(57)【要約】【課題】溶湯を高い速度で冷却させる引上式鋳造装置の提供。【解決手段】引上式鋳造装置（１０）は、溶湯（Ｍ１）を保持する保持炉（１）と、溶湯（Ｍ２）を導出する導出部（３）と、凝固前の溶湯である保持溶湯（Ｍ２）に外力を印加して、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材（２）と、囲い（４）と、ガス供給部（８）と、を含む。ガス供給部（８）は、保持溶湯（Ｍ２）を冷却する不活性ガスを供給する。囲い（４）は、溶湯（Ｍ１）の湯面上部に、保持溶湯（Ｍ２）を覆う。また、囲い（４）は、上面（４２）に導出部（３）が通過することのできる導出部通過口（４１）と、ガス供給部（８）からの不活性ガスを通過させて、囲い（４）の内側に供給する供給口（６）と、供給口（６）の下側に換気口（７）と、を有する。【選択図】図１
2015085333.tif 000002
【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から前記溶湯を導出する導出部と、
前記湯面近傍に設置され、前記導出部によって導出された凝固前の前記溶湯である保持溶湯に外力を印加することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、
前記溶湯の湯面上部に、前記保持溶湯を覆う囲いと、
前記保持溶湯を冷却する不活性ガスを供給するガス供給部と、
を含み、
前記囲いは、
上面に前記導出部が通過することのできる導出部通過口と、
前記ガス供給部からの前記不活性ガスを通過させて、前記囲いの内側に供給する供給口と、
前記供給口の下側に換気口と、
を有する引上式鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、引上式鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、鋳型を要しない画期的な鋳造方法として自由鋳造方法が開示されている。このような鋳造装置では、導出部（スタータ）を溶湯の表面である湯面に浸漬した後、この導出部を湯面から引き上げると、溶湯の表面膜や表面張力を利用して溶湯が導出される。ここで、湯面近傍に設置された形状付与部材を介して、溶湯を導出して冷却することにより、連続的に変化した断面形状を有する鋳物を連続鋳造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−０６１５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、引き上げた溶湯を高い速度で冷却させる引上式鋳造装置が求められている。例えば、特許文献１で開示される自由鋳造装置では、凝固速度に対して引上げ速度を過剰に高めると、引上げた溶湯がちぎれたり、得られる鋳物が成形品として必要な肉厚を維持できないほどに細くなったりすることがあった。また、鋳物の表面品質が悪化することがあった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記した事情を背景としてなされたものであり、溶湯を高い速度で冷却させる引上式鋳造装置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】
【０００６】
本発明にかかる引上式鋳造装置は、
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から前記溶湯を導出する導出部と、
前記湯面近傍に設置され、前記導出部によって導出された凝固前の前記溶湯である保持溶湯に外力を印加することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、
前記溶湯の湯面上部に、前記保持溶湯を覆う囲いと、
前記保持溶湯を冷却する不活性ガスを供給するガス供給部と、
を含み、
前記囲いは、
前記導出部が通過することのできる導出部通過口と、
前記不活性ガスを通過させて、前記囲いの内側に供給する供給口と、
前記供給口の下側に換気口と、を有する。
【０００７】
このような構成によれば、引き上げた溶湯を高い速度で冷却させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、引き上げた溶湯を高い速度で冷却させることのできる引上式鋳造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかる引上式鋳造装置の模式図である。
【図２】検証実験１に用いた検証装置の模式図である。
【図３】時間に対する温度を示すグラフである。
【図４】検証実験の検証項目を説明するための模式図である。
【図５】雰囲気ガス注入量に対する冷却率である。
【図６】囲い体積に対する冷却率である。
