JP5992851B2 - 連続鋳造用鋳型およびその連続鋳造用鋳型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造空間を形成する鋳型壁部の表面に、円形、疑似円形、縦溝、横溝あるいは格子溝等の如き凹所を設け、その凹所に金属の充填層を備えた連続鋳造用鋳型およびその鋳型の製造方法に関するものである。

従来、連続鋳造鋳片は、水冷銅鋳型で囲まれ、上下方向に貫通する空間部を有した連続鋳造用鋳型を使用し、この空間に供給された溶鋼が水冷銅鋳型で冷却しながら凝固することにより製造されている。

特許文献１、２には、この連続鋳造用鋳型の内壁面にＶ型、Ｕ型、角型断面形状の凹溝加工を施し、溝部を低熱伝導材料（金属、セラミックス）で充填させた鋳型が提案されている。

このような連続鋳造用鋳型の表面に設けた凹溝部（円形、擬似円形、縦溝、横溝あるいは格子溝等）に低熱伝導材料を充填して充填層を形成するに当たり、めっき処理あるいは溶射法を適用する場合に、以下に述べるような不具合があった。

すなわち、溝部の幅や深さが深い場合に充填層と溝部の側壁との間に隙間（空隙）が生じることがあり、充填層の、鋳型に対する密着強度が十分でなく、従来鋳型と比べて鋳型寿命が短くなる。また、鋳型内部に空隙が存在することで、鋳型内の伝熱が局所的にバラつく結果、鋳片の凝固が不均一になり、ブレイクアウト等の操業上のトラブルが発生することも懸念される。

なお、このような現象は、例えば、電気めっきでは、鋳型の表層において電流が流れ易いのに対してその内部側、とくに溝部の底壁と側壁とが交差する部位では電流が流れにくいこと、また、溶射法では、溶射材料が溝部の内側に比べ鋳型の表面に付着しやすいことにより生じると考えられ、この点に関して言及された先行技術については今のところ知られていない。

特開平１−２８９５４２号公報 特開平２−６０３７号公報

本発明の課題は、連続鋳造用鋳型の鋳型壁面に凹所を設けて、この凹所に低熱伝導材を充填する場合に生じていた従来の問題を解消できる連続鋳造用鋳型及びその鋳型の製造方法を提案するところにある。

本発明は、鋳造空間を形成する鋳型壁部の表面に、底壁とこの底壁の縁部につながる側壁とによって区画形成され、該鋳型壁部の外表面にて開口された開口端を有する凹所を設け、この凹所に、めっき処理または溶射により形成された金属の充填層を備えた連続鋳造用鋳型であって、前記凹所は、前記底壁と前記側壁とが交差する部位に、丸め部を有し、前記丸め部は、曲率半径をＲ（ｍｍ）、前記凹所の間口幅をｄ（ｍｍ）とした場合に下記（１）式、
０．２≦Ｒ≦ｄ／２ …（１）
を満足するものであることを特徴する連続鋳造用鋳型である。

上記の構成からなる連続鋳造用鋳型においては、凹所は、開口端に面取り部を有すること、また、面取り部は、面取り厚さをａ（ｍｍ）とし、面取り幅をＬ（ｍｍ）、凹所の深さをＨ（ｍｍ）、凹所の開口幅をｄ（ｍｍ）とした場合に、
０．５≦ａ≦Ｈ／２ …（２）
０．５≦Ｌ≦ｄ／２ …（３）
を満足するものであること、が本発明の課題解決のための具体的手段として好ましい。

また、本発明は、鋳造空間を形成する鋳型壁部の表面に、底壁とこの底壁の縁部につながる側壁とによって区画形成され、該鋳造壁部の外表面にて開口された開口端を有する凹所を設け、この凹所に、めっき処理または溶射により形成された金属の充填層を備えた連続鋳造用鋳型であって、前記凹所の側壁に、前記底壁へ向けて先細り断面形状となすテーパーを有することを特徴とする連続鋳造用鋳型である。

上記の構成からなる連続鋳造用鋳型において、凹所は、テーパー加工代をｂ（ｍｍ）とし、該凹所の開口幅をｄ（ｍｍ）とした場合に、
０．５≦ｂ≦ｄ／２ …（４）
を満足するものであることが本発明の課題を解決するための具体的手段として好ましい。

