JP2001191150A

JP2001191150A - アルミニウム合金ビレットの垂直連続鋳造方法

Info

Publication number: JP2001191150A
Application number: JP37512899A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Nagami; 博文長海; Takateru Umeda; 高照梅田
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-07-17

Abstract

(57)【要約】【課題】複雑な設備を用いず、簡便な方法で鋳造初期段
階における割れ欠陥を確実に予防できるアルミニウム合
金ビレットの垂直連続鋳造方法を提案する。【解決手段】アルミニウム合金を所要形状のビレットに
連続鋳造するに際し、係る鋳造過程における弾・塑性変
形解析により得られる相当塑性歪み値(ε)を、当該アル
ミニウム合金の実測破断歪み値(εｃ)以下の範囲内とす
るように鋳造速度(Ｖ)等の鋳造条件を制御する、アルミ
ニウム合金ビレットの垂直連続鋳造方法。また、アルミ
ニウム合金を所要形状のビレットに連続鋳造するに際
し、鋳造過程における弾・塑性変形解析により得られる
相当塑性歪み値(ε)を、当該合金の固相率が０.８以下
の温度範囲を除き、実測破断歪み値(εｃ)以下の範囲内
とするように鋳造条件を制御する、アルミニウム合金ビ
レットの垂直連続鋳造方法も含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
ビレットの垂直連続鋳造において、鋳造初期段階での割
れ欠陥を確実に回避する上記ビレットの垂直連続鋳造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、アルミニウム合金のビレットの
垂直連続鋳造は、図１１に示すように、上下が開口するリ
ング形の強制冷却鋳型１にその上方から、図示しないス
パウト及びフロートを介して、アルミニウム合金の溶湯
Ｍを注湯し、凝固した鋳塊Ｃをその下端を支える下型４
と共に上記鋳型１の下方に引き下ろすことにより行われ
ている。即ち、上記鋳型１の下方の開口部からその内部
に下型４を挿入した状態で注湯が開始され、鋳型１と下
型４に囲まれた空間内に所定量の溶湯Ｍが供給され且つ
その表面が凝固した段階で、下型４と共に鋳塊Ｃが鋳型
１の下方に引き下ろされる。そして、鋳型１から引き下
ろされた鋳塊Ｃは、その周表面に鋳型１内の冷却水Ｗが
ノズル２から下向き円錐状に噴射され、強制冷却されて
ビレットＢとなる。尚、図１１中の符号Ｆは、溶湯Ｍと
鋳塊Ｃとの凝固界面を示す。

【０００３】ところで、上記鋳造の初期段階において、
鋳型１から引き下ろされた鋳塊Ｃの下端部は冷却水Ｗに
より急冷され、当該部分の温度が急降下し、鋳塊Ｃの垂
直方向に沿う温度勾配が高くなる結果、鋳塊Ｃの内部に
熱応力を誘発する。同時に鋳塊Ｃの周表面と中心部との
温度勾配も高くなり、同様に熱応力を生じる。更に、鋳
塊Ｃは下型４との接触によっても急冷され、同様に熱応
力を生じる。これらの熱応力は、図１１に示すように、
鋳塊Ｃの下端部に熱間割れ６を発生させる原因になる。
また、割れ６により引張り応力が生じ、鋳塊Ｃの内部に
縦割れが生じ易くなる。更に、鋳塊Ｃと下型４の間に隙
間８を生じると、鋳塊Ｃから下型４への放熱が妨げら
れ、鋳塊Ｃの下端部が再溶解する再溶解部分から割れが
生じることもある。尚、鋳造の初期段階を終えた定常段
階になると、上記鋳型１内に供給された溶湯Ｍは、鋳型
１との接触により冷却され、その周表面に厚さ約１０ｍ
ｍ程の薄い凝固層を順次形成し、垂直方向に長いビレッ
トＢとなる。

