JP4925546B2 - 金属材料の連続または半連続成形のための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の連続または半連続成形のための装置に関し、当該装置は、金属材料を所望の形状に成形するための鋳型と、該鋳型に溶解金属材料を供給するための手段と、溶解金属材料を包含するように構成された鋳型の成形領域の周りに延びるコイルを具備し、当該コイルは、変動磁場が発生し該磁場が鋳型内の溶解金属材料に印加されるよう、交流が加えられるように構成されている第一の構造部分と、および、鋳型の正反対側に設けられた少なくとも２つの磁極を有し、当該極は鋳型内の溶解金属材料に静磁場または定期的低周波磁場を供給するように構成されている第二の構造部分を有する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
上記のような成形過程で使用される金属材料は、純粋金属または金属合金であってよい。通常使用される鋳型は、成形方向に両端が開口している冷間金型である。当該金型の断面は、通常ほぼ正方形または長方形である。上記手段は、オープン成形またはクローズド成形で溶解物を供給できるように設けられている。通常は細長い形の成形ストランドを製造するための連続成形過程に関連して、電磁成形（ＥＭＣ）と呼ばれる方法を使用することが知られている。電磁成形とは、変動磁場を鋳型の溶解物に印加することを意味する。溶解物に変動磁場が存在することによって、溶解物は、鋳型の内側方向に向けられた力の作用を受ける。溶解物と鋳型の壁表面との接触圧力が減少し、このようにして、完成時の金属材料の表面繊度が高まる。連続成形過程に関連して、電磁ブレーキ（ＥＭＢＲ）と呼ばれる他の方法を使用することが知られている。そのような電磁ブレーキは、鋳型の周りに設けられたヨークと極を有する。ヨークと極は、硬い磁石鋼からなる。コイルが極の周りに設けられている。コイルは直流が印加されるように配置され、それにより極の間のエアギャップにおいて静磁場が生成され、鋳型の溶解金属材料に印加される。そのような静磁場は、鋳型内の溶解材料の動きを抑制する。これによって、有害な異物が、スラグまたはガス等の形態で最終成形ストランドに発生する危険が減少する。
【０００３】
しかし、電磁ブレーキの磁気材料の固体の極が、交流が印加されたコイルのすぐ傍にあると、変動磁場の振幅と分布の影響を受ける結果となる。計算によると、変動磁場の粒子束密度は、そのような固体の極が存在する場合、溶解物において約２３％減少しうる。更に、電磁ブレーキの固体の極は、変動磁場によって誘導熱を受ける。従って、極を冷却する必要がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、電磁成形と電磁ブレーキ両方の利用を可能にし、いずれかの構造部分によってもう一方の構造部分の機能が悪影響を受けることがないようにする、金属材料の連続または半連続成形のための装置を提供することである。
【０００５】
上記目的は、冒頭で述べた種類の装置を提供することによって達成され、該装置は、上記極が、相互に電気的に絶縁された複数の材料層を有する部分を少なくとも一部分具備することを特徴とする。当該極は、積層であってもよいこのような部分を少なくとも一部分具備するので、当該極による変動磁場の振幅と分布への影響が極めて小さくなる。さらに、積層状の固体の極は、同じような態様では変動磁場による誘導熱を受けなくなる。これは、いわゆる渦電流損失が、固体材料よりも積層材料においてずっと小さいことに拠る。従って、積層極を冷却するために特別の冷却装置を使用する必要はなく、通常、自己対流冷却で十分当該極が過度に高温に達するのを防止できる。
【０００６】
本発明の好適な実施態様によると、上記材料層は、電気鋼を有する。様々な種類の電気鋼を使用することが可能であるが、有利には、高い抵抗力を有するシリコン処理された電気鋼が使用される。高い抵抗力は、好ましい態様で変動磁場の浸透深さに影響する。従って、材料層を過度に薄く作る必要がない。有利には、当該材料層は、０．２５−０．５ｍｍの厚さを有する。
【０００７】
本発明のさらなる好適な実施態様によると、極の上記部分の一部分は、第一の構造部分のコイルの最も近くに配置される。概して、当該極は、変動磁場を発生するコイルの外側に設けられる。コイルの最も近くに配置されている極の当該部分は、そのため、最も強い変動磁場を受けるので、最初に積層されなくてはならない。積層の厚さは、極材料における磁場のいわゆる浸透深さに関連して選択されうる。浸透深さは、磁場の周波数と、極材料の抵抗力および浸透性とに関する知識によって計算されうる。有利には、上記の各層は、コイルの最も近くに位置する部分における電流方向に対してほぼ垂直な平面上に延びたほぼ平面の２つの側面を有する、平面状の要素を具備している。従って、変動磁場によって場圧縮が最小となり、極が変動磁場へ及ぼす影響がほとんど無視できるものとなるように、当該層は配置される。
