JPH0938765A - 注湯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鋳型への注入量及び注入速度を制御可能で、
ノロの巻き込みや、溶湯の酸化を抑制した注湯装置を提
供する。 【構成】 取鍋内の溶湯を貯湯室に吸引貯湯した後、貯
湯室内を加圧して鋳型に吐出する注湯装置であって、開
閉可能なノズルを有する溶湯吸引手段と、開閉可能なノ
ズルを有する溶湯吐出手段と、貯湯室内の圧力を検出す
る圧力センサとを配した貯湯室と、貯湯室内の圧力を変
化させ得る圧力制御手段と、前記溶湯吸引手段と溶湯吐
出手段と圧力制御手段を制御する制御装置からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動的に金属溶湯を鋳
型に注入するための注湯装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋳物は、取鍋内の溶湯を鋳物形状に造ら
れた鋳型キャビティ内に注湯し得られる。従来、作業者
が取鍋を操作して注湯していたが、高熱作業の排除や効
率向上の面から、作業者が直接関与せず、自動的に注湯
する装置が開発されつつある。この自動注湯装置には下
記のようなものがある。 （Ａ）取鍋傾動式自動注湯装置 この装置は、取鍋を傾動させることにより、取鍋の出湯
口から鋳型へ注湯を行うものである。鋳型への注湯量の
制御は、ロードセル等を用いて取鍋重量を連続的に測定
し、取鍋の傾動を制御する方式が多い。 （Ｂ）ストッパー式自動注湯装置 この装置は、取鍋内の底にストッパーノズルとこれに嵌
合するストッパーとを設け、ストッパーを開閉すること
により鋳型への注湯を行うものである。 （Ｃ）加圧式自動注湯装置 この装置は、蓋付きの密閉した取鍋に空気または不活性
ガスを吹き込んで加圧し、取鍋内の溶湯を取鍋外に排出
して注湯を行うものであり、樋を通じて出湯するもの
や、スットパー方式で出湯するものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】注湯においては、清浄
な溶湯を、短時間でかつ乱れなく、所定量鋳型に注入す
ることが重要であり、この点で上記自動注湯装置は各々
問題点を有している。 （Ａ）取鍋傾動式自動注湯装置 傾動取鍋内の溶湯表面に浮上したノロが、注湯の際溶湯
とともに鋳型内に混入する恐れがある。また出湯口にノ
ロが堆積するため、溶湯の流線が変化して注湯が不安定
になる。また、取鍋の傾動には激しい振動を伴うことが
あり、ロードセルでは取鍋の重量を正確に計量できず、
精度良く注湯を制御することが難しい。 （Ｂ）ストッパー式自動注湯装置 取鍋底の溶湯ノズルから出湯するため、溶湯表面に浮上
したノロが鋳型へ混入することは少ないが、多枠分の溶
湯から一枠分の注湯量を調節するためには、ストッパー
の開閉で行う必要があり、また、その都度溶湯ヘッドは
変化するので、毎回一定量を精度良く注湯することや、
同じパターンの注湯速度で注湯することは難しい。 （Ｃ）加圧式自動注湯装置 取鍋内の圧力を制御して注湯を行うので、注湯量の調節
は取鍋内の圧力値の調整を行うだけで良く、精度良く注
湯を行うことができる。しかし、出湯口が大気中に解放
されているものでは、ノロの発生や溶湯酸化の恐れがあ
る。また、ストッパーで注湯するものは、上記と同様な
問題点を有している。従って、本発明は、ノロの巻き込
みや溶湯の酸化が少なく、毎回安定した速度で、かつ所
定量注湯を行うことができる自動注湯装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、取鍋内の溶湯
を貯湯室に吸引貯湯した後、貯湯室内を加圧して鋳型に
吐出する注湯装置において、開閉可能なノズルを有する
溶湯吸引手段と、開閉可能なノズルを有する溶湯吐出手
段と、貯湯室内の圧力を検出する圧力センサとを配した
貯湯室と、貯湯室内の圧力を変化させ得る圧力制御手段
と、前記溶湯吸引手段と溶湯吐出手段と圧力制御手段を
制御する制御装置とからなることを特徴としている。

