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JP7789554B2 - Apparatus, method, and program for manufacturing metal ingots - Google Patents
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JP7789554B2 - Apparatus, method, and program for manufacturing metal ingots - Google Patents

Apparatus, method, and program for manufacturing metal ingots

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JP7789554B2 JP2021212547A JP2021212547A JP7789554B2 JP 7789554 B2 JP7789554 B2 JP 7789554B2 JP 2021212547 A JP2021212547 A JP 2021212547A JP 2021212547 A JP2021212547 A JP 2021212547A JP 7789554 B2 JP7789554 B2 JP 7789554B2
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Description

本発明の実施形態の一つは、チタンなどの金属のインゴット(鋳塊)を製造するための装置、方法、およびプログラムに関する。 One embodiment of the present invention relates to an apparatus, method, and program for producing ingots of metals such as titanium.

金属のインゴットを製造する方法の一つとして、溶解鋳造法が挙げられる。この方法では、原料となる金属単体または合金の粉体、ペレット、ワイヤー、スポンジ、ブリケット、プレート、またはビレットなどを溶解することで得られる液体状態の金属(溶湯)を鋳型に注入し、凝固することで鋳型の形状を反映したインゴットが得られる。例えば特許文献1では、原料であるチタン合金に電子ビームを照射して溶湯を形成し、溶湯を円筒状の鋳型に注入・冷却することで円柱形状を有するチタン合金のインゴットが製造できることが開示されている。 One method for producing metal ingots is the melting and casting method. In this method, raw materials such as powder, pellets, wire, sponge, briquette, plate, or billet of a metal or alloy are melted to produce a liquid metal (molten metal), which is then poured into a mold and solidified to produce an ingot that reflects the shape of the mold. For example, Patent Document 1 discloses that a cylindrical titanium alloy ingot can be produced by irradiating the raw material titanium alloy with an electron beam to form a molten metal, which is then poured into a cylindrical mold and cooled.

特開2020-204055号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-204055

本発明の実施形態の一つは、金属単体または合金のインゴットを製造するための新規な装置と方法、およびこの方法を実行するためのプログラムを提供することを課題の一つとする。例えば、本発明の実施形態の一つは、溶解鋳造法を適用し、高品質の金属インゴットを選択的に製造・提供するための装置と方法、およびこの方法を実行するためのプログラムを提供することを課題の一つとする。 One embodiment of the present invention aims to provide a novel apparatus and method for producing ingots of metal or alloy, and a program for executing this method. For example, one embodiment of the present invention aims to provide an apparatus and method for selectively producing and providing high-quality metal ingots by applying a melting and casting method, and a program for executing this method.

本発明に係る実施形態の一つは、金属インゴットを製造するための装置である。この装置は、チャンバー、ハース、鋳型、撮像装置、および制御装置を備える。ハースはチャンバー内に配置され、金属を含む原料を受け取る。鋳型もチャンバー内に配置され、ハース内で形成される金属の溶湯が注入される。撮像装置は、チャンバー外に配置され、鋳型の動画像を取得するように構成される。制御装置は、取得された動画像に基づいて、溶湯と固体状の金属を識別するように構成される。 One embodiment of the present invention is an apparatus for producing metal ingots. The apparatus includes a chamber, a hearth, a mold, an imaging device, and a control device. The hearth is disposed within the chamber and receives raw material containing metal. The mold is also disposed within the chamber and is poured with molten metal formed in the hearth. The imaging device is disposed outside the chamber and configured to capture video images of the mold. The control device is configured to distinguish between molten metal and solid metal based on the captured video images.

本発明に係る実施形態の一つは、上記装置を利用する、金属インゴットの製造方法である。 One embodiment of the present invention is a method for manufacturing metal ingots using the above-mentioned apparatus.

すなわち、上記製造方法は、チャンバー内に配置されるハース内で金属を含む原料を溶解して溶湯を形成すること、チャンバー内において溶湯を鋳型に注入すること、チャンバー外に備えられる撮像装置を用いて鋳型の動画像を取得すること、および動画像に基づき、溶湯と固体状の金属を識別することを含む。 That is, the above manufacturing method includes melting raw materials containing metal in a hearth placed inside a chamber to form a molten metal, pouring the molten metal into a mold inside the chamber, capturing video images of the mold using an imaging device installed outside the chamber, and distinguishing between the molten metal and solid metal based on the video images.

本発明に係る実施形態の一つは、プログラムである。このプログラムは、金属の溶湯を鋳型に注入して金属インゴットを製造するための製造装置に備えられる撮像装置に接続される制御装置に対し、撮像装置を介して鋳型の動画像を取得すること、および取得された動画像に基づいて、溶湯と固体状の金属を識別することを実行させるように構成される。 One embodiment of the present invention is a program. This program is configured to cause a control device connected to an imaging device provided in a manufacturing apparatus for producing metal ingots by pouring molten metal into a mold to acquire video images of the mold via the imaging device and to distinguish between molten metal and solid metal based on the acquired video images.

本発明に係る実施形態の一つは、上記プログラムが記録されたコンピュータ可読記憶媒体である。 One embodiment of the present invention is a computer-readable storage medium on which the above program is recorded.

本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造装置のブロック図。1 is a block diagram of a metal ingot manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造装置の模式的端面図。1 is a schematic end view of an apparatus for producing a metal ingot according to one embodiment of the present invention; 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造装置の模式的端面図。1 is a schematic end view of an apparatus for producing a metal ingot according to one embodiment of the present invention; 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造装置の模式的上面図。1 is a schematic top view of an apparatus for manufacturing a metal ingot according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法を示すフローチャート。1 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a metal ingot according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法を説明する模式的斜視図。1 is a schematic perspective view illustrating a method for manufacturing a metal ingot according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法を説明する模式的斜視図。1 is a schematic perspective view illustrating a method for manufacturing a metal ingot according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法を説明する模式的斜視図。1 is a schematic perspective view illustrating a method for manufacturing a metal ingot according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法を説明する模式図。1A to 1C are schematic diagrams illustrating a method for manufacturing a metal ingot according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法を説明する模式図。1A to 1C are schematic diagrams illustrating a method for manufacturing a metal ingot according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法を説明する模式図。1A to 1C are schematic diagrams illustrating a method for manufacturing a metal ingot according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法を説明する模式図。1A to 1C are schematic diagrams illustrating a method for manufacturing a metal ingot according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法を説明する模式図。1A to 1C are schematic diagrams illustrating a method for manufacturing a metal ingot according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法を説明する模式図。1A to 1C are schematic diagrams illustrating a method for manufacturing a metal ingot according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法を説明する模式図。1A to 1C are schematic diagrams illustrating a method for manufacturing a metal ingot according to one embodiment of the present invention. 実施例における評価領域とサブ領域を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing an evaluation area and sub-areas in an embodiment.

以下、本発明の各実施形態について、図面などを参照しつつ説明する。ただし、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Each embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings, etc. However, the present invention can be embodied in various forms without departing from the spirit of the invention, and should not be construed as being limited to the description of the embodiments exemplified below.

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状などについて模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。符号が付された要素の一部を表記する際には、符号に小文字のアルファベットが添えられる。同一または類似の構造を有する複数の要素をそれぞれ区別して表記する際には、符号の後にハイフンと自然数を付す。同一または類似の構造を有する複数の要素を纏めて表記する際には、符号のみを用いる。 In order to clarify the explanation, the drawings may show the width, thickness, shape, etc. of each part schematically compared to the actual embodiment, but this is merely an example and does not limit the interpretation of the present invention. In this specification and each drawing, elements with the same function as those explained in the previous drawing may be given the same reference numeral, and duplicate explanations may be omitted. When describing part of a reference numeral, a lowercase letter is added to the reference numeral. When describing multiple elements with the same or similar structure to distinguish them from each other, a hyphen and a natural number are added after the reference numeral. When describing multiple elements with the same or similar structure collectively, only the reference numeral is used.

ここで、溶解とは液体に気体、液体、固体が混合して均一な液相を形成する現象であるが、以下の記載においては、固体が液体へ変化する現象である溶融を包含する用語として使用する。 Here, dissolution refers to the phenomenon in which gas, liquid, and solid mix in a liquid to form a uniform liquid phase, but in the following description, it is used as a term that also encompasses melting, the phenomenon in which a solid changes into a liquid.

1.金属インゴットの製造装置
1-1.概要
まず、本発明の実施形態の一つに係る製造装置100について説明する。製造装置100は溶解鋳造法で金属単体または合金のインゴット(以下、金属単体のインゴットと合金のインゴットを総じて金属インゴットと記す。)を製造するための装置であり、金属(0価の金属)を含む原料に対して熱エネルギーを供給することによって加熱・溶解し、得られる溶湯を鋳型に注入するように構成される。溶湯が鋳型内で冷却されることで、金属インゴットが得られる。原料の加熱は熱源を用いて行われる。熱源としては、電子銃やプラズマトーチが挙げられる。前者を用いる場合には電子銃から放出される電子ビームにより、後者を用いる場合にはプラズマトーチから放出されるアーク放電により熱エネルギーが供給される。前者の方法は電子ビーム溶解鋳造法と呼ばれ、後者の方法はプラズマアーク溶解鋳造法と呼ばれる。以下、熱源として電子銃を用いる電子ビーム溶解鋳造法について記述するが、本発明の実施形態の一つは、熱源としてプラズマトーチを用いるプラズマアーク溶解鋳造法にも適用することができる。
1. Metal Ingot Manufacturing Apparatus 1-1. Overview First, a manufacturing apparatus 100 according to one embodiment of the present invention will be described. The manufacturing apparatus 100 is an apparatus for manufacturing elemental metal or alloy ingots (hereinafter, elemental metal ingots and alloy ingots will be collectively referred to as metal ingots) using a melting and casting method. It is configured to heat and melt a raw material containing a metal (a zero-valent metal) by supplying thermal energy, and then pour the resulting molten metal into a mold. The molten metal is cooled in the mold to produce a metal ingot. The raw material is heated using a heat source. Examples of heat sources include an electron gun and a plasma torch. In the former case, thermal energy is supplied by an electron beam emitted from the electron gun, and in the latter case, thermal energy is supplied by an arc discharge emitted from a plasma torch. The former method is called electron beam melting and casting, and the latter method is called plasma arc melting and casting. Below, we will describe electron beam melting and casting, which uses an electron gun as a heat source. However, one embodiment of the present invention can also be applied to plasma arc melting and casting, which uses a plasma torch as a heat source.

製造装置100で使用可能な金属に制約はなく、チタン、銅、ニッケル、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、タングステン、モリブデン、タンタル、またはこれらの金属から選択される金属を含む合金など、様々な金属を含む原料を取り扱うことができる。原料の形状にも制約はなく、粉体状、ペレット状、棒状、ワイヤー状、プレート状の原料だけでなく、例えば金属を切削加工する際に副生し、様々な形状の原料が混在する金属屑を原料として用いてもよい。原料の密度も任意であり、例えばチタンを含む原料を用いる場合には、クロール法またはハンター法などに例示される四塩化チタンの還元で生じるスポンジチタンを用いてもよい。なお、チタンを含む金属は、チタン単体だけでなく、チタン-アルミニウム合金などのチタン合金を含む。 There are no restrictions on the metals that can be used with the manufacturing apparatus 100, and it can handle raw materials containing a variety of metals, such as titanium, copper, nickel, aluminum, zirconium, hafnium, tungsten, molybdenum, tantalum, or alloys containing metals selected from these metals. There are also no restrictions on the shape of the raw materials, and raw materials can be in powder, pellet, rod, wire, or plate form, as well as metal scrap, which is a by-product of metal cutting and contains a mixture of raw materials of various shapes. The density of the raw materials is also arbitrary. For example, when using raw materials containing titanium, sponge titanium produced by the reduction of titanium tetrachloride, as exemplified by the Kroll process or Hunter process, can be used. Note that metals containing titanium include not only pure titanium, but also titanium alloys such as titanium-aluminum alloys.

