JP3249866B2 - 半凝固金属の製造方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、非樹枝状晶が金属
（一般には合金）液体中に分散したスラリー状の固体−
液体金属混合物（以下単に半凝固金属という）の製造に
関し、操業条件の変動があっても半凝固金属を連続的に
排出できる半凝固金属の製造方法とその装置を提案する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】これまで、半凝固金属を連続的に製造す
る手段として、例えば特公昭５６−２０９４４号公報
（非樹枝状初晶固体分を含む合金を連続的に形成する為
の装置）に開示されているように、一定温度の溶融金属
を、円筒状の冷却槽の内面と高速回転する攪拌子との間
に導き、強い攪拌作用を加えつつ冷却し、得られた半凝
固金属をその底部から連続的に排出させる機械攪拌方式
（以下攪拌子回転法という）のものが知られている。ま
た、攪拌方式として電磁力を用いる電磁攪拌方式のもの
も知られている。

【０００３】これらいずれの手段も、半凝固金属中の固
相は、溶融金属を冷却しながら激しく攪拌することによ
って、融体中に生成しつつある樹枝状初晶の枝部が消失
ないしは縮小して丸みを帯びた形態に変換されて形成さ
れる。この半凝固金属は、非樹枝状初晶粒子が細かいほ
ど、また固相率が高いほど、その半凝固金属から得られ
る製品の品質特性が優れていると言われ、その初晶粒の
大きさは冷却速度が大きいほど細かくなる。

【０００４】このようなことから半凝固金属の製造装置
としては、強冷却が可能な装置が必要であるが、強冷却
して微細初晶粒、高固相率の半凝固金属を製造する場
合、見かけ粘性が大きくなるため流動性が非常に悪くな
り、上記したいずれの手段によっても特に高固相率の半
凝固金属の連続的な安定した排出は困難であった。

【０００５】上記観点から攪拌子回転法については、半
凝固金属の排出能改善手段として、この発明会社は先に
特開平４−１２４２３１号公報（半凝固金属製造装置）
に、表面にねじ溝をそなえた攪拌子を用い、冷却槽で生
成した半凝固金属を下方へ強制的に送給する手段を取り
入れた装置を提案した。しかし、実操業において操業条
件の変動による固相率の上昇などに対応するには不十分
であり、いまだ改善の余地が残されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述した状況のもと
で、発明者らは表面にねじ溝をそなえた攪拌子を用いる
攪拌子回転法について、さらに実験・検討を進めた結
果、表面にねじ溝をそなえた攪拌子を用いることは、粘
性の高い半凝固金属の強制排出手段として非常に優れた
能力を有することが認められた。しかし、半凝固金属は
固相率の上昇とともにその流動性が著しく劣化し、上記
手段によっても固相率が大きくなりすぎると半凝固金属
の排出が困難になる。

【０００７】このことから、連続的な半凝固金属の安定
排出を行うためには、排出される半凝固金属の固相率
（以下単に排出固相率という）を排出可能な範囲内で制
御する必要がある。この排出固相率の制御は、供給する
溶湯の温度と供給速度、及び冷却板冷却面の表面積と抜
熱速度、さらに半凝固金属の排出速度などを調整するこ
とで行うことができる。なお、排出速度は一般に排出ノ
ズル開度の操作によって調整される。

【０００８】しかし、実操業においては、長時間の操業
や取鍋の交換時などに、供給する溶湯の温度や供給量な
どが急激に変化する場合があり、その場合以下に列記す
るような問題点があった。

【０００９】 供給する溶湯の温度が低下すると、排
出固相率が急上昇し排出停止や攪拌子駆動用のモーター
の過負荷を引き起す。この場合、排出ノズル操作によっ
て排出速度を増加させる対策があるが、固相率が上昇し
て粘性が高くなると排出速度が増加しにくくなり、十分
な対策とはなり得ない。また、別の対策として、タンデ
ィッシュ、装置内等をヒーター等で加熱する方法もある
が、溶湯温度を上昇させるのに時間を要し、緊急対策と
はならない。

【００１０】 溶湯の供給量が低減すると、装置内の
湯面が下がり、ヘッド圧が減少して排出速度が低下し、
排出固相率が急上昇して排出停止や攪拌子駆動用モータ
ーの過負荷を引き起す。この場合、もし排出ノズル操作
により一時的に排出速度を増加できたとしても、湯面の
低下を助長し結果的には逆効果となる。

