JP5755155B2

JP5755155B2 - モールド鋳型の補修方法

Info

Publication number: JP5755155B2
Application number: JP2012010183A
Authority: JP
Inventors: 圭祐山本; 祐登梅山; 直子廣門; 浩郁森園
Original assignee: Mishima Kosan Co Ltd
Current assignee: Mishima Kosan Co Ltd
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: JP2013147717A

Description

スラブ、ビレット又はブルームの連続鋳造に使用するモールド鋳型を低温溶射（コールドスプレイ法）を用いて補修する方法に関する。

従来、製鉄所において、鋼板等を製造する場合は、例えば、図２に示すような対向する長辺５０の間に対向する短辺５２を挟んだモールド鋳型５３が使用されている。このモールド鋳型５３は使用によって、鋳型内面にメニスカスクラック５５、磨耗疵５６が発生する。また、鋳型底部には腐食５７が発生する場合もある。更に、長辺５０の内側に接する短辺５２の側面には幅可変疵５８が発生する場合もある。
これらの疵が発生すると、特許文献１に記載のように、最初のうちであれば、鋳型内面、又は必要に応じて側面にもめっき又は高温溶射によって素材を付加し鋳型が補修されるのが一般的である。

また、特許文献２には、被処理基材の表面に温度３００℃以下、飛行速度５００ｍ／秒以上の低温溶射によって、膜厚が３μｍ〜１０ｍｍで、気孔率が０．５％以下の金属又は非金属からなる低温溶射皮膜被覆部材を作ることが提案されている。

特開２０１１−２１８４０１号公報特開２００２−３０９３６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のように、鋳型内面にめっきで皮膜を形成すると、銅又は銅合金からなる母材とは金属成分が異なり、勿論短期寿命の補修は可能であるが、繰り返し使用によって、母材が徐々に減肉し、比較的寿命が短いという問題があった。また、鋳型表面に部分的に疵がある場合は、凹部をめっきで埋める処理は極めて困難かつ手間であった。
一方、高温溶射による補修は鋳型の部分的補修も可能であるが、鋳型本体とは異なる材料で鋳型表面を被覆するので、場合によっては補修した溶射皮膜が剥離を生じる場合があるという問題があった。
なお、特許文献２には、低温溶射による被覆部材が提案されているが、製鉄所で使用する連続鋳造鋳型を補修するものではない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、製鉄所でスラブ、ビレット又はブルーム等を連続鋳造する鋳型を、元の状態又は元の状態に近い状態に補修するモールド鋳型の補修方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係るモールド鋳型の補修方法は、連続鋳造に使用する銅製又はＣｒ−Ｚｒ銅製の鋳型表面に、銅からなり、少なくともその８０％が５〜２０μｍの粒度分布内にある金属粉を、搬送ガスとして不活性ガスを用い、該金属粉の融点より低い温度で低温溶射して肉盛り補修を行い、しかる後に溶射皮膜又は溶射皮膜を含む前記鋳型全体の熱処理を、９００℃以上かつ該鋳型の融点未満の温度で５〜３０分間行う。ここで、金属粉は、搬送ガスが銅とは反応しない不活性ガス（例えば、アルゴンガス等の非酸化性ガス）であるので、金属粉が酸化されることはない。また、銅からなる金属粉は、低温溶射されることによって塑性変形を起こし、高密度の溶射皮膜を形成する。

ここで、前記金属粉のうち少なくともその８０％は５〜２５μｍの粒度分布内にある。金属粉の粒度が５μｍ未満であると溶射中に抵抗を受けて衝突時の速度が下がり、金属粉の粒度が２５μｍを超えると、衝突後の塑性変形によって高密度の溶射皮膜を形成するのが難しい。金属粉を更に高速で飛翔させれば、金属粉の粒度を大きくすることができるが、過剰なエネルギーを要するという問題がある。

また、前記金属粉を低温溶射した前記鋳型の熱処理は、９００℃以上かつ該鋳型の融点未満の温度で、５〜３０分間行う。この場合、母材（銅）内部に含まれている銅以外の金属（例えば、Ｚｒ、Ｃｒ）が母材中に再固溶するが、金属粉及び鋳型との拡散接合が更に進む。この後、補修した鋳型を急冷すると、銅以外の金属と銅によって析出硬化型の合金を形成し、強度が増加する。

そして、本発明に係るモールド鋳型の補修方法において、前記低温溶射の搬送ガスの温度は５００〜８００℃の範囲にあって、しかも、該搬送ガスの速度は３００〜１１００ｍ／秒であるのがよい。
ここで、搬送ガスの速度が３００ｍ／秒未満となると、金属粉に与える速度が不足し、金属粉に大きなエネルギー（Ｅ＝０．５ｍｖ^２）を与えることができない。また、ガスの速度を１１００ｍ／秒を超える速度とすると、ノズルの構成が困難となり、可能であっても過剰なエネルギーを必要とする。

