JP2874891B2 - 半凝固金属の製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 半凝固金属すなわち、非樹枝状初晶が金属又は合金の
融体中に分散した固・液混相状態の混合物（レオメタル
とも呼ばれる。）を材料として、鋳造、鍛造又は圧延な
どの加工により、直接、製品の最終形状に賦形する、い
わゆる半凝固加工プロセスは、金属材料の高品質化、高
機能化への寄与が著しいことが報告され、その実用化
が、強く要望されている。

この発明は、半凝固加工プロセス適用の基本となるレ
オメタルの安定な供給を目指した半凝固金属の製造装置
について開発研究の成果を提案するものである。

（従来の技術） 特公昭56−20944号公報には、保温槽内に供給した溶
融金属を一定温度に保持しつつ、円筒状の冷却撹拌槽中
で高速回転する撹拌子との間のすきまに導入し、適当な
冷却作用下に、強烈な撹拌力を加えて半凝固状態とした
上で、冷却撹拌槽の底部から排出ノズルを経て連続的に
取出すことが開示されているが、冷却下の撹拌作用を原
料溶湯に加える撹拌すきまの調節が不可能なので、適切
な半凝固状態を原料溶湯の種別の如何を問わないで安定
に実現するために必要な制御を行うことが困難とされ、
実用化には至っていない。

（発明が解決しようとする課題） 半凝固金属は金属又は合金の溶融体を冷却しながら激
しく撹拌して融体中で生成しつつある樹脂状晶を、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す
ることにより形成される。半凝固金属中の非樹枝初晶は
粒子の細いものほど特性が優れ、従って半凝固金属の製
造装置としては、強冷却効果と強大な撹拌効果とが必須
条件とされる。

このような条件を達成するために発明者はさきに円錐
撹拌面を有する水冷撹拌子を使用する半凝固金属製造装
置を開発し、その有用性を確認しているが冷えば鉄系合
金の様に融点が1500℃程度以上のいわば高融点材料につ
いては必ずしも満足な成績が得難いことを知った。

この種の半凝固金属製造装置において、問題となるの
は （１）1500℃程度もの高温の原料溶湯を、冷却裡に撹拌
するために耐火材の高温強度の高いことが必要とされる
のに一般的なセラミックは脆く熱衝撃に弱いこと及び機
械的構造に制約があることなどの欠点があり、装置の具
体化が困難でとくに撹拌子は強冷却と同時に、高速回転
により強烈な撹拌作用を与える必要上、装置化に困難を
伴う。

（２）高温であるが故に、常に熱損失も著しいことが不
所望な凝固，凝結が発生し易くて操業を困難とし、とく
に連続プロセスにおいては、操業開始が一番の問題であ
り、これに対し適切な装置化と操業開始方法の確立が必
要である。

（３）実用的な装置としては途中での事故発生による停
止が余儀なくされる場合も考える必要があり、事故処理
及び保守，点検，準備作業が簡単，容易に行なえること
も必要となる。

ことであり、従ってこのような課題についてとくに有利
な解決を与えることがこの発明の目的である。

（課題を解決するための手段） この発明は原料溶湯の注ぎ込みを受入れる溶湯溜めを
有し，この溶湯溜めと連通する流入室の底部に上広がり
の円錐開口をもちこの円錐開口の直下に保温室をそなえ
る撹拌槽の、上記円錐開口に臨んで高速回転駆動可能な
円錐形の冷却撹拌子を、円錐開口との間ですきま代の調
整を可能として撹拌槽と組合わせてなり、上記保温室の
底でスライド弁により閉止可能な排出ノズルを設けた、
冷却撹拌装置であって、 冷却撹拌子が、高導熱性金属による水冷箱の外周全面
に耐火物ライニングを施したものであることを特徴とす
る、半凝固金属の製造装置である。

ここに耐火物ライニングが、高耐熱性セラミックスタ
イルであること、冷却撹拌子が、その回転駆動系統を装
架した昇降フレームにより可動であること及び撹拌槽
が、これを載架した台車により可動である、ことがとく
に有利である。

円錐形冷却撹拌子の構造として上記のように内部水冷
の高導熱性金属例えば純銅製冷却箱の円錐外周全面に耐
火物ライニングとくにのぞましくは高耐熱セラミックス
タイルを施した構造とし、これにより冷却箱の温度をお
よそ300℃以下に保ち得て十分な冷却強さが得られる。

円錐形冷却撹拌子はその回転駆動系統を装架した昇降
フレームにより可動としてすきま代の調整を可能とする
ほかに事故処理や保守点検、準備又は修理の場合は、昇
降フレームの上昇による退避位置に移動させ、一方撹拌
槽についても台車により撹拌位置から保守位置に移動さ
せることによって、作業を容易、簡単としたのである。

