(57)【要約】  本明細書では、金属の連続鋳造のための装置および方法、より具体的には、鋳造プロセス中に注口先端またはディフューザの位置を制御して注口先端またはディフューザを鋳造部品内の液体金属と固体金属との間の遷移位置である凝固フロントの近くに維持するための機構によってマクロ偏析を低減するための装置および方法が提供される。装置は、モールドキャビティを画定するモールドを支持するモールドフレームと、液体ディフューザと、モールドフレームおよび液体ディフューザの少なくとも一方を互いに対して移動させるように構成されたアクチュエータとを含むことができ、アクチュエータは、少なくとも１つのセンサからの信号に応答して、モールドフレームおよび液体ディフューザの少なくとも一方を互いに対して移動させるように構成される。
2020533178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造モールドキャビティへの液体金属分配のための装置において、
連続鋳造モールドキャビティを画定するモールドを支持する連続鋳造モールドフレームと、
先端を備える液体ディフューザと、
前記連続鋳造モールドフレームおよび前記液体ディフューザの少なくとも一方を互いに対して移動させるように構成されたアクチュエータと、を備え、前記液体ディフューザの先端が、前記連続鋳造モールドキャビティ内の液体金属のプールに沈められ、
前記アクチュエータが、少なくとも１つのセンサからの信号に応答して、前記連続鋳造モールドフレームおよび前記液体ディフューザの少なくとも一方を互いに対して移動させるように構成される、装置。
【請求項２】
前記液体ディフューザがそこを通る液体通路を画定し、前記少なくとも１つのセンサが、前記ディフューザの先端の近くに配置された熱電対を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記アクチュエータが、線形アクチュエータを備え、軸が、それに沿って鋳造部品が引き出される前記モールドキャビティを介して画定され、前記アクチュエータが、前記連続鋳造モールドフレームおよび前記液体ディフューザの少なくとも一方を前記軸に沿って互いに対して移動させるように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記連続鋳造モールドフレームと前記液体ディフューザとの間の相対運動が、前記液体金属のプール内の前記液体ディフューザの動きをもたらす、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記線形アクチュエータが、前記熱電対からの前記信号に応答して、液体金属の所定の温度範囲に対応する位置において前記液体金属のプール内に前記液体ディフューザの先端を維持するように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記アクチュエータが、前記熱電対からの前記信号に応答して、鋳造作業中に金属コヒーレンス点付近の前記液体金属のプールの領域に前記液体ディフューザの先端を維持するように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
コントローラをさらに備え、前記コントローラが、前記アクチュエータと、前記モールドフレームと前記液体ディフューザとの間の相対位置とを制御するように構成され、前記連続鋳造モールドフレームと前記液体ディフューザとの間の前記位置が、前記熱電対からの前記信号と前記ディフューザによって分配される液体の少なくとも１つの特性とに少なくとも部分的に基づいて確立される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
液体の前記少なくとも１つの特性が、所与の圧力で分配された前記液体の液相温度を備える、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
連続鋳造モールドのキャビティにおいて鋳造される材料の指示を受けるステップと、
前記材料タイプの前記指示から、前記材料タイプの温度プロファイルを確立するステップと、
前記液体の材料を、ディフューザを介して前記モールドの前記キャビティに分配するステップと、
前記連続鋳造モールドの前記キャビティ内の前記ディフューザの先端の温度を検出するステップと、
前記ディフューザの前記先端の前記温度に応答して、前記ディフューザまたは前記連続鋳造モールドの少なくとも一方を他方に対して移動させ、前記温度プロファイルに関連付けられた所定の温度範囲に基づいて前記液体の材料のプール内に前記ディフューザの前記先端を維持するステップと、を含む、方法。
【請求項１０】
さらに、
前記材料のプールの１つ以上の特性に応じて、前記ディフューザを通る前記材料の流れを制御するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
さらに、
前記材料タイプに基づいて、前記連続鋳造モールドの前記キャビティに対する前記ディフューザの初期位置を判定するステップと、
前記ディフューザを介して材料を分配する前に、前記ディフューザまたは前記連続鋳造モールドの少なくとも一方を他方に対して前記初期位置に移動させるステップと、を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
