JPH04274842A - 半凝固金属の製造方法および装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非樹枝状初晶が金属融体
中に分散した固体−液体金属混合物（簡単のため単に半
凝固金属と呼ぶ）を安定して連続的に製造する方法とそ
の方法の実施に用いる装置に関するものである。

【０００２】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みを帯
びた形態に変えて金属融体と分散混在させることにより
得られるものである。

【０００３】

【従来の技術】半凝固金属を連続的に製造する方法とし
ては、例えば特公昭５６−２０９４４号公報に開示され
ているように、溶融金属を円筒状の冷却撹拌槽内におい
て撹拌子の高速回転により冷却しながら激しく撹拌して
、溶融金属中に生成しつつある樹枝状晶を、その枝部が
消失ないし縮小して丸みを帯びた形態に変え、これを分
散させて金属融体中に混在するようにしたスラリー状半
凝固金属とし、冷却撹拌槽の底部ノズルから連続的に排
出する方法がよく知られている。しかし、この方法では
高速回転する縦の回転軸を有する撹拌用回転子と同心円
筒状冷却撹拌槽との隙間に溶融金属を導き、該槽内で適
当な冷却と強烈な撹拌作用を加えて半凝固状態とし、下
方のノズルから半凝固金属として連続的に排出させるも
のであるが、冷却面での凝固殻の形成・成長による隙間
の閉塞防止の点から冷却速度が２℃／ｓ以下に制約され
、凝固殻形成成長のための冷却速度制御や排出速度制御
にも難点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】半凝固金属の排出制御
性を改善するため先に、横軸のまわりで回転する円筒胴
よりなる撹拌子とこの撹拌子の円筒胴の外周に沿う凹曲
面からなる冷却壁との間で形成した隙間に向けて原料溶
融金属を連続的に供給し、該隙間内にて生成する樹枝状
晶を撹拌用回転子の回転に基づく剪断力によって破砕し
、粒子の細かい非樹枝状晶とし、かくして隙間の下方か
ら半凝固金属の連続的な排出を促進することに特色のあ
る半凝固金属の製造方法（特願平１−２７９９５９号）
　の開発研究に出願人の一人として参画したが、この方
法においては、撹拌子の直径と回転速度の選択により十
分な冷却速度と撹拌効果を与えることが容易である上に
半凝固金属の排出には重力の作用のみではなく、撹拌子
の回転を半凝固金属の排出方向に向かわせて排出流れを
助長し得るので、固相率のより高い高粘度の半凝固金属
の排出を可能ならしめ得る反面でこの場合、撹拌子と固
定壁との間に隙間で冷却凝固した半凝固金属は該隙間か
らその出口の状態のままその形状に従って排出するため
半凝固金属の不均一性の問題がありまた排出口に連結さ
れる受取り設備又は加工設備など次工程における中継形
状上の制約や、排出速度の制御に関しても難点がありま
た冷却撹拌部の冷却抜熱面にて溶融金属の凝固殻が形成
成長し、そのため半凝固金属が通過する隙間が狭くなっ
て、排出速度の低下ないし隙間の閉塞を生じてしまうお
それや凝固殻生成による伝熱抵抗の増加に伴う抜熱・冷
却速度の低下などの問題が、長時間にわたる品質・操業
の安定した半凝固金属の製造に関してなお難点を残す。

【０００５】一般に半凝固金属の結晶粒径などの品質は
、その製造時の冷却速度又は固液共存状態における単位
時間当たりの固相率の増加速度（簡単のため単に固化速
度と呼ぶ。）や、撹拌速度によって左右される流体の単
位距離当たりの速度変化の平均値（簡単のために単に剪
断歪速度と呼ぶ。）および固相率などによって大きく影
響されることはよく知られている。

