(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型板の表面側に設けられる銅板と、
前記鋳型板の背面側に設けられ、前記銅板を支持するバックフレームと、
前記バックフレームの少なくとも中央部を縦横にブロック状に分割して構成され、冷媒を用いて前記銅板の背面を冷却する複数の冷却ユニットと、
前記複数の冷却ユニットを前記銅板の板厚方向に個別に押し出す複数の押出機構と、
を備えることを特徴とする、連続鋳造用鋳型。
【請求項２】
前記銅板の温度を検出する検出部と、
前記検出部により検出された前記銅板の温度に応じて、前記各押出機構による前記各冷却ユニットの押出量を制御する制御部と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項３】
前記冷却ユニットは、
前記銅板の背面に当接する当接面と、
前記当接面に前記冷媒を供給する冷媒供給路と、
前記当接面に前記冷媒を排出する冷媒排出路と、
前記当接面に形成された複数の凸部と、
前記当接面に形成され、前記冷媒供給路を通じて供給された前記冷媒を前記複数の凸部間の空隙に噴出する噴出孔と、
前記当接面に形成され、前記複数の凸部間の空隙に存在する前記冷媒を、前記冷媒排出路に排出する排出孔と、
を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項４】
前記銅板の温度を検出する検出部と、
前記検出部により検出された前記銅板の温度に応じて、前記各冷却ユニットに対する前記冷媒の供給量を制御する制御部と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項５】
前記銅板の幅方向及び上下方向にそれぞれ３以上の前記冷却ユニットが配列されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の連続鋳造用鋳型を用いた連続鋳造方法において、
前記連続鋳造用鋳型を用いた鋳造中に、前記各押出機構により前記各冷却ユニットを個別に押し出すことにより、前記銅板を局部的に変形させることを特徴とする、連続鋳造方法。
【請求項７】
前記連続鋳造用鋳型を用いた鋳造中に、前記銅板の温度を検出し、当該銅板の温度に応じて、前記各押出機構による前記各冷却ユニットの押出量を制御することにより、前記銅板を局部的に変形させることを特徴とする、請求項６に連続鋳造方法。
【請求項８】
前記連続鋳造用鋳型を用いた鋳造中に、前記銅板の温度を検出し、当該銅板の温度に応じて、前記各冷却ユニットに対する前記冷媒の供給量を制御しながら、前記各冷却ユニットにより前記銅板の背面を冷却することを特徴とする、請求項６又は７に記載の連続鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳型板を局部的に変形及び冷却可能な連続鋳造用鋳型と、該鋳型を用いた連続鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼をはじめとする溶融金属の連続鋳造プロセスでは、まず、溶融金属がタンディッシュから水冷式の鋳型に注入され、次いで、該鋳型に接する溶融金属が凝固して凝固シェルが形成され、該凝固シェルを外殻とする鋳片が冷却されながら鋳型下方に連続的に引き抜かれ、その後、鋳型下方の二次冷却帯で凝固が進行して、最終的に連続鋳造鋳片（スラブ）が形成される。このような連続鋳造では、一対の長辺鋳型板で一対の短辺鋳型板を幅方向両側から挟み込むように組み立てた連続鋳造用鋳型を用いることが一般的である。
【０００３】
上記の鋳型内において、凝固シェルは、溶融金属のメニスカス位置（湯面位置）で凝固を開始し、その凝固が進行するとともに収縮していき、鋳型の下端に到達したときには、鋳片の幅や厚さが小さくなる。このような凝固収縮に伴い、鋳型下部において鋳型と凝固シェルとの間に空隙が生じると、凝固シェルから鋳型への抜熱が阻害され、十分な鋳型冷却ができなくなるので、鋳型下端において健全な凝固シェルを得ることが困難になる。この結果、鋳型直下において、鋳型による支持を失った凝固シェルが外側に膨れるバルジングを引き起こすこととなる。
【０００４】
そこで、上記鋳型内での凝固シェルの凝固収縮に対処すべく、短辺又は長辺の鋳型板に鋳造方向にテーパを設けて、対向する鋳型板の間隔が鋳型下端に向かうほど狭くなるようにしている。特にスラブ連続鋳造においては、鋳片の厚さに比較して幅が広いので、鋳片の幅方向の凝固収縮量が大きくなる。このため、従来では、短辺鋳型板にテーパを設けることが一般的であるが（例えば、特許文献１参照。）、長辺鋳型板にテーパを設けることも提案されている（例えば、特許文献２〜４参照。）。
【０００５】
また、鋳造速度、鋼種等の操業条件に応じて、鋳型の適正なテーパ量も変化する。例えば、鋳造速度が遅いほど、凝固シェル厚が厚くなり、全体としての凝固シェル部分の収縮量は大きくなるので、鋳型のテーパ量を大きくする必要がある。一方、鋳造速度が速くなるほど、凝固シェル厚は薄くなり、体積の収縮量も小さくなる。従って、鋳造速度が速い場合には、鋳型のテーパ量を小さくしないと、鋳型と鋳片の摩擦拘束力（鋳片の引き抜き抵抗に相当する。）が過大となり、鋳片を引き抜き不能もしくは鋳片のブレークアウトにつながる。更に、実際の操業では、上記鋳造速度以外にも、連続鋳造用パウダーの使用状況や、溶鋼成分、水冷鋳型の一次冷却水量及び水圧等といった操業条件の変動によって、鋳型内の凝固の進行は時々刻々変化するため、当該操業条件に応じて、鋳型のテーパ量を可変にすることが望ましい。
【０００６】
上記の操業条件に応じて鋳型のテーパ量を変化する技術として、例えば、特許文献１では、鋳型短辺のテーパを湾曲面として制御するテーパ制御方法が開示されおり、鋳型短辺の背面を少なくとも３地点で支持し、中央の１地点に取り付けた加圧装置により、該鋳型短辺を上下方向に湾曲させることで、該鋳型短辺のテーパ量を変更している。また、特許文献２では、鋳型に埋め込んだ熱電対又は熱流速計の情報から鋳型内抜熱挙動を推定し、鋳型短辺の背面側に設けられた油圧シリンダにより鋳型長辺を上下方向に湾曲させて、該鋳型長辺のテーパ量を変更している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１７７３１０号公報
【特許文献２】特開平１０−２４９４９２号公報
【特許文献３】特開２００３−３０５５４０号公報
【特許文献４】特開２００３−３０５５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の鋳型のテーパ量の可変技術は、鋳型板全体を上下方向に湾曲させることで、テーパ量を可変としているに留まり、鋳型板の形状を凝固収縮のプロフィールに倣って理想的に湾曲させること、すなわち局部的に変形させることはできなかった。このため、鋳型板の幅方向及び上下方向それぞれにおける凝固シェルの局部的な凝固偏析に対して、局部的かつ時間可変のテーパ制御及び冷却制御を十分な精度で実現できないという問題があった。
【０００９】
つまり、従来の鋳型では、鋳型板の形状を局部的に変形させることができないので、鋳型板と凝固シェルとの間に局部的な空隙が生じてしまう。この結果、当該空隙が原因で凝固シェルを適切に鋳型冷却できないので、凝固シェルの凝固均一度が低下する一因となっていた。このように従来の鋳型では、上記凝固シェルの局部的な凝固偏析に対して十分に対処できておらず、凝固シェルの凝固均一度を改善する余地があった。
