JP2002331341A

JP2002331341A - 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: JP2002331341A
Application number: JP2001139187A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Iwai; 一彦岩井; Shigeo Asai; 滋生浅井; Shunsuke Kuwayama; 俊介桑山; Shinya Kojima; 真也小嶋; Toru Matsumiya; 徹松宮; Katsuhiro Sasai; 勝浩笹井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2002-11-19
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP4737866B2

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、（ａ）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、
（ｂ）上記静磁場方向に垂直な方向の電流成分を、固液
界面から凝固方向へ所定の距離（δ）を超える領域に発
生せしめる交流磁場を印加する。交流磁場は、少なくと
も一個の一対のコイルに、周波数１０Hz以上の交流電流
を通電して形成する。ここで、δ＝４・ｖ^1/3（ｖ：凝
固速度（mm/min））。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。
それ故、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、これまで、数多く
提案されている。

【０００３】しかし、凝固組織が形成される初期の段階
において、組織を微細化できれば、より微細化した鋳造
組織を得ることができるので、更なる特性の向上が期待
できる。従来、溶融金属を鋳造する際、凝固組織を微細
化するために、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、または、凝固時に振
動、攪拌を加える方法等を採用してきた。

【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は限界
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、溶融金属を、
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、これら攪拌・破壊による凝固
組織の微細化には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、装置を大型化しても溶
融金属が部分的に流動するだけで、振動が固液界面に伝
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。

【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、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、
凝固現象や、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、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、固液界面における溶融金属を昇温することにな
り、固液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
られている。この要求に応えるには、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、この微細化を達成する
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。

【００１０】それ故、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。本発明者は、上記要望に鑑
み、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
特徴とする発明（微細な凝固組織を有する鋳片または鋳
塊の鋳造方法と鋳造装置）を、特願２０００−２０５６
１９号の出願で提案した。

【００１１】この発明によれば、鋳片または鋳塊の凝固
組織を、従来レベル以上に微細化することができるが、
長時間の通電を確保するためには、電極の腐食や、消耗
に対する改善・工夫が必要となる。

【００１２】

【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領域で振
動を生起し、かつ、この振動を、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
成せしめ、凝固組織を微細化することを目的（課題）と
する。

【００１３】また、本発明は、上記振動を、溶融金属と
接触しない手法・手段で生起せしめることを目的（課
題）とする。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。

【００１４】

【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凝固組織の微細化に利用で
きないかとの発想に至り、Sn−10mass％Pbを用い、次の
実験を行った。（実験１）図１に、実験装置の断面を模式的に示す。溶
融Sn−10mass％Pb３を収容した耐熱ガラス製円筒容器１
（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
２０mm）、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
−10mass％Pb３を、容器底部から鉛直方向（静磁場方
向）に凝固させた。

【００１５】図２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。容器内の溶融Sn−10ma
ss％Pb３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１、参照）にもかかわらず、図
２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、上記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、下記式で示す距離δ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、下記式で示す距離δを超え
る距離にある領域である必要がある。 δ＝ａ・ｖ^1/3 （ｖ：凝固速度（mm/min））

【００１８】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。

【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。

【００２０】本発明者は、前述したように、上記知見に
基づき、凝固組織の微細化に係る発明をなし、該発明を
特願２０００−２０５６１９号として出願した。この発
明において実用化を目指す場合、溶融金属による電極の
腐食や、消耗に対する改善・工夫が必要になるが、本発
明者は、通電を、電極が溶融金属と接触しない形態で行
なうことができれば、長時間の通電が可能となるとの発
想に至り、次の実験を行なった。（実験２）図３に、実験装置の断面を模式的に示す。所
定高さの耐熱アクリル製円筒容器４（φ₀＝４４mm、ｔ₀
＝８mm）内に、高さ（ｈ₀）１２０mmまで、溶融Ga５を
収容し、該容器４を超伝導磁石内に設置した。容器上部
から、図４に示す構造の電極６を挿入し、溶融Ga５の表
面と所定の間隔を保持して固定した。

