JP2002018559A - 微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法及びその鋳造装置 - Google Patents
微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法及びその鋳造装置Info
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- JP2002018559A JP2002018559A JP2000205619A JP2000205619A JP2002018559A JP 2002018559 A JP2002018559 A JP 2002018559A JP 2000205619 A JP2000205619 A JP 2000205619A JP 2000205619 A JP2000205619 A JP 2000205619A JP 2002018559 A JP2002018559 A JP 2002018559A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電磁気力を用い、微細な凝固組織を有する鋳
片および鋳塊を鋳造する方法及びその装置を提供する。 【解決手段】 溶融金属に、所定の強さ（好ましくは
０．１Ｔ以上）の静磁場を印加するとともに、周波数１
Hz以上の交流電流を、固液界面から凝固方向へ所定の距
離（δ）を超える領域にて、静磁場方向に対して垂直な
方向の電流成分が存在するように通電する。なお、δ＝
４・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min））である。
片および鋳塊を鋳造する方法及びその装置を提供する。 【解決手段】 溶融金属に、所定の強さ（好ましくは
０．１Ｔ以上）の静磁場を印加するとともに、周波数１
Hz以上の交流電流を、固液界面から凝固方向へ所定の距
離（δ）を超える領域にて、静磁場方向に対して垂直な
方向の電流成分が存在するように通電する。なお、δ＝
４・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min））である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微細な凝固組織を
有する鋳片または鋳塊を鋳造する方法とその装置に関す
るものである。
有する鋳片または鋳塊を鋳造する方法とその装置に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、金属材料において、その組織を
微細化すれば、機械的特性に限らず諸特性が向上するこ
とが知られている。そのため、所望の特性を得るため、
金属材料のベース組織となる鋳造組織を微細化する方法
や、加工・熱処理等の手段を用いて微細組織を得る方法
が、数多く提案されている。
微細化すれば、機械的特性に限らず諸特性が向上するこ
とが知られている。そのため、所望の特性を得るため、
金属材料のベース組織となる鋳造組織を微細化する方法
や、加工・熱処理等の手段を用いて微細組織を得る方法
が、数多く提案されている。
【０００３】しかし、凝固組織の段階から組織を微細化
できれば、更なる特性の向上が期待される。溶融金属を
鋳造する際、凝固組織を微細化する方法には、冷却能の
大きい鋳型を用いる方法、溶融金属中に微細化剤を添加
する方法、さらに、凝固時に振動、攪拌を加える方法等
がある。
できれば、更なる特性の向上が期待される。溶融金属を
鋳造する際、凝固組織を微細化する方法には、冷却能の
大きい鋳型を用いる方法、溶融金属中に微細化剤を添加
する方法、さらに、凝固時に振動、攪拌を加える方法等
がある。
【０００４】通常、鋳片または鋳塊の凝固組織は、柱状
晶、柱状晶とその中央部の等軸晶、または、ほとんど等
軸晶からなるが、これらの組織を微細化するため冷却能
の大きい鋳型を用いても、冷却能は凝固組織の表層にし
か及ばないので、鋳造組織を微細化できる程度に限界が
ある。また、溶融金属に微細化剤を添加する方法におい
ては、微細化剤として、最終製品としての機械的特性に
悪影響を及ぼさない種類、粒径のものを選択しなければ
ならないうえ、得られる微細化効果自体が不安定であ
り、同様に、鋳造組織を微細化できる程度に限界があ
る。
晶、柱状晶とその中央部の等軸晶、または、ほとんど等
軸晶からなるが、これらの組織を微細化するため冷却能
の大きい鋳型を用いても、冷却能は凝固組織の表層にし
か及ばないので、鋳造組織を微細化できる程度に限界が
ある。また、溶融金属に微細化剤を添加する方法におい
ては、微細化剤として、最終製品としての機械的特性に
悪影響を及ぼさない種類、粒径のものを選択しなければ
ならないうえ、得られる微細化効果自体が不安定であ
り、同様に、鋳造組織を微細化できる程度に限界があ
る。
【０００５】溶融金属を攪拌する方法は、直接、機械的
に攪拌したり、また、電磁気力により流動を起こして攪
拌したりして、凝固時の核生成を促したり、成長途上の
柱状晶を破壊したりして、凝固組織の微細化を図るもの
であるが、凝固組織の微細化に限界があることが知られ
ている。また、機械力または電磁気力で溶融金属に振動
を加える方法は、同じく、凝固時の核生成を促したり、
成長途上の柱状晶を破壊したりして、凝固組織の微細化
を図るものであるが、所要の機械的な振動を得るには、
装置を大規模なものとせざるを得ず、また、溶融金属が
部分的に流動するだけで、振動が凝固界面に伝わり難い
という問題点がある。
に攪拌したり、また、電磁気力により流動を起こして攪
拌したりして、凝固時の核生成を促したり、成長途上の
柱状晶を破壊したりして、凝固組織の微細化を図るもの
であるが、凝固組織の微細化に限界があることが知られ
ている。また、機械力または電磁気力で溶融金属に振動
を加える方法は、同じく、凝固時の核生成を促したり、
成長途上の柱状晶を破壊したりして、凝固組織の微細化
を図るものであるが、所要の機械的な振動を得るには、
