JP5957152B1 - 注湯装置および注湯方法 - Google Patents

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Abstract

湯面レベルを一定に保ちつつ、注湯終了時に湯こぼれ、オーバーフローあるいはひけがなく、入れ干しにならず、必要で十分な鋳込流量を確保して、適切な注湯時間で注湯する注湯装置および方法を提供する。列状に送り出される鋳型に沿って走行する走行台車(10)と、走行台車に設けられ、走行台車の走行方向と直交する方向に容器を移動する前後移動機構(20)と、前後移動機構に設けられ、容器を傾動する傾動機構(40)と、容器内の溶湯の重量を検知する重量検知部(50)と、走行台車に設けられ、容器から受湯する鋳型(100)の注湯カップ(110)における湯面レベルを検知する湯面検知部(60)と、湯面検知部で検知された湯面レベルと重量検知部で検知された溶湯の重量とを用いて容器の傾動角度(T)を制御する制御部(70)とを備える、列状に送り出される鋳型に容器から注湯を行う注湯装置(1)。【選択図】図1

Description

本発明は、鋳型に溶湯を注湯する注湯装置および注湯方法に関する。特に、種々の鋳型に適した鋳込流量で注湯する自動注湯装置および方法に関する。
鋳物製品には様々な形状のものがあり、また、生産性向上のため一枠に込め数を増やした多数込めをし、さらに、製品の組合せパターンも多様である。そのために、鋳型内への注湯パターンは様々であり、鋳込流量を適正に制御することが重要である。
たとえば、取鍋容量が500Kgの場合に、鋳込重量を10〜50Kg、鋳込時間で4〜12秒、鋳込流量で1〜5Kg/秒とし、取鍋容量が1,000Kgの場合に、鋳込重量を30〜150Kg、鋳込時間で6〜15秒、鋳込流量で5〜10Kg/秒とするのが一般的である。この注湯作業は複雑であるが、正確性が求められる。なお、鋳込重量とは、鋳型に注湯された溶湯の重量を表し、鋳込流量とは、取鍋から鋳型に注湯されている溶湯の流量である。
従来、自動注湯方法としては、熟練作業者が実際に行う注湯工程に基づき予め決定した注湯パターンに従って、傾動角速度を所定値にフィードバック制御して注湯する方法が知られている(特許第3361369号明細書、特開平9-239524号公報、特表2013-544188号公報参照)。特許第3361369号明細書に開示された方法では、予め記憶した補正係数を用いて取鍋の傾動角速度を補正して、鋳込流量を一定にすることが提案されている。また、特開平9-239524号公報に開示された方法では、注湯の終期で注湯重量を監視して、あるいは、湯口の湯面レベルを画像処理用カメラで監視して、湯切る方法が提案されている。特表2013-544188号公報に開示された方法では、注湯量と注湯時間と所定のパラメータとにより異なる鋳型への注湯パターンを平易に作成することが提案されている。これらの先行文献に提案された方法は、個別な課題に対しては有効であるものの、いずれの方法でも、自動で鋳込流量を適正に制御するには不充分であると言わざるを得ない。
従来の典型的な注湯工程では、先ず、初期充填として、溶湯を方案部に充満させるため、2秒程度までの間、湯口にこぼれない程度に流量を増やして溶湯を注入する。溶湯が製品部に充填し始めてからは、湯口からあふれないように湯口付近を監視しつつ、溶湯の飲み込みに合わせて、鋳込流量を調整しつつ、充填作業を行う。熟練作業者は経験に基づいて充填完了を見極め、注湯終了としている。
しかしながら、注湯工程の進行を把握することは難しく、流量不足の場合には、溶湯温度の低下や鋳型の変化などで湯回り不良が発生し、また、逆に、流量が多すぎると、溶湯飛散やオーバーフローになってしまう。また、溶湯の飲み込み量の推定が難しく、オーバーフローを避けるために鋳込流量を絞る傾向にあり、注湯時間が延びる傾向にあった。これは、直接的に生産性に悪影響を及ぼすことになる。
また、注湯工程の初期充填後から湯切りまでの工程を、予め決定した注湯パターンと実測値との偏差のみで制御しようとすると、鋳込流量の変化の遅れによる湯こぼれ、オーバーフローあるいは入れ干しを生じてしまう。
また、溶湯の飲み込み量に基づく経過時間−流量モデルを用いて、飲み込み量のみで鋳込流量を制御しようとすると、安全サイドに働いて、注湯時間が長くなったり、溶湯温度の低下を生ずる。さらに、取鍋のノズルの劣化などには対応できないという欠点がある。
また、生産性を優先するため、鋳込時間を短縮し、鋳込流量を増加させるという要求が大きく、溶湯が湯口からこぼれる湯こぼれや溶湯が鋳型からあふれるオーバーフローが発生し易い傾向にある。その上、溶湯の温度低下、取鍋ノズルへのノロの付着、取鍋形状の変化などにより、取鍋からの溶湯の出方が変動して、流量制御を難しくしている。
そこで本発明は、注湯の開始から完了までの間、湯面レベルを一定に保ちつつ、注湯終了時に湯こぼれ、オーバーフローあるいはひけがなく、入れ干しにならず、必要で十分な鋳込流量を確保して、適切な注湯時間で注湯する注湯装置および方法を提供することを目的とする。
そこで、本発明の第1の態様に係る注湯装置は、たとえば図1〜3に示すように、列状に送り出される鋳型100に容器2から注湯を行う注湯装置1であって、列状に送り出される鋳型100に沿って走行する走行台車10と;走行台車10に設けられ、走行台車10の走行方向と直交する方向に容器2を移動する前後移動機構20と;前後移動機構20に設けられ、容器2を傾動する傾動機構40と;容器2内の溶湯の重量を検知する重量検知部50と;走行台車10に設けられ、容器2から受湯する鋳型100の注湯カップ110における湯面レベルを検知する湯面検知部60と;湯面検知部60で検知された湯面レベルと重量検知部50で検知された溶湯の重量とを用いて容器2の傾動角度Tを制御する制御部70とを備える。なお、本書で、たとえば「走行台車に設けられ」と記載する場合には、走行台車10に直接設けられる場合の他、走行台車10に設けられた前後移動機構20、あるいは、前後移動機構20に設けられた昇降機構30に設けられる場合を含むものとする。
