(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属を鋳て自らの形状を維持することができる金属体を成形する方法であって、
前記方法は、
（あ）環状鋳型（２）を有している鋳造装置を設ける工程であって、前記環状鋳型は、両端開放型の鋳型キャビティ（４）を画定している冷却される鋳型壁を備えており、前記鋳型キャビティへの入口端開口および排出端開口が設けられているとともに、前記鋳型キャビティの中央で前記入口端開口から前記排出端開口までの間に軸線（１２）が延びており、前記環状鋳型は前記軸線に直交する複数平面上に横断面積部が画定され、前記複数平面のうちの一平面（７２）上の一横断面積部（８２）の位置では、環状鋳型を作動させる際に前記軸線を垂直に配向するとともに前記鋳型の周囲で均一に熱を奪取すると溶融金属の固化が始まり、前記一平面（７２）上の前記一横断面積部（８２）はその外周輪郭（８４）が前記冷却される鋳型壁によって画定されており、前記外周輪郭は前記環状鋳型が上記の態様で作動させられると前記金属体を成型する効を奏し、前記鋳造装置は、前記排出端開口に嵌合しているとともに前記排出端開口から前記鋳型キャビティの前記軸線（１２）に沿った方向に移動可能であるスタータブロックを備えており、
（い）前記スタータブロックを前記排出端開口から外に向かって前記鋳型キャビティの前記軸線（１２）に沿った方向に移動させながら前記入口端開口を通して前記鋳型キャビティに溶融金属を導入し、自らの形状を維持することができる金属体（４８）を前記排出端開口から排出することができるようにする工程と、
（う）前記排出端開口から排出された金属体（４８）から熱を奪取する工程とを有し、
熱を奪取する前記工程は、前記金属体（４８）の周面の複数の異なる部位から複数の異なる速度で熱を奪取することによって前記鋳型キャビティの前記一平面（７２）における前記外周輪郭（８４）とは異なっている外周輪郭を前記金属体（４８）に持たせるような態様で実施されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
自らの形状を維持することができる金属体を鋳造する装置であって、
前記装置は、
（あ）両端開放型の鋳型キャビティ（４）を画定している冷却される鋳型壁を有している環状鋳型（２）であって、前記鋳型キャビティへの入口端開口および排出端開口が設けられているとともに、前記鋳型キャビティの中央で前記入口端開口から前記排出端開口までの間に軸線（１２）が延びており、前記環状鋳型は前記軸線に直交する複数平面上に横断面積部が画定され、前記複数平面のうちの一平面（７２）上の一横断面積部（８２）の位置では、環状鋳型を作動させる際に前記軸線を垂直に配向するとともに前記鋳型の周囲で均一に熱を奪取すると溶融金属の固化が始まり、前記一平面（７２）上の前記一横断面積部（８２）はその外周輪郭が前記冷却される鋳型壁によって画定されており、前記外周輪郭は前記環状鋳型が上記の態様で作動させられると前記金属体を成型する効を奏し、
（い）前記排出端開口に嵌合しているとともに前記排出端開口から外に向かって前記鋳型キャビティの前記軸線（１２）に沿った方向に移動可能であるスタータブロックと、
（う）前記排出端開口から排出された、自らの形状を維持することができる金属体（４８）から熱を奪取する熱抽出手段（１４６、１４８）であって、前記熱抽出手段は、前記金属体の周面に配列された前記金属体の複数の部位で前記金属体に冷却液を当て、
（え）前記軸線の垂直線に対する配向を制御する軸線配向制御手段（１４４）とを有し、
前記熱抽出手段は、前記金属体（４８）の周面の複数の異なる部位から複数の異なる速度で熱を奪取することによって前記鋳型キャビティの前記一平面（７２）における前記外周輪郭（８４）とは異なっている所定の外周輪郭を前記金属体に持たせるように構成されていることを特徴とする、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開放式鋳型キャビティによる溶融金属の鋳造に関し、特に、溶融金属を最終製品の状態に鋳造する際にキャビティ内での溶融金属の周囲輪郭の制限に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日用いられている開放式鋳型キャビティは、入口側端部、排出側端部開口、キャビティの排出側端部開口と入口側端部との間に延びる軸線、及び金属がキャビティを通過している間、溶融金属の外周をキャビティに制限するようキャビティの排出側端部開口と入口側端部との間でキャビティの軸線の周りに設けられた壁を有している。鋳造作業を実施する場合、スタータブロックが、キャビティの排出側端部開口内に入れ子状に嵌められる。スタータブロックは、キャビティの軸線に沿って往復動自在であるが、当初、開口部内に配置され、その間、始動材料体が、キャビティ内でスタータブロックとキャビティの軸線に対して横断方向に延びるキャビティの第１の横断平面との間に設けられる。次に、スタータブロックがキャビティからその軸線に沿って相対的に外方に往復動すると共に始動材料体がスタータブロックと縦列関係をなして、キャビティの軸線に対して相対的に横断方向に延びるキャビティの一連の第２の横断平面を通って往復動している間に、キャビティの第１の横断平面内で外周制限手段により定められる横断面積部よりも小さな横断面積部をキャビティの軸線に対して横断方向の平面内に有する連続した溶融金属の層が、キャビティの第１の横断平面に隣接して始動材料体上に相対的に重ねられる。各溶融金属層の横断面積は小さいので、各溶融金属層は、その内部に固有の外への拡大力を有し、これにより各溶融金属層はキャビティの第１の横断平面に隣接したところでキャビティの軸線から相対的に周囲方向外方へ膨張する。各溶融金属層は、これがキャビティの壁により遮られるまで膨張し、ここで、壁がキャビティの第１の横断平面に対して直角をなしているので、溶融金属層は、鋭く直角に曲がってキャビティの一連の第２の横断平面中へ移動すると共に壁のコース、即ち、横断平面に垂直なコースに平行な第２の横断平面を通るコースを辿るようになる。他方、溶融金属層は壁に接触すると熱収縮力を受け始め、やがて熱収縮力は外への拡大力と効果的に釣り合って、「固相線（solidus ）」という状態が第２の横断平面のうちの一つに生じる。しかる後、溶融金属層がその時点で新たに形成された金属体であるものの一体部分となり、溶融金属層は金属体中でキャビティの通過を完了すると、収縮して壁から遠ざかるようになる。
【０００３】
キャビティの第１の横断平面と「固相線」が生じたキャビティの１つの第２の横断平面との間で、溶融金属層はキャビティの壁に密着させられ、この接触により摩擦が生じ、この摩擦は、溶融金属層の移動に対して逆に作用して溶融金属層をその隣の溶融金属層から分離しがちな程度まで、その外周面のところを引き裂く傾向がある。したがって、当業者は、各溶融金属層と壁との間の境界部を潤滑するか、各溶融金属層と壁との間の境界部のところで互いに分離するかの何れかを長い間にわたって試みてきた。当業者は又、各溶融金属層と壁との間の接触バンド又は帯状接触部の幅を小さくする手段を模索してきた。当業者の技術的努力により、米国特許第４，５９８，７６３号に開示された方式及び米国特許第５，５８２，２３０号に開示された方式を含む種々の方式が生み出された。米国特許第４，５９８，７６３号では、油で包囲された状態の加圧ガスのスリーブを壁と溶融金属層との間に介在させてこれらを互いに分離している。米国特許第５，５８２，２３０号では、液体冷却剤のスプレーを金属体の周りに生じさせ、次に接触バンドの幅を小さくするよう金属体上に吹きつける。また、当業者の技術的努力により多種多様な潤滑剤が開発され、これら技術的努力が相まって、潤滑及び（又は）溶融金属層の壁からの分離又は壁の溶融金属層からの分離に当たってある程度の成功を収めたが、潤滑剤自体に関する別の新たな問題が生じた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
溶融金属層と壁との間の境界部を横切って大きな度合いの熱交換が行われるので、強烈な熱の作用により潤滑剤が分解する場合がある。かかる分解による生成物は境界部のところで周囲空気との反応を起こす場合が多く、それにより金属酸化物等の粒子が生じ、これらは境界部のところで「リッパー（rippers ）」になり、これらリッパーはこのようにして生じた製品の軸方向寸法に沿って所謂「ジッパー（zippers ）」を生じさせる。強烈な熱により潤滑剤が燃え、それにより溶銑と低温表面の対面関係（hot metal to cold surface condition ）が生じ、この場合、摩擦力はどんな潤滑剤を使っても大きくは除去されない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、溶融金属層と壁との間の境界部のところで溶融金属層を壁から分離したりこの境界部を潤滑する従来方式やこれら２つの接触バンドを短くする従来方式とは全く異なるものである。これらに代えて、本発明は、上記の従来方式を必要とする問題を生じさせるような溶融金属層と壁との間の「対面」関係を無くし、溶融金属がキャビティを通過している間、キャビティ内の各溶融金属層相対的に周囲方向外方への膨張を制限するという全く新規な方式を用いている。
