JPH0639635B2 - 銅及び銅合金のエレクトロスラグ再溶融方法 - Google Patents

銅及び銅合金のエレクトロスラグ再溶融方法

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JPH0639635B2 JP60024096A JP2409685A JPH0639635B2 JP H0639635 B2 JPH0639635 B2 JP H0639635B2 JP 60024096 A JP60024096 A JP 60024096A JP 2409685 A JP2409685 A JP 2409685A JP H0639635 B2 JPH0639635 B2 JP H0639635B2
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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、銅及び銅合金のエレクトロスラグ再溶融
(以下単にESRという)方法に関する。すなわち、銅
及び銅合金からなる消耗電極に大電流を通電して、スラ
グ中に発生するジュール熱によって消耗電極を溶解し、
スラグ中を滴下する溶融金属を水冷鋳型内に貯留凝固せ
しめることによって、組織的欠陥を完全に除去した銅及
び銅合金の大型鋳塊を得る方法の改善に関するものであ
る。
発明の技術的背景 一般に、銅及び銅合金の大型鋳塊(2〜15t)は成分
調整後、溶湯と大気との接触を絶って鋳造するのである
が、そのときの鋳塊は内部に多くの組織的欠陥、たとえ
ば溶湯からの放出ガスによるブローホール及びガス状キ
ャビティ,非金属介在物の混入による砂疵状欠陥等を飽
食するものである。これらの組織的欠陥の除去は高度の
熱間塑性加工によらねばならず、不十分な加工度ではブ
ローホール及びガス状キャビティの圧着消滅が不十分で
ある反面、過度の加工度では前記砂疵状欠陥に起因する
クラックの発生を見ることがしばしばであるため、これ
らの組織的欠陥を完全に除去し大型鋳塊を得ることは従
来の鋳造技術を以てしては至難であった。
そこで、既に鉄及び鉄系合金の精練において確立されて
いるESR方法を銅及び銅合金においても適用していわ
ゆるESR効果によって、巨大な非金属介在物の混入除
去、微細な非金属介在物の均等な分布、ブローホール,
ガス状キャビティ等の組織的欠陥の除去、合金元素のマ
クロ的,ミクロ的偏析の極少化を図り、清浄かつ緻密な
大型鋳塊を得んとする試みが提案されるに至った。
従来技術 ESRは、目的とする合金組成の消耗電極の先端を、水
冷鋳型内の溶融スラグ浴中のジュール熱でその先端から
溶解し、該溶融スラグ中に滴下した溶融金属を水冷定盤
上の水冷鋳型内で強冷することによって凝固せしめて大
型鋳塊を製造する再溶解による造塊法である。
この技術は鉄系合金においてはほゞ確立された技術であ
るけれども、銅及び銅合金においては未確立の分野であ
って、このときの最大の問題点は安定に銅及び銅合金を
再溶融させるに足る性状を有するスラグが見出だせなか
ったことによる。以下、従来提案された技術とその問題
点を指摘する。
特公昭45−28703は、銅をESR法によって再溶
融するに当たってのスラグとして50〜80%CaF
+20〜50%BaClOで、溶融温度が800℃以
下のものを提案する。しかしながら、この様な低溶融温
度を持つスラグでは、溶融スラグや凝固済金属と水冷鋳
型間に形成される固体スラグ層(いわゆるスラグスキ
ン)の厚さが極めて薄くて破壊されやすく、その破壊点
において電気絶縁が破れアーク放電が発生し易いため、
安定な操業は殆ど不可能に近い。
一方、特公昭57−14418は、CaO+Al
+SiOの混合物からなるスラグを使用して、溶融ス
ラグ表面に粒状黒鉛を散布浮遊せしめて銅をESR法に
よって再溶融造塊せんとする。この粒状黒鉛の目的は大
気と溶融スラグ上面との遮断であって、溶融スラグ中、
ひいては鋳塊中への酸素の固溶を防止し、以て鋳塊の鋳
肌表面の悪化を防止するものであるが、この場合は、ス
ラグの組成比から決まる溶融温度に着目しないまま操業
温度を過度に高めたため金属の酸化活性が過敏となり、
粒状黒鉛の散布が必要となったことが推測され、後述の
この発明によるときは、かかる面倒な配慮を必要としな
い。
さらに、特公昭56−42384は、SiO,Ca
O,MnO,CaFを主成分とし、他にAl,Ti,
Mg,Baの酸化物を混入した特殊なスラグを用いて連
続鋳造用鋳型に用いる銅板をESR法によって鋳造する
