JPH035047A - 中空素管の連続鋳造方法 - 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〕 本発明は、継目無し鋼管等の管類を製造する際に使用さ
れる中空素管を、連続鋳造する方法に関する。

〔従来の技術〕

中空素管を鋳造する際、冷却中子を使用した方法が各種
提案されている（たとえば、特開昭６２〜１０１３５３
号公報参照）。しかし、冷却中子を使用した場合、素管
の内外の両方向から凝固が進行するため、肉厚中央に介
在物が残り、従来のスラブやビレット等を連続鋳造する
場合と同様な内部品質の問題がつきまとう。この問題を
解消するため、中子を使用せずに中空素管を製造する方
法も提案されている。

中子を使用せずに中空素管を鋳造するとき、外面からの
一方向凝固が進行するため、肉厚中央に介在物の偏析や
空隙の発生等の内部品質上の問題がかなり解消される。

この方法においては、凝固シェルを引き上げるための手
段、或いは中空部にあたる溶鋼を拘束するための手段が
必要となる。

そこで、凝固シェルの引上げ手段としては、分割鋳型が
無限軌道に沿って移動するスラットコンベア方式が開発
されている。また、溶鋼拘束手段として、電磁力の応用
等が提案されている。現在の段階では、前者の方式が現
実的である。後者の方式は、原理的な可能性はｍ　ＭＥ
されているものの、効率面等で解決すべき課題が多く残
されている。

凝固シェルの引上げ手段として代表的な例であるスラッ
トコンベア方式を採り上げて、従来技術を説明する。こ
の方式においては、第４図に示すような設備構成を使用
する。すなわち、タンデイツシュ５１に収容されている
溶融金属５２を、注湯ノズル５３を介して鋳造容器５４
に注湯する。この鋳造容器５４は、底部が連通したＵ字
型構造になっており、注湯ノズル５３と反対側端部に溶
湯供給ノズル５５が接続されている。また、溶湯供給ノ
ズル５５の周囲には、多数の小ブロックを連結した移動
鋳型５６が配置されている。

移動鋳型５６は、同図（ｂ）に示すように複数個の鼓状
鋳型ブロック５７を同心円状に配置することによって、
中央部に円形空間を形成する。なお、個々の鼓状鋳型ブ
ロック５７は、水冷機構を内蔵している。また、上下に
配置されたプーリ５８によって、垂直方向の無限軌道を
走行する。

鋳造容器５４の注湯ノズル５３側内部空間は、給気排気
口５９から不活性ガスが吹き込まれ、或いは排気される
ことにより、所定の圧力に維持される。

この内圧の調整により、下部を介して連結している溶湯
供給ノズル５５側にある溶融金属のヘッドが制御される
。

この例では、移動鋳型５６は４組のセグメントに分割さ
れており、これら４組のセグメントを組み合わせること
により同図（ｂ）に示すように円筒形の鋳型が形成され
る。そして、これらのセグメントは、同期して上方に移
動する。溶湯供給ノズル５５から供給された溶融金属は
、鼓状鋳型ブロック５７表面に接触することによって凝
固し、厚みを増しながら上方に引き上げられ、所定の肉
厚となったところで溶湯面から脱出し、中空素管６０が
形成される。そして、中空素管６０は、ガイドロール６
１で案内されながら上昇し、切断機６２によって所定の
長さに切断される。

この方法においては、鋳型自体の駆動機構１分割鋳型の
高い工作精度１組立て精度及び溶湯を保持するシール機
構等が重要な要件とされる。

〔発明が解決しようとする課題〕

中子を使用しない前述の方法では、鋳型を駆動させる方
式であるため、中子を使用した場合に比較して相当複雑
な駆動機構が必要とされる。そこで、各セグメント同士
のシール、溶湯供給ノズル５５と移動鋳型５６との間の
シール、溶湯シールの確保等が主要な課題として掲げら
れる。

