JP3819849B2

JP3819849B2 - 環状金型

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Publication number: JP3819849B2
Application number: JP2003015378A
Authority: JP
Inventors: ロバートブルースワグスタッフ; ディヴィッドアレンサリー
Original assignee: ワグスタッフインコーポレイテッド
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: EP0804305A4; GB2301304A; NO322279B1; GB2301304B; US5518063A; EP1291098A2; EP1291098A3; DE69434278T2; WO1995023044A1; NO963538L; CA2182018C; ES2214496T3; ATE289236T1; JP3426243B2; CA2182018A1; US5685359A; ATE262388T1; JPH10500629A; NO971745L; DE69433649T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造装置の開端形金型を通して溶融金属を鋳込み、該鋳込み工程に付随する鋳造作業の２つの連続段階中に、最初は金型の下端開口と協働していた底ブロックを、この下のピットの連続下方レベルを通って金型の垂直軸線に沿って下降させ、最初に、底ブロックがピットの相対的に上方の連続レベルを通って下降されるときに金属本体のバットからなる最初の長手方向セクションを形成し、次に、連続定常状態鋳造段階において、底ブロックがピットの相対的に下方の連続レベルを通って下降されるときに金属本体を付加長手方向セクションにより長くし、金属本体のそれぞれの長手方向セクションがピットの相対的に上方の連続レベルを通って金型から引き出されるときに、金属本体の外周面をピットの周囲大気に露出させることにより溶融金属を細長い金属本体に鋳造する方法及び装置に関する。より詳しくは、本発明は、金属本体のそれぞれの長手方向セクションがピットの相対的に上方の連続レベルを通って金型から引き出されるときに金属本体のそれぞれの長手方向セクションを直接冷却する手段及び技術に関し、これにより、特に、鋳造作業のバット形成段階及び定常状態鋳造段階(steady stat-e casting stage)中に、最初の長手方向セクションが受ける冷却効果と各付加長手方向セクションが受ける冷却効果との間に差異を生じさせる手段及び技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
慣用的な鋳造作業中の金属本体のそれぞれの長手方向セクションの直接冷却では、金型の下端開口の下のピットの周囲大気中に液体クーラントが放出され、底ブロック及び金属本体の最初の長手方向セクションが金型から引き出され且つピットの相対的に上方の連続レベルを通って下降されるときに、液体クーラントの層の最初の長手方向部分が金属本体の最初の長手方向セクションの外周面上に形成される。次に、底ブロックと、最初に、最初の金属本体の長手方向セクション、次に、金属本体の連続長手方向セクションとが、鋳造作業の定常状態鋳造段階中にピットの相対的に下方の連続レベルを通って下降される間、金属本体のそれぞれの付加長手方向セクションがピットの相対的に上方の連続レベルを通って金型から引き出されるときに、液体クーラントの層の付加長手方向部分が金属本体の連続する各付加長手方向セクション上に形成される。液体クーラントの層の最初の長手方向部分及び液体クーラントの層の連続する各付加長手方向部分の液体クーラントは、ピットの相対的に下方の連続レベルを通り、金属本体の表面に沿って下方に流れる。
【０００３】
直接冷却の主題に関する多数の特許が発行されており、これらの特許の多くは、金属本体の表面上の液体クーラント層のそれぞれの長手方向部分の冷却効果を変化させることに関する何らかの目的のための工程を制御する方法を開示している。例えば、米国特許第2,791,812 号、第3,441,079 号、第3,713,479 号、第3,623,536 号、第3,765,493 号、第4,166,495 号、第4,693,298 号、第5,040,595 号、第5,119,883 号、及び第5,148,856 号を参照されたい。また、これらの特許の或るものでは、鋳造作業のバット形成段階及び定常状態鋳造段階中に金属本体のそれぞれの長手方向セクションが受ける冷却効果に差異を与える工程がとられている。例えばBrysonの米国特許第3,441,079 号では、鋳造作業のバット形成段階中に、周期的又はオン／オフ態様で、液体クーラントをピットの周囲大気中にパルス供給して、バット形成段階及び定常状態鋳造段階中に達成される効果に差異を与えている。Goodrichの米国特許第4,351,384 号では、液体クーラント層の最初の長手方向部分が、バット形成段階にとってのピットの相対的に上方の連続レベルにおける高いレベル（定常状態鋳造段階にとってのその後に形成される液体クーラント層の付加長手方向部分よりも高いレベル）で金属本体の表面上に形成される。Yuの米国特許第4,166,495 号、Wagstaff又はWagstaff等の米国特許第4,693,298 号、第5,040,595 号及び第5,119,883 号では、バット形成段階中に液体クーラントの質量流量が減少され、次に、定常状態鋳造段階中に通常条件に戻されて、両段階中に達成される効果に差異を与えている。