JP2014000586A - 鋳造用鋳型 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造方向の引っ張り応力に起因する長辺中央部のくびれを防止できる鋳造用鋳型を提供する。
【解決手段】矩形断面の鋳塊を連続鋳造すべく、互いに対向した長辺側の長辺面２と短辺側の短辺面３とを有し、これら長辺面２と短辺面３とで形成された鋳造中空部４の上方から溶湯を供給すると共にこれを冷却しつつ下方から矩形断面状の鋳塊を排出するための鋳造用鋳型１において、前記長辺側の長辺面２が、その中央部９の面１０が両側部７の面８に対して凸状となるように形成され、かつ、互いに対向する長辺面２が、下方に行くに従って内側に傾斜するよう形成されると共に、中央部９の面１０がその両側部７の面８に対して下方に行くに従って凸量ｔが少なくなるよう形成されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、銅合金等を連続的に鋳造する鋳造用鋳型に関するものである。

銅合金に限らず、縦型連続鋳造では鋳型内での冷却条件と引抜き速度及び材質の違いにより凝固収縮や引け細りによる外形寸法が縮小方向に進行する。そのため特殊な鋳造を除いては一般的に鋳型内面には図４に示すように鋳造方向（上から下に向けて）にテーパー２５を設けている。

縦型連続鋳造では長辺側中央部の寸法収縮が顕著に発生する。これは円形断面のビレット鋳造が円周方向で均一な冷却条件を得られ易いのに対し矩形断面のスラブ鋳造ではコーナー部から短辺側にかけての冷却が強くなり易いためである。また、ビレット・スラブいずれの断面形状によらず鋳型下の二次冷却条件により収縮量は変化する。

縦型連続鋳造において溶湯を鋳造用鋳型２６に注湯し、冷却・凝固の開始から常温に冷却されるまでの過程が一定の冷却速度で進行することが望ましいと考えられるが、一部の銅合金においては様々な温度領域で冷却速度を制御する必要が生じる。これらの制御は鋳造用鋳型２６に注湯される溶湯温度や鋳型冷却水の流量、二次冷却帯の水量や位置を制御する事で目標の冷却パターンを得ようとするものである。また、鋳造後の熱間圧延工程での加熱炉や圧延パス時に鋳塊形状による搬送トラブル防止のためには鋳塊の断面形状や長手方向の形状にも精度が求められる。そのため図５に示すように予め鋳塊の収縮量を見越して鋳塊の長辺部の中央を膨らませるべく、鋳造用鋳型２６の長辺部２７の中央部２８を凹状に形成する場合がある。

特開２００３−７１５４７号公報

特に銅合金鋳造においては二次冷却帯での鋳造組織制御が品質を決定する重要な要素となる。また、鋳造用鋳型２６内における鋳塊の断面寸法縮小に伴うエアーギャップを防止するために鋳造方向にテーパー２５を設けているが、エアーギャップを皆無にする事は困難である。エアーギャップによる長辺部２７と短辺部２９での冷却バランスの差を補うためには、短辺部２９と長辺部２７での冷却水量を調節したり二次冷却帯での冷却パターンを制御する方法をとるのが一般的である。

しかし、凝固シェルのコーナー部、短辺部及び長辺部の冷却速度の差は凝固シェルの成長速度にも影響し、特にコーナー部が厚く長辺中央部が薄くなる傾向となる。これは断面形状の変化のみならず凝固組織内の残留応力も増大させることとなり、凝固完了段階の鋳型下部では長辺中央部の鋳塊中心部に圧縮方向のひずみが蓄積されることで鋳造方向に引っ張り応力が発生し、鋳型上部の薄い凝固シェルを引っ張る事になる。また、鋳型上部の成長初期段階の凝固シェルは凝固収縮によりモルテンプール中心方向への引っ張り応力が作用するが溶湯静水圧とのバランスで鋳型内面への接触を維持する。しかし、凝固シェルの成長に伴い収縮力が溶湯静水圧の抗力を超えたとき、くびれ状の局部的な収縮が凝固シェルの長辺中央部に発生する。

凝固シェルのくびれた部分では鋳型中心方向への凝固シェルの倒れこみと鋳型下部方向からの引っ張り応力が作用する。加えてくびれにより発生したエアーギャップにより冷却速度が低下し凝固シェルが復熱により再溶解・破断され湯漏れを生じる場合がある。

凝固シェルの破断は鋳塊のブレークアウトに繋がるため安全上好ましくない。また、冷却速度の急激な変化は凝固組織内での合金成分の異常析出を誘発し粒界割れなどの品質悪化をもたらす。

銅合金の連続鋳造において結晶粒界への合金成分の析出は圧延工程でのカブリ・ハガレ欠陥の原因となるリスクが高いため粒界偏析の無い健全な鋳塊が要求される。また、鋳造時のブレークアウトや圧延工程での曲がりによるトラブル防止も安全上重要である。

