JP4164163B2 - 金属の連続鋳造用鋳型 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両端の開口したキャビティーを有する金属の連続鋳造用鋳型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
連続鋳造法は、溶融金属から連続してビレット、ブルーム、又は、スラブ等の鋳片を製造するもので、歩留りが高く、工程を省略して製品を製造できる利点を有している。
この連続鋳造法で問題になるのは、鋳片の凝固殻と鋳型壁との間に生ずるエアギャップである。このエアギャップは鋳型と凝固殻との間の熱伝達を著しく低下させ、凝固殻の冷却が不均一となり、鋳片コーナ部の内部割れを引き起し、極端な場合には、これに起因して鋳片のブレークアウトを招来することとなる。鋳片コーナー部の内部割れは、鋳片コーナー部の冷却遅れにより生じるもので、鋳型内においてエアギャップを生じた以降も、連続的に引き抜かれる過程において断続的な接触によって冷却が進行するなかで、鋳型の辺部とコーナ部とにおける冷却条件の不均一さに由来し、凝固殻厚さが不均一になることにより、鋳片コーナー部に曲げ応力（引張成分）が発生するためと考えられている。
【０００３】
このエアギャップの発生防止のために、連続鋳造中における、鋳片凝固殻と鋳型壁とを十分に接触させるための方策として、鋳型キャビティー（鋳片を形成する鋳型の空間を意味する。）のテーパーの最適化、エアギャップ内への冷却材の注入等が提案されている。
【０００４】
例えば、鋳型キャビティーのテーパーの最適化法として、潤滑材としても使用されるモルードフラックスの鋳型内熱抽出特性値を考慮した連続鋳造用鋳型が提案されている（特開昭５６−５３８４９号公報参照）。この鋳型は、図４に示すように、スラブ鋳型として鋳片コーナ部の冷却状態を改善するために、鋳型の短辺１２におけるテーパーを特定の条件（式）を満足するように設定するもので、鋳込方向に沿いスラブ側に凸状を呈し、しかもメニスカス位置近傍における５ｃｍ〜１０ｃｍの範囲でテーパを大きく、ボトム側（出側）に向けて、鋳型下部での鋳片と鋳型壁との摩擦を大きくしないために、テーパーを減少せしめる構成となっている。
【０００５】
この結果、スラブ鋳型の短辺側に生ずるエアギャップを解消せしめ、さらに、鋳造速度の増加に伴う鋳片と鋳型壁との摩擦の増加の抑制と相俟って、鋳片のブレークアウトを防止し、従来、特定の鋼種（高炭素鋼、低合金特殊鋼等）で多発していた鋳片コーナー部での表面および内部の縦割れを激減し、鋳型のブレークアウトを防止できることが記載されている。
【０００６】
また、図５に示すように、連続鋳造用鋳型の上半部１３の部分に付加的な張り出し１５（図５（ａ）参照）を設け、横断面拡大部１６（図５（ｂ）参照）をしてなる、この横断面拡大部１６を設けることによって、部分的に鋳型の周長を長くすることにより、この鋳型の周長を鋳片の固体収縮時の周長と一致させて、鋳型のコーナー部におけるエアギャップの発生を抑制せしめる連続鋳造用鋳型が提案されている（特公平７−６７６００号公報参照）。
これにより、コーナー部の表面欠陥を防止できるとともに、高速鋳造時に生じやすい、鋳片の破壊やブレークアウトの発生を大幅に軽減されることができると記載されている。
【０００７】
これに加えて、亜包晶鋼（０．０８〜０．１５質量％Ｃ）における凝固直後における凝固殻のδ→γ変態に伴う固体収縮を考慮して、メニスカス部に５．０〜１９．０％／ｍのテーパを有する丸形断面鋳片の連続鋳造鋳型が提案されている（特開平９−３１４２８７号公報参照）。
この亜包晶鋼は炭素量が低いことから純鉄と同様に凝固初期における組織はδ相を示し、冷却の進行に伴って、γ相に変態する。図２のＡ部に示すように、凝固初期におけるδ相からγ相への相変態は比較的大きな比体積の変化をもたらすものであって、したがって、この相変態に伴って固体収縮に相当するテーパーを鋳型のメニスカス部に付与するものである。
