JPS58218347A - 液状材料の冷却方法と装置 - 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】 本発明は、低温で液相と同相を有する種類の液状材料ケ
冷却するための方法と装置に関ｊる。竺に１本発明はも
っばらではないが、そのようり材９料の成形に関する。

さらに％に、再びもっばらではないが、鋳造可能な材料
の鋳造に関する。

（インビット鋳造や連続鋳造を含む）金属のような鋳造
可能な材料の鋳造作業において、金属を普通十分な熱を
含有した状態で鋳造し、それによって金属が、ノズル、
湯道または湯口系統または型と関連した同様な移送系統
を、金属のなべ屑の蓄積と関連した流れの妨害や他の耐
火物抑制の問題もなく通るように保証する。この状態を
成し遂げるために、溶融金属が液相線温度以上でインビ
ットまたは型に入るようにするのが普通である。

このような配置では、金属ン“過熱”で鋳造すると言う
ことができる。その後の溶融金属の凝固は実質的に指向
性があり、門造の中心に向って前進する壁にたとえるこ
とができる。熱抽出率、従って工場生産率は、凝固部分
を通る熱伝達率により決められ、かつ抑制嘔れる。

鋳造組織の特性は、金属鋳造の冶金学的特性、初期過熱
幹よびシステムからの熱抽出率により決められ．る。か
くして、例えばチル鋳鋼では、鋳造組織は、通常、型と
接触して凝固した鋼の部分を含む周囲の非常に薄いチル
領域と、顕著な柱状の樹枝状領域と、中央の等軸領域と
からなる。凝固の指向性により、鋳物聖横切って構造的
不均等、すなわちマクロ−偏析を生じる。このように、
比較的純粋な相が、全凝固過程の後の段階で１固する溶
質−濃縮液を残して最初に凝固する。従って、鋳造組織
は物理的におよび化学的に不均等であり、本質的に弱く
、普通それを破壊して材料の必要なポテンシャル強度を
発達させる別の機械的加工を必要とする。　　・ 上記の欠点だけでなく、過熱での鋳造には、多孔性また
は収縮空洞として現われる比例的収縮を伴う。これらの
困難のうち少なくともいくらかを緩和しようとして、例
えば連続−造型での電磁的な攪拌により、または過熱を
できるだけ少なくしたタンディツシュまたはとりべ鋳造
によシ努力がなされた。しかしながら、重要な問題が残
る。電磁攪拌の場合、凝固の最終段階中能率的な攪拌を
達成するのに困難があシ、また過熱をできるだけ少なく
した鋳造の場合には；なべ屑の生成による生産高の損失
という困難が起こる。

本発明の目的は、とりわ叶上記の問題を克服するか、ま
たは少なくとも実、！的に減少させることができる方法
と装置を提供することである。

本発明の一面によシ、液竺材料を移送するため、の中空
キャリヤからなる液１取材料の冷却装置を設ゆ、や、イ
ヤ１．ヤケ、ｉ□・也、５□つ、。６ゎ。

るように整えて配置し、その際出現する材料の流動性を
維持しながら熱が材料により中空キャリヤへまたは中空
キャリヤを通って放出嘔れるように本発明の他の面によ
シ、液状材料を中空キャリヤを通じて移送し、材料が中
空キャリヤを通る際に材料から熱ン取シ、そして材料が
中空キャリヤ１通る際に材料を乱流状態にさらして、出
現する材料の流動性を維持する段階を含む、液状材料の
冷却方法を提供する。

ここで用いる”液相線以下”という表現は、固相線一液
相線温度範囲内の温度、すなわち凝固の潜熱の少なくと
も一部が除去爆れた場合を意味することを理解しなけれ
ばならない。

