JPH0824998B2

JPH0824998B2 - 電磁撹拌方式による半凝固金属の製造方法および装置

Info

Publication number: JPH0824998B2
Application number: JP1306436A
Authority: JP
Inventors: 安生藤川; 克浩竹林
Original assignee: 株式会社レオテック
Priority date: 1989-11-28
Filing date: 1989-11-28
Publication date: 1996-03-13
Anticipated expiration: 2011-03-13
Also published as: JPH03170629A

Description

【発明の詳細な説明】（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（簡単のため半凝固金属と呼ぶ）を電
磁誘導攪拌方式によって製造する方法および装置に関す
るものである。

半凝固金属を製造する方法としては、大別して、機械
的攪拌法と電磁誘導的攪拌法とが知られている。電磁誘
導攪拌（簡単のため電磁攪拌と呼ぶ）法は機械的攪拌法
に比べて、攪拌効率は悪いが、装置材料に対する制約が
少なく生産性も高いと云う利点があり、従来から多くの
考案がなされている。

（従来の技術）特公昭61−7148号公報および特公昭62−25464号公報
には、電磁攪拌方式により半凝固状態の金属スラリーを
連続的または半連続的に製造する方法について、また後
者の広報にはさらにそのための装置に関して開示されて
いる。

これらの開示の内容は、２極電動機ステータ等による
回転磁界を発生させる電磁攪拌手段を用い、その内側に
冷却手段を有する鋳型を設置し、溶融金属を上方から鋳
型内に供給し、冷却すると同時に回転磁界により回転流
動させることにより、攪拌し、縮退したデンドライトの
１次固体粒子が溶融金属中に分散した半凝固金属の金属
スラリーを得るというものである。

ここに良好な半凝固状態の金属スラリーをつくる条件
としては、十分に小さな固体粒子を得るための強冷却と
デンドライトを剪断するための強烈な攪拌強度が必要で
あるが、電磁攪拌方式では、この２つの条件が相反する
関係にあり、上記の従来方法および装置では必ずしも満
足できるものではない。

（発明が解決しようとする課題）従来の電磁攪拌方式による半凝固金属の製造方法およ
び装置についての問題点を以下に述べる。

（１）良好な半凝固金属を製造するためには、溶融金属
を冷却しながら強烈な攪拌効果を与える必要があるが、
電磁攪拌方式で強攪拌すなわち高速回転流動を狙うと、
溶融金属は遠心力により回転流動の中心部の湯面には大
きな渦へこみが発生し、反面外周部は嵩高となることか
ら、冷却攪拌槽上部から溶融金属の飛散、ガスの巻込み
の増大などにより、安定操業が不可能となる。したがっ
て高速回転流動すなわち強い攪拌効果を狙うことはでき
ない。

（２）溶融金属の回転流動の中心部は高速回転はしてい
るが、攪拌効果は殆んどなく、したがって断面内におけ
る攪拌効果が不均一である。また、溶融金属の粘性に応
じて回転速度すなわち攪拌効果が左右される特性があ
り、半凝固状態となって見掛粘性が高くなると、攪拌効
果が低下し、特に回転中心部では混合効果もなく、偏析
の発生する危険が大きくなる。

（３）良好な半凝固金属を製造するためには、十分に小
さな固体粒子を得るための強冷却が必要であるが、電磁
攪拌方式の場合、冷却攪拌槽の内壁面すなわち冷却壁の
面積に対し、内容積が大きいため溶融金属の熱容量が大
きいことと、回転磁界によって生ずる電流による発熱が
あって、冷却速度をあまり大きくすることができない。

また、内壁面に水冷銅板を採用して、強冷却を実施す
ると内壁面に凝固シエルが付着成長して回転磁界の磁束
が大きく減衰し、回転速度すなわち攪拌効果が大きく低
下することになり、内壁面の冷却強度を大きくすること
にも限界がある。

（４）電磁攪拌方式における溶融金属の回転流動の中心
部すなわち冷却攪拌槽の中心部は、半凝固金属を製造す
ることに対してデッドスペースになっおり、有害無益で
ある。

以上のように、従来の技術で残された種々の問題につ
いて、この発明はその有効な解決を目指し、溶融金属の
飛散をなくし、ガスなどの捲き込みがなく、攪拌および
冷却効果を高め、安定操業を可能とすることを重点項目
とした。

