JPH03170629A - 電磁撹拌方式による半凝固金属の製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は非樹技状初晶が金属融体中に分敗した固体一
液体金属混合物（簡単のため半凝固金属と呼ぶ）を電磁
誘導攪拌方式によって製造する方法および装置に関する
ものである。

半凝固金属を製造する方法としては、大別して、機械的
撹拌法と電磁誘導的攪拌怯とが知られている。電磁誘導
攪拌（簡単のため電磁攪拌と呼ぶ）法は機械的攪拌法に
比べて、攪拌効率は悪いが、装置材料に対する制約が少
なく生産性も高いと云う利点があり、従来から多くの考
案がなされている。

（従来の技術） 特公昭６１　−　７１４８号公報および特公昭６２〜２
５４６４号公報には、電磁攪拌方式により半凝固状態の
金属スラリーを連続的または半連続的に製造する方法に
ついて、また後者の公報にはさらにそのための装置に関
して開示されている。

これらの開示の内容は、２極電動機ステータ等による回
転磁界を発生させる電磁攪拌手段を用い、その内側に冷
却手段を有する鋳型を設置し、溶融金属を上方から鋳型
内に供給し、冷却すると同時に回転磁界により回転流動
させることにより、攪拌し、縮退したデンドライトの１
次固体粒子が溶融金属中に分散した半凝固状態の金属ス
ラリーを得るというものである。

ここに良好な半凝固状態の金属スラリーをつくる条件と
しては、十分に小さな固体粒子を得るための強冷却とデ
ンドライトを剪断するための強烈な攪拌強度が必要であ
るが、電磁攪拌方式では、この２つの条件が相反する関
係にあり、上記の従来方法および装置では必ずしも満足
できるものではない。

（発明が解決しようとする課Ｈ） 従来の電磁攪拌方式による半′ａ園金属の製造方法およ
び装置についての問題点を以下に述べる。

（１）良好な半凝固金属を製造するためには、溶融金属
を冷却しながら強烈な１９＆拌効果を与える必要がある
が、電磁攪拌方弐で強攪拌すなわち高速回転流動を狙う
と、溶融金属は遠心力により回転流動の中心部の場面に
は大きな渦へこみが発生し、反面外周部は嵩高となるこ
とから、冷却攪拌槽上部から溶融金属の飛散、ガスの巻
込みの増大などにより、安定操業が不可能となる。

したがって高速回転流動すなわち強い攪拌効果を狙うこ
とはできない。

（２）溶融金属の回転流動の中心部は高速回転はしてい
るが、攪拌効果は殆んどなく、したがって断面内におけ
る攪拌効果が不均一である。また、溶融金属の粘性に応
じて回転速度すなわち撹拌効果が左右される特性があり
、半凝固状態となって見掛粘性が高くなると、撹拌効果
が低下し、特に回転中心部では混合効果もなく、偏析の
発生する危険が大きくなる。

（３）良好な半凝固金属を製造するためには、十分に小
さな固体粒子を得るための強冷却が必要であるが、電磁
攪拌方式の場合、冷却撹拌槽の内壁面すなわち冷却壁の
面積に対し、内容積が大きいため溶融金属の熱容量が大
きいことと、回転磁界によって生ずる電流による発熱が
あって、冷却速度をあまり大きくすることができない。

また、内壁面に水冷銅板を採用して、強冷却を実施する
と内壁面に凝園シエルが付着或長して回転磁界の磁束が
大きく減衰し、回転速度すなわち攪拌効果が大きく低下
することになり、内壁面の冷却強度を大きくすることに
も限界がある。

（４）電磁攪拌方式における溶融金属の回転流動の中心
部すなわち冷却攪拌槽の中心部は、半凝固金属を製造す
ることに対してデッドスペースになっており、有害無益
である。

以上のように、従来の技術で残された種々の問題につい
て、この発明はその有効な解決を目指し、溶融金属の飛
散をなくし、ガスなどの捲き込みがなく、攪拌および冷
却効果を高め、安定操業を可能とすることを重点項目と
した。

（課題を解決するための手段） 前記問題点を解決するためには、冷却攪拌効果にほとん
ど関与しない溶融金属の回転流動の中心部すなわち冷却
撹拌槽の中心部の溶融金属を排除することが最も有効で
あると考え、実験研究を重ねた結果この発明に到達した
ものである。その要旨は以下のとおりである。

