JP2022039742A - 鋳造材の製造方法および製造装置 - Google Patents

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俊雄 羽賀
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Abstract

【課題】大掛かりな装置を必要とせず、線材を得るための工程を削減でき、高機能な線材を得るための鋳造材を製造でき、バリの発生を抑制できるとともに鋳造材の断面積を一定にすることが容易な、鋳造材の製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】溝２０を有する第１冷却ロール１０が回転している状態で溝２０に金属１００を注湯するとともに第１冷却ロール１０によって金属１００を冷却する。第１冷却ロール１０に対して注湯位置Ｐ１よりも回転方向の下流側において外周が接触しながら回転する第２冷却ロール１１によって金属１００を冷却する。注湯位置Ｐ１では金属１００が溝２０の断面の一部を満たし、第２冷却ロール１１の第１冷却ロール１０への接触位置Ｐ２では金属１００が溝２０の断面の全部を満たすように、溝２０への金属１００の注湯量が調整され、溝２０へ金属１００が注湯される。【選択図】図１

Description

本発明は、金属製線材の加工に供される鋳造材の製造方法および製造装置に関する。
金属製線材は、一般的に、鋳造された棒状の鋳造材を、多段圧延して細線化して製造される。このような金属製線材の製造方法として、従来より、プロペルチ法等を用いた鋳造装置で鋳造材を製造し、この鋳造材を多段の圧延装置で順次圧延して線材を得る方法が実施されている。特許文献１にはプロペルチ法を用いた鋳造装置の一例が開示されている。
プロペルチ法を用いた鋳造装置は、例えば特許文献１に記載されているように、溝を外周に設けた鋳造輪と、鋼製の無端ベルトとして設けられた鋼ベルトとを備えて構成されている。そして、この鋳造装置は、鋳造輪を鋼ベルトとともに回転させ、鋼ベルトと溝とにより形成される鋳型の一端に流動性を有する金属を注湯し、注湯した金属を上方から鋼ベルトで蓋をし、鋳造輪の溝と鋼ベルトの外側とから冷却し内部で凝固させて鋳造材を取り出すように構成されている。このようなプロペルチ法を用いた鋳造装置は、外周の中央部が凹んだ溝を有する直径約２０００ｍｍの鋳造輪および張力輪と、鋳造輪と張力輪との間に掛け回される鋼ベルトとを備えた巨大な装置として構成される。
一方、特許文献２、非特許文献１、及び非特許文献２においては、プロペルチ法を用いずに小型の鋳造材を製造することができる製造装置及び製造方法が開示されている。
特許文献２においては、外周面に金属が注湯される冷却ロールと、冷却ロールの両側方で回転自在に設けられた第１及び第２の側方部材と、を備えて構成された製造装置とその製造装置を用いた製造方法とが開示されている。第１及び第２の側方部材は、断熱性を有する層が設けられ、冷却ロールに注湯された金属を堰き止めるサイドダムを形成するように構成されている。
非特許文献１においては、外周面に溝を有するとともに溝に金属が注湯される下ロール、及び、下ロールに対して外周面同士が対向するように配置された上ロール、を備えた製造装置と、その製造装置を用いた製造方法とが開示されている。そして、非特許文献１に開示された製造装置及び製造方法においては、上ロールは、下ロールに対して、外周面同士がギャップを介して対向して配置され、又は、上ロールの外周面が下ロールの溝の内側に食い込んだ状態で配置される。
非特許文献２においては、外周面に溝を有するとともに溝に金属が注湯される下ロール、及び、下ロールに対して外周面同士がギャップを介して対向するように配置された上ロール、を備えた製造装置と、その製造装置を用いた製造方法とが開示されている。そして、非特許文献２に開示された製造装置及び製造方法においては、下ロールの溝に注湯されて半凝固状態となった金属の表面が上ロールと接触して冷却される。
特開昭５５－５７３６０号公報 特開２０１９－１３６７４３号公報
羽賀俊雄，外１名，"線材鋳造に関する研究"，一般社団法人日本機械学会，日本機械学会講演論文集ＮＯ．１５４－１（関西支部第９０期定時総会講演会），２０１５年３月 羽賀俊雄，"線材用鋳造輪キャスターの開発"，文部科学省平成２９年度私立大学研究ブランディング事業，大阪工業大学，令和２年２月，ｐ５９－６２
特許文献１に開示されたプロペルチ法を用いた鋳造装置は、大量生産向けの装置であり、この装置で鋳造される鋳造材の直径は一般的に１０数ｃｍ程度と太い。このため、この鋳造材を圧延して線材とするには、例えば１５段程度の三方ロール圧延を行って細線化する工程が必要であり、巨大な圧延設備を含む大掛かりな装置が必要になる。その一方で、金属製線材に対するニーズの多様化や在庫削減の観点から、近年は小ロット多品種生産の需要がある。しかし、プロペルチ法を用いた鋳造装置は、小ロット生産の場合は設備にかかるコストが見合わないため、多品種、少量生産には不向きである。また、プロペルチ法を用いた鋳造装置では、鋳造時の冷却速度が５０℃／ｓｅｃ程度と遅く、材料組織の緻密化を図ることが困難なため、高伝導性及び高強度のような高機能を有する線材を得るための鋳造材を製造することができない。
一方、特許文献２、非特許文献１、非特許文献２に開示された製造装置及び製造方法によると、プロペルチ法を用いる必要がなく、大掛かりな装置を必要とせずに小型の鋳造材を製造することができる。このため、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適した製造装置及び製造方法を得ることができる。しかし、本願発明者が、鋭意研究したところ、上記の製造装置及び製造方法には、以下の問題があることが判明した。
特許文献２に開示された装置によると、鋳造時の冷却速度として３００℃／ｓｅｃ程度の冷却速度を達成でき、プロペルチ法よりは高い冷却速度を得ることができる。しかし、特許文献２に開示された製造装置及び製造方法は、断熱性を有する回転式の側方部材によって冷却ロールからの金属の流れを堰き止めるため、より高い冷却速度を達成することが困難であった。
非特許文献１に開示された製造装置及び製造方法によると、外周面同士が対向して配置される上ロールと下ロールとの間で効率よく金属を冷却することができる。しかし、非特許文献１に開示された製造装置及び製造方法においては、上ロールと下ロールとがギャップを介して対向して配置される場合は、鋳造時の金属における上下ロールの間の部分において、不要な突起部分としてのバリが発生するという問題があった。また、上ロールの外周面が下ロールの溝の内側に食い込んだ状態で配置される場合は、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化すると、鋳造材の断面積が変動してしまうという問題があった。
非特許文献２に開示された製造装置及び製造方法によると、外周面同士が対向して配置される上ロールと下ロールとの間で効率よく金属を冷却することができる。しかし、非特許文献２に開示された製造装置及び製造方法においては、下ロールの溝に注湯されて半凝固状態となった金属の表面が上ロールと接触して冷却されるため、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化すると、鋳造材の断面積が変動してしまうという問題があった。また、非特許文献２に開示された製造装置及び製造方法においては、上ロールと下ロールとがギャップを介して対向して配置されるため、冷却ロールの周速を上げるとバリが発生し易くなってしまうという問題もあった。
そこで、本発明は、大掛かりな装置を必要とせず、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適し、鋳造時に効率よく冷却できて高機能な線材を得るための鋳造材を製造できるとともにバリの発生を抑制でき、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化しても鋳造材の断面積を一定にすることが容易な、鋳造材の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる鋳造材の製造方法は、金属製線材の加工に供される鋳造材の製造方法であって、外周面に溝を有する第１冷却ロールが回転している状態で前記溝に溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属を注湯するとともに前記第１冷却ロールによって前記金属を冷却する第１冷却工程と、前記第１冷却ロールに対して前記金属の注湯位置よりも当該第１冷却ロールの回転方向の下流側において外周が接触しながら回転する第２冷却ロールによって、溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の前記金属を冷却する第２冷却工程と、を備え、前記第１冷却工程においては、前記第１冷却ロールにおける前記金属の注湯位置では前記金属が前記溝の断面の一部を満たし、且つ、前記第２冷却ロールの前記第１冷却ロールへの接触位置では前記金属が前記溝の断面の全部を満たすように、前記溝への前記金属の注湯量が調整され、前記溝へ前記金属が注湯されることを特徴とする。尚、金属としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅、例えば真鍮のような銅合金、等を挙げることができる。
