(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024006339
(43)【公開日】2024-01-17
(54)【発明の名称】連続鋳造用鋳型及び連続鋳造棒の製造方法
(51)【国際特許分類】
B22D 11/059 20060101AFI20240110BHJP
B22D 11/00 20060101ALI20240110BHJP
B22D 11/049 20060101ALI20240110BHJP
B22D 11/04 20060101ALI20240110BHJP
【FI】
B22D11/059 120A
B22D11/00 E
B22D11/049
B22D11/04 311E
B22D11/04 311H
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022107139
(22)【出願日】2022-07-01
(71)【出願人】
【識別番号】000004455
【氏名又は名称】株式会社レゾナック
(74)【代理人】
【識別番号】100141139
【弁理士】
【氏名又は名称】及川 周
(74)【代理人】
【識別番号】100163496
【弁理士】
【氏名又は名称】荒 則彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134359
【弁理士】
【氏名又は名称】勝俣 智夫
(74)【代理人】
【識別番号】100137017
【弁理士】
【氏名又は名称】眞島 竜一郎
(72)【発明者】
【氏名】小島 幸記
【テーマコード(参考)】
4E004
【Fターム(参考)】
4E004AA05
4E004AA08
4E004NB02
4E004NB04
4E004NC08
(57)【要約】
【課題】定期的なグラファイトリングの交換作業を要しない連続鋳造用鋳型及びそれ用いた連続鋳造棒の製造方法を提供することである。
【解決手段】本発明の連続鋳造用鋳型100は、連続鋳造に用いられる連続鋳造用鋳型であって、一端が溶湯の注入口21であり、他端が鋳塊の鋳出口22である、両端に開口を有する筒型の鋳型本体20と、鋳型本体20の内周面20Aに配置するカーボンリング10と、を備え、カーボンリング10は、一端の側に配置する第1リング部10aと他端の側に配置する第2リング部10bとが積み重なって構成されている。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
連続鋳造に用いられる連続鋳造用鋳型であって、
一端が溶湯の注入口であり、他端が鋳塊の鋳出口である、筒型の鋳型本体と、
前記鋳型本体の内周面に配置するカーボンリングと、を備え、
前記カーボンリングは、前記一端の側に配置する第1リング部と前記他端の側に配置する第2リング部とが積み重なって構成されている、連続鋳造用鋳型。
【請求項2】
前記鋳型本体は、前記第2リング部に接続された潤滑油供給経路と、前記第2リング部に接続され、前記潤滑油供給経路から離間して配置する気体供給経路とを有し、
前記潤滑油供給経路と前記第2リング部とを接続する接続供給部は、前記気体供給経路と前記第2リング部とを接続する接続供給部よりも前記第1リング部寄りに配置する、請求項1に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項3】
前記第2リング部の、前記第1リング部と積み重なる面に、前記潤滑油供給経路から供給された潤滑油が溶湯側に抜ける溝が形成されている、請求項1又は2に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項4】
前記一端と前記他端とを結ぶ方向から視て、前記潤滑油供給経路と前記第2リング部との接続部と前記気体供給経路と前記第2リング部との接続部とが重なるように配置している、請求項1又は2に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項5】
前記第2リング部に、内周面に沿って、前記潤滑油供給経路から供給された潤滑油が通る潤滑油流通溝が形成されている、請求項1又は2に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項6】
前記第2リング部に、内周面に沿って、前記気体供給経路から供給された気体が通る気体流通溝が形成されている、請求項1又は2に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項7】
前記一端と前記他端とを結ぶ方向における長さは、前記第2リング部が第1リング部よりも長い、請求項1又は2に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項8】
