(57)【要約】【課題】エア・ギャップの発生に伴う鋳塊表面の割れ、組織の粗大化や不均一化、これらによる粒界割れ等を防止することができる連続鋳造用鋳型および連続鋳造方法を提供する。【解決手段】連続鋳造用鋳型の長辺５の中央部５ａに対応する鋳塊１０の表面の凝固シェル１６の要素２０が、収縮により加わる応力ベクトル２１ａの合成ベクトル２２ａを鋳型内表面１３を押し付ける方向の応力となるように、連続鋳造用鋳型１の長辺５を内側に突出させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の辺の長さを有する一対の側壁と、第２の辺の長さを有する一対の側壁によって形成される中空部を有し、前記中空部に溶解した金属が供給され、前記中空部内を前記金属が流動する間に前記金属を冷却・固化し、固化した前記金属が連続的に取り出される連続鋳造用鋳型において、
前記第１および前記第２の辺の長さのうち辺の長い方の一対の側壁は、前記中空部の内側に突出した形状を有することを特徴とする連続鋳造用鋳型。
【請求項２】
前記辺の長い方の一対の側壁は、前記辺の全体が曲面で形成されていることを特徴とする請求項１記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項３】
前記辺の長い方の一対の側壁は、前記辺の中央部のみが曲面で形成されていることを特徴とする請求項１記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項４】
前記中空部は、前記第１の辺の長さを有する一対の側壁と、前記第２の辺の長さを有する一対の側壁のアスペクト比が１．５以上であることを特徴とする請求項１記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項５】
前記第１の辺の長さを有する一対の側壁と、前記第２の辺の長さを有する一対の側壁は、前記中空部を形成する面に金属めっきが施されていることを特徴とする請求項１記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項６】
前記辺の長い方の一対の側壁は、前記金属の流動する方向にテーパが形成されていることされていることを特徴とする請求項１記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項７】
前記辺の長い方の一対の側壁は、銅、銅合金およびカーボンのいずれか１種により形成されていることを特徴とする請求項１記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項８】
中空部を有する連続鋳造用鋳型に溶解した金属を供給し、前記中空部内を前記金属が流動する間に前記金属を冷却・固化する第１のステップと、
固化した前記金属を連続的に取り出す第２のステップを含む連続鋳造溶方法において、
前記第１のステップに用いられる前記連続鋳造用鋳型は、前記中空部が第１の辺の長さを有する一対の側壁と、第２の辺の長さを有する一対の側壁によって形成され、前記第１および前記第２の辺の長さのうち辺の長い方の一対の前記側壁は、内側に突出し、溶解した前記金属が冷却・固化する際の収縮に伴う合力が前記辺の長い方の一対尾の側壁に向かうように構成されていることを特徴とする連続鋳造溶方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、矩形断面を有する鋳塊の連続鋳造用鋳型および連続鋳造方法に関し、特に、エア・ギャップの発生に伴う鋳塊表面の割れ、組織の粗大化や不均一化、これらによる粒界割れ等を防止することができる連続鋳造用鋳型および連続鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来の縦型連続鋳造装置の概略を示す。この連続鋳造装置は、銅あるいは所定比率の銅合金となるように配合された所定の金属の溶湯１５を流し込み、溶湯１５を固化する連続鋳造用鋳型１Ｃと、連続鋳造用鋳型１Ｃの下方に配置され水をシャワー状またはスプレー状に放水して連続鋳造用鋳型１Ｃから取り出される銅あるいは所定の金属が凝固した鋳塊１０を冷却する二次冷却器２と、連続鋳造用鋳型１Ｃから取り出された鋳塊１０をさらに冷却する水槽３とを備える。連続鋳造用鋳型１Ｃは、開口１１を有する中空部１２を、側壁である長辺５，５および側壁である短辺６，６により形成されている。
