り速度と注入時の溶鋼過熱度の積
が7000（mm・℃／min）に等しいかそれよりも大
きな値となるように溶鋼を注入し、さらに該溶鋼
の凝固時にはその凝固収縮に伴つて外管の座屈変
形を生じさせることを特徴とする中空鋼塊の製造
方法により、高品質で大型の中空鋼塊を得るとと
もに、その製造方法の実施に当つて、 鋳型内中心部に筒形金属中子を同軸に設置し、
鋳型と中子間に形成される環状の鋳造空間に溶鋼
を注入して冷却凝固させることにより中空状の鋼
塊を得るようにした装置において、上記中子を内
管と外管の同心２重管で構成し、該外管は溶鋼の
凝固収縮に伴つて座屈変形を生じる厚みとする一
方、中子中心部には該内管内周面に面して開口す
る他数の冷却ガス吹出し口を設けた冷却ガス槽を
収納し、そして内管と外管との間の環状間隙の下
部には不活性ガス供給パイプを通じて不活性ガス
の吹出し口を設けたことを特徴とする中空鋼塊の
製造装置を用いる。

上記装置において、中子外管の下部は補強板を
設置して外管の溶損を防ぐようにする。

（作 用） 本発明では、中子を内・外管の同心２重管構造
を採用し、そして外管下部に補強板を設置したの
は、中子外管が鋳込み時に定盤に設けた湯上り口
から鋳造空間内に入る過熱温度の高い溶鋼流によ
り溶損し、実質上中空鋼塊を製造するのが不可能
になるような事態を防止するのに採用した技術で
ある。

この外管の鋳造空間に面して取付けた補強板の
高さは、注入口と中子外管との距離、注入口から
の溶鋼注入流の速度により可変調節する。

中子の外管と内管の間に形成する環状間隙に
は、内管の下部から導入した窒素あるいはアルゴ
ンガスのような不活性ガスを、上方に向けて流
し、内管および外管を冷却する。ここで導入ガス
を窒素あるいはアルゴンガスのような不活性ガス
とする理由は、溶鋼と接触する外管の温度が一時
的に高温になるため空気のような酸化性ガスでは
時として起る酸化発熱により外管が焼損するおそ
れがあるのを防ぐための配慮である。

外管の厚さは、溶鋼が凝固収縮する時に適度に
変形させて、中空鋼塊の内表面に割れを発生させ
ないような寸法にする。また内管は、万一外管が
溶損した場合の溶鋼の支持および、その場合でも
中空形状を確保することを目的とした適当な厚み
を有する構造であり、外管と内管との間の環状間
隙の大きさは外管の許容変形量以内となるように
定める。外管の厚みは、変形が容易になるように
選ぶが、一方では溶損の危険もあり、その防止の
ために外管下部を上述した補強板により２重構造
としたのであるが、時として溶損の発生も覚悟し
ておかなくてはならない。そのため内管の厚み、
冷却条件および環状間隙の大きさは、外管の変形
と万一の溶損の際に環状間隙内に溶鋼が流入して
も、内管部で溶鋼が支持され凝固するように、そ
の厚みと冷却条件を選定する。

また、内管と冷却ガス（空気溜め）用の冷却ガ
ス槽との間に同様の環状の間隙が設けてあり、冷
却ガス槽から内管内周面に向けて冷却空気が吹き
つけられるようになつている。この冷却ガス槽
は、上部に冷却ガス導入管を有し、側面（外周
面）には空気吹出し口が設けてある。この空気吹
出し口から噴出させる冷却空気の噴射方向は内管
内周面に対して直角になるように、その吹出し角
度が定められる。このような角度で冷却空気を吹
付けるのは内管冷却効果を最大とするための配慮
である。

