JPS645984B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は製品により良好な構造とより良好な表
面の状態とを付与すべく液体金属に磁界を作用さ
せる金属鋳造法及びその装置に係る。

鋼鉄、アルミニウム及びアルミニウム合金など
の金属を鋳型による鋳造又は垂直式連続鋳造によ
りビレツト、プレート又はインゴツトの形に鋳造
する方法は既に知られている。

鋳型による鋳造の場合は、所定量の液体金属を
型に充填し型の壁面との熱交換によつて型内の金
属を凝固させる。

垂直式連続鋳造の場合は、一般に垂直対称軸を
もち、両端が開放されており且つ側面が流体によ
り冷却されている型の中に液体金属を流し込む。
このような型に接触すると金属は凝固して表皮を
形成する。この表皮の厚みは型内における金属の
インゴツトの形成の進展に伴い漸増し、やがて型
の下端部での厚みがまだ液体状の中央部を保持す
る程十分に厚くなる。インゴツトは型から出た
後、インゴツトの表面に直接水を噴き付けて冷却
するが、このようにすればインゴツト全体がかな
り短時間の中に凝固する。

どちらの方法を用いても、得られるインゴツト
は極めて不均質である。何故ならこのようなイン
ゴツトは型との接触により急速に凝固して形成さ
れた表皮部分と、表皮部分を介した型の壁面又は
水との熱交換による緩冷の結果形成された中央の
部分とを同時に有しているからである。これらの
両部分は夫々異なる速度で結晶化するため構造も
組成も全く異なる。更に、型との接触によつて形
成されたインゴツトの表皮には一般にむらがあ
る。加えて、これらのインゴツトは後の変形加工
段階で欠陥が生じないように変質部を除去すべく
表皮削り処理にもかけなければならないことが多
い。

このような理由から、当業者は鋳造による製品
の品質向上を主眼として前述の構造と表面の状態
とに関する不均一性の問題点を解消する方法を追
及してきた。

その手段として注目されたのが形成中のインゴ
ツトの未凝固部分に作用する磁界、より特定的に
は交番磁界の使用である。

例えば、米国特許第2963758号明細書には、液
体金属をインゴツトの冷却熱勾配方向の磁界の作
用下におき、この磁界を前記勾配方向のほぼ直交
方向で変化させるという方法であるが、この磁界
を得るためには多相電流源に接続された六極ステ
ータを具備しなければならず、従つて装置の構造
がかなり複雑になる。

米国特許第3153820号明細書には、凝固現象を
制御することにより鋳造金属の構造と物理的及び
化学的均一性とを向上させる装置が開示されてい
る。この装置は別個に機能する複数の外部撹拌器
を具備しており、これら撹拌器に間にまじつて数
個の電磁石と電気機械的振動変換器とが金属塊の
外側で互いに一定の間隔をおいて金属の冷却部の
近傍に配置されている。そしてこの撹拌器が流体
金属の内部に集中した多数の攪拌力場を発生させ
る。このような装置はかなり複雑な構造をもつ
種々の機器を備えており、金属内部の偏析現象の
制御という点では効果的であるが表面状態の問題
に関しては無用である。

本発明の目的は、良好な表面の状態を有する金
属のインゴツトを鋳造し得る電磁的金属鋳造方法
及びその装置を提供することにある。

本発明によれば、前記目的は、 液体金属を柱状をなして鉛直下方に流す段階
と、前記流される液体金属に鉛直方向に沿つた交
番磁界を印加する段階と、前記鉛直方向に沿い且
つ強度が一定の磁界を前記流される液体金属に前
記交流磁界の印加と同時に印加する段階とからな
る電磁的金属鋳造方法又は、 鉛直方向に伸長した筒状部材と、前記筒状部材
の上方から前記筒状部材に中に液体金属を供給す
る供給手段と、前記供給された液体金属に前記鉛
直方向に沿つた交番磁界を印加すべく、前記筒状
部材と同軸的に設けられた第１のコイル手段と、
前記供給された液体金属に鉛直方向に沿い且つ強
度が一定の磁界を印加すべく前記筒状部材と同軸
的に設けられた第２のコイル手段とからなる電磁
的金属鋳造装置。

