JP7247917B2

JP7247917B2 - 半凝固溶湯の製造方法

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Publication number: JP7247917B2
Application number: JP2020025968A
Authority: JP
Inventors: 修司外崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2023-03-29
Anticipated expiration: 2040-02-19
Also published as: CN113275520A; US11331717B2; CN113275520B; JP2021130118A; US20210252590A1

Description

本発明は半凝固溶湯の製造方法に関し、特にプローブを用いた半凝固溶湯の製造方法に関する。

特許文献１に開示の半凝固溶湯の製造方法では、溶湯内に熱除去プローブを挿入し、熱除去プローブを通して不活性ガスを溶湯内に放出する。当該不活性ガスにより撹拌を起こさせることで、溶湯内に固体核を形成する。

特表２０１７－５２１２５５号公報

本願発明者等は、以下の課題を発見した。
半凝固溶湯のさらなる大容量化が要求されている。しかし、不活性ガスの放出時間を長くしても、形成される固体核の量が増加しない。

本発明は、大容量の半凝固溶湯を形成するものとする。

本発明に係る半凝固溶湯の製造方法は、
不活性ガスをプローブから連続して放出し続け、前記プローブを前記プローブの温度より高く、かつ、液相線温度以上の温度に保持された溶湯内に挿入するステップと、
前記挿入したプローブを前記溶湯から引き出して、前記挿入したプローブの表面のうち、前記溶湯と接触していた部分の少なくとも一部が露出するステップと、
前記引き出したプローブを再び前記溶湯内に挿入するステップと、を備える。

このような構成によれば、溶湯の温度よりも低いプローブを溶湯へ挿入して、プローブ表面と接触した溶湯が凝固して膜がプローブ表面に形成する。膜が凝固核となり、溶湯内に分散する。その後、プローブを引出し、再びプローブを溶湯へ再挿入し、プローブと接触した溶湯が凝固して膜がプローブ表面に再び形成する。再度形成された膜が凝固核となり、溶湯内に分散する。多量の凝固核が生成され、しかも、溶湯内に均一に分散するため、大容量の半凝固溶湯を形成することができる。

また、前記挿入したプローブを前記溶湯から引き出して、前記挿入したプローブの表面のうち、前記溶湯と接触していた部分の少なくとも一部が前記溶湯から露出するステップでは、
前記挿入したプローブの表面のうち、前記溶湯と接触していた部分の全てが前記溶湯から露出することを特徴としてもよい。

このような構成によれば、プローブの表面のうち溶湯と接触していた部分の全てが溶湯から露出した後、再びプローブを溶湯へ再挿入する。そのため、再びプローブ表面に形成する膜の体積が増加する。この体積の増加した膜が凝固核となり、溶湯内に分散する。すなわち、凝固核の生成量を増加させることにより、半凝固溶湯のさらなる大容量化を図ることができる。

本発明は、大容量の半凝固溶湯を形成することができる。

実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法の一例を示すフローチャートである。実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法の一例の一工程を示す概略図である。実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法の一例の一工程を示す概略図である。実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法の一例の一工程を示す概略図である。実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法の一例の一工程を示す概略図である。実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法の一例の一工程を示す概略図である。実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法の一例の一工程を示す概略図である。処理時間に対する溶湯への不活性ガス噴出量、及び凝固核生成量を示すグラフである。ラドル径方向における溶湯内への凝固核量を示すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、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）
図１～図７を参照して実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法の一例を示すフローチャートである。図２～図７は、実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法の一例の一工程を示す概略図である。図３～図７では、若易さのため、不活性ガス供給装置３の図示を省略した。

なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ＸＹＺ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、Ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ＸＹ平面が水平面であり、図面間で共通である。

