JP2779344B2 - 金属の連続鋳造における撹拌制御の方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スチールなどの金
属および合金の連続鋳造に関する。本願は、１９９４年
６月１日出願の同時に係属中の特許出願０８／２５２２
２８号（現在は出願放棄）の部分継続出願である。

【０００２】

【従来の技術】液体金属を開放端鋳型に流し込んで行う
連続スチール鋳造においては、多くの場合メニスカスと
呼ばれる鋳型中での金属の自由表面の安定性が、工程管
理および鋳造製品の品質のいずれにも重要な役割を果た
す。

【０００３】連続鋳造における鋳型内での液化スチール
の電磁気的撹拌は、一般にＭ−ＥＭＳまたは簡単にＥＭ
Ｓとして知られており、主としてスチール線の表面ない
し表面下部分の品質ならびに凝固構造の改善（すなわ
ち、構造の改善、堅牢性および化学的均一性）を目的と
して、連続鋳造に広く使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】開放端鋳型による連続
スチール鋳造で最も一般的に行われている２つの方法
は、鋳型先端すなわちメニスカス領域における金属の自
由表面近くの溶融金属領域内での撹拌条件に対して正反
対の要件を強いるものである。

【０００５】従って、連鋳パウダー内に入った浸せき導
入ノズル（以下、ＳＥＮと称する）を介して主としてア
ルミニウムキルド鋼級のものを鋳造する方法では、メニ
スカスを安定にして、鋳型の潤滑とパウダーの鋳型への
取り込みの妨害を防止することが要求される。メニスカ
スのところで回転状の撹拌の運動があると、中心におけ
るメニスカスのくぼみ、波形状その他の自由表面の乱
れ、ならびに撹拌強度がある一定のレベルを超えた場合
の鋳造ノズルの過度の腐食が起こる。

【０００６】他方、連鋳パウダーを用いずにＳｉ−Ｍｎ
脱酸素鋼を鋳造する場合では、鋳造製品表面に欠陥があ
る場合が多いが、それはメニスカス領域で溶融スチール
流を起こすことで低減または回避することができる。

【０００７】ピンホール、ブローホール、表面でのスラ
グ捕捉および表面下での取り込みは、メニスカス領域で
強撹拌することで低減することができる。低脱酸素スチ
ールの鋳造、すなわちいわゆる代用スチールのリミング
（rimming）にも、同じ要件が適用される。

【０００８】しかしながら、メニスカスにおいて撹拌強
度が過度に大きいと、主としてオイルで潤滑した鋳型で
鋳造されるＳｉ−Ｍｎ脱酸素鋼の線表面に望ましくない
悪影響がある。メニスカス過剰撹拌の結果として、線表
面に深い振動マークおよび重なり部分が形成される場合
がある。

【０００９】連鋳パウダー内に入ったＳＥＮを介しての
スチール鋳造の場合、メニスカスの撹拌強度は非常に低
レベルに制限しなければならない。その場合、メニスカ
スに乱れがあると、鋳型のフラックスならびに連鋳線の
凝固しつつある外殻および本体部分へのパウダー取り込
みによって、鋳型潤滑が不均一となる場合がある。ＳＥ
Ｎを用いての鋳造操作を成功させるには、メニスカスの
安定が必須の前提条件である。

【００１０】メニスカス領域での撹拌条件についての上
記の要件は、鋳型のそれ以外の部分に適用される条件と
はかなり異なる。

【００１１】通常、鋳造製品の内部性質を向上させるに
は、鋳型内での強撹拌が必要である。

【００１２】従って、堅牢性および化学的均一性などの
凝固構造における改善ができるか否かは、撹拌強度によ
って大きく左右される。その場合でさえ、撹拌強度を制
御して、線表面近くでの望ましくないレベルでの元素の
欠乏、いわゆる負偏析を回避しなければならない。

【００１３】従って、鋳型の隣接する領域で独立の撹拌
制御を行って、異なった鋳造操作で要求される条件を満
足させることは困難である。

【００１４】その両方の鋳造法、すなわち連鋳パウダー
と開放流投入を行わない方法およびＳＥＮと連鋳パウダ
ーを用いる方法を同じ製造施設で行おうとする場合に、
問題はさらに困難なものとなる。

【００１５】メニスカスにおける過剰撹拌の問題を克服
するために、鋳型出口に近接し、メニスカスから比較的
遠くにＥＭＳコイルを配置するのが普通である。強力な
ＥＭＳを用いる場合、特に断面の寸法が比較的小さい鋳
型の場合には、その方法はほとんど奏功しない。

【００１６】鋳型出口付近に設置された撹拌機と鋳型の
上部に配置された別の誘導撹拌機との併用が、１９９１
年６月２５日の米国特許５０２５８５２号に提案されて
おり、それはＥＭＳ装置が設置された同じ鋳型を用いな
がらＳＥＮを用いた場合あるいは用いない場合の鋳造に
関連する相反する要件を解決することを試みたものであ
る。

【００１７】その特許によれば、上方のＥＭＳはＳＥＮ
を用いない鋳造に使用し、下方のＥＭＳはＳＥＭを用い
る鋳造の場合にのみ使用する。前記のように、鋳型の中
でＥＭＳを低く配置しても、ビレットやブルームの凝固
構造を十分改善するような撹拌強度とした場合、メニス
カスにおける過度の撹拌運動は防止・回避される。

【００１８】先行技術においては、メニスカス領域にお
ける撹拌運動を変化させることを目的とした公知の方法
が他にもいくつかある。特公昭５８−２３５５４には、
メニスカス領域に相当する鋳型部分の周囲に誘導コイル
を配置し、下方に配置されたメインのＥＭＳコイルによ
って誘導される回転撹拌運動とは逆の運動を与えること
によって、その領域における撹拌強度を低下させる方法
が記載されている。

