JP2011501701A - 半液体金属の加工・検出装置、並びに該装置を用いた加工・検出方法 - Google Patents
半液体金属の加工・検出装置、並びに該装置を用いた加工・検出方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】半液体加工および検出装置は、少なくとも一部が少なくとも1つの誘導コイルで囲まれた坩堝を含む。1または複数の誘導コイルは、水冷式であってもよい。1または複数の誘導コイルは、可変電力および/または可変周波数磁界を発生するように設計でき、前記可変電力および/または可変周波数磁界は、所定の熱容量、抵抗率および/または粘度に相当する液相線温度から坩堝内の溶融金属装入物の冷却を制御するように調整されてもよい。磁界は、坩堝中の金属装入物のトロイダル状の撹拌を誘発するように設計できる。半液体状態は、誘導コイルから得られる電気フィードバック信号の実時間あるいは非実時間解析を介して誘導電源によって検出され、能動的に制御されてもよい。
【選択図】図1
Description
1.少なくとも1つの誘導コイルによって形成される磁界に曝される材料の少なくとも1つの特性を決定、監視、制御およびそれらを組み合わせて処理する装置であって、
前記装置は、少なくとも1つの電気パラメータを直接的、間接的およびそれらを組み合わせて検出する検出装置を含み、
前記少なくとも1つの電気パラメータが使用されて、少なくとも一部が前記誘導コイルによって囲まれた領域内部の負荷抵抗、前記材料の抵抗率、前記材料の温度、前記材料の固相率、前記材料の液相率およびこれらの組み合わせを少なくとも部分的に決定する、
ことを特徴とする。
2.前記装置は坩堝を含み、
前記坩堝は、前記金属を収容するように設計された空洞を有し、
前記少なくとも1つの誘導コイルは、少なくとも部分的に前記坩堝の前記空洞の周囲に配置される、
ことを特徴とする上記1に記載の装置。
3.前記装置は、前記検出される少なくとも1つの電気パラメータに基づいて、前記少なくとも1つの誘導コイルに対する電力レベルを少なくとも部分的に制御する制御装置を含む、
ことを特徴とする上記1に記載の装置。
4.前記装置は、前記検出される少なくとも1つの電気パラメータに基づいて、前記少なくとも1つの誘導コイルに対する電力レベルを少なくとも部分的に制御する制御装置を含む、
ことを特徴とする上記2に記載の装置。
5.前記制御装置は、前記材料の液相線温度から前記材料の固相線温度よりも高い温度まで、溶融金属温度の低減を少なくとも部分的に制御し、
前記材料は、前記坩堝から流出あるいは排出される直前まで特定の固相率と液相率を有する、
ことを特徴とする上記4に記載の装置。
6.前記少なくとも1つの電気パラメータは、前記少なくとも1つの誘導コイルからのフィードバックから検出される、
ことを特徴とする上記1に記載の装置。
7.前記少なくとも1つの電気パラメータは、少なくとも部分的には、前記少なくとも1つの誘導コイルからのフィードバック信号から検出される、
ことを特徴とする上記2乃至5に記載の装置。
8.前記少なくとも1つの電気パラメータは、少なくとも部分的には、前記少なくとも1つの誘導コイルに近接するソレノイドコイルから検出される、
ことを特徴とする上記1に記載の装置。
9.前記少なくとも1つの電気パラメータは、少なくとも部分的には、前記少なくとも1つの誘導コイルに近接するソレノイドコイルから検出される、
ことを特徴とする上記2乃至7に記載の装置。
10.前記検出される少なくとも1つの電気パラメータの時間に対する導関数は、少なくとも部分的に使用され、前記材料の経時的な温度動向を決定する、
ことを特徴とする上記1に記載の装置。
ことを特徴とする上記2乃至9に記載の装置。
12.前記少なくとも1つの誘導コイルは、前記材料の加熱装置、冷却装置およびそれらを組み合わせた装置として機能する、
ことを特徴とする上記1に記載の装置。
13.前記少なくとも1つの誘導コイルは、前記材料の加熱装置、冷却装置およびそれらを組み合わせた装置として機能する、
ことを特徴とする上記2乃至11に記載の装置。
14.前記材料は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金である、
ことを特徴とする上記1に記載の装置。
15.前記材料は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金である、
ことを特徴とする上記2乃至13に記載の装置。
16.前記少なくとも1つの電気パラメータは連続的に検出される、
ことを特徴とする上記1に記載の装置。
17.前記少なくとも1つの電気パラメータは連続的に検出される、
ことを特徴とする上記2乃至15に記載の装置。
18.少なくとも1つの誘導コイルによって形成される磁界に曝される材料の少なくとも1つの特性を決定、監視、制御およびそれらを組み合わせて処理する方法であって、
