連続鋳造における型（モールド）の重要な役割

型（モールド）は、溶鋼の連続鋳造プロセスにおいて重要な役割を果たします。連続鋳造プロセスの心臓部です。連続鋳造では、溶鋼がタンディッシュから浸漬ノズル（SEN）を通じて鋳造型内の溶鋼中に浸漬された状態で注入されます。型は水冷却されています。溶鋼の凝固は型内で間接冷却により開始されます。型内での冷却プロセスは一次冷却プロセスと呼ばれます。

型内での凝固とストランド形成

型内では、型壁に隣接した薄い鋼殻が中央部より先に凝固します。これはストランドと呼ばれ、型底部からスプレー室へ排出されます。ストランド壁内部の溶鋼バルクは依然として溶融状態です。ストランドは、ストランド内部のまだ凝固中の溶鋼の鉄圧に対してストランド壁を支持する、密に配置された水冷却ローラーによって即座に支持されます。凝固速度を高めるため、ストランドはスプレー室を通過する際に大量の水を噴霧されます。これが二次冷却プロセスです。ストランドの最終凝固は、スプレー室を出た後で起こる場合があります。

連続鋳造型の機能は、溶鋼を受け入れ、冷却水への急速な熱伝達を保証して迅速な凝固を可能にすることです。溶鋼が型を離れるとき、連続鋳造機部品に飛散するのを防ぐために、十分な厚さの外殻を示す必要があります。型はこの機能を果たさなければなりません。型を出た後、ストランドのさらなる冷却は直接水噴霧によるより高速な直接冷却で行われます。

凝固の動的性質と主要課題

凝固は鋳造プロセスの動的性質から生じます。特に以下に関連します。

• 型内での非常に高い熱流束の処理
• ストランドが型を下降する際の初期薄く脆い固体シェルの育成によるブレイクアウト回避
• 鋼種の凝固ダイナミクスに合わせた鋳造パラメータ設計による、鋳造製品の表面・内部欠陥の最小化または排除

型を離れる鋼殻の主要要素は、形状、シェル厚、均一なシェル温度分布、最小限の気孔と少ない非金属介在物による欠陥のない内部・表面品質です。

鋳造機の安全操業（ブレイクアウトなし）と許容可能な鋳造鋼品質の達成には、凝固のプロセス工学と冶金の両方の理解が必要です。重要な側面は、型内摩擦制御と鋼種特性が凝固プロセスに与える影響です。前者は凝固メカニズムとプロセス工学のユニークな組み合わせ例であり、後者は多様な鋼種鋳造に適用すべき鋳造パラメータを定義します。

型の構造と材料

型は基本的に開放端箱構造で、高純度銅合金製の水冷却内張りを含みます。少量の合金元素を添加して強度を高めています。型水が凝固シェルから熱を移動させます。銅作業面はクロムまたはニッケルメッキされることが多く、より硬い作業面を提供し、鋳造ストランド表面への銅付着を防ぎ、これが鋳造鋼の表面割れを助長するのを防ぎます。型深さは鋳造速度と断面サイズに応じて0.5〜2.0mの範囲です。

型はエアギャップ形成を減らすためにテーパーが付けられています。テーパーは通常型長の1%です。型断面では、1m長で約1mmのテーパーです。型断面は鋳造される断面と同じです。型断面は上部から下部へ向かって徐々に減少します。

メッキ（型内壁コーティング）は銅型寿命延長のためのものです。コーティング品質は型寿命決定に重要な役割を果たします。長年にわたり、さまざまなタイプのコーティングが開発され、連続鋳造型の品質とコスト効率が継続的に向上してきました。

鋳造プロセス要件に応じて、最適な結果を得るために異なるコーティングプロセスと材料を適用する必要があります。利用可能なコーティング材料はAg、Ni、Cr、Mo、CrO、ZrO、Al₂O₃です。コーティングは化学的、電解的、または熱的プロセスで適用されます。利用可能なコーティングタイプは以下の通りです。

• 平行コーティング：ストランドと銅の直接接触を防ぎ、コーティング厚さを変えることで熱損失を制御（すべての場合で放熱ではなく制御）、寿命を改善。
• 多層コーティング：ホットスポットを補償し、寿命を改善。
• 型入口または出口での部分平行コーティング：入口コーティングは型上部領域の熱放散を減らし、オーバーラップを防ぎ、寿命を改善。出口コーティングは型末端の熱放散を減らし、寿命を改善。
• 円錐コーティング：型長さ方向の熱放散を制御し、寿命を改善。

連続鋳造型は、連続鋳造機で鋳造される断面に応じて、さまざまな形状と内部テーパーを持つことができます。型の典型的な断面形状をいくつか図1に示します。

型に求められる要件

型は熱侵食と変形に耐えなければなりません。型に求められる望ましい特性は以下の通りです。

• 高熱伝導率
• 高強度と高硬度により、(i) 耐摩耗性、(ii) クリープ耐性、(iii) 疲労耐性、(iv) 耐割れ性を確保
• 高軟化温度（高温で所望特性を維持）

型内溶鋼高さ（メニスカスレベル）の制御は連続鋳造機成功の鍵です。これは鋼レベル（メニスカスレベル）制御によって行われます。凝固は型内鋼レベルのメニスカスから始まります。型レベルセンサーでメニスカスレベルを制御します。

