JPS6143137B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、例えばアルミニウム、銅、および
その合金のインゴツトのような溶融金属および合
金の連続または半連続鋳造に関するものであり、
特にそのようなインゴツトの水平或は垂直貯蔵供
給鋳造に適用可能なものである。

連続鋳造に使用される鋳型は溶融金属を内蔵
し、固化部分を形成するように溶融金属から熱を
取り去る。そのライナー（内張り）は代表的なも
のは銅、アルミニウム、グラフアイト等のような
導電材料から作られた一体的なものである。放熱
はライナーの外側を水冷することによつて普通行
なわれる。

固化は、溶融金属と水冷された鋳型との最初の
接触地点から進行する。典型的には形成する固体
殻は厚くなり、鋳型を出てさらに冷却を受ける前
に鋳型から収縮する。低い熱伝導度を有するライ
ナー或はホツト・トツプ（hot−top）の使用は最
初の固化を溶融金属表面から離れた鋳型の下部範
囲に移動させ、それによつて溶融金属表面に材料
の捕捉によつて発生されるインゴツト表面の欠陥
を避けている。そのようなライナー或はホツト・
トツプを有し、或は有しない状態において最初の
固化殻は、殻と鋳型との間の相対運動によつて生
じた摩擦力が殻の完全性を越える時にホツト・テ
イア（hot tear）を生じ易い。そのようなホツ
ト・チアはインゴツト表面の品質を非常に害する
ものであり、極端な場合には鋳造損失になり得る
ものである。

低熱伝導度のライナー或はホツト・トツプを備
え、或は備えていない典型的な鋳型において、溶
融金属が最初に冷却された鋳型壁と最初に接触す
る鋳型区域における突然の急激な熱抽出が存在す
る。接触によつて直に溶融金属は冷却され固化を
始める。それに伴う急激な高い熱の転送率は直
接、間接に種々の問題を生じるものと考えられて
いる。これ等の問題にはホツト・チアに対する感
応性を増大させるインゴツト表面のコールド・フ
オールド（cold fold）や、鋳造される合金を分
離析出させる可能性を増加させる傾向があり、イ
ンゴツト表面の品質を付随的に低下させる高い熱
伝達や、普通の直接冷却（DC）鋳造では後続す
る処理において性能の低下をもたらすようなイン
ゴツトの周辺上の大きな円柱状区域中に生じ得る
高い最初の固化速度等が含まれている。

したがつて、連続的或は半連続的鋳造において
は鋳造システムの熱特性を制御することによつて
殻の最初の固化を制御する経済的で、簡単で、効
率のよい手段が必要であり、この必要性を満たす
ことがこの発明の目的である。

スラリー鋳造システム中で使用する２重鋳型は
1980年９月４日に出願された米国特許出願第
184089号（1979年２月26日出願の第15059号の継
続出願）明細書に記載されている。ここに記載さ
れたスラリー鋳造システムはチクソトロピツク
（thixotrpic）な半固体合金スラリーを生成する
ための所要の高い剪断速度を得るように２極多相
モーターステータによつて発生される回転磁界に
関係する磁気流体力学的運動を利用している。こ
の形式のシステムでは鋳型壁に冷却媒体を供給す
る多岐管はステータの上部に配置されることが望
ましい。これは鋳型空洞の一部が実効的な磁気撹
拌力が与えられる区域の外側に拡がる可能性を生
じる。この問題を解決するために鋳型空洞の上部
区域に低い熱伝導度を有する部分的な絶縁性鋳型
ライナーが設けられる。鋳型ライナーは鋳型空洞
中に充分な距離だけ下方に延在し、それ故磁気撹
拌力磁界は少なくとも部分的に鋳型ライナーと交
叉し、それ故鋳型空洞内の固化は溶融金属が有効
磁界中に位置するまで遅らせられる。部分的なラ
イナーはまた溶融金属中の熱を維持することによ
つて熱の伝達を制御する作用も行なう。

直冷鋳造中に熱伝導性の鋳型中の熱の伝達速度
を制御するプロセスはハリントン等の米国特許第
3612152号明細書に示されている。この特許にお
いてはインゴツト表面における固化の線が上流伝
導（upstream conduction）から導体性鋳型と絶
縁性の貯蔵所或はホツト・トツプとの間の接合部
の付近にあるような特定の範囲に鋳造速度を制御
することによつて熱伝達速度が調整される。上流
伝導距離（upstream conduction distance＝
UCD）は直接冷却の冷却媒体の濡れの平面と直
接冷却のみによるインゴツト表面の固化線との間
の距離として定義される。前記米国特許第
3612151号明細書にはUCDを決定するための数学
的な関係も示されている。これ等典型的なシステ
ムはサーモカツプルおよび高価、複雑な制御のよ
うな鋳造システム監視装置を必要とする。さらに
特別の鋳造が行なわれる間に所望され或は可能で
ある鋳造速度に或る固有の制限がある。ホツト・
トツプや、冷却された鋳型に隣接する熱抽出区域
や、鋳型或はライナーの鋳造或は溶融金属側のラ
イニング（ガードナー等による米国特許第
2672665号参照）などの装置の利用および異なる
耐熱材料の多段の鋳型部分（米国特許第4074747
号参照）の使用によつて連続的に鋳造を行なう間
に少なくとも２つの区域から熱を取り去ることも
知られている。これ等のシステムは鋳型或はシス
テムの広範囲の変更が必要であり、一般的に重要
な正確な区域で高度の制御を許容するものではな
い。

