JP2011515225A - 凝固の進行した段階での金属の変調された電磁攪拌 - Google Patents

Abstract

凝固の進行した段階における溶融金属の電磁攪拌のための方法及び装置が、開示される。この方法及び装置は、例えば、鋼のビレット及びブルームの連続鋳造の中で使用されることが可能である。少なくとも第一の攪拌機及び第二の攪拌機が、凝固途中の溶融金属の軸の回りに、異なる周波数の第一の回転磁場及び第二の回転磁場を作り出すために設けられる。これらの攪拌機は、それぞれの磁場が重複して、変調された磁場を作り出すように、互いに十分に近接して溶融金属の周りに配置されている。それぞれの攪拌機の磁場は、共通の回転方向または反対の回転方向の何れを有していても良い。これらの磁場により作り出される変調された攪拌は、その中心軸での溶湯の温度が液相線レベルよりも低い領域内で、溶湯のバルクの中に、振動する一次流れ及び二次流れを、従って乱流を、もたらし、少なくとも１０％が実質的に凝固した材料が形成される。この攪拌方法により作り出される乱流は、溶湯のバルクの中での結晶組織の形成を崩壊させ、且つ、中央領域の溶質が富化された溶湯をバルク体積と混合し、それに伴い、鋳造製品の凝固組織及び全体的な内部品質の改善をもたらす。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁攪拌に係り、特に、液体金属が凝固する際の液体金属の電磁攪拌に係る。本発明は、鋼、合金または他の金属溶湯の連続鋳造の中で、及びこれらの材料の他の凝固プロセスの中で、使用されても良い。

電磁攪拌（ＥＭＳ）は、連続鋳造鋼のビレット、ブルームなどの製造、異なる合金の鋳造、及び他の液体金属の鋳造及び加工において、広く使用されている。典型的には、交流電流が、溶湯の周囲を取り囲む誘導コイルに供給される。交流電流は、連続して回転する交流電磁場を励起し、この磁場が、連続鋳造による鋼のビレット及びブルームの製造の際などに、金属を攪拌する。例えば、交流場が、凝固の初期の段階で、連続鋳造鋳型の中の溶湯を攪拌することがある。

鋳型の中での溶湯の回転による攪拌は、固体−液体界面に乱流及び剪断力を作り出す。これは、凝固フロントでのデンドライトの破砕、及び等軸の凝固組織の形成をもたらし、それが鋳型の中での攪拌の最も重要な目的である。

ＥＭＳは、鋳造鋳型の下側で、連続的に鋳造されるストランドの未凝固の部分の、後のまたは進んだ凝固段階の攪拌のために使用されることがある。

しかしながら、従来の回転による攪拌は、溶湯の凝固が進行した段階において、効果的でない。その理由は、回転による攪拌により作り出される乱流が、本質的に、固体−液体界面に限定されるからである。

回転による攪拌の有効性を改善する努力の中で、日本の特許出願公開公報 No. 52-4495 及び No. 53-6932、及び、Kojima et al., Application of Advanced Mild Stirring to a Bloom Caster （The Latest Kosmostir-Magnetogyr Process Technique）に、間欠的な及び交番回転による攪拌について記載されている。間欠的な攪拌は、間欠的に電流を供給して、攪拌コイルを励磁することにより実現される。交番攪拌は、その回転方向を交番させる磁場を発生させることにより作り出される。しかしながら、間欠的な攪拌及び交番する攪拌の有効性には、限界があることが判明している。その理由は、そのような攪拌が、固体−液体界面を超える溶湯の中に大きな乱流を作り出すことがないからである。それに加えて、連続鋳造ビレット及びブルームの攪拌のために利用可能なトータルの攪拌時間が、１０秒から４０秒期間により制限され、その期間は、鋳造製品の断面サイズ及び関係する鋳造速度に依存する。この比較的短い期間は、継続期間及び間欠的なまたは交番攪拌サイクルの数の両方を制限することになる。交番攪拌は、休止期間無しに実行されることも可能である。

ＥＭＳの他の方法は、プログラム可能な電源を使用して、変化する周波数および／または強度の電流を供給することによりもたらされる磁場変調に依拠している。そのようなＥＭＳ方法は、例えば、米国特許第４，８５２，６３２号の中に記載されている。その中に開示されているように、この方法は、連続鋳造ブルームの中の攪拌プ−ル境界で、ネガティブな偏析の形成を避けるためまたは減らすために、緩やかに変化する攪拌流れ方向により“穏やかな”攪拌を作り出すことがある。

磁場変調の同様な方法が、（Ref. H. Branover et al., the U.S. Patent Application No. US2007/0157996A1 , J. Pal et al., the German Patent DE 102004017443）の中に記載されている。これらの変調方法は、約１０秒の変調期間で有効であることが判明している、それはまた、ビレット及びブルームの連続鋳造におけるそれらの有用性を制限する。

従って、より大きな乱流を発生させる新しいＥＭＳ方法及び装置に対するニーズがある。

特開昭５２−００４４９５号公報 特開昭５３−００６９３２号公報 米国特許第４，８５２，６３２号明細書 米国特許出願公開第ＵＳ２００７／０１５７９９６号明細書 独国特許第１０２００４０１７４４３号明細書

Kojima et al., Application of Advanced Mild Stirring to a Bloom Caster （The Latest Kosmostir-Magnetogyr Process Technique）

