JP2018176279A - 溶湯攪拌装置及びそれを備えた連続鋳造装置システム - Google Patents

Abstract

【課題】連続鋳造において、品質の優れた製品を生産性よく提供する。【解決手段】溶解炉からの溶湯を、磁石からの磁力線と直流電流との交叉によるローレンツ力により攪拌駆動して、溶湯の品質を改善しながらモールドに送り、あるいは前記ローレンツ力によりモールド中の固化直前の溶湯を攪拌駆動してモールド中での固化直前の溶湯の温度の均一化を図り、これにより最終的に高品質の製品を得ると共に、前記磁石を冷却して前記磁石の性能の維持を図る手段をも備える。【選択図】図２

Description

本発明は溶湯攪拌装置及びそれを備えた連続鋳造装置システムに関する。

従来、導電性（伝導性）を有する金属の溶湯、即ち、非鉄金属（例えば、Ａｌ，Ｃｕ，Ｚｎ又はＳｉ、あるいはこれらのうちの少なくとも２つの合金、あるいはＭｇ合金等）の溶湯又は非鉄金属以外の金属の溶湯を連続鋳造して製品（丸棒状のインゴット等）を得ることが行われている。

この連続鋳造においては、例えば、溶湯を溶解炉から樋により導き、モールド（鋳型）に流し込むことが一般的に採用されていた。

しかしながら、本発明者だけは、従来の製造方法に対し、独自に、以下のような見解を持っている。

即ち、まず、溶湯がモールドに入る際に、溶湯が空気中を落下しながら空気を巻き込んでしまう。このため、製品の品質が低下するのが避けられない。

さらに、モールドから得られる製品が大型の場合（特に横断面積が大きい場合）は、製品の周辺部分と中央部分とで、溶湯の冷却速度が大きく異なる。つまり、製品の周辺部分では溶湯が急速に冷却されるのに対し、中央部分では溶湯はそれよりもゆっくりと冷却される。これにより、製品の周辺部分と中央部分における金属の結晶組織が大きく異なるものとなる。これにより、製品の機械的な特性が大幅に損なわれるのが避けられない。

従来、本発明者以外の当業者は特には製品の品質や生産効率について大きな不満や問題点は持っていなかった。そのため本発明者以外の当業者は、製品の品質や生産効率の点から製造装置や製造方法について工夫改良を行わねばならないという問題意識を持ち合わせていなかった。しかしながら、上述のように、当業者のうちでも本発明者だけは、前記のような本発明者に独自の問題意識（課題）を持っていた。つまり、本発明者は、技術者として、今よりも、より優れた製品をより高い効率のもとに提供しなければならないという課題を持っていた。

本発明の実施形態の溶湯攪拌装置は、
導電性金属の溶湯をモールドに流入させて製品を連続的に成形する連続鋳造装置における前記モールドに流入させる溶湯又は前記モールド中の溶湯を攪拌するための溶湯攪拌装置であって、
溶湯中に浸漬させる上方が開放した筒状のケースと、前記ケースに収納されるパイプと、を備え、
前記ケースは外筒と前記外筒に収納される内筒とを有し、前記外筒と前記内筒との間には冷却用の空気を流通させる隙間が形成されており、前記内筒には前記内筒の内部と前記隙間とを連通する通気孔が穿けられて、前記内筒から前記通気孔を介して前記隙間にいたる冷却空気路が構成されており、
前記内筒の内部には、前記パイプが被挿された状態の磁場装置が収納され、前記磁場装置は、前記磁場装置からの磁力線が前記内筒及び前記外筒を貫通して溶湯に至り、又は、溶湯中を走る磁力線が前記内筒及び前記外筒を貫通して前記磁場装置に至る、強度に磁化されており、
さらに、前記内筒及び前記外筒を貫通し、一端が前記内筒内に露呈し、他端が前記外筒外に露呈して溶湯と接することが可能な、第１の電極を有し、前記第１の電極の前記一端は前記パイプ内を走る引出線体に電気的に導通状態に接続され、
さらに、前記外筒に取り付けられた第２の電極を備え、前記第２の電極の前記外筒への取り付け位置は、前記第２の電極と前記第１の電極との間に溶湯を介して流れる電流が前記磁力線と交叉して溶湯を縦軸の回りに回転駆動するローレンツ力を発生させる位置に設定してある、
ものとして構成される。

本発明の実施形態の溶湯攪拌装置は、
導電性金属の溶湯をモールドに流入させて製品を連続的に成形する連続鋳造装置における前記モールドに流入させる溶湯又は前記モールド中の溶湯を攪拌するための溶湯攪拌装置であって、
溶湯中に浸漬させる上方が開放した筒状のケースと、前記ケースに収納されるパイプと、を備え、前記パイプの下端と前記ケースの底面の内側との間に連通用の連通隙間を形成し、この連通隙間を介して前記パイプの内部と前記ケースの内部とが連通して冷却空気路が形成されており、
前記内筒の内部には、前記パイプが被挿された状態の磁場装置が収納され、前記磁場装置は、前記磁場装置からの磁力線が前記ケースを貫通して溶湯に至り、又は、溶湯中を走る磁力線が前記ケースを貫通して前記磁場装置に至る、強度に磁化されており、
さらに、前記ケースを貫通し、一端が前記ケースに露呈し、他端が前記ケース外に露呈して溶湯と接することが可能な、第１の電極を有し、前記第１の電極の前記一端は前記パイプ内を走る引出線体に電気的に導通状態に接続され、
さらに、前記ケースに取り付けられた第２の電極を備え、前記第２の電極の前記ケースへの取り付け位置は、前記第２の電極と前記第１の電極との間に溶湯を介して流れる電流が前記磁力線と交叉して溶湯を縦軸の回りに回転駆動するローレンツ力を発生させる位置に設定してある、
ものとして構成される。

本発明の実施形態の連続鋳造装置システムは、
上記のいずれかの溶湯攪拌装置と、溶解炉から溶湯を導く樋と、前記樋の底面に溶湯流入口が連通した状態に取り付けられたモールドと、を備え、前記溶湯攪拌装置はその下端側が前記樋における溶湯導出路内に挿入された状態に組み込まれている
ものとして構成される。

本発明の第１の実施形態としての連続鋳造装置の全体構成を示す一部縦断面説明図。 図１の装置における溶湯攪拌装置を縦断した縦断説明図。 図２の実施形態に対応する第７の実施形態の連続鋳造装置の全体構成を示す一部縦断面説明図。 図２Ａの実施形態における電流の流路を示す説明図。 図１の装置における溶湯攪拌装置の動作を説明する動作説明図。 本発明の第２の実施形態としての連続鋳造装置の全体構成を示す一部縦断面説明図。 図４の装置における溶湯攪拌装置の動作を説明する動作説明図。 本発明の第３の実施形態としての連続鋳造装置の全体構成を示す一部縦断面説明図。 図６の装置における溶湯攪拌装置の動作を説明する動作説明図。 図１、図２の装置における溶湯攪拌装置の磁場装置の縦断説明図。 図１、図２の装置における溶湯攪拌装置の磁場装置の平面説明図。 図１、図２の装置における溶湯攪拌装置の磁場装置の変形例の縦断説明図。 図１、図２の装置における溶湯攪拌装置の磁場装置の変形例の平面説明図。 図４、図５の装置における溶湯攪拌装置の磁場装置の縦断説明図。 図４、図５の装置における溶湯攪拌装置の磁場装置の平面説明図。 図６、図７の装置における溶湯攪拌装置の磁場装置の縦断説明図。 図６、図７の装置における溶湯攪拌装置の磁場装置の平面説明図。 図６、図７の装置における溶湯攪拌装置の磁場装置の底面説明図。 本発明の第４の実施形態としての連続鋳造装置の全体構成を示す一部縦断面説明図。 図１２の装置における溶湯攪拌装置を縦断した縦断説明図。 図１２の実施形態に対応する第８の実施形態における連続鋳造装置の全体構成を示す一部縦断面説明図。 図１２、図１３の装置における溶湯攪拌装置の動作を説明する動作説明図。 本発明の第５の実施形態としての連続鋳造装置に使用する溶湯攪拌装置の構成及び動作を説明する構造動作説明図。 本発明の第６の実施形態としての連続鋳造装置に使用する溶湯攪拌装置の構成及び動作を説明する構造動作説明図。 図１の溶湯攪拌装置を取り外した状態と、溶湯攪拌装置をそのまま用いる状態と、を切り替えて得た連続する１本の試作品の部分縦断説明図。 図１７の試作品の一部を示す縦断説明図。 図１７の試作品の異なる一部を示す縦断説明図。 図１７の試作品のさらに異なる一部を示す縦断説明図。 図１８の試作品の一部の製造過程を示す縦断説明図。 図１９の試作品の一部の製造過程を示す縦断説明図。 図２０の試作品の一部の製造過程を示す縦断説明図。 さらに異なる実験を説明図するための試作品の製造過程を示す縦断説明図。 図２４の製造過程における溶湯（液体）、半凝固層部分、試作品（固体）の温度分布を示す温度分布説明図。 図２４に対応する試作品から取り出す試料（第１試験片）の位置関係を示す縦断説明図。 取り出した各試料（第１試験片）からさらに取り出した試料（第２試験片）の各試料（第１試験片）における位置関係を示す縦断説明図。 取り出した試料（第２試験片）の亜鉛濃度を示すグラフ。