【図７】雰囲気ガス注入口位置に対する冷却率である。
【図８】実施例及び比較例の引き上げ速度である。
【図９】実施例及び比較例の肉厚である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、図１を参照して実施の形態１にかかる引上式鋳造装置について説明する。図１は、実施の形態１にかかる引上式鋳造装置の模式図である。
【００１１】
図１に示すように、引上式鋳造装置１０は、保持炉１と、形状規定部材２と、スタータ３と、囲い４と、雰囲気ガス供給部８と、を含む。
【００１２】
保持炉１は溶湯Ｍ１を所定の温度に保持する。ここで、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、鋳造中に保持炉１へ溶湯を随時補充し、湯面を一定の高さに保持するような構成としてもよい。溶湯Ｍ１は、例えば、アルミニウム又は、アルミニウム合金である。なお、溶湯Ｍ１は、アルミニウム以外の金属又は合金であってもよい。
【００１３】
形状規定部材２は溶湯Ｍ１の湯面に浮かぶように配置される。図１の例では、形状規定部材２が湯面に接触するように配置されている。しかしながら、形状規定部材２は、それらの下側（湯面側）の主面が湯面に接触しないように設置されてもよい。形状規定部材２は、溶湯Ｍ１に外力を加えて、鋳物形状を形成する。形状規定部材２は、例えば、セラミックスやステンレス鋼からなる。形状規定部材２は、例えば、主面を貫く開口部を有する板状体である。溶湯Ｍ１をこの開口部の端部に接しながら引き上げるだけでも、外力を溶湯Ｍ１に加えることができる。また、形状規定部材２は、例えば、駆動部（図示略）に駆動力を与えられることにより、駆動することができる。形状規定部材２は、駆動することで、溶湯Ｍ１に外力を与えることができる。
【００１４】
スタータ３は、引き上げ駆動装置（図示略）に、溶湯Ｍ１の湯面に接触及び離間可能に保持されている。引き上げ駆動装置は、スタータ３を引上駆動し、スタータ３とともに溶湯Ｍ１の一部Ｍ２を引上方向に引き上げる。スタータ３は、湯面近傍から湯面上方の所定の高さまで往復移動することができる。溶湯Ｍ１の一部Ｍ２は引き上げられるにつれて、スタータ３近傍から下方に凝固していく。その結果、鋳物が形成される。
【００１５】
囲い４は、上面部４２と、筒部４３と、を有する。上面部４２が筒部４３の上端に設けられており、筒部４３の上端は上面部４２により閉塞されている。但し、上面部４２は、スタータ３が通過することのできるスタータ通過口４１を有する。詳細には、スタータ通過口４１は、スタータ３を引き上げる方向におけるスタータ３の断面形状と同じ形状、又は、スタータ３の側面を包含する形状を有する。一方、囲い４の下端は開口している。筒部４３は、冷却ノズル５と、供給口６と、排気口７と、を有する。
【００１６】
冷却ノズル５は、囲い４の外側に設置された冷却媒体供給部（図示略）から冷却媒体を供給される。冷却ノズル５は、冷却媒体を囲い４の内側に向けて吹き付ける。冷却媒体として、例えば、空気、不活性ガス、水などが挙げられる。
【００１７】
供給口６は、例えば、冷却ノズル５よりも上側に筒部４３又は上面部４２に設けられる。供給口６は、囲い４の外側に設置された雰囲気ガス供給部８に、ガス管８１を介して接続されている。雰囲気ガス供給部８による雰囲気ガスが、供給口６から囲い４の内側に供給される。雰囲気ガスは、空気、窒素などの様々な気体を利用することができる。雰囲気ガスは、不活性ガスであると好ましい。また、雰囲気ガスは、空気よりも小さな密度を有すると好ましい。このような雰囲気ガスとして、例えば、Ｈｅ、Ｎ２、Ｎｅが、挙げられる。雰囲気ガス供給部８は、例えば、雰囲気ガスを充填されたガスボンベである。ガス管８１には、必要に応じて、バルブや流量計が設置されるとよい。
【００１８】
排気口７は、供給口６よりも下側に設けられる。排気口７は、囲い４の内側にある気体を、囲い４の外側に排出させる開口である。排気口７は、囲い４の内側に元々ある空気や、溶湯と熱交換済みの雰囲気ガスを囲い４の外側に導き、その結果、供給口６から供給される雰囲気ガスを囲い４の内側に充満させやすくする。すなわち、排気口７は、囲い４の内側を換気する機能を有する。囲い４の内側に気体がこもらないように、排気口７の大きさが決定される。
【００１９】
ここで、引上式鋳造装置１０を用いて、鋳造を行う。すると、スタータ３が引き上げ駆動されて、溶湯Ｍ１の一部Ｍ２を保持して、引き上げる。雰囲気ガスが、供給口６から囲い４の内側に供給される。囲い４の底部近傍にある気体が、排気口７を通過して囲い４の外側に排出される。雰囲気ガスが囲い４の内側に充満し、雰囲気ガスの気体密度が向上する。これにより、引き上げた溶湯Ｍ１の一部Ｍ２と雰囲気ガスとの熱交換が促進されて、溶湯Ｍ１の一部Ｍ２の冷却速度が向上する。また、引き上げた溶湯Ｍ１の一部Ｍ２を均一に冷却して、鋳物の表面品質の悪化を抑制することができる。
