WO2015015697A1

WO2015015697A1 - 引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法

Info

Publication number: WO2015015697A1
Application number: PCT/JP2014/003206
Authority: WO
Inventors: 裕生日下; 浩之生田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2016-01-30
Also published as: JP2015027693A

Abstract

　本発明にかかる引上式連続鋳造装置は、溶湯（Ｍ１）を保持する溶湯保持炉（１０１）と、溶湯保持炉（１０１）に保持された溶湯（Ｍ１）の湯面近傍に設置され、湯面から引き上げられた保持溶湯（Ｍ２）に外力を印加することにより、鋳造する鋳物（Ｍ３）の断面形状を規定する形状規定部材（１０２）と、保持溶湯（Ｍ２）が凝固することにより形成された鋳物（Ｍ３）、を冷却する冷却部（１０６）と、冷却部（１０６）と冷却部（１０６）によって冷却されている鋳物（Ｍ３）との距離に基づいて、鋳物（Ｍ３）の外周面に対する冷却部（１０６）の冷却能力を制御する制御部（１１０）と、を備える。

Description

引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法

　本発明は引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法に関する。

　特許文献１には、発明者らにより、鋳型を要しない画期的な連続鋳造方法として、自由鋳造方法が提案されている。特許文献１に示したように、溶融金属（溶湯）の表面（すなわち湯面）にスタータを浸漬させた後、当該スタータを引き上げると、溶湯の表面膜や表面張力によりスタータに追従して溶湯も導出される。ここで、湯面近傍に設置された形状規定部材を介して、溶湯を導出し、冷却することにより、所望の断面形状を有する鋳物を連続鋳造することができる。

　通常の連続鋳造方法では、鋳型によって断面形状とともに長手方向の形状も規定される。とりわけ、連続鋳造方法では、鋳型内を凝固した金属（すなわち鋳物）が通り抜ける必要があるため、鋳造された鋳物は長手方向に直線状に延びた形状となる。
　これに対し、自由鋳造方法における形状規定部材は、鋳物の断面形状のみを規定し、長手方向の形状は規定しない。そして、形状規定部材は、湯面に平行な方向（すなわち水平方向）に移動可能であるから、長手方向の形状が様々な鋳物が得られる。例えば、特許文献１には、長手方向に直線状でなく、ジグザグ状あるいは螺旋状に形成された中空鋳物（すなわちパイプ）が開示されている。

特開２０１２－６１５１８号公報

　発明者は以下の課題を見出した。
　特許文献１に記載の自由鋳造方法では、鋳物の断面形状や長手方向の形状の変化により、鋳物と当該鋳物に冷却ガスを吹き付ける冷却ノズルとの距離が変化してしまうため、鋳物を精度良く冷却することができなかった。それにより、特許文献１に記載の自由鋳造方法では、例えば中空鋳物の厚みを均一にすることができない等、精度の高い鋳物を鋳造することができない、という問題があった。

　本発明は、上記を鑑みなされたものであって、鋳物と冷却部との距離に基づいて冷却部の冷却能力を制御することにより、精度の高い鋳物を鋳造することが可能な引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法を提供することを目的とする。

　本発明の一態様に係る引上式連続鋳造装置は、溶湯を保持する保持炉と、前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、前記湯面から引き上げられた凝固前の前記溶湯である保持溶湯に外力を印加することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、前記保持溶湯が凝固することにより形成された前記鋳物、を冷却する冷却部と、前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御する制御部と、を備えるものである。それにより、鋳物を精度良く冷却することができるため、精度の高い鋳物を鋳造することができる。

　前記制御部は、前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御することが好ましい。

　前記制御部は、前記冷却部から吹き出される冷却ガスの温度を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御することが好ましい。

　前記制御部は、前記冷却部から吹き出される冷却ガスの量を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御することが好ましい。

　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を略同一にすることが好ましい。

　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離に加え、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御することが好ましい。

　前記冷却部は、前記鋳物の外周面を囲むように設けられた、当該鋳物の外周面に冷却ガスを吹き付ける複数の冷却ノズルを備え、前記制御部は、前記複数の冷却ノズルと当該複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物との距離に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を制御することが好ましい。

　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を略同一にすることが好ましい。

　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記複数の冷却ノズルと、前記複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物と、の距離を略同一にすることが好ましい。

　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記複数の冷却ノズルと当該複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物との距離に加え、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を制御することが好ましい。

　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記複数の冷却ノズルと、前記複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物と、の距離を略同一にしたうえで、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記複数の冷却ノズルからそれぞれ吹き出される冷却ガスの温度又は量を制御することが好ましい。

