JP2000210757A - 非鉄金属鋳塊の縦型半連続鋳造用鋳型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋳型の製造コストが低く、鋳型の管理が容易
であり、そして、鋳型下部に生じるエアギヤップを低減
して、凝固殻が薄く、凝固殼厚さが安定し、発汗層等の
表面偏析層の発生が少ない鋳塊を得ると共に、湯面の上
下変動による伴う鋳造時の不安定性を無くことができる
非鉄金属鋳塊の縦型半連続鋳造用鋳型を提供する。 【解決手段】 底部が開放され、水室が設けられた水冷
鋳型に上方より金属溶湯を注入し、前記鋳型底部より凝
固金属を連続的に取り出す半連続鋳造用金属製水冷鋳型
において、前記水冷鋳型が上部鋳型と下部鋳型とから構
成されており、前記上部鋳型には溶融金属側壁面と水室
側壁面との間に、上部が開口するスリットが設けられ、
前記下部鋳型は溶融金属側壁面と水室側壁面が一体でつ
なぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は非鉄金属、特にアル
ミニウム及びアルミニウム合金の鋳塊の製造に使用され
る縦型半連続鋳造用鋳型に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、非鉄金属、例えばアルミニウム及
びアルミニウム合金の鋳塊を連続的に鋳造する方法とし
てＤＣ鋳造（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｈｉｌｌ Ｃａｓｔｉｎ
ｎｇ：ダイレクトチルキャスッティング）が知られてい
る。このＤＣ鋳造法は、図２に示すように、底部が開放
された銅系、アルミニウム系等の金属製水冷鋳型１に、
上方より金属溶湯１０を注入し、前記鋳型底部より凝固
金属３を連続的に取り出し、所定の長さの鋳塊を得るも
のである。

【０００３】このとき、金属溶湯１０は、樋４１からノ
ズル４２、フロート４３およびグラススクリーン（耐熱
スクリーン）４４を介して水冷鋳型３１内に供給され
る。このフロート４３は湯面制御と分配機能を有する浮
子であり、このフロート４３により、水冷鋳型３１内の
湯面高さが調整されるとともに、このフロート４３に設
けられた間隙によりノズル４２から供給された溶湯は水
冷鋳型３１内に分配される。なお、図２のフロート４３
の状態は、水冷鋳型３１内の湯面が所定の高さになり、
ノズル４２を塞いだ状態を示すものである。そして、グ
ラススクリーン４４は水冷鋳型３１内に供給された溶湯
中の介在物を除去するためのものである。

【０００４】水冷鋳型３１内に供給された金属溶湯３３
ａは、図３に示すように、この水冷鋳型３１の内壁面３
５ａに接することにより凝固殻３４が生成して凝固が進
行し、さらに、鋳型下部の冷却水噴出口３８から冷却水
４５が直接、鋳塊３２表面に噴射され連続的に鋳塊が製
造される。この製造された鋳塊は、多くの場合、表面層
の凹凸や、偏析等を取り除くために面削されて、後工程
の圧延や押出等に供される。

【０００５】しかし、このＤＣ鋳造法では、フロートに
よる出湯量の制御に限界があり、水冷鋳型内の湯面高さ
が変動しやすいため、鋳型内壁面からの抜熱時間および
抜熱量が増減して、凝固殻の厚さが変化する。さらに、
この凝固殻の生成に伴う収縮により、図３に示すよう
に、鋳型内壁面３５ａと鋳塊３２の表面の凝固殻３４と
の間にエアギヤップ３９と呼ばれる空隙が生じ、水冷鋳
型３１の下部での鋳塊３２の抜熱がほとんどできなくな
る。このため、鋳塊内部の熱により一旦生じた凝固殻が
再溶融し凝固殻が薄くなり、さらには表面に発汗現象と
呼ばれる濃化溶質の浸みだし現象（逆偏析現象）が生じ
る。これらの現象は、湯面高さ変動や、金属製の水冷鋳
型を用いたＤＣ鋳造に起因するもので、制御が非常に難
しいものである。

