(57)【要約】【課題】大型鋼塊を鋳造するために用いる鋳型であって、熱伝導率が高く、しかも引張強さも高い鋳型を提供する。【解決手段】Ｃ：３．８５〜４．００％、Ｓｉ：０．９０〜１．１０％、Ｍｎ：０．８０〜１．００％およびＳ：０．０１％未満（０％を含まない）を含有し、残部：鉄および不可避不純物からなる鋳鉄で構成される鋳型であって、下記式（１）で算出される炭素当量（ＣＥ）が４．２０〜４．３５で、且つＡ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄である大型鋼塊用鋳型。炭素当量（ＣＥ）＝［Ｔ．Ｃ］＋（［Ｓｉ］＋［Ｐ］）／３  ・・・（１）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ  ：３．８５〜４．００％（質量％の意味。以下同じ）、
Ｓｉ：０．９０〜１．１０％、
Ｍｎ：０．８０〜１．００％および
Ｓ  ：０．０１％未満（０％を含まない）を含有し、
残部：鉄および不可避不純物からなる鋳鉄で構成される鋳型であって、
下記式（１）で算出される炭素当量（ＣＥ）が４．２０〜４．３５で、且つ
Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であることを特徴とする大型鋼塊用鋳型。
炭素当量（ＣＥ）＝［Ｔ．Ｃ］＋（［Ｓｉ］＋［Ｐ］）／３  ・・・（１）
但し、式（１）において、［Ｔ．Ｃ］は全Ｃ量（質量％）、［Ｓｉ］はＳｉ量（質量％）、［Ｐ］はＰ量（質量％）を夫々示している。
【請求項２】
前記鋳型は、１７０トン以上の大型鋼塊を鋳造するために用いるものである請求項１に記載の大型鋼塊用鋳型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型鋼塊を鋳造するために用いる鋳型に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種製品の素材として使用される鋼塊の製造方法としては、種々あり、例えば、鋳型内に溶鋼を鋳込み、凝固させることで鋼塊とする造塊法がある。上記鋳型には、熱伝導率が高いことが求められている。即ち、鋳型の熱伝導率が高いほど、鋳込まれた溶鋼の冷却が速やかに行われるため、偏析が少なく、品質が良好な鋼塊を製造できる。こうした鋳型の材料としては、鋳鉄が用いられている。鋳鉄とは、基質と分布黒鉛からなる複合組織の合金である。この鋳鉄の熱伝導率は、黒鉛の形態に影響を受けることが非特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】野口徹、「種々の黒鉛形態を有する鋳鉄の熱伝導率について」、北海道大学工学部研究報告、第８７号（昭和５３年）、ｐ．５７〜６６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
鋳型には、上述したように熱伝導率が高いことが求められている他、引張強さが高いことも求められている。引張強さが低い場合には、鋳型を移動させたときなどに損傷を受けることがある。また、鋳型から鋼塊を脱型するときに応力を受けるため、この応力に耐え得る引張強さが求められる。こうした引張強さは、鋳型に鋳込む鋼塊が大型化するほど高いことが求められる。上記非特許文献１では、鋳鉄の熱伝導率と黒鉛の形態との関係について検討されているが、鋳鉄の引張強さについては注目されていなかった。
【０００５】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、大型鋼塊を鋳造するために用いる鋳型であって、熱伝導率が高く、しかも引張強さも高い鋳型を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決することのできた本発明に係る大型鋼塊用鋳型とは、Ｃ：３．８５〜４．００％（質量％の意味。以下同じ）、Ｓｉ：０．９０〜１．１０％、Ｍｎ：０．８０〜１．００％およびＳ：０．０１％未満（０％を含まない）を含有し、残部：鉄および不可避不純物からなる鋳鉄で構成される鋳型であって、下記式（１）で算出される炭素当量（ＣＥ）が４．２０〜４．