JP5912859B2 - 鋳造体の製造装置とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は鋳造体の製造装置とその製造方法に関し、特に自由鋳造方法を用いた鋳造体の製造装置とその製造方法に関するものである。

従来、複雑形状を呈する金属製品は、溶融状態の金属（金属溶湯）を所定形状のキャビティを備えた鋳型に充填し、その鋳型内で金属溶湯を凝固させることによって製造されてきた。

ところで、鋳型を用いた鋳造方法においては、キャビティ内に充填された金属溶湯が鋳型のキャビティ内壁面から冷却されて凝固するため、ひけ巣や気泡巣などといった鋳造欠陥が生じ得る。また、金属溶湯が鋳型内で凝固した後に生じる熱変形が鋳型に拘束されるため、凝固割れや冷間割れなどが発生することがある。

このような問題に対して、近年、引上げ連続鋳造方法や自由鋳造方法などと称される鋳型を使用しない鋳造方法に関する技術が提案されている。これらの鋳造方法はいずれも、溶融状態の金属（金属溶湯）を貯留した金属溶湯槽の湯面から所定経路に沿って金属溶湯を導出させ、導出された金属溶湯を凝固させて鋳造体を成形する方法である。すなわち、金属溶湯槽の湯面から金属溶湯を導出すると、導出される金属溶湯はその表面に形成される酸化膜や表面張力によって一時的に形状が保持されるため、このように湯面から導出されて一時的に形状が保持された金属溶湯を所定の冷却手段で凝固させ、凝固させた金属溶湯を次第に湯面から離間して新たな溶融状態の金属を湯面から導出させ、その導出させた金属溶湯を連続的に凝固させることによって所定形状の鋳造体を成形していく方法である。

これらの鋳造方法によれば、金属溶湯槽から導出された金属溶湯を連続的に冷却して凝固させることができるため、鋳型内で生じ得るひけ巣などの鋳造欠陥の問題を解消することができ、たとえば６０００系展伸用アルミニウム合金などの凝固割れが発生し易い合金を使用した場合であっても高品質な鋳造体を製造することができる。

ところで、これらの鋳造方法で用いられる冷却手段としては、たとえば湯面から導出された金属溶湯に冷媒等を噴射して直接的に冷却する手段や、金属溶湯槽の湯面から金属溶湯を導出するために使用される金属製の誘起体や金属溶湯の既凝固部分を介して間接的に冷却する手段などが知られている。

上記する冷却手段のうち、金属溶湯槽の湯面から導出された金属溶湯の表面に冷媒としての水を噴射して金属溶湯を強制冷却する技術が特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されている引上げ連続鋳造装置は、溶融金属表面に近い上部位置に冷却箱を設置し、この冷却箱に水噴射ノズルを設けて当該水噴射ノズルから溶融金属表面に水を噴射し、溶融金属を強制冷却してテーパ付丸棒などの鋳造体を鋳造する装置である。

特開昭６３−１９９０５０号公報

ところで、円環形状を呈する鋳造体を製造する際には、金属溶湯槽の湯面から金属溶湯を円環状に導出させており、金属溶湯槽の湯面と当該湯面から円環状に導出される金属溶湯の内周面で画成される領域内に金属溶湯等から放出される熱が篭もり易く、湯面から導出された金属溶湯の内側は当該金属溶湯の外側と比較して相対的に高温となることが知られている。

特許文献１に開示されている引上げ連続鋳造装置によれば、テーパ付丸棒などの単純形状を呈する鋳造体を製造する際に、冷却手段としての水噴射ノズルから金属溶湯の外周面に水を噴射することによって金属溶湯の外周面から内側へ向かって前記金属溶湯を冷却できるものの、円環形状を呈する鋳造体を製造する際には、相対的に高温となり得る円環状の金属溶湯の内側を直接的に冷却できず、金属溶湯槽の湯面から導出された金属溶湯の冷却効率が低いといった課題がある。

また、上記する従来の冷却手段のうち、金属製の誘起体や金属溶湯の既凝固部分を介して間接的に冷却する手段を用いて湯面から導出された金属溶湯を冷却する場合には、凝固された金属溶湯が湯面から離間するに従って冷却手段と金属溶湯槽の湯面との距離が大きくなり、金属溶湯の導出に従って金属溶湯の冷却効率が低下するといった課題があることが知られている。

本発明は上記する課題に鑑みてなされたものであり、環状を呈する鋳造体を製造する際に、金属溶湯槽の湯面から環状に導出される金属溶湯の内側を直接的に冷却することができる鋳造体の製造装置とその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明の鋳造体の製造装置は、金属溶湯を貯留する金属溶湯槽と、金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯を冷却して凝固させる冷却手段と、を備える鋳造体の製造装置であって、前記冷却手段は、少なくとも金属溶湯槽の金属溶湯の内部を通って金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側へ冷媒を供給し、金属溶湯の内側へ供給された冷媒を環状に導出された金属溶湯の内側から金属溶湯槽の金属溶湯の内部を通って排出する冷却管を有している装置である。

ここで、上記する製造装置で適用される金属溶湯の形成素材としては、たとえば鉄、アルミニウム、マグネシウム、チタン等の金属やそれらの合金を挙げることができる。また、「溶湯」とは、全体が液相状態のほか、液相と固相が混在する固液共存状態も含まれる。また、「環状」とは、円環状、楕円環状のほか、略矩形枠状などの内部に中空空間を有する多角形状なども含まれる。