【０００４】以上の鋳塊の鋳造初期段階の割れ等を防止
して、鋳塊品質を改善するため、次のような方法が提案
されている。即ち、鋳型内の湯面レベルを低くして鋳造
する低湯面レベル鋳造や、鋳造速度を減少させる鋳造方
法である。しかし、これらの方法では湯漏れが発生する
危険がある。更に、冷却水量を減らす方法もあるが、こ
れによる冷却速度の調整には限界がある。従って、何れ
の方法によっても、鋳造初期段階における割れ等の欠陥
を防ぐことは、品種によっては困難であった。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】本発明は、以上に説明した従
来の技術における問題点を解決し、複雑な設備を用い
ず、簡便な方法で鋳造初期段階における割れ欠陥を確実
に予防できるアルミニウム合金ビレットの垂直連続鋳造
方法を提案することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、垂直連続鋳造の初期段階におけるビレット
の内部歪みと実測破断歪みとを比較することに着想して
得られたものである。即ち、本発明のアルミニウム合金
ビレットの垂直連続鋳造方法は、アルミニウム合金を所
要形状のビレットに連続鋳造するに際し、係る鋳造過程
における弾・塑性変形解析により得られる相当塑性歪み
値(ε)を、当該アルミニウム合金の実測破断歪み値(ε
ｃ)以下の範囲内とするように鋳造条件を制御する、こ
とを特徴とする。これによれば、予め計算で得られる相
当塑性歪み値(ε)を基準とし、これが実測破断歪み値
(εｃ)以下になるように、鋳造速度や冷却速度等の鋳造
条件を制御することにより、初期段階での割れ欠陥を確
実に防止することが可能となる。尚、相当塑性歪み値
(ε)は、凝固過程におけるビレット各部に生じる最大相
当塑性歪み(計算値)であり、実測破断歪み値(εｃ)は、
当該合金の固液共存域及び固相域における高温引張試験
で得られた破断歪み(実測値)である。

【０００７】本発明のもう一つのアルミニウム合金ビレ
ットの垂直連続鋳造方法は、アルミニウム合金を所要形
状のビレットに連続鋳造するに際し、係る鋳造過程にお
ける弾・塑性変形解析により得られる相当塑性歪み値
(ε)を、上記合金の固相率０.８以下に相当する温度範囲
を除き、当該アルミニウム合金の実測破断歪み値(εｃ)
以下の範囲内とするように鋳造条件を制御する、ことを
特徴とする。

【０００８】これによれば、冷却温度域のうち固相率が
０.８以下の温度範囲では、相当塑性歪み値(ε)が実測破
断歪み値(εｃ)を越え、変形による微細な割れが生じて
も、残留溶湯が係る割れ目内に浸入し、当該割れが治癒
され得る。従って、上記固相率０.８以下に相当する温
度範囲内は例外とし、且つそれ以外の温度域では原則通
り相当塑性歪み値(ε)を、実測破断歪み値(εｃ)以下の
範囲内とするように鋳造条件を制御する。これによっ
て、アルミニウム合金ビレットの垂直連続鋳造の初期段
階における割れ欠陥を確実で且つ精緻にして防止するこ
とが可能となる。

【０００９】また、前記連続鋳造する際、その鋳造条件
である鋳造速度(Ｖ)とビオ数(Ｂｉ)との積を冷却パラメ
ータとし、該冷却パラメータ値を、０.００５５ｍ／ｓ以
下とする、アルミニウム合金ビレットの垂直連続鋳造方
法が含まれる。尚、上記ビオ数(Ｂｉ)は、固体と流体中
の熱流に対する抵抗を示す指標であって、ビレットの表
面と第一次冷却媒体、第二次冷却媒体、及び／又は、第
三次冷却媒体との間における総括熱伝達係数(ｈ)とビレ
ットの半径(Ｒ)との積を、当該アルミニウム合金の熱伝
導率(κ)で除した値(ｈ×Ｒ／κ)である。上記のよう
に、冷却パラメータを適切に選択することにより、前記
相当塑性歪み値(ε)を実測破断歪み値(εｃ)以下の範囲
内に保ちつつ、確実に垂直連続鋳造が行えるので、割れ
欠陥のないアルミニウム合金ビレットを確実に鋳造する
ことができる。

【００１０】上記の具体的な発明態様として、特に、前
記連続鋳造する際に、アルミニウム合金の溶湯を注湯す
る筒形状の強制冷却鋳型からなる第一次冷却媒体と、こ
の媒体の下側に配置したリング形のワイパーとを用い、
上記第一次冷却媒体における内周面の下端のノズルか
ら、ビレットの周表面を冷却する第二次冷却媒体を噴射
し、該第二次冷却媒体の下部で上記ワイパーにより該第
二次冷却媒体を外部に排出すると共に、上記第一次冷却
媒体及びワイパーから下方に垂下したビレットの周表面
に第三次冷却媒体を吹き付ける、アルミニウム合金ビレ
ットの垂直連続鋳造方法が含まれる。この多段冷却鋳造
方法によれば、ビレット内部の相当塑性歪みを緩和でき
るので、ワイパーのない状態で割れを生じた鋳造速度に
よる場合や、大径のビレットを鋳造する場合であって
も、アルミニウム合金ビレットの垂直連続鋳造の初期段
階における割れ欠陥を確実に防止することができる。

