(57)【要約】  【課題】連続鋳造製品における介在物の低減とストッパ・スパウト流量制御を両立させることができる連続鋳造装置を提供する。  【解決手段】ストッパ２は断面円形状とされ、トラフ６における溶湯流動方向に沿ってストッパ２のストッパ２軸芯部を通る位置を貫通する貫通孔１１が設けられ、それにより溶湯流を貫通孔１１を通過させて流動させ、直径２ｒのストッパ２の下流側の前記領域αにおいて、溶湯流動方向に沿って、溶湯流動方向と平行な方向の流れを強制的につくることで、有害な渦の発生を抑制し、溶湯表面の酸化皮膜の巻き込みを防止する。  【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
取鍋あるいは、溶解炉もしくは保持炉からの溶湯が供給されるトラフと、そのトラフと鋳型間に配設される溶湯注入孔を有するスパウトと、溶湯注入孔の開口に着脱して閉塞・開放する過程でスパウト通過溶湯量の調整を行うストッパとを有し、前記トラフにおける溶湯流動方向に沿って前記ストッパの軸芯位置を通る貫通孔を前記ストッパに具備したことを特徴とする連続鋳造装置。
【請求項２】
取鍋あるいは、溶解炉もしくは保持炉からの溶湯をトラフに供給し、トラフと鋳型間に配設されるスパウトの溶湯注入孔の開口にストッパを着脱して前記開口を閉塞・開放する過程でスパウト通過溶湯量の調整を行う連続鋳造方法において、前記トラフにおける溶湯流動方向に沿って前記ストッパの軸芯位置を通る貫通孔を前記ストッパに設けることを特徴とする連続鋳造方法。
【請求項３】
前記貫通孔の幅は５ｍｍ以上である請求項２に記載の連続鋳造方法。
【請求項４】
前記貫通孔の下端がトラフ底面から５０〜１００ｍｍ、上端がトラフ底面から２００ｍｍ以上である請求項２又は請求項３に記載の連続鋳造方法。
【請求項５】
前記溶融金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項２〜請求項４のいずれか一に記載の連続鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非鉄金属、特にアルミニウムの連続鋳造における湯面制御、特にトラフから鋳型に注湯する際のストッパ・フロート制御をおこなう連続鋳造装置及び連続鋳造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車や家電用薄板材に用いられるアルミニウム板材若しくはアルミニウム合金板の鋳造法として、溶解炉もしくは保持炉に注入された溶湯を、トラフを経て、ダミーバーによって下部まで連続的に引き抜く連続鋳造装置を用いた連続鋳造が行われている。
【０００３】
この連続鋳造において鋳塊の下降に伴ってトラフから鋳型に溶湯を導入する際の流量制御の方法として、図１６に示す様にスパウト１００・フロート１０１による制御方法（図１６（ａ））とともに、ストッパ１０２・フロート１０３による制御方法（図１６（ｂ））がある（軽金属基礎技術講座第五版（軽金属学会：２００６年８月発行 アルミニウムの連続鋳造  図１２掲示）。
【０００４】
ストッパ１０２・フロート１０３による制御方法にはフロート部に注湯された溶湯がフロート部でもまれる際に酸化物を巻き込みやすいという品質上の問題があり、その対策として注湯速度／あるいは注湯量を小さくする必要があった。このため、大型のスラブを製造する際にはストッパ１０２・フロート１０３による制御方法が主に使用されている。
【０００５】
ストッパ１０２・フロート１０３による制御方法ではトラフ１０４に所定の深さの溶湯が溜まった状態で、円柱状に加工されたストッパ１０２による開度調整を行って溶湯量制御が行なわれる。
しかし、所定の深さの溶湯が溜まった状態でもトラフ１０４内の溶湯は流動しており、このためストッパ１０２の下流側の溶湯には、流動する液体の流れが円柱状の物体にさえぎられる際に、下流側に発生するカルマン渦が発生し、そのカルマン渦が溶湯表面の酸化物を巻き込むことがあった。巻き込まれた酸化物は鋳塊内部に点在し、最終製品における介在物となって、製品特性を劣化させる原因となっていた。
【０００６】
このとき巻き込まれる酸化物はフィルム状であり、そのサイズはカルマン渦のサイズとほぼ同じく、５〜２０ｍｍである。また巻き込まれる介在物は溶湯中に浮遊しているものであって、そのサイズは概ね１０μｍ〜１０００μｍである。
【０００７】