【００１９】その方法の主要な欠点は、メニスカスにお
ける撹拌流を制御できない点にある。スチールの連続鋳
造時にメニスカスにおける撹拌強度を直接測定する方法
がなく、メニスカスの肉眼観察でさえもそれが鋳型内に
位置することおよび鋳型フラックス潤滑を行う鋳造の場
合には連鋳パウダーによって妨害されることから、補助
撹拌機およびメイン撹拌機の撹拌強度を評価する間接法
を利用して、その撹拌強度の制御によってある一定の所
望の効果を得るようにしなければならない。特公昭５８
−２３５５４号には、メインＥＭＳと補助誘導コイルと
いう両方の装置によって生じる撹拌強度の制御を行う上
で必要であると考えられる、メニスカスにおける撹拌強
度を測定する方法も、それをメインのＥＭＳの撹拌強度
に関連付ける方法も記述されていない。従ってその方法
は、当業界において実行されたことがない。

【００２０】メニスカスにおける過剰撹拌運動の問題を
軽減する別法が、譲受人に譲渡された１９９０年６月１
２日の米国特許４９３３００５号に記載されている。そ
の特許によれば、強力な水平方向の直流磁場を鋳型のメ
ニスカス領域を横切るように印加しながら、その鋳型の
下方に配置されたＥＭＳによって同時に撹拌動作を誘導
する。直流磁場は回転する溶融物と相互作用することに
よって、液化金属の運動とは反対方向の電磁気力を発生
させ、それによってその運動速度を低下させるものであ
る。

【００２１】その方法は、特公昭５８−２３５５４号に
記載の方法同様、メインＥＭＳによって生じる撹拌強度
に関して、メニスカスにおける流動運動を適切に制御す
る手段を提供するものではない。さらにその方法が有効
となるには、非常に強力な直流磁場が要求されることか
ら、大きい誘導コイルが必要である。直流磁場によって
発生する磁気力は、その磁気力の抑制作用のために比較
的低く、連続的に低下している液化金属の速度に比例す
ることから、それを補償するだけの直流磁束密度がなけ
ればならない。スチール業界で使用される直流磁場の磁
束密度は、０．３５〜０．５Ｔを超えないのが普通であ
る。実験から明らかになっているように、ＥＭＳの工業
的応用のほとんどの場合で、そのレベルの磁束密度はメ
ニスカス領域において撹拌運動を有効に制御するには不
十分である。

【００２２】本発明によれば、連続的に鋳造されるビレ
ットおよびブルームの線内の電磁的撹拌強度を制御する
改良法が提供される。

【００２３】本発明の第１の目的は、連続鋳造鋳型のメ
ニスカスにおける撹拌強度の量的制御を提供すること、
従って、鋳造工程要件に対して撹拌条件を適合させる上
での柔軟性を提供することにある。

【００２４】第２の目的は、例えば交流ＭＳＭおよびＥ
ＭＳなどの補助撹拌装置およびメイン撹拌装置によって
発生する磁場の印加によってもたらされる効果により、
連続鋳造線の凝固構造の改善および全体的な内部品質の
改善を行うことにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明においては、下流
に設置されたメインの電磁撹拌機のコイルと同様である
がそれより小さい電磁交流コイルを鋳型のメニスカス部
分周囲に配置するものである。その装置は本質的に、軸
方向に対称な形で鋳型周囲に配置され、メニスカスから
さらに下方にある別の誘導撹拌機である。しかしなが
ら、鋳型の上方にあるコイルは、具体的な目的に応じ
て、メイン撹拌機によって発生した隣接する液化金属に
おける撹拌運動を相殺・均一化または促進するためのも
のである。従って、その撹拌機の有用な機能は、メイン
撹拌機によって誘導されるメニスカス領域での撹拌流の
方向および／または強度を変える点にある。以下、その
機能を行う装置は、交流磁気撹拌調節機すなわち交流Ｍ
ＳＭと称する。通常の場合、交流ＭＳＭの作用は、鋳型
に入っている溶融金属の量の約１０〜１５％を占める溶
融金属プールの上方部分内で起こる。

【００２６】液化金属プールのその部分での撹拌運動
は、動的外力すなわち粘度によって発生・維持されるも
ので、その粘度によって鋳型の下方に配置されたＥＭＳ
によって生じる撹拌流の運動量が伝達される。運動量
は、ある一定量の液化金属内に分配された磁気力とその
金属の質量によって決まる。

【００２７】メニスカス領域における流動運動の制御
は、そのメニスカス領域内の交流ＭＳＭによって生じる
運動量とメインＥＭＳの有効撹拌ゾーン内で生じる運動
量との間の可変性の比または連続的な比の結果である。
従って、メイン撹拌ゾーンからその領域に伝達された運
動量を補償するのに要するメニスカス領域での運動量
は、液化金属塊に加えられた磁気力によって影響を受け
る金属の質量に比例する。

【００２８】それに応じてＥＭＳおよび交流ＭＳＭによ
って発生する各運動量は、それぞれの磁気トルクに比例
し、次にそのトルクは、誘導コイルの設計および操作パ
ラメータによって既定・制御される。従って、メニスカ
ス領域での撹拌流は、有効撹拌ゾーン長さなどの誘導子
の設計上の特徴ならびに電流または電力の投入および周
波数などの操作パラメータによって制御することができ
る。しかしながら、一つの磁気流体力学システムの一部
ではあるが、交流ＭＳＭとＥＭＳのいずれも独立の電源
から動作させてもよい。従って、両方の誘導コイルに供
給される電流は、同じ可変周波数のものであっても、あ
るいは異なった可変周波数であってもよい。そのシステ
ムは、共通の電源から動作させることもできる。

