JP4490590B2 - Ｃｇｉ鋳物またはｓｇｉ鋳物を製造する方法、鋳鉄溶湯に添加するべき構造改良剤の量を決定する方法、そのための設備およびコンピュータープログラム製品 - Google Patents

Description

本発明は、一定の鋳鉄溶湯が固化するときにとる微細構造を予測するための改良された方法に関するものである。本発明はまた、この方法を実施するための設備に関するものである。
発明の背景
ＷＯ８６／０１７５５（参考文献として添付）は熱分析を用いてＣＶ黒鉛鋳鉄を製造する方法を開示している。溶融した鋳鉄の湯だまりからサンプルを採取し、このサンプルを０．５ないし１０分間かけて固化させる。２個の温度感応手段によって同時に温度を記録する。２個の温度感応手段のうち１個はサンプルの中央部に、他の１個は容器壁の直近に置かれる。鋳鉄サンプルの温度を時間の関数として表した、いわゆる冷却曲線を、２個の温度感応手段のそれぞれについて記録する。この文献によれば、このようにして所望の微細構造を得るために溶湯に添加するべき構造改良剤の所要量を決定することが可能になる。
【０００１】
ＷＯ９２／０６８０９（参考文献として添付）は、ＷＯ８６／０１７５５の方法によって得られた曲線を評価するための、具体的な方法を記載している。この文献によれば、熱分析は活性状態の構造改良剤を消費するような物質でコーティングされたサンプル容器中で行われる。このような物質はＳｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＫおよびＮａの酸化物であってもよい。容器壁の近傍に位置する一定の温度感応手段によって記録された冷却曲線の初期の高原部は、コーティング層との相互作用によってフレーク状黒鉛が形成されたことを示す。このようにして、ＣＶ黒鉛鋳鉄を得るために構造改良剤を溶湯に加えるべきかどうかを、較正データを用いて決定することができる。
【０００２】
工業的な大規模鋳物工場においてＣＶ黒鉛鋳鉄を鋳造するときは、鋳物の微細構造の正確で信頼性ある予測を行い得ることが最も重要である。時には、実際はフレーク状黒鉛が生成しているにも係わらず、解釈しにくい冷却曲線がＧＣＩとしてみなされている。したがって、評価の正確さを改善するために、冷却曲線の正規の現れ方からのずれを補正することができるような、冷却曲線評価法の別法が求められている。
発明の概要
今回、溶融鋳鉄のサンプルを入れたサンプル容器の熱伝達を調べることによって、溶融鋳鉄サンプルが固化するときにとる微細構造を正確に予測することが可能であることがわかった。この方法はコンピューターを用いる自動化にも良く適合している。
定義
ここに開示される“冷却曲線”とは、温度を時間の関数として表したグラフのことであり、このグラフはＷＯ８６／０１７５５およびＷＯ９２／０６８０９に開示されている方法で記録されたものである。
【０００３】
ここに用いられる“発熱曲線”とは、溶融鋳鉄の一定の領域で発生した熱量を時間の関数として表したグラフのことである。本発明の目的からは、発熱曲線は溶融鋳鉄サンプルの中央部に位置する領域（Ａ領域）と、溶融鋳鉄サンプルの周辺部領域（Ｂ領域）について、それぞれ測定される。発熱曲線の測定法は、後に詳しく説明する。
【０００４】
ここに開示される“サンプル容器”とは、溶融鋳鉄のサンプルを満たして熱分析に供するために用いられる、小型のサンプルコンテナのことである。次いで溶融鋳鉄の温度は、固化の過程で適当な方法で記録される。好ましくはサンプル容器は、ＷＯ８６／０１７５５、ＷＯ９２／０６８０９、ＷＯ９１／１３１７６（参考文献として添付）、ＷＯ９６／２３２０６（参考文献として添付）、またはＰＣＴ／ＳＥ９８／０２１２２に開示されるような設計となっている。
【０００５】
ここに開示される“サンプリング装置”とは、分析に際して固化中の金属サンプルに浸漬される、少なくとも二つの熱分析用の温度感応手段と、サンプル容器に溶融金属を満たすための手段とを装備したサンプル容器からなる装置のことである。サンプル容器は好ましくはＷＯ９６／２３２０６またはＰＣＴ／ＳＥ９８／０２１２２の図２に開示される方法で、前記センサーを装備している。