【００１１】加えて、前記ビレットの直径が３００ｍｍ
以上の場合においては、第二次冷却帯の縦寸法(Ｌ)を４
５ｍｍ以下とした、アルミニウム合金ビレットの垂直連
続鋳造方法が含まれる。これによれば、ビレット各部の
相当塑性歪み値(ε)を、実測破断歪み値(εｃ)よりも小
さくすることが容易にできるので、ビレットの割れ欠陥
を確実に防止することができる。尚、上記第二次冷却帯
の縦寸法(Ｌ)とは、前記鋳型の下端から噴出する第二次
冷却媒体が、ビレット表面に当たる上端の位置からワイ
パーの下端(ワイパーにおける水平片の上端)までの距離
を指す。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下において本発明の実施に好適
な形態を図面と共に説明する。図１は、一般的なアルミ
ニウム合金ビレットの垂直連続鋳造方法を示す。図示の
ように、略円筒形状であり垂直断面が矩形で中空構造の
強制冷却鋳型(第一次冷却媒体)１内に、その内側に立設
した注湯筒１０と、これにガイドされたフロート兼用の
分流板１２とを介してアルミニウム合金の溶湯Ｍを鋳込
む。上記鋳型１における内周面の下端には、斜め下向き
にスリット状のノズル２が形成され、ここから噴射され
る冷却水Ｗ(第二次冷却媒体)により鋳塊Ｃの周表面を冷
却する。溶湯Ｍは鋳型１及び冷却水Ｗにより冷却され、
凝固界面Ｆを経て、鋳塊Ｃとなる。係る鋳塊Ｃは、予め
鋳型１中に挿入されていた下型４をその昇降軸５と共
に、下降させることにより、鋳型１の下方に引き下ろさ
れてビレットＢとなる。

【００１３】また、図２は、前記鋳型１の下側に平面視
でリング形で断面略Ｌ字形のワイパー３を配置した状態
を示し、その外側には冷却水Ｗの排水孔３ａを形成して
いる。係るワイパー３を用いて、第二次冷却媒体である
冷却水Ｗを外部に排出し、係る冷却水Ｗによる冷却速度
を調整し、且つその下側で鋳塊Ｃの周表面に例えば工業
用エアａ(第三次冷却媒体)を吹き付けることにより、鋳
塊Ｃの冷却速度を制御する多段冷却鋳造を行うことがで
きる。従って、鋳塊Ｃ内部における熱応力による歪みを
緩和でき、ビレットＢの初期鋳造段階における割れ欠陥
を確実に防止することが可能となる。図２中の符号Ｌ
は、第二次冷却帯の縦寸法を示す。尚、第二次・第三次
冷却媒体は、上記の形態に限定されず、適切な冷却パラ
メータが得られるような他の媒体や、それらの組合せを
選定しても良い。

【００１４】本発明では、図１及び図２に示した鋳造装
置を用いることを前提とし、鋳造されるビレットＢにつ
いて、凝固熱及び熱変形応力解析を行うことにより、ビ
レットＢ内部の相当塑性歪み(ε)を算出する。そして、
この相当塑性歪み(ε)のビレットＢ内部における分布の
推移を検討した結果、後述するように、鋳造初期段階に
おけるビレットＢの割れ欠陥は、その鋳込み先端(下端)
の中心部から発生することを見出した。尚、相当塑性歪
み値(ε)は、凝固過程におけるビレットＢの各部に生じ
る最大相当塑性歪み(計算値)である。

【００１５】係る知見に基づき、鋳造速度を変えて、ビ
レットＢの鋳込み先端の各部において、係る先端からの
距離ごとに応じた相当塑性歪み(ε)と、当該合金組成を
有するビレットＢの破断歪み(εｃ)の測定値とを比較し
た。この結果、原則として予め解析で得られた相当塑性
歪み(ε)が、実測破断歪み(εｃ)よりも小さい場合、割れ
欠陥が発生しないことを見出した。尚、実測破断歪み値
(εｃ)は、４００℃から全固液共存域の温度範囲での引
張試験で得られた破断歪み(実測値)である。また、アル
ミニウム合金において固相率が低い範囲、即ち固相率が
０.８以下の範囲では、溶湯Ｍがある程度残留しているた
め、相当塑性歪み(ε)が実測破断歪み(εｃ)より大きく
ても割れを生じにくいことも見出した。これは、熱変形
により生じた微細な割れ内に、残留する溶湯Ｍが浸入す
ることによって、割れが修復されるためである。

