JP4694227B2

JP4694227B2 - 連続鋳造用鋳型

Info

Publication number: JP4694227B2
Application number: JP2005069385A
Authority: JP
Inventors: 祐登梅山
Original assignee: Mishima Kosan Co Ltd
Current assignee: Mishima Kosan Co Ltd
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: JP2006247722A

Description

本発明は、耐溶着性に優れた連続鋳造用鋳型に関する。

従来、連続鋳造設備に使用される連続鋳造用鋳型（以下、単に鋳型ともいう）は、一対の幅狭冷却部材である短片部材（短辺部材ともいう）と、この短片部材を挟み込むように配置される一対の幅広冷却部材である長片部材（長辺部材ともいう）とを備え、この向かい合う長片部材の両端部にそれぞれボルトを取付け、ばねを介してナットで短片部材を固定した構造となっている。図５に示すように、長片部材９０は、熱伝導性の良好な銅又は銅合金で構成される冷却板９１と、この冷却板９１の裏面側にボルトによって固定されるバックプレート（冷却箱ともいう）９２とを有している。なお、短片部材も、その幅が異なること以外は、長片部材と略同様の構成となっており、長片部材及び短片部材の各冷却板で鋳型本体が構成されている。
鋳造に際しては、この鋳型に高温の溶鋼９３（例えば、１６００℃程度）を注入しながら冷却して、連続的に鋳片を製造している。

このとき、冷却板９１の上部表面の湯面レベル近傍９５では、高温の溶鋼９３が溶融パウダー（潤滑剤）９４を介して冷却板９１の表面に接触するため、鋳造中、冷却板９１の表面温度が３００〜３５０℃程度に達する。一方、冷却板９１の下部表面では、高温でしかも半凝固状態にある凝固シェル９６が、冷却板９１と機械的に接触しながら引き抜かれるので、冷却板９１の表面に摩耗損傷が発生して冷却板寿命を短くしている。このため、冷却板には、耐熱性及び耐摩耗性が要求されている。
そこで、冷却板の表面側に溶射機を用いて溶射皮膜を形成し、冷却板の耐熱性及び耐摩耗性を向上させ、鋳型の寿命向上を図っている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１８７５５４号公報

しかしながら、冷却板の表面側に溶射皮膜を形成することで、溶鋼と冷却板の間の熱伝導率が低下し、溶射皮膜の表面温度が上がるという問題があった。特に、冷却板の表面温度は、鋳造速度の高速化に伴って現状よりも更に高くなる傾向にあり、例えば、操業異常（例えば、ブレークアウト又はパウダー切れ）が発生した場合には、溶鋼が溶射皮膜に直接接触して溶着する。この場合、鋳片がそのまま鋳型本体から引き抜かれることで、冷却板の表面側から溶射皮膜が剥離し、鋳型を使用できなくなるという問題があった。
また、鋳型から引き抜かれた鋳片は、鋳型下方に配置される冷却水用スプレーから噴出される冷却水によって冷却されるため、発生した蒸気が鋳型内に侵入して、冷却板の下端部に腐食が発生する問題もあった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、鋳型本体を構成する冷却板の表面への溶鋼の溶着及び冷却板の腐食発生を抑制でき、長寿命化を図ることが可能な連続鋳造用鋳型を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る連続鋳造用鋳型は、鋳型本体を構成する冷却板の表面に溶射皮膜が形成された連続鋳造用鋳型において、
前記溶射皮膜は、金属マトリックスと５質量％以上８０質量％以下のサーメットとを有し、
しかも前記金属マトリックスは、Ｎｉ：５質量％以上３０質量％以下、Ｓｉ：１．０質量以上４．０質量％以下、Ｂ：０．５質量％以上３．０質量％以下、残部Ｃｕからなる自溶合金であり、
前記サーメットは、耐摩耗性硬質セラミックスと、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、これらの合金、及び耐食性ニッケル合金のいずれか一種以上とを含む。

