JPH01224141A - 連続鋳造方法及び装置 - 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】 星１−Ｊ１月引立■ 本発明は、高純度の、銅、銀、アルミニウムその他の金
属の連続鋳造方法及び装置に関するものである０本発明
は特に、超電導用線材、箔材、管材等や音響及び画像用
線材、箔材等更には半導体デバイス材料の製造に有用で
ある０本発明は、−方向凝固或は単結晶材料の連続的製
造を可能ならしめる。

Ｕ鵠と１量 近年、高度先端技術の急激な進展に伴い、用いられる金
属材料への要求は益々厳しいものとなっている。例えば
、コンパクトディスクやレーザディスクのような光を使
用してデジタル方式で記録及び再生を行なうオーディオ
及びビジュアル設備機器の普及に伴ない設備コンポーネ
ントを結ぶ伝送ケーブルやコンポーネント内部の信号伝
送回路用材料として、介在物の極めて少ない、内部欠陥
を極力排除した、しかも結晶粒の大きな材料が強く要望
されている。これは、不純物、内部欠陥及び粒界が音及
び画像信号の伝送に障害となり、雑音や歪を付与して音
質や画質を劣化させることが判明したためである。こう
した要望に答えて、６Ｎ　（９９，９９９９％）以上の
純度の銅線材が実用化されている。また、プリント基板
用又はＴＡＢ用の銅箔としては、電流の流れる方向に対
して介在物や粒界の少ないことが電気信号の伝送効率を
向上するのに良いことも判明している。超電導線材は、
超電導材料を銅管内に充填し、それを伸延し、伸延した
鋼管を１００本程束ねそしてそれらを銅色被材で取り巻
くことにより製造されているが、高純度の銅線や銅箔や
鋼管が必要とされている。

金属材料を効率的に生産する方法の一つは連続鋳造であ
るが、従来からの方式ではこうした高品質金属材料を得
ることはなかなか困難である。。

の　　　ど。　　、 金属の連続鋳造においては、従来法によれば樹枝上組織
が同方向に成長して得られる柱状晶が鋳型側壁より鋳物
中央方向に成長し、中央部に等軸晶が成長する場合が多
い、鋳物の中心部に巣や不純物の偏析等の内部欠陥が生
じ易い、このため塑性加工時に柱状晶成長方向に圧縮さ
れた場合に粒界割れを生じ易い。

こうした欠点を解決する方法の一つとして、特公昭５５
−４６２６５号は、鋳型を加熱し鋳型出口部で凝固を行
なわせる方式を提唱した。これは鋳造組織の改善に効果
的であったが、凝固殻の形成が鋳型出口近くで起こるた
めブレークアウトを起こし易く、操業上の危険があると
いう重大な欠点を呈した。また鋳型自体を加熱するため
ヒータを鋳型内に内蔵させるものであり、構造的に好ま
しいものでなかった。

一方で、高純度化が計れる真空溶解法が注目を浴びてい
る。しかし、これまで真空溶解法はバッチ式のため、溶
解後、インゴットに鋳造せざるをえず、鋳造、圧延等の
後主程で汚染を生じ高純度化に不適とされていた。こう
した中で、非酸化性雰囲気下で銅合金素材の溶解と鋳造
を連続的に行なうことが出来、しかも長尺の鋳造材を得
ることの出来る連続鋳造炉が、特開昭６２−１５１２５
３号に開示された。この連続鋳造炉は、真空チャンバー
内にその内部を各排気手段と通気手段とに接続する第１
の室と第２の室とに区画する仕切りを設置し、第１の室
には溶解炉を設置しそして第２の室には鋳造炉を設置し
、一端を鋳造炉に接続し他端を第２室外部に開放したノ
ズルを設けそして上記溶解炉内の溶湯を上記仕切りを通
って上記鋳造炉に送る移動機構を設置したものである。