【０００６】流動性の悪い半凝固金属を製造装置から安
定して連続排出するためには排出口断面積が安定して確
保されかつ排出口面積を容易に制御され得る必要がある
のはいうまでもないが、回転軸が横である回転円筒胴に
固定壁を組合せてなる半凝固金属製造装置においても、
既定の品質の半凝固金属を長時間連続的に安定して製造
・排出するためには、冷却撹拌槽部での凝固殻の形成成
長を防止し、抜熱・固化速度、剪断速度、固相率および
排出速度を安定させる必要がある。

【０００７】発明者らは上記の半凝固金属製造装置から
排出される該半凝固金属の結晶粒や固相率および排出速
度におよぼす要因の研究と目標の半凝固金属を安定して
連続排出させることを課題として開発研究を進め、この
発明に到達したものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】一般に半凝固金属の流動
性の指標であるみかけ粘度は図１に示すように、融体中
における懸濁の度合すなわち固相率とともに、半凝固金
属製造時の固化速度および剪断歪速度によって大きく影
響される。すなわち、固相率が高いほど粘度が高くなり
、流動し得る上限の限界固相率があるが、この限界固相
率は半凝固金属製造時の固化速度が大きいほど、また剪
断歪速度が小さいほど小さくなることがわかっている。 そのため、半凝固金属製造装置の装置特性の固化速度や
剪断歪速度、排出速度、排出口形状などから排出可能な
半凝固金属の固相率または粘度はおのずから決定される
ものであり、したがって、この排出可能な固相率または
粘度以上の半凝固金属は排出不可能となるが、本発明は
、この排出可能な固相率または粘度を上昇させるととも
に、既定の固化速度や固相率の半凝固金属を長時間安定
して次工程設備へ連続排出することができる半凝固金属
の製造方法並びにその発明の実施に用いる半凝固金属の
製造装置を提供するものである。

【０００９】発明者らは、種々の固化速度、撹拌条件、
排出条件でスラリー状半凝固金属の製造実験を行い、該
半凝固金属の排出口断面形状及び断面積と排出状況の関
係、冷却撹拌の際における抜熱条件と固相率および、抜
熱面の凝固殻生成状況と固化速度、排出速度の関係につ
いて解明を行った結果、安定な排出を可能ならしめるよ
うに排出口断面形状とその断面積の可変機構を設置する
こと、冷却撹拌部の抜熱法を選択することおよびさらに
は、抜熱面に生成する凝固殻を除去する治具を使用する
ことによって上記問題が有利に解決できたものである。 すなわち本発明の方法は、横軸のまわりに回転する円筒
胴よりなる撹拌子とこの撹拌子の円筒胴の外周に沿う凹
曲面からなる固定壁との間に形成した隙間に溶融金属を
供給し、該隙間内にて強制冷却による凝固を生起させ乍
ら撹拌子の回転に基づく剪断力によって粒子の細かい非
樹枝状初晶が懸濁した半凝固金属を得る半凝固金属の製
造法において、撹拌子と固定壁の隙間の下方に設置した
スライド弁により、該スライド弁の上部で半凝固金属の
保持混合と、排出速度及び排出口形状の調節を行うこと
を特徴とする半凝固金属の製造方法であり、ここに隙間
の下方で連続的な該半凝固金属の排出を司る排出口にて
、撹拌子の円筒胴周面に凝固付着した凝固殻を、剥離治
具により掻き落とすことがより有利であり、また本発明
の装置は横軸のまわりに回転する円筒胴よりなる撹拌子
と、この撹拌子の円筒胴の該周面に沿う凹曲面を有して
その凹曲面と円筒胴周面との間に隙間を形成した固定壁
とをそなえ、この隙間に溶融金属を供給して撹拌子の回
転に基づく剪断力により溶融金属中に生成する樹枝状晶
を破砕しその破砕片の粒子を融体中に分散させ乍ら上記
隙間より半凝固金属として排出させる半凝固金属の製造
装置において、撹拌子と固定壁の隙間の下方にスライド
弁を設置して成る半凝固金属の製造装置であり、ここで
撹拌子の円筒胴に面して、その胴周面状で凝固付属した
凝固殻の剥離治具を、隙間の出側に配置することが一層
望ましい。

