JPH10211546A

JPH10211546A - ホットトップ鋳造法

Info

Publication number: JPH10211546A
Application number: JP1227197A
Authority: JP
Inventors: Toru Taniguchi; 徹谷口
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 1998-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】引け巣やザク巣など主に鋳塊上部に形成され
る鋳造欠陥を防止して歩留向上を図るとともに、鋳塊内
部に生成する逆V偏析を効果的に抑制するホットトップ
鋳造法を提供する。【解決手段】本発明は注湯した合金溶湯上にスラグを
装入し、前記スラグを加熱しつつ溶湯を凝固させるホッ
トトップ鋳造法において、鋳型部の合金溶湯と接触する
面側に断熱部材を配置して断熱するホットトップ鋳造法
である。好ましくは、断熱部材としては、合金溶湯によ
って発熱するものとする。また、スラグの加熱は黒鉛電
極を用いることが好ましく、その場合のスラグの塩基度
は、１以下であることが望ましい。また、さらに望まし
くはスラグを加熱する手段としてはアーク加熱を使用す
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、特に凝固偏析を低
減したホットトップ鋳造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特に１０トン以上の大型鋼塊について
は、凝固収縮に伴う欠陥、ザク巣などの欠陥を防止する
ために鋳型の上に押湯部を設けている。そして、この押
湯部に発熱剤を装入するなどして、押湯部が確実に最終
凝固部となるように、各種の工夫がなされている。ま
た、合金溶湯面上に溶融スラグを装入し、そのスラグを
アーク加熱またはスラグの抵抗発熱等により加熱して、
溶湯の最上部、一般的には押湯部を最終凝固部とする方
法として、ホットトップ鋳造法がある。

【０００３】この方法は、オーストリアVEW社が、スラ
グ内に電極を浸漬して、電極と合金溶湯との間、あるい
は複数電極間に電流を流し、スラグの抵抗発熱を利用し
て合金溶湯上部を加熱する、ESHT法（エレクトロスラグ
ホットトップ）あるいはEST法と呼ばれる技術(特公昭４
７−３９８１７)を開発したことで知られている。その
後、スラグの組成を工夫した提案(例えば特公昭５９−
３１４２６号，日本金属学会会報第23巻第4号(1984)
P282/P283)などがなされている。

【０００４】ＥＳＨＴ法の基本的な概略図を図２に示
す。別容器内で溶解された合金溶湯は、図２に示す鋳型
２内に注湯され、押湯枠３内の合金溶湯面上に装入され
た溶融スラグ５内に電源７より電流を流すなどして、通
常、溶湯の液相線以上の温度に加熱をする。これによ
り、合金溶湯上部を最後に凝固させて鋳塊上部に形成さ
れるひけ巣、ザク巣などの鋳塊頭部の凝固凝縮に伴う欠
陥を抑制する。上記ＥＳＨＴ法は、例えば大型の鋳塊に
よって製造されるタービンロータなどの製造で実用化さ
れ、実用化対象合金としては、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｏ鋼、Ｃ
ｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼等、炭素が0.3%程度の構造用鋼などがあ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
ＥＳＨＴ法は、ひけ巣やザク巣などの鋳造欠陥を抑制す
る目的から、スラグの加熱温度を合金溶湯の液相線温度
以上の温度に保持した後、冷却することによって、溶湯
上部の早期凝縮を抑えていた。ところが、工具鋼等、特
にＣが0.5%以上、かつＣを除く炭化物形成元素の合計が
5%以上を含有するＦｅを主体とする高炭素高合金鋼にお
いては、固液共存域の温度範囲が低Ｃの低合金鋼と比較
して一般に広くなり、ザク巣欠陥よりも凝固途中の固液
共存域での溶湯の対流等による逆Ｖ偏析と呼ばれる欠陥
の方が、鋳塊の品質に大きな悪影響を与える場合があ
る。