このように構成すると、湯面検知部で検知された湯面レベルと重量検知部で検知された溶湯の重量、すなわち鋳型に注湯された溶湯の重量、とを用いて容器の傾動角度を制御しながら鋳型に注湯できるので、注湯工程の初期充填後から湯切りまでの工程において、湯面レベルを一定に保ちつつ、注湯終了時に湯こぼれ、オーバーフローあるいはひけがなく、入れ干しにならず、必要で十分な鋳込流量を確保して、適切な注湯時間で注湯する注湯装置とすることができる。
本発明の第2の態様に係る注湯装置では、たとえば図1に示すように、第1の態様に係る注湯装置1において、湯面検知部60はイメージセンサである。このように構成すると、湯面検知部で湯面を撮像することにより湯面レベルを検知することができる。
本発明の第3の態様に係る注湯装置では、たとえば図1および図4に示すように、第2の態様に係る注湯装置1において、注湯カップ110にテーパー112が設けられ、湯面検知部60は湯面の面積に基づき湯面レベルを検知する。このように構成すると、テーパーが設けられた注湯カップをイメージセンサで撮像することにより正確に湯面レベルを検知することができる。
本発明の第4の態様に係る注湯装置は、たとえば図1〜3に示すように、第1〜3の態様に係る注湯装置1において、容器2は、炉から溶湯を受け取るとともに鋳型100に注湯を行う取鍋であり;取鍋2を昇降する昇降機構30が、前後移動機構20に設けられ;傾動機構40は、昇降機構30に設けられる。このように構成すると、前後移動機構で鋳型との距離を調整し、昇降機構で鋳型との高さの差を調整しながら、傾動機構で取鍋を傾動して鋳型に注湯することができ、注湯位置を正しく保つことができる。
本発明の第5の態様に係る注湯装置は、たとえば図1〜3および図5に示すように、第4の態様に係る注湯装置1において、前後移動機構20と昇降機構30と傾動機構40は、傾動機構40が容器2を傾動する傾動軸44が容器2の注湯口6の溶湯落下開始点またはこれに近接して設定された仮想点Oを中心として円弧上を移動するように連動し、容器2から鋳型100への注湯位置を一定に維持する。このように構成すると、容器の傾動軸が仮想点を中心として円弧上を移動するので、容器から鋳型への注湯位置を正確に一定に維持することができるとともに、適切な流量制御を行うことができる。
本発明の第6の態様に係る注湯装置は、たとえば図6に示すように、第1〜5の態様に係る注湯装置1において、制御部70は、鋳型100に適合する流量パターンを記憶し(96)、該流量パターンは時間毎の容器2を傾動させるための傾動角速度と鋳込重量とのデータを含み;制御部70は、傾動角速度に基づき(85)、容器2の傾動角度を制御する(86)。このように構成すると、注湯の開始から完了まで適切な鋳込流量で注湯することができる。
本発明の第7の態様に係る注湯装置は、たとえば図6に示すように、第6の態様に係る注湯装置1において、制御部70は、流量パターンの傾動角速度を容器2の形状に適合させるための補正関数をさらに記憶し(95)、傾動角速度に補正関数を乗じた値を用いる。このように構成すると、形状の異なる容器を使用しても、適切な鋳込流量で注湯することができる。
本発明の第8の態様に係る注湯装置は、第7の態様に係る注湯装置1において、制御部70は、傾動角速度に補正関数を乗じた値を用いてフィードフォワード制御をし、湯面検知部60で検知された湯面レベルと重量検知部50で検知された溶湯の重量とを用いてフィードバック制御をする。このように構成すると、注湯の開始から完了まで、湯面レベルを一定に保ちつつ、注湯終了時に湯こぼれ、オーバーフローあるいはひけがなく、入れ干しにならず、必要で十分な鋳込流量を確保して、適切な注湯時間で、確実に注湯することができる。
本発明の第9の態様に係る注湯装置は、たとえば図6に示すように、第1〜8の態様に係る注湯装置1において、制御部70は、流量パターンの鋳込重量のデータ(96)と、重量検知部50で検知された容器内の溶湯の重量(87)との重量差を用いて(82)、容器2の傾動角速度の補正量を求めて(85)制御する(86)。このように構成すると、流量パターンの鋳込重量のデータと容器内の溶湯の重量との差を用いて制御するので、より確実に適切な鋳込流量を確保できる。
本発明の第10の態様に係る注湯装置は、たとえば図6に示すように、第9の態様に係る注湯装置1において、制御部70は、重量差から容器2の傾動角速度の補正量を算定するための鋳込重量補正係数を記憶し(93)、重量差に鋳込重量補正係数を乗じて(82)容器2の傾動角速度の補正量を求める(85)。このように構成すると、重量差から傾動角速度の補正量を適切に求めることができる。
本発明の第11の態様に係る注湯装置は、たとえば図6に示すように、第1〜10の態様に係る注湯装置1において、制御部70は、湯面検知部60で検知された湯面レベルが所定の湯面レベル(94)となるように(84)容器2の傾動角速度の補正量を求めて(85)制御する(86)。このように構成すると、所定の湯面レベルと検知された湯面レベルとの差を用いて制御するので、より確実に適切な鋳込流量を確保できる。
本発明の第12の態様に係る注湯装置は、たとえば図6に示すように、第11の態様に係る注湯装置1において、制御部70は、湯面検知部60で検知された湯面レベルと所定の湯面レベル(94)のレベル差から容器2の傾動角速度の補正量を算定するための湯面レベル補正係数を記憶し(93)、レベル差(84)に湯面レベル補正係数を乗じて容器2の傾動角速度の補正量を求める(85)。このように構成すると、湯面レベルの差から傾動角速度の補正量を適切に求めることができる。
本発明の第13の態様に係る注湯方法は、たとえば図1および図6に示すように 容器2を傾動して鋳型100に注湯する工程と;容器2内の溶湯の重量を検知する工程(87)と;容器2から受湯する鋳型100の注湯カップ110の湯面レベルを検知する工程(84)と;検知した重量と、検知した湯面レベルとを用いて、容器2を傾動する傾動角度を制御する工程(86)とを備える。
