(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラグ浴に電流を流す、長さの短く、水冷式の下方に向かって開放されているモールドにおいて、交流または直流を使用して消耗性電極を導電性のスラグ浴内で溶解することにより、金属インゴットまたは金属ビレット、特に、鋼ならびにニッケル合金およびコバルト合金を製造する方法において、
供給される前記溶解電流は、前記溶解電極と、底板、再溶解インゴットおよび溶解溜まりと、場合により、前記モールドの少なくとも１つの導電素子とを介して前記スラグ浴に導入され、
前記溶解電流の分配は調整することができ、該電流の戻りは、前記モールドの少なくとも１つの他の導電素子を介して行われ、該導電素子は前記少なくとも１つの導電素子と、前記再溶解インゴットを造形する前記モールドの一部とに対して電気的に絶縁されていることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１において、前記底板を介して供給される電流を供給される全溶解電流の０〜１００％の割合に調整できることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１において、前記溶解電極を介して供給される電流を供給される全溶解電流の０〜１００％の割合に調整できることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１において、前記少なくとも１つの導電素子を介して供給される電流を供給される全溶解電流の０〜１００％の割合に調整できることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、直流を使用する場合、前記電極ならびに／または底板およびインゴットへの給電ラインを陰極として接続することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、形成される前記インゴットが連続的に前記モールドから引き抜かれることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、形成される前記インゴットが段階的に前記モールドから引き抜かれることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、形成される前記インゴットが固定されており、前記モールドが連続的に持ち上げられることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、形成される前記インゴットが固定されており、前記モールドが段階的に持ち上げられることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項６ないし８のいずれかにおいて、前記モールドが往復運動することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項７または９において、持ち上げステップの後、直ちに反対の方向に反対の持ち上げステップが行なわれ、前記反対の持ち上げステップのストローク長さが、先行する前記持ち上げステップのストローク長さの最大６０％までであることを特徴とする方法。
【請求項１２】
再溶解インゴット（３０）を形成するための底板（１４）と、スラグ浴（２４）の領域に設けられ、かつインゴット（３０）を造形する、モールド（１０）の下部領域（２０）および／または他の導電素子に対して絶縁されている少なくとも１つの導電素子（１８，１８ａ）とを有する長さの短い水冷式のモールド（１０）を用いて、請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法を実行するための装置において、
少なくとも１つの電源（３６，３６ａ）からの溶解電流の給電ライン（３２，３２ａ）が、溶解電極（２８）と、底板（１４）と、場合により、モールド（１０）の導電素子（１８ａ）とに接続されており、
前記給電ライン間の電流の分配が調整可能であり、
