JP2581850B2 - 電磁攪拌方式による半凝固金属の製造方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非樹枝状の初晶の如き
微細粒状の金属固相が金属液相中に均一分散した固体−
液体金属混合体（略して半凝固金属と呼ぶ）を電磁誘導
撹拌法によって連続的に製造する方法および装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】半凝固金属を製造する方法としては、機
械撹拌法と電磁誘導撹拌法とが知られている。電磁誘導
撹拌法は機械撹拌法に比べて装置材料に対する制約が少
なく生産性も高いという利点があり、従来から多くの開
発研究が進められ、その代表的な事例として特公昭58−
23863 号公報を挙げることができる。

【０００３】従来この種撹拌方法の多くは２極電動機ス
テータの如くに回転磁界を発生させる電磁誘導コイルを
撹拌手段として用い、その中心部に冷却手段を有する鋳
型を設置して、溶融金属を上方から鋳型内に供給し、冷
却すると同時に回転磁界により回転撹拌することによ
り、固液共存温度領域において形成されるデンドライト
を剪断し粒状化するもので上記鋳型により均一粒状組織
を有する鋳片を、連続的あるいは半連続的に製造するも
のである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に粒状の固相が液
相中に均一に分散したスラリ状の半凝固金属を加工に供
しようとする場合、溶湯から直接半凝固スラリとするほ
か、一旦粒状組織を有する鋳塊又は鋳片にした後、再加
熱して半凝固スラリとする２つの方法があり、上掲した
特公昭58−23863 号公報に代表される事例にあっては鋳
片を製造するため、必然的に後者の方法しかとれない
が、これは 完全凝固させた後で、再加熱を加えるためエネルギ
ーロスがある。 再加熱に伴う、固相粒子の肥大化を生じ、その結果
として最終組織も再加熱なしの方法に比較し、粗大なも
のとなる。といった問題点を有している。なお中子を用
いる電磁攪拌方式によりスラリ状の半凝固金属を製造す
る方法について発明者らの一部を含む研究グループはさ
きに特願平１−306436号の発明を提案しこの場合中子を
用いるため強攪拌条件であっても溶融金属浴面での渦へ
こみを防止できるが、排出流量の制御機構がないため生
産量の調整、排出スラリの固相率制御ができないという
問題点を残している。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した問題点を解決す
るにあたっては、 凝固し易いスラリ状の半凝固金属
の排出流量制御が精度良く行えること、そしてガスを
巻き込むことなく高速撹拌を行えること、が前提とな
る。しかしここに排出流の制御方法としては、すでに既
知のスライディングゲート方式やロータリーバルブ方式
さらにはストッパー方式などがあるが、これらのうち複
数の有孔ノズル板を移動させてノズル開口面積を変化さ
せるスライディングゲート方式とロータリーバルブ方式
はノズル内の流れが乱れ易く、またノズルにメタルが付
着し易く、かつ一旦メタルが付着して排出流量が減じた
場合、復旧が困難である。それに対し、ストッパを昇降
操作することによりノズル開口面積を変化させるストッ
パ方式は、凝固し易いスラリ状半凝固金属の流量制御に
は最も適していることがわかった。

【０００６】また高速撹拌時におけるガス巻き込み防止
対策としては、中心部の流速を下げることがなく、かつ
剪断速度の低下も小さい中子の挿入が最適である。ここ
にストッパーを兼ねる中子は竪形奪熱円筒内に挿入する
ものであるため、径（円筒内径の30〜60％の外径）およ
び先端形状は半球状の如く適切に設計することにより、
排出流量制御とガス巻き込み防止の２つの機能を１つの
要素つまりストッパとしても役立つ中子により兼ねるこ
とが可能となる。

【０００７】この発明はタンディッシュに受湯した溶融
金属を、冷却水套をもつ竪形奪熱円筒と、その軸心のま
わりに回転磁界を生じさせる電磁誘導コイルとをそなえ
る冷却攪拌槽内に導き入れてその奪熱下の回転攪拌を強
制し、逐次に冷却攪拌槽の底部ノズルからスラリ状の半
凝固金属として流出させる半凝固金属の製造方法におい
て、冷却攪拌槽内で奪熱下の回転攪拌作用を受けつつあ
る溶融金属の浴中にその回転流動の中心とほぼ同心関係
をもって、非導電性、非磁性材料よりなり、竪形奪熱円
筒内径の３０〜６０％の範囲外径を有する耐火物中子を
浸漬させて該浴面の回転に伴う高低差を縮小することこ
の耐火物中子を冷却攪拌槽内でその底部ノズルに面して
昇降させることにより該ノズルの開口を開閉制御して半
凝固金属の流出状況を調整することの結合を特徴とする
電磁攪拌方式による半凝固金属の製造方法であり、また
冷却水套をもつ竪形奪熱円筒と、その軸心のまわりに回
転磁界を生じさせる電磁誘導コイルとをそなえる冷却攪
拌槽からなり、この冷却攪拌槽には、その底部ノズルの
開口を塞止するストッパの機能を兼ねる非導電性、非磁
性材料の竪形奪熱円筒内径の３０〜６０％の範囲外径を
有する耐火物中子を同軸に配置し、この耐火物中子を、
冷却攪拌槽内部から通り抜けた上端で吊持ちする昇降手
段を上記冷却攪拌槽に付設して成る、電磁攪拌方式によ
る半凝固金属の製造装置であって、ここに底部ノズルが
皿形弁座を有し、耐火物中子の下端に皿形弁座と適合す
る半球面弁子をもつことが実施上より望ましい。

