JP3949208B2 - 連続鋳造体を製造するための金属の再溶解方法およびそれに用いる装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下方に向かって開放される短いチルモールドの中に設けられた導電性スラグ浴の中で、少なくとも１本の自己溶解電極を溶解することにより、連続鋳造体を製造するための、金属、特に鋼ならびにニッケル系およびコバルト系の合金の再溶解方法およびそれに用いる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、高速度鋼、レデブライト（ledeburitic ）クロム鋼、または他の溶離度の高い鋼、および合金のような高合金工具鋼の製造において、小から中径の断面の連続鋳造体の製造には問題が多い。
【０００３】
ドイツ特許公報（ＤＥ−ＡＳ）No. 1 608 082 は、その後の加工工程に適した表面品質の良好な鋳造体を、高速で連続鋳造する方法を開示している。この目的を達成しようとすると、要求される鋳造速度および必要な金属の過熱のために、溶解溜まり（sump）の長さは数メートルになり、この結果、中心部の溶離または凝離現象が著しくなり、また収縮により空隙が生じることとなる。この種の連続鋳造法で作られた棒鋼は、大抵の用途には使用不能である。
【０００４】
ドイツ公開公報（ＤＥ−ＯＳ）No. 1 483 646 、No. 1 932 763 、およびオーストリア特許公報No. 320 884 は、各種の類型的なエレクトロスラグ再溶解法を開示している。この中に記載の自己溶解電極を用いる方法によれば、低速でのブロック鋳造の場合には、良好な表面のブロック、またはインゴットの再溶解製品が得られる。この工程で生じる溶解溜まりは浅いので、周辺部と中心部との間での凝固は均一化され、したがって再溶解されたブロックまたはインゴットに関して内部の品質は向上する。底板が下方に動くことが可能な短いチルモールドを使用し、電極を交換すれば、この場合に比較的長い連続鋳造体を製造することもできる。しかし、小さい寸法のものを製造する際には、必要な自己溶解電極の製造が困難となり、溶解速度が低下するのでコストが上昇する。
【０００５】
断面の小さい電極の製造の問題を回避するために、いわゆる漏斗型（funnel）チルモールドまたはＦ−チルモールドの使用が提案された。すなわちチルモールドは、漏斗のような形状で上方に拡大してスラグ浴を入れる部分を備え、自己溶解電極の断面を、製造されるべき再溶解ブロックまたはインゴットのそれに等しくすることが可能となる。
【０００６】
１００ないし２００mmのサイズ（丸棒または角棒で）の連続鋳造においては、低速鋳造の場合でさえ、鋳造品ごとに１時間あたり少なくとも５ないし１０ｔの鋳造能力が要求されるが、エレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ法）での溶解速度は、同サイズにおいて最大でも１００ないし２００kg／時間である。したがって、連続鋳造の場合には、溶解溜まりの深さは、４ないし８ｍである。これに比してＥＳＲ法の場合の溶解溜まりの深さは、１００ないし３００mmとなる。
【０００７】
他の方式の場合、例えばオーストリア特許公報No. 399 463 には、高合金鋼の連続鋳造体を、中心部の品質を向上させるために、従来の連続鋳造の場合よりも大幅に低い速度で鋳造すると同時に、過度の冷却による表面構造の欠陥を回避するために、鋳造体表面を電気的に加熱されたスラグ浴で覆う方法が、提案されている。これを鑑みると、溶解された金属は、加熱可能なとりべから長時間にわたり一定の温度に保たれた状態で得られるとの前提に立っていると考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記の方法もまた大量の溶解された金属を長時間にわたり高温に保つことの問題をしばしば抱えることになる。特にこのことは、鋳造作業で１本だけ連続鋳造体を作る場合には、重要な意味をもつ。例えば、総重量２５ｔの溶解された金属から、直径１５０mmの１本の連続鋳造体を、２０００kg/hの鋳造速度で鋳造する時には、鋳造時間は１２．５時間にわたる。この時間中溶解された材料（金属）は、とりべまたは中間の容器の中で高温に保たれねばならず、その結果それに応じたエネルギー損失と耐火被覆の消耗が生じることとなる。