【０００３】
図８は、縦型連続鋳造装置に用いられる従来の連続鋳造用鋳型についての鋳造方向と直角方向の断面（以下「横断面」という）を示す。連続鋳造用鋳型１Ｃは、断面形状が中空の矩形であって、側壁である短辺６，６と側壁である長辺５，５とから構成される。
【０００４】
図９は、連続鋳造装置の動作中における連続鋳造用鋳型の横断面を示す。
【０００５】
この連続鋳造装置は、以下のように動作する。銅あるいは所定比率の銅合金となるように配合された所定の金属を溶解した溶湯１５を連続鋳造用鋳型１Ｃの上方の開口１１から中空部１２に流し込み、充分な厚みの凝固シェルを形成させ、これを下方へ引き抜き、鋳型１Ｃの直下に配した二次冷却器で冷却し、更に水槽３を通して冷却し、凝固した鋳塊１０を形成する。
【０００６】
このとき、鋳型内表面１３と鋳塊表面１０ａの間に、鋳塊１０の冷却に伴う収縮によってエア・ギャップ７が生じる。断面が矩形である鋳塊１０においては、図９に示すように長辺５の中央部付近の収縮が大きく、この部分にエア・ギャップ７が発生し易い。
【０００７】
エア・ギャップ７の生じた部分の熱伝達は放射熱伝達となり、接触している他の部位の熱伝達に比べ熱流束は大幅に低下する。溶湯から供給される熱の流入量に対し熱の流出量が少なくなると、凝固シェルの温度は上昇し復熱する。そして、激しい場合には、凝固したシェルが再び溶解して鋳型内表面１３と接触し、再び凝固を始める。このようなことから、エア・ギャップ７が発生する部分では、表面の割れ、組織の粗大化や不均一化、これらによる粒界割れ等が発生する。
【０００８】
この問題に対して、従来、鋳型内の鋳造方向に鋳塊の収縮量を見込んだ角度のテーパを付けたり、冷却水量の適正化を図ったり、図１０から図１２に示すように、冷却後の鋳塊１０の断面形状が長方形に近似するように、あらかじめ収縮分を見込んで長辺５の中央部を外側に凸状とした鋳型を用いて凝固させる等の対策がとられてきた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鋳造する合金、例えば銅合金の種類によっては、エア・ギャップが顕著に発生するものもあるため、テーパといった対策のみでは対応できず、冷却水量の適正化によっても、充分な対策とはならない。また、収縮することを見込んで中央部を外側に膨らませる方策も、かえって鋳型内表面１３と鋳塊１０との間のエア・ギャップ７が助長され、鋳塊表面の割れ、組織の粗大化や不均一化、これらによる粒界割れ等が発生し易いという問題がある。
【００１０】
従って、本発明の目的は、エア・ギャップの発生に伴う鋳塊表面の割れ、組織の粗大化や不均一化、これらによる粒界割れ等を防止することができる連続鋳造用鋳型および連続鋳造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、第１の辺の長さを有する一対の側壁と、第２の辺の長さを有する一対の側壁によって形成される中空部を有し、前記中空部に溶解した金属が供給され、前記中空部内を前記金属が流動する間に前記金属を冷却・固化し、固化した前記金属が連続的に取り出される連続鋳造用鋳型において、前記第１および前記第２の辺の長さのうち辺の長い方の一対の側壁は、前記中空部の内側に突出した形状を有することを特徴とする連続鋳造用鋳型を提供する。
【００１２】