図１は本発明の第１の実施形態としての連続鋳造装置の全体構成を示し、丸棒状のインゴットを製品Ｐとして得る場合を示している。この図１から分かるように、この装置は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｚｎ又はこれらのうちの少なくとも２つの合金、あるいはＭｇ合金等の伝導体（導電体）の非鉄金属あるいはその他の金属の溶解炉（図示せず）からの溶湯Ｍを、樋２を介してモールド１に流入させて、最終的に製品Ｐを得るように構成したものである。本発明の第１の実施形態においては、最終的に得られる製品Ｐの品質を向上すべく、溶湯攪拌装置３を備える。つまり、樋２の終端部分における溶湯Ｍ中に溶湯攪拌装置３を所定の手段で浸漬した状態に保持している。この溶湯攪拌装置３により、追って詳しく説明するように、ローレンツ力により、図１（第１の実施形態）から分かるように、溶湯Ｍを溶湯攪拌装置３の回りに回転駆動させながら、モールド１中に送り込むようにしている。これとの関連発明で他の実施形態について簡単に説明すれば、溶湯攪拌装置により、図４（第２の実施形態）ではモールド１中の溶湯Ｍを、図６（第３実施形態）では樋２中とモールド１中の両方の溶湯Ｍを、ローレンツ力により、回転駆動させながらモールド１に送り込み、品質の改善された製品Ｐを得るように構成している。

以下に本発明の第１の実施形態についてより詳しく説明する。

図１において、溶解炉（図示せず）からの溶湯Ｍを樋２によりモールド１に導いている。つまり、樋２の先端（終端）にモールド１が連通状態に取り付けられている。より詳しくは、樋２の底面にモールド１の溶湯流入口が連通した状態に取り付けられており、溶湯攪拌装置１はその下端側が樋２における溶湯導出路内に挿入された状態に組み込まれている。

溶湯Ｍは樋２からモールド１に至り、そこで冷却されていわゆる固相状態の製品Ｐが品質が改善されたものとして得られる。この製品Ｐの上方にはまだ冷え切っていないいわゆる液相状態の溶湯Ｍが存在している。つまり、図１から分かるように、モールド１中においては、上部が液相状態の溶湯Ｍ、下部が固相状態の製品Ｐとなっており、これらは下に凸の放物面状の界面Ｉを作って互いに接している。

前記樋２中に、溶湯攪拌装置３が、所望の手段により浮かした状態に、保持されている。溶湯攪拌装置１は樋２及びモールド１に対して図１中上下に位置調節可能にされている。よって、図１では溶湯攪拌装置３の下端が少しモールド１中に入り込んだ状態となっているが溶湯攪拌装置３をその全てが樋２中だけに存するように保持すること等もできる。この溶湯攪拌装置３の縦断説明図が図２に示され、その拡大図が動作説明図として図３に示される。

特に図３から分かるように、溶湯攪拌装置３は、二重構造で上方が開放したほぼ筒状のケース６と、このケース６に収納される永久磁石１８を有する磁場装置７と、ケース６に付設される一対の電極（第１の電極２４、第２の電極２５）を有する電極部８とを有する。前記溶湯攪拌装置３は、溶湯Ｍの高温性に着目し圧縮空気により空冷可能な空冷構造を有するものとして構成されている。この空冷により、例えば、磁場装置７の永久磁石１８はその能力を維持発揮可能とされている。

より詳しくは、特に図３において、前記ケース６は、共に耐火材で、上方が開放した筒状のものとして作られた外筒１１と内筒１２を有する。外筒１１と内筒１２の間には、冷却用の圧縮空気を流すための隙間１４を形成している。さらに、この冷却用の空気を通すため、内筒１２の底部には同心円上に複数の通気孔１２ａを穿設して、内筒１２の内部と前記隙間１４とを連通させている。これにより、内筒１２Ｃから前記通気孔１２ａを介して前記隙間１４、さらには大気にいたる冷却空気路が構成されることになる。つまり、図３から分かるように、冷却用の圧縮空気は、矢印ＡＲ１に示すように、内筒１２の内部に上方から流入し、底部に達し、前記通気孔１２ａから前記隙間１４の底部に至り、その隙間１４を上昇し、やがて大気中に放出される。この間に圧縮空気は、流路内で熱交換を行い、磁場装置７等を冷却する。前記外筒１１におけるフランジ部分により、溶湯攪拌装置３は所望の外部の固定装置に固定可能とされている。また、この溶湯攪拌装置３は、樋２及びモールド１中への浸漬の深さを適宜調節可能とされている。これにより、現場において、用いる溶湯Ｍの物性等に応じて前記浸漬深さを調節して、より適切に溶湯Ｍを攪拌可能とすることができる。

この磁場装置７は、図３から分かるように、ステンレス製のパイプ１６が被挿された状態で、内筒１２内に収納されている。磁場装置７の詳細は図８ａ、図８ｂに示される。つまり、磁場装置７は一体構成の筒状の永久磁石１８として構成され、中心軸部分に前記パイプ１６を貫通させるための貫通孔１８ａを有する。永久磁石１８は、中心側がＳ極に、外周側がＮ極に磁化されている。（磁化の方向は前記とは逆であってもよいのは当然である。この場合には必要に応じて後述する外部電源盤２７により電流を流す方向を変えることもできる。）これにより、図３からわかるように、この磁場装置７からは磁力線ＭＬが放射状に出て、樋２中の溶湯Ｍ中を走ることとなる。なお、磁場装置７の構成は図８ａ、図８ｂのものに限るものではなく、図３に示すように磁力線ＭＬが出るものであれば良い。例えば、図９ａ、図９ｂにその一例が示される。これらの図における永久磁石１８は上下に長い棒状の複数の永久磁石片１９を有する。各永久磁石片１９の磁化の態様は図９ａ、図９ｂに示される。それらの各永久磁石片１９を平面的に見て同心円状に並べたものとして磁場装置７が構成される。前述のように、前記磁場装置７は、図３からわかるように、前記パイプ１６が被挿された状体で前記内筒１２内に収納される。これにより、前記磁場装置７は、放射状に磁力線ＭＬを出し、この磁力線ＭＬは樋２内の溶湯Ｍに至りその中を走る。前記圧縮空気は前記内筒１２内を流れるときに、磁場装置７等を冷却しながら前記通気孔１２ａに至る。

図３から分かるように、前記ステンレス製の前記パイプ１６の内部には、引き出し線体として機能する、銅等の導電性材製の案内杆２２が収納されている。この案内杆２２の下端にはタングステン又はグラファイト等で構成された第１の電極２４が電気的に導通した状態に取り付けられている。この第１の電極２４は、前記内筒１２及び前記外筒１１を液密状態（少なくとも溶湯密状態）に貫通し、その先端（下端）を外部に露呈し、樋２中の溶湯Ｍに接触可能とされている。

前記第１の電極２４と対をなす、グラファイト等により例えばリング状に構成された第２の電極２５が前記外筒１１の外周面に着脱可能挿入された状態に取り付けられている。これにより、溶湯攪拌装置３を前記樋２の溶湯Ｍ中に浸漬した状態にあっては、図３に示すように、第２の電極２５から第１の電極２４へ溶湯Ｍを介して電流ｉが流れる。これにより、前記磁場装置７からの磁力線ＭＬと、第１の電極２４と第２の電極２５との間を流れる電流ｉと、が交叉してローレンツ力を発生させる。これにより、図１に示すように、樋２中の溶湯Ｍが回転駆動される。なお、前記第２の電極２５は必要に応じて、例えば損耗時等には、別のものと交換可能である。

