JPH07115123B2 - 連続的に半凝固金属を製造する方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 （産業上の利用分野） この発明は、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。）を連続的に製造するための方法およびその装置を
提案するものである。

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破
砕、分離し、金属融体と混在させることにより形成され
る。

この半凝固金属は、これを用いる下流高低での例えば鋳
造作業および鋳造製品の品質など金属融体中の非樹枝状
初晶の粒子が細かいほど特性が優れる。したがって、半
凝固金属の製造には、 樹枝状晶をその枝部が消失、ないしは縮小して、丸
みを帯びた形態の細かい非樹枝状晶に破砕、分離し得る
程度に強烈な攪拌効果。

冷却速度をできるだけ大きくなし得る強冷却効果。

の２つの条件が必須である。

（従来の技術） 特公昭56−20944号公報には半凝固金属を連続的に製造
する装置について開示されているが、なお、種々の欠点
が残されている。

すなわち、この装置は、溶融金属を保温槽に供給し、一
定温度に保持しつつ、高速回転する縦の回転軸を有する
攪拌用回転子と同心円筒状冷却攪拌槽との隙間に導き、
該槽内で適当な冷却と強烈な攪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、この装置は、構造的な制約か
ら工業的な規模においては冷却速度が１℃/sec以下にと
どまり、また攪拌強度もせん断歪速度で最大450sec^-1を
要し、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。

（発明が解決しようとする課題） 発明者らが、上記従来の技術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。

攪拌効果を高めるためには、攪拌用回転子の回転数
を高くするか、冷却攪拌槽と攪拌用回転子の隙間を小さ
くすることが有効であるが、攪拌用回転子の回転数を高
くすることは、融体が遠心力によって攪拌用回転子から
離れる傾向が強まってガス巻き込みの危険が増大し、ま
た、構造的強度上の制約からも限界がある。

一方隙間を小さくすると、凝固シエルが形成されやすく
なって粘性抵抗の増大を来すなどの理由から実用的には
あまり小さくできない。

冷却速度を高めるため、強冷却手段を採用すると、
冷却綿に凝固シエルが形成されて、攪拌用回転子との融
着を生じ操作不能になる。

操業開始時のような非定常伝熱時の際、温度制御が
難しく、過大な冷却によって攪拌用回転子に融着を生じ
る恐れがあり、安定した操業開始が困難である。

半凝固金属を重力下で排出させる場合、半凝固金属
を冷却攪拌槽と攪拌用回転子の隙間から通過させる力は
重力による圧力だけであり、半凝固金属の固相率が増加
し粘性が増大した場合などでは、排出不能となる。

以上のように、従来の技術に残されていた種々の問題に
ついて、この発明はその有効な解決を目指し、品質の優
れた半凝固金属を製造するために、 攪拌効果を高めること。

冷却速度を速くすること。

さらに、ガスなどの捲き込みなどがなく、かつ均質
な半凝固金属を連続的に容易に排出すること。

などを重点項目として開発研究を進めこの発明に到達し
たものである。

（課題を解決するための手段） 一般に攪拌効果は、攪拌用回転子の回転数に比例する
が、攪拌用回転子の直径が大きいほど、また、冷却壁と
攪拌用回転子との隙間が小さいほど、高速回転を必要と
しないで十分な攪拌効果が得られることに加えて、従来
の技術では、操業中に冷却壁と攪拌用回転子との隙間の
間隔を任意に制御できず、また、半凝固金属の排出力が
重力のみであることなどに着目して、この発明の完成を
導いた。

すなわち、従来技術では、回転軸が縦軸の攪拌用回転子
を用いているのに対し、この発明では、横軸の攪拌用回
転子を用いたことにあり、その要旨は以下のとおりであ
る。

1.原料溶融金属を、横軸回転円胴よりなる攪拌用回転子
とこの攪拌用回転子の胴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連続的に供給し、該隙間
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初晶
として、隙間下方から連続的に排出することを特徴とす
る半凝固金属の製造方法。

2.回転円胴よりなる攪拌用回転子とこの攪拌用回転子の
胴周に沿う凹曲面からなる冷却壁との間で形成する隙間
で、半凝固金属を製造する装置において、攪拌用回転子
の回転軸を横軸とすることを特徴とする半凝固金属の製
造装置。

上記方法は、攪拌用回転子の負荷トルクの検出により隙
間を最適に調整するように実施することが好適であり、
上記装置は攪拌用回転子の回転軸にトルク検出器をそな
えこれにより攪拌用回転子と冷却壁との隙間を調整する
ようにすること、さらに攪拌用回転子の内部を冷却構造
とし、攪拌用回転子側からも溶融金属を抜熱すること
が、何れも実施上のぞましい。

（作用） 回転円胴よりなる攪拌用回転子の回転軸が横軸であるこ
とにより、攪拌用回転子の直径を大きくすることが容易
で、この直径を大きくすることにより攪拌用回転子の回
転数をさほど高速にしなくとも強烈な攪拌効果を与える
ことができ、また、溶融金属を冷却するための面積も大
きくできることから急速な冷却も可能となる。したがっ
て半凝固金属の排出に最適の隙間を調整維持しつつ十分
な冷却と攪拌効果を与えることができる。

