JP2010201468A - 鋳型洗浄装置およびこれを用いた鋳型洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属溶解用鋳型内面に形成された付着物を効率よく分離除去することができるのみならず、鋳型を傷つけないような適切な応力に調整された状態で付着物を除去することができ、かつ、付着物を除去することができた終点を的確に判断できる装置および方法を提供する。
【解決手段】ロボットアームと、アーム旋回手段と、アーム伸縮手段と、ロボットアームの先端部に配設された駆動部と、駆動部に装着された掻取り治具とから構成されており、掻取り治具は、ロボットアームの駆動によって鋳型内面を水平方向または鉛直方向に自在に移動可能であることを特徴とする鋳型洗浄装置。また、この鋳型洗浄装置を用いて、アーム旋回手段およびアーム伸縮手段を遠隔操作して、ロボットアームを鋳型内部において動作させ、水冷銅鋳型の内面に残留している固形物を離除去することを特徴とする鋳型洗浄方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属の溶解凝固に使用する鋳型の洗浄装置およびこれを用いた鋳型の洗浄方法に関する。

金属チタンは、クロール法で製造された顆粒状のスポンジチタンを電極に構成し、これを真空アーク溶解炉にて溶解してインゴットの形で製造されることが多い。また、前記顆粒状のスポンジチタンをそのまま電子ビーム溶解炉に供給してチタンインゴットやチタンスラブの形で製造される場合もある。

前記真空アーク溶解炉および電子ビーム溶解炉で使用される鋳型は水冷銅で構成されており、真空アークあるいは電子ビームにて溶解されたチタンの溶湯を効率よく冷却凝固させることができる。しかしながら、前記インゴットの溶製中に形成されるチタンプールからは、スプラッシュやチタン蒸気が発生し、チタンプールの上方にある鋳型内面に達してそこで固形のチタンが付着する場合がある（以降、「付着物」と呼ぶ場合がある）。

鋳型内に付着物が残った状態で次回の溶解を行うと、溶製されたインゴットの鋳肌が荒れてインゴットの溶解歩留まりを低下させて好ましくないため、前記付着物は、インゴットを鋳型から抜き出した後、酸洗あるいは水洗して除去することができる。しかしながら、前記付着物が鋳型壁と強固に固着している場合においては、酸洗あるいは水洗にて除去することが困難な場合がある。

前記したような強固な付着物が鋳型内面に形成されている場合には、前記付着物を機械的に掻取ることによって除去を行っている。しかしながら、この作業は人手に頼らざるを得ないため、作業環境や安全上のみならず、付着物が生成している場所まで作業者の手が届かない場合があり完全に付着物を除去することが困難な場合もある。

このような問題に対しては、周囲に掻取り治具を装着した懸垂回転式掻取り装置を使用することにより、前記鋳型内面の遠方にある付着物も効果的に除去することができる旨開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に開示された装置を使用する場合には、懸垂した形で掻取り治具を鋳型の内部に装入させるために、鋳型内面の鉛直方向に対しては有効のように思われるが、掻き取り治具を鋳型に対して垂直に押し付けるような装置構成がなされておらず、水平方向に配設したノズルの内面に形成された付着を除去する場合には必ずしも有効ではなく、前記課題を確実に解決することは難しい状況にあった。

また、鋳型内面に形成された付着物を除去する装置としては、支持レール上を移動する車輪を備え、鋳型内を移動してブラシによって鋳型の内部を洗浄する装置（例えば、特許文献２参照）や、鋳枠からの注湯済鋳型の抜き出しと鋳枠内面洗浄を同じ場所かつ同じ装置で行える装置（例えば、特許文献３参照）が開示されているが、前記課題を効果的に解決することは難しいように考えられる。

更には、鋳型内面に形成された付着物が除去できたとしても、鋳型は水冷銅で構成されているため、過度に掻取りを進めた場合には、鋳型内面に傷や剥がれ等の表面欠陥を生起せしめる場合がある。これは、鋳型内面に形成された付着物を除去した後も継続して付着物の除去作業を継続した場合や、過度な力で付着物を除去した場合に発生する場合が多い。

特開平０７−０３２１３０号公報 特公昭４５−０３２８２５号公報 特開２００４−０８２１６５号公報

本発明は、以上述べたような問題に鑑みてなされたものであり、鋳型内面に形成された付着物を効率よく分離除去することができるのみならず、鋳型を傷つけないような適切な応力に調整された状態で付着物を除去することができ、かつ、付着物を除去することができた終点を的確に判断できる機構を有する鋳型洗浄装置やそれを用いた鋳型洗浄方法を提供することを目的としている。