鋳造のライナーはまた直接冷却鋳造における摩
擦および調整の問題を解決するために使用され
る。例えばモリツツの米国特許第3212142号は鋳
型壁の溶融金属側に短い、テーパを有するグラフ
アイトのライナー或は挿入体を設けた鋳型を利用
している。挿入体は熱の半径方向の移動を制限す
るように作用し、それによつてインゴツトの周辺
において固化金属の殻の形成されるのを実質上回
避している。

前述の従来技術の特許は全て鋳型宛はライナー
の溶融金属側に沿つたライナー自体の広範囲の変
更を必要とし、および／または例えば鋳造速度の
ような鋳造システムのパラメータの高度の制御を
必要とする。

この発明は鋳型の熱特性を制御することによつ
てインゴツト殻の初期固化を制御する方法および
装置より成るものである。制御は鋳型或はライナ
ーの外側（冷却水側）に熱絶縁材料の層を選択的
に施すことによつて行なわれる。その層は鋳型或
は鋳型ライナーを通つて冷却水中に鋳造体から取
り去られる熱の局部的な速度を減少させ、それに
よつて最初の殻の形成速度を低下させる。

この発明によれば絶縁層は溶融金属が最初にラ
イナー内側面（溶融金属側）と接触状態となる鋳
型またはライナーの区域における熱の流れに対す
る１次抵抗であるべきである。これは、層の最小
の厚さｄが次の関係を満足する時に達成されるこ
とが認められた。

ｄ２δκ（Ｔ_Ｌ−Ｔ_Ｗ）／ＳＲρＣ_Ｐ（Ｔ
_Ｉ−Ｔ_Ｌ） ここで、 δ＝層の幅（第６図参照） κ＝絶縁層の熱伝導度 Ｔ_L＝溶融金属液体の温度 Ｔ_W＝鋳型またはライナー冷却水の温度 Ｓ＝鋳造速度 Ｒ＝鋳型の半径 ρ＝溶融金属の密度 Ｃ_P＝溶融金属の比熱 Ｔ_I＝入口温度 この発明は鋳造の進行中における鋳造或は鋳型
ライナーの熱の伝達を調整する方法および手段を
明らかにするものである。鋳型内における高い、
むらのある熱の伝達は形成されるインゴツトの周
面にコールド・フオールドを生じる傾向がある。
ホツト・トツプ或はライナーを利用する時、これ
等の高い熱伝達速度はまた、溶融金属或は合金の
固化をホツト・トツプ或はライナーに非常に近接
するようにする傾向を生じ、殻がしばしばホツ
ト・トツプ或はライナーと接触してそれを衝撃し
てインゴツトの表面に裂傷を生じ、および／また
は金属が鋳型壁に流れ出ることを阻止してそれに
よつて充填を不完全にする。ホツト・トツプ或は
ライナーが存在しない場合には凝固に際してしば
しばインゴツト表面中の不純物の捕捉がそれ自身
にはつきりと認められる。

図面を参照すると、第１図はチクソトロピツク
な金属スラリーの連続的または半連続的スラリー
鋳造用装置を示す。ここに使用するスラリー鋳造
と云う語は後の処理のためのビレツトのような所
望の構造体に直接半固体チクソトロピツク金属ス
ラリーを形成すること、或はスラリーから形成す
るダイキヤストを云うものとする。

装置１０は主としてそのような材料の鋳造、鍛
造等の種々の用途における中間処理或はそれより
後の用途のための材料を与えるためのものであ
る。スラリー鋳造の利点は普通のダイキヤストに
比較して鋳造の完全性が改善されることである。
金属は鋳造に入る時に部分的に固体であり、した
がつて収縮による多孔が発生することが少ないた
めにこのような結果が生じるのである。機械部品
の寿命も鋳型の腐蝕の減少とスラリー鋳造に関連
する熱衝撃の減少によつて改善される。

チクソトロピツクはスラリーの金属組成は１次
的なばらばらの固体粒子とそれ等を囲むマトリツ
クスより成つている。粒子を囲むマトリツクスは
金属組成物が充分に固化した時には固体であり、
金属組成物が部分的に固体でかつ部分的に液体ス
ラリーである時には液体である。１次的な固体粒
子は一般に球状或は楕円体状のばらばらのデンド
ライト或は団塊（nodule）から成る。１次的な固
体粒子は完全に固化した合金中の周囲のマトリツ
クスの平均組成と異なつた平均組成を有する単相
或は複数の相で構成されている。マトリツクス自
身はさらに固化した時に１以上の相から成るもの
とすることができる。

普通に固化した合金は温度が低下し固体の重量
部分が増加するに従つて相互連結された網状組織
を発達させる分岐したデンドライトを有してい
る。それに対してチクソトロピツクな金属スラリ
ーは潜在的に80重量％の固体分までの、液体金属
マトリツクスによつて相互に分離されたばらばら
の１次的な縮退した（degenerate）デンドライト
粒子で構成されている。１次的固体粒子は縮退し
たデンドライトであり、それにおいてそれ等は平
滑な表面と楕円体に近い形状の分岐の少ない構造
によつて特徴づけられている。その周囲の固体マ
トリツクスは１次固体粒子の形成に続く液体マト
リツクスの固化中に形成され、より普通の方法に
よる液体合金の固化中に得られるような形式の１
以上の相を含んでいる。周囲のマトリツクスはデ
ンドライト、一相若しくは多相の化合物、固溶体
および／またはそれ等の混合物から成つている。

