JP2017159338A - 鋳造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の鋳造装置1によれば、それぞれのガス供給ノズル22が、鋳型Mの移動に対応して、冷却ガスCGの吐出端221の位置を調整できるので、冷却ガスCGの吹き付けによる鋳型Mの高い冷却能力を安定して得ることができる。吐出端221の位置を調整するには、ガス供給ノズル22を進退移動させる、あるいは、ガス供給ノズル22を伸縮させればよい。また、冷却室5は、放射により鋳型Mを冷却する放射冷却部25を備えることができ、放射冷却部25は、加熱室4と冷却室4を区切る遮熱体7の直下に設けられるガス供給ノズル22よりも下方に配置される。
【選択図】図1
Description
凝固速度を速くする手段として、例えば特許文献1に記載されるように、冷却室において不活性ガスからなる冷却ガスを鋳型へ吹き付けることが行われる。
本発明における冷却室は、鋳型に向けて冷却ガスを吹き付ける、単数又は複数のガス供給ノズルを有するガス冷却部を備え、それぞれのガス供給ノズルは、鋳型の移動に対応して、冷却ガスの吐出端の位置が調整される、ことを特徴とする。
本発明の鋳造装置は、それぞれのガス供給ノズルが、鋳型の移動に対応して、冷却ガスの吐出端の位置を調整することで、吐出端と鋳型との距離を一定に維持できるので、冷却ガスの吹き付けによる高い冷却能力を安定して得ることができる。または、吐出端と鋳型との距離を一定か否かにかかわらず、最適な距離に調整できるので、冷却ガスの吹き付けによる高い冷却能力をさらに安定して得ることができる。
本発明において、ガス供給ノズルを、水平方向に延びるスリット状のノズル開口を有するものにできる。
本発明において、ガス供給ノズルは、その吐出端を下向きにできる。
本発明における放射冷却部は、加熱室と冷却室を区切る遮熱体の直下に設けられるガス冷却部よりも下方において、ガス冷却部と鉛直方向に直列に配列されることが好ましい。
この放射冷却部は、ガス冷却部の下方において鋳型の周囲を取り囲み冷却水が循環する、円筒状の水冷ジャケットであることが好ましい。
この鋳造装置において、単数又は複数のガス供給ノズルを、水平方向に回転することで、吐出端の位置を調整できる。
鋳造装置1は、高い温度で機械的強度が要求される、例えば、ガスタービン用の動翼、静翼等の部品を方向性凝固が適用される精密鋳造によって製造する。鋳造装置1は、特に、冷却ガスによる鋳型の冷却能力を最大限に発揮することを目的としてなされたものである。
また図2は、鋳造装置1の内部に鋳型Mを収容した様子を示している。図2に示すように、冷却室5の内部には、鋳型Mを昇降させる駆動ロッド8と、駆動ロッド8の頂部に設けられ、鋳型Mを下方から支持するとともに冷却する冷却テーブル9が設けられている。
鋳型Mのキャビティは、上端に上部開口MAが、また、下端に下部開口MBが設けられており、上下方向に貫通している。そして、上部開口MAより溶融状態の合金Aが鋳型Mのキャビティへ充填可能とされている。また、下部開口MBは冷却テーブル9によって下方から閉塞されるとともに、この冷却テーブル9によって鋳型Mの底壁が構成される。
注湯室3は、注湯時に、図示を省略する注湯取鍋に溜められた溶融状態の合金Aを、注湯ノズル11を介して鋳型Mに注ぐ。注湯ノズル11は、注湯室3と加熱室4の境界をなす遮熱体6に支持されている。図示を省略する注湯取鍋は、真空室2を真空にする前に外部から注湯室3に導入され、その後、真空室2を真空に減圧してから、注湯取鍋から溶融状態の合金Aを注湯する。
遮熱体7は、図1及び図2に示すように、加熱室4と冷却室5の境界において、冷却室5の内壁面5Aからその中心に向かって水平方向に突出して設けられている。また、この遮熱体7には、その中央部に加熱室4と冷却室5とを連通する鋳型通路7Aが形成されており、この鋳型通路7Aの開口径は、鋳型Mの最大の太さを有するフランジFよりも大きく設定されている。鋳型Mは、真空室2の中央部に配置されるものであり、遮熱体7の鋳型通路7Aを通じて、加熱室4と冷却室5との間を上下方向に移動可能とされている。
冷却室5は、注がれた溶融状態の合金Aを凝固させる領域であり、鋳型Mの内部へ注がれた合金Aの融点よりも低い温度に保持されるとともに、溶融状態の合金Aを強制的に冷却する冷却機構20を備えている。
加熱室4で溶融状態の合金Aを受け取った鋳型Mは冷却室5に移動するが、この鋳型Mが移動する向きを基準に上流と下流を定義する。
ガス冷却部21は、図示を省略するガス供給源から供給される冷却ガスCGを噴出する複数のガス供給ノズル22と、ガス供給ノズル22を進退させるアクチュエータ23と、を備えている。ガス供給ノズル22は、鋳型Mが移動するのに対応して、移動することによりその吐出端221の位置が調整される。
