JPH09122862A

JPH09122862A - アルミニウムインゴットの連続鋳造方法

Info

Publication number: JPH09122862A
Application number: JP31007695A
Authority: JP
Inventors: Masaisa Tsunekawa; 雅功常川; Norifumi Hayashi; 典史林; Teruo Uno; 照生宇野
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1995-11-02
Publication date: 1997-05-13

Abstract

(57)【要約】【課題】鋳造初期段階における鋳塊底部の反り上りに
起因する鋳造欠陥を防止でき、鋳造の定常段階において
生じるサブサーフェイスバンド、逆偏析の発生を抑制で
きるアルミニウムインゴットの竪型連続鋳造、とくに断
面矩形状インゴットの連続鋳造方法を提供すること。【解決手段】鋳型上部から溶湯を供給し、凝固した鋳
塊を鋳型下部から引き出すアルミニウムインゴットの竪
型連続鋳造において、鋳塊冷却水として、ポリオキシエ
チレン・プロピレン・ポリエーテルを溶解した水を使用
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウムイン
ゴットの連続鋳造方法、詳しくは、アルミニウムの竪型
連続鋳造において、鋳造の初期段階で生じる鋳塊底部の
欠陥を低減し、および／または鋳塊表面の品質を向上さ
せるアルミニウムインゴットの連続鋳造方法の改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム（アルミニウム合金を含
む、以下同じ）インゴットの竪型連続鋳造は、図１に示
すように、上下に開放された筒状鋳型１の上部から、ス
パウトおよび溶湯を鋳型内に分配し溶湯面高さを制御す
るためのフロート（図示せず）を介してアルミニウム溶
湯Ｍを供給し、凝固した鋳塊Ｃを鋳型１の下部から引き
出すことにより行われる。通常、鋳造開始に際しては、
鋳型１内に底台２を設置したのち、鋳型内に溶湯を供給
し、底台および鋳型内に所定量の溶湯が注入された段階
で底台２を鋳型１の下方へ降下させるとともに周囲から
冷却水３を供給して溶湯を凝固させ、凝固した鋳塊Ｃを
垂直方向に連続的に引き出す。Ｂは凝固界面である。

【０００３】この場合、とくに断面矩形状の圧延用イン
ゴットを鋳造する場合には、鋳造の初期段階において、
鋳型１から引き出された鋳塊Ｃの底部は冷却水３によっ
て急冷される結果、鋳塊Ｃ底部の温度が急激に低下し、
鋳塊の縦方向に急温度勾配が生じて熱応力が誘導される
とともに、鋳塊Ｃの中央部と端部との間の急温度勾配か
らも熱応力が生じ、この熱応力により、図１に示すよう
に、鋳塊の短辺側底部に反り上り４が発生する。鋳塊の
短辺側底部が反り上ると、その上部にはくびれ５が生
じ、縦割れや湯漏れの原因となる。

【０００４】また、反り上り４の形成に起因して、鋳塊
Ｃの長辺側の中央部には引張応力がはたらくため縦割れ
６が生じ易くなり、反り上り部においては、鋳型１の底
部と底台２の間に空隙部７が形成されるため、底台２の
方向への抜熱が低下して鋳塊底部が再溶解し、再溶解部
から割れが発生するという問題も生じる。

【０００５】連続鋳造の初期段階における鋳塊底部の冷
却による収縮を最適化して反り上りをなくし、鋳塊底部
に発生する欠陥を防止するために、これまでいくつかの
技術が開発されている。例えば、鋳造の初期段階におい
て、冷却媒体中に炭酸ガスなどのガスを混合させて鋳塊
からの熱抽出の速度を減少させ、鋳造の進行に従ってガ
スの混合量を減少させ、冷却速度を通常の速度に戻して
行く方法（特公昭55-42903号公報) 、鋳造の初期段階に
おいて、冷却水を間欠的に供給して鋳塊底部の収縮を制
御するパルス冷却法( 米国特許第3,441,079 号明細書)
などが提案され、それぞれ実用化されている。