図1は製造装置100のブロック図であり、図2は製造装置100の模式的な端面図である。図1に示すように、製造装置100は、溶解炉110と制御装置160を含む。制御装置160は、図示しないアプリケーションプログラミングインターフェースを介して溶解炉110または溶解炉110に設けられる少なくとも一つの構成(後述)に接続され、溶解炉110の機能の全てまたは一部を制御するように構成してもよい。あるいは、制御装置160と溶解炉110は互いに非接続の独立した装置であってもよい。 Figure 1 is a block diagram of the manufacturing apparatus 100, and Figure 2 is a schematic end view of the manufacturing apparatus 100. As shown in Figure 1, the manufacturing apparatus 100 includes a melting furnace 110 and a control device 160. The control device 160 may be connected to the melting furnace 110 or at least one component (described below) provided in the melting furnace 110 via an application programming interface (not shown), and may be configured to control all or part of the functions of the melting furnace 110. Alternatively, the control device 160 and the melting furnace 110 may be independent devices that are not connected to each other.

1-2.溶解炉
図2に示すように、溶解炉110は、主な構成として、原料を溶解・凝固するための空間を提供するチャンバー112、チャンバー112内に設けられるハース120、鋳型124、一つまたは複数の電子銃140、一つまたは複数の電子銃142、およびチャンバー112外に設けられる撮像装置150を有する。溶解炉110はさらに、金属を含む原料104が充填されたドラムフィーダ114や、チャンバー112内を減圧するための排気装置(真空ポンプ)116、ドラムフィーダ114から供給される原料104をハース120へ輸送するための振動フィーダ118などを設けることができる。排気装置116により、チャンバー112内を0.01Pa以下の減圧雰囲気にすることができ、これにより、活性の高い金属、例えば溶解状態で容易に酸素や窒素と反応するチタンなどの金属を取り扱うことができる。振動フィーダ118は、ハース120側がドラムフィーダ114側よりも低くなるように設けられ、図示しない振動装置に連結される。このため、例えばドラムフィーダ114を回転させて原料104を振動フィーダ118へ供給し、振動フィーダ118を振動させることで原料104をハース120に搬送することができる。
1-2. Melting Furnace As shown in FIG. 2 , the melting furnace 110 primarily comprises a chamber 112 providing a space for melting and solidifying the raw materials, a hearth 120 installed within the chamber 112, a mold 124, one or more electron guns 140, one or more electron guns 142, and an imaging device 150 installed outside the chamber 112. The melting furnace 110 may further include a drum feeder 114 filled with metal-containing raw materials 104, an exhaust device (vacuum pump) 116 for reducing the pressure inside the chamber 112, and a vibrating feeder 118 for transporting the raw materials 104 supplied from the drum feeder 114 to the hearth 120. The exhaust device 116 creates a reduced pressure atmosphere of 0.01 Pa or less inside the chamber 112, making it possible to handle highly reactive metals, such as titanium, which readily reacts with oxygen and nitrogen in the molten state. The vibrating feeder 118 is installed so that the hearth 120 side is lower than the drum feeder 114 side and is connected to a vibrating device (not shown). Therefore, for example, the drum feeder 114 can be rotated to supply the raw material 104 to the vibrating feeder 118 , and the vibrating feeder 118 can be vibrated to transport the raw material 104 to the hearth 120 .

電子銃140は、ハース120に供給された原料104に熱エネルギーを供給する熱源である。図示しないが、電子銃140は、熱電子を発生させるためのフィラメント、および電子ビームを偏向させるための磁石を基本構成として備える。磁石の磁界を制御することで電子ビームの照射方向が制御され、電子ビームをハース120上で走査することができる。電子ビームによって供給されるエネルギーによって原料104に含まれる金属が溶解し、溶湯106が形成される。 The electron gun 140 is a heat source that supplies thermal energy to the raw material 104 supplied to the hearth 120. Although not shown, the electron gun 140 basically comprises a filament for generating thermoelectrons and a magnet for deflecting the electron beam. By controlling the magnetic field of the magnet, the irradiation direction of the electron beam can be controlled, allowing the electron beam to be scanned over the hearth 120. The energy supplied by the electron beam melts the metal contained in the raw material 104, forming molten metal 106.

ハース120は、原料104と溶湯を保持し、溶湯を鋳型124に供給するように構成される。このため、図2には示されないが、ハース120には溶湯106を鋳型124に注ぐための注ぎ口が鋳型124と重なるように設けられる。また、ハース120は、その上方で溶解された原料を受け取るように構成されてもよい。さらに、ハース120上には、予め原料に含まれる金属を溶解・凝固することで得られるスカル122が形成されていてもよい。スカル122は溶湯106の流路としても機能するが、一部を再溶解して溶湯106の供給源として機能させてもよい。 The hearth 120 is configured to hold the raw materials 104 and the molten metal, and to supply the molten metal to the mold 124. For this reason, although not shown in FIG. 2, the hearth 120 is provided with a spout that overlaps with the mold 124 for pouring the molten metal 106 into the mold 124. The hearth 120 may also be configured to receive molten raw materials above it. Furthermore, a skull 122 may be formed on the hearth 120 in advance by melting and solidifying the metal contained in the raw materials. The skull 122 also functions as a flow path for the molten metal 106, but a portion of it may also be re-melted to function as a supply source for the molten metal 106.

鋳型124は、ハース120内で形成された溶湯106を受容する容器であり、ハース120の注ぎ口の下に配置される。鋳型124の数に制約はなく、一つまたは複数の鋳型124をチャンバー112内に配置してもよい。ハース120の注ぎ口の数は、鋳型124の数と同数またはそれ以上になるように設けられる。鋳型124は、例えば銅などの熱伝導率の高い金属を用いて構成される。任意の構成として、鋳型124は鋳型124を冷却するための流路126を有していてもよい。流路126に水、エチレングリコールやプロピレングリコールなどのグリコール類、エタノールやイソプロパノールなどのアルコール類、テトラデカフルオロヘキサンやパーフルオロ2-ブチルテトラヒドロフランなどのフッ素含有化合物、シリコンオイル、ビフェニルとジフェニルエーテルの混合物などの常温で固体の芳香族化合物などに例示される冷却媒体を環流させることで、鋳型124に注入された溶湯106を効果的に冷却することができる。 The mold 124 is a container that receives the molten metal 106 formed in the hearth 120 and is positioned below the spout of the hearth 120. There is no limit to the number of molds 124; one or more molds 124 may be positioned within the chamber 112. The number of spouts on the hearth 120 may be equal to or greater than the number of molds 124. The mold 124 is constructed using a metal with high thermal conductivity, such as copper. Optionally, the mold 124 may have a flow path 126 for cooling the mold 124. The molten metal 106 poured into the mold 124 can be effectively cooled by circulating a cooling medium through the flow path 126, such as water, glycols such as ethylene glycol and propylene glycol, alcohols such as ethanol and isopropanol, fluorine-containing compounds such as tetradecafluorohexane and perfluoro-2-butyltetrahydrofuran, silicone oil, or aromatic compounds that are solid at room temperature, such as a mixture of biphenyl and diphenyl ether.

鋳型124の形状にも制約はなく、鋳型124の水平断面の形状、より詳細には水平断面における内壁の形状は矩形などの多角形でもよく、あるいは円であってもよい。水平断面が矩形や円の内壁を有する鋳型124を用いることで、それぞれ直方体と円柱の金属インゴット108が得られる。さらに、鋳型124の内壁の水平断面は楕円でもよく、あるいは直線と曲線によって構成されていてもよい。鋳型124の大きさにも制約はなく、例えば水平断面の面積が1500cm以上15000cm以下になるように適宜設定すればよい。 There are no restrictions on the shape of the mold 124, and the horizontal cross-sectional shape of the mold 124, more specifically, the shape of the inner wall in the horizontal cross-section, may be polygonal, such as rectangular, or may be circular. By using a mold 124 having an inner wall with a rectangular or circular horizontal cross-section, rectangular parallelepiped and cylindrical metal ingots 108 can be obtained, respectively. Furthermore, the horizontal cross-section of the inner wall of the mold 124 may be elliptical, or may be composed of straight lines and curves. There are also no restrictions on the size of the mold 124, and it may be appropriately set so that the area of the horizontal cross-section is, for example, between 1,500 cm2 and 15,000 cm2 .

鋳型124の底部には、底蓋として機能するダブテール128が設けられ、ダブテール128には図示しない引出機構が接続される。ダブテール128上にはスタブとも呼ばれるスターティングブロック130が形成されてもよい。スターティングブロック130は、鋳造に供される原料104に含まれる金属を含み、ダブテール128上に溶湯106を流し込み、その後凝固させることで形成される。 A dovetail 128, which functions as a bottom cover, is provided at the bottom of the mold 124, and a withdrawal mechanism (not shown) is connected to the dovetail 128. A starting block 130, also known as a stub, may be formed on the dovetail 128. The starting block 130 contains metal contained in the raw material 104 to be cast, and is formed by pouring molten metal 106 onto the dovetail 128 and then solidifying it.

スターティングブロック130には、直接、またはダブテール128を介して図示しない引き抜き機構が接続される。鋳型124に注入された溶湯106はダブテール128側やスターティングブロック130側から凝固を開始するため、引き抜き機構を利用してダブテール128および/またはスターティングブロック130を鋳型124から下方向(図2の直線矢印参照)引き抜くことで、溶湯106が鋳型124内で凝固した部分を金属インゴット108として得ることができる。なお、スターティングブロック130は、溶湯106が凝固する際に一体化され、金属インゴット108の一部を構成してもよい。他方、金属インゴット108の鋳造後においてスターティングブロック130を切断除去しても構わない。 A withdrawal mechanism (not shown) is connected to the starting block 130 either directly or via the dovetail 128. The molten metal 106 poured into the mold 124 begins to solidify from the dovetail 128 side or the starting block 130 side. Therefore, by using the withdrawal mechanism to withdraw the dovetail 128 and/or starting block 130 downward from the mold 124 (see the straight arrow in Figure 2), the portion of the molten metal 106 that has solidified within the mold 124 can be obtained as a metal ingot 108. Note that the starting block 130 may be integrated with the molten metal 106 as it solidifies, forming part of the metal ingot 108. Alternatively, the starting block 130 may be cut and removed after the metal ingot 108 has been cast.

任意の構成として、チャンバー112は金属インゴット108を冷却するための冷却管134を備えてもよい。冷却管134は、スターティングブロック130や得られる金属インゴット108を囲むように設けられる。鋳型124と同様、冷却管134も熱伝導率の高い銅などの金属を含むことが好ましい。冷却管134にも冷却媒体を環流させるための流路136を設けてもよい。 Optionally, the chamber 112 may include a cooling pipe 134 for cooling the metal ingot 108. The cooling pipe 134 is arranged to surround the starting block 130 and the resulting metal ingot 108. Like the mold 124, the cooling pipe 134 preferably contains a metal with high thermal conductivity, such as copper. The cooling pipe 134 may also be provided with a flow path 136 for circulating a cooling medium.

