JP2009066651A

JP2009066651A - 電磁撹拌装置および導電性物質の凝固方法

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Publication number: JP2009066651A
Application number: JP2007241077A
Authority: JP
Inventors: Tomofumi Kasahara; 奉文笠原
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-18
Also published as: JP4989391B2

Abstract

【課題】結晶粒を微細化する。電磁石の設置に導電性物質の冷却手段が邪魔にならないようにする。
【解決手段】溶融状態の導電性物質２を撹拌する電磁力を発生させる電磁撹拌装置１であって、電磁力を発生させる電磁石３と、電磁石３に交流電流を供給する電源４と、電磁石３を冷却する液化ガス５と、電磁石３及び液化ガス５を収容する断熱容器６を備え、断熱容器６の導電性物質２に面した断熱壁９は反対側の断熱壁１０よりも断熱性能が低く、液化ガス５の冷熱が導電性物質２に伝わるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁撹拌装置および導電性物質の凝固方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、電磁石によって溶融状態の導電性物質を撹拌しながら凝固させる電磁撹拌装置および導電性物質の凝固方法に関し、導電性物質の冷却の改良に関するものである。

鋳造品の凝固組織の結晶粒を等軸晶にするために、冷却しながら電磁撹拌し連続鋳造を行う技術がある。例えば、特開昭５７−７５２７５号公報に開示された鋼の連続鋳造方法では、鋳型内の溶鋼に鋼線等の冷却材を添加し、溶鋼の電磁撹拌を行っている。冷却材の添加によって溶鋼の温度を下げて等軸晶の生成を促進し、鋳片の金属組織を等軸晶組織にするものである。溶鋼は常に電磁撹拌されているため、溶鋼中に添加した冷却材が溶け残ることはないとされている。

また、特開２００５−６６６６０号公報に開示された成形素材の製造方法では、図７に示すように、水冷鋳型１０１内の溶湯１０２の液相領域Ａ又は固・液共存相領域Ｂに冷却棒１０３を挿入しながら電磁撹拌を行っている。水冷鋳型１０１のウォータジャケット１０４が設けられている部分の周囲には電磁撹拌装置１０５の電磁コイル１０５ａが設けられており、この電磁コイル１０５ａによって溶湯１０２内に電磁力を発生させて電磁撹拌を行っている。冷却棒１０３には回転ユニット１０６及び加振手段１０７が設けられており、冷却棒１０３には水冷鋳型１０１内の溶湯１０２に挿入された状態で回転及び振動が付与される。冷却棒１０３と溶湯１０２との接触によって冷却棒１０３の周りに多量の微細な初晶が発生する。この初晶は電磁撹拌による溶湯１０２の流れに乗って固・液共存相領域Ｂに分散し、初晶が核となって凝固が進み、結晶粒の成長、粗大化が抑制される。

特開昭５７−７５２７５号特開２００５−６６６６０号

しかしながら、特開昭５７−７５２７５号の鋼の連続鋳造方法では鋼線等の冷却材の添加によって高温の溶鋼を冷却するため、その冷却効果は微々たるものであり、冷却速度を大きく増加させることはできない。特に、冷却材が溶融して溶鋼と同じ温度になった後は、冷却材による冷却効果は期待できない。そのため、冷却材を使用しているものの、鋳片の金属組織をあまり微細化することができない。また、冷却材の添加によって溶鋼内に異物が混入する虞がある。

特開２００５−６６６６０号の成形素材の製造方法では、水冷鋳型１０１のウォータジャケット１０４内に冷却水を循環させているため、冷却棒１０３の挿入によって溶湯１０２を更に冷却するようにしているものの、あまり冷却速度を大きくすることができない。特に、冷却によって冷却棒１０３の温度が上昇し、溶湯１０２と同じ温度になった後は冷却棒１０３による冷却効果は期待できない。そのため、鋳造品の金属組織をあまり微細化することができない。また、溶湯１０２が凝固する固・液共存相領域Ｂに電磁力を発生させて撹拌するためには、水冷鋳型１０１のウォータジャケット１０４が設けられている位置の外側に電磁コイル１０５ａを設ける必要がある。このため、水冷鋳型１０１の壁を薄くして電磁コイル１０５ａを溶湯１０２の近くに設置することができず、溶湯１０２内に発生する電磁力が弱くなる。一方、発生する電磁力を強くする為に電磁コイル１０５ａを溶湯１０２に近づけて設置しようとすると、電磁コイル１０５ａの位置にはウォータジャケット１０４（溶湯１０２の冷却手段）を設けることができなくなるので、電磁力を発生させる位置を固・液共存相領域Ｂにすることができなくなる。さらに、冷却棒１０３を溶湯１０２内に挿入するものであり、溶湯１０２内に異物が混入する虞がある。

