(57)【要約】【課題】鋳造速度を速くすることができ、かつ、中心部が凝固する際にクラックが生じない鋳造方法を提供すること。【解決手段】鋳型１の一端から金属溶湯８を注湯し、凝固させた鋳塊８１を鋳型１の他端から連続的に引き出すアルミニウム又は銅の半連続鋳造方法において、鋳型１によって溶湯８又は鋳塊８１を冷却する一次冷却を行った後、鋳型８１から引き出された鋳塊表面８１０に冷却水を衝突させて二次冷却を行う際に、鋳塊表面８１０に冷却水７が衝突する位置から鋳造方向側の所定領域において膜沸騰冷却させると共に、当該所定領域を超えたところで核沸騰冷却させる。鋳塊８１は、その直径をＤとした場合Ｄ＝１４０〜６００（ｍｍ）であり、膜沸騰冷却させる所定領域は、鋳造方向において、冷却水が衝突する位置から、０．２×Ｄ＋２０〜１．５×Ｄ（ｍｍ）の範囲とすることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が解放された鋳型の一端から金属溶湯を注湯し、凝固させた鋳塊を上記鋳型の他端から連続的に引き出すアルミニウム又は銅の半連続鋳造方法において、
上記鋳型によって溶湯又は鋳塊を冷却する一次冷却を行った後、上記鋳型から引き出された鋳塊表面に冷却水を衝突させて二次冷却を行う際に、上記鋳塊表面に上記冷却水が衝突する位置から鋳造方向側の所定領域において膜沸騰冷却させると共に、当該所定領域を超えたところで核沸騰冷却させることを特徴とするアルミニウム又は銅の半連続鋳造方法。
【請求項２】
請求項１において、上記鋳塊は、その直径をＤとした場合Ｄ＝１４０〜６００（ｍｍ）であり、上記膜沸騰冷却させる上記所定領域は、鋳造方向において、上記冷却水が衝突する位置から、０．２×Ｄ＋２０（ｍｍ）〜１．５×Ｄ（ｍｍ）の範囲とすることを特徴とするアルミニウム又は銅の半連続鋳造方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記核沸騰冷却の開始点は、上記鋳塊の中心の凝固開始点よりも鋳造方向側に位置させることを特徴とするアルミニウム又は銅の半連続鋳造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、上記冷却水は、工業用水、水道水、海水、川水、地下水のいずれかであることを特徴とするアルミニウム又は銅の半連続鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム又は銅の半連続鋳造方法に関する。なお、ここでいうアルミニウムは、いわゆる純アルミ及びアルミ合金を含むアルミニウム主体の金属全般をいい、銅とは、いわゆる純銅及び銅合金を含む銅主体の金属全般をいう。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム及び銅の半連続鋳造方法は、両端が開放された円形や矩形の鋳型内に溶湯を供給し、鋳型内で鋳塊表層を凝固させる一次冷却と、これを鋳型から引き出しながら、冷却水を鋳塊表面に直接供給して冷却する二次冷却とを行って、連続的に鋳造する方法であり、世界中で広く用いられている。特に、鋳造方向を垂直方向とする竪型半連続鋳造方法が主流である。
【０００３】
この方法では鋳型内で形成される凝固殻部分の組織が不均一になることがあり、アルミニウムの鋳造ではホットトップ鋳造法や電磁場鋳造法など、改良技術が多数開発されているが、いずれも水による直接冷却（二次冷却）を用いている点では同じである。
水は物体を急速に冷却でき、連続鋳造に適した冷却媒体である。しかし、鋳塊表面が水で強冷却されると、鋳塊中心が凝固する際にクラックが発生することがある。
特に、アルミニウムや銅の半連続鋳造方法では鋳型からの冷却が小さく、鋳塊内部の凝固は冷却水による直接冷却の影響を強く受ける。
【０００４】
一方、鉄鋼でも同様の鋳造方法が採用されているが、凝固に対しては鋳型冷却が支配的であり、直接冷却水による内部クラックの問題は少ない。
内部クラックの対策としては、鋳造速度を遅くすることが対策として採られることが多く、鋳造生産性を阻害する大きな要因となっている。