方法を開示する。しかしこの技術は、比較的小型の薄板
を作ることを目的としているため、提示されたスラグの
溶融温度、比抵抗値は共に比較的高いものであって大型
鋳塊の製造には不向きのものである。さらに言及すれ
ば、この技術では、操業中の溶融スラグ温度を適正にす
る条件としてスラグの組成成分、殊にSiO及びAl
の上限値を定めるものとしているが、溶融スラグ
温度を決定するものは溶融スラグ中への電力入力であっ
て、スラグの安定度が確保できる限り電力入力の制御に
よって溶融温度を越える任意の溶融スラグ温度を実現し
得るものであるから、スラグ成分の制限を付与する直接
因子は適正溶融スラグ温度より、むしろスラグの溶融温
度であり、付随的にそのときの溶融スラグの安定性,流
動性であることを付言したい。
発明の目的 この発明の目的は、かかる従来技術の現状と問題点に鑑
み、銅及び銅合金にESR法を適用して大型鋳塊を製造
するに際して使用するスラグの特性値として、溶融温度
及び否抵抗の二点に同時に着目することによって、安定
に工業的規模の操業が可能な銅及び銅合金のESR方法
による大型鋳塊の製造法を確立せんとするところにあ
る。
発明の構成 かかる目的に沿うこの発明の構成は、銅及び銅合金をE
SR法によって再溶融して組織的欠陥を完全に除去し、
且つ、清浄にして緻密な大型鋳塊を製造するに際して使
用するスラグとして、その溶融温度が800〜1200
℃,比抵抗が0.15〜1.5Ω・cmの特性値を有し
た、CaF−Al−NaAlF系又はCa
−Al−LiF系を基本系としSiO
〜40%,TiO 10%以下,NaO 5%以
下,MnO 5%以下,BaO 5%以下,MgO 1
0%以下の1種又は2種以上を同時に添加したスラグを
用いることによって、安定な工業的規模の操業を可能と
したことをその要旨とする。
発明者は、多くの理論的,実験的考察を精力的に進めた
結果、この発明に想到するに至ったものであって、その
内容をさらに要約して説明すれば次の通りである。
発明者の観察によれば、スラグの溶融温度は、再溶融金
属の溶融温度に対してマイナス200℃からプラス0℃
の範囲にあるとき最も良好な結果が得られることが知見
され、銅及び銅合金の場合には、その最適温度範囲は8
00〜1200℃に相当することが判明した。すなわ
ち、スラグの溶融温度が低すぎる場合には、水冷鋳型と
溶融スラグまたは凝固済金属間に形成されるスラグスキ
ンの厚さが不十分で極めて壊れやすく、スラグスキンが
壊れるとその部分を介してアーク放電が生じ、安定な操
業の継続を妨げる一方、スラグの溶融温度が高過ぎる場
合にはスラグスキンの厚さが過大となってスラグ消耗が
激しいので溶融スラグ温度の変動が避けられず均質な鋳
塊の実現を妨げる結果となるからである。加うるに後者
の場合では、操業中の溶融スラグ温度を余りに高く保持
すること、たとえば1800℃以上とすることは鋳塊の
鋳肌の劣化を招来する傾向があるので避けねばならず、
従って、その操業温度における溶融スラグの流動性の不
足を来たし、粗大非金属介在物の除去という本来の目的
達成が不十分となってしまうおそれがある。なお、スラ
グの溶融温度とスラグスキンの厚さとの相関関係は、水
冷鋳型の内壁表面から鋳型の中心方向への温度勾配によ
って殆ど一義的に決定されるので極めて明瞭である。
換言すれば、温度勾配曲線がスラグの溶融温度と交わる
点の鋳型の内壁表面からの距離がスラグスキンの厚さを
決定付けるからである。
また、再溶融された金属は凝固の際に収縮するため、前
記スラグスキンの波壊によるアーク放電は凝固済金属と
水冷鋳型間で生じ易く、そのときは鋳塊表面に有害なア
ークスポット(アークによる瘢痕,欠落)を残置するの
みならず、電気条件の変動による溶融スラグ温度の変化
を惹起して鋳塊内部にも致命的な組織的不連続部を生成
するおそれがある。
一方、溶融スラグの比抵抗としては0.15〜1.5Ω
・cmを有するものが銅及び銅合金のESR法による大型
鋳塊の製造に際して最良の結果を与えることが判明し
た。すなわち、比抵抗が1.5Ω・cmより大きい、いわ
ゆる高抵抗スラグの場合は、必然的にその組織成分とし
てAl,SiO等の高溶融温度酸化物の比率を
多くしなければならないが、かかる場合はスラグ全体の
溶融温度も必然的に高くなって前記スラグの溶融温度の
上限値を越えることとなって現実的でなくなってしま
う。のみならず、高抵抗スラグを使用する場合は水冷鋳
型内部に存在するスラグ量を少なくし、消耗電極と溶融
金属プールとの極間距離を近付けなければ必要充分なジ