【００１０】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、鋳型板を局部的に変形及び冷却することにより、凝固シェルの凝固均一度を向上することが可能な、新規かつ改良された連続鋳造用鋳型及び連続鋳造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、鋳型板の表面側に設けられる銅板と、前記鋳型板の背面側に設けられ、前記銅板を支持するバックフレームと、前記バックフレームの少なくとも中央部を縦横にブロック状に分割して構成され、冷媒を用いて前記銅板の背面を冷却する複数の冷却ユニットと、前記複数の冷却ユニットを前記銅板の板厚方向に個別に押し出す複数の押出機構と、を備えることを特徴とする、連続鋳造用鋳型が提供される。
【００１２】
前記連続鋳造用鋳型は、前記銅板の温度を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記銅板の温度に応じて、前記各押出機構による前記各冷却ユニットの押出量を制御する制御部とをさらに備えるようにしてもよい。
【００１３】
前記冷却ユニットは、前記銅板の背面に当接する当接面と、前記当接面に前記冷媒を供給する冷媒供給路と、前記当接面に前記冷媒を排出する冷媒排出路と、前記当接面に形成された複数の凸部と、前記当接面に形成され、前記冷媒供給路を通じて供給された前記冷媒を前記複数の凸部間の空隙に噴出する噴出孔と、前記当接面に形成され、前記複数の凸部間の空隙に存在する前記冷媒を、前記冷媒排出路に排出する排出孔とを備えるようにしてもよい。
【００１４】
前記連続鋳造用鋳型は、前記銅板の温度を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記銅板の温度に応じて、前記各冷却ユニットに対する前記冷媒の供給量を制御する制御部とをさらに備えるようにしてもよい。
【００１５】
前記銅板の幅方向及び上下方向にそれぞれ３以上の前記冷却ユニットが配列されるようにしてもよい。
【００１６】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、前記連続鋳造用鋳型を用いた連続鋳造方法において、前記連続鋳造用鋳型を用いた鋳造中に、前記各押出機構により前記各冷却ユニットを個別に押し出すことにより、前記銅板を局部的に変形させることを特徴とする、連続鋳造方法が提供される。
【００１７】
前記連続鋳造用鋳型を用いた鋳造中に、前記銅板の温度を検出し、当該銅板の温度に応じて、前記各押出機構による前記各冷却ユニットの押出量を制御することにより、前記銅板を局部的に変形させるようにしてもよい。
【００１８】
前記連続鋳造用鋳型を用いた鋳造中に、前記銅板の温度を検出し、当該銅板の温度に応じて、前記各冷却ユニットに対する前記冷媒の供給量を制御しながら、前記各冷却ユニットにより前記銅板の背面を冷却するようにしてもよい。
【００１９】
上記構成により、連続鋳造用鋳型を用いた鋳造中に、銅板の背面側に縦横に設けられた複数の冷却ユニットを、各押出機構によって、銅板の板厚方向に個別に押し出すことが可能となる。銅板の板厚方向に押し出された冷却ユニットは、銅板に対して当接し、この当接箇所の銅板は、その板厚方向に局部的に変形する。また、各冷却ユニットは、上記当接箇所の銅板の背面を、冷媒を用いて冷却する。このようにして、本実施形態に係る冷却ユニットは、連続鋳造用鋳型を構成する銅板の幅方向又は上下方向の一部を局部的に変形及び冷却することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明によれば、鋳型板を局部的に変形及び冷却することにより、凝固シェルの凝固均一度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る連続鋳造装置を示す全体構成図である。
【図２】同実施形態に係る連続鋳造鋳型の基本構成を示す平面図（ａ）及び一部断面正面図（ｂ）である。
【図３】同実施形態に係る凝固シェルを示す横断面図である。
【図４】同実施形態に係る長辺鋳型板を示す一部切り欠き正面図である。
【図５】同実施形態に係る長辺鋳型板の銅板の変形動作を示す縦断面図である。
【図６】同実施形態の変更例に係る長辺鋳型板の銅板の変形動作を示す縦断面図である。
【図７】同実施形態に係る冷却ユニットを示す部分拡大縦断面図である。
【図８】同実施形態に係る長辺鋳型板の冷却ユニットの当接面を示す正面図である。
【図９】同実施形態に係る銅板と冷却ユニットの接触部における冷媒の流通状態を示す部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２３】
［１．連続鋳造装置の全体構成］
以下に、本発明の第１の実施形態に係る連続鋳造用鋳型と、それを用いた連続鋳造方法について説明する。まず、図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係る連続鋳造用鋳型を備えた連続鋳造装置の全体構成について説明する。図１は、本実施形態に係る連続鋳造装置を示す全体構成図であり、図２は、本実施形態に係る連続鋳造鋳型の基本構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部断面正面図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態に係る連続鋳造装置は、溶融金属１０ａを連続鋳造するための連続鋳造用鋳型１と、鋳型１の直下に設けられ、鋳型１から引き出される鋳片１０を支持及び冷却する機構（以下、鋳片支持及び冷却装置という。）とを備える。
【００２５】
まず、鋳型１の概略構造について、図２を参照して説明する。図２に示すように、鋳型１は、一対の短辺鋳型板１１、１１と、該短辺鋳型板１１、１１をその幅方向両側から挟み込む一対の長辺鋳型板１２、１２と、短辺移動機構１３とからなる。このように一対の短辺鋳型板１１、１１を対向配置して一対の長辺鋳型板１２、１２で挟み込むことにより、矩形の鋳造空間を有する鋳型１が形成される。
【００２６】
短辺鋳型板１１及び長辺鋳型板１２は、その内部に水冷構造（図示せず。）を備えた鋳型板で構成される。短辺鋳型板１１は、該鋳型板１１の表面側に配置される銅板２１と、該鋳型板１１の背面側に配置され、銅板２１の背面側を支持するバックフレーム２２とからなる。同様に、長辺鋳型板１２も、該鋳型板１２の表面側に配置される銅板３１と、該鋳型板１２の背面側に配置され、銅板３１の背面側を支持するバックフレーム３２とからなる。
【００２７】
なお、鋳型板の表面とは、鋳型板が鋳型１内の溶融金属（又は凝固シェル）と接触する側の面（つまり、鋳型の内側面）であり、鋳型板の背面とは、当該表面と反対側の面（つまり、鋳型の外側面）である。また、図１の例の短辺鋳型板１１及び長辺鋳型板１２は、鋳造方向（即ち、鋳型板の上下方向）にテーパが形成されていない１段テーパ鋳型板で構成されているが、かかる例に限定されず、鋳造方向に相異なる２以上のテーパを有する多段テーパ鋳型板で構成されてもよい。
【００２８】
