形状确定部件102的下侧的主面(下表面)配置成与熔融金属表面接触。因此，能够防止形成在熔融金属Ml的表面上的氧化膜和浮在熔融金属Ml的表面上的异物混入铸件M3中。然而，形状确定部件102的下表面也可配置在离熔融金属表面的预定距离处。当形状确定部件102配置成离开熔融金属表面时，形状确定部件102的热变形和侵蚀被抑制，因此形状确定部件102的耐久性提高。
[0032]图2是根据第一示例性实施例的形状确定部件102的俯视图。这里，图1中的形状确定部件102的剖视图对应于沿图2中的线1-1截取的剖视图。如图2所示，形状确定部件102具有例如矩形的平面形状，并在中央部中具有供熔融金属通过的矩形的开口部(熔融金属通过部103)，该矩形的开口部具有厚度tl和宽度《I。图2中的xyz坐标与图1中的xyz坐标一致。
[0033]此外，对形状确定部件102的上表面(即，位于上侧的表面)应用图案P。更具体地，对形状确定部件102的上表面应用由多种颜色(这种情况下为黑色和白色)形成的条纹状图案P。该图案P优选地被应用成使得图案P具有各颜色足以能够被图像分析部110识别出的细度(密度)。例如，通过对形状确定部件102的上表面涂敷耐热墨来应用该图案Po稍后将说明该图案P的具体效果。
[0034]如图1所示，在与已浸入到熔融金属Ml中的起动器ST结合之后，熔融金属Ml通过熔融金属Ml的表面张力和表面膜在维持其外形的同时跟随起动器ST被上引，并从形状确定部件102的熔融金属通过部103通过。通过使熔融金属Ml从形状确定部件102的熔融金属通过部103通过，外力从形状确定部件102施加至熔融金属Ml，使得铸件M3的截面形状被确定。这里，通过熔融金属Ml的表面张力和表面膜而跟随起动器ST (或通过跟随起动器ST被上引的熔融金属Ml凝固而形成的铸件M3)从熔融金属表面被上引的熔融金属将称作“被保持的熔融金属M2”。此外，铸件M3和被保持的熔融金属M2之间的边界为凝固界面 SIF。
[0035]支承杆104支承形状确定部件102。支承杆104与致动器105连接。形状确定部件102能够由致动器105经由支承杆104上下(即，沿竖直方向；z轴方向)移动。根据这种结构，形状确定部件102能够在熔融金属液面随着铸造进行而下降时向下移动。
[0036]冷却气体喷嘴(冷却部)106是用于在铸件M3处喷射从冷却气体供给部107供给的冷却气体(例如，空气、氮气、氩气等)以冷却铸件M3的冷却装置。能够通过增大冷却气体的流量来使凝固界面SIF的位置降低，并通过减小冷却气体的流量来使其上升。冷却气体喷嘴106也能够上下(即，沿竖直方向；沿2轴方向)和水平地(即，沿X轴方向和y轴方向)移动。因此，例如，当熔融金属液面随着铸造进行而下降时，冷却气体喷嘴106能与形状确定部件102的移动一致地向下移动。或者，冷却气体喷嘴106能与上引机108的水平移动一致地水平移动。
[0037]通过凝固界面SIF附近的被保持的熔融金属M2借助于在使用与起动器ST连接的上引机108将铸件M3上引的同时用冷却气体冷却起动器ST和铸件M3而从上侧(即，沿z轴方向的正侧)朝下侧(即，沿z轴方向的负侧)逐渐凝固来形成铸件M3。能够通过提高上引机108的上引速度来使凝固界面SIF的位置上升，并通过降低上引速度来使其下降。此夕卜，通过上引铸件M3而同时使上引机108水平地(沿X轴方向和y轴方向)移动，能够斜向地导出被保持的熔融金属M2。因此，能够自由地改变铸件M3的纵向形状。通过使形状确定部件102水平地移动而不是使上引机108水平地移动，也能自由地改变铸件M3的纵向形状。
[0038]成像部109在铸造期间持续地监视作为铸件M3和被保持的熔融金属M2之间的边界的凝固界面SIF附近的区域。这里，成像部109以这样的位置和角度配置，使得它能够捕捉到反射到被保持的熔融金属M2和铸件M3两者的表面(或更优选地，用于图像分析的全部区域)上的图案P。同样，以满足这一点的位置和区域应用图案P。结果，成像部109不仅连续地捕捉被保持的熔融金属M2和铸件M3两者的表面的图像，而且连续地捕捉反射到这些表面上的图案P的图像。在图1中的示例中，成像部109配置成从凝固界面SIF上方斜向地朝下看并面向凝固界面SIF。当预先知道凝固界面SIF的位置将改变时，成像部109也可构造成根据该变化而移动。能够由成像部109捕捉到的图像来确定凝固界面SIF，如稍后将详细说明的那样。
