上引式連續(xù)鑄造裝置和上引式連續(xù)鑄造方法
【專利摘要】根據(jù)本發(fā)明的一個方面的上引式連續(xù)鑄造裝置包括保持熔融金屬(M1)的保持爐(101)和設(shè)置在保持爐(101)中保持的熔融金屬M1的熔融金屬表面上方的形狀限定構(gòu)件(102)，所述形狀限定構(gòu)件(102)配置為隨著熔融金屬(M2)穿過形成在形狀限定構(gòu)件(102)中的開口而限定待鑄造的鑄造金屬制品(M3)的截面形狀。所述開口(103)以使得形狀限定構(gòu)件(102)的頂面上的開口尺寸大于形狀限定構(gòu)件(102)的底面上的開口尺寸的方式形成。采用這種配置，即便當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬時也可產(chǎn)生具有優(yōu)異的表面品質(zhì)的鑄造金屬制品。
【專利說明】
上弓I式連續(xù)鑄造裝置和上弓I式連續(xù)鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種上引式連續(xù)鑄造裝置和一種上弓I式連續(xù)鑄造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]專利文獻I提出了自由鑄造方法作為不需要任何模具的革命性上引式連續(xù)鑄造方法。如專利文獻I中所示，在引錠被浸沒在熔化的金屬(熔融金屬)的表面(即，熔融金屬表面)下后，引錠被上引，使得一些熔融金屬跟隨引錠并通過熔融金屬的表面膜和/或表面張力由引錠向上牽引。注意可以經(jīng)由設(shè)置在熔融金屬表面附近的形狀限定構(gòu)件通過牽引熔融金屬并且冷卻所牽引的熔融金屬來連續(xù)地鑄造具有所需截面形狀的鑄造金屬制品。
[0003]在普通的連續(xù)鑄造方法中，縱向上的形狀以及截面上的形狀由模具限定。在連續(xù)鑄造方法中，特別地，由于凝固的金屬(即，鑄造金屬制品)需要通過模具的內(nèi)部，因而鑄造金屬制品具有這樣的形狀:其在縱向上以直線形狀延伸。
[0004]與此相反，自由鑄造方法中使用的形狀限定構(gòu)件僅限定鑄造金屬制品的截面形狀，而其不限定縱向上的形狀。結(jié)果，可通過沿水平方向移動引錠的同時上引引錠(或形狀限定構(gòu)件)來產(chǎn)生在縱向上具有各種形狀的鑄造金屬制品。例如，專利文獻I公開了一種在縱向上具有之字形或螺旋形而不是直線形的空心鑄造金屬制品(即，管)。
[0005]引文列表
[0006]專利文獻
[0007]PTL 1:日本未審查專利申請公開號2012-61518

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]技術(shù)問題
[0009]本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)以下問題。
[0010]在如上所述專利文獻I中公開的自由鑄造方法中，通過沿水平方向移動引錠的同時上引引錠，可沿傾斜方向而不是沿豎直方向向上牽引熔融金屬。應(yīng)指出，如果上引速度恒定，則通過沿傾斜方向向上牽引熔融金屬所形成的鑄造金屬的厚度將在幾何學上薄于通過沿豎直方向向上牽引熔融金屬所形成的鑄造金屬的厚度。因此，為使這些厚度彼此相等，當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬時應(yīng)減小上引速度并且凝固界面由此下降。然而，如果由于凝固界面的下降造成形狀限定構(gòu)件干擾凝固界面，則將形成凝固片，從而導致鑄造金屬制品的表面品質(zhì)變差的問題。也就是說，存在通過沿傾斜方向向上牽引熔融金屬所形成的鑄造金屬往往具有劣化的表面品質(zhì)的問題。
[0011]本發(fā)明鑒于上述問題而作出，其目的在于提供一種即便當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬時也能夠產(chǎn)生具有優(yōu)異的表面品質(zhì)的鑄造金屬制品的上引式連續(xù)鑄造裝置和上引式連續(xù)鑄造方法。
[0012]問題的解決方案
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個方面的上引式連續(xù)鑄造裝置包括:[OOM]保持；tg.融金屬的保持爐;和
[0015]設(shè)置在保持于保持爐中的所述熔融金屬的熔融金屬表面上方的形狀限定構(gòu)件，所述形狀限定構(gòu)件配置為隨著熔融金屬穿過形成在形狀限定構(gòu)件中的開口而限定待鑄造的鑄造金屬制品的截面形狀，其中
[0016]所述開口以使得形狀限定構(gòu)件的頂面上的開口尺寸大于形狀限定構(gòu)件的底面上的開口尺寸的方式形成。
[0017]在根據(jù)本發(fā)明的此方面的上引式連續(xù)鑄造裝置中，形狀限定構(gòu)件中的開口以使得形狀限定構(gòu)件的頂面上的開口尺寸大于形狀限定構(gòu)件的底面上的開口尺寸的方式形成。結(jié)果，即便當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬并且凝固界面由此下降時，所述開口的端面也不會干擾凝固界面。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一個方面的上弓I式連續(xù)鑄造方法包括:
