(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯を、一次モールドに通し、次いで、鋳片を押し付けるように可動する二次モールドに通す間に冷却し、二次モールドから排出する鋳片を所定の引き抜きストロークで断続的に引き抜く亜共晶鋳鉄の水平連続鋳造方法において、前記一次モールドの内壁の長さを１００〜１８０ｍｍとし、前記引き抜きストロークを５〜１０ｍｍとすることを特徴とする水平連続鋳造方法。
【請求項２】
前記一次モールドの内壁を構成する材質の主成分が黒鉛であり、前記二次モールドの内壁を構成する材質の主成分がＣｕ合金であることを特徴とする請求項１に記載の水平連続鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属すなわち溶湯を連続的に冷却し、凝固した鋳片を水平に引き抜いていく水平連続鋳造方法に係り、とりわけ亜共晶鋳鉄を対象とした場合に有効な水平連続鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
連続鋳造は、均一かつ高い品質の金属材料を低コストで大量に製造する方法として広く普及しており、その方法としては、鋳片を下方に引き抜く縦型と、鋳片を水平に引き抜く水平型とに分けられ、設備コストが安価などの面から、水平型が多用されている。水平型の連続鋳造は、一般に、タンディッシュに貯留させた溶湯を水平に設置されたモールド内に供給しながら冷却することにより、モールド内で少なくとも外周部が凝固した鋳片を形成し、モールドから排出する鋳片を引き抜き装置で連続的に水平に引き抜くことによって行われる。
【０００３】
水平連続鋳造に用いられる上記モールドは、円筒状や角筒状であって、その外周に冷却ジャケットが設けられており、連続的に内部に供給される溶湯を冷却して外周部に凝固シェルを成長させるとともに、その凝固シェルの生成位置すなわち溶湯の凝固開始位置を安定化させるよう機能する。このモールドの材質は、通常、鋳造物が鋳鉄の場合と鋼の場合では、以下の理由で異なっている。
【０００４】
鋳鉄は、比較的靱性が低いことから、鋳片とモールドの内壁面との間の摩擦が高いと表面欠陥の一つである割れが発生しやすくなり、ブレークアウトあるいは鋳片の破断につながるため、潤滑性が良好な黒鉛が用いられている。なお、ブレークアウトとは、モールドから出た鋳片の表面に割れが生じ、その割れが拡大して内部の未凝固部に至って溶湯が漏れたり噴出したりする不具合であり、破断とは、鋳片が内部まで完全に凝固した状態で引きちぎれた場合を指す。ブレークアウトや破断が起こると、鋳片の引き抜きを中止せざるを得なくなる。鋳鉄は凝固収縮が比較的少ない特性を有しており、このため、凝固収縮によってモールドとの間に隙間が生じにくく、黒鉛製のモールドの長さを稼ぐことによって冷却による凝固シェルの効率的な成長が図られている。また、鋳鉄の連続鋳造では、モールドを出た直後の部分に空気やミスト状の水を当てる二次冷却を施して凝固シェルの成長を図る場合もある。
【０００５】
一方、鋼の場合は、黒鉛製のモールドでは溶損が生じやすく、溶損が生じると鋳片の表面性状が悪くなったり、溶損したモールドのＣ（炭素）が鋼の中に溶け込んで鋳片のＣ量が増加してしまったりするので、Ｃｕ合金製のモールドが用いられている。鋼は凝固収縮が比較的大きいため、モールドとの間に隙間が生じやすく、特に水平連続鋳造では、重力の影響により隙間がモールド上面側に集中して発生する。この隙間の発生は、モールドに接触することによって冷却される鋳片の冷却性を著しく低下させる。そこで、固定的な一次モールドに溶湯を供給して凝固シェルを成長させ、次いで径方向に可動する二次モールドに鋳片を通し、この二次モールドで鋳片を押し付けて隙間を無くす方策が提案されている。この二次モールドは、例えば実開平５−９３６４１号公報等により周知である。このような一次モールドと二次モールドの組み合わせによる水平連続鋳造では、一次モールドの長さは、２００ｍｍ以上であった。また、鋳片の引き抜きは、一般に４０〜５０ｍｍを１ストロークとして断続的に行っている。
【０００６】