電子銃142は、電子銃140とは異なり、鋳型124内の溶湯106に電子ビームを照射するように配置される。電子銃142を配置することで、溶湯106の温度を調整し、凝固速度を制御することができる。また、意図せず蒸着物(後述)が鋳型124内の溶湯に落下した場合、当該蒸着物を溶解させることにも電子銃142を使用できる。電子銃140と同様、電子銃142もフィラメントと磁石を備える。磁石の磁界を制御することで、溶湯106を含む任意の対象物に電子ビームを選択的に照射することが可能となる。 Unlike electron gun 140, electron gun 142 is positioned so that it irradiates the molten metal 106 in mold 124 with an electron beam. By positioning electron gun 142, the temperature of molten metal 106 can be adjusted and the solidification rate can be controlled. In addition, if a deposit (described below) unintentionally falls into the molten metal in mold 124, electron gun 142 can also be used to melt the deposit. Like electron gun 140, electron gun 142 also has a filament and a magnet. By controlling the magnetic field of the magnet, it is possible to selectively irradiate any target, including molten metal 106, with an electron beam.

撮像装置150としては、例えば電荷結合素子(CCD)または相補性金属酸化膜半導体(CMOS)素子を含む撮像装置などが例示される。撮像装置150は、鋳型124の上面の動画像を取得するように配置される。より具体的には、鋳型124の全体、および鋳型124内の溶湯106の動画像を取得するように配置される。よって、後述する評価領域、さらにはサブ領域を含むように撮像装置150を予め配置することもできる。また、ハース120の鋳型124側の壁面や注ぎ口も同時に撮像できるように撮像装置150を配置してもよい。これにより、金属インゴット108の製造過程において鋳型124や鋳型124内の溶湯106、ハース120の一部などの動画像を同時に取得することができる。 Examples of the imaging device 150 include an imaging device including a charge-coupled device (CCD) or a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) device. The imaging device 150 is positioned to capture moving images of the top surface of the mold 124. More specifically, it is positioned to capture moving images of the entire mold 124 and the molten metal 106 within the mold 124. Therefore, the imaging device 150 can be positioned in advance to include the evaluation area and even sub-areas described below. The imaging device 150 may also be positioned so that it can simultaneously capture images of the wall surface and spout of the hearth 120 facing the mold 124. This makes it possible to simultaneously capture moving images of the mold 124, the molten metal 106 within the mold 124, and a portion of the hearth 120 during the manufacturing process of the metal ingot 108.

撮像装置150が取得する動画像は、複数のフレーム画像によって構成される。換言すると、撮像装置150は、静止画像であるフレーム画像を連続的に取得し、得られる複数のフレーム画像によって一つの動画像が構成される。フレーム画像の取得間隔(フレーム間隔)にも制約はなく、例えば0.1秒(1秒あたりに取得されるフレーム画像数が10)以上10秒(1秒あたりに取得されるフレーム画像数が0.1)以下の範囲から適宜選択すればよい。なお、動画像は溶湯と固体状の金属との識別に使用される複数のフレーム画像を含めばよい。動画像は、例えば、フレーム画像の明るさ調整を行ったときのものなど、溶湯と固体状の金属との識別に使用される複数のフレーム画像以外のフレーム画像を含むこともある。 The moving image acquired by the imaging device 150 is composed of multiple frame images. In other words, the imaging device 150 continuously acquires frame images, which are still images, and the multiple frame images obtained compose a single moving image. There are no restrictions on the interval between frame images (frame interval), and it may be selected appropriately from a range of, for example, 0.1 seconds (10 frame images acquired per second) to 10 seconds (0.1 frame images acquired per second). Note that the moving image only needs to include multiple frame images used to distinguish between molten metal and solid metal. The moving image may also include frame images other than the multiple frame images used to distinguish between molten metal and solid metal, for example, when the brightness of the frame images has been adjusted.

図3Aに、撮像装置150とその近傍の模式的な端面図を示す。チャンバー112の上部には開口部が形成され、窓152が開口部に設けられてよい。窓152は、ガラス、石英ガラス、および鉛ガラスのうち一つまたは複数を含み、例えば石英ガラスと鉛ガラスの積層でもよい。撮像装置150は、窓152を介して鋳型124の上面の画像を取得できるように配置されてよい。 Figure 3A shows a schematic end view of the imaging device 150 and its vicinity. An opening may be formed in the top of the chamber 112, and a window 152 may be provided in the opening. The window 152 may include one or more of glass, quartz glass, and lead glass, and may be, for example, a laminate of quartz glass and lead glass. The imaging device 150 may be positioned so that it can capture an image of the top surface of the mold 124 through the window 152.

開口部が設けられる位置は任意に設定することができる。ただし、チャンバー112内で原料104を溶解させると、金属の種類によっては一部が蒸発し、その結果、チャンバー112の内壁や窓152の内側に金属が堆積することがある。特に鉛直方向で鋳型124と重なる位置は溶湯から蒸発する金属が堆積しやすい。このため、図2に示すように、開口部を鋳型124やハース120などと鉛直方向において重ならない位置に設けることが好ましい。したがって、撮像装置150も、鋳型124やハース120と重ならないように配置され、開口部を通して鋳型124に対して斜めの方向から撮像することが好ましい(図3A参照。)。すなわち、撮像装置150のレンズの光軸が鉛直方向から傾くように撮像装置150を配置することが好ましい。 The position where the opening is provided can be set arbitrarily. However, when the raw material 104 is melted in the chamber 112, some of the metal may evaporate, resulting in metal deposition on the inner walls of the chamber 112 or the inside of the window 152. Metal evaporating from the molten metal is particularly likely to deposit at positions that overlap the mold 124 vertically. For this reason, as shown in FIG. 2, it is preferable to provide the opening at a position that does not overlap the mold 124 or hearth 120 vertically. Therefore, it is preferable that the imaging device 150 is also positioned so that it does not overlap the mold 124 or hearth 120, and that it captures an image through the opening from an oblique direction relative to the mold 124 (see FIG. 3A). In other words, it is preferable to position the imaging device 150 so that the optical axis of the lens of the imaging device 150 is tilted from the vertical direction.

図3A、図3Bに示すように、窓152と重なる防着板154を任意の構成としてチャンバー112内に設けてもよい。防着板154はほぼ円形の形状を有する金属板である。防着板154を設けることで、金属の蒸気が窓152に付着することが抑制され、その結果、金属の堆積が防止され、窓152の透明度を長時間に亘って維持することができる。撮像装置150による鋳型124の撮像を可能にするため、防着板154に一つまたは複数の開口154aを設け、図示しないモータなどによって回転させてもよい。開口154aの形状も任意であり、開口154aと撮像装置150が重なる際に鋳型124を撮像できるように形成すればよい。例えば開口154aは円形でもよく、矩形でもよい。開口154aを複数設ける場合、その配置は任意であり、例えば防着板154の中心に対して対称に配置すればよい。また、防着板154の回転方向に沿って等間隔に複数の開口154aを配置してもよい。撮像装置150は、開口154aが撮像装置150と重なる時にフレーム画像を取得するように構成される。なお、開口154aはスリットでもよい。 As shown in Figures 3A and 3B, an adhesion prevention plate 154 overlapping the window 152 may be provided in the chamber 112 in any configuration. The adhesion prevention plate 154 is a metal plate having an approximately circular shape. By providing the adhesion prevention plate 154, metal vapor is prevented from adhering to the window 152, thereby preventing metal deposition and maintaining the transparency of the window 152 for an extended period of time. To enable the imaging device 150 to capture images of the mold 124, one or more openings 154a may be provided in the adhesion prevention plate 154, which may be rotated by a motor (not shown). The shape of the opening 154a may also be arbitrary, as long as it is formed so that the mold 124 can be captured when the opening 154a and the imaging device 150 overlap. For example, the opening 154a may be circular or rectangular. If multiple openings 154a are provided, they may be arranged in any configuration, for example, symmetrically about the center of the adhesion prevention plate 154. Alternatively, multiple openings 154a may be arranged at equal intervals along the rotation direction of the attachment prevention plate 154. The imaging device 150 is configured to capture a frame image when the openings 154a overlap with the imaging device 150. The openings 154a may be slits.

さらに任意の構成として、防着板154とともに、あるいは防着板154に替わり、窓152の内側にアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスを吹き付けるためのノズル156をチャンバー112に設けてもよい(図2)。ノズル156はチャンバー112外に設けられる不活性ガス供給源(図示しない)と接続される。原料を溶解する際、不活性ガス供給源から不活性ガスを窓152の内側へ供給することで、金属蒸気の窓152への付着が抑制されるため、窓152の透明度が維持される。 As an optional configuration, a nozzle 156 for spraying an inert gas such as argon or helium onto the inside of the window 152 may be provided in the chamber 112 in addition to or instead of the adhesion prevention plate 154 (Figure 2). The nozzle 156 is connected to an inert gas supply source (not shown) provided outside the chamber 112. When the raw materials are melted, supplying inert gas from the inert gas supply source to the inside of the window 152 prevents metal vapor from adhering to the window 152, thereby maintaining the transparency of the window 152.

図示しないが、チャンバー112内に不活性ガスを導入するためのガス導入口をさらに設けてもよい。ガス導入口にも不活性ガス供給源が接続される。 Although not shown, a gas inlet may also be provided for introducing an inert gas into the chamber 112. An inert gas supply source is also connected to the gas inlet.

1-2.制御装置
制御装置160は通信機能と計算機能を有するコンピュータであり、ノート型、または据え置き型のコンピュータでもよく、あるいはタブレットコンピュータなどの携帯型通信端末でもよい。制御装置160は、インターネットのような外部ネットワーク、あるいはLAN(Local Area Network)などの内部ネットワークを介してチャンバー112、またはチャンバー112に設けられる構成の全て若しくは一部(例えば電子銃142や撮像装置150など)と接続される。
The control device 160 is a computer having communication and calculation functions, and may be a notebook or desktop computer, or may be a portable communication terminal such as a tablet computer. The control device 160 is connected to the chamber 112 or all or part of the components provided in the chamber 112 (e.g., the electron gun 142, the imaging device 150, etc.) via an external network such as the Internet or an internal network such as a LAN (Local Area Network).

図1のブロック図に示すように、制御装置160には、制御装置160の動作を制御する制御部162に加え、制御部162によって制御される入力部164、出力部166、送受信部168、記憶部170、音声出力部172、入力ポート174などが設けられる。記憶部170には、制御装置160を動作させるための基本アプリケーションプログラムとともに、後述する金属インゴット108の製造方法を実施するためのプログラムが格納される。制御部162は中央演算ユニット(CPU)などのプロセッサを備え、記憶部170に格納される基本アプリケーションプログラムや上記プログラムを動作させて制御装置160で実行される各種処理を制御する。入力部164は制御装置160に命令や情報を入力する際に用いられるユーザインターフェースであり、典型的にはキーボードやタッチパネル、マウス、またはこれらの組み合わせが挙げられる。出力部166は記憶部170に格納された各種データを画像や印刷物として提供するものであり、液晶表示装置や有機電界発光表示装置などの表示装置、あるいはプリンタなどの出力デバイスである。送受信部168は、ネットワークを介して溶解炉110またはそれに設けられる構成との通信を行う機能を有する。例えば送受信部168は、撮像装置150で取得された画像を受信するとともに、電子銃140、142など、チャンバー112に設けられる構成に対して信号を送信するように構成してもよい。音声出力部172は種々の音を発生する機能を有するスピーカーである。入力ポート174は、撮像装置150または撮像装置150に装着されるメモリカードなどの記憶媒体と物理的に接続されることができる有線インターフェースである。制御装置160と溶解炉110が接続されない場合でも、撮像装置150または記憶媒体を入力ポート174を介して制御装置160に接続することで、取得された動画像を読み込み、記憶部170に格納することができる。 As shown in the block diagram of FIG. 1, the control device 160 includes a control unit 162 that controls the operation of the control device 160, as well as an input unit 164, output unit 166, transceiver unit 168, memory unit 170, audio output unit 172, input port 174, and other components controlled by the control unit 162. The memory unit 170 stores a basic application program for operating the control device 160, as well as a program for implementing the manufacturing method for metal ingot 108 described below. The control unit 162 includes a processor such as a central processing unit (CPU), and controls various processes executed by the control device 160 by running the basic application program and the above programs stored in the memory unit 170. The input unit 164 is a user interface used to input commands and information to the control device 160, and typically includes a keyboard, touch panel, mouse, or a combination of these. The output unit 166 provides various data stored in the memory unit 170 as images or printed matter, and is an output device such as a display device such as a liquid crystal display device or an organic electroluminescent display device, or a printer. The transceiver 168 has the function of communicating with the melting furnace 110 or components provided therein via a network. For example, the transceiver 168 may be configured to receive images captured by the imaging device 150 and transmit signals to components provided in the chamber 112, such as the electron guns 140 and 142. The audio output unit 172 is a speaker capable of generating various sounds. The input port 174 is a wired interface that can be physically connected to the imaging device 150 or a storage medium, such as a memory card, attached to the imaging device 150. Even if the control device 160 and the melting furnace 110 are not connected, the captured video images can be read and stored in the storage unit 170 by connecting the imaging device 150 or a storage medium to the control device 160 via the input port 174.

