JP5730836B2 - リブ付パイプ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はリブ付パイプ及びその製造方法に関する。
特許文献1には、発明者らにより、鋳型を要しない画期的な引上式連続鋳造方法として、自由鋳造方法が提案されている。特許文献1に示したように、溶融金属(溶湯)の表面(すなわち湯面)にスタータを浸漬させた後、当該スタータを引き上げると、溶湯の表面膜や表面張力によりスタータに追従して溶湯も導出される。ここで、湯面近傍に設置された形状規定部材を介して、溶湯を導出し、冷却することにより、所望の断面形状を有する鋳物を連続鋳造することができる。
通常の連続鋳造方法では、鋳型によって断面形状とともに長手方向の形状も規定される。とりわけ、連続鋳造方法では、鋳型内を凝固した金属(すなわち鋳物)が通り抜ける必要があるため、鋳造された鋳物は長手方向に直線状に延びた形状となる。
これに対し、自由鋳造方法における形状規定部材は、鋳物の断面形状のみを規定し、長手方向の形状は規定しない。そして、形状規定部材は、湯面に平行な方向(すなわち水平方向)に移動可能であるから、長手方向の形状が様々な鋳物が得られる。例えば、特許文献1には、長手方向に直線状でなく、ジグザグ状あるいは螺旋状に形成された中空鋳物(すなわちパイプ)が開示されている。
特開2012−61518号公報
発明者は以下の課題を見出した。
押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法では、内部にリブを有し、かつ、直線状でないパイプは製造するのが極めて困難であった。
本発明は、上記を鑑みなされたものであって、内部にリブを有し、かつ、直線状でないパイプを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係るリブ付パイプは、
パイプ部と、
前記パイプ部の内部に形成されたリブ部と、を備え、
前記リブ部は、前記パイプ部の屈曲に応じた複数の屈曲部を有しているものである。
当該リブ付パイプは、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法では、製造するのが極めて困難であった。
当該リブ付パイプは、連続鋳造体であることが好ましい。
前記複数の屈曲部が連続して形成されていることが好ましい。また、前記複数の屈曲部において、隣接した屈曲部が互いに逆方向に屈曲していることが好ましい。さらに、前記リブ部は、前記パイプ部の捩れに応じて形成された捩れ部を有していることが好ましい。このようなリブ付パイプは、従来手法では、製造するのがさらに困難であった。
本発明の一態様に係るリブ付パイプは、
パイプ部と、
前記パイプ部の内部に形成されたリブ部と、を備え、
前記リブ部は、前記パイプ部の捩れに応じた捩れ部を有しているものである。
当該リブ付パイプは、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法では、製造するのが極めて困難であった。
当該リブ付パイプは、連続鋳造体であることが好ましい。
本発明の一態様に係るリブ付パイプの製造方法は、
パイプ部の内部に形成されたリブ部が、前記パイプ部の屈曲に応じた複数の屈曲部を有している、リブ付パイプの製造方法であって、
保持炉に保持された溶湯を、スタータにより前記溶湯の表面から導出し、鋳造する前記リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を介して引き上げるステップと、
前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却し、凝固させるステップと、を備え、
前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を水平方向へ移動させることにより前記複数の屈曲部を形成するものである。このような構成により、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法では、製造するのが極めて困難であったリブ付パイプを製造することができる。
鋳造される前記リブ付パイプの内側へ冷却ガスを導入するとともに、前記スタータに開口部を設けることが好ましい。
本発明の一態様に係るリブ付パイプの製造方法は、
パイプ部の内部に形成されたリブ部が、前記パイプ部の捩れに応じた捩れ部を有している、リブ付パイプの製造方法であって、
保持炉に保持された溶湯を、スタータにより前記溶湯の表面から導出し、鋳造する前記リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を介して引き上げるステップと、
前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却し、凝固させるステップと、を備え、
前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を、鉛直方向を軸に回転させることにより前記捩れ部を形成するものである。このような構成により、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法では、製造するのが極めて困難であったリブ付パイプを製造することができる。
鋳造される前記リブ付パイプの内側へ冷却ガスを導入するとともに、前記スタータに開口部を設けることが好ましい。
本発明により、内部にリブを有し、かつ、直線状でないパイプを提供することができる。