この構成によれば、連続鋳造用鋳型の中空部内で溶湯が凝固する際に、連続鋳造用鋳型の表面に形成した凝固シェルの収縮に伴う応力ベクトルの合成ベクトルが側壁を押圧する方向に向かう応力となり、溶湯は、連続鋳造用鋳型の表面に向かって凝固する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型が適用される縦型連続鋳造装置の概略を示す。この連続鋳造装置は、銅あるいは所定比率の銅合金となるように配合された所定の金属の溶湯１５を流し込み固化する連続鋳造用鋳型１Ａと、連続鋳造用鋳型１Ａの下方に配置され水をシャワー状またはスプレー状に放水して連続鋳造用鋳型１Ａから取り出される銅あるいは所定の金属が凝固した鋳塊１０を冷却する二次冷却器２と、連続鋳造用鋳型１Ａから取り出された鋳塊１０をさらに冷却する水槽３とを備える。連続鋳造用鋳型１Ａは、銅、銅合金またはカーボンで形成し、開口１１を有する中空部１２を側壁である長辺５，５および側壁である短辺６，６により形成する。
【００１４】
図２は、この第１の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型であって、横断面を示す。本発明の連続鋳造用鋳型１Ａは、互いに向かい合う側壁となる短辺６，６と、互いに向かい合う側壁となる長辺５，５とから構成される。横断面の形状は、横長の矩形であって、そのアスペクト比（縦横の比率）が１．５以上を基調とし、互いに向かい合う長辺５全体にわたって鋳型内表面１３が中空部１２に突出する曲面形状を呈している。
【００１５】
この連続鋳造装置は、以下のように動作する。銅あるいは所定比率の銅合金となるように配合された所定の金属を溶解した溶湯１５を連続鋳造用鋳型１Ａの上方の開口１１から中空部１２に流し込む。流し込まれた溶湯１５は、鋳型内表面１３により冷却され、適宜の厚みに凝固した凝固シェル１６を形成する。
【００１６】
図３は、連続鋳造用鋳型の横断面における鋳塊の引張応力成分を示す。これは鋳型内表面１３と溶湯１５が接触することにより凝固を開始した断面において、鋳型内表面１３に形成される凝固シェル１６の収縮によって加わる力について簡略化して説明したものである。まず、中空部１２に供給された溶湯１５は、鋳型内表面１３から熱を奪われて冷却され、鋳型内表面１３との接触部において凝固を開始し、凝固シェル１６を形成する。この際の大きな収縮により、凝固シェル１６には鋳型内表面１３と平行に応力ベクトル２１ａが生じる。
【００１７】
ここで、収縮形状を考える場合、鋳塊１０の横断面においては、中央部５ａとコーナー部５ｂ，５ｂに接する部位が固定点と考えられる。コーナー部５ｂに接する部位を固定点と考えるのは、コーナー部５ｂ付近は同一断面において最も冷却が強く鋳塊１０が厚くなっているため、変形しにくいためであり、鋳塊の厚い下方から固定されていると考えられるからである。本発明の実施の形態による断面形状では、連続鋳造用鋳型の長辺５の中央部５ａに対応する鋳塊１０の表面の要素２０ａには、収縮により応力ベクトル２１ａが加わるため、その合成ベクトル２２ａは鋳型内表面１３を押し付ける応力となる。
【００１８】
図４は、図８に示す従来の連続鋳造用鋳型１Ｃの横断面における鋳塊の引張応力成分を示す。長辺５の中央部５ｅに対応する凝固シェル１６の要素２０ｂには、鋳型内表面１３により溶湯１５が冷却されて凝固を開始すると、凝固シェル１６に鋳型内表面１３と平行に応力ベクトル２１ｂが生じる。その合成ベクトルは、「０」である。しかし、実際は、鋳型内表面１３による冷却条件（鋳型内表面１３の温度、溶湯の温度など）により、長辺５の中央部においてエア・ギャップ７が生じる。
【００１９】
また、図５は、図１０に示す従来の連続鋳造用鋳型１Ｄの横断面における凝固シェルの引張応力成分を示す。長辺５の中央部５ｆに対応する鋳塊１０の表面の要素２０ｃには、鋳型内表面１３により溶湯１５が冷却されて凝固を開始すると、凝固シェル１６に鋳型内表面１３と平行に応力ベクトル２１ｃが生じる。凝固シェル１６の収縮による応力ベクトル２１ｃ、２１ｃの合成ベクトル２２ｃは、鋳型内表面１３から離れる方向の応力となる。そのため鋳型内表面１３と鋳塊１０との間のエア・ギャップ７が助長され、鋳塊表面の割れ、組織の粗大化や不均一化による粒界割れ等が発生する。
【００２０】