【０００８】図１において１はタンディッシュ、１′は
その内張り耐火材、２は竪形奪熱円筒、３は冷却水套、
また４は電磁誘導コイル、５は竪形奪熱円筒と電磁誘導
コイル４とをそなえる冷却撹拌槽の底部ノズル、そして
６は耐火物中子であり、また７は耐火物中子６の吊持ち
支持に供した軸受、８は支持アーム、９は連結軸、10は
トルク計、11は支持台、12は油圧シリンダである。

【０００９】

【作用】この発明においては、溶融金属を回転磁界に随
伴する回転流動による攪拌下に冷却することによってス
ラリ状の半凝固金属を製造するに当って、溶融金属の回
転中心部すなわち冷却攪拌槽の中心部に、非磁性、不導
電性材料よりなる耐火物中子をそなえることにより、回
転中心部のデッドスペースから溶融金属を排除する。か
くすることにより、溶融金属は耐火物中子の外壁面と冷
却攪拌槽内壁面との間で旋回流動による攪拌が行われ
る。この旋回流動の回転数は耐火物中子を使用しない場
合にくらべやや小さくなるが、湯面の渦へこみが実用的
な範囲まで小さくなって溶融金属の飛散がなく安定操業
が可能となり、さらに適正な大きさの耐火物中子を選定
することにより、回転数が小さくなる割には攪拌効果を
低下させないですむことも明らかとなった。また、耐火
物中子の昇降移動による置換流動を生じさせれば混合攪
拌が行なわれ、より均質な半凝固金属を製造することが
できる。

【００１０】ここに耐火物中子は冷却撹拌槽の底部ノズ
ルの開口を開閉制御するストッパとしての機能を兼ねる
から操業の初期は底部ノズルを塞止した状態での冷却撹
拌によるスラリの固相率上昇をまってストッパを開放
し、流出する半凝固金属の性状の如何に応じてストッパ
開度を調節するわけである。本発明で冷却撹拌槽を形成
する竪形奪熱円筒と冷却水套とはその外周に該設置され
る電磁誘導コイルにより冷却水套及び竪形奪熱円筒を貫
通する磁束の減衰をできるだけ小さくするため、薄肉の
非磁性金属板で作る。そして冷却水を冷却水套の下部か
ら給水し、竪形奪熱円筒の外面を高速で通水し、その上
部から排水することにより適当な冷却効果を与える。こ
の竪形奪熱円筒の内壁面は適当な厚さの耐火材をコーテ
ィングすることもある。電磁誘導コイルとしては、多く
の場合２極３相誘導電動機のステータコイルを用い、３
相交流を通電することによって回転磁界が得られ、その
磁束密度に比例した回転トルクにより冷却撹拌槽内の溶
融金属が回転流動し撹拌され得る。耐火物中子６には連
結軸９を介してトルク計10に接続しこれによってスラリ
状半凝固金属の固相率を検出することができる。

【００１１】さて、タンディッシュ１に受湯した溶融金
属を冷却撹拌槽内に導き入れ、この溶融金属は、冷却撹
拌槽内で適当な冷却作用と、電磁誘導コイル４によって
発生する回転磁界によって耐火物中子６の外壁面と冷却
撹拌槽内壁面との間で旋回流動による撹拌が行なわれ
る。こうして生成しつつある樹枝状初晶をその枝部が消
失ないしは縮小して丸味を帯びた形態に変換し、スラリ
状の半凝固金属は、その固相率が所望値になったとき底
部ノズル５を開いて連続的に排出させ得る。このとき耐
火物中子６は、所定の開放位置に保持してもよいが、置
換流動による混合撹拌を促進させる目的で昇降移動を行
なってもよい。この間耐火物中子６に作用する半凝固金
属の粘性に対応するトルク計10の出力によって半凝固金
属の性状および撹拌状況を推定するこができる。操業が
終了した場合、耐火物中子６は油圧シリンダー12によっ
て支持アーム８を介して上方に退避させ、更に支持アー
ム８を旋回して、冷却撹拌槽の保守点検が行える。