【００２９】交流ＭＳＭ誘導コイルとＥＭＳ誘導コイル
が空間的に近接していることから、それらそれぞれの磁
場の重なりが生じて、その合成磁場が形成される。その
２つの元の磁場がそれぞれ異なった周波数で作用する場
合、合成磁場は多調波的となるかあるいは多くの周波数
で振幅の一致した周期的振動で構成されるようになり、
後者の場合、その各振動は同じ基礎周波数のものが全体
として重なったものである。その基礎周波数は、合成磁
場のうなりを特徴とし、それは元の磁場のいずれの振動
周期より大きい振動周期を有する。

【００３０】従って、その新たに生じた磁場のパラメー
タ、すなわち、磁束密度および誘導電流密度とさらには
磁気力、磁気圧力および振動流運動量などのその誘導変
量は、多調波性の特徴を得て、その振動の振幅は元の磁
場のものより大きくなる。合成磁場のそれらの新たな特
徴、すなわち振動の振幅の増大ならびに磁束密度、誘導
電流および磁気力の平均値上昇によって、溶融物内に一
連の新たな物理現象が生じ、それにより最終的に鋳造金
属の凝固構造および全体的品質の向上が得られる。それ
らの現象のうちで最も重要なものは、一定の条件が満足
された場合に起こり得るパラメトリック共鳴およびキャ
ビテーションプロセスである。

【００３１】溶融物または凝固前面の樹枝状結晶のいず
れかのパラメトリック共鳴は、例えば電磁気力、磁気圧
力および運動量など振動性の動的外力の周波数が重力場
における溶融物または樹枝状結晶の自由振動の周波数に
近いかあるいはそれに一致する場合に起こる。パラメト
リック共鳴は合成磁場の多調波的性質およびその振動の
振幅（うなり）上昇によって生じ得るものである。パラ
メトリック共鳴が起こる場合は、樹枝状結晶の断片化に
影響を与える全ての力学パラメータすなわち圧力および
運動量がかなり上昇し、従ってより有効となる。

【００３２】溶融物内の局所圧が金属またはその合金組
成物の成分の蒸気の圧力に等しくなる場合に、キャビテ
ーションプロセスも起こり得る。第１に別の相が存在す
ることでパラメトリック共鳴において溶融物の振動時に
空隙を生じやすくなることと、第２に誘導電流が電気伝
導度が異なることから液相と固相の界面でその方向を急
峻に変え、それによって交互の電磁気的体積力が生じ、
次にそれによって、凝固前面において交互に陽圧と陰圧
が生じることから、凝固前面がキャビテーションが起こ
る確率の最も高い場所である。

【００３３】溶融物内と凝固前面でのパラメトリック共
鳴の同時発生とそれに加えたキャビテーション形成プロ
セスは、鋳造製品の凝固構造の改善および全体的な内部
品質に相乗効果をもたらすものである。凝固前面での従
来の電磁気的撹拌によって生じる剪断力は粘性の境界層
内で消散し、それによって主としてその層から突出した
樹枝状結晶部分に影響を与えることから、単一周波数の
電磁場に基づく従来の撹拌法では、前記のような効果を
得ることはできない。磁気力などの振動性の動的外力は
体積性であり、全体的な樹枝状結晶の構造に影響を与え
る。

【００３４】同様に、キャビテーションの衝撃波に関連
する局所圧は、境界層を効果的に伝達され、樹枝状結晶
に作用して、その断片化を起こす。

【００３５】従って、本発明の両側面を考慮すると、本
発明を全ての導電性材料、すなわち電磁気的に撹拌可能
であって以下の２つの目的のいずれかを達成すべき金属
および合金に広く適用することができる。

【００３６】（１）溶融物のある領域内の撹拌強度の制
御を他の隣接領域内における撹拌を妨害せずに行い、さ
らに鋳造製品の凝固構造および全体的内部品質を改善す
ること （２）鋳造製品についての凝固構造の改善および全体的
内部品質に関する電磁気撹拌の効率を向上させること 本発明は、全ての導電性材料、すなわち電磁気的に撹拌
可能であって、その液体プールの他の領域での撹拌を妨
害せずにある領域で撹拌強度の制御を必要とする金属お
よび合金に対して広く適用可能である。本発明は、溶融
金属の入った容器に関し、非常に多様な空間配置に対し
て適用可能である。例えば、鋳造鋳型は鉛直、傾斜また
は水平の方向に配置することができる。

【００３７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の１実施態様によ
る鋳造鋳型に関しての、交流磁気撹拌調節機（交流ＭＳ
Ｍ）および電磁気撹拌機（ＥＭＳ）の配置の模式図であ
る。

【００３８】図２は、鋳造ハウジング内にあり図１の模
式的配置に相当する交流ＭＳＭおよびＥＭＳの機械的配
置の正面断面図である。

【００３９】図３は、ＥＭＳおよび交流ＭＳＭによって
行われる電磁気撹拌を受ける円形および正方形の水銀プ
ールにおけるメニスカス低下測定値のグラフである。そ
の場合に交流ＭＳＭによって行われる撹拌の方向は、Ｅ
ＭＳによって生じる撹拌と反対であり、メニスカスにお
けるその撹拌運動を相殺することができた。曲線Ａおよ
び曲線Ｂはそれぞれ、異なった各種レベルでのＥＭＳ電
流における円形および正方形のプールでのメニスカス低
下を表したものである。曲線Ｃおよび曲線Ｄはそれぞ
れ、ＥＭＳによって生じるメニスカスでの撹拌運動を相
殺するのに必要な条件下での交流ＭＳＭの撹拌作用によ
って生じるメニスカス低下を表している。

