JP2014046344A - 真空鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳型の上部に設けた断熱材の溶損による介在物の増加を防止すると共に、溶鋼の叩き込みによる介在物の増加を防止することができるようにする。
【解決手段】本発明は、上部側に断熱材を施工した鋳型を真空装置内に設置し、鋳型に溶鋼を注入して溶鋼を鋳込む真空鋳造方法において、鋳型の本体部に溶鋼を注入しているときには真空装置内の真空度を１Ｔｏｒｒ以下とし、鋳型内の溶鋼が鋳型の押湯部に達したときには、真空度を本体部鋳込み時の真空度よりも低くしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空装置内の鋳型に向けて溶鋼を注入することによって溶鋼を鋳込む真空鋳造方法に関する。

従来より、取鍋内の溶鋼を真空装置内の鋳型に注入しながら、真空引きをしつつ溶鋼の鋳込みを行う真空鋳造が行われている。真空鋳造を行う技術として、特許文献１や特許文献２に示すものがある。
特許文献１では、減圧（約５０Ｔｏｒｒ)かつ窒素雰囲気にした鋳型に窒素を補充添加された溶鋼を注入して減圧鋳造するようにしたので、窒素を脱ガスすることなく延性の優れたニオビウム、タンタルの少なくとも一方を含有する高クロム鋼を造塊することができる。

特許文献２では、溶鋼の注入口直下に紙製または木製の非耐火物からなる中空体を設置した溶鋼の飛散防止装置により、鋳型の内壁や押湯枠に溶鋼流が飛散するのを防止し、鋼塊不良の原因となる砂疵欠陥を防止する。

特公平０５−０２１６６８号公報 特開昭５０−００９５２８公報

特許文献１では、真空装置内の真空度を約５０Ｔｏｒｒにしているため、溶鋼の散り具合が小さく、取鍋から鋳型に注がれる溶鋼の叩き込みが大きくなってしまい、湯面上に浮遊している介在物が湯面下に巻き込まれてしまう虞がある。溶鋼の叩き込みが大き過ぎた場合、介在物が鋼塊内で検出されることが多く、介在物が増加する可能性がある。
一方で、特許文献２では、溶鋼の注入口直下に溶鋼の飛散防止装置が配備されているため、鋳型の内壁や押湯枠に溶鋼が飛散することを防止できるものの、溶鋼が押湯部に達したときに発生するボイリングにより押湯枠に施工している断熱材が溶損して介在物が増加することを防止できない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、鋳型の上部の押湯枠に設けた断熱材の溶損による介在物の増加を防止すると共に、溶鋼の叩き込みによる介在物の増加を防止することができる真空鋳造方法を提供することを目的とする。

目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、鋳型上部の押湯枠に断熱材を施工した鋳型を真空装置内に設置し、前記鋳型に溶鋼を注入して溶鋼を鋳込む真空鋳造方法において、前記鋳型の本体部に溶鋼を注入しているときには真空装置内の真空度を１Ｔｏｒｒ以下とし、前記鋳型内の溶鋼が鋳型の押湯部に達したときには真空装置内の真空度を、本体鋳込み時の真空度よりも低くする（言い換えれば、真空装置内の圧力値を本体鋳込み時よりも大きくする）ことを特徴とする。

前記溶鋼が押湯部に達した状況下で、溶鋼が最終押湯注入高さの４０％に達するまでに前記真空装置内の真空度を１Ｔｏｒｒ〜４Ｔｏｒｒとし、溶鋼が最終押湯注入高さの７０％に達するまでには、真空装置内の真空度を３Ｔｏｒｒ以上にすることが好ましい。

本発明によれば、鋳型上部の押湯枠に設けた断熱材の溶損による介在物の増加を防止すると共に、溶鋼の叩き込みによる介在物の増加を防止することができる。

真空上注ぎ鋳造装置の全体図である。 真空装置内の真空度と鋳型内の溶鋼の状況とを示す図であり、（ａ）は高真空度の場合を示し、（ｂ）は低真空度の場合を示す。 溶鋼の注入高さを説明する説明図である。 実施例における溶鋼の押湯注入高さと真空度との関係を示す図である。 比較例１における溶鋼の押湯注入高さと真空度との関係を示す図である。 比較例２における溶鋼の押湯注入高さと真空度との関係を示す図である。 比較例３における溶鋼の押湯注入高さと真空度との関係を示す図である。 比較例４における溶鋼の押湯注入高さと真空度との関係を示す図である。