３５で、且つＡ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄である点に要旨を有するものである。上記鋳型は、１７０トン以上の大型鋼塊を鋳造するために好適に用いることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、鋳型を構成している鋳鉄の成分組成および該成分組成に基づいて算出される炭素当量を適切に制御すると共に、Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄としているため、熱伝導率が高く、引張強さも高い大型鋼塊用鋳型を提供できる。本発明の大型鋼塊用鋳型は、例えば、１７０トン以上の鋼塊を製造するために好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、黒鉛の形態を示した図面代用写真である。
【図２】図２は、実施例の表１に示すＮｏ．１の金属組織を撮影した図面代用写真である。
【図３】図３は、実施例の表１に示すＮｏ．２の金属組織を撮影した図面代用写真である。
【図４】図４は、実施例の表１に示すＮｏ．３の金属組織を撮影した図面代用写真である。
【図５】図５は、実施例の表１に示すＮｏ．４の金属組織を撮影した図面代用写真である。
【図６】図６は、実施例の表１に示すＮｏ．５の金属組織を撮影した図面代用写真である。
【図７】図７は、実施例の表１に示すＮｏ．６の金属組織を撮影した図面代用写真である。
【図８】図８は、実施例の表１に示すＮｏ．７の金属組織を撮影した図面代用写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明者らは、鋳鉄で構成される鋳型であって、特に大型鋼塊を製造するために好適に用いられる鋳型の熱伝導率と引張強さの両方を高めるために鋭意検討を重ねてきた。その結果、鋳型の成分組成および該成分組成に基づいて算出される炭素当量を所定の範囲に制御すると共に、Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄とすれば、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。以下、詳述する。
【００１０】
本発明に係る大型鋼塊用鋳型を構成する鋳鉄の成分組成は次の通りである。
【００１１】
（Ｃ：３．８５〜４．００％）
Ｃは、黒鉛として析出し、熱伝導率を向上させるために必要な元素であり、本発明では３．８５％以上とする。Ｃ量は、好ましくは３．８８％以上、より好ましくは３．９０％以上である。しかしＣ量が過剰になると、粗大な黒鉛が析出し、引張強さが低下する。従ってＣ量は、４．００％以下とし、好ましくは３．９８％以下、より好ましくは３．９５％以下とする。
【００１２】
（Ｓｉ：０．９０〜１．１０％）
Ｓｉは、鋳型の強度を高めるために必要な元素である。また、Ｓｉ量が少な過ぎると、黒鉛が析出し難くなり、熱伝導率が低下する。従って本発明では、Ｓｉ量は０．９０％以上とし、好ましくは０．９３％以上、より好ましくは０．９５％以上とする。しかしＳｉ量が過剰になると、Ｃの溶解度を下げて黒鉛が析出し易くなり、析出した黒鉛が粗大化し、引張強さが低下する。また、Ｓｉ量が過剰になると、熱伝導率が却って低下する。従ってＳｉ量は、１．１０％以下とし、好ましくは１．０８％以下、より好ましくは１．０６％以下とする。
【００１３】
（Ｍｎ：０．８０〜１．００％）
Ｍｎは、パーライトを安定化する作用を有する元素であり、鋳型の金属組織をパーライト地とすることによって引張強さを高めるのに寄与する。そこで本発明では、Ｍｎは０．８０％以上とし、好ましくは０．８３％以上とする。しかしＭｎ量が過剰になると、Ｃの溶解度が上がって黒鉛が析出しづらくなり、熱伝導率が却って低下する。従ってＭｎ量は、１．００％以下とし、好ましくは０．９５％以下、より好ましくは０．９０％以下とする。
【００１４】
（Ｓ：０．０１％未満（０％を含まない））
Ｓは、炭素の黒鉛化を阻害する元素であり、本発明では、Ｓ量は０．０１％未満とする。Ｓ量は、好ましくは０．００８％以下、より好ましくは０．００５％以下である。Ｓは、できるだけ低減することが望ましいが、０％にすることは工業的に困難であり、通常、０．００１％程度は含有している。
