(57)【要約】【課題】熱間時における鋳型本体の冷却面の形状を所定の形状にすることで、良好な品質を備えた鋳片を製造可能な連続鋳造用鋳型を提供する。【解決手段】囲まれた鋳型空間１１に投入された溶鋼１２を冷却して凝固させ鋳片を製造する連続鋳造用鋳型１０において、メニスカス部１３より下位置にあって、溶鋼１２上部が接する鋳型本体１４の内側部分に、製作時に、鋳型本体１４の膨張代に実質的に一致する拡幅部１５が設けられているので、製造する鋳片の表面状態を良好とし、製品品質を向上できると共に、鋳片のブレークアウト等の発生の可能性を低減でき、しかも高速鋳造にも対応可能な連続鋳造用鋳型１０を提供できる。【選択図】　　　　図１
2004034094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
囲まれた鋳型空間に投入された溶鋼を冷却して凝固させ鋳片を製造する連続鋳造用鋳型において、
メニスカス部より下位置にあって、溶鋼上部が接する鋳型本体の内側部分に、製作時に、前記鋳型本体の膨張代に実質的に一致する拡幅部が設けられていることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
【請求項２】
請求項１記載の連続鋳造用鋳型において、製作時に、前記拡幅部の上側に、更に前記拡幅部の内幅と同一又はより広い拡大拡幅部を設けたことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
【請求項３】
請求項１記載の連続鋳造用鋳型において、製作時に、前記メニスカス部の上側に、更に前記拡幅部の内幅と同一又はより広い拡大拡幅部を設けたことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の連続鋳造用鋳型において、前記膨張代は予測計算値を用いて求めたことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造中の鋳型の熱変形を考慮した連続鋳造用鋳型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、連続鋳造設備で使用される連続鋳造用鋳型（以下、単に鋳型とも言う）７０は、図５に示すように、一対の幅狭冷却部材である短辺部材７１、７２と、この短辺部材７１、７２を挟み込むように配置される一対の幅広冷却部材である長辺部材７３、７４とを備え、この向い合う長辺部材７３、７４の両端部にそれぞれボルト７５を取付け、バネ（図示しない）を介してナット７６で固定した構成となっている。
この短辺部材７１、７２は鏡面対称で同じ構成となっており、裏面側の上下方向に多数の導水溝が設けられた短辺銅板７７と、短辺銅板７７の裏面側にボルトによって固定されたバックプレート７８（冷却箱とも言う）とを有している。そして、バックプレート７８の上端部及び下端部にそれぞれ設けられた排水部及び給水部を介して導水溝に冷却水の一例である工業用水を流すことで、短辺銅板７７の冷却を行っている。一方、長辺部材７３、７４も略同じ構成となっているが、長辺部材７３、７４の長辺銅板７９の幅は、短辺部材７１、７２の短辺銅板７７の幅より長く、この長辺銅板７９の裏面側にそれぞれ固定されたバックプレート８０の幅が、長辺銅板７９の幅より長くなっている。
なお、この短辺部材７１、７２の短辺銅板７７と、長辺部材７３、７４の長辺銅板７９とで鋳型本体８１が構成されている。また、この鋳型本体８１の内側（冷却面側）の形状は、製造する鋳片の体積収縮に対応した形状となっており、長辺銅板７９の内側対向面８２の距離は、図６の二点鎖線に示すように、鋳型本体８１の上端から下端にかけて狭くなっている。
【０００３】