【００１６】また、上記の適正な範囲は、鋳造条件であ
るアルミニウム合金の鋳造速度(Ｖ)とビオ数(Ｂｉ)との
積である冷却パラメータが、０．００５５ｍ／ｓ以下と
なるように鋳造条件を制御することにより求められる。
尚、上記ビオ数(Ｂｉ)は、固体と流体中の熱流に対する
抵抗を示す指標で、ビレットの表面と第一次冷却媒体
(鋳型１)、第二次冷却媒体(冷却水Ｗ)、及び／又は、第
三次冷却媒体(エアａ)との間における総括熱伝達係数
(ｈ)とビレットの半径(Ｒ)との積を、当該合金の熱伝導
率(κ)で除した値(ｈ×Ｒ／κ)である。従って、上記冷
却パラメータが、０．００５５ｍ／ｓ以下となる総括熱
伝達係数(ｈ)を得るべく、第一次冷却媒体、第二次冷却
媒体、及び／又は、第三次冷却媒体の種類や流量の組合
せ等を、事前に選択・計算することにより、ビレットの
適正な鋳造条件を容易に設定することができる。

【００１７】

【実施例】以下において、本発明の具体的な実施例につ
いて説明する。先ず、前記図１に示した垂直連続鋳造装
置によって得られる直径３２５ｍｍの６０００系のアル
ミニウム合金のビレットＢに対して、凝固熱解析と、こ
れにて得られる温度場を温度荷重としてビレット鋳造過
程の熱変形応力解析により、内部相当塑性歪み(ε)を計
算した。

【００１８】凝固熱解析は、上記ビレットＢの鋳込み先
端から６００ｍｍを対象とし、幾何学的および熱的に軸
対称と仮定する軸対称モデルとした。また、解析領域
は、ビレットＢのメタル(溶湯Ｍ＋鋳塊Ｃ)、鋳型１、及
び、下型４を含め、ビレットＢの半径方向で１６５ｍｍ、
軸方向で６７５ｍｍとし、両方向共に５ｍｍ間隔で等分
割した。更に、解析手法は、直接差分外節点法により鋳
塊Ｃの凝固過程における非定常熱伝導解析を行った。上
記合金の凝固潜熱は、示差走査熱量測定器(ＤＳＣ)を用
い、室温から７２０℃までの範囲で測定した。また、熱
伝導率の測定は、レーザフラッシュ法を用いて、室温、
３００℃、及び６００℃の三点で行った。係る凝固解析
で使用したビレットＢ、鋳型１、及び下型４の各物性値
を表１に示す。

【００１９】尚、固相率は、発明者らが提案した方法で
固相率と温度との関係により計算した。これは、断熱型
比熱測定装置(真空理工(株)製)を用いて、室温から９７
３Ｋまでの比熱を連続的に測定し、測定した固液共存域
における比熱−温度曲線から固相率を求める方法であ
る。この場合、ある温度における固相率(fs)は、その温
度を通過した際に吸収した熱量(Ｓi)を全吸収熱量(Ｓto
tal)で割った値とする。図３に、比熱−温度曲線から計
算したあるアルミニウム合金の固相率と温度の関係の一
例を示す。即ち、図３中ではハッチングで示す上記熱量
(Ｓｉ)と全吸収熱量(Ｓtotal)を示し、且つ図３中の(注)
内にこれらの算出式(※¹,※²)を示した。

【００２０】

【表１】

【００２１】次に、熱変形応力解析を行った。これの対
象もメタル(溶湯Ｍ＋鋳塊Ｃ)、鋳型１、及び下型４であ
るが、鋳型１と下型４は剛体と仮定し熱変形を考慮しな
い。解析対象は、ビレットＢにおける鋳込み先端から鋳
造長さ３００ｍｍまでとし、幾何学的および力学的に軸
対称と仮定し、二次元軸対称弾塑性モデルとした。ま
た、解析コードは、有限要素法汎用解析プログラム「Ａ
ＮＳＹＳＶｅｒ５.４」であり、要素としてメタル領域
は二次元構造ソリッド(ＰＬＡＮＥ４２)を、鋳型１と下
型４は二次元ポイント(ＣＯＮＴＡＣＴ１２)を用いた。