によつて達成される。

本発明によれば、液体金属に鉛直方向に沿つた
交番磁界と強度が一定の磁界とを印加するが故
に、交番磁界の周波数と当該周波数の２倍の周波
数で変化する２種類の半径方向の力が当該液体金
属に加えられその結果、液体金属全体に振動を伝
般し得、液体金属の攪拌を促進し得、良好な表面
の状態を有する金属のインゴツトを鋳造し得る。

本発明に係る強度が一定の定常磁界は、直流が
流れる第１のコイルを少くとも１つ用いて発生さ
せてもよい。第１のコイルは水平面で切断した断
面が筒状部材としての型の上方断面と類似した輪
郭をもつようなフレーム上に電線を巻装すること
によつて形成し、型の上方に配置してもよい。直
流が流れると第１のコイルは型の対称軸と平行
に、即ちほぼ垂直に下方又は上方へ一様に方向付
けられ且つ強度が一定の磁界を発生する。この磁
界の力線は、第１のコイルに合致する輪郭を有
し、且つ型への液体金属の供給を行なうに十分な
スペースを中央部に備えた鉄芯を第１のコイルの
内部に配置することによつて変化させてもよい。

本発明に係る交番磁界は、第１のコイルと類似
の形態をもつ環状の第２のコイルによつて発生さ
れてもよい。但し、この場合は周波数Ｎの周期的
電流（交流）を流す。第２のコイルは型の上方に
配置されてもよく、第１のコイルの上方に配置さ
れてもよい。また、第２のコイルは、第１のコイ
ルと型との間であつて、型と同じ高さに配置され
てもよく、この場合、第１のコイルが２つある時
には第１のコイル相互間に配置する。周期的電流
の作用による第２のコイルは強度が一定の磁界と
同一線上に交番磁界を発生し、その結果液体金属
中に誘導電流が誘起される。電流密度ベトクルは
一般に水平面内に位置し、この水平面内で型の軸
を通る直線と直交する方向をもつ。従つてこれら
ベクトルは全体で複数の同心円を形成する。

これら同一線上の２つの磁界の作用が給合する
と二重の発生起源をもつ振動が金属中に発生す
る。一方の起源は、強度が一定の磁界と誘起電流
とが、電流密度ベクトルと磁界方向ベクトルとで
構成された面に直交する力を発生させることにあ
る。この力は水平面上に位置し型の軸へ向かう方
向をもつ。この力の強さは交番磁界と同一の周波
数Ｎをもつて周期的に変化し、その結果液体金属
中に振動を発生させる。

他方の起源は、いずれも周波数がＮである交番
磁界と誘起電流との相互作用により半径方向（放
射状）の他の力が生じることにある。この他の力
も可変性であるがその周波数は2Nである。

