(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金の溶湯を筒形状の強制冷却鋳型内に上方から注湯し、上記鋳型により１次冷却して表面に薄い凝固層を形成すると共に、該凝固層を形成した鋳塊をその下端を支える下型と共に上記鋳型から引き下ろし、該鋳塊の表面に冷媒を供給し２次冷却することにより、断面円形又は長円形のアルミニウム合金ビレットを得る縦型連続鋳造方法であって、
鋳造開始時からビレットの鋳込み長さが１００ｍｍに至るまでの初期段階において、ビレットの底面からの距離が同じ断面における表層部と径方向の中心近傍との凝固時冷却速度の差を５．０Ｋ／ｓ以下とし、及び／又は、ビレットの上記断面における表層部と径方向の中心近傍との凝固時温度勾配の差を３０００Ｋ／ｍ以下とする、
ことを特徴とするアルミニウム合金ビレットの縦型連続鋳造方法。
【請求項２】
前記鋳造開始後で且つビレットの鋳込み長さが５０ｍｍに到達した段階において、
前記ビレットの底面からの距離が同じ断面における表層部と径方向の中心近傍との凝固時冷却速度の差を４．３Ｋ／ｓ以下とし、及び／又は、ビレットの上記断面における表層部と径方向の中心近傍との凝固時温度勾配の差を２９５０Ｋ／ｍ以下とする、ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金ビレットの縦型連続鋳造方法。
【請求項３】
前記ビレットの表層部は、当該ビレットの周表面からその径方向中心近傍に沿って２０ｍｍ±１０ｍｍの範囲である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム合金ビレットの縦型連続鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金ビレットの縦型連続鋳造において、鋳造の初期段階で生じる鋳塊品質、特に割れ欠陥を回避する連続鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、アルミニウム合金のビレットの縦型連続鋳造は、図４（Ａ）に示すように、上下が開口するリング形の強制冷却鋳型１にその上方から、図示しないスパウト及びフロートを介して、アルミニウム合金の溶湯Ｍを注湯し、凝固した鋳塊Ｃをその下端を支える下型２と共に上記鋳型１の下方に引き下ろすことにより行われている。即ち、上記鋳型１の下方の開口部からその内部に下型２を挿入した状態で注湯が開始され、鋳型１及び下型２に囲まれた空間内に所定量の溶湯Ｍが供給され且つその表面が凝固した段階で、下型２と共に鋳塊Ｃが鋳型１の下方に引き下ろされる。
【０００３】
そして、鋳型１から引き下ろされた鋳塊Ｃは、その周表面に鋳型１内の冷却水Ｗが噴射孔１ａから下向き円錐状に噴射され、強制冷却されてビレットＢとなる。尚、図４（Ａ）中の符号Ｆは、溶湯Ｍと鋳塊Ｃとの境界は凝固界面を示す。
ところで、上記鋳造の初期段階において、鋳型１から引き下ろされた鋳塊Ｃの下端部は冷却水Ｗにより急冷され、当該部分の温度が急降下し、鋳塊Ｃの垂直方向に沿う温度勾配が高くなる結果、鋳塊Ｃの内部に熱応力を誘発する。同時に鋳塊Ｃの周表面と中心部との温度勾配も高くなり、同様に熱応力を生じる。更に、鋳塊Ｃは下型２との接触によっても急冷され、同様に熱応力を生じる。
これらの熱応力は、図４（Ａ）に示すように、鋳塊Ｃの下端部に熱間割れ４を発生させる原因になる。
【０００４】