また、上記する製造装置で適用される冷却手段で用いる冷媒としては、たとえば空気や不活性ガスなどの気体や水などの液体を挙げることができる。

上記する製造装置によれば、金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯を冷却するために、金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側へ冷媒を供給し、金属溶湯の内側へ供給された冷媒を金属溶湯の内側から排出する冷却管を有することによって、相対的に高温となり得る環状に導出された金属溶湯の内側を冷媒を用いて直接的に冷却することができ、金属溶湯との熱交換によって高温となった冷媒を金属溶湯の内側から排出することができるため、金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側を直接的かつ効率的に冷却することができる。また、前記冷却管が金属溶湯槽の金属溶湯の内部を通って配されることによって、冷却手段で凝固させた金属溶湯を次第に湯面から離間して新たな溶融状態の金属溶湯を湯面から導出させる際に、凝固させた金属溶湯と前記冷却管との衝接を確実に回避することができるため、冷却手段の構成を格段に簡素化することができる。

また、上記する製造装置は、前記冷却手段が、金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側へ冷媒を供給して環状に導出された金属溶湯の内側から冷媒を排出するためにその金属溶湯の内側に配された冷却管の開口を遮蔽する遮蔽部を有していることが好ましい。

上記する製造装置によれば、遮蔽部によって金属溶湯の内側に配された冷却管の開口を任意に遮蔽することができ、金属溶湯の内側への冷媒の供給と金属溶湯の内側からの冷媒の排出を任意に調整することができ、金属溶湯の内側を任意の温度に調整することができるため、金属溶湯の内側の冷却速度を任意に調整することができる。

また、上記する製造装置は、前記冷却管が、金属溶湯の内側へ冷媒を供給する供給管とその金属溶湯の内側から冷媒を排出する排出管からなり、前記遮蔽部によって冷却管の開口を遮蔽した際に供給管と排出管が流体連通し、供給管を流過した冷媒が排出管へ流過するようになっていることが好ましい。

上記する製造装置によれば、供給管と排出管をそれぞれ独立して設けるとともに、遮蔽部によって冷却管の開口を遮蔽した際に供給管を流過した冷媒が排出管へ流過することによって、供給管に冷媒を流過させながら遮蔽部により冷却管の開口を遮蔽した場合であっても、供給管を流過した冷媒を排出管へ流過させることができるため、冷却管内の冷媒の流動を円滑化することができる。また、遮蔽部によって冷却管の開口を遮蔽した際に、供給管と排出管の双方に冷媒を流過させることができ、冷却管内を流過する冷媒によって金属溶湯槽の金属溶湯の内部に配される冷却管の供給管と排出管をともに冷却することができるため、金属溶湯槽の金属溶湯の熱による冷却管の変形を抑制することができ、冷却管の構成を格段に簡素化することができる。

また、上記する製造装置は、前記遮蔽部によって冷却管の開口を遮蔽した際に、前記冷却管のうち金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側に配された部分が金属溶湯槽の金属溶湯の内部へ浸漬されるようになっていることが好ましい。

上記する製造装置によれば、遮蔽部によって冷却管の開口を遮蔽した際に金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側に配された冷却管が金属溶湯槽の金属溶湯の内部へ浸漬されることによって、冷却管の内部への金属溶湯の侵入を抑止しながら、金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側の湯面を確保することができ、金属溶湯槽の湯面から導出される金属溶湯の形状を任意に変更することができるため、製造される鋳造体の形状自由度を高めることができる。

ここで、前記冷却管は、供給管の内側に排出管が内包された二重管構造を有していてもよいし、排出管の内側に供給管が内包された二重管構造を有していてもよい。

冷却管が供給管の内側に排出管が内包された二重管構造を有している場合には、相対的に低温の冷媒が流過する供給管が金属溶湯槽の金属溶湯と隣接して配置されることによって、供給管を流過する冷媒により冷却管全体を効果的に冷却することができるため、冷却管の構成を格段に簡素化することができる。一方で、冷却管が排出管の内側に供給管が内包された二重管構造を有していている場合には、相対的に低温の冷媒が流過する供給管が金属溶湯槽の金属溶湯と離間して配置されることによって、供給管を流過する冷媒による金属溶湯槽の金属溶湯の熱の吸収を抑制することができるため、金属溶湯の内側をより効率的に冷却することができる。

また、本発明の鋳造体の製造方法は、金属溶湯槽の湯面から金属溶湯を環状に導出させ、導出された金属溶湯を冷却して凝固させて環状形状を有する鋳造体を成形する鋳造体の製造方法であって、金属溶湯槽の金属溶湯の内部を通って金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側へ冷媒を供給し、金属溶湯の内側へ供給された冷媒を環状に導出された金属溶湯の内側から金属溶湯槽の金属溶湯の内部を通って排出する方法である。

上記する製造方法によれば、金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側へ冷媒を供給し、金属溶湯の内側へ供給された冷媒を金属溶湯の内側から排出することによって、相対的に高温となり得る環状に導出された金属溶湯の内側を冷媒によって直接的に冷却することができるとともに、金属溶湯との熱交換によって高温となった冷媒を金属溶湯の内側から排出することができるため、金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側を直接的かつ効率的に冷却することができる。また、金属溶湯槽の金属溶湯の内部を通って金属溶湯の内側へ冷媒を供給し、金属溶湯の内側へ供給された冷媒を金属溶湯槽の金属溶湯の内部を通って排出することによって、凝固させた金属溶湯を次第に湯面から離間して新たな溶融状態の金属溶湯を湯面から導出させる際に、凝固させた金属溶湯に阻害されることなく金属溶湯の内部へ冷媒を供給し、その金属溶湯の内部から前記冷媒を排出することができるため、金属溶湯の内部を円滑に冷却することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の鋳造体の製造装置とその製造方法によれば、環状を呈する鋳造体を製造する際に、簡単な構成で金属溶湯槽の湯面から環状に導出される金属溶湯の内側を直接的かつ効率的に冷却することができ、鋳造体の生産性を格段に向上させることができる。

