JPS6117583B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、鋳型内の融解金属を、回転磁界によ
つて撹拌することによる金属材料の電磁遠心分離
連続鋳造方法に関するものである。 鋳型内の融解金属を、鋳型軸線の周りを回転す
る磁界を利用して撹拌する方法は、従来既知であ
る。この方法は、その原理は簡単であるが、その
実施は技術的に困難であるため、工業的に開発で
きなかつた。 それ故、実際の連続鋳造装置は一般に、撹拌作
用をもたない機械、又はこれと比べて技術的にか
なり進歩した機械的遠心分離作用を伴なう機械を
備え、この機械で、融解金属は鋳型をその軸線の
回りに回転させること及び融解金属の鋳型内に接
線方向に噴射することによつて撹拌される。 実際に、融解金属の撹拌は、ビレツトの表面特
性のみならずその芯部の構造にも影響を与えるの
で、良質のビレツトを得るのに枢要な要件であ
る。スラグは融解金属の移動に伴なつて移動し
て、その表面に集まり、それ故そのスラグは容易
に除去することができる。他方、良く撹拌された
融解金属から作つたビレツトは短い柱状晶域とこ
れに続く大きな等軸晶域をもち、芯部には夾雑物
を包含する欠陥組織を生じた。この理由から、工
業的規模で作業できる電磁的遠心分離作用により
金属材料を連続鋳造する方法の開発に大きな関心
がもたれた。本発明者等は、鋳型内の融解金属の
撹拌の強さを最大にする適切な作業条件の発見に
成功した。この方法では、鋳型内で金属は連続鋳
造装置内に設置できる形状をもつ電磁インダクタ
により連続的に鋳造、撹拌される。 本発明の目的は、鋳型内での融解金属に対する
撹拌の強さが最大で、鋳型から熱を極めて迅速に
取去ることができ、しかも鋳型を機械的に十分堅
牢ならしめ得る電磁遠心分離連続鋳造方法を提供
せんとするにある。 本発明の金属材料の電磁遠心分離連続鋳造方法
は融解金属を冷鋳型内に装填し、鋳造金属材料の
すぐ近くに配置した多相インダクタによつて生
じ、鋳型軸線の周りを回転する磁界によつて鋳型
内の融解金属を回転させ、半ば凝固した融解金属
を鋳型から取出すにあたり、撹拌の強さを最大と
するために、 ―磁界の回転周波数を４ヘルツ乃至15ヘルツと
し、 ―鋳型を組織硬化構造の銅合金製とし、 ―鋳型壁に発生する最大内部熱応力がその弾性限
度の0.6倍以下で且つ厚さ自体が15mm以内の最大
値となるように鋳型壁の厚さを決定することを特
徴とする。 本発明方法による鋳型内の融解金属の最大の撹
拌強さはインダクタにより生じる磁界の強さとは
関係なく、即ち励磁電流の強さ又は単位長に対す
る巻回数の如き技術的特性とは関係ない。しかし
磁界の有効強さには下限値があり、この下限値以
下では本発明方法では工業的に有利でなくなる。
この点については一般に、インダクタは800ガウ
ス、好適には1000ガウスと2000ガウスの間の最小
有効磁界をもつ回転磁界を生じなければならない
と考えられる。かかる磁界の強さは慣例のインダ
クタによつて容易に得ることができる。 同様に、磁界の強さは距離が遠くなる程弱くな
るため、特に800乃至1000ガウス程度の磁界を発
生するインダクタの場合、鋳造すべき融解金属の
直ぐ近くに、即ち鋳型の直後にインダクタを配設
するのが好適である。磁界の強さが2000ガウスを
越えると、本発明方法で規定する作業条件の下で
も、融解金属が撹拌され過ぎて鋳型外に溢れ出る
おそれがある。 鋳型壁の厚さは、如何なる条件下であつても、
15mm以下とし、好適な厚さはほぼ８mmとする。磁
界の回転周波数は４〜15ヘルツの間とし、好まし
くは６〜12ヘルツの間とする。 磁界の回転周波数が４ヘルツ未満では、溶融金
属の回転速度が余りにも低くなり所望の撹拌効果
が得られない。特に小断面のビレツトの鋳造の場
合にはこのような低回転周波数では鋳片の金属学
的特性を改善するのが困難となる。このために、
４ヘルツ未満の回転周波数において、磁界強度を
例えば2500ガウス以上とすることも考えられる
が、インダクタが大寸法のものを必要として不都
合である。 一方、磁界の回転周波数が15ヘルツを越える
と、磁気エネルギーのほぼ全部が銅製の鋳型を加
熱することに消費されるので好ましくない。 さらに磁界の回転周波数が６〜12ヘルツの範囲
が最適である。すなわち、この範囲において、鋳
型の形状、厚さ、使用する鋳型材料の導電率の如
き特性を関数として、溶融金属に最大の撹拌力を