本発明は、材料の成形ケ含み、かつ溶融材料ケ入れた容
器と配送？ステムまたはこれらのうちの一方、成形ステ
ー４２ヨンおよび溶融側斜を成形ステーションへ移送す
るための上記の中空キャリヤを組入れる。　　：′□；
： ・：：、（ど 本発明は、金属の′４ような鋳造可能な材料の鋳造に％
に適用できるが、一般に６成形”技術と１°うことがで
きるものにおいて材料を処理するための他の技術と関連
して用いることもできる。かくして、成形技術が、関係
する材料の鋳造である場合には、その材料が中空キャリ
ヤを経て鋳型へ移送される。あるいは、成形技術が例え
ば圧延、または押出しまたは鍛造である場合には、材料
が中空キャリヤを軽て圧延ステーション、押出機または
鍛造ステーションへそれぞれ移送式れるう本発明により
、例えば金属または他の材料の鋳造において中空キャリ
ヤから出現する材料が液相線以下にあるようにすると共
に、なお上記の種類の有意ななべ屑の間組のない鋳造が
行われるようにすることができる。従って；鋳型では金
属からずっと少ない熱を除去することを必要とし、かつ
凝固の指向性が、相応する冶金術の利点で修正もれる。

あるいは、液状材料（または他の材料）を比較的低い過
熱で鋳造できるように液状材料の顕過熱の部分のみを抽
出することもできる。

また、本発明により、いっそう大きい鋳造能率を達成で
きる。なぜなら、鋳型において必要とする金属の凝固お
よび冷却時間がはるかに少ないからである。

本発明により提供される重要な特徴は、材料が、中空キ
ャリヤを通過することにより乱流状態に維持されるとい
うことであるうこの手段により、材料は、大きい固体部
分でさえ、発生する剪断のため液相線以下で流動性を（
すなわち、七の潜熱の部分が除去嘔れたときでさえ）南
することができる。乱流の状況（ｒｅｇｌｍｅ　）は、
また流動材料奢横切る熱伝達乞高める。システムの乱流
が樹枝状母体の生成ン抑制すると考えられる。

本発明は、特に、しかし決してもっばらではなく、イン
ゴット鋳造、連続鋳造または連続成形工場で高品質の鋼
を商業的尺度で製造することと関連して適用できる。

中空キャリヤは、例えは管または上の開いた与ぞ゛また
はチャンネルの形態でも良い。

中空キャリヤは、水平でも、垂直でも、または垂線に対
し若干角度ンなしていても良い。

キャリヤは、金属、セラミック、サーメットまたは合成
材料で構成１−ることかでき、また熱をキャリヤから取
るには、冷却フィンでまたは冷却フインを設けずに大気
で自然対流により行うか、または噴流、噴錫、高圧１Ｍ
または冷却コイルまたはジャケットによる水冷で行うか
、また高圧ガス冷却システムによるか、または固体材料
の流動床により行うことができる。

キャリヤは、−回の鋳造後使い捨てしても良いし、また
はその材料や構造の形状により再使用することもできる
。

キャリヤの少なくとも内部は、円または四角のような適
当な断面でも良いし、また断面の変化するもの、例えば
その長さに沿って先細になるものでも良い。

中空キャリヤを通る乱流を与えるための駆動力は、例え
ば、関蓮したタンディツシュの圧力ヘッド（絞りンつけ
ても良いし讐たけつけなくとも良い）によるような重力
でも良いし、受は入れ容器ｊｆ、ｌ’１ｌｌｌｊ、。

内を真空にしても良いし、またはサイホンシステムでも
良い。

金属のような材料に適用される方法に好ましい必要条件
は次の通シであると考えられる。すなわち、 １、キャリャン乱流が通ること、 ２、液相線および半液相線温度で流動性を維持するため
に剪断速度が十分高いこと、 ３、顕熱と潜熱またはこれらのうちの一方の抽出を制御
すること、 ４、必要な温度（その温度は選択されたシステムの熱伝
達に依存する）で液状金属がキャリヤを通るのに耐え得
る材料でキャリャヲ構成することである。

本発明を実施するための所望なシステムまたは装置に関
して必要な流体力学的特性は、確立された流体乱流の理
論に依υ計算できる。次の計算（関係する流体が非□ニ
ュートンであり、流れが非等温であり、従つ七）物理的
特性が、関係する中空キャリヤの断面ｙｘ　Ａ’ｂて一
定ではないので、理論的には近似であるｉ″）は、本発
明を達成するための物理的パラメータの最初の概算Ｚ与
えるのに適切である。

