(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属の容器から物体を遠心鋳造する方法であって、前記溶融金属は、溶融金属が固体状態に相変化する温度と、注入されるときの注入温度とを有し、
容器内の溶融金属に関し、溶融金属が固体状態に相変化する温度を測定するステップと、
溶融金属を回転金型に供給するためにトラフ内に溶融金属を注入するステップと、
トラフ内に注入された溶融金属の注入温度を測定するステップと、
測定された、溶融金属が固体状態に相変化する温度、および、測定された、注入温度に基づいて溶融金属の流動性を計算するステップと、
溶融金属を金型内に配置するためにトラフに対して金型を移動させるステップであって、前記移動は、所定の仕様にしたがって前記物体を鋳造するために前記金型に一定量の溶融金属を供給するように、前記計算された流動性に基づいて制御されるステップと、
を備える方法。
【請求項２】
前記移動が、前記金型上の前記所定の仕様の物体の量的要件に流動性を関連付ける伝達関数にしたがって制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記伝達関数が経験的に導かれる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
溶融金属から物体を遠心鋳造するための装置であって、前記溶融金属は、溶融金属が固体状態に相変化する温度と、注入されるときの注入温度とを有し、
回転金型と、
容器から注入された溶融金属を受けて溶融金属を前記金型に供給するためのトラフと、
前記トラフまたは金型を互いに対して移動させるための駆動システムと、
前記駆動システムを制御するためのコントローラと、
前記金型および前記トラフの互いに対する規定の動作を提供するように前記駆動システムを制御するように前記コントローラをプログラムするためのコンピュータと、
前記溶融金属に関し、溶融金属が固体状態に相変化する温度を測定するための第一温度センサと、
前記溶融金属の注入温度を測定するための第二温度センサと、
を備え、
前記コンピュータは、測定された前記の溶融金属が固体状態に相変化する温度、および、測定された前記の注入温度から前記溶融金属の流動性を計算し、前記コンピュータは、前記金型上で所定の仕様の物体を鋳造するための溶融金属の量的要件に流動性を関連付ける伝達関数と、前記トラフおよび前記金型の対応する相対動作とを用いてプログラムされており、前記コンピュータは、前記相対動作が前記量的要件にしたがって金型内に溶融金属を配置させるように前記駆動システムを制御するように前記コントローラをプログラムする、装置。
【請求項５】
前記駆動システムが、固定的動作範囲内で前記金型または前記トラフを前後に移動させるためのアクチュエータを備える、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記アクチュエータが、油圧、電気モータ、エンジンとのベルトまたは鎖駆動リンク機構を備える、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記注入ステップが所定の時間を備え、前記伝達関数は複数の式を備え、前記式の各々は前記時間の特定されたセグメントに対応する、請求項２および３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記式が、
（ａ）溶融金属がトラフの末端を離れたときから所定量の溶融金属が金型内に配置されるまでの時間セグメントに対応する第一遅延式と、
（ｂ）前記所定量の溶融金属が前記金型に到達した後に前記トラフ内の前記溶融金属の流量が増加する時間セグメントに対応する第一加速度式と、
（ｃ）容器がトラフ内への溶融金属の注入を停止した後に前記トラフ内の前記溶融金属の流量が減少する時間セグメントに対応する第一減速度式と、
からなる群より選択される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記伝達関数がさらに、
（ａ）前記トラフ内の前記溶融金属の流量が前記第一加速度式に対応する時間セグメントの間ほど増加しない時間セグメントに対応する、第二加速度式、
（ｂ）前記トラフ内の前記溶融金属の流量が前記第一減速度式に対応する時間セグメントに対してさらに減少する時間セグメントに対応する、第二減速度式、または
（ｃ）前記期間の終わりから、溶融金属が前記トラフから前記金型内に配置されるのを停止するまでの時間セグメントに対応する、第二遅延式、
のうちの少なくとも１つを備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記金型が複数のセクションを有し、前記セクションの各々は量的要件を有し、前記時間の特定されたセグメントは前記セクションの各々に対応する、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
溶融金属の複数の容器充填物が鋳造されて物体となり、溶融金属の各容器充填物は化学組成を有しており、前記溶融金属の化学組成は第一容器充填物と第二容器充填物とで異なってもよい、請求項１から３および請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
処理取鍋が、複数の物体を鋳造するのに十分な量の溶融金属を収容し、単一の物体を鋳造するための第一量の前記溶融金属は前記容器に移送され、前記容器内の前記溶融鉄の注入温度は、前記物体の各々を鋳造するために溶融金属が注入されるたびに測定される、請求項１から３および請求項７から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記処理取鍋の内部の単一のバッチの溶融金属のため、溶融金属が固体状態に相変化する温度が、複数の物体のこのような鋳造について１回だけ測定される、請求項１から３および請求項７から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記物体がパイプであり、前記金属は鉄の合金である、請求項１から３および請求項７から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記金型が複数のセクションを備え、前記部分はベル、スピゴット、および前記ベルと前記スピゴットとの間のバレルを備える、請求項１から３および請求項７から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