JP5924246B2 - 引上式連続鋳造装置、引上式連続鋳造方法、及び凝固界面検出装置 - Google Patents

Description

本発明は引上式連続鋳造装置、引上式連続鋳造方法、及び凝固界面検出装置に関する。

特許文献１には、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。
特許文献１に記載の自由鋳造方法では、形状規定部材を介して導出された溶湯を冷却ガスによって冷却しているため、凝固界面は形状規定部材よりも上側に位置する。この凝固界面の位置は、鋳物の寸法精度や表面品質に直接影響を及ぼす。そのため、凝固界面を検出し、これを所定の範囲内に制御することが重要となる。しかしながら、凝固界面の検出は難しかった。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、凝固界面を所定の範囲内に制御することができ、鋳物の寸法精度や表面品質に優れる引上式連続鋳造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造装置は、
溶湯を保持する保持炉と、
前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する第１の形状規定部材と、
前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯の画像を撮影する撮像部と、
前記画像から前記溶湯の搖動を検出し、前記搖動の有無に基づいて、凝固界面を決定する画像解析部と、
前記画像解析部によって決定された前記凝固界面が予め定められた基準範囲内にない場合、鋳造条件を変更する鋳造制御部と、を備えるものである。このような構成により、凝固界面を所定の範囲内に制御することができ、鋳物の寸法精度や表面品質を向上させることができる。
前記鋳造条件は、前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却するための冷却ガスの流量、前記鋳物の引上げ速度、前記保持炉の設定温度のいずれかが好ましい。

また、前記第１の形状規定部材がパイプから構成され、前記溶湯を加熱又は冷却することが好ましい。ここで、前記パイプの内部に発熱体が装填されており、前記溶湯を加熱することが好ましい。あるいは、前記パイプの内部に冷却ガスが流されており、前記溶湯を冷却することが好ましい。前記第１の形状規定部材を通過する前記溶湯の温度を素早く変更することができる。

前記凝固界面の近傍かつ下側に設けられた第２の形状規定部材をさらに備えることが好ましい。ここで、前記第２の形状規定部材が、前記凝固界面の位置に応じて、上下方向に駆動されることが好ましい。鋳物の寸法精度や表面品質をさらに向上させることができる。

前記第１の形状規定部材は、複数に分割されており、前記画像解析部は、前記画像から前記鋳物の寸法を検出し、前記鋳造制御部は、前記鋳物の寸法に基づいて、前記第１の形状規定部材が規定する前記断面形状を変更することが好ましい。鋳物の寸法精度を向上させることができる。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造装置は、
溶湯を保持する保持炉と、
前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却する冷却部と、を備え、
前記形状規定部材は、その内部に加熱手段又は冷却手段を備えているものである。前記形状規定部材を通過した前記溶湯の温度を素早く変更することができる。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造装置は、
溶湯を保持する保持炉と、
前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する第１の形状規定部材と、
前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯の凝固界面の近傍かつ下側に設けられた第２の形状規定部材と、を備えるものである。鋳物の寸法精度や表面品質を向上させることができる。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造方法は、
保持炉に保持された溶湯を、鋳造する鋳物の断面形状を規定する第１の形状規定部材を通過させて引き上げるステップと、
前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯の画像を撮影するステップと、
前記画像から前記溶湯の搖動を検出し、前記搖動の有無に基づいて、凝固界面を決定するステップと、
決定された前記凝固界面が予め定められた基準範囲内にない場合、鋳造条件を変更するステップと、を備えるものである。このような構成により、凝固界面を所定の範囲内に制御することができ、鋳物の寸法精度や表面品質を向上させることができる。
前記鋳造条件は、前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却するための冷却ガスの流量、前記鋳物の引上げ速度、前記保持炉の設定温度のいずれかが好ましい。

また、前記第１の形状規定部材をパイプから構成し、前記第１の形状規定部材により前記溶湯を加熱又は冷却することが好ましい。ここで、前記パイプの内部に発熱体を装填し、前記溶湯を加熱することが好ましい。あるいは、前記パイプの内部に冷却ガスを流し、前記溶湯を冷却することが好ましい。前記第１の形状規定部材を通過する前記溶湯の温度を素早く変更することができる。

前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯を、前記凝固界面の近傍かつ下側に設けられた第２の形状規定部材を通過させることが好ましい。ここで、前記第２の形状規定部材を、前記凝固界面の位置に応じて、上下方向に駆動することが好ましい。鋳物の寸法精度や表面品質をさらに向上させることができる。

前記第１の形状規定部材を、複数に分割して構成し、前記画像から前記鋳物の寸法を検出し、前記鋳物の寸法に基づいて、前記第１の形状規定部材が規定する前記断面形状を変更することが好ましい。鋳物の寸法精度を向上させることができる。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造方法は、
保持炉に保持された溶湯を、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を通過させ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するステップと、を備え、
前記形状規定部材の内部に加熱手段又は冷却手段を設けるものである。前記形状規定部材を通過する前記溶湯の温度を素早く変更することができる。

本発明の一態様に係る引上式連続鋳造方法は、
保持炉に保持された溶湯を、鋳造する鋳物の断面形状を規定する第１の形状規定部材を通過させて引き上げるステップと、
前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯を、当該溶湯の凝固界面の近傍かつ下側に設けられた第２の形状規定部材を通過させるステップと、を備えるものである。鋳物の寸法精度や表面品質を向上させることができる。

