JP2014195811A

JP2014195811A - 球状黒鉛鋳鉄用溶湯の球状化処理反応判定方法

Info

Publication number: JP2014195811A
Application number: JP2013071516A
Authority: JP
Inventors: 千春佐藤; Chiharu Sato; 浩永島; Hiroshi Nagashima; 伊津雄山代; Itsuo Yamashiro
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP6135998B2

Abstract

【課題】解決しようとする課題は、鋳造前の取鍋内における球状化剤による球状化処理反応の判定を安定して行うことが可能で、かつ故障しにくい球状黒鉛鋳鉄用溶湯の球状化処理反応判定方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、球状化処理反応中に取鍋開口部から放出される白煙を上方に整流させた状態で該白煙の遮光度の時間変化を計測することによって、当該取鍋内に収容した球状黒鉛鋳鉄用溶湯の球状化処理反応の状態を判定することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、球状黒鉛鋳鉄用溶湯の球状化処理反応判定方法に関するものである。

鋳鉄鋳物の中でも球状黒鉛鋳鉄鋳物は強度と靭性が大きく成形しやすいため、自動車用部品をはじめ種々の部品に広く適用されている。黒鉛を球状化させる処理（以下、球状化処理という。）の方法は、溶解炉等で溶解され成分が調整された溶湯（以下、原料溶湯という。）に所定量のマグネシウムやマグネシウムを含む合金その他の黒鉛球状化剤（以下、球状化剤という。）を添加する方法が採用されている。

但し、原料溶湯と球状化剤との反応により得られる球状黒鉛鋳鉄用溶湯は時間経過に伴い球状化剤の効力が低下して鋳物の黒鉛球状化率が低下するため、球状化処理後の球状黒鉛鋳鉄用溶湯を長時間保持することは好ましくない。このため球状化剤の添加は一般に注湯取鍋毎に実施されている。なかでも、取鍋の底部に所定量の球状化剤を置き、その上に球状化剤と原料溶湯との反応開始を原料溶湯注入完了後にまで遅らせる目的で使用する鉄屑等のカバー材で覆った状態で、溶解炉より原料溶湯を注ぎ、取鍋内で原料溶湯と球状化剤を反応させて球状黒鉛鋳鉄用溶湯を製造する、いわゆるサンドイッチ法が広く採用されている。

ところが、取鍋に投入する球状化剤が不足、もしくはカバー材が過剰となった場合、または取鍋に注入する原料溶湯が低い温度となってしまった場合には、取鍋内での原料溶湯と球状化剤とが十分に反応しないために、当該取鍋から注湯され製造された鋳物は黒鉛の球状化が不十分となって、強度と靭性が不足した不良品となってしまう。黒鉛の球状化の状態は鋳物の外観からはその判別が不可能であるため、検査工程における不良品の判定とその仕分けに多大な工数を要する。また、これら不良品を製造するのに使用した鋳型や中子も無駄になってしまい、製造コストの大幅な上昇をきたしてしまう。

このため、取鍋内での原料溶湯と球状化剤との反応状態を鋳造前に確認し、十分に反応した球状黒鉛鋳鉄用溶湯を収納した取鍋のみを鋳造工程に送り、反応が不十分な溶湯を収納した取鍋は工程から除外することが球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造コスト抑制のために重要である。

取鍋内での原料溶湯と球状化剤との反応状態を鋳造前に確認する従来の方法として例えば特許第２７７７７５５号に、取鍋の内部に設けた収容室内に黒鉛球状化剤を注湯量に応じて収容し、該黒鉛球状化剤の表面部分を鉄片等のカバー材で覆って溶湯を注入させる取鍋を載置板上に載置させ、該載置板の下部に一定重量が該載置板に加わると開閉するスイッチを介して電源と受光管とを接続し、溶湯中に生じる白色光を受光する該受光管を該取鍋の上方に設置すると共に、該受光管と該受光管で受光した受光信号を判別する作動回路とを接続してなり、該作動回路のコントロールユニットの作動により所定時間内に所定回数の白色光を確認することを特徴とするマグネシウム反応確認法が開示されている。

特許第２７７７７５５号公報

特許文献１に開示の方法は、球状化処理における原料溶湯と球状化剤との反応の際に生じる白色光を受光する受光管を取鍋の上方に設置し、所定時間内に発生する白色光の発光回数を検出し、所定の発光回数に満たない取鍋を球状化処理反応が十分でない異常なものとして検出するものである。しかし白色光と同時に、球状化剤に由来するマグネシウム酸化物を主成分とする白煙も発生する。この白煙は作業環境上好ましくないため、球状化処理中に取鍋上方から天井ファンなどによる排気、または取鍋を集塵フードで覆って白煙を周囲に飛散させずに白煙を吸引排気することが行われている。したがって、白煙が発生する状態で白色光を受光する受光管を取鍋の上方に設置する特許文献１の方法を採用する場合、白煙の主成分である酸化物が受光管に付着するために白色光の発光回数を正しく計測できない恐れがあるだけでなく、取鍋からの対流による高温の空気に受光管が曝されるため故障しやすい恐れがある。

