JPS6335345B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、金属及び合金特に銅及び銅合金の如
き重い金属及び合金を電磁鋳造するための改良さ
れた方法並びに装置に係る。電磁鋳造法は既に知
られており、金属及び合金を連続的および半連続
的に鋳造するため多年に亘つて使用されている。
この方法はアルミニウム及びアルミニウムを鋳造
するのに商業的に使用されている。 電磁鋳造装置は、水冷される誘導器と、非磁性
スクリーンと、インゴツトへ冷却水を供給するマ
ニホルドとを以て成る三部分形式の鋳型を有す
る。そのような装置はゲツエレフほかの米国特許
第3467166号に開示されている。溶融金属即ち湯
の封じ込めは、湯と鋳型の構成要素のどれかとの
間の直接の接触を生じることなしに達成される。
湯の凝固はインゴツト外皮に対して冷却マニホル
ドから水を直接に供給することによつて達成され
る。 冷却マニホルドは、カールソンの米国特許第
3735799号とゲツエレフの米国特許第3646988号と
に開示される如く、誘導器の上方から、内部か
ら、または下方から、インゴツトに対して水を導
く。或る先行技術に基く方式においては、誘導器
は冷却マニホルドの一部分として形成され、冷却
マニホルドは、ゲツエレフの米国特許第3773101
号及びグツドリツチほかの米国特許第4004631号
に開示される如く、鋳造物を凝固させるとともに
誘導器を冷却するため冷却水を供給する。 非磁性スクリーンは、ゲツエレフの米国特許第
3605865号に開示される如く、湯を封じ込めるた
めの磁界を適正に成形するのに用いられる。非磁
性スクリーンに関しては各種の方式が、前記カー
ルソンの米国特許第3735799号にも、また、グツ
ドリツチほかの米国特許第3985179号にも開示さ
れている。前記グツドリツチほかの特許には磁界
を成形するための特別に形づくられた誘導器の使
用が説明されている。同様に、各種の誘導器の設
計が、前記した諸特許と、コゼウロフほかの米国
特許第3741280号に説明されている。 以上の諸特許には、１回に１個のストランドま
たはインゴツトを鋳造するための電磁鋳造用鋳型
が説明されているが、該方法は、米国特許第
3702155号に開示されるように、複数個のストラ
ンドまたはインゴツトの同時鋳造にも応用されう
る。前記した諸特許に加えて、電磁鋳造に就ての
さらに詳細な説明は下記論文を参照することによ
つて発見されうる：『電磁界によるインゴツトの
形成と連続鋳造』、P.P.Mochalov及びZ.N.
Getselev、『Tsvetnye Met』、1970年８月、43、
PP.62〜63；〉連続鋳造中におけるインゴツト表
面の形成』、G.A.Balakhontsevほか、『Tsvetnye
Met』、1970年８月、43、PP.64〜65；『電磁界中
での鋳造』、Z.N.Getselev、『ジヤーナル・オブ・
メタル』、1971年10月、PP.38〜59；『電磁鋳型に
就てのAlusuisse経験』、H.A.Meier、G.B.
Leconte及びA.M.Odok、『軽金属』1977年、
PP.223〜233、 ゲツエレフ（Getselev）の米国特許第4014379
号には、インゴツトの液体区域（湯頭部）の寸法
の規定値からの偏差に応じて誘導器を流れ通る電
流を制御する制御システムが説明されている。 本発明は凝固のためインゴツトに冷却水を供給
する装置に特に係る。周知の如く、電磁鋳造にお
いては、湯とインゴツト表面における凝固中のイ
ンゴツトとの間の凝固前線が高磁界強度区域内に
維持されなくてはならない。即ち、凝固前線は、
誘導器内に配置されなくてはならない。もし凝固
前線が誘導器上方に突出するならば、低温ひだが
生じる可能性がある。これとは逆に、もしそれが
誘導器の下方に後退されるならば、湯の流出また
はデカンテーシヨンが生じるおそれがある。 冷却鋳型によるDC（Direct Chill：直接冷却）
鋳造技術においては、鋳型とインゴツトとに供給
される冷却水が或るサイクルに基いて周期的に中
断される即ちパルス化されることは知られてい
る。水“オン”の水“オフ”に対する比を変える
ことによつて、冷却水がインゴツトから除熱する
速度の良好な制御が達成されうる。かくの如きパ
ルス冷却法は、ブライソン（Bryson）の米国特