記移動が、所定の仕様のベル、スピゴット、およびバレルを有するパイプの量的要件に、流動性を関連付けた、伝達関数にしたがって制御される、請求項１から３および請求項７から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記所定の仕様がパイプの肉厚を備える、請求項１から３および請求項７から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記所定の仕様が、パイプの長さに沿って所定間隔でパイプの肉厚を備える、請求項１から３および請求項７から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記所定間隔での肉厚が：規定の公差内の一定厚さ；所定公差内の可変化する厚さ、からなる群より選択される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記所定の仕様が、パイプの長さの少なくとも一部にわたって寸法が変化する断面を有するパイプを備える、請求項１から３および請求項７から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記伝達関数が複数の式を備え、少なくとも１つの式は前記金型の各セクションに対応する、請求項２、請求項３および請求項７から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記式が、
（ａ）フラグ遅延時間等式と、
（ｂ）ベル加速度等式と、
（ｃ）スピゴット減速度等式と、
を備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
（ａ）第二ベル加速度等式、
（ｂ）第二スピゴット減速度等式、または
（ｃ）スピゴット確認等式
のうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記トラフおよび前記金型の両方が互いに対して移動させられる、請求項４から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
前記第一温度センサが熱電対である、請求項４から６および請求項２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
前記熱電対が使い捨てカップを備える、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記第二温度センサが二色赤外高温計である、請求項４から６および請求項２４から２６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
前記二色赤外高温計が前記コンピュータと通信している、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記第一温度センサが使い捨てカップを備える熱電対であり、前記第一温度センサは前記コンピュータと通信している、請求項４から６および請求項２４から２８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３０】
前記コントローラが、前記コンピュータからの命令を受信するプログラマブル論理制御装置である、請求項４から６および請求項２４から２９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
前記トラフが、前記金型に向かって下向きに角度付けられており、金型の内部に向かって軸方向に延在する、請求項４から６および請求項２４から３０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３２】
前記容器が機械取鍋である、請求項４から６および請求項２４から３１のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主に、金属物体を遠心鋳造する分野に関し、より具体的には、鉄パイプを遠心鋳造する分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属物体、具体的には鉄パイプの遠心鋳造のプロセスは周知であり、１世紀近くにわたって実践されてきた。遠心鋳造機は、トラフなどの供給システム、および回転金型を含む。溶融鉄は機械取鍋からトラフに注入される。トラフは、一般的に軸方向に、回転金型の内部まで延在する。金型の一端は通常、パイプのベルと称されるものを正確に成形するために、砂中子などの中子を含む。パイプの反対端はスピゴットと称され、その間の長尺セクションはバレルである。溶融鉄は、重力の影響下でトラフを流れ落ちる。金型およびトラフは、通常はベル末端からバレルに沿ってスピゴットまで、金型を鉄で満たすために互いに対して移動させられる。金型が回転すると、遠心力が鉄を金型の周りで周方向に比較的均一に配置する。通常、鋳造機は、鉄を望み通りに配置するために、当該技術分野において周知のように、油圧またはその他の機械的手段を通じて、動作される。
【０００３】
充填混合物（すなわち、くず鉄など、鋳造用の原材料）、コークス、キューポラ工程のばらつきの結果、溶融鉄の温度および化学組成のばらつきを生じる。そしてこれは、各パイプが鋳造される溶融鉄の摩擦力、表面張力、熱拡散率、および流動性のばらつきを生じ、金型への鉄の流量の不一致を招く。プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）によって制御された油圧システムを用いても、結果の均一性および仕様との一致を達成するのは困難であろう。たとえば、パイプの肉厚は、端から端まで均一であるとは限らない。鋳造作業者は、鋳造機制御を調整するためにタイミングよく、肉厚均一性に影響を及ぼす鉄の変化を検出することはできない。溶融鉄含有物のばらつきは、リサイクルまたはスクラップされた源からの材料を用いる施設において費用効率よく排除されることは不可能である。
【０００４】
溶融鉄の含有物のばらつきは、溶融鉄の液相制止温度および流動性に表れる。液相制止温度（ＬＡ）は、溶融金属が固体状態に相変化する温度である。液相制止温度は溶融金属の正確な化学組成がわかる場合に計算されることが可能であるが、その組成はわからない。これはたとえば、様々な量の主要な化学物質である炭素、ケイ素、およびリン、ならびに合金の流動性に影響を及ぼす可能性のある一定量の未知の物質を含有する、スクラップまたはその他のリサイクルされた金属源を用いる鋳造所に当てはまる。