【００２２】以上の各解析を基にして、弾塑性解析で計
算したビレットＢ内部の相当塑性歪み(ε)の分布を図４
に示す。図４(Ａ)に示すように、鋳込み開始から１００
ｍｍまでの範囲では、相当塑性歪み(ε)は当該ビレット
Ｂ１の表層(周面)近傍で最大となっている。また、図４
(Ｂ),(Ｃ)に示すように、鋳込み長さの増加に伴って溶湯
Ｍの凝固収縮により、相当塑性歪み(ε)の最大部分は、
該ビレットＢ２,Ｂ３の中心部へ移動する。特に、鋳造
長さが２００ｍｍの時点において、鋳込み先端から４０
〜７０ｍｍの中心部の位置で相当塑性歪み(ε)の値が最
大となった。

【００２３】これは、鋳型１からの冷却水Ｗの急冷によ
り、ビレットＢにおける表層部と中心部との温度が大き
くなるため、表層部及び中心部間における剛性の差も大
きくなり、中心部における凝固収縮が表層部に阻害され
た結果、中心部に大きな引張歪みが発生したことによ
る。更に、図４(Ｂ),(Ｃ)に示すように、ビレットＢ２，
Ｂ３の鋳込み長さに拘わらず、相当塑性歪み(ε)の最大
部分は、何れも鋳込み先端から約４０〜７０ｍｍの範囲
内で発生している。これにより、ビレットＢの割れは、
鋳込み先端の中心部から発生する危険が高いことが判
る。

【００２４】次いで、図５(Ａ)に示すように、前記図１
の鋳造装置及び前記アルミニウム合金を用い、鋳造速度
(Ｖ)を４２ｍｍ／分とし、ビレットＢの中心部における
鋳込み先端から３０〜１２０ｍｍの各位置における相当
塑性歪み(ε)の計算値と、引張試験で得られたビレット
Ｂの破断歪み(εｃ)とを、鋳造時における温度履歴のグ
ラフで示した。このグラフで示すように、前記解析で計
算された相当塑性歪み(ε)は、各位置において全て破断
歪み(εｃ)よりも小さかった。従って、上記鋳造速度で
鋳造したビレットＢには、割れが発生しないことが予測
できる。

【００２５】また、図５(Ｂ)に示すように、前記同様の
条件で且つ鋳造速度(Ｖ)を５０ｍｍ／分とし、ビレット
Ｂの前記と同じ位置における相当塑性歪み(ε)の計算値
と、破断歪み(εｃ)の変化をグラフとした。図５(Ｂ)の
グラフに示すように、鋳込み先端から５０，１００ｍｍ
の位置における相当塑性歪み(ε)は、それぞれ６１１
℃、６１４℃の時点で破断歪み(εｃ)よりも大きくなっ
たが、その他の温度及びその他の位置では相当塑性歪み
(ε)は全て破断歪み(εｃ)よりも小さくなった。ところ
で、破断歪み(εｃ)よりも相当塑性歪み(ε)が大きくな
った上記５０，１００ｍｍの位置では本来割れが発生す
る筈である。しかし、実際の鋳造では、鋳造速度５０ｍ
ｍ／分でも得られたビレットＢには割れは認められなか
った。

【００２６】上記相当塑性歪み(ε)が破断歪み(εｃ)よ
りも大きくなった状態が生じた温度範囲は、固相率０.８
以下(具体的には６１２℃〜６２０℃)の範囲にある。こ
のため、変形によりビレットＢに微細な割れが生じて
も、上記温度範囲では固相率が低く、残留する溶湯Ｍが
ある程度存在しているので、係る溶湯Ｍが上記割れ内に
浸入するため、割れが修復されたものである。換言すれ
ば、固相率が０．８以下となる温度範囲では、例外とし
て相当塑性歪み(ε)が破断歪み(εｃ)よりも大きくなっ
ても割れの修復は可能である。しかし、これ以下の温度
域では原則通り相当塑性歪み(ε)を破断歪み(εｃ)より
も小さくなるように、鋳造速度等を選択することによっ
て、ビレットＢの割れ欠陥を確実に予防することが可能
となる。