本発明によれば、凝固する溶湯体積の中に、より大きな乱流を発生させるＥＭＳ方法及び装置が提供される。特に、加えられる磁場は、異なる周波数の少なくとも二つの独立の場を並置しそれにより変調することにより形成され、乱流速度のＥＭＳを作り出す。方法及び装置は、凝固の進行した段階での攪拌のために特に適している。

本発明のアスペクトによれば、溶融金属材料の電磁攪拌の方法が提供される。この方法は、溶融材料の中を通って伸びる軸の回りに、独立の回転磁場を作り出すための、少なくとも二つの攪拌機を設けることを有している。少なくとも二つの攪拌機の少なくとも第一の攪拌機及び第二の攪拌機は、異なる角周波数を有する独立の第一の回転磁場と第二の回転磁場を作り出す。これらの攪拌機は、独立の回転磁場が重複して、変調された磁場を作り出すように、互いに十分に近接して溶融金属材料の周りに配置され、この磁場が、溶融金属材料の中心軸に沿って液相線よりも低い温度を有する溶融金属材料の遷移領域内に、溶融金属材料の乱流を作り出し、その中で、溶融金属材料が、少なくとも約１０％が実質的に凝固した溶融金属材料と混合される。

本発明の他のアスペクトによれば、鋳造装置が提供される。この鋳造装置は、溶融金属の鋳造のための鋳型と；この鋳型の下流に配置され、溶融金属の中を通って伸びる軸の回りで第一の回転磁場を作り出すための、第一の攪拌機と；第一の攪拌機の下流に配置され、第二の回転磁場を作り出すための、第二の攪拌機と；互いに異なる回転の周波数で、第一の磁場及び第二の磁場を作り出すための、少なくとも一つの電源と；を有し、第一の攪拌機及び第二の攪拌機は、第一の回転磁場及び第二の回転磁場が、変調された磁場を作り出すように、互いに近接して配置され、この磁場が、第一の攪拌機と第二の攪拌機の間の領域に溶融金属材料の乱流を作り出す。

本発明の他のアスペクトによれば、金属溶湯の電磁攪拌の方法が提供される。この方法は、溶湯の中を通って伸びる軸の回りで、角周波数ω１で回転する第一の回転磁場を作り出すための、第一の攪拌機を設け；角周波数ω２で回転する第二の回転磁場を作り出すための、第二の攪拌機を設ける。第一の攪拌機及び第二の攪拌機は、第一及び第二の回転磁場が、第一の攪拌機と第二の攪拌機の間の領域内に、金属溶湯の中に周波数（ω１−ω２）備えた周波数成分を有する磁力を作り出すように、互いに十分に近接して配置され、（ω１−ω２）は、磁力が溶湯の慣性に打ち勝つことを可能にする程に十分に小さい。

本発明の更に他のアスペクトによれば、溶融金属材料の電磁攪拌の方法が提供される。この方法は、溶融材料の中を通って伸びる軸の回りに第一の回転磁場を作り出すための、第一の攪拌機を設け；第一の回転磁場と異なる回転の周波数を有する第二の回転磁場を作り出すための、第二の攪拌機を設け；第一の攪拌機及び第二の攪拌機は、第一の回転磁場と第二の回転磁場が第一の攪拌機と第二の攪拌機の間で重複して、変調された磁場を作り出すように、互いに十分に近接して、溶融金属材料の周りに配置され、この磁場が、軸に沿って液相線よりも低い温度を有する溶融金属材料の遷移領域内に、溶融金属材料の乱流を作り出し、その中で、溶融金属材料が、少なくとも約１０％が実質的に凝固した溶融金属材料と混合される。

本発明の他のアスペクト及び特徴は、添付図面を参照しながら、本発明の特定の実施形態についての以下の説明により、当業者にとって明確になるであろう。これらの図は、本発明の実施形態を例としてのみ示している。

図１は、本発明の実施形態の例の、連続鋳造機のＥＭＳ装置の概略的な断面図である。 図２は、図１のＥＭＳ装置の攪拌機の例の概略的な断面である。 図３は、図１の攪拌機の簡略化された斜視図である。 図４は、図１の鋳造機により形成される鋳造ストランドの部分の、液体−固体の遷移領域（“マッシー・ゾーン”）の中での、固体フラクションの等位線を示す概略的な凝固プロファイルである。 図５は、図１のＥＭＳ装置の二つの隣接する攪拌機により作り出される磁束密度の軸方向のプロファイルの例のグラフである。 図６は、同一の回転方向の二つの磁場の例の重複からもたらされる、変調された磁力のグラフである。 図７は、溶湯慣性による、図６の力のフィルタリングからもたらされる磁力の低周波数成分のグラフである。 図８は、溶湯の例（例えば水銀の）の中の同一の回転方向の二つの磁場の重複からもたらされるところの、変調された攪拌により作り出される角速度のグラフである。 図９は、溶湯の例の中での、異なる攪拌のモードにより作り出される、角攪拌速度の軸方向のプロファイルのグラフである。 図１０は、溶湯の例の中での、変調された逆方向の回転攪拌により作り出される角速度の例のグラフである。 図１１は、鋼の溶湯の例の中心軸に沿う場所での、攪拌速度プロファイルのグラフである。 図１２は、図１１の軸方向の攪拌速度及び乱流粘度が３次元数値シミュレイションにより決定された、溶湯の場所の概略的な図である。 図１３は、変調された逆方向の回転攪拌により作り出される攪拌プ−ルの中心軸上の異なる場所での、乱流粘度の例のグラフである。 図１４は、従来の、一方向の攪拌により作り出される、攪拌プ−ルの中心軸上の異なる場所での、乱流粘度の例のグラフである。

