(57)【要約】【課題】浸漬ノズルの閉塞を防止し、溶湯の鋳型内メニスカス部での凝固を抑制して、操業安定性を確保できるＭｇ合金溶湯の連続鋳造方法を提供する。【解決手段】金属製浸漬ノズル２の下方部に設けたブロック型加熱ヒータ１を用いて、鋳造開始前および鋳造中に、または鋳造中に、前記浸漬ノズルを加熱し、この浸漬ノズルを介して鋳型厚みが５〜５０ｍｍである小断面鋳型３内に溶湯を注入する。【選択図】図１
2004243407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製浸漬ノズルの下方部に設けたブロック型加熱ヒータを用いて、鋳造開始前および鋳造中に、または鋳造中に、前記浸漬ノズルを加熱し、この浸漬ノズルを介して鋳型厚みが５〜５０ｍｍである小断面鋳型内に溶湯を注入することを特徴とするＭｇ合金溶湯の連続鋳造方法。
【請求項２】
前記浸漬ノズルの表面温度を５００℃以上に加熱することを特徴とする請求項１に記載のＭｇ合金溶湯の連続鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、マグネシウム合金（以下、「Ｍｇ合金」と記す）溶湯の連続鋳造方法、詳しくは、Ｍｇ合金溶湯を浸漬ノズルを介して小断面の鋳型に給湯するに際し、前記浸漬ノズルの閉塞および溶湯の鋳型内メニスカス部での凝固（皮張り）を防止し得るＭｇ合金溶湯の連続鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｍｇ合金は、実用金属中最も軽く、また剛性が優れているため、航空機や自動車の部品、携帯電話等に利用されている。特に、携帯電話等の急激な普及により、Ｍｇ合金の市場ニーズは益々高まりつつあり、安価で高品質なＭｇ合金の提供が望まれている。
【０００３】
Ｍｇ合金は高温での反応性が高く、酸化し易く、水素を吸収し易いことから、溶解、連続鋳造時にＭｇ合金の溶湯が大気雰囲気にさらされると、酸化が促進して酸化物が生成したり、溶解したＭｇ合金中に酸素や水素が吸収され、Ｍｇ合金の酸素濃度や水素濃度が上昇する。このようにＭｇ合金中の酸素や水素の濃度が上昇すると、連続鋳造鋳片に気孔が生成したり、材料としての機械的性質が低下する。
【０００４】
Ｍｇ合金の製品化に際しては、従来、インゴット製造を経て製品化する方法、ダイカスト法により精密鋳造製品とする方法、または連続鋳造によって半製品を製造した後、熱間圧延などを経て最終製品まで成型し、さらにそれを機械加工により仕上げる方法、などの方法が採られてきた。しかしながら、これら従来の方法で製造された製品は、多数の工程を経て製造されるため、製造コストが高く、Ｍｇ合金製の製品を一般に普及させるに当たっての障害となっていた。
【０００５】
前述のとおり、製品製造までに多くの工程を要する製造方法は、製品の製造期間および製造コストの面で不利であることは従来から周知であり、この点についての抜本的な対策が望まれていた。
【０００６】
製造コスト削減のための方策の一つは、生産性の向上である。例えば、特許文献１には、セラミックス粉末をアルミニウム合金またはマグネシウム合金からなる母相合金に分散させた粒子分散母合金を、前記母相合金組成の溶湯に添加し、１０℃／秒以上の冷却速度で冷却凝固させるとともに、８０〜２００ｍｍ／分の引抜速度で引き抜いて連続鋳造する粒子分散合金の製造方法が開示されている。しかし、この方法は、鋳造速度が８０〜２００ｍｍ／分と遅く、生産性向上によるコストダウンを目指すためには限界があり、さらにマグネシウム合金の棒材等の製造に限定された方法である。
【０００７】
