JPH0538555A - 金属を溶解し連続鋳造する装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高融点、高反応性の金属を効率よく誘導加熱溶
解して、欠陥のないインゴットを連続的に鋳造する。 【構成】チャンバー１内に上部がスリットでセクタに分
割されたるつぼ２を設置し、るつぼ２を囲繞してコイル
形誘導子３を配置するとともに、るつぼ２の上端面がコ
イル形誘導子３の上端と下端とのレベル範囲を上下に移
動可能なるつぼ昇降装置６を設ける。そして誘導加熱で
母材金属からドーム状溶融金属を形成した後、るつぼ２
の上端面をコイル形誘導子３の上端レベルより低く、か
つ下端レベルより高いレベルに保持して、原料供給速度
に相当する引き抜き速度でインゴットを製造する。 【効果】るつぼセクタを介在させずコイル形誘導子から
直接ドーム状溶融金属を効率よく加熱できる。従って材
料欠陥、表面欠陥のないインゴットが高生産性で製造で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、誘導加熱が行われる
冷却式るつぼを使用して、大気から遮断した状態で高融
点、高反応性の金属を溶解し、かつ連続的に鋳造する装
置と方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷却式るつぼを用いて誘導加熱により溶
解し、かつ連続的に鋳造を行う方法は、チタン、ジルコ
ニウム、ハフニウムあるいはこれらの合金等の高融点で
反応性に富む金属を溶解し、そのインゴットを製造する
場合などに使用される。

【０００３】図５(a) および(b) は米国特許 3,775,091
号明細書に開示されているこの種の冷却式るつぼ装置の
一つである。この装置は、図示のようにチャンバー41内
に配置され、スリット42c で分割されて並置され、互い
に電気的に絶縁されたセクタ42d からなる銅製のるつぼ
42、その外側を囲繞する水冷同軸らせん形誘導子43、鋳
造インゴットの引き抜き棒45、スラグ剤と原料金属との
フィーダー44から構成されている。そして前記セクタ42
d の内部に冷却水が流され、前記同軸らせん形誘導子43
に中波あるいは高周波の交流電流が供給される。るつぼ
42の壁がセクタ42d に分割されているので同軸らせん形
誘導子43の交番磁場がるつぼ42内に装入された原料金属
中に電流を誘導し、原料金属は加熱、溶解され攪拌され
る。溶解された金属はるつぼ42の下方で冷却されてイン
ゴットになり、引き抜き棒45により下方に引き抜かれ
る。

【０００４】従来、この種の装置では溶融金属とるつぼ
の直接接触を避けるため、溶融金属に作用する電磁的ピ
ンチ力を利用するとともに、図５の(b)に示すようにる
つぼと溶融金属およびインゴットとの間にスラグ層を形
成させる。しかし、このスラグの存在はスラグによる金
属の汚染やるつぼの腐食を招き、また融解、鋳造操作が
真空下で行われる場合にはスラグが蒸発してチャンバー
41内に付着するという弊害を生じ、さらに鋳造時にイン
ゴットの形状が変形したり、インゴットに付着したスラ
グを剥ぎ取るために余分な工程を必要とする。また、イ
ンゴットとるつぼ壁との接触が長いので引張応力が増加
し、インゴット鋳肌の亀裂発生を助長するなど、多くの
問題を生じる。

【０００５】上述の問題点を解決するための装置とし
て、仏国特許第2609655 号明細書に開示されている図６
の装置がある。この装置は、るつぼ52の内側の断面積が
下方に向かって拡大している点およびスラグを用いない
点を除けば、概ね前記米国特許3,775,091 号明細書の装
置に類似している。図に示すように誘導子53に供給する
電流値を制御して、るつぼ52の均一断面の上部領域と末
広がり断面の下部領域との接合部より僅かに高いレベル
の上方に溶融金属を保持し、電磁的に溶融金属とるつぼ
壁とが接触しないようにする。その際、るつぼ52の下部
領域は末広がりになっているので、上記レベルより下方
の僅かな高さの上部領域で溶融金属がるつぼ壁と接触し
て凝固する。従ってスラグを用いなくても凝固金属はる
つぼ52の金属によって汚染されず、またインゴットとる
つぼ壁との間に大きな引張応力が存在しないのでインゴ
ットは引抜きが容易となり、良好な表面状態が得られ
る。