管内に十分な乱流を達成するために、システムのための
レイノルズ数は１０，０００　ｋ越、するべきであると
考えられ、与えられた液状金属についてｌポイズ以下の
オーダの見掛けの粘度を維持するために、加％の固体部
分からなる°合成物に相応する温度と熱含量のために５
ｏｏｓｅｃ　　のオーダの歪速度（？）を加えなければ
ならないと見なすことにしようつそのような値は、１重
量％Ｃの普通の炭素鋼について典型的な値であると云う
ことができよう。

乱流のための最小速度（Ｖｍ）！：、レイノルズ数（Ｒ
ｓ）に換算して表すことができる。

Ｖ閣・ρ＠ｄ Ｒ＠　＝　− η とζで、ρは鋼の密度、 ｄは管の直径、 ηは鋼の見掛けの粘度である。

かくして、 ４５０ ＶＩＨＩｔ−−（ｅ−ｇ−ｓ。単位）（１）条件（２）
ヲ満たすためには、５ｏｏｓｅｃ　　のオーダの歪速度
が必要であり、これＫよりｌポイズ以下のオーダの低い
粘度が維持される。これが必要な最小平均歪速度＜？＞
農　　であると仮定すれば、そσ）ときこれに対応する
管内の最小平均剪断応力は２ およびｒ　Ａｖ−８００ｄｙｎｅ、　ａｍ乱流条件が存
在するので、管軸心と管壁の間の平均最小剪断応力τＭ
ｉｎは最小壁剪断応力τＭｉｎＡＶ　　　　　　　　　
　　　　　　　　ＡＶの半分であり、従って τ　　−１６００ｄｙｎｅｓ、　ａｍ　　　　　　　　
　（３１管内の流れについての原振係数（ｒ）は、流体
力学に関する書籍から得ることができる。しかしながら
、原振係数（ｆ）の値に、流れの非等温条件を課するこ
とができることに注意しなければならない。

問題ン制限するために、管の内面が完全になめらか＋あ
り、従って１０４のレイノルズ数について原振係数（ｆ
）は０．００８である（この値は、ＢｉｒｄＲ，Ｂ、、
　Ｓｔｅｗａｒｔ　Ｗ、　Ｅ、　、およびＬｉｇｈｔｆ
ｏｏｔ　Ｅ、　Ｎ。

著１移送現象”１９６０年Ｗｉｌｅｙ　ａｎｄ　５ｏｎ
ｓ　ｏｆ　ＮｅｗＹｏｒｋ　発行に示されている）。こ
の値を使って、ＶＩＩＩｎの値を決めることができる。

なぜなら、ｒＭｉｎ　＝　ｆ　ｐ■２ Ｗ２．９ すなわち、ｌ−６００−ｍ−ρｖ２゜ ２　　　　細 、’、　　ｖ）７＝３ａｓ　ｃｍ、ｓｅｃ　”　　　　
　　（４）このＶｍｍの値を等式（１）に代入すると、
有効管直径が得られる。

ｄ　＝　４．３　ａｍ　　　　　　　　　　　　　　　
（５１従って、等式（４）と（５）は、条件（１１と（
２）ヲ満たすのに必要ないたる所の材料の最小速度と管
寸法のための案内を与えるつ固体表皮が管内に形成して
内径（ｄ）の変化をもたらす。内１径が始めに減少して
、個々のシヘテムの熱伝達ｉ設計に依存して平衡値に達
する。固体表皮が形成されても、システムの熱伝達や流
体力学には影響しない。条件（３）と（４）が、管直径
、管材料、管壁厚および使用嘔れる熱抽出システムの適
当な選択により達成される。

管の熱伝達特性および管内の熱伝達と温度の断面は重要
である。

管内の乱流は、例えば振動、電磁攪拌、またはガス噴射
によシ高めることができる。管に適当な輪かくをつける
仁とにより、例えば６旋条をつける”かまたはリブをつ
けることにょシ、または突起を用いることにより乱流゛
を高めることができる。

本発明をいっそう容易に理解できるよう圧するために、
七〇二？の実施例を図面により説明する。

第１図を参照すると、連続鋳造装置はとりべｌ１有し、
このとりべから金属がシュラウド管３を経てタンディツ
シュ２に注入される。タンディツシュ２は、別々の出口
４および５とからの二つの成分産出量を有ｙる。