連続鋳造作業時においては、上記した鋳型７０の上方（短辺部材７１、７２、長辺部材７３、７４の上側）から溶鋼を注ぎ、この鋳型７０により製品となる鋳片の初期凝固を行い、凝固した鋳片を鋳型７０下方より一定速度で連続して引抜いて製造している。このとき、鋳型７０を鋳片に対して、上下方向へ例えば１０ｍｍの範囲で１５０回／ｍｉｎ程度振動（モールドオシレーションとも言う）させているので、鋳型７０は鋳片に対して相対運動をし、鋳型７０が鋳片より下がったり上がったりしている。これにより、鋳型７０が鋳片に対して下がった場合は、短辺銅板７７の内側対向面８３及び長辺銅板７９の内側対向面８２で構成される冷却面（鋳片との接触面）と鋳片の凝固殻（凝固シェル）との間に隙間が発生し、また上がった場合は、鋳型７０が鋳片に対して押し付けられる。
なお、鋳型７０に注がれる溶鋼温度及び鋳型７０出口の鋳片の表面温度は操業条件により異なるが、通常、溶鋼温度は約１５００℃程度であり、鋳型７０出口の鋳片の表面温度は８００〜１２００℃である。ここでの鋳片の内部は未凝固状態、即ち液体状態となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した連続鋳造用鋳型７０には、以下の問題がある。
鋳型本体８１の冷却面は、例えば２００〜３００℃程度に冷却されているが、図７に示すように、鋳型本体８１の上端部から下端部にかけて温度分布が生じ、特に鋳型本体８１の上部の温度が他の部分の温度より高くなっている。このため、図６の実線に示すように、鋳型本体８１が溶鋼及び鋳片の熱によって熱膨張（熱変形）し、特に鋳型本体８１の内側上部が中央部及び下部の冷却面上より、鋳型本体８１の内側へ大きく突出し変形することとなる。
このように、鋳型本体８１の内側上部に突出部が発生することで、鋳型本体８１の冷却面と鋳片の表面とが略平行にならない。このため、前記したように、鋳片に対して鋳型７０を相対運動させた場合、突出部が鋳片の表層部に形成される凝固殻を押し付け変形させるので、製造する鋳片の品質を悪化させる問題がある。また、突出部が凝固殻を押し付けた場合、凝固殻が破れ、再度鋳型７０の冷却によって修復される場合もあるが、このとき鋳片の表面にラップ傷等が発生し、製品品質を悪くする問題もある。そして、これに起因した鋳片のブレークアウト等を招来する可能性もある。
更に、近年、連続鋳造作業の能率を向上させるため、鋳造速度が上昇しているが、特に、多くの連続鋳造設備で採用されている鋳片厚みの１／３〜１／２程度の鋳片厚みの鋳型を備えた連続鋳造機が出現するに至って、従来と比較して２倍、３倍の鋳造速度が採用される場合も見られるようになった。このように鋳造速度が速くなると、鋳型本体に抽出される熱量が比例的に増大するので、鋳型本体での熱変形がより顕著に現れてきた。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、熱間時における鋳型本体の冷却面の形状を所定の形状にすることで、良好な品質を備えた鋳片を製造可能な連続鋳造用鋳型を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る連続鋳造用鋳型は、囲まれた鋳型空間に投入された溶鋼を冷却して凝固させ鋳片を製造する連続鋳造用鋳型において、メニスカス部より下位置にあって、溶鋼上部が接する鋳型本体の内側部分に、製作時に、鋳型本体の膨張代に実質的に一致する拡幅部が設けられている。このように、制作時において鋳型本体の内側部分に拡幅部を設けるので、熱間時に鋳型本体が熱によって膨張した場合でも、鋳型本体の内側部分の冷却面を所定の形状、例えば実質的に平面状態（１段テーパ）にできる。
ここで、本発明に係る連続鋳造用鋳型において、製作時に、拡幅部の上側に、更に拡幅部の内幅と同一又はより広い拡大拡幅部を設けることが好ましい。このように、拡幅部の上側に、更に拡幅部の内幅と同一又はより広い拡大拡幅部を設けるので、鋳型本体の冷却面の全てを、鋳型本体の熱変形を考慮した形状に加工する必要がなくなる。
