(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型の冷却された金属の結晶化装置の上方に断熱耐火材からなる供給ヘッドが取り付けられ、供給ヘッドの内部は鋳造金属の均一な連続通路が区画されるように鋳型の内側と整合しており、供給ヘッドと結晶化装置との間には鋳型の内面と整合する状態で機械強度に優れた緻密な耐火材からなるリング状のインサートが配置されている、金属の垂直ホットトップ連続鋳造用鋳型ヘッドにおいて、
インサート（24）がバーで構成され、各バー（29）は互いに並んで整合された複数の隣接要素（30）を剛体に組み立てて形成され、これらの隣接要素はバーと一体の締付け手段（31、33）によって締付け状態に維持され、バーの位置を鋳型の結晶化装置（7）に整合させる手段を有し、この手段は一群のプッシャー（38）と、それと組合された結晶化装置に形成された位置決めストッパー（39）とで構成され、バー（29）はプッシャー（38）の力を受けてストッパー（39）に押圧され、プッシャー（38）は鋳型の内側へ向かって常にバーを押圧することを特徴とする鋳型ヘッド。
【請求項２】
締付け手段が交差材（31）と、それと組合され、バー（29）の少なくとも先端面に当接する圧縮具（33）とで構成される請求項１に記載の鋳型ヘッド。
【請求項３】
バー（29）が貫通路（32）を有し、交差材（31）がバー（29）を構成する各隣接要素（30）を貫通している請求項２に記載の鋳型ヘッド。
【請求項４】
交差材（31）を取り付けるためにバー（29）に形成された貫通路（32）の位置がバーの「冷たい」面へ向かってずれている請求項３に記載の鋳型ヘッド。
【請求項５】
中間圧縮具としての中間ナットが上記隣接要素（30）の接合部の交差材（31）上に存在する請求項３に記載の鋳型ヘッド。
【請求項６】
バーの「冷たい」面を補強する手段（34）を有する請求項１に記載の鋳型ヘッド。
【請求項７】
補強手段が「L」字型プロファイルを有する金属シェルで構成され、この金属シェルの底板（35）がバーの「冷たい」面にプッシャー（38）の弾性によって押圧されている請求項６に記載の鋳型ヘッド。
【発明の詳細な説明】
本発明は金属、特に鋼のホットトップ（en charge）連続鋳造に関するものであり、特に長尺の金属製品,例えばスラブ等の一般に「平鋼」とよばれる幅の広い製品の鋳造方法に関するものである。
ホットトップ連続鋳造法は従来の連続鋳造法の延長とみなすことができる。このホットトップ連続鋳造法では、鋳造金属が銅の冷却壁の内面と接触して凝固し始める点を鋳造液体金属の自由表面（メニスカス）の位置より鋳型内で垂直方向上側へズラすようにしたものである。凝固の開始は極めて微妙な物理メカニズムで始まり、それが得られる製品の品質に重要な影響を与えるということは知られている。ホットトップ連続鋳造では上記２つの高さを互いに離すことによってメニスカス領域に常に形成される乱流領域から初期凝固位置を遠く離し、それが流体力学的に安定な所で起こるようにしている。簡単にいえば、上記２つの高さを離すには、冷却されていない断熱性に優れた耐火材料の追加供給ヘッド（masselotte）を銅の冷却鋳型本体の上方に配置すればよい。この供給ヘッドの内面は鋳型の内面と整合し、上部に配置されたタンディッシュから注入された鋳造鋼のメニスカスは供給ヘッドの内部に維持される。
この種のホットトップ連続鋳造の原理で古くから知られており、例えばフランス国特許出願第2,009,365号に記載されている。しかし、出願人に知る限り工業的規模で実施されたことはない。これに関する最近の研究（例えばフランス国特許出願第96／04304号および第96／04305号）では、耐火材からなる断熱供給ヘッドとこれを支持する銅の冷却鋳型との間に同様に耐火性の緻密な（従って、従来の断熱耐火材よりも機械的強度の大きい）一般に繊維状のインサートを配置することに重点がおかれている。このインサートはそこに収容する溶融鋼を供給ヘッドと同じ液体状態に維持するような優れた断熱性を有し、しかも、このインサートが載っている銅壁の上側端縁（正確には鋳造金属の凝固開始点）の形をできるだけ長く維持するような優れた機械強度を有していなければならない。こうした互いに矛盾する要求を満たす材料としてはSiALON（登録商標）が知られている。
