(57)【要約】【課題】鋳物の寸法精度を向上することが可能な引上式連続鋳造装置を提供すること。【解決手段】本発明の引上式連続鋳造装置１００は溶湯保持炉１に保持された溶湯Ｍ１を引き上げながら鋳物Ｍ３を製造する引上式連続鋳造装置であって、スタータＳＴにより溶湯Ｍ１を引き上げる引上機６と、溶湯Ｍ２の凝固界面ＳＩＦの位置を検出するセンサ３と、溶湯保持炉１から導出される鋳物Ｍ３を加熱しながら加圧する矯正部４と、センサ３によって検出された凝固界面ＳＩＦの位置に基づいて、矯正部４による加熱を制御する制御部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯保持炉に保持された溶湯を引き上げながら鋳物を製造する引上式連続鋳造装置であって、
スタータにより前記溶湯を引き上げる引上機と、
前記溶湯の凝固界面の位置を検出するセンサと、
前記溶湯保持炉から導出される前記鋳物を加熱しながら加圧する矯正手段と、
前記センサによって検出された前記凝固界面の位置に基づいて、前記矯正手段による加熱を制御する制御部と、
を備える引上式連続鋳造装置。
【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、自由鋳造方法及びそれに適した自由鋳造装置が提案されている。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２０１２−０６１５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の自由鋳造装置では、形状規定部材を介して導出された溶湯を冷却ガスによって冷却している。具体的には、凝固した直後の鋳物に冷却ノズルから冷却ガスを吹き付け、間接的に溶湯を冷却している。
【０００６】
特許文献１に記載の自由鋳造装置では、外気温、冷却ノズルから鋳物へ吹き付ける冷却ガスの流量、スタータの引き上げ速度等の条件変動に伴い凝固界面が変動する。そのため、条件変動が大きくなると凝固界面の変動が大きくなって、鋳物の肉厚が不均一になることがあるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、鋳物の寸法精度を向上することが可能な引上式連続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】
【０００８】
本発明の引上式連続鋳造装置は、
溶湯保持炉に保持された溶湯を引き上げながら鋳物を製造する引上式連続鋳造装置であって、
スタータにより前記溶湯を引き上げる引上機と、
前記溶湯の凝固界面の位置を検出するセンサと、
前記溶湯保持炉から導出される前記鋳物を加熱しながら加圧する矯正手段と、
前記センサによって検出された前記凝固界面の位置に基づいて、前記矯正手段による加熱を制御する制御部と、
を備える。
【０００９】
本発明の引上式連続鋳造装置は、制御部がセンサによって検出された凝固界面の位置に基づいて矯正部による加熱を制御することにより、凝固界面を基準範囲内に維持することができる。これにより、本発明の引上式連続鋳造装置は凝固界面の変動を小さくできるので、鋳物の肉厚のばらつきを小さくすることができる。また、本発明の引上式連続鋳造装置は、鋳物の肉厚のばらつきが生じた場合でも、矯正部で加熱しながら加圧することにより鋳物の肉厚を修正することができるので、鋳物の肉厚のばらつきを小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、鋳物の寸法精度を向上することが可能な引上式連続鋳造装置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構造を示す模式断面図である。
【図２】実施の形態１に係る形状規定部材を示す平面図である。
【図３】実施の形態１に係る自由鋳造装置の構成を示すブロック図である。
【図４】湯面からの高さと粗材温度との関係を示す図である。
【図５】凝固界面高さとヒータの設定温度の関係を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る自由鋳造装置の凝固界面制御方法について説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[実施の形態１]
以下、図１〜図６を参照しながら本発明の実施の形態１に係る自由鋳造装置１００について説明する。
【００１３】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る自由鋳造装置１００（引上式連続鋳造装置）は、溶湯保持炉１と、形状規定部材２と、センサ３と、矯正部４と、制御部５と、引上機６と、を有する。なお、当然のことながら、図１に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。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１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１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１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１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１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はアルミニウム以外の金属やその合金であってもよい。