これによって、この連続鋳造鋳型は凝固殻のδ→γ変態に伴う大きな固体収縮によるエアギャップの生成を防止して、このエアギャップの発生部の凝固殻部の凝固の遅れによる鋳片の割れ発生が防止できると記載されている。
【０００８】
しかしながら、前述した鋳型キャビティーのテーパーの最適化法でも、鋳型壁のコーナー部におけるエアギャップの発生を完全に防止し、あるいは、抑制することができない。なぜならば、前述したいずれの手法にあっても、基礎とするところは、鋳型内で冷却され、形成された凝固殻の固体状態（固相）における収縮であって、これによって形成される鋳型キャビティーのテーパーは適切なものとはいえず、鋳型と鋳片との間にエアギャップを生じることとなり、ひいては鋳型コーナ部にエアギャップを生じ、このた冷却速度に遅速を生じることとなり、鋳片コーナー部での内部の縦割れの発生を惹起することになる。すなわち、鋳型壁のコーナー部にまで、鋳片の凝固殻の固体収縮に追随させて、鋳型壁のコーナー部のエアギャップを解消させることが難しいためである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の連続鋳造用鋳型にあっては、鋳片コーナー部の内部割れ、特に、表皮下２〜３ｍｍの薄いチル層で発生する鋳片コーナー部の内部割れを防止できない場合があった。
そして、この鋳片コーナー部の内部割れは、前述した鋳型壁のコーナー部に不可避的に生じるエアギャップによる鋳片コーナー部の冷却遅れによるものであり、この内部割れの発生は鋳造速度の増大とともに著しいものとなり、鋳造速度の高速化による連続鋳造の生産性向上を図ることができない問題がある。
さらにまた、この鋳片コーナー部の内部割れは、鋳片手入れ率の増大、歩留りの低下を招き、極端な場合にあっては、鋳片のブレークアウトを生じさせることとなって、連続鋳造作業を中断させることとなり、この結果、連続鋳造の生産性を著しく低下させる問題を生じる。
【００１０】
そこで，本発明は、チル層下で発生する鋳片コーナー部の内部割れを防止でき、そして、鋳造速度の高速化に対応できる金属の連続鋳造用鋳型を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、チル層下で発生する鋳片コーナー部の内部割れは、連続鋳造において、鋳型に供給された溶湯がメニスカスでの溶融状態から凝固殻の形成という液相から固相への相変態に伴う凝固収縮により生じるエアーギャップの発生に起因するという新しい知見に基づいて完成したものである。
【００１２】
本発明は、前記凝固収縮により生じるエアーギャップの発生を防止するために、メニスカス近傍での溶融金属からの凝固殻の形成に伴う凝固収縮量に相当する縮減部を、連続鋳造用鋳型の内壁面に新たに設けることにより、鋳片の凝固殻を生成初期段階から鋳型を離れるまでの間、確実な接触状態を維持し、鋳型の冷却効果を充分に発揮せしめんとするものである。
【００１３】
本発明の鋳型のキャビティーのプロファイルを決定するプロセスにおいて、支配する鋳型内における溶融金属の収縮現象について、図２、図３によりさらに詳しく説明する。
図２は、純鉄および炭素鋼おける温度推移に伴う比体積の変化を示す図で、そして、図３は、縦軸に０．２５質量％炭素鋼の比体積の変化を線膨張係数に補正した収縮量との位置関係を示して、凝固開始後における鋳型内での鋳片の収縮量の変化を一例として示す説明図である。
【００１４】