（課題を解決するための手段）前記問題点を解決するためには、冷却攪拌効果にほと
んど関与しない溶融金属の回転流動の中心部すなわち冷
却攪拌槽の中心部の溶融金属を排除することが最も有効
であると考え、実験研究を重ねた結果この発明に到達し
たものである。その要旨は以下のとおりである。

1.溶融金属を冷却攪拌槽内に収容し、冷却攪拌槽の内壁
面からの抜熱によって冷却しつつ、冷却攪拌槽の断面を
横切って働く回転磁界によって溶融金属を回転流動させ
ることによる攪拌を加えて半凝固金属を製造する方法に
おいて、溶融金属を冷却攪拌槽の中心部にそなえた非磁
性、不導電性の中子の外壁面と、冷却攪拌槽内壁面との
間で旋回流動させることを特徴とする電磁攪拌方式によ
る半凝固金属の製造方法。

2.溶融金属を冷却する手段を有する冷却攪拌槽と、冷却
攪拌槽の断面を横切って働く回転磁界を発生する電磁誘
導コイルとをそなえ、冷却攪拌槽内に供給した溶融金属
に回転磁界による回転流動を強いることによる攪拌を加
える半凝固金属の製造装置において、冷却攪拌槽中心部
に非磁性、不導電性の中子をそなえることを特徴とする
電磁攪拌方式による半凝固金属の製造装置。

上記方法は、溶融金属の旋回流動が中子の昇降移動に
よる置換流動を含むことが実施上好適であり、上記装置
は、中子を冷却攪拌槽内で繰返し昇降移動させることを
可能とすること、中子を回転可能に支持しトルク計を介
して固定すること、円筒形中子で中子の外径を冷却攪拌
槽内径の30〜60％の範囲となることなどが何れも実施上
のぞましい。

なお、冷却攪拌槽内壁面形状は、円筒状が好ましい。
また中子外壁状は円筒状を基本とするが、攪拌効果の向
上などのため他の形状としてもよく、さらに中子の位置
は冷却攪拌槽の中心軸と中子の中心軸とを必ずしも合致
させなくともよい。

（作用）この発明においては、溶融金属を冷却および回転磁界
での回転流動による攪拌によって半凝固金属を製造する
に当って、溶融金属の回転中心部すなわち冷却攪拌槽の
中心部に、非磁性、不導電性材料、たとえば耐火材また
はセラミック製の中子をそなえることにより回転中心部
のデッドスペースから溶融金属を排除する。

かくすることにより、溶融金属は中子の外壁面と冷却
攪拌槽内壁面との間で旋回流動による攪拌が行なわれ
る。この旋回流動の回転速度は中子を使用しない場合に
くらべ小さくなるが、湯面の渦へこみが実用的な範囲ま
で小さくなって溶融金属の飛散がなく安定操業が可能と
なり、さらに適正の大きさの中子を選定することによ
り、回転速度が小さくなる割には攪拌効果を低下させな
いですむことも明らかとなった。また、中子を昇降移動
させることにより置換流動による混合攪拌が行なわれ、
均質な半凝固金属を製造することができる。

つぎに、この発明による半凝固金属の製造装置を第１
図により説明する。第１図は全体図で、冷却攪拌槽は、
冷却円筒２と水冷ジャケット３とから構成され、その外
周に電磁誘導コイル４が設置されている。冷却円筒２お
よび水冷ジャケット３は貫通する磁束の減衰をできるだ
け小さくするため、薄肉の非磁性金属板で作られてい
る。そして冷却水13を下部から給水し、冷却円筒２の外
面を高速で通水し、上部から排水13され、適当な冷却効
果を与える様設計されている。この冷却円筒２の内壁面
は適当な厚さの耐火材をコーティングすることもある。
電磁誘導コイル４は、多くの場合２極３相誘導電動機の
固定子コイルが使用され、３相交流14を通電することに
よって中心を貫通した回転磁界が得られ、その磁束密度
に比例した回転トルクにより冷却攪拌槽内の溶融金属が
回転流動し攪拌される。

この冷却攪拌槽の上端には、耐火材１′を内張りした
受湯タンデイッシュ１が接続し、底部には排出ノズル５
が設けられている。

次にこの冷却攪拌槽中心部には、非磁性不導電体たと
えば耐火材製の中子６をそなえている。この中子６は図
示したように支持アーム８に軸受７を介して回転可能に
支持し、支持アーム８は支持台11に油圧シリンダー12等
の昇降手段を介して昇降可能に取付けることが好まし
い。