本発明の一態様に係る凝固界面検出装置は、
鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を通過した溶湯の凝固界面を検出する凝固界面検出装置であって、
前記形状規定部材を通過した前記溶湯の画像を撮影する撮像部と、
前記画像から前記溶湯の搖動を検出し、前記搖動の有無に基づいて、凝固界面を決定する画像解析部と、を備えるものである。

本発明により、凝固界面を所定の範囲内に制御することができ、鋳物の寸法精度や表面品質に優れる引上式連続鋳造方法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模式的断面図である。 実施の形態１に係る形状規定部材１０２の平面図である。 実施の形態１に係る自由鋳造装置が備える凝固界面制御システムのブロック図である。 凝固界面近傍の３つの画像例である。 凝固界面における表面張力と保持溶湯の重力との釣り合いを示す図である。 実施の形態１に係る凝固界面制御方法について説明するためのフローチャートである。 実施の形態２に係る形状規定部材２０２の平面図である。 実施の形態２に係る形状規定部材２０２の側面図である。 実施の形態２に係る凝固界面制御方法について説明するためのフローチャートである。 実施の形態３に係る自由鋳造装置の模式的断面図である。 実施の形態３に係る形状規定部材の平面図である。 実施の形態４に係る自由鋳造装置の模式的断面図である。 実施の形態４に係る形状規定部材の平面図である。 実施の形態４に係る形状規定部材の側面図である。

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模式的断面図である。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、形状規定部材１０２、支持ロッド１０４、アクチュエータ１０５、冷却ガスノズル１０６、冷却ガス供給部１０７、引上機１０８、撮像部（カメラ）１０９を備えている。図１におけるｘｙ平面は水平面を構成し、ｚ軸方向が鉛直方向である。より具体的には、ｚ軸のプラス方向が鉛直上向きとなる。

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。ここで、保持炉の設定温度を上げると凝固界面の位置を上げることができ、保持炉の設定温度を下げると凝固界面の位置を下げることができる。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。

形状規定部材１０２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、形状規定部材１０２が湯面に接触するように配置されている。形状規定部材１０２は、鋳造する鋳物Ｍ３の断面形状を規定するとともに、溶湯Ｍ１の表面に形成される酸化膜や溶湯Ｍ１の表面に浮遊する異物の鋳物Ｍ３への混入を防止する。図１に示した鋳物Ｍ３は、水平方向の断面（以下、横断面と称す）の形状が板状の中実鋳物である。

図２は、実施の形態１に係る形状規定部材１０２の平面図である。ここで、図１の形状規定部材１０２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、形状規定部材１０２は、例えば矩形状の平面形状を有し、中央部に溶湯が通過するための厚さｔ１×幅ｗ１の矩形状の開口部（溶湯通過部１０３）を有している。なお、図２におけるｘｙｚ座標は、図１と一致している。

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、形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３を通過する。すなわち、溶湯Ｍ１が形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３を通過することにより、溶湯Ｍ１に対し形状規定部材１０２から外力が印加され、鋳物Ｍ３の断面形状が規定される。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との境界が凝固界面である。

支持ロッド１０４は、形状規定部材１０２を支持する。
アクチュエータ１０５には、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、支持ロッド１０４を介して形状規定部材１０２が上下方向（鉛直方向）及び水平方向に移動可能となっている。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、形状規定部材１０２を下方向に移動させることができる。また、形状規定部材１０２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。

冷却ガスノズル（冷却部）１０６は、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガス（空気、窒素、アルゴンなど）を鋳物Ｍ３に吹き付け、冷却する冷却手段である。冷却ガスの流量を増やすと凝固界面の位置を下げることができ、冷却ガスの流量を減らすと凝固界面の位置を上げることができる。

スタータＳＴに連結された引上機１０８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。引上機１０８による引上速度を速くすると凝固界面の位置を上げることができ、引上速度を遅くすると凝固界面の位置を下げることができる。

撮像部１０９は、鋳造している間、鋳物Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との境界である凝固界面近傍を継続的に監視する。詳細については後述するように、撮像部１０９によって撮影された画像から凝固界面を決定することができる。

次に、図３を参照して、実施の形態１に係る自由鋳造装置が備える凝固界面制御システムについて説明する。図３は、実施の形態１に係る自由鋳造装置が備える凝固界面制御システムのブロック図である。当該凝固界面制御システムは、凝固界面の位置（高さ）を所定の基準範囲内に保持するためのものである。
図３に示すように、この凝固界面制御システムは、撮像部１０９、画像解析部１１０、鋳造制御部１１１、引上機１０８、溶湯保持炉１０１、冷却ガス供給部１０７を備えている。ここで、撮像部１０９、引上機１０８、溶湯保持炉１０１、冷却ガス供給部１０７については、図１を参照して説明したため、詳細な説明については省略する。

画像解析部１１０は、撮像部１０９によって撮影された画像から保持溶湯Ｍ２の表面の搖動を検出する。具体的には、連続的に撮影された複数の画像を比較することにより、保持溶湯Ｍ２の表面の搖動を検出することができる。他方、鋳物Ｍ３の表面には搖動は生じない。そのため、搖動の有無に基づいて、凝固界面を決定することができる。
撮像部１０９と画像解析部１１０とが、凝固界面検出装置を構成している。