短辺移動機構１３は、連続鋳造される鋳片１０の幅や形状を制御するために、短辺鋳型板１１を水平移動又は傾動させる。この短辺移動機構１３は、短辺鋳型板１１をバックフレーム２２側から支持する複数対のアクチュエータ１４と、該アクチュエータ１４を制御する制御部１５とを備える。アクチュエータ１４は、例えば電動シリンダ、油圧シリンダなどで構成され、制御部１５からの指示に応じて、短辺鋳型板１１を水平移動又は傾動させる。短辺鋳型板１１を水平移動させることで、鋳片１０の幅を制御できる。また、短辺鋳型板１１を傾動させて、鋳型１の短辺のテーパ率を変化させることで、鋳型１内で形成される凝固シェル１０ｂの凝固均一度や、鋳型１による鋳片１０の摩擦拘束力を制御できる。
【００２９】
次に図１に戻り、上記鋳型１直下に設けられる鋳片支持及び冷却装置について説明する。鋳片支持及び冷却装置は、上記鋳型１の直下に配設され、鋳型１から鉛直下方に引き出される鋳片１０の長辺を、長辺方向の両側から支持及び整形するとともに、鋳片１０を冷却する。この鋳片支持及び冷却装置は、図１に示すように、複数対のサポートロール２、２と、複数対のスプレーノズル３、３とを備える。
【００３０】
サポートロール２、２は、鋳型１から下方に引き出される鋳片１０の両側から、該鋳片１０の長辺を支持して、鋳片１０の厚み方向への膨らみ（バルジング）を防止する。サポートロール２のロール幅は、少なくとも鋳片１０の幅よりも大きく、そのロール周面で鋳片１０の幅方向全体を支持する。かかるサポートロール２は、無駆動式であり、鋳造方向に引き出される鋳片１０に追従して回転しながら、該鋳片１０を支持及び案内する。これにより、鋳片１０をバルジングないように整形することができる。
【００３１】
スプレーノズル３、３は、該鋳片１０の長辺側の表面１０ｃ（被冷却面）を冷却する機能を有する冷却装置の一例である。スプレーノズル３、３は、鋳型１から引き出された鋳片１０の表面１０ｃに対して冷却水を噴霧して、該鋳片１０を冷却する。かかるスプレーノズル３とサポートロール２は、鋳造方向に交互に配置されており、鋳造方向に移動する鋳片１０を適切に支持及び冷却できるようになっている。
【００３２】
このように本実施形態に係る鋳片支持及び冷却装置は、ロール方式であり、鋳造方向に引き抜かれる鋳片１０をサポートロール２、２で支持しながら、スプレーノズル３、３から噴霧される冷却水によって鋳片１０を冷却するロール方式である。しかし、鋳型直下で鋳片１０を支持及び冷却する方式は、上記ロール方式の例に限定されず、例えば、クーリングプレート方式、クーリンググリッド方式などであってもよい。
【００３３】
次に、上述した連続鋳造装置を用いた連続鋳造方法の概要について説明する。図１に示すように、溶融金属１０ａ（例えば溶鋼）は、不図示のタンディッシュから浸漬ノズルを介して上記鋳型１内に注入され、該鋳型１の短辺鋳型板１１及び長辺鋳型板１２の銅板２１、３１に接触して冷却される。そして、鋳型１内において、短辺鋳型板１１及び長辺鋳型板１２に接する溶融金属１０ａの外周部が凝固して、図３に示すような凝固シェル１０ｂが形成され、該凝固シェル１０ｂを外殻とする鋳片１０が、冷却されながら鋳型１下方に連続的に引き出される。その後、鋳型１の直下の二次冷却帯において、上記鋳片支持及び冷却装置により、鋳片１０を支持及び整形しながら二次冷却することにより、鋳片１０内部の溶融金属１０ａの凝固が進行して、最終的な連続鋳造鋳片（スラブ）が形成される。
【００３４】
［２．鋳型板のテーパ量と凝固シェルとの関係］
次に、上記図１及び図３を参照して、鋳型１のテーパ量と、鋳型１内で形成される凝固シェル１０ｂの健全性との関係について説明する。図３は、本実施形態に係る鋳型１の下端における凝固シェル１０ｂの形状を示す横断面図である。
【００３５】
図１に示すように、鋳型１内で凝固シェル１０ｂの凝固が進行しつつ、その凝固シェル１０ｂが鋳造方向（下方）に移動する過程において、凝固シェル１０ｂは凝固の進行につれて凝固収縮する。従って、鋳型１内の溶融金属１０ａのメニスカス位置（湯面位置）で凝固を開始した凝固シェル１０ｂは、鋳型１の下端に到達したときには収縮しており、幅や厚さがメニスカス位置にあるときと比較して小さくなっていく。スラブ連続鋳造においては鋳片１０の厚さに比較して幅が広いので、鋳片１０の幅方向の凝固収縮量が大きい。凝固シェル１０ｂの凝固収縮に伴って鋳型１の下方において鋳型１と凝固シェル１０ｂとの間に空隙が生じると、凝固シェル１０ｂから鋳型１への抜熱が阻害され、十分な鋳型冷却ができなくなるとともに、鋳型１による支持を失った凝固シェル１０ｂが外方に膨れるバルジングを起こすこととなる。
【００３６】
そこで、少なくとも短辺鋳型板１１にテーパを設けることが行われており、場合によっては、短辺鋳型板１１及び長辺鋳型板１２の双方にテーパが設けられる。なお、テーパを設けるとは、対向する一対の鋳型板間の間隔について、鋳型上方のメニスカス位置における間隔に対し、鋳型下端の間隔を狭めることを意味する。
【００３７】
鋳型１の短辺テーパ量が小さすぎる場合には、凝固シェル１０ｂと短辺鋳型板１１との接触が不均一になり、冷却のアンバランスが発生し、凝固シェル１０ｂの成長の不均一や溶融金属１０ａの静圧により、鋳片１０の表面に割れが発生する。特に、短辺テーパ量が適正量よりも小さい場合、図３に示すように、鋳型１の下端付近における凝固シェル１０ｂの厚み分布が不均一となり、凝固均一度が低下する。例えば、凝固シェル１０ｂの長辺側のコーナー近傍に凝固厚みが特に薄い部位１０ｄが発生しやすくなり、この部位１０ｄに対応する鋳片１０の表面１０ｃに縦割れが発生しやすい。一方、短辺テーパ量が大きすぎる場合には、凝固シェル１０ｂと短辺鋳型板１１との接触が強くなり、凝固シェル１０ｂに過大な応力（摩擦拘束力）が加わり、凝固シェル１０ｂの破断や、当該シェル破断に伴うブレークアウトが発生する。さらには、凝固シェル１０ｂと鋳型１の摩擦拘束力の増大に伴い、鋳型１の寿命の低下を引き起こす場合もある。
【００３８】
ここで、凝固均一度とは、鋳型１内で溶融金属１０ａが凝固して形成される凝固シェル１０ｂの凝固状態の均一度を表すパラメータである。例えば、図３に示すように、凝固シェル厚の最大値Ａと最小値Ｂの比（Ｂ／Ａ）を、凝固均一度（無次元量）とすることができる。なお、最大値Ａは、凝固シェル１０ｂの長辺側における最も厚い部位の凝固シェル厚であり、最小値Ｂは、上記凝固シェル１０ｂのコーナー近傍の最も薄い部位１０ｄの凝固シェル厚である。凝固均一度が良好な鋳造を行った場合には、凝固シェル１０ｂの部位１０ｄの凝固シェル厚が、その他の厚い部位のシェル厚Ａに近づくこととなる。
【００３９】
また、摩擦拘束力とは、連続鋳造時に鋳型１と凝固シェル１０ｂとの間の摩擦により生じる拘束力の大きさを表すパラメータである。摩擦拘束力は、例えば、特開２００６−３４６７３５号公報、特開２００６−３４６７３６号公報等に記載された公知の手法により計算可能である。該手法により計算された鋳型の各幅における摩擦拘束力を、各幅での基準値（１段テーパでテーパ率１．０％／ｍの場合の摩擦拘束力）で正規化した値を、摩擦拘束力（無次元量）として使用できる。
【００４０】
実際に溶鋼の連続鋳造を行い、鋳造中に鋳型１内の溶鋼にＳを添加し、凝固後の鋳片１０のサルファープリントによって鋳型１の下端位置での凝固シェル１０ｂの厚み分布を評価したところ、上記計算で求めた凝固均一度と、サルファープリントから求めた鋳型１の下端での凝固シェル厚の最大値Ａと最小値Ｂの比とが、よく一致することがわかった。従って、計算で求めた凝固均一度を指標として、好適な連続鋳造方法を見出すことが可能である。