さらに、
前記材料が前記ディフューザから分配開始されて鋳造が定常状態で行われた後、前記材料タイプに関連付けられたアルゴリズムに基づいて、前記ディフューザまたは前記連続鋳造モールドの少なくとも一方を他方に対して前記初期位置から二次位置に移動させるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
さらに、
前記鋳造が終了した指示に応じて、前記材料タイプに関連付けられた前記アルゴリズムに基づいて、前記ディフューザまたは前記連続鋳造モールドの少なくとも一方を他方に対して前記前記二次位置から三次位置に移動させるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記モールドが、スターティングブロックを備える直接チル連続鋳造モールドであり、前記方法が、さらに、
前記連続鋳造モールドキャビティおよび前記ディフューザに対して前記スターティングブロックを移動させるステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
装置において、
フレームと、
前記フレームに取り付けられ且つ連続鋳造モールドキャビティを画定する連続鋳造モールドであって、前記連続鋳造モールドキャビティが、前記連続鋳造モールドで鋳造された材料が連続鋳造プロセスで前記連続鋳造モールドから出る軸を画定する連続鋳造モールドと、
フレーム支持体であって、前記フレームが、前記連続鋳造モールドキャビティによって画定される前記軸に平行な軸に沿って支持アームに対して前記フレームおよび前記連続鋳造モールドを移動させるように構成されたアクチュエータによって前記フレーム支持体に取り付けられるフレーム支持体と、
鋳造液体分配ディフューザであって、前記フレーム支持体に対して固定保持され、前記アクチュエータが、前記連続鋳造モールドを前記鋳造液体分配ディフューザに対して移動させるように構成される鋳造液体分配ディフューザと、
前記鋳造液体分配ディフューザに取り付けられた熱電対であって、前記アクチュエータが、前記熱電対からの信号に応答して、前記鋳造液体分配ディフューザに対して前記フレームを移動させる熱電対と、を備える、装置。
【請求項１６】
前記アクチュエータが、ウォームギア、線形アクチュエータ、油圧ピストン、またはボールねじの少なくとも１つを備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
コントローラをさらに備え、前記コントローラが、前記鋳造液体分配ディフューザから分配された鋳造液体の温度プロファイルにしたがって、前記熱電対からの前記信号に応答して、前記鋳造液体分配ディフューザに対して前記フレームを前記アクチュエータに移動させるように構成される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
さらに、
複数のプロファイルを記憶するように構成されたメモリであって、各プロファイルが、鋳造材料およびモールド構成を含むメモリと、
鋳造作業中に少なくとも２つの異なる位置の間で選択されたプロファイルに基づいて、前記支持アームに対して前記フレームおよび連続鋳造モールドを移動させるように構成されたコントローラと、を備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記コントローラが、前記選択されたプロファイルを調整し、前記熱電対から受信した信号に応答して、前記支持アームに対して前記フレームおよび前記連続鋳造モールドの位置を変化させるように構成される、請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の連続鋳造のためのシステム、装置、および方法に関し、より具体的には、鋳造プロセス中に注口先端またはディフューザの位置を制御して注口先端またはディフューザを鋳造部品内の液体金属と固体金属との間の遷移位置である凝固フロントの近くに維持するための機構によってマクロ偏析を低減することに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属製品は、様々な方法で形成されることができるが、多くの成形方法では、最初に、金属最終製品が製造されることができる原材料として機能することができるインゴット、ビレット、または他の鋳造部品を必要とする。インゴットまたはビレットを製造する１つの方法は、直接チル鋳造として知られている半連続鋳造プロセスであり、垂直に配向されたモールドキャビティは、鋳造ピットの下方に垂直に移動するプラットフォームの上に位置している。スターティングブロックは、プラットフォーム上に位置することができ、少なくとも最初は、鋳造プロセスを開始させるために、モールドキャビティのボトムを形成することができる。溶融金属がモールドキャビティに注がれると、溶融金属は、典型的には冷却流体を使用して、冷却される。その上にスターティングブロックを備えたプラットフォームは、所定の速度で鋳造ピットに下降して、モールドキャビティを出てかつスターティングブロックと共に下降する金属を凝固させることを可能にする。より多くの溶融金属がモールドキャビティに入り、固体金属がモールドキャビティから出るとき、プラットフォームは下降し続ける。この連続鋳造プロセスにより、金属インゴットおよびビレットは、モールドキャビティのプロファイルにしたがって形成され、鋳造ピットの深さおよびその中で動く油圧作動プラットフォームによってのみ長さが制限される。