【０００６】
本発明によれば、各溶融金属層がキャビティの軸線に対して相対的に周囲方向外方へ傾斜した角度をなして第１の横断平面の周囲方向輪郭から相対的に周囲方向外方へ膨張することができるようにしながら、各溶融金属層の相対的周囲方向外方への膨張をキャビティの第１の横断平面内でキャビティの第１の横断面積部に制限し、溶融金属層は、キャビティの第２の横断平面内でキャビティの周囲方向外方へ次第に大きくなる第２の横断面積部を呈するようになる。さらに、溶融金属層が上記第２の横断面積部を呈するときに各溶融金属層中に熱収縮力を生じさせ、各溶融金属層中の熱収縮力の大きさを制御して熱収縮力がキャビティの第２の横断平面のうち少なくとも１つのところで各溶融金属層中の外への拡大力と釣り合って上記金属体が形状保持状態になるにつれて上記金属体に自由形成周囲方向輪郭を与える。このようにすると、溶融金属層は、壁又は他の周囲制限手段と向き合うことはなく、これは、親が差し伸べた手に子供が寄り掛かることができるようにしながら次第にその子供から後退して子供が歩くことを教えられている状態に似ており、従って、例えば逸らせ手段を用いることにより溶融金属層の外周部のところに一種の受動的支持体が得られ、他方、溶融金属層は、これら自体で互いに凝集し、そして周囲の壁等によりこれら溶融金属層に生じる表皮を受け入れるのではなくこれを自ら選択して密着した表皮を形成するよう「励ましを受ける」。また、熱収縮力が逸らせ手段に代わって生じる限り、逸らせ手段を引っ込めて溶融金属層と任意の制限媒体との接触を事実上無くするようにする。これは、溶融金属層と周囲制限手段との間の境界部を潤滑し又はこれに緩衝作用を与えることは不要であることを意味するが、溶融金属層の周りに潤滑又は緩衝媒体を使用しつづけることを妨げるというわけではない。事実、本発明の現時点において好ましい実施形態のうち多くのものでは、加圧ガスのスリーブが、キャビティの第２の横断平面内で溶融金属層の周りに設けられる。また、一般に、油の環状体をキャビティの第２の横断平面内で溶融金属層の周りに設け、或る実施形態では、米国特許第４，５９８，７６３号に記載されているように、油で包囲された状態の加圧ガスのスリーブをキャビティの第２の横断平面内で溶融金属層の周りに設ける。一般に、加圧ガス及び油を好ましくは同時にキャビティの第２の横断平面のところでキャビティ内へ送り込むことにより上記加圧ガスの油包囲スリーブを形成する。
【０００７】
一般に、熱収縮力を生じさせるには、キャビティの第２の横断平面内でキャビティの軸線から相対的に周囲方向外方の方向に各溶融金属層から熱を抽出する。例えば、本発明の好ましい実施形態の多くでは、熱伝導媒体をキャビティの第２の横断面積部の周囲方向輪郭の周りに作動的に配置し、熱を熱伝導媒体を介して溶融金属層から熱を抽出する。本発明の或る好ましい実施形態では、熱伝導逸らせ手段は、キャビティの第２の横断面積部の周囲方向輪郭の周りに配置され、熱は、例えば環状室を逸らせ手段の周りに設け、液体冷却剤を環状室を通って循環させることにより逸らせ手段を介して溶融金属層から抽出される。
【０００８】
また、例えば、キャビティの第１の横断平面から見てキャビティの１つの第２の横断平面の反対側のところで金属体上に液体冷却剤を放出することにより上記熱を金属体を介して溶融金属層から抽出する。好ましくは、液体冷却剤は、キャビティの軸線を横切って延びると共に金属体の漸次収束する等温線により形成されるトラフ状のモデルの底部及びリムに一致している平面相互間で金属体上に放出される。
【０００９】
液体冷却剤をキャビティの１つの第２の横断平面とキャビティの排出側端部開口との間でキャビティの軸線の周りに設けられた環状帯から金属体上に放出するのがよく、或いは、液体冷却剤をキャビティの１つの第２の横断平面から見てキャビティの排出側端部開口の他方の側でキャビティの軸線の周りに設けられた環状帯から金属体上に放出してもよい。好ましくは、液体冷却剤は、キャビティの軸線の周りに環状帯をなして配設されると共に列の状態に分割された一連の穴から放出され、列の穴は米国特許第５，５８２，２３０号の場合と同様、列ごとに互いに互い違いに配設されている。
【００１０】
本発明の或る好ましい実施形態では、環状帯は、キャビティの内周部に配設され、他の実施形態では、環状帯は、キャビティの排出側端部開口に隣接してキャビティの相対的に外部に配設される。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態の中には、キャビティの１つの第２の横断平面とキャビティの排出側端部開口との間でキャビティの軸線に対して横断方向に延びるキャビティの横断平面内に再入逸らせ効果を生じさせて「再ブリード」を誘起し、それにより金属体を再入させるものがある。
【００１２】
時々、金属体をキャビティの軸方向に細長くするのに十分、溶融金属層を始動材料体上に相対的に重ねる。これを行う場合、細長い金属体をその連続した長手方向部分に細分するのがよく、更に、長手方向部分をそれぞれ後処理、例えば後鍛造するのがよい。
【００１３】
添付の図面に一部が示された実施形態の群の中で、逸らせ手段が、各溶融金属層の相対的周囲方向外方への膨張をキャビティの第１及び第２の横断面積部に制限するようキャビティの軸線の周りに配設される。逸らせ手段は、電磁気的手段、又は組をなすエアナイフ又は任意他のかかる逸らせ手段であるのがよい。しかしながら、図面で分かるように、実施形態の中には、逸らせ手段は、各溶融金属層がキャビティの第２の横断平面内でキャビティの周囲方向外方へ次第に大きくなる第２の横断面積部を呈することができるようにしながら、溶融金属層の相対的周囲方向外方への膨張をキャビティの第１の横断面積部に制限するようキャビティの軸線の周りに設けられた一連の環状表面を備えている。或る実施形態では、個々の環状表面は、互いに対して軸方向に連続した状態で配置されているが、キャビティの第１及び第２の横断平面内で互いから見て相対的に周囲方向外方へ互い違いに配置され、そして各溶融金属層がキャビティの第２の横断平面内でキャビティの周囲方向外方へ次第に大きくなる第２の横断面積部を呈することができるようにキャビティの軸線に対して相対的に周囲方向外方に傾斜した角度をなす方向に沿って差し向けられている。特定の一組の実施形態では、環状表面は、互いにキャビティの軸方向に連結されて環状スカートを形成する。また、図示のように、環状スカートをキャビティの第１の横断平面とキャビティの排出側端部開口との間でキャビティの内周部の壁に形成してもよい。
上記壁の一部が、黒鉛製鋳造リングを備えている場合、スカートは通常、該鋳造リングの内周部にぐるりと形成される。
スカートの内周部にぐるりと直線状フレア部を設けるのがよく、又はスカートの内周部にぐるりと曲線状フレア部を設けてもよい。
【００１４】
