連続鋳造

連続鋳造は、ストランド鋳造とも呼ばれ、溶融 金属を凝固させて「半完成」のビレット、ブルーム、またはスラブにし、その後仕上げ工場で圧延するプロセスです。1950 年代に連続鋳造が導入される前は、鋼鉄は固定された鋳型に注がれてインゴットを形成していました。それ以来、「連続鋳造」は進化し、歩留まり、品質、生産性、およびコスト効率が向上しました。製品の連続的で標準化された生産は本質的にコストが低いため、金属セクションをより低コストで高品質の状態で生産でき、自動化によってプロセスの制御も強化されます。このプロセスは、鋼鉄の鋳造に最も頻繁に使用されます (鋳造トン数で)。 アルミニウムと銅も連続鋳造されます。

ベッセマー転炉で有名なヘンリー・ベッセマー卿は、2 つの逆回転ローラーの間で金属を鋳造する特許を 1857 年に取得しました。このシステムの基本概要は、最近、鋼帯の鋳造に実装されました。

溶融金属は炉から取鍋に注ぎ込まれます。合金化やガス抜きなどの取鍋処理を経て適正温度に達した後、取鍋は鋳造機の上部に運ばれます。通常、取鍋は鋳造機の回転タレットのスロットに置かれます。1 つの取鍋は「鋳造中」の位置 (鋳造機に金属を供給) にあり、もう 1 つは「鋳造後」の位置で準備され、最初の取鍋が空になると鋳造位置に切り替えられます。

取鍋から、高温の金属は耐火シュラウド（パイプ）を経由してタンディッシュと呼ばれる保持槽に移されます。タンディッシュは、取鍋の切り替え中に金属の貯蔵庫から鋳造機に金属を供給することができるため、高温の金属のバッファーとして機能し、流れをスムーズにし、鋳型への金属供給を調整し、金属を洗浄します（以下を参照）。

通常、 「タンディッシュボード」と呼ばれる使い捨ての作業用ライニング耐火物が使用されます。

金属はタンディッシュから別のシュラウドを通ってオープンベース銅鋳型の上部に排出されます。鋳型の深さは、鋳造速度と断面サイズに応じて 0.5 ～ 2 メートル (20 ～ 79 インチ) の範囲になります。鋳型は水冷され、鋳型と直接接触する熱い金属が凝固します。これが主な冷却プロセスです。また、鋳型は垂直方向 (またはほぼ垂直の曲線経路) に振動して、金属が鋳型の壁にくっつくのを防ぎます。鋳型内の金属に潤滑剤 (金属と接触すると溶ける粉末または液体) が追加され、くっつくのを防ぎ、金属内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) を捕捉してプールの上部に運び、浮遊するスラグ層を形成します。シュラウドは、熱い金属が鋳型内のスラグ層の表面より下から出るよう設定されており、そのため浸漬ノズル (SEN) と呼ばれています。場合によっては、タンディッシュと鋳型の間にシュラウドを使用しないこともあります (「オープン注入」鋳造)。この場合、タンディッシュの底にある交換可能な計量ノズルが金属を鋳型に導きます。連続鋳造レイアウトの中には、同じタンディッシュから複数の鋳型に金属を供給するものもあります。

鋳型内では、鋳型壁の近くの金属の薄いシェルが中心部より先に凝固し、次に成形された金属（ここではストランドと呼ばれる）が鋳型の底からスプレーチャンバー内に排出されます。ストランド壁内の金属の大部分はまだ溶融しています。ストランドは、ストランド内の凝固中の液体の静鉄圧（静水圧と比較）に対抗してストランド壁を支える、間隔の狭い水冷ローラーによってすぐに支えられます。凝固速度を上げるため、ストランドはスプレーチャンバーを通過する際に大量の水でスプレーされます。これが二次冷却プロセスです。ストランドの最終的な凝固は、ストランドがスプレーチャンバーを出た後で起こる場合があります。