【０００６】
本発明に係る連続鋳造用鋳型において、製作時に、メニスカス部の上側に、更に拡幅部の内幅と同一又はより広い拡大拡幅部を設けることが好ましい。このように、メニスカス部の上側に、更に拡幅部の内幅と同一又はより広い拡大拡幅部を設けるので、例えば溶鋼と接触しない部分の冷却面の形状を単純にできる。
本発明に係る連続鋳造用鋳型において、膨張代は予測計算値を用いて求めることが好ましい。このようにして、熱間時における鋳型本体の膨張代を求めるので、拡幅部の形状を容易に把握できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の説明図、図２は同連続鋳造用鋳型の拡幅部の形状を求めるための予測計算値を示すグラフ、図３は同予測計算値を加工した説明図、図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ変形例に係る鋳型本体の説明図である。
【０００８】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る連続鋳造用鋳型１０は、数値解析を行うための形状を示したものであり、囲まれた鋳型空間１１に投入された溶鋼１２を冷却して凝固させ鋳片（図示しない）を製造するものである。この連続鋳造用鋳型１０は、メニスカス部１３より下位置にあって、溶鋼１２上部が接する鋳型本体１４の内側部分に、製作時に鋳型本体１４の膨張代に実質的に一致する拡幅部１５が設けられている。なお、拡幅部１５とは、鋳型本体１４によって形成される鋳型空間１１の拡幅部分を意味するもので、鋳型本体１４に対しては、制作時において、鋳型本体１４の冷却面から例えば、０．１〜０．５ｍｍ程度の深さを有する窪み形状となったものである。以下、詳しく説明する。
【０００９】
連続鋳造用鋳型１０は、前記したように、一対の幅狭冷却部材である短辺部材と、一対の幅広冷却部材である長辺部材とを組合せることで製造されるものである（図５参照）。また、連続鋳造用鋳型１０の長辺部材は、熱伝導性が良好な金属の一例である銅からなり、裏面側に通水部が設けられた長辺銅板１６と、長辺銅板１６の裏面側に取付け手段の一例であるボルトによって固定された支持部材の一例であるバックプレート（冷却箱、水箱とも言う）とを有し、バックプレートに設けられた給水部及び排水部を介して通水部に冷却水の一例である工業用水を流すことで長辺銅板１６の冷却を行うものである。なお、連続鋳造用鋳型１０の短辺部材も、上記した長辺部材と略同様の構成であり、長辺部材の長辺銅板１６と短辺部材の短辺銅板とで鋳型本体１４が構成されている。これにより、平面視した鋳型本体１４の中央部に鋳型空間１１が形成されることとなる。
【００１０】
鋳型本体１４を構成する長辺銅板１６及び短辺銅板の上端から下端までの垂直長さＬは、例えば７００〜１０００ｍｍ程度であり、その厚みが例えば１０〜５０ｍｍ程度である。また、長辺銅板１６の幅（短辺銅板の幅も同様）は、上端部から下端部へかけて短くなっているため、一対の長辺部材の長辺銅板１６の内側対向面１７、及び一対の短辺部材の短辺銅板の内側対向面とで構成される内周長は、鋳型本体１４の上端部より下端部の方が短くなっている。これは、例えば、凝固収縮、固体収縮等の鋳片の体積収縮を考慮して決定されるもので、その数値は、過去の実績データや、鋳片の線膨張量及び温度を基に決定することが好ましい。
【００１１】
鋳型本体１４の長辺銅板１６の上部には、長辺銅板１６の幅方向に渡って溝状となった拡幅部１５が設けられている。この拡幅部１５は、長辺銅板１６の上部（上部領域）の下側から中央部へかけて徐々に拡幅し、また中央部から上側へかけて、徐々に縮幅するものである。なお、短辺銅板についても同様である。