許第3441079号と、『アルミニウム・インゴツトの
ためのDC鋳造法―新らしい冷却技術』と題され
たN.B.ブライソンの論文（カナデイアン・メタ
ラージカル・クオーターリー誌第７巻第１号55〜
59ページ）とを参照することによつて詳細に説明
される。 ゲツエレフほかの米国特許第3467166号におい
ては、冷却水供給マニホルドは鋳型のスクリーン
部分と組合わされていて、それらは誘導器に関し
て同時に運動するように仕組まれているが、これ
は水供給面を調整するためには好適なシステムで
はない。何故ならば、冷却水マニホルドの運動は
スクリーンのそれに対応する運動を伴い、その結
果として、鋳型の磁界形状、従つてまた形成され
るインゴツトの形状に望ましからざる変化を生じ
させるからである。ゲツエレフの米国特許第
3646988号には誘導器の下に取付けられる可動マ
ニホルドが記載されている。このシステムは特に
低鋳造速度が用いられる高伝導率の合金にとつて
は適していると思われる。しかし、説明されてい
る装置は、誘導器の高さの1/2に相当する誘導器
中心面と冷却水供給面との間の離間距離を最小に
する。もしこの装置が中程度またはかなり小さい
伝導率の銅合金に使用されるならば、冷却水供給
面を適正に位置させるためには、極度に遅い鋳造
速度が使用されないかぎり、実用的でないくらい
短かい誘導器高さを用いることが必要である。 本発明の一方法並びに装置に従えば、電磁鋳造
中のインゴツトの表面における凝固前線の位置
は、インゴツトから熱が抽出される速度を変える
ように冷却水の供給を制御することによつて調整
される。これは、インゴツト表面にオン・オフ式
に供給される冷却水の流量を間欠的に変えること
によつて一実施例に従つて達成される。別の実施
例に従えば冷却水の供給は凝固前線は適正に位置
させるため給水速度を間欠的に変えるようにサー
ボ制御される。 本発明の代替的方法並びに装置に従えば、前記
した諸欠点は、磁界を変えることによつて封じ込
め作用に影響を及ぼすことなしに、インゴツト表
面における凝固前線を制御するように調整自在に
位置されうる水冷装置を設けることによつて克服
される。本発明の水冷装置は、本質的に誘導器の
上方に位置されて誘導器と非磁性スクリーンとの
間に延在するマニホルドからインゴツトの表面上
に水流を導くように配列される。このマニホルド
は、水衝突面の位置を調整するため、鋳造物の軸
方向に運動され得る。 従つて、本発明の目的は、金属および合金を電
磁鋳造する改良された方法並びに装置を得ること
である。 本発明のもう一つの目的は凝固前線の位置を制
御するための前記の如き改良された方法並びに装
置を得ることである。 前記及びその他の諸目的は以下述べる説明と添
付図面から明らかになるであろう。 先ず、第１図を参照すると、本発明の一実施例
に基いた電磁鋳造装置が例示されている。 電磁鋳造用の鋳型１０は、水冷される誘導器１
１と；鋳造中の金属Ｃの周縁表面１３に冷却水を
供給するための本発明に依る冷却水・マニホルド
４２と；非磁性スクリーン１４とを以て構成され
る。溶融金属即ち湯は、湯だまり即ちトラフ１５
と縦湯口１６と在来の湯頭部制御装置とを用いる
通常の方式で、鋳造工程間に鋳型１０内へ連続的
に導入される。誘導器１１は好適な電源（図示さ
れていない）からの交流電流によつて付勢され
る。 誘導器において交流電流は磁界を生じさせ、該
磁界は湯頭部１９と相互作用してそこに渦電流を
生じさせる。これら渦電流は、磁界と相互作用し
て湯頭部１９を所望のインゴツト横断面形状に凝
固させるように湯頭部１９に磁気圧力を供給して
それを封じ込める力を生じる。 鋳造間、湯頭部１９と誘導器１１との間にエア
ギヤツプが存在する。湯頭部１９は、誘導器１１
と同じ全般形状に形づくられ、または鋳込まれ、
それによつて所望のインゴツト横断面形状を生じ
る。誘導器１１は、所望のインゴツトＣ横断面形
状を得るのに要求される円形または矩形を含む任
意の所望形状を有しうる。 非磁性スクリーン１４の目的は、湯頭部１９の
流体静力学圧力に対して磁気圧力を微調整して釣
合わせることである。非磁性スクリーン１４は図
示のように独立要素として構成され得、あるいは
また、それは要求される通りに冷却水を供給する
ためのマニホルド４２の一部分としても構成され
うる。 初め、在来形のラム２１と底ブロツク２２は、
鋳造工程の開始時に湯が鋳型１０内に鋳込まれる