第１図において、装置１０は連続的若しくは半
連続的スラリー鋳造に適した円筒状鋳型１１を備
えている。鋳型１１はステンレス鋼、銅、銅合
金、アルミニウム、その他類似物のような任意所
望の非磁性材料で作ることができる。

装置１０およびそれを使用したプロセスは撹拌
に普通の２極多相誘導電動機ステータを使用して
円筒状のインゴツトを作るのに特に適したもので
ある。しかしながら、非磁性体の鋳型１１と共に
横断方向或は周辺方向に移動する磁界を使用する
ことも可能であるから円筒状インゴツト断面を形
成する場合に限定されるものではない。ここでは
好ましい実施例の装置１０は円筒状の鋳型１１を
利用している。

鋳型１１の底部ブロツク１３は鋳造体が固化し
た殻を形成するにつれて鋳型から離れるように移
動する如く構成されている。可動底部ブロツク１
３は標準形式の直冷式鋳造型の底部ブロツクより
構成されている。それは金属で作られ、鋳型空洞
の範囲内に設定された位置と鋳型１１から離れた
位置との間で移動するように構成されている。こ
の移動は底部ブロツク１３を適当な移動台１５上
に支持することによつて行なわれる。誘導ねじ１
６，１７或は水圧手段が使用されて通常実用され
ているように所望の鋳造速度で底部ブロツク１３
を上昇或は下降させる。底部ブロツク１３は鋳型
軸１８に沿つて軸方向に移動するようにされてい
る。それは空洞１９を具備し、そこに溶融金属が
最初に注がれ、それは鋳型１１から引離される時
に生成される鋳造体を安定させるように影響を与
える。

冷却多岐管２０が鋳型壁２１の周囲に設けられ
ている。図示した多岐管２０は入力側の第１の室
２２と狭い溝２４によつてこの第１の室２２に連
結された第２の室２３とを有している。冷却媒体
ジヤケツトスリーブ２０ａが多岐管２０に取り付
けられている。この冷却媒体ジヤケツトスリーブ
２０ａもまた非磁性材料で作られている。冷却媒
体ジヤケツトスリーブ２０ａおよび鋳型１１の外
面２６は排出溝２５を形成している。水であるこ
とが望ましい冷却媒体の均一なカーテンが鋳型１
１の外面の周囲に形成される。冷却媒体は溶融金
属から鋳型１１の内壁を介して熱を取り去る作用
をする。冷却媒体は溝２５を通つて排出され、固
化されているインゴツト３１に対して直接放出さ
れる。適当な弁装置２７が設けられて、スラリー
の固化される速度を制御するために放出される水
その他の冷却媒体の流量を制御している。図示の
装置１０においては手動操作弁２７が示されてい
るが、もし所望であればこれは電気的に操作され
る弁或は任意のその他適当な弁にすることもでき
る。

鋳型１１に注がれた溶融金属は鋳型１１の外面
２６にそれを取囲む多岐管２０から散布された水
によつて制御された条件下に冷却される。鋳型外
面２６に対する水の流量を制御することによつて
鋳型１１内の溶融金属から熱を取り去る速度は部
分的に制御される。

鋳型１１内の溶融金属を撹拌して所望のチクソ
トロピツクなスラリーを形成する手段を設けるた
めに、２極多相誘導電動機ステータ２８が鋳型１
１を囲んで設けられている。ステータ２８は積層
鉄心２９を備え、それに所望の巻線３０が３相誘
導電動機ステータを構成するように普通の方法で
巻回されている。ステータ２８は電動機容器Ｍ中
に設置されている。多岐管２０とステータ２８は
鋳型１１およびその内部に形成された鋳造体３１
の軸１８と同軸に配置されている。

２極３相誘導電動機ステータ２８を使用するこ
とが望ましい。２極電動機ステータ２８の利点の
一つは鋳型１１の全断面に亘つてゼロ磁界の部分
が存在しないことである。それ故全断面において
所望のスラリー鋳造構造を有する鋳造体を固化さ
せることが可能である。

ステータ２８の磁界によつて生じた撹拌作用に
よつて溶融金属およびスラリーがこぼれるのを阻
止するために部分的に密閉するカバー３２が使用
される。カバー３２は多岐管２０上に設けられ、
適当なセラミツクライナー３３によつてそれから
隔離された金属板から成る。カバー３２は開口３
４を持ち、それを通つて溶融金属が鋳型空洞１４
中に流入する。カバー３２の開口３４と連通した
フアンネル３５が設けられ溶融金属を開口１４へ
導いている。セラミツクライナー３６が金属のフ
アンネル３５と開口３４を保護するために使用さ
れている。チクソトロピツクな金属スラリーは鋳
型１１内で回転されるので、空洞の遠心力は金属
を鋳型壁２１の上方へ駆動させるようにする。セ
ラミツクライナー３３を備えたカバー３２は金属
スラリーが鋳型１１から外方へ押し出され、こぼ
れないように阻止し装置１０が破損しないように
する。カバー３２のフアンネル３５はまた遠心力
によつて鋳造体の端部にＵ字形の空洞が形成する
ことを避けるために鋳型１１が満たされた状態を
保持するための溶融金属の貯蔵器として作用す
る。

フアンネル３５の直上に管３７が設けられ、そ
れを通つて溶融金属が図示されていない適当な炉
から流入する。図示されていない弁装置が関連し
て管３７と同軸に配置され、普通行なわれている
ように鋳型１１への溶融金属の流入を調節するた
めに使用される。

