JPH04313455A

JPH04313455A - 連続鋳造における冷却水の伝熱制御方法及び制御装置

Info

Publication number: JPH04313455A
Application number: JP4012981A
Authority: JP
Inventors: Ho Yu; ホー　ユー; Douglas L Bruce; ダグラス　エル．　ブルース; Richard C Stiffler; リチャード　シー．　スティフラー; David D Leon; デイビッド　ディー．　レオン; Francis J Glogowski; フランシス　ジェイ．　グロゴウスキ
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1991-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1992-11-05
Also published as: US5148853A; NO920365L; CA2057774A1; AU647219B2; EP0497254A2; AU8969191A; EP0497254A3; NO920365D0

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気泡を有した冷却液の
伝熱特性を制御する方法、及び装置に関し、特に本発明
の方法、及び装置は、連続的に鋳造されるインゴットの
表面の気泡を有した冷却液による冷却を監視し、そして
その冷却速度を遅くすることに関する。

【０００２】

【従来の技術】軽金属合金の連続鋳造は、従来から開放
式の鋳型の一方から溶融金属を鋳込み、反対側の端部か
ら固体、或いは部分的に固化したインゴットを引き出し
て実施されている。典型的にこの種の鋳型は軸方向に対
して相対的に短く、そして中空、或いは冷却水等の冷却
液を受承可能なその他の形状をしており、前記冷却液は
インゴットのメニスカスを冷却、固化するように成って
いる。次いで冷却液は鋳型から排出され、そしてインゴ
ットと接触する際該インゴットを冷却する。好ましくは
前記鋳型は、高い熱伝導率を有するアルミニウム、或い
は銅、青銅等より構成される。ユに対して付与された米
国特許第４１６６４９５号は、インゴットの表面の冷却
を制御するためのインゴット鋳造方法を開示するが、該
方法は冷却液、典型的には冷却水をインゴットの表面に
供給する前に、二酸化炭素等のガスを冷却水に混合する
工程を含んでいる。鋳造の初期段階において前記ガスを
有した冷却液を鋳型に利用する場合には、冷却液に混合
されたガスは冷却速度を遅くする作用を果たす。冷却液
に混合するガスの総量を減少させると、冷却速度は増加
する。この冷却速度を増加した冷却液は、その後に続く
インゴットの部分に冷却に利用される。

【０００３】米国特許公報第４１６６４９５号により開
示された前記方法は、産業上実施され、冷却液の冷却速
度を減少させることに成功し、アルコア７２９方法とし
てアルミニウム業界において周知となっている。該方法
において好ましい冷却液は、水であり、そして好ましい
ガスは二酸化炭素である。空気のように水に殆ど溶解し
ないその他のガスもまた、米国特許第４１６６４９５号
を実施する上で利用されている。ワグスタッフに付与さ
れた米国特許第４６９３２６８号は直接冷却の冷却速度
を制御するための手段、及び方法を開示する。米国特許
第４６９３２６８号の方法は、冷却液にほとんど溶解し
ないガスを噴出口（ジェット）から噴射して冷却液に混
合する工程を含んでいる。前記噴出口は、ガスを冷却水
中に気泡として噴射し、そして該気泡はインゴットの表
面で冷却液に溶解せず不連続なまま存在する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記アルコア７２９方
法は経済的であり、かつ効果的であるが、然しながら改
良の余地がある。該方法において冷却液へ混合するガス
の最適な総量は、温度変化、混合圧力、水質により変化
し、そして最も良い結果を得るように調節される。前記
ガスの冷却液の冷却速度を低減させる能力は、冷却液の
揮発性により決定され、前記冷却液の揮発性は、冷却液
中のガスの濃度、冷却液の温度、冷却液の速度、液質に
依存している。ここで「液質」の用語は冷却液の化学的
性質を意味し、ｐＨ、アルカリ度、溶解している粒子、
混濁している粒子、表面張力、イオン化している化学種
を含んでいる。１９８９年６月１４日に出願された同時
係属中の米国特許第３６６７５９号は、気泡を有した冷
却液の冷却容量を連続的に監視する方法を開示する。そ
の１つの実施例において該方法は、所定のサイズレンジ
内にある気泡の数密度を検出することと、検出された数
密度を所定の基準値と比較し、必要がある場合には所定
のレンジ内に数密度が入るように冷却液に混合されるガ
スの総量を変化させることを含んでいる。好ましい実施
例において、所定のサイズレンジ内に入る水中の気泡の
相対的数密度を検出するためにレーザが使用されている
。気泡による散乱を検出する装置上にレーザの焦点が合
わされて検出される。同時係属中の米国特許第３６６７
５９号の方法は、実際のプラントにおいて冷却液の熱容
量を監視、制御するについて非常に有用である。該方法
は、冷却水の液質や温度が変動しても望ましいレベルで
機能することが知られている。然しながら該方法によれ
ば、長期間の使用により粘着物、汚れ、腐食物質等が検
出装置を冷却液から離隔するための窓に付着し、光学的
検査システムが汚れ、信頼性が影響される。これらの付
着した物質は、検査装置の感度に対して有害に影響し、
不正確な測定を結果する。汚れの除去は、気泡検出器の
一部を取り外して実施される。この作業は整備、及び作
業中止時間について非常に費用の掛かる作業である。従
って装置を分解すること無く整備可能な、経済的、効果
的な、冷却液の冷却性能を監視、制御する方法を提供す
ることは有益である。

