JP2023032229A - 鋳鉄の凝固潜熱算出方法及び凝固潜熱算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】片状黒鉛鋳鉄における凝固潜熱量を算出する技術を提供する。【解決手段】鋳鉄の溶湯の温度を計測する温度センサ１０（Ｋ熱電対１０）と、鋳鉄の溶湯が凝固する際の温度を温度センサ１０で所定時間計測して記録するデータロガー２０と、鋳鉄の溶湯において相晶出がない場合の所定時間の冷却曲線であるゼロカーブを算出し、データロガー２０で記録した所定期間の鋳鉄の溶湯の温度から鋳鉄の冷却曲線を作成し、作成した冷却曲線を時間微分して作成した冷却速度曲線Ａとゼロカーブを時間微分して得たセロカーブ微分曲線Ｂとの時間毎の差を算出し、算出した差を積分した値に鋳鉄の比熱を乗ずることにより、鋳鉄の単位重量当たりの凝固潜熱を算出する潜熱算出部３０と、を備えた鋳鉄の凝固潜熱算出装置１。【選択図】図１

Description

新規性喪失の例外適用申請有り

本発明は、黒鉛鋳鉄における凝固潜熱を算出する凝固潜熱算出方法及び凝固潜熱算出装置に関する。

従来、熱電対を具備する鋳鉄の溶湯の熱分析用の３個の試料採取容器をそれぞれ冷却曲線作図装置に接続し、第１の試料採取容器にチル化剤を添加して溶湯を注入し、その熱分析よりそのセメンタイト共晶温度（ＴＥＣ）を測定することと、第２の試料採取容器には何らの添加材を加えないで溶湯を注入し、その熱分析から溶湯自体の共晶凝固温度変化を測定することと、さらに第３の容器に溶湯を注入して、その熱分析によって黒鉛共晶温度（ＴＥＧ）を測定することと、溶湯の共晶凝固温度変化の範囲に対するセメンタイト共晶温度（ＴＥＣ）と黒鉛共晶温度（ＴＥＧ）との関係から鋳鉄の溶湯の性状を判定する方法があった（例えば、特許文献１参照）。

特開平８－３１３４６４号公報

ところが、上記従来の技術では、黒鉛鋳鉄の鋳造の際に有効である黒鉛鋳鉄の溶湯の凝固潜熱を算出できないという課題があった。
本発明は、こうした課題に鑑みなされたもので、黒鉛鋳鉄における凝固潜熱を算出する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。なお、本欄における括弧内の参照符号や補足説明等は、本発明の理解を助けるために、後述する実施形態との対応関係を示したものであって、本発明を何ら限定するものではない。

［適用例１］
適用例１に記載の発明は、
鋳鉄の溶湯が凝固する際の温度を温度センサ（１０）で所定時間計測して得られる冷却曲線を時間微分して冷却速度曲線（Ａ）を得る冷却速度曲線取得工程（Ｓ１１０，Ｓ１１５）と、
前記溶湯において相晶出がない場合の前記冷却曲線取得工程（Ｓ１１０，Ｓ１１５）における前記所定時間における冷却曲線であるゼロカーブの時間微分曲線（Ｂ）を得るゼロカーブ微分曲線作成工程（Ｓ１２０）と、
前記冷却曲線取得工程（Ｓ１１０，Ｓ１１５）で得た前記冷却速度曲線（Ａ）と前記ゼロカーブ微分曲線作成工程（Ｓ１２０）で作成したゼロカーブ微分曲線（Ｂ）とを経過時間毎の差を積分した値に前記鋳鉄の比熱を乗ずることにより、前記鋳鉄の単位重量当たりの凝固潜熱を算出する凝固潜熱算出工程（Ｓ１２５）と
により、前記鋳鉄の凝固潜熱を算出することを要旨とする鋳鉄の凝固潜熱算出方法である。

このような鋳鉄の凝固潜熱算出方法では、鋳鉄の溶湯の凝固潜熱を算出することができる。

［適用例２］
適用例２に記載の発明は、
鋳鉄の溶湯の温度を計測する温度センサ（１０）と、
前記鋳鉄の溶湯が凝固する際の温度を前記温度センサ（１０）で所定時間計測して記録するデータ記録部（２０）と、
前記鋳鉄の溶湯において相晶出がない場合の前記所定時間の冷却曲線であるゼロカーブを算出するゼロカーブ算出部（３０）と、
前記データ記録部（２０）で記録した前記所定期間の前記鋳鉄の溶湯の温度から前記鋳鉄の冷却曲線を作成し、該作成した冷却曲線を時間微分して作成した冷却速度曲線（Ａ）と前記ゼロカーブ算出部（３０）で算出した前記ゼロカーブを時間微分して得たセロカーブ微分曲線（Ｂ）との時間毎の差を算出し、該算出した差を積分した値に前記鋳鉄の比熱を乗ずることにより、前記鋳鉄の単位重量当たりの凝固潜熱を算出する凝固潜熱算出部（３０）と、
を備えたことを要旨とする鋳鉄の凝固潜熱算出装置（１）である。

