JPH07251241A - 半凝固金属の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 長時間にわたって良好な品質の半凝固金属を
安定して製造・排出できる横軸回転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を得る。 【構成】 横軸回転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して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
続的に供給して半凝固金属を製造し、下方の排出口から
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
いて固定壁と共に一対の塞壁にもヒーターを配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、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
状などの半製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・排出する手
段については、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縦軸の高速回転する攪拌子と
の間に導き、適当な冷却条件のもと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て、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】しかしこの手段では、円筒上の冷却攪拌槽
の抜熱面で溶融金属が凝固してその凝固殻が成長し、こ
のため半凝固金属スラリーが通過する隙間が狭くなっ
て、排出速度の低下ないしは隙間を閉塞してしまうおそ
れがあり、さらに、凝固殻の成長に伴う伝熱抵抗の増加
による冷却槽の抜熱速度の低下などもあって、一定品質
の半凝固金属を長時間にわたって安定して排出させるこ
とは困難であった。

【０００５】一方、上記とは別の機械的攪拌方式で、横
軸のまわりに回転する円筒胴よりなる攪拌子と、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、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
凝固金属を製造し、この半凝固金属を隙間の下方から連
続的に排出するにあたり、攪拌子に抜熱能をもたせ、固
定壁を断熱性とし、かつ攪拌子の胴周面上で凝固付着す
る凝固殻を剥離治具により掻き落とす手段が特開平４−
２３８６４５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。しかし、この方式を工業プ
ロセスとして完成させるためには装置内での凝固殻の生
成及び閉塞対策等が未だ不十分であり、品質の優れる半
凝固金属を長時間にわたって安定して排出させることに
関してはなお難点を残していた。また、上記開示例は、
固定壁を断熱性とするため設けるヒーターの加熱方式や
構造あるいは発熱体の材質について特段の配慮がなされ
ていなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、横軸回転
胴よりなる攪拌用回転子を用いる半凝固金属の製造方式
において、たとえ高融点合金であっても高品質の半凝固
金属を長時間にわたって連続的に安定して製造・排出で
きる半凝固金属の製造装置を提案することを目的とす
る。

【０００７】

【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。横軸回転胴よりなる抜熱能を有する攪拌用
回転子と、該回転子の胴周面に面して下せばまりの凹曲
面からなる断熱性の固定壁と、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
属スラリーを製造し、攪拌用回転子と固定壁との間の下
方に連なる排出口から半凝固金属を連続的に排出する半
凝固金属の製造装置において、固定壁と共に一対の塞壁
にヒーターを配置してなる半凝固金属の製造装置であ
り、上記ヒーターが、発熱体を用いる電気加熱方式であ
り、かつ該発熱体にニクロム又はカンタルスーパーを用
いるものであり、さらに、ヒーターが、発熱体をつづら
おり状に配してあるものである。

【０００８】

【作用】この発明の作用を実験例に基づいて以下に述べ
る。図１は横軸回転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。この図１に示
す装置は、抜熱能を有する横軸回転胴よりなる攪拌用回
転子１、攪拌用回転子１を冷却するための冷却水２、攪
拌用回転子１の回転駆動装置３、固定壁４−１、攪拌用
回転子１の両端面に面する一対の塞壁４−２、攪拌用回
転子１と固定壁４−１及び塞壁４−２とより形成される
冷却・攪拌室５、固定壁４−１を断熱するためのヒータ
ー６、ヒーターホルダー７、攪拌用回転子１との間隔を
調整するための固定壁４−１の移動用駆動装置８、固定
壁４−１の下方端に設けたせき板９、せき板９のしゅう
動駆動装置１０、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１１、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
動用駆動装置１２、排出口１３及び排出される半凝固金
属１９の固相率センサー１４からなる。

【０００９】この装置において半凝固金属１９は、タン
ディシュ１５及び注入ノズル１６を介して攪拌用回転子
１と固定壁４−１及び塞壁４−２とで形成される冷却・
攪拌室５に連続的に供給される溶融金属１７を、攪拌用
回転子１で抜熱しながらその回転により激しく攪拌する
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
製造され、下方の排出口１３から連続的に排出される。