なお、断続的に鋳片を引き抜く理由は、次の通りである。モールドにはタンディッシュ側から引き抜き方向に向かってしだいに温度が低くなる温度勾配がついており、鋳片を連続的に引き抜くと、溶湯の温度はモールドの温度勾配にしたがって凝固開始温度を通過するが、その場合には温度むらなどによって凝固界面に乱れが生じやすい。一方、鋳片を断続的に引き抜いた場合には、溶湯の温度はモールドの温度勾配以上の冷却速度で凝固開始温度を通過して一気に凝固する。このため、凝固界面が安定して形成され、健全な鋳片を鋳造することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年ではヤング率や強度の高い快削鋳鉄として、あるいは半溶融成形用素材として、亜共晶鋳鉄の連続鋳造材が注目されている。しかしながらこの亜共晶鋳鉄は、固液共存の温度域が鋳鉄や鋼に比べて広いため、凝固シェルの成長が遅く、したがって、凝固シェルに割れが生じやすく、その上、流動性が低下した半凝固組織が溶湯の供給を阻害する場合もあった。また、凝固シェルがチル化しやすいので靱性が低く、凝固シェルに割れが生じやすかった。さらに、凝固収縮が比較的大きいため、鋳片とモールドとの間に隙間が生じやすいことから、効率的な凝固シェルの成長が望めなかった。これらの理由から、例え上記の可動式二次モールドを用いたとしてもブレークアウトや破断が起こりやすく、連続鋳造が困難であり、有効な連続鋳造方法の開発が望まれていた。
【０００８】
よって本発明は、特に亜共晶鋳鉄の水平連続鋳造を、ブレークアウトや破断が起こらず、かつ安定して行うことができる水平連続鋳造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、溶湯を、一次モールドに通し、次いで、鋳片を押し付けるように可動する二次モールドに通す間に冷却し、二次モールドから排出する鋳片を所定の引き抜きストロークで断続的に引き抜く亜共晶鋳鉄の水平連続鋳造方法において、一次モールドの内壁の長さを１００〜１８０ｍｍとし、引き抜きストロークを５〜１０ｍｍとすることを特徴としている。
【００１０】
本発明では、一次モールドで凝固シェルを生成させ、二次モールドで凝固シェルを成長させる。本発明者が、黒鉛製の一次モールドとＣｕ合金製の可動式二次モールドを用いて亜共晶鋳鉄の水平連続鋳造試験を行ったところ、鋳片の傷発生位置から推定して、凝固開始位置は一次モールドのタンディッシュ側端面から約２０ｍｍの位置であり、凝固収縮によって鋳片とモールドとの間に隙間ができ始める位置は、凝固開始位置から約１００ｍｍ（一次モールドのタンディッシュ側端面から約１２０ｍｍ）の位置であった。そして、隙間が生じる位置より約２０ｍｍ手前（一次モールドのタンディッシュ側端面から約１００ｍｍ）から二次モールドによる二次冷却を開始してもブレークアウトを招くことはなかった。一方、隙間が発生すると鋳片の上側の冷却が遅れるので、後述するオシレーションマークが傾斜しやすく、上側に割れが発生しやすい。そして、鋳片の上側に割れが発生しない一次モールドの最大長さとしては、１８０ｍｍ程度であった。これらの挙動は、鋳片の径（各モールドの内径）と相関することはなく、ほぼ一定であった。
【００１１】
したがって、一次モールドの内壁の長さは、従来よりも短い１００〜１８０ｍｍに設定した。なお、溶湯温度を高精度で制御できない場合、溶湯補充の際などに溶湯温度が高くなることがある。その場合、凝固開始位置は一次モールドの引き抜き方向に３０ｍｍほどずれる。一方、オシレーションマークに傾斜が発生しにくい位置としては、一次モールドのタンディッシュ側端面から１６０ｍｍ程度の位置であった。したがって、一次モールドの長さは１３０〜１６０ｍｍがより好ましい。
【００１２】
また、二次モールドは、凝固シェルの成長を促進させるために強力な冷却能を必要とする。この二次モールドは、一次モールドになるべく近い位置に設置されるべきであり、一次モールド内で鋳片の凝固がある程度進み、凝固収縮によってモールドとの間に隙間が生じ始める位置が望ましい。なお、この二次モールドは鋳片の外周面に密着して効率的に冷却させるために、鋳片の周囲に分割し、それら分割体が、径方向に移動自在とされ、かつ流体圧シリンダやスプリング等の付勢手段で鋳片を押し付けるように作用するものが用いられる。
