JP7299619B2

JP7299619B2 - 低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法

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Publication number: JP7299619B2
Application number: JP2019217721A
Authority: JP
Inventors: 陸浩冨田; 達也鬼澤
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2023-06-28
Anticipated expiration: 2039-12-02
Also published as: JP2021087959A

Description

本発明は、溶融金属を低圧鋳造する際にストーク内で一定の高さに維持された溶湯の表面に浮遊する酸化物や凝固物を検出する方法に関する。

低圧鋳造では、保持炉にアルミニウム等の金属又は合金を融解させた溶融金属（溶湯）を加熱保持しておき、ストーク（給湯管）を通じて金型（鋳型）の湯口から金型内のキャビティ（空洞）内に低速かつ低圧で注湯し、充填された溶湯を指向性冷却することでキャビティと同一形状の鋳物が成形される。

ストーク内は、金型に溶湯を充填する前後で充填開始する位置（湯面）が一定の高さとなるように電磁ポンプ等で維持されているが、金型を外して鋳物を取り出す際に、金型の湯口とストーク内湯面から湯口までに残った凝固物がストーク内の湯面に落下する場合がある。また、注湯に伴い溶湯がストーク内を上下動することにより、ストークの内壁面に酸化物が生じ、それが剥がれて湯面に落下する場合もある。

湯面に落下した凝固物は時間とともに溶けて小さくなっていくが、表面に酸化膜が生じた凝固物やストークの内壁面から落下した酸化物などの浮遊物が存在していると、キャビティ内に浮遊物が巻き込まれ、内部欠陥などの原因となり、鋳物の強度を著しく低下させることにもなる。特許文献１に記載されているように、ストーク内で発生する酸化物等の異物が金型内に取り込まれることを防止する低圧鋳造方法の発明も開示されている。

特許第５６３９８５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、ストークの下部に排出管が接続されその排出管の一端がストーク内で開口し、保持炉内で湯面が下がった状態において他端が保持炉の加圧室内のストーク外で加圧室側に開口する排出管を用いて、加圧室を減圧することによってストーク内に生じた酸化物等の異物を排出管によってストーク外へと排出しているが、異物の有無に関わらずストーク内の溶湯を排出し、ストーク内の湯面が下がるときに酸化物がストーク内面に付着してしまうとストーク内の酸化物がストーク外に排出できないという欠点がある。

また、加圧室内を加圧してストーク内の溶湯を上昇させ、加圧室内を減圧して排出管から異物を排出しているが、電磁ポンプでストーク内の湯面を一定の高さに維持している場合、このような方法は困難である。湯面の高さを金型の湯口近傍に維持する理由は、ストーク内の溶湯の上下動の幅（面積）を少なくし、上下動するストーク内壁面に発生する酸化物を少なくして発生する酸化物の付着や巻込みを少なくする目的で行うものである。すなわち、電磁ポンプでストーク内の湯面を出来るだけ湯口に近い位置に維持して発生する酸化物を最小限にした状態で湯面に浮遊している異物を検知して必要に応じて除去した方が効率良い。

そこで、本発明は、溶融金属を低圧鋳造する際にストーク内で常に一定の高さに維持された溶湯の表面に浮遊する酸化物や凝固物を検出する方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、加熱保持された溶湯を鋳型内に注湯するためのストーク内に保持された前記溶湯の表面に存在する浮遊物を検出する方法であって、前記ストークの外側に配置された第１センサを用いて前記溶湯を所定の位置で電磁ポンプの出力を制御して維持し、前記鋳型を離型させてストークの中心付近上方に第２センサを横から差し入れて前記溶湯の表面の位置を測定し、前記第１センサで維持した前記溶湯の位置と、前記第２センサで測定した前記溶湯の表面の位置の差から前記浮遊物の有無を判定する、ことを特徴とする。