【０００５】
液相制止温度のばらつきは、所与の温度における溶融金属の流動性のばらつきを生じる。流動性は、溶融金属が金型内にどれほどうまく流入するかを示す、溶融金属の技術特性である。流動性は金属静圧によって駆動され、表面張力、熱拡散率、および摩擦によって妨げられる。流動性という用語は、鋳造業界および本明細書において使用される際に、この用語を粘性の逆数として用いる物理学者による用法とは異なる。流動性は、固化によって流れを遮断するまで鉄などの溶融金属が標準流動性渦巻きパターンで流れる距離（インチ）として、定量化される。
【０００６】
溶融鉄の流動性は、周知の式にしたがって、炭素当量または組成因子として表されてもよい。
【数１】
0006506251.tif 000002
ここでＣＥは炭素当量として知られる量であり、Ｔは注入温度である。ＣＥは、以下のように表される：
【数２】
0006506251.tif 000003
炭素当量は、以下の式にしたがって液相制止温度ＬＡを概算するために使用されることが可能である。
【数３】
0006506251.tif 000004
【０００７】
しかしながら、鋳造プロセスが融液用の鋳造所からの銑鉄ではなく、スクラップまたはリサイクルされた材料を使うときなど、溶融鉄の化学組成がばらつくときは、このようなばらつきの影響の組み合わせにより、上記の式では説明されない液相制止温度に対する影響があり、これはもはや正確ではない。
【０００８】
流動性は、時間をかけて金型に供給される鉄の量に対する決定的な影響を有する。単位時間当たりに金型に進入する鉄の量は、取鍋の初期傾斜からの鉄でトラフが満たされるにつれて、最初に増加する。金型への鉄の量的供給量は通常、鋳造プロセスの最中に定常状態に到達し、その後取鍋が注入の終わりに戻されると、鉄の供給は減少する。増加率、達成された量的定常状態、および減少率は、すべて流動性に応じている。
【０００９】
流動性は、溶融金属の液相制止温度のみならず、注入温度によっても影響を受ける。単一容器の溶融金属から複数の物体が鋳造されてもよく、最後の鋳造に使用される溶融金属の流動性が最初の物体に使用された同じバッチからの溶融金属の流動性よりも著しく低くなるように、金属は時間をかけて冷却される。このため、鋳造機動作が最初の物体から最後の物体まで同じままであれば、２つの物体は、肉厚の差など、鋳造されたままで異なる物理的特性を有する傾向があるだろう。
【００１０】
このため流動性は、複合的な問題を呈する。流動性は、組成が変化するにつれて溶融鉄のバッチごとに変化し、流動性は溶融鉄が冷却するにつれて同じバッチの注入ごとにも変化する。さらに、鋳造に用いられる溶融鉄の実際の流動性は、トラフ内に注入されるまでわからない。
【００１１】
現在の鋳造機技術は、流動性におけるこれらのばらつきを考慮しておらず、金型に向かってトラフ内を下方移動する溶融鉄の実際の流動性に基づいて鋳造機動作を調整するための、いかなる方法も提供しない。その結果、鋳造機制御は、すべてのパイプが仕様内に収まることを保証するために、略最悪ケースの流動性を考慮して設定されなければならない。しかしながらこれは、肉厚の均一性を欠くパイプを生じる可能性があり、仕様に対して広い公差の許容を必要とする。したがって、薄肉パイプの鋳造は、現在の技術を用いると、やりがいはあるが非常に困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
均一な結果、および所定の仕様との緊密な一致を伴う金属物体を遠心鋳造するために、各鋳造での流動性の変化を測定してこれを考慮する装置および方法の需要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の実施形態はこれらの需要を満たすが、しかし必ずしもすべての実施形態が各需要を満たすとは限らないことは、理解されるべきである。一実施形態は、溶融金属の容器から物体を遠心鋳造する方法であって、容器内の溶融金属の液相制止温度を測定するステップと、溶融金属を回転金型に供給するためにトラフ内に溶融金属を注入するステップと、トラフ内に注入された溶融金属の注入温度を測定するステップと、測定液相制止温度および測定注入温度に基づいて溶融金属の流動性を計算するステップと、溶融金属を金型内に配置するためにトラフに対して金型を移動させるステップであって、移動は、所定の仕様にしたがって物体を鋳造するために金型に一定量の溶融金属を供給するように、計算された流動性に基づいて制御される、ステップと、を備える方法を備える。一実施形態において、移動は、前記金型上の前記所定の仕様の物体の量的要件に流動性を関連付ける伝達関数にしたがって、制御される。物体はたとえば、指定された肉厚を有する鉄パイプであってもよい。
【００１４】
別の実施形態は、容器から注入された溶融金属から物体を遠心鋳造するための回転金型の量的要件に溶融金属の流動性を関連付ける制御式を求める方法を備える。方法は、容器内の溶融金属の液相制止温度を記録するステップと、溶融金属を回転金型に供給するためにトラフ内に溶融金属を注入するステップと、トラフ内に注入された溶融金属の注入温度を記録するステップと、溶融金属を金型内に配置するためにトラフに対して回転金型を移動させるステップであって、移動は、所定の仕様にしたがって前記物体を鋳造するために前記金型に一定量の溶融金属を供給するように制御される、ステップと、前記移動および鋳造されたままの前記物体の実際の仕様を特徴付ける所定のパラメータセットを記録するステップと、統計的に有意な回数だけ上記ステップを繰り返すステップと、前記パラメータ、仕様、および流動性に関する制御式を導くために、記録されたパラメータ、記録された仕様、ならびに液相制止温度および注入温度から計算された流動性に対して回帰分析を実行するステップと、を備える。
【００１５】
別の実施形態は、溶融金属から物体を遠心鋳造するための装置であって、回転金型と、容器から注入された溶融金属を受けて溶融金属を前記金型に供給するためのトラフと、前記トラフまたは金型を互いに対して移動させるための駆動システムと、前記駆動システムを制御するためのコントローラと、前記金型および供給システムの互いに対する規定の動作を提供するように前記駆動システムを制御するように前記コントローラをプログラムするためのコンピュータと、前記溶融金属の液相制止温度を測定するために前記コンピュータと通信している熱電対を備えるカップと、前記溶融金属の注入温度を測定するための高温計と、を備える装置を備える。コンピュータは、測定された液相制止温度および注入温度から、前記溶融鉄の流動性を計算する。コンピュータは、金型上で所定の仕様の物体を鋳造するための溶融金属の量的要件に流動性を関連付ける伝達関数と、指定された通りに鋳造を行うためのトラフと金型との対応する相対動作とを用いてプログラムされる。コンピュータはその後、相対動作が量的要件にしたがって金型内に溶融金属を配置させるように前記駆動システムを制御するように、コントローラをプログラムする。