このカルマン渦は、通常、湯面深さが小さい場合に流動方向の下流側に顕著に発生し、そのカルマン渦がスパウトに到達する場合に溶湯表面の酸化皮膜が介在物として巻き込まれる。したがって、この対策としては湯面深さを所定量維持することによってカルマン渦の発生とこれに起因する酸化皮膜の巻き込みを防止することが必要となる。
【０００８】
しかし、定常状態における湯面深さを所定量維持することは容易にできても、非定常状態（スタート時や終了時）における湯面深さを所定深さに維持することは、作業者が常時監視する状態で操業する態勢をとる必要もあり、作業者の負荷が大きかった。
【０００９】
特許文献１にはトラフの底面に形成した溶湯の流出口を上下動により開閉するストッパ本体を回転自在に支持するとともに下流部に攪拌羽根を取り付け、該ストッパ本体の回転により溶湯にストッパ本体に沿う上昇流を生じさせ、タンディシュ湯面高さが下がった場合でもロングストッパ周辺の上昇流によりダンディシュ湯面の介在物がノズルに吸引されることを防止できる連続鋳造用ロングストッパが開示された。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−１１５６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１の対策は溶湯を敢えて攪拌するものであり、そのための連続鋳造装置の複雑化とコスト増は避けられず、また攪拌により動的エネルギを溶湯に加えることにより溶湯の活性を徒に高めてしまうという問題がある。
そこでストッパを一体型の流線形にすることによって円柱状の物体にさえぎられる際に、下流側に発生するカルマン渦を防止する手段も考えられる。しかし、ストッパの形状を流線形に加工するには費用がかかり、またハンドリングの上でも破損しやすいなどの欠点がある。
【００１２】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑み、連続鋳造製品における介在物の低減とストッパ・スパウト流量制御を両立させることができる連続鋳造装置及び連続鋳造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の発明者らは、円柱型のストッパの、トラフにおける溶湯流動方向の下流側に生じるカルマン渦の発生箇所や巻き込み状況を詳細に検討し、少なくともトラフにおける溶湯流動方向の下流側に、溶湯の流動方向と平行な方向の溶湯流を形成させることで、カルマン渦の発生を抑制できるとともに、溶湯表面の酸化皮膜や溶湯内に浮遊している各種非金属介在物の巻き込みを抑制できることを明らかにした。
【００１４】
すなわち本発明の連続鋳造装置は、取鍋あるいは、溶解炉もしくは保持炉からの溶湯が供給されるトラフと、そのトラフと鋳型間に配設される溶湯注入孔を有するスパウトと、溶湯注入孔の開口に着脱して閉塞・開放してスパウト通過溶湯量の調整を行うストッパとを有し、トラフにおける溶湯流動方向に沿って前記ストッパの軸芯位置を通る貫通孔を前記ストッパに具備したことを特徴とする。
【００１５】
また本発明の連続鋳造方法は、取鍋あるいは、溶解炉もしくは保持炉からの溶湯をトラフに供給し、トラフと鋳型間に配設されるスパウトの溶湯注入孔にストッパを着脱してスパウト通過溶湯量の調整を行う連続鋳造方法において、トラフにおける溶湯流動方向に沿って前記ストッパの軸芯位置を通る貫通孔を前記ストッパに設けることを特徴とする。
【００１６】
前記貫通孔の幅は５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１７】
前記貫通孔の下端がトラフ底面から５０〜１００ｍｍ、上端がトラフ底面から２００ｍｍ以上であるのが望ましい。
【００１８】
前記溶融金属をアルミニウムまたはアルミニウム合金としてもよい。
【００１９】
［作用］
図１に示される様に、流体流れ１中の流体流れに垂直方向のストッパ２後方におけるカルマン渦３の発生をきっかけとしてスパウト１０内に流れ込む高速の溶湯による負圧効果と相俟ってカルマン渦糸４が発生し、トラフ湯面１ａに存在する溶湯酸化膜や介在物をスパウト１０内に引き込み最終的製品に介在物が混入される。
【００２０】
発明者らの検討した結果によれば、溶湯面の酸化被膜や溶湯内に浮遊している各種非金属介在物を巻き込むような有害なカルマン渦３の発生箇所は溶湯流速、湯面高さやストッパ２の直径に依存し、図２に示す領域αで最も顕著であり、この領域αは、ストッパ２直径が２ｒである時に、ストッパ２下流側で、以下（ｉ）（ｉｉ）式で定義される領域であった。