また、本発明は、上記の構成からなる連続鋳造用鋳型を製造するに当たり、凹所の底壁と側壁とが交差する部位に、丸め部を形成し、次いで、めっき処理または溶射により該凹所に金属の充填層を形成したことを特徴とする連続鋳造用鋳型の製造方法である。

上記の構成からなる連続鋳造用鋳型の製造方法において、丸め部の曲率半径をＲ（ｍｍ）、前記凹所の開口幅をｄ（ｍｍ）とした場合に、該丸め部を、上記（１）式を満足する条件のもとに形成することが好ましい。

また、本発明は、めっき処理または溶射により前記凹所に金属の充填層を形成するに先立ち、該凹所の開口端に面取り加工を施し、金属の充填層を形成したのちにおいては、面取り加工を施した部位の少なくともその厚さを鋳型壁部の全面にわたって除去することを特徴とする連続鋳造用鋳型の製造方法である。

さらに、本発明は、凹所にめっき処理または溶射により金属の充填層を形成するに先立ち、該凹所の側壁にテーパー加工を施すことを特徴とする連続鋳造用鋳型の製造方法である。

上記の構成からなる本発明の連続鋳造用鋳型によれば、凹所の底壁と側壁とが交差する部位に円弧状をなす丸め部を設けたため、めっき処理を施して金属の充填層を形成する場合に、その部位における電流のスムーズな流れにより金属の充填層を効率よく形成することができる。また、溶射によって金属の充填層を形成する場合においてもその部位に充填材を直接衝突、付着、堆積させることが可能となり、密着強度を低下させるような空隙が形成されることがない。

丸め部を、０．２≦Ｒ≦ｄ／２（Ｒ：丸め部の曲率半径（ｍｍ）、ｄ：凹所の間口寸法（ｍｍ））の条件を満足するように設けることにより、めっき処理、溶射のいずれの方法を適用しても充填材を凹所においてまんべんなく付着、堆積させることができる。

凹所の開口端に面取り部を設けることにより、その部位における間口寸法が拡大されるため、めっき処理あるいは溶射の際に凹所内を全て充填材で満たすことができる。また、充填材が凹所の開口端の周りに付着してその部位の間口寸法を早期のうちに狭めてしまうことがなくなる。

面取り部を、０．５≦ａ≦Ｈ／２、０．５≦Ｌ≦ｄ／２（ａ：面取り高さ（ｍｍ）、Ｌ：面取り幅（ｍｍ）、Ｈ：凹所の深さ（充填層の厚さ）（ｍｍ）、ｄ：凹所の間口寸法をｄ（ｍｍ））の条件で設けることにより、空隙を生じさせることなく充填層の形成が可能となる。

凹所の側壁に、底壁へ向けて先細り断面形状となすテーパーを形成することにより、凹所の開口端における間口寸法が拡大され、充填材が付着しても該間口寸法が簡単に狭まることがなく、しかも、底壁と側壁が交差する部位においても充填材を効率よく付着させることができる。

テーパーを、０.５≦ｂ≦ｄ／２（ｂ：テーパー加工代（ｍｍ）、ｄ：凹所の間口寸法（ｍｍ））の条件で形成することにより、凹所の底壁と側壁とが交差する部位（角部）に充填材を確実に付着させることができる。

本発明の連続鋳造用鋳型の製造方法によれば、凹所の底壁と側壁とが交差する部位に、円弧状をなす丸め部を形成し、次いで、めっき処理または溶射により該凹所に金属の充填層を形成するようにしたため、充填材は、凹所の全域に付着、堆積することになる。

連続鋳造鋳型の製造に際しては、めっき処理または溶射により前記凹所に金属の充填層を形成するに先立ち、該凹所の開口端において面取り加工を施すか、該凹所の側壁にテーパー加工を施すことにより凹所の開口端における間口寸法が拡大され、凹所の全域を充填材で満たすことができる。

本発明に従う連続鋳造用鋳型の壁部の一部分を模式的に示した図である。 図１のＡ−Ａ断面を示した図である。 従来の連続鋳造用鋳型の断面を要部について示した図である。 本発明に従う連続鋳造用鋳型の他の例を示した図である。 本発明に従う連続鋳造用鋳型のさらに他の例を示した図である。

以下、図面を用いて本発明をより具体的に説明する。
図１は、本発明に従う連続鋳造用鋳型の壁部の外表面をその一部分について模式的に示した図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面を示した図である。