【００１０】さて図２にこの発明の方法の実施に用いる
半凝固金属の製造装置の構成を図解し、図中１は撹拌子
、２は固定壁、また３は耐火物側壁、４は耐火物内壁５
は剥離治具、そして６は固定壁２の調節駆動装置、７は
鋳片、８は凝固殻、９は溶融金属、１０は半凝固金属、
１１は排出口、１２は冷却水系統、１３は加熱用ヒータ
ー、１４は取鍋、１５は注入ノズル、１６は成形用ロー
ル、そして１７は熱電対、１８は剥離治具５の調整駆動
装置であり、１９はスライド弁、２０はその操作機構で
ある。

【００１１】図示例において耐火物内壁４は、撹拌子１
の円筒胴の外周面に沿う固定壁２の凹曲面を形成し、固
定壁２の断熱面として役立つ。

【００１２】

【作用】固定壁と回転軸が横向きである撹拌子を用いる
装置において、半凝固金属を連続的に製造する場合の冷
却撹拌における伝熱解析および凝固殻の生成状況につい
て調査した結果、冷却能のある固定壁および回転子では
双方の冷却面に凝固殻又は流動性のなくなった高固相率
の半凝固殻が生じていることが明らかとなり、それが半
凝固金属の固化速度や排出断面積の変動の原因となって
、結晶粒径と排出固相率および排出速度に大きく影響し
ていることがわかった。

【００１３】すなわち、冷却面に凝固殻又は半凝固殻が
形成されると、それが伝熱抵抗となり抜熱、冷却速度が
低下し結晶粒径の変動をもたらすとともに排出口の断面
積の減少によって排出速度の低下や閉塞の原因となって
、既定の結晶粒径や固相率の半凝固金属の安定した製造
や既定の排出速度での安定した排出が不可能であった。

【００１４】したがって、該半凝固金属製造装置の固化
速度、剪断歪速度や該半凝固金属の排出固相率、排出速
度を正確に安定して制御し、既定の半凝固金属として連
続排出をするためには、溶融金属に冷却撹拌を加える間
における抜熱量と排出速度とを安定させる必要がある。

【００１５】すなわち、冷却面に形成される凝固殻の厚
みの過度な成長を防止して一定値にするとともに、半凝
固金属の排出口が凝固殻の成長によって縮小または閉塞
しないようにする必要がある。

【００１６】そこで固定壁は断熱材製または断熱構造と
し固定壁には凝固殻又は半凝固殻が形成しないようにし
、冷却抜熱機能は専ら撹拌子のみに受持たせ、またさら
には撹拌子の胴周面に形成される凝固殻を排出口の出側
で胴周面に面して配置したバイト状の剥離治具によって
切削剥離させることによって、冷却抜熱条件および排出
口断面積を常に一定に保たれる。しかしこの場合隙間出
口部で凝固殻の切削片が不均一に混合した半凝固金属と
なること、また隙間出口形状がスリット状の細長い長方
形であるためそこから排出される半凝固金属の受取り設
備の形状が制御されることが問題となる。これに対し隙
間の出側での保持混合及び排出形状の選択と断面積の制
御を可能として隙間出口部の下部に開閉機構を具備した
排出ノズルを設置することにより上記の問題が解決され
得る。

【００１７】冷却撹拌中の半凝固金属の流動性は図１に
ついてすでに触れたように固相率が高くなると悪くなり
、排出口の開度が同一でも排出速度は遅くなるため、既
定の排出速度を確保するためには該半凝固金属の固相率
によって該排出口断面積、すなわち排出口部の固定壁と
撹拌子の間隔を大きくする必要がある。