[0019]在保持于保持爐中的熔融金屬的熔融金屬表面上方設(shè)置形狀限定構(gòu)件，所述形狀限定構(gòu)件配置為限定待鑄造的鑄造金屬制品的截面形狀;和
[0020]在使熔融金屬穿過形狀限定構(gòu)件中形成的開口的同時上引熔融金屬，其中
[0021]所述開口以使得形狀限定構(gòu)件的頂面上的開口尺寸大于形狀限定構(gòu)件的底面上的開口尺寸的方式形成。
[0022]在根據(jù)本發(fā)明的此方面的上引式連續(xù)鑄造方法中，形狀限定構(gòu)件中的開口以使得形狀限定構(gòu)件的頂面上的開口尺寸大于形狀限定構(gòu)件的底面上的開口尺寸的方式形成。結(jié)果，即便當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬并且凝固界面由此下降時，所述開口的端面也不會干擾凝固界面。因此，所產(chǎn)生的鑄造金屬制品具有優(yōu)異的表面品質(zhì)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的上引式連續(xù)鑄造方法包括:
[0024]在保持于保持爐中的熔融金屬的熔融金屬表面上方設(shè)置形狀限定構(gòu)件，所述形狀限定構(gòu)件配置為限定待鑄造的鑄造金屬制品的截面形狀;和
[0025]在使熔融金屬穿過形狀限定構(gòu)件的同時上引熔融金屬，其中
[0026]當沿傾斜方向上引熔融金屬時，與當沿豎直方向上引熔融金屬時相比增大形狀限定構(gòu)件在熔融金屬表面下的浸沒程度。
[0027]在根據(jù)本發(fā)明的此方面的上引式連續(xù)鑄造方法中，當沿傾斜方向上引熔融金屬時比當沿豎直方向上引熔融金屬時增大形狀限定構(gòu)件在熔融金屬表面下的浸沒程度。結(jié)果，即便當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬并且凝固界面由此下降時，形狀限定構(gòu)件中的開口的端面也不會干擾凝固界面。因此，所產(chǎn)生的鑄造金屬制品具有優(yōu)異的表面品質(zhì)。
[0028]發(fā)明的有益效果
[0029]根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種即便當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬時也能夠產(chǎn)生具有優(yōu)異的表面品質(zhì)的鑄造金屬制品的上引式連續(xù)鑄造裝置和上引式連續(xù)鑄造方法。
【附圖說明】
[0030][圖1]
[0031]圖1為根據(jù)第一示例性實施方案的自由鑄造裝置的示意性截面；
[0032][圖2]
[0033]圖2為根據(jù)第一示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件102的平面視圖；
[0034][圖3]
[0035]圖3為根據(jù)第一示例性實施方案的自由鑄造裝置中提供的鑄造控制系統(tǒng)的框圖；
[0036][圖4]
[0037]圖4示出了靠近凝固界面的三個實例圖像；
[0038][圖5]
[0039]圖5為示意性地示出了根據(jù)一個對比例的形狀限定構(gòu)件2的放大截面；
[0040][圖6]
[0041]圖6為通過使用根據(jù)對比例的形狀限定構(gòu)件2通過沿傾斜方向上引其而形成的鑄造金屬制品的宏觀照片；
[0042][圖7]
[0043]圖7為示意性地示出了根據(jù)第一示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件102的放大截面；
[0044][圖8]
[0045]圖8為通過使用根據(jù)第一示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件102通過沿傾斜方向上引其而形成的鑄造金屬制品的宏觀照片；
[0046][圖9]
[0047]圖9為示意性地示出了根據(jù)第一示例性實施方案的修改實例的形狀限定構(gòu)件102的放大截面；
[0048][圖10]
[0049]圖10為說明根據(jù)第一示例性實施方案的鑄造控制方法的流程圖；
[0050][圖11]
[0051]圖11為根據(jù)第二示例性實施方案的自由鑄造裝置的示意性截面；
[0052][圖12]
[0053]圖12為根據(jù)第二示例性實施方案的自由鑄造裝置中提供的鑄造控制系統(tǒng)的框圖；
[0054][圖13]
[0055]圖13為根據(jù)第二示例性實施方案的修改實例的形狀限定構(gòu)件202的平面視圖；和
[0056][圖14]
[0057]圖14為根據(jù)第二示例性實施方案的修改實例的形狀限定構(gòu)件202的側(cè)視圖。
【具體實施方式】
