(57)【要約】【課題】アルミ、銅、鉄鋼などの鋳塊を高品質に効率良く安定して連続鋳造する方法を提供する。【解決手段】凝固収縮ひずみによる荷重効果と流動応力の温度依存性とから凝固応力モデルを構築し、前記モデルに基づいて鋳塊の主応力分布を計算し、前記主応力分布から割れ感受性指標を計算し、前記指標が凝固割れを発生し難い数値範囲に入る場合はそのまま鋳造を続け、前記指標が凝固割れを発生し易い数値範囲に入る場合は前記指標が凝固割れを発生し難い数値範囲となるように鋳造条件を調整して鋳造する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝固収縮ひずみによる荷重効果と流動応力の温度依存性とから凝固応力モデルを構築し、前記モデルに基づいて鋳塊の主応力分布を計算し、前記主応力分布から割れ感受性指標を計算し、前記指標が凝固割れを発生し難い数値範囲に入る場合はそのまま鋳造を続け、前記指標が凝固割れを発生し易い数値範囲に入る場合は前記指標が凝固割れを発生し難い数値範囲となるように鋳造条件を調整して鋳造することを特徴とする連続鋳造方法。
【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、銅、鉄鋼などの鋳塊を高品質に効率良く安定して連続鋳造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アルミ、銅、鉄鋼などをＤＣ法などにより連続鋳造する場合、その鋳造条件は、鋳塊の降下速度（引出速度）や注湯温度などを過去の経験をもとに種々変化させ、試行錯誤を繰り返して決めていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような方法では、高品質の鋳塊を歩留まり良く安定して鋳造することが困難であった。
このため、本発明者等は、高品質鋳塊を効率良く鋳造することを目的に、凝固割れについて調査し分析して、（１）凝固割れ（鋳造時の割れ）は固液共存域に位置する高い割れ感受性領域で発生すること、（２）固液共存域においては、割れ感受性分布による方が主応力分布によるよりも凝固割れが発生し易い領域を適切に示せることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。
本発明の課題は、試行錯誤せずに、高品質鋳塊を効率良く安定して連続鋳造する方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、凝固収縮ひずみによる荷重効果と流動応力の温度依存性とから凝固応力モデルを構築し、前記モデルに基づいて鋳塊の主応力分布を計算し、前記主応力分布から割れ感受性指標を計算し、前記指標が凝固割れを発生し難い数値範囲に入る場合はそのまま鋳造を続け、前記指標が凝固割れを発生し易い数値範囲に入る場合は前記指標が凝固割れを発生し難い数値範囲となるように鋳造条件を調整して鋳造することを特徴とする連続鋳造方法である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明は、鋳造合金の機械的特性値および熱的物性値を用いて、凝固割れが発生するか否かを数値シュミレーションし、このシュミレーションの結果に基づいて、予め設定した鋳造条件を調整して連続鋳造する方法である。
本発明によれば、凝固割れの発生箇所（領域）や割れ伝搬挙動が予測でき、その予測に基づいて鋳造条件を調整するので、高品質の鋳塊が、試行錯誤せずに、効率良く得られる。特に、新合金の鋳造に適用して、その効果が大きい。
【０００６】
以下に、本発明の実施手順を図１を参照して説明する。
（１）鋳造合金の機械的特性値および熱的物性値を入力し計算体系を整備する。
（２）前記特性値および物性値を凝固温度モデルの基礎式に代入して鋳塊内温度分布を計算する。
（３）凝固熱応力モデルの基礎式により鋳塊内の応力分布を計算する。
（４）主応力分布と割れ感受性分布を計算する。
（５）凝固割れ感受性の大きさ（割れ感受性指標）の計算結果から割れ発生の可能性を評価する。
（６）割れ発生の可能性がある場合は（１）に戻って鋳造条件を見直す。割れ発生の可能性がない場合は（２）から（４）までの計算と（５）の評価を行いつつ鋳造を続ける。この間、高品質の鋳塊が鋳造される。
【０００７】
前記（２）の凝固温度モデル基礎式については、図２（イ）に示すように、温度回復法により潜熱放出を考慮した一般的な熱伝導方程式をガラーキン法にて有限要素化し、時間についてもクランク−ニコルソン法にて離散化して、最終的な有限要素法方程式を得る。アルミＤＣ鋳造の境界条件は、体系に対して、降下速度を上昇させることにより鋳造を模擬する。図２（ロ）は鋳塊説明図である。
【０００８】
前記（３）の凝固熱応力モデルについては、図３に示すように、ひずみ増分理論に基づく弾塑性応力モデルを採用したが、特に熱収縮ひずみと凝固収縮ひずみは、固相率と固相率変化で表現することにより、前者は固相域のみ、後者は固液共存域のみを計算対象とする。
【０００９】
本発明では、前記ひずみ増分理論に基づく式に、熱収縮と凝固収縮のひずみ増分、フックの弾性式、後続の降伏関数、プラガーの適応条件、相当塑性ひずみの定義、塑性ひずみ増分の法線則を組み合わせることにより凝固応力モデルの根幹となる構成式を得る。そして仮想仕事の原理を用いて、最終的に接点変位増分に対する剛性方程式の有限要素式を得る。
右辺の荷重ベクトルには、表面力、体積力、弾性的および塑性的熱ひずみの荷重、弾性的及び塑性的凝固収縮ひずみによる荷重、流動応力の温度依存性に起因する見かけの荷重が表現されている。
【００１０】
凝固時の鋳塊の表面割れは鋳塊表層の起点から鋳塊内部へ進行する熱間割れであり、この表面割れを根本的に防止するには、先ず、割れの起点を見つけ出し、そこから割れの原因を探る必要がある。その場合、本発明は有効に利用できる。
