(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下に開口する鋳型(12)に高合金鋼および工具鋼を含む特殊鋼の溶鋼を鋳込むと共に、表面にシェルが形成された所要断面形状の鋳片(22)を鋳型(12)の下部から垂直に引抜いて所定長さ寸法の鋳片(22)を鋳造するに際し、その鋳込み完了後において、昇降台(50)が上昇し、表面に外殻が形成された鋳片(22)の上端部を、鋳型(12)の上端から所定長さだけ押し上げた後、所定温度に予熱しておいた蓋部材(24)が下降して前記鋳型(12)の上部を覆うと共に内部画成された加熱室(24a)を不活性ガスの雰囲気とした状態で、鋳型(12)内の溶鋼を、湯面の温度を固相線温度以上に保持し得る加熱条件でプラズマまたはアークにより加熱することで、鋳造される鋳片(22)に内部欠陥が発生するのを抑制することを特徴とする垂直型鋳造方法。
【請求項２】
上下に開口する鋳型(12)に高合金鋼および工具鋼を含む特殊鋼の溶鋼を鋳込み、表面にシェルが形成された鋳片(22)の下端を、前記鋳型(12)の下方に配設されて、昇降手段(58)により垂直に昇降される昇降台(50)で支持して鋳型(12)の下部から引抜くことで所定長さ寸法の鋳片(22)を鋳造する垂直型鋳造装置であって、
前記鋳型(12)の上部を覆い得ると共に内部画成された加熱室(24a)を不活性ガス雰囲気とし得る蓋部材(24)と、
前記蓋部材(24)を予熱する予熱手段と、
前記蓋部材(24)で覆われた鋳型(12)内の溶鋼を、鋳込み完了後に昇降台(50)を上昇させて、プラズマまたはアークにより加熱する加熱手段(32)とから構成した
ことを特徴とする垂直型鋳造装置。
【請求項３】
前記蓋部材(24)は、耐火物からなる内張り部材(26)の外側を、断熱材からなる外張り部材(28)で被覆して構成される請求項２記載の垂直型鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鋳型内で冷却されて表面部のみが凝固した状態(シェルが形成された状態)の鋳片を垂直に引抜くことで、所定長さの鋳片を鋳造する垂直型鋳造方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミ等の非鉄の分野においては、上下に開口する鋳型(モールド)に溶鋼を鋳込み、該鋳型の下方に昇降可能に配設した昇降台のダミーヘッドに、鋳型内で冷却されて表面にシェルが形成された鋳片の下端を支持した状態で、該昇降台を所定速度で垂直に下降することで鋳型下部から鋳片を垂直に引抜いて、所定長さ寸法の鋳片を鋳造する垂直型鋳造方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記垂直型鋳造方法は、造塊方法と比較して省エネルギーおよび省力化等の面で有利であるため、高合金鋼および工具鋼を含む特殊鋼全般の鋼種で、殊に断面の大きな鋳片を鋳造するのに採用する試みがなされている。しかるに、前記の鋼種を垂直型鋳造方法で鋳造すると、センターポロシティ、鋳片頭部キャビティ、中心偏析あるいはＶ状偏析等の内部欠陥が多く発生し、製品品質が低下すると共に歩留りも低下する問題があった。すなわち、製品品質の厳格化が要求される状況下においては、従来の垂直型鋳造方法では充分に対応し得るものではなかった。
【０００４】
【発明の目的】
この発明は、前述した従来の技術に内在している前記課題に鑑み、これを好適に解決するべく提案されたものであって、高合金鋼および工具鋼を含む特殊鋼等の鋳片を鋳造し、静置凝固させるに際して、センターポロシティ、鋳片頭部キャビティ、中心偏析あるいはＶ状偏析等の内部欠陥が発生するのを抑制し、製品品質および歩留りを向上し得る垂直型鋳造方法および装置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】