図２に示すように、プローブ２を溶湯Ｍ１内に挿入する（プローブ挿入ステップＳＴ１）。

実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法では、装置１０を使用することができる。装置１０は、ラドル１と、プローブ２と、不活性ガス供給装置３とを備える。ラドル１は、溶湯Ｍ１を保持する。溶湯Ｍ１は、図示しない溶湯保持炉によって、プローブ２の温度より高く、かつ、液相線温度以上の温度に加熱保持された後、ラドル１によって汲み取られる。プローブ２は、ガスパイプ３ａを介して不活性ガス供給装置３に接続されている。不活性ガス供給装置３は、不活性ガスをガスパイプ３ａを通してプローブ２に供給する。不活性ガスは、多種多様なガスであってもよく、例えば、Ａｒ、Ｎ_２（窒素）である。不活性ガス供給装置３は、例えば、Ｎ_２ガス発生装置である。具体的には、不活性ガスをプローブ２から連続して放出する。プローブ２は、例えば、図示しないロボットアームに把持されて移動することができる。

ロボットアーム等によって、プローブ２を溶湯Ｍ１内に挿入する。プローブ２は、溶湯Ｍ１と比較して温度が低いため、溶湯Ｍ１の一部がプローブ２の表面と接触して冷却される。この冷却された溶湯Ｍ１の一部が凝固して、膜ＳＦ１がプローブ２の表面に形成する。

続いて、図３に示すように、プローブ２を所定時間、溶湯Ｍ１内における所定の位置に保持する（プローブ保持ステップＳＴ２）。不活性ガスＮＧ１をプローブ２から溶湯Ｍ１内に供給する。図２に示す膜ＳＦ１が凝固核ＳＳ１となり、溶湯Ｍ１内に分散する。

続いて、図４に示すように、プローブ２を溶湯Ｍ１から引き出す（プローブ引出ステップＳＴ３）。具体的には、プローブ２の表面のうち、溶湯Ｍ１と接触していた部分の少なくとも一部が露出するよう、プローブ２を溶湯Ｍ１から引き出す。また、プローブ２の表面のうち、溶湯Ｍ１と接触していた部分の全てが露出するまで、プローブ２を溶湯Ｍ１から引き出すとよい。

続いて、所定時間が経過した後、図５に示すように、プローブ２を再び溶湯Ｍ１内に挿入する（プローブ再挿入ステップＳＴ４）。具体的には、プローブ２の表面のうち、溶湯Ｍ１と接触していた部分の少なくとも一部が露出したまま、所定時間が経過する。この露出したプローブ２の側面の少なくとも一部が冷却される。プローブ２は、溶湯Ｍ１と比較して温度が低くなる。そのため、プローブ２を再び溶湯Ｍ１内に挿入すると、溶湯Ｍ１の一部がプローブ２の表面と接触して冷却される。この冷却された溶湯Ｍ１の一部が凝固して、膜ＳＦ２がプローブ２の表面に形成する。

続いて、図６に示すように、プローブ保持ステップＳＴ２と同様に、プローブ２を所定時間、溶湯Ｍ１内における所定の位置に再び保持する（プローブ再保持ステップＳＴ５）。不活性ガスＮＧ２をプローブ２から溶湯Ｍ１内に供給する。図５に示す膜ＳＦ２が凝固核ＳＳ２となり、溶湯Ｍ１内に分散する。溶湯Ｍ１内には、すでに分散された凝固核ＳＳ１に加えて、ＳＳ２が分散される。そのため、多量の凝固核ＳＳ１、ＳＳ２が溶湯Ｍ１内に均一に分散する。

最後に、図７に示すように、プローブ２を再び溶湯Ｍ１から引き出す（プローブ再引出ステップＳＴ６）。多量の凝固核ＳＳ１、ＳＳ２が溶湯Ｍ１内に均一に分散している。そのため、大容量の半凝固溶湯を形成することができる。

