形狀確定部件102的下側的主面(下表面)配置成與熔融金屬表面接觸。因此，能夠防止形成在熔融金屬Ml的表面上的氧化膜和浮在熔融金屬Ml的表面上的異物混入鑄件M3中。然而，形狀確定部件102的下表面也可配置在離熔融金屬表面的預定距離處。當形狀確定部件102配置成離開熔融金屬表面時，形狀確定部件102的熱變形和侵蝕被抑制，因此形狀確定部件102的耐久性提高。
[0032]圖2是根據(jù)第一示例性實施例的形狀確定部件102的俯視圖。這里，圖1中的形狀確定部件102的剖視圖對應于沿圖2中的線1-1截取的剖視圖。如圖2所示，形狀確定部件102具有例如矩形的平面形狀，并在中央部中具有供熔融金屬通過的矩形的開口部(熔融金屬通過部103)，該矩形的開口部具有厚度tl和寬度《I。圖2中的xyz坐標與圖1中的xyz坐標一致。
[0033]此外，對形狀確定部件102的上表面(即，位于上側的表面)應用圖案P。更具體地，對形狀確定部件102的上表面應用由多種顏色(這種情況下為黑色和白色)形成的條紋狀圖案P。該圖案P優(yōu)選地被應用成使得圖案P具有各顏色足以能夠被圖像分析部110識別出的細度(密度)。例如，通過對形狀確定部件102的上表面涂敷耐熱墨來應用該圖案Po稍后將說明該圖案P的具體效果。
[0034]如圖1所示，在與已浸入到熔融金屬Ml中的起動器ST結合之后，熔融金屬Ml通過熔融金屬Ml的表面張力和表面膜在維持其外形的同時跟隨起動器ST被上引，并從形狀確定部件102的熔融金屬通過部103通過。通過使熔融金屬Ml從形狀確定部件102的熔融金屬通過部103通過，外力從形狀確定部件102施加至熔融金屬Ml，使得鑄件M3的截面形狀被確定。這里，通過熔融金屬Ml的表面張力和表面膜而跟隨起動器ST (或通過跟隨起動器ST被上引的熔融金屬Ml凝固而形成的鑄件M3)從熔融金屬表面被上引的熔融金屬將稱作“被保持的熔融金屬M2”。此外，鑄件M3和被保持的熔融金屬M2之間的邊界為凝固界面 SIF。
[0035]支承桿104支承形狀確定部件102。支承桿104與致動器105連接。形狀確定部件102能夠由致動器105經(jīng)由支承桿104上下(即，沿豎直方向；z軸方向)移動。根據(jù)這種結構，形狀確定部件102能夠在熔融金屬液面隨著鑄造進行而下降時向下移動。
[0036]冷卻氣體噴嘴(冷卻部)106是用于在鑄件M3處噴射從冷卻氣體供給部107供給的冷卻氣體(例如，空氣、氮氣、氬氣等)以冷卻鑄件M3的冷卻裝置。能夠通過增大冷卻氣體的流量來使凝固界面SIF的位置降低，并通過減小冷卻氣體的流量來使其上升。冷卻氣體噴嘴106也能夠上下(即，沿豎直方向；沿2軸方向)和水平地(即，沿X軸方向和y軸方向)移動。因此，例如，當熔融金屬液面隨著鑄造進行而下降時，冷卻氣體噴嘴106能與形狀確定部件102的移動一致地向下移動?；蛘?，冷卻氣體噴嘴106能與上引機108的水平移動一致地水平移動。
[0037]通過凝固界面SIF附近的被保持的熔融金屬M2借助于在使用與起動器ST連接的上引機108將鑄件M3上引的同時用冷卻氣體冷卻起動器ST和鑄件M3而從上側(即，沿z軸方向的正側)朝下側(即，沿z軸方向的負側)逐漸凝固來形成鑄件M3。能夠通過提高上引機108的上引速度來使凝固界面SIF的位置上升，并通過降低上引速度來使其下降。此夕卜，通過上引鑄件M3而同時使上引機108水平地(沿X軸方向和y軸方向)移動，能夠斜向地導出被保持的熔融金屬M2。因此，能夠自由地改變鑄件M3的縱向形狀。通過使形狀確定部件102水平地移動而不是使上引機108水平地移動，也能自由地改變鑄件M3的縱向形狀。
[0038]成像部109在鑄造期間持續(xù)地監(jiān)視作為鑄件M3和被保持的熔融金屬M2之間的邊界的凝固界面SIF附近的區(qū)域。這里，成像部109以這樣的位置和角度配置，使得它能夠捕捉到反射到被保持的熔融金屬M2和鑄件M3兩者的表面(或更優(yōu)選地，用于圖像分析的全部區(qū)域)上的圖案P。同樣，以滿足這一點的位置和區(qū)域應用圖案P。結果，成像部109不僅連續(xù)地捕捉被保持的熔融金屬M2和鑄件M3兩者的表面的圖像，而且連續(xù)地捕捉反射到這些表面上的圖案P的圖像。在圖1中的示例中，成像部109配置成從凝固界面SIF上方斜向地朝下看并面向凝固界面SIF。當預先知道凝固界面SIF的位置將改變時，成像部109也可構造成根據(jù)該變化而移動。能夠由成像部109捕捉到的圖像來確定凝固界面SIF，如稍后將詳細說明的那樣。
