JPH05329667A - 薄肉鋳片鋳造用冷却ドラムのディンプル加工装置および加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却ドラムの表面にレーザビームを照射して
ディンプルを形成する加工装置および加工方法に関し、
上記冷却ドラムを加工する際に発生する熱による冷却ド
ラム表面の軟化を防止して、長寿命な薄肉鋳片鋳造用冷
却ドラムを得ることを目的とする。 【構成】 上記冷却ドラムの表面にディンプル加工する
際に、レーザビームの照射部周辺を冷媒に晒す冷却手段
１を備え、照射部周辺を冷媒に晒した状態で該レーザビ
ームを照射してディンプルを加工する。また、冷却ドラ
ムの表面にレーザビームを照射中、照射部の冷媒を取り
除く加工援護手段を更に備え、照射部周辺から冷媒を取
り除いた状態でディンプルを加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋳片鋳造用冷却ドラム
の加工装置および加工方法に関し、特に連続鋳造におけ
る単ドラム方式，双ドラム方式，ドラム−ベルト方式等
の冷却ドラム表面にレーザビームを照射してディンプル
を形成する加工装置および加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】連続鋳造の分野において、製品の最終形
状に近い肉厚の薄い鋳片（以後、薄肉鋳片という）を溶
鋼から直接的に製造する技術の開発が強く望まれてい
る。薄肉鋳片を鋳造する場合、厚肉鋳片を鋳造する場合
と比べて冷却ドラムで溶鋼がかなり急激に冷やされるの
で、鋳造された鋳片に肉厚の変動または表面割れ等が引
き起こされる。従って、これらの欠陥を引き起こさない
ような冷却ドラムを作る必要がある。

【０００３】例えば、特開昭６０−第１８４４４９号で
は、冷却ドラムの周面全体に均一な凹凸を設けて「空気
溜まり」を形成し、冷却ドラム周面に「空気層」を作る
ことが提案されている。これは、「空気溜まり」により
冷却ドラムの抜熱能力を小さくして溶鋼を緩慢に冷却す
ることによって、形成される「凝固シェル」の厚みを板
幅方向で均一化し、肉厚変動および表面割れのない薄肉
鋳片を鋳造可能にしている。

【０００４】

【発明が解決しょうとする課題】しかし、凹凸を設けた
冷却ドラムを用いて鋳造を行うと鋳片表面へ凹凸状の跡
（転写跡）が転写される。この転写跡の凹凸はその後の
圧延により平滑にされるので支障を及ぼさないが、転写
跡の一部に粗大粒が存在すると「あざ」となって残り、
鋳造された製品の商品価値を損ねてしまう。

【０００５】また、凹凸を設けた冷却ドラムを用いて溶
鋼を鋳込むと、溶鋼の「湯溜まり」に「表面波」が発生
し、鋳造される鋳片表面に横皺を形成したり、光沢ム
ラ，粗大結晶組織等の欠陥を引き起こしたりする。その
ため、鋳込作業の際には「表面波」を発生させない細心
の注意が必要になる。

【０００６】たとえば「あざ」が発生する原因は、上記
「空気溜まり」によって「緩冷却」される部分（粗大粒
形成部分）と、冷却ドラムと直に接して「急冷却」され
る部分（微小粒形成部分）とにおいて凝固した溶鋼の結
晶粒径に差があり、これら粒径差によるが光の反射率の
違いから「あざ」となって現れるからである。これは冷
却ドラム周面に形成された凹凸が溶鋼の冷却速度分布に
対して大きいことに起因する。

【０００７】一方「表面波」が発生する原因は、「凝固
シェル」が形成される際、冷却ドラム界面における溶鋼
の進行方向で「急冷却」される部分と「緩冷却」される
部分との境界が局部的領域で概連続的に構成されるため
である。この境界は、たとえば、冷却ドラム周面に凹凸
が間隔をおいて規則的に設けられていたり、凹凸部で形
成されるべき表面張力が得られず結果的にそこが「急冷
却」部分となることによって、「急冷却」部分が連鎖的
に形成されるために構成される。

【０００８】このように「あざ」および「表面波」の問
題は、冷却ドラムに形成した凹凸に起因していることが
分かる。そして、係る問題を解決するためには形成する
凹凸（またはディンプル）の大きさ，形状，配置を考慮
する必要があることがわかる。