　前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離を計測する計測部をさらに備えることが好ましい。

　前記計測部は、カメラにより、前記冷却部と、当該冷却部によって冷却されている前記鋳物と、の距離を計測することが好ましい。

　前記計測部は、２次元レーザ変位計により、前記冷却部と、当該冷却部によって冷却されている前記鋳物と、の距離を計測することが好ましい。

　本発明の一態様に係る引上式連続鋳造方法は、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を、保持炉に保持された溶湯の湯面近傍に設置するステップと、前記溶湯を引き上げて前記形状規定部材を通過させるステップと、前記形状規定部材を通過した前記溶湯が凝固することにより形成された前記鋳物、を冷却部により冷却するステップと、前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御するステップと、を備えるものである。それにより、鋳物を精度良く冷却することができるため、精度の高い鋳物を鋳造することができる。

　前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御することが好ましい。

　前記冷却部から吹き出される冷却ガスの温度を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御することが好ましい。

　前記冷却部から吹き出される冷却ガスの量を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御することが好ましい。

　引き上げられた凝固前の前記溶湯である保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を略同一にすることが好ましい。

　引き上げられた凝固前の前記溶湯である保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離に加え、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御することが好ましい。

　前記冷却部は、前記鋳物の外周面を囲むように設けられた、当該鋳物の外周面に冷却ガスを吹き付ける複数の冷却ノズルを備え、前記複数の冷却ノズルと当該複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物との距離に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を制御することが好ましい。

　引き上げられた凝固前の前記溶湯である保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を略同一にすることが好ましい。

　前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記複数の冷却ノズルと、前記複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物と、の距離を略同一にすることが好ましい。

　引き上げられた凝固前の前記溶湯である保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記複数の冷却ノズルと当該複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物との距離に加え、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を制御することが好ましい。

　前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記複数の冷却ノズルと、前記複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物と、の距離を略同一にしたうえで、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記複数の冷却ノズルからそれぞれ吹き出される冷却ガスの温度又は量を制御することが好ましい。

　前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離を計測する計測部をさらに設けることが好ましい。

　本発明により、鋳物と冷却部との距離に基づいて冷却部の冷却能力を制御することにより、精度の高い鋳物を鋳造することが可能な引上式連続鋳造装置及び引上式連続鋳造方法を提供することができる。

実施の形態１にかかる自由鋳造装置を示す断面図である。実施の形態１にかかる内部形状規定部材及び外部形状規定部材を示す平面図である。実施の形態１にかかる自由鋳造装置の一部を示す断面図である。実施の形態１にかかる自由鋳造装置の一部を示す断面図である。保持溶湯Ｍ２の引き上げ速度と冷却部の冷却ガスの量との関係を示す図である。実施の形態１にかかる自由鋳造装置の一部の具体的構成例を示す断面図である。実施の形態１にかかる自由鋳造装置の一部の具体的構成例を示す平面図である。実施の形態１にかかる自由鋳造装置の一部の具体的構成例を示す断面図である。実施の形態１にかかる自由鋳造装置の一部の具体的構成例を示す断面図である。関連する技術の一部を示す断面図である。関連する技術の一部を示す断面図である。

　以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
　まず、図１を参照して、実施の形態１に係る自由鋳造装置（引上式連続鋳造装置）について説明する。図１は、実施の形態１に係る自由鋳造装置の構成例を示す断面図である。図１に示すように、実施の形態１に係る自由鋳造装置は、溶湯保持炉（保持炉）１０１、内部形状規定部材１０２ａ、外部形状規定部材１０２ｂ、支持ロッド１０３、１０４、アクチュエータ１０５、冷却部１０６、導出部１０８、支持ロッド１０９、及び、制御部１１０を備えている。

　溶湯保持炉１０１は、例えばアルミニウムやその合金などの溶湯Ｍ１を収容し、所定の温度に保持する。図１の例では、鋳造中に溶湯保持炉１０１へ溶湯を補充しないため、鋳造の進行とともに溶湯Ｍ１の表面（つまり湯面）は低下する。他方、鋳造中に溶湯保持炉１０１へ溶湯を随時補充し、湯面を一定に保持するような構成としてもよい。なお、当然のことながら、溶湯Ｍ１は他のアルミニウム以外の金属や合金であってもよい。

　内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂは、例えばセラミックスやステンレスなどからなり、湯面近傍に配置されている。図１の例では、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂが湯面に接触するように配置されている。しかしながら、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂは、それらの下側（湯面側）の主面が湯面に接触しないように設置されてもよい。具体的には、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの下側の主面と湯面との間に所定の（例えば０．５ｍｍ程度の）ギャップを設けてもよい。

