JPS6242704B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、特に液体スチール、液体アルミニウ
ム、液体銅ないし液体ウラニウム、およびその合
金といつた、液体金属の圧縮に関するものであ
り、さらに詳しくは、電磁的力を活用した、これ
ら金属の圧縮に関与するものである。 電磁力により、特に液体アルミニウムおよびそ
の合金の如き、液体金属を圧縮することは、これ
まで提案されてきたことである（'66年10月４日
に出願されたフランス特許No.1509962および’71
年11月17日に出願されたフランス特許2160281）。
このような公知な装置は、30mm以上の径を有する
大きな鋳塊の製造だけを許容するもので、磁力線
が、鋳塊を生成する上で、従来の鋳塊鋳型にとつ
て代るものである。 本発明による装置は、一般に、遥かに適用性が
高い。何故なら、本発明による装置は射出孔を通
過する、特に、溶融スチール、アルミニウム、銅
といつた溶融金属の噴出を行ないながら、この噴
出流即ち噴流に小径（数mm）の収縮ないし圧縮を
加えることを可能とするからである。 本発明が特に可能とする点は下記の通りであ
る。 (1) 相対的に小さな径の噴出流ないし流れを形成
するのに、ブロツキング（blocking）の危険性
がないといわれる、比較的大きな径のオリフイ
スを使用すること、 (2) オリフイス出口で径が漸減する噴出流を形成
させることによつて小径（数mmの径）のビレツ
トないしワイヤさえも形成すること、 (3) 本発明による装置によつて、液体金属断面を
減少させることにより、液体金属流排出量、流
速ないしその圧力を調整すること、 (4) 本発明による装置を用いることによつて、流
れ（flow）ないし他の流動（stream）パラメ
ータをコントロールし、特にスチール、アルミ
ニウム、銅、およびウラニウムといつたあらゆ
る金属を連続的に鋳造させること、 (5) 本発明による装置を用いることによつて、流
動する液体金属周辺の材料を保護し、こうした
材料と流体金属との間の接触を回避しようとす
る多様な問題を解決すること、 (6) 金属と、汚れをもつた表面との間の接触を低
減したり、あるいは回避して、汚れをもつ表面
から液体金属が汚染されるといつた多様な問題
を解決すること。 本発明は、次の点を特徴とし、液体金属の噴出
流を制限する装置を提供することにある。その特
徴とするところは、この装置が、前記噴出流を形
成するノズルのオリフイス出口のレベルにおい
て、一方では、ノズル周辺にあつて、装置の出口
に配備された巻線すなわちコイルにより構成され
る噴出流での過剰圧力生成機構を、この巻線に対
し高周波交流電流を通す機構と組合せて有し、更
に他方では、この過剰圧力を抑制する機構をも
つ、といつた点にある。 好ましい実施態様にあつては、噴出流内の過剰
圧力を除去する前記機構は、巻線と同心性をな
し、その巻線の内部へ侵入している、特に銅から
構成される電導性材料のスクリーンにより構成さ
れていて、巻線内を流動する電流により発生せし
められる熱を除去するために、巻線とスクリーン
の双方を冷却するための手段が講じられている。 第２の実施態様にあつては、噴出流中における
過剰圧力を除く前記機構が、過剰圧力を発生させ
る巻線から下流に位置する別途巻線により構成さ
れるが、その際、過剰圧力を発生させる巻線を通
過する交流電流とは逆の位相をもつ高周波交流電
流を、別途巻線中に通過させるための機構と組合
せて構成し、前記交流電流の通過により生成され
る熱を取除くために、２つのこうした巻線を冷却
させる手段が講じられる。 以下の説明および添付図面によつて、本発明は
良好に理解されるであろう。 本発明に従い、電磁力を用い、液体金属の噴出
流、特に液体スチール、アルミニウムないし銅と
いつた液体金属噴出流の圧縮を生成することは、
次のようにしてまたは類似な手法で達成できる。
第１図を参照すれば、本発明による装置は、周り
に出口径Ｄを有する導管としてのノズル１を有し
ており、一方では、ノズル１と軸Ｘ−X′に関し
て同軸の巻線２を、該巻線に高周波交流電流を供