【００２１】電極６は、図４に示すように、２０×２０
mmの絶縁体１２の下部周面に、一対のコイル１１を４個
並列に配置したものである。各一対のコイル１１は、リ
ード線１３により、交流電源７（図３、参照）に接続さ
れている。図５に示すように、一対のコイル１１に電流
Ｊ’を流すと、一方のコイルの端から他方のコイルの端
に向う磁場Ｂ’が発生する。電極６の下部で発生する磁
場Ｂ’は、溶融Ga５の表面から内部に浸透するので、該
磁場Ｂ’により、磁場Ｂ’の方向に垂直な方向の電流が
発生する。

【００２２】それ故、図３に示す実験装置において、電
極６に交流電流を印加すると、図６（図３に示す溶融Ga
５の表面近傍の一部１０を拡大して示す。）に示すよう
に、交流電流により発生し、溶融Ga５の内部に浸透する
磁場によって、電流Ｊ₀が発生し、該電流Ｊ₀と、上記容
器４の鉛直方向（容器の長手方向）の静磁場Ｂ₀との相
互作用（フレミングの左手の法則）で、力Ｆ₀が発生す
る。

【００２３】この力Ｆ₀は、交流電流の周波数に従いそ
の方向を変えるので、溶融Ga５の表面下には、交流電流
の周波数と同じ周波数の振動が発生する。図３に示す実
験装置において、溶融Ga５を収容した耐熱アクリル製円
筒容器４の鉛直方向（容器の長手方向）に、１０Ｔの静
磁場Ｂ₀を印加するとともに、交流電源７から４個の一
対のコイル１１に、周波数１〜１０００Hz、３０Ａの交
流電流を印加して、溶融Ga５を、容器底部から鉛直方向
（静磁場方向）に凝固させた。

【００２４】この時、上記容器４の底部から高さｈ’３
０mmの位置に、センサー１４を挿入し、センサー１４に
ノイズフィルター８を介して接続したオシロスコープ９
により、溶融Ga５の表面下で生起した“交流電流の周波
数と同じ周波数の振動”が、上記容器４の底部まで伝播
することを確認した。

【００２５】本発明者は、上記実験結果から、次の知見
を得ることができた。（ｄ）交流磁場を用いて溶融金属の表面下に電流を生起
せしめ、該電流と静磁場との相互作用で、固液界面に伝
播する振動を発生させることにより、凝固組織を微細化
することができる。

【００２６】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、（ａ）所定の強さの静磁場を印加するとともに、
（ｂ）上記静磁場方向に垂直な方向の電流成分を、固液
界面から凝固方向へ所定の距離（δ）を超える領域に発
生せしめる交流磁場を印加する、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。

【００２７】（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）前記交流磁場が、少なくとも一個の一対のコイ
ルに、周波数１０Hz以上の交流電流を通電して形成され
る交流磁場であ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。

【００２８】（４）前記所定の距離（δ）が下記式で
表され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。 δ＝４・ｖ^1/3（ｖ：凝固速度（mm/min））（５）前記所定の距離（δ）が１０ｍｍであることを
特徴とする前記（４）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。

【００２９】（６）前記静磁場が、固液界面を含めて
印加されることを特徴とする前記（１）、（２）、
（３）または（４）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。（７）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）、（３）または
（４）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。

【００３０】（８）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）、（４）または
（７）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。（９）鋳塊を鋳造する鋳塊鋳造鋳型において、鋳型の
周面に、（ａ）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、（ｂ）上記静磁場方向に垂直な方向
の電流成分を、固液界面から凝固方向へ所定の距離
（δ）を超える領域に発生せしめる交流磁場装置を設け
た、ことを特徴とする鋳塊鋳造用鋳型。

【００３１】（１０）前記交流磁場装置が、少なくと
も一個の一対のコイルからなることを特徴とする前記
（９）記載の鋳塊鋳造用鋳型。（１１）前記所定の距離（δ）が、下記式で表される
ことを特徴とする前記（９）または（１０）記載の鋳塊
鋳造鋳型。 δ＝４・ｖ^1/3（ｖ：凝固速度（mm/min））（１２）鋳片を連続的に鋳造する連続鋳造鋳型におい
て、鋳型の周面に、（ａ）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、（ｂ）上記静磁場方向に
垂直な方向の電流成分を、固液界面から凝固方向へ所定
の距離（δ）を超える領域に発生せしめる交流磁場装置
を設けた、ことを特徴とする連続鋳造鋳型。

