(57)【要約】【課題】高品質の中空のインゴットを効率よく製造できる方法およびシステムを提供する。【解決手段】完成品の中空のインゴット（１８）の厚さの少なくとも１．０倍の直径（Ｄ）を有する少なくとも２つの消耗電極（１２）を、当該消耗電極（１２）の領域において末広がりとされた、特に、当該消耗電極（１２）の領域においてＴ字形状に末広がりとされた水冷式の短いモールド（１０）の内部で溶解する。中空のインゴット（１８）の内壁部は、モールド（１０）の内部に上方から導入される、テーパ部を有する水冷式のマンドレル（１７）によって形成される。液状ヒール（１４）の液面レベル（２７）は、モールド（１０）のＴ字形状の末広がり部（１１）よりも下方に維持される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水冷式の短いモールド（１０）の内部に上方から導入される水冷式のマンドレル（１７）を使用し、前記モールド（１０）の内部のスラグ浴（１３）中で消耗電極（１２）を溶解することによって中空のインゴット（１８）を鋳造する方法において、
前記モールド（１０）の、鋳造体の断面の外側を形成する部分と前記マンドレル（１７）との間の環状のギャップ（１５）の少なくとも１．０倍の直径（Ｄ）を有する少なくとも２つの消耗電極（１２）を、前記水冷式のモールド（１０）の内部で互いに同時に溶解し、
前記モールド（１０）は、前記消耗電極（１２）の領域において、上方に向かって末広がりである末広がり部（１１）を有しており、
前記鋳造体（１８）の内径面が、前記モールド（１０）の内部に導入される前記水冷式のマンドレル（１７）によって形成され、
前記マンドレル（１７）は、上方から液状ヒール（１４）の金属の液面レベル（２７）の近傍領域において、下方に向かってその外径が減少しており、
前記金属の液面レベル（２７）を、前記末広がり部（１１）の位置よりも下方に調節することを特徴とする、中空のインゴットの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記金属の液面レベル（２７）が、前記モールド（１０）の外部に取り付けられたγ線源（２３）と、前記マンドレル（１７）の内部に配置された受信機（２２）との相互作用によって測定し、前記消耗電極（１２）の溶解量に応じて、前記金属の液面レベル（２７）を一定に保持することを特徴とする、中空のインゴットの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、前記消耗電極（１２）のｋｇ／ｈ単位の溶解量が、前記鋳造体（１８）のｍｍ単位の内径およびｍｍ単位の外径の合計の０．８〜２．５倍になるように調節することを特徴とする、中空のインゴットの製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項において、溶融電流が、溶融電流の単相の電流源の一方の端子から、前記少なくとも２つの消耗電極（１２）を通して並列にスラグ浴（１３）に導入し、スラグ浴（１３）を通ってボトムプレート（１９）を介して他方の端子に帰還することを特徴とする、中空のインゴットの製造方法。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか一項において、溶融電流が、溶融電流の単相の電流源の一方の端子から、前記少なくとも２つの消耗電極（１２）を通して並列にスラグ浴（１３）に導入し、スラグ浴（１３）を通って前記モールド（１０）および／または前記マンドレル（１７）を介して他方の端子に帰還することを特徴とする、中空のインゴットの製造方法。
【請求項６】
請求項５において、前記溶融電流が、前記消耗電極（１２）間の領域に位置する導電要素を介して前記モールド（１０）および／または前記マンドレル（１７）から導出することを特徴とする、中空のインゴットの製造方法。
【請求項７】
請求項１から３のいずれか一項において、単相の電流源の全ての溶融電流が、前記消耗電極（１２）のうちの少なくとも１つを通して前記スラグ浴（１３）に導入し、スラグ浴（１３）を通って前記消耗電極（１２）のうちの別の少なくとも１つを介して前記電流源に帰還することを特徴とする、中空のインゴットの製造方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項において、電磁攪拌コイル（２４）により、前記液状ヒール（１４）の領域において、当該液状ヒール（１４）の、前記鋳造体（１８）の長手軸心を中心とする水平方向運動を前記ギャップ（１５）に沿って発生させることを特徴とする、中空のインゴットの製造方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の製造方法を実行するシステム（１００）において、
中空の鋳造体（１８）を形成するために、