【０００９】
他方、ここで用いられる約８mmの開口をもつ注湯流れ口（pouring spouts）は、鋳造温度が低い場合に凝固により狭まり、または完全に詰まるおそれがあるので、２０００kg/hの範囲の鋳造速度を制御することにも、また問題がある。
【００１０】
前記の従来の技術に鑑み、発明者は前記の問題を解消し、金属のエレクトロスラグ再溶解の改善された方法および装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的は、独立項たる特許請求の範囲の教示により達成することができ、従属項たる特許請求の範囲は、さらに有利に発展させたものを示す。
【００１２】
本発明では、下方に向かって開放される短いチルモールドの中に設けられた導電性のスラグ浴の中で、少なくとも１本の自己溶解電極を溶解することにより、連続鋳造体を製造するための、金属の再溶解方法において、少なくとも１つの導電素子を前記スラグ浴の溶融スラグに接し、前記連続鋳造体に接しない位置で前記チルモールドの壁に取り付け、前記チルモールドに接続された電源の一方の極から溶解電流を前記自己溶解電極を介して前記スラグ浴に供給し、前記連続鋳造体と前記導電素子とを、並列に、それぞれ前記電源の他方の極に接続して、前記スラグ浴から前記電源の他方の極に前記溶解電流を戻すことによって、kg/hでの溶解速度を、連続鋳造体のｍｍ単位の直径、特に鋳造断面において、Ｄeq＝Ｕ／πの式により、鋳造断面の外周（Ｕ）から計算された連続鋳造体の相当直径、の１．５倍ないし３０倍の値と調整すると共に、鋳造断面の断面積に対する１本または複数本である自己溶解電極の断面積の比を、０．５よりも大きく設定している。
【００１３】
さらに詳しくは、公知の各方法についての本明細書の冒頭部に記載の問題が、それ自体は公知であるエレクトロスラグ再溶解法において、従来よりも大幅に高い溶解速度が用いられ、同時に鋳造断面に比較して大きい断面積をもつ自己溶解電極が用いられる時には、驚くほど簡単に回避または解消されることを、実験により確認した。自己溶解電極（複数である場合を含む）の断面積が、製造されるべき連続鋳造体の断面積の少なくとも５０％に相当する場合には、すでに良好な結果が得られている。kg/hでの前記の溶解速度に関する発明による値は、円形断面の場合には、mm単位の直径の少なくとも１．５倍であり、ただし３０倍よりも大きくないことが必要である。円形断面でない連続鋳造体の場合には、相当直径Ｄ_eqを用いて作業することができる。
【００１４】
kg/h単位の溶解速度が、mm単位の相当直径Ｄ_eqの５ないし１５倍に相当し、かつ製造される鋳造体断面積に対する自己溶解電極（複数である場合を含む）の断面積の比が１．０に等しいか、または１．０よりも大きい時には、特に消費エネルギーと表面の品質および中心部の組織に関して良好な結果を得ることができる。この場合に、再溶解作業は、それ自体は公知の漏斗型チルモールドまたはＦ−チルモールドの中で行われねばならないが、ここで、製造される連続鋳造体は、チルモールドの下方の狭窄部において製造され、鋳造表面を覆うスラグ浴は、漏斗型の拡張部まで満たし、しかもこの中に自己溶解電極の先端が浸漬される。
【００１５】
ここにその原理を図解されている本発明による有利な方法は、実施する者の要求に応じて容易に変更され得る。
【００１６】
例えば、チルモールドを作業台に固定し、連続鋳造体を下方に引き抜いてもよいが、連続鋳造体を固定した底板上に上方に製造し、これにしたがってチルモールドを持ち上げてもよい。連続鋳造体の引き抜き作業またはチルモールドの持ち上げ作業は、連続的または段階的に行うことができる。