図２において、純鉄、０．２５質量％Ｃ、０．８０質量％Ｃの炭素鋼についての比体積の変化率を示すが、いずれの鋼種においても溶融状態（イ）から凝固開始点ロまでの溶鋼の温度低下に伴って生じる液相状態での液体収縮（イロ部）、凝固開始点ロから凝固終了点ハまでの固液共存領域での温度低下（冷却）によって液相状態から固相への相変態に伴って生じる凝固収縮（ロハ部）、および、凝固終了点ハから鋳片の鋳型出側に到る温度低下に伴って生じる固体状態における線膨張係数に支配される固体収縮（ハニ部）の３つの収縮が時系列的に生じる。これら液体収縮、凝固収縮、および固体収縮のそれぞれの収縮量は鋳片の化学組成によってそれぞれ定まる物理量として認識できる。
【００１５】
図２から理解されるように、冷却される過程における比体積変化のうちで固体収縮（ハニ部）の占める割合が大きいが、一方、比体積変化における変化率としてみたとき、凝固開始（点ロ）から凝固終了（点ハ）への相変態、すなわち、凝固収縮（ロハ部）が狭い温度範囲で急激に生じることがわかる。
連続鋳造での鋳型内における現象として、前記凝固収縮、すなわち、鋳型内における凝固プロセスについて検討を加えることが重要である。
【００１６】
そこで、０．２５％Ｃの炭素鋼を例にとって、連続鋳造する場合の鋳型内における凝固プロセスについてみると、液相線温度＋２０℃に加熱された溶鋼が鋳型に注入されると、鋳型のメニスカス部において、鋳型壁と接した溶鋼は冷却作用を受け、瞬間的に液相線温度（約１５００℃）に達し、液相から固相への相変態、換言すれば凝固を開始し（図２、点ロ）、約１４７５℃の固相線温度において、凝固が完了する（図２、点ハ）。引き続いて、鋳片は、鋳型との接触、冷却され、固体収縮（図２、点ハ→ニ）を進行させつつ、最終的に、鋳片表面温度が約１０００℃程度で鋳型から引き抜かれる。
【００１７】
これを鋳片の収縮量の観点から整理すると、図３に示すようにまとめることができる。すなわち、鋳型に注入された溶鋼はメニスカス部において、鋳型壁と接触すると同時に凝固を開始し、図中▲１▼の直線で示す如く、凝固の進行に伴って収縮し、点ハにおいて凝固を完了するが、凝固開始から終了まではメニスカス近傍において完了することとなり、極めて短時間に完結し、ここにおいて、凝固殻としてのチル層が形成される。
さらに、鋳型の冷却作用により、点ハから連続して、連続曲線▲２▼に示す固体収縮を伴いながら凝固が進行することになる。
前述の凝固収縮に伴う鋳型としての線収縮率は約０．７％と大きな値を示すことになる。
【００１８】
前述のように液相から固相への相変態に伴う凝固収縮は、連続鋳造の初期段階での短時間に急速に鋳型内に生ずるものである。すなわち、凝固収縮は鋳型内に注入された溶融金属が鋳型と接触した瞬間（接触後１秒以内）から凝固を開始して凝固殻が形成されるメニスカス近傍で起こる現象であって、しかも、メニスカス近傍では凝固殻に作用する溶鋼静圧が極めて小さく、何ら、変形応力が作用しないことから、液相から固相への相変態に伴う凝固殻の形成による凝固収縮が起因してエアギャップを生じるものである。
【００１９】
したがって、鋳型における凝固収縮に起因するエアギャップの生成を防止し、均一な鋳型冷却のための鋳型の抜熱効果を最大限たらしめるためには、メニスカス近傍において生じる液相から固相への相変態に伴う凝固収縮を早期に吸収すること、換言すれば、メニスカス直下において凝固収縮直後の凝固殻を鋳型によって支持することが重要なものである。
【００２０】
いま、本発明の理解をさらに深めるために、従来の鋳型におけるテーパ−の最適化方法について、図３の下段の示す模式図にしたがって説明する。従来の鋳型のテーパ−においては、メニスカス近傍を含め、メニスカスから鋳型下端に到る間を鋳片の収縮、いわゆる、固体収縮曲線▲５▼に準拠し、これと同一又は近似するように１段の直線▲６▼ 、２段の直線▲７▼で形成するものであるが、メニスカス部に注目すれば、この段階において凝固殻に発生する収縮量に大きな差を有し、固体収縮を基本とするテーパー付与では、如何なるテーパー付与したとしても、エアギャップを吸収することは不可能であると理解される。