以下、真空鋳造方法について図を基に説明する。
図１は、真空鋳造を行う真空上注ぎ鋳造装置の全体を示したものである。まず、真空上注ぎ鋳造装置について説明する。
図１に示すように、真空上注ぎ鋳造装置１は、上流工程にて精錬処理を行った溶鋼２が装入された取鍋３と、この取鍋３の下側に設置された中間鍋（タンディッシュ）４と、この中間鍋４の下側に設置された真空装置５とを備えている。

中間鍋４の下部には、当該中間鍋４内の溶鋼２を真空装置５内の鋳型６に注入するノズル７が設けられている。また、中間鍋４内には、ノズル７を閉鎖すると共にノズル７へ流れる溶鋼スループット（溶鋼量）を調整するストッパー８が設けられている。ストッパー８の先端部には、不活性ガスなどを吹き込むガス吹き込み口（図示省略）が設けられていることもある。また、中間鍋４の下部であってノズル７の下端部には、ストッパー８とは別にノズル７を閉鎖可能なスライドバルブ（図示省略）が設けられている。

真空装置５は、鋳造時に内部が略真空状態となる真空タンク１０と、この真空タンク１０内に設置された鋳型６とを備えている。真空タンク１０の上部に、中間鍋４が設置されている。真空タンク１０の上部には、中間鍋４のノズル７から注入された溶鋼２を受け入れる開口部１１が設けられ、この開口部１１の直下に鋳型６が配置されている。
また、図１に示すように、鋳型６は、有底状のものであって、主に、底部（台盤）２０と、この底部２０から上方に立ち上がる本体部２１とから構成され、この本体部２１の上部側には押湯部２２が設けられている。

図１、２に示すように、押湯部２２の内壁（溶鋼が接する部分）には、断熱材２３が設けられている。この断熱材２３は、押湯部２２に位置する溶鋼２の凝固時の断熱性を高めるもので、鋳型６の本体部２１の上部から鋳型６の溶鋼到達高さ以上まで達していて、押湯部２２の内壁に周方向に沿って当該押湯部２２の全周に施工されている。
このような真空上注ぎ鋳造装置１を用いて真空鋳造を行うにあたっては、電気炉又は転炉などの精錬炉から溶鋼を取鍋３に出鋼し、溶鋼処理工程で精錬された溶鋼２が装入された取鍋３を鋳造ステーションに移動させる。そして、取鍋３内の溶鋼２を中間鍋４に装入し、ノズル７やスライドバルブ等を開放して中間鍋４内の溶鋼２を真空タンク１０の鋳型６に注入する。また、中間鍋４内の溶鋼２を鋳型６に注入している状況下では、真空装置５（真空タンク１０）内を真空引きして、当該真空装置５内を真空状態とし、落下中の溶鋼２の流滴に含まれる水素等を脱ガスする。脱ガスした水素等は、真空タンク１０の排出口１４から排出される。この真空鋳造方法では、特に圧力容器や圧延ロールなどに用いられる鋼塊を製造するのに適している。

さて、真空鋳造を行うに際して、真空装置５内の真空度の大きさによって、中間鍋４から落下する溶鋼の状態、鋳型６内の溶鋼の状態などが変化する。このような溶鋼の状態変化は、鋳型６に存在する溶鋼内の介在物に影響を与えることがある。本発明では、真空装置５内の真空度によって変化する溶鋼の状態に着目し、真空鋳造後の鋼塊内の介在物の増加を抑制することとしている。

以下、本発明の真空鋳造方法について詳しく説明する。
図２（ａ）に示すように、真空鋳造中において、真空装置５内の真空度が高い場合、中間鍋４から鋳型６へ落下する溶鋼は、細かい粒滴状に広がり大きく分散する。そのため、落下している溶鋼２が既に鋳型６へ注入された溶鋼２の湯面に叩きつけられるといった「溶鋼の叩き込み」は小さく、溶鋼２の湯面上の介在物が、溶鋼の叩き込みの衝撃によって鋳型６の溶鋼中に巻き込まれて本体部２１の溶鋼凝固部に捕捉されることは少ない。即ち
、真空装置５の真空度が高い場合は、中間鍋４から鋳型６へと落下する溶鋼が細かく粒滴状に広がるため、溶鋼の叩き込みによる鋼塊本体部（本体部２１の溶鋼凝固部）の介在物の増加を抑制することができる。一方、真空装置５の真空度が高い場合は、溶鋼２と鋳型６との溶鋼接触面においてボイリングが生じる。