　内部形状規定部材１０２ａは、鋳造する鋳物Ｍ３の内部形状を規定し、外部形状規定部材１０２ｂは、鋳造する鋳物Ｍ３の外部形状を規定する。図１に示した鋳物Ｍ３は、水平方向の断面（以下、横断面と称す）の形状が管状の中空鋳物（つまりパイプ）である。すなわち、より具体的には、内部形状規定部材１０２ａは、鋳物Ｍ３の横断面の内径を規定し、外部形状規定部材１０２ｂは、鋳物Ｍ３の横断面の外径を規定する。

　図２は、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの平面図である。ここで、図１の内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの断面図は、図２のＩ－Ｉ断面図に相当する。図２に示すように、外部形状規定部材１０２ｂは、例えば矩形状の平面形状を有し、中央部に円形状の開口部を有している。内部形状規定部材１０２ａは、円形状の平面形状を有し、外部形状規定部材１０２ｂの開口部の中央部に配置されている。内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの間の間隙が、溶湯が通過する溶湯通過部１０２ｃとなる。このように、内部形状規定部材１０２ａ、外部形状規定部材１０２ｂ、溶湯通過部１０２ｃによって形状規定部材１０２が構成されている。

　導出部１０８は、溶湯Ｍ１に浸漬されるスタータ（導出部材）ＳＴと、スタータＳＴを例えば鉛直方向に駆動する引上機ＰＬ（不図示）と、を有する。

　図１に示すように、溶湯Ｍ１は、浸漬されたスタータＳＴと結合した後、その表面膜や表面張力により外形を維持したままスタータＳＴに追従して引き上げられ、溶湯通過部１０２ｃを通過する。ここで、溶湯Ｍ１の表面膜や表面張力によってスタータＳＴ（又は、スタータＳＴによって導出された溶湯Ｍ１が凝固して形成された鋳物Ｍ３）に追従して湯面から引き上げられた溶湯を保持溶湯Ｍ２と呼ぶ。また、鋳物Ｍ３と保持溶湯Ｍ２との界面が凝固界面である。

　スタータＳＴは、例えばセラミックスやステンレスなどからなる。なお、スタータＳＴの表面は塩結晶等の保護被膜（不図示）で覆われていてもよい。それにより、スタータＳＴと溶湯Ｍ１との溶融結合が抑制されるため、スタータＳＴと鋳物Ｍ３との剥離性を向上させることができる。その結果、スタータＳＴの再利用が可能となる。さらに、スタータＳＴの表面は凹凸形状を有していてもよい。それにより、スタータＳＴの表面に保護被膜を付着（析出）させやすくなるため、スタータＳＴと鋳物Ｍ３との剥離性をさらに向上させることができる。同時に、溶湯導出時のスタータＳＴと溶湯Ｍ１との引上げ方向の結合力を向上させることができる。

　支持ロッド１０３は、内部形状規定部材１０２ａを支持し、支持ロッド１０４は、外部形状規定部材１０２ｂを支持する。支持ロッド１０３、１０４により、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの位置関係を維持することができる。ここで、支持ロッド１０３をパイプ構造とし、これに冷却ガスを流し、さらに内部形状規定部材１０２ａに吹出孔を設ければ、内側からも鋳物Ｍ３を冷却することができる。

　アクチュエータ１０５には、支持ロッド１０３、１０４がともに連結されている。アクチュエータ１０５によって、支持ロッド１０３、１０４は、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂの位置関係を維持したまま、上下方向（鉛直方向）及び水平方向に移動可能である。このような構成により、鋳造の進行による湯面の低下とともに、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを下方向に移動させることができる。また、内部形状規定部材１０２ａ及び外部形状規定部材１０２ｂを水平方向に移動させることができるため、鋳物Ｍ３の長手方向の形状を自由に変化させることができる。

　冷却部１０６は、スタータＳＴや鋳物Ｍ３に冷却ガス（空気、窒素、アルゴンなど）を吹き付け、冷却するためのものである。例えば、冷却部１０６は、凝固界面近傍の鋳物Ｍ３の外周面を囲むように設けられた、冷却ガスを吹き出す複数の冷却ノズル１０７を有している。ここで、スタータＳＴに連結された引上機（不図示）により鋳物Ｍ３を引き上げつつ、冷却ガスによりスタータＳＴや鋳物Ｍ３を冷却することにより、凝固界面近傍の保持溶湯Ｍ２が順次凝固し、連続的に鋳物Ｍ３が形成されていく。

