JP5369876B2 - 溶解機能及び加圧機能付き小型鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶解機能及び加圧機能付き小型鋳造装置に関する。

従来、アルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛等鋳物の製造には低圧鋳造装置が用いられてきた。このような低圧鋳造装置の一例として、特許文献１が知られているが、溶解炉から汲みだした溶湯を、保持炉を用いて金型部まで搬送し、さらに保持炉と金型部とを位置合わせして係止した後、金型への給湯を行うので非常に手間がかかっていた。

これに対して、特許文献２の装置は、溶解炉に配設され内部に閉塞可能な収容空間が形成された保持ルツボと、この保持ルツボに対応して配設された金型部とを有し、この保持ルツボに溶解炉内の溶湯中で開口し収容空間へ溶湯を通し可能な給湯口を設けるとともに、給湯口を開閉可能な開閉手段を設け、保持ルツボの収容空間内に収容された溶湯を外部から加圧可能な加圧手段を設け、給湯口を閉鎖して保持ルツボの収容空間を閉塞した状態で加圧することにより当該収容空間内の溶湯を、注入パイプ（ストーク）を通して金型部へ供給可能に構成したものである。特許文献３も、これと同様なものである。

これらは、ストークを介して金型部のキャビティ内に溶湯を充填するものであり、依然溶湯保持容量が大きく大型設備であり、コスト高となるとともに、保持容量が多いためにエネルギー効率の面でも無駄が多かった。
このような問題点を解決するために、溶湯保持容量、溶解機構を最小化することが求められていたが、安定的に溶湯温度保持することや、鋳造サイクルに対応してタイミングよく材料溶解・溶湯供給することが難しいために実現することができていなかった。

特開平２００３−２９０９０４号公報 特開平８−９９１６８号公報 特開平２００６−２３１３４１号公報

本発明は、上記問題に鑑み、溶解機能及び加圧機能付き小型鋳造装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、 溶解室（１３）、溶湯保持室（１４）、及び、出湯室（１５）からなる溶湯槽（３０）が形成された炉体（５０）と、前記炉体（５０）に設けられた前記溶湯槽（３０）の加熱手段と、前記溶湯槽（３０）の一端側に設けられた金型（９）と、前記溶湯槽（３０）の他端側に設けられた、開閉機構を有する材料投入部（４）とを具備する鋳造装置において、前記出湯室（１５）は、前記金型（９）の湯口（３）に連通し、前記溶解室（１３）は、前記開閉機構に連通しており、塊状の未溶融材料（１１）が前記材料投入部（４）に供給されるように構成され、前記出湯室（１５）の溶湯を前記金型（９）に送り込んで鋳造し、前記開閉装置は、加圧時は前記溶解室（１３）に連通する開口を閉じ、かつシール可能な構造となっており、前記溶解室（１３）には、前記溶湯を加圧する手段を設け、前記溶湯を加圧することで前記金型へ前記溶湯を充填し、前記溶解室（１３）は、前記材料投入部（４）の直下に位置しているとともに、前記溶解室（１３）には、溶解用の加熱手段（１６）が溶湯湯面位置を含んで設置されたことを特徴とする鋳造装置である。
これにより、連続鋳造装置を提供できるとともに、設備（炉）の小型化ならびに溶解保持エネルギーの低減を図ることが出来る。そして、溶解機能と加圧機能を炉部に持たせた小型化連続鋳造装置を提供出来る。また、未溶融材料を投入しても直ちに溶解室で溶解させることができ、装置全体を小型化させることができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記溶湯槽（３０）は、コの字状に形成されていることを特徴とする。これにより、コの字型の炉形状にしたので、溶解室の温度影響が出湯口に出ないように、かつ小型に出来る構造とすることができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記溶解室（１３）、前記溶湯保持室（１４）、及び、前記出湯室（１５）には、それぞれ、前記加熱手段（１６、１７、１８）が個別に設置されており、各々の前記加熱手段（１６、１７、１８）は、独立して温度制御可能であることを特徴とする。
これにより、炉に独立した加熱手段を、材料投入側、溶湯出湯側、その間の溶湯保持室の各部位に配置して温度制御することで、材料溶解時の溶湯温度変動の影響が出湯側の溶湯温度へ及ぼさず、出湯温度を安定させ、かつ、溶解効率を確保させることができる。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、前記鋳造装置は、さらに材料供給部（３１）を具備し、前記材料供給部（３１）から、塊状の未溶融材料（１１）が、所定個数一度に前記材料投入部（４）に供給されることを特徴とする。これにより、鋳造サイクルに対応した材料溶解、溶湯供給を行うことが出来る。