このため、特許文献１では、二酸化炭素などのガスを混合した冷却水で鋳塊を徐冷することが提案されている。しかし、通常の冷却水配管のほかにガス配管や混合装置が必要であり、さらに徐冷域を機械的に制御するための装置も別途必要である。例えば、円形断面の鋳塊を鋳造する場合は、狭い空間で数十本を同時に鋳造するのが一般的であり、この方法は現実的ではない。また、異なる鋳塊サイズごとに装置が必要となる、徐冷域の長さを容易に変更できない、特殊なガスを大量に必要とする、など問題もある。
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−２１２８４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、鋳造速度を速くすることができ、かつ、中心部が凝固する際にクラックが生じないアルミニウム又は銅の半連続鋳造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、両端が解放された鋳型の一端から金属溶湯を注湯し、凝固させた鋳塊を上記鋳型の他端から連続的に引き出すアルミニウム又は銅の半連続鋳造方法において、
上記鋳型によって溶湯又は鋳塊を冷却する一次冷却を行った後、上記鋳型から引き出された鋳塊表面に冷却水を衝突させて二次冷却を行う際に、上記鋳塊表面に上記冷却水が衝突する位置から鋳造方向側の所定領域において膜沸騰冷却させると共に、当該所定領域を超えたところで核沸騰冷却させることを特徴とするアルミニウム又は銅の半連続鋳造方法にある（請求項１）。
【０００８】
本発明においては、上記のごとく、二次冷却を行う際に、上記所定領域において膜沸騰冷却させると共に、当該所定領域を超えたところで核沸騰冷却させる。このような組み合わせの冷却状態を積極的に採用することによって、鋳造速度を従来よりも速くすることができると共に、鋳塊にクラックが生じることを防止できる。
【０００９】
この理由は次のように考えられる。
一般に、水による冷却は被冷却体の表面温度に応じて、高温側から膜沸騰冷却、膜沸騰−核沸騰遷移冷却、核沸騰冷却、強制対流冷却に分けられ、核沸騰冷却時に最も強冷される。
通常の半連続鋳造方法では、冷却水が鋳塊表面に衝突する位置で核沸騰が生じ鋳塊表面が強冷される。このため、冷却水衝突位置前後で鋳塊表面の冷却速度が極大となり、この位置よりも鋳造方向側になるほど、鋳塊表面の冷却速度は低下する。
【００１０】
鋳塊中心部のクラックは、中心部が凝固収縮しようとする際に、周囲の凝固層がその収縮を拘束するために発生する。この拘束力は周囲の凝固層の熱収縮が大きい場合に緩和され、逆に凝固層の熱収縮が小さいと顕著になる。つまり、中心部が凝固しようとしたときに、その周囲の凝固層の冷却が遅く熱収縮量が少ない場合に、両者の収縮量の差から上記の拘束力が生じてクラックが発生しやすくなる。
【００１１】
半連続鋳造方法では、中心部の凝固位置が核沸騰位置から鋳造方向側に移動するほど、凝固層の熱収縮量が少なくなり、クラックが発生しやすくなる。つまり、クラックの発生しやすさは核沸騰位置と中心部凝固位置の関係の影響を強く受ける。通常、中心部凝固位置は核沸騰位置よりも鋳造方向側にあるため、中心部の凝固位置をできるだけ反鋳造方向側に移動すれば、クラックが発生しにくくなる。
鋳造速度を減じる方法は、中心部凝固位置を反鋳造方向に移動させる方法として容易且つ、効果的な方法であるので、広く採用されている。しかしながら、この鋳造速度低減による対策は、鋳造生産性が阻害されるという最大の欠点がある。
【００１２】
ここで、本発明では、上記のごとく、二次冷却を行う際に、上記所定領域において膜沸騰冷却させると共に、当該所定領域を超えたところで核沸騰冷却させる。これにより、上記の鋳造速度を減じることにより中心部凝固位置をできる限り鋳造方向と反対側に移動させるという方策とは全く異なる方法によりクラック防止を図ることができる。
【００１３】
つまり、二次冷却においていきなり核沸騰冷却することを敢えて避け、まず所定領域において膜沸騰冷却させ、その後核沸騰冷却させる。これにより、核沸騰位置を鋳造方向側に移動させることができ、中心部凝固位置を鋳造方向と反対側に移動させることなく、核沸騰位置を中心部凝固位置に近づけることができるのである。そして、この結果、中心部凝固の際の周囲凝固層の温度低下率を高めて熱収縮量を増加させることができ、中心部でのクラックを抑制することができる。
【００１４】