上記の構成によると、回転する第１冷却ロールの外周面の溝に金属が注湯され、溝の底面部及び両側壁部によって金属が冷却される。更に、溝の内側で溝とともに回転方向の下流側に移動する金属は、第１冷却ロールの回転方向の下流側において、第１冷却ロールに対して外周が接触しながら回転する第２冷却ロールの外周面によっても冷却される。これにより、第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、第１冷却ロールと第２冷却ロールとによって冷却されて鋳造され、溝の断面積に対応した小型の鋳造材が製造される。よって、上記の構成によると、プロペルチ法を用いる必要がなく、大掛かりな装置を必要とせずに小型の鋳造材を製造することができる。このため、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適した製造方法を得ることができる。
また、上記の構成によると、回転する第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、第１冷却ロールの溝の底面部及び両側壁部によって急冷される。また、第１冷却ロールの溝に注湯される金属は、第１冷却ロールへの注湯位置において金属が溝の断面の一部を満たすように溝に対して注湯される。このため、注湯された金属は、溝の両側壁部から効率よく抜熱されて急冷されることになる。更に、第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、溝の底面部及び両側壁部によって効率よく急冷されることに加え、第１冷却ロールに外周が接触しながら回転する第２冷却ロールの外周面によっても効率よく急冷される。このため、上記の構成によると、５００℃／ｓｅｃ程度の速い冷却速度を容易に実現でき、材料組織の緻密化を図ることができるため、高伝導性及び高強度のような高機能を有する線材を得るための鋳造材を容易に製造することができる。
また、上記の構成によると、第１冷却ロールへの金属の注湯位置では金属が溝の断面の一部を満たし、且つ、第２冷却ロールの第１冷却ロールへの接触位置では金属が溝の断面の全部を満たすように、溝への金属の注湯量が調整される。このため、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化した場合であっても、第１冷却ロールと第２冷却ロールとの接触位置を通過して鋳造された金属の断面形状は、溝の断面形状に対応した形状となる。これにより、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化しても鋳造材の断面積を容易に一定にすることができる。また、第１冷却ロールに注湯された金属は、第１冷却ロールの溝と第２冷却ロールの外周面とで区画された断面を満たす状態で鋳造されて成形されるため、バリの発生が抑制される。
したがって、上記の構成によると、大掛かりな装置を必要とせず、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適し、鋳造時に効率よく冷却できて高機能な線材を得るための鋳造材を製造できるとともにバリの発生を抑制でき、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化しても鋳造材の断面積を一定にすることが容易な、鋳造材の製造方法を提供することができる。
（２）前記溝の断面積が、前記第１冷却ロールに前記金属を注湯する注湯部における前記金属の注湯口の開口面積よりも大きくなるように設定されており、前記第１冷却工程においては、前記注湯口を通過する前記金属の通過速度が、前記第１冷却ロールの外周部の周速よりも速くなるように調整されることで、前記溝への前記金属の注湯量が調整されてもよい。
上記の構成によると、溝の断面積が注湯部における金属の注湯口の開口面積よりも大きく設定される。そして、金属の注湯口の通過速度が第１冷却ロールの外周部の周速よりも相対的に速くなるように第１冷却ロールの周速を調整するだけで、溝への金属の注湯量を容易に調整することができる。即ち、上記の構成によると、注湯位置では金属が溝の断面の一部を満たし、接触位置では金属が溝の断面の全部を満たすように溝への金属の注湯量を調整することを、金属の注湯口の通過速度に対して第１冷却ロールの周速を相対的に調整するだけで容易に行うことができる。
（３）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる鋳造材の製造方法は、金属製線材の加工に供される鋳造材の製造方法であって、外周面に溝を有する第１冷却ロールが回転している状態で前記溝に溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属を注湯するとともに前記第１冷却ロールによって前記金属を冷却する第１冷却工程と、前記第１冷却ロールに対して前記金属の注湯位置よりも当該第１冷却ロールの回転方向の下流側において外周が接触しながら回転する第２冷却ロールによって、溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の前記金属を冷却する第２冷却工程と、を備え、前記第１冷却工程においては、前記第１冷却ロールにおける前記金属の注湯位置と前記第２冷却ロールの前記第１冷却ロールへの接触位置との間において前記溝の断面積よりも前記溝の内側の前記金属の断面積が小さくなり、且つ、前記接触位置では前記金属が前記溝の断面の全部を満たすように、前記溝への前記金属の注湯量が調整されて前記溝へ前記金属が注湯されることを特徴とする。尚、金属としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅、例えば真鍮のような銅合金、等を挙げることができる。
上記の構成によると、回転する第１冷却ロールの外周面の溝に金属が注湯され、溝の底面部及び両側壁部によって金属が冷却される。更に、溝の内側で溝とともに回転方向の下流側に移動する金属は、第１冷却ロールの回転方向の下流側において、第１冷却ロールに対して外周が接触しながら回転する第２冷却ロールの外周面によっても冷却される。これにより、第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、第１冷却ロールと第２冷却ロールとによって冷却されて鋳造され、溝の断面積に対応した小型の鋳造材が製造される。よって、上記の構成によると、プロペルチ法を用いる必要がなく、大掛かりな装置を必要とせずに小型の鋳造材を製造することができる。このため、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適した製造方法を得ることができる。
また、上記の構成によると、回転する第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、第１冷却ロールの溝の底面部及び両側壁部によって効率よく急冷される。また、第１冷却ロールの溝に注湯される金属は、第１冷却ロールへの注湯位置と第２冷却ロールの第１冷却ロールへの接触位置との間において溝の断面積よりも溝の内側の金属の断面積が小さくなるように溝に対して注湯される。このため、注湯された金属は、溝の両側壁部から効率よく抜熱されて急冷されることになる。更に、第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、溝の底面部及び両側壁部によって効率よく急冷されることに加え、第１冷却ロールに外周が接触しながら回転する第２冷却ロールの外周面によっても効率よく急冷される。このため、上記の構成によると、５００℃／ｓｅｃ程度の速い冷却速度を容易に実現でき、材料組織の緻密化を図ることができるため、高伝導性及び高強度のような高機能を有する線材を得るための鋳造材を容易に製造することができる。
また、上記の構成によると、第１冷却ロールへの注湯位置と第２冷却ロールの第１冷却ロールへの接触位置との間において溝の断面積よりも溝の内側の金属の断面積が小さくなり、且つ、第２冷却ロールの第１冷却ロールへの接触位置では金属が溝の断面の全部を満たすように、溝への金属の注湯量が調整される。このため、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化した場合であっても、第１冷却ロールと第２冷却ロールとの接触位置を通過して鋳造された金属の断面形状は、溝の断面形状に対応した形状となる。これにより、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化しても鋳造材の断面積を容易に一定にすることができる。また、第１冷却ロールに注湯された金属は、第１冷却ロールの溝と第２冷却ロールの外周面とで区画された断面を満たす状態で鋳造されて成形されるため、バリの発生が抑制される。
したがって、上記の構成によると、大掛かりな装置を必要とせず、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適し、鋳造時に効率よく冷却できて高機能な線材を得るための鋳造材を製造できるとともにバリの発生を抑制でき、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化しても鋳造材の断面積を一定にすることが容易な、鋳造材の製造方法を提供することができる。