しかし、この種の材料は高価で、特に鋳型の内周に合ったリング状に成形する場合には高価になり、スラブ等の大きな断面の鋼を鋳造する鋳型に必要な長い凝固部を有する鋳型の場合のように、長いインサートを必要とする場合にはそのコストは極端に高くなる。さらに、鋳造操作を成功させるためには鋳型との整合状態を維持する必要があり、SiAlonの加工誤差を極めて狭い範囲内（最大0.1mm）にすることが重要であるということが本出願人の研究で確認されている。しかし、溶融金属と接触した時に各部分の熱膨張差に起因する不整合現象は不可避であるので、上記の要求を満たすのは難しい。この現象は鋳型が大型になればなるほど（特に鋼スラブ（一般に幅が1800mm以上になる）の鋳造の場合）顕著になるということに注意すべきである。
本発明の目的は、幅の広い製品の鋳造で直面する上記問題点を簡単、確実、安価に解決する方法を提供することにある。
本発明の対象は断熱耐火材からなる供給ヘッドを有し、この供給ヘッドが（一般に銅または銅合金で作られた）鋳型の冷却された金属結晶化装置の上方に位置し、両者の内壁は互いに整合し、供給ヘッドと結晶化装置との間に機械的強度に優れた緻密な耐火材（例えば、SiAlON）からなるリング形状に成形されたインサートが配置され、このインサートがの内壁は鋳型の内壁と整合している、金属、特に鋼の垂直ホットトップ連続鋳造用鋳型ヘッドにおいて、インサートがバーで構成され、各バーは互いに並んで整合された隣接要素を剛体に組み立てて形成され、各隣接要素はバーに組込まれた締付け手段によって互いに締付け状態に維持され、バーを鋳型の本体と整合させる手段が冷却された銅の本体に形成された位置決めストッパーと組合されたプッシャーで構成され、このストッパーはバー組立体を押圧し、バー組立体はプッシャーの力を受けて、鋳型の内側へ向かって常に押圧状態に維持されることを特徴とする鋳型ヘッドにある。
上記の複数のバー組立体は適当な連結角度（連続鋳造品は通常、長方形断面を有するので一般には直角）で互いに突き合わされ、鋳型の外周形状に合った所望最終形状のインサートを形成する。
本発明の好ましい実施例では、一体化された締付け手段は長手方向におけるネジ付き交差材と、それとくみあわされる締付けナット（より一般的には締付け具）とで構成され、締付けナットは少なくとも組立体の各端に配置された要素の自由端面と当接する。交差材は組立体の「冷たい」面、すなわち、鋳造すべき溶融金属と接触するための「熱い」前面とは反対側にある後面の近くにずらした位置に配置するのが有利である。
中間の締付けナットを各要素の内側前面と当接させて各要素を長手方向に機械的に圧縮するのも好ましい。
本発明の別の有利な実施例では、インサートの構成要素の組立体は上記の全締付け手段の他に、「冷たい」面を機械的に補強する手段を備えている。
以上の説明から理解できるように、本発明の主たる特徴は、可能であれば同一の要素から、緻密な耐火材（以下、具体的にするためにSiAlONと仮定する）の長い真直ぐなバーを作り、各要素をバーの所望長さに対応する距離にわたって互いに突き合わせ、いずれの場合も、当然これらの要素間の接合部を密封し、次いで組立体の機械的補強を確実にするための締付け手段によって互いに接合して剛体一体化することにある。すなわち、市販のモノブロックのバーよりも安価で強い所望長さのSiAlONバーが製造できる。単純、精密且つ確実な整合方法は上記のように強度を強くした「ストッパー＋プッシャー」型を採用することで解決できるる。この解決策は壊れ易かったり脆い部材には適用できない。
本発明の上記以外の態様および利点は添付図面を参照した以下の説明からより良く理解できよう。しかし、本発明が下記実施例に限定されるものではない。
図１は本発明の鋼スラブ連続鋳造機のヘッドの垂直断面図で、鋳型の大きい方の面に対して直角な中心面による断面図。
図２は図１の面A-Aによる上側断面図。