装置を大規模なものとせざるを得ず、また、溶融金属が
部分的に流動するだけで、振動が凝固界面に伝わり難い
という問題点がある。
【０００６】溶融金属に振動を加える方法の一つに、低
周波磁場を印加する方法があるが、この方法は、大容量
の電源が必要となり、装置的に大規模なものとならざる
を得ず、また、溶融金属の流動が生じて、所望の振動が
得られ難いという問題がある。さらに、溶融金属に静磁
場と交流電流を同時に印加し振動させる方法があるが、
交流電流の印加によってジュール熱が発生して、凝固界
面の温度を上昇させてしまい、凝固核の生成そのものが
起こり難くなるという問題がある。
周波磁場を印加する方法があるが、この方法は、大容量
の電源が必要となり、装置的に大規模なものとならざる
を得ず、また、溶融金属の流動が生じて、所望の振動が
得られ難いという問題がある。さらに、溶融金属に静磁
場と交流電流を同時に印加し振動させる方法があるが、
交流電流の印加によってジュール熱が発生して、凝固界
面の温度を上昇させてしまい、凝固核の生成そのものが
起こり難くなるという問題がある。
【０００７】特開平１１−９０６１５号公報には、電磁
気力を利用して、溶融金属に直接、高エネルギー振動力
を付与し、溶融金属中にキャビテーション（空孔）を生
じさせ、その消滅時に発生する衝撃力で金属組織を微細
化する方法が開示されている。上記公報記載の方法は、
従来の振動、攪拌を加える方法とは異なり、上記キャビ
テーション（空孔）が消滅する時に発生する衝撃力が、
凝固現象、凝固過程に作用を及ぼす（晶出した結晶粒を
破砕、分断しつつ凝固させる）ものであり、鋳造組織の
微細化に一定の効果が得られるものである。
気力を利用して、溶融金属に直接、高エネルギー振動力
を付与し、溶融金属中にキャビテーション（空孔）を生
じさせ、その消滅時に発生する衝撃力で金属組織を微細
化する方法が開示されている。上記公報記載の方法は、
従来の振動、攪拌を加える方法とは異なり、上記キャビ
テーション（空孔）が消滅する時に発生する衝撃力が、
凝固現象、凝固過程に作用を及ぼす（晶出した結晶粒を
破砕、分断しつつ凝固させる）ものであり、鋳造組織の
微細化に一定の効果が得られるものである。
【０００８】しかしながら、上記キャビテーション（空
孔）の形成・消滅が生じ、それが核生成に寄与するとの
ことは、その後実験的に確認されておらず、また、上記
公報記載の方法においては、電流により発生するジュー
ル熱が、凝固界面における溶融金属を昇温することにな
り、凝固界面近傍における核生成に必要な過冷却が失わ
れてしまうという問題点がある。
孔）の形成・消滅が生じ、それが核生成に寄与するとの
ことは、その後実験的に確認されておらず、また、上記
公報記載の方法においては、電流により発生するジュー
ル熱が、凝固界面における溶融金属を昇温することにな
り、凝固界面近傍における核生成に必要な過冷却が失わ
れてしまうという問題点がある。
【０００９】近年、省資源、資材コストの低減等の観点
から、金属材料には、これまで以上の機械的特性が求め
られ、そのためには、機械的特性を直接担う結晶組織
を、従来のレベル以上に微細化し、強靱なもとすること
が不可欠となるが、この要求に答えるには、加工・熱処
理後の結晶組織に大きな影響を及ぼす鋳造組織そのもの
に立ち返り、その鋳造組織を、これまで以上に微細化す
る必要があるのであり、従来レベル以上の微細な凝固組
織を有する鋳片または鋳塊を鋳造することができる技術
の出現が強く望まれている。
から、金属材料には、これまで以上の機械的特性が求め
られ、そのためには、機械的特性を直接担う結晶組織
を、従来のレベル以上に微細化し、強靱なもとすること
が不可欠となるが、この要求に答えるには、加工・熱処
理後の結晶組織に大きな影響を及ぼす鋳造組織そのもの
に立ち返り、その鋳造組織を、これまで以上に微細化す
る必要があるのであり、従来レベル以上の微細な凝固組
織を有する鋳片または鋳塊を鋳造することができる技術
の出現が強く望まれている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、溶融金属の
内部で、凝固が進行しつつある固液界面以外の場所で振
動を生起し、かつ、この振動を効率よく、固液界面近傍
の過冷却領域に伝え、そこでの核生成を促して多くの凝
固核を生成し、、凝固組織を微細化することを目的（課
題）とする。
内部で、凝固が進行しつつある固液界面以外の場所で振
動を生起し、かつ、この振動を効率よく、固液界面近傍
の過冷却領域に伝え、そこでの核生成を促して多くの凝
固核を生成し、、凝固組織を微細化することを目的（課
題）とする。
【００１１】さらに、本発明は、より均一に微細化した
凝固組織を有する鋳片または鋳塊を鋳造する方法とその
装置を提供することを目的（課題）とする。
凝固組織を有する鋳片または鋳塊を鋳造する方法とその
装置を提供することを目的（課題）とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】凝固組織を微細化するに
は、凝固が進行しつつある固液界面近傍の過冷却領域に
対し、そこでの核生成を促す何らかの作用を及ぼすこと
が必要となるが、本発明者は、電磁気力と交流電流の相
互作用により発生する振動を、上記過冷却液相領域にお
ける核生成を促す作用として利用し、凝固組織の微細化
を図ることができるのではないかとの発想に至り、Sn−
10mass％Pbを用い、次の二つの実験を行った。 （実験１）図１に実験装置を模式的に示す。溶融Sn−10
mass％Pbを収容した耐熱ガラス製矩形容器１（ａ＝２５
mm、ｂ＝４０mm、ｈ＝３５mm）を、超伝導磁石内に設置
し、短辺側面近傍に一対の銅製電極２を浸漬し（浸漬深
さ５mm）、鉛直方向に１０Ｔの静磁場Ｂを印加するとと
もに、周波数２ｋHz、９０Ａの交流電流Ｉ（スキンデプ
ス；８．１mm）を印加し、溶融Sn−10mass％Pbを、電極
から離れた方の短辺側面から長手方向（静磁場方向及び