また、半凝固金属の排出力も重力のみではなく、攪拌用
回転子の回転を半凝固金属の流れを助長するように回転
させることにより、この回転による排出力が重力による
排出力に加わるため、より固相率の高い高粘度の半凝固
金属が排出できる。したがって操業開始も容易になり、
半凝固金属の閉塞等のトラブルも回避でき安定定常操業
が達成できる。

さらに半凝固金属を次工程の双ロール鋳造機等に供給鋳
造する場合、従来装置では、半凝固金属をロール間に均
一に供給することが非常に困難であったが、この発明に
よるものは、排出される半凝固金属が長手方向に均一で
あるため、双ロール鋳造機で容易に鋳造することが可能
となる。

つぎに、この発明による半凝固金属製造装置の具体的構
成を第１図により説明する。

この発明の装置は横軸回転円胴をもつ攪拌用回転子１、
冷却壁２′を有する冷却ジャケット２、溶融金属溜めの
耐火物３、側面サポート用耐火物４、排出用耐火物５、
冷却壁２′と攪拌用回転子１との隙間調整用駆動機構
６、攪拌用回転子の回転駆動機構７から構成する。

攪拌用回転子１は駆動機構７により回転し、冷却されつ
つある半凝固金属に攪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。この攪拌用回転子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。通常攪拌用回転子１の外面には耐火物をコ
ーティングし断熱構造にするが、半凝固金属の冷却速度
を大きくする場合には内部冷却した金属製の攪拌用回転
子を用いることができる。

冷却壁２′を有する冷却ジャケット２は、内部に冷却水
10を流し溶融金属を半凝固温度まで直接強制冷却を行
い、また、攪拌用回転子１と冷却ジャケット２の冷却壁
との隙間を調整するため、攪拌用回転子１の半径方向に
移動出来る油圧駆動機構６に接続されている。

冷却ジャケット２の上の耐火物壁３は、注入溶融金属８
の注入量の変動をカバーするための溶融金属溜めを形成
するために用いている。側面から溶融金属漏れを防止す
るために用いている側面サポート用耐火物壁４は、冷却
ジャケット２の側面に密着する一方、攪拌用回転子とは
極僅かな隙間をもって摺合せ構造になている。

排出部の耐火物５は、攪拌用回転子１の長手方向に沿っ
て前面壁５′と後面壁５″より構成され、攪拌用回転子
１の長手方向に均一に半凝固金属を排出させるために用
いる。

さて、取鍋に入れて運搬してきた溶融金属を注入ノズル
を通して攪拌用回転子と冷却壁の隙間に供給する。供給
された溶融金属は、水冷冷却壁からの抜熱により温度が
降下しつつ攪拌用回転子で強烈なせん断力が与えられ、
半凝固金属として排出ノズルより長手方向に均一に排出
される。このとき、攪拌用回転子の回転を半凝固金属の
流れを助長するように回転させることにより（第１図矢
印Ａ方向）、この回転による排出力が重力による排出力
に加わることにより、高粘度の半凝固金属が容易に排出
できる。

攪拌用回転子は一定速度で回転し、その負荷トルクをト
ルク検出機で検出することにより、支持計および調節計
を介して油圧ユニットおよび油圧シリンダーの操作によ
って冷却ジャケットを攪拌用回転子の半径方向に移動調
整して、冷却壁と攪拌用回転子との隙間を半凝固金属の
最適通過隙間に調節する。このようにすることにより、
一定粘度を持った半凝固金属が排出でき、急激な冷却条
件の変動による半凝固金属の装置内閉塞が回避できる。

冷却壁と攪拌用回転子とで構成する冷却攪拌槽に生じる
挙動を第２図により説明を加える。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に、冷却ジャ
ケット２の冷却壁には銅板２′を使用し、冷却水をその
背面に高速通水することによって急速な冷却を達成させ
得る。この冷却壁２′と攪拌用回転子１との隙間に入る
溶融金属８は、冷却壁２′に直接接触して強制的に冷却
され凝固シエル９が形成されるのであるが、この凝固シ
エル９の厚さｄは冷却能力と攪拌効果の均衡によって決
定され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。

一方攪拌用回転子１の回転によって与えられる攪拌効果
は攪拌用回転子の周速に比例し、隙間に反比例する関係
にあり、一般にはせん断歪速度の関数として表される。

攪拌用回転子の回転速度は、遠心力によるガスの巻き込
み、およ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からも
好ましくない。したがって十分な攪拌効果を与えるため
には、適正な溶融金属隙間（第２図において、装置上の
隙間（ｃ）−凝固シエルの厚み（ｄ）を意味する）を維
持することが最も実用的な方法である。