樋２中の溶湯Ｍは回転駆動つまり攪拌されることにより以下のような利点が得られる。

先ず、内部に存在する不純物が溶湯Ｍ中を上昇して表面部分に集まり、表面部分以外の溶湯Ｍつまりモールド１中に流れ込む溶湯Ｍの品質向上が行われる。これにより、モールド１で得られる製品Ｐの品質の向上が図られる。

また、溶湯Ｍは樋２中で攪拌されることにより、回転しながらモールド１中に流れ込むことになる。これにより、溶湯Ｍはモールド１内でも回転することとなる。つまり溶湯Ｍはモールド１内においても間接的に回転駆動されることになる。このモールド１内での回転により、溶湯Ｍは、内部部分と外部部分との温度の平均化がなされた状態で固化していく。これにより、前記のように溶湯Ｍ中の不純物が除去されていることと相俟って、製品Ｐはより品質の優れたものとして得られる。このような品質改善のメカニズムは、以下に説明する他の実施形態や変形例においても全て当てはまる。

図１に戻って説明するに、前記第１の電極２４と第２の電極２５は外部電源盤２７に接続され、所望の直流電流が供給可能とされている。外部電源盤２７により供給電流量は加減調節可能にされており、極性も切り替え可能とされている。極性の切り替えにより、樋２、モールド１中での溶湯Ｍの回転方向を逆とすることができる。このような制御は、現場において溶湯Ｍの攪拌状態を見ながら行うこともでき、これにより、用いる溶湯Ｍの特性毎に個別に制御して、用いる溶湯Ｍの特性に左右されず、より高品質の製品Ｐを得ることができる。しかもこのような制御は、外部電源盤２７での簡単な操作で可能であり、現場での有用性は極めて高い。

前記モールド１の内部には、例えば図１から分かるように、冷却水を循環させる循環路１ａが形成されている。この循環路１ａのうちの前記製品Ｐに対向する複数の箇所を外部に貫通する冷却水口１ｂとしている。これらの冷却水口１ｂから放出される冷却水により冷却されながら製品Ｐが製造されることになる。而して、前述のように、モールド１中においても溶湯Ｍは回転駆動されるので、温度の均一化を図って、より高品質の製品Ｐを得ることができる。なお、前記界面Ｉの形状が図１に示されるように下に凸の放物面状になるのは、溶湯Ｍの外部部分と内部部分との冷却速度が異なることに起因する。製品Ｐが大型化つまり横断面の差し渡しが大きくなるに従って界面Ｉの放物面の頂点近傍のカーブがより急峻なものとなる。また、製品Ｐの引き抜き速度が上がるほど、同じく、前記がより急峻なものとなる。これにより、外部部分と内部部分との冷却速度の差がより大きくなる。これにより、製品Ｐの内部的な品質にばらつきが生じるのが避けられない。しかしながら、前述のように、モールド１内でも溶湯Ｍを攪拌して温度の均一化を図っていることから、樋２中で不純物の除去も行われていることと相俟って、より高品質の製品を得ることができる。

以上の説明で本発明の第１の実施形態の動作は理解できると思うが、以下にも簡単に説明する。

図１の外部電源盤２７から、図３に示すように、一対の電極（第１の電極２４、第２の電極２５）間に電流ｉを流す。この電流ｉは磁力線ＭＬと交叉してローレンツ力ｆを発生させる。このローレンツ力ｆにより樋２中の溶湯Ｍ（及びモールド１中の少しの溶湯Ｍ）が図１に示すように回転駆動される。これにより溶湯Ｍは回転しながらモールド１中に流入し、モールド１中でも回転しながら、冷却水口１ｂからの冷却水で冷却されて固化し、製品Ｐとなる。ここで、外部電源盤２７からの電流量を加減することにより、樋２中及びモールド１中での溶湯Ｍの回転速度を加減することができる。つまり、溶解炉（図示せず）から流れてくる溶湯Ｍの品質、性質、成分等はいつも同じではないが、用いる溶湯Ｍの品質、性質等に応じて、前記電流量を加減して、溶湯Ｍの物性に拘わらず、より適切な品質の製品Ｐを得ることができる。また、前記電流ｉの流れる向きを小刻みに変えることにより、溶湯Ｍの樋２中での回転方向を極短時間で変えて、いわゆる振動状態とすることもでき、これにより不純物の除去をより促進することもできる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

本発明の第２の実施形態は、特に図４から分かるように、溶湯攪拌装置３Ａに搭載した永久磁石１８Ａ（図５参照）により、樋２内の溶湯Ｍではなく、モールド１内の固化前の溶湯Ｍを回転駆動するようにしたものである。モールド１内の溶湯Ｍを攪拌しても、前記本発明の第１の実施形態での説明からも分かるように、本発明の第１の実施形態の場合とほぼ同様の作用効果を得ることができるのは明らかである。

以下には本発明の第１の実施形態と異なる点を主体的に説明する。図４の本発明の第２の実施形態に搭載された溶湯攪拌装置３Ａは、図５に、縦断拡大動作説明図が示される。この図５に示された溶湯攪拌装置３Ａが、図３に示す溶湯攪拌装置３と異なる点は、両方の図の比較から容易に分かるように、磁力線ＭＬの出る方向だけであり、その他の構成はほぼ同じである。つまり、図５の磁場装置７Ａの永久磁石１８Ａは、図中下方に磁力線ＭＬを出している。この磁場装置７Ａの詳細は図１０ａ、図１０ｂに示される。図１０ａは縦断面図、図１０ｂは平面図である。これらの図から分かるように、外形は図８ａ、図８ｂとほぼ同様であるが、磁化の態様が異なり、円筒状体の上部がＳ極に、下部がＮ極に磁化されている。

図５から分かるように、磁場装置７Ａからの磁力線ＭＬと、一対の電極（第１の電極２４、第２の電極２５）間に流れる電流ｉと、は磁場装置７Ａの外筒１１の底面の外側で交叉する。これにより生じるローレンツ力ｆにより、モールド１内の溶湯Ｍは、図４に示すように回転駆動される。

前に述べたように、この本発明の第２の実施形態において、上記した以外の構成及び動作は、本発明の第１の実施形態のものとほぼ同じであるので詳しい説明は省略する。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

本発明の第３の実施形態は、特に図６から分かるように、溶湯攪拌装置３Ｂに搭載した永久磁石１８Ｂ１，１８Ｂ２（図７参照）により、樋２内の溶湯Ｍと、モールド１内の固化前の溶湯Ｍと、の両方の溶湯Ｍを共に直接的に回転駆動するものである。樋２中の溶湯Ｍとモールド１内の溶湯Ｍとを共に直接的に攪拌するものであるため、前記本発明の第１の実施形態及本発明の第２の実施形態の場合とほぼ同様の又はそれ以上の作用効果を得ることができるのは明らかである。

より詳しくは、図６の溶湯攪拌装置３Ｂは、図７にその縦断拡大動作説明図が示される。この図７に示された溶湯攪拌装置３Ｂ（第３の実施形態）は、図３に示す溶湯攪拌装置３（第１の実施形態）及び図５に示す溶湯攪拌装置３Ｂ（第２の実施形態）の両方の機能を併せ持つものとして構成されている。その具体的な構成は、図７から分かるように、磁場装置７Ｂは、共に円筒状の第１の永久磁石１８Ｂ１と第２の永久磁石１８Ｂ２を非磁性材のスペーサ３０を介して上下に積み重ねた状態に一体に固定されたものとして構成されており、それらの詳細は図１１ａ（縦断説明図）、図１１ｂ（上面図）、図１１ｃ（底面図）に示される。図１１ａ、図１１ｂから分かるように、第１の永久磁石１８Ｂ１は、図９ａ、図９ｂに示すものと同様に、複数の永久磁石片１９から構成され、内側がＳ極に、外側がＮ極とされている。また、図１１ａ、図１１ｃから分かるように、第２の永久磁石１８Ｂ２は、図１０ａ、図１０ｂに示すものと同様に、上側がＮ極、下側がＳ極に磁化されている。これらの第１の永久磁石１８Ｂ１と第２の永久磁石１８Ｂ２とがスペーサ３０を挟んで一体に構成されている。