前記方法は、
前記材料を材料容器の少なくとも1つの誘導コイルによって少なくとも一部が囲まれている空洞に導入し、
少なくとも1つの誘導コイルに電力を印加し、
前記電力が前記少なくとも1つの誘導コイルに印加されるときに、少なくとも1つの電気パラメータを直接的、間接的およびそれらを組み合わせて検出し、
少なくとも一部が前記検出される少なくとも1つの電気パラメータに基づいて、前記誘導コイルによって少なくとも一部が囲まれた領域内部の負荷抵抗、前記材料の抵抗率、前記材料の温度、前記材料の固相率、前記材料の液相率およびそれらの組み合わせを決定する、
ことを特徴とする。
19.前記材料容器内の前記材料温度、前記材料の前記固相率、前記材料の前記液相率およびそれらの組み合わせを少なくとも部分的に制御する前記検出される少なくとも1つの電気パラメータを使用するステップを含む、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
20.前記材料は金属あるいは金属合金であり、
前記金属あるいは金属合金は、前記金属あるいは金属合金の固相線温度より高い温度で前記材料容器に導入される、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
前記金属あるいは金属合金は、前記金属あるいは金属合金の固相線温度より高い温度で前記材料容器に導入される、
ことを特徴とする上記19に記載の方法。
22.前記材料容器は坩堝である、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
23.前記材料容器は坩堝である、
ことを特徴とする上記19乃至21に記載の方法。
24.前記材料はアルミニウムあるいはアルミニウム合金である、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
25.前記材料はアルミニウムあるいはアルミニウム合金である、
ことを特徴とする上記19乃至23に記載の方法。
26.前記材料は、前記少なくとも1つの誘導コイルによって生じる磁界によって前記材料容器内で少なくとも一部が撹拌される、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
27.前記材料は、前記少なくとも1つの誘導コイルによって生じる磁界によって前記材料容器内で少なくとも一部が撹拌される、
ことを特徴とする上記19乃至25に記載の方法。
28.前記検出された少なくとも1つの電気パラメータを用いて、前記少なくとも1つの誘導コイルに対して電力レベルを少なくとも部分的に制御する、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
29.前記検出された少なくとも1つの電気パラメータを用いて、前記少なくとも1つの誘導コイルに対して電力レベルを少なくとも部分的に制御する、
ことを特徴とする上記19乃至27に記載の方法。
30.前記電力レベルを制御する前記ステップが使用されて、前記材料の前記温度の低下を前記材料の固相線温度よりも高い温度に制御し、
前記材料は、前記材料容器から流出あるいは排出される直前まで特定の固相率および液相率を有する、
ことを特徴とする上記28に記載の方法。
前記材料は、前記材料容器から流出あるいは排出される直前まで特定の固相率および液相率を有する、
ことを特徴とする上記29に記載の方法。
32.前記少なくとも1つの電気パラメータを検出する前記ステップは、前記少なくとも1つの誘導コイルからのフィードバックから部分的に得られる、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
33.前記少なくとも1つの電気パラメータを検出する前記ステップは、前記少なくとも1つの誘導コイルからのフィードバックから部分的に得られる、
ことを特徴とする上記19乃至31に記載の方法。
34.前記少なくとも1つの電気パラメータを検出する前記ステップは、前記少なくとも1つの誘導コイルに近接する少なくとも1つのソレノイドコイルからのフィードバックから部分的に得られる、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
35.前記少なくとも1つの電気パラメータを検出する前記ステップは、前記少なくとも1つの誘導コイルに近接する少なくとも1つのソレノイドコイルからのフィードバックから部分的に得られる、
ことを特徴とする上記19乃至33に記載の方法。
36.前記材料が前記材料容器内に存在して、前記材料容器内の前記材料の温度動向を追跡するときに、前記検出された少なくとも1つの電気パラメータを連続的あるいは周期的に監視するステップを含む、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
