JP5897318B2

JP5897318B2 - 金属製品製造装置

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Publication number: JP5897318B2
Application number: JP2011267293A
Authority: JP
Inventors: 高　橋　謙　三; 橋謙三高
Original assignee: TAKAHASHI KENZO
Current assignee: TAKAHASHI KENZO
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2031-12-06
Also published as: JP2013119096A

Description

本発明は、金属製品製造装置に関する。

Ａｌ，Ｃｕ，Ｚｎ又はこれらのうちの少なくとも２つの合金、あるいはＭｇ合金等の伝導体（導電体）の非鉄金属、あるいは、その他の金属の、ビレットあるいはスラブ等を生産するには品質向上を図るため、原料としての金属の溶湯を攪拌することが望ましい。而して、従来モールド鋳型の外部に電磁攪拌装置を設置して鋳型内の溶湯を攪拌するもの、あるいは鋳型の内部にメカニカルポンプを沈めた状態としてこれらにより炉内の溶湯を循環攪拌するもの等があった。

しかしながら前記電磁式攪拌装置においてはメンテナンスに複雑さがあり、高価であり、ランニングコストが大きく、これらの理由であまり普及していない。また、前記メカニカルポンプには、構成部材としての回転羽根（カーボン製）の破損が激しく、ランニングコストが高い等の問題がある。

また、別の観点から言えば、ビレット生産の装置としては、超音波式のもの、電磁コイルを用いて高周波磁界を与えてビレット内溶湯に電磁振動を与えるもの等がある。

しかしながら、これらには、ランニングコストが高いことや作業性が非常に悪いこと等に起因して、意図しただけの生産性が得られない等の問題点があった。スラブ生産の装置においては、スラブの大型性に起因して、有効な攪拌手段がないというのが実情であった。

上述のように従来方式はいずれも多くの問題点を抱えており結果として普及してこなかった。

本発明は、これら従来方式の問題点を解決し、安価でメンテナンスがし易く、ランニングコストが少ない据え付け容易な金属製品製造装置を提供しようとするものである。

本発明の金属製品製造装置は、
金属の溶湯を受けて冷却するモールドであって、前記溶湯を受ける入口と、前記入口に連通する冷却用の内部空間と、前記内部空間に連通する出口と、を有し、前記溶湯を前記内部空間において外周側から冷却して、外側から固体化されて内部に溶湯が残存し、内部の液相と外側の固相が界面をなす状態の半製品として前記出口からの引き出しを行わせる、モールドと、
前記出口の近傍に設けられた回転磁場発生装置であって、周囲に交互に異極が並ぶように複数の磁極を設けることにより任意数の磁極対を有する磁場発生装置を備え、前記磁場発生装置は前記引き出しの方向に沿った第１の軸線の回りに回転駆動可能に設けられ、前記各磁極から出る出力磁力線を又は前記各磁極へ入る入力磁力線を、前記半製品中の前記溶湯中を貫通した状態で移動させて、前記半製品中の前記溶湯を前記第１の軸線に並ぶ第２の軸線の回りに回転させる、回転磁場発生装置と、
を備え、
前記モールドの複数に対して前記回転磁場発生装置を１つ設けた、
ものとして構成される。

本発明の一実施形態の磁場発生装置の正面説明図。図１の装置の右側面説明図。図１の装置における磁場発生装置の側面説明図。図３の異なる例を示す磁場発生装置の側面説明図。（ａ）は図１の装置を組み込んだ１本のビレットを生産するビレット生産装置（金属製品製造装置）の全体構成図、（ｂ）はモールドと製品の詳細を示す説明図、（ｃ）は（ａ）の５（ｃ）―５（ｃ）に沿った断面説明図。（ａ）はモールドの縦断面説明図、（ｂ）は横断説明図。製品の異なる界面を示す説明図。製品の溶湯中のガスの温度による移動を説明する説明図。製品の溶湯中のガスの溶湯の回転による移動を説明する説明図。図１の装置を組み込んだ２本のビレットを生産するビレット生産装置の全体構成図。図１の装置を組み込んだ４本のビレットを生産するビレット生産装置の全体構成図。図１の装置を組み込んだ１本のスラブを生産するスラブ生産装置の全体構成図。図１の装置を１つ宛て組み込んだスラブを生産するビレット生産装置の異なる例の全体構成図。図１の装置を１つ宛て組み込んだ大型炉の全体構成図。図１の装置を２つ宛て組み込んだ大型炉の全体構成図。

