JP5255934B2

JP5255934B2 - 中間ストーク、その製造方法及び低圧鋳造装置

Info

Publication number: JP5255934B2
Application number: JP2008181216A
Authority: JP
Inventors: 茂中間; 規浩木原; 宗彦深瀬; 義幸伊藤; 裕貴井手; 康平藤田
Original assignee: Nichias Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nichias Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: JP2010017743A; WO2010004848A1; EP2181784A4; CN101801563A; US20100326617A1; CN101801563B; EP2181784A1

Description

本発明は、アルミニウム鋳物等の製造に用いられる低圧鋳造装置の中間ストーク及びその製造方法に関するものである。

アルミニウム鋳物等の製造に用いられる低圧鋳造装置は、図６に示すように、溶湯容器１０１内のアルミニウム溶湯１０２をストーク１０４及び中間ストーク１０３を経て金型１０５に送り込んで鋳造を行なう装置１００である。

低圧鋳造装置１００で使用される中間ストーク１０３は、溶湯温度６００〜７００℃に耐えるものであること、外部加熱システムを不要とすることなどの要求から、近年では金属製の外皮材１１３の内側を、耐火断熱材１２３でライニングしたものが知られている。

特開２００６−２７２４４８号公報には、金属製の外皮材１１３の内側を、耐火断熱材１２３でライニングするとともに、外皮材１１３と耐火断熱材１２３の間に、互いの熱膨張差を調整吸収する無機質材１３３を挟み込んだ構造とする中間ストーク１０３及びこれを備えた低圧鋳造装置１００が開示されている。この中間ストーク１０３及び低圧鋳造装置１００によれば、中間ストーク１０３からの放熱が抑制され、溶湯の温度低下が防止される；外皮材１１３と耐火断熱材１２３の間に、互いの熱膨張差を調整吸収する無機質材１３３を挟み込むことで、熱膨張差による耐火断熱材１２３の亀裂を防止できる；加熱により膨張する加熱膨張性シートを無機質材１３３に用いることで、熱膨張差により外皮材１１３と耐火断熱材１２３の間に生じるおそれのある間隙をふさぎ、断熱効果の劣化を防止できるなどの効果を奏する。

しかしながら、特開２００６−２７２４４８号公報の中間ストーク１０３及びこれを備えた低圧鋳造装置１００は、耐火断熱材の外側が隙間無く外皮材１１３で覆われているため、加熱時の耐火断熱材１２３の水抜けが悪く、耐火断熱材１２３が含有水分の気化膨張による破壊を起こす恐れがある。また、互いの熱膨張差を調整吸収する無機質材１３３を挟み込んだ構造ではあるものの、このような無機質材１３３では耐火断熱材１２３と金属製の外皮材１１３との熱膨張率差を吸収する能力が十分ではなく、実使用時の加熱によって、耐火断熱材１２３に亀裂を生じさせることがある。また、張替えのため耐火断熱材１２３を破壊する際に、金属製の外皮材１１３にも過度な力が負荷されるため、外皮材１１３に傷や変形を生じさせることがある。また、無機質材１３３の貼りつけに使用される接着剤や、無機質材１３３の水濡れ防止剤（撥水剤）が、製造時もしくは実使用時の最初の加熱時に、分解して発煙やにおいを生じさせる。

なお、耐火断熱材に含まれる水分とは、耐火断熱材製造過程におけるライニング時に使用された配合水の残留分と、保管放置時に、耐火物が吸収した大気中の水分の２種がある。

従って、本発明の目的は、加熱時の耐火材の水抜けがよく、爆裂の恐れがなく、耐火材と金属製の外皮材との熱膨張率差による耐火材の亀裂の問題がなく、耐火材の交換が容易である中間ストーク、その製造方法及び低圧鋳造装置を提供することにある。

かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、中間ストークにおいて、金属製の外皮材の内側にプレキャスト耐火材を着脱自在に嵌め込むと共に、平面視における該外皮材と該プレキャスト耐火材との間に空気が抜ける隙間を設ければ、加熱時の耐火材の水抜けがよく、爆裂の恐れがなく、耐火材と金属製の外皮材との熱膨張率差による耐火材の亀裂の問題がなく、耐火材の交換が容易であることなどを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、低圧鋳造装置に用いられる中間ストークであって、金属製の外皮材と、該金属製の外皮材の内側に該外皮材に対して着脱自在に嵌め込まれるプレキャスト耐火材とを有し、平面視における該外皮材と該プレキャスト耐火材との間に、空気が抜ける隙間を設けたことを特徴とする中間ストークを提供するものである。

また、本発明は、前記中間ストークを備えることを特徴とする低圧鋳造装置を提供するものである。

また、本発明は、金属製の外皮材の内側に嵌め込んだ際、平面視において該外皮材と該プレキャスト耐火材との間に、空気が抜ける隙間が形成されるような形状に予め作製されたプレキャスト耐火材を、金属製の外皮材の内側に嵌め込むことで作製されることを特徴とする低圧鋳造装置に用いられる中間ストークの製造方法を提供するものである。

本発明の中間ストーク及び低圧鋳造装置によれば、金属製の外皮材の内側にプレキャスト耐火材を着脱自在に嵌め込むと共に、平面視における該外皮材と該プレキャスト耐火材との間に、空気が抜ける隙間を設けたため、加熱時の耐火材の水抜けがよく、爆裂の恐れがなく、耐火材と金属製の外皮材との熱膨張率差による耐火材の亀裂の問題がなく、耐火材の交換が容易である。また、メンテナンスにおける耐火材の張替え工程がないため、張替えに伴う、金属製外皮材の損傷の恐れがない。また、本発明の中間ストークの製造方法によれば、プレキャスト耐火材は、金属製の外皮材を型枠として製造するものではないため、製造場所や製造装置などが都合のよいものに決定できるため、製造の自由度が高まる。また、中間ストークは、実質的にプレキャスト耐火材を金属製の外皮材に嵌め込むだけで作製できるため、製造コストを低減できる。

次に、本発明の実施の形態における中間ストーク及びこれを備える低圧鋳造装置を図１〜図５を参照して説明する。図１は本例の中間ストークの断面図、図２は図１の中間ストークの平面図、図３は中間ストークにおけるプレキャスト耐火材の固定方法の一例を示す図で、（Ａ）は図２の二点鎖線で囲まれた部分の他の形態の平面図、(Ｂ)は（Ａ）の正面図、（Ｃ）は押え板により固定された部分の正面図、（Ｄ）は（Ｃ）の平面図、図４は本発明の中間ストークの製造方法を説明する図、図５は低圧鋳造装置の概略図をそれぞれ示す。

中間ストーク１０は低圧鋳造装置に使用されるものである。中間ストーク１０は、大きな開口径を有する上部開口２７と該上部開口２７より小さな開口径を有する下部開口２８を有する比較的浅い深さを有する保持槽形状の金属製の外皮材２と、金属製の外皮材２の内側に外皮材２に対して着脱自在に嵌め込まれる外皮材２と略相似形状のプレキャスト耐火材１とを有する。従来の中間ストークは、金属製の外皮材の内側を耐火材でライニング処理していたため、金属製の外皮材を型枠として製造していた。このため、製造条件に制約があったが、本発明の中間ストークは、金属製の外皮材を型枠として製造するものではないため、製造方法や製造装置などが都合のよいものに決定でき、製造の自由度が高まる。また、メンテナンスにおける耐火材の張替え工程がないため、張替えに伴う、金属製外皮材の損傷の恐れがない。

金属製の外皮材２の材質は、特に制限されず、従来のものと同様に、鋳鉄製のものが挙げられる。金属製の外皮材２の形状は、特に制限はなく、従来のものと同様のものでよいが、底部の開口部に、プレキャスト耐火材１を支持する平坦状の水平部２１を有するものが好適である。底部の開口部の周りに平坦状の水平部２１を設けることで、平坦状の水平底部を有するプレキャスト耐火材１の設置安定性が向上する。