少なくとも１つの電源または溶解電流供給手段（３６，３６ａ，３６ｂ）への電流の戻りが、モールド（１０）の少なくとも１つの導電素子（１８）により行われ、この導電素子（１８）が、前記少なくとも１つの導電素子のうち１つの導電素子（１８ａ）と再溶解インゴット（３０）を造形するモールド下部（２０）とに対して電気的に絶縁されていることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２において、２つまたは３つの同時かつ別個に調整可能である電源（３６，３６ａ，３６ｂ）が使用されていることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１２において、電源（３６）が一方でモールド（１０）の導電素子（１８）に接続されており、他方で溶解電極（２８）および底板（１４）に接続されるように設定されていることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１２または１３において、少なくとも２つの電源（３６，３６ａ）が一方でモールド（１０）の導電素子（１８）に接続されており、他方で前記電源のうち１つの電源（３６ａ）がモールド（１０）の他の導電素子（１８ａ）に接続されるように設定されており、また前記電源のうち他方の電源（３６）が溶解電流（２８）および底板（１４）に接続されるように設定されていることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１２または１３において、電源（３６，３６ａ，３６ｂ）が一方でモールド（１０）の導電素子（１８）に接続されており、他方で前記電源のうち１つの電源（３６）が溶解電極（２８）に接続されており、他の電源（３６ｂ）が底板（１４）に接続されており、さらに他の電源（３６ａ）がモールド（１０）のもう１つの導電素子（１８ａ）に接続されていることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１２ないし１６のいずれかにおいて、給電ライン（３１，３１ａ，３２，３２ａ）間の電流強度の分割が調整可能であることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１７において、抵抗（４２，４２ａ）が溶解電極（２８）および底板（１４）用にライン（３２，３２ａ）に配置されていることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１３または１６において、３つの電源または電流供給手段（３６，３６ａ，３６ｂ）を使用する場合、これら手段は三相電流ネットワークの各位相に接続されることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１２ないし１９のいずれかにおいて、整流装置が溶解電流供給手段として設けられていることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラグ浴に電流を流す、長さの短く、水冷式の下方に向かって開放されているモールドにおいて、交流または直流を使用して消耗性電極を導電性のスラグ浴内で溶解することにより、金属インゴットまたは金属ビレット、特に、鋼ならびにニッケル合金およびコバルト合金を製造する方法に関するものである。本発明はさらに、前記方法を実行するための装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固定チルモールドまたは長さの短いスライディング・チルモールドを使用してエレクトロスラグ再溶解法により、再溶解されたインゴットを製造する場合、再溶解された合金の偏析の発生度に応じて、溶解速度を時間当たりの重量で設定するのが通常である。例えば、円筒形（丸形）インゴットの場合、該インゴットの直径（mm）の７０％から１１０％を溶解する速度に設定される。円形の断面を有するインゴットとは異なる、正方形または平板状のインゴットの場合、断面の周囲長さを円周率πで除した等価直径を使用する。工具鋼または高度なニッケル合金のような、重度に偏析し易い合金の場合には、偏析現象を防止するために浅い溶解溜まり（metal sump）を形成する目的で、溶解速度を低く設定する。しかしながら、従来のエレクトロスラグ再溶解プロセスでは、溶解している電極からスラグ浴に電力を供給する際、電力を著しく減少させる必要があり、その結果、スラグ浴の温度が低くなってしまい、しばしば条溝（groove）を伴う劣悪なインゴット面が形成される。このため、溶解速度を７０％以下に設定することはほとんど不可能である。スラグ浴への電力の供給を極度に減少させると、インゴットとモールドの間には厚いスラグ膜が形成されてしまって、インゴット表面からの放熱が妨げられ、その結果、所望の浅い溶解溜まり（molten bath sump）を得ることはできない。