JPH0289541A - 半凝固金属を連続的に製造するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、非樹技状初晶が金属融体中に分散した固体
−液体金属混合物（簡単のため半凝固金属と呼ぶ）を連
続的に製造するための装置に関するものである。

（従来の技術） 半凝固金属を連続的に製造する装置については、特公昭
５６−２０９４４号公報に開示されているように保温槽
に供給した溶融金属を一定温度に保持しつつ、円筒状の
冷却撹拌槽内において高速回転する撹拌子との隙間に導
き、適当な冷却作用下に強烈な撹拌作用を加えて半凝固
状態とし、底部のノズルから半凝固金属として連続的に
排出させるものである。

この半凝固金属は、溶融金属（一般には合金）を冷却し
ながら激しく撹拌して融体中で生成しつつある樹枝状晶
を、その枝部が消失ないしは縮小して丸味を帯びた形態
に変換することにより形成される。

半凝固金属中の非樹技状初晶は粒子の細いものほど特性
が優れ、従って、半凝固金属の製造装置としては、 ■冷却速度をできるだけ大きくなし得る強冷却効果。

■樹枝状晶をその枝部を消失ないしは縮小して丸味を帯
びた形態の非樹技状晶に、変換し得る程度に強大な撹拌
効果。

の２つの条件が必須であるが、そのような条件に対し止
揚した従来の半凝固金属製造装置にはなお種々の欠点が
残されている。

（発明が解決しようとする課題） 玉揚特公昭５６−２０９４４号公報に記載の装置は構造
的な制約から冷却速度が１°Ｃ／　ｓｅｃ以下、また撹
拌強度もせん断歪速度で最大４５０ｓｅｃ−’程度にと
どまり、さらに、温度制御にも難点があって実際にはあ
まり良好な結果は得られなかった。発明者らがこれにつ
いて調べ判明した問題点は、以下に列記するとおりであ
る。

（１）冷却速度を高くするため強冷却手段を採用すると
、冷却面に凝固シェルが形成されて撹拌子の膠着を生じ
操作不能になる。

（２）撹拌効果を高めるためには、撹拌子の回転数を高
くするか、冷却撹拌槽と撹拌子の隙間を小さくすること
が有効であるにしても、回転数を高くすると、融体が遠
心力によって撹拌子から離れる傾向が強まって、ガス巻
込みの危険が増大することのほかに構造的強度上の制約
からも限界があり、一方陣間を小さくすると、凝固シェ
ルが形成され勝つになって粘性抵抗の増大を来すなどの
理由から実用的にあまり小さくはできない。

（３）操業開始時のような非定常伝熱時の際、過大な冷
却によって撹拌子に膠着を生じるうれいがあり、高く安
定した操業開始が困難であって、温度制御も難しい。

（課題を解決するための手段） 一般に撹拌効果は撹拌子の回転数に比例するが撹拌子の
回転周隙が小さければ、さほどの高速回転を必要とせず
して、十分な撹拌効果が得られることに加えて、上に揚
げた問題点は操業中に撹拌子の回転周隙を任意に制御で
きなかったところに主たる理由があったことに着目して
開発研究を重ね、この発明の完成を導いた。

この発明は底部周壁に冷却手段を施した溶融金属の槽と
、底部周壁の中心において回転する撹拌子とを有し、底
部周壁と撹拌子との隙間に溶融金属を供給しながら冷却
撹拌効果を与えて半凝固金属を連続的に製造する装置に
おいて底部周壁は凹円錐面、それに対応する撹拌子は凸
円錐面を有し、これらによって形成されるテーパー環状
の隙間よりなる冷却撹拌帯を具備すること、撹拌子には
、溶融金属の槽に対する昇降位置調節装置を設けこれに
よって冷却撹拌帯との隙間を制御可能とじたことより成
ることを特徴とする半凝固金属を連続的に製造する装置
である。

ここに冷却撹拌帯のテーパー環状の隙間を形成する円錐
頂角が３０″〜１２０°の範囲であること、撹拌子がそ
の回転駆動系にトルク検出器をそなえ、指示計及び調節
計を介して、負荷トルクの変動に応じた調節出力により
撹拌子の昇降位置調節の制御を可能にすることはさらに
有用である。