以上より、上記した半凝固溶湯の製造方法によれば、溶湯Ｍ１の温度よりも低いプローブ２を溶湯Ｍ１へ挿入して、プローブ２の表面と接触した溶湯Ｍ１が凝固して膜ＳＦ１がプローブ２の表面に形成する。膜ＳＦ１が凝固核ＳＳ１となり、溶湯Ｍ１内に分散する。その後、プローブ２を引出し、再びプローブ２を溶湯Ｍ１へ挿入し、プローブ２と接触した溶湯Ｍ１が凝固して膜ＳＦ２がプローブ２の表面に再び形成する。再度形成された膜ＳＦ２が凝固核ＳＳ２となり、溶湯Ｍ１内に分散する。多量の凝固核ＳＳ１、ＳＳ２が生成され、しかも、溶湯Ｍ１内に均一に分散するため、大容量の半凝固溶湯を形成することができる。

また、上記した半凝固溶湯の製造方法によれば、プローブ引出ステップＳＴ３では、プローブ２の側面のうち、溶湯Ｍ１と接触していた部分の全てが溶湯Ｍ１の液面Ｍ１ａから露出するまで、プローブ２を溶湯Ｍ１から引き出す場合がある。このような場合、プローブ２の側面のうち、溶湯Ｍ１と接触していた部分の全てが外気と触れて、冷却される。よって、膜ＳＦ２の量が増大し、凝固核ＳＳ２が増加する。従って、半凝固溶湯のさらなる大容量化を図ることができる。

（実施例）
次に、図８及び図９を参照して、上記した実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法の一例について、従来技術に係る半凝固溶湯の製造方法と比較して説明する。図８は、処理時間に対する溶湯への不活性ガス噴出量、及び凝固核生成量を示すグラフである。図９は、ラドル径方向における溶湯内への凝固核量を示すグラフである。

上記した半凝固溶湯の製造方法の一実施例に係る半凝固溶湯の製造方法では、所定の製造条件にそれぞれ設定した。溶湯Ｍ１として、溶解した鋳造用アルミニウム合金を用いた。

なお、比較例に係る半凝固溶湯の製造方法では、プローブ挿入ステップＳＴ９１、プローブ保持ステップＳＴ９２、プローブ引出ステップＳＴ９３をこの順に連続して行う。プローブ挿入ステップＳＴ９１はプローブ挿入ステップＳＴ１と同じ構成であり、プローブ保持ステップＳＴ９２はプローブ保持ステップＳＴ２と同じ構成であり、プローブ引出ステップＳＴ９３はプローブ再引出ステップＳＴ６と同じ構成である。プローブ保持ステップＳＴ９２の開始時点から終了時点までの時間は、プローブ保持ステップＳＴ２の開始時点からプローブ再保持ステップＳＴ５の終了時点までの時間と同じである。

実施例及び比較例について処理時間に対する溶湯への不活性ガス噴出量、及び凝固核生成量を図８に示す。ラドル径方向における溶湯内への凝固核量を図９に示す。

図８に示すように、比較例では、プローブ挿入ステップＳＴ９１においてプローブが溶湯の液面に接触する時点Ｔ_０から、溶湯への不活性ガスの噴出を開始する時点Ｔ_１まで、アルミニウム膜がプローブに形成される。溶湯への不活性ガス噴出量は、時点Ｔ_０から時点Ｔ_１まで、所定の値Ｇ１のまま推移する。その後、溶湯への不活性ガス噴出量は、時点Ｔ_１からプローブ挿入ステップＳＴ９１の終了時点まで増加し、所定の値Ｇ２まで達する。続いて、溶湯への不活性ガス噴出量は、プローブ保持ステップＳＴ９２の終了時点まで所定の値Ｇ２のまま推移する。

また、比較例では、凝固核生成量は、溶湯への不活性ガス噴出量に準じるように推移する。具体的には、凝固核生成量は、プローブ挿入ステップＳＴ９１における時点Ｔ_１からわずかに遅れた時点から増加し始め、プローブ保持ステップＳＴ９２の中途において、一定の値Ｎ１に達する。続いて、凝固核生成量は、プローブ保持ステップＳＴ９２の終了時点まで一定の値Ｎ１のまま推移する。