[0058]下文將結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明所適用的具體示例性實施方案。然而，本發(fā)明不限于下面示出的示例性實施方案。此外，下面的描述和附圖視情況被適當簡化以使說明變得清楚。
[0059](第一示例性實施方案)
[0060]首先結(jié)合圖1說明根據(jù)第一示例性實施方案的自由鑄造裝置(上引式連續(xù)鑄造裝置)。圖1為根據(jù)第一示例性實施方案的自由鑄造裝置的示意性截面。如圖1中所示，根據(jù)第一示例性實施方案的自由鑄造裝置包括熔融金屬保持爐101、形狀限定構(gòu)件102、支承桿104、執(zhí)行機構(gòu)105、冷卻氣體噴嘴106、冷卻氣體供給單元107、上引機108和攝像單元(照相機)109。
[0061]注意不用說的是，圖1中示出的右手xyz-坐標系是為了方便起見示意的，特別是為了說明部件之間的位置關(guān)系。在圖1中，xy-平面形成水平面，而Z-軸方向為豎直方向。更具體而言，Z-軸上的正方向為豎直向上方向。
[0062]熔融金屬保持爐101含有熔融金屬Ml如鋁或其合金，并保持熔融金屬Ml于熔融金屬Ml具有流動性的預(yù)定溫度下。在圖1中示出的實例中，由于熔融金屬保持爐101在鑄造工藝過程中不被補給以熔融金屬，因而熔融金屬Ml的表面(S卩，熔融金屬表面)將隨鑄造工藝的推進而下降?；蛘?，熔融金屬保持爐101可根據(jù)需要在鑄造工藝過程中補給以熔融金屬使得熔融金屬表面保持在固定的水平。注意凝固界面SIF的位置可通過提高熔融金屬保持爐101的設(shè)置溫度來升高并且可通過降低熔融金屬保持爐101的設(shè)置溫度來使凝固界面SIF下降。不用說，熔融金屬Ml可為鋁和其合金之外的金屬。
[0063]形狀限定構(gòu)件102由例如陶瓷或不銹鋼制成并設(shè)置在熔融金屬Ml上方。形狀限定構(gòu)件102限定待鑄造的鑄造金屬M3的截面形狀。圖1中示出的鑄造金屬M3為板或在水平截面(下文稱為“橫向截面”)上具有矩形形狀的實心鑄造金屬制品。注意不用說的是，對鑄造金屬M3的截面形狀沒有特別的限制。鑄造金屬M3可為空心鑄造金屬制品如圓形管和矩形管。
[0064]在圖1中示出的實例中，形狀限定構(gòu)件102設(shè)置為使得其底側(cè)主表面(底面)與熔融金屬表面接觸。因此，可以防止在熔融金屬Ml的表面上形成的氧化物膜和熔融金屬Ml的表面上漂浮的雜質(zhì)進入鑄造金屬M3。
[0065]圖2為根據(jù)第一示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件102的平面視圖。注意，圖1中所示形狀限定構(gòu)件102的截面對應(yīng)于圖2中沿線1-1所取的截面。如圖2中所示，形狀限定構(gòu)件102具有例如矩形形狀，如從上面看，并且在其中心處具有厚度為tl且寬度為wl的矩形開口(熔融金屬穿過部103)。此外，圖2中示出的xyz-坐標系對應(yīng)于圖1中示出的。
[0066]應(yīng)指出，作為開口的熔融金屬穿過部103以使得其在形狀限定構(gòu)件102的頂面上的尺寸大于其在形狀限定構(gòu)件102的底面上的尺寸的方式形成。結(jié)果，即便在使凝固界面SIF下降以便可沿傾斜方向向上牽引熔融金屬時熔融金屬穿過部103的端面也不會干擾凝固界面SIF。因此，可防止鑄造金屬M3的表面品質(zhì)變差。如圖1和2中所示，在根據(jù)第一示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件102中，在熔融金屬穿過部103的周緣上于其頂面上形成切口 102a。注意對此切口 102a的唯一要求在于切口 102a應(yīng)至少在向上牽引方向所傾斜于的側(cè)上。即，切口 102a不一定必須形成在熔融金屬穿過部103的整個周邊上。其詳細機制和有益效果將在后文描述。
[0067]如圖1中所示，熔融金屬Ml跟隨鑄造金屬M3并通過其表面膜和/或表面張力由鑄造金屬M3上引。此外，熔融金屬Ml穿過形狀限定構(gòu)件102的熔融金屬穿過部103。即，隨著熔融金屬Ml穿過形狀限定構(gòu)件102的熔融金屬穿過部103，一個或多個外力由形狀限定構(gòu)件102施加到熔融金屬Ml并由此限定鑄造金屬M3的截面形狀。注意，跟隨鑄造金屬M3并通過熔融金屬的表面膜和/或表面張力從熔融金屬表面上引的熔融金屬被稱為“被保持的熔融金屬M2”。此外，鑄造金屬M3與被保持的熔融金屬M2之間的邊界為凝固界面SIF。
[0068]支承桿104支承形狀限定構(gòu)件102。支承桿104連接到執(zhí)行機構(gòu)105。通過執(zhí)行機構(gòu)105，形狀限定構(gòu)件102可在上/下方向(豎直方向，S卩，Z-軸方向)上移動穿過支承桿104。采用這種配置，可以例如隨著熔融金屬表面因鑄造工藝的推進而下降來向下移動形狀限定構(gòu)件 102。
