JP4327908B2 - 分配炉 - Google Patents

Description

この発明は、液体金属を収容するための容器と容器内における液体金属のレベルを検出するための装置とを備えた分配炉に関する。
分配炉からの液体金属を分配するためには、分配用チューブの中を上昇する金属コラムの高さを検出しなければならない。なぜなら、分配量はこの検出に基づいて計算されるからである。また、金属コラムの高さの検出をもとにして、他のパラメータ（例えば、様々な圧力）を考慮して、炉内の液体のレベルの高さを求めることも可能である。米国特許第4220319号には、分配炉におけるセンサ構造が開示されている。ここでは、センサは、金属表面に対して直角又はほぼ直角に立てられた金属ニードルを有しており、このニードルが液体金属の表面と接触すると信号を発生する。センサ構造の損耗を低減するために、金属ニードルは、接触すると、自動機械システムによって金属表面から旋回して離されるようになっている。従来のこの構造はいろいろな欠点を有している。特に、機械式スイベルシステムは大きな出費を強いることになり、非常に高価であり、スイベル動作にもかかわらず金属ニードルの摩耗は比較的大きい。第一に、ニードルは、液体アルミニウムと接触すると、化学プロセスによって変質する可能性がある。さらに、ニードル上にアルミニウムや酸化アルミニウムが堆積することによって、測定精度が損なわれる。
実際、上述した金属ニードルの摩耗のために、ニードルを研磨、洗浄、交換する必要があり、従って、走査位置を長期間にわたって保持することができない。さらに、再現性のある走査を可能にする調節補助手段が実際には存在しない。特に、分配用チューブの放出端部に対する走査位置は、分配炉においては、特に重要である。非常に良好な再現性のもとに分配を行うためには、ニードルは分配用チューブの放出端部において液体金属の放出位置を正確に検出する必要がある（ニードルと放出端部は同じ高さに位置する必要がある）。しかし、実際には、検出位置は上述したような金属ニードルに対するメインテナンスや修理作業によってずれるだけでなく、設置する高さによって放出端部の位置が決まる分配用チューブの交換によってもずれる。耐火性の球体の製造公差が大きいことにより、新たな分配用チューブや新たなシールなどを設置すると、放出端部は垂直高さが最大10mmまでずれる可能性がある。
分配炉においては、上述したような理由によって、放出端部に対する走査位置が例えば5mmずれると、分配した金属の重量は一般に4%変わってくる。分配精度は1から2%が必要である。アクセスが悪いのと、走査領域が熱くなっているために、走査中にはニードルは調節されない。そのかわりに、圧力や時間の分配パラメータを変更することによって、又は、我々の場合には積分法（圧力を時間で）による周知の方法で求められる分配重量（metering weight）を変更することによって、分配重量におけるひずみが補正される。これは、様々な鋳造の分配パラメータを蓄積している鋳造作業員が蓄積された値に対して何度も何度も修正を加えなければならないという欠点を内包している。なぜなら、走査条件、従って分配は実際には一定ではないからである。
上述した金属ニードルの別の欠点はその動作原理（溶融した液体金属に対する接触の必要性）に起因している。わずかな時間のあとに溶融金属の表面に形成される例えば非導電性の酸化アルミニウムの層がニードルによってまず突き破られなくてはならない。ニードルの針圧のために、金属表面のかたまり（bulging）が下方へ向けて発生する。この結果、一方では測定結果が不正確になる（ニードルが深すぎる位置で突き破ったあとに信号を発生するため、実際よりも溶融金属が少ないように測定される）。さらに、酸化表面が突き破られたあと、ニードルが溶融状態の液体金属の中へ必要以上に押し込まれ、その結果、上述した金属ニードルの摩耗が促進される。
ドイツ連邦共和国公開公報第4420712号（DE-OS4420712）には、液体金属のレベルを検出する別のセンサ構造が開示されている。この構造では、センサは導電性セラミックスから成っており、容器又は供給パイプ（ascending pipe）の壁と同じ高さまで挿入されている。