（４）また、上述したいずれかの鋳造材の製造方法において、前記第１冷却工程においては、前記注湯位置において前記金属が前記溝の断面の一部を満たし、且つ、前記接触位置に対して前記第１冷却ロールの回転方向の上流側の領域であって前記第１冷却ロールの外周と前記第２冷却ロールの外周との間の領域で前記金属が前記溝の縁部よりも盛り上がった状態で前記接触位置において前記金属が前記溝の断面の全部を満たすように、前記溝への前記金属の注湯量が調整され、前記溝へ前記金属が注湯されてもよい。
上記の構成によると、接触位置の上流側で第１冷却ロールと第２冷却ロールとの間に金属が溝の縁部よりも盛り上がった部分を形成することで、接触位置への金属の流入状態を視覚的に確認しながら、溝への金属の注湯量を容易に調整することができる。即ち、上記の構成によると、注湯位置では金属が溝の断面の一部を満たし、接触位置では金属が溝の断面の全部を満たすように溝への金属の注湯量を調整することを、接触位置の上流側の第１及び第２冷却ロール間で金属が溝の縁部よりも盛り上がった部分を形成するように金属を注湯することで、容易に行うことができる。
（５）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる鋳造材の製造方法は、金属製線材の加工に供される鋳造材の製造方法であって、外周面に溝を有する第１冷却ロールが回転している状態で前記溝に溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属を注湯するとともに前記第１冷却ロールによって前記金属を冷却する第１冷却工程と、前記第１冷却ロールに対して前記金属の注湯位置よりも当該第１冷却ロールの回転方向の下流側において外周が接触しながら回転する第２冷却ロールによって、溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の前記金属を冷却する第２冷却工程と、を備え、前記第１冷却工程においては、前記第１冷却ロールに前記金属を注湯する注湯部における前記金属の注湯口の開口面積と前記注湯口を通過する前記金属の通過速度との積と、前記第２冷却ロールの前記第１冷却ロールへの接触位置における前記溝と前記第２冷却ロールの外周とで囲まれた領域の断面積と前記第１冷却ロールの外周部の周速との積とが、同じになるように、前記溝への前記金属の注湯量が調整され、前記溝へ前記金属が注湯されることを特徴とする。尚、金属としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅、例えば真鍮のような銅合金、等を挙げることができる。
上記の構成によると、回転する第１冷却ロールの外周面の溝に金属が注湯され、溝の底面部及び両側壁部によって金属が冷却される。更に、溝の内側で溝とともに回転方向の下流側に移動する金属は、第１冷却ロールの回転方向の下流側において、第１冷却ロールに対して外周が接触しながら回転する第２冷却ロールの外周面によっても冷却される。これにより、第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、第１冷却ロールと第２冷却ロールとによって冷却されて鋳造され、溝の断面積に対応した小型の鋳造材が製造される。よって、上記の構成によると、プロペルチ法を用いる必要がなく、大掛かりな装置を必要とせずに小型の鋳造材を製造することができる。このため、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適した製造方法を得ることができる。
また、上記の構成によると、回転する第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、第１冷却ロールの溝の底面部及び両側壁部によって効率よく急冷される。また、第１冷却ロールの溝に注湯される金属は、単位時間あたりに注湯部の注湯口から注湯される金属の注湯量と、第２冷却ロールの第１冷却ロールへの接触位置において第２冷却ロールの外周と溝とで囲まれた領域を単位時間あたりに通過する金属の量とが、同じとなるように、注湯量が調整され、溝に注湯される。このため、第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、溝の底面部及び両側壁部によって効率よく急冷されることに加え、第１冷却ロールに外周が接触しながら回転する第２冷却ロールの外周面によっても効率よく急冷される。これにより、上記の構成によると、５００℃／ｓｅｃ程度の速い冷却速度を容易に実現でき、材料組織の緻密化を図ることができるため、高伝導性及び高強度のような高機能を有する線材を得るための鋳造材を容易に製造することができる。
また、上記の構成によると、注湯部の注湯口の開口面積と金属の注湯口の通過速度との積と、第２冷却ロールの第１冷却ロールへの接触位置において溝と第２冷却ロールの外周とで囲まれた領域の断面積と第１冷却ロールの外周部の周速との積とが、同じになるように、溝への金属の注湯量が調整される。このため、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化した場合であっても、第１冷却ロールと第２冷却ロールとの接触位置を通過して鋳造された金属の断面形状は、溝の断面形状に対応した形状となる。これにより、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化しても鋳造材の断面積を容易に一定にすることができる。また、第１冷却ロールに注湯された金属は、第１冷却ロールの溝と第２冷却ロールの外周面とで区画された断面に対応する形状で鋳造されて成形されるため、バリの発生が抑制される。
したがって、上記の構成によると、大掛かりな装置を必要とせず、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適し、鋳造時に効率よく冷却できて高機能な線材を得るための鋳造材を製造できるとともにバリの発生を抑制でき、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化しても鋳造材の断面積を一定にすることが容易な、鋳造材の製造方法を提供することができる。
（６）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる鋳造材の製造装置は、金属製線材の加工に供される鋳造材の製造装置であって、外周面に溝を有し、回転している状態で前記溝に溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属が注湯されて前記金属を冷却する第１冷却ロールと、前記第１冷却ロールに対して前記金属の注湯位置よりも当該第１冷却ロールの回転方向の下流側において外周が接触しながら回転し、溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の前記金属を冷却する第２冷却ロールと、前記第１冷却ロールの前記溝に前記金属を注湯する注湯部と、を備え、前記注湯部は、前記第１冷却ロールにおける前記金属の注湯位置では前記金属が前記溝の断面の一部を満たし、且つ、前記第２冷却ロールの前記第１冷却ロールへの接触位置では前記金属が前記溝の断面の全部を満たすように、前記溝への前記金属の注湯量を調整した状態で、前記溝へ前記金属を注湯することを特徴とする。尚、金属としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅、例えば真鍮のような銅合金、等を挙げることができる。
上記の構成によると、回転する第１冷却ロールの外周面の溝に金属が注湯され、溝の底面部及び両側壁部によって金属が冷却される。更に、溝の内側で溝とともに回転方向の下流側に移動する金属は、第１冷却ロールの回転方向の下流側において、第１冷却ロールに対して外周が接触しながら回転する第２冷却ロールの外周面によっても冷却される。これにより、第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、第１冷却ロールと第２冷却ロールとによって冷却されて鋳造され、溝の断面積に対応した小型の鋳造材が製造される。よって、上記の構成によると、プロペルチ法を用いる必要がなく、大掛かりな装置を必要とせずに小型の鋳造材を製造することができる。このため、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適した製造装置を得ることができる。
また、上記の構成によると、回転する第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、第１冷却ロールの溝の底面部及び両側壁部によって急冷される。また、第１冷却ロールの溝に注湯される金属は、第１冷却ロールへの注湯位置において金属が溝の断面の一部を満たすように溝に対して注湯される。このため、注湯された金属は、溝の両側壁部から効率よく抜熱されて急冷されることになる。更に、第１冷却ロールの溝に注湯された金属は、溝の底面部及び両側壁部によって効率よく急冷されることに加え、第１冷却ロールに外周が接触しながら回転する第２冷却ロールの外周面によっても効率よく急冷される。このため、上記の構成によると、５００℃／ｓｅｃ程度の速い冷却速度を容易に実現でき、材料組織の緻密化を図ることができるため、高伝導性及び高強度のような高機能を有する線材を得るための鋳造材を容易に製造することができる。