また、割れ４により引張り応力が生じ、鋳塊Ｃの内部に縦割れが生じ易くなる。更に、鋳塊Ｃと下型２の間に隙間６を生じると、鋳塊Ｃから下型２への放熱が妨げられ、鋳塊Ｃの下端部が再溶解する再溶解部から割れが生じることもある。以上のアルミニウム合金の連続鋳造における問題点を解決するため、既に種々の技術が提案されている。例えば、連続鋳造の初期段階では、鋳塊に当てる冷媒中に炭酸ガス等を混合して鋳塊表面からの放熱を抑制し、次の段階で炭酸ガス等の混合量を順次減少させて、鋳塊の冷却速度を通常の速度に戻す鋳造方法（特公昭５５−４２９０３号公報参照）がある。
【０００５】
また、鋳造の初期段階で間欠的に冷却水を鋳塊の下端部に噴射して、当該部分の収縮を制御するパルス冷却鋳造法（米国特許第３４４１０７９号明細書参照）も提案されている。
更に、鋳造の初期段階で用いる鋳塊の冷却水として、ポリオキシエチレン・プロピレン・ポリエーテルを所定量溶解した水溶液を用いることにより鋳塊の冷却速度を緩和し、鋳塊の下端部に生じる割れ等の欠陥を防止する連続鋳造方法（特開平９−１２２８６２号公報参照）も提案されている。
【０００６】
しかしながら、上記炭酸ガス等を冷却媒体中に混合する鋳造方法は、炭酸ガス等の生成及びその混合量の制御等を必要とし、これらのために大規模な生成・制御設備等を要する。また、上記パルス冷却鋳造法や特殊な溶液を冷却水に用いる鋳造方法では、冷却水の供給と停止を制御するために煩雑な制御装置を必要とする。しかも、この制御系に故障が生じると、鋳塊の冷却が中断されるため、鋳塊の一部が再溶解して鋳型の内部に損傷を招来するという問題点も有する。
そして、鋳造の初期段階を終えた定常段階になると、図４（Ｂ）に示すように、上記鋳型１内に供給された溶湯Ｍは、鋳型１との接触により冷却され、その周表面に厚さ約１０ｍｍ程の薄い凝固層８を順次形成し、ビレットＢとなる。
【０００７】
以上の鋳塊の冷却速度を減少させる方法の他に、鋳造初期段階の上記割れ等を防止するため、鋳塊品質を改善するため、次のような方法も提案されている。
即ち、鋳型内の湯面レベルを低くして鋳造する低湯面レベル鋳造や、鋳造速度を増加させる方法がある。しかし、これらの方法では湯漏れが発生する危険がある。更に、冷却水量を増やす方法もあるが、これによる冷却速度の向上には限界がある。何れの方法によっても、鋳造初期段階における割れ等の欠陥を防ぐことは困難であるか、或いは大掛かりな設備を必要としていた。
【０００８】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、以上に説明した従来の技術における問題点を解決し、複雑な設備を用いず、簡便な方法で鋳造初期段階における割れ等の欠陥を確実に予防できるアルミニウム合金ビレットの縦型連続鋳造方法を提案することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、縦型連続鋳造の初期段階における非定常熱伝導解析及び基礎実験を鋭意検討することによって成されたものである。
即ち、本発明のアルミニウム合金ビレットの縦型連続鋳造方法(請求項１)は、アルミニウム合金の溶湯を筒形状の強制冷却鋳型内に上方から注湯し、上記鋳型により１次冷却して表面に薄い凝固層を形成すると共に、該凝固層を形成した鋳塊をその下端を支える下型と共に上記鋳型から引き下ろし、該鋳塊の表面に冷媒を供給し２次冷却することにより、断面円形又は長円形のアルミニウム合金ビレットを得る縦型連続鋳造方法であって、鋳造開始時からビレットの鋳込み長さが１００ｍｍに至るまでの初期段階において、ビレットの底面からの距離が同じ断面における表層部と径方向の中心近傍との凝固時冷却速度の差を５．０Ｋ／ｓ(ケルビン／秒、以下同じ)以下とし、及び／又は、ビレットの上記断面における表層部と径方向の中心近傍との凝固時温度勾配の差を３０００Ｋ／ｍ(ケルビン／メートル、以下同じ)以下とする、ことを特徴とする。