[0039]接下來，將參照圖3說明設置在根據(jù)第一示例性實施例的自由鑄造裝置中的凝固界面控制系統(tǒng)。圖3是設置在根據(jù)第一示例性實施例的自由鑄造裝置中的凝固界面控制系統(tǒng)的框圖。該凝固界面控制系統(tǒng)被設計成將凝固界面SIF的位置(高度)保持在預定的基準范圍內。
[0040]如圖3所示，該凝固界面控制系統(tǒng)包括成像部109、圖像分析部110、鑄造控制部111、上引機108、熔融金屬保持爐101和冷卻氣體供給部107。已參照圖1說明了成像部109、上引機108、熔融金屬保持爐101和冷卻氣體供給部107，因此這里將省略對它們的詳細說明。
[0041]圖像分析部110由通過成像部109捕捉到的圖像來確定凝固界面。更具體地，圖像分析部110比較相繼地捕捉到的多個圖像，并且將反射光的亮度值在短的變動周期內大幅改變的位置確定為振蕩的被保持的熔融金屬M2的表面。另一方面，圖像分析部110將反射光的亮度值在長的變動周期內僅稍微改變的位置一一即，沒有太大振蕩的位置一一確定為鑄件M3的表面。結果，圖像分析部110能夠基于是否存在振蕩(或更具體地，振蕩的變動周期和變動幅度)來確定凝固界面。
[0042]這里，如上所述，對形狀確定部件102的上表面應用圖案P。該圖案P反射到被保持的熔融金屬M2上，因此被保持的熔融金屬M2的表面的亮度在被保持的熔融金屬M2稍微振蕩時大幅改變。因此，即使在熔融金屬表面低且熔融金屬表面的振蕩小時，也能夠確定凝固界面。
[0043]將參照圖4更詳細地說明這一點。圖4是凝固界面附近的區(qū)域的三個示例性圖像的視圖。圖4中的示例性圖像從圖4的頂部起依次為凝固界面的位置高于上限的情形的示例性圖像、凝固界面的位置處在基準范圍內的情形的示例性圖像和凝固界面的位置低于下限的情形的示例性圖像。如在圖4中央的示例性圖像中所示，例如，圖像分析部110將由成像部109捕捉到的圖像中檢測到振蕩的區(qū)域(即，熔融金屬)和振蕩小到未被檢測到的區(qū)域(即，鑄件)之間的邊界部確定為凝固界面。
[0044]鑄造控制部111包括未示出的存儲部，該存儲部存儲凝固界面位置的基準范圍(上限和下限)。此外，如果由圖像分析部110確定的凝固界面高于上限，則鑄造控制部111降低上引機108的上引速度，降低熔融金屬保持爐101的設定溫度，或增大從冷卻氣體供給部107供給的冷卻氣體的流量。另一方面，如果由圖像分析部110確定的凝固界面低于下限，則鑄造控制部111提高上引機108的上引速度，升高熔融金屬保持爐101的設定溫度，或減小從冷卻氣體供給部107供給的冷卻氣體的流量。對這三個條件的控制可同時改變兩個以上的條件，但僅改變一個條件使控制更容易，且因此是優(yōu)選的。此外，可預先設定這三個條件的優(yōu)先次序，并且可從優(yōu)先級最高的條件依次改變它們。
[0045]接下來，將參照圖4說明凝固界面位置的上限和下限。如圖4中的示例性圖像所示，當凝固界面的位置高于上限時，在被保持的熔融金屬M2中產生“收縮”并發(fā)展成“撕裂”。能通過改變凝固界面的高度并預先檢查被保持的熔融金屬M2中是否產生“收縮”來確定凝固界面位置的上限。
[0046]另一方面，當如位于圖4底部的示例性圖像所示凝固界面的位置低于下限時，在鑄件M3的表面上產生凹凸并且這些凹凸變成形狀缺陷。能通過改變凝固界面的高度并預先檢查在鑄件M3的表面上是否產生凹凸來確定凝固界面位置的下限。這些凹凸被認為是由于凝固界面過低而已在形狀確定部件102的內部形成的凝固片。
[0047]這樣，根據(jù)第一示例性實施例的自由鑄造裝置具有應用于形狀確定部件102的上表面的圖案P，并且包括捕捉反射到凝固界面附近的區(qū)域上的圖案P的圖像的成像部和由該圖像來確定凝固界面的圖像分析部。由于該圖案P被反射到被保持的熔融金屬M2上，所以被保持的熔融金屬M2的表面的亮度在被保持的熔融金屬M2稍微振蕩時大幅改變。因此，即使凝固界面低且熔融金屬的振蕩小，也能夠確定凝固界面。結果，即使凝固界面低，也能執(zhí)行用于將凝固界面保持在預定的基準范圍