JP2000271704A - 半凝固金属の連続鋳造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広範囲の固相率の半凝固金属を安定して鋳造
可能な半凝固金属の連続鋳造装置を提供する。 【解決手段】 冷却円筒の外周面を所定の範囲覆う断熱
部材を、冷却円筒の外周面に着脱自在に設けた半凝固金
属の連続鋳造装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶融金属を冷却・
攪拌して、半凝固金属を連続的に製造し、その半凝固金
属を連続的に鋳造する半凝固金属の連続鋳造装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】溶融金属( 溶湯) を冷却下に攪拌するこ
とによって、粒状の初晶粒を含む半凝固金属を連続的に
製造し、その半凝固金属を連続的に鋳造することが行わ
れている。この連続鋳造された半凝固金属の鋳片は、半
凝固状態の温度域まで再加熱して、チクソトロピー性
（小さな応力下に大きな変形能を有する性質）を利用し
て加工し、製品の均一性を向上し、マクロ偏析を軽減す
ることができるので、ダイカスト、密閉鍛造、熱間プレ
ス等の各種プロセスの素材として用いられる。

【０００３】この加工において、チクソトロピー性を活
用して製品品質を向上するには、一般的に固相率( 半凝
固金属中に含まれる初晶粒の重量比) の高い高固相率の
半凝固金属鋳片が用いられる。一方、半凝固金属の連続
鋳造装置としては、低固相率で半凝固金属を鋳造したほ
うが操業トラブルが少なく、安定して連続鋳造が可能と
なる。

【０００４】そこで、半凝固金属の連続鋳造装置として
は、広範囲の固相率で半凝固金属を鋳造できることが望
まれている。例えば高固相率の半凝固金属鋳片の連続鋳
造方法として、特開平６-328199 号公報には、外表面に
ねじ溝をそなえる中子（駆動装置に連結されていな
い。）をねじ溝を施された冷却・攪拌槽の中心に配置
し、冷却・攪拌槽の外周に配置された電磁誘導コイルの
発生する回転磁界により、溶融金属に回転攪拌力を与
え、冷却・攪拌槽内で冷却・攪拌して半凝固金属を連続
的に製造し、その半凝固金属を冷却・攪拌槽の排出部に
設けた成形注入ノズルから連続鋳造鋳型( 以後、鋳型と
呼ぶ。) に注入する連続鋳造方法が開示されている。

【０００５】この冷却・攪拌槽は図４に示すように、給
水管3a、排水管3bを備えた冷却円筒用水冷ジャケット３
と冷却円筒２からなっており、給水管3aから注水された
冷却水3cは、冷却円筒用水冷ジャケット３と冷却円筒２
の外面の隙間に供給され、冷却円筒２の外面を下端部か
ら上端部まで強制冷却した後、冷却円筒２の上部に設け
られた排水管3bから排水される。この冷却・攪拌槽は高
固相率の半凝固金属を製造可能にするために、冷却円筒
２の外面を下端部から上端部まで強制冷却するようにさ
れている。

【０００６】しかしながら、特開平６-328199 号公報に
開示されている高固相率の連続的半凝固金属の製造方法
では、冷却円筒の外面を下端部から上端部まで強制冷却
しているために、固相率の低い半凝固金属を安定して鋳
造できないという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、上記の従来技術の問題点を解消することにあり、広
範囲の固相率の半凝固金属を安定して鋳造することが可
能な半凝固金属の連続鋳造装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、溶融金属を冷
却下に攪拌して得られる半凝固金属を、成形注入ノズル
を介して連続鋳造鋳型で鋳造する半凝固金属の連続鋳造
装置であって、内壁面にねじ溝を施さない冷却円筒およ
び水冷ジャケットからなる冷却・攪拌槽と、前記冷却・
攪拌槽の外周に配置された電磁誘導コイルと、前記冷却
・攪拌槽の中央に配置された外表面にネジ溝を有する中
子と、前記冷却・攪拌槽の排出部に成形注入ノズルを介
して直結した連続鋳造鋳型と、前記連続鋳造鋳型から鋳
片を引き抜くピンチロールとを備えるともに、前記冷却
円筒の外周面を所定の範囲覆う断熱部材を、前記冷却円
筒の外周面に着脱自在に設けたことを特徴とする半凝固
金属の連続鋳造装置である。

【０００９】また、前記中子を駆動手段に連結したこと
を特徴とする半凝固金属の連続鋳造装置である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の半凝固金属の連続鋳造装
置について図１、図２および図３を用いて詳細に説明す
る。本発明に用いる冷却・攪拌槽は、非磁性金属製の冷
却円筒２と、冷却円筒用水冷ジャケット３とからなり、
冷却円筒２の外周面には断熱部材2aが着脱自在に設けら
れている。冷却円筒用水冷ジャケット３は、給水管3a、
排水管3bを備えている。冷却・攪拌槽の外周には電磁誘
導コイル４が配置されている。そして、冷却水3cを給水
管3aから通水し、冷却円筒２の外周を強制冷却して、上
部の排水管3bから排水するとともに、電磁誘導コイル４
に交流電源17を印加し、その回転磁界によって冷却・攪
拌槽内の溶湯1aと半凝固金属1bに回転攪拌力を与えるよ
うにされている。

