JPH081281A - 半凝固金属材料の製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半凝固金属材料の製造において、生産規の拡
大すなわち装置が大型化されても電力効率の優れる電磁
攪拌方式を得る。 【構成】 冷却・攪拌槽内で、溶湯を冷却下に電磁攪拌
により攪拌して半凝固金属スラリーとする際、電磁攪拌
を、電磁コイルのＮ極又はＳ極のいずれか一方が冷却・
攪拌槽の外周に沿って移動する回転磁界により行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、初晶粒が分散した半
凝固金属スラリーとする過程を経る半凝固金属材料の、
電磁攪拌方式による製造方法及びその装置を提案するも
のである。

【０００２】ここで半凝固金属材料とは、半凝固状態す
なわち半凝固金属スラリーを直接加工するレオ加工、半
凝固金属スラリーを一たん冷却凝固させたのち再加熱し
て半融状態で加工するチクソ加工、及び固相状態で加工
する鍛造加工などに供する素材のことをいい、材料特性
（加工性、品質等）の大幅な改善やコスト低減がはかれ
る有用な材料である。

【０００３】

【従来の技術】半凝固金属スラリーを製造する方法は数
多く提案されているが、工業的規模での製造方式として
は電磁攪拌方式が有力である。この電磁攪拌方式の半凝
固金属スラリーの製造手段としては、例えば特公昭６２
−２５４６４号公報（チクソトロピック金属スラリーの
製造方法および製造装置）に開示されている２極回転磁
界方式がある。

【０００４】この２極回転磁界方式の主な利点として
は、溶湯を冷却する際のデンドライトの成長方向と直角
方向に電磁力が働くため、デンドライトを切断・分散す
るのに効率的であること、また攪拌対象物の中心部を磁
束が通過するため回転力が中心部にも働き、いわゆるデ
ッドゾーンがなくなることの２点が挙げられている。し
かし、生産規模を拡大するために、冷却・攪拌槽を大径
化するとき、上記２極回転磁界方式の場合は極間隔が拡
がると磁束密度が減衰する。そのため攪拌のための電力
効率が低下し電力量を必要以上に大きくしなければなら
ないという問題がある。

【０００５】一方、永久磁石を冷却・攪拌槽の外周で高
速回転させる方法もあるが、永久磁石は熱的に弱いこ
と、鉄粉等のダストの付着堆積が著しくメンテナンスが
容易でないこと、などの問題があり実用的でない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
は前記した問題点を有利に解決し、電磁攪拌方式により
たとえ冷却・攪拌槽が大型化されても低電力量で好適に
攪拌し固液混相の半凝固金属スラリーを得ることができ
る半凝固金属材料の製造方法及びその製造装置を提案す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者らの実験・検討結
果によれば、前記したように、２極回転磁界方式では、
装置の大型化すなわち冷却・攪拌槽の大型化にともない
極間隔が拡がり磁束密度の減衰が大きくなり攪拌のため
の電力効率が低下するという問題があった。

【０００８】そこで、さらに実験・検討を重ねた結果、 １．冷却・攪拌槽内で溶湯の凝固が進行し、初晶粒が生
成されるのは冷却・攪拌槽の内壁面近傍であるから、そ
の部分の溶湯に十分な攪拌流動を与えてやれば初晶粒の
懸濁した半凝固金属スラリーが得られ、必ずしも冷却・
攪拌槽中心部に電磁力を作用させてこの部分に積極的に
攪拌力を加える必要はない。

【０００９】２．冷却・攪拌槽内壁面近傍のみを強力に
旋回流動させれば、これにつれて中心部分も適当な流動
が誘起される。なお、通常製造する固相率：０．３程度
までの半凝固金属スラリーは流動性がよく、中心部にも
旋回流動が誘導される。などの知見を得た。

【００１０】したがって、外周から冷却する冷却・攪拌
槽内で半凝固金属スラリーを製造する場合、冷却・攪拌
槽の外周に配する電磁攪拌装置は２極回転磁界方式であ
る必要はなく、むしろ装置の大型化を考えた場合極間が
開く一方の上記方式は不利である。