【００１０】一方、攪拌用回転子１の円筒胴周面に付着
成長する凝固殻１８は削剥治具１１により切削されて半
凝固金属１９に混入し排出口１３から排出される。

【００１１】この発明は、上記のような装置を改善し、
半凝固金属の製造・排出を極めて容易にするもので、固
定壁４−１と共に一対の塞壁４−２にもヒーターを配置
することを骨子とするものである。そして、さらに、ヒ
ーターを発熱体による電気加熱方式とすること、該発熱
体にニクロム又はカンタルスーバーを用いること、ヒー
ターが発熱体をつづらおり状に配置してなることにあ
る。

【００１２】以下に、この発明の基礎となった実験例に
ついて述べる。おな、実験に先立ち、ヒーターの加熱方
式について種々検討の結果、安易に設置できること、均
一加熱及び温度制御が容易であること、コンパクトであ
ることなどの観点から発熱体を用いる電気加熱方式が最
適であるとの結論に達したものである。

【００１３】実験は、図１に示した装置の固定壁４−１
のヒーター６及び一対の塞壁４−２にそれぞれ設けるヒ
ーターの発熱体にニクロム又はカンタルスーパーの２種
類を用い、低融点合金、高融点合金について、それぞれ
上記装置により連続的に半凝固金属を製造・排出し、排
出口１３の閉塞の有無、固定壁４−１及び塞壁４−２で
の凝固殻の生成状況について調査した。

【００１４】また、上記において、ヒーターの配置は、
図２及び図３に示すように発熱体をつづらおり状にして
取付けたヒーターホルダー７を固定壁４−１及び塞壁４
−２の背面に配置し、固定壁４−１及び塞壁４−２の冷
却・攪拌室を形成する部分全面に配置した場合、その下
半分にだけ配置した場合（高融点合金のみ）の２種類と
した。

【００１５】ここに、図２（ａ）及び（ｂ）は固定壁の
ヒーターの構造を示す説明図、図３（ａ）及び（ｂ）は
塞壁のヒーターの構造を示す説明図である。これらの図
において、４−１は固定壁、４−２は塞壁、６はヒータ
ー（発熱体）、７はヒーターホルダー、２０は発熱体を
ヒーターホルダー７に固定するための固定ピンである。

【００１６】この結果、ヒーター６を、その発熱体にニ
クロムを用い、固定壁４−１及び塞壁４−２の冷却・攪
拌室５を形成する部分全面に配置した場合、低融点合金
では問題なく、半凝固金属の製造・排出ができたが、高
融点合金では、排出口１３の閉塞や固定壁４−１及び塞
壁４−２での凝固殻の生成などがあって、長時間の連続
操業ができなかった。

【００１７】一方、ヒーター６を、その発熱体に、より
高温に加熱できるカンタルスーパーを用い、固定壁４−
１及び塞壁４−２の冷却・攪拌室５を形成する部分全面
に配置又はその下半分に配置し、それぞれ高融点合金の
半凝固金属の製造・排出を行ったところ、ヒーター６を
下半分に配置した場合は排出口１３の閉塞は防止できた
が、固定壁４−１及び塞壁４−２の上方には凝固殻が生
成した。

【００１８】これに対し、ヒーター６を全面に配置した
場合は、排出口１３の閉塞や固定壁４−１及び塞壁４−
２での凝固殻の生成は見られなかった。したがって、合
金の融点に応じてヒーター６の発熱体を選択し、固定壁
４−１及び一対の塞壁４−２にヒーターを好適に配置す
れば、高融点合金でも、高固相率で均一かつ高品質の半
凝固金属を長時間にわたって連続的に製造・排出させる
ことができる。

【００１９】

【実施例】実施例１ 前掲図１に示した装置を使用し、かつ、前掲図２に示し
たように、その固定壁４−１全面に、発熱体がニクロム
のヒーター６を配置し、前掲図３に示したように一対の
塞壁４−２全面に発熱体がニクロムのヒーター６を配置
した場合と、配置しなかった場合のそれぞれについて、
低融点合金であるＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｃｕ合金（液相
線温度：６３０℃、固相線温度：５６０℃）の半凝固金
属１９の連続的製造・排出を試みた。