一方、偏析の生じにくい鋼や合金の場合でさえも、ＥＳＲ法と呼ばれる従来のエレクトロスラグ再溶解プロセスでは、インゴットの直径（mm）の１１０％を超える溶解速度に設定することはできない。なぜなら、溶解速度が上がり、スラグ浴が過熱されると、溶解溜まりがインゴットを形成するには許容できない深さになってしまい、偏析現象とも関係のある、粗悪なインゴット構造が形成されるからである。溶解電流が溶解電極を通ってスラグ浴に流れ、再溶解されたインゴットおよび底板を通って戻る従来のＥＳＲ法では、上述から明らかな通り、スラグ浴の温度、溶解速度、これらに関連する溶解溜まりの深さおよびインゴット表面の性質は、緊密に相関しており、また別個に監視および制御できるものではない。
【０００３】
１０００mm以上の大径を持つ再溶解されたインゴットを製造する場合、次のことが認められる。つまり、特に、チルモールドの直径の６５〜８５％を占める直径を持つ溶解電極を使用した場合に、上述した所望の低溶解速度で再溶解を行うと、スラグ浴の温度が極めて低くなってしまい、その結果、しばしば条溝が形成された劣悪な表面を有する再溶解されたインゴットが製造される。その場合に、スラグ浴への電力供給を増やすと、インゴット表面がより良好になることは確かであるが、同時に溶解速度が許容範囲を超えてしまい、その結果、溶解溜まりがより深くなり、かつインゴットが硬化しにくくなる。スラグ浴への電力供給の増加に伴う溶解速度の上昇は、溶解電極が、エネルギーをスラグ浴に供給する一方で、スラグ浴への電力供給の増加に応じて、より早く溶解するという理由により、生じる。電極の位置は、電極自体が溶解する速度でスラグ浴内へ移動させることにより、適切に調整されなければならない。溶解電極がそのように位置的に調整されない場合、スラグ浴面の上方で電極の溶解が行われるため、スラグ浴との電気的接触、すなわちスラグ浴への電力供給が妨げられる。したがって、再溶解プロセスは停止する。
【０００４】
スラグ浴の温度を上昇させる別の方法は、小径の電極を再溶解することである。その場合、スラグ浴に浸漬する、電極の端面は小さいため、比較的加熱されたスラグ浴が所望の溶解速度を得るのに要求される。多くの場合、そのような方法で、インゴット表面を向上できるのは確かであるが、小径の電極を使用すると、インゴットの中心に熱がより集中し、その結果、Ｖ形に窪んだ（溶解）溜まりが形成され、偏析が生じ易くなる。
【０００５】
上記問題の原因は、電極の溶解速度が、電極を通ってスラグ浴に供給されるエネルギーによって制御される一方で、溶解溜まり全体を十分に液状に維持するために、および溶解溜まりのメニスカス（meniscus）上での硬化の一時的な進行を防止するために、エネルギー供給が十分であることが必要とされる、という事実にある。詳細には、スラグ浴の温度が極めて低いため、硬化がメニスカスを越えて一時的に進行した場合には、インゴットの表面に条溝が形成されてしまい、後のインゴット製造プロセスに悪影響を及ぼす。
【０００６】
交流を用いる装置を使用すると、エレクトロスラグ再溶解では通常である高電流強度を伴う場合において、無視できない作用反作用損失（active and reactive losses）が生じるが、現在、工業用のエレクトロスラグ再溶解装置では、交流を用いるのがほとんどであり、上記の不利な点は許容される。なぜなら、交流を使用すると良好な冶金学的結果および許容範囲のエネルギー消費値が得られるからである。ＥＳＲ法の工業的使用開始当時には、直流を用いてこの方法を実行する試みがなされた。この場合に、従来のＥＳＲ装置と同様に、電極、スラグ浴、インゴットおよび底板を介して電流を流すと、装置の回路とは関係なく、液体金属が常に電極の先端または溶解溜まりにおいて陰極および陽極の両方を形成することが認められた。酸素および硫黄の分解のような冶金学的精錬反応の進行が陰極界面(interface)において促進されるので、原理的には液体金属を陰極として接続するのが望ましい。他方、陰極では伝送される電流から熱がほとんど放出されない。なぜなら、移動度の高い小さな陽イオン（半径の小さい陽イオン）の蓄積により、電流の伝送抵抗が低いからである。移動度の低い大きな陰イオン（半径の大きい陰イオン）が蓄積する陽極では、電流の伝送抵抗およびエネルギー収量は大きいが、再溶解金属の品質を低下させる、酸素、硫黄等の陰イオンをスラグから除去する必要がある。これに対し、交流を用いて再溶解プロセスを実行する場合、電極の先端ならびに、スラグおよび溶解溜まり間の相界の両方では、界面の極性が使用される交流の周波数と共に絶えず変化する。これにより、電極金属を溶解する電流を比較的有効に使用でき、また、相界面で極性が絶えず変化して熱力学的平衡状態の達成が促進されるため、良好な冶金学的結果を得ることができる。さらに、電極金属およびスラグ間の全ての相界を陰極として接続する試みが成功した場合、冶金学的結果のさらなる向上が期待できる。