【０００５】本発明の第１の目的は、気泡、或いは第２
の液体の液滴を有した第１の液体の冷却性能を監視、制
御するために使用される光学的セルの付着物を除去する
ための方法、及び装置を提供することにある。本発明の
他の目的は、既存の鋳造設備に直ちに適用可能な方法、
装置を提供することであり、該方法は、冷却液の冷却速
度を監視する方法において使用されている窓の汚れをそ
の位置において除去するようになっており、前記冷却液
は、連続的に鋳造されたインゴットの表面を冷却する際
にその冷却速度を遅くするガスが混合されている。更に
本発明の他の目的は、既存の鋳造設備に直ちに適用可能
な方法、装置を提供することであり、該方法は、気泡を
有した冷却液の冷却容量を監視、かつ／または制御する
ために使用される窓に、超音波エネルギを適用するよう
になっている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに本発明では、第２の流体に第１の流体が粒子、或い
は気泡として混合している流体の、相対的密度、或いは
特性を監視するシステムであって、前記流体の一方は液
体であって他方は気体であるシステムにおいて、前記流
体が通過するための経路と、前記経路中の前記混合流体
と接触し、そして光が通過する１つ、或いはそれ以上の
面と、前記混合流体中に光を伝達する手段と、前記混合
流体から射出された光を、受承するように配置されたセ
ンサとを具備し、前記光伝達手段、或いは光センサ、ま
たはその両者は、前記光を通過させる面と協働して、前
記流体中に光を射出し、或いは同流体から光を受承する
ように配置されており、更に前記システムは、前記光が
通過する面の、前記流体と接触する表面の汚れを除去す
るために、波動（ウェイブ）エネルギを同面を通過させ
る手段を具備している流体監視システムが提供される。更に本発明では、冷却液を使用した金属インゴットを連
続的に鋳造する方法であって、溶融金属のインゴットを
形成するための端部が開放された鋳型へ鋳込むことと、
冷却液を提供することと、該冷却液が気泡を有するよう
に該冷却液へ気体を混合することと、光の散乱から前記
気泡の相対的密度を検出するための光源と、光センサと
を使用することと、前記濃度を基準レンジと比較するこ
とと、前記濃度が前記基準レンジ内に入っていない場合
に、前記液体に混合されている気体の総量を変化させる
ことと、前記溶融金属を少なくともその一部を固化させ
るために、前記冷却液を鋳型から出現したインゴットへ
供給することとを含んで成る方法において、前記液体に
接触し、そして光を通過させる面の汚れを除去するため
に充分な波動を発生させることを含むことを特徴とする
金属インゴットを連続的に鋳造する方法が提供される。

【０００７】更に本発明の他の特徴によれば、第２流体
の気泡を有した第１液体の伝熱容量を制御する装置であ
って、該装置は、冷却液の伝熱特性を予測するために、
前記気泡の数密度を測定するための測定手段と、前記数
密度が所定のレンジ内に入るように、前記第１液体中の
前記第２流体の総量を変化させるための制御手段と、前
記第１液体と流体的に接触し、そして前記測定手段の領
域の汚れの除去に適しているインテンシィティの波動を
発生可能な電気音響振動子とを具備している液体の伝熱
容量を制御する装置が提供される。更に発明の他の特徴
によれば、溶融した金属を鋳造する装置であって、金属
を受承する鋳型と、該鋳型内の溶融金属を少なくとも半
溶融状態にするために、冷却液を該鋳型内に供給する供
給手段と、所定のレンジ内の気泡の数密度を感知するた
めの感知手段と、前記数密度を所定の値と比較し、そし
て必要がある場合には、測定された数密度が所定のレン
ジ内に入るように、前記冷却液に混合するガスの総量を
変化させる手段と、測定された数密度が所定のレンジ内
に入るように、前記冷却液に混合するガスの総量を変化
させる制御手段と、前記測定手段の領域にキャビテーシ
ョンを発生させるのに充分な超音波を発生する、前記冷
却液に流体的に接触する電気音響振動子とを具備した装
置が提供される。

【０００８】

【実施例】本明細書中において「超音波」は、人間には
聞こえない周波数よりも高い周波数を意味する。そして
「超音波周波数」は、１８ｋＨから１０８ｋＨの周波数
を考慮するものである。先ず図１は、係属中の米国特許
出願番号第３６６７５９号により開示された発明を実施
する上で使用された連続鋳造装置を図示している。同時
係属中の米国特許出願番号第３６６７５９号は、米国特
許公報第４１６６４９５号により開示された発明を改良
するものである。係属中の米国特許出願番号第３６６７
５９号と、米国特許公報第４１６６４９５号の内容は、
参照することによりここに含まれる。