このように構成すると、検知された湯面レベルと検知された溶湯の重量とを用いて容器の傾動角度を制御しながら鋳型に注湯できるので、注湯工程の初期充填後から湯切りまでの工程において、湯面レベルを一定に保ちつつ、注湯終了時に湯こぼれ、オーバーフローあるいはひけがなく、入れ干しにならず、必要で十分な鋳込流量を確保して、適切な注湯時間で注湯する注湯装置とすることができる。
本発明の第14の態様に係る注湯方法は、たとえば図1および図5に示すように、第13の態様に係る注湯方法において、容器2を傾動して鋳型100に注湯する工程では、容器2を水平方向に移動し、さらに昇降して、容器2を傾動する傾動軸が容器2の注湯口6の溶湯落下開始点またはこれに近接して設定された仮想点Oを中心として円弧上を移動し、容器2から鋳型100への注湯位置を一定に維持する。このように構成すると、容器の傾動軸が仮想点を中心として円弧上を移動するので、容器から鋳型への注湯位置を正確に一定に維持することができるとともに、適切な流量制御を行うことができる。
本発明の第15の態様に係る注湯方法は、たとえば図1および図6に示すように、第13または14の態様に係る注湯方法において、鋳型100に適用可能な流量パターン(96)を用い、該流量パターンは時間毎の容器2を傾動させるための傾動角速度と鋳込重量とのデータを含み;容器2を傾動させるための傾動角速度に基づき(85)、容器2の傾動角度を制御する(86)。このように構成すると、注湯の開始から完了まで適切な鋳込流量で注湯することができる。
本発明の第16の態様に係る注湯方法は、たとえば図1および図6に示すように、第15の態様に係る注湯方法において、流量パターン(96)の鋳込重量のデータと検知された容器2内の溶湯の重量(87)との重量差(82)、ならびに、検知された湯面レベル(83)と所定の湯面レベル(94)との湯面レベル差(84)を用いて、容器2の傾動角速度の補正量を求め(85)て制御する(86)。このように構成すると、流量パターンの鋳込重量のデータと容器内の溶湯の重量との差、ならびに、所定の湯面レベルと検知された湯面レベルとの差を用いて制御するので、より確実に適切な鋳込流量を確保できる。
本発明の注湯装置および注湯方法によれば、注湯工程の初期充填後から湯切りまでの工程において、湯面レベルを一定に保ちつつ、注湯終了時に湯こぼれ、オーバーフローあるいはひけがなく、入れ干しにならず、必要で十分な鋳込流量を確保して、適切な注湯時間で注湯することができる。
本発明は以下の詳細な説明により更に完全に理解できるであろう。しかしながら、詳細な説明および特定の実施例は、本発明の望ましい実施の形態であり、説明の目的のためにのみ記載されているものである。この詳細な説明から、種々の変更、改変が、当業者にとって明らかだからである。
出願人は、記載された実施の形態のいずれをも公衆に献上する意図はなく、開示された改変、代替案のうち、特許請求の範囲内に文言上含まれないかもしれないものも、均等論下での発明の一部とする。
本明細書あるいは請求の範囲の記載において、名詞及び同様な指示語の使用は、特に指示されない限り、または文脈によって明瞭に否定されない限り、単数および複数の両方を含むものと解釈すべきである。本明細書中で提供されたいずれの例示または例示的な用語(例えば、「等」)の使用も、単に本発明を説明し易くするという意図であるに過ぎず、特に請求の範囲に記載しない限り本発明の範囲に制限を加えるものではない。
図1は、注湯装置の正面図であり、取鍋から鋳型に注湯しているところを示す。 図2は、注湯装置の側面図であり、取鍋が下降しているところを示す。 図3は、注湯装置の平面図である。 図4は、注湯カップを説明する図で、(a)は平面視で矩形の注湯カップ、(b)は平面視で円形の注湯カップ、(c)は鋳型と注湯カップを示す。 図5は、取鍋を説明する図で、(a)は平面図であり、(b)は側面図であって、移動中心点も図示する。 図6は、制御部の構成を説明する図である。 図7は、経過時間と鋳込流量との関係を説明する図である。 図8は、別の注湯装置の正面図であり、取鍋から鋳型に注湯しているところを示す。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一または相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
図1は、取鍋2から鋳型100に注湯する注湯装置1の正面図、図2は側面図、図3は平面図である。注湯装置1は、レールR上を走行する走行する走行台車10と、走行台車10に設けられ、走行台車10の走行方向と直交する方向に移動する前後移動機構20と、前後移動機構20に設けられ、取鍋2を昇降する昇降機構30と、昇降機構30に設けられ、取鍋2を傾動する傾動機構40とを備える。さらに、取鍋2内の溶湯の重量を検知する重量検知部としてのロードセル50を備える。また、走行台車10から立設されたフレーム64と、フレーム64から水平方向に延在してカメラ60を鋳型100の注湯カップ110を撮像するのに適した位置に支持するカメラ用アーム62と、取鍋2から受湯する鋳型100の注湯カップ110における湯面レベルを検知する湯面検知部としてのカメラ60とを備える。さらに、注湯装置1の運転を制御する制御部70を備える。
図3でも明らかなように、レールRは、鋳型100が列状に送り出される鋳型ラインLに沿って敷設される。よって、走行台車10は鋳型ラインLに沿って走行する。走行台車10は、公知の構造でよいので、詳細な説明は省略する。注湯装置1から1つの鋳型100に注湯すると、鋳型ラインLが鋳型1枠分動いて、空の鋳型100が注湯装置1の前に置かれ、再度注湯が行われるのが一般的である。しかし、鋳型ラインDLが鋳型の1枠分の距離だけ動くのに時間が掛る場合には、注湯装置1から鋳型100に注湯している間に、注湯装置1がレールR上を、そして、鋳型100が鋳型ラインL上を同方向に同速度で移動してもよい。鋳型ラインLが鋳型の1枠分の距離だけ動くのに時間を無駄にすることがなくなる。この場合、注湯装置1は、次の鋳型100に注湯するためにレールR上を鋳型の1枠分の距離だけ戻る。あるいは、鋳型100への注湯ごとには戻らず、取鍋2から所定の量の注湯を終えた場合に、鋳型ラインLと一緒に動いた距離だけまとめて戻るようにしてもよい。