【００１５】
形状規定部材２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２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２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２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２を湯面から離間して配置した場合、形状規定部材２の熱変形や溶損が抑制され、形状規定部材２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２の平面図である。ここで、図１の形状規定部材２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２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２１）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】
図１に示すように、溶湯Ｍ１は、その表面膜や表面張力により鋳物Ｍ３に追従して引き上げられ、形状規定部材２の溶湯通過部２１を通過する。すなわち、溶湯Ｍ１が形状規定部材２の溶湯通過部２１を通過することにより、溶湯Ｍ１に対し形状規定部材２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、溶湯の表面膜や表面張力によって、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。
【００１９】
スタータＳＴに連結された引上機６により鋳物Ｍ３を引き上げつつ、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６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６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６を水平方向に移動させる代わりに、形状規定部材２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。
【００２０】
センサ３は、保持溶湯Ｍ２の凝固界面ＳＩＦの位置を検出する。センサ３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。センサ３としては、例えば、固体撮像素子を有する撮像装置が用いられ、撮像装置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。例えば、撮像装置によって撮影された画像において、揺動が検出された領域（すなわち溶湯）と検出されない領域（すなわち鋳物）の境界部を凝固界面ＳＩＦと決定する。
【００２１】
センサ３により検出された凝固界面ＳＩＦの位置から、保持溶湯Ｍ２の温度が適切であるか判定することができる。凝固界面ＳＩＦが所望の位置より低い場合は、保持溶湯Ｍ２の温度を上げることにより、凝固界面ＳＩＦを上昇させることができる。逆に、凝固界面ＳＩＦが所望の位置より高い場合は、保持溶湯Ｍ２の温度を下げることにより、凝固界面ＳＩＦを低下させることができる。
【００２２】
矯正部４は、溶湯保持炉１から導出される鋳物Ｍ３に対して加熱しながら加圧する。矯正部４は、鋳物Ｍ３を加熱することにより、鋳物Ｍ３に接触している保持溶湯Ｍ２の温度を変化させることができる。矯正部４は、ローラ４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂと、ベルト状ヒータ４１，４３と、を有する。ローラ４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂは、モータ等の動力源（不図示）に接続されており、回転させることができる。
【００２３】
また、ローラ４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂは水平方向（ｘ軸方向）に移動させることができる。すなわち、ローラ４２ａとローラ４２ｂとの間隔、及び、ローラ４４ａとローラ４４ｂとの間隔を狭めたり広げたりすることができる。ローラ同士の間隔を狭めることによって、ベルト状ヒータ４１とベルト状ヒータ４３の間で鋳物Ｍ３を押圧することができる。鋳物Ｍ３が高温で軟らかいため、鋳物Ｍ３をベルト状ヒータ４１，４３の間で押圧することにより、鋳物Ｍ３の肉厚を修正することができる。
【００２４】
ベルト状ヒータ４１,４３は、複数のヒータを環状に連結することにより形成されている。ベルト状ヒータ４１は、ローラ４２ａ，４４ａの間に架け渡されており、ローラ４２ａ，４４ａを回転させるとベルト状ヒータ４１もローラ４２ａ，４４ａと同じ方向に回転する。ベルト状ヒータ４３は、ベルト状ヒータ４１と同様に、ローラ４２ｂ，４４ｂの間に架け渡されている。