連続鋳造機の設計は、ここで変化する可能性があります。これは「湾曲したエプロン」鋳造機について説明していますが、垂直構成も使用されます。湾曲したエプロン鋳造機では、ストランドは鋳型から垂直に（またはほぼ垂直の湾曲した経路で）出て、スプレーチャンバーを通過するときに、ローラーがストランドを徐々に水平方向に曲げます。垂直鋳造機では、ストランドはスプレーチャンバーを通過するときに垂直のままです。湾曲したエプロン鋳造機の鋳型は、機械の基本設計に応じて、直線または湾曲になります。

真の水平鋳造機では、鋳型の軸は水平で、鋼の流れは液体から薄いシェル、固体へと水平に行われます (曲げはありません)。このタイプの機械では、鋳型内での固着を防ぐために、ストランドまたは鋳型の振動が使用されます。

スプレーチャンバーから出たストランドは、矯正ロール（垂直型以外の機械で鋳造した場合）と引き出しロールを通過します。引き出し後には、金属の高温状態を利用して最終ストランドを予備成形するための熱間圧延スタンドが設置されることがあります。最後に、ストランドは機械式せん断機または移動式酸素アセチレントーチによって所定の長さに切断され、識別マークが付けられ、ストックパイルまたは次の成形プロセスに送られます。

多くの場合、ストランドは追加のローラーやその他の機構を通過し、金属を最終形状に平らにしたり、丸めたり、押し出したりします。

1980年代半ば以降の開発により、鋳造できる厚さは当初約50mm厚のトランスファーバー（薄スラブとも呼ばれる）まで薄くなり、^[1]最近では厚さ2mmの薄帯鋳造まで薄くなりました。^[2]

アルミニウムと銅は水平に鋳造することができ、融点が低いため、特にストリップ などのニアネットシェイプに簡単に鋳造できます。

• 鋳造機は、ビレット、ブルーム、スラブ、またはストリップ鋳造機として指定されます。
• スラブ鋳造機は、厚さよりも幅がはるかに広いセクションを鋳造する傾向があります。
  • 従来のスラブは、幅 100～1600 mm、厚さ 180～250 mm、長さ最大 12 m の範囲にあり、従来の鋳造速度は最大 1.4 m/分ですが、スラブの幅と鋳造速度は現在増加しています。
  • 幅広のスラブは最大3250×150 mmまでご利用いただけます
  • 厚いスラブは、特定の鉄鋼工場で最大2200×450 mmまで入手可能で、一般的には200mmから300mmの範囲です。
  • 薄板（低炭素鋼）：特定の設備では1680×50 mm、一般的には機械の設計に応じて40mmから110mmの厚さの範囲です^{[1] [3]}
• 従来のブルーム鋳造機は200×200 mmを超える断面を鋳造します。ブルームの長さは4～10 mの範囲です。
• ビレット鋳造機は、200 mm 四方未満、長さ最大 12 m の小さな断面サイズを鋳造します。鋳造速度は最大 4 m/分に達します。
• 弾丸：直径500 mmまたは140 mm
• 従来の梁ブランク:断面はIビームに似ています。全体で1048×450 mmまたは438×381 mm
• ニアネットシェイプビームブランク: 全体で850×250 mm
• ストリップ：厚さ2～5mm、幅760～1330mm ^[2]