【０００６】そのため、上記のような高炭素高合金鋼の
造塊にESHT法を適用すると、ザク巣欠陥に対しては良い
効果を与えるが、鋳型内での溶湯の上部と下部の温度差
が大きくなって凝固過程で生じる溶湯の対流が大きくな
り、逆V偏析の出現を助長するため逆効果であった。本
発明の目的は、引け巣やザク巣など主に鋳塊上部に形成
される鋳造欠陥を防止して歩留向上を図るとともに、鋳
塊内部に生成する逆V偏析を効果的に抑制するホットト
ップ鋳造法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ホットトッ
プ鋳造法においては、SiやMn等の溶質元素が凝固の過程
でCと共に凝固前面に排出されて生じた濃化溶湯が、凝
集・浮上する際に、上方の凝固面、すなわち鋳型側面か
ら生じたデンドライトアームに補足され易く、逆Ｖ偏析
となることを知見した。そして、本発明者は、ホットト
ップ鋳造法における上述した逆Ｖ偏析を防止するために
は、鋳型側面からの凝固を遅らせ、できるだけの鋳型底
面から上方に向って一方向凝固するようにすれば良いこ
とを見いだし、その具体的な手段として、ホットトップ
鋳造法に使用する鋳型部の合金溶湯と接触する面側に断
熱部材を配置して断熱する方法が採用できることを見い
だし、本発明に到達した。

【０００８】すなわち、本発明は注湯した合金溶湯上に
スラグを装入し、前記スラグを加熱しつつ溶湯を凝固さ
せるホットトップ鋳造法において、鋳型部の合金溶湯と
接触する面側に断熱部材を配置して断熱するホットトッ
プ鋳造法である。

【０００９】好ましくは、断熱部材としては、合金溶湯
によって発熱するものとする。また、スラグの加熱は黒
鉛電極を用いることが好ましく、その場合のスラグの塩
基度は、１以下であることが望ましい。また、さらに望
ましくはスラグを加熱する手段としてはアーク加熱を使
用する。

【００１０】本発明は、特にホットトップ鋳造法に適用
する合金溶湯として、Ｆｅを主成分とし、重量％でC
0.5%以上、かつCを除く炭化物形成元素の合計が5%以上
の組成を有する場合の逆Ｖ偏析の防止に効果がある。

【００１１】

【発明の実施の形態】上述したように、本発明の重要な
特徴の一つは、溶湯の対流が起こりやすい、ホットトッ
プ鋳造法に対して、鋳型部の合金溶湯と接触する面側に
断熱部材を配置したことである。鋳型に注湯された合金
の溶湯は、高温状態であるが、注湯直後から接触する鋳
型内面や底部の定盤から内部に向かって凝固が進行す
る。このとき、鋳型に断熱板を配置すると、側面からの
凝固の進行を遅らせることができ、大きな対流が起こっ
ても、側面からの凝固の進展に起因する逆Ｖ偏析を防止
することができるのである。

【００１２】そして、これにより底面からの凝固を優先
させることになる。つまり、本発明によれば、底面から
上方に向かった一方向凝固となり、SiやMn等の溶質元素
が凝固の過程でCと共に凝固前面に排出されて生じた比
重の軽い濃化溶湯が、側面からの凝固部、すなわちデン
ドライトアームに補足されることなく、溶湯上部、たと
えば押湯部に押し上げることが可能となり、逆Ｖ偏析を
防止した鋳塊を得ることができるものである。

【００１３】なお、上述した一方向凝固のためには、鋳
型底部からの冷却を積極的に強化した方がよく、たとえ
ば、鋳型底部の定盤の厚みを厚くしたり、水冷を行なう
ことにより、定盤の熱容量を増加する等の手段を採用す
ることが望ましい。たとえば、溶湯重量１ｔｏｎに対す
る定盤の熱容量は３００ｋＪ／Ｋ以上であることが望ま
しい。

