JPH0671386A - 半凝固金属の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 抜熱能を有し横軸回転円筒胴よりなる攪拌用
回転子と固定壁との間に溶融金属を連続的に供給し半凝
固金属を製造する方法において、攪拌用回転子の回転ト
ルクを測定しながら、その測定値に応じて、攪拌用回転
子の回転数及び攪拌用回転子とその胴周に生成付着する
凝固殻の削剥治具との間隔のどちらか一方又は両方を調
整する。 【効果】 安定して連続的な半凝固金属の製造ができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は非樹枝状初晶が金属
（一般には合金）液体中に分散した固体−液体金属混合
物（以下単に半凝固金属という）を連続して安定的に製
造する方法を提案するものである。半凝固金属は、下流
の加工工程における加工装置の熱的負荷を低減させた
り、そのまま棒状又は板状などの半成品として凝固させ
ることにより内部品質の良好な加工用素材が得られるな
ど、その有用性から半凝固金属の安定した工業的生産技
術の開発が望まれている。

【０００２】

【従来の技術】これまで、半凝固金属を連続的に製造す
る手段としては、例えば特公昭５６−２０９４４号公報
の非樹枝状初晶固体分を含む合金を連続的に形成するた
めの装置に開示されているように、一定温度の溶融金属
を円筒状の冷却攪拌槽内において、適当な冷却条件のも
とで縦軸回転攪拌子で強い攪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
させる機械的攪拌方式のものが知られている。

【０００３】この半凝固金属は、溶融金属を冷却しなが
ら激しく攪拌することによって、融体中に生成しつつあ
る樹枝状晶の枝部が消失ないしは縮小して丸みを帯びた
形態に変換形成され融体中に分散し懸濁した状態にな
る。そして半凝固金属は非樹枝状初晶の粒径が小さいも
のほど特性が優れている。そのためには溶融金属の冷却
速度を大きくする必要がある。また強冷却された半凝固
金属はその固相率の増大とともに見かけ粘性が非常に大
きくなり流動性が低下するため重力のみの排出力による
この手段では連続排出が困難になる。そのため上記のよ
うな連続式の機械的攪拌による半凝固金属製造手段は現
在も実用化されていない。

【０００４】一方、同じ機械的な攪拌方法で、抜熱能を
持つ回転する横軸回転円胴よりなる攪拌用回転子と該攪
拌用回転子の胴周に沿う凹曲面からなる固定壁との間で
形成したすき間に溶融金属を連続的に供給し、該すき間
内にて生成する樹枝状晶を攪拌用回転子の回転に基づく
せん断力によって破砕し、粒子の細かい非樹枝状晶が懸
濁した半凝固金属を製造する手段を、出願人会社は他の
出願人と共同で特開平３−１４２０４０号公報の連続的
に半凝固金属を製造する方法とその装置に提案開示し
た。

【０００５】この手段は、回転子の直径と回転速度の選
択により、溶融金属及び生成する樹枝状晶に十分な冷却
速度とせん断効果を与えることができ、かつ、半凝固金
属の排出方向に攪拌用回転子を回転させるため、半凝固
金属の排出を促進し、その粘性がある程度高くなっても
連続排出を容易にすることができるものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記したいずれの手段
の場合においても、半凝固金属の製造を工業化するにあ
たっての要件は、半凝固金属を安定して連続的に排出す
ることである。しかしながら、半凝固金属の場合、固相
率の変化によって物性値である粘性が大きく変化するた
め、高粘性の半凝固金属が攪拌用回転子の安定的な回転
を阻害し、最悪の場合攪拌用回転子のトルクアップによ
ってその回転が停止する場合がある。

【０００７】前記特開平３−１４２０４０号公報の手段
では、半凝固金属の排出方向に攪拌用回転子を回転させ
て粘性の高い半凝固金属の排出を促進しているため、攪
拌用回転子の回転が停止することは、半凝固金属の連続
的な排出ができないことを意味し、工業化する上で最も
避けなければならないトラブルである。