与える最適の回転周波数が存在する。 本発明方法によれば、上述したように従来技術
で遭遇した問題を比較的簡単に解決することがで
きる。すなわち融解金属を磁界によつて回転せし
めるに当り、十分な撹拌強さを発生させることが
困難であつた。この撹拌の強さは、一方において
は磁界の回転角速度に正比例し、他方において融
解金属浴に加わる磁界の平均値の二乗に比例す
る。しかし、この平均値自体は角速度と独立した
ものではない。この平均値は、インダクタの壁か
ら融解金属浴にわたり磁界が横切る材料の電気的
性質のため、角速度に逆比例して変化する。一般
に鋳型は銅製とし、鋳型の導電率を高め、機械的
堅牢度を十分とするために鋳型壁の厚さを厚くし
たため、磁界が鋳型夫自体を横切る時にフーコ電
流が発生し、磁界は甚だしく減衰される。 以上述べた点からだけでは原理上、通常の電路
周波数（50ヘルツ）で回転する磁界によつて融解
金属を撹拌できる筈である。しかし融解金属中に
おいて磁界を十分な強さとするためには、甚だ強
力な真空磁界を発生するインダクタが考えられ
る。しかしかかるインダクタは極めて大型とな
り、連続鋳造装置の寸法とは両立できない。 他方において、例えば20ヘルツの励磁電流周波
数に対応する低回転速度の磁界によつて融解金属
浴を十分に撹拌できるインダクタとして、1500ガ
ウス程度の真空磁界を発生するインダクタが考え
られる。しかし上述したように、撹拌の強さが磁
界の角速度に正比例するため、撹拌の強さが所望
の冶金結果を得るに不十分となる。 本発明において、融解金属を有効に撹拌するた
めには、磁界および鋳型を適当に選択することが
極めて重要であることを確かめた。すなわち半ば
凝固した融解金属を鋳型から迅速に取出すために
は、鋳型壁を十分に厚くかつ均質とし、かつ鋳型
から熱を極めて迅速に取去ることが極めて重要で
ある。これと同時に、鋳型の厳しい温度条件なら
びに機械的応力条件を考慮し、鋳型を機械的に堅
牢とする必要がある。これがため工業的開発が有
利である連続鋳造装置を構成するに当り、各別に
は最適値をとり得ず、互に折衷する必要ある相当
数の要因を考慮する必要がある。実際上、鋳型に
よつて磁界を減衰するを望まない場合には、鋳型
材料として高抵抗材料を選択する必要がある。し
かし、導電率と熱伝導率とは変化方向が互に同一
であるため、鋳型壁の温度が上昇すると、永久変
形が起るおそれがある。しかし鋳型材として、遮
磁効果が極めて小さな材料を利用することは実際
上不可能であつて、その結果、鋳型による磁界の
極めて大きな減衰を回避するため、低周波数で回
転する磁界を適用する必要がある。 かかる見地から本発明では鋳型材として、導電
率が純銅よりも低く、しかも熱伝導率が極端に低
くなく機械的特性の優れた銅合金が選択される。
かかる銅合金は組織硬化構造をもつ。即ちかかる
銅合金の合金元素は高温度で銅中に容易に融解す
るが、温度が低下するにつれて極めて融解し難く
なる。従つてかかる銅合金は焼戻しされると、常
温で過飽和固溶体となり、この固溶体は焼戻し後
微細な折出硬化組織を生じる。この銅合金は焼戻
し中に冷間つち打加工を施して折出を容易にし、
その機械的特性を更に改善するのが好適である。
かかる種類の銅合金は、例えば銅―クロム合金
（Cr0.5〜0.9％）、銅―銀合金（Ag0.003〜0.1
％）、銅―ベリリウム合金（Be1.8〜２％）、銅―
ジルコニウム合金で、その主特性は次の第１表の
通りである。

【表】 上表中Rrは破壊荷重、Reは弾性限界を示す。
その他の符号は上述した通りである。 第１表中の数値は、熱処理条件で幾分変化する
ため、平均値で示してある。銅合金として、合金
元素を２種添加したもの、例えば銅―クロム―ジ
ルコニウム合金、銅―ベリリウム―コバルト合
金、銅―ベリリウム―ニツケル合金を用いること
もできる。上表から明らかなように、銅―クロム
合金および銅―銀合金は、熱伝導率および導電率
が甚だ優れ、機械的特性も良好である。これに反
し銅―ベリリウム合金は熱伝導率および導電率が
幾分劣るが機械的特性は良好であつて、これら銅
合金は何れも鋳型材として好適である。 鋳型材としての銅合金を一旦選択した後、鋳型
壁の厚さを、熱応力に基因する変形を最小ならし
めるように決める。熱応力は鋳型壁の厚さが増す
程増加するため、鋳型壁は肉薄とする必要があ
る。 本発明においては、鋳型内壁のメニスカス表
面、すなわち応力が一番強く作用する個所におけ
る熱応力を次式によつて算出した。 ここに

【表】 この式は、室温（20〜25℃）から約400℃の連