（ｉ）ストッパ２中心からの溶湯流れ方向への距離Ｌ
ｒ＜Ｌ≦２ｒ
（ｉｉ）ストッパ２中心からの溶湯流れ方向と垂直方向への距離ｗ
−０．５ｒ≦ｗ≦０．５ｒ
【００２１】
本発明の連続鋳造装置及び連続鋳造方法によればストッパの軸芯部を通る位置を貫通するように具備した貫通孔によって、ストッパの下流側に溶湯流の適切な流れを形成することができ、渦が発生しても溶湯面の酸化皮膜を巻き込むような有害な渦には至らず、カルマン渦がスパウトに到達して溶湯表面の酸化皮膜が介在物として巻き込まれることを防止することができる。
したがって本発明の連続鋳造装置及び連続鋳造方法によれば湯面深さを所定深さにすることで介在物の巻き込みが抑制される定常状態だけでなく、湯面深さが小さい場合に流動方向の下流側にカルマン渦が顕著に発生する湯面深さが１５０ｍｍを下回る鋳造スタート時や終了時などの非定常状態においても、カルマン渦がスパウトに到達して溶湯表面の酸化皮膜が介在物として巻き込まれることを防止することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の連続鋳造装置及び連続鋳造方法によれば、酸化皮膜の巻き込みを抑制できるため、鋳塊品質が向上するとともに、加工後の製品品質も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明の連続鋳造装置を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
図３に示す様に本発明の連続鋳造装置５では、溶湯は、まず図示しない取鍋あるいは、溶解炉もしくは保持炉からトラフ６に供給される。
【００２４】
次いでトラフ６出口部分でトラフ６のすぐ下部にある水冷された鋳型７に接触した溶湯は急冷凝固し、凝固した鋳片８の先端が図示しないダミーバーで引き抜かれ、ダミーバーで引き抜かれた鋳片８は、鋳型７を経て凝固しながら連続的に引き抜かれる。トラフ６と鋳型７間には注入孔９を有するスパウト１０が配設され、ストッパ２によってスパウト１０通過溶湯量の調整が行われる。
【００２５】
係る本実施の形態の連続鋳造装置５では、ストッパ２は断面円形状とされ、トラフ６における溶湯流動方向に沿ってストッパ２のストッパ２軸芯部を通る位置を貫通する貫通孔１１が設けられ、それにより溶湯流を貫通孔１１を通過させて流動させ、直径２ｒのストッパ２の下流側の前記領域αにおいて、溶湯流動方向に沿って、溶湯流動方向と平行な方向の流れを強制的につくることで、有害な渦の発生を抑制し、溶湯表面の酸化皮膜の巻き込みを防止する。
【００２６】
貫通孔１１の大きさが小さい場合には、貫通孔１１における酸化皮膜の付着や閉塞により酸化皮膜を巻き込みやすくなることと、貫通孔１１通過時の圧力損失が大きくなって溶湯流速が小さくなり、渦の解消に至らないことから、貫通孔１１の幅は好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは１０ｍｍ以上、さらに好ましくは１５ｍｍ以上が良い。一方、貫通孔１１が大きすぎるとストッパ２の実体強度が小さくなり、ハンドリング時に破損しやすくなるので、貫通孔１１の幅はストッパ２直径に対して５０％以下が、より好ましくは４０％以下が良い。
【００２７】
貫通孔１１の形状としては特に制限はないが、円形ドリルにて溶湯深さ方向に連続的に貫通孔１１を開け、その後内面を四角形や楕円形に加工しても良い。
【００２８】
図４は貫通孔１１の適正な位置を示し、貫通孔１１ａはその下端とトラフ６の底面６ａとの間に５０ｍｍの間隔が設けられる態様を示し、貫通孔１１ｂはその下端とトラフ６の底面６ａとの間に５０〜２００ｍｍの間の値の間隔が設けられる態様を示し、貫通孔１１ｃはその下端とトラフ６の底面６ａとの間に２００ｍｍの間隔が設けられる態様を示す。
【００２９】
湯面高さが十分に高くない場合には、貫通孔１１はトラフ６内における湯面位置に相応する高さ位置まで達して設けられてあることが必要である。しかし、トラフ６の底面６ａから２００ｍｍを越える位置については、十分に湯面高さが高く酸化被膜や介在物の巻き込みを生じることはない。したがって、図４にも示すようにストッパ２における貫通孔１１は必ずしも湯面位置に相応する高さ位置まで達している必要はない。また、ストッパ２先端部に近い位置に達して貫通孔１１が設けられている場合には貫通孔１１を通して酸化被膜や介在物を巻き込みやすくなり逆効果になる。
