JPH08309486A - 連続鋳造用鋳型及びその作製方法 - Google Patents

連続鋳造用鋳型及びその作製方法

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JPH08309486A
JPH08309486A JP7148192A JP14819295A JPH08309486A JP H08309486 A JPH08309486 A JP H08309486A JP 7148192 A JP7148192 A JP 7148192A JP 14819295 A JP14819295 A JP 14819295A JP H08309486 A JPH08309486 A JP H08309486A
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直也 浜田
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久雄 江阪
Toshiyuki Kajitani
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 鋼の連続鋳造に於いて、凝固シェルの厚さを
均一化することによって鋳片の割れを防止し、高品質な
製品を製造できる連続鋳造用鋳型およびその作製方法を
提供する。 【構成】 鋳型内面の溶鋼メニスカス部位にテーパ角が
70度以上100度以下の複数の孔を、孔面積率が0.
1〜0.3となるようにレーザ加工によって設けたこと
を特徴とする連続鋳造用鋳型によって達成される。特
に、レーザ加工孔が、直径10〜500μm、深さ30
0〜10,000μmであると良い。また、上記連続鋳
造用鋳型を作製するに当たっては、レーザ加工の際に鋳
型表面に厚さ50〜100μmの金属箔を接着し、レー
ザ加工後にこの金属箔を鋳型より剥離することにより、
レーザ加工時に鋳型材の飛散物の付着によって生ずる孔
周囲の盛上がりを生じさせないようにすると良い。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、鋼の連続鋳造に用いる
鋳型に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、鋼製品を製造するには、垂直もし
くは湾曲型の連続鋳造機を使用した連続鋳造工程が不可
欠となっている。このような連続鋳造法によってスラブ
やブルームなどの鋳片を製造する際に、その鋳造の途中
で表面割れが生じて疵となることがある。このため、無
手入れ熱延直送を採用することによって鉄鋼プロセスの
省力・低コスト化を推進する上に、また鋳片の製品歩留
りを向上する上に、大きな障害となっていた。
【0003】上述のような鋳片表面疵の発生メカニズム
については、近年の研究により理解が進み、未だ完全で
はないが大要以下のように考えられている。すなわち、
連続鋳造に際しては、水冷銅鋳型に溶鋼が注入されて凝
固シェルが生成するのであるが、その場合、鋳型による
抜熱量が大きいために抜熱量に少しでもムラがあると、
凝固シェル厚さの薄い部分に収縮による応力が集中作用
し、その結果割れが発生すると言うものである。
【0004】従って、連続鋳造鋳片における割れ発生防
止のためには、鋳型上部で生成する所謂初期凝固シェル
の厚さを均一化する必要がある。この点については、
「Handbuch des Stranggiessens」(Aluminium-Verlag
GmbH社 1958年発行 Erhard Hermann著)に於い
て、アルミニウムを連続鋳造する場合、鋳片の表面性状
を改善するために鋳型の内面に凹凸を付与することが既
に記載されている。さらに、1968年7号発行のStee
l in English の第560頁〜第562頁にも、ビレッ
ト鋳造に関してP.Perminov等による同様の記述が見られ
る。
【0005】これらは、鋳型内面の溶鋼との接触部の面
積率を低下させ、全体として緩冷却を行い、その一方
で、接触部の単位面積あたりの抜熱量を増加させること
により、その抜熱量のムラを無くし、均一な冷却を行お
うとするものである。
【0006】このような考え方は、特公昭57-117
35号公報にも認められ、この場合、凹部の寸法は、直