ガス供給ノズル22は、鉛直方向については、図1に示すように、遮熱体7の直下に設けられるとともに、水平方向については、図2に示すように、鋳型Mを周囲から取り囲むように、水平方向に放射状に設けられており、鋳型Mを水平方向に均一に冷却できる。ガス供給ノズル22は、鋳型Mに対向する先端である吐出端221から冷却ガスCGを鋳型Mに向けて吹き付ける。ガス供給ノズル22から鋳型Mに向けて吹き付けられる冷却ガスCGは、合金Aの酸化を抑制するために、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)などの不活性ガスを用いることが好ましい。また、冷却ガスCGの温度は、常温程度であれば十分であるが、特に凝固速度を速くしたいときには、常温よりも低い温度の冷却ガスCGを用いることができる。
放射冷却部25は、熱伝導率の高い銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などで形成された、例えば円筒状の水冷ジャケット26の内部に形成された通路を冷却媒体、例えば冷却水CWが循環する構造を有している。放射冷却部25は、鋳型Mをその周囲から取り囲むことで、中空部分を通過する高温の鋳型Mが放射冷却される。
放射冷却部25は、ガス冷却部21のガス供給ノズル22の直下に隣接して設けられており、ガス供給ノズル22と放射冷却部25は、鉛直方向に直列に配列されている。
駆動ロッド8は、図1及び図2に示すように、冷却室5の底壁5Bを貫通して設けられ、冷却テーブル9を支持しながら図示を省略するアクチュエータにより、冷却室5の内部を昇降する。
次に、以上の構成を備える鋳造装置1における鋳造の動作を説明する。
<注湯ステップ>
図2に示すように、冷却テーブル9を介して鋳型Mを支持した状態で、駆動ロッド8を最も高い位置に移動させて、下端の一部を除いて鋳型Mを加熱室4の内部に配置する。そして、図示を省略する溶解炉で溶解された合金Aを、鋳型Mの上部開口MAより鋳型Mの内部へ注ぐ。
加熱室4は、合金Aの融点よりも高い温度に保持されているので、鋳型Mに注がれた溶融状態の合金Aが凝固することがない。一方で、鋳型Mへ注がれた合金Aの下端部は冷却テーブル9に接することで優先的に凝固され、薄い凝固部分である凝固界面が形成される。
必要な量の合金Aを注湯したならば、図3に示すように、駆動ロッド8を降下させることで、遮熱体7の鋳型通路7Aを通じて鋳型Mを冷却室5の内部へ緩やかな速度で移動させる。このときの鋳型Mの移動速度は、例えば1時間に数十センチ程度とされる。
鋳型Mを降下させながら、ガス供給ノズル22から鋳型Mに向けて冷却ガスCGを吹き付けるとともに、水冷ジャケット26に冷却水CWを循環させることで、冷却機構20は遮熱体7の直下において鋳型Mを冷却する。駆動ロッド8の降下動作に連動してアクチュエータ23を動作させることで、それぞれのガス供給ノズル22を後退させる。これにより、それぞれのガス供給ノズル22から鋳型Mまでの距離を一定に保つ。
鋳型Mを降下させる過程で、図4に示すように、鋳型Mの最も太い部分が遮熱体7の鋳型通路7Aを通過するときに、ガス供給ノズル22が最も後退する後退位置に達する。この後退位置においても、それぞれのガス供給ノズル22から鋳型Mまでの距離が一定に保たれる。
本実施形態の鋳造装置1によれば、以下の効果を奏する。
鋳造装置1は、冷却室5において鋳型Mが降下するのにともなって、ガス供給ノズル22から冷却ガスCGを吹き付けて冷却するとともに、放射冷却部25による放射冷却をすることによって、鋳型Mの下端から上端に向かって冷却が行なわれる。したがって、本実施形態によれば、鋳型Mを冷却する速度を速くすることで温度勾配と凝固速度を向上しながら、方向性凝固を行なうことができる。これにより、機械的強度を増大した鋳造品を、鋳造欠陥を抑制しながら製造できる。
ここで、ガス供給ノズル22の進退に変えて、冷却ガスCGの供給量を増減することもできるが、これだと多量の冷却ガスCGが必要になるのに比べて、本実施形態は、冷却ガスCGの供給量を一定の最小限に抑えることができるので、鋳造品の製造コストを低く抑えることができる。しかも、ガス供給ノズル22を進退させる機構は簡易である利点もある。ただし、本発明に加えて冷却ガスCGの供給量を増減することを排除するものではない。
特に、冷却機構20は、上からガス冷却部21、放射冷却部25の順に配置しており、降下する鋳型Mはガス供給ノズル22から吹き付けられる冷却ガスCGで冷却され、その後に、放射冷却部25により放射冷却に給される。したがって、本実施形態によれば、ガス冷却部21と放射冷却部25の鉛直方向の配列が逆の場合に比べて、鋳型M自身の温度が高い加熱室4を出てすぐの領域に冷却ガスCGを供給できるために、ガス冷却部21による冷却性能を最大限に発揮させることができる。