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明において、前記塊状の未溶融材料（１１）が、５０ｍｍ以下の角錐状体又は球状体のアルミ合金材であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記塊状の未溶融材料（１１）の投入量を可変可能に制御する制御機構を有し、前記溶湯槽（３０）の湯面位置に応じて、前記塊状の未溶融材料（１１）の投入量を可変させることを特徴とする。これにより、出湯温度を安定させ、かつ、溶解効率を確保させることができる。

請求項７の発明は、請求項１から６のいずれか１項記載の発明において、前記金型（９）には、型締め機構が付属していることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項３の発明において、前記溶湯の前記出湯室（１５）からの出湯温度の制御目標値を、６５０〜７５０℃の範囲に設定し、前記溶湯保持室（１４）、前記溶解室（１３）の温度制御目標値を、この順に漸次出湯温度の制御目標値に近づくように設定したことを特徴とする。これにより、出湯温度を安定させ、かつ、溶解効率を確保させることができる。

請求項９の発明は、請求項３の発明において、前記溶湯保持室（１４）の温度制御目標値を、前記溶湯の前記出湯室（１５）からの出湯温度、又は、前記出湯室（１５）と前記溶湯保持室（１４）との内容積比に応じて設定したことを特徴とする。これにより、出湯温度を安定させ、かつ、溶解効率を確保させることができる。

請求項１０の発明は、請求項３の発明において、前記溶解室（１３）に設けられた加熱手段（１６）の設定温度を、前記塊状の未溶融材料（１１）の予熱温度、前記塊状の未溶融材料（１１）の投入重量、前記溶湯保持室の溶湯温度、又は、前記溶湯槽（３０）の湯面位置に応じて設定したことを特徴とする。これにより、出湯温度を安定させ、かつ、溶解効率を確保させることができる。

請求項１１の発明は、請求項１から１０のいずれか１項記載の発明において、前記材料投入部（４）と前記炉体（５０）との間に金属ベローズ（３２）が設けられていることを特徴とする。これにより、材料投入部における振動などで脆性な断熱材等に悪影響を与えないように、金属ベローズが緩衝作用を果たすことができる。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

本発明の一実施形態を示す概要図である。 本発明の他の実施形態を示す概要図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態を示す概要図である。図１において、本発明の小型鋳造装置の炉体５０の構造の概要が示されている。１は炉壁であり、耐火材（キャスタブル等）や、窒化珪素等のアルミ溶解温度に耐え得る耐熱性を有し、かつ、アルミ溶湯との親和性の低いセラミック材料が用いられている。

炉壁１の中には、溶解室１３、溶湯保持室１４、及び、出湯室１５からなる溶湯槽３０が、図１に示すようにコの字形に形成され、溶湯１０を保持している。溶湯槽３０は、溶解室１３、溶湯保持室１４、出湯室１５にそれぞれ対応して、加熱手段であるヒータ１６、１７、１８にて加熱され、一定温度に保持される。炉壁１のまわりには、ヒータ１６、１７、１８が配置されると共に、ヒータのまわりを断熱材２で覆い、溶湯槽３０を断熱している。加熱手段としてはヒータに限らず、バーナーなどでも良い。

材料投入部４側には、加圧エアのエア供給経路８を接続し、エア供給経路８のエアの供給は、７のバルブの開閉でオンオフされる。なお、エアの代わりに不活性ガス（窒素、アルゴン等）を用いることもできる。
エア供給経路８のエアの供給は、溶湯槽３０における溶湯を加圧する手段を構成する。エア供給経路８からエアが供給されると、材料投入口側の溶湯湯面が加圧され、溶湯を金型方向へ押し上げ、金型内のキャビティ２４に溶湯が充填される。

炉体５０の一方側（コの字形の溶湯槽３０の一方側）には、材料１１（塊状の未溶融材料）を投入する材料投入部４と、その直下に材料を浸漬溶解する溶解室１３を設ける。材料投入部４には材料投入用の開閉機構を設け、加圧時は開口を閉じ、かつエアの漏れがないようなシール可能なバルブ等の構造とする。開閉機構の一例としては、材料投入した後に電磁弁で閉じる２方弁などを用いるとよい。