一方、実施例では、時点Ｔ_０から時点Ｔ_１まで、アルミニウム膜がプローブに形成される。溶湯への不活性ガス噴出量は、時点Ｔ_０から時点Ｔ_１まで、所定の値Ｇ１のまま推移する。その後、溶湯への不活性ガス噴出量は、時点Ｔ_１からプローブ挿入ステップＳＴ１の終了時点まで増加し、所定の値Ｇ２まで達する。続いて、溶湯への不活性ガス噴出量は、プローブ保持ステップＳＴ２の終了時点まで所定の値Ｇ２のまま推移した後、プローブ引出ステップＳＴ３の開始時点から終了時点Ｔ_２まで所定の値Ｇ１に低下する。続いて、プローブ引出ステップＳＴ３の終了時点Ｔ_２から、溶湯への不活性ガスの噴出を開始する時点Ｔ_３まで、アルミニウム膜がプローブに形成される。溶湯への不活性ガス噴出量は、終了時点Ｔ_２から時点Ｔ_３まで、所定の値Ｇ１のまま推移した後、プローブ再挿入ステップＳＴ４の終了時点まで増加し、所定の値Ｇ２に達するまで達する。続いて、溶湯への不活性ガス噴出量は、プローブ再保持ステップＳＴ５の終了時点まで所定の値Ｇ２のまま推移する。

また、実施例では、凝固核生成量は、プローブ挿入ステップＳＴ１における時点Ｔ_１からわずかに遅れた時点から増加し始め、プローブ保持ステップＳＴ２の中途において、一定の値Ｎ１に達する。続いて、凝固核生成量は、溶湯への不活性ガスの噴出を開始する時点Ｔ_３まで一定の値Ｎ１のまま推移した後、プローブ再挿入ステップＳＴ４の終了時点まで増加し、一定の値Ｎ２に達する。続いて、凝固核生成量は、プローブ再保持ステップＳＴ５の終了時点まで一定の値Ｎ２のまま推移する。

プローブ引出ステップＳＴ３及びプローブ再挿入ステップＳＴ４では、実施例に係る溶湯への不活性ガス噴出量は、比較例に係る溶湯への不活性ガス噴出量と比較して、少ない。また、プローブ引出ステップＳＴ３及びプローブ再挿入ステップＳＴ４以外のステップでは、実施例に係る溶湯への不活性ガス噴出量は、比較例に係る溶湯への不活性ガス噴出量と殆ど同じである。よって、実施例に係る溶湯への不活性ガス噴出量は、比較例に係る溶湯への不活性ガス噴出量と比較して少ない。

一方、実施例に係る凝固核生成量は、時点Ｔ_０から時点Ｔ_３まで、比較例に係る凝固核生成量と略同じであるが、時点Ｔ_３から比較例に係る凝固核生成量と比較して多い。よって、実施例に係る凝固核生成量は、比較例に係る凝固核生成量と比較して多い。

図９に示すように、比較例に係る凝固核量は、プローブからラドル壁面に向かうにつれて所定の値Ｎ９２まで増加し、プローブとラドル壁面との中途まで、所定の値Ｎ９２を維持するが、所定の値Ｎ９１まで減じる。所定の値Ｎ９１は、所定の値Ｎ９２と比較して格段に低い。

一方、実施例に係る凝固核量は、プローブからラドル壁面に向かうにつれて所定の値Ｎ１２まで増加し、ラドル壁面近傍まで所定の値Ｎ１２を維持する。実施例に係る凝固核量は、ラドル壁面近傍からラドル壁面まで、所定の値Ｎ１２から所定の値Ｎ１１にまでわずかに減じる。所定の値Ｎ１１と、所定の値Ｎ１２とは、大きく変わらない。所定の値Ｎ１１、Ｎ１２は、所定の値Ｎ９２と大きく変わらないが、所定の値Ｎ９１よりも格段に高い。よって、実施例に係る凝固核は、比較例に係る凝固核と比較して、ラドル径方向において凝固核量が全域に亘って多い。また、実施例に係る凝固核は、比較例に係る凝固核と比較して、ラドル径方向において凝固核量が部位に応じて大きく変化しないため、均一に分散している。

