(57)【要約】【課題】細長い型を使用しても効率よく攪拌することができ、しかも溶融金属の型の壁面への乗り上げや乗り越えを抑制できる溶融金属の電磁攪拌を用いた金属成形体の製造装置を提供する。【解決手段】平面形状が細長い型１１と、その型を両側から挟むように壁面１６に沿って配置される複数対の推力ユニット１２とを備え、前記推力ユニットの対が、互いに逆方向の進行磁場を生ずる電磁コイル１４を有しており、長手方向に隣接する推力ユニット１２同士が互いに逆方向の進行磁場を生ずるように設定されている金属成形体の製造装置１０。【選択図】図１
2018015791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面形状が細長い型と、その型を両側から挟むように壁面に沿って配置される複数対の推力ユニットとを備え、前記推力ユニットの対が、互いに逆方向の進行磁場を生ずる電磁コイルを有しており、長手方向に配列される推力ユニットが、１個毎に、または複数個で構成される連毎に逆方向の進行磁場を生ずるように設定されている、金属成形体の製造装置。
【請求項２】
前記長手方向に配列される推力ユニットが所望の個数毎に逆方向の進行磁場を生ずるように、電磁コイルの進行磁場の向きを切り換える制御回路を備えている請求項１記載の金属成形体の製造装置。
【請求項３】
前記型の全体または一部が平面形状で湾曲している請求項１または２記載の金属成形体の製造装置。
【請求項４】
水平方向の進行磁場をもたらす推力ユニットに加えて、斜め縦方向の進行磁場をもたらす推力ユニットを備えている請求項１〜３のいずれかに記載の金属成形体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属成形体の製造装置に関する。さらに詳しくは、溶解したアルミニウム合金などの金属を電磁攪拌して金属の結晶の成長を抑制し、かつ巣の元となる残留ガスを排出しつつ冷却して強靭な金属成形体を作り出す装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属としてアルミニウムを例にとり説明する。精密アルミ機材を作るためには、まず材料のアルミは結晶構造が微細で、内部に巣などの欠陥がないことが必須である。このような材料を作るため、溶融アルミを攪拌機（金属成形体の製造装置）の型に転注し、型内で攪拌、冷却を行うことにより、結晶構造の成長を妨げ、緻密な材料にする。攪拌力として機械的な力を用いることもあるが、攪拌棒の摩耗などのことを考えると、非接触にて攪拌可能な電磁力方式が好ましい。
【０００３】
電磁力で攪拌するには、型の壁面（内壁面を示す）に沿って多数のコイルを配列し、これらのコイル群によって壁面に沿って進行する磁場を形成する。そして進行する磁場によって溶融アルミ内に電流が発生し、その電流と変化する磁場とで電磁力が生じ、溶融金属が壁面に沿って移動する。そして壁面に沿った溶融金属の移動が中心まで及び、全体として攪拌が進められる。この攪拌作業は金属が固化するまで続ける。ついで固化した金属を、そのまま最終成形体として用いる場合と、プレス成形型に転置し、加圧・成形する場合がある。このようにしてできあがったアルミ機材は強度が強く、また、巣などの欠陥が少ない。このため部品機材として有力である。
【０００４】
一般にアルミ攪拌炉は、特許文献１〜３に記載されているように、溶解物を円筒状のルツボで攪拌する。このため、電磁攪拌装置は円筒形状でモータステータのようになっている。しかし例えば細長い構造物をアルミで作る場合、攪拌型の形状が細長くなり、円筒形状の攪拌炉では炉の容積が巨大になると共に、巨大な励磁力が必要になり、不合理である。そのため、特許文献４のような、直線型（リニア型）攪拌装置が知られている。      
【０００５】
また、リニア型攪拌装置の推力部の構造としては、特許文献５、非特許文献１、２が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５３５２２３６号公報