【００１１】そこでこの発明は、装置の大型化にも好適
に対応でき効率の良好な電磁攪拌手段として、攪拌のた
めの電磁力を、冷却・攪拌槽内壁面近傍に作用させるよ
うにするものである。

【００１２】すなわち、この発明の要旨は以下の通りで
ある。 筒状の冷却・攪拌槽の上方から供給した金属溶湯
を、冷却下に電磁力による攪拌を加えて粒状の初晶が懸
濁した固液混相の半凝固金属スラリーとする過程を経る
半凝固金属材料の製造方法において、電磁力による攪拌
を、電磁コイルのＮ極又はＳ極のいずれか一方が、冷却
・攪拌槽の外周に沿って移動する回転磁界により行うこ
とを特徴とする半凝固金属材料の製造方法であり、上記
において、電磁力による攪拌が、冷却・攪拌槽と、該冷
却・攪拌槽内に配置した中子との間での旋回流動とする
ことを可とするものである。 筒状の冷却・攪拌槽の上方から供給した金属溶湯
を、冷却下に電磁力による攪拌を加えて粒状の初晶が懸
濁した固液混相の半凝固金属スラリーとする過程を経る
半凝固金属材料の製造装置において、冷却・攪拌槽の外
周に放射状に配置した複数の電磁コイルのＮ極又はＳ極
のいずれか一方が、該冷却・攪拌槽の外周に沿って順次
に移動する回転磁界発生装置を設置してなる半凝固金属
材料の製造装置であり、上記において、冷却・攪拌槽内
に中子を配置すること、さらに該中子は上下方向に移動
可能とし、冷却・攪拌槽に対し挿入・退避自在とするこ
とを可とするものである。なお、中子は冷却・攪拌槽と
同軸の関係に配置することがよい。

【００１３】 項における半凝固金属材料の製造装
置の中子が、非磁性材料からなることを好適とするもの
である。

【００１４】 又は項における半凝固金属材料の
製造装置の冷却・攪拌槽が、非磁性で熱伝導率の小さい
金属からなること、耐火物製スリーブを内装した非磁性
金属からなること、オーステナイト系ステンレス鋼から
なること、アルミナ製スリーブを内装したオーステナイ
ト系ステンレス鋼からなること、又は、アルミナ・グラ
ファイト製スリーブを内装したオーステナイト系ステン
レス鋼からなることなどを好適とするものである。

【００１５】

【作用】この発明の作用効果について以下に述べる。こ
の発明は、筒状の冷却・攪拌槽内の金属溶湯を冷却下に
電磁攪拌を加えて粒状の初晶が懸濁した半凝固金属スラ
リーとする過程を経る、レオ加工用、チクソ加工用さら
には鍛造加工用素材として好適な半凝固金属材料を製造
するにあたって、電磁攪拌を、電磁コイルのＮ極又はＳ
極のいずれか一方が冷却・攪拌槽の外周に沿って移動す
る回転磁界により行うことを骨子とするもので、かくす
ることにより、電磁力は冷却・攪拌槽内壁面近くの溶湯
ないしは半凝固金属スラリーに集中的に作用し、それら
を旋回流動させて攪拌を行うことになり、装置の大型化
すなわち冷却・攪拌槽の径が大きくなっても関係なく低
電力量で効率的に攪拌を行うことができる。

【００１６】さらに、冷却・攪拌槽内に中子を配した場
合、旋回流動させる溶湯ないしは半凝固金属スラリーは
中心部の中子の部分が排除されているため、電磁力を冷
却・攪拌槽内壁面近傍に集中的に作用させるこの発明の
電磁攪拌方式はより効率的になる。

【００１７】なお、冷却・攪拌槽で製造される半凝固金
属スラリーは、そのままレオ加工に供することもよく、
鋳型あるいは連鋳機に供給して鋳造し鋳片としたのちチ
クソ加工や鋳造加工に供することもよい。