【００２１】
このため、連続鋳造の初期段階の狭い温度範囲、換言すれば、鋳型内メニスカス近傍における極めて短時間の間に鋳型内で生ずる過大な凝固収縮を吸収し、収縮後における鋳片を再度、鋳型との接触を保障せしめるために、図３の実線▲１▼に相当する凝固収縮量を吸収する縮減部をメニスカス近傍に新たに設けることにより、本発明は完成したものである。
すなわち、本発明は、従来の連続鋳造用鋳型では考慮されていなかった凝固殻の形成に伴う凝固収縮に着目したものである。
【００２２】
本発明の請求項１記載の発明は、両端の開口したキャビティーを有する金属の連続鋳造用鋳型にあって、前記キャビティーにおけるメニスカス位置から所要領域までの縦断面形状を、注入した金属の液相から固相への相変態に際し、液体収縮、凝固収縮及び固体収縮の順で時系列的に生じる３つの収縮のうち、凝固収縮に起因した凝固収縮量に相当する縮減率でもって、鋳型内方へキャビティーを狭めるように前進してなる縮減部を縮減率の異なる段的な凝固収縮の軌跡に合致する形状に形成してなるとともに、前記縮減部の開始端の寸法をメニスカス位置におけるキャビティー寸法とし、前記縮減部の終了位置の寸法をメニスカス位置におけるキャビティー寸法より０．２％から１．５％小さくしてなることを特徴とするものである。本発明における連続鋳造用鋳型の縮減部は、前述したように０．２５質量％Ｃの炭素鋼において、約０．７％に相当する線収縮量で、かつ、図３に示すようなメニスカス部におけて急激な段変化を示すものであるから、縮減部の形状として段的（ステップ的）な凝固収縮の軌跡に合致する形状にすることが望まれる。要するにメニスカス部において、凝固によって出現する収縮、これに起因するエアギャップに対して、その直後においてエアギャップを吸収し、鋳型による鋳片の保持、接触状態を維持せしめ、鋳片に対する均一な冷却作用を図ることに本発明の思想が存するものである。
前記縮減部の寸法縮減率（％）、すなわち、（（メニスカス位置におけるキャビティー寸法）−（縮減部の終了位置の寸法））／（メニスカス位置におけるキャビティー寸法）×１００ を０．２％から１．５％とすることにより、溶融金属の凝固収縮量に対応でき、凝固殻の生成開始段階から凝固殻を鋳型壁に確実に保持、接触させることができる。縮減部の寸法縮減率（％）を０．２％から１．５％の範囲にしたのは、溶融金属の凝固収縮率が、金属組成により約０．７〜４．４％の範囲の体積変化であり、これを線収縮率に換算すると約０．２〜１．５％の範囲となるからである。このとき、縮減部の寸法縮減率には、連続鋳造に適用する金属溶湯の組成の凝固収縮率（線収縮率）を用いて、凝固殻の生成開始段階から凝固殻を鋳型壁により確実に保持、接触させることが好ましい。
【００２３】
本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の縮減部が、メニスカス位置から１００ｍｍの間に設けられてなることを特徴とするものである。
縮減部をメニスカス位置から１００ｍｍの間のキャビティー内壁面に設けることにより、確実に、凝固殻の生成開始段階から凝固殻を鋳型壁面に十分に保持、接触させることができ、エアーギャップの発生を防止できる。
【００２４】
前記縮減部の開始位置は、鋳造速度、溶融金属組成、鋳型振動ストローク等を考慮して決定されるが、メニスカス位置に設けることが基本となる。
しかし、また、前記縮減部の開始位置をメニスカス位置より鋳型振動の振幅分を加えた位置より下方にすることができる。これによって、前記縮減部の開始位置を、常に、鋳型内の湯面位置より下方となり、溶融金属の凝固収縮への対応がより容易になる。
【００２５】