【００１６】
本発明は、特定の実施形態および以下の添付図面を参照して、例示のみによって説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の装置の一部を形成する、鋳造機の例示的実施形態の図である。
【図２】本発明の装置の実施形態のブロック図である。
【図３Ａ】トラフを下方移動する機械取鍋から金型に注入された溶融鉄の例示的な供給プロファイルを示す図である。
【図３Ｂ】均一な量的供給を達成するための、図３Ａのプロファイルの供給に鋳造機動作を関連付ける例示的な伝達関数を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｂの伝達関数および図３Ａの溶融金属供給プロファイルにしたがって鋳造機動作によって達成される、均一な量的供給のプロファイルを示す図である。
【図４】本発明の方法の一実施形態、すなわち所定の仕様を用いて鋳造機上で物体を鋳造するために、金型の量的要件に溶融金属の流動性を関連付ける伝達関数を構成する制御式を決定するためのプロセスの、フローチャートである。
【図５Ａ】図４の実施形態にしたがって求められた、鋳鉄パイプの例示的な制御式のグラフである。
【図５Ｂ】図４の実施形態にしたがって求められた、鋳鉄パイプの例示的な制御式のグラフである。
【図５Ｃ】図４の実施形態にしたがって求められた、鋳鉄パイプの例示的な制御式のグラフである。
【図５Ｄ】図４の実施形態にしたがって求められた、鋳鉄パイプの例示的な制御式のグラフである。
【図６】本発明の方法の別の実施形態、すなわち金属物体を遠心鋳造するためのプロセスの、フローチャートである。
【図７Ａ】本発明の実施形態にしたがって鋳造されたパイプを示す、鉄パイプの肉厚の均一性を示す例示的チャートである。
【図７Ｂ】従来技術の方法にしたがって鋳造されたパイプを示す、鉄パイプの肉厚の均一性を示す例示的チャートである。
【図８】パイプの複数セクションに複数の供給率がある、鉄供給に鋳造機動作を関連付ける例示的な伝達関数を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態は、溶融金属の正確な化学組成が未知であっても、溶融金属の測定液相制止温度および注入温度に基づいて、物体が鋳造されている溶融金属の流動性に応じて、物体の遠心鋳造のプロセスにおいて鋳造機の動作を自動的に制御する方法を提供する。好適な実施形態は、注入ごとのばらつきの理由となる、各鋳造で使用される溶融鉄の流動性を計算し、このような流動性の金属から所望の仕様の物体を鋳造するために必要とされる正確な鋳造機動作をリアルタイムで決定し、このような鋳造機動作をするようにプログラマブル論理制御装置をプログラムし、こうして溶融金属が搬送システムに注入された後およびこれが金型に到達する前に動的に鋳造機動作への必要な調整を行う。本発明の追加実施形態は、所与の鋳造機において所定の仕様にしたがって特定の物体の鋳造のための鋳造機動作への溶融金属の流動性の伝達関数を決定する方法を、提供する。本発明の別の実施形態は、上記の方法を実践するための装置を備える。
【００１９】
本開示は、一定の肉厚で均一な直径の鉄パイプの遠心鋳造の例示的適用に関する、本発明の特定の実施形態を記載する。本発明の実施形態は、パイプの長さに沿って変化する肉厚を有する、変化する（先細る）直径または断面プロファイル（たとえば、六角形）のパイプを製造するために、容易に適用可能である。本発明の実施形態は、鉄に関連して本開示に記載されるような関係の代わりにこのような合金のために周知の冶金学的関係を用いることによって、別の合金の溶融金属からいずれかの物体の遠心鋳造に関連して実践されてもよいこともまた、理解されるべきである。さらに、鉄への言及は、通常は相当量の炭素、ケイ素、およびリンを備えるが、その特性に影響を及ぼす可能性のある相当量のその他の元素または化合物も備えてもよい鉄の合金への言及として、理解されるべきである。本発明の方法および装置の実施形態は、鋳造プロセスにおける、バッチごとに異なるまたは未知の組成を有する鉄またはその他の溶融金属から所望の公差内で物体を鋳造するのに、理想的に適している。
【００２０】
図１は、本発明の装置の例示的実施形態１００を示す。図１に示されるように、鋳造機５は、当該技術分野において周知の典型的な遠心鋳造機であり、これは一定量の溶融鉄を回転金型２０内まで運搬するための搬送システム１０を備える。好適な実施形態において、搬送システム１０は、溶融鉄を収容する機械取鍋またはその他の容器２５、およびＵ字型トラフ３０を備える。機械取鍋２５は、好ましくは回転度あたり一定量の鉄を分注する。（しかしながら、本発明の方法は、注入ごとに一定の注入プロファイルを提供する限り、いずれのタイプの取鍋とともに使用されることも可能であることは、留意されたい）。トラフ３０は、下向きにわずかに角度付けられており、金型２０の内部に向かって軸方向に延在し、スパウト３５で終端する。機械取鍋２５が傾斜しているとき、溶融鉄は重力の影響下で、取鍋２５のリップから、トラフ３０を下って、スパウト３５から出て金型２０の中まで流れる。金型２０は駆動システム４０に取り付けられている。駆動システム４０は、搬送システム１０の固定末端（すなわち、スパウト３５）に対して固定的動作範囲内で金型を前後に移動させるための、アクチュエータ４５を備える。アクチュエータ４５は、油圧、電気モータ、エンジンまたはモータとのベルトまたは鎖駆動機械的リンク機構、これらのいずれかの組み合わせ、あるいは金型を動かすための当該技術分野において周知のその他の手段を含む、金型２０を動かすための当該技術分野において周知のいずれのタイプのアクチュエータであってもよい。いくつかの実施形態において、搬送システム１０は、所定位置に固定されたままの金型２０に対して駆動システム４０によって縦方向に移動させられる。本開示において、鋳造機速度または鋳造機動作という用語は、金型２０に対する駆動システム４０の動作（またはその速度）を指し、片方または両方の構成要素が互いに対して移動する装置を記述してもよい。図２に示されるように、各実施形態において、駆動システム４０は好ましくは、コンピュータシステム５５からの命令を受信するプログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）５０によって制御される。鋳造機はさらに、鋳造プロセスの間に金型２０を回転させるモータ６０を備える。ゆえに、溶融鉄は搬送システム１０を通じて回転金型２０に供給され、金型２０は、たとえば肉厚を含む所定の仕様を有する鋳造物（図示されるように、パイプ）を提供するように意図された容積内で金型の長さに沿って溶融鉄が配置されるように、搬送システム１０に対して動かされる。
