JPH0428461A - 半凝固金属の連続鋳造方法及び半凝固金属注入用ノズル - 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） 本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）を連続鋳
造するための方法とこの方法の実施に用いる装置に関し
、溶融金属から−たん半凝固状態とした上でこの半凝固
金属を連続的に鋳造することにより連続鋳造の利益を一
層拡充することについての開発研究の成果である。

なおこのようにして連続鋳造された鋳片は、半凝固状態
の温度域まで再加熱することにより、チクソトロピー性
（小さな応力下に大きな変形能を有する。）を加工に利
用（以下「チクソ加工」という。）し、ダイキャスト、
密閉鍛造、熱間プレス、真空成形等の各種プロセスの加
工素材としても用いられる。

（従来の技術） 半凝固金属を連続鋳造し、チッソ加工用素材を連続的に
製造する方法については、特公昭５６−２０９４４号公
報、特公昭６１−７１４８号公報などに開示されている
。これらの方法では半凝固金属を製造する装置の底部に
排出ノズルを設け、ノズルから排出される半凝固金属を
従来技術の開放鋳型に供給するとか、あるいは半凝固金
属製造装置を連続鋳造鋳型に直結するようにされている
。

しかしこれらの方法の実施は、半凝固金属特有の特性か
らして技術的に困難であり、いまだに実用化されるには
至っていない。

それというのは、半凝固金属が溶融金属（−船釣には合
金）を冷却しながら激しく攪拌して融体中で生成しつつ
ある樹枝状初晶を、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したもので、すでに潜熱をある程
度放出し、凝固の始まった液体であって、過熱度が全く
なく、しかも見掛粘性が非常に大きいという特徴を有し
ているからで、約言すると、流動性が非常に悪く、かつ
凝結し易いという欠点を有するので、ノズルからの定量
排出は困難をきわめ、鋳型と直結したとしても鋳型前の
ノズル部においてすでに凝結がはじまり、鋳片の引き抜
きは不可能となるつれいかあり、また鋳型内においても
、従来の溶融金属とは異る特性を示すので、鋳型の熱負
荷は軽減できても、従来の連続鋳造技術のままでは、実
用化が困難であったのである。

（発明が解決しようとする課題） 半凝固金属は、幾分かの潜熱をすでに放出して凝固が開
始し金属融体中に凝固結晶の分散した状態にあるので、
過熱度が全くなくそのため非常に凝結し易くてしかも見
掛粘性は高く、流動性が悪いという特性を有する。

従って在来の連続鋳造技術により半凝固金属を連続鋳造
することは困難である。

その場合の問題点につき以下に記す。

（１）半凝固金属製造装置からノズル排出により従来の
連続鋳造開放鋳型に供給する方法は半凝固金属の見掛粘
性が高く流動性が悪いため、連続定量供給が困難である
。

（２）半凝固金属の排出量により、半凝固金属の特性（
固相率、見掛粘性等）が大きく変化するので、半凝固金
属製造装置では、一定排出量を維持することが、安定操
業のために絶対必要な条件である。

（３）シたがって、半凝固金属製造装置と連続鋳造鋳型
とを直結することが好ましいが、従来の技術のままでは
、半凝固金属が鋳型の入口に凝着し、連続的に鋳片を引
き抜くことは不可能である。

（課題を解決するための手段） （１１半凝固金属製造装置と連続鋳造鋳型とを直結し、
連続鋳造鋳型からの鋳片引抜速度（鋳造速度）を一定に
維持することにより、半凝固金属製造装置の排出量すな
わち、溶融金属の処理量を一定とし、安定した性状の半
凝固金属を製造する。

（２）半凝固金属製造装置の排出部と連続鋳造鋳型とは
、製造される半凝固金属の粘性抵抗に打ち勝って流動す
るに十分な開口断面積を有する、ノズル部によって連結
する。

（３）該ノズル部には、高周波誘導加熱コイルを設置し
、常時通電加熱しておくことにより、ノズル部通過中の
半凝固金属がノズル部に凝着することを防止する。

（４）この高周波加熱は通過流動中の半凝固金属には、
おおきな熱量は与えないが、凝着した金属には、大きな
熱量が加わり、再溶解して、鋳型向凝固シェルとの連結
が防止される。

つまりこの発明は溶融金属を冷却下に攪拌して得られる
、半凝固金属を、その冷却攪拌槽の排出部に、誘導加熱
コイルと、該コイルに電力を供給する電源を具備する注
入ノズルを介して直結した連続鋳造鋳型によって、半凝
固金属を急冷・凝固させた鋳片を連続的に製造すること
を特徴とする半凝固金属の連続鋳造方法（第１発明）並
びに高温強度に優れた導電性セラミックをノズル本体と
し、このノズル本体の外周に誘導加熱コイルを配設して
これに電力を給電することにより、ノズル本体を高温に
保持することによって、内部を通過する金属の凝結を防
止することを特徴とする、半凝固金属注入用ノズル（第
２発明）である。