【００１４】本発明において、注湯した合金溶湯上にス
ラグを装入し、前記スラグを加熱することは、溶湯上部
の凝固を遅らせて、ザク巣の発生を防止する目的だけで
なく、上述した一方向凝固を行うために溶湯上部の温度
を高くしておくために必要である。スラグの装入は、た
とえば鋳込み直後に予め別容器により溶融状態にしたス
ラグを溶湯面上に装入することにより行うことができ
る。スラグを加熱する手段としては、特に限定しない
が、抵抗加熱、アーク加熱等を使用することができる。
たとえば溶融金属と同材を電極として用いた場合の抵抗
加熱は、アーク加熱に使用するような黒鉛電極から溶湯
へのＣの拡散の問題が無いと言う利点がある。一方アー
ク加熱は、抵抗加熱の場合に比べてスラグの電気伝導度
を厳密に調整する必要がなく、またスラグ中に電極を装
入する必要がないため、電極からの溶湯へのＣの拡散が
少ないという利点がある。

【００１５】なお、加熱に使用する電極としては、溶融
金属と同材を使用すると高価であるため、抵抗加熱ある
いはアーク加熱ともに黒鉛電極を用いることが望まし
い。黒鉛電極を使用する場合、電極からの溶湯へのＣの
拡散が問題となる場合がある。この場合は、スラグの塩
基度を１以下とすることが望ましい。スラグの塩基度を
１以下とすることにより、スラグの酸素ポテンシャルが
高められ、黒鉛電極から拡散するＣをスラグによって捕
獲除去でき、鋳塊中にＣが拡散するのを防止できる。な
お、上述したように、アーク加熱は黒鉛電極を用いても
Ｃの拡散が起こりにくい方法であり、これに塩基度１以
下のスラグを組み合わせることは、Ｃの拡散を防止する
上でさらに有効である。なお、本発明で使用するスラグ
は、鋳塊上部を凝固させる際に、スラグが先に凝固しな
いものであることが望ましい。これは、スラグが凝固し
てしまうと溶湯の凝固の進行が乱れて逆に偏析を助長す
る場合があるためである。

【００１６】また、本発明においては、溶湯の凝固途中
段階で、スラグの加熱温度を下げることが望ましい。す
なわち、凝固初期では一方向凝固のために温度差をつけ
るためスラグの加熱温度を高く保持し、鋳型上部が凝固
する段階になったら、鋳型上部を凝固させるために、ス
ラグ加熱温度を下げて凝固を進行させるのである。この
とき、鋳造初期は、液相線温度よりも高い温度にしてお
き、鋳型上部を凝固させる際は、スラグの加熱温度を溶
湯の液相線温度以下、固相線以上とすることが望まし
い。固相線以上としておくのは、上部の凝固段階でも、
十分な温度差をつけて、一方向凝固させるためである。

【００１７】スラグの融点および塩基度はスラグを構成
する元素およびその配合比によって調整することができ
る。具体的には、ＣａＯ，ＳｉＯ₂，ＣａＦ₂，ＭｇＯ，
Ａｌ₂Ｏ₃等の混合物をスラグとし、配合比を変えるので
ある。なお、本発明でいう塩基度はＣａＯ／ＳｉＯ₂で
算出されるものである。上述したスラグの塩基度を１以
下に調整することは、スラグの融点を低くするという点
でも有効である。

【００１８】また、本発明でいう断熱部材としては、鋳
型よりも断熱性の高いものであれば利用できるが、本発
明においては、溶湯との接触面側に断熱材を配置して、
断熱効果を高めようとするものであり、溶湯との接触に
耐えることが必要である。具体的には、Ａｌ₂Ｏ₃，Ｓｉ
Ｏ₂，ＭｇＯ，ＦｅＯ，ＦｅＯ₂，ＣａＯ等の混合物など
が使用できる。特に断熱部材として保温性を高めるに
は、溶湯により、酸化熱が発生する金属Ａｌ等を断熱部
材に混合したものとすることができる。