【０００７】
本願の出願人のＥＰ特許７８６  ５２１  Ｂ１は、従来のエレクトロスラグ再溶解法よりも比較的大径の電極を溶解することにより、溶解速度をより高く設定するエレクトロスラグ再溶解の方法を開示している。この方法では、溶解電流の一部は、チルモールドの壁に装着された導電素子を通って戻る。この構成により、使用される導電ループ（loop）の全抵抗に反比例して、戻り電流が分配される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記問題に鑑みて、本発明は、スラグ浴の温度とは別個に電極の溶解速度を制御すること、および同時に良好なインゴット表面を確保することを目的とする。また、本発明は、交流を使用する場合に、溶解電極の端面および溶解溜まりの表面を陰極として接続することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、独立請求項の教示により果たされるのに対し、従属項は有利な発展形態を定める。さらに、本発明の範囲は、明細書、図面および特許請求の範囲に開示される特徴のうち少なくとも２つの特徴からなる全ての組み合わせを包含する。
【００１０】
上記目的は、スラグ中で消耗性電極を再溶解するために、スラグ浴の領域内でモールドの壁に装着され、かつ再溶解されたインゴットを造形するモールド下部に対して電気的に絶縁されている導電素子を公知のモールドに用いた場合、驚くほど単純な方法で果たされる。この導電素子を少なくとも2つ以上使用する場合には、互いに絶縁させることができる。この方法では、モールドの壁に設けられた導電素子を介してスラグ浴にエネルギーを供給すること、またはスラグ浴からエネルギーを除去することが可能である。また、電極またはインゴットを介する電流の供給または戻りとは別個にスラグ浴を加熱することも可能であるため、溶解溜まりは、その縁から縁までメニスカス全体にわたって液状に維持できる。他方、消耗性電極の溶解速度は、過熱されたスラグ浴内への電極の前進速度によって容易に制御できる。電極の端面、およびスラグ浴に浸漬する陰極の浸漬深さが大きくなればなるほど、また、スラグ浴の温度が高くなればなるほど、得られる溶解速度は高くなる。溶解電極には電流を全く流さなくてもよいが、電流の一部を電極を介して流すこともできる。この場合、電極を通って流れる電流の一部を、電極が負極となるように、すなわち陰極が形成されるように接続される直流としてもよい。原理的には、インゴット溜まり（ingot sump）には電流が流れていないが、電流の一部による作用を受けることもある。上記理由から、直流を使用する場合には、インゴット溜まりを陰極とする接続形態も好ましい。インゴットおよび電極を陰極として接続する場合、電流の戻りは、陽極として接続される、モールド内の導電素子を介して行なわれる。
【００１１】
モールド下部において造形されたインゴットは、モールドから下方に引き抜かれるか、または底板上にインゴットが造形されて高くなるにつれ、モールドを持ち上げることにより引き抜かれる。
【００１２】
したがって、本発明の主題は、公知の方法でスラグ浴に電流を流す、長さの短く、水冷式の下方に向かって開放されているモールドにおいて、電気的に導電性のスラグ浴内で消耗性電極を溶解することにより、金属のインゴットまたはビレット、特に鋼、ニッケル合金およびコバルト合金を製造する方法に関する。前記本発明による方法では、供給される溶解電流は、再溶解インゴット、溶解溜まり、場合により、モールドの壁に装着された少なくとも１つの導電素子を介してスラグ浴に導入される。また、溶解電流の戻りは、前記少なくとも１つの導電素子および再溶解インゴットを造形するモールドの一部に対して電気的に絶縁されている少なくとも１つの他の導電素子を介して行なわれる。さらに、溶解電極を通って供給される電流を供給される全溶解電流の０〜１００％の割合に調整できることが望ましい。
【００１３】
本発明の原理から定められた、本発明による方法は、作業者の要求に対して様々な方法で適合することができる。
【００１４】