　支持ロッド１０９は、冷却部１０６を支持する。なお、支持ロッド１０９は、制御部１１０に連結されている。

　制御部１１０は、支持ロッド１０９を介して、冷却部１０６を上下方向（鉛直方向）及び水平方向に移動させる機能を有する。それにより、鋳造の進行による湯面の低下とともに、冷却部１０６を下方向に移動させることができる。また、鋳物Ｍ３の断面形状の変化や長手方向の形状の変化に応じて冷却部１０６を水平方向に自由に移動させることができる。

　さらに、制御部１１０は、鋳物Ｍ３の断面形状の変化や長手方向の形状の変化に応じて冷却部１０６から吹き出される冷却ガスの温度や量を制御する機能を有する。

　したがって、制御部１１０は、鋳物Ｍ３の断面形状の変化や長手方向の形状が変化した場合でも、その変化に応じて冷却部１０６と鋳物Ｍ３との距離、冷却部１０６から吹き出される冷却ガスの量、及び、冷却部１０６から吹き出される冷却ガスの温度の少なくとも何れかを制御することにより、鋳物Ｍ３を所望の冷却能力で精度良く冷却することができる。つまり、制御部１１０は、鋳物Ｍ３と冷却部１０６との距離に基づいて鋳物Ｍ３の外周面に対する冷却部１０６の冷却能力を制御することにより、鋳物Ｍ３を所望の冷却能力で精度良く冷却することができる。それにより、凝固界面の高さを一定にすることができるため、中空鋳物の厚みを均一にすることができる。即ち、精度の高い鋳物Ｍ３を鋳造することができる。

　次に、図１を参照して、本実施の形態にかかる自由鋳造方法について説明する。

　まず、スタータＳＴを降下させ、内部形状規定部材１０２ａと外部形状規定部材１０２ｂとの間の溶湯通過部１０２ｃを通して、スタータＳＴを溶湯Ｍ１に浸漬させる。

　次に、所定の速度でスタータＳＴの引き上げを開始する。ここで、スタータＳＴが湯面から離間しても、溶湯Ｍ１は、表面膜や表面張力によってスタータＳＴに追従して湯面から引き上げられ（導出され）保持溶湯Ｍ２を形成する。図１に示すように、保持溶湯Ｍ２は、溶湯通過部１０２ｃに形成される。換言すると、外部形状規定部材１０２ｂにより、保持溶湯Ｍ２に形状が付与される。

　次に、スタータＳＴ及び鋳物Ｍ３は、冷却部１０６に設けられた複数の冷却ノズル１０７から吹き出される冷却ガスにより冷却される。それにより、保持溶湯Ｍ２が上側から下側に向かって順に凝固し、鋳物Ｍ３が成長していく。このようにして、鋳物Ｍ３を連続鋳造することができる。

　ここで、制御部１１０は、鋳物Ｍ３の断面形状や長手方向の形状が変化した場合でも、その変化に応じて（即ち、鋳物Ｍ３と冷却部１０６との距離に基づいて）鋳物Ｍ３の外周面に対する冷却部１０６の冷却能力を制御する。例えば、制御部１１０は、鋳物Ｍ３と複数の冷却ノズル１０７との距離を略同一にすることで、鋳物Ｍ３の外周面に対する冷却部１０６の冷却能力を略同一にする。それにより、鋳物Ｍ３が所望の冷却能力で精度良く冷却される。その結果、凝固界面の高さを一定にすることができるため、中空鋳物の厚みを均一にすることができる。即ち、精度の高い鋳物Ｍ３を鋳造することができる。

　このように、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、冷却部１０６と冷却部１０６によって冷却されている鋳物Ｍ３との距離に基づいて冷却部１０６の冷却能力を制御することにより、鋳物Ｍ３を所望の冷却能力で精度良く冷却することができる。それにより、凝固界面の高さを一定にすることができるため、例えば中空鋳物の厚みを均一にすることができる。即ち、精度の高い鋳物を鋳造することでできる。

　なお、実際には、鋳物Ｍ３と冷却部１０６（複数の冷却ノズル１０７）との距離をカメラや２次元レーザ変位計等を用いて計測する計測部がさらに設けられることが好ましい。

（本実施の形態にかかる自由鋳造装置の具体的動作の一例）
　続いて、図３～図５を参照して、本実施の形態にかかる自由鋳造装置の具体的動作の一例について説明する。

　図３は、本実施の形態にかかる自由鋳造装置の一部を示す断面図である。図３の例では、鋳物Ｍ３の断面形状を固定した状態で、鋳物Ｍ３の長手方向の形状を変化させている。より具体的には、図３の例では、鋳物Ｍ３の断面形状を固定した状態で、鋳物Ｍ３の長手方向の形状を紙面の右側に傾けている（なおｄ３＝ｄ４）。したがって、図３の例では、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度はどの領域でも略同一となっている。より具体的には、内部形状規定部材１０２ａ側に傾く保持溶湯Ｍ２の領域Ａ（紙面の左側の領域）の引き上げ速度と、それに対向する保持溶湯Ｍ２の領域Ｂ（紙面の右側の領域）の引き上げ速度とは、略同一となっている。