【０００６】しかし溶解速度を速めて生産性を上げる
と、凝固面上への未溶解原料の付着などの現象が顕著と
なり、引張応力増大によるインゴットの表面欠陥や原料
の未溶解、合金成分の偏析などの材料欠陥が発生しやす
くなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高融点で反
応性の高い金属を能率よく誘導加熱溶解し、表面欠陥や
材料欠陥のないインゴットを連続的に製造することを課
題としてなされたものであって、その目的は、従来の冷
却式るつぼ装置を用いる方法における上述のような問題
点のない溶解鋳造装置とこれを用いる溶解鋳造方法を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一つは、図１
（ａ）、（ｂ）および図２にその具体例を示すように、
下記の装置を要旨とする。

【０００９】竪型の導電性るつぼ２と、このるつぼを囲
繞して配置されたコイル形誘導子３と、インゴットを支
持して下方へ引き抜く引き抜き棒５と、上記のるつぼの
昇降装置６と、上記のすべてを大気から遮断するチャン
バー１とを有し、前記るつぼ２は、その壁が電気絶縁材
を充填した複数の上下方向に延びるスリット2cでセクタ
2dに分割されたセグメント構造の上部部材2aと、この上
部部材と接合されたセクタに分割されない一体構造の下
部部材2bとからなり、上記の上部部材および下部部材の
内部には互いに接続された冷却媒体の流通路2fがあり、
前記のるつぼの昇降装置は、前記るつぼの上端を前記コ
イル形誘導子の上端と下端との間で上下に移動させるこ
とができるものであることを特徴とする金属溶解および
連続鋳造装置。

【００１０】本発明のもう一つは、上記の装置を使用す
る下記の方法を要旨とする。

【００１１】まず、るつぼ内に装入した金属母材を誘導
加熱して溶解させ、るつぼ上端面よりも上方に盛り上が
ったドーム状溶融金属を形成させ、その後るつぼ上端面
をコイル形誘導子の上端レベルより低く、かつ下端レベ
ルより高いレベルに保持して、ドーム状溶融金属に原料
金属を供給するとともに、原料供給速度に相当する引抜
き速度でインゴットを下方に引き抜くことを特徴とする
金属の溶解および連続鋳造法。

【００１２】

【作用】以下、図面を参照しながら本発明の装置と方法
について詳しく説明する。

【００１３】図１(a) は本発明装置の一例の縦断面図、
同図(b) は図１(a) のＡ−Ａ矢視の水平断面図であり、
図２は本発明装置のるつぼの部分の一部断面斜視図であ
る。

【００１４】これらの図において、１は下部に排気口1a
を有するチャンバーであり、この中に竪型、同筒状のる
つぼ２が設置され、このるつぼ２を囲繞してコイル形誘
導子３が設けられている。このコイル形誘導子３は図示
しないリード線により電源に接続され、図示しない導管
が給水口2hおよび排水口2iに接続されている。

【００１５】るつぼ２の上方には原料金属Ｒを供給する
振動フィーダ４が配置され、その下方にはるつぼ２内で
溶解され、凝固したインゴットを支持して下方へ引き出
す引き抜き棒５が設けられている。

【００１６】るつぼ２は導電性材料、例えば銅で作ら
れ、上部部材2aと下部部材2bとから構成される。上部部
材2aの構造は図２に示すように、上下方向に延びるスリ
ット2cで分割された複数のセクタ2dが円筒状に配置され
たセグメント構造であり、スリット2cの間隙に電気絶縁
材が充填される。各セクタの内部には冷却水通路2fを備
える。下部部材2bは内部に中空直円筒状の中空体が二重
に形成された冷却水通路2e、2gを有し、セクタに分割さ
れない一体構造である。給水口2hおよび排水口2iは、る
つぼ２の昇降に支障がないように図示しない可撓性ベロ
ーズ銅管に接続されている。給水口2hから下部部材2bの
冷却水通路2eに供給された冷却水は上部部材2aの各セク
タ2dの冷却水通路2f、下部部材2bの冷却水通路2gを経
て、排水口2iに排水される。るつぼ２の下端は電気絶縁
材2jを介してるつぼ支持板2k上に載置されている。

【００１７】るつぼ昇降装置６は、例えばるつぼ支持板
2kに取付けた雌ねじ部材6aと雄ねじ回転棒6bと、回転棒
支持板6cと、回転機構6dとから構成される。雌ねじ部材
6aはるつぼ支持板2k上に中心対称に４個取り付ける。雄
ねじ回転棒6bはその上、下端にスラスト球軸受6eを取り
付け、上、下端に設けた回転棒支持板6cで上、下が固定
される。雄ねじ回転棒6bには、回転機構6d、例えば傘歯
車6fおよび図示しない変速機、クラッチ、回転モーター
等を取り付ける。このようにして回転棒6bを回転させれ
ば、ピニオン−ラックの機構で支持板2kが昇降し、るつ
ぼ２を所定距離上下に昇降させることができる。