図１は、本発明の実施形態の例の、ＥＭＳシステム１２を含む連続鋳造機１０の概略的な断面図である。鋳造機１０は、タンディッシュ１４を含んでいて、このタンディッシュから、液体の鋼などのような溶融金属が、浸漬されたエントリー・ノズル２０を介して鋳造鋳型１８に注入される。鋳型１８の中に、溶湯４１の周囲を取り囲むアウター・シェルを有する鋳造ストランド１２が形成される。鋳造ストランド１２は、鋳型１８の底部から出る。

ＥＭＳシステム１２の例は、典型的に、鋳型１８の周りに配置された、少なくとも一つの電磁攪拌機２４を含んでいる。攪拌機２４は、鋳型ハウジングの中に配置されることが可能であり、または、鋳型の周囲を取り囲むハウジング（示されていない）の中に密封されていても良い。後に明らかになるように、攪拌機２４は、凝固の早期の段階に、鋳型１８の内側の溶湯の中に攪拌運動を誘起するように配置される。ここに表された実施形態において、唯一の攪拌機２４が、鋳型１８の周りに配置され、鋳型１８の中での溶湯の回転による攪拌を引き起こす。攪拌機２４は、鋳型１８の周りに配置された複数の（例えば２つの）電磁攪拌機と置き換えられることも可能である。

更なる少なくとも二つの電磁攪拌機２６，２８が、鋳型１８の下流の選択された位置で（以下で詳しく説明される）、鋳造ストランド１２の周りに配置される。再び、攪拌機２６，２８は、典型的に、ハウジング（示されていない）の中に密封され、このハウジングの中に共に配置されている。

鋳型１８から離れた位置で且つその下流側で、鋳造ストランド１２の凝固が進行し、シェルの厚さの増大をもたらし、この間に、鋳造ストランド１２の中央コアが、図１及び４に示されているように、実質的に未凝固の状態で残される。鋳造ストランド１２の中の溶湯４１の温度は、時間及び鋳型１８からの距離に伴い、漸進的に低下し、或るポイントで、鋳造ストランド１２の中心線での温度が、鋳造される特定の溶融材料に対する液相線温度よりも低くなる。鋳造ストランド１２の中心線上での、このポイントは、図１の中の参照符号４８により示されている。

溶湯４１の温度が、液相線温度の下まで低下すると、自由に浮遊している結晶及び結晶が結合されたネットワークの、両方の形状の固相が、溶湯４１の体積の全体に亘って形成され始める。液体及び固体の相の混合状態の部分は、溶湯４１の“マッシー・ゾーン”と広く呼ばれていて、図の中でゾーン３０として示されている。鋳造ストランド１２の、凝固したシェル及び溶湯４１のマッシー・ゾーンを含む領域は、鋳造ストランド１２の遷移領域と呼ばれている。ゾーン３０の中での結晶ネットワークの形成は、鋳造製品の中に、典型的に、引け巣、割れ、元素のマクロ偏析などをもたらし、それにより、鋳造製品の品質に影響を及ぼすことがある。

鋳造ストランド１２の長さ方向に沿う液体及び固体の分布の例が、図４の中に表されている。このグラフは、溶湯４１の固体の割合を示していて、シェルの厚さに対してグラフ化されている。マッシー・ゾーン３０は、液体と固体の間の領域を占めている。ここに示されているように、固体の割合は、鋳造ストランド４１の中心軸から離れるに従い、径方向に沿って増大し、また、溶湯４１のメニスカスから離れるに従い、鋳造ストランド１２の長さ方向に沿って増大する。

好都合なことに、遷移領域での乱流が、結晶ネットワークの形成を崩壊させ、デンドライトをより小さい破片へ破砕し、マッシー・ゾーン３０の中の溶湯４１を均一化することになり、少なくとも部分的に、より緻密な、よりポーラスでない、且つより均一な凝固組織をもたらし、それにより、鋳造製品の品質の改善をもたらす。しかしながら、従来の回転による攪拌は、本質的には、固体−液体界面で乱流を作り出すが、それは、溶湯４１の全体に亘る混合に僅かな影響しか有していなかった。

そのようなものとして、ここに表された実施形態において、更なる第一の攪拌機２６及び第二の攪拌機２８が、マッシー・ゾーン３０に対応する位置に、鋳造ストランド１２に沿って配置されている。特に、攪拌機２６，２８が、マッシー・ゾーン３０内での、結晶及び結晶組織を崩壊させるように配置されても良い。この目的のために、攪拌機２６，２８が、鋳造ストランド１２の長さに沿う特定の位置に配置されても良く、その位置では、溶湯４１の中心軸に沿う温度が液相線温度の下にあり、且つ、溶湯４１の１０から２０体積パーセントが実質的に凝固していて、同時に、残る８０から９０体積パーセントが実質的に液体状態で残っていて、その中に実質的に凝固した材料が混じっている。ストランド１２に沿う特定の凝固途中の溶湯４１の中での、マッシー・ゾーン３０の体積パーセント及びその空間的な分布は、凝固モデルを使用して、コンピュータを用いた数値シミュレイションにより決定されても良い。そのようなシミュレイションは、一部の例において、主要な鋳造変数のリアルタイム測定と、結合されても良く、そのような鋳造変数は、鋳造速度、一次及び二次冷却の強さなどを含み、それらが、モデル精度を改善するために、データに供給されることがある。

