(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯を保持する保持炉と、
前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面上に設置され、かつ、前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、を備えた引上式連続鋳造装置であって、
前記形状規定部材の上面には、模様が付与されており、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯、及び、前記溶湯が凝固して形成された前記鋳物、のそれぞれに反射して映る前記模様の画像を撮影する撮像部と、
前記画像から凝固界面を決定する画像解析部と、
前記画像解析部によって決定された前記凝固界面が所定の基準範囲内にない場合、鋳造条件を変更する鋳造制御部と、を備えた引上式連続鋳造装置。
【請求項２】
前記撮像部が前記溶湯及び前記鋳物のそれぞれに反射して映る前記模様を捉えられるような位置に、前記撮像部及び前記模様が配置及び付与される、請求項１に記載の引上式連続鋳造装置。
【請求項３】
前記模様は、複数の色により構成されている、請求項１又は２に記載の引上式連続鋳造装置。
【請求項４】
前記模様は、前記形状規定部材の上面に付与された凹凸形状により構成される、請求項１〜３の何れか一項に記載の引上式連続鋳造装置。
【請求項５】
前記模様は、縞状又はメッシュ状に構成されている、請求項１〜４の何れか一項に記載の引上式連続鋳造装置。
【請求項６】
前記鋳造条件は、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却するための冷却ガスの流量、
前記鋳物の引上速度、
前記保持炉の設定温度、のいずれかである、請求項１〜５の何れか一項に記載の引上式連続鋳造装置。
【請求項７】
前記形状規定部材は、複数に分割され、前記断面形状を変更可能であり、
前記画像解析部は、前記画像から前記鋳物の寸法を検出し、
前記鋳造制御部は、前記寸法が寸法公差内にない場合、前記形状規定部材が規定する前記断面形状を変更する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の引上式連続鋳造装置。
【請求項８】
保持炉に保持された溶湯の湯面上に、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を設置するステップと、
前記形状規定部材を通過させながら前記溶湯を引き上げるステップと、を備えた引上式連続鋳造方法であって、
前記形状規定部材の上面には、模様が付与されており、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯、及び、前記溶湯が凝固して形成された前記鋳物、のそれぞれに反射して映る前記模様の画像を撮影するステップと、
前記画像から凝固界面を決定するステップと、
決定された前記凝固界面が所定の基準範囲内にない場合、鋳造条件を変更するステップと、を備えた引上式連続鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、鋳型を要しない画期的な引上式連続鋳造方法として、自由鋳造方法が提案されている。特許文献１に示したように、溶融金属（溶湯）の表面（すなわち湯面）にスタータを浸漬させた後、当該スタータを引き上げると、溶湯の表面膜や表面張力によりスタータに追従して溶湯も導出される。ここで、湯面近傍に設置された形状規定部材を介して、溶湯を導出し、冷却することにより、所望の断面形状を有する鋳物を連続鋳造することができる。
【０００３】
通常の連続鋳造方法では、鋳型によって断面形状とともに長手方向の形状も規定される。とりわけ、連続鋳造方法では、鋳型内を凝固した金属（すなわち鋳物）が通り抜ける必要があるため、鋳造された鋳物は長手方向に直線状に延びた形状となる。
これに対し、自由鋳造方法における形状規定部材は、鋳物の断面形状のみを規定し、長手方向の形状は規定しない。そのため、スタータ（もしくは形状規定部材）を水平方向に移動させながらスタータを引き上げることにより、長手方向の形状が様々な鋳物が得られる。例えば、特許文献１には、長手方向に直線状でなく、ジグザグ状あるいは螺旋状に形成された中空鋳物（すなわちパイプ）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−６１５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者は以下の課題を見出した。