【０００９】従来、上記のような冷却ドラムを得るため
に用いられる手法は主に湿式エッチングである。エッチ
ングは、マイクロエレクトロニクスの分野等ではかなり
の微細加工を達成しているが、この冷却ドラムの加工に
おいては、加工するディンプル径を小さくすると共にそ
の深さも必要とするので加工寸法に限界がある。実際、
上記した凹凸部で形成されるべき表面張力を保証するた
めに必要なディンプル深さは約７０μｍであり、この深
さ寸法を得るためにディンプル径寸法は最小で約３００
μｍとなってしまう。言い換えると、ディンプル径寸法
を３００μｍ以下にするとディンプル深さが得られず表
面張力を保証することができなくなってしまう。

【００１０】加えてエッチングは、ディンプルの大きさ
や形状および配置に関して係る各寸法を柔軟に変えるこ
とが難しい。またエッチングは、その加工に用いる薬品
処理に係る周辺設備等を含め、最近取り立たされている
環境への課題も懸念される。

【００１１】その他にショットプラスト，放電加工，機
械加工等もディンプル加工に用いられている。しかし、
ショットプラストはエッチングと同様に加工寸法の限
界，寸法制御，加工精度等の問題がある。放電加工およ
び機械加工においては微細加工が可能であるが、冷却ド
ラムに対して加工するディンプル数が非常に多いので、
電極の交換等を含めて時間的な面で工業上不適当または
不可能である。

【００１２】そこで本発明の目的は、冷却ドラム周面へ
「レーザビーム」を照射することによりディンプルを形
成する加工装置および加工方法を提供することである。
そして特に、レーザ加工の際に発生する熱により冷却ド
ラムの表面が軟化することを防止することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の装置構成を示す
一実施態様を図１に示す。上記目的を達成するための装
置は、鋳片鋳造用冷却ドラムの表面にレーザビームを照
射してディンプルを形成するディンプル加工装置におい
て、上記冷却ドラム表面にレーザビームを照射してディ
ンプル加工する際に、レーザビームの少なくとも照射部
周辺を冷却する冷却手段１を備える。

【００１４】また、他の実施態様によれば、鋳片鋳造用
冷却ドラムの表面にレーザビームを照射してディンプル
を形成するディンプル加工装置において、上記冷却ドラ
ムの表面にレーザビームを照射してディンプル加工する
際に、レーザビームの少なくとも照射部周辺を冷媒によ
り冷却する冷却手段と、冷却ドラムの表面にレーザビー
ムを照射中、照射部の冷媒を取り除く加工援護手段と、
を備える。

【００１５】

【作用】レーザビームを使用することにより、レーザビ
ームはその径を波長の約３倍まで絞れるので、従来の加
工装置では達成し得なかった微細寸法で冷却ドラム周面
を加工することが可能となる。またレーザ加工ゆえにそ
の電気的制御が可能であり、形成するディンプルに対し
て柔軟性のある寸法設定が可能となる。また薬品使用に
係る問題等を発生させない。

【００１６】上記前者の手段によれば、ディンプルが形
成される加工周辺部は、冷却されながら加工される。よ
って、レーザビームにより溶融加工された加工部は、照
射後直ぐに急冷状態に晒されるので焼入れされる。溶融
加工により伝熱される周辺部も冷却されているので温度
が上昇せず変態が阻止される。従って冷却ドラムの表面
は軟化が防止されその硬度が保たれる。

【００１７】また上記後者の手段によれば、たとえば液
体の冷媒を使用することによってレーザビームの加工効
率が低下されるような場合、レーザビーム照射中、冷媒
を照射部から取り除くことによりレーザビームの加工効
率が保証される。