【００４１】
例えば、上記計算で求めた凝固均一度（Ｂ／Ａ）の値が０．７以上であれば、実鋳造においても良好な凝固均一度を確保することができる。凝固均一度（Ｂ／Ａ）の値が０．７未満となると、凝固シェルが破断してブレークアウトする恐れがある。また、計算で求めた摩擦拘束力が２．０以下であれば、実鋳造においても拘束の少ない良好な鋳造を行うことができる。また、凝固均一度（Ｂ／Ａ）及び摩擦拘束力を上記好ましい範囲とすることにより、連続鋳造を行ったときにブレークアウトが起こらないことを、実際の連続鋳造の結果によって確認している。
【００４２】
このように凝固均一度及び摩擦拘束力を好ましい範囲に設定するために、短辺鋳型板１１又は長辺鋳型板１２のテーパ量を、鋳造速度又は鋼種等の操業条件に応じて、適切なテーパ量に制御することが好ましい。
【００４３】
ところが、上述したように、従来の鋳型のテーパ量の可変技術は、鋳型板全体を上下方向に湾曲させることで、上下方向のテーパ量を変更可能としているが、鋳型板の形状を幅方向及び上下方向に局部的に変形させることはできなかった。このため、鋳型板の幅方向及び上下方向それぞれにおける凝固シェル１０ｂの局部的な凝固偏析に対して、鋳型板のテーパ量を局部的かつ時間可変で制御することができなかった。
【００４４】
そこで、本実施形態に係る鋳型１では、鋳型板１１、１２表面の銅板２１、３１をその幅方向及び上下方向に局所的に変形及び冷却可能な構造を採用している。該構造を用いて銅板２１、３１を局部的に変形及び冷却することにより、凝固シェル１０ｂと鋳型板１１、１２を隙間無く接触させて、適切に鋳型冷却できる。よって、凝固シェル１０ｂの凝固均一度を向上できるとともに、摩擦拘束力も適正化することができる。以下に、本実施形態に係る鋳型１における銅板２１、３１の変形及び冷却構造について詳述する。
【００４５】
［３．鋳型の変形構造］
次に、図４〜図５を参照して、本実施形態に係る鋳型１が具備する鋳型板の変形構造について詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る長辺鋳型板１２を示す一部切り欠き正面図である。図５は、本実施形態に係る長辺鋳型板１２の銅板３１の変形動作を示す縦断面図である。なお、以下の説明では長辺鋳型板１２の変形及び冷却構造の例について説明するが、短辺鋳型板１１も、下記の長辺鋳型板１２と同様な変形及び冷却構造を具備してもよい。
【００４６】
図４及び図５に示すように、長辺鋳型板１２は、該長辺鋳型板１２の表面側に配置される銅板３１と、背面側に配置されるバックフレーム３２とから成る。銅板３１は、横長の矩形板状であり、鋳型１の内面を構成し、溶融金属１０ａと接触する表面材として機能する。銅板３１は熱伝導率が高いので、溶融金属１０ａを均一に冷却する上で適した材質である。銅板３１の水平方向の幅は、鋳造される鋳片１０の幅よりも大きく、銅板３１の上下方向の高さは、鋳型１内で所定厚の凝固シェル１０ｂを形成するために必要な所定長を有する。また、銅板３１の板厚は、後述する冷却ユニット４０の当接によって板厚方向に変形可能な所定厚を有している。かかる銅板３１の表面３１ａは、鋳型１内の溶融金属１０ａ及び凝固シェル１０ｂに接触し、銅板３１の背面３１ｂは、バックフレーム３２に密接している。
【００４７】
バックフレーム３２は、銅板３１の背面３１ｂ側から該銅板３１を支持する機能を有する。バックフレーム３２は、銅板３１と同程度の矩形板状を有する鋼製の補強部材であり、銅板３１の背面３１ｂに取り付けられる。図示の例では、バックフレーム３２の矩形枠状の外周部が銅板３１に接合される。かかるバックフレーム３２により銅板３１を支持することで、銅板３１の外周部（ロの字形部分）が拘束されて、容易に変形しないようになる。
【００４８】
さらに、バックフレーム３２の中央部は、縦横に複数の冷却ユニット４０に分割されている。冷却ユニット４０は、鋼等の金属製のブロックで構成され、銅板３１の板厚方向に長く延びる直方体形状を有する。かかるバックフレーム３２の中央部において、複数の冷却ユニット４０が、長辺鋳型板１２の幅方向及び上下方向（つまり、水平方向及び垂直方向）に規則正しく配列される。幅方向及び上下方向に隣接する冷却ユニット４０は、相互に密接しており、複数の冷却ユニット４０全体で銅板３１の背面３１ｂ中央部を支持している。
【００４９】
また、図５に示すように、個々の冷却ユニット４０は、銅板３１の板厚方向に独立的に移動できるように設置される。各冷却ユニット４０の背面側には、当該各冷却ユニットを銅板３１の板厚方向に個別に押し出す押出機構５０が設けられる。押出機構５０は、電動シリンダ、油圧シリンダなどのアクチュエータで構成され、該押出機構５０のピストンロッド５１は、冷却ユニット４０の背面に連結されている。かかる押出機構５０は、ピストンロッド５１を伸縮させることで、冷却ユニット４０を銅板３１の板厚方向に移動させる。
【００５０】
このような押出機構５０を冷却ユニット４０ごとにそれぞれ設けることにより、複数の冷却ユニット４０を銅板３１の板厚方向に個別に押し出すことができる。押出機構５０により押し出された冷却ユニット４０は、銅板３１に向けて突き出されて、銅板３１の背面３１ｂに当接する。このように冷却ユニット４０が銅板３１の背面３１ｂに対して当接する面を当接面４１と称する。図４に示す例の冷却ユニット４０の当接面４１は、正方形であるが、かかる例に限定されず、例えば、長方形、菱形等のその他の矩形状であってもよいし、或いは、円形、楕円形、その他の多角形など任意の形状であってもよい。
【００５１】
かかる冷却ユニット４０は、銅板３１の幅方向にｍ個、上下方向にｎ個配置されるが（ｍ及びｎは２以上の整数）、ｍ及びｎはそれぞれ少なくとも３以上であることが好ましい。このように、銅板３１の背面３１ｂ側に多数の冷却ユニット４０を縦横に配置するとともに、各々の冷却ユニット４０に対応する押出機構５０を設置することで、銅板３１の幅方向及び上下方向の任意の箇所を局部的に変形させることができる。これにより、銅板３１を３次元的に多様な凹凸形状に変形させることが可能となりので、長辺鋳型板１２の局部的なテーパ制御を実現できる。
【００５２】
銅板３１の局部的な変形の具体例について図５を参照して説明する。図５（ａ）は、上記押出機構５０によりいずれの冷却ユニット４０も押し出さずに、全ての冷却ユニット４０の押出量をゼロとしている状態を示す。図５（ａ）の状態では、全ての冷却ユニット４０の先端の当接面４１は、面一の垂直面であり、いずれの冷却ユニット４０の当接面４１も部分的に突出していない。このため、銅板３１は板厚方向に変形せず、平板状となっており、銅板３１に局部的なテーパは形成されていない。
【００５３】
一方、図５（ｂ）は、上記押出機構５０により一部の冷却ユニット４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを、銅板３１に当接する方向に押し出して、銅板３１の下部側を局部的に変形させた状態を示す。図５（ｂ）の状態では、押出機構５０Ａによる冷却ユニット４０Ａの押出量ＬＡが最大であり、その上下の押出機構５０Ｂ、５０Ｂによる冷却ユニット４０Ｂ、４０Ｂの押出量ＬＢが、ＬＡの３分の２程度であり、更にその上下の押出機構５０Ｃ、５０Ｃによる冷却ユニット４０Ｃ、４０Ｃの押出量ＬＣが、ＬＡの３分の１程度である。その他の冷却ユニット４０の押出量Ｌはゼロである。