図１の全体図から分かるように、鋼スラブのホットトップ垂直連続鋳造機の上部には、生産される金属製品の抜取り方向ＰL（図の上から下に向かう方向）に沿って、溶融金属２の浴を収容したタンディッシュ１と、このタンディッシュ１の下側に位置された鋳型３が配置されている。溶融金属２は浸漬ノズル４（単数または複数）を介してタンディッシュ１から鋳型３に供給される。浸漬ノズルの側部金属出口５は鋳型３内の液体金属の自由表面６（または「メニスカス」）の下側数十cmのところにある。
図から分かるように、この鋳型は２段階７および８からなる。下側段階７は鋳型の「本体」ともよばれる結晶化装置を構成している。この鋳型本体は銅または銅合金からなり、循環水によって冷却され、鋳造金属用の内部通路を有する。この内部通路では鋳造品PLが鋳型内を下側へ徐々に移動し、鋳造金属が冷たい金属壁と接触して表面から中心へ向かって徐々に凝固する。
結晶化装置７自身は互いに上下に重ねてられた２つの部分すなわち主要部10と、この主要部10の上方にある補助部11とから成るのが好ましい。この補助部11の内部は主要部10の内部と整合して、鋳造品に対する均一な連続通路となっている。
スラブ連続鋳造の場合には、主要部10は一般に互いに直角に組み合された４枚のプレート（または壁）で構成されている（すなわち、互いに対面する２枚の大きな壁12、12'と、２枚の小さな壁または側壁（図では見えない）とで構成される）。これら４枚の壁は内面が鋳造金属と接触し、外面が循環水で強制冷却されている。一般に、シート状の水14を好ましくは垂直方向に導くために鋼ジャケット13が各プレート12、12'からわずかな距離を置いて設けられている。ジャケット13の端部にはシート状の水14を注入チャンバ16および排出チャンバ17に連通させる通路15、15'が設けられている。これらのチャンバ16、17はジャケット13の後方に所定間隔を置いて配置された外側隔壁18によって区画されている。
上側の補助部11はリングを形成し、このリングは鋳造金属が凝固し始める上側端縁20のできるだけ近くに設けられた導管19を通る内部循環水によって冷却されている。リング11の役目は、プレート組立体からなる主要部10の冷却に用いられるシート状の水14を用いた冷却回路よりもはるかに高い効率で端縁20を冷却することによって、鋳造中に極めて高い機械・熱的応力を受けるこの端縁20を熱的に保護することにある。冷却されたリング11の底部はそれが載っている管状組立体10の上側表面と一致し、溶融金属の漏れを完全に阻止している。
上側段階８は冷却されていない耐火材で作られた供給ヘッドで形成され、この供給ヘッドの内壁は、上記と同じ理由で、結晶化装置７の本体の内壁と整合しているのが好ましい（いかなる場合でも引っ込んでいてならない）。
垂直ホットトップ連続鋳造では「断熱耐火材からなる供給ヘッド８を冷却された金属結晶化装置７の上に乗せる」構成によって鋳造金属ＰLの較正（calibrant）通路が規定され、この較正通路の上側部分21がノズル４の孔５を介して溶融金属が鋳型中へ流入したときに生じる流体力学的乱流を閉じ込める供給ヘッド内の緩衝領域を形成し、この通路の延長上にある下側部分９が鋳造金属の凝固領域を形成する。
凝固は鋳造鋼と結晶化装置７の冷たい金属壁とが最初に接触した直後すなわち銅リング11の上側端縁20で始まり、下流に向って継続し、表面から中心に向って厚さが成長する固体シェル22が形成される。鋳型を出た直後のシェル22の厚さは１cmをわずかに超えた程度であるが、液体のコアの鉄静圧に耐えるのに十分な強度を持っている。鋳造製品ＰLは鋳造機械の下部に位置した水噴射装置（図示せず）によって完全に凝固するまで内部に向かって成長を続ける。製品が完全に凝固すると、所望長さ（スラブ）に切断され、次の二次成形操作（圧延等）が施される。
図からわかるように、耐火性供給ヘッド８は互いに上下に重ねられた下記の２つの要素で構成されている：
１）断熱性を得るために選択した耐火材から成る上側スリーブ23（乱流領域21で鋳造金属が早期に偽凝固するのを防止する役目をする）。繊維状耐火材、例えばKAPYROK社から商品名Ａ120Kで販売の材料が選択できる。