【０００６】上記の方式はいずれも、アルミニウムの連
続鋳造の初期段階の鋳塊底部の欠陥防止に効果的である
が、炭酸ガスを冷却媒体に混合する方法は、炭酸ガスの
発生、混合量の制御などのための大がかりな設備が必要
であり、パルス冷却法においては、冷却水のオン・オフ
を制御するための複雑な装置を要し、制御系に問題が発
生した場合には、鋳塊冷却が中断される結果、再溶解が
生じ鋳型壁が損傷するなどの難点もある。

【０００７】一方、鋳造の初期段階終了後の定常段階に
おいても、とくに図２に示すように、鋳型１内に供給さ
れた溶湯Ｍは鋳型１によって冷却されて、厚さ１０ｍｍ
程度の凝固殻９をするが、凝固収縮の結果として鋳型内
壁面と鋳塊との間にエアギャップ８が生じるため、冷却
速度が急激に低下し凝固殼９の成長が停滞する。このた
め、鋳塊の表面から１０〜３０ｍｍ内部にはサブサーフ
ェイスバンド（ＳＳＢ）と呼ばれる粗い凝固組織を有す
る領域１０が形成される。

【０００８】また、エアギャップ８の部分での冷却速度
低下により、鋳塊表層部が再溶解して鋳塊表面に発汗が
生じ、Ｍｇ、Ｓｉなどの溶質元素の逆偏析が起こる。こ
れらの欠陥部および上記サブサーフェイスバンドは、鋳
塊を面削することにより除去しなければならず面削歩留
りを低下させる。最終製品にこれらの欠陥が残存する場
合もみられる。鋳塊品質を改善するための方策として、
ａ）鋳型内の湯面を低くしエアギャップ部を短くして鋳
造を行う、低湯面レベル鋳造、ｂ）鋳造速度を増加する
方式、ｃ）冷却水量を増加する方式などが提案されてい
るが、低湯面レベル鋳造、高速鋳造では湯漏れ発生の危
険性があり、冷却水を増加しても冷却速度の増大には限
度があるなど、いずれも完全な対策とはなっていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、アルミニウ
ムの竪型連続鋳造において、鋳造初期段階において生じ
る鋳塊底部の欠陥を防止するための上記従来の方式の難
点を解消するとともに、アルミニウムの竪型連続鋳造で
生じ易い鋳塊の表面欠陥の発生を低減させる方法を開発
するために、高温のアルミニウム鋳塊の冷却段階につい
て基礎的な実験検討を行った結果としてなされたもので
あり、その目的は、複雑な設備を使用することなく、簡
便な方法により連続鋳造の初期段階における鋳塊底部の
欠陥の発生を防止することができ、鋳塊の表面欠陥の発
生を抑制することができるアルミニウムインゴットの連
続鋳造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるアルミニウムインゴットの連続鋳造方
法は、鋳型上部から溶湯を供給し、凝固した鋳塊を鋳型
下部から引き出すアルミニウムインゴットの竪型連続鋳
造において、ポリオキシエチレン・プロピレン・ポリエ
ーテルを含有する水を鋳塊冷却水として使用することを
発明の基本的特徴とする。

【００１１】また、鋳造の初期段階において、鋳型下部
から引き出された鋳塊の表面にポリオキシエチレン・プ
ロピレン・ポリエーテルを１０〜４０％溶解した冷却水
を供給すること、鋳造の定常段階において、鋳型下部か
ら引き出された鋳塊の表面にポリオキシエチレン・プロ
ピレン・ポリエーテルを３〜７％溶解した冷却水を供給
することを第２および第３の特徴とする。

【００１２】さらに、鋳造の初期段階においては、鋳型
下部から引き出された鋳塊の表面にポリオキシエチレン
・プロピレン・ポリエーテルを１０〜４０％溶解した冷
却水を供給し、初期段階終了後の定常段階においては、
鋳型下部から引き出された鋳塊の表面にポリオキシエチ
レン・プロピレン・ポリエーテルを３〜７％溶解した冷
却水を供給することを第４の特徴とする。