本発明は、導電性物質の凝固体の結晶粒を微細にすることができる電磁撹拌装置および導電性物質の凝固方法を提供することを目的とする。また、本発明は、電磁石の設置に導電性物質の冷却手段が邪魔になることがない電磁撹拌装置および導電性物質の凝固方法を提供することを目的とする。さらに、導電性物質への異物の混入を防止できる電磁撹拌装置および導電性物質の凝固方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために請求項１記載の発明は、溶融状態の導電性物質を撹拌する電磁力を発生させる電磁撹拌装置において、電磁力を発生させる電磁石と、電磁石に交流電流を供給する電源と、電磁石を冷却する液化ガスと、電磁石及び液化ガスを収容する断熱容器を備え、断熱容器の導電性物質に面した断熱壁は反対側の断熱壁よりも断熱性能が低くなっており、液化ガスの冷熱が導電性物質に伝わるようになっている。

したがって、溶融状態の導電性物質は液化ガスによって冷却され、冷却部分から凝固し、凝固部分は徐々に拡大する。このとき、導電性物質の溶融部分は電磁石が発生させた電磁力によって撹拌されており、撹拌や凝固部分との接触によって結晶粒が微細化されながら凝固する。電磁力を発生させる電磁石は液化ガスによって冷却されており、電磁石として超電導コイルを使用する場合は勿論のこと、常電導コイルを使用する場合にもその電気抵抗が大きく減少する。このため、電磁石に大電流を流すことができる。電磁石とその冷媒である液化ガスを収容する断熱容器は、導電性物質に面した断熱壁の断熱性能があえて弱められており、液化ガスの冷熱を利用して溶融状態の導電性物質を冷却し凝固させる。断熱容器の導電性物質に面した断熱壁の断熱性能は、電磁石の冷却に支障をきたさない範囲で弱められている。

また、請求項２記載の電磁撹拌装置は、電磁石が超電導コイル又は常電導コイルとなっている。即ち、電磁石として超電導コイルを使用してしても良く、常電導コイルを使用しても良い。

また、請求項３記載の電磁撹拌装置は、電源が導電性物質の凝固の進行に応じて電磁石に供給する交流電流の周波数を低下させるものである。電磁石が発生させる磁場は、導電性物質の外側の凝固部分が厚くなるのに従って内部の溶融部分に届き難くなる。一方、電磁石に供給する交流電流の周波数を低くすることで、発生磁場の導電性物質への侵入距離が伸びる。したがって、導電性物質の凝固の進行に応じて電磁石に供給する交流電流の周波数を低下させることで、外側の凝固部分が厚くなっても内部の溶融部分に磁場を侵入させて電磁撹拌することができる。

また、請求項４記載の発明は、溶融状態の導電性物質を撹拌する電磁力を電磁石によって発生させながら冷却し凝固させる導電性物質の凝固方法において、電磁石を液体ガスによって冷却すると共に、電磁石と液体ガスを断熱容器に収容し、断熱容器の導電性物質に面した断熱壁の断熱性能を反対側の断熱壁の断熱性能よりも低くして液化ガスの冷熱を導電性物質に伝えながら電磁撹拌を行うものである。

また、請求項５記載の導電性物質の凝固方法は、導電性物質の凝固の進行に応じて電磁石に供給する交流電流の周波数を低下させるものである。電磁石が発生させる磁場は、導電性物質の外側の凝固部分が厚くなるのに従って内部の溶融部分に届き難くなる。一方、電磁石に供給する交流電流の周波数を低くすることで、発生磁場の導電性物質への侵入距離が伸びる。したがって、導電性物質の凝固の進行に応じて電磁石に供給する交流電流の周波数を低下させることで、外側の凝固部分が厚くなっても内部の溶融部分に磁場を侵入させて電磁撹拌を行うことができる。