[0039]接下来，将参照图3说明设置在根据第一示例性实施例的自由铸造装置中的凝固界面控制系统。图3是设置在根据第一示例性实施例的自由铸造装置中的凝固界面控制系统的框图。该凝固界面控制系统被设计成将凝固界面SIF的位置(高度)保持在预定的基准范围内。
[0040]如图3所示，该凝固界面控制系统包括成像部109、图像分析部110、铸造控制部111、上引机108、熔融金属保持炉101和冷却气体供给部107。已参照图1说明了成像部109、上引机108、熔融金属保持炉101和冷却气体供给部107，因此这里将省略对它们的详细说明。
[0041]图像分析部110由通过成像部109捕捉到的图像来确定凝固界面。更具体地，图像分析部110比较相继地捕捉到的多个图像，并且将反射光的亮度值在短的变动周期内大幅改变的位置确定为振荡的被保持的熔融金属M2的表面。另一方面，图像分析部110将反射光的亮度值在长的变动周期内仅稍微改变的位置一一即，没有太大振荡的位置一一确定为铸件M3的表面。结果，图像分析部110能够基于是否存在振荡(或更具体地，振荡的变动周期和变动幅度)来确定凝固界面。
[0042]这里，如上所述，对形状确定部件102的上表面应用图案P。该图案P反射到被保持的熔融金属M2上，因此被保持的熔融金属M2的表面的亮度在被保持的熔融金属M2稍微振荡时大幅改变。因此，即使在熔融金属表面低且熔融金属表面的振荡小时，也能够确定凝固界面。
[0043]将参照图4更详细地说明这一点。图4是凝固界面附近的区域的三个示例性图像的视图。图4中的示例性图像从图4的顶部起依次为凝固界面的位置高于上限的情形的示例性图像、凝固界面的位置处在基准范围内的情形的示例性图像和凝固界面的位置低于下限的情形的示例性图像。如在图4中央的示例性图像中所示，例如，图像分析部110将由成像部109捕捉到的图像中检测到振荡的区域(即，熔融金属)和振荡小到未被检测到的区域(即，铸件)之间的边界部确定为凝固界面。
[0044]铸造控制部111包括未示出的存储部，该存储部存储凝固界面位置的基准范围(上限和下限)。此外，如果由图像分析部110确定的凝固界面高于上限，则铸造控制部111降低上引机108的上引速度，降低熔融金属保持炉101的设定温度，或增大从冷却气体供给部107供给的冷却气体的流量。另一方面，如果由图像分析部110确定的凝固界面低于下限，则铸造控制部111提高上引机108的上引速度，升高熔融金属保持炉101的设定温度，或减小从冷却气体供给部107供给的冷却气体的流量。对这三个条件的控制可同时改变两个以上的条件，但仅改变一个条件使控制更容易，且因此是优选的。此外，可预先设定这三个条件的优先次序，并且可从优先级最高的条件依次改变它们。
[0045]接下来，将参照图4说明凝固界面位置的上限和下限。如图4中的示例性图像所示，当凝固界面的位置高于上限时，在被保持的熔融金属M2中产生“收缩”并发展成“撕裂”。能通过改变凝固界面的高度并预先检查被保持的熔融金属M2中是否产生“收缩”来确定凝固界面位置的上限。
[0046]另一方面，当如位于图4底部的示例性图像所示凝固界面的位置低于下限时，在铸件M3的表面上产生凹凸并且这些凹凸变成形状缺陷。能通过改变凝固界面的高度并预先检查在铸件M3的表面上是否产生凹凸来确定凝固界面位置的下限。这些凹凸被认为是由于凝固界面过低而已在形状确定部件102的内部形成的凝固片。
[0047]这样，根据第一示例性实施例的自由铸造装置具有应用于形状确定部件102的上表面的图案P，并且包括捕捉反射到凝固界面附近的区域上的图案P的图像的成像部和由该图像来确定凝固界面的图像分析部。由于该图案P被反射到被保持的熔融金属M2上，所以被保持的熔融金属M2的表面的亮度在被保持的熔融金属M2稍微振荡时大幅改变。因此，即使凝固界面低且熔融金属的振荡小，也能够确定凝固界面。结果，即使凝固界面低，也能执行用于将凝固界面保持在预定的基准范围