前記第1リング部及び前記第2リング部のうち、少なくとも第2リング部はかさ密度が1.65~1.9g/cm3で、曲げ強度30MPa~98MPaの黒鉛材料からなる、請求項1又は2に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項9】
請求項1又は2に記載の連続鋳造用鋳型を用いて連続鋳造棒を製造する、連続鋳造棒の製造方法。
【請求項10】
潤滑油及び気体の供給量を独立して制御する、請求項9に記載の連続鋳造棒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、連続鋳造用鋳型及び連続鋳造棒の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、アルミニウムまたはアルミニウム合金の連続鋳造は金属製鋳型を用いて、水平連続鋳造法や縦型連続鋳造法等により行われている。この連続鋳造では、アルミニウム合金等の溶湯を鋳型に送り、鋳型内で溶湯を冷却して表面を凝固させ、さらに、鋳型から送り出された鋳塊の表面に冷却水を供給し内部まで凝固させることにより鋳塊を作製する。
【0003】
金属製鋳型では、鋳型の内周面と溶湯の外表面との焼き付きを防止するために、鋳型と溶湯との接触部に鋳造用潤滑油を供給する必要がある。
【0004】
アルミニウム合金鋳造棒を製造する縦型連続鋳造装置は金属製鋳型であり、鋳造用潤滑油の供給方式としては、筒状の金属製鋳型の内周面に設置されたグラファイト(黒鉛)からなるリング(グラファイトリング)より潤滑油を透過させて供給するのが一般的である(例えば、特許文献1参照)。この方式では、グラファイトリングに形成された気孔内に潤滑油を圧入し、鋳造の際に、鋳型内周面の溶湯とグラファイトリングの接触部分に潤滑油を滲み出させるものである。この供給方法では微量の潤滑油を連続的かつ微量均一に供給することが可能となる。このとき、潤滑油と共に気体を鋳型内に導入してもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、従来のグラファイトリングを用いた潤滑油の供給方式では、繰り返し鋳造を行っていくと、高温になるグラファイトリング中で潤滑油が炭化して目詰まりが発生してしまうため、定期的にグラファイトリングの交換作業を行う必要があった。
【0007】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、定期的なグラファイトリングの交換作業を要しない連続鋳造用鋳型及びそれ用いた連続鋳造棒の製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】
【0008】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【0009】
本発明の態様1は、連続鋳造に用いられる連続鋳造用鋳型であって、一端が溶湯の注入口であり、他端が鋳塊の鋳出口である、筒型の鋳型本体と、前記鋳型本体の内周面に配置するカーボンリングと、を備え、前記カーボンリングは、前記一端の側に配置する第1リング部と前記他端の側に配置する第2リング部とが積み重なって構成されている、連続鋳造用鋳型である。
【0010】
本発明の態様2は、態様1の連続鋳造用鋳型において、前記鋳型本体は、前記第2リング部に接続された潤滑油供給経路と、前記第2リング部に接続され、前記潤滑油供給経路から離間して配置する気体供給経路とを有し、前記潤滑油供給経路と前記第2リング部とを接続する接続供給部は、前記気体供給経路と前記第2リング部とを接続する接続供給部よりも前記第1リング部寄りに配置する。
【0011】
本発明の態様3は、態様1又は態様2のいずれかの連続鋳造用鋳型において、前記第2リング部の、前記第1リング部と積み重なる面に、前記潤滑油供給経路から供給された潤滑油が溶湯側に抜ける溝が形成されている。
【0012】
本発明の態様4は、態様1又は態様2のいずれかの連続鋳造用鋳型において、前記一端と前記他端とを結ぶ方向から視て、前記潤滑油供給経路と前記第2リング部との接続部と前記気体供給経路と前記第2リング部との接続部とが重なるように配置している。
【0013】
本発明の態様5は、態様1又は態様2のいずれかの連続鋳造用鋳型において、前記第2リング部に、内周面に沿って、前記潤滑油供給経路から供給された潤滑油が通る潤滑油流通溝が形成されている。
【0014】
本発明の態様6は、態様1又は態様2のいずれかの連続鋳造用鋳型において、前記第2リング部に、内周面に沿って、前記気体供給経路から供給された気体が通る気体流通溝が形成されている。
【0015】
本発明の態様7は、態様1又は態様2のいずれかの連続鋳造用鋳型において、前記一端と前記他端とを結ぶ方向における長さは、前記第2リング部が第1リング部よりも長い。
【0016】
