(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造金属が接触した時に表面が凝固するように冷却された内壁を有する管状の金属鋳型部分と、この金属鋳型部分の上方に配置された、鋳造金属を液体状態に収容する鋳造金属の連続サイジング通路を区画する、冷却されていない断熱耐火材料からなる供給ヘッド（9）とを備えた金属の垂直ホットトップ連続鋳造用の鋳型において、
金属鋳型部分（4）と供給ヘッド（9）との間に、冷却液が内部循環する冷却された金属リング（16）を有し、この金属リング（16）の内壁（18）を金属鋳型部分（4）と全く不連続性無しに整合させて鋳型によって鋳造金属（10）に連続した通路を与え、
上記金属リング（16）は鋳型内周で金属リング（16）の内壁（18）に沿って延びた冷却液の水平循環チャンバ（17）から成る内部冷却回路を有し、
耐火材料からなる供給ヘッド（9）が、断熱性に優れた耐火材から成る上部ブッシュ（25）と、機械的強度に優れた耐火材から成る下部リング（26）との二つの部材を積み重ねて構成されたものである
ことを特徴とする鋳型。
【請求項２】
冷却された金属リング（16）が管状の金属鋳型部分（4）と同じ金属から成る請求項１に記載の鋳型。
【請求項３】
冷却された金属リング（16）の高さが約４〜10cmである請求項１に記載の鋳型。
【請求項４】
金属リング（16）が管状の金属鋳型部分（4）に取外し可能に取り付けられる請求項１に記載の鋳型。
【請求項５】
供給ヘッド（9）と金属リング（16）との間の内周に沿って不活性ガスを注入するための回路（28、29、30）を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋳型。
【請求項６】
管状の金属鋳型部分（4）の上部フランジの末端に鋳型に振動を与えるための超音波変換器（31）が取り付けられている請求項１〜５のいずれか一項に記載の鋳型。
【発明の詳細な説明】
本発明は金属、特に鋼の垂直ホットトップ（vertical hot-top）連続鋳造に関するものである。
垂直ホットトップ連続鋳造法に関する最初の文献は60年代末頃に既に発表されている。そのよい例はフランス国特許出願第2,000,365号である。それ以来、この方法は従来の垂直連続鋳造とは区別されるようになり、現在では世界中で非常に広く使用されている。この方法の原理は、鋳型の「能動」要素すなわち内部で鋳造金属の凝固が開始、成長する強力に冷却された管状の金属鋳型部材の上方に断熱供給ヘッドを配置し、この供給ヘッドの上方に配置したタンディッシュから送られた溶融金属を供給ヘッド内で液体状態に維持する点が従来の技術とは異なっている。
上記「能動」要素は一般に単一部品からなる管状鋳型部分（ビレットまたはブルーム鋳造用）または複数のプレートを組み合わせた管状鋳型部分（スラブまたは大型ブルーム鋳造用）である。この管状鋳型部分は銅または銅合金で作られ、その外壁は強力な水の循環で冷却され、この内壁と接触した溶融金属から十分な熱流束が抽出されて溶融金属は確実に凝固する。
鋳造金属の連続したサイジング通路は上記の互いに隣接した２つの要素すなわち金属鋳型部材と供給ヘッドとで区画される。鋳造金属は上部から溶融状態でこのサイジング通路に入り、鋳型本体の冷却壁と接触して表面から凝固され、液体のコアを有する固体シェルとして底部から出る。その後、鋳造機の下側で噴水装置によって完全に凝固される。
垂直ホットトップ連続鋳造の基本的な利点は、鋳型に流し込まれて耐火材料の供給ヘッド内に収容された金属の自由表面（「メニスカス」とよばれる）を、鋳型の冷却壁と接触した鋳造金属が最初に凝固を開始する地点すなわち銅の鋳型部分の上端縁領域から離すことができる点にある。
すなわち、凝固が流体学的に穏やかな環境で開始し、特に、溶融金属の流入によって生じる乱流が耐火材料からる供給ヘッドで構成される緩衝器内に閉じ込められるので、従来の連続鋳造法よりも速い抜出し速度で優れた品質の金属半製品を連続的に鋳造することができる。