鋳造材はノズル外端からピンチローラによって上方に引
き上げられる。

しかしながら、この設備では、必ずしも所期の充分の精
製効果は得られず、前述したような今後の高品質金属材
料に充分には対応出来ない、Ｓ、０、Ｈ等のガス成分を
充分には除去しえない場合もあり、ピンホールや介在物
を排除出来ない。

が　゛しよ　と　る 機器内電線等前述した用途向は材料を製造する際に要求
される材質の要件である、 １、高純度であること、 ２、異物、ピンホール等の内部欠陥が極めて少ないこと
、 ３、長尺物で均一な品質を持つもので、偏析の少ないこ
と、 ４、一方向凝固組織、所望に応じて単結晶組織であるこ
と を満たす製品をブレークアウト等の危険なく安全に製造
することの出来る連続鋳造方法が要望されている。特に
、Ｓ、０、Ｈ等のガス成分を徹底排除し得る連続鋳造法
が待望されている。

ｌ豆塁盟１ 本発明者等は、検討の結果、真空吸上げ乃至は循環方式
による脱ガス方式の採用が高純度材料の脱ガスには殊の
他好適であり、これと一端を溶融金属中に突出し他端を
冷却構造体に接した構造の鋳型による鋳造方式と組合わ
せることにより上記要件を満たす連続鋳造が実現し得る
との知見を得た。これにより、Ｓ％０％Ｈ等のガス成分
を徹底排除することが出来、それによりピンホールや介
在物を極力低減出来ると同時に、一方向凝固組織、所望
に応じて単結晶組織である鋳造物を製造することが出来
る。

この知見に基すいて、本発明は、ｌ）第１ベッセルに溜
められた溶融金属を、第２ベッセル内に吸引して精製し
た後、一端を該第１ベッセル内の溶融金属洛中に突出し
且つ他端を冷却した鋳型を通して連続鋳造することを特
徴とする連続鋳造方法及び２）雰囲気制御可能な、溶融
金属を溜める第１ベッセルと、該第１ベッセル内の溶融
金属中に浸漬される導通管を具備する第２ベッセルと、
該第２ベッセルを減圧及び加圧する手段と、一端を該第
１ベッセル内の溶融金属浴中に突出し且つ他端を冷却構
造体に接する鋳型とを具備する連続鋳造装置を提供する
。

好ましい態様において、 １）第１ベッセルは、Ｎ２、Ａｒ等の不活性ガス及びＣ
ｏ、Ｈ□等の還元性ガスにより雰囲気制御される。

２）第２ベッセルにおいて原料純度と目標品質に応じて
減圧及び加圧が繰り返される。

３）導通管が吸上げと降下を兼ねる単管方式である。

４）導通管が吸上げと降下を別々に行なう循環式複管方
式である。

５）第１ベッセルに於て吸上げ管と降下管との間に隔壁
が設けられる。

６）導通管にＮ雪、Ａｒ等の不活性ガス及びＣ０１Ｈ２
等の還元性ガス吹き込みが為される。

７）第１ベッセル溶融金属中にＮ３、Ａｒ等の不活性ガ
ス及びＣ０１Ｈ２等の還元性ガス吹き込みが為される。

８）鋳型にＮ３、Ａｒ等の不活性ガス若しくはＣ０やＨ
８等の還元性ガス吹き込みが為される。

９）第２ベッセルに酸素吹きが行なわれる。

１０）鋳型から鋳造物が水平若しくは下方に引き出され
る。

ｌ豆立且止煎且旦 本発明を高純度鋼の連続鋳造と関連して説明するが、本
発明は、銀、アルミニウムその他の非鉄金属に適用しう
ることは明らかである、。

通常的な銅電解精製では、純度９８〜９９％前後にまで
精製した粗銅を鋳造して陽擾となしそして圧延銅板等か
ら作製した種板を用いて、銅濃度４０〜５０ｇ／ｌそし
て遊離硫酸濃度９０〜２２０　ｇ／ｌの電解液中にて液
温５０〜７０℃及び陰極電流密度１〜３　ａ／ｄｍ２の
条件下で電解を行なうことにより電気鋼を製造している
。得られる電気鋼は、４Ｎ　（９９，９９％）程度の純
度であり、ｌＯｐｐｍに至るＯ、Ｓ、　Ａｇ、　Ｆｅ等
の不純物を含有している。

