JPH0531570A - 制御下に固化される鋳物の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱電対(41)を使用しこの熱電対はこれを包囲
する耐熱性ジャケットを備え前記熱電対がダイス中の溶
湯の中に挿入されるように成された金属または合金溶湯
の温度測定用の少なくとも１つの測定センサをもって制
御下に固化乃至晶出される鋳物を製造する方法を提供す
る。 【構成】 液相と固相の間の相境界の位置が、測定され
た温度から補間計算によって算出され、鋳物の引き出し
に際しての前記相境界が冷却ヘッド(14)の少し上方の所
望の断熱区域(10)に常に保持されるように鋳物の引き出
し速度が制御される。そのためには、真空炉中のダイス
の移動距離またはそれぞれ位置に対してダイスの加熱温
度をパラメータとしてコンピュータの中に記憶させる
（ダイスの移動距離に対する温度Ｔ ℃）。この真空炉
中のダイスのそれぞれ位置の関数としての加熱温度プロ
フィルが、ダイスの引き出し速度プロフィルと共に、そ
の後の鋳造工程において再現可能値として使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電対を使用しこの熱
電対はこれを包囲する耐熱性ジャケットを備え前記熱電
対がダイス中の溶湯の中に挿入されるように成された金
属または合金溶湯の温度測定用の少なくとも１つの測定
センサをもって制御下に固化乃至晶出される鋳物を製造
する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイス中の金属または合金溶湯の温度を
測定する測定センサはすでに公知である。熱電対は２本
の脚を備え、これらの脚の接合点に溶接球を備える。さ
らに熱電対は耐熱性のジャケットを備える。熱電対の溶
接球は前記ジャケットの第１末端のすぐ近くに配置さ
れ、この第１末端がSiO2を含有しない充填剤によって閉
鎖され、この第１末端が直接に溶湯の中に導入され、第
２末端は保持装置に連結される。このようにして固化前
端における温度測定センサを少数にする事が試みられて
いるに相違ない。センサの尖端が直接に溶湯の中に突出
しダイスの中に固定されるので、測定感度が増大され
る。

【０００３】他の公知の方法によれば、それぞれのパラ
メータが実験的に検出される。この方法によれば、鋳造
後に鋳物試料を切断して、鋳造後に加熱区域から鋳物を
引き出す際に正しい引き出しパラメータによって所望の
固化が得られたか否かを確認する。このように実験的に
得られた引き出しパラメータによって、次の鋳物が製造
される。このようにして適当なパラメータを得るために
は非常に長い開発時間が必要であり、半年またはこれ以
上かかる場合がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明はその解決策と
して、特許請求の範囲に記載のように前記の問題点を下
記によって解決する。

【０００５】ａ）液相と固相の間の相境界の位置が、測
定された温度から補間計算によって算出される段階と、 ｂ）鋳物の引き出しに際しての前記相境界が冷却ヘッド
(14)の少し上方の所望の断熱区域(10)に常に保持される
ように鋳物の引き出し速度が制御される段階。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのためには、時間に対
するダイス引き出し速度プロフィル（Ｖ＝ｆｔ）がコン
ピュータの中に記憶され、同等形状または近似形状の鋳
物の次の鋳込み工程について、前記プロフィルのパラメ
ータが（加熱温度の関数設定値と共に）温度制御引き出
し工程および／または速度制御引き出し工程の再現可能
の設定値セットとして使用される事が好ましい。

【０００７】本発明の特色によれば、制御下に固化乃至
晶出される鋳物を製造するユニットは、データ記録装置
と、プロセスコンピュータと、加熱区域からのダイスの
引き出し速度を制御する制御装置と、すべてのデータ、
特に時間に対する引き出し速度プロフィル（Ｖ＝ｆｔ）
および／またはダイスの移動距離の関数としての速度プ
ロフィルを収集するためのデータ収集装置とから成る金
属または合金溶湯温度の測定用の少なくとも１つの測定
センサを有する。そのため特に望ましくは、真空炉中の
ダイスの移動距離乃至はそれぞれ位置に対するダイス加
熱温度をコンピュータ中にパラメータとして記憶する事
が好ましい（ダイスの移動距離に対する温度Ｔ ℃）。