【０００８】この攪拌用回転子の回転停止の対応策の一
つとして、攪拌用回転子の駆動系のパワーアップが有効
であるが、この方法も装置コスト、装置材料の強度耐久
性等を考慮するとおのずから限界がある。したがって、
この攪拌用回転子の回転停止が、半凝固金属を安定して
連続的に製造すること、すなわち工業化の阻害要因にな
るという難点を残していた。

【０００９】これらのことから、この発明は横軸回転円
筒胴よりなる攪拌用回転子の回転が停止することなく安
定して連続的に半凝固金属を排出できる半凝固金属の製
造方法を提案することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、横軸回転円
筒胴よりなる攪拌用回転子を有する装置により、攪拌用
回転子の回転が停止することのない半凝固金属の安定排
出のための実験を重ねた結果、攪拌用回転子の回転トル
クとその回転数や攪拌用回転子胴周面と削剥治具との間
隔に着目し、この発明を達成したものである。

【００１１】すなわち、この発明の要旨は、抜熱能を有
し横軸回転円筒胴よりなる回転する攪拌用回転子と、該
攪拌用回転子の円筒胴周に沿う凹曲面からなる固定壁と
の間に、溶融金属を連続的に供給して凝固を生起させな
がら攪拌用回転子の回転に基づくせん断力によって粒子
の細かい非樹枝状晶が懸濁した半凝固金属を製造し、攪
拌用回転子と固定壁との間の下方のすき間に連なる排出
口から、攪拌用回転子の胴周母線の近傍に切先そろえて
配設した削剥治具により攪拌用回転子の胴周面に生成付
着する凝固殻を削剥しながら、半凝固金属を連続的に排
出する半凝固金属の製造方法において、該攪拌用回転子
の回転トルクを測定しながら、その測定値に応じて、攪
拌用回転子の回転数及び攪拌用回転子の胴周面と削剥治
具との間隔のうちのどちらか一方又は両方を調整するこ
とを特徴とする半凝固金属の製造方法である。

【００１２】

【作用】発明者らがこの発明に至った経緯とあわせてこ
の発明の作用について述べる。

【００１３】図１は抜熱能を有する横軸回転円筒胴より
なる攪拌用回転子と固定壁とから成る連続式半凝固金属
の製造装置の説明図である。この製造装置において、半
凝固金属１７は、溶融金属１６を上方の取鍋１４から注
入ノズル１５を介して攪拌用回転子１と固定壁４との間
に連続的に注入し、排出方向に回転する攪拌用回転子１
で冷却されながら激しく攪拌することによって、融体中
に生成しつつある樹枝状晶の枝部が消失ないしは縮小し
て丸みを帯びた形態に変換され、連続的に下方の排出口
１２から排出される。

【００１４】ここに図１に示す連続式半凝固金属の製造
装置は、抜熱能を有する横軸回転円筒胴よりなる攪拌用
回転子１、攪拌用回転子１を冷却するための冷却水２、
攪拌用回転子１の回転駆動装置３、固定壁４、固定壁４
を断熱するためのヒータ５、ヒータホルダ６、攪拌用回
転子１との間隔を調整するための固定壁４の移動用駆動
装置７、固定壁４の下方端に設けたせき板８、せき板８
のしゅう動駆動装置９、攪拌用回転子１の円筒胴周面に
生成付着する凝固殻１８を削剥するための削剥治具１
０、攪拌用回転子１との間隔を調整するための削剥治具
１０の移動用駆動装置１１、排出口１２及び排出される
半凝固金属の固相率センサ１３から成る。

【００１５】この図１に示す半凝固金属の製造装置を用
いて、攪拌用回転子１の回転不能となる原因について実
験検討を重ねた。その結果、攪拌用回転子１の回転を停
止させる主要因は攪拌用回転子１の胴周面に生成付着す
る凝固殻１８の成長にあることが判明した。