かかる内管は、外管の変形を一定量以下に抑制
したり、溶損時に流入する溶鋼を冷却して凝固さ
せる必要から、一定の強度を保持していなければ
ならない。一般に鋼の高温強度は温度とともに変
化し、約800℃以上でα→γ変態により延性が低
下することが知られている。従つて、内管の強度
を保持するためには、その温度が常に800℃以下
になるように冷却しておかねばならない。本発明
者らの研究によると、数多くの中空鋼塊製造実績
から、内管と外管との間の環状間隙を流れる不活
性ガスのガス線速度と内管表面温度との関係につ
いて、第２図に示すような結果を知見した。すな
わち、標準状態換算（０℃１気圧）でのガス線速
度ｖと内管の表面温度とはほぼ直線関係があり、
内管温度を800℃以下にするためには、ガス線速
度ｖを14m／sec以上にすれば良いことがわかる。

通常鋼塊を鋳造するに当つては、ザク性欠陥や
偏析の防止を図るのは当然であるが、このザク性
欠陥や偏析低減には押湯が効果的であることは良
く知られている。特に本発明のように中子の冷却
を大きくしている場合は、ザク性欠陥や偏析を防
止するために、発熱性または断熱性スリーブを湯
面相当のレベルに設置することが必要である。

なお、大型鋼塊の鋳造時に注意する必要がある
ものの一つに鋼塊内部の介在物を低減することが
挙げられる。介在物の存在は製品品質の著しく損
うため本発明のような中空鋼塊の鋳造時にもその
低減を計る必要がある。本発明者らの知見による
と、溶鋼の湯上り速度Ｖ（mm／min）と注入時の
溶鋼過熱温度ΔT（℃）の積と鋼塊内介在物量と
の間には第３図に示すような明瞭な関係があり、
Ｖ×ΔT7000（mm℃／min）の範囲では有害とな
る介在物が急激に少くなることが明らかとなつ
た。湯上り速度Ｖあるいは溶鋼過熱温度ΔTの増
加は溶鋼と接する外管の溶損の危険性を増加させ
るので今まで好ましいことではなかつたが、上述
の本発明による中子構造を採用すればかような方
法の実施が可能となるのである。

（実施例） 第１図に示した断面図は本発明製造装置の図で
あり、図示の１は定盤で、鋳型２内の環状の鋳造
空間Ｓに臨んで１以上の湯上り口５が開口させて
あるとともに湯道３を具える。４は本発明にかか
る中子であり、この中子は外管６と内管７との同
心２重管構造であり、その内管７内には冷却ガス
槽９が収納してある。内管７と冷却ガス槽９との
間の隙間には不活性ガス供給用の供給パイプ８を
セツトし、その下端内・外管６，７相互間に形成
される環状間隙１２の底部に臨んで連通するよう
に開口させてあり、不活性ガスを導入する。冷却
ガス槽９の頂部に設けた図示の１０は、空気等の
冷却ガス導入管である。また同じ冷却ガス槽の外
周面には、内管７内周面に対して直角に向う多数
の冷却ガス吹出し口１４が開口させてあり、内管
７を空気で冷却する。なお、図示の１３は断熱ス
リーブ、そして図示の１５は補強板であり、外管
６を注入溶鋼から保護するのに利用される。