前後移動機構20は、走行台車10上で、走行台車10の走行方向とは直交する方向に、すなわち、鋳型100あるいは鋳型ラインLに近づいたり離れたりする方向に移動する装置である。走行台車10上にレールを敷設し、レール上を走行する台車でもよいし、ローラーコンベア上で移動する台であっても、その他の構造でもよい。
昇降機構30は、前後移動機構20上に設けられ、取鍋2を昇降するための装置である。本実施の形態では、前後移動機構20上に立設された支柱32と、支柱32の周囲を囲み、支柱32に沿って昇降する昇降本体34とを備える。昇降本体34をチェーン(不図示)で吊り、支柱32の上端に設置された昇降駆動部36、たとえばモータ、でチェーンを巻くことにより昇降本体34を昇降する。なお、図1〜3では、1本の支柱32で片持ちで傾動機構40を昇降しているが、大型の取鍋用には、2本の支柱32を前後移動機構20上に立設し、両持ちで傾動機構40を昇降するのが好ましい。昇降機構30は、パンタグラフ式昇降機構(不図示)であってもよく、昇降させるための構造については限定されない。
傾動機構40は、昇降装置30に支持されて昇降し、取鍋2を傾動して、取鍋2から鋳型100に注湯させる装置である。傾動機構40の傾動軸44が、水平軸回りに傾動可能に昇降本体34に支持される。傾動軸44の一端で、取鍋2を載置するための取鍋台46を支持する。取鍋台46は、傾動軸44と取鍋2の重心とが近づくように、傾動軸44から下方に延在する側板47と、側板47の底辺から水平方向に延在し取鍋2を載置する底板48とを有する。傾動軸44の他端には、傾動軸を傾動する傾動駆動部42が接続する。傾動駆動部42は、たとえば減速機能付きモータである。なお、油圧により傾動軸44、すなわち取鍋台46を傾動してもよく、傾動するための動力は限定されない。
ロードセル50は、取鍋2内の溶湯の重量を検知する。ロードセル50は、たとえば前後移動機構20の重量を計測する位置に設置してもよい。この場合には、ロードセル50で計測した重量から、前後移動機構20、昇降装置30、傾動機構40、取鍋2の重量を差し引き、取鍋2内の溶湯の重量を検知する。ロードセル50は、走行台車10、昇降装置30、傾動機構40あるいは取鍋2の重量を計測する位置に設置してもよい。
カメラ60は、注湯装置1から受湯する鋳型100の注湯カップ110の湯面レベルを検知するために、注湯カップ110の湯面を撮像する。走行台車10に立設されたフレーム64の上部からほぼ水平方向に延在するカメラ用アーム62に支持され、カメラ60は注湯カップ110の湯面を撮像するのに適した位置に配置される。走行台車10と鋳型100の注湯カップ110の位置関係に応じて、カメラ用アーム62でカメラ60の位置や向きを調整できるようにするのが好ましい。フレーム64を設置せずに、制御部70からカメラ用アーム62が延在してもよく、カメラ60は他の構成で支持されてもよい。
図4に示すように、注湯カップ110にテーパーを設けるのが好ましい。なお、注湯カップ110とは、鋳型100に設けられ、注湯される溶湯を受けて鋳型100内に導く垂直方向の最初の流路を指す。注湯カップ110にテーパーを設けることにより、カメラ60で撮像した湯面の面積から湯面レベルが容易に検知できる。その際、注湯カップ110の断面形状は任意であり、図4(a)に示すように矩形でも、(b)に示すように円形でも、あるいは他の形状でもよい。ただし、湯面の面積のテーパーによる変化から、湯面レベルを正確に導ける形状が好ましい。注湯カップ110の鋳型100における位置は、図3に示す中央であるとは限らず、図4(c)に示すように偏った位置でもよく、鋳型によって異なる。そのため、カメラ60の位置や向きを調整できるようにするのが好ましい。
注湯カップ110の湯面を撮像するカメラ60は、CCD、CMOSなどのイメージセンサであるのが好ましい。しかし、湯面検知部60としては、赤外線センサやレーザセンサを用いて、湯面面積ではなく、湯面検知部60との距離に基づき湯面レベルを検知してもよい。
制御部70は、注湯装置1の運転を制御する。すなわち、走行台車10の走行、前後移動機構20の移動、昇降機構30の昇降、傾動機構40の傾動、ロードセル50で計測した重量から取鍋2内の溶湯の重量の検知、カメラ60で撮像した湯面から湯面レベルの検知などを行う。制御部の制御の詳細については、後述する。制御部70は、走行台車10に載置されるのが一般的であるが、他の位置に載置されてもよく、あるいは、レールRに沿った敷地に直接載置されてもよい。
続いて、注湯装置1の作用について説明する。注湯装置1は、鋳造工場内の溶湯搬送システム(不図示)から溶湯を貯留する取鍋2を受け取る。溶湯には、用途に応じて合金材や接種剤が添加されている。通常は、昇降装置30を下降させ、前後移動機構20で取鍋台46を溶湯搬送システム側に移動して、取鍋コンベア(不図示)で搬送される取鍋2を取鍋台46に載置する。取鍋2は、クレーン等で取鍋台46に載置されてもよい。
取鍋2を載置した注湯装置1は、走行台車10により鋳型100に注湯する所定位置に移動する。続いて、前後移動機構20および昇降機構30により取鍋2を注湯に適した位置に移動する。次に、傾動機構40が取鍋2を傾動し、取鍋2から鋳型100への注湯が開始される。
取鍋2は、傾動軸44を中心として傾動、すなわち回転傾斜する。傾動軸44の位置を固定すると、取鍋2から溶湯が流出する位置が、傾動する角度によって移動する。流出位置が移動すると、溶湯が鋳型100に注がれる位置が変化してしまう。そこで、前後移動機構20および昇降機構30により取鍋2を前後および上下に移動して、溶湯が鋳型100に注がれる位置を一定に保つのがよい。
