JP7523802B2 - 金属溶湯撹拌装置および連続鋳造システム - Google Patents

Description

本発明は、金属溶湯撹拌装置および連続鋳造システム、より詳しくは、金属溶湯を撹拌するための金属溶湯撹拌装置、および、当該金属溶湯撹拌装置を備え、鋳造品を連続的に成形する連続鋳造システムに関する。

従来、アルミニウム、銅などの非鉄金属の溶湯（以下、単に「金属溶湯」または「溶湯」という。）を電磁力により撹拌する金属溶湯撹拌装置が知られている。たとえば、特許文献１には、環状の鉄心に巻回された複数のコイルに三相交流電流を流して移動磁界を発生させ、鉄心内側の溶湯を撹拌する撹拌装置が記載されている。その他、リニアモータ式の溶湯撹拌装置も広く使われている。

これらの金属溶湯撹拌装置はいずれも、鉄心に巻回された複数のコイルに三相交流電流を流して移動磁界を発生させ、溶湯内に発生する渦電流により溶湯に作用する電磁力を利用して金属溶湯の撹拌を行う。

特開平２－１８２３５８号公報

ところで、十分な撹拌力を確保するためには、撹拌対象の溶湯のある空間に十分な強度の磁界を発生させることが求められる。

強力な磁界を発生させる方法として、コイルに大きな電流を流すことが考えられる。しかしながら、コイルに流す電流を大きくするにつれて、消費電力が大きくなり、撹拌装置のランニングコストが増加するという問題がある。また、水冷式など強力な冷却設備が必要となり、製造コストだけでなくメンテナンスコストも増加する。

強力な磁界を発生させる他の方法として、コイルの巻数を増やすことが考えられる。しかしながら、コイルの巻数の二乗に比例してコイルのインダクタンスが増加する。このため、交流電流の流れが妨げられ、強い磁界が得られないという問題がある。また、撹拌力は交流電流の周波数に比例することが知られているが、コイルの巻数を増やしてインダクタンスが増加すると、交流電流の周波数を上げることが困難となる。

本発明は、上記の技術的認識に基づいてなされたものであり、低消費電力でありながら、大きな撹拌力を得ることが可能な金属溶湯撹拌装置、および連続鋳造システムを提供することを目的とする。

本発明に係る金属溶湯撹拌装置は、
金属溶湯を攪拌するための金属溶湯攪拌装置であって、
第１～第３の磁界発生部を有する磁場装置を備え、
前記第１～第３の磁界発生部の各々は、
第１の環状鉄心と、
前記第１の環状鉄心と中心軸が同軸であり、前記第１の環状鉄心から間隔をあけて配置された第２の環状鉄心と、
前記第１の環状鉄心と前記第２の環状鉄心を連結する第１のヨークと、
前記中心軸を挟んで前記第１のヨークに対向するように配置され、前記第１の環状鉄心と前記第２の環状鉄心を連結する第２のヨークと、
前記第１の環状鉄心に巻回された第１のコイルと、
前記第１のコイルの反対側に位置するように前記第１の環状鉄心に巻回された第２のコイルと、
前記第２の環状鉄心に巻回された第３のコイルと、
前記第３のコイルの反対側に位置するように前記第２の環状鉄心に巻回された第４のコイルと、を有し、
前記第１のコイルおよび前記第２のコイルはいずれも、電流が流れたときに、前記第１のヨークおよび前記第２のヨークの一方のヨークに向かう第１の磁界を発生するように巻回されており、かつ、前記第３のコイルおよび前記第４のコイルはいずれも、電流が流れたときに、前記一方のヨークに向かう第２の磁界を発生するように巻回されており、
前記第１～第３の磁界発生部は、各々の前記第１および第２のヨークが互いに間隔をあけて位置するように配置されていることを特徴とする。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２の環状鉄心は、前記中心軸に沿う第１方向の厚みが前記第１方向に直交する第２方向の厚みよりも小さいようにしてもよい。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２の環状鉄心は、鋳型の形状に応じた平面形状を有してもよい。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２の環状鉄心の平面形状は円形であるようにしてもよい。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記第１～第３の磁界発生部は、前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２のヨークが前記中心軸まわりの円周上に等間隔で位置するように、配置されてもよい。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記第１の磁界発生部の前記第１の環状鉄心、前記第２の磁界発生部の前記第１の環状鉄心、前記第３の磁界発生部の前記第１の環状鉄心、前記第１の磁界発生部の前記第２の環状鉄心、前記第２の磁界発生部の前記第２の環状鉄心、前記第３の磁界発生部の前記第２の環状鉄心が、この順で前記中心軸の方向に沿って配置されてもよい。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記第１の磁界発生部の前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイルおよび前記第４のコイルは、直列接続され、第１の直列コイルを形成し、
前記第２の磁界発生部の前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイルおよび前記第４のコイルは、直列接続され、第２の直列コイルを形成し、
前記第３の磁界発生部の前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイルおよび前記第４のコイルは、直列接続され、第３の直列コイルを形成し、
前記第１の直列コイル、前記第２の直列コイルおよび前記第３の直列コイルはスター結線されている。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記第１の直列コイルにＲ相の電流を流し、前記第２の直列コイルにＳ相の電流を流し、前記第３の直列コイルにＴ相の電流を流す交流電源をさらに備えてもよい。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記第１の磁界発生部の前記第１のヨークおよび前記第２のヨークと、前記第２の磁界発生部の前記第１のヨークおよび前記第２のヨークと、前記第３の磁界発生部の前記第１のヨークおよび前記第２のヨークは、各ヨークの前記中心軸への射影の一部が互いに重なるように配置されてもよい。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記磁場装置を収納するケースをさらに備え、
前記ケースは、
外筒部と、
前記外筒部と同軸の内筒部と、
前記外筒部と前記内筒部間の一方の側の隙間を閉塞する底板と、
前記外筒部と前記内筒部間の他方の側の隙間を閉塞する蓋板と、を有し、
前記磁場装置は、前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２の環状鉄心に前記内筒部が挿通されるように、前記ケース内に収納されるようにしてもよい。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記外筒部に、前記ケースの内部に空気を取り入れるための空気取入口と、前記ケース内の空気を外部に排出するための空気排出口が設けられてもよい。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記空気取入口および前記空気排出口は、前記磁場装置を挟むように配設されてもよい。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記空気取入口にはブロワーが接続され、前記磁場装置は強制空冷されるようにしてもよい。