したがって、本発明の半連続鋳造方法を用いれば、従来のような鋳造速度を減じることなく、クラックを防止することができ、高品質の鋳塊を高能率で得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するに当たっては、上記の冷却方法を実現できる鋳造速度と冷却条件を設定し、管理することが必要となる。ここで、上記鋳造速度と冷却条件とは、各鋳造設備あるいは鋳造する鋳塊のサイズ等によって大きく異なる。そのため、予め、鋳造条件を決定する作業が必要となるが、これは、当業者における通常の鋳造条件決定作業と同様の手法によって行うことができ、過度の試行錯誤や複雑高度な実験を必要とするものではない。また、現行設備を利用できるので、本発明の採用による効果は絶大である。
【００１６】
また、本発明において、上記二次冷却を行う際には、上記鋳塊表面に衝突させた冷却水によって膜沸騰冷却させた後、その膜沸騰冷却に使用した冷却水自身を用いて核沸騰させることが好ましい。これにより、膜沸騰用の冷却水と核沸騰用の冷却水を個別に放出してそれぞれを別系統で制御する場合よりも、冷却条件の調整を簡素化することができる。さらに、既存の設備としては、二次冷却用として一系統の冷却水のみを放出するよう構成されたものが多いので、その既存設備をそのまま利用することができる。
【００１７】
また、このような一系統の冷却水を用いて膜沸騰させ、それをさらに核沸騰させる冷却条件を容易に実現するためには、鋳造方向を垂直方向の上から下に向けた竪型半連続鋳造を採用することが最も有効である。この場合には、冷却水の自重を利用して、鋳塊の全周にわたって、鋳塊表面に沿ったスムーズな冷却水下降を実現することができるので、膜沸騰冷却の上記所定領域の調整も比較的容易となる。
【００１８】
また、本発明において、上記冷却水による膜沸騰冷却を実現するには、少なくとも、冷却水流速／鋳造速度の値を所定値未満にすることが好ましい。
例えば、中空状の鋳型内に冷却水を供給し、その鋳型に設けたスリットから冷却水を吐出させる場合には、冷却水の流量（鋳型への供給量に等しい）をｆ（ｍｍ3／ｍｉｎ）、上記スリットの幅寸法をｓｗ（ｍｍ）、スリットの周長をｓｌ（ｍｍ）とすると、上記冷却水流速Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）は、Ｖ＝ｆ／ｓｗ／ｓｌにより求めることができる。そして、このときの鋳造速度をＣＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）とした場合には、このＶ／ＣＶ（冷却水流速／鋳造速度）は、冷却水の温度が５〜５０℃の場合には、７００未満とすることが好ましく、膜沸騰冷却の領域を大きくして膜沸騰冷却による効果を高めるには、５００以下とすることがより好ましい。なお、上記値が２００未満となれば、凝固が十分に行われずに、湯洩れといわれるトラブルが生じやすくなる。
【００１９】
また、本発明における上記膜沸騰冷却させる上記所定領域は、鋳造する鋳塊のサイズや材質によって最適範囲が異なる。
例えば、上記鋳塊が、その直径をＤとした場合Ｄ＝１４０〜６００（ｍｍ）である場合には、上記膜沸騰冷却させる上記所定領域は、鋳造方向において、上記冷却水が衝突する位置から、０．２（ｍｍ）×Ｄ＋２０〜１．５×Ｄ（ｍｍ）の範囲とすることが好ましい（請求項２）。
上記鋳塊としては様々なサイズがあるが、特に直径Ｄが上記の範囲にある円柱形状の鋳塊においては、本発明の冷却方法を採用した場合の効果が特に有効である。なお、Ｄが１４０ｍｍ未満ではクラックがほとんど生じない。また、Ｄが６００ｍｍを超えると鋳造が困難になるという問題もある。そして、上記所定領域の範囲が０．２×Ｄ＋２０（ｍｍ）未満の場合には、上記の膜沸騰冷却を採用する効果が少なく、また、膜沸騰冷却の長さが短いため安定して膜沸騰を形成することが困難であるという問題がある。一方、１．５×Ｄ（ｍｍ）を超える場合には、膜沸騰冷却による徐冷域が長くなりすぎるため、湯洩れや凝固組織欠陥などが発生しやすくなるという問題がある。
【００２０】
また、上記核沸騰冷却の開始点は、上記鋳塊の中心の凝固開始点よりも鋳造方向側に位置させることが好ましい（請求項３）。この場合には、特に中心凝固部が熱収縮する際にその周囲の凝固層の熱収縮率を確実に高めることができ、中心部でのクラック抑制効果が極めて大きくなる。
【００２１】