図1のブロック図では、溶解炉110に備えられるドラムフィーダ114や排気装置116、振動フィーダ118、電子銃140と142、および撮像装置150の全てが制御装置160によって制御される例が示されている。しかしながら、制御装置160はこれらの構成の全てを制御する必要は無く、例えば撮像装置150のみを制御・操作するように構成されてもよい。あるいは、制御装置160は撮像装置150のみに接続され、撮像装置150で取得された動画像のデータを受信または格納し、そのデータを処理するように構成されてもよい。この場合には、他の構成、例えばドラムフィーダ114や振動フィーダ118、排気装置116、引き抜き機構(図示しない)、電子銃140、142などは制御装置160から独立した制御システムによって制御・操作すればよい。あるいは、上述したように、制御装置160は溶解炉110に接続されず、独立してもよい。この場合、入力ポート174を介して撮像装置150で取得された動画像が制御装置160に入力される。 The block diagram in FIG. 1 shows an example in which the drum feeder 114, exhaust device 116, vibrating feeder 118, electron guns 140 and 142, and image capture device 150 provided in the melting furnace 110 are all controlled by the control device 160. However, the control device 160 does not need to control all of these components; for example, it may be configured to control and operate only the image capture device 150. Alternatively, the control device 160 may be connected only to the image capture device 150 and configured to receive or store video image data captured by the image capture device 150 and process that data. In this case, other components, such as the drum feeder 114, vibrating feeder 118, exhaust device 116, extraction mechanism (not shown), and electron guns 140 and 142, may be controlled and operated by a control system independent of the control device 160. Alternatively, as described above, the control device 160 may be independent and not connected to the melting furnace 110. In this case, video images captured by the image capture device 150 are input to the control device 160 via the input port 174.

上述したように、溶解鋳造法による金属インゴット108の製造工程では、ハース120や鋳型124内の高温の溶湯106から金属が徐々に蒸発することがある。金属の蒸気がハース120の側壁、チャンバー112の天井や内壁などに付着すると冷却され、金属が析出・堆積する。このような堆積物は、液体状態の溶湯106と異なって固体状の金属であり、蒸着物と呼ばれる。蒸着物の堆積が進むと、蒸着物が鋳型124やハース120内の溶湯106に落下することがある。落下した蒸着物が再度溶解すれば溶湯106と均一に混ざり合うため、均一な密度や組成を有する金属インゴット108が得られる。しかしながら、蒸着物が完全に溶解しない場合、溶湯106の冷却過程において蒸着物は固体状態を維持し、蒸着物を取り込むように溶湯106が凝固する。蒸着物の密度は、溶湯106が凝固して得られる金属インゴット108の密度よりも小さい。このため、取り込まれた蒸着物は、金属インゴット108中に局所的に密度の小さい欠陥を作り出す。このような欠陥は低密度介在物(LDI:Low Density Inclusions)と呼ばれる。LDIが金属インゴット108中に存在すると、LDIは金属インゴット108の圧延後に表面疵として現れ、材料として致命的な欠陥を引き起こす。また、金属インゴット108の製造後、内部にLDIが存在するかどうかを判断するのは必ずしも容易ではない。 As described above, during the process of manufacturing metal ingots 108 using the melting and casting method, metal may gradually evaporate from the high-temperature molten metal 106 in the hearth 120 or mold 124. When the metal vapor adheres to the sidewalls of the hearth 120, the ceiling, or the inner walls of the chamber 112, it cools and the metal precipitates and deposits. These deposits are solid metal, unlike the liquid molten metal 106, and are called deposits. As the deposit deposition progresses, it may fall into the molten metal 106 in the mold 124 or hearth 120. If the fallen deposit remelts, it mixes uniformly with the molten metal 106, resulting in a metal ingot 108 with uniform density and composition. However, if the deposit does not completely melt, it remains solid during the cooling process of the molten metal 106, and the molten metal 106 solidifies, incorporating the deposit. The density of the deposit is lower than the density of the metal ingot 108 obtained when the molten metal 106 solidifies. As a result, the trapped deposits create locally low-density defects in the metal ingot 108. These defects are called low-density inclusions (LDIs). If LDIs are present in the metal ingot 108, they appear as surface defects after the metal ingot 108 is rolled, causing fatal defects in the material. Furthermore, it is not always easy to determine whether LDIs are present inside the metal ingot 108 after it has been manufactured.

以下に詳述するように、製造装置100を用いることにより、溶解鋳造法による金属インゴット108の製造工程において蒸着物を容易にかつ速やかに検出することができる。このため、蒸着物が溶湯106内に混入しても、その挙動を詳細に追跡することができ、蒸着物による影響を確実に把握することができる。その結果、LDIを含む、または含む可能性の高い金属インゴット108を除去し、良品の金属インゴット108のみを確実に確保・提供することが可能となる。 As described in detail below, by using the manufacturing apparatus 100, deposits can be easily and quickly detected during the manufacturing process of metal ingots 108 using the melting and casting method. Therefore, even if deposits are mixed into the molten metal 106, their behavior can be tracked in detail, and the effects of the deposits can be reliably understood. As a result, metal ingots 108 that contain or are likely to contain LDI can be removed, making it possible to reliably secure and provide only non-defective metal ingots 108.

2.金属インゴットの製造方法
以下、製造装置100を用いる金属インゴットの製造方法について説明する。図4は、本発明の実施形態の一つに係る金属インゴットの製造方法の一例を示すフローチャートである。
2. Metal Ingot Manufacturing Method Hereinafter, a description will be given of a metal ingot manufacturing method using the manufacturing apparatus 100. Fig. 4 is a flowchart showing an example of a metal ingot manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

2-1.原料からの溶湯の形成
まず、チャンバー112内の雰囲気を適宜調整する。例えば排気装置116を用い、チャンバー112内を減圧状態にしてもよい。チタンなどの溶解状態で高い反応性を示す金属を含む原料104を用いる場合には、チャンバー112内を0.001Pa~0.005Paの圧力に調整することが好ましい。溶解状態における反応性が低い金属を含む原料104を用いる場合には、チャンバー112内の雰囲気は空気でもよく、あるいはガス導入口から導入された不活性ガスでもよい。
2-1. Formation of Molten Metal from Raw Materials First, the atmosphere in the chamber 112 is adjusted appropriately. For example, the exhaust device 116 may be used to reduce the pressure in the chamber 112. When using raw materials 104 containing a metal that exhibits high reactivity in a molten state, such as titanium, it is preferable to adjust the pressure in the chamber 112 to 0.001 Pa to 0.005 Pa. When using raw materials 104 containing a metal that exhibits low reactivity in a molten state, the atmosphere in the chamber 112 may be air, or may be an inert gas introduced through a gas inlet.

引き続き、ドラムフィーダ114から振動フィーダ118へ原料104を導入する(S1、図2)。例えば原料104が充填されたドラムフィーダ114を用い、ドラムフィーダ114を回転させて原料104を振動フィーダ118へ落下させればよい(図2、曲線矢印参照。)。振動フィーダ118には図示しない振動装置が設けられ、振動フィーダの振動により原料104がハース120側へ移動し、最終的にハース120内に供給される。 Next, the raw material 104 is introduced from the drum feeder 114 into the vibrating feeder 118 (S1, Figure 2). For example, the drum feeder 114 filled with the raw material 104 can be used, and the drum feeder 114 can be rotated to drop the raw material 104 into the vibrating feeder 118 (see the curved arrow in Figure 2). The vibrating feeder 118 is equipped with a vibrating device (not shown), and the vibration of the vibrating feeder moves the raw material 104 towards the hearth 120, where it is ultimately supplied into the hearth 120.

この後、一つまたは複数の電子銃140を用い、原料104に電子ビームが照射されるよう、電子ビームをハース120上で走査する。これにより、原料104に含まれる金属が溶解し、溶湯106が形成される(S2)。溶湯106が一定量貯まるとハース120の注ぎ口から溶湯106が流出し、鋳型124へ注入される(S3)。鋳型124への溶湯106の供給速度は、原料104の供給量と電子ビームの強度を適宜制御することで調節することができる。なお、溶湯106を鋳型124に注入する前に鋳型124の底部には予めダブテール128を配置してもよい。あるいは、ダブテール128とその上に形成されたスターティングブロック130を配置してもよく(図2参照)、ダブテール128に替わってスターティングブロック130のみを単独で配置してもよい。スターティングブロック130が配置される場合、溶湯106は凝固する際にスターティングブロック130と一体化し金属インゴット108が形成される。 Then, one or more electron guns 140 are used to scan an electron beam over the hearth 120 so that the raw material 104 is irradiated with the electron beam. This melts the metal contained in the raw material 104, forming the molten metal 106 (S2). When a certain amount of the molten metal 106 has accumulated, it flows out of the spout of the hearth 120 and is poured into the mold 124 (S3). The rate at which the molten metal 106 is supplied to the mold 124 can be adjusted by appropriately controlling the amount of raw material 104 supplied and the intensity of the electron beam. Note that a dovetail 128 may be placed at the bottom of the mold 124 before the molten metal 106 is poured into the mold 124. Alternatively, the dovetail 128 and a starting block 130 formed on top of it may be placed (see Figure 2), or the starting block 130 alone may be placed instead of the dovetail 128. When the starting block 130 is placed, the molten metal 106 solidifies and becomes integrated with the starting block 130 to form a metal ingot 108.

鋳型124に供給された溶湯106の表面にも電子銃142から射出される電子ビームを走査してもよい。電子銃142からの電子ビームの強度や走査速度を適宜制御することで、凝固速度を調節することができる。 The electron beam emitted from the electron gun 142 may also be scanned over the surface of the molten metal 106 supplied to the mold 124. The solidification rate can be adjusted by appropriately controlling the intensity and scanning speed of the electron beam from the electron gun 142.

溶湯106の注入後、ダブテール128および/またはスターティングブロック130を下方向にスライドさせて鋳型124から金属インゴット108を引き出す。引出速度は、例えば0.5t/hから4t/hの範囲から適宜設定すればよい。これにより、金属インゴット108を得ることができる。 After the molten metal 106 is poured, the dovetail 128 and/or starting block 130 is slid downward to withdraw the metal ingot 108 from the mold 124. The withdrawal speed may be set appropriately within the range of, for example, 0.5 t/h to 4 t/h. In this way, the metal ingot 108 can be obtained.