図5に取鍋2の一例を示す。取鍋2は、溶湯を貯留する容器である取鍋本体4と、取鍋2から溶湯を注ぎ出す流路である注湯口6とを備える。そこで、取鍋2を傾動すると、注湯口6の先端から溶湯が流出する。そこで、注湯口6の溶湯落下開始点またはこれに近接して仮想の移動中心点Oを設定する。そして、前後移動機構20および昇降機構30により取鍋2を前後および上下に移動して、図5(b)に細線で注湯時の湯面を示すように、傾動軸44が移動中心点Oを中心として円弧上を移動するように調節する。そのため、取鍋2が移動しても、注湯口6の先端部における溶湯落下開始点と溶湯が鋳型100に注がれる位置との関係は一定に保たれる。その結果、取鍋2から鋳型100への注湯位置が一定に維持される。なお、注湯位置を一定に維持するための移動中心点Oの位置は、取鍋の形状や溶湯の性状により変化する。
取鍋2から鋳型100への注湯について、注湯の開始から完了までの間、鋳込流量を適切に保つために、取鍋の傾動角度Tを制御する。熟練作業者の注湯工程等に基づき予め決定した注湯パターンに従って、注湯することを基本とする。このように注湯パターンを用いることで、容易にほぼ適切な鋳込流量を確保することができる。鋳型100内の溶湯重量を検知することで、鋳型100の傾動角度Tだけによる制御よりも、より正確に所定の流量パターンに近い鋳込流量で注湯することが可能になる。特に、実際に鋳型100に注湯された溶湯の量が分かるので、注湯終了時のオーバーフローを防止でき、適切な湯切が可能である、さらに、鋳型100の溶湯の飲み込みの予測が困難であることから、注湯カップ110における湯面レベルを一定に保つ。このことにより、オーバーフローや注湯不足の発生を防止できる。
図6を参照して、取鍋の傾動角度Tを制御するための制御部70の構成の一例を説明する。制御部70は、中央制御装置72と、軸駆動装置アンプ74と、画像処理演算装置76と、ロードセルアンプ78とを備える。軸駆動装置アンプ74は、中央制御装置72の後述する軸速度指令・位置指令演算手段86から前後移動機構20、昇降機構30、傾動機構40への作動指令の信号を増幅する装置であり、各装置における取鍋2を移動する方向や速度を指示し、また、指示した信号または各装置で測定した取鍋2を移動する方向や速度のデータを中央制御装置72に出力する。画像処理演算装置76は、カメラ60で取得したデータを画像処理する装置であり、カメラ60からの入力データを処理して中央制御装置72に出力する。ロードセルアンプ78は、ロードセル50から出力された電圧を増幅する装置であり、ロードセル50の検知重量として中央制御装置72に出力する。
中央制御装置72は、演算領域80と記憶領域90とに分けられる。演算領域80は、演算をする手段を有し、記憶領域90はデータを記憶する手段を有する。ここで、手段とは、回路や素子などのハードウエアまたは、ハードウエアとソフトウエアとの組合せである。演算領域80は、軸の現在位置・速度演算手段81、鋳込重量補正演算手段82、湯口面積演算手段83、湯面レベル補正演算手段84、操作傾動角速度演算手段85、軸速度指令・位置指令演算手段86、および、取鍋内の溶湯重量演算手段87を備える。
記憶領域90は、演算データ記憶手段91、時間経過パラメータ記憶手段92、パラメータ記憶手段93、湯面レベル基準値記憶手段94、取鍋傾動角度補正関数記憶手段95、流量パターン記憶手段96、および、取鍋風袋重量記憶手段97を備える。
演算データ記憶手段91は、演算領域80における演算用データの一時保管等に使用される。時間経過パラメータ記憶手段92は、タイマとして時間経過をカウントする。すなわち、取鍋2から鋳型100への注湯の時間経過tpをカウントする。さらに、取鍋2に溶湯を受湯してからの時間をカウントしたり、溶湯に合金剤や接種剤を添加してからの時間経過をカウントしたりする。特に合金剤や接種剤を添加してからの時間は、フェーディング(添加後に字化難が結果すると、合金剤や接種剤の効果が薄れてしまうこと)の判定に重要である。
パラメータ記憶手段93は、鋳型100の形状に関するパラメータ、取鍋2の形状に関するパラメータを記憶しており、鋳込重量補正演算手段82、湯面レベル補正演算手段84、操作傾動角速度演算手段85にデータを出力する。
湯面レベル基準値記憶手段94は、注湯カップ110における湯面レベルの基準値を記憶する。湯面レベルの基準値は、鋳型100により、さらに、溶湯の性状によっても異なる。湯面レベル基準値のデータは、湯面レベル補正演算手段84に出力される。
取鍋傾動角度補正関数記憶手段95は、取鍋の種類毎の傾動角度Tと鋳込重量との関係を表す傾動角度補正関数f(T)を記憶しており、そのデータを操作傾動角速度演算手段85に出力する。
流量パターン記憶手段96は、鋳型や溶湯の種類毎の流量パターンを記憶している。流量パターンは、たとえば経過時間毎の鋳込重量(すなわち、取鍋2内の溶湯重量)および取鍋の傾動角速度を記憶する。そのデータを鋳込重量補正演算手段82や操作傾動角速度演算手段85に出力する。
取鍋風袋重量記憶手段97は、取鍋2、前後移動機構20、昇降機構30、傾動機構40等、ロードセル50で検知する重量に含まれる溶湯以外の装置や機器の重量データを記憶し、取鍋内の溶湯重量演算手段87に出力する。
軸の現在位置・速度演算手段81では、前後移動機構20、昇降機構30、傾動機構40で測定した各装置での取鍋2の移動データ、または後述する軸速度指令・位置指令演算手段86からの前後移動機構20、昇降機構30、傾動機構40への作動指令に基づき、各装置における軸の位置や移動速度を演算する装置であり、その算出値、すなわち、その時点における取鍋2の位置と傾斜角度を操作傾動角速度演算手段85に出力する。
鋳込重量補正演算手段82は、後述する取鍋内の溶湯重量演算手段87からの検知された取鍋2内の溶湯重量と、流量パターン記憶手段96からの流量パターンにおける溶湯重量との差を演算し、パラメータ記憶手段93からの取鍋2の形状等のパラメータに基づき取鍋2から鋳型100への鋳込重量の補正量を演算し、操作傾動角速度演算手段85に出力する。
湯口面積演算手段83は、画像処理演算装置76からの画像データに基づき、湯口面積を演算し、湯面レベル補正演算手段84に出力する。湯面レベル補正演算手段84では、湯口面積とパラメータ記憶手段93からの注湯カップ110の形状のパラメータに基づき、湯面レベルを演算し、湯面レベル基準値記憶手段94からの基準値との差に基づき、湯面レベルの補正値を演算する。その結果を操作傾動角速度演算手段85に出力する。
