JP2007237279A - 連続鋳造鋳型及び連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳型幅方向での冷却むらを緩和し、鋳片表面割れやブレークアウトを抑制して製品表面品質を向上すると共に、冷却板の亀裂発生を防止して鋳型冷却板の寿命を延ばす。
【解決手段】連続鋳造鋳型用冷却板１０の冷却液流路（スリット）１２を、鋳造方向に対して直角の鋳型断面全周の少なくとも５０％以上の部分で、鋳造方向軸に対して傾斜させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、連続鋳造鋳型及び連続鋳造方法に係り、特に、鋼の連続鋳造に用いるのに好適な、溶融金属を均一に冷却することが可能な連続鋳造鋳型、及び、これを用いた連続鋳造方法に関する。

連続鋳造用鋳型の冷却板（銅板とも称する）１０は、熱的負荷が大きいため、一般的に、鋳造中の熱歪防止のため、図１（冷却水通路側から見た正面図）及び図２（図１のII−II線に沿う断面図）に示す如く、鋼製のバックアップフレーム２０に、縦横にほぼ等間隔で設けられたスタッドボルト２２を通じて固定され、このボルト２２による固定部を避けるように、銅板１０の冷却水通路（スリットとも称する）１２が複数本、鋳造方向（図１の上下方向）に平行に直線状に設けられている。図において、１４は、銅板１０に設けられた測温用の穴、１６はモールドフラックス層、１８は凝固シェル、２４はパッキンである。

このため、スタッドボルト２２間のスリット１２の間隔は任意に設定できるものの、スタッドボルト２２はボルトの直径に影響され、通常、スタッドボルト部を挟んだスリットの間隔は、その他の部位よりも広い構造となる。その結果として、鋳型の幅方向に、スタッドボルトのピッチに対応した周期的な冷却の不均一部が形成され、特に、スタッドボルト部ではスリット１２の密度が小さくなって冷却が弱められるという、冷却の不均一が発生する。

又、図３（ａ）に示す如く、溶鋼が湯面位置で凝固開始してから鋳型を出るまでの間、鋳型冷却スリット部で凝固開始した部分は、鋳型を出るまでそのスリットとの位置関係が殆んど変化しない。このような関係は、スタッドボルト部で凝固開始した部分、冷却スリット間で凝固開始した部分に関しても同様である。つまり、幅方向での不均一な冷却状態が、凝固開始から鋳型出側まで持続されることになる。

このため、冷却が他の部分よりも弱いスタッドボルト部やスリットの無い部位では弱いまま、冷却が他の部位よりも強いスリット部では強いまま、鋳型出側まで冷却されることになる。よって、凝固した鋼からすれば、幅方向での冷却むらが助長される。この結果、凝固したシェルは、幅方向の同じ位置で、鋳造方向に直線状に凝固の遅れ部が形成される傾向が強くなる。このような状況を図２に模式的に示す。この凝固遅れ部に熱歪が集中し易くなり、縦割れが発生することになる。

最近では、生産性の向上を目的として、鋳造速度をより一層高速化する傾向にあり、鋳造の安定化や鋳片品質劣化抑制のため、鋳型内溶鋼流動を電磁力で効率的に制御できるように、鋳型銅板内での磁場減衰抑制を狙って、鋳型銅板を従来よりも薄肉化する傾向にあり、上記のような問題が顕在化する。これらの現象は、スラブやブルーム用鋳型銅板の場合に顕著である。

そのため、次のような問題が発生する。

（１）鋳片の凝固がスタッドボルト部で遅れるため、その部位に対応した鋳片に縦割れや鋳片の座屈（くぼみ）が発生し易い。高速鋳造を実施する場合や、不均一凝固し易い極低炭素鋼や中炭素鋼鋳造時には、これらの問題が顕在化する。

（２）スタッドボルト近傍の銅板温度が高温となり、この部位に銅板に亀裂が発生し、銅板寿命が短縮する。又、亀裂部から漏れた水が溶融金属と接触し、水蒸気爆発の可能性もある。

これらの問題を解決するため、特許文献１や２では、スタッドボルト部を挟んだスリットの間隔を、鋳造方向でスタッドボルトが無い部分のみくねらせる方法が提案されている。

又、非特許文献１では、水平方向にスリットを設ける提案もされている。

特許第３４４３１０９号公報 特開２００５−１１４１３３号公報 I．G．Saucedo et. al. "Characterization of the Effects of Mold Oscillation on Heat Transfer Rate and Mold Friction during Continuous Casting", Proceedings of Ｔhe Sixth International Iron and Steel Congress，1990，Nagoya，ＩＳＩＪ，pp325−333