【０００５】

【実施例】本発明の注湯装置１の構成を図１に基づき説
明する。貯湯室２は取鍋８の溶湯９を貯湯するチャンバ
ーで、下部に一方が取鍋８の底部に開口し、他方が貯湯
室２内に突出する吸引ノズル３と、さらに、鋳型１１の
湯口に溶湯を吐出する吐出ノズル５を設けている。ま
た、前記吸引ノズル３と吐出ノズル５の上方には、シリ
ンダ等の昇降手段３０及び３１で昇降可能な、吸引スト
ッパ４と吐出ストッパ６を設ける。前記両方のストッパ
共、降下時は対応するノズル上端面と密接し、ノズル内
への流体の出入りを遮断する。さらに、貯湯室２の上部
には、圧力制御機器３５に連結した流路４０と、貯湯室
内の圧力を検出する圧力センサ１７を配設する。貯湯室
２又は取鍋８には、その重量を計測できる荷重検出器、
例えばロードセル２７又は２８を配置する。

【０００６】圧力制御機器３５は、加圧系と減圧系から
なる。加圧系は、流路４０から分岐した加圧流路４１
に、例えば窒素等不活性ガスの圧力ボンベからなる加圧
発生手段１５と、加圧流量制御弁７を配設した構成から
なる。一方、減圧系には、例えば真空ポンプ等からなる
減圧発生手段１６と、吸引流量制御弁１４が配設されて
いる。該二つの流量制御弁７、１４は各々電気的又は流
体的に加圧制御器１８、及び吸引制御器１９とつながっ
ており、その弁開度は加圧制御器１８及び吸引制御器１
９により制御される。

【０００７】制御装置２０は、演算部２１、操作部２２
及び記憶部２６より成り、前記圧力センサ１７、ロード
セル２７又は２８の各信号を入力に、加圧制御器１８、
吸引制御器１９、昇降手段３０、３１への各信号を出力
に、電気的に連結している。従って、前記二つの流量制
御弁７、１４の弁開度は、加圧制御器１８及び吸引制御
器１９を介して制御装置２０から電気的に制御可能であ
る。

【０００８】以下、本実施例による自動注湯操作につい
て概要を説明する。まず、操作者が操作部２２より注湯
条件を制御装置２０に入力する。即ち、操作者は、マウ
スまたはキーボードを使い、図２に示すように、貯湯室
２内への溶湯吸引開始からの時間と圧力、及び目標注湯
重量の設定を行う。例えば、吸引開始時刻２３時点の貯
湯室２内の圧力を０（ゲージ圧、以下同様）にして、吸
引停止時刻２４には―ｐ１に、吐出開始時刻２５にはま
た０に、吐出終了時刻２９には＋ｐ２にするように設定
した。また、３２及び３３で示すように、吸引中及び吐
出中の圧力変化は直線的に変えるものとした。なお、予
め設定条件が記憶装置２６に記憶してある場合には、操
作部２２を操作し、記憶部２６より情報を引き出して使
用する。

【０００９】上記設定条件に基づき自動注湯装置の基本
的動作を図３に従って説明する。 １）制御装置２０は、注湯開始指令を受ける前の初期状
態では、吸引ノズル３と吐出ノズル５を閉止するよう
に、吸引ストッパ４と吐出ストッパ６を下降させる。こ
の時、真空ポンプ１６は作動させ、貯湯室２内の空気を
排出すると同時に、窒素ガスボンベ１５から窒素を流入
置換させる。この時の貯湯室２内の圧力は、ゲージ圧０
になるように、後で説明する圧力制御方法により圧力制
御機器３５を制御する。 ２）注湯開始指令を受ける（図２の時刻２３）と、制御
装置２０は、吸引ストッパ４を上昇させるように指令を
出すと同時に、貯湯室２内の圧力を、図２の３２で示す
圧力変化になるように、圧力センサ１７で圧力を計測し
ながら、圧力制御機器３５を制御する（制御の詳細は後
述）。貯湯室２内の圧力が低下していくことにより、図
３（ａ）に示すように、取鍋８内の溶湯９は貯湯室２内
に吸い上げられていく。