【００１６】この攪拌用回転子１の胴周面に付着生成す
る凝固殻１８の成長厚さは、攪拌用回転子１の回転数と
の間に以下に示す（１）式で表わされる関係がある。す
なわち、回転数が大きいほど凝固殻１８の成長厚みは薄
くなる関係にある。

【数１】

【００１７】ここで、 ｄ ：凝固殻の成長厚さ ｋ ：攪拌用回転子の冷却能力、大きさ、溶融金属の種
類等できまる定数 Ｖr ：攪拌用回転子の回転数 である。

【００１８】つぎに、凝固殻１８の成長時の模式図を、
攪拌用回転子１と削剥治具１０との間隔を一定にしたと
きの、攪拌用回転子１の回転数が小さすぎる場合、最適
の場合、大きすぎる場合を例にとり、それぞれ図２，３
及び４に示す。

【００１９】図２に示すように回転数が小さすぎる場合
は、凝固殻１８が厚く成長し、せき板８や削剥治具１０
の部分で厚く成長した凝固殻１８が攪拌用回転子１の回
転の抵抗となり、最悪の場合その回転を停止させる。

【００２０】また、図４に示すように回転数が大きすぎ
る場合は、凝固殻１８の成長が削剥治具１０まで到達し
なく、さらに攪拌用回転子１と固定壁４との間に溶融金
属１６及び半凝固金属１７が滞在する時間が短くなるた
め、十分な冷却がなされなく、非常に低い固相率の半凝
固金属１７しか製造できなくなる。

【００２１】そこで、凝固殻１８の成長厚さとの関係
で、図３に示すような最適な攪拌用回転子１の回転数や
攪拌用回転子１と削剥治具１０との間隔管理が重要にな
るが、工業的操業中にオンラインでの凝固殻１８の厚さ
の直接測定は困難である。しかしながら、攪拌用回転子
１のトルク測定は歪ゲージや駆動系の消費電力などによ
って比較的容易であることから、これを利用して攪拌用
回転子１のトルクの上昇と凝固殻１８の成長厚さを対応
づけ、上記回転数や間隔の調整を行うことによって、攪
拌用回転子１の回転停止を防止でき、連続して安定的な
半凝固金属１７の製造ができるようになる。

【００２２】これらについてさらに具体的に以下に述べ
る。操業中攪拌用回転子１のトルクを連続的に測定し、
トルクの上昇時には攪拌用回転子１の回転数を大きくす
ること及び／又は攪拌用回転子１と削剥治具１０との間
隔を広げることで常に図３に示すような状態で安定操業
ができることになる。逆にトルクが低下した場合には攪
拌用回転子１の回転数を小さくすること及び／又は攪拌
用回転子１と削剥治具１０との間隔を狭めることで安定
操業ができる。この場合回転数を小さくして凝固殻１８
を厚く成長させることによって、排出される半凝固金属
１７の固相率の低下を防止でき、所望の固相率が高い場
合でも、高固相率の半凝固金属の安定排出ができること
になる。

【００２３】このトルクの値と凝固殻１８の成長厚み
は、製造装置、溶融金属組成、製造条件等で変化するた
め、上記回転数や上記隙間を調整しなければならないト
ルクの値の定量的な特定はできないが、この発明による
方法により、攪拌用回転子１の回転停止による半凝固金
属１７が製造できなくなる事態は避けることができる。

【００２４】また、もちろんのこと、これらの操作によ
って、注入した溶融金属１６が冷却され、半凝固金属１
７として排出されるまでに攪拌用回転子１の回転による
せん断力で、溶融金属１６中に生成しつつある樹枝状晶
の枝部が消失ないしは縮小して丸みを帯びた形態に変換
され粒状組織の半凝固金属１７が生成されることには変
りない。

