(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】トラフ６内におけるストッパ２下流側におけるカルマン渦の発生箇所に、適正な大きさのカバー冶具１１を、適正な位置に配置することで、カルマン渦が発生しても溶湯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を巻き込むような有害なカルマン渦には至らない。その結果、高速の溶湯が流れ込む込むことによる負圧効果によってトラフ６湯面に存在する溶湯酸化膜や介在物がスパウト１０内に引き込まれて最終製品に介在物が混入されることが防止される。  【選択図】図１
2009090322.tif 000002
【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制御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少なくとも下流側溶融金属表面を被覆するカバー冶具を配置したことを特徴とする連続鋳造装置。
【請求項２】
前記カバー冶具を、以下（ｉ）（ｉｉ）式で定義される領域を被覆するように配置する請求項１に記載の連続鋳造装置。
（ｉ）直径２ｒのストッパの中心からの溶湯流れ方向の距離Ｌ
ｒ＜Ｌ≦２ｒ
（ｉｉ）直径２ｒのストッパの中心からの溶湯流れ方向と垂直方向の距離ｗ
−０．５ｒ≦ｗ≦０．５ｒ（但し、ストッパの中心を０とし、一の方向を正とし、反対方向を負とした場合）
【請求項３】
前記カバー冶具は溶融金属と反応しない材質を用いて作製される請求項１又は請求項２に記載の連続鋳造装置。
【請求項４】
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１〜請求項３のいずれか一に記載の連続鋳造装置。
【請求項５】
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制御を行い、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少なくとも下流側溶融金属表面をカバー冶具によって被覆することを特徴とする連続鋳造方法。
【請求項６】
前記カバー冶具を、以下（ｉ）（ｉｉ）式で定義される領域を被覆するように配置する請求項５に記載の連続鋳造方法。
（ｉ）直径２ｒのストッパの中心からの溶湯流れ方向の距離Ｌ
ｒ＜Ｌ≦２ｒ
（ｉｉ）直径２ｒのストッパの中心からの溶湯流れ方向と垂直方向の距離ｗ
−０．５ｒ≦ｗ≦０．５ｒ（但し、ストッパの中心を０とし、一の方向を正とし、反対方向を負とした場合）
【請求項７】
前記カバー冶具は溶融金属と反応しない材質を用いて作製される請求項５又は請求項６に記載の連続鋳造方法。
【請求項８】
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５〜請求項７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、取鍋あるいは、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１７に示す様にスパウト１００・フロート１０１による制御方法（図１７（ａ））とともに、ストッパ１０２・フロート１０３による制御方法（図１７（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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
【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】
【００１０】
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、また攪拌による動的エネルギを溶湯に加えることによる悪影響が予想される。
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。
【００１１】
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】
【００１２】
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、溶湯表面を被覆するカバー冶具を設けることで、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。
【００１３】
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制御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ストッパの少なくとも下流側溶融金属表面を被覆するカバー冶具を配置したことを特徴とする。
【００１４】
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制御を行い、トラフにおける溶湯流動方向に沿ってストッパの少なくとも下流側溶融金属表面をカバー冶具によって被覆することを特徴とする。
【００１５】
前記カバー冶具を、以下（ｉ）（ｉｉ）式で定義される領域を被覆するように配置することが好ましい。
（ｉ）直径２ｒのストッパの中心からの溶湯流れ方向の距離Ｌ
ｒ＜Ｌ≦２ｒ
（ｉｉ）直径２ｒのストッパの中心からの溶湯流れ方向と垂直方向の距離ｗ
−０．５ｒ≦ｗ≦０．５ｒ（但し、ストッパの中心を０とし、一の方向を正とし、反対方向を負とした場合）
【００１６】
前記カバー冶具は溶融金属と反応しない材質を用いて作製されるのが望ましい。
【００１７】
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。
【００１８】
［作用］