特許文献１に記載の自由鋳造方法では、形状規定部材を介して引き上げられた溶湯を冷却ガスによって冷却しているため、凝固界面は形状規定部材よりも上側に位置する。この凝固界面の位置は、鋳物の寸法精度や表面品質に直接影響を及ぼす。そのため、凝固界面を検出し、これを所定の基準範囲内に制御することが重要となる。
【０００６】
ここで、発明者は、引き上げられた溶湯の表面が揺動し（より具体的には、短い変動周期で大きく変動し）、当該溶湯が凝固して形成された鋳物の表面がほとんど揺動しない（より具体的には、長い変動周期で小さく変動する）ことから、揺動の有無に基づいて凝固界面を決定することができることを見い出した。しかしながら、凝固界面の位置が低い場合、引上げられた溶湯の揺動が小さくなって当該揺動を検出しづらくなるため、揺動の有無に基づいて凝固界面を決定することが困難になる。その結果、凝固界面の位置が低い場合、凝固界面を適切な基準範囲内に制御することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記を鑑みなされたものであって、凝固界面が低い場合にも凝固界面を適切な基準範囲内に制御することができ、鋳物の寸法精度や表面品質に優れる引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る引上式連続鋳造装置は、
溶湯を保持する保持炉と、
前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面上に設置され、かつ、前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、を備えた引上式連続鋳造装置であって、
前記形状規定部材の上面には、模様が付与されており、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯、及び、前記溶湯が凝固して形成された前記鋳物、のそれぞれに反射して映る前記模様の画像を撮影する撮像部と、
前記画像から凝固界面を決定する画像解析部と、
前記画像解析部によって決定された前記凝固界面が所定の基準範囲内にない場合、鋳造条件を変更する鋳造制御部と、を備えるものである。
本発明の一態様に係る引上式連続鋳造装置では、形状規定部材の上面に付された模様が、形状規定部材を通過した溶湯に反射して映るため、溶湯がわずかに揺動しただけで溶湯表面の輝度が大きく変化する。そのため、凝固界面が低くて溶湯の揺動が小さい場合でも、凝固界面を決定することができる。その結果、凝固界面が低い場合にも凝固界面を適切な基準範囲内に制御することができる。
【０００９】
本発明の一態様に係る引上式連続鋳造方法は、
保持炉に保持された溶湯の湯面上に、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を設置するステップと、
前記形状規定部材を通過させながら前記溶湯を引き上げるステップと、を備えた引上式連続鋳造方法であって、
前記形状規定部材の上面には、模様が付与されており、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯、及び、前記溶湯が凝固して形成された前記鋳物、のそれぞれに反射して映る前記模様の画像を撮影するステップと、
前記画像から凝固界面を決定するステップと、
決定された前記凝固界面が所定の基準範囲内にない場合、鋳造条件を変更するステップと、を備えるものである。
本発明の一態様に係る引上式連続鋳造方法は、形状規定部材の上面に付された模様を、形状規定部材を通過した溶湯に反射させて映すため、溶湯がわずかに揺動しただけで溶湯表面の輝度が大きく変化する。そのため、凝固界面が低くて溶湯の揺動が小さい場合でも、凝固界面を決定することができる。その結果、凝固界面が低い場合にも凝固界面を適切な基準範囲内に制御することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、凝固界面が低い場合にも凝固界面を適切な基準範囲内に制御することができ、鋳物の寸法精度や表面品質に優れる引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る自由鋳造装置の模式的断面図である。
【図２】実施の形態１に係る形状規定部材１０２の平面図である。
【図３】実施の形態１に係る自由鋳造装置が備える凝固界面制御システムのブロック図である。
【図４】凝固界面近傍の３つの画像例である。
【図５】実施の形態１に係る凝固界面制御方法について説明するためのフローチャートである。
【図６】実施の形態１に係る形状規定部材１０２の変形例を示す平面図である。
【図７】実施の形態１に係る形状規定部材１０２の変形例を示す平面図である。
【図８】実施の形態１に係る形状規定部材１０２の変形例を示す側面図である。