【００１０】３）図２の時刻２４近辺で、ロードセル２
７又は２８からの信号で、貯湯室２内に鋳型１１のキャ
ビティ１２を満たす所定量の溶湯が汲み上げられたこと
が検知される。これにより、図３（ｂ）に示すように、
制御装置２０は吸引ストッパ４を下降させ、吸引ノズル
３を閉止する。本実施例では、前記設定した到達圧力−
ｐ１は、取鍋８の溶湯９の表面から貯湯室２内に吸入さ
れた所定量の溶湯表面までのヘッドΔｈに相当する圧力
より、より減圧した値とした。これは、吸引ノズル３閉
止時の湯漏れを防止するため、貯湯室２に所定量の溶湯
を収納した時、その溶湯表面より吸引ノズル３の上端面
が上になるように設置しているが、取鍋８からの溶湯吸
引時は、吸引ノズル３の上端面以上に溶湯を引き上げる
必要があるからである。また、吸引するに従い、取鍋８
の溶湯９の表面高さは低下して（ヘッドΔｈの値は大き
く）いくが、ヘッド増加に対しても、その分吸引圧力を
補正することなく貯湯室２内に溶湯を吸引するためであ
る。従って、吸引停止時刻２４になる前の吸引制御過程
途中で、溶湯は所定量吸引されるため、この時点で吸引
制御を終了する。その後、貯湯室２内圧力を窒素雰囲気
中でゲージ圧０に戻していくように、圧力制御機器３５
を制御する。

【００１１】４）圧力センサ１７で、貯湯室２内圧力が
ゲージ圧０になったことが検出されると（図２の時刻２
５）、制御装置２０は溶湯の吐出動作を指令する。吐出
ストッパ６を上昇させると同時に、圧力制御機器３５を
制御し、貯湯室２内圧力を図２の圧力変化直線３３に沿
うように上昇させる。これにより、貯湯室２内に収納さ
れていた溶湯は、溶湯の自重分に加え、加圧分の速度
で、図３（ｃ）に示すように、鋳型１１の湯口からキャ
ビティ１２内に注入される。注入速度は、溶湯の自重分
だけであれば、注入の進行に伴い低下してくる。良好な
鋳物を鋳造するためには、全注入時間にわたって一定で
あるか、注湯後半に速度を上げることが望ましい。本発
明では、貯湯室２内を加圧することにより、容易にこの
効果を得ることができる。貯湯室２内溶湯が排出し終わ
るような、予め設定した時間（図２の時刻２９）になる
と、制御装置２０は吐出ストッパ６を下降させると同時
に、圧力制御機器３５を制御し、貯湯室２内圧力をゲー
ジ圧０に戻す。 以上説明した２）〜４）が注湯の一サイクルで、以後注
湯毎にこのサイクルを繰り返すことになる。

【００１２】以下、貯湯室２内の圧力制御方法について
詳細に説明する。図４（ａ）は、減圧側の吸引流量制御
弁１４を閉止し、加圧側の加圧流量制御弁７の弁開度を
変えて貯湯室２を加圧した時の、各弁開度に対する貯湯
室２内の圧力を、圧力センサ１７で計測した結果を示
す。加圧流量制御弁７の開度、即ち加圧制御器１８に加
える電圧により圧力上昇カーブが異なることがわかる。
図４（ａ）で示す圧力と時間の関係を下記のように近似
する。 ｔ＝ａ₂×Ｐ×Ｐ＋ａ₁×Ｐ＋ａ₀ −−−−−−−−−−−−−（１） ａ₂＝ａ₂₁×Ｖ＋ａ₂₀ −−−−−−−−−−−−−−−−−−（２） ａ₁＝ａ₁₁×Ｖ＋ａ₁₀ −−−−−−−−−−−−−−−−−−（３） ａ₀＝ａ₀₁×Ｖ＋ａ₀₀ −−−−−−−−−−−−−−−−−−（４） ここでｔは時刻、Ｐは現在の圧力、Ｖは加圧制御器１８
に加える電圧、その他は係数であり、実験結果より計算
して求める。

【００１３】式（１）より、加圧速度（圧力の増加率）
ｄＰ／ｄｔを時間ｔの関数として求めると、下記（５）
式の如くなる。 （ｄＰ／ｄｔ）²＝１／（ａ₁×ａ₁−４×ａ₂×（ａ₀−ｔ）） −−（５） 上記の式（５）を時間ｔについて解き、このｔを式
（１）に代入し、さらに式（２）（３）（４）を代入し
Ｖについて解くと、ＶはｄＰ／ｄｔとＰの関数で表され
ることがわかる。即ち、下記（６）の一般式で表すこと
ができる。 Ｖ＝ｆ１（ｄＰ／ｄｔ、Ｐ）−−−−−−−−−−−−−−−（６） 式（６）より、目標の加圧速度ｄＰ／ｄｔに対し、現在
の圧力Ｐがわかれば、その時に加圧制御器１８に出力す
べき電圧が求まる。