熱間圧延工程の省略も、インゴットまたは鋳片から製品を得る方法における製造コストの削減に極めて有効である。通常、Ｍｇ合金のインゴットや連続鋳造により得られた鋳片は、熱間圧延、および冷間圧延を順次施され、最終製品まで成型されるため、製造工程が多く、さらに、インゴットあるいは鋳片が製造されてから熱間圧延を行うまでに時間的な間隔が生じるため、インゴットや鋳片の温度は常温付近まで低下する。このため、インゴットや鋳片の温度を常温付近から熱間圧延を行うのに必要な温度にまで加熱しなければならず、この加熱のために多大なエネルギーを要し、製造コストが高くなる。
【０００８】
そのため、熱間圧延の省略（すなわち、製造コストの削減）が可能な、しかも高品質の鋳片を製造するべく、ニアネットシェープ化（薄厚化）が志向され、種々開発が試みられている。
【０００９】
単ロール法あるいは双ロール法等によれば、冷間圧延が可能な厚さの鋳片を直接製造することができ、熱間圧延工程の省略が可能である。しかし、このようにして製造した鋳片を冷間圧延しても、圧下比を大きくすることが不可能なため、得られる薄板ないしは製品の機械的特性（延性、引張強さ等）は、前記熱間圧延、冷間圧延を行って得られた薄板ないしは製品に比べて劣っており、さらに平坦度も低い。
【００１０】
そこで、Ｍｇ合金の溶湯を厚みが薄く、したがって断面積の小さい鋳型に注入して鋳造を行い、薄厚の鋳片を得るという、小断面の鋳型を用いる連続鋳造方法の開発が進められている。
【００１１】
一方、Ｍｇ合金の連続鋳造において、鋳型への給湯の方式は、前掲の特許文献１に記載されるような直接給湯およびオープン給湯が一般的である。しかし、Ｍｇ合金は、前述したとおり高温での反応性が高いため酸化されやすく、また、水素や酸素を多量に吸収して鋳造後の製品の機械的特性が劣化するので、高品質のＭｇ合金を得るためには、鋳造時におけるＭｇ合金溶湯と大気との接触を防止しなければならない。
【００１２】
鋼の連続鋳造で使用しているような連続鋳造用パウダー（フラックス）を湯面の被覆用として用いると、フラックスは溶融Ｍｇ合金よりも密度が大きいので溶湯中に沈降し、凝固シェルおよび鋳片内部に捕捉されて製品に欠陥を発生させる。また、この方法では、給湯時における大気との接触を防ぐことはできない。そのため、不活性ガス等により溶湯を酸化等から保護する方法が採られているが、酸化皮膜の生成および溶湯への巻き込みが避けられず、オープン給湯では高品質のＭｇ合金を得ることは難しい。
【００１３】
したがって、高品質の連続鋳造鋳片を得るためには、浸漬ノズルを用いて大気雰囲気と遮断しつつ給湯する「浸漬ノズル給湯」が採用される。
【００１４】
さらに、前述したように、熱間圧延を省略して製造コストを削減し、しかも製品の機械的特性（延性、引張強さ等）を良好に維持するためには、小断面鋳型を用いる連続鋳造方法の実施が好ましい。
【００１５】
しかし、Ｍｇ合金の連続鋳造において、小断面の鋳型を使用して浸漬ノズル給湯を実施しようとすると、浸漬ノズルの口径が小さいため、特に溶湯の注入初期に、ノズル内での溶湯の冷却、凝固に起因してノズルの閉塞が生じ易く、また、鋳型内に注入した溶湯がメニスカス部で凝固するという問題がある。
【００１６】
【特許文献１】
特開平５−３０２１３７号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述した従来の技術における問題点を解決すべくなされたものであって、その課題は、小断面の鋳型を使用して浸漬ノズル給湯を行うに際し、前記ノズルの閉塞を防止し、また溶湯の鋳型内メニスカス部での凝固を抑制して、操業安定性が高く、高品質の鋳片を得ることが可能なＭｇ合金溶湯の連続鋳造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決するために検討を重ねた結果、鋳型内に挿入された浸漬ノズルにブロックヒータを取り付け、鋳造開始前および鋳造中に浸漬ノズルを加熱することにより、小口径の浸漬ノズルを用いる場合であっても、ノズルの閉塞を防止し、小断面鋳型内のメニスカス部での溶湯の凝固を抑制し得ることを知見した。
【００１９】