本発明は前記事情を鑑みなされたもので、鋳造方向の引っ張り応力に起因する長辺中央部のくびれを防止することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、矩形断面の鋳塊を連続鋳造すべく、互いに対向した長辺側の長辺面と短辺側の短辺面とを有し、これら長辺面と短辺面とで形成された鋳造中空部の上方から溶湯を供給すると共にこれを冷却しつつ下方から矩形断面状の鋳塊を排出するための鋳造用鋳型において、前記長辺側の長辺面が、その中央部の面が両側部の面に対して凸状となるように形成され、かつ、互いに対向する長辺面が、下方に行くに従って内側に傾斜するよう形成されると共に、中央部の面がその両側部の面に対して下方に行くに従って凸量が少なくなるよう形成されたものである。

前記長辺面の中央部の面と前記両側部の面との間に、傾斜した繋ぎ面が形成されるとよい。

前記繋ぎ面は、一面或いは多段に折り曲げられた多段の面で形成されるとよい。

前記中央部の面の凸量は、両側部の面間の間隔の５±１％に形成されてそれぞれ片側で２．５±０．５％となるとよい。

前記中央部の面の辺方向の長さが前記長辺面の長さに対して２５％に形成されるとよい。

本発明によれば、鋳造方向の引っ張り応力に起因する長辺中央部のくびれを防止できる。

本実施の形態に係る鋳造用鋳型の平面図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線断面図である。 鋳型内部に発生するエアーギャップ領域の位置と引っ張り応力の作用方向を示す説明図である。 （ａ）は従来の鋳造用鋳型の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 従来の鋳造用鋳型の平面説明図である。 従来の鋳型内部に発生するエアーギャップ領域の位置と引っ張り応力の作用方向を示す説明図である。

本発明に係る鋳造用鋳型を添付図面に基づいて説明する。

図１及び図２に示すように、鋳造用鋳型１は、矩形断面の鋳塊を連続鋳造すべく、互いに対向した長辺側の長辺面２と短辺側の短辺面３とを有する。これら長辺面２と短辺面３とは、溶湯の型となる鋳造中空部４を形成する。鋳造用鋳型１は、鋳造中空部４の上方から溶湯を供給すると共にこれを冷却しつつ下方から矩形断面状の鋳塊を排出するためのものである。鋳造用鋳型１には、図示しない冷却水路が形成されており、この冷却水路には外部からの冷却水が流通するようになっている。鋳造中空部４は、鋳造用鋳型１を形成する金属ブロックに鉛直に貫通して形成されており、溶湯を受け入れるべく上方に開口する上部開口５を有すると共に、溶湯が冷えて凝固した鋳塊を排出すべく下方に開口する下部開口６を有する。

さて、本発明に係る鋳造用鋳型１は、その内面形状に特徴を有する。

鋳造用鋳型１の互いに対向する長辺面２は、下方に行くに従って内側に傾斜するよう形成される。また、それぞれの長辺面２は、短辺面３に望む両側部７の面８と、これら両側部７の面８間の中央部９に形成され両側部７の面８に対して凸状となるように形成された中央部９の面１０と、中央部９の面１０と両側部７の面８のそれぞれとの間に形成された繋ぎ面１１とを備える。

長辺面２の両側部７の面８は、それぞれ長辺面２の辺方向に沿って直線状に形成されている。また、長辺面２の両側部７の面８は、同一面上となるように形成されている。

中央部９の面１０は、両側部７の面８に対して凸状となるように形成されることで両側部７の面８よりも鋳造中空部４の内側に位置され、長辺方向に沿って直線状に形成されている。また、中央部９の面１０は、その両側部７の面８に対して下方に行くに従って凸量ｔが少なくなるよう形成されている。具体的には、中央部９の面１０の凸量ｔは、上下方向のいずれの位置においても両側部７の面８間の間隔Ｔに対して一定の割合となるように形成されており、下方に行くに従って連続的に少なくなっている。中央部９の面１０の凸量ｔは、両側部７の面８間の間隔Ｔの５±１％（片側で２．５±０．５％）に形成されるとよい。また、中央部９の面１０の辺方向の長さｗｃは長辺面２の長さＷに対して２５％に形成されるとよい。

繋ぎ面１１は、中央部９の面１０に対して屈曲して接続されると共に、側部７の面８に対して屈曲して接続されている。また、繋ぎ面１１は、長辺面２の辺方向に対して傾斜されている。繋ぎ面１１は、中央部９の面１０の凸量ｔの変化に応じて長辺面２の辺方向に対する傾斜角度が小さくなるように形成されている。繋ぎ面１１は、長辺面２の辺方向の長さｗｔが両側部７の面８と同じになるように形成されている。