図における符号１は、鋳型壁部を形成する鋳型銅板、２は、鋳型銅板１の表面に形成された凹所である。この凹所２は、底壁２ａと、この底壁２ａにつながる側壁２ｂからなり、鋳型壁部の表面において開口された開口端２ｃを有しており、底壁２ａと側壁２ｂが交差する部位には、曲率半径がＲ（ｍｍ）になる丸め部２ｄが形成されている。

凹所２は、ここではその平面形状が円形になるものを例として示したが、疑似円形のものや鋳型の幅方向に沿って伸びる横溝、横溝に交差する向きに延びる縦溝（鋳造方向に平行な溝）あるいは横溝と縦溝を組み合わせた格子溝等を適用することもできる。なお、疑似円形とは、円相当径＝（４×Ｓ／π）^１／２（Ｓ：凹所２の開口面積（ｍｍ^２））で算出される円相当径を有する形状のものを指すこととする。

また、符号３は、めっき処理、溶射によって凹所２に形成された金属の充填層である。この金属の充填層３を形成する材料としては、熱伝達分布を与えるため、鋳型銅板と熱伝導率差が大きい材料としてＮｉを用いるが、その他、めっき処理又は溶射が可能な金属を用いることもできる。

従来のこの種の連続鋳造用鋳型において設けられる凹所（溝部）は、その要部断面を図３に示すように、凹所４の底壁４ａと側壁４ｂとが交差する部位に角部４ｃを有している。

そして、かかる凹所４においては、めっき処理（電気めっき等）あるいは溶射により該凹所４に金属の充填層３を形成する場合、とくに、角部４ｃにおいて充填材Ｓが付着、堆積しにくく、また、溝部４の開口端４ｄでは、充填材Ｓが付着してその間口幅（凹所４が円形の場合には直径に対応）ｄを狭めてしまうことから、溝部４に充填層が形成されたとしても側壁４bと充填層との間に空隙が残されている場合があり、形成された充填層３の、鋳型に対する十分な密着強度を確保することができないことが懸念されていた。

しかしながら、本発明においては、底壁２ａと側壁２ｂとが交差する部位に丸め部２ｄを設けるようにしたため、その部位において充填材を確実に付着させることができ、これにより、充填層３の、鋳型に対する密着性が改善される。

本発明においては、丸め部２ｄの曲率半径Ｒは、
０．２≦Ｒ≦ｄ／２ …（１）
とするのが望ましいとしたが、その理由は、凹所２の形状によっても異なるが、丸め部２ｄの曲率半径Ｒが少なくとも０．２ｍｍであればその部位に充填材を確実に付着、堆積させることができるからである。一方、丸め部２ｄの曲率半径Ｒがｄ／２を超えた場合には、凹所２の体積が著しく小さくなるため、十分な熱伝達分布が得られず、鋳造鋳片の表面割れ低減効果が減少する。このため、丸め部２ｄを設けるに当たっては、その曲率半径Ｒを０．２≦Ｒ≦ｄ／２とした。

図４は、本発明に従う連続鋳造用鋳型の他の実施の形態をその要部について示した図で
ある。この例は、凹所２の開口端２ｃ（凹所２の側壁２ｂと鋳型の壁部表面とが交差する
部位）に面取り部５を設けたものである。

凹所２に丸め部２ｄを設けた場合であっても、凹所２の深さＨが一定以上深くなると、開口端２ｃの周りに付着した充填材によってその部位の間口幅ｄが狭められてしまうため、凹所２の全域に効率的に金属の充填層３を形成することができないことも懸念される。

面取り部５を設けることで開口端２ｃの間口幅ｄが狭まるのを抑制し、凹所２の丸め部２ｄに充填材を確実に付着させることができる。

本発明においては、面取り部５については、
０．５≦ａ≦Ｈ／２ …（２）
０．５≦Ｌ≦ｄ／２ …（３）
とすることが望ましいとしたが、その理由は、面取り厚さａ、面取り幅Ｌがともに０．５ｍｍ未満では、開口端２ｃの周りに充填材が付着して早期のうちにその部位の間口寸法ｄが狭まってしまうからである。一方、面取り厚さａについてＨ／２を超えた場合、面取り幅Ｌについてはｄ／２を超えた場合には、目的のサイズ（面積および厚さ）を有する金属の充填層３を得ることができない。このため、本発明においては、面取り部５を設ける場合においては、０．５≦ａ≦Ｈ／２、０．５≦Ｌ≦ｄ／２とした。