給するための手段（図示されていない）と共に有
しており、さらに、他方では、同様に軸Ｘ−
X′に関して同軸であり、巻線２の内部に部分的
に侵入しているスクリーン３を有しており、そし
て、このスクリーンが、特に銅のような導電性を
もつた金属から形成され、また、巻線２とスクリ
ーン３とを両方冷却する手段を具えている（例え
ば、巻線については空気流を該巻線の旋回部に横
断させ、スクリーン３については液体を該スクリ
ーンの流路４中に循環させる）。 第１図にみられるように、ノズル１は、巻線２
の内部へと侵入するスクリーン３を保護する凹所
（セツトバツク）５を有してもよい。 本発明者は次のことを確認した。それは、この
構造によつて、ノズル１内での液体金属６の流れ
としての噴出流が、詳しくは下記に挙げられる理
由のために、巻線２により生ぜしめられスクリー
ン３の端部８によつて牽制された電磁力により圧
縮されるといつたやり方を採用して、スクリーン
３の上の端部８のエリアである位置即ちレベルｈ
において、前記ノズルの表面７との接触を失うと
いうことである。このようにして圧縮した噴出流
は、圧縮噴出流９がノズル１の表面７ともはや接
触しないようになつた後では、レベルｈ後におい
て、径Ｄよりもより小さな径ｄを示すのである。 かくして、巻線２中へ侵入するスクリーン３の
端部８の位置を固定することによつて、噴出流分
離位置を正確に決めることができ、ノズルの表面
７から噴出流９が分離してしまう位置を変動させ
得るようなやり方を講ずることになるが、ノズル
の凹所５に対し、スクリーン３を位置がえする機
構が提供されることは明らかである。他面、巻線
２を通過する電流の強さを変えることによつて、
噴出流の径ｄを調整することは可能である。また
同じく、与えられた値に径ｄを管理することもで
きる。 第１図中に示された装置に基いて噴出流の圧縮
を得る理由を次に説明する。 静止状態において、電気伝導性流体の円筒状噴
出流の圧縮を得るには、磁場と適切な電流を相互
に作用させることによつて得られる電磁的な求心
力の作用に、これを当面させるだけで十分であ
る。これは簡単に効果を発揮する。これに対し
て、磁場と電流のこうしたシステムは、運動中に
ある電気伝導性流体の円筒に対して同様の効果を
もたぬのである。こうした流体の流れ又は噴出流
に関して、下記の２つの量は不変である。すなわ
ち −流量Ｑ＝SV、 −圧力ヘツドＨ＝ｐ／ρｇ＋Ｖ^２／２ｇ この中で、Ｓは断面積、Ｖは速度、ｐは圧力、
ρは液体金属密度、ｇは重力加速度である。液体
金属を表面から分離させて、運動している液体金
属流を収縮ないし圧縮させるには、かくして速度
Ｖを増して断面Ｓを低下させること（というのも
Ｑが一定であるから）、ならびにその結果とし
て、流体の流れ又は噴出流の内側で生ずる圧力を
低減させながら断面Ｓを低下させること（という
のもＨが一定であり、Ｖが増加したからである）
が必要になる。 こうして、もし、内部過剰圧力を生ぜしめる求
心力の系が、静止している電気伝導性流体の円筒
を圧縮させ得るならば、この同じ求心力をもつた
系が、運動している電気伝導性流体の流れを、却
つて、膨張させるように見られている。このよう
な現象は、これまでは、いろいろなことを試みて
も、運動している液体金属を圧縮することを妨げ
てきた。 第１図の系にあつては、液体金属６の噴出流
は、軸Ｘ−X′に関する交番磁界中へと突入し
て、磁場と関連して、誘導循環流を生ぜしめ
る。噴出流６の金属の個々の単一容積は、と
のベクトル積に等しい力に、こうして当面する
ことになるが、この力は、径方向求心性をもつ
たものになる。 過剰圧力は、こうして巻線２を横切る液体金属
内で生成され、この巻線により生ずるローレンツ
力は遠心力圧力勾配により正確に釣り合つたもの
となる。こうした過剰圧力を発生させて、これを
迅速に抑制できるといつた事実が、圧力の減少、
ひいては速度の上昇、断面積の低下を容易に可能
なものとし、こうしたことが、求める対象そのも
のを正確に現わしている。 収縮は、磁気誘導Ｂのために、過剰圧力の除去
を極めて迅速であるならば、極めて急激に生ず
る。巻線２の内部へ侵入する導電性スクリーン３
