(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造金属の通路を規定する、ほぼ垂直方向へ延びた強制冷却された金属壁（１）を有し、この金属壁の高さ全体にわたって鋳造金属の熱流を抽出し、金属（２）を冷却して徐々に凝固させ、金属が上記壁に接触して凝固し始める高さの所で抽出される熱流の強度を低下させる、インゴット鋳型で溶融金属を連続鋳造する方法において、
冷却された金属壁の上側に断熱フレーム（７）を配置し、鋳造中は鋳造金属（２）の自由表面の高さを断熱フレーム（７）の内側に維持し、断熱フレーム（７）の高さの所の少なくともこの下側端縁の高さでインゴット鋳型にガスを注入し、注入したガスをジェット流の形で上記通路の内周縁部全体に分配させることを特徴とする方法。
【請求項２】
フレームの下側端縁から所定高さまでの領域で、抽出される熱流の強度を低下させる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記領域がその全高にわたってほぼ一定の熱流抽出能を有する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
上記領域での熱流抽出能がその上から下に向かって増大する請求項２に記載の方法。
【請求項５】
鋳造金属（２）の通路を規定するほぼ垂直方向へ延びる金属壁（１，３）と、この金属壁のほぼ全高にわたってその壁を強制冷却する壁の内側に配置された冷却手段と、金属壁の上側に設けられた、冷却手段によって生じる壁の内側表面を通る熱流の強度を低下させる手段（６，１５，３１）とを有する連続鋳造インゴット鋳型において、
金属壁の上側に金属壁の上方延長上に配置された断熱性材料で作られたフレーム（７）と、加圧ガスをジェット流の形でインゴット鋳型に注入する注入手段（１０）とを有し、加圧ガスがフレームの高さの所の少なくともその下側端縁の高さで上記通路の内周縁部全体に分配されることを特徴とするインゴット鋳型。
【請求項６】
熱流強度を低下させる手段が、金属壁（１，３）を構成する金属に比べて熱伝導性が低い金属の層（６，１５）から成る請求項５に記載のインゴット鋳型。
【請求項７】
上記の層（６）が金属壁（３）の上側に位置している請求項６に記載のインゴット鋳型。
【請求項８】
上記の層（１５）が金属壁（３）の内側面（１６）に延びている請求項６または７に記載のインゴット鋳型。
【請求項９】
上記の層（１５）の厚さがその上から下へ向かって減少している請求項８に記載のインゴット鋳型。
【請求項１０】
熱流強度を低下させる手段が、金属壁（３）の内側表面（３２）に形成されたほぼ垂直方向に延びる溝（３１）から成る請求項５に記載のインゴット鋳型。
【請求項１１】
上記の溝（３１）の少なくとも一部が、金属壁を形成する金属に比べて熱伝導性の低い材料（３３）で充填されている請求項１０に記載のインゴット鋳型。
【請求項１２】
電気抵抗発熱手段（７１）がフレーム（７）に組み込まれている請求項５に記載のインゴット鋳型。
【発明の詳細な説明】
本発明は金属、特に鋼の連続鋳造に関するものである。
周知のように、連続鋳造操作の概念は鋳造金属の通路を規定する無底の管状要素で基本的に構成されるインゴット鋳型に溶融金属を流し込むものである。この鋳型の壁は銅、より一般には銅合金で作られ、循環水によって強制冷却されている。鋳型からからは厚さ数ｃｍにわたって外側が凝固した鋳造物が連続的に抜き出される。この凝固は鋳造物の中心に向かって進行し、鋳造物がインゴット鋳型の下流へ下降する間にいわゆる「二次冷却」領域において水噴霧の作用で凝固は完了する。得られた鋳造物（ブルーム、ビレットまたはスラブ）は一定の長さに切断され、圧延された後に顧客に運送されるか、バー、ワイヤー、プロフィル、プレート、シート等に変形される。
鋼の連続鋳造によって得られる鋳造物の表面欠陥または表面下の欠陥は不良品の原因になることが多い。これは欠陥が圧延操作に十分に耐えられないか、圧延によって欠陥が拡大して、圧延された鋳造物の金属特性が許容できない程度に低下することによる。