更に高純度の銅を製造する一つの方法は、再電解である
。一般に、上記電気鋼を陽極として隔膜方式で再電解が
実施される。再電解における遊離硫酸濃度は９０〜２２
０ｇ／ｌそして銅濃度は３０〜５０　ｇ／ｌと通常の電
解と変わるところはない、電解液中の遊離硫酸濃度が９
０ｇ／ｌより低いと、電着銅の表面の緻密性及び平滑性
が不良となって不純物を巻き込み易い、他方、遊離硫酸
濃度が２２０ｇ／ｌを越えると、硫酸銅の溶解度が減少
して生産性を低下する。好ましい遊離硫酸濃度は９０〜
１５０ｇ／ｌである。

電解液中の銅濃度は低い方が電着銅の表面の緻密性及び
平滑性の点で良いが、反面生産性を低下するので、これ
らを考慮して、３０〜５０　ｇ／ｌ、好ましくは４０ｇ
／１前後とされる。

再電解条件としては、３０〜５０℃の電解温度及び５０
〜１５０Ａ／がの陰極電流密度が一般に採用される。電
解温度は低めの方が電着銅表面の緻密性及び平滑性を良
好とするので、液温は５０℃を上限とするのがよい、５
０℃を越えると、デンドライト状結晶も生成し易い、温
度が３０℃未満では硫酸塩の溶解度が減少し、好適な電
解操業が行ない得ない、好ましい液温は３５〜４５℃、
特には４０℃前後である。　Ａｇ汚染防止上温度の管理
は重要である。陰極電流密度は、電着銅表面の緻密性及
び平滑性不良による不純物の巻込みと生産性を考慮して
５０〜１５０Ａ／ｍ”好ましくは９０〜１５０Ａ／ｍ”
で実施するのがよい。

隔膜は、電気鋼が溶解する際に発生する銅粉及び亜酸化
銅粉や不純物が電着銅に混入するのを防止するために設
けられる。隔膜は、イオン交換膜、炉布、セラミクス等
から成り、炉布の場合枠に張り渡したボックス状として
も良いし、袋状としても良い、デビロン、テフロン、テ
トロン等の耐酸性化繊か布の使用が好ましい。

電解液中にはニカワが電気銅トン当たり５〜２０ｇ添加
される。ニカワの添加により電着銅の表面は緻密となり
、不純物の巻き込みが有効に防止される。ニカワは硫黄
を含まないので、しかも添加量は少量に抑えであるので
、硫黄等の汚染の心配はない、ニカワ量が多すぎるとか
えってしわが生じたり、表面性状が悪化する。ニカワの
添加は不純物品位低減の安定化に大きく寄与する。

電解操業は、電解槽において電気鋼としての陽極とボッ
クス型の隔膜内に配した陰極を対面状態で配置して実施
される。陰極としては、チタン板、ステンレス板、高純
度銅板が使用される。電解液は、電解槽から抜き出され
、循環槽に送られ、成分調整後、濾過器を通して隔膜内
に戻される。ニカワの補給も隔膜内に為される。隔膜内
に直接電解液の給液とニカワの補給を行なうことは、 １、電着面が常時清浄な電解液に曝され、不純物の巻き
込み防止効果が大きいこと、 ２、ニカワが電着面によく作用し、ニカワ添加量が少な
くしうること、 ３、電解液循環量を減少しうること の点で高純度化にきわめて有益である。

生成電気銅は、緻密な表面性状を有し、Ａｇ及びＳとも
４．０ｐｐｍ以下であり、モしてＦｅは０．０５　ｐｐ
ｍ水準である、５Ｎ　（９９，９９９％）品位のもので
ある。