図示されていない炉は通常の設計の任意のもの
でよい。炉が鋳型１１の直上に位置することは本
質的に必要なことではない。通常の鋳造プロセス
によつて炉はそれから横にずれた位置に配置さ
れ、鋳型１１に一連の樋等で連結されてもよい。

ステータ２８によつて発生された撹拌力磁界は
溶融金属およびチクソトロピツクな金属スラリー
の全固化領域に拡がつていることが望ましい。他
方鋳造体の構造はステータ２８の磁界内の領域は
スラリー鋳造構造を有し、ステータ磁界の外側の
領域はスラリーでない鋳造構造を持つ傾向があ
る。第１図の実施例において固化領域は鋳型１１
内に溶融金属とスラリーの溜り部分から成り、そ
れは頂面４０から固化された鋳造体３１をスラリ
ーから分離している固化前縁４１まで拡がつてい
る。固化領域は少なくとも鋳型空洞１４内の固化
およびスラリー形成の最初の開始領域から固化前
縁４１まで延在している。

通常の固化条件下ではインゴツト３１の周辺は
円柱状のデンドライトの粒状構造を呈している。
そのような構造は望ましいものではなく、インゴ
ツトの断面の大部分を占めているスラリー鋳造構
造の全体の利点を損じるものである。この外側の
デンドライト層を無くし或はその厚さを実質的に
減少させるために鋳型１１の上部領域の熱伝導度
はセラミツクのような絶縁体で形成された部分的
な鋳型ライナー４２によつて減少されている。セ
ラミツクの鋳型ライナー４２は鋳型のカバー３２
のセラミツクライナー３３から延びて下方の突出
部端縁４３を有している。セラミツク鋳型ライナ
ー４２は鋳型空洞１４中に下方に充分な長さだけ
延在し、そのため２極電動機ステータ２８の撹拌
力磁界は少なくとも部分的にセラミツク鋳型ライ
ナー４２によつて一部捕えられている。セラミツ
ク鋳型ライナー４２は鋳型１１の内側の形状と一
致した殻であり、鋳型壁２１に保持されている。
したがつて鋳型１１はセラミツクライナー４２に
よつて画定された低熱伝導度の上部部分と鋳型壁
２１の露出部分によつて画定される高熱伝導度の
部分とを備えた二重構造に構成されている。

ライナー４２は溶融磁界が強い磁気撹拌力の領
域にあるまで固化を遅らせる。ライナー４２に関
連した低い熱搬出速度は一般に鋳型１１のその部
分における固化を阻止する。一般に固化はライナ
ー４２の下流端に向つて、或はその直後を除いて
は生じない。加えられた回転磁界によつて生じた
剪断プロセスはライナー４２の領域中で固体殻を
形成する傾向をさらに打破する。この４２の低熱
伝導度の領域はそれによつて生成されるスラリー
鋳造インゴツト３１がその外面に達するまでの断
面全体に亘つて縮退したデンドライト構造を持つ
ことを助長する。

ライナー４２によつて決定された制御された熱
伝導度の領域の下方では通常の形式の水冷の金属
鋳造鋳型壁２１が存在する。鋳型１１のこの部分
に関連する高い熱伝達速度はインゴツト殻の形成
を促進する。

鋳造体の表面に所望のスラリー鋳造構造を形成
するために鋳型ライナー４２から最初の固化成長
を実質上剪断することが望ましい。これはステー
タ２８によつて発生する磁界が少なくとも固化が
最初に開始される部分まで確実に拡がるように形
成することによつて行なわれる。

鋳型１１の周辺に垂直に最初に形成されるデン
ドライトは誘導電動機ステータ２８の回転磁界に
よつて生じる金属の流れによつて容易に剪断され
る。剪断されたデンドライトはそれ等が固化境界
である固化前縁４１によつて捕えられるまで撹拌
され続けられて縮退したデンドライトを形成す
る。縮退したデンドライトはまた直接スラリー中
で形成される。何故ならば溶融体の回転撹拌作用
はデンドライトの優先的な成長を許容しないから
である。確実にこれを行なうためにステータ２８
の長さは固化領域の全長に亘つて延びていること
が望ましい。特にステータ２８による撹拌磁界は
所望の剪断速度を生じるのに充分な大きさで固化
領域の全長および全断面に亘つて存在しなければ
ならない。

第１図の装置１０を利用してインゴツト３１を
形成するために溶融金属が鋳型空洞１４に、注が
れ、一方ステータ２８は所望の大きさおよび周波
数の適当な３相交流電流によつて付勢される。溶
融金属が鋳型空洞に注がれた後にステータ２８に
よつて発生した回転磁界によつて連続的に撹拌さ
れる。固化は鋳型壁２１から始まる。最高の剪断
速度は静止した鋳型壁２１において或は前進した
固化前縁４１において生じる。従来技術により知
られている任意の所望の手段によつて固化の速度
を適当に制御することによつて、所望のチクソト
ロピツクなスラリーが鋳型空洞１４中に形成され
る。固化殻がインゴツト３１上に形成されるので
底部ブロツク１３は所望の鋳造速度で下方に引き
上げられる。

第２図には代表的な従来技術である直冷鋳造鋳
型５０が示されており、それは溶融金属供給管５
４によつて供給される溶融金属５２から熱を取り
去る。冷却媒体は図示しない手段で鋳型室５６に
供給され、溝５８から直接固化インゴツト６０に
６２の部分で放出される。室５６内の冷却媒体は
また鋳型５０の内壁６４を介して溶融金属５２か
ら熱を運び去る作用をする。液体−固体境界面６
６は溶融金属５２を固化インゴツト６０から分離
している。