本発明の一実施形態の磁気遮蔽型金属溶湯攪拌装置を備える金属製品製造装置１００に組み込まれる回転磁場発生装置１０を図１（正面説明図）、図２（側面説明図）を参照して説明する。

図１において、この回転磁場発生装置１０は、フレーム１の内部に、図中横向きの軸線を有する円柱状の磁場発生装置２を、両端の軸２ａ、２ａにより軸（第１の軸線ａｘ１）の回りに回転可能に取り付けている。この磁場発生装置２においては、図３からわかるように、軸線を挟んで直径方向に対向する２つの母線部分がそれぞれＮ極、Ｓ極に磁化されて１つの磁極対となっている。この磁極対の数は２以上でもよく、図４は２組の磁極対の例を示す。磁場発生装置２は電磁石によるものでもよい。

この磁場発生装置２の回転駆動は、フレーム１に取り付けたモータ３により、巻掛伝導機構５を介して、行われる。つまり、モータ３の回転が減速されて磁場発生装置２に伝えられる。この巻掛伝導機構５はカバー１Ａで覆われている。ここでは、巻掛伝導機構５として、チェーンとスプロケットを用いたが、これに限るものではなく、その他の伝導機構であっても良い。また、前記巻掛伝導機構でなくても、その他の機構であっても、モータ３の回転を減速して磁場発生装置２に伝えられるものであればよい。例えば、モータ３と磁場発生装置２を図中横向きの同一線上に並べて、減速装置を介して接続する、カップリング接続でも良い。また、モータ３自体が減速機構を備えるものでもあっても良い。

特に図２から分かるように、円柱状の磁場発生装置２の周囲のうち上方の約半分を磁気シールドするシールド板（磁気遮蔽手段）７がフレーム１内において磁場発生装置２の近傍に所定の手段で設けられている。このシールド板７は、横断面において、上半分が半円状のシールド部７ａをなし、下半分が末広がりに広がった解放部７ｂとなっている。このシールド板７によって、磁場発生装置２の外周の空間のうち、図３において、シールド板７の上側空間ＵＳ及び左右空間ＬＳ・ＲＳは、磁気シールドされ、下側空間ＤＳにだけ磁気的に解放され、この下側空間ＤＳに磁力線ＭＬにより磁場が形成されることになる。簡単には磁場発生装置２の周囲の１８０度だけシールドしている。前記シールド部７ａは磁性材で構成され、前記解放部７ｂは非磁性材で構成される。シールド板７における下側空間ＤＳの解放角度は図示のものに限るものではなく、任意の角度とすることができる。つまり、磁場発生装置２のＮ極から出る磁力線ＭＬ（出力磁力線）はシールド板７でシールドされ、またシールド板７によりＳ極に向かう磁力線（入力磁力線）はシールドされる。

以上に説明した回転磁場発生装置１０においては、シールド板７により、磁場発生装置２の下側空間ＤＳ以外は磁気シールドされることになる。つまり、モータ３により磁場発生装置２を回転させると、シールド板７によって上側空間ＵＳと左右空間ＬＳ・ＲＳは磁気シールドされ、下側空間ＤＳに向かう磁力線ＭＬだけが下側空間ＤＳにおいて回転する。

図５（ａ）は、以上に説明した回転磁場発生装置１０が組み込まれた磁気遮蔽型金属溶湯攪拌装置を備える金属製品製造装置１００を示す。この図５（ａ）において、簡単には、供給樋２０からの液相（液体）状態の溶湯Ｍがモールド３０によって固相（固体）状態の製品（ビレット）Ｐとして取り出される。この図５（ａ）では製品（ビレット）Ｐを横向きに取り出しているが、縦向きに取り出すものとすることができる。

より詳しくは、溶湯Ｍを収納する供給樋２０が接続樋２２を介してモールド３０に接続されている。このモールド３０の詳細は図６（ａ）、（ｂ）に示される。図６（ａ）はモールド３０の紙面に沿った縦断面であり、（ｂ）は紙面に垂直な縦断面である。つまり、モールド３０は、中央に円柱状の内部空間３０ａを有し、且つ、放射状に位置する複数の水噴出口３０ｂ、３０ｂ、・・・を有する。よって、溶湯Ｍは入口３０ａ１から内部空間３０ａに流入し、水噴出口３０ｂ、３０ｂ、・・・からの水で急速に冷却され、固まりながら図中左方向に引き出され、製品（ビレット）Ｐとなる。上記供給樋２０と接続樋２２が、溶湯供給アセンブリを構成する。