【０００３】
モールドキャビティ内およびモールドキャビティを出る鋳造部品のなおも溶融した領域内の金属の分布は、鋳造プロセス全体の温度プロファイルおよび勾配の変化によって複雑である。凝固物理学は、マクロ偏析の形成を示し、それにより、鋳造部品は、鋳造部品の寸法にわたって不均一な化学組成を有することがある。鋳造プロセスから形成されるマクロ偏析は、鋳造部品の処理中に不可逆的であるため、鋳造プロセス中のマクロ偏析を最小限に抑えることが不可欠である。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の実施形態は、一般に、金属の連続鋳造のための装置および方法に関し、より具体的には、鋳造プロセス中に注口先端またはディフューザの位置を制御して注口先端またはディフューザを鋳造部品内の液体金属と固体金属との間の遷移位置である凝固フロントの近くに維持するための機構によってマクロ偏析を低減することに関する。実施形態は、モールドキャビティ内に液体を分配するための装置において、モールドキャビティを画定するモールドを支持するモールドフレームと、液体ディフューザと、モールドフレームおよび液体ディフューザの少なくとも一方を互いに対して移動させるように構成されたアクチュエータとを含み、アクチュエータが、少なくとも１つのセンサからの信号に応答して、モールドフレームおよび液体ディフューザの少なくとも一方を互いに対して移動させるように構成される、装置を提供することができる。液体ディフューザは、先端を含み、そこを通る液体通路を画定することができ、少なくとも１つのセンサは、ディフューザの先端に近接して配置された熱電対を含むことができる。
【０００５】
いくつかの実施形態によれば、アクチュエータは、線形アクチュエータを含み、軸は、モールドキャビティを通って画定され、それに沿って鋳造部品が引き出されることができ、アクチュエータは、モールドフレームおよび液体ディフューザの少なくとも一方を軸に沿って互いに対して移動するように構成される。液体は金属を含むことができ、液体ディフューザの先端は、モールドキャビティ内の液体金属のプールに沈み、モールドフレームと液体ディフューザとの間の相対的な動きは、液体金属のプール内の液体ディフューザの移動をもたらすことができる。熱電対からの信号に応答する線形アクチュエータは、液体金属の所定の温度範囲に対応する位置において液体金属のプール内の液体ディフューザの先端を維持するように構成されることができる。
【０００６】
いくつかの実施形態のアクチュエータは、熱電対からの信号に応答して、鋳造作業中に金属コヒーレンス点の近くの液体金属のプールの領域に液体ディフューザの先端を維持するように構成されることができる。実施形態は、コントローラを含むことができ、コントローラは、アクチュエータと、モールドフレームと液体ディフューザとの間の相対位置とを制御するように構成されることができ、モールドフレームと液体ディフューザとの間の位置は、少なくとも部分的に、熱電対からの信号と、ディフューザによって分配される液体の少なくとも１つの特性とに基づいて確立されることができる。液体の少なくとも１つの特性は、所与の圧力で分配される液体の液相線温度を含むことができる。
【０００７】
本発明の実施形態は、モールドキャビティ内の鋳造される材料の指示を受けるステップと、材料タイプの指示から、材料タイプの温度プロファイルを確立するステップと、液体の材料を、ディフューザを介してモールドのキャビティ内に分配するステップと、モールドのキャビティ内のディフューザの先端の温度を検出するステップと、温度プロファイルに関連付けられた所定の温度範囲に基づいて、ディフューザの先端を液体の材料のプール内に維持するために、ディフューザの先端に応答してディフューザまたはモールドの少なくとも一方を他方に対して移動させるステップと、を含む方法を提供することができる。実施形態は、材料のプールの１つ以上の特性に応じて、ディフューザを通る材料の流れを制御するステップを含むことができる。
【０００８】
例示的な実施形態の方法は、必要に応じて、材料タイプに基づいて、モールドのキャビティに対するディフューザの初期位置を判定するステップと、ディフューザを介して材料を分配する前に、ディフューザまたはモールドの少なくとも一方を他方に対して初期位置に移動させるステップとを含むことができる。方法は、材料がディフューザから分配開始されて鋳造が定常状態で行われた後に、材料タイプに関連付けられたアルゴリズムに基づいて、ディフューザまたはモールドの少なくとも一方を他方に対して初期位置から二次位置に移動させるステップを含むことができる。方法は、必要に応じて、鋳造が終了したという指示に応じて、材料タイプに関連付けられたアルゴリズムに基づいて、ディフューザまたは直接チルモールドの少なくとも一方を他方に対して二次位置から三次位置に移動させるステップを含むことができる。モールドは、スターティングブロックを含む直接チルモールドとすることができ、本方法は、モールドキャビティおよびディフューザに対してスターティングブロックを移動させるステップを含むことができる。
【０００９】