【０００６】この結果、鋳塊の各部位により、凝固殻の
厚さ、化学組成、組織が異なり、圧延や押し出し等の加
工の際に、製品表面に筋模様や組織むらを生じることに
なる。したがって、鋳塊の面削工程では、鋳塊表面の不
均一部分を全て面削する必要があり、さらに、このとき
の面削深さの予測も困難な場合が多い。このため、凝固
殼だけでなく、鋳塊内部の正常部まで削り取る必要が生
じて材料歩留が著しく低下する問題がある。

【０００７】このＤＣ鋳造法の改良として、気体加圧鋳
造法（例えば、特開昭５４−４２８４７号公報、特開昭
５４−１３２４３０号公報、特開昭６１−３７３５２号
公報）が提案されている。これらの方法は鋳型上部でほ
とんど凝固殻を生じさせず、鋳型下部において鋳型冷却
と直接水冷部からの冷却によって初めて凝固殻を発生さ
せるものである。このため、前記エアギヤップも生じに
くく、凝固殻の厚さが均一になり、鋳塊表面の凹凸も少
なくなるので、従来のＤＣ鋳造法よりも面削量を減少で
きる。ここで、特開昭５４−４２８４７号公報の方法
は、水冷鋳型上に耐火物製溶湯受槽を設けた。この溶湯
受槽の内周下端面が前記鋳型の内周面より内側に張出し
てオーバーハング部を形成し、前記鋳型及び前記溶湯受
槽に金属溶湯を注入し、前記オーバーハング部直下に気
体を導入し、金属溶湯外周面に気体圧を印加させて、金
属溶湯外周面が冷却鋳型と接触する位置を鋳型の下方へ
押し下げて、鋳型軸方向における溶湯の接触長さを短く
するものである。特開昭５４−１３２４３０号公報の方
法は、水冷鋳型の内周面上に同心円状のスリーブを配置
し、前記鋳型内周面とスリーブ外周面によって形成され
る隔室内に入り込む金属メニスカス面に気体圧を印加
し、鋳型中の金属溶湯量の変動とは独立して溶湯と鋳型
の軸方向における接触長さを制御するものである。特開
昭５４−１３２４３０号公報の方法は、前記ホットトッ
プ鋳造法よりもさらに設備が複雑となる。そして、これ
らの鋳造法は、ホットトップ鋳造法の改良型である。

【０００８】しかしながら、これらの方法は設備が複雑
となりメンテナンスが難しいという問題がある。例え
ば、特開昭５４−４２８４７号公報の方法では、耐火物
製溶湯受槽のメンテナンスや、鋳型と耐火物製溶湯受槽
の境における溶湯の差込等、装置の劣化に伴う不具合が
生じやすいという問題がある。また、電磁界鋳造法も一
部使用されているが、設備がさらに複雑かつ極めて高価
である上、溶湯表面の酸化膜が鋳塊表面に巻き込まれ易
く表面品質が悪化しやすい問題がある。

【０００９】そこで、上述の問題点を改善するために、
従来のＤＣ鋳造法に用いられる金属製の水冷鋳型を上段
鋳型と下段鋳型の２段構造として、上段鋳型の鋳型内壁
を下段鋳型の鋳型内壁より厚くしたＤＣ鋳造用鋳型（特
開平９−９９３４４号公報）が提案されている。この水
冷鋳型は、上段鋳型の溶融金属側の壁厚を充分に厚くす
るとともに上段鋳型内の一次冷却水は鋳型矩形側から流
入して鋳型全周の多数の流出口から外側に排出し、下段
鋳型の溶融金属側の壁厚を充分に薄くするとともに下段
鋳型内の二次冷却水は鋳型矩形側から流入して鋳型下部
内方全周から凝固金属に放射冷却するものである。

【００１０】すなわち、上段鋳型の溶融金属側の壁厚を
厚くして、鋳型による溶融金属に対する抜熱量を低減さ
せることで、鋳型上部の凝固殻を薄くし、鋳型下部で優
先的に凝固殻を生成させることにより、最外周のチル層
（凝固殻）と粗大セル層とからなる額縁組織（特開平９
−９９３４４号公報の中で定義）の厚さを薄くするもの
である。この額縁組織の厚さを薄くできるため圧延スラ
ブの製造歩留りを著しく向上することができ、鋳塊の製
造コストが安く、管理が容易であると記載されている。