而して、製品（ビレット）Ｐは、図５（ｂ）から分かるように、外側が冷却により固まり固相（固体）の状態にあり、内部が液相（液体）の溶湯Ｍのままの状態にある。液相と固相の界面Ｉの態様は図５に示される。つまり、この界面Ｉは、図５（ｂ）において、図中右側が開いたいわゆる放物線のような形を採る。溶湯Ｍの温度分布は、後述するように、入口３０ａ１近傍が高温で、放物線の頂点近傍が低温となる。

より詳しくは、一般に、製品（ビレット）Ｐ内は図５（ｂ）のように、液相と固相の２相状態を採る。それらの界面Ｉは放物線状になる。つまり、例えばアルミニウムの溶湯Ｍは、モールド３０の水噴出口３０ｂ、３０ｂ、・・・からの水によって急冷され、固化する。固化は先ず表面部分（外周部分）から始まる。製品（ビレット）Ｐの中心部分まで冷却が行われるには時間がかかるので、中心部分は最後に固化する。よって、放物線状の界面Ｉを形成する。この場合、溶湯Ｍの温度は、放物線の頂点近傍が温度が低く、入口３０ａ１近傍は温度が高くなっている。なお、ここでは、便宜的に、出口２Ａ（１）２から製品（ビレット）Ｐが引き出されると説明したが、正しくは、固相と液相の混在した部分は半製品と呼ぶべきものであって、液相部分が完全に固化したものが製品である。

なお、モールド３０における溶湯Ｍの冷却能力を上げれば、前記界面Ｉの放物線の尖鋭度は小さくなり、逆に、下げれば尖鋭度は大きくなる。また、製品（ビレット）Ｐの引き抜き速度を遅くすれば尖鋭度は小さくなり、早くすれば尖鋭度は大きくなる。

図５（ａ）において、前記モールド３０の出口側の上方、つまり、界面Ｉを挟んだ液相状態の溶湯Ｍの上方に前述の回転磁場発生装置１０が設置されている。この回転磁場発生装置１０と製品（ビレット）Ｐとの上下の位置関係は、図５（ｃ）に示される。図５（ｃ）は、（ａ）のｃ―ｃ’線に沿った断面図である。図５（ａ）において、回転磁場発生装置１０を、図中左右に移動可能に設けることもできる。これにより、図５（ｂ）に示される液相状態にある溶湯Ｍの上方のより適した位置に、回転磁場発生装置１０を移動させることができる。

回転磁場発生装置１０の磁場発生装置２からの磁力線ＭＬは界面Ｉを貫通して内部の溶湯Ｍに達する。よって、磁場発生装置２が回転すると磁力線ＭＬは溶湯Ｍ中を貫通した状態で移動することになる。これにより、液相状態にある溶湯Ｍには渦電流が生じ、溶湯Ｍは、電磁力により図５（ａ）中横向きの軸線（第２の軸線ａｘ２）の回りに回転攪拌させられる。この攪拌により、製品（ビレット）Ｐの取り出し速度を上げることができると共に、溶湯Ｍ中の不純物が効率よく取り除かれて、製品（ビレット）Ｐを良質なものとすることができる。

以下に、本発明の実施形態によって液相状態にある溶湯Ｍを攪拌する場合の作用と利点等について説明する。

溶湯Ｍの冷却速度（固化速度）の向上
溶湯Ｍを攪拌することにより、図７に示すように、溶湯Ｍの冷却固化速度を上げることができる。つまり、攪拌しない場合には、溶湯Ｍと製品（ビレット）Ｐの界面は、点線で示す界面Ｉ（１）となる。これは、攪拌しない場合には、溶湯Ｍの中心部分から外周部への熱の伝わり方が緩やかであるためである。しかるに、溶湯Ｍを攪拌すると、熱の伝わり方がスムースとなるため界面は、実線の界面Ｉ（２）となる。以上の界面Ｉ（１）と界面Ｉ（２）の比較から分かるように、製品（ビレット）Ｐの引き抜き速度を上げることが可能となる。

溶湯Ｍからの脱ガス効果
（ａ）溶湯Ｍの温度、比重によるガスの移動
溶湯中に巻き込まれたガスＧは時間の経過と共に浮力で上昇し、大気中に抜けていく。これは、溶湯の下部（底部）と上部（表面）では圧力差があり、圧力の低い上方へガスが移動するためである。