しかしながら、特許文献１や２に記載された技術でも、上記の問題は必ずしも完全に抑制されていない。

又、非特許文献１に記載された方法では、冷却水中の気泡の離脱が容易でなくなり、水平方向に温度分布ができてしまって、鋳型冷却能が低下するという問題点を有する。

又、丸状の鋳片（丸ブルーム、丸ビレット）を鋳造する場合、その形状そのものの特性から、上記のようなスラブやブルーム用鋳型銅板構造でなくても、あるいは、不均一凝固し易い極低炭素鋼や中炭素鋼でなくても、鋳片縦割れが発生し易く、この解決のため、鋳型テーパの最適化やモールドフラックスの改善（緩冷却化）が実施されているものの、必ずしも完全に抑制されてはいなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、鋳片表面割れを抑制して製品表面品質を向上すると共に、冷却板の亀裂の発生を防止して鋳型冷却板の寿命を延ばすことを課題とする。

本発明は、連続鋳造鋳型用冷却板の冷却液流路が、鋳造方向に対して直角の鋳型断面全周の少なくとも５０％以上の部分で、鋳造方向軸に対して傾斜していることを特徴とする連続鋳造鋳型により、前記課題を解決したものである。

特に、スラブやブルームの場合は、前記冷却液流路の傾斜角を、鋳造方向に、周期的に変化させることが好適であり、冷却液流路の傾斜角の鋳造方向周期が、鋳造方向スタッドボルトピッチの２倍に一致し、その全振幅が、冷却液流路の１ピッチ以上であり、冷却液流路と鋳造方向軸のなす傾斜角の最大値を３〜８５°とすることが望ましい。

一方、鋳型が円筒である場合は、全部の冷却液流路を鋳造方向にスパイラル状に形成し、冷却水通路と鋳造方向軸のなす傾斜角を３〜８５°とすることが望ましい。

本発明によれば、鋳型幅方向での冷却むらが緩和され、鋳片表面割れやブレークアウトが抑制されて製品表面品質が向上すると共に、冷却板の亀裂発生が防止され鋳型冷却板の寿命が延ばされる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態の銅板１０を冷却水通路（スリット）１２側から見た正面図を図４に示す。冷却水スリット１２を鋳造方向軸に対して傾斜させる構造とし、且つ、幅方向に周期的に傾斜角を変化させて、言わば、正弦波形状を呈したスリット形状としている。このため、溶鋼が凝固開始してから鋳型を出るまでの間に、図３（ｂ）に示す冷却スリット部で凝固開始した部分Ｅは、スリットとの相対的な位置関係が周期的に変化することになる。例えば、冷却スリット部で凝固を開始する部分Ｅでは、スリット部→スリット間の銅板部→スリット部→スリット間の銅板部と、交互に凝固シェルの冷却条件が変化する。又、スタッドボルト間で凝固を開始する部分Ｄでは、スリット間の銅板部→スリット部→スリット間の銅板部→スタッドボルト部→スリット間の銅板部→スリット部→スリット間の銅板部→スリット部→スリット間の銅板部→スタッドボルト部というように、冷却条件が変化する。即ち、凝固シェルが鋳型内を下降中に、冷却部と非冷却部を交互に通過することになるので、凝固シェルからすれば、幅方向での冷却むらが、図３（ａ）に示した比較例に比べて緩和される効果が得られる。

更にスリットが直線ではなく曲線であることから、本発明でのスリット長さ（入側〜出側間線分長さ）が従来に比べて長くなる。このため、冷却面積（スリット長さ×スリット幅）が増大し、同一水量でも、鋳型抜熱量の増加が期待できる。よって、鋳型幅方向の冷却むら抑制と冷却能増大の相乗効果、更にはスリットの曲線化により、銅板の絶対温度低下、温度むら抑制、そして銅板への熱歪集中緩和をもたらすため、銅板の亀裂の可能性が激減する効果もある。

このようなスリット形状は、スラブやブルーム等の組鋳型では、少なくとも鋳型断面全周の５０％以上で施されていることが必要である。スラブの場合、長辺面での縦割れが顕著であり、長辺面の鋳型全周に対する割合は、一般的にはサイズ（１００〜３００厚み×７００〜３０００幅）を考慮すると、７５％以上が好適である。又、ブルームでは、長辺と短辺の幅の差が小さいために、全周に傾斜スリットを設けることが好適である。

組鋳型の場合、図５（ａ）に示すように、スリット１２を傾斜させた直線とすると、傾斜させすぎると、スリットの長さが異なる部位が存在するために、スリット１本毎に流れる冷却水圧損も変化し、スリット１本毎の流量の均一性が維持できなくなり、鋳型全体の冷却不均一の原因になる。よって、傾斜角度は、図５（ｂ）に示すように、鋳造する金属を冷却する領域においては、スリット長さを揃えられるようにすることが好適である。