【００１９】特にCが0.5%以上、かつCを除く炭化物形成
元素、たとえばＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ等の合計が5%
以上を含有するFeを主体とする高炭素高合金鋼において
は、本発明者の測定によれば固液共存温度範囲が２００
℃程度以上に広く、凝固完了近くまで液相の占める割合
が大きな値を示す。従って、凝固中の残留溶鋼の流動が
比較的自由なため、濃化溶鋼の浮上が起こりやすく、逆
V偏析が発生しやすい。そのため、上述した本発明の方
法を適用することによる偏析防止効果が顕著なものとな
る。その具体的な対象合金としては、ＪＩＳのＳＫＤ
１、ＳＫＤ１１、ＳＫＤ１２、またはこれらの改良材等
の高炭素合金鋼がある。

【００２０】

【実施例】図１に示す、高さ８００ｍｍ、上径φ１３４
０ｍｍ、下径φ１２００ｍｍの鋼塊を本発明によるホッ
トトップ鋳造法によって造塊した。造塊に用いた合金
は、１．５％Ｃ-１２％Ｃｒを主成分とする高炭素高合
金鋼（ＪＩＳＳＫＤ１１）を用いた。まず、別容器内
で溶解した金属溶湯４を、内面に断熱部材８を配置した
鋳型２に注湯し、断熱性押湯枠３内の前記溶湯上に表１
のスラグ１およびスラグ２に示すＣａＯ−ＣａＦ₂−Ｓ
ｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系の溶融スラグ５を５００ｋｇを装入
した。その後、黒鉛電極６を用いて交流アーク加熱によ
りスラグ５を加熱し、間接的に合金溶湯上部を加熱し
た。

【００２１】

【表１】

【００２２】そして接触する鋳型内面の断熱部材８や底
部の定盤１からの抜熱により、内部に向かって凝固を進
行させた。本発明においては、断熱部材８として、金属
Ａｌ、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分とする発熱性断
熱部材を用いた。また、本発明におけるスラグ温度のコ
ントロールは、図４に示すヒートパターンを用いた。図
４に示すヒートパターンにおける、凝固初期のスラグ温
度は、合金の液相線＋２００℃をねらったもので、溶湯
底部が凝固する際の溶湯上部の冷却を防止すものであ
る。そして、図４に示すように溶湯の凝固期間中に、ス
ラグ温度を徐々に降温し、溶湯の高さ方向中央部を凝固
させていき、ついで１３５０℃で保持することにより、
最上部を凝固させるものとした。また、比較のために、
上記と同一の鋳型にて鋳型側面の断熱板を使用せず、ス
ラグの加熱もしない方法により、比較例の鋼塊を得た。

【００２３】実施例に使用した合金の溶解する合金組成
と同じ化学組成のものを予め少量溶解して試験片を作製
し、これを示差熱量計(ＤＳＣ)を用いて、凝固に伴う潜
熱を測定し、潜熱の発生と固相の増加は比例すると仮定
して求めると、液相線温度が１４００℃、固相線温度
が、１１６０℃であり、固液共存温度範囲が２４０℃あ
った。また、最上部を凝固させる温度である１３５０℃
では、３０％の固相率であると推定された。

【００２４】上述した本発明の鋳造法と、スラグの加熱
を行わず、鋳型側面の断熱部材も使用しない比較例の鋳
造法による凝固線の概略図を図３の（ａ）および（ｂ）
にそれぞれ示す。図３に示すように、本発明の鋳造法に
よれば、溶湯は鋼塊底部からほぼ一方向に凝固し、凝固
前面において排出されたＣ、Ｓｉ等の濃化溶鋼を押湯枠
部まで浮上させたことが推測される。