さて第１図を第２図とともに参照して１は撹拌槽、２
は冷却撹拌子であり、撹拌槽１は原料溶湯の注ぎ込みを
受入れる溶湯溜め1aを有し、この溶湯溜1aともぐり堰1b
を介して連通する流入室1c及び流入室1cの底部にて上広
りをなす円錐開口1dを、そしてこの円錐開口1dの直下に
保温室1eをそなえ、冷却撹拌子２は、円錐開口1dに臨ん
で円錐環状の撹拌すきま2aを形成する円錐形の撹拌ヘッ
ド2bをそなえ、撹拌ヘッド2bの上方に主軸2cと、同じく
下方には保温室1d内を占める混合用スクリュー2dを有し
ている。

撹拌槽１及び冷却撹拌子２は、原料溶湯と接する外表
面に耐火物内張りを施すものとし、とくに保温室1eはそ
の耐火物周壁のまわりを取囲む配列とした場合を例示し
た誘導加熱コイル３に電源４より通電することによって
保温室1e内を定温に保持し、また冷却撹拌子２の撹拌ヘ
ッド2bは第３図に断面で要部の詳細を示すように高導熱
性金属例えば銅よりなる水冷箱2eの外周全面に耐火物ラ
イニングたとえば図示例の如き高耐熱性セラミック（一
例をあげると窒化けい素質磁器のような。）タイル2fを
施すものとする。

保温室1eの底には排水ノズル５を設け、スライド弁６
により、開閉可能とする。なお図中７は流入室1cの上部
開口を閉ざす蓋、また８は冷却撹拌子２の主軸2cとフラ
ンジ連結をした駆動竪軸または９は回転継手である。

駆動竪軸８は昇降フレーム10から張出したブラケット
11の前端（図の左方）にて軸受け支持し、ブラケット11
の頂部に配設したモータ12により、トルク計13、減速機
14を介して駆動トルクを、冷却撹拌子２に伝えるものと
する。

昇降フレーム10は、液圧シリンダ15により、固定コラ
ム16に配設したガイドローラ17の案内の下で上下に変位
可能とし、これによって円錐環状の撹拌すきま2aの調節
と、冷却撹拌子２の保守又は点検、整備などのための避
譲位置への待避とを行えるようにする。

また回転継手９には、冷却ホース18を介して冷却水の
加圧源19及び排水とつないで、駆動軸８及び主軸2cの中
空孔内配管（第３図参照）を通し、水冷箱2eの内部に形
成した通水溝孔20を満たして流れる冷却水の循環流動を
導くようにする。

一方撹拌槽１はその全体を台車21上に載架支持し、例
えば水平方向に予め敷設しておいたレール22に沿って可
動とする。なお23は台車21の車輪である。

この例で冷却撹拌子２の回転中心は固定であり、実際
に半凝固金属の製造を行う場合は、台車21を移動して撹
拌槽１の中心位置を冷却撹拌子２の回転中心に合せ、こ
れを例えば位置決めピン24（第２図参照）によって固定
して操業を行い、操業が終れば、位置決めピン24を外し
て移動し、準備位置25において保守，点検，整備又は事
故処理等を簡単，容易に行うことが出来る。

（作 用） 実際の操業に当ってはまずその開始に先立ち冷却撹拌
子２を上昇させた待機位置にて、スライド弁５を全閉と
して溶湯溜め1aを介して撹拌槽１内に原料溶湯を受湯す
るとともに誘導加熱コイル３に通電して加熱し混合室1e
内が一定温度に保持されるように内張耐火材を十分に予
熱する。

次に冷却撹拌子２を下降させ撹拌槽１の円錐開口1dに
適合させてから回転駆動を開始し、引続きスライド弁５
を開いて排出ノズル６からの流出を開始すると共に原料
溶湯の連続的な供給を開始する。

原料溶湯は溶湯溜め1aに供給され、もぐり堰1bから撹
拌槽１の流入室1cにはいり、円錐環状の撹拌すきま2aに
おいては、円錐開口1dの内周と冷却撹拌子２の外周との
間で強く冷却されると共に、高速で回転する冷却撹拌子
２により、強烈に撹拌されて半凝固金属となって順次保
温室1eに向け流出する。

保温室1e内では誘導加熱コイル３による半凝固金属の
温度制御にあわせて冷却撹拌子２の下端に形成した混合
スクリュウ2dにて混合均一化され、排出ノズル５及びス
ライド弁６の開孔を通して所定温度に調節された均一な
半凝固金属が得られる。