自由形成周囲方向輪郭をキャビティの１つの第２の横断平面のところで金属体に与えるのに役立つことに加えて、本発明は又、周囲方向輪郭に任意の形状を生じさせると共にこの輪郭により作られる横断面積部に望ましい任意のサイズを生じさせる手段としても用いられる。さらに、キャビティの軸線を鉛直線に任意所望の方法で差し向けている間にキャビティが所望の形状及び（又は）サイズを得ることができる。例えば、キャビティの軸線を鉛直線に沿って差し向け、第１の横断面積部を円形の周囲方向輪郭に制限するのがよく、本発明は、非円形の周囲方向輪郭をキャビティの１つの第２の横断平面のところで金属体に与えるのに利用可能である。または、キャビティの軸線を鉛直線に対して角度をなした方向に沿って差し向け、第１の横断面積部を円形の周囲方向輪郭に制限し、本発明は、円形の周囲方向輪郭をキャビティの上記１つの第２の横断平面のところで金属体に与えるのに利用できる。また、キャビティの軸線を鉛直線の方向と鉛直線に対して角度をなした方向のうち一方の方向に沿って差し向け、第１の横断面積部を非円形の周囲方向輪郭に制限し、非円形の周囲方向輪郭をキャビティの上記１つの第２の横断平面のところで金属体に与えることができる。他方、所望ならば、キャビティの第１の横断面積部を第１の鋳造作業についての第１のサイズに制限し、次に上記キャビティ内における第２の鋳造作業についての第２の異なるサイズに制限して第１の鋳造作業から第２の鋳造作業へのキャビティの１つの第２の横断平面のところにおける金属体上に与えられる横断面積部のサイズを変化させるようにする。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態のうち多くのものでは、キャビティの軸線を鉛直線に差し向け、キャビティの第１の横断面積部の周囲方向輪郭を制限し、キャビティの第２の横断平面内でキャビティの周囲にぐるりと配置された溶融金属層の各角度的に連続したセグメント環状部分中に生じた相対的熱収縮力及び溶融金属層の各セグメント環状部分が第１の横断面積部の周囲方向輪郭から第２の横断平面の連続体の状態に膨張してキャビティの第２の横断面積部を呈することができるようにする相対角度から成る群中の少なくとも１つの制御パラメータを変化させてキャビティの１つの第２の横断平面のところで金属体に与えられた周囲方向輪郭に所望の形状を生じさせる。さらに、所望の形状を得る際、上記１つの制御パラメータは、キャビティの軸線に平行に延びるキャビティの第３の横断平面内でキャビティを横切って互いに反対側に位置した溶融金属層の角度的に連続したセグメント環状部分中のそれぞれの外への拡大力と熱収縮力との間に存在する差相互間のばらつきを無くすよう変えられる。又は、上記１つの制御パラメータは、キャビティの上記第３の横断平面内で上記差相互間にばらつきを生じさせるよう変えられる。
【００１６】
溶融金属層の周囲にぐるりと配置されると共にキャビティの互いに反対側の側部上に設けられた溶融金属層の角度的に連続したセグメント環状部分中に生じた熱収縮力を互いに等しくしてキャビティの１つの第２の横断平面のところで溶融金属層のそれぞれの互いに反対側に位置したセグメント環状部分相互間に生じる熱応力を釣り合わせる。例えは、熱収縮力をキャビティの第２の横断平面内で溶融金属層の角度的に連続したセグメント環状部分から熱を抽出することにより生じさせる実施形態では、キャビティの互いに反対側の側部上に設けられた溶融金属層のセグメント環状部分中に生じた熱収縮力は、溶融金属層のそれぞれの互いに反対側のセグメント環状部分相互間で熱抽出速度を変化させることにより釣り合わされる。また、液体冷却剤をキャビティの第１の横断平面から見てキャビティの１つの第２の横断平面の反対側で金属体上に放出することにより熱を抽出する場合、金属体のそれぞれの角度的に連続したセグメント環状部分上に放出される液体冷却剤の量を変化させて溶融金属層の互いに反対側のセグメント環状部分からの熱抽出速度を変化させる。
【００１７】
第１の横断面積部が第１の鋳造作業及び第２の鋳造作業中に制限されるサイズは、第１の横断面積部がキャビティの第１の横断平面内で制限される周囲方向輪郭の周囲方向広がりを変化させることにより変えられる。
逸らせ手段が、溶融金属層の膨張をキャビティの第１の横断面積部及び第２の横断面積部に制限するようキャビティの軸線の周りに配置されている場合、キャビティの第１の横断面積部が制限される周囲方向輪郭の周囲方向広がりは、逸らせ手段とキャビティの第１及び第２の横断平面を互いにシフトさせることにより変えられる。さらに、始動材料体上に重ねられる溶融金属の量を変化させてそれぞれの横断平面を逸らせ手段に対してシフトさせることにより、又は逸らせ手段をキャビティの軸線に対して横断方向に位置した回転軸線の回りに回転させることにより逸らせ手段とキャビティの第１及び第２の横断平面を互いにシフトさせる。
キャビティの第１の横断面積部が制限される周囲方向輪郭の周囲方向広がりは、逸らせ手段を対をなす状態に分割し、それぞれの逸らせ手段の対をキャビティの軸線の周りにその互いに反対側の側部の対上に配置し、逸らせ手段の対をキャビティの軸線を横切る方向に互いにシフトさせることにより変えられる。さらに、逸らせ手段の対のうち１つをキャビティの軸線を横切る方向に互いに往復動させて逸らせ手段の対を互いに対してシフトさせ、或いは、逸らせ手段の対のうち別の１つをキャビティの軸線を横切って位置した回転軸線の周りに回転させて逸らせ手段の対を互いに対してシフトさせる。
キャビティの第１の横断面積部が制限される周囲方向輪郭の周囲方向広がりは、逸らせ手段を対をなす状態に分割し、逸らせ手段の対をキャビティの軸線の周りに互いに軸方向に連続した状態で配置し、例えば逸らせ手段の対をキャビティの軸線方向に互いに逆さまにすることにより逸らせ手段の対を互いにシフトさせる。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態の中には、熱収縮力が、溶融金属層の周囲にぐるりと配置された溶融金属層の角度的に連続したセグメント環状部分の全てに生じるものがある。
上記特徴は、本発明の幾つかの好ましい実施形態を示す添付の図面を参照すると理解されよう。なお、この場合、連続鋳造法又は半連続鋳造法において、溶融金属を始動材料体としてキャビティ内に入れ、溶融金属層を次々に溶融始動材料体上に積層してキャビティの軸方向にキャビティの相対的に外方に延びる細長い金属体を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】横断面積部及び「固相線」が生じる横断平面のところにおいて金属体に与えることができる周囲輪郭を示す図であり、加うるに、この図は又、もし本発明の方法及び装置がそれぞれの横断面積部及び周囲輪郭を金属体上に与えるのに十分首尾のよいものであるならば第１の横断面積部の周囲輪郭と「固相線」の平面との間に必要な第２の横断面積部の「周辺部」を示している。
【図２】横断面積部及び「固相線」が生じる横断平面のところにおいて金属体に与えることができる周囲輪郭を示す図であり、加うるに、この図は又、もし本発明の方法及び装置がそれぞれの横断面積部及び周囲輪郭を金属体上に与えるのに十分首尾のよいものであるならば第１の横断面積部の周囲輪郭と「固相線」の平面との間に必要な第２の横断面積部の「周辺部」を示している。
【図３】横断面積部及び「固相線」が生じる横断平面のところにおいて金属体に与えることができる周囲輪郭を示す図であり、加うるに、この図は又、もし本発明の方法及び装置がそれぞれの横断面積部及び周囲輪郭を金属体上に与えるのに十分首尾のよいものであるならば第１の横断面積部の周囲輪郭と「固相線」の平面との間に必要な第２の横断面積部の「周辺部」を示している。
【図４】横断面積部及び「固相線」が生じる横断平面のところにおいて金属体に与えることができる周囲輪郭を示す図であり、加うるに、この図は又、もし本発明の方法及び装置がそれぞれの横断面積部及び周囲輪郭を金属体上に与えるのに十分首尾のよいものであるならば第１の横断面積部の周囲輪郭と「固相線」の平面との間に必要な第２の横断面積部の「周辺部」を示している。
【図５】横断面積部及び「固相線」が生じる横断平面のところにおいて金属体に与えることができる周囲輪郭を示す図であり、加うるに、この図は又、もし本発明の方法及び装置がそれぞれの横断面積部及び周囲輪郭を金属体上に与えるのに十分首尾のよいものであるならば第１の横断面積部の周囲輪郭と「固相線」の平面との間に必要な第２の横断面積部の「周辺部」を示している。
【図６】図１〜図３の例の各々を鋳造する際に用いることのできる鋳型の略図であり、この図は又、図１〜図３の例をとった平面を概略的に示している。
【図７】図１〜図３の例の各々を鋳造する際に用いることのできる鋳型の略図であり、この図は又、図１〜図３の例をとった平面を概略的に示している。
【図８】図１〜図３の例の各々を鋳造する際に用いることのできる鋳型の略図であり、この図は又、図１〜図３の例をとった平面を概略的に示している。
【図９】Ｖ字形金属体、例えば図４に示す金属体を鋳造するための頂部が開口した垂直方向鋳型の底面図であり、加うるに、鋳型のキャビティ内の第１の横断面積部の周囲輪郭を示す図である。
【図１０】曲がりくねった非対称且つ非円形の金属体、例えば図５に示す全体としてＬ字形のものを鋳造するための頂部が開かれた垂直方向鋳型の同様な図であるが、この場合鋳型のキャビティ内に、キャビティの軸線に平行に延びるキャビティの横断平面内においてその互いに反対側に位置した部分相互間に生じる熱応力の釣合を取るために金属体の角度的に連続したセグメント環状部分からの熱の抽出速度を変化させる際に用いる方式の理論的基礎を示す図である。
【図１１】図９の１１−１１線における等角横断面図である。
【図１２】図１１で見える等角断面図の中央部分を示す相対的に大きく且ついっそう急に傾斜した部分の概略等角図である。