電流方向に垂直な方向）に凝固させた。
は、凝固が進行しつつある固液界面近傍の過冷却領域に
対し、そこでの核生成を促す何らかの作用を及ぼすこと
が必要となるが、本発明者は、電磁気力と交流電流の相
互作用により発生する振動を、上記過冷却液相領域にお
ける核生成を促す作用として利用し、凝固組織の微細化
を図ることができるのではないかとの発想に至り、Sn−
10mass％Pbを用い、次の二つの実験を行った。 （実験１）図１に実験装置を模式的に示す。溶融Sn−10
mass％Pbを収容した耐熱ガラス製矩形容器１（ａ＝２５
mm、ｂ＝４０mm、ｈ＝３５mm）を、超伝導磁石内に設置
し、短辺側面近傍に一対の銅製電極２を浸漬し（浸漬深
さ５mm）、鉛直方向に１０Ｔの静磁場Ｂを印加するとと
もに、周波数２ｋHz、９０Ａの交流電流Ｉ（スキンデプ
ス；８．１mm）を印加し、溶融Sn−10mass％Pbを、電極
から離れた方の短辺側面から長手方向（静磁場方向及び
電流方向に垂直な方向）に凝固させた。
【００１３】図２に、静磁場Ｂと交流電流Ｉ、及び、生
じる振動Ｆの方位関係を示すが、本実験の場合、振動Ｆ
は、直接、固液界面近傍の溶融Sn−10mass％Pbに作用す
ることになる。図３に、交流電流を印加せず、静磁場中
で凝固させた場合における長手方向垂直断面の凝固組織
（ａ）と、交流電流と静磁場を重畳印加して凝固させた
場合における同凝固組織（ｂ）を示す。
じる振動Ｆの方位関係を示すが、本実験の場合、振動Ｆ
は、直接、固液界面近傍の溶融Sn−10mass％Pbに作用す
ることになる。図３に、交流電流を印加せず、静磁場中
で凝固させた場合における長手方向垂直断面の凝固組織
（ａ）と、交流電流と静磁場を重畳印加して凝固させた
場合における同凝固組織（ｂ）を示す。
【００１４】交流電流と静磁場は、固液界面から離れた
位置で重畳印加されて、その位置でのみ電磁振動が生じ
ているのにもかかわらず、図３の（ｂ）に示す凝固組織
は、交流電流を印加しない場合の凝固組織（ａ）に比
べ、格段に微細化されている。 （実験２）図４に実験装置の断面を模式的に示す。溶融
Sn−10mass％Pbを収容した耐熱ガラス製円筒容器３（φ
＝３０mm、ｈ＝１５０mm）を、超伝導磁石内に設置し、
容器上部から一対の銅製電極２を浸漬し（浸漬深さ２０
mm）、鉛直方向（容器の長手方向）に１０Ｔの静磁場Ｂ
を印加するとともに、周波数２００Hz、１００Ａの交流
電流Ｉ（スキンデプス；２５mm）を印加し、溶融Sn−10
mass％Pbを、容器底部から鉛直方向（静磁場方向）に凝
固させた。
位置で重畳印加されて、その位置でのみ電磁振動が生じ
ているのにもかかわらず、図３の（ｂ）に示す凝固組織
は、交流電流を印加しない場合の凝固組織（ａ）に比
べ、格段に微細化されている。 （実験２）図４に実験装置の断面を模式的に示す。溶融
Sn−10mass％Pbを収容した耐熱ガラス製円筒容器３（φ
＝３０mm、ｈ＝１５０mm）を、超伝導磁石内に設置し、
容器上部から一対の銅製電極２を浸漬し（浸漬深さ２０
mm）、鉛直方向（容器の長手方向）に１０Ｔの静磁場Ｂ
を印加するとともに、周波数２００Hz、１００Ａの交流
電流Ｉ（スキンデプス；２５mm）を印加し、溶融Sn−10
mass％Pbを、容器底部から鉛直方向（静磁場方向）に凝
固させた。
【００１５】図５に、交流電流も静磁場も印加せず凝固
させた場合における鉛直方向垂直断面の凝固組織（ａ）
と、交流電流と静磁場を重畳印加して凝固させた場合に
おける同凝固組織（ｂ）を示す。静磁場Ｂと交流電流
Ｉ、及び、生じる振動Ｆの方位関係は、図２に示すとお
りである。本実験の場合、振動Ｆは、直接、固液界面に
作用せず、かつ、容器内の溶融Sn−10mass％Pbにおい
て、電磁振動が起きる範囲は、電極浸漬深さ２０mmとス
キンデプス２５mmを合わせた上部４５mm程度のところで
ある（図４、参照）が、図５の（ｂ）に示す凝固組織
は、交流電流と静磁場を印加しない場合の凝固組織
（ａ）に比べ、格段に微細化されている。
させた場合における鉛直方向垂直断面の凝固組織（ａ）
と、交流電流と静磁場を重畳印加して凝固させた場合に
おける同凝固組織（ｂ）を示す。静磁場Ｂと交流電流
Ｉ、及び、生じる振動Ｆの方位関係は、図２に示すとお
りである。本実験の場合、振動Ｆは、直接、固液界面に
作用せず、かつ、容器内の溶融Sn−10mass％Pbにおい
て、電磁振動が起きる範囲は、電極浸漬深さ２０mmとス
キンデプス２５mmを合わせた上部４５mm程度のところで
ある（図４、参照）が、図５の（ｂ）に示す凝固組織
は、交流電流と静磁場を印加しない場合の凝固組織
（ａ）に比べ、格段に微細化されている。
【００１６】このことは、静磁場Ｂと交流電流Ｉの相互
作用で生じる振動Ｆの成分が、磁場方向にも伝搬し、固
液界面近傍における核生成を促したものと考えられる。
本発明者は、以上の実験結果から次の知見を得た。 （ａ）静磁場が全体的に印加された溶融金属に、交流電
流を、固液界面から所定の距離以上離れた領域にて、静
磁場方向に対して垂直に通電し、電磁振動を生起する
と、その電磁振動は、固液界面にまで伝搬し、そこでの
核生成を促す作用をなす。 （ｂ）溶融金属に、交流電流を、固液界面から所定の距
離以上離れた領域にて通電すると、発生するジュール熱
は、固液界面にまで伝搬せず、そこでの核生成に必要な
溶融金属の過冷却状態が最適に維持される。
作用で生じる振動Ｆの成分が、磁場方向にも伝搬し、固
液界面近傍における核生成を促したものと考えられる。
本発明者は、以上の実験結果から次の知見を得た。 （ａ）静磁場が全体的に印加された溶融金属に、交流電
流を、固液界面から所定の距離以上離れた領域にて、静
磁場方向に対して垂直に通電し、電磁振動を生起する
と、その電磁振動は、固液界面にまで伝搬し、そこでの
核生成を促す作用をなす。 （ｂ）溶融金属に、交流電流を、固液界面から所定の距
離以上離れた領域にて通電すると、発生するジュール熱
は、固液界面にまで伝搬せず、そこでの核生成に必要な
溶融金属の過冷却状態が最適に維持される。