ここで、鋳型本体１４の内側に設けた拡幅部１５の形状の求め方について、長辺銅板１６を用いて説明する。
まず、制作時における鋳型本体の長辺銅板の内側を平面（１段テーパとも言う）状と仮定した（基準テーパ）場合、熱間時（溶鋼１２投入中）においては、長辺銅板の内側の形状が、例えば図６の二点鎖線の状態から実線の状態まで熱変形する（膨張代を示す）。なお、このときの長辺銅板の内側形状の予測計算値は、例えば、鋳片の引き抜き速度、鋳型本体（長辺銅板）の厚み、冷却速度等を用い、従来公知の有限要素法（ＦＥＭ）によって求めることができる。この予測計算した結果を図２に示す。なお、長辺銅板上端からの距離が１００ｍｍの位置が、溶鋼の湯面（液面）の位置に相当する。
この基準テーパは、長辺銅板上端からの距離と、高さ方向の各位置の変位量とが比例関係を示すことから分かるように、長辺銅板の上端から下端へかけ、鋳片の体積収縮を考慮して連続的に傾斜している。しかし、熱間時における長辺銅板の形状（銅板表面プロフィール）は、溶鋼の湯面近傍の変位量が大幅に増加していることから、湯面近傍で大幅な熱変形が起こることが予測できる。
【００１２】
また、図２のデータを基に、長辺銅板の高さ方向の各部分における傾きを求めた結果を図３に示す。なお、傾きは、長辺銅板を高さ方向に１０ｍｍ毎に区分した場合の各区間部分での長辺銅板間距離に対する変化の割合を１ｍ当りの値に換算したもので、以下の式によって示される。
傾き［％／ｍ］＝（Ｗ１−Ｗ２）／Ｗ３×１００×（１０００／１０）
ここで、Ｗ１は各部分の上端の位置で対向する長辺銅板間の距離、Ｗ２は各部分の下端の位置で対向する長辺銅板間の距離、Ｗ３は長辺銅板の下端の位置で対向する長辺銅板間の距離をそれぞれ意味する（図６参照）。
【００１３】
基準テーパは、長辺銅板の上端から下端へかけ、鋳片の体積収縮を考慮して連続的に傾斜しているので、図３に示すように、長辺銅板の上端から下端へかけての各部分の傾きは略一定値（０．４％／ｍ程度）となっている。しかし、熱間時における長辺銅板（銅板表面プロフィール）は、溶鋼の湯面（液面）近傍の傾きが大きく増減していることから、湯面近傍で大幅な熱変形が起こることが予測できる。なお、長辺銅板上端からの距離が４５０ｍｍの位置では、傾きが基準テーパと略近い数値となっている。従って、長辺銅板上端からの距離が４５０ｍｍ以上の位置では、長辺銅板の熱変形をほとんど考慮することなく、鋳片の体積収縮の影響を主として考慮することが好ましい。
【００１４】
前記したことから、溶鋼１２の熱影響を最も受け易い鋳型本体１４の内側上部に拡幅部１５を設け、中央部及び下部の形状を従来の形状とすることで、鋳型の熱変形を考慮した連続鋳造用鋳型１０を製造できる。
従って、拡幅部１５の形状は、長辺銅板上端からの各距離において、銅板表面プロフィールの数値から基準テーパの数値の差分に相当する深さ分だけ、基準テーパの面より鋳型本体１４側へ例えば削り込むことで、長辺銅板１６の内側に拡幅部１５を設けることができる。即ち、図２において、銅板表面プロフィールの線を、基準テーパの実線を中心として線対称とした線が、求める拡幅部１５の形状となる（図１の実線）。
このデータに基づき、長辺銅板をＮＣ工作機械を用いて加工することで、拡幅部１５を設けた長辺銅板１６を製造する。なお、この加工は、長辺銅板１６に対して連続的、又は所定間隔（例えば、１〜１０ｍｍ程度）毎に断続的に行うことも可能である。
【００１５】
これにより、連続鋳造作業の熱間時においては、連続鋳造用鋳型１０が溶鋼１２の熱で膨張することで、長辺銅板１６の形状が、図１の実線から二点鎖線へと熱変形する。従って、熱間時においては、溶鋼１２の熱影響による膨張代分だけ長辺銅板１６の拡幅部１５が膨張するので、鋳型本体１４の内側の形状が、実質的に目的とする所定形状（１段テーパ）となる。これにより、鋳型本体１４の冷却面と鋳片の表面とを略平行にできる。