【００１８】つぎに、半凝固金属スラリーの製造装置に
おいて、電磁攪拌装置すなわち回転磁界発生装置は、冷
却・攪拌槽の外周に複数の電磁コイルを放射状に配置
し、冷却・攪拌槽に近い磁極をＮ極又はＳ極のうちいず
れか一方に定め、順次隣接する電磁コイルに移動させて
電磁コイルに電力を供給することでよい。

【００１９】なお、上記において、電磁コイルへの電力
の供給はたとえば、直流電源を用いるか又は交流電源を
電力変換装置を介して用い、冷却・攪拌槽に近い電磁コ
イルの極が常に一定の極になるようにして磁界を回転さ
せる方向の隣接する電磁コイルに順次移動させて電力を
供給することでよい。また、磁極数は１極でもよいが設
備的に許容できる範囲内で適当に選択することがよい。

【００２０】冷却・攪拌槽は、磁束密度の減衰を防ぐた
め非磁性とすることが好ましい。また、冷却・攪拌槽内
壁面に凝固シェルが生長すると、その凝固シェルによる
磁束密度の減衰が問題となることから、その凝固シェル
の生長を抑制するため抜熱速度を制御するすなわち冷却
・攪拌槽の熱伝導度を適当に小さくすることがよい。

【００２１】このような冷却・攪拌槽としては、たとえ
ばオーステナイト系ステンレス鋼、アルミナあるいはア
ルミナ・ブラファイトなどの耐火物製スリーブを内装し
たオーステナイト系ステンレス鋼を用いることが好適で
ある。

【００２２】なお、中子はその位置関係から大きな影響
はないものの、電磁力の減衰防止のため非磁性とするこ
とが好ましい。

【００２３】以上、この発明によれば、電磁攪拌方式と
して、前記した磁束を冷却・攪拌槽の中心を通過させる
２極回転磁界方式でなく、Ｎ極又はＳ極いずれか一方を
冷却・攪拌槽に沿わせて回転させる回転磁界方式とした
ため、冷却・攪拌槽内壁面近傍の溶湯ないしは半凝固金
属スラリーに強く電磁力を作用させ旋回流動させること
ができるようになり、半凝固金属スラリーをより低電力
量で製造することができる。この効果は装置の大型化に
伴いより顕著となる。さらに、中子を用いる場合、溶湯
ないしは半凝固金属は構造上冷却・攪拌槽内壁面近傍に
存在し、これらを流動させればよいので、この発明の有
意性がより顕著に発現する。

【００２４】なお、この発明は電磁コイルを用いている
ので、操業中に鉄粉やダストが付着してもこれらを除去
することは容易であり、永久磁石を用いる場合のように
付着物の除去が困難になることはなく、電磁コイルは水
冷Ｂｏｘ内に装備でき熱的にも強いので永久磁石に比し
昇温することによって攪拌力が弱まることもない。

【００２５】また、非磁性で熱伝導度の適度に小さい冷
却・攪拌槽を用いることにより、装置及び凝固シェルの
生長による磁束密度の減衰を防止し、攪拌力を低減する
ことなく、強攪拌を維持できる。

【００２６】

【実施例】この発明に適合する半凝固金属スラリーの製
造装置の一例を図１及び図２に基づいて説明する。

【００２７】図１は、電磁攪拌法による半凝固金属スラ
リーの製造装置の説明図である。図１において、非磁性
で熱伝導の適当に小さい冷却・攪拌槽は冷却円筒２と水
冷ジャケット３とからなり、冷却・攪拌部の外周には電
源を１４とする回転磁界発生装置４が設置されている。
そして冷却・攪拌槽の下部から冷却水１３を供給し、冷
却円筒２の外面を通って上部から排水（１３′）され、
供給される溶湯１５に適当な冷却効果を与えるようにな
っている。

