JPS62502599A - アルミニウム合金の連続鋳造装置 - 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】 連続鋳造ロール用フープ 技術分野 本発明はアルミニウム合金の連続鋳造ローラー用フープに関するものであり、こ れらのフープは伝統的な鋼から作られたフープと比較して改善された寿命乞有し 、そして鋳造機の良好な生産性を維持している。

鋳造アルミニウムの連続生産において、溶融金属は約６８０°Ｃの温度で一対の 冷却された逆回転のローラーの間に直接調造され、それはストリップとして金属 を凝固させること及びこの金属を熱間圧延する事の２つの目的乞果丁。

合金はローラーと接触して凝固する時間を与えられねばならないし、また確かな ローリング作用を受けるようにさせられねばならないのでシリンダーは非常に速 い速度で回転することかできないということは理解されるであろう。

装置の最大の生産性２得るために、ローラーは効果的に冷やされそして熱量の消 費を助けるために良好な熱伝導性を有していなければならない。これらのローラ ーは、冷却手段を備えた中心コアと該コアの上にかぶせられそして鋳造アルミニ ウムと直接接触するようになるフープの二つの部分からなる。

このフープは厳重の応力を受けるローラーの一部分子ｔｗｔ成しそして相当な時 間作業した後それは熱によって生じたグラツクの発生のために、修理されねばな らない。

連続鋳造機フープを作る為の物質に必要とされる第一の特性は良好な熱伝導性で ある。しかし作業の間これらのフープはある種の機械的要因の応力即ちツーピン ク、屈曲、ねじれを受け゛る。これらの応力は最少の機械的強さ及びねばりを示 す。

主な応力は熱サイクルであり、それは狭面の塑性疲労及び微細なりラック網の発 生と生長をもたらす。この悪化はフープの定期的な修繕即ち被害を受けた金属の 層を機械加工して取去る作業を必要とする。

背景技術 これらのフープの生産に現在まで一般的に使われている合金鋼は、下記の重量％ の組成に相当した。

炭素：　０．５３−０．５７　；　マンガン：０．７０−０．９０；　珪素：０ ．２０−０．４０；　ニッケル：０．４０−０．７０；　クロム：０．９０−１ ．３０；モリブデン：０．４０−０．６０；　バナジウム：ｏ、１ｏ−ｏ、２０ ；硫黄：０．０２０以下；及びリン：０．０２０以下これらの鋼は熱伝導性及び それによる装置の生産性に関して有利であるがしかし一方では熱要因のクラック に対する抵抗性を制限しその結果それらの作業寿命は短く、そしてより一層頻繁 に再加工が必要とされフープの消費が増加した。

アルミニウムの連続鋳造のためのフープ用鋼はまた下記の重量％の組成を有する ものとして知られている。

炭素：０．５３〜０．５８　；　マンガン：０．４０〜１；珪素二０．１〜０． ２；モッケル：０．４５〜０．５５；　クロム：１．５〜３．Ｏ：　モリブデン ＝０．８〜１．２；バヶジウＡ　：　Ｑ、λ〜０．５；’硫黄２０．０２　ＣＩ 以下及び１）７：０．０２０以下 これらの鋼は良好な機械的強度及び作業寿命の性質を有しているが、しかしそれ らは前に述べた鋼で得られる生産性の成果に匹敵する生産性の成果を達成させる ことはできない。

本発明は、良好な熱伝導性と共に装置の高い生産性を維持しつつ現在使用されて いる最良のものに少な（とも匹敵する作業寿命を保証するアルミニウムの連続鋳 造用の新しいフープを提供しようとするものであり、これは熱要因の疲労に対す る高い抵抗力を有する合金鋼の使用によって成し遂げられる。

本発明は従ってアルミニウムの連成鋳造のためのローラー用フープを提供するこ とをその目的として有し、それは熱処理及び機械加工さ些、そして下記の重量％ の組成２有する合金鋼からなる鍛造された円筒形のジャケットの形乞しているこ とヲ特徴としている。

炭素：０．５０〜０．３６；　マンガン：０．！１０〜０．６０；　珪素：０． １５〜０．４５；　ニッケル：０．４０未満　クロム：２．８０〜３．４０；　 モリブデン：０．８５〜１．２５；　バナジウム：０．１０〜０．３０；　硫黄 ：００２０以下；　リン：０．０２０以下：　銅：０．０３０以下；残部が実質 的に鉄及び不可避な不純物 望ましい実施態様においては、組成は下記の通りである。