本発明の中間ストーク１０において、プレキャスト耐火材１は金属製の外皮材２の内側に外皮材２に対して着脱自在に嵌め込まれる。プレキャスト耐火材１と金属製の外皮材２の嵌合形態は、平面視において外皮材２とプレキャスト耐火材１との間に、空気が抜ける隙間３が形成されるものであれば、如何なる嵌合形態であってもよい。本例の中間ストーク１０は、プレキャスト耐火材１を底部で支持する構造である。すなわち、プレキャスト耐火材１の底部の開口周りの外側に、平坦状の水平底部１１が形成されており、金属製の外皮材２の平坦状の水平部２１上に、パッキン材４を介して、プレキャスト耐火材１の平坦状の水平底部１１が設置している構造である。このような２つの部材の支持部（当接部）にパッキン材４を介在させることにより、金属溶湯がプレキャスト耐火材１と金属製の外皮材２の間の隙間を通して漏れ出すことを防止できる。

パッキン材としては、例えばセラミックス繊維２０〜４０質量％、未焼成のバーミキュライト４０〜７０質量％、有機バインダー５〜２０質量％を含むシート材が挙げられる。当該加熱膨張性シートの密度は好ましくは５００〜８００ｋｇ/ｃｍ^３、特に６００〜７００ｋｇ/ｃｍ^３である。

プレキャスト耐火材１と金属製の外皮材２の嵌合形態は、上記形態の他、金属製の外皮材２の内側面（内周面）の一部で、プレキャスト耐火材１の外側面（外周面）の一部を支持する形態、例えば金属製の外皮材２の内側面の略下半分で、プレキャスト耐火材１の外側面の略下半分を支持する形態であってもよい。このような内周面と外周面の一部の接触があっても、空気が上部に抜ける隙間は存在するため、加熱時の耐火材の水抜けを阻害することはない。

本発明の中間ストーク１０は、平面視における外皮材２とプレキャスト耐火材１との間に、空気が抜ける隙間３を設けたものである。平面視における隙間とは、図２に示すように、中間ストーク１０を上から見た状態で、金属製の外皮材２とプレキャスト耐火材１間に隙間３が観察されるものを言う。平面視における外皮材２とプレキャスト耐火材１との間に、空気が抜ける隙間３を設けることにより、加熱時の耐火材の水抜けがよく、爆裂の恐れがなく、耐火材と金属製の外皮材との熱膨張率差による耐火材の亀裂の問題がなく、耐火材の交換が容易である。

中間ストーク１０において、隙間３は０．５ｍｍ以上、好ましくは１．０ｍｍ以上、特に２．０ｍｍ以上である。隙間３の上限値は特に制限はないが、余り大き過ぎると、プレキャスト耐火材１の設置安定性が低下するため、概ね５ｍｍである。また、平面視における外皮材２とプレキャスト耐火材１間の隙間３は、全周の中の一部であってもよく、また、金属製の外皮材２とプレキャスト耐火材１間の全周に亘って形成されたものであってもよい。この中、金属製の外皮材２とプレキャスト耐火材１間の全周に亘って形成されたものが、設計のし易さ、プレキャスト耐火材１の設置安定性の点で好ましい。

また、金属製の外皮材２とプレキャスト耐火材１間の隙間３は、図１に示すように、金属製の外皮材２の内側の側部の内周面２５とプレキャスト耐火材１の外側の側部の外周面１５の間に亘って形成される内部の隙間３ａと連続していてもよい。また、上記の如く、例えば金属製の外皮材２の内側面の略下半分で、プレキャスト耐火材１の外側面の略下半分を支持する構造の場合、金属製の外皮材２とプレキャスト耐火材１間の隙間３は、金属製の外皮材２の内側面の略上半分とプレキャスト耐火材１の外側面の略上半分で形成される隙間と連続するものとなる。