以上より、実施例では、比較例と比較して、多量の凝固核が生成される。また、実施例では、比較例と比較して、凝固核が溶湯Ｍ１内に均一に分散するため、大容量の半凝固溶湯を形成することができる。

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。また、本発明は、上記実施の形態やその一例を適宜組み合わせて実施してもよい。

例えば、上記した実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法では、プローブ挿入ステップＳＴ１～プローブ再引出ステップＳＴ６をこの順に行ったが、プローブ挿入ステップＳＴ１～プローブ再保持ステップＳＴ５、プローブ引出ステップＳＴ３～プローブ再保持ステップＳＴ５、プローブ再引出ステップＳＴ６をこの順に行ってもよい。また、プローブ挿入ステップＳＴ１～プローブ再保持ステップＳＴ５、プローブ引出ステップＳＴ３～プローブ再保持ステップＳＴ５、プローブ再引出ステップＳＴ６のうち、プローブ引出ステップＳＴ３～プローブ再保持ステップＳＴ５を複数回繰り返してもよい。これらのような半凝固溶湯の製造方法では、プローブ引出ステップＳＴ３～プローブ再保持ステップＳＴ５を少なくとも２回行うため、さらに多くの凝固核を形成し、さらに大容量の半凝固溶湯を形成することができる。

また、上記した実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法では、プローブ挿入ステップＳＴ１～プローブ再引出ステップＳＴ６をこの順に行ったが、そのうち、プローブ保持ステップＳＴ２、プローブ再保持ステップＳＴ５を省略してもよい。このような半凝固溶湯の製造方法では、プローブ保持ステップＳＴ２、及びプローブ再保持ステップＳＴ５を行わないので、短時間で大容量の半凝固溶湯を形成し得る。

また、ガスパイプ３ａの中途に、バルブを設けてもよい。上記した実施の形態１に係る半凝固溶湯の製造方法では、不活性ガスをプローブ２から適宜放出したが、当該バルブが開閉することによって、不活性ガスをプローブ２から適宜放出してもよい。例えば、プローブ保持ステップＳＴ２、及びプローブ再保持ステップＳＴ５では、不活性ガスの放出を停止し、プローブ挿入ステップＳＴ１、プローブ引出ステップＳＴ３、プローブ再挿入ステップＳＴ４、及びプローブ再引出ステップＳＴ６では、不活性ガスを放出する。

１ラドル２プローブ
３不活性ガス供給装置
Ｍ１溶湯ＮＧ１、ＮＧ２不活性ガス
ＳＦ１、ＳＦ２膜ＳＳ１、ＳＳ２凝固核
ＳＴ１プローブ挿入ステップＳＴ２プローブ保持ステップ
ＳＴ３プローブ引出ステップＳＴ４プローブ再挿入ステップ
ＳＴ５プローブ再保持ステップＳＴ６プローブ再引出ステップ

Claims

鋳造用アルミニウム合金からなる溶湯を用いた半凝固溶湯の製造方法であって、
不活性ガスをプローブから連続して放出し続け、前記プローブを前記プローブの温度より高く、かつ、前記鋳造用アルミニウム合金の液相線温度以上の温度に保持された溶湯内に挿入し、アルミニウム膜が前記プローブに形成するステップと、
前記挿入したプローブを前記溶湯から引き出して、前記挿入したプローブの表面のうち、前記溶湯と接触していた部分の少なくとも一部が前記溶湯から露出するステップと、
前記引き出したプローブを再び前記溶湯内に挿入し、アルミニウム膜が前記プローブに形成するステップと、を備える、
半凝固溶湯の製造方法。
前記挿入したプローブを前記溶湯から引き出して、前記挿入したプローブの表面のうち、前記溶湯と接触していた部分の少なくとも一部が前記溶湯から露出するステップでは、
前記挿入したプローブの表面のうち、前記溶湯と接触していた部分の全てが前記溶湯から露出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の半凝固溶湯の製造方法。