また、上記の構成によると、第１冷却ロールへの金属の注湯位置では金属が溝の断面の一部を満たし、且つ、第２冷却ロールの第１冷却ロールへの接触位置では金属が溝の断面の全部を満たすように、溝への金属の注湯量が調整される。このため、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化した場合であっても、第１冷却ロールと第２冷却ロールとの接触位置を通過して鋳造された金属の断面形状は、溝の断面形状に対応した形状となる。これにより、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化しても鋳造材の断面積を容易に一定にすることができる。また、第１冷却ロールに注湯された金属は、第１冷却ロールの溝と第２冷却ロールの外周面とで区画された断面を満たす状態で鋳造されて成形されるため、バリの発生が抑制される。
したがって、上記の構成によると、大掛かりな装置を必要とせず、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適し、鋳造時に効率よく冷却できて高機能な線材を得るための鋳造材を製造できるとともにバリの発生を抑制でき、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化しても鋳造材の断面積を一定にすることが容易な、鋳造材の製造装置を提供することができる。
本発明によれば、大掛かりな装置を必要とせず、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適し、鋳造時に効率よく冷却できて高機能な線材を得るための鋳造材を製造できるとともにバリの発生を抑制でき、注湯される金属の温度及び冷却ロールの温度が変化しても鋳造材の断面積を一定にすることが容易な、鋳造材の製造方法及び製造装置を提供することが可能になる。
金属製線材の加工に供される鋳造材の製造装置の一例を示す模式図である。 図１に示される鋳造材の製造装置を上方から見た模式図である。 鋳造材の製造装置における第１冷却ロールの一部を示す模式図であって、第１冷却ロールの径方向と平行な方向から見た図である。 図１に示される鋳造材の製造装置の一部を拡大して模式的に示す断面図である。 図４に示される鋳造材の製造装置の一部の断面を模式的に示す断面図であって、（Ａ）は図４のＡ－Ａ線矢視位置での断面図であり、（Ｂ）は図４のＢ－Ｂ線矢視位置での断面図であり、（Ｃ）は図４のＣ－Ｃ線矢視位置での断面図であり、（Ｄ）は図４のＤ－Ｄ線矢視位置での断面図である。 金属製線材の加工に供される鋳造材の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図１に示される鋳造材の製造装置によって製造した鋳造材の断面図である。 図１に示される鋳造材の製造装置によって製造した鋳造材の一部の平面図である。 図１に示される鋳造材の製造装置によって製造した鋳造材の一部の底面図である。 図１に示される鋳造材の製造装置によって製造した鋳造材を一巻きのコイル状に巻いた状態で示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
［１．鋳造材の製造装置］
図１は、金属製線材の加工に供される鋳造材の製造装置１の一例を示す模式図であって、本発明の実施形態に係る鋳造材の製造装置１（以下、「鋳造材の製造装置１」について、単に「製造装置１」とも称する）の模式図である。図２は、図１に示される製造装置１を上方から見た模式図である。図３は、製造装置１における第１冷却ロール１０の一部を示す模式図であって、第１冷却ロール１０の径方向と平行な方向から見た図である。図４は、図１に示される製造装置１の一部を拡大して模式的に示す断面図である。図５は、図４に示される製造装置１の一部の断面を模式的に示す断面図であって、（Ａ）は図４のＡ－Ａ線矢視位置での断面図であり、（Ｂ）は図４のＢ－Ｂ線矢視位置での断面図であり、（Ｃ）は図４のＣ－Ｃ線矢視位置での断面図であり、（Ｄ）は図４のＤ－Ｄ線矢視位置での断面図である。尚、図１，２，４，５は、製造装置１によって金属１００が鋳造されて鋳造材１１０が製造されている状態を示している。
図１及び図２に示されるように、金属製線材の加工に供される鋳造材の製造装置１は、第１冷却ロール１０と、第２冷却ロール１１と、注湯部１２と、を少なくとも備えて構成されている。そして、製造装置１においては、第１冷却ロール１０の外周面に注湯部１２から注湯された金属１００が第１冷却ロール１０によって冷却されて凝固しつつ第１冷却ロール１０の回転方向に沿って詰まることなくスムーズに移動し、更に第２冷却ロール１１によっても冷却され、金属製線材の加工に供される鋳造材１１０が製造される。
［１－１．第１冷却ロール］
第１冷却ロール１０は、外周面に溝２０を有し、回転している状態で溝２０に溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属１００が注湯されて金属１００を冷却するロールとして構成されている。第１冷却ロール１０の回転軸は、水平方向に沿って延びるように設置されている。即ち、第１冷却ロール１０は、水平軸回りに回転するように設けられている。また、第１冷却ロール１０の回転軸は、回転速度（回転数）を所定の速度範囲内で任意に設定可能な電動モータによって回転駆動されるように構成されている。
第１冷却ロール１０は、従来のプロペルチ法で用いられる冷却ロールのような大型ロール（ロール直径寸法約２０００ｍｍ、ロール幅寸法約１００ｍｍ）ではなく、例えば、ロール直径寸法が約６００ｍｍ、ロール幅寸法（即ち、回転軸と平行な方向である幅方向の寸法）が４０ｍｍ以下、好ましくはロール幅寸法が２０ｍｍ以下、より好ましくはロール幅寸法が１０ｍｍ以下の小型ロールである。また、第１冷却ロール１０は、注湯された溶湯状態或いは半凝固状態の金属１００の冷却に適した素材によって構成されており、例えば、銅または銅合金、軟鋼、等によって構成されている。尚、第１冷却ロール１０は、溶湯状態又は半凝固状態の金属１００の冷却効率を高めるために、銅製が好ましく、また、例えば、水冷式等の冷却装置によって更に効率的に冷却されるように構成されてもよい。
第１冷却ロール１０の外周面には、溝２０が設けられている。溝２０は、第１冷却ロール１０の外周の全周に亘って周方向に延びるように形成されている。溝２０の断面形状は、台形形状に形成されている。即ち、第１冷却ロール１０の外周面と第１冷却ロール１０の回転軸を含む平面とが交わる線は、台形の上底及び下底の一方となる線分と台形の一対の脚となる線分とを含んで構成される。尚、本実施形態では、溝２０の断面形状は、等脚台形の形状に形成されている。図３を参照して、溝２０の表面は、台形の断面形状における上底及び下底の一方を区画する底面部２０ａと、台形の断面形状における一対の脚のそれぞれを区画する側壁部２０ｂと、によって区画されている。また、第１冷却ロール１０の外周面において、溝２０に対する幅方向の両側には、溝２０の縁部２０ｃがそれぞれ設けられている。第１冷却ロール１０の外周面は、底面部２０ａの表面、側壁部２０ｂの表面、及び縁部２０ｃの表面によって構成されている。
第１冷却ロール１０に対しては、溝２０において、後述の注湯部１２から溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属１００が、注湯される。第１冷却ロール１０における金属１００が注湯される位置である注湯位置Ｐ１は、水平軸回りで回転する第１冷却ロール１０の外周における最も高さが高い位置である頂点位置Ｐ０に対して、第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１における上流側に設定される。尚、図１及び図３では、第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１が矢印Ｘ１で示されている。また、図１では、第１冷却ロール１０における注湯位置Ｐ１は、第１冷却ロール１０の頂点位置Ｐ０に対して、第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の上流側に向かって周方向に沿って距離Ｌ１だけ離れた位置に設定されている。頂点位置Ｐ０から注湯位置Ｐ１までの第１冷却ロール１０の外周に沿った距離Ｌ１は、第１冷却ロール１０のロール直径寸法が６００ｍｍでロール幅寸法が１０ｍｍの場合であれば、例えば、６０ｍｍに設定される。
［１－２．第２冷却ロール］
第２冷却ロール１１は、第１冷却ロール１０に対して金属の注湯位置Ｐ１よりも第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の下流側において外周が接触しながら回転し、溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属１００を冷却するロールとして構成されている。第２冷却ロール１１の回転軸は、第１冷却ロール１０よりも上方に設置され、水平方向に沿って延びるように設置されている。即ち、第２冷却ロール１１は、第１冷却ロール１０の上方で水平軸回りに回転するように設けられている。また、第２冷却ロール１１の回転軸は、回転速度（回転数）を所定の速度範囲内で任意に設定可能な電動モータによって回転駆動されるように構成されている。