【００４０】図４は、図１の交流ＭＳＭおよびＥＭＳの
磁気トルクの比の平方根のグラフ表示であり、水銀プー
ルのメニスカスにおける撹拌運動が平衡の状態に相当す
るものである。曲線Ａおよび曲線Ｂはそれぞれ、円形お
よび正方形の断面形状を持つプールについての磁気トル
ク比の平方根を表す。曲線Ｃおよび曲線Ｄは、撹拌した
プールのメニスカスにおける低下の測定値の平方根を表
す。

【００４１】図５は、交流ＭＳＭおよびＥＭＳへの投入
電力比の平方根をグラフ表示したものであり、円形およ
び正方形の水銀プールのメニスカスにおいて運動が平衡
の状態に相当するものである。ＫおよびＬとＭおよびＮ
という２組の曲線対はそれぞれ、周波数５Ｈｚおよび２
Ｈｚでの前記投入電力比の平方根を表す。

【００４２】図６は、図１の交流磁気撹拌機調節機およ
びＥＭＳの誘導コイルに関して考えられる電気的接続の
単線結線図である。

【００４３】図７は、ＥＭＳおよび交流ＭＳＭの考えら
れる電気的設定の一つにおける磁束密度測定値の軸方向
プロファイルをグラフで表したものである。曲線Ａおよ
び曲線Ｂはそれぞれ、交流ＭＳＭおよびＥＭＳの磁束密
度を表す。曲線Ｃは、交流ＭＳＭおよびＥＭＳの磁場を
重ね合わせることによって生じる合成磁場の磁束密度を
表す。間隔Ｓはほぼ、合成磁場の最も顕著な効果の空間
的境界を表している。

【００４４】図８は、２つの単純なシヌソイド型関数、
すなわち図８ａに示した振動周波数４Ｈｚのシヌソイド
曲線と図８ｂに示した振動周波数５Ｈｚの類似の曲線を
重ねることによって得られる複雑な多調波的周期関数の
コンピュータシミュレーションのグラフ表示である。

【００４５】図９は、４．０Ｈｚで動作する交流ＭＳＭ
と５．０Ｈｚで動作するＥＭＳによって生じる磁場の重
ね合わせによって生じる実際の合成磁場の磁束密度のオ
シログラムである。

【００４６】図１０は、３．７５Ｈｚでの交流ＭＳＭ磁
場と周波数４．０ＨｚでのＥＭＳ磁場の重ね合わせによ
って得られる合成磁場の磁束密度のオシログラムであ
る。図１０に示した記録は、より小さいスケールを用い
て振動のうなりを強調した点以外、図９で示した記録と
同様である。

【００４７】図面について説明すると、図１は、本発明
の１実施態様による連続鋳造機１０の鋳型ハウジングア
センブリ内の交流ＭＳＭとＥＭＳの配置を模式的に描写
したものである。図２は、その鋳型アセンブリの機械的
構成要素をより詳細に描写したものである。

【００４８】図１および２からわかる通り、連続鋳造鋳
型１４は水流２および３によって冷却され、交流ＭＳＭ
およびＥＭＳのそれぞれの誘導コイル１２および２０は
コンパートメント１３内に配置され、それによってそれ
らの誘導コイルは鋳型の冷却システムから隔離されてい
る。誘導コイルの冷却は、独立の冷却水供給管４および
５によって行われる。

【００４９】誘導コイル１２および２０の末端は、鋳型
ハウジング１の外側壁に取り付けられたターミナルボッ
クス６内に収納されている。誘導コイル１２および２０
を収容するコンパートメント１３は、溶融物レベル制御
部７の下に位置している。

【００５０】図１に示したように、スチールなどの液化
金属は、液中に入った導入ノズルを末端とする耐熱性セ
ラミック管１８を介してか、あるいは別法として、開放
流鋳造法における液だまりからの自由落下流として、鋳
型１４の上部開放端中央に投入される。

【００５１】レベル制御システム７によって狭い範囲の
一定レベルに維持された溶融物自由表面２２で始まる溶
融物と鋳型との間の界面には、固体金属の薄い被膜が形
成されている。

【００５２】溶融物の凝固が時間とともに進行するにつ
れて、線（ストランド）が連続的に鋳型から抜き出さ
れ、新たに入ってくる溶融物によって置き換わること
で、連続鋳造工程が行われる。

【００５３】直列の誘導コイル１２は、鉛直方向の鋳造
鋳型１４の下方部分の周囲を取り巻くように配置され、
交流電磁撹拌機（ＥＭＳ）を形成している。ＥＭＳコイ
ル１２にエネルギーを印加すると、鋳型１４の縦軸周囲
で、その鋳型内の溶融金属１６の線の回転運動が誘導さ
れる。

【００５４】本発明によれば、交流ＭＳＭ誘導コイル２
０は、鉛直型鋳型周囲に、溶融金属１５の線の自由上部
表面すなわちメニスカス２２に隣接するように配置され
ている。ＥＭＳコイル１２は、鋳型１４内の溶融金属１
６の線において溶融金属の強い回転流を誘導するよう設
計されている。

【００５５】その回転流の強度は、その回転速度Ｕ_Rに
よって特性が決定され、さらにその回転速度は以下の式
に従って、磁気トルクの影響を受けないパラメータによ
って決まる。