さらに、この方法は従来の連続鋳造法に比べて大きな欠点がなく、この意味ではきな技術的進歩ではなく、改善と考えることができる。また、タンディッシュは鋳造機の上方に近接して位置しているが、鋳型に固定されはいないので、従来の鋳造機をホットトップ連続鋳造機に容易に改善することができる。鋼のホットトップ連続鋳が最初に導入されたのは、垂直連続鋳造が工業レベルで導入された時と同時である。その後、連続鋳造は驚異的規模で発展を遂げた（現在、世界の鋼生産の80％以上が連続鋳造によるものである）が、垂直ホットトップ連続鋳造は現在でも依然として工業レベルへの技術導入の研究段階にある。
出願人が行った試験から、この方法には工業的に許容できない大きな問題点、すなわち「冷却された銅の鋳型部分／耐火材料からなる供給ヘッド」界面での形状（geometry）が経時的に不安定になることが分かった。これは冷却された鋳型部分の上端が変形した時にこの部分の形状が影響を受けるためである。
従来の垂直連続鋳造では、このような変形は液体金属が増加して、鋳型から液体金属が「溢流」するように高くなった場合に起こるが、それが鋳造操作の継続に影響することはほとんどない。これに対して、ホットトップ連続鋳造ではメニスカスが冷却部材の上流にあるため、常に「溢流」型と同様な状況下にあるので、鋳造金属の所望の凝固が正確に開始する地点である銅の鋳型部分の上端の変形は許容不可能である（供給ヘッド下側での溶融金属の漏れ、供給ヘッドとの整合不良等）。
本発明の目的は、冷却された銅の鋳型部分の上端が鋳造中に熱的機械的に変形するのを防止することにある。
本発明は、鋳造金属が接触した時に表面が凝固するように冷却された内壁を有する管状の銅または銅合金からなる金属鋳型部分と、この金属鋳型部分の上方に配置された、鋳造金属を液体状態に収容する鋳造金属の連続サイジング通路を区画する、冷却されていない断熱耐火材料からなる供給ヘッドとを備え、金属鋳型部分と供給ヘッドとの間に、冷却液が内部循環する冷却された金属リングをさらに有する、金属の垂直ホットトップ連続鋳造用の鋳型において、金属リングが金属鋳型部分と全く不連続性無しに整合した中実な内壁を有していて、鋳型によって鋳造金属に連続した通路が与えられることを特徴とする鋳型を提供する。
金属リングは冷却された管状の金属鋳型部分と同じ金属すなわち銅または銅合金から成るのが好ましい。
また、金属リングは取外しでき、容易に交換できるように取り付けられているのが好ましい。
本発明の有利な実施態様では、金属リングは冷却液の環状循環チャンバから成る冷却回路を有し、この環状循環チャンバは金属リングの内壁に沿って、好ましくはこの内壁のすぐ近傍で鋳型の内周に沿って延在びている。
既に理解できたように、本発明の主たる特徴は管状の金属鋳型部分と耐火性供給ヘッドとの間に冷体された金属リングが挿入されている点にある。金属リングは管状の金属鋳型部分の延長部分を構成する。この金属リングは金属鋳型部分と同じ材料から成るが、固有の冷却回路を備え、その高さは（金属鋳型部分に比較して）相対的に低いので、その末端領域、特に供給ヘッドに面する上端縁において金属鋳型部分の冷却系が提供するものよりはるかにすぐれた冷却効果を与える。具体的には、連続鋳造鋳型の金属鋳型部分の長さは一般に0.7〜1.0ｍであるが、本発明の金属リングの高さは例えば４〜10cmである。
鋳造プロセスの視点から見ると、これは凝固開始面を金属リングの上縁の高さまで移動させたことになる。換言すれば、凝固開始機能を果たすために、冷却された管状の金属鋳型部分が独立した金属リングの代わりになる。この金属リングは取外し可能であり、それ自身も冷却されるが、鋳型の金属鋳型部分に比較して高さが低いため、その末端の冷却効果は優れている。従って、垂直ではなく、水平に循環する冷却水のシートを組み込むことが可能になる。
この点に関する冷却回路（二つのチャンバの末端をつなぐ水ジャケット）の実際の技術的制約は、作業高さ全体を強力に冷却して、全長を通過する鋳造金属の表面凝固に伴って生じた大きな全熱流束を抽出することを優先事項とする必要性に伴うものであるが、この地点での温度が溶鋼の温度レベルまで上昇した場合にはこの制約は管末の金属鋳型部分の端部の変形防止のために制限される。