一方、縮減部の終了位置を決定する主たる要因は鋳造速度に依存するが、前述の説明から理解されるように、相変態に伴う凝固収縮現象が短時間の範囲内に生じることから、メニスカス位置から１００ｍｍ、好ましくは７０ｍｍ、より好ましくは３０ｍｍまでの位置に設ければ充分であり、凝固殻の生成終了の時点において速やかに凝固殻を鋳型壁面に確実に保持、接触させることができ、これにより、以後の鋳型の冷却能を最大限に活用することが可能となる。
【００２７】
前記縮減部は直線、又は曲線（放物線、円弧、連続曲線等）、直線と直線又は直線と曲線との組み合わせたプロファイルで形成することができる。
縮減部の形成位置、鋳造条件としての引抜速度、さらには、湯面レベル制御とも関係するが、縮減部において、凝固、形成された鋳片を円滑に引き抜くことが要求されるが、縮減部のプロファイルを内方側、出側に向かって傾斜するプロファイルに形成することによって、縮減部により鋳片を拘束することを回避することが可能となる。
【００２８】
加えて、縮減部の終了位置から鋳型下端までの縦断面形状として、その一部又は全領域に、鋳片の固体収縮量に相当する形状、又は単一若しくは複数の連続するテーパを設けることが好ましい。
縮減部の終了位置から鋳型の出側端までの当該寸法によって形成してもよいが、鋳型の冷却能を最大効率化ならしめるためには、鋳型と鋳片との接触を最大限ならしめることである。このためには縮減部によって確保した鋳片との接触状態を維持継続することが必要であって、縮減部の終了位置から鋳型の出側端までの範囲にわたって、鋳片の固体収縮に相当するテーパーに形成することを推奨される。
例えば、図３の鋳片の固体収縮に基づいて算出された形状（曲線▲２▼）又はこの形状のプロファイルにあわせて１段（直線▲３▼）又は２段テーパ（折れ線▲４▼）等を設けることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図１に示す、チューブラ鋳型を例にとって説明するが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲において自由に設計変更を加え得ることは勿論である。
なお、図は本発明の理解を容易にするために誇張して表現しており、また、図の左右において異なった実施の形態の縮減部の構成を図示している。
鋳型１は上下端に開口するキャビティー２を有し、キャビティー２における上部の開口４はメニスカス位置３から上端に向かって漸次拡大する開口するようにに形成され、鋳造時における浸漬ノズル等の挿入作業を容易にしている。メニスカス位置３には、点ｂ，ｃあるいは点ｂ，ｃ，ｄで示す、後述する縮減部６が形成され、前記縮減部６に連続して、下端開口９に向かって、凝固殻の固体収縮に相当するテーパー７が形成されている。
【００３０】
前述したキャビティー２の縮減部６の一つの実施の形態を図１の右半分に例示する構成に基づいて説明すると、鋳型１はメニスカス位置３から上端に末広がりの開口４を形成するが、メニスカス位置３を中心としてその鋳型振動の最大ストロークに相当する範囲をストレート部（点ａ→点ｂ）に形成してなり、縮減部６の開始位置ｂがメニスカス位置３の下方になるようにしている。
この縮減部６の開始位置ｂから前述した凝固収縮に相当する縮減率でもって、鋳型内方へキャビティーを狭めるように前進しており、点ｃの位置において終了する。縮減部６における点ｂ→点ｃで示される面は傾斜面を形成するが、これは鋳片の引き抜きを考慮したものであり、凝固殻の移動（鋳片の引き抜きに伴う）時における拘束を緩和する働きを有するものである。
また、縮減部６の終了位置ｃから鋳型１の出側端ｅに向かって、鋳型中心と平行にキャビティーを形成することも可能であるが、鋳片の固体収縮を考慮して、出側端ｅに向かってテーパー形状７を付与するのが望ましい。かかるキャビティー２の形状となすことによって、メニスカス位置において凝固し、形成された凝固殻をその直後において支持し、冷却作用を施すことができる。
【００３１】