【００１３】本発明において冷却水に含有させて使用す
るポリオキシエチレン・プロピレン・ポリエーテルは、
ポリアルキレン・グリコールあるいはポリアルキレン・
グリコール・エーテルとも呼ばれ、エチレン・オキサイ
ドとプロピレン・オキサイドを特定の条件下で重合して
得られるものであり、以下の化学式を示す。

【００１４】

【化１】

【００１５】ポリオキシエチレン・プロピレン・ポリエ
ーテルは、曇点（clouding point)が例えば７４〜９０
℃で、この温度より低い温度では水に対して完全に溶解
するが、この温度を越えると水に溶解せず、水とポリオ
キシエチレン・プロピレン・ポリエーテルとに分離する
という特性をそなえている。本発明で使用するポリオキ
シエチレン・プロピレン・ポリエーテルは、例えば、米
国ユニオン・カーバイド社製のユーコンクエンチャント
（ＵＱ）（商品名）が適用できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施態様におい
ては、鋳型１内に底台２を設置し、鋳型内の底台２上に
溶湯Ｍを注入し、冷却水３を供給して鋳塊Ｃの底部を形
成する鋳造の初期段階（図１）において、冷却水とし
て、ポリオキシエチレン・プロピレン・ポリエーテルを
１０〜４０％溶解した水を鋳塊の表面に適用する。

【００１７】冷却水は、高温の鋳塊表面に衝突し、鋳塊
表面近傍ではポリオキシエチレン・プロピレン・ポリエ
ーテルの曇点以上に温度が上昇するため、水とポリオキ
シエチレン・プロピレン・ポリエーテルとが分離し、鋳
塊表面に分離したポリオキシエチレン・プロピレン・ポ
リエーテルの薄膜層が形成される。この薄膜層は１００
〜数１００μｍの厚さを有し、熱抵抗を有するバリアー
として機能する。冷却水中の水の含有量も少なく、従っ
て鋳塊表面からの熱抽出が抑制され、冷却速度が緩和さ
れて鋳塊底部に生じる熱応力が小さくなり、鋳塊底部の
反り上りが防止される。

【００１８】冷却水に対するポリオキシエチレン・プロ
ピレン・ポリエーテルの好ましい溶解量は、１０〜４０
％の範囲であり、１０％未満では形成される薄膜層の厚
さが不十分で熱抽出抑制の効果が小さく、４０％を越え
て溶解させても大きな改善は得られず、経済性の面から
不利となる。

【００１９】本発明における他の好ましい実施態様は、
鋳塊が１５０〜２００ｍｍ長さ鋳込まれ、上記の鋳造初
期段階が終了したのち、冷却水として、ポリオキシエチ
レン・プロピレン・ポリエーテルを３〜７％溶解した水
を適用することにある。

【００２０】冷却水は、鋳型内壁部で形成される凝固殼
直下で供給されるが、この部分の鋳塊の表面温度はきわ
めて高く、通常の冷却水が衝突した場合には、衝突点直
下の鋳塊表面に厚さ１ｍｍ程度の蒸気膜が形成され、こ
の蒸気膜を介して冷却が行われるから、冷却水による鋳
塊表面からの熱抽出能力はきわめて小さくなる。

【００２１】ポリオキシエチレン・プロピレン・ポリエ
ーテルを溶解した水を冷却水として供給した場合、鋳塊
表面で水とポリオキシエチレン・プロピレン・ポリエー
テルとが分離して、鋳塊表面にポリオキシエチレン・プ
ロピレン・ポリエーテルの薄膜層が形成され、蒸気膜の
生成が妨げられる。ポリオキシエチレン・プロピレン・
ポリエーテルの溶解量が少ないから、薄膜層は厚さ１０
０μｍ前後のもので、熱伝導性が蒸気膜に比べてきわめ
て高いため鋳塊からの熱移動は容易となり、冷却水中の
水の含有量も多いため、通常の冷却水を使用する場合に
比べ、冷却効果がより大きくなる。