【０００８】

【作用】このように、真空炉中のダイスのそれぞれの位
置の関数としての加熱温度プロフィルは、ダイスの引き
出し速度プロフィルと共に、次の鋳造工程の再現可能制
御値として使用される。

【０００９】鋳物、例えばタービン羽根の固化乃至は晶
出の制御のために本発明の方法を使用する場合、まず単
に熱電対を溶湯の中に導入し、つぎに相境界を得られた
パラメータと補間計算とによって算出する。これによっ
て相境界が常に冷却ヘッドのすぐ上の望ましい区域、乃
至は最適の区域で固化するように引出し速度を調整する
事ができる。この場合、ダイス引出し速度プロフィルを
記憶させ、この速度プロフィルはそのパラメ−タと共に
他の同様の鋳造工程について使用する事ができる。すな
わち、つぎの同様の鋳造工程について、新たに熱電対を
装入する事なくこのダイス引出し速度プロフィルを考慮
して簡単に工程を何回も繰り返す事ができる。複雑な、
時間を要する計算プロセス乃至は長いテストプロセスを
省略する事ができる。ダイス引き出し速度プロフィルは
好ましくは速度制御用カムディスクによってプロットさ
れる。

【００１０】また望ましくは、制御下に固化乃至晶出さ
れる鋳物を製造するユニットは、真空炉中のダイスのそ
れぞれ位置に対応して加熱温度を制御するための加熱温
度制御装置を有する。これにより、真空炉中のダイスの
位置に対応して温度プロフィルを簡単に作製する事がで
き、この温度プロフィルが１つの鋳造工程の確定値とし
て与えられる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を図面示す実施例について詳細
に説明するが本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではない。

【００１２】図１には、溶湯２の制御固化用真空炉１の
断面側面図を示す。この真空炉１は３個の円筒形黒鉛加
熱素子３、４、５を備え、これらの加熱素子は断熱部材
６−１１によって熱損から防護される。加熱素子３，
４，５の間には、断熱技術の観点から、間隙が配置され
る。これらの加熱素子の電気接続は図示されていない。
従って、溶湯を流動状態に保持しまたできるだけ同一寸
法の熱流によって溶湯の制御固化を生じるため、これら
の加熱素子が必要となる。溶湯２の固化に必要な温度グ
ラジエントを生じるため、断熱部材10,11 に隣接してそ
の下方に、伝熱壁体13が配備されている。この伝熱壁体
13の中を冷却ヘッド14が垂直方向に自由に移動し、この
冷却ヘッド14は熱シールド15によって包囲されている。
冷却ヘッド14は、冷媒として水を流す水導入導管16と水
排出導管17とを有する。伝熱壁体13の内部、断熱部材1
0,11 の下方に他の冷水導入導管18が配置されている。
対応の排出導管は図示されていない。これは冷水導入導
管18によって遮蔽されているからである。ダイス12が下
降された時にダイスからの熱放射による温度グラジエン
トを一定に保持するために前記の冷水導管18が必要とさ
れる。この場合，冷却ヘッド14はなんの作用も生じない
からである。冷却ヘッド14は固化の初期においてのみ溶
湯２の熱収支に影響する。

【００１３】溶湯２は、直接に、または小さい開口を備
えた比較的長い管から成る図示されていない鋳込み漏斗
を通して、ダイス12の中に鋳込まれる。このダイス12
は、上方の漏斗状構造22と、前記冷却ヘッド14の上に配
置された下方管状部分23とから成る。また鋳込み漏斗を
除去し、直接にダイスの中に鋳込む事もできる。漏斗状
構造22と管状部分23の間に、セラミックスフィルタ50が
配置され、このセラミックスフィルタは溶湯２の鋳込み
後もなお溶湯によって覆われている。ダイスは管状23以
外に、他の任意の形状、例えばタービン羽根の形状を示
す事ができる。ダイス12は、鋳造工程後に破壊されるセ
ラミックス構造とする事が好ましい。

