JPH0234251A - 連続鋳造用複合鋳型 - 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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、表面性状の良好な丸ビレット鋳片を凝固シ
ェル破断等の不都合を招くことなく安定に鋳込むことの
できる連続鋳造用複合緩冷却鋳型に関するものである。

〈従来の技術〉 鋼の連続鋳造に際して、凝固時の変態収縮量が多い包晶
組成鋼のような鋼は、水冷銅鋳型を用いて鋳込みを行う
と、初期の凝固シェル厚が不均一となり易く、スラブの
連続鋳造では縦割れ等の表面欠陥を生じ易いものとして
知られている。

近年、省エネルギー・省工程を目的として、従来ブルー
ム連続鋳造鋳片から圧延工程を経て丸ビレット化してい
た“ビレット成形工程１を廃し、連続鋳造によって直接
的に丸ビレ−／　ト鋳片を得ることが試みられつつある
。この場合、ブルーム材を圧延すると言う従来法に近い
生産性を保つためには、丸ビレットの鋳込速度をブルー
ムのそれの数倍とすることが要求される。

ところが、包晶組成鋼のような表面欠陥の出易い鋼では
、この速度増大に伴い割れ欠陥が助長されるだけでなく
、割れに起因したブレークアウトが頻発することから、
事実上鋳込みは不可能とされていた。

ところで、鋳片表面割れの原因となる凝固シェルの不均
一化を防止する手段として、初期凝固域での鋳型抜熱速
度を緩和することが有効であることが知られており　〔
鉄と鋼、　６４（１９７８）、　５１３０頁〕、このた
め通常のスラブ連続鋳造においては、鋳片の表面割れを
防止すべく、 ａ）水冷銅鋳型内面に溝等の加工を施して伝熱を緩和し
たもの（特開昭５１−５０８１９号公報）。

ｂ）水冷銅鋳型内面にＮｉ、　Ｃｏ＋　Ｃｒ等の低熱伝
導率金属をメツキしたもの。

Ｃ）水冷銅鋳型内面に熱伝導率の低いステンレス鋼等を
張り付けたもの。

ｄ）水冷銅鋳型内面にセラミックを溶射して伝熱を緩和
したもの（特開昭５９−１５３５５０号公報）。

等の緩冷却鋳型の提案がなされている。

しかし、上記ａ）の如くに銅板（水冷銅鋳型内面）に単
なる溝加工等を施すだけでは緩冷却効果が不十分で縦割
れ等の表面欠陥の改善にまで至らない。

また、前記ｂ）〜ｄ）の如く、銅板面（水冷銅鋳型内面
）を熱伝導率の小さな物質で覆う手段では、所望の初期
凝固シェル均一化効果を得るためには低熱伝導物質層を
厚くする必要があり、この場合には、 （ア）断熱Ｎ（低熱伝導物質層）内の温度勾配が大きい
ため、温度差による熱応力で断熱層の破損が起きる。

（イ）鋳込中に最も高温となる断熱層の溶鋼側表面が、
鋳込中と鋳込後との繰り返し熱履歴で疲労破壊する。

（つ）銅板と断熱材（低熱伝導物質）との熱膨張差のた
め銅板と断熱層の接合部に応力が加わり、銅板或いは断
熱層が破損する。

等の熱応力に起因した現象によって鋳型に割れ等の欠陥
が発生しがちであることから、実際には採用し得ないも
のであった。

また、断熱層の熱応力を緩和するため、水冷銅鋳型所要
部の溶鋼側に高融点耐食性金属を配置し、断熱材（セラ
ミックス）層は前記高融点耐食性金属と水冷銅鋳型本体
との中間に介在させた３層構造の鋳型も提案されたが（
特開昭６１−１６７２７号）、この鋳型をもってしても
前記（ア）〜（つ）の問題を本質的に解決するには至ら
なかった。