【００１８】したがって、排出口に設置された熱電対に
よる該排出半凝固金属の温度測定値によって平衡状態図
をもとに排出固相率を換算し、望ましくは同時に撹拌子
の負荷トルクを駆動装置に設置されたトルク検出機（図
示略）によって測定し、また図示しないが半凝固金属の
受取り容器に取り付けられたロードセルによって排出速
度を測定し、その固相率および望ましくはトルク値と排
出速度によって排出ノズル開度を調整し、もって既定の
固相率の半凝固金属が既定の排出速度で安定して連続排
出させることができる。

【００１９】かくして、前記問題点が解決され、半凝固
金属の閉塞などのトラブルも回避でき、かつ操業が容易
となって目標の半凝固金属を連続的に安定して製造する
ことが可能になった。

【００２０】つぎに、この発明による半凝固金属製造装
置を具体的に図解した図２により作用をより詳細に説明
する。この発明の装置は内部冷却機能を有する横軸のま
わりに回転し得る円筒胴をもつ撹拌子１、断熱材からな
るかまたは図示のように耐火物内壁４を内張りした断熱
構造の固定壁２、溶融金属を溜めるのに役立つ耐火物側
壁３、撹拌子１の周囲に付着凝固する凝固殻又は半凝固
殻８を排出口１１で切削除去する剥離治具５、固定壁２
と撹拌子１との隙間寸法をかえる、固定壁２の調節駆動
装置６をそなえている。排出口１１すなわち撹拌子１と
固定壁２の隙間の下方にスライド弁１９を設けて、操作
機構２０より排出口形状の調節を可能にする。

【００２１】撹拌子１は図示しないがその回転軸と伝動
連結した駆動源により回転し、固定壁２の耐火物内壁４
と撹拌子１との間の隙間にて冷却されつつある半凝固金
属に撹拌効果を与え、微細な非樹枝状を呈する初晶粒子
を均一に分散させる。この撹拌子１の直径は排出される
半凝固金属の排出量と冷却能力から決定される。撹拌子
１は内部に冷却水系統１２に連結して撹拌子１と固定壁
２の間の溶融金属１１を冷却し半凝固金属まで直接強制
冷却を行う。

【００２２】半凝固金属１２を排出する排出口１１にお
いて、耐熱工具鋼などでできたバイト状の剥離治具５に
よって回転する撹拌子１の周囲に凝固付着している凝固
殻又は半凝固殻８を切削剥離し、また排出されてくる半
凝固金属の撹拌子１からの分離と排出を助成する。耐火
物側壁３は、注入溶融金属１１の注入量の変動を許容す
るための溶融金属溜めを形成するとともに、撹拌子１の
両側における溶融金属の漏れを防止するように耐火物内
壁４と一体にして固定壁２に密着させかつ、撹拌子１の
両側端面とは摺合わせ構造になっている。固定壁２は、
加熱ヒータ１３を具備して温度制御に役立てる。なお剥
離治具５は、必要によって撹拌子１の表面に付着した凝
固殻８の薄層を保護層として残すことができるように、
撹拌子１との間隔調整のための調整駆動装置１８を有す
るものとすることができる。

【００２３】さて、取鍋１４に入れて運搬してきた溶融
金属９を注入ノズル１５を通して撹拌子１と固定壁２と
の隙間に供給する。供給された溶融金属９は水冷された
撹拌子１からの抜熱により温度が降下しつつ撹拌子１で
強烈な剪断力が与えられ、微細な非樹脂状晶が懸濁した
スラリー状半凝固金属１０として排出口１１より排出さ
れる。このとき撹拌子１の回転を、半凝固金属１０の排
出流れを助長する向きに定める。従って撹拌子１の周面
に付着した凝固殻は剥離治具５によって削り落される。 その結果撹拌子１の表面状態と、排出口１１の断面形状
は常に同一状態に保たれて、抜熱条件、排出速度は均一
となって、高粘度の半凝固金属の連続的な排出が可能に
なる。