従来のモールド鋳型では、使用される条件によって異なるが、使用回数の上限が５〜８回程度であったが、本発明方法を適用することによって、モールド鋳型の表面は何回でも繰り返し使用でき、実際は、使用によってその他の部分の不具合（例えば、裏側の冷却水溝の腐食、使用による熱変形に伴う歪み）が発生するので、従来の２倍近くの寿命を有するモールド鋳型を提供できる。

本発明の一実施の形態に係るモールド鋳型の補修方法に使用する低温溶射装置の概略説明図である。従来例に係るモールド鋳型の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態について説明する。
まず、図１を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るモールド鋳型の補修方法に使用する低温溶射装置（コールドスプレッダー）１０の概略構成について説明する。

低温溶射装置（正確には「低温噴射装置」）１０は、不活性ガスの一例であるアルゴンガスのボンベ１１と、吐出圧力を調整するレギュレータ１２と、ガス分配器１３と、ガス分配器１３からのガスの圧力及び流量をそれぞれ独立に調整するバルブ調整機構１４、１５とを有している。そして、バルブ調整機構１４から排出されるアルゴンガスは加熱器１６に供給され、加熱器１６でアルゴンガスを所定温度（例えば、６００〜１０００℃）に加熱している。加熱は電熱ヒータによる直接加熱を行ってもよいし、高温のアルゴンガスで希釈してもよい。

バルブ調整機構１５から排出されるアルゴンガスは、粉体供給機１８に供給され、内部に供給されている金属粉２４の搬送ガスとして使用されている。粉体供給機１８は周知の構造で、所定量の金属粉２４をガス搬送できる構造となっている。なお、１９、２０は圧力計で、それぞれのアルゴンガスの圧力を計測している。

加熱されたアルゴンガスと、金属粉２４はトーチ２１に供給される。このトーチ２１は拡径した部屋内に高温のアルゴンガスを受け入れ、粉体供給機１８から搬送ガスと共に噴出される金属粉２４を、先側のノズル２２から噴出する。これによって、ノズル２２から噴出される金属粉２４が５００〜８００℃の搬送ガスで加熱されて、連続鋳造に使用する銅又は銅合金製の鋳型（モールド鋳型）２３の所定箇所（例えば、疵がある面）に噴射される。なお、ノズル２２は吹き出るガスが超音速になるように、その形状が周知の通り特殊構造のノズル（例えば、ダイバージェントノズル）となっている。なお、トーチ２１には圧力計２５と温度計２６が設けられている。また、搬送ガスの速度は３００〜１１００ｍ／秒である。

この低温溶射装置１０に供給される金属粉２４は、１）純銅（Ｃｕ≧９９．９質量％）、２）Ｃｒ銅（Ｃｒ：０．５〜１．５質量％、残部Ｃｕ及び不可避的不純物）、３）Ｃｒ−Ｚｒ銅（Ｃｒ：０．５〜１．５質量％、Ｚｒ：０．０８〜０．３質量％、残部Ｃｕ及び不可避的不純物）、又は４）Ｃｒ−Ｚｒ−Ａｌ銅（Ｃｒ：０．５〜１．５質量％、Ｚｒ：０．０８〜０．３質量％、Ａｌ：０．１〜２．０質量％、残部Ｃｕ及び不可避的不純物）からなっている。これは、鋳型２３の成分と同一となっているのが好ましいが、金属粉の成分が鋳型２３の成分と異なる場合であっても、金属粉が塑性変形して鋳型２３の表面にコーティング層（肉盛り部）を形成する。

この金属粉２４の粒度分布は、５〜２０μｍ粒径のものが全体の８０質量％を占めている。これによって、この金属粉２４を超音速で、鋳型２３に衝突させた場合、金属粉２４が鋳型２３及び鋳型２３に付着した金属粉２４に衝突し、金属粉２４が塑性変形を起こして液体状となって、鋳型表面に高密度で付着し、前記した肉盛り部を形成する（即ち、肉盛り補修がなされる）。この肉盛り部の密度は９０〜９８％で、鋳型２３の密度（１００％）と殆ど差はないので、金属粉２４に鋳型２３と同一金属を使用した場合には、目視状態では肉盛り部と鋳型２３との境界が無くなる。なお、金属粉の粒径が小さいと気流に流され、十分な衝突速度が得られず、金属粉の粒径が大きいと高速搬送が難しい。