【００３２】（１３）前記交流磁場装置が、少なくと
も一個の一対のコイルからなることを特徴とする前記
（１２）記載の鋳塊鋳造用鋳型。（１４）前記所定の距離（δ）をが、下記式δで表さ
れることを特徴とする前記（１２）または（１３）記載
の連続鋳造鋳型。 δ＝４・ｖ^1/3（ｖ：凝固速度（mm/min））

【００３３】

【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、該静磁場方向に垂直な方
向の電流成分を、固液界面から凝固方向へ所定の距離
（δ）を超える領域に発生せしめる交流磁場を印加する
ことを特徴とする。

【００３４】即ち、本発明の鋳造方法は、溶融金属に印
加した静磁場と、交流磁場の印加により、固液界面から
凝固方向へ所定の距離（δ）を超える領域にて発生する
“静磁場方向に垂直な方向の電流成分”との相互作用に
より生じる振動を、核生成の促進に利用すること、及
び、核生成を促進するため、振動を発生する領域と核生
成を行わせる領域とを分離し、核生成を促進すべき固液
界面近傍にジュール熱が発生し、この熱で、溶融金属の
過冷却状態が阻害され、核生成機能が損なわれないよう
にすることを基本思想とする。

【００３５】本発明の鋳造方法において、溶融金属中で
所要の電流成分を生起するための交流磁場は、少なくと
も一個の“一対のコイル”に、周波数１０Hz以上の交流
電流を通電して得ることができる。この“一対のコイ
ル”は、巻線が同じ方向に巻回されたもので、発生する
磁場の態様は、図５に示すとおりである。図７に、静磁
場が垂直で、４個の“一対のコイル”を用いた場合にお
ける振動の発生態様を示すが、静磁場が水平の場合で
も、静磁場方向と垂直な方向の電流成分が生じるように
“一対のコイル”の向きを選択して、所望の領域に振動
を発生せしめることができる。また、“一対のコイル”
は、振動を生起しようとする領域の大きさに応じ、適宜
の大きさのものを適宜の数、用いることができる。

【００３６】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、交流磁場を発生せしめ
る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１
０Hz以上であっても、静磁場と上記電流成分との相互作
用で生じる電磁振動は微弱なものとなり、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。

【００３７】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。好ましくは、０．３Ｔ以上、より好ましくは、１
Ｔ以上である。交流磁場を得るため、周波数１０Hz以上
の交流電流をコイルに通電する。周波数が１０Hz未満で
あると、静磁場の強さが０．１Ｔ以上であっても、核生
成を促進するのに充分な周波数の振動が得られず、期待
する凝固組織の微細化効果が得られない。それ故、交流
電流の周波数を１０Hz以上と規定する。好ましくは、１
００Hz以上、より好ましくは、５００Hz以上である。

【００３８】なお、上記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、生起した電流により発生
するジュール熱の程度を考慮して、適宜設定できるの
で、本発明の鋳造方法では規定しない。静磁場におい
て、静磁場方向に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
流磁場の印加によって溶融金属内に生起せしめる電流の
方向は、必ずしも静磁場方向に垂直である必要はない。

【００３９】要は、溶融金属内において、静磁場方向に
垂直な方向の電流成分が生起するように、交流磁場を印
加すればよい。また、本発明の鋳造方法では、振動を発
生せしめ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、交流磁場を印加して振動を励起する
領域にのみ存在すればよいが、電磁振動を、効率よく、
核生成を促進する固液界面近傍にまで伝達せしめるうえ
で、この固液界面を含む領域にも渡るように印加するの
が好ましい。