溶融金属は鋳造時にノズルによってインゴット鋳型に供給され、インゴット鋳型の冷却壁と接触して固体膜(solid film)を形成する。この膜は鋳造物の抽出し中にインゴット鋳型の垂直振動による律動的な動きによって下方へ駆動されると同時に、インゴット鋳型の壁介して続く熱の抽出によって膜厚は増加する。
従って、固体金属の新しい膜はインゴット鋳型内の金属の自由表面の高さで連続的に生じ（「メニスカス」とよばれる）、この膜はインゴット鋳型の内壁の周辺(perimeter)全体にわたって凝固し、インゴット鋳型内で下降する間に受ける冷却によって収縮しやすい固体リングを形成する。
このリングの収縮度は熱抽出量が増加につれて増大し、さらには、０．１％炭素鋼またはAISI304グレードのステンレス鋼の場合のように、例えば凝固終了時の固相の変化によって冷却時に収縮する鋳造金属の本来の性質によって増大する。
この周縁部収縮によって凝固外皮はインゴット鋳型の壁から離れやすくなり、従って、外皮と冷却壁との接触が減少して熱交換効率が低下する。一般に、この分離は凝固外皮の周辺にわたって一様でなく、最終的に得られる鋳造物の表面欠陥の原因となる。
これらの欠陥を防止または制限するために、外皮の生成中および凝固開始時に抽出される熱流を減少させる試みが行われてきた。
すなわち、溶融金属がインゴット鋳型の冷却壁に直接接触しないようにするための遮熱層を形成するインサートを、鋳造物が凝固し始める上側部分に備えたインゴット鋳型を用いて熱流を減少させることが試みられた。しかし、このようなインサートの耐久性は不確かで、しかも、そうしたインゴット鋳型の維持費は非常に高いことが分かった。
さらに、インゴット鋳型の壁に表面仕上げを施し、例えば壁に彫刻して壁の表面にエンボスを形成したり、例えばサンドブラスチングによって不規則な粗さにすることによって鋳造金属が冷却壁の銅と直接接触する領域の面積を減らして熱流を減少させる試みが行われた。しかし、この方法では鋳造物の表面の品質を大幅に改良させることはできない。事実、インゴット鋳型の壁を表面仕上げして得られる熱流の緩和効果に比べて、鋳造金属の自由表面の高さの変動によって生じる乱流ははるかに優勢であるため、凝固の不均質性が残り、表面欠陥は無くならない。
鋳造金属と壁の冷たい銅との直接接触を減らすという同じ目的で、壁に垂直方向の溝を形成する試みも行われたが、この溝には液体金属の自由表面の被覆層に一般に用いられるスラグが直ぐに詰まって、期待された熱的効果が弱まることがわかった。
本発明の目的は上記の問題点を解決し、凝固外皮の生成中および成長開始時に抽出される熱流を有効に減少させ、しかも、インゴット鋳型内の液体金属の自由表面の高さ変動の悪影響を防いで、極めて表面品質に優れた鋳造物を得ることができる方法を提供することにある。
本発明の対象は、鋳造金属の通路を規定する、ほぼ垂直方向へ延びた強制冷却された金属壁を有し、この金属壁の高さ全体にわたって鋳造金属の熱流を抽出し、金属を冷却して徐々に凝固させ、金属が上記壁に接触して凝固し始める高さの所で抽出される熱流の強度を低下させる、インゴット鋳型で溶融金属、特に鋼を連続鋳造する方法において、冷却された金属壁の上側に断熱フレームを配置し、鋳造中は鋳造金属の自由表面の高さを断熱フレームの内側に維持し、断熱フレームの高さの所の少なくともこの下側端縁の高さでインゴット鋳型にガスを注入し、注入したガスをジェット流の形で上記通路の内周縁部全体に分配させることを特徴とする方法にある。
本発明では、液体金属浴の自由表面（メニスカス）は上記フレーム内に位置している。このフレームは断熱材料で作られているので、凝固した金属膜はこの金属壁の上側端縁でのみ均一に生成し始める。そのために、フレームの底部にパージガスを送り込んで、冷却された金属部分における望ましい均一な凝固を、断熱材料で作られた部分で起こりうる全ての望ましくない局部的な凝固から正確に分離して、鋳造金属の凝固をメニスカスから一定の距離の所でのみ開始させる。この凝固開始領域はほぼ完全に水平であり、浴の自由表面を攪拌する避けられない変動や乱流に影響されない。最初の凝固外皮で構成される固体リングは幾何学的に完全に均一であり、それに続いてできる新しいリングも同様にほとんど完全に均一であり、鋳造物の下降につれて次第に成長するこの凝固外皮も同様である。
