上引式连续铸造装置和上引式连续铸造方法与流程

本发明涉及上引式连续铸造装置和上引式连续铸造方法。

背景技术：

日本专利申请公开No.2012-61518(JP 2012-61518 A)提出了一种作为不需要模具的开创性上引式连续铸造方法的自由铸造方法。如JP 2012-61518 A中描述的，首先，起动器被浸入到熔融金属的表面(即，熔融金属表面)中，然后当起动器被上引时，熔融金属借助于熔融金属的表面张力和表面膜而跟随起动器也被上引。在此，通过将熔融金属上引穿过设置在熔融金属表面附近的形状确定构件并且对所上引的熔融金属进行冷却，能够连续地铸造具有期望的截面形状的铸件。

通过通常的连续铸造方法，截面形状和纵向方向上的形状两者均由模具确定。特别地，通过连续铸造方法，凝固的金属(即，铸件)必须穿过模具，所以所铸造的铸件呈现沿纵向方向线性地延伸的形状。相比之下，自由铸造方法中的形状确定构件仅确定铸件的截面形状。纵向方向上的形状未被确定。因此，通过在将起动器上引、同时使起动器(或形状确定构件)沿水平方向移动，能够获得具有在纵向方向上的各种形状的铸件。例如，JP 2012-61518A描述了这样一种中空的铸件(即，管道)：该铸件形成为在纵向方向上具有Z字形形状或螺旋形形状，而非线性形状。

发明人发现了下述问题。通过JP 2012-61518 A中所描述的自由铸造方法，熔融金属被上引穿过形状确定构件，所以凝固界面被定位成高于形状确定构件。因此，熔融金属能够通过将起动器上引同时使起动器(或形状确定构件)沿水平方向移动而被倾斜地而非竖向地上引。

然而，如果上引角度θ(即，熔融金属表面与上引方向之间的角度；0°≥θ≥90°)过小，则已经被上引穿过形状确定构件的熔融金属将最终相对于形状确定构件的上表面偏移，使得铸件的截面形状将不再能够受控制。因此，不能够形成熔融金属的上引角度θ过小的铸件。换言之，通过JP 2012-61518 A中所描述的自由铸造方法，能够形成的铸件的形状可能会受限制。

技术实现要素：

因此，本发明提供了一种能够减小对能够形成的铸件的形状的限制的上引式连续铸造装置和上引式连续铸造方法。

本发明的第一方面涉及一种上引式连续铸造方法，该上引式连续铸造方法通过在使保持在保持炉中的熔融金属穿过形状确定构件的同时将熔融金属上引而使得可以铸造具有弯曲部的铸件，该形状确定构件确定所铸造的铸件的截面形状。该方法涉及：当熔融金属的上引方向与形状确定构件的上表面之间的角度减小至第一角度时，在将熔融金属的上引方向与形状确定构件的上表面之间的角度维持于第一角度的同时上引熔融金属，并且铸造第一铸件，然后铸造与所铸造的第一铸件相邻的连接部，其中，熔融金属的上引方向与形状确定构件的上表面之间的该角度处在从0°至90°的范围内；将熔融金属的上引中断，并且在使连接部穿过形状确定构件的同时将连接部浸入到熔融金属中，并且使连接部熔化；以及，将熔融金属的上引方向与形状确定构件的上表面之间的角度设定为比第一角度大的第二角度，重新开始熔融金属的上引并且铸造与第一铸件相邻的第二铸件。根据这种方法，能够形成通过根据相关技术的上引式连续铸造方法所不能够形成的铸件。换言之，能够减小对能够形成的铸件的形状的限制。

连接部在熔融金属的上引被中断时可以与熔融金属分离。根据这种方法，第一铸件和连接部能够容易地旋转。而且，第一角度可以大于30°。根据这种方法，已经被上引穿过形状确定构件的熔融金属与形状确定构件的上表面之间的偏移能够被防止，所以铸件的尺寸准确度能够得以提高。此外，当将连接部浸入到熔融金属中时，连接部在连接部的纵向方向与垂直于熔融金属的熔融金属表面的方向对准的情况下被浸入到熔融金属中。根据这种方法，更易于将连接部浸入到熔融金属中以重新开始熔融金属的上引。