【００５４】
このように、押出機構５０を用いて一部の冷却ユニット４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを銅板３１の板厚方向に異なる押出量ＬＡ、ＬＢ、ＬＣで押し出し、該冷却ユニット４０を銅板３１に当接させることにより、当接箇所の銅板３１を局部的に変形させることができる。図５（ｂ）の例では、冷却ユニット４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃの当接箇所の銅板３１が、鋳型１の内側に向けて部分的に突出し、冷却ユニット４０Ａの当接箇所を中心としてなだらかに湾曲するように変形している。これにより、長辺鋳型板１２の銅板３１の下部側に局部的に突出したテーパを形成することができるので、連続鋳造中に凝固シェル１０ｂと長辺鋳型板１２の下部側との接触状態を適切に制御できる。なお、図５では、冷却ユニット４０を用いて長辺鋳型板１２の銅板３１の上下方向の一部を局部的に突出変形させる例を示しているが、同様にして、該銅板３１の幅方向の一部を局部的に突出変形させることも可能である。
【００５５】
また、図６に示すように、冷却ユニット４０の当接面４１をより確実に銅板３１に接触させるために、冷却ユニット４０の姿勢（水平度など）が可変になるよう、押出機構５０に回転支点５２を設け、かつ、冷却ユニット４０の押出方向軸の縦断面形状を台形にしてもよい。より詳細に説明すると、冷却ユニット４０と押出機構５０とを連結する連結部材５３を設け、該連結部材５２の両端部をそれぞれ、押出機構５０のピストンロッド５１の前面と冷却ユニット４０の背面にヒンジ結合して、回転支点５２、５２を設ける。これにより、図６（ｂ）に示すように、押出部材５０のピストンロッド５１により冷却ユニット４０を押し出したときに、連結部材５３の両端の回転支点５２、５２を中心として連結部材５３及び冷却ユニット４０が回動し、冷却ユニット４０の水平姿勢が変化する。このとき、個々の冷却ユニット４０の縦断面形状が台形であるので、上下に隣接する冷却ユニット４０、４０同士が接触することがない。従って、上記回動構造を設けることによって、押出機構５０により一部の冷却ユニット４０を押し出したときに、該冷却ユニット４０の当接面４１を銅板３１の背面３１ｂに対して隙間無く確実に接触させることが可能となる。
【００５６】
なお、図５及び図６に示したように押出機構５０を用いて銅板３１を変形させるために、銅板３１の厚みを適切に調整する必要がある。銅板３１の厚みが厚すぎると、押出機構５０の機械的負荷が大きくなり、装置が大型化し不経済となるため、銅板３１の厚みは例えば５０ｍｍ未満であることが望ましい。一方、銅板３１の厚みが薄すぎると、銅板３１のパウダー内の不純物などによる局部の摩耗減肉等により鋳型１の耐久性が極端に悪化するといった弊害があるので、銅板３１の厚みは例えば１ｍｍ以上であることが望ましい。
【００５７】
銅板３１の厚みの適正範囲を検証するため、断面サイズ２５０×２０００ｍｍのスラブを連続鋳造するという試験条件で、銅板３１の耐久性試験を行った。この時の鋳造鋼種は低炭素綱（炭素濃度０．０５％）であり、パウダーを使用した。鋳造速度は１．８ｍｐｍである。この結果、厚み０．８ｍｍの銅板３１を用いた場合には、鋳造時間１時間（鋳造距離約１０８ｍ）未満で銅板３１が摩耗減肉して、水漏れが発生した。一方、厚み１．０ｍｍの銅板３１を用いた場合には、２時間（鋳造距離約２１０ｍ）でも該銅板３１から水漏れが発生せず、実用に耐えられる十分な耐久性があることが分かった。よって、銅板３１の耐久性の観点からは、銅板３１の厚みは１ｍｍ以上であることが望ましいといえる。
【００５８】
次に、上記冷却ユニット４０の押出量Ｌの制御について説明する。図５に示すように、鋳型１は、押出機構５０による各冷却ユニット４０の押出量Ｌを制御する制御部１５を備えている。制御部１５は、マイクロコントローラ等のプロセッサで構成され、個々の押出機構５０に電気的に接続されている。該制御部１５は、各押出機構５０に対して、冷却ユニット４０の押出量Ｌを表す制御信号を出力することで、各押出機構５０の駆動を制御し、これにより、各冷却ユニット４０の押出量Ｌを個別に制御する。
【００５９】
かかる制御部１５は、温度センサ１６により検出された銅板３１の各部位の温度に応じて、各押出機構５０による各冷却ユニット４０の押出量を制御する。温度センサ１６は、例えば、銅板３１に埋設された熱電対又は熱流速計等で構成され、銅板３１の温度を検出する検出部として機能する。この温度センサ１６は、銅板３１の上下方向及び幅方向の各位置に複数設置されている。当該複数の温度センサ１６は、銅板３１の上下方向及び幅方向の各位置の温度を検出し、検出値を制御部１５に出力する。すると、制御部１５は、複数の温度センサ１６の検出値に基づき、銅板３１の各位置の温度に応じて、各冷却ユニット４０の押出量Ｌの適正量を計算する。そして、制御部１５は、各押出機構５０を用いて、各冷却ユニット４０の押出量Ｌを、当該計算した適正量に制御する。
【００６０】
以上のように、本実施形態に係る制御部１５は、銅板３１の各部の温度に応じて、各冷却ユニット４０の押出量Ｌを個別に制御する。これにより、鋳造中の凝固シェル１０ｂと銅板３１との接触状態に応じて、銅板３１の必要部分のテーパを局部的に制御して、凝固シェル１０ｂと銅板３１の接触性を向上させ、凝固シェル１０ｂの凝固均一度を高めることができる。
【００６１】
つまり、鋳造中には、凝固シェル１０ｂの部位による凝固収縮の偏差により、凝固シェル１０ｂと銅板３１との間の接触状態（例えば、隙間の有無や大きさ、摩擦拘束力など）が時間変化する。当該接触状態が不良になると、凝固シェル１０ｂを適切に冷却できないため凝固均一度が低下したり、摩擦拘束力の増大により凝固シェル１０ｂの割れやブレークアウトが生じたりする。かかる凝固シェル１０ｂと銅板３１との間の接触状態は、銅板３１の温度と相関がある。例えば、銅板３１の温度が部分的に高ければ、その部分の銅板３１が凝固シェル１０ｂと強く接触しており、摩擦拘束力が高すぎる状態にある。一方、銅板３１の温度が部分的に低ければ、その部分の銅板３１と凝固シェル１０ｂとの間に隙間が生じており、当該部分での凝固に資する冷却が適切になされていない状態にある。
【００６２】
そこで、制御部１５は、銅板３１の温度が高い部分については、冷却ユニット４０の押出量Ｌを減少させて、当該部分の銅板３１のテーパ量を減少させる。これにより、当該部分の銅板３１と凝固シェル１０ｂの接触圧を低減できるので、その部分での摩擦拘束力を抑制できる。一方、銅板３１の温度が低い部分については、冷却ユニット４０の押出量Ｌを増加させる。これにより、当該部分の銅板３１と凝固シェル１０ｂを接触させて隙間を無くす、或いは、両者の接触圧を増加させることができるので、当該部分の銅板３１により凝固シェル１０ｂを十分に冷却して、凝固シェル１０ｂの凝固を促進できる。
【００６３】
［４．鋳型の冷却構造］
次に、図７〜図８を参照して、本実施形態に係る長辺鋳型板１２の冷却構造について説明する。図７は、本実施形態に係る冷却ユニット４０を示す部分拡大縦断面図である。図８は、本実施形態に係る長辺鋳型板１２の冷却ユニット４０の当接面４１を示す正面図である。
【００６４】