37.前記材料が前記材料容器内に存在して、前記材料容器内の前記材料の温度動向を追跡するときに、前記検出された少なくとも1つの電気パラメータを連続的あるいは周期的に監視するステップを含む、
ことを特徴とする上記19乃至35に記載の方法。
38.前記検出された少なくとも1つの電気パラメータの時間に関連する導関数を求め、
前記導関数を用いて、前記材料容器内の前記材料の経時的な温度動向を少なくとも部分的に決定するステップを含む、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
39.前記検出された少なくとも1つの電気パラメータの時間に関連する導関数を求め、
前記導関数を用いて、前記材料容器内の前記材料の経時的な温度動向を少なくとも部分的に決定するステップを含む、
ことを特徴とする上記19乃至37に記載の方法。
40.目標となる電気パラメータを設定し、
前記検出された少なくとも1つの電気パラメータが前記目標となる電気パラメータと等しくなることに起因して、前記材料の前記温度が特定の温度となるように、前記少なくとも1つの誘導コイルに対する前記電力レベルを制御するステップを含む、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
前記検出された少なくとも1つの電気パラメータが前記目標となる電気パラメータと等しくなることに起因して、前記材料の前記温度が特定の温度となるように、前記少なくとも1つの誘導コイルに対する前記電力レベルを制御するステップを含む、
ことを特徴とする上記19乃至39に記載の方法。
42.目標となるサイクル時間を設定し、
前記目標となるサイクル時間と等しい期間中に前記材料容器内の前記材料の前記温度が特定の温度となるように、前記少なくとも1つの誘導コイルに対する前記電力レベルを制御するステップを含む、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
43.目標となるサイクル時間を設定し、
前記目標となるサイクル時間と等しい期間中に前記材料容器内の前記材料の前記温度が特定の温度となるように、前記少なくとも1つの誘導コイルに対する前記電力レベルを制御するステップを含む、
ことを特徴とする上記19乃至41に記載の方法。
44.前記目標となるサイクル時間は、前記材料が前記材料容器内に存在する間に、延長あるいは短縮される、
ことを特徴とする上記42に記載の方法。
45.前記目標となるサイクル時間は、前記材料が前記材料容器内に存在する間に、延長あるいは短縮される、
ことを特徴とする上記43に記載の方法。
46.前記少なくとも1つの誘導コイルは、前記材料の加熱装置、冷却装置およびそれらを組み合わせた装置として機能する、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
47.前記少なくとも1つの誘導コイルは、前記材料の加熱装置、冷却装置およびそれらを組み合わせた装置として機能する、
ことを特徴とする上記19乃至45に記載の方法。
48.前記材料容器内の前記材料が所望の温度、fsおよびそれらの組み合わせに達した後に、前記材料を成形あるいは鋳造機に投入するステップを含む、
ことを特徴とする上記18に記載の方法。
49.前記材料容器内の前記材料が所望の温度、fsおよびそれらの組み合わせに達した後に、前記材料を成形あるいは鋳造機に投入するステップを含む、
ことを特徴とする上記19乃至47に記載の方法。
・加工装置および方法は、金属装入物と物理的に接触せずに、加工中の材料容積中に存在する半固体/液体材料の割合を連続的あるいは間欠的に検出するように設計できる。
・収容装置あるいは坩堝は、グラファイトから形成されてもよい。
・収容装置あるいは坩堝は、ステンレス鋼合金から形成され、窒化シリコンおよび/または他の耐火性セラミック材料で裏打ちされてもよい。
・収容装置あるいは坩堝は、セラミック耐火物であってもよい。
・収容装置あるいは坩堝は、乾式の耐火性材料で満たされたソレノイド加熱/冷却コイル内に取り付けられてもよい。
・収容装置あるいは坩堝は、耐火性セメントの鋳造物を用いてソレノイド加熱/冷却コイル内に取り付けられてもよい。
・坩堝を囲むソレノイド誘導コイルは、冷却装置として使用されてもよい。
・坩堝を囲むソレノイド誘導コイルは、加熱装置として使用されてもよい。
・坩堝を囲むソレノイド誘導コイルは、検出装置として使用されてもよい。
・本発明は、非鉄合金を加工するのに使用されてもよい。
・アルミニウム合金は、発生機にとって好適な装入物材料である。
・本発明は、鉄合金を加工するために利用されてもよい。
・加工制御信号は、高周波電源への誘導加熱/冷却コイルのフィードバックによって検出されてもよい。
・加工制御信号は、装入物に近接する独立したソレノイドコイルによって検出されてもよい。