【００１２】

【実施例】予備実験 1100ガウスの電磁誘導コイル４の内側に冷却水套をもつ
内径170mm の有底円筒容器をセットし、溶融鋳鉄を該容
器内に満たして固液共存域まで溶融鋳鉄を撹拌した。中
子を挿入しない場合鋳鉄は 600rpm で回転し、湯面は非
常に深い中凹状となった。次に中子を挿入した場合、回
転数は300rpm に減少し、湯面形状はやや中凹状である
が、かなりゆるやかになった。固液共存温度（固相率25
％）において鋳鉄をサンプリングし、急冷凝固させて組
織観察を行ったところ、剪断歪速度に大差ないせいで、
組織的には同一であった。実施例 次に上記円筒容器下部に底部ノズルをセットし、500 kg
の溶融鋳鉄を連続的に上から注入する実験を行った。耐
火物中子をストッパーとして使用しない場合には、鋳鉄
は完全液相のままで底部ノズルから排出し、半凝固金属
とはならなかった。これに対し耐火物中子をストッパー
として利用し，注湯初期には溶融鋳鉄が完全に容器内に
充満するまで、底部ノズルを閉じ、その後徐々に中子ス
トッパーを上昇して、注入速度とバランスするように排
出を加減した。排出温度の測定から、鋳造の初期から末
期まで、安定して固相率20％の半凝固金属を製造するこ
とができた。

【００１３】比較実験 次にノズル下部にスライディングゲートを付け、それに
より排出流量制御を試み、このとき耐火物中子をストッ
パーとしては用いなかった。鋳造初期に容器内に鋳鉄を
充満させるためゲートを閉じてスタートしたところ、そ
の後ゲートを開けてもノズルは閉塞したままで、排出不
可であった。またこれを防止するため、鋳造初期にはス
ライディングゲートを全開させ、徐々に閉じて排出流量
制御を試みたが、ノズル閉塞を防止できるゲート開度条
件では、500kg の鋳鉄の大部分が液相のままで排出さ
れ、鋳造の極く末期になって半凝固金属の排出が観察さ
れたにすぎない。このように耐火物中子をストッパーと
して兼用することにより湯面の安定化とそれによる空気
巻き込み防止および排出流量制御による半凝固金属の安
定製造に大きな効果があることが明らかになった。

【００１４】

【発明の効果】本発明は、電磁誘導方式による溶融ある
いは半凝固状態の金属を強撹拌する際、固相粒子の粒
径、粒形状に影響を及ぼす剪断歪速度を大して減じるこ
となく、金属浴面の凹みを大幅に低減させ、ガス巻き込
みを防止する中子を、排出流量制御のためのストッパー
として機能させ、半凝固金属を安定して製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ タンディッシュ １′ 内張耐火材 ２ 竪形奪熱円筒 ３ 水冷ジャケット ４ 電磁誘導コイル ５ 底部ノズル ６ 耐火物中子 ７ 軸受 ８ 支持アーム ９ 連結軸 10 トルク計 11 支持台 12 油圧シリンダー

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タンディッシュに受湯した溶融金属を、
   冷却水套をもつ竪形奪熱円筒と、その軸心のまわりに回
   転磁界を生じさせる電磁誘導コイルとをそなえる冷却攪
   拌槽内に導き入れてその奪熱下の回転攪拌を強制し、逐
   次に冷却攪拌槽の底部ノズルからスラリ状の半凝固金属
   として流出させる半凝固金属の製造方法において、 冷却攪拌槽内で奪熱下の回転攪拌作用を受けつつある溶
   融金属の浴中にその回転流動の中心とほぼ同心関係をも
   って、非導電性、非磁性材料よりなり、竪形奪熱円筒内
   径の３０〜６０％の範囲の外径を有する耐火物中子を浸
   漬させて該浴面の回転に伴う高低差を縮小することこの
   耐火物中子を冷却攪拌槽内でその底部ノズルに面して昇
   降させることにより該ノズルの開口を開閉制御して半凝
   固金属の流出状況を調整することの結合を特徴とする電
   磁攪拌方式による半凝固金属の製造方法。
2. 【請求項２】 冷却水套をもつ竪形奪熱円筒と、その軸
   心のまわりに回転磁界を生じさせる電磁誘導コイルとを
   そなえる冷却攪拌槽からなり、この冷却攪拌槽には、そ
   の底部ノズルの開口を塞止するストッパの機能を兼ねる
   非導電性、非磁性材料よりなり、竪形奪熱円筒内径の３
   ０〜６０％の範囲の外径を有する耐火物中子を同軸に配
   置し、この耐火物中子を、冷却攪拌槽内部から通り抜け
   た上端で吊持ちする昇降手段を上記冷却攪拌槽に付設し
   て成る、電磁攪拌方式による半凝固金属の製造装置。
3. 【請求項３】 底部ノズルが皿形弁座を有し、耐火物中
   子の下端に皿形弁座と適合する半球面弁子をもつ請求項
   ２に記載した半凝固金属の製造装置。