図７に示すように、上記冷却ユニット４０は、その内部に形成された冷媒供給路４２及び冷媒排出路４３に冷媒（例えば冷却水）を循環させる内部冷却機構を具備する。さらに、銅板３１に対して当接する冷却ユニット４０の当接面４１には、複数の凸部６０と、該冷媒の噴出孔６１及び排出孔６２（図８参照。）が設けられている。かかる冷却ユニット４０は、その当接面４１を銅板３１の背面３１ｂに接触させて、銅板３１から冷却ユニット４０への抜熱により、銅板３１を間接的に冷却するだけでなく、冷却ユニット４０の当接面４１と銅板３１との当接部を流通する冷媒により、銅板３１を直接的に冷却する。
【００６５】
かかる冷却ユニット４０の冷却構造について詳述する。図７に示すように、各々の冷却ユニット４０には、外部から当接面４１に冷媒を供給するための冷媒供給路４２と、当接面４１から外部に冷媒を排出するための冷媒排出路４３が形成されている。これらの冷媒供給路４２及び冷媒排出路４３は、冷却ユニット４０の内部に冷媒を流通させるための流路であり、その縦断面は例えば円形である。
【００６６】
冷媒供給路４２は、冷却ユニット４０の中心部を貫通するように水平方向に延設されており、該冷媒供給路４２は、当接面４１に形成された噴出孔６１に連通している。一方、冷媒排出路４３は、冷却ユニット４０の外側面に沿って水平方向に溝状に延設されており、該冷媒排出路４３は、当接面４１に形成された排出孔６２に連通している。図７及び図８に示すように、上下及び左右に隣接する４つの冷却ユニット４０のコーナー部分に１本の冷媒排出路４３が貫通形成されており、当該４つの冷却ユニット４０が、１本の冷媒排出路４３を共有している。
【００６７】
このように、１つの冷却ユニット４０当たりに、冷媒供給路４２及び冷媒排出路４３がそれぞれ１本ずつ設けられ、複数の冷却ユニット４０全体では、冷媒供給路４２及び冷媒排出路４３が交互に等間隔で配置されている。これにより、各々の冷却ユニット４０の当接面４１に対して、冷媒を均等に供給できる。なお、１つの冷却ユニット４０当たりに、冷媒供給路４２及び冷媒排出路４３をそれぞれ複数本設けてもよい。
【００６８】
上記の冷媒供給路４２及び冷媒排出路４３は、銅板３１を冷却する銅板冷却機構として機能し、冷却ユニット４０の当接面４１と銅板３１の背面３１ｂの間を流通する冷媒により、銅板３１を直接冷却する。さらに、当該冷媒供給路４２及び冷媒排出路４３は、冷却ユニット４０自体を冷却する内部冷却機構としても機能し、該冷媒供給路４２及び冷媒排出路４３内を冷媒が循環することで、冷却ユニット４０自体が冷却される。
【００６９】
ここで、図８を参照して、冷却ユニット４０の当接面４１の構成について詳述する。図８に示すように、各々の冷却ユニット４０の当接面４１には、銅板３１側に向かって突出した複数の凸部６０と、当接面４１上に冷媒を噴出する噴出孔６１と、当接面４１上から冷媒を排出する排出孔６２とが形成されている。噴出孔６１は、上記冷却ユニット４０内の冷媒供給路４２と連通しており、冷媒供給路４２を通じて供給された冷媒を、複数の凸部６０間の空隙６３に噴出する。一方、排出孔６２は、上記冷却ユニット４０内の冷媒排出路４３と連通しており、複数の凸部６０間の空隙６３に存在する冷媒を冷媒排出路４３に排出する。
【００７０】
これら凸部６０、噴出孔６１及び排出孔６２はそれぞれ、複数の冷却ユニット４０の当接面４１上で縦横に所定間隔で均等に配置されている。凸部６０の分布密度は、噴出孔６１及び排出孔６２の分布密度よりも高い（例えば、図示の例では凸部６０の分布密度が約３６倍）。これにより、当接面４１上で冷媒が噴出孔６１から排出孔６２に至るまでの間に、様々な方向にランダムに流動するようになる。
【００７１】
また、噴出孔６１の分布密度と排出孔６２の分布密度は略同一である。ある１つの噴出孔６１に隣接する４つの排出孔６２を頂点とする正方形の中心に、該噴出孔６１が配置されており、同様に、ある１つの排出孔６２に隣接する４つの噴出孔６１を頂点とする正方形の中心に、該排出孔６２が配置されている。このように複数の噴出孔６１及び排出孔６２を等間隔で交互に千鳥配置することで、当接面４１上で冷媒を均等に流通させることができる。
【００７２】
ここで、当接面４１に形成される凸部６０について詳述する。冷却ユニット４０の当接面４１に、一つ一つが独立した複数の凸部６０を設けることにより、銅板３１の背面３１ｂと複数の凸部６０とで囲まれた空隙６３に冷媒を流通させて、銅板３１の冷却効率を高めることができる。
【００７３】
図８に示すように凸部６０は、冷却ユニット４０の当接面４１上に所定の間隔で設けた円柱状の突起で構成されるが、水平断面の形状が円状、楕円状、多角形状又は星型形状の何れかであることが好ましく、垂直断面の形状は長方形又は台形であることが好ましい。また、凸部６０は半球状であってもよい。また、複数の凸部６０間の空隙６３に冷媒をランダムに流通させるためには、凸部６０の水平断面の形状が、上下左右に対称な形状、例えば円、正方形、楕円等であることが好ましい。また、凸部６０は、当接面４１の全面に設けられることが好ましいが、当接面４１の一部にのみ設けることも可能である。
【００７４】
また、凸部６０の高さは、０．０２５〜１０ｍｍであることが好ましい。これは、凸部６０の高さが０．０２５ｍｍよりも低いと、銅板３１との隙間が小さすぎるため、銅板３１と冷却ユニット４０との間を冷媒が循環することが困難となり、一方、１０ｍｍよりも大きいと隙間が大きくなりすぎて、冷媒の供給量を多くする必要があり、不経済である。
【００７５】
また、当接面４１上での凸部６０の面積率は、２０〜９０％であることが好ましい。これは、凸部６０の面積率が２０％よりも小さいと、当接面４１の凸部６０の形状が銅板３１に転写し易く、９０％よりも大きい場合は、凸部６０間の空隙６３が狭く、圧力損失が大きくなり、冷媒が充填又は流動できないため、冷却効率が若干低下するためである。
【００７６】
凸部６０の水平断面の形状が円状である場合には、凸部６０の直径（水平断面の形状が多角形状又は星型形状である場合には、凸部の外接円の直径）が、０．０５〜５０ｍｍであることが好ましい。これは、凸部の直径又は外接円の直径が０．０５ｍｍよりも小さい場合は、凸部６０の摩耗が大きく、長期間に渡り効果を得られず、５０ｍｍよりも大きい場合、均一な冷却ができないためである。
【００７７】
なお、凸部６０は、所定形状に成形された別部材を平坦な当接面４１に装着して設けてもよいが、凸部６０の成形条件によっては、凸部６０の痕が銅板３１に転写されることがある。これを防止するには、当接面４１における凸部６０を設ける部位の周囲を、凸部６０の高さと同等の深さ分だけ除去することで、凸部６０を設けてもよい。
【００７８】
冷却ユニット４０の当接面４１の凸部６０は、例えば、機械的切削加工、電解加工、化学エッチング、放電加工、又はめっき法により形成することができる。
【００７９】
このうち、例えば化学エッチングは、以下のようにして行うことができる。まず、可視光硬化型感光性樹脂を冷却ユニット４０の当接面４１に塗布、乾燥した後、可視光を遮断するマスクで被覆して可視光を照射し、照射部を硬化させる。次に、硬化部以外の樹脂を有機溶剤により除去する。例えば、塩化第２鉄水溶液等のエッチング液に、冷却ユニット４０の当接面４１を１〜３０分程度浸漬し、エッチングすればよい。凸部６０の直径又はピッチは、可視光を遮断するマスクの形状によって適宜選択することが可能であり、凸部６０の高さはエッチング時間によって適宜調整することができる。
