JPS61242749A - 微細な結晶組織を有する鋳片の製造方法 - Google Patents

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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、微細な結晶組織を有する鋳片の製造方法の改
良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、種々の金属製品の中間素材となる鋳片は、一般的
に溶融金属を鋳型に鋳込むことによって製造されていた
。また、近年、生産性の向上等を目的として、前記鋳片
を連続鋳造機によって製造することが実用化されている
。

しかし、上記鋳片は、上述した何れの方法においても溶
融金属を鋳型に鋳込み、凝固させることによって製造し
ているために、その結晶組織の粒径は大きい。

従って、上記鋳片に圧下を加えて所望の機械的特性を付
与する場合、上述したように結晶組織の粒径が大きいの
で、一般に大きな圧下を加えると、鋳片に割れが生じる
。このため、複数回に分けて圧下を加えて鋳片に所望の
機械的特性を付与している。

しかし、この圧下方法は、鋳片製造の能率化に欠け、し
かも未だ微細な結晶組織を持った鋳片を製造することは
困難である。

そこで、かかる鋳片を製造する手段として、所謂、滴下
式鋳造法が提案されている（％開開５５−１６５２７１
号公報、以下、これを先行技術という）。即ち、この先
行技術ｋｔ　、第９図に示すように製造すべき鋳片と同
一組成の金属からなる一対の電極１，１が所定の間隔を
もって配置され、さらにこれら一対の電極１，１の対峙
部分の直下に鋳型２を設置してなるものである。

そして、前記一対の電極１．１に電流を供給し、このと
きに、一対の電極１，１の間で発生するアーク３のアー
ク熱によって各電＆１を溶融する。ここで、一対の電極
１．ノが溶融すると、溶融金属筒４となって直下の鋳型
２に重力によって滴下する。この溶融金属滴４の滴下後
、鋳型２に鋳込まれた溶融金属が凝固するので、その凝
固状態を見計らりて鋳型２から鋳片を抜き取る仁とによ
シ、鋳片を製造している。

ところで、前記溶融金属滴４は、これが鋳型２内に滴下
する過程で若干凝固する。このため鋳型２内に鋳込まれ
た溶融金属は、固液共存相が均一に存在した状態で凝固
するので、鋳片の結晶組織の粒径は小さい。よって、鋳
片に一度に大きな圧下を加えても割、れが生じない。

しかし、かかる先行技術は、鋳型２に滴下する溶融金属
滴４の温度によって凝固状態が異なり、このため高品質
で均一な鋳片を安定に鋳造することに今１つの感があっ
た。

〔発明の目的〕

本発明は以上のような点にかんがみてなされたもので、
滴下式鋳造法の利点を生がしつつ滴下する溶融金属滴を
所定の温度に制御し、高品質で均一な鋳片を安定に鋳造
する微細な結晶組織を有する鋳片の製造方法を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明は、滴下式鋳造法において滴下中の溶融金属の温
度を検出し、この検出情報を温度制御装置にフィードバ
ックして電極の供給電流を制御する微細な結晶組織を有
する鋳片の製造方法Ｏ 〔発明の実施例〕 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。第１図は本発明方法を遠用してなる装置の模式的な
構成図であって、これは滴下式鋳造法において落下中の
溶融金属滴の温度を測定し、電極電流密度を制御するこ
とにより所定温度の溶融金属滴を得るものである。

第１図において所定の間隔を有して一対の電極１１．１
１を配置し、さらにこれらの電極１ノ。

１１の対峙部分の直下に鋳型１２を設置している点は従
来のものと同様である。図中１３はアーク、１４はアー
ク１３のアーク熱によって各電極１１．１１が溶融して
滴下する溶融金属滴である。特に、同図において従来の
ものと比較して異なるところは、例えば紙面と垂直をな
す手前側から紙面方向を測定視野とし、アーク１３によ
つて滴下する溶融金属滴１４からの放射エネルギーを測
定する温度検出装置１５と、この温度検出装置１５の出
力を温度信号に変換する信号処理装置１６と、温度制御
装置Ｉ７とを有し、溶融金属滴１４の測定温度に応じて
各電極１１．１１に接続されている電流供給装置１８゜
１８を制御することにある。また、第２図は同様の実施
例において滴下中の溶融金属滴１４の温度を測定してい
る状況を示す図である。１９は真空容器である。

従って、以上のような装置においては、一対の電極１１
．１１に電流供給装置１Ｂ、ＩＢから電流を供給すると
、アーク１３が発生し、両電極１１．１１の先端は溶融
し、溶融金属筒１４が鋳型１２に落下する。電極１１．
１１よシ下方へｔだけ離れた位置に設定した一次元の測
定視野Ａ（溶融金属落下方向とは垂直）を通過する溶融
金属ｉｆ！ｉ１４から発する放射エネルギーは温度検出
装置Ｒ１５により検出される。検出された放射エネルギ
ーは、温度信号処理装置１６によ多温度信号に変換され
、その信号は温度制御装［１７にフィードバックされ、
′電極１１．１１に供給する電流を制御するようになっ
ている。