この発明の目的とするところは、液体金属を収容するための容器と、容器の中の液体金属のレベルを検出するための装置とを有する分配炉であって、良好な精度でレベルを検出でき、構造が簡単で安価であり、センサ上への金属（酸化物）の堆積が最小限に抑えられ、堆積による測定のひずみを防ぐことのできる分配炉を開発することである。
この発明においては、この目的は、主クレームの前文に記載された特徴と主文に記載された特徴とによって達成されている。
つまり、管状のプローブがガス供給源へ連結されていて、ガス供給源からプローブを介してその流出開口部の外へ予め決められた圧力のガスが放出されるという事実のために、プローブは空間を介して容器と係合される。このため、圧力測定装置によって検出することのできる圧力はプローブの内側の様々な液体金属のレベルと関連付けることができる。そして、決められた圧力の閾値において、圧力測定装置は液体金属の特定のレベルに応じた信号を発生する。これにより、低コストであるにもかかわらず高い信頼性で液体金属のレベルを検出できる簡単な装置が形成される。
電気的接触による先に述べた方法と違って、この発明においては、例えばアースが不要である。ガスを使用した間接的な測定に基づく走査システムは、摩耗がなく、しっかりと設置することができ、走査条件が一定であるという利点をさらに有している（ガスを「介在」させたことにより、プローブと溶融金属との間の直接接触が極小化され、さらにプローブ上の堆積が厚くならないため、ガスの流れ条件に顕著な影響が及ぼされない）。一方において、セラミックチューブの走査位置の高さは変わらないし（しっかりと設置されている）、他方において放出端部に対するその位置も変わらない（しっかりと設置されている）。これは、分配用チューブが時によって分配炉より高く又は低く設置されても、走査条件が一定に留まることを意味している。さらに、（例えば導電性セラミックスから形成された上述したセンサにおけるように）時間によって導電性の変化に起因する測定値のひずみがなくなる。
従属クレームに示されている対策を通じて、利点の多い開発や改良が可能である。チューブ又はプローブは分配炉の壁又は供給パイプの中へしっかりと挿入されており、液体のレベルが供給パイプのところを通過すると所望の信号が発生する。
プローブは好ましくはセラミックから形成されており、これによって、プローブ上への金属の堆積の可能性は最小限に抑えられる（特に、セラミックスとアルミニウムとの組み合わせの場合に顕著である）。しかし、薄い堆積が起きることもあるが（例えば、プローブの粗さのために）、そのような場合でも、この発明によるプローブにおいては、その機能が損なわれることはない。これに対し、電気接触に基づく測定システムにおいては、薄い堆積であっても完全な機能不全を引き起こす可能性がある。
内径が2mm未満のセラミックスから形成されたプローブでは、特にその効果が顕著である。例えば、セラミックス上のアルミニウムにおいて生じる表面張力のために、（ガスが存在しないときでも）プローブは液体アルミニウムによってブロックされない。
別の実施の形態においては、圧力スイッチを有する圧力測定装置が形成されている。圧力スイッチはプローブから流れるガスの中の圧力変動を測定するために、圧力感度が調節される。圧力変動は、プローブが液体金属のレベルに達したとき（又は液体金属によってブロックされたとき）に発生するものであり、例えば、分配炉の供給バルブを閉じるための信号として使用される。圧力スイッチを調節できるために、動作中でも、各フィッティング箇所の条件に簡単に適応させることが可能である。
ある変形例においては、液体金属のレベルを検出するための複数の装置が分配炉に設けられている。複数の装置の各々は流出開口部を備えたプローブを有している。これらの流出開口部が相互に並列に（液体金属の静止したレベルに関して）配置されていると、液体金属の表面が動いている場合には、レベルはプローブ中で測定された圧力を適正に平均化することによって検出される。もし、これらの流出開口部が相互に上下に並んでいる場合には、広い制限範囲内でレベルを検出することができる。
この発明の実施の形態が例として図面に示されており、それについて以下に詳述されている。
図１は、供給パイプを有する分配炉の断面図である。
図２は、供給パイプの壁の中へ挿入された管状プローブの端部の部分拡大図である。