【００２０】
以上、実施の形態１によれば、冷却ノズルによる冷却媒体の吹付に加えて、溶湯近傍の雰囲気を制御することで、冷却速度を高めることができる。つまり、溶湯を高い冷却速度で、しかも均一に冷却させることができる。また、鋳物表面の悪化を抑制し、良好な表面品質を有する鋳物を成形することができる。
【００２１】
また、実施の形態１によれば、雰囲気ガスとして、空気よりも軽い不活性ガスを供給口から供給し、さらに、囲いの内側にある気体を、供給口よりも下側に設けた排出口から排出し得る。これにより、不活性ガスを囲いの内側にさらに充満させて、雰囲気ガスによる溶湯の冷却を促進するのである。
【００２２】
検証実験１．
次に、図２及び３を用いて、実施の形態１にかかる製造方法に関する検証実験１について説明する。図２は、検証実験１に用いた検証装置の模式図である。検証実験１では、実施例１及び比較例１の冷却性について評価した。詳細には、実施例１として、実施の形態１にかかる製造方法に対応する検証装置２０を用いて、冷却性を評価した。さらに、比較例１として、検証装置２０と異なる構成を有する検証装置を用いて、冷却性を評価した。
【００２３】
図２に示すように、検証装置２０は、ベース２２と、フタ２４と、冷却ノズル２５と、ガス供給管２６と、呼吸穴２７と、雰囲気ガスボンベ２９とを有する。フタ２４は、ベース２２に設置されて、ベース２２と閉空間を形成する。また、冷却ノズル２５は、ベース保持部２８２を介してベース２２に設置されており、テストピース２３とほぼ同じ高さに位置する。冷却ノズル２５は、冷却媒体供給部（図示略）に接続されており、冷却媒体を供給される。冷却ノズル２５は、所定の方向に冷却媒体を吹く。テストピース２３は、スタータ３（図１参照）と同じ種類の材料からなり、スタータ３を模擬した形状を有する。テストピース２３は、ＪＩＳ規格に定めるＡ５０５２合金からなる。ガス供給管２６は、雰囲気ガスを、雰囲気ガスボンベ２９からフタ２４とベース２２とにより形成される閉空間に導く。呼吸穴２７は、フタ２４とベース２２とにより形成される閉空間にあるガスを、当該閉空間の外側に導く。呼吸穴２７は、ガス供給管２６の下側に形成される。
【００２４】
次に、実験方法について説明する。まず、テストピース２３を、検証装置２０のテストピース保持部２８１に保持させる。冷却ノズル２５と冷却ガス供給部（図示略）とを接続する。続いて、テストピース２３と、フタ２４とベース２２とにより形成される閉空間にあるガスとの温度の測定を準備する。例えば、テストピース２３と、フタ２４の内壁近傍とに熱電対等を設置して、熱電対等とデータロガー等とを接続し、テストピース２３とガスの温度についての信号を記録する。続いて、テストピース２３をガスバーナー等を用いて、４００℃まで加熱する。続いて、フタ２４をベース２２に設置し、閉空間を形成する。続いて、冷却ノズル２５をノズル圧０．０５ＭＰａで開放し、冷却媒体をテストピース２３に吹き付ける。その後、そのままテストピース２３の温度を計測した。
【００２５】
なお、比較例１として、用いた検証装置は、検証装置２０からフタ２４とガス供給管２６と雰囲気ガスボンベ２９とを省略した装置と同じ構成を有する装置である。比較例１では、この検証装置を用いて、上記した実験方法で冷却性を評価した。
【００２６】
検証実験１の結果を図３に示した。図３は、時間に対する温度を示すグラフである。図３に示すように、実施例１では、２５０℃から１００℃まで冷却するまでに約３２ｓｅｃを要した。一方、比較例１では、２５０℃から１００℃まで冷却するまでに約６７ｓｅｃを要した。実施例１で用いた検証装置２０は、比較例１で用いた検証装置と比較して、約２倍の冷却性を有する。
【００２７】
検証実験２．
次に、図４〜７を用いて、検証実験２について説明する。図４は、検証実験の検証項目を説明するための模式図である。図５は、雰囲気ガス注入量に対する冷却率である。図６は、囲い体積に対する冷却率である。図７は、雰囲気ガス注入口位置に対する冷却率である。
【００２８】
検証実験２では、雰囲気ガス注入量、囲い体積、雰囲気ガス注入口位置について比較的良好な条件を探るべく、事前検証を実施した。詳細には、各条件における冷却率を測定し、各条件の比較的良好な条件を決定した。図４に示すように、囲い体積Ｙは、囲い４と形状規定部材２とにより閉鎖される閉空間の体積である。また、雰囲気ガス注入口位置Ｚは、形状規定部材２から供給口６の中心までの距離である。なお、雰囲気ガス注入量Ｘは、供給口６から囲い４の内側に供給される雰囲気ガスの流量である。ここで冷却率は、検証実験１において、実施例１の２５０℃から１００℃まで冷却するまでの時間３２ｓｅｃを基準として計算した。２５０℃から１００℃まで冷却するのにかかる時間をＴｃ［ｓ］とすると、冷却率Ｒｃ［％］は以下の数式１で求められる。