そこで、本発明者等は、丸ビレット連鋳機で包晶組成鋼
をも不都合なく鋳込むことを可能とすべく、水冷銅鋳型
のうちの初期凝固域（上部メニスカス相当部近傍）のみ
を、第１２図に示すような３層構造とした緩冷却複合鋳
型を提案したく特願昭６３−４８６２８号）。即ち、第
１２図に示される緩冷却複合鋳型は、鋳型本体を構成す
る水冷銅板１′の内面に粉又は粒或いは液状物質充填層
２を介して耐熱材料製筒（スリーブ）３を嵌挿し、溶鋼
と接するスリーブ３が熱膨張しても中間充填Ｎ２の緩和
作用で外面拘束応力を解消するようにしたものである。

そして、この鋳型を使用すると、実際に初期凝固シェル
の均一性が著しく向上し、縦割れの無い健全な丸ビレッ
トを鋳造できることが確認されている。

なお、第１２図において、符号４は鋳型フランジ５はス
リーブ押えフランジ、６は皿ばね、７は溶鋼、そして８
は凝固シェルをそれぞれ示す。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところが、その後も続けられた本発明者等の検討によっ
て、先に提案した前記第１２図のような緩冷却複合鋳型
にも以下に示すような問題点が指摘され、実作業の安定
性を確保するにはこの問題点の解消が極めて重要である
ことが明らかとなったのである。

つまり、鋳型本体に内挿される耐熱金属製スリーブの材
質としてはステンレス鋼や高合金が一般的であるが、こ
れらの合金は熱膨張率が比較的大きい材料であり、しか
も熱伝導率が低い。このため、鋳込の際、溶鋼側からの
入熱によってスリーブに無視できない熱膨張変形が生じ
るので凝固シェルが鋳型に拘束されることとなり、その
拘束部分で凝固シェルの破断が生じて操業不安定を招く
懸念があった。

第１３図は、凝固シェルの破断を招くスリーブの熱膨張
変形例の１つであるが、熱伝導率の低いスリーブ３は抜
熱がスムーズに行われないので鋳型本体を構成する水冷
銅板１′よりもスリーブ３の熱膨張変形が太き（なり、
常温時には面一であった両者の内寸が鋳込時にはスリー
ブ３の方が大きくなってしまい、スリーブ３と水冷銅板
１′との接続部に進段差Ａを生じて凝固シェルを拘束す
る状況を示している。

また、第１４図は凝固シェルの破断を招くスリーブ熱膨
張変形の別の例を示したものである。即ち、溶鋼メニス
カス近傍と鋳型本体を構成する水冷銅板１′とが接する
スリーブ下端近傍とでは、前者は溶鋼からの入熱が大き
く後者は水冷銅板１′への抜熱が大きいことや材質自体
の低熱伝導率のために大きな温度差が生じがらとなる。

そして、スリーブ３の長さが比較的短い場合には、より
高温となるために熱膨張が大きいスリーブ上端部の内寸
とこれに比較して熱膨張の小さいスリーブ下端部の内寸
との差の故に生じる“鋳片引抜方向のスリーブ内面テー
パー”が過大となり、やはりスリブ内で初期凝固シェル
が拘束され、シェル破断が生じて鋳込みができなくなる
恐れがあった。

従って、上述のような問題を背景とした本発明が目的と
するのは、健全な表面性状を有する丸ビレット鋳片を、
包晶組成鋼等のような表面疵を発生し易い鋼種からも安
定な作業性の下で連続鋳造し得る手段を提供することで
ある。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は、前記目的を達成するためになされたものであ
り、一つは「第１図で示す如く、丸ビレットの連続鋳造
鋳型を、水冷銅鋳型本体１の初期凝固域（メニスカス部
近傍）に耐熱材料製スリーブ（内筒）３を内挿すると共
に、該スリーブ３と水冷銅鋳型本体１との間に粉・粒状
物質又は液状物質の充填層２を設けて成る３層構造の複
合鋳型にすると共に、前記スリーブ３の内寸を水冷銅鋳
型本体ｌの内寸よりも小さくした点」に特徴を有してお
り、また一つは［第２図で示す如く、水冷銅鋳型本体１
の初期凝固域に耐熱材料製スリーブ３を内挿すると共に
、該スリーブ３と水冷銅鋳型本体ｌとの間に粉・粒状物
質又は液状物質の充填層２を設けて成る３層構造の丸ビ
レット連続鋳造用複合鋳型において、前記スリーブ３の
下端面と水冷銅鋳型本体１との間にセラミックス層９を
介挿させた点」を特徴としている。