【０００６】
ここに開示される“構造改良剤”とは、溶融鋳鉄中の黒鉛の形態に影響する化合物のことである。適当な化合物はマグネシウムおよびセリウムなどの希土類金属、またはこれらの混合物からなる群から選択することができる。溶融鋳鉄中の構造改良剤の濃度と、固化した鋳鉄の黒鉛の形態との関係については、これまでに上述の文献ＷＯ９２／０６８０９およびＷＯ８６／０１７５５で論じられている。
【０００７】
ここで開示される“ＣＧＩ”とはＣＶ黒鉛鋳鉄のことである。
【０００８】
ここで開示される“ＳＧＩ”とは球状黒鉛鋳鉄のことである。
【０００９】
以下において本発明を添付の図面を参照しつつ説明するが、その図面は次の通りである。
【００１０】
図１は、本発明に関連して用いられるサンプル容器の概念的な略図である。このようなサンプル容器において熱は全方向に均一に伝達される。したがってこのようなサンプル容器に入れられた溶融鋳鉄は凝固する球体と見なされる。この図において、凝固する球体は二つの領域ＡおよびＢに分けられる。半径ｒ₁およびｒ₂はそれぞれ領域ＡおよびＢの平均半径である。
【００１１】
図２は、ＣＧＩの冷却曲線および対応する発熱曲線を開示している。図２〜図７において、次の省略記号が用いられる：Ｔ_A＝中央部で記録された冷却曲線、Ｔ_B＝周辺部で記録された冷却曲線、Ｐ_A＝中央部の発熱、Ｐ_B＝周辺部の発熱。
【００１２】
図３は、低球状度ＣＧＩの冷却曲線および対応する発熱曲線を開示している。測定中に、サンプル容器中で壁コーティング層との反応によってフレーク状黒鉛が形成される。
【００１３】
図４は、高い炭素当量を含有する鋳鉄の冷却曲線および対応する発熱曲線を開示している。
【００１４】
図５は、近共晶鉄の冷却曲線および対応する発熱曲線を開示している。
【００１５】
図６は、共晶鉄または過共晶鉄の冷却曲線および対応する発熱曲線を開示している。
【００１６】
図７は、グレーフレーク状鉄の冷却曲線および対応する発熱曲線を開示している。
【００１７】
図８は、本発明によってＣＶ黒鉛鋳鉄の製造を管理するための設備の概念図である。
発明の詳細な説明
上記において開示したように、本発明は、一定の溶融鋳鉄が固化するときにとる微細構造を、サンプルの熱的な経過を測定することによって予測することに関する。特に本発明は、二つのサンプル領域（サンプル中央部の一つの領域と、中央部領域を囲む一つの周辺部領域）と環境との間の熱伝達を測定することに関する。熱量の導関数を時間の関数として表したグラフを検討することによって、正確な予測が可能になる。
【００１８】
任意の均一な要素の熱平衡は次の関係式で表される：
Ｑ_stored＝Ｑ_generated＋Ｑ_in−Ｑ_out …（１）
ここでＱ_storedは材料の熱容量によって蓄積された熱量であり、Ｑ_generatedはこの容積の材料によって発生した熱量であり、Ｑ_inは環境から材料に伝達された熱量であり、Ｑ_outはこの容積のサンプルから環境に伝達された熱量である。
本発明を実施するに当たっては、ＳＥ９７０４４１１−９に開示されているサンプル容器を用いるのが有利である。このようなサンプル容器においては、容器に入れられたサンプルにおける熱伝達は全方向にほぼ同じである。以下において、サンプル容器中の溶融鋳鉄の中央部（図１、領域Ａ）とその周辺部分（図１、領域Ｂ）との間の熱伝達を説明する。Ａ領域は凝固する球体の中央部に位置するので、この領域に持ち込まれる熱量はなく、したがってＱ_inはゼロである。これを上記の関係式（１）に適宜代入すると下記の式が得られる。
Ｃ_pｍ_AｄＴ_A／ｄｔ＝Ｑ_genA＋０−４πｋｅ［（Ｔ_A−Ｔ_B）／（１／ｒ₁−１／ｒ₂）］ …（２）