【００１０】
これによれば、上記何れか一方、好ましくは双方の条件を満たすことにより、縦型連続鋳造の初期段階における所謂熱間割れ等の欠陥を防いだアルミニウム合金のビレットを確実に得ることが可能となる。
尚、上記冷却速度の差が５．０Ｋ／ｓを超えたり、温度勾配の差が３０００Ｋ／ｍを超えると、ビレットに熱間割れが発生し易くなるため、これら以下の上記範囲とした。また、これらの各条件範囲の下限値は特に限定しないが、実用的な操業が可能な範囲で適宜選定される。尚また、上記冷却速度及び温度勾配は、何れも固相率１に達したときのものである。
【００１１】
また、前記鋳造開始後で且つビレットの鋳込み長さが５０ｍｍに到達した段階において、前記ビレットの底面からの距離が同じ断面における表層部と径方向の中心近傍との凝固時冷却速度の差を４．３Ｋ／ｓ以下とし、及び／又は、ビレットの上記断面における表層部と径方向の中心近傍との凝固時温度勾配の差を２９５０Ｋ／ｍ以下とする、アルミニウム合金ビレットの縦型連続鋳造方法(請求項２)も含まれる。
通常の始端面形状を有するビレットにおいては、鋳込み長さが５０ｍｍに到達した段階で上記冷却速度差や温度勾配差が最大となる。従って、これら２つの条件を制御する上記方法によれば、一層確実に初期段階における所謂熱間割れ等の欠陥を防ぐことができる。
【００１２】
更に、前記ビレットの表層部は、当該ビレットの周表面からその径方向の中心近傍に沿って２０ｍｍ±１０ｍｍの範囲である、アルミニウム合金ビレットの縦型連続鋳造方法(請求項３)も含まれる。より好ましいビレットの表層部は、当該ビレットの周表面からその中心方向に沿って２０ｍｍ±５ｍｍの範囲である。
これによれば、前記割れ等の欠陥の予防を一層正確に行うことができる。
【００１３】
【実施例】
以下において本発明の具体的な実施例について説明する。尚、便宜上前記図４中の要素や部分と同様なものについては、共通する符号を用いるものとする。
熱解析及び実験の対象を、表１中の※印に示す組成を有するＪＩＳ：Ａ６０００系のアルミニウム合金からなり、直径３２５ｍｍ，長さ６００ｍｍのビレットＢとした。また、その解析領域は、ビレットＢが幾何学的及び熱的に軸対称と仮定し、その半径方向で１６５ｍｍ、長さ（軸）方向で６７５ｍｍとし、且つ両方向とも５ｍｍ間隔で等分割した。
【００１４】
係る熱解析において、凝固潜熱の測定には示差走査熱量測定器（セイコー電子工業（株）の商品記号：ＳＳＣ５２００Ｈ）を、凝固温度範囲の測定には断熱型比熱測定装置（真空理工（株）の商品記号：ＳＨ−３０００型）を用いた。また、直接差分外節点法により鋳塊Ｃ（ビレットＢ）の凝固過程における非定常熱伝導解析を行った。この解析で使用した鋳塊Ｃ，鋳型１，下型２の各物性値を表１に示す。
尚、凝固潜熱と凝固温度範囲は実験の実測値を使用し、凝固潜熱の取扱いはエンタルピ法とし、固相率と温度の関係は４次近似式を使用した。
【００１５】
【表１】
0003580146.tif 000002
【００１６】
また、実験における測定には、Ｋ熱電対（素線径０．３ｍｍ）を用いて、鋳塊Ｃの底面（鋳込み先端）から２０ｍｍ，５０ｍｍ，７０ｍｍ、及び４００ｍｍの位置にＫ熱電対をセットし、鋳塊Ｃの周表面から２０ｍｍ及び７０ｍｍの各位置で、０．５秒毎に温度履歴を測定した。
