CN105764632B - 上引式连续铸造设备以及上引式连续铸造方法 - Google Patents

Abstract

上引式连续铸造设备包括：保温炉，其保存熔融金属；形状限定构件，其被布置在保存于保温炉内的熔融金属的表面上方，该形状限定构件被配置成当熔融金属通过形状限定构件时限定金属铸件的横截面形状；图像拾取单元，其拍摄已经通过形状限定构件的熔融金属的图像；图像分析单元，其从图像中检测熔融金属的波动并且基于波动的存在/不存在来确定凝固界面；以及铸造控制单元，其仅当由图像分析单元确定的凝固界面不在预先确定的参考范围内时才改变铸造条件。该铸造控制单元使用根据熔融金属的上引角而变化的参考范围。

Description

上引式连续铸造设备以及上引式连续铸造方法

技术领域

本发明涉及上引式(pulling-up-type)连续铸造设备以及上引式连续铸造方法。

背景技术

专利文献1提出了自由铸造方法作为革命性的不需要任何模具的上引式连续铸造方法。如专利文献1中所示，在起动机被浸没在熔化金属(熔融金属)的表面(即，熔融金属表面)下方之后，上引起动机，使得一些熔融金属跟随起动机并且通过熔融金属的表面膜和/或表面张力被起动机上拉。注意，可以通过上拉熔融金属并且冷却通过被布置在熔融金属表面附近的形状限定构件的所上拉的熔融金属来连续铸造具有期望的横截面形状的金属铸件。

在普通的连续铸造方法中，通过模具来限定纵向方向上的形状以及横截面形状。在这些连续铸造方法中，特别地，由于凝固金属(即，金属铸件)需要通过模具的内部，所以金属铸件具有如下形状，该形状使得它在纵向方向上呈直线状延伸。

与此相反，自由铸造法中所用的形状限定构件只限定金属铸件的横截面形状，却不限定其纵向方向上的形状。因此，可以通过上引起动机同时在水平方向上移动起动机(或形状限定构件)来生产在纵向方向上具有各种形状的金属铸件。例如，专利文献1公开了在纵向方向上具有锯齿形或螺旋形而非直线形的中空金属铸件(即，管子)。

引用列表

专利文献

PTL 1：日本未审查专利申请公开No.2012-61518

发明内容

技术问题

本发明人已经发现以下问题。

在专利文献1中公开的自由铸造法中，由于通过冷却气体来冷却通过形状限定构件被上引的熔融金属，所以凝固界面位于形状限定构件上方。凝固界面的位置直接影响金属铸件的尺寸准确度和表面质量。因此，检测凝固界面并且将凝固界面控制在预先确定的参考范围内很重要。应当注意，当在竖直方向上上引熔融金属时，凝固界面基本上是水平的。

另外，如上所述，在专利文献1中公开的自由铸造法中，可以在倾斜方向以及竖直方向上上引熔融金属。

本发明人发现当在倾斜方向上上引熔融金属时，凝固界面基本上垂直于上引方向，而并非是水平的。也就是说，当在倾斜方向上上引熔融金属时，可以根据上引方向和/或观察点来改变凝固界面的位置。因此，存在以下问题：当在倾斜方向上上引熔融金属时，不能通过使用针对在竖直方向上上引熔融金属的情况所限定的参考范围来控制凝固界面。

鉴于上述问题作出了本发明，并且本发明的目的是提供以下上引式连续铸造设备和上引式连续铸造方法：即使当在倾斜方向上上引熔融金属时，也能够将凝固界面控制在适当的参考范围内，从而生产出具有良好的尺寸准确度和良好的表面质量的金属铸件。

技术解决方案

根据本发明的一个方面，上引式连续铸造设备包括：

保温炉，其保存熔融金属；

形状限定构件，其被布置在保存于保温炉内的熔融金属的熔融金属表面上方，形状限定构件被配置成当熔融金属通过形状限定构件时限定要被铸造的金属铸件的横截面形状；

图像拾取单元，其拍摄已经通过形状限定构件的熔融金属的图像；

图像分析单元，其从图像中检测熔融金属的波动并且基于波动的存在/不存在来确定凝固界面；以及

铸造控制单元，其仅当由图像分析单元确定的凝固界面不在预先确定的参考范围内时改变铸造条件，其中，

铸造控制单元使用根据熔融金属的上引角而变化的参考范围并且确定凝固界面是否在该参考范围内。

在根据本发明的这一方面的上引式连续铸造设备中，铸造控制单元使用根据熔融金属的上引角而变化的参考范围并且确定凝固界面是否在该参考范围内。因此，即使当在倾斜方向上上引熔融金属时，也能够将凝固界面控制在适当的参考范围内。