本発明は、追加の部材を用いることによってこの課題を解決する。この追加部材も強力に冷却されるが、高さが低いのでそこに冷却液を水平に循環することができる。従って、溶融金属と接触するこの点での変形を防止するために、耐火性供給ヘッドと接触する上端縁が冷却できると共に、下面に直接接触する鋳型の金属鋳型部分の上端縁を冷却でき、二つの冷却を効果的に行うことができる。
本発明の一態様を示す添付図面を参照した以下の説明から本発明はさらに明瞭になり、また、その他の観点および利点も明らかになろう。
図１は従来の周知の鋼の垂直ホットトップ連続鋳機の上部の概念的縦断面図。
図２は本発明に従って設計した図１と同じタイプの機械の上部拡大部分図。
２つの図面で同じ要素は同じ参照番号で示した。
図１の全体図から分かるように、鋼の垂直ホットトップ連続鋳機の上部は、生産される金属の抜き取り方向すなわち図の上から下に向かって配置された、溶鋼浴２を収容したタンディッシュ１と、このタンディッシュ１の下に位置した鋳型３とで構成される。溶鋼はタンディッシュ１の出口から案内ノズル20を介して鋳型３に送られる。
図からわかるように、鋳型３は外側面の全長さが循環水によって強力に冷却された銅の管状の鋳型部分４を有している。一般には、垂直シート状の循環水21を導くために、鋼のライナ５が管状の鋳型部分４からわずかな距離を置いてその外周に設けられている。ライナ５はその末端に開口部22を有し、シート状の水21を入口チャンバ６および出口チャンバ７に連通させる。これらのチェンバ６、７はライナ５から所定間隔を置いてそれを取り囲むケーシング８によって画定される。
管状の鋳型部分４の上方には冷却されていない耐火材から成る供給ヘッド９が位置している。この供給ヘッド９の内壁は鋳型部分４の内壁と整合しているのが好ましく、どんな場合でも引っ込んでいてならない。
垂直ホットトップ連続鋳造で「冷却された金属鋳型部分４の上方に断熱耐火材料の供給ヘッド９を取り付けた」構成は鋳造鋼のサイジング通路を区画する。この通路の上部12は鋳型へ溶鋼流11が来た時に起こる流体力学的乱流を閉じ込める供給ヘッド９内の緩衝領域を形成し、この通路の延長上にある下部通路13は鋳造鋼の凝固領域を形成する。
この凝固は鋳造鋼と冷却された銅の鋳型部分４の内壁とが最初の接触した直後すなわちこの壁の上端縁14で始まり、下流に向って継続し、表面から中心に向って厚さが成長する固体シェル15が形成される。鋳型を出た直後のシェル15の厚さは１cmをわずかに超えた程度であるが、液体のコア24の鉄静圧に耐えるのに十分な強度を持っている。鋳造機械の下部に位置した水噴射装置（図示せず）によって鋳造半製品10が完全に凝固するまで内部に向かって成長を続ける。半製品が完全に凝固すると、所望長さ（鋳造断面の形状に応じてビレット、ブルームまたはスラブ）に切断され、次の二次成形操作（圧延等）が施こされる。
次に図２を参照する。本発明では管状鋳型部分４の上にリング16が位置している。このリング16は管状鋳型部分４の延長上にあり、これ自身も銅合金で作られており、また、冷却されているが、冷却はリング16固有の冷却系によるものである。図示した実施例では、この冷却系はリング16の中実な内壁18に形成されたチャンバ17で構成され、このチャンバ17は内壁に沿って延び、内壁からわずかの距離にある。このチャンバ17は円形をしており、このチャンバ17を閉め切る隔壁の両側に互いに近接して位置した出口と入口を備えている。これによって、水平なリング形状をした冷却回路が形成され、鋳造製品を取り囲む冷却液（例えば、水）が環状に循環される（水平循環）。図では、円形チャンバ17と外部とをつなぐ冷却水の入口ノズル19と出口ノズル19'のみを示した。
冷却されたリング16の底部は、それが載っている管状鋳型部分４の上側表面と一致していて、溶鋼のリークは一切防止される。
リング16と管状鋳型部分４とから構成される冷却された金属集合体が鋳型の実際の「能動」部分になる。鋳造鋼から見た場合、これら二つの部材は不連続性がないように並んで配置され、単一部材と見なされる。すなわち、鋳造製品15が集合体内部を下方に向かって前進した時に、鋳造鋼の凝固が開始し、成長を続けるのはこれら二つの部材の所である。凝固の開始面は鋳型部分４の上端縁14を通る面ではなく、リング16の上端縁23を通る面である。