実施の形態1に係る自由鋳造装置の断面図である。 内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bの平面図である。 実施の形態1に係る鋳物M3を水平面での断面図である。 実施の形態1に係る鋳物M3の一例の外観写真(a)、(b)、及び屈曲部でのX線写真(c)である。 実施の形態1に係る鋳物M3の他の例の外観写真である。 実施の形態2に係る鋳物M3の一例の外観写真(a)、及び捩れ部でのX線写真(b)である。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
(実施の形態1)
まず、図1を参照して、実施の形態1に係る自由鋳造装置(引上式連続鋳造装置)について説明する。図1は、実施の形態1に係る自由鋳造装置の断面図である。図1に示すように、実施の形態1に係る自由鋳造装置は、溶湯保持炉101、内部形状規定部材102a、外部形状規定部材102b、内部冷却ガスノズル103、支持ロッド104、アクチュエータ105、外部冷却ガスノズル106を備えている。
溶湯保持炉101は、例えばアルミニウムやその合金などの溶湯M1を収容し、所定の温度に保持する。図1の例では、鋳造中に溶湯保持炉101へ溶湯を補充しないため、鋳造の進行とともに溶湯M1の表面(つまり湯面)は低下する。他方、鋳造中に溶湯保持炉101へ溶湯を随時補充し、湯面を一定に保持するような構成としてもよい。なお、当然のことながら、溶湯M1は他のアルミニウム以外の金属や合金であってもよい。
内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bは、例えばセラミックスやステンレスなどからなり、湯面近傍に配置されている。図1の例では、4つの内部形状規定部材102a及び1つの外部形状規定部材102bが湯面に接触するように配置されている。しかしながら、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bは、それらの下側(湯面側)の主面が湯面に接触しないように設置されてもよい。具体的には、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bの下側の主面と湯面との間に所定の(例えば0.5mm程度の)ギャップを設けてもよい。
4つの内部形状規定部材102aは、鋳造する鋳物M3の内部形状を規定し、外部形状規定部材102bは、鋳造する鋳物M3の外部形状を規定する。
図2は、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bの平面図である。ここで、図1の内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bの断面図は、図2のI−I断面図に相当する。図2に示すように、外部形状規定部材102bは、例えば矩形状の平面形状を有し、中央部に正方形状の開口部を有している。4つの内部形状規定部材102aはそれぞれ、互いに合同な正方形状の平面形状を有し、外部形状規定部材102bの開口部に縦横2列ずつマトリクス上に配置されている。内部形状規定部材102aと外部形状規定部材102bとの間の間隙が、溶湯が通過する溶湯通過部102cとなる。このように、内部形状規定部材102a、外部形状規定部材102b、溶湯通過部102cから形状規定部材102が構成されている。
図1に示すように、溶湯M1は、その表面膜や表面張力により鋳物M3に追従して引き上げられ、溶湯通過部102cを通過する。ここで、溶湯の表面膜や表面張力によって、鋳物M3に追従して湯面から引き上げられた溶湯を保持溶湯M2と呼ぶ。また、鋳物M3と保持溶湯M2との界面が凝固界面である。
4つの内部冷却ガスノズル(内部冷却部)103は、それぞれ内部形状規定部材102aの中央部に接続され、内部形状規定部材102aを支持している。同時に、内部冷却ガスノズル103は、それぞれの内部形状規定部材102aの中央部から鋳物M3に冷却ガス(空気、窒素、アルゴンなど)を吹き付け、鋳物M3を内部から冷却している。
支持ロッド104は、外部形状規定部材102bを支持する。内部冷却ガスノズル103、支持ロッド104により、内部形状規定部材102aと外部形状規定部材102bとの位置関係を維持することができる。
アクチュエータ105には、4つの内部冷却ガスノズル103及び支持ロッド104が連結されている。アクチュエータ105によって、4つの内部冷却ガスノズル103及び支持ロッド104は、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bの位置関係を維持したまま、上下方向(鉛直方向)及び水平方向に移動可能である。このような構成により、鋳造の進行による湯面の低下とともに、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bを下方向に移動させることができる。また、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bを水平方向に移動させることができるため、鋳物M3の長手方向の形状を自由に変化させることができる。
外部冷却ガスノズル(外部冷却部)106は、鋳物M3に冷却ガス(空気、窒素、アルゴンなど)を吹き付け、冷却するためのものである。スタータSTに連結された引上機(不図示)により鋳物M3を引き上げつつ、冷却ガスにより鋳物M3を冷却することにより、凝固界面近傍の保持溶湯M2が順次凝固し、鋳物M3が形成されていく。
次に、図3、図4を参照して鋳物M3について説明する。
図3は、実施の形態1に係る鋳物M3を水平面での断面図である。