【００２７】更に、図６に示すように、前記同様の条件
で且つ鋳造速度(Ｖ)を５５ｍｍ／分とし、ビレットＢの
前記と同じ位置における相当塑性歪み(ε)の計算値と、
ビレットＢの破断歪み(εｃ)の変化をグラフとした。図
６のグラフに示すように、鋳込み先端から３０,５０,７
０,１００ｍｍの位置における相当塑性歪み(ε)は、それ
ぞれ６１５℃、６１４℃、５９４℃、６１３℃の時点で破
断歪み(εｃ)よりも大きくなったが、その他の温度及び
その他の位置では相当塑性歪み(ε)は全て破断歪み(ε
ｃ)よりも小さかった。

【００２８】さて、破断歪み(εｃ)よりも相当塑性歪み
(ε)が大きくなった上記３０,５０,１００ｍｍの位置に
おける温度では、固相率が０.８以下であるため、本来発
生する割れが治癒され得ると予測できる。一方、上記７
０ｍｍの位置での相当塑性歪み(ε)が破断歪み(εｃ)よ
りも大きくなった温度域は、対応する固相率が０.８８と
高いため、割れの治癒は不可能になると予測できる。そ
して、実際の鋳造において、鋳造速度５５ｍｍ／分で得
られたビレットＢの上記位置付近には割れ欠陥が認めら
れ、上記予測の正確さが裏付けられた。また、割れを有
する上記ビレットＢの破断面を観察した結果、この割れ
は固液共存域で発生していたことが判明し、上述の予測
通りであった。

【００２９】図７は、前記図１の鋳造装置と前記アルミ
ニウム合金を用いた場合において、鋳造条件である鋳造
速度(Ｖ)とビオ数(Ｂｉ)との積である冷却パラメータを
変化させた際、ビレットＢの中心部における相当塑性歪
み(ε)と実測破断歪み(εｃ)の比(ε／εｃ)の変化を示
すグラフである。尚、ビオ数(Ｂｉ)は、固体と流体中の
熱流に対する抵抗を示す指標で、ビレットの表面と第一
次冷却媒体、第二次冷却媒体、及び／又は、第三次冷却媒
体との間における総括熱伝達係数(ｈ)とビレットの半径
(Ｒ)との積を当該合金の熱伝導率(κ)で除した値(ｈ×
Ｒ／κ)である。

【００３０】図７のグラフに示すように、冷却パラメー
タ(Ｖ×Ｂｉ)の増加に伴って、上記比(ε／εｃ)も増加
する。そして、比(ε／εｃ)が１である冷却パラメータ
(Ｖ×Ｂｉ)は、上記グラフ中に破線で示す０.００５５ｍ
／ｓである。従って、係るパラメータ(Ｖ×Ｂｉ)を０.
００５５ｍ／ｓ以下とするよう、鋳造速度等の条件を制
御することにより、垂直連続鋳造方法において、アルミ
ニウム合金のビレットＢの割れ欠陥を確実に予防するこ
とができる。尚、図５(Ａ)，(Ｂ)及び図６に示した各グ
ラフを含め、前記図１の鋳造装置とアルミニウム合金を
用い、鋳造速度(Ｖ)及び冷却パラメータ(Ｖ×Ｂｉ)を変
化させた実施例１〜３及び比較例１〜３を表２に示す。
表２の結果においても、前述した鋳造速度(Ｖ)と割れの
関係や上述した冷却パラメータ(Ｖ×Ｂｉ)と割れの関係
が裏付けられる。

【００３１】

【表２】

【００３２】前記図２のワイパー３を併有する鋳造装置
及び前記と同じアルミニウム合金を用い、第二次冷却帯
の縦寸法Ｌ(前記鋳型１の下端から噴出する第二次冷却
媒体たる冷却水ＷがビレットＢ表面に当たる上端の位置
からワイパー３における水平片の上端までの距離)と、冷
却パラメータ(Ｖ×Ｂｉ)を変化させた多段冷却鋳造方法
を行った。図８〜図１０は、係る鋳造方法において、ビ
レットＢの中心部における鋳込み先端から２０〜１４０
ｍｍの各位置における相当塑性歪み(ε)の計算値と、実
際に鋳造したビレットＢにおける破断歪み(εｃ)の、鋳
造時における温度履歴のグラフで示す。