例えば、長さの短い、導電性のモールドは作業プラットホームに固定されて設置され、再溶解されたインゴットはモールドから下方に引き抜かれる。
【００１５】
また、固定された底板上でインゴットを造形し、インゴットが大きくなるにつれモールドを持ち上げることも可能である。インゴットを引き抜く作業、またはモールドを持ち上げる作業を、段階的にまたは連続的に行ってもよい。
【００１６】
また、モールドを往復させることも可能であり、特に、インゴットが連続的に引き抜かれる場合には、好ましい方法である。
【００１７】
インゴットを段階的に引き下ろす場合、またはモールドを段階的に持ち上げる場合、モールドが段階的に一段持ち上げられる度に、直ちにインゴットが段階的に一段引き下ろされる。ここで、モールドが段階毎に持ち上げられる長さは、インゴットが段階毎に引き下ろされる長さの最大６０％までである。
【００１８】
本発明の別の利点、特徴および詳細は、好ましい実施形態の下記の記述および図面から明瞭になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１に示すように、中空の環状モールド本体１２を持つ水冷式チルモールド１０の下方には、中空の底板１４が位置する。底板１４の外径はモールド１０の内径ｄよりもわずかに小さい。底板１４はモールドの開口部つまり高さｈを持つモールドの内部空間１１内に押し込まれて、中空のモールド本体１２の上端１３の直下に配置される。
【００２０】
環状の絶縁素子１６が上端１３上に設けられ、また、リング形状の、複数の部品からなる導電素子１８が、絶縁素子１６上に設けられている。導電素子１８は、モールド１０の水冷された下部領域２０に対して、電流を伝導しない絶縁素子１６によって電気的に絶縁されており、かつ上部絶縁素子１６ａによってモールド１０の水冷された上部領域である中空のリング２２から離されている。なお、上部絶縁素子１６ａは、本明細書に記述される、本発明の装置では必ずしも必要でない。
【００２１】
スラグ浴２４の下方で溶解溜まり２６に被覆され、かつ底板１４上で支持される再溶解インゴットまたはプレインゴット３０は、消耗性電極２８を用いる再溶解プロセスによって製造され、モールド１０の水冷された下部領域２０において造形される。再溶解プロセスを開始するにあたって、例えば、スラグ浴２４のスラグ面２５がほぼ上部絶縁素子１６ａの上端に達するまで液状のスラグがモールド１０および電極２８間の間隙（mold gap）に流し込まれる。
【００２２】
交流または直流電源３６からスラグ浴２４への溶解電流の給電は、大容量のライン３２，３２ａ上の大容量の各接点３８，３９の状態に応じて行われる。つまり、スラグ浴２４への給電は、電極２８もしくは底板１４、再溶解インゴット３０および溶解溜まり２６、または同時に電極２８および底板１４の両方を介して行われる。電極２８および底板１４を通って流れる電流の割合は、調整可能な抵抗４２，４２ａ、または効果の点に関して、これら抵抗と同等である他の装置によって、所望通りに調整できる。この接続形態によれば、全溶解電流の戻りは、モールドの壁に装着された導電素子１８および該素子を電源３６に接続する戻りライン３５によって行なわれる。
【００２３】
図２に示す別の接続形態では、モールド１０に設けられた少なくとも２つの導電素子１８，１８ａは、絶縁素子１６，１６ａにより、互いに絶縁されており、またモールド１０の下部領域２０および上部領域２２、すなわち中空リング１２に対しても絶縁されている。図３に示すように、リングの一部を構成する（part-circular）２つの導電素子１８，１８ａが、これらの導電素子と共にリングを形成するのに適切な形状をした絶縁素子１６ｂにより、互いに絶縁されている。異なる電位にある２つ以上の導電素子１８，１８ａが、特に、縦軸Ａを中心とする円形の断面を持つモールド１０において要求される場合、これらの導電素子もリング形の円形形状であり、また互いに上下に重ねて配置でき、その間には絶縁素子１６が絶縁のために配置される。この絶縁素子１６もリング形状である。
【００２４】
モールド１０および電源間で２つの交流または直流電源３６，３６ａから導電素子１８または導電素子１８ａに電流を供給する接続形態を以下に示す。この場合、異なる電位にある導電素子１８，１８ａは、モールド１０の外周に渡って複数の要素に分割される。これら複数の要素は互いに絶縁される。電流の戻りは、他の導電素子１８ａまたは導電素子１８を介して行なわれる。
【００２５】