描かれた実施形態において、二つの攪拌機２６，２８のみが、鋳型１４の下流に示されている。しかしながら、当業者は、マッシー・ゾーン３０の中の結晶及び結晶組織を崩壊させるために、二つよりも多い攪拌機が鋳型１４の下流に配置されることも可能であることを理解するであろう。

図２は、第一及び第二の攪拌機２６，２８の近傍での、図１の鋳造ストランド１２の拡大された概略図を示している。ここに示されているように、攪拌機２６及び２８は、ゾーン３０の周りで、鋳造ストランド１２の長手方向の広がりに沿って、予め定められた距離“Ｌ”に、互いに近接して配置されても良い。この距離“Ｌ”は、例えば、デシメートルからメートル範囲内であっても良く、例えば、約０．２ｍであっても良い。

攪拌機２４，２６，２８のそれぞれは、例えば、インダクタとして形成されても良く、強磁性体または同様な材料から作られたステータ３２を含み、図３の中に表されているように、磁極３４の周りに巻かれた複数の巻線コイル３６により励起される。一つまたはそれ以上のコントロールされる交流電源（示されていない）が、巻線３６で相互に結合され、それぞれ巻線３６に電流を供給しても良い。巻線３６に供給される電流は多相であって、反対の磁極３４に供給される電流は互いに同じ相である。供給された電流は、ステータ３２で取り囲まれた体積の中に回転磁場をもたらす。

好都合なことに、攪拌機２４，２６，及び２８の正確な構造は、同一であっても良く、あるいは異なっていても良く、それぞれ攪拌機２４，２６，２８は、独自の数の磁極対、巻線、サイズ、及び電源を有している。例えば、攪拌機２６，２８が、それぞれ、三つの磁極対を有していても良く；あるいは、その代わりに、一方が二つの磁極対を有し、他方が三つの磁極対を有することも可能である。他の組み合わせも、当業者にとって明らかであろう。同様に、それぞれ攪拌機２６，２８の鋳造ストランド１２に沿う長手方向の広がりが、他方の長手方向の広がりと異なっていても良い。

運転の際、攪拌機２４が励磁されて、鋳型１８（図１）の中の溶融材料を攪拌する。攪拌機２６，２８もまた励磁されて、磁場回転の共通の軸を有する回転磁場をそれぞれ発生させる。この磁場回転の軸は、平行であって良いが、必ずしも、鋳造ストランド１２の中心軸に一致する必要はない。特に、攪拌機２６，２８の巻線３６（図３）のそれぞれは、一つまたはそれ以上の独立の電源（示されていない）から供給される、交流の多相の、単一の周波数の電流により励磁され、またコントローラによりコントロールされる。この電気的な配置は、各それぞれの攪拌機２６，２８により作り出される磁場の独立のコントロールをもたらし、従って、独立の回転磁場をもたらす。結果として、第一の攪拌機２６及び第二の攪拌機２８により作り出される磁束密度は、同一であっても異っていても良い。磁束密度の相違は、定数であっても時間により変化しても良い。

攪拌機２６及び２８の磁場の回転方向は、図２の中の矢印“Ｂ”及び“Ｃ”により示されているように、一致していても良く、あるいは、矢印“Ａ”及び“Ｃ”により示されているように、互いに反対方向であっても良い。回転の方向及び角速度が、オペレータにより選択されても良い。

攪拌機２６，２８の巻線３６に供給される交番電流は、回転による電磁場を発生させ、この電磁場は、約１から約６０Ｈｚの範囲内の周波数を有し、それは、攪拌の適用対象に依存する。鋼のビレット及びブルームの連続鋳造などのような、多くの共通の用途に対して、５から３０Ｈｚの間の周波数が使用されても良い。ここに表された実施形態において、変調された磁場を作り出すために、一方の攪拌機２６の場の周波数が、他方の攪拌機２８の周波数と或る予め定められた値だけ異なっている。周波数の相違は、時間で変化しても、あるいは、時間に対して独立であって定数であっても良い。周波数変動の範囲は、約０．１と３．０Ｈｚの間（即ち３．０Ｈｚ未満）であっても良い。

それぞれの隣接する攪拌機により作り出されるところの、当初の磁場の重複からもたらされる変調された磁場が、支配的であるが、しかし、図２の中で“Ｌ”により示される、隣接する攪拌機２６，２８の間の領域内に制限されることはない。これらの重複した磁場により作り出される磁力は、それぞれ攪拌機２６，２８の磁場と、これらの磁場により溶湯４１の中に誘起される電流との間の、相互作用の結果である。この磁力は、複数の項を有することになり、マッシー・ゾーン３０の中の溶湯４１の中に乱流を作り出すことがある。

特に、溶湯４１の中に誘起される磁束密度及び電流は、隣接するインダクタの間に、大部分が閉じ込められ、図５に示されたそれらのそれぞれの磁場の重複の結果として、それぞれインダクタのそれぞれの寄与のベクトル合計となる。溶湯４１の中に作り出される磁力は、トータルの磁束密度及びトータルの電流密度のベクトル積となる。磁束及び電流密度が、二つの隣接する攪拌機２６，２８からの二つの寄与から構成されるので、磁力が複数の項を有することになる。