本発明は、上記従来技術の問題に対し本発明者らが鋭意研究してなされたものであり、鋳造前において、球状化剤による球状化処理反応状態の測定精度を確保してその判定を適切に行うことが可能で、かつ故障しにくい球状黒鉛鋳鉄用溶湯の球状化処理反応判定方法を提供することを目的としている。

このような課題に対して、本発明者らは、球状化処理反応の際に発生する白煙の量の指標となる白煙の遮光度の時間変化と、球状化処理がなされた後の溶湯を鋳造して得られた鋳物の黒鉛の球状化の良／不良との間に相関があることを見出し、本発明に想到した。すなわち、本発明は、取鍋の内部に球状化剤を収容し、該球状化剤をカバー材で覆い、その後取鍋に原料溶湯を注入する球状化処理により球状黒鉛鋳鉄用溶湯を製造するための球状黒鉛鋳鉄用溶湯の球状化処理反応判定方法において、球状化処理反応中に取鍋開口部から放出される白煙について、該白煙を上方に整流させた状態、好ましくは上方に一定の排気速度で整流させた状態で該白煙の遮光度の時間変化を計測して、当該取鍋内に収容した球状黒鉛鋳鉄用溶湯の球状化処理反応の状態を判定することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄用溶湯の球状化処理反応判定方法である。

本発明によれば、上記目的を達成することができる。

発明を実施するための一形態における鋳鉄溶湯の球状化処理反応判定方法を説明するための図である。図１の鋳鉄溶湯の球状化処理反応判定方法における判定アルゴリズムを説明するための図である。

本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明を実施するための一形態における鋳鉄溶湯の球状化処理反応判定方法を説明するための図である。

取鍋１の内部に原料溶湯の注入量に応じた量の球状化剤２を収容し、球状化剤２をカバー材３で覆い、その後取鍋１へ原料溶湯の注入が完了すると、カバー材３が原料溶湯に融解し、原料溶湯と球状化剤２と接触して球状化処理反応が起こる。球状化処理中の原料溶湯（以下、鋳鉄溶湯ということがある。）は球状化処理反応中に取鍋開口部４から白煙５を取鍋１の外部に放出するが、取鍋１の上方から白煙５を定常的に排気することで白煙５が整流されて揺らぎや滞留が抑制され、かつ白煙５の遮光度の時間変化を取鍋１の上測方から計測することで、白煙５の遮光度の時間変化を適切にかつ非接触で測定することが可能となる。そして一定以上の遮光度を継続する時間を確認することで、取鍋１に収容した鋳鉄溶湯の球状化処理反応の状態を判定することができる。

次に、白煙の発生量を遮光度にて適切に測定するための、白煙５を上方に整流させる方法について詳しく説明する。図１において、取鍋１の取鍋開口部４から放出される白煙５は、取鍋１の本体や取鍋１に収容された鋳鉄溶湯の熱によって加熱された空気の対流によって周囲に拡散するが、白煙５が大きく揺らいだり取鍋開口部４付近に滞留したりすると、後記に説明する白煙の遮光度を適切に測定できない。このため、取鍋１に対する投光器６と受光器７を一定の位置に配置することと、フード付きダクトなどの排気装置８を用いて上方から白煙５を吸引し、例えば取鍋開口部４からの高さＨｖにおいて好ましくは一定の排気速度Ｖになるようにして白煙５を上方に整流させる、好ましくは上方に定常状態に整流させる。なお、図１ではフード付きダクトを取鍋１の上方に近接させた例を示すが、これに限定されず、例えば天井ファンなどその他の排気装置を用いて白煙５を取鍋１の上方に整流させた状態を得ることができれば、開放環境に取鍋１を置いてもよい。また、周囲の乱れた空気流の影響により白煙の整流が得にくい場合は、フードを延長またはフードにカーテン等を連接させて取鍋１の一部または全部を覆う等、周囲の乱れた空気流の影響を排除してもよい。