ここで、本発明に係る連続鋳造用鋳型において、耐摩耗性硬質セラミックスは、炭化物、酸化物、硼化物、窒化物、及びケイ化物のいずれか１又は２以上であることが好ましい。

また、本発明に係る連続鋳造用鋳型において、溶射皮膜は、Ｎｉ又はＮｉを主体とする合金のめっき層を介して、鋳型本体の表面に形成されていることが好ましい。

そして、本発明に係る連続鋳造用鋳型において、前記冷却板の表面に形成された前記溶射皮膜には、９００℃以上１１００℃以下の熱処理が行われていることが好ましい。

請求項１及びこれに従属する請求項２〜４記載の連続鋳造用鋳型は、溶射皮膜を形成する金属マトリックスとして、Ｃｕを主成分とする自溶合金を使用するので、溶射皮膜の熱伝導率を上昇でき、冷却板の表面への溶鋼の溶着を従来よりも抑制できる。また、サーメットに耐摩耗性硬質セラミックスを使用することで、溶射皮膜の耐摩耗性を向上できる。特に、サーメットに耐食性ニッケル合金を使用する場合は、他の金属を使用する場合よりも、溶射皮膜の耐食性を向上できる。
これにより、冷却板の冷却が十分に行われない場合でも、半凝固状態となった溶鋼を、溶射皮膜に溶着させることなく鋳型から容易に引き抜くことができる。このとき、半凝固状態となった溶鋼が溶射皮膜と接触しながら引き抜かれても、耐摩耗性を向上させた溶射皮膜によって鋳型から容易に引き抜くことが可能となる。また、鋳型下方から侵入する蒸気の影響も受けにくい。
このため、連続鋳造用鋳型の長寿命化を図ることが可能となる。

請求項３記載の連続鋳造用鋳型は、溶射皮膜とめっき層が共にＮｉを含むので、冷却板の表層部の酸化を抑制、更には防止できる。このため、溶射皮膜を熱処理する場合には、溶射皮膜とめっき層との間で相互拡散が生じ易くなるので、冷却板に対する溶射皮膜の密着状態を良好にできる。これにより、冷却板の表面から溶射皮膜が剥離しにくくなるため、鋳型の製品品質を向上できる。

請求項４記載の連続鋳造用鋳型は、溶射皮膜を熱処理するので、溶射皮膜と冷却板の表層部との相互拡散を生じさせ、冷却板に対する溶射皮膜の密着力を向上できる。また、溶射皮膜内の金属マトリックスとサーメットも相互拡散するので、溶射皮膜の強度を向上できる。これにより、鋳型の製品品質を向上できる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る連続鋳造用鋳型（以下、単に鋳型ともいう）は、一対の短片（短辺）部材（図示しない）と、この短片部材を挟み込むように配置される一対の長片（長辺）部材１０とを有するものであり、この長片部材１０を構成する冷却板１１の表面に溶射皮膜（被膜）１２を形成することで、冷却板１１の表面への溶鋼の溶着及び冷却板１１の腐食発生を抑制するものである。なお、長片部材１０の冷却板１１と短片部材の冷却板とで鋳型本体が構成される。以下、詳しく説明する。

長片部材１０の冷却板１１は、銅又は銅合金で構成され、その全表面が均等に研削されている。この冷却板１１の裏面側には、バックプレート（水箱）１３が取付けられ、冷却板１１の裏面側に上下方向に指向して多数形成される導水溝（図示しない）への冷却水の供給と排出を連続的に行っている。なお、冷却板は、図２（Ａ）に示す第１変形例のように、下側から上側に沿って溶射皮膜１５を徐々に薄く（傾斜皮膜）できるように、冷却板１４の厚みを傾斜して研削してもよい。また、冷却板は、図２（Ｂ）に示す第２変形例のように、下側部が上側部よりも厚い溶射皮膜１７を形成できるように、冷却板１６の下側、例えば冷却板１６の下端から２／３以下、更には１／２以下に相当する範囲を、部分的（部分皮膜）に前加工してもよい。

