JP5730836B2 - リブ付パイプ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はリブ付パイプ及びその製造方法に関する。

特許文献１には、発明者らにより、鋳型を要しない画期的な引上式連続鋳造方法として、自由鋳造方法が提案されている。特許文献１に示したように、溶融金属（溶湯）の表面（すなわち湯面）にスタータを浸漬させた後、当該スタータを引き上げると、溶湯の表面膜や表面張力によりスタータに追従して溶湯も導出される。ここで、湯面近傍に設置された形状規定部材を介して、溶湯を導出し、冷却することにより、所望の断面形状を有する鋳物を連続鋳造することができる。

通常の連続鋳造方法では、鋳型によって断面形状とともに長手方向の形状も規定される。とりわけ、連続鋳造方法では、鋳型内を凝固した金属（すなわち鋳物）が通り抜ける必要があるため、鋳造された鋳物は長手方向に直線状に延びた形状となる。
これに対し、自由鋳造方法における形状規定部材は、鋳物の断面形状のみを規定し、長手方向の形状は規定しない。そして、形状規定部材は、湯面に平行な方向（すなわち水平方向）に移動可能であるから、長手方向の形状が様々な鋳物が得られる。例えば、特許文献１には、長手方向に直線状でなく、ジグザグ状あるいは螺旋状に形成された中空鋳物（すなわちパイプ）が開示されている。

特開２０１２−６１５１８号公報

発明者は以下の課題を見出した。
押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法では、内部にリブを有し、かつ、直線状でないパイプは製造するのが極めて困難であった。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、内部にリブを有し、かつ、直線状でないパイプを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るリブ付パイプは、
パイプ部と、
前記パイプ部の内部に形成されたリブ部と、を備え、
前記リブ部は、前記パイプ部の屈曲に応じた複数の屈曲部を有しているものである。
当該リブ付パイプは、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法では、製造するのが極めて困難であった。
当該リブ付パイプは、連続鋳造体であることが好ましい。

前記複数の屈曲部が連続して形成されていることが好ましい。また、前記複数の屈曲部において、隣接した屈曲部が互いに逆方向に屈曲していることが好ましい。さらに、前記リブ部は、前記パイプ部の捩れに応じて形成された捩れ部を有していることが好ましい。このようなリブ付パイプは、従来手法では、製造するのがさらに困難であった。

本発明の一態様に係るリブ付パイプは、
パイプ部と、
前記パイプ部の内部に形成されたリブ部と、を備え、
前記リブ部は、前記パイプ部の捩れに応じた捩れ部を有しているものである。
当該リブ付パイプは、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法では、製造するのが極めて困難であった。
当該リブ付パイプは、連続鋳造体であることが好ましい。

本発明の一態様に係るリブ付パイプの製造方法は、
パイプ部の内部に形成されたリブ部が、前記パイプ部の屈曲に応じた複数の屈曲部を有している、リブ付パイプの製造方法であって、
保持炉に保持された溶湯を、スタータにより前記溶湯の表面から導出し、鋳造する前記リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を介して引き上げるステップと、
前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却し、凝固させるステップと、を備え、
前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を水平方向へ移動させることにより前記複数の屈曲部を形成するものである。このような構成により、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法では、製造するのが極めて困難であったリブ付パイプを製造することができる。
鋳造される前記リブ付パイプの内側へ冷却ガスを導入するとともに、前記スタータに開口部を設けることが好ましい。

本発明の一態様に係るリブ付パイプの製造方法は、
パイプ部の内部に形成されたリブ部が、前記パイプ部の捩れに応じた捩れ部を有している、リブ付パイプの製造方法であって、
保持炉に保持された溶湯を、スタータにより前記溶湯の表面から導出し、鋳造する前記リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を介して引き上げるステップと、
前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却し、凝固させるステップと、を備え、
前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を、鉛直方向を軸に回転させることにより前記捩れ部を形成するものである。このような構成により、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法では、製造するのが極めて困難であったリブ付パイプを製造することができる。
鋳造される前記リブ付パイプの内側へ冷却ガスを導入するとともに、前記スタータに開口部を設けることが好ましい。