【００３０】
以上のことから貫通孔１１の位置は、トラフ６の底面６ａから測った高さ位置として５０〜２００ｍｍの範囲に位置することが好ましく、より好ましくは１００〜２００ｍｍの範囲に位置することが良い。
また、ストッパ２軸芯から離れた位置に貫通孔１１を設けた場合には、ストッパ２下流側での流れの不均一を生じてしまい、所望の効果が得られない。
【００３１】
また鋳造の対象となる溶融金属としてはアルミニウムまたはアルミニウム合金とすることが特に好適であるが、鉄鋼など他の金属や合金としてもよい。
【００３２】
図５は本発明の一実施の形態の連続鋳造装置におけるストッパ２が有する貫通孔１１の態様を模式的に示す。
この実施の形態ではストッパ２が有する貫通孔１１はストッパ２側面から視認した形状を四角形とし、ストッパ２における貫通孔１１の貫通位置は、トラフ６内の溶湯流に沿ってストッパ２の軸心を通過する位置とされる。
【００３３】
図６は本発明の他の実施の形態の連続鋳造装置におけるストッパ２が有する貫通孔１１の態様を示す。
この実施の形態ではストッパ２が有する貫通孔１１はストッパ２側面から視認した形状を真円形とし、ストッパ２における貫通孔１１の貫通位置は、トラフ６内の溶湯流に沿ってストッパ２の軸心を通過する位置とされる。
【００３４】
図７は本発明のさらに他の実施の形態の連続鋳造装置におけるストッパ２が有する貫通孔１１の態様を示す。
この実施の形態ではストッパ２が有する貫通孔１１はストッパ２側面から視認した形状を楕円形とし、ストッパ２における貫通孔１１の貫通位置は、トラフ６内の溶湯流に沿ってストッパ２の軸心を通過する位置とされる。
【００３５】
図８は本発明の別の実施の形態の連続鋳造装置におけるストッパ２が有する貫通孔１１の態様を示す。
この実施の形態ではストッパ２が有する貫通孔１１はストッパ２側面から視認した形状を略菱形とし、ストッパ２における貫通孔１１の貫通位置は、トラフ６内の溶湯流に沿ってストッパ２の軸心を通過する位置とされる。
【００３６】
図９は本発明のさらに別の実施の形態の連続鋳造装置におけるストッパ２が有する貫通孔１１の態様を示す。
この実施の形態ではストッパ２が有する貫通孔１１はストッパ２側面から視認した形状を台形とし、ストッパ２における貫通孔１１の貫通位置は、トラフ６内の溶湯流に沿ってストッパ２の軸心を通過する位置とされる。
【００３７】
図１０は本発明のさらに別の実施の形態の連続鋳造装置におけるストッパ２が有する貫通孔１１の態様を示す。
この実施の形態ではストッパ２は縦列した一対の貫通孔１１を有し、各貫通孔１１のストッパ２側面から視認した形状は円形とされ、ストッパ２における各貫通孔１１の貫通位置は、トラフ６内の溶湯流に沿ってストッパ２の軸心を通過する位置とされる。
【００３８】
図１１には本発明のさらに他の実施の形態の連続鋳造装置を示す。
上述の各実施の形態ではスパウト１０の入口における流量制御の場合であったのに対し、この実施の形態では、スパウト１０の出口における流量制御の場合のストッパ２下流側におけるストッパ２が有する貫通孔１１の態様を示す。
この実施の形態でも前述の各実施の形態と同様にトラフ６内におけるストッパ２軸芯部を通る位置を貫通する貫通孔１１をストッパ２下流側におけるカルマン渦の発生箇所に対応する適正な位置に配置することで、ストッパ２の周囲では、カルマン渦流（カルマン流）の発生が抑制され、トラフ６の湯面に存在する溶湯酸化膜や介在物がスパウト１０内に引き込まれることが防止される共に適正なストッパ２・スパウト流量制御が行われる。
【００３９】
実施例
図５に示す本発明の実施の形態の連続鋳造装置を用いて、本発明の連続鋳造方法の実施例として５１８２合金の鋳塊（４００ｍｍ厚×１６００ｍｍ幅）を連続鋳造機で鋳造した。  このときトラフ６内における湯面深さは１３０ｍｍとした。鋳造した後に、底部３００ｍｍ、頭部２００ｍｍを切断し、その後長辺側表面を片側１０ｍｍ面削し、ソーキングをした後に、熱間圧延後冷間圧延を行って、１．６ｍｍ厚の板とした。そのコイルの板からサンプル３０ｃｍ×３０ｃｍを切り出し、水蒸気雰囲気で４５０℃×１Ｈの加熱を行ってふくれ欠陥の個数を調査した。