次いで、鋳塊１０を連続鋳造用鋳型１Ａの下方から連続的に取り出しながら、鋳塊１０に二次冷却器２により水をシャワー状またはスプレー状等に放水し、鋳塊１０を冷却する。二次冷却器２により冷却された鋳塊１０は、冷却水（図示せず）を入れた水槽３に送られて冷却される。
【００２１】
以上説明したように、この実施に形態に係る連続鋳造用鋳型１Ａによれば、溶湯１５が凝固する際に長辺５の中央部５ａに加わる凝固シェル１６の応力２１ａの合成ベクトル２２ａが鋳型内表面１３を押し付ける方向の応力となる曲面形状を形成し、エア・ギャップの発生を防止することとしたため、鋳塊１０の表面の割れ、鋳塊１０の組織の粗大化や不均一化、これらによる粒界割れ等の発生を防止することができる。なお、曲面形状は、多平面近似形であっても同様の効果を奏することができる。
【００２２】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型であって、横断面を示す。連続鋳造用鋳型１Ｂは、長辺５の中央部５ｃが中空部１２に突出するものである。この連続鋳造用鋳型１Ｂにあっても、溶湯１５が凝固する際に長辺５の中央部５ｃに加わる凝固シェル１６の応力の合成ベクトルが鋳型内表面１３を押し付ける方向の応力となるため、エア・ギャップが生じにくくなる。
【００２３】
【実施例】
＜実施例１＞
Ｃｕ‐Ｆｅ‐Ｐ系銅合金の溶湯１５を下降管から図１に示す連続鋳造装置の連続鋳造用鋳型１Ａの中空部１２に供給し、鋳造速度１００ｍｍ／ｍｉｎで縦型連続鋳造を行った。鋳塊はＣｒおよびＺｒを添加した銅合金で、横断面サイズ１８０ｍｍ×４８０ｍｍ、長さ３００ｍｍである。鋳造方向に長辺側で１０′、短辺側で１５′のテーパ加工を施してある。湯面は鋳型上端から５０ｍｍとし、湯面には溶湯酸化防止のための被覆を施した。
【００２４】
この実施例１では、鋳塊１０の表面に割れや深い窪みは一切見られず、また湯ジワも浅く、外観は良好であった。内部にも割れは見られず、断面の組織は微細かつ均一で良好であった。
【００２５】
＜比較例１＞
実施例１と同様の条件で、図７に示す従来の連続鋳造装置の連続鋳造用鋳型１Ｃを用いて、Ｃｕ−Ｆｅ‐Ｐ系銅合金の縦型連続鋳造を行った。
【００２６】
この比較例１では、鋳塊１０の表面には鋳造方向に約３００ｍｍ周期の深い窪みや割れが見られた。一方、内部には割れは見られず、横断面の組織は微細かつ均一で良好であった。
【００２７】
＜実施例２＞
Ｃｕ‐Ｚｒ系銅合金の溶湯を下降管から図１に示す連続鋳造装置の連続鋳造用鋳型１Ａの中空部１２に供給し、鋳造速度２００ｍｍ／ｍｉｎで縦型連続鋳造を行った。鋳塊はＣｒおよびＺｒを添加した銅合金で、断面サイズ１８０ｍｍ×４８０ｍｍ、長さ３５０ｍｍである。鋳造方向に長辺側で１０′、短辺側で３０′のテーパ加工を施してある。湯面は鋳型上端から５０ｍｍとし、湯面には溶湯酸化防止のための被覆を施した。
【００２８】
この実施例２では、鋳塊１０の表面に割れや窪みは一切見られず、また湯ジワも浅く、外観は良好であった。内部にも割れは見られず、横断面の組織は微細かつ均一で良好であった。
【００２９】
＜比較例２＞
実施例と同様の条件で、図７に示す従来の横断面を有する連続鋳造装置の連続鋳造用鋳型１Ｃを用いて、Ｃｕ‐Ｚｒ系銅合金の縦型連続鋳造を行った。
【００３０】
この実施例２では、鋳塊１０の表面には窪みや割れが見られず、外観は良好であったが、横断面の組織は長辺の中央部付近で粗く、この部分の粒界に割れが見られた。
【００３１】
以上のように、本発明の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型を使用した各実施例は鋳塊表面に割れや窪みは一切見られず、また湯ジワも浅く、外観は良好であった。さらに、内部にも割れは見られず、横断面の組織は微細かつ均一で良好であった。したがって、中空部の長辺に沿ってエア・ギャップが生じなかったものと考えられる。
【００３２】
しかし、各比較例は、鋳塊表面に深い窪みや割れがみられたり、長辺の中央部付近の横断面の組織は粗く、この部分の粒界に割れが見られた。これは、連続鋳造用鋳型の長辺の中央部付近にエア・ギャップが生じ、そのために、鋳塊表面の窪み、割れ、粒界の割れが生じたものと思われる。