ここで、溶鋼が鋳型６の本体部２１にあるときは、ボイリングが生じたとしても本体部２１は断熱材を施工しておらず、鋳型のみであるため、介在物が生成されることはない。しかしながら、溶鋼２が押湯部２２に達しているときは、ボイリングの影響によって断熱材２３が溶損して、介在物の増加を招く可能性がある。
このようなことから、本発明では、溶鋼２を鋳型６に注入するに際して、溶鋼２が鋳型６の本体部２１に位置しているときは、真空装置内の真空度を１Ｔｏｒｒ以下として真空度を高くして溶鋼の脱ガスを促進する。一方で、溶鋼２が鋳型６の押湯部２２に達した後、溶鋼の鋳込みを終了するまでは、真空装置５内の真空度を本体部２１鋳込み時よりも低くして、押湯部２２における溶鋼２と断熱材２３との接触面におけるボイリングを小さくし、ボイリングによる断熱材の溶損が発生しないようにしている。なお、真空装置５内の真空度の調整は、図示しないエゼクター設備（排気装置）等で行う。

真空鋳造中において、真空装置５内の真空度を低くした場合、上述したように、真空度に応じてボイリングは小さくなるものの、図２（ｂ）に示すように、中間鍋４から鋳型６へ落下する溶鋼２の広がりは真空度の低下に伴い小さくなることで、溶鋼の叩き込みは大きくなる。しかし、真空装置５内の真空度が低すぎない状況下であれば、落下する溶鋼２の叩き込みによる衝撃を抑えることができ、溶鋼の叩き込みによる鋼塊本体部の介在物増加は発生しない。

そこで、本発明では、溶鋼２が押湯部２２に達した状況下において、溶鋼の注入高さ（注入高さ）Ｈ１が最終押湯注入高さＨ２に対して４０％に達するまでに真空装置５内の真空度を１Ｔｏｒｒ以上４Ｔｏｒｒ以下として、溶鋼の叩き込みによる介在物の増加を発生しない程度に、溶鋼の広がりを抑制しつつボイリングによる介在物の増加も抑制している。

図３に示すように、注入高さＨ１とは、鋳型６の押湯部２２の下端（本体部２１と押湯部２２との境界）を基準位置としたとき、この基準位置から押湯部２２に位置する湯面までの垂直距離のことである。また、注入高さＨ１は、真空装置５内（鋳型６内）を目視にて観察できるのぞき窓から当該鋳型６内の様子を観察することによって求めてもよいし、鋳型６内の溶鋼の高さを測定可能な遠隔測定器などを用いて求めても良い。

本発明では、押湯部２２の下端（基準位置）から押湯部２２内における溶鋼２の注入完了時（鋳込み終了時）の湯面位置までの垂直距離を最終押湯注入高さＨ２としたうえで、上述した注入高さＨ１が、最終押湯注入高さＨ２の４０％以下になるまでの間に、真空装置５内の真空度を１Ｔｏｒｒ〜４Ｔｏｒｒにしている。なお、押湯部２２の下端である基準位置を０％、最終押湯注入高さである位置を１００％としている。

さて、図３に示すように、注入高さＨ１が高くなると、鋳型６内の溶鋼２の湯面と、中間鍋４の開口部１１との距離は次第に短くなり、真空装置５内の真空度を低くしたとしても、溶鋼の叩き込みの強さは弱くなり、溶鋼の叩き込みによる介在物の巻き込みも少なくなる。また、注入高さＨ１が高くなると、溶鋼の叩き込みによって巻き込まれた介在物は、本体部２１に捕捉され難くなる。

このようなことから、本発明では、注入高さＨ１が最終押湯注入高さＨ２の７０％に達するまでには、真空装置５内の真空度を３Ｔｏｒｒ以上にすることとしている。例えば、注入高さＨ１が最終押湯注入高さＨ２の４０％になるまでに真空度を１Ｔｏｒｒ以上とし、且つ、注入高さＨ１が４０％を超えて７０％に達するまでに、真空装置５内の真空度を３Ｔｏｒｒ以上にするのがよい。

このように、注入高さＨ１が最終押湯注入高さＨ２の７０％に達するまでには、真空装置５内の真空度を３Ｔｏｒｒ以上にすることにより、溶鋼の叩き込みによる介在物の巻き込みを抑制しながら、断熱材２３が長時間にわたってボイリングに晒されることを防止することができ、ボイリングによる介在物の増加を抑制することができる。
表１は、本発明の真空鋳造方法にて操業を行った実施例と、本発明の真空鋳造方法とは異なる方法で操業を行った比較例とをまとめたものである。