本発明鋳造例 溶鋼重量200トン、平均厚み1150mmの中空鋼塊
を下注ぎ鋳造にて製造した。注入した鋼の組成
は、Ｃ：0.17％、Si：0.21％、Mn：1.45％、Ni：
0.79％、Cr：0.15％、Mo：0.52％であり、残りは
鉄で構成され、数種の残余の元素を含むものであ
る。３個の湯上り口を持つ定盤に菊型鋳型を設置
し、その中央部に外径1400mm、内径1370mmの軟鋼
製外管、外径1330mm、内径1270mmの軟鋼製内管、
外径1016mm、内径1000mmの冷却ガス槽を設置し、
内管と外管の間の環状間隙には窒素ガス80Nm³／
min（ガス線速度：15.7m／sec）を鋳込み始めか
ら約30時間継続して流し、冷却ガス槽から空気
100Nm³／minを内管と冷却ガス槽との間の隙間
に鋳込み開始時から約30時間継続して流した。冷
却ガス槽の側壁には、内管の内表面を指向する直
角方向に空気噴射を行つたが、その空気吹出し口
のノズルは、径６mmのものを冷却ガス槽に350個
取り付けた。1590℃の溶鋼を過熱温度77℃に維持
して湯上り速度145mm／minの条件で鋳造した。
鋼塊内面には外管が付着していたが、溶損の形跡
は全くなく、外管下部80cmに二重構造（補強板）
部分の変形は微であつたが、外管下から1.2mの
所で適度な変形がみられた。鋼塊を鍛造、機械加
工したが、製品として不都合となる部分は無かつ
た。押湯部の直下のところから試料を採取し、健
全部２０、逆Ｖ偏析発生部２１、最終凝固位置２
２についてマクロ組織を調べたところ、第４図の
ような結果が得られた。同図から明らかなよう
に、従来法(a)によつて得られた中空鋼塊内側の健
全部２０の厚みに対して、この発明法によつて得
られた中空鋼塊内側の健全部２０の厚みは大幅に
増大している。この結果、中空鋼塊を製品寸法に
仕上げるまでに施される鍛造と加熱の繰返し処理
の際に生じるスケールロスおよび機械加工によつ
て健全部２０の肉厚が少々薄くなつたとしても、
健全部２０の厚みは従来材よりも十分厚いため、
従前のように溶接クラツクの起点となる逆Ｖ偏析
発生部２１が内側表面に露出したり、あるいは内
側表面近傍に現出する不利は全くない。従つて次
工程で、加工した中空鋼塊の内側にステンレスリ
ングを溶接したとしても、もはや逆Ｖ偏析発生部
２１は中空鋼塊の内部深く位置しているので、従
来のように逆Ｖ偏析発生部に起因した溶接クラツ
クが発生することはない。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、逆Ｖ偏析
線の影響を最小に止め得るから大型高品質の中空
鋼塊を確実に得ることができるとともに、製造装
置とくに中子の構造、冷却手段が複雑になつたり
溶損による障害を起すようなことがなく、安価な
中空鋼塊の製造に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる製造装置の一例を示
す断面図、第２図は、ガス線速度と内管温度との
関係を示すグラフ、第３図は、湯上り速度と溶鋼
過熱温度の積と鋼塊内介在物の関係を示すグラ
フ、第４図は、押湯部直下における本発明で得た
中空鋼塊と従来例で得たものとを比較するマクロ
組織の比較図である。 １…定盤、２…鋳型、３…湯道、４…中子、５
…湯上り部、６…外管、７…内管、８…不活性ガ
ス供給パイプ、９…冷却ガス槽、１０…冷却ガス
導入管、１２…環状間隙、１３…断熱スリーブ、
１４…吹出し口、１５…補強板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋳型内中心部に筒形金属中子を同軸に設置
   し、鋳型と中子間に形成される管状の鋳造空間に
   溶鋼を注入して冷却凝固させることにより中空状
   の鋼塊を得る方法において、 上記中子を内管と薄肉の外管とからなる同心２
   重管で構成し、内・外管の間に形成される管状間
   隙に不活性ガスを14m／sec以上のガス線速度で
   通流させる一方、内管内周面には冷却空気を吹付
   けて該中子を冷却し、そうした中子冷却条件下
   に、溶鋼の湯上り速度と注入時の溶鋼過熱度の積
   が7000（mm・℃／min）に等しいかそれよりも大
   きな値となるように溶鋼を注入し、さらに該溶鋼
   の凝固時にはその凝固収縮に伴つて外管の座屈変
   形を生じさせることを特徴とする中空鋼塊の製造
   方法。 ２ 鋳型内中心部に筒形金属中子を同軸に設置
   し、鋳型と中子間に形成される管状の鋳造空間に
   溶鋼を注入して冷却凝固させることにより中空状
   の鋼塊を得るようにした装置において、 上記中子を内管と外管の同心２重管で構成し、
   該外管は溶鋼の凝固収縮に伴つて座屈変形を生じ
   る厚みとする一方、中子中心部には該内管内周面
   に面して開口する多数の冷却ガス吹出し口を設け
   た冷却ガス槽を収納し、そして内管と外管との間
   の管状間隙の下部には不活性ガス供給パイプを通
   じて不活性ガスの吹出し口を設けたことを特徴と
   する中空鋼塊の製造装置。 ３ 上記中子外管下部に補強板が設置されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の装
   置。