このように準備した冷却板１１の加工面に、例えば０を超え０．２ｍｍ以下程度の厚みＲを有するＮｉ又はＮｉ合金めっきを施してめっき層１８が形成されている。これにより、冷却板１１の内側表面（表層部）の酸化を防止することが可能となる。
このめっき層１８の表面には、Ｃｕを主成分とする自溶合金の金属マトリックスと、サーメットとで構成される溶射皮膜１２が形成されている。
この溶射皮膜１２を構成する金属マトリックスの化学成分及びその数値範囲は、Ｎｉ：５質量％以上３０質量％以下、Ｓｉ：１．０質量以上４．０質量％以下、Ｂ：０．５質量％以上３．０質量％以下、残部Ｃｕである。これは、表１に示すニッケル基自溶合金（ＪＩＳＨ８３０３に規定されているニッケル基自溶合金の１〜５種：ＳＦＮｉ１〜ＳＦＮｉ５）の例えば靱性又は熱伝導率の諸条件を考慮し、Ｃｕを主成分としても自溶合金として使用可能（溶射粉末として使用可能）となるように決定したものである。

なお、金属マトリックスとしては、Ｃｕを主成分とする自溶合金の代わりに、表１に示すニッケル基自溶合金の例えば靱性又は熱伝導率の諸条件を考慮して決定したニッケル基自溶合金を使用することも可能である。
このニッケル基自溶合金からなる金属マトリックスの化学成分及びその数値範囲は、Ｃｒ：０又は０を超え８質量％以下、Ｂ：１．０質量％以上４．５質量％以下、Ｓｉ：１．５質量％以上５．０質量％以下、Ｃ：１．１質量％以下、Ｆｅ：５．０質量％以下、Ｃｏ：１．０質量％以下、Ｍｏ：４．０質量％以下、Ｃｕ：４．０質量％以下、残部Ｎｉである。

また、溶射皮膜１２中には、サーメットが５質量％以上８０質量％以下含まれている。
ここで、サーメットの含有割合が５質量％未満の場合、溶射皮膜が耐摩耗性を発揮するために充分な量でない。一方、含有割合が８０質量％を超える場合、溶射皮膜の硬度が高くなり、鋳型を繰返し使用することで溶射皮膜にクラックが入る可能性がある。このため、溶射皮膜中のサーメットの含有割合の下限値を５質量％、好ましくは１０質量％、更に好ましくは１５質量％とし、上限値を８０質量％、好ましくは７０質量％、更には好ましくは５０質量％とした。

このサーメットは、１０質量％以上９０質量％以下の耐摩耗性硬質セラミックスと、残部にＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、これらの合金、及び耐食性ニッケル合金のいずれか一種以上を含んでいる。このサーメットとしては、各化学成分を調整して製造することも、また市販のものを使用することもできる。
ここで、耐摩耗性硬質セラミックスが１０質量％未満の場合、サーメット中の骨材量が不足し、充分な強度が得られない。一方、耐摩耗性硬質セラミックスが９０質量％を超える場合、耐摩耗性硬質セラミックス量が過剰になり、その接合性が悪くなる。

このサーメット中の耐摩耗性硬質セラミックスには、炭化物、酸化物、硼化物、窒化物、及びケイ化物のいずれか１又は２以上を使用できる。ここで、炭化物としては、例えば、ＷＣ、ＣｒＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＶＣ、又はＭｏＣがある。また、酸化物としては、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、又はチタニア（ＴｉＯ₂）がある。そして、硼化物としては、例えば、超高圧法によって合成されたＢＮ（立方晶窒化ほう素）がある。窒化物としては、例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、又はＴｉＮのように窒素を非金属構成元素として含む化合物がある。更に、ケイ化物としては、例えば、ＳｉＣがある。

また、サーメットに使用する耐食性ニッケル合金としては、例えば、Ｎｉ−Ｍｏ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｆｅ系、又はＮｉ−Ｓｉ系の合金を使用できる。
このように、サーメット中に耐食性ニッケル合金を使用した場合、例えば、鋳造作業の際に、鋳型下方から鋳型内へ侵入する蒸気による溶射皮膜の腐食を抑制でき、鋳型の更なる長寿命化に寄与できる。
なお、金属マトリックスとしてニッケル基自溶合金を使用する場合は、サーメットに耐摩耗性硬質セラミックスと耐食性ニッケル合金を使用する。