　図３の例では、鋳物Ｍ３が紙面の右側に傾くのに伴って、冷却部１０６は紙面の右方向に移動している。それにより、保持溶湯Ｍ２の領域Ａ側に設けられている冷却ノズル１０７と鋳物Ｍ３との距離Ｌ１と、保持溶湯Ｍ２の領域Ｂ側に設けられている冷却ノズル１０７と鋳物Ｍ３との距離Ｌ２とは、略同一となっている。つまり、Ｌ１＝Ｌ２となっている。それにより、領域Ａ側の冷却ノズル１０７の鋳物Ｍ３に対する冷却能力と、領域Ｂ側の冷却ノズル１０７の鋳物Ｍ３に対する冷却能力とは、略同一となる。それにより、領域Ａ，Ｂの凝固界面は同程度の高さとなるため、中空鋳物の厚みを均一にすることができる。即ち、精度の高い鋳物Ｍ３を鋳造することができる。

　図１０は、図３の比較例として、関連する技術の一部を示す断面図である。図１０の例では、基本的には図３の場合と同様の条件で鋳物Ｍ３の鋳造が行われている。ただし、図１０の例では、鋳物Ｍ３が紙面の右側に傾いても、冷却部１０６は水平方向に移動せず固定されている。そのため、保持溶湯Ｍ２の領域Ａ側に設けられている冷却ノズル１０７と鋳物Ｍ３との距離Ｌ１は大きくなり、保持溶湯Ｍ２の領域Ｂ側に設けられている冷却ノズル１０７と鋳物Ｍ３との距離Ｌ２は小さくなっている。つまり、Ｌ１＞Ｌ２となっている。それにより、領域Ａ側の冷却ノズル１０７の鋳物Ｍ３に対する冷却能力は低くなり、領域Ｂ側の冷却ノズル１０７の鋳物Ｍ３に対する冷却能力は高くなる。それにより、保持溶湯Ｍ２の領域Ａでは凝固が進まず凝固界面が高くなり、保持溶湯Ｍ２の領域Ｂでは凝固が進むため凝固界面が低くなる。それにより、保持溶湯Ｍ２の領域Ａが凝固して形成された鋳物Ｍ３の厚みは意図した厚みよりも薄くなり、保持溶湯Ｍ２の領域Ｂが凝固して形成された鋳物Ｍ３の厚みは意図した厚みよりも厚くなってしまう。つまり、図１０の例では、凝固界面の高さを一定にすることができないため、中空鋳物の厚みを均一にすることができない。即ち、精度の高い鋳物Ｍ３を鋳造することができない。

　このように、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度が同じである場合、例えば、複数の冷却ノズル１０７と、複数の冷却ノズル１０７によって冷却されている鋳物Ｍ３と、の距離を略同一にすることで、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を略同一にする。それにより、凝固界面の高さを一定にすることができるため、例えば中空鋳物の厚みを均一にすることができる。即ち、精度の高い鋳物を鋳造することができる。なお、複数の冷却ノズル１０７と、複数の冷却ノズル１０７によって冷却されている鋳物Ｍ３と、の距離を略同一にする代わりに、複数の冷却ノズル１０７から吹き出される冷却ガスの量や温度を調整することで、鋳物Ｍ３の外周面に対する複数の冷却ノズル１０７の冷却能力を略同一にしてもよい。

　次に、図４は、本実施の形態にかかる自由鋳造装置の一部を示す断面図である。図４の例では、所定の曲率Ｒの曲がり形状を有する中空鋳物の鋳造が行われている。中空鋳物の中空の直径は略同一（直径ｄ１＝ｄ２）となっている。したがって、図４の例では、保持溶湯Ｍ２の領域Ａの引き上げ速度は速く、保持溶湯Ｍ２の領域Ｂの引き上げ速度は遅くなっている。

