JPH07136742A - 半凝固金属製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 高固相率の半凝固金属の連続排出が容易な、
横軸円筒胴１よりなり抜熱能を有する攪拌用回転子と、
該回転子の円筒胴周に面して下せばまりの凹曲面からな
る固定壁４−１及び回転子の両端面に面する一対の塞壁
４−２とから形成される冷却・攪拌室５を有する半凝固
金属製造装置の、攪拌用回転子の寿命延長ならびに整備
時間の短縮をはかり、半凝固金属の製造コストを低減す
る。 【構成】 塞壁が、互いに向い合って、攪拌用回転子の
回転軸に直交する断面における冷却・攪拌室の横断面内
輪郭と合致する隆起内壁を有して成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は品質上良好な非樹枝状
初晶が金属（一般には合金）液体中に分散した固体−液
体金属混合物（以下単に半凝固金属という）を安価に連
続して安定的に製造・排出する装置を提案するものであ
る。

【０００２】半凝固金属は、下流の加工工程における加
工装置の熱的負荷を低減させたり、そのまま棒状又は板
状などの半成品として凝固させることにより内部品質の
良好な加工用素材が得られるなど、その有用性から半凝
固金属のより安定した工業的生産技術の開発が望まれて
いる。

【０００３】

【従来の技術】半凝固金属を連続的に製造する手段とし
ては、例えば特公昭５６−２０９４４号公報（非樹枝状
初晶固体分を含む合金を連続的に形成する為の装置）に
開示されているように、一定温度の溶融金属を円筒状の
冷却槽の内面と高速回転する攪拌子との間に導き、適当
な冷却条件の下で溶融金属に強い攪拌作用を加えて半凝
固金属スラリーとし、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機械攪拌方式のものが知られてい
る。

【０００４】この半凝固金属中の固相粒（非樹枝状初晶
粒）は、溶融金属を冷却しながら激しく攪拌することに
よって、融体中に生成しつつある樹枝状初晶の枝部が消
失ないしは縮小して丸みを帯びた形態に変換されて形成
される。そして半凝固金属は非樹枝状初晶粒の粒径が小
さなものほど、また固相率が高いものほどその特性が優
れ、そのためには溶融金属を強冷却する必要があり、こ
のように強冷却された半凝固金属はその固相率の増大と
ともに見かけ粘性が非常に大きくなり流動性が低下する
ため、上記手段では高固相率の半凝固金属の連続排出が
困難になるという問題がある。

【０００５】一方、同じ機械的な攪拌手段で、抜熱能を
有する横軸円筒胴よりなる攪拌子（攪拌用回転子）とこ
の攪拌子の円筒胴の外周に沿う凹曲面からなる固定壁と
の間に形成した隙間に溶融金属を連続的に供給し、該隙
間内にて強制冷却による凝固を生起させながら攪拌子の
回転に基づくせん断力によって粒子の細かい非樹枝状初
晶が懸濁した半凝固金属を製造する手段が特開平４−２
３８６４５号公報（半凝固金属の製造方法および装置）
に提案開示されている。

【０００６】この手段は、攪拌子の直径と回転数の選択
により、十分な冷却速度とせん断効果を与えることが可
能であり、かつ半凝固金属の排出方向に攪拌子を回転さ
せるため、粘性の高い（高固相率）半凝固金属の排出を
促進して連続排出を容易にする優れた手段である。

【０００７】しかし、抜熱能を有する攪拌子の円筒胴は
内部水冷構造であり、その円筒胴周面（抜熱面）の両端
胴周面には水冷が十分でない部分が生じる。

【０００８】なお攪拌子は、一般に、部分的に異なる要
求特性、コスト低減などのため、円筒胴と軸部には異っ
た材質の金属が用いられ、これらは円筒胴の両端面で溶
接する構造になっている。

