JPH0740003A - 半凝固金属製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高固相率で高品質の半凝固金属を連続的に長
時間にわたって安定排出できる半凝固金属の製造装置を
得る。 【構成】 横軸円筒胴よりなり抜熱能を有する攪拌用回
転子と耐火物壁とで形成される冷却・攪拌室に溶融金属
を供給して半凝固金属を製造する装置の耐火物壁が、炭
素質材料からなる。

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・排出できる装置を提案するものである。

【０００２】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
状などの半製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。

【０００３】

【従来の技術】半凝固金属を連続的に製造・排出する手
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高速回転する縦軸の攪拌子と冷却攪
拌槽周壁との隙間に導き、適当な冷却条件のもとで溶融
金属に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。

【０００４】一般に、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
びた形態に変換されて製造され、その特性は非樹枝状初
晶の粒径が小さなものほど優れている。そして初晶粒径
を小さくするためには、冷却速度を大きくする必要があ
るが、強冷却されて得られる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。

【０００５】このため重力のみの排出力による上記のよ
うな機械的攪拌方式の半凝固金属製造装置では半凝固金
属の連続排出が困難であり、現在も実用化されるには至
っていない。

【０００６】一方、上記とは別の機械的攪拌方式で、横
軸のまわりに回転する円筒胴よりなる攪拌子（攪拌用回
転子）とこの攪拌子の円筒胴の外周に沿う凹曲面からな
る固定壁との間で形成される隙間に溶融金属を連続的に
供給して、強制冷却による凝固を生起させながら攪拌子
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
初晶が懸濁した半凝固金属を製造し、この半凝固金属を
隙間の下方から連続的に排出する手段が、特開平3-1420
40号公報（連続的に半凝固金属を製造する方法とその装
置）及び特開平4-238645号公報（半凝固金属の製造方法
および装置）にそれぞれ開示されている。

【０００７】これらの手段は、攪拌子の直径と回転速度
の選択により、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子を回転さ
せるためその排出を促進し、粘性の高い高固相率の半凝
固金属の連続排出を可能にする優れた方式である。

【０００８】しかしながら、特開平3-142040号公報で
は、攪拌子の円筒胴周面、及び冷却能を有する固定壁
（冷却壁）の抜熱面で溶融金属が凝固してその凝固殻が
成長し、こ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は隙間を閉鎖してしまうおそ
れや、凝固殻の成長に伴う伝熱抵抗の増加による攪拌子
の抜熱速度の低下などがあって、一定品質の半凝固金属
を長時間にわたって安定して排出させることに関しては
なお難点を残していた。

【０００９】そこで、上記改善策として、特開平4-2386
45号公報には、固定壁を断熱性とし、攪拌子に冷却能を
もたせ、かつ剥離治具により攪拌子の胴周面上で成長す
る凝固殻を切削除去する手段が提案されている。

【００１０】しかし、この横軸円筒胴よりなる攪拌子を
用いる半凝固金属の製造方式を工業プロセスとして完成
させるためには、固定壁（攪拌子両端面としゅう動封止
関係を維持する側壁を含む）の耐火物壁は長時間高温の
溶湯を保持し、かつ高速回転する攪拌子両端しゅう動面
での気密性を維持できるものであることが必要である
が、上記開示例においては、これらについて特段の配慮
がなされていなかった。

【００１１】なお、しゅう動面に溶湯が浸入した場合
（以下、溶湯が浸入することを差し込むという）、これ
が凝固して操業上のトラブルを生じたり、溶湯が漏れて
排出された半凝固金属に混入して品質を劣化させるなど
の問題がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
は横軸円筒胴よりなり、抜熱能を有する攪拌用回転子を
用いる半凝固金属の製造方法において、破損及び溶損し
にくく、かつ攪拌用回転子とのしゅう動面への溶融金属
の差し込みがなく、長時間にわたって高温の溶融金属及
び生成される半凝固金属を好適に保持でき、かつ経済性
に優れる耐火物壁をそなえた半凝固金属製造装置を提案
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明の要旨は以下の
通りである。横軸円筒胴よりなり抜熱能を有する攪拌用
回転子と、攪拌用回転子の両端面でしゅう動封止関係を
維持し攪拌用回転子の円筒胴周面とその円筒胴周面に面
して下せばまりの耐火物壁より形成される冷却・攪拌室
を有し、該冷却・攪拌室に溶融金属を連続的に供給して
冷却し、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脂状晶が懸濁し
た半凝固金属を製造して、攪拌用回転子と耐火物壁との
下方のすき間に連なる排出口から半凝固金属を連続的に
排出する半凝固金属の製造装置において、耐火物壁が、
炭素質材料からなることを特徴とする半凝固金属製造装
置。