【００２２】冷却水中の水に対するポリオキシエチレン
・プロピレン・ポリエーテルの溶解量は３〜７％に範囲
が好ましく、３％未満では薄膜層の形成が不均一となっ
て冷却条件が安定せず、溶解量が７％を越えると、薄膜
層の厚さが大きくなり、熱抵抗のバリアーとして作用す
るため、冷却能力が低下し易い。

【００２３】本発明におけるさらに他の好ましい実施態
様においては、鋳造の初期段階においては、ポリオキシ
エチレン・プロピレン・ポリエーテルを１０〜４０％溶
解した水を鋳塊冷却水として使用し、初期段階終了後の
鋳造の定常段階においては、ポリオキシエチレン・プロ
ピレン・ポリエーテルを３〜７％溶解した水を鋳塊冷却
水として使用する。

【００２４】本発明によれば、連続鋳造の初期段階にお
いて、高濃度ポリオキシエチレン・プロピレン・ポリエ
ーテル含有水を冷却水として使用するため、冷却水が高
温状態の鋳塊の底部に衝突した場合、ポリオキシエチレ
ン・プロピレン・ポリエーテルが分離して鋳塊表面に薄
膜層を形成し、熱抵抗を有するバリアーとして機能す
る。冷却水中の水の含有量も少ないから、鋳塊表面から
の熱抽出が抑制されて冷却速度は小さくなり、鋳塊底部
の熱応力が緩和されるため、鋳塊底部に反り上りが生じ
ることがなく、反り上りに起因する種々の鋳塊欠陥が防
止される。

【００２５】鋳造の定常段階で、低濃度ポリオキシエチ
レン・プロピレン・ポリエーテル含有水を使用する場合
は、冷却水が衝突する鋳塊表面に、初期段階で形成され
るよりも薄いポリオキシエチレン・プロピレン・ポリエ
ーテルの膜が形成されて、蒸気膜の生成が妨げられ、冷
却水中の水の含有量も多いから、伝熱性の高い薄膜層を
介した対流冷却により鋳塊から効果的な熱抽出が行われ
る。従って、エアギャプ部直下での冷却速度が大きくな
り、サブサーフェイスバンドの形成、逆偏析などの表面
欠陥が抑制される。鋳造の初期段階と初期段階終了後の
定常段階で、ポリオキシエチレン・プロピレン・ポリエ
ーテルの含有量を変えた冷却水を使用するようにすれ
ば、さらに改善された連続鋳造を行うことが可能とな
る。

【００２６】

【実施例】

実施例１ＪＩＳ３００４合金に相当する組成のアルミニウム合金
を、通常の竪型連続鋳造方式に従い、断面寸法が縦５５
０ｍｍ、横１７０ｍｍの矩形状インゴットに造塊した。
鋳造条件を表１に示す。なお、ポリオキシエチレン・プ
ロピレン・ポリエーテルとしては、長瀬産業（株）販売
のＰＡＧ−Ａを適用した。鋳造温度は７００℃とし、鋳
型として有効鋳型長さ６５ｍｍのものを使用し、各条件
でそれぞれ５０本づつのインゴットを鋳造した。

【００２７】上記ＰＡＧ−Ａは、粘度（３８℃）２５０
０、比重（２０℃／２０℃水）１．０９７、ｐＨ８．
５、流動点−２０℃、曇点（ヒート・セパレーション温
度）７４℃、ＢＯＤ６００ｐｐｍ、ＣＯＤ５０００００
ｐｐｍの性質をそなえたものである。

【００２８】上記の連続鋳造においては、鋳塊表面の冷
却が緩和され、鋳込長さ１５０ｍｍまでの鋳造初期段階
においては、表１に示すように、平均反り上り量は４．
４ｍｍ以下と小さく、反り上りに起因する鋳塊の長辺側
中央部の割れ、鋳塊短辺側の割れ、湯漏れ、底部の再溶
解から生じる割れなどは全く発生しなかった。なお、初
期段階終了後の定常段階においては、通常の冷却水を使
用し、鋳造速度１２０ｍｍ／ｍｉｎ、冷却水量１６０ｌ
／ｍｉｎの条件で鋳造を行った。