かかる実情に鑑み前記課題について鋭意検討を進めてきたところ、鋳型洗浄装置を、ロボットアームおよびその先端部に装着した掻取り治具から構成し、更に、前記鋳型洗浄装置に、鋳型内面の光沢度検出器や押圧力検出装置を付設することで、前記課題を効果的に解決できることを見出し、本願発明を完成するに至った。

すなわち、本願発明に係る金属溶解用鋳型の洗浄装置は、ロボットアームと、アーム旋回手段と、アーム伸縮手段と、ロボットアームの先端部に配設された駆動部と、駆動部に装着された掻取り治具とから構成されており、掻取り治具は、ロボットアームの駆動によって鋳型内面を水平方向または鉛直方向に自在に移動可能であることを特徴とするものである。

本願発明に係る鋳型洗浄装置に配設したロボットアームの先端部には、鋳型内面の表面状況を検知する画像処理センサーが装着されていることを好ましい態様とするものである。

本願発明に係る鋳型洗浄装置のアームの先端部に配設された駆動部には、バックアップシリンダーが装着されていることを好ましい態様とするものである。

本願発明に係る鋳型洗浄装置のロボットアーム伸縮装置には、鋳型内面に対する掻取り治具の押圧力検出器が装着されていることを好ましい態様とするものである。

本願発明に係る鋳型洗浄装置の掻取り治具が、ワイヤブラシ、ホイールブラシ、削岩機、高圧噴射ノズル、ショットブラスト、バフまたはサンドペーパーのうちから少なくとも１種以上選択されていることを好ましい態様とするものである。

本願発明に係る鋳型洗浄装置の画像処理センサーが、鋳型内面からの光学的反射強度を検出することで表面状態を検知することを好ましい態様とするものである。

本願発明に係る鋳型洗浄装置のロボットアームには、モニター用カメラが装着されていることを好ましい態様とするものである。

本願発明に係る鋳型洗浄装置で洗浄する鋳型が水冷銅で構成されていることを特徴とすることを好ましい態様とするものである。

更には、本願発明に係る鋳型洗浄装置に装着使用するワイヤブラシの硬度が、鋳型内面に形成された付着物に比べて大きいことを好ましい態様とするものである。

本願発明に係る鋳型洗浄方法は、前記鋳型洗浄装置を用いた鋳型内面の洗浄方法であって、アーム旋回手段およびアーム伸縮手段を遠隔操作して、ロボットアームを鋳型内部において動作させ、水冷銅鋳型の内面に残留している固形物を離除去することを特徴とするものである。

また、本願発明に係る鋳型洗浄方法は、鋳型洗浄装置に装着された掻取り治具を、鋳型内面に残留した固形物の付着状況に応じて、ワイヤブラシ、ホイールブラシ、削岩機、高圧噴射ノズル、ショットブラスト、バフまたはサンドペーパーを適宜選択して使用することを好ましい態様とするものである。

更には、本願発明に係る鋳型洗浄方法は、前記鋳型内面の光沢度が溶解開始前の光沢度に回復するまで掻取りを継続することを好ましい態様とするものである。

本願発明に係る鋳型洗浄方法は、鋳型内面に残留した固形物の付着状況に応じて選択した掻取り治具で鋳型内面を洗浄した後、掻取り治具をバフに交換して、掻取り後の鋳型内面を鏡面に仕上げることを好ましい態様とするものである。

以上述べた本願発明に係る鋳型洗浄装置およびこれを用いた鋳型洗浄方法によれば、鋳型内面に形成された付着物を効果的に除去できるのみならず、前記付着物を除去した後の鋳型内面に表面欠陥を残すことなく、健全な状態に維持することができるという効果を奏するものである。その結果、本願発明に係る鋳型洗浄装置および洗浄方法で洗浄された鋳型を用いて溶製されたインゴットの表面肌も健全な状態に保持されるという効果を奏するものである。

本発明の鋳型洗浄装置Ｍの実施形態を示す模式断面図である。 本発明の鋳型洗浄装置Ｍにおける掻取り治具の変更例である。 本発明の鋳型洗浄装置Ｍにおける掻取り治具付近の拡大図である。 本発明の鋳型洗浄装置Ｍの動作状況を示す模式断面図である。