【０００９】したがって、これまでの攪拌子と固定壁と
攪拌子の両端面に面する一対の塞壁とから形成される冷
却・攪拌室に溶融金属を供給すると、攪拌子の両端円筒
胴周面の温度が上昇し、その両端胴周面で供給した溶融
金属が円筒胴金属と合金を造って付着凝固し、そのメン
テナンスに多くの時間を要する問題、円筒胴の中央部と
両端部との温度差による熱歪で円筒胴周面に亀裂が発生
し、攪拌子の寿命を著しく低下させる問題などがあっ
た。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
は横軸円筒胴よりなり抜熱能を有する攪拌用回転子と、
該回転子の胴周に面する凹曲面からなる固定壁及び一対
の塞壁とより形成される冷却・攪拌室に、溶融金属を連
続的に供給し冷却・攪拌して製造した半凝固金属を下方
の排出口から連続的に排出する半凝固金属製造装置にお
いて、攪拌用回転子の両端円筒胴周面の溶融金属の付着
凝固及び円筒胴周面の亀裂の発生を防止し、攪拌用回転
子の整備時間の短縮、寿命延長など、製造コストの低減
がはかれる半凝固金属製造装置を提案することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明の要旨は以下の
通りである。横軸円筒胴よりなり抜熱能を有する攪拌用
回転子と、該回転子の円筒胴周に面して下せばまりの凹
曲面からなる固定壁と、回転子の両端面に面する一対の
塞壁とより形成される冷却・攪拌室よりなり、該冷却・
攪拌室に溶融金属を連続的に供給して冷却し、凝固を生
起させながら攪拌用回転子の回転に基づくせん断力によ
って粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁した半凝固金属を製
造して、攪拌用回転子と固定壁との間の下方のすき間に
連なる排出口から半凝固金属を連続的に排出する半凝固
金属製造装置において、塞壁が、互いに向い合って、攪
拌用回転子の回転軸に直交する断面における冷却・攪拌
室の横断面内輪郭と合致する隆起内壁を有して成る半凝
固金属製造装置である。

【００１２】

【作用】この発明の作用を以下に述べる。横軸円筒胴よ
りなり抜熱能を有する攪拌用回転子と、該回転子の円筒
胴周面に面して下せばまりの凹曲面からなる固定壁と、
さらに回転子の両端面に面する一対の塞壁とより形成さ
れる冷却・攪拌室を有する半凝固金属製造装置におい
て、攪拌用回転子円筒胴周面の全長が冷却・攪拌室内面
を形成する冷却・攪拌室に、溶融金属を供給して半凝固
金属を製造すると、前記したように、水冷効果が十分で
ない攪拌用回転子の両端円筒胴周面で、溶融金属が円筒
胴金属と合金を造って付着凝固し、その整備に多くの時
間を要し、また、円筒胴中央部と端部とで温度差を生
じ、熱歪により円筒胴周面上に亀裂が発生し、攪拌用回
転子の繰返し使用が不能になるなどの問題が発生するこ
とが明らかとなった。

【００１３】そこで、上記した問題を解消する手段とし
て種々実験検討を行った結果、攪拌用回転子円筒胴周面
上の水冷却効果が不十分な両端部分をそれぞれ塞壁で覆
ってしまい、それらの部分を除外した冷却・攪拌室を形
成させること、すなわち、塞壁を、互いに向い合って、
攪拌用回転子の回転軸に直交する断面における冷却・攪
拌室の横断面内輪郭と合致する隆起内壁を有するものと
することが最適であることを見出した。

【００１４】かくすることにより、攪拌用回転子の端部
円筒胴周面と塞壁とのすき間への溶融金属の差し込みが
なく、したがって端部円筒胴周面に溶融金属が付着凝固
することがなく、また、攪拌用回転子円筒胴の長さ方向
中央部と端部との温度差も小さくなり、円筒胴周面の亀
裂の発生が大幅に減少し、攪拌用回転子の繰返し使用が
可能になることが明らかになった。

【００１５】なお、上記において塞壁の材質としては、
当然のことながら供給される溶融金属の温度に十分耐え
得る耐火物を用いることが重要である。

【００１６】以上、この発明の半凝固金属製造装置を用
いることにより、高固相率で均一かつ高品質の半凝固金
属を連続的に安定して製造でき、特に、攪拌用回転子の
整備時間の短縮あるいは寿命延長により半凝固金属の製
造コストを大幅に削減することができる。