前記低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法において、前記溶湯は、電磁ポンプによって前記ストーク内の所定の位置で維持され、前記第１センサは、誘導式レベル計又は静電容量式のレベル計である、ことを特徴とする。

前記低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法において、前記第２センサは、光を利用した非接触式センサであり、前記溶湯の表面からの高さを基に当該表面の位置を測定する、ことを特徴とする。

前記低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法において、前記第２センサを前記鋳型の湯口の内径範囲で移動させながら測定する、ことを特徴とする。

本発明によれば、溶融金属を低圧鋳造する前後においても常にストーク内で一定の高さに維持された溶湯の表面に浮遊する酸化物や凝固物を検出することができる。溶湯をストーク内に保持したまま簡単に浮遊物の有無を判定することができ、浮遊物が有ったときだけ除去すれば良い。また、キャビティ内に浮遊物が巻き込まれないので、内部欠陥を防止することができ、鋳物の強度を維持することができる。

本発明である低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法において、鋳型内に溶湯を注入する前の状態を示す図である。本発明である低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法において、鋳型内に溶湯を注入して凝固させた状態を示す図である。本発明である低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法において、上型を上昇させて凝固した鋳物を取り出した状態を示す図である。本発明である低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法において、上型と下型の間にセンサを横から差し入れた状態を示す図である。本発明である低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法において、ストーク内に保持されている溶湯の表面を測定した状態を示す図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本発明である低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法について説明する。図１は、鋳型内に溶湯を注入する前の状態を示す図である。図２は、鋳型内に溶湯を注入して凝固させた状態を示す図である。図３は、上型を上昇させて凝固した鋳物を取り出した状態を示す図である。図４は、上型と下型の間にセンサを横から差し入れた状態を示す図である。図５は、ストーク内に保持されている溶湯の表面を測定した状態を示す図である。

図１に示すように、鋳造装置１００は、低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法を使用するための装置であり、予めアルミニウム合金などの金属を溶解炉で溶融させ、保持炉で所定の温度に加熱された状態で貯留された溶湯４００を、枠体１１０によって上方に向かって立てられたストーク２００内に電磁ポンプ２１０等を使用して引き込み、誘導式レベル計２２０（第１センサ）等を用いて所定の高さで維持しておく。

溶湯４００は、アルミニウムやその合金などの金属を加熱して融解させた溶融金属であり、ストーク２００を介して鋳型３００内に注入して上型内の鋳物の上部から下方へ指向性冷却することにより、所望の形状の鋳物４２０として成形される。

ストーク２００は、（溶解）保持炉などから鋳型３００に溶湯４００を供給するための給湯管である。ストーク２００の周りに電磁ポンプ２１０を配置して、上方に配置された鋳型３００まで溶湯４００を引き上げても良い。また、ストーク２００の周りに誘導式レベル計２２０を配置して、溶湯４００の湯面４１０を検知できるようにしておく。

電磁ポンプ２１０は、溶湯４００など導電性流体を圧送する管状のポンプである。例えば、管の周りに配置したコイルに三相交流電圧を印加して管内の流れ方向に移動磁界を発生させると、流体に誘導電流が流れて、移動磁界と誘導電流により移動磁界方向に推力が発生し、溶湯４００を移動させたり、所定の高さまで持ち上げて維持したりする。

誘導式レベル計２２０は、湯面４１０のレベルを非接触で計測する電磁誘導式センサである。誘導式レベル計２２０で湯面４１０の位置（高さ）を測定しながら、電磁ポンプ２１０の出力を調整することにより、ストーク２００内の溶湯４００の高さを一定に維持する。

鋳型３００は、昇降可能な上型３１０と、枠体１１０に断熱材３５０を介して固定された下型３２０を合わせることで、上下金型の凹面が重なり合った内部空間に鋳物４２０と同じ形状のキャビティ３３０が形成される。下型３２０の下面に空けられた湯口３４０にマウスピース３６０を取り付け、ストーク２００内と連通させる。