スト、ツバー棒ｄにより制御される出口４は、シュラウ
ド管７’Ｙ！万普通の設計の連続鋳造機械（図示省略）
のスラブ型８へ通常の仕方で給送す　　　　　・る。

出口５もまた、慣用の連続鋳造機械（図示省略）のスラ
ブ型９へ給送する。しかしながら、この場合には、出口
が耐火インサートｌｉ経て、銅の内壁１２と銅の外壁１
３ｙａｌ−有する水冷移送’１ｉｌｌへ連結されている
。その後、別の耐火イ°ンサート１４ｙｔＨて、シュラ
ウド管１５よりスラブ型９へ給送される。移送管１１ヲ
タンデイツシユ２と型９０間に物理的に収！するために
、タンディツシュのイース１６の部分が高いしＲルにあ
る。移送管の寸法は、通過する金属の乱流を確実にする
ように、前述した計算ケ用いて選択されろう 作業中、移送管１１ン通って流れる金属から熱が取られ
るので、連続鋳造型の人口では、金属が□液相線温度近
く、またはそれ以下にある。例示された熱抽出は水冷に
よっている。

出口５からの金属流の制御は、計量ストツノ臂−棒１７
ｉ用いて行われるが、仁のストッパー棒によれば、なべ
屑の形成が起こっても管１１ヲ通る安定状態で流れるよ
うに調贅することができる。例示された穐類の装置の場
合、毎分２１’／２　　）ンの程度の金属流量が予想嘔
れる。

第２図では、液状の鋼が耐火性下向き湯道１９に通じる
トランペット１９に注入される。）向き湯道１９には、
その基部近くの縮小部加と、基部のまたは基部近くの、
例えばアルミニューム、鋼または板紙製の遅延板２ｊと
があり、これによって下向き湯道１９がいっばいになっ
た後に、遅延板が溶解するか、または破壊し、金属が継
目無し岸肉鋼管２２を経て型基部２３を辿り、＠増勢へ
流れることができる。トランペラ）ＩＬ！：Ｗ冴の高さ
は、鋳型冴の　。

るような高さである。管々は、単に、ＮｉＪ囲温度には
らすだけで溶融金属から熱を実質的に取ることができる
よ゛うに構成されているう 図示の各実施例で、移送管のような金属接触部材□のた
めに加熱手段ケ設けて、装置の初期の始動中金属接触部
材を加熱できるようにし、望捷しくないなべ屑の形成ン
防止するかまたはできるだけ少なくするのが望ましい。

第３図と第４図は、本発明により操作された空冷鋼管か
ら現れる鋼のサンプルの顕微鏡組織ケ示す。各場合に、
液状鋼の温度は管出口で液相線以下であった。これらの
サンプルが得られたテストの別の詳細を以下の表に示し
た。第３図はＸ２０の楡率であり、その顕微鏡組織は′
、従来の鋳造方法により得られた顕微鏡組織と比較して
細かでかつ退化していることが分る。第４図はＸ５０の
倍率であり、鋳物顕微鏡組織の球状の性質が分る。