連続鋳造機の始動には、ダミーバー（基本的には湾曲した金属梁）をスプレーチャンバーに通して鋳型の底部を閉じることが含まれます。金属は鋳型に注がれ、固まるとダミーバーとともに引き抜かれます。その後の金属供給が保証され、「ターンアラウンド」と呼ばれる不要な停止と再起動を回避することが非常に重要です。鋳造機が停止して再起動するたびに、新しいタンディッシュが必要になります。タンディッシュ内の鋳造されていない金属は排出できず、「スカル」のように凍結してしまうためです。ターンアラウンドを回避するには、溶解工場、および取鍋炉（ある場合）で金属の温度を厳密に制御する必要があります。金属の温度は、合金添加、スラグカバーとスラグ除去、金属を受け入れる前の取鍋の予熱など、さまざまなパラメータによって大幅に変化する可能性があります。ただし、タンディッシュ内の金属の量を減らすことで鋳造速度を下げることができます (ただし、これによりタンディッシュの摩耗が増加する可能性があります)。また、鋳造機に複数のストランドがある場合は、上流の遅延に対応するために 1 つ以上のストランドを停止することもできます。一定数の加熱後にタンディッシュの温度が高くなりすぎたり、交換不可能なコンポーネント (薄スラブ鋳造機の浸漬ノズル (SEN) など) の耐用年数に達したりした場合は、生産シーケンスにターンアラウンドをスケジュールすることができます。

現在、多くの連続鋳造作業は完全にコンピュータ制御されています。レードル シュラウド、タンディッシュ、鋳型にある複数の電磁、熱、または放射線センサーが、溶鋼のレベルまたは重量、流量、および温度を感知し、プログラマブル ロジック コントローラー(PLC) が、引き出しロールの速度制御を介してストランドの引き出し速度を設定できます。鋳型への金属の流れは、次の 3 つの方法で制御できます。

• タンディッシュを通って下降するストッパーロッドによって、
• 金型シュラウド上部のスライドゲートにより、
• 金属を開放注入する場合、鋳型への金属の流れは計量ノズルの内径によってのみ制御されます。これらのノズルは通常、交換可能です。

全体的な鋳造速度は、取鍋スライド ゲートを介してタンディッシュ内の金属の量を変更することで調整できます。PLC は、鋳型の振動速度、鋳型粉末の供給速度、およびストランド内の冷却スプレーの水の流れも設定できます。コンピューター制御により、重要な鋳造データを他の製造センター (特に製鋼炉) に送信し、製品の「オーバーフロー」や「不足」を回避するために作業速度を調整することもできます。

自動化の大幅な進展により、収縮や偏析の少ない鋳物の製造が可能になりますが、事前に金属が清浄でなかったり、鋳造工程中に「汚れ」が生じたりすると、連続鋳造は役に立ちません。高温の金属が汚れる主な原因の 1 つは酸化です。これは溶融金属の温度 (鋼の場合は最高 1700 °C) で急速に進行し、ガス、スラグ、または溶解していない合金の介在物も存在する可能性があります。酸化を防ぐため、金属はできる限り大気から隔離されます。これを実現するために、露出した液体金属の表面はシュラウドで覆われ、取鍋、タンディッシュ、鋳型の場合には合成スラグで覆われます。タンディッシュでは、液体金属よりも密度の低い介在物 (ガス泡、その他のスラグや酸化物、溶解していない合金) も表面に浮かび上がり、スラグ層に閉じ込められることがあります。鋳造工程の開始時にタンディッシュと鋳型が初めて満たされる際、液体は酸素でひどく汚染されており、生産された最初の製品は通常、隔離されるか、最高品質の材料を必要としない顧客に転用されます。