本発明により、内部にリブを有し、かつ、直線状でないパイプを提供することができる。

実施の形態１に係る自由鋳造装置の断面図である。 内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの平面図である。 実施の形態１に係る鋳物Ｍ３を水平面での断面図である。 実施の形態１に係る鋳物Ｍ３の一例の外観写真（ａ）、（ｂ）、及び屈曲部でのＸ線写真（ｃ）である。 実施の形態１に係る鋳物Ｍ３の他の例の外観写真である。 実施の形態２に係る鋳物Ｍ３の一例の外観写真（ａ）、及び捩れ部でのＸ線写真（ｂ）である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
まず、図１を参照して、実施の形態１に係る自由鋳造装置（引上式連続鋳造装置）について説明する。図１は、実施の形態１に係る自由鋳造装置の断面図である。図１に示すように、実施の形態１に係る自由鋳造装置は、溶湯保持炉１０１、内部形状規定部材１０２ａ、外部形状規定部材１０２ｂ、内部冷却ガスノズル１０３、支持ロッド１０４、アクチュエータ１０５、外部冷却ガスノズル１０６を備えている。

溶湯保持炉１０１は、例えばアルミニウムやその合金などの溶湯Ｍ１を収容し、所定の温度に保持する。図１の例では、鋳造中に溶湯保持炉１０１へ溶湯を補充しないため、鋳造の進行とともに溶湯Ｍ１の表面（つまり湯面）は低下する。他方、鋳造中に溶湯保持炉１０１へ溶湯を随時補充し、湯面を一定に保持するような構成としてもよい。なお、当然のことながら、溶湯Ｍ１は他のアルミニウム以外の金属や合金であってもよい。

内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂは、例えばセラミックスやステンレスなどからなり、湯面近傍に配置されている。図１の例では、４つの内部形状規定部材１０２ａ及び１つの外部形状規定部材１０２ｂが湯面に接触するように配置されている。しかしながら、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂは、それらの下側（湯面側）の主面が湯面に接触しないように設置されてもよい。具体的には、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの下側の主面と湯面との間に所定の（例えば０．５ｍｍ程度の）ギャップを設けてもよい。
４つの内部形状規定部材１０２ａは、鋳造する鋳物Ｍ３の内部形状を規定し、外部形状規定部材１０２ｂは、鋳造する鋳物Ｍ３の外部形状を規定する。

図２は、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの平面図である。ここで、図１の内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの断面図は、図２のＩ−Ｉ断面図に相当する。図２に示すように、外部形状規定部材１０２ｂは、例えば矩形状の平面形状を有し、中央部に正方形状の開口部を有している。４つの内部形状規定部材１０２ａはそれぞれ、互いに合同な正方形状の平面形状を有し、外部形状規定部材１０２ｂの開口部に縦横２列ずつマトリクス上に配置されている。内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの間の間隙が、溶湯が通過する溶湯通過部１０２ｃとなる。このように、内部形状規定部材１０２ａ、外部形状規定部材１０２ｂ、溶湯通過部１０２ｃから形状規定部材１０２が構成されている。

図１に示すように、溶湯Ｍ１は、その表面膜や表面張力により鋳物Ｍ３に追従して引き上げられ、溶湯通過部１０２ｃを通過する。ここで、溶湯の表面膜や表面張力によって、鋳物Ｍ３に追従して湯面から引き上げられた溶湯を保持溶湯Ｍ２と呼ぶ。また、鋳物Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との界面が凝固界面である。

４つの内部冷却ガスノズル（内部冷却部）１０３は、それぞれ内部形状規定部材１０２ａの中央部に接続され、内部形状規定部材１０２ａを支持している。同時に、内部冷却ガスノズル１０３は、それぞれの内部形状規定部材１０２ａの中央部から鋳物Ｍ３に冷却ガス（空気、窒素、アルゴンなど）を吹き付け、鋳物Ｍ３を内部から冷却している。
支持ロッド１０４は、外部形状規定部材１０２ｂを支持する。内部冷却ガスノズル１０３、支持ロッド１０４により、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの位置関係を維持することができる。