なお、繋ぎ面１１は、多段に折り曲げられた多段の面で形成されてもよい。繋ぎ面１１の構成面は多いほど引っ張り応力の分散効果が大きくなるので機械加工の制限範囲内で多くするのが望ましい。

次に本実施の形態の作用を述べる。

図３に示すように、鋳造用鋳型１の鋳造中空部４内で冷却された溶湯１２は外周部に凝固シェルを形成する。凝固シェルの成長初期段階では凝固収縮力よりもモルテンプール内の溶湯の静水圧が勝り、凝固シェルは鋳造用鋳型１の長辺面２及び短辺面３に接触し続けるがやがて凝固シェルの厚みが増して凝固収縮力が静水圧を超えた時点で凝固シェルが鋳造中空部４の長辺面２から離れエアーギャップ１３が生成される。

このとき、長辺面２は下方に行くに従って内側に傾斜されると共に中央部９の面１０が両側部７の面８に対して凸状に形成されているため、鋳塊表面が長辺面２から離れエアーギャップ１３を生成する範囲を最小限に抑えることができ、鋳造方向の引っ張り応力を低減でき、凝固シェルのくびれと再溶解後の破断を防止できる。すなわち、本実施の形態にかかる鋳造用鋳型１では、長辺面２中央の凸形状で凝固シェルを鼓型に凹ませることにより、エアーギャップ１３の生成位置を凝固シェルの長辺中心部の両サイド２箇所の領域に分散させることができ、引っ張り応力１４の方向を凝固シェルのコーナー部と長辺中心部に向ける事ができ、長辺方向の中心部の凝固シェルを両サイドから引っ張ることにより凝固シェルの長辺中心部は再度長辺面２に押し付けられることになるためエアーギャップ１３の発生時間を短くでき、くびれ量及び粒界偏析を減少できる。

このように、鋳造用鋳型１は、長辺側の長辺面２が、その中央部９の面１０が両側部７の面８に対して凸状となるように形成され、かつ、互いに対向する長辺面２が、下方に行くに従って内側に傾斜するよう形成されると共に、中央部９の面１０がその両側部７の面８に対して下方に行くに従って凸量ｔが少なくなるよう形成されるものとしたため、鋳造方向の引っ張り応力に起因する凝固シェルの長辺中央部のくびれを防止でき、エアーギャップ１３による冷却速度の低下で凝固シェルが再溶解・破断されて湯漏れが発生するのを防ぐことができ、凝固組織内での合金成分の異常析出を防止でき、粒界割れなどの品質悪化を防止できる。また、長辺側の鋳塊はコーナー部に比べほぼ平坦な形状にでき、圧延工程でのマテリアルハンドリング時のトラブル発生を未然に防止できる。そして、エアーギャップ発生領域を最小限に抑えることができると共に、引っ張り応力を分散極小化することができ、凝固シェル成長遅れによる粒界偏析の発生防止と粒界破断によるブレークアウトの発生を防止でき、鋳塊品質向上及び鋳造工程での安全性向上ができる。またさらに、中央部９の面１０は、下方に行くに従って凸量ｔが少なくなるように形成されるため、エアーギャップ１３が形成されやすい鋳造中空部４内の上部では効果的にエアーギャップ１３の発生を抑制できると共に、鋳造用鋳型１から下方に排出される鋳塊を安定して断面矩形状にできる。

また、長辺面２の中央部９の面１０と両側部７の面８との間に、傾斜した繋ぎ面１１が形成されるものとしたため、安定して断面矩形状の鋳塊を鋳造できる。

繋ぎ面１１は、一面或いは多段に折り曲げられた多段の面で形成されるものとしたため、鋳造用鋳型１を容易に加工できる。

中央部９の面１０の凸量ｔは、対向する２つの長辺面２の、両側部７における面８間の間隔Ｔの５±１％に形成されてそれぞれ片側で２．５±０．５％となるようにされたため、矩形断面の鋳塊を安定して鋳造できる。

また、中央部９の面１０の辺方向の長さｗｃが長辺面２の長さＷに対して２５％に形成されるため、エアーギャップ１３の生成位置を凝固シェルの長辺中心部の両サイド２箇所の領域に良好に分散できる。

次に矩形断面寸法２４５×６４０のスラブを鋳造する場合の具体例について述べる。

かかる場合の鋳造用鋳型１の概略寸法は、下部開口６において、長辺面２の長辺の寸法Ｗが６４０ｍｍ、長辺面２の中央部９の辺方向の長さｗｃが１６０ｍｍ（長辺の寸法Ｗの２５％）、中央部９の面１０について厚み（凸量）ｔが片側で３ｍｍ（向かい合う短辺面３間の間隔（厚み方向の間隔）の約２．５％）に設定する。