【００１７】
また、特に連続鋳造体が連続的に引き抜かれる時には、好適な手段である振動をチルモールドに与えることも、可能である。
【００１８】
連続鋳造体を段階的な移動により引き抜き、またはチルモールドを段階的な移動により持ち上げる場合、それら各正方向の段階的な移動の直後に、逆方向の段階的な移動をさせることができる。この場合、逆方向の段階的な移動の距離を、連続鋳造体が相対的に引き抜かれることとなる方向の段階的な移動の距離の６０％以下とすることができる。
【００１９】
従来のエレクトロスラグ再溶解法では、溶解電流は電極先端と溶解溜まりとの間のスラグを通るか、２心線装置（bifilar installations ）または３相給電装置の場合には、電極間を流れる。この種の給電法は、本発明による方法にも使用することができる。
【００２０】
漏斗型のチルモールドが使用される場合には、電極とモールド壁との間に電流を流す方法によっても良好な結果が得られる。
【００２１】
電極が変圧器の第１の極に接続され、第２の極が同時に連続鋳造体とモールド壁に取り付けられた１または２以上の通電素子との両方に接続される装置の場合には、スラグ浴の熱の分布に関して、特に優れた結果が得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
発明のもつ別の長所、特徴、細部は、好ましい実施形態の下記の記述から図面を参照することにより明らかであり、また一葉の図面は、側方に予備の電極を備えた金属のエレクトロスラグ連続鋳造体溶解用の装置の縦断面の略図である。
【００２３】
交流または直流を供給する電源１０の一方の極は、給電線１２を経て自己溶解電極１６の吊下げ機構１４に接続されている。電極１６は、図面には描かれていない機構により、電極の自由端１７が常にスラグ浴１８の中に浸漬されるように動くことができる。
【００２４】
スラグ浴１８はチルモールド２０の中にあり、チルモールド２０は、断面が漏斗型のチルモールド底部２２に、中で製造される直径Ｄの再溶解された連続鋳造体を送り出す円筒状の部分（送り出し部）２４を備えている。チルモールド２８は、その壁２８の上端において、放射状に外側に向けて延びるフランジ３０を備えている。フランジ３０は、その上に気密に取り付けられ、電極１６を密閉するフード３４の協働フランジ３２の支持体としての役割を果たす。
【００２５】
電源１０の他方の極への供給電流は、連続鋳造体２６から放電手段となる駆動ローラ３６と大電流遮断スイッチ３８を含む大電流戻りライン４０とを介するか、またはチルモールド壁２８に取り付けられた放電手段（導電要素）４２と大電流遮断スイッチ３８ａをもってチルモールド壁に接続されている別の大電流戻りライン４０ａとを介して送られる。また、電流は、連続鋳造体２６と放電手段４２の両者を通して送ることもできる。この場合の戻りラインは、前記の大電流遮断スイッチ３８および３８ａをそれぞれ作動させることにより、選ぶことができる。
【００２６】
大電流戻りライン４０、４０ａ中のそれぞれの大電流遮断スイッチ３８、３８ａの両者が閉じられて通電される時には、放電手段４２と接点としての駆動ローラ３６とを介して流れる電流の比率は、スラグ浴１８の中の比抵抗（the ratio of the resistences）によって決まる。それらは、放電手段４２を基準とするスラグ浴１８の高さ、または、モールドの送り出し部２４の中で凝固する連続鋳造体２６のためのチルモールド２０中の金属４４の高さ（level ）から電極１６の自由端１７までの間隔、によって決まる。
【００２７】
再溶解された連続鋳造体２６は、電極１６の溶解量だけ下方に駆動ローラ３６により送られ、チルモールド２０の狭い送り出し部２４中の溶融金属の高さまたは表面４４は、監視手段、特に放射線源４６により監視される。同時に、既述のように、駆動ローラ３６は、連続体２６から電源１０への戻り電流ライン４０のための接点としても働く。
