(57)【要約】【課題】溶融金属湯への汚染物の混入を即時検出して、対処することで、欠陥のない金属製品を提供できるようにすること。【解決手段】高温金属溶融物内の汚染物を検出して、特徴付けるための装置であって、この装置は、金属熔融湯への汚染物の混入を即時検出するために、炉床又はモールド内の溶融金属湯を視覚的にモニタするための手段を含む。さらに、本発明によれば、溶融金属湯内の汚染物のサイズ及び位置を特徴付けることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉床又はモールド内の溶融金属湯を視覚的にモニタし、前記溶融金属湯内への凝結汚染物の混入を即時に検出するための手段と、
前記溶融金属湯内の汚染物のサイズ及び位置を示す即時信号を送信する手段とを有してなる、
高温金属溶融物内の汚染物を検出して特徴付けるための装置。
【請求項２】
前記視覚的にモニタするための手段が赤外線ビデオカメラを含む、請求項１の装置。
【請求項３】
前記赤外線ビデオカメラからの前記即時信号が前記溶融金属湯の選択された観察範囲のグレースケールの熱的映像である、請求項２の装置。
【請求項４】
前記即時信号がビデオレコーダ及びモニタへ送信される、請求項３の装置。
【請求項５】
前記即時信号がさらに、汚染物の数、サイズ、位置、及び存在期間を定めるために前記信号を分析する手段へ送信される、請求項４の装置。
【請求項６】
前記汚染物の数、サイズ、位置及び存在期間がそれらの蓄積のための手段へ送信される、請求項５の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属プール(molten metal pool)に凝結気化物質(condensed vapor matter)が混入することで生じる高温金属溶融物内の汚染物(contamination)を、検出して特徴付ける(characterize)ためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、全体として、例えば、１０００℃以上の融解温度を有するもの等の高温金属の溶融工程や、特に、電子ビーム熱を使用した金属の低温炉床(hearth)精製の際に行われる、熱が、直接、溶融物の表面に加えられる工程に関する。
【０００３】
この方法は、通常、例えば、チタン合金やニッケル基合金等の、反応性金属及び高融点金属の生産、再利用、及び精製に用いられる。電子ビームを照射すると、低温炉床精製に使用する装入材は、高強度電子ビーム又は水冷式銅炉床のビームを照射されて溶解する。この溶解工程は真空中で行われ、特徴として、強力密度と、極めて高い溶融温度、及び、棒材、成形体、スポンジ、破片、チップを含む、非常に広範囲に及ぶ装入材を使用できる点が挙げられる。
【０００４】
溶融金属の薄膜層が炉床表面に凝固して、炉床を保護する「スカル」を形成し、銅によるクロス汚染を予防し、また、液体金属プールを覆う。揮発性不純物が蒸発し、スカル内で高密度汚染物の沈降分離と封じ込めが行われ、そして、溶融物プールの極度に加熱された表層面で低濃度不純物が溶解することによって、溶解した金属材は精製される。
【０００５】
溶融金属は、金属炉床から第２次炉床まで続けて移動させて、さらに精製を重ねることもできるし、又は、凝固させるためのモールドに、直接、鋳入することもできる。この工程内の前記溶解、精製及び凝固の各段階を慎重に行うことで、非常にきれいな、実質的に無欠陥の鋳造品を生み出すことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この方法の１つの弱点は、高温及び真空環境が原因で、溶融工程を通じて相当量の金属気化物質が生成されるという点である。これらの気化物質は、加熱炉チェインバ内の表面上に凝固し、そして溶融物内に再混入してしまう可能性や危険のある固形沈着物となる。その結果、溶融物を構成する比較的揮発性の高い要素の中で、金属気化物質が概して高純度であるため、汚染の危険性が大きくなる。
【０００７】
例えば、、名目上、６％のアルミニウムを含むチタン合金から発生する気化沈着物は、その７０％がアルミニウムであることは良く知られている。万が一、これらの沈着物が溶融物内に再混入した場合には、前記純度の相違は、溶融物内に局部的な性質の違いを生み出し、その結果、最終的な製品に致命的な欠陥が生じる可能性がある。