さらに、鋳造金属の凝固はフレーム内で開始しないので、鋳造金属はこの高さでは収縮しない。鋳造金属はフレームの壁との接触を維持し、鋳造金属と壁との間にスラグが侵入するのが防がれる。その結果、壁と接触して凝固する外皮とインゴット鋳型の金属壁との間にスラグが侵入することは、凝固の縮みのために凝固外皮が壁から離れやすい場合でもあり得ない。さらに、フレーム内に収容された液体金属によって生じる液体金属の鉄の静圧がこの分離を妨げ、従って、外皮の金属壁表面との接触を維持し、さらに、外皮の厚さおよび凝固状態はインゴット鋳型の内周縁で均一であるので、インゴット鋳型の内周全体で均一に維持される。
従って、金属壁の上側部分で行われる熱流抽出はこの内周縁部での規則性によって同じく鋳造物の内周縁全体で均一に行われ、固体外皮の局部的分離と、その結果としての生じる厚さ不足が防がれ、凝固開始領域で抽出される熱流の強度は金属壁によって規定される通路の内周縁全体で極めて均一になる。
抽出される熱流の強度は、インゴット鋳型によって抽出される熱全体の特性を大きく変えずに、フレームの下側端縁から所定の高さの領域で低下させるのが好ましい。この高さを制限することで、固体金属外皮が生成する領域で抽出される熱流を減少でき、従来の鋳造工程で観察される金属外皮の収縮作用および分離を防止することができる。
本発明の第１実施例では、上記領域の全高でほぼ一定の熱流が抽出される。この場合、抽出される熱流の減少率は高くできるが、狭い高さ範囲、例えば約１０ｍｍになる。
本発明の第２実施例では、上記領域で上から下へ向かって熱流抽出能が増大する。この場合には、抽出される熱流の減少率は高さ範囲の大きい領域でインゴット鋳型の底へ向かって徐々に低下する。これによって、抽出される熱流の減少率はこの領域の大きい高さ範囲で上記の場合に比べて高くすることができ、さらに、抽出される熱流が少ないフレームと最大の熱流抽出が求められるインゴット鋳型の冷却された金属部分との間で抽出される熱流の変化に一定の漸進性を付けることができる。
本発明の他の対象は、鋳造金属の通路を規定するほぼ垂直方向へ延びる金属壁と、この金属壁のほぼ全高にわたってその壁を強制冷却する壁の内側に配置された冷却手段と、金属壁の上側に設けられた、冷却手段によって生じる壁の内側表面を通る熱流の強度を低下させる手段とを有する連続鋳造インゴット鋳型において、金属壁の上側に金属壁の上方延長上に配置された断熱性材料で作られたフレームと、加圧ガスをジェット流の形でインゴット鋳型に注入する注入手段とを有し、加圧ガスがフレームの高さの所の少なくともその下側端縁の高さで上記通路の内周縁部全体に分配されることを特徴とするインゴット鋳型にある。
本発明の第１実施例では、熱流強度を低下させる手段が壁を構成する金属に比べて熱伝導性が低い金属、例えばニッケルの層から成り、これはインゴット鋳型の壁の銅または銅合金に電気分解方法によって形成できる。
本発明の第１実施例では、上記層が金属壁上、従って金属壁とフレームを構成する断熱材料との間に位置し、その厚さは例えば約１ｍｍにすることができる。
本発明の別の実施例では、上記層が冷却された金属壁の内側面に沿って延び、この場合、約数ｃｍの高さにすることができる。伝導性の悪い金属の層は鋳造金属の凝固外皮とインゴット鋳型の伝導性に優れた金属との間に遮熱層を形成する。この伝導性の悪い層が延びている全高で抽出される熱流は、鋳造金属が金属壁の伝導性の良い金属と直接接触する場合に比べて、大幅に減少する（減少率は５０％またはそれ以上に達しうる）。
銅または銅合金の壁の上側およびその壁の内側面の両方に伝導性の悪い金属層を形成することによって、冷却壁の上側部分で抽出される熱流の平均値を変え、金属壁の上側端縁から鋳造金属の膜が凝固し始める高さまでの距離に応じて熱流を分散させることが同時にでき、上記層の厚さを上から下へ徐々に減少させることによってこの分散を容易に予備調節することができる。