【図１３】図１７の１３及び１５線における横断面図であり、後に示す図１５内にこの関連で示された２つの連続した穴と比較するために、図９、図１１及び図１２の相対的に凹状の湾部を占める金属体の角度的に連続したセグメント環状部分から熱を抽出する際に用いられる２つの連続した冷却剤排出穴を示す図である。
【図１４】図９の１４−１４線における等角部分概略横断面図であって、図１２の図と似た図であり、図１１の等角横断面図よりもいっそう拡大し且つ急傾斜した図である。
【図１５】図１７の１３，１５−１３，１５における別の横断面図であって、図１４の相対的に凸状の湾部内で熱抽出に用いられる２つの連続した冷却剤排出穴を示す図であり、この場合、上述したように図１３の凹状湾部のところに示された２つの連続した排出穴と比較するために示す図である。
【図１６】図２及び図７の支持体の別の略図である。
【図１７】鋳造作業が鋳型内で行われている時の図９及び図１０に示された鋳型のいずれか一方の軸方向横断面図である。
【図１８】使用時における図９〜図１５及び図１７に示された鋳型の頂部が高温の変形例を示す図であり、本発明の鋳型のすべてに用いられたある特定の原理を概略的に示す図である。
【図１９】本発明の原理の概略的な略図であるが、各鋳型の鋳造面を表すために一組の角度的に連続した対角線を用いており、したがってある特定の横断面積部及び輪郭が図中、この下に見ることができるようになっている図である。
【図２０】ある特定の原理の数学的な説明図である。
【図２１】図１７及び図１８の図と類似した図であるが、鋳型のキャビティ内へ直接放出されている冷却剤のための鋳型の変形形態を示す図である。
【図２２】図１７の図と類似した軸方向横断面図であるが、「再ブリード」を捕捉するための曲線上鋳造面を備えた鋳造リングを示している図である。
【図２３】逆さまにすることができる鋳造リングを示す拡大想像横断面図である。
【図２４】代表的な鋳造による温度横断面図であり、漸次収束する等温線及びその熱格納平面のトラフ状モデルを示す図である。
【図２５】鋳型の軸線を傾斜させることによって円形輪郭の第１の横断面積部から長円形又は他の対称で且つ非円形の周囲輪郭を生じさせるための方法の略図である。
【図２６】鋳型の反対側の側部の金属体の角度的に連続したセグメント環状部分からの熱の抽出速度を変化させることによりこのようにする別の方法を示す略図である。
【図２７】鋳型の反対側の側部の鋳造面の傾斜部を変えることにより円形輪郭の第１の横断面積部から長円形又は他の対称且つ非円形の周囲輪郭を発生させるための第３の方法の略図である。
【図２８】鋳造の横断面積部の横断面寸法を変化させる方法を示す略図である。
【図２９】圧延インゴットを製造するための４つの側部を持ち、反対側の端部が互いに対して往復動自在である可調式鋳型の平面図である。
【図３０】鋳型の長手方向側部が本発明にしたがって回転するようになったとき鋳型の一対の長手方向側部のうちの１つの部分略図である。
【図３１】可調式鋳型の一対の長手方側部を回転させないで固定したときのかかる長手方側部の一方の斜視図である。
【図３２】図３２〜図３６は、固定された側部の平面図である。
【図３３】図３１の３３−３３線における断面図である。
【図３４】図３１の３４−３４線における断面図である。
【図３５】図３１の３５−３５線における断面図である。
【図３６】図３１の３６−３６線における断面図である。
【図３７】図３０及び図３１に示す側部のうちのいずれかが鋳型に特定の長さを与えるために用いられた時の可調式鋳型の中央部分の略図である。
【図３８】鋳型の長さを短くしたときの中央部分の別の略図である。
【図３９】多数の長手方向部分に細分された細長い最終製品の分解斜視図である。
【図４０】溶融金属層と鋳造面との間のところにおける従来型鋳型の温度について試験した従来型鋳型の略図である。
【図４１】１°のテーパが鋳造面に用いられた場合の境界部のところにおける温度について試験された本発明の鋳型のうちの一つの略図である。
【図４２】３°のテーパ度が鋳造面に用いられた場合の図４１と類似した略図である。
【図４３】５°のテーパ度が鋳造面に用いられた場合の別の類似した略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
先ず最初に図１〜図８を参照し、これらを大まかに検討する。後でこれらについて、そしてこれらの中に記載されている符号についてさらに参照するが、先ず最初に、本発明の方法及び装置によって鋳造できる多種多様な異形材について注目されたい。上述したように、所望の任意の異形材を製造することができる。さらに、異形材を水平方向、垂直方向又は水平方向以外の傾斜した状態で鋳造することができる。図１〜図５は単なる例示である。しかしながら、かかる鋳造としては、図１及び図６に示すように、垂直方向に差し向けられた鋳型で円筒形異形材を鋳造すること、図２及び図７に示すように水平方向鋳型で異形材を鋳造すること、図３及び図８に示すように長円形又は他の対称形の非円形異形材を鋳造すること、図４に示された軸対称且つ非円形の異形材、例えばＶ字形の異形材を鋳造すること、さらに全体として非対称且つ非円形の異形材、例えば図５に示す異形材を鋳造することが挙げられる。
【００２１】
その後に生じる収縮前の最終形状は、図１〜図５に符号９１で示されたものである。各金属体が図６、図７及び図８に示された平面９０−９０の左の下又は左側に収縮を行うので、その最終形状は、図１〜図５に示された形状よりも横断面積及び円周方向輪郭が僅かに小さい。しかしながら、本発明を意義あるものとして説明することができるようにするために、図１〜図５は、金属体中の外への拡大力をこれらの内部の熱収縮力と釣り合わせると、即ち、各金属体内の「固相線」に達すると、金属体の取る横断面積部及び輪郭を示している。この点は、図１８の平面９０内に生じるので、図６〜図８の各々には平面９０−９０として表されている。これらの図に示された残りの符号及び特徴は、この説明が以下に進につれいっそう意味を持つことになろう。
【００２２】
次に、図９〜図２０を参照すると、両端が開口したキャビティ４、キャビティの入口側端部に設けられた開口部６及びキャビティの排出側端部の開口部１０の周りにぐるりと設けられた一連の液体冷却剤排出穴８を有する鋳型２で所望の異形材の各々が作られる。キャビティの軸線１２は、垂直線に沿って、或いは垂直線に対して角度をなした方向に沿って、例えば水平線に沿って差し向けられているのがよい。図１７及び図１８に示す横断面は代表例であるが、キャビティの周囲をぐるりと移動するにつれて鋳型の或る特徴が以下に説明するように性質ではなく程度の変化を呈するという点においてのみ代表例である。軸線１２を垂直線に対して角度をなした方向に沿って差し向けることにより、鋳造分野における当業者には理解されるように変化が生じる。しかしながら一般的には、図９〜図１５及び図１７に示された垂直方向又は竪形鋳型は各々、環状本体１４と、鋳型本体の頂部及び底部にそれぞれ取り付けられた一対の環状上部取付板１６と下部取付板１８とを有している。これら３つの構成部品は全て金属で作られていて、平面図で見て、鋳型のキャビティで鋳造されるべき金属体の形状と一致した形状を有している。加うるに、鋳型本体１４内のキャビティ４は、その周りにぐるりと、鋳型本体それ自体の形状と同一形状の環状溝２０を有し、溝の肩２２は、キャビティの入口側端部開口部６の下に十分に引っ込んでいて、溝がこの形状と同じ形状の黒鉛製鋳造リング２４を収容できるようになっている。鋳造リング内の開口部は、キャビティの排出側端部開口部１０の横断面積よりもその頂部において小さな横断面積を有し、したがってその内側周囲のところでは、リングは開口部１０から張り出すようになっている。鋳造リングはまた、同様な高さ位置で且つ鋳造リングの最高高さ位置と最低高さ位置との間で開口部１０から張り出すようにその底部のところの横断面積が小さくなっており、その内側周囲は、テーパしたスカート状の鋳造面２６を有し、そのテーパは、キャビティの下向きの方向にキャビティの軸線１２から相対的に周囲方向外方に差し向けられている。このテーパはまた、図示の実施形態では直線状であるが、以下により詳細に説明するように曲線状であってもよい。代表的には、テーパは、キャビティの軸線に対して約１〜１２°の傾斜角を有するが、本発明の実施形態毎に傾斜角が変化することに加え、このテーパはまた、これまた以下に説明するようにキャビティの周囲をぐるりと移動するにつれて傾斜角が変化してもよい。上部取付板１６の開口部６は、鋳型本体１４及び鋳造リング２４よりも横断面積が小さく、したがって図示のように鋳型本体及びリング上に置いて押えねじ２８等によってこれに固定すると、上部取付板１６は、キャビティからその内側周囲のところで張り出す僅かな舌部を有するようになる。下部取付板１８の開口部は、全てのうちで最も大きな横断面積を有し、事実、キャビティの排出側端部開口部１０と下部取付板１８の内側周囲との間で鋳型本体の底部の周りに一対の面取り表面３２，３４を形成できるほど大きい。