【００１７】しかし、上記固液界面から所定の距離内の
領域、即ち、核生成に必要な溶融金属の過冷却状態を最
適に維持するために確保すべき領域は、直接には、凝固
速度によって変動するので、本発明者は、さらにこの点
について実験を行い、次の知見を得た。 （ｃ）核生成に必要な溶融金属の過冷却状態を最適に維
持するために確保すべき領域は、下記式δで示す距離内
の領域であり、したがって、固液界面から所定の距離離
れた領域は、固液界面から、下記式δで示す距離を超え
る距離にある領域である必要がある。
領域、即ち、核生成に必要な溶融金属の過冷却状態を最
適に維持するために確保すべき領域は、直接には、凝固
速度によって変動するので、本発明者は、さらにこの点
について実験を行い、次の知見を得た。 （ｃ）核生成に必要な溶融金属の過冷却状態を最適に維
持するために確保すべき領域は、下記式δで示す距離内
の領域であり、したがって、固液界面から所定の距離離
れた領域は、固液界面から、下記式δで示す距離を超え
る距離にある領域である必要がある。
【００１８】 δ＝ａ・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min）） 即ち、溶融金属に交流電流を通電する位置が、固液界面
から上記距離δの範囲外の領域にあれば、電磁振動が固
液界面に伝搬しても、上記通電位置で発生するジュール
熱は、固液界面近傍の過冷却領域にまで伝導しないか
ら、溶融金属の過冷却状態が阻害されず、伝搬してきた
電磁振動により核生成が促進されることになる。
から上記距離δの範囲外の領域にあれば、電磁振動が固
液界面に伝搬しても、上記通電位置で発生するジュール
熱は、固液界面近傍の過冷却領域にまで伝導しないか
ら、溶融金属の過冷却状態が阻害されず、伝搬してきた
電磁振動により核生成が促進されることになる。
【００１９】逆に、溶融金属に、交流電流を通電する位
置が、固液界面から上記距離δの範囲内の領域にあれ
ば、電磁振動が固液界面に伝搬しても、上記通電位置で
発生するジュール熱により、固液界面近傍における溶融
金属の過冷却状態が阻害され、結局、核生成が促進され
ないという結果になる。上記式δにおける係数ａは、溶
融金属の成分組成等により変動するが、本発明者は、ａ
≒４であることを実験的に確認したので、本発明におい
ては、ａ＝４とする。
置が、固液界面から上記距離δの範囲内の領域にあれ
ば、電磁振動が固液界面に伝搬しても、上記通電位置で
発生するジュール熱により、固液界面近傍における溶融
金属の過冷却状態が阻害され、結局、核生成が促進され
ないという結果になる。上記式δにおける係数ａは、溶
融金属の成分組成等により変動するが、本発明者は、ａ
≒４であることを実験的に確認したので、本発明におい
ては、ａ＝４とする。
【００２０】本発明は、以上の知見に基づくものであ
り、その要旨は以下のとおりである。 （１）鋳片または鋳塊の鋳造方法において、溶融金属
に、所定の強さの静磁場を印加するとともに、周波数１
Hz以上の交流電流を、固液界面から凝固方向へ所定の距
離（δ）を超える領域にて、静磁場方向に対して垂直な
方向の電流成分が存在するように通電することを特徴と
する微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方
法。
り、その要旨は以下のとおりである。 （１）鋳片または鋳塊の鋳造方法において、溶融金属
に、所定の強さの静磁場を印加するとともに、周波数１
Hz以上の交流電流を、固液界面から凝固方向へ所定の距
離（δ）を超える領域にて、静磁場方向に対して垂直な
方向の電流成分が存在するように通電することを特徴と
する微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方
法。
【００２１】（２）前記所定の強さの静磁場が、０．１
Ｔ以上の静磁場であることを特徴とする前記（１）記載
の微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。 （３）前記所定の距離（δ）が下記式δで表されること
を特徴とする前記（１）または（２）記載の微細な凝固
組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。 δ＝４・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min）） （４）前記所定の距離（δ）が１０ｍｍであることを特
徴とする前記（３）記載の微細な凝固組織を有する鋳片
または鋳塊の鋳造方法。
Ｔ以上の静磁場であることを特徴とする前記（１）記載
の微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。 （３）前記所定の距離（δ）が下記式δで表されること
を特徴とする前記（１）または（２）記載の微細な凝固
組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。 δ＝４・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min）） （４）前記所定の距離（δ）が１０ｍｍであることを特
徴とする前記（３）記載の微細な凝固組織を有する鋳片
または鋳塊の鋳造方法。
【００２２】（５）前記静磁場を、固液界面を含めて印
加することを特徴とする前記（１）、（２）または
（３）記載の微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の
鋳造方法。 （６）前記所定の距離（δ）を超える領域が、鋳型内の
溶融金属に連続する鋳型外の溶融金属内の領域であるこ
とを特徴とする前記（１）、（２）または（３）記載の
微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。
加することを特徴とする前記（１）、（２）または
（３）記載の微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の