基本的に、この力は、二つの定数項（即ちＤＣ項）及び二つのダブルの周波数項を有することになる。それに加えて、当初の磁場の角周波数の合計（ω１＋ω２）を含む二つの時間変化する項、及び、角周波数の相違、即ち（ω１−ω２）を含む、二つの時間変化する項が存在する。磁力またはトルクの、ダブルの周波数及び周波数合計の成分は、溶湯４１の慣性の効果のために、典型的に、溶湯４１の中の流れに対して僅かな影響しか有していない。周波数（ω１−ω２）を有する成分の磁力またはトルクは、時間に対して十分にゆっくり変化して、溶湯４１の慣性に打ち勝つ。

溶湯４１の中に誘起される電流は、当初の磁場の比較的大きい角周波数に比例するので、磁力及びトルクの強度もまた、大きくなる。同時に、二つの磁場の間周波数の相違からもたらされる低周波数の時間変動は、変調された力の大きな強度の振動を作り出すことになり、その振動は、次に、角速度の変動を引き起こすことになる。攪拌速度に対する変調の影響は、変調周波数が減少するに従い増大する。

分かるように、二つよりも多い攪拌機がマッシー・ゾーン３０の周りに配置される場合、複数の攪拌機の複数の独立の回転場の重複が、所望の乱流を作り出しても良い。

磁力は、高周波成分及び低周波数成分を有しているが、溶湯４１の慣性のために（溶湯４１による慣性フィルタリングとも呼ばれている）、低周波数成分のみが溶湯４１に典型的に影響を与えることになる。図６及び７は、同一の回転方向の二つの磁場の重複からもたらされる磁力を示している。ここに示されているように、変調された磁力の単位当り強度は、０と４の間で振動し、ここで、“１”は、変調が無い定常状態の力の強度であって、当初の磁場の内の何れか一方に関係する強度である。

変調された力の高周波数成分が、溶湯４１の慣性によりフィルターがかけられた後、低周波数の力の変動は、図７の中の例に示されているように、例えば、平均力強度の＋／−２０パーセントの範囲内で振動する。 この力により作り出される攪拌は、一次流れ及び二次流れの大きな振動により特徴付けられることもある。攪拌の角速度振動の例が、図８の中に示されている。

図９は、攪拌の異なるモードにより作り出される角攪拌速度を示すグラフである。“Ａ”により示される速度プロファイルは、同一の回転方向の二つの同一の磁場による攪拌により作り出される。“Ｂ”により示される速度プロファイルは、“Ａ”の場合と同一の攪拌条件により作り出され、但し、それぞれの磁場の周波数は、０，５Ｈｚだけ異なっている。即ち、ｆ１＝１８．０Ｈｚ 及び ｆ２＝１７．５Ｈｚ である。ここに示された速度プロファイルは、反対の回転方向を有する二つの磁場により作り出される。それぞれの逆方向の回転磁場の周波数は、 ｆ１＝１８．０Ｈｚ 及び ｆ２＝１７．５Ｈｚ である。速度プロファイル“Ｃ”の下側の矢印は、攪拌プ−ルの中の逆方向の回転攪拌運動を示している。

図９に示されているように、逆方向の回転の場が与えられた場合には、“Ｃ”により示される逆方向の回転の攪拌の角速度が、同一の周波数の磁場（“Ａ”で示される）または異なる周波数（“Ｂ”により示される場合のような）により作り出される一方向の攪拌流れの速度と比較して、実質的に減少されても良い。都合の良い、減少された攪拌速度は、攪拌に対してネガティブな影響を有していない。その理由は、流れの運動エネルギーが、乱流に変換されるからである。逆方向の回転攪拌流れは、攪拌機２６，２８の間の領域内で衝突し、図９に示されているように、一方向の速度の低下により引き起こされる角速度の急峻な勾配をもたらし、それに続いて反対方向の速度の同様な急速な回復をもたらす。角及び軸方向・径方向の速度成分の、この振動する性質は、乱流強さの指標である。

図１０は、更に、誘起された逆方向の回転の攪拌を用いて、水銀の柱の中で測定された角速度振動の例を示している。振動の大きな変化は、変調された磁場及び反対方向の攪拌流れの結合された作用からもたらされ、それらは、隣接する攪拌機２６，２８の逆の回転磁場により作り出される。

図１１は、鋼の溶湯の例において、三次元数値シミュレイションで得られた、中央軸の方向に振動する速度を表している。ここに示された速度プロファイルは、図１２の中で示されている溶湯４１の中の場所に対応している。大きな速度振動は、溶湯４１の中のＥＭＳにより誘起される大きな乱流の指標であるとして知られている。乱流の強さは、質的に、乱流粘度により特徴付けられても良い。

図１３及び１４は、更に、攪拌プ−ルの異なる位置での乱流速度の粘度の例を示している。図１３は、図１２の中の各場所での、攪拌プ−ル中心での、乱流粘度を示している。図１３に示されているように、最高強さの乱流は、隣接するインダクタの間の中間の距離（図１２の中の場所 III）で、生ずる。比較のために、従来の一方向の回転攪拌により作り出される、攪拌プ−ルの同一の場所での乱流強さが、図１４の中に示されている。ここに示されているように、溶湯の例において、逆方向の回転の攪拌により作り出される乱流は、５倍まで大きく、２Ｎｓ／ｍ^２よりも大きい、そしてしばしば２．５Ｎｓ／ｍ^２よりも大きい乱流粘度で特徴付けられるピークを有している。