請求項１記載の電磁撹拌装置、請求項４記載の導電性物質の凝固方法では、溶融状態の導電性物質を撹拌しながら凝固させることができ、しかも溶融状態の導電性物質が凝固する位置に電磁力を発生させることができるので、凝固した導電性物質の結晶粒を微細化することができる。また、溶融状態の導電性物質の冷却は極低温の液化ガスによって行われるので、冷却速度を大きくすることができて結晶粒の成長を抑制することができ、結晶粒の微細化を促進することができる。これらのため、結晶粒の微細化を確実、良好に行うことができ、鋳造欠陥、偏析及び酸化物等の含有を抑制し、高品質で健全な結晶組織をもつ導電性物質の凝固体を製造することができる。

また、液化ガスによる冷却によって電磁石の電気抵抗を無くす又は極小さくすることができるので、ジュール損失が発生せず又はその発生を抑えることができるので電磁石に大電流を流すことができ、電源設備容量を小さくすることができる。さらに、電磁石に大電流を流すことができるため、大きな電磁力を発生させることができて強力な撹拌が可能となる。また、電磁石に大電流を流すことができるため、電流の周波数を低くしても電磁力が弱まる割合が小さくなる。そのため、電磁石に供給する交流電流の周波数を低くすることができ、電磁誘導加熱による熱の発生を抑えることができ、導電性物質を効率よく冷却することができる。

また、断熱容器の導電性物質に面した断熱壁の断熱性能を弱めることで、電磁石の冷媒である液化ガスによって導電性物質を冷却するものであり、別個に導電性物質の冷却手段を設けていない場合は勿論のこと、別個に導電性物質の冷却手段を設けて併用した場合であっても、当該冷却手段が邪魔にならずに電磁石を導電性物質に近づけて設置することができる。このため、導電性物質に大きな電磁力を発生させることができ、このことからも強力な撹拌が可能とする。

また、溶融状態の導電性物質内に冷却材を添加したり、冷却棒を挿入するものではないので、導電性物質に不純物が混入することがなく、品質の良いインゴット、連続鋳造品等の凝固体を得ることができる。

さらに、電磁石を液体ガスによって冷却することができるので、熱による絶縁部材等の劣化を防止することができ、電磁石の寿命を延ばすことができる。

また、請求項２記載の電磁撹拌装置のように、電磁石として超電導コイルを使用しても良く、常電導コイルを使用しても良い。

また、請求項３記載の電磁撹拌装置、請求項５記載の導電性物質の凝固方法では、
導電性物質の凝固の進行に応じて電磁石に供給する交流電流の周波数を低下させるので、外側の凝固部分が厚くなっても内部の溶融部分に磁場を侵入させて電磁力を作用させることができる。このため、導電性物質の中心部分の結晶粒も確実に微細化することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１に、本発明の電磁撹拌装置の第１の実施形態を示す。この電磁撹拌装置１はバッチ式の導電性物質の凝固方法の実施に使用される。電磁撹拌装置１は、溶融状態の導電性物質２を撹拌する電磁力を発生させるもので、電磁力を発生させる電磁石３と、電磁石３に交流電流を供給する電源４と、電磁石３を冷却する液化ガス５と、電磁石３及び液化ガス５を収容する断熱容器６を備えている。

導電性物質２は例えば金属である。金属としては、例えば鉄、ステンレス鋼、アルミニウムおよびその合金、マグネシウムおよびその合金等が挙げられるが、これらの金属に限るものではない。また、導電性物質２は金属に限るものではなく、導電性を有するものであれば金属以外のものにも適用可能である。溶融状態の導電性物質２は例えば鋳型７内に入れられている。鋳型７は磁力線を貫通させる材料で形成されている。