なお、凝固界面は、凝固界面近傍の溶湯温度を測定することによっても決定することができると考えられる。しかしながら、鋳物の形状に悪影響を及ぼす懸念があるため、熱電対などによる接触式の測定は困難である。また、溶湯がアルミニウムやその合金の場合、溶湯表面に酸化膜が形成されるため、放射温度計などによる非接触式の測定も困難である。

ここで、図４を参照して、より具体的に説明する。図４は、凝固界面近傍の３つの画像例である。図４の上から順に、凝固界面の位置が上限を超えた場合の画像例、凝固界面の位置が基準範囲内の場合の画像例、凝固界面の位置が下限未満の場合の画像例を示している。図４中央の画像例に示すように、画像解析部１１０は、例えば、撮像部１０９によって撮影された画像において、搖動が検出された領域（すなわち溶湯であると考えられる）と検出されない領域（すなわち鋳物であると考えられる）の境界部を凝固界面と決定する。

鋳造制御部１１１は、凝固界面位置の基準範囲（上限及び下限）を記憶する記憶部（不図示）を備えている。そして、画像解析部１１０が決定した凝固界面が上限を超えている場合、鋳造制御部１１１は、引上機１０８の引上げ速度を遅くするか、溶湯保持炉１０１の設定温度を下げるか、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガスの流量を増やす。一方、画像解析部１１０が決定した凝固界面が下限未満である場合、鋳造制御部１１１は、引上機１０８の引上げ速度を速くするか、溶湯保持炉１０１の設定温度を上げるか、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガスの流量を減らす。これら３つの条件の制御は、２つ以上の条件を同時に変更してもよいが、１つの条件のみを変更する方が、制御が容易となり位好ましい。また、３つの条件の優先順位を予め定めておき、優先順位の高いものから順に変更してもよい。

図４を参照して、凝固界面位置の上限及び下限について説明する。図４上の画像例に示すように、凝固界面の位置が上限を超えた場合、保持溶湯Ｍ２に「くびれ」が発生し、「ちぎれ」に発展する。凝固界面位置の上限は、凝固界面の高さを変化させ、保持溶湯Ｍ２に「くびれ」が発生するか否かを事前に調査することにより決定することができる。一方、図４下の画像例に示すように、凝固界面の位置が下限未満の場合、鋳物Ｍ３の表面に凹凸が発生し、形状不良となる。凝固界面位置の下限は、凝固界面の高さを変化させ、鋳物Ｍ３の表面に凹凸が発生するか否かを事前に調査することにより決定することができる。

また、凝固界面の上限は計算によって決定することもできる。
図５は、凝固界面における表面張力と保持溶湯の重力との釣り合いを示す図である。図５に示すように、凝固界面における鋳物Ｍ３の厚さｔ、幅ｗ、単位長さ当たりの表面張力γを用いて、保持溶湯Ｍ２を保持するための表面張力は、２γ（ｗ＋ｔ）と表すことができる。他方、溶湯の密度ρ、凝固界面の溶湯表面（湯面）からの高さｈ、重力加速度ｇを用いて、保持溶湯Ｍ２に掛かる重力はρｗｔｈｇと近似することができる。ここで、保持溶湯Ｍ２を保持するための表面張力が保持溶湯Ｍ２に掛かる重力よりも大きい必要があるため、２γ（ｗ＋ｔ）＞ρｗｔｈｇが成立する。例えば、この関係式を満たす凝固界面の高さｈから上限を決定してもよい。なお、図５に示すように、保持溶湯Ｍ２は、末広がりな形状となるため、鋳物Ｍ３の厚さｔ、幅ｗは、溶湯通過部１０３の厚さｔ１、幅ｗ１よりもそれぞれ小さい値となる。また、図５におけるｘｙｚ座標は、図１と一致している。

実施の形態１に係る自由鋳造装置では、凝固界面近傍の画像を撮影する撮像部と、その画像から溶湯表面の搖動を検出し、凝固界面を決定する画像解析部と、凝固界面が基準範囲内にない場合、鋳造条件を変更する鋳造制御部と、を備えている。そのため、凝固界面を検出し、その凝固界面を所定の基準範囲内に維持するためのフィードバック制御を行うことができる。そのため、鋳物の寸法精度、表面品質を向上させることができる。

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、形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３を通して、スタータＳＴの先端部を溶湯Ｍ１に浸漬させる。

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、形状規定部材１０２の溶湯通過部１０３に形成される。つまり、形状規定部材１０２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、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。実施の形態１に係る自由鋳造方法では、凝固界面を所定の基準範囲に保持するように制御している。以下に、図６を参照して、凝固界面制御方法について説明する。

図６は、実施の形態１に係る凝固界面制御方法について説明するためのフローチャートである。
まず、撮像部１０９により、凝固界面近傍の画像を撮影する（ステップＳＴ１）。
次に、画像解析部１１０は、撮像部１０９によって撮影された画像を解析する（ステップＳＴ２）。具体的には、連続的に撮影された複数の画像を比較することにより、保持溶湯Ｍ２の表面の搖動を検出する。そして、画像解析部１１０は、撮像部１０９によって撮影された画像において、搖動が検出された領域と検出されない領域の境界部を凝固界面と決定する。