プレキャスト耐火材１は、公知の断熱材料を使用することができる。また、プレキャスト耐火材１は、不定形耐火材を適用できる。不定形耐火材としては、珪酸カルシウム質又はシリカ質を主材とし、これにアルミナセメント系結合材と水を加えて混練して得られるもの、無機質繊維とアルミナ系粉末を主材とし、これに非濡れ性向上材としてマイカ、カーボン、炭化珪素又は窒化珪素粉末を加え、シリカ又はアルミナ系の無機バインダと増粘材及び水を加えて混練して得たペースト状のものなどが挙げられる。

本発明の中間ストーク１０は、プレキャスト耐火材１の外周面に断熱材が形成されていてもよい。プレキャスト耐火材１の外周面に断熱材を形成する（ライニングする）ことにより、中間ストークの断熱性を向上させることができ、溶湯の温度低下による不具合を回避することができる。また、こうした断熱材は、プレキャスト耐火材１の割れによる金属溶湯の沁み出しを防止する目止め材としても機能する。このような断熱材としては、無機繊維製フェルトやブランケットといった無機繊維集合体などが挙げられ、無機繊維としては、セラミック繊維、シリカ繊維やアルミナ繊維などが挙げられる。プレキャスト耐火材１の外周面に断熱材を形成した中間ストークであっても、平面視における金属製の外皮材２と断熱材が形成されたプレキャスト耐火材１との間に、空気が抜ける隙間３は存在し、また、金属製の外皮材２の内側の側部の内周面２５とプレキャスト耐火材１の断熱材の外側の側部の外周面の間に内部の隙間３ａを形成していてもよい。

また、本発明の中間ストーク１０は、金属製の外皮材２とプレキャスト耐火材１間の一部、特に下半分の一部に、柔軟性を有し、加熱により膨張する加熱膨張性シートを挟み込んだ構造であってもよい。これにより、プレキャスト耐火材１の設置安定性が向上する。加熱膨張性シートは、例えば３００〜４００℃において膨張を開始し、厚さ方向に膨張するシートである。該膨張率は厚さ方向に対して２倍以上、好適には２〜４倍である。膨張率が当該範囲にあれば、加熱膨張性シートが介在する部分における金属製の外皮材２とプレキャスト耐火材１の隙間を防ぎ、設置安定性と断熱効果の双方を達成できる。なお、図１中、符号５は金属製の外皮材２の把持部である。

本発明の中間ストーク１０において、金属製の外皮材２の内側に嵌め込んだプレキャスト耐火材１の４隅の４箇所又は対角線上にある一対の２箇所を押え板で上から固定してもよい。これにより、プレキャスト耐火材１の固定が安定する。押え板による固定方法を図３を参照して説明する。中間ストーク１０の上端のひとつの隅部は、上から見た形状が略三角形状で、深さ方向に所定の寸法で切り欠き部６が形成されている。切り欠き部６は金属製の外皮材２の切り欠き部分６１と、プレキャスト耐火材１の切り欠き部分６２からなる。金属製の外皮材２の切り欠き部分６１にはボルト孔７が形成されている（図３（Ａ））。当該切り欠き部６の形状に嵌り込む形状の押え板８が用意される。押え板８には皿ボルト９が貫通すると共に、設置後のボルト孔７に対向する位置に貫通孔が形成されている（図３（Ｂ））。そして、押え板８を切り欠き部６に嵌め込み、ボルト締めすれば、底面の柔軟性を有するパッキン材４の反発作用により金属製の外皮材２にプレキャスト耐火材１は強く固定される（図３（Ｃ）及び（Ｄ））。

次に、本発明の中間ストークの製造方法について説明する。本発明の中間ストーク１０は、金属製の外皮材２の内側に嵌め込んだ際、平面視において金属製の外皮材２とプレキャスト耐火材１との間に、空気が抜ける隙間３が形成されるような形状に予め作製されたプレキャスト耐火材１を、金属製の外皮材２の内側に嵌め込むことで作製される。

