JPH06263B2 - 連続鋳造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属の鋳造、特に、略液相線−固相線温度領
域を備える種類の合金インゴットを連続的に鋳造する方
法に関する。

インゴットの連続鋳造は、周知であり、金属加工業にお
いて広く採用されている技術である。一般に、連続鋳造
法は、冷却した外壁および可動底部、またはプラグを備
えた連続鋳造用鋳型を使用する。溶湯は、鋳型の頂部か
ら注湯し、溶湯が鋳型内で凝固すると、プラグによって
下方に引抜かれ、これと同時に、鋳型頂部からは追加的
な溶湯を注湯する。合金を鋳造する場合、鋳型内で下方
に引き降ろす際、インゴットを急速に冷却させることに
よって、合金成分の偏析という問題を軽減または解消す
ることができる。この目的のため、鋳型の壁を冷却する
のに加えて、水噴霧、溶解塩浴、またはその他同様の冷
却システムを採用して、凝固速度を向上させようとして
いる。

合金の真空溶解または加工と共に、連続鋳造法を採用す
る場合、溶湯は真空状態にて注湯されるため、かかる冷
却システムは採用できない。従って、鋳型の壁、および
当然、インゴットの凝固部分を経て下方に失われる熱損
失によって、伝熱パラメータが定まり、この範囲内に
て、システムを運転しなければならない。

液相線温度と固相線温度との間に相当な領域を備えた合
金を連続真空鋳造する場合、金属とその金属を注入する
冷却した金型との間の伝熱をもっぱら利用して、冷却し
なければならないため、製鋼能率は著るしく制約され
る。インゴットを下方に動かした際、鋳型の壁に近接す
る金属が十分に凝固しなかった場合、鋳型の壁とインゴ
ット間の摩擦力によって、インゴットの側壁には、高温
亀裂として知られる亀裂が生じる。大部分の場合、高温
亀裂はさらに加工する上で許容し得ない側壁状態を与え
る。

高温亀裂を回避するため、インゴットを鋳型内で下方に
引抜く速度は、周縁にて十分に凝固するか、または、イ
ンゴット頂部の押湯によって、亀裂を充填し得るほど遅
くすることができる。直径の大きいインゴットの場合、
直線的な遅い鋳造速度とするのが望ましいことが多い。
しかし、小径のインゴットの場合、および大径のインゴ
ットの場合でも、この望ましい鋳造速度にすると、高温
亀裂という問題が生じる。

本発明の目的は、改良した連続鋳造法を提供することで
ある。本発明の別の目的は、インゴットの側壁に高温亀
裂の生ずる虞れを略解消する改良した連続鋳造法を提供
することである。本発明の別の目的は、略液相線−固相
線温度領域を備えた合金を連続鋳造するのに特に適し
た、改良した連続鋳造法を提供することである。

本発明の他の目的は、当業者なら、添付図面を参照しな
がら、次の説明を読むことによって明らかになるであろ
う。

第１図は、本発明の方法を採用した高真空連続鋳造シス
テムの略図、および 第２図は、本発明に従って製造した、連続鋳造用鋳型内
のインゴットの一部を示す拡大断面図である。

極く一般的に、本発明の方法は、略液相線−固相線温度
領域を備える種類の合金インゴットの連続鋳造に関す
る。この方法は、高温亀裂および湯境といった著るしい
表面欠陥を生ずることなく、インゴットを製造できるも
のである。略等量の溶湯を連続的に約１０^-3トール以下
の圧力にて、連続鋳造用鋳型内に注湯する。各場合と
も、重力の作用の下で流し込むことにより、鋳型の全断
面をカバーするのに十分な量とし、次に注湯する間に略
凝固し、軸方向に連続的に増加しインゴットを構成する
ようにする。一般に各注湯の単位増加量の厚さを連続鋳
造用鋳型の長さの約2/3ずつ厚みが増大するようにする
が、これによりはるかに小さくしてもよい。各連続注湯
の間、形成せんとするインゴットの側壁に高温亀裂を生
ずことなく続いて引き降ろすことができるように鋳型に
近接する最後に形成された溶湯の単位増加量の環状部分
から熱を奪う一方、最後に注湯された単位増加量の全表
面の温度を、次の注湯の単位増加量と金属的結合を生ず
る値に維持する。次の単位増加量の注湯直前に、一部分
形成されたインゴットは、単位増加量の厚みに略等しい
寸法だけ、鋳型内にて下降させる。

特に、第１図を参照すると、本発明を採用することので
きるシステムの略図が掲げられている。真空密閉体、ま
たは炉11は、適当な真空ポンプ、即ち、ポンプ13によっ
て、所望の圧力、好ましくは、約１０^-3トール以下まで
空気を抜く。図示したシステムにおいて、インゴット素
材15は、真空弁19で密封した側壁に設けた開口部17から
炉内に供給される。炉床21は、炉内部で素材15の下方に
支持体23によって支持されている。炉床は、適当な任意
の形態でよいが、銅製とし、冷却液路25によって水冷却
し、炉床内に収納した溶湯が、炉床とその内の溶融池間
にスカル27を形成するようにする。

