JPS6339337B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 液体金属を垂直下方に流す段階と、前記流れ
る液体金属のメニスカスの直下における前記流れ
る液体金属の外面を冷却流体によつて間接的に冷
却する段階と、前記液体金属が間接的に冷却され
る部位の下方における前記流れる液体金属の外面
を前記冷却流体によつて直接的に冷却する段階
と、前記液体金属が間接的に冷却される部位の下
部に前記メニスカスの縁が下がるように前記メニ
スカスの直下における液体金属に対して向心方向
の電磁力を印加する段階とからなることを特徴と
する連続竪式鋳造方法。

２ 前記流す段階が、前記メニスカスの中心部に
おける前記メニスカスの絶対高さを一定に維持す
る段階を含むことを特徴とする請求の範囲第１項
に記載の方法。

３ 鉛直方向に伸長した鋳型と、当該鋳型の上方
から前記鋳型内に液体金属を供給する供給手段
と、前記供給された液体金属を前記鋳型を介して
間接的に、かつ前記鋳型の下方の位置で直接的に
冷却すべく前記鋳型の外表面上を前記鋳型の長手
方向に沿つて下方に冷却流体を流す冷却手段と、
前記鋳型に同軸的に設けられており、前記供給さ
れた液体金属のメニスカスの縁が前記鋳型の下部
まで下がるように前記供給された液体金属に向心
的な電磁力を作用させるべく、前記供給された液
体金属に前記長手方向に沿つて周期的磁界を印加
する電磁コイルとからなることを特徴とする連続
竪型鋳造装置。

４ 前記供給手段が、前記メニスカスの中心部に
おける前記メニスカスの絶対高さを一定に維持す
る維持手段を含むことを特徴とする請求の範囲第
３項に記載の装置。

５ 前記コイルが、前記鋳型の基底から前記鋳型
の高さの1/3から1/2の間の高さに設けられている
ことを特徴とする請求の範囲第３項又は第４項に
記載の装置。

明細書 本発明は、連続竪式鋳造方法及びその装置、特
に竪式鋳造における鋳型と液体金属のメニスカス
との接触線の高さを制御する方法及び装置に関す
る。

鉄系金属、又はアルミニウムやその合金等の軽
金属の鋳造によつて金属半製品を製造する場合、
それらを後の工程において薄板や線材等の別の形
状に変える際に何らかの欠陥が生じるのを回避す
るために、物理的及び化学的に出来るだけ均質な
インゴツト、ビレツト、プレート等を得るように
怒力がなされている。

この業界で実際に使用されてきた鋳造法のほと
んどは、金属が液体から固体に変わる時に多かれ
少なかれ金属半製品の均質性が損なわれるが、こ
れは主として鋳造品の冷却状態が場所によつて異
なることによる。鋳型を介して間接的に金属を冷
却し、次に水によつて直接的に冷却する鉛直通路
を備える鋳型を使用して金属を鋳造する場合、金
属半製品にはいわゆる一次皮層と称するものがそ
の外面に形成される。金属半製品の内部の構造及
び成分と異なるこの層は、鋳型と接触する液体金
属を間接的に冷却することに原因がある。更に一
次皮層より顕著なものではないが、同様にやつか
いな小斑点状欠陥や小孔は、大気と接触する液体
金属の表面に形成される酸化物の層が金属塊内に
分散することが原因となつて発生する。

このような問題を解決するために多くの試みが
なされたが、従来の解決法は、この重大な金属半
製品の材質の不均質性を除去するか又は少なくと
も減少させる点において多少とも満足すべきもの
である。

仏国特許第1509962号には電磁鋳造法の使用が
記載されている。この方法は、電磁力で金属を閉
じ込めるものであり、従つて鋳型の排除が可能で
あり、この場合もはや間接冷却が不必要なので一
次皮層の出現も回避可能であり、金属半製品の均
質性が改良される。