プレキャスト耐火材１は、前記本発明の中間ストーク１０で説明した不定形耐火材から製造される。プレキャスト耐火材１は、金属製の外皮材２を型枠として製造するものではないため、製造方法や製造装置などが都合のよいものに決定できるため、製造の自由度が高まる。また、従来の中間ストークのように金属製の外皮材２と耐火材が一体構造の場合、製造時の加熱温度を高くすると、金属製の外皮材２が酸化したり変形するため、当該加熱温度を低く制限する必要があった。この場合、実使用時に耐火材の残留水分の蒸発や加熱収縮が生じるため、耐火物が損傷する恐れがあった。しかし、本発明の中間ストーク１０の製造方法は、金属製の外皮材２を型枠として製造するものではないため、プレキャスト耐火材１を予め高温で焼成できる。このため、実使用時における耐火材の残留水分の蒸発や加熱収縮を生じることがない。また、中間ストーク１０は、実質的にプレキャスト耐火材１を金属製の外皮材２に嵌め込むだけで作製できるため、製造コストを低減できる。

中間ストーク１０がパッキン材４を備える場合、プレキャスト耐火材１を嵌め込む前に、パッキン材４を中間ストーク１０の底面の開口部周りの所定の位置に嵌め込んでおけばよい（図４参照）。これにより、簡易な方法で中間ストーク１０を製造することができる。

本発明の低圧鋳造装置２０は、中間ストーク１０を備えるものである。すなわち、本発明の低圧鋳造装置２０は、図５に示すように、金属溶湯３２が入れられた溶湯容器（ルツボ）３１と、溶湯容器を密閉する炉蓋３６と、炉蓋３６の中央部に炉蓋３６を貫通して下部の開口部が金属溶湯３２内に臨むように設置されるストーク管３４と、ストーク管３４の上部開口と底部開口が連通するようにストーク管３４の上方に設置される中間ストーク１０と、中間ストーク１０の上方に設置される金型３５とを備えるものである。

本発明の低圧鋳造装置２０において、溶湯容器３１内の金属溶湯３２は、図示しない加熱手段により加熱され、溶融状態となっている。また、金属溶湯３２の溶湯面に図示しない手段により矢印Ｐで示す加圧空気の圧力を加え、この圧力作用で金属溶湯３２をストーク管３４および中間ストーク１０の湯路を経て金型３５に向けて押し上げる。なお、金型３５の上部には不図示の空気抜き穴があり、そこから余分な空気が抜けるようになっている。

金型３５内には、鋳造しようとする製品に対応した鋳型が配置されており、押し上げられた金属溶湯３２はこの鋳型内に流れ込む。そして適当なタイミングで金型を冷却することで例えばアルミニウム鋳物などの鋳造品を得るものである。ここでは、金属溶湯を押し上げて金型に供給する低圧鋳造装置の構造を示しているが、金型３５内を減圧し、その減圧作用で溶湯を吸い上げる構造のものや金型３５内を減圧しつつ、正圧にて溶湯を押し上げる構造の低圧鋳造装置などもある。

本発明の低圧鋳造装置２０によれば、平面視における該外皮材と該プレキャスト耐火材との間に、空気が抜ける隙間を設けたため、加熱時の耐火材の水抜けがよく、爆裂の恐れがなく、耐火材と金属製の外皮材との熱膨張率差による耐火材の亀裂の問題がなく、耐火材の交換が容易である。また、メンテナンスにおける耐火材の張替え工程がないため、張替えに伴う、金属製外皮材の損傷の恐れがない。

実施例
次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。

（プレキャスト耐火材の製造）
シリカ質を主材とし、アルミナセメントを結合材とする不定形耐火物に適量の水を配合して混練し、モルタルを作製した。次いで、所定形状の樹脂製成形型に前記モルタルを注型し、２５℃、８０％ＲＨの環境で一昼夜養生して硬化させた。次いで、硬化後の成形物を１１０℃で２４時間乾燥した後に６００℃で１２時間焼成し、図１及び図２に示す形状のプレキャスト耐火材を製造した。