鋳型２３の表面に低温溶射（金属粉２４の融点より低いガス温度）を行う場合には、鋳型の表面を金属ブラシ等で十分に磨き、必要に応じて脱脂処理も行う。溶射を行う場合は、鋳型を２００〜５００℃の温度で予熱してもよい。この場合、空気中の酸素で酸化するので、密閉室内、又は不活性ガスで全体又は必要部分をシールしながら行うのがよい。

肉盛り部の厚みは疵の深さにもよるが、通常疵の部分は完全に充填するとして、最終的に機械加工を行うことを考慮して、表面から０．１〜２ｍｍ程度である。なお、溶射補修した鋳型は、ａ）その後、熱処理をしない場合、ｂ）２５０℃以上５００℃以下で１〜６時間の熱処理を行う場合、ｃ）９００℃以上鋳型２３の融点未満の温度（例えば１０５０℃未満）で５〜３０分の熱処理を行う場合、がある。なお、鋳型全体を熱処理しないで、溶射皮膜を熱処理することもできる。

ａ）のように鋳型の熱処理をしない場合は、肉盛り部を元形状に合わせて、所定の平面又は曲面を形成して鋳型の補修を完了する。
次に、ｂ）溶射補修した鋳型を、２５０℃以上５００℃以下で１〜６時間の熱処理を行う場合、含まれている銅以外の金属、不純物は母材（銅）内に再固溶しない。溶射した金属粉は塑性変形を起こして密に積層されているので、低温度（通常、ケルビン温度融点の４０％以上、具体的には約２７０℃以上）の加熱で拡散接合し、強固な肉盛り層を形成する。

なお、溶射した鋳型は５００℃以下で熱処理されるので、母材内に含まれる不純物、合金金属は、粒界又は粒内に析出することはなく、そのままの性状が保たれる。従って、鋳型と金属粉との成分を一致させると、肉盛り部は鋳型に一体化し、剥離等が生じにくく、長期の寿命を有する。

そして、ｃ）のように、９００℃以上鋳型２３の融点未満の温度（例えば１０５０℃未満）で５〜３０分の熱処理を行うと、金属粉の拡散接合強度が更に増して、より強固な表面となる。なお、金属内に含まれる不純物を含む合金金属は、母材（銅）内に再固溶し、冷却速度が遅い場合は、結晶粒度も大きくなり、一部が金属間化合物となるので好ましくない。冷却速度が速い場合は、固溶の状態で残り材質硬化となるので、熱処理後は、非酸化性ガスを噴射、又は水冷して熱処理された鋳型を急冷するのがよい。

表１には、Ｃｒ−Ｚｒ銅素材の熱処理無しの引っ張り強度を１とした場合の、ａ）熱処理をしない場合（即ち、「無し」）、ｂ）２５０℃以上５００℃以下で１〜６時間の熱処理（即ち、「熱処理１」）、ｃ）９００℃以上鋳型２３の融点未満の温度（例えば１０５０℃未満）で５〜３０分の熱処理（即ち、「熱処理２」）について、比較した例を示す。

表１から、肉盛り材（溶射皮膜）は、熱処理しなくても十分な強度を有し、熱処理１を行うと拡散接合が発達してより強度が増すことが分かる。また、熱処理２の場合でも急冷することによって更に、強度は向上するものと考えられる。
本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での材料変更、数値変更をする場合も本発明は適用される。
また、前記実施の形態においては、長辺及び短辺を有する鋳型について説明したが、ブルーム、ビレットを形成する筒状の鋳型の補修であっても本発明は適用される。
また、トーチの構造も、金属粉を酸化しない又は金属粉と化合しない高温の不活性ガスで、金属粉を高速噴射できるものであれば、他の構造であってもよい。

１０：低温溶射装置、１１：ボンベ、１２：レギュレータ、１３：ガス分配器、１４、１５：バルブ調整機構、１６：加熱器、１８：粉体供給機、１９、２０：圧力計、２１：トーチ、２２：ノズル、２３：鋳型、２４：金属粉、２５：圧力計、２６：温度計

Claims

連続鋳造に使用する銅製又はＣｒ−Ｚｒ銅製の鋳型表面に、銅からなり、少なくともその８０％が５〜２０μｍの粒度分布内にある金属粉を、搬送ガスとして不活性ガスを用い、該金属粉の融点より低い温度で低温溶射して肉盛り補修を行い、しかる後に溶射皮膜又は溶射皮膜を含む前記鋳型全体の熱処理を、９００℃以上かつ該鋳型の融点未満の温度で５〜３０分間行うことを特徴とするモールド鋳型の補修方法。
請求項１記載のモールド鋳型の補修方法において、前記低温溶射の搬送ガスの温度は５００〜８００℃の範囲にあって、しかも、該搬送ガスの速度は３００〜１１００ｍ／秒であることを特徴とするモールド鋳型の補修方法。