本発明の態様8は、態様1又は態様2のいずれかの連続鋳造用鋳型において、前記第1リング部及び前記第2リング部のうち、少なくとも第2リング部はかさ密度が1.65~1.9g/cm3で、曲げ強度30MPa~98MPaの黒鉛材料からなる。
【0017】
本発明の態様9は、態様1又は態様2のいずれかの連続鋳造用鋳型を用いて連続鋳造棒を製造する、連続鋳造棒の製造方法である。
【0018】
本発明の態様10は、態様9の連続鋳造棒の製造方法において、潤滑油及び気体の供給量を独立して制御する。
【発明の効果】
【0019】
本発明の連続鋳造用鋳型によれば、定期的なグラファイトリングの交換作業を要しない連続鋳造用鋳型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【
図1】本発明に係る連続鋳造用鋳型の断面模式図である。
【
図2】
図1に示した連続鋳造用鋳型を備えた縦型連続鋳造装置を用いて、連続鋳造棒を製造する方法を説明するための図である。
【
図3】カーボンリング近傍の拡大断面模式図である。
【
図4】(a)はカーボンリング10を構成する第1リング部10aと第2リング部10bとを離間して示した断面模式図であり、(b)は第2リング部10bの平面模式図である。
【
図5】本発明に係る連続鋳造用鋳型の作用効果を概念的に説明するための概念図である。
【
図6】分割型カーボンリングを備えた連続鋳造用鋳型を用いた場合と、一体型のカーボンリングを備えた連続鋳造用鋳型を用いた場合とで、鋳型の使用回数による潤滑油圧力の推移を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本発明の実施形態に係る連続鋳造用鋳型及びそれ用いた連続鋳造棒の製造方法について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。理解を容易にするために誇張して描いている場合がある。
【0022】
[連続鋳造用鋳型]
図1に、本発明に係る連続鋳造用鋳型の断面模式図を示す。また、
図2は、
図1に示す連続鋳造用鋳型を備えた縦型連続鋳造装置を用いて、連続鋳造棒を製造する方法を説明するための図である。
図3は、カーボンリング近傍の拡大断面模式図である。
【0023】
図1に示す連続鋳造用鋳型100は、連続鋳造に用いられる連続鋳造用鋳型であって、
一端が溶湯の注入口21であり、他端が鋳塊の鋳出口22である、両端に開口を有する筒型の鋳型本体20と、鋳型本体20の内周面20Aに配置するカーボンリング10と、を備え、カーボンリング10は、一端の側に配置する第1リング部10aと他端の側に配置する第2リング部10bとが積み重なって構成されている。
図1において、第1リング部10aと第2リング部10bとが積み重なる方向(一端と他端とを結ぶ方向)をZ方向とし、Z方向に直交し、紙面に平行な方向をX方向とし、Z方向に直交し、紙面に直交する方向をY方向とする。
以下では、第1リング部と第2リング部とからなるカーボンリングについて、「分割型カーボンリング」ということがある。
【0024】
連続鋳造用鋳型100を備えた連続鋳造装置は、上下方向において開口した筒状の鋳型本体20の上部側から溶湯Lを供給し、冷却水Hの供給により冷却されて凝固した鋳塊Sを鋳型本体20の下部側から連続的に引き出す縦型連続鋳造装置である。
連続鋳造用鋳型100を備えた縦型連続鋳造装置では、例えば、アルミニウム合金のスラブ(矩形断面)やアルミニウムのビレット(円形断面)など、アルミニウム合金の鋳塊Sを連続鋳造する際に用いることができる。なお、鋳塊Sの種類については、上述したアルミニウム合金に限らず、この縦型連続鋳造装置を用いて連続鋳造が可能な金属であればよい。
【0025】
鋳型本体20は、第2リング部10bに接続された潤滑油供給経路31と、第2リング部10bに接続され、潤滑油供給経路31から離間して配置する気体供給経路32とを有し、潤滑油供給経路31と第2リング部10bとを接続する接続供給部31aは、Z方向において、気体供給経路32と第2リング部10bとを接続する接続供給部32aよりも第1リング部10a寄りに配置する。気体供給経路32から供給する気体としては例えば、空気、混合気体(例えば、酸素+不活性ガス)、不活性ガスなどを挙げることができる。
【0026】
鋳型内に潤滑油を供給する潤滑油供給経路31と気体を供給する気体供給経路32とを離間させて配置し、共有しない構成であるため、潤滑油及び気体のそれぞれの供給量に基づく圧力差による影響(干渉、逆流など)を防止することができる。
また、潤滑油供給経路31と気体供給経路32とを独立に備える構成であるため、潤滑油及び気体の供給量を独立して制御することができる。
【0027】