次に、鋳造制御部１１１は、画像解析部１１０が決定した凝固界面の位置が基準範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳＴ３）。凝固界面の位置が基準範囲内にない場合（ステップＳＴ３ＮＯ）、鋳造制御部１１１は、冷却ガス流量、鋳造速度、保持炉設定温度のうちのいずれかの条件を変更する（ステップＳＴ４）。その後、鋳造制御部１１１は、鋳造が完了したか否かを判断する（ステップＳＴ５）

具体的にステップＳＴ４では、画像解析部１１０が決定した凝固界面が上限を超えている場合、鋳造制御部１１１は、引上機１０８の引上げ速度を遅くするか、溶湯保持炉１０１の設定温度を下げるか、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガスの流量を増やす。一方、画像解析部１１０が決定した凝固界面が下限未満である場合、鋳造制御部１１１は、引上機１０８の引上げ速度を速くするか、溶湯保持炉１０１の設定温度を上げるか、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガスの流量を減らす。

凝固界面の位置が基準範囲内にある場合（ステップＳＴ３ＹＥＳ）、鋳造条件を変更することなく、そのままステップＳＴ５へ進む。
鋳造が完了していなければ（ステップＳＴ５ＮＯ）、ステップＳＴ１に戻る。一方、鋳造が完了していれば（ステップＳＴ５ＹＥＳ）、凝固界面の制御を終了する。

実施の形態１に係る自由鋳造方法では、凝固界面近傍の画像を撮影し、その画像から溶湯表面の搖動を検出し、凝固界面を決定する。そして、凝固界面が基準範囲内にない場合、鋳造条件を変更する。すなわち、凝固界面を所定の基準範囲内に維持するためのフィードバック制御を行うことができる。そのため、鋳物の寸法精度、表面品質を向上させることができる。

（実施の形態２）
次に、図７、８を参照して、実施の形態２に係る自由鋳造装置について説明する。図７は、実施の形態２に係る形状規定部材２０２の平面図である。図８は、実施の形態２に係る形状規定部材２０２の側面図である。なお、図７、８におけるｘｙｚ座標も、図１と一致している。

図２に示された実施の形態１に係る形状規定部材１０２は、１枚の板から構成されていたため、溶湯通過部１０３の厚さｔ１、幅ｗ１は固定されていた。これに対し、実施の形態２に係る形状規定部材２０２は、図７に示すように、４枚の矩形状の形状規定板２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄを備えている。すなわち、実施の形態２に係る形状規定部材２０２は、複数に分割されている。このような構成により、溶湯通過部２０３の厚さｔ１、幅ｗ１を変化させることができる。また、４枚の矩形状の形状規定板２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄは、同調してｚ軸方向に移動することができる。

図７に示すように、形状規定板２０２ａ、２０２ｂは、ｘ軸方向に並んで対抗配置されている。また、図８に示すように、形状規定板２０２ａ、２０２ｂは、ｚ軸方向には同じ高さで配置されている。形状規定板２０２ａ、２０２ｂの間隔が、溶湯通過部２０３の幅ｗ１を規定している。そして、形状規定板２０２ａ、２０２ｂが、独立してｘ軸方向に移動可能であるため、幅ｗ１を変化させることができる。なお、溶湯通過部２０３の幅ｗ１を測定するために、図７、８に示すように、形状規定板２０２ａ上にレーザ変位計Ｓ１、形状規定板２０２ｂ上にレーザ反射板Ｓ２が設けてもよい。

また、図７に示すように、形状規定板２０２ｃ、２０２ｄは、ｙ軸方向に並んで対抗配置されている。また、形状規定板２０２ｃ、２０２ｃは、ｚ軸方向には同じ高さで配置されている。形状規定板２０２ｃ、２０２ｄの間隔が、溶湯通過部２０３の厚さｔ１を規定している。そして、形状規定板２０２ｃ、２０２ｄが、独立してｙ軸方向に移動可能であるため、厚さｔ１を変化させることができる。
形状規定板２０２ａ、２０２ｂは、形状規定板２０２ｃ、２０２ｄの上側に接触するように配置されている。

次に、図７、８を参照して、形状規定板２０２ａの駆動機構について説明する。図７、８に示すように、形状規定板２０２ａの駆動機構は、スライドテーブルＴ１、Ｔ２、リニアガイドＧ１１、Ｇ１２、Ｇ２１、Ｇ２２、アクチュエータＡ１、Ａ２、ロッドＲ１、Ｒ２を備えている。なお、形状規定板２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄも形状規定板２０２ａと同様に駆動機構を備えているが、図７、８では省略されている。

図７、８に示すように、形状規定板２０２ａは、ｘ軸方向にスライド可能なスライドテーブルＴ１に載置、固定されている。スライドテーブルＴ１は、ｘ軸方向に平行して延設された１対のリニアガイドＧ１１、Ｇ１２上に、摺動自在に載置されている。また、スライドテーブルＴ１は、アクチュエータＡ１からｘ軸方向に延設されたロッドＲ１に連結されている。以上のような構成により、形状規定板２０２ａは、ｘ軸方向にスライドすることができる。