径もしくは幅が2.5mm以下であり、かつ凹部の総面積
が20%以上90%以下と規定されている。また、凹部
同士の間隔は0.3mm〜1.0mmが望ましいと明記され
ている。
【0007】なお、かかる凹部を付与する方法として
は、機械切削加工法、及びショットブラスト法が挙げら
れている。
【0008】また、他の緩冷却方法としては、一般に使
用される銅板に代えて、より熱伝導度の低い物質、例え
ば、SUS鋼、あるいはNi基合金(特開昭55-15
6643号公報参照)、さらには耐火物を鋳型にする方
法、あるいは、銅板の内表面に耐火物を溶射する方法
(特開昭55-70453号公報参照)、低熱伝導率金
属を爆着により接合する方法等が考えられる。しかしな
がら、これらは実用に供されたという実績報告が認めら
れない。
【0009】なお、銅鋳型の表面にNiめっきを施して
耐摩耗性を向上し、寿命を伸ばす技術が実用化されてい
るが、このめっき厚は薄いため、緩冷却効果はない。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上述のような従来技術
では、ただ単に鋳型内表面に凹凸部を付与するか、ある
いは低熱伝導率物質を接合して緩冷却効果の実験的検証
を狙ったものにすぎず、実用化のための耐久性や処理時
間の考慮がなされていない。また、初期凝固シェルの均
一化に緩冷却だけが効果があるのかどうかについては、
詳細は未だ明らかではない。初期凝固シェルを均一化す
る鋳型への改良を実操業に耐え得るレベルで達成するに
は、さらなる現象理解と改善とが必要となっている、と
いうのが実情である。
【0011】本発明は、このような従来技術の問題点を
解消するべく案出されたものであり、鋼の連続鋳造に於
いて、凝固シェルの厚さを均一化することによって鋳片
の割れを防止し、高品質な製品を製造できる連続鋳造用
鋳型及びその作製方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】このような目的は、鋳型
内面の溶鋼メニスカス部位にテーパ角が70度以上10
0度以下の複数の孔を、孔面積率が0.1〜0.3とな
るようにレーザ加工によって設けたことを特徴とする連
続鋳造用鋳型によって達成される。特に、レーザ加工孔
が、直径10〜500μm、深さ300〜10,000
μmであると良い。
【0013】また、上記連続鋳造用鋳型を作製するに当
たっては、レーザ加工の際に鋳型表面に厚さ50〜10
0μmの金属箔を接着し、レーザ加工後にこの金属箔を
鋳型より剥離することにより、レーザ加工時に鋳型材の
飛散物の付着によって生ずる孔周囲の盛上がりを生じさ
せないようにすると良い。
【0014】
【作用】発明者等は、パウダーを使用する鋼の連続鋳造
に用いる鋳型に於いて、鋳型内面の溶鋼メニスカス部位
に、直径10〜500μm、深さ300〜10,000
μmの複数の孔をレーザ加工によって設け、かつ孔面積
率を0.1〜0.3として孔の分布と初期凝固の際の凝
固核の分布の対応を詳しく調べたところ、溶鋼の凝固核
の生成が、主として、孔の縁の鋭角な部分にて発生し、
その分布が人為的に制御された均一な分布であるために
凝固シェルの成長が均一に進み、結果として鋳片全体が
均一に固まって行くことを発見した。
【0015】発明者等は、次のような実験を行った。す
なわち、幅100mm、長さ100mm、厚さ20mmの銅板
の表面にレーザ孔加工を施したものを溶鋼中に浸漬し、
この銅板の表面に固着した凝固シェル厚の不均一度の測
定と凝固シェル断面の組織観察とを行った。ここで凝固
シェル厚の不均一度は、平均凝固シェル厚に対する逸脱
の割合で定義した。
【0016】図4に孔の面積率と凝固シェル厚の不均一
度との関係を示す。これより、面積率0.1〜0.3の
領域に凝固シェル厚不均一度の最小点が存在することが
分かる。つまり、この領域では凝固シェル厚が均一にな
ると言うことができる。
【0017】図5は、上記凝固シェルの断面の組織観察
の模式図である。これより、凝固シェル11内に微少な
凝固核12が一定のピッチで存在し、全体として結晶成
長が均一に進んでいることが分かる。凝固核同士のピッ
チはレーザ加工孔のピッチとほぼ一致しており、孔の形
状自体が核生成に寄与していることが理解できる。