本发明的第二方面涉及一种上引式连续铸造装置，该上引式连续装置包括：保持炉，该保持炉保持熔融金属；形状确定构件，该形状确定构件设置于保持在保持炉中的熔融金属的熔融金属表面上方，并且该形状确定构件通过使熔融金属穿过形状确定构件而确定所铸造的铸件的截面形状；以及上引机，上引机利用卡盘部固定起动器，并且上引机经由起动器上引熔融金属。卡盘部构造成能够在起动器处于卡紧状态的同时通过使起动器旋转而改变卡紧角度。根据这种结构，能够形成通过根据相关技术的上引式连续铸造装置不能够形成的铸件。换言之，能够减小对能够形成的铸件的形状的限制。

因此，本发明使得可以提供能够减小对能够形成的铸件的形状的限制的上引式连续铸造装置和上引式连续铸造方法。

附图说明

下面将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优势以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相同的附图标记指示相同的元件，并且在附图中：

图1是示出了根据本发明的第一示例实施方式的自由铸造装置的框架形式的截面图；

图2是根据第一示例实施方式的形状确定构件的平面图；

图3是示出了熔融金属被倾斜地上引的情况的框架形式的放大截面图；

图4是示出了说明根据第一示例实施方式的自由铸造方法的框架形式的截面图；

图5是示出了说明根据第一示例实施方式的自由铸造方法的框架形式的截面图；

图6是示出了说明根据第一示例实施方式的自由铸造方法的框架形式的截面图；

图7是示出了说明根据第一示例实施方式的自由铸造方法的框架形式的截面图；

图8是示出了说明根据第一示例实施方式的自由铸造方法的框架形式的截面图；以及

图9是根据第一示例实施方式的修改示例的形状确定构件的平面图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图对应用了本发明的具体示例实施方式进行详细描述。然而，本发明不限于这些示例实施方式。而且，为了清楚的目的，描述和附图被适当地简化。

(第一示例实施方式)

首先，将参照图1对根据本发明的第一示例实施方式的自由铸造装置(上引式连续铸造装置)进行描述。图1是示出了根据第一示例实施方式的自由铸造装置的框架形式的截面图。如图1中所示，根据第一示例实施方式的自由铸造装置包括熔融金属保持炉101、形状确定构件102、支承杆104、致动器105、冷却气体喷嘴106、冷却气体供应部107和上引机108。当然，图1中示出的右手xyz坐标系是出于描述性目的，以便说明构成元件的位置关系。图1中的x-y平面形成水平面，并且z轴方向是竖向方向。更具体地，z轴的正方向是竖向向上的。

熔融金属保持炉101保持例如诸如铝或铝合金之类的熔融金属M1，并且将熔融金属M1保持处于预定温度，在该预定温度下，熔融金属M1具有流动性。在图1的示例中，在铸造期间熔融金属没有被补充到熔融金属保持炉101中，所以熔融金属M1的表面(即，熔融金属表面MMS的水平高度)随着铸造的进行而降低。然而，在铸造期间，熔融金属也可以在需要时被补充到熔融金属保持炉101中，使得熔融金属表面MMS水平高度保持恒定。在此，凝固界面SIF的位置能够通过增大熔融金属保持炉101的设定温度而升高，并且能够通过减小熔融金属保持炉101的设定温度而降低。当然，熔融金属M1可以是除铝以外的另一金属或合金。

形状确定构件102由例如陶瓷或不锈钢制成，并且设置在熔融金属表面MMS上方。形状确定构件102确定所铸造的铸件M3的截面形状。图1中示出的铸件M3是在水平方向上的截面(在下文中，简称为“横向截面”)呈矩形的实心铸件(板)。当然，铸件M3的截面形状没有被特别地限制。铸件M3也可以是圆形管道或方形管道等的中空铸件。