[0069]冷卻氣體噴嘴(冷卻部)106為用于向鑄造金屬M3上噴射自冷卻氣體供給單元107供給的冷卻氣體(例如，空氣、氮氣或氬氣)并由此冷卻鑄造金屬M3的冷卻措施?？赏ㄟ^增大冷卻氣體的流速來使凝固界面SIF的位置下降并可通過減小冷卻氣體的流速來使凝固界面SIF的位置升高。注意，冷卻氣體噴嘴106也可在上/下方向(豎直方向，即Z-軸方向)和水平方向(X-軸方向和/或y-軸方向)上移動。因此，例如，隨著熔融金屬表面因鑄造工藝的推進而下降，可以與形狀限定構(gòu)件102的移動一致地向下移動冷卻氣體噴嘴106?；蛘?，可使冷卻氣體噴嘴106與上引機108的水平移動一致地沿水平方向移動。
[0070]在通過使用連接到引錠ST的上引機108上引鑄造金屬M3的同時通過冷卻氣體冷卻鑄造金屬M3，位于凝固界面SIF附近的被保持的熔融金屬M2自其上側(cè)(Z-軸方向上的正側(cè))朝向其下側(cè)(Z-軸方向上的負側(cè))相繼凝固并形成鑄造金屬M3。凝固界面SIF的位置可通過增大上引機108的上引速度來升高且凝固界面SIF的位置可通過減小上引速度來下降。此夕卜，可通過使上引機108在水平方向(X-軸方向和/或y-軸方向)上移動的同時用引錠ST上引熔融金屬來沿傾斜方向向上牽引被保持的熔融金屬M2。因此，可以隨意改變鑄造金屬M3在縱向上的形狀。注意，鑄造金屬M3在縱向上的形狀可通過沿水平方向移動形狀限定構(gòu)件102代替沿水平方向移動上引機108來隨意改變。
[0071]攝像單元109連續(xù)地監(jiān)測靠近凝固界面SIF的區(qū)域，所述凝固界面SIF為鑄造金屬M3與被保持的熔融金屬M2之間的邊界。如下文將詳細描述的，可以由攝像單元109所拍攝的圖像確定凝固界面SIF。
[0072]接下來，結(jié)合圖3說明根據(jù)第一示例性實施方案的自由鑄造裝置中提供的鑄造控制系統(tǒng)。圖3為根據(jù)第一示例性實施方案的自由鑄造裝置中提供的鑄造控制系統(tǒng)的框圖。提供此鑄造控制系統(tǒng)以將凝固界面SIF的位置(高度)保持在預(yù)定的參考范圍內(nèi)。
[0073]如圖3中所示，此鑄造控制系統(tǒng)包括攝像單元109、圖像分析單元110、鑄造控制單元111、上引機108、恪融金屬保持爐101和冷卻氣體供給單元107。注意，攝像單元109、上引機108、熔融金屬保持爐101和冷卻氣體供給單元107已結(jié)合圖1予以說明，因此這里略去其詳細說明。
[0074]圖像分析單元110自攝像單元109所拍攝的一個或多個圖像檢測被保持的熔融金屬M2的表面上的波動。具體而言，圖像分析單元110可通過相互比較多個相繼拍攝的圖像來檢測被保持的熔融金屬M2的表面上的波動。與此相反，在鑄造金屬M3的表面上無波動發(fā)生。因此，可以基于波動的存在/不存在來確定凝固界面。
[0075]下文將結(jié)合圖4給出對上述內(nèi)容的更詳細說明。圖4示出了靠近凝固界面的三個實例圖像。圖4從其頂部到底部示出了其中凝固界面的位置升高到其上限之上的情況的圖像實例、其中凝固界面的位置在參考范圍內(nèi)的情況的圖像實例和其中凝固界面的位置落到其下限之下的情況的圖像實例。如圖4中中間的圖像實例中所示，例如，圖像分析單元110以攝像單元109所拍攝的一個或多個圖像確定其中檢測到波動的區(qū)域(S卩，熔融金屬)與其中未檢測到波動的區(qū)域(即，鑄造金屬)之間的邊界作為凝固界面。
[0076]鑄造控制單元111包括存儲凝固界面位置的參考范圍(上限和下限)的存儲單元(未示出)。然后，當圖像分析單元110所確定的凝固界面高于上限時，鑄造控制單元111減小上引機108的上引速度、降低熔融金屬保持爐101的設(shè)置溫度，或增大自冷卻氣體供給單元107供給的冷卻氣體的流速。另一方面，當圖像分析單元110所確定的凝固界面低于下限時，鑄造控制單元111增大上引機108的上引速度、升高熔融金屬保持爐101的設(shè)置溫度，或減小自冷卻氣體供給單元107供給的冷卻氣體的流速。在這三個條件的控制中，可同時改變兩個或更多個條件。然而，優(yōu)選僅改變一個條件，因為這使控制更容易。此外，可事先確定這三個條件的優(yōu)先級順序，并可以優(yōu)先級遞減的順序改變條件。
[0077]凝固界面位置的上限和下限結(jié)合圖4說明。如圖4中頂部圖像實例中所示，當凝固界面位置升高到其上限之上時，被保持的熔融金屬M2中發(fā)生“頸縮”并且其將發(fā)展成“裂紋”。凝固界面位置的上限可通過檢查在改變凝固界面高度的同時是否在被保持的熔融金屬M2中發(fā)生“頸縮”來事先確定。
[0078]另一方面，當凝固界面位置在其下限之下時，如圖4中底部圖像實例中所示，鑄造金屬M3的表面上發(fā)生“不均勻性”，從而導致鑄造金屬M3的缺陷形狀。凝固界面位置的下限可通過檢查在改變凝固界面高度的同時是否在鑄造金屬M3的表面上發(fā)生“不均勻性”來事先確定。注意，據(jù)認為，此不均勻性由形狀限定構(gòu)件102內(nèi)因過低的凝固界面位置而形成的凝固片所致。