【００１４】本発明にとって本質的な熱電対ワイヤが測
定毛細管24-29 と保持毛細管30-35との中に配置され、
感熱ワイヤはこれらの毛細管によって腐食性の炉中ガス
から防護される。これらの複数の熱電対により、溶湯２
の固化前端の温度が測定される。熱起電力の測定は平衡
回路47によって実施される。この平衡回路47は、加熱素
子３、４、５に対して熱シールド15によって防護され、
プラスチックプラグ48によってコードファスナー49に固
着されている。図１においては１個のプラスチックプラ
グ48のみが図示されているが、実際上は各熱電対につい
てそれぞれの平衡回路が備えられ、これらの平衡回路が
図示されない処理装置に接続される。また図１において
は測定毛細管と保持毛細管の一部のみが図示されている
が、実際にははるかに多数のこれらの毛細管が配備され
る。

【００１５】図２においては、熱電対の脚に接続した測
定毛細管24-27 と保持毛細管30-33がさらに拡大図示さ
れている。ダイス12の漏斗部分22も図示されている。図
１においては熱電対はダイスの下部23に接続されていた
が、図２はこれらの熱電対をダイスの上部22に接続した
状態を示す。熱電対ワイヤが屈折された箇所を36-39で
示す。これらの箇所には、熱電対の脚をを密封するため
の耐熱性接合剤が配備される。測定毛細管24-27 を一緒
に支持するため、保持毛細管30-33 の上端部分は直角に
研削加工されている。

【００１６】図３は例えばセラミックスから成る測定毛
細管24の部分断面図である。この毛細管24の中に熱電対
41が存在し、この素子41は２本の脚42,43 とろう付け箇
所または溶接箇所44とから成る。これらの脚42,43 の前
部と溶接箇所44は接着剤45の中に埋め込まれる。この測
定毛細管24はシースの中に配置されておらず、この事が
本発明の利点を成す。

【００１７】脚42,43 から成るセラミックス毛細管24の
断面図を図４に示す。測定毛細管24の具体的な実施例に
おいては、脚は例えば0.1mm の外径を有し、また毛細管
24は0.9mm の外径を有し、その内部にそれぞれ0.2mm の
内径の２つの孔52,53 を備える。盲孔の直径は0.5mm 、
また盲孔の深さは1.0mm に達する。脚42,43 の絶縁は絶
縁体40' によって実施される。同様にして、これらの脚
は保持毛細管の中において相互に絶縁される。

【００１８】図５乃至図７には、セラミックス毛細管24
の中に熱電対41を導入する工程を示す。

【００１９】図５はセラミックス毛細管24の一部の斜視
図であって、この毛細管は前方開口46と図示されていな
い後方開口とを有する。この毛細管24は２つの孔52,53
を有するので、しばしば２穴セラミックス管と呼ばれ
る。前方開口46の中にすでに絶縁体40' が配置され、こ
れが特定深さまで穿孔されていて、盲孔が形成されてい
る。

【００２０】図６には、熱電対41をセラミックス毛細管
24の中に導入する方法を示す。脚42,43 を導入された毛
細管24の尖端部はすでに穿孔機によって穿孔されて盲孔
が存在するので、両方の脚42,43 の溶接部44を受ける事
ができる。毛細管24の穿孔は種々の方法によって実施す
る事ができる。例えば、ダイアモンド穿孔、超音波穿孔
またはレーザ穿孔を使用する事ができる。

【００２１】図７は、セラミックス管40の中に熱電対41
を導入した後にセラミックス管40の末端を接着剤45によ
って充填し閉塞する方法を示す。また例えば水素バーナ
またはアセチレンバーナ、アークまたはレーザを使用し
て管40を閉塞する事もできる。

【００２２】このようにして熱電対はその周囲から十分
に絶縁されるので、腐食性溶湯に対して長い寿命を示
す。接着剤を使用する場合には、溶接装置が必要でない
ので、毛細管先端乃至は熱電対ワイヤおよびその溶接部
分44に対して熱負荷が生じない。溶接法の利点は、毛細
管を特定の材料で閉塞できる事にある。