本発明の鋳造体の製造装置の実施の形態の全体構成を模式的に示した斜視図である。 図１で示す製造装置を用いた鋳造体の製造方法を説明した縦断面図であって、（ａ）は金属溶湯槽から金属溶湯を導出する前の状態を説明した図であり、（ｂ）は図２（ａ）で示す内側冷却管の一部を拡大して示した一部拡大図である。 図１で示す製造装置を用いた鋳造体の製造方法を説明した縦断面図であって、図２で示す工程に続いて金属溶湯槽から金属溶湯を導出した直後の状態を説明した図である。 図１で示す製造装置を用いた鋳造体の製造方法を説明した縦断面図であって、（ａ）は図３で示す工程に続いて金属溶湯槽から導出された金属溶湯の一部を凝固させた状態を説明した図であり、（ｂ）は図４（ａ）で示す内側冷却管の一部を拡大して示した一部拡大図である。 図１で示す製造装置を用いた鋳造体の製造方法を説明した縦断面図であって、図４で示す工程に続いて金属溶湯槽から導出された金属溶湯で閉塞板を形成する状態を説明した図である。 図１で示す製造装置で製造される鋳造体の一実施の形態を示す図であって、（ａ）はその斜視図であり、（ｂ）はその縦断面図である。 図１で示す製造装置を用いた鋳造体の製造方法を説明した縦断面図であって、図５で示す工程に続いて金属溶湯槽から導出された金属溶湯を凝固させた状態を説明した図である。 図１で示す製造装置に用いる誘起体の他例を示した図であって、（ａ）はその縦断面図であり、（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。

以下、図面を参照して本発明の鋳造体の製造装置とその製造方法の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の鋳造体の製造装置の実施の形態の全体構成を模式的に示した斜視図である。

図示する製造装置１０は、主として、金属溶湯Ｍを貯留する金属溶湯槽２と、金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから導出された金属溶湯を冷却して凝固させる冷却手段３と、金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａと冷却手段３によって金属溶湯Ｍが凝固される凝固領域の間の領域に配置されて鋳造体の外形を規定する略円環状の外形規定部材４と、この外形ユニット４Ａよりも内側に配置されて鋳造体の内形を規定する略円環状の内形規定部材５と、を備えている。なお、外形規定部材４と内形規定部材５は、金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから金属溶湯Ｍを導出させる際に、不図示の移動手段によって任意の方向へ移動されるようになっている。

前記冷却手段３は、金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから導出された金属溶湯のうち相対的に内側から冷媒（たとえば水や空気）を噴射して金属溶湯を冷却する内側冷却管３ａと、金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから導出された金属溶湯のうち相対的に外側から冷媒を噴射して金属溶湯を冷却する外側冷却管３ｂと、を備えており、内側冷却管３ａと外側冷却管３ｂはそれぞれ、冷媒を供給するための冷媒供給部３ｃと流体連通されている。

また、前記内側冷却管３ａは、主として金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから導出された金属溶湯へ冷媒を噴射して供給する供給管３ａａと金属溶湯との熱交換によって高温となった冷媒を排出する排出管３ａｂから構成され、供給管３ａａの内側に排出管３ａｂが内包され且つ双方の軸心が同心に配置された二重管構造を有しており、供給管３ａａと排出管３ａｂのそれぞれが前記冷媒供給部３ｃと流体連通されている。内側冷却管３ａの先端部３ｄ、すなわち供給管３ａａと排出管３ａｂの先端部にはそれぞれ、金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから導出された金属溶湯へ供給管３ａａから冷媒を供給するための供給口（開口）３ａｃと高温となった冷媒を金属溶湯周辺から排出管３ａｂへ排出するための排出口（開口）３ａｄが配設されている。前記冷媒供給部３ｃから供給管３ａａへ供給された冷媒は供給管３ａａの内部、より具体的には供給管３ａａの内周面と排出管３ａｂの外周面の間を流過し、供給管３ａａの供給口３ａｃを介して金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから導出された金属溶湯へ供給され、金属溶湯との熱交換によって高温となった冷媒は排出口３ａｄを介して排出管３ａｂへ排出され、排出管３ａｂの内部を流過して前記冷媒供給部３ｃへ排出される。そして、冷媒供給部３ｃで従来知られた方法によって冷却され、再び内側冷却管３ａや外側冷却管３ｂへ供給されるようになっている。

さらに、前記内側冷却管３ａは、冷媒供給部３ｃを介して該内側冷却管３ａを鉛直方向（金属溶湯の導出方向）（図中、矢印Ｚ方向）へ移動させる移動手段６と接続されており、前記移動手段６を用いて冷媒供給部３ｃとともに内側冷却管３ａを鉛直下方へ移動させることで、前記内側冷却管３ａの先端部３ｄが金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部へ浸漬されるようになっている。なお、前記移動手段６としては、たとえばモータ駆動のボールネジ等を適用することができる。

次に、図２〜図７を参照して、図１で示す製造装置を用いた鋳造体の製造方法の実施の形態を概説する。本実施の形態の鋳造体の製造方法は、主として金属溶湯槽から金属溶湯を導出させる導出工程と、金属溶湯槽から導出された金属溶湯を凝固させて鋳造体を成形する成形工程とからなり、連続的に鋳造を行う場合には導出工程と成形工程が一連の工程として実施されることとなる。

まず、図２は、図１で示す製造装置を用いた鋳造体の製造方法を説明した縦断面図であって、図２（ａ）は金属溶湯槽から金属溶湯を導出する前の状態を説明した図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）で示す内側冷却管の一部を拡大して示した一部拡大図である。