操作傾動角速度演算手段85は、軸の現在位置・速度演算手段81からのその時点における取鍋2の位置と傾斜角度、鋳込重量補正演算手段82からの鋳込重量の補正量、湯面レベル補正演算手段84からの湯面レベルの補正値から、取鍋2を傾動する角速度を演算して、軸速度指令・位置指令演算手段86に出力する。取鍋2を傾動する角速度の演算には、パラメータ記憶手段93からの取鍋2の形状等のパラメータ、取鍋傾動角度補正関数記憶手段95からの傾動角度補正関数f(T)、流量パターン記憶手段96からの鋳型100に適合する流量パターンとしての傾動角速度を用いる。なお、傾動角度補正関数f(T)および取鍋2を傾動する角速度の演算については、後述する。
軸速度指令・位置指令演算手段86は、操作傾動角速度演算手段85からの取鍋2を傾動する角速度に基づき、前後移動機構20、昇降機構30、傾動機構40への作動指令を演算し、軸駆動装置アンプ74経由で、各装置に出力するとともに、軸の現在位置・速度演算手段81に出力する。
取鍋内の溶湯重量演算手段87は、ロードセルアンプ78からのロードセル50の検知重量と取鍋風袋重量記憶手段97からの取鍋2、前後移動機構20、昇降機構30、傾動機構40等の重量データに基づき、取鍋内の溶湯重量を演算し、鋳込重量補正演算手段82に出力する。
図7をも参照して、制御部70で行う取鍋2の傾動角度Tの制御について説明する。図7は、流量パターンを経過時間と鋳込流量との関係で説明する図であり、経過時間を横軸に、鋳込流量を縦軸にしたグラフで示す。グラフ中、実線が取鍋2から鋳型100への鋳込流量を表し、破線は流量パターンに基づく鋳込流量を表す。
先ず、初期充填として、注湯カップ110から湯口や湯道(総称して、方案部ともいう)に溶湯を充満させるために、短時間、たとえば2秒程度、注湯カップからこぼれない程度に流量を増やして注湯する。このときの取鍋2の傾動角度Tは、流量パターンに基づき定める。すなわち、操作傾動角速度演算手段85で流量パターン記憶手段96で記憶する所定の経過時間tpにおける傾動角速度のデータVTobj(tp)から、取鍋2に適合した時間tpにおける指示傾動角速度VTpを(1)式により演算する。
Tp=f(T)・VTobj(tp) (1)
ここで、f(T):傾動角速度補正係数、
T:取鍋の移動中心点Oの傾動角度
指示傾動角速度VTpに基づき、軸速度指令・位置指令演算手段86で、前後移動機構20、昇降機構30、傾動機構40のそれぞれの移動量を演算し、軸駆動装置アンプ74経由で各装置に出力する。各装置20、30、40が軸速度指令・位置指令演算手段86の指示により移動することで、傾動機構40により取鍋2を傾動角速度分だけ傾動するとともに、傾動軸44が移動中心点Oを中心にして円弧上を移動する。すなわち、制御部70では流量パターンの傾斜角速度VTobj(tp)に傾動角速度補正係数f(T)を乗じた値である指示傾動角速度VTpを用いてフィードフォワード制御を行う。
方案部が溶湯で満たされ、溶湯は製品部に充填され始める。製品部に溶湯を満たす工程において、先ず、流量パターンに基づき、取鍋2を傾動する。ここまでは、上記の初期充填の制御と同じである。
取鍋2から鋳型100への注湯中、ロードセル50で取鍋2を含む装置の重量を検知し、取鍋内の溶湯重量演算手段87で取鍋内の溶湯重量を計測し続ける。なお、溶湯重量演算手段87で取鍋2内の溶湯重量が演算されることを含めて、ロードセル50で取鍋2内の溶湯重量を検知するとも言う。そして、鋳込重量補正演算手段82により、検知された取鍋2内の溶湯重量と流量パターンにおける溶湯重量との差を演算し、鋳込重量の補正量を操作傾動角速度演算手段85に出力する。操作傾動角速度演算手段85では、鋳込重量の補正量から、パラメータ記憶手段93からの鋳込重量補正係数cgを用いて、(2)式により取鍋傾動角速度の補正量VTwを演算する。なお、(2)式中{}内の演算は、鋳込重量補正演算手段82で行われる。
Tw=cg・{gobj(tp)−g(tp)} (2)
ここで、cg:鋳込重量の補正量から取鍋の傾動角速度を導く鋳込重量補正係数
obj(tp):流量パターンにおける時間tpの鋳込重量
g(tp):時間tpにおける検知された鋳型内の溶湯重量
取鍋傾動角速度の補正量VTwは軸速度指令・位置指令演算手段86に出力され、軸速度指令・位置指令演算手段86は、前後移動機構20、昇降機構30、傾動機構40のそれぞれの移動量の補正値を出力して、取鍋2の傾動角度Tを補正する。すなわち、制御部70は、ロードセル50で検知した取鍋2内の溶湯重量を用いて、フィードバック制御をする。
また、取鍋2から鋳型100への注湯中、カメラ60で鋳型100の注湯カップ110の湯面を検知し続ける。カメラ60で撮影したデータは画像処理演算装置76で画像データに変換され、湯口面積演算手段83で湯口面積が演算される。そして、湯面レベル補正演算手段84で、湯口面積とパラメータ記憶手段93からのパラメータに基づき湯面レベルを演算する。なお、カメラ60で検知した湯面データは画像処理演算装置76および湯面レベル補正演算手段84を経て湯面レベルが演算されるが、このようにして湯面レベルが演算されることを含めて、カメラ60で注湯カップ110の湯面レベルを検知するとも言う。湯面レベル補正演算手段84は、演算した湯面レベルと湯面レベル基準値記憶手段94からの基準値との差に基づき、湯面レベルの補正値を演算する。操作傾動角速度演算手段85では湯面レベルの補正量から、パラメータ記憶手段93からの湯面レベル補正係数clを用いて、(3)式により取鍋傾動角速度の補正量VTsを演算する。なお、(3)式中{}内の演算は、湯面レベル補正演算手段84で行われる。
Ts=cl・{sobj−s} (3)
ここで、cl:湯面レベルの補正量から取鍋の傾動角速度を導く湯面レベル補正係数
obj:湯面レベルの基準値
s:カメラで検知された湯面レベル