【００８０】
放電加工は、目的とする凸部形状を反転させた凹部を表面パターンとして有する銅電極を、冷却ユニット４０の当接面４１に対向して設置し、加工電流条件を冷却ユニット４０の材質、及び所望の凸部形状に応じて、適宜調整すればよい。
【００８１】
めっき法の場合、半球状凸部の直径を１０μｍ以上とするため、めっきの厚みを１０μｍ以上とすることが好ましく、剥離を防止するため、めっきの厚みの上限は８００μｍ以下とすることが好ましい。めっき層は、アルカリ脱脂し、めっき液中で金型を陽極として電解処理する電解エッチングを行った後、所定の浴温、電流密度で形成することができる。なお、半球状凸形状を有するめっき層を形成するには、例えば、電流密度を段階的に増加させた後、一定電流密度でめっきすればよい。
【００８２】
次に、当接面４１に形成される噴出孔６１、排出孔６２について詳述する。噴出孔６１、排出孔６２の形状が円形である場合は、その直径が０．１ｍｍ未満では、目詰まりが起きやすいため、噴出孔６１、排出孔６２の直径の下限を０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。一方、噴出孔６１、排出孔６２の直径が１００ｍｍよりも大きいと、銅板３１に形状が転写するため、直径の上限を１００ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、噴出孔６１、排出孔６２の形状が矩形、楕円形である場合、多孔質金属の孔のような不定形である場合には、流路面積が直径０．１〜１００ｍｍの円と同等であればよい。
【００８３】
また、噴出孔６１、排出孔６２のピッチ（即ち、隣接する噴出孔６１同士の若しくは排出孔６２同士の距離）が、０．１ｍｍよりも小さい場合、孔の数が増加して冷却ユニット４０の製造コストが高くなる。一方、噴出孔６１、排出孔６２のピッチが１０００ｍｍよりも大きい場合は、冷却能力が不足することがある。従って、噴出孔６１、排出孔６２のピッチは、０．１〜１０００ｍｍであることが好ましい。
【００８４】
なお、上記の噴出孔６１、排出孔６２、冷媒供給路４２及び冷媒排出路４３等は、冷却ユニット４０に対するドリルによる機械的な穿孔、又は、放電加工による穿孔によって設けることができる。また、冷媒の噴出孔６１及び排出孔６２を冷却ユニット４０に穿孔する代わりに、内部から外表面に貫通する気孔を有する多孔質金属に、冷媒の供給配管及び排出配管を接続して、冷却ユニット４０を構成してもよい。この場合、肉厚方向に貫通する直径、ピッチの孔を複数有する多孔質金属を使用することが好ましい。このような多孔質金属は、粉末を成形後に焼結するか、又は金属を溶融させた後、温度制御により凝固組織の方向を一定にする一方向凝固によって製造することができる。
【００８５】
また、冷媒は、難燃性、腐食性の観点から、水、多価アルコール類、多価アルコール類水溶液、ポリグリコール、引火点１２０℃以上の鉱物油、合成エステル、シリコンオイル、フッ素オイル、滴点１２０℃以上のグリース、鉱物油、合成エステルに界面活性剤を配合した水エマルションの何れでもよく、これらの混合物を用いてもよい。また、冷却媒体は、流体であれば、液体でも気体であってもよいが、本実施形態では、例えば液体の冷却水を用いる。
【００８６】
次に、図９を参照して、冷却ユニット４０の当接面４１上における冷媒４５の流路について説明する。上述した複数の凸部６０間の空隙６３は、当接面４１上における冷媒４５の流路として機能する。つまり、平坦な当接面４１上に複数の凸部６０を形成することで、当該複数の凸部６０の間隙である凹部（即ち、空隙６３）が形成され、この複数の凸部６０間の空隙６３は、複数の当接面４１全体に渡って連通している。
【００８７】
そして、図９に示すように、冷却ユニット４０の当接面４１を銅板３１の背面３１ｂ（以下、銅板背面３１ｂという。）に接触させたときには、複数の凸部６０の先端部が銅板背面３１ｂに当接するため、銅板背面３１ｂと冷却ユニット４０の当接面４１との間には、凸部６０の高さ分の空隙層が生じる。このとき、複数の凸部６０間の空隙６３は、銅板背面３１ｂと複数の凸部６０と当接面４１とで囲まれた閉空間となり、銅板３１と冷却ユニット４０との接触部における冷媒４５の流路として機能する。
【００８８】
かかる当接面４１の構造により、図９に示すように、冷媒供給路４２から供給される冷媒４５は、当接面４１の噴出孔６１から噴出して、当接面４１と銅板背面３１ｂとの間に供給された後に、複数の凸部６０間の空隙６３を縫うように流動して、排出孔６２から冷媒排出路４３に排出される。このとき、空隙６３を流れる冷媒４５は、高温の銅板背面３１ｂと接触して、その一部又は全部が気化するので、この気化潜熱により銅板３１を冷却する。このように、当接面４１に形成された複数の凸部６０間の空隙６３内で、冷媒４５を流通及び気化させることで、冷媒４５の気化潜熱により、銅板３１を直接冷却することができる。
【００８９】
また、閉空間である空隙６３内で冷媒４５が気化すると、空隙６３内の圧力が増大して、冷媒４５の蒸気膜が形成され、冷媒４５の流通を阻害する。そこで、空隙６３内に存在する余剰の冷媒４５（液体）と、気化した冷媒４５の蒸気を、当接面４１上の排出孔６２から冷媒排出路４３に排出する。不図示の真空ポンプ等の吸引手段を用いて冷媒排出路４３の内圧を負圧にすれば、該冷媒排出路４３に連通する排出孔６２から、上記空隙６３内の余剰の冷媒４５及び該冷媒４５の蒸気を吸引し、該冷媒排出路４３を通じて排出することができる。このように排出孔６２から冷媒４５を排出することで、高温の銅板３１との接触により空隙６３内に発生した冷媒４５の蒸気による圧力上昇を防ぎ、空隙６３内の圧力を減圧できるので、空隙６３内における冷媒４５の流通を円滑化及び促進できる。よって、当接面４１上で流通する冷媒４５を用いた冷却効率が大幅に向上する。
【００９０】
また、間接冷却としては、当接面４１の複数の凸部６０が銅板背面３１ｂに接触するので、銅板３１の熱を、凸部６０を介して冷却ユニット４０に抜熱することができる。上述したように冷媒供給路４２及び冷媒排出路４３は、冷却ユニット４０自体を冷却する内部冷却機構として機能し、冷却ユニット４０の内部の冷媒供給路４２及び冷媒排出路４３に冷媒４５を循環させることで、冷却ユニット４０自体を冷却できる。このように内部冷却機構により冷却された冷却ユニット４０の当接面４１を銅板背面３１ｂに接触させることで、銅板３１の熱を冷却ユニット４０に抜熱して、銅板３１を好適に間接冷却することができる。
【００９１】
以上、銅板３１を冷却するための冷却ユニット４０の冷却構造について説明した。次に、図５を参照して、制御部１５による冷媒４５の供給量の制御について説明する。
【００９２】
図５に示した制御部１５は、冷媒供給系統による複数の冷却ユニット４０に対する冷媒４５の供給量Ｑを制御する機能も有する。冷媒供給系統は、例えば、上記冷媒供給路４２と、冷媒４５を送出する送出ポンプ（図示せず。）と、該送出ポンプから冷媒供給路４２に冷媒を供給する流路に設けられた流量制御弁（図示せず。）などからなる。制御部１５は、各冷却ユニット４０の冷媒供給系統の流量制御弁に電気的に接続されている。該制御部１５は、各々の流量制御弁に対して、冷媒４５の供給量Ｑ（例えば単位時間当たりの流量）を表す制御信号を出力することで、各流量制御弁の開閉を制御し、これにより、各冷却ユニット４０に対する冷媒４５の供給量Ｑを個別に制御する。