前述した課題を解決し、所期の目的を好適に達成するため、本発明に係る垂直型鋳造方法は、上下に開口する鋳型に高合金鋼および工具鋼を含む特殊鋼の溶鋼を鋳込むと共に、表面にシェルが形成された所要断面形状の鋳片を鋳型の下部から垂直に引抜いて所定長さ寸法の鋳片を鋳造するに際し、その鋳込み完了後において、昇降台が上昇し、表面に外殻が形成された鋳片の上端部を、鋳型の上端から所定長さだけ押し上げた後、所定温度に予熱しておいた蓋部材が下降して前記鋳型の上部を覆うと共に内部画成された加熱室を不活性ガスの雰囲気とした状態で、鋳型内の溶鋼を、湯面の温度を固相線温度以上に保持し得る加熱条件でプラズマまたはアークにより加熱することで、鋳造される鋳片に内部欠陥が発生するのを抑制することを特徴とする。
【０００６】
また前述した課題を解決し、所期の目的を好適に達成するため、本願の垂直型鋳造装置は、上下に開口する鋳型に高合金鋼および工具鋼を含む特殊鋼の溶鋼を鋳込み、表面にシェルが形成された鋳片の下端を、前記鋳型の下方に配設されて、昇降手段により垂直に昇降される昇降台で支持して鋳型の下部から引抜くことで所定長さ寸法の鋳片を鋳造する垂直型鋳造装置であって、前記鋳型の上部を覆い得ると共に内部画成された加熱室を不活性ガス雰囲気とし得る蓋部材と、前記蓋部材を予熱する予熱手段と、前記蓋部材で覆われた鋳型内の溶鋼を、鋳込み完了後に昇降台を上昇させて、プラズマまたはアークにより加熱する加熱手段とから構成したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る垂直型鋳造方法および装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。
【０００８】
図１は、実施例に係る垂直型鋳造方法が実施される垂直型鋳造装置を概略的に示すものであって、該鋳造装置１０は、上下に開口する鋳型１２が鋳床１４に配設されており、該鋳型１２には、その上方に設けられた取鍋１６およびタンディッシュ１８を介して高合金鋼および工具鋼を含む特殊鋼等の溶鋼が鋳込まれるよう構成される。このタンディッシュ１８は、鋳床１４に設けられたレール(図示せず)に沿って移動可能に構成された台車２０に配設され、前記鋳型１２の上方に臨む鋳造位置と、鋳型１２から離間する退避位置との間を移動するよう構成されている。また、タンディッシュ１８は台車２０に対して適宜の昇降機構を介して昇降可能に配設され、鋳造位置と退避位置との間を移動する際には、タンディッシュ１８に設けられた浸漬ノズル１８ａが鋳型１２と干渉しない位置まで上昇されるようになっている。なお、前記鋳型１２には、図示しないオシレーション装置によって上下動が付与され、鋳型１２の下部から引抜かれる鋳片２２と該鋳型１２との間の摩擦を軽減し、焼付きを防止するよう構成される。
【０００９】
前記台車２０には、前記鋳型１２の上部を覆い得る蓋部材２４が配設され、この蓋部材２４は、前記タンディッシュ１８が鋳造位置に臨むときには鋳型１２から離間する待機位置(図１)に臨み、タンディッシュ１８が退避位置に臨むときには鋳型１２の上部を覆う加熱位置(図４)に臨むよう構成される。また、蓋部材２４は台車２０に対して適宜の昇降機構を介して昇降可能に配設され、待機位置と加熱位置との間を移動する際に、鋳型１２または鋳型１２の上端から突出する鋳片２２の上端部(後述)と干渉しない位置まで上昇されるようになっている。
【００１０】
前記蓋部材２４は、図２に示す如く、下方に開放する箱型に形成されると共に、耐火物からなる内張り部材２６と、該内張り部材２６の外側を被覆する断熱材からなる外張り部材２８および該外張り部材２８の外側を被覆する鉄皮３０からなる三層構造となっており、内張り部材２６の内側に加熱室２４ａを画成するよう構成される。また蓋部材２４の天井部には複数(実施例では２つ)の通孔２４ｂが形成され、前記台車２０に配設されて鋳型１２内の溶鋼を加熱するための加熱装置(加熱手段)３２を構成する電極３４が、各通孔２４ｂを介して加熱室２４ａ内に進退可能に挿入されるようになっている。そして、後述する鋳込み完了後、静置凝固させる際の溶鋼加熱に際して蓋部材２４が加熱位置において鋳型１２の上部を覆った状態で、鋳型１２内の鋳片２２と電極３４との間に所定電圧を印加することで、電極３４から放電するプラズマまたはアークにより鋳型１２内の溶鋼を加熱するよう構成される。なお、溶鋼加熱等に際して該加熱室２４ａ内には、前記通孔２４ｂを介してＡｒやＮ2等の不活性ガスが供給され、室内を不活性ガス雰囲気とし得るようになっている。
【００１１】