（実施例） 冷却撹拌子２として、第３図に示したような管状ケー
シングをもつ主体金物25と、給水管26及び銅製水冷箱2e
を骨組みとして銅製水冷箱2eの外表面に高耐熱性セラミ
ックスタイル2fを施して撹拌ヘッド2bを構成し、主体金
物25の管状ケーシング外周は耐火材の保護スリーブ27を
かぶせた構造とした。

ここに主体金物25は、その下端で逆円錐台形をなし、
その小径側と大径側とにそれぞれ半径方向の通水孔群2
8,29をあけ、これらを円錐表面にて導通する通水溝30を
設けて、この主体金物25の逆円錐台形をなす下端の外面
にぴったりはまり合うやはり逆円錐台形の胴殻よりなる
水冷箱2eを上記通水孔群28,29及び通水溝30における流
水により冷却するように、給水管26の下端を主体金物25
の底穴に緊密にはめ合わせて通水孔群28,29の相互間を
分離し、給水管26の内外を給排水通路とする２重管構造
である。

なお主体金物25の下端面には、取付け金具31を固着し
て混合スクリュウ2dを連結する。図中32は混合スクリュ
ウを保護する耐火材スリーブである。

この例では純銅製とした水冷箱2eが冷却面を形成する
がこのような冷却面にて直接、溶湯の冷却撹拌を行うと
すれば、その強烈な撹拌作用も相まって冷却面の表面温
度が速かに800℃以上にも達して到底実用に耐えず純銅
の代りにその他の高熱伝導金属を使用したとしても殆ど
かわりがない。ところがこの発明においては、上記水冷
箱2eの外周全面に適切な厚さの高耐熱性セラミックタイ
ルを接着又は接合し、ここに熱応力をより有効に緩和す
るため出来るだけ小片のタイル状とすることがのぞまし
く、例えば10mm厚さの純銅製水冷箱の外面に、ニッケル
めっきを施した上でロー材を介して10mm厚さのSi₃N
₄（窒化珪素）のセラミックスタイルを拡散接合したと
ころ、十分な強度，耐久性及び冷却効果を得ることが出
来た。

この冷却撹拌子を冷却水の通水による冷却下に、撹拌
槽１内に受入れた溶融金属中に挿入，浸漬して回転を開
始すると、溶融金属は冷却撹拌子と撹拌槽底の環状円錐
すきま2aにて強い冷却作用と冷却撹拌子の回転による強
烈な撹拌効果を受けて半凝固状態となりこの半凝固金属
を排出ノズルから取出すことができた。

この場合に撹拌効果は冷却撹拌子の回転速度により左
右されるが、この例で平均直径200mmの撹拌子を、最高1
000r.p.mとしたとき隙間の任意な調節の下に十分実用に
耐える効果が確認された。

（発明の効果） 融点が1500℃程度に及ぶ高融点金属用の連続式半凝固
金属製造装置は世界的にも、その例を見ずそれはこのよ
うな高融点金属を処理するための装置材料選定の問題に
加えて装置構造の難しさから装置化が困難である上に操
業上も熱損失が大きく凝固を生じ易いため運転も難しい
からであったのに対してこの発明の装置によりはじめて
高融点金属用の連続半凝固金属製造装置の具体化が可能
となって、安定な操業・運転を実現し得る点で産業上大
変有用である。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の装置を要部の断面で示す全体図、 第２図は平面図、 第３図は冷却撹拌子の詳細図である。 １……撹拌槽、２……冷却撹拌子 1a……溶湯溜め、1d……円錐開口 1e……保温室、2e……水冷箱 2f……耐火物ライニング、５……排出ノズル ６……スライド弁

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原料溶湯の注ぎ込みを受入れる溶湯溜めを
   有し，この溶湯溜めと連通する流入室の底部に上広がり
   の円錐開口をもちこの円錐開口の直下に保温室をそなえ
   る撹拌槽の、上記円錐開口に臨んで高速回転駆動可能な
   円錐形の冷却撹拌子を、円錐開口との間ですきま代の調
   整を可能として撹拌槽と組合わせてなり、上記保温室の
   底でスライド弁により閉止可能な排出ノズルを設けた、
   冷却撹拌装置であって、 冷却撹拌子が、高導熱性金属による水冷箱の外周全面に
   耐火物ライニングを施したものであることを特徴とす
   る、半凝固金属の製造装置。
2. 【請求項２】耐火物ライニングが、高耐熱性セラミック
   スタイルである、請求項第１項に記載した装置。
3. 【請求項３】冷却撹拌子が、その回転駆動系統を装架し
   た昇降フレームにより可動である、請求項第１項又は第
   ２項に記載した装置。
4. 【請求項４】撹拌槽が、これを載架した台車により可動
   である、請求項１項、第２項又は第３項に記載した装
   置。