【００１１】しかしながら、この方法でも上段鋳型と下
段鋳型のそれぞれに冷却水を供給する複雑な形状の水冷
鋳型となり、鋳型の製作費が高価となり、冷却水の制御
等のメンテナスも複雑となる問題がある。さらに、この
方法では、湯面の上下変動に伴う鋳造時の不安定性が解
決されていない。すなわち、湯面変動に伴う凝固殻の厚
さの変動やエアギャップの発生領域の増大等の問題が依
然残っている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、 鋳型の製造コストが低く、鋳型の保守管理が容易であ
り、そして、 鋳型下部に生じるエアギヤップを低減して、凝固殻が
薄く、凝固殼厚さが安定し、発汗層等の表面偏析層の発
生が少ない鋳塊を得ると共に、 湯面の上下変動に伴う鋳造時の凝固の不安定性を無く
ことができる 非鉄金属鋳塊の縦型半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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明は、底部が開放され、水室が設けられた
水冷鋳型に上方より金属溶湯を注入し、前記鋳型底部よ
り凝固金属を連続的に取り出す半連続鋳造用金属製水冷
鋳型において、前記水冷鋳型が上部鋳型と下部鋳型から
構成されており、前記上部鋳型は溶融金属側壁面と水室
側壁面との間を切り離す上部のみが開口するスリットが
設けら、前記下部鋳型は溶融金属側の壁と水室側の壁が
一体でつながれていることを特徴とするものである。水
冷鋳型を上部鋳型と下部鋳型から構成し、上部鋳型に溶
融金属側壁面と水室側壁面との間を切り離す上部のみが
開口するスリットが設け、下部鋳型は溶融金属側壁面と
水室側壁面を一体につながれることによって、鋳型上部
での鋳型からの溶融金属に対する抜熱量を低減させて、
鋳型下部で優先的に凝固殻を生成させることにより、エ
アギヤップを低減して、凝固殻が薄く、凝固殼厚さが安
定し、発汗層等の表面偏析層の発生が少ない鋳塊を得る
ことができる。さらに、上部鋳型に溶融金属側の壁と水
室側の壁との間を切り離す上部のみが開口するスリット
により、湯面の上下変動による鋳造時の不安定性を抑制
することができる。この作用については、後述する。

【００１４】このとき、スリットの下端は前記水冷鋳型
内の金属溶湯の湯面位置より低い位置に設けられること
により、上記効果（凝固殻の厚さが薄く安定、エアギヤ
ップの低減等）がより生じやすいので好ましい。さら
に、本発明の非鉄金属鋳塊の縦型半連続鋳造用鋳型はア
ルミニウム及びアルミニウム合金溶湯の鋳造に用いるこ
とが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図１によ
り説明する。図１に示すように、本発明の縦型半連続鋳
造用鋳型（水冷鋳型）１は上部鋳型１４ａと下部鋳型１
４ｂとから構成されている。上部鋳型１４ａには溶融金
属側壁面（以下、「溶湯接触壁面」と称す。）１２ａと
水室側壁面（以下、「水冷壁面」と称す。）１３ａとの
間の鋳型内壁５に、連続的に溶湯接触壁面１２ａを取り
囲む、上部が開口するスリット１１が設けられている。
そして、下部鋳型１４ｂは溶湯接触壁面１２ａと水冷壁
面１３ａとは鋳型内壁５ａで一体でつながれている構成
となっている。この下部鋳型１４ｂに冷却水噴出口８が
設けられており、この冷却水噴出口８から冷却水を鋳塊
２表面に噴射する構成となっている。また、この冷却水
噴出口８は、水冷鋳型１の水室６とつながっており、こ
の水室６へは７の冷却水流入口より冷却水が供給され
る。