図２に示すように、ストーク２００の上端は、鋳型３００の湯口３４０に繋がっており、電磁ポンプ２１０によって溶湯４００を上昇させることにより、鋳型３００の湯口３４０からキャビティ３３０内に溶湯４００が充填される。１ショット（射出）ごとにキャビティ３３０内を充填するのに必要な量の溶湯４００が供給されるように、電磁ポンプ２１０を制御すれば良い。

鋳型３００に充填した後、溶湯４００は、充填前と同様に、電磁ポンプ２１０によりストーク２００内の所定の高さで維持される。鋳型３００内の溶湯４００は指向性冷却され、キャビティ３３０の内部形状で凝固して、鋳物４２０が成形される。なお、湯口３４０の下にはみ出した部分が足部４３０として残る。足部４３０は、鋳物４２０を鋳型３００から取り出した後に、鋳ばり等と共に除去して、製品として仕上げれば良い。

また、溶湯４００が元の高さに戻った後、ストーク２００内における湯面４１０と湯口３４０の間には、ストーク２００の内壁に付着した溶湯４００が酸化して酸化物５００として残る場合がある。その酸化物５００が内壁から剥離して落下すると、湯面４１０に浮遊物５２０として異物発生の原因となる。

図３に示すように、鋳型３００内で鋳物４２０が成形されたら、鋳型３００を上型３１０と下型３２０に離型させて鋳物４２０を取り出す。上型３１０と共に鋳物４２０を持ち上げれば良いが、例えば、足部４３０の一部が湯口３４０に引っ掛かりちぎれて凝固片５１０が落下すると、湯面４１０に浮遊物５２０として異物発生の原因となる。

図４に示すように、上型３１０を上昇させることにより生じた上型３１０と下型３２０との間隙から、鋳型３００の外部から内部へ水平にスライドさせるように、非接触式センサ６００（第２センサ）を差し入れる。非接触式センサ６００は、湯口３４０の上方からストーク２００内の湯面４１０を検出可能な位置に配置されれば良い。

非接触式センサ６００は、湯面４１０からの高さを測定する。例えば、ストーク２００の上方から湯面４１０に対してレーザー光を垂直に照射して、その反射光の位相差などから距離を算出するレーザー測定器などを用いれば良い。

非接触式センサ６００は、湯口の内径範囲で移動しながら測定させても良い（図５参照）。ストーク２００の中心だけでなく、その付近において検出可能となる。なお、ストーク２００の端（内壁側）など湯口３４０に隠れて見えない部分については、測定角度を傾けて検出する等して高さを算出しても良い。

図５に示すように、ストーク２００内の湯面４１０の高さは、誘導式レベル計２２０及び電磁ポンプ２１０によって保持位置６１０で維持されている。また、非接触式センサ６００は、実際に測定した湯面４１０からの高さを基に、測定位置６２０を算出する。このとき、湯面４１０に浮遊物５２０が存在していると、保持位置６１０と測定位置６２０との間に差が生じる。

なお、溶湯４００の高さは一定に維持されるので、鋳造前の予め浮遊物５２０のない状態の溶湯４００の高さを非接触式センサ６００で測定しておき、基準位置として記憶しておいても良い。すなわち、保持位置６１０を基準位置に合わせることにより、測定位置６２０との差を算出すれば良い。

誘導式レベル計２２０で保持した溶湯４００の保持位置６１０と、非接触式センサ６００で測定した溶湯４００の湯面４１０の測定位置６２０の差から、ストーク２００内の溶湯４００に存在する浮遊物５２０の有無を判定すれば良い。

誘導式レベル計２２０は、湯面４１０に浮遊している浮遊物５２０には誘導電流が流れないことから、浮遊物５２０に対して不感であり、浮遊物５２０の有無で検出精度に影響が出ない。そのため、浮遊物５２０に影響なく基準液位を測定できる誘導式レベル計２２０を使用することが正確に測定する上で重要である。