以下、本発明に係る丸ビレット連続鋳造用複合鋳型の詳
細構成をその機能と共に説明する。

〈機能〉 本発明に係る複合鋳型は、本発明者等が先に提案（特願
昭６３−４８６２８号）した連続鋳造用鋳型（第１２図
参照）を基本としたものであって、初期凝固域のみを水
冷銅板を含めて３層構造となし、３Ｎのうち溶鋼と接す
る最内側に耐熱材料製スリーブを配置すると共に、水冷
銅板とスリーブとの間に粉。

粒或いは液状物質の充填層を介在させたことにより、ま
ず次のような機能が確保できる。即ち、粉。

粒或いは液状物質の充填層は、鋳込時の熱応力により生
じる“鋳型本体（水冷銅板）によるスリーブに対する拘
束力”及び“スリーブによる鋳型本体に対する拘束力”
を緩和すると共に、溶鋼の冷却を調整する作用を発揮す
るので、初期凝固シェルの均一化が改善されて鋳片の表
面疵が軽減されることとなる。

つまり、粒状物質の充填層では、粒状物質自体の熱膨張
は粒相互のすべりと空隙により吸収可能であり、銅鋳型
、或いは溶鋼と接する側のスリーブとの接合部での両者
の熱膨張も上記と同様の機構で吸収できる。更に、この
部分での熱抵抗は充填層の厚み及び充填密度でも調整可
能である。このように充填層でも緩冷却能を調整できる
ことから、溶鋼と接するスリーブが負担すべき熱抵抗は
少なくてすみ、材質選択の範囲が拡がると共に、スリー
ブ自体の熱応力も低減できる。

また、充填材、スリーブの選択に関しては、希望の鋳型
緩冷却能が得られるように種々の組み合わせが可能であ
る。例えば、充填材には黒鉛、　Ｃｕ。

セラミックス（ＡｉｚＯｉ系や５ｉＯｚ系など）等の粉
や粒状物、低融点金属材料のＡＩｌ、Ｐｂ等を、またス
リ−ブ材には高温強度の高い５ＵＳ３０４等のステンレ
ス鋼や高合金（例えばインコネル系統の合金等）或いは
セラミックス等を選ぶことができる。

さて、上述のような複合鋳型を基本とした本発明の１つ
は、前記第１図に示したように、スリーブ３の内寸を水
冷銅鋳型本体１の内寸よりも小さくしたことを大きな特
徴点としている。

これは、スリーブの熱膨張変形によって連続鋳造作業が
阻害されるのを防止するためである。

即ち、一般にスリーブの材質たるステンレス鋼や高合金
は熱膨張率ではｌ　８　Ｘ　１０−６／℃前後と銅鋳型
材とほぼ同じオーダーではあるが、熱伝導率が銅鋳型の
１／１５程度と非常に低いため、例えば５ＵＳ３０４や
インコネル７１８（商品名）等を前記スリーブとして使
用した場合には鋳込中の温度が６００℃〜７５０℃前後
となる。従って、例えば内径が１８０鰭φのステンレス
鋼又は高合金製スリーブでは、第３図（ＳＵＳ３０４又
はインコネル７１８（商品名）製スリーブの加熱温度と
内径膨張代との関係〕からも分かるように、上記温度下
で２１ｍ前後の内径の拡張が生じる。このため、先に提
案した複合緩冷却鋳型（第１２図参照）の場合には、内
挿するスリーブを常温のセット時にその内面と水冷銅鋳
型本体内面とが面一となるようにセントしたとしても、
鋳込中の昇温によってスリーブ内径が水冷銅鋳型本体の
内径よりも大きく拡張してしまうので、記述の第１２図
による説明の如くスリーブと水冷銅鋳型本体との接続部
に逆段差が生じ、凝固シェルの破断による操業不安定を
招くことになる。