しかし、この方法も以下に示す多くの欠点があ
る。即ち、適当な拘束磁界を形成するために、工
業用ではない500から4000ヘルツの周波数の電源
を要するので、比較的複雑で高価な電気設備を鋳
造所に設ける必要がある点、鋳型が存在しない故
に、酸化し得る液体金属の表面積が増加すること
と、拘束磁界により液体金属が全体的に撹拌され
る現象が生じ、酸化物の層が移動して金属塊中に
分散することが原因となつて小孔が生じる故に金
属半製品が不均質になる恐れがある点、電磁鋳造
の開始時に所望の拘束効果を得ることが困難であ
る点、電気的な故障が生じた場合、もはや拘束さ
れていない液体金属が鋳型の外側に散らばり、直
接冷却水と接触して爆発的に液体金属が飛び散る
恐れがあるので、アルミニウム及びその合金を鋳
造する場合に作業員自身の安全性に問題がある点
等である。

一次皮層の厚さを減ずるためには前述のものよ
り簡単な別の解決法も提案されている。例えば、
仏国特許第1398526号においては、間接冷却によ
る効果が減ずるために、液体金属と接触する鋳型
の長さを減少させ、しかも鋳型に帯状のフアイバ
フラツクスを密着させたものを使用している。し
かしながら、このような鋳型の長さは特に鋳造速
度に応じて変更されるべきであり、一定とし得な
い。同様に、このパラメータが変化すると、鋳型
を変えるとか、多かれ少なかれ帯状のフアイバフ
ラツクスを変えなければならない。即ちこの解決
法は柔軟性を欠き、結局は金属半製品の不均質性
を部分的に除去するに過ぎない。

仏国特許第1496241号では、無冷却黒鉛鋳型を
使用することによつて間接冷却の欠点を回避して
いるが、この方法の難点は維持性の問題であり、
黒鉛が脆いので鋳型を度々変えねばならない。

別の解決法は、条線、即ち筋目を内面につけた
鋳型を使用するものであり、これによれば例えば
アルミニウム1050を鋳造する場合、30％以上も一
次皮層の厚さが減少可能である。しかしながら、
このような鋳型を機械加工する際の価格が著しく
高価であるのに加えて、鋳型の筋目の各々の鋳造
速度に適合させねばならないという欠点がある。

同様に、ホツト・トツプ（HOT TOP）と称
する押湯を設ける鋳造も知られているが、この欠
点は、メニスカスが周期的に凝固する故に、金属
半製品の表面に小さなしわが形成されることであ
り、又作業開始時にも難点がある。

最後に、これは最近のものであるが、仏国特許
第2417357号に記載されている方法は、液体金属
と接触する鋳型の一部の軸方向の長さを、鋳型の
内側壁面を摺動するスリーブを用いて変化させる
ものである。かかる方法の欠点は、金属が時期を
逸して凝固した時、鋳型とスリーブとが密着し、
スリーブの摺動運動が開始されると密着部が破壊
することである。

本発明の目的は、一次皮層の厚さが実質的にゼ
ロであり、結晶粒が細かく、小孔も存在しない均
質的な金属半製品を鋳造し得る連続竪式鋳造方法
及びその装置を提供することにある。

本発明によれば、前記目的は、液体金属を垂直
下方に流す段階と、前記流れる液体金属のメニス
カスの直下における前記流れる液体金属の外面を
冷却流体によつて間接的に冷却する段階と、前記
液体金属が間接的に冷却される部位の下方におけ
る前記流れる液体金属の外面を前記冷却流体によ
つて直接的に冷却する段階と、前記液体金属が間
接的に冷却される部位の下部に前記メニスカスの
縁が下がるように前記メニスカスの直下における
液体金属に対して向心方向の電磁力を印加する段
階とからなることを特徴とする連続竪式鋳造方
法、又は鉛直方向に伸長した鋳型と、当該鋳型の
上方から前記鋳型内に液体金属を供給する供給手
段と、前記供給された液体金属を前記鋳型を介し
て間接的に、かつ前記鋳型の下方の位置で直接的
に冷却すべく前記鋳型の外表面上を前記鋳型の長
手方向に沿つて下方に冷却流体を流す冷却手段
と、前記鋳型に同軸的に設けられており、前記供
給された液体金属のメニスカスの縁が前記鋳型の
下部まで下がるように前記供給された液体金属に
向心的な電磁力を作用させるべく、前記供給され
た液体金属に前記長手方向に沿つて周期的に磁界
を印加する電磁コイルとからなることを連続竪式
鋳造装置によつて達成される。