２）優れた機械強度（従って緻密性）を得るために選択した耐火材から成る「インサート」とよばれる下側要素24（流し込みを成功させるために通常加えられる垂直振動が加えられた時に結晶化装置７の近傍で固体シェル22の上部先端によって冷却された金属リング11の端縁20が機械的に浸食されるのを防ぎ且つ鋳造で避け難い熱サイクル運転に起因する機械・熱的応力に鋳造機械が最大限に耐えるられるようにする）。窒化ホウ素をドーピングしたSiALON（Sialon（Ｒ））のような材料が好ましい。
供給ヘッド８を互いに上下に重ねた２つの部材23、24で構成する利点は、鋳型の垂直振動に起因する鋳造金属の凝固先端の「前後」運動によって起こる浸食を受ける下側部分24の機械的強度を向上させることができる点にある。強度の高いこの下側インサート24が上側スリーブ23に比べて断熱性が低いのは避けられない。従って、互いに整合したインサート24の内壁と冷却されたリング11の内壁との間の接触点で鋳造金属が予定より早く偽凝固膜を形成することがある。この膜は結晶化装置７における制御された凝固工程を不均質にする大きな原因となる。
そのため、既に公知のフランス国特許出願第93/03871号では、インサート24に形成された偽凝固膜を破壊するガスのカーテンを供給ヘッド８の底部から吹き出して、鋳造金属が冷却リング11と接触した際に均質かつ明確な凝固を開始させる。そのために、供給ヘッド８と結晶化装置７との間に不活性ガス（例えば、アルゴン）を注入する回路を設ける。この回路は供給ヘッド／結晶化装置の界面に形成した環状スロット25から成る。環状スロット２の一端は鋳型の内周にあり、他端は送出しチャンバ26に接続され、この送出しチャンバ26には供給ヘッド８を取り囲む加圧ボックス28を介してアルゴン源（図示せず）に接続された較正済み入口27を介してアルゴンが供給される。空気中の酸素が断熱耐火材のブロック23を介して透過するのはある程度避けられないので、この構成にすることによって鋳型内の液体鋳造金属が酸化するのを防ぐことができるという利点がある。
本発明では、SiAlONインサート24は単一部品ではなく、互いに並列された隣接要素からなり、これらの要素はインサートに組込まれた締付け手段によって互いに剛体締付け状態に維持されている。図２に示される実施例では、インサート24が鋳型の大きな方の面を向いたバーからなる。このインサート24は鋳型の内周に沿って延びていることは理解できよう。このインサートは取り付けられた状態でその短辺または長辺が図２に示す29のような長方形フレームの形になる。
図からわかるように、このバー29は互いに隣接して並べられた要素30の組立体で構成され、各要素30はバー内部に組込まれた締付け手段31によって互いに剛体に締付けられている。図示した例では、この締付け手段は交差材（tirant）31からなるクランプである。この交差材31は各要素に形成された通路32を通って各要素を貫通し、組立体から突出している。交差材の少なくとも両端にはネジが形成されており、これら両端ネジには締付けナット33が端部要素30の自由端面と当接するように螺合している。この締付け手段は万力のようにバーの端部要素にのみ作用して要素組立体全体を機械的に圧縮するで「全体に作用する」締付け手段とよばれる。交差材31を用いて個々の要素に予備的な応力を加えることもできる。その場合に必要なことは交差材の全長にネジを付け、２つの要素30の間の接合部に中間ナットを追加することである。
図２に示すように、要素30の隣接先端面を成形して、要素30を互いに噛み合わせ（整合させ）てインサート24が位置する高さにおける鋳型内の鉄静圧によって起こりうる液体鋳造金属のリークに対して接合部を密封するのが有利である。
交差材はバーの「冷たい」面へ向かって（図の下へ向かって）ずらした位置にあるのが好ましい。この「冷たい面」は溶融金属と接触する「熱い」面とに比較して「熱い」面とは反対側にあるインサートの面であり、従って、熱的応力が小さい。この冷たい面へ向かって交差材32の位置をずらす目的は一般に鋼からなる交差材が熱い面に近づいて過熱するのを避けるためである。そうしないと、過度に大きな熱膨張差に起因して組立体が分解することがある。