炭素：０．３１〜０．３５；　マンガン：Ｏ，！１０〜０．５０；　珪素：０． １５〜０．３５；　ニッケル：０．２５未満　モリブデン：０．９０〜ｉ、ｉｏ ；バナジウム：０．１３〜０．２０；　硫黄：０．０２０以下；　リン＝０．０ ２０以下　銅：０．３０以下；　残部が実質的に鉄及び不可避本発明を添附の図 面を参照して下に詳細に説明する。

図１は縦型連続鋳造装置の概略図である。

図２は側面の概略図及び１図の装置の一部の部分的断面である。

図３はフープの金属が受けた伸びに対して座標上に示された応力のサイクル乞説 明している図表である。

図４は４つのグレードの鋼（従来仮術によるもの２つと不発明によるもの２つ） に関するクランクの数及び深さを説明している柱状図表ビ示す。

図１及び図２において示される軽合金の連伏鋳造の原理は、いわゆる縦型鋳造に 関係がある。炉（図表せず）の中で溶融されたアルミニウムは供給ダクト１の中 に一定の水準で保持されそして６８０℃に近い温度で二つのロール丞の間ノズル ２によって導かれる。ロール（又はシリンダー）３を反対方向に回転して駆動し 、ロール間の距離は凝固したシート４の厚さを決定する。シリンダーの回転によ って駆動しながらロール間隔は、鋳造アルミニウムが冷えたシリンダーと接触し て凝固する連続インゴットモールド（鋳型）を構成する。　“各ロールは流体、 二股的には水が流れる冷却流路を有している。各ロールは２つの部分からなる即 ）長さく細）方向の水路（チャンネル）６が、ジャーナル７乞通して水を流入及 び排出しそして放射状の水路８万回に周囲の溝９の世路のために提供されている 鋼製のシリンダーからなるコア５及び溝９の中を循環する冷却流体と直接接触す るような方法でコアの上にかぶせられているフープ１０である。このフープはロ ールの消耗部分を構成する。その最初の仕事は凝固する合金から熱ｔｖ取り除く ことである。鋳造機の生産性がフープを通す熱量の移動と直接結びつくことが理 解されるであろう。

前に述べたようにこのフープは良好な熱伝導性を有さねばならないが、しかしそ れが受ける応力のためにまた適当な機械的性質をも有さねばならない。フープの どの点における応力支配（ｒｅｇｉｍｅ）　も懺械的要因の応力及び温度こう配 のサイクルによる熱要因応力の蓄積によって決められる。

機械的応力の要因は下記の通りである。

−ツーピンク（静応力） −ねじり及びせん断応力をもたらす、駆動トルク−シリンダーの屈曲Ｚ及びシリ ンダー間隔における圧縮及びせん断応力の分布を引起こす圧延応力 その原理によりホットツーピングの作業はフープの中に残留応力をひき起こす。

これらの応力は異なった近似式によって値？もとめられ、あるいは限定した要素 方法（フィニット・エレメント法）によって計算された。

相当の数の残留応力測定が異なった型のフープに関してＸ＃１方法によってなさ れた。結果は計算乞確証した。ロールの型及びツーピング条件にもよるが、フー ビング後の残留応力の大きさのオーダーは次の通りである。

−周方向引張り強’：Ａ　：　１００−２５０　ＭＰａ−軸方向引張り強さ　： 　５０−１５０　ＭＰａ作業中フープはわずかにずれるということは記録される べきである。残留軸方向応力は非常に早くきえるであろう。一方収縮による周方 向の引張り強さは存続する。

作業応力は限定された鋳造機に関しても計算された。

−ねじれ：駆動トルクによるせん断応力は１ＭＰａのオーダーで大変低い。従っ てそれらの影響は全（無視できる。

−屈　ｎ：回転中に屈曲による軸方向応力は、シートとシリンダーの間の接触で 圧縮力が最大値を通過しそして、反対の位置では張力が最大籠を通過する。これ らの応力の大きさのオーダーは＋７０ＭＰａ　である。

−凝固中及び直後の合金シートに及ぼすローリング作用の影響はわずかであり、 そして降伏応力が非常に小さい物質に適用されろ。フープの中に生じるヘルツ（ Ｈｅｒｔｚ）せん断応力は従って非常に適度なものであり、そして無視すること か出来る。