【００１１】 高品質の半凝固金属を製造するため、
排出固相率を排出できる上限の固相率で操業している場
合、たとえ一時的であっても、排出速度のみを低下させ
ることはできない。すなわち、排出速度の低下により固
相率が上昇し排出停止などのトラブルが生じる。

【００１２】したがって、この発明は、上記した問題点
を有利に解決し、操業条件の急激な変動があっても半凝
固金属を連続的に排出できる攪拌子回転法による半凝固
金属の製造方法とその装置を提案することを目的とする
ものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明の要旨は以下の
通りである。 背面を冷媒により冷却する筒状の冷却板を有する冷
却槽の上方から供給した溶湯を、冷却板の抜熱による冷
却下に攪拌子の該冷却槽の中心における回転に基づくせ
ん断力によって粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁した半凝
固金属を製造し、下方の排出口から排出する半凝固金属
の製造方法において、冷却板背面に伝熱速度制御用の複
数のセグメントを１層以上着脱させることにより、冷却
板の抜熱速度を調整することを特徴とする半凝固金属の
製造方法である。

【００１４】 筒状の冷却板を有する冷却槽の上方か
ら供給した溶湯を、冷却板の抜熱による冷却下に攪拌子
の該冷却槽の中心における回転に基づくせん断力によっ
て粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁した半凝固金属を製造
し、下方の排出口から排出する半凝固金属の製造装置に
おいて、冷却板背面に伝熱速度制御用の複数のセグメン
トを１層以上着脱自在に設けて成る半凝固金属の製造装
置である。

【００１５】

【作用】この発明の作用を以下に述べる。この発明は、
攪拌子回転法によって半凝固金属を連続的に製造する場
合に、操業条件の急激な変動があっても冷却槽冷却板の
抜熱速度を調整して、これに対応させ、排出固相率の変
動特に過上昇を防止できるようにすることを骨子とする
ものである。

【００１６】さらに詳述すると、溶湯をタンディッシュ
を介して半凝固金属製造装置に供給し、冷却槽内で冷却
下に攪拌子の回転に基づくせん断力によって粒子の細か
い非樹枝状晶が懸濁した半凝固金属スラリーを生成さ
せ、その半凝固金属を下方の排出ノズルから連続的に半
凝固金属を排出させる場合、排出固相率は排出ノズルの
開度を調整することによって制御するが、場合によって
はすなわち操業条件の急激な変動に対しては、背面を冷
媒により冷却する筒状の冷却板背面に伝熱速度制御用の
複数のセグメントを１層以上着脱させて伝熱速度を制御
し冷却板の抜熱速度を調整することよって排出固相率を
制御しようとするものである。

【００１７】すなわち、操業中に供給される溶湯温度の
低下、溶湯供給量の減少が急激に発生した場合、溶湯の
総含熱量が低減することにより生じる排出固相率の急上
昇と、それに伴う排出停止や装置内凝固などを、冷却板
背面に複数のセグメントを装着して冷却板の抜熱速度を
低下させることで阻止し操業停止を未然に防止する。そ
して、溶湯温度や供給量が旧に復した場合は、冷却板背
面に装着した複数のセグメントを取り外すことで排出固
相率の変動を防止することができる。また、冷却板背面
に装着する複数のセグメントを多層構造とし、そのうち
の何層かをあらかじめ冷却槽に装着しておくことによ
り、供給される溶湯温度が上昇した場合にはスリーブを
取り外すことで排出固相率の変動を防止できる。

【００１８】さらに、別の作用として、複数のセグメン
トを多層構造にし、冷却板背面に装着する複数のセグメ
ントの層数により冷却板の抜熱速度を多水準に変化可能
にすると、半凝固金属の排出速度を、下工程（ダイカス
ト機による半凝固金属の加工等）で要求される半凝固金
属の供給量に見合った値、すなわち供給量を一定値に保
持しても、上記した複数のセグメントの装着層数により
排出固相率を多水準に変化させることができ、固相率、
供給量ともに下工程の要求に応じることが可能になり加
工製品製造工程の効率化がはかれる。