さて、この発明においては溶融金属のいわば冷却・撹拌
面とそれに対応する撹拌子とをいずれも円錐面となし、
撹拌子を昇降操作することによって冷却撹拌帯の隙間を
任意に制御可能とした。またこの隙間の制御を粘性抵抗
トルクを計測することにより自動的に行うことはより好
ましい。

かくして、冷却・撹拌槽は強冷却手段を取ることが可能
であり、また凝固シェルがかりに形成されても、最適の
隙間を維持しつつ十分な撹拌効果を与えることが可能と
なって高速回転の必要もなくなる上に、操業開始も容易
であって、定常操業時もセルフコーティング状態が容易
に実現でき耐火打による汚れもなくなる。

第１図によってこの発明の具体的構成を以下に説明する
。

この発明による半凝固金属製造装置は、保温槽１、冷却
撹拌槽３、排出装置５、撹拌子９及び撹拌子９の駆動機
構１０〜１４とから構成する。保温槽１は耐火材を内張
すした溶融金属の容器であり、その外周には誘導加熱コ
イルを設け、電力２３を供給することによって保温槽ｌ
内の溶融金属２０を加熱し、一定温度に保持する。保温
槽１の底部に接続した冷却撹拌槽３は、その内面がとく
に逆円錐形状をしており、そのまわりに水冷ジャケット
４を形成して、冷却水２２を通水し、直接強制冷却を行
う。従って保温槽１及び冷却撹拌槽３は全体として底部
周壁に冷却手段を施した溶融金属の槽にほかならない。

冷却撹拌槽３の底部には排出部５を接続し、排出部５に
は電熱ヒータ６を設け、これに電力２３を供給して常に
保温状態を維持し、排出部５を通る半凝固金属の凝固を
防ぎ、排出部５に付設したスライドゲート弁７によって
排出量を制御する。

保温槽１の上部は、溶融金属原料の装入口８′を設けた
炉Ｍ８でカバーする。なお図示しないが保温槽ｊは不活
性ガス吹込み等により雰囲気調整を可能とする。

一方、冷却撹拌槽３に対応して撹拌子９は逆円錐状の撹
拌面を有し、この撹拌子９は冷却撹拌槽３の中心に設置
し、駆動軸１０及び減速支持装置１１を介して、電動機
１４により所定回転速度で矢印２４の向きに回転可能で
ある。

なお、減速支持装置１１と電動機１４とはトルク検出器
１２を介し、さらに好ましくはトルク制限継手１３によ
って接続し、撹拌子９がかりに停止しても電動機１４の
回転は継続するようにする。

撹拌子９の駆動機構１０〜１３は全体として昇降架台１
５上に設置し、これにより撹拌子９を両向き矢印２５の
ように昇降させる。昇降架台１５はガイドロール１６に
て支持するとともに昇降用油圧シリンダ１７に連結する
のであり、油圧ユニット２８からの圧力２８′の作動に
より、ガイドロール１１を案内として矢印２５に沿って
上下に昇降し、位置の制御も可能である。

（作　用） さて取鍋１８に入れて連間して来た溶融金属１９を装入
口８′から保温槽１内に供給する。

保温槽１において溶融金属２０は、一定温度に保持され
冷却撹拌槽３に流れ込む。

冷却撹拌槽３内においては、その凹円錐面と撹拌子９の
凸円錐面とによって形成されるテーパー環状の隙間より
なる冷却撹拌帯２９において、水冷ジャケット４による
強い冷却効果の下に、撹拌子９の矢印２４で示す回転に
よって撹拌効果を受けて半凝固金属を得る。この半凝固
金属はスライドゲート弁７から連続的に矢印２１のよう
に排出する。

この場合撹拌子９は一定速度で回転し、その負荷トルク
をトルク検出器１２で検出することにより指示計２６及
び調節計２７を介して、油圧ユニット２８及び昇降用油
圧シリンダ１７の操作によって撹拌子９の昇降位Ｗ調節
を行い、最適の冷却撹拌帯２９の状態に制御するのであ
り、かりに強い冷却によって冷却撹拌帯２９に厚い凝固
殻が発生して過大なトルクが生じた場合でも、トルク制
限継手１３により撹拌子９の停止に拘らず電動機１４は
停止していないので冷却撹拌帯２９の隙間をやや広げる
ことにより、直ちに操業が再開できる。