【００２５】次に、上記の各鋼塊を下部から上部にわた
って輪切り状に切断し、それぞれの横断面について、１
００ｍｍ×１００ｍｍの単位面積当たりの粒状逆Ｖ偏析
個数を目視でカウントし、その平均値を図５にプロット
した。図５に示すように、本発明のホットトップ鋳造法
は、実施により逆Ｖ偏析の発生が従来法に比較して大幅
に低減されていることがわかる。特に、塩基度０．４
で、低融点のスラグを用いた場合、逆Ｖ偏析がより抑え
られていることがわかる。また、本発明の鋳造法によっ
て得られた鋼塊には、大きい引け巣やザク巣欠陥も認め
られず、健全な鋼塊であった。

【００２６】なお、本発明において、塩基度０．４のス
ラグを用いた場合は、１３５０度においても実質的にス
ラグ全体が溶融していたが、塩基度２．０のスラグを用
いた場合は、１３５０℃においては、電極に近接するス
ラグのみが溶融しており、周囲が凝固していた。図５に
示すように塩基度２．０のスラグの場合に逆Ｖ偏析個数
が多くなるのは、スラグが凝固して溶湯の凝固の進行を
乱しているものと推定される。

【００２７】図６は、得られた各鋼塊において、鋼塊中
心部の炭素濃度の分布を示したものである。このグラフ
は鋼塊高さに対して、鍋下試料のＣ濃度を基準としたそ
の位置におけるＣの濃度比の分布をプロットしたもので
ある。Ａ＝[Ｃ]／[Ｃ０] Ａ：濃度比 [Ｃ]：その位置におけるＣ濃度（％） [Ｃ０]：鍋下試料のＣ濃度（％）図６を見ると、塩基度２．０のスラグを利用して本発明
の鋳造法を実施した鋼塊は、比較例の鋼塊に比べて鋼塊
上部から押湯部にかけてのＣピックアップが見られる。
一方、塩基度が０．４のスラグを用いた場合には従来法
とほとんど同等のＣ上昇しか見られない。従って、黒鉛
電極を用いる場合は、塩基度が小さいスラグを利用する
のが効果的であることがわかる。

【００２８】

【発明の効果】本発明により、偏析の少ない比較的大き
い鋼塊を安価に製造することが可能となる。特に１０Ｔ
ｏｎ以上の高炭素鋼クロム鋼に代表される工具鋼につい
ては、本発明により、大きな鋼塊が製造可能となること
により、後工程での鍛造比が大きく取れることになる。
これは、最終製品の機械的性質、特に抗折力や引張強さ
が大きく、かつ靭性の高い鋼を製造することが可能とな
ることであり、工業上、きわめて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のホットトップ法を示す図である。

【図２】従来のESHT法を示す図である。

【図３】本発明と比較例の凝固線の挙動を比較した図で
ある。

【図４】本発明におけるスラグ温度コントロールの一例
を示した図である。

【図５】鋼塊の高さ方向の位置と、逆V偏析の欠陥個数
との関係を示す図である。

【図６】鋼塊の高さ方向の位置と、Ｃ濃度比との関係を
示した図である。

【符号の説明】

１定盤、２鋳型、３押湯枠、４溶湯、５スラ
グ、６電極、７電源、８断熱部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】注湯した合金溶湯上にスラグを装入し、
前記スラグを加熱しつつ溶湯を凝固させるホットトップ
鋳造法において、鋳型部の合金溶湯と接触する面側に断
熱部材を配置して断熱することを特徴とするホットトッ
プ鋳造法。
【請求項２】断熱部材は、合金溶湯によって発熱する
ものであることを特徴とする請求項１に記載のホットト
ップ鋳造法。
【請求項３】スラグの加熱は黒鉛電極により行うこと
を特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載のホッ
トトップ鋳造法。
【請求項４】スラグの塩基度は、１以下であることを
特徴とする請求項３に記載のホットトップ鋳造法。
【請求項５】合金溶湯は、Ｆｅを主成分とし、重量％
でC 0.5%以上、かつCを除く炭化物形成元素の合計が5%
以上の組成を有することを特徴とする請求項１ないし４
のいずれかに記載のホットトップ鋳造法。