【0018】一方、平坦な鋳型での比較実験では、凝固
核の分布は不均一であり、溶鋼中の不純物を核として凝
固シェルの成長が進んでいるものと考えられる。従来、
鋳片表面疵の発生頻度が、鋼の炭素含有量に大きく依存
することが経験的に知られており、比較実験の結果を支
持している。
【0019】以上のように、凝固シェル11の均一成長
は、必ずしも緩冷却効果によるものではなく、凝固核1
2の分布の均一さによるものであることが判明した。
【0020】ところで孔の直径としては、10〜500
μmが望ましい。というのは、10μm以下では溶鋼の
表面張力によって孔の効果が出にくくなり、対無処理材
の優位性が薄れること、また、500μm以上では、溶
鋼静圧によって孔中への溶鋼の差し込みが生じ易くな
り、焼き付きのトラブルの危険があるためである。
【0021】発明者等は、さらに孔形状と凝固核生成と
の関係を詳しく調べるために以下の実験を行った。すな
わち、レーザの照射条件を制御して銅板への孔加工のテ
ーパ角(孔の開口面と孔の内周面とのなす角度)を各種
変えたサンプルを用意し、これらの各々について浸漬実
験を行った。孔面積率は0.2とした。
【0022】図6に凝固シェル厚の不均一度とテーパ角
との関係を示す。これより、テーパ角が70度以上の領
域で凝固シェル厚の不均一度の低下が顕著であることが
分かる。図4から類推すると、テーパ角が100度以上
では凝固シェル厚の均一化効果がさらに向上すると思わ
れるが、レーザ加工の条件的に困難である。実用上の観
点からは、初期凝固シェルの不均一度が0.06を下回
っていれば鋳片割れの問題は皆無となり、テーパ角度と
して70度以上を確保すれば十分である。
【0023】発明者等はまた、鋳型表面へのレーザ孔加
工の際に、鋳型材の飛散物の付着によって孔周囲に盛上
がりが生ずることを確認した。これは溶鋼と銅板平坦部
分との接触状況を著しく変化させ、凝固均一化効果の時
間的変化を発生させる。また、銅の酸化物を含んでいて
母材に比して強度が低いために摩耗が早い。このため、
溶鋼中への銅の混入が局所的に高くなるなどの問題があ
る。これを解決するために発明者等は、様々な方法を試
み、レーザ加工の際に鋳型表面に厚さ50〜100μm
の金属箔を接着し、レーザ加工後に金属箔を鋳型から剥
離することにより、孔周囲の盛上がりを生じさせなくで
きることを見出した。
【0024】上述のような本発明の銅鋳型への孔加工は
レーザ加工によるため、深さの制御は比較的自由度が高
く、深くすることが可能である。ここで、連続鋳造の操
業による鋳型の損耗は、1チャージあたり数μm〜数1
0μmであり、通常鋳型は一回の巻き替えで300チャ
ージ程度まで連続使用するものであるから、鋳型の損耗
を考慮した上で、本発明の鋳型による初期凝固均一化効
果の終始持続のためには、少なくとも孔深さとして30
0μmが必要である。一方で、より深い方向では、レー
ザ光の集光条件から、テーパ角が70度を越える領域を
確保するためには、深さの上限は10,000μmが限
界となる。
【0025】
【実施例】以下に添付の図面に示された実施例を参照し
て本発明について詳しく説明する。
【0026】図1は、本発明に基づき作製された連続鋳
造用鋳型1を模式的に示す構成図である。この鋳型1
は、幅が1,200mm、厚さが230mmの銅合金製のも
のである。
【0027】厚さ100μmのSUS箔をエポキシ系接
着剤で鋳型1の内表面に貼り付け、その上から、レーザ
パルスを1孔あたり50ショット照射し、図2に示すよ
うな孔径(d)200μm、孔深さ(D)2,000μ
m、テーパ角(θ)90度の孔2を、図3に示すように
ピッチ(p)400μmで連続的に多数穿設し、孔面積
率が0.2になるようにした。この孔加工を、鋳型1の
メニスカス近傍に100mmの幅の領域3に行い、その後
にSUS箔を剥離し、鋳型表面をアセトンで洗浄した。
【0028】なお、本実施例では、加工用のレーザ発振
器として、共振器内部にテレスコープレンズと回転チョ
ッパからなるQスイッチ装置を配置したQスイッチ炭酸
ガスレーザを用いた。このレーザは、時間幅100ns
〜1μs、ピークパワー5kW〜300kWの初期スパ
イク成分と、時間幅0.9μs〜29μs、ピークパワー
2kW〜5kWのテール成分とからなるレーザパルスを