また、前記金属溶湯撹拌装置において、
前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２のヨークは、前記中心軸に向かって突出した突起部を有してもよい。

本発明に係る連続鋳造システムは、
入口側から液相状態の金属溶湯の供給を受け、冷却により固相状態の鋳造品を出口側から排出する鋳型と、
前記鋳型の少なくとも一部を囲繞するように設けられた前記金属溶湯攪拌装置と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、低消費電力でありながら、大きな撹拌力を得ることが可能な金属溶湯撹拌装置、および連続鋳造システムを提供することができる。

実施形態に係る金属溶湯撹拌装置の正面図である。 実施形態に係る金属溶湯撹拌装置の側面の一部断面図である。 ２つのコイルが巻回された第１の環状鉄心の平面図である。 ２つのコイルが巻回された第２の環状鉄心の平面図である。 ２つのコイルが巻回された第３の環状鉄心の平面図である。 ２つのコイルが巻回された第４の環状鉄心の平面図である。 ２つのコイルが巻回された第５の環状鉄心の平面図である。 ２つのコイルが巻回された第６の環状鉄心の平面図である。 本実施形態に係る金属溶湯撹拌装置の磁場装置の正面図である。 図４のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。 図４のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。 本実施形態に係る磁場装置が有する複数のコイルの結線図である。 本実施形態に係る磁場装置における磁界の発生について説明するための、磁界発生部の正面図である。 本実施形態に係る磁場装置における磁界の発生について説明するための、磁界発生部の側面図である。 変型例に係るヨークを有する磁場装置の断面図である。 本実施形態に係る連続鋳造システムの断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。

＜金属溶湯撹拌装置１＞
実施形態に係る金属溶湯撹拌装置１の概略的な構成を説明する。図１は金属溶湯撹拌装置１の正面図を示し、図２は金属溶湯撹拌装置１の側面の一部断面図を示している。なお、図１では、磁場装置２の環状鉄心２１に巻回されたコイルは図示していない。また、図２では、磁場装置２の環状鉄心２１～２６に巻回されたコイル、ヨーク（継鉄）、および取付台８は図示していない。

金属溶湯撹拌装置１は、磁場装置２が発生する移動磁界により金属溶湯に作用する電磁力を利用して金属溶湯を撹拌するように構成されている。

図１に示すように、金属溶湯撹拌装置１は、磁場装置２と、ケース３と、空気取入口４と、空気排出口５と、端子箱６と、交流電源７と、取付台８とを備えている。

磁場装置２は、溶湯を撹拌するための移動磁界を発生するように構成されている。この磁場装置２は、ケース３内に収納されている。金属溶湯撹拌装置１の動作時において、磁場装置２は、空気取入口４から取り入れられた冷却用空気によって冷却される。

磁場装置２は、図２に示すように、間隔をあけて配置された複数の環状鉄心２１～２６を有する。環状鉄心２１～２６は、各々の中心軸ＣＬが同軸になるように配置されている。なお、本実施形態では環状鉄心２１～２６は等間隔で配置されているが、不等間隔で配置されてもよい。

環状鉄心２１～２６は、強磁性体からなり、たとえば、珪素鋼板、炭素鋼板から構成される。鉄損を低減する観点からは珪素鋼板が有利である。ただし、後述のように、本実施形態によれば、動作時に環状鉄心２１～２６に発生する渦電流を従来よりも低減できるため、コスト的に有利な炭素鋼板を用いることが可能である。炭素鋼板を用いることで、磁場装置２の軽量化を図ることもできる。

磁束の漏れを減らす観点から、環状鉄心２１～２６は閉じていることが好ましい。ただし、環状鉄心の一部にギャップが設けられることは排除されず、ギャップが設けられた鉄心も本願にいう環状鉄心に含まれる。

環状鉄心２１～２６は、薄型であってもよい。図２に示すように、環状鉄心２１～２６は、中心軸ＣＬに沿う第１方向の厚みｔ１が第１方向に直交する第２方向の厚みｔ２よりも小さいようにしてもよい。これにより、磁場装置２の冷却効率をさらに向上させることができるとともに、鉄損をさらに低減することができる。なお、所望の起磁力を確保できるよう、環状鉄心の磁気飽和値に基づいて環状鉄心の第１および第２方向の厚みをそれぞれ設定することが好ましい。