本発明の最良の実施形態について図面を用いて以下に説明する。
図１は、本願発明における装置図の全体を表している。本願発明に係る鋳型洗浄装置Ｍは、例えば真空アーク溶解等の工程で溶融金属を固化させるための鋳型１に用いられるものであって、前記鋳型１の内面を洗浄する掻取り治具２と、前記掻取り治具２を鋳型１の内面に沿って鉛直方向および水平方向に自在に移動させることができるロボットアーム３と、前記ロボットアーム３を駆動させるアーム旋回手段４およびアーム伸縮手段５から構成されている。

本願発明においては、前記ロボットアーム３の先端部には、駆動部８を介して掻取り治具２を装着することが好ましい。前記駆動部８には、モーターを内装させておくことにより当駆動部８に装着された掻き取り治具２を円滑に回転させることができるという効果を奏するものである。

更には、本願発明においては、前記駆動部８には、バックアップシリンダーを内装させておくことが好ましい。前記のようなシリンダーを駆動部８に内装させておくことで、掻き取り治具２を鋳型１の内面に確実に押圧することができるという効果を奏するものである。

本願発明においては、アーム伸縮手段５は、たとえば油圧シリンダー５で構成することができる。前記のような油圧シリンダーを配設することで、前記ロボットアームの先端部を前後あるいは鉛直方向に移動させることができるという効果を奏するものである。

また、本願発明においては、前記ロボットアーム３は、フロアーに配設されたアーム旋回手段４に係合しておくことが好ましい。前記旋回手段４にロボットアーム３を接続させておくことで、ロボットアーム３を水平面内に自在に回転させることができるという効果を奏するものである。

本願発明においては、特に、前記アーム伸縮手段５には、鋳型１の内面に掻取り治具２を押圧する際のトルクを検知し、前記トルクを、鋳型洗浄装置Ｍの図示しない制御装置に設けられた運転用ＣＲＴ６に表示し、また、運転用ＣＲＴ６から遠隔にて操作できるように構成しておくことが好ましい。

前記のような構成とすることで、鋳型１の内面を掻取り治具２で洗浄する際の押圧力を適正範囲に維持することができるという効果を奏するものである。

図２は、本願発明に係る掻取り治具２の具体的な好ましい態様を表している。ａは、前記掻取り治具２がワイヤブラシ２１で構成されており、前記ワイヤブラシ２１で構成することで鋳型内面に形成された強固な付着を効果的に除去することができるという効果を奏するものである。

また、前記ワイヤブラシ２１の代わりに、図示しない円盤状のホイールブラシを使用することもできる。厚みの薄いホイールブラシを用いることで、鋳型頂部や底部の内壁に構成された凹部の内部を効果的に清掃することができるという効果を奏するものである。

図２のｂは、削岩機２２を表しており、ワイヤブラシ２１で除去できないような強固な付着が鋳型１の内面に形成されている場合に、前記付着を効果的に削除することができるという効果を奏するものである。

更に、図２のｃは、バフ２３を表しており、ワイヤブラシ２１や削岩機２２で鋳型内面に形成された付着を除去した後の鋳型内面を効果的に研磨することができる。その際、種々のバフに交換することで、鋳型内面を鏡面に仕上げることもできる。

更に、図２のｄは、噴射ノズル２４であり、前記ノズルより高圧水を噴射することで前記鋳型内面に付着した固形物を除去した後に発生した微粉も効果的に分離除去することができるという効果を奏するものである。

また、研磨剤を配合した高圧水を鋳型内面に噴出させてもよい。前記研磨剤としては、顆粒状の酸化チタンやシリカあるいは酸化マグネシウムを好適に使用することができるという効果を奏するものである。

また、図２のｅは、サンドペーパーを表面に配設した掻取り治具を表している。前記した削岩機２２やワイヤブラシ２１で鋳型１の内面に残留している付着物を除去した後は、前記内面には研磨傷が残留している場合があり、前記したような状況の場合、サンドペーパー２５を回転させながら、鋳型１の内面に接触させることで、鋳型１の内面を平滑に仕上げることができるという効果を奏するものである。