さらに、中子６は連結軸９を介してトルク計10に接続
して固定することがのぞましい。

さて、溶融金属15は連続的に受湯タンデイッシュ１に
供給され、冷却攪拌槽に流入する。この溶融金属は冷却
攪拌槽で適当な冷却作用と、電磁誘電コイル４によって
発生する回転磁界によって中子外壁面と冷却攪拌槽内壁
面との間で旋回流動による攪拌が行なわれ、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て半凝固金属15′として底部の排
出ノズル５から連続的に排出される。この場合中子６
は、定位置に固定してもよいが、置換流動による混合攪
拌を促進さす目的で昇降移動を行なうこともよい。ま
た、中子６に直結したトルク計10により、中子に作用す
る半凝固金属15′の粘性トルクを測定し半凝固金属の性
状および攪拌状況について推定することも可能である。

操業が終了した場合、中子６は油圧シリンダー12によ
って支持アーム８を介して上方に退避し、更に支持アー
ム８が旋回して、冷却攪拌槽の保守点検を便利ならしめ
ている。

つぎに攪拌作用の特徴について説明する。第２図は従
来の電磁攪拌方式、第３図はこの発明による電磁攪拌方
式の攪拌作用を示す原理図であり、第４図はその攪拌効
果を数値化したグラフを示す。第２、３図において、金
属製冷却円筒２と水冷ジャケット３から構成された冷却
攪拌槽とその外周に配置した電磁誘導コイル４は共通し
ているが、第３図には中子６を冷却攪拌槽内にもうけて
いる。第２図に示す従来装置においては、回転磁界によ
り強力に攪拌すればするほど、冷却攪拌槽中の溶融金属
15は高速で回転し、その回転速度（Ω）は第４図に示す
通り、中心部で最大となり、遠心力によって中心に大き
な渦へこみ（H_o）を発生することになる。この渦へこみ
（H_o）が大きくなり過ぎると、冷却攪拌槽上部からの溶
融金属の飛散、ガスの巻込みなどの問題が発生し、実用
的に成り立たなくなる。なお、中心部は非常に高速で回
転しているが、樹枝状晶の変化に必要なせん断力は小さ
い、すなわち、攪拌効果はほとんどないという欠点を有
する。そこでこの発明においては第３図に示す様に、冷
却攪拌槽の中央に半径r₁の円筒状で耐火材製の中子６を
もうけている。この発明方法に、従来方法と同じ強さの
回転磁界を作用させたとすると、溶融金属15に生ずる旋
回流動の回転速度（Ω）は、冷却円筒２の内壁面と中子
６の外壁面とで０となり、最高回転速度も小さくなる。
そのため遠心力による渦へこみ（H_oは相当小さくなり、
実用的な問題点が解消される。そして断面内に発生する
攪拌効果、すなわちせん断応力は、従来方法にくらべ、
回転速度が小さくなっているにもかかわらず、断面内平
均値としてはほぼ同一であり、有効に攪拌効果を与えて
いることになる。

また、電磁攪拌方式においては、溶融金属内に発生す
る電磁誘導の回転力で溶融金属自ら回転するため、溶融
金属または半凝固金属の回転速度すなわち攪拌効果自体
が、溶融金属または半凝固金属の粘性によって左右され
るという特徴を有し、回転速度すなわち攪拌効果の把握
が困難であったが、中子６に直結したトルク計による粘
性トルクから攪拌効果を推定可能にしたこともこの発明
の大きな利点である。

つぎに、有効な攪拌効果を与えるための冷却攪拌槽内
径（冷却同筒２）と中子外径との関係について述べる。
内径170mmの冷却攪拌槽に600ガウスの回転磁界を与え、
冷却攪拌槽の円筒内面の中心軸と中子の円筒外面中心軸
を合致させて中子を冷却攪拌槽にそなえた場合の計算結
果を第５図（ａ），（ｂ）および第６図に示す。第５図
（ａ），（ｂ）はそれぞれ、中子半径と冷却攪拌槽内壁
面および中子外壁面におけるせん断歪速度を固相率f_sを
パラメーターとして示し、第６図は、中子半径と中子外
壁面における渦へこみH_oとの関係を固相率f_sをパラメー
ターとして示した。これらの図の斜線部分は渦へこみが
小さく実用的であり、かつせん断歪速度が大きい最適中
子半径範囲を示したもので、この範囲は中子の外径が冷
却攪拌槽内径の30〜60％に相当する。