ここでＣｐは単位質量あたりの熱容量であり、ｍ_AはＡ領域の質量であり、ｄＴ_A／ｄｔは単位時間当たりのＡ領域の温度変化であり、ｋｅは材料の有効熱伝達係数であり、（１／ｒ₁−１／ｒ₂）^-1は熱伝達の平均距離である。半径ｒ₁およびｒ₂は図１に定義されている。Ｔ_AおよびＴ_BはＡ領域およびＢ領域のそれぞれの温度である。
【００１９】
式（２）から発熱の項を分離して、Ａ領域における全体発熱量の平均を計算することができる。
Ｑ_genA＝Ｃ_pｍ_AｄＴ_A／ｄｔ＋４πｋｅ［（Ｔ_A−Ｔ_B）／（１／ｒ₁−１／ｒ₂）］ …（３）
式（３）においてｄＴ_A／ｄｔおよび（Ｔ_A−Ｔ_B）を除いてすべての変数は定数である。したがって式（３）は次のように単純化される：
Ｑ_genA＝ｋ₁ｄＴ_A／ｄｔ＋ｋ₂（Ｔ_A−Ｔ_B） …（４）
ここでｋ₁およびｋ₂は定数である。この式を用いてＡ領域に対応する発熱曲線が、溶融鋳鉄サンプルの中央部および周辺部で測定された冷却曲線のセットから計算される。
Ｂ領域の熱平衡は領域Ａの熱平衡に似ている。ただしこの領域に持ち込まれる（Ａ領域から）熱量と、この領域から持ち出される（環境へ）熱量がいずれも存在する。したがって関係式（１）の項Ｑ_inはゼロではない。関係式（１）に適宜代入すれば次の式が得られる：
Ｃ_pｍ_BｄＴ_B／ｄｔ＝Ｑ_genB＋４πｋｅ［（Ｔ_A−Ｔ_B）／（１／ｒ₁−１／ｒ₂）］−［ｈ（Ｔ_B−Ｔ_S）＋εＡ_Bσ（Ｔ_B ⁴−Ｔ_S ⁴）］ …（５）
ここで、上記の式（２）および（３）に関連して定義された変数に加えて、ｈは環境への対流熱損失であり、Ｔ_Sは環境の温度であり、εＡ_Bσはスタイン−ボルツマンの放射の法則における適当な定数である。
【００２０】
最後の項について、総計放射熱損失と対流熱損失の比は一定とみなすことができるから：
Ｃ＝εＡ_B／ｈ …（６）
したがって、領域Ｂの発熱項Ｑ_genBを分離すれば：
Ｑ_genB＝Ｃ_pｍ_BｄＴ_B／ｄｔ−４πｋｅ［（Ｔ_A−Ｔ_B）／（１／ｒ₁−１／ｒ₂）］−ｈ［（Ｔ_B−Ｔ_S）＋Ｃσ（Ｔ_B ⁴−Ｔ_S ⁴）］ …（７）
式（７）においてｄＴ_B／ｄｔ、（Ｔ_A−Ｔ_B）、およびＴ_Bを除くすべての変数は定数であるから、式（７）は次のように単純化することができる：
Ｑ_genB＝ｋ₃ｄＴ_B／ｄｔ−ｋ₄（Ｔ_A−Ｔ_B）＋ｋ₅Ｔ_B＋ｋ₆Ｔ_B ⁴−ｋ₇ …（８）
式（４）および（８）を、ＷＯ８６／０１７５５およびＷＯ９２／０６８０９に開示される方法で記録された冷却曲線に適用することによって、対応する発熱曲線を決定することができる。図２（Ａ）〜図６（Ａ）は色々な種類の冷却曲線を開示しており、図２（Ｂ）〜図６（Ｂ）は対応する発熱曲線を開示している。
【００２１】
既に述べたように、これらの計算は熱が全方向に均一に伝達されるような状況に基づいている。当業者はもちろん、他の熱伝達状況に対応する他の式を決定することもできる。
【００２２】
色々な種類の発熱曲線の間の差は、対応する冷却曲線よりも大きい。ＣＧＩ（図２）の場合は、Ｂ領域の放熱を表す曲線には大小二つの明瞭なピークがある。これに対して低球状度ＣＧＩ（図３）の放熱は非常に大きいので、これら二つのピークは分離し難い。このことはまた高炭素当量鋳鉄（図４）の曲線にもあてはまる。一次オーステナイトのピークがＡ領域の曲線に現れている。近共晶鉄（図５）の発熱曲線には依然として小さなオーステナイトのピークが現れているが、共晶または過共晶鉄（図６）の曲線ではピークは消滅している。グレーフレーク状鉄（図７）ではＢ領域の発熱曲線の第一のピークが圧倒的である。
【００２３】