ガスの移動は溶湯Ｍの各部の温度差によっても上記と同様な挙動を採る。つまり、溶湯の温度が高いと溶湯の液としての比重が小さく、温度が低いと比重は大きなものとなる。例えば、アルミニウムの溶湯の７００°Cのものは比重は２．４、固体（常温）では２．７、それらの間の温度においては比重はおおよそ温度に比例する。

このような比重の差が、溶湯中に巻き込まれたガスの移動度に影響する。つまり、溶湯中の各部に温度差が生じると、それに応じて溶湯の比重に差が生じ、この比重差に応じて、ガスは、温度の高い（比重の小さい）方向へ移動する。

以上のことを本発明の実施形態に当てはめて考える。本発明の実施形態による溶湯Ｍの固化の状態は、先にも説明したように、図８のように表すことができる。つまり、固化過程のビレットの断面は図８のように表される。この図８において、溶湯Ｍ中での温度分布をみると、界面Ｉの放物線の頂点近傍の温度は低く、入口３０ａ１に向かうに従って温度は高くなる。これに対応し、溶湯Ｍの比重は、逆に、放物線の近傍は大きく、入口３０ａ１に向かうに従って小さくなる。このため、溶湯Ｍ中のガスは、図８中左から右へする。この移動速度をｖとする。而して、製品（ビレット）Ｐの引き抜き速度をＶとした時、ｖ＜Ｖとすると、製品（ビレット）Ｐ中にガスが残ってしまう。よって、本実施形態では、ｖ＞Ｖとして、製品（ビレット）Ｐ中にガスが残留しないようにしている。

（ｂ）溶湯Ｍ中のガスの溶湯Ｍの攪拌による移動
本発明の実施形態による溶湯Ｍの回転攪拌は例えば図９に示される。つまり、磁場発生装置２の回転に伴ってモールド３０内の溶湯Ｍが矢印の如く回転する。この回転に伴う遠心力によって、溶湯Ｍの外周部分の圧力が中心部分のそれよりも高くなる。これにより、溶湯Ｍ中のガスは中心部分に集まってくる。

（ｃ）以上に述べた（ａ）により溶湯Ｍ中のガスは入口３０ａ１の方向に移動し、（ｂ）によりガスはビレットの中心方向に移動する。これらが有機的に結合して、溶湯Ｍちゅうからの脱ガスが効果的に行われる。

図１０―図１５は、本発明の異なる実施形態を示す。図１０―図１５は、前述の図５（ｃ）に対応する。

図１０は、ビレットＰを2本同時に生産するラインに、本発明の実施形態の回転磁場発生装置１０を設置した例を示す。この例の場合は、２本のビレットＰ、Ｐの中間に回転磁場発生装置１０を配置し、ビレット2本のそれぞれの溶湯Ｍを同時に攪拌する。

図１１は更に多くのビレットＰを同時生産する場合の攪拌例を示す。基本的には、ビレットＰの2本当たりに１台の回転磁場発生装置１０を割り当てる。この場合、回転磁場発生装置１０をコモンベース６０上に配置し、コモンベース６０を上下に可動な構造としている。これにより、メンテナンスやモールド３０の交換作業等を迅速に行うこともできる。上下可動機構は種々考えられるが、どのような原理のものでもよく、よってここでは詳しい説明を割愛する。また、コモンベース６０上の複数の回転磁場発生装置１０の駆動部をチェーンなどで接続して、複数の回転磁場発生装置１０を1個の駆動装置で同時に駆動するようにすることもできる。

図１２―図１３は、スラブ生産ラインに本回転磁場発生装置１０を設置した場合の例を示す。スラブはその重量が大きいため、縦引き生産ラインとなる。図１２および図１３の例は、モールド３０を出た直後の製品（スラブ）Ｐ２と回転磁場発生装置１０の位置関係を概略的に示す。

図１２では、製品（スラブ）Ｐ２の周囲４辺のうちのある一辺に回転磁場発生装置１０を配置した場合を示す。ここでは、製品（スラブ）Ｐ２内の液体相部分（溶湯Ｍ）に移動磁界が作用し、渦電流により矢印のように回転攪拌する。回転方向は回転磁場発生装置１０の回転方向（正転、逆転）により決めることができる。