ロールの各回転はロールの表皮を接触互の弧の内で液体アルミニウムと接触させ るように導く。これはフープの厚さ内に温度勾配をもたら丁。接触がおわると回 転は次いで応力のかかった領域を冷却する。

温度のどんな変化も体積中にひずみを引起こ丁ことは知られている。自由な均質 な物質の均一な温度変（ヒは応力をかけろことなく体積の変化を伴う。

応力は、もし −ｍ造部材がその支持体で固定されるならば；−ｍ造部材が均質でないならば（ 従って異なった膨張係数を生じる）； −温度が均一でないならば；存在する。組織は特異に膨張しようとするが、とな りあった組織に埋められ、従って温度勾配に従属の応力の状態を引起こす。

フープの場合内面は冷却水の温度に近い一定の温度であると考えてよい。各回転 で外面は液体アルミニウムと接触するようになり、そして金属シートがロール間 隔の外を通過した時、フープは周囲の空気及び冷却流体へΩ熱の移動によって冷 やされる。

熱の発生はフープの厚さの中への熱電対の挿入によって調査されてきた。この調 査の結果は下記に述べ、そして本記載の中で利用した耐熱疲労性に関するテスト におけるシュミレイション試験片に課した熱サイクルの定義乞もたらした。

各サイクルは最初に近似値としてまた物質が完全に弾性であると仮定して、下記 の関係によって計算される最大圧縮応力の１直をフープ表皮に誘導する。

Ｅはヤング率、αは膨張係数 △θは表面温度−内部温度、νはポアソン比フープの表面に達した温度を考慮す ると、応力水準が鋼の弾性限に達しそして越えるということがわかる。液体アル ミニウムとの接触によるフープ表皮の加熱は従って表皮の塑性変型２伴う。

応力サイクルは図６に説明されている。最初の加熱はＯＡ線によりそれから６図 に示されている応力−ひずみダイヤグラム上の塑性変形に相当する曲線ＡＢによ って示される。

冷却がおきると、ひずみは消える傾向にあるが、しかし金属は加熱の間圧縮に於 ける塑性領域のひずみを受けたので、金属は弾性的にその位置に戻ることができ ない。低い温度への戻りはＤ点で張力の弾性限の超過を引き起こしＥ点まで今度 は張力におけろ塑性変形を伴う。

Ｅ点から始まる第二のサイクルはＦ点で再び圧縮のもとでの弾性限の超過乞もた らし、サイクルは −　加熱で塑性変形”ＦＢ″ −冷却で塑性変形”ＤＥ” を各たびごとに引きおこしてＥ、Ｆ、Ｂ、Ｄ　’＆回って続くであろう。

熱要因の変形のこのサイクルは必然的に表面の機械的疲労を引き起こし、それは 、微細なりラックの発生と生長乞もたら丁。

硯械的要因の応力（残留ツーピンク応力及び屈曲応力）はわずかである。それら は鍮に関しては啜械的特性のどのような問題をも示さない。

圧倒的な応力は熱サイクルによって誘導される応力である。

（も）ろんその上に阪械的要因の応力カモわずかではあるが重ねられろ） 熱伝導性は別として、連続鋳造フープの望ましい本質的な性質は従って、゛耐熱 疲労性゛である。

もし温度の増減サイクルの拡張ン減少することが可能であるならば、応力の最大 水準は押えられそしてクラックの発現は遅れるであろう。しかしこのサイクルは 方法それ自身に連結されている。

鋼に関しては表皮上の最大応力が次の関係によって評価されることが出来るとい う事が上で示された。

即）ポアソン比の増加は最大応力水準少させる。しかしこの比は合金の組成より も合金の結晶得造により密に関係がある。

高い膨張係数を有する合金は最初から避けられる。しかし異なった型の工具鋼の 間に存在する膨張率の差は充分に重要な程大きくはないのでそれらを本質的な選 択の基準として使うことを可能にする。

弾性係数（ヤング率）の減少は、丁べて他の要素２同じとすると、最大応力水準 を低（することが可能であろう。鋼の弾性率は確かに測定されることができるが 、それにもかかわらず、組成とのその相関作用はむしろ複雑でそして特定の弾性 係数に関する鋼の定義が可能である利用されうる合成作業の主題ではなかった。