また、上記冷却水は、工業用水、水道水、海水、川水、地下水のいずれかであることが好ましい（請求項４）。すなわち、上記冷却水としては、水を主体とする上記各種の水を適用することができ、低コストな操業を実現することができる。また、これらの水には、例えばＣＯ2などの徐冷効果のある成分を積極的には混合しないことが好ましい。また、上記冷却水には、不可避的に含まれるガス、油などの不純物の他には、他の成分を積極的には含有させないことが好ましい。他の成分に頼った制御を行う場合には、その成分の含有量制御等を行う必要があり、装置の複雑化及び制御方法の複雑化を来してしまう。また、膜沸騰による徐冷効果と核沸騰による急冷効果を一系統の冷却水により実現する場合には、その冷却水に特殊な成分を混合させない方が制御が容易となり好ましい。
【実施例】
【００２２】
本発明の実施例に係る鋳造方法につき、図１〜図６を用いて説明する。
本例では、アルミニウムの竪型半連続鋳造設備を用い、いくつかの鋳造条件において実際に鋳塊を鋳造してクラックの発生有無を調査した。本発明の方法を採用した例が実施例Ｎｏ．１〜４であり、比較のために行ったものが比較例Ｎｏ．５〜１０である。
【００２３】
いずれの実施例及び比較例も、図１に示すごとく、両端が解放された内径２００ｍｍの鋳型１の上端から金属溶湯８を注湯し、凝固させた鋳塊８１を鋳型１の下端から連続的に引き出す竪型半連続鋳造方法により、円柱状の鋳塊８１を作製した。
そして、少なくとも、本発明の方法を採用した実施例Ｎｏ．１〜４においては、同図に示すごとく、鋳型１によって溶湯８又は鋳塊８１を冷却する一次冷却を行った後、鋳型１から引き出された鋳塊表面８１０に冷却水７を衝突させて二次冷却を行う際に、鋳塊表面８１０に冷却水７が最初に衝突する位置Ｐ1から鋳造方向側の所定領域Ｌにおいて膜沸騰冷却させると共に、当該所定領域Ｌを超えたところ（Ｐ2）で核沸騰冷却させた。
【００２４】
上記鋳型１は、円環状の形状を有しており、その内周径Ｄが上記のごとく２００ｍｍである。図１に示すごとく、鋳型１の内部は空洞になっており、その中に冷却水７が順次供給されて鋳型１を冷却し、鋳型１の底部全周に設けられたスリット１５から上記冷却水７が鋳型表面８１０に向けて斜めに放出される。スリット１５の傾き角αは、水平方向に対して６５°に設定してある。また、スリット１５の幅寸法ｓｗは１．５ｍｍに設定した。  また、鋳造する合金としては、ＪＩＳ６０６３合金を用いた。そして、この合金よりなる金属溶湯８を、温度６８０℃の状態で鋳型１内に注湯した。また、金属溶湯８の鋳型下面から溶湯表面までの距離Ｅ（湯面高さ）は、６０ｍｍとなるように制御した。
各例の鋳造条件、鋳造結果等を表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
これまでの経験から、従来の冷却条件、つまり二次冷却時に最初から核沸騰冷却させる条件の場合には、上記サイズの鋳塊をＪＩＳ６０６３合金により作製するには、鋳造速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ前後が一般的である。
表１に示す比較例Ｎｏ．５、６はその鋳造速度に近いものであるが、従来の冷却方法、つまり冷却水７を衝突させた直後からすぐに核沸騰冷却させたものである。この場合には、図２に示すごとく、得られた鋳塊８１の断面８１５にクラックの発生はなかった。これは、鋳造速度が十分に遅いことによると考えられる。
【００２７】
しかし、同じ冷却水量で鋳造速度を増加させた比較例Ｎｏ．７、８では、図３に示すごとく、鋳塊８１の断面８１５の中央部にクラック９が発生した。この場合には、表１にあるように、膜沸騰冷却の領域を介して核沸騰冷却が行われたが、その領域の鋳造方向距離Ｌ（図１）がわずか２０ｍｍ以下と小さいために、膜沸騰冷却の効果が十分に得られなかったものと考えられる。
【００２８】
これに対して、実施例Ｎｏ．１、２は比較例Ｎｏ．７、８と同じ鋳造速度であるが、冷却水量を調整したことで核沸騰位置が鋳造方向側に移動させたものである。この場合には、膜沸騰領域の鋳造方向距離Ｌが７０ｍｍ以上と大きくなり、クラックは発生しなかった（図２参照）。
また、実施例Ｎｏ．３、４および比較例Ｎｏ．９、１０は、いずれも鋳造速度を著しく速くしたものである。膜沸騰領域の鋳造方向距離Ｌが長い実施例Ｎｏ．３、４ではクラックの発生がなかったが（図２）、膜沸騰領域があってもその範囲が小さい比較例Ｎｏ．９、１０ではクラックが発生した（図３）。