【特許文献２】特開２００９−７４１０３号公報
【特許文献３】特開２００７−１４４５０１号公報
【特許文献４】特開２００６−２８９４４８号公報
【特許文献５】特開２００６−２８９４７６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】新日鉄技報  第３７９号「電磁流体解析による電磁コイル設計」
【非特許文献２】Ｆｕｒｕｋａｗａ−ｓｋｙ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｎｏ．３  ２００７「溶解炉における電磁撹拌シュミレーションの開発」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
車体構造物などは一般的に細くて長い。しかも曲がっているものが多い。したがって円形攪拌装置では前述のように炉容積が大きくなり、稼働のための励磁力（ＡＴ）が強大になるため、対応が難しい。そこで連続鋳造装置に関する特許文献４、５のような直線型（リニア型）攪拌装置が応用される。しかしリニア型攪拌装置は、細長い構造を備え、加速される距離が長い（図１参照）。このように加速される距離が長いと溶融金属の速度が増し、曲率半径が小さい折り返し部分（図１の端部１８参照）で型の壁面に溶融金属が乗り上げ、あるいは壁面を乗り越えて外部にこぼれる現象が生ずる。とくに型には抜き勾配が設けられるので、一層、乗り上げやすい。
【０００９】
このような乗り越え現象を抑制するため、励磁力を小さくすると、穏やかに進行して乗り越えが抑制される反面、攪拌効率が低下し、微細な結晶からなる金属成形体を効率よく生産することができない。本発明はこのような問題を解決し、細長い型を使用しても効率よく攪拌することができ、しかも溶融金属の型壁面への乗り上げや乗り越えを抑制できる金属成形体の製造装置を提供することを技術課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の金属成形体の製造装置は、平面形状が細長い型と、その型を両側から挟むように壁面に沿って配置される複数対の推力ユニットとを備え、前記推力ユニットの対が、互いに逆方向の進行磁場を生ずる電磁コイルを有しており、長手方向に配列される推力ユニットが、１個毎に、または複数個で構成される連毎に逆方向の進行磁場を生ずるように設定されていることを特徴としている。
【００１１】
このような金属成形体の製造装置においては、前記長手方向に配列される推力ユニットが所望の個数毎に逆方向の進行磁場を生ずるように、電磁コイルの進行磁場を切り換える制御回路を備えているものであってもよい。また、前記型の全体または一部が平面形状で湾曲しているものであってもよい。また、水平方向の進行磁場をもたらす推力ユニットに加えて、斜め縦方向の進行磁場をもたらす推力ユニットを備えているものが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の金属成形体の製造装置では、型を挟んで壁面に沿って配置される一対または複数対の推力ユニットからなる連の進行磁場により、型内に部分的な溶融金属の循環流を生じさせることができる。すなわち、一方の壁面に沿って配置される１または複数の推力ユニットによって一方向の流れが生じ、他方の壁面に沿って配置される１または複数の推力ユニットによって他方向の流れが生ずる。そして各連の端部では、型を横断する方向の流れが生ずる。そのため、推力ユニットごとに循環する流れが生ずる。そしてある連の推力ユニットとそれに隣接する他の連の推力ユニットでは、磁場の進行の向きを逆にしている
ので、循環流の向きが逆になる。たとえば一対の推力ユニットの連内で時計回りの循環流が生ずると、隣接する他の対の連の推力ユニット内では反時計回りの循環流が生ずる。
【００１３】