【００１１】外表面にネジ溝を刻設した中子５は、支持
アーム14に固定され、冷却・攪拌槽の中央に配置されて
いればよいが、図１に示すように、支持アーム14に軸受
を介して回転可能に、かつトルク計13を備えた駆動モー
ター12により駆動軸を介して駆動可能にする方が好まし
い。また、支持アーム14は、油圧シリンダー16等の昇降
装置により昇降し、また回動可能に支持台15に装着され
ている。

【００１２】冷却・攪拌槽の排出部には、成形注入ノズ
ル６を介して鋳型７が直結されている。成形注入ノズル
６は、高粘度の半凝固金属1bの流動に支障のない十分な
断面積を有し、セラミックまたはセラミックよりも高い
熱伝導率を有する金属製とさている。鋳型７は、所定の
断面形状を有する純銅、銅合金、アルミニウム、アルミ
ニウム合金等の金属又は黒鉛、セラミックス等の開放鋳
型７であって、鋳型用水冷ジャケット８を備えており、
冷却水8cを給水管8aから注水し、鋳型７の外面を強制冷
却して、排水管8bから排水するようにされている。そし
て、鋳型７内の半凝固金属1bを冷却・凝固して鋳片1cを
形成し、鋳片1cをガイドロール10で案内して、鋳片1cを
ピンチロール11により連続的に引き抜くようにされてい
る。

【００１３】ここで、中子５の外表面にネジ溝を刻設し
たのは、0.3 を超える高固相率の半凝固金属1bをその自
重で成形注入ノズル６から鋳型７に注入させるには不十
分なので、半凝固金属1bに下向きの推力を発生させて、
0.3 を超える高固相率の半凝固金属1bを成形注入ノズル
６から鋳型７に注入可能にするためである。また、冷却
・攪拌槽の中心に中子５を配置したのは、溶融金属1aお
よび半凝固金属1bの回転攪拌力によって生じる溶融金属
1aの表面の凹みを防止でき、溶融金属1aを高速回転する
ことが可能となること、および中子５の外周面と溶融金
属1aおよび半凝固金属1bとの間で剪断力を発生できるこ
とにより、球状の初晶粒を有する品質の良好な鋳片1cを
製造できるからである。

【００１４】第１発明の特徴は、冷却円筒２の外周面を
所定の範囲覆う断熱部材2aを、図３に示すように冷却円
筒２の外周面に着脱自在に設けたことにより、低固相率
から高固相率まで広範囲の固相率の半凝固金属1bを連続
鋳造できるようにしていることである。断熱部材2aとし
ては、円筒状保温部材や内部に空隙を有する円筒状部材
としてもよい。

【００１５】保温材としては、ガラス繊維やけい酸石
灰、軽質炭酸マグネシウムが断熱効果が大きいので好ま
しい。断熱部材2aは、ボルト等で着脱自在に設けてもよ
いし、ガラス繊維では冷却円筒２の外周面に巻き付け
て、着脱自在に設けてもよい。断熱部材2aは冷却円筒２
の外周面の一周に渡り設けるのが施工が容易であるので
好ましい。断熱部材2aをボルトにより着脱自在に設ける
位置は、冷却円筒２の外周面の上部および／または下部
とするのが、冷却円筒２の上部部材や冷却円筒２の下部
部材にボルトで着脱自在に取付できるので好ましい。

【００１６】また、本発明の特徴は、中子５を駆動モー
タ12にトルク計13を介して連結したことにより、高固相
率の半凝固金属1bを鋳型７に注入できることである。次
に、この装置により半凝固金属1bを連続鋳造する方法に
ついて説明する。先ず、溶湯1aをタンディッシュ１に連
続的に供給して、溶湯1aを連続的に冷却・攪拌槽の上部
に注入する。冷却・攪拌槽の上部に注入された溶湯1a
は、冷却円筒２の内壁面と中子５の外表面との隙間で、
電磁誘導コイル４の発生する回転磁界により回転攪拌さ
れつつ、冷却円筒２の内壁面に接触して冷却され、半凝
固金属1bとなる。