図７から分かるように、磁場装置７Ｂの永久磁石１８Ｂ１からの磁力線ＭＬと、一対の電極（第１の電極２４、第２の電極２５）間に流れる電流ｉと、は外筒１１の側面の外側で交叉する。また、磁場装置７Ｂの第２の永久磁石１８Ｂ２からの磁力線ＭＬと、一対の電極（第１の電極２４、第２の電極２５）間に流れる電流ｉと、は磁場装置７Ａの外筒１１の側面の外側で交叉する。これにより生じる２種類のローレンツ力ｆにより、図６に示すように、樋２中では磁場装置７Ｂの外周面の外側で、及び、モールド１中では底面の外側で、それぞれ回転駆動される。

この本発明の第３の実施形態において、上記した以外の構成及び動作は、本発明の第１及び２の実施形態のものとほぼ同じであるので詳しい説明は省略する。

以上に説明した本発明の第１乃至３の実施形態では、ケース６を外筒１１と内筒１２の二重構造とすると共に両者の間に隙間１４を作り、ここに冷却用の圧縮空気を流通させるようにしていた。しかしながら、外筒１１と内筒１２とを隙間無く密着状態に重ね合わせてケース６の強度を高めることもできる。この場合には、冷却用の空気の流路は別に確保される。この技術思想を具現した本発明の第４乃至６の実施形態は、図１２乃至図１６に示される。これらの実施形態では、冷却用の圧縮空気をパイプ１６Ｃから送り込むようにしている。

次に、まず、本発明の第４の実施形態について説明する。

本発明の第４の実施形態は、図１２乃至図１４に示される。特に図１４から分かるように、この実施形態は、溶湯攪拌装置３Ｃに搭載した永久磁石１８Ｃによりモールド１内の固化前の溶湯Ｍを回転駆動するものである。この本発明の第４の実施形態では、図８ａ、図８ｂに示すと同等の永久磁石を用いている。この図１４（本発明の第４の実施形態）の溶湯攪拌装置３Ｃが、図３（本発明の第１の実施形態）の溶湯攪拌装置３と異なる点は、ケース６Ｃを外筒１１Ｃと内筒１２Ｃを隙間無く重合することにより構成した点と、冷却用の圧縮空気をやや太めに構成したパイプ１６Ｃから送り込むようにした点にある。この内筒１２Ｃは断熱部材により断熱筒として機能するものとして構成することもできる。このパイプ１６Ｃの下端と内筒１２Ｃの底面との間には連通用の連通隙間が形成されている。これにより、この連通隙間を介して前記パイプの内部と前記ケースの内部とが連通して冷却空気路が形成されており、この連通隙間を介して前記パイプの内部と前記内筒の内部とが連通して冷却空気路が形成されることになる。これにより、パイプ１６Ｃに送り込まれた圧縮空気は、矢印ＡＲ２に示すように、パイプ１６Ｃの下端からパイプ１６Ｃと内筒１２Ｃの間の隙間１４Ｃに至り、反転上昇して外部に放出される。永久磁石１８Ｃ等はこの反転上昇する圧縮空気によって冷却される。

この第４の実施形態におけるその他の構成及び動作は前述の実施形態と同様であるため詳しい説明は省略する。

次に、本発明の第５の実施形態について説明する。

この本発明の第５の実施形態は、図４の本発明の第２の実施形態と同様に、モールド１内の溶湯Ｍを直接駆動しようとするものである。図１５に要部としての溶湯攪拌装置３Ｄを示す。この本発明の第４の実施形態では、図１０ａに示すのと同等の永久磁石１８Ｄによる磁場装置７Ｄを用いている。その他の構成及び動作は図１４及び図５のものとほぼ同等であるため詳しい説明は省略する。

次に、本発明の第６の実施形態について説明する。

この本発明の第６の実施形態は、図６の本発明の第３の実施形態と同様に、樋２内の溶湯Ｍ及びモールド１内の溶湯Ｍを直接駆動しようとするものである。図１６に要部としての溶湯攪拌装置３Ｅを示す。この本発明の第６の実施形態では、図１１ａに示すのと同等の第１の永久磁石１８Ｅ１、第２の永久磁石１８Ｅ２による磁場装置７Ｅを用いている。その他の構成は図１４及び図７のものとほぼ同等であるため詳しい説明は省略する。

次に、本発明の第７の実施形態について説明する。

この本発明の第７の実施形態は、図２Ａに示され、ケース６Ｄにおける外筒１１Ｄを、通電により発熱して溶湯の温度に近い数百度等になる、導電性材料で構成している。また、この導電性材料の電気抵抗は、用いる溶湯Ｍのそれよりも大きいものを用いている。この導電性材料としては、グラファイト等の各種の材料を用いることができ、耐火性を有し、用いる溶湯に強い材質のものであれば良い。

また、電極部８Ｄのうちの上部の第２の電極２５Ｄは、図２の第２の電極２５よりも上方に設けて、実際の使用時に溶湯Ｍに接触しないようにしている。

その他の構成は、実質的に、図２の実施形態と同様である。

この本発明の第７の実施形態においては、上記のように、外筒１１Ｄを通電により自己発熱可能としている。その自己発熱により、例えば数百度になることを可能である。これにより、実際の使用に先立ち通電により高温状態としておけば、実際の使用に当たって直ぐに溶湯中に沈めて使用が可能で、時間の無駄を可及的に少なくすることができる。つまり、この実施形態によれば、溶湯攪拌装置３Ｄを溶湯中に沈めて実際に稼働させるのに、数時間待つ必要はなくなる。

図２Ｂは、前記溶湯攪拌装置３Ｄにおける電流のパスを示す説明図である。この図２Ｂの矢印ＡＲＤから分かるように、外部電源盤２７のプラスの端子２７ａからの電流は、第２の電極２５Ｄからグラファイト等の外筒１１Ｄを通り、次いで相対的に電気抵抗の低い溶湯Ｍを流れ、第１の電極２４に達し、外部電源盤２７のマイナスの端子２７ｂに戻る。

図１３Ａは、本発明の第８の実施形態を示す。

この本発明の第８の実施形態は、図１３に示す装置と比較すれば、溶湯攪拌装置３Ｅの電極部８Ｅの第２の電極２５Ｅを、図２Ｂの実施形態と同様に、上方に設け、ケース６Ｅにおける外筒１１Ｅをグラファイト等の導電性材料で構成した例を示す。その他は、図２Ｂの例とほぼ同様であるため詳しい説明は省略する。

以上に説明した各実施形態によれば以下のような利点が得られる。
（１）溶湯を直接攪拌するようにしたので攪拌効率が極めて高い。
（２）大型のインゴットにも効率良く対応できる。
（３）大型のインゴットの場合には複数の溶湯攪拌装置を組み込めば良い。
（４）モールド中のインゴットの前記界面までの深さは製品の引き抜き速度、サイズ等によって異なる。この場合、溶湯攪拌装置の樋、モールド中への浸漬深さを調節して、より適切に溶湯を攪拌できる。
（５）溶湯攪拌装置はコンパクトに構成することができ、これによりその設置に当たっては大きな場所を必要としない。
（６）これにより、既存のモールド装置等への適用が容易である。
（７）製品（インゴット）の結晶組織の微細化ができる。
（８）製品（インゴット）の結晶組織の均一化ができる。
（９）製品の生産速度を上げることができる。例えば、１０−３０％くらいの増産が可能である。
（１０）溶湯を内部的に攪拌するようにしたので溶湯の酸化を防いで製品の品質を向上させることができる。

上述のように、本発明の実施形態の連続鋳造装置には各種の利点が得られる。その利点のうち製品の生産速度（生産性）の向上についてさらに説明すれば以下の通りである。

一般に、連続鋳造において、製品の生産性は、製品の引き抜き速度に依存する。引き抜き速度を上げれば生産性は向上する。しかしながら、引き抜き速度をある速度以上に上げると、製品の内部に縦に延びる１又は複数のクラックが発生してしまう。このクラックの存在は、例えば冷却後の製品を切断して製品の内部を観察することにより確認することができる。