たとえば、各セグメント間のシールは、相対的な運動が
ないため、セグメントの加工精度１組立て精度の管理等
によって、ある程度の対応が行われている。他方、溶湯
供給ノズル５５と移動鋳型５６との間のシールについて
は、両者に相対的な運動があり、耐熱性、耐摩耗性を両
立させる摺動部材の材質的な制約等の問題から、若干の
ギャップが必ず生じることが避けられない。

そこで、これらのシール部位には、溶融金属の差し込み
を防止するためのバンクアンプ対策として、不活性ガス
等を使用した静圧によるシール対策が検討されている。

しかし、摩耗等の経時的な要因によって各セグメント間
にガタが生じ、これがセグメントごとのギャップとなり
、しかもこれらギャップが不均一になると、静圧の条件
制御では、バブリングや差し込みを充分に防止すること
は難しく、長期的操業に充分応える上では信頼性の点で
問題が残っている。

そこで、本発明は、溶融金属が冷却・凝固してできた中
空素管を引き上げる駆動源として超音波振動エネルギー
を利用することにより、移動型機構に起因する問題を根
本から解決し、鋳型構造の簡素化、更に鋳型全体の信頼
性の向上を図ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の連続鋳造方法は、その目的を達成するた必に、
溶湯供給ノズルに当接配置された円筒状の固定鋳型の内
部に鋳造される融液を供給し、前記固定鋳型の外周に接
続された超音波振動子により、前記固定鋳型の軸と直交
する任意の断面において半径方向に一様な振幅が得られ
るように前記固定鋳型を励振して、前記固定鋳型の内表
面の任意の質点が前記固定鋳型の軸を含む断面内で楕円
軌跡を描く振幅を生じさせ、該楕円振動の前記固定鋳型
の軸方向に沿う成分力を、前記固定鋳型の内面に融液の
静圧によって押圧された凝固シェルに摩擦力を介して作
用させることにより中空素管を引き上げることを特徴と
する。

〔作用〕

鋳型内表面の質点に楕円軌跡を描くような振動を生じさ
せる方法としては、各種の方式が考えられるが、直交す
る振動方向をもつ二つの振動の組合せによるいわゆる複
合振動型と進行波型と呼ばれるものに大別できる。本発
明においては、これら何れの方式も採用することができ
る。しかし、進行波型の方が振動子と弾性体との接触面
積が大きくとれ、耐久性の点で優れているので、以下で
は進行波型について説明する。

第３図は、本発明の詳細な説明するための図である。進
行波が生じている振動体１の表面にある質点Ｐは、縦波
と横波が結合することにより、同図（ａ）に示すように
楕円軌跡を描き、進行波が波動方向２に進行する。その
ため、振動体１に接触している移動体３は、波動方向２
と逆方向４に移動する。同図ら）は、このときの振動体
１に直交する断面で見た振動モードを示す。そこで、振
動体１を鋳型とし、移動体３を凝固シェルとするとき、
同図（Ｃ）に示すように鋳型を固定した状態で凝固シェ
ルのみが移動する。なお、図では、振幅が誇張されて示
されているが、実際の波長が数十〇ｍ程度であるのに対
し、振動振幅は数μｍ程度である。

第１図は、この原理を組み込んだ装置の要部を示す。こ
の装置においては、溶融金属を収容した鋳造容器の一端
に取り付けられた溶湯供給ノズル５に、円筒状の固定鋳
型６を接触配置している。

そして、固定鋳型６の周面に駆動側振動子７及び従動側
振動子８を当接させる。また、固定鋳型６の上方には、
中空素管を挟持して引き上げるピンチロール９が配置さ
れている。

振動子７，８としては、−船釣なランジュバン型振動子
を、必要な出力に応じ、単一又は複数個使用する。固定
鋳型６に対する振動子７．８の接続は、ホーン先端を固
定鋳型６に対しネジ込み或いは加圧等の手段によって行
われる。なお、振動エネルギーを最大の効率で利用する
ために、固定鋳型６で共振条件が成立するように、加え
られる振動の半波長が固定鋳型６の平均直径に一致する
ことが必要である。