【００２４】また排出口に設置された熱電対１７による
該排出半凝固金属の温度測定値によって平衡状態図をも
とに排出固相率を換算算出し、望ましくは同時に撹拌子
１が一定速度で回転される負荷トルクをトルク検出機で
検出し、或いは排出半凝固金属の排出速度を、たとえば
成形ロールの回転数測定により算出することにより、そ
の固相率、負荷トルク値および排出速度によって指示計
および調節計を介して油圧または電気的に操作機構２０
を操作することによってスライド弁１９を既定の排出速
度になるように調節する。

【００２５】このようにすることにより、一定の固相率
を持った半凝固金属が安定した排出速度で排出でき、装
置内閉塞も回避できる。スライド弁１９のノズル形状は
、長方形や丸形など必要により選択することができる。 この際固定壁圧についても油圧または電気的な、調整装
置６を操作することにより撹拌子１の半径方向に移動調
整して、固定壁２との間隔を半凝固金属１０の最適な通
過間隙に調節することもできる。

【００２６】また撹拌子１の冷却面に付着した凝固殻８
の剥離治具５を撹拌子１の冷却面から望ましくは２ｍｍ
以下の間隔をあけて固定することにより凝固殻８のの一
部を撹拌子１のセルフコーティングとして残し、これに
より溶融金属または半凝固金属との間の熱的な反応によ
る撹拌子１の損傷を防止し、その寿命の延長を計ること
ができる。

【００２７】

【実施例】実施例１ 第２図に示した排出口部における固定壁２の耐火物内壁
４と撹拌子１との排出口１１における隙間を５ｍｍとし
た半凝固金属製造装置に、Ａｌ−４．５％Ｃｕ合金の溶
湯を注入し、外径４００ｍｍ　の撹拌子１を２５０ｒｐ
ｍ（剪断歪速度＝５３０／ｓ）で回転させながら凝固中
の平均固化速度が３．１　％・ｓ−１となる条件で冷却
した。排出口１１の下方に設けた２０ｍｍ径のスライド
弁１９のノズル開度を１０ｍｍとし、ノズル出口から流
出する半凝固金属の温度を熱電対１７により連続測定し
、その温度から平衡状態図をもとに換算した固相率が、
０．２７の半凝固金属を排出させた結果、連続的に安定
して半凝固金属の製造ができ、流動の停滞を生じること
なく排出ができた。

【００２８】実施例２ 同じく第２図に示した排出口１１における固定壁２の耐
火物内壁４と撹拌子との間隔を５ｍｍとした半凝固金属
製造装置に、Ａｌ−１０　％Ｃｕ合金の溶湯を注入し、
撹拌子１を１２０ｒｐｍ（剪断歪速度＝３１９／ｓ）で
回転させながら凝固中の平均固化速度が０．４６％・ｓ
−１となる条件で冷却し、凝固殻を切削除去する剥離治
具５と撹拌子１との間隔を１ｍｍ開けて回転子表面に１
ｍｍの凝固殻のセルフコーティングを行い乍ら排出口１
１の下方に設けた２０ｍｍ径のスライド弁１９のノズル
開度を１０ｍｍとして半強固金属を流出させた。ノズル
出口における半凝固金属の温度換算による固相率が０．
３１の半凝固金属が安定して製造排出ができた。

【００２９】

【発明の効果】この発明に従って半凝固金属を製造する
方法はつぎに列記する効果を発揮する。 （１）　強冷却による操業と、撹拌効果と安定操業面か
らの最適な最小隙間での操業が可能になるため、冷却速
度を３℃／ｓ以上に高めることが可能となり、微細な非
樹枝状を呈する初晶粒子からなり、優れた特性の半凝固
金属が製造でき、特に強冷却が可能なため生産能力が大
きくなり実用的である。

【００３０】（２）　撹拌が最適な最小隙間で行われる
ため、回転速度は従来技術にくらべて遅くても十分な撹
拌効果が得られ、高速回転に伴うガス巻き込みの危険性
、および装置上の構造、強度および安全面に対する全て
の問題点が解決される。