鋳造方法。 （６）前記所定の距離（δ）を超える領域が、鋳型内の
溶融金属に連続する鋳型外の溶融金属内の領域であるこ
とを特徴とする前記（１）、（２）または（３）記載の
微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。
【００２３】（７）前記鋳片または鋳塊の鋳造方法が、
鋳片を連続的に鋳造する連続鋳造方法であることを特徴
とする前記（１）、（２）、（３）または（６）記載の
微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。 （８）鋳塊を鋳造する鋳造装置において、鋳型の一対の
側面に、鋳型内の溶融金属に静磁場を印加する静磁場装
置を設けるとともに、他の一対の側面に、固液界面から
凝固方向へ所定の距離（δ）を超える領域にて、静磁場
方向に対して垂直な方向の電流成分が存在するように通
電する通電装置を設けたことを特徴とする鋳塊鋳造装
置。
鋳片を連続的に鋳造する連続鋳造方法であることを特徴
とする前記（１）、（２）、（３）または（６）記載の
微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。 （８）鋳塊を鋳造する鋳造装置において、鋳型の一対の
側面に、鋳型内の溶融金属に静磁場を印加する静磁場装
置を設けるとともに、他の一対の側面に、固液界面から
凝固方向へ所定の距離（δ）を超える領域にて、静磁場
方向に対して垂直な方向の電流成分が存在するように通
電する通電装置を設けたことを特徴とする鋳塊鋳造装
置。
【００２４】（９）前記所定の距離（δ）が、下記式δ
で表されることを特徴とする前記（８）記載の鋳塊鋳造
装置。 δ＝４・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min）） （10）鋳片を連続的に鋳造する鋳造装置において、鋳型
の一対の側面または側面下部に、鋳型内の溶融金属に静
磁場を印加する静磁場装置を設けるとともに、他の一対
の側面または側面下部に、固液界面から凝固方向へ所定
の距離（δ）を超える領域にて、静磁場方向に対して垂
直な方向の電流成分が存在するように通電する通電装置
を設けたことを特徴とする連続鋳造装置。
で表されることを特徴とする前記（８）記載の鋳塊鋳造
装置。 δ＝４・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min）） （10）鋳片を連続的に鋳造する鋳造装置において、鋳型
の一対の側面または側面下部に、鋳型内の溶融金属に静
磁場を印加する静磁場装置を設けるとともに、他の一対
の側面または側面下部に、固液界面から凝固方向へ所定
の距離（δ）を超える領域にて、静磁場方向に対して垂
直な方向の電流成分が存在するように通電する通電装置
を設けたことを特徴とする連続鋳造装置。
【００２５】（11）前記所定の距離（δ）が、下記式δ
で表されることを特徴とする前記（10）記載の連続鋳造
装置。 δ＝４・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min））
で表されることを特徴とする前記（10）記載の連続鋳造
装置。 δ＝４・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min））
【００２６】
【発明の実施の形態】本発明について、さらに詳細に説
明する。本発明の鋳造方法は、溶融金属に、所定の強さ
の静磁場を印加するとともに、周波数１Hz以上の交流電
流を、固液界面から凝固方向へ所定の距離（δ）を超え
る領域にて、静磁場方向に対して垂直な方向の電流成分
が存在するように通電することを特徴とする。
明する。本発明の鋳造方法は、溶融金属に、所定の強さ
の静磁場を印加するとともに、周波数１Hz以上の交流電
流を、固液界面から凝固方向へ所定の距離（δ）を超え
る領域にて、静磁場方向に対して垂直な方向の電流成分
が存在するように通電することを特徴とする。
【００２７】即ち、本発明の鋳造方法は、静磁場と交流
電流の相互作用により生じる振動を、核生成の促進に利
用するものであるが、振動を生起する位置を、核生成領
域から分離することにより、振動の生起位置で発生する
ジュール熱が、核生成を促進すべき固液界面近傍に伝導
し、溶融金属の過冷却状態を阻害し、その結果、固液界
面近傍における核生成機能を損なわないようにすること
を基本思想とするものである。
電流の相互作用により生じる振動を、核生成の促進に利
用するものであるが、振動を生起する位置を、核生成領
域から分離することにより、振動の生起位置で発生する
ジュール熱が、核生成を促進すべき固液界面近傍に伝導
し、溶融金属の過冷却状態を阻害し、その結果、固液界
面近傍における核生成機能を損なわないようにすること
を基本思想とするものである。
【００２８】溶融金属に印加する静磁場の強さは、所要
の電磁振動を得るうえにおいて、交流電流の周波数やア
ンペア数との相関で適宜選択できるが、０．１Ｔ未満で
あると、交流電流の周波数が１Hz以上であっても、交流
電流と静磁場との相互作用で生じる電磁振動が微弱なも
のとなり、固液界面にまで到達せず、期待する凝固組織
の微細化効果が得られない。
の電磁振動を得るうえにおいて、交流電流の周波数やア
ンペア数との相関で適宜選択できるが、０．１Ｔ未満で
あると、交流電流の周波数が１Hz以上であっても、交流
電流と静磁場との相互作用で生じる電磁振動が微弱なも
のとなり、固液界面にまで到達せず、期待する凝固組織
の微細化効果が得られない。
【００２９】それ故、溶融金属に印加する静磁場の強さ
は、最低限０．１Ｔは必要であり、０．１Ｔ以上と規定
する。交流電流は、周波数１Hz以上の交流電流を使用す
る。周波数が１Hz未満であると、静磁場の強さが０．１
Ｔ以上であっても、核生成を促進するのに充分な周波数
の電磁振動が得られず、期待する凝固組織の微細化効果
が得られない。
は、最低限０．１Ｔは必要であり、０．１Ｔ以上と規定
