JPH07115122B2 - 半凝固金属の製造方法と製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、非樹枝状初晶が金属融体中に分散した固体
−液体金属混合物（簡単のため半凝固金属と呼ぶ）の製
造方法と製造装置に関するものである。

（従来の技術） 半凝固金属を連続的に製造する装置については、特公昭
56−20944号公報に開示されているように保温槽に供給
した溶融金属を一定温度に保持しつつ、円筒状の冷却撹
拌槽内において高速回転する撹拌子との隙間に導き、適
当な冷却作用を強烈な撹拌作用を加えて、半凝固状態と
なし、底部のノズルから半凝固金属として連続的に排出
させるものである。

この半凝固金属と溶融金属（一般には合金）を冷却しな
がら激しく撹拌して融体中で生成しつつある樹枝状晶を
その枝部が消失ないしは縮小して丸みを帯びた形態に交
換することにより形成される。半凝固金属中の非樹枝状
初晶は粒子の細かいものほど、特性が優れ、従って半凝
固金属の製造に当っては、 冷却速度をできるだけ大きくなし得る強冷却効果 樹枝状晶を、その枝部を消失ないしは縮小して丸み
を帯びた形態の非樹枝状晶に変換し得る程度に強烈な撹
拌効果 の２つの条件が必須であるが、このような条件に対し上
掲した従来の半凝固金属製造手法にはなお種々の欠点が
残されている。

（発明が解決しようとする課題） 上掲特公昭56−20944号公報の開示は、性能及び構造
上、大きな問題点があり、あまり実用的な装置ではなか
った。すなわち具体的な問題点については次にあげる如
くである。

（１）構造上、耐火材壁からの間接冷却なので、強冷却
手段が取れず、冷却速度はせいぜい１℃/sec以下であ
り、品質的に満足できるものはできないばかりか、生産
能力も低い。

（２）かりに、この様な構造でたとえ強冷却を実施した
としても、それに伴う凝固シェルの形成によって操業開
始が困難であったり、また安定操業も望めない。その理
由は操業途中においても凝固シェル厚さが変動して隙間
が変化するため撹拌効果は安定せず、常に凝固による操
業停止の不利が著しいためである。

（３）装置の構造的にも、冷却撹拌槽の直上に保温槽が
あり、撹拌子の駆動軸が常に溶融金属の層を貫通するた
め、実用的な装置設計が困難であって強度上からあまり
高速回転は出来ず、とくに高融点金属には使用できな
い。

（４）撹拌子を冷却することが、冷却効果、撹拌効果の
点から望ましいが、水冷することが危険なため実施でき
ない。

（課題を解決するための手段） この発明は前記した問題点の悉くを以下の構成によって
解決したものである。

すなわちこの発明は底孔をあけた摺鉢形をなし外部から
の加熱手段を施した撹拌槽内で、その撹拌槽の内面との
間にテーパー環状の隙間を冷却撹拌帯域として形成する
倒立凸円錐体よりなり、その円錐中心軸に沿う昇降調整
可能な冷却撹拌子を回転させつつ、上記撹拌槽内に原料
溶融金属を導入し、冷却撹拌帯域にて生成した非樹枝状
晶−融体の混相として撹拌槽の底孔を通して連続的に取
出すことを特徴とする、半凝固金属の製造方法（第１発
明）、底孔開口を有する摺鉢形の撹拌槽と、この撹拌槽
の内面との間でテーパー環状の隙間を形成する冷却撹拌
子及びこの冷却撹拌子の回転駆動手段並びに昇降調整操
作手段とをそなえ、 撹拌槽は、その内部に導入した原料溶融金属の保温を司
る外部から加熱手段を有する一方、冷却撹拌子は撹拌槽
内面との間のテーパー環状すき間を冷却撹帯域に充てる
強冷却手段を有することを特徴とする半凝固金属の製造
装置（第２発明）及び倒立茸状をなしその軸柄にはたて
貫孔を、これに連通して円錐台形の拡大頭部外周にて上
下２列に開口する放射方向横孔の多数とともに有する芯
体と、放射方向横孔の列間にわたる冷却媒体経路を残し
芯体の拡大頭部にかぶせ固着した高導熱質の円錐殻外皮
と、芯体のたて貫孔の開口端にはまり合う塞止端にて放
射方向横孔の下列に通じる連通孔を有したて貫孔内に延
在して軸柄とともに同心二重管を形成する、冷却媒体通
路の分離管及び拡大頭部の上下にてそれぞれ芯体を被覆
する保護耐火物とからなることを特徴とする、半凝固金
属の冷却撹拌子（第３発明）である。