【００２８】この冷却・攪拌槽の上端には耐火材１′を
内張りしたタンディッシュ１が接続され、底部には排出
ノズル５が設けられている。また、冷却・攪拌槽の中心
には、非磁性の中子６を配し、この中子６は支持アーム
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
昇降可能に取付けられ、冷却・攪拌槽への挿入及び冷却
・攪拌槽からの退避を可能にしているとともに、中子６
と排出ノズル５との隙間間隔を調整することで、排出速
度、排出される半凝固金属スラリーの固相率の制御を行
う。また、中子６はトルク計１０に接続されていてトル
クの測定により操業状況をチェックできるようになって
いる。

【００２９】さて、この装置での半凝固金属スラリーの
製造は、溶湯１５を連続的にタンディッシュ１に供給す
ることによって該溶湯１５は冷却・攪拌槽へ流入する。
この溶湯１５は冷却・攪拌槽で適当な冷却と、回転磁界
発生装置４によって発生する回転磁界によって旋回流動
による攪拌が付与され、凝固の進行にともなって生成す
る初晶粒を含む半凝固金属スラリー１５′となって下方
へ移動し、排出ノズル５を経て半凝固金属スラリー流１
６として装置外へ排出される。

【００３０】一方、図２は、上記回転磁界発生装置の電
磁コイルの配置と回転磁界発生機構の説明図である。図
２（ａ），（ｂ），（ｃ）は４極３相の場合を示すもの
で、冷却円筒２と水冷ジャケット３とからなる冷却・攪
拌槽の外周に放射状に電磁コイル４′が１２個配置され
ている。これらの電磁コイル４′は３相交流を電力変換
装置（図示省略）を介して供給することにより、冷却・
攪拌槽に近い磁極が常にＮ極になるようになっている。
なお図中の点線は磁力線を示す。

【００３１】これら電磁コイル４′による回転磁界は、
Ｔ₁ 時には（ａ）のφ₁ の電磁コイル４′に、つぎのＴ
₂ 時には（ｂ）のφ₂ の電磁コイル４′に、Ｔ₃ 時には
（ｃ）のφ₃ の電磁コイル４′に順次移動して電力を供
給することによって発生させる。

【００３２】つぎに、上記図１及び図２に示した装置を
用いて半凝固金属スラリーを製造した結果について述べ
る。

【００３３】なお、上記において、冷却・攪拌槽には、
内径：２２０ｍｍφのＳＵＳ３０４製円筒に厚さ：１０
ｍｍのアルミナ・グラファイトの耐火物製スリーブを内
装した冷却円筒２とＳＵＳ３０４製水冷ジャケット３を
用い、中子６には外径：１００ｍｍφのアルミナ・グラ
ファイト製のものを用いた。

【００３４】適正温度に加熱溶解したＡｌ−１０ｍａｓ
ｓ％Ｃｕ合金の溶湯１５を、タンディッシュ１を介して
冷却・攪拌槽に供給し、水冷ジャケット３を介する冷却
下に回転磁界発生装置４により回転磁界を加えて攪拌し
て半凝固金属スラリーとし、中子６の昇降により排出量
を２０ｌ／分として排出ノズル５から連続的に半凝固金
属スラリー１６を排出した。なお、冷却・攪拌槽冷却円
筒内壁面における磁束密度は約１０００ガウスであっ
た。

【００３５】この結果、固相率：０．２５の半凝固金属
スラリーを連続的に安定して製造できた。

【００３６】さらに、中子６を退避させた以外は上記と
同様の条件で半凝固金属スラリー１６の排出を行った。
この結果、冷却・攪拌槽における溶湯の自由表面の中央
部の凹は大きくなったが、排出量：２５ｌ／分で固相
率：０．２０の半凝固金属スラリーを連続的に安定して
製造できた。なお、この実施例で示した装置スケールに
おいて、２極３相方式の従来法では７００ＫＶＡの電源
容量が必要であったのに対し、この発明によれば５００
ＫＶＡで同等の攪拌ができ同様の半凝固金属スラリーが
製造できることを確認した。