環状鉄心２１～２６は、鋳型（鋳造物）の形状に応じた平面形状を有する。本実施形態の金属溶湯撹拌装置１はビレットを鋳造する鋳型に設けられるため、環状鉄心２１～２６の平面形状は円形である。スラブを鋳造する場合は、環状鉄心２１～２６の平面形状を方形としてもよい。この場合、環状鉄心２１～２６は、円環ではなく、方環となる。

図３Ａ～図３Ｆに示すように、各環状鉄心２１～２６には、中心軸ＣＬに関して対称な位置に２本のコイルが巻回されている。すなわち、環状鉄心２１にはコイル４１ａおよびコイル４１ｂが巻回され、環状鉄心２２にはコイル４２ａおよびコイル４２ｂが巻回され、環状鉄心２３にはコイル４３ａおよびコイル４３ｂが巻回され、環状鉄心２４にはコイル４４ａおよびコイル４４ｂが巻回され、環状鉄心２５にはコイル４５ａおよびコイル４５ｂが巻回され、環状鉄心２６にはコイル４６ａおよびコイル４６ｂが巻回されている。本実施形態では、各コイルが発生する磁界の強さを略等しくするために、各コイルの巻数は同じである。なお、コイルと環状鉄心の間に絶縁用の絶縁紙が介装されてもよい。

コイル４１ａおよびコイル４１ｂは互いに正巻きに環状鉄心２１に巻回され、コイル４４ａおよびコイル４４ｂは互いに正巻きに環状鉄心２４に巻回されている。コイル４１ａおよびコイル４１ｂ（コイル４４ａおよびコイル４４ｂ）は逆向きに電流が流れるように直列接続される（図７参照）。これにより、第１の直列コイルに電流が流れる際に、互いに逆向きの磁界が発生する。

なお、コイル４１ａおよびコイル４１ｂは互いに逆巻きに環状鉄心２１に巻回され、コイル４４ａおよびコイル４４ｂは互いに逆巻きに環状鉄心２４に巻回されてもよい。この場合、コイル４１ａおよびコイル４１ｂ（コイル４４ａおよびコイル４４ｂ）は正向きに電流が流れるように直列接続される。

同様に、コイル４２ａおよびコイル４２ｂは環状鉄心２２に互いに正巻きに巻回され、コイル４５ａおよびコイル４５ｂは環状鉄心２５に互いに正巻きに巻回されている。コイル４３ａおよびコイル４３ｂは環状鉄心２３に互いに正巻きに巻回され、コイル４６ａおよびコイル４６ｂは環状鉄心２６に互いに正巻きに巻回されている。

コイルの巻き方や各コイルの接続方法は、各環状鉄心に逆向きの磁界が発生すればよく、特に限定されない。

環状鉄心２１～２６は、３組のペアに分かれ、各組の環状鉄心は２つのヨークで連結されている。このヨークは、環状鉄心に巻回された２つのコイルの間に設けられ、後述のようにコイル通電時に磁極として機能する。なお、各ヨークは、たとえば、鉄、純鉄（ＳＵＹ）、ＳＳ材、パーメンジュール等の合金からなる。

詳しくは、図４、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、環状鉄心２１と環状鉄心２４は、ヨーク３１ａとヨーク３１ｂによって連結されている。同様に、環状鉄心２２と環状鉄心２５は、ヨーク３２ａとヨーク３２ｂによって連結され、環状鉄心２３と環状鉄心２６は、ヨーク３３ａとヨーク３３ｂによって連結されている。

各ヨークは、側面視で略コの字状であり、環状鉄心に接続する接続部と、接続部同士を繋ぐ連結部とを有する。詳しくは、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ヨーク３１ａは、環状鉄心２１に接続する接続部３１ａ１と、環状鉄心２４に接続する接続部３１ａ２と、接続部３１ａ１と接続部３１ａ２を連結する連結部３１ａ３とを有する。ヨーク３１ｂは、環状鉄心２１に接続する接続部３１ｂ１と、環状鉄心２４に接続する接続部３１ｂ２と、接続部３１ｂ１と接続部３１ｂ２を連結する連結部３１ｂ３とを有する。

同様に、ヨーク３２ａは、環状鉄心２２に接続する接続部３２ａ１と、環状鉄心２５に接続する接続部３２ａ２と、接続部３２ａ１と接続部３２ａ２を連結する連結部３２ａ３とを有する。ヨーク３２ｂは、環状鉄心２２に接続する接続部３２ｂ１と、環状鉄心２５に接続する接続部３２ｂ２と、接続部３２ｂ１と接続部３２ｂ２を連結する連結部３２ｂ３とを有する。

同様に、ヨーク３３ａは、環状鉄心２３に接続する接続部３３ａ１と、環状鉄心２６に接続する接続部３３ａ２と、接続部３３ａ１と接続部３３ａ２を連結する連結部３３ａ３とを有する。ヨーク３３ｂは、環状鉄心２３に接続する接続部３３ｂ１と、環状鉄心２６に接続する接続部３３ｂ２と、接続部３３ｂ１と接続部３３ｂ２を連結する連結部３３ｂ３とを有する。

なお、各ヨークの形状はコの字状に限られない。たとえば、各環状鉄心は内周面に中心に向かう突起部を有し、２つの環状鉄心の突起部間をヨークが連結するようにしてもよい。また、各ヨークの連結部が中心軸ＣＬに向かって膨らんだ弧状に形成されてもよい。