電磁石３は、鋳型７内の導電性物質２を貫通する磁場を発生させるもので、例えば金属系、酸化物系、ＭｇＢ_２等の超電導線材よりなる超伝導コイルである。ただし、電磁石３は超電導コイルに限るものではなく、例えば銅線材等よりなる常電導コイル等の使用も可能である。電磁石３には電源４から交流電流が供給される。電磁石３は、その中心線を鉛直に配置して鋳型７の周囲を囲むものであっても、その中心線を鋳型７の側面に対して垂直に配置して鋳型７の側面に対向配置されるものであっても良い。電磁石３の数は一つでも複数でも良い。

液化ガス５は電磁石３を冷却する冷媒である。本実施形態では、電磁石３として超電導コイルを使用しているため、その超電導性を維持できる温度まで電磁石３を冷却できる液化ガス５、例えば液体ヘリウム、液体水素等を使用している。ただし、超電導性を維持できる温度まで電磁石３を冷却できるものであれば、液体ヘリウムや液体水素に限るものではない。また、超電導状態で電磁石３を使用しない場合には、その使用に応じた温度に冷却できる種類の液化ガス５を選択すれば良い。さらに、電磁石３として常電導コイルを使用する場合には冷却によって電気抵抗を減少させることができれば十分であるので、その使用に応じた温度に冷却できる種類の液化ガス５を選択すれば良い。

液化ガス５は、図示しない供給源から冷媒槽８に供給され、冷媒槽８内の電磁石３を冷却した後、図示しない回収手段によって回収される。また、電磁石３の冷却によって気化したガスも図示しない回収手段によって回収される。

断熱容器６は例えばクライオスタットである。断熱容器６は鋳型７の周囲を囲むように設けられており、その内周面６ａは鋳型７に接している。ただし、必ずしも断熱容器６の内周面６ａを鋳型７に接触させておく必要はなく、電磁石３が発生させた磁場が導電性物質２に届き且つ液化ガス５によって鋳型７を冷却することができれば、断熱容器６を鋳型７から離して設けて良い。断熱容器６内には電磁石３を内蔵すると共に液化ガス５を貯留する冷媒槽８が設けられている。冷媒槽８は鋳型７の周囲を環状に囲んでいる。

断熱容器６は外部に対してクライオスタットとして必要な断熱性能を有している。断熱容器６の導電性物質２に面した断熱壁９、即ち内周面６ａを有する断熱壁９は反対側の断熱壁１０よりも断熱性能が低くなっており、液化ガス５の冷熱が導電性物質２に伝わる。即ち、液化ガス５によって鋳型７内の導電性物質２が冷却される。本実施形態では、冷媒槽８を上下内外から囲む断熱壁９〜１２の内部は真空領域となっている。そして、導電性物質２に面した断熱壁９は冷媒槽８の内側の断熱壁（以下、内側の断熱壁９という）であり、反対側の断熱壁１０は冷媒槽８の外側の断熱壁（以下、外側の断熱壁１０という）であり、内側の断熱壁９の厚さを外側の断熱壁１０の厚さよりも薄くすると共に、内側の断熱壁９内に設ける輻射シールド１３の枚数を外側の断熱壁１０内に設ける輻射シールド１３の枚数よりも少なくすることで、内側の断熱壁９の断熱性能を外側の断熱壁１０の断熱性能よりも低くして液化ガス５の冷熱が導電性物質２に伝わるようにしている。ただし、内側の断熱壁９の断熱性能を外側の断熱壁１０の断熱性能よりも低くする構成としては上述の構成に限るものではなく、その他の構成によって内側の断熱壁９の断熱性能を外側の断熱壁１０の断熱性能よりも低くしても良い。なお、外側の断熱壁１０、上下の断熱壁１１，１２はクライオスタットとして必要な断熱性能を有している。また、内側の断熱壁９の断熱性能の低下は電磁石３の冷却に支障をきたさない範囲にとどめられている。

次に、電磁撹拌装置１の作動について説明する。電磁撹拌装置１を使用しての導電性物質２の凝固は、本発明の導電性物質の凝固方法、即ち、溶融状態の導電性物質２を撹拌する電磁力を電磁石３によって発生させながら冷却し凝固させる導電性物質の凝固方法であって、電磁石３を液体ガス５によって冷却すると共に、電磁石３と液体ガス５を
断熱容器６に収容し、断熱容器６の導電性物質２に面した断熱壁９の断熱性能を反対側の断熱壁１０の断熱性能よりも低くして液化ガス５の冷熱を導電性物質２に伝えながら電磁撹拌を行うものでもある。