表 本発！を特に金属の成形に関して述べたけれども、ガラ
ス、ガラス−セフ鵜ツク、金属酸化物または熱プラスチ
ックのよう遂′−造可能な非金属材料にも等しく通用で
きることを理解しなければならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を組入れた鋼スラブ連続鋳造装置の概略
図、第２図は本発明を組入れたザブゼロ注出装置の概略
図、第３図と第４図は本発明により鋳造された鋼サンプ
ルの顕微鏡組織を示す図である。 １°°・とりべ、２・・・タンディツシュ、８，９・・
・スラブ型、１１・・・中空キャリヤ、冴・・・鋳型。 出動人代理人　　猪　　股　　　　　清、′ １、・ へ ２．′・。 り”・・１）１ ′図面の浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、　７゜ 手続補正書（方式） 昭和圀年７月ＩＪ日 特許庁長官　　若　杉　和　夫　殿 １、事件の表示 昭和郭年特許願第８８３７９号 ２、発明の名称 液状材料の冷却方法と装置 ３、補正をする者 事件との関係特許出願人 ブリティッシュ、ステイール、コーボレーシ璽ン明細書
の浄書、図面の浄書（内容に変更なし）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ液状材料を中空キャリヤを通じて移送し、材料が中空
   キャリヤを通る際に材料から熱ン抽出し、材料が中空キ
   ャリャン通る際に材料を乱流条件にさらして、出現する
   材料の流動性を維持する段階奢含む液状材料の冷却方法
   。 ２液状材料を容器と配送システムから、またはこれらの
   一方から中空キャリヤ忙より成形ステ□−ションへ移送
   し、材料が中空キャリャン通る際に熱を・材料から抽出
   し、材料が中空キャリャン通る際に材料を乱流条件に場
   らして、中空キーヤリヤから出現する材料の流動性を維
   持する段階を含む、材料の成形方法。 ３材料が金属である、特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の方法。 ４金属が鋼である、特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５材料が重力によシ中空キャリヤを通る、特許請求の範
   囲第１項から第４項までのいずれか一□つに記載の方法
   。 ６材料を容器と配送システムから、またはこれらのうち
   の一方から鋳型へ移送する、特許請求の範囲第２項から
   第５項までのいずれか一つに記載の方法。 ７材料を容器と配送システムから、またはこれらのうち
   の一方から圧延スタンドへ移送１−る、　　□特許請求
   の範−第２項から第５項までのうちのいずれか一つに記
   載の方法う ８液状材料の顕過熱の部分めみン、液状側斜が中空キャ
   リヤを通る間に抽出する、特許請求の範囲第２項から第
   ７項までのいずれか一つに記載の方法。　　　　　　　
   　　　　　・・。 ９流動材料ヲ直接中空キヤリヤから成形ステーションへ
   進める、特許請求の範囲第２項から第８項までのいずれ
   か一つに記載の方法。 １０液状材料を移送するための中空キ”ｖ　＋ｔヤ火備
   え、この中空キャリヤは、材料が乱流条件の下に中空キ
   ャリャヲ通じて移送されるように整列および配置され、
   その際熱が材料により中空キャリヤへまたは中空キャリ
   ヤ゛より放出されると共に、出現する材料の流動性を維
   持するようにしたこと’＆％徴とする液状材料の冷却装
   置。 １１溶融材料を入れた容器と配送システムまたけこれら
   のうちの一方と、材料成形ステーションと、液状材料を
   容器または配送システムから成形ステーションへ移送す
   るための中空キャリヤとを備え、中空キャリヤは、材料
   が容器または配送システムから成形ステーションへ中空
   キャリヤにより乱流条件で移送されるように整列および
   配置嘔れ、その際熱が材料により中空キャリヤへまたは
   中空キャリヤ、より放出されると共に、出現する材料の
   流動性ヲ維持するようにし１上 た、材料の成形装置。　！−２′％ １２中空キャリヤが管の形ンしている特許請求の範囲第
   １０項または第１１項記載の装置。 １３中空曳ヤリヤを冷却する手段を含む、特許請求の範
   囲第１０項から第１２項までのうちのいずれか一つに記
   載の装置。 １４中空キヤリヤは、溶融材料の乱流乞確実にするよう
   な内部形状ケ備えている、特許請求の範囲第１０項から
   第１３項までのうちのいずれか一つに記載の装置。 １５金属と共に使用はれるように配列および適合された
   、特許請求の範囲第１０項から第１４項までのうちのい
   ずれか一つに記載の装置。 １６金属が鋼である、特許請求の範囲第１５項記載の装
   置う １７材料を中空キャリヤを通じて重力により給送するよ
   うにし、た、竺許請求の範囲第１０項から第１６項まで
   のいず些、か一つに記載の装置つ１８成形ステーシヨｉ
   ンが鋳型を含む、特許請求の範囲 つに記載の装ｆｉｔ，，・□ ｌ９成形ステーシヨンが圧延スタンドを含む、特許請求
   の範囲第１１項から第１７項までのうちのいずれか一つ
   に記載の装＃。 加流動材料が直接中空キャリヤから成形ステーションへ
   進められるように配置されている、特許請求の範囲第１
   １項から第１９項までのうちのいずれか一つに記載の装
   置。