同一の回転方向の電磁場を加えることの代替として、逆方向の回転磁場が、攪拌機２６，２８で作り出されても良い。隣接する攪拌機２６，２８により作り出される逆方向の回転磁場は、ゾーン３０の中で、溶湯４１の中に逆方向の回転の流れを引き起こすことになり、それらの流れは、隣接する攪拌機２６，２８の間のスペースの中で衝突する。この流れの衝突の結果として、一つの回転方向での低下する角速度の急峻な勾配に続いて、反対の回転方向での増大する速度のために、同様な勾配が生ずることになる。それに加えて、角速度もまた、大きい振動を呈することになる。

これらの一次流れの性質の両方、即ち速度勾配及び振動は、軸及び径方向の平面の中に、振動ながら循環する強い流れを発生させるために寄与する。数値シミュレイションにより、溶湯４１の中の流れの存在、特に図１２の中の位置での流れの存在が、確認されている。高い強度の乱流及び剪断応力は、特に、鋳造ストランド１２の軸に沿う方向及び径方向において、特に、隣接する攪拌機２６，２８の間の領域内の、溶湯４１の体積の中で発達することになる。

攪拌機２６，２８の間の領域内での更なる乱流が、異なる周波数の逆方向の回転磁場の重複により作り出される電磁力からもたらされても良い。上述のように、磁場変調からの低周波数の振動する磁力は、溶湯４１の中に摂動を発生させることになり、もし、それらの周波数が、溶湯の固有周波数（例えば、溶湯のパラメトリック共鳴の効果に起因する）の範囲内にある場合には、これらの摂動が特に重要になる場合がある。

それに加えて、他の変調パラメータ、例えば、電流強度及び相角度の変動などが、変調されていない、時間的に平均化された磁力と比較して、変調された力を更に強めることが可能であり、結果として、乱流強さ及び凝固組織の中の改善に対するその効果を増大させる。近接した攪拌機２６，２８が強い変調された磁力をもたらし、そのような磁力は、従来のデザインの装置（即ち、インダクタ及び電源）により作り出される、共通のまたは反対の何れかの回転方向の、重複する磁場からもたらされる。

好都合なことに、溶湯４１の中の乱流の増大は、結晶ネットワークの効果的な崩壊、及び、結晶と、溶湯の溶質が富化された中央領域及びバルクの残りの部分との混合をもたらすことになる。結果として、鋳造製品の凝固組織及び全体的な品質が改善されることなる。

容易に理解できるように、ＥＭＳシステム１２が、変調された磁場を作り出すように配置された二つのＥＭＳ攪拌機２６及び２８を含むものとして表されているが、そのような場は、重複する回転磁場を発生させる３つ以上の攪拌機を用いて作り出されることも可能である。

今や明らかになったように、本発明の実施形態の例の、変調された電磁攪拌は、鋳造製品の寸法及び形状が、凝固する溶湯の中に回転流れを作り出すことを可能にする場合に、大半の鋳造及び鋳造プロセスの中で使用されても良い。例えば、静止型の鋳造の場合には、変調された電磁攪拌システムが、最初に、一方向の磁場を作り出し、それ故に、一方向の回転の渦の流れが、早期の凝固段階に作り出されても良く。或る予め定められた時間に、攪拌システムが、逆方向の回転攪拌モードの運転に切り替えられ、凝固の進行した段階で乱流を発生させても良い。同様に、一部の流動鋳造プロセスが、そのような変調された攪拌から利益を受けることが可能である。

もちろん、上述の実施形態は、例示の目的であることが意図されていて、如何なる場合にも本発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された本発明を実行するための実施形態は、部品の配置、詳細及び運転の順序に関して、多くの変更がなされることが可能である。本発明は、各請求項により規定されているように、全てのそのような変更を、その範囲の中に包含するように意図されている。

本発明のアスペクトによれば、溶融金属材料の電磁攪拌の方法が提供される。この方法は、溶融材料の中を通って伸びる軸の回りに、独立の回転磁場を作り出すための、少なくとも二つの攪拌機を設けることを有している。ここで、少なくとも二つの攪拌機の少なくとも第一の攪拌機及び第二の攪拌機は、異なる角周波数を有する独立の回転磁場を作り出す。ここで、これらの攪拌機は、独立の回転磁場が重複して、変調された磁場を作り出すように、互いに十分に近接して溶融金属材料の周りに配置され、この磁場が、溶融金属材料の中心軸に沿って液相線よりも低い温度を有する溶融金属材料の領域内に、溶融金属材料の乱流を作り出し、その中で、溶融金属材料が、少なくとも約１０体積％が実質的に凝固した溶融金属材料と混合される。

本発明の他のアスペクトによれば、鋳造装置が提供される。この鋳造装置は、溶融金属の鋳造のための鋳型と；この鋳型の下流に配置され、溶融金属の中を通って伸びる軸の回りで第一の回転磁場を作り出すための、第一の攪拌機と；第一の攪拌機の下流に配置され、第二の回転磁場を作り出すための、第二の攪拌機と；互いに異なる回転の周波数で、第一の磁場及び第二の磁場を作り出すための、少なくとも一つの電源と；を有し、第一の攪拌機及び第二の攪拌機は、第一の回転磁場及び第二の回転磁場が、変調された磁場を作り出すように、互いに近接して配置され、この磁場が、前記領域内での結晶ネットワークの形成を崩壊させるために、第一の攪拌機と第二の攪拌機の間の領域に溶融金属材料の乱流を作り出す。