鋳型７内に溶融状態の導電性物質２が入れられた後、電源４から電磁石３に交流電流を供給すると、鋳型７及び導電性物質２を貫く変動磁場が形成され、導電性物質２を撹拌する電磁力が発生する。この電磁力によって導電性物質２が撹拌される。

ここで、電磁撹拌の印加電磁力Ｆと、電磁石３への通電電流Ｉ、通電周波数ｆとの関係は数式１となる。つまり、電磁石３によって発生する電磁力Ｆは通電電流Ｉの二乗に比例し、通電周波数ｆに比例する。

＜数１＞
Ｆ∝Ｉ^２ｆ

一方、断熱容器６の冷媒槽８内の液化ガス５の冷熱は断熱性能が弱められた内側の断熱壁９から鋳型７内の導電性物質２へと伝わり、導電性物質２を凝固させる。導電性物質２の凝固は鋳型７の側壁に接する部分から始まる。そして、内側に向けて凝固が進み、最後に中心部分が凝固する。また、液化ガス５の冷熱は鋳型７の側壁から底壁にも伝わるので、導電性物質２の上側の部分よりも下側の部分の方が早めに凝固する。このとき、導電性物質２の溶融部分２ａは電磁力によって撹拌されているので、溶融部分２ａと凝固部分２ｂとの境界部分では、溶融部分２ａの流れが凝固部分２ｂに接触して結晶粒が微細化されながら凝固が進行する。このように凝固する位置に電磁力を発生させて撹拌することができ、結晶粒が微細な凝固体を製造することができる。凝固後、凝固体は鋳型７から取り出される。

液化ガス５は非常に低温であり、例えば水等によって導電性物質２を冷却したり、鋼線等の冷却材の添加や冷却棒の挿入によって導電性物質２を冷却する場合に比べて、導電性物質２の冷却速度を速めることができる。このため、凝固時の結晶粒の成長を抑制することができ、この点からも結晶粒が微細な導電性物質２の凝固体を製造することができる。

また、電磁石３として超電導コイルを使用していることから電気抵抗を無くすことができ、電源４の設備容量を小さくすることができる。さらに、電磁石３に大電流を流すことができるため、大きな電磁力を発生させることができ、水冷又は油冷の常電導コイルを使用する場合に比べて強力な撹拌が可能となる。また、電磁石３に大電流を流すことができるため、水冷又は油冷の常電導コイルを使用する場合に比べて、電磁石３に供給する交流電流の周波数を低くしても導電性物質２の撹拌に必要な大きさの電磁力を発生させることができる。このため、導電性物質２が電磁誘導加熱されることを抑制し、効率良く導電性物質２を冷却することができると共に、凝固速度が遅くなることを防止して結晶粒の成長を抑えることができ、この点からも結晶粒が微細な導電性物質２の塊を製造することができる。

また、電磁石３の冷媒である液化ガス５によって導電性物質２を冷却することができるので、電磁撹拌装置１とは別に導電性物質２の冷却手段を設ける必要がなく、凝固させるための設備が簡単なものとなる。ただし、電磁撹拌装置１とは別に導電性物質２の冷却手段を設け、液化ガス５による冷却と併用しても良い。

また、断熱容器６の導電性物質２に面した断熱壁９の断熱性能を弱めることで、電磁石３の冷媒である液化ガス５によって導電性物質２を冷却するものであり、電磁撹拌装置１とは別に導電性物質２の冷却手段を設けない場合は勿論のこと、電磁撹拌装置１とは別に導電性物質２の冷却手段を設ける場合であっても、当該冷却手段が邪魔にならずに電磁石３を設置できる。このため、電磁石３を導電性物質２に近づけて配置することができ、導電性物質２内に大きな電磁力を発生させるのが容易になり、この点からも電磁石３に供給する交流電流の周波数を低くしても導電性物質２の撹拌に必要な大きさの電磁力を発生させることができ、導電性物質２の電磁誘導加熱を抑制することができる。