【００３１】（３）　最適な最小隙間、最適な冷却速度
を維持しながら操業できるため半凝固金属の品質が安定
する。

【００３２】（４）　操業スタート時の非定常状態にお
ける過大な抜熱による凝固殻の形成にも対応でき操業が
容易になる。また、長時間の連続操業時にも半凝固金属
の装置内融着や閉塞などの事故がなく、安定した操業が
可能である。

【００３３】（５）　双ロール鋳造機に半凝固金属を供
給鋳造するような場合、撹拌子の幅方向に半凝固金属を
均一に供給でき、この半凝固金属を原材料とした均質で
優れた特性をもつ薄板の製造が可能となる。

【００３４】（６）　使用条件が苛酷な撹拌子の表面に
凝固殻のセルフコーティングができるため撹拌子の寿命
の延長および撹拌子材料の選択の融通性が拡大する。

【００３５】（７）　流動性が悪く装置内で閉塞しやす
い高固化速度での半凝固金属連続製造装置でも、安定し
て連続的に製造でき排出が可能となる。したがって、半
凝固金属製造装置から半凝固金属が排出され、後段の装
置への移送や次工程の保持装置、鋳造機および加工装置
への排出移送に対して、装置内閉塞などの事故がなく、
安定した操業が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は半凝固金属の固相率とみかけ粘度の関係
グラフである。

【図２】図２はこの発明の実施例に使用した半凝固金属
連続製造装置を示す説明図である。

【符号の説明】

１　　撹拌子 ２　　固定壁 ３　　耐火物側壁 ４　　耐火物内壁 ５　　剥離治具 ６　　固定壁調節駆動装置 ７　　鋳片 ８　　凝固殻 ９　　溶融金属 １０　　半凝固金属 １１　　排出口 １２　　冷却水系統 １３　　加熱ヒーター １４　　取鍋 １５　　注入ノズル １６　　成形ロール １７　　熱電対 １８　　剥離治具の駆動装置 １９　　スライド弁 ２０　　スライド弁の操作機構

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　横軸のまわりに回転する円筒胴よりな
   る撹拌子とこの撹拌子の円筒胴の外周に沿う凹曲面から
   なる固定壁との間に形成した隙間に溶融金属を供給し、
   該隙間内にて強制冷却による凝固を生起させ乍ら撹拌子
   の回転に基づく剪断力によって粒子の細かい非樹枝状初
   晶が懸濁した半凝固金属を得る半凝固金属の製造法にお
   いて、撹拌子と固定壁の隙間の下方に設置したスライド
   弁により、該スライド弁の上部で半凝固金属の保持混合
   と、排出速度及び排出口形状の調節を行うことを特徴と
   する半凝固金属の製造方法。
2. 【請求項２】　　隙間の下方で連続的な該半凝固金属の
   排出を司る排出口にて、撹拌子の円筒胴周面に凝固付着
   した凝固殻を、剥離治具により掻き落とすことを特徴と
   する請求項１に記載した半凝固金属の製造方法。
3. 【請求項３】　　横軸のまわりに回転する円筒胴よりな
   る撹拌子と、この撹拌子の円筒胴の該周面に沿う凹曲面
   を有してその凹曲面と円筒胴周面との間に隙間を形成し
   た固定壁とをそなえ、この隙間に溶融金属を供給して撹
   拌子の回転に基づく剪断力により溶融金属中に生成する
   樹枝状晶を破砕しその破砕片の粒子を融体中に分散させ
   乍ら上記隙間より半凝固金属として排出させる半凝固金
   属の製造装置において、撹拌子と固定壁の隙間の下方に
   スライド弁を設置して成る半凝固金属の製造装置。
4. 【請求項４】　　撹拌子の円筒胴に面して、その胴周面
   上で凝固付属した凝固殻の剥離治具を、隙間の出側に配
   置して成る請求項３に記載した半凝固金属の製造装置。