溶射皮膜１２の形成に際しては、前記した構成の溶射粉末を、従来公知の例えば、プラズマ溶射、フレーム（火炎）溶射、又は高速フレーム溶射（火炎の噴出速度が例えば、２０００ｍ／秒以上２７００ｍ／秒以下）により、前記しためっき層１３の上面に吹付けて行う。
ここで、使用する金属マトリックスとサーメットの溶射粉末の粒径は、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲で選定することが好ましい。
粒径が１０μｍ未満の場合、製造価格が高騰すると共に、溶射時に受ける運動量が小さくなって気流に流され易く、均一な厚みの溶射皮膜を形成できなくなる。一方、粒径が１００μｍを超える場合、溶射皮膜が粗くなって溶射皮膜の実質的強度が落ちる。
このように、溶射皮膜を形成した後は、その表面を研削して仕上げる。

溶射皮膜１２の厚みＴは、例えば、０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とする。また、図２（Ａ）に示す第１変形例においては、溶射皮膜１５の厚みを、冷却板１４の上端で０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下（ここでは０．３ｍｍ）とし、冷却板１４の下端ヘ向かって連続的に厚くし、下端で１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下（ここでは１．５ｍｍ）とする。そして、図２（Ｂ）に示す第２変形例においては、溶射皮膜１７の厚みを、冷却板１６の上部で０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下（ここでは０．３ｍｍ）とし、冷却板１６の下部で０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下（ここでは１．５ｍｍ）とする。
なお、溶射皮膜１２、１５、１７及び冷却板１１、１４、１６は、それぞれ形状のみが異なったものであるため、以降の説明は溶射皮膜１２と冷却板１１についてのみ説明する。

冷却板１１の内側表面に溶射皮膜１２を形成した後は、溶射皮膜１２を９００℃以上１１００℃以下で熱処理（フュージング）する。なお、この熱処理は無酸素雰囲気中、又は例えば窒素ガスを充満させた不活性雰囲気中で、例えば１０分以上３０分以下程度行うことが好ましい。
このように、熱処理を９００℃以上で実施することで、溶射皮膜とめっき層との境界面近傍の拡散が開始し、めっき層への溶射皮膜の密着力が向上する。また、溶射皮膜内の金属マトリックスとサーメットも互いに拡散して皮膜強度が向上する。一方、熱処理を１１００℃以下としたのは、溶射皮膜の融点が約１１００℃であることに起因する。これにより、溶射皮膜の熱処理温度の下限値を９００℃、好ましくは９５０℃、更に好ましくは１０００℃とし、上限値を１１００℃、好ましくは１０５０℃とした。

なお、この熱処理は、鋳型品質を均一にするという観点から、加熱炉を用いて炉内で行うことが好ましいが、例えば、バーナー又はレーザーを用いて熱処理することも可能である。
この冷却板１１をバックプレート１３に取付けて一対の長片部材１０を製造し、これと一対の短片部材と組み合わせて製造した連続鋳造用鋳型を使用して鋳造を行う。
なお、短片部材としては、冷却板の表面に溶射皮膜を形成したもの、また形成しないもののいずれも使用できる。

本発明に係る連続鋳造用鋳型の一部を使用し、溶射皮膜の耐溶着性試験及び耐腐食性試験をそれぞれ行った結果について説明する。なお、各試験に使用した比較例の溶射皮膜は、表１に示したニッケル基自溶合金の４種（ＳＦＮｉ４）で構成されるものである。また、実施例１の溶射皮膜は、金属マトリックスがニッケル基自溶合金（Ｃｒ：０又は０を超え８質量％以下、Ｂ：１．０質量％以上４．５質量％以下、Ｓｉ：１．５質量％以上５．０質量％以下、Ｃ：１．１質量％以下、Ｆｅ：５．０質量％以下、Ｃｏ：１．０質量％以下、Ｍｏ：４．０質量％以下、Ｃｕ：４．０質量％以下、残部Ｎｉ）で、サーメットがＣｒ₂Ｃ₃（耐摩耗性硬質セラミックスの一例）とＮｉＣｒで構成されるものである。そして、実施例２の溶射皮膜は、金属マトリックスがＣｕを主成分とする自溶合金（Ｎｉ：５質量％以上３０質量％以下、Ｓｉ：１．０質量以上４．０質量％以下、Ｂ：０．５質量％以上３．０質量％以下、残部Ｃｕ）で、サーメットがＣｒ₂Ｃ₃（耐摩耗性硬質セラミックスの一例）と耐食性ニッケル合金（Ｎｉ：６０質量％以上８５質量％以下、Ｍｏ：１０質量％以上３０質量％以下、Ｃｒ：０又は０を超え２５質量％以下、Ｗ：０又は０を超え５質量％以下、Ｆｅ：３質量％以上２０質量％以下）で構成されるものである。