先ず、上記合金、鋳型１、及び下型２を用い、鋳込み温度７２０℃、鋳造速度５５ｍｍ／分、湯面高さ１５ｍｍ、冷却水（Ｗ）の給水量１５０リットル／分、及び鋳込み長さ６５０ｍｍの条件で、縦型連続鋳造を行った。得られたビレットＢ内の温度履歴について、実測値と計算値とを図１（Ａ）のグラフに示す。このグラフの結果から、計算値は実測値と略一致しており、熱解析の計算精度を確認し得た。
【００１７】
次に、鋳造速度を変化させた場合のビレットＢの底面から５０ｍｍの非定常部における周表面から径方向の中心近傍までの凝固時(固相率１に至った時点を凝固時とする)温度勾配(Ｋ／ｍ)の分布を計算した。その結果を図１(Ｂ)のグラフに示す。このグラフから、凝固時温度勾配は周表面から２５ｍｍ付近まで増加し、その後は中心近傍に向けて減少する傾向を示す。且つ、鋳造速度が増えても１２０ｍｍから中心近傍までの間では、凝固時温度勾配は殆んど変化が見られなかった。
従って、図１(Ｂ)のグラフから鋳造速度が増加するに伴い表層部と径方向の中心近傍との凝固時温度勾配の差は増大することが判った。尚、非定常部と定常部の境界は、概ねビレットＢの底面から約１００ｍｍの位置である。
【００１８】
更に、鋳造速度を変化させた場合のビレットＢの底面から５０ｍｍ(非定常部)及び４００ｍｍ(定常部)における周表面から径方向の中心近傍までの凝固時冷却速度(Ｋ／ｓ)の分布を計算した。それらの結果を図２(Ａ)，(Ｂ)のグラフに示す。
双方のグラフから、何れの鋳造速度においても４００ｍｍの位置における表層部の凝固時冷却速度は、５０ｍｍの位置のそれより小さく、且つ表層部と径方向の中心近傍との凝固時冷却速度の差も小さくなっている。また、冷却速度は、各グラフ共に周表面から一旦増加し、約２０ｍｍ付近で最大となり、その後は径方向の中心近傍に向けて減少していく傾向が見られる。
更に、何れのグラフでも鋳造速度が増加するに連れて、凝固時冷却速度が増加している。尚、周表面からの距離が１００ｍｍを超えると４００ｍｍ位置の冷却速度のほうが５０ｍｍ位置よりも高くなった。
【００１９】
そして、前記ビレットＢのうち鋳造速度が５５ｍｍ／分のものについて、その底面からの距離と表層部及び径方向の中心近傍における凝固時冷却速度と凝固時温度勾配の関係をそれぞれ計算した。それらの結果を図３(Ａ)，(Ｂ)のグラフに示した。尚、上記表層部は周表面から２０ｍｍ±２．５ｍｍの範囲内における位置を指す。
図３(Ａ)において、ビレットＢの底面から５０ｍｍまでの非定常部では、表層部の凝固時冷却速度は、一部を除き急激に増加した後、１００ｍｍの位置に向けて減少し、且つその後の定常部では５Ｋ／ｓ付近で一定となった。
また、径方向の中心近傍の凝固時冷却速度は、ビレットＢの底面から５０ｍｍまでの非定常部で急激に減少し、且つ約２０〜４０ｍｍで最低となった後、１００ｍｍの位置に向けて増加し、且つその後の定常部では４Ｋ／ｓ付近で一定となった。両者間における各凝固時冷却速度の最大差は、ビレットＢの底面から約４０〜５０ｍｍの非定常部における約６Ｋ／ｓであった。
【００２０】
また、図３(Ｂ)において、ビレットＢの底面から５０ｍｍまでの非定常部では、表層部の凝固時温度勾配は、一旦増加した後１００ｍｍ付近に向けて減少し、且つその後の定常部では約６０００Ｋ／ｍ付近で一定となった。
また、径方向の中心近傍における凝固時温度勾配は、ビレットＢの底面から３０ｍｍまでの非定常部で一旦急減した後、１００ｍｍ付近に向けて緩やか増加し、且つその後の定常部では４０００Ｋ／ｍ付近で一定となった。両者間の各凝固時温度勾配の最大差は、ビレットＢの底面から約４０〜５０ｍｍの非定常部における約３６００Ｋ／ｍであった。
【００２１】