本発明はこの知見に基づいてなされたもので、その要旨は、下記のＭｇ合金溶湯の連続鋳造方法にある。
【００２０】
『金属製浸漬ノズルの下方部に設けたブロック型加熱ヒータを用いて、鋳造開始前および鋳造中に、または鋳造中に、前記浸漬ノズルを加熱し、この浸漬ノズルを介して鋳型厚みが５〜５０ｍｍである小断面鋳型内に溶湯を注入するＭｇ合金溶湯の連続鋳造方法。』
前記浸漬ノズルの表面温度を５００℃以上に加熱することとすれば、ノズルの閉塞と、溶湯の鋳型内メニスカス部での凝固を確実に防止することができ、好ましい。
【００２１】
前記の「浸漬ノズルの下方部」とは、浸漬ノズルを鋳型内にセットしたときに、溶湯の上方１００ｍｍ程度の位置からノズルの下方先端までを意味する。
【００２２】
また、ここでいう「Ｍｇ合金」とは、Ｍｇに、例えばＡｌ（アルミニウム）やＺｎ（亜鉛）等の合金元素を添加して溶製したＭｇ合金、および純Ｍｇのような純金属を意味する。また、「小断面鋳型」とは、先に述べたように、断面積の小さい鋳型で、熱間圧延を省略し得る程度に厚みの薄い鋳片が得られる鋳型をいう。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のＭｇ合金溶湯の連続鋳造方法について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の連続鋳造方法を実施するための連続鋳造装置例の要部を示す図で、加熱ヒータを併設した浸漬ノズルとタンディッシュおよび鋳型を模式的に示す縦断面図である。
【００２５】
図１に示したように、この連続鋳造方法で使用する浸漬ノズル２の下方部、すなわち溶湯の上方１００ｍｍ程度の位置からノズルの下方先端までの部分には、ノズル２の全周にわたってノズル２を加熱するためのブロック型加熱ヒータ１が取り付けられ、配線９−１により電源８と接続されている。なお、ノズル２の上方部には、従来から、後に詳述するシースヒータ１６−２が取り付けられ、配線９−２により電源８と接続されている。また、前記連続鋳造鋳型３は、鋳型厚みが薄い、断面形状が扁平の小断面鋳型である。
【００２６】
前記浸漬ノズル２の下方先端は、鋳型３内のメニスカス部５よりわずか下方の溶湯１０中にあり、溶湯１０が鋳型３に接する部分には凝固シェル４が形成されている。一方、浸漬ノズル２の上方先端は、タンディッシュ７の底部に接続されており、浸漬ノズル２の上方部（タンディッシュ７の直下）には、溶湯の鋳型３内への注入速度（流量）をコントロールするための流量制御部６が取り付けられている。タンディッシュ７内の溶湯は流量制御部６を経由して浸漬ノズル２内を通過し、鋳型３内へ注入されるが、その際、前記流量制御部６で溶湯の流量が鋳造速度（すなわち、鋳片の引き抜き速度）とバランスするようにコントロールされるので、鋳型３内では、一定の液面高さが確保される。
【００２７】
前記のように構成された小断面の鋳型を備える連続鋳造装置を用いて浸漬ノズル給湯を行うには、浸漬ノズル２に取り付けられたブロック型加熱ヒータ１により鋳造開始前（すなわち、タンディッシュ７から鋳型３内へのＭｇ合金の溶湯の注入を開始する前）および鋳造中に浸漬ノズル２を加熱する。この加熱は、操業の状況等によっては鋳造中にのみ行ってもよい。なお、シースヒータ１６−２による加熱は、鋳造開始前から鋳造中にわたって常時行われる。
【００２８】
このような方法を採ることにより、小断面の鋳型を使用し、小口径の浸漬ノズルを用いて浸漬ノズル給湯を実施する場合であっても、ノズル内でのＭｇ合金溶湯の凝固に起因するノズルの閉塞を防止することができ、さらに、小断面鋳型内の溶湯のメニスカス部での凝固を抑制することができる。
【００２９】
前記のブロック型加熱ヒータ１としては、ステンレス鋼製または鋼製のブロック（外筒）にヒータを内装したブロックヒータが好適である。
【００３０】