また、図７、８に示すように、リニアガイドＧ１１、Ｇ１２、及びアクチュエータＡ１は、ｚ軸方向にスライド可能なスライドテーブルＴ２上に載置、固定されている。スライドテーブルＴ２は、ｚ軸方向に平行して延設された１対のリニアガイドＧ２１、Ｇ２２上に、摺動自在に載置されている。また、スライドテーブルＴ２は、アクチュエータＡ２からｚ軸方向に延設されたロッドＲ２に連結されている。リニアガイドＧ２１、Ｇ２２、及びアクチュエータＡ２は、水平な床面や台座（不図示）などに固定されている。以上のような構成により、形状規定板２０２ａは、ｚ軸方向にスライドすることができる。なお、アクチュエータＡ１、Ａ２として、油圧シリンダ、エアシリンダ、モータなどを挙げることができる。

次に、図９を参照して、実施の形態２に係る凝固界面制御方法について説明する。図９は、実施の形態２に係る凝固界面制御方法について説明するためのフローチャートである。図９において、ステップＳＴ４までは、図６に示した実施の形態１と同様であるため、詳細な説明は省略する。

凝固界面の位置が基準範囲内にある場合（ステップＳＴ３ＹＥＳ）、鋳造制御部１１１は、画像解析部１１０が決定した凝固界面での寸法（厚さｔ、幅ｗ）が、鋳物Ｍ３の寸法公差内にあるか否かを判定する（ステップＳＴ１１）。ここで、凝固界面での寸法（厚さｔ、幅ｗ）は、画像解析部１１０が凝固界面を決定する際に同時に得られる。画像から得られた寸法が寸法公差内にない場合（ステップＳＴ１１ＮＯ）、溶湯通過部２０３の厚さｔ１、幅ｗ１を変更する（ステップＳＴ１２）。その後、鋳造制御部１１１は、鋳造が完了したか否かを判断する（ステップＳＴ５）。

寸法が寸法公差内にある場合（ステップＳＴ１１ＹＥＳ）、溶湯通過部２０３の厚さｔ１、幅ｗ１を変更することなく、そのままステップＳＴ５へ進む。
鋳造が完了していなければ（ステップＳＴ５ＮＯ）、ステップＳＴ１に戻る。一方、鋳造が完了していれば（ステップＳＴ５ＹＥＳ）、凝固界面の制御を終了する。
その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

実施の形態２に係る自由鋳造方法では、実施の形態１と同様に、凝固界面近傍の画像を撮影し、その画像から溶湯表面の搖動を検出し、凝固界面を決定する。そして、凝固界面が基準範囲内にない場合、鋳造条件を変更する。すなわち、凝固界面を所定の基準範囲内に維持するためのフィードバック制御を行うことができる。そのため、鋳物の寸法精度、表面品質を向上させることができる。また、実施の形態２に係る自由鋳造方法では、溶湯通過部２０３の厚さｔ１、幅ｗ１を変更することができる。そのため、画像から凝固界面を決定する際、当該凝固界面における厚さｔ、幅ｗを測定し、この測定値が寸法公差内でなければ、溶湯通過部２０３の厚さｔ１、幅ｗ１を変更する。すなわち、鋳物の寸法を寸法公差内に維持するためのフィードバック制御を行うことができる。そのため、鋳物の寸法精度をより向上させることができる。

（実施の形態３）
次に、図１０、１１を参照して、実施の形態３に係る自由鋳造装置について説明する。図１０は、実施の形態３に係る自由鋳造装置の模式的断面図である。図１１は、実施の形態３に係る形状規定部材の平面図である。なお、図１０、１１におけるｘｙｚ座標も、図１と一致している。実施の形態３に係る自由鋳造装置では、実施の形態１に係る形状規定部材１０２と同様の第１の形状規定部材１０２が溶湯表面上に設けられているのに加え、実施の形態２に係る形状規定部材２０２と同様の第２の形状規定部材３０２が凝固界面直下に設けられている。

第２の形状規定部材３０２は、画像解析によって決定された凝固界面の直下（凝固界面の近傍かつ下側）に配置されるように、常時フィードバック制御されていることが好ましい。ここで、第２の形状規定部材３０２は、実施の形態２に係る形状規定部材２０２と同様に、４枚の矩形状の形状規定板３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄを備えている。また、４枚の矩形状の形状規定板３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄは、同調してｚ軸方向に移動することができる。４枚の矩形状の形状規定板３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄは、厚さ３ｍｍ以下とするのが好ましい。なお、凝固界面の近傍とは、少なくとも溶湯表面と凝固界面との間の中央よりも凝固界面側をいう。
その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、詳細な説明は省略する。

実施の形態１、２では、溶湯通過部１０３、２０３の寸法（厚さｔ１、幅ｗ１）から所望の鋳物寸法（厚さｔ、幅ｗ）を得る必要があるため、その制御が難しい。実施の形態３では、凝固界面（つまり鋳物Ｍ３）直下の保持溶湯Ｍ２の厚さ、幅を第２の形状規定部材３０２により直接的に規定することができる。つまり、凝固界面直下の保持溶湯Ｍ２の厚さ、幅を第２の形状規定部材３０２により鋳物Ｍ３の寸法（厚さｔ、幅ｗ）に合わせることができる。そのため、鋳物の寸法精度をより向上させることができる。