これらの比較から、膜沸騰領域の鋳造方向距離Ｌの違いによってクラック発生有無が分かれ、膜沸騰領域が大きいほどクラック抑制効果が高いことが分かる。
【００２９】
図４〜図６には、鋳造時における中心部と鋳塊表面（実際には鋳塊表面から２０ｍｍ内部）の冷却曲線の代表例を示す。
図４に示す例は、上述した比較例Ｎｏ．７〜１０を代表するものであって、鋳造速度が速く、かつ、冷却能力も十分に高めて膜沸騰冷却領域を少なくした例である。
図５に示す例は、上述した比較例Ｎｏ．５、６を代表するものであって、鋳造速度低減によりクラック発生を抑制した例である。
図６に示す例は、上述した実施例Ｎｏ．１〜４を代表するものであって、鋳造速度が速く、膜沸騰冷却領域を大きくして徐冷領域を長くした本発明の例である。
【００３０】
いずれの図も、横軸に鋳造する際の湯面からの距離を、縦軸に温度をとり、中心部温度Ａ、鋳塊表面側の温度（鋳塊表面から２０ｍｍ内部）Ｂ、中心部凝固開始点ａ1、中心部凝固完了点ａ2、および、中心部凝固中における鋳塊表面の温度低下量Δｔをとった。
これらの図から知られるように、クラックが発生した例（図４）の場合には、中心部凝固中の鋳塊表面の温度低下量Δｔが非常に小さく、一方、クラックが発生しなかった例（図５、図６）の場合には、中心部凝固中の鋳塊表面の温度低下量Δｔが大きく温度低下率が高いことが分かる。
【００３１】
また、表１には、鋳塊中心に熱電対が埋め込まれるように鋳造を行って測定した温度から求めた凝固位置を求めて示してある。この中心部凝固位置の比較から明らかなように、実施例Ｎｏ．１〜４においては、従来よりもその位置が鋳造方向にずれている。これにより、中心部凝固位置における周囲凝固層を冷却速度の高い位置に配置することができ、その収縮率を高めてクラック抑制効果を得ている。
【００３２】
また、表１には、各例における冷却水流速／鋳造速度の値、つまり、冷却水の流量をｆ（ｍｍ3／ｍｉｎ）、上記スリット１５の幅寸法をｓｗ（ｍｍ）、スリットの周長をｓｌ（ｍｍ）として、上記冷却水流速Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）＝ｆ／ｓｗ／ｓｌを求め、さらに、鋳造速度をＣＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）とした場合のＶ／ＣＶを算出することにより得られた値を示した。
同表から知られるように、少なくとも上記Ｖ／ＣＶの値を７００未満とすることによって、少なくとも膜沸騰冷却が行われる領域を形成することができ、かつ、５００以下にすることによって、クラックを抑制できるほどの膜沸騰冷却領域を確保することができることが分かる。
【００３３】
本例では、上記のごとく、膜沸騰冷却領域の鋳造方向距離Ｌの大きさによってクラックの発生の有無が分かれた。そして、少なくとも、本例のような円柱状の鋳塊を鋳造する場合には、その直径Ｄに対して、上記膜沸騰冷却させる上記所定領域が、鋳造方向において、冷却水が衝突する位置から、０．２×Ｄ＋２０（ｍｍ）以上の範囲とすることが必要であることが分かった。
なお、材質、形状、サイズ等が異なる鋳塊を鋳造する場合には、膜沸騰冷却領域の長さの最適条件が異なることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例における、鋳造方法を示す説明図。
【図２】実施例における、正常な鋳塊の断面図。
【図３】実施例における、クラックが生じた鋳塊の断面図。
【図４】実施例における、鋳造速度が速く、かつ、冷却能力も十分に高い場合の冷却曲線を示す説明図。
【図５】実施例における、鋳造速度低減した場合の冷却曲線。
【図６】実施例における、鋳造速度が速く、かつ、膜沸騰冷却領域を大きくして徐冷領域を長くした場合の冷却曲線を示す説明図。
【符号の説明】
【００３５】
１  鋳型
７  冷却水
８  溶湯
８１  鋳塊
８１０  鋳塊表面
９  クラック
【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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