しかして、以上のような装置を用いて実際に滴下する溶
融金属滴１４の温度と一対の電極１１゜１）に供給する
電流密度ρ（＝　Ａ／−２、但し、Ａは供給電流値、ｗ
２は電極断面積）の関係について実験検討すると、第３
図にその一例を示すように正の強い相関を有することが
確かめられ、またこの実験から電流密度が大きくなると
溶融金属の温度は液相線を越え、このと色の結晶組織は
従来法と何ら変わらなくなり、この滴下式鋳造法の長所
が得られなくなることが判明され丸。

そこで、第１図に示すように落下中の溶融金属滴１４の
温度を測定し、この溶融金属筒１４の温度を一定、即ち
、電極金属の同相線と液相線の間になるように、電極１
１．１１へ供給する電流を制御すれば、健全な結晶組織
を有する鋳片を安定に鋳造できることが判る。

第４図は第１図および第２図の温度検出装置１５および
信号処理装置１６を詳細に示す図である。即ち、温度検
出装置１５は、溶融金属滴１４からの放射エネルギーを
通す光学系即ち光学フィルタ１５１および金属溶融滴１
４を空間的に高い分解能で測定する必要から焦点距離の
長いレンズ１５２と、例えばフォト・ダイオード・アレ
イ等（リニア・アレイ・センサー、ＣＣＤセンサー等）
の一次元イメージセンサ−よりなり、放射エネルギー輝
度の一次元分布を結像するセンサ一部１５３と、このセ
ンサ一部１５３を走査するドライバー回路１５４と、セ
ンサ一部１５３から出力されるビデオ信号を増幅するビ
デオ信号増幅器１５５とで構成されている・一方翫信号
処理装置１６にあっては、ビデオ信号をディジタル化す
るの変換回路１６１、暗電流補正演算部１６２、ばらつ
き補正回路１６３、−走査最大輝度検出回路１６４、設
定時間内最大輝度検出部Ｊ６５、放射率補正演算部１６
６、温度変換演算部１６７、ホールド回路１６８、Ｄ／
Ａ変換回路１６９、シーケンス制御部１７０およびドラ
イバー回路１５４を起動するだめのスタートノ譬ルスを
発生するスタートＡ／ルス発生部１７１等によって構成
されている。

次に、自然落下する溶融金属滴１４の温度を測定して鋳
片を製造する方法について説明する。

測定視野人を通過する溶融金属滴１４から発た測定窓（
図示しない）を通して、距離りだけ離れたところに設置
された温度検出装置１５に到達する。この放射エネルギ
ーは光学系即ち、光学フィルター１５１とレンズ１５２
を通して、センサ一部１５３に結像される。。前記光学
フィルター１５１を設けた理由は、電極ＪＪ、Ｊ１間に
発生するアーク１３が温度測定のために外乱要因となる
ので、このアーク１３の影響を除去するためのものであ
シ、この点について第５図を参照して説明する。即ち、
第５図は真空容器１９における電極間のアーク光の分光
放射特性と黒体炉を用いて得られた黒体の分光放射特性
の強度の相対的比較を示したものである。ただし、この
第５図は、シリコン・フォト・ダイオード・アレイを検
出器としたマルチ・チャンネル分光器を用いて測定した
もので、レンズ、回折格子、ダイオード・プレイ等を含
めた総合的な相対分光感度特性は第６図に示すようにな
っている。この第５図から分るように、アーク℃、１６
５０℃の黒体放射輝度に比べて非常に弱いことがわかる
。また、電極下端より５百下方の場合には０．８μｍよ
り長い波長域では１１００℃付近の黒体放射輝度に比べ
てアーク光の影響はまったくないことが確かめられてい
る。従って、本実施例においては、光学フィルター１５
１として０．８μｍ以上の赤外透過フィルターを用い、
アーク光を除去し、溶融金属滴１４の放射輝度のみを検
出できるようにしたものである。

尚、第５図のアーク・スペクトルは、電極即ち被溶解材
として数種のものを用いたうちの一例であるが、他の溶
解材を用いた場合或いは真空直を変えた場合でもスペク
トルラインは異なるが、０．８μｍ以上については第５
図に示すように、黒体放射に比べると殆んど無視しうろ
ことを判明している。