根据本发明的一个方面，上引式连续铸造方法包括：

上引保存在保温炉内的熔融金属，同时使熔融金属通过形状限定构件，形状限定构件被配置成限定要被铸造的金属铸件的横截面形状；

拍摄已经通过形状限定构件的熔融金属的图像；

从图像中检测熔融金属的波动并且基于波动的存在/不存在来确定凝固界面；以及

仅当所确定的凝固界面不在预先确定的参考范围内时改变铸造条件，其中，

在改变铸造条件时，使用根据熔融金属的上引角而改变的参考范围并且确定凝固界面是否在该参考范围内。

在根据本发明的这一方面的上引式连续铸造方法中，使用根据熔融金属的上引角而变化的参考范围并且确定凝固界面是否在该参考范围内。因此，即使当在倾斜方向上上引熔融金属时，也能够将凝固界面控制在适当的参考范围内。

有益效果

根据本发明，可以提供以下上引式连续铸造设备和上引式连续铸造方法：即使当在倾斜方向上上引熔融金属时，也能够将凝固界面控制在适当的参考范围内，从而生产出具有良好的尺寸准确度和良好的表面质量的金属铸件。

附图说明

图1是根据第一示例性实施方式的自由铸造设备的示意性横截面；

图2是根据第一示例性实施方式的形状限定构件102的平面图；

图3是根据第一示例性实施方式的自由铸造设备中所设置的凝固界面控制系统的框图；

图4示出了凝固界面附近的三个示例图像；

图5是示意性地示出了在竖直方向上上引熔融金属的情况下的放大横截面；

图6是示意性地示出了在倾斜方向(在观察侧)上上引熔融金属的情况下的放大横截面；

图7是示意性地示出了在倾斜方向(与观察侧相对的一侧)上上引熔融金属的情况下的放大横截面；

图8是示出了在倾斜方向上上引熔融金属时的凝固界面的微观纹理照片；

图9是用于说明根据第一示例性实施方式的凝固界面控制方法的流程图；

图10是根据第二示例性实施方式的形状限定构件202的平面图；

图11是根据第二示例性实施方式的形状限定构件202的侧视图；以及

图12是用于说明根据第二示例性实施方式的凝固界面控制方法的流程图。

具体实施方式

在下文中参照附图详细说明应用了本发明的具体示例性实施方式。然而，本发明并不限于下面所示出的示例性实施方式。此外，为了清楚阐明该说明，适当地简化了下面的描述和附图。

[第一示例性实施方式]

首先，参照图1来说明根据第一示例性实施方式的自由铸造设备(上引式连续铸造设备)。图1是根据第一示例性实施方式的自由铸造设备的示意性横截面。如图1中所示，根据第一示例性实施方式的自由铸造设备包括熔融金属保温炉(molten-metal holdingfurnace)101、形状限定构件102、支撑杆104、致动器105、冷却气体喷嘴106、冷却气体供应单元107、上引机108和图像拾取单元(相机)109。

注意，不用说，为了方便起见，特别地，为了说明部件之间的位置关系，示出了图1中所示的右手xyz坐标系。在图1中，xy平面形成水平面并且z轴方向是竖直方向。更具体地，z轴的正方向是垂直向上方向。

熔融金属保温炉101包含诸如铝或其合金的熔融金属M1并且使熔融金属M1保持在使熔融金属M1具有流动性的预定温度下。在图1中所示的示例中，由于在铸造过程中熔融金属保温炉101没有补充有熔融金属，所以熔融金属M1的表面(即，熔融金属表面)随着铸造过程进行而降低。可替代地，可以在铸造过程中根据需要用熔融金属补充熔融金属保温炉101，使得熔融金属表面保持在固定的水平。应当注意，可以通过升高熔融金属保温炉101的设定温度来提高凝固界面SIF的位置，而可以通过降低熔融金属保温炉101的设定温度来降低凝固界面SIF。当然，熔融金属M1可以是除了铝及其合金以外的金属。

形状限定构件102由例如陶瓷或不锈钢制成，并且被布置在熔融金属M1上方。形状限定构件102限定要被铸造的铸造金属M3的横截面形状。图1中所示的铸造金属M3是板或者在水平横截面(在下文中被称作“横向横截面”)上具有矩形形状的固体金属铸件。注意，不用说，对铸造金属M3的横截面形状没有特定限制。铸造金属M3可以是诸如圆形管和矩形管的中空金属铸件。