図3に示すように、鋳物M3は、水平面での断面(以下、横断面と称す)が田の字形状の中空鋳物(つまりパイプ)である。すなわち、鋳物M3は、断面口の字形状のパイプ部M31とパイプ部M31の内部に形成された断面十字形状のリブ部M32とからなる。パイプ部M31やリブ部M32の断面形状は何ら制限されるものではない。例えば、パイプ部M31の断面形状は、円形、楕円形、三角形、五角形以上の多角形などでもよい。リブ部M32の断面形状や本数にも特に制限はない。また、鋳物M3の断面形状を鋳造中に変化させることもできる。
図4は、実施の形態1に係る鋳物M3の一例の外観写真(a)、(b)、及び屈曲部でのX線写真(c)である。図4(a)は、実施の形態1に係る鋳物M3の一例の長手方向全体の外観写真である。図4(a)の写真左側が鋳物M3の上側、写真右側が鋳物M3の下側である。図4(a)に示した鋳物M3は、連続的に形成された5つの屈曲部を備えている。
図4(b)は、鋳物M3を斜め上から見た外観写真である。図4(b)に示すように、この鋳物M3は、アルミニウム合金A6063からなり、肉厚1.5〜2.5mmの田の字形状の断面を有している(なお、溶湯通過部102cの間隔は3.0mm)。
図4(c)は、5つの屈曲部を横から見たX線写真である。アールエフ社製のデジタルX線センサーNX−06及びポータブルX線撮影装置PX−20HFを用いて、管電圧74kVp、管電流時間25mAsの条件で撮影した。図4(c)に示すように、この鋳物M3のパイプ部M31は、5つの屈曲部11〜15を備えている。ここで、隣接する屈曲部は、互いに逆方向に屈曲している。具体的には、屈曲部11、13、15は同じ方向に屈曲している。また、屈曲部12、14は同じ方向に屈曲している。そして、屈曲部11、13、15と屈曲部12、14とは互いに逆方向に屈曲している。
さらに、図4(c)に示すように、リブ部M32も、パイプ部M31の5つの屈曲部11〜15に対応する5つの屈曲部21〜25を備えている。
なお、当然のことながら、屈曲部の数は任意である。
このように、実施の形態1に係る鋳物M3は、パイプ部M31とその内部に形成されたリブ部M32とを備えたリブ付パイプである。ここで、パイプ部M31には、互いに逆方向に屈曲した複数の屈曲部が連続的に形成されている。そして、リブ部M32にも、パイプ部M31の屈曲部に対応する屈曲部が形成されている。このような形状のリブ付パイプは、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法及びその組み合わせでは、製造することができなかった。すなわち、実施の形態1に係る自由鋳造方法により、従来手法及びその組み合わせでは製造することができなかった形状のリブ付パイプを製造することができる。当該リブ付パイプは例えば、熱交換器用途に用いることができる。なお、実施の形態1に係る自由鋳造方法の詳細については後述する。
図5は、実施の形態1に係る鋳物M3の他の例の外観写真である。図5に示す鋳物M3は、1200mmもの全長を有している。図5に示すように、実施の形態1に係る自由鋳造方法では、様々な屈曲部を連続的あるいは断続的に形成することができる。また、鋳物M3の内部にも内部冷却ガスノズル103を介して冷却ガスを導入するため、図5に示すように、スタータSTには冷却ガスを導出する開口部が設けられている。
次に、図1を参照して、実施の形態1に係る自由鋳造方法について説明する。
まず、スタータSTを降下させ、内部形状規定部材102aと外部形状規定部材102bとの間の溶湯通過部102cを通して、スタータSTの先端部を溶湯M1に浸漬させる。スタータSTとしては鋳物M3と同じ断面形状を有し、長手方向に直線状に延びたものを用いることが好ましい。
次に、所定の速度でスタータSTの引き上げを開始する。ここで、スタータSTが湯面から離間しても、表面膜や表面張力によって、スタータSTに追従して湯面から引き上げられた保持溶湯M2が形成される。図1に示すように、保持溶湯M2は、内部形状規定部材102aと外部形状規定部材102bとの間の溶湯通過部102cに形成される。つまり、内部形状規定部材102aと外部形状規定部材102bとにより、保持溶湯M2に形状が付与される。
次に、スタータSTは、内部冷却ガスノズル103及び外部冷却ガスノズル106から吹き出される冷却ガスにより冷却されているため、保持溶湯M2が上側から下側に向かって順に凝固し、鋳物M3が成長していく。このようにして、鋳物M3を連続鋳造することができる。また、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bを水平方向に移動させることにより、鋳物M3に屈曲部を付与することができる。なお、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bを水平方向に移動させる代わりに、引上機に固定されたスタータSTを水平方向に移動させてもよい。あるいは、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bと、スタータSTとを水平面内において反対方向に移動させてもよい。
(実施の形態2)
図6を参照して、実施の形態2に係る鋳物M3について説明する。図6は、実施の形態2に係る鋳物M3の一例の外観写真(a)、及び捩れ部でのX線写真(b)である。
図6(a)に示した鋳物M3は、捩れ部31を備えている。この鋳物M3も、アルミニウム合金A6063からなり、肉厚1.5〜2.5mmの田の字形状の断面を有している(なお、溶湯通過部102cの間隔は3.0mm)。
図6(b)は、捩れ部31を上から見たX線写真である。アールエフ社製のデジタルX線センサーNX−06及びポータブルX線撮影装置PX−20HFを用いて、管電圧74kVp、管電流時間25mAsの条件で撮影した。図6(b)に示すように、捩れ部31では、パイプ部M31とリブ部M32とがともに鋳物M3の長手方向を軸に捩れている。
