本発明の溶融金属の成分調製方法およびそ� ��装置の実施の形態の種々の例について説明� ��る。尚、各図において同一要素には同一符� ��を付して重複する説明を省略する。
 まず、本発明の実施形態の前提について説� ��する。銅及び希薄銅合金をベルト&ホイ� �ル式または双ベルト式の移動鋳型を用いて� �連続鋳造圧延する際の鋳型内面にはアセチ� �ンガスを不完全燃焼下で発生させた煤を繰� �返し吹き付け奪熱量の安定化及び鋳型への� �付けを防止しておおよそ800℃以上の高温鋳� �を鋳造し、熱間圧延機にて連続圧延を行っ� �いる。ここで、析出強化型の銅合金の連続� �造圧延においても溶体化状態を維持する上� �、鋳塊温度を高くすることが極めて重要で� �る。鋳塊温度が低い場合には誘導加熱装置� �用いて熱間圧延機の前または途中で昇温を� �みている。このことは、本発明者らが特願20 07-146226号等で既に提案済みである。

 図1及び図2は本発明が適用される溶解工程� �び連続鋳造圧延工程の一例を示すもので、� �ルト&ホイール式移動鋳型を用いた連続鋳 造装置の一例の概略図である(後続する熱間� �延機、焼入れ装置等は図示せず)。図1及び図 2に示すように、シャフト炉1において原料銅� ��1090~1150℃で溶解させ、純銅溶湯をシャフト� ��1から保持炉2へ出湯させた後、保持炉2内に� ��いて1100~1200℃で滞留させながら保持炉2内の 溶銅を、合流部(混合槽)4へ出湯させる。保持 炉2と合流部4との間に脱酸・脱水素ユニット3 を設けるのが好ましい。
 その後、合流部4にて、傾動式の添加元素用 溶解炉10(図1)又は加圧式の添加元素用溶解炉1 1(図2)から出湯した合金元素成分を含む高濃� �融体を純銅溶湯に添加して、所定の合金組� �となるように調整する。なお、添加元素用� �解炉は1基で所定量の合金を製造することが� ��きるが、より好ましくは2基以上設置し交互 に出湯することで大量の合金を製造すること ができる。

 合流部4からの合金溶湯は、フィルター5付� �の樋6を通って鋳造ポット7内に連続的に移送 され、そのポットの合金溶湯を不活性ガス又 は還元性ガスでシールされた状態で回転移動 鋳型であるベルト&ホイール鋳造機9へ鋳造 スパウト8から注湯し、凝固させる。この凝� �した鋳塊の温度をできるだけ低下させない� �態(好ましくは900℃以上、この鋳塊の温度の� ��限値には特に制限はないが、通常950℃以下� ��ある。)で、連続熱間圧延機(図示せず)で所� ��の銅合金材を製造することができる。この� ��合金材は、線材に限らず、条材、板材等の� ��意の形状とすることもできる。
 なお、上記脱酸処理は周知の方法、例えば� ��熱化した木炭と溶湯を接触させる方法で行� ��。この方法では、溶湯中の酸素は粒状木炭� ��反応して、炭酸ガスとなり、溶湯中を浮上� ��、放出される方法で行う。脱水素処理は周� ��の方法、例えば溶湯を非酸化ガス、不活性� ��ス又は還元ガスと接触させて行うことがで� ��る。脱水素は、脱酸処理後に行っても、脱� ��処理と同時に行ってもよい。

 縦型連続鋳造機並びにSCR等のベルト&ホ� �ール式及びContirodなど双ベルト式の移動鋳型 を有する連続鋳造機の鋳造能力と同等な溶解 能力を持つ溶解炉を備えることで中断するこ となく長時間の連続鋳造が可能となる。例え ば、SCRでは専ら15~50トン/時の鋳造能力を有し ており、これと同等な電気溶解炉を有するこ とは大変大きな設備投資が必要である。また 、全てを電気で溶解する場合には溶解原単位 も悪く、加工費増大やCO ₂ 排出増大などのデメリットが発生する。その ために、銅合金の溶銅を得る上で、屑リサイ クル分を除く銅分相当分をガス炉(反射炉、� �ャフト炉)で溶解することで溶解原単位の改� ��を図ることができる。