例えば、ストーク２００の上部に光を利用した非接触式センサ６００を２つ配置して、一方の非接触式センサ６００でストーク２００内の保持位置６１０を制御しつつ、もう一方の非接触式センサ６００との差から浮遊物５２０の有無を判定する方法も考えられる。しかし、浮遊物５２０の無い状態の湯面４１０のレベルを測定する非接触式センサ６００が、浮遊物５２０の表面を測定して湯面４１０を制御してしまう可能性もあるので、実際の浮遊物５２０の差が出てこない場合もある。

ストーク２００内の湯面４１０を電磁ポンプ２１０の出力調整で制御しない従来の方式では、ストーク２００内の湯面４１０は鋳造サイクル毎に低下することになり、保持炉内の炉壁に炉内酸化物５３０が溜まると鋳造サイクル毎のストーク２００内の湯面４１０の低下が一定にならない。すなわち、炉壁の液面付近で溶湯４００が上下すると、炉内酸化物５３０が徐々に堆積していき、溶湯４００の容量も変化して、１ショット毎の液位の変化量が一定でなくなる。

そのため、光を利用した非接触式センサ６００を２つ配置して、一方の非接触式センサ６００でストーク２００内の保持位置６１０を制御しつつ、もう一方の非接触式センサ６００との差から浮遊物５２０の有無を判定する方法を用いても、ストーク２００内の湯面４１０の浮遊物５２０と保持炉内の炉壁の炉内酸化物５３０によってストーク２００内の湯面４１０の低下がランダムになるので、正確にストーク２００内の湯面４１０に生じる浮遊物５２０の有無とその量を確定することができない。

したがって、ストーク２００内の湯面４１０の浮遊物５２０の有無とその量を測定し確認できるのは、ストーク２００の一部に誘導式レベル計２２０を用いてストーク２００の湯面４１０の保持を行い、かつ第２の非接触式センサ６００にて下型３２０の湯口３４０からストーク２００内の湯面４１０を測定する方式が確実にストーク２００内の湯面４１０の浮遊物５２０の有無とその量を確認できることになる。

以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。例えば、１回測定して浮遊物があると判定した後、数秒後に湯面に落ちた浮遊物が再度溶解する場合があるので、時間を置いて再測定するようにしても良い。

１００：鋳造装置
１１０：枠体
２００：ストーク
２１０：電磁ポンプ
２２０：誘導式レベル計
３００：鋳型
３１０：上型
３２０：下型
３３０：キャビティ
３４０：湯口
３５０：断熱材
３６０：マウスピース
４００：溶湯
４１０：湯面
４２０：鋳物
４３０：足部
５００：酸化物
５１０：凝固片
５２０：浮遊物
５３０：炉内酸化物
６００：非接触式センサ
６１０：保持位置
６２０：測定位置

Claims

加熱保持された溶湯を鋳型内に注湯するためのストーク内に保持された前記溶湯の表面に存在する浮遊物を検出する方法であって、
前記ストークの外側に配置された第１センサを用いて前記溶湯を所定の位置で維持し、
前記鋳型を離型させてストークの上方に第２センサを差し入れて前記溶湯の表面の位置を測定し、
前記第１センサで維持した前記溶湯の位置と、前記第２センサで測定した前記溶湯の表面の位置の差から前記浮遊物の有無を判定する、
ことを特徴とする低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法。
前記溶湯は、電磁ポンプによって前記ストーク内の所定の位置で維持され、
前記第１センサは、誘導式レベル計又は静電容量式レベル計である、
ことを特徴とする請求項１に記載の低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法。
前記第２センサは、非接触式センサであり、前記溶湯の表面からの高さを基に当該表面の位置を測定する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法。
前記第２センサを前記鋳型の湯口の内径範囲で移動させながら測定する、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の低圧鋳造における溶湯表面の浮遊物検出方法。