【００３７】

【発明の効果】この発明は、電磁攪拌による半凝固金属
材料の製造において、電磁攪拌を電磁コイルのＮ極又は
Ｓ極のいずれか一方が冷却・攪拌槽の外周に沿って移動
する回転磁界により行うものであり、この発明によれ
ば、低電力量で効率よく攪拌することができ、かつ生産
規模の拡大すなわち装置の大型化にも好適に対応してそ
の効果はより顕著となり、半凝固金属材料のコスト低減
に大きく貢献する。

【図面の簡単な説明】

【図１】電磁攪拌法による半凝固金属スラリーの説明図
である。

【図２】この発明に適合する回転磁界発生装置の電磁コ
イルの配置と回転磁界発生機構の説明図である。

【符号の説明】

１ タンディッシュ １′ 耐火材 ２ 冷却円筒 ３ 水冷ジャケット ４ 回転磁界発生装置 ４′ 電磁コイル ５ 排出ノズル ６ 中子 ７ 軸受 ８ 支持アーム ９ 連結軸 １０ トルク計 １１ 支持台 １２ 油圧シリンダー １３ 冷却水（給水） １３′ 冷却水（排水） １４ 電源 １５ 溶湯 １５′ 半凝固金属スラリー １６ 排出された半凝固金属スラリー

フロントページの続き (72)発明者 新出 司 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 広中 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

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状の冷却・攪拌槽の上方から供給した
   金属溶湯を、冷却下に電磁力による攪拌を加えて粒状の
   初晶が懸濁した固液混相の半凝固金属スラリーとする過
   程を経る半凝固金属材料の製造方法において、 電磁力による攪拌を、電磁コイルのＮ極又はＳ極のいず
   れか一方が、冷却・攪拌槽の外周に沿って移動する回転
   磁界により行うことを特徴とする半凝固金属材料の製造
   方法。
2. 【請求項２】 電磁力による攪拌が、冷却・攪拌槽と、
   該冷却・攪拌槽内に配置した中子との間での旋回流動で
   ある請求項１に記載の半凝固金属材料の製造方法。
3. 【請求項３】 筒状の冷却・攪拌槽の上方から供給した
   金属溶湯を、冷却下に電磁力による攪拌を加えて粒状の
   初晶が懸濁した固液混相の半凝固金属スラリーとする過
   程を経る半凝固金属材料の製造装置において、 冷却・攪拌槽の外周に放射状に配置した複数の電磁コイ
   ルのＮ極又はＳ極のいずれか一方が、該冷却・攪拌槽の
   外周に沿って順次に移動する回転磁界発生装置を設置し
   てなる半凝固金属材料の製造装置。
4. 【請求項４】 冷却・攪拌槽内に、中子を配置してなる
   請求項３に記載の半凝固金属材料の製造装置。
5. 【請求項５】 上下方向に移動でき、かつ該冷却・攪拌
   槽に対して挿入・退避可能な中子を配してなる請求項３
   に記載の半凝固金属材料の製造装置。
6. 【請求項６】 中子が、非磁性材料からなる請求項４又
   は５に記載の半凝固金属材料の製造装置。
7. 【請求項７】 冷却・攪拌槽が、非磁性で熱伝導率の小
   さい金属からなる請求項３，４，５又は６に記載の半凝
   固金属材料の製造装置。
8. 【請求項８】 冷却・攪拌槽が、耐火物製スリーブを内
   装した非磁性金属からなる請求項３，４，５又は６に記
   載の半凝固金属材料の製造装置。
9. 【請求項９】 冷却・攪拌槽が、オーステナイト系ステ
   ンレス鋼からなる請求項３，４，５又は６に記載の半凝
   固金属材料の製造装置。
10. 【請求項１０】 冷却・攪拌槽が、アルミナ製スリーブ
    を内装したオーステナイト系ステンレス鋼からなる請求
    項３，４，５又は６に記載の半凝固金属材料の製造装
    置。
11. 【請求項１１】 冷却・攪拌槽が、アルミナ・グラファ
    イト製スリーブを内装したオーステナイト系ステンレス
    鋼からなる請求項３，４，５又は６に記載の半凝固金属
    材料の製造装置。