ュール熱を溶融スラグ中に発生することができなくな
り、このこと自体は電力原単位の削減という利点もある
ことでもあるが、大型鋳塊の製造においては、操業途中
におけるスラグの新規補充の機会を多くして溶融スラグ
の温度変動をもたらし、鋳塊内部の組織的不連続性を引
き起こし易いという大欠点があって、大型鋳塊の造塊に
おいては採用し難い。
一方、溶融スラグの比抵抗を0.15Ω・cmより小さく
するときは、十分なジュール熱を発生させるためのスラ
グ量が過大となり、溶融スラグの深さが深くなり過ぎる
結果、溶融スラグから水冷鋳型への伝熱損失が過大とな
って極めて不経済な操業結果しか実現できない。逆に、
抵抗の不足分を通電電流の増大で補うことは、導体ケー
ブルにおける表皮効果,漏洩磁束による溶融金属の撹
拌,構築物の加熱等の諸要因のため実用上の制約を伴な
う。
このようにスラグの溶融温度を800゜〜1200℃,
溶融スラグの比抵抗を0.15〜1.5Ω・cmに調整す
るためには、CaF−Al−NaAlF
又はCaF−Al−LiF系を基本系とするス
ラグにあっては、SiO 5〜40%,TiO
0%以下,NaO 5%以下、MnO 5%以下,B
aO 5%以下,MgO 10%以下の1種又は2種以
上をスラグ中に同時に添加することが望ましいことを本
発明者等は多くの実験結果から確認した。
発明の効果 この発明によれば、スラグの溶融温度及び比抵抗の両特
性に同時に着目して、それぞれ最良の範囲を兼備するス
ラグを選定したから、銅及び銅合金をESR法によって
再溶融し、組触的欠陥を完全に排除し、清浄且つ緻密な
大型鋳塊を安定に、工業的規模で造塊する方法が始めて
確立されるに至ったという極めて優れた効果がある。
実施例1 重量比でCaF15%,Al20%,氷晶石6
5%からなり、、少量のCaO,MgO,ZrOを添
加したスラグは、溶融温度880〜920℃,溶融スラ
グの比抵抗0.3〜0.5Ω・cmである。これを内径5
00mmの水冷鋳型に深さ150〜200mmに投入し、無
酸素銅を消耗電極とした再溶融し、高さ1850mm(重
量3ton)の鋳塊を得た。このときの電気入力は45
V 10kA,溶解速度は500kg/hであった。
得られた鋳塊のマクロ組織を第1図及び第2図に、機械
的性質を第1表に示す。
再溶融によっても大気中算素の追加固溶は見られず、大
きな柱状共晶組織が鋳塊の軸と略平行に成長して、ES
R操業中の溶融金属プールの底面が軸と略直角となって
安定した理想的な層状凝固が行なわれたことを示してい
る。鋳塊中にはブローホール,ガス状キャビティ等の組
織的欠陥は皆無で、鋳肌も美麗であった。鋳塊の機械的
的性質も申し分ないものである。
実施例2 重量比CaF70%,Al10%,LiF20
%を主成分として少量のCaO,MgO,ZrOを添
加したスラグは溶融温度1050〜1150℃,溶融ス
ラグの比抵抗0.15〜0.3Ω・cmであり、これを内
径1050mmの水冷鋳型に深さ200〜250mmに投入
し、無酸素銅を消耗電極として高さ2550mm(重量1
9ton)の鋳塊を得た。電気入力は65V,13k
A、溶解速度は800kg/hであった。
このときのマクロ組織を第3図,第4図に示し、鋳塊の
機械的性質は第2表に示すとおりである。
得られた鋳塊は組織的欠陥が皆無で、有害な偏析を認め
ず、清浄かつ緻密な均一組織を有し、その機械的性質も
優秀である。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は実施例1方法により得られた鋳塊の
マクロ組織図で、第1図は縦断面図、第2図は横断面図
を示す。 第3図及び第4図は実施例2方法により得られた鋳塊の
マクロ組織図で、第3図は縦断面図、第4図は横断面図
を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】使用されるスラグがCaF−Al
    −NaAlF系又はCaF−Al−LiF
    系を基本系とする銅及び銅合金のエレクトロスラグ再溶
    融方法において、上記スラグの比抵抗が0.15〜1.
    5Ω・cm及び溶融温度が800〜1200℃になるよう
    に、上記スラグ中にSiO5〜40%,TiO
    0%以下,NaO 5%以下,MnO 5%以下,B
    aO 5%以下,MgO 10%以下の1種又は2種以
    上を同時に添加することを特徴とする銅及び銅合金のエ
    レクトロスラグ再溶融方法。
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