【００２０】上記装置において、攪拌用回転子１には、
直径：４００ｍｍ、幅：１３５ｍｍのステンレス鋼製円
筒胴よりなるものを用い、固定壁４−１及び塞壁４−２
は耐火物製として、固定壁４−１はヒーター６によって
温度：７００℃（内壁面より１ｍｍ中へ入った位置をＲ
シース熱電対で測定した値）に加熱し、塞壁４−２のヒ
ーター６を配置したものについては上記と同様の温度に
加熱して使用に供した。なお、ヒーター６を配置しなか
った塞壁４−２の温度は操業開始前２５℃であった。

【００２１】かくして、半凝固金属１９は、温度：６７
０℃の上記合金溶湯すなわち溶融金属１７をタンディッ
シュ１５からノズル１６を介して攪拌用回転子１と固定
壁４−１及び一対の塞壁４−２とで形成する冷却・攪拌
室５に供給し、攪拌用回転子１の回転数：２００ｒｐ
ｍ、攪拌用回転子と削剥治具１１との間隔：１．５ｍｍ
とし、さらに攪拌用回転子１とせき板９との間隔を１０
ｍｍから４ｍｍの範囲で変化させて排出速度を制御して
製造し、排出口１３から固相率：０．５の半凝固金属１
９を連続的に排出させた。

【００２２】この結果、塞壁４−２にヒーター６を配置
せずヒーター６による加熱を行わなかった場合は、操業
開始とともに塞壁４−２に凝固殻が生成し、これが時間
の経過とともに成長し、ついには排出口１３が閉塞し、
半凝固金属１９の製造・排出が不能となった。それに対
し、塞壁４−２にヒーター６を配置し加熱した場合は、
排出口１３が閉塞するようなトラブルがなく、長時間連
続して半凝固金属１９を製造・排出できた。

【００２３】実施例２ 実施例１と同様に前掲図１に示した装置を使用し、か
つ、前掲図２及び図３に示したように、その固定壁４−
１及び一対の塞壁４−２の冷却・攪拌室５を形成する部
分全面に発熱体がニクロムのヒーター６を配置した場合
と発熱体がカンタルスーパーのヒーター６を配置した場
合、さらに固定壁４−１及び塞壁４−２の冷却・攪拌室
５を形成する部分の下半分に発熱体がカンタルスーパー
のヒーター６を配置した場合のそれぞれについて、高融
点合金である２．５ｍａｓｓ％Ｃ鋳鉄（液相線温度：１
３４０℃、固相線温度：１１３０℃）の半凝固金属１９
の連続的製造・排出を試みた。

【００２４】上記装置において、攪拌用回転子１には、
直径：４００ｍｍ、幅：１３５ｍｍのＣｕ製円筒胴より
なるものを用い、固定壁４−１及び塞壁４−２は耐火物
製とし、ヒーター６を配置した部分についてのヒーター
６による加熱温度は、発熱体がニクロムの場合：７００
℃、カンタルスーパーの場合：１４００℃として使用に
供した。なお、上記温度は固定壁４−１、塞壁４−２と
も内壁面より１ｍｍ中へ入った位置でのＲシース熱電対
で測定した値である。

【００２５】かくして、半凝固金属１９は、温度：１３
８０℃の上記合金溶湯すなわち溶融金属１７をタンディ
ッシュ１５からノズル１６を介して攪拌用回転子１と固
定壁４−１及び一対の塞壁４−２とで形成する冷却・攪
拌室５に供給し、攪拌用回転子１の回転数：２００ｒｐ
ｍ、攪拌用回転子１と削剥治具１１との間隔：１．５ｍ
ｍと一定にし、攪拌用回転子１とせき板９との間隔を１
０ｍｍから５ｍｍの範囲で変化させて排出速度を制御し
て製造し、排出口１３から固相率０．５の半凝固金属１
９を連続的に排出させた。