モールド（１０）の、前記鋳造体の断面を形成する部分とマンドレル（１７）との間の環状のギャップの少なくとも１．０倍の直径（Ｄ）を有する少なくとも２つの消耗電極（１２）を、当該システム（１００）に互いに同時に配置し、
前記モールド（１０）は、少なくとも前記消耗電極（１２）の領域において、上方に向かって末広がりである末広がり部（１１）を有しており、
上方から前記モールド（１０）の内部に導入された前記マンドレル（１７）は、上方から、当該マンドレル（１７）の直径が少なくとも１．５％のテーパ率を有するようにその外径が一様に減少していることを特徴とする、中空のインゴットの製造システム。
【請求項１０】
請求項９において、前記消耗電極（１２）が溶融電流の単相の電流源の一方の端子に接続され、ボトムプレート（１９）が他方の端子に接続されていることを特徴とする、中空のインゴットの製造システム。
【請求項１１】
請求項９において、前記消耗電極（１２）が溶融電流の単相の電流源の一方の端子に接続され、前記モールド（１０）および／または前記マンドレル（１７）が他方の端子に接続されていることを特徴とする、中空のインゴットの製造システム。
【請求項１２】
請求項１１において、前記モールド（１０）および／または前記マンドレル（１７）が、当該モールド（１０）の、じょうご状の末広がり部の領域に導電要素を備えており、当該導電要素が前記溶融電流の電流源の１つの端子に接続されていることを特徴とする、中空のインゴットの製造システム。
【請求項１３】
請求項１１において、前記少なくとも２つの消耗電極（１２）の各々が、溶融電流の単相の電流源の端子のうちの対応する端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする、中空のインゴットの製造システム。
【請求項１４】
請求項９から１３のいずれか一項において、前記モールド（１０）が、液状ヒール（１４）の領域において電磁攪拌コイル（２４）を備えており、当該電磁攪拌コイル（２４）の力線により、前記液状ヒール（１４）が前記鋳造体（１８）の長手軸心を中心として水平方向または接線方向に移動することを特徴とする、中空のインゴットの製造システム。
【請求項１５】
請求項９から１４のいずれか一項において、前記モールド（１０）の外部の、金属の所望の液面レベル（２７）に対応する位置にγ線源（２３）が配置され、前記金属の液面レベル（２７）の位置を測定するγ線の受信機（２２）が前記マンドレル（１７）の内部に配置されていることを特徴とする、中空のインゴットの製造システム。
【請求項１６】
請求項９から１５のいずれか一項において、前記モールド（１０）の前記末広がり部（１１）が、Ｔ字形状であることを特徴とする、中空のインゴットの製造システム。
【請求項１７】
請求項９から１６のいずれか一項において、前記マンドレル（１７）が、少なくとも凝固ゾーンにおいて、当該マンドレル（１７）の直径が少なくとも１．５％のテーパ率を有していることを特徴とする、中空のインゴットの製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空のインゴットの製造方法および製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
中空の鋳造体またはインゴットは、様々な用途に利用され、特に、産業界において機械部品を製造するのに利用される。
【０００３】
中空のインゴットは、鋳造後すぐに加工されるか、または圧延や鍛造のさらなる熱処理にかけられる。非合金鋼や低合金鋼から中空のインゴットを製造する場合には、中実なインゴットを鋳造した後、高温状態のままパンチで孔を空けてから熱間鍛造を行うのが常套である。
【０００４】
しかしながら、耐食耐熱のオーステナイト鋼、フェライト鋼、マルテンサイト鋼、さらには、様々な組成を有する工具鋼も含め、高合金鋼は加熱成形処理に適しておらず、前記のような工程を実行することは事実上不可能である。また、成形がより困難なニッケル系合金やコバルト系合金の場合にはさらに事実上不可能である。したがって、成形が困難な、鋼や合金の中空体は、製造するにあたり、中実なインゴット、さらには、スラグの予備成形品を先ず機械的に穿孔した後で、熱間鍛造にかけることがしばしば必要となる。しかしながら、高合金鋼や合金の機械加工は難しい。また、多くの場合、機械加工の前に熱処理を施す必要があるが、そのような方法は高コストである。
【０００５】
過去に、これらの問題点を解決するため、消耗電極を用いるエレクトロスラグ再溶解法によって高合金鋼の中空体やさらなる処理（特に、鍛造）が施される中空体を製造するという提案が数多くなされた。これは、この方法が、高品質な中空のインゴットを製造できるからである。
【０００６】