また、実施の形態３において、実施の形態２と同様に、凝固界面における鋳物Ｍ３の厚さｔ、幅ｗを測定し、これらの測定値に応じて、凝固界面直下の保持溶湯Ｍ２の厚さ、幅を微調整するようにしてもよい。これにより、鋳物Ｍ３の寸法精度をさらに向上させることができる。

また、特定のアルミニウム合金（例えばアルミニウム合金Ａ６０６３）では、保持溶湯Ｍ２の表面に形成される酸化膜が鋳物Ｍ３に巻き込まれ、鋳物Ｍ３の表面に波状痕が形成されてしまう問題があった。実施の形態３では、第２の形状規定部材３０２がスクレーパとして機能し、保持溶湯Ｍ２の表面に形成される酸化膜の鋳物Ｍ３への巻き込みを抑制することができる。すなわち、鋳物Ｍ３の表面に波状痕が形成されるのを抑制し、表面性状を向上させることができる。なお、例えばアルミニウム合金ＡＤＣ１２では、そもそも上述の波状痕の問題は生じない。

なお、第１の形状規定部材１０２に代えて、実施の形態２と同様の形状規定部材２０２を用いてもよい。すなわち、第１の形状規定部材の溶湯通過部１０３の寸法（厚さｔ１、幅ｗ１）を変更可能な構成としてもよい。

（実施の形態４）
次に、図１２〜１４を参照して、実施の形態４に係る自由鋳造装置について説明する。図１２は、実施の形態４に係る自由鋳造装置の模式的断面図である。図１３は、実施の形態４に係る形状規定部材の平面図である。図１４は、実施の形態４に係る形状規定部材の側面図である。なお、図１２〜１４におけるｘｙｚ座標も、図１と一致している。

図７に示された実施の形態２に係る形状規定部材２０２は、４枚の矩形状の形状規定板２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄから構成されていた。これに対し、実施の形態４に係る形状規定部材４０２は、図１３に示すように、４つの形状規定管４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄを備えている。このような構成により、溶湯通過部４０３の厚さｔ１、幅ｗ１を変化させることができる。また、４つの形状規定管４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄは、同調してｚ軸方向に移動することができる。

形状規定管４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄは、ニクロム線などのヒータ線（発熱体）が内蔵されたパイプである。つまり、実施の形態４に係る形状規定部材４０２は、その内部に加熱手段を備えている。ヒータ線としては、例えば直径０．３ｍｍ程度のニクロム線が好ましい。ヒータ線は例えばマグネシアなどの絶縁体によって被覆され、外径１．５ｍｍ程度のステンレス管に装填されている。また、溶湯との濡れ性を悪くするために、形状規定管４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄの表面にボロンナイトライドなどの離型剤を塗布してもよい。

図１３に示すように、形状規定管４０２ａ、４０２ｂは、ｙ軸方向に延設された１つのｙ方向延設部、ｙ方向延設部の両端から立設された（つまりｚ軸方向に延設された）２つのｚ方向延設部、それぞれのｚ軸延設部の一端からｘ軸方向に延設された２つのｘ方向延設部を備えている。
形状規定管４０２ａ、４０２ｂは、ｙ軸に平行な直線を対称軸として、線対称に配置されている。ここで、形状規定管４０２ａのｙ方向延設部と、形状規定管４０２ｂのｙ方向延設部とが、対抗配置されている。

また、図１４に示すように、形状規定管４０２ａ、４０２ｂは、ｚ軸方向には同じ高さで配置されている。形状規定管４０２ａのｙ方向延設部と、形状規定管４０２ｂのｙ方向延設部との間隔が、溶湯通過部４０３の幅ｗ１を規定している。そして、形状規定管４０２ａ、４０２ｂが、独立してｘ軸方向に移動可能であるため、幅ｗ１を変化させることができる。

また、図１３に示すように、形状規定管４０２ｃ、４０２ｄは、ｘ軸方向に延設された１つのｘ方向延設部、ｘ方向延設部の両端から立設された（つまりｚ軸方向に延設された）２つのｚ方向延設部、それぞれのｚ軸延設部の一端からｙ軸方向に延設された２つのｙ方向延設部を備えている。
形状規定管４０２ｃ、４０２ｄは、ｘ軸に平行な直線を対称軸として、線対称に配置されている。ここで、形状規定管４０２ｃのｘ方向延設部と、形状規定管４０２ｄのｘ方向延設部とが、対抗配置されている。

また、形状規定管４０２ｃ、４０２ｄは、ｚ軸方向には同じ高さで配置されている。形状規定管４０２ｃのｘ方向延設部と、形状規定管４０２ｄのｘ方向延設部との間隔が、溶湯通過部４０３の厚さｔ１を規定している。そして、形状規定管４０２ｃ、４０２ｄが、独立してｙ軸方向に移動可能であるため、厚さｔ１を変化させることができる。
図１４に示すように、形状規定管４０２ａ、４０２ｂは、形状規定管４０２ｃ、４０２ｄの上側に接触するように配置されている。
その他の構成は、実施の形態２と同様であるため、詳細な説明は省略する。