【００５６】

【数１】 この式中、 Ｔ＝０．５π²ｆ・σＢ²Ｒ⁴ （２） であって、これらの式中、Ｔは溶融金属に加わる磁気ト
ルクであり、ｍはトルクＴの影響を受ける金属の質量で
あり、Ｋは比例定数であり、ｆは電流の周波数であり、
σは液化金属の導電率であり、Ｂは磁束密度であり、Ｒ
は撹拌されるプールの半径である。

【００５７】関係式（１）からわかる通り、直流ＭＳＭ
などのある誘導システムの磁気トルクの変化は、磁気誘
導Ｂおよび周波数ｆという変数によって決まる。従っ
て、磁気トルクは、システムの操作パラメータ、すなわ
ち電流または投入電力および周波数によって制御するこ
とができる。

【００５８】メニスカス領域における回転速度は交流Ｍ
ＳＭおよびＥＭＳの両方の磁気トルクによって決まるこ
とから、それら磁気トルクの比によって、メニスカスに
おける撹拌回転速度は制御される。ＥＭＳによって発生
するメニスカスでの撹拌運動が、ＥＭＳトルクに対する
磁気トルクの比がある一定の値である交流ＭＳＭによっ
て発生する反対方向の撹拌運動によって均一化される場
合、その運動平衡は、トルク比が維持される限り、ＥＭ
Ｓの印加電流の操作範囲内に維持される。その関係を図
４に示したが、その図では、円形および正方形の水銀プ
ールについての実験データを示している。磁気トルク比
は、式（１）により、金属の単位質量当たりのトルクの
平方根として表される。

【００５９】メニスカスにおける回転速度Ｕ_Rは、以下
の式のように、その回転運動によって生じるメニスカス
低下との関係によっても表すことができる。

【００６０】

【数２】 この式中、ｈはメニスカス低下の深さであり、ｇは重力
加速度である。

【００６１】メニスカス低下測定の結果を図３に示し
た。その図において、ＥＭＳの撹拌強度がそれぞれ曲線
Ａおよび曲線Ｂによって表されるメニスカス低下に相当
する場合に、交流ＭＳＭによって発生し、円形の撹拌プ
ールについては曲線Ｃによって表されるメニスカス低下
と正方形の撹拌プールについては曲線Ｄによって表され
るメニスカス低下は、メニスカスにおける撹拌運動の平
衡に相当する。

【００６２】さらに、メニスカスにおいてそれぞれ交流
ＭＳＭ２０およびＥＭＳ１２によって発生し、式（３）
によりメニスカス低下ｈで表される逆回転の撹拌流の回
転速度比を図４に示した。

【００６３】速度がメニスカスにおける回転を打ち消
し、メニスカスを力学的平衡状態とするのに必要な値と
なった時に、水銀プールにおけるメニスカス低下を直接
測定することによって、これらの速度の測定を行った。

【００６４】両方の逆回転流の速度比と磁気トルクの両
方の比は、良好な一致を示している。従って、計算され
た運動量と磁気トルクのバリデーションは、物理モデル
作成によってメニスカスにおける撹拌速度評価を行うこ
とでできる。

【００６５】反対方向の撹拌運動の完全な平衡のような
メニスカスでのある一定の撹拌条件に関係する交流ＭＳ
Ｍの磁気トルクとＥＭＳの磁気トルクの望ましい比率が
決定されたら、交流ＭＳＭとＥＭＳの操作パラメータ
を、それらの所定の条件に合致するよう決定することが
できる。図５に示したように、交流ＭＳＭ２０とＥＭＳ
１２についての投入電力比は、メニスカス低下によって
表される磁気トルクと回転速度の比と良好な一致を示し
ている。

【００６６】従って、交流ＭＳＭ−ＥＭＳ統合システム
を備えた所定の鋳造設備に関しては、メインＥＭＳによ
って発生する撹拌の強度を考慮することで、投入電力な
どの操作パラメータは、メニスカスにおける撹拌条件を
正確に制御する手段を提供するものとなり得る。その制
御によって、主たる撹拌運動を強めるような形で交流Ｍ
ＳＭが作用する場合のＥＭＳによって生じる撹拌速度よ
り高い速度値から交流ＭＳＭが逆の回転運動を起こす場
合の実質的にゼロまで低下した撹拌速度の範囲内で、メ
ニスカスにおける撹拌速度を変えることができる。

【００６７】本発明に従って、ＥＭＳコイル１２によっ
て発生するメニスカスでの撹拌運動を相殺するために、
交流ＭＳＭの誘導コイル２０にエネルギーを印加して、
メニスカスにおける液化金属内にＥＭＳコイル１２によ
って生じるものとは反対の撹拌動作を誘導する。液化金
属の回転運動に関する従来の知見はいずれも、交流ＭＳ
Ｍコイル２０によって生じる撹拌に適用可能である。

【００６８】ＥＭＳコイル１２によって誘導されるメニ
スカスでの回転運動を相殺するために発生させる磁気ト
ルクおよび流動運動量がかなり低いと予想されるため
に、ＥＭＳコイル１２と比較して、交流ＭＳＭコイル２
０はかなり小さくしかも動作させるのに必要な電力が小
さい。