ことを許すように鋳型１０の磁力封じ込め区域に
保持される。次いでラム２１と底ブロツク２２は
所望鋳造速度で均一に撒退される。 鋳型１０内で磁力的に封じ込められている湯の
凝固はインゴツト表面１３へ冷却水マニホルド１
２から水を直接供給することによつて達成され
る。第１図に示される実施例においては、水は誘
導器１１の境界内においてインゴツト表面１３に
供給される。水は、希望に従つて誘導器１１の上
方から、その内部から、またはその下部から、イ
ンゴツト表面１３へ供給され得る。 鋳造物の凝固前線２５は、湯頭部１９と凝固し
たインゴツトＣとの間の境界から成つている。イ
ンゴツトＣの表面１３，または最大磁束密度の平
面、即ち誘導器１１の電気的中心線２６を通常通
過する平面、に近接して前記凝固前線２５を維持
することが最も望ましい。このようにして、最大
磁気圧力が、湯頭部１９の最大流体静力学的圧力
に対抗する。この結果として、電力の最も効率的
な利用が達成され、低温ひだまたは流出が生じる
可能性が減じられる。 インゴツト表面１３における凝固前線２５の位
置は過熱された液状の金属即ち湯頭部１９からの
熱インプツトと、インゴツト表面層の誘導電流に
よる抵抗加熱とのバランスから生じ、長手方向熱
抽出即ち除熱は冷却水の供給から生ずる。凝固前
線２５の位置は、冷却水供給面２７の位置上のそ
の高さｄとの関係において特徴づけられうる。従
つて、冷却水供給面２７は誘導器１１の電気的中
心線２６を基準として表わされ得る。距離ｄは多
数の要因によつて決定される。即ちｄは、鋳造中
の合金の凝固の潜熱；該合金の比熱；該合金の電
気抵抗；湯頭高さ；誘導器高さ；湯の過熱；誘導
器電流振幅；誘導器電流周波数；鋳造速度の増加
にしたがつて、そして合金の伝導率の減小にした
がつて増加し、また、以上とは逆の条件下で減小
する。 特定の一合金に就て言えば、その物理的特性、
凝固の潜熱、比熱、熱伝導度および電気抵抗は概
ね一定である。普通の電磁鋳造法においては、誘
導器１１の限度内電流周波数、誘導器１１の幾何
学的配列とその高さ、湯頭部１９の高さ及び誘導
器１１の電流振幅は、実際技術上固定されてい
る。従つて、その当然の結果として、インゴツト
Ｃの表面１３における凝固前線２５の位置に影響
を与える唯一の残つている主要な工程制御変数
は、鋳造速度である。従つて、誘導器１１の中心
線２６を通る平面に一致する有利な位置に、凝固
前線２５の位置を調整するためには鋳造速度を調
整することが必要とされる。しかし、実際作業に
おいては、割れ及び望ましくない程に粗い顕微鏡
組織の形成の如きその他の要因が、使用さる得る
鋳造速度の範囲を制限する。 本発明に従えば、凝固前線２５をその望まれる
位置に維持する問題は、凝固中のインゴツトＣか
ら熱が抽出される速度を制御することによつて、
及び／又は誘導器１１に対する冷却水供給平面２
７を調整することによつて解決される。これら技
術は、鋳造速度及び合金特性とは無関係に凝固前
線２５の位置の調整を可能にする。 本発明の鋳型１０においては、冷却水はインゴ
ツトＣの表面１３に直接供給され、インゴツトＣ
は誘導器１１または冷却水供給マニホルド４２と
決して接触しない。従つて、冷却水供給パルスの
時間の長さと、冷却水供給パルス間の期間の持続
とを制御することによつて、凝固中のインゴツト
からの熱抽出速度は効果的に調節されうる。 冷却水は２種の異なる水量の冷却水の流れを間
欠的に供給することによつて冷却水の脈動する流
れ即ちパルス流れが得られる機構が使用され得
る。第１図を参照すると、これは、マニホルド４
２の流入管４１に配されたサーボ制御される弁４
０と、該弁の全開位置と全閉位置との間のその作
動範囲における弁４０の作動を調整自在に制御す
るための在来形式のサーボ増幅器並びに制御器４
３との使用によつて容易に達成されうる。通常、
脈動冷却運転のための前記の如き制御は、全開位
置と全閉位置との中間の弁位置間である。サーボ
増幅器並びに制御器４３は、２種の異る水量の冷
却水流れの間の脈動アウトプツトを提供するよう
に、前記サーボ制御された弁４０を作動する。弁
４０はその各高低両冷却水量位置の間で迅速に変
化するようにされている。高低両水量の各期間
は、凝固前線２５を適正に位置するため所望熱伝
達速度を提供するようにサーボ増幅器４３の調整
によつて希望に従つて設定される。 従つて、本発明によると、電磁鋳造間において