【００１７】本発明では、冷却円筒２の外周面を所定の
範囲覆う断熱部材2aを、冷却円筒２の外周面に着脱自在
に設けたので、冷却円筒２の内壁面から奪われる抜熱量
が小さくなる。このため、タンディッシュ１に供給する
溶湯1aの温度と引き抜き速度とを高固相率の半凝固金属
1bを鋳造する場合の条件と同じにすると、冷却・攪拌槽
の下部の半凝固金属1bの温度を高くすることができるの
で、低固相率の半凝固金属1bを製造できるのである。

【００１８】一方、断熱部材2aを冷却円筒２の外周面に
設けない場合には、冷却円筒２からの抜熱量が大きくな
る。このため、冷却・攪拌槽の下部の半凝固金属1bの温
度を低くくすることができるので、高固相率の半凝固金
属1bを製造できるのである。ところで、本発明に用いる
冷却円筒２の内壁面にはねじ溝を施していないけれど
も、中子５の外表面にはねじ溝が施されている。そこ
で、回転磁界の回転方向とねじ溝の方向を適当に選択し
て、溶湯1aと半凝固金属1bに、ねじ溝に沿って下向きの
スパイラル状の流動を生じさせるのである。

【００１９】また、本発明では中子５を駆動手段12に連
結しているので、回転磁界によって生じたスパイラル状
の流動と同じ方向に、中子５を所定回転速度で回転させ
て回転磁界によって発生した流動を、さらに加速させる
ことができる。この結果、半凝固金属1bには、中子５を
回転させない場合よりも大きな下向きの推力が働くこと
となり高固相率の半凝固金属1bを鋳型７に注入できるの
である。また、駆動手段12の回転速度を変更することに
より、半凝固金属1bの固相率に応じた適切な下向きの推
力を作用させることができる。

【００２０】以上の説明では、ねじ溝を備えた中子に駆
動手段を連結した半凝固金属の連続鋳造装置として説明
したが、ねじ溝を備えた中子をトルク計を介して支持ア
ームに固定した半凝固金属の連続鋳造装置にも適用でき
る。また、本発明の半凝固金属の連続鋳造装置では、ピ
ンチロールによる鋳片の引き抜き速度を遅くすることに
より、成形注入ノズル内の半凝固金属1bの固相率を所定
値だけ高くできる。

【００２１】また、トルク計13で中子５に作用するトル
クを検出できるので、これから固相率等の操業状況をチ
ェックすることができる。また、本発明の装置で鋳造で
きる合金は、Al合金、Cu合金、Fe合金等各種合金に適用
できる。

【００２２】

【実施例】（実施例１） 図１に示す冷却円筒２の外周
面を高さ方向に50％覆うように、板状ガラス繊維の断熱
部材2aをスチールバンドで巻き付けた本発明の半凝固金
属の連続鋳造装置を用いて、ねじ溝を設けた中子５の回
転数を、回転磁界の回転数よりも大きくして、半凝固金
属1bに下向きの推力を付与しつつ半凝固金属1bを連続鋳
造した。その際に、適正温度に加熱したAl-10mass ％Cu
合金の溶湯1aをタンディッシュ１に連続的に供給して、
冷却・攪拌槽の上部に溶湯1aを流入させ、冷却・攪拌槽
の外周に配置された電磁誘導コイル４の発生する回転磁
界により、溶融金属1aに回転攪拌力を与え、冷却・攪拌
槽内で冷却・攪拌して半凝固金属1bを連続的に製造し、
その半凝固金属を冷却・攪拌槽の排出部に設けた成形注
入ノズル６から連続鋳造鋳型７に注入し、半凝固金属1b
の固相率を、成形注入ノズル上部の成形注入ノズル内に
おける半凝固金属の比抵抗の変化を測定することにより
もとめながら、引き抜き速度を段階的に変更して鋳造し
た。

【００２３】ここで、冷却円筒２は内径:200mm、外壁面
の高さは600mm とし、外周用面の50％を断熱部材2aで覆
った。また、冷却円筒２の内壁面にはねじ溝を施してい
ない。電磁誘導コイル４は２極３相で、これに50Hz３相
の交流電源17から電力を供給して回転磁界を発生させ、
冷却円筒２の内壁面での磁束密度:900ガウスを印加し
た。冷却円筒用水冷ジャケット３には流量:500リットル
／分の冷却水3cを供給し、鋳型７には流量:500リットル
／分の冷却水8cを供給した。また、中子５は、外径:100
mmの円柱に、深さ:30mm 、幅:50mm 、ピッチ:80mm のね
じ溝を設けたものを用いた。鋳型７は断面サイズ:150mm
φとした。

【００２４】この結果、本発明例では、引き抜き速度 2
60mm/ 分とすることにより固相率0.05の低固相率のビレ
ット鋳片1cが製造できた。しかし、 260mm/ 分を超える
引き抜き速度では、鋳型で形成される凝固シェルの厚み
が薄くなりビレット鋳片1cが破断した。一方、従来例と
して、冷却円筒２の外周面に断熱部材を設けずに、その
他の条件は上記発明例と同じとして引き抜き速度を段階
的に増大して半凝固金属のビレット鋳片1cを鋳造したと
ころ、引き抜き速度の上限 450mm／分における固相率は
0.35であった。