樋31が、炉床の端部から、連続鋳造用鋳型33の上方に伸
長している。連続鋳造用鋳型33は、適当な冷却液を循環
させ、鋳型から熱を奪うため、その壁に冷却液路35を備
えている。適当な材料製のプラグ37が、鋳型の内側に設
けてあり、鋳造せんとするインゴットの下端を形成して
いる。このプラグは、図示しない適当な機構または油圧
システムに取付けたロッド41によって動かされるプレー
ト39上に支持されている。説明するように、インゴット
43は、溶湯が樋31から鋳型内に注入される結果、鋳型33
内でプラグ37の上方に形成される。インゴット43は、真
空密閉体の拡大容積内に後退させられる。ロッド41は、
従来の大気対真空シール46を通って動く。

素材15を溶解させる目的のため、１または複数の電子ビ
ーム銃45が設けられている。これら銃は、自己加速型ま
たは作動加速型とし、素材の下端を溶解させるのみなら
ず、炉床内の溶融池29の表面、樋31を下方に流れる溶湯
および鋳型33内のインゴット43の頂部全体に作用し得る
ことが望ましい。この目的を達成するための適当な電子
ビーム加熱システムは、当技術分野で周知であり、ここ
では、これ以上説明しない。かかる加熱システムの１例
として、米国特許第3343828号を参照する。さらに、本
発明の方法に採用することのできる電子ビーム加熱シス
テムの例として、シェイラー等（Schiller et al）の電
子ビーム技術（Electron Beam Technoloy）の第５章、
第４節の「電子ビームによる融解」（“Electron Beam
Melting”）も参照する。

電子ビーム銃45からのエネルギは、素材15の下端を溶解
させ、この素材は溶解すると、炉床21の溶融池29内に滴
下する。炉床に滞留する時間中、溶湯は、揮発性不純物
および非可溶性成分を除去して、精錬され、次いで、鋳
型33内に送られ、連続的に鋳造され、従って、極めて精
錬度の高いインゴットを形成することができる。

本発明に依れば、インゴット43は、炉床21の溶融池29か
ら略等量の溶湯を連続的に鋳型33内に注湯することによ
って、鋳造される。量は、重力の作用で流れ込むことに
より、鋳型33の全断面積（即ち、鋳型内のインゴット43
の全表面）をカバーするのに十分なように選択する。こ
れは、溶湯の量は、表面張力の作用を解消し、十分な流
動性を備え、凝固することなく、全面積をカバーするの
に十分でなければならないことを意味する。各注湯後、
注湯した量は、その外周縁に沿って略凝固するため、次
の単位増加量を注湯する前、インゴット43を後退させた
とき、鋳型の壁に対して動かした場合でも、亀裂を生じ
ない十分に中実な側壁を形成する。

注湯間隔は、少なくとも約30秒とする。注湯間隔中、イ
ンゴットの全上面は、必要に応じて、電子ビームで加熱
することにより、新たな注湯分と金属的結合を生じるの
に十分な温度に維持する。一般的に、この温度は、固相
線温度より約50乃至200゜F（約30乃至120℃）低くする。
その結果、インゴット43を構成する連続的な単位増加量
47は、相互に金属学的に結合され、金属学的に健全なイ
ンゴットを形成する。

第２図を参照すると、本発明に従って製造したインゴッ
トが形成したままで鋳型内にある状態の略図が示してあ
る。インゴットを構成する連続的な軸方向単位量45の厚
みは軸方向の高さが、最小の1/25乃至1/8インチ（１乃
至３mlから６インチ（約15cm）以上まで変化する。上述
した如き、凝固特性によって、インゴットは、インゴッ
トの直径の約３％を占め、結晶方向が略半径中方を向
き、結晶がかかる方向に向けて略細長くなっている外周
縁領域47を備える。インゴットの残部は、特に一定の方
向を指向しない結晶で構成されるが、インゴットは健全
であり、完全に稠密となる。

次の例は、本発明の方法をさらに説明するために掲げた
ものである。これらは、いかなる意味においても、請求
の範囲の記載を限定することを意味するものではない。

例１− コバルト８％、クロム13％、アルミニウム3.5
％、チタニウム2.5％、コロンビウム3.5％、タングステ
ン3.5％、モリブデン3.5％、ジルコニウム0.05％、ホウ
素0.012％、炭素0.06％および平衡ニッケルを正規成分
とする真空誘導溶解したニッケル系合金を電子ビーム、
常温炉床純化炉内で溶解、精錬し、直径３インチ（約７
1/2cm）のインゴットを鋳造した。金属は、４分の間隔
を置いて、10ポンド（約４1/2kg）の単位増加量ずつ注
湯した。単位増加量の高さは、約５インチ（約13cm）と
した。注湯間隔は、湯口間の注湯口内に位置決めした水
冷の銅製枝堰によって制御した。