【００１３】
引き抜きストロークに関しては、亜共晶鋳鉄は靱性が比較的低いので、凝固シェルの割れに起因するブレークアウトを防止するために、従来の４０〜５０ｍｍよりも短い５〜１０ｍｍとし、停止時間を適宜に設定する。なお、ストロークを５〜１０ｍｍと短くする理由は、次の通りである。モールドにはタンディッシュ側から引き抜き方向に向かって温度が低くなるよう温度勾配がついているため、ストローク間の各位置での温度が異なることにより冷却条件もそれぞれ異なることになる。ストロークが大きいほどストローク間の各位置での温度差が大きいので、凝固界面に乱れが生じやすい。ストロークが１０ｍｍ以下の場合には各位置での温度差は小さく、凝固界面は安定しており健全な鋳片を鋳造することができる。しかしながら、５ｍｍ以下では停止時間も短くする必要があるが、引き抜き／停止の断続運転のペースが頻繁なために引き抜き装置の駆動系にかかる負担が大きく、制御しにくい。
【００１４】
本発明における一次モールドに求められる特性は、耐溶損性に優れ、溶湯を凝固させることなく内部に導き、凝固開始点で生成した凝固シェルを焼き付きによって破断させないことであり、これを満足するものとしては、炭化珪素、炭化硼素、窒化アルミニウム等を体積率で３０〜５０％含んだ耐溶損性を有する黒鉛系材料が挙げられる。一方、二次モールドの材質は、上記のように強力な冷却能が求められることから、Ｃｕ合金が望ましい。すなわち、本発明では一次モールドの内壁を構成する材質の主成分が黒鉛であり、二次モールドの内壁を構成する材質の主成分がＣｕ合金であることを好ましい形態としている。
【００１５】
なお、本発明で鋳造する鋳片が円柱の場合、その径すなわち一次モールドおよび二次モールドの内径は、１５０ｍｍ以下の場合に効果的であり、３０〜１００ｍｍの場合に特に効果的である。
【００１６】
【実施例】
以下、具体的な実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
図１は、亜共晶鋳鉄の溶湯が貯留されるタンディッシュの耐火壁１に連設された水平連続鋳造装置を示しており、この装置は、円筒状でその軸方向が水平に設置された一次モールド１０および二次モールド２０と、図示せぬ引き抜き装置を備えている。一次モールド１０は黒鉛−セラミックス複合体からなるもので、耐火壁１の溶湯出口に気密的に接合され、その外周には水冷ジャケット１１が設けられている。また、二次モールド２０は、周方向に分割され、径方向に移動自在にセットされたＣｕ合金からなる複数の分割体２０ａからなり、各分割体２０ａは、図示せぬ流体圧シリンダまたはスプリング等の付勢部材により内側に付勢される。また、各分割体２０ａの外周には水冷ジャケット２１が設けられている。
【００１７】
溶湯は、自重によりタンディッシュ内から一次モールド１０内に供給されて冷却されることにより凝固シェルが生成し、鋳片に形成される。そして、この鋳片は二次モールド２０を通過し、その際に鋳片と各分割体２０ａとの間の隙間を無くすように、鋳片に各分割体２０ａが押し付けられる。鋳片は、二次モールド２０の下流側に設置された引き抜き装置により引き抜かれ、これによって連続鋳造が行われる。
【００１８】
図１に示す一次モールド１０と二次モールド２０の内壁の長さＬ１，Ｌ３、一次モールド１０の水冷ジャケットの長さＬ２、一次モールドおよび二次モールドの内径を、表１に示すように設定して実施例１〜５および比較例１〜４の連続鋳造装置を作製した。なお、比較例１は二次モールドを無しとした。一方、表２に示す実施例１〜５および比較例１〜４の成分を有する亜共晶鋳鉄をそれぞれ調製し、これら亜共晶鋳鉄を、対応する連続鋳造装置が接続されているタンディッシュ内で、１４００〜１４２０℃の溶湯の状態に保持した。そして、これら実施例１〜５および比較例１〜４につき、表１に示す引き抜きストロークおよび停止時間の条件で、二次モールドから排出される鋳片を引き抜き装置によって水平に引き抜く連続鋳造試験を行った。
【００１９】
【表１】
0003805708.tif 000002
【００２０】
【表２】
0003805708.tif 000003
【００２１】
・試験結果