する。交流電流は、周波数１Hz以上の交流電流を使用す
る。周波数が１Hz未満であると、静磁場の強さが０．１
Ｔ以上であっても、核生成を促進するのに充分な周波数
の電磁振動が得られず、期待する凝固組織の微細化効果
が得られない。
【００３０】それ故、交流電流の周波数を１Hz以上と規
定する。なお、交流電流のアンペア数は、振動の伝搬に
必要なエネルギーや、発生するジュール熱の程度を考慮
して、適宜設定できるので、本発明では規定しない。静
磁場において交流電流を印加する場合、静磁場方向に対
して垂直な方向の電流成分が存在すれば、フレミングの
左手の法則により振動が発生するから、交流電流の通電
方向は、必ずしも静磁場方向に垂直にする必要はない。
定する。なお、交流電流のアンペア数は、振動の伝搬に
必要なエネルギーや、発生するジュール熱の程度を考慮
して、適宜設定できるので、本発明では規定しない。静
磁場において交流電流を印加する場合、静磁場方向に対
して垂直な方向の電流成分が存在すれば、フレミングの
左手の法則により振動が発生するから、交流電流の通電
方向は、必ずしも静磁場方向に垂直にする必要はない。
【００３１】要は、静磁場方向に対して垂直な方向の電
流成分が存在するように、交流電流を印加すればよい。
また、本発明の鋳造方法では、振動を生起する領域と核
生成を行わせる領域とを分離しているから、静磁場は、
交流電流を印加して振動を励起する領域にのみ印加され
ていればよいが、電磁振動を、核生成を促進する固液界
面にまで効率よく伝達せしめるうえでは、固液界面を含
む領域も含めて静磁場を印加することが好ましい。
流成分が存在するように、交流電流を印加すればよい。
また、本発明の鋳造方法では、振動を生起する領域と核
生成を行わせる領域とを分離しているから、静磁場は、
交流電流を印加して振動を励起する領域にのみ印加され
ていればよいが、電磁振動を、核生成を促進する固液界
面にまで効率よく伝達せしめるうえでは、固液界面を含
む領域も含めて静磁場を印加することが好ましい。
【００３２】本発明においては、交流電流を、固液界面
から凝固方向へ所定の距離（δ）を超える領域にて印加
する。これは、交流電流を印加している領域（振動の生
起位置）で発生するジュール熱が、固液界面近傍にまで
伝導して、核生成に必須の過冷却状態を阻害することを
防止するためである。この所定の距離（δ）を超える領
域は、前記知見（ｃ）に示したように、固液界面から、
下記式δで表す距離を超える領域であることが好まし
い。
から凝固方向へ所定の距離（δ）を超える領域にて印加
する。これは、交流電流を印加している領域（振動の生
起位置）で発生するジュール熱が、固液界面近傍にまで
伝導して、核生成に必須の過冷却状態を阻害することを
防止するためである。この所定の距離（δ）を超える領
域は、前記知見（ｃ）に示したように、固液界面から、
下記式δで表す距離を超える領域であることが好まし
い。
【００３３】 δ＝４・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min）） 振動が生起する位置が、上記δを超える距離、固液界面
から離れていれば、該位置で発生するジュール熱によ
り、溶融金属の過冷却状態は阻害されず、固液界面にお
ける所要の核生成機能がより適切に維持される。本発明
者らの実機操業における調査よれば、最も遅い凝固速度
は、従来の連続鋳造における凝固において、鋳片表面か
ら１００mmの位置におけるｖ＝３mm/minであり、この場
合、δ＝５〜６mm程度である。また、最も速い双ドラム
式連続鋳造における凝固においては、ｖ＝１８０mm/min
であり、この場合、δ＝２３mm程度である。
から離れていれば、該位置で発生するジュール熱によ
り、溶融金属の過冷却状態は阻害されず、固液界面にお
ける所要の核生成機能がより適切に維持される。本発明
者らの実機操業における調査よれば、最も遅い凝固速度
は、従来の連続鋳造における凝固において、鋳片表面か
ら１００mmの位置におけるｖ＝３mm/minであり、この場
合、δ＝５〜６mm程度である。また、最も速い双ドラム
式連続鋳造における凝固においては、ｖ＝１８０mm/min
であり、この場合、δ＝２３mm程度である。
【００３４】本発明者は、凝固速度ｖを変えて（δを変
えて）、凝固組織を観察した。その結果、上記δは、１
０mmが最適であることを確認した。本発明では、振動を
生起する位置と、核生成領域とを分離するが、振動を生
起する位置（交流を印加する位置）は、振動を核生成領
域に伝搬できる範囲内にあればよいから、上記位置は鋳
型内に限定されない。即ち、鋳型外にある溶融金属に静
磁場と交流電流を重畳印加して振動を生じさせ、その振
動を鋳型内の溶融金属に伝搬するような態様を採用して
もよい。
えて）、凝固組織を観察した。その結果、上記δは、１
０mmが最適であることを確認した。本発明では、振動を
生起する位置と、核生成領域とを分離するが、振動を生
起する位置（交流を印加する位置）は、振動を核生成領
域に伝搬できる範囲内にあればよいから、上記位置は鋳
型内に限定されない。即ち、鋳型外にある溶融金属に静
磁場と交流電流を重畳印加して振動を生じさせ、その振
動を鋳型内の溶融金属に伝搬するような態様を採用して
もよい。
【００３５】結局、本発明において、振動を生起する位
置（交流電流を印加する位置）は、鋳型の内外を問わ
ず、振動が核生成領域に伝搬できるとの条件下で、溶融
金属が存在する領域内で、適宜、選択できる。本発明
は、鋳型に溶融金属を注入する鋳造に適用できることは
勿論のこと、鋳片を連続的に鋳造する連続鋳造にも適用
できる。
置（交流電流を印加する位置）は、鋳型の内外を問わ
ず、振動が核生成領域に伝搬できるとの条件下で、溶融
金属が存在する領域内で、適宜、選択できる。本発明
は、鋳型に溶融金属を注入する鋳造に適用できることは
勿論のこと、鋳片を連続的に鋳造する連続鋳造にも適用
できる。
【００３６】この適用の場合においても、交流電流は、