【００６９】本発明の１実施態様によれば、交流ＭＳＭ
コイル２０には、図６の単線結線図によって示したよう
に、ＥＭＳコイル１２と共通の電源からエネルギーを与
える。図６に示したスキームＩおよびスキームＩＩに
は、それぞれ直列につながることによって共通の電源か
ら供給される電流および周波数と同時に動作する交流Ｍ
ＳＭコイル２０およびＥＭＳコイル１２を示した。その
動作形態とすることによって、交流ＭＳＭコイル２０に
よるメニスカス領域での撹拌運動を強くすることができ
る。スキームＩに示されているコイル結線はＥＭＳと交
流ＭＳＭの双方から単方向回転のための磁場を得るため
のものである。この運転モードは、交流ＭＳＭのコイル
２０でメニスカス領域で攪拌運動を起こさせる。スキー
ムＩＩに示したコイル接続は、逆回転の磁場を与えて、
ＥＭＳコイルおよび交流ＭＳＭコイルに相当する領域に
おいて逆回転の液化金属の運動を起こすものである。Ｅ
ＭＳの変量によって決まるメニスカスでの撹拌作用（例
えば、磁気誘導）に対して微小な制御を行うことを目的
として、図６のスキームＩＩＩに示したように、交流Ｍ
ＳＭコイル２０に供給される電流レベルをＥＭＳコイル
１２の電流レベルとは独立に制御してもよい。その配置
によって、撹拌の方向パターン、すなわち順回転である
か逆回転であるかとは無関係に、ＥＭＳコイルか交流Ｍ
ＳＭコイルのいずれかの撹拌作用を独立に制御すること
ができる。

【００７０】交流ＭＳＭコイル２０を使用することによ
って得られるメニスカスでの撹拌運動の独立制御によ
り、撹拌工程の制御の柔軟性および正確さが向上し、図
４および図５に示したように、メニスカスでの逆の撹拌
運動の均一化を行うことができるようになる。

【００７１】ＥＭＳコイルおよび交流ＭＳＭコイルによ
って生じる撹拌速度を均一とするには、その磁気トルク
比がＥＭＳ操作電流範囲内の同一値でなければならな
い。例えば、正方形の撹拌プールの場合、ＥＭＳの磁気
トルクが３００アンペアのＥＭＳ電流印加に相当し、次
にメニスカス領域で逆の回転撹拌を行う交流ＭＳＭの磁
気トルクはＥＭＳトルクの値０．１６でなければならな
い。それは、図４に示したように、ＥＭＳ電流の全範囲
内のそれら平方根値の比０．４に相当するものである。

【００７２】そのレベルの磁気トルク比は、交流ＭＳＭ
投入電力をＥＭＳ投入電力に一致させることで得られ
る。すなわち、図５に示したように、交流ＭＳＭの投入
電力がＥＭＳ投入電力の０．１６であるかあるいはそれ
らの平方根比が０．４でなければならない。

【００７３】交流ＭＳＭとＥＭＳが空間的に近接してい
ることから、それらの磁場が重なり、合成磁場が生じ
る。図７には、交流ＭＳＭおよびＥＭＳによって生じる
磁束密度の軸方向プロファイル（それぞれ文字Ａおよび
文字Ｂを割り当ててある）と磁場ＡおよびＢの重なりに
よって生じる合成磁場の磁束密度Ｃを示した。磁場の重
なりの最も顕著な効果は、それぞれの交流ＭＳＭ構造と
ＥＭＳ構造の一部およびそれらの間の空間を含む空間間
隔Ｓ内で起こる。その間隔を過ぎたところで、その重な
りの効果が比較的低いのを認めることができる。２つの
単一周波数の磁場が重なるそのプロセスは、サイン曲線
などの２つの単純な調和関数の重なりに類似し、それに
よってシミュレーションできるものであり、図８（ａ、
ｂ、ｃ）に示したような複雑な多調波的関数が得られ
る。

【００７４】従って、異なった周波数の振動の振幅が一
致した時に合成磁場は多調波的となり、それによって、
２つの元の磁場のいずれの周波数より低い一定の周波数
を持ったうなりの形での合成磁場の振動が生じる。図９
および１０には、交流ＭＳＭとＥＭＳによって生じ、図
７での空間間隔Ｓに相当する合成電磁場の磁束密度の測
定例を示した。これらの例に示したように、合成磁場の
磁束密度その他のパラメータおよびそれらによって誘導
される性質（例えば、磁気力、圧力、運動量）は、可変
周期ｔの振動の振幅Ａに上昇を示すが、図９に示したよ
うに、うなっている振動は基礎周波数に逆比例する周期
Ｔを有している。合成磁場のパラメータの平均値も上昇
し、銅製鋳型および／または固体被膜による溶融物内の
それらの減衰は、その振動のうなりの周波数が低いため
に元の磁場のものより小さい。

【００７５】従って、新たな振動の動的外力が溶融物内
で発生しており、次にそれによって、その振動の周波数
が重力場での溶融物の自由振動の周波数の一部に近いか
あるいはそれに一致している場合にはパラメトリック共
鳴の条件が整う場合がある。それらの動的外力の振動が
多調波的であり振幅が大きい場合には、２つの交流磁場
が重なった場合のように、スチールなどの液化金属にお
けるそのような共鳴発生の確率が上昇する。さらに、本
発明の実施態様によれば、元の電磁場および合成電磁場
のいずれも、発表データによると、ほとんどの冶金系に
おける液化金属の自由振動の周波数の範囲でもある１〜
１５Ｈｚの範囲内の周波数を持つのが普通である。

【００７６】特定の冶金系に対する適合をより良好にす
るため、合成磁場の周波数を、元の磁場周波数の比、す
なわちｆ_ACMSM／ｆ_EMSによって調整することができる。
それは、それらの周波数によって、合成磁場の基礎周波
数が決まるからである。

【００７７】その比が１に近いほど、基礎周波数が低く
なる。磁束密度の振動、誘導電流およびそれから誘導さ
れる動的外力の大きさは、元の２つの電磁場のうちのい
ずれかあるいはその両方の電流投入によって制御するこ
とができる。