【００２１】
実施形態１００はさらに、溶融鉄の液相制止温度および注入温度を測定するための計器を備える。溶融金属の化学組成はバッチごとに異なる可能性があるので、液相制止温度は直接計算されることは不可能である。溶融金属が冷却されるにつれて、液相制止温度（ならびにその化学組成に関する情報も）は、当該技術分野において周知の通り、経時的なその温度変化のプロファイル、すなわちその冷却曲線から、判定されることが可能である。この判定は通常、溶融金属の熱分析のための、熱電対を備える市販の使い捨てカップを用いて、行われる。溶融金属はカップ内に注入され、熱電対の出力は溶融金属の特性を判断するために分析される。好適な実施形態において、Ｈｅｒａｅｕｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｎｉｔｅ社によって製造されたＱｕｉＫ−Ｃｕｐ  ＱＣ４０１０が、溶融鉄の液相制止温度を判定するために使用される。図２に示されるように、好適な実施形態において、カップ６５の出力は、コンピュータシステム５５によって捕捉される。コンピュータシステム５５は、液相制止温度を判定するために、カップ６５内の溶融鉄の冷却曲線を分析する。
【００２２】
溶融金属の注入温度（Ｔ）は、機械取鍋２５からトラフ３０内に注入されたときの溶融金属の実際の温度である。溶融金属の注入温度を測定するための、当該技術分野において周知の計器は多数あり、このような計器のいずれが使用されてもよい。好適な実施形態において、二色赤外高温計７０が使用される。高温計７０は、試料ストリーム内に閉塞煙および放射率のばらつきがあったとしても、注入温度の正確な測定を可能にする。高温計７０の出力は、好ましくは高温計を直接コンピュータシステム５５のデータ取得またはその他の入力ポートに接続することによって、コンピュータシステム５５に入力される。
【００２３】
図３Ａは、時間をかけて搬送システム１０から金型２０に供給される鉄の量の例示的プロファイルを示す。溶融鉄は最初に機械取鍋２５のリップの上に注入されてトラフ３０を下方に移動するので、鉄の量は、プロファイルのセグメント３１０によって示される通りになる。サイクルが続くと、鉄の流量は、セグメント３２０によって示されるように、定常状態に到達する。機械取鍋２５が点３３０において戻される鋳造サイクルの終わり付近で、流量はセグメント３４０によって示されるように減少し、その後停止する。特にリサイクル材料から供給される、溶融鉄の所与の注入のための実際の鉄供給流量曲線は、予測することが非常に困難であり、溶融鉄のバッチごとに異なる。その結果、所与のセットの仕様の緊密な公差の範囲内で物体を鋳造することは、困難である。
【００２４】
一実施形態において、鋳造される物体は、図３Ｃに示されるような、均一な肉厚のパイプである。肉厚は金型への鉄供給の関数であり、したがって単位距離当たりで供給される鉄の量は、直線３８０として示される、均一な肉厚のパイプを提供するために、金型の全長にわたって一定でなければならない。均一な肉厚（またはその他所望の仕様）は、所望の仕様を実現するために、金型２０の量的供給要件に鋳造機５の相対動作の必要とされる加速、減速、および速度を正確に関連付ける伝達関数による、金型２０に対する搬送システム１０の動作の制御によって、実現されることが可能である。トラフ３０のスパウト３５の位置に対する鋳造機速度を示す、このような伝達関数の例は、図３Ｂに示されている。鋳造機は、曲線３５０によって示されるように、パイプのベルに対応するセクションＳ１を通じて加速する。機械は、直線３６０によって示されるように、パイプのバレルに対応するセクションＳ２において一定速度に到達する。機械はその後、曲線３７０によって示されるように、スピゴットの付近のバレルおよびパイプのスピゴットの一部に対応するセクションＳ３において減速する。一実施形態において、これらのセグメントにわたるスパウトの位置は、以下の式によって特徴付けられてもよい：
【数４】
0006506251.tif 000005
ここでａは鋳造機加速度、ｔは時間、およびｖは速度である。ＰＬＣ５０はこのようにして、所望の仕様で物体を鋳造するために適切な動作を提供するためのこのような伝達関数の出力にしたがって鋳造機５を制御するように、コンピュータ５５によってプログラムされる。
【００２５】
トラフ３０のスパウト３５の位置に対する鋳造機速度の別の例示的伝達関数は、図８に示されている。この伝達関数には、パイプの異なる部分が図３Ａに示される鉄供給プロファイルおよび図３Ｃの均一なパイプ厚を提供するための、複数の加速および減速曲線がある。鋳造機はまず、曲線８５０によって示されるように、パイプのベルの少なくとも一部に対応する、セクションＳ１を通じて第一の割合で加速する。機械はその後、曲線８５５によって示されるように、トラフ内の鉄の量がよりゆっくりと増えるにつれて、セクションＳ２において加速度を低下させる。機械は、直線８６０によって示されるように、パイプのバレルに対応する、セクションＳ３において一定速度に到達する。機械はその後、曲線８７０によって示されるように、パイプのスピゴットの付近のバレルの一部に対応する、セクションＳ４において第一の割合で減速する。機械は次に、曲線８７５によって示されるように、トラフ内の鉄の量が減少するにつれて、セクションＳ５内でさらに減速度を増加させる。一実施形態において、これらのセグメントにわたるスパウトの位置は、以下の式によって特徴付けられてもよい：
【数５】
0006506251.tif 000006
ここでａ、ｔ、およびｖは、上記と同じ意味を有する。
【００２６】
流動性は、図３Ａに示されるものなどの供給流曲線に関連付けられた溶融金属移動速度における、重要な決定因子である。溶融鉄の流動性は、液相制止温度および注入温度から計算されることが可能である。所定セットの仕様を有する物体を製造するために、計算された流動性を鋳造機５の動作に関連付けるための伝達関数が、求められることが可能である。