アクチュエータ１０５には、４つの内部冷却ガスノズル１０３及び支持ロッド１０４が連結されている。アクチュエータ１０５によって、４つの内部冷却ガスノズル１０３及び支持ロッド１０４は、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの位置関係を維持したまま、上下方向（鉛直方向）及び水平方向に移動可能である。このような構成により、鋳造の進行による湯面の低下とともに、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを下方向に移動させることができる。また、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを水平方向に移動させることができるため、鋳物Ｍ３の長手方向の形状を自由に変化させることができる。

外部冷却ガスノズル（外部冷却部）１０６は、鋳物Ｍ３に冷却ガス（空気、窒素、アルゴンなど）を吹き付け、冷却するためのものである。スタータＳＴに連結された引上機（不図示）により鋳物Ｍ３を引き上げつつ、冷却ガスにより鋳物Ｍ３を冷却することにより、凝固界面近傍の保持溶湯Ｍ２が順次凝固し、鋳物Ｍ３が形成されていく。

次に、図３、図４を参照して鋳物Ｍ３について説明する。
図３は、実施の形態１に係る鋳物Ｍ３を水平面での断面図である。
図３に示すように、鋳物Ｍ３は、水平面での断面（以下、横断面と称す）が田の字形状の中空鋳物（つまりパイプ）である。すなわち、鋳物Ｍ３は、断面口の字形状のパイプ部Ｍ３１とパイプ部Ｍ３１の内部に形成された断面十字形状のリブ部Ｍ３２とからなる。パイプ部Ｍ３１やリブ部Ｍ３２の断面形状は何ら制限されるものではない。例えば、パイプ部Ｍ３１の断面形状は、円形、楕円形、三角形、五角形以上の多角形などでもよい。リブ部Ｍ３２の断面形状や本数にも特に制限はない。また、鋳物Ｍ３の断面形状を鋳造中に変化させることもできる。

図４は、実施の形態１に係る鋳物Ｍ３の一例の外観写真（ａ）、（ｂ）、及び屈曲部でのＸ線写真（ｃ）である。図４（ａ）は、実施の形態１に係る鋳物Ｍ３の一例の長手方向全体の外観写真である。図４（ａ）の写真左側が鋳物Ｍ３の上側、写真右側が鋳物Ｍ３の下側である。図４（ａ）に示した鋳物Ｍ３は、連続的に形成された５つの屈曲部を備えている。
図４（ｂ）は、鋳物Ｍ３を斜め上から見た外観写真である。図４（ｂ）に示すように、この鋳物Ｍ３は、アルミニウム合金Ａ６０６３からなり、肉厚１．５〜２．５ｍｍの田の字形状の断面を有している（なお、溶湯通過部１０２ｃの間隔は３．０ｍｍ）。
図４（ｃ）は、５つの屈曲部を横から見たＸ線写真である。アールエフ社製のデジタルＸ線センサーＮＸ−０６及びポータブルＸ線撮影装置ＰＸ−２０ＨＦを用いて、管電圧７４ｋＶｐ、管電流時間２５ｍＡｓの条件で撮影した。図４（ｃ）に示すように、この鋳物Ｍ３のパイプ部Ｍ３１は、５つの屈曲部１１〜１５を備えている。ここで、隣接する屈曲部は、互いに逆方向に屈曲している。具体的には、屈曲部１１、１３、１５は同じ方向に屈曲している。また、屈曲部１２、１４は同じ方向に屈曲している。そして、屈曲部１１、１３、１５と屈曲部１２、１４とは互いに逆方向に屈曲している。
さらに、図４（ｃ）に示すように、リブ部Ｍ３２も、パイプ部Ｍ３１の５つの屈曲部１１〜１５に対応する５つの屈曲部２１〜２５を備えている。
なお、当然のことながら、屈曲部の数は任意である。