【００２８】
連続鋳造体２６を所望の長さに切断するには、例えば４８により示されている溶断手段が用いられる。
【００２９】
最初の自己溶解電極１６が消耗すると、溶解領域から図示されていない手段により除去され、これに代わって新たな電極１６ａが右に略図的に示された待機位置から溶解位置に持ち込まれ、溶解工程は継続的に行うことができる。連続作業は、多数の電極１６が次々に溶解されることにより可能となる。
【００３０】
電極１６、１６ａおよびスラグ浴１８は、フード３４、３４ａにより空気に触れることを防止され、またフードは、前述のようにチルモールドフランジ３０に対するフードの協働フランジ３２により密閉される。
【００３１】
再溶解作業は、前記の装置の中で雰囲気を制御し、空気中の酸素を排除することにより実施することができるが、この方法を用いることにより、再溶解連続鋳造体２６を、極めて高い純度で製造することが可能であると同時に、酸素との間に親和性をもつ元素の焼失することが防止される。これに関して、この工程では、断面積が鋳造体断面に比して大きく選ばれる自己溶解電極１６を用いることを可能にする。
【００３２】
連続鋳造体の断面が円形以外である場合には、再溶解連続鋳造体２６のための相当直径Ｄ_eqを使用することができるが、この値は、周長Ｕから次の式を用いて求めることができる。
Ｄ_eq＝Ｕ／π
【００３３】
発明による技術を実証するために、チルモールドを持ち上げる方式のエレクトロスラグ再溶解装置において実験を行った。ここで、チルモールドは、漏斗型のチルモールドで、直径は底部で１６０mm、頂部で３５０mmであり、自己溶解電極は、直径２２０mmであり、鋼種は、Ｓ６−５−２である。
【００３４】
３０％ＣａＯ、３０％Ａl₂Ｏ₃ 、４０％ＣａＦ₂ の組成をもつ５５kgのスラグを溶解した後、チルモールドのストローク動作は、鋼の高さが、直径１６０mmのチルモールド下部の漏斗型アタッチメントよりも約２０ないし３０mm下に維持されるように調整した。
【００３５】
電力は、スラグ浴１８の中で１０kA、７５０Volts 、７５０kWに設定し、スラグ浴１８への給電は、電極１６を介して行い、戻り電流は、連続鋳造体２６および漏斗型に拡大した上部のチルモールド壁２８を介して流した。
【００３６】
前記の条件で達成された溶解速度は、８２０ないし９００kg/hであった。適切な方法でチルモールド２０を、８７ないし９５mm／分の平均速度で持ち上げ、持ち上げ動作は、１回が約１０mmで段階的に行った。持ち上げ動作の頻度は、放射線による鋳造高さ（level ）測定システムにより監視し、制御した。
【００３７】
製造された連続鋳造体２６の長さは約３．０ｍであった。表面品質は良好で、熱間処理の前の表面処理は不要であった。連続鋳造体２６は、鍛造ハンマで予備鍛造することにより容易に１００mm角のビレットにすることができた。
【００３８】
金属組織の観察により微粒子の炭化物の均一分布が確かめられた。中心部に溶離、または偏析（凝離）の認められることはなかった。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、いわゆるエレクトロスラグ再溶解方法または装置において、kg/h単位での溶解速度を、連続鋳造体の直径（Ｄ、Ｄ_eq）の１．５倍ないし３０倍の値となるように調整し、連続鋳造体の断面積に対する１本または複数本である自己溶解電極の断面積の比を、０．５よりも大きくなるように設定するので、中心部と表面がともに高品質である連続鋳造体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態である、連続鋳造体を製造するための金属のエレクトロスラグ再溶解装置を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】
１０…電源、１６…自己溶解電極、１８…スラグ浴、２０…チルモールド、２２…拡張部、２４…送り出し部（狭窄部）、２６…連続鋳造体、２８…チルモールド壁、４２…導電素子、Ｄ…連続鋳造体の直径。