図４に示すように、６つのヨーク（ヨーク３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ）は重ならないように配置されている。本実施形態のように環状鉄心２１～２６が円環の場合、６つのヨークは環状鉄心２１～２６の中心軸ＣＬまわりの円周上に等間隔（６０°間隔）で位置する。

上記のように、環状鉄心２１～２６は３組（すなわち、環状鉄心２１と環状鉄心２４、環状鉄心２２と環状鉄心２５、環状鉄心２３と環状鉄心２６）に分かれ、各組の環状鉄心は２本のヨークで連結されている。環状鉄心２１，２４と、ヨーク３１ａ，３１ｂは第１の磁界発生部を構成する。環状鉄心２２，２５と、ヨーク３２ａ，３２ｂは第２の磁界発生部を構成する。環状鉄心２３，２６と、ヨーク３３ａ，３３ｂは第３の磁界発生部を構成する。磁界発生部の動作については、のちほど図７および図８を参照して説明する。

本実施形態の磁場装置２では、第１の磁界発生部の環状鉄心２１、第２の磁界発生部の環状鉄心２２、第３の磁界発生部の環状鉄心２３、第１の磁界発生部の環状鉄心２４、第２の磁界発生部の環状鉄心２５、第３の磁界発生部の環状鉄心２６が、この順で環状鉄心２１～２６の中心軸ＣＬの方向に沿って配置されている。すなわち、第１～第３の磁界発生部が互いに組み合わさるようにして磁場装置２は構成されている。

次に、環状鉄心２１～２６に巻回されたコイル間の接続関係について説明する。

図６に示すように、コイル４１ａ、コイル４１ｂ、コイル４４ａおよびコイル４４ｂは直列に接続され、第１の直列コイルを形成している。同様に、コイル４２ａ、コイル４２ｂ、コイル４５ａおよびコイル４５ｂは直列に接続され、第２の直列コイルを形成している。コイル４３ａ、コイル４３ｂ、コイル４６ａおよびコイル４６ｂは直列に接続され、第３の直列コイルを形成している。そして、第１の直列コイル、第２の直列コイルおよび第３の直列コイルは、スター結線されている。第１の直列コイルは交流電源７のＲ相に電気的に接続され、第２の直列コイルは交流電源７のＳ相に電気的に接続され、第３の直列コイルは交流電源７のＴ相に電気的に接続される。

なお、コイル間の接続は上記に限定されず、後述の反発磁界（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３）が生成すれば他の接続形態であってもよい。

次に、磁場装置２を収納するケース３について説明する。

図１および図２に示すように、ケース３は、外筒部３ａと、外筒部３ａと同軸の内筒部３ｂと、底板３ｃと、蓋板３ｄと、を有している。ケース３の材質は特に限定されないが、たとえば、耐火材、ステンレス等の金属からなる。

底板３ｃは、外筒部３ａと内筒部３ｂ間の一方の側（図２では右側）の隙間を閉塞する。蓋板３ｄは、外筒部３ａと内筒部３ｂ間の他方の側（図２では左側）の隙間を閉塞する。たとえば、底板３ｃは外筒部３ａおよび内筒部３ｂに溶接されており、蓋板３ｄは、ねじやボルト等の締結手段により、外筒部３ａおよび内筒部３ｂに着脱可能に取り付けられている。

磁場装置２は、環状鉄心２１～２６に内筒部３ｂが挿通されるようにケース３内に収納されている。環状鉄心２１～２６が内筒部３ｂから所定の距離を保つように、環状鉄心２１～２６と内筒部３ｂの間には、絶縁材料からなるスペーサ（図示せず）が介装される。そして、当該スペーサを磁場装置２の中心軸ＣＬの方向に沿って貫通するようにスタッドボルト（図示せず）を設ける。このスタッドボルトの両端がケース３の底板３ｃおよび蓋板３ｄに固定されることで、磁場装置２はケース３内に固定される。

なお、環状鉄心間の距離を一定に保つように、環状鉄心間にスペーサが介装されてもよい。

空気取入口４は、磁場装置２を冷却するための空気をケース３の内部に取り入れるために設けられている。空気排出口５は、ケース３内の空気を外部に排出するために設けられている。本実施形態では、空気取入口４は、冷風供給用エアダクトの接続フランジとして構成されている。このため、ブロワー（図示せず）を空気取入口４に接続し、磁場装置２を強制空冷することが可能である。

図１に示すように、空気取入口４および空気排出口５は、ケース３の周面（外筒部３ａ）に設けられている。これにより、ケース３内に取り込まれた冷却用空気は環状鉄心２１～２６間を通って空気排出口５から排出されるようになり、磁場装置２の冷却効率を高めることができる。なお、空気取入口４と空気排出口５は、図１に示すように、一直線上に設けられてもよい。

端子箱（ターミナルボックス）６は、ケース３に設けられており、ターミナルポスト（図示せず）が収納されている。ターミナルポストは、磁場装置２のコイルと電気的に接続されている。端子箱６は、ターミナルポストと交流電源７を接続する配線を導入するための配線導入口６ａを有する。

交流電源７は、三相の交流電源であり、定電流、定周波数の三相交流電流を出力する。詳しくは、交流電源７は、第１の直列コイルにＲ相の電流を流し、第２の直列コイルにＳ相の電流を流し、第３の直列コイルにＴ相の電流を流す。