続鋳造鋳型の可能な温度範囲で有効である。より
詳細には冷却水と接触する鋳型の外面でのほぼ
100℃からメニスカス付近の鋳型の高温部分の約
150℃（ビレツト用の鋳型壁が薄いとき）乃至300
〜350℃（スラブ又はインゴツト用の厚い鋳型壁
の場合）までの温度範囲で上式は有効である。 次の第２表は、鋳型材として銅―クロム合金、
銅―銀合金および銅―ベリリウム合金（Be2％）
を用いた場合の、種々異なる鋳型壁の厚さに対
し、上式によつて算出した熱応力σ_cの値を示
す。

【表】

【表】 上表の計算は、実験の結果合理的な値であると
確認したΦの値、すなわちメニスカス表面上の熱
線束の値を75cal/cm²として行つた。上表の数値に
基いて構成した鋳型は、永久変形を生ずるおそれ
なく、算出した熱応力σ_cは選択した鋳型材の弾
性限界の約60％以下であることを確めた。 鋳型壁の最大厚さは、次式によつて算出するこ
とができる。 第１および２表に掲げた数値によれば、鋳型材
として銅―クロム合金を用いる場合には、鋳型壁
の最大厚さは12mmとし、銅―銀合金を用いる場合
には11mmである。銅―ベリリウム合金を用いる場
合には第１表から計算すると、σ_c0.6×126、
即ちσ_c75.6で弾性限界が遥かに高く、最大厚
さは一層大きくなるが、電磁気的理由で15mm以下
が好ましい。冷却水の圧力ならびに鋳物を取出す
際に加わる力に基因して生ずる応力を無視できな
いため、鋳型壁は余り薄くすることはできない。 磁界の侵透深さは、固有抵抗が大きな銅合金の
場合には同一であるが、通常の電流周波数に等し
い回転周波数を用いる場合には、比較的浅い、こ
れがため低い回転周波数を用いる必要があるが、
融解金属の回転速度が磁界の回転速度よりも遅い
ことと、融解金属の回転速度は撹拌を効果的に達
成するためには余り遅くてはいけないこととのた
め、低い回転周波数の下限値にも制限がある。本
発明においては４〜15ヘルツ、特に６〜12ヘルツ
を選択すれば、最良の結果を得ることができるこ
とを確かめた。連続鋳造撹拌用回転磁界として
は、一般に、多相インダクタを、上方冷却室内に
収納した鋳型の壁の直後に設け、多数対の磁極を
多相線によつて附勢し、50ヘルツの附勢電流によ
つて発生させた低周波数回転磁界を用いることが
できる。しかし一対の磁極を単相線によつて附勢
し、撹拌すべき融解金属が存在する領域に磁極間
隙中心に平等磁界を作用させることもできる。こ
の場合には１秒当りの磁界の回転角速度は、附勢
電流の周波数に等しくなる。 本発明方法は、既存の鋳型に適用し、円形ビレ
ツトを連続鋳造するに好適である。しかし方形材
料または長さ対幅の比が１対３以下のほぼ方形の
材料を容易に連続鋳造することができる。介在物
がなく、内部組織に欠陥の無い材料を製造するた
めの後処理用として特に好適である。 上述した本発明の実施態様は次の通り要約する
ことができる。 (1) 特許請求の範囲の項記載の金属材料の電磁遠
心分離連続鋳造方法において、磁界の回転周波
数を６ヘルツ乃至12ヘルツとする。 (2) 特許請求の範囲の項および前記第１項記載の
円形金属材料の電磁遠心分離連続鋳造方法にお
いて、鋳型壁の厚さを15mm以下とする。 (3) 特許請求の範囲の項および前記第１〜２項記
載の方法において、磁界を１対の磁極を具える
多相電磁インダクタによつて発生させる。 (4) 特許請求の範囲の項および前記第１〜３項記
載の方法において、回転磁界の有効強さを少な
くとも800ガウスとする。 (5) 特許請求の範囲の項および前記第１〜４項記
載の方法において、磁界の有効強さを1000ガウ
ス乃至2000ガウスとする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 融解金属を冷鋳型内に装填し、鋳造金属材料
   の直ぐ近くに配置した多層インダクタによつて生
   じ、鋳型軸線の周りを回転する磁界によつて鋳型
   内の融解金属を回転させ、半ば凝固した融解金属
   を鋳型から取出すことより成る金属材料の電磁遠
   心分離連続鋳造方法において、撹拌の強さを最大
   とするために、 ―磁界の回転周波数を４ヘルツ乃至15ヘルツと
   し、 ―鋳型を、組織硬化構造の銅合金製とし、 ―鋳型壁の最大内部熱応力がその弾性限度の0.6
   倍以下で且つ厚さ自体が15mm以内の最大値となる
   ように鋳型壁の厚さを決定することを特徴とする
   金属材料の電磁遠心分離連続鋳造方法。