第３図は従来の別の直冷鋳造方式を示してお
り、それは開放された頂部貯蔵器としてホツト・
トツプ（hot−top）７０を利用している。貯蔵器
すなわちホツト・トツプ７０は壁６４の内面から
内側に向つた突出部７２を備えている。ホツト・
トツプの利用はまた従来技術による鋳型５０′が
示されている第４図にも描かれている。鋳型５
０′は冷却室５６′に取り付けられてそれと関連す
る水冷ジヤケツトスリーブ６４′および壁７４′を
有している。壁７４′とスリーブ６４′の部分は冷
却室５６′から固化インゴツト６０の表面へ向け
て冷却媒体を放出するための溝５８′を形成して
いる。直冷鋳造においては溶融金属５２は液体か
ら固体への相変化が遂行される。固化インゴツト
６０は溶融金属５２とは異なる熱特性を有し、鋳
型内壁６４或はスリーブ６４′から収縮して熱フ
ラツクスに変化を生じさせる傾向がある。

この発明によれば、第５図乃至第８図に示すよ
うに熱絶縁層或はバンド８０を鋳型壁２１，６４
或はスリーブ６４′の冷却媒体側表面に配置する
ことによつて鋳型壁２１或は６４、またはスリー
ブ６４′を通る熱束中の変化を適度なものとす
る。熱絶縁層バンド８０は鋳型壁２１，６４或は
スリーブ６４′を通る熱の伝達を遅らせ、それに
よつて溶融金属の固化を遅らせ、固化の内方への
成長を減少させるように作用する。バンド８０の
軸方向の長さ、すなわちバンドの軸δは熱フラツ
クスの突然の変化が典型的に発見できる区域にお
ける壁を通る熱フラツクス中の突然の変化を変え
るように選択することができる。典型的に重要な
区域はスラリー鋳造システムの鋳型ライナー４２
の突出部端縁７３、ホツト・トツプ７０および７
０′の突出部端縁７２、或は最初の固化の地点に
対する鋳型内壁と溶融金属の最初の接触点（液体
−固体境界面４１または６６が鋳型壁内面と接触
するインゴツトの周辺に沿つた地点）の直後であ
る。通常この距離はこの区域における鋳型内壁を
通る高い熱フラツクスのためにほんの短い距離で
ある。鋳型壁２１，６４或はスリーブ６４′の冷
却媒体側に沿つて絶縁バンド８０を設けることに
よつてこの重要な区域は鋳型壁２１，６４或はス
リーブ６４′を通る熱フラツクスの均一性の付加
的な制御の結果拡大される。溶融金属の凝固は壁
２１，６４或はスリーブ６４′の非常に短い軸方
向の距離に沿つて発生するのではなく、拡張され
る。

以下に記載する絶縁バンド８０の厚さｄについ
ての関係式は次のとおり導出される。

バンド８０の１次的作用は鋳型ライナー突出部
４３、ホツト・トツプ７２の領域或は最初に溶融
金属が壁２１，６４或はスリーブ６４′と接触す
る地点における壁２１，６４或はスリーブ６４′
から、或はそれ等を通して流れる熱の流れを制限
し、バンドの幅δに亘る熱フラツクスは入つて来
る溶融体の過熱に関連した熱に等しいか少なくな
ければならないと仮定する。すなわち、 ２πＲδｑπR²SρＣ_P（Ｔ_I−Ｔ_L）
…………(1) ここで、 Ｒ＝鋳造の半径 δ＝バンドの幅 ｑ＝熱フラツクス Ｓ＝鋳造速度 ρ＝鋳型の密度 Ｃ_P＝溶融体の比熱 Ｔ_I＝入口温度 Ｔ_L＝液体である温度 この式をｑについて解くと、 ｑＳＲρＣ_Ｐ（Ｔ_Ｉ−Ｔ_Ｌ）／２δ…………
(2) 絶縁体バンド８０は鋳造のこの区域における熱
の流れに対する１次抵抗であることがこの発明の
意図するところであり、それ故熱フラツクスは
略々次のようになる。

ｑ＝κ／ｄ（Ｔ_L−Ｔ_W） …………(3) ここで、κは絶縁体バンド８０の熱伝導度 ｄは絶縁体バンド８０の厚さ Ｔ_Wは鋳型冷却媒体の温度 (3)式で示されたｑを(2)式に代入すると最小の厚
さｄは次のようになる。

ｄ２δκ（Ｔ_Ｌ−Ｔ_Ｗ）／ＳＲρＣ_Ｐ（Ｔ_Ｉ
−Ｔ_Ｌ）…………(4) (4)式から絶縁体バンド８０の熱伝導度が増加す
るに従つて最小の厚さｄも増加することが認めら
れる。厚さと鋳造速度およびバンドの幅との関係
は鋳型壁２１，６４或はスリーブ６４′に対する
接触時間におけるこれ等のパラメータの効果によ
つて説明される。

典型的な連続鋳造システムにおいては非常に薄
いバンドが効果的であることが発見されたことは
注目すべき重要なことである。これは次のような
鋳造システムについて考えることによつて容易に
認められる。バンドの幅δ＝１cm、κ＝10^-4cal/
cmｓｅｃ〓、Ｔ_L＝700℃、Ｔ_W＝100℃、Ｓ＝25.4cm/
ｍｉｎ、Ｒ＝3.18cm、ρ＝2.37ｇ/cm³、Ｃ_P＝0.2cal/
ｇ〓、およびＴ_I＝750℃と仮定すると、ｄは(4)式
によつて計算され次のようになる。