また、他の条件は実施例と同一として、以下に示す各比較例の連続鋳造方法を行い、実施例と同様にして、欠陥の個数を調査した。以上の実施例及び比較例の調査結果を表１に示す。
【００４０】
図１２は比較例１を示しストッパ２に貫通孔１１を形成することなく鋳造した。
図１３は比較例２を示し円形のストッパ２が有する貫通孔１１を四角形で幅３ｍｍ、トラフ底面から測った貫通孔１１位置の下端〜上端を１００〜２００（ｍｍ）として鋳造を行った。
図１４は比較例３を示し円形のストッパ２が有する貫通孔１１を四角形で幅２０ｍｍ、トラフ底面から測った貫通孔１１位置の下端〜上端を２０〜５０（ｍｍ）として鋳造を行った。
図１５は比較例４を示し円形のストッパ２が有する貫通孔１１を四角形で幅２０ｍｍ、トラフ底面から測った貫通孔１１位置の下端〜上端を１００〜２００（ｍｍ）とし、係る貫通孔１１を溶湯流に沿ってストッパ２の軸心から外れ対置に設けて鋳造を行った。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
表１に示される様に実施例１〜実施例３では介在物個数（ふくれ欠陥個数／９００ｃｍ２）が０であり、実施例４でも介在物個数が２であるのに対し、何れの比較例も介在物個数（ふくれ欠陥個数／９００ｃｍ２）が２０程度に達し、最も低い比較例２でも介在物個数は１１に達しており、本発明の連続鋳造方法によれば酸化皮膜の巻き込みを抑制でき、鋳塊品質向上に格段に優れることが認められる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（ａ）水モデル実験で観察されたストッパ２周辺のカルマン流を示す説明図。（ｂ）カルマン流から成長したカルマン渦糸を示す説明図である。
【図２】溶湯面の酸化被膜や溶湯内に浮遊している各種非金属介在物を巻き込むような有害なカルマン渦の発生領域を示す説明図。
【図３】本発明の実施の形態にかかる連続鋳造装置の模式図である。
【図４】本発明の連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図５】本発明の他の実施の形態にかかる連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図６】本発明のさらに他の実施の形態にかかる連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図７】本発明のさらに他の実施の形態にかかる連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図８】本発明のさらに他の実施の形態にかかる連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図９】本発明のさらに他の実施の形態にかかる連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施の形態にかかる連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施の形態にかかる連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図１２】本発明の比較例として行った連続鋳造に用いた連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図１３】本発明の他の比較例として行った連続鋳造に用いた連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図１４】本発明のさらに他の比較例として行った連続鋳造に用いた連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図１５】本発明のまた別の比較例として行った連続鋳造に用いた連続鋳造装置の部分拡大模式図である。
【図１６】一般的な連続鋳造装置を用いた連続鋳造における溶湯の流量制御方式に関し、（ａ）はスパウト・フロートによる制御方式、（ｂ）はストッパ・フロートによる制御方式を示す。
【符号の説明】
【００４４】
２・・・ストッパ、６・・・トラフ、１０・・・スパウト、９・・・注入孔、１１・・・貫通孔。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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