このように、従来は、生産性を上げようとしても、引き抜き速度を上げることに限界があり、そのため生産性の向上を十分に図れなかった。

しかるに、本発明の実施形態の連続鋳造装置によれば、前記従来の連続鋳造装置における速度以上に引き抜き速度を上げても、内部にクラックの存在しない良質の製品を得ることができる。これは先に述べた説明からも理解できると思うが、本発明者は以下に説明する実験を行い実際に試作品を製造して、このことを確認した。

また、製品の品質の良否を判断する基準として、結晶組織の微細化の程度がある。つまり、高品質の製品とは、結晶組織がより微細化されている製品といえる。結晶組織を微細化するには、溶湯を急冷すれば良い。つまり、逆に、急速に冷却しないと、結晶組織は微細化されない。

連続鋳造の過程においては、モールドの上方部分には、溶湯の冷却により既に固化した固相部分ＳＰ（図２１等ＳＰ１参照）と、これから固化する液相部分ＬＰ（図２１等ＬＰ１参照）と、が界面を作って上下に隣り合って存在する。さらに、両者の界面部分には、固相と液相の中間的な性質の半凝固層部分（マッシーゾーン：Mushy Zone）ＭＺ（図２１等ＭＺ１参照）が現れる。この半凝固層部分ＭＺは、液相から固相へ遷移する過程の遷移層である。

本発明者は、冷却が急速に行われる場合にはこの半凝固層部分ＭＺが薄いものとして現れ、緩やかに行われる場合は厚いものとして現れる、ことを数多くの製品を製造し、その製品を切断して観察することにより独自に知得していた。よって、逆に、この半凝固層部分ＭＺが薄い時には固相部分ＳＰにおける結晶組織の品質は微細で良質であり、厚い時には固相部分ＳＰにおける結晶組織の品質は粗く悪質である、と言える。つまり、半凝固層部分ＭＺの厚さを見れば、製品の内部の結晶組織が細かい良質のものか、粗い非良質のものか、が分かる、と言える。

しかるに、本発明の実施形態の連続鋳造装置によれば、従来の連続鋳造装置での速度以上に引き抜き速度を上げても、前記半凝固相部分ＭＺが厚くなることはない。それは、本発明の実施形態の連続鋳造装置によれば、従来の連続鋳造装置では行われていなかったと共にそもそも不可能であった、溶湯を攪拌状態としてモールドに供給すると共にさらにこれによりモールド内で固まる直前の溶湯が攪拌されるようになったからである。つまり、本発明の実施形態の連続鋳造装置によれば、生産効率を上げても、良質の製品を得ることができる。これは、本発明者の行った以下の実験により、確かめられた。

（実験１）
実験の概要
前記液相部分ＬＰと前記半凝固層部分ＭＺはこの後完全に固化しやがて固相部分ＳＰのみとなる。本発明者が行った実験では、視覚的に確認可能なるように、最終的に得られる試作品ＴＰにおいて、本来は消失してしまう、製造の過程でのみ現れる前記液相部分ＬＰ及び半凝固層部分ＭＺが、表れるようにした。つまり、試作品ＴＰは当然全て固体（固相）として得れるが、製造過程のある瞬間で見ると、試作品ＴＰは、かつて液相部分ＬＰだった第１の固体部分ＳＰ（ＭＺ）、かつて半凝固層部分ＭＺだった第２の固体部分ＳＰ（ＭＺ）、かつても固体だった第３の固体部分ＳＰ（ＳＰ）の３つの固体部分からなる。本実験では、これらの３つの固体部分を、試作品ＴＰにおいて視覚的に把握できるようにして、試作品ＴＰの品質を容易に判定することができるようにした。

つまり、一般には、出来上がった製品は全てが固相部分ＳＰとなり、前記液相部分ＬＰや半凝固層部分ＭＺは消失し、液相部分ＬＰと半凝固層部分ＭＺは視覚的に確認することはできない。しかしながら、本実験では、製造の過程のある瞬間に特殊な処理を施して、出来上がった全体が固体としての製品（試作品）において、前記ある瞬間に、図1８のように、かつて液相部分ＬＰで有った部分、かつて半凝固層部分ＭＺで有った部分、かつて固相部分ＳＰで有った部分が視覚的に識別できるようにした。

実験の詳細
（１）上記した本発明の連続鋳造装置の効果である生産性の向上を確認するために本発明者が行った、試作品（アルミニウムの円柱状インゴット（丸形インゴット））の製造実験について説明する。この製造実験においては、本発明の実施形態の連続鋳造装置と、本発明の実施形態の連続鋳造装置から溶湯攪拌装置３を取り外したもの（改良前の連続鋳造装置）と、を用いた。

つまり、本発明者は、図1の本発明の実施形態の連続鋳造装置を用いて試作品ＴＰを製造するに当たり、図１の溶湯攪拌装置３を取り外した状態（改良前の連続鋳造装置）と、溶湯攪拌装置３をそのまま用いる状態（本発明の実施形態の連続鋳造装置）と、を切り替えて、図１７に示す連続する１本の試作品ＴＰを製造した。図１７においては、理解を容易とするため試作品ＴＰの一部を破断（切断）して示している。つまり、試作品ＴＰの内部は、製造後に縦断することにより観察可能である。なお、図１の溶湯攪拌装置３に代えて、図４、図６、図１２、図１５及び図１６の本発明の実施形態の連続鋳造装置を用いても、図１７と同様の試作品ＴＰを得ることができるのは明らかである。

図１７に示す試作品ＴＰにおいて、第１の試作品部１００は前記改良前の連続鋳造装置により製造した部分であり、第２の試作品部２００は本発明の実施形態の連続鋳造装置で製造した部分である。さらに、前記第１の試作品部１００は、矢印ＡＲ方向に、遅い引き抜き速度（鋳造速度）で引き抜いて得た遅い低速引抜部分５０Ａと、それよりも速い引き抜き速度（鋳造速度）で引き抜いて得た第１の高速引抜部分５０Ｂと、を備える。これに対し、第２の試作品部２００は、前記第１の高速引抜部分５０Ｂと同じ引き抜き速度（鋳造速度）で引き抜いて得た第２の高速引抜部分６０Ｂを有する。

後述もするが、前記第１の高速引抜部分５０Ｂと前記第２の高速引抜部分６０Ｂとの比較から明らかなように、改良前の連続鋳造装置によって得た第１の高速引抜部分５０ＢにはクラックＣが存在しているが、本発明の連続鋳造装置によって得た第２の高速引抜部分６０Ｂにはクラックの存在は認められなかった。つまり、本発明者が行った実験により、本発明の連続鋳造装置によれば、引き抜き速度（鋳造速度）を高速としても、内部にクラックの無い鋳造品を得ることができるのが確認できた。つまり、連続鋳造において生産性を向上させることができた。

（２）以下に、上記製造実験の詳細について説明する。実験として、第１の試作品部１００における前記低速引抜部分５０Ａを得るための実験Ａと、前記第１の高速引抜部分５０Ｂを得るための実験Ｂと、第２の試作品部２００における前記第２の高速引抜部分６０Ｂを得るための実験Ｃと、の３つの実験を行った。

前記実験Ａ、実験Ｂ、実験Ｃによってそれぞれ得られたのが前記低速引抜部分５０Ａ、第１の高速引抜部分５０Ｂ、第２の高速引抜部分６０Ｂである。これらの低速引抜部分５０Ａ、第１の高速引抜部分５０Ｂ、第２の高速引抜部分６０Ｂはそれぞれ図１８、図１９、図２０に拡大して示される。なお、図１８、図１９、図２０はそれぞれ試作品（固体）ＴＰの一部の断面図ではあるが、これらの図１８、図１９、図２０から、連続鋳造装置による製造の過程における各ある瞬間のモールド１の内部の様子は、図２１、図２２、図２３に、固体、半凝固層部分、液体の３つの相が併存するものとして把握される。それは、試作品（製品）ＴＰは、製造の過程におけるある瞬間をそのまま表すものとして得られるからである。よって、以下では、図２１、図２２、図２３を製品の製造過程におけるある瞬間のモールド内部の様子を示す説明図として用いて説明する。

（２）−１ 先ず、図１７に示す第１の試作品部１００（５０Ａ、５０Ｂ）を製造する実験Ａ、Ｂについて説明する。試作品ＴＰにおける低速引抜部分５０Ａ及び第１の高速引抜部分５０Ｂの詳細は図１８及び図１９に示される。