在图1中所示的示例中，布置形状限定构件102，使得它的底侧主表面(底面)与熔融金属表面相接触。因此，可以防止在熔融金属M1的表面上形成氧化膜以及漂浮在熔融金属M1的表面上的杂质进入铸造金属M3。

可替代地，可以布置形状限定构件102，使得它的底表面以预定距离远离熔融金属表面。当形状限定构件102被布置成以某一距离远离熔融金属表面时，防止形状限定构件102的热变形和侵蚀，从而提高形状限定构件102的耐用性。

图2是根据第一示例性实施方式的形状限定构件102的平面图。注意，图1中所示的形状限定构件102的横截面与图2中沿线I-I得到的横截面相对应。如图2中所示，形状限定构件102具有例如从顶部看到的矩形形状并且在其中心处具有厚度为t1和宽度为w1的矩形开口(熔融金属通道部103)。熔融金属通过矩形开口(熔融金属通道部103)。另外，图2中所示的xyz坐标系与图1中所示的坐标系相对应。

如图1中所示，熔融金属M1跟随铸造金属M3，并且由铸造金属M3通过其表面膜和/或表面张力来上引。另外，熔融金属M1通过形状限定构件102的熔融金属通道部103。也就是说，当熔融金属M1通过形状限定构件102的熔融金属通道部103时，从形状限定构件102向熔融金属M1施加外力并因此限定了铸造金属M3的横截面形状。注意，跟随铸造金属M3并且通过熔融金属的表面膜和/或表面张力从熔融金属表面被上引的熔融金属被称为“存留熔融金属M2”。另外，铸造金属M3和存留熔融金属M2之间的边界为凝固界面SIF。

支撑杆104支撑形状限定构件102。

支撑杆104连接至致动器105。通过致动器105，形状限定构件102可以通过支撑杆104在上/下方向(竖直方向，即z轴方向)上移动。采用这样的配置，例如，当熔融金属表面随着铸造过程的进行而降低时，可以向下移动形状限定构件102。

冷却气体喷嘴(冷却部)106是用于向铸造金属M3上喷射从冷却气体供应单元107提供的冷却气体(例如，空气、氮气或氩气)从而使铸造金属M3冷却的冷却装置。可以通过增大冷却气体的流量来降低凝固界面SIF的位置，而且可以通过减小冷却气体的流量来升高凝固界面SIF的位置。应当注意，冷却气体喷嘴106还可以在上/下方向(竖直方向，即z轴方向)和水平方向(x轴方向和/或y轴方向)上移动。因此，例如，当熔融金属表面随着铸造过程的进行而降低时，可以跟随形状限定构件102的移动而向下移动冷却气体喷嘴106。可替代地，冷却气体喷嘴106可以跟随上引机108的水平移动而在水平方向上移动。

通过在使用连接至起动机ST的上引机108来上引铸造金属M3的同时经由冷却气体来冷却铸造金属M3，位于凝固界面SIF附近的存留熔融金属M2从其上侧(z轴方向的正方向侧)朝向其下侧(z轴方向的负方向侧)先后被凝固并且形成铸造金属M3。可以通过增大上引机108的上引速度来升高凝固界面SIF的位置，而可以通过减小上引速度来降低凝固界面SIF的位置。另外，可以在水平方向(x轴方向和/或y轴方向)上移动上引机108的同时通过上引起动机ST或熔融金属而在倾斜方向上上拉存留熔融金属M2。因此，可以任意改变铸造金属M3在纵向方向上的形状。应当注意，可以通过在水平方向上移动形状限定构件102，而非在水平方向上移动上引机108来任意改变铸造金属M3在纵向方向上的形状。

图像拾取单元109连续地监测凝固界面SIF附近的区域，凝固界面SIF是铸造金属M3和存留熔融金属M2之间的边界。如稍后详细描述的，可以根据由图像拾取单元109拍摄的图像来确定凝固界面SIF。

接下来，参照图3来说明在根据第一示例性实施方式的自由铸造设备中设置的凝固界面控制系统。图3是在根据第一示例性实施方式的自由铸造设备中设置的凝固界面控制系统的框图。该凝固界面控制系统被设置成使凝固界面SIF的位置(高度)保持在预定参考范围内。