【０００８】
本発明のさらなる好適な実施態様によると、第一の構造部分のコイルと第二の構造部分の少なくとも１つの極は、相互に接続して設けられている。これによって、小型の装置が得られる。同様に、互いに対抗するように設けられた極の端面の間に比較的小さなエアギャップが得られる。極の端面の間のエアギャップによって、鋳型の溶解物に作用するのに必要な静磁場を確立するために必要となる供給電力が少なくなる。互いの方向を向いた極の端面の間のエアギャップをさらに減少させるために、１の極が、上記コイルを収納するために設けられた少なくとも１つの凹部を有してもよい。このようにして、さらに小型のユニットが得られる。有利には、コイルと極はここでは一体的部分を構成する。
【０００９】
本発明のさらなる好適な実施態様によると、第二の構造部分は、上記正反対の各側に、鋳型の全幅にほぼ沿って延びている少なくとも１つの極と、当該極を相互に接続させるヨークを有する。このような構造部分によって、鋳型の全幅を覆う、少なくとも１つの静磁場または定期的低周波磁場が得られる。他の実施態様によると、第二の構造部分には、上記正反対の各側に、鋳型に対して同一側に配置された少なくとも２つの極と、当該極を相互に接続させる少なくとも２つのヨークが配置される。これによって、鋳型の幅に沿って適切な場所に位置しうる、少なくとも２つの局部的な静磁場または定期的低周波磁場が得られる。第二の構造部分のさらなる実施態様によると、鋳型に対して同一側に設けられた上記２つの極は、鋳型のほぼ全幅に沿って延びてもよく、鋳型に対して異なる高さに設けられてもよい。これによって、それぞれが鋳型の全幅を覆う、２つの並行な静磁場または定期的低周波磁場が形成される。溶解材料の供給は、この場合当該２つの磁場の間の高さでなされなくてはならない。
【００１０】
本発明のさらなる好適な実施態様によると、第二の構造部分は、当該極のそれぞれの周りに延びるコイルを具備し、当該コイルは直流または低周波数交流が印加されるように配置されている。よって、鋳型内の溶解材料の動きが効果的に抑制されるように、好適な振幅の静磁場または定期的低周波磁場を発生する磁極が生成される。有利には、当該手段は、鋳型の好適な位置に溶解金属材料を供給する環状部材を備える。あるいは、当該手段は、溶解金属材料を鋳型に注ぐシャンクを備えていてもよい。有利には、成形された金属材料は有形の鋼鉄を構成し、それらは本発明による装置によって連続的に成功裡に成形されうる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下においては、図面を参照しながら、本発明の例示的にすぎない好適な実施例について説明する。
【００１２】
図１と図２は、細長い形の成形ストランド１の連続または半連続成形過程を実施するための装置を図示する。成形ストランド１は、鋼鉄等の金属材料である。本装置は、金型２の形状の鋳型を有する。金型２は成形空間を開示しており、当該空間は、溶解金属材料が注入されるように配置された上方開口部と、固体化した金属材料が成形ストランド１として連続的に送り出されるように配置された下方開口部を有する。金型２の成形空間は、２つの長い側壁と２つの短い側壁によって画定されている。各長い側壁と短い側壁は、内側プレート３と外側支持プレート４を有する。内側プレート３は通常、銅または銅を基調とした合金からなる。よって、内側プレート３は良好な熱誘導または導電特性を示す。有利には、外側支持プレート４は、鋼鉄ビームから製造される。プレート３および４の少なくとも１つは、水等の冷却媒体を循環させるための内側流路を具備する。しかし、冷却流路は図示されていない。金型２の長い側壁と短い側壁の間の全ての連結部分に絶縁材料５が適用されている。本装置は、溶解金属材料を金型２の上方開口部から金型２の成形空間へ誘導するために配置された、環状部材６を具備する。環状部材６は、溶解金属材料が主として環状部材６から外側の金型２の短い側壁へ移動するように、下方の端部に２つの放射状の開口部を有する。
【００１３】
本装置は、金型２内の金属材料のいわゆる電磁成形（ＥＭＳ）を可能にするための第一の構造部分を有する。当該第一の構造部分では、金型２の、溶解金属材料を含む領域の周りにコイルが延びている。金型２の周りに延びるコイル７に交流を印加することによって、変動磁場がコイル７の周りに発生する。好適には、５０−１０００Ｈｚの周波数の交流が供給される。これによって、コイル７の周りに発生した変動磁場が金型２の溶解金属材料に印加される。変動磁場が印加されると、金型２の内側方向を向く溶解物に力の作用が加わるので、溶解物と金型２の内側接触面との間の圧力は減少する。溶解物と金型２の壁面との間の低い接触圧力は、成形ストランドの表面繊度によい影響を及ぼす。
【００１４】