金属溶湯槽２の湯面Ｍａから金属溶湯Ｍを導出するに当たり、図２（ａ）で示すように、略円板形状を有する誘起体１（スタータともいう。）を用意し、当該誘起体１を金属溶湯槽２に貯留した金属溶湯Ｍに接触させる。具体的には、誘起体１の下面１Ａを金属溶湯槽２に貯留した金属溶湯Ｍの湯面Ｍａと当接させ、誘起体１の下面１Ａに軟化状態の金属溶湯Ｍを付着させる。ここで、誘起体１は、略円環状の外形規定部材４の内径よりも僅かながら小さく、略円環状の内形規定部材５の外径よりも大きい外径を有しており、誘起体１と外形規定部材４と内形規定部材５は平面視で略同心に配置されている。これにより、内形規定部材５は、誘起体１の外縁よりも所定距離（たとえば製造される鋳造体の厚みに相当）だけ内側に配置されるとともに、鋳造体の内形を規定するために金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部に配置されている。

また、内側冷却管３ａは、その先端部３ｄが誘起体１の鉛直下方の金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部に配置されており、先端部３ｄに配設された供給管３ａａの供給口３ａｃや排出管３ａｂの排出口３ａｄが金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部に浸漬されている。ここで、供給管３ａａの供給口３ａｃや排出管３ａｂの排出口３ａｄは、内側冷却管３ａの内部への金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの侵入を抑止するために遮蔽部７によって遮蔽されている。

具体的には、図２（ｂ）で示すように、供給管３ａａの先端部は鉛直上方に向かって開放しており、その端面３ａＡが鉛直上方に向かって拡幅するように面取りされている。また、排出管３ａｂの先端部は排出管３ａｂの外径よりも相対的に小さい外径を有する略円板からなる天板３ａｅによって封止されるとともに、排出管３ａｂの一般部と天板３ａｅは鉛直上方に向かって幅狭となる円錐台状の接続管３ａｆで接続されている。そして、排出管３ａｂの接続管３ａｆには排出管３ａｂの内部へ冷媒を流過させるための貫通口３ａｇが形成されている。

また、内側冷却管３ａの先端部３ｄに配設された遮蔽部７は、略円板からなる遮蔽板７ａと該遮蔽板７から鉛直下方へ延びる円筒体７ｂから構成されている。円筒体７ｂの内径は排出管３ａｂの外径と略等しく設定されており、排出管３ａｂが円筒体７ｂに嵌合されるようになっている。また、遮蔽板７ａの外径は供給管３ａａの外径と略等しく設定されており、その側面７ａＡは鉛直上方に向かって拡幅するように面取りされ、遮蔽板７ａの側面７ａＡと供給管３ａａの端面３ａＡは面合わせされるようになっている。さらに、遮蔽板７ａの鉛直方向の厚みは排出管３ａｂの接続管３ａｆの鉛直方向の高さと略等しく設定され、遮蔽板７ａのうち排出管３ａｂに対応する部分（その略中央部）には貫通口７ａｇが形成されている。この貫通口７ａｇは、鉛直上方に向かって幅狭となる円錐台状を呈しており、貫通口７ａｇの内形は排出管３ａｂの接続管３ａｆの外形と相補的な形状を有しており、貫通口７ａｇの内周面７ａＢと接続管３ａｆの外周面３ａＢは面合わせされるようになっている。なお、遮蔽板７ａの鉛直方向の厚みは排出管３ａｂの接続管３ａｆの鉛直方向の高さと略等しく設定されているため、貫通口７ａｇの内周面７ａＢと接続管３ａｆの外周面３ａＢが面合わせされる際には、排出管３ａｂの天板３ａｅの上面（天面）３ａＣと遮蔽部７の遮蔽板７ａの上面（天面）７ａＣは面一に構成される。

上記するように排出管３ａｂは円筒体７ｂに嵌合されており、内側冷却管３ａの先端部３ｄに配設された遮蔽部７は、前記円筒体７ｂを排出管３ａｂと摺動させながら内側冷却管３ａの供給管３ａａや排出管３ａｂに対して鉛直方向で相対的に移動されるようになっている（図４参照）。たとえば遮蔽部７の遮蔽板７ａが供給管３ａａや排出管３ａｂの先端部よりも鉛直上方に配置される場合には、遮蔽板７ａの側面７ａＡと供給管３ａａの端面３ａＡが離間して配置されるとともに、貫通口７ａｇの内周面７ａＢと接続管３ａｆの外周面３ａＢが離間して配置され、遮蔽板７ａの側面７ａＡと供給管３ａａの端面３ａＡの隙間によって金属溶湯へ冷媒を供給するための供給口３ａｃが構成され、貫通口７ａｇの内周面７ａＢと接続管３ａｆの外周面３ａＢの隙間と接続管３ａｆの貫通口３ａｇによって高温となった冷媒を排出管３ａｂへ排出するための排出口３ａｄが構成されることとなる。

一方で、図２（ｂ）で示すように、遮蔽部７の遮蔽板７ａが供給管３ａａや排出管３ａｂの先端部と略同じ高さに配置される場合には、遮蔽板７ａの側面７ａＡと供給管３ａａの端面３ａＡが面合わせされるとともに、貫通口７ａｇの内周面７ａＢと接続管３ａｆの外周面３ａＢが面合わせされており、供給口３ａｃと排出口３ａｄの内側冷却管３ａの開口は遮蔽板７ａによって遮蔽され、内側冷却管３ａの内部への金属溶湯Ｍの侵入が抑止されている。