図１３では、製品（スラブ）Ｐ２を挟んで（ここでは上下に挟んで）回転磁場発生装置１０を2台設置した場合を示す。この場合は当然攪拌力は図１２の場合の2倍となる。

図１４および図１５は、回転磁場発生装置１０を大型溶解炉（または保持炉）４１に設置した場合平面図を示す。回転磁場発生装置１０を大型溶解炉（または保持炉）４１の外周の４つの壁のうちの１つの壁に密着させて、内部溶湯を攪拌するようにしている。尚、回転磁場発生装置１０を前記４つの壁の別の１つとしての炉底壁の下方に配置してもよい。

本発明者の実験から、本発明の実施形態によれば、ビレット生産に回転磁場発生装置１０を設置した場合は生産性（ビレット引き抜き速度）が大幅に改善できることが分かった。ばらつきはあるものの３０％近く改善されることも理解された。

また、界面Ｉの形状も、従来型生産方方法では頂点部分がシャープな放物線状となるが、本発明の実施形態によれば、台形状分布となることも確認できた。これは組織の均一性にも繋がるものと考えられる。よって、特に、多数本生産ラインでは生産性のみならず、品質の安定性したビレット生産が可能となる。

さらに、スラブ生産の場合でも効果はビレット生産の場合と同様と考えられる。しかし、一般的に、スラブはビレットと比べ比較にならないほど大型の製品である。したがって、今までスラブの生産性向上や改質に関しては、具体的試みが全く行われてこなかった。しかしながら、本発明の実施形態による回転磁場発生装置１０を採用することによりその課題が達成できた。

また、大型炉に回転磁場発生装置１０を適用した場合は、大型炉内の溶湯の各部の温度差（表面と炉底間）が２℃以下とすることができ、極めて高い攪拌効果が得られた。また、溶湯の温度が均一になることで、バーナー熱の溶湯への熱移動がスムースになり、大幅な省エネ効果が得られた。また、このことにより、非鉄金属溶湯の酸化物発生量を抑制することができ、製品歩留まりを大幅に改善することができた。

Claims

金属の溶湯を受けて冷却するモールドであって、前記溶湯を受ける入口と、前記入口に連通する冷却用の内部空間と、前記内部空間に連通する出口と、を有し、前記溶湯を前記内部空間において外周側から冷却して、外側から固体化されて内部に溶湯が残存し、内部の液相と外側の固相が界面をなす状態の半製品として前記出口からの引き出しを行わせる、モールドと、
前記出口の近傍に設けられた回転磁場発生装置であって、周囲に交互に異極が並ぶように複数の磁極を設けることにより任意数の磁極対を有する磁場発生装置を備え、前記磁場発生装置は前記引き出しの方向に沿った第１の軸線の回りに回転駆動可能に設けられ、前記各磁極から出る出力磁力線を又は前記各磁極へ入る入力磁力線を、前記半製品中の前記溶湯中を貫通した状態で移動させて、前記半製品中の前記溶湯を前記第１の軸線に並ぶ第２の軸線の回りに回転させる、回転磁場発生装置と、
を備え、
前記モールドの複数に対して前記回転磁場発生装置を１つ設けた、
ことを特徴とする金属製品製造装置。
前記回転磁場発生装置は、前記磁場発生装置の前記第１の軸線の回りの全周囲のうちの一部分を覆う磁気遮蔽手段を備え、前記磁場発生装置からの前記出力磁力線を前記磁気遮蔽手段で遮蔽するようにした、ことを特徴とする請求項１記載の金属製品製造装置。
前記磁極対は複数であることを特徴とする請求項１又は２記載の金属製品製造装置。
前記磁気遮蔽手段は、前記磁場発生装置の前記第１の軸線の回りの全周囲角のうちの半分の角度の範囲を遮蔽するものである、ことを特徴とする請求項２に記載の金属製品製造装置。
前記磁場発生装置は、永久磁石又は電磁石で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の金属製品製造装置。
前記磁場発生装置を回転駆動する駆動装置をさらに備え、前記駆動装置からの動力を巻掛伝導機構又はカップリングによる伝導機構で伝えることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の金属製品製造装置。
前記磁気遮蔽手段は強磁性の鉄板で構成したことを特徴とする請求項２又は４に記載の金属製品製造装置。
製品としてビレット又はスラブを生産することを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の金属製品製造装置。
前記モールドは、製品の縦引き又は横引きのものとして構成されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の金属製品製造装置。
金属の溶湯を前記モールドに供給する溶湯供給アセンブリをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の金属製品製造装置。