１．溶融金属を冷却攪拌槽内に収容し、冷却攪拌槽の内
壁面からの抜熱によって冷却しつつ、冷却攪拌槽の断面
を横切って働く回転磁界によって溶融金属を回転流動さ
せることによる攪拌を加えて半凝固金属を製造する方法
において、溶融金属を冷却攪拌槽の中心部にそなえた非
磁性、不導電性の中子の外壁面と、冷却攪拌槽内壁而と
の間で旋回流動させることを特徴とする電磁撹拌方式に
よる半凝固金属の製造方法。

２．溶融金属を冷却する手段を有する冷却攪拌槽と、冷
却攪拌槽の断面を横切って働く回転磁界を発生する電磁
誘導コイルとをそなえ、冷却攪拌槽内に供給した溶融金
属に回転磁界による回転流動を強いることによる攪拌を
加える半凝因金属の製造装置において、冷却攪拌槽中心
部に非磁性、不導電性の中子をそなえることを特徴とす
る電借攪拌方式による半凝固金属の製造装置。

上記方法は、溶融金属の旋回流動が中子の昇降移動によ
る置換流動を含むことが実施上好適であり、上記装置は
、中子を冷却攪拌槽内で繰返し昇降移動させることを可
能とすること、中子を回転可能に支持しトルク計を介し
て固定すること、田筒形中子で中子の外径を冷却攪拌槽
内径の３０〜６０％の範囲となることなどが何れも実施
上のぞましい。

なお、冷却攪拌槽内壁面形状は、円筒状が好ましい。ま
た中子外壁面形状は円筒状を基本とするが、攪拌効果の
向上などのため他の形状としてもよく、さらに中子の位
置は冷却撹拌槽の中心軸と中子の中心軸とを必ずしも合
致させなくともよい。

（作　用） この発明においては、溶融金属を冷却および回転磁界で
の回転流動による攪拌によって半凝固金属を製造するに
当って、溶融金属の回転中心部すなわち冷却攪拌槽の中
心部に、非磁性、不導電性材料、たとえば耐火材または
セラごツタ製の中子をそなえることにより回転中心部の
デッドスペースから溶融金属を排除する。

かくすることにより、溶融金属は中子の外壁面と冷却攪
拌槽内壁面との間で旋回流動による攪拌が行なわれる。

この旋回流動の回転速度は中子を使用しない場合にくら
べ小さくなるが、場面の渦へこみが実用的な範囲まで小
さくなって溶融金属の飛散がなく安定操業が可能となり
、さらに適正な大きさの中子を選定することにより、回
転速度が小さくなる割には攪拌効果を低下させないです
むことも明らかとなった。また、中子を昇降移動させる
ことにより置換流動による混合攪拌が行なわれ、均質な
半凝固金属を製造することができる。

つぎに、この発明による半凝固金属の製造装置を第１図
により説明する。第１図は全体図で、冷却攪拌槽は、冷
却円筒２と水冷ジャケット３とから構成され、その外周
に電磁誘導コイル４が設置されている。冷却円筒２およ
び水冷ジャケット３は貫通する磁束の減衰をできるだけ
小さくするため、薄肉の非磁性金属板で作られている。

そして冷却水ｌ３を下部から給水し、冷却円筒２の外面
を高速で通水し、上部から排水１３され、適当な冷却効
果を与える様設計されている。この冷却円筒２の内壁面
は適当な厚さの耐火材をコーティングすることもある。

電磁誘導コイル４は、多くの場合２極３相誘導電動機の
固定子コイルが使用され、３相交流１４を通電すること
によって中心を貫通した回転磁界が得られ、その磁束密
度に比例した回転トルクにより冷却攪拌槽内の溶融金属
が回転流動し攪拌される。

この冷却攪拌槽の上端には、耐火材１′を内張リした受
湯タンディッシュ１が接続し、底部には排出ノズル５が
設けられている。

次にこの冷却攪拌槽中心部には、非磁性不導電体たとえ
ば耐火材製の中子６をそなえている。この中子６は図示
したように支持アーム８に軸受７を介して回転可能に支
持し、支持アーム８は支持台１１に油圧シリンダー１２
等の昇降手段を介して昇降可能に取付けることが好まし
い。

さらに、中子６は連結軸９を介してトルク計１０に接続
して固定することがまたのぞましい。

さて、溶融金属ｌ５は連続的に受湯タンディッシュ１に
供給され、冷却撹拌槽に流入する。この溶融金属は冷却
攪拌槽で適当な冷却作用と、電磁誘導コイル４によって
発住する回転磁界によって中子外壁面と冷却撹拌槽内壁
面との間で旋回流動による攪拌が行なわれ、生成しつつ
ある樹枝状初晶をその枝部が消失ないしは縮少して丸味
を帯びた形態に変換して半凝固金属１５′として底部の
排出ノズル５から連続的に排出される。この場合中子６
は、定位置に固定してもよいが、置換流動による混合撹
拌を促進さす目的で昇降移動を行なうこともよい。また
、中子６に直結したトルク計１０により、中子に作用す
る半凝固金属１５′の粘性トルクを測定し半凝固金属の
性状および攪拌状況について推定することも可能である
。