【０００９】図１に図示された装置は、溶融金属１２を
注入する噴出口１０を一般的に具備しており、鋳型１４
は、鋳造されたインゴット１６の横方向の寸法をほぼ画
定する。前記鋳型１４は周知となっている如何なる種の
鋳型であってもよく、これには電磁鋳造法に使用される
鋳型も含まれる。図１の装置は、また鉛直方向に移動自
在な底部ブロック１８を含んで成り、該底部ブロック１
８は、鋳造工程の開始に当たって前記鋳型１４の底端部
を閉塞し、そして下動することにより前記インゴット１
６を前記鋳型１４から前進させる。連続鋳造法を理解し
てもらうために、最初に用語を定義しておく。金属「ヘ
ッド」は、鋳型内の溶融した金属の自由表面から鋳型１
４の底面までの距離である。この「ヘッド」は図１にお
いてｈで示されている。「クレータ」は、溶融金属溜ま
りを意味し、溶融金属のメニスカスから、前記鋳型１４
の出口からある距離で、前記インゴット１６の中心の位
置までほぼ倒立した楔形に展開している部分である。ク
レータの輪郭の断面図はしばしば実線で図示されるが、
完全な溶融相と完全な固相との間には、半溶融状態の層
２２が存在することが知られている。

【００１０】図１を再び参照すると前記溶融金属１２は
、炉または坩堝から直接鋳型装置に移送される。前記溶
融金属１２は前記噴出口１０またはそれと同様のものか
ら、前記底部ブロック１８により閉塞された前記鋳型１
４に注入される。流量制御装置（図示せず）を具備して
、溶融金属が滝のように落下することや、溶融金属の乱
流を最小限に止め、以て溶融金属の一様な分布が得られ
るようにすることもできる。前記鋳型１４は、従来型の
直接冷却方式の鋳型であって、通常冷却水等の冷却媒体
により内部冷却される。前記鋳型１４は、典型的にアル
ミニウム、或いは銅等の高い熱伝導率を有する材料によ
り構成されており、鋳型の内壁を通じて可能な限り効果
的に溶融金属の熱が冷却媒体に伝えられ、溶融金属が固
化し易いように成っている。

【００１１】図１に図示される連続鋳造装置において直
接冷却に使用される前記冷却媒体１５は、典型的には水
である。他の液体を使用することも可能であるが、利用
のし易さや、費用、熱を奪う能力等の観点から水が好ま
しい。冷却水は経路２６内に充填され、次いで前記鋳型
１４の底部の内側の角部２０に等間隔を置いて配置され
た多数のオリフィス２８を通じて供給される。前記オリ
フィス２８は、それを通して供給された冷却水が前記イ
ンゴット１６の表面に流れ出て、前記インゴット１６の
出てきた部分に一様な水幕３０を形成するように等間隔
を置いて形成されている。上述したように、米国特許公
報第４１６６４９５に記述されている方法において使用
されている好ましいガスは二酸化炭素（ＣＯ２　）であ
る。二酸化炭素は、特に常圧下において水に溶解する。冷却水１５に溶解している二酸化炭素の濃度を体積で測
定した。１６゜Ｃ（６０゜Ｆ）の常圧下において水はそ
れと同体積の二酸化炭素を溶解し、すなわち一容の水は
一容の二酸化炭素を含有する。二酸化炭素の水に対する
溶解度は、圧力が増加すれば増加する。反対に二酸化炭
素の圧力が減少すれば、その溶解度は減少することとな
る。然しながら鋳造に使用される水の温度においては、
その温度が上昇するにつれ二酸化炭素の溶解度は減少す
ることとなる。二酸化炭素の溶解は、ポンプ、或いは静
的混合機（スタティックミキサ）等の吸収装置、或いは
混合装置３２において容易に達成される。該ガスは、弁
３３より前記インゴットの表面に冷却水が供給される前
に、インゴット冷水に溶解される。図１に図示するよう
に、単一供給水システムでは冷却水を鋳型に供給する前
にガスを冷却水に溶解することが実用的である。好まし
くは、冷却媒体に少なくとも５０％のガスを溶解させる
ようにする。

【００１２】上述したように溶解したガスは、減圧され
ると再び溶液から放出される。図１の一部を拡大した図
２に図示するように放出されたガスの部分は、押し出さ
れたインゴット１６の表面に付着して一様でそして効果
的な断熱層３４を形成し、該断熱層３４は、それによら
なければ冷却媒体により達成される熱抽出速度を後らせ
る作用をなす。インゴットの表面に連続的な気体のブラ
ンケットを備えるために、二酸化炭素を充分に溶解した
冷却水を使用すると、通常の熱流束は著しく削減される
こととなる。そのために鉛直方向の連続鋳造操作の初期
段階においては、インゴットバットカールやバットスェ
ルの縮減を結果する。インゴットバットスェルの縮小を
達成するために、典型的にはセラミック繊維のブランケ
ットその他の断熱パッド３６により、好ましくは前記イ
ンゴット１６の底面３８の５０％から６０％を覆い、前
記底部ブロック１８からの熱損失を最小限にする。拡大
した断面である図２に示した前記断熱層３４は、絶えず
生成され続けていることが理解されよう。インゴットの
表面に大量の冷却水を供給するので、前記断熱層は冷却
水の流速のために効果しないのではないかと予想される
。それ故気体の断熱層３４絶えず浸食され続けていると
考えられ、更にそれとほぼ同時に流入してくる冷却水に
溶解していたガスが放出されて置き換えられていくと考
えられる。気泡は最も抵抗の少ない経路を移動し、そし
てそれ故気泡の大部分は自動的にシステムから洗い流さ
れる。然しながら新しい気泡は表面に付着し易いので、
ガスが冷却水に溶解している限り気泡の一様な層３４は
インゴットの表面に存在する。