　図４の例では、鋳物Ｍ３が紙面の右側に傾くのに伴って、冷却部１０６は紙面の右方向に移動している。それにより、保持溶湯Ｍ２の領域Ａ側に設けられている冷却ノズル１０７と鋳物Ｍ３との距離Ｌ１と、保持溶湯Ｍ２の領域Ｂ側に設けられている冷却ノズル１０７と鋳物Ｍ３との距離Ｌ２とは、略同一となっている。つまり、Ｌ１＝Ｌ２となっている。さらに、図４の例では、引き上げ速度の速い領域Ａ側の冷却ノズル１０７から吹き出される冷却ガスの量を多くし、引き上げ速度の遅い領域Ｂ側の冷却ノズル１０７から吹き出される冷却ガスの量を少なくしている。それにより、領域Ａ，Ｂの凝固界面が同程度の高さとなるため、中空鋳物の厚みを均一にすることができる。即ち、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度が異なる場合でも、精度の高い鋳物Ｍ３を鋳造することができる。

　図５は、保持溶湯Ｍ２の引き上げ速度と、冷却部１０６の冷却ガスの量（冷却強度）と、の関係を示す図である。図５に示すように、保持溶湯Ｍ２の引き上げ速度が速くなるほど、所定の厚みの鋳物を形成するために必要な冷却ガスの量は大きくなる。また、冷却部１０６と冷却部１０６によって冷却されている鋳物Ｍ３との距離が大きくなるほど、所定の厚みの鋳物を形成するために必要な冷却ガスの量は大きくなる。例えば、制御部１１０は、図５に示すような情報をもとに、冷却部１０６の冷却能力を制御する。

　図１１は、図４の比較例として、関連する技術の一部を示す断面図である。図１１の例では、基本的には図４の場合と同様の条件で鋳物Ｍ３の鋳造が行われている。ただし、図１１の例では、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度が異なっていても、複数の冷却ノズル１０７から吹き出される冷却ガスの量（又は温度）は一定の値に固定されている。それにより、引き上げ速度の速い領域Ａの凝固界面は高くなり、引き上げ速度の遅い領域Ｂの凝固界面は低くなる。それにより、保持溶湯Ｍ２の領域Ａが凝固して形成された鋳物Ｍ３の厚みは意図した厚みよりも薄くなり、保持溶湯Ｍ２の領域Ｂが凝固して形成された鋳物Ｍ３の厚みは意図した厚みよりも厚くなってしまう。つまり、図１１の例では、凝固界面の高さを一定にすることができないため、中空鋳物の厚みを均一にすることができない。即ち、精度の高い鋳物Ｍ３を鋳造することができない。

　このように、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度が異なる場合、冷却部１０６と冷却部１０６によって冷却されている鋳物Ｍ３との距離に加え、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度に基づいて、鋳物Ｍ３の外周面に対する冷却部１０６の冷却能力を制御する。例えば、本実施の形態にかかる自由鋳造装置は、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度が異なる場合、複数の冷却ノズル１０７と、複数の冷却ノズル１０７によって冷却されている鋳物Ｍ３と、の距離を略同一にしたうえで、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度に基づいて、複数の冷却ノズル１０７からそれぞれ吹き出される冷却ガスの量又は温度を制御する。それにより、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度が異なる場合でも、凝固界面の高さを一定にすることができるため、例えば中空鋳物の厚みを均一にすることができる。即ち、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度が異なる場合でも、精度の高い鋳物Ｍ３を鋳造することができる。なお、複数の冷却ノズル１０７と、複数の冷却ノズル１０７によって冷却されている鋳物Ｍ３と、の距離を略同一にする代わりに、複数の冷却ノズルからそれぞれ吹き出される冷却ガスの量又は温度を調整することで、凝固界面の高さを一定にしてもよい。

（本実施の形態にかかる自由鋳造装置の具体的構成の一例）
　続いて、図６～図９を参照して、本実施の形態にかかる自由鋳造装置の具体的構成の一例について説明する。

　図６及び図７は、本実施の形態にかかる自由鋳造装置の一部の具体的構成例を示す断面図及び平面図である。なお、図６及び図７に示す自由鋳造装置は、図３にて説明した動作、即ち、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度が同じである場合の動作を実現するための具体的構成例である。

　図６及び図７の例では、計測部１１１と、複数の冷却ノズル１０７を支持する支持部材１１２と、がさらに設けられている。図７に示すように、支持部材１１２は、平面視上、鋳物Ｍ３の断面形状に応じた形状を有している。具体的には、支持部材１１２は、平面視上、鋳物Ｍ３の外周面を囲むようにリング形状を有している。そして、支持部材１１２には、吹き出し口を鋳物Ｍ３に向けた複数（本例では４個）の冷却ノズル１０７が一定間隔で配置されている。また、図６に示すように、支持部材１１２は、複数の冷却ノズル１０７が同一水平面上に位置するように、支持ロッド１０９によって支持されている。