本装置はまた、金型２内の溶解金属材料の動きのいわゆる電磁ブレーキ（ＥＭＢＲ）を可能にする第二の構造部分を有する。第二の構造部分は２つの磁極８を有し、当該磁極は、金型の両反対側の、溶解金属材料を有するように構成された領域に設けられている。極８は、コイル７の外側に設けられており、金型２のほぼ全幅に沿って延びている。金型２の周りに延びるヨーク９は、極８を相互に接続させている。コイル１０は、極８のそれぞれの周りに設けられている。コイル１０は、極８の間で静磁場または定期的低周波磁場が発生するように、直流または低周波の交流が印加されるように設けられている。極８は、この場合、長方形の形状の複数の薄シート要素を有する１つの積層部分１１からなる。当該シート要素は、シート要素の側方表面でさえ他の隣接するシート要素の側方表面と接触するように、配列状に設けられる。シート要素は、相互に電気的に絶縁している。シート要素の側方表面は、周りに変動磁場が発生しているコイル７の最も近くに位置する部分における電流方向に対して垂直な平面上に延びている。好適には、当該シート要素は、高い抵抗力を有するシリコン処理をした電炉鋼を有する。
【００１５】
コイル１０に直流または低周波交流が印加されたとき、相互に反対方向を向いた極８の端面の間のエアギャップに、静磁場または定期的低周波磁場が発生する。極８が金型の長手方向に沿った細長い形状を有するため、静磁場または定期的低周波磁場は、ここでは金型２の全幅に沿って加わる。このような磁場ブレーキが溶解物の動きを抑制することによって、金型２の成形空間の溶解物全体に、より均一の速度分布が得られる。よって、金型２の溶解物を固体化させる過程で異物が形成される危険が減少する。
【００１６】
しかし、固体の極を有する従来の電磁ブレーキがコイル７のすぐ近傍に設けられた場合には、コイル７によって溶解物に印加される変動磁場は、その振幅及び分布において顕著に減少される。理論的計算によると、このように固体の極が存在する場合、変動磁場の粒子束密度は約２３％減少しうる。さらに、電磁ブレーキの固体の極は、変動磁場による誘導熱を受ける。従って、極を積極的に冷却する必要がある。本装置によると、極８が、少なくとも１つの積層部分、つまり、１枚ずつ配列して設けられた複数のシート要素からなり、相互に電気的に絶縁されている部分、を有するので、当該問題は解決されている。好適には、当該シート要素の厚さは、０．２５−０．５ｍｍである。当該シート要素が変動磁場を受けたとき、この厚さを有するシート要素には微小の渦電流が発生する。これにより、変動磁場を受けたとき、当該積層極８は、固体の極ほど熱せられることはない。積層プレート８の場合、通常、自己対流冷却で十分当該積層プレートが過度に高温に達するのを防止できる。さらに、変動磁場を受けたとき、積層極においては、固体の極におけるほどの場圧縮は発生しない。従って、コイル７によって発生する変動磁場は、積層極８から微々たる程度の影響を受けるだけである。しかし、極８は、コイル７からの変動磁場が広がる方向とほぼ平行してシート要素の側方表面が延びるように、積層されなくてはならない。つまり、当該側方表面は、コイル７の最も近くに位置する部分における電流Ｉの方向に垂直に設けられなくてはならない。
【００１７】
図３と図４は、本発明の第二の実施態様を図示する。この場合、積層部分１１は、極８の一部分のみを構成する。積層部分１１は、コイル７の最も近くに位置し、従って、最も強い変動磁場を受ける、極８の一部分である。多くの場合、極８の上記の部分１１だけを積層させれば十分である。ここでは、第二の構造部分は、４つの極８を具備する。金型２の各側に２つの極８が設けられている。ヨーク９は、金型２の同一の側に設けられた２つの極８を相互に接続させている。同一側に設けられた極８は、金型２に対して異なる高さに配置されており、金型２のほぼ全幅に沿って延びている。コイル１０は、極８のそれぞれの周りに設けられている。コイル１０に直流または低周波の交流を印加することによって、この場合は、異なる高さにおいて、２つの並行した静磁場または定期的低周波磁場が金型２に発生する。磁場は、溶解金属材料を包含する金型２の領域を通って延びるように構成されている。溶解金属材料はこの場合、好適には当該２つの並行した磁場の間に位置する高さで金型２へ供給される。
【００１８】
図５と図６は、本発明の第三の実施態様を図示する。この場合、極８全体が積層部分１１を具備する。極８にはコイル７を収納するための凹部１２が設けられている。ここで、極８とコイル７は、一体的部分からなる。従って、本装置は小型になり、従って比較的体積が小さくなる。さらに、上記の実施態様の場合よりも、極８の端面の間のエアギャップが小さくなる。従って、成形過程に必要な磁場をエアギャップに発生させるために、上記実施態様で必要とされるほどの電力をコイル１０に供給する必要がない。第二の構造部分は、ここでは、４つの極８を具備する。金型２の各側に２つの極８が設けられている。ヨーク９は、金型の同一側に設けられた２つの極８を相互に接続させている。同一側に設けられた２つの極８は、同一の高さに配置されており、金型２の幅の一部分に沿って延びている。コイル１０は、極８のそれぞれの周りに設けられている。コイル１０に直流または低周波の交流を印加することによって、この場合は、金型２に対して同一の高さにおいて、２つの並行した静磁場または定期的低周波磁場が発生する。