【００１３】インゴットバットの不具合を最小限とする
ために、連続鋳造操作の初期段階において直接冷却する
媒体の冷却効果を遅らせる必要がある。これは例えば冷
却水の流速により冷却水中に二酸化炭素を１０ＳＣＦＭ
から３０ＳＣＦＭ（０．００４６ｍ３　／Ｓから０．０
１４２ｍ３　／Ｓ）溶解させることにより達成れる。通
常初期において鋳型から数インチのインゴットを押し出
した後、前記断熱層３４は縮小されるか、或いは取り除
かれる。前記断熱層３４を縮小、或いは取り除くために
必要なのは、ただガスの流量を縮小するか、或いは停止
することだけである。好ましくはこうしたガスの停止は
徐々に実施して、連続的に冷却媒体による冷却熱流束を
増加させ、以て全冷却工程の著しい不均衡を除去する。１９８０年１１年の金属ジャーナルに掲載されたホーユ
ーによる「ア　　プロセス　　トゥ　　レデュース　　
インゴット　　バット　　カール　　アンド　　スウェ
ル」に記載されたように、図１の従来技術による装置は
、二酸化炭素で飽和した冷却水インゴットの表面に流入
してきたとき、該冷却水の膜沸騰（フィルムボイリング
）を生成してインゴットの冷却を遅らせるようになって
いる。二酸化炭素を含んだ沸騰する水の全圧力は、大気
圧よりも高く、そして蒸気圧に二酸化炭素の分圧を加え
た圧力に等しくなっている。溶解している二酸化炭素は
、それ故インゴットを冷却する水の沸点を低下させ、そ
してインゴットの冷却水から放出される時に水の膜沸騰
を生成する。

【００１４】図３参照すると図１の部分ＩＩＩの拡大図
が示されており、そしてそれは同時係属中の米国特許第
３６６７５９号に示されている。図３により鮮明に示す
ように流量計６０とコントローラー６２と制御弁６４が
配置され、そしてそれらの間を通過する水が滞在する時
間がほぼ一定となるように調節される。気泡検出器４０
は、前記冷却水１５に含まれる気泡の存在を検出するよ
うに設計されているのみならず、所定のサイズレンジ内
に存在する気泡を検出するように設計されている。更に
、前記気泡検出器４０はこれらの気泡の相対的密度また
は数密度を検出する。ここで「数密度」と「相対的密度
」の用語は夫々ここでは相互に入れ換えて使用され、そ
して両方とも液体の一容中の気泡の密度を意味する。前記気泡検出器４０が数密度を測定するため正確に気泡
の数をカウントする必要はない。液体中の数密度、或い
は相対的気泡密度は、前記気泡検出器４０からの出力を
基準値と比較することによって検出する。前記検出器４
０からの出力も基準値のもどちらも気泡の濃度を表して
いるが、それらはまた同時にどちらも気泡の数をカウン
トするものではない。従って前記気泡検出器４０は、当
該適用に適した気泡と、適していない気泡とを識別する
。例えば米国特許公報第４１６６４９５号の方法におい
て、前記断熱層３４により寄与する最も適した気泡は、
大き過ぎる気泡ようりも小さくなっている。

【００１５】前記気泡検器４０は光源４２と、開口部４
４と、センサ４６とを具備している。該気泡検出器４０
の寸法と、配置は連続的に小さい気泡の総量、及びイン
ゴット１６の表面に接触する前に冷却水中に混合（サス
ペンディッド）している気泡の発生をモニタできるよう
な寸法、配置となっている。ここで「混合」の用語は気
泡が冷却液に保持され、溶解していない状態を意味する
。前記気泡検出器４０はマイクロプロセッサ３９に接続
されており、該マイクロプロセッサ３９は、連続的にガ
スの前記混合機装置３２への最適な供給流量を計算する
。該マイクロプロセッサ３９は、このタスクを弁４１を
調節することにより達成する。前記光源４２は経路５０
の窓４８の近傍に配置されている。ここで「窓」の用語
は、電磁エネルギの吸収、散逸が小さいために光がそこ
を貫通可能となっている表面を意味する。白熱光源は散
乱し、そしてインテンシティが小さいことから、前記光
源にはレーザー光源が使用される。前記経路５０は第２
窓５２を具備している。前記窓４８、５２はどちらも前
記光源４２から射出された光を透過可能となっている。前記窓４８、５２は、例えばガラスより成り、そして液
体の損失を防止するために前記経路５０に固定される。前記開口部４４は、射出された光が前記センサ４６に達
する前に、前記窓５２と該開口部４４とを通過するよう
に、前記センサ４６と前記窓５２の近傍に配置される。該開口部４４は、前記窓５２に隣接して図４に図示する
ように前記経路５０の外側に、或いは内側に配置するこ
とができる。前記センサ４６は、前記経路５０に取着さ
れたＣｄｓ（硫化カドミュウム）等の光導電セル、或い
は光電変換素子である。前記光導電セルへの入射光のイ
ンテンシィティんいより、該光導電セルの電気抵抗が変
化することが周知となっている。前記センサ４６内の光
導電セルは、前記マイクロプロセッサに接続されている
。該光導電セルの電気抵抗のの変化は、連続的な信号を
前記マイクロプロセッサ３９に提供する。この信号の強
度は、ある基準サイズレンジ内の気泡の数密度に関係し
ている。前記マイクロプロセッサ３９は、連続的に前記
センサ４６からの信号を基準信号、或いは信号レンジと
比較する。