Ｊ　、Ｔ、ＬＥＵＫＫＥＲＩ　の面心立方遷移金属合金の弾性係数、Ｊ、Ｐｈｙ 、ＧＢＲ１９８１−１１（１０）、Ｐ１９９７−２００５゜５ＴＡＮＫＯＶＩＣ Ｄ、ＰＡＪＥＶＩＣＭ、Ｂ−ねずみ鋳鉄の弾性率に影響を及ぼすある要素の決定 Ｌｉｖａｒｓｋｉ　Ｖｅｓｔｎ　１９８１−２８（４）Ｐ、９７−１０２ わずかな塑性変形を引き起こす水準への温度そしてまた圧力の上昇は弾性率の低 下乞もたらすことはその上知られている。

ＶＯＪＴＥＮＫＯ−Ａ、Ｆ、５ＫＲＩＰＮＩＫ　Ｙｕ、Ｄ、５ＯＬＯＶＥＶＡＮ 、Ｇ、ＮＡＤＥＺＨＤＩＮ　Ｇ、Ｎ、ヤング率に対する応力の発端の影響、ｌＮ ５Ｔ、Ｐｒｏｂｌｅｎ　Ｐｒｏｃｈｎｏｓｔｉ−１９８２−Ａ　１１−Ｐ８３− ８６゜ 良好なりフグ率を得ることが高性能鋼に関する調査の主な目的であるはずがない 。優先問題として、この調査は最適な耐熱疲労を中心に置かねばならない。

最初のアプローチとして、応力サイクルの記載から、熱要因の耐疲労性が、応力 をかけている間に生じる温度で鋼の機械的特性に直接的に結びつき、そして特に 物質の弾性限に直接的に結びつくように思われる。

クロム、モリブデン（軟比温度を上げる）、バナジウム（高温特性を改善する） の影響及び炭素（これらの元素と共に形成される炭化物乞析出させることによっ て＠を硬出させるであろう）の影響は知られている。

鋼に良い粘りをもつ均質な安定構造を与えるためにニッケル。

マンガン又は珪素を使用する方法は理解されている。熱間工具鋼はそれらが鍛造 及びスタンピング鋼用に特に使用され、そして良好な高温弾性限、良好な耐熱疲 労性２有することは知られており、またアルミニウムの連続鋳造用ロールのフー プの生産に利用できるように思われる。しかしこれらの鋼の熱伝導性はあまりに も低（それゆえおそう（多（のロスあるいは災難さえ起きるか、あるいは機械を 動かす事乞不可能にするかもしれない。

連続鋳造フープ用の最適な鋼の組成の調をは、標準鋼の熱伝導性とはほんの少し 異なる熱伝導性と共に最も可能な抵抗力を得る為に合金元素をできうる最大限に 利用することにある。

選択基準はも）ろん鋼の機械的特性である。それにもかかわらず熱要因の疲労は 、複雑なメカニズムである。温度勾配サイクルに起因する応力の影響に加えて、 それらは外部攻撃の影響及び物質の内部制限の影響に結びつき、それらはクラン ク鋼の形成及び発達に影響２及ぼす。

物質の選択はそれらの伝統的な機械的特性だけでな（下記で述べられる特徴的な シュミレイション試験の助力をかりた熱要因の疲労による応力のもとでのそれら の作用によって支配される。

従って良い生産性及び最大の寿命（実際にはそれらは正反対のものである）の基 準に合致するために、出願人の研究は上で規定した様に工業的作業の観点から受 入れられる、熱伝導性の減少が熱疲労によるクラッキングに対する抵抗性の罵く べき改善を導（鋼に関する鋼のグレードを限定することを可能にした。

本発明による鋳造ロール用フープは、電気炉の中で生産されたグレードの鋼から 作られ、それが精製されそして脱ガスされるところのトリベの中に注がれ、そし て最後にインゴット鋳型に鋳造される。インゴットは約１．２００℃に加熱され 、次に直径５００−１０００ｍｍ　のチューブに鍛造されるブランクを得るため に作り出される。これらのブランクはそして約９７０℃でオーステナイト比され 、急冷されそしてそれらに必要な機械的性質を与えるために焼鈍される。

本発明による鋼のグレードは、高温転換の間の作業の簡単さ及び考えられる最高 の延性２得るためにそれらの組織を調質するため補助的な処理によって特徴ずけ られており、それらは高炭素含有又はより多（の合金元素を含有しているグ１／ −ドでなし遂げることは難しい、ということは注目すべきことである。