【００３３】図８のグラフに示すように、鋳造速度が５
５ｍｍ／分でも、第二次冷却帯の縦寸法Ｌを３０ｍｍと
した徐冷の連続鋳造方法では、相当塑性歪み(ε)は、各位
置において全て破断歪み(εｃ)よりも小さくなり、冷却
パラメータも０.００５１ｍ／ｓで、０．００５５ｍ／
ｓ未満となっている。そして、実際に上記と同じ条件で
鋳造したビレットＢに割れは生じなかった。即ち、第二
次冷却帯の縦寸法Ｌ(ワイプオフ位置)を３０ｍｍとする
と、鋳型１からの冷却水Ｗによる急冷が緩和されるた
め、ビレットＢの中心部における相当塑性歪み(ε)が破
断歪み(εｃ)よりかなり小さくなったため、割れなかっ
たものである。

【００３４】一方、図９のグラフに示すように、鋳造速
度が５５ｍｍ／分で且つ第二次冷却帯の縦寸法Ｌを４５
ｍｍとした弱冷の連続鋳造方法では、冷却パラメータ(Ｖ
×Ｂｉ)が０.００５４ｍ／ｓとなり、相当塑性歪み(ε)
は、鋳込み先端から３０ｍｍ〜１４０ｍｍの各位置で破
断歪み(εｃ)よりも全て小さくなった。しかも、実際に
上記と同じ条件で鋳造したビレットＢでは、割れは生じ
なかった。これは、ワイパー３の縦寸法Ｌが４５ｍｍで
は冷却水Ｗによる急冷がかなり抑制されるため、ビレッ
トＢ中心部の相当塑性歪み(ε)が破断歪み(εｃ)より大
きくなっても割れなかったものである。

【００３５】更に、図１０のグラフに示すように、鋳造
速度が５５ｍｍ／分で且つ第二次冷却帯の縦寸法Ｌを５
０ｍｍとした弱冷の連続鋳造方法では、冷却パラメータ
(Ｖ×Ｂｉ)が０.００６１ｍ／ｓとなり、相当塑性歪み
(ε)は鋳込み先端から１２０ｍｍと１４０ｍｍの位置で
破断歪み(εｃ)よりも大きくなった。また、実際に上記
と同じ条件で鋳造したビレットＢには、割れが生じてい
た。これは、上記縦寸法Ｌが５０ｍｍでは冷却水Ｗによ
る急冷があまり緩和されないため、ビレットＢ中心部の
相当塑性歪み(ε)が破断歪み(εｃ)より大きくなり割れ
たものである。以上のように、前記図６のグラフの場合
と同じ鋳造速度５５ｍｍ／分で鋳造したビレットＢで
も、第二次冷却帯の縦寸法Ｌを調整する等によって冷却
パラメータを制御することにより、ビレットＢの割れ発
生を予防し得ることが判る。割れを防ぐための係る第二
次冷却帯の縦寸法Ｌは、ビレットＢのサイズにもよる
が、直径３００ｍｍ以上のビレットＢに対し第二次冷却
媒体として冷却水Ｗを使用する場合は、４５ｍｍ以下に
することが望ましい。

【００３６】尚、本発明の垂直連続鋳造方法は、前記合
金以外の６０００系や７０００系等のアルミニウム合金
を適用する場合にも、その高温引張試験での破断歪みを
実測することにより可能である。また、冷却パラメータ
値を０.００５５ｍ／ｓ以下の範囲に設定すれば、これを
構成する鋳造速度(Ｖ)を鋳込み開始以降にて適宜変化さ
せることも可能である。例えば、ビレットＢの径、鋳造
速度(Ｖ)、或いは冷却水量等を変化させた場合でも、冷
却パラメータを上記値以下の範囲に設定すれば、鋳造割
れを防止し得る。

【００３７】

【発明の効果】以上において説明したように、本発明の
垂直連続鋳造方法によれば、実測破断歪み値(εｃ)を基
準とし、予め計算により得られる相当塑性歪み値(ε)が
実測破断歪み値(εｃ)を上回らない範囲で、鋳造速度や
冷却速度等の鋳造条件を制御することにより、割れの主
原因である初期段階でのビレットの割れ欠陥を確実に防
止することが可能となる。従って、既存のアルミニウム
合金は勿論、種々の用途に応じた開発アルミニウム合金
についても、割れのないビレットとして、効率良く垂直
連続鋳造を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の垂直連続鋳造方法を示す概略断面図。