このようにして金属は夫々Ｎ及び2Nの周波数
で変化する２種類の半径方向の力の作用下におか
れ、その結果、液体金属の全体に振動が広がる。

このシステムに何らかの幾何学的欠陥がある
と、多少とも大きな周縁効果が発生し得、その結
果垂直振動が生じるがこの振動は半径方向振動に
比べれば大したことはない。

交番磁界用の第２のコイルに流れる周期的電流
は完全な正弦曲線形状を有し得るが他のいずれの
形状であつてもよい。

周波数は５から100000ヘルツの範囲内の値であ
つてよいが、５から100ヘルツを低周波数、それ
より大きい値を中周波数として区別するのが好ま
しい。

周波数が小さい場合は、交番磁界の表皮効果が
減少する。即ち誘導電流が、液体金属質量全体に
振動を広げるべく誘導電流と強度が一定の磁界と
の間に十分な相互作用が生じるよう液体金属の厚
みに作用する。これを強制振動が作用すると言
う。逆に交番磁界の周波数が増大するとこの表皮
効果も増大し、これに応じて誘導電流と強度が一
定の磁界との間の相互作用が減少する。従つて適
切な効果を得るためには、発生した振動が液体金
属、形成中の樹枝状結晶又は固体金属塊の固有振
動と共鳴するのが好ましい。しかるに、これらの
固有振動は鋳造物のサイズと鋳造速度と金属の性
質と冷却条件とに依存する。従つて、種々の操作
条件に応じて電流の周波数を選択しなければなら
ないことになるが、これは計算又は適切な検出装
置を用いて推定し得る。

周波数が小さければ技術も操作方法もより簡単
であり、且つ振動に起因したノイズによつて生じ
る害の程度も比較的微小である。

以下、添付図面に基づき本発明をより詳細に説
明する。

第１図は水２の循環によつて冷却されている型
１を示している。型１により液体金属３からイン
ゴツト４が形成される。強度が一定の磁界を生じ
るコイル５が型１の上に型１と同軸的に具備され
ている。磁界の磁力線は鉄芯６によつて変化し得
る。型１の高さには交番磁界を生じるコイル７が
型１と同軸的に配置されており、定常磁界と可変
磁界の両作用が結合すると矢印８で示された伝搬
方向に従い液体金属内に振動が広がる。

第２図に、矢印８に従つて振動する液体金属の
様子を示す。

以下、添付第３図を参照して本発明の変形例に
ついて説明する。

第３図において、第１図及び第２図と同一の要
素には同一の参照符号が示されており、それらに
対する説明は第１及び第２図における説明と同様
である。

本発明の方法を鋼鉄の連続鋳造に使用する場合
は、凝固中の金属のインゴツト４の部分に沿つて
交互に配置された、強度が一定の磁界を生じるコ
イル５，１０，１２，１４と交番磁界を生じるコ
イル７，９，１１，１３，１５とを用いて強度が
一定の磁界と交番磁界とを交互に発生させるとよ
い。この場合は、インゴツト４の部分の長さが比
較的長い場合があるため、コイル５，１０，１
２，１４の数とコイル７，９，１１，１３，１５
の数とを増すことにより十分な磁界効果が得られ
る。この効果を更に増大すべく、交番磁界の周波
数が100ヘルツ未満の場合は、液体金属の凝固の
進行に伴い周波数が減少するようにコイル７，
９，１１，１３，１５に給電するのが好ましい。
このようにすれば、表皮硬化がそれだけれ減衰し
振動がインゴツトの内部に広がるからである。一
例として、型とほぼ同一高さにおいて50ヘルツの
磁界を印加するコイル７，９を配置し、その下に
コイル１１，１３，１５をコイル１０，１２，１
４と１つずつ交互になるよう配置して、コイル１
１，１３，１５に例えば20ヘルツ、10ヘツツ、５
ヘルツといつた具合に異なる周波数を順次与える
ようにしてもよい。

本発明がより良く理解されるように次に非限定
的実施例を挙げる。

0.1重量％のAT5Bを加えて予精製処理した
2024タイプのアルミニウム合金を断面300×800mm
のプレート状に連続鋳造する。

第１の実施例のプレートは、従来の鋳型内で形
成する。次に同一の速度・冷却条件下で鋳造のを
続けたが、第２の実施例のプレートの場合は、金
属のメニスカスの近傍に0.04テスラの強度が一定
の磁界と周波数50ヘルツの交番磁界とを作用させ
る。強度が一定の磁界は24ボルトの電圧下で
17500アンペアターンの直流が流れる環状のコイ
ルにより発生し、交番磁界はこのコイルの下方で
型と同一のレベルに配置され、75ボルトの電圧下
で3800アンペアターンの交流が流れる別の環状の
コイルにより発生する。