第２図は、冷却撹拌槽３に生じる挙動を示す。

この発明においては、冷却速度を出来るだけ大きくする
ため、水冷ジャケット４の冷却面には銅板４′を使用し
、冷却水２２°を、その背面に高速通水することによっ
て強冷却を達成させ得る。

この冷却板４′と撹拌子９との隙間に入る溶融金属は、
冷却板４′に直接接触して、強制的に冷却され凝固シェ
ル３０が形成されるのであるが、この凝固シェル３０の
厚さ（ｄ）は、冷却能力と撹拌効果の均衡によって決定
され、いずれにしても操業中は非常に不安定であり、特
にスタート時には、厚く形成される傾向にある。次に撹
拌子９の回転によって与えられる撹拌効果は撹拌子の周
速に比例し、隙間に反比例する関係にあり、一般にはせ
ん断ひずみ速度の関数として表わされる。回転速度の方
は遠心力、ガス巻込み及び装置の構造強度上の制約から
、周速度で１０ｍ／ｓ以上は一般に困難であり、かつ高
速回転は安全上がらも好ましくない。したがって十分な
撹拌効果を与えるためには適正な隙間を維持することが
最も実用的な方法である。

ところが強冷却を行うことによって凝固シェル３０が厚
みｄで形成されると、装置上の隙間（ｃ）に対し実際の
隙間は（ｃ−ｄ）となる。この隙間が非常に不安定であ
っても、小さくなりすぎると過大なトルクが発生して凝
固による膠着の恐れがあり、設計上は安全な大きな隙間
Ｃが選定されるため十分な撹拌効果を与えることができ
なかった。

この発明においては、冷却撹拌帯２９が頂角２θのテー
パー環状をなすため、撹拌子９をストロークＳだけ矢印
２５のように上昇きせると、半径方向の隙間はＣ’　＝
Ｃ＋５ｓｉｎ　θに増加する。すなわち隙間の制御を行
うことが可能となる。

一般に安定した冷却撹拌帯は円筒面によるのが最も理想
的であり、それは撹拌効果を一定としてすなわち回転半
径が一定のままで、円筒の長さを調節することによって
、十分な撹拌面積が得られるからである。これに対し円
錐面を採用した場合は上記のように隙間は任意に調節可
能となるが、十分な撹拌面積を得ようとすれば、回転半
径が大きく変化することになり、撹拌効果は一定でなく
なる。

したがって円錐面の撹拌子を採用する場合においてなる
だけ安定した撹拌効果を得るため、回転半径をできるだ
け大きくし、軸方向長さを短くした冷却撹拌帯２９を構
成する様にする。ここに円錐面の頂角２θは３０°〜１
２０　’の範囲が適している。

なおこの発明においては、逆円錐面を有する撹拌槽及び
撹拌子について説明したが、正円錐面を有する撹拌槽及
び撹拌子の組合せによっても、撹拌子の昇降によって隙
間を調節可能としたものは、当然この発明の範囲に含ま
れるものである。

（実施例） 第３図には、この発明に従い溶融金属の中間容器である
タンデイツシュ２０１の底部に複数個の冷却・撹拌槽２
０２及び撹拌子２０７を設け、それぞれ独自に製造した
半凝固金属２１３をそれぞれの鋳型２１１に供給して、
半凝固金属ビレット２１６を連続的に製造する事例につ
いて図解した。タンデイツシュ２０１は耐火材を内張す
した容器でありその底部に所定個数の冷却撹拌槽２０２
が取付可能である。

冷却撹拌槽２０２はその内面で逆円錐面を形成し、かつ
その大部分が水冷ジャケラｌ−２０３であって、冷却水
２１４を通水することによって、強制冷却が可能である
。冷却撹拌槽２０２の底には排出部２０４及びスライド
ゲート弁２０６が取付けられ、電熱ヒータ２０５に電力
２１５を供給して加熱し、製造された半凝固金属２１３
の凝固を防止しながら連続的に排出する。