【００１８】

【実施例】以下、本発明に係るディンプル加工装置およ
び加工方法について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００１９】まず理解を深めるために、レーザビーム照
射による加工面周辺の温度の影響を説明する。図２は、
冷却ドラムの表面にレーザビーム照射後、時間とともに
照射部周辺部の温度がどのように変化するかを概略的に
表したものである。ディンプル加工の際、加工部は約千
数百℃から数千℃に加熱される。（ａ）のように冷却を
行わない場合、その周辺部は熱伝導によりかなり高温に
晒され冷却ドラム材料の変態点温度以上となり、その後
徐々に冷えるので焼きなまし状態となる。一方、（ｂ）
のように冷却を行った場合、周辺部は常に冷却されてい
るので温度は上昇するが変態点まで上昇しない。従って
周辺部は焼きなし状態にならないので冷却ドラム硬度の
減少が抑えられる。

【００２０】図３は、レーザビーム照射部周辺における
硬度分布の一例を概略的に示したものである。これはレ
ーザビームを０．１秒間照射して加工部を蒸発加工した
例である。冷却を行なわない（ａ）の場合、加工部端か
ら約３０μｍまでの領域で硬度が減少し、特に加工部直
近では冷却ドラムにおける従前の硬度（約３００Ｈｕ）
の約半分となってしまう。一方、冷却を行った（ｂ）の
場合、冷却ドラムにおける従前の硬度は加工部直近まで
変わらない。

【００２１】これら冷却の速度，時間等の条件は、冷却
ドラムの材質，組成等により異なるが、周辺部の温度が
冷却ドラム材質の少なくとも変態点以上に上昇しないよ
うに冷却すること、または変態点以上に上昇されるよう
な場合には冷却ドラムの材質硬度に係る焼き入れ特性に
沿った冷却条件で冷却することが大切である。

【００２２】このように冷却を行うことにより冷却ドラ
ム表面の硬度を減少させずにディンプル加工できるが、
使用する冷媒によりレーザビーム光を散乱させレーザの
加工効率等に影響を及ぼすような場合には、レーザビー
ム照射中、その冷媒を加工部またはレーザビーム光路か
ら取り除くことが好ましい。

【００２３】図４は、本発明に係る加工装置の一実施例
を示したものである。

【００２４】本加工装置は、レーザ発振器２０／パワー
制御ユニット２１と、これから発振されたレーザビーム
２２の光路を構成するガルバノ・ミラー２３（以後、ミ
ラーという），三角ミラー２４および集光レンズ２５を
含む光学系２６と、レーザの発振周波数および出力を制
御すると共に光学系のミラー等を駆動制御する加工制御
器２７とを備えたディンプル加工部と、ディンプル加工
部周辺に冷媒を放出する冷媒放出器６１と、レーザビー
ム照射中に加工部から冷媒を取り除く圧搾空気ノズル６
２と、これらの流量を制御する冷却制御器６３とを有す
る冷却装置とが組み合わされている。

【００２５】加工される冷却ドラム２８はその回転軸２
９を中心に一定速度ωで回転しており、その定速回転ω
が回転制御器３０によって維持されている。本加工装置
は、冷却ドラム２８の表面と一定距離ａを保ちながらそ
の回転軸方向へ一定速度ｖで移動する掃引装置３１に懸
架されている。その速度ｖは掃引制御器３２により維持
されるので、結果的にレーザビーム２２は冷却ドラム２
８の周面を螺旋状に走査する。勿論、本加工装置と冷却
ドラム２８間の配置関係は冷却ドラム２８自身が回転し
ながらその軸方向に移動する形態でもよい。

【００２６】本加工装置のレーザ発振器２０／パワー制
御ユニット２１は１台のＹＡＧレーザを用いているが他
のレーザ装置、たとえば炭酸ガスレーザ等の連続発振型
のガスレーザ、またはルビーレーザ等のパルス発振型の
固体レーザでも可能である。レーザビームの出力と発振
周波数は加工制御器２７により制御される。シャッタ３
３はレーザ発振器２０の前方に位置し、加工開始時、レ
ーザビーム２２が安定するまでその光路を遮断するため
のものである。

【００２７】光学系のミラー２３はその角度を変えてレ
ーザビームの反射角を変えるものであり、集光レンズ２
５は焦点距離を変えてレーザビームの発散角αを変える
ものである。いずれも機械的または電気的な駆動部（図
示せず）を備えている。