金型９は、第１上型２０、第２上型２１、第１下型２２、第２下型２３から構成され、内部にキャビティ２４が形成されている。第２下型２３には湯口３が形成されている。湯口３は、炉体５０の溶湯出湯口でもある。金型９は、必ずしも上記のような４分割でなくてもよく、任意数に分割してもよく、また、上型、下型でなく横に分割された型であってもよい。
炉体５０の他方（コの字形の溶湯槽３０他方側）に、金型９の湯口３を密着させる。湯口３は、出湯室１５に連通しており、溶湯１０を金型内のキャビティ２４に充填することが出来るようになっている。湯口３の設けられた第２下型２３と炉体５０の他方との間には、セラミックファイバー等のパッキン１２が介在されており、溶湯が漏れないようにシールしている。金型９の上型、下型の型締めは、射出成形に使われるような周知のトグル式や増圧シリンダ式のものと同じ型締め機構が用いられている。その他、ボールネジ式電動モータによる昇降機構が用いられる。

一例として、第２上型２１を、型締め機構の可動プラテンとし、第２下型２３を固定プラテンとし、型締め機構のサポート部（トグルサポート、型締めシリンダ）を、炉体５０や、炉体５０を設置しているベースに連結して設置する。下型の固定プラテンとしての第２下型２３は、周知のクランプ機構を用いて、パッキン１２を介して、コの字形の溶湯槽３０他方側に密着させられている。型締め機構として、ボールネジの先端にサーボモータを付け、ボールネジに連結した可動プラテン（第２上型２１）を、固定プラテン（第２下型２３）に対して上下させても良い。
その他の実施形態として、炉体５０に力を受ける座部を設け、サーボモータ駆動のボールネジに連結した可動プラテン（第２上型２１）による押圧力をこの座部で受けるようにすれば、下型の固定プラテンとしての第２下型２３を、コの字形の溶湯槽３０他方側に密着させることができる。

出湯室１５と溶解室１３の間に溶湯保持室１４が設けられている。溶湯保持室１４の内容積を出湯室１５、溶解室１３の内容積の２倍以上とする。溶解室１３、溶湯保持室１４、出湯室１５には各々個別のヒータ１６、１７、１８が、対（単数でも２以外の複数個であってもよい）で配置されている。（図１のヒータ１６、１８の設置位置は、図示スペースがないため若干上方に図示されているが、本来もう少し下方に図示されるべきである。）
コの字形の溶湯槽３０の底部直線部に、溶湯保持室１４が設けられている場合、溶湯保持室１４の断面中心部付近を貫通するように、セラミック保護管内に挿入された湯内ヒータ（図示せず）を設置し、このヒータが挿入されたセラミック保護管を、溶湯内に浸漬する構造としても良い。この場合は、溶解室１３、出湯室１５の炉壁１を貫いて、直線状に設置するのが好ましい。湯内ヒータは、ヒータ１７に追加的に設置しても、ヒータ１７の代わりに単独で設置しても良い。
上記のヒータ１６、１７、１８等は、溶湯保持容量、溶解重量、材料予熱温度から、１ＫＷ〜５ＫＷの範囲の出力とすると良い。各室の温度目標を一例としてあげると以下の通りである。

出湯室１５からの出湯温度は、一例として６６０℃程度とした場合について述べる。溶湯保持室１４の溶湯保持温度は、出湯温度と、出湯室と溶湯保持室の容積比（１／２）を考慮して、６８０℃とする。溶解室１３の溶湯温度は、一例として、材料予熱温度：１５０℃、材料投入重量：２５０ｇ、溶湯保持室の溶湯保持温度：６８０℃の場合、湯面位置に応じて、６８０〜７２０℃程度で温度調節することが好ましい。
溶湯の出湯室１５からの出湯温度の制御目標値は、上記６６０℃程度に限らず、６５０〜７５０℃程度の範囲に設定し、溶湯保持室１４、溶解室１３の温度制御目標値を、この順に漸次出湯温度の制御目標値に近づくように設定すると良い。
これらの温度を制御する上では、溶解室１３、溶湯保持室１４、出湯室１５の順に制御ばらつきを下げることが必要である。湯口３での温度が最終的に±５℃以内の範囲に収めることが重要である。