これらの全ての工程における効果の差異は、バット形成段階中に基本的な直接冷却方法に或る変更を行い、次に、定常状態鋳造段階中にこの変更を中止することにより達成される。定常状態鋳造段階中にこの工程を変えても逆にすることはできない。定常状態鋳造段階自体は、バット形成段階が中止されている間に行なわれる変更の後、液体クーラントの層の付加長手方向部分が金属本体から抽出できる量よりも大きな熱抽出は行なわれない。実際には、これは液体クーラント層のそれぞれの付加長手方向部分の単位体積当たり熱抽出速度の関数であり、液体クーラントの放出速度を増大させてそれぞれの部分の体積を増大させることにより行なうことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの努力の最中に、溶融金属鋳造技術における設計者及び作業者は、鋳造作業のバット形成段階中に金属本体から抽出される熱量を減少させ、同時に、鋳造作業の定常状態鋳造段階中の金属本体から抽出される熱量を最大にすることにより事象を実現することを熱望している。しかしながら、この熱望は満たされないままである。彼らは、ウェーバ数（すなわち、霧化、混合及び「攪拌」が液体クーラント層のそれぞれの長手方向部分で生じる速度）が、層のそれぞれの部分が金属本体から熱抽出を行なう速度（金属本体の液体クーラントの単位体積当たり熱抽出速度）に関係があることを知っている。また、彼らは、一般に、部分が薄いほど且つその流れが「層流」であるほど、その単位体積当たり熱抽出速度は小さくなり、且つ該部分が「乱流」すなわち攪拌されるほど、その単位体積当たり熱抽出速度は大きいことを知っている。また、当該技術分野の設計者及び作業者は、長手方向セクションの表面上に液体クーラントの層の連続長手方向部分を形成すべく、液体クーラントか金型の下の周囲大気中に放出され且つ鋳造される金属本体のそれぞれの長手方向セクションに指向される場合には、クーラントを金型の軸線に対して比較的小さな入射角（すなわち、約１５〜３０°）で指向させ、液体クーラントの放出が表面に衝突するピットのほぼ水平な平面で、衝突点からの飛沫の量を最小にすべきであることを常に想定している。例えば、Goodr-ichの米国特許明細書の第１欄の第３９〜４２行の記載を参照されたい。また、設計者及び作業者は、衝突平面の直ぐ下のピットのレベルでは、液体クーラントの放出は、それぞれの表面の回りに比較的幅狭（すなわち、多分１／２インチ以下）の乱流すなわち攪拌の周方向帯を形成すること、及びこの幅狭の乱流帯の下では、液体クーラント層のそれぞれの長手方向部分が表面での層流の特性をもつようになることを観察している。鋳造作業のバット形成段階中、この挙動パターンは、金属本体からの熱抽出を最小にする上で望ましいものであるか、定常状態鋳造段階中は好ましいものではなくなる。設計者及び作業者は更に、放出速度が増大した場合でも、最初の乱流帯はその幅が殆ど変化せず、乱流帯の下の流れ特性は、本質的に層流（この下に乱流領域が続く）の幅を維持することを見出している。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法及び装置では、液体クーラントは金型の下端開口の下のピットの周囲大気中に放出され、底ブロック及び金属本体の最初の長手方向セクションが金型から引き出されてピットの相対的に上方の連続レベルを通って下降されるときに、金属本体の最初の長手方向セクションの外周面上に液体クーラントの層の最初の長手方向部分が依然として形成される。また、底ブロックと、最初に、最初の金属本体の長手方向セクションと、次に、金属本体の連続長手方向セクションとが鋳造作業の定常状態鋳造段階中にピットの相対的に下方の連続レベルを通って下降される間に、それぞれの付加長手方向セクションが金型からピットの相対的に上方の連続レベルを通って引き出されるとき、金属本体の各連続付加長手方向セクション上に液体クーラントの層の付加長手方向部分が形成される。しかしながら、本発明者等は従来技術が不可能であったことを実施する。すなわち、本発明者等は、液体クーラントの層の最初の長手方向部分の単位体積当たり熱抽出速度に対し、液体クーラントの層のそれぞれの付加長手方向部分の単位体積当たり熱抽出速度を増大させる。本発明者等は、液体クーラントの層のそれぞれの付加長手方向部分をピットの相対的に上方の連続レベルでの金属本体の対応する付加長手方向部分に形成することによりこれを行なう。これにより、本発明者等は、液体クーラントの層の最初の長手方向部分が、鋳造作業のバット形成段階中の金属本体の最初の長手方向部分から熱を抽出する速度であらゆる変更がなされるか否かとは無関係に、液体クーラント層のそれぞれの付加長手方向部分が、鋳造作業の定常状態鋳造段階中に金属本体の付加長手方向セクションから熱を抽出する速度を増大できる。これは、今や、本発明者等が２つの段階間の差異を最適な態様で達成できることを意味し、また、本発明者等はこの差異を望むところまで際立たせることができる。すなわち、本発明の方法及び装置の使用により、本発明者等は、鋳造作業の両段階を処理（所望ならば、両段階を一度に処理）できる。例えば、本発明の方法及び装置の使用により、バット形成段階中の熱抽出速度を減少させるのに従来技術の１つ以上の方法を使用すると同時に、定常状態鋳造段階中の熱抽出速度を増大させることができる。
【０００６】