交流電源７は、撹拌力および撹拌速度を調整するために、出力電流および周波数をそれぞれ可変に構成されてもよい。

取付台８は、磁場装置２が収納されたケース３が載置される支持台である。

なお、本実施形態では、磁場装置２は横向きに（すなわち、環状鉄心２１～２６の中心軸ＣＬが水平方向になるように）設置されている。これに限られず、磁場装置２は、縦向きに（すなわち、中心軸ＣＬが垂直方向になるように）設置されてもよい。

＜磁場装置２の動作＞
次に、磁場装置２の動作について説明する。前述のように、磁場装置２は、３つの磁界発生部を有するものとして構成されている。すなわち、２つのヨークで連結された２つの環状鉄心を一単位としてみると、磁場装置２は、３つの磁界発生部（第１の磁界発生部、第２の磁界発生部および第３の磁界発生部）を有する。

詳しくは、第１の磁界発生部は、環状鉄心２１、環状鉄心２４、ヨーク３１ａおよびヨーク３１ｂを有する。第２の磁界発生部は、環状鉄心２２、環状鉄心２５、ヨーク３２ａおよびヨーク３２ｂを有する。第３の磁界発生部は、環状鉄心２３、環状鉄心２６、ヨーク３３ａおよびヨーク３３ｂを有する。第１～第３の磁界発生部は、図４に示すように、６つのヨーク（ヨーク３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ）が互いに間隔をあけて位置するように配置されている。

図７および図８を参照して、第１の磁界発生部で発生する磁界について説明する。なお、図８ではコイルを省略している。

交流電源７から出力された電流がコイル４１ａおよびコイル４１ｂに流れると、環状鉄心２１には磁界Ｈ１および磁界Ｈ２が発生する。すなわち、コイル４１ａに電流が流れることで磁界Ｈ１が発生し、コイル４１ｂに電流が流れることで磁界Ｈ２が発生する。磁界Ｈ１と磁界Ｈ２は向きが反対で、大きさが略等しい。

このように発生した磁界Ｈ１と磁界Ｈ２は、環状鉄心２１中をヨーク３１ｂの方に向かい、接続部３１ｂ１が設けられた部分で衝突、反発した後、接続部３１ｂ１を通って連結部３１ｂ３に流れる。環状鉄心２４についても同様である。すなわち、コイル４４ａおよびコイル４４ｂに電流が流れることで環状鉄心２４に発生した２つの磁界がヨーク３１ｂの接続部３１ｂ２が設けられた部分で衝突、反発した後、接続部３１ｂ２を通って連結部３１ｂ３に流れる。

環状鉄心２１および環状鉄心２４から連結部３１ｂ３に流れ込んだ２つの反発磁界は、図８に示すように、連結部３１ｂ３の中央付近でさらに衝突、反発し、磁界Ｈ３として、ヨーク３１ａの連結部３１ａ３に向けて放射される。

このように磁界発生部は、各環状鉄心での磁界の反発と、一方のヨークの連結部での磁界の反発という、二段階の磁界の反発を経て強力な磁界を生成し、もう一方のヨークに向けて放射する。

第２の磁界発生部および第３の磁界発生部についても、第１の磁界発生部と同様に、交流電源７から出力された電流がコイルに流れると、２段階の反発を経て形成された強力な磁界が一方のヨークの連結部から他方のヨークの連結部に向けて放射される。

金属溶湯撹拌装置１の動作時において、第１～第３の磁界発生部のコイルには三相交流電流が流れる。すなわち、第１の磁界発生部の第１の直列コイルには交流電源７のＲ相の電流が流れ、第２の磁界発生部の第２の直列コイルにはＳ相の電流が流れ、第３の磁界発生部の第３の直列コイルには交流電源７のＴ相の電流が流れる。これにより、環状鉄心２１～２６内に強力な移動磁界が発生する。この移動磁界により、磁場装置２の内側にある金属溶湯を十分な力で撹拌することができる。

＜作用効果＞
上記のように、本実施形態の金属溶湯撹拌装置１では、磁場装置２が第１～第３の磁界発生部を有し、各磁界発生部が環状鉄心およびコイルを有する。このように環状鉄心およびコイルが分割されているため、各環状鉄心および各コイルにかかる熱的および電気的な負荷が軽減される。

詳しくは、磁場装置２の環状鉄心が間隔をあけて同軸に配置された複数の環状鉄心２１～２６から構成されるため、磁場装置２の鉄心の表面積が大きくなる。このため、従来に比べて放熱特性を大幅に改善することができる。その結果、従来の溶湯撹拌装置では、水冷により磁場装置を冷却することが不可欠であったが、本実施形態によれば、空冷により磁場装置を冷却することが可能である。水冷式の場合は、管路の詰まりを防ぐために、軟水化処理等の冷却水の前処理や藻の定期的除去といったメンテナンスコストが膨大である。本実施形態によれば、このようなメンテナンスコストを削減することができる。加えて、金属溶湯撹拌装置１の小型化を図ることができる。

また、環状鉄心２１～２６を薄型にすることで、冷却効率をさらに高めることができる。前述のように、環状鉄心２１～２６の厚みｔ１を厚みｔ２よりも小さくことにより、磁場装置２の冷却効率をさらに向上させることができ、鉄損もさらに低減することができる。