【００２７】
まず、流動性が計算されなければならない。式（１）は、炭素当量から流動性を計算するための標準方程式である：
【数６】
0006506251.tif 000007
既述のように、リサイクルされた材料からの溶融鉄中の未知の化合物の存在は、炭素当量を正確に計算するための標準式（式（２））に対する信頼性をなくす。しかしながら、式（１）における炭素当量の値に代入されることが可能な、溶融鉄の組成因子を決定するための式は、所与の環境における溶融鉄の熱特性の複数の回帰分析によって決定されることが可能である。このような回帰分析は、カップ６０など、溶融鉄の熱分析のための使い捨てカップの製造業者によって、実行される。カップ６０として好ましく使用されるＱｕｉＫ−Ｃｕｐ  ＱＣ４０１０の製造業者であるＨｅｒａｅｕｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｎｉｔｅ社は、ＱＣ４０１０カップ内で測定された液相制止温度から溶融鉄の組成因子を計算するため、複数の回帰分析から求められた、以下の式を提供する：
【数７】
0006506251.tif 000008
ここでＬＡは、華氏温度での測定液相制止温度である。式（４）を式（１）における炭素当量に代入することで、測定注入温度（Ｔ）および液相制止温度（ＬＡ）に基づいて流動性が計算される式を、提供する：
【数８】
0006506251.tif 000009
ここで流動性はインチ単位であり、すべての温度は華氏温度である。下記の表１は、様々な液相制止温度（ＬＡ）および注入温度（Ｔ）における、式（５）による流動性を示す。
【表１】
0006506251.tif 000010
【００２８】
流動性を計算する方法を確立してしまうと、所定の仕様にしたがって物体を鋳造するための鋳造機動作に流動性を関連付ける伝達関数を提供するための式は、物体を鋳造するためのデータの統計的に有意なサンプルの回帰分析から求められる。伝達関数は好ましくは、このような物体の各々が鋳造される各鋳造機向けの所与のセットの仕様を有する各物体について、求められる。たとえば、パイプに対しては、伝達関数は、パイプの直径およびクラス（８インチクラス５２延性鉄パイプなど）ごと、ならびにこのような各パイプカテゴリが鋳造される個々の鋳造機ごとに―以下のパラグラフに記載されるプロセスを繰り返すことによって―求められる。
【００２９】
図４は、鋳造機の制御された動作を通じて、所与の鋳造機内で所定の仕様による特定の物体の遠心鋳造のための回転金型の量的要件に溶融金属の流動性を関連付けるための伝達関数を提供する制御式を決定するプロセスの、実施形態を示す。この方法を実践するために、図１から図２に示されるような装置が利用されてもよい。事前準備として、すべての計器類は較正され、良好に作動する状態になっていなければならない。ステップ４０５に示されるように、溶融金属の液相制止温度は、好ましくは鋳造で使用されることになる溶融鉄の実際の液相制止温度をコンピュータ５５に捕捉させるカップ６５に金属を保持する容器からの溶融金属の試料を移送することによって、測定および記録される。典型的な鋳造設備において、溶融鉄の各バッチは、（複数の物体を鋳造するのに十分な量の鉄を保持する）処理取鍋と称される容器内で作られ、その後１単位を鋳造する量の鉄が、機械取鍋２５まで運搬されることが留意されたい。したがって、このような施設において、液相制止温度は、機械取鍋２５からではなく、処理取鍋からの単一バッチの溶融金属について測定されてもよい。次に、ステップ４１０に示されるように、溶融鉄を回転金型２０に供給するために、溶融金属がトラフ３０内に注入される。金属が注入されると、好ましくはコンピュータ５５と通信している高温計７０またはその他適切な計器を用いて、ステップ４１５において測定および記録される。次に、ステップ４２０において、例示的実施形態のパイプでは、一般的な業界慣習によって、必要とされる仕様にしたがって物体を鋳造しようと試みるために所望の量の溶融金属を金型に供給するために、好ましくはコンピュータ５５およびＰＬＣ５０によって制御された駆動システム４０を用いて、鋳造機を（すなわち、搬送システム１０に対して金型２０を、またはその逆）動かすことによって、物体が鋳造される。仕様は、物体上の規定された点または間隔での肉厚を含んでもよい。ステップ４２５に示されるように、鋳造プロセスのすべての関連パラメータが記録され、溶融鉄の流動性が、物体の鋳造の間に測定および記録された液相制止温度および注入温度に基づいて、式（５）にしたがって計算される。関連パラメータは、図３Ａに描写された供給サイクルの各部分の間の経過時間および鋳造機動作（たとえば、位置、速度、および加速度）を含む。これらのパラメータの記録は、その他の計器類も使用可能であるものの、好ましくはコンピュータ５５と連動したＰＬＣ５０によって実行される。
【００３０】
限定することなく、パラメータは下記を含む。溶融金属がトラフのスパウトを離れてから所定量の溶融金属が金型内に配置されるまでの経過時間に対応する初期遅延が、対応する機械動作とともに記録される。パイプの鋳造の例において、これは、溶融鉄がスパウトを離れてからパイプ金型のベルが満たされるまでの時間に対応し、これは、パイプのバレルの末端付近のトラフが溶融鉄をベル内に配置していて鋳造機が静止している、フラグ遅延時間として知られている。供給サイクルの次の段階の間に鉄の量が増加する際の機械の加速および位置決めならびに経過時間が、記録される。パイプの例において、これは通常、金型２０のベル末端付近のバレルの部分の充填に対応する。同様に、溶融鉄の量的供給が一定である時間の間に金型に対するトラフの動作が一定速度である間の経過時間および機械速度が、記録される。パイプの例において、これはバレルの長さの大部分に沿った金型の充填に対応する。機械取鍋がトラフ内への溶融鉄の注入を停止した後に鉄の量が減少する際の機械の減速および経過時間が、記録される。パイプの例において、これはパイプのスピゴット端付近のバレルの部分の充填に対応する。最後に、鋳造機が金型２０の末端で停止させられた時間から溶融金属がトラフ３０のスパウト３５から金型２０内への注入を停止するまでの経過時間に対応する、遅延時間である。パイプの例において、これは鋳造機が金型のスピゴット端の末端で静止している時間に対応し、スピゴット確認時間または滞留時間と称される。
【００３１】