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少なくとも下流側溶融金属表面を被覆するカバー冶具を配置したことによって、湯面深さを所定深さ以上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、トラフ上の湯面からスパウト流入口まで到達するカルマン渦の発生を抑制でき、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】
【００１９】
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】
【００２０】
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１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。
【００２１】
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通過溶湯量の制御が行われる。
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の下流側溶融金属表面を被覆する様にカバー冶具１１が配置される。
【００２２】
図２に示される様に、流体流れ１中の流体流れに垂直方向の円柱状ストッパ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。
【００２３】
このカルマン渦３の発生箇所は、溶湯流速、湯面高さや円柱状ストッパの直径に依存する。発明者らの検討した結果、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の発生箇所はストッパ２直径に比例しており、ストッパ２直径に対応した特定の領域の溶湯表面をカバー冶具１１で被覆することで、上記酸化被膜や非金属介在物の巻き込みを防止できる。
【００２４】
この有害領域は、図３に示す領域αで最も顕著であり、この領域αは、ストッパ直径が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
【００２５】
また図３に示す領域βで発生したカルマン渦によっても、ごくまれに酸化皮膜の巻き込みが発生する。この領域βは、ストッパ直径が２ｒである時に、ストッパ２下流側で、以下（ｉｉｉ）（ｉｖ）式で定義される領域である。
（ｉｉｉ）ストッパ２中心からの溶湯流れ方向への距離Ｌ
ｒ＜Ｌ＜３ｒ
（ｉｖ）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
−ｒ≦ｗ≦ｒ
【００２６】
以上の検討から本発明の連続鋳造装置及び連続鋳造方法に用いられるストッパ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直径２ｒのストッパ２の少なくとも下流側溶融金属表面を被覆する様にカバー冶具１１が配置される。このカバー冶具１１は前記領域αを被覆するように配置される。
【００２７】
カバー冶具１１の固定方法については、例えば図４に示す態様を採用することができる。  図４に示す態様にあっては、トラフ６のストッパ２下流側に、三角形あるいはＵ字型の係止凹部１２を有する長尺状鉄板１３を係止凹部１２が上流側に向けて開口する様に配置する。一方、カバー冶具１１にはその上面中央部に丸棒１４を直立させて取り付け、長尺状鉄板１３の係止凹部１２の開口の上流側からその係止凹部１２にカバー冶具１１の丸棒１４が挿入される様にカバー冶具１１を配置する。
これ以外にも、三角形あるいはＵ字型の係止凹部１２を有する図示しない防塵用トラフカバーをトラフ６に配置し、カバー冶具中央部に取り付けた丸棒１４を、その、三角形あるいはＵ字型の係止凹部１２に入るように配置することもできる。
【００２８】
カバー冶具１１の形状としては溶湯流動方向に流れる形状の流線形が最も好ましい。しかし、加工のしやすさやハンドリングを考慮して、擬流線形、円形、四角形としても差し支えない。また、カバー冶具１１に予めストッパ２を装入できる円形孔を貫通させ、ストッパ２をはめ込んで、ストッパ２周囲を被覆する形状とすることもできる。
【００２９】
カバー冶具１１の材質は、溶湯と反応したり溶湯温度で変質したりせずかつ溶湯表面に浮くことができればよいので、溶湯密度よりも軽いことが好ましく、例えば溶融金属と反応しない市販の耐火物が使用できる。
また中央部を凹型にした舟形形状であって溶湯密度よりも重い材質の耐火物を使用することもできる。
係るカバー冶具１１の材質としては、具体的にはアルミニウム溶湯に対しては珪酸カルシウム性耐火物、ＳｉＣ系耐火物、窒化珪素系耐火物、アルミナ系耐火物、ＳｉＯ２系耐火物、黒鉛などが使用でき、その他、溶湯の種類に応じて適宜の材質を選択して使い分けることができる。
【００３０】
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できる。
【００３１】
以上の様にトラフ６内におけるストッパ２下流側におけるカルマン渦の発生箇所に、適正な大きさのカバー冶具１１を、適正な位置に配置することで、カルマン渦が発生しても溶湯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を巻き込むような有害なカルマン渦には至らない。
【００３２】
その結果、高速の溶湯が流れ込む込むことによる負圧効果によってトラフ６湯面に存在する溶湯酸化膜や介在物をスパウト１０内に引き込み最終製品に介在物が混入されることが防止される。
【００３３】
図５は本発明の一実施の形態の連続鋳造装置におけるカバー冶具１１の設置の態様を模式的に示す。
この実施の形態ではカバー冶具１１は上面から視認した形状を円形とし、ストッパ２を基準とした配置位置がストッパ２の溶湯流における下流側とされる。またストッパ２下流側における湯面被覆領域の面積が前記領域αを１として１．７程度とされる。
【００３４】