【図９】実験に用いられた形状規定部材１０２を示す画像である。
【図１０】形状規定部材１０２の上面に模様Ｐが付されていない場合、及び、模様Ｐが付された場合、のそれぞれの凝固界面近傍の画像例である。
【図１１】実験方法を説明するための図である。
【図１２】凝固界面の位置と界面検知率との関係を示す図である。
【図１３】実施の形態２に係る形状規定部材２０２の平面図である。
【図１４】実施の形態２に係る形状規定部材２０２の側面図である。
【図１５】実施の形態２に係る凝固界面制御方法について説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１３】
＜実施の形態１＞
まず、図１を参照して、実施の形態１に係る自由鋳造装置（引上式連続鋳造装置）について説明する。図１は、実施の形態１に係る自由鋳造装置の模式的断面図である。図１に示すように、実施の形態１に係る自由鋳造装置は、溶湯保持炉１０１、形状規定部材１０２、支持ロッド１０４、アクチュエータ１０５、冷却ガスノズル１０６、冷却ガス供給部１０７、引上機１０８、及び、撮像部（カメラ）１０９を備えている。
なお、図１には、構成要素の位置関係を説明するために便宜的に右手系ｘｙｚ座標が示されている。図１におけるｘｙ平面は水平面を構成し、ｚ軸方向が鉛直方向である。より具体的には、ｚ軸のプラス方向が鉛直上向きとなる。
【００１４】
溶湯保持炉１０１は、例えばアルミニウムやその合金などの溶湯Ｍ１を収容し、溶湯Ｍ１が流動性を有する所定の温度に保持する。図１の例では、鋳造中に溶湯保持炉１０１へ溶湯を補充しないため、鋳造の進行とともに溶湯Ｍ１の表面（つまり湯面）は低下する。他方、鋳造中に溶湯保持炉１０１へ溶湯を随時補充し、湯面を一定に保持するような構成としてもよい。ここで、溶湯保持炉１０１の設定温度を上げると凝固界面ＳＩＦの位置を上げることができ、溶湯保持炉１０１の設定温度を下げると凝固界面ＳＩＦの位置を下げることができる。なお、当然のことながら、溶湯Ｍ１は他のアルミニウム以外の金属や合金であってもよい。
【００１５】
形状規定部材１０２は、例えばセラミックスやステンレスなどからなり、溶湯Ｍ１上に配置されている。形状規定部材１０２は、鋳造する鋳物Ｍ３の断面形状を規定する。図１に示した鋳物Ｍ３は、水平方向の断面（以下、横断面と称す）の形状が矩形状の中実鋳物（板材）である。なお、当然のことながら、鋳物Ｍ３の断面形状は特に限定されない。鋳物Ｍ３は、丸パイプや角パイプなどの中空鋳物でもよい。
【００１６】
図１の例では、形状規定部材１０２の下側の主面（下面）が湯面に接触するように配置されている。そのため、溶湯Ｍ１の表面に形成される酸化膜や溶湯Ｍ１の表面に浮遊する異物の鋳物Ｍ３への混入を防止することができる。
一方、形状規定部材１０２の下面を湯面から所定の距離だけ離間して配置してもよい。形状規定部材１０２を湯面から離間して配置した場合、形状規定部材１０２の熱変形や溶損が抑制され、形状規定部材１０２の耐久性が向上する。
【００１７】
図２は、実施の形態１に係る形状規定部材１０２の平面図である。ここで、図１の形状規定部材１０２の断面図は、図２のＩ−Ｉ断面図に相当する。図２に示すように、形状規定部材１０２は、例えば矩形状の平面形状を有し、中央部に溶湯が通過するための厚さｔ１×幅ｗ１の矩形状の開口部（溶湯通過部１０３）を有している。なお、図２におけるｘｙｚ座標は、図１と一致している。
【００１８】
さらに、形状規定部材１０２の上面（上側の表面）には、模様Ｐが付与されている。具体的には、形状規定部材１０２の上面には、複数の色（ここでは黒色及び白色）により構成された縞状の模様Ｐが付与されている。なお、模様Ｐは、各色が画像解析部１１０により識別できる程度の細かさ（密度）となるように、付与されることが好ましい。模様Ｐは、例えば、耐熱性を有するインクを形状規定部材１０２の上面に塗布することで付与される。模様Ｐの具体的効果については、後述する。
【００１９】
図１に示すように、溶湯Ｍ１は、浸漬されたスタータＳＴと結合した後、その表面膜や表面張力により外形を維持したままスタータＳＴに追従して引き上げられ、形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３を通過する。溶湯Ｍ１が形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３を通過することにより、溶湯Ｍ１に対し形状規定部材１０２から外力が印加され、鋳物Ｍ３の断面形状が規定される。ここで、溶湯Ｍ１の表面膜や表面張力によってスタータＳＴ（又は、スタータＳＴに追従して引き上げられた溶湯Ｍ１が凝固して形成された鋳物Ｍ３）に追従して湯面から引き上げられた溶湯を保持溶湯Ｍ２と呼ぶ。また、鋳物Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との境界が凝固界面ＳＩＦである。