の目的は、磁気誘導を粗つぽく抑えてしまうとい
う点にある。 巻線２に与えられる交流電流の比較的高い高周
波性のために、磁場は、円柱体６を構成する液体
金属中へとある程度の距離だけ浸透していくが、
これは、磁力線が円柱体６の内部で２１ａによつ
て表示されている第２図から明確になつている通
りである。液体円柱体６の表面において“皮層”
中に位置する磁力線２１ａは、スクリーン３の上
端部８のレベルでこの円柱体を急に離れて、スク
リーン３へと浸透する（磁力線２１ｂ）。もしス
クリーン３が十分の厚みを有するならば、この磁
力線がスクリーン３により保護される領域に入る
や否や、液体噴出流から急激、かつ全体的に消え
てしまう。こうして、噴出流内軸方向へ、極めて
急激な圧力低下を生じ、ひいては、液体金属の流
れの収縮が起ることになる（圧縮流９）。この圧
縮流は、スクリーン３の上限８のレベルで、表面
７から噴出流を分離させることにより示される。 巻線だけでは得られない液体金属噴出流の圧縮
は、こうして、巻線２とスクリーン３との組合せ
により得られる。 次に本発明装置の各種パラメータを選択して所
望の特性を得る方法について検討する。これらの
パラメータの影響については後述するが、これ等
パラメータは、巻線２に与えられる電流周波数、
電流密度、ならびに消費電力である。 １ 電流の周波数− 巻線２に与えられる電流の周波数は、液流又
は噴出流における磁気誘導の浸透深さδが、下
記の２つの状態に合うよう調整されねばならな
い。 δ＜Ｒ および δ＜ｅ ここでＲは、圧縮前の金属噴出流の径であり （Ｒ＝Ｄ／２）、 またｅは、金属スクリーン３の厚みである。 なお ｆ＞１／πμσｍＲ^２およびｆ＞１／πμσｃｅ^２ といつた式が得られ、ここでは、噴出流６を構
成する金属（たとえばスチールないしアルミニ
ウム）およびスクリーン３を構成する金属（た
とえば銅）とに、それぞれによる導電率に対応
するσｍおよびσｃを有する。 例として、近似的に10⁶Ω^-1ｍ^-1といつた導
電率σｍの液体スチールならびに１cmに相当す
る径をもつ噴出流に対して、観察すべき周波数
は、およそ2500Hzとなる。スクリーンの最小の
厚みは、もしそれが銅 （σｃ＝１０^８／２Ω^-1ｍ^-1） であるならば、1.5mmとなる。液体アルミニウ
ムないし銅（σｍ＝５×10⁶Ω^-1ｍ^-1）の如き、
高導電性金属噴出流によつて、最適周波数はも
つと低くなる（アルミニウムないしその合金に
対しては、ｆは500Hz、また銅ないしその合金
に対しては、ｆは約500〜約1000Hzの間）。 ２ 電流密度− 磁場を発生させる誘導巻線２に付与される電
流密度は、磁気誘導の値ならびに、同じく噴出
流の収縮の値を決定することになる（αは、収
縮前後における噴出流の径相互間における比に
等しい： αｄ／Ｄ）。 初期速度Vo′を有する金属の噴出流に対して
は下記のような式が得られる。 α＝（１＋Ｂｏ^２／ρμＶｏ^２）^-1/4 ここでBo＝μｎＩ／ｌであり、 ｎは巻線の長さ、nIはアンペア回数の数値、ρ
およびμはそれぞれ、前記の如く、液体金属の
密度及び磁気浸透性を示すものである。 金属の初期速度Vo（cms／秒）をいろいろ
変え、またガウスで表示される磁気誘導Boの
値が対応するアンペア回数の数値をいろいろ変
えて、液体スチールの噴出流６により得られた
収縮値αを示しているのが下表である（巻線の
長さは、等しく13cmとされる）。

【表】 ３ 消費電力 巻線２は、基本的に誘導インピーダンスを有
し、従つて、周波数ｆに相応した回路を得るた
めに、該巻線は一連のキヤパシタ（図示されて
いない）と接続せしめられている。このような
状態にあつて、巻線２によつて構成される機構
ならびにキヤパシタによつて構成される機構−
これは外部ネツトワークにより装備されるべき
ものであり（図示されていない）−において消
費される電力は、純然たる実効電力であり、た
とえば前記の表に示される如く、数キロワツト
を越えるものとはならない。 本発明による装置は、下記の如き目的に対して
は、有利に実用可能となる。 (a) 比較的大きな径のオリフイスを用いながら、
オリフイスが目塞りするといつた危険を発生せ