如图3中所示，该凝固界面控制系统包括图像拾取单元109、图像分析单元110、铸造控制单元111、上引机108、熔融金属保温炉101和冷却气体供应单元107。注意，已经参照图1说明了图像拾取单元109、上引机108、熔融金属保温炉101和冷却气体供应单元107，因此在此省略其详细说明。

图像分析单元110根据由图像拾取单元109获得的图像来检测存留熔融金属M2的表面上的波动。特别地，图像分析单元110可以通过相互比较多个连续获得的图像来检测存留熔融金属M2的表面上的波动。与此相反，在铸造金属M3的表面上没有出现波动。因此，可以根据波动的存在/不存在来确定凝固界面。

在下文参照图4给出了更详细的说明。图4示出了凝固界面附近的三个示例图像。从上到下，图4示出了凝固界面的位置升高到上限以上的情况下的图像示例、凝固界面的位置在参考范围内的情况下的图像示例以及凝固界面的位置下降到下限以下的情况下的图像示例。例如，如图4中的中间图像示例所示，图像分析单元110将检测到波动的区域(即，熔融金属)与未检测到波动的区域(即，铸造金属)之间的边界确定为由图像拾取单元109获得的图像中的凝固界面。

铸造控制单元111包括比较单元11a和存储单元11b。比较单元11a将由图像分析单元110确定的凝固界面与参考范围进行比较。存储单元11b存储凝固界面位置的参考范围(上限和下限)。应当注意，参考范围相对于存留熔融金属M2的熔融金属表面，根据上引角θ(0°<θ<180°)而改变。因此，存储单元11b存储记录了与不同上引角θ相对应的参考范围(上限和下限)的表格。比较单元11a根据从上引机108获得的上引角信息deg(其与上引角θ相对应)从存储单元11b读取参考范围ref，即从存储单元11b读取与上引角θ相对应的参考范围ref。然后，比较单元11a将由图像分析单元110确定的凝固界面sif与该参考范围ref进行比较。

当由图像分析单元110确定的凝固界面高于上限时，铸造控制单元111减小上引机108的上引速度，降低熔融金属保温炉101的设定温度或者增大由冷却气体供应单元107提供的冷却气体的流量。另一方面，当由图像分析单元110确定的凝固界面低于下限时，铸造控制单元111增大上引机108的上引速度，升高熔融金属保温炉101的设定温度或者减小由冷却气体供应单元107提供的冷却气体的流量。在控制这三个条件时，可以同时改变两个或更多个条件。然而，优选地仅改变一个条件，原因在于其更容易控制。另外，可以提前确定这三个条件的优先级次序，可以按照优先级的递减次序来改变条件。

参照图4来说明凝固界面位置的上限和下限。如图4中的上部图像示例所示，当凝固界面的位置升高到上限以上时，在存留熔融金属M2中出现“颈缩”并发展成为“断裂”。可以通过在改变凝固界面的高度的同时检查在存留熔融金属M2中是否出现“颈缩”来预先确定凝固界面位置的上限。

另一方面，当凝固界面的位置低于下限时，如图4中的下部图像示例所示，在铸造金属M3的表面上出现“不平坦”，因此导致铸造金属M3的形状缺陷。可以通过在改变凝固界面的高度的同时检查在铸造金属M3的表面上是否出现“不平坦”来预先确定凝固界面位置的下限。应当注意，认为这种不平坦是由于因过低的凝固界面位置而在形状限定构件102内形成的凝固块导致的。

尽管图4示出了在竖直方向上上引存留熔融金属M2的情况，但是在倾斜方向上上引存留熔融金属M2的情况下，可以以与上面类似的方式来确定上限和下限。也就是说，对于多个上引角θ中的每一个，可以通过检查在该多个上引角θ中是否出现“颈缩”和“不平坦”来预先确定上限和下限。

可替代地，仅在在竖直方向上上引存留熔融金属M2的情况下，可以通过实际检查来获得上限和下限(参考范围)。然后，可以根据这些上限和下限(参考范围)来计算在倾斜方向上上引存留熔融金属M2的情况下的上限和下限。在这种情况下，如图3中所示，存储单元11b仅存储在竖直方向上上引存留熔融金属M2的情况下的参考范围作为参考范围ref。然后，比较单元11a根据从上引机108获得的上引角信息deg来校正参考范围ref，并且将由图像分析单元110确定的凝固界面sif与校正后的参考范围进行比较。