【００２５】
ローラ４２ａ，４４ａを時計回りに回転させると、ベルト状ヒータ４１もローラ４２ａ，４４ａの回転に合わせて時計回りに回転する。このとき、鋳物Ｍ３を挟んで反対側に配置されたローラ４２ｂ，４４ｂを反時計回りに回転させると、ベルト状ヒータ４３もローラ４２ｂ，４４ｂの回転に合わせて反時計回りに回転する。これにより鋳物Ｍ３を加圧しながら導出方向に送り出すことができる。
【００２６】
ベルト状ヒータ４１，４３を構成する複数のヒータは、それぞれ独立して温度の制御が可能である。図１においては、ベルト状ヒータ４１，４３を構成する複数のヒータのうち鋳物Ｍ３に接触しているヒータを、ヒータ４１ａ〜４１ｃ，４３ａ〜４３ｃと符号を付している。例えば、凝固界面ＳＩＦの最も近くに位置するヒータ４１ａの温度が最も高くなり、凝固界面ＳＩＦから最も遠くに位置するヒータ４１ｃの温度が最も低くなるように、ヒータ４１ａ〜４１ｃの温度は制御されている。すなわち、ヒータ４１ａ、ヒータ４１ｂ、ヒータ４１ｃの順に温度が低くなるように制御されている。また、向かい合うヒータ同士は同じ温度になるように制御されている。つまり、ヒータ４１ａとヒータ４３ａの温度が等しく、ヒータ４１ｃとヒータ４３ｃの温度が等しくなるように制御部５により制御されている。
【００２７】
制御部５は、センサ３によって検出された凝固界面ＳＩＦの位置に基づいて矯正部４による鋳物Ｍ３の加熱を制御する。図３は、自由鋳造装置１００の構成を示すブロック図である。図３に示すように、制御部５は、センサ３から凝固界面ＳＩＦの位置の検出結果を得て、その検出結果に応じてヒータ４１ａ〜４１ｃ，４３ａ〜４３ｃ、及びローラ４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂを制御する。
【００２８】
制御部５は、凝固界面ＳＩＦが基準範囲より高い場合には、ベルト状ヒータ４１，４３の温度を下げることにより、凝固界面ＳＩＦの位置を下げる。逆に、制御部５は、凝固界面ＳＩＦが基準範囲より低い場合には、ベルト状ヒータ４１，４３の温度を上げることにより、凝固界面ＳＩＦの位置を上げる。ここで、基準範囲は、凝固界面ＳＩＦの高さを変化させたときに、鋳物Ｍ３の寸法を公差範囲内に収めることができる凝固界面ＳＩＦの高さの範囲をいう。凝固界面ＳＩＦが基準範囲内のときに、鋳物Ｍ３の厚さは公差範囲内に収まり、良品となる。基準範囲の中心を凝固界面ＳＩＦの理想位置（理想凝固界面）とする。事前に凝固界面ＳＩＦの高さを変化させて鋳物Ｍ３を製造する実験を行うことにより、基準範囲を算出することが好ましい。
【００２９】
図４は、湯面からの高さと粗材温度との関係を示す図である。図４に示すように、湯面に近づくほど粗材温度は上昇していく。湯面から上昇して粗材温度が粗材の凝固温度（図４では、５３０℃）になるときの湯面からの高さが、凝固界面ＳＩＦの位置になる。自由鋳造装置１００が鋳物Ｍ３を製造するとき、湯面からの高さと粗材温度との関係にはばらつきがある。すなわち、湯面の温度が一定だとすると、湯面からのある高さにおける粗材温度が変わると、凝固界面ＳＩＦの位置は変わってくる。そこで、例えば高さｈにおける温度のばらつきを小さくすることにより、凝固界面ＳＩＦの位置のばらつきを小さくすることができる。制御部５は、センサ３で検出された凝固界面ＳＩＦの位置を用いて、凝固界面ＳＩＦを基準範囲内に維持するようにベルト状ヒータ４１，４３を制御する。
【００３０】
図５は、凝固界面ＳＩＦの位置とヒータの設定温度の関係を示す図である。図５に示すように、制御部５は、凝固界面ＳＩＦが基準面にくるときのヒータ４１ａ〜４１ｃ，４３ａ〜４３ｃの設定温度を基準として、凝固界面ＳＩＦが基準範囲からｚ軸プラス方向にずれたときにヒータの設定温度を低下させることにより、凝固界面ＳＩＦを低下させて基準範囲内に収めることができる。制御部５は、凝固界面ＳＩＦが基準範囲からｚ軸マイナス方向にずれたときは、ヒータの設定温度を上昇させることより、凝固界面ＳＩＦを上昇させて基準範囲内に収めることができる。このように、制御部５は、凝固界面ＳＩＦを基準範囲内に維持することができる。
【００３１】
制御部５は、矯正部４による鋳物Ｍ３への加圧を制御することができる。ローラ４２ａとローラ４２ｂとの間隔、及び、ローラ４４ａとローラ４４ｂとの間隔を狭めることにより、ベルト状ヒータ４１とベルト状ヒータ４３の間に鋳物Ｍ３を挟んで加圧する。鋳物Ｍ３が高温で軟らかいため、矯正部４は、鋳物Ｍ３を加熱しながら加圧することにより、鋳物Ｍ３の肉厚を細くすることができる。また、制御部５は、矯正部４だけではなく、溶湯保持炉１の湯温、及び引上機６の引き上げ速度を制御することができる。
【００３２】
次に、図１を参照して、本実施の形態に係る自由鋳造装置１００を用いた自由鋳造方法について説明する。
まず、引上機６によりスタータＳＴを降下させ、形状規定部材２の溶湯通過部２１を通して、スタータＳＴの先端部を溶湯Ｍ１に浸漬させる。
【００３３】
次に、引上機６により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、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た保持溶湯Ｍ２が形成される。図１に示すように、保持溶湯Ｍ２は、形状規定部材２の溶湯通過部２１に形成される。つまり、形状規定部材２により、保持溶湯Ｍ２に形状が付与される。