次いで、この装置の動作について説明する。駆動側振動
子７によって、半径方向に一様な振幅をもつ第３図ら）
に示したような０次の振幅モードを固定鋳型６の円環断
面に発生させる。与えられた振動は、弾性体である固定
鋳型６の軸方向に進行波となって伝播される。

従動側振動子８は、固定鋳型６の端部で生じるはずの反
射波を吸収することによって、固定鋳型６の内部に常に
一方向の進行波を発生させる。固定鋳型６の他の端部ま
で伝播された進行波は、もう−組の振動子とホーンとの
組合せによって、その振動エネルギーが逆に電気エネル
ギーに変換され、負荷抵抗Ｒによって消費される。この
負荷抵抗Ｒの値は、固定鋳型６に完全な進行波を得るた
め、インピーダンスの整合をとるように設定される。

鋳造される溶融金属は、鋳造容器（図示せず）内で所定
の温度に維持される。この溶融金属は、溶湯供給ノズル
５から出た後、冷却された固定鋳型６に接触することに
より、凝固シェル１０を形成する。この凝固シェル１０
は、厚みを増しながら、固定鋳型６の内面上の質点の楕
円振動による加速度で上方に引き上げられる。この加速
度は、数μｍという振幅の小さなものに拘らず、数十ｋ
Ｈｚという振動周波数の二乗に比例するため、数千Ｇと
極めて大きな値となり、その結果として大きな駆動力が
得られる。この駆動力は、固定鋳型６内面に対する凝固
シェル１０の圧着力、すなわち溶湯の静圧、或いは振動
体である固定鋳型６と凝固シェル１０との間の摩擦係数
の影響も受ける。

また、引上げの速度に関しては、その振動速度が数十ｃ
ｍ／秒から１ｍ／秒にもなり、これと接触する凝固ンエ
ル１０の引上げもほぼ同程度の速度となる。しかし、こ
の引上げ速度は局部的なものであり、駆動力が溶湯静圧
に比例する関係にあるため、素管全体の引上げ速度、つ
まり鋳造速度はだいぶ小さな速度となる。すなわち、凝
固シェル１０に駆動力が働く部分が、第２図に示すよう
に、凝固シェル１０の温度によって定まる降伏応力σ、
が、溶湯の静圧によって凝固シェル１０に発生する円周
方向応力σθより小さいという条件が成立する深さ範囲
までであるため、鋳造速度はこの深さで得られる速度の
平均となる。したがって、第２図の矢印で示した範囲で
、振動による駆動力が凝固シェル１０に作用する。

このようにして、凝固シェル１０が上方に引き上げられ
つつ凝固することにより、最終的に所定の肉厚をもった
中空素管１１が得られる。このとき、所定の厚みに凝固
シェル１０が成長したところで溶湯面から脱出するよう
に、冷却速度３　鋳造速度等を調整することによって、
中空素管１１の肉厚が制御される。鋳造速度を調整する
には、振動速度Ｖが、Ｖ−ξω（ただし、ξは振動振幅
、ωは角振動数を示す）と振動振幅と角振動数との積で
決まるので、振動振幅を制御する方式が採用される。

〔実施例〕

代表的な低融点金属であるウッドメタルを溶融金属とし
て使用し、鋳造を行った実施例を説明する。

固定鋳型６としては、外径１１０ｎｎｎ、　　内径９０
ｍｍ。

長さ５００ｍｍのサイズをもつアルミニウム製の円筒体
を使用した。なお、本来は引上げ速度に応じて中空素管
１１の収縮を勘案したテーパを固定鋳型６に付けること
が必要であるが、本例ではほぼフラットな形状をもつ円
筒体を使用した。

駆動側振動子７及び従動側振動子８の両振動子の周波数
は、固定鋳型６の平均直径が１００ｍｍであるので、２
５ｋＨｚとした。また、振動子７．８の発信出力は１ｋ
Ｗとした。駆動側振動子７の励振により固定鋳型６に振
動が生じ、固定鋳型６の軸方向に進行波が伝播される。