【００１８】次に、上記の装置を用いて原料金属Ｒを溶
解して連続鋳造を行い、インゴットを製造する方法を説
明する。

【００１９】まずインゴットの母材を引き抜き棒５の先
端に固定した後、引き抜き棒５を上昇させて母材の上端
がほぼコイル形誘導子３の中間高さに一致するところま
で挿入し、るつぼ２の上端がコイル形誘導子３の中間高
さに相当するところにるつぼ２を配置する。ただし運転
開始の段階ではるつぼ２の配置位置は特に限定する必要
はない。

【００２０】次にるつぼ２の給水口2hから冷却水を供給
するとともにコイル形誘導子３に中波または高周波の交
流電流を供給すると、るつぼ２のセクタ2dを介してるつ
ぼ２の内面に誘導電流が流れるので母材は加熱され、や
がて溶融するとともに電磁的ピンチ力の作用を受けて溶
融部はドーム状に***する。その後るつぼ２の上方か
ら、例えばＴＶモーターで監視しながら、るつぼ昇降装
置６を用いてるつぼ２を上方にゆっくり上昇させ、るつ
ぼ２の上端面をコイル形誘導子３の中央レベルより低
く、かつ下端レベルより高いレベルに保持する。

【００２１】このような状態で、図３に示すようにコイ
ル形誘導子とドーム状溶融金属との間にるつぼセクタを
介在させることなく溶解操作が行われる。

【００２２】続いて、母材上端部に形成されたドーム状
溶融金属に原料金属Ｒを供給するとともに、原料供給速
度に相当する速度で引き抜き棒５を下降させてドーム状
溶融金属を一定位置に保持しながらインゴットを製造す
る。

【００２３】上記の一連の操作の間、密閉チャンバー１
内の雰囲気は任意に調整することができる。通常Arガス
または真空雰囲気で運転される。従って高反応性の金属
であっても酸化汚染させることなく溶解することができ
る。

【００２４】図３は、本発明方法を実施したときの溶融
金属のドーム状形成状況を模式的に示す図である。図に
示すようにコイル形誘導子３の大部分の内側前面にはる
つぼ２が存在しないので、ドーム状溶融金属Ｍとコイル
形誘導子３とが直接電磁気相互作用を行うことになる。
従って、るつぼに分配される電磁エネルギーが減少し、
ドーム状溶融金属Ｍの加熱効率が高められ、装置の生産
性が向上する。

【００２５】凝固シェルの起点とほぼ一致するドーム状
溶融金属Ｍとセクタ2dの内壁との接点より下方の領域に
セクタ2dの大部分が配置されているので、ドーム状溶融
金属Ｍは上記接点を起点とした振動溶湯面7aが生ずる。
しかし、このように溶湯面７に振動などの不安定現象が
生じたとしても、コイル形誘導子３から中心部へ押し戻
す力が働ので、溶融金属がこぼれたり、コイル形誘導子
３とドーム状溶融金属Ｍが直接接触してスパークが発生
するようなことはなく、安全かつ安定した生産を行うこ
とができる。

【００２６】図６は従来の冷却式るつぼ装置を用いたと
きのドーム状溶融金属の形成状況を示す図である。この
方式では、るつぼ２の上端はコイル形誘導子３の上端と
ほぼ一致するところに設定されている。この場合、ドー
ム状溶融金属Ｍの振動溶湯面7aがセクタ2dの内壁に接触
して凝固シェル８が固着し、やがて成長してインゴット
Ｉの表面に固着し、インゴット引抜きの引張応力が増大
してインゴットＩに亀裂などの表面欠陥が生ずる。また
コイル形誘導子３とドーム状溶融金属Ｍとの間にセクタ
2dが介在し、セクタ2dで電磁エネルギーロスが生ずるの
で、加熱効率が低下する。従って生産速度を高めると原
料の未溶解が起こりやすくなり、合金製造時には合金成
分の偏析などの材料欠陥が発生しやすい。

【００２７】以下、実施例により本発明の装置の使用方
法とその効果を具体的に説明する。

【００２８】

【実施例】図１に示した装置を用いてチタンインゴット
を製造し、その純度と表面性状を調べた。

【００２９】るつぼ２は内径60mm、外径 100mm、高さ 1
80mmの銅製である。セグメント構造を有するるつぼ２の
上部部材2aは高さ 120mmの16分割された内部水冷構造の
セクタ2dからなり、隣接セクタの間隙は 0.8mmで雲母あ
るいはアルミナなどの絶縁物が充填されている。