実施例１〜３では、安定して鋳片を引き抜くことができ、健全な鋳片を得ることができた。また、実施例１および３では、停止時間を１秒まで短くしても、割れ等の欠陥は発生しなかった。図２および図３は、それぞれ実施例１および実施例３の鋳片の鋳肌を示す写真であり、オシレーションマークはほとんど傾斜しておらず、安定した連続鋳造が行われたことが実証された。実施例４では、鋳片の引き抜きは可能であったが、鋳片の温度が高いために、二次モールドでの冷却によって若干の変形がみられた。実施例５では鋳片の上下の温度差が大きく、オシレーションマークが傾斜する傾向にあり、上面に品質上許容される範囲ではあるものの微細な割れが認められる場合があった。
【００２２】
なお、オシレーションマークとは、断続的な引き抜きによって鋳肌に生じる縞模様であって、引き抜きによる凝固界面の移動と停止に伴う不連続な界面が、引き抜きストロークに応じたピッチで現れるものであり、一般鋳造品の湯じわあるいは湯境に相当する。水平連続鋳造においては上下の温度差が生じやすく、温度差が小さい場合のオシレーションマークは垂直すなわち引き抜き方向に直交する方向に近くなり、温度差が大きい場合は上側が下側よりも温度が高くなりやすいのでオシレーションマークは引き抜き側に傾斜する。
【００２３】
安定した引き抜きおよび上下に組織差がない材質を得るためには、上下の温度差ができるだけ小さいことが必要であり、したがって、オシレーションマークは垂直が望ましい。また、水平連続鋳造においては、引き抜きにより凝固シェルがスムーズに移動することが望ましいが、凝固シェルが薄いと引き抜きにより凝固シェルがちぎれる場合がある。その場合のオシレーションマークは、引き抜きストロークに対応したピッチになっておらず、乱れが生じる。すなわち、垂直に近く、引き抜きストロークに対応した乱れのない一定ピッチのオシレーションマークが認められれば、健全な連続鋳造が行えた証明となるのである。
【００２４】
さて、比較例１では、一次モールドから排出される初期段階で鋳片の上部に割れが生じた。割れを防止するために停止時間を１０秒と長くしたが割れは改善されず不安定な鋳造が続き、鋳片を２ｍ鋳造した時点で、モールド内で破断に至った。破断の原因は、凝固開始点がタンディッシュの耐火壁に達し、引き抜き抵抗が増大したためと推察された。比較例２では、鋳片の下部の凝固が進行しやすく、図４に示すようにオシレーションマークが大きく傾斜し、この傾斜は停止時間が短いほど顕著であった。また、図５に示すように鋳片の上部表面には割れが生じ、ブレークアウトの危険性が認められた。
【００２５】
比較例３では、引き抜き装置の遊びによって引き抜きストロークが３ｍｍに安定しなかった。また、引き抜き／停止の断続運転のペースが頻繁なために引き抜き装置の駆動系にかかる負担が大きかった。なお、鋳片の品質は実施例２と大差なかった。比較例４では、図６に示すようにオシレーションマークの乱れが大きく不均一であり、また、表面に割れが認められ、引き抜きが不安定であった。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、固定式の一次モールドと可動式の二次モールドによって水平連続鋳造を行うにあたって一次モールドの長さと鋳片の引き抜きストロークを最適に設定したので、亜共晶鋳鉄の水平連続鋳造方法としてきわめて有望である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例で用いた水平連続鋳造装置の概要を示す側断面図である。
【図２】  実施例１で鋳造された鋳片の側面を示す写真である。
【図３】  実施例３で鋳造された鋳片の側面を示す写真である。
【図４】  比較例２で鋳造された鋳片の側面を示す写真である。
【図５】  比較例２で鋳造された鋳片の上面を示す写真である。
【図６】  比較例４で鋳造された鋳片の側面を示す写真である。
【符号の説明】
１０…一次モールド、２０…二次モールド。
【図１】
0003805708.tif 000004
【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】
0003805708.tif 000009