鋳造方向のテーパーは鋳造条件が同じなので長辺側・短辺側共に従来の鋳造用鋳型と同じに設定する。具体的には、長辺面２の両側部７の面８の傾きを１４分、短辺面３の傾きを３６分に設定する。

長辺面２の中央部９と、両側部７と繋ぎ面１１の形状の詳細は、長辺面２の辺方向の長さであって側部７の面８と繋ぎ面１１を合わせた長さｗｚが片側で２４０ｍｍ、側部７の面８の長さｗｓが１２０ｍｍである５面構造とする。従って、鋳造用鋳型１の内面形状は１２角形状となる。

なお、これは面構成の最低数である。繋ぎ面１１の構成面は多いほど引っ張り応力の分散効果が大きくなるので機械加工の制限範囲内で多くするのが望ましい。また、鋳造方向の鋳型内面テーパーは鋳造速度に依存するところが大きいので鋳造する合金の材質や鋳造条件で適宜設定する事が望ましい。

かかる鋳造用鋳型１によれば、エアーギャップ発生領域を最小限に抑えることができると共に、引っ張り応力を分散極小化することができ、粒界偏析の発生を防止でき、粒界破断によるブレークアウトの発生を防止できる。

比較例について述べる。上記寸法のスラブを従来の鋳造用鋳型を用いて鋳造する場合、鋳造用鋳型の長辺部の面の傾きは１４分、短辺部の面の傾きは３６分、長辺部の窪み形状は６角形状でコーナー側（短辺側）から長辺中央に向かって５３分の傾きで窪ませて形成される。この従来の鋳造用鋳型での鋳造結果は定常の鋳型速度において、鋳塊の長辺部の中央がコーナー部（両側部７）の厚みより１ｍｍ程度膨らみ傾向となるがマテリアルハンドリング上の問題は発生しないレベルである。しかしながら、エアーギャップにより冷却速度が低下した長辺中央部とコーナー部の凝固シェルに厚みの差が発生し内部応力が蓄積されていく。最終的にこのひずみは引っ張り応力となってくびれ部分の凝固シェル最薄部、すなわち、図６に示すエアーギャップ２０が発生していると推測される領域の上面近傍のライン２１に沿って粒界割れが断続的に発生する場合がある。この粒界割れは、圧延工程でカブリ・ハガレの原因になる。またこの場合、鋳型内部の鋳造初期段階ではエアーギャップ領域の発生により同一時間軸においてはコーナー部２２に比べ長辺中央部２３の冷却速度が低下する事から、コーナー部２２の凝固シェルの成長に比べ長辺中央部２３の成長が相対的に遅れる。そのため凝固収縮の開始時期も長辺中央部２３が遅れることとなりコーナー部２２と長辺中央部２３で斜め下向きの引っ張り応力２４が発生する。そのためエアーギャップ領域の特に上部で凝固シェルは復熱による再溶解が起こり湯漏れを起こす場合があり、酷い時はブレークアウトに進展し品質のみならず安全上も良くない。

１ 鋳造用鋳型
２ 長辺面
３ 短辺面
４ 鋳造中空部
７ 両側部
８ 両側部の面
９ 中央部
１０ 中央部の面
１１ 繋ぎ面
Ｔ 両側部の面間の間隔
Ｗ 長辺面の長さ
ｔ 凸量
ｗｃ 中央部の面の辺方向の長さ

Claims (5)

1. 矩形断面の鋳塊を連続鋳造すべく、互いに対向した長辺側の長辺面と短辺側の短辺面とを有し、これら長辺面と短辺面とで形成された鋳造中空部の上方から溶湯を供給すると共にこれを冷却しつつ下方から矩形断面状の鋳塊を排出するための鋳造用鋳型において、前記長辺側の長辺面が、その中央部の面が両側部の面に対して凸状となるように形成され、かつ、互いに対向する長辺面が、下方に行くに従って内側に傾斜するよう形成されると共に、中央部の面がその両側部の面に対して下方に行くに従って凸量が少なくなるよう形成されたことを特徴とする鋳造用鋳型。
2. 前記長辺面の中央部の面と前記両側部の面との間に、傾斜した繋ぎ面が形成された請求項１記載の鋳造用鋳型。
3. 前記繋ぎ面は、一面或いは多段に折り曲げられた多段の面で形成された請求項２記載の鋳造用鋳型。
4. 前記中央部の面の凸量は、両側部の面間の間隔の５±１％に形成されてそれぞれ片側で２．５±０．５％となる請求項１〜３のいずれかに記載の鋳造用鋳型。
5. 前記中央部の面の辺方向の長さが前記長辺面の長さに対して２５％に形成された請求項１〜４のいずれかに記載の鋳造用鋳型。