ところで、強冷却を行なうことによって凝固シエル９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）と狭くなる。この隙間が非常に
不安定であって、狭くなり過ぎると半凝固金属の粘性が
増加し、攪拌用回転子に過大なトルクが発生し、攪拌用
回転子と半凝固金属との融着の恐れがある。したがっ
て、従来は設計上安全を見て隙間（ｃ）を大きく選定し
たため、十分な攪拌効果を与えることができなかった。

上記に対し、この発明においては、冷却ジャケット２が
攪拌用回転子の半径方向に移動可能で隙間（ｃ）を任意
に制御することができることから、十分な攪拌効果を与
えることが可能となるものである。

（実施例） この発明に従い半凝固金属を製造し、双ロール鋳造機で
連続的に鋳造する事例を第３図に図解した。

取鍋内の溶融金属は注入ノズルにて、半径500mm・長さ1
000mmの円胴よりなる攪拌用回転子と銅製冷却壁の隙間
約10mm（攪拌用回転子の負荷トルクの検知により変化さ
す）に供給され、100rpmで回転する攪拌用回転子により
190sec^-1のせん断歪速度が与えられ、銅製冷却壁の冷却
で、固相率0.3の半凝固金属が排出される。一方排出さ
れた半凝固金属はロール半径300mm、長さ700mmの双ロー
ル鋳造機にて鋳造され、板厚3mm、幅500mmの鋳片が製造
できた。

また、攪拌用回転子と冷却壁との隙間を制御したことに
よる効果を第４図に示す。図中の点線は上記隙間を制御
せず10mmに一定とした場合の攪拌用回転子にかかる負荷
トルクの変動と半凝固金属の排出速度を示す。供給され
る溶融金属の温度変動、および冷却壁の抜熱変動などに
より負荷トルクが変動し、遂には負荷トルクが増大し排
出不能に陥っている。一方実線で示すように、この発明
の特徴である攪拌用回転子の負荷トルクを検知して上記
隙間を制御する方法を採用すれば、負荷トルクは操業中
ほぼ一定に維持され、固相率0.3の半凝固金属が一定に
排出される。

（発明の効果） この発明に従う半凝固金属の製造方法および装置は、つ
ぎに列記する効果を発揮する。

（１）強冷却による操業と、攪拌効果と安定操業面から
の最適な最小隙間での操業とが可能になるため、冷却速
度を10℃/sec以上に高めることが可能となり微細な非樹
枝状を奏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。

（２）攪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攪拌効果が得ら
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。

（３）最適な最小隙間を維持しながら操業できるため半
凝固金属の品質が安定する。

（４）スタート時の過大な凝固シエルの形成にも対応で
き操業開始が容易である。また、長時間の連続操業時に
も負荷トルクを一定に制御しつつ操業を行なうため、半
凝固金属の装置内閉塞、攪拌用回転子への融着などの事
故がなく、安定した操業か可能である。

（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、攪拌用回転子の長手方向にはあまり制限がなく
長手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。

【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攪拌部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。 また第４図は操業中の攪拌用回転子の負荷トルクを一定
にする様に隙間を制御した時の効果を示す図である。 なお、第１図から第３図に記載の記号は以下のとおりで
ある。 １……攪拌用回転子、２……冷却ジャケット ２′……冷却壁 ３……溶融金属溜用耐火物壁 ４……溶融金属溜用サイド耐火物壁 ５（５′,5″）……排出ノズル用耐火物壁 ６……隙間調整用油圧シリンダー ７……攪拌用回転子駆動装置 ８……供給溶融金属、８′……取鍋内溶融金属 ９……凝固シエル、10……半凝固金属 11……冷却水、12……取鍋 13……双ロール鋳造機、14……鋳片 Ａ……攪拌用回転子の回転方向 ｃ……冷却壁と攪拌用回転子の隙間間隙 ｄ……凝固シエルの厚さ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原料溶融金属を、横軸回転円胴よりなる攪
   拌用回転子とこの攪拌用回転子の胴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連続的に供給
   し、該隙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
   枝状初晶として、隙間の下方から連続的に排出すること
   を特徴とする半凝固金属の製造方法。
2. 【請求項２】攪拌用回転子の負荷トルクの検出により隙
   間を最適に調整することを特徴とする請求項第１項に記
   載した半凝固金属の製造方法。
3. 【請求項３】回転円胴よりなる攪拌用回転子とこの攪拌
   用回転子の胴周に沿う凹曲面からなる冷却壁との間で形
   成する隙間で、半凝固金属を製造する装置において、攪
   拌用回転子の回転軸を横軸とすることを特徴とする半凝
   固金属の製造装置。
4. 【請求項４】上記攪拌用回転子の回転軸にトルク検出器
   をそなえ、これにより攪拌用回転子と冷却壁との隙間を
   調整するようにしたことを特徴とする請求項第３項に記
   載した半凝固金属の製造装置。
5. 【請求項５】上記攪拌用回転子内部を冷却構造とし、攪
   拌用回転子側からも溶融金属を抜熱することを特徴とす
   る請求項第３項および第４項に記載した半凝固金属の製
   造装置。