【００１４】上記炭素質材料が耐酸化処理を施してなる
ものであり、さらに耐酸化処理がガラス状炭素の含浸処
理であるものである。

【００１５】

【作用】この発明の作用を実験検討結果に基づいて以下
に述べる。まず、図１に横軸円筒胴よりなる攪拌用回転
子を用いる方式の半凝固金属製造装置の説明図を示す。

【００１６】この図に示す装置において、半凝固金属１
９は、溶融金属１７を上方の取鍋１５から注入ノズル１
６を介して攪拌用回転子１と耐火物壁４とで形成する冷
却・攪拌室５に連続的に供給し、排出方向に回転する攪
拌用回転子１によって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されて製造
され、連続的に下方の排出口１３から排出される。

【００１７】ここに図１に示す半凝固金属の製造装置
は、抜熱能を有する横軸円筒胴よりなる攪拌用回転子
１、攪拌用回転子１を水冷するための冷却水２、攪拌用
回転子１の回転駆動装置３、耐火物壁４、冷却・攪拌室
５、耐火物壁４を断熱するためのヒーター６、ヒーター
ホルダー７、攪拌用回転子１との間隔を調整するための
耐火物壁４の移動用駆動装置８、耐火物壁４の下方端に
設けたせき板９、せき板９の移動用駆動装置１０、攪拌
用回転子１の円筒胴周面上に付着生長する凝固殻１８を
切削除去するための剥離治具１１、攪拌用回転子１との
間隔を調整するための剥離治具１１の移動用駆動装置１
２、排出口１３及び排出される半凝固金属１９の固相率
センサー１４からなる。

【００１８】この図１に示す半凝固金属の製造装置によ
り、該装置に用いる耐火物壁４の材質について、破損及
び溶損しにくいこと、攪拌用回転子１とのしゅう動面で
の溶湯の差し込みがなく溶湯を封止できること、さらに
経済性に優れることなどの観点から種々実験検討を重ね
た結果、炭素質材料が好適であり、とくに耐酸化処理と
してガラス状炭素を含浸処理した炭素質材料が最適であ
ることを見出した。

【００１９】以下に、実験例について述べる。図１に示
す半凝固金属製造装置を用い、その耐火物壁４に、しゅ
う動性に優れるサイアロン、アルミナグラファイト（以
下単にＡＧという）ならびに炭素及びガラス状炭素を含
浸処理した炭素質材料をそれぞれ使用し、Ｃｕ−８mass
％Ｓｎ合金及び 2.5mass％Ｃ鋼の高融点合金の半凝固金
属をそれぞれ製造し、耐火物壁４の破損状況及び溶損の
程度、攪拌用回転子１とのしゅう動面での溶湯の差し込
み状況などを調査した。

【００２０】これらの調査結果を表１に示す。

【表１】 なお、表１は 2.5mass％Ｃ鋼についてのもので、Ｃｕ−
８mass％Ｓｎ合金の場合にも同様の結果が得られた。ま
た、溶損指数は、半凝固金属製造前の耐火物壁４の厚さ
を１とする半凝固金属製造後の厚さの比をとったもので
ある。

【００２１】表１から明らかなように、サイアロンは、
溶損が少なく（溶損指数大）、しゅう動面での溶湯の差
し込みもないが、破損を生じ、耐火物壁としては不適で
あり、ＡＧは、破損を生じることはなかったが、サイア
ロンに比し溶損が多く、しゅう動面での溶湯の差し込み
があることから耐火物壁４としては適さない。