ここで、金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの熱による内側冷却管３ａの熱変形を抑制するため、遮蔽部７によって供給口３ａｃと排出口３ａｄが遮蔽される際にも内側冷却管３ａの内部には冷媒が供給されている。具体的には、遮蔽部７の円筒体７ｂのうち遮蔽板７ａから所定距離（遮蔽部７の供給管３ａａや排出管３ａｂに対する鉛直方向での相対的な移動距離よりも大きい距離）だけ鉛直下方の位置に、円筒体７ｂの周方向で等間隔に６個の連通口７ｂｈが形成されている。また、排出管３ａｂの一般部のうち接続管３ａｆから前記所定距離だけ鉛直下方の位置、すなわち遮蔽部７の遮蔽板７ａが供給管３ａａや排出管３ａｂの先端部と略同じ高さに配置される際に遮蔽部７の円筒体７ｂの連通口７ｂｈと対応する位置に、排出管３ａｂの周方向で等間隔に６個の連通口３ａｈが形成されている。これにより、図示するように、遮蔽部７の遮蔽板７ａが供給管３ａａや排出管３ａｂの先端部と略同じ高さに配置され、遮蔽部７によって供給口３ａｃと排出口３ａｄが遮蔽される際に、遮蔽部７の円筒体７ｂの連通口７ｂｈと排出管３ａｂの連通口３ａｈを介して供給管３ａａと排出管３ａｂが流体連通され、冷媒供給部３ｃから供給管３ａａへ供給された冷媒は供給管３ａａの内部を流過し、円筒体７ｂの連通口７ｂｈと排出管３ａｂの連通口３ａｈを介して排出管３ａｂへ流過し、排出管３ａｂの内部を流過して冷媒供給部３ｃへ排出される。

次いで、図３は、図１で示す製造装置を用いた鋳造体の製造方法を説明した縦断面図であって、図２で示す工程に続いて金属溶湯槽から金属溶湯を導出した直後の状態を説明した図である。

図示するように、金属溶湯槽２に貯留した金属溶湯Ｍに接触させた誘起体１を、金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから離間させることによって、金属溶湯槽２の湯面Ｍａから金属溶湯Ｍを導出させる。その際、不図示の移動手段を用いて金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部に配置した内形規定部材５を誘起体１の移動に同期して鉛直上方へ移動させ、外形規定部材４と略同じ高さまで移動させて配置する。これにより、誘起体１の移動に追従して金属溶湯槽２の湯面Ｍａから導出される金属溶湯Ｍの内形は内形規定部材５によって規定される。また、前記金属溶湯Ｍの外形は、誘起体１の移動に追従して金属溶湯槽２の湯面Ｍａから導出される金属溶湯Ｍが外形規定部材４の内側を通る際に当該外形規定部材４によって規定される。すなわち、外形規定部材４ａと内形規定部材５ａで画定される領域を通って金属溶湯Ｍが導出されることで、湯面Ｍａから導出される金属溶湯Ｍの厚みが規定される。

ここで、金属溶湯槽２の湯面Ｍａから導出された金属溶湯Ｍの周囲の雰囲気が大気雰囲気や酸化雰囲気である場合には、導出された金属溶湯Ｍの表面に酸化膜が形成され、金属溶湯Ｍの周囲の雰囲気が窒素雰囲気である場合には、導出された金属溶湯Ｍの表面に窒化膜が形成される。また、大気雰囲気や酸化雰囲気、窒素雰囲気以外の雰囲気であって上記する表面膜が形成されない雰囲気であっても、導出された金属溶湯Ｍの表面には表面張力が作用する。このように、金属溶湯槽２の湯面Ｍａから導出された金属溶湯Ｍの表面は、酸化膜や窒化膜、表面張力等によって一時的に形状が保持されることとなり、形状保持された軟化状態（半凝固状態）の金属溶湯（以下「保持溶湯」という。）Ｍｂが金属溶湯槽２の湯面Ｍａと誘起体１の間に形成される。そして、この保持溶湯Ｍｂが誘起体１の移動に追従して金属溶湯槽２の湯面Ｍａから次第に離間し、その半凝固状態の保持溶湯Ｍｂに追従して金属溶湯槽２の湯面Ｍａから金属溶湯Ｍが導出されることによって、連続的に金属溶湯槽２の湯面Ｍａから金属溶湯Ｍが導出されることとなる。

なお、上記する誘起体１や内形規定部材５の移動に同期して、移動手段６を用いて内側冷却管３ａを鉛直上方へ移動させる。ここで、その先端部３ｄは金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部に配置されているものの、排出管３ａｂの天板３ａｅの上面３ａＣと遮蔽部７の遮蔽板７ａの上面７ａＣは面一に構成され、遮蔽板７ａの側面７ａＡと供給管３ａａの端面３ａＡは面合わせされており、内側冷却管３ａの流動抵抗が極めて小さく構成されているため、内側冷却管３ａは金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部で円滑に移動される。

次に、図４は、図１で示す製造装置を用いた鋳造体の製造方法を説明した縦断面図であって、図４（ａ）は図３で示す工程に続いて金属溶湯槽から導出された金属溶湯の一部を凝固させた状態を説明した図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）で示す内側冷却管の一部を拡大して示した一部拡大図である。

上記するように、誘起体１や内形規定部材５、内側冷却管３ａを鉛直上方（金属溶湯の導出方向）へ移動させ、誘起体１が外側冷却管３ｂよりも鉛直上方に配置された際（たとえば湯面Ｍａから数十mm程度上方）、金属溶湯槽２から導出されて半凝固状態の保持溶湯Ｍｂに冷却手段３から冷媒を噴射し、前記保持溶湯Ｍｂを冷却して凝固させて固化状態の金属溶湯Ｍｃを形成する。具体的には、略円板形状を有する誘起体１の移動に追従して金属溶湯槽２の湯面Ｍａから導出され、略円環状の外形規定部材４と略円環状の内形規定部材５で画定される領域を通ることでその外形と内形が形成されて略円環状に導出された半凝固状態の保持溶湯Ｍｂに対し、その外周面に外側冷却管３ｂから冷媒を噴射し、その内周面には金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａよりも鉛直上方に配置された内側冷却管３ａから冷媒を噴射し、前記保持溶湯Ｍｂの外周面と内周面の双方から保持溶湯Ｍｂを冷却して凝固させる。