在图1的示例中，形状确定构件102的下侧部上的主表面(下表面)设置成接触熔融金属表面MMS。因此，能够防止形成在熔融金属表面MMS上的氧化膜和漂浮在熔融金属表面MMS上的外来物质混入到铸件M3中。然而，形状确定构件102的下表面也可以设置成离开熔融金属表面MMS预定距离。当形状确定构件102设置成离开熔融金属表面MMS时，形状确定构件102的热变形和熔蚀被抑制，所以形状确定构件102的耐用性得到改善。

图2是根据第一示例实施方式的形状确定构件102的平面图。在此，图1中的形状确定构件102的截面图与沿着图2中的线I-I截取的截面图对应。如图2中所示，形状确定构件102具有例如矩形平面形状，并且形状确定构件102在其中央部中具有厚度为t1且宽度为w1的矩形开口部(熔融金属通道部103)，熔融金属穿过该矩形开口部。图2中的xyz坐标与图1中的xyz坐标相一致。

如图1中所示，熔融金属M1借助于熔融金属M1的表面张力和表面膜而跟随铸件M3被上引，并且熔融金属M1穿过形状确定构件102的熔融金属通道部103。换言之，通过使熔融金属M1穿过形状确定构件102的熔融金属通道部103，从形状确定构件102向熔融金属M1施加外力，使得铸件M3的截面形状被确定。在此，借助于熔融金属的表面张力和表面膜而跟随铸件M3从熔融金属表面MMS被上引的熔融金属将被称为“被保持的熔融金属M2”。而且，铸件M3与被保持的熔融金属M2之间的边界是凝固界面SIF。

支承杆104支承形状确定构件102。支承杆104连接至致动器105。形状确定构件102能够通过致动器105经由支承杆104上下(即，沿竖向方向、即z轴方向)移动。根据这种结构，当熔融金属表面MMS水平高度随着铸造的进行而下降时，形状确定构件102能够向下移动。

冷却气体喷嘴(冷却部)106是用于将从冷却气体供应部107供应的冷却气体(即，空气、氮、氩等)喷射在铸件M3处以对被保持的熔融金属M2进行间接地冷却的冷却装置。凝固界面SIF的位置能够通过增大冷却气体的流动速率而降低，并且能够通过减小冷却气体的流动速率而升高。冷却气体喷嘴106还能够上下(即，沿竖向方向、即沿z轴方向)和水平地(即，沿x轴方向和y轴方向)移动。因此，例如，当熔融金属表面MMS水平高度随着铸造的进行而下降时，冷却气体喷嘴106能够与形状确定构件102的运动一致地向下移动。替代性地，冷却气体喷嘴106能够与上引机108的水平运动一致地水平移动。

铸件M3在通过经由卡盘部108a连接至起动器ST的上引机108而被上引的同时通过冷却气体被冷却。因此，铸件M3由在凝固界面SIF附近的从上侧(即，z轴方向上的正侧)朝向下侧(即，z轴方向上的负侧)相继凝固的被保持的熔融金属M2形成。凝固界面SIF的位置能够通过利用上引机108增大上引速度而升高，并且能够通过减小上引速度而降低。

而且，被保持的熔融金属M2能够通过在使上引机108水平地(沿x轴方向和y轴方向)移动的同时将被保持的熔融金属M2上引而被倾斜地上引。因此，铸件M3的纵向形状能够自由地改变。铸件M3的纵向形状也可以通过使形状确定构件102水平地移动而不是通过使上引机108水平地移动而自由地改变。

在此，卡盘部108a具有铰接结构，在该铰接结构中，一对板状构件通过沿y轴方向延伸的销以可旋转的方式连接在一起。因此，用于将起动器ST卡紧的角度(即，卡紧角度)能够被改变。板状构件中的一个板状构件固定至上引机108的主体，并且另一板状构件固定至起动器ST。因此，起动器ST能够绕平行于熔融金属表面MMS的轴线(图1中的示例中的y轴)旋转。在此，所述一对板状构件之间的角度既能够改变也能够固定。换言之，在所述一对板状构件之间的角度改变之后，所述一对板状构件之间的角度被固定于那个角度并且被使用。