（実施例）内径170mm（r₂＝85mm）を有する円筒状冷却攪拌槽に
２極３相の攪拌コイルによって、中心磁束密度800ガウ
スの回転磁界を発生させた場合について述べる。

従来方法では、溶融金属の回転速度は中心部で最大10
00r.p.m.となり、回転中心部の渦へこみH_oは1200mmに達
する。

これに対し、外径100mm（r₁＝50mm）の円筒状中子を
そなえたこの発明方法においては、溶融金属の回転速度
は中子外面と冷却攪拌槽内面の中間点で最大となり200
r.p.m.程度、中子表面での最大へこみH_oは70mmに激減
し、安定操業が可能となった。

さらに、攪拌効果をせん断歪速度で表わして理論推定
計算を行うと、従来方法による場合は冷却攪拌相内面で
最大250sec^-1で回転中心部は０になるのに対し、この発
明方法による場合は冷却攪拌相内壁面と中子外壁面で最
大230sec^-1が発生することが明らかとなり、有効な攪拌
効果を与えている。

（発明の効果）電磁攪拌方式による半凝固金属の製造において、この
発明の方法および装置を用いることにより、以下の効果
が期待される。

（１）強力な旋回流動による攪拌を与えても渦へこみが
小さく、溶融金属の冷却攪拌槽上部からの飛散の危険が
なく、安定した実用的な操業が可能になる。

（２）同じ回転磁界に対し、回転速度は低下しても、攪
拌効果はほぼ同じであり、むしろ従来方法では回転中心
部がほとんど攪拌効果がないデッドスペースとなるのに
対し、この発明ではほぼ均一な攪拌効果が得られる。

（３）溶融金属中の中子の体積に見合う量の溶融金属が
排除され、この分の熱容量が小さくなるため同じ冷却能
力でも溶融金属の冷却速度が向上し、より粒径の小さい
半凝固金属を製造できる。

以上この発明により、電磁攪拌方式による半凝固金属
製造の実用化に大いに役立つものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成全体を断面で示す説明図、第２図は従来の電磁攪拌方式の攪拌作用を示す原理図、第３図はこの発明による電磁攪拌方式の攪拌作用を示す
原理図、第４図は従来方式およびこの発明の攪拌効果を数値化し
たグラフ、第５図（ａ），（ｂ）は中子の半径と、冷却攪拌槽内壁
面および中子外壁面側におけるせん断歪速度との関係、
また第６図は中子半径と渦へこみの関係を示すグラフで
ある。１……受湯タンデイッシュ１′……内張耐火材、２……冷却円筒３……水冷ジャケット、４……電磁誘導コイル５……排出ノズル、６……中子７……軸受、９……連結軸 10……トルク計、11……支持台 12……油圧シリンダー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融金属を冷却攪拌槽内に収容し、冷却攪
拌槽の内壁面からの抜熱によって冷却しつつ、冷却攪拌
槽の断面を横切って働く回転磁界によって溶融金属を回
転流動させることによる攪拌を加えて半凝固金属を製造
する方法において、溶融金属を冷却攪拌槽の中心部にそ
なえた非磁性、不導電性の中子の外壁面と、冷却攪拌槽
内壁面との間で旋回流動させることを特徴とする電磁攪
拌方式による半凝固金属の製造方法。
【請求項２】溶融金属の旋回流動が中子の昇降運動によ
る置換流動を含むことからなる請求項第１項に記載した
電磁攪拌による半凝固金属の製造方法。
【請求項３】溶融金属を冷却する手段を有する冷却攪拌
槽と、冷却攪拌槽の断面を横切って働く回転磁界を発生
する電磁誘導コイルとをそなえ、冷却攪拌槽内に供給し
た溶融金属に回転磁界による回転流動を強いることによ
る攪拌を加える半凝固金属の製造装置において、冷却攪
拌槽中心部に非磁性、不導電性の中子をそなえることを
特徴とする電磁攪拌方式による半凝固金属の製造装置。
【請求項４】中子を冷却攪拌槽内で繰返し昇降移動可能
に配置した請求項第３項に記載した電磁攪拌方式による
半凝固金属の製造装置。
【請求項５】中子を回転可能に支持し、トルク計を介し
て固定することを特徴とする請求項第３項または第４項
に記載した電磁攪拌方式による半凝固金属の製造装置。
【請求項６】中子が円筒形で、その外径が冷却攪拌槽内
径の30〜60％の範囲であることを特徴とする請求項第３
項、第４項又は第５項に記載した電磁攪拌方式による半
凝固金属の製造装置。