また、空気取入口４および空気排出口５がケース３の外筒部３ａに磁場装置２を挟むように配設されることで、冷却用空気が環状鉄心間を通り抜けるため、磁場装置２を高効率で冷却することができる。

また、各環状鉄心２１～２６は従来の磁場装置の環状鉄心よりも薄いため、コイルの通電時に各環状鉄心２１～２６に発生する渦電流を低減することができる。このため、環状鉄心２１～２６の材料として、低鉄損の薄型珪素鋼板を積層したものでなく、汎用の炭素鋼板を使用することができる。したがって、磁場装置２のコスト（設計費、材料費、製造費）を削減できるとともに、金属溶湯撹拌装置１の軽量化を図ることができる。

さらに、本実施形態の金属溶湯撹拌装置１では、２つの環状鉄心と２つのヨークを有する磁界発生部において、反発磁界による強力な移動磁界を生成する。これにより、コイルに大きな電流を流さずとも、強力な磁界を発生させることができる。

ここで、磁場装置２が有する第１～第３の磁界発生部の構成を整理すると、以下のとおりである。
各磁界発生部は同軸に配置された２つの環状鉄心を有し、各環状鉄心には２つのコイルが巻回されており、２つの環状鉄心は２つのヨークで連結されている。すなわち、各磁界発生部は、第１の環状鉄心（２１，２２，２３）と、第１の環状鉄心と中心軸ＣＬが同軸であり、第１の環状鉄心から間隔をあけて配置された第２の環状鉄心（２４，２５，２６）と、中心軸ＣＬに沿って延在し、第１の環状鉄心と第２の環状鉄心を連結する第１のヨーク（３１ａ，３２ａ，３３ａ）と、中心軸ＣＬを挟んで第１のヨークに対向するように中心軸ＣＬに沿って延在し、第１の環状鉄心と第２の環状鉄心を連結する第２のヨーク（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）と、第１のヨークおよび前記第２のヨーク間における第１の環状鉄心に巻回された第１のコイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）と、第１および第２のヨークを挟んで第１のコイルの反対側に位置するように第１の環状鉄心に巻回された第２のコイル（４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ）と、第１のヨークおよび第２のヨーク間における第２の環状鉄心に巻回された第３のコイル（４４ａ，４５ａ，４６ａ）と、第１および第２のヨークを挟んで第３のコイルの反対側に位置するように第２の環状鉄心に巻回された第４のコイル（４４ｂ，４５ｂ，４６ｂ）と、を有している。

第１～第３の磁界発生部は、各磁界発生部の第１および第２のヨーク（３１ａ，３２ａ，３３ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）が互いに重ならないように配置されている。すなわち、第１～第３の磁界発生部は、各々の第１および第２のヨークが環状鉄心２１～２６の中心軸ＣＬまわりに互いに間隔をあけて位置するように配置されている。本実施形態では、第１～第３の磁界発生部は、環状鉄心２１～２６の中心軸ＣＬのまわりに６０°間隔で回転移動した位置に配置されている。

本実施形態では、図５Ａに示すように、各ヨークは中心軸ＣＬの方向に重複する長さＬを有している。すなわち、第１の磁界発生部のヨーク３１ａ，３１ｂと、第２の磁界発生部のヨーク３２ａ，３２ｂと、第３の磁界発生部のヨーク３３ａ，３３ｂとは、各ヨークの中心軸ＣＬへの射影の一部が互いに重なるように配置されている。このようにして６つのヨークが中心軸ＣＬの方向にできるだけ分散しないように配置されていることにより、中心軸ＣＬまわりに均一な撹拌力を発生させることができる。

前述のように、本実施形態の磁場装置２では、第１の磁界発生部の第１の環状鉄心、第２の磁界発生部の第１の環状鉄心、第３の磁界発生部の第１の環状鉄心、第１の磁界発生部の第２の環状鉄心、第２の磁界発生部の第２の環状鉄心、第３の磁界発生部の第２の環状鉄心が、この順で環状鉄心の中心軸ＣＬの方向に沿って配置されている。これにより、各ヨークの中心軸ＣＬへの射影の重なりが大きくなり、中心軸ＣＬまわりに均一な撹拌力を発生させ易くすることができる。

なお、上記形態に限られず、磁場装置は、第１～第３の磁界発生部を直列的に配置して構成されてもよい。この場合、第１の磁界発生部の第１の環状鉄心、第１の磁界発生部の第２の環状鉄心、第２の磁界発生部の第１の環状鉄心、第２の磁界発生部の第２の環状鉄心、第３の磁界発生部の第１の環状鉄心、第３の磁界発生部の第２の環状鉄心が、この順で環状鉄心の中心軸ＣＬの方向に沿って配置される。環状鉄心２１～２６をどのようにヨークで連結するかは所要の撹拌特性等に応じて任意に選択可能である。

各磁界発生部の第１のコイルおよび第２のコイルは、電流が流れたときに、第１の環状鉄心に第１のヨークおよび第２のヨークの一方のヨーク（図７ではヨーク３１ｂ）に向かう第１の磁界（Ｈ１）を発生するように巻回され接続されており、かつ、第３のコイルおよび第４のコイルは、電流が流れたときに、当該一方のヨークに向かう第２の磁界（Ｈ２）を発生するように巻回され接続されている。