【００２０】
支持ロッド１０４は、形状規定部材１０２を支持する。
アクチュエータ１０５には、支持ロッド１０４が連結されている。アクチュエータ１０５によって、支持ロッド１０４を介して形状規定部材１０２が上下方向（鉛直方向；ｚ軸方向）に移動可能となっている。このような構成により、鋳造の進行による湯面の低下とともに、形状規定部材１０２を下方向に移動させることができる。
【００２１】
冷却ガスノズル（冷却部）１０６は、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガス（例えば空気、窒素、アルゴンなど）を鋳物Ｍ３に吹き付け、冷却する冷却手段である。冷却ガスの流量を増やすと凝固界面ＳＩＦの位置を下げることができ、冷却ガスの流量を減らすと凝固界面ＳＩＦの位置を上げることができる。なお、冷却ガスノズル１０６も、上下方向（鉛直方向；ｚ軸方向）及び水平方向（ｘ軸方向及びｙ軸方向）に移動可能となっている。そのため、例えば、鋳造の進行による湯面の低下とともに、形状規定部材１０２の移動に合わせて、下方向に移動することができる。あるいは、引上機１０８の水平方向の移動に合わせて、水平方向に移動することができる。
【００２２】
スタータＳＴに連結された引上機１０８により鋳物Ｍ３を引き上げつつ、冷却ガスによりスタータＳＴや鋳物Ｍ３を冷却することにより、凝固界面ＳＩＦ近傍の保持溶湯Ｍ２が上側（ｚ軸方向プラス側）から下側（ｚ軸方向マイナス側）へ順次凝固し、鋳物Ｍ３が形成されていく。引上機１０８による引上速度を速くすると凝固界面ＳＩＦの位置を上げることができ、引上速度を遅くすると凝固界面ＳＩＦの位置を下げることができる。また、引上機１０８を水平方向（ｘ軸方向やｙ軸方向）に移動させながら引き上げることにより、保持溶湯Ｍ２を斜め方向に導出することができる。そのため、鋳物Ｍ３の長手方向の形状を自由に変化させることができる。なお、引上機１０８を水平方向に移動させる代わりに、形状規定部材１０２を水平方向に移動させることにより、鋳物Ｍ３の長手方向の形状を自由に変化させてもよい。
【００２３】
撮像部１０９は、鋳造している間、鋳物Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との境界である凝固界面ＳＩＦ近傍を継続的に監視する。ここで、撮像部１０９は、保持溶湯Ｍ２及び鋳物Ｍ３のそれぞれの表面（より好ましくは、画像解析に用いられる全範囲）に反射して映る模様Ｐを捉えられるような位置及び角度に配置される。また、これを満たすような位置及び範囲に模様Ｐが付与される。それにより、撮像部１０９は、保持溶湯Ｍ２及び鋳物Ｍ３のそれぞれの表面だけでなく、それぞれの表面に反射して映る模様Ｐの画像を連続的に撮影する。図１の例では、撮像部１０９は、凝固界面ＳＩＦよりも上方から当該凝固界面ＳＩＦを斜め下向きに見下ろすようにして配置されている。なお、撮像部１０９は、凝固界面ＳＩＦの位置が変化することが予めわかっている場合には、その変化に応じて移動する構成であってもよい。詳細については後述するように、撮像部１０９によって撮影された画像から凝固界面ＳＩＦを決定することができる。
【００２４】
次に、図３を参照して、実施の形態１に係る自由鋳造装置が備える凝固界面制御システムについて説明する。図３は、実施の形態１に係る自由鋳造装置が備える凝固界面制御システムのブロック図である。当該凝固界面制御システムは、凝固界面ＳＩＦの位置（高さ）を所定の基準範囲内に保持するためのものである。
【００２５】
図３に示すように、この凝固界面制御システムは、撮像部１０９、画像解析部１１０、鋳造制御部１１１、引上機１０８、溶湯保持炉１０１、冷却ガス供給部１０７を備えている。ここで、撮像部１０９、引上機１０８、溶湯保持炉１０１、冷却ガス供給部１０７については、図１を参照して説明したため、詳細な説明については省略する。
【００２６】
画像解析部１１０は、撮像部１０９によって撮影された画像から凝固界面を決定する。具体的には、画像解析部１１０は、連続的に撮影された複数の画像を比較して、反射光の輝度値が短い変動周期で大きく変化する箇所を、保持溶湯Ｍ２の表面の揺動として検出する。他方、反射光の輝度値が長い変動周期で小さく変化する箇所、つまり、揺動がほとんど生じない箇所を、鋳物Ｍ３の表面と判定する。それにより、画像解析部１１０は、搖動の有無（より詳細には、揺動の変動周期及び変動幅）に基づいて、凝固界面を決定することができる。
【００２７】