【００２５】さらに、上記の操作において、半凝固金属
１７の排出速度が変化した場合、例えば攪拌用回転子１
のトルクが低いためその回転数を小さくして排出速度を
落すと、溶融金属１６及び半凝固金属１７が攪拌用回転
子１と固定壁４との間に滞在する時間が長くなり、排出
される半凝固金属１７の固相率は増大するとともに凝固
殻１８の成長厚さが厚くなり、このため攪拌用回転子１
のトルクは上昇する。したがって次の操作は回転数を大
きくすることになる。このような操作を操業初期におい
て繰り返すことによって、最終的に最適な回転数に収れ
んすることになる。また、攪拌用回転子１と削剥治具１
０との間隔の調整操作についても同様である。

【００２６】

【実施例】

実施例１ 図１に示した連続式半凝固金属の製造装置を用いて、Ａ
ｌ−１０ｗｔ％Ｃｕ合金の半凝固金属５００ｋｇの製造
を行い、その操業中に攪拌用回転子１のトルクを測定し
ながら、その測定値に応じて攪拌用回転子１の回転数を
変化させた。

【００２７】ここに、攪拌用回転子１には、半径：２０
０ｍｍ、幅：１００ｍｍのＣｕ製で回転数：３０〜３０
０ｒｐｍのものを用い、固定壁４は、鉄製で、ヒータ５
によって６５０℃に予熱して用い、さらに排出口直近の
攪拌用回転子１と固定壁４とのすき間間隔を１．５ｍ
ｍ、攪拌用回転子１と削剥治具１０との間隔を１．０ｍ
ｍと一定にし、せき板８は使用しないで操業した。上記
条件による操業中の攪拌用回転子１のトルクとその回転
数の経時変化を図５に示す。

【００２８】この図から明らかなように、操業途中のト
ルクに応じて回転数を調整することによりトルクは安定
化し、攪拌用回転子１の回転が停止することもなく安定
して半凝固金属の製造ができた。

【００２９】実施例２ 実施例１と同様の合金を用い、攪拌用回転子１の回転数
を１００ｒｐｍ（一定）とし、操業中の攪拌用回転子１
のトルクを測定しながら、その測定値に応じて攪拌用回
転子１と削剥治具１０との間隔を変化させ半凝固金属５
００ｋｇの製造を行った。なお、その他の条件は実施例
１と同様である。

【００３０】この操業中の攪拌用回転子１のトルク及び
攪拌用回転子１と削剥治具１０との間隔の経時変化を図
６に示す。この図から明らかなように、トルク上昇時に
間隔を広げることによりトルクの上昇を抑止でき、安定
して半凝固金属の製造ができた。

【００３１】実施例３ 実施例１と同様の合金を用い、操業中の攪拌用回転子１
のトルクを測定しながら、その測定値に応じて攪拌用回
転子１の回転数及び攪拌用回転子１と削剥治具１０との
間隔を変化させ半凝固金属５００ｋｇの製造を行った。
なお、その他の条件は実施例１と同様である。

【００３２】この操業中の攪拌用回転子１のトルクとそ
の回転数及び攪拌用回転子１と削剥治具１０との間隔の
経時変化を図７に示す。この図から明らかなように、操
業中のトルクに応じて回転数及び間隔を調整することに
よりトルクは安定化し、攪拌用回転子１の回転停止もな
く安定して半凝固金属の製造ができた。

【００３３】

【発明の効果】この発明は、抜熱能を有し横軸回転円筒
胴よりなる回転する攪拌用回転子と固定壁との間に溶融
金属を供給して半凝固金属を製造する方法において、攪
拌用回転子の回転トルクを測定しながら、その測定値に
応じて、攪拌用回転子の回転数及び攪拌用回転子とその
胴周面に生成付着する凝固殻の削剥治具との間隔のどち
らか一方又は両方を調整することにより、安定して連続
的な半凝固金属の製造ができるようにしたものであり、
次工程への安定供給ができるとともに、半凝固金属の工
業化に大きく貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】抜熱能を有する横軸回転円筒胴よりなる攪拌用
回転子と固定壁とから成る連続式半凝固金属の製造装置
の説明図である。