なお、固定鋳型６の上端ではなく下方に駆動側振動子７
を設けたのは、振動の減衰を考慮したもので、効率的に
振幅を得１す るためである。駆動側振動子７先端のホーンで予め振幅
が増幅され、固定鋳型６の内表面で振幅は無負荷で半径
方向に数十μｍ程度が得られる。進行波が固定鋳型６の
下端まで伝播されると、先はどとは逆に従動側振動子８
が励振されることにより電気エネルギーに変換され、負
荷抵抗Ｒによって消費される。このとき、負荷抵抗Ｒの
値は、完全な進行波が得られるようなインピーダンス整
合のとれる適当な値とする。

振動駆動のための発振回路は、温度変化による波長変動
、負荷変動によるインピーダンス変動に追従できるだけ
の自動追尾装置を配慮する必要があり、発振回路の追尾
機能への負担を緩和させるため、振動子として高効率化
を狙いとしたいわゆるＱ値が高いものよりも、ややＱ値
の劣るものを用いる配慮も必要である。

鋳造材料として用いたウッドメタルの融点は、５８℃で
ある。固定鋳型６及び振動子７．８を温度調節機構を備
えた恒温槽内に湯浴させることにより、冷却を行った。

固定鋳型６の直上に設けられ１ま たピンチロール９によって、固定鋳型６内で引き上げら
れた中空素管１１に同調する引上げ速度で固定鋳型６か
ら中空素管１１を引き上げた。このときの中空素管１１
の引上げ速度は、溶湯面直上で最高０．６ｍ／分であっ
た。更に、高速化を狙うには、振動出力を向上させるこ
とが必要になるが、超音波振動による駆動力は凝固シェ
ル１０自体の強度が充分でない部分の振動を分担させ、
ピンチロール９を溶湯面の引上げ速度より高めの速度に
して、溶湯中の凝固が進んだ部分の引上げの駆動力をピ
ンチロール９に分担させることによっても高速化が図ら
れる。

以上に説明した例では、最も簡単な例を採り上げたが、
本発明は、原理的には鋳造材料に関する適用上の制約は
なく、鋼管等の金属は勿論、プラスチックス等の非金属
に対しても適用することができる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明においては、中空素管の
引上げ機構は、基本的には円筒形の固定鋳型とその両端
に取り付けられた振動子のみから構成され、構造的に極
めて単純化されているために、一方向凝固による内部欠
陥の懸念がない高品質の中空素管を、比較的安価で且つ
高信頼性の装置で得ることが可能となる。また、本発明
によって得られる中空素管は、従来法によるものと比較
して偏肉が小さいため、真円度、同心度等の形状精度を
得易いという長所をもっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法で使用する連続鋳造設備の要部を示
し、第２図は凝固シェルの高さ方向による応力変化と振
動により駆動力が得られる高さ範囲を示したグラフ、第
３図は超音波振動による波動現象を説明するための図、
第４図は従来の中子を使用した連続鋳造装置を示す。 １：振動体　　　　　　　２：波動方向３°移動体　　
　　　　　４：移動方向５、溶湯供給ノズル　　　６．
固定鋳型７、駆動側振動子　　　　８：従動側振動子９
：ピンチロール　　　　１０．凝固ンエル５ １１°中空素管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、溶湯供給ノズルに当接配置された円筒状の固定鋳型
   の内部に鋳造される融液を供給し、前記固定鋳型の外周
   に接続された超音波振動子により、前記固定鋳型の軸と
   直交する任意の断面において半径方向に一様な振幅が得
   られるように前記固定鋳型を励振して、前記固定鋳型の
   内表面の任意の質点が前記固定鋳型の軸を含む断面内で
   楕円軌跡を描く振幅を生じさせ、該楕円振動の前記固定
   鋳型の軸方向に沿う成分力を、前記固定鋳型の内面に融
   液の静圧によって押圧された凝固シェルに摩擦力を介し
   て作用させることにより中空素管を引き上げることを特
   徴とする中空素管の連続鋳造方法。