図２は、ブロック型加熱ヒータの一例で、ブロックヒータと称されるヒータの構成を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図示するように、外筒（ブロック）１１内に、上端に電源接続用の端子１３を備えるヒータ１２が内装されている。このようなブロックヒータを浸漬ノズルの全周にわたって複数個配置してもよいし、ブロックをノズルの断面形状に合わせた形状に構成し、それに複数個のヒータを内装したものを取り付けてもよい。また、複数個のヒータを内装したブロックを数個組み合わせて浸漬ノズルの周りに配置してもよい。
【００３１】
このブロック型加熱ヒータは、高温の物体（例えば、Ｍｇ合金溶湯）に直接接触しても、ヒータ本体は外筒（ブロック）で保護されているため、長時間の使用が可能である。
【００３２】
ブロック型加熱ヒータの取り付け位置は、浸漬ノズルの下方部である。しかし、この下方部に限定されず、下方部を含めてそれよりも上方に延長して取り付けてもよい。浸漬ノズルの全長にわたって取り付けてももちろんよい。
【００３３】
ブロック型加熱ヒータを浸漬ノズルの下方部に取り付けるのは、溶湯がこの部分およびメニスカス部で凝固し易いからである。すなわち、溶湯は、ノズル内の上方部分を通過する際は、前記のようにシースヒータにより加熱されていることもあって、比較的高温状態にあるが、下方に行くにつれて冷却が進み、特に溶湯の注入初期にはノズル内で凝固しがちである。しかし、ノズルの下方部にブロック型加熱ヒータが取り付けられていると、溶湯は凝固せず、ノズルの閉塞を防止することができるからである。また、鋳型内の溶湯表面を加熱できるので、メニスカス部での凝固も抑制することができる。
【００３４】
図３は、従来、浸漬ノズルの加熱に用いられているシースヒータの一例の構成を示す図である。
【００３５】
シースヒータは、発熱部が外面被覆材（例えば、シースＮＣＦ６００）に覆われたヒータケーブル１４と、その両端に設けられた電源接続用の端子部１５からなるヒータで、柔軟性を有しており、一般的には加熱しようとする物体に巻き付けたりして使用する。簡便である反面、直接高温の物体（例えば、Ｍｇ合金溶湯）に接触すると、その部分の温度が上昇し、容易に破断するという欠点がある。
【００３６】
浸漬ノズルの加熱は、従来、このようなシースヒータの巻き付けにより行われているが、ヒータの加熱能力に限界があり、また、Ｍｇ合金溶湯に接触してシースが溶損した場合は、ヒータバーストが発生する。また、シースの溶損を避けるため溶湯近傍での加熱ができず、メニスカス部での凝固抑制に対しては効果がない。なお、前記図１に示したように、ブロック型加熱ヒータを浸漬ノズルの下方部に取り付け、浸漬ノズルの上方部にこのようなシースヒータを用いることはできる。
【００３７】
前記の浸漬ノズルの材質、形状等については、特に限定はなく、従来使用されているものでよい。浸漬ノズルは、その下方部を小断面鋳型へ挿入して使用するものであるため、肉厚が薄いものでなければならず、金属製の浸漬ノズルが用いられる。また、高温のＭｇ合金溶湯に対する耐食性が要求されることから、通常は、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼が好適である。
【００３８】
浸漬ノズルの形状（断面形状）は、通常は円形である。しかし、特に厚みが薄い小断面鋳型を使用する場合等においては、ノズルの口径を大きくすることができず、所定の鋳造速度を維持することができない。このような場合、ノズル断面積を確保して溶湯の注入速度を高めるために、断面形状を扁平化したノズルを使用してもよい。
【００３９】
この浸漬ノズルを前記の加熱ヒータを用いて加熱するのであるが、加熱温度についても特に限定はない。溶湯の浸漬ノズル内を通過する間における冷却を抑え、ノズル内での凝固を防止できる程度の温度であればよい。
【００４０】