本発明の他のアスペクトによれば、金属溶湯の電磁攪拌の方法が提供される。この方法は、溶湯の中を通って伸びる軸の回りで、角周波数ω１で回転する第一の回転磁場を作り出すための、第一の攪拌機を設け；角周波数ω２で回転する第二の回転磁場を作り出すための、第二の攪拌機を設ける。ここで、第一の攪拌機及び第二の攪拌機は、第一及び第二の回転磁場が、第一の攪拌機と第二の攪拌機の間の領域内に、金属溶湯の中に周波数（ω１−ω２）備えた周波数成分を有する磁力を作り出すように、互いに十分に近接して配置され、（ω１−ω２）は、磁力が溶湯の慣性に打ち勝つことを可能にする程に十分に小さい。

本発明の更に他のアスペクトによれば、溶融金属材料の電磁攪拌の方法が提供される。この方法は、溶融材料の中を通って伸びる軸の回りに第一の回転磁場を作り出すための、第一の攪拌機を設け；第一の回転磁場と異なる回転の周波数を有する第二の回転磁場を作り出すための、第二の攪拌機を設け；第一の攪拌機及び第二の攪拌機は、第一の回転磁場と第二の回転磁場が第一の攪拌機と第二の攪拌機の間で重複して、変調された磁場を作り出しように、互いに十分に近接して、溶融金属材料の周りに配置され、この磁場が、溶融金属材料の中心軸に沿って液相線よりも低い温度を有する溶融金属材料の遷移領域内に、溶融金属材料の乱流を作り出し、その中で、溶融金属材料が、少なくとも約１０％が実質的に凝固した溶融金属材料と混合される。
本発明の更に他のアスペクトによれば、溶融金属材料の電磁攪拌の方法が提供される。この方法は、溶融材料の中を通って伸びる軸の回りに第一の回転磁場を作り出すための、第一の攪拌機を設け；第一の回転磁場と異なる回転の周波数を有する一つまたはそれ以上の更なる回転磁場を作り出すための、少なくとも一つの更なる攪拌機を設け；第一の攪拌機及び更なる攪拌機は、第一の攪拌機及び少なくとも一つの更なる攪拌機の内の、隣接する攪拌機により作り出される回転磁場が重複して、変調された磁場を作り出すように、溶融金属材料の周りに配置され、この磁場が、溶融金属材料の中央に沿って液相線よりも低い温度を有する溶融金属材料の遷移領域内に溶融金属材料の乱流を作り出し、それにより、領域内での結晶ネットワークの形成を崩壊させるようになっている。
本発明の更に他のアスペクトによれば、少なくとも二つの攪拌機を有する溶湯の電磁攪拌の方法が提供され： 溶湯の中を通って伸びる軸の回りに、約６０Ｈｚ以下の周波数ｆ１で、第一の回転磁場を作り出すための、第一の攪拌機を設け；周波数ｆ１から３Ｈｚ以下だけ異なる周波数ｆ２を備えた第二の回転磁場を作り出すための、第二の攪拌機を設け；第一の攪拌機及び第二の攪拌機は、第一の攪拌機と第二の攪拌機の間での結晶の形成を崩壊させるために、第一の回転磁場と第二の回転磁場が、第一の攪拌機と第二の攪拌機の間で重複するように、互いに十分に近接して、金属溶湯の周りに配置されている。

Claims (29)