例えば、関連技術として、水冷式の円錐状のマンドレルを、同じく水冷式で短くかつ円形状のモールド（鋳型）の内部に同軸で上方から挿入し、モールドとマンドレルとの間に環状のギャップ（隙間）が形成されるようにした、エレクトロスラグ再溶解法に基づく中空のインゴットの製造方法が知られている。中空のインゴットを製造するには、複数の棒状の消耗電極が前記環状のギャップ内に同心円上に配置され、当該消耗電極から前記ギャップ内のスラグ浴を介してボトムプレート（底板）に電流が流れる。電流がスラグ浴を通過することでジュール熱が発生し、このジュール熱によって前記消耗電極が溶融する。この溶融金属（溶湯）が滴下して前記環状のギャップに集められ、そこで徐々に凝固することで中空のインゴットが形成される。この方法により、満足のいく品質を有する中空のインゴットを製造することができる。しかしながら、長くて細い棒状の消耗電極を作製して用意する過程は複雑であり、さらに、複数の消耗電極を環状のギャップ内に同心円上に配置することは、肉薄な中空のインゴットを製造したい場合に特に困難である。この場合、じょうご状に上方に末広がりの「Ｔ字形状のモールド」をスラグ浴の領域に適用することにより、製造される中空のインゴットの厚さよりも大きい消耗電極が使用できるので、有益となり得る。
【０００７】
別の既知の方法として、水冷式のモールドの内部に１本のマンドレルを同軸で配置して、当該マンドレルを前記モールドの下側のボトムプレートに設けられた開口を通って上方に移動できるようにし、ボトムプレート上にインゴットが形成される方法が知られており、この方法では、マンドレルの頂部が常にスラグ浴に達し、かつ、常にスラグ浴中に完全に浸かっている。これにより、マンドレルよりも上の位置において、大きな消耗電極をスラグ浴中で溶解させることができる。消耗電極から溶解した金属はマンドレルの曲面に滴下し、滴下した金属はモールド壁とマンドレルとの間の環状のギャップに流れ込んで中空のインゴットを形成する。この方法は、消耗電極の作製を著しく簡略化することができるものの、長いインゴットを製造する場合にマンドレルをモールドと同軸状に案内するのが極めて困難である結果、中空の鋳造体の孔の位置がしばしば大きく偏心する。また、孔の表面組成の品質が乏しいので、さらなる加工時に問題を生じる。これらの難点を解消するために、数多くの理由から、熱間鍛造の前に孔を機械加工する必要がある。
【０００８】
特許文献１には、電極に通電させて中空のインゴットを製造する別の方法が記載されている。特許文献２には、溶融電流を消耗電極に通過させるとともに、回転式のボトムプレートを採用することで環状のギャップ内の熱分布を良好にする技術が記載されている。
【０００９】
特許文献３には、既知の導電性のモールドを導電性のマンドレルとともに用いる方法が開示されている。例えば、溶融電流は、モールドを通ってスラグ浴に印加され、マンドレルを通って導出される。導電性の電極は必要でない。金属は、溶融金属の形態で導入されても固体金属の形態で導入されてもよく、固体金属の場合には、顆粒、チップ、さらには、棒材などが使用されてもよいが、その金属自体には電流が流れないことに留意されたい。この方法の利点は、溶融金属または固体金属の供給速度と独立してスラグ浴の温度を調節できる点である。
【００１０】
この最後の方法は、中空のインゴットの品質の点で有益であるものの、消耗電極を利用した場合、電気エネルギーを導通要素を介してスラグ浴に印加し、当該スラグ浴の温度によって電極を間接的に溶解することになるので、大量の電流が必要となる。したがって、十分な電極溶解速度を得るにはスラグ浴を過熱状態とするしかないので、残念ながら、熱損失が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】オーストリア国特許第３３２５７５号
【特許文献２】独国特許発明第２３０３６２９号
【特許文献３】オーストリア国特許第４０９７２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、高品質の中空のインゴットを効率よく製造できる方法およびシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
関連技術の様々な方法の短所の多くは、本発明により解消することができる。本発明は、中空のインゴットの外径面を形成するモールド（鋳型）壁と、マンドレルの直径、つまり外形面との間に規定された環状のギャップ（隙間）の幅（径方向寸法）よりも遥かに大きい直径を有する消耗電極を用いることが可能であり、少なくとも２つの消耗電極が同時に再溶解される。消耗電極の領域、つまり、スラグ浴の領域において、モールドは上方に末広がりの形状であり、特には、Ｔ字形状に末広がりとなっている。金属の液面は、その末広がりが始まる位置よりも下に維持される。
【００１４】