凝固前線２５の位置を制御する手段であつて、凝
固前線２５の軸方向位置を、夫々、上昇または下
降させるためインゴツトＣからの除熱の速度を増
すまたは減じるように冷却給水装置即ちマニホル
ド４２を調整することを含むものが設けられる。
これは、冷却水の間欠的にパルス化された供給を
含む多くの手段の任意の一つにより、または冷却
水の流量をパルス化された態様で間欠的に変化さ
せることによつて達成される。 弁４０の高低両水量の期間の実際の調整は、鋳
造工程に先立つて行われる。しかし、もし希望さ
れるならば、該調整は凝固前線２５の誤つた位置
決めを修正するため鋳造工程間にも行われる。 第１図の実施例において、凝固前線２５の位置
制御システム即ち弁４０と共に、凝固前線位置制
御システム５０を用いることが可能である。前記
両システムの併用は、より広い調整範囲を提供す
るとともに調整の感度を増進する。 第１図に示される如き本発明の実施例に従つ
て、冷却マニホルド４２は、誘導器１１の上方に
配置され、インゴツトＣの表面１３に対して冷却
水を導くための少くとも１個の排出口５１を有す
る。該排出口５１はインゴツトＣの表面１３の全
周縁に対して冷却水を導くためのスロツトまたは
複数個の個々のオリフイスを以て構成される。 磁界の修正によつて湯の封じ込めに影響を及ぼ
すことなしにインゴツトＣの表面１３において凝
固前線２５を制御するための手段を、脈動冷却即
ちパルス冷却に加えて提供するため、冷却マニホ
ルド４２はその排出口５１と共にインゴツトＣの
軸方向に運動可能に配列されている。前記マニホ
ルド４２、誘導器１１及び非磁性スクリーン１４
は、すべて、インゴツトＣの長手方向軸線５２を
中心として同軸配列されている。図示される推奨
実施例において、冷却水マニホルド４２は、前記
排出口５１をその自由端に有する延長部分５３を
有する。該延長部分５３は、インゴツトＣの軸線
によつて画定される方向に非磁性スクリーン１４
と誘導器１１との間を運動するように配列されて
いる。 前記誘導器１１と非磁性スクリーン１４は、当
業者に周知された在来形式の装置によつて支持さ
れる（図示されていない）。冷却水マニホルド４
２は、非磁性スクリーン１４または誘導器１１の
同時運動を生じることなしに、インゴツトの軸方
向に前記排出口５１が調整されうるように、誘導
器１１及び非磁性スクリーン１４から独立して運
動可能に支持される。これは、非磁性スクリーン
１４が冷却水マニホルド１２によつて支持され、
該スクリーンとマニホルドとが軸方向に同時に運
動するように配列される既知先行装置に説明され
る方法に比し、相当な改良である。 本発明に従つて非磁性スクリーン１４から独立
して冷却水マニホルド４２の排出口５１を動かす
ことによつて、磁力封じ込め区域を修正すること
なしに凝固前線２５の位置を調整することが可能
である。第１図に示される推奨実施例において
は、排出口５１は、破線を以て示される通路６２
に沿つて非磁性スクリーン１４と誘導器１１との
間において軸方向に運動するように仕組まれてい
る。 本発明のこの実施例のもう一つの特徴は、冷却
水マニホルド４２または少くとも磁界に入る該マ
ニホルドの一部分が、磁界を変化させない材料か
ら形成されることである。好ましくは、それはフ
エノール樹脂を包含するプラスチツクまたは樹脂
材料の如き非導電性材料から形成される。 第１図に示される実施例において、冷却水マニ
ホルド４２は３個の室５４，５５，５６を有す
る。冷却水は第１の室５４においてマニホルド４
２に入る。第１の室５４と第２の室５５との間の
壁５８に形成されたスロツトまたは複数個のオリ
フイス５７はマニホルド４２における冷却水の分
配の均一性を向上させるのに役立つ。同じよう
に、第２の室５５と第３の室５６との間のスロツ
トまたはオリフイス５９はマニホルド４２におけ
る冷却水の分配の均一性を一そう向上させる。冷
却水は軸方向に延びた第３の室５６から排出口５
１を介して吐出される。延ばされた第３の室５６
を含むマニホルド４２は、前記第３の室５６が破
線を以て示される通路６２に沿つて誘導器１１と
スクリーン１４との間を運動され得るように垂直
方向に延在するレール６０に添つて運動するよう
に仕組まれている。 排出口５１の位置の軸方向調整は、ねじ６４に
取付けたクランク６３によつて達成される。前記
ねじ６４は一端においてマニホルド４２に回転自