以上が本発明の原料となり得る高純度銅の一例である。

もちろん、上記以外の方法で製造された高純度銅（例え
ば、６Ｎ　（９９，９９９９％）品位のもの）も本発明
で使用し得る。

こうして得られた高純度銅は、第１〜５図に示す連続鋳
造装置に溶解状態で搬入される。第１図を参照すると、
装置は基本的に、第１ベッセル１と、第２ベッセル２と
、鋳型３とから構成される。溶融金属Ｍは、第１ベッセ
ル１内に保持される。第１ベッセルｌの周囲には、必要
ならヒータ７が設置される。第１ベッセルｌ直上に設置
される第２ベッセル２は、第１ベッセル１内に保持され
る溶融金属中に浸漬される導通管４を具備している。第
２ベッセル２の周囲にも、必要ならヒータ８が設置され
る。第２ベッセル２の上端は、弁１ｏを介して第２ベッ
セル内上部を排気するための真空系とそこを加圧するた
めの不活性がス系に切替え自在に接続される。ここでは
、導通管４は、溶融金属の吸上げと降下を兼ねる単管方
式であり、原料純度と目標品質に応じて弁１０の操作に
より第２ベッセルの減圧及び加圧を繰り返すことにより
、溶融金属の精製がもたらされる０例えば、５〜３０回
減圧と加圧が繰り返される。

所定の操作後、鋳型３を通して鋳造が実施される。鋳型
３には最初、純鋼棒がをその挿入端が溶融金属供給側よ
り僅かに引っ込むようにして挿入されている。鋳型３の
一端は第１ベッセル底部に形成された凹入部に嵌入され
、溶融金属及び第１ベッセル壁からの熱により加温され
ている。補助ヒータ９が追加的熱を与えるために設置さ
れる。

鋳型３の他端は、冷却構造体１２により冷却される。鋳
型内部には、通路１５を通してＮ３等の不活性ガスが注
入される。不活性ガスが溶融金属側にのみ放出されるよ
うガスシール１６が設けられる。ピンチロール１７によ
り鋳造ロッドＲが引き抜かれる。

第１ベッセルは、Ｎａ、Ａｒ等の不活性ガス及びＣｏ、
Ｈｌ等の還元性ガスにより雰囲気制御される。導通管に
Ｎ２、Ａｒ等の不活性ガス及びＣ０１Ｈ２等の還元性ガ
ス吹き込みが為されつる。第１ベッセル溶融金属中にＮ
ａ、Ａｒ等の不活性ガス及びＣｏ、Ｈｚ等の還元性ガス
吹き込みが為されつる。

一端を溶融金属浴中に突出せしめそして他端を冷却構造
体に接触せしめた構造を有する鋳型を用いることにより
、別個の鋳型専用の加熱手段を用いる必要性が無くなり
、用いるとしても補助的なヒータで足り、過剰加熱の恐
れなく、鋳型の入り口側近くで凝固面を保持することが
可能となる。

これは、ブレークアウトの危険性を排除する。これはま
た、一方向凝固または単結晶化を容易に可能とする。

鋳型は、例えば、チッ化ケイ素、炭化ケイ素、黒鉛等の
熱良導体の耐火物製とすることが好ましい。

結晶粒の大きな鋳造体を安定して鋳造するためには、パ
ルス引き抜きが有用である。パルス引き抜きとは、一定
時間引き抜き停止を間に挟んで引き抜きを繰り返すもの
であり、例えば、２〜１０秒引き抜きを停止しつつ０．
１−１秒引き抜きを繰り返す断続的引き抜き方法である
。

好適な鋳造速度は、５〜１５０　ｍｍ／分であるが、特
にはｌＯ〜７０　ｍｍ／分が好ましい、これは、粒界の
極めて少ない鋳造体の安定した鋳造を可能ならしめる。

鋳造速度とは、引き抜き長さを引き抜き時間で割った値
であり、パルス引き抜きを採用する場合には、停止時間
と引き抜き時間との合計時間で引き抜き長さを割った値
である。