前記内張り部材２６は、Ａｌ2Ｏ3を主成分とする耐火物が好適に使用され、また前記外張り部材２８は、Ａｌ2Ｏ3にＳｉＯ2を添加することで断熱性を高めた断熱材が好適に使用されるが、その他の材質であってもよい。なお、外張り部材２８として熱伝導率の低い断熱材を用いることで、溶鋼加熱時および後述する予熱時における蓋部材２４の抜熱を低減することができ、投入電力を少なく抑えることができる。
【００１２】
前記加熱装置３２の各電極３４は、電気モータやパルスジェネレータ等を備える昇降装置３６により夫々昇降可能に支持されている。また前記蓋部材２４には、図３に示す如く、前記加熱室２４ａの温度を検出する温度センサ３８が配設され、該センサ３８の検出温度は、温度制御装置４０に入力される。この温度制御装置４０は、加熱室２４ａの温度を予め設定された目標温度に保持するベく、検出温度に基づいて加熱装置３２への投入電力量を設定すると共に、該電力量に基づいて投入電圧および投入電流を設定するよう構成される。そして、投入電圧に基づいて前記昇降装置３６を作動制御し、電極３４と溶鋼の湯面(メニスカス)との距離(ギャップ)を調整して加熱力を可変することで、加熱室２４ａの温度を目標温度に保持するようになっている。なお、加熱室２４ａの目標温度は、蓋部材２４で覆われている鋳型１２内の溶鋼における湯面の温度を固相線温度以上に保持し得る温度に設定され、これによって湯面が凝固するのを防止するよう構成される。すなわち、湯面からの抜熱と同じ熱量を供給することで、湯面温度を固相線温度以上の一定に保持するものである。
【００１３】
前記加熱装置３２による溶鋼の加熱は、鋳込み完了後、静置凝固させる際に行なわれるもので、そのときには表面に外殻(シェル)が形成された鋳片２２の上端部を、後述する昇降台５０の上昇により鋳型１２の上端から所定長さだけ押し上げ(図４(ａ)参照)、前記電極３４から放電されるプラズマやアークにより鋳型１２への電蝕や迷走電流発生を防止するよう構成してある。なお、前記電極３４の材質は、例えば炭素、タングステンまたはカッパー等が挙げられるが、その他の材質であってもよい。
【００１４】
図１に示す如く、前記待機位置に臨む蓋部材２４の下方の鋳床１４に、例えばカーボンを材質とする受電板４２が配置され、この受電板４２に蓋部材２４を載置すると共に加熱室２４ａに不活性ガスを供給した状態で、受電板４２と電極３４との間に所定電圧を印加することで、電極３４から放電するプラズマまたはアークにより加熱室２４ａ、すなわち蓋部材２４を所定温度まで予熱し得るよう構成される。実施例では、蓋部材２４を予熱する予熱手段は、溶鋼加熱に用いられる加熱装置３２が兼用しているが、独立した別の手段を用いてもよく、またその加熱方式もプラズマまたはアークによる加熱に限らず、バーナ等を用いることができる。なお、蓋部材２４の予熱温度は、前記加熱室２４ａの目標温度以上であることが最も好適であるが、それより低い温度であってもよい。
【００１５】
前記鋳型１２の直下には、図１に示す如く、該鋳型１２内で１次冷却されて表面にシェルが形成された鋳片２２を幅方向の両側から挟持する複数のガイドロール４４,４４が自由回転可能に配設され、鋳型１２の下部から引抜かれた直後の鋳片２２を該ロール４４,４４により両側から挟持することで、バルジングを防止するよう構成される。またガイドロール４４,４４の配設位置より下方には、上下方向に離間する複数のノズル４６が、鋳片２２を挟む幅方向の両側に対向的に配設されており、各ノズル４６から鋳片２２に向けて冷却水(水)を直接スプレーすることで、該鋳片２２の凝固を促進させる２次冷却を行なうよう構成される。なお、ガイドロール４４およびノズル４６は、後述する昇降台５０と干渉しない位置まで退避可能に構成され、幅方向に対向するガイドロール４４,４４およびノズル４６,４６間を昇降台５０が昇降するのを許容するようにしてある。
【００１６】
前記鋳型１２の下方には、鋳片２２の下端を支持するダミーヘッド４８を備えた昇降台５０が垂直昇降可能に配設されている。また、鋳片２２を挟む両側に滑車５２,５２が回動可能に配設され、一端が適宜の固定部位に接続されたワイヤ５４が両滑車５２,５２に巻掛けられると共に、その他端が可変速可能なウインチ５６に接続されている。そして、前記昇降台５０は、両滑車５２,５２の間に臨むワイヤ５４によって吊下げ支持され、該ワイヤ５４およびウインチ５６からなる昇降手段５８によって昇降台５０が昇降移動されるようになっている。すなわち、ワイヤ５４を巻上げる方向にウインチ５６を回転駆動することで、該ワイヤ５４を介して昇降台５０が上昇し、逆にワイヤ５４を繰出す方向にウインチ５６を回転駆動することで、ワイヤ５４を介して昇降台５０が下降するよう構成される。