得られたブランクはその後寸法に分けられるために機械加工される。

下の表Ｉは比較のために試験された各種鋼の重量組成を示している。

上で述べた冶金的品質処理を行った扱銅に次の試験ン行う。

最初に６３０℃で割れた試験片の張力特性２決めるための試験。

表■ 耐熱疲労性はまた下で述べた特有の調整で行われた。

これは高周波誘導によってその表面’ｌ？続的に加熱され、そして水の循環によ って内部的に連続的に冷却される細か（砕かれた円筒状試験片からなる。試験片 の限定、発電機の電力、誘導コイルと試験片の間の結合及び冷却が作業中の実際 の７−プ上に記録された温度の測定にもとづ（熱サイクルを定めることを可能に した。

ノースコツト（Ｎｏｒｔｈｃｏｔｔ）及びバｏ　ｙ　（Ｂａｒｏｎ）のようなあ る型の熱疲労テストは単にクラックの表面への出現に関するものである。この基 準はクラックの浸透に関するいかなる情報をも与えないので、この基準は満足な ものではない。採用された基準は従って表面の１０リニアミリメーターに対する 試験片の断面上にみられるクラックの数と深さである。

この試験の信頼性は試験片の検萱及び同じ物質でできた実際のフープ上のり之ツ クの出、現及び発達との間に見られる特別な試験の結果はクラックの数と深さが 現されている図４の図表に与えられている。クランキングのメカニズムは常に類 似している。即）表面の小さな事故から始まり、現れる最初のクランクは深さに おいて、最も大きな成長２示す。あまり拡張しない次のクラック網がその後形成 される。用いられる基準は最初のクラックの最大深さである。即ちこれらは加工 表面を修繕するために除去されるべ（金属の量を決定するフープの中のクラック である。

全ての他のファクターは同じであるので、熱要因の耐疲労性の改善は、主なりシ ックの網の目の思わぬ減少及びクラックの最大深さの減少による。従来技術の鋼 において、始まる最初のクラックの頻度はリニア口に対して約１〜２クラツクで ある。

深く浸透するこれら主なりラックは修繕する前のフープの有効な寿命ン決定する 。

本発明による鋼において、実際に同時に起きるクランクの頻度ははるかに高い。

熱サイクルによるひずみ及び応力の分布は、それによって広がり、従って熱疲労 による悪比の減少した浸透に貢献する。

これは連続鋳造フープの作業を示す５０及び６６０℃の間の熱サイクルの、前に 述べた試験条件の基での試験片を用いて統計的に得られた結果によって４図で明 らかにされている。３０００サイクルの同じ数に関して従来技術によるグレード １で２．６ｕに達するクラックの最大深さは本発明によるグレード６では０・３ ２ｍ１Ｋを越えた（・。

耐熱疲労性のこれらの好ましい結果は、本発明による鋼のグレードで作られたフ ープを備えた連続鋳造機の生産性の代わりのものを限定しない。

従って直径６６鵠翼のロールを備えたアルミニウムの連続鋳造用機械は約４８０ ０時間で９９６０ｔｏｎ　の鋳造を可能にした。

直径９６０ＩＩＩｍ　のロールを備えた機械で１０００　時間で３２００ｔｏｎ が鋳造された。

阜１凹 国際調査報失 Ａ）ＢＩＥＸ　Ｔｏ　’：Ｉ：：　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣ工 ：ｔＥ？ＣＲＴ　ＯＮ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．熱処理及び機械加工され、そしてつぎの重量％の組成を有する鋼からなる鍛 造された円筒ケーシングの形状であることを特徴とするアルミニウムの連続鋳造 のためのローラー用フーブ。 炭素：０．５０乃至０．３６；マンガン：０．３０乃至０．６０；珪素０．１５ 乃至０．４５；ニツケル：０．４０未満；クロム：２．８０乃至３．４０；モリ ブデン：０．８５乃至１．２５；バナジウム：０．１０乃至０．３０；硫黄：０ ．０２０以下；リン：０．０２０以下；銅：０．３０以下；残部が実質的に鉄及 び不可避な不純物。
2. ２．フーブを作つている鋼が次の重量％の組成炭素：０．３１乃至０．３５；マ ンガン：０．３０乃至０．５０；珪素０．１５乃至０．３５；ニツクル：０．２ ５未満；モリブデン：０．９０乃至１．１０；バナジウム：０．１３乃至０．２ ０；硫黄：０．０２０以下；リン：０．０２０以下；銅：０．３０以下；及び残 部：鉄及び実質的に不可避な不純物；を有することを特徴とする請求の範囲第１ 項に記載のフーブ。