【００２９】

【表１】

【００３０】比較例１実施例１と同じ組成のアルミニウム合金を、実施例１と
同様、通常の竪型連続鋳造方式に従って、実施例１と同
一の断面寸法を有するインゴットに造塊した。鋳造条件
を表２に示す。なお、使用したポリオキシエチレン・プ
ロピレン・ポリエーテルは実施例１と同一のものとし、
鋳造温度、鋳型の有効長は、実施例１と同じく、それぞ
れ７００℃および６５ｍｍとし、各条件でそれぞれ５０
本づつのインゴット鋳造した。各条件での鋳造におい
て、鋳込長さが１５０ｍｍまでの鋳造初期段階での平均
反り上り量、割れ発生状況および湯漏れ状況を調べた。
結果を表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２に示すように、比較例に従って鋳造さ
れた試験Ｎｏ．４〜６では、緩和された冷却が行われ
ず、反り上り量が大きく、割れや、湯漏れが生じた。例
えば、試験Ｎｏ．５においては、平均反り上り量は１
７．２ｍｍと大きく、反り上りに起因して、３本のイン
ゴットに鋳塊の長辺方向中央部の割れ、１本のインゴッ
トに鋳塊短辺部の割れが観察され、２本のインゴットに
くびれ部の再溶解による湯漏れ不良が発生した。

【００３３】比較例２ＪＩＳ３００４合金に相当する組成のアルミニウム合金
を、通常の竪型連続鋳造方式に従い、断面寸法が縦５５
０ｍｍ、横１７０ｍｍの矩形状インゴットに造塊した。
鋳造条件を表３に示す。なお、使用したポリオキシエチ
レン・プロピレン・ポリエーテルは実施例１において使
用したものと同一のＰＡＧ−Ａとした。また、鋳造温度
は７００℃、鋳型の有効長さは６５ｍｍとし、各条件で
それぞれ１０本のインゴットを鋳造した。各条件の鋳造
において、鋳造が定常段階に達したのちの鋳塊表層部の
偏析層厚さ、サブサーフェイスバンド（ＳＳＢ）厚さお
よび表面から１０ｍｍ内部のデンドライトアームスペー
シング（ＤＡＳ）を測定した。結果を表３に示す。

【００３４】

【表３】

【００３５】表３に示すように、試験Ｎｏ．７は、ポリ
オキシエチレン・プロピレン・ポリエーテル（ＰＡＧ−
Ａ）を２０％含有する水を冷却水として使用したため、
冷却水が衝突する鋳塊表面に形成されるＰＡＧ−Ａの膜
が厚くなり過ぎ、この膜が熱抵抗のバリアーとして作用
して冷却能力が低下し、このため鋳塊に表面欠陥が生じ
た。試験Ｎｏ．８は通常の冷却水で鋳造を行ったため、
エアギャップ形成に起因して冷却が不十分となり、偏析
層厚さ、ＳＳＢ厚さ、ＤＡＳの値はいずれも大きかっ
た。

【００３６】実施例２比較例２と同じ組成のアルミニウム合金を、比較例２と
同様、通常の竪型連続鋳造方式に従い、比較例２と同一
の断面寸法を有するインゴットを造塊した。鋳造条件を
表４に示す。なお、使用したポリオキシエチレン・プロ
ピレン・ポリエーテルは比較例２と同じＰＡＧ−Ａと
し、鋳造温度、鋳型の有効長さは、比較例と同じく、そ
れぞれ７００℃および６５ｍｍとし、各条件でそれぞれ
１０本のインゴットを鋳造した。各条件の鋳造におい
て、鋳造の定常段階に達したのちの鋳塊表層部の偏析層
厚さ、ＳＳＢ厚さおよび表面から１０ｍｍ内部のＤＡＳ
を測定した結果、表４に示すように、いずれも大きく改
善されていた。