【００２３】
鋳型本体１４はその内側にこの周りに延びる一対の環状室３６を有しており、米国特許第５，５１８，０６３号、第５，６８５，３５９号及び第５，５８２，２３０号のいわゆる「機械加工バッフル（machined baffle ）」及び「スプリットジェット（split jet ）」を用いるようにするために、鋳型本体の内周部の底部に設けられた一連の液体冷却剤排出穴８は実際には、２つの一連の穴３８，４０から成り、これら穴３８，４０はキャビティ４の軸線１２に対して鋭角をなして傾斜し、それぞれ鋳型本体の面取り表面３２，３４内に開口している。穴は、その頂部のところで、一対の円周方向溝４２と連通しており、これら溝４２は、それぞれの室３６の内周部の周りに形成されているが、一対のエラストマーリング４４によってこれらから封止されていて、室の出口マニホルドを形成できるようになっている。マニホルドは、２つの円周方向に延びる一連のオリフィス４６を通してそれぞれの室３６から冷却剤を受け入れるようそれぞれの室３６に連結されており、かかるオリフィス４６はまた、冷却剤がそれぞれの組をなす穴３８，４０を通って排出される前に、冷却剤の圧力を下げるための手段として役立つ。これについては、米国特許第５，５８２，２３０号及び米国特許第５，６８５，３５９号を参照されたい。なお、かかる米国特許出願は、いっそう急な傾斜をなす組の穴３８が金属体４８からの「跳ね返り（bounce）」の際にスプレーを生じさせ、次にこのスプレーが図１７の金属体４８の表面のところに概略的に示された態様で、他方の組の穴４０からの排出により戻されて金属体に当たるようになった組をなす穴の互いに対する相対的傾斜角及びキャビティの軸線に対する穴の相対的傾斜角を詳細に説明している。
【００２４】
鋳型２は、数個のエラストマー密封リングを含む多数の追加の構成部品を更に有しており、これらのうち幾つかが、鋳型本体と２つの取付板との間の接合部のところに示されている。加うるに、油で包囲されたガスのスリーブ（図示せず）を鋳造中に溶融金属の層の周りに形成するために油及びガスを鋳造リング２４の表面のところでキャビティ４内へ送り込むための手段が全体を符号５０で概略的に示されており、この詳細については米国特許第４，５９８，７６３号を参照するのがよい。同様に、参照符号５２で概略的に示された漏れ検出装置の詳細については米国特許第５，３１８，０９８号を参照するのがよい。
【００２５】
図１８では、ここに示された高温の上側鋳型５４は、高温頂部５５の開口部６５と黒鉛製鋳造リング５６の上半分の両方が、図９〜図１５及び図１７においてリング２４によってのみ得られる張出し部よりも張出し部５８のうち多くを構成するよう寸法決めされていて、米国特許第４，５９８，７６３号の方法にとっては必要なガスポケットがいっそう顕著であることを除き実質的に同一である。
【００２６】
鋳造作業を図１７の鋳型２か図１８の鋳型５４かの何れかを用いて行う場合、鋳型のキャビティ４の形状を有する往復動自在なスタータブロック６０を、これがキャビティの軸線の横断方向に延び、図１８では符号６４で示されたキャビティの横断平面のところで鋳造リングの傾斜内周面２６又は６２に係合するまで、鋳型の排出側端部開口部１０又は１０′内へ入れ子状に設ける。次に、溶融金属を、図１８の高温頂部の開口部６５又は図１７のキャビティの上方に設けられたトラフ（図示せず）に供給し、溶融金属を、図１８の黒鉛製リングの頂部開口部６６又は図１７の上部取付板１６の開口部６によって形成されたのど部のトラフから垂下した竪樋状部６８のいずれかを介してそれぞれのキャビティの内側に送られる。
【００２７】
先ず最初に、スタータブロック６０をキャビティの排出側端部開口部１０又は１０′内に静置し、この間、溶融金属がブロックの頂部上に溜まってひとまとまりの始動材料（以下、「始動材料体」という）７０を形成するようになる。この始動材料体は代表的には、キャビティの軸線に対して横断方向に延び、図１８に符号７２で示すキャビティの「第１」横断平面まで堆積される。なお、この堆積段階は、鋳造作業の「バット形成（butt-forming）」又は「開始」段階と通称されている。この次に、鋳造作業の第２の段階、いわゆる「ラン（run ）」段階が行われ、この後者の段階では、キャビティへの溶融金属の追加をブロック上に連続して行いながらスタータブロック６０を鋳型の下でピット（図示せず）内へ下降させる。他方、始動材料体７０をスタータブロックとタンデム状態で、キャビティの軸線１２に対して横断方向に延びるキャビティの一連の第２の横断平面７４を通って下方に往復動させ、これが一連の横断平面を通って往復動する際に、液体冷却剤が一連の穴３８，４０から始動材料体上に排出され、今やブロック上に形をとる傾向のある金属体を直接冷却する。加うるに、加圧ガス及び油を、図１７及び図１８の各々に全体を符号５０で示す手段を用いて黒鉛製リングの表面を通ってキャビティ内に送り込む。
【００２８】
図１８で最もよく分かるように、排出された溶融金属は、溶融金属の層７６となり、これら溶融金属層は、始動材料体７０の頂部上に、且つ黒鉛製リングの頂部開口部の直ぐ下の箇所で、そしてキャビティの第１の横断平面７２に隣接して次々に積層される。代表的には、この箇所は、鋳型キャビティの中央であり、対称又は非対称且つ非円形の場合、代表的には、キャビティの「熱格納平面（thermal shed plane）」７８（図１０及び図２４）と一致しており、かかる用語については、以下に詳細に説明する。溶融金属を、この場合もまたキャビティの横断平面形状に応じてキャビティ内へその２又は３以上の箇所で送り込み、鋳造作業では次に溶融金属供給手順が実施される。しかしながら、いずれの場合であっても、層７６がキャビティの第１の横断平面７２に隣接して始動材料体７０上に積層されると、それぞれの層は特に各々が物体、液体又は固体に出会うと或る流体力学的作用を受け、それにより層はそのコースからキャビティの軸方向に又はその相対的に周囲方向外方に反れ、これについては以下に説明する。
【００２９】
次々に重ねられる層は実際には、溶融金属の流れを形成し、したがってこれらの層はこれらに作用するある流体力学的力を有し、これらの力は、キャビティの第１の横断平面７２に隣接してキャビティの軸線１２から相対的に周囲方向外方に作用する「外への拡大力」「Ｓ」（図２０）としての特徴を有している。即ち、かかる力は、溶融金属材料をその方向に広げる傾向があり、いわば溶融金属を「駆動」してこれを黒鉛製リングの表面２６又は６２に接触させる。外への拡大力の大きさは、多くの要因の関数であり、かかる要因としては、溶融金属の各層が始動材料体上又は溶融金属流中でこれに先立つ層上に積層される箇所において溶融金属流に固有の静水圧が挙げられる。他の要因としては、溶融金属の温度、その組成及びキャビティへの溶融金属の送込み速度が挙げられる。かかる送込み速度を制御するための制御手段が、図１７において符号８０で概略的に示されている。また、これに関連して、米国特許第５，７０９，２６０号を参照されたい。外への拡大力は、送出し箇所からすべての角度方向に一定ではなく、当然のことながら、水平又は他の傾斜鋳型の場合には、これらはあらゆる方向に等しいと考えることはできない。しかしながら、以下に説明するように、本発明は、この事実を考慮に入れて、本発明の或る特定の実施形態ではこれを利用している。
【００３０】