参照图5至图7来说明用于计算在倾斜方向上上引熔融金属的情况下的上限和下限的方法的示例。图5是示意性地示出了在竖直方向上上引熔融金属的情况的放大横截面；图6是示意性地示出了在倾斜方向上(在观察侧)上引熔融金属的情况的放大横截面；图7是示意性地示出了在倾斜方向上(与观察侧相对的一侧)上引熔融金属的情况的放大横截面。注意，图5至图7中所示的xyz坐标系与图1中所示的坐标系相对应。

如图5中所示，当在竖直方向上上引存留熔融金属M2时，凝固界面SIF变成基本上水平的。因此，若不考虑观察点，凝固界面SIF的高度不变。在此，图5中的凝固界面SIF的位置被定义为参考范围的上限Hmax。

如图6和图7中所示，如从观察侧观察的熔融金属表面与上引方向之间的角度被表示为上引角θ。另外，凝固界面SIF的中心处的高度与凝固界面SIF的观察高度之间的差值由Δh表示。如图6和图7中所示，该差值Δh可以用几何学来计算。也就是说，通过使用铸造金属M3的厚度t，差值Δh可以被表示为Δh＝t/2×sin(θ-90)。

如图6中所示，当上引方向倾斜于观察侧时，关系θ<90°成立，从而关系Δh<0成立。因此，假设在图6中观察到的凝固界面SIF的位置被定义为上限Hmax1，该上限Hmax1低于在竖直方向上上引熔融金属的情况下的上限Hmax。

另一方面，当上引方向倾斜于与观察侧相对的一侧时，关系θ>90°成立，从而关系Δh>0成立。因此，假设在图7中观察到的凝固界面SIF的位置被定义为上限Hmax2，该上限Hmax2高于在竖直方向上上引熔融金属的情况下的上限Hmax。

注意，可以通过利用在竖直方向上上引熔融金属的情况下的上限Hmax和差值Δh，使用例如下面的表达式以简化的方式来计算当上引角为θ时的上限Hmax(θ)。

Hmax(θ)＝Hmax+Δh＝Hmax+t/2×sin(θ-90)

更精确地，可以通过使用差值Δh乘以系数C的下面的表达式来计算上限Hmax(θ)。系数C可以通过实验获得。

Hmax(θ)＝Hmax+C×Δh＝Hmax+C×t/2×sin(θ-90)

注意，可以以类似的方式获得下限。

图8是示出了当在倾斜方向上上引熔融金属时的凝固界面的微观纹理照片。如图8中所示，当以上引角θ上引熔融金属时，凝固界面基本上垂直于上引方向，而并非与上引方向水平。

根据第一示例性实施方式的自由铸造设备包括：图像拾取单元，其拍摄凝固界面附近的区域的图像；图像分析单元，其从图像中检测熔融金属的表面上的波动并且确定凝固界面；以及铸造控制单元，其当凝固界面不在预定参考范围内时改变铸造条件。注意，铸造控制单元通过使用根据上引角θ而变化的参考范围来确定凝固界面的位置是否在参考范围内。因此，即使当在倾斜方向上上引熔融金属时，自由铸造设备也可以进行反馈控制，使得凝固界面保持在预定参考范围内，从而提高金属铸件的尺寸准确度和表面质量。

接下来，参照图1来说明根据第一示例性实施方式的自由铸造方法。

首先，通过上引机108来降低起动机ST，使起动机ST通过形状限定构件102的熔融金属通道部103，并使起动机ST的末端浸入熔融金属M1中。

接下来，以预定速度开始上引起动机ST。注意，即使当远离熔融金属表面上引起动机ST时，熔融金属M1跟随起动机ST并且通过表面膜和/或表面张力从熔融金属表面被上引。也就是说，形成存留熔融金属M2。如图1中所示，在形状限定构件102的熔融金属通道部中形成存留熔融金属M2。也就是说，存留熔融金属M2通过形状限定构件102被定形成给定形状。

接下来，由于起动机ST或铸造金属M3被冷却气体冷却，存留熔融金属M2间接地被冷却并且从其上侧朝向其下侧先后被凝固。因此，铸造金属M3生长。在这种情况下，可以对铸造金属M3进行连续铸造。

在根据第一示例性实施方式的自由铸造方法中，控制凝固界面，使得凝固界面保持在预定参考范围内。在下文中参照图9来说明凝固界面控制方法。图9是用于说明根据第一示例性实施方式的凝固界面控制方法的流程图。