本発明の多くの好ましい実施例では、液体クーラントの加圧流れ中に液体クーラントが放出され且つ鋳造作業のバット形成段階中は、液体クーラントの流れを金属本体の最初の長手方向セクションに指向させ、これにより、流れがピットのほぼ水平な平面内で金属本体の外周面に衝突して、最初の長手方向セクションの外周面上に、液体クーラントの層（衝突平面の直ぐ下のピットのレベルにおいて長手方向セクションの周囲に周方向の帯を有している）の最初の長手方向部分を形成する。次に、本発明では、鋳造作業の定常状態鋳造段階中は、前記衝突平面の直ぐ下のピットのレベルで、液体クーラントの層のそれぞれの付加長手方向部分の回りに周方向の乱流帯（この乱流帯は、金型の軸線方向で、液体クーラント層の最初の長手方向部分の回りに形成される周方向の乱流帯より幅広である）を形成することにより液体クーラントの層のそれぞれの付加長手方向部分の単位体積当たり熱抽出速度を増大させる。また、本発明の幾つかの実施例では、液体クーラントの流れが金属本体の最初の長手方向セクションの表面に衝突する平面に対し、液体クーラントの流れが金属本体の付加長手方向セクションの表面に衝突する平面を上昇させる。
【０００７】
好ましくは、液体クーラントの層のそれぞれの付加長手方向部分の回りに、鋳造作業の定常状態鋳造段階中に長くされる金属本体の最後の付加長手方向セクションと同延の周方向の乱流帯を形成する。すなわち、前述の層流の領域(regime)が完全に除去される。
【０００８】
本発明の或る好ましい実施例では、液体クーラントの層のそれぞれの付加長手方向部分が金属本体の対応する付加長手方向部分上に形成されるときに、前記液体クーラントのそれぞれの付加長手方向部分の外周面を直接包囲するピットの周囲大気の層中に付加流体を放出することにより、液体クーラントの層のそれぞれの付加長手方向部分に衝突平面の下の幅広の乱流帯を形成する。また、或る実施例では、流体の加圧ジェット中に付加流体の放出を形成し、液体の流れの衝突平面の下で液体クーラントの層の付加長手方向部分に流体を衝突させるため、流体のジェットを液体クーラントの層の付加長手方向部分に指向させる。
【０００９】
本発明の一群の好ましい実施例では、液体クーラントのそれぞれの流れ及び付加流体のジェットを、金属本体のそれぞれの付加長手方向部分の表面及び該表面上の液体クーラントの層の付加長手方向部分の表面に指向させて、最初に、液体クーラントの層の付加長手方向部分の表面を直接包囲する周囲大気の層中でそれぞれの流れ及びジェットの一部を互いに十字状に移動させ、次に、液体クーラントの流れを付加流体のジェットの部分の経路内に介在させて、液体クーラントの流れの部分をジェットの部分中に帯同させ且つジェットにより液体クーラントの層の付加長手方向部分の表面上に衝突させる。
【００１０】
クーラント層のそれぞれの付加長手方向部分を包囲する周囲大気の層中に付加流体を放出することにより幅広の乱流帯を形成するときには、液体クーラントの層の付加部分が金属本体の対応する付加長手方向部分上に形成されるときに、付加流体が、液体クーラントの層のそれぞれの付加長手方向部分と付加空気帯同液体クーラントとを溶け合わせるように、液体クーラントの層のそれぞれの付加長手方向部分の外周面を直接包囲するピットの周囲大気の層中に液体が放出されるときに、空気で運ばれるクーラント液体クーラントスプレーのマスを付加流体の経路に直交するように介在させる。これらの実施例では、例えば、液体クーラントの層の表面に付加流体を衝突させるため、液体クーラントの層の付加長手方向部分に指向される流体の加圧ジェット中に付加流体の放出を形成し、空気で運ばれるクーラント液体クーラントスプレーのマスを、周囲大気の層中の付加流体のそれぞれのジェットの経路に直交するように介在させて、付加流体のジェットが液体クーラントの層の付加長手方向部分の表面に衝突するときに、付加流体ジェットが、液体クーラントの層の付加長手方向部分と付加空気帯同液体クーラントとを溶け合わせる。これらの実施例では、液体クーラントの流れ及び付加流体のジェットを、金属本体のそれぞれの付加長手方向部分及び金属本体上のクーラントの付加長手方向部分に指向させて、周囲大気の層中でそれぞれの流れ及びジェットの一部を互いに十字状に移動させる。最初に、それぞれの液体クーラントの流れが、付加長手方向セクション表面上の流れのそれぞれの衝突点で前記表面から跳ね返り且つ液体クーラントの層のそれぞれの長手方向部分を直接包囲するピットの周囲大気の層中に液体クーラントのスプレーの花冠状マスに形成されるように、金型の軸線に対して相対的大きな入射角に沿って液体クーラントの流れを指向させ、次に、付加流体が周囲大気の層中に放出されるときに、スプレーの花冠状マスが付加流体のジェットの経路と直交して介在されるように、流れの衝突平面より高い軸線方向位置から、金型の軸線に対して相対的小さな入射角に沿って付加流体のジェットを指向させることにより、空気帯同液体クーラントスプレーのマスを、付加流体のそれぞれのジェットの経路に直交させて介在させる。
【００１１】
好ましくは、流れ及びジェットが金型の軸線方向に互いに角度的にオフセットし且つ流れ及びジェットが金型の周方向に互い違いに位置するようにして、金型の下端開口の回りを取り囲む環状部からそれぞれの流れ及びジェットを放出し、クーラントの互いに隣接する流れの衝突点から生じる液体クーラントスプレーの花冠状マスが結合して、付加流体のジェットの経路内に直接噴射されるスプレーのいわゆる「相互作用噴水(interaction fountains)」を形成する。この現象は、Slayzak 等の論文「衝突面からの局部的熱伝導に関する円形自由表面ジェットの隣接列間の相互作用の効果（EFFECTS OF INTERACTIONS BETWEEN ADJOINING ROWS OF CIRCULAR，FREE SURFACE JETS ON LOCAL HEAT TRANSFER FROM THE IMPINGE-MENT SURFACE)」（米国機械学会のJournal of Heat Transferでの刊行物）において報告されている。この論文のコピーは入手でき、本願ではこれを援用する。実際、本発明者等は、この現象の特徴を本発明の方法及び装置に導入すると、スプレーの噴水が付加流体のジェットの経路中だけでなく、高度に空気が充填された状態でも直接噴射され、このため、付加流体のジェットにより帯同されると、ジェットは液体クーラントの付加層中に高度の乱流を発生させ、従ってそれぞれの層の単位体積当たり熱抽出速度を顕著に増大させることを見出している。