なお、凹所２の開口端２ｃに面取り部５を設けて金属充填層３を形成する場合、該金属充填層３の形成後に面取り加工を施した部位の少なくともその厚さ（面取り厚さａ）分を鋳型壁部の全面にわたって除去して上掲図１に示すような断面とすることができ、これにより、目的とするサイズになる金属の充填層３を得ることができる。

上掲図４においては、面取り部５に形成された面取り面５ａは、フラット（直線状）のものを例として示したが、上記（２）、(３)式の条件を満足するものであれば、面取り面５ａは、凹状あるいは凸状の曲面を有するものであってもよく、この場合でも同等の効果を得ることができる。

図５は、本発明に従う連続鋳造用鋳型のさらに他の実施の形態をその要部について示した図である。この例は、凹所２の側壁２ｂに底壁２ａに向けて先細り断面形状となすテーパー６を設けたものである。

凹所２の側壁２ｂにテーパー６を設けることにより、充填材が凹所２の開口端２ｃが拡大され、充填材を凹所２に効率よく供給することが可能となる。テーパー６を設けた場合でも上記（２）、（３）式を満足する加工を施した後、充填層３を形成してもよい。また、鋳型と充填層３の界面における面積を増大させることができるため、該充填層３の、鋳型に対する密着性が改善されるとともに、鋳型表面で充填層３に亀裂が発生したとしてもその内部に向けて進展しにくくなり、結果的に鋳型の寿命を延長させることができる。

本発明においては、凹所２の側壁２ｂにテーパー６を設けるに当たっては、
０．５≦ｂ≦ｄ／２ …（４）
とすることが望ましいとしたが、その理由は、テーパー加工代ｂが０．５ｍｍよりも小さいと、凹所２の開口端２ｃの周りに付着した充填材によって開口端２ｃが早期のうちに狭まってしまうとともに、底壁２ａと側壁２ｂとが交差する部位において充填材を付着、堆積させるのが困難となるからである。一方、ｄ／２よりも大きくなると、凹所２の体積が小さくなるため、十分な熱伝達分布が得られず、鋳造鋳片の表面割れ低減効果が減少する。このため、本発明においては、凹所２の側壁２ｂにテーパー６を設ける場合に上記の条件を満足させるようにした。

とくに、凹所２の側壁２ｂにテーパー６を設けたものにおいては、底壁２ａと側壁２ｂとが交差する部位に丸み部２ｃを設けずとも充填材を付着させることができる利点がある。

上記の（２）式において、凹所２の深さ（金属充填層３の厚さ）Ｈは、金属充填層３を設けたことによる効果をより有効に発揮させるため、すなわち、凝固シェルの不均一な凝固を防止する観点から、
Ｈ≧ｄ／３ …（５）
とするのがよい。

電気めっき処理によって充填層３を形成する場合の好適条件としては、凹所２の形状や充填金属の種類によっても異なるが、液温４０〜６０℃において、電圧１．５〜３．０Ｖ、電流１．０〜２．０Ａとするのが望ましい。

なお、めっき処理を行うと、凹所２以外の部分にも金属が付着するため、数時間〜数十時間めっき処理を行った後、凹所２以外に付着した金属を切削加工で取り除き、さらに再度めっき処理を行う工程を複数回繰り返すことにより充填層３を形成するのがよい。

溶射によって充填層３を形成する場合の好適条件としては、凹所２の形状や充填金属の種類によっても異なるが、灯油と酸素のガス炎を熱源として、金属を溶融させ、融点から融点＋２００℃程度までの温度に加熱した後、窒素ガスにより鋳型銅板１に金属を吹き付けて該金属を凹所２に充填させる。

この場合も、めっき処理と同様に、凹所２以外にも金属が付着するのが避けられないので、所定時間溶射した後、凹所２以外に付着した金属を切削加工により取り除き、再度溶射を行う工程を複数回繰り返して充填層３を形成するのがよい。

直径４〜１０ｍｍ、深さ１〜４ｍｍの円形の凹所２を設けた上掲図１に示したような連続鋳造用鋳型につき、該凹所２の丸め部の曲率半径Ｒ、面取り厚さａ、面取り幅Ｌ、テーパー加工代ｂを種々変化させて電気めっき処理（液温４０〜６０℃、電圧１．５〜３．０Ｖ、電流１．０〜２．０Ａとして凹所の直径ｄまたは厚さｈに応じて２〜４回めっき処理を繰り返す）により、凹所２にＮｉを充填して金属の充填層３を形成させ、得られた充填層３の充填状態について調査した。