・装置および方法は、前記材料を製造し維持するために使用されるプロセスを、半固体材料の装入物が所望の固相率で成形機に輸送されるように、サイクル間で反復可能に制御できる。
・発生機は、装入物を汚染する何らかの中間材料が移されることを避けるために、多軸のロボットアームに取り付けられてもよい。
・装置は、溶融金属供給機および/または金属成形機に直接接続されてもよい。
・装置は、金属源および成形機に対して分離モードで利用されてもよい。
・発生機内の金属あるいは金属合金は、金属装入物の固相率および/または液相率を連続的に監視するために使用されてもよい。
・発生機の制御システムは、金属装入物の金属学的状態を、所定の状態に反復して連続的に制御するように設計できる。
・発生機内の金属装入物は、トロイダル状に混合されてもよい。
・分離された発生機は、頂部が開口して囲まれてもよく、酸化物の発生を抑制あるいは避けるために、不活性ガスが金属装入物の上方に導入されてもよい。
・溶融金属装入物22を発生機10に導入することから開始し、成形機、つまり、ショットスリーブ、スプルー、ファンネルなどに、加工されたSLM/SSMを輸送して終了するまでの間、SLM/SLMの状態を連続的あるいは周期的に検出すること。
・前記成形機に運搬される材料が、反復可能に処理され、一定温度を保ち、微細構造を有し、粘性状態にあることを確実にするために、SLM/SSMの冷却、加熱および/または撹拌を制御すること。
・介在容器や輸送ステップを用いずに、発生機10から前記成形機に金属装入物22を直接輸送すること。発生機10は、溶融金属源および/または前記成形機のいずれかから機械的に分離されていてもよい。もっとも、これは必須ではない。
Claims (22)
- 少なくとも1つの誘導コイルによって形成される磁界に曝される溶融あるいは半溶融金属材料の少なくとも1つの特性を決定、監視および/または制御する装置において、
前記装置は、
前記材料を収容するように設計された空洞を有する坩堝と、
少なくとも1つの電気パラメータを検出する検出装置と、を含み、
前記少なくとも1つの誘導コイルは、前記坩堝の前記空洞周りに少なくとも一部が配置され、
前記少なくとも1つの電気パラメータは、i)前記少なくとも1つの誘導コイルからのフィードバック、ii)前記少なくとも1つの誘導コイルに近接するソレノイドコイルからの情報、あるいはそれらの組み合わせから検出され、
前記少なくとも1つの電気パラメータは、前記誘導コイルによって少なくとも一部が囲まれた領域内部の負荷抵抗、前記材料の抵抗率、前記材料の温度、前記材料の固相率および/または前記材料の液相率を少なくとも部分的に決定するために使用される、
ことを特徴とする装置。 - 前記検出された少なくとも1つの電気パラメータに基づいて、前記少なくとも1つの誘導コイルに対する電力レベルを、少なくとも部分的に制御する制御装置を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記制御装置は、前記材料の液相線温度から前記材料の固相線温度よりも高い温度まで溶融金属の温度の減少を少なくとも部分的に制御し、
前記材料は、前記材料が前記坩堝から流出あるいは排出される直前まで特定の固相率と液相率を有する、
ことを特徴とする請求項3に記載の装置。 - 前記検出された少なくとも1つの電気パラメータの時間に対する導関数が少なくとも部分的に使用されて、前記材料の経時的な温度動向を決定する、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の装置。 - 前記少なくとも1つの誘導コイルは、加熱装置および/または冷却装置として機能する、
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の装置。 - 前記材料は、純アルミニウムあるいはアルミニウム合金であり、
前記アルミニウム合金は、少なくとも77.55重量パーセントのアルミニウムと、銅、鉄、マグネシウム、マンガン、ニッケル、珪素、スズ、チタン、および亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも2種類の金属を含む、
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の装置。 - 前記少なくとも1つの電気パラメータは連続的に検出される、
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の装置。 - 少なくとも1つの誘導コイルによって形成される磁界に曝される溶融あるいは半溶融金属材料の少なくとも1つの特性を決定、監視および/または制御する方法であって、
前記方法は、
前記材料を前記材料容器の少なくとも1つの誘導コイルによって少なくとも一部が囲まれた空洞に導入するステップと、