金属供給サイクルの各段階の間の経過時間および鋳造機の対応する動作に関するパラメータの記録に加えて、ステップ４３０に示されるように、鋳造されたままの物体の実際の仕様が測定される。測定された仕様のセットは、たとえば肉厚を含む、鋳造プロセスが達成するように意図されていた物体の所望のまたは所定の仕様のセットに対応する。パイプの例では、通常は肉厚の複数の測定値がパイプの長さに沿って一定間隔で取られ、通常は、ベルからパイプのスピゴットまで１フィート間隔で、直径方向に対向する（すなわち、１８０度離れている）場所で２つの測定値が取られる。実際に測定された通りのこれらの仕様は、その長さにわたる物体の均一性、所定の仕様との一致、および金型の長さに沿って必要とされる量の金属を提供するために鋳造機動作が溶融金属供給プロファイルに適合する度合いを、示す。
【００３２】
ステップ４３５に示されるように、上記のプロセスは、複数バッチの溶融鉄が用いられる、統計的に有意な数の物体について繰り返される。好ましくは、様々な流動性の溶融鉄を用いて鋳造が行われるように、リサイクルされた原料を用いる製造において見出されてもよい条件をモデリングするために、溶融金属の組成はバッチごとにある程度異なり、注入温度は意図的に変化させられる。鋳造機動作は、所望の仕様により近い鋳造物に合わせて、記録データが分析された通りに調整されてもよい。統計的に有意な数の物体が鋳造された後、ステップ４４０において、所定の仕様に最も緊密に一致する、そしてまた様々な流動性の溶融金属から作られた、物体の部分集合が選択される。ステップ４４５において、記録されたプロセスパラメータ、鋳造されたままの物体の仕様、ならびに測定された液相制止温度および注入温度から計算された流動性を含む、物体の選択された部分集合のために収集されたデータに対して、回帰分析が実行される。回帰分析は、初期遅延時間、加速期間、定量供給期間（必要であれば）、および減速期間、ならびに第二遅延時間を含む、鋳造プロセスの各段階に対して制御式を提供する。鋳造される物体および対応する金型の形状およびサイズに応じて、たとえば特定領域に増加した肉厚を提供するため、または大容量金型セクションを充填するための減速段階など、金型形状に適合するためのその他の期間があってもよい。パイプの例において、フラグ遅延時間、ベル加速度、スピゴット減速度、およびスピゴット確認時間のための制御式が求められる。別の実施形態には、図８と一致する、ベル加速度およびスピゴット減速度について２つ以上の制御式があってもよい。
【００３３】
上記プロセスの一例において、単一の鋳造機上で異なる流動性の溶融鉄のバッチから、１００本のパイプ（クラス５２、８インチ径）が鋳造された。パイプの長さに沿って１フィート間隔で直径方向に対向する場所での各パイプの肉厚とともに、各パイプの液相制止温度、注入温度、およびプロセスパラメータが記録された。各パイプの流動性は、式（５）ならびに液相制止温度および注入温度に基づいて、計算および記録された。最も均一な肉厚を有する１０本のパイプの部分集合が選択された。これらのパイプで収集されたデータに対して、回帰分析が行われた。図５Ａから図５Ｄに示される、フラグ遅延時間、ベル加速度、スピゴット減速度、およびスピゴット確認時間について、以下の制御式が求められた：
フラグ遅延時間＝−０．１２９（流動性）＋４．２６５４    Ｒ２＝０．９８３７
ベル加速度＝０．３８１４（流動性）＋１２．３４    Ｒ２＝０．９９５２
スピゴット減速度＝０．０５８（流動性）２−０．６８２８（流動性）＋１．５０３６    Ｒ２＝０．９９９３
スピゴット確認時間＝０．００８２（流動性）２−０．３９９４（流動性）＋５．１１５３    Ｒ２＝０．９８３１
ここでＲ２は、式がどれほど密接にデータと相関するかを表す、相関係数である。図５Ａから図５Ｄに示される制御式は、個々の鋳造機上のパイプの単一の直径およびクラスに関する例示に過ぎないことは、理解されるべきである。
【００３４】
まとめると、制御式は、所定の仕様を有する物体を鋳造するために、各注入について計算された流動性によって決定された通り、鋳造機動作を溶融金属供給プロファイルに関連付ける、伝達関数を提供する。制御式は好ましくは、ＰＬＣ５０の制御のためにコンピュータ５５に実装され、これは翻って伝達関数にしたがって金型２０に対する搬送システム１０の動作を制御する。
【００３５】
コンピュータ５５に実装された制御式を用いて、本発明の実施形態による物体を鋳造するプロセスが、図６に示される。処理取鍋または機械取鍋２５などの容器は、溶融金属で満たされる。通常、処理取鍋からの溶融鉄のバッチは、複数の物体を鋳造するのに十分な溶融金属を収容する。本明細書の別の箇所に記載されるように、各バッチの溶融金属は、特にスクラップまたはリサイクルされた材料を原料としているとき、組成が異なってもよい。ステップ６０５において、溶融金属の液相制止温度は、好ましくはコンピュータ５５が鋳造で使用されることになる溶融金属の実際の液相制止温度を捕捉できるようにするカップ６５内に容器（処理取鍋または機械取鍋２５）から金属の試料を移送することによって、測定される。次に、ステップ６１０に示されるように、溶融金属は、回転金型２０に溶融鉄を供給するために、トラフ３０内に注入される。金属が注入されると、好ましくはコンピュータ５５と通信している高温計７０またはその他適切な計器を用いて、ステップ６１５において注入温度が測定される。液相制止温度および注入温度が測定されているので、溶融鉄の流動性がステップ６２０において計算される。好ましくは、液相制止温度および注入温度はコンピュータ５５によって捕捉されており、これは自動的に迅速に流動性を計算する。Ｈｅｒａｅｕｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＮｉｔｅのＱｕｉＫ−Ｃｕｐ  ＱＣ４０１０を用いる好適な実施形態において、流動性は式（５）にしたがって計算される。
【００３６】
制御式および計算された流動性を用いると、鋳造機の適切な動作は好ましくはコンピュータ５５を用いて決定されることが可能であり、鋳造機制御（ＰＬＣ５０）はステップ６２５において、溶融金属がトラフのスパウトから出る前に、動的にプログラムされることが可能である。このため、鋳造機制御および結果的な動作は、わずかではあるものの注入ごとの溶融金属の冷却に起因する、またはバッチごとの機械取鍋２５内の溶融金属の組成の変化に起因する、流動性のいかなる変化も補償するように、リアルタイムで調整される。
【００３７】