【００１２】
本発明では、一般に、液体クーラントの流れを、金型の軸線に対して３０〜１０５°の範囲内の入射角に沿って金属本体のそれぞれの付加長手方向セクションの表面に指向させる。また、付加流体のジェットを、金型の軸線に対して１５〜３０°の範囲内の入射角に沿って液体クーラントの層の付加長手方向部分の表面に指向させる。
【００１３】
前述のように、鋳造作業のバット形成段階での単位体積当たり熱抽出速度を低下させるように設計された或る態様で、バット形成段階での金属本体の最初の長手方向セクション上に形成された液体クーラントの層の最初の長手方向部分を変化させることができる。
【００１４】
また、シート状インゴットを形成する場合には、金型は、その軸線を横切る多角形断面形状をもつ金属本体を形成する。また、金属本体の最初の長手方向セクションの対向側面（例えば、インゴットの矩形断面のバットの対向端面）に形成される液体クーラントの層の最初の長手方向部分の単位体積当たり熱抽出速度を増大させることもできる。これにより、一方ではバットの対向側面、他方ではバットの対向側面のように、バット形成段階中の金属本体の対をなす対向面間に差異を生じさせることができる。
【００１５】
本発明は、付加流体として、ガス又は付加液体クーラントを使用できる。付加液体クーラントを使用する１つの長所は、金型を簡単化できることである。液体は制御が容易であり、液体の使用により、多数の金型を使用する場合に、各金型の相互の均一性を容易に達成できる。これに対し、ガスを使用する場合には、鋳造作業のバット形成段階中に液体クーラントのマス流量を減少させる種々の従来技術のうちの任意の従来技術に同じガスを使用できる。
【００１６】
付加流体として付加液体クーラントを使用することによる他の長所は、鋳造作業のバット形成段階中に、付加液体クーラントを金属本体の最初の長手方向セクション上に放出して、液体クーラントの層の最初の長手方向部分を金属本体上に形成できることである。実際に、本発明の或る好ましい実施例では、最初に述べた液体クーラント及び付加液体クーラントは、金型の環状部に設けられた下端開口の回りを取り囲む第１連及び第２連の間隔を隔てた孔を通って金型自体から放出され且つ金型本体の対をなす加圧液体クーラント供給チャンバに連結される。
【００１７】
これにより、鋳造作業の定常状態鋳造段階中に金属本体を冷却するため、１次及び２次の液体クーラントの対をなす流れが、それぞれ第１及び第２の連続孔から放出され且つ金属本体のそれぞれの付加長手方向セクション及び金属本体の表面上の液体クーラントの層のそれぞれの付加長手方向部分に指向されるか、それぞれの供給チャンバへの液体クーラントの流れを制御することにより、それぞれの供給チャンバで選択的に導通及び遮断され、これにより、所望に応じ、鋳造作業のバット形成段階中に２次液体クーラントのみを金属本体の最初の長手方向セクションに指向させて、金属本体上の液体の層の最初の長手方向部分を形成する。
【００１８】
これらの最後に述べた幾つかの実施例では、第１連及び第２連の孔に液体クーラントを供給するそれぞれのチャンバが金型本体において互いに上下方向に相対的に重なり合うように、第１連及び第２連の孔は金型の軸線方向に互いに角度的にオフセットされ、第１連の孔は、第２連の孔よりも金型の軸線方向に対して急勾配に傾斜している。しかしながら、好ましくは、チャンバを弁により相互連結し、液体クーラントが、第１連及び第２連の孔の両方に供給すべく相対的に上方のチャンバに供給されるけれども、鋳造作業の定常状態鋳造段階が開始されるときには相対的に下方のチャンバのみに供給されるようにする。
【００１９】
インゴットを製造する或る実施例では、鋳造作業のバット形成段階及び定常状態鋳造段階の両段階中にインゴットの端部を直接冷却すべく、液体クーラントが上方のチャンバに供給されるのと同時に下方のチャンバの端セクションにも供給されるように、相対的に下方のチャンバが端セクションと側方セクションとに区分されており、且つ端セクションは開放通路を介して相対的に上方のチャンバに直接的に相互連結され、一方、側方セクションは弁を介して相対的に上方のチャンバに相互連結されている。
【００２０】
これらの特徴は、添付図面（添付図面には、ダブルチャンバを備えているが、シートインゴットの端面と側面とに異なる冷却を与えるために一部が区分されているクーラント放出金型を用いた本発明の最後に述べた実施例のうちの１つの実施例が示されている）を参照することにより明瞭に理解されよう。
【００２１】
【発明の実施の形態】
発明を実施するための最良の形態最初に第１図〜第８図を参照すると、金型２の本体は、上下１対の板４、６と、該両板の間に介在されて金型の主要鋳造構成要素を形成する環状ケース８と、該ケース８の内周部の回りを取り巻いてケースの鋳造面を形成するセグメント形黒鉛リング１０とを有することが理解されよう。板、ケース及び鋳造リングは、金型の垂直軸線１２を横切る方向の断面が全て矩形であり、リング１０内に形成される開端形キャビティ１４も、金型の軸線を横切る方向の同様な断面形状を有し、これはシートインゴットを形成する金型の形状と一致する。リング１０の対向側壁１５及び端壁１６は、それぞれ、ケース８の側壁１７及び端壁１８と同様に幾分凸状及び平坦であり、且つこの機能に適合する。ケース８の頂部は、鋳造リング１０の座２０を形成するためのさねはぎ溝（rabbet）が設けられている。
【００２３】