より具体的には、誘起体１の移動とともに移動手段６を用いて内側冷却管３ａを鉛直上方へ移動させ、その先端部３ｄを金属溶湯槽２の湯面Ｍａから所定距離だけ突出させた後、図４（ｂ）で示すように、内側冷却管３ａの先端部３ｄに配設された遮蔽部７の円筒体７ｂを内側冷却管３ａの排出管３ａｂと摺動させながら、前記遮蔽部７を内側冷却管３ａの供給管３ａａや排出管３ａｂに対して鉛直上方へ移動させ、遮蔽部７の遮蔽板７ａを供給管３ａａや排出管３ａｂの先端部よりも鉛直上方に配置させる。これにより、遮蔽板７ａの側面７ａＡと供給管３ａａの端面３ａＡが離間して配置され、貫通口７ａｇの内周面７ａＢと接続管３ａｆの外周面３ａＢが離間して配置され、遮蔽板７ａの側面７ａＡと供給管３ａａの端面３ａＡの隙間によって金属溶湯へ冷媒を供給するための供給口３ａｃが形成され、貫通口７ａｇの内周面７ａＢと接続管３ａｆの外周面３ａＢの隙間と接続管３ａｆの貫通口３ａｇによって高温となった冷媒を金属溶湯の内側から排出管３ａｂへ排出するための排出口３ａｄが形成される。なお、遮蔽部７の遮蔽板７ａが供給管３ａａや排出管３ａｂの先端部と略同じ高さに配置される際に連通していた遮蔽部７の円筒体７ｂの連通口７ｂｈと排出管３ａｂの連通口３ａｈ（図２参照）はそれぞれ、遮蔽部７の遮蔽板７ａが供給管３ａａや排出管３ａｂの先端部よりも鉛直上方に配置された際に、排出管３ａｂの一般部の壁面と円筒体７ｂの壁面によって遮蔽される。

上記するように、遮蔽部７によって供給口３ａｃと排出口３ａｄが遮蔽される際にも内側冷却管３ａの内部には予め冷媒が供給されているため、遮蔽部７が内側冷却管３ａの供給管３ａａや排出管３ａｂに対して鉛直上方へ移動し、供給口３ａｃと排出口３ａｄが形成されると、冷媒供給部３ｃから供給管３ａａへ供給されて供給管３ａａの内部を流過した冷媒は、遮蔽板７ａの側面７ａＡと供給管３ａａの端面３ａＡの隙間によって形成された供給管３ａａの供給口３ａｃを介して金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから略円環状に導出された保持溶湯Ｍｂの内側へ噴射される。そして、保持溶湯Ｍｂや金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍとの熱交換によって高温となった冷媒は、貫通口７ａｇの内周面７ａＢと接続管３ａｆの外周面３ａＢの隙間と接続管３ａｆの貫通口３ａｇによって形成された排出口３ａｄを介して排出管３ａｂへ排出され、排出管３ａｂの内部を流過して冷媒供給部３ｃへ排出される。

図示するように、供給管３ａａの供給口３ａｃを排出口３ａｄよりも相対的に外側、より具体的には内側冷却管３ａの最外周に形成することによって、供給管３ａａの供給口３ａｃと金属溶湯槽２から導出されて半凝固状態の保持溶湯Ｍｂを近接して配置することができ、内側冷却管３ａによる保持溶湯Ｍｂの冷却効率を高めることができる。また、供給口３ａｃを構成する遮蔽板７ａの側面７ａＡと供給管３ａａの端面３ａＡを面取りし、供給管３ａａの供給口３ａｃから鉛直方向に対して傾斜した斜め上方へ冷媒を噴射することによって、たとえば供給管３ａａの供給口３ａｃから水平方向へ冷媒を噴射する場合と比較して、内側冷却管３ａの先端部３ｄの上面に形成された排出口３ａｄへ冷媒を流動させ易くなり、円環状に導出された保持溶湯Ｍｂの内側における冷媒の流動を円滑化できる。また、冷媒として水などを用いた場合には、供給管３ａａの供給口３ａｃから鉛直方向に対して傾斜した斜め上方へ冷媒を噴射することによって、供給口３ａｃから噴射される水の圧力を利用して金属溶湯槽２への水の滴下を抑制できるといった利点もある。さらに、供給管３ａａの供給口３ａｃから鉛直方向に対して傾斜した斜め上方へ冷媒を噴射することによって、金属溶湯槽２から導出された保持溶湯Ｍｂに対し相対的に低い位置から冷媒を噴射することができるため、移動手段６による内側冷却管３ａの移動量を抑制することができ、装置全体の構成を簡素化して装置全体の体格を小型化することもできる。

なお、遮蔽部７を内側冷却管３ａの供給管３ａａや排出管３ａｂに対して鉛直上方へ移動させる方法としては種々の方法を適用できるものの、図示例においては、遮蔽部７の任意の箇所に予め永久磁石を貼り付けるとともに、排出管３ａｂの任意の箇所に予め電磁石を貼り付けておき、電磁石を通電により電荷してローレンツ力を発生させることによって、遮蔽部７を供給管３ａａや排出管３ａｂに対して相対的に鉛直上方へ移動させる。