【００１９】

【実施例】

実施例１ 図１は、この発明に適合する表面にねじ溝をそなえた攪
拌子を用いる半凝固金属製造装置の説明図である。図１
において、１は浸漬ノズル、２はタンディッシュであ
る。３は受湯槽、４は表面にねじ溝をそなえた攪拌子、
５は冷却板６を有する冷却槽であり、冷却板６は冷却水
入口７と出口８を介する冷却水によってその背面から冷
却される。攪拌子４は、受湯槽３を貫通して冷却槽５内
に挿入され、冷却槽５の中心における回転により、浸漬
ノズル１、タンディッシュ２及び受湯槽３を介して供給
される溶湯を、冷却板６の抜熱による冷却下に攪拌して
半凝固金属を生成させるとともに、生成した半凝固金属
に排出力を付与する。

【００２０】一方９は筒状の冷却板６の背面にて着脱さ
せる冷却板の外周で２分割の１層目のセグメントであ
り、その着脱はセグメント９に連結するシャト１１を介
してシリンダー１２により行う。１０は２層目のセグメ
ント（セグメント９と同様に２分割）であり、１層目の
セグメント９の外周に上記と同様の方法で着脱させる。
そしてこれらセグメント９及び１０の着脱により冷却板
６の抜熱速度を変化させる。

【００２１】また、１３は排出槽であり、排出ノズル１
４とスライド弁１５（以下単にＳＮという）からその開
度調整により排出速度を制御して半凝固金属を排出す
る。なお、１６及び１７はそれぞれ受湯槽３及び排出槽
１３のヒーターである。

【００２２】つぎに、この発明の適合例として、上記図
１に示した装置に、Ａｌ−７mass％Ｓｉ合金溶湯を６０
リットルの容量の取鍋２基（１鍋、２鍋）から順次供給
して半凝固金属の製造を試みた。溶湯の供給は、１鍋の
溶湯をタンディッシュ１に全量注湯しおえたのち、取鍋
を１鍋から２鍋に交換して２鍋の溶湯の注湯を開始する
ようにした。なお上記の取鍋の交換には約４０秒間を要
した。

【００２３】操業条件として、攪拌子４の回転数を６０
０rpm と一定にし、安定時の半凝固金属の排出速度はＳ
Ｎ１５の開度調整により１５ l/minになるように制御し
た。そして１鍋溶湯のタンディッシュ１への注湯が終了
した時点で、溶湯の供給量が不足して受湯槽３の湯面が
下降するのを防止するために、ＳＮ１５を操作して排１
１度を５ l/minまで絞った。この時排出固相率の急上昇
を防止するために冷却槽５の冷却板６（Ｃｕ製）の背面
にセグメント９（ＳＵＳ３０４製）を装着し冷却板６の
抜熱速度を低下させた。その後、２鍋の注湯が開始され
たのち、ＳＮ１５を操作して排出速度を再び１５ l/min
に戻し、冷却板６に装着したセグメント９を取り外し
た。

【００２４】上記操業中の、ＳＮ開度、半凝固金属の排
出速度、排出固相率などを調査した。それらの結果を図
２にまとめて示す。図２は、上記適合例の操業開始から
の時間とＳＮ開度、排出速度及び排出固相率との関係を
示すグラフである。なお、図２には、取鍋溶湯の注湯開
始と終了及びセグメント９の着脱のタイミングを示し
た。

【００２５】この図２からも明らかなように、１鍋溶湯
の注湯終了から２鍋溶湯の注湯開始までの取鍋交換時の
約４０秒間に、湯面低下防止のため排出速度を低下させ
たが、冷却板６の背面にセグメント９を装着することに
より冷却板６の抜熱速度を低下させたので、排出固相率
の急上昇やそれに伴う排出停止を起すことなく、次の２
鍋溶湯の注湯ができ排出固相率０．３〜０．３５の安定
した半凝固金属を製造することがてきた。

【００２６】また、比較例として、冷却板６の背面にセ
グメント９を装着をしなかった（冷却板６の抜熱速度を
変化させない）以外は上記と同様の条件で半凝固金属の
製造を試み上記と同様の調査を行った。

【００２７】それらの結果を図３にまとめて示す。図３
は、この比較例の操業開始からの時間とＳＮ開度、排出
速度及び排出固相率との関係を示すグラフである。この
場合には１鍋溶湯の注湯終了と同時に排出固相率が上昇
し、排出停止を防ぐためにＳＮ１５の開度を大きくせざ
るを得なかった。しかし、結果的には間もなく排出が停
止するとともに、撹拌子駆動用のモーターの過負荷が起
り撹拌子が停止して操業停止となったため、次の２鍋溶
湯の注湯を行うことができなかった。