ケース８の頂面２４には環状凹部２６が形成されており、この凹部２６の底部で且つ凹部の内周部には環状段部２８が形成されている。ケース８の対向端壁及び側壁の底面３０には１対の部分環状凹部３２、３４が形成されており、この場合にも、各凹部３２又は３４の底部で且つ凹部の内周部には環状段部３６が形成されている。ボルト３７を使用して、環状板４、６はケース８のそれぞれの面２４、３０にラグボルト止めされ、ケース内のそれぞれの凹部を覆い且つ相互に重なり合った１対のチャンバ３８、４０をケースの上下に形成する。上方のチャンバ３８は環状であり且つ下方のチャンバ４０は、ケースの端部及び側部でそれぞれ環状セクション４２、４４に区分されている。また、それぞれのチャンバのシールを補助するため、各板４、６の内周部及び外周部の回りにはさねはぎ溝が設けられ、中間ランド（単一又は複数）４６を形成している。これらの中間ランド４６は、板がケースに取り付けられるときに対向凹部２６又は３２、３４内に嵌合される。また、各板のランド４６の回りには、周方向に延びる１対の溝４８、５０が設けられている。該溝内にはＯリング５２が座合し、両板がケースに取り付けられるときに各ランドの内周部及び外周部においてそれぞれの板とケースとの間の結合部をシールする。上板４はその開口の幅が充分に狭く、鋳造リング１０上に載り且つリングの上方で内周部の箇所に幅狭のリップ５４を形成している。上板と鋳造リングとの結合部において上板の周囲に形成された第３溝５８内には第３弾性Ｏリング５６が座合している。上板には、漏洩迂回機構（概略的に参照番号６０で示す）が介在されており、上方のチャンバからの漏洩物の侵入に対して結合部が保護される。
【００２４】
一方、下板６の開口の幅は充分に広く、このため、上板の内周部がケースの壁１７、１８から半径方向外方にオフセットし、ケースの下方の内周角部の環状部６２を露出させている。金型の軸線に対し、環状部６２の上半部は４５°の角度で傾斜し、且つ下半部は、金型の半径方向外方のより深いレベルまで67.5°の角度で傾斜しており、これにより環状部６２には、軸線方向及び半径方向にオフセットした１対の面６４、６６が形成されている。これらの面６４、６６には、互いに間隔を隔てた２連の孔６８、７０がそれぞれ設けられている。これらの孔は環状部６２の下端開口７２の回りを取り巻いており、後述のようにして、金型から第１及び第２液体クーラントの流れを放出する。
【００２５】
ここでケースのそれぞれのチャンバ３８、４０を参照すると、周方向の溝７４又は７５が、各チャンバの段部２８又は３６の内周壁から深く形成されており且つこれらの溝の口の回りには、組立体の結合部に使用される弾性シーラントリングよりもかなり大きい直径をもつ環状弾性シーラントリング７６を受け入れるためのさねはぎ溝が形成されていることが理解されよう。また、各段部の肩部８０には、互いに間隔を隔てた一連の孔７８が穿孔されている。これらの孔７８は、対応する溝７４又は７５に開口しており、チャンバのバッフルの形態として、対応するチャンバから該溝への制限された流れを与える。次に、溝７４、７５の底部に通じる、ケースの下方の内周角部の一連の孔６８、７０が、環状部６２の傾斜面６４、６６から、該傾斜面に対して直角に穿孔される。従って、一連の孔は、金型の軸線１２に対してそれぞれ22.5°及び４５°の角度をなす。しかしながら、それぞれの一連の孔は金型の周方向に沿って互い違いに配置され、一方の一連の孔は他方の一連の孔から周方向にオフセットしている。各孔は、他の一連の孔の対の間の空間間隔を通って延びている。第６図、第８図〜第１５図を参照されたい。
【００２６】
ここで特に第１図〜第５図、第７図及び第８図を参照すると、金型のケース８は、これを貫通する２組の垂直通路８２、８４を有し、該通路は、ケースのそれぞれの角部に隣接する位置で、上下のチャンバ内に開口している。参照番号８２で示す１組の通路は、下方のチャンバ４０の端セクション４２と上方のチャンバ３８とを相互連結し且つ金型に関して反対側の端セクション４２の端部においても、下方のチャンバ４０の端セクション４２と上方のチャンバ３８とを相互連結する。参照番号８４で示す他の組の通路は、下方のチャンバの側方セクション４４と上方のチャンバ３８とを相互連結する。各通路８２の下で、金型の各角部における下板６には、加圧水源の雄形フィッティング（図示せず）を受け入れるためのねじ開口８６が設けられており、雄形フィッティングにより、下方のチャンバの端セクション４２及び上方のチャンバ３８の全体に加圧液体クーラントが充填される。上方のチャンバと下方のチャンバの側方セクション４４との間に通路８４が設けられているため、加圧クーラントは下方のチャンバの側方セクションにも流入できる。しかしながら、これらの通路８４には弁８８が設けられており、このため、所望時に、選択的に、すなわちオン／オフ態様で、上方のチャンバ内の加圧クーラントを下方のチャンバの側方セクションに介在できる。第８図に示すように、各通路８４の下で、下板６には弁閉鎖装置９０が取り付けられている。装置９０はそれぞれの流れを開閉すべく作動でき、且つ円筒状ハウジング９２を有する。該ハウジング９２内には、垂直軸線をもつ円筒状チャンバ９４が形成されている。チャンバ９４内にはピストン９６が摺動可能に係合しており、ピストンはその軸線方向に昇降される。ピストンはこの上に直立するロッド９８を有する。ロッド９８のシャンクは、それぞれ、ハウジングの頂部及び下板の隣接角部の対向孔１００、１０２を通って下方のチャンバのそれぞれの側方セクション４４内に摺動可能に挿入される。下方のチャンバの対応する側方セクション４４内で、ロッド９８の頂部には弁閉鎖ディスク１０４が設けられている。