JP2014104468A - 引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より鋳造速度が速く生産性に優れる引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る引上式連続鋳造装置は、溶湯Ｍ１を保持する保持炉１０１と、保持炉１０１に保持された溶湯Ｍ１の湯面近傍に設置され、溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材１０２と、形状規定部材１０２を通過した溶湯Ｍ２を冷却し、凝固させる冷却部１０６と、形状規定部材を通過した溶湯Ｍ２に対し、空気よりも酸素濃度が高い高酸素ガスを供給するノズル１０７と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法に関する。

特許文献１には、鋳型を要しない画期的な引上式連続鋳造方法として、自由鋳造方法が提案されている。特許文献１に示したように、溶融金属（溶湯）の表面（すなわち湯面）にスタータを浸漬させた後、当該スタータを引き上げると、溶湯の表面膜や表面張力によりスタータに追従して溶湯も導出される。ここで、湯面近傍に設置された形状規定部材を介して、溶湯を導出し、冷却することにより、所望の断面形状を有する鋳物を連続鋳造することができる。

通常の連続鋳造方法では、鋳型によって断面形状とともに長手方向の形状も規定される。とりわけ、連続鋳造方法では、鋳型内を凝固した金属（すなわち鋳物）が通り抜ける必要があるため、鋳造された鋳物は長手方向に直線状に延びた形状となる。
これに対し、自由鋳造方法における形状規定部材は、鋳物の断面形状のみを規定し、長手方向の形状は規定しない。そして、形状規定部材は、湯面に平行な方向（すなわち水平方向）に移動可能であるから、長手方向の形状が様々な鋳物が得られる。例えば、特許文献１には、長手方向に直線状でなく、ジグザグ状あるいは螺旋状に形成された中空鋳物（すなわちパイプ）が開示されている。

特開２０１２−６１５１８号公報

発明者は以下の課題を見出した。
特許文献１に記載の自由鋳造方法では、鋳造速度を上昇させると、鋳物の寸法ばらつきが大きくなる。そのため、鋳造速度を上げることができず、生産性に劣る問題があった。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、より鋳造速度が速く生産性に優れる引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造装置は、
前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却し、凝固させる冷却部と、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯に対し、空気よりも酸素濃度が高い高酸素ガスを供給するノズルと、を備えているものである。このような構成により、鋳造速度を速め、生産性を向上させることができる。

前記ノズルは、前記形状規定部材を通過した前記溶湯の周囲に複数設けられていることが好ましい。これにより、より確実に鋳造速度を速めることができる。
また、前記ノズルは、前記高酸素ガスの供給を停止するための開閉弁を備えていることが好ましい。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造方法は、
保持炉に保持された溶湯を、スタータにより前記溶湯の表面から導出し、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を介して引き上げるステップと、
前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却し、凝固させるステップと、を備え、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯に対し、空気よりも酸素濃度が高い高酸素ガスを供給するものである。このような構成により、鋳造速度を速め、生産性を向上させることができる。

鋳造を終了する際、前記高酸素ガスの供給を停止した後、前記形状規定部材を通過した前記溶湯と前記鋳物とを切り離すことが好ましい。あるいは、鋳造を終了する際、前記高酸素ガスから非酸化ガスの供給に切り換えた後、前記形状規定部材を通過した前記溶湯と前記鋳物とを切り離すことが好ましい。

本発明により、より鋳造速度が速く生産性に優れる引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法を提供することができる。

実施の形態１に係る自由鋳造装置の断面図である。 内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの平面図である。 外部冷却ガスノズル１０６及び外部酸化ガスノズル１０７の平面配置関係の一例を示す平面図である。 実施例及び比較例における厚さのばらつきを比較して示すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
まず、図１を参照して、実施の形態１に係る自由鋳造装置（引上式連続鋳造装置）について説明する。図１は、実施の形態１に係る自由鋳造装置の断面図である。図１に示すように、実施の形態１に係る自由鋳造装置は、溶湯保持炉１０１、内部形状規定部材１０２ａ、外部形状規定部材１０２ｂ、二重ガスノズル１０３、支持ロッド１０４、アクチュエータ１０５、外部冷却ガスノズル１０６、外部酸化ガスノズル１０７を備えている。ここで、二重ガスノズル１０３は、内部冷却ガスノズル１０３ａ及び内部酸化ガスノズル１０３ｂを備えている。