本明細書で説明される実施形態は、フレームと、フレームに取り付けられた少なくとも１つのモールドキャビティであって、モールド内で鋳造された材料が連続鋳造プロセスでモールドから出る軸を画定するモールドキャビティと、フレーム支持体とを含み、フレームが、モールドキャビティによって画定される軸に平行な軸に沿ってフレームおよびモールドキャビティを支持アームに対して移動させるように構成されたアクチュエータによってフレーム支持体に取り付けられる、装置を提供することができる。アクチュエータは、ウォームギア、線形アクチュエータ、油圧ピストン、またはボールねじの少なくとも１つを含むことができる。装置は、鋳造液体分配ディフューザを含むことができ、鋳造液体分配ディフューザは、フレーム支持体に対して固定され、アクチュエータは、鋳造液体分配ディフューザに対してモールドキャビティを移動させるように構成される。
【００１０】
いくつかの実施形態によれば、装置は、鋳造液体分配ディフューザに取り付けられた熱電対を含むことができ、アクチュエータは、熱電対からの信号に応答して鋳造液体分配ディフューザに対してフレームを移動させる。実施形態は、コントローラを含むことができ、コントローラは、鋳造液体分配ディフューザから分配された鋳造液体の温度プロファイルにしたがって、熱電対からの信号に応答して、鋳造液体分配ディフューザに対してフレームをアクチュエータに移動させるように構成される。
【００１１】
装置の実施形態は、複数のプロファイルを記憶するように構成されたメモリを含むことができ、各プロファイルは、鋳造材料およびモールド構成を含み、コントローラは、鋳造作業中に少なくとも２つの異なる位置間で選択されたプロファイルに基づいて支持アームに対してフレームおよびモールドキャビティを移動させるように構成される。実施形態は、液体をモールドキャビティに分配するためのディフューザと、ディフューザ上の熱電対とを含むことができ、コントローラは、選択されたプロファイルを調整し、熱電対から受信した信号に応答して、支持アームに対してフレームおよびモールドキャビティの位置を変化させるように構成される。
【００１２】
このように本発明の実施形態を一般的な用語で説明してきたが、必ずしも一定の縮尺で描かれていない添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、従来技術にかかるプロセスにおける直接チル鋳造の断面図を示している。
【図２】図２は、本発明の例示的な実施形態にかかる、鋳造プロセスの開始時に動的に配置可能なディフューザを使用した鋳造の断面図を示している。
【図３】図３は、本発明の例示的な実施形態にかかる、鋳造プロセスの始動段階中に動的に配置可能なディフューザを使用した鋳造の断面図を示している。
【図４】図４は、本発明の例示的な実施形態にかかる、鋳造プロセスの定常状態鋳造中に動的に配置可能なディフューザを使用した鋳造の断面図を示している。
【図５】図５は、本発明の例示的な実施形態にかかる、鋳造プロセスの終了時に動的に配置可能なディフューザを使用した鋳造の断面図を示している。
【図６】図６は、本発明の例示的な実施形態にかかる、鋳造プロセス中の注口またはディフューザおよびサンプの位置のグラフを示している。
【図７】図７は、本発明の例示的な実施形態にかかる、注入されるインゴットの全体の鋳造長さに対するシリンダおよびモールドフレームの調整速度のグラフを示している。
【図８】図８は、本発明の例示的な実施形態にかかる、それぞれ異なる形状を有する３つのディフューザを示している。
【図９】図９は、本発明の例示的な実施形態にかかる、それぞれ異なるサイズを有する３つのディフューザを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の例示的な実施形態を、本発明の全てではないがいくつかの実施形態が示されている添付の図面を参照して、以下で、より完全に説明する。実際に、本発明は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすように提供される。同じ番号は、全体を通して同じ要素を指している。
【００１５】
本発明の実施形態は、一般に、連続鋳造モールドキャビティ内の金属分配のための方法、装置、およびシステムに関する。本明細書で説明される実施形態は、垂直直接チル鋳造において特に有益とすることができる。しかしながら、実施形態は、様々な異なる鋳造用途で使用されてもよい。垂直直接チル鋳造は、様々な製造用途で使用するために小さなまたは大きな断面を有することができるインゴットまたはビレットを製造するために使用されるプロセスである。垂直直接チル鋳造のプロセスは、その中に配置された１つ以上の垂直配向モールドキャビティを含有する水平テーブルで開始する。モールドキャビティのそれぞれは、モールドキャビティを密封するためにスターティングブロックによってボトムを最初に閉じる。溶融金属は、モールドキャビティを満たすために金属分配システムを介して各モールドキャビティに導入される。モールドのボトムに近接し、スターティングブロックに隣接している溶融金属が凝固すると、スターティングブロックは直線的経路に沿って垂直下向きに移動される。スターティングブロックの移動は、スターティングブロックが取り付けられている油圧で下げられたプラットフォームによって引き起こされ得る。スターティングブロックの垂直下方への移動により、凝固した金属がモールドキャビティから引き出され、追加の溶融金属がモールドキャビティに導入される。一旦開始されると、このプロセスは、モールドキャビティによって定義されるプロファイルと、プラットフォームおよびスターティングブロックが移動される深さによって定義される高さと、を有する金属インゴットを形成する半連続鋳造プロセスのために、比較的定常状態速度で移動する。