次に、白煙の遮光度（以下、白煙遮光度という）を測定する方法について詳しく説明する。白煙遮光度は白煙５に光線を照射したときの白煙５を透過した後の光線の強度とする。使用する光線は直進性に優れ減衰しにくい赤外線レーザーが好ましいが、これに限定されない。白煙遮光度は、例えば１〜５Ｖで出力される計測器を使用して測定する。図１において、計測器は、光線９を発する投光器６と、投光器６に対向して光線９を受ける受光器７と、投光器６に対して投光ＯＮ/ＯＦＦ信号を発しまた受光器７からの受光信号を受けて１〜５Ｖの電圧信号を出力するアンプユニット１０と、アンプユニット１０を制御し１〜５Ｖの電圧の値を表示し、記録し、かつある設定値において警報信号を出力する機能を持つコントローラ１１と、コントローラ１１からの警報信号を作業者に光または音で感知させる警報機１２から構成される。投光器６と受光器７との間に光線９の透過を妨げる遮蔽物が存在しない場合は５Ｖの電圧が、また投光器６と受光器７との間を邪魔板などで完全に遮って光線が透過しない状態では１Ｖの電圧が、アンプユニット１０から出力される。出力された値をそのまま１〜５のレンジでコントローラ１１に表示させてもよいが、例えば１Ｖのときの表示は０に、５Ｖのときの表示は１０になるように０〜１０のレンジに変換するなどして表示してもよい。投光器６と受光器７は取鍋１の上測方から白煙５を挟むように互いに水平に対向させ、かつ光線９の光束中心の高さが取鍋開口部４からの高さに対してＨｓとなるように配置する。なお、Ｈｓは必ずしも一義的に定まる値ではなく、白煙５の揺らぎによる影響が少ない位置になるように複数回の試行を繰り返して決定する場合もある。このように投光器６と受光器７は取鍋１に対して上測方に離れて配置するため、取鍋１からの熱や機械的衝撃による故障が生じにくい。また排気装置８により白煙５が上方に吸引されることにより投光器６と受光器７は白煙５に直接に曝露されにくくなり、安定した信頼性の高い測定が可能である。また操業中に付着する塵埃に対しては作業者が適宜払拭できる位置にあるため、安定した測定とメンテナンスが容易である利点がある。

次に、白煙遮光度を用いて球状化処理反応の良／不良を判定するための基準を決める方法を示す。ただし、ここで示す基準を決める方法は一例であって、その他の方法で決めてもよい。

先ず、鋳造された鋳物が黒鉛球状化不良（以下、球状化不良という場合がある）となる球状化処理条件を予め把握する方法について説明する。球状化不良が生じる要因は種々あるが、鋳物工場の実操業で起こりうる主な要因は、次の３点のいずれか１つ、またはそれらのうちの２つ以上の組み合わせである。すなわち、第１に原料溶湯に対して球状化剤の量が不足する場合、第２に原料溶湯の出湯温度が異常に低い場合、そして第３にカバー材の量が過剰な場合である。

そこで、実際の生産に用いる取鍋を使って、上記３つの条件、すなわち原料溶湯に対する球状化剤の量、原料溶湯の出湯温度、原料溶湯に対するカバー材の量を様々に変化させた条件で球状化処理し、各条件において鋳造した試験片の黒鉛球状化率を測定する実験を行う。この実験は閾値を決めるために予備的に実施するものであるので、実験する球状化処理条件の数は多いことが望ましく、また各球状化処理条件については複数回実験を行うことがより望ましい。また、黒鉛球状化率の測定法は種々あるが、例えばＪＩＳＧ５５０２に開示の測定法で測定する。

次に、上記の実験において、当該の製造者が合格であると定める黒鉛球状化率（一般には８０％）以上となった球状化処理条件の中から、黒鉛球状化率が最小であった球状化処理条件（以下、閾値判定用条件Ａという。）、および、当該の製造者が合格であると定める黒鉛球状化率未満となった球状化処理条件の中から、黒鉛球状化率が最大であった球状化処理条件（以下、閾値判定用条件Ｂという。）を選ぶ。

そして、閾値判定用条件Ａおよび閾値判定用条件Ｂについて、それぞれ前記の白煙遮光度の測定方法にて、球状化処理反応の経過時間に対する白煙遮光度の変化を測定する。

測定結果を模式的に示すと、例えば図２のようになる。すなわち白煙遮光度表示値を１．０〜５．０のレンジとし、白煙遮光度表示値が小さいほど白煙遮光度が大きいものとして表したグラフにおいて、閾値判定用条件Ａの白煙遮光度の時間変化曲線１３（実線）と閾値判定用条件Ｂの白煙遮光度の時間変化曲線１４（破線）を、ある白煙遮光度表示値を基準として、それ以下の値を継続している時間同士を比較すると、閾値判定用条件Ｂは閾値判定用条件Ａに対して短くなるため、白煙の発生量が少ないことを定量的に区別することができる。つまり図２において、例えば基準となる白煙遮光度表示値（以下、閾値という。）を２．０とした場合に、閾値以下を継続する時間（以下、閾値以下継続時間という。）は、閾値判定用条件ＡではｔＡであるのに対して閾値判定用条件ＢではｔＢであり、ｔＡ＞ｔＢとなる。そこで、白煙遮光度の計測時間中にｔＡに達しないときは、当該取鍋の鋳鉄溶湯は球状化処理反応が不十分である恐れがあるため、直ちに警報機１２により作業者に通報されるようにしておく。