【００１６】次に、本発明の縦型半連続鋳造用鋳型の作
用について説明する。本発明の縦型半連続鋳造用鋳型
は、水冷鋳型１の上面から鋳型内壁５内にスリット１１
を設けて、鋳型上部１４ａの鋳型内壁５を溶湯接触壁１
２と水冷壁１３に分割するものである。このスリット１
１により、溶湯接触壁１２と水冷壁１３との熱移動を抑
制するものである。このため、鋳型上部１４ａでの溶融
金属２からの熱は、鋳型上部１４ａの溶湯接触壁１２か
ら鋳型下部１４ｂの鋳型内壁５ａへ移動し、そして、こ
の鋳型内壁５ａから水室６へ移動することとなる。すな
わち、溶融金属２の抜熱は、水室６とつながっている鋳
型下部１４ｂからの伝熱による抜熱が支配的となる。

【００１７】この結果、溶湯接触壁１２は、上部が高温
で、下部が低温となる温度分布が生じる。したがって、
鋳型上部１４ａの溶湯湯面１０付近での溶湯接触壁１２
が高温となるため、溶融金属２からの抜熱量が少なくな
り、この部分での凝固殻が発生しにくく、ほとんど成長
することがない。一方、鋳型下部１４ｂの鋳型内壁面５
ｂは、水室６から近く大きな抜熱能力がある。したがっ
て、溶融金属は、この位置に到達して、初めて凝固殻が
成長し始めることとなる。さらに、鋳型上部１４ａで
は、凝固殻の発生が生じにくく、たとえ凝固殻が生じて
も、この凝固殻は薄く、高温であるために、溶融金属の
静水圧により、溶湯接触壁面１２ａと接触するため、エ
アギヤップ９の生成が抑制される。

【００１８】すなわち、鋳型上部での鋳型からの溶融金
属に対する抜熱量を低減させて、鋳型下部で優先的に凝
固殻を生成させることにより、エアギヤップを低減し
て、凝固殻が薄く、凝固殼厚さが安定し、発汗層等の表
面偏析層の発生が少ない鋳塊を得ることができるもので
ある。

【００１９】さらに、本発明の縦型半連続鋳造用鋳型の
スリットの作用について、図１により説明する。溶湯接
触壁１２は鋳型下部１４ｂの鋳型内壁５ａにのみ支持さ
れており、溶湯接触壁が溶湯金属と接触することによ
り、溶湯接触壁の温度が高くなり、溶湯金属と接触する
溶湯接触壁が、図１中のｘ方向へ膨張する。この結果、
鋳型上部１４ａの開口部が広がり、鋳塊が収縮して発生
するエアギヤップを埋めるような下すぼみのテーパ形状
を呈することになる。したがって、エアギヤップが発生
しても、エアギヤップ量は従来の水冷鋳型よりも小さく
なるので、エアギヤップ部での抜熱量の低下が少なく、
凝固殻の再溶融に伴う発汗現象が防止できる。

【００２０】さらに、溶湯湯面が上昇した時、鋳型接触
壁と高温の溶融金属の接触面が増加するため、溶湯接触
壁の温度がさらに上昇し、ｘ方向への膨張量が増加す
る。この結果、鋳型上部１４ａの開口部がさらに広がる
こと（開口部の面積が増加）により、上昇した湯面が低
下する。一方、溶湯湯面が低下したときには逆の作用が
おこり、すなわち、鋳型上部１４ａの開口部が狭くなる
ことにより溶湯湯面が上昇する。この作用により、湯面
の上下変動が起こったとしても、本発明の縦型半連続鋳
造用鋳型は、湯面の変動量を緩和することができるた
め、鋳造時の不安定性が解決される。すなわち、湯面の
変動量を緩和することにより、鋳型内壁面との接触時間
が等しくでき、凝固殼厚さの変化を少なくすることがで
きる。さらに、湯面変動に伴うエアギャップの発生を抑
制し鋳造作業の不安定性を低減できる。