溶湯保持炉１０１は、例えばアルミニウムやその合金などの溶湯Ｍ１を収容し、所定の温度に保持する。図１の例では、鋳造中に溶湯保持炉１０１へ溶湯を補充しないため、鋳造の進行とともに溶湯Ｍ１の表面（つまり湯面）は低下する。他方、鋳造中に溶湯保持炉１０１へ溶湯を随時補充し、湯面を一定に保持するような構成としてもよい。なお、当然のことながら、溶湯Ｍ１は他のアルミニウム以外の金属や合金であってもよい。

内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂは、例えばセラミックスやステンレスなどからなり、湯面近傍に配置されている。図１の例では、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂが湯面に接触するように配置されている。内部形状規定部材１０２ａは、鋳造する鋳物Ｍ３の内部形状を規定し、外部形状規定部材１０２ｂは、鋳造する鋳物Ｍ３の外部形状を規定する。また、外部形状規定部材１０２ｂは、溶湯Ｍ１の表面に形成される酸化膜や溶湯Ｍ１の表面に浮遊する異物の鋳物Ｍ３への混入を防止する。

図１に示した鋳物Ｍ３は、水平方向の断面（以下、横断面と称す）の形状が管状の中空鋳物（つまりパイプ）である。すなわち、より具体的には、内部形状規定部材１０２ａは、鋳物Ｍ３の横断面の内径を規定し、外部形状規定部材１０２ｂは、鋳物Ｍ３の横断面の外径を規定する。

図２は、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの平面図である。ここで、図１の内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの断面図は、図２のＩ−Ｉ断面図に相当する。図２に示すように、外部形状規定部材１０２ｂは、例えば矩形状の平面形状を有し、中央部に円形状の開口部を有している。内部形状規定部材１０２ａは、円形状の平面形状を有し、外部形状規定部材１０２ｂの開口部の中央部に配置されている。内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの間の間隙が、溶湯が通過する溶湯通過部１０２ｃとなる。このように、内部形状規定部材１０２ａ、外部形状規定部材１０２ｂ、溶湯通過部１０２ｃから形状規定部材１０２が構成されている。なお、内部形状規定部材１０２ａの中央部には、二重ガスノズル１０３が配置されている。

図１に示すように、溶湯Ｍ１は、その表面膜や表面張力により鋳物Ｍ３に追従して引き上げられ、形状規定部材１０２の溶湯通過部１０２ｃを通過する。すなわち、溶湯Ｍ１が形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３を通過することにより、溶湯Ｍ１に対し形状規定部材１０２（内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂ）から外力が印加され、鋳物Ｍ３の断面形状が規定される。ここで、溶湯の表面膜や表面張力によって、鋳物Ｍ３に追従して湯面から引き上げられた溶湯を保持溶湯Ｍ２と呼ぶ。また、鋳物Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との界面が凝固界面である。

二重ガスノズル１０３は、内部形状規定部材１０２ａの中央部に接続され、内部形状規定部材１０２ａを支持している。ここで、二重ガスノズル１０３の内側に設けられた小径の内部冷却ガスノズル１０３ａは、鋳物Ｍ３の中央部から鋳物Ｍ３に冷却ガス（空気、窒素、アルゴンなど）を吹き付け、鋳物Ｍ３を内部から冷却している。

一方、二重ガスノズル１０３の外側に設けられた大径の内部酸化ガスノズル１０３ｂは、空気よりも酸素濃度の高いガス（以下、単に「高酸素ガス」ともいう）を低流速で導入している。これにより、鋳物Ｍ３内側の保持溶湯Ｍ２の表面における酸化膜の形成が促進され、保持溶湯Ｍ２を保持する力が高まる。そのため、鋳造速度を上げた場合の鋳物Ｍ３の寸法精度が向上する。すなわち、鋳造速度を上げることができ、生産性が向上する。なお、この高酸素ガスは冷却を意図するものではない。

また、鋳造を終了する際、高酸素ガスの供給を止めると、保持溶湯Ｍ２の表面における酸化膜の形成が促進されなくなり、保持溶湯Ｍ２と鋳物Ｍ３とを切り離し易くなり好ましい。内部酸化ガスノズル１０３ｂに開閉弁を設ければよい。あるいは、鋳造終了直前に、高酸素ガスから非酸化ガス（例えば、窒素、アルゴンなど）に切り換えると、逆に保持溶湯Ｍ２の表面における酸化膜の形成が抑制され、保持溶湯Ｍ２と鋳物Ｍ３とをさらに切り離し易くなる。

支持ロッド１０４は、外部形状規定部材１０２ｂを支持する。二重ガスノズル１０３、支持ロッド１０４により、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの位置関係を維持することができる。

