JPH0219747B2 - - Google Patents

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つ
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つて製
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
によつて製造しているために、その結晶組織の粒
径は大きい。

従つて、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つた鋳片を
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（特開昭55−
165271号公報、以下、これを先行技術という）。
即ち、この先行技術は、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が所定の間隔をもつて配置され、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
よつて各電極１を溶融する。ここで、一対の電極
１，１が溶融すると、溶融金属滴４となつて直下
の鋳型２に重力によつて滴下する。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つて鋳型２か
ら鋳片を抜き取ることにより、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。よつて、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の温度によつ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つの感があつた。

〔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かしつつ滴下す
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
置にフイードバツ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。

〔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図は本発明方法を適用してなる
装置の模式的な構成図であつて、これは滴下式鋳
造法において落下中の溶融金属の温度を測定し、
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
１１，１１を配置し、さらにこれらの電極１１，
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のアーク熱によつて各電極
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１
６と、温度制御装置１７とを有し、溶融金属滴１
４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。

従つて、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１８，１８から電
流を供給すると、アーク１３が発生し、両電極１
１，１１の先端は溶融し、溶融金属滴１４が鋳型
１２に落下する。電極１１，１１より下方へｌ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滴
１４から発する放射エネルギーは温度検出装置１
５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により温度信号に変換
され、その信号は温度制御装置１７にフイードバ
ツクされ、電極１１，１１に供給する電流を制御
するようになつている。

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，
１１に供給する電流密度ρ（＝Ａ／w²、但し、Ａ
は供給電流値、w²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、このときの結晶組織は従来
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た。

そこで、第１図に示すように落下中の溶属金属
滴１４の温度を測定し、この溶融金属滴１４の温
度を一定、即ち、電極金属の固相線と液相線の間
になるように、電極１１，１１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１
５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イ
ルタ１５１および金属溶融滴１４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、例えばフオト・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ーよりなり、放射エネル
ギー輝度の一次元分布を結像するセンサー部１５
３と、このセンサー部１５３を走査するドライバ
ー回路１５４と、センサー部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、信号処理装置１６にあつては、ビデオ信
号をデイジタル化するＡ／Ｄ変換回路１６１、暗
電流補正演算部１６２、ばらつき補正回路１６
３、一走査最大輝度検出回路１６４、設定時間内
最大輝度検出部１６５、放射率補正演算部１６
６、温度変換演算部１６７、ホールド回路１６
８、Ｄ／Ａ変換器１６９、シーケンス制御部１７
０およびドライバー回路１５４を起動するための
スタートパルスを発生するスタートパルス発生部
１７１等によつて構成されている。

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Ａを通過する溶融金属滴１４から発する放
射エネルギーは真空容器１９に設けられた測定窓
（図示しない）を通して、距離Ｌだけ離れたとこ
ろに設定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、光学フイルター
１５１とレンズ１５２を通して、センサー部１５
３に結像される。前記光学フイルター１５１を設
けた理由は、電極１１，１１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
り、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・
フオト・ダイオード・アレイを検出器としたマル
チ・チヤンネル分光器を用いて測定したもので、
レンズ・回析格子、ダイオード・アレイ等を含め
た総合的な相対分光感度特性は第６図に示すよう
になつている。この第５図から分るように、アー
ク光の分光放射輝度は0.8μｍより長い方では1500
℃、1650℃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５cm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つたくない
ことが確かめられている。従つて、本実施例にお
いては、光学フイルター１５１として0.8μｍ以上
の赤外透過フイルターを用い、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度を
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ることを判明して
いる。

そして、以上のようにして溶融金属滴１４から
ら発する放射輝度を光学フイルター１５１および
レンズ１５２を通してセンサー部１５３によつて
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ｌでの速度ｖは(1)式で与
えられる。

ｖ＝√2 ……(1) ここで、ｇは重力加速度である。

第７図は、金属滴１４が真円と仮定したとき、
センサー部１５３のフオト・ダイオード・アレイ
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)、(ハ)の場合には走査が
終了しても、それぞれ粒滴な視野内にある。従つ
て、センサー部１５３の走査周波数をｆ（即ち、
電荷蓄積時間＝１／ｆ）とすると、１走査が開始
して終了する間に、金属滴１４がセンサー部１５
３の各ダイオード・アレイ素子の視野内に存在す
る為には、金属滴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。

ｄl₁＋l₂＋la ……(2) 但し、laは落下方向に対する１素子の空間分解
能である。ここで、l₁≒l₂とみなせるので、(2)式
は第(3)式となる。

本実施例では、ｌ＝100mm、Ｌ＝1.25ｍの位置
に温度検出装置１５を設置し、センサー部１５３
のフオト・ダイオード・アレイ（2048素子、１素
子の大きさ14μｍ□）の走査周波数をｆ＝1000Hz
とし、レンズ焦点距離を200mmとした。この場合、
粒径２mmφ以上がが測定可能である。また、巾方
向において140mm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５mm以上あることが確認されており、１つの
金属滴１４が落下する過程で４走査以上が可能で
あつた。

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

以上、溶融金属滴１４が落下する過程で、その
放射輝度をセンサー部１５３のフオト・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
ら溶け落ちるタイミング及びその落下軌道は必ず
しも定まつている訳ではない。従つて、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パルス発生
部１７１からスタートパルスが発生され、ドライ
バー回路１５４を起動する。ここで、ドライバー
回路１５４はセンサー部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
ー部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。
フオトダイオード・アレイ（特に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で行つている。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うち最大出
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ごとの最大値
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１６５で検出し、設定時間ts
の間の溶融金属滴１４の代表放射輝度とした。た
だし、ts＝Ｎ×１／ｆ、Ｎ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、温度変算演
算部１６７にて温度値に変換し、ホールド回路１
６８にて設定時間ts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１７にフイードバツクする。シーケンス制御部
１７０は、設定時間tsを設定する機能とともに、
スタートパ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
る機能をもつている。

第８図はスタートパルス信号Ａ、センサー部１
５３かららのビデオ信号Ｂ、温度出力値Ｃの一連
の流れとその関係を示す図であつて、例えばt₁か
らt₂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度を測定
し、この測定結果の情報をフイードバツクして電
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
組織を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図はセンサー部の走査開始時の視野と粒滴の位
置関係を示す図、第８図はスタートパルス信号、
センサー部のビデオ信号および温度出力値の関係
図、第９図は従来の滴下鋳造法を説明する図であ
る。 １１……電極、１２……鋳型、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、１８……電流供給装置、１５１……光学フイ
ルター、１５３……センサー部、１５４……ドラ
イバー回路、１６４……一走査最大輝度検出回
路、１６５……設定時間内最大輝度検出部、１６
６……放射率補正演算部、１６７……温度変換演
算部、１６８……ホールド回路、１７０……シー
ケンス制御部、１７１……スタートパルス発生
部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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イードバツクし、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 温度検出装置は、アーク光を除去する赤外透
   過フイルタと、前記溶融金属の滴下方向に対して
   垂直方向を視野とし、前記赤外透過フイルタを通
   つ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 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つて
   求められた最終最大輝度レベルの温度信号に変換
   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 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。