【００１６】
鋳造プロセス中に、冷却剤がモールドキャビティの出口近くに噴霧され、金属がモールドキャビティを出てスターティングブロックが下方に進むときに金属シェルの凝固を促進することができる。冷却液は、鋳造金属インゴットから熱を引き出し、インゴットの現在凝固したシェル内の溶融金属を凝固させるために鋳造されるときに、モールドキャビティの近くから金属の表面に導入される。スターティングブロックが下方に進むと、冷却液がインゴットに直接噴霧されて冷却することができる。
【００１７】
直接チル鋳造プロセスにより、インゴットは、様々なプロファイル形状と共に、広範で様々なサイズおよび長さで鋳造することができる。円形ビレットおよび長方形インゴットが最も一般的であるが、他のプロファイル形状も可能である。
【００１８】
金属部品の鋳造、特に垂直直接チル連続鋳造では、モールドキャビティ内に金属を分配する方法など、様々な複雑さが存在する。一般に、金属合金は、純金属成分に加えて元素を含む。これらの元素は、インゴットやビレットなどの金属物体全体に一貫した金属合金組成を提供するために、理想的には溶液内で均等に組み合わされる。固体の場合、元素は、移動しない固定濃度である。
【００１９】
液体からの金属合金の凝固中の溶質の再分配および収縮からの影響の組み合わせにより、液体が固体に変わる凝固フロントに沿った熱溶質対流、樹枝状結晶の断片化、および粒子の移動は、インゴットまたはビレットの外側表面からインゴットまたはビレットの中心まで化学的な変動を生み出すことができる。この化学的な変動は、マクロ偏析として知られている。このマクロ偏析は、金属の部分間の化学的変動が、インゴットまたはビレットから生産される材料の品質に影響を及ぼす不満足な特性につながる可能性があるために望ましくない。
【００２０】
本発明の実施形態は、マクロ偏析を最小限に抑え、インゴットまたはビレットなどの鋳造金属物体の品質および一貫性を改善する方法、装置、およびシステムを提供する。本明細書で説明される実施形態は、物体が鋳造プロセス全体を通して鋳造されるときに、金属コヒーレンス点付近の液体金属を、インゴットやビレットなどの金属物体の固相線領域（俗称「どろどろゾーン」として知られる）に供給することを可能にするように開発された独自の金属分配システムを提供する。１００％の液体とコヒーレンス点温度（結晶構造を介して凝固が始まり、粒子が融合して強度を発現し始める点）の境界領域は、一般に「スラリーゾーン」と呼ばれる。本明細書で説明される実施形態は、サンプ内の金属分布を通じてインゴット中心での断片化された粒子の蓄積を減らし、マクロ偏析を減らす。自動化されたシステムは、鋳造の開始段階から鋳造の終了段階まで、正しい金属深さ（凝固フロントで一定）で注口を維持するために、金属分配注口に対してモールドフレーム（モールドキャビティまたは複数のキャビティを含む）を移動させることができる。注口と一体化することができる注口の先端に近接して配置された熱電対は、コントローラにフィードバックを提供し、注口先端に対するモールドキャビティおよびその中の溶融金属のプールの適切な位置を判定することができる。温度プロファイルは、異なる合金や金属によって大きく異なる場合があるため、この適切な位置は、鋳造される材料によって異なる場合がある。
【００２１】
例示的な実施形態のシステムは、サンプおよび制御アルゴリズムにおける分配中に最適な金属流を提供して、典型的な金属流れ場を操作してマクロ偏析を低減するための最適な流れ条件を形成するために、以下でさらに説明する独自の金属ディフューザ／分配器の範囲を含むことができる。
【００２２】
鋳造モールドの典型的な金属分配システムは、鋳造段階の始動に必要な注口およびモールド位置の典型的な固定制約により、直接チルモールドの液体金属の表面直下に金属を供給する注口およびセラミック布金属分配バッグを含む。任意の直接チル鋳造インゴットの場合、形状に関係なく、従来の注口およびセラミック布分配バッグシステムと同様に、表面近くの場所（例えば、表面から約６インチ以内）から溶融金属を供給すると、ある程度のマクロ偏析をもたらすことがある。到来する金属は、凝固フロントに沿って最高速度で（例えば、コヒーレンス温度で）インゴットの中心に向かって掃引され、溶質希薄でサンプのボトムにそれらを投棄する最初の結晶粒を破砕する。これは、直接チル鋳造でインゴットの中心に負の偏析形成をもたらす。本明細書で説明される実施形態は、自然対流セルの速度を低下させ、サンプ位置での溶質希薄粒子の蓄積を低減し、それによりマクロ偏析を低減するために、サンプボトム領域内の分配器から金属を供給する自動制御を備えた金属分配システムを提供する。
【００２３】