型は通常全熱量の約10%を抽出します。型熱伝達は極めて重要かつ複雑です。数学的・コンピュータモデリングが通常、型熱条件の理解を深め、適切な設計と操業プラクティスを支援するために利用されます。熱伝達は一般的に以下の一連の熱抵抗として考慮されます。

• 凝固シェル内での熱伝達
• 鋼殻表面から銅型外表面への熱伝達
• 銅型内部での熱伝達
• 銅型内表面から型冷却水への熱伝達

連続鋳造での初期凝固は、型液体接触点から発生するメニスカス曲率の部分的凍結の形で起こります。凝固中ストランド下降時のこの初期薄シェルの張り付きと引き裂き防止は、型の主要機能の一つです。シェル張り付きと引き裂きを最小化するには、ストランド表面と型壁間の摩擦を、シェル強度に応じた臨界レベル以下に保つ必要があります。

型振動

摩擦の最小化とシェルの連続的な型からの剥離は、潤滑を伴う型振動の導入によって達成されてきました。型は上下に振動させ、部分的に凝固したストランドを引き抜きます。振動周波数は変更可能です。型は垂直方向（または準垂直曲線経路）にも振動し、溶鋼が型壁に張り付くのを防ぎます。

振動サイクルは、型-ストランド摩擦（ストランドの型からの剥離を含む）と鋳造製品表面形状に影響を与えます。型振動サイクルは周波数、ストローク、パターンで変化します。潤滑の観点から、振動サイクルは以下の2つの動作フェーズに変換されます。

• 圧縮フェーズ（期間t₁）：負ストリップ時間と定義され、型スラグが最初に凝固したシェルと型の間の隙間に浸透する期間。期間t₁ではストランド下降速度に対する型下向き相対速度が高く、シェルの型壁からの剥離と、表面亀裂と気孔を封止することでシェル強度を増す圧縮応力の発生を担当。
• 潤滑フェーズ（期間t₂）：最初に凝固したシェルに引張応力が加わり、浸透した型スラグが型壁に堆積する期間。これは型の上向き移動に対応。

型振動は、固化シェルの摩擦と張り付きを最小化し、シェル引き裂きと溶鋼ブレイクアウトを回避するために必要です。これらは設備に大損害を与え、清掃と修理による機械ダウンタイムを招きます。シェルと型間の摩擦は、オイルや粉末モールドフラックスなどの型潤滑剤使用により低減されます。振動は油圧式またはモーター駆動カム/レバーにより、型を支持し往復運動（振動）させることで達成されます。

型振動により、鋳造製品表面にほぼ等間隔で振動マーク（OM）が形成されます。これらのマークには、その下に凝固フックが形成されることがあります。振動マーク形成は基本的に以下の3つの主要段階で構成されます。

• メニスカスが型壁と型粉末に対して部分的に凝固し、脆弱なフックを形成。
• t₁中にフックが曲げられ、前回アップストロークでの粘性抵抗によるシェル引き裂き（あれば）が治癒。偏析ラインはシェル曲げに起因し、溶質豊富なデンドライト間液が表面に絞り出される。
• 粘性抵抗によるアップストロークでシェルが非曲げ（アンベンド）。強いメニスカスシェルやメニスカスレベル上昇時には、曲がったフック上に溶鋼がオーバーフローすることも関連。シェル非曲げと金属オーバーフローの組み合わせも可能。振動マークはシェル非曲げ時により深く、オーバーフロー時は浅くラップ面を示す。

フックと振動マークの形状は、鋳造中のシェル曲げ/非曲げの程度とメニスカス上のオーバーフローの程度に基本的に関連しています。

型潤滑

潤滑剤を型内溶鋼に添加して張り付き防止と、溶鋼中に存在する可能性のあるスラグ粒子（酸化物粒子やスケールを含む）を捕捉し、溶湯プール頂部へ浮上させて浮遊スラグ層を形成させることもできます。

型内潤滑は、型スラグがストランド-型隙間に浸透することから生じます。隙間内でスラグの層状化が起こります。型内摩擦は2つのメカニズムから生じると考えられています。型の固化シェルに対する相対運動により、スラグ膜粘性による摩擦力が生じます。このメカニズムによる摩擦力（液体摩擦）は、型速度、鋳造速度、液体スラグ膜粘度、スラグ膜厚に関連します。

ストランドと固化型スラグの間で相対運動が起こる場合、固体-固体接触により摩擦力が生成されます。結果として生じる固体摩擦は、固体摩擦係数と溶鋼鉄圧に関連します。

液体潤滑は型上部で完全に支配的です。一方、型下部では固体摩擦値が液体摩擦より低く、固体潤滑が支配的であることを示します。さらにスラグ粘度が低いと、液体潤滑ゾーンが型下部までさらに延びます。

上記の摩擦概念は、鋳造速度増加に伴うスティッカー型ブレイクアウト傾向増加を説明するのに有用です。摩擦解析によれば、高速鋳造でのスティッカー型ブレイクアウト防止には、特にメニスカス直下の型上部での潤滑改善が必要です。