このように、実施の形態１に係る鋳物Ｍ３は、パイプ部Ｍ３１とその内部に形成されたリブ部Ｍ３２とを備えたリブ付パイプである。ここで、パイプ部Ｍ３１には、互いに逆方向に屈曲した複数の屈曲部が連続的に形成されている。そして、リブ部Ｍ３２にも、パイプ部Ｍ３１の屈曲部に対応する屈曲部が形成されている。このような形状のリブ付パイプは、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法及びその組み合わせでは、製造することができなかった。すなわち、実施の形態１に係る自由鋳造方法により、従来手法及びその組み合わせでは製造することができなかった形状のリブ付パイプを製造することができる。当該リブ付パイプは例えば、熱交換器用途に用いることができる。なお、実施の形態１に係る自由鋳造方法の詳細については後述する。

図５は、実施の形態１に係る鋳物Ｍ３の他の例の外観写真である。図５に示す鋳物Ｍ３は、１２００ｍｍもの全長を有している。図５に示すように、実施の形態１に係る自由鋳造方法では、様々な屈曲部を連続的あるいは断続的に形成することができる。また、鋳物Ｍ３の内部にも内部冷却ガスノズル１０３を介して冷却ガスを導入するため、図５に示すように、スタータＳＴには冷却ガスを導出する開口部が設けられている。

次に、図１を参照して、実施の形態１に係る自由鋳造方法について説明する。
まず、スタータＳＴを降下させ、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの間の溶湯通過部１０２ｃを通して、スタータＳＴの先端部を溶湯Ｍ１に浸漬させる。スタータＳＴとしては鋳物Ｍ３と同じ断面形状を有し、長手方向に直線状に延びたものを用いることが好ましい。

次に、所定の速度でスタータＳＴの引き上げを開始する。ここで、スタータＳＴが湯面から離間しても、表面膜や表面張力によって、スタータＳＴに追従して湯面から引き上げられた保持溶湯Ｍ２が形成される。図１に示すように、保持溶湯Ｍ２は、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの間の溶湯通過部１０２ｃに形成される。つまり、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとにより、保持溶湯Ｍ２に形状が付与される。

次に、スタータＳＴは、内部冷却ガスノズル１０３及び外部冷却ガスノズル１０６から吹き出される冷却ガスにより冷却されているため、保持溶湯Ｍ２が上側から下側に向かって順に凝固し、鋳物Ｍ３が成長していく。このようにして、鋳物Ｍ３を連続鋳造することができる。また、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを水平方向に移動させることにより、鋳物Ｍ３に屈曲部を付与することができる。なお、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを水平方向に移動させる代わりに、引上機に固定されたスタータＳＴを水平方向に移動させてもよい。あるいは、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂと、スタータＳＴとを水平面内において反対方向に移動させてもよい。

（実施の形態２）
図６を参照して、実施の形態２に係る鋳物Ｍ３について説明する。図６は、実施の形態２に係る鋳物Ｍ３の一例の外観写真（ａ）、及び捩れ部でのＸ線写真（ｂ）である。
図６（ａ）に示した鋳物Ｍ３は、捩れ部３１を備えている。この鋳物Ｍ３も、アルミニウム合金Ａ６０６３からなり、肉厚１．５〜２．５ｍｍの田の字形状の断面を有している（なお、溶湯通過部１０２ｃの間隔は３．０ｍｍ）。
図６（ｂ）は、捩れ部３１を上から見たＸ線写真である。アールエフ社製のデジタルＸ線センサーＮＸ−０６及びポータブルＸ線撮影装置ＰＸ−２０ＨＦを用いて、管電圧７４ｋＶｐ、管電流時間２５ｍＡｓの条件で撮影した。図６（ｂ）に示すように、捩れ部３１では、パイプ部Ｍ３１とリブ部Ｍ３２とがともに鋳物Ｍ３の長手方向を軸に捩れている。

実施の形態２に係る自由鋳造方法では、鋳物Ｍ３に捩れ部３１を付与するために、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを、鉛直方向を軸に回転させる。なお、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの代わりに、引上機に固定されたスタータＳＴを、鉛直方向を軸に回転させてもよい。あるいは、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂと、スタータＳＴとを鉛直方向を軸に反対方向に回転させてもよい。