本発明の方法によれば、垂直下方に流れる液体
金属が間接的に冷却される部位の下部に液体金属
のメニスカスの縁が下がるが故に、液体金属が間
接的に冷却される部位を実質的に無くし得、一次
皮層の厚さが実質的にゼロであり、結晶粒が細か
く、小孔も存在しない均質的な金属半製品を鋳造
し得る。

本発明の方法による液体金属を流す段階として
は、液体金属のメニスカスの中心部におけるメニ
スカスの絶対高さを一定に維持する段階を含んで
もよい。

本発明の装置によれば、鋳型内に供給された液
体金属のメニスカスの縁が鋳型の下部まで下がる
が故に、液体金属が鋳型と接触する部分を実質的
に無くし得、一次皮層の厚さが実質的にゼロであ
り、結晶粒が細かく、小孔も存在しない均質的な
金属半製品を鋳造し得る。

本発明の装置による供給手段としては、液体金
属のメニスカスの中心部におけるメニスカスの絶
対高さを一定に維持する維持手段を含んでもよ
い。

本発明の装置による電磁コイルは、鋳型の基底
から鋳型の高さの1/3から1/2の間の高さに設けら
れてもよい。

本発明の装置においては、液体金属は、鋳型に
よつて形状が規定されるが故に、電磁鋳造法に比
べて、電磁鋳造法のような複雑な構造の電気的設
備は不要である点、装置の運転開始段階から定常
運転までの移行が簡単である点、液体金属の漏出
に起因する爆発的な液体金属の飛散を無くし得る
点、において有利である。

また、本発明の装置においては、液体金属が間
接冷却される部品の面積は、電磁コイルが印加す
る磁界によつて低減されるので、間接冷却される
部位の面積を変えるために複数種類の鋳型を用意
する必要がなく、しかも従来の鋳型を使用し得る
点、又は鋳型の長さを変えるためのスリーブが不
要である点において有利である。

以上の成果を得るために次の点が考慮されるの
がよい。

第１に、鋳造開始時において、鋳型内の液体金
属のメニスカスの高さを高くして鋳造するのが望
ましい。実際メニスカスの高さが低いと、メニス
カスの高さ、即ち液体金属の供給を制御するフロ
ートは凝固前線に接近し、加えて、金属半製品の
寸法が小さい場合は、液体金属が時期を逸して凝
固することによつて閉塞され、もはやフロートは
機能を確実に果さなくなる。同様に金属半製品が
大きい場合にメニスカスの高さが低い状態で鋳造
を開始すると、金属半製品に反りの現象が発生す
る。

第２に、これに対し正常運転時においては、鋳
型内の液体金属のメニスカスの高さを出来るだけ
低くして鋳造することが望ましく、鋳型の内壁と
液体金属とが接触する長さが制限される故に、前
述の如く、主として鋳型を介する金属の間接冷却
による一次皮層の厚さが低減される。

従つて、液体金属のメニスカスの高さを一定と
し得るフロートを従来の鋳型に適用して、鋳型の
内表面と液体金属とが接触する長さを出来るだけ
制限し得るような鋳型と液体金属のメニスカスと
の接触線の高さを制御する方法が見出された。

本発明の装置による電磁コイルとしては、鋳造
工程中に、強度が可変であつて鋳型の長手方向軸
線に対してほぼ平行な周期的磁界を鋳型内を流れ
る液体金属に印加する電磁コイルが好ましく、更
に当該電磁コイルの磁界強度を必要に応じて変え
る手段が設けられるのが好ましい。また、当該電
磁コイルは、一回以上の巻線で形成された環状コ
イルからなるのがよく、環状コイルは鋳型と同軸
的に鋳型のまわりに配置されるのがよい。