Ｒｃ＝３２／Ｔｃ×１００      （数式１）
【００２９】
まず、雰囲気ガス注入量の条件を１、５、１０、１５Ｌ／ｍｉｎとした場合の冷却率についてそれぞれ評価した。なお、囲い体積、雰囲気ガス注入口位置の条件はいずれも一定である。図５に示すように、雰囲気ガス注入量が１、５Ｌ／ｍｉｎの場合、冷却率はいずれも１００％に至らなかった。一方、雰囲気ガス注入量が１０、１５Ｌ／ｍｉｎの場合、冷却率はいずれも１００％であった。雰囲気ガス注入量が多いと、冷却性が高くなるものの、雰囲気ガスのコストが大きくなる。そこで、雰囲気ガス注入量の比較的良好な条件は１０Ｌ／ｍｉｎに決定した。
【００３０】
続いて、囲い体積の条件を８、１２、１６、２０Ｌとした場合の冷却率についてそれぞれ評価した。なお、雰囲気ガス注入量、雰囲気ガス注入口位置の条件はいずれも一定である。図６に示すように、囲い体積が８、１２Ｌの場合、冷却率はいずれも１００％であった。一方、囲い体積が１６、２０Ｌの場合、冷却率はいずれも１００％に至らなかった。囲い体積が小さいと、冷却性が高いものの、ガス及び／又は熱が籠り易くなる。そこで、囲い体積の比較的良好な条件は１２Ｌに決定した。
【００３１】
さらに、雰囲気ガス注入口位置の条件を１０、１５、２０、２５ｍｍとした場合の冷却率についてそれぞれ評価した。なお、雰囲気ガス注入量、囲い体積の条件はいずれも一定である。図７に示すように、雰囲気ガス注入口位置１０、１５ｍｍでは、冷却率がいずれも１００％に至らなかった。一方、雰囲気ガス注入口位置２０、２５ｍｍでは、冷却率がいずれも１００％であった。雰囲気ガス注入口位置が高くなると、冷却性が高くなる傾向にあるものの、囲いの形状が限定される。そこで、雰囲気ガス注入口位置の比較的良好な条件は２０ｍｍに決定した。
【００３２】
成形実験１．
次に、図８及び９を用いて、成形実験１について説明する。図８は、実施例及び比較例の引き上げ速度である。図９は、実施例及び比較例の肉厚である。成形実験１では、検証実験２で比較的良好とされた条件、つまり、雰囲気ガス注入量を１０Ｌ／ｍｉｎ、囲い体積を１２Ｌ、雰囲気ガス注入口位置を２０ｍｍと設定した。比較例２では、囲い４を省略して、冷却ノズルを新たに設置した引き上げ式鋳造装置を用いて成形を行った。成形実験１では、実施例２及び比較例２の、所定の肉厚の鋳物を鋳造した場合の引き上げ速度の最大値と、所定の肉厚の鋳物を鋳造した場合の肉厚のバラツキとを求めた。
【００３３】
図８に示すように、実施例２では、成形可能な引き上げ速度の最大値は４．５ｍｍ／ｓであった。一方、比較例２では、成形可能な引き上げ速度の最大値は３．０ｍｍ／ｓであった。つまり、実施例２の引上げ速度の最大値は、比較例２の成形可能な引き上げ速度の最大値と比較して、１．５倍向上した。
【００３４】
図９に示すように、実施例２では、肉厚１．５ｍｍの鋳物を鋳造すると、肉厚の標準偏差は０．３であった。一方、比較例２では、比較例２では、肉厚１．０ｍｍの鋳物を鋳造すると、肉厚の標準偏差は０．５であった。つまり、実施例２の肉厚が比較例２の肉厚の１．５倍であっても、実施例２の肉厚の標準偏差は比較例２の肉厚の標準偏差と比較して低かった。つまり、実施例２の肉厚のバラツキは、比較例２の肉厚のバラツキと比較して小さかった。
【００３５】
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。例えば、実施の形態１にかかる引上式鋳造装置１０では、供給口６が上面部４２に形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０…引上式鋳造装置      １…保持炉                
２…形状規定部材          ３…スタータ              
４…囲い                  ４１…スタータ通過口      
４２…上面部              ４３…筒部
５…冷却ノズル            ６…供給口  
７…排気口                ８…雰囲気ガス供給部      
８１…ガス管              Ｍ１、Ｍ２…溶湯
Ｘ…雰囲気ガス注入量      Ｙ…囲い体積
Ｚ…雰囲気ガス注入口位置
【図１】
2015085333.tif 000003
【図２】
2015085333.tif 000004
【図３】
2015085333.tif 000005
【図４】
2015085333.tif 000006
【図５】
2015085333.tif 000007
【図６】
2015085333.tif 000008
【図７】
2015085333.tif 000009
【図８】
2015085333.tif 000010
【図９】
2015085333.tif 000011