第２冷却ロール１１は、第１冷却ロール１０よりもロール直径寸法が小さいロールとして設けられ、例えば、ロール直径寸法が約３００ｍｍのロールとして構成されている。そして、第２冷却ロール１１は、例えば、ロール幅寸法が第１冷却ロール１０のロール幅寸法と同じ寸法となるように設定されている。また、第２冷却ロール１１は、溶湯状態或いは半凝固状態の金属１００の冷却に適した素材によって構成されており、例えば、銅または銅合金、軟鋼、等によって構成されている。尚、第２冷却ロール１１は、溶湯状態又は半凝固状態の金属１００の冷却効率を高めるために、銅製が好ましく、また、例えば、水冷式等の冷却装置によって更に効率的に冷却されるように構成されてもよい。
また、第２冷却ロール１１の外周は、高さの低い円柱の外周の形状に形成されている。第２冷却ロール１１の外周面２１は、高さの低い円柱の表面として形成され、溝が無く円周方向に平坦に延びる面である。このため、第２冷却ロール１１の外周面２１と第２冷却ロール１１の回転軸を含む平面とが交わる線は、直線となる。また、第２冷却ロール１１は、第１冷却ロール１０に対して外周が接触しながら回転するように設置されている。より具体的には、第２冷却ロール１１は、その外周面２１が、第１冷却ロール１０の外周面の縁部２０ｃと当接して接触した状態で、回転するように設置されている。このため、第２冷却ロール１１の回転軸と第１冷却ロール１０の回転軸とは、互いに平行に延びるように設置されているとともに、互いの距離が、第２冷却ロール１１のロール半径寸法と第１冷却ロール１０のロール半径寸法との和と一致した状態で、設置されている。また、第２冷却ロール１１と第１冷却ロール１０とは、外周同士が接触した状態で回転するとともに、ロール幅寸法が同じに設定される。このため、第２冷却ロール１１は、第１冷却ロール１０に対して、上下方向に沿って広がる同一平面に沿って配置される。尚、本実施形態では、第２冷却ロール１１のロール幅寸法が、第１冷却ロール１０のロール幅寸法と同じに設定された形態を例示したが、この通りでなくてもよい。第２冷却ロール１１のロール幅寸法は、第１冷却ロール１０のロール幅寸法よりも大きく設定されてもよい。或いは、第２冷却ロール１１のロール幅寸法は、第１冷却ロール１０のロール幅寸法よりも小さく設定される場合であっても、第１冷却ロール１０の溝２０の幅よりも大きくて溝２０の縁部２０ｃと当接するように設定される形態であればよい。
また、第２冷却ロール１１は、第１冷却ロール１０に対して、注湯位置Ｐ１よりも第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の下流側の位置において、外周面２１が接触する。そして、第２冷却ロール１１が第１冷却ロール１０に対して接触する位置である接触位置Ｐ２は、第１冷却ロール１０の頂点位置Ｐ０に対して、第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の下流側に設定される。また、図１では、第２冷却ロール１１の第１冷却ロール１０への接触位置Ｐ２は、第１冷却ロール１０の頂点位置Ｐ０に対して、第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の下流側に向かって周方向に沿って距離Ｌ２だけ離れた位置に設定されている。頂点位置Ｐ０から接触位置Ｐ２までの第１冷却ロール１０の外周に沿った距離Ｌ２は、例えば、距離Ｌ１と同じに設定され、第１冷却ロール１０のロール直径寸法が６００ｍｍでロール幅寸法が１０ｍｍの場合であれば、例えば、６０ｍｍに設定される。
第２冷却ロール１１は、第１冷却ロール１０に対して、接触位置Ｐ２で接触した状態で、回転方向Ｘ２に回転する。尚、図１及び図３では、第２冷却ロール１１の回転方向Ｘ２が矢印Ｘ２で示されている。第２冷却ロール１１の回転方向Ｘ２は、第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１とは逆方向に設定される。第１冷却ロール１０の回転軸及び第２冷却ロール１１の回転軸と平行な方向から見た状態で、例えば、第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１が反時計回り方向であれば、第２冷却ロール１１の回転方向Ｘ２は時計回り方向に設定される。第２冷却ロール１１の第１冷却ロール１０への接触位置Ｐ２では、溝２０に注湯されて第１冷却ロール１０によって冷却されながら第１冷却ロール１０の回転とともに移動してきた金属１００は、第２冷却ロール１１の外周面２１とも接触する。金属１００は、第２冷却ロール１１に接触して第２冷却ロール１１によっても冷却されることで、鋳造が完了し、鋳造材１１０として成形される。成形された鋳造材１１０は、互いに逆方向に回転する第１冷却ロール１０と第２冷却ロール１１とによって回転方向（Ｘ１，Ｘ２）の下流側に送られる。そして、接触位置Ｐ２から第１冷却ロール１０及び第２冷却ロール１１の回転方向（Ｘ１，Ｘ２）の下流側に送られた鋳造材１１０は、第１冷却ロール１０の溝２０から離間（離型）する。
［１－３．注湯部］
注湯部１２は、第１冷却ロール１０の溝２０に対して金属１００を注湯する機構として構成されている。注湯部１２は、溶解炉（図示省略）で溶解された溶湯状態の金属１００を貯留するタンディッシュ２２ａ、及び、タンディッシュ２２ａの下部に設けられてタンディッシュ２２ａの内部と連通するノズル２２ｂ、を少なくとも備えて構成されている。
注湯部１２においては、溶湯状態でタンディッシュ２２ａに貯留された金属１００が、ノズル２２ｂから出湯され、第１冷却ロール１０の溝２０へと注湯される。尚、本実施形態では、ノズル２２ｂと第１冷却ロール１０との間には、ノズル２２ｂから出湯した金属１００が流動する樋１３が設置されている。本実施形態では、注湯部１２は、ノズル２２ｂから金属１００を出湯し、樋１３を介して、第１冷却ロール１０の溝２０に注湯するように構成されている。尚、樋１３は、ノズル２２ｂの下方において、第１冷却ロール１０の溝２０に向かって斜め下方に延びるように設けられている。そして、樋１３は、ノズル２２ｂから出湯して樋１３に沿って斜め下方に金属１００が流動する方向を横切る断面がＶ字状であり、樋１３の下端の出口付近では、流動する金属１００の幅が第１冷却ロール１０の溝２０の幅よりも小さい。尚、本実施形態では、ノズル２２ｂと第１冷却ロール１０との間に樋１３が設置され、注湯部１２が、ノズル２２ｂから出湯した金属１００を樋１３を介して第１冷却ロール１０の溝２０に注湯するように構成された形態を例示したが、この例に限られなくてもよい。例えば、樋１３が設置されておらず、ノズル２２ｂが第１冷却ロール１０の溝２０により近接して配置された形態が実施されてもよい。この形態の場合、ノズル２２ｂと第１冷却ロール１０との間には樋１３が無く、注湯部１２は、ノズル２２ｂから出湯した金属１００をノズル２２ｂから直接に第１冷却ロール１０の溝２０に注湯するように構成される。
ノズル２２ｂには、タンディッシュ２２ａの内部と連通するとともに外部に開口して金属１００を出湯する注湯口２２ｃが設けられている（図２を参照）。注湯口２２ｃの開口面積は、粘性を有する溶湯状態の金属１００がスムーズに押し出されるために必要な面積以上に設定され、例えば、６ｍｍ２以上に設定される。また、本実施形態では、ノズル２２ｂの注湯口２２ｃの開口面積が設定されると、注湯口２２ｃから出湯した金属１００が注湯される第１冷却ロール１０の溝２０の断面積の方が注湯口２２ｃの開口面積よりも大きくなるように、溝２０の断面積が設定される。
また、注湯部１２においては、注湯部１２による注湯時におけるノズル２２ｂの注湯口２２ｃから第１冷却ロール１０へ注湯する金属１００の注湯量（単位時間あたりの金属１００の注湯量）は、一定の注湯量となるように調整される。より具体的には、タンディッシュ２２ａの内部における溶湯状態の金属１００の液面レベル（即ち、タンディッシュ２２ａの内部における溶湯状態の金属１００のノズル２２ｂの位置からの液面高さ）が一定となるように制御される。これにより、タンディッシュ２２ａ内に貯留された金属１００からノズル２２ｂに作用する圧力が一定となり、ノズル２２ｂの注湯口２２ｃから注湯される金属１００の注湯量が一定に調整される。
また、注湯部１２においては、ノズル２２ｂの注湯口２２ｃを通過する金属１００の通過速度が、第１冷却ロール１０の外周部の周速よりも速くなるように調整されることで、溝２０への金属の注湯量が調整される。この調整においては、金属１００の注湯口２２ｃの通過速度が第１冷却ロール１０の外周部の周速よりも相対的に速くなればよい。このため、金属１００の注湯口２２ｃの通過速度を設定した上でその通過速度よりも第１冷却ロール１０の外周部の周速を遅く設定してもよいし、第１冷却ロール１０の外周部の周速を設定した上でその周速よりも金属１００の注湯口２２ｃの通過速度を速く設定してもよい。尚、第１冷却ロール１０の外周部は、第１冷却ロール１０の外周面を区画している部分であって、第１冷却ロール１０における溝２０を形成している部分として構成される。ノズル２２ｂの注湯口２２ｃを通過する金属１００の通過速度との関係で規定される第１冷却ロール１０の外周部の周速としては、第１冷却ロール１０の外周面のうちのいずれかの部分の周速を用いることができる。例えば、第１冷却ロール１０の外周面のうちの底面部２０ａの周速が用いられてもよい。或いは、第１冷却ロール１０の外周面のうちの縁部２０ｃの周速が用いられてもよい。また或いは、第１冷却ロール１０の外周面のうちの側壁部２０ｂにおける所定の位置の周速が用いられてもよい。