不活性ガスなの凝固界面近傍に吹き込むことにより、界
面近傍の温度勾配を一層大きくすることが出来、一方向
凝固または単結晶化を一段と容易ならしめる。また、通
路１５を通して鋳型の途中に不活性ガスを導入し、不活
性ガスにて鋳造物の表面を覆いながら不活性ガスを溶融
金属浴中に噴出させることにより、不活性ガスは溶融金
属浴を攪拌し、温度及び不純物成分のバラツキををなく
す作用を為す。

得られた鋳造ロッドは、管、シート等に必要に応じ更に
加工され得る。

別法としては、第２図に示すように、第１ベッセル底部
に水平方向に鋳型を設置することにより水平引き抜きを
行なうことも出来る。構成自体は第１図と同様である。

第３図は、また別の連続鋳造装置の例を示す。

第１図と同一の要素には同一の参照番号を付しである。

ここでは、第１図とは異なり、導通管が吸上げと降下を
別々に行なう循環式複管方式として示されている。導通
管４が吸上げ管であり、導通管５が降下管である。溶融
金属は、導通管４を通して吸上げられ、第２ベッセルに
て真空に曝された後導通管５を通して自重で降下する。

第２ベッセルには酸素吹き込み口２０が示され、また導
通管４には、不活性ガス羽口２１が設けである０番号２
３は添加剤投入口を示す。

更に、この例では、鋳型３が第１ベッセル壁中に完全に
埋入され、その一端は溶融金属中に突入している。その
ため、鋳型は充分に加熱されるので、補助ヒータは不要
である。

第４図は、第３図の水平引き抜きの場合を示すものであ
り、説明は省略する。

第５及び６図は、連続式の真空精製連続鋳造装置を示す
、第３〜４図と同じく、導通管が吸上げと降下を別々に
行なう循環式複管方式であり、両者の間に隔壁２４が設
けられている。吸上げ管としての導通管４は、３本から
構成される。供給口２６から溶融金属は連続的に供給さ
れ、隔壁の手前で導通管４を通して吸上げられ、第２ベ
ッセルにて真空に曝された後導通管５を通して自重で隔
壁の背後に降下する。第２ベッセルには酸素吹き込み口
２０が設けられ、また導通管４には、不活性ガス羽口２
１が設けである。更には、第１ベッセルの溶融金属浴中
に還元ガスを吹き込む羽口３０も装備されている。

こうした真空吸上げ乃至は循環方式による脱ガス方式と
一端を溶融金属中に突出し他端を冷却構造体に接した構
造の鋳型による鋳造方式と組合わせることにより高純度
で内部欠陥のない鋳造物が安全に且つ安定して得られる
。

Ｋ皿勇ユ 第１図に示した装置を用いて高純度電気鋼の溶解と鋳造
を実施した。グラファイト製第１ベッセルの底部に部分
突入状態で取り付けた１１ｍｍ径の孔を有するグラフ゛
アイト鋳型に外径１０．６ｍｍの純銅棒なその単が溶融
金属供給側より１ｃｍ内側となるように挿入した。溶融
金属供給側とは反対側に、設置した冷却構造体には８１
２／分の水を通じ、純銅の凝固位置を鋳型内の溶融金属
供給側に設定した。

第１ベッセルで２０ｋｇの高純度電気鋼を溶解し、直上
に設置されたアルミナ製第２ベッセル内を１ｍｍＨＨに
減圧し、そこに溶鋼を導入し、その後弁を切り替え不活
性ガスを吹き込むことにより溶鋼を第１ベッセルに戻し
た。この操作を２０回繰り返した。