【００１６】この比較に基づいて前記マイクロプロセッ
サ３９は、前記弁４１に指令信号を送信して同弁４１を
開いたり閉じたりする。この指令信号は、前記弁を１増
分（ワンインクリメント）ずつ変化させる。前記マイク
ロプロセッサ３９は、連続的に前記センサ４６からの信
号と基準値を比較しているため、前記ガスの流量、従っ
て前記センサ４６の電気的入力抵抗が基準レンジ内にく
るまで、前記弁４１の開口部は連続的な増分により変化
することとなる。更に冷却水が圧力下においてガスを保
持している場合には、弁６４はシステム内の圧力を制御
された低圧に低下させて、検出された気泡のサイズ、濃
度が、押し出されたインゴットの表面に供給された冷却
水内の気泡のサイズ、濃度を代表するようにする。この
点において前記経路５０内の気泡のサイズ、数濃度は、
インゴットの表面に供給された冷却水のそれと正確に一
致している必要はない。然しながら、前記気泡検出機４
０は正確に校正され、出力信号が大きすぎたり、小さす
ぎたりした場合に、それに従って前記弁４１を調節でき
るようにしなければならない。ここで前記センサ４６か
ら前記マイクロプロセッサ３９への信号は瞬間的である
ことに注意しなければならない。そのために前記マイク
ロプロセッサ３９は、冷却水中の気泡の存在による前記
光電導素子からの電気抵抗の変化を、連続的に監視する
ことができる。この連続的な監視により前記マイクロプ
ロセッサ３９は、冷却水中の気泡の濃度が、該冷却水が
インゴットの表面を冷却する際に正しい冷却効果を生じ
るように予め決められたレンジに有るか否かを計算する
。前記マイクロプロセッサ３９は、前記混合装置３２へ
供給するガスの最適流量を瞬時の内に計算し、前記弁４
２を開いたり、閉じたりして前記センサ４６からの電気
抵抗、すなわち気泡の濃度が基準レンジ内に来るように
作用する。前記センサ４６の電気抵抗の基準レンジは、
インゴットのサイズ、鋳造されているインゴットの組成
、鋳造段階、ボトムブロックの配置、或いは鋳造工程の
経過時間等を考慮して、前記マイクロプロセッサ３９に
プログラムすることができる。

【００１７】同時係属中の米国特許第３６６７５９号に
より開示された方法いは多くの利点が存在するが、安定
化のための改良の余地がある。上述したように気泡検出
器を作動させるためのシステムは、入力信号が大きすぎ
たり、小さすぎたりした場合にマイクロプロセッサが正
しく決定し、それに従って弁４１を調節できるように、
正確に校正されなければならない。長期間に渡る機器の
信頼性は、前記窓４８、５２への粘着物や、埃、錆、カ
ルシウムその他の破片の付着により影響されることが周
知となっている。これらの体積物は、前記センサ４６の
入射光のインテンシィティを弱め、従って気泡検出器の
校正に影響を与え、その結果不正確な測定、或いは測定
誤差を生じる。上述した方法は、前記窓４８、５２の内
側を浄化する手段を具備していない。付着物質と反応す
る化学処理は、汚れを除去するために利用可能である。然しながら化学処理を実施するためには、付着物質の化
学てき組成を知る必要がある。更に、化学処理は環境に
望ましくない化学物質を排出するととなる。

【００１８】図４は本発明による装置を示している。該
装置は、前記経路５０内の前記気泡検出器４０の下流に
超音波振動子７０が配置されている点において図３に示
した装置と異なる。前記超音波振動子７０は、同窓４８
、５２が最大の超音波エネルギを受承し、そして同時に
システムへの外部振動を最小をするように前記窓４８、
５２の近傍に配置されている。超音波振動子の効果が無
くなるのは、どのくらい下流であるかは知られていない
。然しながら窓と超音波振動子の先端との間隔は、最も
好ましい条件として約３０センチメートル（１フィート
）より小さくする。前記超音波振動子７０は、超音波を
発生可能な電気音響的振動子（エレクトロ−アコーステ
ィック　　トランデューサ）であって、冷却液内にキャ
ビテーションを生じさせるような適切な波動エネルギ（
ウェイブ　　エネルギ）を発生し、そして前記窓４８、
５２特に前記経路５０内の冷却液と接触するその表面を
浄化する。ここで「波動エネルギ」の用語は、窓を浄化
するのに充分な振動数とインテンシィティを有した液体
の波動を意味する。超音波浄化装置は公知となっており
、例えば米国特許公報第４８９３３６１号、第３４２１
９３９号、第４０８２５６５号、第４１８７８６８号、
第４２１６６７１号、第４２４４７４９号により開示さ
れている。好ましくは該超音波振動子は圧電素子振動子
、或いは磁気（マグネット　　レストリクティブ）振動
子である。振動子に適切な材料には、ニオブ酸リチウム
、タンタル酸リチウム、ニオブ酸バリウムナトリウム、
、ゲルマニウム酸ビスマス、チタニウム酸ジルコニウム
酸鉛、チタニウム酸バリウムが含まれる。ブラノンの型
式番号９２２ＲＡの振動子が本発明に適している。実際上は超音波振動子は、窓の汚れ具合を視覚的に観察
して自動的に、或いは手操作により励起される。前記超
音波振動子が自動的に励起される場合には、冷却水に二
酸化炭素が更に添加される前に窓が浄化されるために、
システムにとって有利である。この自動操作は、前記光
源４２から前記窓４８、５２を通過して前記センサ４６
に伝達された光の総量を、前記窓４８、５２に汚れが付
着していない時に測定されたベースレベルと比較するこ
とにより達成される。