【００１７】
【実施例の作用】
次に、前述した実施例に係る垂直型鋳造装置により実施される垂直型鋳造方法の作用につき説明する。前記ウインチ５６を所定方向に回転駆動して昇降台５０を上昇し、前記ダミーヘッド４８で鋳型１２の下部を閉塞した状態で、前記取鍋１６およびタンディッシュ１８を介して高合金鋼および工具鋼を含む特殊鋼等の溶鋼を鋳型１２に鋳込む。この鋳型１２に鋳込まれた溶鋼は、該鋳型１２による１次冷却により、その表面にシェルが形成される。またウインチ５６を逆転駆動して昇降台５０を所定の鋳造速度で垂直に下降することで、ダミーヘッド４８により下端が支持された鋳片２２は、鋳型１２の下部から引抜かれる。
【００１８】
前記鋳型１２から引抜かれた直後の鋳片２２は、図１に示す如く、前記ガイドロール４４,４４で幅方向から挟持されることで、バルジングが発生するのは防止される。また、前記複数のノズル４６,４６から鋳片２２に冷却水がスプレーされ、該鋳片２２は２次冷却される。
【００１９】
前記鋳型１２への鋳込み中に、図１に示す如く、前記待機位置において受電板４２に載置されている蓋部材２４では、前記加熱室２４ａに不活性ガスを供給した状態で前記加熱装置３２により加熱され、該蓋部材２４は前記目標温度近傍の温度まで予熱される。そして、鋳型１２への鋳込みが完了した後、前記取鍋１６が退避した状態で前記タンディッシュ１８が上昇すると共に、台車２０が移動し、該タンディッシュ１８が鋳造位置から退避位置に移動するのに伴って待機位置で上昇した蓋部材２４が加熱位置に移動する(図４(ａ)参照)。また鋳込み完了後には、前記昇降台５０が上昇し、表面に外殻が形成された鋳片２２の上端部を、鋳型１２の上端から所定長さだけ押し上げる。
【００２０】
次に、図４(ｂ)に示す如く、前記蓋部材２４が下降して鋳型１２の上部を覆うと共に、加熱室２４ａに不活性ガスを供給した状態で、鋳型１２内の溶鋼を、その湯面からの抜熱を補償するように加熱装置３２で加熱し、これによって鋳型１２内の溶鋼における湯面が凝固するのを防止し、鋳片２２内部の収縮孔や鋳片頭部キャビティが発生するのは抑制される。また、溶鋼湯面から加熱して、未凝固部の上下方向に大きな温度勾配を生じさせることによって、後述する凝固前面の角度θを大きくし、これによってセンターポロシティ、鋳片頭部キャビティ、中心偏析およびＶ状偏析等の内部欠陥の発生を好適に抑制することができる。この場合において、鋳型１２の上部を蓋部材２４で略密閉状態で覆っているから、加熱装置３２による溶鋼の効率的な加熱が達成される。しかも、蓋部材２４は予熱されているから、該蓋部材２４で鋳型１２を覆ってから加熱を開始するまでの間での湯面の温度降下を小さく抑えることができる。また実施例では、タンディッシュ１８と蓋部材２４および加熱装置３２を共通の台車２０に配設したから、鋳込み完了後に蓋部材２４で鋳型上部を覆うのに要する時間を短かくすることができ、その間での湯面の温度降下も小さくし得る。
【００２１】
また前記加熱装置３２では、前記加熱室２４ａの温度を検出する温度センサ３８からの検出温度に基づいて前記温度制御装置４０により電極３４と湯面とのギャップ調整が行なわれ、加熱室２４ａの温度を目標温度に保持するようフィードバック制御される。これにより、鋳型１２内の溶鋼は、鋳片２２の凝固完了近くまでその湯面の温度降下が固相線温度以上に保たれ、湯面の凝固は好適に防止される。そして、予め設定された時間の経過後、加熱装置３２による加熱力を徐々に下げて加熱を終了する。
【００２２】
ここで、前記センターポロシティ、中心偏析およびＶ状偏析等の内部欠陥の発生は、鋳片内部における凝固前面の角度が影響していると考えられる。すなわち、従来は図５(ａ)に示すように、鋳片２２の内部における凝固前面の角度(凝固界面の中心線に対する角度)θが小さくなり、Ｃ,Ｓ,Ｐ等が濃化した溶鋼のサクションが助長され、前記の内部欠陥が多く発生していた。これに対し、実施例の場合は、図５(ｂ)に示す如く、その凝固界面付近では上方の幅が広がって前記角度θは大きくなり、Ｃ,Ｓ,Ｐ等が濃化した溶鋼のサクションが低減され、前記の内部欠陥の発生を好適に抑制することができるものである。なお、凝固前面の角度θは、鋳片２２のマクロ組織の観察で判断される。