各磁界発生部の第１および第２のヨークは、コイルに通電した際に磁極となる。第１～第３の磁界発生部に三相交流を流すことで、各磁界発生部の磁極間に移動磁界が発生する。

上記の各磁界発生部において、第１の環状鉄心の第１のコイルに流れる電流により発生する磁界Ｈ１と、第２のコイルに流れる電流により発生する磁界Ｈ２が、ヨークが設けられた部分で衝突、反発する。反発磁界はヨークに流れ込む。第２の環状鉄心についても同様に、第３のコイルで発生した磁界と第４のコイルで発生した磁界が衝突した反発磁界が上記ヨークに流れ込む。ヨークの両端部から流れ込んだ反発磁界はヨークの中央部分においてさらに衝突、反発し、対向するヨークに向かって放射される。このように二段階の反発を経ることで強力な磁界を得ることができる。これにより、ヨーク（磁極）に集中する磁束は、従来の磁場装置の２～３倍以上となる。

このように、本実施形態によれば、大きな電流を流さずとも強力な磁界を生成することができ、大きな撹拌力を得ることができる。よって、低消費電力でありながら、大きな撹拌力を有する金属溶湯撹拌装置を提供することができる。

なお、反発磁界がヨークから放射され易くするために、図９に示すように、各ヨークに突起部３４を設けてもよい。この突起部３４は、環状鉄心２１～２６の中心軸ＣＬに向かって突出するように設けられている。

＜連続鋳造システム１００＞
次に、図１０を参照して、金属溶湯撹拌装置１を用いた連続鋳造システム１００について説明する。図１０は、連続鋳造システム１００の断面を示している。なお、図１０ではヨークおよびコイルは省略している。

連続鋳造システム１００は、金属溶湯Ｍを鋳型７０に流入させて鋳造品（製品）Ｐを連続的に成形するように構成されている。より詳しくは、連続鋳造システム１００は、導電性材料の液相状態にある溶湯Ｍの供給を受け、この金属溶湯を冷却することにより固相状態の鋳造品Ｐを取り出し得るように構成されている。

金属溶湯Ｍは、たとえば、アルミニウムの溶湯である。なお、金属溶湯は、他の金属（Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｉなど）の溶湯であってもよいし、Ａｌ，Ｃｕ，ＺｎおよびＳｉのうち少なくとも２つからなる合金またはマグネシウム合金の溶湯であってもよい。

図１０に示すように、本実施形態に係る連続鋳造システム１００は、鋳型７０と、金属溶湯撹拌装置１とを備えている。

鋳型７０は、入口側（図１０の右側）から液相状態の金属溶湯Ｍの供給を受け、冷却により固相状態の鋳造品Ｐを出口側（図１０の左側）から排出する。本実施形態の鋳型７０は円筒状である。円筒状の鋳型７０は、その中心軸が磁場装置２の中心軸ＣＬと同軸になるように配置される。なお、鋳造品がスラブの場合は角筒状の鋳型を用いる。

鋳型７０は、耐火材から構成される。グラファイトから構成される場合、グラファイトは材質的に柔らかいため、表面がより滑らかな鋳造品を得ることができる。

鋳型７０は、鋳型７０内に流れ込む溶湯Ｍを冷却するためのウォータジャケット（図示せず）を有している。ウォータジャケット内で冷却水を循環させ、この冷却水によって鋳型７０の外周を冷却する。これにより、溶湯Ｍは急激に冷却されることになる。ウォータジャケットは、公知の各種の構造のものを採用することが可能である。

金属溶湯撹拌装置１は、鋳型７０の少なくとも一部を囲繞するように設けられている。鋳型７０は、ケース３の内筒部３ｂに挿通されるように設けられる。

交流電源７の三相交流電流を磁場装置２に供給することで、鋳型７０内に移動磁界が発生する。この移動磁界により未凝固の溶湯に渦電流が発生し、溶湯の撹拌が行われる。

上記の連続鋳造システム１００によれば、金属溶湯撹拌装置１の磁場装置２が発生する強力な移動磁界により、鋳型７０内の溶湯Ｍがしっかりと撹拌される。その結果、高品質な鋳造品Ｐを得ることができる。

交流電源７から出力される交流電流の大きさや周波数を調整することで、撹拌力を調整することができる。

さらに、前述のように、磁場装置２の第１～第３の磁界発生部のヨークが中心軸ＣＬの方向に重複する長さＬを有しているため、中心軸ＣＬまわりに均一な撹拌力が発生して、鋳型７０内の金属溶湯Ｍに作用することになる。その結果、溶湯Ｍの撹拌を効果的に行うことができ、高品質な鋳造品を製造することができる。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１ 金属溶湯撹拌装置
２ 磁場装置
２１～２６ 環状鉄心
３１ａ～３３ａ，３１ｂ～３３ｂ ヨーク
３１ａ１～３３ａ１，３１ａ２～３３ａ２，３１ｂ１～３３ｂ１，３１ｂ２～３３ｂ２ 接続部
３１ａ３～３３ａ３，３１ｂ３～３３ｂ３ 連結部
３４ 突起部
４１ａ～４６ａ，４１ｂ～４６ｂ コイル
３ ケース
３ａ 外筒部
３ｂ 内筒部
３ｃ 底板
３ｄ 蓋板
４ 空気取入口
５ 空気排出口
６ 端子箱
６ａ 配線導入口
７ 交流電源
８ 取付台
７０ 鋳型
１００ 連続鋳造システム
ＣＬ 中心軸
Ｌ 長さ
Ｐ 鋳造品