ずに、比較的小さな径の液体金属噴出流を得る
ことが出来るようなオリフイスを用いるため； (b) 第１図の装置を用いて、直径ｄを有する制限
された噴出流９を得ることが可能になる。もし
直径ｄが小さいならば、ビレツト（ビレツトと
は、小断面積の鋳塊即ちインゴツトを言う）が
得られ、直径ｄが非常に小さいならば、ワイヤ
が得られるであろう。第１図の構成では、縮小
された断面の液体噴出流を得ることができる。
この縮小された断面の液体噴出流は、当該噴出
流を固体化してビレツトあるいはワイヤを得る
ために、冷却手段によつて冷却される。この冷
却手段は、第１図においてレベルｈの下流に示
されており、この縮小された断面の液体の流れ
を冷却するための手段は、当業者には知られて
いる、縮小された断面の噴出流のまわりで冷却
空気の流れを発生するための手段によつて、構
成されるであろう。 (c) 本発明による装置に従つて、オリフイスの径
に比して径が小さくなつた噴出流を形成すると
いうやり方で、ワイヤ形成操作の従来からある
工程段階の一つを排除するため。このように径
の大きいオリフイスが活用できるので、ワイヤ
形成設備について投資したり、運用費をかけた
りする額が低減できる。このようにして、金属
ワイヤ（たとえば、スチールおよびアルミニウ
ムのワイヤ）の未仕上げ形態が形成され得る。
このような装置は前記圧縮された液体金属噴出
流を固化するための前記冷却手段と同様の冷却
機構を備えている。 本発明による装置は、さらに、収縮の下流側金
属に誘導されたフーコー電流によつて液体金属の
再加熱が可能となり、これによつて目塞りの危険
性を低下させ、冷却が早過ぎることによつて起る
別途諸問題を緩和するといつた明確な利点を有す
る。 注目されるべき特徴は、この装置が、特別な形
をしたスペースを必要とせず、また巻線ないしス
クリーンに対して精度の高い寸法を必要としない
という事実によつて、現存する施設に対して、本
発明による装置を採用するについては、相当に融
通性があるという点である。 最後に、本発明の適用性について、１つの数値
例を挙げておこう。 即ち、この数値例を適用した第１図に於ける構
成の装置では、液体スチールの噴出流の品質の制
御を可能にし、スチールのインゴツト、ビレツト
或いはワイヤが、インゴツト、ビレツト或いはワ
イヤの表面と接触する鋳型や他の物理的な器具を
用いること無しに得られる。これらによつて、本
装置は鋳型や他の物理的な器具を構成する材料に
よるインゴツト、ビレツト或いはワイヤへの汚染
を回避するものであり、液体スチールを噴出して
鋳造する状態をコントロールするためのものであ
る。 −熱抵抗性 σ＝160.10^-8Ω／ｍ −液体スチール密度 ρ＝7.10³Kg／m³ −動力学粘性 ｎ＝4.10^-2poise −温度 Ｔ＝1580℃ −下流圧力 P₀＝１〜2.10^-5 Pa −Ｄ＝40〜50mm −ｄ＝30〜40mm 液体金属噴出流の切断は、こうして防止され、
その切断は改善される。 当然のことながら、本発明は、かなり特殊化し
て考慮した、これ等の適用・運用にみられる状態
にのみ限定されるわけではなく、逆にあらゆるバ
リエーシヨンを内包するものである。 特に、噴出流中での過剰圧力を、積極的に抑制
する手段、即ち磁気誘導抑制手段を、スクリーン
を使つて得る代りに、交流電源に接続した、第２
の巻線を用意してもよい。この交流電源において
は、前記第２の巻線に対して第１の巻線内を通過
する電流に対して逆の位相を有した交流電流を供
給する。前記第２の巻線によつて得られる結果は
伝導性スクリーンによつて得られる結果と同様で
あつて、液体金属の流れの外側にあるアンペア回
数を正確にキヤンセルすることになる。このよう
な変更は、高周波に対して有効であるスクリーン
が、磁気誘導を克服するのにもはや不十分となる
ような低周波に対して、本装置を採用するのが好
ましい。 実際、周波数が変つた場合、スクリーンの厚み
が有効であれば、磁力線２１ｂ（第２図）が浸透
する噴出流の皮層の厚みも変る。第１の巻線であ
る前記巻線２に流れる交流電流の位相とは逆の位
相をなす交流電流が流れる第２の巻線はスクリー