一方、表２に示すように、鋳造速度、鋳造温度、及び冷却水(Ｗ)の給水量をそれぞ変化させて、２５本のビレットＢを前記アルミニウム合金、鋳型１、及び下型２を用いて鋳造した。得られた各ビレットＢにおける割れの有無を観察し、且つビレットＢの底面から５０ｍｍの非定常部の位置における表層部と径方向の中心近傍との凝固時冷却速度の差と凝固時温度勾配の差を計算した。それらの結果も表２に示す。
尚、ビレットＢの割れの有無は、各ビレットＢをその底面から５０ｍｍの位置で切断した切断面を目視により観察した。また、表２中のNo,１〜５は実施例を、No,６〜２５は比較例を示す。
【００２２】
【表２】
0003580146.tif 000003
【００２３】
表２から、割れは概ね鋳造速度が増加するに連れて生じ易くなる傾向が判る。
また、割れは、ビレットＢの非定常部における表層部と径方向の中心近傍との凝固時冷却速度の差が６Ｋ／ｓを超えたり、凝固時温度勾配の差が３５００Ｋ／ｍを超えると確実に生じることも判明した。係る差により割れを生じる熱応力を誘発したものである。一方、No,１〜５の実施例のビレットＢでは、割れは全く生じていなかった。
【００２４】
これらの結果は、前記熱解析による凝固時冷却速度の最大差約６Ｋ／ｓ、及び凝固時温度勾配の最大差３６００Ｋ／ｍと対応している。即ち、鋳造の初期段階に形成される非定常部における表層部と径方向の中心近傍との凝固時冷却速度の差を５．０Ｋ／ｓ以下としたり、又は凝固時温度勾配の差を３０００Ｋ／ｍ以下とするか、或いは双方を満足するという、本発明による効果も裏付けられた。これらの条件に従うことにより、予め割れを皆無にしたアルミニウム合金のビレットＢを確実に縦型連続鋳造によって得ることができ、歩留まり良く健全なビレットＢを得ることが可能となる。
【００２５】
尚、本発明は前記合金やＡ６０６１等のＪＩＳ：Ａ６０００系のアルミニウム合金に限らず、縦型連続鋳造の初期段階で割れを生じ易い各種のアルミニウム合金に適用することも可能である。
また、鋳造するビレットには断面円形の他、断面長円形のものも含まれる。
【００２６】
【発明の効果】
以上において説明した本発明の縦型連続鋳造方法によれば、複雑な設備を用いることなく、予め鋳造条件を所定の範囲に設定することにより、鋳造初期段階における割れ及びこれに伴う欠陥を予防して、健全な組織を有するアルミニウム合金ビレットを確実に且つ効率良く得ることが可能となる。
【 図面の簡単な説明】
【図１】(Ａ)は鋳造中のビレットの各位置における温度履歴の実測値と計算値を示すグラフ、(Ｂ)は鋳造速度を変化させた場合のビレット表層部から中心近傍に至る凝固時温度勾配の挙動を示すグラフ。
【図２】(Ａ)及び(Ｂ)は共に、鋳造速度を変化させた場合のビレットの各位置における凝固時冷却速度のビレット表層部から中心近傍に至る挙動を示すグラフ。
【図３】(Ａ)は鋳造速度：５５ｍｍ／分の際におけるビレット表層部及び中心近傍における凝固時冷却速度とビレット底面からの距離の関係を示すグラフ、(Ｂ)は同じく鋳造速度：５５ｍｍ／分の際における凝固時温度勾配とビレット底面からの距離の関係を示すグラフ。
【図４】(Ａ)は一般的なアルミニウム合金の縦型連続鋳造の初期段階の状態を示す概略図、(Ｂ)はその後の定常段階の状態を示す概略図。
【符号の説明】
１…鋳型(強制冷却鋳型)
２…下型
８…薄い凝固層
Ｃ…鋳塊
Ｂ…ビレット
Ｗ…冷却水(冷媒)
【図１】
0003580146.tif 000004
【図２】
0003580146.tif 000005
【図３】
0003580146.tif 000006
【図４】
0003580146.tif 000007