図１の連続鋳造装置から溶湯攪拌装置３を取り除いた改良前の連続鋳造装置で引き抜きを行って製品（鋳造品）としての試作品部１００を製造するに当たり、当初は引き抜き速度（鋳造速度）を低速とし、その後は高速に切り替えた。つまり、当初の低速の引き抜きによって、図１７の低速引抜部分５０Ａが得られ、その後高速に切り替えることによって、第１の高速引抜部分５０Ｂが得られた。

前記低速の引き抜き時における条件１（実験Ａ）及び前記高速の引き抜き時における条件２（実験Ｂ）は下記の通りとした。また、製造過程のそれぞれのある瞬間を示す図２１及び図２２に示されるように、これらの条件１及び条件２の場合において現れるサンプ深さ（液相部分ＬＰの最大深さ）ｄ１，ｄ２、半凝固層部分（Mushy Zone）ＭＺの厚さｔ１，ｔ２は、試作品ＴＰを示す図１８、図１９から、下記の通りであったことが分かる。

（実験Ａ）（条件１及び結果）
・ 材料：アルミニウム
・ 添加物：亜鉛
・ 丸形インゴットの直径Φ＝３５５ｍｍ
・ 引き抜き速度（鋳造速度）ｖ１＝７５ｍｍ／ｍｉｎ
・ サンプ深さ（液相部分ＬＰの最大深さ）（図２１）ｄ１＝１７１．５ｍｍ
・ 半凝固層部分（Mushy Zone）の厚さ（図２１）ｔ１＝４ｍｍ

つまり、改良前の連続鋳造装置により、上記条件１で低速での引き抜きを行った。条件１での引き抜きが行われているある瞬間において、液相部分ＬＰ１に亜鉛を添加した。添加された亜鉛は液相部分ＬＰ１のアルミニウム中に瞬時に拡散し、合金を作り、造影剤的な役目を担った。前記添加後ある所定の時間だけ前記上記条件１で引き抜きを行った。この実験Ａにより、図１７及び図１８の低速引抜部分５０Ａが得られた。この低速引抜部分５０Ａが得られるメカニズムについては追って説明する。

前記条件１での実験Ａにおけるモールド１の内部の状態は、図２１から以下の通りであることが分かる。即ち、ある瞬間のモールド１中の製品の最上部（頂部）の縦断面を見ると図２１に示されるようになる。図２１中、下側には既に固化した固相部分ＳＰ１、上側にはこれから固化する液相部分ＬＰ１が現れる。さらに、前記２つの相の界面部分には、半凝固相部分（Mushy Zone）ＭＺ１が現れる。図２１に示すように、サンプ深さ（液相部分ＬＰ１の最大深さ）ｄ１＝１７１．５ｍｍ、半凝固相部分（Mushy Zone）ＭＺ１の厚さｔ１＝４ｍｍとなる。この図２１からわかるように、引き抜き速度（鋳造速度）が低速の場合には、液相部分ＬＰ１にはクラック（空洞）の発生は見られない。これに伴い、最終的に、図１７に示す試作品ＴＰから分かるように、クラックのない前記低速引抜部分５０Ａが形成される。

（実験Ｂ）（条件２及び結果）
・ 材料：アルミニウム
・ 添加物：亜鉛
・ 丸形インゴットの直径Φ＝３５５ｍｍ
・ 引き抜き速度（鋳造速度）ｖ２＝１０９ｍｍ／ｍｉｎ
・ サンプ深さ（液相部分ＬＰの最大深さ）（図２２）ｄ２＝２８２．２ｍｍ
・ 半凝固層部分（Mushy Zone）の厚さ（図２２）ｔ２＝５．５ｍｍ

改良前の連続鋳造装置により行った前記条件１での引き抜きに続いて、同じく前記改良前前の連続鋳造装置により上記条件２でそれまでよりも高速で引き抜きを行った。前記と同様に、この条件２での引き抜きが行われているある瞬間において、液相部分ＬＰ２に亜鉛を添加した。前記と同様に、添加された亜鉛は液相部分ＬＰ２のアルミニウム中に高速で拡散し、合金を作り、造影剤的な役目を担う。この実験Ｂにより、図１７及び図２２の第１の高速引抜部分５０Ｂが得られる。この第１の高速引抜部分５０Ｂが得られるメカニズムについては追って説明する。

前記条件２での実験Ｂにおいて、モールド１の最上部（頂部）の縦断面は図２２に示されるようになる。図２２中、下側には既に固化した固相部分ＳＰ２、上側にはこれから固化する液相部分ＬＰ２が現れる。さらに、前記２つの相の界面部分には、半凝固相部分（Mushy Zone）ＭＺ２が現れる。図２２に示すように、サンプ深さ（液相部分ＬＰの最大深さ）ｄ２＝２８２．２ｍｍ、半凝固層部分（Mushy Zone）ＭＺ２の厚さｔ２＝５．５ｍｍとなる。この図２２からわかるように、引き抜き速度（鋳造速度）が高速の場合には、液相部分ＬＰ２にクラック（空洞）の発生が見られる。これに伴い、図１７に示すクラックを含む前記第１の高速引抜部分５０Ｂが形成される。

（２）−２ 次に、図１７の第２の試作品部２００を製造する実験Ｃについて説明する。
図１の本発明の連続鋳造装置で引き抜きを行って製品（鋳造品）としての試作品２００を製造するに当たっての引き抜き速度（鋳造速度）は、前記第１の試作品部１００における第１の高速引抜部分５０Ｂの製造の際と同じ高速引き抜き速度（鋳造速度）とした。これにより、図１７の前記第２の高速引抜部分６０Ｂが得られた。

前記高速引き抜き時における条件３（実験Ｃ）は下記の通りとした。また、この条件３の場合において現れるサンプ深さ（液相部分ＬＰの最大深さ）ｄ３、半凝固層部分（Mushy Zone）の厚さｔ３は下記の通りであった。

（実験Ｃ）（条件３及び結果）
・ 材料：アルミニウム
・ 添加物：亜鉛
・ 丸形インゴットの直径Φ＝３５５ｍｍ
・ 引き抜き速度（鋳造速度）ｖ３＝１０２ｍｍ／ｍｉｎ
・ サンプ深さ（液相部分ＬＰの最大深さ）（図２３）ｄ３＝２７６．２ｍｍ
・ 半凝固層部分（Mushy Zone）の厚さ（図２３）ｔ３＝４ｍｍ

本発明の連続鋳造装置により前記条件３での引き抜きを行った。この条件３での引き抜きが行われているある瞬間において、前記と同様に、液相部分ＬＰ３に亜鉛を添加した。前記と同様に、添加された亜鉛は液相部分ＬＰのアルミニウム中に高速で拡散し、ある種の合金を作り、造影剤的な役目を担った。この実験Ｃにより、図１７及び図２０の第２の高速引抜部分６０Ａが得られた。この第２の高速引抜部分５０Ｂが得られるメカニズムについては追って説明する。

前記条件３での実験Ｃの過程は図２３に示される。図２３中、下側には既に固化した固相部分ＳＰ３、上側にはこれから固化する液相部分ＬＰ３が現れた。さらに、前記２つの相の界面部分には、半凝固相部分（Mushy Zone）ＭＺ３が現れた。図２３に示すように、サンプ深さ（液相部分ＬＰ３の最大深さ）ｄ３＝２７６．２ｍｍ、半凝固相部分（Mushy Zone）ＭＺ３の厚さｔ３＝４ｍｍとなった。且つ、図２３からわかるように、引き抜き速度（鋳造速度）を高速としたにも拘わらず、液相部分ＬＰ３にはクラック（空洞）の発生は見られなかった。つまり、この条件３で製品を製造した場合には、クラックの発生していない前記条件１の場合に比して、サンプ深さは増大するものの、半凝固相部分（Mushy Zone）ＭＺ３の厚さはほとんど増加しなかった。半凝固相部分（Mushy Zone）ＭＺ３が厚くならないことから、本発明の装置により高速での引抜鋳造を行っても、材料における熱の移動を高速化して、結晶組織の均一化及び微細化、並びに、製品の機械的強度を維持したまま、生産性の向上を図ることが予想できる。而して、実際に、図２０に示すように、クラックのない前記低速引抜部分６０Ａを形成することができた。