耐溶着性試験は、一辺が５０ｍｍの正方形で、厚みが３０ｍｍの直方体の銅塊の表面に、厚みが０．５ｍｍの溶射皮膜を形成したものを使用して実施した。耐溶着性の評価は、溶射皮膜上に溶解温度１６５０℃の溶鋼を流すことで、溶射皮膜側の銅塊の表層温度を計測し、更に溶射皮膜への溶鋼の溶着状態を確認して行った。
図３に示すように、溶鋼の溶着が開始する銅塊の表層温度は、比較例の場合で約４００℃程度であったが、実施例１の場合で約７００℃程度まで上昇でき、実施例２の場合で更に約８００℃程度まで上昇できた。
このことから、実施例１、２の溶射皮膜は、比較例と比較して耐溶着性が良好であることを確認できた。

また、耐腐食性は、従来行われている電気化学的計測（例えば、ターフェル外挿法又は分極抵抗法）により、各溶射皮膜の腐食速度を測定して評価した。
図４に示すように、溶射皮膜の腐食速度は、比較例の場合で５．２ｍｍ／年程度であったが、実施例１の場合で約３．５ｍｍ／年まで遅くでき、実施例２の場合で更に１．９ｍｍ／年程度まで遅くできた。
このことから、実施例１、２の溶射皮膜は、比較例と比較して耐腐食性が良好であることを確認できた。
なお、実施例１の溶射皮膜については、比較例の溶射皮膜と比較して、耐クラック性及び耐摩耗性も優れていることが確認された。

以上、本発明を、一実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の連続鋳造用鋳型を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、連続鋳造用鋳型は、例えば、使用環境又は使用頻度を考慮して、熱処理を行うことなく使用することも可能である。
そして、冷却板の表面にめっき層を介することなく、溶射皮膜を形成することも可能である。この場合、溶射皮膜を熱処理することで、溶射皮膜と冷却板の境界面近傍の拡散が生じる。

（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る連続鋳造用鋳型の長片部材の斜視図、要部平断面図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同連続鋳造用鋳型の第１変形例、第２変形例に係る長片部材の説明図である。耐溶着性の試験結果の説明図である。耐腐食性の試験結果の説明図である。連続鋳造用鋳型による鋳造及び鋳型表面の温度分布を示す説明図である。

１０：長片部材、１１：冷却板、１２：溶射皮膜、１３：バックプレート、１４：冷却板、１５：溶射皮膜、１６：冷却板、１７：溶射皮膜、１８：めっき層

Claims

鋳型本体を構成する冷却板の表面に溶射皮膜が形成された連続鋳造用鋳型において、
前記溶射皮膜は、金属マトリックスと５質量％以上８０質量％以下のサーメットとを有し、
しかも前記金属マトリックスは、Ｎｉ：５質量％以上３０質量％以下、Ｓｉ：１．０質量以上４．０質量％以下、Ｂ：０．５質量％以上３．０質量％以下、残部Ｃｕからなる自溶合金であり、
前記サーメットは、耐摩耗性硬質セラミックスと、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、これらの合金、及び耐食性ニッケル合金のいずれか一種以上とを含むことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
請求項１記載の連続鋳造用鋳型において、前記耐摩耗性硬質セラミックスは、炭化物、酸化物、硼化物、窒化物、及びケイ化物のいずれか１又は２以上であることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
請求項１又は２記載の連続鋳造用鋳型において、前記溶射皮膜は、Ｎｉ又はＮｉを主体とする合金のめっき層を介して、前記冷却板の表面に形成されていることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の連続鋳造用鋳型において、前記冷却板の表面に形成された前記溶射皮膜には、９００℃以上１１００℃以下の熱処理が行われていることを特徴とする連続鋳造用鋳型。