2-2.動画像の取得
蒸着物の検出のため、鋳型124の動画像を撮像装置150を用いて取得する。上述したように、好ましくは、撮像装置150は、鉛直方向においてハース120や鋳型124とは重ならず、溶湯106の表面に対して斜めの方向から撮像できるように予め配置される(図2、図3A参照)。このとき、図5Aに示すように、鋳型124の内壁の上面視形状が矩形である場合、撮像装置150は、そのレンズの光軸が鋳型124の短辺方向と交差または直交するように配置してもよく、あるいは図5Bに示すように、鋳型124の長手方向と交差または直交するように配置してもよい。撮像装置150は、少なくとも鋳型124と溶湯106の表面の全体の動画像が取得できるように配置され、好ましくはさらにハース120の注ぎ口120aおよび/または鋳型124側の側壁120bが動画像に含まれるように配置する(図6参照。)。なお、チャンバー112に鋳型124が複数配置される場合には、各鋳型124に対応する撮像装置150を用いてもよく、あるいは複数の鋳型124を一つの撮像装置150を用いて動画像を取得してもよい。
2-2. Acquisition of Moving Images To detect deposits, moving images of the mold 124 are acquired using the imaging device 150. As described above, the imaging device 150 is preferably positioned in advance so that it does not overlap the hearth 120 or the mold 124 in the vertical direction and can capture images from an oblique direction relative to the surface of the molten metal 106 (see FIGS. 2 and 3A). In this case, if the inner wall of the mold 124 has a rectangular shape in top view, as shown in FIG. 5A, the imaging device 150 may be positioned so that the optical axis of its lens intersects or is perpendicular to the short side of the mold 124, or so that it intersects or is perpendicular to the longitudinal direction of the mold 124, as shown in FIG. 5B. The imaging device 150 is positioned so that moving images of at least the entire surfaces of the mold 124 and the molten metal 106 can be acquired, and preferably is further positioned so that the spout 120a of the hearth 120 and/or the side wall 120b on the mold 124 side are included in the moving images (see FIG. 6). In addition, when multiple molds 124 are placed in the chamber 112, an imaging device 150 corresponding to each mold 124 may be used, or a single imaging device 150 may be used to capture moving images of multiple molds 124.

動画像の取得は任意のタイミングで開始でき、例えば、電子銃142からの電子ビームの照射を開始した後に開始してもよく、鋳型124内に溶湯106が形成された後に開始してもよく、あるいはダブテール128および/またはスターティングブロック130の鋳型124からの引き抜きを開始した後に開始してもよい。また、ハレーションを防ぐため、各フレーム画像を取得する際には、電子銃142からの電子ビームの照射を一時的に停止してもよい。 Capturing moving images can begin at any timing; for example, it may begin after irradiation of the electron beam from the electron gun 142 has begun, after the molten metal 106 has formed in the mold 124, or after the dovetail 128 and/or starting block 130 has begun to be removed from the mold 124. Furthermore, to prevent halation, irradiation of the electron beam from the electron gun 142 may be temporarily stopped when acquiring each frame image.

上述したように、動画像は、連続的に取得された静止画像である複数のフレーム画像によって構成される。各フレーム画像は、複数の列と複数の行で構成されるマトリクス形状に配置されるデータポイントのそれぞれの座標と階調データの組み合わせの集合として取得される。各データポイントは、最も暗い第0階調から最も明るい第255階調の合計256の階調から選択される階調として表現される。なお、この画像を表示装置のディスプレイ上で表示する場合には、各データポイントは画素に対応し、その階調が輝度として表現される。すなわち、256段階の異なる輝度を与える画素の集合体として鋳型124や溶湯106の画像がディスプレイ上で視認される。 As described above, a moving image is composed of multiple frame images, which are still images captured continuously. Each frame image is captured as a set of combinations of coordinates and grayscale data for data points arranged in a matrix of multiple columns and rows. Each data point is expressed as a grayscale selected from a total of 256 grayscales, ranging from the darkest grayscale 0 to the brightest grayscale 255. When this image is displayed on a display device, each data point corresponds to a pixel, and the grayscale is expressed as brightness. In other words, the image of the mold 124 or molten metal 106 is viewed on the display as a collection of pixels providing 256 different levels of brightness.

ここで、後の評価対象となるフレーム画像を取得する前に、撮像装置150の絞りや減光フィルタ(NDフィルタ)などを用いてフレーム画像の明るさ調整を行う(S4)。具体的には、各フレーム画像において、溶湯106に対応するデータポイントの平均階調が一定の範囲内の階調(基準階調)となるように明るさ調整を行う。基準階調は、例えば第120階調から第200階調の範囲から適宜選択すればよい。上述したように、溶解鋳造法では、溶湯106から金属の蒸気が発生して堆積し、蒸着物を形成するが、蒸着物が撮像用の窓152に付着して窓152が曇ると、窓152を通過する光量が徐々に低下する。このため、動画像の階調が全体として徐々に低下し、画質が低下することがある。また、後述するように、フレーム画像において蒸着物は溶湯106と比較して低階調の領域として表現される。このため、フレーム画像の取得前に明るさ調整を行って溶湯106に対応するデータポイントの階調を一定レベル以上に確保することで、フレーム画像の品質の低下を防ぎ、蒸着物を階調の低いデータポイントの集合としてより確実に検出することができる。明るさ調整は、各フレーム画像を取得する都度行ってもよく、複数のフレーム画像ごとに行ってもよい。あるいは、一定時間ごとに明るさ調整を行ってもよい。また、平均階調として、後述する評価領域に対応するデータポイントの階調の平均を採用してもよい。さらに、蒸着物がない状態で階調の平均を取得してもよい。 Before acquiring the frame images to be evaluated later, the brightness of the frame images is adjusted using the aperture of the imaging device 150, a neutral density filter (ND filter), or the like (S4). Specifically, brightness is adjusted so that the average gradation of the data points corresponding to the molten metal 106 in each frame image falls within a certain range (reference gradation). The reference gradation may be appropriately selected, for example, from the range of 120 to 200 gradations. As described above, in the melting and casting process, metal vapor is generated from the molten metal 106 and accumulates to form a deposit. However, if the deposit adheres to the imaging window 152 and clouds the window 152, the amount of light passing through the window 152 gradually decreases. This can result in a gradational decrease in the overall moving image, resulting in a degradation of image quality. Furthermore, as described below, the deposit is represented in the frame images as a lower-gradation area compared to the molten metal 106. Therefore, by adjusting the brightness before acquiring the frame images and ensuring that the gradation of the data points corresponding to the molten metal 106 is at a certain level or above, it is possible to prevent a decrease in the quality of the frame images and more reliably detect deposited matter as a collection of data points with low gradation. Brightness adjustment may be performed each time a frame image is acquired, or for each set of multiple frame images. Alternatively, brightness adjustment may be performed at regular intervals. Furthermore, the average gradation may be the average of the gradations of the data points corresponding to the evaluation area, which will be described later. Furthermore, the average gradation may be acquired when there is no deposited matter.

明るさ調整を行った後、フレーム画像を取得する(S5)。フレーム画像は、制御装置160の送受信部168を介して記憶部170に恒久的にまたは一時的に格納される。 After brightness adjustment, a frame image is acquired (S5). The frame image is stored permanently or temporarily in the memory unit 170 via the transceiver unit 168 of the control device 160.

溶湯106と固体状の金属の識別、さらには溶湯106と蒸着物の識別に供する動画像を取得できることを前提に、上述した撮像装置150の配置、フレーム画像の明るさ調整、鋳型124内の溶湯106の形成などは任意の順序にて実施すればよい。よって、図4に示したフローチャート以外の順序にて動画像を取得してもよい。例えば、撮像装置150を所定位置に配置し、鋳型124内に溶湯106を形成し、フレーム画像の明るさ調整を行い、上記識別に供するフレーム画像の取得を開始し、インゴットの引き抜きを開始する、という順序を適用してもよい。 Assuming that moving images can be acquired to distinguish between the molten metal 106 and solid metal, and further between the molten metal 106 and deposition material, the above-mentioned steps of positioning the imaging device 150, adjusting the brightness of the frame images, and forming the molten metal 106 in the mold 124 may be performed in any order. Therefore, moving images may be acquired in an order other than the flowchart shown in Figure 4. For example, the following order may be applied: positioning the imaging device 150 in a predetermined position, forming the molten metal 106 in the mold 124, adjusting the brightness of the frame images, starting to acquire frame images to be used for the above-mentioned identification, and starting to pull out the ingot.

2-3.溶湯と蒸着物の識別
引き続き、各フレーム画像を処理し、溶湯106と蒸着物を識別する。
2-3. Distinguishing between molten metal and deposited material Subsequently, each frame image is processed to distinguish between the molten metal 106 and deposited material.

(1)評価領域の選択
まず、各フレーム画像において評価領域を選択する(S6)。評価領域の選択は適宜実行可能であり、例えばオペレータが行ってよいし、また例えば制御装置160と撮像装置150との関係に鑑みてあらかじめ設定した範囲を評価領域として選択してもよい。上述したように、溶解鋳造法では溶湯から蒸気が発生して蒸着物が生成するが、蒸気の一部は鋳型124の内壁や上面にも堆積し、図6中の拡大図に示すように、比較的小さな金属の塊を形成することがある。また、鋳型124内の溶湯106に照射される電子ビームによって溶湯106の一部が弾き飛ばされて鋳型124の上面や内壁に付着・凝固することでも金属の塊が形成されることもある。このような小さな金属の塊は、鋳付き182と呼ばれ、蒸着物とは区別される。鋳付き182を検出せずに蒸着物180を選択的に検出するため、鋳付き182が発生し得る領域を排除することで評価領域を選択することが好ましい。例えば、図7Aに示すように、溶湯106が表示される領域のうち、鋳型124の内壁から一定の距離d以上離れた領域を評価領域184として選択する。距離dは、例えば10mm以上30mm以下の範囲から選択すればよい。あるいは、溶湯106を中心とし、溶湯106の面積の70%以上90%以下の面積を有する領域を評価領域184としてもよい。このように評価領域184を選択することで、鋳付き182に起因する検出ノイズを排除することができる。なお、撮像装置150は固定した状態で動画像を取得することが多いので、実質的な評価領域の選択は撮像装置150の配置とともに行われうる。
(1) Selection of Evaluation Area: First, an evaluation area is selected in each frame image (S6). The selection of the evaluation area can be performed as needed, for example, by the operator, or a predetermined range may be selected as the evaluation area in consideration of the relationship between the control device 160 and the image capture device 150. As described above, in the melting and casting process, steam is generated from the molten metal to form a deposit. Some of the steam also accumulates on the inner and upper surfaces of the mold 124, forming relatively small metal lumps, as shown in the enlarged view in FIG. 6 . Metal lumps may also be formed when a portion of the molten metal 106 is ejected by the electron beam irradiated onto the molten metal 106 in the mold 124 and adheres to and solidifies on the upper and inner surfaces of the mold 124. Such small metal lumps are called "molten metal deposits" 182 and are distinguished from deposits. To selectively detect deposits 180 without detecting "molten metal deposits" 182, it is preferable to select the evaluation area by excluding areas where "molten metal deposits" 182 may occur. 7A , among the areas in which the molten metal 106 is displayed, an area that is at least a certain distance d away from the inner wall of the mold 124 is selected as the evaluation area 184. The distance d may be selected, for example, from a range of 10 mm to 30 mm. Alternatively, an area that is centered on the molten metal 106 and has an area that is 70% to 90% of the area of the molten metal 106 may be selected as the evaluation area 184. By selecting the evaluation area 184 in this manner, detection noise caused by the mold 182 can be eliminated. Note that, because the imaging device 150 often captures moving images in a fixed state, the selection of the actual evaluation area can be determined in conjunction with the placement of the imaging device 150.