 また、添加元素については、専用の電気溶� ��炉である添加元素用溶解炉にて溶解を行い� ��高濃度融体を得る。高濃度融体を製造する� ��には、Ni、Co、Si、Sn等の添加元素又それを� �有する母合金を同時に溶解炉に添加する。� �1100℃以上に加熱すると急激な混合熱が生成� ��、局所的に1600℃以上にもなる。この熱を隣 接するSi等にも伝播して熱膨張により表面酸� ��膜が破壊されて容易に溶解が進んでいく。� ��のことから、Siの還元処理などが不要とな� �安価なSiが使用できる。また、この混合熱が 連鎖的に周辺のNiやSiの溶解に利用されるこ� �で大幅な省エネルギーで溶解が可能となる� �
 完全に溶解後に高濃度融体を出湯し、純銅� ��湯とブレンドすることで合金溶湯の製作を� ��うことができる。

 この高濃度融体を添加元素用溶解炉から� ��湯する際において、その出湯量の制御の精� ��向上のために、(1)その下流の合流部(混合槽 )までに三角堰又は四角堰のような堰を設け� �計測樋を設置し、その堰を乗り越えて融体� �流れていくようにし、樋内を通過する溶湯� �を利用する、(2)その高濃度融体と純銅溶湯� �が合流する合流部において、機械攪拌又は� �泡攪拌により攪拌動力を与えて均一化し、� �濃度融体と純銅溶湯が均一に混合した合金� �湯の比抵抗値を合金溶湯の構成元素の成分� �成の代用特性として利用する。この一方ま� �は両方の値を用いて高濃度融体の出湯量制� �へのフィードバックとする。

 出湯している計測樋12中の溶湯量はどのよ� �な手段で求めても良いが、例えば図3に示す� ��うなロードセル又は図4に示すような液面レ ベル計での計測値に基づいて知ることができ る。この溶湯量から日本工業規格(JIS)K0094の8� ��該当する方法等によって溶湯通過量を算出� ��る。傾動式添加元素用溶解炉の傾動角度と� ��こからの出湯量の関係はこれまでの操業実� ��から、予め把握することができる。また、� ��圧式添加元素用溶解炉への加圧ガス注入量� ��そこからの出湯量の関係はテスト操業によ� ��、予め把握することができる。
 また、合金溶湯の電気抵抗については、事� ��に各種の成分比率に調整された高濃度融体� ��純銅溶湯に添加し、比抵抗を求めることで� ��合金溶湯の比抵抗値で銅合金の成分組成の� ��握ができる。合金溶湯はNi、CoやSiを含有す� ��ことから、これらの成分組成と比抵抗値と� ��関係は直線性が強いからである。

 図3に示すように、制御機構を介して計測 樋12に付設したロードセルと傾動式の添加元� ��用溶解炉10の傾動角度変更機構と接続し、� �ィードバック制御によりロードセルで得ら� �る値で傾動角度(θ)を変更し、添加元素用溶� ��炉からの出湯量を制御する。あるいは、前� ��と同様に、図4に示すように、制御機構を介 して計測樋12に付設した液面レベル計と加圧� ��の添加元素用溶解炉11の加圧ガス注入量変� �機構と接続し、フィードバック制御により� �面レベル計で得られる値でガス注入量を変� �し、添加元素用溶解炉からの出湯量を制御� �ることもできる。なお、構造物が増える為� �、好ましくは無いが添加元素用溶解炉から� �湯された高濃度融体をトリベ等に溜め、ニ� �ドル・バルブやスライディング・ゲートな� �で流量制御を施すことも問題ない。

 また、図3、図4に示すように、制御機構を� �して合流部(混合層)に付設した比抵抗を測定 する手段として電気抵抗検出用の測定器13と� ��動式の添加元素用溶解炉10の傾動角度変更� �構又は加圧式の添加元素用溶解炉11の加圧ガ ス注入量変更機構と接続し、フィードバック 制御により抵抗値で傾動角度(θ)又はガス注� �量を変更し、高濃度溶解炉からの出湯量を� �御することもできる。
 なお、電気抵抗検出用の測定器13を合流部(� ��合層)4に付設するのに代えて、図5、図6に示 すように合金溶湯の流動する樋6に付設して� �同様に抵抗値をフィードバックし、添加元� �用溶解炉からの出湯量を制御しても良い。
 さらに、計測樋12中の溶湯量に基づくフィ� �ドバック制御と電気抵抗値に基づくフィー� �バック制御とを併用して高濃度溶解炉から� �出湯量を制御することもできる。