アクチュエータ１０５には、二重ガスノズル１０３及び支持ロッド１０４が連結されている。アクチュエータ１０５によって、二重ガスノズル１０３及び支持ロッド１０４は、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの位置関係を維持したまま、上下方向（鉛直方向）及び水平方向に移動可能である。このような構成により、鋳造の進行による湯面の低下とともに、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを下方向に移動させることができる。また、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを水平方向に移動させることができるため、鋳物Ｍ３の長手方向の形状を自由に変化させることができる。

外部冷却ガスノズル（外部冷却部）１０６は、鋳物Ｍ３の外部から鋳物Ｍ３に冷却ガス（空気、窒素、アルゴンなど）を吹き付け、冷却するためのものである。スタータＳＴに連結された引上機（不図示）により鋳物Ｍ３を引き上げつつ、冷却ガスにより鋳物Ｍ３を冷却することにより、凝固界面近傍の保持溶湯Ｍ２が順次凝固し、鋳物Ｍ３が形成されていく。

外部酸化ガスノズル１０７は、高酸素ガスを低流速で導入している。これにより、鋳物Ｍ３外側の保持溶湯Ｍ２の表面における酸化膜の形成が促進され、保持溶湯Ｍ２を保持する力が高まる。そのため、鋳造速度を上げた場合の鋳物Ｍ３の寸法精度が向上する。すなわち、鋳造速度を上げることができ、生産性が向上する。なお、この高酸素ガスは冷却を意図するものではない。

また、鋳造終了直前に、高酸素ガスの供給を止めると、保持溶湯Ｍ２の表面における酸化膜の形成が促進されなくなり、保持溶湯Ｍ２と鋳物Ｍ３とを切り離し易くなり好ましい。外部酸化ガスノズル１０７に開閉弁を設ければよい。あるいは、鋳造終了直前に、高酸素ガスから非酸化ガス（例えば、窒素、アルゴンなど）に切り換えると、逆に保持溶湯Ｍ２の表面における酸化膜の形成が抑制され、保持溶湯Ｍ２と鋳物Ｍ３とをさらに切り離し易くなる。

図３は、外部冷却ガスノズル１０６及び外部酸化ガスノズル１０７の平面配置関係の一例を示す平面図である。図３の例では、８本の外部冷却ガスノズル１０６が鋳物Ｍ３の周囲を４５°間隔で放射状に取り囲むように配置されている。また、８本の外部酸化ガスノズル１０７も鋳物Ｍ３の周囲を４５°間隔で放射状に取り囲むように配置されている。全体として、８本の外部冷却ガスノズル１０６と８本の外部酸化ガスノズル１０７とが交互に略等間隔（２２．５°間隔）に放射状に配置されている。

次に、図１を参照して、実施の形態１に係る自由鋳造方法について説明する。
まず、スタータＳＴを降下させ、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの間の溶湯通過部１０２ｃを通して、スタータＳＴの先端部を溶湯Ｍ１に浸漬させる。スタータＳＴとしては鋳物Ｍ３と同じ断面形状を有し、長手方向に直線状に延びたものを用いることが好ましい。

次に、所定の速度でスタータＳＴの引き上げを開始する。ここで、スタータＳＴが湯面から離間しても、表面膜や表面張力によって、スタータＳＴに追従して湯面から引き上げられた保持溶湯Ｍ２が形成される。図１に示すように、保持溶湯Ｍ２は、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの間の溶湯通過部１０２ｃに形成される。つまり、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとにより、保持溶湯Ｍ２に形状が付与される。実施の形態１に係る自由鋳造方法では、内部酸化ガスノズル１０３ｂ及び外部酸化ガスノズル１０７により、高酸素ガスを低流速で導入している。そのため、保持溶湯Ｍ２の表面における酸化膜の形成が促進され、保持溶湯Ｍ２を保持する力が高まっている。

次に、スタータＳＴは、内部冷却ガスノズル１０３ａ及び外部冷却ガスノズル１０６から吹き出される冷却ガスにより冷却されているため、保持溶湯Ｍ２が上側から下側に向かって順に凝固し、鋳物Ｍ３が成長していく。このようにして、鋳物Ｍ３を連続鋳造することができる。また、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを水平方向に移動させることにより、鋳物Ｍ３に屈曲部を付与することができる。なお、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを水平方向に移動させる代わりに、引上機に固定されたスタータＳＴを水平方向に移動させてもよい。あるいは、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂと、スタータＳＴとを水平面内において反対方向に移動させてもよい。