実施の形態１において図６を参照して説明したように、画像解析部１１０が決定した凝固界面が下限未満である場合、鋳造制御部１１１は、引上機１０８の引上げ速度を速くするか、溶湯保持炉１０１の設定温度を上げるか、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガスの流量を減らす。実施の形態４では、形状規定部材４０２がヒータから構成されているため、上記３つの選択肢以外に、形状規定部材４０２により保持溶湯Ｍ２を加熱することができる。溶湯保持炉１０１の設定温度を上げる場合よりも応答性良く保持溶湯Ｍ２の温度を上げ、凝固界面位置を制御することができる。また、板状よりも管状のヒータの方が、ヒータ自体の容量を小さくすることができる。

なお、形状規定管４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄをヒータとする代わりに、内部に冷却ガスを流し、クーラとしてもよい。つまり、形状規定部材４０２は、その内部に冷却手段を備えていてもよい。実施の形態１において図６を参照して説明したように、画像解析部１１０が決定した凝固界面が上限を超える場合、鋳造制御部１１１は、引上機１０８の引上げ速度を遅くするか、溶湯保持炉１０１の設定温度を下げるか、冷却ガス供給部１０７から供給される冷却ガスの流量を増やす。形状規定部材４０２をクーラから構成すれば、上記３つの選択肢以外に、形状規定部材４０２により保持溶湯Ｍ２を冷却することができる。溶湯保持炉１０１の設定温度を下げる場合よりも応答性良く保持溶湯Ｍ２の温度を下げ、凝固界面位置を制御することができる。

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。

１０１ 溶湯保持炉
１０２、２０２、３０２、４０２ 形状規定部材
１０３、２０３、４０３ 溶湯通過部
１０４ 支持ロッド
１０５ アクチュエータ
１０６ 冷却ガスノズル
１０７ 冷却ガス供給部
１０８ 引上機
１０９ 撮像部
１１０ 画像解析部
１１１ 鋳造制御部
形状規定部材
２０２ａ〜２０２ｄ、３０２ａ〜３０２ｄ 形状規定板
４０２ａ〜４０２ｄ 形状規定管
Ａ１、Ａ２ アクチュエータ
Ｇ１１、Ｇ１２、Ｇ２１、Ｇ２２ リニアガイド
Ｍ１ 溶湯
Ｍ２ 保持溶湯
Ｍ３ 鋳物
Ｒ１、Ｒ２ ロッド
Ｓ１ レーザ変位計
Ｓ２ レーザ反射板
ＳＴ スタータ
Ｔ１、Ｔ２ スライドテーブル

Claims (25)