Claims (15)

1. 金属溶湯を攪拌するための金属溶湯攪拌装置であって、
   第１～第３の磁界発生部を有する磁場装置を備え、
   前記第１～第３の磁界発生部の各々は、
   第１の環状鉄心と、
   前記第１の環状鉄心と中心軸が同軸であり、前記第１の環状鉄心から間隔をあけて配置された第２の環状鉄心と、
   前記第１の環状鉄心と前記第２の環状鉄心を連結する第１のヨークと、
   前記中心軸を挟んで前記第１のヨークに対向するように配置され、前記第１の環状鉄心と前記第２の環状鉄心を連結する第２のヨークと、
   前記第１の環状鉄心に巻回された第１のコイルと、
   前記第１のコイルの反対側に位置するように前記第１の環状鉄心に巻回された第２のコイルと、
   前記第２の環状鉄心に巻回された第３のコイルと、
   前記第３のコイルの反対側に位置するように前記第２の環状鉄心に巻回された第４のコイルと、を有し、
   前記第１のコイルおよび前記第２のコイルはいずれも、電流が流れたときに、前記第１のヨークおよび前記第２のヨークの一方のヨークに向かう第１の磁界を発生するように巻回されており、かつ、前記第３のコイルおよび前記第４のコイルはいずれも、電流が流れたときに、前記一方のヨークに向かう第２の磁界を発生するように巻回されており、
   前記第１～第３の磁界発生部は、各々の前記第１および第２のヨークが互いに間隔をあけて位置するように配置されていることを特徴とする金属溶湯撹拌装置。
2. 前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２の環状鉄心は、前記中心軸に沿う第１方向の厚みが前記第１方向に直交する第２方向の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の金属溶湯撹拌装置。
3. 前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２の環状鉄心は、鋳型の形状に応じた平面形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の金属溶湯撹拌装置。
4. 前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２の環状鉄心の平面形状は円形であることを特徴とする請求項３に記載の金属溶湯撹拌装置。
5. 前記第１～第３の磁界発生部は、前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２のヨークが前記中心軸まわりの円周上に等間隔で位置するように、配置されていることを特徴とする請求項４に記載の金属溶湯撹拌装置。
6. 前記第１の磁界発生部の前記第１の環状鉄心、前記第２の磁界発生部の前記第１の環状鉄心、前記第３の磁界発生部の前記第１の環状鉄心、前記第１の磁界発生部の前記第２の環状鉄心、前記第２の磁界発生部の前記第２の環状鉄心、前記第３の磁界発生部の前記第２の環状鉄心が、この順で前記中心軸の方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の金属溶湯撹拌装置。
7. 前記第１の磁界発生部の前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイルおよび前記第４のコイルは、直列接続され、第１の直列コイルを形成し、
   前記第２の磁界発生部の前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイルおよび前記第４のコイルは、直列接続され、第２の直列コイルを形成し、
   前記第３の磁界発生部の前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイルおよび前記第４のコイルは、直列接続され、第３の直列コイルを形成し、
   前記第１の直列コイル、前記第２の直列コイルおよび前記第３の直列コイルはスター結線されていることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の金属溶湯撹拌装置。
8. 前記第１の直列コイルにＲ相の電流を流し、前記第２の直列コイルにＳ相の電流を流し、前記第３の直列コイルにＴ相の電流を流す交流電源をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の金属溶湯撹拌装置。
9. 前記第１の磁界発生部の前記第１のヨークおよび前記第２のヨークと、前記第２の磁界発生部の前記第１のヨークおよび前記第２のヨークと、前記第３の磁界発生部の前記第１のヨークおよび前記第２のヨークは、各ヨークの前記中心軸への射影の一部が互いに重なるように配置されている請求項１～８のいずれかに記載の金属溶湯撹拌装置。
10. 前記磁場装置を収納するケースをさらに備え、
    前記ケースは、
    外筒部と、
    前記外筒部と同軸の内筒部と、
    前記外筒部と前記内筒部間の一方の側の隙間を閉塞する底板と、
    前記外筒部と前記内筒部間の他方の側の隙間を閉塞する蓋板と、を有し、
    前記磁場装置は、前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２の環状鉄心に前記内筒部が挿通されるように、前記ケース内に収納されることを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の金属溶湯撹拌装置。
11. 前記外筒部に、前記ケースの内部に空気を取り入れるための空気取入口と、前記ケース内の空気を外部に排出するための空気排出口が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の金属溶湯撹拌装置。
12. 前記空気取入口および前記空気排出口は、前記磁場装置を挟むように配設されていることを特徴とする請求項１１に記載の金属溶湯撹拌装置。
13. 前記空気取入口にはブロワーが接続され、前記磁場装置は強制空冷されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の金属溶湯撹拌装置。
14. 前記第１～第３の磁界発生部の前記第１および第２のヨークは、前記中心軸に向かって突出した突起部を有することを特徴とする請求項１～１３のいずれかに記載の金属溶湯撹拌装置。
15. 入口側から液相状態の金属溶湯の供給を受け、冷却により固相状態の鋳造品を出口側から排出する鋳型と、
    前記鋳型の少なくとも一部を囲繞するように設けられた、請求項１～１４のいずれかに記載の金属溶湯攪拌装置と、
    を備えることを特徴とする連続鋳造システム。

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