（中間ストークの製造（組み付け））
図１及び図２に示す形状の鋳鉄製の外皮材の底部に、外皮材の底部開口部と同形状の穴を設けた未焼成バーミキュライトを含有するセラミックファイバ製シート材（パッキン材）を配置した。該パッキン材が配置された鋳鉄製の外皮材の内側に、前記方法で製造されたプレキャスト耐火材を設置し、鉄皮材上部で且つ対角上の２隅に押さえ板を取り付けることにより中間ストークを製造した。この中間ストークは、平面視における外皮材とプレキャスト耐火材間の全周に亘って、３．０ｍｍの隙間が形成されたものであった。

比較例１
図１及び図２に示す形状の鋳鉄製の外皮材の内周の全面に、未焼成バーミキュライトを含有するセラミックファイバ性シート材を有機接着剤にて貼り付けた。次いで、この鉄皮材の内部に中間ストークの内面部（内側のライニング材）を形成するための中子を配置した。次いで、実施例１で使用したモルタルを鉄皮材と中子の間に注入し、２５℃、８０％ＲＨの環境で一昼夜養生して硬化させた。次いで、中子を取り除いた後、これを１１０℃で２４時間乾燥した。この中間ストークは、平面視における外皮材とライニング材間に隙間は存在しないものであった。

（評価方法）
実際の低圧鋳造機搭載時を想定し、中間ストークの内部をガスバーナを用いて雰囲気が９００℃になるまで急加熱したところ、比較例１は有機接着材に起因する白煙が生じた。また、加熱後の耐火材の状態を目視確認したところ、熱膨張差によるものと推測される亀裂と、爆裂による耐火材の脱落が確認された。一方、実施例１にて上記同様な評価を行ったところ、加熱中、加熱後とも異常は確認されなかった。

本実施の形態例の中間ストークの断面図である。図１の中間ストークの平面図である。中間ストークにおけるプレキャスト耐火材の固定方法の一例を示す図で、（Ａ）は図２の二点鎖線で囲まれた部分の他の形態の平面図、(Ｂ)は（Ａ）の正面図、（Ｃ）は押え板により固定された部分の正面図、（Ｄ）は（Ｃ）の平面図である。本発明の中間ストークの製造方法を説明する図である。本発明の低圧鋳造装置の概略図である。従来の低圧鋳造装置の概略図である。

符号の説明

１プレキャスト耐火材
２金属製の外皮材
３空気が抜ける隙間
４パッキン材
５把持部
１０、１０３中間ストーク
２０、１００低圧鋳造装置
３１溶湯容器（ルツボ）
３２金属溶湯
３４ストーク管
３５金型
３６炉蓋

Claims

低圧鋳造装置に用いられる中間ストークであって、金属製の外皮材と、該金属製の外皮材の内側に該外皮材に対して着脱自在に嵌め込まれるプレキャスト耐火材とを有し、平面視における該外皮材と該プレキャスト耐火材との間に、空気が抜ける隙間を設けたことを特徴とする中間ストーク。
０．５ｍｍ以上の隙間が、該外皮材と該プレキャスト耐火材間の全周に亘って形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の中間ストーク。
該プレキャスト耐火材の外周面に断熱材を形成したものであることを特徴とする請求項１又は２記載の中間ストーク。
該中間ストーク底面の開口部周りにおいて、該プレキャスト耐火材と該外皮材の間に金属溶湯の侵入を防止するパッキン材を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中間ストーク。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の中間ストークを備えることを特徴とする低圧鋳造装置。
金属製の外皮材の内側に嵌め込んだ際、平面視において該外皮材と該プレキャスト耐火材との間に、空気が抜ける隙間が形成されるような形状に予め作製されたプレキャスト耐火材を、金属製の外皮材の内側に嵌め込むことで作製されることを特徴とする低圧鋳造装置に用いられる中間ストークの製造方法。