JPS61183419A - 銅及び銅合金のエレクトロスラグ再溶融方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【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で、ス
ラグ中に発生するジェ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欝型内に貯留凝固
せしめることによって、組織的欠陥を完全に除去した銅
及び銅合金の大型鉤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債Ｋ（２〜１ｓｔ）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、そのときの倚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Ｃ／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
全に除去した大別々れ補　す書ＩＬｙ＋Ｌ＋↓　停　ム
　ｔ１Ａ叙Ｊヒ　本シ侶ン　妾−１１を一戸　管　　−
一　ｉ上至難であった。

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
冷匍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、該溶融スラグ中を滴下した溶融金属を水冷定盤
上の水冷猜型内で強冷することによって凝固せしめて大
型Ｉ！）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ほぼψ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冊題
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　
２＋　２０−５０％Ｂａ（ｊ１２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
冷箭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＋＾１１２０
．＋５ｉ０２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ＩＩＫ中への酸素の固溶を防止し、以て鋳塊
の惰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
課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、Ｓｉｎ□、　Ｃａ
ｂ、　ＭｎＯ。

ＣａＦ２を主成分とし、他に八ρ＋Ｔ！ｖＭｇｇＢａの
酸化物を混入した特殊なスラグを用いて連続鋳造用僑型
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に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Ｓ
ｉＯ□及び＾Ｑ２０３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助但Ｆ１？か蒋；ス扛香め婉融
フラゲ但廖か宙１０４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＊ｉ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
及び比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！ｌｅａ的欠陥全欠陥に除去
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８００〜１２
００℃、比抵抗が０．１５〜１．５Ω’ｃｍの特性値を
有した、ＣａＦ２−へ’！ｚｏｏ−Ｎａ、＾ＵＦ６系又
はＣａＦ２−＾ｆｆ２０．−ＬｉＦ系を基本系としＳｉ
ｎ□５〜４０％、Ｔｉ０２１０％以下ｙＮａ２０５％以
下、Ｍｎ０５％以下、ＢａＯ５％以下、Ｍｇ０１０％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、多くの理論的を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°ＣからプラスＯ
℃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
８００〜１２００℃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ＩＩ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
記スラグスキンの破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（アークによる椴痕、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
・ｃｏｏを有するものが銅及び銅合金のＥＳＲ法による
大型ＩＩＦ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ＡＬＬ、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（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滅という利点
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・ＣＬｌｌ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
の攪拌、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・ｃｍｉ：調
整するためには、ＣａＦｚ−＾Ｑ　２０　ｓ　−Ｎ　ａ
　３＾ＵＦ６系又はＣａＦ　２−＾Ｑ２０．−ＬｉＦ系
を基本系とするスラグにあって、、　　　、・＾、　　
　、Ａ６／　　〒ｉｌ’ｌ　　　＋Ａθ／ｌ’１−ｔｊ
　　Ｌｌ−１’ｌ　　ＨＯ１＋１嘗下、Ｍｎ０５％以下
、ＢａＯ５％以下、Ｍｇ０１０％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、組織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ＣａＦ２１５％、へ１１２０．２０％、氷晶石
６５％からなり、少量のＨＣａＯｔＭｇＯ，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・ｃＩｏである。これを
内径５００ｍ−の水冷匍型に深さ１５０〜２００ｍｍに
投入し、無酸素銅を消耗電極として再溶融し、高さ１８
５０ｍａ＋（重量３　ｔｏｎ）の鋳塊を得た。このとき
の電気入力は４５Ｖ　１０ｋＡ、溶解速度は５００ｋｇ
／ｈであった。

得られたｉＩ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酸素の追加固溶は見られず、大
きな柱状共晶組織がＩＩ塊の軸と略平行に成長して、Ｅ
ＳＲ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。ＩＩ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
械的性質も申し分ないものである。

実施例２ 重量比でＣａＦ２７０％、＾Ｅ１２０．１０％、ＬｉＦ
２０％を主成分として少量のＣａＯｔＭｇＯｔＺｒＯｔ
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１０５０輪−の水冷僑型に深さ２００〜２５０
ｍｍに投入し、無酸素銅を消耗電極として高さ２５５０
曽蹟（重量１９ｔｏｎ）の鋳塊を得た。

電気人力Ｊｉ８５Ｖ、１３ｋＡ、溶解速度ハ８００ｋｇ
／ｈ　テアッた。

このときのマクロ組織を第３図、第４図に示し、ｉｏ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。

第１表 第２表

【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ＩＩｔ
Ａのマクロ組織図で、Ｗ＆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. 使用されるスラグがＣａＦ＿２−Ａｌ＿２Ｏ＿３−Ｎａ
   ＿３ＡｌＦ＿６系又はＣａＦ＿２−Ａｌ＿２Ｏ＿３−Ｌ
   ｉＦ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ＳｉＯ＿２５〜４０％、Ｔｉ
   Ｏ＿２１０％以下、Ｎａ＿２Ｏ５％以下、ＭｎＯ５％以
   下、ＢａＯ５％以下、ＭｇＯ１０％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。