図１は、鋳造プロセス中の直接チル鋳造モールド１００の断面の概略図を示している。図示されたモールドは、例えばビレットまたはインゴット用とすることができる。示されるように、モールド壁１０５は、鋳造部品１１０が形成されるモールドキャビティを形成する。鋳造プロセスは、スタータブロック１１５がモールドキャビティのボトムをモールド壁１０５に対して密閉することから始まる。プラットフォーム１２０が矢印１４５に沿って下方に移動して鋳造ピットに入り、鋳造部品がモールド壁１０５内の縁部で凝固し始めると、鋳造部品１１０は、モールドキャビティから出る。金属は、加熱された貯槽または窯から例えば注口１３０を通ってモールドキャビティに供給された貯槽とすることができる注入トラフ１２５から流れる。示されるように、注口１３０は、溶融金属プール１３５の上方から供給される場合に生じる金属の酸化を回避するために、溶融金属プール１３５内に部分的に沈められる。凝固金属１４０は、インゴットなどの成形鋳造部品を構成する。注口１３０を通る流れは、注入トラフ１２５の空洞を、注口１３０を通る流路と接続するオリフィス内に取り付けられた先細プラグなどによって、注入トラフ１２５内で制御される。従来、注入トラフ１２５、注口１３０、およびモールドキャビティ／モールド壁１０５は、鋳造作業の開始から鋳造作業の終了まで一定の関係で保持される。プラットフォーム１２０が矢印１４５に沿って鋳造ピット内に下降し続けると、注口１３０を通る金属の流れが続く。プラットフォームが移動の最下部にあるか、金属供給が不足しているか、または鋳造部品が完成サイズに達することにより、鋳造作業が終了すると、注口１３０を通る金属の流れが停止し、トラフ上に組み立てられた注口は、溶融金属プール１３５から除去され、溶融プールが凝固して鋳造部品を完成させることを可能にする。
【００２４】
図１に示された方法を使用すると、マクロ偏析の形成は制御されておらず、図１の実施形態により形成された鋳造部品は、鋳造部品全体の断面にわたって満足のいく組成の一貫性を有しないことがある。本明細書で説明される実施形態は、マクロ偏析を最小限に抑え、鋳造部品全体の金属組成の一貫性を確保するのに役立つ。
【００２５】
図２は、線形アクチュエータ、ウォームギア、ソレノイド、アクメねじ、ボールねじ、ケーブル、油圧ピストン、またはモールド１０５をトラフ１２５および注口１３０に対して移動および保持するために使用可能な任意の他のタイプの機構とすることができるアクチュエータ１５０を使用して配置されたモールド１０５を含む本発明の例示的な実施形態を示している。モールド１０５は、モールドフレーム（図示せず）によって支持されてもよく、アクチュエータは、モールドの相対位置を制御するためにモールドまたはモールドフレームに取り付けられてもよい。プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）などの自動制御システムがアクチュエータに接続され、成形されたときの鋳造部品の事前にプログラムされた手法および／またはアクティブ測定に基づいて、トラフ１２５および注口１３０に対してモールドフレームおよびモールド１０５を配置することができる。測定値は、注口１３０からの金属またはモールド１０５を出たときの鋳造部品の温度などの鋳造温度、サンプ内の注口先端周辺の金属温度、プラットフォーム１２０が下降する速度、注口１３０を通る金属の流量、または鋳造プロセスに影響を及ぼす任意の他のパラメータとすることができる。図２の図示された実施形態は、注口１３０の先端がプラットフォーム１２０によって支持されるスタータブロック１１５に近接して配置される開始位置を含む。アクチュエータ１５０は、始動中の位置を確保し、始動位置は、鋳造される材料、スタータブロック１１５のプロファイル、モールド１０５のプロファイルなどに依存することができるスタータブロック１１５およびモールド１０５に対する注口１３０の事前にプログラムされた位置とすることができる。
【００２６】
例示的な実施形態によれば、注口１３０は、その長さに沿った１つ以上の位置、特に金属がトラフ１２５から注口１３０を出る注口１３０の先端において、注口１３０の温度を判定する１つ以上の熱電対を含むことができる。熱電対は、サンプ内の注口１３０の先端の位置で液体金属の温度を判定してもよい。本明細書で説明される実施形態は、注口１３０の先端に金属分配器またはディフューザを含むことができ、これは、ディフューザ／分配器を流れる金属の温度および／またはサンプ内のディフューザ／分配器の周囲の金属の温度を提供する１つ以上の熱電対を含むように構成されることができる。注口１３０の先端または取り付けられたディフューザの近くからの温度フィードバックは、溶融金属のプール内の注口またはディフューザの位置のアクティブ制御を可能にすることができ、金属温度の変化、酸化物の生成、または注口またはディフューザの先端をサンプ内（例えば、溶融金属と固体金属との間の遷移領域）に適切に配置するための注口１３０に対するモールド１０５の計画外の動きを必要とすることができるその他の鋳造条件に調整することができる。例示的な実施形態の注口１３０は、溶融金属のプール内のそのような位置変化に対応することができる長さであり、望ましいと思われるサンプに近接した先端の位置決めを可能にする。
【００２７】
例示的な実施形態の注口１３０は、注口の先端に特別に画定されたディフューザを装備して、鋳造開始時の金属飛散を低減し、鋳造プロセス中の金属分布を最適化することができる。これらのディフューザは、注口１３０に組み立てられた別個の部品とすることができる。そのようなディフューザの形状は、様々なサイズの鋳造部品や溶融液の供給方向と速度に対応するために、三角形、長方形、またはその他の不規則な形状にすることができる。これらのディフューザは、ガラス繊維布、繊維強化セラミック、または様々なタイプの熱セラミックもしくは高温超合金などのいずれかの既知の耐火材料から構成されることができる。そのようなディフューザの例示的な実施形態が以下に例示されて説明される。