ところが、本発明の通りに、常温セント時のスリーブ内
径を「鋳造中の昇温により膨張・拡張して水冷銅鋳型本
体内径よりも大きくなる分」だけ小さくしておけば、鋳
込中の逆段差が防止されて円滑で安定な作業が確保され
ることとなる。なお、このとき、鋳造状態でのスリーブ
の内径が水冷銅鋳型本体の内径よりも小さい状態に留ま
ったとしても実質的には初期凝固シェルの拘束は起こら
ないので、鋳造作業に不都合を生じることはない。

但し、この場合、鋳造状態に置かれたスリーブの膨張変
形が鋳型中心から周囲方向へ均等に分配されずに偏って
しまい、スリーブと水冷銅鋳型本体との接続部で部分的
な逆段差を引き起こす懸念も拭い去れない。そして、こ
のような状態が起きると、やはり凝固シヱル破断による
操業不安定が心配されることとなる。

そこで、この懸念を完全に払拭するためには、鋳型中心
軸から周囲方向へ向かうスリーブの膨張移動を均等に分
配する手段を講じる必要があるが、その手立てとしては
次のような方法によるのが良い。

即ち、円筒形状であるスリーブの膨張変形は同心円状と
なる傾向にある上、複合鋳型の構成部材たるスリーブ押
えフランジ（第１２図に符号５として示した）の役割が
現状では単にスリーブを押さえるだけにとどまっている
点を考慮すれば、スリーブとスリーブ押えフランジ間に
スリーブの膨張移動を周囲方向へ無理なく円滑に案内す
る機構を設ける方法が適当である。その最も簡単な手段
としては、スリーブ側に案内溝を、そしてスリーブ押え
フランジに案内突起を設定する方法がある。

そして、このような手立てを講じることにより、「スリ
ーブ膨張代を適正にとったにも係わらず、膨張代の周囲
方向への偏差によって局部的進段差が発生して凝固シェ
ルが破断する」と言った不都合は完全に防止され、連続
鋳造操業の安定性はより一層向上することとなる。

一方、先に提案の複合鋳型を基本とした本発明の別の１
つは、前記第２図に示したように、スリーブ３の下端面
と水冷銅鋳型本体１との間にセラミックス層９を介挿さ
せたことを大きな特徴点としている。

これは、スリーブの下端面から水冷銅鋳型本体への抜熱
量を調整することによりスリーブ下端部近傍における過
大なテーパー形成を抑え、安定な連続鋳造作業性を確保
するためになされるものである。

即ち、スリーブの材質としてステンレス鋼や高合金を選
定し、かつ該スリーブの長さを短くしたような場合等に
おいて顕著となるが、このような状況下では、第４図で
示すように、先に提案の複合鋳型ではスリーブ下端部近
傍に初期シェルの破断を招く過大なテーパーが形成され
る傾向となる。

なお、第４図は、５ＵＳ３０４或いはインコネル７１８
（商品名）製スリーブを内装した複合鋳型の熱膨張によ
る部分的なスリーブの変位状況例を示した図面である。

ところが、本発明の通りに、スリーブの下端面と水冷銅
鋳型本体との間にセラミックス層を介挿しておけば、ス
リーブの下端面から水冷銅鋳型本体への著しい抜熱が緩
和され、局部的な温度低下に起因した“熱膨張変形の不
均衡”によって生じるスリーブ下端部近傍における過大
なテーパー形成が抑えられて、該部分での初期凝固シェ
ルの拘束性破断が起こらなくなるので、安定・確実な連
続鋳造作業性を確保できることとなる。

続いて、この発明の効果を実施例に基づいて具体的に説
明する。

〈実施例〉 実施例　１ 第５図に示すように、スリーブ押えフランジ５の十文字
方向に断面が約５Ｎ角の突起部１０を設けると共に、ス
リーブ３の上方端面にもこれに適合する同様寸法の案内
？！ｆＰ１１を加工してスリーブの熱膨張変位量案内機
構としく案内突起や溝の形状及びその個数は第５図にこ
だわる必要はなく、半丸。