ｄ0.038mm＝0.015インチ したがつて、この発明によつて鋳型壁２４，６
４或はスリーブ６４′の外側の（冷却媒体側の）
表面に吹き付けられた絶縁層８０は吹き付けられ
た（影響を受けた）区域に沿つた吹き付けられた
ライナー或は壁を通り抜ける熱フラツクスの急激
な変化を阻止するのに全く効果的であることが発
見された。第８図に示すように絶縁体バンド８０
の頂部はホツト・トツプの突出部端縁７２の区域
における高い熱の伝達を阻止する際の安全係数と
してホツト・トツプの突出部７２より高い位置に
達している。同様に絶縁体バンド８０の頂部はラ
イナー４２の下方端部突出部よりも高い位置に達
しているとよい。

一方、鋳型壁自身のパルク特性が吹き付けや被
覆以外の他の手段、例えば重要な、或は影響を受
ける区域の領域の鋳型壁材料を変えることによつ
て変化できることも考えられるが、そのような鋳
型の変更は不必要に複雑になり高価になる。その
ような方法の変形として鋳型壁２１，６４或はス
リーブ６４′の外側（冷却媒体側）表面に溝を切
削或いは形成し、その後異なる材料および／また
は厚さの固体バンドを挿入することも考えられ
る。鋳型壁２１，６４或はスリーブ６４′の内側
（溶融金属側）にそのような挿入体を用いること
はあまり望ましいことではない。そのようにする
と鋳型の鋳造表面に沿つて不連続性が生じる。吹
き付けや塗着の代りに絶縁体バンドを鋳型の外面
に接着することも考えられる。

鋳型壁よりも低い熱伝導度および拡散度を有
し、鋳造プロセスで使用される冷却媒体中で安定
な任意の熱絶縁材料がこの発明において使用する
のに適している。例えば低い熱伝導度を有する金
属、金属合金、酸化物、金属酸化物、商標名
GLYPTALとして知られているような適当な高分
子被覆材料、樹脂、エナメル、エポキシ、プラス
チツク、或はその他の絶縁材料が使用できる。

第９図の写真は第１図に示された鋳造装置を使
用した連続鋳造による直径６インチの合金
AA6061を示している。鋳造は温度1280〜1300
〓、速度７インチ／分、磁界強度600ガウス、冷
却媒体の流速26ｇpmで行なわれた。第１０図の
写真は鋳型の冷却水側に絶縁材料の狭い（幅3/4
インチ）のバンドを吹き付けて付加した点を徐い
て同じ装置およびシステムパラメータを使用して
作られた別の６インチの合金AA6061を示してい
る。絶縁体バンドの使用は鋳造体の周辺の円柱状
領域の厚さを減少させコールドフオールド（cold
fold）の厳密さと逆分離を減少させるという付随
的な効果を有する。

この発明による以上説明した技術は水冷鋳造の
鋳型と関連して実質的なゼロから正常値までスム
ーズに連続鋳造システムに関連して熱取り出し速
度を変化させる作用をする。このスムースな転移
は、制御された、厳密さが少なくてよい条件下に
インゴツト殻の成長および発達を許容する。その
結果、種々の利点が生じる。まず交流凝固に関連
したコールドフオールドのようなレンズ関係の効
果および凹部形成が本質的に除去される。結論と
してホツト・チア（hot tearing）に対する感受
性が著しく減少される。第２に固化速度が低下す
ると鋳造の初期における合金の析出の傾向が減少
される。したがつて急速な冷却／再加熱サイクル
に関係する逆析出が減少し、表面の品質が付随的
に改善される。初期固化速度が減少することによ
つてインゴツトの周辺の円柱状領域も小さくな
り、次の処理における性能を改善することにな
る。

この発明はあらゆる金属および合金の鋳造に使
用できることが期待される。鋳型材料、潤滑剤、
冷却媒体等の選択は鋳造される特定の合金或は金
属により決められ鋳造技術に使用されている代表
的なものでよい。