該ディスクの上面１０６にはさねはぎ溝が形成され且つ面取りされており、さねはぎ溝の肩部１１０には、通路８４の開口１１２をシールし且つピストンの作用により開口１１２を閉鎖するための弾性Ｏリング１０８が設けられている。しかしながら、ピストン９６には螺旋ばね１１４が設けられており、該ばね１１４はハウジングのチャンバ９４内で且つ該ハウジングのピストンと頂部１０３との間で、ロッド９８の回りに配置されている。ハウジングの開口（図示せず）を通してピストンの下面には流体が供給され、通路８４を閉鎖すべきときは、ハウジングのチャンバ９４が流体により加圧され、ディスク１０４が通路８４の開口１１２と係合するまでばね１１４の押圧力に抗してピストンを上昇させ、通路８４を閉鎖する。通路８４を開放すべきときは、流体を排出し、ピストン９６がばね１１４の押圧力により後退できるようにして、ディスク１０４を通路８４の開口１１２から離脱させる。後述するように、通常、流体はゆっくりと排出され、通路８４を徐々に開放する。
【００２７】
板６の各孔１００、１０２及びハウジングの頂部１０３において、ロッド９８のシャンクの周囲及びピストンの周囲には、他の弾性Ｏリング１１６が設けられている。
【００２９】
第１図及び第６図〜第１０図に示すように、上板４は、その外周部が金型の本体の回りにフランジ１１８を形成するように充分幅広である。金型が使用に供されるとき、フランジ１１８は鋳造テーブルの孔（図示せず）内に挿入され且つテーブル上に載置されて、前記孔内に金型を支持する。テーブルは鋳造ピット120（図示せず）上に支持される。鋳造ピット１２０には、最初は金型の下端開口７２と入れ子式に係合し且つ金型の軸線１２（第１図）に沿って往復できる底ブロック１２２が設けられている。鋳造作業が開始し且つ溶融金属が金型のキャビティ１４を通して注入されると、底ブロック１２２は、ピット内の連続的な下方の連続レベルを通って、軸線に沿って下降される。第９図〜第１５図を参照すると、最初に、注入工程及び底ブロックの付随運動により、鋳造すべきインゴットの本体の最初の長手方向セクション１２４（一般に、インゴットの「バット」と呼ばれているセクション）を形成すべく作動する。しかしながら、この間は、底ブロック１２２は、ピット内の上方の連続レベル１２６を通って下降（多分、ピット内で、全部で６〜１２インチだけ下降）されるに過ぎない。この後、注入工程が続き且つ底ブロックの下降運動が続くので、底ブロックがピット内の相対的低い連続レベル（図示せず）を通って下降されるとき、インゴットの本体は、上方の連続レベル１２６の下で、付加長手方向セクション１２８（第１０図）だけ長くされる。これは、一般に、鋳造作業の定常状態鋳造段階と呼ばれている。この時間中、両段階の間、インゴットの本体のそれぞれの長手方向セクション124、１２８が、ピット内の相対的上方の連続レベル１２６を通って金型から引き出されるので、インゴットの本体の外周面１３０は金型の下のピットの周囲大気に徐々に露出される。また、これらが金型から引き出されるときにインゴットの本体のそれぞれの長手方向セクションを直接冷却するため、各セクションが金型から出るときに、各セクションの表面上に液体クーラント１３２が放出される。これが前述したものであり、この時点で、本発明がその役割を演じることになる。
【００３０】
再び第９図を参照すると、鋳造作業のバット形成段階中に、金型の上方チャンバ３８及び図示されていないけれども下方チャンバの端セクション４２には加圧された液体クーラント１３２が充填されることが理解されよう。クーラントは、インゴットの側面には金型の22.5°の孔６８のみを通って、一方、インゴットの端面には22.5°の孔６８及び４５°の孔７０の両孔を通って、出てくるインゴットの側面及び端面上に放出される。側面上への放出が第９図に示され、端面上への放出が第１０図に示されている。当面は端面を無視して最初に第９図を参照すると、側面１３０上への放出は、底ブロック１２２がピットの上方の連続レベル１２４を通って下降されるときに、側面１３０上に液体クーラントの層の最初の長手方向部分１３４を形成するを形成することが理解されよう。最初の長手方向部分１３４は、孔６８からのクーラントの流れ１３６がインゴットの側面１３０に衝突する、ピットの水平面（番号１３３で概略的に示す）に始まる。前に説明したように、また、当該技術分野で良く知られているように、衝突平面１３３の直ぐ下には、幅狭の乱流の周方向帯１３５が液体クーラント部分１３４内に生じ、この乱流には、幾分幅広の層流領域１３７が続いている。その後、クーラントは、インゴットの新しく出てくるセクション１２４の長さに沿って重力により下方に流れ続けるときに再び乱流となる。この間、表面１３０上では、層流領域は薄く且つ「バットカール」を最小にする上でバット形成段階に望ましい膜沸騰クオリティ(film boiling，qualities)を受ける。しかしながら、この膜沸騰クオリティは、最大冷却効率が望まれるときには、鋳造作業の定常状態鋳造段階では望ましくない。
【００３１】
流れの乱流度合いが大きいほどウェーバ数が高くなるので、一般に、冷却効率と乱流とは同等視される。バット形成段階が完了し且つ鋳造作業の定常状態鋳造段階がインゴットの本体の連続する付加長手方向セクション１２８を冷却する手段として流れ１３６のみと開始するならば、連続する各付加長手方向部分１３８は、衝突平面１３３の下に乱流の狭い帯をもつであろう。しかしながら、この帯は、インゴットの本体から熱を抽出する仕事を層流領域により推測しなければならない前に、能力が制限される。皮肉なことに、領域１３５、１３７と一致するピットのレベルは、インゴットの本体から熱を抽出するのに最良の時点である。
【００３２】