スリットの傾斜は、鋳造方向に周期的に変化させてもよく、その長さはほぼ同じになるような波形、例えば正弦波形が好適である。但し、図６に例示するような丸鋳片を鋳造する鋳型の場合には、この限りではなく、図７に示す第２実施形態のように、鋳型を展開する際にスリットが傾斜した直線となるようにスパイラル（螺旋）状にスリットを施工することが好適である。勿論、組鋳型の場合と同様に、鋳造方向に冷却部と非冷却部を交互になれば効果が発揮できるため、スパイラル状である必要は無く、正弦波状波形でもよい。

スリットの鋳造方向軸となす傾斜角度は、小さすぎると効果が発揮されなくなり、一方、大きすぎると冷却水を流す圧損の増加につながり、更に冷却水中の気泡の水路内停滞につながり、冷却能が低下することが懸念されるため、垂直方向に対し、最大で３〜８５°が好適である。

正弦波形のように、周期的にスリットの鋳造方向軸となす傾斜角度を変化させる周期は、鋳造方向の冷却むら防止の観点から、鋳造方向のスタッドボルト間に冷却水スリットを設けることができるように、最小でもスタッドボルトの鋳造方向ピッチの２倍にすることが望ましい。

又、正弦波形のように、周期的にスリットの鋳造方向軸となす傾斜角度を変化させる振幅は、鋳造方向の冷却むら防止の観点から、鋳造方向のスタッドボルト間に冷却水スリットを１本以上設けることができるように、スタッドボルト両隣のスリット間隔以上とすることが望ましい。

以上より、スリットが正弦波形の場合、スリット幅中心線の鋳造方向（Ｚ）軌跡は、次式で表現できる。

ｙ＝（Ｗｐ／２）sin（２πｆｔ） …（１）

ここに、ｔ＝Ｚ／Ｖ、ｆ＝１／（２Ｂｐ／Ｖ）として（１）式を整理すると、（２）式を得る。

ｙ＝（Ｗｐ／２）sin［πＺ／Ｂｐ］ …（２）

ここで、ｙ：鋳型幅方向スリット位置
Ｗｐ：鋳造方向のスタッドボルト間を通る冷却水スリット間隔のｎ倍、あるいはそれ以外の部位の冷却水スリット間隔のｎ倍

Ｂｐ：鋳造方向スタッドボルトピッチ
Ｖ ：鋳造速度
ｔ ：時間
ｆ ：正弦波形スリットの周期

よって、スリットの鋳造方向となす傾斜角度の最大値θmaxは、必然的に決定され（（２）式の微分値の最大値）、Ｂｐ＝８０〜１５０mm、Ｗｐ＝２０〜３５mm（ｎ＝１）とすると、
θmax＝arctan［（ｄｙ／ｄＺ）max］
＝arctan（πＷｐ／２Ｂｐ）
＝１２〜３８°（ｎ＝１）、２３〜５０°（ｎ＝２）、３２〜６４°（ｎ＝３）程度となる。

正弦波形は、スリットの全長に渡って同一式で表現する必要はなく、鋳造方向の途中でＢｐが変化していれば、その値に対応して波形のピッチを変化して構成すればよいし、同様に、振幅も銅板幅方向でスリット間隔が変化していれば、その場所毎に変化させても構わない。例えば、スタッドボルト部ではＷｐをスタッドボルト両隣のスリット間隔とそれ以外の等間隔をなしているスリット間隔の和で与えても良い。等間隔をなしているスリット部では、その整数倍が最適である。

正弦波形状スリットの加工は、コンピュータ制御によるＮＣ加工により、容易に実施できる。

垂直曲げ型連鋳機を用いて、スラブサイズ２３５mm厚み×１６００〜１８００mm幅の中炭素鋼（Ｃ／０．０９〜０．１３、Ｓｉ／０．３５〜０．５５、Ｍｎ／１．０〜１．３、Ｐ／０．０１５〜０．０３０、Ｓ／０．００５〜０．０２０、Ａｌ／０．０１５〜０．０４０、Ｎｂ／０〜０．０５０、Ｎ／０．００３５〜０．０１００質量％）を鋳造速度１．８〜２．０ｍ／分で鋳造し、鋳片の縦割れ発生率（＝スラブ当たりの５mm長さ以上の割れ発生率＝割れ発生スラブ本数／総鋳片数）と鋳型銅板の改削寿命（表面めっきの摩耗、剥離、亀裂等の原因で表面再めっきするため銅板表面を改削するまでに鋳造したチャージ回数）を図８に比較して示した。本発明は、長辺銅板のみに適用し、短辺銅板は通常の構造とした。冷却水量は、比較例、本発明例共に、３５００Ｌ／分／面（長辺）とした。なお、本発明実施時の冷却水供給圧力は、比較例よりも最大で０．５kg／cm²増加したが、問題なく鋳造できた。使用した銅板の冷却スリット形状は、比較例として図１、本発明例として図４とした。銅板材質は銀クロム入り脱酸銅、銅板表面めっきは、Ｎｉ０．５mm下地にＣｒめっき３０μｍ厚みとした。