【００３４】
次に、スタータＳＴあるいは鋳物Ｍ３は徐々に冷えていくため、保持溶湯Ｍ２が間接的に冷却され、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。
【００３５】
実施の形態１に係る自由鋳造方法では、凝固界面ＳＩＦを所定の基準範囲内に保持するように制御している。図６は、自由鋳造装置１００の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を参照しつつ、自由鋳造装置１００の凝固界面制御方法について説明する。
まず、センサ３により、凝固界面ＳＩＦの位置を検出する（ステップＳＴ１）。センサ３は、例えば、画像を撮影して、保持溶湯Ｍ２の搖動が検出された領域と検出されない領域の境界部を凝固界面ＳＩＦと決定する。
【００３６】
次に、制御部５は、センサ３により検出された凝固界面ＳＩＦの位置が予め定められた基準範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳＴ２）。凝固界面ＳＩＦの位置が基準範囲内にない場合（ステップＳＴ２  ＮＯ）、制御部５は矯正部４を動作させ、矯正部４は鋳物Ｍ３を加熱しながら加圧する（ステップＳＴ３）。その後、制御部５は、鋳造が完了したか否かを判断する（ステップＳＴ４）
【００３７】
具体的にステップＳＴ３では、センサ３に検出された凝固界面ＳＩＦが基準範囲の上限を超えている場合、制御部５はヒータの温度を下げる。一方、センサ３に検出された凝固界面ＳＩＦが基準範囲の下限より低い場合、制御部５はヒータの温度を上げる。制御部５は、ヒータの温度を下げる代わりに、引上機６の引き上げ速度を遅くするか、溶湯保持炉１の設定温度を下げることにより凝固界面ＳＩＦを低下させてもよい。また、制御部５は、ヒータの温度を上げる代わりに、引上機６の引き上げ速度を速くするか、溶湯保持炉１の設定温度を上げることにより凝固界面ＳＩＦを上昇させてもよい。
【００３８】
凝固界面ＳＩＦの位置が基準範囲内にある場合（ステップＳＴ２  ＹＥＳ）、鋳造条件を変更することなく、そのまま鋳造が完了したか否か判定する（ステップＳＴ４）。
鋳造が完了していなければ（ステップＳＴ４  ＮＯ）、ステップＳＴ１に戻る。一方、鋳造が完了していれば（ステップＳＴ４  ＹＥＳ）、凝固界面ＳＩＦの制御を終了する。
【００３９】
自由鋳造装置１００では、制御部５がセンサ３によって検出された凝固界面ＳＩＦの位置に基づいて矯正部４による加熱を制御することにより、凝固界面ＳＩＦを基準範囲内に維持することができる。これにより、自由鋳造装置１００は凝固界面ＳＩＦの変動を小さくできるので、鋳物Ｍ３の肉厚のばらつきを小さくすることができる。また、自由鋳造装置１００は、鋳物Ｍ３の肉厚のばらつきが生じた場合でも、矯正部４で加熱しながら加圧することにより鋳物Ｍ３の肉厚を修正することができるので、鋳物Ｍ３の肉厚のばらつきを小さくすることができる。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、鋳物の寸法精度を向上することが可能な自由鋳造装置を提供することができる。
【００４１】
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、矯正部４は、ローラにベルト状ヒータを架け渡した構成に限定されるものではなく、湯面からの高さに応じて加熱温度を変更できるもので、かつ、鋳物Ｍ３を加熱しながら押圧できるものであればよい。また、凝固界面ＳＩＦの位置は、矯正部４により調整されるとは限られず、溶湯保持炉１の湯温及び引上機６の引き上げ速度を制御することにより凝固界面ＳＩＦの位置を調整してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１            溶湯保持炉
２            形状規定部材
３            センサ
４            矯正部
５            制御部
６            引上機
２１            溶湯通過部
４１，４３        ベルト状ヒータ
４１ａ〜４１ｃ，４３ａ〜４３ｃ            ヒータ
４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ            ローラ
１００            自由鋳造装置
Ｍ１            溶湯
Ｍ２            保持溶湯
Ｍ３            鋳物
ＳＴ            スタータ
ＳＩＦ            凝固界面
【図１】
2016002559.tif 000003
【図２】
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【図３】
2016002559.tif 000005
【図４】
2016002559.tif 000006
【図５】
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【図６】
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