第１図に本発明の方法を実施する装置の構成を全体図で
示し、第２図には連続鋳造鋳型に給湯する注入ノズル部
を詳細図で示した。

第１図において、半凝固金属を製造する装置は、受湯槽
ｌと攪拌槽２と攪拌隙間３と攪拌子４及び排出槽５から
構成される。

受湯槽ｌは耐火材で内張すされた円筒容器であって、そ
の１部に受湯口１′を設けである。

攪拌槽２は、その内面が保温又は冷却された面を形成し
、攪拌子４との隙間３において、溶融金属に冷却攪拌効
果を与え、半凝固金属を製造する部分である。

攪拌子４は先端の冷却攪拌部４ａと駆動軸４ｂとから構
成され、回転駆動及び昇降手段を有し、高速で矢印αの
ように回転、また矢印βのように昇降が可能な構造とし
ている。

排出槽５は耐火断熱材を内張すした、保温可能な容器で
あってその底部にこの例で水平方向に排出口５′を設け
て注入ノズル６を取付けである。

次に連続鋳造装置は鋳型７、スプレー冷却管８及びピン
チロール９とから構成され、所定断面形状を有する鋳片
１０を連続的に製造する装置であり、注入ノズル６を介
して、半凝固金属製造装置に直結している。

注入ノズル６にはこの例で高周波電源１１を付属させで
ある。

ここで注入ノズル６と連続鋳造鋳型７の構造について、
第２図により詳述する。注入ノズル６は耐火材セラミッ
ク製のノズル本体６ａ、その外周に設けた誘導加熱コイ
ル６ｂ、ノズル出口のブレーキリング６ｃ、及び給電タ
ーミナル６ｄから構成され、排出槽５に直結取付けられ
る。

連続鋳造鋳型７は所定の鋳片断面形状を有する、両端開
放の純銅製鋳型本体７ａ、ウォータジャケット７ｂ、給
水管７ｃ、排水管７ｃ’とから構成され、多量の冷却水
を通水して、鋳型本体７ａを冷却し、そこに供給される
半凝固金属１２を、間接的に接触冷却して凝固させるも
ので、給湯ノズル６のブレーキリング６ｃに密着取付け
られている。この鋳型７の出口には、スプレーノズル８
を設け、冷却水を直接噴射し、鋳片１０を更に冷却する
構造としている。

（作　用） 溶融金属は連続的に受湯口１′に供給され、攪拌槽２に
おいて、攪拌槽２と攪拌子４との隙間３において、撹拌
子先端の冷却攪拌部４ａの冷却と、高速回転とにより強
く冷却・攪拌作用を受け、半凝固金属１２が製造され、
排出槽５に流下する。攪拌子４は必要に応じて、昇降し
、隙間３の調整及び着脱も可能である。

ここで製造された半凝固金属１２は、すでに１０〜５０
％の凝固潜熱を放出し固相の発生したものであって、そ
の温度は液相線温度より低いが粘性の高い、非常に凝固
し易いスラリー状の金属である。

したがってこの半凝固金属Ｉ２を、従来通りの連続鋳造
鋳型に直結供給すると、鋳型入口に強固な凝固シェルが
形成し、引き抜き不能となり、実用化困難である。

そこでこの発明においては、半凝固金属１２を、注入ノ
ズル６を介して、排出口５′から連続鋳造鋳型７に供給
する構造とし、注入ノズル６において高周波電源１０か
ら適正な電力を誘導加熱コイル６ｂに印加し、適当に加
熱することによって凝固シェルの形成を防止する。この
場合ノズル本体６ａとしては、高温強度に優れた導電性
セラミックを使用すると良い。更にブレーキリング６Ｃ
は溶融金属に濡れない性質をもつセラミック製であり、
半凝固金属１２が注入ノズル６の出口に付着することな
く、整流状態で鋳型内に流入する。

鋳型７内においては、半凝固金属１２は鋳型本体７ａの
水冷壁に触れて急冷され、凝固シェル１２′が早く形成
され鋳片ｌＯとなり、連続的に溶融金属の供給量に見合
う引抜速度で矢印γのように引き抜かれ、半凝固金属の
完全凝固鋳片が製造される。

この場合、半凝固金属の連続鋳造においては、半凝固金
属の特性から従来の連続鋳造法にない、大きな特長が発
揮される。まず、凝固潜熱を放出していると言う熱的、
温度的条件から、凝固シェル１２′の形成、成長が早く
、鋳型に対する熱負荷が小さ（、高速引抜が可能である
。

次に半凝固金属は温度がすでに低く粘性の高いスラリー
状であることから、鋳型への流入は層流（整流）状態で
行なわれ、凝固シェルの形成開始点が安定しており、従
来方法の様に鋳型途中に凝固シェルの破断点が発生する
ことなく、ブレークアウトの発生する危険がない。

したがって従来装置の様に、断続引き抜きの必要はなく
、連続引抜きにより、生産性が高く表面性状の良い鋳片
が製造出来る。次の特長としては、半凝固金属は凝固収
縮量が少ないため、エヤーギャップの発生がなく、不均
一冷却による、変形及び割れ発生の危険が小さく、複雑
断面形状の鋳片の製造が可能になり、より最終製品形状
に近い鋳片の製造が可能となる。