首先，通过图像拾取单元109来拍摄凝固界面附近的区域的图像(步骤ST1)。

接下来，图像分析单元110对由图像拾取单元109拍摄的图像进行分析(步骤ST2)。特别地，可以通过相互比较多个连续拍摄的图像来检测存留熔融金属M2的表面上的波动。然后，图像分析单元110将检测到波动的区域与未检测到波动的区域之间的边界确定为由图像拾取单元109拍摄的图像中的凝固界面。

接下来，铸造控制单元111确定由图像分析单元110确定的凝固界面的位置是否在参考范围内(步骤ST3)。应当注意，铸造控制单元111通过使用因上引角θ而异的参考范围来作出上述确定。当凝固界面位置不在参考范围内时(在步骤ST3处，否)，铸造控制单元111改变冷却气体流量、铸造速度以及保温炉设定温度之一(步骤ST4)。之后，铸造控制单元111确定铸造是否完成(步骤ST5)。

特别地，在步骤ST4中，当由图像分析单元110确定的凝固界面高于上限时，铸造控制单元111减小上引机108的上引速度，降低熔融金属保温炉101的设定温度或者增大由冷却气体供应单元107提供的冷却气体的流量。另一方面，当由图像分析单元110确定的凝固界面低于下限时，铸造控制单元111增大上引机108的上引速度，升高熔融金属保温炉101的设定温度或者减小由冷却气体供应单元107提供的冷却气体的流量。

当凝固界面位置在参考范围内时(在步骤ST3处，是)，凝固界面控制在不改变铸造条件的情况下进行至步骤ST5。

当铸造尚未完成时(在步骤ST5处，否)，凝固界面控制返回至步骤ST1。另一方面，当铸造已经完成时(在步骤ST5处，是)，凝固界面控制结束。

在根据第一示例性实施方式的自由铸造方法中，通过拍摄凝固界面附近的区域的图像并且从图像中检测熔融金属的表面上的波动来确定凝固界面。然后，当凝固界面不在参考范围内时，改变铸造条件。应当注意，通过使用因上引角θ而异的参考范围来确定凝固界面的位置是否在参考范围内。因此，即使当在倾斜方向上上引熔融金属时，自由铸造设备也可以进行反馈控制，使得凝固界面保持在预定参考范围内，从而提高金属铸件的尺寸准确度和表面质量。

[第二示例性实施方式]

接下来，参照图10和图11来说明根据第二示例性实施方式的自由铸造设备。图10是根据第二示例性实施方式的形状限定构件202的平面图。图11是根据第二示例性实施方式的形状限定构件202的侧视图。注意，图10和图11中所示的xyz坐标系也与图1中所示的坐标系相对应。

图2中所示的根据第一示例性实施方式的形状限定构件102由一块板组成。因此，熔融金属通道部103的厚度t1和宽度w1是固定的。与此相反，如图10中所示，根据第二示例性实施方式的形状限定构件202包括四个矩形形状限定板202a、202b、202c和202d。也就是说，根据第二示例性实施方式的形状限定构件202被分成多个部分。采用这样的配置，可以改变熔融金属通道部203的厚度t1和宽度w1。此外，可以在z轴方向上一致地移动四个矩形形状限定板202a、202b、202c和202d。

如图10中所示，形状限定板202a和202b在y轴方向上被布置成彼此相对。另外，如图11中所示，形状限定板202a和202b在z轴方向上被布置在同一高度处。形状限定板202a和202b之间的间隙限定熔融金属通道部203的宽度w1。另外，由于形状限定板202a和202b中的每一个可以在y轴方向上独立移动，所以可以改变宽度w1。注意，如图10和图11中所示，可以在形状限定板202a和202b上分别设置激光位移计S1和激光反射板S2，以测量熔融金属通道部203的宽度w1。

另外，如图10中所示，形状限定板202c和202d被布置成在x轴方向上彼此相对。另外，形状限定板202c和202d在z轴方向上被布置在同一高度处。形状限定板202c和202d之间的间隙限定熔融金属通道部203的厚度t1。另外，由于形状限定板202c和202d中的每一个可以在x轴方向上独立移动，所以可以改变厚度t1。

形状限定板202a和202b以如下方式被布置，该方式使得它们与形状限定板202c和202d的顶部相接触。

接下来，参照图10和图11来说明形状限定板202a的驱动机制。如图10和图11所示，形状限定板202a的驱动机制包括滑动台T1和T2、直线导轨G11、G12、G21和G22、致动器A1和A2以及杆R1和R2。注意，虽然与形状限定板202a的情况一样，形状限定板202b、202c和202d中的每一个也包括其驱动机制，但是在图10和图11中省略其图示。