アップキャスティングは、金属（銅や銀など）の種子（金属棒など）から連続した製品を形成することでこの問題を解決します。^{[4] [5]}

連続鋳造で起こりうる大きな問題は、液体金属のブレイクアウトです。何らかの理由で、ストランドの固体シェルが壊れ、内部のまだ溶けている金属がこぼれて機械を汚します。ほとんどの産業環境では、この事象はストランドのシャットダウンにつながり、通常はストランド機器内からこぼれた材料を除去したり、損傷した機械を交換したりする長いターンアラウンドが必要となるため、非常にコストがかかります。ブレイクアウトは通常、シェル壁が薄すぎて上部の液体柱を支えることができないために発生しますが、この状態には熱管理に関連するいくつかの根本的な原因があります。^[6]鋳型またはストランド冷却スプレーへの冷却水の流れが適切でないと、凝固する金属から適切に熱が除去されず、固体シェルが厚くなるのが遅くなります。金属の引き出し速度が速すぎると、冷却スプレーを強化してもシェルが必要な厚さに凝固する時間がない場合があります。同様に、入ってくる液体金属が熱すぎる場合、最終的な凝固が予想よりも遅い時点でストランドのさらに下で発生する可能性があります。この点が矯正ロールの下にあると、矯正中にかかる応力によってシェルが破損する可能性があります。また、凝固の最初の数秒間に鋳型内でシェルに物理的な不規則性や損傷が発生した結果として、ブレイクアウトが発生することもあります。鋳型内の乱流が過剰になると、不規則なシェルパターンが異常に成長したり、シェル内にスラグの液滴が閉じ込められて壁の強度が低下したりすることがあります。^[7] よくある現象は、シェルが鋳型の表面に張り付いて破れることです。現代の計装化された鋳型とコンピュータ制御システムは通常これを検出し、鋳造機を一時的に減速させて、壁が鋳型内で支えられている間に再凍結して治癒させます。^[8] 裂け目が鋳型の出口近くで発生した場合や予想外の重度の場合、シェルが鋳型壁から出てくるとブレイクアウトで破損する可能性があります。入ってくる金属が極度に過熱されている場合は、ブレイクアウトのリスクを冒すよりも鋳造機を停止する方がよいでしょう。さらに、金属の鉛汚染（最初の鋼材投入時のカウンターウェイトまたは鉛蓄電池が原因）により、鋳型壁と鋼材の間に薄い膜が形成され、熱除去とシェルの成長が阻害され、ブレイクアウトのリスクが高まります。

発生する可能性のあるもう 1 つの問題は、炭素沸騰です。鋼に溶解した酸素が、同じく存在する炭素と反応して一酸化炭素の泡が発生します。沸騰という用語が示すように、この反応は非常に速く激しく、大量の高温ガスを発生させます。鋳造機の密閉された空間で発生すると特に危険です。酸素は、鋼にシリコンまたはアルミニウムを追加して「殺す」ことで除去できます。シリコンまたはアルミニウムは、反応して酸化シリコン(シリカ) または酸化アルミニウム(アルミナ) を形成します。ただし、鋼にアルミナが多すぎると、鋳造ノズルが詰まり、鋼が「窒息」します。

数値流体力学やその他の流体流動技術は、特にタンディッシュにおける新しい連続鋳造工程の設計に広く利用されており、高温の金属から介在物や乱流が除去され、かつ金属が過度に冷却される前にすべての金属が鋳型に到達することを保証します。タンディッシュまたは鋳型内の流動条件をわずかに調整するだけで、製品の不良率が高くなるか低くなるかの違いが生じる可能性があります。

スターター バー (ダミー バーとも呼ばれる) は、保管用に柔軟な自由端部と、金型を塞ぐ端部の実質的に剛性の部分とを有する。スターター バーは、セグメントに提供され、端から端まで配置された平面の背骨の片側に固定された個別のブロックで構成される。テーパー ブロックの形の調整可能なスペーサーがバーのブロック間に配置され、スターター バーが鋳造経路に対応する湾曲構成で自立できるようにする。スターター バーの端部の背骨がより柔軟なため、ブロックが支持されていない構成で扇状に広がる間、スターター バーを鋳造経路よりも狭い半径に湾曲させることができる。保管ランプが、保管位置で柔軟な端部をサポートするために提供される。鋳造を開始する前に、油圧アクチュエータを使用してスターター バーが鋳造機を通して (鋳造の逆方向に) 送られる。金型の底部まで送られると、金型のパッキング プロセスを継続して、スムーズな始動を確実に行うことができる。

ダイレクトストリップ鋳造は、溶融状態から直接金属板を製造する連続鋳造プロセスであり、二次処理の必要性を最小限に抑えます。低炭素鋼板の場合、これは比較的新しいプロセスであり、2000年代初頭から商業的に成功しました。^{[9] [10]}