Claims (10)

1. 下方に向かって開放される短いチルモールドの中に設けられた導電性のスラグ浴の中で、少なくとも１本の自己溶解電極を溶解することにより、連続鋳造体を製造するための、金属の再溶解方法であって、
   少なくとも１つの導電素子を前記スラグ浴の溶融スラグに接し、前記連続鋳造体に接しない位置で前記チルモールドの壁に取り付け、
   前記チルモールドに接続された電源の一方の極から溶解電流を前記自己溶解電極を介して前記スラグ浴に供給し、前記連続鋳造体と前記導電素子とを、並列に、前記電源の他方の極に接続して、前記スラグ浴から前記電源の他方の極に前記溶解電流を戻すことによって、kg/h単位での溶解速度を、連続鋳造体のｍｍ単位の直径（Ｄ、Ｄeq）の１．５倍ないし３０倍の値となるように調整し、
   連続鋳造体の断面積に対する１本または複数本である自己溶解電極の断面積の比を、０．５よりも大きくなるように設定する金属の再溶解方法。
2. 請求項１において、前記連続鋳造体の直径を、連続鋳造体の周長（Ｕ）から、式Ｄeq＝Ｕ／πを用いて算出する相当直径（Ｄeq）とする金属の再溶解方法。
3. 請求項１または２において、前記チルモールドが漏斗型チルモールドであり、
   kg/h単位での溶解速度が、連続鋳造体の周長（Ｕ）から算出された相当直径（Ｄeq）の５倍ないし１５倍の値であり、
   連続鋳造体の断面積に対する自己溶解電極の断面積の比が、１．０に等しいかまたは１．０よりも大きく、
   連続鋳造体を、漏斗型チルモールドにおける下方の狭窄部において製造し、スラグ浴を、漏斗型チルモールドにおける上方の拡張部まで満たす金属の再溶解方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、製造された連続鋳造体を、チルモールドから連続的に引き抜く金属の再溶解方法。
5. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、製造された連続鋳造体を、チルモールドから段階的に引き抜く金属の再溶解方法。
6. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、製造された連続鋳造体を固定し、チルモールドを連続的に上昇させる金属の再溶解方法。
7. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、製造された連続鋳造体を固定し、チルモールドを段階的に上昇させる金属の再溶解方法。
8. 請求項４または６において、チルモールドを振動させる金属の再溶解方法。
9. 請求項５または７において、前記連続鋳造体をチルモールドから段階的に引き抜く方向または前記チルモールドを段階的に上昇させる方向を正方向とし、その正方向の段階的な移動のそれぞれの直後に逆方向の段階的な移動をさせ、逆方向の段階的な移動の距離を正方向の段階的な移動の距離のたかだか６０％に設定する金属の再溶解方法。
10. 請求項１ないし９のいずれかの方法を実施するための装置であって、
    少なくとも１本の自己溶解電極（１６）と、
    電源が接続され、上方の拡張部（２２）まで溶融スラグが満たされてスラグ浴（１８）が形成されたチルモールド（２０）とを備え、
    チルモールドの下方には、連続鋳造体（２６）の断面を決定する送り出し部（２４）が形成され、
    チルモールド壁（２８）には、少なくとも一つの導電素子（４２）が前記スラグ浴（１８）の溶融スラグに接し、前記連続鋳造体（２６）に接しない位置で設けられており、
    前記自己溶解電極（１６）が電源（１０）の一方の極に接続され、電源（１０）の他方の極が連続鋳造体（２６）およびチルモールド壁（２８）の導電素子（４２）に接続されている金属の再溶解装置。

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