このように、実施の形態２に係る鋳物Ｍ３は、パイプ部Ｍ３１とその内部に形成されたリブ部Ｍ３２とを備えたリブ付パイプである。ここで、実施の形態２に係る鋳物Ｍ３は、パイプ部Ｍ３１とリブ部Ｍ３２とがともに鋳物Ｍ３の長手方向を軸に捩れた捩れ部３１を有している。このような形状のリブ付パイプは、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法及びその組み合わせでは、製造することができなかった。すなわち、実施の形態２に係る自由鋳造方法により、従来手法及びその組み合わせでは製造することができなかった形状のリブ付パイプを製造することができる。当該リブ付パイプは例えば、熱交換器用途に用いることができる。捩れ部３１のアンカー効果により、例えば地中に固定しやすくなる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。特に、第１の実施の形態と第２の実施の形態とは、組み合わせることができる。すなわち、鋳物Ｍ３は、複数の屈曲部と捩れ部とを両方備えるリブ付パイプであってもよい。

１１〜１５、２１〜２５ 屈曲部
３１ 捩れ部
１０１ 溶湯保持炉
１０２ 形状規定部材
１０２ａ 内部形状規定部材
１０２ｂ 外部形状規定部材
１０２ｃ 溶湯通過部
１０３ 内部冷却ガスノズル
１０４ 支持ロッド
１０５ アクチュエータ
１０６ 外部冷却ガスノズル
Ｍ１ 溶湯
Ｍ２ 保持溶湯
Ｍ３ 鋳物
Ｍ３１ パイプ部
Ｍ３２ リブ部
ＳＴ スタータ

Claims (9)

1. パイプ部と、
   前記パイプ部の内部に形成されたリブ部と、を備え、
   前記リブ部は、前記パイプ部の屈曲に応じた複数の屈曲部を有している、連続鋳造体からなるリブ付パイプであって、
   前記複数の屈曲部は、
   当該リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を通過させながらスタータにより溶湯を引き上げつつ、前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を水平方向へ移動させることにより形成された、リブ付パイプ。
2. 前記複数の屈曲部が連続して形成されている、
   請求項１に記載のリブ付パイプ。
3. 前記複数の屈曲部において、隣接した屈曲部が互いに逆方向に屈曲している、
   請求項２に記載のリブ付パイプ。
4. 前記リブ部は、前記パイプ部の捩れに応じて形成された捩れ部をさらに有している、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のリブ付パイプ。
5. パイプ部と、
   前記パイプ部の内部に形成されたリブ部と、を備え、
   前記リブ部は、前記パイプ部の捩れに応じた捩れ部を有している、連続鋳造体からなるリブ付パイプであって、
   前記捩れ部は、
   当該リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を通過させながらスタータにより溶湯を引き上げつつ、前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を、鉛直方向を軸に回転させることにより形成された、リブ付パイプ。
6. パイプ部の内部に形成されたリブ部が、前記パイプ部の屈曲に応じた複数の屈曲部を有している、リブ付パイプの製造方法であって、
   保持炉に保持された溶湯を、スタータにより前記溶湯の表面から導出し、鋳造する前記リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を介して引き上げるステップと、
   前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却し、凝固させるステップと、を備え、
   前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を水平方向へ移動させることにより前記複数の屈曲部を形成する、リブ付パイプの製造方法。
7. 鋳造される前記リブ付パイプの内側へ冷却ガスを導入するとともに、前記スタータに開口部を設ける、
   請求項６に記載のリブ付パイプの製造方法。
8. パイプ部の内部に形成されたリブ部が、前記パイプ部の捩れに応じた捩れ部を有している、リブ付パイプの製造方法であって、
   保持炉に保持された溶湯を、スタータにより前記溶湯の表面から導出し、鋳造する前記リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を介して引き上げるステップと、
   前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却し、凝固させるステップと、を備え、
   前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を、鉛直方向を軸に回転させることにより前記捩れ部を形成する、リブ付パイプの製造方法。
9. 鋳造される前記リブ付パイプの内側へ冷却ガスを導入するとともに、前記スタータに開口部を設ける、
   請求項８に記載のリブ付パイプの製造方法。