図３は、本願発明に鋳型洗浄装置の更に好ましい態様を表している。本願発明に係るロボットアーム３の先端部には、モニター用カメラ７を装着しておくことが好ましい。前記のようなモニターカメラ７を装着しておくことで、鋳型１の内面状態を図示しない操作室にて確認することができるという効果を奏するものである。

本願発明においては、前記モニター用カメラ７に画像処理センサー１０も隣接して配置しておくことが好ましい。前記画像処理センサー１０は、図示しない光源を鋳型１の内面に照射した際の反射光の強度を検出できるような光学式のセンサーを好適に使用することが好ましい。

前記光学式センサーで検出された反射光の強度は、鋳型１の内面の鏡面状態が良好なほど増加する傾向にある。よって、次回の操業に使用可能な程度まで鏡面に仕上げられた鋳型内面からの反射光の強度を事前に測定しておき、鏡面仕上げ中の反射光の強度が、前記の強度に達した時点で鏡面仕上げ工程を適切に完了することができる。

前記のような画像処理センサー１０を用いることで、鋳型１の内面状態を精密にまた定量的に把握することができるという効果を奏するものである。

その結果、鋳型１の内面仕上げの状態、即ち、前記したように掻取り治具２を用いて鋳型１の内面を仕上げる場合の終点を的確に把握することができるという効果を奏するものである。

本願発明においては、ロボットアーム３の先端部には掻取り治具２を前記した種々の治具２１〜２５に適宜交換して着脱可能なように構成しておくことが好ましい。

前記した本願発明に係る鋳型洗浄装置Ｍを用いた鋳型１の内面を洗浄する方法についての好ましい態様を以下に述べる。
まず、真空アーク溶解後、鋳型１内に生成したインゴット１１を系外に抜き出す操作に入るが、図４に示すように鋳型１の内部に生成したインゴットの上方の空間部の鋳型１の内面に付着物２０が形成されている場合がある。

このような場合には、例えば図２に示したようなワイヤブラシ２１で構成された掻取り治具２を用いて、本願発明に係る鋳洗浄機を稼動させることで前記付着物を効果的に削除することができるという効果を奏するものである。

その結果、内部に生成したインゴットを鋳型１から確実に抜き出すことができるという効果を奏するものである。

前記のような操作を行ってインゴットが抜き出された鋳型１には、まずは、噴射ノズル２４を掻取り治具２に装着して水を前記鋳型１の内面に噴射して、鋳型１の内面に残留している付着や微粉を失活させておくことが好ましい。

前記のような操作を行うことで、次の工程で行う鋳型１の内面研削操作を安全に進めることができるという効果を奏するものである。

前記した失活操作が済んだ後は、次いで、削岩機２２あるいはワイヤブラシ２１を適宜用いて、鋳型１の内面に残留している付着物を研削あるいは剥離することが好ましい。

前記操作を完了した後は、サンドペーパー２５を用いて、鋳型１の内面に残留している表面傷を研削除去しておくことが好ましい。この際適宜、水を噴霧させて研磨粉剤を洗浄するおくことが好ましい。

前記したような研磨操作完了後は、バフ２３を用いることで、前記研磨後の鋳型１の内面を鏡面に仕上げることもできる。その際、図３に示した画像処理センサー１０を使用することで、鋳型１の内面の鏡面状態を再現性よく生み出すことができる。

前記したような鋳型１の内面を鏡面に仕上げることで、鋳型１の内部に形成される鋳肌も良好に改善することができる。

ただし鋳型１の内面に残留している傷の状態により、バフ研磨は適宜省力することも可能である。

以上述べた操作は、一例であり、その他、鋳型１の内面状態に応じて図２に示した掻取る治具２を適宜組み合わせて使用することで、鋳型１の内面を適切な状態に維持することができるという効果を奏するものである。

また、従来人手により実施していた鋳型内面の整備時間が短縮されるのみならず、作業環境も格段に改善することができるという効果を奏するものである。

［実施例１］
図１に示した本願発明に係る鋳型洗浄装置Ｍを用いて、チタン合金を溶製した後の鋳型１の内面に、噴射ノズル２４で水を噴射した後、ワイヤブラシ２１、サンドペーパー２５、バフ２３の順に掻取り治具２を交換使用して鋳型内面を鏡面に仕上げた。続いて、実施例１で整備された鋳型１を用いて、チタン合金の２次溶解を行った。その結果、溶製された鋳型の鋳肌は良好であり、多少の旋盤による表面切削を行ったものの、高い切削歩留まりを示した。