[0079]此示例性實施方案的機制和有益效果結(jié)合圖5至圖8詳細說明。圖5為示意性地示出了根據(jù)一個對比例的形狀限定構(gòu)件2的放大截面。圖6為通過使用根據(jù)對比例的形狀限定構(gòu)件2通過沿傾斜方向上引其而形成的鑄造金屬制品的宏觀照片。圖7為示意性地示出了根據(jù)第一示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件102的放大截面。圖8為通過使用根據(jù)第一示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件102通過沿傾斜方向上引其而形成的鑄造金屬制品的宏觀照片。注意，圖5和圖7中示出的xyz-坐標系也對應(yīng)于圖1中示出的。
[0080]如圖5中所示，在根據(jù)對比例的形狀限定構(gòu)件2的熔融金屬穿過部3中未形成切口。因此，當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬并且如由圖5中的虛線圓所示凝固界面SIF由此下降時，熔融金屬穿過部3的端面干擾凝固界面SIF。據(jù)認為，結(jié)果，鑄造金屬M3的表面變粗糙并且表面品質(zhì)因此變差。如圖6中“傾斜上引部”中所示，當通過使用根據(jù)對比例的形狀限定構(gòu)件2沿傾斜方向上引熔融金屬時，在鑄造金屬制品中觀察到粗糙化的表面。
[0081]與此相反，如圖7中所示，在根據(jù)第一示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件102的熔融金屬穿過部103的頂側(cè)上形成切口 102a。即，作為開口的熔融金屬穿過部103以使得其在形狀限定構(gòu)件102的頂面上的尺寸大于其在形狀限定構(gòu)件102的底面上的尺寸的方式形成。結(jié)果，如圖7中所示，即便當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬并且凝固界面SIF由此下降以使得鑄造金屬M3的厚度t均勻時，熔融金屬穿過部103的端面也不會干擾凝固界面SIF。因此，鑄造金屬M3的表面不變粗糙，并且表面品質(zhì)的變差得以防止。如圖8中“傾斜上引部”中所示，當通過使用根據(jù)第一示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件102沿傾斜方向上引熔融金屬時，在鑄造金屬制品中未觀察到粗糖化的表面。
[0082]接下來，結(jié)合圖7說明確定切口102a的高度hi和寬度a的方法。如圖7中所示，假定熔融金屬表面與上引方向之間的角為上引角θ(0°<θ<90°)，如圖7中所示。此外，凝固界面SIF的中心處的高度與凝固界面SIF的最低點的高度之間的差異由Ah(>0)表示。如圖7中所示，此差異A h可以幾何方式計算。即，通過使用鑄造金屬M3的厚度t，差異△ h可表達為“Ah = t/2Xsin(9O-0)”。注意，假定凝固界面SIF的中心處的高度等于沿豎直方向上引鑄造金屬M3時凝固界面SIF的高度，則當沿傾斜方向上引鑄造金屬M3時凝固界面SIF下降的量正好與上述差異“ Δ h = t/2 X sin(9O-0)”相同。
[0083]因此，切口 102a的高度hi優(yōu)選設(shè)置為使得表達式“hl> Ah = t/2Xsin(9O-0min)”成立，其中9min為當以最傾斜狀態(tài)上引鑄造金屬M3時的最小上引角。其中沿豎直方向上引鑄造金屬M3的狀態(tài)中的凝固界面SIF可通過使用根據(jù)第一示例性實施方案的鑄造控制系統(tǒng)(特別地，通過使用攝像單元109和圖像分析單元110)實驗確定。此外，基于幾何關(guān)系，切口102a的寬度a優(yōu)選設(shè)置為使得表達式“a>hl/tan(0min)”成立。通過這樣做，可以更有效地防止凝固界面SIF與熔融金屬穿過部103之間的干擾。
[0084]圖9為示意性地示出了根據(jù)第一示例性實施方案的修改實例的形狀限定構(gòu)件102的放大截面。在根據(jù)第一示例性實施方案的修改實例的形狀限定構(gòu)件102中，形成傾斜部102b代替圖7(圖1)中示出的切口 102a。結(jié)果，即便在使凝固界面SIF下降以便可沿傾斜方向向上牽引熔融金屬時熔融金屬穿過部103的端面也不干擾凝固界面SIF。因此，鑄造金屬M3的表面不變粗糙，并且表面品質(zhì)的變差得以防止。注意，傾斜部102b未必一定具有平整表面。即，傾斜部102b可具有凹形表面。
[0085]與切口102a的高度hi類似，傾斜部102b的高度h2優(yōu)選設(shè)置為使得表達式“h2> Ah= t/2 X 8；111(90-91]1；[11)”成立。此外，傾斜部10213的傾角€[優(yōu)選設(shè)置為小于最小上引角0min。通過這樣做，可以更有效地防止凝固界面SIF與熔融金屬穿過部103之間的干擾。