【００１９】前記光源４２から射出され、そして前記窓
４８、５２、及び開口部４４を通過し、前記センサ４６
に入射し、そして前記マイクロプロセッサに所定の値よ
り小さな電気抵抗値が立てられた場合には、指令信号が
前記超音波振動子に送信される。好ましくは、摩擦熱に
よるプラスティック材料の溶融を防止するために超音波
エネルギを放射する時間を短時間とする。例えば前記超
音波振動子を励起する時間は１５秒から６０秒である。この点からして前記超音波振動子７０に温度監視手段を
設置することは望ましい。その後新しい光の伝達値が測
定され、そして更に窓４８、５２を浄化する必要がある
場合には、前記超音波振動子７０を励起する制御手段に
指令信号が送信される。この工程は、前記センサ４６の
入射光の値が、所定のベースライン値以上となるまで繰
り返される。前記経路５０を流れる冷却水は、窓から除
去された汚れを自動的に荒い流す。このようにして前記
窓は鋳造工程の前に遠隔操作により浄化される。

【００２０】図５は、前記超音波振動子７０を励起する
ロジックと処理の判定を示す流れ図を示している。処理
を実施する方法は本質的に以下のステップを含んでいる
。（ａ）検出器からマイクロプロセッサへのセンサ信号の
判定。（ｂ）センサからの入力信号が、マイクロプロセッサに
保持されている所定の基準値よりも小さいか否かを決定
する。（ｃ）入力信号が基準値よりも小さい場合には、前記超
音波振動子７０を励起する指令信号を制御手段に送信す
る。短時間前記超音波振動子７０を励起するために、タ
イミング手段を使用することもできる。励起時間は、例
えば１５秒である。（ｄ）入力信号が基準値よりも小さくない場合には、前
記超音波振動子７０を励起する指令信号を制御手段に送
信しない。

【００２１】以下の例は、気泡を有した冷却液の冷却容
量を連続的に監視する装置に使用される光学素子を浄化
する超音波振動子を説明する。例１光源より射出され、冷却水が流れる経路の側面の２つの
窓を通過して伝達された光の総量は、図４に示される種
の光センサにより測定される。２つの窓は浄化されるこ
とが知られ、そしれセンサを使用してベースライン値が
測定される。該ベースライン電圧値は約７．９Ｖである
。次いで前記汚れていない２つの窓を、その一方の面が
付着物により汚れている２つの第２の窓により置き換え
る。汚れている面が、前記経路の内面の一部を構成する
ように、前記２つの第２の窓を配置する。該第２の窓に
対する電圧信号は約６．５Ｖと測定された。前記経路内
の窓近傍に超音波を５回射出した。ここで「超音波」の
用語は、超音波振動数に相当する波動を意味する。超音
波を発生させるために、ブラノンの型式番号９２２ＲＡ
として市販されている超音波振動子を使用した。次いで
電圧信号を測定した結果７．４Ｖであった。こうして前
記第２の窓は浄化され、ほぼ汚れの付着していない状態
であることが確認された。例２前述の例１は次に前記第
２の窓を、電圧信号が約１．４Ｖとなるような付着物に
より汚れた窓により置き換えた。超音波を３回、各３０
秒間ずつ射出した。各射出の後に電圧信号を測定し、夫
々約３．４Ｖ、４．０Ｖ、４．１Ｖであった。そこで超
音波を２回、各６０秒間ずつ射出した。各射出の後に電
圧信号を測定し、夫々約５．３Ｖ、５．７Ｖであった。最後に超音波を１回、３０秒間射出した。その結果電圧
信号は約６．９Ｖとなった。こうして前記第２の窓は浄
化され、ほぼ汚れの付着していない状態であることが確
認された。