【００２８】ミラー２３は、加工制御器２７からの制御
信号３４に従ってその振動角ｐおよび振動周期ｆが制御
されて振動し、レーザビームの光軸を水平方向に変え
る。これによりミラー２３は、冷却ドラム２８に照射す
るレーザビームの照射位置３８を冷却ドラムの回転軸方
向に振り分け、形成するディンプルの位置間隔を冷却ド
ラムの回転軸方向に分散させることができる。

【００２９】集光レンズ２５も同様に、加工制御器２７
による制御信号３５に従ってその焦点距離が制御され、
冷却ドラムに集束させるレーザビームの発散角αを変え
る。これにより冷却ドラムの照射面３６におけるレーザ
ビームの集束面積が変わりディンプル径寸法を変えるこ
とができる。

【００３０】レーザパワー制御ユニット２１は、加工制
御器２７のレーザ出力制御信号３７に従ってレーザ励起
電力を変えてレーザ出力を変える。これにより、冷却ド
ラム面３６に集束されるレーザビームのエネルギが変わ
るのでディンプル深さ寸法を変えることができる。ま
た、加工制御器２７は一定周期のレーザ励起タイミング
に変調をかけたレーザ励起信号３８によりレーザ発振間
隔を変え、冷却ドラム表面に照射するレーザビームの照
射時間間隔を変える。これによりドラムの回転方向の照
射位置間隔が変わるのでディンプルの位置間隔をドラム
の回転方向で変えることができる。

【００３１】従って本加工装置は、加工制御器２７から
の各制御信号により加工されるディンプルの位置間隔，
径および深さを変えることができる。なお、加工制御器
２７における各制御信号は、冷却ドラム２８の回転速度
ω、および掃引装置３１の掃引速度ｖ等から予め設定さ
れる。

【００３２】このようにディンプル加工が行われる際、
冷却制御器６３はポンプまたは圧搾器等（図示せず）に
より冷媒放出器６１へ冷媒を供給する。冷媒放出器６１
は、図５に示すように冷却ドラムの回転方向の上流上部
に配され、そこから加工部３６に向けて下流方向へ冷媒
を放出する。これにより加工部３６およびその周辺は常
に冷媒で覆われ、ディンプル加工時においてもレーザビ
ームは冷媒を介して照射される。

【００３３】また、集光レンズ２５の近傍には、集光レ
ンズ２５を囲むように圧搾空気ノズル６２が構成されて
いる。圧搾空気ノズル６２は冷却制御器６３から圧搾空
気を供給され、レーザビーム照射中、そのノズル先端か
らレーザビーム軸に圧搾空気を加工部３６に向けて放射
する。これにより冷媒は冷却ドラム周囲に取り除かれる
が、流線を描いて冷却ドラムの加工部近傍に沿って流れ
るので、加工部およびその周辺は、加工後直ぐに冷却さ
れる。

【００３４】このような装置により冷媒だけを施し、冷
媒を介してレーザビームを照射してディンプル加工を行
った結果を以下に示す。

【００３５】加工条件は、ＹＡＧレーザの出力を１００
ｍＪとし、パルス幅０．１ｍｓｅｃ、発振周波数５００
Ｈｚのレーザビームを発生させ、光路を介して焦点距離
５０ｍｍの集光レンズで加工面に集束させた。一方、冷
却装置では冷媒として冷却水を使用し、照射部３６の上
流約１０ｃｍの位置から１リットル／ｓｅｃで吹きつけ
た。その結果、冷却ドラム周面にはディンプル径１５０
μｍ、ディンプル深さ７０μｍのディンプルが形成され
た。また、冷却水による強制冷却および加工面における
冷却水の気化熱により、ディンプル周辺部は、冷却ドラ
ムの硬度低下が起きておらず軟化防止が達成された。

【００３６】しかし、このように形成されたディンプル
は、通常同様なレーザ出力を用いて同様なディンプル加
工をした場合と比べ、特に、加工されたディンプルの深
さが相対的に小さい。これは、レーザビームが冷媒であ
る冷却水を介して照射されたために外乱を起こし、加工
能力が低下されたものと考えられる。よって、レーザビ
ーム照射時に圧搾空気を用いて冷媒を取り除くようにし
たところ、以下の通りであった。