三角形状等任意で良い）、これを水冷銅鋳型本体に組み
込んで前述の第１図で示したような連続鋳造用複合鋳型
（各部寸法等は第１表に示す）を製作した。なお、第５
図中の符号１２は、鋳型フランジ４（第１２図参照）に
スリーブ押えフランジ５をボルトで固定するための孔で
ある。

ここで、鋳込時には前記スリーブは軸方向にも熱膨張す
るが、これを完全拘束するとスリーブが降伏してしまう
と同時に、スリーブの半径方向への膨張移動も拘束され
てしまう。そのため、鋳型フランジへのスリーブ押えフ
ランジの取付けは、前述の第１２図に示したように皿ば
ねを介してボルトで固定する方式を採用し、スリーブ押
えフランジがボルトの軸方向に移動可能な機構とした。

もっとも、このような機能を果たすスリーブ押えフラン
ジの取付は手段として、液圧装置や空圧装置を適用する
等の任意の手段を採用して良いことは言うまでもない。

第　　　１　　　表 条件で丸ビレットの連続鋳造を実施したところ、良好な
作業性の下で１４ｍのビレット鋳片を完鋳することがで
きた。

このようにして得られた鋳片の外観状況を第６図に示す
が、第６図からも、本発明に係る複合鋳型を使用するこ
とによって表面性状の良好な鋳片が得られることは明ら
かである。

なお、上記鋳片を輪切りにして実施した断面のサルファ
プリント観察により、鋳片表面の縦割れは無く、また周
囲各部の初期凝固シェル厚も極めて均一であったことが
確認された。

これに対して、他の条件は同じであるが、水冷銅鋳型本
体の内径とスリーブの内径とが同一の複合鋳型を使用し
た場合には、第７図に鋳片の外観状況を示したように、
局部ブレークアウト、ワレ。

湯じわ等の発生により操業は極めて不安定であった。

実施例　２ 内径が１７８ｍｍ、厚みが５龍、長さが１５０ｉｎの５
ＵＳ３０４製スリーブを用意し、これを水冷次に、この
複合鋳型を使用して第１表に示した銅鋳型本体内面に挿
入するとともに、該スリーブと水冷銅鋳型間に黒鉛粉末
（粒径：０．５〜１．０ｍｍ）を充填（充填密度：１．
３ｇ／ｃ＋ｉｌ）して第８図及び第９図で示すような丸
ビレット連続鋳造用複合鋳型を製作した。

なお、第８図に示すものは、本発明に従ってスリーブ３
の下端面と水冷銅鋳型本体１との接合面に厚みが２１ｓ
のセラミックス（Ｓｉ０ｇ系）リング９′を挟み込んだ
ものであり、一方、第９図に示すものはセラミックスリ
ングを介挿しなかった比較鋳型である。

次に、これらの鋳型をそれぞれ３ｍＲ湾曲型連鋳機にセ
ットし、成分組成がＣ：　０．１４ｗｔ％、Ｓｉ：０．
２４ｗｔ％、　Ｍｎ　：　１．３６ｗｔ％、　　Ｐ　：
　０．０１８　ｗｔ％、Ｓ：０．００２　ｎｔ％、　ｓ
ｏｌ、　ＡＩｌ：　０．０３１１ｔ％、残部：Ｆｅなる
溶鋼を鋳込んで（引抜速度：１．Ｏ〜２．Ｑｍ／ｍｉｎ
、オシレション：１２０ｃｐｍ、ストローク：５龍）、
直径が１８０龍φの丸ビレットを鋳造した。

このときの鋳込中におけるスリーブ形状と凝固シェル形
成状況を調査したところ、本発明に係る第８図で示す複
合鋳型を使用した場合には第１０図の如き良好な状態で
あったのに対して、比較例たる第９図で示す複合鋳型を
使用した場合には、第１１図で示したようにスリーブ下
部に過大なテーパーが起きて該箇所でシェル破断が生じ
たことが分かった。