【００２３】下記において本発明の装置の動作について
説明する。

【００２４】溶融炉、例えば電気炉の中で溶融された金
属乃至は合金が図示されない装置によって鋳込漏斗の中
に供給されこの漏斗からダイス12の管状部分を下降す
る。ダイス12の底部に冷却ヘッド14が存在するので、ダ
イス12とこの冷却ヘッド14との間に大きな温度差が生じ
る。この温度差は、溶融金属乃至は合金が下から上に向
かって固化するように作用する。本発明によればこの固
化工程を確定し、従って工程中に固化条件に対するフィ
−ドバックを生じる事が可能である。またこれにより、
鋳込まれた鋳物特性に対するフィ−ドバックが可能であ
る。

【００２５】下から上への制御された固化工程中に、セ
ラミック毛細管24と熱電対41は固化中の溶湯２の中に固
定されているので、金属乃至は合金から離間されない。

【００２６】多数のセンサを使用する計測の場合、測定
毛細管24−29、保持毛細管30−35、熱電対ワイヤ42、43
およびプラグ48は既成品を使用する。毛細管2429の先端
をダイス12の中に予め作られた孔の中にセラミック接着
剤45によって固定する。

【００２７】これらのセンサは非常に細いので、センサ
が直接に溶湯の中に導入されても結晶成長が影響されな
いので、溶湯の結晶成長を容易に確定する事ができる。
温度グラジエントを測定するためには、センサが非常に
細い事が重要である。

【００２８】固相と液相の境界が平面である事、すなわ
ち放射方向熱流の生じない場所にある事が非常に望まし
い。従ってこの境界は水冷冷却ヘッド14の上方、絶縁区
域10の中にある。例えばダイスが過度に急速に下方に移
動させられると、相境界が下方に移動する。これに対し
てダイスを過度にゆっくり下方に動かすと、相境界は上
方に溶融炉区域Ｈ1 の中に移動するので、もはや平面と
して移動しない。この故に、相境界面を平坦にまたは水
平に保持するためには、相境界が常に冷却ヘッド14の少
し上方、すなわち断熱区域にある事が望ましい。

【００２９】鋳物、例えばタービン羽根の固化乃至は晶
出の制御のために本発明の方法を使用する場合、まず熱
電対41を溶湯の中に導入し（図１および図８）、つぎに
相境界を補間計算によって算出し、これによって相境界
が常に冷却ヘッド14のすぐ上の望ましい区域で固化する
ように引出し速度を調整する。この場合、ダイス引出し
速度プロフィルを記憶させる。この速度プロフィルのパ
ラメ−タは他の同様の鋳造工程について使用する事がで
きる。すなわちつぎの同様の鋳造工程について、新たに
熱電対を装入する事なくこのダイス引出し速度プロフィ
ルを使用して簡単に行程を繰り返す事ができる。複雑
な、時間を要する計算プロセス乃至は長いテストプロセ
スを省略する事ができる。

【００３０】本発明による鋳物の固化制御乃至晶出制御
法を実施するための装置は、金属または溶湯温度の計測
のために少なくとも１つまたは複数のセンサ乃至測定毛
細管24- 30を有する事が好ましい。これに加えて、デー
タ記録装置55、プロセスコンピュータ56、加熱区域Ｈ1
乃至Ｈ2から鋳物の引出しを制御するコントローラ57、
およびすべてのデータ、特に時間に対するダイス引出し
プロフィル（Ｖ＝ｆｔ）の記憶のための、また加熱区域
からダイスを引き出した距離の関数としての加熱温度の
データ（溶融炉中のダイス位置に対する温度Ｔ ℃）の
収集のためのデータ収集装置58が使用される。

【００３１】本発明による鋳物の固化制御乃至晶出制御
法を実施するための装置は、さらに真空炉１中でのダイ
スのそれぞれ位置に対応して加熱温度を制御する加熱温
度制御装置54を含む（図８、図11、図12）。