【００１７】

【実施例】まず、図１に横軸円筒胴よりなる攪拌用回転
子を用いる連続式半凝固金属製造装置の説明図を示す。
図１において、１は横軸円筒胴よりなる抜熱能を有する
攪拌用回転子、２は攪拌用回転子１を冷却するための冷
却水、３は攪拌用回転子１の回転駆動装置、４−１は耐
火物製の固定壁、４−２は耐火物製の塞壁、５は攪拌用
回転子１と固定壁４−１及び塞壁４−２より形成される
冷却・攪拌室、６は固定壁４−１を断熱するためのヒー
ター、７はヒーターホルダー、８は攪拌用回転子１との
間隔を調整するための固定壁４−１の移動駆動装置、９
はせき板、１０はせき板しゅう動駆動装置、１１は攪拌
用回転子１の円筒胴周面に付着成長する凝固殻１８を切
削するための削剥治具、１２は攪拌用回転子１との間隔
を調整するための削剥治具１１の移動駆動装置、１３は
排出口、１４は排出される半凝固金属１９の固相率セン
サーであり、さらに１５は取鍋、１６は注入ノズル、１
７は溶融金属である。

【００１８】また、図２に攪拌用回転子の軸方向断面の
説明図、図３に比較例の冷却・攪拌室５の横断面の説明
図、図４にこの発明に適合する適合例の冷却・攪拌室５
の横断面の説明図をそれぞれ示す。

【００１９】図２において、１′は攪拌用回転子１の円
筒胴、２０は攪拌用回転子１の軸であり、２１は軸の外
周に設けたスパイラル状の溝で、この溝２１に冷却水２
を流すことによって円筒胴１′を冷却する。またＡは円
筒胴１′と軸２０の溶接部を示す。

【００２０】図３及び４において、１′は円筒胴、４−
１は耐火物製固定壁、４−２は耐火物製塞壁でありこれ
らによって冷却・攪拌室５が形成される。なお２０は攪
拌用回転子１の軸、２１はその溝である。

【００２１】これら図３及び４で、図３の比較例の場合
は、塞壁４−２の内面は平面で、円筒胴１′の両端面と
合致する内面を形成するのに対し、図４の適合例の場合
は、塞壁４−２の内面は冷却・攪拌室の横断面輪郭と合
致する隆起を有していて円筒胴１′の両端円筒胴周面を
覆う構造になっている。

【００２２】つぎに、図１に示した連続式半凝固金属製
造装置を用い、かつその冷却・攪拌室に図３（比較例）
及び図４（適合例）に示した２種類の構造のものをそれ
ぞれ用い、Ｃ：2.5 mass％鋳鉄（液相線温度：1340℃、
固相線温度：1130℃）の半凝固金属500 kgを連続して製
造した。

【００２３】上記において、攪拌用回転子１は、軸２０
をＳＵＳ３０４製、円筒胴１′をＣｕ製とし、円筒胴
１′の寸法は、外径：400 mm、幅：135 mm、厚さ：１５
mmとし、操業の際には溝２１に冷却水２を流速：４ m／
s 、流量：1.7 ×10^-3m³／s で流した。また、固定壁４
は、耐火物製でヒーター５によって1200℃に予熱して用
いた。

【００２４】かくして、半凝固金属１９の製造は、Ａｒ
ガス雰囲気中で、温度：1380℃の上記合金の溶融金属１
７を取鍋１５から注入ノズル１６を介して冷却・攪拌室
５に供給し、攪拌用回転子１の回転数：300 rpm 、攪拌
用回転子１と削剥治具１１との間隔：1.0 mmとし、さら
に攪拌用回転子１とせき板９との間隔を１０〜２mmの範
囲で変化させて排出速度を制御し（せん断歪速度：6000
／ｓ）、排出口１３から半凝固金属１９（固相率：0.5
）を連続して排出させた。そして、攪拌用回転子１の
円筒胴１′長さ方向の内部温度、表面の亀裂発生状況、
その寿命及び半凝固金属の製造コストなどを調査した。

【００２５】これらの調査結果を以下に記す。図５は操
業中の円筒胴１′の長さ方向の位置と内部温度の関係を
示すグラフである。なお、円筒胴１′の内部温度は、そ
の表面から１mmの位置でＫシース熱電対を用いて測定し
た。