既に述べたように、集合体16-4の上方には断熱材料からなる供給ヘッド９が設けられている。本発明の好ましい実施例では、この供給ヘッド９も下記の二つの部材を積み重ねて構成されている：
1）  断熱性を得るために選択した耐火材から成る上部ブッシュ25（乱流領域12で鋳造鋼が早期に偽凝固するのを防止する役目をする）。そのための材料は繊維状の耐火材、例えばフランスのKAPYROK社から商品名A 120Kで販売されている材料を選択できる。
2）  優れた機械的強度を得るために選択した耐火材から成る下部部材のリング26（一連の流し込みを成功させるのに必要な通常の垂直方向の振動が加えられた時に、金属集合体4-16の近傍で固体シェル15の上部先端によって端縁23が機械的に浸食されるのを防ぎ、この鋳造に必然的な熱サイクルで運転される鋳造機械の機械的熱的応力に最大限に耐える役目をする）。この材料は窒化ホウ素でドーピングしたSiALON（Sialon）のような材料が好ましい。
供給ヘッド９と金属集合体16-4との間に不活性ガス（例えば、アルゴン）を注入するための回路を設けるのが好ましい。この回路は供給ヘッド９／金属集合体16-4界面に形成した環状スリット28から成る。これは一端が鋳型の内周にあり、他端がプレナム室29に接続され、このプレナム室29には加圧アルゴン源（図示せず）に接続された較正済みのノズルを介してアルゴンが供給される。
供給ヘッドを二つの部材を積み重ねて構成する利点は、鋳造鋼の凝固先端の「前後」運動（この運動は鋳型の垂直振動に起因する）によって起こる浸食を受ける下側部分の機械的強度を向上できることにある。
強度の高いこの下側のリング26が上側部分に比べて断熱性が低いのは避けられない。従って、互いに整合したリング26の内壁27と冷却リング16の内壁との間の接触点で鋳造鋼が早期に偽凝固膜を形成することがある。この膜は冷却された金属集合体16-4における制御された凝固工程を不均質にする主たる原因となる。そのために、本発明の有利な態様では、鋳造鋼が冷却リング16と接触した際に均質かつ明確な凝固を開始させるために、リング26に形成された偽凝固膜を破壊するアルゴンのカーテンを供給ヘッド９の底部から吹き出す。この方法自体は既に公知のことである（フランス国特許出願第93 03871号）。
本発明の最も重要な利点は、最も応力を受ける鋳型の上部が追加部品（リング16）として構成されており、この部分はホットトップ連続鋳造の工業的な実施に見合う経済的条件で必要に応じて新しい部品と容易に交換きるという点にある。これは菅状の鋳型部材４を交換しなければならない場合とは全く異なることである。
本発明の別の有利な態様では公知の潤滑法、すなわち銅の鋳型部分４を介して潤滑剤を注入し、冷却された鋳型部分４の上部フランジ32の自由端に取り付けた超音波変換器31を用いて鋳型部分４を振動させることによって、シェル15が鋳型の壁に付着する傾向を軽減する（フランス国特許出願第91 01551号を参照）。この超音波変換器31は「圧電」式のものにすることができる。
超音波をかける方向は必ずしも斜め（図２）である必要はないが、斜め方向の振動は垂直振動効果と水平振動効果とを併せ持つ利点があり、いずれも鋳造製品10と鋳型との摩擦を減す役目をする。さらに詳細な説明はフランス国特許出願第89 07839号を参照されたい。
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、請求の範囲の定義を逸脱しない限り、種々変更てき、均等手段と置換することができるということはいうまでもない。
特に、本発明は棒状および板状のいずれの製品にも適用される。従って、上記説明で使用した「リング」、「環状」または「菅」という用語は円形を意味するが、冷却された菅状の鋳型部材がプレートを組立てたものから成る鋳型（例えばスラブや大型ブルーム用の鋳型）を含む一般的な観点から理解すべきものである。
同様に、本発明では鋼だけではなく、他の任意の金属、特に、アルミニウムや銅のように鋼より融点の低い金属の連続鋳造にも適用できる。
【図１】
0003727354.tif 000002
【図２】
0003727354.tif 000003