図２に示される右側の電源３６からスラグ浴２４への電流の給電は、大容量の各スイッチ３８，３９の接続状態に応じて行なわれる。つまり、電流の給電は、ライン３２上の電極２８もしくはライン３２ａ上の底板１４およびインゴット３０、または同時に電極２８および底板１４の両方を介して行なわれる。電流の給電が同時に底板１４およびインゴット３０を介して行なわれる場合、電流の分配は調整可能な抵抗４２，４２ａによって調整できる。この場合、電流の戻りはモールド１０の導電素子１８および戻りライン３５を介して行なわれる。戻りライン３５から枝分かれしている分枝ライン３７は、左側の電源３６ａに接続されており、この電源３６ａはライン３１によって導電素子１８ａに接続されている。電源３６が直流の場合、電極２８およびインゴット３０は陰極として接続され得る。
【００２６】
上述したように、異なる電位にある２つ以上の導電素子１８，１８ａが、特に、円形の断面を持つモールド１０において要求される場合、これらの導電素子もリング形の円形形状であり、また互いに上下に重ねて配置でき、その間には絶縁素子が絶縁のために配置される。この絶縁素子もリング形状である。
【００２７】
図４には、並列に設けられ、別個に調整可能な３つの溶解電流供給手段または電源３６，３６ａ，３６ｂを用いて、本発明による方法を実行するための接続形態が示されている。この場合、最左側の溶解電流供給手段３６ｂからの給電ラインは、ライン３１ａを介して底板１４および再溶解インゴット３０に接続されている。中央の溶解電流供給手段３６ａからの給電ラインは、ライン３１を介して少なくとも１つの導電素子１８ａに接続されている。最右側の溶解電流供給手段３６からの給電ラインは、ライン３２を介して電極２８に接続されている。３つの電流供給手段３６，３６ａ，３６ｂに戻る共通の戻りラインは、第１の導電素子（導電素子１８ａ）と、モールド１０の下部領域２０および上部領域２２とに対して絶縁されている少なくとも１つの導電素子１８に接続されている。個々の回路は、大容量スイッチ４１，４１ａおよび４１ｂによって各戻りライン３５，３７ａおよび３７ｂにおいて遮断される。上記接続形態により、様々な作業形態が可能になる。並列に接続された３つの交流電源３６，３６ａ，３６ｂが溶解電流供給手段として用いられる場合、各給電ライン３２，３１，３１ａを介して流される電流を個々に調整できる。
【００２８】
３つの電流供給手段または電源３６，３６ａ，３６ｂは、例えば、三相電流供給手段の各位相に接続され、電流は中星点（star point）に戻る。このように、スラグ浴および溶解溜りにおいて回転磁場によって引き起こされる攪拌運動を発生させることが可能となる。直流電源を電源または溶解電流供給手段３６，３６ｂとして使用する場合、電極２８および底板１４を陰極として接続することが可能である。この場合、個々の電流強度を別個に調整できる。電流供給手段３６ａとしては、モールド１０の導電素子１８，１８ａを介してスラグ浴２４を効率的に加熱する交流電源を使用することが可能である。
【００２９】
本発明によれば、電極を交換することにより、電極自体の長さに関係なく、長い再溶解インゴットを製造することが可能である。
【００３０】
電極２８およびスラグ浴２４は、モールド・フランジにより密閉される気密（gas-tight）フードによって空気から保護されている。このように、再溶解処理は、空気中の酸素を除去した、調整された雰囲気中で行われるので、高純度の再溶解インゴット３０を製造することができ、また酸素に対して親和性のある元素の焼尽を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】チルモールドを用いる金属鋳造装置の縦断面図である。
【図２】チルモールドを用いる金属鋳造装置の縦断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った拡大断面図である。
【図４】チルモールドを用いる金属鋳造装置の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  モールド
１４  底板
１６  絶縁素子
１８  導電素子
２０  モールド下部
２４  スラグ浴
２８  消耗性電極
３０  インゴット
３６  電源
【図１】
0003676781.tif 000002
【図２】
0003676781.tif 000003
【図３】
0003676781.tif 000004
【図４】
0003676781.tif 000005