【００１５】
本発明に係る大型鋼塊用鋳型の成分組成は上述した通りであり、残部は、鉄および不可避不純物である。不可避不純物としては、例えば、Ｐ（リン）が挙げられる。
【００１６】
Ｐ量は、後述する炭素当量（ＣＥ）を満足する範囲であればその量は特に限定されないが、例えば、０．１５％以下であることが好ましい。Ｐ量は、より好ましくは０．１３％以下である。なお、Ｐ量を０％にすることは工業的に困難であり、通常、０．０１％程度は含有している。
【００１７】
本発明に係る大型鋼塊用鋳型は、上記成分組成を満足したうえで、下記式（１）で算出される炭素当量（ＣＥ）が４．２０〜４．３５を満足している必要がある。下記式（１）において、［Ｔ．Ｃ］は全Ｃ量（質量％）、［Ｓｉ］はＳｉ量（質量％）、［Ｐ］はＰ量（質量％）を夫々示している。
炭素当量（ＣＥ）＝［Ｔ．Ｃ］＋（［Ｓｉ］＋［Ｐ］）／３  ・・・（１）
【００１８】
炭素当量とは、鋳鉄中に含まれるＣ、ＳｉおよびＰが複合したときにＣの黒鉛化に及ぼす影響の度合いをＣ量に換算した値を意味し、Ｆｅ−Ｃ二元系として取り扱う表示法である。この炭素当量が４．２０を下回ると、熱伝導率が低下する。そこで本発明では、炭素当量を４．２０以上とし、好ましくは４．２５以上とする。しかし炭素当量が４．３５を超えると、過共晶となり、粗大な黒鉛が析出し、引張強さが低下する。従って炭素当量は４．３５以下とし、好ましくは４．３３以下とする。
【００１９】
本発明に係る大型鋼塊用鋳型は、Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄で構成されているものである。鋳鉄に含まれる黒鉛の形態は、ＡＳＴＭ  Ａ２４７でＡ型〜Ｅ型の５種類に分類されている。これらのうちＡ型は、黒鉛が線状に、分岐が少なく、無方向に、均等に分布した形状であり、黒鉛の形態をＡ型にすることによって、熱伝導率を高くすることができ、引張強さも向上できる。これに対し、黒鉛の形態がＢ型〜Ｅ型になると、熱伝導率が低くなり、引張強さも低くなる。
【００２０】
黒鉛の形態は、例えば、試験片の表面をナイタール液で腐食し、光学顕微鏡で観察すれば同定できる。具体的な同定手順は実施例の項で説明する。
【００２１】
本発明に係る大型鋼塊用鋳型の製造方法は特に限定されず、上記成分組成および炭素当量を満足する溶鋼を砂型等に鋳込んで製造すればよい。
【００２２】
本発明の大型鋼塊用鋳型は、１０００℃における熱伝導率が３２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上で、引張強さが８０ＭＰａ以上を満足するものとなる。
【００２３】
１０００℃における熱伝導率が３２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上を達成することにより、鋳型に鋳込んだ溶鋼の熱を速やかに外周に逃がすことができるため、偏析の少ない大型鋼塊を製造できる。
【００２４】
上記熱伝導率は、次式に基づいて算出できる。
熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］＝密度［ｋｇ／ｍ3］×比熱［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］×熱拡散率［ｍ2／ｓｅｃ］
【００２５】
なお、熱伝導率の具体的な算出手順は、実施例の項で説明する。
【００２６】
また、引張強さが８０ＭＰａ以上を達成することにより、例えば、鋳型を移動させたときに受ける損傷を低減できる。また、鋳造して得られた鋼塊を鋳型から脱型するときに応力を受けても鋳型の損傷は抑制される。また、鋳型の質量を小さくできるため、熱応力が緩和され、耐用回数を増加させることができ、鋳型を長寿命化できる。
【００２７】
本発明の大型鋼塊用鋳型は、１７０トン以上の大型鋼塊を鋳造するために好適に用いることができる。この大型鋳型を用いて鋳造された鋼塊は、偏析の少ない良好な品質のものとなる。
【００２８】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００２９】
下記の手順で鋳型を作製し、該鋳型に含まれる黒鉛形態を調べた。また、鋳型の熱伝導率および引張強さを測定した。