【００２８】
本明細書で説明される例示的な実施形態によれば、鋳造仕様がプログラマブルロジックコントローラに入力され、１つ以上のモールドが取り付けられることができるモールドフレーム（別名「モールドテーブル」として知られる）の位置を制御することができる。例示的な実施形態によれば、プログラマブルロジックコントローラは、注口に対するモールドフレーム（およびその中に保持されるモールド）の位置を制御するために使用される。図２の例示的な実施形態は、注口１３０に対してモールド１０５およびモールドフレームを移動させる線形アクチュエータを示しているが、例示的な実施形態は、注入トラフ１２５および注口１３０をモールド１０５に対して必要に応じて移動させることができる。さらに、モールドは、モールドフレーム内で可動とすることができ、モールド１０５がモールドフレーム内の位置を変えることにより、モールド１０５と注口１３０との間の動きが得られることを可能にする。移動がどのように達成されるかに関係なく、本明細書で説明される実施形態は、本明細書で説明される本発明の利点を達成するためにモールド１０５に対して注口１３０を移動させる方法を提供する。
【００２９】
鋳造の開始時に、モールド１０５およびモールドフレームは、金属分配器注口１３０をきれいにするために、注口１３０に対して十分に低く配置されることができる。図２は、鋳造の開始のそのような例示的な実施形態を示している。鋳造が開始されると、モールドフレームが上昇するが、鋳造部品は、モールドのボトムから鋳造される。図３は、スタータブロック１１５がモールド１０５のモールドキャビティから移動しているそのような実施形態を示している。モールドフレームは、特定のプログラムされた動きにしたがい、凝固溶融プールに対して所望の位置に注口１３０を維持する。例示的な実施形態は、上流の金属温度制御（トラフ１２５の上流）が可変であり、サンプ内またはその他の緊急事態に凍結する注口１３０の先端または分配器をもたらすことができる場合など、溶融プールに対する注口１３０の自動調整が実行されることができるように、アクティブフィードバックを提供するために鋳造注口に一体化された熱電対を含むことができる。図３は、鋳造プロセスの開始から遷移中の鋳造の始動段階中であってもよいが、溶融金属の温度プロファイルおよび鋳造速度が安定する定常状態鋳造の前であってもよい。
【００３０】
図４は、鋳造プロセスの実行状態段階を示しており、モールド１０５は、溶融プール１３５のサンプ内の注口の先端と係合するように注口１３０の近くに配置され、破線１３７は、液体金属１３５と凝固金属１４０との間の遷移を画定する。鋳造の終わりに、図５に示されるように、アクチュエータ１５０は、注口１３０に対してモールド１０５を移動させて、注口／ディフューザの先端が鋳造金属内で凍結しないことを確保する。プログラム可能なロジックコントローラは、液体プールのボトムに対する所望の注口位置を維持しながら、注口１３０に対してモールド１０５および鋳造部品位置を位置決めするプログラム仕様にしたがってシステムを制御して、鋳造の開始および実行部分に必要な相対鋳造速度を得る。この独自のバランスは、金属分布に正の影響を与え、マクロ偏析を低減する。
【００３１】
図６は、鋳造材料がコヒーレンシを有して液体から固体に遷移するサンプ位置に対する所望の注口／ディフューザ位置のプロットを示している。サンプ位置は、ライン２１０として示され、注口先端位置は、ライン２２０として示されている。示されるように、鋳造の長さがゼロに近い鋳造の開始時に、サンプ位置は、溶融金属のプールの上部に対して約５０ミリメートルの深さにある。この段階での注口／ディフューザの先端は、溶融金属のプールの上部とほぼ同じレベルにある。鋳造プロセスが開始され、鋳造部品の長さが大きくなると（ｘ軸上に表示）、サンプ位置は、鋳造部品の奥深くになり、鋳造部品が約１，０００ミリメートルまたは１メートルの長さに達すると、開始時に約５０ミリメートルから約６２０ミリメートルになる。図６の図示された実施形態によれば、これは、実行状態の鋳造が始まる場所であり、サンプの深さが約６２０ミリメートルで一定またはほぼ一定のままである場所である。この深さにおいて、望ましい注口の先端位置は、約５８０ミリメートルであり、または液体金属がコヒーレント固体に凝固した場合、サンプ位置の４０ミリメートル上でホバリングする。従来の鋳造方法は、この深さで液体金属を分配することはできず、サンプの位置に応じて注口先端を位置決めするためにモールドを移動させることははるかに少ない。
【００３２】
鋳造プロセスが鋳造作業の終わりに近付くと、サンプはより浅くなり、モールドは、モールドに対して注口を上昇させる相対的な効果を有して下方に移動する。溶融プール内の注口先端位置は、モールドおよびシリンダが下降するのにつれて、サンプに対して鋳造プロセスの終わりにかなり上昇する。金属の注入が停止され、注口が引き出されて、溶融金属が固化することを可能にする。図６は、鋳造物上のサンプ位置に対する注口位置の１つの例示的な実施形態を示しており、鋳造プロセスに影響を及ぼす他の変数の中でも、鋳造される合金、鋳造速度、およびモールドのサイズおよび形状に特有のものである。
【００３３】