1. 溶融金属材料の電磁攪拌の方法であって：
   前記溶融材料の中を通って伸びる軸の回りに独立の回転磁場を作り出すための、少なくとも二つの攪拌機を設けること；
   前記少なくとも二つの攪拌機の少なくとも第一の攪拌機及び第二の攪拌機は、異なる角周波数を有する独立の第一の回転磁場及び第二の回転磁場を作り出すこと；
   前記攪拌機は、前記独立の回転磁場が重複して、変調された磁場を作り出すように、互いに十分に近接して前記溶融金属材料の周りに配置され、この磁場が、前記溶融金属材料の中心軸に沿って液相線よりも低い温度を有する前記溶融金属材料の遷移領域内に、前記溶融金属材料の乱流を作り出すこと；及び、
   前記溶融金属材料は、少なくとも約１０％が実質的に凝固した溶融金属材料と混合されること、
   を特徴とする方法。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
   前記第一の回転磁場と第二の回転磁場は、逆方向に回転する。
3. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
   前記第一の回転磁場と第二の回転磁場は、同一方向に回転する。
4. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
   前記溶融金属材料の周りでの前記少なくとも二つの攪拌機の前記第一の攪拌機の長手方向の広がりは、前記溶融金属材料の周りでの前記少なくとも二つの攪拌機の前記第二の攪拌機の長手方向の広がりと異なっている。
5. 下記特徴を有する請求項２に記載の方法：
   前記第一の回転磁場と第二の回転磁場の周波数の相違は、約３Ｈｚ未満である。
6. 下記特徴を有する請求項２に記載の方法：
   前記第一の回転磁場と第二の回転磁場の周波数の相違は、時間で変化する。
7. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
   前記攪拌機のそれぞれは、少なくとも二つの磁極対を有していて、それぞれの磁極対は、少なくとも一つの多層電流源からの電流により励起される。
8. 下記特徴を有する請求項２に記載の方法：
   前記溶融金属材料は、鋳造鋳型の下流で、鋳造ストランドの中にある。
9. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
   前記少なくとも二つの攪拌機の前記第一の攪拌機及び第二の攪拌機のそれぞれは、前記溶融金属材料の中に異なる磁束密度を作り出す。
10. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
    前記少なくとも二つの攪拌機の前記第一及び第二の少なくとも一つにより＜作り出される＞前記溶融金属材料の中に作り出される磁束密度は、時間で変化する。
11. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
    前記乱流は、２Ｎｓ／ｍ^２よりも高いピークを有する乱流粘度を有している。
12. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
    前記領域は、実質的に液体の溶融金属材料、及び固体シェルにより周囲を取り囲まれた結晶材料を有している。
13. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
    前記乱流は、前記領域内での結晶ネットワークの形成を崩壊させる。
14. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
    溶融金属材料を、前記領域の上流で鋳型を通って注入し、更なる攪拌機を前記鋳型の周りに設けて前記鋳型の中に回転磁場を発生させることを、更に有している。
15. 溶融金属を鋳造するための鋳型を有する鋳造装置であって：
    前記鋳型の下流に配置され、前記溶融金属の中を通って伸びる軸の周りに第一の回転磁場を作り出すための、第一の攪拌機と；
    前記第一の攪拌機の下流に配置され、第二の回転磁場を作り出すための、第二の攪拌機と；
    互いに異なる回転の周波数で、前記第一及び第二の磁場を作り出すための、少なくとも一つの電源と；
    を有し、
    前記第一の攪拌機と第二の攪拌機は、前記第一の回転磁場及び第二の回転磁場が、変調された磁場を作り出すように、互いに近接して配置され、この磁場が、前記第一の攪拌機と第二の攪拌機の間の領域内で、溶融金属材料の中に乱流を作り出すこと、を特徴とする鋳造装置。
16. 下記特徴を有する請求項１５に記載の装置：
    前記第一の回転磁場と第二の回転磁場は、前記少なくとも一つの電源により、逆方向に回転するように作り出される。
17. 下記特徴を有する請求項１５に記載の装置：
    前記第一の回転磁場と第二の回転磁場は、前記少なくとも一つの電源により、同一方向に回転するように作り出される。
18. 下記特徴を有する請求項１５に記載の装置：
    前記溶融金属の周りでの、前記第一の攪拌機の長手方向の広がりは、前記溶融金属の周りでの、前記第二の攪拌機の長手方向の広がりと異なる。
19. 下記特徴を有する請求項１６に記載の装置：
    前記第一の回転磁場と第二の回転磁場の周波数の相違は、約３Ｈｚ未満である。
20. 下記特徴を有する請求項１６に記載の装置：
    前記第一の回転磁場と第二の回転磁場の周波数の相違は、時間で変化する。
21. 下記特徴を有する請求項１５に記載の装置：
    前記第一及び第二の攪拌機のそれぞれは、少なくとも二つの磁極対を有していて、それぞれの磁極対は、前記少なくとも一つの電源からの電流により励起される。
22. 下記特徴を有する請求項１５に記載の装置：
    前記第一の攪拌機及び第二の攪拌機のそれぞれは、前記溶融金属の中に異なる磁束密度を作り出す。
23. 下記特徴を有する請求項１５に記載の装置：
    前記第一の攪拌機及び第二の攪拌機の少なくとも一つにより前記溶融金属の中に作り出される磁束密度は、時間で変化する。
24. 下記特徴を有する請求項１５に記載の装置：
    前記乱流は、２Ｎｓ／ｍ^２よりも高いピークを有する乱流粘度を有している。
25. 下記特徴を有する請求項１５に記載の装置：
    前記領域は、実質的に液体の溶融金属、及び固体シェルにより周囲を取り囲まれた結晶材料を有している。
26. 下記特徴を有する請求項１５に記載の装置：
    前記乱流は、前記領域内での結晶ネットワークの形成を崩壊させる。
27. 下記特徴を有する請求項１５に記載の装置：
    前記鋳型の中に回転磁場を発生させるための更なる攪拌機を、前記鋳型の周りに更に有している。
28. 金属溶湯の電磁攪拌の方法であって：
    前記溶湯の中を通って伸びる軸の回りで角周波数ω１で回転する第一の回転磁場を作り出すための、第一の攪拌機を設け；
    角周波数ω２で回転する第二の回転磁場を作り出すための、第二の攪拌機を設け；
    前記第一の攪拌機と第二の攪拌機は、前記第一及び第二の回転磁場が、前記第一及び第二の攪拌機の間の領域内で、前記金属溶湯の中に、周波数（ω１−ω２）を備えた成分を有する磁力を作り出すように、互いに十分に近接して配置され、
    （ω１−ω２）は、前記磁力が前記溶湯の慣性に打ち勝つことを可能にする程に、十分に小さいこと、
    を特徴とする方法。
29. 溶融金属材料の電磁攪拌の方法であって：
    前記溶融材料の中を通って伸びる軸の回りに第一の回転磁場を作り出すための、第一の攪拌機を設け；
    前記第一の回転磁場と異なる回転の周波数を有する第二の回転磁場を作り出すための、第二の攪拌機を設け；
    前記第一の攪拌機と第二の攪拌機は、前記第一の回転磁場と第二の回転磁場が前記第一の攪拌機と第二の攪拌機の間で重複して、変調された磁場を作り出すように、互いに十分に近接して前記溶融金属材料の周りに配置され、この磁場が、前記溶融金属材料の中央に沿って液相線よりも低い温度を有する前記溶融金属材料の遷移領域内に、前記溶融金属材料の乱流を作り出すこと；及び、
    前記溶融金属材料は、少なくとも約１０％が実質的に凝固した溶融金属材料と混合されること；
    を特徴とする方法。

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