次に、ステップ６３０において、物体は、溶融金属を金型内に配置するためにトラフに対して金型を移動させることによって鋳造されるが、この移動は、所定の仕様にしたがって物体を鋳造するために一定量の溶融金属を金型に供給するため、計算された流動性に基づいて制御される。好適な実施形態において、この移動は、その所定の仕様および使用されている特定の鋳造機のために、鋳造されている物体の量的要件に流動性を関連付ける伝達関数にしたがって記載されたように動的にプログラムされた、コンピュータ５５およびＰＬＣ５０によって制御される駆動システム４０を用いて実現される。鋳造機の位置および動作は、金属供給プロファイルを金型の各部分に必要とされる溶融金属の量と一致させるように制御される。通常、この供給は、上述の、初期遅延時間、加速段階、減速段階、および最終遅延時間を含む制御式にしたがって実現される。最終遅延時間が経過した後、回転金型はスピンダウンさせられ、ステップ６３５に示されるように、鋳造物は冷却され、物体は、必要に応じてさらなる処理および仕上げのために金型から取り出される。
【００３８】
複数の物体が処理取鍋または機械取鍋２５などの容器によって保持される量の溶融金属から鋳造されるとき、液相制止温度は、そのバッチの溶融金属からのすべての物体の鋳造について１回だけ測定されてもよい。しかしながら注入温度は、機械取鍋２５内の溶融金属が時間をかけて冷却され、したがって注入温度が一般的に減少するので、鋳造のたびに測定されるべきである。その結果、溶融金属の流動性は、同じバッチの溶融鉄から鋳造された各物体について変化してもよい。溶融金属の組成はバッチごとに異なる可能性があるので、液相制止温度はバッチごとに測定されるべきである。
【００３９】
物体が生産環境において鋳造される際に、関連するプロセスパラメータ、物体仕様、および流動性は、鋳造のたびに記録されることが可能である。物体および鋳造機の各クラスについて制御式および伝達関数をさらに改善するために、この増加するデータセットに対して追加の回帰分析が実行されてもよい。
【００４０】
上記のプロセスは、鉄パイプを遠心鋳造するために使用されてもよい。一実施形態において、パイプはベル、スピゴット、およびベルトスピゴットとの間のバレルを有し、金型２０は対応するセクションを有する。パイプの仕様は、所定公差内で均一な肉厚の一定直径のバレルを有する、丸みを帯びた断面を含んでもよい。その他の実施形態において、特定の用途の要求に応じてパイプは六角形またはその他の形状であってもよく、不均一またはテーパ付き直径または断面寸法を有してもよく均一または不均一な肉厚を有してもよい。たとえば、その上部または先端に向かって断面が小さくなるようなテーパ状で、六角形の鋳鉄電柱の幅広い基部において、より厚い壁を有することが望ましいかも知れない。いずれの実施形態においても、本明細書に記載されるように、所望の仕様の物体のために制御式が求められてもよい。
【００４１】
均一な肉厚のベル、スピゴット、およびバレルを有する一定直径のパイプの実施形態に戻ると、フラグ遅延時間、ベル加速度、スピゴット減速度、およびスピゴット確認時間の各々についての少なくとも１つの制御式が、コンピュータ５５に実装される。鋳造に使用される溶融鉄のバッチの液相制止温度は、好ましくはコンピュータ５５に鉄の温度冷却プロファイルを表す信号を提供するカップ６５によって、測定される。溶融鉄が機械取鍋２５からトラフ３０内に注入され、好ましくはコンピュータ５５と通信している高温計７０によって、注入温度が測定される。コンピュータ５５は、測定された液相制止温度および注入温度に基づいて流動性を計算し、制御式の出力を計算し、対応する命令をＰＬＣ５０に提供する。ＰＬＣ５０はその後、所望の仕様でパイプを鋳造するために、上記の制御式および計算された流動性にしたがって、回転金型２０に対してトラフ３０を動かす。
【００４２】
本発明の装置および方法の実施形態は、従来技術の方法と比較して、より良い均一性の肉厚およびより厳しい公差を有するパイプを製造することが、見出された。図７Ａは、本発明の実施形態にしたがって鋳造された２０フィートパイプの肉厚を示す。図７Ｂは、従来技術の方法にしたがって、同じ鋳造機で鋳造された、同じ仕様の２０フィートパイプの肉厚を示す。肉厚の測定値は、各パイプの長さに沿って１フィート間隔で、直径方向に直交する位置で取られた。これらの図は、パイプの両側の肉厚を個別の直線としてグラフ化している。容易にわかるように、本発明の実施形態にしたがって鋳造された、図７Ａのパイプの肉厚は、従来技術の方法にしたがって鋳造された図７Ｂに示されるパイプよりも、その長さおよび外周にわたって、はるかに均一である。
【００４３】
本発明の実施形態によってもたらされた、向上した精度および制御は、以前可能であったよりも薄い壁でパイプが作られることを可能にする。これは、溶融金属の材料費を著しく節約し、完成品の重量を減少させる。加えて、より肉厚のパイプを用いると、仕様および規格との一致が保証され、所与のクラスに必要とされるよりも厚いパイプ壁を作成する際に無駄になる材料が少なくなる。鋳造に続いて、鉄パイプは焼きなまし炉に運搬され、そこで鉄パイプは高温で焼きなまされる。本発明の実施形態にしたがって鋳造されたパイプは、仕様にぴったりと適合しており、従来技術よりも少ない材料を使用するので、焼なます鉄は少なく、経時的なエネルギー費を節約できる。
【００４４】
本発明はその特定の好適な実施形態を参照して記載および図示されてきたものの、その他の実施形態も可能である。したがって、先の記述は、すべての面で例示的であって限定的ではないと見なされる。したがって、本発明は、請求項およびその同物を参照して定義されるべきであり、請求項の精神および範囲は、本明細書に含まれる好適な実施形態の例示に限定されるべきではない。
【図１】
0006506251.tif 000011
【図２】
0006506251.tif 000012
【図３Ａ】
0006506251.tif 000013
【図３Ｂ】
0006506251.tif 000014
【図３Ｃ】
0006506251.tif 000015
【図４】
0006506251.tif 000016
【図５Ａ】
0006506251.tif 000017
【図５Ｂ】
0006506251.tif 000018
【図５Ｃ】
0006506251.tif 000019
【図５Ｄ】
0006506251.tif 000020
【図６】
0006506251.tif 000021
【図７Ａ】
0006506251.tif 000022
【図７Ｂ】
0006506251.tif 000023
【図８】
0006506251.tif 000024