各合金および鋳造部品のサイズの組み合わせに固有の特別な制御アルゴリズムが判定される。アルゴリズムは、通常の熱バランスを注口の位置決め要件とリンクさせて、注口／分配器が、鋳造の期間中、鋳造製品のサンプのボトムにおけるコヒーレンス点温度に近いままであることを保証することができる。ライン２３０としてのモールドフレーム速度、および鋳造ピット内の油圧シリンダの移動によって生み出されることができる「シリンダ速度」またはプラットフォーム降下速度を示す、制御アルゴリズムの例示的な例が図７に示されている。図示されるように、この例では、シリンダ速度は、指定された速度で始まり、減速してから加速し、その後、定常状態中に約４０ミリメートル／分の定常状態速度に達する。モールドフレーム速度、または相対的な動きを提供する機構に関係なく、注口がモールドに対して移動する速度は、最初はシリンダ速度の速度と同様であるが、定常状態鋳造が達成されると、図４に示される鋳造部品の定常状態鋳造中に、注口がモールドに対して一定の位置に維持されるため、ゼロの速度になる。鋳造作業の終わり近くで、注口からの溶融金属の注入が停止し、モールドが下降され、注口が溶融プールから引き出されることを可能にするが、双方とも鋳造の終わりで動きを停止する前に、シリンダ速度は増加する。このプロセスの特定の用途では、鋳造の終わりにシリンダ速度がまた下げられることができ、鋳造の終わりに達する前に収縮キャビティを減らすこともできる。
【００３４】
制御アルゴリズムは、各合金および鋳造部品のサイズごとに開発されることができるが、注口／ディフューザの先端の熱電対は、標準または理想的な鋳造作業中に予想されない温度のフィードバックを提供することができ、または予想どおりに作業が進行していることを確認することができる。そのような実施形態では、制御アルゴリズムは、必要に応じてサンプに対する注口の位置を調整し、観測された温度異常を考慮して適切に注口先端を配置するために、注口先端からの温度フィードバックを使用してもよい。これは、鋳造条件が理想的ではない場合や、注口位置に対してモールドおよびサンプを再配置することによって修正できる鋳造中に問題が発生した場合であっても、材料の断面にわたって信頼性の高い材料の一貫性を提供することができる。
【００３５】
本明細書で説明されて上記例示された注口１３０および注口先端は、特定の幾何学的特徴を有しない注口を提供し、本明細書で説明される実施形態は、サンプ内で所望の金属流を促進するために注口の先端にディフューザを含むことができる。異なる金属合金および異なる鋳造サイズは、サンプ内の異なる金属流パターンから恩恵を受ける異なる特性を有することができる。図８は、正方形または長方形のディフューザ３１０、楕円形または部分的な球形またはサンプ形のディフューザ３２０、および三角形のディフューザ３３０を示している。矢印は、示されているディフューザのそれぞれに関連付けられた潜在的な金属供給方向を表している。様々な他のディフューザに加えて、これらの構成のそれぞれは、向流を提供することによりマクロ偏析を緩和するために、本明細書で説明される例と組み合わせて使用されてもよい。
【００３６】
様々な形状に加えて、サンプ内の金属の最適な流れを実現するために、必要に応じて、プロファイル、ディフューザオリフィス（開口）、およびディフューザのサイズが変更されてもよい。図９は、異なる長さの３つの長方形のディフューザを示しており、短いディフューザ４１０、中間長のディフューザ４２０、および長いディフューザ４３０を備えている。さらに、図９のディフューザのそれぞれは、必要に応じて流れを促進するために、図８に示すような端部プロファイル形状を有することができる。ディフューザは、鋳造中に金属が流れる複数の異なるオリフィスを有してもよい。ディフューザのサイズと、開口オリフィスの数およびサイズは、鋳造部品のサイズおよび合金の種類によって異なっていてもよい。長方形の金属製ディフューザのアセンブリは、注口に取り付けられる剛性セラミック材料の２つの部品とすることができる上部と、金属流を最適化するための局所的な開口オリフィスを有する底部の、２つの部分を含むことができる。ガラス繊維布、繊維強化セラミック、熱セラミック、または高温超合金など、底部に様々な材料が使用されることができる。ガラス繊維布の場合、布は、例えば、耐火クランプ、および／または高温金属部品またはワイヤなどを使用して、溝の上部に取り付けられることができる。
【００３７】
本明細書に記載された本発明の多くの変更例および他の実施形態は、前述の説明および関連する図面に提示された教示の恩恵を受けて、これらの発明が関係する当業者には思い浮かぶであろう。したがって、本発明は開示された特定の実施形態に限定されるべきではなく、修正および他の実施形態は添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることを理解されたい。本明細書では特定の用語が使用されているが、それらは、一般的且つ説明的な意味でのみ使用されており、限定を目的としていない。
【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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【国際調査報告】
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