（実施例） 次に実施例として、電磁攪拌方式の半凝固金属製造装置
に応用した場合について第３図により説明する。第３図
において、電磁攪拌方式の半凝固金属製造装置は非磁性
金属製の冷却円筒１０１とコイルケース兼用のウォータ
ジャケット１０２及び回転磁界を発生させる電磁攪拌コ
イル１０３とから構成され、冷却水１０６を給水管１０
４から通水し、冷却円筒１０１の外周を強制冷却して、
上部の排水管１０５から排水されると共に、電磁攪拌コ
イル１０３に交流電気を印加し、回転磁界により、中の
溶融金属に回転攪拌力を与える構造である。

次に連続鋳造装置は、所定の鋳込断面形状を有する純銅
製開放鋳型本体１１１とウォータシャケ、。

ト１１２及びピンチロール１１６等から構成され、冷却
水１１５を給水管１１３から通水し、鋳型本体１１１を
強制冷却し、排水管１１４から排水１１５′され、鋳型
内の半凝固金属１１８を冷却・凝固して鋳片１１９を形
成し、ピンチロール１１６により、連続的に引抜きする
構造である。

これらの半凝固金属製造装置と連続鋳造鋳型とを、給湯
ノズル１０８を介し直結している。この給湯ノズル１０
８は、粘性の高い半凝固金属の流動排出に支障のない十
分な大きさの内径を有し、かつ誘導加熱コイル１０９を
内蔵しており、高周波電源１１０から電力を供給通電す
ることにより、半凝固金属１１８を適当に加熱し、通過
中の半凝固金属１１８が凝固、成長するのを防止する。

ここで溶融金属を連続的に冷却円筒１０１内に供給し、
電磁攪拌コイル１０３に通電して、回転磁界により、回
転攪拌しつつ冷却円筒１０１に接触・冷却され、半凝固
金属１１８が生成する。この半凝固金属１１８を注入ノ
ズル１０８部で誘導加熱しつつ連続鋳造鋳型１１１内に
導入し、冷却・凝固させ、鋳片１１９とし、ピンチロー
ル１１６によって、溶融金属１１７の供給量に見合う速
度で連続的に引抜きし、半凝固金属の鋳片を製造する。

この様に本発明はいかなる半凝固金属製造装置、いかな
る連続鋳造機にも応用可能な方法及び装置であり、連続
鋳造機の始動等の操業方法は、従来技術をそのまま応用
可能である。

（発明の効果） （１）半凝固金属の完全凝固した鋳片を連続的に製造で
きる。この鋳片は、半凝固状態の温度域まで再加熱する
ことによりチクソトロピー性を利用した加工用素材とし
ても使用できる。

（２）鋳片目体も、デンドライト組織がなく、均質で従
来の連続鋳造鋳片より、良好な品質のものが製造できる
。

（３）最終製品に近い断面形状の鋳片が製造可能となり
、省工程が可能となる。特に難加工性材料の加工に有利
である。

（４）鋳型の熱負荷が小さくなり、鋳型寿命の改善等が
期待できる。

（５）直結連鋳法の欠点である断続引抜の必要がなく、
連続引抜による生産の向上、表面品質の向上が期待でき
る。

（６）ブレークアウト事故の危険が全くない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法を実施するための装置を基本的
な構成について示す全体図、 第２図はその注入ノズル部の詳細図、 第３図は応用例の一つを示す全体図である。 １・・・受湯槽　　　　　　１′・・・受湯口２・・・
攪拌槽　　　　　　３・・・攪拌隙間４１０．攪拌子　
　　　　　５・・・排出槽６・・・注入ノズル　　　　
７・・・連続鋳造鋳型８・・・スプレノズル　　　９・
・・ピンチロール１１・・・高周波電源　　　　１０１
・・・冷却円筒１０２・・・コイルケース兼用ウォータ
ジャケラ１０３・・・電磁攪拌コイル　１０４・・・給
水管１０５・・・排水管　　　　　１０８・・・給湯ノ
ズル１０９・・・誘導加熱コイル　１１０・・・高周波
電源１１１・・・連続鋳造鋳型 １１２・・・ウォータジャケット １１６・・・ピンチロール ド 第１図 α 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶融金属を冷却下に攪拌して得られる、半凝固金属
   を、その冷却攪拌槽の排出部に、誘導加熱コイルと、該
   コイルに電力を供給する電源を具備する注入ノズルを介
   して直結した連続鋳造鋳型によって、半凝固金属を急冷
   ・凝固させた鋳片を連続的に製造することを特徴とする
   半凝固金属の連続鋳造方法。 ２、高温強度に優れた導電性セラミックをノズル本体と
   し、このノズル本体の外周に誘導加熱コイルを配設して
   これに電力を給電することにより、ノズル本体を高温に
   保持することによって、内部を通過する金属の凝結を防
   止することを特徴とする、半凝固金属注入用ノズル。