【図２】異なる形態の垂直連続鋳造方法を示す概略断面
図。

【図３】あるアルミニウム合金の比熱−温度曲線を示す
グラフ。

【図４】(Ａ)乃至(Ｃ)は、鋳込み長さ毎におけるビレッ
ト内部の相当塑性歪みの分布を示す模式的断面図。

【図５】(Ａ)及び(Ｂ)は、図１の鋳造装置を用いて鋳造
速度を変化させた場合において、ビレット中心部の各位
置における相当塑性歪みと実測破断歪みとの鋳造時にお
ける温度履歴を示すグラフ。

【図６】図５と異なる鋳造速度の場合にて、ビレット中
心部の各位置における相当塑性歪みと実測破断歪みとの
鋳造時における温度履歴を示すグラフ。

【図７】冷却パラメータと相当塑性歪み及び実測破断歪
みの比との関係を示すグラフ。

【図８】図２の鋳造装置を用い且つ第二次冷却帯の縦寸
法を特定した場合において、ビレット中心部の各位置に
おける相当塑性歪みと実測破断歪みとの鋳造後における
温度履歴を示すグラフ。

【図９】図２の鋳造装置を用い且つ第二次冷却帯の縦寸
法を図８に対し増加させた場合において、ビレット中心
部の各位置における相当塑性歪みと実測破断歪みとの鋳
造後における温度履歴を示すグラフ。

【図１０】図２の鋳造装置を用い且つ第二次冷却帯の縦
寸法を図８及び図９に対し増加させた場合において、ビ
レット中心部の各位置における相当塑性歪みと実測破断
歪みとの鋳造後における温度履歴を示すグラフ。

【図１１】従来の垂直連続鋳造方法を示す概略断面図。

【符号の説明】

１…………………強制冷却鋳型(第一次冷却媒体) ２…………………ノズル３…………………ワイパーＢ,Ｂ1,Ｂ2,Ｂ3…ビレットＷ…………………冷却水(第二次冷却媒体) ａ…………………エア(第三次冷却媒体) Ｌ…………………第二次冷却帯の縦寸法

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム合金を所要形状のビレットに
連続鋳造するに際し、係る鋳造過程における弾・塑性変形解析により得られる
相当塑性歪み値(ε)を、当該アルミニウム合金の実測破
断歪み値(εｃ)以下の範囲内とするように鋳造条件を制
御する、ことを特徴とするアルミニウム合金ビレットの垂直連続
鋳造方法。
【請求項２】アルミニウム合金を所要形状のビレットに
連続鋳造するに際し、係る鋳造過程における弾・塑性変形解析により得られる
相当塑性歪み値(ε)を、上記合金の固相率０．８以下に
相当する温度範囲を除き、当該アルミニウム合金の実測
破断歪み値(εｃ)以下の範囲内とするように鋳造条件を
制御する、ことを特徴とするアルミニウム合金ビレットの垂直連続
鋳造方法。
【請求項３】前記連続鋳造する際、その鋳造条件である
鋳造速度(Ｖ)とビオ数(Ｂｉ)との積を冷却パラメータと
し、該冷却パラメータ値を、０.００５５ｍ／ｓ以下とす
る、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニ
ウム合金ビレットの垂直連続鋳造方法。尚、上記ビオ数
(Ｂｉ)は、固体と流体中の熱流に対する抵抗を示す指標
であって、ビレットの表面と冷却媒体との間における総
括熱伝達係数(ｈ)とビレットの半径(Ｒ)との積を、当該
合金の熱伝導率(κ)で除した値(ｈ×Ｒ／κ)である。
【請求項４】前記連続鋳造する際に、アルミニウム合金
の溶湯を注湯する筒形の強制冷却鋳型からなる第一次冷
却媒体と、この媒体の下側に配置したリング形のワイパ
ーとを用い、上記第一次冷却媒体の内周面の下端のノズルから、ビレ
ットの周表面を冷却する第二次冷却媒体を噴出し、該第
二次冷却媒体の下部で上記ワイパーにより該第二次冷却
媒体を外部に排出すると共に、上記第一次冷却媒体及びワイパーから下方に垂下したビ
レットの周表面に第三次冷却媒体を吹き付ける、ことを
特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のアルミニウ
ム合金ビレットの垂直連続鋳造方法。
【請求項５】前記ビレットの直径が３００ｍｍ以上の場
合においては、第二次冷却帯の縦寸法(Ｌ)を４５ｍｍ以下とした、こと
を特徴とする請求項４に記載のアルミニウム合金ビレッ
トの垂直連続鋳造方法。