ここで、上記したように、形状規定部材１０２の上面には模様Ｐが付されている。この模様Ｐが保持溶湯Ｍ２に反射して映るため、保持溶湯Ｍ２がわずかに揺動しただけでその表面の輝度が大きく変化する。そのため、凝固界面が低くて溶湯の揺動が小さい場合でも、凝固界面を決定することができる。
【００２８】
図４を参照して、より具体的に説明する。図４は、凝固界面近傍の３つの画像例である。図４の上から順に、凝固界面の位置が上限を超えた場合の画像例、凝固界面の位置が基準範囲内の場合の画像例、凝固界面の位置が下限未満の場合の画像例を示している。図４中央の画像例に示すように、画像解析部１１０は、例えば、撮像部１０９によって撮影された画像において、搖動が検出された領域（すなわち溶湯）と、揺動が小さくて検出されない領域（すなわち鋳物）と、の境界部を凝固界面と決定する。
【００２９】
鋳造制御部１１１は、凝固界面位置の基準範囲（上限及び下限）を記憶する記憶部（不図示）を備えている。そして、画像解析部１１０が決定した凝固界面が上限を超えている場合、鋳造制御部１１１は、引上機１０８の引上速度を遅くするか、溶湯保持炉１０１の設定温度を下げるか、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガスの流量を増やす。一方、画像解析部１１０が決定した凝固界面が下限未満である場合、鋳造制御部１１１は、引上機１０８の引上速度を速くするか、溶湯保持炉１０１の設定温度を上げるか、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガスの流量を減らす。これら３つの条件の制御は、２つ以上の条件を同時に変更してもよいが、１つの条件のみを変更する方が、制御が容易となり好ましい。また、３つの条件の優先順位を予め定めておき、優先順位の高いものから順に変更してもよい。
【００３０】
図４を参照して、凝固界面位置の上限及び下限について説明する。図４上の画像例に示すように、凝固界面の位置が上限を超えた場合、保持溶湯Ｍ２に「くびれ」が発生し、「ちぎれ」に発展する。凝固界面位置の上限は、凝固界面の高さを変化させ、保持溶湯Ｍ２に「くびれ」が発生するか否かを事前に調査することにより決定することができる。
【００３１】
一方、図４下の画像例に示すように、凝固界面の位置が下限未満の場合、鋳物Ｍ３の表面に凹凸が発生し、形状不良となる。凝固界面位置の下限は、凝固界面の高さを変化させ、鋳物Ｍ３の表面に凹凸が発生するか否かを事前に調査することにより決定することができる。なお、この凹凸は凝固界面が低過ぎるために形状規定部材１０２の内部で形成された凝固片であると考えられる。
【００３２】
このように、実施の形態１に係る自由鋳造装置は、形状規定部材１０２の上面に模様Ｐが付与されており、凝固界面近傍に反射して映る模様Ｐの画像を撮影する撮像部と、その画像から凝固界面を決定する画像解析部と、を備える。この模様Ｐが保持溶湯Ｍ２に反射して映るため、保持溶湯Ｍ２がわずかに揺動しただけでその表面の輝度が大きく変化する。そのため、凝固界面が低くて溶湯の揺動が小さい場合でも、凝固界面を決定することができる。その結果、凝固界面が低い場合でも、凝固界面を所定の基準範囲内に維持するためのフィードバック制御を行うことができ、鋳物の寸法精度、表面品質を向上させることができる。
【００３３】
続いて、図１を参照して、実施の形態１に係る自由鋳造方法について説明する。
【００３４】
まず、引上機１０８によりスタータＳＴを降下させ、形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３を通して、スタータＳＴの先端部を溶湯Ｍ１に浸漬させる。
【００３５】
次に、所定の速度でスタータＳＴの引き上げを開始する。ここで、スタータＳＴが湯面から離間しても、溶湯Ｍ１は、表面膜や表面張力によってスタータＳＴに追従して湯面から引き上げられ（導出され）保持溶湯Ｍ２を形成する。図１に示すように、保持溶湯Ｍ２は、形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３に形成される。つまり、形状規定部材１０２により、保持溶湯Ｍ２に形状が付与される。
【００３６】
次に、スタータＳＴ（又は、保持溶湯Ｍ２が凝固して形成された鋳物Ｍ３）は、冷却ガスノズル１０６から吹き出される冷却ガスにより冷却される。それにより、保持溶湯Ｍ２が間接的に冷却されて上側から下側に向かって順に凝固し、鋳物Ｍ３が成長していく。このようにして、鋳物Ｍ３を連続鋳造することができる。
【００３７】
実施の形態１に係る自由鋳造方法では、凝固界面を所定の基準範囲に保持するように制御している。以下に、図５を参照して、凝固界面制御方法について説明する。図５は、実施の形態１に係る凝固界面制御方法について説明するためのフローチャートである。
【００３８】
まず、撮像部１０９により、凝固界面近傍の画像を撮影する（ステップＳＴ１）。