如图10和图11中所示，形状限定板202a被放置并固定在滑动台T1上，滑动台T1可以在y轴方向上滑动。滑动台T1可滑动地放置在一对直线导轨G11和G12上，该一对直线导轨G11和G12平行于y轴方向上延伸。另外，滑动台T1连接至在y轴方向上从致动器A1延伸的杆R1。采用上述配置，形状限定板202a可以在y轴方向上滑动。

另外，如图10和图11中所示，直线导轨G11和G12以及致动器A1被放置并固定在滑动台T2上，滑动台T2可以在z轴方向上滑动。滑动台T2可滑动地放置在一对平行于z轴方向延伸的直线导轨G21和G22上。另外，滑动台T2连接至在z轴方向上从致动器A2延伸的杆R2。直线导轨G21和G22以及致动器A2被固定在水平地板面上或者水平底座上(未示出)。采用上述配置，形状限定板202a可以在z轴方向上滑动。注意，致动器A1和A2的示例包括液压缸、气缸和电动机。

接下来，在下文中参照图12来说明根据第二示例性实施方式的凝固界面控制方法。图12是用于说明根据第二示例性实施方式的凝固界面控制方法的流程图。图12中的步骤ST1至ST4与图9中所示的根据第一示例性实施方式的步骤ST1至ST4类似，因此省略其详细说明。

当凝固界面位置在参考范围内时(在步骤ST3处，是)，铸造控制单元111确定由图像分析单元110确定的凝固界面上的铸造金属M3的尺寸(厚度t和宽度w)是否在铸造金属M3的尺寸公差内(步骤ST11)。注意，在图像分析单元110确定凝固界面的同时，获得凝固界面的尺寸(厚度t和宽度w)。当从图像获得的尺寸不在尺寸公差内时(在步骤ST11处，否)，改变熔融金属通道部203的厚度t1和/或宽度w1(步骤ST12)。之后，铸造控制单元111确定铸造是否完成(步骤ST5)。

当尺寸在尺寸公差内时(在步骤ST11处，是)，凝固界面控制在不改变熔融金属通道部203的厚度t1和宽度w1的情况下进行至步骤ST5。

当铸造尚未完成时(在步骤ST5处，否)，凝固界面控制返回至步骤ST1。另一方面，当铸造已经完成时(在步骤ST5处，是)，凝固界面控制结束。

其余配置与第一示例性实施方式的配置类似，因此省略其说明。

与第一示例性实施方式类似，在根据第二示例性实施方式的自由铸造方法中，通过拍摄凝固界面附近的区域的图像并且从图像中检测熔融金属的表面上的波动来确定凝固界面。然后，当凝固界面不在参考范围内时，改变铸造条件。应当注意，通过使用因上引角θ而异的参考范围来确定凝固界面的位置是否在参考范围内。因此，即使当在倾斜方向上上引熔融金属时，自由铸造设备也可以进行反馈控制，使得凝固界面保持在预定参考范围内，从而提高金属铸件的尺寸准确度和表面质量。

另外，在根据第二示例性实施方式的自由铸造法中，可以改变形状限定构件202的熔融金属通道部203的厚度t1和宽度w1。因此，当根据图像确定凝固界面时，测量凝固界面的厚度t和宽度w。然后，当这些测量值不在尺寸公差内时，改变熔融金属通道部203的厚度t1和/或宽度w1。也就是说，可以进行反馈控制，使得金属铸件的尺寸保持在尺寸公差内。因此，可以进一步提高金属铸件的尺寸精确度。

注意，本发明并不限于上述示例性实施方式，并且可以在不偏离本发明的精神和范围内作出各种修改。

本申请基于2013年11月26日提交的日本专利申请No.2013-244006并要求其优先权的权益，该日本专利申请的全部内容通过引用被合并到本申请中。

附图标记列表

11a 比较单元

11b 存储单元

101 熔融金属保温炉

102、202 形状限定构件

103、203 熔融金属通道部

104 支撑杆

105 致动器

106 冷却气体喷嘴

107 冷却气体供应单元

108 上引机

109 图像拾取单元

110 图像分析单元

111 铸造控制单元

202a-202d 形状限定板

A1、A2 致动器

G11、G12、G21、G22 直线导轨

M1 熔融金属

M2 存留熔融金属

M3 铸造金属

R1、R2 杆

S1 激光位移计

S2 激光反射板

SIF 凝固界面

ST 起动机

T1、T2 滑动台

Claims (12)