このように冷たい面を優先的に圧縮することによって別の利点が生まれる。すなわち、耐火性インサート24は冷却された金属結晶化装置７と断熱耐火性スリーブ23との間の移行部品として用いられるので必然的に熱伝導が不良である。従って、その熱い面と冷たい面との間には常に大きな温度勾配が存在する。その結果、耐火性インサート24はその厚さ方向に常に大きな熱膨張差を受けている。その冷たい面に予め圧縮応力を加えておくことは続いてクラックの傾向を抑制する上で好ましい。そうしないと、溶融金属と接触した熱い面が膨張したときに張力が加わり、割れる傾向がある。
締付け交差材31の位置をズラすことには、例えば熱い面が磨耗した時に必要に応じてそれを修理するためインサート24の厚さを減らすことができるという別の利点もある。
好ましい実施例ではバーの冷たい面を補強する手段が設けられている。バーを位置をずらした交差材31によって「片持ち」状態で締付けることによってバーが「バナナ」形に歪むのを予防するために、バー29の冷たい面を補強するのが有利である。これは図２に詳細に示したシェル34によって容易に達成される。このシェル34はわずかに鋭角の「Ｌ」字形のバネ鋼で作られ、その底板35はバーの冷たい面に均一に押圧され、その側部ジョー36による弾性によって所定位置に保持される。この側部ジョー36はバーの側面（この場合は上側面）に形成されたノッチと係合した湾曲端縁37によってインサート材料24中にアンカーされている。
バー29を鋳型に正確に取り付けるということ（課題）は、その熱い面36を鋳型の内側表面と同一面にし、鋳型の全長（鋳造スラブの幅に応じて1.5m以上になることもある）にわたって極めて正確に配置するということである。本発明の主たる特徴は、バーを整合させる手段を用いて結晶化装置７の銅の上側リング11と一体なストッパーを弾性力で鋳型の内側へ向かって常に押すことによって上記の課題を達成することにある。具体的には、この手段はバーの冷たい面とは反対側に配置され、冷却ボックス28の隔壁に固定・当接されて、上記の面に力を加える一群のバネ38と、冷却されたリング11の上側表面に切削加工で作られたストッパー39とによって簡単に構成することができる。図示した例では、ストッパー39は舌の形をしていて、耐火性インサート24の真下を鋳型の内周に沿って流れるアルゴン流の分配チャンバ26を区画する隔壁も構成している。
図１に示すように、バー29の下側面にもストッパー39と係合するショルダー40を切削加工しなければならないということは理解できよう。
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、請求の範囲の定義を逸脱しない限り、種々変更でき、均等手段と置換することができるということはいうまでもない。
すなわち、バー29を構成する個々の要素30の数または長さは限定されるものではなく、これらの要素は同じ長さであっても、なくてもよい。同様に、単一のバーと考えることもできるが、複数のバー、例えばバー24の複数を鋳型の大きな面の幅を占めるように端と端を接して配置することもできる。
さらに、締付け交差材は必ずしも要素30を貫通する必要はない。すなわち、鋳型内のこの場所に余裕空間があるのであれば、従来のクランプのように両端に２つの顎型部材を有する外側交差材をバーの冷たい面に沿って設けることもできる。
以上、本発明を長尺スラブとその他の製品の鋳造に関して説明したが、ホットトップ連続鋳造法を用いて鋳造できる限り、任意形状の製品の鋳造に適用できるということは理解できよう。
同様に、本発明は鋼だけではなく、他の任意の金属、特に鋼より融点の低い金属（例えばアルミニウムや銅）の連続鋳造にも適用できる。
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【図２】
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