(2)蒸着物の検出とフレーム画像の特定
その後、図7Bに模式的に示すように、評価領域を構成するデータポイント(以下、評価領域データポイントDPと記す。)の各階調を算出し、その中から一定の階調(閾値階調)以下のデータポイントDPを特定する。閾値階調は、上述した平均階調よりも低い階調から適宜選択され、例えば第40階調以下、または第70階調以下の範囲から選択すればよい。閾値諧調の下限値は、例えば第0階調でもよく、第10階調でもよい。蒸着物180は目視でも溶湯106に対して明らかに暗く認識され、上述したように、動画像においても蒸着物180は溶湯106と比較して極めて暗い領域として表現される。このため、閾値階調を超えるデータポイントDP、および閾値階調以下の低階調領域を構成するデータポイントDPは、それぞれ溶湯106と蒸着物180を構成するデータポイントであると判断することができる。また、上述した平均階調と閾値階調をある程度の隔たりをもって設定することで誤検出(ノイズ)を低減できる。
(2) Detection of Deposit and Identification of Frame Image Then, as schematically shown in FIG. 7B , the gradations of the data points constituting the evaluation region (hereinafter referred to as evaluation region data points DP) are calculated, and data points DP2 below a certain gradation (threshold gradation) are identified from among them. The threshold gradation is appropriately selected from gradations lower than the above-mentioned average gradation, for example, from a range of 40 gradations or lower or 70 gradations or lower. The lower limit of the threshold gradation may be, for example, 0 gradation or 10 gradation. The deposit 180 is clearly recognized as dark compared to the molten metal 106 even when viewed visually, and as described above, the deposit 180 is also represented as an extremely dark region compared to the molten metal 106 in the moving image. Therefore, the data point DP1 exceeding the threshold gradation and the data point DP2 constituting the low gradation region below the threshold gradation can be determined to be data points constituting the molten metal 106 and the deposit 180, respectively. Furthermore, false detection (noise) can be reduced by setting the average gray level and the threshold gray level with a certain degree of difference therebetween.

次に、各フレーム画像の評価領域において、低階調領域の面積が一定の閾値以上であるかどうかを判断する(S8)。具体的には、評価領域データポイントDPの数に対するデータポイントDPの数の比を計算し、この比が一定の閾値(以下、面積閾値)以上である場合、蒸着物180が検出されたと判断する。面積閾値は、例えば0.0005以上の範囲から選択すればよい。上述した範囲で面積閾値を設定することで、撮像時のエラーに起因する低階調領域や、鋳型124から遊離した鋳付き182、溶湯106に速やかに溶解し得る程度に非常に小さい蒸着物180などを排除することができる。すなわち、誤検出や過剰検出を防止するとともに、溶湯106と蒸着物180を正確に識別し、追跡すべき蒸着物180を選択的にかつ確実に検出することができる。 Next, it is determined whether the area of the low-gradation region in the evaluation region of each frame image is equal to or greater than a certain threshold (S8). Specifically, the ratio of the number of data points DP2 to the number of evaluation region data points DP is calculated, and if this ratio is equal to or greater than a certain threshold (hereinafter referred to as the area threshold), it is determined that the deposit 180 has been detected. The area threshold may be selected, for example, from a range of 0.0005 or greater. By setting the area threshold within the above range, it is possible to eliminate low-gradation regions resulting from image capture errors, molded deposits 182 that have separated from the mold 124, and deposits 180 that are so small that they can quickly dissolve in the molten metal 106. In other words, it is possible to prevent false detections and overdetections, accurately distinguish between the molten metal 106 and the deposits 180, and selectively and reliably detect the deposits 180 to be tracked.

各フレーム画像において、上記比が面積閾値以上である場合には、追跡すべき蒸着物180が存在していることが示唆される。この場合、そのフレーム画像を特定する(S9)。特定方法に限定は無く、例えば、一つの動画像に含まれる全てのフレーム画像に対して順にフレーム番号を付与し、上記比が面積閾値以上である場合に該当するフレーム番号を記憶部170に格納すればよい。このとき、同時に音声出力部172から警告音を発してもよく、出力部166を構成する表示装置上にアラートを表示してもよい。さらに、閾値階調以下のデータポイントDPを囲む図形を表示装置上に表示してもよい。 If the ratio is equal to or greater than the area threshold in each frame image, it is suggested that a deposit 180 to be tracked is present. In this case, the frame image is identified (S9). There is no limitation on the identification method. For example, frame numbers may be assigned sequentially to all frame images included in one video, and the frame number corresponding to the ratio equal to or greater than the area threshold may be stored in the storage unit 170. At this time, a warning sound may be emitted from the audio output unit 172, or an alert may be displayed on the display device constituting the output unit 166. Furthermore, a figure enclosing data points DP2 that are equal to or less than the threshold gradation may be displayed on the display device.

蒸着物180の有無の判断を行った後、鋳造が終了していない場合には引き続きS4からS9の工程を繰り返す。鋳造が終了したときまでに撮像された複数のフレーム画像によって一つの動画像が構成される。なお、別の実施形態として、鋳造終了までの動画像取得を先行させ、取得した動画像の複数のフレーム画像に対して蒸着物180の有無の判断を行ってもよい。動画像取得が先行する場合、明るさの調整(S4)を実施することが好ましい。以上のとおり、動画像の取得と蒸着物180の有無の判断は同時に進行させてもよいし、適宜別のタイミングで行ってもよい。 After determining whether or not deposition material 180 is present, if casting is not complete, steps S4 to S9 are repeated. A single moving image is composed of multiple frame images captured up until the end of casting. In another embodiment, the acquisition of moving images up to the end of casting may be performed first, and the presence or absence of deposition material 180 may be determined for the multiple frame images of the acquired moving image. If the acquisition of moving images is performed first, it is preferable to adjust the brightness (S4). As described above, the acquisition of moving images and the determination of the presence or absence of deposition material 180 may be performed simultaneously, or may be performed at different times as appropriate.

(3)鋳造工程の検証
次に、取得した動画像に基づいて鋳造工程を検証する。この検証工程は、フレーム画像が特定されたときに行ってもよく、一つの動画像を取得した後に行ってもよい。
(3) Verification of the Casting Process Next, the casting process is verified based on the acquired moving images. This verification process may be performed when the frame images are identified, or after one moving image is acquired.

金属インゴット108の鋳造時に取得された一つの動画像中に蒸着物180が含まれているとして特定されたフレーム画像が存在しない場合には、鋳型124内の溶湯106の表面に蒸着物が発生していない、または発生していても金属インゴット108の品質に大きな影響を及ぼさない程度に無視できると判断する。 If there is no frame image identified as containing a deposit 180 in a single video image acquired during the casting of the metal ingot 108, it is determined that no deposit has occurred on the surface of the molten metal 106 in the mold 124, or that even if it has occurred, it is negligible to the extent that it does not significantly affect the quality of the metal ingot 108.

一方、一つの動画像中に蒸着物180が含まれているとして特定されたフレーム画像が一つ以上存在する場合には、特定されたフレーム画像以降の動画像を解析し、蒸着物180の挙動を追跡する(S10)。その結果、蒸着物180が溶湯106内で完全に溶解したことが確認されれば、その蒸着物180は、得られた金属インゴット108の品質に大きな影響を及ぼさない程度に無視できると判断する。あるいは、蒸着物180が溶湯106に混入せず、鋳造終了まで鋳型124やハース120などの溶解炉110の構成部材に付着した状態を維持していることが確認された場合にも、その蒸着物180は金属インゴット108に取り込まれていないと判断することができる。 On the other hand, if one or more frame images are identified as containing the deposition material 180 in a single video, the video images following the identified frame image are analyzed to track the behavior of the deposition material 180 (S10). If it is confirmed that the deposition material 180 has completely dissolved in the molten metal 106, it is determined that the deposition material 180 is negligible and does not significantly affect the quality of the resulting metal ingot 108. Alternatively, if it is confirmed that the deposition material 180 does not mix with the molten metal 106 and remains attached to components of the melting furnace 110, such as the mold 124 and hearth 120, until the end of casting, it can also be determined that the deposition material 180 has not been incorporated into the metal ingot 108.

しかしながら、蒸着物180が溶湯106内で完全に溶解せず、蒸着物180が固体状態を維持した状態で溶湯106に取り込まれながら溶湯106が凝固したと認定された場合には、得られる金属インゴット108にはLDIが含まれる可能性が高いと判断する。この場合、得られる金属インゴット108を出荷対象から除外する、原料104として再利用するなどの処置を行えばよい(S11)。 However, if it is determined that the deposit 180 did not completely dissolve in the molten metal 106 and that the molten metal 106 solidified while the deposit 180 was being absorbed into the molten metal 106 while maintaining a solid state, it is determined that the resulting metal ingot 108 is highly likely to contain LDI. In this case, measures can be taken, such as excluding the resulting metal ingot 108 from shipment or reusing it as raw material 104 (S11).

このように、本発明の実施形態の一つに係る製造方法によると、溶解鋳造法による金属インゴット108の製造工程において、鋳型124中の溶湯106の動画像に基づいて蒸着物180と溶湯106を識別することでき、金属インゴット108の品質を維持するために追跡すべき蒸着物180を検出することができる。さらに、蒸着物180を追跡することで、金属インゴットに対する適切な処置を選択することができるので、この製造方法を適用することで、高品質の金属インゴット108を選択的に提供することができる。 As such, according to a manufacturing method according to one embodiment of the present invention, during the process of manufacturing a metal ingot 108 by melting and casting, it is possible to distinguish between the deposit 180 and the molten metal 106 based on a moving image of the molten metal 106 in the mold 124, and to detect the deposit 180 that needs to be tracked in order to maintain the quality of the metal ingot 108. Furthermore, by tracking the deposit 180, it is possible to select appropriate measures for the metal ingot, and therefore, by applying this manufacturing method, it is possible to selectively provide high-quality metal ingots 108.

2-4.変形例
本製造方法では、評価領域184を複数の領域(サブ領域)に分割し、サブ領域ごとに蒸着物180と溶湯106の識別を行ってもよい(図4、S7)。分割方法に制約はない。例えば、図8Aや図8Bに示すように、複数のサブ領域(ここでは四つのサブ領域184-1から184-4)が鋳型124の長手方向または長手方向に垂直な方向に整列するように評価領域184を分割してもよい。また、サブ領域の面積や形状は互いに同一でもよく、あるいは図9Aに示すように、少なくとも一つのサブ領域(ここではサブ領域184-3)の面積または形状が他のサブ領域(ここではサブ領域184-1、184-2)の面積または形状と異なるように評価領域184を分割してもよい。さらに、図9Bに示すように、少なくとも二つのサブ領域が互いに部分的に重なるように評価領域184を分割してもよい。図9Bに示す例では、サブ領域184-1から184-3が互いに部分的に重なっている。
2-4. Modifications In this manufacturing method, the evaluation region 184 may be divided into multiple regions (subregions), and the deposition material 180 and the molten metal 106 may be identified for each subregion ( S7 in FIG. 4 ). There are no limitations on the division method. For example, as shown in FIGS. 8A and 8B , the evaluation region 184 may be divided so that multiple subregions (four subregions 184-1 to 184-4 in this example) are aligned in the longitudinal direction of the mold 124 or in a direction perpendicular to the longitudinal direction. The subregions may have the same area or shape. Alternatively, as shown in FIG. 9A , the evaluation region 184 may be divided so that the area or shape of at least one subregion (subregion 184-3 in this example) is different from the area or shape of the other subregions (subregions 184-1 and 184-2 in this example). Furthermore, as shown in FIG. 9B , the evaluation region 184 may be divided so that at least two subregions partially overlap each other. In the example shown in FIG. 9B , subregions 184-1 to 184-3 partially overlap each other.