操業が終了した場合、中子６は油圧シリンダー１２によ
って支持アーム８を介して上方に退避し、更に支持アー
ム８が旋回して、冷却撹拌槽の保守点検を便利ならしめ
ている。

つぎに攪拌作用の特徴について説明する。第２図は従来
の電磁攪拌方式、第３図はこの発明による電磁攪拌方式
の攪拌作用を示す原理図であり、第４図はその攪拌効果
を数値化したグラフを示す。

第２、３図において、金属製冷却円筒２と水冷ジャケッ
ト３から構威された冷却攪拌槽とその外周に配置した電
磁誘導コイル４は共通しているが、第３図には中子６を
冷却攪拌槽内にもうけている。

第２図に示す従来装置においては、回転磁界により強力
に攪拌すればするほど、冷却攪拌槽中の溶融金属工５は
高速で回転し、その回転速度（Ω）は第４図に示す通り
、中心部で最大となり、遠心力によって中心に大きな渦
へこみ（１１．）を発生することになる。この渦へこみ
（ＩＩ．）が大きくなり過ぎると、冷却攪拌槽上部から
の溶融金属の飛散、ガスの巻込みなどの問題が発生し、
実用的に戒り立たなくなる。なお、中心部は非常に高速
で回転しているが、樹技状晶の変化に必要なせん断力は
小さい、すなわち、攪拌効果はほとんどないという欠点
を有する。そこでこの発明においては第３図に示す様に
、冷却攪拌槽の中央に半径ｒｌの円筒状で耐火材製の中
子６をもうけている。この発明方法に、従来方法と同じ
強さの回転磁界を作用させたとすると、溶融金属１５に
生ずる旋回流動の回転速度（Ω）は、冷却円筒２の内壁
面と中子６の外壁面とでＯとなり、最高回転速度も小さ
くなる。

そのため遠心力による渦へこみ（｝１Ｇ）は相当小さく
なり、実用的な問題点が解消される。そして断面内に発
生する攪拌効果、すなわちせん断応力は、従来方法にく
らべ、回転速度が小さくなっているにもかかわらず、断
面内平均値としてはほぼ同一であり、有効に撹拌効果を
与えていることになる。

また、電磁攪拌方式においては、溶融金属内に発生する
電磁誘導の回転力で溶融金属自ら回転するため、溶融金
属または半凝固金属の回転速度すなわち攪拌効果自体が
、溶融金属または半凝固金属の粘性によって左右される
という特徴を有し、回転速度すなわち攪拌効果の把握が
困難であったが、中子６に直結したトルク計による粘性
トルクから攪拌効果を推定可能にしたこともこの発明の
大きな利点である。

つぎに、有効な攪拌効果を与えるための冷却攪拌槽内径
（冷却同筒２）と中子外径との関係について述べる。内
径１７０肋の冷却攪拌槽に６００ガウスの回転磁界を与
え、冷却攪拌槽の円筒内面の中心軸と中子の円筒外面中
心軸を合致させて中子を冷却攪拌槽にそなえた場合の計
算結果を第５図（ａ），（ｂ）および第６図に示す。第
５図（ａ）　，　（ｂ）はそれぞれ、中子半径と冷却攪
拌槽内壁面および中子外壁面におけるせん断歪速度を固
相率ｆ．をパラメーターとして示し、第６図は、中子半
径と中子外壁面における渦へこみ］１。との関係を固相
率ｆ，をパラメーターとして示した。これらの図の斜線
部分は渦へこみが小さく実用的であり、かつせん断歪速
度が大きい最適中子半径範囲を示したもので、この範囲
は中子の外径が冷却攪拌槽内径の３０〜６０％に相当す
る。

（実施例） 内径１７０　ｍｍ　（　ｒ２＝８５ｍｎ＋）を有する田
筒状冷却攪拌槽に２極３相の攪拌コイルによって、中心
磁束密度８００ガウスの回転磁界を発生させた場合につ
いて述べる。

従来方法では、溶融金属の回転速度は中心部で最大１０
００ｒ．ｐ．ｍ．となり、回転中心部の渦へこみ］１。

は１２００ｍｍに達する。

これに対し、外径１００　［１１１１　（　ｒ．　＝５
０Ｍ）の円筒状中子をそなえたこの発明方法においては
、溶融金属の回転速度は中子外面と冷却攪拌相内面の中
間点で最大となり２０Ｏ　ｒ．ｐ．ｍ．程度、中子表面
での最大へこみｌ１。は７０ｍｍに激減し、安定操業が
可能となった。