ツインベルト連続鋳造は、一定の長方形断面を持つ連続した金属棒またはストリップを大量に生産する連続鋳造プロセスです。ツインベルト連続鋳造では、鋳造の上部と下部の表面として張力で保持された平行な炭素鋼ベルトで構成される可動鋳型を使用します。ベルトとともに移動し、必要な鋳造幅に応じて間隔を空けた長方形の鋼または銅ブロックのチェーンが鋳型の側面を形成します。

溶融金属は、鋳造ベルトの間に設置されたノズルを通してタンディッシュからツインベルト連続鋳造機に導入されます。金属はベルトと直接接触して冷却され、ベルトは高圧循環水によって冷却されます。ベルト鋳造表面には、必要な鋳型界面特性を提供し、付着を防ぐために、さまざまなコーティングを施すことができます。

ツインベルト連続鋳造機からの鋳造金属は、熱間圧延機と同期され、直接熱間圧延機に供給されます。鋳造と圧延の工程を組み合わせることで、中間鋳造と再加熱の工程を含む他の鋳造プロセスに比べて、エネルギーとコストを大幅に節約できます。

ツインベルト連続鋳造機で鋳造される金属：銅（棒、帯、陽極）、アルミニウム（帯）、亜鉛（帯）、鉛（帯）

生産率と速度:ツインベルト連続鋳造の速度は、最大毎分 14 メートルの速度で、最大毎時 60 トンに達します。

ツインベルト連続鋳造は、ニアネットシェイプ鋳造プロセスであり、二次圧延または成形操作の必要性を大幅に削減します。たとえば、銅陽極板を鋳造する場合、鋳造スラブは圧延されず、直接せん断されて個別の陽極板になります。

冷却ベルトは、通常、低炭素鋼で作られており、鋳造機内で張力をかけられて保持され、平坦性と精度が確保されます。「冷たい」ベルトが鋳型領域に入ると、鋳造ゾーンで加熱され、熱膨張による強力な力を受けます。幅広のストリップを鋳造する場合、これらの力を制御し、鋳型入口でのベルトの座屈をなくし、熱による歪みを減らす必要があります。これらの力は、鋳型に入る前にベルトを予熱するか、鋳型に入った後に磁気的に安定させることで制御できます。

ベルト予熱: 幅広のストリップ鋳造では、ベルト予熱システムを使用して、鋳造鋳型に入る直前にベルトを 150 °C 以上に加熱し、冷間成形の影響を軽減できます。幅全体にわたって誘導加熱コイルを使用して、各ベルトを予熱できます。予熱温度を高くすると、熱による歪みを防ぐだけでなく、ベルト表面の水分も除去できます。

磁気安定化:幅広のストリップを鋳造する場合、鋳型領域内に高強度の磁気ベルト バックアップ サポート ロールを使用することで、局所的な熱変形の傾向を抑えることができます。移動中のベルトは、ベルトを平面に保つ磁化された回転フィンによってサポート ロールに保持されます。

ツインベルト連続鋳造機内では、溶融金属が鋳型領域を通過するにつれて鋳型表面で徐々に凝固し、凝固する外面の間に溶融金属の溜まりができます。ベルトコーティング、テクスチャ、ガス層の変更により、鋳造金属からベルトへの熱伝達率を微調整します。薄帯鋼の場合は鋳型の 30% ほど進んだ時点で全厚凝固が起こる可能性があり、大棒鋼の場合は、出口の水噴霧冷却とローラーサポートが必要な鋳型出口から最大 2 m 先まで凝固が起こります。

密閉プール供給:アルミニウムなどの特定の金属を鋳造する場合、完全に密閉されたプール「注入」金属供給システムを使用できます。この場合、金属はわずかな圧力をかけられた状態で密閉された鋳型の空洞に注入されます。金属の流れは、タンディッシュ内の事前設定されたレベルを維持することで制御されます。供給口、つまりノズルは、通常、熱的に安定しており、流れる金属から放出されるガスを透過するセラミック材料で作られています。