ここに撹拌槽と冷却撹拌子とで形成される冷却撹拌帯域
がテーパー環状をなし、冷却撹拌子を上下に昇降して位
置制御することにより冷却撹拌帯域のテーパー環状隙間
を制御して適正最小隙間にて有効な撹拌効果を与えるこ
ととしたので撹拌子の回転数を抑えることができる。

比較的低速回転でも冷却撹拌可能となるので先行技術に
おけるような撹拌槽直上の保温槽は不要となり、一定温
度に保持した溶融金属を直接、冷却撹拌槽に受湯し得
る。

したがって撹拌子の駆動軸は溶融金属を貫通することが
なくなり、構造及び強度上設計が容易となるがここに冷
却撹拌子を水冷構造として撹拌子側から強冷却を行うこ
とにより冷却及び撹拌効果共に優れたものになる。

一方撹拌槽側には冷却が不要になるので、誘導加熱コイ
ルを設置して冷却撹拌帯域においても保温のための加熱
を可能にすることによって温度制御が容易になる。

さてこの発明の具体的構成を第１図及び第２図について
説明する。第１図において撹拌槽１は、その内面が逆円
錐台形状すなわち底孔をあけた摺鉢形をなし、その上端
には溶融金属の受湯口１′を、底部には底孔として排出
ノズル３をそれぞれ有している。

撹拌槽１の外周には誘導加熱コイル２が設けられてい
て、電力16を供給することにより内部の溶融金属を加熱
することが可能である。ここに誘導加熱コイル２は、中
空銅管製の内部水冷式であるので供給電力16を調節すれ
ば、ある程度の冷却効果を有するものである。

撹拌槽１の底部の排出ノズル３に対し、スライドゲート
弁３′を設け、半凝固金属19の排出量を制御する。

一方撹拌槽１の中心にその内面に対応したやはり逆円錐
の外表面を有する冷却撹拌子４を設置し、この冷却撹拌
子４は大歯車５、小歯車６、トルク検出器７を介して電
動機８によって駆動し、一定速度で矢印12の向きに回転
する。

なお、これらの回転駆動手段は、歯車箱９′及び支持枠
９内に設置し冷却撹拌子４も含めた一体構造であり、支
持枠９に接続した油圧シリンダ10によって、作動油15の
操作により上下に両向き矢印17のように昇降することが
可能である。

冷却撹拌子４は冷水構造とし、軸端に回転接手11を有し
冷却水14を通水して、溶融金属の強冷却に役立つ。

撹拌子４の水冷構造については、第２図に詳しく図解し
た。

冷却撹拌子４は、たとえばステンレス鋼製で倒立茸状を
なし、その軸柄が駆動軸を兼ねるようにした芯体41を主
体とする。芯体41は軸柄にたて貫孔41′をあけこれに連
通して円錐台形の拡大頭部外周にて、上下２段に開口す
る放射方向横孔の多数を給水孔42および排水孔43として
設ける。たて貫孔41′は給水管45として役立つ冷却媒体
通路の分離管と一体構造の給水ブロック44によって下端
開口を塞止する。

芯体41の拡大頭部外周には内面に多数の軸方向冷却溝4
6′を設けたたとえば純銅製のような高導熱質の円錐殻
外皮を冷却板46としてたとえば拡散溶接により装着す
る。なおこの冷却板46は、円錐殻の一体構造でも良い
が、円周方向に数分割したセグメントの形で区分形成す
ることにより熱変形が防止でき更に良いと考えられる。

給水ブロック44の下端にたとえばねじ脚48のような突起
を設けこれにセラミック製の先端ブロック47を取付けて
芯体41の下端とともに被覆し、また芯体４の上部で軸柄
のまわりにセラミック・ブロック49を取付けて被覆し、
保護耐火物とする。冷却水は矢印14のように給水管45、
給水ブロック44及び給水孔42を通って、冷却板46の冷却
溝46′に流れ冷却板46を冷却したのち排水孔43を通っ
て、上部に排水される。

この構造により冷却撹拌子４は構造、強度的に十分安全
であり、有効な冷却撹拌効果を撹拌槽内に導入した溶融
金属に与えることが可能になる。

（作用） 原料溶融金属18は予め精錬を経て一定温度に保持された
状態にて受湯口１′から撹拌槽内に供給される。溶融金
属は撹拌槽１と冷却撹拌子４との間でテーパー環状の隙
間13において、回転している冷却撹拌子４により強い冷
却を烈しい撹拌効果とともに受け、半凝固状態となり、
底部の排出ノズル３及びスライドゲート弁３′から矢印
19に示すように半凝固金属として連続的に排出される。