 フィードバック制御機構は、傾動式の添� ��元素用溶解炉10の傾動サイクル時間内に計� �樋12で測定される重量若しくは体積から通過 重量を測定・積算する。この重量が所定重量 と乖離する場合には、次回の炉傾動量を増加 若しくは減少すべく炉の傾動装置の稼動量を 変更する。なお、ここで炉の傾動を制御する ための関係式は、炉傾動角度と高濃度融体の 出湯量の関係を予め数学的に算出して求めて おく。次に、傾動サイクル時間の2倍以上の� �間に測定器13で検出された電気抵抗から成分 を算出したものを平均化し、その値が目標値 と乖離する場合には、次回の炉傾動量を増加 若しくは減少すべく炉の傾動装置の稼動量を 変更する。

 銅合金製造の銅溶湯移送経路で、合金成� ��となる固体若しくは液体元素またはその母� ��金を添加し、合金を連続的に製造する工程� ��おいて、純銅溶湯および合金溶湯の比抵抗� ��連続的に測定する手段を設け測定する。そ� ��て、予め把握している各成分の比抵抗と成� ��量との関係を用いてその合金溶湯中の成分� ��成を簡単な演算器で算出する。なお、純銅� ��湯の比抵抗値は、例えばブランクテスト(対 照試験)に用いるものである。この結果に基� �いて、添加元素の添加量、添加元素の種類� �たは銅溶湯量を先に述べたような制御手段� �変更し、合金組成を補正し、所定の合金組� �とするフィードバック制御を行うものであ� �。

 また、溶湯中に分散する介在物(特に酸化物 )で、特にこの介在物が導電性を有する(例え� ��SnO ₂ など)場合において、酸化物量によっても比� �抗が変化することが図7に示すように我々の� ��験から確認された。そのために、比抵抗測� ��を行う部位で溶湯中の温度および/または酸 素濃度を例えば、熱電対やジルコニアを用い た濃淡電池形ジルコニア式酸素分析計で同時 に測定し、その温度および/または溶存酸素� �と比抵抗結果から溶湯中の成分量を算出す� �ことで、更に測定精度の向上を図ることが� �きる。そのために、例えばSn含有タフピッチ 銅においては補正式(1)からSn濃度の算出がで� ��る。なお、各合金元素によって式(1)は変化� ��る。

 更に、室温ベースでの銅合金の導電率の� ��性管理が必要な場合には、式(1)から得られ� ��Sn濃度並びに酸素濃度から一般的に式(2)よ� �推定することができる。

 縦型連続鋳造機やSCR、Contirodなどの移動鋳� �を有する連続鋳造機にて銅合金を生産する� �に、電気抵抗測定器を用いて合金溶湯や純� �溶湯の比抵抗を連続的に測定し、その結果� �基づいて合金成分の種類、組成の制御を行� �ことで全長にわたって成分の安定した鋳塊� �製造する。また、この環境下で多品種少量� �鋳塊を連続的に製造する際に、同様にセン� �ーを用いて所定成分に到達した部位を明確� �把握できることから、過剰な不良切断等を� �くすことが出来るために、この品種切替え� �ス(炉洗いを含む)を最少化できる。
 具体的には、溶融金属の移送工程中に添加� ��属の主成分である単体金属(Sn、Cr、Znなど)� �母合金(15%Si-Cu、50%Mg-Cu、50%Ti-Cuなど)を固体(� �材若しくは加熱材)若しくは液体で添加した� ��流側の小さな湯溜りに測定器を設置し、そ� ��合金溶湯の比抵抗の測定を行う。測定原理� ��しては四端子法が最も簡便で尚且つ精度良� ��測定ができるが、渦電流方式などの他の検� ��方法でもなんら問題は無い。

 その代表的な測定器およびその設置概略を� ��5および図6に例示す。
 図5では、測定器13のうち検出部13aの構造が� ��端閉となっている円筒状のものである。こ� ��場合、検出部13a内に絶えず新しい溶融金属� ��入る必要があるため、検出部13a内において� ��圧(検出部13a内の液面下降)・排気(検出部13a� ��の液面上昇)を繰り返すようにして、検出部 13a内の溶融金属の入れ替えを可能にしている 。なお、図5の構成では、溶融金属の静水圧� �よって減圧することなく検出部13a内に新し� �溶融金属が流入することで、構造的には簡� �なものとなっている。
 図6では、溶融金属の流れの経路自体(たと� �ば樋6の一部)を測定器13にしたもので、この� ��合には加圧機構も不要となる。なお、図6の 14は、測定器13の構造物であり、アルミナの� �うに絶縁性に優れる耐火材であるが、必ず� �も焼成品(アルミナ管・石英管等)である必要 はない。
 また、主成分の一部が酸化、炭化等により� ��在物を生成するものがあるが、これらの介� ��物は一般的には絶縁体であるが、一部のも� ��は導電体であるものがある。例えば酸素を1 00~500ppm含有するSn入り銅合金の場合には、多� ��のSnがSnO ₂ を形成していることは周知の事実であるが、 このSnO ₂ の融点が1126℃であることから、この温度以� �であれば固体酸化物を形成し、この温度以� �であれば液体酸化物を形成する。銅の比抵� �の温度係数以上のこの酸化物の形態並びに� �の含有量が比抵抗に大きく影響する(図7参照 )ことから、比抵抗を測定する際に温度及び� �素含有を同時に測定し、これらの結果をも� �慮して式(1)から溶銅成分を測定する。また� �荒引線等の性能はこれらの結果をも考慮し� �式(2)から算出するものである。