溶融金属の各層７６が黒鉛製リングの表面２６又は６２に接近するにつれて、ある特定の追加の力が作用を発揮し始める。かかる追加の力としては、粘性、表面張力及び毛管現象の物理的な力が含まれる。これらにより、層の表面には、リングの表面２６又は６２に対すると共にキャビティの第１の横断平面７２に対する斜めに傾斜したぬれ角が与えられる。表面に接すると、或る特定の熱効果もまた作用を発揮し、これらの効果は、溶融金属中に絶えず増大傾向にある熱収縮力「Ｃ」（図２０）、即ち外への拡大力と反対に作用し、金属を軸線の外方ではなく軸線の相対的に周囲方向内方に縮める傾向のある力を生じさせる。しかしながら、これら収縮力は、絶えず増大傾向にあるが、生じるのが比較的遅く、そして適当な送込み速度が与えられると共に溶融金属層がキャビネットの第１の横断平面７２内で表面２６又は６２に接触すると外への拡大力が熱収縮力よりも大きくなるような鋳型キャビティが与えられると、溶融金属層がその平面内の表面の環状体８３（図１８）によりこれについて包囲される第１の横断面積部８２（図１９）上に載ると外への拡大力中に相当大きな「駆動力」が存在したままになる。この場合、層がリングの表面に接触すると、この層はキャビティの軸線に対する表面２６又は６２の傾斜によってだけでなく、層の自然な傾斜によってキャビティの一連の第２の横断平面７４に容易に差し向けられて上述の物理的な力によってこれについて設定された斜めに傾斜したコースをたどるようになる。しかしながら、表面２６又は６２が従来技術の場合と同様にキャビティの第１の横断平面に対して直角であれば、この表面は上記の傾向に反対に働き、層の自然な傾斜に役立つのではなく、かかる傾斜を阻み、溶融金属層に必要な直角の方向転換を行わせると共に溶融金属層が表面に密着した状態を維持しながら、軸線に平行な表面に沿って可能な限り乱れる以外には溶融金属層にとって選択の余地がないようにする。この接触により摩擦が生じることになり、この摩擦は、あらゆる鋳型設計者の悩みの種であり、かくして鋳型設計者はこれを解決する方法を研究し、或いは層を表面から分離して層相互間で摩擦の演じる役割を最小限に押えようとしている。当然のことながら、摩擦に対処するためには潤滑剤を用いることが示唆され、多種多様な潤滑剤が用いられている。上述したように、これら層と表面との間には強烈な熱が流れ、この強烈な熱が潤滑剤及びしばしばこれら層と表面との間の界面のところで潤滑剤と空気との分解反応の生成物を分解して、金属酸化物等を生じさせる傾向があり、かかる金属酸化物等は、このようにして生じた任意の生成物の軸方向寸法に沿っていわゆる「ジッパー（zipper）」を生じさせる界面のところで粒子状の「リッパー（ripper）」（図示せず）になるという点において潤滑剤自体が別な種類の問題を引き起こしている。したがって、潤滑剤は摩擦の作用を減少させるが、かかる潤滑剤は、依然として解決策が得られていない別な種類の問題を生じさせている。
【００３１】
次に、図１８〜図２０を参照すると、第１の横断面積部８２の周囲８４（図１９）のところでは、各層はキャビティの一連の第２の横断平面７４内に頭を先にして差し向けられるだけでなく、この中に第２の横断面積部８５になり、この第２の横断面積部８５は、これに対応した第２の横断平面７４内に次第に周囲方向外方に大きくなる横断面寸法を有する。しかしながら、この層は、これら平面内で制御できない状態で「ブリード（bleed ）」することは決してできず、その代わりキャビティのそれぞれの第２の横断平面７４内のリングの表面２６又は６２のところで環状体８６によって得られる逸らせ手段の制御下に常時存在する。環状体８６は、層の相対的に周囲方向外方への連続膨張を制限すると共に平面７４内で層の取る第２の横断面積部８５の円周方向輪郭８８を定めるよう働く。しかしながら、軸線１２に対してこれらは相対的に周囲方向外方への傾斜角をなすと共に互いに対して相対的に周囲方向外方に互い違いの関係をなすので、これら環状体はそのように「引込み式」又は受動式になり、したがって層は、上述したようにこれに対応したそれぞれの第２の平面内で相対的に周囲方向外方に次第に大きくなる横断面寸法を有することができるようになる。他方、この層に生じる熱収縮力「Ｃ」（図２０）は、この中に残っている外への拡大力に反対に働き始め、最終的には外への拡大力と全体的に釣り合い、したがって、これら熱収縮力がそのように働くと、図２０の等式中の引込み逸らせ効果「Ｒ」がいわばこの等式から抜け落ちるようになる。換言すると、逸らせ手段はもはや不要になる。「固相線」が生じ、金属体４８は引き続きキャビティの軸線に対して横断方向にある程度の収縮を生じ続けるが、金属体４８は事実上、それ自体の形態を維持することができる体であり、これは、釣合い効果が生じた、即ち「固相線」が生じたキャビティの「位置」第２の横断平面９０の下で図１８に見ることができる。
【００３２】
図１９と関連して再度、図１〜図８を参照すると、各異形材の場合、「固相線」は、異形材の外側周囲輪郭９１によって表され、これに対し相対的に内側の輪郭８４は、キャビティの第１の横断平面７２内の環状体８３により各層に与えられる第１の横断面積部８２の輪郭であることが分かる。各対の輪郭相互間の「周辺部（penumbra）」は、「固相線」が平面９０のところで生じる前に、それぞれの層の取る次第に大きくなった第２の横断面積部８５である。
【００３３】
各リングの表面２６又は６２は、その周囲の周りにぐるりと列状に配置された角度的に連続したセグメント環状部分９２（表面を表す図１９の斜線相互間の部分）を有し、そしてもしこの表面の周囲輪郭が円形であれば、そのテーパ角は、表面の周囲全体を通じて同一であり、キャビティの軸線１２が垂直線に沿って差し向けられ、熱は層のそれぞれの角度的に連続したセグメント環状部分９４（図１０及び図１９）からその円周方向の周りに均一に取り出され、この場合、金属体は同様に、平面９０内でその横断面積部の周りに円形の輪郭を呈する。即ち、垂直方向ビレット鋳型が用いられる場合、その表面２６又は６２には、これらの特性が与えられ、穴３８，４０で構成される「スプリットジェット」システムを含む熱抽出手段８は、ビレットのそれぞれの部分９４からその周囲の周りに一定の速度で熱を取り出すよう動作し、この場合、事実上、環状体８３は、この中の第１の横断面積部８２に円形の周囲輪郭８４を与え、環状体８６は、この中のそれぞれの第２の横断面積部８５に同様の周囲輪郭８８を与えることになり、金属体は円筒形になる。というのは、キャビティの互いに対向した側部上の金属体の部分９４相互間のキャビティの軸線に平行に延びるキャビティの第３の横断平面９５（図９及び図１９の表面２６又は６２を表す斜線）内でその横方向に金属体中に生じる熱応力は、キャビティの側部から側部まで互いに釣合をとる傾向がある。しかしながら、非円形周囲輪郭が平面９０のところで金属体について選択されると、或いは鋳型の軸線が垂直線に対して角度をなして差し向けられ、或いは熱が不定の速度で部分９４から取り出されると、種々の制御を本発明の特徴のうち幾つかに関して実施する必要がある。
【００３４】
第１に、キャビティの第３の横断平面９５内の熱応力の釣合をとるための何らかの手段を設ける必要がある。第２に、溶融金属の層７６は、平面９０内における金属体について意図された横断面積部及び円周方向輪郭に適した横断面積部８５及び周囲輪郭８８のところで、一連の第２の横断平面７４を通って移行する必要がある。これは、この目的に適した横断面積部８２及び周囲輪郭８４が第１の横断平面７２について選択されなければならないことを示している。これは又、もし輪郭が平面９０のところに再現されるべきであれば、平面９０内での金属体の面積が大きくなるけれども、キャビティの互いに向かいあった側部上の層の角度的に連続したセグメント角度部分９４中における外への拡大力「Ｓ」及び熱収縮力「Ｃ」相互間に存在する差のばらつきを許容する何らかの手段を設ける必要がある。
【００３５】
これらパラメータの各々を制御する方法を開発した。かかる方法としては、所望ならば、これらパラメータ相互間にばらつきを生じさせ、したがってありふれた第１の横断面積部及び（又は）周囲輪郭、例えば円形の輪郭から、これら領域又は輪郭に類似しているが、これとは異なる形状のもの、例えば長円形を形成できるような方法が挙げられる。また、平面９０内の金属体の横断面積部の横断面寸法を制御する方法を開発した。これら制御機構の各々について以下に説明する。
【００３６】
熱応力の釣合を取ることに関し、先ず最初に図１０を参照するが、図９〜図１５の残りの部分も参照されるべきである。任意の非円形横断面、例えば図１０に示された非対称且つ非円形の横断平面内の熱応力を制御するために、先ず最初に、横断面の周囲輪郭８４からその周りに実質的に一定の間隔で垂線９６を熱格納平面７８に入れることにより、金属体のそれぞれの角度的に連続したセグメント環状部分９４をプロットする。次に、鋳型それ自体の製作にあたり、可変量の液体冷却剤をそれぞれの部分９４上に送り出して輪郭の相互に向い合った側部上の部分からの熱の抽出速度が、金属の収縮によって生じる熱応力が金属体の側部から側部まで釣合がとられる傾向があるようなものであるようにする。換言すると、冷却剤を金属体のそれぞれの相互に向い合った部分中の熱収縮力を均等にするようになった量で金属体の周りに送り出す。
【００３７】
「熱格納平面」（図２４）は、任意の金属体の漸次収束する等温線によって定められるトラフ形モデル９８内の最大熱集中線と一致する垂直平面である。換言すると、図２４で分かるように、これは、モデルの底部のところのキャビティの横断平面１００と一致する垂直平面であり、理論的には、互いに反対側で熱が金属体からその輪郭に送り出される平面である。
【００３８】