本発明の第２実施例では、熱流強度を低下させる手段が金属壁の内側表面に形成されたほぼ垂直方向に延びる溝から成る。この溝によって凝固膜が生じる領域でインゴット鋳型の壁によって形成される通路の内周縁に沿って鋳造金属が冷却壁の銅または銅合金と直接接触する点とこの溝に対応する熱流の抽出量が減少する点とを交互に配置することができる。本明細書の最初に記載した方法と違って、この溝の付いた装置を用いると、金属浴の自由表面の下側の一定距離の所、従ってスラグの非存在下で凝固を開始させることができるので、鋳造中にスラグがスリットに侵入してスリットを詰まらせることはあり得ないということは理解できよう。この構成の一つの実施例では、溝の少なくとも一部を金属壁を形成する金属に比べて伝導性の低い材料で充填する。
本発明の他の特徴および利点は、本発明の鋼連続鋳造インゴット鋳型およびその実施を示す以下の説明からより良く理解できよう。
添付図面を参照する：
図１は本発明の第１実施例を概念的に示すインゴット鋳型の上側部分の縦方向部分断面図。
図２はインゴット鋳型において鋳造中に抽出される熱流の変化を金属壁の上側端縁からの距離の関数で示すグラフ。
図３は本発明のインゴット鋳型の第２実施例の図１に対応する図。
図４は第２実施例のインゴット鋳型の図２に対応するグラフ。
図５は金属壁の上側部分に溝を形成した、第２実施例のインゴット鋳型の壁の上側部分の概念図。
図６は図５の金属壁の上側部分の拡大水平断面図。
図７は溝が伝導性の悪い金属によって充填されている図６と同様な図。
図８は抵抗発熱体を有するフレームの特に有利な設計図。
図９は図８の線IX-IXによるインゴット鋳型の縮小断面図。
図１に示すインゴット鋳型は管状体を形成し、公知のように内部循環水で冷却された金属壁１を有し、鋳造鋼２の垂直方向の通路を規定する金属壁１を有する。金属壁１の上側部分はその下側部分ろは独立した部材で作られるのが好ましい。この独立した部材は例えば環状部分３の形をしており、同じ銅または銅合金で作られ、水循環用導管４によって概念的に示されるそれ固有の冷却回路を備えている。
この環状部分３はその金属壁がこの壁の全高にわたって単一な部品で形成されている場合に、より容易且つ安価に取替えることができる。厚さが例えば１．５ｍｍの電解ニッケル層６が環状部分３の上側面５に塗布される。
断熱フレーム７は、絶縁性の高い断熱材料で作られた高さが例えば２００ｍｍの上側部分８と、上側部分８に比べて絶縁性は場合によっては劣るが強度が勝っている断熱材料、例えば、厚さが例えば２０ｍｍのSiAlONとよばれる材料で作られた下側部分９とを有している。この断熱フレーム７は高さが例えば４０ｍｍで、環状部分３の上側に配置される。
ニッケル層６とSiAlON9との間に形成された空間は高さの低い、例えば数1/10ｍｍの高さのスリット１０を形成する。こののスリット１０はインゴット鋳型の内周縁全体に沿ってインゴット鋳型の内側表面に開口し且つ図１に概念的に示した加圧不活性ガス源、例えばアルゴン源１１０に連通している。
インゴット鋳型への液体金属の供給は、断熱材料で作られたフレーム７の高さの所に開口したノズル１１、例えばフレーム７の上側部分８のほぼ半分の高さの位置に開口した横方向開口部１２を有する周知形式のノズル１１によって行うことができる。
鋳造時には、ノズル１１が取付けられたタンディッシュ（図示せず）に収容された溶融鋼がノズルおよびその開口部１２を通ってインゴット鋳型を充填する。液体金属の自由表面１３の高さはフレーム７の上側端縁と開口部１２との間に維持され、開口部１２は液体鋼浴２中に浸漬され、一般に、自由表面はスラグの層１３で覆われている。
図１からわかるように、鋼の固体外皮２１はニッケル層６の上側端縁の高さで生成を開始し、インゴット鋳型の金属壁によって生じる冷却のために底に向かって徐々に厚くなる。当然、この外皮は移動し、実際には鋳造物の抜き出しともに下方へ連続的に移動し、ニッケル層６と接触した液体金属の凝固によって連続的に更新される。
スリット１０から加圧アルゴンを供給することによって、インゴット鋳型の壁の内側表面に対してほぼ直角なガスジェット流が生じる。このガスジェット流がフレームの下側部分９と接触して生じ得る全ての初期凝固を剪断するので、外皮２１はニッケル層６の上側端縁１４の高さの位置で同一の水平面の内周縁部全体に沿って確実に凝固し始める。