【００３０】
（鋳型の作製）
鋳型は次の手順で作製した。即ち、木および発泡スチロールで製作した模型の周囲に、クロマイト砂および珪砂を含む鋳物砂とフラン樹脂とを混錬した砂を流し込んだ。流し込んだ砂を突き固めた後、模型を除去し、溶鋼を鋳込む砂型を作製した。銑鉄および加炭材を電気炉で溶解し、取鍋精錬を行い、１２８２〜１２８６℃の鋳鉄２３８トンを砂型に供給して鋳込んだ。鋳鉄の成分組成（残部は、鉄およびＰ、Ｓ以外の不可避不純物）を下記表１に示す。下記表１に示したＴ．Ｃは、鋳鉄に含まれる全炭素量を意味している。また、下記表１に示した成分組成および上記式（１）に基づいて炭素当量（ＣＥ）を算出し、結果を下記表１に合わせて示す。
【００３１】
上記鋳鉄を砂型に供給して鋳込んだ後、砂型の中でＡ1変態点温度以下まで放置冷却してから、砂型から鋳型を取り出した。鋳型に付着した砂および湯道を除去し、外表面をグラインダーで研磨した。
【００３２】
（黒鉛形態の観察）
鋳型本体の余肉部から供試材を切り出し、表面を研磨し、ナイタール液で腐食させた後、光学顕微鏡で、観察倍率５０倍で観察し、写真撮影を行った。観察視野数は任意の５視野以上とし、各観察視野内に観察された黒鉛の形態をＡＳＴＭ  Ａ２４７に基づいてＡ型〜Ｅ型のいずれかに分類した。Ａ型〜Ｅ型の一例を図１に示す。本発明では、観察視野数に対して最も多く観察された黒鉛の型が、鋳型を構成している鋳鉄に含まれる黒鉛の形態として評価した。結果を下記表１に示す。また、下記表１に示した各供試材（Ｎｏ．１〜７）において撮影した写真の一例を図２〜図８に示す。
【００３３】
（熱伝導率の測定）
鋳型本体の余肉部から切り出した供試材について、次式に基づいて熱伝導率を算出した。
熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］＝密度［ｋｇ／ｍ3］×比熱［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］×熱拡散率［ｍ2／ｓｅｃ］
【００３４】
供試材の密度は、水中置換法で測定した。供試材の比熱は、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）装置で１０００℃における比熱を測定した。ＤＳＣ装置としては、ＮＥＴＺＳＣＨ製の「ＤＳＣ４０４Ｃ」を用いた。供試材の熱拡散率は、レーザーフラッシュ法で１０００℃における熱拡散率を測定した。測定装置としては、アルバック理工株式会社製の「熱定数測定装置ＴＣ−７０００」を用いた。算出した熱伝導率を下記表１に示す。本発明では、熱伝導率が３２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上を合格とする。
【００３５】
（引張強さの測定）
鋳型本体の余肉部から切り出した供試材をＪＩＳ  Ｚ２２０１で規定されている８号Ａ試験片（φ８ｍｍ×平行部の長さ（Ｇ．Ｌ）８ｍｍ）に加工し、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に基づいて引張試験を行い、引張強さを測定した。結果を下記表１に示す。本発明では、引張強さが８０ＭＰａ以上を合格とする。なお、下記表１に示すＮｏ．４と６については、引張強さは測定しなかった。
【００３６】
下記表１および図２〜図８から次のように考察できる。Ｎｏ．１〜３は、本発明で規定する要件を満足している例であり、成分組成、炭素当量および黒鉛形態が適切に制御されているため、引張強さおよび熱伝導率が高くなった。一方、Ｎｏ．４〜７は、本発明で規定するいずれかの要件を満足しない例であり、成分組成、炭素当量および黒鉛形態のうち少なくとも一つが適切に制御されていないため、熱伝導率が低くなった。また、Ｎｏ．７については、引張強さも低かった。
【００３７】
【表１】
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【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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