前述の米国特許明細書は参照文献とされる。

この発明によつて連続鋳造システムに関連して
実質上ゼロから前述の目的、手段、効果を充分に
満足させる冷却された鋳型に関連した正常の値ま
で熱の取り出し速度をスムースに変化させる優れ
た方法および装置が提供されることは明らかであ
る。この発明は特定の実施例に関して説明したが
多くの変形、変更が可能であることは前述の説明
から当業者には明白である。したがつてそのよう
な変形、変更は全て特許請求の範囲に記載された
発明の技術的範囲に含まれるものであることを強
調して置く。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋳造動作中にチクソトロピツクな半固
体金属スラリーを連続的或は半連続的に鋳造する
装置を一部断面で示す概略図であり、第２図は形
成されたインゴツトと鋳型との関係を示す従来の
直接冷却（DC）システムの断面図である。第３
図は形成されたインゴツトと鋳型とホツト・トツ
プとの関係を示すホツト・トツプを備えた従来の
DC鋳造システムの断面図であり、第４図は別の
形式の鋳型ライナーとホツト・トツプを示す別の
従来のDC鋳造システムの鋳型の部分的断面図で
ある。第５図はこの発明による絶縁材料層を備え
た第１図の鋳型ライナー断面図であり、形成され
たインゴツトと鋳型と絶縁層の関係を示してい
る。第６図はこの発明により施された絶縁材料層
を備えた第４図の鋳型ライナーの部分的断面図で
ある。第７図はこの発明による絶縁材料層を備え
た第２図に示されたようなDC鋳造システムの断
面図であり、形成されたインゴツトと鋳型と絶縁
層の関係を示す。第８図はこの発明による絶縁材
料層を備えた第３図に示されたようなDC鋳造シ
ステムの断面図であり、形成されたインゴツト
と、ホツト・トツプと、鋳型と、絶縁層との関係
を示す。第９図は絶縁層を有しない装置で鋳造さ
れたアルミニウム合金のスラリー鋳造インゴツト
の写真であり、第１０図はこの発明による絶縁層
を使用しその他は第９図と同じ方法および装置に
よつて鋳造されたアルミニウム合金のスラリー鋳
造インゴツトの写真である。 １０……鋳造装置、１１……円筒状鋳型、１３
……底部ブロツク、１９……鋳型空洞、２０……
冷却多岐管、２１……鋳型壁、２５……排出溝、
２８……２極多相誘導電動機ステータ、２９……
鉄心、３０……巻線、３１……鋳造体、３２……
カバー、３３，３６……セラミツクライナー、４
２……鋳型ライナー、５０……直冷鋳型、６０…
…固化インゴツト、８０……熱絶縁層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融金属または合金を収容しそれから熱を取
   り去る鋳型ライナーと、このライナーの外面の周
   囲に配置されたライナーの冷却手段とを備えた鋳
   型を具備する溶融金属または合金の連続または半
   連続鋳造装置において、 前記ライナーの特定の長さに沿つて前記ライナ
   ーの残りの部分に比較してライナーの熱特性を変
   更する手段としてライナーの外面上に前記特定の
   長さで位置する絶縁体バンドが設けられ、 この絶縁体バンドの厚さｄは、 δ＝絶縁体バンドの幅 κ＝絶縁体バンドの熱伝導度 Ｔ_L＝溶融金属液体の温度 Ｔ_W＝鋳型冷却媒体の温度 Ｓ＝鋳造速度 Ｒ＝鋳型の半径 ρ＝溶融金属の密度 Ｃ_P＝溶融金属の比熱 Ｔ_I＝入口温度 として ｄ２δκ（Ｔ_Ｌ−Ｔ_Ｗ）／ＳＲρＣ_Ｐ（Ｔ
   _Ｉ−Ｔ_Ｌ） を満足する如く選定されていることを特徴とする
   鋳造装置。 ２ 前記絶縁体バンドはライナー外面の被膜から
   成る特許請求の範囲第１項記載の鋳造装置。 ３ 前記被膜が、ポリマー、樹脂、エナメル、プ
   ラスチツク、酸化物、熱電導度の低い金属および
   金属合金、および金属酸化物から成る群から選択
   された熱絶縁材料から成る特許請求の範囲第２項
   記載の鋳造装置。 ４ 鋳造装置はライナーの内面の少なくとも一部
   に延在する第２の絶縁層を具備し、前記特定の長
   さは第２の絶縁層によるライナー内の突出部の終
   端である下端縁の位置に始まり、この下端縁の下
   方に予定の距離延在している特許請求の範囲第１
   項または第２項記載の鋳造装置。 ５ 鋳型と、鋳型中にチクソトロピツクなスラリ
   ーを形成する手段とを具備し、前記鋳型は前記チ
   クソトロピツクなスラリーを収容し、それから熱
   を抽出する鋳型ライナーを備え、ライナーの外面
   の周囲にはライナーの冷却手段が配置され、ライ
   ナーの外面の特定の長さに沿つて位置しライナー
   の熱特性をライナーの残りの部分と比較して変更
   させるように作用している絶縁体バンドが設けら
   れ、 この絶縁体バンドの厚さｄは、 δ＝絶縁体バンドの幅 κ＝絶縁体バンドの熱伝導度 Ｔ_L＝溶融金属液体の温度 Ｔ_W＝鋳型冷却媒体の温度 Ｓ＝鋳造速度 Ｒ＝鋳型の半径 ρ＝溶融金属の密度 Ｃ_P＝溶融金属の比熱 Ｔ_I＝入口温度 として ｄ２δκ（Ｔ_Ｌ−Ｔ_Ｗ）／ＳＲρＣ_Ｐ（Ｔ
   _Ｉ−Ｔ_Ｌ） を満足する如く選定されている特許請求の範囲第
   １項記載の鋳造装置。 ６ 絶縁体バンドがライナー外面の被膜から成る
   特許請求の範囲第５項記載の鋳造装置。 ７ 前記被膜が、ポリマー、樹脂、エナメル、プ
   ラスチツク、酸化物、熱伝導度の低い金属および
   金属合金、金属酸化物から成る群から選択された