評価領域184を複数のサブ領域に分割し、各サブ領域で蒸着物180と溶湯106の識別を行うことで、誤検出範囲を狭めることが可能となる。すなわち、誤検出が継続するサブ領域以外のサブ領域では、継続して蒸着物の落下の有無などを監視できる。蒸着物の挙動は様々であり、例えばある程度の大きさになったところで落下する蒸着物180もあれば、ハース120の側壁やチャンバー112の天井などから伸び垂れ下がる蒸着物180もあり、後者の場合は、鋳型124上部空間に蒸着物180が長時間存在し続ける。後者の場合は溶湯106内に蒸着物180は落下してしないが、動画像では低階調のデータポイントDPとして記録されるため誤検出となる。評価領域184を分割しないと蒸着物180を誤検出したフレーム画像の全てについて蒸着物180の挙動を追跡する必要が発生する。一方、評価領域184を複数のサブ領域に分割することで誤検出しない領域を増やすことができるので、正常な検査が可能な範囲を確保できる。 Dividing the evaluation area 184 into multiple sub-areas and distinguishing between the deposit 180 and the molten metal 106 in each sub-area makes it possible to narrow the range of false detections. In other words, sub-areas other than those in which false detections persist can be continuously monitored for the presence or absence of falling deposits. Deposits behave in a variety of ways. For example, some deposits 180 fall when they reach a certain size, while others hang down from the sidewalls of the hearth 120 or the ceiling of the chamber 112. In the latter case, the deposit 180 remains in the space above the mold 124 for a long period of time. In the latter case, the deposit 180 does not fall into the molten metal 106, but is recorded as a low-gradation data point DP2 in the moving image, resulting in a false detection. If the evaluation area 184 were not divided, it would be necessary to track the behavior of the deposit 180 for all frame images in which the deposit 180 was falsely detected. On the other hand, dividing the evaluation area 184 into multiple sub-areas increases the area in which false detections do not occur, thereby ensuring a range in which normal inspection is possible.

さらに本製造方法では、撮像方向の傾きを考慮し、評価領域データポイントDPの数に対するデータポイントDPの数の比の計算において補正を行ってもよい。上述したように、溶解鋳造時における金属蒸気の堆積の影響を最小限にするため、動画像の取得のための窓152や撮像装置150は、鉛直方向においてハース120や鋳型124と重ならないように設けられることが好ましい。このため、動画像は、鋳型124に対して斜めの方向から取得される。動画像では、撮像装置150に近い位置に存在する物体は、遠方に存在する物体と比較して大きく映し出されるので、図10に模式的に示すように、完全に同一の形状と面積を有する蒸着物180が存在する場合でも、撮像装置150から遠い位置(水平方向において遠い位置)にある蒸着物180に対応するデータポイントDPは、撮像装置150に近い位置(水平方向において近い位置)にある蒸着物180に対応するデータポイントDPと比較して少なくなる。その結果、撮像装置150の鋳型124までの距離や撮像方向によっては、撮像装置150からの距離が蒸着物180の検出に大きな影響を与える。 Furthermore, in this manufacturing method, a correction may be made in the calculation of the ratio of the number of data points DP2 to the number of evaluation area data points DP, taking into account the inclination of the imaging direction. As described above, in order to minimize the influence of metal vapor deposition during melting and casting, it is preferable that the window 152 and the imaging device 150 for acquiring moving images are positioned so as not to overlap the hearth 120 or the mold 124 in the vertical direction. For this reason, moving images are acquired from a direction oblique to the mold 124. In moving images, objects closer to the imaging device 150 appear larger than objects located further away. Therefore, as schematically shown in FIG. 10 , even if there are deposition objects 180 having exactly the same shape and area, the data points DP2 corresponding to deposition objects 180 located farther from the imaging device 150 (farther in the horizontal direction) will be fewer than the data points DP2 corresponding to deposition objects 180 located closer to the imaging device 150 (closer in the horizontal direction). As a result, depending on the distance from the imaging device 150 to the mold 124 and the imaging direction, the distance from the imaging device 150 has a significant effect on the detection of the deposition material 180.

このような影響を排除してより高精度で蒸着物180を検出するため、撮像装置150からの距離に応じて面積閾値に対する補正を行ってもよい。例えば、撮像装置150からの距離が増大するに従って面積閾値を低減させればよい。より具体的には、評価領域184の分割を行う場合には、サブ領域ごとに補正を行ってもよい。例えば、図9Bに示すように評価領域184を三つのサブ領域184-1から184-3に分割し、サブ領域184-3が撮像装置150に最も近い場合、サブ領域184-3に最も大きな面積閾値を設定し、サブ領域184-1と184-2に対し、互いに同一であり、かつ、サブ領域184-3の面積閾値よりも小さい面積閾値を設定してもよい。また、各サブ領域でも撮像装置150からの距離が増大するに従って面積閾値を低減させてもよい。また、一つの撮像装置150で複数の鋳型124の動画像を取得する場合や、撮像装置150を鋳型124の長手方向と交差または直交するように配置する場合には、動画像の奥行き方向だけでなく、左右の方向においても面積閾値を変化させてもよい。 To eliminate such effects and detect deposition material 180 with higher accuracy, the area threshold may be corrected according to the distance from the imaging device 150. For example, the area threshold may be reduced as the distance from the imaging device 150 increases. More specifically, when dividing the evaluation region 184, the correction may be performed for each subregion. For example, as shown in FIG. 9B, if the evaluation region 184 is divided into three subregions 184-1 to 184-3 and subregion 184-3 is closest to the imaging device 150, the largest area threshold may be set for subregion 184-3, and the same area threshold may be set for subregions 184-1 and 184-2 that are smaller than the area threshold for subregion 184-3. Furthermore, the area threshold may be reduced for each subregion as the distance from the imaging device 150 increases. Furthermore, when a single imaging device 150 is used to capture moving images of multiple molds 124, or when the imaging device 150 is positioned so that it intersects or is perpendicular to the longitudinal direction of the molds 124, the area threshold may be changed not only in the depth direction of the moving images, but also in the left-right direction.

従来、溶解鋳造法による金属インゴットの製造においては、その製造工程中に亘って鋳型を目視で観察することで蒸着物の有無を確認していた。なお、蒸着物が落下するタイミングや位置、蒸着物の大きさを事前に精確に予想することは不可能である。また、蒸着物の大きさや密度、溶湯の温度によって蒸着物の溶解速度や溶湯中への沈降速度が大きく異なる。以上より、目視による検出は作業者の負荷が大きいのみならず、蒸着物の溶湯への落下を見落とすおそれがあり、より高精度の検出手法が望まれていた。本発明の実施形態の一つに係る製造装置と製造方法を適用することで、蒸着物をより確実に検出することができ、その発生時刻もフレーム番号から瞬時に特定することができる。さらに、蒸着物の挙動は、蒸着物が発生したとき以降の動画像から確認することができるので、金属インゴット中のLDIの存否を容易に判断することができる。このため、良品の金属インゴットを選択的に提供することが可能である。 Conventionally, when manufacturing metal ingots using the melting and casting method, the presence or absence of deposits was confirmed by visually observing the mold throughout the manufacturing process. However, it is impossible to accurately predict the timing and location of deposit fall or the size of the deposit in advance. Furthermore, the melting rate and settling rate of the deposit into the molten metal vary greatly depending on the size and density of the deposit and the temperature of the molten metal. For these reasons, visual detection not only places a heavy burden on the worker, but also carries the risk of overlooking deposits falling into the molten metal, creating a demand for a more accurate detection method. By applying a manufacturing apparatus and manufacturing method according to one embodiment of the present invention, deposits can be detected more reliably, and the time of their occurrence can be instantly identified from the frame number. Furthermore, the behavior of the deposit can be confirmed from video images taken after the deposit occurs, making it easy to determine the presence or absence of LDI in the metal ingot. This makes it possible to selectively provide non-defective metal ingots.

3.プログラム
本発明の実施形態の一つに係る製造方法は、上述した製造装置100、およびその制御装置160に搭載されるプログラムによって実施することができる。よって、本発明に係る実施形態の一つは、溶解鋳造法によって金属インゴットを製造するため上記S1からS9の処理の一部または全てを制御装置160に実行させるためのプログラムである。
3. Program A manufacturing method according to one embodiment of the present invention can be implemented by the manufacturing apparatus 100 described above and a program installed in its control device 160. Thus, one embodiment of the present invention is a program for causing the control device 160 to execute some or all of the processes from S1 to S9 described above to manufacture a metal ingot by a melting and casting method.

また、このプログラムが記録されたコンピュータ可読記録媒体も本発明に係る実施形態の一つである。コンピュータ可読記録媒体の例としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、および磁気テープのような磁気媒体、CD-ROM、DVDのような光媒体、フロプティカルディスク(floptical disk)のような光磁気媒体、およびROM、RAM、フラッシュメモリなどのような、当該プログラムを格納して実行するように構成されたハードウェア装置が含まれる。当該プログラムは、コンパイラによって生成されるもののような機械語コードだけではなく、インタプリタなどを使用してサーバによって実行される高級言語コードを含む。当該プログラムは、コンピュータ可読媒体から記憶部170にインストールされる。なお、当該プログラムは、ネットワークから記憶部170にダウンロード可能であってもよい。 A computer-readable recording medium on which this program is recorded also constitutes an embodiment of the present invention. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, flexible disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floptical disks, and hardware devices configured to store and execute the program, such as ROM, RAM, and flash memory. The program includes not only machine code such as that generated by a compiler, but also high-level language code executed by a server using an interpreter or the like. The program is installed from the computer-readable medium into storage unit 170. The program may also be downloadable from a network to storage unit 170.

本実施例では、本発明の実施形態の一つに係る製造方法を適用してチタンインゴットを製造した結果について述べる。 This example describes the results of producing a titanium ingot using a manufacturing method according to one embodiment of the present invention.

溶解炉として、図2に模式的に示された溶解炉110を用いた。振動フィーダ118を介してドラムフィーダ114からスポンジチタンを含む金属片をハース120に連続的に供給し、ハース120上に配置された電子銃140(アルデンヌ社製、型式EH-800V)から電子ビームを照射して溶湯106を形成した。内壁の水平断面が長方形(縦1100mm×横250mm)を有し、一つの短辺がハース120の下に配置された鋳型124に溶湯106を注入した。その後、鋳型124上に配置した電子銃142(アルデンヌ社製、型式EH-800V)を用いて溶湯106に対する電子ビーム照射を開始した。その後、ダブテール128を降下させた。 The melting furnace used was the melting furnace 110 shown schematically in Figure 2. Metal pieces containing titanium sponge were continuously fed from the drum feeder 114 via the vibrating feeder 118 to the hearth 120, and an electron beam was irradiated from an electron gun 140 (Ardennes, model EH-800V) positioned above the hearth 120 to form the molten metal 106. The molten metal 106 was poured into a mold 124, the horizontal cross section of whose inner wall was rectangular (1100 mm long x 250 mm wide), with one short side positioned below the hearth 120. Electron beam irradiation of the molten metal 106 was then initiated using an electron gun 142 (Ardennes, model EH-800V) positioned above the mold 124. The dovetail 128 was then lowered.