　計測部１１１は、例えば、カメラを用いて水平面上の２方向（例えば、ｘ軸方向及びｙ軸方向）から鋳物Ｍ３を連続撮影し、撮影された画像をもとに、鋳物Ｍ３と複数の冷却ノズル１０７との距離を計測する。そして、制御部１１０は、計測部１１１による計測結果に基づいて、複数の冷却ノズル１０７と鋳物Ｍ３との距離が略同一となるように（鋳物Ｍ３が複数の冷却ノズル１０７の中央に位置するように）支持部材１１２を水平方向に移動させる。

　あるいは、計測部１１１は、例えば、２次元レーザ変位計を用いて水平面上の２方向（例えば、ｘ軸方向及びｙ軸方向）から鋳物Ｍ３の位置を測定し、その測定結果をもとに、鋳物Ｍ３と複数の冷却ノズル１０７との距離を計測する。そして、制御部１１０は、計測部１１１による計測結果に基づいて、複数の冷却ノズル１０７と鋳物Ｍ３との距離が略同一となるように（鋳物Ｍ３が複数の冷却ノズル１０７の中央に位置するように）支持部材１１２を水平方向に移動させる。

　かかる構成により、図３にて説明した動作を実現することができる。

　次に、図８及び図９は、本実施の形態にかかる自由鋳造装置の一部の具体的構成例を示す断面図及び平面図である。なお、図８及び図９に示す自由鋳造装置は、図４にて説明した動作、即ち、保持溶湯Ｍ２の外周面の引き上げ速度が異なる場合の動作を実現するための具体的構成例である。

　図８及び図９に示す自由鋳造装置の基本構成については、図６及び図７に示す自由鋳造装置と同様であるため、説明を省略する。ここで、図８及び図９の例では、引き上げ速度が速い保持溶湯Ｍ２の領域Ａ側の冷却ノズル１０７（紙面の左側に位置する冷却ノズル）の冷却ガスの量を多くし、引き上げ速度が遅い保持溶湯Ｍ２の領域Ｂ側の冷却ノズル１０７（紙面の右側に位置する冷却ノズル）の冷却ガスの量を少なくする。それにより、凝固界面の高さを一定にしている。

　なお、図９に示すように、鋳物Ｍ３の断面形状が楕円になってしまった場合には、複数の冷却ノズル１０７と鋳物Ｍ３との距離を略同一にすることができない。その場合には、冷却ノズル１０７の冷却ガスの量又は温度を調整することで、凝固界面の高さを一定にする。

　かかる構成により、図４にて説明した動作を実現することができる。

　以上のように、上記実施の形態にかかる自由鋳造装置は、冷却部１０６と冷却部１０６によって冷却されている鋳物Ｍ３との距離に基づいて、鋳物Ｍ３の外周面に対する冷却部１０６の冷却能力を制御することにより、鋳物Ｍ３を所望の冷却能力で精度良く冷却することができる。それにより、凝固界面の高さを一定にすることができるため、例えば中空鋳物の厚みを均一にすることができる。即ち、精度の高い鋳物を鋳造することでできる。

　なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

　上記実施の形態では、円筒形状の鋳物を鋳造する場合を例に説明したが、これに限られない。円柱形状、角筒形状、角柱形状等のその他の形状の鋳物を鋳造する場合にも、本発明を適用可能である。

　この出願は、２０１３年７月３０日に出願された日本出願特願２０１３－１５８２０６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　１０１　溶湯保持炉
　１０２　形状規定部材
　１０２ａ　内部形状規定部材
　１０２ｂ　外部形状規定部材
　１０２ｃ　溶湯通過部
　１０３　支持ロッド
　１０４　支持ロッド
　１０５　アクチュエータ
　１０６　冷却部
　１０７　冷却ノズル
　１０８　導出部
　１０９　支持ロッド
　１１０　制御部
　１１１　計測部
　１１２　支持部材
　Ａ１，Ａ２　保持溶湯Ｍ２の領域
　Ｍ１　溶湯
　Ｍ２　保持溶湯
　Ｍ３　鋳物
　ＳＴ　スタータ