[0086]在根據(jù)第一示例性實施方案的自由鑄造裝置中，熔融金屬穿過部(開口)103以使得其在形狀限定構(gòu)件102的頂面上的尺寸大于其在形狀限定構(gòu)件102的底面上的尺寸的方式形成在形狀限定構(gòu)件102中。結(jié)果，即便當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬并且凝固界面SIF由此下降以使得鑄造金屬M3的厚度t均勻時，熔融金屬穿過部103的端面也不干擾凝固界面SIF。因此，鑄造金屬M3的表面品質(zhì)的變差可得以防止。此外，所述自由鑄造裝置包括攝像單元、圖像分析單元和鑄造控制單元，所述攝像單元拍攝靠近凝固界面的區(qū)域的一個或多個圖像，所述圖像分析單元自所述一個或多個圖像檢測熔融金屬表面上的波動并確定凝固界面，所述鑄造控制單元在凝固界面不在參考范圍內(nèi)時改變鑄造條件。因此，所述自由鑄造裝置可實現(xiàn)反饋控制以保持凝固界面在預(yù)定的參考范圍內(nèi)，并由此改善鑄造金屬制品的尺寸精度和表面品質(zhì)。此外，可以獲得關(guān)于特定鑄造速度下凝固界面的位置的信息并在設(shè)計形狀限定構(gòu)件102的切口 102a(圖7)或傾斜部102b(圖9)時(S卩，在設(shè)計熔融金屬穿過部103時)使用這樣的信息。
[0087]接下來，結(jié)合圖1說明根據(jù)第一示例性實施方案的自由鑄造方法。
[0088]首先，引錠ST由上引機108下降并使得穿過形狀限定構(gòu)件102的熔融金屬穿過部103，并且引錠ST的末梢浸沒到熔融金屬Ml中。
[0089]接下來，開始以預(yù)定的速度上引引錠ST。注意，即便在引錠ST被引離熔融金屬表面時，熔融金屬Ml也會跟隨引錠ST并通過表面膜和/或表面張力自熔融金屬表面上引。即，形成被保持的熔融金屬M2。如圖1中所示，被保持的熔融金屬M2形成在形狀限定構(gòu)件102的熔融金屬穿過部103中。即，被保持的熔融金屬M2通過形狀限定構(gòu)件102成型為給定形狀。
[0090]接下來，由于引錠ST或鑄造金屬M3被冷卻氣體冷卻，因而被保持的熔融金屬M2間接冷卻并自其上側(cè)朝向其下側(cè)相繼凝固。結(jié)果，鑄造金屬M3生長。以此方式，可以連續(xù)地鑄造鑄造金屬M3。
[0091 ]在根據(jù)第一示例性實施方案的自由鑄造方法中，控制自由鑄造裝置使得凝固界面保持在預(yù)定的參考范圍內(nèi)。鑄造控制方法在下文結(jié)合圖10說明。圖10為說明根據(jù)第一示例性實施方案的鑄造控制方法的流程圖。
[0092]首先，由攝像單元109拍攝靠近凝固界面的一個或多個區(qū)域的一個或多個圖像(步驟STl)ο
[0093]接下來，圖像分析單元110分析攝像單元109所拍攝的一個或多個圖像(步驟ST2)。具體而言，通過相互比較多個相繼拍攝的圖像來檢測被保持的熔融金屬M2的表面上的波動。然后，圖像分析單元110以攝像單元109所拍攝的圖像確定其中檢測到波動的區(qū)域與其中未檢測到波動的區(qū)域之間的邊界作為凝固界面。
[0094]接下來，鑄造控制單元111確定圖像分析單元110所確定的凝固界面的位置是否在參考范圍內(nèi)(步驟ST3)。當凝固界面位置不在參考范圍內(nèi)(步驟ST3處“否”)時，鑄造控制單元111改變冷卻氣體流速、鑄造速度和保持爐設(shè)置溫度中之一(步驟ST4)。之后，鑄造控制單元111確定鑄造是否完成(步驟ST5)。
[0095]具體而言，在步驟ST4中，當圖像分析單元110所確定的凝固界面高于上限時，鑄造控制單元111減小上引機108的上引速度、降低熔融金屬保持爐101的設(shè)置溫度，或增大自冷卻氣體供給單元107供給的冷卻氣體的流速。另一方面，當圖像分析單元110所確定的凝固界面低于下限時，鑄造控制單元111增大上引機108的上引速度、升高熔融金屬保持爐101的設(shè)置溫度，或減小自冷卻氣體供給單元107供給的冷卻氣體的流速。
[0096]當凝固界面位置在參考范圍內(nèi)(步驟ST3處“是”)時，凝固界面控制行進到步驟ST5而不改變鑄造條件。
[0097]當鑄造尚未完成(步驟ST5處“否”)時，凝固界面控制返回到步驟ST1。另一方面，當鑄造已完成(步驟ST5處“是”)時，凝固界面控制結(jié)束。
[0098](第二示例性實施方案)
[0099]接下來，結(jié)合圖11說明根據(jù)第二示例性實施方案的自由鑄造裝置。圖11為根據(jù)第二示例性實施方案的自由鑄造裝置的示意性截面。在根據(jù)第二示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件202中既不形成根據(jù)第一示例性實施方案的切口 102a(參見圖7)也不形成根據(jù)第一示例性實施方案的傾斜部102b(參見圖9)。即，根據(jù)第二示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件202具有與根據(jù)圖5中所示對比例的形狀限定構(gòu)件2類似的形狀。然而，在根據(jù)第二示例性實施方案的自由鑄造裝置中，當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬時，增大形狀限定構(gòu)件202浸沒到熔融金屬Ml中的程度。圖11示出了其中形狀限定構(gòu)件202浸沒到熔融金屬Ml中的程度增大的狀態(tài)。結(jié)果，即便當沿傾斜方向向上牽引熔融金屬并且凝固界面SIF由此下降以使得鑄造金屬M3的厚度t均勻時，熔融金屬穿過部103的端面也不干擾凝固界面SIF。因此，鑄造金屬M3的表面品質(zhì)的變差可得以防止。