例えば、図5に示すように、加熱室4から、所定の領域の周囲に配置された複数の鋳型M(M1,M2,M3,M4)を移動して、当該複数の鋳型Mに供給された溶融金属を方向性凝固させる鋳造装置1において、複数の鋳型M(M1,M2,M3,M4)を加熱室4より移動する駆動ロッド8と、所定の領域の内側から複数の鋳型M(M1,M2,M3,M4)を冷却ガスにより冷却する放射冷却部25と、所定の領域の外側から複数の鋳型M(M1,M2,M3,M4)を、ガス供給ノズル22から冷却ガスを吹き付けることにより冷却するガス冷却部21を備える、鋳造装置1に対しても好適に適用することができる。
この鋳造装置1の場合は、図5(a)に示すようにガス供給ノズル22を進退させることもできるが、図5(b)に示すようにガス供給ノズル22を回転Rさせることにより、例えばその吐出端の位置を鋳型M(M1,M2,M3,M4)と干渉しない位置に移動させることもできる。
スリット状のノズル開口222を備えるガス供給ノズル22を用いると、冷却ガスCGの吐出流速が均一となることにより、鋳型Mの表面を均一に冷却できる。
また、複数のガス供給ノズル22のそれぞれを水平方向に回転させることもできる。具体的には、図8(b−1)、(b−2)に示すように、ガス供給ノズル22〜22Hを回転することにより、ガス供給ノズル22〜22Hで取り囲まれる領域を広狭させることができる。
ガス供給ノズル22の移動は、例示した図8に限るものでなく、例えば、図8(a−1)、(a−2)は複数のガス供給ノズル22〜22Hをグループの単位で平行移動させるが、複数のガス供給ノズル22をグループの単位で回転移動させることもできる。
さらに、移動の形態としては、水平方向の移動だけでなく、鉛直方向に移動させてもよく、例えば、水平方向に回転軸を設定して、この回転軸を中心にしてガス供給ノズル22を揺動させることもできる。
2 真空室
3 注湯室
4 加熱室
4A 内壁面
5 冷却室
5A 内壁面
6 遮熱体
7 遮熱体
7A 鋳型通路
8 駆動ロッド
9 冷却テーブル
11 注湯ノズル
12 加熱ヒータ
20 冷却機構
21 ガス冷却部
22,22A,22B,22C,22D,22E,22F,22G ガス供給ノズル
221 吐出端
222 ノズル開口
23 アクチュエータ
25 放射冷却部
26 水冷ジャケット
CG 冷却ガス
CW 冷却水
M 鋳型
MA 上部開口
MB 下部開口
Claims (11)
- 鋳型に溶融金属が注がれる加熱室と、
前記加熱室に隣接して設けられ、前記溶融金属が注がれた前記鋳型を移動させながら方向性凝固を行なう冷却室と、を備える鋳造装置であって、
前記冷却室は、
前記鋳型に向けて冷却ガスを吹き付ける、単数又は複数のガス供給ノズルを有するガス冷却部を備え、
それぞれの前記ガス供給ノズルは、前記鋳型の移動に対応して、前記冷却ガスの吐出端の位置が調整される、
ことを特徴とする鋳造装置。 - 前記ガス供給ノズルは、
移動することにより、前記吐出端の位置を調整する、
請求項1に記載の鋳造装置。 - 前記ガス供給ノズルは、
進退移動することにより、前記吐出端の位置を調整する、
請求項1に記載の鋳造装置。 - 前記ガス供給ノズルは、
定位置において伸縮することにより、前記吐出端の位置を調整する、
請求項1に記載の鋳造装置。 - 複数の前記ガス供給ノズルが、前記鋳型を取り囲むように、水平方向に放射状に設けられる、
請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の鋳造装置。 - 前記ガス供給ノズルは、
水平方向に延びるスリット状のノズル開口を有する、
請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の鋳造装置。 - 前記ガス供給ノズルは、
前記吐出端が、下向きとされている、
請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の鋳造装置。 - 前記冷却室は、
放射により前記鋳型を冷却する放射冷却部を備え、
前記放射冷却部は、
前記加熱室と前記冷却室を区切る遮熱体の直下に設けられる前記ガス冷却部よりも下方において、前記ガス冷却部と鉛直方向に直列に配列される、
請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の鋳造装置。 - 前記放射冷却部は、
前記ガス冷却部の下方において前記鋳型の周囲を取り囲み冷却水が循環する、円筒状の水冷ジャケットである、
請求項8に記載の鋳造装置。 - 複数の前記鋳型を備え、
それぞれの前記鋳型に対応する単数又は複数の前記ガス供給ノズルは、
前記鋳型の移動に対応して、前記吐出端の位置が調整される、
請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の鋳造装置。 - 前記単数又は複数の前記ガス供給ノズルは、
水平方向に回転することで、前記吐出端の位置が調整される、
請求項10に記載の鋳造装置。
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