そして、以上のようにして溶融金属滴１４から発する放
射輝ｍｔ−光学フイルター１５１およびレンズ１５２を
通してセンサ一部１５３によって検出するものであるが
、この検出原理について述べる。即ち、溶融金属滴１４
は自然落下するので、落下開始点から距離ｔでの速度Ｖ
は（１）式で与えられる。

ν＝ｆＴπ　　　　　　・・・（１） ここで、ｇは重力加速度である。

第７図は、金属筒１４が真円と仮定したとき、センサ一
部１５３のフォト・ダイオード・プレイの各走査開始時
の視野と粒滴の位置の関係の一例を示した図である。走
査開始が（イ）の場合、センサ部１５３の視野内に粒滴
が完全に存在しないので、視野欠けが生じ、正しい温度
を測定できるとは言えない、走査開始が（ロ）、ｅ→の
場合には走査が終了しても、それぞれ粒滴は視野内にあ
る。従って、センサ一部１５３の走査周波数をｆ（即ち
、電荷蓄積時間＝　１／ｆ　）とすると、ｌ走査が開始
して終了する間に、金属筒１４がセンサ一部１５３の各
ダイオード・アレイ素子の視野内に存在する為には、金
属筒１４の直径をｄとすると、一般的に第（２）式を満
たすことが必要条件となる。

ｄ≧ｔｌ　＋　ｔｚ＋ム　　　　・・・（２）但し、Ｌ
ｍは落下方向に対するｌ素子の空間分解能である。ここ
で、ｔＩキｔ３とみなせるので、（２）式は第（３）式
となる。

本実施例では、Ａ＝１００ｍ、Ｌ　＝　１．２５　ｍの
位置に温度検出装置１ｓｔ−設置し、センサ一部１５３
のフォト・ダイオード・アレイ（２０４８素子、ｌ素子
の大きさ１４μｍ１ｍ１）の走査周波数ｔ’　ｆ　＝　
１０００Ｈｚとし、レンズ焦点距離１２００■とした。

−この場合、粒径２諷φ以上が測定可能である。また、
巾方向において１４０＋ｇａの測定視野が得られ、落下
位置が変動しても影響を受けない。本実施例では、粒径
が５ｍ＋以上あることが確認されており、１つの金属筒
１４が落下する過程で４走査以上が可能であった。

さらに小さい粒滴を測温する場合には（３）式を満たす
条件で測定すればよいことは言うまでもない。

以上、溶融金属筒Ｊ４が落下する過程で、その放射輝度
をセンサ一部１５３のフォト・ダイオード・アレイで検
出する為の原理及び測定条件を明らかにした。しかしな
がら、電極１１゜１１から溶は落ちるタイミング及びそ
の落下軌道は必ずしも定まっている訳ではない。従っ−
Ｃ１本実施例ではある設定時間内に測定視野を通過する
溶融金属滴１４群の中から最大温度を検出し、その値を
代表温度として出力するものであり、この点について第
４図を参照して説明する。

シーケンス制御部１７０からの指令を受けてスタートノ
母ルス発−生ＷＡｚ７１からスタート／４’ルスが発生
され、ドライバー回路１５４を起動する。

ここで、ドライバー回路１５４はセンサ一部１５３を走
査する。この走査により、測定視野内の放射輝度分布が
センサ一部１５３で光電変換されてビデオ信号となり、
これはビデオ信号増幅器１５５により増幅され、Ａ／Ｄ
変換回路１６１によりデジタル化される。フォト・ダイ
オード・アレイ（％にＣＣＤセンサー）は、周囲温度に
より暗電流（即ち素子面に光が当たらなくても、出力電
圧が発生する）が変化することが考えられるので、測定
する環境に応じて必要があれば補正することが望ましい
。本実施例では、１〜２０４８の素子のうち１番目から
約５０素子を光学的に受光面をシールし、その中間付近
（１５〜３５番目）の出力電圧値の平均値を、他の５０
〜２０４８素子の各出力電圧値を差し引くことを暗電流
補正演算部１６２で行っている。さらに、一次元イメー
ジ・センサーでは各素子間で感度の不均一性があるので
、予めばらつきのパターンを決めておき、得られた信号
をばらつき補正回路１６３で補正する。

次に、５０〜２０４８番目の素子出力値のりち最大出力
値を一走査最大輝度検出回路１６４で検出する。このよ
うにして得られる各走査ととの最大値のうち、最大値検
出時間ｔｓの間の最大値を設定時間内最大輝度検出部１
６５で検出し、設定時間ｔａの間の溶融金属滴１４の代
表放射輝度とした。ただし、ｔａ＝ＮＸ−１Ｎは整数で
ある。