鋳造作業中、インゴット頂部は、２乃至３kw程度の電子
ビーム加熱を行なった。インゴットは、注湯開始約10秒
前に、５インチ（13cm）引抜いた。この短かい時間に、
ビームは、インゴット頂部に当たらない。注湯期間中の
溶湯の流動速度は、各単位量の注湯間隔約30秒に対応し
て、毎時1000乃至1200ポンド（約450乃至550kg）とし
た。平均製鋼速度は、毎時約150ポンド（70kg）であっ
た。

例２− ニッケル52.8％、クロム19.0％、コロンビウム
5.2％、モリブデン3.0％、アルミニウム0.5％、チタニ
ウム1.0％、炭素0.05％、および平衡鉄を成分とする真
空誘導溶解したニッケル系合金を電子ビーム、常温炉床
精錬炉内にて溶解、精錬を行ない、直径４1/2インチ（1
1.5cm）のインゴットを鋳造した。溶湯は、３分間の間
隔にて、各約２インチ（５cm）の高さの10ポンド（4.5k
g）単位増加量を注湯し、毎時、平均200ポンド（90kg）
の速度にて製造した。注湯間隔は、炉床の注湯リップを
電子ビームで加熱し、注湯を行わせることによって制御
した。炉床内の溶湯の液面が注湯リップより約1/8イン
チ（３mm）上のところまで低下した場合、溶湯は流動し
なくなる。次に、注湯リップに対する電子ビームによる
熱を除去し、溶解を続行させ、炉床内の溶湯の液面が十
分に上昇し、注湯リップに対し電子ビームの熱を作用さ
せたとき、次の20ポンド（９kg）を注湯することができ
るようにする。各注湯間隔は、約30秒とした。

その後、丸形インゴットは、予熱処理を行なった場合お
よび行なわなかった場合共、上記何れの状態でも表面調
成を加えずに、丸形隅部を備えた２1/2インチ（6.5cm）
方形に圧延することができた。従来の方法では、真空ア
ークまたは電子スラグ再溶解を行なった後、広範な熱処
理、熱間鍛造、表面調成および端部切断工程を行なっ
て、本例によって製造したインゴットに匹敵する断面の
はるかに大形のビレットを鋳造する。

例３− ニッケル43.7％、クロム21.0％、コロンビウム
22.0％、アルミニウム13.0％およびイットリウム0.3％
を正規成分とする真空誘導溶解された合金を電子ビー
ム、常温炉床の精錬炉内にて溶解、精錬を行ない、直径
２インチ（５cm）のインゴットを鋳造した。溶湯は、毎
時90ポンド（40kg）の造塊速度に応じて、３ポンド（1.
3kg）の単位増加量を２分間隔にて注湯した。インゴッ
トは機械加工し、0.050インチ（1.3mm）以下の表面除去
を行ない、平滑な表面とした。この合金は極めて脆いた
め、従来の方法では、過度の表面亀裂を伴わずに、水冷
鋳型で鋳造することはできない。

故に、本発明は、略液相線−固相線温度領域を有する種
類の合金を連続的に鋳造し得る改良した方法を提供する
ものである。インゴット側壁の高温亀裂を略防止でき
る。

これまでの説明および添付図面から、当業者には、ここ
で説明した実施態様に加えて本発明の幾多の応用例が明
らかであろう。かかる応用例は、添付した請求の範囲に
属するものである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】略液相線−固相線温度領域を有する種類の
   合金インゴットを連続的に鋳造し、高温亀裂が略皆無の
   表面を備えたインゴットを製造する方法において、 重力の作用の下、連続鋳造用の鋳型の全断面積をカバー
   するのに十分な量の溶湯を、約１０^-3トール以下の圧力
   で、略等量ずつ前記鋳型に流し込んで鋳込み、各連続注
   湯間に少なくとも３０秒の冷却期間をおく段階と、 それぞれ単位増加量の溶湯の注湯後、その全表面に実質
   的に連続して電子ビームを照射することにより、次に注
   湯される単位増加量の溶湯との金属学的結合の生ずる温
   度に維持する段階と、 それぞれの連続的な注湯の前であって前記冷却期間の後
   に、一部形成されたインゴットを、溶湯の単位増加量の
   厚さに実質的に等しい距離だけ鋳型内で下降させる段階
   とを有してなることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】インゴットが、約５０℃乃至１５０℃の液
   相線−固相線温度領域を有する合金で形成されることを
   特徴とする請求の範囲第１項に記載した方法。
3. 【請求項３】合金が、それぞれ、少なくとも約４０％の
   ニッケルまたはコバルト、並びに約１０％乃至３０％の
   クロムを含有するニッケルまたはコバルト系合金である
   ことを特徴とする範囲第２項に記載した方法。
4. 【請求項４】各単位増加量を、約３mm乃至２０cmの厚み
   に注湯することを特徴とする範囲第１項に記載した方
   法。