実施の形態2に係る自由鋳造方法では、鋳物M3に捩れ部31を付与するために、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bを、鉛直方向を軸に回転させる。なお、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bの代わりに、引上機に固定されたスタータSTを、鉛直方向を軸に回転させてもよい。あるいは、内部形状規定部材102a及び外部形状規定部材102bと、スタータSTとを鉛直方向を軸に反対方向に回転させてもよい。
このように、実施の形態2に係る鋳物M3は、パイプ部M31とその内部に形成されたリブ部M32とを備えたリブ付パイプである。ここで、実施の形態2に係る鋳物M3は、パイプ部M31とリブ部M32とがともに鋳物M3の長手方向を軸に捩れた捩れ部31を有している。このような形状のリブ付パイプは、押出成形、プレス成形、溶接、切削、金型鋳造その他の従来手法及びその組み合わせでは、製造することができなかった。すなわち、実施の形態2に係る自由鋳造方法により、従来手法及びその組み合わせでは製造することができなかった形状のリブ付パイプを製造することができる。当該リブ付パイプは例えば、熱交換器用途に用いることができる。捩れ部31のアンカー効果により、例えば地中に固定しやすくなる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。特に、第1の実施の形態と第2の実施の形態とは、組み合わせることができる。すなわち、鋳物M3は、複数の屈曲部と捩れ部とを両方備えるリブ付パイプであってもよい。
11〜15、21〜25 屈曲部
31 捩れ部
101 溶湯保持炉
102 形状規定部材
102a 内部形状規定部材
102b 外部形状規定部材
102c 溶湯通過部
103 内部冷却ガスノズル
104 支持ロッド
105 アクチュエータ
106 外部冷却ガスノズル
M1 溶湯
M2 保持溶湯
M3 鋳物
M31 パイプ部
M32 リブ部
ST スタータ

Claims (9)

  1. パイプ部と、
    前記パイプ部の内部に形成されたリブ部と、を備え、
    前記リブ部は、前記パイプ部の屈曲に応じた複数の屈曲部を有している、連続鋳造体からなるリブ付パイプであって、
    前記複数の屈曲部は、
    当該リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を通過させながらスタータにより溶湯を引き上げつつ、前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を水平方向へ移動させることにより形成された、リブ付パイプ。
  2. 前記複数の屈曲部が連続して形成されている、
    請求項に記載のリブ付パイプ。
  3. 前記複数の屈曲部において、隣接した屈曲部が互いに逆方向に屈曲している、
    請求項に記載のリブ付パイプ。
  4. 前記リブ部は、前記パイプ部の捩れに応じて形成された捩れ部をさらに有している、
    請求項1〜のいずれか一項に記載のリブ付パイプ。
  5. パイプ部と、
    前記パイプ部の内部に形成されたリブ部と、を備え、
    前記リブ部は、前記パイプ部の捩れに応じた捩れ部を有している、連続鋳造体からなるリブ付パイプであって、
    前記捩れ部は、
    当該リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を通過させながらスタータにより溶湯を引き上げつつ、前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を、鉛直方向を軸に回転させることにより形成された、リブ付パイプ。
  6. パイプ部の内部に形成されたリブ部が、前記パイプ部の屈曲に応じた複数の屈曲部を有している、リブ付パイプの製造方法であって、
    保持炉に保持された溶湯を、スタータにより前記溶湯の表面から導出し、鋳造する前記リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を介して引き上げるステップと、
    前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却し、凝固させるステップと、を備え、
    前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を水平方向へ移動させることにより前記複数の屈曲部を形成する、リブ付パイプの製造方法。
  7. 鋳造される前記リブ付パイプの内側へ冷却ガスを導入するとともに、前記スタータに開口部を設ける、
    請求項に記載のリブ付パイプの製造方法。
  8. パイプ部の内部に形成されたリブ部が、前記パイプ部の捩れに応じた捩れ部を有している、リブ付パイプの製造方法であって、
    保持炉に保持された溶湯を、スタータにより前記溶湯の表面から導出し、鋳造する前記リブ付パイプの断面形状を規定する形状規定部材を介して引き上げるステップと、
    前記形状規定部材を通過して引き上げられた前記溶湯を冷却し、凝固させるステップと、を備え、
    前記スタータ及び前記形状規定部材の少なくともいずれか一方を、鉛直方向を軸に回転させることにより前記捩れ部を形成する、リブ付パイプの製造方法。
  9. 鋳造される前記リブ付パイプの内側へ冷却ガスを導入するとともに、前記スタータに開口部を設ける、
    請求項に記載のリブ付パイプの製造方法。
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