溶解室、溶湯保持室、出湯室をコの字形状に連結している点は、本発明の一実施形態が小型化できることに大きく寄与している。前述のように温度コントロールするためには、入口（溶解室１３）と出口（湯口３）の距離を離すことが必要である。

溶解室１３、溶湯保持室１４、出湯室１５の温度を制御するためには、それぞれ各室に温度センサが設置されている。温度センサは一例として、熱電対が用いられている。溶解室１３には、コの字形状の角部のところに熱電対が設置され、溶湯保持室１４は、対のヒータ１７のうち下部ヒータのすぐ上部に設置され、出湯室１５は溶解室と同位置のコの字形状の角部のところに熱電対が設置されている。センサの設置部位は、これ以外に限らず、各室の温度を示す適当な部位に、適宜設置すればよい。さらに、湯口３の付近にも熱電対を設置して、出湯室１５の温度目標値を補償しても良い。

次に、材料供給部３１について述べる。
材料投入部４の上方には、材料供給部３１が設置されている。材料１１（これから溶融する材料）は、１辺５０ｍｍ以下の小体格ブロック材（アルミ合金）を用いる。代わりにチップ材を用いることもできる。小体格ブロック材としては、角の無い４角錐体、球状が好ましい。要は、詰まりの生じない形状なら任意の形状で構わない。
材料１１の余熱手段５を材料供給部３１に設け、適温（１００℃〜５００℃）に余熱した後、材料１１を間欠的に投入する。予熱した材料１１を投入できる機構（スライド式開閉シャッター）６を、材料供給部３１の下端位置に設ける。スライド式開閉シャッターが、開の場合に溶解室１３に投入される量を、１ショットと称する。材料の投入後、材料投入部４の開閉機構（バルブ）を閉じる。

ブロック材（材料１１）の１ショット分（整数個の塊）と、１回の鋳込み重量とに差が生じている場合、溶解保持炉内の溶湯の量が溢れないようにしなければならない。このため、溶解室の溶湯上面位置には、溶湯量を検知するために、レベルセンサが設置されている。投入する塊の大きさは、小さくすれば、対処が容易になる。例えば、パチンコ玉くらいの塊であれば、溶湯の量の制御に問題がなくなる。さらに投入する金属塊（材料１１）の重量を事前秤量して投入して、溶解保持炉内の溶湯の量が一定範囲となるように制御しても良い。
投入する金属塊計量方法としては、重量秤量のみならず、個数を決めて投入するなどいろいろな方法が考えられる。個数を決めて投入する場合には、レベルセンサが溶融量を検知して、一定位置を超えた場合に、個数を減らすなどの対応をとり、溶解保持炉内の溶湯の量を制御する。パーツフィーダーなどで送り込む事も可能である。

本実施形態は溶融していないブロック材を投入するのに対して、従来技術は給湯口から溶湯を注入させる。溶融していないブロック材を投入するため、前述のように、溶解室１３、溶湯保持室１４、出湯室１５を独立して温度制御できるようにしている。
さらに、本実施形態では、溶解機能と加圧機能を炉体５０に持たせている。冷えた金属塊を炉内に直接投入し、例えば、炉内の溶湯温度が７００℃とすれば、金属塊を投入した途端に炉内の温度が下がる。特に炉体５０が小さければ温度低下は顕著となる。そのために溶解室１３は、金属塊が入った瞬間に急激に温度を上げ、その温度上昇に伴い溶湯保持室１４を上げ、出湯口３は出来る限り温度変化が無いように制御する。コの字型の炉体形状のため、溶解室１３の温度影響が出湯口３に出ないように、かつ、小型に出来る構造となっている。

図１の構成の中には、溶湯を抜く機構（タップホール）ならびに、ドロス、凝固膜等の堆積物、浮遊物が出湯口側から金型へ供給されない機構（遮へい堰、フィルター）を設けることもできる。タップホールを溶解室１３や出湯室１５の直下に設けると良い。溶湯槽の底部に溜まった堆積物を取り出すことが出来る。