取鍋傾動角速度の補正量VTsは軸速度指令・位置指令演算手段86に出力され、軸速度指令・位置指令演算手段86は、前後移動機構20、昇降機構30、傾動機構40のそれぞれの移動量の補正値を出力して、取鍋2の傾動角度Tを補正する。すなわち、制御部70は、カメラ60で検知した鋳型100の注湯カップ110の湯面レベルを用いて、フィードバック制御をする。
注湯の終了が近づくと、ロードセル50で検知された取鍋2内の溶湯重量に基づき、湯切するタイミングを決める。すると、流量パターンの湯切の傾斜角速度データに基づいて、取鍋の傾動をゼロに戻す。通常は、最大の傾斜角速度で取鍋を戻す。この場合には、傾動機構40だけが作動して、傾動軸44が移動中心点O周りに円弧上を移動するように取鍋2を前後あるいは昇降させなくてもよい。
流量パターンに基づいて取鍋2の傾動角度Tを制御して、取鍋2から鋳型100への鋳込流量を調整しつつ、ロードセル50で検知した取鍋2内の溶湯重量およびカメラ60で検知した鋳型100の注湯カップ110の湯面レベルに基づいて傾動角度Tを補正して取鍋2から鋳型100への鋳込流量を調整することにより、図7に斜線で示す分の補正が行われる。この補正により、注湯工程の初期充填後から湯切りまでの工程において、湯面レベルを一定に保ちつつ、注湯終了時に湯こぼれ、オーバーフローあるいはひけがなく、入れ干しにならず、必要で十分な鋳込流量を確保して、適切な注湯時間で注湯することができる。
上記説明では、制御部70は、特定の演算を特定の手段で行うものとして説明したが、他の手段で演算を行うように構成してもよく、制御部70の構成は限定されない。
また、制御部70は、取鍋2に溶湯を受湯してからの時間あるいは合金材や接種剤が添加されてからの時間の計測、注湯装置1の移動の制御、受電電圧の異常の検知、その他の安全運転のための検知とアラームの発生等、他の制御も行ってもよい。
図8は、注湯装置1とは別の機構を備える注湯装置101の正面図である。走行台車10に前後移動機構20が設けられるのは、注湯装置1と同様である。前後移動機構20に第1傾動機構130が設けられ、第1傾動機構130に第2傾動機構140が設けられる。
第1傾動機構130では、前後移動機構20に支柱131と第1傾動駆動部132が固定される。第1傾動軸136が支柱131の頂部で回転可能に支持される。第1傾動軸136には第1傾動フレーム134が固着される。第1傾動フレーム134には、第1セクタギア138が固着され、第1傾動駆動部132の第1ピニオン139と噛み合う。すなわち、第1傾動駆動部132により第1ピニオン139が回転すると、第1セクタギア138および第1傾動フレーム134が第1傾動軸136回りに傾動する。
第2傾動機構140では、第1傾動機構130の第1傾動軸136に支持プレート141が固定支持される。すなわち、支持プレート141は第1傾動軸136と一緒に傾動する。支持プレート141の取鍋2の注湯口6に近い位置に第2傾動軸146が傾動可能に支持される。第2傾動軸146には第2傾動フレーム144が固着される。第2傾動フレーム144の第2傾動軸146とは反対側の端部に第2セクタギア148が固着され、第2傾動駆動部142の第2ピニオン149と噛み合う。すなわち、第2傾動駆動部142により第2ピニオン149が回転すると、第2セクタギア148および第2傾動フレーム144が第2傾動軸146回りに傾動する。なお、第2傾動駆動部142は第1傾動フレーム134に支持される。
取鍋2は、第2傾動機構140に支持される。第1傾動機構130が傾動すると、支持プレート141も同様に傾動し、第2傾動軸146が上下方向の位置を変えるように移動する。第2傾動機構140は、第2傾動軸146回りに傾動する。よって、第1傾動機構130は、取鍋2を上下方向の位置に移動させる機能を有する。
注湯装置101では、前後移動機構20にフレーム164を設け、フレーム164からカメラ用アーム162を水平方向に延在させて、カメラ60を支持する。フレーム164は、支柱131に設けてもよい。
また、注湯装置101では、走行台車10と前後移動機構20との間にロードセル50を配置する。ロードセル50は、取鍋2の重量を検知できる位置であれば、他の位置に配置してもよい。また、図8には示されないが、制御部70が、注湯装置1と同様に設置される。
注湯装置101によれば、走行台車10により鋳型ラインLに沿った所定の位置に移動できる。そして、前後移動機構20により、鋳型100に接近し離隔できる。また、第1傾動機構130で第1傾動軸136回りに傾動し、第2傾動機構140で第2傾動軸146回りに傾動する。そのため、前後移動機構20で移動し、第1傾動軸136および第2傾動軸146回りに傾動することで、溶湯が鋳型100に注がれる位置を一定に保ちながら、取鍋2から注湯することができる。注湯装置1の移動中心点Oとして、第2傾動軸140を用いることができる。また、カメラ60で注湯カップ110での湯面レベルを検知しながら、ロードセル50で取鍋2内の溶湯重量を検知しながら、注湯することができる。
なお、注湯装置101と注湯カップ110の位置関係に応じて、カメラ用アーム162により、カメラ60の位置を調整するのがよい。例えば、フレーム164は、第1傾動機構130の傾動に応じて動くように構成してもよい。
これまでの説明では、取鍋2から鋳型100に溶湯を注湯するものとして説明したが、本発明の容器2は溶解炉等の炉であってもよい。例えば、鋳鋼を用いて鋳造する場合には、溶湯温度を高温に維持するために、取鍋に空け替えることをせず、溶解炉から鋳型に直接注湯するのがよい。この場合には、溶解炉の重量が大きいために、溶解炉、すなわち、容器2を昇降せず、鋳型100を昇降させて、注湯位置を一定に維持することがある。すなわち、注湯装置1は、昇降機構30を備えておらず、鋳型100を昇降する昇降機構(不図示)が別途設けられてもよい。
本明細書と図面で用いた主な符号を、以下にリストする。
1 注湯装置
2 取鍋(容器)
4 取鍋本体
6 注湯口
10 走行台車
20 前後移動機構
30 昇降機構
32 支柱
34 昇降本体
36 昇降駆動部
40 傾動機構
42 傾動駆動部
44 傾動軸
46 取鍋台
47 側板
48 底板
50 ロードセル(重量検知部)
60 カメラ(湯面検知部)