さらに、攪拌効果をせん断歪速度で表わして理論推定計
算を行うと、従来方法による場合は冷却撹拌相内面で最
大２５０　ｓｅｃ−’で圓転中心部はＯになるのに対し
、この発明方法による場合は冷却撹拌相内壁面と中子外
壁面で最大２３０　ｓｅｃ−’が発生することが明らか
となり、有効な攪拌効果を与えている。

（発明の効果） 電磁攪拌方式による半凝園金属の製造において、この発
明の方法および装置を用いることにより、以下の効果が
期待される。

（１）強力な旋回流動による攪拌を与えても渦へこみが
小さく、溶融金属の冷却攪拌槽上部からの飛散の危険が
なく、安定した実用的な操業が可能になる。

（２）同じ回転磁界に対し、圓転速度は低下しても、撹
拌効果はほぼ同じであり、むしろ従来方法では回転中心
部がほとんど攪拌効果がないデッドスペースとなるのに
対し、この発明ではほぼ均一な攪拌効果が得られる。

（３）溶融金属中の中子の体積に見合う量の溶融金属が
排除され、この分の熱容量が小さくなるため同じ冷却能
力でも溶融金属の冷却速度が向上し、より粒径の小さい
半凝固金属を製造できる。

以上この発明により、電磁攪拌方式による半凝固金属製
造の実用化に大いに役立つものである。

【図面の簡単な説明】

第［１はこの発明の構戊全体を断面で示す説明図、 第２図は従来の電磁撹拌方式の攪拌作用を示す原理図、 第３図はこの発明による電磁攪拌方式の攪拌作用を示す
原理図、 第４図は従来方式およびこの発明の撹拌効果を数値化し
たグラフ、 第５図（ａ）　．　（ｂ）は中子の半径と、冷却攪拌槽
内壁面および中子外壁面側におけるせん断歪速度との関
係、また第６図は中子半径と渦へこみの関係を示すグラ
フである。 １・・・受湯タンディッシュ １′・・・内張耐火材　　　２・・・冷却円筒３・・・
水冷ジャケット　　４・・・電磁誘導コイル５・・・排
出ノズル　　　　６・・・中子７・・・軸受　　　　　
　　９・・・連結軸１０・・・トルク計　　　　　１１
・・・支持台１２・・・油圧シリンダー 第Ｊ 図 第２図 ＠３図 １ｊ １ｊ ＠４ 図 第５図 （ａ） ４１壬手イそｒ＋　／ｒｎ乃マ （ｂ） 中Ｊ手イ仝ドｄｍｍ 中壬羊イ釜ｒ＋　／ｍｍ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶融金属を冷却攪拌槽内に収容し、冷却攪拌槽の内
   壁面からの抜熱によって冷却しつつ、冷却撹拌槽の断面
   を横切って働く回転磁界によって溶融金属を回転流動さ
   せることによる攪拌を加えて半凝固金属を製造する方法
   において、溶融金属を冷却撹拌槽の中心部にそなえた非
   磁性、不導電性の中子の外壁面と、冷却攪拌槽内壁面と
   の間で旋回流動させることを特徴とする電磁攪拌方式に
   よる半凝固金属の製造方法。 ２、溶融金属の旋回流動が中子の昇降運動による置換流
   動を含むことからなる請求項第１項に記載した電磁撹拌
   による半凝固金属の製造方法。 ３、溶融金属を冷却する手段を有する冷却撹拌槽と、冷
   却攪拌槽の断面を横切って働く回転磁界を発生する電磁
   誘導コイルとをそなえ、冷却撹拌槽内に供給した溶融金
   属に回転磁界による回転流動を強いることによる撹拌を
   加える半凝固金属の製造装置において、冷却攪拌槽中心
   部に非磁性、不導電性の中子をそなえることを特徴とす
   る電磁攪拌方式による半凝固金属の製造装置。 ４、中子を冷却攪拌槽内で繰返し昇降移動可能に配置し
   た請求項第３項に記載した電磁撹拌方式による半凝固金
   属の製造装置。 ５、中子を回転可能に支持し、トルク計を介して固定す
   ることを特徴とする請求項第３項または第４項に記載し
   た電磁攪拌方式による半凝固金属の製造装置。 ６、中子が円筒形で、その外径が冷却撹拌槽内径の３０
   〜６０％の範囲であることを特徴とする請求項第３項、
   第４項又は第５項に記載した電磁撹拌方式による半凝固
   金属の製造装置。