以上に説明したところから分かるように、先に段落〔００４６〕の（９）で説明したように、本発明の連続鋳造装置によれば、改良前の連続鋳造装置に比して、約３０％程度、製品の引抜速度を上げることができた。

さらに本発明の趣旨、概要、及び、更なる実験について、以下に説明する。

一般に、丸棒状又は角柱状等の各種インゴッドの金属製品は、原材料の金属を溶解し、成分調整した後、所定の形状に凝固する工程を経て得られる。この時、最終製品の品質、例えば、機械的特性、結晶組織の均一化、微細化等は、凝固時のサンプ（連続鋳造中の製品の頂部における未凝固状態の液体部分）内の状態により決まってしまう。

溶融金属の凝固は、熱の移動により起こるが、固体中の熱伝導は液体のそれの２倍であることから、容器あるいは連続鋳造のモールド内の溶湯は外周部から中心に向かって凝固が進行する。連続鋳造の場合には、例えば図１から分かるように、製品の頂部部分において液体と固体が共存した状態で凝固が進行する。

製品の品質を向上させる重要なポイントは、例えば図１においての液体部分及び半凝固層部分をできる限り減少させることであるが、液体と固体の熱伝導率が違うことから、そのような目的を達成することは非常に難しい。

そこで、本発明者は、液体の熱伝導率が固体の熱伝導率がよりも低いことに着目し、金属の溶湯に磁場と電流を印加して攪拌することにより、引き抜き速度（鋳造速度）を上げてサンプが深くなった場合でも、クラックが生じないようにしたものである。

さて、本発明により、特に冷却速度を向上させて品質向上を図る場合を、本発明を各種インゴッド（ラウンドインゴッド（丸棒状のインゴッド）又は角柱状のインゴッド等）の連続鋳造に適用した場合について説明する。

連続鋳造工程においては、例えば図１から分かるように、下に凸の円錐柱状（縦断面では下に凸の放物線状）のサンプが常時現れる。

さて、熱の移動はニュートンの冷却の法則で説明できる。

つまり、移動する熱量Ｑ、時間ｔ、表面積Ｓ、高温側温度ＴＨ、低温側温度ＴＬ、温度係数αとすれば、
−ｄＱ／ｄｔ＝α・Ｓ（ＴＨ−ＴＬ）
となる。

つまり、熱の移動は、高温側温度ＴＨと低温側温度ＴＬとの差に比例する温度勾配が大きいほど、スムーズに行われる。

ところで、熱の移動は、攪拌することにより増加するが、攪拌の有無における温度差の違いについて考える。

図２４は、一般的な連続鋳造におけるモールド内部の、溶湯（液体）が製品（固体）に変わる一過程におけるある時点での縦断説明図を示す。

この図２４の細長い円ＣＩＲで囲まれた部分の熱の状態を図２５に示す。温度を示す実線ＳＬは攪拌しない連続鋳造の場合のものであり、破線ＢＬは本発明の攪拌する場合のものである。繰り返して言えば、実線ＳＬは溶湯を攪拌しない場合の温度分布を示し、破線ＢＬは溶湯を攪拌した場合の温度分布を示す。だだし、実線ＳＬの後述の点ｂよりも外側（図中右側）は、攪拌有りと無しの２つの場合に共通の温度分布を示す。また、攪拌しない場合は、半凝固層部分ＭＺは半凝固層部分ＭＺ１（厚さＬ１）となり、攪拌した場合はそれよりも厚さの薄い半凝固層部分ＭＺ２（厚さＬ２＝Ｌ１−Ｌ１１）となる。また、図２５にも示すが、後述のように、半凝固層部分ＭＺ１の内側の点ａと外側の点ｂとの温度差はΔＴｎ、半凝固層部分ＭＺ２の内側表面の点ｃと外側表面の点ｂとの温度差はΔＴｍとなる。

つまり、攪拌しない場合は、実線ＳＬから分かるように、中心線ＣＬの部分が最も高い温度ＴＨ１を示し、外周に向かうにつれ徐々に低下し、液体部分ＬＰと半凝固層部分ＭＺ１との境界線上の点ａの温度まで低下する。半凝固層部分ＭＺの内部では、液体部分ＬＰよりも冷却速度は速く、半凝固層部分ＭＺ１と固体部分ＳＰとの境界線上の点ｂの温度まで低下する。固体部分ＳＰでは急激に温度が低下し、図２５においては温度ＴＬに達する。

一方、攪拌を行った場合は、破線ＢＬから分かるように、液体（溶湯）内部の温度分布はほとんど均一となるため、中心線ＣＬから半凝固層部分ＭＺ２の内側に至るまでは温度勾配はほとんど生じない。つまり、この場合は、中心線ＣＬ部分の温度も、先の温度ＴＨ１よりも低い温度ＴＨ２となる。而して、攪拌により、前述のように、半凝固層部分ＭＺ２の厚さＬ２は、厚さＴ１よりも厚さＴ１１だけ薄くなる。この温度ＴＨ２は半凝固層部分ＭＺ２の内側の点ｃまで続く。半凝固層部分ＭＺ２内においては、温度は、点ｃから前記点ｂまで低下する。この後は前記無攪拌の場合と同様に温度ＴＬとなる。

ここで半凝固層部分ＭＺを見てみると、厚さは、攪拌無しの場合は厚さＬ１となり、攪拌有りの場合は厚さＬ２（＝Ｌ１−Ｌ１１）となる。つまり、厚さＬ１＞Ｌ２となる。また、半凝固層部分ＭＺの内側表面と外側表面の温度差は、攪拌無しの場合は温度差ΔＴｎであり、攪拌有りの場合は温度差ΔＴｍとなる。故に、攪拌無しの場合と有りの場合の温度勾配を比較すると、ΔＴｎ／Ｌ１＜ΔＴｍ／Ｌ２ となる。これをニュートンの冷却の法則と照らし合わせると、冷却有りの場合が圧倒的に冷却速度が速いことが分かる。

各種インゴット（丸棒状、角柱状等）の品質を考えた場合、液体部分ＬＰの温度分布は均一であることが望ましく、且つ、冷却は一気に高速で行うのが望ましい。

つまり、本発明では、連続鋳造時に現れる、製品の頂部の液相部分ＬＰを、自然冷却により冷却するのではなく、強制的に攪拌することにより、液相部分ＬＰの中心部分と周辺部分の温度差を極力なくした状態とし、半凝固層部分ＭＺを厚さの薄いものとして、冷却するようにしている。これにより、本発明によれば、結晶の均一化及び微細化、且つ、機械的特性の向上等を図りつつ、つまり製品の高品質化を図りつつ、大幅に生産性の向上を図ることができるのが分かった。

さらに、連続鋳造の試作品ＴＰとして円柱状インゴットを得るに当たり、前記サンプにケミカルトレーサとして亜鉛（Ｚｎ）を投入した。固化後にその試作品を縦割りにしたものが図２６に示される。図中、前記Ｚｎを投入した時に、液体だった部分がＳＰ（ＬＰ）、半凝固層部分だった部分がＳＰ（ＭＺ）、固体だった部分がＳＰである。

この試作品ＴＰから、図２６に位置を示す部位から、Ａ−Ｅの５本の第１試験片（円柱）をくり抜いた。つまり、試作品ＴＰから、図２６の紙面に垂直方向に５本の第１試験片Ａ−Ｅをくり抜いた。さらに、図２７から分かるように、第１試験片Ａ−Ｅのそれぞれに５つの測定点（測定点ＭＰ１乃至測定点ＭＰ５）を定め、それらの測定点から紙面に垂直にさらに５つの第２試験片をくり抜いた。つまり、第１試験片Ａから５つの第２試験片Ａ１−Ａ５を、第１試験片Ｂからも５つの第２試験片Ｂ１−Ｂ５を得た。同様に、第１試験片Ｃ、Ｄ、Ｅからそれぞれ５つの第２試験片Ｃ１−Ｃ５，Ｄ１−Ｄ５，Ｅ１−Ｄ５を得た。これにより都合２５個の第２試験片を得た。

なお、図２７の各第１試験片Ａ−Ｅにおいて、第２試験片Ａ１−Ａ５、Ｂ１−Ｂ５、・・・の並ぶ中心線ＣＡ，ＣＢ，・・・の向きは、図２６に示される。つまり、図２６からわかるように、各中心線ＣＡ，ＣＢ，・・・はかつて半凝固層部分ＭＺだった部分ＳＰ（ＭＺ）の厚さ方向に沿った向きとしてある。