【００３７】

【表４】

【００３８】また、純アルミニウムのブロック（寸法：
高さ５００ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ１００ｍｍ）の高
さ×幅（５００ｍｍ×３００ｍｍ）の面を冷却面とし、
該冷却面から厚さ方向へ５ｍｍおおび１５ｍｍ内部で、
高さ方向中央部の位置に幅方向に各２か所熱電対を設置
し、ブロックをガス炉中で５００℃の温度に加熱したの
ち、冷却面に対して、冷却面に１０ｍｍの間隔で対向し
て配置した疑似鋳型からポリオキシエチレン・プロピレ
ン・ポリエーテル（ＰＡＧ−Ａ）を溶解した水からなる
冷却水を供給してブロックの冷却面を冷却し、熱電対に
よる温度測定結果からブロック（鋳塊に相当）の表面温
度を算出し、５００℃から２００℃までの平均冷却速度
を評価した。なお、冷却水の衝突点は熱電対の設置位置
より２０ｍｍ上部とした。

【００３９】結果は、図３に示すように、ポリオキシエ
チレン・プロピレン・ポリエーテル（ＰＡＧ−Ａ）を３
〜７％溶解させた冷却水を使用した場合、通常の水を冷
却水として使用した場合に比べて冷却速度が大きく向上
しているのがみられる。しかしながら、ＰＡＧ−Ａを１
０〜２０％を溶解させた高濃度の冷却水を使用した場合
はＰＡＧ−Ａの膜が厚くなり、これが熱抵抗を有するバ
リアーとして作用するため、冷却能力が低下している。

【００４０】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、アルミ
ニウムインゴットの連続鋳造において、鋳造初期段階に
おける冷却速度が緩和され、鋳塊底部の反り上りが抑制
されるから、反り上りに起因する鋳造欠陥が防止され、
安定した鋳込みを行うことができ、凝固組織の粗大化や
逆偏析の発生を防止して、鋳塊表層部の品質を向上させ
ることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】アルミニウムの竪型連続鋳造における鋳造初期
段階の概略を示す縦断面図である。

【図２】アルミニウムの竪型連続鋳造における鋳造の定
常段階の概略を示す縦断面図である。

【図３】冷却水中のポリオキシエチレン・プロピレン・
ポリエーテルの溶解量と冷却速度との関係を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１鋳型２底台３冷却水４反り上り５くびれ６縦割れ７間隙８エアギャップ９凝固殼 10 サブサーフェイスバンドＣ鋳塊Ｍアルミニウム溶湯Ｂ凝固界面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳型上部から溶湯を供給し、凝固した鋳
塊を鋳型下部から引き出すアルミニウムインゴットの竪
型連続鋳造において、ポリオキシエチレン・プロピレン
・ポリエーテルを含有する水を鋳塊冷却水として使用す
ることを特徴とするアルミニウムインゴットの連続鋳造
方法。
【請求項２】鋳造の初期段階において、鋳型下部から
引き出された鋳塊の表面にポリオキシエチレン・プロピ
レン・ポリエーテルを１０〜４０％（重量部％、以下同
じ）溶解した冷却水を供給することを特徴とする請求項
１記載のアルミニウムインゴットの連続鋳造方法。
【請求項３】鋳造の定常段階において、鋳型下部から
引き出された鋳塊の表面にポリオキシエチレン・プロピ
レン・ポリエーテルを３〜７％溶解した冷却水を供給す
ることを特徴とする請求項１記載のアルミニウムインゴ
ットの連続鋳造方法。
【請求項４】鋳造の初期段階においては、鋳型下部か
ら引き出された鋳塊の表面にポリオキシエチレン・プロ
ピレン・ポリエーテルを１０〜４０％溶解した冷却水を
供給し、鋳造の初期段階終了後の定常段階においては、
鋳型から引き出された鋳塊の表面にポリオキシエチレン
・プロピレン・ポリエーテルを３〜７％溶解した冷却水
を供給することを特徴とする請求項１記載のアルミニウ
ムインゴットの連続鋳造方法。