上記操作の間、上述したS4からS9に至る一連の工程を反復実施した。撮像装置150(キーエンス社製CMOSカメラ、型式CA-H500C)は、図2に示すように、鋳型124と鉛直方向において重ならいように配置し、ハース120に対して反対側の鋳型124の短辺側から撮像を行った(図6参照。)。画像の取得は、防着板154を回転させながら窓152を介して行った。 During the above operation, the series of steps from S4 to S9 described above were repeated. As shown in Figure 2, the imaging device 150 (Keyence CMOS camera, model CA-H500C) was positioned so as not to overlap the mold 124 in the vertical direction, and images were taken from the short side of the mold 124 opposite the hearth 120 (see Figure 6). Images were acquired through the window 152 while rotating the adhesion prevention plate 154.

工程S4の明るさ調整は、鋳型124内の溶湯106の階調が120から200の範囲となるように行った。得られたフレーム画像のうち、鋳型124の内壁から10mm以内の領域を除外し、残りの領域を評価領域184として設定した。さらに、図9Bに示すように評価領域184を三つのサブ領域184-1から184-3に分割し、動画像の評価を行った。図11に示すように、サブ領域184-3はハース120の反対側であり、撮像装置150に最も近い位置の領域である。サブ領域184-3の幅Wは230mmであり、長さlは650mmであった。サブ領域184-1は、ハース120側に位置し、かつ、一方の長辺側に位置する。これに対し、サブ領域184-2は、ハース120側に位置し、かつ、他方の長辺側に位置する。サブ領域184-1、184-2の幅w、wはいずれも140mmであり、長さl、lはいずれも550mmであった。図11から理解されるように、三つのサブ領域184-1から184-3は互いに部分的に重なり合う。 The brightness adjustment in step S4 was performed so that the gradation of the molten metal 106 in the mold 124 was in the range of 120 to 200. Of the obtained frame images, the area within 10 mm of the inner wall of the mold 124 was excluded, and the remaining area was set as the evaluation area 184. Furthermore, as shown in FIG. 9B, the evaluation area 184 was divided into three sub-areas 184-1 to 184-3, and the moving images were evaluated. As shown in FIG. 11, the sub-area 184-3 is on the opposite side of the hearth 120 and is the area closest to the imaging device 150. The width W of the sub-area 184-3 was 230 mm, and the length l3 was 650 mm. The sub-area 184-1 is located on the hearth 120 side and on one of the long sides. In contrast, the sub-area 184-2 is located on the hearth 120 side and on the other long side. The widths w 1 and w 2 of the sub-regions 184-1 and 184-2 were both 140 mm, and the lengths l 1 and l 2 were both 550 mm. As can be seen from Figure 11, the three sub-regions 184-1 to 184-3 partially overlap one another.

蒸着物180の有無を判断するための閾値階調は、第60階調に設定した。工程S8における面積閾値は、各サブ領域で長さ50mm四方のサイズに相当する蒸着物180が検出できるように設定した。具体的には、サブ領域184-1から184-3の面積閾値をそれぞれ0.017、0.016、0.013に設定した。 The threshold gradation for determining the presence or absence of deposition material 180 was set to the 60th gradation. The area threshold in step S8 was set so that deposition material 180 equivalent to a size of 50 mm square in each sub-region could be detected. Specifically, the area thresholds for sub-regions 184-1 to 184-3 were set to 0.017, 0.016, and 0.013, respectively.

上記条件下で合計18本のチタンインゴットを製造した。鋳造工程において、長さ50mm四方のサイズに相当する蒸着物180は15個検出された。それぞれの蒸着物180の挙動を取得した動画像に基づいて検討した結果、いずれの蒸着物180もチタンインゴットの特性に影響を与えるものではなく、全てのチタンインゴットが良品であると判断された。 A total of 18 titanium ingots were produced under the above conditions. During the casting process, 15 deposits 180, each measuring 50 mm square, were detected. The behavior of each deposit 180 was examined based on captured video images. It was determined that none of the deposits 180 affected the properties of the titanium ingots, and all of the titanium ingots were of good quality.

このように、本発明の実施形態に係る製造方法を適用することで、長時間にわたる鋳造工程において鋳型124を目視で観察し続ける必要は無く、既定のサイズの蒸着物180が検出されたフレーム画像以降の動画像を解析することで、蒸着物の挙動を確実に把握することができる。このため、本製造方法により、金属インゴットの品質管理において要求される人的資源を有効に活用することが可能となる。 In this way, by applying the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, it is not necessary to continuously visually observe the mold 124 during the long-term casting process. Instead, the behavior of the deposition material can be reliably understood by analyzing the video images from the frame image in which the deposition material 180 of a predetermined size is detected onward. Therefore, this manufacturing method makes it possible to effectively utilize the human resources required for quality control of metal ingots.

本発明の実施形態として上述した実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、または工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。 Based on the above-described embodiments of the present invention, those skilled in the art may add or remove components or modify designs, or add or omit processes or change conditions as appropriate, and these modifications are within the scope of the present invention as long as they maintain the essence of the present invention. Even if there are other effects and advantages different from those achieved by the aspects of the above-described embodiments, those that are clear from the description in this specification or that would be easily predictable by a person skilled in the art are naturally considered to be achieved by the present invention.

100:製造装置、104:原料、106:溶湯、108:金属インゴット、110:溶解炉、112:チャンバー、114:ドラムフィーダ、116:排気装置、118:振動フィーダ、120:ハース、120a:注ぎ口、120b:側壁、122:スカル、124:鋳型、126:流路、128:ダブテール、130:スターティングブロック、134:冷却管、136:流路、140:電子銃、142:電子銃、150:撮像装置、152:窓、154:防着板、154a:開口、156:ノズル、160:制御装置、162:制御部、164:入力部、166:出力部、168:送受信部、170:記憶部、172:音声出力部、174:入力ポート、180:蒸着物、182:鋳付き、184:評価領域、184-1:サブ領域、184-2:サブ領域、184-3:サブ領域、184-4:サブ領域
100: Manufacturing equipment, 104: Raw material, 106: Molten metal, 108: Metal ingot, 110: Melting furnace, 112: Chamber, 114: Drum feeder, 116: Exhaust device, 118: Vibration feeder, 120: Hearth, 120a: Spout, 120b: Side wall, 122: Skull, 124: Mold, 126: Flow path, 128: Dovetail, 130: Starting block, 134: Cooling pipe, 136: Flow path, 140: Electron gun, 14 2: electron gun, 150: imaging device, 152: window, 154: adhesion shield, 154a: opening, 156: nozzle, 160: control device, 162: control unit, 164: input unit, 166: output unit, 168: transmitting/receiving unit, 170: memory unit, 172: audio output unit, 174: input port, 180: deposition material, 182: casting, 184: evaluation area, 184-1: sub-area, 184-2: sub-area, 184-3: sub-area, 184-4: sub-area

Claims (12)

溶解炉と制御装置を含み、
前記溶解炉は、
チャンバー、
前記チャンバー内に配置され、金属を含む原料を受け取るためのハース、
前記チャンバー内に配置され、前記ハース内で形成される前記金属の溶湯が注入される鋳型、および
前記チャンバー外に配置され、前記鋳型の動画像を取得するように構成され、前記制御装置に接続される撮像装置を含み、
前記制御装置は、前記動画像に基づいて、前記動画像中の前記溶湯と前記金属の蒸気から生成する固体状の前記金属を識別するように構成される、金属インゴットを製造するための装置。
Includes a melting furnace and control device,
The melting furnace is
chamber,
a hearth disposed within the chamber for receiving a metal-containing feedstock;
a mold disposed within the chamber and into which the molten metal formed in the hearth is poured; and an imaging device disposed outside the chamber and configured to capture a moving image of the mold, the imaging device being connected to the control device,
The apparatus for manufacturing metal ingots, wherein the control device is configured to identify the solid metal produced from the molten metal and the metal vapor in the moving image based on the moving image.
前記撮像装置は、前記鋳型と鉛直方向において重ならない、請求項1に記載の装置。 The device described in claim 1, wherein the imaging device does not overlap the mold in the vertical direction. 前記撮像装置は、前記チャンバーに設けられる窓を介して前記動画像を取得するように配置される、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the imaging device is positioned to acquire the moving images through a window provided in the chamber. 前記動画像は、前記ハースの一部を含む、請求項1に記載の装置。 The device described in claim 1, wherein the moving image includes a portion of the hearth. 前記動画像は複数のフレーム画像によって構成され、
前記撮像装置は、前記複数のフレーム画像の各々において前記溶湯に対応するデータポイントの平均階調が一定の範囲内の階調になる条件下、前記複数のフレーム画像を取得する、請求項1に記載の装置。
the moving image is composed of a plurality of frame images,
The apparatus according to claim 1 , wherein the imaging device acquires the plurality of frame images under conditions in which an average gray level of data points corresponding to the molten metal in each of the plurality of frame images falls within a certain range of gray levels.
前記制御装置は、前記動画像を構成する複数のフレーム画像のそれぞれにおいて、
前記鋳型の内側の評価領域を構成する複数の評価領域データポイントから、第1の閾値以下の階調を有するデータポイントを低階調データポイントとして選択すること、および
前記評価領域データポイントの数に対する前記低階調データポイントの数の比が第2の閾値以上である場合、前記フレーム画像を特定すること、
を実行するように構成される、請求項1に記載の装置。
The control device, for each of the plurality of frame images constituting the moving image,
selecting data points having a gradation equal to or less than a first threshold as low-gradation data points from a plurality of evaluation area data points constituting an evaluation area inside the mold; and identifying the frame image when a ratio of the number of the low-gradation data points to the number of the evaluation area data points is equal to or greater than a second threshold.
The apparatus of claim 1 configured to perform:
前記制御装置は、前記動画像を構成する複数のフレーム画像のそれぞれにおいて、
前記鋳型の内側の評価領域を分割した複数のサブ領域ごとに、前記複数のサブ領域を構成する複数の評価領域データポイントから、第1の閾値以下の階調を有するデータポイントを低階調データポイントとして選択すること、および
前記複数のサブ領域の少なくとも一つにおいて、前記評価領域データポイントの数に対する前記低階調データポイントの数の比が第2の閾値以上である場合、前記フレーム画像を特定すること、
を実行するように構成される、請求項1に記載の装置。
The control device, for each of the plurality of frame images constituting the moving image,
selecting, for each of a plurality of sub-regions obtained by dividing the evaluation region inside the mold, data points having a gradation equal to or less than a first threshold as low gradation data points from a plurality of evaluation region data points constituting the plurality of sub-regions; and identifying the frame image when, in at least one of the plurality of sub-regions, the ratio of the number of low gradation data points to the number of evaluation region data points is equal to or greater than a second threshold.
The apparatus of claim 1 configured to perform:
前記複数のサブ領域は、互いに一部が重なる、請求項7に記載の装置。 The device described in claim 7, wherein the multiple sub-regions partially overlap each other. 前記第2の閾値は、前記鋳型と前記撮像装置の間の距離が増大するに従って、前記サブ領域ごとに減少する、請求項7に記載の装置。 The apparatus of claim 7, wherein the second threshold decreases for each subregion as the distance between the mold and the imaging device increases. 前記評価領域は、前記鋳型の内壁から10mm以上離れる、請求項6または7に記載の装置。 The device described in claim 6 or 7, wherein the evaluation area is at least 10 mm away from the inner wall of the mold. 請求項1に記載の装置を利用する、金属インゴットの製造方法。 A method for manufacturing metal ingots using the apparatus described in claim 1. 請求項1に記載の前記制御装置に対し、
前記撮像装置を介して前記鋳型の動画像を取得すること、および
前記動画像に基づいて、前記溶湯と固体状の前記金属を識別することを実行させるプログラム。
The control device according to claim 1,
a program for causing the program to execute the following: acquiring a moving image of the mold via the imaging device; and distinguishing between the molten metal and the solid metal based on the moving image.
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