【図２】凝固殻の成長時の模式図である。（攪拌用回転
子の回転数が小さすぎる場合）

【図３】凝固殻の成長時の模式図である。（攪拌用回転
子の回転数が最適の場合）

【図４】凝固殻の成長時の模式図である。（攪拌用回転
子の回転数が大きすぎる場合）

【図５】操業中の攪拌用回転子のトルクとその回転数の
経時変化を示すグラフである。

【図６】操業中の攪拌用回転子のトルク及び攪拌用回転
子と削剥治具との間隔の経時変化を示すグラフである。

【図７】操業中の攪拌用回転子のトルクとその回転数及
び攪拌用回転子と削剥治具との間隔の経時変化を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１ 攪拌用回転子 ２ 冷却水 ３ 駆動装置（攪拌用回転子回転用） ４ 固定壁 ５ ヒータ ６ ヒータホルダ ７ 駆動装置（固定壁移動用） ８ せき板 ９ 駆動装置（せき板しゅう動用） １０ 削剥治具 １１ 駆動装置（削剥治具移動用） １２ 排出口 １３ 固相率センサ １４ 取鍋 １５ 注入ノズル １６ 溶融金属 １７ 半凝固金属 １８ 凝固殻

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２２Ｄ 27/20 Ａ 7011−4Ｅ (72)発明者 高橋 広芳 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 株式会 社レオテック内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 抜熱能を有し横軸回転円筒胴よりなる回
   転する攪拌用回転子と、該攪拌用回転子の円筒胴周に沿
   う凹曲面からなる固定壁との間に、溶融金属を連続的に
   供給して凝固を生起させながら攪拌用回転子の回転に基
   づくせん断力によって粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁し
   た半凝固金属を製造し、攪拌用回転子と固定壁との間の
   下方のすき間に連なる排出口から、攪拌用回転子の胴周
   母線の近傍に切先そろえて配設した削剥治具により攪拌
   用回転子の胴周面に生成付着する凝固殻を削剥しなが
   ら、半凝固金属を連続的に排出する半凝固金属の製造方
   法において、 該攪拌用回転子の回転トルクを測定しながら、その測定
   値に応じて攪拌用回転子の回転数を調整することを特徴
   とする半凝固金属の製造方法。
2. 【請求項２】 抜熱能を有し横軸回転円筒胴よりなる回
   転する攪拌用回転子と、該攪拌用回転子の円筒胴周に沿
   う凹曲面からなる固定壁との間に、溶融金属を連続的に
   供給して凝固を生起させながら攪拌用回転子の回転に基
   づくせん断力によって粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁し
   た半凝固金属を製造し、攪拌用回転子と固定壁との間の
   下方のすき間に連なる排出口から、攪拌用回転子の胴周
   母線の近傍に切先そろえて配設した削剥治具により攪拌
   用回転子の胴周面に生成付着する凝固殻を削剥しなが
   ら、半凝固金属を連続的に排出する半凝固金属の製造方
   法において、 該攪拌用回転子の回転トルクを測定しながら、その測定
   値に応じて攪拌用回転子の胴周面と削剥治具との間隔を
   調整することを特徴とする半凝固金属の製造方法。
3. 【請求項３】 抜熱能を有し横軸回転円筒胴よりなる回
   転する攪拌用回転子と、該攪拌用回転子の円筒胴周に沿
   う凹曲面からなる固定壁との間に、溶融金属を連続的に
   供給して凝固を生起させながら攪拌用回転子の回転に基
   づくせん断力によって粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁し
   た半凝固金属を製造し、攪拌用回転子と固定壁との間の
   下方のすき間に連なる排出口から、攪拌用回転子の胴周
   母線の近傍に切先そろえて配設した削剥治具により攪拌
   用回転子の胴周面に生成付着する凝固殻を削剥しなが
   ら、半凝固金属を連続的に排出する半凝固金属の製造方
   法において、 該攪拌用回転子の回転トルクを測定しながら、その測定
   値に応じて、攪拌用回転子の回転数及び攪拌用回転子の
   胴周面と削剥治具との間隔を調整することを特徴とする
   半凝固金属の製造方法。