実施例及び比較例では、真空上注ぎ法によって真空鋳造を行った。また、鋼塊重量は４０〜３００ｔｏｎ、溶鋼２が本体部２１に位置しているときの真空度は１Ｔｏｒｒ以下とし、中間鍋４は、４０ｔｏｎ又は６０ｔｏｎクラスのものを用いた。さらに、中間鍋４への溶鋼の注入速度は、２ｔｏｎ/ｍｉｎ〜８ｔｏｎ/ｍｉｎとし、鋳型６内への注入速度も２ｔｏｎ/ｍｉｎ〜８ｔｏｎ/ｍｉｎとした。取鍋の重量は、５０ｔｏｎ〜１４０ｔｏｎとし、鋳型６に押湯部２２と断熱材２３を設けた。実施例及び比較例では、溶鋼内の介在物を評価するために、真空鋳造後の鋼塊についてＵＴ検査（超音波探傷検査）を行い、欠陥（ＦＢＨ）の大きさについて評価を行った。

実施例１〜７では、本体の平均真空度の欄に示すように、鋳型６の本体部２１に溶鋼を注入しているときには真空装置内の真空度を１Ｔｏｒｒ以下としている。また、押湯部の欄に示すように、鋳型６内の溶鋼２が押湯部２２に達したときには真空装置５内の真空度を本体部２１鋳込み時より低くしている。
詳しくは、図４に示すように、実施例１〜７はいずれも、注入高さＨ１が最終押湯注入高さＨ２の４０％に達するまでに、真空装置５内の真空度を１Ｔｏｒｒ以上４Ｔｏｒｒ以下にしている。また、実施例１〜７のいずれも、注入高さＨ１が最終押湯注入高さＨ２の７０％に達するまでに、真空装置５内の真空度を３Ｔｏｒｒ以上にしている。このように、実施例において、少なくとも真空装置５内の真空度を、注入高さＨ１が最終押湯注入高さＨ２の４０％に達するまでに１Ｔｏｒｒ以上にして、且つ、注入高さＨ１が最終押湯注入高さＨ２の７０％に達するまでに３Ｔｏｒｒ以上にすることにより、ＵＴ欠陥の発生を防止することができる。

一方、比較例１及び図５に示すように、溶鋼２が押湯部２２に達した時点で真空度を４Ｔｏｒｒ以上にしたり、比較例２及び図６や比較例３及び図７に示すように、注入高さＨ１が最終押湯注入高さＨ２の７０％に達するまでに、真空装置５内の真空度を３Ｔｏｒｒ以上にしなかった場合もＵＴ欠陥が見受けられた。さらに、比較例４及び図８に示すように、注入高さＨ１が最終押湯注入高さＨ２の４０％に達するまでに、真空度を１Ｔｏｒｒ以上にしなかった場合、ＵＴ欠陥が見受けられた。

以上、本発明によれば、鋳型６の本体部２１に溶鋼２を注入しているときには真空装置５内の真空度を１Ｔｏｒｒ以下とし、鋳型６内の溶鋼２が鋳型６の押湯部２２に達したときには真空装置５内の真空度を１Ｔｏｒｒ以上にすれば、ボイリング等による介在物の増加を抑制することができる。特に、溶鋼２が押湯部２２に達した状況下で、溶鋼２が最終押湯注入高さＨ２の４０％に達するまでに、真空装置５内の真空度を１Ｔｏｒｒ〜４Ｔｏｒｒとし、溶鋼２が最終押湯注入高さＨ２の７０％に達するまでに、真空装置５内の真空度を３Ｔｏｒｒ以上にすれば、確実に鋳型６に設けた断熱材２３の溶損による介在物の増加を防止すると共に、溶鋼の叩き込みによる介在物の増加を防止することができる。

なお、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。

１ 真空上注ぎ鋳造装置
２ 溶鋼
３ 取鍋
４ 中間鍋
５ 真空装置
６ 鋳型
７ ノズル
８ ストッパー
１０ 真空タンク
１１ 開口部
２０ 底部（台盤）
２１ 本体部
２２ 押湯部
２３ 断熱材
Ｈ１ 注入高さ
Ｈ２ 最終押湯注入高さ

Claims (2)

1. 上部側に断熱材を施工した鋳型を真空装置内に設置し、前記鋳型に溶鋼を注入して溶鋼を鋳込む真空鋳造方法において、
   前記鋳型の本体部に溶鋼を注入しているときには真空装置内の真空度を１Ｔｏｒｒ以下とし、前記鋳型内の溶鋼が鋳型の押湯部に達したときには真空装置内の真空度を本体部鋳込み時の真空度よりも低くすることを特徴とする真空鋳造方法。
2. 前記溶鋼が押湯部に達した状況下で、溶鋼が最終押湯注入高さの４０％に達するまでに前記真空装置内の真空度を１Ｔｏｒｒ〜４Ｔｏｒｒとし、溶鋼が最終押湯注入高さの７０％に達するまでには、真空装置内の真空度を３Ｔｏｒｒ以上にすることを特徴とする請求項１に特徴とする真空鋳造方法。