電力を、前記材料の加熱装置および/または冷却装置として機能する前記少なくとも1つの誘導コイルに印加するステップと、
前記電力が前記少なくとも1つの誘導コイルに印加されるときに、少なくとも1つの電気パラメータを検出し、前記少なくとも1つの電気パラメータが、i)前記少なくとも1つの誘導コイルからのフィードバックおよび/またはii)前記少なくとも1つの誘導コイルに近接するソレノイドコイルからの情報から検出されるステップと、
少なくとも一部が前記検出される少なくとも1つの電気パラメータに基づいて、前記誘導コイルによって少なくとも一部が囲まれた領域内の負荷抵抗、前記材料の抵抗率、前記材料の温度、前記材料の固相率および/または前記材料の液相率を決定するステップと、を含む、
ことを特徴とする。 - 前記検出された少なくとも1つの電気パラメータを用いて、前記材料容器内で、前記材料温度、前記材料の前記固相率および/または前記材料の前記液相率を少なくとも部分的に制御するステップを含む、
ことを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 前記材料は、前記材料の固相線温度よりも高い温度で前記材料容器に導入される、
ことを特徴とする請求項8または9に記載の方法。 - 前記材料は純アルミニウムあるいはアルミニウム合金であり、
前記アルミニウム合金は、少なくとも77.55重量パーセントのアルミニウムと、銅、鉄、マグネシウム、マンガン、ニッケル、珪素、スズ、チタンおよび亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも2種類の金属を含む、
ことを特徴とする請求項8乃至10のいずれか1項に記載の方法。 - 前記材料は、前記少なくとも1つの誘導コイルによって発生される磁界によって、前記材料容器内で少なくとも一部が撹拌される、
ことを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項に記載の方法。 - 前記検出された少なくとも1つの電気パラメータを用いて、前記少なくとも1つの誘導コイルに対する電力レベルを少なくとも部分的に制御するステップを含む、
ことを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項に記載の方法。 - 前記電力レベルを制御するステップが使用されて、前記材料の固相線温度よりも高い温度までの前記材料の前記温度の減少を制御し、
前記材料は、前記材料が前記材料容器から流出あるいは排出される直前まで特定の固相率および液相率を有する、
ことを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 前記材料が前記材料容器に存在して、前記材料容器内の前記材料の温度動向を追跡するときに、前記検出された少なくとも1つの電気パラメータを連続的あるいは周期的に監視するステップを含む、
ことを特徴とする請求項8乃至14のいずれか1項に記載の方法。 - 前記検出された少なくとも1つの電気パラメータの時間に関連する導関数を求め、前記導関数を用いて、前記材料容器内の前記材料の経時的な温度動向を少なくとも部分的に決定するステップを含む、
ことを特徴とする請求項8乃至15のいずれか1項に記載の方法。 - 目標となる電気パラメータを設定し、
前記検出された少なくとも1つの電気パラメータが前記目標となる電気パラメータと等しくなることに起因して、前記材料の前記温度が特定の温度となるように、前記少なくとも1つの誘導コイルに対する前記電力レベルを制御するステップを含む、
ことを特徴とする請求項8乃至16のいずれか1項に記載の方法。 - 目標となるサイクル時間を設定し、
前記目標となるサイクル時間と等しい期間中に前記材料容器内の前記材料の前記温度が特定の温度と等しくなるように、前記少なくとも1つの誘導コイルに対する前記電力レベルを制御するステップを含む、
ことを特徴とする請求項8乃至17のいずれか1項に記載の方法。 - 前記材料容器内の前記材料が所望の温度、fsおよびそれらの組み合わせに達した後に、前記材料を成形あるいは鋳造機に投入するステップを含む、
ことを特徴とする請求項8乃至18のいずれか1項に記載の方法。 - 前記材料の前記温度は、熱電対によって測定されない、
ことを特徴とする請求項8乃至19のいずれか1項に記載の方法。 - 前記材料の前記温度および粘度は、前記材料が前記容器に投入されるときから前記材料が前記容器から排出されるまで連続的に監視される、
ことを特徴とする請求項8乃至20のいずれか1項に記載の方法。 - 前記材料の前記温度は、前記材料が前記容器に投入されるときから前記材料が前記容器から排出されるまで連続的に監視および制御される、
ことを特徴とする請求項8乃至21のいずれか1項に記載の方法。
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