図示する例では、接続供給部31a及び接続供給部32aはいずれも、環状のカーボンリング10(第2リング部10b)の外周面に沿って環状に鋳型本体20内に配置する部位であるが、潤滑油供給経路31が第2リング部10b内に挿入され接続部31aがカーボンリング10内に配置する構成としてもよい。同様に、気体供給経路32が第2リング部10b中に挿入され接続部32aがカーボンリング10内に配置する構成としてもよい。接続部31a又は接続部32aの一方又は両方をカーボンリング10内に配置する構成としてもよい。
【0028】
図示する例では、Z方向から平面視して、接続供給部31a及び接続供給部32aとは重ならない位置に配置しているが、重なるように配置していてもよい。
【0029】
第2リング部10b内に、周回状に、潤滑油供給経路31から供給された潤滑油が通る潤滑油流通溝が形成されていてもよい。周回状は1周または1周未満とすることができる。
第2リング部10b内に、周回状に、気体供給経路32から供給された気体が通る気体流通溝が形成されていてもよい。周回状は1周または1周未満とすることができる。
【0030】
Z方向において、潤滑油供給経路31と第2リング部10bとを接続する接続供給部31aは第2リング部10bの上段側に配置し、気体供給経路32と第2リング部10bとを接続する接続供給部32aは第2リング部10bの下段側に配置する構成としているため、以下の作用効果を奏する。
潤滑油供給経路31から供給された潤滑油が、接続供給部31aを経由して第2リング部10bの内周面10bAAを自重で降下していく。一方、気体供給経路32から供給された気体が接続供給部32aを経由して第2リング部10bの内周面10bAAから吐出され、気体の効果(カーボン素材のポーラスにより緻密とされたエアーバブリング)によって、カーボンからなる第2リング部10bの幅広い面で気体が吐出される。この状態で気体が吐出されることで、自重で降下してきた潤滑油は泡状の潤滑油となり、鋳型の溶湯接触面付近の断熱層となり、供給された溶湯のシール層になることで溶湯が鋳型内面と非接触状態になって、滑らかな外表面の連続鋳造棒を得ることができる。また、相乗効果で1次冷却が妨げられ、表面周辺の逆偏析層が薄くなる。さらに、カーボンリング10を透過して吐出しないので油種の制限がなく、破損などしない限りは、メンテナンスフリーで長期使用が可能である。
【0031】
カーボンリング10は、カーボン製の環状部材である。カーボンリング10は、第1リング部10aと第2リング部10bとが積み重なってなる構成とされており、後で詳述するように潤滑油供給経路31から送られてきた潤滑油は第1リング部10aと第2リング部10bとが積み重なった隙間Gを通って鋳型の内周面に供給される。このようにカーボンリング10は、従来のグラファイトリングのように潤滑油がそのグラファイト材料中の孔を通って鋳型の内周面に滲み出る構成ではないため、カーボンリング10の材料として潤滑油が滲み出す孔を有することは必須ではない。ただし、潤滑油は第1リング部10aと第2リング部10bとが積み重なった隙間からだけでなく、従来のグラファイトリングのように材料中の孔を通って鋳型の内周面に滲み出る材料でもよい。また、溶湯に対する耐熱性の観点では、カーボンリング10を構成する炭素材料として黒鉛(グラファイト)が好ましいことには変わりないが、これに限定されない。また、カーボンリング10は、所定の孔構造を有するように微細な黒鉛粒子を押出しや静水圧法により押し固めることにより製造されたものでもよい。
【0032】
カーボンリング10を鋳型本体20に取り付ける方法に特に制限はなく、例えば、鋳型本体20とカーボンリング10の熱膨張率の差を利用して焼き嵌めることにより鋳型本体20に取り付けることができる。カーボンは鋳型本体20を構成する金属よりも熱膨張率が小さいので、常温において鋳型本体20の内径をカーボンリング10の外径よりも小さく設定し、加熱により内径が拡大した鋳型本体20カーボンリング10を内嵌めすると、鋳型10の温度低下によりカーボンリング10が鋳型本体20に締め付けられた状態で固定される。焼き嵌めで取り付けると鋳型本体20とカーボンリング10とが密着して両者間に隙間ができないので、連続鋳造時にカーボンリング10から鋳型本体20への熱移動が速やかに行われる。また、周方向の全域で鋳型本体20とカーボンリング10が密着するので、周方向における冷却ムラが生じない。
【0033】
カーボンリング10は、第1リング部10aと第2リング部10bとが積み重なってなる構成(合わさってなる構成)であるが、第1リング部10aと第2リング部10bとは同じ特性を有するカーボン材料であってもよいし、異なる特性を有するカーボン材料であってもよい。
第1リング部10a及び第2リング部10bのうち、少なくとも第2リング部10bは、かさ密度が1.65~1.9g/cm3で、曲げ強度30MPa~98MPaの黒鉛材料としてもよい。かかる特性を有する黒鉛材料からなるリング部は、気体供給経路32から供給された気体が十分に透過することができると共に、アルミニウム合金の連続鋳造用として用いるのに十分な強度を有するからである。