62 カメラ用アーム
64 フレーム
70 制御部
72 中央処理装置
74 軸駆動装置アンプ
76 画像処理演算装置
78 ロードセルアンプ
80 演算領域
81 軸の現在位置・速度演算手段
82 鋳込重量補正演算手段
83 湯口面積演算手段
84 湯面レベル補正演算手段
85 操作傾動角速度演算手段
86 軸速度指令・位置指令演算手段
87 取鍋内の溶湯重量演算手段
90 記憶領域
91 演算データ記憶手段
92 時間経過パラメータ記憶手段
93 パラメータ記憶手段
94 湯面レベル基準値記憶手段
95 取鍋傾動角度補正関数記憶手段
96 流量パターン記憶手段
97 取鍋風袋重量記憶手段
100 鋳型
110 注湯カップ
112 注湯カップのテーパー
130 第1傾動機構
131 支柱
132 第1傾動駆動部
134 第1傾動フレーム
136 第1傾動軸
138 第1セクタギア
139 第1ピニオン
140 第2傾動機構
141 支持プレート
142 第2傾動駆動部
144 第2傾動フレーム
146 第2傾動軸
148 第2セクタギア
149 第2ピニオン
162 カメラ用アーム
164 フレーム
L 鋳型ライン
O 移動中心点(仮想点)
R レール
T 傾動角度

Claims (13)

  1. 列状に送り出される鋳型に容器から注湯を行う注湯装置であって、
    前記列状に送り出される鋳型に沿って走行する走行台車と;
    前記走行台車に設けられ、前記走行台車の走行方向と直交する方向に前記容器を移動する前後移動機構と;
    前記前後移動機構に設けられ、前記容器を傾動する傾動機構と;
    前記容器内の溶湯の重量を検知する重量検知部と;
    前記走行台車に設けられ、前記容器から受湯する鋳型の注湯カップにおける湯面レベルを検知する湯面検知部と;
    前記湯面検知部で検知された前記湯面レベルと前記重量検知部で検知された前記溶湯の重量とを用いて前記容器の傾動角度を制御する制御部とを備え
    前記制御部は、前記鋳型に適合する流量パターンを記憶し、該流量パターンは時間毎の前記容器を傾動させるための傾動角速度と鋳込重量とのデータを含み;
    前記制御部は、前記傾動角速度に基づき、前記容器の傾動角度を制御し;
    前記制御部は、前記湯面検知部で検知された前記湯面レベルと前記重量検知部で検知された前記溶湯の重量とを用いてフィードバック制御をする;
    注湯装置。
  2. 前記制御部は、前記流量パターンの前記傾動角速度を前記容器の形状に適合させるための補正関数をさらに記憶し、前記傾動角速度に前記補正関数を乗じた値を用いる;
    請求項1の注湯装置。
  3. 前記制御部は、前記傾動角速度に前記補正関数を乗じた値を用いてフィードフォワード制御をする;
    請求項2の注湯装置。
  4. 前記湯面検知部はイメージセンサである;
    請求項1ないし請求項3のいずれか1項の注湯装置。
  5. 前記注湯カップにテーパーが設けられ、前記湯面検知部は前記湯面の面積に基づき湯面レベルを検知する;
    請求項4の注湯装置。
  6. 前記容器は、炉から溶湯を受け取るとともに鋳型に注湯を行う取鍋であり;
    前記取鍋を昇降する昇降機構が、前記前後移動機構に設けられ;
    前記傾動機構は、前記昇降機構に設けられる;
    請求項1ないし5のいずれか1項の注湯装置。
  7. 前記前後移動機構と前記昇降機構と前記傾動機構は、前記傾動機構が前記容器を傾動する傾動軸が前記容器の注湯口の溶湯落下開始点またはこれに近接して設定された仮想点を中心として円弧上を移動するように連動し、前記容器から前記鋳型への注湯位置を一定に維持する;
    請求項6の注湯装置。
  8. 前記制御部は、前記流量パターンの鋳込重量のデータと、前記重量検知部で検知された容器内の溶湯の重量との重量差を用いて、前記容器の傾動角速度の補正量を求めて制御する;
    請求項1ないし7のいずれか1項の注湯装置。
  9. 前記制御部は、前記重量差から前記容器の傾動角速度の補正量を算定するための鋳込重量補正係数を記憶し、前記重量差に前記鋳込重量補正係数を乗じて前記容器の傾動角速度の補正量を求める;
    請求項8の注湯装置。
  10. 前記制御部は、前記湯面検知部で検知された前記湯面レベルが所定の湯面レベルとなるように前記容器の傾動角速度の補正量を求めて制御する;
    請求項1ないし9のいずれか1項の注湯装置。
  11. 前記制御部は、前記湯面検知部で検知された前記湯面レベルと前記所定の湯面レベルのレベル差から前記容器の傾動角速度の補正量を算定するための湯面レベル補正係数を記憶し、前記レベル差に前記湯面レベル補正係数を乗じて前記容器の傾動角速度の補正量を求める;
    請求項10の注湯装置。
  12. 容器を傾動して鋳型に注湯する工程と;
    前記容器内の溶湯の重量を検知する工程と;
    前記容器から受湯する鋳型の注湯カップの湯面レベルを検知する工程と;
    前記検知した重量と、前記検知した湯面レベルとを用いて、前記容器を傾動する傾動角度を制御する工程とを備え
    前記鋳型に適用可能な流量パターンを用い、該流量パターンは時間毎の前記容器を傾動させるための傾動角速度と鋳込重量とのデータを含み;
    前記容器を傾動させるための傾動角速度に基づき、前記容器の傾動角度を制御し;
    前記流量パターンの鋳込重量のデータと前記検知された容器内の溶湯の重量との重量差、ならびに、前記検知された前記湯面レベルと所定の湯面レベルとの湯面レベル差を用いて、前記容器の傾動角速度の補正量を求めて制御する;
    注湯方法。
  13. 前記容器を傾動して鋳型に注湯する工程では、前記容器を水平方向に移動し、さらに昇降して、前記容器を傾動する傾動軸が前記容器の注湯口の溶湯落下開始点またはこれに近接して設定された仮想点を中心として円弧上を移動し、前記容器から前記鋳型への注湯位置を一定に維持する;
    請求項12の注湯方法。
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