このような鋳鉄の凝固潜熱算出装置（１）では、鋳鉄の溶湯の凝固潜熱を算出することができる。

凝固潜熱算出装置の機能的な構成を示すブロック図である。 潜熱算出処理の流れを示すフローチャートである。 黒鉛鋳鉄の溶湯の凝固時の冷却曲線とその微分曲線の一例を示す図である。 冷却曲線と凝固潜熱の相対値を算出する際の概念図である。 溶湯の化学組織を示す図である。 実測した冷却曲線とそこから得られた各種数値の一例を示す図である。 図６に示す実測範囲に続けて共析温度以下まで計測した冷却曲線の一例を示す図である。 接種量の異なる溶湯におけるＫ熱電対１０近傍の黒鉛組織の写真を二値化したものを示す図である。 図８において示すＫ熱電対１０近傍の凝固中心から最外径部までの連続黒鉛組織を示す図である。 潜熱の移動と最終凝固部の急冷を表すシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明が適用された実施形態について適宜図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

［凝固潜熱算出装置の構成］
図１に基づき、黒鉛鋳鉄の凝固潜熱算出装置１（以下、単に「凝固潜熱算出装置１」とも呼ぶ）の構成について説明する。図１は、凝固潜熱算出装置１の機能的な構成を示すブロック図である。

図１に示すように、凝固潜熱算出装置１は、温度センサ１０、データロガー２０、潜熱算出部３０、入力部４０及び出力部５０を備えている
温度センサ１０は、黒鉛鋳鉄の溶湯の温度を計測するための温度センサであり、本実施形態では、Ｋ熱電対を用いている。

データロガー２０は、温度センサ１０で計測した温度をＡＤ変換してデジタルデータとして記録（格納）するための温度計測用データロガーである。ＡＤ変換器として分解能２０ｂｉｔのものを用いている。

潜熱算出部３０、入力部４０及び出力部５０は、いわゆるパーソナルコンピュータで実現されており、何れも、図示しない演算装置（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏを含む）、ハードディスクなどの外部記憶装置、キーボードやマウスあるいはタッチセンサなどの入力装置（入力部４０に相当）、ディスプレイやプリンタなどの出力装置（出力部５０に相当）を備えている。

［潜熱算出処理］
次に、図２に基づき凝固潜熱算出装置１で実行される潜熱算出処理について説明する。図２は、潜熱算出処理の流れを示すフローチャートである。潜熱算出処理は、プログラムとして潜熱算出部３０のハードディスクに格納され、使用者による潜熱算出処理の開始操作で起動し、終了操作で終了する。

図２に示すように、潜熱算出部３０のＣＰＵは、Ｓ１００において、算出条件設定を行う。算出条件設定では、使用者が黒鉛の溶湯の潜熱算出を行う場合の算出条件を入力装置から設定する。

具体的には、「計測時間」、「溶湯の化学組織（図５参照）」などの項目の入力を促す画面表示を出力装置（ディスプレイ）に表示させ、入力装置（キーボード、マウス）からの入力を待つ。
続くＳ１０５では、すべての項目が入力されたか否かを判定し、入力されたと判定した場合（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、処理をＳ１１０へ移行し、入力されていないと判定した場合（Ｓ１０５：Ｎｏ）、処理をＳ１００へ戻し、算出条件設定を繰り返す。

Ｓ１１０では、Ｓ１０５において設定された算出条件（所定の計測時間）でデータロガー２０によって溶湯の温度を計測させる（冷却速度曲線取得工程に相当）。
続くＳ１１５では、Ｓ１１０においてデータロガー２０で計測した溶湯の温度の計測値を取得し、溶湯の冷却曲線を作成する（冷却速度曲線取得工程に相当）。

ここで、黒鉛の溶湯の冷却曲線について説明する。
黒鉛鋳鉄の溶湯は凝固時に凝固潜熱の放出があり、その潜熱を時間経とともに所定時間に亘って計測して得られた曲線を冷却曲線と呼ぶ。

この冷却曲線には、初晶・共晶等の変曲点が現れる。図３に、２０ｂｉｔの分解能を持つデータロガー２０を使用して温度を計測した場合の冷却曲線とその微分（溶湯の冷却速度）曲線の例を示す。図３において、破線が冷却曲線を示し、実線が冷却速度を示している。