発生する。また本実施例では、レーザパルスエネルギは
パルスあたり50mJとし、レーザパルスの時間幅は、
初期スパイク部分が200ns、テール部分が7.5μ
sとした。エネルギ的には、初期スパイクが12.5m
J、テール部分が37.5mJである。
【0029】この鋳型1を実際の操業に用いて鋼の連続
鋳造を行ったところ、非常に表面品質の良い鋳片が得ら
れた。具体的には、従来の平坦表面鋳型で、100チャ
ージあたりの割れ発生頻度が2%であったところが、本
発明の鋳型では皆無となった。
【0030】
【発明の効果】以上の説明の通り、本発明の連続鋳造用
鋳型によれば、鋼の連続鋳造に於ける凝固シェルの厚さ
を均一にすることができ、鋳片の割れを防止して高品質
な製品を製造可能な連続鋳造用鋳型を提供することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による連続鋳造用鋳型の模式図。
【図2】孔の拡大断面図。
【図3】孔の配置図。
【図4】孔面積率と凝固シェル厚不均一度との関係線
図。
【図5】シェル断面の組織によってデンドライトアーム
が孔の間隔と対応して成長した様子を示す模式図。
【図6】凝固シェル厚不均一度と孔のテーパ角度との関
係線図。
【符号の説明】
1 鋳型 2 孔 3 領域 11 凝固シェル 12 凝固核
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梶谷 敏之 富津市新富20−1 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鋼の連続鋳造に用いる鋳型であって、 孔の開口面と孔の内周面とのなす角度(テーパ角)が7
    0度以上100度以下の複数の孔を、鋳型内面の溶鋼メ
    ニスカス部位に、孔面積率が0.1〜0.3となるよう
    に、レーザ加工によって設けたことを特徴とする連続鋳
    造用鋳型。
  2. 【請求項2】 前記孔が、直径10〜500μm、深さ
    300〜10,000μmであることを特徴とする請求
    項1に記載の連続鋳造用鋳型。
  3. 【請求項3】 テーパ角が70度以上100度以下の複
    数の孔を鋳型内面の溶鋼メニスカス部位にレーザ加工に
    よって孔面積率が0.1〜0.3となるように設けた連
    続鋳造用鋳型の作製方法であって、 レーザ加工の際に鋳型表面に厚さ50〜100μmの金
    属箔を接着し、かつレーザ加工後に前記金属箔を鋳型表
    面から剥離することにより、レーザ加工時に鋳型材の飛
    散物の付着により生ずる孔周囲の盛上がりを生じさせな
    いようにすることを特徴とする連続鋳造用鋳型の作製方
    法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2004022279A1 (en) * 2002-09-06 2004-03-18 Siemens Vdo Automotive Corporation Anti-spatter coating for laser machining
US6797404B2 (en) * 2001-09-07 2004-09-28 Siemens Vdo Automotive Corporation Anti-spatter coating for laser machining
JP2016535829A (ja) * 2013-10-08 2016-11-17 マーレ インターナショナル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングMAHLE International GmbH 鋳型、及び、該鋳型により鋳造されるピストン

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US10391552B2 (en) 2013-10-08 2019-08-27 Mahle International Gmbh Casting mould and piston produced with the casting mould

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