次に、図５は、図１で示す製造装置を用いた鋳造体の製造方法を説明した縦断面図であって、図４で示す工程に続いて金属溶湯槽から導出された金属溶湯で閉塞板を形成する状態を説明した図である。

図示するように、誘起体１を金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから更に離間させ、鉛直方向で所定長さの金属溶湯を凝固させた後、遮蔽部７を内側冷却管３ａの供給管３ａａや排出管３ａｂに対して鉛直下方へ移動させ、遮蔽部７によって供給管３ａａの供給口３ａｃと排出管３ａｂの排出口３ａｄを遮蔽する。そして、移動手段６によって内側冷却管３ａを鉛直下方へ移動させ、内側冷却管３ａの先端部３ｄを金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部に浸漬させる。また、不図示の移動手段によって内形規定部材５を金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部に浸漬させる。ここで、内形規定部材５の上面５Ａと遮蔽部７の遮蔽板７ａの上面７ａＣおよび排出管３ａｂの天板３ａｅの上面３ａＣが金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部で略同じ高さとなるように双方を金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部に浸漬させる。これにより、金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａと内形規定部材５の上面５Ａおよび遮蔽部７の遮蔽板７ａの上面７ａＣおよび排出管３ａｂの天板３ａｅの上面３ａＣの間に所定の厚みを有する金属溶湯Ｍが配置されるため、誘起体１の移動に追従してその所定の厚みを有する金属溶湯Ｍを金属溶湯槽２の湯面Ｍａから導出させ、外側冷却管３ｂや内側冷却管３ａから冷媒を噴射して冷却させて、固化状態の金属溶湯Ｍｃからなる閉塞板Ｍｄａ（図７参照）を形成する。

なお、遮蔽部７が内側冷却管３ａの供給管３ａａや排出管３ａｂに対して鉛直下方へ移動されると、図２（ｂ）を参照して説明したように、内側冷却管３ａの内部では供給管３ａａと排出管３ａｂが遮蔽部７の円筒体７ｂの連通口７ｂｈと排出管３ａｂの連通口３ａｈを介して流体連通され、冷媒供給部３ｃから供給管３ａａへ供給されて供給管３ａａの内部を流過した冷媒は、遮蔽部７の円筒体７ｂの連通口７ｂｈと排出管３ａｂの連通口３ａｈを介して排出管３ａｂへ流過し、排出管３ａｂの内部を流過して冷媒供給部３ｃへ排出される。

図６は、図１で示す製造装置で製造される鋳造体の一実施の形態を示す図であって、図６（ａ）はその斜視図であり、図６（ｂ）はその縦断面図である。

図６（ａ）、（ｂ）で示すように、図１で示す製造装置１０によれば、鉛直方向で上方側が誘起体１によって閉塞され、鉛直方向で下方側が固化状態の金属溶湯Ｍｃからなる閉塞板Ｍｄａによって閉塞された略円筒状の鋳造体Ｍｄが製造されることとなる。ここで、金属溶湯Ｍを導出するために使用される誘起体１は、金属溶湯と同種の金属から構成することで、製造される鋳造体Ｍｄの一部とすることができる。また、鉄などの金属溶湯と異種の金属から構成し、鋳造体Ｍｄの製造後に当該鋳造体Ｍｄから切り離して再度誘起体として使用することもできる。なお、図示する鋳造体Ｍｄは、金属溶湯槽２の湯面Ｍａから導出された溶湯金属が連続的に凝固されることで凝固組織が一方向に指向しており、極めて高い品質を有している。また、金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから金属溶湯Ｍを導出させながら、不図示の移動手段を用いて外形規定部材４と内形規定部材５を任意の方向へ移動させることによって、鉛直方向の異なる位置において水平断面の断面中心が水平方向へ変化する鋳造体Ｍｄを製造することもできる。

図７は、図１で示す製造装置を用いた鋳造体の製造方法を説明した縦断面図であって、図５で示す工程に続いて金属溶湯槽から導出された金属溶湯を凝固させた状態を説明した図である。

誘起体１を金属溶湯槽２の湯面Ｍａから離間させ、上記する図４で示す工程と図５で示す工程を繰り返すことによって、図７で示すように、金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの湯面Ｍａから導出された金属溶湯の内部に固化状態の金属溶湯Ｍｃからなり且つ略水平方向へ延びる閉塞板Ｍｄａが連続的に形成された鋳造体が成形される。

このように金属溶湯槽２の湯面Ｍａから環状に導出された金属溶湯の内側へ冷媒を供給し、金属溶湯の内側へ供給されて金属溶湯との熱交換によって高温となった冷媒をその金属溶湯の内側から排出することによって、相対的に高温となり得る環状の金属溶湯の内側を直接的かつ効率的に冷却することができ、金属溶湯槽２の湯面Ｍａから導出された金属溶湯を短時間で凝固させることができる。また、たとえば製造される鋳造体の厚みが大きい場合には、内側冷却管３ａとともに外側冷却管３ｂを適用し、金属溶湯槽２の湯面Ｍａから導出された金属溶湯の内周面と外周面の双方に冷媒を噴射することによって、金属溶湯槽２の湯面Ｍａから導出された金属溶湯を内周面と外周面の双方から冷却できるため、当該金属溶湯をより短時間で凝固させることができ、金属溶湯全体を略均一に冷却して凝固させることができ、製造される鋳造体の内部組織を略均一化することができる。さらに、金属溶湯槽２の湯面Ｍａから環状に導出された金属溶湯の端部が閉塞され、当該金属溶湯の内部空間がその外部環境と離隔される場合であっても、内側冷却管３ａを金属溶湯槽２の金属溶湯Ｍの内部に配置し、その内側冷却管３ａの先端部３ｄを金属溶湯槽２の湯面Ｍａから環状に導出された金属溶湯の内側の湯面を介して当該金属溶湯の内部空間へ突出させて配置することで、環状に導出された金属溶湯の閉塞空間を内側冷却管３ａの先端部３ｄの供給管３ａａから供給される冷媒を用いて確実に冷却することができるため、製造される鋳造体Ｍｄの形状自由度を格段に高めることができる。