【００２１】このとき、溶湯接触壁のｘ方向への膨張量
や、鋳型抜熱能力は、スリットの深さや幅を適宜変えて
調整することが可能であり、凝固殻の発生位置の調整や
湯面の変動量をさらに緩和することができる。さらに、
スリット部に空気以外に水、油等の他の流体を満たして
鋳型抜熱能力を変化させることもできる。

【００２２】

【実施例】以下に、図１に示す本発明の縦型半連続鋳造
用鋳型を用いて、アルミニウム合金の鋳塊を製造した実
施例１〜実施例３を説明する。 （実施例１）本発明の実施例１の鋳造条件を次に示す。 鋳型形状（図１参照） ・鋳型の長さ（１５） ：１２０ｍｍ ・溶湯接触壁厚さ（１８）：８ｍｍ ・水冷壁厚さ（１９） ：５ｍｍ ・スリット厚さ（１７） ：５ｍｍ ・スリット深さ（１６） ：９０ｍｍ ・スリットの雰囲気 ：空気 鋳型サイズ ：矩形５００ｍｍ×１５００ｍｍ 鋳造金属 ：アルミニウム合金 ＪＩＳ規格３００
４合金 注湯温度 ：７００℃ 鋳造速度 ：５０ｍｍ／ｍｉｎ 湯面高さ ：鋳型上面から４０ｍｍ（スリット下端
位置が湯面より５０ｍｍ下方） 湯面制御 ：フロート方式 冷却水温度 ：２５℃ 冷却水供給量：１．０ｍ³ ／ｍｉｎ（鋳型に供給され
る全水量）

【００２３】このときの比較例は、図３に示す従来の縦
型半連続鋳造用鋳型を用いて、アルミニウム合金の鋳塊
を製造した。比較例の鋳型形状は以下の通りで、他の鋳
造条件（前記〜）は実施例１と同じである。 鋳型形状（図２参照） ・鋳型長さ（４７） ：１２０ｍｍ ・溶湯接触壁厚さ（４８）：１０ｍｍ（鋳型内壁３５の
厚さ） ・スリット：無し

【００２４】上記条件により鋳造された、実施例１と比
較例のアルミニウム合金鋳塊について、鋳塊の凝固殻の
厚さと、鋳造定常部における鋳塊の発汗現象（逆偏析現
象）を調査した。実施例１の凝固殻の厚さは８ｍｍ±１
ｍｍとなり、比較例の凝固殻の厚さ（１４ｍｍ±３ｍ
ｍ）より薄くでき、バラツキも少なくなることを確認し
た。そして、発汗部の鋳塊表面積に対する比率は、比較
例では約８０％であったのが約５％と極めて減少できる
ことが判明した。この結果、本発明の縦型半連続鋳造用
鋳型を用いることにより、鋳塊の面削工程において、面
削量を低減して材料歩留を向上させるだけでなく、従
来、２回面削のところを１回面削に減らすことができる
ため、面削時間を著しく短縮でき、鋳塊の生産性も向上
することが明らかになった。

【００２５】（実施例２）次に、本発明の実施例２を説
明する。実施例２は、の鋳型形状のスリット深さ（１
６）を６０ｍｍ（スリット下端位置が湯面より２０ｍｍ
下方）にした以外、実施例１と同じ鋳造条件である。す
なわち、本実施例ではスリット下端位置を実施例１のス
リット下端位置より上方に設けたものである。このた
め、実施例２の条件により鋳造されたアルミニウム鋳塊
の凝固殻厚さは、１１ｍｍ±２ｍｍとなり、鋳造定常部
での発汗部の鋳塊表面積に対する比率は約１５％とな
り、実施例１より改善効果は少ないが、前述の比較例の
結果より優れていることを確認した。

【００２６】（実施例３）次に、本発明の実施例３を説
明する。実施例３は、円筒形鋳型（直径３００ｍｍ）を
用い、実施例１と同じ鋳造条件である。の鋳型形状
（図１参照）も、同じ構成である。上記条件により鋳造
されたアルミニウム鋳塊の凝固殻厚さは、９ｍｍ±１ｍ
ｍとなり、鋳造定常部での発汗部の鋳塊表面積に対する
比率は約１０％となり、前述の比較例より改善できるこ
とを確認した。このように、本発明の縦型半連続鋳造用
鋳型の形状は矩形、円筒形等、どの様な断面形状の鋳型
にでも採用可能である。