したがって推力ユニットの連の端部では、壁面に沿った流れが分断され、いわば流れに節が形成される。そのため、加速された流れが節の部位で減速し、移動のエネルギは攪拌のエネルギに転換される。そのため、壁面への乗り上げや、壁面の乗り越えが抑制される。また、節の部位では、両側から流れてくる溶融金属がぶつかり合い、あるいは分流するので、溶融金属が一層効率的に攪拌されることになる。
【００１４】
このような金属成形体の製造装置において、前記長手方向に配列される推力ユニットが所望の個数毎に逆方向の進行磁場を生ずるように、電磁コイルの進行磁場の向きを切り換える制御回路を備えている場合は、金属の種類に応じて適切な攪拌作用と流速を選択することができる。また前記型が平面形状で湾曲している場合は、湾曲した金属成形体を効率よく生産することができ、しかも前述の乗り上げや乗り越えの抑制も前述と同様に達成される。
【００１５】
水平方向の進行磁場をもたらす推力ユニットに加えて、斜め縦方向の進行磁場をもたらす推力ユニットを備えている場合は、溶融金属が斜めにも流れるので層流が転流され、一層効率よく攪拌することができ、結晶粒を微細にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１ａは本発明の金属成形体の製造装置の一実施形態を示す平面図、図１ｂはその要部拡大図である。
【図２】図１ａの製造装置のII-II線断面図である。
【図３】図３ａおよび図３ｂはそれぞれ本発明に関わる推力ユニットの一実施形態（コア背周回方式）を示す概略平面図および概略側面図である。
【図４】図４ａおよび図４ｂはぞれぞれ本発明に関わる推力ユニットの他の実施形態（スロット周回方式）を示す概略平面図およびコイル接続図である。
【図５】図３ａ、図３ｂの推力ユニットを複数個組み合わせたときの結線の一例を示す平面図である。
【図６】本発明の金属成形体製造装置の他の実施形態を示す平面図である。
【図７】図７ａおよび図７ｂはそれぞれ本発明に関わる溶融金属の流れを変える推力ユニットの実施形態を示す正面図および平面図である（コイル辺の形状図示は省略）。
【図８】図８ａ〜ｄはそれぞれ本発明の金属成形体製造装置のさらに他の実施形態を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１ａに示す金属成形体の製造装置（電磁攪拌装置）１０は、平面視で円弧状に湾曲している細長い型１１と、その型を挟むように型の壁面に沿って配置される複数対の推力ユニット１２とを備えている。推力ユニット１２は、図１ｂに示すようにコア１３と、そのコア１３の周囲に捲かれたコイル１４とからなる。この実施形態では、３本のコイル１４を１本のコア１３に巻き付けたものを２組、曲率調整用の楔状磁性体１５を介して角度をつけて連結し、一つのユニットとする。図１ａでは、楔状磁性体は省略してある。
【００１８】
型１１は、たとえば図２に示すように、底板１６と、その底板の両端から立ち上がる側壁１７とを備えた略Ｕ字状の断面を有する。通常は型１１の深さは横幅よりも深い。また、側壁１７は抜き勾配が設けられ、上端に向かって拡がっている。型１１は溶融金属の高温に耐える耐熱性を有し、かつ透磁率の低い金属（例えばステンレス）、セラミックスなどで形成される。推力ユニット１２は、傾いている側壁１７の壁面（内壁面）との間にわずかなギャップＧをあけて、壁面と平行になるよう斜めに配置されている。
【００１９】
型１１の寸法や形状は、成形しようとする部材の大きさや形状による。図１ａに示すように、型１１の端部１８は溶融金属がスムーズに方向転換できるように円弧状になっている。この実施形態では、左右の側壁１７は、それぞれ湾曲している。左右の側壁１７は湾曲の中心を共通にしており、長さ方向に亘ってほぼ同一幅である。側壁１７に沿って配置されている推力ユニット１２も同様に湾曲ないし屈曲して配置されており、側壁（内側壁）１７との隙間Ｇ（図２参照）はできるだけ小さく、かつ、長手方向に沿って一定としている。
【００２０】