【0034】
カーボンリング10は、一体のカーボンリングを分割して第1リング部10a及び第2リング部10bの2分割された構成とされたものであってもよい。
【0035】
カーボンリング10において、Z方向の長さは、第2リング部10bの長さ(
図3の符号L2)が第1リング部の長さ(
図3の符号L1)よりも長い。
【0036】
図4(a)は説明の都合上、カーボンリング10を構成する第1リング部10aと第2リング部10bとを離間して示した断面模式図である。
図3に示すように、連続鋳造用鋳型20の内周面に嵌め込まれた状態では、第1リング部10a及び第2リング部10bのそれぞれの合わせ面(積み重ね面、重ね合わせ面)10aA、10bAとの間はそれぞれの合わせ面の平坦度に応じた形成されたわずかな隙間G(
図3参照)を有するだけである。これに対して、第2リング部10bの合わせ面10bAに、
図4(b)に示すような、潤滑油供給経路31から供給された潤滑油が溶湯側に抜ける溝あるいは凹み(そのうちの3個を符号10baで示した)を備えた構成としてもよい。
【0037】
図4(b)に示す例では、Z方向からの平面視において孔の中心をOに向いた溝が、等間隔で形成されているが、溝数はこれに限定されず、また、一部に非等間隔の溝があってもよく、さらにすべての溝が非等間隔とすることもできる。潤滑油を鋳型本体20の内周面20Aに均一に供給する観点では、複数の溝が等間隔で配置することが好ましい。溝10baの深さは例えば、0.015mm~2mm程度とすることができる。
【0038】
図5に、本発明に係る連続鋳造用鋳型の作用効果を概念的に説明するための概念図を示す。
図1に示す連続鋳造用鋳型100では、Z方向において、潤滑油供給経路31と第2リング部10bとを接続する接続供給部31aは第2リング部10bの上段側に配置し、気体供給経路32と第2リング部10bとを接続する接続供給部32aは第2リング部10bの下段側に配置する構成を有する。また、カーボンリング10は第1リング部10aと第2リング部10bとをZ方向で積み重ねた構成を有する。
潤滑油供給経路31から供給された潤滑油は、接続供給部31aを経由して、第1リング部10aと第2リング部10bとの間の隙間Gから第2リング部10bの内周面10bAAに供給される。第2リング部10bの内周面10bAAに供給された潤滑油LUBは、内周面10bAAを自重で降下していく。一方、気体供給経路32から供給された気体は接続供給部32aを経由して第2リング部10bの内周面10bAAから吐出され、エアーバブリング効果によって第2リング部10bの幅広い面で気体が吐出される。この状態で気体が吐出されることで、自重で降下してきた潤滑油は泡状の潤滑油FLUBとなり、鋳型の溶湯接触面付近の断熱層となり、供給された溶湯のシール層になることで溶湯が鋳型内面と非接触状態になって、滑らかな外表面の連続鋳造棒を得ることができる。
【0039】
図6に、本発明に係る分割型カーボンリングを備えた連続鋳造用鋳型を用いた場合と、従来の一体型のカーボンリングを備えた連続鋳造用鋳型を用いた場合とで、鋳型の使用回数による潤滑油供給のための圧力(潤滑油圧力)の推移を比較したグラフである。カーボンリングの材料はグラファイトである。
【0040】
図6のグラフにおいて、横軸は鋳型の使用回数(すなわち、連続鋳造棒製造の回数)、縦軸は潤滑油圧力の初期圧力を1とした場合の各使用回数での使用圧力の比である。
潤滑油圧力の初期圧力に対する使用圧力の比が1.5であるときを目詰まりと判断するものとする。
【0041】
従来の一体型のカーボンリングを用いた場合は、4回目の使用で潤滑油圧力が目詰まり判断圧力を超えているのに対して、分割型カーボンリングを用いた場合は3回目の使用時に初期圧力に対する使用圧力の比が1.03程度に上昇した後は12回目でも、潤滑油圧力は変わりなかった。
このように本発明に係る分割型カーボンリングを用いた場合には、従来の一体型のカーボンリングを用いた場合に比べて、カーボンリングの目詰まりが激減することがわかる。
【0042】
[連続鋳造棒の製造方法]
本発明に係る連続鋳造棒の製造方法は、上述したような本発明の連続鋳造用鋳型を用いて連続鋳造棒を製造することができる。
【0043】
本発明の連続鋳造用鋳型を用いて連続鋳造棒の製造において、溶湯Lとカーボンリング10との間に潤滑油と気体を導入しながら、溶湯Lは、カーボンリング10の内周面から一次冷却を受けて、溶湯Lの外周面から中心へと凝固が進行し、溶湯Lが下降して冷却水Hで凝固され、連続鋳造棒が製造される。
【符号の説明】
【0044】
10 カーボンリング
10a 第1リング部
10b 第2リング部
20 鋳型本体
21 注入口
22 鋳出口
31 潤滑油供給経路
32 気体供給経路