【００１９】
本発明は、いかなる場合においても、上記に記載された図面の実施例に限定されず、特許請求の範囲内で自由に変更することができる。例えば、積層された極に関する図示された選択的実施例と様々な種類の電磁ブレーキを自由に組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の装置の第一の実施態様を上方から見た断面図である。
【図２】 図１の装置の側面図である。
【図３】 本発明の第二の実施態様を上方から見た断面図である。
【図４】 図３の装置の側面図である。
【図５】 本発明の第三の実施態様を上方から見た断面図である。
【図６】 図５の装置の側面図である。

Claims (15)

1. 金属材料の連続または半連続成形のための装置であって、金属材料を所望の形状に成形するための鋳型（２）と、
   該鋳型（２）に溶解金属材料を供給するための手段（６）と、
   溶解金属材料を包含するように構成された鋳型（２）に巻かれたコイル（７）を具備し、当該コイルは変動磁場が発生し該磁場が鋳型（２）内の溶解金属材料に印加されるよう、交流が加えられるように構成されている第一の構造部分と、
   鋳型（２）の正反対側に設けられた少なくとも２つの磁極（８）を有し、当該極（８）は前記溶解金属材料に静磁場または周期的磁場を供給するように構成されている第二の構造部分と、を有し、
   当該極（８）は、相互に電気的に絶縁された複数の材料層からなる少なくとも１つの部分（１１）を有することを特徴とする装置。
2. 上記材料層は、電炉鋼を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 上記材料層は、シリコン処理された電炉鋼を有することを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 上記材料層は、０．２５−０．５ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の装置。
5. 極（８）の上記部分（１１）は、極（８）のうち、上記第一の構造部分のコイル（７）に最も近い箇所を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
6. 上記各材料層は、コイル（７）の最も近くに位置する部分における電流（Ｉ）方向と垂直の平面上に延びる平面の２つの側面を有する、平面状の要素を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置。
7. 上記第一の構造部分のコイル（７）と上記第二の構造部分の少なくとも１つの極（８）は、相互に接続して設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置。
8. 少なくとも１つの極（８）は、上記コイル（７）を収納するために構成された凹部（１２）を有することを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 上記第二の構造部分は、鋳型の全幅に沿って延びる少なくとも１つの極（８）と、当該極（８）を相互に接続させるヨーク（９）を、上記正反対の各側に有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置。
10. 上記第二の構造部分は、少なくとも２つの極（８）と、鋳型（２）の同一側に配置された当該極（８）を相互に接続させるヨーク（９）を、上記正反対の各側に有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置。
11. 鋳型（２）の同一側に設けられた上記極（８）は、鋳型（２）の全幅に沿って延び、鋳型（２）に対して異なる高さに設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 上記第二の構造部分は、直流または低周波交流が供給されるように構成された上記極（８）のそれぞれの周りに延びるコイル（１０）を有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 溶解金属材料を供給するための上記手段（６）は、鋳型へ溶解部材を供給する環状部材を有することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 上記成形金属材料は、鋼鉄を有することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 金属材料の連続または半連続成形のための、請求項１ないし１４に記載の装置の使用方法。

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