【００７８】溶融物内でのパラメトリック共鳴と同様、
加えられる動的外力（例えば、電磁気的力、圧力または
運動量）の調和振動の一つによっていくつかの樹枝状結
晶の共鳴振動が起こる場合には、鋳造線の凝固前面で、
別のパラメトリック共鳴が得られる。

【００７９】局所圧が溶融物の蒸気圧または構成要素で
ある合金の元素の蒸気分圧に等しいかあるいはそれより
低いと、溶融物内で起こる震動運動によって、液体破断
の結果としての微小空隙形成が起こる場合がある。その
空隙はその蒸気が凝集すると直ちに崩壊し、そのプロセ
ス途中で、高圧の衝撃波が発生して、隣接する樹枝状結
晶に作用を及ぼす。液化金属におけるパラメトリック共
鳴およびそれに伴う空隙形成のプロセスは、機械的に誘
発される震動によって凝固構造の改善を行うよう設計さ
れたシステムについては明らかになっている。

【００８０】その空隙形成は、液相と固相の導電率の差
によるそれらの相の界面での誘導電流の流線方向の変化
によっても生成または促進される可能性がある。

【００８１】結果的に、そのような位置で発生する磁気
力および磁気圧力は、正から負などの交互に変わる性質
を持ったものである。従って、局所負圧が蒸気分圧と等
しいかそれより低いと、相界面で溶融物に空隙が生成し
得る。

【００８２】既報の研究の結果から、上記の全ての機
構、すなわち液化金属内での震動運動量、パラメトリッ
ク共鳴およびキャビテーションによって、結晶の改善お
よび金属の脱気を通して鋳造製品の凝固構造が効果的に
改善される。従って、交流ＭＳＭとＥＭＳによって生じ
る、図９および図１０に示されたような交流磁場の重な
りを適用することによって、従来の電磁気的撹拌と比較
して鋳造製品の品質がさらに改善される。

【００８３】

【発明の効果】本願の開示内容を要約すると、本発明
は、鋳造鋳型内に入っている溶融金属の自由表面におい
て、その金属に加えられる電磁気的撹拌によって発生す
る撹拌運動を制御する改良法を提供して、溶融物の自由
表面領域周囲に配置され、メインの電磁気撹拌機の補助
であってそれに隣接する電磁気撹拌機の形態での誘導撹
拌機調節機を用いることで、単一の生産ユニット内で、
自由表面におけるそのような運動を低下させたりあるい
はそれを強化するものである。本発明はさらに、異なっ
た周波数で動作する撹拌調節機とメイン撹拌機の単一周
波数の電磁場を重ね合わせることで多調波的な合成磁場
を形成することによって得られる電磁気撹拌を用いて、
ビレットおよびブルームの連続鋳造における凝固構造改
善および全体的な品質改善を行う改良法をも提供するも
のである。本発明の範囲内で変更を加えることは可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施態様による鋳造鋳型に関して
の、交流磁気撹拌調節機（交流ＭＳＭ）および電磁気撹
拌機（ＥＭＳ）の配置の模式図である。

【図２】鋳造ハウジング内にあり図１の模式的配置に相
当する交流ＭＳＭおよびＥＭＳの機械的配置の正面断面
図である。

【図３】ＥＭＳおよび交流ＭＳＭによって行われる電磁
気的撹拌を受ける円形および正方形の水銀プールにおけ
るメニスカス低下測定値のグラフである。

【図４】図１の交流ＭＳＭおよびＥＭＳの磁気トルクの
比の平方根のグラフである。

【図５】交流ＭＳＭおよびＥＭＳへの投入電力比の平方
根のグラフ表示である。

【図６】図１の交流磁気撹拌機調節機およびＥＭＳの誘
導コイルに関して考えられる電気的接続の単線結線図で
ある。

【図７】ＥＭＳおよび交流ＭＳＭの考えられる電気的設
定の一つにおける磁束密度測定値の軸方向プロファイル
を表すグラフである。

【図８】２つの単純なシヌソイド型関数、すなわち
（ａ）に示した振動周波数４Ｈｚのシヌソイド曲線と
（ｂ）に示した振動周波数５Ｈｚの類似の曲線を重ねる
ことによって得られる複雑な多調波的周期関数のコンピ
ュータシミュレーションのグラフ表示である。

【図９】４．０Ｈｚで動作する交流ＭＳＭと５．０Ｈｚ
で動作するＥＭＳによって生じる磁場の重ね合わせによ
って生じる実際の合成磁場の磁束密度のオシログラムで
ある。

【図１０】３．７５Ｈｚでの交流ＭＳＭ磁場と周波数
４．０ＨｚでのＥＭＳ磁場の重ね合わせによって得られ
る合成磁場の磁束密度のオシログラムである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レオニド バイテルマン カナダ国 エル３ティー ６エックス１ オンタリオ ソーンヒル パークロウ ン クレセント 10 (72)発明者 ヨゼフ エイ． マルカヒー カナダ国 エル０ビー １シー０ オン タリオ ブルックリン センター スト リート 30 (56)参考文献 特開 昭59−85353（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−119962（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−129632（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−126405（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B22D 11/10 350 B22D 27/02