次に本発明の具体的な実施例を図１および図２を用いて説明するが、これにより本発明が限定されるものではない。

図１において、原料溶湯を１．５トン収容可能な内容積の取鍋１に、球状化剤２を東洋電化製ＴＤＣＲ−５、カバー材３を打ち抜き鋼屑として、図示しない溶解炉から原料溶湯を注入して球状化処理を行い、排気装置８をフード付きダクトとして球状化処理中に生じる白煙５を整流させた状態にて、赤外線レーザーを発する投光器６とこれを受ける受光器７を共にキーエンス製ＬＸ２−０３とし、アンプユニット１０をキーエンス製ＬＸ２−６０とし、白煙遮光度の表示値のレンジを１．０〜５．０としたコントローラ１１をキーエンス製ＲＤ−５０とし、警報機１２を警報ブザーとして構成された計測器を用いて、種々の球状化処理実験を行った結果、取鍋開口部高さから光線の光束中心までの高さＨｓ＝５ｃｍ、白煙を取鍋開口部の上方に整流を得る条件として排気速度測定高さＨｖ＝５０ｃｍにおける排気速度Ｖ＝１．５ｍ／ｓとし、図２において、閾値を２．０、閾値以下継続時間ｔＡを５ｓと決定した。

以上の条件において図示しない溶解炉から原料溶湯を１．５トン、出湯温度１５００℃にて取鍋１に出湯し、球状化剤２を原料溶湯に対して１重量％である１５ｋｇ、カバー材３を１８ｋｇとした場合の鋳鉄溶湯の白煙遮光度を計測した。白煙遮光度の計測時間１０ｓの間に、閾値以下継続時間が５ｓ以上であったため警報ブザーは作動しなかった。この取鍋から黒鉛球状化率確認用の試験片に鋳鉄溶湯を採取し凝固させた後、ＪＩＳＧ５５０２に開示の方法により黒鉛球状化率を測定したところ黒鉛球状化率は８３％であり、黒鉛球状化率は合格と判定された。

次いで、球状化剤２の量を原料溶湯重量１．５トンに対して０．７重量％である１０．５ｋｇとして、他の条件は上記に同じとした場合の鋳鉄溶湯の白煙遮光度を計測した。この場合においては、白煙遮光度の計測時間１０ｓの間に閾値以下継続時間が５ｓに満たず、警報ブザーが作動した。これを受けて作業者は当該取鍋を次工程には搬送せずに工程から除外し、黒鉛球状化率確認用の試験片を採取した後、当該取鍋の鋳鉄溶湯を図示しない溶解炉に戻した。採取した試験片の黒鉛球状化率の測定結果は６９％であり黒鉛球状化率は不合格であると判定された。

１：取鍋
２：球状化剤
３：カバー材
４：取鍋開口部
５：白煙
６：投光器
７：受光器
８：排気装置
９：光線
１０：アンプユニット
１１：コントローラ
１２：警報機
１３：閾値判定用条件Ａの白煙遮光度の時間変化曲線
１４：閾値判定用条件Ｂの白煙遮光度の時間変化曲線
Ｈｖ：排気速度Ｖを測定するための取鍋開口部からの高さ
Ｈｓ：取鍋開口部から光線の光束中心までの高さ
ｔＡ：閾値判定用条件Ａの閾値以下継続時間
ｔＢ：閾値判定用条件Ｂの閾値以下継続時間

Claims

取鍋の内部に球状化剤を収容し、該球状化剤をカバー材で覆い、その後取鍋に原料溶湯を注入する球状化処理により球状黒鉛鋳鉄用溶湯を製造するための球状黒鉛鋳鉄用溶湯の球状化処理反応判定方法において、球状化処理反応中に取鍋開口部から放出される白煙について、該白煙を上方に整流させた状態で該白煙の遮光度の時間変化を計測して、当該取鍋内に収容した球状黒鉛鋳鉄用溶湯の球状化処理反応の状態を判定することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄用溶湯の球状化処理反応判定方法