ンの可変的厚みが、使われる周波数に対して常に
適応できるスクリーンと完全に等価性を有するも
のとなろう。 このような構成を有するため、本発明の液体金
属噴流圧縮のための装置は、液体金属が前記ノズ
ルの出口オリフイスから噴出される際、前記巻線
に供給される交流電源、即ち巻線によつて生起さ
れる交番磁界の大きさ及びこの交番磁界によつて
前記液体金属の噴出流の内部に生成される過剰圧
力を積極的に抑制する手段の当該巻線内における
位置を夫々組合わせて設定することにより当該噴
出流に対して急激に絞り込み作用を生じさせるこ
とが出来、言い換えると液体金属の状態の変化が
少ない短時間内に液体金属に対して所望の形状を
与えることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による、改良された巻線とス
クリーンを備えたノズルの軸方向の横断面を示す
図、第２図は、第１図のノズルの場合における磁
力線の配置状態を示す、拡大した軸方向の断面を
示した図である。 １……ノズル、２……巻線、３……スクリー
ン、４……スクリーンの流路、９……液体金属噴
出流口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体金属の噴出流を、前記噴出流を生み出す
   ノズルの出口オリフイスで圧縮するための装置で
   あつて、前記圧縮の所望のレベルの上流で開始さ
   れ当該レベルの下流で終る領域に沿つて当該噴出
   流を取り囲んでおり、数百又は数千ヘルツの周波
   数の交流電流が供給され当該噴出流の内側に当該
   周波数の交番磁界を生起し、当該噴出流内に過剰
   圧力を生成する巻線と、前記噴出流において、所
   望の前記圧縮のレベルにおいて開始され、当該レ
   ベルの下流で終る領域で前記過剰圧力を積極的に
   抑制する手段とからなる装置。 ２ 前記噴出流の内側での過剰圧力を積極的に抑
   制する手段が、前記巻線と同心的であり、前記圧
   縮の所望のレベルの下流の位置においてその巻線
   内部へ侵入している電気伝導性材料のスクリーン
   により構成されていて、更に前記巻線及びスクリ
   ーン双方を冷却する手段を有している特許請求の
   範囲第１項に記載の装置。 ３ スクリーンが銅製であり、そのスクリーンの
   厚みが前記巻線を流れる前記交番磁界によつて形
   成された磁力線が存在する液体金属噴出流の皮層
   の厚みよりも大きくなつている特許請求の範囲第
   ２項に記載の装置。 ４ 装置が更に、前記巻線内への前記スクリーン
   の侵入の長さを変えその結果前記圧縮のレベルを
   変えるために前記噴出流の軸に沿つて当該スクリ
   ーンを軸方向に移動する手段を有する特許請求の
   範囲第２項又は第３項に記載の装置。 ５ 液体金属噴出流の内側における過剰圧力を積
   極的に抑制する前記手段が、当該噴出流の内側に
   過剰圧力を発生させる最初に述べた第１の巻線よ
   り下流に位置し、当該第１の巻線に供給される交
   流の周波数とは同じ周波数ではあるがこの供給さ
   れる交流の位相とは逆の位相をもつ交流電流が供
   給される第２の巻線により構成されており、これ
   らの２つの巻線を夫々冷却させる手段を更に有し
   ている特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ６ 単数あるいは複数の前記巻線に供給される交
   流の強度を変えるための手段を装置が更に有して
   いる特許請求の範囲第１項から第５項のいずれか
   に記載の装置。 ７ 金属がスチールであり、前記周波数が約2500
   Hzである特許請求の範囲第１項から第６項のいず
   れかに記載の装置。 ８ 金属が純粋のアルミニウム、あるいはアルミ
   ニウム合金であること、および前記周波数が約
   500Hzである特許請求の範囲第１項から第６項の
   いずれかに記載の装置。 ９ 金属が純粋の銅、あるいは銅合金であるこ
   と、および前記周波数が500〜1000Hzのオーダー
   である特許請求の範囲第１項から第６項のいずれ
   かに記載の装置。