   熱絶縁材料から成る特許請求の範囲第６項記載の
   鋳造装置。 ８ ライナーの内面のなくとも一部に延在する第
   ２の絶縁層を具備し、前記特定の長さは、ライナ
   ー中に突出している前記第２の層の終端の下端縁
   の位置から略々始まり、下端縁の下方に予定の距
   離延在している特許請求の範囲第５項または第６
   項記載の鋳造装置。 ９ スラリーは溶融金属のマトリツクスに囲まれ
   た縮退した１次固体粒子より成り、チクソトロピ
   ツクなスラリーの形成手段は溶融金属を混合し、
   溶融金属とスラリーが鋳型内で回転を生じる撹拌
   力を発生させる手段を備えている特許請求の範囲
   第５項記載の鋳造装置。 １０ 前記混合および撹拌力発生手段は鋳型の縦
   軸と直角に移動する磁界を発生させるための電磁
   的手段である特許請求の範囲第９項記載の鋳造装
   置。 １１ 前記電磁的手段は鋳型を取囲む多相２極誘
   導電動機ステータより成る特許請求の範囲第１０
   項記載の鋳造装置。 １２ 冷却媒体を受ける表面を有する鋳型ライナ
   ーを備えた鋳型を設け、この冷却媒体を受けるラ
   イナーの表面にその長さの一部に沿つて絶縁体バ
   ンドを設置することにより溶融金属からその部分
   のライナーを通つて鋳造中に抽出される熱の局部
   的な伝達速度を減少させ、 この絶縁体バンドの厚さｄを、 δ＝絶縁体バンドの幅 κ＝絶縁体バンドの熱伝導度 Ｔ_L＝溶融金属液体の温度 Ｔ_W＝鋳型冷却媒体の温度 Ｓ＝鋳造速度 Ｒ＝鋳型の半径 ρ＝溶融金属の密度 Ｃ_P＝溶融金属の比熱 Ｔ_I＝入口温度 として ｄ２δκ（Ｔ_Ｌ−Ｔ_Ｗ）／ＳＲρＣ_Ｐ（Ｔ
   _Ｉ−Ｔ_Ｌ） を満足するように選定することを特徴とする溶融
   金属または合金の連続または半連続鋳造装置の製
   造方法。 １３ 固着する過程は絶縁材料のバンドをライナ
   ーの外面に被覆する工程を含む特許請求の範囲第
   １２項記載の方法。 １４ 被覆する過程がライナー外面に絶縁材料を
   吹付ける工程を含む特許請求の範囲第１３項記載
   の方法。 １５ 被覆する材料がポリマー、樹脂、エナメ
   ル、プラスチツク、酸化物、熱電導度の低い金属
   および金属合金、および金属酸化物から成る群か
   ら選択された熱絶縁材料より成る特許請求の範囲
   第１４項記載の方法。 １６ ライナーの少なくとも一部の内面上に延在
   する絶縁手段を設け、前記ライナーの外面の絶縁
   層が略々ライナー内に突出するこの絶縁手段の下
   端縁の位置において始まり、下端縁の下方に或る
   距離延在するように前記ライナーの外面の絶縁層
   を設置する特許請求の範囲第１３項または第１４
   項記載の方法。 １７ チクソトロピツクスラリーを形成し、チク
   ソトロピツクスラリーを収容し、それから熱を取
   り去る鋳型ライナーを備えた鋳型を設け、前記ラ
   イナーを冷却し、ライナーの外面に前記ライナー
   の特定の長さに沿つて前記ライナーの残りの部分
   に比較してライナーの熱特性を変更するためにラ
   イナーの外面上に前記特定の長さで絶縁体バンド
   を配置し、 この絶縁体バンドの厚さｄを、 δ＝絶縁体バンドの幅 κ＝絶縁体バンドの熱伝導度 Ｔ_L＝溶融金属液体の温度 Ｔ_W＝鋳型冷却媒体の温度 Ｓ＝鋳造速度 Ｒ＝鋳型の半径 ρ＝溶融金属の密度 Ｃ_P＝溶融金属の比熱 Ｔ_I＝入口温度 として ｄ２δκ（Ｔ_Ｌ−Ｔ_Ｗ）／ＳＲρＣ_Ｐ（Ｔ
   _Ｉ−Ｔ_Ｌ） を満足する如く選定して前記スラリーからライナ
   ーの前記部分を通つて取り去られる熱の局部的伝
   達速度を減少させることを特徴とするチクソトロ
   ピツクスラリーの連続的または半連続的鋳造方
   法。 １８ 前記固着する過程がライナーの外面に絶縁
   材料のバンドを被着する工程を含む特許請求の範
   囲第１７項記載の方法。 １９ 前記被着する工程が絶縁材料をライナー外
   面に吹付ける工程を含む特許請求の範囲第２４項
   記載の方法。 ２０ 被着材料が、ポリマー、樹脂、エナメル、
   プラスチツク、酸化物、熱伝導度の低い金属およ
   び金属合金、或は金属酸化物から成る群から選ば
   れた熱絶縁材料である特許請求の範囲第１９項記
   載の方法。 ２１ ライナーの内面の少なくとも一部を覆つた
   関係位置で延在する絶縁手段を設け、前記ライナ
   ーの外面の絶縁層は略々このライナー内に突出す
   る絶縁手段の突出部下端縁の位置から始まつて下
   端縁の下方に延在するようにこの絶縁層が設置さ
   れている特許請求の範囲第１８項または第１９項
   記載の方法。 ２２ 前記スラリーが溶融金属マトリツクスに囲
   まれた縮退したデンドライトの１次固体粒子より
   成り、チクソトロピツクスラリーを形成するステ
   ツプが前記溶融金属を混合し、溶融金属とスラリ
   ーに鋳型中で回転を生じさせる撹拌力を発生させ
   るステツプを含む特許請求の範囲第１７項記載の
   方法。 ２３ 電磁的手段が設けられ、前記混合し、撹拌
   力を発生させるステツプが前記電磁手段を利用し
   て鋳型の縦軸に直角な方向に移動する磁界を発生
   させるステツプを含む特許請求の範囲第２２項記
   載の方法。 ２４ 電磁的手段を与えるステツプが鋳型を囲ん
   でいる多相２極誘導電動機ステータを設けるステ
   ツプを含む特許請求の範囲第２３項記載の方法。