特に多数の測定値を処理しなければならないときは、コンピューター制御されたシステムを用いて予測法を実施するのが有利である。このようなシステムは図８に略図で示されている。溶融鋳鉄のサンプルが採取されてサンプル容器２２に移される。個々のサンプルの測定の過程で、二つの温度感応手段１０、１２がコンピューター手段１４に信号を送り、かくして冷却曲線および対応する発熱曲線が、例えば式（３）および（６）を用いて生成される。コンピューターはＲＯＭユニット１６にある較正データを利用して溶湯に加えるべき構造改良剤の量を計算する。較正データは例えば過去に記録された、公知の量の構造改良剤または公知の微細構造に対応するモデル曲線である。好ましい実施例では、これはエキスパートシステムとして用いられる。添加するべき構造改良剤の量の信号が手段１８に送られると、該手段が構造改良剤を修正するべき溶湯２０に添加する。かくして溶湯に適量の構造改良剤が供給される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関連して用いられるサンプル容器の概念的な略図である。
【図２】ＣＧＩの冷却曲線および対応する発熱曲線を示す図である。
【図３】低球状度ＣＧＩの冷却曲線および対応する発熱曲線を示す図である。
【図４】高い炭素当量を含有する鋳鉄の冷却曲線および対応する発熱曲線を示す図である。
【図５】近共晶鉄の冷却曲線および対応する発熱曲線を示す図である。
【図６】共晶鉄または過共晶鉄の冷却曲線および対応する発熱曲線を示す図である。
【図７】グレーフレーク状鉄の冷却曲線および対応する発熱曲線を示す図である。
【図８】本発明によってＣＶ黒鉛鋳鉄の製造を管理するための設備の概念図である。

Claims (6)

1. ＣＧＩ鋳物、またはＳＧＩ鋳物を製造する方法であって、サンプリング装置と、少なくとも二つの冷却曲線記録手段と、鋳物の製造原料である溶融鋳鉄に単数または複数の構造改良剤を添加する手段とを要する前記方法であり、
   該方法は：ａ）前記鋳物の製造原料である溶融鋳鉄のサンプルを用意し、前記サンプルをサンプル容器に入れるステップと；
   ｂ）サンプル容器の中心からそれぞれｒ₁およびｒ₂の距離にある場所で少なくとも二つの冷却曲線を同時に記録するステップと；
   ｃ）下記の情報を用いて少なくとも二つの発熱曲線を決定するステップと；
   ｉ）熱平衡式： Ｑ _stored ＝Ｑ _generated ＋Ｑ _in −Ｑ _out
   ここでＱ _stored は材料の熱容量によって蓄積された熱量であり、Ｑ _generated はこの容積の材料によって発生した熱量であり、Ｑ _in は環境から材料へ伝達された熱量であり、Ｑ _out は環境へ伝達された熱量である；および
   ｉｉ）前記ｂ）において記録された冷却曲線
   ｄ）ステップｃ）で得られた発熱曲線を、過去にステップａ）、ｂ）、ｃ）と同じ条件で公知の構造改良剤濃度について決定された発熱曲線と比較するステップと；
   ｅ）ステップｄ）の比較に基づいて溶湯に添加するべき構造改良剤の量を決定するステップと；
   ｆ）前記構造改良剤添加手段に、正確な量の構造改良剤を溶湯に添加させるステップと；
   ｇ）鋳造作業を実施するステップと；
   からなる、ＣＧＩ鋳物、または必要に応じてＳＧＩ鋳物を製造する方法。
2. 前記サンプル容器は、溶融鋳鉄で満たされたときに実質的に均一に全方向に熱が伝達される形式のものであることを特徴とする、請求項１による方法。
3. ＣＶ黒鉛鋳鉄を製造することができることを特徴とする、請求項１または請求項２による方法。
4. ＣＧＩ、またはＳＧＩを得るために一定の鋳鉄溶湯に添加するべき構造改良剤の量を決定する方法であって、サンプリング装置、および少なくとも二つの冷却曲線記録手段を要する前記方法であり、該方法は：ａ）前記鋳物の製造原料である溶融鋳鉄のサンプルを用意し、前記サンプルをサンプル容器に入れるステップと；
   ｂ）サンプル容器の中心からそれぞれｒ₁およびｒ₂の距離にある場所で少なくとも二つの冷却曲線を同時に記録するステップと；
   ｃ）下記の情報を用いて少なくとも二つの発熱曲線を決定するステップと；
   ｉ）熱平衡式： Ｑ _stored ＝Ｑ _generated ＋Ｑ _in −Ｑ _out
   ここでＱ _stored は材料の熱容量によって蓄積された熱量であり、Ｑ _generated はこの容積の材料によって発生した熱量であり、Ｑ _in は環境から材料へ伝達された熱量であり、Ｑ _out は環境へ伝達された熱量である；および