図２は抽出される熱流Φの変化を端縁１４からの垂直方向距離ｄの関数で示している。実線の曲線２２は図１に示す本発明のインゴット鋳型を用いた場合に抽出される熱流を示し、破線の曲線２３は比較のためにニッケル層６が存在しない場合すなわち外皮２１が上側部分３の銅と直接接触して生成し始める場合に抽出される熱流を示している。
ニッケル層の厚さに対応する垂直方向の領域では抽出される熱流が減少し、この熱流の減少はニッケル層から下方へ数ｍｍにわたってさらに続くが、環状部分３全体によって抽出される熱流全体には大きく影響しないことが理解できよう。
図３はインゴット鋳型の第２実施例を示している。図１の部材に対応する部材には同じ参照番号を付けてある。この実施例では、追加のニッケル層１５は環状部分３の内側の横方向表面１６上に塗布され、この環状部分はニッケルの付着層のために予め切削加工され、この層１５が形成された後のこの層の内側表面１７はインゴット鋳型の下側部分の内側表面の延長線上とほぼ同一平面にある。ニッケル層１５の厚さは環状部分３の高さ方向に上から下へ徐々に減少するのが好ましい。
図４はこの第２実施例の図２と同様な図で、環状部分全体的によって抽出される熱流（曲線２４）がニッケル被覆の存在しない場合（曲線２３）に比べて大幅に減少することを示している。
図５は本発明の別の実施例のインゴット鋳型の上側部分の一部の概念的投影図であり、図６の拡大図からわかるように、垂直方向の溝３１が環状部分３の内側面３２に形成されている。この溝３１は例えば深さおよび幅を０．２ｍｍにし、間隔を１．５ｍｍにすることができる。
図７に示すように、この実施例では、溝３１を伝導性の低い金属、例えばニッケル付着物３３で充填することができる。この場合、溝は例えば幅を１ｍｍ、深さを０．５ｍｍにし、間隔を２ｍｍにすることができる。この溝内に形成されたニッケル付着物は鋳造鋼がこの溝の底に侵入するのを防ぐためのものである。この実施例で抽出される熱流の減少量は、伝導性の悪い金属で充填された溝が占める表面に比例する交換表面の減少によって得られる熱流と同じである。
設計を単純化するために、図５には不活性ガスの注入スリットは示されていないが、そのような注入装置をこのインゴット鋳型に優先的に用いることができることは明らかである。
本発明者が行った試験では、鋳造物の冶金学的観点から申し分のない結果が得られた。すなわち、５０％以上の凝固開始領域で抽出される熱流の減少が観察され、特に、陥没またはクラック型の表面欠陥がない鋳造物がこのような欠陥に特に弱いグレードの０．１％の炭素鋼で得られた。
上記実施例は単なる例であって本発明はこれに限定されるものではない。特に、ニッケル以外の伝導性の悪い金属を使用することができる。維持費を抑えるためにはインゴット鋳型の壁を形成する下側部分から独立した上側部分の高さで抽出される熱流を減少させるのが好ましいが、金属壁の上側端縁から一定高さだけの金属壁に上記の各実施例を直接用いることもできる。
さらに、フレームの底部におけるパージガスが、鋳造物凝固工程でフレームの断熱材料で作られた壁に望ましくない局部的凝固が生じるのを抑える「治療」手段である場合には、この手段にフレームを加熱する「予防」手段をさらに加えてその作用を完全にすることができる。
すなわち、本発明では、図８および図９の概念図で示すように、電気抵抗発熱体、例えば黒鉛リボン７１（PAPYER（登録商標）型またはSIGRAFLER（登録商標））の形の電気抵抗発熱体をフレーム７に組み込むことが有利である。この電気抵抗発熱体は破壊せずに曲げられるので鋳造金属２の通路の周りに巻き付けることができる（図９参照）。この発熱リボン２１はフレームの断熱材料の内部に成形するか、好ましくは、フレーム内に形成された環状溝（７２）の内部に配置することができる。この場合、フレームは例えば互いに上下に重ねられた２つの部分７３、７４で作られる。パージガスとして不活性ガス、例えばアルゴンを選択すれば、黒鉛発熱抵抗体の酸化の問題は起こらない。
【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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【図９】
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