次に、画像解析部１１０は、撮像部１０９によって撮影された画像を解析する（ステップＳＴ２）。具体的には、連続的に撮影された複数の画像を比較することにより、反射光の輝度値が短い変動周期で大きく変化する箇所を、保持溶湯Ｍ２の表面の揺動として検出し、揺動がほとんど生じない箇所を、鋳物Ｍ３の表面と判定する。そして、画像解析部１１０は、撮像部１０９によって撮影された画像において、搖動が検出された領域と、揺動が小さくて検出されない領域と、の境界部を凝固界面と決定する。
【００３９】
ここで、形状規定部材１０２の上面には模様Ｐが付されている。この模様Ｐが保持溶湯Ｍ２に反射して映るため、保持溶湯Ｍ２がわずかに揺動しただけでその表面の輝度が大きく変化する。そのため、凝固界面が低くて溶湯の揺動が小さい場合でも、凝固界面を決定することができる。
【００４０】
次に、鋳造制御部１１１は、画像解析部１１０が決定した凝固界面の位置が基準範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳＴ３）。凝固界面の位置が基準範囲内にない場合（ステップＳＴ３ＮＯ）、鋳造制御部１１１は、冷却ガス流量、鋳造速度、保持炉設定温度のうちのいずれかの条件を変更する（ステップＳＴ４）。その後、鋳造制御部１１１は、鋳造が完了したか否かを判断する（ステップＳＴ５）
【００４１】
具体的にステップＳＴ４では、画像解析部１１０が決定した凝固界面が上限を超えている場合、鋳造制御部１１１は、引上機１０８の引上速度を遅くするか、溶湯保持炉１０１の設定温度を下げるか、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガスの流量を増やす。一方、画像解析部１１０が決定した凝固界面が下限未満である場合、鋳造制御部１１１は、引上機１０８の引上速度を速くするか、溶湯保持炉１０１の設定温度を上げるか、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガスの流量を減らす。
【００４２】
凝固界面の位置が基準範囲内にある場合（ステップＳＴ３ＹＥＳ）、鋳造条件を変更することなく、そのままステップＳＴ５へ進む。
【００４３】
鋳造が完了していなければ（ステップＳＴ５ＮＯ）、ステップＳＴ１に戻る。一方、鋳造が完了していれば（ステップＳＴ５ＹＥＳ）、凝固界面の制御を終了する。
【００４４】
このように、実施の形態１に係る自由鋳造方法では、形状規定部材１０２の上面に模様Ｐが付与されおり、凝固界面近傍に反射して映る模様Ｐの画像を撮影し、その画像から凝固界面を決定する。この模様Ｐが保持溶湯Ｍ２に反射して映るため、保持溶湯Ｍ２がわずかに揺動しただけでその表面の輝度が大きく変化する。そのため、凝固界面が低くて溶湯の揺動が小さい場合でも、凝固界面を決定することができる。その結果、凝固界面が低い場合でも、凝固界面を所定の基準範囲内に維持するためのフィードバック制御を行うことができ、鋳物の寸法精度、表面品質を向上させることができる。
【００４５】
本実施の形態では、模様Ｐが黒色及び白色により構成された場合について説明したがこれに限られない。模様Ｐは、２色以上の任意の色により構成されることができる。また、本実施の形態では、模様Ｐが縞状に構成された場合を例に説明したがこれに限られない。模様Ｐは、任意の形状の模様であって良く、例えば、図６に示すようにメッシュ状に構成されてもよい。
【００４６】
あるいは、図７の平面図及び図８の側面図に示すように、形状規定部材１０２の上面に凹凸形状を付与することで模様Ｐが構成されてもよい。それにより、形状規定部材１０２の上面に異なる輝度を分布させることができるため、複数の色により模様Ｐが構成された場合と同様に、保持溶湯Ｍ２がわずかに揺動しただけでその表面の輝度を大きく変化させることができる。そのため、凝固界面が低くて溶湯の揺動が小さい場合でも、凝固界面を決定することができる。
【００４７】
（実験結果）
続いて、発明者らが、凝固界面の高さを変えて界面検知率を測定したので、その実験結果について説明する。ここで、界面検知率とは、撮像部１０９による撮影時間に対して、画像解析部１１０が凝固界面を検出できた時間、の割合である。
【００４８】
本実験では、形状規定部材１０２の上面に模様Ｐが付されていない場合、及び、図９に示すようなメッシュ状の模様Ｐが付された場合、のそれぞれについて界面検知率の測定が行われた。図１０は、形状規定部材１０２の上面に模様Ｐが付されていない場合、及び、模様Ｐが付された場合、のそれぞれの凝固界面近傍の画像例である。図１０に示すように、模様Ｐが付された場合、当該模様Ｐが保持溶湯Ｍ２に反射して映っているのがわかる。
【００４９】