なお、浸漬ノズルの表面温度（外表面の温度）が５００℃以上になるように加熱することとすれば、ノズルの肉厚が薄くしかも金属製なので内外面での温度差はほとんどなく、ノズルの閉塞と、溶湯の鋳型内メニスカス部での凝固を確実に防止することができ、好ましい。ＡＺ３１（ＡＳＴＭ規格）のＭｇ合金（Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系）を例にとると、融点は６３２℃であるが、注湯温度が７５０℃程度であり、ノズルの表面温度が５００℃以上であれば、溶湯がノズルを通過するわずかの時間内に溶湯が凝固する温度まで冷却することはないからである。
【００４１】
前記浸漬ノズルの加熱の時期（タイミング）は、鋳造開始前および鋳造中、または鋳造中である。鋳造中に、すなわち浸漬ノズル給湯を行っている間、加熱するのは、溶湯のノズル内での冷却、凝固を防止するために当然であるが、鋳造開始前にも加熱するのは、使用前（溶湯通過前）の浸漬ノズルは温度が低く、特に溶湯の注入初期にはノズル内での溶湯の冷却が著しく、凝固しやすいからである。
【００４２】
浸漬ノズルが既に使用された後であって、比較的高温を保っている場合等においては、溶湯が、浸漬ノズル内で凝固して付着することなく順調に排出されているので、鋳造開始前の加熱は行わず、鋳造中にのみ加熱する方法を採ってもよい。
【００４３】
本発明の連続鋳造方法で使用する鋳型は、先にも述べたように、鋳型厚みが薄い、断面形状が扁平の小断面鋳型である。このような鋳型を使用するのは、熱間圧延を省略できる薄厚の鋳片を得るためで、工程数を減らすとともに、熱間圧延に備えて行うインゴットや鋳片の再加熱に要するエネルギーを不要とし、製品の製造期間の短縮、およびコストの削減が可能となるからである。
【００４４】
この場合の鋳型の厚みは、５〜５０ｍｍとする。鋳型厚みが５ｍｍに満たない場合は、鋳型内への浸漬ノズルによる給湯が難しく、たとえ鋳込んでも鋳型幅方向において不均一な凝固となり易く、鋳片の破断が生じたり、引き抜きが困難になる。また、鋳型厚みが５０ｍｍを超えると、得られる鋳片が厚すぎて、熱間圧延が必要となり、製造コストの削減が困難になるからである。
【００４５】
以上述べた本発明の連続鋳造方法によれば、浸漬ノズルの閉塞を防止するとともに、溶湯の鋳型内メニスカス部での凝固を抑制することができ、安定した操業を行うことが可能である。また、浸漬ノズル給湯を行うので、給湯時における大気との接触を完全に回避することができ、高品質の鋳片を得ることができる。さらに、小断面鋳型を使用するので製造コストの削減も可能である。
【００４６】
【実施例】
最初に、前記図１に示した、浸漬ノズル２の上方部（上段）にシースヒータ１６−２を有し、下方部にブロックヒータ１を併設した浸漬ノズル（本発明の連続鋳造方法で使用する浸漬ノズル）と、図４に示すように、浸漬ノズルの上段にシースヒータ１６−２を有し、下方部に同じく従来のシースヒータ１６−１を併設した浸漬ノズル、および、下方部にはヒータを設けず、上段にのみシースヒータ１６−２を有する浸漬ノズル（図示せず）について、それぞれ鋳型内にセットした状態で、給湯を行わずに浸漬ノズルを加熱し、ブロックヒータの効果について調査した。
【００４７】
なお、浸漬ノズルの温度測定は、浸漬ノズル表面に熱電対を貼り付け、所定の位置で測温することにより行った。具体的には、ブロックヒータを併設した浸漬ノズルでは、ブロックヒータの下端から上方へ１０ｍｍの位置、シースヒータ１６−１を併設した浸漬ノズルでは、シースヒータ１６−１の下端から上方へ１０ｍｍの位置、上段にのみシースヒータ１６−２を有する浸漬ノズルでは、上段のシースヒータ１６−２の下端から上方へ１０ｍｍの位置で、それぞれ測温した。
【００４８】