【００１４】加圧流量制御弁７を閉止し、吸引流量制御
弁１４を開き、上記と同様にして貯湯室２内の減圧特性
を測定した結果を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）のカー
ブと同様に、下記の式で近似する。 ｔ＝ｂ₂×Ｐ×Ｐ＋ｂ₁×Ｐ＋ｂ₀ −−−−−−−−−−−−−（７） ｂ₂＝ｂ₂₁×Ｖ＋ｂ₂₀ −−−−−−−−−−−−−−−−−−（８） ｂ₁＝ｂ₁₁×Ｖ＋ｂ₁₀ −−−−−−−−−−−−−−−−−−（９） ｂ₀＝ｂ₀₁×Ｖ＋ｂ₀₀ −−−−−−−−−−−−−−−−−（１０） 加圧の場合と同様にして、吸引速度（圧力の減圧率）ｄ
Ｐ／ｄｔとＰを変数としてＶについて解き、一般式とし
て下記（１１）式を得る。 Ｖ＝ｆ２（ｄＰ／ｄｔ、Ｐ）−−−−−−−−−−−−−−（１１） 式（１１）より、目標の吸引速度ｄＰ／ｄｔに対し、現
在の圧力Ｐがわかれば、その時に吸引制御器１９に出力
すべき電圧が求まる。

【００１５】以上より、ある制御サンプリング時刻毎
に、図２で設定した目標圧力曲線から算出される圧力速
度と、圧力センサ１７より計測される圧力値をもとに、
式（６）又は（１１）より、流量制御弁の弁開度を制御
する電気量を出力することができる。しかし、実際の注
湯時には、関数ｆ１とｆ２を求めた時と、注湯装置１の
状態、注湯時の大気圧、実際の圧力変化速度、取鍋８内
の溶湯９の量等により、目標とする圧力Ｐと圧力変化速
度ｄＰ／ｄｔからずれるのが普通である。そこで本実施
例ではフィードバックによる補正を行った。

【００１６】以下吸引時の制御を例に、図５をもとに説
明する。吸引時は、制御装置２０は加圧流量制御弁７を
閉止し、加圧流体が貯湯室２内に入らないようにし、減
圧系だけで制御する。また、操作部２２または記憶装置
２６より設定された目標圧力変化パターン３２をもと
に、制御サンプリング時刻毎の目標圧力、目標圧力速度
を予め計算しておく。 Ｐｍ（ｉ） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−（１２） Ｐｖｍ（ｉ） −−−−−−−−−−−−−−−−−−（１３） ここでｉは時刻、Ｐｍ（ｉ）は時刻ｉでの目標圧力、Ｐ
ｖｍ（ｉ）は目標圧力速度である。また、時刻ｉでの圧
力センサ１７で計測された貯湯室２内の圧力をＰｒ
（ｉ）とする。

【００１７】次のサンプリング時刻ｉ＋１での、制御装
置２０からの吸引制御器１９への出力電圧は、式（１
１）をもとにした下記（１４）式で計算したＶ２（ｉ＋
１）と、補正値Ｖ３（ｉ＋１）を加算した値とする。 Ｖ２（ｉ＋１）＝ｆ２（Ｐｒ（ｉ）、Ｐｖｍ（ｉ＋１））−−（１４） ここで、上式を注湯装置モデル３４とする。補正値Ｖ３
（ｉ＋１）は下記式で計算する。 Ｖ３（ｉ＋１）＝Ｋｐ×ｅ（ｉ）＋Ｋｉ×ｓｕｍ（ｉ） −−（１６） ｅ（ｉ）＝Ｐｍ（ｉ）−Ｐｒ（ｉ） −−−−−−−−−（１７） ｓｕｍ（ｉ）＝ｅ（０）＋ｅ（１）＋・・・ ・・・・・＋ｅ（ｉ） −−−−−−（１８） ここでｅ（ｉ）は時刻ｉでの目標圧力と実際の圧力差、
ｓｕｍ（ｉ）は時刻０から時刻ｉまでの圧力差の和、Ｋ
ｐとＫｉは制御のためのパラメータである。