続くＳ１２０では、Ｓ１００において設定された算出条件における溶湯のゼロカーブをとその微分曲線Ｂを算出する（ゼロカーブ微分曲線作成工程に相当）。

ここで、ゼロカーブと凝固潜熱量について説明する。
通常得られる冷却曲線は、系の自然冷却と相晶出時に放出された潜熱とが足し合わされたものである。溶湯の性状を評価する場合において、潜熱の放出タイミング及びその量が大きな要因となると考えられる。系の自然冷却による時間－温度曲線、つまり相晶出が内場合の冷却曲線をゼロカーブと呼び、温度と時間の関数で表される。

ゼロカーブの微分曲線Ｂを式１で表す。式１のＡ、Ｂは、冷却曲線の相晶出がない部分（共晶凝固終了以降）の２点から求められる。溶湯の冷却曲線及びゼロカーブそれぞれの微分曲線Ｂの差を時間で積分した値、つまり、差の部分の面積は温度であり、潜熱量に比例する。冷却曲線の所定の区間（例えば、ピーク値や変曲点の間）で積分することにより、その区間における潜熱量の相対値が単位を℃として算出することができる。
ｄＴ／ｄｔ＝－Ａ・Ｂ・Ｅｘｐ（－Ｂ・ｔ）・・・式１

続くＳ１２５では、Ｓ１１５で作成した溶湯の冷却曲線とＳ１２０で算出したゼロカーブとを時間毎に対比することにより溶湯の潜熱を算出する（凝固潜熱算出工程に相当）。

ここで、図４に基づき、溶湯の潜熱の算出方法について説明する。図４は、冷却曲線と凝固潜熱量の相対値を算出する際の概念図である。図３において、各変曲点間の面積は、周囲の熱影響もあり明確には分けられないが、概ね以下のように考えられる。

凝固潜熱量は、図４において、冷却速度曲線（図４の中で「Ａ」で示す）とゼロカーブの微分曲線（図４の中で「Ｂ」で示す）との時間毎の差を時間で積分した値となる。

図４において、Ｓ_１は初晶潜熱放出の初めから初晶凝固速度のピークまでを示し、初晶γの析出による潜熱を表している。具体的には、冷却速度曲線Ａとゼロカーブの微分曲線Ｂとの差分を、冷却速度曲線Ａとゼロカーブの微分曲線Ｂとが最初に交差する点（時間Ｔ_１）と冷却速度曲線Ａの最初の極小値となる時間Ｔ_２との間で積分した値である。

Ｓ_２は過冷反転温度（Ｔ_ＳＣ）までを計算したものである。Ｓ_２は、Ｓ_２ＰとＳ_２ｅに分けて算出される。

Ｓ_２Ｐは、冷却速度曲線Ａとゼロカーブの微分曲線Ｂとの差分を、時間Ｔ_２と、時間Ｔ_２における冷却曲線の接線が後述する時間Ｔ_３における冷却曲線の値となる時間Ｔ_２１との間で積分した値から、ゼロカーブの微分曲線Ｂを時間Ｔ_２における冷却速度曲線Ａの値まで平行移動させた線とゼロカーブの微分曲線Ｂとが、時間Ｔ_２１との間において形成する平行四辺形の面積を引いた値である。

また、Ｓ_２ｅは、冷却速度曲線Ａとゼロカーブの微分曲線Ｂとの差分を、時間Ｔ_２１からＴ_３までの間積分した値である。

Ｓ_３は再輝速度のピーク値までを計算し、Ｓ_２＋Ｓ_３で黒鉛核の生成による熱量を表している。具体的には、冷却速度曲線Ａとゼロカーブの微分曲線Ｂとの差分を、冷却曲線が２番目の極小値となる時間Ｔ_３と冷却速度曲線Ａが２番目の極大値となる時間Ｔ_４との間で積分した値である。

Ｓ_４は共晶最高温度（Ｔ_ＥＭ）までを計算したものである。具体的には、時間Ｔ_４における冷却速度曲線Ａとゼロカーブの微分曲線Ｂとの差分と、時間Ｔ_４における冷却速度曲線Ａの接線と冷却曲線とが交差する点（時間Ｔ_５）における冷却速度曲線Ａとゼロカーブの微分曲線Ｂとの差分とで形成される台形の面積として算出される値である。

Ｓ_５は、冷却速度曲線Ａとゼロカーブの微分曲線Ｂとの差分を時間Ｔ_５と冷却速度微分値がゼロカーブ微分曲線Ｂと交差する点（時間Ｔ_６）までの間で積分した値であり、Ｓ_４＋Ｓ_５は黒鉛の成長と共晶γの凝固潜熱を表している。

Ｓ_６は冷却速度が自然冷却より早い部分を示し、潜熱量としてはマイナスとなっている。これは、Ｓ_５部の後半ではＫ熱電対１０の近傍（最終凝固部）が周囲の潜熱の放出を受け、溶湯自身が持つ潜熱以上に共晶温度を維持している。つまり、オーバーヒート状態にあることを示している。凝固潜熱放出後、周囲の温度に合わせるため急冷しようとする。つまりこの急冷によりオーバーヒート分の熱収支を合わせていることを示している。