図１１は、実験方法を説明するための図である。図１１におけるｘｙｚ座標は、図１と一致している。本実験では、図１１に示すように、撮像部１０９が、ｘ軸方向プラス側からマイナス側を撮影するように設置されている。
【００５０】
まず、時刻ｔ１〜ｔ２では、溶湯Ｍ１を鉛直上方向（ｚ軸方向プラス側）に引き上げる。次に、時刻ｔ２〜ｔ３では、溶湯Ｍ１を鉛直上方向に対してｘ軸方向プラス側に傾けて引き上げる。このとき、撮像部１０９により撮影される側の凝固界面は、時刻ｔ１〜ｔ２での凝固界面よりも低くなる。最後に、時刻ｔ３〜ｔ４では、溶湯Ｍ１を鉛直上方向に対してｘ軸方向マイナス側に傾けて引き上げる。このとき、撮像部１０９により撮影される側の凝固界面は、時刻ｔ１〜ｔ２での凝固界面より高くなる。
【００５１】
図１２は、凝固界面の位置と界面検知率との関係を示す図（実験結果）である。
図１２に示すように、模様Ｐ無しで界面位置が中程度又は低い場合、界面検知率は３０％又は０％と非常に低い。これは、模様Ｐ無しで界面位置が比較的低い場合、凝固界面を特定することが困難ということである。それに対し、模様Ｐ有りの場合、界面位置に関わらず（即ち、界面位置が低くても）、界面検知率は約１００％である。これは、模様Ｐ有りの場合、界面位置に関わらず、凝固界面を特定することができるということである。
【００５２】
＜実施の形態２＞
次に、図１３及び図１４を参照して、実施の形態２に係る自由鋳造装置について説明する。図１３は、実施の形態２に係る形状規定部材２０２の平面図である。図１４は、実施の形態２に係る形状規定部材２０２の側面図である。なお、図１３及び図１４におけるｘｙｚ座標も、図１と一致している。
【００５３】
図２に示された実施の形態１に係る形状規定部材１０２は、１枚の板から構成されていたため、溶湯通過部１０３の厚さｔ１、幅ｗ１は固定されていた。これに対し、実施の形態２に係る形状規定部材２０２は、図１３に示すように、４枚の矩形状の形状規定板２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄを備えている。すなわち、実施の形態２に係る形状規定部材２０２は、複数に分割されている。このような構成により、溶湯通過部２０３の厚さｔ１、幅ｗ１を変化させることができる。また、４枚の矩形状の形状規定板２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄは、同調してｚ軸方向に移動することができる。
さらに、形状規定部材２０２の上面には、形状規定部材１０２と同様に、模様Ｐが付与されている。
【００５４】
図１３に示すように、形状規定板２０２ａ、２０２ｂは、ｙ軸方向に並んで対向配置されている。また、図１４に示すように、形状規定板２０２ａ、２０２ｂは、ｚ軸方向には同じ高さで配置されている。形状規定板２０２ａ、２０２ｂの間隔が、溶湯通過部２０３の幅ｗ１を規定している。そして、形状規定板２０２ａ、２０２ｂが、独立してｙ軸方向に移動可能であるため、幅ｗ１を変化させることができる。なお、溶湯通過部２０３の幅ｗ１を測定するために、図１３及び図１４に示すように、形状規定板２０２ａ上にレーザ変位計Ｓ１、形状規定板２０２ｂ上にレーザ反射板Ｓ２を設けてもよい。
【００５５】
また、図１３に示すように、形状規定板２０２ｃ、２０２ｄは、ｘ軸方向に並んで対向配置されている。また、形状規定板２０２ｃ、２０２ｄは、ｚ軸方向には同じ高さで配置されている。形状規定板２０２ｃ、２０２ｄの間隔が、溶湯通過部２０３の厚さｔ１を規定している。そして、形状規定板２０２ｃ、２０２ｄが、独立してｘ軸方向に移動可能であるため、厚さｔ１を変化させることができる。
形状規定板２０２ａ、２０２ｂは、形状規定板２０２ｃ、２０２ｄの上側に接触するように配置されている。
【００５６】
次に、図１３及び図１４を参照して、形状規定板２０２ａの駆動機構について説明する。図１３及び図１４に示すように、形状規定板２０２ａの駆動機構は、スライドテーブルＴ１、Ｔ２、リニアガイドＧ１１、Ｇ１２、Ｇ２１、Ｇ２２、アクチュエータＡ１、Ａ２、ロッドＲ１、Ｒ２を備えている。なお、形状規定板２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄも形状規定板２０２ａと同様に駆動機構を備えているが、図１３及び図１４では省略されている。
【００５７】
図１３及び図１４に示すように、形状規定板２０２ａは、ｙ軸方向にスライド可能なスライドテーブルＴ１に載置、固定されている。スライドテーブルＴ１は、ｙ軸方向に平行して延設された１対のリニアガイドＧ１１、Ｇ１２上に、摺動自在に載置されている。また、スライドテーブルＴ１は、アクチュエータＡ１からｙ軸方向に延設されたロッドＲ１に連結されている。以上のような構成により、形状規定板２０２ａは、ｙ軸方向にスライドすることができる。