［比較例１］
実施例１において、本願発明に係る鋳型洗浄装置Ｍを使用しないで、人手により鋳型１の内面の整備作業を行い、実施例１と同程度まで鏡面に仕上げた。続いて、チタン合金の２次溶解を行った。その結果、鋳型１の内面は整備されていたために溶製された鋳型の鋳肌は実施例１同様に高い切削歩留まりを示したものの、整備が人手によったため、作業時間が長引いた。

［比較例２］
実施例１において、本願発明に係る鋳型洗浄装置Ｍを使用しないまま、チタン合金の２次溶解を行った。その結果、溶製された鋳型の鋳肌は粗く、旋盤による表面切削を行った結果、切削歩留まりが低下した。

以上の結果を、表１に示す。表の数値は、実施例１の作業時間および切削歩留まりを基準として百分率で表したものである。

本発明は、真空アーク溶解炉に使用された後の鋳型の整備時間を短縮でき、また、生成インゴットの切削歩留まりも改善されるという効果を奏するものである。

Ｍ…鋳型洗浄装置、１…鋳型、２…掻取り治具、２０…付着物、２１…ワイヤブラシ、２２…削岩機、２３…バフ、２４…噴射ノズル、２５…サンドペーパー、３…ロボットアーム、４…アーム旋回手段、５…アーム伸縮手段、６…運転用ＣＲＴ、７…モニター用カメラ、８…駆動部、１０…画像処理センサー、１１…インゴット。

Claims (13)

1. 金属溶解用鋳型の洗浄装置であって、ロボットアームと、アーム旋回手段と、アーム伸縮手段と、上記ロボットアームの先端部に配設された駆動部と、上記駆動部に装着された掻取り治具とから構成されており、
   上記掻取り治具は、上記ロボットアームの駆動によって鋳型内面を水平方向または鉛直方向に自在に移動可能であることを特徴とする鋳型洗浄装置。
2. 前記ロボットアームの先端部には、鋳型内面の表面状況を検知する画像処理センサーが装着されていることを特徴とする請求項１に記載の鋳型洗浄装置。
3. 前記ロボットアームの先端部に配設された駆動部には、バックアップシリンダーが装着されていることを特徴とする請求項２に記載の鋳型洗浄装置。
4. 前記アーム伸縮手段には、鋳型内面に対する掻取り治具の押圧力検出器が装着されていることを特徴とする請求項１に記載の鋳型洗浄装置。
5. 前記掻取り治具として、ワイヤブラシ、ホイールブラシ、削岩機、高圧噴射ノズル、ショットブラスト、バフまたはサンドペーパーのうちから少なくとも１種以上選択されていることを特徴とする請求項１に記載の鋳型洗浄装置。
6. 前記画像処理センサーが、鋳型内面からの光学的反射強度を検出することで表面状態を検知することを特徴とする請求項２に記載の鋳型洗浄装置。
7. 前記ロボットアームには、モニター用カメラが装着されていることを特徴とする請求項１に記載の鋳型洗浄装置。
8. 前記鋳型が水冷銅で構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の鋳型洗浄装置。
9. 前記ワイヤブラシの硬度が、鋳型内面に形成された付着物に比べて大きいことを特徴とする請求項５に記載の鋳型洗浄装置。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載された鋳型洗浄装置を用いた鋳型内面の洗浄方法であって、前記アーム旋回手段および前記アーム伸縮手段を遠隔操作して、前記ロボットアームを鋳型内部において動作させ、水冷銅鋳型の内面に残留している固形物を離除去することを特徴とする鋳型洗浄方法。
11. 鋳型内面に残留した固形物の付着状況に応じて、前記掻取り治具を、ワイヤブラシ、ホイールブラシ、削岩機、高圧噴射ノズル、ショットブラスト、バフまたはサンドペーパーから適宜選択して使用することを特徴とする請求項１０に記載の鋳型洗浄方法。
12. 前記鋳型内面の光沢度が溶解開始前の光沢度に回復するまで掻取りを継続することを特徴とする請求項１０に記載の鋳型洗浄方法。
13. 鋳型内面に残留した固形物の付着状況に応じて選択した前記掻取り治具で鋳型内面を洗浄した後、上記掻取り治具をバフに交換して、掻取り後の鋳型内面を鏡面に仕上げることを特徴とする請求項１０に記載の鋳型洗浄方法。

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