その結果を表１に示す。

表１より、底壁２ａと側壁２ｂとが交差する交差部に角部４を有する凹所２を有する連続鋳造用鋳型においては、充填層３に空隙が生じてしまうのが避けられなかったが、本発明に従う連続鋳造用鋳型においてはＨ／ｄが１／３を超えるような場合において一部に空隙が生じているにすぎないことが確認された。

本発明によれば、連続鋳造用鋳型の鋳型内壁面に設けた凹所に、低熱伝導金属を隙間無く充填させた連続鋳造用鋳型を製造することが可能となる。

１ 鋳型銅板
２ 凹所
２ａ 底壁
２ｂ 側壁
２ｃ 開口端
２ｄ 丸め部
３ 金属の充填層
４ 凹所
４ａ 底壁
４ｂ 側壁
４ｃ 角部
４ｄ 開口端側の角部
５ 面取り部
５ａ 面取り面
６ テーパー加工部
Ｓ 充填材

Claims (8)

1. 鋳造空間を形成する鋳型壁部に、底壁とこの底壁の縁部につながる側壁とによって区画形成され、該鋳型壁部の外表面にて開口された開口端を有する凹所を設け、この凹所に、めっき処理または溶射により形成された金属の充填層を備えた連続鋳造用鋳型であって、
   前記凹所は、前記底壁と前記側壁とが交差する部位に、丸め部を有し、
   前記丸め部は、曲率半径をＲ（ｍｍ）、前記凹所の間口幅をｄ（ｍｍ）とした場合に下記（１）式、
   ０．２≦Ｒ≦ｄ／２ …（１）
   を満足するものであることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
2. 鋳造空間を形成する鋳型壁部に、底壁とこの底壁の縁部につながる側壁とによって区画形成され、該鋳型壁部の外表面にて開口された開口端を有する凹所を設け、この凹所に、めっき処理または溶射により形成された金属の充填層を備えた連続鋳造用鋳型であって、
   前記凹所は、前記底壁と前記側壁とが交差する部位に、丸め部を有するとともに、前記開口端に面取り部を有することを特徴とする連続鋳造用鋳型。
3. 前記面取り部は、面取り高さをａ（ｍｍ）とし、面取り幅をＬ（ｍｍ）、凹所の深さをＨ（ｍｍ）、凹所の開口幅をｄ（ｍｍ）とした場合に、
   ０．５≦ａ≦Ｈ／２ …（２）
   ０．５≦Ｌ≦ｄ／２ …（３）
   を満足するものであることを特徴とする請求項２に記載した連続鋳造用鋳型。
4. 鋳造空間を形成する鋳型壁部の表面に、底壁とこの底壁の縁部につながる側壁とによって区画形成され、該鋳型壁部の外表面にて開口された開口端を有する凹所を設け、この凹所に、めっき処理または溶射により形成された金属の充填層を備えた連続鋳造用鋳型であって、
   前記凹所の側壁に、前記底壁へ向けて先細り断面形状となすテーパーを有することを特徴とする連続鋳造用鋳型。
5. 前記凹所は、テーパー加工代をｂ（ｍｍ）とし、該凹所の間口寸法をｄ（ｍｍ）とした場合に、
   ０．５≦ｂ≦ｄ／２ …（４）
   を満足するものであることを特徴とする請求項４に記載した連続鋳造用鋳型。
6. 請求項１〜３のいずれか１に記載した連続鋳造用鋳型を製造する方法において、
   前記凹所の底壁と側壁とが交差する部位に、丸め部を形成し、次いで、めっき処理または溶射法を適用して該凹所に金属の充填層を形成したことを特徴とする連続鋳造用鋳型の製造方法。
7. 請求項６に記載した連続鋳造用鋳型を製造する方法において、
   前記金属の充填層を形成するに先立ち、該凹所の開口端に面取り加工を施す一方、金属の充填層を形成したのちにおいては、面取り加工を施した部位の少なくともその厚さ分を鋳型壁部の全面にわたって除去することを特徴とする連続鋳造用鋳型の製造方法。
8. 請求項４または５に記載した連続鋳造用鋳型を製造する方法において、
   前記凹所にめっき処理または溶射により金属の充填層を形成するに先立ち、該凹所の側壁にテーパー加工を施すことを特徴とする連続鋳造用鋳型の製造方法。

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