（実施例）
次に、実施の形態１に係る具体的な実施例について説明する。
外径３０ｍｍφ、内径２４ｍｍφ、厚さ３ｍｍの設計寸法を有し、アルミニウム合金Ａ６０６３からなるパイプを図１に示した自由鋳造装置を用いて鋳造した。溶湯温度は７０５±５℃とした。内部冷却ガスノズル１０３ａにおける冷却ガス（空気）流量は２Ｌ／ｍｉｎ、８本の外部冷却ガスノズル１０６における冷却ガス流量は合計８Ｌ／ｍｉｎとした。また、内部酸化ガスノズル１０３ｂにおける酸素ガス流量は０．５Ｌ／ｍｉｎ、８本の外部酸化ガスノズル１０７における酸素ガス流量は合計０．５Ｌ／ｍｉｎとした。外部冷却ガスノズル１０６の先端部の外部形状規定部材１０２ｂからの高さＨ１＝３０ｍｍ、鋳物Ｍ３との距離Ｌ１＝１０ｍｍとした。外部酸化ガスノズル１０７の先端部の外部形状規定部材１０２ｂからの高さＨ２＝５ｍｍ、保持溶湯Ｍ２との距離Ｌ２＝２０ｍｍとした。引上速度は５０ｍｍ／ｍｉｎと１００ｍｍ／ｍｉｎとの２種類とした。２種類の引上速度で鋳造した長さ２００ｍｍパイプについて、円周方向４箇所×長手方向２０箇所＝８０箇所における厚さのばらつきを調査した。

（比較例）
内部酸化ガスノズル１０３ｂ及び８本の外部酸化ガスノズル１０７において酸素ガスを流さなかったこと以外は実施例と同様の条件で鋳造したパイプについて、厚さのばらつきを調査した。

図４は、実施例及び比較例における厚さのばらつきを比較して示すグラフである。図４に示すように、引上速度５０ｍｍ／ｍｉｎ、１００ｍｍ／ｍｉｎのいずれにおいても、実施例では比較例に比べ、パイプ厚さのばらつきが小さかった。特に、引上速度１００ｍｍ／ｍｉｎの場合、比較例におけるパイプ厚さのばらつきが大きい（特に薄肉化してしまう）のに対し、実施例では比較例における引上速度５０ｍｍ／ｍｉｎの場合と同程度の値及びばらつきであった。このように、保持溶湯Ｍ２の周囲を酸化雰囲気とすることにより、鋳造速度を上げることが可能となり、生産性を向上させることができた。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０１ 溶湯保持炉
１０２ 形状規定部材
１０２ａ 内部形状規定部材
１０２ｂ 外部形状規定部材
１０２ｃ 溶湯通過部
１０３ 二重ガスノズル
１０３ａ 内部冷却ガスノズル
１０３ｂ 内部酸化ガスノズル
１０４ 支持ロッド
１０５ アクチュエータ
１０６ 外部冷却ガスノズル
１０７ 外部酸化ガスノズル
Ｍ１ 溶湯
Ｍ２ 保持溶湯
Ｍ３ 鋳物
ＳＴ スタータ

Claims (6)

1. 溶湯を保持する保持炉と、
   前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、
   前記形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却し、凝固させる冷却部と、
   前記形状規定部材を通過した前記溶湯に対し、空気よりも酸素濃度が高い高酸素ガスを供給するノズルと、を備えている、引上式連続鋳造装置。
2. 前記ノズルは、前記形状規定部材を通過した前記溶湯の周囲に複数設けられている、
   請求項１に記載の引上式連続鋳造装置。
3. 前記ノズルは、前記高酸素ガスの供給を停止するための開閉弁を備えている、
   請求項１又は２に記載の引上式連続鋳造装置。
4. 保持炉に保持された溶湯を、スタータにより前記溶湯の表面から導出し、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を介して引き上げるステップと、
   前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却し、凝固させるステップと、を備え、
   前記形状規定部材を通過した前記溶湯に対し、空気よりも酸素濃度が高い高酸素ガスを供給する、引上式連続鋳造方法。
5. 鋳造を終了する際、前記高酸素ガスの供給を停止した後、前記形状規定部材を通過した前記溶湯と前記鋳物とを切り離す、
   請求項４に記載の引上式連続鋳造方法。
6. 鋳造を終了する際、前記高酸素ガスから非酸化ガスの供給に切り換えた後、前記形状規定部材を通過した前記溶湯と前記鋳物とを切り離す、
   請求項４に記載の引上式連続鋳造方法。

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