部分９４上に送り出される冷却剤の量を変化させるために、そのそれぞれの組の中の個々の穴３８，４０の穴のサイズを変化させる。図９に見えるキャビティの互いに対向した凸状及び凹状の湾部１０２，１０４に隣接して位置した穴３８，４０についての図１３及び図１５の穴のサイズを比較されたい。例えばこれらのような湾部のところでは、かかる措置が取られなければ、大きな応力が生じることが予想される。しかしながら、例えばキャビティの周囲上の任意の一点のところにおける穴の数を変化させることにより、或いは場所毎に温度を変化させることにより、或いは同一の効果を有する他の何らかの手段を用いることにより熱抽出速度を制御する他の手段を採用できる。
好ましくは、冷却剤を金属体４８上に送出し（図２４）、モデル９８の底部のキャビティの横断平面１００とそのリム１０６のところの平面との間で金属体に、そして好ましくはその平面にできるだけ密接して衝撃を与え、例えばモデルのトラフ中のどろどろした状態の部分１０８の周りに形成されている部分的に凝固した金属の「キャップ」１０７に衝撃を与える。
【００３９】
鋳造速度に応じて、これは、図２１の横断面で見て、黒鉛製リングを通して冷却剤をキャビティ内へ送り込むことを意味している。この場合、鋳型１０９は、一対の上部取付板１１０と下部取付板１１２を有し、これら取付板はこれらの間に黒鉛製リング１１４を挟むよう互いに相欠き又はさね継ぎ関係をなしている。リング１１４は、鋳型の鋳造面１１６を形成できるだけでなく、その外周部の周りに配置される環状冷却剤室１１８の内周部をも形成できる。リングは、その外周部の周りにぐるりと設けられた一対の円周方向溝１２０を有し、これら溝は、鋳型の外周部のところに設けられたエラストマー密封リング１２６で適当に閉鎖されたさらに別の円周方向溝１２４内へ冷却剤を送り込む一連のオリフィス１２２のための適当な環状体を形成するよう頂部及び底部が面取りされている。溝１２４は、米国特許第５，５８２，２３０号及び米国特許第５，６８５，３５９号の方法で、キャビティ内へ冷却剤を送り込むようキャビティの軸線の回りに配置された２組の穴１２８内へ冷却剤を送り込む。穴１２８は、これを冷却剤が通過する際に冷却剤を収容するよう通常はワニスが塗布され或いは他の方法で被覆が施されており、この場合もまた密封リングが室をキャビティから密封するためにそれぞれの取付板と黒鉛製リングとの間に用いられている。
【００４０】
非円形領域及び輪郭９１を有する製品を鋳造するのに必要な領域８２、輪郭８４、及び「周辺部」８５を得るために、図９及び図１０を参照して最もよく説明できる方法が用いられる。各々は、非円形周囲輪郭及びこの中の軸線１２から周囲方向外方に延びる曲線及び（又は）アングロリニア（anglolinear ）「アーム」１２９を評価する機会を提供する。アーム１２９自体はまた、曲線及び（又は）アングロリニアである輪郭をこの中に有すると共に凸状及び凹状の向い合った輪郭をこれらの間に有している。したがって、もしキャビティの任意の第３の横断平面９５を横切るよう選択すれば、キャビティの両側の輪郭がこれらの上の層の互いに対向した角度的に連続したセグメント環状部分９４内に存在する差相互間のばらつきを発生させがちであることが分かろう。例えば、図９の湾部１０２，１０４に対向して配置された層の角度的に連続したセグメント環状部分は、「Ｖ」字形の鋳造の際に著しく異なる外への拡大力を受けるであろう。相対的に凹状の湾部１０２では、部分９４内の溶融金属は、圧縮、「はさみ付け（pinching）」又は「集束化（bunching up ）」を受ける傾向がある。というのは、鋳造作業の力学的条件のもとでは、「Ｖ」字形の２つのアーム１２９は、互いに対して回転し、事実、湾部１０２内で金属を圧縮し又は「ぎっしり詰める」傾向があるからである。他方、相対的に凸状の湾部１０４では、アームの回転により、これと対向した部分内の金属が緩み又は開かれ、したがってそれぞれの部分内の外への拡大力と熱収縮力との間に存在する差相互間に大きなばらつきが生じるようになる。同じことが図１０の場合にも当てはまるが、この場合には付属部分１３０を備えたアーム１２９が設けられているので、これとの組合せになる。始動後、例えばアーム１２９′は、図１０の時計回りの方向に回転しようとし、これに対しアーム１２９″は反時計回りの方向に回転しようとする。他方、アーム１２９′に設けられた付属部分１３０′及びアーム１２９″に設けられた付属部分１３０″もまた、互いに逆方向に回転しようとする。各々は、これらの間に延びる凸状又は凹状の湾部１３２または１３４内の金属の流体力学的状態に影響を及ぼし、他方、この図の輪郭には、実際にはそれぞれのアーム又は付属部分、例えばそれぞれのアーム又は付属部分の先端部のところの回転からの結果をほとんど受けない点がある。
【００４１】
種々のばらつきを無くすと共に各アーム１２９がその長手方向に向けている収縮を計算に入れるために、部分９４と対向した鋳造リングの表面２６又は６２のそれぞれの角度的に連続したセグメント環状部分９２（図１９）のテーパを変化させて図２０の等式中の「Ｒ」要因を、層のそれぞれの部分９４内の外への拡大力がこれと対向して配置された第２の横断面積部８５のそれぞれの角度的に連続したセグメント環状部分に費やされる均等な機会を持つ程度まで変化させる。例えば、図９の凹状湾部１０４は、この中の高い外への拡大力を計算に入れるために「周辺部」８５の幅の広いセグメント環状部分を有しており、これに対しこれと反対側の凸状湾部１０２は、これと向い合った層の部分が受ける外への拡大力は比較的小さいので「周辺部」の幅のかなり狭いセグメントを有していることに注目されたい。図１０の輪郭は、通常は、各アーム又は付属部品が鋳造中に受ける収縮及び（又は）回転の問題に取り組み、次に高い効果の要望を満たすテーパを選択するために隣り合う効果相互間の外挿を行う多段方式において同様な検討を行うことにより設定されている。もし例えば２つの隣り合う効果のうち１つが５°のテーパを必要とし、別のテーパが７°のテーパを必要とする場合、７°のテーパは、両方の効果に適合するよう選択される。その結果が、図４及び図５の「周辺部」８５に概略的に示されており、これらについての厳密な吟味が、用いられる方法を理解する上で推奨される。
【００４２】
当然のことながら、この方法を考慮して望ましいのは、各場合について符号９１で示された横断面積部及び輪郭である。したがって、この方法は、実際には、鋳型の入口側端部の開口部に必要な横断面輪郭８４及び横断面積部８２を定める「周辺部」を先ず最初に得るために逆方向に実施される。
【００４３】
可変テーパを制御機構として用いることにより、第１の横断面積部の周りに円筒形周囲輪郭を有するキャビティから水平方向鋳型で円筒形ビレットを鋳造することができる。図２及び図７並びに図１６を参照すると、このようにするためには、キャビティ１３６はその底部に、第１の横断面積部８２の輪郭８４と平面９０内の金属体に設けられた周囲輪郭９１との間で適当な大きさの凹み８５を備えなければならないことに注目されたい。これは、図１６に概略的に示されており、図１６は、この効果だけを得るために鋳型１４２の頂部１３８と底部１４０の鋳造面の角度相互間に必要なサイズの差を示している。
【００４４】
しかしながら、平凡な周囲輪郭を他の幾つかの輪郭にすることにより、例えば円形の輪郭を長円形又は扁円の輪郭にすることにより、キャビティの互いに向い合った側部の差相互間のばらつきを生じさせるのが有利な場合がある。図２５では、従来型軸線角度又は軸線向き制御手段１４４が、キャビティの軸線を垂直線に対し角度をなして傾斜させ、かかるばらつきがキャビティの第１の横断面積部８２の周りの円形の輪郭８４をその第２の横断面積部８５についての、かくして「固相線」が生じるキャビティの１つの第２の横断平面９０内の金属体の横断平面の周囲輪郭についての対称且つ非円形の輪郭に変換するようにするために用いられている。図２６では、かかるばらつきは、キャビティの互いに向い合った側部上の金属体の角度的に連続したセグメント環状部分９４からの熱の抽出速度を変えることによって得られる。穴１４６と穴１４８のサイズのばらつきを参照されたい。そして、図２７では、黒鉛製リングの表面１５０には、かかるばらつきを得るためにキャビティの互いに向い合った側部上のキャビティの軸線に対する互いに異なる傾斜度が与えられている。各場合において、その効果として、図２５〜図２７の下に概略的に示されているように、金属体の横断平面について楕円形又は扁円形の周囲輪郭が得られている。
【００４５】
リングの表面には、直線状のフレア又はテーパではなく、曲線状のフレア又はテーパを設けるのがよい。図２２では、リング１５４の表面１５２は、曲線であるだけでなく、一連の第２の横断平面７４の下で、特に平面９０の下で軸線と平行な方向に向って幾分内側に湾曲（内曲）しており、その目的は、「固相線」が生じた後に発生する「再ブリード」を捕捉することにある。理想的には、各場合において、鋳造面は、金属の直ぐ前で金属のあらゆる運動に追随して金属の漸次周囲方向外方への広がりを導くが、制御もする。