環状コイルに適宜な電圧の商業的交流電源を供
給することによつて、液体金属のメニスカスの形
状を変化させ得る。特に供給される電圧及び発生
する磁界の強度の相関的変化が増大する時に、鋳
型と液体金属との接触線の高さを下げることが可
能となる。

こうして、磁界の強度を強化することによつ
て、液体金属のメニスカスの周縁部の降下、従つ
て液体金属と鋳型とが接触する長さを減少し得
る。これと反対に磁界を弱めることによつて、液
体金属のメニスカスの周縁部を上昇させ、従つて
前記接触する長さを増加させ得る。

従つて、本発明の装置の好ましい特徴によれ
ば、金属と鋳型とが接触する長さを任意に減少さ
せ、かつ50又は60ヘルツの周波数の電流を供給す
るコイルを用いる簡単な方法で一次皮層の厚さを
低減させ得、電気的故障のみの影響で鋳型内の液
体金属の高さが変化したり、鋳型から液体金属が
漏出する恐れがなくなる。これらは電磁鋳造法を
使用しては得られない利点である。更に、鋳型の
存在によつて、鋳型内の液体金属が酸化する可能
性が制限され、鋳型と液体金属とが接触すること
によつて酸化膜が鋳型の側壁の方へ移行し、従つ
て金属半製品の表面に小孔が形成される恐れが回
避される。加えて、周期的な電磁力が液体金属に
加えられるが故に、液体金属内部が攪拌され、冷
却が均質になり、結晶粒が細かくなる。

環状コイルによつて生じる磁界の方向は鋳型の
長手方向軸線に対してほぼ平行である。環状コイ
ルは、磁界の作用が最大である帯域が、鋳型の基
底から測つて鋳型の高さの1/2と1/3との間に位置
するように配置されるのがよい。

鋳造工程において、鋳造開始時は、鋳型内の液
体金属の高さを高く維持するのがよい。このため
に、鋳型内の液体金属に印加する磁界の強度をゼ
ロまで減少させる。定常の鋳造段階においては、
金属半製品の一次皮層の厚さが最小となるように
鋳型内の液体金属に印加する磁界の強度を所定の
最大値まで増大させる。当該磁界の強度が所定の
最大値を越えると金属半製品の表面が変形する。
従つて、鋳造を開始する前に前述の所定の最大値
を予め検知するのがよい。この所定の最大値は同
一型式のあらゆる鋳造に適用し得る。

前述の所定の最大値は、一般に、液体金属のメ
ニスカスと鋳型との接触線の高さが、磁界が印加
されない場合の間接冷却される液体金属の凝固前
線と直接冷却による凝固前線との交差線の高さに
相当するような磁界強度である。

鋳造速度は、鋳造されるべき金属の種類に応じ
て変更されるのがよい。本発明の装置の好ましい
特徴によれば、鋳造速度に応じて液体金属に印加
する磁界の強度を変え得る。また前述のように、
夫々の鋳造速度において磁界強度の所定の最大値
を決定してもよい。

図は、従来の装置と本発明の装置との説明用縦
断面図である。

以下、本発明を添付図面に示す本発明の１具体
例を参照しながら詳細に説明する。図は、左側が
従来型の鋳型の縦断面図の半分であり、右側が本
発明に係る鋳型の縦断面図の半分である。

本発明の連続竪型鋳造装置の１具体例は、鉛直
方向に伸長した筒状の鋳型３と鋳型３の上方から
鋳型３内に液体金属５を供給する供給手段として
のノズル１と、鋳型３内に供給された液体金属５
を鋳型３を介して間接的に、かつ鋳型３の下方の
位置で直接的に冷却するように、鋳型３の外周上
を鋳型３の長手方向に沿つて下方に冷却水４を流
す図示しない冷却手段と、鋳型３に同軸的に設け
られており、鋳型３内の液体金属５のメニスカス
１５の周縁が鋳型３の下部まで下がるように鋳型
３内の液体金属５に向心的な電磁力を作用させる
べく、鋳型３内の液体金属５に鋳型３の長手方向
９に沿つて周期的磁界を印加する電磁コイル７と
で構成される。ここに、電磁コイル７には交流８
が印加されている。また、液体金属５のメニスカ
ス１５の中央部にはフロート２が設けられてお
り、これにより、メニスカス１５の液面の高さを
制御する。