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カバー冶具１１の設置の態様を示す。
この実施の形態ではカバー冶具１１は上面から視認した形状を四角形とし、ストッパ２を基準とした配置位置がストッパ２の溶湯流における下流側とされる。またストッパ２下流側における湯面被覆領域の面積が前記領域αを１として１．２程度とされる。
【００３５】
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カバー冶具１１の設置の態様を示す。
この実施の形態ではカバー冶具１１は上面から視認した形状を擬流線形とし、ストッパ２を基準とした配置位置がストッパ２の溶湯流における下流側とされる。またストッパ２下流側における湯面被覆領域の面積が前記領域αを１として２．５程度とされる。
【００３６】
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カバー冶具１１の設置の態様を示す。
この実施の形態ではカバー冶具１１は上面から視認した形状を円形とし、ストッパ２を基準とした配置位置がストッパ２の周囲とされる。またストッパ２下流側における湯面被覆領域の面積が前記領域αを１として５を越えるものとされる。
【００３７】
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カバー冶具１１の設置の態様を示す。
この実施の形態ではカバー冶具１１は上面から視認した形状を楕円形とし、ストッパ２を基準とした配置位置がストッパ２の周囲とされる。またストッパ２下流側における湯面被覆領域の面積が前記領域αを１として５を越えるものとされる。
【００３８】
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カバー冶具１１の設置の態様を示す。
この実施の形態ではカバー冶具１１は上面から視認した形状を菱形とし、ストッパ２を基準とした配置位置がストッパ２の周囲とされる。またストッパ２下流側における湯面被覆領域の面積が前記領域αを１として５を越えるものとされる。
【００３９】
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下流側におけるカバー冶具１１の設置の態様を示す。
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下流側におけるカルマン渦の発生箇所に、適正な大きさのカバー冶具１１を、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・スパウト流量制御が行われる。
【００４０】
実施例
図３〜図１０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。ストッパ（直径５０ｍｍφ）の下流側に配置したトラフ防塵カバーにＵ字溝を開け、溶湯表面カバー冶具１１をそのＵ字溝に装入して、位置を固定した。
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。
【００４１】
図１２は比較例１を示しカバー冶具１１を用いることなく鋳造した。
図１３は比較例２を示し円形のカバー冶具１１をストッパ２の下流側であって、前記領域αを外れた位置に配置して鋳造を行った。
図１４は比較例３を示し円形のカバー冶具１１をストッパ２の下流側に湯面被覆領域の面積が前記領域αを１として０．２程度となるものとして鋳造を行った。
図１５は比較例４を示し三角形のカバー冶具１１をストッパ２の下流側に湯面被覆領域の面積が前記領域αを１として０．３５程度となるものとして鋳造を行った。
図１６は比較例５を示し円形のカバー冶具１１をストッパ２の周囲に湯面被覆領域の面積が前記領域αを１として０．２程度となるものとして鋳造を行った。
【００４２】
【表１】
2009090322.tif 000003
【００４３】
表１に示される様に各実施例では介在物個数（ふくれ欠陥個数／９００ｃｍ２）が０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前後であり、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】
【００４４】
【図１】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２】（ａ）水モデル実験で観察されたストッパ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３】本発明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４】本発明の実施の形態にかかる連続鋳造装置の他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】本発明のさらに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１７】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】
【００４５】
２・・・ストッパ、６・・・トラフ、１０・・・スパウト、９・・・注入孔、１１・・・カバー冶具。
【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】
2009090322.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2009090322.tif 000017
【図１５】
2009090322.tif 000018
【図１６】
2009090322.tif 000019
【図１７】
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