また、溶融状態の導電性物質２を凝固させる際、導電性物質２内に冷却材を添加することがなく、冷却棒を挿入することもないので、導電性物質２に不純物が混入することはない。

さらに、電磁石３を鋳型７の周囲に配置することで、液化ガス５を貯留する冷媒槽８を鋳型７の周囲に配置し、側面から鋳型７を冷却するようにしているので、底面から鋳型７を冷却する場合に比べて導電性物質２全体を冷却することが容易であり、導電性物質２全体をより容易に凝固させることができる。

ここで、導電性物質２の凝固部分２ｂは通過する磁場を減少させる作用があり、凝固の進行に伴って磁場が溶融部分２ａに届き難くなる。一方、電磁石３に供給する交流電流の周波数を低くすると、発生する磁場は凝固部分２ｂを通過し易くなる。このため、導電性物質２の凝固の進行に伴って電磁石３に供給する交流電流の周波数を低くすることが好ましい。即ち、本実施形態では、電源４は導電性物質２の凝固の進行に伴い電磁石３に供給する交流電流の周波数を低下させている。これにより、導電性物質２の中心部分が凝固するまで溶融部分２ａを確実に撹拌することができ、最後に凝固する中心部分まで結晶粒を微粒化することができる。

次に、本発明の電磁撹拌装置１の第２の実施形態を説明する。この電磁撹拌装置１もバッチ式の導電性物質の凝固方法の実施に使用される。なお、第１の実施形態と同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する（以下の実施形態でも同様）。

図２の電磁撹拌装置１は、冷媒槽８の外側にさらに冷媒槽１４を設けている。本実施形態では、冷媒槽８と冷媒槽１４との間の断熱壁の内部を真空領域としている。また、内側と外側と下側の断熱壁内には、輻射シールド１３が設けられている。各断熱壁内に設ける輻射シールド１３の数は、１枚でも良く、複数枚でも良い。また、輻射シールド１３を設けなくても良い。さらに、各断熱壁に同数の輻射シールド１３を設けても良く、異なる数の輻射シールド１３を設けても良い。

外側の冷媒槽１４には液化ガス１５が溜められている。この液化ガス１５は、内側の冷媒槽８の液化ガス５と同様に、例えば液体ヘリウム、液体水素、液体窒素等の使用が可能である。本実施形態では、液化ガス１５として、例えば液体窒素を使用している。液化ガス１５は、図示しない供給源から冷媒槽１４に供給され、冷媒槽８を冷却することで電磁石３を間接的に冷却した後、図示しない回収手段によって回収される。また、気化したガスも図示しない回収手段によって回収される。このように冷媒槽を二重構造にすることで、冷却コストを下げることができる。本実施形態では、内側の冷媒槽８内の液化ガス５として液体ヘリウムを使用し、外側の冷媒槽１４内の液化ガス１５として液体窒素を使用しているので、これらを例に説明すると、液体ヘリウムは液体窒素に比べて高価である。そこで、外側の冷媒槽１４に安価な液体窒素を使用して室温から液体窒素温度（−２００℃）まで冷却し、内側の冷媒槽８に高価な液体ヘリウムを使用して液体窒素温度から液体ヘリウムの温度まで冷却することで、例えば室温から液体ヘリウム温度まで液体ヘリウムを使用して一気に冷却する場合に比べて液体ヘリウムの使用量を減らすことができ、低コストの冷却が可能になる。即ち、冷媒槽を二重にして外側の冷媒槽１４の液化ガス１５として内側の冷媒槽８の液化ガス５よりも安価なものを使用することで、電磁石３の冷却性能を維持しながら、より高価な液化ガス５の使用量を減らして冷却コストを低減することができる。なお、液化ガス５と液化ガス１５の組み合わせは上述のものに限るものではない。

そして、外側の冷媒槽１４内の液化ガス１５によって導電性物質２を冷却し凝固させる。このとき、壁内の真空領域は外側の断熱壁１０、上下の断熱壁１１，１２には設けられているが、内側の断熱壁９には設けておらず、かかる構成によって断熱容器６の導電性物質２に面した断熱壁９を反対側の断熱壁１０よりも断熱性能を低くし、液化ガス１５の冷熱が導電性物質２に伝わるようにしている。