以此方式，在起动器ST被卡紧的同时，卡盘部108a能够通过使起动器ST旋转来改变卡紧角度。因此，不需要为了改变卡紧角度而重新卡紧，这对铸件的生产率是有利的。卡盘部108a不限于铰接结构，只要结构使卡紧的起动器ST能够绕平行于熔融金属表面MMS的轴线(即，图1中的示例中的y轴)旋转即可。

在此，将参照图3对熔融金属被倾斜地上引的情况进行描述。图3是示出了熔融金属被倾斜地上引的情况的框架形式的放大截面图。图3中的xyz坐标也与图1中的xyz坐标相一致。

如图3中所示，熔融金属表面MMS与上引方向(即，上引速度V的方向)之间的角度是上引角度θ(0°≥θ≥90°)。在此，该上引角度θ也是上引方向与形状确定构件102的上表面(上侧部上的主表面)之间的角度。上引速度V和上引角度θ由通过上引机108沿竖向方向的上引速度Vz以及沿水平方向的移动速度Vxy而确定。在图3中的示例中，上引机108仅沿x轴方向移动，而不沿y轴方向移动。而且，如图3中所示，通过试验证实了凝固界面SIF大致垂直于上引方向。

如由图3中虚线所示的，当上引角度θ减小时，已经穿过形状确定构件102的被保持的熔融金属M2最终相对于形状确定构件102的上表面偏移，使得铸件M3的截面形状不再能够被控制。在试验中，当上引角度θ是30°或更小时，被保持的熔融金属M2与形状确定构件102的上表面之间发生偏移。然而，当上引角度θ是45°或更大时，被保持的熔融金属M2与形状确定构件102之间没有产生偏移。因此，不能够形成熔融金属的上引角度θ是30°或更小的铸件。换言之，通过相关技术的自由铸造装置，存在对铸件能够形成的形状的限制。

相比之下，正如上所述，通过根据第一示例实施方式的自由铸造装置，起动器ST的卡紧角度能够通过上引机108的卡盘部108a改变。因此，通过根据第一示例实施方式的自由铸造装置，如果上引角度θ减小至不发生偏移的预定参考角度(第一角度)，则铸造暂时停止。参考角度优选地大于30°。因此，偏移能够被防止，所以铸件的尺寸准确度也能够得到改善。而且，当重新开始铸造时，起动器ST的卡紧角度被改变，使得熔融金属最初沿竖向方向被上引。随后，重新开始铸造，同时维持该卡紧角度。此外，如果上引角度θ减小至预定参考角度，则重复上述的一系列操作。因此，通过根据第一示例实施方式的自由铸造装置，可以形成不能够通过相关技术的自由铸造装置形成的铸件。

接下来，将参照图4至图8对根据第一示例实施方式的自由铸造方法进行描述。图4至图8是示出了说明根据第一示例实施方式的自由铸造方法的框架形式的截面图。在此，将对铸造具有呈大致L形的纵向截面(即，具有大约90°的弯曲角度)的铸件的情况进行描述。这种铸件不能够通过相关技术的自由铸造装置形成。

首先，通过上引机108经由卡盘部108a来降低起动器ST使得：起动器ST穿过形状确定构件102的熔融金属通道部103，并且起动器ST的末端部被浸入到熔融金属M1中。如图4中所示，具有铰接结构的卡盘部108a以呈直线地打开的方式固定至起动器ST，使得起动器ST的纵向方向是竖向方向。

接下来，起动器ST开始以预定速度被竖向地上引，如图4中所示。在此，即使起动器ST与熔融金属表面MMS分离，也会形成因表面膜和表面张力而跟随起动器ST并从熔融金属表面MMS上引的被保持的熔融金属M2。如图4中所示，被保持的熔融金属M2形成在形状确定构件102的熔融金属通道部103中。换言之，形状确定构件102向被保持的熔融金属M2赋予被保持的熔融金属M2的形状。在此，起动器ST或铸件M3通过冷却气体被冷却，所以被保持的熔融金属M2被间接地冷却并且从上侧朝向下侧相继地凝固，从而形成铸件M3。