つまり、本発明にかかる中空のインゴットの製造方法は、水冷式の短いモールドの内部に上方から導入される水冷式のマンドレルを使用し、前記モールドの内部のスラグ浴中で消耗電極を溶解することによって中空のインゴットを鋳造する方法である。少なくとも２つの消耗電極が前記マンドレルとともに導入され、前記消耗電極のそれぞれは、中空のインゴットの外径面を形成するモールド壁と前記マンドレルの外径面との間の環状ギャップの幅の少なくとも１．０倍の直径を有している。前記消耗電極は、当該電極の領域において末広がりした末広がり部、特には、当該電極の領域においてＴ字形状の末広がり部を有してスラグ浴を収容する、モールドの内部で溶解される。金属成分の液面を、前記末広がり部の位置よりも下になるように調節する。
【００１５】
本発明の有利な改良形態は、従属請求項に記載されている。本発明の範囲は、請求項および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のあらゆる組合せを包含する。さらに、以下の説明で、装置について開示した構成は、方法に関する請求項にも適用でき、方法について開示した構成は、装置に関する請求項にも適用できるものとする。
【００１６】
金属の液面の制御および調節は、様々な方法で実現できる。好ましくは、金属の液面レベル（液面の高さ）を、γ放射線によって判定する。その場合、前記モールドの外部において金属の液面レベルに対応する位置からγ放射線を発信し、前記水冷式のマンドレルの内部において前記金属の液面レベルに対応する位置に取り付けられた受信機で受信する。こうして液面レベルを判定し、前記モールド内部の金属の液面レベルを、ボトムプレート（底板）に接したインゴットの引き抜き運動を制御する適切なコントローラとの相互作用によって一定に保持できる。
【００１７】
均質で高密度な凝固組織を有する高品質な鋳造物である中空体（中空インゴット）を製造するには、ｋｇ／ｈ単位の溶解量を当該中空体のｍｍ単位の内径およびｍｍ単位の外径の合計の０．８〜２．５倍になるように調節するのが好適であることが判明した。
【００１８】
少なくとも２つの消耗電極に対して溶融電流を流すにあたっては、幅広い選択肢が存在し、そのときの条件に応じて異なる選択肢を選ぶのがよい。
【００１９】
一変形例において、溶融電流は、単相の電流源の１つの端子から前記少なくとも２つの消耗電極のそれぞれに分配され、スラグ浴およびボトムプレートを通って当該電流源の第２の端子に流れる。
【００２０】
あるいは、このような消耗電極の給電方式において、スラグ浴を通過した溶融電流を、モールドおよび／またはマンドレルを介して電流源の前記第２の端子に帰還させてもよい。
【００２１】
しかしながら、単相の電流源を用いた場合、全ての溶融電流を１つの端子から前記少なくとも２つの消耗電極のうちの１つに通し、そこからスラグ浴および液状ヒールを介して前記少なくとも２つの消耗電極のうちの別の消耗電極に通した後、当該電流源の前記第２の端子に流すという選択肢も存在する。
【００２２】
液状ヒールの熱を均等に分散させるには、適切な攪拌コイル（例えば、電磁攪拌コイル）によって、前記ギャップの内部で当該ヒールの水平方向運動を発生させるのが好ましい。このような攪拌運動は、製造される中空体の凝固に有利な作用をもたらし得る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明にかかる中空の鋳造体を製造するシステムの簡略平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿ったシステムの縦断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ったシステムの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図面に示した本発明の実施形態を、以下で詳細に説明する。
【００２５】
図１〜図３の各図に、消耗電極１２の領域に末広がり部１１を有する水冷式のモールド（鋳型）１０を示す。好ましくは、図２に示すように、末広がり部１１は縦断面視でＴ字形状に、上方へ向かって末広がりとなっている。消耗電極１２はスラグ浴１３中で溶融し、その溶融金属が液状ヒール１４内に集められ、モールド１０と水冷式のマンドレル１７との間のギャップ（隙間）１５で凝固して、リメルトインゴットまたは再溶解鋳造体（以下、中空のインゴット１８と称す）を形成する。このインゴットは、ボトムプレート（底板）１９を移動させる適切な装置（図示せず）によってモールド１０から下方に引き抜かれる。マンドレル１７は保持プレート２１によって保持される。図面には、マンドレル１７の内部に配置されたγ線の受信機２２およびモールドの外部に配置されたγ線源２３（図１、図３）が示されている。電磁攪拌コイル２４を液状ヒール１４の領域に配置してもよい。
【００２６】