【０００８】
凝結気化金属が沈着面から剥離し、溶融物プールに落下する事例は、通常の溶融過程でも起こることは良く知られている。汚染物混入による影響を緩和するステップには、鋳型を一時的に停止させ、且つ／又は、影響を受けた範囲に対して付加熱を照射して、汚染物の分解及び溶解物の化学的均質化を促進すること等が含まれる。
【０００９】
そのためには、該当部分を担当する加熱炉オペレータが、早急に処置を行わなければならない。汚染物が混入した部分が凝固してしまう前に、何らかの対応策を講じる必要があり、そして、そのためには、（汚染物の）瞬時検出、特徴付け、及び対応が不可欠である。
【００１０】
汚染物混入の検出は、現在のところ、溶融工程を管理している加熱炉オペレータによる目視に依存している。その汚染物が溶融物プールに比して小さくて、そして、担当オペレータが他のいくつかの作業に気配りしなくてはならない場合には、オペレータによって検知されないまま、汚染物が混入することもあり得る。  
【００１１】
その中でも最も大きな懸念は、凝固モールドに直接混入し、検知されない汚染物の存在である。というのも、このような、工程の最終段階において、溶融物を精製し均質化できることは非常に稀だからである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以上に鑑み、本発明は、炉床とモールドとを問わず、溶融金属湯(molten metal bath)を、間断なく視覚モニタするためのシステムを提供する。
本発明は、また、加熱炉チェインバから溶融プールに凝結気化物質が混入するのを即座に検出する手段を提供する。
【００１３】
さらに、本発明のシステムは、必要に応じて適時に対応策を講じられるように、混入汚染物の存在を早急に加熱炉オペレータに知らしめる。
本発明のシステムによれば、溶融物に混入した汚染物全てを特徴付け、また、その数、サイズ、及び位置を記録することができ、また、それらの記録をその後の製品品質検査に利用することができる。
【００１４】
高温金属溶融物の汚染物を検出して特徴付けるための本発明による装置は、金属湯内への汚染物の混入を即時検出するために、炉床又はモールドの中の溶融金属湯を視覚的にモニタするための手段を含む。瞬時に信号を送り、金属湯内の汚染物のサイズや位置を特徴付けできるような手段も具える。
【００１５】
視覚的にモニタするための手段は、赤外線ビデオカメラを含む。
【００１６】
赤外線ビデオカメラから瞬時に送信される信号は、溶融金属湯内の選択された観察範囲のグレースケールの熱的映像（gray-scale, thermal image）である。 前記即時信号は、ビデオレコーダ及びビデオモニタへ送信される。
【００１７】
前記即時信号は、また、汚染物の数、サイズ、位置及び存在期間(duration)を特徴付けるために、信号を分析する手段へも送信可能である。汚染物の数、サイズ、位置及び存在期間を記憶させるための手段も具えられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、高温金属溶融物内の汚染物を検出して特徴付けるためのシステムを示す、概略ブロック線図である。
図１に示すように、本検出システムは、付随レンズ・パッケージ２を具えるビデオカメラ１と、デジタルコンバータ３、高速度アナライザ４、及びオプションであるモニタ６を具えるビデオレコーダ５とから成る。
【００１９】
本システムには、オペレータインタフェイス８と連動するように、又、それに加えて、自動操作システムのために配置された、加熱炉データ取得システム（ＤＡＳ:data acquisition system)７が組込まれている。
【００２０】
前記カメラは、近赤外（ＮＩＲ: near-infrared）波長スペクトル（４００ｎ ｍから１１００ｎｍ）の領域に対応するものであれば、何でもよい。
カメラは、真空状態を固く保ち、溶融物プールの表層に正対して、遮るもののないきれいな映像を提供できるような方法で、加熱炉上のビューポートに取付けられた光学ハウジングに固定される。
【００２１】
前記光学ハウジングは、固定されたフォーカス用レンズ、関心のある周波帯外からの放射線を抑える赤外線フィルタ、及び、検出器における放射線強度を減らすための、固定された開口板及び中性濃度フィルタを含む。
【００２２】