次に、図１の左半分に例示する縮減部６の構成について説明すると、前述した第１の構成との相違は縮減部６を段階的に構成した点である。すなわち、縮減部６の開始位置ｂから中間位置ｃにおいてキャビティー２の縮減率を大きくし、中間位置ｃから終了位置ｄまでの縮減率を小さく構成することによって、鋳型キャビティー２内に突出する縮減部６の最内側を滑らかな曲線にして、前述すると同様に鋳片のガイド機能を付与したものである。
【００３２】
また、この実施の形態においても、縮減部の終了位置ｄから鋳型下端部ｅまでの間に、凝固殻の固体収縮に相当するテーパー形状７を付与した。このテーパー形状は、凝固殻の固体収縮に相当する形状、直線テーパ、２段テーパ等を設けてもよい。
【００３３】
本発明の実施の形態の連続鋳造用鋳型中での溶鋼の連続鋳造時の挙動について、図１の左半分で説明する。太線で鋳型内に注入された溶融金属の凝固殻の凝固収縮、および固体収縮の鋳片の寸法変化を示している。
鋳型１に注入された溶鋼はメニスカス位置３の近傍の鋳型で強く冷却され、溶鋼が凝固して、凝固殻が形成することとなる。
このとき、形成する凝固殻は、理論的には凝固収縮によって、寸法収縮を起こし、点ａから収縮を開始して、点ｆで凝固殻の表層部としての凝固を完了することとなる。
現実には、鋳造速度としての引き抜きの影響を受けて、凝固殻の凝固収縮は、点ａ→ｆの代わりに破線で示す点ａ→ｆ’の経過をたどり、点ｆ’で凝固殻の表層部の凝固を完了することになる。
その後、この凝固殻の表層部は鋳型の冷却作用に伴い、凝固殻は鋳型と接しながら点ｆ（又はｆ’）→ｇ→ｈ→ｄ→ｅと、凝固殻は固体収縮して行く。
【００３４】
この図から明らかなように、溶鋼はメニスカス部において、エアギャップＧを形成するが、本発明にあっては、溶鋼の凝固収縮量に相当する縮減部６、特に、ｂｃ部により、前記凝固殻の凝固収縮の寸法収縮に対応し、この凝固殻が生成初期段階から鋳型の内壁と確実に接触させることができ、この結果、エアギャップの発生を防止できる。そして、エアギャップの発生が防止できるので、縮減部６の終了位置、点ｄ以降でも、鋳片の凝固殻全体（特に、鋳片のコーナ部の凝固殻）と鋳型内とが良好な接触状態を保つことができ、鋳片を均一にかつ効率よく冷却することができる。
【００３５】
従来の連続鋳造用鋳型中での溶鋼の連続鋳造時の挙動について、図１の左半分分で説明する。従来の鋳型では、二点差線で示す凝固殻の固体収縮に相当する２段テーパ（ａｉｊ部）８を設けた。テーパー形状として、図３の従来例に示すように凝固殻の固体収縮に相当する形状（丸付数字５の曲線）を設けることが好ましいが、通常、鋳型の製作時の加工性を考慮して、直線テーパ（丸付数字６の曲線）、２段テーパ（丸付数字７の曲線）が設けられている。
【００３６】
この従来の鋳型１の場合、太線で示す凝固殻の凝固収縮、点ａ→ｆに相当する凝固収縮量が考慮されていないので、鋳型と鋳片の間にエアーギャップ１７が生じることとなる。
このエアーギャップ１７は、鋳型と凝固殻との間の熱伝達を著しく低下させることとなる。そして、連続鋳造の進行に伴い、鋳型下部で、鋳片の面（辺）部は鋳片内部に作用する溶鋼静圧により凝固殻がクリープを起こして、鋳片と鋳型が接触することとなるが、鋳片コーナー部にはエアーギャップがそのまま残り、鋳片コーナー部の冷却遅れが生じこととなる。
この結果、前述したように、凝固殻厚さが不均一になり、鋳片コーナー部の内部割れや鋳片のブレークアウトが生じやすくなると考えられる。
【００３７】
【実施例】
次に、本発明の連続鋳造用鋳型と従来例の連続鋳造用鋳型での連続鋳造実験結果を示す。
本実施例での連続鋳造条件を以下に示す。
・溶鋼の種類 ：炭素鋼（０．２５質量％Ｃ）
・溶鋼の鋳造温度 ：１５５０℃、
・ビレットの寸法 ：１３０ｍｍ角
・寸法縮減率 ：約０．７％
・鋳型振幅 ：１０ｍｍ
【００３８】