図の左側半分の従来型の鋳型は、上記説明とほ
ぼ同様であるが、コイル７が設けられていない点
で本発明に係る鋳型と異なる。

以下、図に示す鋳型の作動について説明する。
コイル７による方向９に沿つた周期的な磁界によ
り、鋳型３内を下方に向かつて流れる液体金属５
の周側部には表皮効果に従つて方向９のまわりに
周期的な誘導電流が生起され、その結果、当該周
期的な誘導電流とコイル７による周期的な磁界と
の相互作用、即ちフレミング左手の法則による径
方向の周期的な電磁力が鋳型３内の液体金属５に
印加される。但し、径方向外側に向かう電磁力は
鋳型３により阻止されるので、鋳型３内の液体金
属５には径方向内側に向かう電磁力のみ作用し、
メニスカス１５の中央部は上方に盛り上がろうと
する。しかし、メニスカス１５の中央部はフロー
ト２によつて液面が一定の高さに維持されている
ので、逆にメニスカスの周縁部、即ち鋳型３とメ
ニスカス１５との接触線は、位置１１まで下降す
る。一方、従来型の鋳型においては、鋳型３とメ
ニスカス１５との接触線は位置１０にある。

接触線の位置１０は、間接冷却による液体金属
５の凝固境界線１３と直接冷却による液体金属５
の凝固境界線１４との交差位置１２の直上に位置
する。図においては、位置１２を基準として、位
置１０と位置１１の高さは夫々h₁，h₂で示されて
いる。従つて、コイル７の磁界を液体金属５に印
加することにより、鋳型３とメニスカス１５との
接触線の高さはh₁からh₂に下降する。h₂の値は極
めて小さい値であつて位置１２の高さに接近して
いる。

本発明を次に示す実施例を参照して以下に説明
する。

直径320ミリメートル、高さ100ミリメートルの
アルミニウム鋳造用鋳型３内にて、アルミニウム
協会標準に準ずる2214型アルミニウム合金を60ミ
リメートル／分の速度で鋳造する。フロート２は
鋳型３の半分の高さにメニスカス１５の高さを制
御し、供給される冷却水４は鋳型３の基底の下方
約１センチメートルにて鋳造されたビレツトの表
皮と接触する。

最初の実験１においては先行技術の条件下にて
鋳造作業を実施し、ビレツトの各個所で顕微鏡で
調べた結果、一次皮層の厚さの平均値が18ミリメ
ートルであることが判明した。

次に実施した一連の実験の場合は、内径が372
ミリメートル、外径が465ミリメートル、高さが
48ミリメートルの環状電磁コイル７であつて、直
径3.55ミリメートルの120回巻エナメル銅線で形
成したもので鋳型３を包囲し、50ヘルツの交流を
流す。

これら各実験は異なる電圧にて実施され、各々
の一次皮層の厚さの平均値及び結晶粒子の寸法を
交差法を用いて測定する。

このようにして得た数字を以下の表に示す。

【表】 表によれば、本発明による方法を用いる場合、
コイル７の端子の電圧の増加と共に一次皮層の厚
さが著しく減少し、電圧が180ボルトの場合には
この層の厚さがゼロになつている。

同時に、結晶粒の寸法は従来の鋳造においては
500ミクロンの粒子を有する金属が、本発明によ
る方法を用いることにより平均値180ミクロンに
まで減少している。更に、いかなる小孔も見つか
つていない。

こうして、本発明は、アルミニウムや例えばリ
チウム−アルミニウム合金等のアルミニウム合金
の金属半製品の製造に適用され得、一次皮層の厚
さが実質的にゼロでかつ結晶粒の寸法が小さく、
例えばAT5Bの如き結晶粒微細化剤を加えるよう
な準備を必要とせず、小孔も存在しないような金
属半製品が得られる。