操業を開始する場合は、まず冷却撹拌子４を上方に退避
しておき、所定量の溶融金属18を、スライドゲート弁
３′を閉ざした撹拌槽１に受湯し、誘導加熱コイル２に
通電して加熱し一定温度に保持する。その後冷却撹拌子
４を回転させ乍ら下降し、冷却撹拌効果を与えつつ所定
位置に達しさせると操業開始となる。したがって操業開
始は初期凝固の心配もなく甚だ容易である。

溶融金属は冷却撹拌子４の純銅冷却板46に直接接触して
強冷却が行われる。したがって冷却板46に凝固シェルが
形成されて隙間13が小さくなり、過負荷の傾向となる
が、ここに冷却撹拌子４は昇降用油圧シリンダ10によ
り、任意に昇降可能なので適正最小隙間が維持されるよ
うに冷却撹拌子４の位置を制御する。

この場合、位置制御は、トルク検出器７による負荷トル
クの変動を検出し、負荷トルクを出来るだけ一定に制御
することによって容易に達成される。又操業中の温度、
冷却条件の変化に対しても、誘導加熱コイル２に供給す
る電力16を調節すれば、加熱から冷却まで行え、温度制
御が可能となり、事故防止、安定操業が可能である。

（実施例） （発明の効果） この発明により次の効果が期待される。

（１）テーパー環状の隙間よりなる冷却撹拌帯を形成し
て冷却撹拌子を上下に昇降制御することにより、該隙間
を適正最小に維持制御して半凝固金属を製造でき、その
ため比較的低回転速度でも十分な撹拌効果が得られ、ガ
ス巻込みの危険はない。

（２）冷却撹拌子の駆動軸は溶融金属層を貫通しないの
で、冷却撹拌子は構造、強度共十分実用的なものが設計
でき、とくに高融点金属用にも適している。

（３）冷却撹拌子側を水冷構造として溶融金属を強冷却
することががきとくに第３発明による撹拌子の冷却構造
を採用すれば、連続鋳造機の鋳型並みの冷却強度が得ら
れ、適正最小隙間で操業することによって、冷却速度は
10℃/sec以上が期待でき、高品質の半凝固金属が製造で
きる。

（４）撹拌槽側には誘導加熱コイルが設置可能であり、
冷却撹拌帯において、加熱と冷却を組合せた温度制御が
可能になり安定操業が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の具体的構成を示す全体的な説明図、 第２図は撹拌子の水冷構造を示す詳細な断面図である。 １……撹拌槽、１′……受湯口 ２……誘導加熱コイル、３……底孔 ３′……スライドゲート弁、４……冷却撹拌子 ８……電動機 10……昇降用油圧シリンダ 41……芯体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】底孔をあけた摺鉢形をなし外部からの加熱
   手段を施した撹拌槽内で、その撹拌層の内面との間にテ
   ーパー環状の隙間を冷却撹拌帯域として形成する倒立凸
   円錐体よりなり、その円錐中心軸に沿う昇降調整可能な
   冷却撹拌子を回転させつつ、上記撹拌槽内に原料溶融金
   属を導入し、冷却撹拌帯域にて生成した非樹脂状晶−融
   体の混相として撹拌槽の底孔を通して連続的に取出すこ
   とを特徴とする、半凝固金属の製造方法。
2. 【請求項２】底孔開口を有する摺鉢形の撹拌槽と、この
   撹拌槽の内面との間でテーパー環状の隙間を形成する冷
   却撹拌子及びこの冷却撹拌子の回転駆動手段並びに昇降
   調整操作手段とをそなえ、 撹拌槽は、その内部に導入した原料溶融金属の保温を司
   る外部からの加熱手段を有する一方、冷却撹拌子は撹拌
   槽内面との間のテーパー環状すき間を冷却攪拌帯域に充
   てる強冷却手段を有することを特徴とする半凝固金属の
   製造装置。
3. 【請求項３】倒立茸状をなしその軸柄にはたて貫孔を、
   これに連通して円錐台形の拡大頭部外周にて上、下２列
   に開口する放射方向横孔の多数とともに有する芯体と、
   放射方向横孔の列間にわたる冷却媒体経路を残し芯体の
   拡大頭部にかぶせ固着した高導熱質の円錐殻外皮と、芯
   体のたて貫孔の開口端にはまり合う塞止端にて放射方向
   横孔の下列に通じる連通孔を有したて貫孔内に延在して
   軸柄とともに同心二重管を形成する、冷却媒体通路の分
   離管及び拡大頭部の上下にてそれぞれ芯体を被覆する保
   護耐火物とからなることを特徴とする、半凝固金属の冷
   却撹拌子。