有鉛のガラス窓が、Ｘ線放射線が検出アレイに損害を与えるのを防止するために用いられ、また使い捨ての石英窓は、光学部品が加熱炉からの熱及び気化物質により劣化してしまうのを防ぐために、ハウジングの真正面に設置される。
ハウジングの前面は、前記窓に金属気化物質が溶着するのを防ぐために、例えば、アルゴン等のガスの流れで絶え間なく洗浄されている。
【００２３】
このカメラシステムは、観察範囲のグレースケールの熱的映像を映し出す。ビデオ信号は、高速度シリアル・バス（すなわち、ファイヤーワイヤー）により直接に、又は、フレーム（映像）グラバーを通じて、デジタル映像アナライザやビデオレコーダ、ビデオモニタへ出力される。
【００２４】
前記アナライザ、すなわち、現設定のアキュイティ・パワービジョン・システム（ニューハンプシャー州、ナシュア在）は、ビデオ画像のリアルタイム高速分析を行なう。
ビデオ画像に映るアール・オー・アイ（ＲＯＩ:region of interest）、すな わち、関心のある領域は限定され、ＲＯＩの外の画像は、全て、分析の対象から外される。
【００２５】
この具体例においては、前記ＲＯＩは凝固モールドに含まれる液体金属プールである。前記アナライザは、ＲＯＩ内の画素のグレイ・レベルの強さを特徴付け、バックグラウンドの強度レベルを定める。
バックグラウンド及びフォアグラウンド画素間の境界を定める検出閾値が確定される。その後、前記ＲＯＩは、閾値以下の強度を示す特別の部分（画素のグループ）を探すべく、絶え間なく精査される。特別の部分とは、所謂フォアグラウンド画素であって、この部分は、溶融金属プール内の低温固体汚染物を示す。
【００２６】
前記アナライザは、汚染物の混入に対し十分な結果を確保するため、少なくとも１秒に４回の割合で探査を行い、汚染物の数、サイズ、位置、及び存在期間を含む画像から、広範囲に渡る情報を抽出することが可能である。
このデータは、加熱炉データ取得システムに送信される。
【００２７】
前記アナライザからのデータは、ＤＡＳによって絶え間なく処理され、整理され、記憶させられる。画像データは、一過性の検出を抑制して、極微小な物質の混入を無視して、迷惑警報の発動を減らすために、フィルタリングされる。
【００２８】
汚染物が混入した場合には、ＤＡＳは、加熱炉オペレータに対し即座に音声警報を発するのみでなく、混入した汚染物のサイズと位置を示した映像による迅速な警報を発する。すると、オペレータは、素早く混入の詳細を確認し、必要に応じて、汚染を改善するための所定の措置をとることができる。
【００２９】
ＤＡＳを組込むことで、中央オペレータインタフェイスを通じた沈着物検出システムのコントロール、及び当該システムとの通信が可能となり、面倒なデータ入力及びセットアップ作業を省くことができる。
さらに、ＤＡＳは、加熱炉及び溶融物パラメータに基づくシステム機能の自動操作を可能にする。
【００３０】
例えば、ＤＡＳは、前記ＲＯＩが対象とするモールドの配列を定め、溶解工程の開始時には自動的に映像検査を始め、また、鋳造工程の最終段階で溶解パワーがオフとなった場合には、検出システムを停止させる。
このＤＡＳにより、検出システムは実質的に可視操作が可能となる。前記映像アナライザから送られ蓄積されたデータは、顧客及び品質検査のための永久的な記録になる。
【００３１】
上記の記述は、特に、凝固モールドに関連する技術に関する。しかしながら、本発明は、また、殆ど変更を加えることなく、ＥＢＭ（電子ビーム溶解）工程における溶融及び／又は精製炉床に、応用することも可能である。
【００３２】
また、前記映像アナライザが検出したデータを、溶融物の被照射範囲に対しさらにビーム・エネルギーを自動放射することで汚染物の溶解と拡散を高めることができるように設定された加熱炉内に組込まれ、コンピュータ制御された、ビーム誘導装置に出力することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の高温金属溶融物内の汚染物を検出して特徴付けるためのシステムの概略ブロック線図。
【符号の説明】
【００３４】
１：ビデオカメラ
２：レンズ・パッケージ
３：デジタルコンバータ
４：高速度アナライザ
５：ビデオレコーダ
６：ビデオモニタ
７：加熱炉データ取得システム
８：オペレータインタフェイス
【図１】
2007064618.tif 000003