図３ａ、図３ｂは推力ユニット１２の基本形状の内、「コア背周回方式」を示している。推力ユニット１２はクシの歯状のコア１３と、そのコアの歯の間に捲かれているコイル１４とからなる。コア１３は角柱状のヨーク（コア背）１９と、そのヨークに形成された蟻溝状の溝２０に一端が固定されたティース２１とからなる。ティース２１は７本で、それらの間のヨークに巻かれるコイル１４は６個であり、全て同一方向に捲かれている。したがって巻き始めコイルから電流が入る場合と、巻き終わりコイルから電流が入る場合とでは、極性が逆になる。ティース２１の間のスロット２２内は、コイル（コイル導体）１４で満たされている。スロット２２は、細長い開口であるスリット２３を介して型１１の側に開口している。ヨーク１９およびティース２１は、いずれも珪素鋼板の薄板を多数枚重ねたコアで構成される。ヨークとティースは一体になっていてもよい。
【００２１】
図４ａ、図４ｂの推力ユニット１２Ａは、基本形状の内、「スロット間周回方式」を示している。この方式は、ヨーク１９と複数本のティース２１とからなるクシの歯状のコア１３と、複数本のティース２１に亘って巻き付けられるコイル１４とから構成される。スロット２２ａ〜２２ｆ内はコイル（コイル導体）１４で満たされている。コイル１４は、３層交流のＵ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応する３種類のコイル１４ｕ、１４ｖ、１４ｗからなる。Ｕ相のコイル１４ｕは、たとえば左端のスロット２２ａと４番目のスロット２２ｄの間に通されてそれらの間の３本のティースに亘って巻き付けられている。  
【００２２】
同様に、Ｖ相のコイル１４ｖは、３番目と６番目のスロット２２ｃ、２２ｆの間に通されてそれらの間の３本のティースに亘って巻き付けられている。Ｗ相のコイル１４ｗは、２番目のスロット２２ｂと５番目のスロット２２ｅに通されてそれらの間の３本のティースに亘って巻き付けられている。これらの３種類のコイル１４ｕ、１４ｖ、１４ｗは、図４ｂに示すように、コア１３の側方では互いに重なって交差している。符号Ｏは３相交流の中性点である。このような「スロット間周回方式」の推進ユニット１２Ａは、コイル１４ｕ〜ｗがコア背１９を周回しないので、推力ユニットを固定するのにコア背１９を使うことが出来る。
【００２３】
図５は上記の推力ユニット１２を型１１の片側に３個並べて結線したものである。電源は３相交流である。符号Ｏは中性点である。端子記号Ｒ、Ｓ、Ｔのコイルに３相の交流Ｕ、Ｗ、Ｖを順次結線すると、磁束は左から右側に進む（矢印φ1参照）。相順を変えてＵ、Ｖ、Ｗ相の順で接続すると磁束は右から左に進む（矢印φ２方向）。すなわち図５では、左端のユニット１２ａでは符号ｗ１−で示すコイルの巻終わりにＷ相を接続し、符号ｖ１＋で示すコイルの巻始めにＶ相を接続しているが、中間のユニット１２ｂでは符号ｗ３−のコイルの巻終わりにＶ相を接続し、ｖ３＋のコイルの巻始めにＷ相を接続しており、Ｖ相とＷ相が逆になっている。さらに右端のユニット１２ｃでは、左端のユニット１２ａと同様に接続しているので、磁束は矢印φ１と同様の矢印φ３方向に進む。
【００２４】
このような推力ユニットをポットの両側に配置するとき、図６に示すように、型１１の手前側のユニット１２ａ、１２ｂ、１２ｃと向こう側のユニット１２ｄ、１２ｅ、１２ｆの磁束の進行方向を逆にする。それにより左端のユニットの対１２ａ、１２ｄによっても
たらされる溶融金属の渦流Ｑ１の向きが反時計方向となる場合、中央のユニットの対１２ｂ、１２ｅでは時計回りの渦流Ｑ２となり、さらに右橋のユニットの対１２ｃ、１２ｆでは、再び反時計回りの渦流Ｑ３となる。
【００２５】
したがって隣接するユニットごとに循環する渦流の向きが逆になるため、推力ユニットの端部では、壁面に沿った流れが分断され、いわば流れに節２４ａ、２４ｂが形成される。そのため、加速された流れが節２４ａ、節２４ｂの部位で減速し、移動のエネルギは攪拌のエネルギに転換される。そのため、端部の円弧状に流れるとき、あるいは図１ａに示すように側壁１７が湾曲しているときも、側壁１７の壁面への乗り上げや、側壁１７の乗り越えが抑制される。また、節２４ａ、節２４ｂの部位では、両側から流れてくる溶融金属がぶつかり合い、さらに一体化した流れが分流するので、溶融金属が一層効率的に攪拌される。