【００２６】この図５から明らかなように、比較例の場
合、円筒胴の中央部と端部とでは温度差がおよそ400 ℃
もあり、端部温度は1000℃にも達しているのに対し、適
合例の場合は、中央部と端部との温度差はほとんどな
く、端部温度はおよそ600 ℃と大幅に低減できた。ま
た、操業終了後、比較例の場合円筒胴１′の端部に溶融
金属１７が付着凝固し、その除去作業のため攪拌用回転
子１の整備に多くの時間を費やしたが、適合例の場合は
上記溶融金属１７の付着凝固は見られなく攪拌用回転子
１の整備時間を大幅に短縮できた。

【００２７】ついで、円筒胴１′の亀裂発生状況、攪拌
用回転子１の寿命及び半凝固金属製造のコスト指数の調
査結果を表１にまとめて示す。

【表１】 なお、表１において、コスト指数は比較例の場合の半凝
固金属の製造コストを1.0 として適合例の場合を対比し
たものである。

【００２８】表１から明らかなように、この発明の適合
例の場合は比較例の場合に比し、円筒胴１′の長さ方向
の温度差が小さくなることにより、熱歪による亀裂の発
生が大幅に減少し、その結果攪拌用回転子１の寿命が著
しく延長され半凝固金属の製造コストを大幅に低減でき
た。

【００２９】

【発明の効果】この発明は、高固相率の半凝固金属の連
続排出が容易な横軸円筒胴よりなり抜熱能を有する攪拌
用回転子と、該回転子の円筒胴周に面して下せばまりの
凹曲面からなる固定壁及び回転子の両端面に面する一対
の塞壁とから形成される冷却・攪拌室を有する半凝固金
属製造装置において、互いに向い合う塞壁内面に隆起を
もたせこの塞壁により攪拌用回転子の両端部円筒胴周面
を覆って冷却・攪拌室を形成させるものであり、この発
明によれば、攪拌用回転子の寿命が延長され、連続的に
高固相率で均一かつ高品質の半凝固金属を安価に製造で
きるようになり、次工程への安定供給ができ、半凝固金
属の需要拡大に大きく貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】横軸円筒胴よりなる攪拌用回転子を用いる連続
式半凝固金属製造装置の説明図である。

【図２】攪拌用回転子の軸方向断面の説明図である。

【図３】比較例の冷却・攪拌室の横断面の説明図であ
る。

【図４】この発明に適合する適合例の冷却・攪拌室の横
断面の説明図である。

【図５】操業中の円筒胴長さ方向の位置と内部温度の関
係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 攪拌用回転子 １′攪拌用回転子円筒胴 ２ 冷却水 ３ 駆動装置（攪拌用回転子用） 4-1 固定壁 4-2 塞壁 ５ 冷却・攪拌室 ６ ヒーター ７ ヒーターホルダー ８ 駆動装置（固定壁用） ９ せき板 10 駆動装置（せき板用） 11 削剥治具 12 駆動装置（削剥治具用） 13 排出口 14 固相率センサー 15 取鍋 16 注入ノズル 17 溶融金属 18 凝固殻 19 半凝固金属 20 攪拌用回転子軸 21 溝

フロントページの続き (72)発明者 廣中 一聡 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 株式会 社レオテック内 (72)発明者 高橋 広芳 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 株式会 社レオテック内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横軸円筒胴よりなり抜熱能を有する攪拌
   用回転子と、該回転子の円筒胴周に面して下せばまりの
   凹曲面からなる固定壁と、回転子の両端面に面する一対
   の塞壁とより形成される冷却・攪拌室よりなり、該冷却
   ・攪拌室に溶融金属を連続的に供給して冷却し、凝固を
   生起させながら攪拌用回転子の回転に基づくせん断力に
   よって粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁した半凝固金属を
   製造して、攪拌用回転子と固定壁との間の下方のすき間
   に連なる排出口から半凝固金属を連続的に排出する半凝
   固金属製造装置において、 塞壁が、互いに向い合って、攪拌用回転子の回転軸に直
   交する断面における冷却・攪拌室の横断面内輪郭と合致
   する隆起内壁を有して成る半凝固金属製造装置。