その結果を図５に示す。同図において、横軸は通電開始後の時間（加熱時間）で、いずれも加熱時間４０分過ぎに通電を停止した。なお、加熱時間１０分前後におけるノズル表面温度の低下ないしは停滞は、電源の不定常な作動によるものである。また、ブロックヒータを併設した浸漬ノズルを「本発明例」、シースヒータ１６−１を併設した浸漬ノズルを「比較例１」、上段にのみシースヒータ１６−２を有する浸漬ノズルを「比較例２」と表示した。
【００４９】
図５の結果から明らかなように、ブロックヒータを併設した浸漬ノズル（本発明例）では、ノズルの表面温度を約８５０℃の高温まで加熱することが可能で、シースヒータを併設した場合（比較例１）に比べてブロックヒータの使用の効果が顕著であった。なお、上段ヒータのみの浸漬ノズル（比較例２）に比べてシースヒータを併設した比較例１の方がノズルの表面温度が高いのは、比較例１では上下２段のシースヒータで加熱していることによるものである。
【００５０】
続いて、実際に本発明の方法によりＭｇ合金の連続鋳造を行い、操業の安定性（具体的には、浸漬ノズル閉塞の発生状況）を調査した。用いた装置は、前記図１に示したブロックヒータを併設した浸漬ノズルを具備する連続鋳造装置である。また、比較のために、図４に示した従来のシースヒータを併設した浸漬ノズルを具備する連続鋳造装置を用いた場合（比較例１）についても、同様の調査を行った。
【００５１】
実験条件は下記のａ〜ｊとした。ただし、比較例１についてはｈを除いた条件である。
【００５２】
2004243407.tif 000003
本発明の連続鋳造方法における操業の安定性（浸漬ノズル閉塞の発生状況）の評価は、下記▲１▼式および▲２▼式に基づいてそれぞれ算出した浸漬ノズル閉塞発生率および加熱ヒータトラブル発生率をシースヒータを併設した浸漬ノズルを用いた場合と比較することにより行った。
【００５３】
【数１】
2004243407.tif 000004
調査結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
2004243407.tif 000005
【００５５】
この結果から明らかなように、浸漬ノズルにブロックヒータを取り付けた本発明例では、浸漬ノズル閉塞トラブルの発生率は１０％、そのうちのヒータに関係するトラブルはわずか２％で、シースヒータを使用した場合（それぞれ５０％、２０％）に比較して大幅に改善された。
【００５６】
【発明の効果】
本発明のＭｇ合金溶湯の連続鋳造方法によれば、小断面鋳型を使用して浸漬ノズル給湯を行うに際し、前記ノズルの閉塞を防止し、溶湯の鋳型内メニスカス部での凝固を抑制して、操業の安定性を確保することができる。さらに、高品質の鋳片を得ることができ、製造コストの削減も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の連続鋳造方法を実施するための連続鋳造装置例の要部を示す図である。
【図２】ブロックヒータの一例の構成を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である
【図３】シースヒータの一例の構成を示す図である。
【図４】従来のシースヒータを併設した浸漬ノズルを具備する連続鋳造装置例の要部を示す図である。
【図５】本発明の連続鋳造方法を実施する際に行う浸漬ノズルの加熱に対するブロックヒータの効果を示す図である。
【符号の説明】
１：ブロック型加熱ヒータ
２：浸漬ノズル
３：小断面鋳型
４：凝固シェル
５：メニスカス部
６：流量制御部
７：タンディッシュ
８：電源
９−１、９−２：配線
１０：溶湯
１１：外筒（ブロック）
１２：ヒータ
１３：端子
１４：ヒータケーブル
１５：端子部
１６−１、１６−２：シースヒータ
【図１】
2004243407.tif 000006
【図２】
2004243407.tif 000007
【図３】
2004243407.tif 000008
【図４】
2004243407.tif 000009
【図５】
2004243407.tif 000010