なぜならば、この時点は金型の外側が最も高温になる時点だからである。更に、前述したように、この機会に利用することは全く知られていない。クーラント放出速度は、定常状態段階が開始すると増大できるけれども、この効果は非常に制限されたものであり、領域１３５、１３７の液体クーラント層のそれぞれの部分の単位体積当たり熱抽出速度は全く改善されない。一方、その液化点(meniscus)以下への低下により、インゴットの本体は約８００°F の温度低下を受け、最適時点での熱抽出の機会が迅速に失われる。
【００３３】
本発明は、鋳造作業の定常状態鋳造段階において、インゴットの本体が領域１３５、１３７を通る間に表面１３０上に形成される液体クーラントの層の連続する付加部分１３８（第１０図）の単位体積当たり熱抽出速度を増大させる手段及び技術を提供することによりこれを変化させる。簡単にいえば、帯１３５を金型の軸線の下方及び上方の両方向に拡げ、実際には、層流領域１３７がなくなる程度まで下方に拡げる。実際には、この効果は、鋳造作業のバット形成段階中に達成されるが、インゴットの端部においてのみ、液体クーラントは４５°の孔７０からも放出され、インゴットの端部に衝突される。これは、インゴットの幅狭寸法に対し幅広寸法が直交するバットカール現象の特性により行なわれる。インゴットの長手方向の効果は第９図〜第１５図の例について選択されるので、以下の説明はこれのみに向けられる。これにも係わらず、鋳造作業のバット形成段階中に、インゴットの端部に同じ効果を達成できる。
【００３４】
バット形成段階の終了時に、装置９０を用いて通路８４が開かれ、液体クーラント１３２が下方チャンバの側方セクション４４内に放出され、環状部６２の側方セクションの４５°の孔７０を通る放出が開始される。付加放出が発生し且つ４５°の孔を通って放出されるクーラントの流れ１４２が第９図〜第１５図に示すようにインゴットの連続する各付加長手方向セクション１２８の側面に衝突するので、それぞれの４５°の流れ１４２の大部分が、流れ１４２のそれぞれの衝突点１４４で付加長手方向セクション１２８の表面１３０から跳ね返る。また、空気を帯同すると、一部が、液体クーラントスプレー１４６の花冠状の流れに急変する。このスプレー１４６は、現にインゴット上にある液体クーラント層の付加長手方向部分１３８を直接包囲する周囲の大気層を横切る液体クーラントの22.5°の流れ１３６の間を十字状に移動する。大気を包囲するこの層では、スプレー１４６のマスが液体クーラントの流れ１３６により帯同され、該流れ１３６中の液体クーラントは、流れが部分１３８の表面に向かって突進し且つ衝突するので、スプレーの空気及び液体と溶け合わされる。従って、付加流体により各部分138の表面を包囲し且つこれらの衝突力で表面が攪拌されることに加え、流れ１３６はまた、これらが部分１３８中に乱流を発生させるときに、部分１３８とかなりの体積の空気とを溶け合わせる。
【００３５】
しかしながら、付加クーラントの衝撃を最小にするため、一般に、通路８４はゆっくりと開かれ、これにより、付加クーラントは下方のチャンバの側方セクション４４にゆっくりと放出される。
【００３６】
金型の周方向の流れ１３６、１４２のそれぞれの組の対をなす流れの間の間隔を充分に小さくすると、互いに隣接する４５°の対をなすクーラントの流れ142の衝突点から生じる液体クーラントのスプレー１４６の花冠状マスは、クーラントの22.5°の流れ１３６の経路中に直接噴射されるスプレーのいわゆる「相互作用噴水」を形成することが期待される。この現象は、前述のSlayzak 等の論文から得られる第１３図に示されているけれども、その説明文には僅かな相違がある。図面に示すように、また、この現象を観察できるようにする目的で現象を分離するため、Slayzak 等は、「自由ジェット」すなわち流れ１５２のそれぞれの対の間に対をなすガード１５０を取り付けた。次に、Slayzak 等は、ジェットすなわち流れが互いに充分に近接しているときには、流れの衝突点１４４から生じるスプレー１４６の花冠状マスが、実際に、流れ間の間隔内で互いに融合し、この間、花冠１４６から充分間隔を隔てた位置にスプレーの「噴水」が形成される程度に、衝突される表面１３０上の周囲大気中にほとばしり出るすなわち噴出することを観察した。本発明者等は、本発明の方法及び装置に従って、液体クーラントの22.5°の流れ１３６により液体クーラント層138 中に捕捉され且つ侵入すると、スプレーの噴水１４８が、クーラントの22.5°の流れ１３６と、かなりの体積の空気帯同クーラント（又はクーラント帯同空気）とを溶け合わせ、且つ、この流れが、層と、同じ空気帯同クーラント（又はクーラント帯同空気）とを溶け合わせる。これにより、それぞれの層の単位体積当たり熱抽出速度を顕著に増大できる。
【００３７】
本発明者等は、また、番号８２で示した通路の代わりに、金型の下方のチャンバの端セクション４２の中央に、第８図に示したものと同様な、別々に制御される弁通路（図示せず）を用いることにより、インゴットの端面並びに側面にクーラントを選択的に供給できることを観察している。しかしながら、この場合には、上方のチャンバ３８のみに供給するため、通路８２を、下方のチャンバの端セクション４２から壁で遮断しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】金型の主本体の構成要素を示す分解斜視図。
【図２】金型本体の２つの中間構成要素（すなわち、環状ケース及びこの内周部の回りを取り囲む黒鉛鋳造リング）を組み立てた状態示す幾分拡大した斜視図。
【図３】ケースとリングとの組立体を示す拡大平面図。
【図４】ケースとリングとの組立体を示す拡大斜視図。
【図５】ケースとリングとの組立体を示す拡大底面図。
【図６】第３図及び第５図の６−６線に沿う金型の断面図。
【図７】第３図及び第５図の７−７線に沿う金型の断面図。