1. 溶湯を保持する保持炉と、
   前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、開口する第１の溶湯通過部を有し、前記第１の溶湯通過部を前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する第１の形状規定部材と、
   前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯の画像を撮影する撮像部と、
   前記画像から前記溶湯の搖動を検出し、前記搖動が検出された領域と前記搖動が検出されない領域の境界部を凝固界面として決定する画像解析部と、
   前記画像解析部によって決定された前記凝固界面が予め定められた基準範囲内にない場合、前記凝固界面が予め定められた基準範囲内に入るように鋳造条件を変更する鋳造制御部と、を備える、
   引上式連続鋳造装置。
2. 前記鋳造制御部は、前記鋳造条件のうち、前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却するための冷却ガスの流量を変更する、
   請求項１に記載の引上式連続鋳造装置。
3. 前記鋳造制御部は、前記鋳造条件のうち、前記鋳物の引上げ速度を変更する、
   請求項１に記載の引上式連続鋳造装置。
4. 前記鋳造制御部は、前記鋳造条件のうち、前記保持炉の設定温度を変更する、
   請求項１に記載の引上式連続鋳造装置。
5. 前記第１の形状規定部材が、パイプから構成され、前記溶湯を加熱又は冷却する、
   請求項１に記載の引上式連続鋳造装置。
6. 前記パイプの内部に発熱体が装填されており、前記溶湯を加熱する、
   請求項５に記載の引上式連続鋳造装置。
7. 前記パイプの内部に冷却ガスが流されており、前記溶湯を冷却する、
   請求項５に記載の引上式連続鋳造装置。
8. 前記凝固界面の近傍かつ下側に設けられ、開口する第２の溶湯通過部を有し、前記第２の溶湯通過部を、前記第１の形状規定部材の前記第１の溶湯通過部を通過した溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する第２の形状規定部材をさらに備える、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の引上式連続鋳造装置。
9. 前記第２の形状規定部材が、前記凝固界面の近傍かつ下側に配置されるように前記凝固界面の位置に応じて、上下方向に駆動される、
   請求項８に記載の引上式連続鋳造装置。
10. 前記第１の形状規定部材は、前記鋳物の厚み方向及び幅方向において分割されており、
    前記画像解析部は、前記画像から前記鋳物の寸法を検出し、
    前記鋳造制御部は、前記鋳物の寸法が所定の寸法公差内に収まるように、前記第１の形状規定部材が規定する前記断面形状の厚み方向又は幅方向の寸法を変更する、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の引上式連続鋳造装置。
11. 溶湯を保持する保持炉と、
    前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、開口する溶湯通過部を有し、前記溶湯通過部を前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、
    前記形状規定部材を通過した前記溶湯の画像を撮影する撮像部と、
    前記画像から前記溶湯の搖動を検出し、前記搖動が検出された領域と前記搖動が検出されない領域の境界部を凝固界面として決定する画像解析部と、
    前記画像解析部によって決定された前記凝固界面が予め定められた基準範囲内にない場合、前記凝固界面が予め定められた基準範囲内に入るように鋳造条件を変更する鋳造制御部と、を備え、
    前記形状規定部材は、その内部に加熱手段又は冷却手段を備えている、
    引上式連続鋳造装置。
12. 溶湯を保持する保持炉と、
    前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、開口する第１の溶湯通過部を有し、前記第１の溶湯通過部を前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する第１の形状規定部材と、
    前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯の凝固界面の近傍かつ下側に設けられ、開口する第２の溶湯通過部を有し、前記第２の溶湯通過部を前記溶湯が通過することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する第２の形状規定部材と、を備える、引上式連続鋳造装置。
13. 保持炉に保持された溶湯を、第１の形状規定部材の開口する第１の溶湯通過部に通過させて引き上げることで鋳造する鋳物の断面形状を規定するステップと、
    前記第１の形状規定部材の第１の溶湯通過部を通過した前記溶湯の画像を撮影するステップと、
    前記画像から前記溶湯の搖動を検出し、前記搖動が検出された領域と前記搖動が検出されない領域の境界部を凝固界面として決定するステップと、
    決定された前記凝固界面が予め定められた基準範囲内にない場合、前記凝固界面が予め定められた基準範囲内に収まるように鋳造条件を変更するステップと、を備える、引上式連続鋳造方法。
14. 前記鋳造条件のうち、前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯を冷却するための冷却ガスの流量を変更する、
    請求項１３に記載の引上式連続鋳造方法。
15. 前記鋳造条件のうち、前記鋳物の引上げ速度を変更する、
    請求項１３に記載の引上式連続鋳造方法。
16. 前記鋳造条件のうち、前記溶湯を保持する保持炉の設定温度を変更する、
    請求項１３に記載の引上式連続鋳造方法。
17. 前記第１の形状規定部材をパイプから構成し、前記第１の形状規定部材により前記溶湯を加熱又は冷却する、
    請求項１３に記載の引上式連続鋳造方法。
18. 前記パイプの内部に発熱体を装填し、前記溶湯を加熱する、
    請求項１７に記載の引上式連続鋳造方法。
19. 前記パイプの内部に冷却ガスを流し、前記溶湯を冷却する、
    請求項１７に記載の引上式連続鋳造方法。
20. 前記第１の形状規定部材を通過した前記溶湯を、前記凝固界面の近傍かつ下側に設けられた第２の形状規定部材の開口する第２の溶湯通過部に通過させる、
    請求項１３〜１９のいずれか一項に記載の引上式連続鋳造方法。
21. 前記第２の形状規定部材が前記凝固界面の近傍かつ下側に配置されるように、前記第２の形状規定部材を、前記凝固界面の位置に応じて、上下方向に駆動する、
    請求項２０に記載の引上式連続鋳造方法。
22. 前記第１の形状規定部材を前記鋳物の厚み方向及び幅方向において分割して構成し、
    前記画像から前記鋳物の寸法を検出し、
    前記鋳物の寸法が所定の寸法公差内に収まるように、前記第１の形状規定部材が規定する前記断面形状の厚み方向又は幅方向の寸法を変更する、
    請求項１３〜２１のいずれか一項に記載の引上式連続鋳造方法。
23. 保持炉に保持された溶湯を、形状規定部材の開口する溶湯通過部に通過させて引き上げることで鋳造する鋳物の断面形状を規定するステップと、
    前記形状規定部材を通過した前記溶湯の画像を撮影するステップと、
    前記画像から前記溶湯の搖動を検出し、前記搖動が検出された領域と前記搖動が検出されない領域の境界部を凝固界面として決定するステップと、
    決定された前記凝固界面が予め定められた基準範囲内にない場合、前記凝固界面が予め定められた基準範囲内に収まるように鋳造条件を変更するステップと、を備え、
    前記形状規定部材の内部に加熱手段又は冷却手段を設ける、
    引上式連続鋳造方法。
24. 保持炉に保持された溶湯を、第１の形状規定部材の開口する第１の溶湯通過部に通過させて引き上げることで鋳造する鋳物の断面形状を規定するステップと、
    前記第１の形状規定部材の前記第１の溶湯通過部を通過した前記溶湯を、当該溶湯の凝固界面の近傍かつ下側に設けられ、第２の形状規定部材の開口する第２の溶湯通過部に通過させて引き上げることで鋳造する鋳物の断面形状を規定するステップと、を備える、引上式連続鋳造方法。
25. 鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材の開口する溶湯通過部を通過した溶湯の凝固界面を検出する凝固界面検出装置であって、
    前記形状規定部材を通過した前記溶湯の画像を撮影する撮像部と、
    前記画像から前記溶湯の搖動を検出し、前記搖動が検出された領域と前記搖動が検出されない領域の境界部を凝固界面として決定する画像解析部と、を備える、凝固界面検出装置。