【００４６】
上述したように、「固相線」が生じるキャビティの１つの第２の横断平面９０内での金属体の横断面積部に与えられる横断面寸法を制御する手段をも開発した。先ず最初に図２８を参照すると、これは、所望ならば鋳造速度を変化させてキャビティの第１及び第２の横断平面をリングの表面に対してその軸方向にシフトさせることにより非常に簡単に達成できるということが分かる。即ち、キャビティの第１及び第２の横断平面を表面の幅の広いバンド１５６にシフトさせることにより、多種多様な組をなす寸法を金属体の横断面積部に効果的に与え、逆に、これら横断平面を表面の幅の狭いバンドにシフトさせることにより、その領域に与えられた横断面寸法が効果的に小さくなる。
【００４７】
変形例として、バンド１５６自体をキャビティの第１及び第２の横断平面に対してシフトさせて同一の効果を達成し、さらに任意の周囲輪郭、例えば圧延インゴットに必要な側部の平らな輪郭を金属体の両側に与えてもよい。図２９〜図３８には、圧延インゴットを鋳造するための適当な鋳型に関してこれを行う方法が示されている。鋳型１５８は、２組のセグメント環状鋳造部材１６２，１６４を支持するようになったフレーム１６０を有し、これら鋳造部材１６２，１６４は協働して、フレーム内に矩形の鋳造リング１６６を形成している。これら組をなす鋳造部材は、これらのコーナーのところが互いに協働する形で半直角に切り落されていて、これらの組のうち一方１６２をキャビティの軸線に対して横方向に互いに往復動させてリング１６６に定められた全体として矩形のキャビティの長さを変化させることができるようになっている。他方の組をなす部材１６４は、図３０では部材１６４′により、或いは図３１〜図３６では部材１６４″により表されている。先ず最初に図３０を参照すると、部材１６４′は細長く、頂部が平らであり、符号１６８のところでフレーム内に回転自在に設けられていることが分かろう。この部材１６４′はまた、その内側フェース１７０のところが凹状に凹んでおり、したがってこれは、その回転軸線１６８に対して横断する方向でそのそれぞれの端部１７２から見てこの部材の中央部分１７１の方向に横断面が次第に減少するようになっている。部材のそれぞれの横断面、即ちＡＡ〜ＧＧを参照されたい。さらに、部材の内側ケース１７０は、その周りに角度的に連続して位置する間隔のところが半直角に切り落されており、この内側フェースのそれぞれの半直角切り落し面１７４は、この部材の頂部からその底部の方向に支点１６８の次第に小さくなる半径でテーパしている。この場合、半直角に切り落した効果を横断面積を減少させた効果の両方により、一連の角度的に連続したランド１７４が得られ、これらランド１７４は、部材の内側フェースに沿って延び、その内側フェースの内方に相対的に内側に向かって湾曲し（内曲）又は傾斜してこの内側フェースに球状の周囲輪郭１７６を与え、この輪郭１７６は、側部が平らな圧延インゴットを鋳造するのに必要な輪郭の特徴を備えている。しかしながら、この輪郭は、内側フェースの輪郭の周りでランド相互間の周囲外寸が次第に大きくなっていて、内側フェースは部材１６４′がその反時計回りに回転するにつれて対応しているが、次第に周囲方向外方に大きくなった横断面積部を定めるようになっている。図３７に概略的に示された輪郭を参照すると共に、これが中央平坦部１７８及びその各側に向かってテーパした中間部分１８０を有し、これら中間部分１８０は部材の端部１７２のところの別の平坦部まで流れるように延びていることに注目されたい。リング１６６の端部１６２（図２９）を互いに関して往復動させてキャビティの横断面積部の長さを調節すると、側部部材１６４′は、互いに同時に回転してついには一対のランド１７４が、その長手方向のテーパと横方向のテーパが組み合さってキャビティの側から側までその周囲輪郭が保持される部材上に位置するようになり、それと同時に、部材の平坦部１７８相互間の横断面寸法を保持して、インゴットの側部１８２の平坦度が保持されるようになっている。
【００４８】
図３１〜図３６では、リングの長手方向側部１６４″が固定されているが、これらもまた図３２で見てその長手方向に凸状に弓状になっており、そしてその内側フェース１８６の周りに角度的に次々に連続した間隔部１８４のところが可変的にテーパしており、この場合もまた、図３０の部材１６４′のフェース１７０の複合した地形学的特徴と同一の複合した地形学的特徴をもたらすよう部材の長手方向に横断面ごとに各種テーパのところで、この長さがリングの端部１６２を互いに対して往復動させることによって調節すると、キャビティの中央部分１８４の球状輪郭１７８を保持するであろう。しかしながら、この場合、側部部材１６４″が固定されているので、キャビティの第１及び第２の横断平面は、鋳造速度の調節により昇降して図３３の符号４８で概略的に示す相対的な調節と同一の相対的調節を達成する。
【００４９】
鋳型の端部１６２は機械的又は油圧的に１８６のところで、しかしながら電子制御装置１８８（ＰＬＣ）により駆動され、この電子制御装置は、ロータ１６４′の回転又は部材１６４″相互間の金属４８の高さ位置を整合させてキャビティの長さが駆動手段１８６によって調節されると、キャビティの中央部分１８４のところのキャビティの横断面寸法を保持する。
金属体の横断面輪郭及び（又は）横断面積部の横断面寸法を、鋳型の軸方向で両側に互いに反対側に位置したテーパ部分１９２を有する鋳造リング１９０（図２３）で変えることも可能である。それぞれの部分の表面の種々のテーパが所与のものである場合、キャビティの周囲輪郭及び（又は）横断面寸法を、リングを逆にするだけで変えることができる。しかしながら、図示のリング１９０は各部分１９２の表面の同一のテーパを有し、例えば、第１の表面が摩耗したり、或いは別のある理由で使用を止める必要がある場合、１つの鋳造面を別の鋳造面で置き換える迅速な方法としてのみ採用される。
【００５０】
リング１９０は、米国特許第５，３２３，８４１号に開示された形式の鋳型と関連して図示されており、溝１９４に取り付けられると共にこれにクランプされていて、これを上述したように取り外し、逆さまにし、そして再使用できるようになる。想像線で示した他の特徴は、米国特許第５，３２３，８４１号に見ることができるものである。
【００５１】
本発明は又、インゴット鋳造の際、溶融金属が鋳型のコーナーを満たすようにしている。鋳型の他の部分の場合と同様に、コーナーは、長円形のように丸くなっており、或いは別の形状をしていて、外への拡大力が金属をこれらコーナーに最も効率よく流し込むことができる。しかしながら、本発明は丸い輪郭を持つ異形材に限定されない。第２の横断面積部の適当な付形が所与のものである場合、角度を他の丸い又は丸くない本体であるものに鋳造することができる。
【００５２】
鋳造製品１９６は、図３９に示すように多数の長手方向部分１９８の状態に再分できる程長いものであるのがよく、ここでは図９〜図１５及び図１７のキャビティと似たキャビティで成形されたＶ字形部品１９６がこのように細分された状態で示されている。所望ならば、さらに、各部分を或る方法で、例えば軽鍛造又は他の後処理でプラスチック状態で後処理でき、それによりこれを完成品、例えば自動車のキャリッジ又はフレームの構成部品としていっそう適当なものにすることができる。
【００５３】
これ以外の溶融始動材料が用いられる場合、始動材料体７０は、溶融金属の体積層のための「移動床」又は「隔壁」として機能するよう配合されるべきである。
【００５４】
図３９〜図４２は、本発明の手段及び方法が製品の鋳造に用いられる時、鋳造面と溶融金属層との間の境界部の温度の劇的な減少を示すために記載してある。これらはまた、減少が鋳型の周囲方向に境界部の周りの任意の特定の箇所で用いられるテーパ度の関数であることを示している。事実、点ごとの最適テーパ度は、鋳型の周囲の周りのそれぞれの熱伝対による読みを得ることによって決定される場合が多い。
【００５５】
外への拡大力と同様、熱収縮力は、鋳造中の金属を含む多くの要因の関数である。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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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１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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