なお、長辺銅板１６上端からの各距離において、銅板表面プロフィールの数値から基準テーパの数値の差分に相当する深さの拡幅部１５を設ける場合、拡幅部１５を設ける部分の長辺銅板１６の厚みが変化する。これにより、鋳型本体１４の膨張代も変化する。従って、この厚みを考慮して前記した有限要素法を用いて予測計算し、長辺銅板１６の内側形状を決定することで、より熱変形に対応した拡幅部１５を長辺銅板１６に設けることができる。
【００１６】
次に、連続鋳造用鋳型１０の変形例について、鋳型本体の長辺銅板を用いて説明するが、短辺銅板も同様であり、また鋳型本体の大きさや素材等は、前記した連続鋳造用鋳型１０と同じであるため、詳しい説明を省略する。
図４（Ａ）に示すように、鋳型本体２０は、製作時に、長辺銅板２１の上部に設けた拡幅部２２の上側に、更に拡幅部２２の内幅と同一の拡大拡幅部２３を設けたものである。従って、長辺銅板２１に設けた拡幅部２２の内幅が最も広い位置Ｘから、長辺銅板２１の上端２４へかけては、同じ内幅となっている。なお、拡幅部２２は、拡幅部１５の上側の形状が異なること以外、拡幅部１５と実質的に同一のものである。
【００１７】
また、位置Ｘから長辺銅板２１の下端２５へかけての長辺銅板２１の形状は、連続鋳造用鋳型１０と同じ形状である。これにより、長辺銅板２１の中で最も熱の影響を受け易い湯面近傍の部分を鋳片側へ突出することを確実に防止できると共に、長辺銅板２１の冷却面の全てを、長辺銅板２１の熱変形を考慮した形状に加工する必要がなくなる。
なお、拡幅部２２の上側には、長辺銅板２１の上端２４へかけて、拡幅部２２の内幅より徐々に広くなる拡大拡幅部２６を設けることも可能である（図４（Ａ）中の二点鎖線）。これにより、長辺銅板２１に対する拡幅部２２の加工が容易となり、作業性が更に良好となる。
【００１８】
図４（Ｂ）に示すように、鋳型本体３０は、製作時に、長辺銅板３１のメニスカス部３２の上側に、更に拡幅部３３の湯面位置Ｙの内幅と同一の拡大拡幅部３４を設けたものである。従って、長辺銅板３１の湯面位置Ｙから、長辺銅板３１の上端３５へかけては、同じ内幅となっている。なお、拡幅部３３は、拡幅部１５の上側の形状が異なること以外、拡幅部１５と実質的に同一のものである。
また、湯面位置Ｙから長辺銅板３１の下端３６へかけての長辺銅板３１の形状は、連続鋳造用鋳型１０と同じ形状である。これにより、溶鋼と接触しない部分の冷却面の形状を単純にできるので、長辺銅板３１の加工を容易にできる。
なお、メニスカス部３２の上側には、長辺銅板３１の上端３５へかけて、湯面位置Ｙの内幅より徐々に広くなる拡大拡幅部３７を設けることも可能である（図４（Ｂ）中の二点鎖線）。
【００１９】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記した実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の連続鋳造用鋳型を構成する場合にも本発明は適用される。
また、前記実施の形態においては、平断面視して矩形の開口部を備えた鋳型本体を有する連続鋳造用鋳型を使用した場合について説明したが、平断面視した開口部の形状を、製造する鋳片の断面形状に対応させて、例えば多角形（例えば、凸形、凹形、６角形、８角形等）、円形、楕円形等とすることも勿論可能である。
【００２０】
そして、前記実施の形態においては、連続鋳造用鋳型として一対の長辺部材と一対の短辺部材とを組合せた組立鋳型を用いた場合について説明した。しかし、例えば、銅製のチューブを、導水溝を備えたハウジングに収納するチューブラ鋳型や、鋳造又は鍛造した銅ブロックに導水溝を穿孔したブロック鋳型等についても、本発明は適用される。なお、このように連続鋳造用鋳型として使用する鋳型の種類を変化させることで、例えば、スラブ（例えば、幅が１０００〜２５００ｍｍ程度、厚みが２００〜３００ｍｍ程度）、ブルーム（例えば、幅及び厚みが２００〜４００ｍｍ程度）、ビレット（例えば、幅及び厚みが１００〜２００ｍｍ程度）、ビームブランク（Ｈ型鋼用に使用）等の鋳片をそれぞれ製造することが可能となる。