在に取付けられていて、レール６０に結合された
支持ブロツク６５にねじ係合によつて保持されて
いる。これによつて、クランク６３を一方向また
は他方向に回転することにより、マニホルド４２
と排出口５１は軸方向上方または下方へ運動され
る。 冷却水は、冷却水供給面を画定する矢印６６に
よつて示される方向に鋳造物の表面に対して排出
される。前述された方法で排出口５１を上方また
は下方へ動かすことによつて、冷却水供給面２７
も誘導器１１の中心線２６に対して、夫々、上方
または下方へ運動され、それによつて、距離ｄが
変更される。 銅合金インゴツトは、典型的に、約15cm×76cm
（6″×30″）の横断面を以て、毎分約13cm〜20cmの
速度で鋳造される。この限定された速度範囲にお
いて、下記の如く、３種の普通銅合金のための推
奨される、及び最も推奨される冷却水供給区域が
計算された：

【表】 〓 ４〓
〓 ４〓
〓 3″〓 〓 3″〓
〓 1″〓 〓 1″〓
C51000 ＋0.95cm

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 連続的または半連続的に金属を鋳造する装置
   において： 溶湯を電磁的に封じ込めるとともに前記溶湯を
   所望の鋳造物に成形し且つ前記溶湯に磁界を供給
   する誘導器と該磁界を形成する非磁性のスクリー
   ンとを有する装置と； 前記溶湯を凝固させるため前記鋳物に冷却液を
   注給する装置であつて、前記誘導器の上方に配列
   されたマニホルドと、前記鋳造物に対して前記冷
   却液を導くため前記マニホルドに連絡された少く
   とも１個の冷却液排出口とを含む該冷却液を注給
   する装置とを有し； 前記誘導器と前記冷却液注給装置と前記非磁性
   のスクリーンとは所望の軸線方向を画定する前記
   鋳造物の軸線を中心として同軸的に配列され、 前記金属を鋳造する装置は更に、前記鋳造物の
   表面における凝固前線の軸線方向の位置を制御す
   る装置を有し、 該凝固前線の軸線方向の位置を制御する装置
   は、前記電磁的に封じ込めて成形する装置から独
   立して前記少なくとも１個の冷却液排出口を前記
   誘導器と非磁性のスクリーン装置との間で軸線方
   向に移動可能に支持する装置とを有し、 それによつて、前記鋳造物の表面に冷却液が注
   給される位置が、前記磁界を変化させることなし
   に前記凝固前線の位置を制御するように調整でき
   ることを特徴とする、連続的または半連続的に金
   属を鋳造する装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において：
   磁界内にあるマニホルドの少なくとも○イ部分が、
   前記磁界を実質的に変化させない材料から形成さ
   れる、連続的または半連続的に金属を鋳造する装
   置。 ３ 連続的または半連続的に金属を鋳造する装置
   において： 溶湯を電磁的に封じ込めるとともに前記溶湯を
   所望の鋳造物に成形し且つ前記溶湯に磁界を供給
   する誘導器を有する装置と； 前記溶液湯を凝固させるため前記鋳物に冷却液
   を注給する装置であつて、前記誘導器の上方に配
   列されたマニホルドと、前記鋳造物に対して前記
   冷却液を導くため前記マニホルドに連絡された少
   くとも１個の冷却液排出口とを含む該冷却液を注
   給する装置とを有し； 前記誘導器と前記冷却液注給装置とは、所望の
   軸線方向を画定する前記鋳造物の軸線を中心とし
   て同軸的に配列され、 前記金属を鋳造する装置は更に、前記鋳造物の
   表面における凝固前線の軸線方向の位置を制御す
   る装置を有し、 該凝固前線の軸線方向の位置を制御する装置
   は、前記電磁的に封じ込めて成形する装置から独
   立して前記少くとも１個の冷却液排出口を前記誘
   導器と、非磁性のスクリーン装置との間で軸線方
   向に移動可能に支持する装置とを有し、 それによつて、前記鋳造物の表面に冷却液が注
   給される位置が、前記磁界を変化させることなし
   に前記凝固前線の位置を制御するように調整で
   き、 冷却液を注給する装置は、鋳造物にパルス化さ
   れた冷却液の流れを注給する装置を有することを
   特徴とする、該連続的または半連続的に金属を鋳
   造する装置。