オープン プール フィーディング:銅、亜鉛、鉛などの他の金属を鋳造する場合、オープン プール フィーディング システムがよく使用されます。この場合、上部ベルト プーリーは下部プーリーの下流にオフセットされます。金属はオープン トラフまたはタンディッシュを通って、ベルトの収束点に形成された溶融金属の静止プールに流れ込みます。酸化を防ぐために、シュラウド ガスが使用される場合があります。

モールドのテーパリング:ツインベルト鋳造機は、4 つのモールド表面すべてが独立している点で、他の可動モールド鋳造機とは異なります。これにより、モールド表面をテーパリングして、鋳造製品が収縮しても接触したままにすることができます。ベルトの裏側に継続的に供給される高速冷却水がベルトに衝突し、ベルトに力を加えます。この力は、ベルトが収縮するときにベルトをストリップまたはスラブの表面に押し付けるように作用し、ベルトをモールド全体で鋳造製品に密着させます。モールドの各側面は、ダム ブロックのエンドレス チェーンによって形成され、調整可能なスプリング式ガイドによって鋳造ストリップに保持されます。

溶融金属レベル制御:鋳造速度を高速化し、プールのレベルを可能な限り高く維持するために、非接触型電磁金属レベル計を使用して鋳造機内のプールのレベルを感知できます。

アルミニウムまたは銅のストリップ鋳造:市販のツインベルト連続ストリップ鋳造機は、厚さ 10 ～ 35 mm、幅最大 2035 mm の鋳造寸法を生産できます。鋳造ストリップは、熱間圧延機に直接供給された後、通常 1 ～ 3 mm の厚さのストリップに圧延されます。

銅棒鋳造:鋳造時の寸法は厚さ 35～75 mm、幅 50～150 mm です。鋳造時の棒は熱間圧延機に直接投入された後、通常、直径 8 mm の棒に圧延され、伸線加工に使用されます。

銅陽極鋳造:陽極ラグ鋳型と移動式油圧せん断機を備えた特殊なダムブロックをツインベルト鋳造機に追加して、ネットシェイプ銅陽極を連続的に鋳造します。陽極の幅は約 1 メートル (ラグを除く)、厚さは 16 mm から 45 mm です。このプロセスの主な利点は、鋳造された陽極のサイズと表面品質の均一性です。このプロセスを使用して鋳造された陽極は、鋳造後に追加の準備を必要としません。

鋳型長さ: 鋳型長さは、ストリップ鋳造機の場合は約 2000 mm、銅棒鋳造機の場合は最大 3700 mm です。

• オマーンアルミニウム圧延会社：アルミニウムの成長傾向を捉え、オマーンを変革する、アンドレア・スベンセン 会社：ライトメタルエイジ 発行：第70巻、第6号 要約 2013
• ツインロール鋳造アルミニウムからの建築用シート製品の製造における最新の進歩、Light Metal Age、2008 年 4 月
• カトリン・カマー博士（ゴスラー）「アルミニウムの連続鋳造」pp 16-17、1999年、欧州アルミニウム協会
• Matthew J. King、Kathryn C. Sole、William GI Davenport、「銅の抽出冶金学」、pp 166、239、256-247、404-408、Copyright 2011 Elsevier Science, Ltd.
• 機械技術者のための参考書、第 12 版。EH Smith 編。Elsevier 社、アムステルダム、1998 年発行。
• T フレデリック・ウォルターズ著『エンジニアのための製造業の基礎』テイラー＆フランシス、ロンドン、2001年
• Bluescope SteelのウェブサイトおよびAISIの連続鋳造に関するウェブサイトからの断面サイズ
• 薄板鋳造と圧延、Ispatguru ウェブサイト

• 鋼の連続鋳造：基本原理
• steeluniversity.org の連続鋳造セクション（完全なインタラクティブ シミュレーションを含む）
• 連続鋳造プロセスのビデオ。ウェストバージニア州公文書館。1969 年に撮影。