鋳型として、図１左半分に例示する縮減部６の形態を採用するものとし、全長Ｌ：８００ｍｍのチューブラ鋳型とし、メニスカス位置３を鋳型上端から８０ｍｍと設定するとともに、縮減部６における開始位置ｂをメニスカス位置３の下１３ｍｍとなし、鋳型のａｂ部をストレートの形状にした。寸法縮減率を約０．７％を採用し、縮減部６の開始位置ｂにおけるキャビティー寸法Ｄ１を１３５．３ｍｍ、終了位置ｄにおけるキャビティ寸法Ｄ２を１３４．４ｍｍ、キャビティー下端位置ｅにおける寸法Ｄ３を１３４．０ｍｍとし、メニスカス位置３から縮減部６の終了位置ｄまでの鋳型引き抜き方向の距離Ｘを３３ｍｍとした。また、この縮減部６の開始位置ｂから中間位置ｃにかけて、内方へ若干傾斜する直線とし、当該位置におけるキャビティ寸法は１３４．５ｍｍ、メニスカス位置３からの距離２０ｍｍとし、また、中間位置ｃから終了位置ｄに到る間は滑らかな曲線で形成し、さらに、終了位置ｄからキャビティ下端位置ｅにかけては直線テーパー７を付与した。
【００３９】
本実施例では、まず、前述した連続鋳造条件で、この種のサイズにおける鋳造速度としては国内的に最高速にひってきする ３．０ｍ／分に設定して連続鋳造を行い、操業の安定とともに、徐々に鋳造速度を上昇させ、鋳造速度を従来の１．５倍となる４．５ｍ／分の鋳造速度で連続鋳造を行った。操業は安定した状態で継続され、鋳片にブレークアウトの発生を伴うことなく、最後まで連続鋳造を完了することができた。
【００４０】
本実施例によって得られたビレットの断面組織をサルファプリントから忠実に模写した結果を図６に示す。
本発明の連続鋳造用鋳型を用いて製造したビレットの断面組織は、図６に示すように、従来の鋳造速度の１．５倍に相当する高速での鋳造を行ったにかかわらず、チル層１９の厚さが均一で厚く、ビレットのコーナ部に内部割れが認められず、しかも、ビレットの断面も正常な形状であった。
【００４１】
本発明との比較をなすために、従来形式のチューブラ鋳型として鋳型長さＬ：８００ｍｍ、メニスカス位置３におけるキャビティー寸法Ｄ１を１３４．４ｍｍとし、鋳型下端におけるキャビティー寸法Ｄ３を１３４．０ｍｍとして、メニスカス位置３から鋳型下端に、１段の直線テーパー８を付与した鋳型を用いて連続鋳造を行った。
そして、比較例においても、前述した連続鋳造条件、すなわち、３．０ｍ／分の鋳造速度で連続鋳造を行いビレットを製造した。
【００４２】
この比較例においては、図７に示すように、ビレットの断面組織におけるチル層１９の厚さが薄く、特に、コーナ部のチル層１９の厚さが２〜３ｍｍと極端に薄く、この部分に内部割れ１８が認められた。この内部割れ１８はチル層１９だけでなく、鋳片内部の樹枝状晶２０まで進展している。このため、ブレークアウトの危険性があるために鋳造速度を上げることはできなかった。
そして、ビレットの断面には、溶鋼静圧によって生じる面の膨らみの変形が認められた。
【００４３】
上述したことから明らかなように、本発明の連続鋳造用鋳型を用いることにより、従来の鋳造速度より１．５倍速くしても、従来の連続鋳造用鋳型を用いた場合に比べ、チル層が均一に厚く、ビレットのコーナ部に内部割れの発生がないだけでなく、正常な断面形状のビレットが得られた。
【００４４】
本発明の実施の形態や実施例に限定されることなく、本発明の金属の連続鋳造用鋳型は、ビレットの連続鋳造だけでなく、スラブ、ブルーム等の鋳片の連続鋳造に用いることができる。そして、ビレットの形状も本実施例の正方形の断面だけでなく、矩形、６角形、８角形、円形等のビレットにも用いることができる。