【００１８】以上説明したように、流量制御弁の弁開度
を制御するに当たって、実際の貯湯室２内の圧力を、流
量制御弁の弁開度を求める注湯装置モデルに用いると同
時に、目標圧力との偏差算出に利用して、補正式（１
６）〜（１８）で表す広義のＰＩＤ制御を行い、式（１
１）からのずれを補正することにより、精度良く目標圧
力パターン通りに制御することが可能となった。なお、
上記は減圧時の圧力制御について説明したが、加圧時の
制御についても同様にして行うことができる。

【００１９】別の実施例では、貯湯室２内に吸引する溶
湯重量を、多枠分、例えば３枠分とした。この場合、設
定する前記吸引停止時刻の圧力−ｐ１は、３枠分のヘッ
ドに相当する値とし、注湯装置ロードセル２７又は取鍋
ロードセル２８で３枠分の吸入重量が検出された時、吸
引ストッパ４を下降させて吸引ノズル３を閉止すると同
時に、吸引側流量制御弁１４を全閉して吸引動作を停止
させた。一枠分の溶湯を鋳型に吐出する時は、前記加圧
圧力変化直線３３は、一枠毎にヘッドが違うのでその都
度補正して用いた。所定量の溶湯を鋳型に注湯するに際
しては、上記ロードセルで重量を検出し、これに合わせ
て吐出用ストッパ６及び加圧側流量制御弁１８の制御を
した。

【００２０】また、別の実施例では、ロードセルを使わ
ず貯湯室に一枠分の溶湯を吸入した。貯湯室２内に湯面
検知手段（図示せず）を装着し、所定量吸入したことを
検出して、吸引ストッパ４を下降させて吸引ノズル３を
閉止すると同時に、吸引側流量制御弁１４を全閉して吸
引動作を停止させた。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、上述のような手段をとること
により、清浄な溶湯を、短時間に所定の注入速度で、か
つ乱れなく所定量鋳型に注入することができ、良好な鋳
物を鋳造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】注湯装置全体構成図

【図２】運転条件設定例

【図３】運転過程図

【図４】加圧及び吸引実験結果例

【図５】制御ブロック図

【符号の説明】

１ 注湯装置 ２ 貯湯室 ４ 吸引ストッパ ６ 吐出ストッパ ７ 加圧流量制御弁 ８ 取鍋 ９ 溶湯 １１ 鋳型 １４ 吸引流量制御弁 １５ 加圧発生手段 １６ 吸引発生手段 １７ 圧力センサ １８ 加圧制御器 １９ 吸引制御器 ２０ 制御装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 取鍋内の溶湯を貯湯室に吸引貯湯した
   後、貯湯室内を加圧して鋳型に吐出する注湯装置におい
   て、 開閉可能なノズルを有する溶湯吸引手段と、開閉可能な
   ノズルを有する溶湯吐出手段と、貯湯室内の圧力を検出
   する圧力センサとを配した貯湯室と、 貯湯室内の圧力を変化させ得る圧力制御手段と、 前記溶湯吸引手段と溶湯吐出手段と圧力制御手段を制御
   する制御装置とからなることを特徴とする注湯装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の注湯装置において、貯
   湯室または取鍋の少なくとも一方に重量検出センサを装
   着したことを特徴とする注湯装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の溶湯吸引手段
   は、一端を貯湯室内に開放し他端が取鍋底部に達するノ
   ズルと、該ノズルの貯湯室内側端部を開閉自在とするス
   トッパであり、溶湯吐出手段は、一端を貯湯室内に開放
   し他端が鋳型湯口に相対するノズルと、該ノズルの貯湯
   室内側端部を開閉自在とするストッパであることを特徴
   とする注湯装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３に記載の圧力制御手段
   は、貯湯室に連結した配管に配設された吸引発生手段と
   吸引流量制御弁と、該吸引流量制御弁の開度を電気的に
   制御可能となし得る吸引制御器からなる減圧系と、貯湯
   室に連結した配管に配設された加圧発生手段と加圧流量
   制御弁と、該加圧流量制御弁の開度を電気的に制御可能
   となし得る加圧制御器からなる加圧系からなることを特
   徴とする注湯装置。