【００９３】
かかる制御部１５は、上述した温度センサ１６により検出された銅板３１の各部位の温度に応じて、各冷却ユニット４０に対する冷媒４５の供給量Ｑを制御する。詳細には、複数の温度センサ１６は、銅板３１の上下方向及び幅方向の各位置の温度を検出し、検出値を制御部１５に出力する。すると、制御部１５は、複数の温度センサ１６の検出値に基づき、銅板３１の各位置の温度に応じて、各冷却ユニット４０に対する冷媒４５の供給量Ｑの適正量を計算する。そして、制御部１５は、各流量制御弁を用いて、各冷却ユニット４０に対する冷媒４５の供給量Ｑを、当該計算した適正量に制御する。
【００９４】
以上のように、銅板３１の各部の温度に応じて、各冷却ユニット４０に対する冷媒４５の供給量Ｑを個別に制御することにより、鋳造中に銅板３１の冷却必要箇所を重点的に冷却し、その他の部分の冷却を抑制することができる。従って、鋳造中の凝固シェル１０ｂの局部的な温度状態に応じて、銅板３１の幅方向及び上下方向の温度分布を適正化できる。よって、当該銅板３１と接触する凝固シェル１０ｂを適切に冷却できるので凝固シェル１０ｂの凝固均一度を高めることができる。
【００９５】
［５．連続鋳造方法］
次に、本実施形態に係る連続鋳造用鋳型１を用いた連続鋳造方法について説明する。
【００９６】
図１に示したように、上記鋳型１を用いた連続鋳造においては、鋳型１内に溶融金属１０ａを注入しながら、該鋳型１を用いて鋳片１０が連続鋳造される。この連続鋳造中には、鋳型１内において、短辺鋳型板１１及び長辺鋳型板１２に接する溶融金属１０ａの外周部が凝固して、凝固シェル１０ｂが形成され、該凝固シェル１０ｂを外殻とする鋳片１０が、冷却されながら鋳型１下方に連続的に引き出される。この鋳造中には、必要に応じて、上記各押出機構５０によって各冷却ユニット４０を銅板３１の板厚方向に押し出すことにより、銅板３１の一部（幅方向又は上下方向の少なくともいずれかの部分）を局部的に変形させながら、該局部的に変形した銅板３１を具備する鋳型１によって、鋳片１０を連続鋳造する。
【００９７】
具体的には、鋳造中には、銅板３１に設けられた複数の温度センサ１６は、銅板３１の各部位の温度を連続的に検出している。そして、制御部１５は、各温度センサ１６により検出された銅板３１の各部位の温度に応じて、各押出機構５０による各冷却ユニット４０の押出量を算出して、当該各冷却ユニット４０の押出量を、銅板３１の温度分布に適した押出量に制御する。これにより、鋳造中に、該銅板３１の温度分布に応じて、銅板３１のテーパ形状を局部的かつ時間可変で制御して、適切な形状に調整することができる。よって、鋳型１と凝固シェル１０ｂとの摩擦拘束力を適切に制御しながら、凝固シェル１０ｂの凝固均一度を高めることができる。
【００９８】
また、鋳造中には、鋳型１の内部冷却機構により銅板３１を冷却しながら、該鋳型１を用いて鋳片１０が連続鋳造される。このとき、制御部１５は、上記各温度センサ１６により検出された銅板３１の各部位の温度に応じて、各冷却ユニット４０に対する冷媒４５の供給量を算出して、該各冷却ユニット４０に対する冷媒４５の供給量を、銅板３１の温度分布に適した供給量に制御する。この結果、各冷却ユニット４０は、各冷媒供給路４２を通じた適切な供給量の冷媒４５を用いて、対応する部位の銅板３１を、異なる冷却量でそれぞれ冷却する。これにより、鋳造中に、該銅板３１の温度分布に応じて、冷却ユニット４０による銅板３１の冷却量を局部的かつ時間可変で制御して、銅板３１の必要箇所を適切に冷却することができる。よって、該適切に冷却された銅板３１を用いて溶融金属１０ａ及び凝固シェル１０ｂを冷却できるので、凝固均一度の高い凝固シェル１０ｂを鋳造できる。
【００９９】
［６．まとめ］
以上、本発明の第１の実施形態に係る連続鋳造用鋳型１と、それを用いた連続鋳造方法について説明した。本実施形態に係る鋳型１は、複数の冷却ユニット４０を用いた特殊な銅板３１の変形及び冷却構造を具備している。
【０１００】
本実施形態に係る銅板３１の変形構造によれば、上記複数の冷却ユニット４０を個別に押し出して、銅板３１を局部的に変形させることにより、鋳型長辺のテーパを局部的かつ三次元的に自由自在に変形できる。従って、連続鋳造中に、銅板３１と凝固シェル１０ｂの接触状態に応じて、銅板３１を適切なテーパ形状に変形させることができる。よって、凝固シェル１０ｂと長辺鋳型板１２を、隙間無く、かつ、適切な摩擦拘束力で密接させて鋳型冷却することができるので、凝固シェル１０ｂの凝固均一度を向上できるとともに、摩擦拘束力も適正化することができる。
【０１０１】
また、本実施形態に係る銅板３１の冷却構造によれば、各冷却ユニット４０の当接箇所の銅板３１を局部的に冷却することができる。さらに、上記各冷却ユニット４０に対する冷媒の供給量Ｑを個別に制御することで、銅板３１を局部的な冷却を適切に制御することができる。従って、連続鋳造中に、凝固シェル１０ｂの状態に応じて、長辺鋳型板１２の銅板３１の冷却必要箇所を、局部的かつ適切な冷却量で鋳型冷却することができる。よって、凝固シェル１０ｂの凝固均一度を向上することができる。
【０１０２】
また、鋳型１内の凝固シェル１０ｂは、銅板３１の幅方向及び上下方向それぞれにおいて局部的に偏って凝固し、しかも当該凝固偏析は鋳造中に時間変化する。これに対し、本実施形態に係る銅板３１の変形構造及び冷却構造によれば、当該凝固シェル１０ｂの凝固偏析に対処するべく、局部的かつ時間可変のテーパ制御及び冷却制御を、十分な精度で実現できる。
【０１０３】
また、本実施形態に係る銅板３１の変形構造及び冷却構造により、従来には無いユニークな可変テーパ機構及び冷却機構を提供できる。つまり、本実施形態に係る個々の冷却ユニット４０のサイズは、任意に調整可能である。従って、冷却ユニット４０のサイズを調整することによって、銅板３１の局部的なテーパを制御するときの制御エリア単位を、自由に選択することができる。また、冷却ユニット４０のサイズを調整することによって、銅板３１の局部的な冷却を制御するときの制御エリア単位を、自由に選択することもできる。
【０１０４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１０５】
例えば、上記実施形態では、鋳型１の長辺鋳型板１２に複数の冷却ユニット４０を設けて、銅板３１を変形及び冷却する例について説明したが、短辺鋳型板１１に複数の冷却ユニット４０を設けて、銅板２１を変形及び冷却することも勿論可能である。冷却ユニット４０は、長辺鋳型板１２又は短辺鋳型板１１のいずれか一方にのみ設けてもよいし、双方に設けてもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１  鋳型
２  サポートロール
３  スプレーノズル
１０  鋳片
１０ａ  溶融金属
１０ｂ  凝固シェル
１１  短辺鋳型板
１２  長辺鋳型板
１５  制御部
２１、３１  銅板
２２、３２  バックフレーム
４０  冷却ユニット
４１  当接面
４２  冷媒供給路
４３  冷媒排出路
４５  冷媒
５０  押出機構
５１  ピストンロッド
６０  凸部
６１  噴出孔
６２  排出孔
６３  空隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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