図８から判るように、本発明により縦割れ発生率が大幅に減少し、且つ、銅板の使用回数の増加も確認され、本発明の効果が著しいことが分かった。

湾曲型連鋳機を用いて、丸ビレット製品サイズ１７０mmφの継目無用油井鋼管素材１３％Ｃｒ鋼を、鋳造速度１．３〜１．５ｍ／分で鋳造し、鋳片の縦割れ発生率（＝スラブ当たりの５mm長さ以上の割れ発生率＝割れ発生率スラブ本数／総鋳片数）と鋳型銅板の改削寿命（表面めっきの摩耗、剥離、亀裂等の原因で表面再めっきするため銅板表面を改削するまでに鋳造したチャージ回数）を図９に比較して示した。冷却水量は、比較例、本発明例共に、９８０Ｌ／分とした。なお、本発明実施時の冷却水供給圧力は、比較例よりも最大で０．２kg／cm²増加したが、問題なく鋳造できた。使用した銅板の冷却水スリット形状は、比較例１として図６（スリットなし、リング状の通水路１３があるのみ）、比較例２として上下方向の直線スリットを設けたもの、本発明例として図７とした。銅板材質は銀クロム入り脱酸銅、銅板表面めっきは、Ｎｉ０．５mm下地にＣｒめっき５０μ厚みとした。

図９から判るように、本発明により縦割れ発生率、ブレークアウト発生率（発生チャージ回数／総鋳造回数）が大幅に減少し、本発明の効果が著しいことが分かった。

本発明は、連続鋳造する金属、合金の鋳型に適用可能で、鋼の鋳造に限定されることなく、アルミニウム、銅、黄銅等の連続鋳造にも利用でき、冷却用基板（鋼の場合銅合金）にスリット構造を設けることを可能な構造をしている鋳型全般に適用可能である。又、冷却板の材質も銅板に限定されず、冷却液も水に限定されない。

鋼用連続鋳造鋳型冷却板の従来例を示す平面図 図１のII−II線に沿う断面図 比較例及び本発明の実施形態におけるスタッドボルトを避けるスリット構造の概念図 本発明の第１実施形態を冷却水通路側から見た平面図 直線状傾斜スリット構造の好適例と不適例を示す概念図 丸ビレット用鋳型構造の比較例を示す図 本発明の第２実施形態である丸ビレット用鋳型構造を示す図 スラブ用鋳型銅板における実施例を、比較例と比較して示す図 丸ビレット用鋳型銅板における実施例を、比較例と比較して示す図

符号の説明

１０…冷却板（銅板）
１２…冷却水通路（スリット）
２０…バックアップフレーム
２２…スタッドボルト

Claims (7)

1. 連続鋳造鋳型用冷却板の冷却液流路が、鋳造方向に対して直角の鋳型断面全周の少なくとも５０％以上の部分で、鋳造方向軸に対して傾斜していることを特徴とする連続鋳造鋳型。
2. 請求項１において、前記冷却液流路の傾斜角を、鋳造方向に、周期的に変化させることを特徴とする連続鋳造鋳型。
3. 請求項２において、前記冷却液流路の傾斜角の鋳造方向周期を、鋳造方向スタッドボルトピッチの２倍に一致させたことを特徴とする連続鋳造鋳型。
4. 請求項３において、前記冷却液流路傾斜角の鋳造方向周期的変化の全振幅が、冷却液流路１ピッチ以上であることを特徴とする連続鋳造鋳型。
5. 請求項１において、前記冷却液流路と鋳造方向軸のなす傾斜角の最大値が３〜８５°であることを特徴とする連続鋳造鋳型。
6. 請求項１又は５において、鋳型が円筒であり、且つ、全部の冷却液流路が鋳造方向にスパイラル状に形成されていることを特徴とする連続鋳造鋳型。
7. 請求項１乃至６のいずれかを満足する鋳型を使用したことを特徴とする連続鋳造方法。

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