【図８】第３図及び第５図の８−８線に沿う断面図であり、金型本体の相対的に下方のチャンバと相対的に上方のチャンバの側方セクションを相互連結する１組の弁の開閉に使用される１組の装置のうちの１つを示すもの。
【図９】第６図と同様な断面図であり、底ブロックが金型の下端開口と協働し、次に、溶融金属が金型を通って鋳込まれるときで且つ２組の液体クーラントの流れが第１０図に示すようにしてインゴットの端部上に放出され且つインゴットのバット上に液体クーラントの層の最初の長手方向部分を形成するため、一方の組の流れのみが第９図に示すようにしてインゴットの側面上に放出されている間に下降された状態であって、インゴットの端面及び側面に与える冷却効果を異ならせる本発明の直接冷却方法のピット、底ブロック及びバット形成段階を示すもの。
【図１０】２組の液体クーラントがインゴットの側面上に放出されるように、下方のチャンバの側方セクションに液体クーラントを導入すべく弁が開放された状態にあり、下方のチャンバからの流れはインゴットの側面からの「跳ね返り」を受け且つ空気帯同液体クーラントスプレーの花冠状マスを形成するため、液体クーラントの流れの一部がインゴットの側面上の液体クーラントの層を包囲する周囲大気の層中で互いに十字状に移動し、空気帯同液体クーラントスプレーの花冠状マスが上方のチャンバの流れの経路を横切る経路内でインゴットの側面から「急変(mushroom)」するだけでなく、互いに近接して「急変」するため、これらの間に形成される「相互作用噴水」が上方のチャンバの流れ経路内に噴射され、上方のチャンバの流れにより帯同され且つ上方のチャンバの流れと共に、今や鋳造作業の定常状態鋳造段階にあるインゴットの側面上に形成された液体クーラントの連続付加液体クーラントの層の表面上に搬送される第９図と同様な金型の部分概略断面図。
【図１１】第１０図の１１−１１線に沿う概略部分断面図。
【図１２】第１０図の１２−１２線に沿う別の概略部分断面図。
【図１３】対をなす液体の流れすなわちジェットが互いに充分に近接して、金属表面との衝突点の上方に周囲大気中の空気帯同液体スプレーの花冠状の流れを発生させるだけでなく、スプレーの流れが結合してこれらの間に「相互作用噴水」を形成し、Slayzak 等がいわゆるジェットガードが観察を望む効果を制御するため対をなすジェット間に設けられていても、相互作用噴水が、花冠状の流れの表面よりも高いところまで噴射される、SlayzaK 等により観察された「相互作用噴水」の効果を示す概略図。
【図１４】本発明に用いたときの、それぞれの対をなす液体クーラントの流れがインゴットの側面に衝突するときに、それぞれの液体クーラントの流れに対して直角方向から見た効果及び液体クーラントの層の連続付加長手方向部分を示す別の概略図。
【図１５】対をなす流れがインゴットの表面及びインゴット上のクーラントの層の付加長手方向部分ときの効果を示す概略斜視図。

Claims

対向端開口と、これらの対向端開口の面中心間を延びる軸線（１２）とを有する開端形キャビティ（１４）を構成し、溶融金属がこの開端形キャビティ（１４）に沿って鋳造されて、前記開端形キャビティ（１４）の一方の端開口において流出する金属ボディとなる環状金型において、
前記開端形キャビティ（１４）の前記軸線（１２）を中心に取り囲むように、互いに間隔を隔てる一対の相対的な内側及び外側の、側壁（１７）及び端壁（１８）からなる周壁であって、それらの間に上方チャンバ（３８）と下方チャンバ（４０）を構成するものを有し、
この上方チャンバ（３８）は、液体クーラントが所定圧力のもとで前記上方チャンバ（３８）に供給される流入口を有し、
前記内側の周壁は、前記内側の周壁から前記外側の周壁に向かって前記上方チャンバ（３８）と下方チャンバ（４０）の中に突出する肩部（８０）を有し、
さらに、クーラントを前記上方チャンバ（３８）から前記キャビティ（１４）の一方の前記端開口から表出する金属ボディに加えるため、前記金型の前記内側周壁内に形成された上方チャンバの孔（６８）を有し、
前記上方チャンバ（３８）と下方チャンバ（４０）に臨み、クーラントを前記上方チャンバ（３８）から下方チャンバ（４０）へ移動させる垂直通路（８４）を有し、
前記下方チャンバ（４０）の中に臨む下方チャンバの孔（７０）であって、前記環状金型の前記一方の端開口に隣接して、前記環状金型の周囲大気の中に流出して、クーラントを前記一方の端開口から表出する金属ボディに加える、ことを特徴とする環状金型。
前記肩部（８０）は、前記肩部（８０）の側面に口を設けた孔（６８、７０）を有し、この口は、溝（７４）のための閉鎖部材（７６）を有し、この閉鎖部材（７６）は、前記肩部（８０）の前記溝（７４）の前記口に密封可能に係合して、前記上方チャンバ（３８）を形成する、請求項１に記載の環状金型。
前記閉鎖部材（７６）は、弾性シールリングであり、前記溝（７４）の前記口は、さねはぎ溝形に開いて前記弾性シールリングと密封可能に係合する、請求項２に記載の環状金型。
前記上方チャンバの孔（６８）及び前記下方チャンバの孔（７０）は、前記キャビティ（１４）の前記軸線（１２）の方向へ鋭角にて傾斜する、請求項１に記載の環状金型。
前記流入口は、前記上方チャンバ（３８）の前記端壁（１８）に形成される、請求項１に記載の環状金型。
前記上方チャンバ（３８）は、その端壁に開口を有し、この開口は、該開口に連結された、前記金型の異なる運転モードにおいて該開口を開閉するためのバルブ手段を有する、請求項１に記載の環状金型。
前記上方チャンバ（３８）は、前記開端形キャビティ（１４）の全周のまわりを取り囲む、請求項１に記載の環状金型。
金属ボディが重力のもとに鋳造されて、前記開端形キャビティ（１４）の下部端開口において排出するように、前記開端形キャビティ（１４）は、鉛直線に沿って延びる、請求項１に記載の環状金型。