図１は容器１２を有する分配炉１を示している。容器１２の中には浴槽２が形成されており、例えば、アルミニウムなどの液体金属がその中に収容されている。供給パイプ３が分配炉１の中に挿入されており、分配炉１の壁４を貫いて外部へ通じている。液体金属は供給パイプ３を介して分配される。この分配は、例えば（センサ装置によって）容器１２の内部の圧力を制御することによって、供給パイプ３を介して排出パイプ１３の中へ液体金属を導入することによって行うことができる。排出パイプ１３はこの目的のために設けられた例えば鋳造用の型の中へ溶融金属（好ましくはアルミニウム）を充填する。ここで重要なことは、容器１２から押し出される溶融金属の量が鋳造用の型の容積に適合していることである。分配を行うためには、分配炉中の（すなわち供給パイプ３の中の）金属コラムの高さを正確に検出する必要がある。この検出には空気圧センサ装置６が使用される。
空気圧センサ装置は管状のプローブ５を有している。プローブ５はセラミックスから形成されていることが好ましく、図２に示されているように供給パイプ３の壁７の中に挿入されている。そうするために、壁７の中には例えば穴８が設けられている。穴８は段付きの穴として形成されている。径の大きい穴の部分の中にあるプローブ５の端部は外側から供給パイプの壁７の中へ押し付けられるか又は接着されており、場合によっては押しつけられた状態で接着されている。段付きの穴８の小さい方の直径は、パイプ５の内径にほぼ対応している。プローブ５は圧力測定装置９を介してガス供給源１０へ接続されている。ガス供給源は特定の圧力のガスをプローブ５へ供給している。ガスはプローブの前端部から穴８を介して流出する。供給パイプの中の金属のレベルがプローブの端部に近づくと、プローブの端部におけるガスの流れ条件が変化して、プローブの中に圧力変化が生じる。この圧力変化は圧力測定装置９によって測定される。従って、これは間接的なレベル測定方法である。なぜなら、充填レベルの検出が直接的に（例えばこの目的のために設けられた接触部材と接触することによって）行われるものではないからである。そのかわりに、測定しようとしている金属のレベルが、（ガス供給源から決められた圧力で流出するガスの）特定の流れ条件に対して与える影響が測定されるのである。この影響は流出するガスの中の圧力変化を通してプローブ５中で測定することができる。この圧力変化によって、液体金属のレベルに関する情報を得ることが可能である。測定可能な圧力変化は、プローブ５（又は穴８）の開口した端部が液体金属によって塞がれたときに、特にはっきりと起きる。
液体金属のレベルを正確に検出するために、実際に測定するまえに、レベルが近づいているとき、すなわちレベルが上昇しているときの圧力曲線が測定される。そして、レベルがプローブ５の端部に対して予め決められた作用状態を形成するところで圧力の閾値が決定される。そして、圧力測定装置９は対応する信号を発生し、その出力部１１から他の評価制御／調節装置へ伝送する。
プローブ５の中の圧力を測定することができるものであれば、任意の測定装置を圧力測定装置９として用いることができる。例えば、ブリッジ回路を用いることができる。ブリッジ回路では、ソリッド（solid）直径を有する二つのスロットルがガス供給源１０へ並列に接続されている。第１のスロットルの出力は可変断面を有するスロットルへ接続されており、第２のスロットルの出力はプローブ５へ接続されている。定断面を有する第１及び第２のスロットルの出力の間には、測定用のフラスコが配置されている。フラスコは圧力変動に応じてその位置を変える。可変スロットルを調節することによって、フラスコの両側において圧力がほぼ等しくなるように、測定装置を平衡状態にすることができる。金属のレベルの近接又は通過の結果として、プローブ５の先端すなわち穴８における流れ条件が変化すると、測定用のフラスコの位置が変化し、それによって、存在する圧力についての情報が与えられる。測定用のフラスコの位置は例えばリードコンタクトによって検出することができる。
別の実施の形態においては、いわゆる圧力スイッチが用いられている。この圧力スイッチの調節範囲はおよそ0.5〜5ミリバール（50〜500Pa）である。これらのスイッチは内側に膜を有し、その膜にはコンタクトが押し当てられている。膜の一方のサイドは周囲圧力へ接続されており、他方のサイドは走査チューブすなわちプローブ５へ接続されている。プローブ５が液体で塞がれると、走査プローブ５の中の圧力、従って膜の一方のサイドの圧力が上昇し、膜は固定されたコンタクトへ押し付けられ、膜上のコンタクトが固定コンタクトと接触する。これによって、圧力が閾値に達したときに電流が流れるようになる。