プレートのこれら２つの実施例の夫々から採取
した試料の表面を顕微鏡的検査にかけると、本発
明の方法を適用した場合は粒子が８倍になること
が確認される。

更に、第１の実施例のプレートに現われた表面
の状態の欠陥、例えば剥離、酸化物膜等は第２の
実施例のプレートでは殆んど見られない。

本発明は、型による鋳造又は連続鋳造による金
属製品の表面の状態と構造とを改善するためであ
れば如何なる用途にも使用し得、特にアルミニウ
ム産業で使用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一具体例の縦断面図、第２
図は第１図の具体例の平面図、第３図は本発明の
他の具体例の縦断面図である。 １……型、２……水、３……液体金属、４……
インゴツト、５，７，９，１０，１１，１２，１
３，１４，１５……コイル、６……芯。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体金属を柱状をなして鉛直下方に流す段階
   と、前記流される液体金属に鉛直方向に沿つた交
   番磁界を印加する段階と、前記鉛直方向に沿い且
   つ強度が一定の磁界を前記流される液体金属に前
   記交流磁界の印加と同時に印加する段階とからな
   る電磁的金属鋳造方法。 ２ 前記一定の磁界の強度が0.5テスラ未満であ
   ることを特徴とする特許請求範囲第１項に記載の
   方法。 ３ 前記一定の磁界を印加する段階が、前記流さ
   れる液体金属の周側部に前記一定の磁界を印加す
   る段階からなることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項又は第２項に記載の方法。 ４ 前記交番磁界の周波数が５から100000ヘルツ
   の範囲内であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項から第３項のいずれか一項に記載の方法。 ５ 前記交番磁界の周波数が、液体金属、形成中
   の樹枝状結晶又は固体金属の固有振動数にほぼ等
   しいことを特徴とする特許請求の範囲第４項に記
   載の方法。 ６ 鉛直方向に伸長した筒状部材と、前記筒状部
   材の上方から前記筒状部材の中に液体金属を供給
   する供給手段と、前記供給された液体金属に前記
   鉛直方向に沿つた交番磁界を印加すべく、前記筒
   状部材と同軸的に設けられた第１のコイル手段
   と、前記供給された液体金属に前記鉛直方向に沿
   い且つ強度が一定の磁界を印加すべく前記筒状部
   材と同軸的に設けられた第２のコイル手段とから
   なる電磁的金属鋳造装置。 ７ 前記一定の磁界の強度が0.5テスラ未満であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載
   の装置。 ８ 前記供給された液体金属の周側部に前記一定
   の磁界を印加すべく、前記供給された液体金属の
   メニスカスの周側部に面するように前記第２のコ
   イル手段用の環状鉄芯が設けられていることを特
   徴とする特許請求の範囲第６項又は第７項に記載
   の装置。 ９ 前記交番磁界の周波数が５から100000ヘルツ
   の範囲内であることを特徴とする特許請求の範囲
   第６項から第８項のいずれか一項に記載の装置。 １０ 前記交番磁界の周波数が、前記液体金属、
   形成中の樹枝状結晶又は固体金属の固有振動数に
   ほぼ等しいことを特徴とする特許請求の範囲第６
   項から第９項のいずれか一項に記載の装置。 １１ 前記第１のコイル手段が、前記筒状部材と
   同軸的に設けられた複数の第１のコイルからな
   り、前記第２のコイル手段が、前記筒状部材と同
   軸的に設けられた複数の第２のコイルからなり、
   前記第１のコイル夫々と前記第２のコイルの夫々
   とが前記鉛直方向に沿つて交互に配列されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の
   装置。 １２ 前記第１のコイルの夫々が、周波数が100
   ヘルツ以下の前記交番磁界を発生するように構成
   されており、前記第１のコイルは、前記第１のコ
   イルによつて生起された前記交番磁界の周波数
   が、前記第１のコイルにおいて上のコイルから下
   のコイルに向かつて漸減するように構成されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１１項に記
   載の装置。