【００４０】本発明の鋳造方法においては、静磁場方向
に垂直な電流成分が、固液界面から凝固方向へ所定の距
離（δ）を超える領域に発生するように、交流磁場を印
加する。これは、電流により発生するジュール熱が、固
液界面近傍まで伝導して、核生成に必須の過冷却状態を
阻害しないようにするためである。この所定の距離
（δ）は、前記知見（ｃ）に示したように、下記式、 δ＝ａ・ｖ^1/3（ｖ：凝固速度（mm/min））で表すことができるが、本発明者は、ａ≒４であること
を実験的に確認した。

【００４１】それ故、所定の距離（δ）を超える領域
は、固液界面から、下記式で表す距離を超える領域であ
ることが好ましい。 δ＝４・ｖ^1/3（ｖ：凝固速度（mm/min））振動が発生する位置が、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。

【００４２】本発明者の実機操業による調査によれば、
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の位置での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。

【００４３】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
生起する領域と、核生成領域とを分離するが、振動を生
起する領域（交流磁場を印加する位置）は、振動が核生
成領域に伝搬し得る範囲内にあればよいから、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
交流磁場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。

【００４４】結局、本発明の鋳造方法において、振動を
発生する領域（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得るとの条件
下において、溶融金属が存在する領域内で、適宜、選択
できる。本発明の鋳造方法は、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。

【００４５】この適用の場合においても、静磁場方向に
垂直な電流成分が、固液界面から凝固方向へ所定の距離
（δ）を超える領域に発生するように、交流磁場を印加
することが好ましい。図８に、本発明の鋳造方法を連続
鋳造鋳型に適用した一態様を示す。溶鋼１８が浸漬ノズ
ル１６から連続鋳造鋳型１５内に供給され、パウダー１
７で覆われた溶鋼１８は凝固シェル１９を形成しつつ鋳
片２０となり下方に引き抜かれる。この連続鋳造の際、
鋳型のメニスカスにおいて、電磁石２１により、水平方
向の静磁場を形成し、溶鋼表面上方には、一対のコイル
を含む交流磁場装置２２を配置し、静磁場方向に垂直な
方向の電流成分を生起する交流磁場Ｂ”を形成する。

【００４６】上記電流成分と静磁場との相互作用で生じ
る振動が、凝固シェル１９と未凝固の溶鋼１８が形成す
る固液界面２３に伝搬し、固液界面２３近傍の過冷却領
域における核生成が促進される。図９に、本発明の鋳造
方法を連続鋳造鋳型に適用した他の態様を示す。連続鋳
造鋳型１５の下部に電磁石２１を上下２段に配置し水平
方向の静磁場を形成する。この上下２段の電磁石２１の
間に、対向する“一対のコイル”を適宜の数配置して、
静磁場方向に垂直な方向の電流成分を生起する交流磁場
Ｂ”を形成する。

【００４７】上記電流成分と静磁場との相互作用で生じ
る振動が、凝固シェル１９と未凝固の溶鋼１８が形成す
る固液界面２３に伝搬し、固液界面２３近傍の過冷却領
域における核生成が促進される。この場合、交流磁場
Ｂ”は凝固シェル１９を通して形成されるので、凝固界
面から所定の距離（δ）の範囲でも電流が発生する可能
性があるが、発生するジュール熱が微小であれば、固液
界面２３近傍での過冷却状態は阻害されない。以下に、
実施例を示す。

【００４８】

【実施例】（実施例）質量％で、Ｃ：０．１％、Ｍｎ：
０．５％、Ｓｉ：０．２％、Ｐ：０．０２％、Ｓ：０．
０１％、Al：０．０３％を含む高炭素鋼の溶鋼を、図８
に示す連続鋳造鋳型を用い、下記の鋳造条件で連続鋳造
し、その凝固組織を観察した。

【００４９】鋳型厚さ２２０mm×幅２２０mm 鋳造速度２ｍ／min 直流磁場メニスカス、０．３Ｔ交流磁場電流：１００Ａ、周波数：５００Hz その結果、上記鋳造条件で製造した鋳片の凝固組織は、
静磁場及び交流磁場ともに印加しない鋳片の凝固組織に
比べ、格段に微細化されていることを確認した。