一方冷却撹拌槽２０２に対応した逆円錐面を存する撹拌
子２０７は、駆動軸２０８によって駆動装置に連結され
、矢印２０９に示す回転及び矢印２１０のように昇降・
位置制御が可能である。ダンデイツシュ２０１内の溶融
金属２１２は、一定温度範囲に保持されていて、底部の
冷却・撹拌槽２０２と撹拌子２０７との間にテーパー環
状をなす隙間つまり冷却撹拌帯に流入し、水冷ジャケッ
ト２０３による冷却と撹拌子２０７の回転による撹拌の
双方の効果により半凝固状態となり、排出部２０４及び
スライドゲート弁２０６を介して連続的に排出される。

それぞれの冷却撹拌装置から連続的に排出された半凝固
金属２１３は対応する連続鋳造用鋳型２１１に直接供給
され製品ビレット２１６が製造される。

この場合撹拌子２０７は前記したようにして昇降し、冷
却面と撹拌子との隙間を適正に維持するように制御する
ことができる。

この発明の装置の生産能力は、対象金属の物性値及び目
標固相率（融体中に存在する凝固結晶の割合）によって
変るが、冷却・撹拌面積により決定され、従来の連続鋳
造技術に十分適用可能であり、従来の鋳造品の品質向上
、設備の熱負荷低減に大きく役立つものである。又鋳型
２１１を変更するだけで、一般鋳造工程にも十分応用可
能である。

（発明の効果） この発明を実施した半凝固金属製造装置は次に列記する
効果を発揮する。

（１）強冷却による適正最小隙間による操業が可能にな
るため、冷却速度を１０°Ｃ／ｓｅｃ以上にも高めるこ
とが可能となり、初晶粒子の細い優れた特性の半凝固金
属が製造可能であり、とくに強冷却可能なため、生産能
力が大きく実用的である。

（２）撹拌が適正最小隙間で行なわれるため、回転速度
が従来のものに比べて半分以下のように遅くても十分な
撹拌効果が得られ、高速回転に併うガス巻込みの危険性
及び装置設計上の構造、強度及び安全面に対する全ての
問題点が解決される。

（３）適正最小隙間を維持しながら操業できるため半凝
固金属の品質は安定する。

（４）スタート時の過大な凝固シェルの形成にも対応で
き、授業開始が容易である。又長時間の連続操業時にも
トルクの変動を監視しつつ操業を行うため、事故がなく
安定した操業が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成を要部の断面で示す全体的な説
明図、 第２図はこの発明による冷却撹拌帯における作用を示す
拡大図であり、 第３図はこの発明の実施例を示す断面図である。 １・・・保温槽　　　　　　２・・・誘導加熱コイル３
・・・冷却撹拌槽　　　　４・・・水冷ジャケット５・
・・排出部　　　　　　６・・・電熱ヒータ７・・・ス
ライドゲート弁　８・・・蓋８′・・・装入口　　　　
　９・・・撹拌子１０・・・駆動軸　　　　　　１１・
・・減速支持装置１２・・・トルク検出器　　　１３・
・・トルク制限接手１４・・・電動機　　　　　　１５
・・・昇降架台１６・・・ガイドロール　　　１７・・
・昇降用油圧シリンダ１８・・・取鍋　　　　　　　２
６・・・トルク指示針２７・・・調節計　　　　　　２
８・・・油圧ユニ７）第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、底部周壁に冷却手段を施した溶融金属の槽と、底部
   周壁の中心において回転する撹拌子とを有し、底部周壁
   と撹拌子との隙間に溶融金属を供給しながら冷却撹拌効
   果を与えて半凝固金属を連続的に製造する装置において
   、底部周壁は凹円錐面、それに対応する撹拌子は凸円錐
   面を有し、これらによって形成されるテーバー環状の隙
   間よりなる冷却撹拌帯を具備すること、 撹拌子には、溶融金属の槽に対する昇降位置調節装置を
   設けこれによって冷却撹拌帯の隙間を制御可能としたこ
   と より成ることを特徴とする半凝固金属を連続的に製造す
   る装置。 ２、冷却撹拌帯のテーパー環状の隙間を形成する円錐頂
   角が３０°〜１２０°の範囲である請求項１に記載した
   装置。 ３、撹拌子がその回転駆動系にトルク検出器をそなえ、
   指示計及び調節計を介して、負荷トルクの変動に応じた
   調節出力により撹拌子の昇降位置調節の制御を可能とし
   た請求項１又は２に記載した装置。