【００３３】
連続鋳造用鋳型は、上記の実施の形態や実施例に限定されることなく変形実施が可能である。鋳造方向に鋳塊の収縮を見込んで、適切な量のテーパを施すことができる。すなわち、鋳造方向に向かって中空部をやや窄める。これにより、エア・ギャップの発生を防止する効果は一層大きくなる。
【００３４】
連続鋳造用鋳型は、長辺が曲面で形成されている場合について説明したが、曲面だけでなく、直線により中空部の内側に突出していてもよい。また、長辺が直線と曲線により形成されていてもよい。
【００３５】
鋳型内表面１３に金属めっきを施したものであっても、溶湯１５が凝固する際に長辺５の中央部５ａに加わる凝固シェル１６の応力の合成ベクトルが鋳型内表面１３を押し付ける方向の応力となるため、エア・ギャップの発生が防止できる。側壁である短辺６，６および長辺５，５を銅、銅合金あるいはカーボンにより形成したものにあっても同様の効果が期待できる。
【００３６】
本発明は、中空部が、アスペクト比で１．５以上のものについて記載したが、長辺の長さが、一定以上であれば辺の中央部に形成する凝固シェルが収縮するため、側壁を中空部の内側に突出させておくことが望ましい。
【００３７】
なお、以上の説明は、縦型連続鋳造装置の使用される連続鋳造用鋳型について行ったが、横型連続鋳造装置について使用される連続鋳造用鋳型であっても、同様に適用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、連続鋳造用鋳型の中空部内で溶湯が凝固する際に、連続鋳造用鋳型の表面に形成した凝固シェルの収縮に伴う応力ベクトルの合成ベクトルが側壁を押圧する方向に向かう応力となるため、エア・ギャップの発生に伴う鋳塊表面の割れ、組織の粗大化や不均一化、これらによる粒界割れ等を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型を適用した連続鋳造装置を示す。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の横断面を示す。
【図３】連続鋳造用鋳型の横断面における鋳塊の引張応力成分を示す。
【図４】従来の連続鋳造用鋳型の横断面における鋳塊の引張応力成分を示す。
【図５】従来の別の連続鋳造用鋳型の横断面における鋳塊の引張応力成分を示す。
【図６】本発明の連続鋳造用鋳型の変形例の横断面を示す。
【図７】従来の連続鋳造用鋳型を適用した連続鋳造装置を示す。
【図８】従来の連続鋳造用鋳型の例を示す。
【図９】従来の連続鋳造装置の動作中における連続鋳造用鋳型の横断面を示す。
【図１０】従来の連続鋳造用鋳型の別の例を示す。
【図１１】従来の連続鋳造用鋳型のさらに別の例を示す。
【図１２】従来の連続鋳造用鋳型のさらに別の例を示す。
【符号の説明】
１Ａ　　連続鋳造用鋳型
１Ｂ　　連続鋳造用鋳型
１Ｃ　　連続鋳造用鋳型
１Ｄ　　連続鋳造用鋳型
２　　　二次冷却器
３　　　水槽
５　　　長辺
５ａ　　中央部
５ｂ　　コーナー部
６　　　短辺
７　　　エア・ギャップ
１０　　鋳塊
１０ａ　鋳塊表面
１１　　開口
１２　　中空部
１３　　鋳型内表面
１５　　溶湯
１６　　凝固シェル
２０ａ　要素
２１ａ　応力ベクトル
２１ｂ　応力ベクトル
２１ｃ　応力ベクトル
２２ａ　合成ベクトル
２２ｂ　合成ベクトル
【図１】
2004074172.tif 000003
【図２】
2004074172.tif 000004
【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】
2004074172.tif 000009
【図８】
2004074172.tif 000010
【図９】
2004074172.tif 000011
【図１０】
2004074172.tif 000012
【図１１】
2004074172.tif 000013
【図１２】
2004074172.tif 000014