圧力感度の調節は簡単であり、目盛りが設けられたネジの助けを借りて固定コンタクトと膜との間の隙間を調節するだけでよい。つまり、ネジの位置に応じて、固定コンタクトと膜コンタクトとの間の距離が大きくなったり小さくなったりし、その結果として、両方のコンタクトを相互に接触させるのに必要な圧力をより大きくしたり小さくしたりすることができる。
例えば容器１２から供給パイプ３及び排出パイプ１３を通じて鋳造用の型へ供給するための分配プロセスにおいて、穴８又はプローブ５がブロックされる可能性があるため、これらの開口部がブロックされることに対して保護を行う必要がある。これは、第１に、ガス供給源からの圧力を利用して行われる。これによって、穴８が閉じたときに、溶融金属がプローブまで流れ込まないようになる。さらに、プローブやそれを取り囲んでいる構造部材（供給パイプ、容器の壁の一部）の材料を適正に選択することによって、溶融金属の堆積を著しく防止することができる。この発明においては、プローブ５の内径又は連結用の穴８の内径を2mm未満に選択することによって、さらには、材料の組み合わせを適正に選択（プローブ５のうち溶融金属と接触する部分の材料として、及び連結用の穴８を含む部材である供給パイプ３の材料としてセラミックスを選択）することによって、溶融金属によるブロックが抑制されている。つまり、特定の材料の組み合わせ（例えば、セラミックスと液体アルミニウムとの間）で発生する表面張力を利用して、ブロックを防止することが可能である。このことは、この発明における極めて重要な点であり、例えば、鋳造の型においては非常に小さなキャビティでも溶融金属で満たされるという事実に基づくものである。
この発明の別の実施の形態においては、液体金属のレベルを検出するための複数の装置が単一の分配炉に設けられている。これらの装置は流出開口部を備えたプローブをそれぞれ有している。これらの流出開口部が相互に並列に（例えば液体金属の静止したレベルに関して）配置されている場合、液体金属の表面が動いているとき（例えば、分配炉の中へ充填するプロセスのとき）には、レベルは適当な平均値として検出される。従って、金属のレベルが動くことによって生じ得る全ての測定誤差が著しく排除される。しかしながら、広い制限範囲内でレベルを検出できるようにするために、上述した流出開口部を上下に配置することも可能である。

Claims (5)

1. 液体金属を収容するための容器（１２）と、容器の中の液体金属のレベルを検出するための少なくとも一つのレベル検出装置とを有し、レベル検出装置は、ガス供給源（１０）へ連結されるとともに容器（１２）に設けられた供給パイプ（３）の壁の中へ挿入固定された管状のプローブ（５）と、ガス供給源（１０）とプローブ（５）との間に連結された圧力測定装置（９）とを有し、プローブはその流出開口部が供給パイプ内に位置するように配置され、ガス供給源からのガスがプローブを介してその流出開口部の外へ放出され、圧力測定装置が供給パイプ（３）内の液体金属のレベルに起因するプローブの開口部におけるガスの流れ条件の変化に応じてプローブ（５）の中に生じた圧力状態の変化を検出するように構成されている分配炉（１）であって、
   圧力測定装置（９）がプローブの開口部が液体金属によってブロックされたときにプローブの内側に生じる圧力変化を検知してそれに対応する信号を発生する圧力スイッチであることを特徴とする分配炉。
2. 前記プローブ及び供給パイプ（３）の少なくとも一方がセラミックスで形成されている請求項１記載の分配炉。
3. 前記プローブ（５）が供給パイプ（３）の壁（７）に形成された穴（８）の中へ押し付けられるか又は接着され又は押し付けられた状態で接着されている請求項１又は２記載の分配炉。
4. 前記プローブ（５）の流出開口部及び供給パイプ（３）の壁に形成された穴（８）の少なくとも一方が5mm未満の内径を有している請求項２又は３記載の分配炉。
5. 前記圧力スイッチの圧力感度が調節可能ある請求項１から４のいずれか一項記載の分配炉。

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