[0100]接下來，結(jié)合圖12說明根據(jù)第二示例性實施方案的自由鑄造裝置中提供的鑄造控制系統(tǒng)。圖12為根據(jù)第二示例性實施方案的自由鑄造裝置中提供的鑄造控制系統(tǒng)的框圖。此鑄造控制系統(tǒng)將凝固界面SIF的位置(高度)保持在預(yù)定的參考范圍內(nèi)并根據(jù)上引角Θ豎直地移動形狀限定構(gòu)件202。
[0101]如圖12中所示，根據(jù)第二示例性實施方案的鑄造控制系統(tǒng)通過根據(jù)鑄造控制單元111自上引機108獲得的上引角信息度數(shù)(其對應(yīng)于上引角Θ)控制執(zhí)行機構(gòu)105來豎直地移動形狀限定構(gòu)件202。具體而言，其中用引錠沿豎直方向(上引角θ = 90°)上引鑄造金屬的狀態(tài)被定義為參考狀態(tài)。然后，隨著上引角Θ減小而增大形狀限定構(gòu)件202在熔融金屬Ml的熔融金屬表面下的浸沒程度。即，與其中上引角Θ為90°的情況相比增大浸沒程度。浸沒程度的增量可以與第一示例性實施方案中說明的切口 102a的高度hi的確定類似的方式來確定。SP，浸沒程度的增量可基于例如針對差異的上述表達式“Ah = t/2Xsin(9O-0)”來確定。其余配置與第一示例性實施方案的那些類似并因此略去其說明。
[0102](第二示例性實施方案的修改實例)
[0103]接下來，結(jié)合圖13和圖14說明根據(jù)第二示例性實施方案的修改實例的自由鑄造裝置。圖13為根據(jù)第二示例性實施方案的修改實例的形狀限定構(gòu)件202的平面視圖。圖14為根據(jù)第二示例性實施方案的修改實例的形狀限定構(gòu)件202的側(cè)視圖。注意，圖13和圖14中示出的xyz-坐標系也對應(yīng)于圖1中示出的。
[0104]根據(jù)圖11中所示第二示例性實施方案的形狀限定構(gòu)件202由一塊板組成。因此，熔融金屬穿過部203的厚度tl和寬度wl是固定的。與此相反，根據(jù)第二示例性實施方案的修改實例的形狀限定構(gòu)件202包括四個矩形形狀限定板202a、202b、202c和202d，如圖13中所示。即，根據(jù)第二示例性實施方案的修改實例的形狀限定構(gòu)件202被分成多個部分。采用這種配置，可以改變?nèi)廴诮饘俅┻^部203的厚度tl和寬度wl。此外，四個矩形形狀限定板202a、202b、202c和202d可一致地沿z-軸方向移動。
[0105]如圖13中所示，形狀限定板202a和202b布置為在y-軸方向上彼此相對。此外，如圖14中所示，形狀限定板202a和202b在Z-軸方向上設(shè)置在同一高度下。形狀限定板202a和202b之間的間隙限定熔融金屬穿過部203的寬度wl。此外，由于形狀限定板202a和202b中的每一個可在y_軸方向上獨立地移動，因而寬度wl可改變。注意，如圖13和圖14中所示，可分別在形狀限定板202a和202b上提供激光位移計SI和激光反射板S2以測量熔融金屬穿過部203的寬度wl ο
[0106]此外，如圖13中所示，形狀限定板202c和202d布置為在X-軸方向上彼此相對。此夕卜，形狀限定板202c和202d在Z-軸方向上設(shè)置在同一高度下。形狀限定板202c和202d之間的間隙限定熔融金屬穿過部203的厚度tl。此外，由于形狀限定板202c和202d中的每一個可在X-軸方向上獨立地移動，因而厚度11可改變。
[0107]形狀限定板202a和202b以使得它們與形狀限定板202c和202d的頂側(cè)接觸的方式設(shè)置。
[0108]接下來，結(jié)合圖13和圖14說明形狀限定板202a的驅(qū)動機制。如圖13和圖14中所示，形狀限定板202a的驅(qū)動機制包括:滑動臺Tl和T2 ；線性導軌Gl 1、G12、G21和G22 ；執(zhí)行機構(gòu)Al和A2;以及桿Rl和R2。注意，雖然形狀限定板202b、202c和202d中的每一者也如形狀限定板202a的情況一樣包括其驅(qū)動機制，但圖13和圖14中略去了它們的說明。
[0109]如圖13和圖14中所示，形狀限定板202a布置并固定于滑動臺Tl上，滑動臺Tl可在y_軸方向上滑動?；瑒优_Tl可滑動地布置在一對平行于y-軸方向延伸的線性導軌Gll和G12上。此外，滑動臺Tl連接到自執(zhí)行機構(gòu)Al在y-軸方向上延伸的桿R1。采用上述配置，形狀限定板202a可在y-軸方向上滑動。
[0110]此外，如圖13和圖14中所示，線性導軌Gll和G12及執(zhí)行機構(gòu)Al布置并固定于滑動臺T2上，滑動臺T2可在Z-軸方向上滑動。滑動臺T2可滑動地布置在一對平行于Z-軸方向延伸的線性導軌G21和G22上。此外，滑動臺T2連接到自執(zhí)行機構(gòu)A2在Z-軸方向上延伸的桿R2。線性導軌G21和G22及執(zhí)行機構(gòu)A2固定在水平地板表面或水平底座(未示出)上。采用上述配置，形狀限定板202a可在Z-軸方向上滑動。注意，執(zhí)行機構(gòu)Al和A2的實例包括液壓缸、氣缸和馬達。
[0111]注意，本發(fā)明不限于上述示例性實施方案，可以作各種改變而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