 なお、溶湯の比抵抗を測定するに当たって� ��測定器と添加元素の添加部位が著しく近接� ��る場合には、(1)2種類の溶湯を混合し測定さ れる比抵抗値が溶湯全体の値を表すことと、 (2)例えばコルソン合金の場合は、酸素との親 和力の強いSiなどが純銅溶湯中の酸素と結合� ��て酸化膜を形成するが、これを破壊するこ� ��を目的として攪拌し成分の均一化が必要と� ��る。
 このために、ガスバブリングを行なうが、3 0W/m ³ 以上の攪拌エネルギーが必要であり、より好 ましくは100W/m ³ 以上が良く、多くても400W/m ³ 程度までである。ここで言うガスバブリング による攪拌エネルギー(ε:W/m ³ )は、「森、佐野ら、『鉄と鋼』、Vol.67(1981)P. 672-695」にて報告されている下記の式(3)から� �出した。

 また、機械攪拌では、20W/m ³ 以上の攪拌エネルギーεが必要であり、より� ��ましくは100W/m ³ 以上が良く、多くても400W/m ³ 程度までである。ここでの攪拌エネルギーは 下記の式(4)から算出した。

 攪拌エネルギーと得られる鋳塊のNi分析� �の偏差との関係を図8に示した。

 また、溶湯中の電気抵抗は直流電流また� ��パルス電流を用いた図5、図6に示すような4� ��子法で測定することが望ましいが、渦電流� ��用いても良い。ここで電流の経路断面は、� ��ルミニウムとは異なり高温であり電流印加� ��端子並びに電圧測定用端子及びその絶縁物� ��どの設置を考慮すると直径8mm以上が好まし� ��、より好ましくは直径11mm以上の円であると 安定して長時間測定することが可能となる。 この経路断面積の直径の上限値には特に制限 はないが、通常20mm以下である。また、NiやSi� ��含有されていることから、これらの成分と� ��気抵抗とは直線性が強く、十分に電気抵抗� ��からNiやSi等の添加量にフィードバックでき ることが判明した。

 この発明によりシャフト炉で純銅溶銅を� ��解し、その溶銅の移送工程において連続的� ��しくは間歇的に高濃度の添加成分含有融体( Sn入り銅の場合はSnを含有、コルソン合金の� �合はNi、Si等を含有)を添加することで、大量 に安価に簡便にSn入り銅合金溶湯やコルソン� ��金溶湯を安定的に製造することができる。� ��た、Siなどの使用原料についても大きな制� �を設ける必要が無く安価な原料の使用が可� �で、混合熱で溶解原単位を低減でき、溶銅� �送工程における炉洗い等が極めて少なくて� �み、品種変更などが容易であることから、� �コストで所定の成分組成を有する銅合金を� �定的に供給できる。また、溶解設備の小型� �などの設備投資も少なくて済むようになる� �

 本発明によれば、連続鋳造機(縦型連続鋳造 、ベルト&ホイール、双ベルト連続鋳造な� ��)でコルソン合金等の銅合金を製造する際に 、全長に渡って極めて安定な成分組成を有す る鋳塊を製造することができる。
 また、連続的に目標成分の変更を行っても� ��合金成分の添加量の調整を図ることで、切� ��替えロス(炉洗い)の軽減を図ることができ� �品種変更が容易である。
 さらに、大型炉でバッチ溶解する場合や横� ��連続鋳造機で製造する場合においても、例� ��ばZrのように酸素との親和力の強い元素を� �する場合には経時的に徐々に酸化により減� �していくが、本発明を適応して経時的なロ� �を把握しながら、Zrの微量添加(例えばワイ� �フィーダ方式)を調整できることで、同様な� ��果を得ることができる。