【００３０】セグメント構造を持たないるつぼ２の下部
部材2bの高さは60mmである。コイル形誘導子３は肉厚２
mm、外径12mmの銅製コイルを平均直径 120mmでるつぼ２
と同心にらせん状に７回巻いた構造になっている。ま
た、るつぼ２の上方には原料チタンＲを供給する振動フ
ィーダ４が設けられ、るつぼ２の下方には鋳造されたチ
タンインゴットＩを下方に連続的に引き出す引き抜き棒
５が配置されている。

【００３１】溶解および鋳造操作は次のように行った。
まずチャンバー１内をArガス雰囲気にした後、引き抜き
棒５をるつぼ２内に挿入し、引き抜き棒５の上端に置い
たチタン母材をその上部がコイル形誘導子３の高さの中
程に位置するように装入し、るつぼ２の上端をコイル形
誘導子３の上端に一致させた。そしてコイル形誘導子３
に周波数20kHz 、電流1500Ａの高周波電流を供給した。
５分後チタン母材は溶解するとともにドーム状に***し
た。そこで、原料の供給を行い、溶湯レベルは変えない
でるつぼを40mm降下させた。るつぼ２の上端面をコイル
形誘導子３の下端レベルより50mm上方のレベルに保持し
た。その後、引き抜き棒５を1.6cm/min の速度で下降さ
せつつ振動フィーダ４から200g/minで原料チタンＲを供
給した。このような操作を36分間行い、直径58mm、長さ
576mm、重量6.5kg のインゴットを製造した。

【００３２】このチタンインゴットの化学組成を調べた
結果、酸素2,000ppm、炭素230ppm、窒素105ppm、銅20pp
m以下、残部がチタンで非常に純度の高いものであっ
た。また表面性状もきわめて良好であった。

【００３３】

【発明の効果】本発明の装置を用いれば、電磁エネルギ
ーロスを生ずることなく金属の溶解ができ、またスラグ
剤を使用することなく連続鋳造ができる。従って、原料
の未溶解、偏析などの材料欠陥あるいは亀裂などのイン
ゴット表面欠陥のない良好な製品を高生産性で製造する
ことができ、インゴット手入れ費用の削減、製品歩留の
向上などの大きな実益が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１（ａ）】本発明装置の一例を示す縦断面図であ
る。

【図１（ｂ）】図１(a) のＡ−Ａ矢視の水平断面図であ
る。

【図２】本発明のるつぼの部分の一部断面斜視図であ
る。

【図３】本発明を実施したときの溶融金属のドーム形成
状況を示す図である。

【図４】従来の冷却式るつぼ装置を用いたときの溶融金
属のドーム形成状況を示す図である。

【図５】従来の冷却式るつぼ装置の一例を示す図であ
る。

【図６】従来の冷却式るつぼ装置の他の例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１：チャンバー、 1a：排気口、２：るつぼ、 2
a：上部部材、 2b：下部部材、2c：スリット、 2
d：セクタ、 2e,2f,2g：冷却水通路、2h：給水口、
2i：排水口、 2j：電気絶縁材、 2k：るつぼ支持
板、３：コイル形誘導子、 ４：振動フィーダ、 ５：
引き抜き棒、６：るつぼ昇降装置、 6a：台形雌ねじ部
材、 6b：台形雄ねじ回転棒、6c：回転棒支持板、
6d：回転機構、 6e：スラスト球軸受、6f：傘歯車、
７：溶湯面、 7a：振動溶湯面、 ８：凝固シェル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】竪型の導電性るつぼと、このるつぼを囲繞
   して配置されたコイル形誘導子と、インゴットを支持し
   て下方へ引き抜く引き抜き棒と、上記のるつぼの昇降装
   置と、上記のすべてを大気から遮断するチャンバーとを
   有し、前記るつぼは、その壁が電気絶縁材を充填をした
   複数の上下方向に延びるスリットでセクタに分割された
   セグメント構造の上部部材と、この上部部材と接合され
   たセクタに分割されない一体構造の下部部材とからな
   り、上記の上部部材および下部部材の内部には互いに接
   続された冷却媒体の流通路があり、前記のるつぼの昇降
   装置は、前記るつぼの上端を前記コイル形誘導子の上端
   と下端との間で上下に移動させることができるものであ
   ることを特徴とする金属溶解および連続鋳造装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の装置を使用し、そのるつぼ
   内に装入した金属母材を加熱溶解し、るつぼ上端面より
   も上方に盛り上がったドーム状溶融金属を形成させ、そ
   の後るつぼ上端面をコイル形誘導子の上端レベルより低
   く、かつ下端レベルより高いレベルに保持して、ドーム
   状溶融金属に原料金属を供給するとともに、原料供給速
   度に相当する引抜き速度でインゴットを下方に引き抜く
   ことを特徴とする金属の溶解および連続鋳造法。