なお、本発明に係る第８図で示す複合鋳型によって得ら
れた鋳片を輪切りにして実施した断面のサルファプリン
ト観察により、鋳片表面の縦割れは無く、また周囲各部
の初期凝固シェル厚も極めて均一であったことが確認さ
れた。

なお、本発明に係る複合鋳型で健全な鋳片の安定鋳造を
行うには、常温でのスリーブの引抜方向のテーパー量を
、適用する鋼種や引抜速度等の鋳造条件並びに鋳型構造
による緩冷却化の程度に応じて適正に調整すれば良いこ
とも分かった。

く効果の総括〉 以上に説明した如く、この発明によれば、表面性状の良
好な丸ビレット鋳片を熱膨張に起因した作業上のトラブ
ルもなく安定に鋳込むことができる連続鋳造鋳型が得ら
れ、これまで困難であった包晶組成鋼丸ビレット鋳片の
高速鋳造も可能となるなど、産業上極めて有用な効果が
もたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る連続鋳造複合鋳型の概略構成図
である。 第２図は、本発明に係る連続鋳造複合鋳型の別の例を示
した概略構成図である。 第３図は、５ＵＳ３０４又はインコネル７１８（商品名
）製スリーブの加熱温度と内径膨張代との関係を示すグ
ラフである。 第４図は、５ＵＳ３０４又はインコネル７１８（商品名
）製スリーブを内装した複合鋳型の熱膨張による部分的
なスリーブの変位状況例を示した図面である。 第５図は、実施例で使用した鋳型のスリーブとスリーブ
抑えフランジの要部概略斜視図を示している。 第６図は、本発明実施例で得られた鋳片の表面状況を示
す概略図である。 第７図は、比較例で得られた鋳片の表面状況を示す概略
図である。 第８図は、別の実施例で使用した複合鋳型の概略構成図
である。 第９図は、別の比較例で使用した複合鋳型の概略構成図
である。 第１０図は、第８図で示した複合鋳型での鋳込中におけ
るシェル形成状況の概略模式図である。 第１１図は、第９図で示した複合鋳型での鋳込中におけ
るシェル形成状況の概略模式図である。 第１２図は、先に提案した複合鋳型の概略構成図である
。 第１３図は、複合鋳型での鋳込時に生じるスリーブの熱
膨張変形挙動を説明した図面である。 第１４図は、複合鋳型での鋳込時に生じるスＩＪ−プの
別の熱膨張変形挙動を説明した図面である。 図面において、 ｌ・・・水冷銅鋳型本体、　　１′・・・水冷銅板。 ２・・・粉１粒、液状物質充填層。 ３・・・耐熱材料製筒（スリーブ）。 ４・・・鋳型フランジ。 ５・・・スリーブ押えフランジ、　　６・・・皿ばね。 ７・・・溶鋼、　　　　　８・・・凝固シェル。 ９・・・セラミックス層。 ９′・・・セラミックスリング、　　１０・・・突起部
。 １１・・・案内溝。 １２・・・スリーブ押えフランジ固定用ボルト孔。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）水冷銅鋳型本体の初期凝固域に耐熱材料製内筒を
   内挿すると共に、該内筒と水冷銅鋳型本体との間に粉粒
   状物質又は液状物質の充填層を設けて成る３層構造の丸
   ビレット連続鋳造用鋳型において、前記内筒の内寸を水
   冷銅鋳型本体の内寸よりも小さくしたことを特徴とする
   、連続鋳造用複合鋳型。
2. （２）水冷銅鋳型本体の初期凝固域に耐熱材料製内筒を
   内挿すると共に、該内筒と水冷銅鋳型本体との間に粉粒
   状物質又は液状物質の充填層を設けて成る３層構造の丸
   ビレット連続鋳造用鋳型において、前記内筒下端面と水
   冷銅鋳型本体との間にセラミックス層を介挿させたこと
   を特徴とする、連続鋳造用複合鋳型。