【００２２】

【発明の効果】（１）気泡検出器の実基準値と、（２）
汚れの付着していない状態の窓のベースラインレベル、
（３）超音波振動子を励起している時間が開示された。一旦時間を確率してしまえば、マイクロプロセッサ、或
いはタイマを使用して自動的に付着物を除去可能となる
。このようにして窓を浄化すべき時期を決定する調査員
が必要では無くなる。本発明による装置を各鋳造工程に
先立って使用する必要はない。前記超音波振動子を使用
する必要性は、冷却に使用される冷却水内に含有されて
いる不純物の量に依存している。然しながら上述した各
鋳造工程に先立って、或いは１日の作業の開始に当たっ
て窓の汚れ具合を検査することは都合のよいことである
。更に本発明において超音波の発生源として超音波振動
子について記述したが、本発明はそれに限定されるもの
ではない。従って圧電素子等の超音波発生装置も使用可
能である。窓を浄化する波動を発生する電気音響振動子
を、窓の下流に配置するように記述したが、そのように
配置することが絶対に必要と言うわけではない。振動子
は窓の上流、或いは窓を冷却水と超音波が通過するよう
に配置すれば良い。更に本発明において前記電気音響振
動子は、冷却水の通過する経路中に配置するように記述
したが、窓の外側に弾性的に配置することも可能である
。

【００２３】更に本発明の装置は、短い固体化レンジを
有する合金を鋳造するのに有効である。上述のように短
い固体化レンジを有する合金は特にバットカールに対し
て敏感である。本発明の装置は、アルミニウム−リチウ
ム合金や、ジルコニウム合金等のクラクの入り易い合金
の鋳造に有効である。本発明は、７ＸＸＸ、２ＸＸＸ系
列の厚みに対して幅の広いアルミニウムアソシエーショ
ン合金の鋳造に有効である。然しながら本発明は全ての
合金に適用可能である。本発明により処理するのに適し
ている金属は、アルミニウム、マグネシウム、銅、鉄、
ニッケル、コバルト、亜鉛、そしてその合金である。汚
れを検出するために光源以外の手段を使用することも考
えられ、使用される冷却液の伝熱特性を推測することも
できる。従って、例えば汚れを検出するために音波手段
も使用可能である。更に射出される光は可視光線である
必要はなく、液体中の液滴、或いは気泡により散乱、吸
収を受ける電磁波であれば良い。冷却水に二酸化炭素を
溶解させた本発明の好ましい実施例について記述してき
たが、第２の好ましいガスは空気であって、水が押し出
されたインゴットに供給される際、空気は水に溶解する
ことなく不連続な気泡として存在する。更に本発明は液
体に混合されるガスについて記述してきたが、気体中に
混合される液体についても含むものである。つまり前述
した気泡検出器は、気体中に含まれる液滴を検出するこ
とにも使用可能であることが認められる。本発明は、水
と油のように単一の液相に混合しない液体の検出にも使
用可能である。

【００２４】本発明を説明するために、本発明の好まし
い実施例として鉛直な連続鋳造について記述したが、本
発明はその他の様々な鋳造方法に適用可能であることは
言うまでもない。例えば、電磁鋳造法等の他の鋳造方法
である。更に鉛直な鋳造方法ばかりではなく、例えば１
９８４年１０月２日にホーユーにより付与された米国特
許公報第４４７４２２５号に記述されている、水平方向
の鋳造方法にも適用可能である。更に鋳造方法は連続で
ある必要はなく、間欠式であっても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】同時係属中の米国特許第３６６７５９号により
開示された、本発明を適用する装置の鉛直方向の断面図
である。