【００５８】
また、図１３及び図１４に示すように、リニアガイドＧ１１、Ｇ１２、及びアクチュエータＡ１は、ｚ軸方向にスライド可能なスライドテーブルＴ２上に載置、固定されている。スライドテーブルＴ２は、ｚ軸方向に平行して延設された１対のリニアガイドＧ２１、Ｇ２２上に、摺動自在に載置されている。また、スライドテーブルＴ２は、アクチュエータＡ２からｚ軸方向に延設されたロッドＲ２に連結されている。リニアガイドＧ２１、Ｇ２２、及びアクチュエータＡ２は、水平な床面や台座（不図示）などに固定されている。以上のような構成により、形状規定板２０２ａは、ｚ軸方向にスライドすることができる。なお、アクチュエータＡ１、Ａ２として、油圧シリンダ、エアシリンダ、モータなどを挙げることができる。
【００５９】
次に、図１５を参照して、実施の形態２に係る凝固界面制御方法について説明する。図１５は、実施の形態２に係る凝固界面制御方法について説明するためのフローチャートである。図１５において、ステップＳＴ４までは、図５に示した実施の形態１と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００６０】
凝固界面の位置が基準範囲内にある場合（ステップＳＴ３ＹＥＳ）、鋳造制御部１１１は、画像解析部１１０が決定した凝固界面での寸法（厚さｔ、幅ｗ）が、鋳物Ｍ３の寸法公差内にあるか否かを判定する（ステップＳＴ１１）。ここで、凝固界面での寸法（厚さｔ、幅ｗ）は、画像解析部１１０が凝固界面を決定する際に同時に得られる。画像から得られた寸法が寸法公差内にない場合（ステップＳＴ１１ＮＯ）、溶湯通過部１０３の厚さｔ１、幅ｗ１を変更する（ステップＳＴ１２）。その後、鋳造制御部１１１は、鋳造が完了したか否かを判断する（ステップＳＴ５）。
【００６１】
寸法が寸法公差内にある場合（ステップＳＴ１１ＹＥＳ）、溶湯通過部１０３の厚さｔ１、幅ｗ１を変更することなく、そのままステップＳＴ５へ進む。
鋳造が完了していなければ（ステップＳＴ５ＮＯ）、ステップＳＴ１に戻る。一方、鋳造が完了していれば（ステップＳＴ５ＹＥＳ）、凝固界面の制御を終了する。
その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００６２】
このように、実施の形態２に係る自由鋳造方法では、実施の形態１と同様に、形状規定部材２０２の上面に模様Ｐが付与されおり、凝固界面近傍に反射して映る模様Ｐの画像を撮影し、その画像から凝固界面を決定する。この模様Ｐが保持溶湯Ｍ２に反射して映るため、保持溶湯Ｍ２がわずかに揺動しただけでその表面の輝度が大きく変化する。そのため、凝固界面が低くて溶湯の揺動が小さい場合でも、凝固界面を決定することができる。その結果、凝固界面が低い場合でも、凝固界面を所定の基準範囲内に維持するためのフィードバック制御を行うことができ、鋳物の寸法精度、表面品質を向上させることができる。
【００６３】
さらに、実施の形態２に係る自由鋳造方法では、形状規定部材２０２の溶湯通過部２０３の厚さｔ１、幅ｗ１を変更することができる。そのため、画像から凝固界面を決定する際、当該凝固界面における厚さｔ、幅ｗを測定し、この測定値が寸法公差内でなければ、溶湯通過部２０３の厚さｔ１、幅ｗ１を変更する。すなわち、鋳物の寸法を寸法公差内に維持するためのフィードバック制御を行うことができる。そのため、鋳物の寸法精度をより向上させることができる。
【００６４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１０１  溶湯保持炉
１０２、２０２  形状規定部材
１０３、２０３  溶湯通過部
１０４  支持ロッド
１０５  アクチュエータ
１０６  冷却ガスノズル
１０７  冷却ガス供給部
１０８  引上機
１０９  撮像部
１１０  画像解析部
１１１  鋳造制御部
２０２ａ〜２０２ｄ  形状規定板
Ａ１、Ａ２  アクチュエータ
Ｇ１１、Ｇ１２、Ｇ２１、Ｇ２２  リニアガイド
Ｍ１  溶湯
Ｍ２  保持溶湯
Ｍ３  鋳物
Ｐ  模様
Ｒ１、Ｒ２  ロッド
Ｓ１  レーザ変位計
Ｓ２  レーザ反射板
ＳＩＦ  凝固界面
ＳＴ  スタータ
Ｔ１、Ｔ２  スライドテーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図４】
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【図９】
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【図１０】
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