[0112]例如，第二示例性實施方案的修改實例也可應(yīng)用于第一示例性實施方案。
[0113]本申請基于并要求于2013年11月26日提交的日本專利申請?zhí)?013-244005的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，該申請的公開內(nèi)容以引用方式全文并入本文。
[0114]附圖標記列表
[0115]101熔融金屬保持爐
[0116]102、202形狀限定構(gòu)件
[0117]102a 切口
[0118]102b 傾斜部
[0119]103,203熔融金屬穿過部
[0120]104支承桿
[0121]105執(zhí)行機構(gòu)
[0122]106冷卻氣體噴嘴
[0123]107冷卻氣體供給單元
[0124]108上引機
[0125]109攝像單元
[0126]110圖像分析單元
[0127]111鑄造控制單元
[0128]202a-202d形狀限定板
[0129]A1、A2執(zhí)行機構(gòu)
[0130]G11、G12、G21、G22 線性導軌
[0131]Ml熔融金屬
[0132]M2被保持的熔融金屬
[0133]M3鑄造金屬
[0134]R1、R2 桿
[0135]SI激光位移計
[0136]S2激光反射板
[0137]SIF凝固界面
[0138]ST 引錠
[0139]T1、T2 滑動臺
【主權(quán)項】
1.一種上引式連續(xù)鑄造裝置，包括: 保持熔融金屬的保持爐;和 設(shè)置在保持于所述保持爐中的所述熔融金屬的熔融金屬表面上方的形狀限定構(gòu)件，所述形狀限定構(gòu)件配置為隨著所述熔融金屬穿過形成在所述形狀限定構(gòu)件中的開口而限定待鑄造的鑄造金屬制品的截面形狀，其中 所述開口以使得所述形狀限定構(gòu)件的頂面上的開口尺寸大于所述形狀限定構(gòu)件的底面上的開口尺寸的方式形成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上引式連續(xù)鑄造裝置，其中在所述形狀限定構(gòu)件的所述頂面上的所述開口的周緣上形成有切口或傾斜部。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的上引式連續(xù)鑄造裝置，還包括: 攝像單元，所述攝像單元拍攝已穿過所述形狀限定構(gòu)件的熔融金屬的圖像;和圖像分析單元，所述圖像分析單元從所述圖像檢測所述熔融金屬上的波動并基于所述波動的存在/不存在來確定凝固界面，其中 所述開口的形狀基于所述熔融金屬的上引角和所述圖像分析單元確定的所述凝固界面的位置來設(shè)計。4.一種上引式連續(xù)鑄造方法，包括: 在保持于保持爐中的熔融金屬的熔融金屬表面上方設(shè)置形狀限定構(gòu)件，所述形狀限定構(gòu)件配置為限定待鑄造的鑄造金屬制品的截面形狀;和 在使所述熔融金屬穿過形成在所述形狀限定構(gòu)件中的開口的同時上引所述熔融金屬，其中 所述開口以使得所述形狀限定構(gòu)件的頂面上的開口尺寸大于所述形狀限定構(gòu)件的底面上的開口尺寸的方式形成。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的上引式連續(xù)鑄造方法，其中在所述形狀限定構(gòu)件的所述頂面上的所述開口的周緣上形成切口或傾斜部。6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的上引式連續(xù)鑄造方法，還包括: 拍攝已穿過所述形狀限定構(gòu)件的所述熔融金屬的圖像;和 從所述圖像檢測所述熔融金屬上的波動并基于所述波動的存在/不存在來確定凝固界面，其中 所述開口的形狀基于所述熔融金屬的上引角和基于所述波動的存在/不存在所確定的所述凝固界面的位置來設(shè)計。7.一種上引式連續(xù)鑄造方法，包括: 在保持于所述保持爐中的熔融金屬的熔融金屬表面上方設(shè)置形狀限定構(gòu)件，所述形狀限定構(gòu)件配置為限定待鑄造的鑄造金屬制品的截面形狀;和 在使所述熔融金屬穿過所述形狀限定構(gòu)件的同時上引所述熔融金屬，其中當沿傾斜方向上引所述熔融金屬時，與當沿豎直方向上引所述熔融金屬時相比增大所述形狀限定構(gòu)件在所述熔融金屬表面下的浸沒程度。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的上引式連續(xù)鑄造方法，還包括: 拍攝已穿過所述形狀限定構(gòu)件的所述熔融金屬的圖像;和 從所述圖像檢測所述熔融金屬上的波動并基于所述波動的存在/不存在來確定凝固界面，其中 基于所述熔融金屬的上引角和所確定的所述凝固界面的位置來確定所述浸沒程度。
【文檔編號】B22D11/14GK105828979SQ201480064406
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年10月9日
【發(fā)明人】杉浦直晉, 橫田祐介
【申請人】豐田自動車株式會社