接下来，在倾斜地上引熔融金属的同时执行铸造，以便形成弯曲部。在此，上引角度θ随着弯曲部的弯曲角度增大而逐渐地减小。

接下来，当上引角度θ达到预定参考角度时，在维持该上引角度θ的同时与铸件(第一铸件)M3相邻地铸造线性连接部M4，如图6中所示。在铸造了连接部M4之后，连接部M4与被保持的熔融金属M2分离并且铸造暂时停止。连接部M4是这样的部分：该部分不形成产品，而是该部分将在铸造重新开始时被浸入到熔融金属M1中并且再熔化。在此，连接部M4并非必须与被保持的熔融金属M2分离，但是将连接部M4分离使得易于改变卡紧角度，并且因此将连接部M4分离是优选的。

接下来，通过使具有铰接结构的卡盘部108a弯曲，起动器ST绕y轴旋转使得连接部M4的纵向方向与竖向方向对准，如图7中所示。卡盘部108a以该弯曲角度固定。随后，通过上引机108经由卡盘部108a再一次降低起动器ST使得：起动器ST穿过形状确定构件102的熔融金属通道部103，并且连接部M4被浸入到熔融金属M1中。在连接部M4已经熔化之后，以预定速度竖向地上引起动器ST并且铸造重新开始。将连接部M4的纵向方向与竖向方向对准(使连接部M4的纵向方向垂直于熔融金属表面MMS)使连接部M4能够容易地浸入到熔融金属M1中。在铸造重新开始时的上引角度θ(第二角度)并非必须是直角，而是仅需要大于参考角度。而且，起动器ST原则上也可以在连接部M4被浸入到熔融金属M1期间或在连接部M4被浸入到熔融金属M1之后而不是在连接部M4被浸入到熔融金属M1之前绕Y轴旋转。

而且，在倾斜地上引熔融金属的同时执行铸造，以便连续地形成弯曲部，如图8中所示。因此，能够获得由铸件M3和铸件M5(第二铸件)制成的具有大致L形纵向截面的铸件，其中，铸件M3和铸件M5经由接合表面BF一体地连接在一起。

如上所述，通过根据第一示例实施方式的自由铸造方法，通过暂时地停止(中断)铸造并改变起动器ST的夹紧角度，能够形成通过相关技术的自由铸造方法不能够形成的铸件。

(第一示例实施方式的修改示例)

接下来，将参照图9对根据第一示例实施方式的修改示例的自由铸造装置进行描述。图9是根据第一示例实施方式的修改示例的形状确定构件102的平面图。图2中示出的第一示例实施方式的形状确定构件102由一块板形成，所以熔融金属通道部103厚度t1和宽度w1是固定的。相比之下，如图9中所示，根据第一示例实施方式的修改示例的形状确定构件102包括四个矩形形状的形状确定板102a、102b、102c和102d。换言之，根据第一示例实施方式的修改示例的形状确定构件102被分成多个部段。这种结构使熔融金属通道部103的厚度t1和宽度w1能够改变。而且，所述四个矩形形状的形状确定板102a、102b、102c和102d能够沿z轴方向同步地移动。

如图9中所示，形状确定板102a和102b设置成以在x轴方向上排齐的方式面向彼此。而且，形状确定板102a和102b设置成在z轴方向上处于同一高度。形状确定板102a和102b之间的距离确定了熔融金属通道部103的宽度w1。而且，形状确定板102a和102b能够沿x轴方向独立地移动，所以形状确定板102a和102b能够改变宽度w1。如图9中所示，为了测量熔融金属穿过部103的宽度w1，在形状限定板102a上可以设置有激光位移计S1并且在形状限定板102b上可以设置有激光反射板S2。

而且，如图9中所示，形状确定板102c和102d设置成以在y轴方向上排齐的方式面向彼此。而且，形状确定板102c和102d设置成在z轴方向上处于同一高度。形状确定板102c和102d之间的距离确定了熔融金属通道部103的厚度t1。而且，形状确定板102c和102d能够沿x轴方向独立地移动，所以形状确定板102c和102d能够改变厚度t1。形状确定板102a和102b设置成接触形状确定板102c和102d的上表面。

本发明不限于上述的示例实施方式，并且可以在不背离本发明的精神的情况下进行适当地修改。