本発明では、少なくとも２つの消耗電極１２が、製造方法を実行するのに適したシステム１００の内部に配置され、適切な支持要素（図示せず）によって支持・移動される。溶融電流が前記支持要素を通してスラグ浴１３に流れ、消耗電極が溶解する。図１および図２に示すように、スラグ浴１３を収容するモールド１０は、消耗電極１２の下端部の領域、つまりスラグ浴１３の領域において当該消耗電極１２を取り囲む形でマンドレル１７と同心状の、上方へ向かって末広がり形状を有している。好ましくは、末広がり部１１は、Ｔ字形状に末広がりであり、上端近傍が円筒状の内周面を有し、その下方部分が上方へ向かって末広がりのじょうご状の内周面を有し、その下方部分、つまり下半部が円筒状の内周面を有している。
【００２７】
消耗電極１２の直径Ｄはギャップ１５のギャップ幅Ｓの少なくとも１．０倍である。ギャップ幅Ｓは、中空のインゴット１８の外面を形成するモールド壁２５の内周面とマンドレル１７の外径面との間の幅と定義される。マンドレル１７は、液面レベル２７の近傍領域で、上方から下方にわたって、すなわち、ボトムプレート１９に向かって先すぼまりの円錐状にテーパしている。図２の例では、液面レベル２７から下方の領域において、テーパ状となっており、マンドレル１７のテーパ率は、当該マンドレル１７の外径およびモールド１０内の金属の凝固ゾーン（液面レベル２７よりも下方の領域）に対応するマンドレル１７の、頭部を除いた長さLに対して少なくとも１．５％である。このテーパにより、凝固した中空体（中空のインゴット１８）または凝固中の中空体と、マンドレル１７との間の摩擦を軽減することができる。なお、マンドレル１７のテーパ部分は、図２では、前記凝固ゾーンを含んでさらにその下方にまで延びており、そのテーパ率は、マンドレル１７における前記長さＬのテーパ領域の上端部分の外径Ｄ１から下端部分の外径Ｄ２を減算した数値を、テーパ領域の長さＬで除算したものに１００を乗算した数値（％）で表される。
【００２８】
好ましくは、γ線源２３は、モールド１０の外部において、Ｔ字形状の末広がり部１１よりも下で、金属の所望の液面レベル２７の位置に対応する位置に配置されている。γ線の受信機２２は、金属の液面レベル２７の連続制御に利用され、好ましくは、水冷式のマンドレル１７の内部に取り付けられる。γ線源２３とγ線の受信機２２とにより、金属の液面レベル２７が測定され、これにより、消耗電極１２の溶解量が分かる。
【００２９】
ボトムプレート１９に接して形成される中空のインゴット１８は、対応するコントローラとの相互作用により、金属の液面レベル２７を一定の高さに維持したままモールド１０から取り出される。γ線の受信機２２が金属の液面レベル２７の上昇を検出すると、ボトムプレート１９の引き抜き速度が増加され、および／または溶融電流が減少される。変形例として、溶融電流の電流源を介して当該溶融電流を増加または減少させることで、金属の液面レベル２７を一定の高さに維持するようにしてもよい。
【００３０】
消耗電極１２に対する溶融電流の供給路および帰還路は、様々な形態で構成されてもよい。
【００３１】
第１の構成では、単相の電流源（図示せず）の一方（第１）の端子が２つの消耗電極１２に対して並列に接続され、他方（第２）の端子が中空のインゴット１８が接するボトムプレート１９に接続される。
【００３２】
第２の端子は、モールド１０および／またはマンドレル１７に接続されてもよい。
【００３３】
また、図２に示すように、モールド１０および／またはマンドレル１７に、当該モールド１０の、じょうご状の末広がり部１１の領域において導電要素４０を設け、さらに、ボトムプレート１９または中空のインゴット１８に導電要素５０を設けて、これら２つの導電要素４０，５０の少なくとも１つを、溶融電流の電流源の１つの端子に接続することもできる。
【００３４】
しかしながら、前記少なくとも２つの消耗電極１２の各々を、溶融電流の電流源の端子のうちの対応する端子にそれぞれ接続する構成を採用してもよい。
【００３５】
装置の特定の変形例では、電磁攪拌コイル２４が、スラグ浴１３および／または液状ヒール１４を中空のインゴット１８の（長手方向）軸心を中心として回転させて、溶融金属を攪拌するために、モールド１０の外部に配置される。図２の例では、電磁攪拌コイル２４は、金属の液面レベル２７を含んで、その上方および下方の領域にまたがるように配置されている。詳細には、電磁攪拌コイル２４が発生する磁気力の力線により、スラグ浴１３および／または液状ヒール１４が、中空のインゴット１８の（長手）軸心を中心として水平方向または接線方向に移動される。
【符号の説明】
【００３６】
１０      モールド
１１      モールドの末広がり部
１２      消耗電極
１３      スラグ浴
１４      液状ヒール
１５      環状のギャップ
１７      マンドレル
１８      中空のインゴット（鋳造体）
２７      金属の液面レベル
１００    中空のインゴット（鋳造体）の製造システム
Ｄ        消耗電極の直径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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