Claims (21)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液化金属からビレットおよびブルームを
   連続鋳造するための誘導撹拌方法において、 溶融金属に対して第１の回転磁場を加えることで、自由
   表面を含めた該溶融金属に乱流を起こすような強度で該
   溶融金属の撹拌を電磁気的に誘導する工程と、 前記第１の磁場を与える発生源から離れ、前記撹拌に隣
   接する上流側の位置にある発生源から発生する第２の回
   転磁場であって、その強度が、（ａ）該第２の回転磁場
   が第１の回転磁場の方向とは逆方向である場合には、少
   なくとも、前記自由表面領域における撹拌運動および乱
   流を最少にさせるだけのものであるか、あるいは（ｂ）
   該第１の回転磁場と第２の回転磁場が同じ回転方向を持
   つ場合には前記自由表面領域での撹拌運動を強めるもの
   である回転磁場を加える工程とを有する誘導撹拌方法。
2. 【請求項２】 前記第２の回転磁場が、前記溶融金属の
   自由表面領域に隣接する位置で加えられる請求項１に記
   載の方法。
3. 【請求項３】 第２の回転磁場が、前記第１の回転磁場
   を発生させる１組の誘導コイルと共通で共有される電源
   から供給される交流電流によって制御される１組の誘導
   コイルによって提供される請求項１または２のいずれか
   に記載の方法。
4. 【請求項４】 第２の回転磁場が、前記第１の回転磁場
   を発生させる１組の誘導コイル用の電源とは独立の電源
   から供給される交流電流によって制御される１組の誘導
   コイルによって提供される請求項１または２のいずれか
   に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記２組の誘導コイルが、それらがそれ
   ぞれの回転磁場を与える位置での溶融金属領域の周囲を
   それから隔たって囲んでいる多相・多極配置のコイルで
   ある請求項３または４のいずれかに記載の方法。
6. 【請求項６】 前記第２の回転磁場を用いて、メニスカ
   ス領域において、その下流の印加位置で第１の回転磁場
   によってその領域に発生する撹拌運動を相殺するだけの
   撹拌運動を起こす請求項１ないし５のいずれかに記載の
   方法。
7. 【請求項７】 第２および第１の磁場の磁気トルク値を
   均衡させることによって、すなわちその比を、メニスカ
   スでのある一定レベルの撹拌強度を第１の磁場を発生さ
   せる誘導コイルに投入される電力の全範囲内に維持する
   ようにすることで、メニスカスにおける撹拌運動の低減
   制御を行う請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】 それぞれ第２および第１の磁場を発生さ
   せる誘導コイルへの電力投入値を均衡させることで、所
   定の連続鋳造システムのメニスカスにおける撹拌運動の
   低減制御を行う請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記第２の回転磁場を用いて、メニスカ
   ス領域に、その下流での印加位置で第１の磁場によって
   メニスカスに発生する撹拌の強度を超えるレベルまで撹
   拌運動を強化するだけの撹拌運動を行う請求項１ないし
   ８のいずれかに記載の方法。
10. 【請求項１０】 第２および第１の磁場の相当する投入
    電力値を均衡させることでそれら磁場の磁気トルク値を
    均衡させることによって、メニスカスにおける撹拌運動
    の強化制御を行う請求項９に記載の方法。
11. 【請求項１１】 メニスカスにおける撹拌運動の制御を
    第１の磁場と第２の磁場で異なった周波数を用いること
    で行う請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法。
12. 【請求項１２】 異なった周波数で動作する第１の磁場
    と第２の磁場が重なって、多調波的な合成磁場を形成
    し、該磁場の振動のうなりの基礎周波数は元の第１の磁
    場と第２の磁場のいずれの周波数より低い請求項１１記
    載の方法。
13. 【請求項１３】 合成磁場によって生じる動的外力によ
    って、重力場において液化金属および／または凝固前面
    に付着した樹枝状結晶が振動する周波数の一部に該外力
    の振動周波数が近いかあるいは一致している場合に、液
    化金属内および／または液相−固相界面でパラメトリッ
    ク共鳴を起こす請求項１２記載の方法。
14. 【請求項１４】 前記動的外力が磁気力、磁気圧力およ
    び運動量を含むものであり、前記パラメトリック共鳴に
    よって動的外力の大きさが大きくなって、より有効な結
    晶断片化および凝固構造の改善を行う請求項１３記載の
    方法。
15. 【請求項１５】 前記動的外力が磁気力、磁気圧力およ
    び運動量を含むものであり、前記パラメトリック共鳴に
    よって動的外力が大きくなって、液化金属において、特
    に凝固前面でキャビテーションが生じ、それによって局
    所衝撃波と結晶断片化へのさらなる寄与ならびに凝固構
    造の改善および溶融物中に溶解したガスの除去が行われ
    る請求項１３に記載の方法。
16. 【請求項１６】 パラメトリック共鳴の効果を最大とす
    る点に関して合成磁場の基礎周波数およびその振動の振
    幅の至適化を、元の磁場の周波数の比、すなわちｆ
    _ACMSM／ｆ_EMSを介して行う請求項１３記載の方法。
17. 【請求項１７】 多調波的電磁場が、共通の鉄ヨークお
    よび極に巻かれ周波数の異なる別個の電流が供給される
    独立の誘導コイルを配置することによって得られる請求
    項１２ないし１６のいずれかに記載の方法。
18. 【請求項１８】 多調波的電磁場が、１個の誘導コイル
    に多周波電流を印加することで得られる請求項１２ない
    し１６のいずれかに記載の方法。
19. 【請求項１９】 多調波的電磁場とそれと同時の冶金効
    果を同一周波数の２つの元の磁場を重ね合わせることで
    得て、その一方で、磁極間の角度が異なる独立の誘導コ
    イルによってそれらの磁場を発生させる請求項１２ない
    し１６のいずれかに記載の方法。
20. 【請求項２０】 多調波的電磁場を発生させる手段を、
    線に凝固する最終段階に相当する領域に配置する請求項
    １２ないし１９のいずれかに記載の方法。
21. 【請求項２１】 前記液化金属がスチールである請求項
    １ないし２０のいずれかに記載の方法。