なお、上記する実施の形態においては、誘起体１が略円板形状を有する形態について説明したが、たとえば図８で示すように円筒体１ａ'とその円筒体１ａ'の軸心と直交する方向に形成された円板１ｂ'で構成された誘起体１ａ'を使用する場合には上記する図２および図３で示す工程を省略することができる。また、誘起体の基礎形状としては、円板形状や円筒形状のほか、四角形や六角形等の断面多角形を有する筒体形状を適用することができる。その際には、たとえば内部に中空空間を有する多角形状の鋳造体を成形することができる。

また、冷却手段３を構成する内側冷却管３ａや外側冷却管３ｂから噴射される冷媒の噴射圧や噴射量は冷媒供給部３ｃに設けられた制御装置や不図示の制御弁等によって任意に調整することができる。

また、上記する実施の形態においては、内側冷却管３ａの排出管３ａｂへ排出された冷媒が冷媒供給部３ｃへ排出され、冷媒供給部３ｃで冷却されて再び内側冷却管３ａの供給管３ａａや外側冷却管３ｂへ供給される形態について説明したが、たとえば内側冷却管３ａの排出管３ａｂへ排出された冷媒を外部環境へ放出してもよい。

また、上記する実施の形態においては、冷却手段３として冷媒を用いて湯面から導出される金属溶湯を直接的に冷却する手段を用いる形態について説明したが、金属溶湯を導出するために使用される金属製の誘起体や金属溶湯の既凝固部分を介して間接的に冷却する手段などを組み合わせて使用してもよい。

さらに、上記する実施の形態においては、外形規定部材４や内形規定部材５として、たとえばヘラやガイドやローラ等の冶具を用いる形態について説明したが、流量や圧力が制御された流体を吹き付けて鋳造体の外形や内形を規定してもよいし、電磁場を付与することによって鋳造体の外形や内形を規定してもよい。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…誘起体、２…金属溶湯槽、３…冷却手段、３ａ…内側冷却管、３ａａ…供給管、３ａｂ…排出管、３ａｃ…供給口、３ａｄ…排出口、３ａｅ…天板、３ａｆ…接続管、３ａｇ…接続管の貫通口、３ａｈ…排出管の連通口、３ａＡ…供給管の端面、３ａＢ…接続管の外周面、３ａＣ…天板の上面、３ｂ…外側冷却管、３ｃ…冷媒供給部、３ｄ…内側冷却管の先端部、４…外形規定部材、５…内形規定部材、５Ａ…内形規定部材の上面、６…移動手段、７…遮蔽部、７ａ…遮蔽板、７ａｇ…遮蔽板の貫通口、７ｂ…円筒体、７ｂｈ…円筒体の連通口、７ａＡ…遮蔽板の側面、７ａＢ…貫通口の内周面、７ａＣ…遮蔽板の上面、Ｍ…金属溶湯、Ｍａ…金属溶湯の湯面、Ｍｂ…保持溶湯、Ｍｃ…凝固状態の金属溶湯、Ｍｄ…鋳造体、Ｍｄａ…閉塞板

Claims (7)

1. 金属溶湯を貯留する金属溶湯槽と、金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯を冷却して凝固させる冷却手段と、を備える鋳造体の製造装置であって、
   前記冷却手段は、少なくとも金属溶湯槽の金属溶湯の内部を通って金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側へ冷媒を供給し、金属溶湯の内側へ供給された冷媒を環状に導出された金属溶湯の内側から金属溶湯槽の金属溶湯の内部を通って排出する冷却管を有している鋳造体の製造装置。
2. 前記冷却手段は、金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側へ冷媒を供給して環状に導出された金属溶湯の内側から冷媒を排出するためにその金属溶湯の内側に配された冷却管の開口を遮蔽する遮蔽部を有している請求項１に記載の鋳造体の製造装置。
3. 前記冷却管は、金属溶湯の内側へ冷媒を供給する供給管とその金属溶湯の内側から冷媒を排出する排出管からなり、
   前記遮蔽部によって冷却管の開口を遮蔽した際に供給管と排出管が流体連通し、供給管を流過した冷媒が排出管へ流過するようになっている請求項２に記載の鋳造体の製造装置。
4. 前記遮蔽部によって冷却管の開口を遮蔽した際に、前記冷却管のうち金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側に配された部分が金属溶湯槽の金属溶湯の内部へ浸漬されるようになっている請求項２または３に記載の鋳造体の製造装置。
5. 前記冷却管は、供給管の内側に排出管が内包された二重管構造を有している請求項３に記載の鋳造体の製造装置。
6. 前記冷却管は、排出管の内側に供給管が内包された二重管構造を有している請求項３に記載の鋳造体の製造装置。
7. 金属溶湯槽の湯面から金属溶湯を環状に導出させ、導出された金属溶湯を冷却して凝固させて環状形状を有する鋳造体を成形する鋳造体の製造方法であって、
   金属溶湯槽の金属溶湯の内部を通って金属溶湯槽の湯面から環状に導出された金属溶湯の内側へ冷媒を供給し、金属溶湯の内側へ供給された冷媒を環状に導出された金属溶湯の内側から金属溶湯槽の金属溶湯の内部を通って排出する鋳造体の製造方法。

Images