Claims

　溶湯を保持する保持炉と、
　前記保持炉に保持された前記溶湯の湯面近傍に設置され、前記湯面から引き上げられた凝固前の前記溶湯である保持溶湯に外力を印加することにより、鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材と、
　前記保持溶湯が凝固することにより形成された前記鋳物、を冷却する冷却部と、
　前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御する制御部と、を備えた、引上式連続鋳造装置。
　前記制御部は、前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御する、請求項１に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記制御部は、前記冷却部から吹き出される冷却ガスの温度を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御する、請求項１又は２に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記制御部は、前記冷却部から吹き出される冷却ガスの量を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御する、請求項１～３の何れか一項に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を略同一にする、請求項１～４の何れか一項に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離に加え、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御する、請求項１～４の何れか一項に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記冷却部は、
　前記鋳物の外周面を囲むように設けられた、当該鋳物の外周面に冷却ガスを吹き付ける複数の冷却ノズルを備え、
　前記制御部は、前記複数の冷却ノズルと当該複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物との距離に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を制御する、請求項１～４の何れか一項に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を略同一にする、請求項７に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記複数の冷却ノズルと、前記複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物と、の距離を略同一にする、請求項８に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記複数の冷却ノズルと当該複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物との距離に加え、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を制御する、請求項７に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記制御部は、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記複数の冷却ノズルと、前記複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物と、の距離を略同一にしたうえで、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記複数の冷却ノズルからそれぞれ吹き出される冷却ガスの温度又は量を制御する、請求項１０に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離を計測する計測部をさらに備えた、請求項１～１１の何れか一項に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記計測部は、カメラにより、前記冷却部と、当該冷却部によって冷却されている前記鋳物と、の距離を計測する、請求項１２に記載の引上式連続鋳造装置。
　前記計測部は、２次元レーザ変位計により、前記冷却部と、当該冷却部によって冷却されている前記鋳物と、の距離を計測する、請求項１２に記載の引上式連続鋳造装置。
　鋳造する鋳物の断面形状を規定する形状規定部材を、保持炉に保持された溶湯の湯面近傍に設置するステップと、
　前記溶湯を引き上げて前記形状規定部材を通過させるステップと、
　前記形状規定部材を通過した前記溶湯が凝固することにより形成された前記鋳物、を冷却部により冷却するステップと、
　前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御するステップと、を備えた、引上式連続鋳造方法。
　前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御する、請求項１５に記載の引上式連続鋳造方法。
　前記冷却部から吹き出される冷却ガスの温度を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御する、請求項１５又は１６に記載の引上式連続鋳造方法。
　前記冷却部から吹き出される冷却ガスの量を制御することで、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御する、請求項１５～１７の何れか一項に記載の引上式連続鋳造方法。
　引き上げられた凝固前の前記溶湯である保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を略同一にする、請求項１５～１８の何れか一項に記載の引上式連続鋳造方法。
　引き上げられた凝固前の前記溶湯である保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離に加え、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記冷却部の冷却能力を制御する、請求項１５～１８の何れか一項に記載の引上式連続鋳造方法。
　前記冷却部は、
　前記鋳物の外周面を囲むように設けられた、当該鋳物の外周面に冷却ガスを吹き付ける複数の冷却ノズルを備え、
　前記複数の冷却ノズルと当該複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物との距離に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を制御する、請求項１５～１８の何れか一項に記載の引上式連続鋳造方法。
　引き上げられた凝固前の前記溶湯である保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を略同一にする、請求項２１に記載の引上式連続鋳造方法。
　前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が同じである場合、前記複数の冷却ノズルと、前記複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物と、の距離を略同一にする、請求項２２に記載の引上式連続鋳造方法。
　引き上げられた凝固前の前記溶湯である保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記複数の冷却ノズルと当該複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物との距離に加え、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記鋳物の外周面に対する前記複数の冷却ノズルの冷却能力を制御する、請求項２１に記載の引上式連続鋳造方法。
　前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度が異なる場合、前記複数の冷却ノズルと、前記複数の冷却ノズルによって冷却されている前記鋳物と、の距離を略同一にしたうえで、前記保持溶湯の外周面の引き上げ速度に基づいて、前記複数の冷却ノズルからそれぞれ吹き出される冷却ガスの温度又は量を制御する、請求項２４に記載の引上式連続鋳造方法。
　前記冷却部と当該冷却部によって冷却されている前記鋳物との距離を計測する計測部をさらに設ける、請求項１５～２５の何れか一項に記載の引上式連続鋳造方法。
　前記計測部は、カメラにより、前記冷却部と、当該冷却部によって冷却されている前記鋳物と、の距離を計測する、請求項２６に記載の引上式連続鋳造方法。
　前記計測部は、２次元レーザ変位計により、前記冷却部と、当該冷却部によって冷却されている前記鋳物と、の距離を計測する、請求項２６に記載の引上式連続鋳造方法。