鋳型にはＮ２ガスを導入し、溶融金属中に噴出させた。

凝固したロッドを連続的に０．５秒で２ｍｍ引き抜き、
その後４．５秒停止するピンチロールによりパルス引抜
きを行なった。

この結果得られた純銅は、一方向凝固組織のものであり
、結晶粒は極めて大きかった。

分析値は次の通りであった（単位ｐｐｍ）。

鋳造 ｕ　　　　　ロット Ｓ　　　　　　　　Ｏ，０５０，０５ Ｈ１，Ｑ＜０．５ ０　　　　　　　４．６　　　　　　　　　　＜１．０
に立廻ユ ５Ｎレベルの電気銅を溶解しその溶融鋼を第３図に示し
た装置に移行して、−高純度銅板の製造を行なった。第
１ベッセルの底部に取り付けた１２ｍｍ厚Ｘ１００ｍｍ
巾を有するグラファイト鋳型に純銅板を挿入し、その単
に溶融鋼が凝固するようにした。溶融金属供給側とは反
対側に、設置した冷却構造体には２０β／分の水を通じ
、純銅の凝固位置を鋳型内の溶融金属供給側に設定した
。

１００ｋｇの溶融鋼を第１ベッセルに装入し、直上に設
置されたＲＨタイプ第２ベッセルに０２ガスを流しつつ
、第２ベッセル内部をｌｍｍＨｇに保ち、吸い上げ用導
通管に設置された羽口よりＮ□ガスを２０４／分で吹き
込み３０分間保持した。その後、０２の流入を止め、３
０分間ｌｍｍＨｇに保持した。鋳型にはＮ２ガスを導入
し、溶融金属中に噴出させた。

凝固した板を１００ｍｍ／分でピンチロールによりパル
ス引抜きした。

分析値は次の通りであった（単位ｐｐｍ）。

−遣亘塁一　　　−晩１旦− ３１，６０，４ Ｈ１，０＜０．５ ０　　　　８、２　　　　　　２．５ に立勇ユ 通常の電気鋼を溶解し第５〜６図の装置を用いて、精製
鋳造した。実施条件は実施例２に準拠した。但し、第ベ
ッセル内の溶融金属中に羽口３０から還元ガスを吹き込
んだ０分析値は次のとおりであった。

１、ブレークアウトの危険がなく、一方向凝固乃至単結
晶組織の長尺金属島を得ることが出来る。

２、異物の混入、ピンホールのない長尺金属島を得るこ
とが出来る。

３、偏析の少ない一方向凝固乃至単結晶組繊の長尺金属
島を得ることが出来る。

４、鋳塊表面が撓めて滑らかである。

５、一方向凝固のため加工性が極めて良い。

６、結晶粒が大きな或は単結晶の長尺金属島を得ること
が出来る。

７、原料及び製品要求に応じて精製の程度を容易に調節
出来、融通性がある。

８、板材が直接鋳造が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、単管方式の垂直抜出し型精製鋳造装置の概略
垂直断面図である。 第２図は、水平抜出し型に変更した第１図の装置の鋳型
部分の断面図である。 第３図は、複管循環方式の垂直抜出し型精製鋳造装置の
概略垂直断面図である。 第４図は、水平抜出し型に変更した第３図の装置の鋳型
部分の断面図である。 第５図は、連続方式の水平抜出し型精製鋳造装置の概略
垂直断面図である。 第６図は、第５図の第１ベッセルを通しての水平断面図
である。 １　：第１ベッセル ２　：第２ベッセル ３　：鋳型 ４．５　：導通管 １２　：冷却構造体 Ｍ　：溶融金属 Ｒ：鋳造ロッド 、　　１　）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）第１ベッセルに溜められた溶融金属を、第２ベッセ
   ル内に吸引して精製した後、一端を該第１ベッセル内の
   溶融金属浴中に突出し且つ他端を冷却した鋳型を通して
   連続鋳造することを特徴とする連続鋳造方法。 ２）雰囲気制御可能な、溶融金属を溜める第１ベッセル
   と、該第１ベッセル内の溶融金属中に浸漬される導通管
   を具備する第２ベッセルと、該第２ベッセルを減圧及び
   加圧する手段と、一端を該第１ベッセル内の溶融金属浴
   中に突出し且つ他端を冷却構造体に接する鋳型とを具備
   する連続鋳造装置。