次に、この値を放射率補正演算部１６６で設定時間内の
最大出力値を放射率補正し、温度変換演算部１ｅｒｒｔ
ｃて温式値に変換し、ホールド回路１６８にて設定時間
ＬｍだけホールドしてＤ／Ａ変換部１６９を通して、ア
ナログ化され、温度制御装置１２にフィードバックする
。シーケンス制御部１７０は、設定時間ｔａを設定する
機能とともに、スタート／臂ルス発生から各演算を行い
、得られた温度を出力するまでの一連のタイミングを調
整する機能をもっている。

ｇｓｏはスタートパルス信号（（転）、センサ一部１５
３からのビデオ信号（Ｂ）、温度出力値（Ｃ）の一連の
流れとその関係を示す図であって、例えばｔｌからｔｌ
の期間で最大輝度レベルＰ１が代表値として検出され、
その値が温度値に変換されてｔ２からｔ３の期間に出力
される。

なお、放射率補正を行う為の放射率値は、予め測定対象
となる金属を用いてオフラインで測定して求めておけば
よい。本鋳造は、高真空の雰囲気で行なわれているので
、酸化現象はあまりせず、その放射率は比較的安定して
おり、オフラインで求めた値を用いて補正すれば、高精
度の測定が可能である。また温度変換演算部１６７で行
う演算は、あらかじめ黒体炉を用いて温度と出力の関係
を求めておき、その値を用いて行う。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明方法によれば、滴下式鋳造法
において滴下中の溶融金属の温ｉｔ測定し、この測定結
果の情報をフィードバックして電極供給電流を制御する
ことにより、高品質で均一な組織の鋳片を安定して鋳造
し得る微細な結晶組織を有する鋳片の製造方法を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第８図は本発明に係る微細な結晶組織ｔ−
有する鋳片の製造方法の一実施例を説明するためのもの
で、第１図は本発明方法を適用してなる装置の模式的構
成図、第２図は滴下中の溶融金属滴の温度を測定してい
る状況を示す図、第３図は電流密度と滴下中の溶融金属
滴の温度との関係図、第４図は第１図の温度検出装置お
よび信号処理装置を詳細に示す構成図、第５図は電極間
アーク光と黒体炉の黒体の分光放射特性を示す図、第６
図は総合的な相対分光感度特性を示す図、第７図はセン
サ一部の走査開始時の視野と粒滴の位置関係を示す図、
第８図はスタートノ母ルス信号、センサ一部のビデオ信
号および温度出力値の関係図、第９図は従来の滴下式鋳
造法を説明する図である。 １ノ・・・電極、１２・・・鋳塵、１３・・・アーク、
１４・・・溶融金属滴、１５・・・温度検出装置、１６
・・・信号処理装置、１７・・・温度制御装置、１Ｂ・
・・電流供給装置、１５１・・・光学フィルター、１５
３・・・センサ一部、１５４・・・ドライバー回路、１
６４・・・−走査最大輝度検出回路、１６５・・・設定
時間内最大輝度検出部、１６６・・・放射率補正演算部
、１６７・・・温度変換演算部、１６８・・・ホールド
回路、１１０・・・シーケンス制御部、１７ノ・・・ス
タ−トパルス発生部。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１１１ 第２図　　　　　　　　　第３図 −へ ―　冒

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）一対の電極に電流を供給して両電極間でアークを
   発生させ、そのアーク熱で溶融滴下する滴下式鋳造法に
   おいて、滴下中の溶融金属から発する放射エネルギーを
   温度検出装置によつて検出し、この検出信号を信号処理
   装置により温度信号に変換して温度制御装置にフィード
   バックし、前記電極への供給電流を制御することを特徴
   とする微細な結晶組織を有する鋳片の製造方法。
2. （２）温度検出装置は、アーク光を除去する赤外透過フ
   ィルタと、前記溶融金属の滴下方向に対して垂直方向を
   視野とし、前記赤外透過フィルタを通って出力される前
   記放射エネルギーに応じた放射輝度を撮像する一次元撮
   像手段とを有するものである特許請求の範囲第１項記載
   の微細な結晶組織を有する鋳片の製造方法。
3. （３）信号処理装置は、前記一次元撮像手段から出力さ
   れる映像信号から一走査毎の最大輝度レベルを検出して
   保持する一走査最大輝度検出手段と、所定の設定時間の
   間に得られる前記最大輝度レベルから最終最大輝度レベ
   ルを演算して求める輝度レベル演算手段と、この輝度レ
   ベル演算によって求められた最終最大輝度レベルを温度
   信号に変換する温度変換手段とを有するものである特許
   請求の範囲第１項記載の微細な結晶組織を有する鋳片の
   製造方法。
4. （４）温度制御装置による温度制御範囲は、鋳造対象と
   なる金属の溶融固相線と液相線の間とすることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の微細な結晶組織を有す
   る鋳片の製造方法。