【図２】図１のＩＩ部分の拡大図である。

【図３】図１のＩＩＩ部分の拡大図である。

【図４】本発明を適用した場合の図１のＩＩＩ部分の拡
大図である。

【図５】超音波振動子を自動的に励起するプロセスの流
れ図である。

【符号の説明】

４１…弁４２…光源４４…開口部４６…センサ４８…窓５０…経路５２…窓７０…超音波振動子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　第２の流体に第１の流体が粒子、或い
は気泡として混合している流体の、相対的密度、或いは
特性を監視するシステムであって、前記流体の一方は液
体であって他方は気体であるシステムにおいて、前記流
体が通過するための経路と、前記経路中の前記混合流体
と接触し、そして光が通過する１つ、或いはそれ以上の
面と、前記混合流体中に光を伝達する手段と、前記混合
流体から射出された光を、受承するように配置されたセ
ンサとを具備し、前記光伝達手段、或いは光センサ、ま
たはその両者は、前記光を通過させる面と協働して、前
記流体中に光を射出し、或いは同流体から光を受承する
ように配置されており、更に前記システムは、前記光が
通過する面の、前記流体と接触する表面の汚れを除去す
るために、波動（ウェイブ）エネルギを同面を通過させ
る手段を具備している流体監視システム。
【請求項２】　　前記流体中に光を伝達する手段は、前
記光を通過させる面と、少なくとも前記混合流体の一部
に光を通過させるように配置された光源を具備している
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】　　前記混合流体と接触する１つ、或いは
それ以上の光を通過させる面は、前記混合流体中に光を
通過させる第１面と、前記混合流体中から光を通過させ
る第２面と、を具備している請求項１に記載のシステム
。
【請求項４】　　前記光を通過させる面の、前記混合流
体と接触する表面の汚れを除去するために波動エネルギ
を通過させる前記手段は、前記光源から下流に配置され
た電気音響振動子（エレクトロ　　アコースティック　
　トランデューサ）を具備している請求項１に記載のシ
ステム。
【請求項５】　　前記光を通過させる面の、前記混合流
体と接触する表面を浄化するために波動エネルギを通過
させる前記手段は、周波数１８ｋＨから８０ｋＨの超音
波を発振可能な超音波振動子を具備している請求項１に
記載のシステム。
【請求項６】　　冷却液を使用した金属インゴットを連
続的に鋳造する方法であって、溶融金属のインゴットを
形成するための端部が開放された鋳型へ鋳込むことと、
冷却液を提供することと、該冷却液が気泡を有するよう
に該冷却液へ気体を混合することと、光の散乱から前記
気泡の相対的密度を検出するための光源と、光センサと
を使用することと、前記濃度を基準レンジと比較するこ
とと、前記濃度が前記基準レンジ内に入っていない場合
に、前記液体に混合されている気体の総量を変化させる
ことと、前記溶融金属を少なくともその一部を固化させ
るために、前記冷却液を鋳型から出現したインゴットへ
供給することとを含んで成る方法において、前記液体に
接触し、そして光を通過させる面の汚れを除去するため
に充分な波動を発生させることを含むことを特徴とする
金属インゴットを連続的に鋳造する方法。
【請求項７】　　前記波動を発生させる方法は、前記光
源と前記光センサから下流に配置され、前記流体内に前
記冷却液内と接触して配置された電気音響振動子を含ん
で成る請求項６に記載の方法。
【請求項８】　　前記波動を発生させる方法は、端部が
開放している鋳型に溶融金属を鋳込むことに先立って波
動を発生させる請求項６に記載の方法。
【請求項９】　　前記波動を発生させる方法は、１８ｋ
Ｈから８０ｋＨの超音波を発生可能な超音波振動子を含
んで成る請求項６に記載の方法。
【請求項１０】　　前記波動を発生させる方法は、電気
音響振動子を間欠的に１５秒から６０秒間励起すること
を含んで成る請求項６に記載の方法。
【請求項１１】　　第２液体の液滴、或いは気体の気泡
を有している第１液体の熱交換容量を制御する方法であ
って、該方法は、前記液滴、或いは気泡の密度の検出と
、前記濃度の基準濃度との比較と、前記濃度が前記基準
濃度レンジに入るように、前記第１液体中の前記第２液
体、或いは気体の総量を変化させることと、前記第１液
体と接触し、前記光を通過させる面を浄化するのに充分
なインテンシィティの波動を一定間隔で発生させること
を含んで成る前記第１液体の熱交換容量を制御する方法
。
【請求項１２】　　前記第１液体は連続的な気体相を有
する水である場合において、前記気泡の相対的密度を検
出する前記方法は、前記水中の気泡の相対的密度を検出
することを含んで成る請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】　　前記第１液体は不連続的な気体相を
有する水である場合において、前記気泡の相対的密度を
検出する前記方法は、前記水内の気泡の相対的密度を検
出することを含んで成る請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】　　前記水中に不連続的な相として気体
の第２流体を提供する方法は、前記水内の不連続的な気
体相として二酸化炭素ガスを含んで成る請求項１３に記
載の方法。
【請求項１５】　　前記一定の間隔を置いて波動を発生
させる方法は、超音波を１５秒間から９０秒間発生させ
るために、電気音響振動子を励起させることと、停止さ
せることとを含んで成る請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】　　第２流体の気泡を有した第１液体の
伝熱容量を制御する装置であって、該装置は、冷却液の
伝熱特性を予測するために、前記気泡の数密度を測定す
るための測定手段と、前記数密度が所定のレンジ内に入
るように、前記第１液体中の前記第２流体の総量を変化
させるための制御手段と、前記第１液体と流体的に接触
し、そして前記測定手段の領域の汚れの除去に適してい
るインテンシィティの波動を発生可能な電気音響振動子
とを具備している液体の伝熱容量を制御する装置。
【請求項１７】　　前記電気音響振動子は１８ｋＨから
８０ｋＨの周波数で操作可能となっている請求項１６に
記載の装置。
【請求項１８】　　前記測定装置は、光源と、前記冷却
液から前記光源を離隔するための第１窓と、前記冷却液
から前記センサを離隔するための第２窓とを具備し、前
記センサは、前記光源から前記第１、第２窓と前記冷却
液を通過し、そして前記冷却液の伝熱特性を予測するた
めに、前記冷却液中の気泡の数密度を測定するようにな
っている請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】　　前記電気音響振動子を励起し、そし
て停止するためのタイミング手段を更に具備している請
求項１６に記載の装置。
【請求項２０】　　第２の流体に第１の流体が粒子、或
いは気泡として混合している流体の、相対的密度、或い
は特性を監視するシステムであって、前記流体の一方は
液体であって、他方は気体となっているシステムにおい
て、前記流体が通過するための経路と、前記経路中の前
記混合流体と接触し、そして光が通過する１つ、或いは
それ以上の面と、前記混合流体中に光を伝達する手段と
、前記混合流体から射出された光を、受承するように配
置されたセンサとを具備し、前記光伝達手段、或いは光
センサ、またはその両者は、前記光を通過させる面と協
働して、前記流体中に光を射出し、或いは同流体から光
を受承するように配置されている流体監視システム。