そして、このようにして得られた相対的な凝固潜熱量に黒鉛の溶湯の比熱を乗じることによって凝固潜熱量を算出することができる。
続くＳ１３０では、Ｓ１２５において算出した溶湯の潜熱を出力部５０（ディスプレイやプリンタ）に出力した後に処理を終了する。

［実験結果］
（冷却曲線の計測）
８ｔ／Ｈキュポラから約１５８０℃で連続出湯され、２ｔの前炉で平準化したＦＣ２５０相当の溶湯を、１４００℃で凝固曲線計測用カップに注湯した。カップは、テルル（Ｔｅ）入り、接種なし及び各種接種入りを準備した。このとき使用した溶湯の化学組織を図５に示す。

（実験結果）
図６に実測した冷却曲線とそこから得られた各種数値の一例を示す。セメンタイト共晶温度（Ｔ_ＥＣ）、Ｃ％及びＳｉ％を求めるため、Ｔｅでセメンタイト凝固をさせた冷却曲線も同時に表示している。凝固潜熱量としての各変曲点間の面積も同時に計算している。また、図７には、図６に示す実測範囲に続けて共析温度以下まで計測した冷却曲線の一例を示す。図７（ａ）は計測結果全体のグラフを示し、図７（ｂ）は、共析温度付近を拡大したグラフを示している。共析温度付近でもパーライト析出による潜熱の放出がみられ、これをＳ_７（図７（ｂ））として表示した。

（黒鉛組織観察）
図８に接種量の異なる溶湯におけるＫ熱電対１０近傍の黒鉛組織の写真を二値化したものを示す。また、図９に、図８において示すＫ熱電対１０近傍の凝固中心から最外径部までの連続黒鉛組織を示す。いずれのテストピースにおいても、最徐冷される最終凝固部はＡ型黒鉛中にＤ型黒鉛が斑に分布している。外径側に行くに従いＤ型黒鉛は減少し最外径部では冷却速度が大きいにも関わらずＤ型黒鉛は存在しない。最終凝固部のＤ型黒鉛は、液相が残っているにも関わらず凝固潜熱の放出が終了し、周囲との温度差により急冷され晶出したものであることを明示している。図１０に潜熱の移動と最終凝固部の急冷を表すシミュレーション結果を示す。

（凝固潜熱算出装置の特徴）
上述のような凝固潜熱算出装置１では、黒鉛の溶湯の温度の計測値から得られる冷却曲線から得られる冷却速度曲線Ａとセロカーブ曲線の微分曲線Ｂに基づいて、溶湯の凝固潜熱を算出することができる。

１… 凝固潜熱算出装置 １０… 温度センサ（Ｋ熱電対） ２０… データロガー ３０… 潜熱算出部 ４０… 入力部 ５０… 出力部。

Claims (2)

1. 鋳鉄の溶湯が凝固する際の温度を温度センサで所定時間計測して得られる冷却曲線を時間微分して冷却速度曲線を得る冷却速度曲線取得工程と、
   前記溶湯において相晶出がない場合の前記冷却曲線取得工程における前記所定時間における冷却曲線であるゼロカーブの時間微分曲線を得るゼロカーブ微分曲線作成工程と、
   前記冷却曲線取得工程で得た前記冷却速度曲線と前記ゼロカーブ微分曲線作成工程で作成したゼロカーブ微分曲線とを経過時間毎の差を積分した値に前記鋳鉄の比熱を乗ずることにより、前記鋳鉄の単位重量当たりの凝固潜熱を算出する凝固潜熱算出工程と
   により、前記鋳鉄の凝固潜熱を算出することを特徴とする鋳鉄の凝固潜熱算出方法。
2. 鋳鉄の溶湯の温度を計測する温度センサと、
   前記鋳鉄の溶湯が凝固する際の温度を前記温度センサで所定時間計測して記録するデータ記録部と、
   前記鋳鉄の溶湯において相晶出がない場合の前記所定時間の冷却曲線であるゼロカーブを算出するゼロカーブ算出部と、
   前記データ記録部で記録した前記所定期間の前記鋳鉄の溶湯の温度から前記鋳鉄の冷却曲線を作成し、該作成した冷却曲線を時間微分して作成したと前記冷却速度曲線ゼロカーブ算出部で算出した前記ゼロカーブを時間微分して得たセロカーブ微分曲線との時間毎の差を算出し、該算出した差を積分した値に前記鋳鉄の比熱を乗ずることにより、前記鋳鉄の単位重量当たりの凝固潜熱を算出する凝固潜熱算出部と、
   を備えたことを特徴とする鋳鉄の凝固潜熱算出装置。

Images