【００５０】

【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
微細であれば、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るので、本発明は、金属材
料の機械的特性を著しく高めることができるものであ
る。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。

【図面の簡単な説明】

【図１】実験装置を模式的に示す図である。

【図２】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。

【図３】他の実験装置を模式的に示す図である。

【図４】電極の構造を示す図である。

【図５】一対のコイルで発生する磁場を示す図である。

【図６】溶融Gaの表面近傍の一部を拡大して、振動が発
生する態様を示す図である。

【図７】静磁場が垂直で、４個の“一対のコイル”を用
いた場合における振動の発生態様を示す図である。

【図８】本発明の連続鋳造装置の一態様を示す図であ
る。

【図９】本発明の連続鋳造装置の他の態様を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…耐熱ガラス製円筒容器２…銅製電極３…溶融Sn−10mass％Pb ４…耐熱アクリル製円筒容器５…溶融Ga ６…電極７…交流電源８…ノイズフィルター９…オシロスコープ１０…溶融Gaの表面近傍の一部１１…一対のコイル１２…２０×２０mmの絶縁体１３…リード線１４…センサー１５…連続鋳造鋳型１６…浸漬ノズル１７…パウダー１８…溶鋼１９…凝固シェル２０…鋳片２１…電磁石２２…交流磁場装置２３…固液界面Ｉ、Ｊ’…交流電流Ｂ、Ｂ₀…静磁場Ｂ’、Ｂ”…交流磁場Ｊ₀…交流磁界により生起した電流Ｆ…発生した力

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浅井滋生愛知県名古屋市緑区薬師山112 (72)発明者桑山俊介愛知県常滑市金山字会下前２−５ (72)発明者小嶋真也愛知県幡豆郡一色町大字治明字北浜105番地 (72)発明者松宮徹千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (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 MB20

Claims

【特許請求の範囲】

【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、（ａ）所定の強さの静磁場を印加するとともに、（ｂ）上記静磁場方向に垂直な方向の電流成分を、固液
界面から凝固方向へ所定の距離（δ）を超える領域に発
生せしめる交流磁場を印加する、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】前記交流磁場が、少なくとも一個の一対
のコイルに、周波数１０Hz以上の交流電流を通電して形
成した交流磁場であ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。
【請求項４】前記所定の距離（δ）が下記式で表され
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。 δ＝４・ｖ^1/3（ｖ：凝固速度（mm/min））
【請求項５】前記所定の距離（δ）が１０ｍｍである
ことを特徴とする請求項４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】前記静磁場が、固液界面を含めて印加さ
れることを特徴とする請求項１、２、３または４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、３または４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】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、４または７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９】鋳塊を鋳造する鋳塊鋳造鋳型において、
鋳型の周面に、（ａ）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、（ｂ）上記静磁場方向に垂直な方向の電流成分を、固液
界面から凝固方向へ所定の距離（δ）を超える領域に発
生せしめる交流磁場装置を設けた、ことを特徴とする鋳
塊鋳造用鋳型。
【請求項１０】前記交流磁場装置が、少なくとも一個
の一対のコイルからなることを特徴とする請求項９記載
の鋳塊鋳造用鋳型。
【請求項１１】前記所定の距離（δ）が、下記式で表
されることを特徴とする請求項９または１０記載の鋳塊
鋳造鋳型。δ＝４・ｖ^1/3（ｖ：凝固速度（mm/min））
【請求項１２】鋳片を連続的に鋳造する連続鋳造鋳型
において、鋳型の周面に、（ａ）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、（ｂ）上記静磁場方向に垂直な方向の電流成分を、固液
界面から凝固方向へ所定の距離（δ）を超える領域に発
生せしめる交流磁場装置を設けた、ことを特徴とする連
続鋳造鋳型。
【請求項１３】前記交流磁場装置が、少なくとも一個
の一対のコイルからなることを特徴とする請求項１２記
載の鋳塊鋳造用鋳型。
【請求項１４】前記所定の距離（δ）が、下記式で表
されることを特徴とする請求項１２または１３記載の連
続鋳造鋳型。 δ＝４・ｖ^1/3（ｖ：凝固速度（mm/min））