【００２５】また、冷却円筒２の外周面に断熱部材を設
けずに、その他の条件は上記発明例と同じとして半凝固
金属のビレット鋳片1cを鋳造したところ、タンディッシ
ュ１への給湯温度と引き抜き速度を同じにした場合、引
き抜き速度 260mm／分で固相率0.45であった。この引き
抜き速度 260mm／分で固相率 0.45 のビレット鋳片1cの
表面を調べたが、凝固シェルの巻き込み等の表面欠陥は
なかった。

【００２６】以上の結果から、発明例では固相率0.05〜
0.45の範囲の半凝固金属のビレット鋳片1cが鋳造できた
のに比べて、従来例では固相率0.35〜0.45の範囲であっ
たので、冷却円筒の外周面を高さ方向に所定の範囲覆う
ように、断熱部材を着脱自在に設けた発明例の半凝固金
属の連続鋳造装置によれば、広範囲の固相率の半凝固金
属を製造できることがわかる。 （実施例２） ねじ溝を設けた中子５を回転せずに、冷
却円筒２の外周面を高さ方向に50％覆うように、板状ガ
ラス繊維の断熱部材2aをスチールバンドで巻き付けて、
その他の条件は実施例１と同じにして半凝固金属のビレ
ット鋳片1cを鋳造した。

【００２７】この結果、発明例の場合には、実施例１と
同じ引き抜き速度と固相率（引き抜き速度 260mm/ 分、
固相率0.05）でビレット鋳片1cが破断せずに鋳造できた
けれども、冷却円筒２の外周面に断熱部材2aを設けず
に、引き抜き速度 260mm／分では固相率0.45の鋳造を安
定して行うことができず、ビレット鋳片1cの破断トラブ
ルが発生した。

【００２８】実施例２のねじ溝を設けた中子を回転しな
い場合に比較して、実施例１のねじ溝を設けた中子を回
転駆動した場合には、固相率0.45のビレット鋳片が鋳造
できることから、ねじ溝を設けた中子を駆動手段に連結
することにより、広範囲の固相率の半凝固金属を安定し
て鋳造できることがわかる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の半凝固金属の連続鋳造装置によ
れば、広範囲の固相率の半凝固金属を安定して鋳造する
ことができる。また、本発明に用いるねじ溝を設けた中
子を駆動手段に連結することにより、さらに広範囲の固
相率の半凝固金属を鋳造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半凝固金属の連続鋳造装置を示す概略
図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ矢視概略断面図である。

【図３】本発明に用いる冷却・攪拌槽の概略断面図であ
る。

【図４】従来の冷却・攪拌槽の概略断面図である。

【符号の説明】

１ タンディッシュ ２ 冷却円筒 2a 断熱部材 ３ 冷却円筒用水冷ジャケット ４ 電磁誘導コイル ５ 中子 ６ 成形注入ノズル ７ 連続鋳造鋳型（鋳型） ８ 鋳型用水冷ジャケット 10 ガイドロール 11 ピンチロール 12 駆動手段( 駆動モーター） 13 トルク計 14 支持アーム 15 支持台 16 油圧シリンダー 17 交流電源 1a 溶融金属( 溶湯) 1b 半凝固金属 1c 鋳片 3a、8a 給水管 3b、8b 排水管 3c、8c 冷却水

フロントページの続き (72)発明者 岡野 忍 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 株式会 社レオテック内 (72)発明者 山中 啓充 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川鉄テ クノリサーチ株式会社内 (72)発明者 池永 孝雄 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川鉄マ シナリー株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融金属を冷却下に攪拌して得られる半
   凝固金属を、成形注入ノズルを介して連続鋳造鋳型で鋳
   造する半凝固金属の連続鋳造装置であって、内壁面にね
   じ溝を施さない冷却円筒および水冷ジャケットからなる
   冷却・攪拌槽と、前記冷却・攪拌槽の外周に配置された
   電磁誘導コイルと、前記冷却・攪拌槽の中央に配置され
   た外表面にネジ溝を有する中子と、前記冷却・攪拌槽の
   排出部に成形注入ノズルを介して直結した連続鋳造鋳型
   と、前記連続鋳造鋳型から鋳片を引き抜くピンチロール
   とを備えるとともに、前記冷却円筒の外周面を所定の範
   囲覆う断熱部材を、前記冷却円筒の外周面に着脱自在に
   設けたことを特徴とする半凝固金属の連続鋳造装置。
2. 【請求項２】 前記中子を駆動手段に連結したことを特
   徴とする請求項１に記載の半凝固金属の連続鋳造装置。