この電磁撹拌装置１でも、図１の電磁撹拌装置１と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の電磁撹拌装置１の第３の実施形態を説明する。この電磁撹拌装置１もバッチ式の導電性物質の凝固方法の実施に使用される。

図３の電磁撹拌装置１は、電磁石３として例えば銅製コイル等の常電導コイルを使用している。また、冷媒槽８内の液化ガス５として、例えば液体窒素を使用している。ただし、液化ガス５として液体ヘリウムや液体水素等を使用しても良く、その他の液化ガス５を使用しても良い。銅製コイルであれば、液体窒素によって冷却することで、電気抵抗を約１／１０に低減することができ、大電流を流すことが可能になるので、供給する交流電流の周波数が低くても溶融状態の導電性物質２内に、必要な大きさの磁場を発生させることができる。したがって、電磁誘導加熱による発熱を抑えることができる。

この電磁撹拌装置１でも、壁内の真空領域は内側の断熱壁９には設けておらず、かかる構成によって断熱容器６の導電性物質２に面した断熱壁９を反対側の断熱壁１０よりも断熱性能を低くし、液化ガス５の冷熱が導電性物質２に伝わるようにしている。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の説明では電磁撹拌装置１をバッチ式の導電性物質の凝固に適用していたが、連続式の導電性物質の凝固に適用しても良い。連続式の導電性物質の凝固に適用する電磁撹拌装置１、連続式の導電性物質の凝固方法の実施形態の一例を図４及び図５に示す。本実施形態では、図１の電磁撹拌装置１を連続式に適用しているが、図２の電磁撹拌装置１や図３の電磁撹拌装置１を連続式に適用しても良い。

電磁撹拌装置１は、例えば連続鋳造装置１７の鋳型７および二次冷却帯１６の周囲に設置されている。本実施形態では、間隔をおいた３箇所に電磁撹拌装置１をそれぞれ設置している。ただし、電磁撹拌装置１の設置は鋳型７および二次冷却帯１６の周囲に限るものではなく、これら以外の場所に設置しても良い。また、電磁撹拌装置１の設置は３箇所に限るものではなく、１箇所、２箇所又は４箇所以上でも良い。

本実施形態の連続鋳造装置１７は鋳型７から引き出した導電性物質２を曲げるタイプのものである。ただし、鋳型７から導電性物質２を真っ直ぐ引き出すタイプの連続鋳造装置１７に適用しても良い。

本実施形態では、鋳型７の周囲の電磁撹拌装置１は鋳型７に接して設置され、二次冷却帯１６の周囲の電磁撹拌装置１は導電性物質２を案内する耐火煉瓦１８（図５では省略）から離して設置されている。ただし、鋳型７の周囲の電磁撹拌装置１を鋳型７から離して設置しても良く、二次冷却帯１６の周囲の電磁撹拌装置１を耐火煉瓦１８に接して設置しても良い。

導電性物質２がアルミニウムである場合、表皮効果によりアルミニウムに侵入する磁場の距離δを計算した。侵入距離δは数式２によって求められる。

ここで、ｆを通電周波数とすると、ω＝２πｆである。また、μは真空の透磁率、σは導電性物質２の導電率である。

アルミニウムの導電率σは４０×１０^６［Ｓ／ｍ］であるので、アルミニウムの表皮１ｃｍまで磁場を到達させるには、６３Ｈｚの周波数の交流電流を電磁石３に印加する。アルミニウムの表面の凝固が進み５ｃｍまで磁場を到達させるには、電磁石３に周波数２．５Ｈｚの交流電流を印加すればよい。同様に１０ｃｍでは周波数０．６Ｈｚ、１５ｃｍでは周波数０．３Ｈｚとなる。このような低周波の交流磁界印加は、通常の水冷又は油冷の銅コイルによる電磁攪拌ではその電気抵抗から発生する損失が大きなものとなり、実用規模の磁界印加をすることは難しい。本発明では、電磁石３の冷媒に液化ガス５を使用しており、電気抵抗を低く抑えることができるので、上述のような低周波の交流電流を電磁石３に印加することができる。