【００２８】実施例２ 前掲図１に示した装置を用い、Ａｌ−７mass％Ｓｉ合金
について、排出速度を一定にして、セグメント９又は９
及び１０を冷却板６背面に装着することにより排出固相
率を変化させる半凝固金属の製造を試みた。

【００２９】操業は、受湯槽３の湯面を一定に保つよう
に取鍋溶湯をタンディッシュ２に注湯し、攪拌子４の回
転数を６００rpm と一定にし、排出速度はＳＮ１５の開
度調整により１０ l/minと一定に制御して行った。そし
て、排出速度を一定に制御しながら冷却板６（Ｃｕ製）
背面に１層目のセグメント９（Ｃｕ製）と２層目のセグ
メント１０（Ｃｕ製）を順次装着させて、冷却板６の冷
却面の抜熱速度を３水準に変化させ、この間のＳＮ１５
の開度、排出固相率を調査した。

【００３０】これら調査結果を図４にまとめて示す。図
４はセグメントの冷却板への装着がおよぼす操業開始か
らの時間とＳＮ開度、排出速度及び排出固相率の関係を
示すグラフである。この図から明らかなように、排出速
度を一定にしながら冷却板６背面にセグメント９，１０
を順次装着することによって冷却板６の抜熱速度を３水
準に変化させたので、排出固相率も３水準に変化した。

【００３１】このように、排出速度を一定とした場合で
も冷却板背面にセグメントを装着してその抜熱速度を変
化させることで、排出固相率が制御できることが確認さ
れた。

【００３２】

【発明の効果】この発明は、攪拌子回転法により半凝固
金属を製造するにあたり、冷却槽筒状冷却板背面に伝熱
速度制御用の複数のセグメントを１層以上着脱させるこ
とにより冷却板の抜熱速度を調整するものであり、この
発明によれば、実操業時にしはしば発生する供給溶湯の
温度低下や供給量の低減、あるいは排出速度の一時的な
低下によって起る排出固相率の過上昇を迅速に阻止し、
操業時の排出停止や攪拌子駆動用モーターの過負荷を防
止して安定操業を実現するものであり、さらに、半凝固
金属のダイカスト加工等の連続生産効率を向上し、半凝
固金属加工プロセスの発展に大きく貢献するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に適合する表面にねじ溝をそなえた攪
拌子を用いる半凝固金属製造装置の説明図である。

【図２】操業開始からの時間とＳＮ開度、排出速度及び
排出固相率との関係を示すグラフである。（適合例）

【図３】操業開始からの時間とＳＮ開度、排出速度及び
排出固相率との関係を示すグラフである。（比較例）

【図４】セグメントの冷却板への装着がおよぼす操業開
始からの時間とＳＮ開度、排出速度及び排出固相率の関
係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 浸漬ノズル ２ タンディッシュ ３ 受湯槽 ４ 攪拌子 ５ 冷却槽 ６ 冷却板 ７ 冷却水入口 ８ 冷却水出口 ９ セグメント（１層目） １０ セグメント（２層目） １１ シャフト １２ シリンダー １３ 排出槽 １４ 排出ノズル １５ スライド弁 １６ ヒーター １７ ヒーター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 難波 明彦 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 株式 会社 レオテック内 (72)発明者 高橋 広芳 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 株式 会社 レオテック内 (56)参考文献 特開 平５−15947（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−89541（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−124231（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−124230（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−56256（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−180838（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭56−20944（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 11/00 B22D 11/055 B22D 27/20

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 背面を冷媒により冷却する筒状の冷却板
   を有する冷却槽の上方から供給した溶湯を、冷却板の抜
   熱による冷却下に攪拌子の該冷却槽の中心における回転
   に基づくせん断力によって粒子の細かい非樹枝状晶が懸
   濁した半凝固金属を製造し、下方の排出口から排出する
   半凝固金属の製造方法において、 冷却板背面に伝熱速度制御用の複数のセグメントを１層
   以上着脱させることにより、冷却板の抜熱速度を調整す
   ることを特徴とする半凝固金属の製造方法。
2. 【請求項２】 筒状の冷却板を有する冷却槽の上方から
   供給した溶湯を、冷却板の抜熱による冷却下に攪拌子の
   該冷却槽の中心における回転に基づくせん断力によって
   粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁した半凝固金属を製造
   し、下方の排出口から排出する半凝固金属の製造装置に
   おいて、 冷却板背面に伝熱速度制御用の複数のセグメントを１層
   以上着脱自在に設けて成る半凝固金属の製造装置。