更に、前記実施の形態においては、鋳型本体の内側の冷却面の形状を１段テーパとした場合について説明したが、他の形状でもよく、例えば従来公知の２段テーパ、マルチテーパ等とすることも可能である。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１〜４記載の連続鋳造用鋳型においては、制作時において鋳型本体の内側部分に拡幅部を設けるので、熱間時に鋳型本体が熱によって膨張した場合でも、鋳型本体の内側部分の冷却面を所定の形状、例えば実質的に平面状態にできる。これにより、溶鋼の熱によって冷却面の一部に生じる溶鋼側への突出部の発生を防止できるので、従来のような突出部と鋳片の凝固殻との接触を防止できる。従って、製造する鋳片の表面状態を良好とし、製品品質を向上できると共に、鋳片のブレークアウト等の発生の可能性を低減できる。また、鋳造速度が上昇した場合においても、鋳型本体が熱変形した場合の形状を予め求めることで、鋳型本体の膨張代に応じて拡幅部を設けることができるので、高速鋳造にも対応可能な連続鋳造用鋳型を提供できる。
特に、請求項２記載の連続鋳造用鋳型においては、拡幅部の上側に、更に拡幅部の内幅と同一又はより広い拡大拡幅部を設けるので、鋳型本体の冷却面の全てを、鋳型本体の熱変形を考慮した形状に加工する必要がなくなり、鋳型本体の製作時における作業性が良好となる。
【００２２】
請求項３記載の連続鋳造用鋳型においては、メニスカス部の上側に、更に拡幅部の内幅と同一又はより広い拡大拡幅部を設けるので、例えば溶鋼と接触しない部分の冷却面の形状を単純にでき、鋳型本体の加工を容易にできる。
請求項４記載の連続鋳造用鋳型においては、膨張代を予測計算値を用いて求めるので、拡幅部の形状を容易に把握できる。従って、連続鋳造用鋳型の制作時においては、鋳型本体の熱変形を考慮した鋳型本体の拡幅部の加工を容易にできるので、作業性が良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の説明図である。
【図２】同連続鋳造用鋳型の拡幅部の形状を求めるための予測計算値を示すグラフである。
【図３】同予測計算値を加工した説明図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ変形例に係る鋳型本体の説明図である。
【図５】従来例に係る連続鋳造用鋳型の平面図である。
【図６】同連続鋳造用鋳型の鋳型本体の制作時及び熱間時の形状の説明図である。
【図７】同連続鋳造用鋳型の鋳型本体を構成する長辺銅板の温度分布の説明図である。
【符号の説明】
１０：連続鋳造用鋳型、１１：鋳型空間、１２：溶鋼、１３：メニスカス部、１４：鋳型本体、１５：拡幅部、１６：長辺銅板、１７：内側対向面、２０：鋳型本体、２１：長辺銅板、２２：拡幅部、２３：拡大拡幅部、２４：上端、２５：下端、２６：拡大拡幅部、３０：鋳型本体、３１：長辺銅板、３２：メニスカス部、３３：拡幅部、３４：拡大拡幅部、３５：上端、３６：下端、３７：拡大拡幅部
【図１】
2004034094.tif 000003
【図２】
2004034094.tif 000004
【図３】
2004034094.tif 000005
【図４】
2004034094.tif 000006
【図５】
2004034094.tif 000007
【図６】
2004034094.tif 000008
【図７】
2004034094.tif 000009