1.一种上引式连续铸造设备，包括：

保温炉，所述保温炉保存熔融金属；

形状限定构件，所述形状限定构件被布置在保存于所述保温炉中的熔融金属的熔融金属表面上方，所述形状限定构件被配置成当所述熔融金属通过所述形状限定构件时限定要被铸造的金属铸件的横截面形状；

图像拾取单元，所述图像拾取单元拍摄已经通过所述形状限定构件的熔融金属的图像；

图像分析单元，所述图像分析单元从所述图像中检测存留熔融金属的表面上的波状运动并且将检测到波状运动的区域与未检测到波状运动的区域之间的边界确定为凝固界面，所述存留熔融金属为跟随所述金属铸件并且通过所述熔融金属的表面膜和/或表面张力从熔融金属表面被上引的熔融金属；以及

铸造控制单元，所述铸造控制单元仅当由所述图像分析单元确定的凝固界面不在参考范围内时才改变铸造条件，其中，

所述铸造控制单元使用根据所述熔融金属的上引角而变化的参考范围并且确定所述凝固界面是否在所述参考范围内。

2.根据权利要求1所述的上引式连续铸造设备，其中，所述铸造控制单元包括存储预先确定的多个参考范围的存储单元，所述预先确定的多个参考范围中的每一个针对相应的上引角来确定。

3.根据权利要求1所述的上引式连续铸造设备，其中，所述铸造控制单元基于所述上引角以及在所述熔融金属沿竖直方向被上引的情况下的预先确定的参考范围来计算与所述上引角对应的参考范围。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的上引式连续铸造设备，其中，所述铸造条件是以下条件之一：

用于冷却已经通过所述形状限定构件的熔融金属的冷却气体的流量；

所述金属铸件的上引速度；以及

所述保温炉的设定温度。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的上引式连续铸造设备，其中，

所述形状限定构件被分成多个部分并且能够改变所述横截面形状，

所述图像分析单元从所述图像中检测所述金属铸件的尺寸，以及

当所述尺寸不在尺寸公差内时，所述铸造控制单元改变由所述形状限定构件限定的横截面形状。

6.根据权利要求4所述的上引式连续铸造设备，其中，

所述形状限定构件被分成多个部分并且能够改变所述横截面形状，

所述图像分析单元从所述图像中检测所述金属铸件的尺寸，以及

当所述尺寸不在尺寸公差内时，所述铸造控制单元改变由所述形状限定构件限定的横截面形状。

7.一种上引式连续铸造方法，包括：

上引保存在保温炉内的熔融金属，同时使所述熔融金属通过形状限定构件，所述形状限定构件被配置成限定要被铸造的金属铸件的横截面形状；

拍摄已经通过所述形状限定构件的熔融金属的图像；

从所述图像中检测存留熔融金属的表面上的波状运动并且将检测到波状运动的区域与未检测到波状运动的区域之间的边界确定为凝固界面，所述存留熔融金属为跟随所述金属铸件并且通过所述熔融金属的表面膜和/或表面张力从熔融金属表面被上引的熔融金属；以及

仅当所确定的凝固界面不在参考范围内时才改变铸造条件，其中，

在改变所述铸造条件时，使用根据所述熔融金属的上引角而变化的参考范围并且确定所述凝固界面是否在所述参考范围内。

8.根据权利要求7所述的上引式连续铸造方法，其中，针对相应的上引角预先确定所述参考范围。

9.根据权利要求7所述的上引式连续铸造方法，其中，

预先确定在熔融金属沿竖直方向被上引的情况下的参考范围，以及

基于所述上引角以及在所述熔融金属沿竖直方向被上引的情况下的参考范围来计算与所述上引角相对应的参考范围。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的上引式连续铸造方法，其中，所述铸造条件是以下条件之一：

用于冷却已经通过所述形状限定构件的熔融金属的冷却气体的流量；

所述金属铸件的上引速度；以及

所述保温炉的设定温度。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的上引式连续铸造方法，其中，

所述形状限定构件被分成多个部分并且因此能够改变所述横截面形状，

从所述图像中检测所述金属铸件的尺寸，以及

当所述尺寸不在尺寸公差内时，改变由所述形状限定构件限定的横截面形状。

12.根据权利要求10所述的上引式连续铸造方法，其中，

所述形状限定构件被分成多个部分并且因此能够改变所述横截面形状，

从所述图像中检测所述金属铸件的尺寸，以及

当所述尺寸不在尺寸公差内时，改变由所述形状限定构件限定的横截面形状。