製造装置１においては、上述のように、第１冷却ロール１０の溝２０の断面積が、注湯部１２のノズル２２ｂの注湯口２２ｃの開口面積よりも大きく設定され、注湯口２２ｃを通過する金属１００の通過速度が、第１冷却ロール１０の外周部の周速よりも速くなるように、金属１００の注湯量が調整される。このため、注湯部１２の注湯口２２ｃから第１冷却ロール１０の溝２０へ注湯されて溝２０の内側で溝２０とともに第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の下流側に移動する金属１００における移動方向に垂直な断面の面積は、徐々に大きくなる。即ち、溝２０の内側で溝２０とともに第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の下流側に移動する金属１００は、回転方向Ｘ１の下流側に移動するにしたがって、溝２０の断面において占める面積の割合が大きくなる。よって、溝２０の断面において金属１００が占める面積の割合は、注湯位置Ｐ１から接触位置Ｐ２へと金属１００が近づくと、図５（Ａ）～（Ｃ）に示すように、徐々に大きくなる。このため、注湯口２２ｃを通過する金属１００の通過速度と第１冷却ロール１０の外周部の周速との関係を調整することで、接触位置Ｐ２において溝２０の断面の全部が満たされた状態となるように、注湯部１２からの金属１００の注湯量を容易に調整することができる。そして、注湯部１２においては、図５（Ａ）に示すように、注湯位置Ｐ１では金属１００が溝２０の断面の一部を満たし、且つ、図５（Ｄ）に示すように、接触位置Ｐ２では金属１００が溝２０の断面の全部を満たすように、溝２０への金属１００の注湯量を調整した状態で、溝２０への金属１００の注湯が行われる。
溝２０への金属１００の注湯量の調整は、注湯位置Ｐ１及び接触位置Ｐ２における金属１００の流動状態を目視で確認しながら、注湯口２２ｃでの金属１００の通過速度及び第１冷却ロール１０の外周部の周速における一方を他方に対して調整することで、容易に行うことができる。これにより、金属１００が注湯位置Ｐ１では溝２０の断面の一部を満たして接触位置Ｐ２では溝２０の断面の全部を満たすように溝２０への金属１００の注湯量が調整される。尚、注湯口２２ｃでの金属１００の通過速度は、タンディッシュ２２ａにおける金属１００の液面レベルを変更することで、調整される。また、第１冷却ロール１０の外周部の周速は、第１冷却ロール１０を駆動する電動モータの回転数を変更することで、調整される。
また、溝２０への金属１００の注湯量の調整は、上述のように注湯位置Ｐ１及び接触位置Ｐ２における金属１００の流動状態を目視で確認しながら行う調整方法によらず、他の調整方法によって行うこともできる。他の調整方法としては、注湯口２２ｃを通過する金属１００の通過体積速度と接触位置Ｐ２を通過する金属１００の通過体積速度とを一致させるように、金属１００の注湯口２２ｃの通過速度と第１冷却ロール１０の外周部の周速とを予め設定する調整方法を選択することができる。
上記の他の調整方法の場合、具体的には、注湯口２２ｃの開口面積と注湯口２２ｃを通過する金属１００の通過速度との積と、接触位置Ｐ２における溝２０と第２冷却ロール１１の外周とで囲まれた領域の断面積と第１冷却ロール１０の外周部の周速との積とが、同じになるように、金属１００の注湯口２２ｃの通過速度と第１冷却ロール１０の外周部の周速とが設定される。これにより、金属１００の注湯口２２ｃ及び接触位置Ｐ２での通過体積速度が一致するように溝２０への金属１００の注湯量が調整される。尚、接触位置Ｐ２における溝２０と第２冷却ロール１１の外周とで囲まれた領域は、接触位置Ｐ２において、溝２０の底面部２０ａ及び両側壁部２０ｂと第２冷却ロール１１の外周面２１とで囲まれた領域となる。
［２．鋳造材の製造方法］
次に、本実施形態の製造装置１を用いて行われる本実施形態の鋳造材の製造方法について説明する。図６は、金属製線材の加工に供される鋳造材の製造方法の一例を示すフローチャートであって、本発明の実施形態に係る鋳造材の製造方法（以下、「鋳造材の製造方法」について、単に「製造方法」とも称する）のフローチャートである。尚、以下の説明においては、フローチャートとともにフローチャート以外の図も適宜参照しながら説明する。
本実施形態の製造方法において鋳造材の製造に用いられる金属としては、例えば、Ａｌ（アルミニウム）系金属、Ｍｇ（マグネシウム）系金属、Ｃｕ（銅）系金属、Ｚｎ（亜鉛）系金属等が挙げられるが、本実施形態の製造方法の適用は、特定の金属に限定されるものではない。例えばＡｌ系金属を溶解炉で溶解して鋳造材を製造する場合、約７００℃で溶解したアルミニウム系の金属１００を注湯部１２のタンディッシュ２２ａに貯留する。そして、タンディッシュ２２ａにおいて溶湯状態の金属１００の貯留を継続しながら、本実施形態の製造方法によって連続的に鋳造を行って鋳造材１１０を製造する。
鋳造材１１０の製造においては、まず、注湯部１２から回転している第１冷却ロール１０へ金属が注湯される（ステップＳ１０１）。このとき、注湯部１２においてタンディッシュ２２ａに連通したノズル２２ｂの注湯口２２ｃから溶湯状態の金属１００が出湯される。そして、注湯口２２ｃから出湯された金属１００は、樋１３上を流動した後、第１冷却ロール１０の溝２０に対して注湯位置Ｐ１において注湯される。また、第１冷却ロール１０の溝２０に注湯された金属１００は、溝２０の内側で溝２０とともに第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の下流側に移動しながら、第１冷却ロール１０によって冷却される（ステップＳ１０２）。より具体的には、溝２０に注湯された金属１００は、第１冷却ロール１０の溝２０の底面部２０ａ及び両側壁部２０ｂによって冷却される。
尚、第１冷却ロール１０へ金属１００を注湯するステップＳ１０１の処理と、第１冷却ロール１０によって金属１００を冷却するステップＳ１０２の処理とは、本実施形態の製造方法における第１冷却工程を構成している。即ち、本実施形態の第１冷却工程は、外周面に溝２０を有する第１冷却ロール１０が回転している状態で溝２０に溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属１００を注湯するとともに第１冷却ロール１０によって金属１００を冷却するように構成されている。
溝２０に注湯された金属１００は、溝２０の内側で冷却されながら溝２０とともに第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の下流側に移動し、接触位置Ｐ２に到達する。そして、金属１００は、接触位置Ｐ２に到達すると、第１冷却ロール１０に外周において接触しながら回転する第２冷却ロール１１によって冷却される（ステップＳ１０３）。即ち、金属１００は、接触位置Ｐ２に到達すると、第１冷却ロール１０の溝２０の表面からの冷却に加えて、第２冷却ロール１１の外周面２１からの冷却によっても急激に冷却される。
尚、第２冷却ロール１１によって金属１００を冷却するステップＳ１０３の処理は、本実施形態の製造方法における第２冷却工程を構成している。即ち、本実施形態の第２冷却工程は、第１冷却ロール１０に対して金属１００の注湯位置よりも第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の下流側において外周が接触しながら回転する第２冷却ロール１１によって、溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属１００を冷却するように構成されている。
金属１００は、接触位置Ｐ２を通過すると、第２冷却ロール１１によって冷却されるステップＳ１０３の処理が終了し、鋳造された鋳造材１１０として成形される。成形された鋳造材１１０は、互いに逆方向に回転する第１冷却ロール１０と第２冷却ロール１１とによって回転方向（Ｘ１，Ｘ２）の下流側に送られる。そして、接触位置Ｐ２から第１及び第２冷却ロール（１０，１１）の回転方向（Ｘ１，Ｘ２）の下流側に送られた鋳造材１１０は、第１冷却ロール１０の溝２０から離間（離型）する（ステップＳ１０４）。第１冷却ロール１０の溝２０から離型することで、鋳造材１１０の製造が完了する。尚、製造された鋳造材１１０は、金属製線材の加工に供されることになる。
ここで、本実施形態の製造方法の第１冷却工程（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）について更に説明する。第１冷却ロール１０の溝２０に金属１００を注湯するとともに第１冷却ロール１０によって金属１００を冷却する第１冷却工程においては、図５（Ａ）に示すように、注湯位置Ｐ１では金属１００が溝２０の断面の一部を満たし、且つ、図５（Ｄ）に示すように、接触位置Ｐ２では金属１００が溝２０の断面の全部を満たすように、溝２０への金属１００の注湯量が調整され、溝２０へ金属１００が注湯される。