【００２６】
前記実施形態では、推力ユニットは型の内側壁と平行（空隙が均一の意味）に配列され、渦流は水平方向に生じているが、たとえば図７ａ、図７ｂに示すように、縦方向に傾斜した流れＰを生じさせる推力ユニット２５と組み合わせることもできる。この推力ユニット２５の２本のスロット２２には、下方にいくほど後退する傾斜角（スキュー）を備えたスリット２３を形成している。このようなスキューにより、溶融金属に縦方向の斜めの流れＰが生じ、型の中の溶融金属の層流が転流するので残留ガス抜きが容易となり、また一層効率よく攪拌するので、結晶粒を微細にすることができる。
【００２７】
このようなスキューは、電磁鋼板を積層してワイヤカットでスロット２２を加工するとき、スリット２３を斜めに加工することにより形成しうる。なお、スロット２２はコイル（コイル導体）１４で満たされているが、図７ｂでは省略している。図７ｂの符号２６は、コイル１４をスロット２２内に保持するサシキである。
【００２８】
前記実施形態では推力ユニット１２毎に磁場の進行方向を逆向きにしているので、図８ａのように一対の推力ユニット１２毎に溶融金属の渦流Ｑ１，Ｑ２の向きが逆になる。しかし図８ｂや図８ｃのように２個または３個、あるいは図８ｄのように４個以上の推進ユニットで磁場の進行方向を同一とする「連」を形成し、連毎に渦流が逆向きになるように設置することもできる。これらの場合は節の数が減るので、攪拌作用は減少するが、渦流の速度が増大する。したがって製造しようとする金属の種類に応じて適切な攪拌作用および渦流速度を設定することができる。
【００２９】
さらに推力ユニットの電磁コイルに流す電流の向きを推力ユニット毎に切り換える制御回路を設け、１個の推力ユニット毎、２個の推力ユニット毎など、任意のＮ個の推進ユニット毎に進行磁場の向きを変えて渦流の向きを逆にできるようにしてもよい。このような推力ユニットのコイルの配線を変更できる金属成形体の製造装置では、金属の種類に応じて適切な攪拌作用および渦流速度を選択することができ、効率的に金属成形体を製造することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０  金属成形体の製造装置
１１  型
１２  推力ユニット
１２Ａ  推力ユニット
１３  コア
１４  コイル
１５  楔状磁性体
１６  底板
１７  側壁
Ｇ  ギャップ
１８  端部
１９  ヨーク（コア背）
２０  溝
２１  ティース
２２  スロット
２３  スリット
２２ａ〜ｆ  スロット
１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ  コイル
Ｕ、Ｖ、Ｗ  三相交流の相記号
ｕ１〜５、ｖ１〜５、ｗ１〜５  コイル
Ｒ、Ｓ、Ｔ  三相交流の端子記号
Ｏ  中性点
φ１、φ２、φ３、φ４、φ５、φ６  磁束の進行方向
Ｐ  溶融金属の流れの方向を示す
１２ａ〜ｃ、１２ｄ〜ｆ  推力ユニット
１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ  コイル
２４ａ、２４ｂ  節
２５  傾斜流れを作る推力ユニット
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３  渦流
２６  サシキ
【図１】
2018015791.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018015791.tif 000009
【図８】
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