【００１１】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により具体的に説明する。
（実施例１）
ＪＩＳ−３００４アルミ合金（Ａｌ−Ｍｎ系合金）鋳塊の圧延面に縦に走る表面割れを防止するために、前記鋳塊の温度分布を測定し、また応力分布（ｘ方向の垂直応力と相当応力）を計算した。結果を図４に示す。
図４から明らかなように、固液共存域であるサンプ面に沿って、凝固割れ起点となり得る高い応力分布領域が認められ、それ以外にも既に凝固した鋳塊尻部に高い応力分布領域が認められた。
【００１２】
次に、実施例１の応力分布を基に割れ感受性分布を計算した。結果を図５に示す。図５から明らかなように、凝固割れの起点となり得る高い応力分布領域が、図４に示した応力分布図よりも明瞭に示された。
【００１３】
前記高い応力分布領域の割れ感受性指標を計算したところ、予備実験で求めた凝固割れが発生し易い数値範囲に入ったので、前記指標が凝固割れが発生し難い数値範囲となるように鋳造条件を調整した。即ち、注湯温度を低下させ、二次冷却能を増加させた。その結果、割れのない高品質の鋳塊が安定して鋳造できた。
【００１４】
（実施例２）
一般に表面割れは注湯温度が高いほど悪化することが経験的に分かっている。ここでは、この傾向を、本発明方法により、ＪＩＳ−３００４アルミ合金鋳塊を用いて、注湯温度が７２０℃と６８０℃の場合について確かめた。
結果を図６に示す。図６（イ）は鋳塊の温度分布図、（ロ）は垂直応力分布図（幅方向）、（ハ）は割れ感受性分布図（幅方向）である。
【００１５】
表面割れに及ぼす注湯温度の影響は、図６（ロ）に示した垂直応力分布図からは、鋳塊内部では認められたが、鋳塊表層では殆ど認められなかった。
これに対し、図６（ハ）に示した割れ感受性分布図からは、鋳塊表層でも差が明瞭に認められ、注湯温度が高い方が割れ易いことが明瞭に示された。
このように、本発明方法によれば、割れの発生箇所（領域）が的確に予測できるので、鋳造条件の調整が適正に行える。
【００１６】
凝固ひずみを考慮しない場合の割れ感受性は、図７（ハ）（右側）に示すように、割れ起点が固液共存域から外れた位置にあって、割れ伝播を司るサンプ面上での割れ感受性が引張応力状態となっていないため表面割れを表現できない。
【００１７】
市販解析ソフトでは垂直応力分布により割れ感受性を表現しているため、前記表面割れの挙動は、本発明のように正しく予測できないことが多い。
また、モデル式に関しても、凝固ひずみを熱ひずみに組み入れる熱処理法が多いため、熱間割れ伝搬を予測するのは無理がある。つまり、前記熱処理法では、固液共存域に凝固ひずみによる引張応力を集中分布させることができない。
【００１８】
前記実施例では、ＪＩＳ−３００４アルミ合金について説明したが、本発明は、他のアルミ合金、純アルミ、純銅、銅合金、鉄鋼などに適用して、同様の効果が得られるものである。
【００１９】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明は、凝固収縮ひずみによる荷重効果と流動応力の温度依存性とから凝固応力モデルを構築し、前記モデルに基づいて鋳塊の主応力分布を計算し、前記主応力分布から割れ感受性指標を計算し、前記指標が凝固割れが発生し易い数値範囲に入る場合は、前記指標が凝固割れが発生し難い数値範囲となるように鋳造条件を調整して鋳造するので、凝固割れを生じない適正な鋳造条件が効率良く安定して得られ、工業上顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すフローチャートである。
【図２】（イ）は凝固温度モデルの基礎式、（ロ）は鋳塊説明図である。
【図３】凝固熱応力モデルの基礎式である。
【図４】計算で求めた（イ）は温度分布図、（ロ）は垂直応力分布図、（ハ）は相当応力分布図で、左側が鋳塊の内側、右側が鋳塊の外側である。
【図５】計算で求めた（イ）は主応力方向図、（ロ）は主応力分布図、（ハ）は割れ感受性分布図であり、（ロ）、（ハ）で左側は鋳塊内側、右側は鋳塊外側である。
【図６】ＪＩＳ−３００４アルミ合金鋳塊の凝固ひずみを考慮した場合の（イ）温度分布図、（ロ）垂直応力分布図、（ハ）割れ感受性分布図で、左側が注湯温度７２０℃の場合、右側が注湯温度６８０℃の場合である。
【図７】ＪＩＳ−３００４アルミ合金鋳塊の注湯温度が７２０℃の場合の（イ）温度分布図、（ロ）主応力分布図、（ハ）割れ感受性分布図で、左側が凝固ひずみを考慮した場合、右側が凝固ひずみを考慮しない場合である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成14年9月3日(2002.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
以下に、本発明の実施手順を図１を参照して説明する。
（１）鋳造合金の機械的特性値および熱的物性値を入力し計算体系を整備する。
（２）前記特性値および物性値を凝固温度モデルの基礎式に代入して鋳塊内温度分布を計算する。
（３）凝固熱応力モデルの基礎式により鋳塊内の応力分布を計算する。
（４）主応力分布と割れ感受性分布を計算する。
（５）凝固割れ感受性の大きさ（割れ感受性指標）の計算結果から割れ発生の可能性を評価する。
（６）割れ発生の可能性がある場合は（１）に戻って鋳造条件を見直す。
割れ発生の可能性がない場合は（２）から（４）までの計算と（５）の評価を行いつつ鋳造を続ける。この場合、固定した計算体系に対し境界条件を降下速度に合わせ上方に移動させることにより次の降下位置での鋳造状況を設定する。この間、高品質の鋳塊が鋳造される。