前記都合２５個の第２試験片Ａ１−Ａ５、Ｂ１−Ｂ５、・・・における、前記ケミカルトレーサとしての亜鉛の濃度を測定し、濃度ＣＡ１−ＣＡ５、ＣＢ１−ＣＢ５、・・・、ＣＥ１−ＣＥ５を得た。さらに、第１試験片Ａ−Ｅにおける前記測定点ＭＰ１乃至測定点ＭＰ５における亜鉛の濃度の平均値ａ１，ａ２，・・ａ５を下記の式から求めた。
ａ１＝（ＣＡ１＋ＣＢ１＋ＣＣ１＋ＣＤ１＋ＣＥ１）／５
ａ２＝（ＣＡ２＋ＣＢ２＋ＣＣ２＋ＣＤ２＋ＣＥ２）／５
・
・
ａ５＝（ＣＡ５＋ＣＢ５＋ＣＣ５＋ＣＤ５＋ＣＥ５）／５
つまり、前記測定点ＭＰ１乃至測定点ＭＰ５の亜鉛の濃度の平均値ａ１，ａ２，・・・は上記の式から求められた。

前記亜鉛の濃度の平均値ａ１，ａ２，・・ａ５は図２８にプロットされる。この図２８から、半凝固層部分ＭＺの厚さは約２mmであることが分かった。

このような実験を繰り返して、前記図２８に対応するグラフを複数作成した。つまり、連続鋳造において引き抜き速度（鋳造速度）をいろいろ変え、その際に得た試作品ＴＰから前記図２８に対応するグラフを複数得た。これらのグラフはほとんど図２８に示すものと同様のものとして得られた。つまり、本発明の実施形態により溶湯を攪拌しながら製品を得た場合には、半凝固層部分ＭＺの厚さが厚くなることはなかった。つまり、本発明の実施形態の装置によれば製品の引き抜き速度（鋳造速度）を上げても製品の品質が低下することはなかった。

また、図２６に示す切り出した試作品ＴＰの端面ＳＵＦ１よりＤＥＰ（７インチ）だけ下がった端面をＣＭＰを行って得た観察端面ＳＵＦ２をＳＥＭにより観察した。この観察を前記引き抜き速度（鋳造速度）を種々変えて得た試作品ＴＰについて行った。この結果、本発明の実施形態の装置により溶湯を攪拌して得た試作品ＴＰには、引き抜き速度（鋳造速度）を上げても、結晶組織が粗くなることはないのが観察された。

Claims (14)

1. 導電性金属の溶湯をモールドに流入させて製品を連続的に成形する連続鋳造装置における前記モールドに流入させる溶湯又は前記モールド中の溶湯を攪拌するための溶湯攪拌装置であって、
   溶湯中に浸漬させる上方が開放した筒状のケースと、前記ケースに収納されるパイプと、を備え、
   前記ケースは外筒と前記外筒に収納される内筒とを有し、前記外筒と前記内筒との間には冷却用の空気を流通させる隙間が形成されており、前記内筒には前記内筒の内部と前記隙間とを連通する通気孔が穿けられて、前記内筒から前記通気孔を介して前記隙間にいたる冷却空気路が構成されており、
   前記内筒の内部には、前記パイプが被挿された状態の磁場装置が収納され、前記磁場装置は、前記磁場装置からの磁力線が前記内筒及び前記外筒を貫通して溶湯に至り、又は、溶湯中を走る磁力線が前記内筒及び前記外筒を貫通して前記磁場装置に至る、強度に磁化されており、
   さらに、前記内筒及び前記外筒を貫通し、一端が前記内筒内に露呈し、他端が前記外筒外に露呈して溶湯と接することが可能な、第１の電極を有し、前記第１の電極の前記一端は前記パイプ内を走る引出線体に電気的に導通状態に接続され、
   さらに、前記外筒に取り付けられた第２の電極を備え、前記第２の電極の前記外筒への取り付け位置は、前記第２の電極と前記第１の電極との間に溶湯を介して流れる電流が前記磁力線と交叉して溶湯を縦軸の回りに回転駆動するローレンツ力を発生させる位置に設定してある、
   ことを特徴とする溶湯攪拌装置。
2. 前記第１の電極は、前記内筒の底板と前記外筒の底板を貫通した状態で前記ケースに取り付けられており、前記第２の電極は前記外筒の外周面における前記磁場装置よりも高い位置に取り付けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の溶湯攪拌装置。
3. 前記磁場装置は、横向きの線に沿って、又は、下向きの線に沿って、磁力線を出し又は受けるように磁化されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶湯攪拌装置。
4. 前記磁場装置は横向きの線に沿って及び下向きの線に沿って磁力線を出し又は受けるように磁化されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶湯攪拌装置。
5. 前記磁場装置は、横向きの線に沿って磁力線を出し又は受けるように磁化された磁石と、
   下向きの線に沿って磁力線を出し又は受けるように磁化された磁石と、を上下に積層したものとして構成されていることを特徴とする請求項４記載の溶湯攪拌装置。
6. 前記外筒は、通電により発熱する導電性材料により構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至５に記載の溶湯攪拌装置。
7. 導電性金属の溶湯をモールドに流入させて製品を連続的に成形する連続鋳造装置における前記モールドに流入させる溶湯又は前記モールド中の溶湯を攪拌するための溶湯攪拌装置であって、
   溶湯中に浸漬させる上方が開放した筒状のケースと、前記ケースに収納されるパイプと、を備え、前記パイプの下端と前記ケースの底面の内側との間に連通用の連通隙間を形成し、この連通隙間を介して前記パイプの内部と前記ケースの内部とが連通して冷却空気路が形成されており、
   前記ケースの内部には、前記パイプが被挿された状態の磁場装置が収納され、前記磁場装置は、前記磁場装置からの磁力線が前記ケースを貫通して溶湯に至り、又は、溶湯中を走る磁力線が前記ケースを貫通して前記磁場装置に至る、強度に磁化されており、
   さらに、前記ケースを貫通し、一端が前記ケースに露呈し、他端が前記ケース外に露呈して溶湯と接することが可能な、第１の電極を有し、前記第１の電極の前記一端は前記パイプ内を走る引出線体に電気的に導通状態に接続され、
   さらに、前記ケースに取り付けられた第２の電極を備え、前記第２の電極の前記ケースへの取り付け位置は、前記第２の電極と前記第１の電極との間に溶湯を介して流れる電流が前記磁力線と交叉して溶湯を縦軸の回りに回転駆動するローレンツ力を発生させる位置に設定してある、
   ことを特徴とする溶湯攪拌装置。
8. 前記第１の電極は、前記ケースの底板を貫通した状態で前記ケースに取り付けられており、前記第２の電極は前記ケースの外周面における前記磁場装置よりも高い位置に取り付けられている、ことを特徴とする請求項７に記載の溶湯攪拌装置。
9. 前記磁場装置は、横向きの線に沿って、又は、下向きの線に沿って、磁力線を出し又は受けるように磁化されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の溶湯攪拌装置。
10. 前記磁場装置は横向きの線に沿って及び下向きの線に沿って磁力線を出し又は受けるように磁化されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の溶湯攪拌装置。
11. 前記磁場装置は、横向きの線に沿って磁力線を出し又は受けるように磁化された磁石と、
    下向きの線に沿って磁力線を出し又は受けるように磁化された磁石と、を上下に積層したものとして構成されていることを特徴とする請求項１０記載の溶湯攪拌装置。
12. 前記ケースは、通電により発熱する導電性材料により構成された外筒を有している、ことを特徴とする請求項７乃至１１に記載の溶湯攪拌装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の溶湯攪拌装置と、溶解炉から溶湯を導く樋と、前記樋の底面に溶湯流入口が連通した状態に取り付けられたモールドと、を備え、前記溶湯攪拌装置はその下端側が前記樋における溶湯導出路内に挿入された状態に組み込まれていることを特徴とする連続鋳造装置システム。
14. 前記溶湯攪拌装置は、前記樋に対し、前記溶湯攪拌装置の下端部分の前記樋の前記溶湯導出路への挿入量を調節可能に保持されていることを特徴とする請求項１３に記載の連続鋳造装置システム。

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