また、第１冷却工程においては、金属１００が、注湯位置Ｐ１では溝２０の断面の一部を満たして接触位置Ｐ２では溝２０の断面の全部を満たすように、溝２０への金属１００の注湯量が調整され、溝２０へ金属１００が注湯されるため、図５（Ｂ）に示すように、注湯位置Ｐ１と接触位置Ｐ２との間において溝２０の断面積よりも溝２０の内側の金属１００の断面積が小さくなる。よって、第１冷却工程においては、注湯位置Ｐ１と接触位置Ｐ２との間において溝２０の断面積よりも溝２０の内側の金属１００の断面積が小さくなり、且つ、接触位置Ｐ２では金属１００が溝２０の断面の全部を満たすように、溝２０への金属１００の注湯量が調整されて溝２０へ金属１００が注湯されることになる。
また、第１冷却工程では、接触位置Ｐ２において金属１００が溝２０の断面の全部を満たすため、接触位置Ｐ２へ流入する直前の状態の金属１００には、図４及び図５（Ｃ）に示すように、表面張力によって溝２０の縁部２０ｃよりも盛り上がった部分としてのパドル１２０が形成される。即ち、接触位置Ｐ２に対して第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の上流側の領域であって第１冷却ロール１０の外周と第２冷却ロール１１の外周との間の領域において、金属１００が溝２０の縁部２０ｃよりも盛り上がった部分であるパドル１２０が形成される。
よって、第１冷却工程においては、注湯位置Ｐ１において金属１００が溝２０の断面の一部を満たし、且つ、接触位置Ｐ２に対して第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の上流側の領域であって第１冷却ロール１０の外周と第２冷却ロール１１の外周との間の領域で金属１００が溝２０の縁部２０ｃよりも盛り上がった状態で接触位置Ｐ２において金属１００が溝２０の断面の全部を満たすように、溝２０への金属１００の注湯量が調整され、溝２０へ金属１００が注湯されることになる。
第１冷却工程における溝２０への金属１００の注湯量の調整は、前述のように、注湯位置Ｐ１及び接触位置Ｐ２における金属１００の流動状態を目視で確認しながら行う調整方法によって行うことができる。この場合、接触位置Ｐ２への金属１００の流入状態を目視で確認してパドル１２０が形成されていることを視覚的に確認することで、接触位置Ｐ２において溝２０の断面の全部が満たされていることを容易に確認することができる。
また、第１冷却工程における溝２０への金属１００の注湯量の調整は、前述のように、金属１００の注湯口２２ｃ及び接触位置Ｐ２での通過体積速度が一致するように溝２０への金属１００の注湯量を調整する調整方法によっても行うことができる。この調整方法の場合、第１冷却工程においては、注湯部１２の注湯口２２ｃの開口面積と注湯口２２ｃを通過する金属１００の通過速度との積と、接触位置Ｐ２における溝２０と第２冷却ロール１１の外周とで囲まれた領域の断面積と第１冷却ロール１０の外周部の周速との積とが、同じになるように、溝２０への金属１００の注湯量が調整され、溝２０へ金属１００が注湯されることになる。尚、注湯口２２ｃの開口面積をＳｐとし、注湯口２２ｃを通過する金属１００の通過速度をＶｐとし、接触位置Ｐ２での溝２０と第２冷却ロール１１の外周とで囲まれた領域の断面積をＳｒとし、第１冷却ロール１０の外周部の周速をＶｒとすると、第１冷却工程においては、下記（１）式を満たすように、溝２０への金属１００の注湯量が調整される。
Ｓｐ×Ｖｐ＝Ｓｒ×Ｖｒ・・・・（１）
即ち、第１冷却工程において、通過体積速度を一致させる調整方法を用いて溝２０への金属１００の注湯量を調整する場合は、上記（１）式を満たすように、注湯口２２ｃの開口面積Ｓｐ、注湯口２２ｃでの金属１００の通過速度Ｖｐ、接触位置Ｐ２での溝２０と第２冷却ロール１１の外周とで囲まれた領域の断面積Ｓｒ、及び、第１冷却ロール１０の外周部の周速Ｖｒが、それぞれ設定される。
［３．実施例］
本実施形態について、製造装置１を用いて鋳造材を製造する実施例により裏付けを行った。
本実施例では、第１冷却ロール１０としては、ロール幅寸法Ｗ１が１０ｍｍで（図３を参照）、ロール直径寸法が６００ｍｍの円板状の銅製のものを用いた。また、第１冷却ロール１０の溝２０の形状については、図３を参照して、溝２０の両縁部２０ｃ，２０ｃ間の距離寸法Ｗ２が８ｍｍで、溝２０の底面部２０ａの幅方向寸法Ｗ３が４ｍｍで、溝２０のロール半径方向における深さ寸法Ｄｐが５ｍｍとなるように設定した。これにより、溝２０の断面積を３０ｍｍ２に設定した。また、溝２０の断面積を３０ｍｍ２に設定したことで、接触位置Ｐ２での溝２０と第２冷却ロール１１の外周とで囲まれた領域の断面積Ｓｒも３０ｍｍ２に設定した。尚、第１冷却ロール１０に対しては、冷媒を用いた強制冷却は行わなかった。
第２冷却ロール１１としては、ロール幅寸法が１０ｍｍでロール直径寸法が３００ｍｍの円盤状の銅製のものを用いた。また、第２冷却ロール１１の外周面２１は、溝が無く円周方向に平坦に延びる面である。尚、第２冷却ロール１１に対しては、冷媒を用いた強制冷却は行わなかった。
注湯部１２のノズル２２ｂの注湯口２２ｃの開口面積Ｓｐについては６ｍｍ２に設定した。また、注湯部１２から金属１００を注湯する際における注湯口２２ｃを通過する金属１００の通過速度Ｖｐについては５ｍ／ｍｉｎに設定した。これにより、注湯部１２から第１冷却ロール１０に注湯する金属１００の注湯量（単位時間あたりの金属１００の注湯量）を２５００ｍｍ３／ｓｅｃに設定した。
第１冷却ロール１０の外周部の周速Ｖｒについては、底面部２０ａの周速Ｖｒとして設定し、１ｍ／ｍｉｎに設定した。これにより、接触位置Ｐ２における溝２０と第１冷却ロール１０の外周面２１とで囲まれた領域の断面積Ｓｒと、第１冷却ロール１０の外周部の周速Ｖｒとの積を、注湯部１２から第１冷却ロール１０に注湯する金属１００の注湯量と同じ２５００ｍｍ３／ｓｅｃに設定した。
また、注湯位置Ｐ１については、頂点位置Ｐ０から注湯位置Ｐ１までの第１冷却ロール１０の外周に沿った距離Ｌ１が６０ｍｍとなる位置に設定した。接触位置Ｐ２については、頂点位置Ｐ０から接触位置Ｐ２までの第１冷却ロール１０の外周に沿った距離Ｌ２が６０ｍｍとなる位置に設定した。
実施例では、金属１００としてアルミニウム系の金属ＡＣ７Ａを用い、上述した条件に設定した製造装置１を用いて鋳造材を製造した。その結果、注湯部１２から注湯した金属１００を第１冷却ロール１０及び第２冷却ロール１１によって急冷でき、注湯部１２から注湯して接触位置Ｐ２を通過するまでの間で５００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度を達成することができた。
また、実施例では、製造装置１を用いて鋳造材を製造した結果、図７乃至図１０に示す鋳造材を得られた。尚、図７乃至図１０は、製造装置１によって製造した実施例に係る鋳造材を示す図である。図７は、実施例に係る鋳造材の断面図であり、図８は、実施例に係る鋳造材の一部の平面図であり、図９は、実施例に係る鋳造材の一部の底面図であり、図１０は、実施例に係る鋳造材を一巻きのコイル状に巻いた状態で示す図である。
実施例で得られた鋳造材は、図７乃至図１０に示すように、バリの発生が無く、周方向に亘って一定の断面形状を有した小型の鋳造材であった。そして、実施例で得られた鋳造材は、溝２０の断面形状に対応した形状の断面形状を有し、断面積が一定であった。尚、実施例では、製造装置１による鋳造材の製造中、注湯される金属１００の温度と第１及び第２冷却ロール（１０，１１）の温度とが変化しても、特段、それらの温度の調整は実施しなかった。よって、実施例では、注湯される金属１００の温度及び冷却ロール（１０，１１）の温度が変化した場合であっても、容易に鋳造材の断面積を一定にすることができることが確認された。
［４．本実施形態の効果］
以上説明したように、本実施形態によると、回転する第１冷却ロール１０の外周面の溝２０に金属１００が注湯され、溝２０の底面部２０ａ及び両側壁部２０ｂによって金属１００が冷却される。更に、溝２０の内側で溝２０とともに回転方向Ｘ１の下流側に移動する金属１００は、第１冷却ロール１０の回転方向Ｘ１の下流側において、第１冷却ロール１０に対して外周が接触しながら回転する第２冷却ロール１１の外周面２１によっても冷却される。これにより、第１冷却ロール１０の溝２０に注湯された金属１００は、第１冷却ロール１０と第２冷却ロール１１とによって冷却されて鋳造され、溝２０の断面積に対応した小型の鋳造材１１０が製造される。よって、本実施形態によると、プロペルチ法を用いる必要がなく、大掛かりな装置を必要とせずに小型の鋳造材１１０を製造することができる。このため、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適した製造方法及び製造装置１を得ることができる。
また、本実施形態によると、回転する第１冷却ロール１０の溝２０に注湯された金属１００は、第１冷却ロール１０の溝２０の底面部２０ａ及び両側壁部２０ｂによって急冷される。また、第１冷却ロール１０の溝２０に注湯される金属１００は、第１冷却ロール１０への注湯位置Ｐ１において金属１００が溝２０の断面の一部を満たすように溝２０に対して注湯される。このため、注湯された金属１００は、溝２０の両側壁部２０ｂから効率よく抜熱されて急冷されることになる。更に、第１冷却ロール１０の溝２０に注湯された金属１００は、溝２０の底面部２０ａ及び両側壁部２０ｂによって効率よく急冷されることに加え、第１冷却ロール１０に外周が接触しながら回転する第２冷却ロール１１の外周面２１によっても効率よく急冷される。このため、本実施形態によると、５００℃／ｓｅｃ程度の速い冷却速度を容易に実現でき、材料組織の緻密化を図ることができるため、高伝導性及び高強度のような高機能を有する線材を得るための鋳造材１１０を容易に製造することができる。