固液界面から凝固方向へ、上記式δで表す距離を超える
領域にて通電することが好ましい。図６及び図７に、本
発明を連続鋳造装置に適用した場合の一態様を示す。図
６は、冷却鋳型４の下部に電磁石９を備えた連続鋳造装
置の縦断面である。図７は、Ａ−Ａ’線での横断面であ
る。
固液界面から凝固方向へ、上記式δで表す距離を超える
領域にて通電することが好ましい。図６及び図７に、本
発明を連続鋳造装置に適用した場合の一態様を示す。図
６は、冷却鋳型４の下部に電磁石９を備えた連続鋳造装
置の縦断面である。図７は、Ａ−Ａ’線での横断面であ
る。
【００３７】溶鋼７が浸漬ノズル５から連続鋳造鋳型内
に供給され、パウダー６で覆われた溶鋼７は凝固シェル
８を形成しつつ鋳片１３となり下方に引き抜かれるが、
このとき、凝固シェル８内部に存在する溶鋼７には、冷
却鋳型４の下部に設けられた電磁石９により、磁力線１
１で示す静磁場を印加するとともに、この静磁場内で、
凝固シェルに、鋳片中央部で接する電極１０により、交
流電流を静磁場方向に直角に通電し、電流フラックス１
２を印加する。
に供給され、パウダー６で覆われた溶鋼７は凝固シェル
８を形成しつつ鋳片１３となり下方に引き抜かれるが、
このとき、凝固シェル８内部に存在する溶鋼７には、冷
却鋳型４の下部に設けられた電磁石９により、磁力線１
１で示す静磁場を印加するとともに、この静磁場内で、
凝固シェルに、鋳片中央部で接する電極１０により、交
流電流を静磁場方向に直角に通電し、電流フラックス１
２を印加する。
【００３８】磁力線１１と電流フラックス１２との相互
作用で生じる振動が、周囲の凝固シェル８と未凝固の溶
鋼７が形成する固液界面１４に伝搬し、固液界面１４近
傍の過冷却領域での核生成を促進する。電極１０から通
電する交流電流の一部は、凝固シェル８を通じて流れる
が、その量は微小であり、発生するジュール熱も微小で
ある。それ故、固液界面１４近傍での過冷却状態は全く
阻害されない。
作用で生じる振動が、周囲の凝固シェル８と未凝固の溶
鋼７が形成する固液界面１４に伝搬し、固液界面１４近
傍の過冷却領域での核生成を促進する。電極１０から通
電する交流電流の一部は、凝固シェル８を通じて流れる
が、その量は微小であり、発生するジュール熱も微小で
ある。それ故、固液界面１４近傍での過冷却状態は全く
阻害されない。
【００３９】以下に、本発明の実施例を示す。
【００４０】
【実施例】質量％で、Ｃ：０．１％、Mn：０．５％、S
i：０．２％、Ｐ：０．０２％、Ｓ：０．０１％、Al：
０．０３％を含む高炭素鋼の溶鋼を、図６及び図７に示
す連続鋳造装置を用い、下記の鋳造条件で連続鋳造し、
その凝固組織を観察した。 鋳型 厚さ２２０mm×幅２２０mm 鋳造速度 ２ｍ／min 直流磁場 鋳型直下（メニスカスから１ｍ下）、０．３Ｔ 電流 １００Ａ 電流周波数 ５０Hz 上記鋳造条件で得られた鋳片の垂直断面凝固組織（鋳片
中央部）を、図８に示す。また、同じ条件の連続鋳造鋳
型を用い、静磁場及び交流電流ともに印加しないで連続
鋳造した鋳片の垂直断面凝固組織（鋳片中央部）を図９
に示す。
i：０．２％、Ｐ：０．０２％、Ｓ：０．０１％、Al：
０．０３％を含む高炭素鋼の溶鋼を、図６及び図７に示
す連続鋳造装置を用い、下記の鋳造条件で連続鋳造し、
その凝固組織を観察した。 鋳型 厚さ２２０mm×幅２２０mm 鋳造速度 ２ｍ／min 直流磁場 鋳型直下（メニスカスから１ｍ下）、０．３Ｔ 電流 １００Ａ 電流周波数 ５０Hz 上記鋳造条件で得られた鋳片の垂直断面凝固組織（鋳片
中央部）を、図８に示す。また、同じ条件の連続鋳造鋳
型を用い、静磁場及び交流電流ともに印加しないで連続
鋳造した鋳片の垂直断面凝固組織（鋳片中央部）を図９
に示す。
【００４１】図８に示す凝固組織は、図９に示す凝固組
織に比べ、格段に微細化されている。
織に比べ、格段に微細化されている。
【００４２】
【発明の効果】本発明によれば、微細な凝固組織を有す
る鋳片または鋳塊を製造することができる。凝固組織が
微細であるから、これを加工・熱処理して得られる結晶
組織もより一層微細なものとなり、金属材料の機械的特
性等を格段に高めることができる。
る鋳片または鋳塊を製造することができる。凝固組織が
微細であるから、これを加工・熱処理して得られる結晶
組織もより一層微細なものとなり、金属材料の機械的特
性等を格段に高めることができる。
【００４３】したがって、本発明は、金属材料を用いる
技術、産業の発展に寄与するところが大きいものであ
る。
技術、産業の発展に寄与するところが大きいものであ
る。
【図１】実験装置を模式的に示す図である。
【図２】静磁場Ｂと交流電流Ｉ、及び、生じる力Ｆの方
位関係を示す図である。
位関係を示す図である。
【図３】溶融Sn−10mass％Pbを、交流電流を印加せず、
静磁場中で凝固させた場合における長手方向垂直断面の
凝固組織（ａ）と、交流電流と静磁場を重畳印加して凝
固させた場合における同凝固組織（ｂ）を示す図であ
る。
静磁場中で凝固させた場合における長手方向垂直断面の
凝固組織（ａ）と、交流電流と静磁場を重畳印加して凝
固させた場合における同凝固組織（ｂ）を示す図であ
る。
【図４】他の実験装置を模式的に示す図である。
【図５】溶融Sn−10mass％Pbを、交流電流も静磁場も印
加せず凝固させた場合における鉛直方向垂直断面の凝固
組織（ａ）と、交流電流と静磁場を重畳印加して凝固さ
せた場合における同凝固組織（ｂ）を示す図である。
加せず凝固させた場合における鉛直方向垂直断面の凝固
組織（ａ）と、交流電流と静磁場を重畳印加して凝固さ
せた場合における同凝固組織（ｂ）を示す図である。
【図６】本発明の連続鋳造装置の縦断面を示す図であ
る。
る。
【図７】図６のＡ−Ａ’線での横断面を示す図である。
【図８】本発明で得られた鋳片における垂直断面の凝固
組織（鋳片中央部）を示す図である。
組織（鋳片中央部）を示す図である。
【図９】磁場及び電流を印加しない連続鋳造鋳片におけ
る垂直断面の凝固組織（鋳片中央部）を示す図である。