電磁石３の冷媒として、冷却水を用いた場合と、液化ガス５を用いた場合とで導電性物質２を冷却凝固させるための熱流量がどれほど違うのかを検証するために、導電性物質２と耐火煉瓦１８の設置点での熱流速Ｑを計算した。計算の簡単化のために熱伝導による冷却として平行平面壁として検討した。液化ガス５として液体窒素の使用を想定した。また、導電性物質２として、鉄とアルミニウムについて計算した。図６（ａ）は冷却水を用いた場合、（ｂ）は液体窒素を用いた場合である。

平行平面壁での熱流速は数式３で求められる。

ここで、λは耐火煉瓦１８の熱伝導率、δは耐火煉瓦１８の厚さ、θ_１は導電性物質２の融点、θ_２は冷媒の温度である。

耐火煉瓦１８の熱伝導率λ：０．５Ｗ／ｍ・Ｋ、耐火煉瓦１８の厚さδ：０．０１ｍとした。また、導電性物質２の融点θ_１は、鉄：１５３６℃（１８０９Ｋ），アルミニウム：６６０℃（９３３Ｋ）である。図６（ａ）の冷却水の場合、冷却水の温度θ_２を１０℃（２８３Ｋ）とすると、熱流速Ｑは鉄の場合：７６．３ｋＷ、アルミニウムの場合：３２．５ｋＷとなった。

一方、図６（ｂ）の液体窒素の場合、液体窒素の温度θ_２を７７Ｋとすると、熱流速Ｑは鉄の場合：８６．６ｋＷ、アルミニウムの場合：４２．８５ｋＷとなり、それぞれ１３％、３１．８％冷却能力が向上することがわかった。

本発明の電磁撹拌装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。本発明の電磁撹拌装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。本発明の電磁撹拌装置の第３の実施形態を示す概略構成図である。本発明の電磁撹拌装置の第４の実施形態を示す概略構成図である。図４の電磁撹拌装置を使用して連続鋳造を行う様子を示す概略構成図である。導電性物質の凝固の際の熱流速を求めるモデルを示し、（ａ）は電磁石の冷媒として冷却水を用いた場合の図、（ｂ）は電磁石の冷媒として液体窒素を用いた場合の図である。従来の電磁撹拌装置を示す断面図である。

符号の説明

１電磁撹拌装置
２溶融状態の導電性物質
３電磁石
４電源
５液化ガス
６断熱容器
９導電性物質２に面した断熱壁
１０反対側の断熱壁

Claims

溶融状態の導電性物質を撹拌する電磁力を発生させる電磁撹拌装置において、前記電磁力を発生させる電磁石と、前記電磁石に交流電流を供給する電源と、前記電磁石を冷却する液化ガスと、前記電磁石及び前記液化ガスを収容する断熱容器を備え、前記断熱容器の前記導電性物質に面した断熱壁は反対側の断熱壁よりも断熱性能が低く、前記液化ガスの冷熱が前記導電性物質に伝わることを特徴とする電磁撹拌装置。
前記電磁石は超電導コイル又は常電導コイルであることを特徴とする請求項１記載の電磁撹拌装置。
前記電源は、前記導電性物質の凝固の進行に応じて前記電磁石に供給する交流電流の周波数を低下させることを特徴とする請求項１記載の電磁撹拌装置。
溶融状態の導電性物質を撹拌する電磁力を電磁石によって発生させながら冷却し凝固させる導電性物質の凝固方法において、前記電磁石を液体ガスによって冷却すると共に、前記電磁石と前記液体ガスを断熱容器に収容し、前記断熱容器の前記導電性物質に面した断熱壁の断熱性能を反対側の断熱壁の断熱性能よりも低くして前記液化ガスの冷熱を前記導電性物質に伝えながら電磁撹拌を行うことを特徴とする導電性物質の凝固方法。
前記導電性物質の凝固の進行に応じて前記電磁石に供給する交流電流の周波数を低下させることを特徴とする請求項４記載の導電性物質の凝固方法。