また、本実施形態によると、第１冷却ロール１０への金属１００の注湯位置Ｐ１では金属１００が溝２０の断面の一部を満たし、且つ、第２冷却ロール１１の第１冷却ロール１０への接触位置Ｐ２では金属１００が溝２０の断面の全部を満たすように、溝２０への金属１００の注湯量が調整される。このため、注湯される金属１００の温度及び冷却ロール（１０，１１）の温度が変化した場合であっても、第１冷却ロール１０と第２冷却ロール１１との接触位置Ｐ２を通過して鋳造された金属１００の断面形状は、溝２０の断面形状に対応した形状となる。これにより、注湯される金属１００の温度及び冷却ロール（１０，１１）の温度が変化しても鋳造材１１０の断面積を容易に一定にすることができる。また、第１冷却ロール１０に注湯された金属は、第１冷却ロール１０の溝２０と第２冷却ロール１１の外周面２１とで区画された断面を満たす状態で鋳造されて成形されるため、バリの発生が抑制される。
したがって、本実施形態によると、大掛かりな装置を必要とせず、線材を得るための工程を削減でき、小ロット生産に適し、鋳造時に効率よく冷却できて高機能な線材を得るための鋳造材１１０を製造できるとともにバリの発生を抑制でき、注湯される金属１００の温度及び冷却ロール（１０，１１）の温度が変化しても鋳造材１１０の断面積を一定にすることが容易な、鋳造材の製造方法及び鋳造材の製造装置１を提供することができる。
また、本実施形態によると、溝２０の断面積が注湯部１２における金属１００の注湯口２２ｃの開口面積よりも大きく設定される。そして、金属１００の注湯口２２ｃの通過速度が第１冷却ロール１０の外周部の周速よりも相対的に速くなるように第１冷却ロール１０の周速を調整するだけで、溝２０への金属１００の注湯量を容易に調整することができる。即ち、本実施形態によると、注湯位置Ｐ１では金属１００が溝２０の断面の一部を満たし、接触位置Ｐ２では金属１００が溝２０の断面の全部を満たすように溝２０への金属１００の注湯量を調整することを、金属１００の注湯口２２ｃの通過速度に対して第１冷却ロール１０の周速を相対的に調整するだけで容易に行うことができる。
また、本実施形態によると、接触位置Ｐ２の上流側で第１冷却ロール１０と第２冷却ロール１１との間に金属１００が溝２０の縁部２０ｃよりも盛り上がった部分としてのパドル１２０を形成することで、接触位置Ｐ２への金属１００の流入状態を視覚的に確認しながら、溝２０への金属１００の注湯量を容易に調整することができる。即ち、本実施形態によると、注湯位置Ｐ１では金属１００が溝２０の断面の一部を満たし、接触位置Ｐ２では金属１００が溝２０の断面の全部を満たすように溝２０への金属１００の注湯量を調整することを、接触位置Ｐ２の上流側の第１及び第２冷却ロール（１０，１１）間で金属１００が溝２０の縁部２０ｃよりも盛り上がった部分であるパドル１２０を形成するように金属１００を注湯することで、容易に行うことができる。
本発明によれば、大掛かりな装置を必要とせずに、線材を得るための工程を削減できて高機能な線材を得ることができる鋳造材を製造することが可能となり、さらには、バリの発生が抑制されて断面積が一定な鋳造材を容易に製造することも可能となる。
１ 鋳造材の製造装置
１０ 第１冷却ロール
１１ 第２冷却ロール
１２ 注湯部
２０ 溝
１００ 金属
１１０ 鋳造材
１２０ パドル

Claims (6)

  1. 金属製線材の加工に供される鋳造材の製造方法であって、
    外周面に溝を有する第１冷却ロールが回転している状態で前記溝に溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属を注湯するとともに前記第１冷却ロールによって前記金属を冷却する第１冷却工程と、
    前記第１冷却ロールに対して前記金属の注湯位置よりも当該第１冷却ロールの回転方向の下流側において外周が接触しながら回転する第２冷却ロールによって、溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の前記金属を冷却する第２冷却工程と、を備え、
    前記第１冷却工程においては、前記第１冷却ロールにおける前記金属の注湯位置では前記金属が前記溝の断面の一部を満たし、且つ、前記第２冷却ロールの前記第１冷却ロールへの接触位置では前記金属が前記溝の断面の全部を満たすように、前記溝への前記金属の注湯量が調整され、前記溝へ前記金属が注湯されることを特徴とする、鋳造材の製造方法。
  2. 請求項１に記載の鋳造材の製造方法であって、
    前記溝の断面積が、前記第１冷却ロールに前記金属を注湯する注湯部における前記金属の注湯口の開口面積よりも大きくなるように設定されており、
    前記第１冷却工程においては、前記注湯口を通過する前記金属の通過速度が、前記第１冷却ロールの外周部の周速よりも速くなるように調整されることで、前記溝への前記金属の注湯量が調整されることを特徴とする、鋳造材の製造方法。
  3. 金属製線材の加工に供される鋳造材の製造方法であって、
    外周面に溝を有する第１冷却ロールが回転している状態で前記溝に溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属を注湯するとともに前記第１冷却ロールによって前記金属を冷却する第１冷却工程と、
    前記第１冷却ロールに対して前記金属の注湯位置よりも当該第１冷却ロールの回転方向の下流側において外周が接触しながら回転する第２冷却ロールによって、溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の前記金属を冷却する第２冷却工程と、を備え、
    前記第１冷却工程においては、前記第１冷却ロールにおける前記金属の注湯位置と前記第２冷却ロールの前記第１冷却ロールへの接触位置との間において前記溝の断面積よりも前記溝の内側の前記金属の断面積が小さくなり、且つ、前記接触位置では前記金属が前記溝の断面の全部を満たすように、前記溝への前記金属の注湯量が調整されて前記溝へ前記金属が注湯されることを特徴とする、鋳造材の製造方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の鋳造材の製造方法であって、
    前記第１冷却工程においては、前記注湯位置において前記金属が前記溝の断面の一部を満たし、且つ、前記接触位置に対して前記第１冷却ロールの回転方向の上流側の領域であって前記第１冷却ロールの外周と前記第２冷却ロールの外周との間の領域で前記金属が前記溝の縁部よりも盛り上がった状態で前記接触位置において前記金属が前記溝の断面の全部を満たすように、前記溝への前記金属の注湯量が調整され、前記溝へ前記金属が注湯されることを特徴とする、鋳造材の製造方法。
  5. 金属製線材の加工に供される鋳造材の製造方法であって、
    外周面に溝を有する第１冷却ロールが回転している状態で前記溝に溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属を注湯するとともに前記第１冷却ロールによって前記金属を冷却する第１冷却工程と、
    前記第１冷却ロールに対して前記金属の注湯位置よりも当該第１冷却ロールの回転方向の下流側において外周が接触しながら回転する第２冷却ロールによって、溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の前記金属を冷却する第２冷却工程と、を備え、
    前記第１冷却工程においては、前記第１冷却ロールに前記金属を注湯する注湯部における前記金属の注湯口の開口面積と前記注湯口を通過する前記金属の通過速度との積と、前記第２冷却ロールの前記第１冷却ロールへの接触位置における前記溝と前記第２冷却ロールの外周とで囲まれた領域の断面積と前記第１冷却ロールの外周部の周速との積とが、同じになるように、前記溝への前記金属の注湯量が調整され、前記溝へ前記金属が注湯されることを特徴とする、鋳造材の製造方法。
  6. 金属製線材の加工に供される鋳造材の製造装置であって、
    外周面に溝を有し、回転している状態で前記溝に溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の金属が注湯されて前記金属を冷却する第１冷却ロールと、
    前記第１冷却ロールに対して前記金属の注湯位置よりも当該第１冷却ロールの回転方向の下流側において外周が接触しながら回転し、溶湯状態及び半凝固状態の少なくともいずれかの状態の前記金属を冷却する第２冷却ロールと、
    前記第１冷却ロールの前記溝に前記金属を注湯する注湯部と、を備え、
    前記注湯部は、前記第１冷却ロールにおける前記金属の注湯位置では前記金属が前記溝の断面の一部を満たし、且つ、前記第２冷却ロールの前記第１冷却ロールへの接触位置では前記金属が前記溝の断面の全部を満たすように、前記溝への前記金属の注湯量を調整した状態で、前記溝へ前記金属を注湯することを特徴とする、鋳造材の製造装置。
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