さらに、連続鋳造される溶融金属として、溶鋼だけでなく、液体から固体への相変化時に凝固収縮を伴う金属溶湯（例えば、アルミニューム合金、銅合金等の溶湯）にも用いることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の金属の連続鋳造用鋳型は、メニスカス近傍での溶融金属の凝固に伴う凝固収縮量に相当する所定形状を有する縮減部を鋳型の内壁面に新たに設けるとともに、前記縮減部の終了位置の寸法を特定することにより、凝固殻を生成初期段階から鋳型の内壁面と確実に接触させて、鋳片の凝固殻を生成初期段階から鋳型を離れるまでの間、確実な接触状態を維持し、鋳型の冷却効果を充分に発揮させる効果を有するものである。これによって、チル層下で発生する鋳片コーナー部の内部割れを防止できるだけでなく、チル層を均一に厚くでき、正常な断面形状のビレットの製造を可能とし、歩留りを向上し、ブレークアウトの危険性を回避することができる。さらに、均一な冷却によって、鋳造速度の高速化を可能とし、連続鋳造の生産性を飛躍的に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の連続鋳造用鋳型のプロファイルを示す図である。なお、本図に図示したエヤーギャップ１７は説明のため誇張して記載した。
【図２】純鉄および炭素鋼おける温度推移に伴う比体積の変化を示す図である。
【図３】縦軸に０．２５質量％炭素鋼の比体積の変化を線膨張係数に補正した収縮量との位置関係を示して、凝固開始後における鋳型内での鋳片の収縮量の変化を一例として示す説明図である。
【図４】従来の連続鋳造用鋳型の模式図であり、図ａは鋳型の平面図であり、図ｂは図ａのＸ−Ｘにおける短辺の縦断面を示す図である。
【図５】従来の別の連続鋳造用鋳型の模式図であり、図ａは鋳型の縦断面を示す図であり、図ｂは鋳型の平面図を示す図である。
【図６】本発明の実施例のビレットの断面組織を示す模写図である。
【図７】従来例のビレットの断面組織を示す模写図である。
【符号の説明】
１ 鋳型
２ キャビティー
３ メニスカス位置
４ 鋳型の上部開口
５ 鋳片の凝固プロファイル
６ 本発明の縮減部のプロファイル
７ 実施例における固体収縮に相当するテーパ形状
８ 従来例における固体収縮に相当するテーパ形状
９ 鋳型の下端開口
Ｘ メニスカスから縮減部の終了位置までの距離
Ｄ１ メニスカス位置の部キャビティ寸法
Ｄ２ 縮減部の終了位置のキャビティ寸法
Ｄ３ 鋳型出口のキャビティ寸法
Ｇ エアーギャップ
１０ 長辺部鋳型
１２ 短辺部鋳型
１３ 鋳型の上半分
１４ 鋳型の下半分
１５ 張り出し
１６ 横断面拡大部
１７ エアーギャップ
１８ 内部割れ
１９ チル層
２０ 樹脂状晶

Claims (4)

1. 両端の開口したキャビティーを有する金属の連続鋳造用鋳型にあって、前記キャビティーの内壁面におけるメニスカス位置から所要領域までの縦断面形状が、注入した金属の液相から固相への相変態に際し、液体収縮、凝固収縮及び固体収縮の順で時系列的に生じる３つの収縮のうち、凝固収縮に起因した凝固収縮量に相当する縮減率でもって、鋳型内方へキャビティーを狭めるように前進してなる縮減部を縮減率の異なる段的な凝固収縮の軌跡に合致する形状に形成してなるとともに、前記縮減部の開始端の寸法をメニスカス位置におけるキャビティー寸法とし、前記縮減部の終了位置の寸法をメニスカス位置におけるキャビティー寸法より０．２％から１．５％小さくしてなることを特徴とする金属の連続鋳造用鋳型。
2. 前記縮減部が、メニスカス位置とメニスカス位置から１００ｍｍとの間に設けられてなる請求項１記載の金属の連続鋳造用鋳型。
3. 前記縮減部が直線、又は曲線、又は直線と曲線との組合せで形成されてなる請求項１又は２記載の金属の連続鋳造用鋳型。
4. 前記縮減部の終了位置から前記鋳型下端における前記キャビティの内壁面の縦断面形状の一部又は全部が、前記注入した金属の固体収縮量に相当する形状、又は単一若しくは複数の連続するテーパを設けてなる請求項１乃至３のいずれかに記載の金属の連続鋳造用鋳型。

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