   ｉｉ）前記ｂ）において記録された冷却曲線；
   ｄ）ステップｃで得られた発熱曲線を、過去にステップａ）、ｂ）、ｃ）と同じ条件で公知の構造改良剤濃度について決定された発熱曲線と比較するステップと；
   ｅ）ステップｄ）の比較に基づいて溶湯に添加するべき構造改良剤の量を決定するステップと；
   からなる、前記方法。
5. ＣＧＩ鋳物、またはＳＧＩ鋳物を製造するために添加するべき構造改良剤の量をリアルタイムで決定するための設備であって、該設備は：
   サンプル容器内部でサンプル容器の中心からｒ₁の距離に配置された、第一の冷却曲線を記録するための第一の温度センサー（１０）と；
   サンプル容器内部でサンプル容器の中心からｒ₂であって、ｒ ₁ より大きなｒ ₂ の距離に配置された、第二の冷却曲線を記録するための第二の温度センサー（１２）と；
   溶湯に添加するべき構造改良剤の量値（Ｖａ）を決定するためのコンピューター装置（１４）と；
   公知の構造改良剤濃度について決定された発熱曲線を有するメモリー手段（１６）と； を有し、
   前記コンピューターは、前記サンプル容器の一つの中央部領域と一つの周辺部領域に関する発熱曲線を決定するように設定されており、前記コンピューターは発熱曲線の決定のために：
   ｉ）熱平衡式： Ｑ_stored＝Ｑ_generated＋Ｑ_in−Ｑ_out
   ここでＱ_storedは材料の熱容量によって蓄積された熱量であり、Ｑ_generatedはこの容積の材料によって発生した熱量であり、Ｑ_inは環境から材料へ伝達された熱量であり、Ｑ_outは環境へ伝達された熱量である；および
   ｉｉ）前記第一と第二の温度センサー（１０、１２）によって記録された第一と第二の冷却曲線； を適用し、 コンピューターは、前記発熱曲線を公知の構造改良剤濃度について決定された発熱曲線と比較することによって、溶湯に添加するべき構造改良剤の量値（Ｖａ）を決定するように設定されている、前記設備。
6. ＣＶ黒鉛鋳鉄の鋳物を製造する工程において鋳鉄溶湯（２０）に添加するべき構造改良剤の量をリアルタイムで決定するための設備に用いられるコンピュータープログラム製品であって、前記設備は；
   サンプル容器内部でサンプル容器の中心からｒ₁の距離に配置された、第一の冷却曲線を記録するための第一の温度センサー（１０）と；
   サンプル容器内部でサンプル容器の中心からｒ ₁ より大きなｒ ₂ の距離に配置された、第二の冷却曲線を記録するための第二の温度センサー（１２）と；
   溶湯に添加するべき構造改良剤の量値（Ｖａ）を決定するためのコンピューター装置（１４）と；
   公知の構造改良剤濃度について決定された発熱曲線を有するメモリー手段（１６）と； を有し、
   前記コンピュータープログラム製品は：
   コンピューター装置に指示して、
   ｉ）熱平衡式： Ｑ_stored＝Ｑ_generated＋Ｑ_in−Ｑ_out
   ここでＱ_storedは材料の熱容量によって蓄積された熱量であり、Ｑ_generatedはこの容積の材料によって発生した熱量であり、Ｑ_inは環境から材料へ伝達された熱量であり、Ｑ_outは環境へ伝達された熱量である；および
   ｉｉ）前記第一と第二の温度センサー（１０、１２）によって記録された第一と第二の冷却曲線、 を適用することにより、前記サンプル容器の一つの中央部領域と一つの周辺部領域に関する発熱曲線を決定させるための記録媒体およびコンピューターが読み取り可能のコード手段と；
   前記発熱曲線を公知の構造改良剤濃度について決定された発熱曲線と比較することによって溶湯に添加するべき構造改良剤の量値（Ｖａ）を決定するための記録媒体およびコンピューターが読み取り可能のコード手段と； を有する、前記コンピュータープログラム製品。

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