【００２３】
すなわち、高合金鋼および工具鋼を含む特殊鋼等のように製品品質の厳格化が要求される鋼種においても、発明例の垂直型鋳造方法によれば、内部にセンターポロシティ、鋳片頭部キャビティ、中心偏析およびＶ状偏析等の内部欠陥が少ない良質の製品が得られる。なお、上端部における断面寸法が、厚み５００ｍｍ以上、幅５００ｍｍ以上の鋳片２２を鋳造する場合に、発明例の垂直型鋳造方法および装置は特に有効である。
【００２４】
前述した実施例では、タンディッシュの台車に蓋部材および加熱装置を配設した場合で説明したが、蓋部材や加熱装置を別の台車や移動手段等に配設し、タンディッシュが鋳造位置から退避位置に移動したときに、蓋部材を加熱位置に速やかに移動させるよう構成してもよい。
【００２５】
【実験例】
工具鋼を材質として、鋳片厚み６５０ｍｍ，幅８５０ｍｍの鋳片を鋳造する場合に、鋳込み完了後、静置凝固時に溶鋼を加熱しない場合(従来例)と、加熱する場合(発明例)とについて、鋳造された鋳片上端部切捨長さについて測定した結果を図６に示し、Ｃ(炭素)の偏析を測定した結果を図７に示す。また、凝固前面角度θを図８に示す。
【００２６】
図６から判明する如く、加熱を実施しない従来例では、鋳片頭部キャビティ、中心偏析およびＶ状偏析等の内部欠陥が多く発生し、多くの鋳片を切捨てなければならず、歩留りが低下する。これに対し、加熱を実施した発明例では、鋳片上端部における前記の内部欠陥の発生は抑制され、これによって鋳片上端部切捨長さが著しく低下することが確認された。
【００２７】
図７から判明する如く、従来例に比べ、加熱を実施することで、Ｃの偏析を抑制することが確認された。また図８から判明する如く、加熱を実施することで、凝固前面角度θは大きくなることが確認された。すなわち、凝固前面角度θの広角化によってセンターポロシティ、鋳片頭部キャビティ、中心偏析およびＶ状偏析等の内部欠陥の発生を好適に抑制し得ることが判った。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明に係る垂直型鋳造方法および装置によれば、製品品質の厳格化が要求される高合金鋼および工具鋼を含む特殊鋼等の鋼種においても、鋳込み完了後の静置凝固時に蓋部材で鋳型上部を覆ったもとで鋳型内の溶鋼を加熱することで、センターポロシティ、鋳片頭部キャビティ、中心偏析またはＶ状偏析等の内部欠陥の少ない高品質の鋳片を鋳造することができ、歩留りを向上することができる。また蓋部材を予熱しておくことで、加熱を開始するまでの湯面の温度降下を少なく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例に係る垂直型鋳造装置を示す概略構成図である。
【図２】実施例に係る垂直型鋳造装置の蓋部材を示す概略断面図である。
【図３】実施例に係る垂直型鋳造装置の加熱手段を示す概略説明図である。
【図４】実施例に係る垂直型鋳造装置の加熱工程を示す概略説明図である。
【図５】従来例および発明例に係る鋳片における凝固前面角度を示す説明図である。
【図６】鋳片上端部切捨長さの測定結果を示すグラフ図である。
【図７】Ｃの偏析を測定した結果を示すグラフ図である。
【図８】凝固前面角度の測定結果を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１２  鋳型
２２  鋳片
２４  蓋部材
２４ａ  加熱室
２６  内張り部材
２８  外張り部材
３２  加熱装置(加熱手段)
５０  昇降台
５８  昇降手段
【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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【図８】
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