【００２２】上記サイアロンやＡＧに比し、炭素質材料
は、破損、溶湯の差し込みがなく、ガラス状炭素を含浸
処理したものは溶損も少なくサイアロンと同等の優れた
溶損指数を示していて、耐火物壁４として最適である。
さらに炭素質材料は、サイアロンやＡＧに比し安価であ
り、経済性にも優れるものとなる。

【００２３】以上より、横軸円筒胴よりなる攪拌用回転
子１を用いる方式の半凝固金属製造装置の耐火物壁４と
しては、安価な炭素質材料が好適であり、炭素質材料よ
りなる耐火物壁４を用いた半凝固金属製造装置によれ
ば、高固相率で高品質の半凝固金属を連続的に長時間に
わたって安定排出させることが可能になる。

【００２４】

【実施例】図１に示した半凝固金属製造装置を用いてＣ
ｕ−８mass％Ｓｎ合金（液相線温度：1030℃、固相線温
度：851 ℃）の半凝固金属 500kgを連続して製造した。

【００２５】上記において、攪拌用回転子１には、半
径：200mm 、幅：100mm のＣｕ製円筒胴よりなるものを
用い、耐火物壁４にはガラス状炭素を含浸処理した炭素
質材料を用い、これらは1100℃に予熱して使用に供し
た。

【００２６】半凝固金属19の製造は、Ａｒガス雰囲気中
で、温度：1070℃の上記合金の溶融金属17を取鍋15から
ノズル16を介して攪拌用回転子１と耐火物壁４とで形成
される冷却・攪拌室５に注入し、攪拌用回転子１の回転
数：200rpm、攪拌用回転子１と剥離治具11との間隔：1.
5mm と一定にし、さらに攪拌用回転子１とせき板９との
間隔を５〜10mmの範囲で変化させて排出速度を制御し、
排出口13から固相率：0.5 の半凝固金属19を連続して排
出させた。

【００２７】この結果、耐火物壁４の破損、しゅう動面
への溶湯の差し込み等のトラブルがなく、連続的に安定
して品質の良好な半凝固金属を製造できた。

【００２８】

【発明の効果】この発明は、横軸円筒胴よりなり抜熱能
を有する攪拌用回転子と耐火物壁とで形成される冷却・
攪拌室に溶融金属を供給して半凝固金属を製造する装置
において、炭素質材料よりなる耐火物壁を用いることに
より、耐火物壁の破損や攪拌用回転子とのしゅう動面へ
の溶湯の差し込みなどによるトラブルを解消し、連続的
に安定して品質の良好な半凝固金属を製造できるように
するものであり、この発明によれば、次工程への半凝固
金属の安定供給ができるとともに、半凝固金属の工業化
に大きく貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】横軸円筒胴よりなる攪拌用回転子を用いる方式
の半凝固金属製造装置の説明図を示す。

【符号の説明】

１ 攪拌用回転子 ２ 冷却水 ３ 駆動装置（攪拌用回転子用） ４ 耐火物壁 ５ 冷却・攪拌室 ６ ヒーター ７ ヒーターホルダー ８ 駆動装置（固定板移動用） ９ せき板 10 駆動装置（せき板移動用） 11 剥離治具 12 駆動装置（剥離治具移動用） 13 排出口 14 固相率センサー 15 取鍋 16 注入ノズル 17 溶融金属 18 凝固殻 19 半凝固金属

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 廣中 一聡 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 (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】 横軸円筒胴よりなり抜熱能を有する攪拌
   用回転子と、攪拌用回転子の両端面でしゅう動封止関係
   を維持し攪拌用回転子の円筒胴周面とその円筒胴周面に
   面して下せばまりの耐火物壁より形成される冷却・攪拌
   室を有し、該冷却・攪拌室に溶融金属を連続的に供給し
   て冷却し、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脂状晶が懸濁
   した半凝固金属を製造して、攪拌用回転子と耐火物壁と
   の下方のすき間に連なる排出口から半凝固金属を連続的
   に排出する半凝固金属の製造装置において、耐火物壁
   が、炭素質材料からなることを特徴とする半凝固金属製
   造装置。
2. 【請求項２】 炭素質材料が、耐酸化処理を施してなる
   請求項１に記載の半凝固金属製造装置。
3. 【請求項３】 耐酸化処理が、ガラス状炭素の含浸処理
   である請求項２に記載の半凝固金属製造装置。