本発明の別の実施形態として、次のような変形形態が考えられる。
図２は、本発明の他の実施形態を示す概要図である。
材料投入部４と前記炉体５０との間に金属ベローズ３２が設けられている。金属ベローズ３２は、材料投入部４における振動などで脆性な断熱材等に悪影響を与えないように、緩衝作用を果たしている。
エア供給経路８のエアの供給は、一定圧ではなく可変圧にして、溶湯の金型９のキャビティへの流入が適切に行われるように制御しても良い。
溶湯槽３０は、コの字状に形成されているとしているが、厳密な意味でのコの字でなくともよく、Ｕの字形状であっても良い。また、溶解室１３、出湯室１５が外側に開いて、逆台形状となっていても良い。

３ 湯口
４ 材料投入部
９ 金型
１１ 塊状の未溶融材料、材料、ブロック材
１３ 溶解室
１４ 溶湯保持室
１５ 出湯室
３０ 溶湯槽
５０ 炉体

Claims (11)

1. 溶解室（１３）、溶湯保持室（１４）、及び、出湯室（１５）からなる溶湯槽（３０）が形成された炉体（５０）と、前記炉体（５０）に設けられた前記溶湯槽（３０）の加熱手段と、前記溶湯槽（３０）の一端側に設けられた金型（９）と、前記溶湯槽（３０）の他端側に設けられた、開閉機構を有する材料投入部（４）とを具備する鋳造装置において、
   前記出湯室（１５）は、前記金型（９）の湯口（３）に連通し、前記溶解室（１３）は、前記開閉機構に連通しており、塊状の未溶融材料（１１）が前記材料投入部（４）に供給されるように構成され、前記出湯室（１５）の溶湯を前記金型（９）に送り込んで鋳造し、
   前記開閉装置は、加圧時は前記溶解室（１３）に連通する開口を閉じ、かつシール可能な構造となっており、
   前記溶解室（１３）には、前記溶湯を加圧する手段を設け、前記溶湯を加圧することで前記金型へ前記溶湯を充填し、
   前記溶解室（１３）は、前記材料投入部（４）の直下に位置しているとともに、前記溶解室（１３）には、溶解用の加熱手段（１６）が溶湯湯面位置を含んで設置されたことを特徴とする鋳造装置。
2. 前記溶湯槽（３０）は、コの字状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
3. 前記溶解室（１３）、前記溶湯保持室（１４）、及び、前記出湯室（１５）には、それぞれ、前記加熱手段（１６、１７、１８）が個別に設置されており、各々の前記加熱手段（１６、１７、１８）は、独立して温度制御可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造装置。
4. 前記鋳造装置は、さらに材料供給部（３１）を具備し、前記材料供給部（３１）から、塊状の未溶融材料（１１）が、所定個数一度に前記材料投入部（４）に供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の鋳造装置。
5. 前記塊状の未溶融材料（１１）が、５０ｍｍ以下の角錐状体又は球状体のアルミ合金材であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の鋳造装置。
6. 前記塊状の未溶融材料（１１）の投入量を可変可能に制御する制御機構を有し、前記溶湯槽（３０）の湯面位置に応じて、前記塊状の未溶融材料（１１）の投入量を可変させることを特徴とする請求項４又は５に記載の鋳造装置。
7. 前記金型（９）には、型締め機構が付属していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の鋳造装置。
8. 前記溶湯の前記出湯室（１５）からの出湯温度の制御目標値を、６５０〜７５０℃の範囲に設定し、前記溶湯保持室（１４）、前記溶解室（１３）の温度制御目標値を、この順に漸次出湯温度の制御目標値に近づくように設定したことを特徴とする請求項３に記載の鋳造装置。
9. 前記溶湯保持室（１４）の温度制御目標値を、前記溶湯の前記出湯室（１５）からの出湯温度、又は、前記出湯室（１５）と前記溶湯保持室（１４）との内容積比に応じて設定したことを特徴とする請求項３に記載の鋳造装置。
10. 前記溶解室（１３）に設けられた加熱手段（１６）の設定温度を、前記塊状の未溶融材料（１１）の予熱温度、前記塊状の未溶融材料（１１）の投入重量、前記溶湯保持室の溶湯温度、又は、前記溶湯槽（３０）の湯面位置に応じて設定したことを特徴とする請求項３に記載の鋳造装置。
11. 前記材料投入部（４）と前記炉体（５０）との間に金属ベローズ（３２）が設けられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の鋳造装置。

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