【００３７】ディンプル加工装置においては、同ＹＡＧ
レーザの出力を６０ｍＪとした以外上記例と同一条件で
行い、一方、冷却装置においては、照射部３６の上流約
１０ｃｍの位置から冷却水を１リットル／ｓｅｃで吹き
つけると共に、２ｍｍ口径のセンターノズル６２からレ
ーザビーム照射部３６に向けて圧搾空気を１００リット
ル／秒で吹きつけて加工を行った。その結果、冷却ドラ
ム周面にはディンプル径１３０μｍ、ディンプル深さ９
０μｍのディンプルが形成された。

【００３８】上記結果において、レーザの出力を小さく
したにも係わらずディンプルが深く加工され、ディンプ
ル径も小さく加工されている。これは、冷却水によるレ
ーザビームの外乱が防止されレーザビームの加工能力の
低下が免れたことを示している。更に、加工されたディ
ンプル周辺部は、加工後直ぐ冷却水に晒されるので、冷
却ドラムの硬度の低下も起きず軟化防止が達成された。

【００３９】本実施例では冷媒として冷却水を用いた
が、勿論、その冷却効果を奏するものであれば、液体，
気体を問わず用いることもできる。また冷却ドラム自身
全体を冷却して冷却ドラムの冷却容量により自己冷却し
ても可能である。

【００４０】最後に、係る装置によりディンプル加工さ
れた冷却ドラムを用いてステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）
を鋳込んだ結果、表面に欠陥のない５ｍｍ厚の鋳片が得
られた。

【００４１】

【発明の効果】このように本発明により、「レーザビー
ム」によって鋳片鋳造用冷却ドラムにディンプル加工す
る加工装置および加工方法が提供された。そして、レー
ザ加工の際に発生する熱による冷却ドラム表面の軟化を
防止することが達成され、これにより長寿命の冷却ドラ
ムが提供された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るディンプル加工装置の一実施態様
を示す図である。

【図２】レーザビーム照射部周辺における温度変化を概
略的に示す図である。

【図３】レーザビーム照射部周辺における硬度分布を概
略的に示す図である。

【図４】本発明に係る加工装置の一実施例を示す図であ
る。

【図５】図４の実施例における冷却部分を示す図であ
る。

【符号の説明】

２０…レーザ発振器 ２１…レーザ・パワーユニット ２２…レーザビーム ２３…ガルバノ・ミラー ２４…三角ミラー ２５…集光レンズ ２６…光学系 ２７…加工制御装置 ２８…冷却ドラム ３０…冷却ドラム回転制御器 ３２…掃引制御装置 ６１…冷媒放出器 ６２…圧搾空気ノズル ６３…冷却制御器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋳片鋳造用冷却ドラムの表面にレーザビ
   ームを照射してディンプルを形成するディンプル加工装
   置において、 少なくとも該レーザビームの照射部周辺を冷却する冷却
   手段（１）を具備することを特徴とするディンプル加工
   装置。
2. 【請求項２】 鋳片鋳造用冷却ドラムの表面にレーザビ
   ームを照射してディンプルを形成するディンプル加工装
   置において、 少なくとも該レーザビームの照射部周辺を冷却する冷却
   手段と、 該冷却ドラムの表面に該レーザビームを照射中、該照射
   部の冷媒を取り除く加工援護手段と、 とを具備することを特徴とするディンプル加工装置。
3. 【請求項３】 鋳片鋳造用冷却ドラムの表面にレーザビ
   ームを照射してディンプルを形成するディンプル加工方
   法において、 前記冷却ドラムの表面にレーザビームを照射してディン
   プル加工するとき、少なくとも該レーザビームの照射部
   周辺を冷媒に晒すことと、 該照射部周辺を冷媒に晒した状態で該レーザビームを照
   射してディンプルを加工すること、 とを具備することを特徴とするディンプル加工方法。
4. 【請求項４】 鋳片鋳造用冷却ドラムの表面にレーザビ
   ームを照射してディンプルを形成するディンプル加工方
   法において、 前記冷却ドラムの表面にレーザビームを照射してディン
   プル加工するとき、少なくとも該レーザビームの照射部
   周辺を冷媒に晒すことと、 該冷却ドラムの表面に該レーザビームを照射中、該照射
   部の冷媒を取り除くこと、 とを具備することを特徴とするディンプル加工方法。