【００２７】本実施例で用いた縦型半連続鋳造用鋳型
は、比較例の縦型半連続鋳造用鋳型と比べて、鋳型の製
作、鋳型のメンテナンス性、鋳造方案の難度等はほとん
ど変わらなかった。

【００２８】本実施例に用いたアルミニウム合金（ＪＩ
Ｓ規格３００４合金）だけでなく、アルミニウムや他の
アルミニウム合金、さらには、Ｃｕ合金を始めとする非
鉄金属の鋳型の製造に用いることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の縦型半
連続鋳造用鋳型は、鋳型の製造コストが低く、鋳型の管
理が容易であり、そして、鋳型下部に生じるエアギヤッ
プを低減して、凝固殻が薄く、凝固殼厚さが安定し、発
汗層等の表面偏析層の発生が少ない鋳塊を得ると共に、
湯面の上下変動による伴う鋳造時の不安定性を無く効果
があり、工業的に顕著な効果が得られるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の縦型半連続鋳造用鋳型の詳細縦断面図
である。

【図２】縦型半連続鋳造用鋳型を用いたＤＣ連続鋳造法
の概略を示す図である。

【図３】従来の縦型半連続鋳造用鋳型の詳細縦断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 水冷鋳型 ２ 鋳塊 ３ａ 溶融金属 ３ｂ 凝固金属 ４ 凝固殻 ５ 鋳型内壁 ５ａ 鋳型下部の鋳型内壁 ５ｂ 鋳型下部の鋳型内壁面 ６ 水室 ７ 冷却水流入口 ８ 冷却水噴出口 ９ エアギヤップ １０ 溶湯湯面 １１ スリット １２ 溶湯接触壁 １２ａ 溶湯接触壁面 １３ 水冷壁 １３ａ 水冷壁面 １４ａ 鋳型上部 １４ｂ 鋳型下部 １５ 鋳型長さ １６ スリット深さ １７ スリット厚さ １８ 溶湯接触壁厚さ １９ 水冷壁厚さ ２０ スリット下端 ３１ 水冷鋳型 ３２ 鋳塊 ３３ａ 溶融金属 ３３ｂ 凝固金属 ３４ 凝固殻 ３５ 鋳型内壁 ３６ 水室 ３７ 冷却水流入口 ３８ 冷却水噴出口 ３９ エアギヤップ ４０ 溶湯 ４１ 樋 ４２ ノズル ４３ フロート ４４ グラススクリーン ４５ 冷却水 ４６ 底金 ４７ 鋳型長さ ４８ 溶湯接触壁厚さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 徳田 健二 栃木県真岡市鬼怒ケ岡15番地 株式会社神 戸製鋼所真岡製造所内 Ｆターム(参考） 4E004 AA10 AC01 NC08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 底部が開放され、水室が設けられた水冷
   鋳型に上方より金属溶湯を注入し、前記鋳型底部より凝
   固金属を連続的に取り出す半連続鋳造用金属製水冷鋳型
   において、 前記水冷鋳型が上部鋳型と下部鋳型とから構成されてお
   り、 前記上部鋳型には溶融金属側壁面と水室側壁面との間
   に、上部が開口するスリットが設けられ、 前記下部鋳型は溶融金属側壁面と水室側壁面が一体でつ
   ながれていることを特徴とする非鉄金属鋳塊の縦型半連
   続鋳造用鋳型。
2. 【請求項２】 前記のスリットの下端が前記水冷鋳型内
   の金属溶湯の湯面位置より低い位置に設けられる請求項
   １に記載の非鉄金属鋳塊の縦型半連続鋳造用鋳型。
3. 【請求項３】 前記金属がアルミニウム及びアルミニウ
   ム合金であることを特徴とする請求項１又は請求項２に
   記載の非鉄金属鋳塊の縦型半連続鋳造用鋳型。