【００３２】

【発明の効果】第１ダイスの設定に際して、設定値、乃
至は真空炉中のダイスのそれぞれ位置に対応して得られ
た加熱温度がプロセスコンピュータの中に記憶される。
このダイス位置に関連する温度プロフィルが、そのダイ
スの形状乃至はタービン羽根から繰り返し生じるパラメ
ータとして予定される。第１溶湯の溶融に際して、真空
炉１からのダイスの引き出し速度が計算され、この場合
に固化前端が常に特定位置に保持されるように注意を払
う。このような速度、すなわち引き出し速度の経過が同
一コンピュータの中に記憶される（図11）。このように
して得られたパラメータが後続の鋳造工程のために使用
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】黒鉛加熱素子を有する真空炉の断面図。

【図２】ダイスに接続された保持毛細管と測定毛細管を
示す側面図。

【図３】セラミックス管によって包囲された熱電対を示
す縦断面図。

【図４】熱電対の横断面図。

【図５】セラミックス管中への熱電対の導入法を示す斜
視図。

【図６】セラミックス管中への熱電対の導入法を示す斜
視図。

【図７】セラミックス管中への熱電対の導入法を示す斜
視図。

【図８】プロセス制御ブロックダイヤグラム。

【図９】加熱区域Ｈ2 、Ｈ1 、断熱区域Ａおよび冷却さ
れた銅板を配置した冷却区域Ｋを含む溶融炉内部のダイ
スの移動を示す略示図。

【図１０】固相区域と液相区域を含むダイスの部分断面
図および斜視図。

【図１１】加熱炉中のダイス位置に対するダイス引き出
し速度のグラフ。

【図１２】加熱炉中のダイス位置に対する温度のグラ
フ。

【符号の説明】

１ 真空炉 １２ ダイス １４ 冷却ヘッド １０ 断熱部 ５４ 加熱温度制御装置 ５５ データ記録装置 ５６ プロセスコンピュータ ５７ 引き出し速度制御装置 ５８ データ収集装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱電対を使用しこの熱電対はこれを包囲す
   る耐熱性ジャケットを備え前記熱電対がダイス中の溶湯
   の中に挿入されるように成された金属または合金溶湯の
   温度測定用の少なくとも１つの測定センサをもって制御
   下に固化乃至晶出される鋳物を製造する方法において、 ａ）液相と固相の間の相境界の位置が、測定された温度
   から補間計算によって算出される段階と、 ｂ）鋳物の引き出しに際しての前記相境界が冷却ヘッド
   (14)の少し上方の所望の断熱区域(10)に常に保持される
   ように鋳物の引き出し速度が制御される段階とを含む事
   を特徴とする方法。
2. 【請求項２】時間に対するダイス引き出し速度プロフィ
   ル（Ｖ＝ｆｔ）がコンピュータの中に記憶され、同等形
   状または近似形状の鋳物の次の鋳込み工程について前記
   プロフィルのパラメータが、加熱温度の関数設定値と共
   に、温度制御引き出し工程および／または速度制御引き
   出し工程の設定値セットとして使用される事を特徴とす
   る請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】制御下に固化乃至晶出される鋳物を製造す
   るユニットは、データ記録装置(55)と、プロセスコンピ
   ュータ(56)と、加熱区域からのダイスの引き出し速度を
   制御する制御装置(57)と、すべてのデータ、特に時間に
   対する対する引き出し速度プロフィル（Ｖ＝ｆｔ）およ
   び／またはダイスの移動距離の関数としての速度プロフ
   ィルを記憶するための、また加熱区域からのダイスの引
   き出し距離の関数としての加熱温度のデータを収集する
   ためのデータ収集装置(58)とから成る金属または合金溶
   湯温度測定用の少なくとも１つの測定センサを有する事
   を特徴とする請求項１に記載の方法を実施する装置。
4. 【請求項４】制御下に固化乃至晶出される鋳物を製造す
   るユニットは、真空炉（１）中のダイスのそれぞれの位
   置に対応して加熱温度を制御するための加熱温度制御装
   置(54)を有する事を特徴とする請求項３に記載の方法を
   実施する装置。
5. 【請求項５】制御下に固化乃至晶出される鋳物を製造す
   るユニットは、温度カムディスクおよびコンピュータと
   連動するプロッタとを備え、これらによって加熱区域か
   らのダイスの引き出し速度を制御する事を特徴とする請
   求項１に記載の方法を実施する装置。