る垂直断面の凝固組織（鋳片中央部）を示す図である。
１…耐熱ガラス製矩形容器 ２…銅製電極 ３…耐熱ガラス製円筒容器 ４…冷却鋳型 ５…浸漬ノズル ６…パウダー ７…溶鋼 ８…凝固シェル ９…電磁石 １０…電極 １１…磁力線 １２…電流フラックス １３…鋳片 １４…固液界面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２２Ｄ 27/02 Ｂ２２Ｄ 27/02 Ｕ (72)発明者 浅井 滋生 愛知県名古屋市緑区鳴海町薬師山112番地 (72)発明者 高村 智之 愛知県西加茂郡三好町大字莇生字水洗21− ９ (72)発明者 川合 悟 愛知県尾西市小信中島字東鵯平７−１ (72)発明者 竹内 栄一 兵庫県姫路市広畑区富士町１番地 新日本 製鐵株式会社広畑製鐵所内 (72)発明者 笹井 勝浩 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 4E004 AA09 MB11
Claims (11)
- 【請求項１】 鋳片または鋳塊の鋳造方法において、溶
融金属に、所定の強さの静磁場を印加するとともに、周
波数１Hz以上の交流電流を、固液界面から凝固方向へ所
定の距離（δ）を超える領域にて、静磁場方向に対して
垂直な方向の電流成分が存在するように通電することを
特徴とする微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳
造方法。 - 【請求項２】 前記所定の強さの静磁場が、０．１Ｔ以
上の静磁場であることを特徴とする請求項１記載の微細
な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。 - 【請求項３】 前記所定の距離（δ）が下記式δで表さ
れることを特徴とする請求項１または２記載の微細な凝
固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。δ＝４・ｖ
1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min）） - 【請求項４】 前記所定の距離（δ）が１０ｍｍである
ことを特徴とする請求項３記載の微細な凝固組織を有す
る鋳片または鋳塊の鋳造方法。 - 【請求項５】 前記静磁場を、固液界面を含めて印加す
ることを特徴とする請求項１、２または３記載の微細な
凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。 - 【請求項６】 前記所定の距離（δ）を超える領域が、
鋳型内の溶融金属に連続する鋳型外の溶融金属内の領域
であることを特徴とする請求項１、２または３記載の微
細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法。 - 【請求項７】 前記鋳片または鋳塊の鋳造方法が、鋳片
を連続的に鋳造する連続鋳造方法であることを特徴とす
る請求項１、２、３または６記載の微細な凝固組織を有
する鋳片または鋳塊の鋳造方法。 - 【請求項８】 鋳塊を鋳造する鋳造装置において、鋳型
の一対の側面に、鋳型内の溶融金属に静磁場を印加する
静磁場装置を設けるとともに、他の一対の側面に、固液
界面から凝固方向へ所定の距離（δ）を超える領域に
て、静磁場方向に対して垂直な方向の電流成分が存在す
るように通電する通電装置を設けたことを特徴とする鋳
塊鋳造装置。 - 【請求項９】 前記所定の距離（δ）が、下記式δで表
されることを特徴とする請求項８記載の鋳塊鋳造装置。 δ＝４・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min）） - 【請求項１０】 鋳片を連続的に鋳造する鋳造装置にお
いて、鋳型の一対の側面または側面下部に、鋳型内の溶
融金属に静磁場を印加する静磁場装置を設けるととも
に、他の一対の側面または側面下部に、固液界面から凝
固方向へ所定の距離（δ）を超える領域にて、静磁場方
向に対して垂直な方向の電流成分が存在するように通電
する通電装置を設けたことを特徴とする連続鋳造装置。 - 【請求項１１】 前記所定の距離（δ）が、下記式δで
表されることを特徴とする請求項10記載の連続鋳造装
置。 δ＝４・ｖ1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min））
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000205619A JP4683695B2 (ja) | 2000-07-06 | 2000-07-06 | 微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法及びその鋳造装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002018559A true JP2002018559A (ja) | 2002-01-22 |
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ID=18702676
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|---|---|---|---|
| JP2000205619A Expired - Lifetime JP4683695B2 (ja) | 2000-07-06 | 2000-07-06 | 微細な凝固組織を有する鋳片または鋳塊の鋳造方法及びその鋳造装置 |
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- 2000-07-06 JP JP2000205619A patent/JP4683695B2/ja not_active Expired - Lifetime
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