【００２６】そして、ヒーター６の発熱体の違いによる
塞壁４−２の加熱上限温度、固定壁４−１及び塞壁４−
２での凝固殻の生成状況、排出口１３の閉塞状況などに
ついて調査した。

【００２７】これらの調査結果を以下に示す。図４は、
ヒーターの発熱体の違いによる塞壁の加熱上限温度を示
すグラフである。なお、塞壁４−２の温度は前にも記し
たように内壁面から１ｍｍ中へ入った位置の温度で、Ｒ
シース熱電対で測定したものである。

【００２８】この図４から、発熱体にニクロムを使用し
た場合、温度の上昇は７００℃止まりであったが、カン
タルスーパーを使用した場合は１４００℃まで上昇し、
溶融金属１７の供給温度以上になることを示していて、
高融点合金の場合のヒーター６の発熱体として、カンタ
ルスーパーが好適であることがわかる。

【００２９】つぎに、固定壁４−１及び塞壁４−２での
凝固殻の生成状況、排出口１３の閉塞状況などの調査結
果を表１にまとめて示す。

【表１】 表１から明らかなように、ヒーター６の発熱体がニクロ
ムの場合は、排出口１３が閉塞して、半凝固金属１９の
製造・排出が不能となった。また、発熱体がカンタルス
ーパーの場合で、固定壁４−１及び塞壁４−２の冷却・
攪拌室を形成する部分の下半分にヒーター６を配置した
場合は、排出口１３の閉塞は防止できたが、固定壁４−
１及び塞壁４−２の上部に凝固殻が生成し、それが操業
中に脱落して排出される半凝固金属１９中に混入し品質
を劣化させた。

【００３０】それらに対し、発熱体がカンタルスーパー
で、固定壁４−１及び塞壁４−２の冷却・攪拌室を形成
する部分全面にヒーター６を配置した場合は、固定壁４
−１及び塞壁４−２での凝固殻の生成並びに排出口１３
の閉塞を防止でき、長時間連続して品質の良好な半凝固
金属を製造・排出できた。

【００３１】

【発明の効果】この発明は、横軸回転胴よりなり抜熱能
を有する攪拌用回転子と、該回転子の胴周に面して凹曲
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・攪拌室に、溶融金属を連続的に
供給して半凝固金属を製造し、下方の排出口が半凝固金
属を連続的に排出する半凝固金属の製造装置において、
固定壁と共に一対の塞壁にもヒーターを配置するもので
あり、この発明によれば、良好な一定品質の半凝固金属
を連続的に安定して製造・排出できるようになり、コス
ト低減がはかれるとともに、半凝固金属の工業化、需要
拡大に大きく貢献できる。

【図面の簡単な説明】

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

【図２】固定壁のヒーターの構造を示す説明図である。

【図３】塞壁のヒーターの構造を示す説明図である。

【図４】ヒーターの発熱体の違いによる塞壁の加熱上限
温度を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 攪拌用回転子 ２ 冷却水 ３ 回転駆動装置（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 タンディッシュ １６ 注入ノズル １７ 溶融金属 １８ 凝固殻 １９ 半凝固金属 ２０ 固定ピン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 難波 明彦 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 (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横軸回転胴よりなる抜熱能を有する攪拌
   用回転子と、該回転子の胴周面に面して下せばまりの凹
   曲面からなる断熱性の固定壁と、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
   金属スラリーを製造し、攪拌用回転子と固定壁との間の
   下方に連なる排出口から半凝固金属を連続的に排出する
   半凝固金属の製造装置において、 固定壁と共に一対の塞壁にヒーターを配置してなる半凝
   固金属の製造装置。
2. 【請求項２】 ヒーターが、発熱体を用いる電気加熱方
   式である請求項１に記載の半凝固金属の製造装置。
3. 【請求項３】 発熱体が、ニクロムである請求項１又は
   ２に記載の半凝固金属の製造装置。
4. 【請求項４】 発熱体が、カンタルスーパーである請求
   項１又は２に記載の半凝固金属の製造装置。
5. 【請求項５】ヒーターが、発熱体をつづらおり状に配し
   てなる請求項１，２，３又は４に記載の半凝固金属の製
   造装置。