(57)【要約】中空インゴットの半連続鋳造方法および関連装置について説明する。一実施形態では、金属中空インゴットの半連続鋳造方法を提供する。この方法は、冷媒用の環状空間を形成するよう配置した内パイプおよび外パイプを有する鋳型中心と外鋳型とからなる鋳型を提供するステップと、環状空間に冷媒を循環させるステップと、原材料を鋳型に供給するステップと、原材料を加熱して溶融材料を生成するステップと、鋳型中心を外鋳型に対して徐々に下方へ移動させるステップと、溶融材料を凝固させて中空インゴットを形成するステップと、を含む。中空インゴットの半連続鋳造装置、および中空インゴットの半連続鋳造方法から得られる製品に関連する実施形態についても説明する。
2011527946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空インゴットの半連続鋳造方法であって、
冷媒用の環状空間を形成するよう配置された内パイプおよび外パイプを有する鋳型中心と、
外鋳型と、
の間に鋳型キャビティが形成された鋳型を提供するステップと、
前記環状空間に冷媒を循環させるステップと、
前記鋳型キャビティ内に原材料を供給するステップと、
前記原材料を加熱して溶融材料を生成するステップと、
前記鋳型中心を前記外鋳型に対して徐々に下方へ移動させるステップと、
前記溶融材料を凝固させて中空インゴットを形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
プラーを用いて前記鋳型中心を徐々に下方へ移動させることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、
前記冷媒を前記鋳型の略底部に提供し、
前記冷媒を、前記内パイプを通って上方へ流し、前記環状空間を通って下方へ流すことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法において、
前記冷媒は水またはナトリウム‐カリウム共晶混合物であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、
プラーを用いて前記鋳型中心を所定の場所に固定することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法において、
１個以上の電子ビームガン、エレクトロスラグ再溶融、プラズマアークプロセス、または１個以上のプラズマトーチにより前記原材料を加熱することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法において、
前記外パイプを鋳造後さらなるプロセスまでインゴットに残すことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法において、
前記原材料をチタニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ニッケル、およびその合金からなる群から選択することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法において、
前記外パイプを鉄、銅、およびセラミックスからなる群から選択することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法において、
前記原材料を前記鋳型の略上部で前記鋳型キャビティ内へ供給することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法であって、
鋳造中に前記鋳型中心の水平移動を防止するよう前記鋳型中心を保持するレシーバーを備えるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
中空インゴットの半連続鋳造装置であって、
冷媒用の環状空間を形成するよう配置された内パイプおよび外パイプを有する鋳型中心と、
前記鋳型中心と外鋳型との間に鋳型キャビティを備えるよう構成された該外鋳型と、
前記鋳型キャビティの上面領域を加熱するよう構成された加熱装置と、
前記鋳型中心を前記外鋳型に対して徐々に下方へ移動させるプラーと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置において、
前記外パイプは消費可能であり、さらなるプロセスまでインゴットに残すことを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の装置において、
前記プラーは鋳型中心を受容するよう配置した穴を備えることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の装置において、
前記プラーは前記鋳型中心を所定の場所に固定することを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の装置において、
前記加熱装置は１個以上の電子ビームガン、エレクトロスラグ再溶融装置、プラズマアーク装置、または１個以上のプラズマトーチを備えることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の装置であって、
前記鋳型中心の上に位置し、鋳造中に前記鋳型中心の水平移動を防止するよう配置されたプラーをさらに備えることを特徴とする装置。
【請求項１８】
金属中空インゴットと、
前記金属中空インゴットの内面で前記金属中空インゴットと密接に結合したパイプと、
を備えることを特徴とする金属中空インゴット製品。
【請求項１９】
請求項１８に記載の金属中空インゴット製品において、
前記パイプを鉄、銅、およびセラミックスからなる群から選択することを特徴とする製品。
【請求項２０】
請求項１８または１９に記載の金属中空インゴット製品において、
前記金属中空インゴットをチタニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ニッケル、およびその合金からなる群から選択することを特徴とする製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
(関連出願の相互参照)
本出願は、２００９年３月２７日に出願された米国仮特許出願第６１／１６４,００８号の優先権を主張し、その全開示は本明細書に完全に記載されているのと同様に参照により組み入れられる。
【０００２】
本発明は、一般的に、大口径ケーシングまたはパイプの製造に用いられるような中空インゴットの鋳造に関する。とくに、開示発明は、金属中空インゴットの半連続鋳造方法および装置ならびにそれから得られる製品に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、大口径ケーシング、パイプまたは圧延リングの製造は通常、大口径インゴットの初期製造、続いて小口径ビレットを生成するための鍛造を要した。次にビレットをせん孔してチューブ状プリフォームを作成し、その後チューブ状プリフォームを押し出してケーシングまたはパイプを、圧延してリングを形成する。しかしながら、チューブ状プリフォームを直接鋳造することが可能であれば、かなりの後続プロセスの時間およびコストを回避することができる。
【０００４】
高品質かつ大口径の中空インゴットを鋳造しようとするいくつもの試みがなされてきた。ある方法は、水冷式固定マンドレルを溶融池に挿入するステップを含む。十分な量の溶融金属がマンドレルの表面上で凝固すると、マンドレルを溶融池から回収した。凝固インゴットをマンドレルから取り外した後、マンドレルそのものを溶融池に再導入することができ、その工程を繰り返した。
【０００５】
別の試みは、例えば、特許文献１に記載されているように、溶融金属を流し込んで凝固させることができる環状空間を形成するようるつぼに入れられた固定中子を備える鋳型に、溶融金属を流し込むステップを含む。いくつかの実施形態では、特許文献１における中子の内部を強制誘導により冷却し、それによって鋳造する中空インゴットの内壁での冷却速度の制御を提供する。
【０００６】
さらに別の試みは、鋳造容器に定量の溶融金属を加えるステップを含む。次に容器を回転し、遠心力が金属を容器の外壁へ推進する。金属が凝固するにつれ、容器の壁に所望の金属の層を形成し、それによって中空インゴットを製造する。
【０００７】
さらに別の試みでは、特許文献２に詳細が記載されているように、固定外鋳型および固定マンドレルにより形成した環状空間に溶融金属を導入し、水平な連続鋳造を促進した。
【０００８】
しかしながら、前述の試みのすべてに、中心から外れた内孔の形成、内鋳型表面での頻繁なブレイクアウト、直径のばらつき、長い冷却時間、および遅い鋳造速度を含むがこれらに限定されない、多数の問題がある。
【０００９】
従って、商業的製造プロセスとして用いるのに十分に制御可能および再現可能な、より費用効果の高い中空インゴットの製造方法の技術的必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４２７８１２４号
【特許文献２】米国特許第４４５６０５４号
【発明の概要】
【００１１】
上述の問題、必要性、および目的を踏まえ、本発明は中空インゴットの半連続鋳造方法を提供する。
【００１２】
一実施形態では、金属中空インゴットの半連続鋳造方法を提供する。この方法は、冷媒用の環状空間を形成するよう配置した内パイプおよび外パイプを有する鋳型中心と外鋳型とからなる鋳型を備えるステップと、冷媒を環状空間に循環させるステップと、原材料を鋳型中心と外鋳型との間に形成した鋳型キャビティに供給するステップと、原材料を溶融するステップと、鋳型中心を外鋳型に対して徐々に下方へ移動させるステップと、原材料を凝固させて金属中空インゴットを形成するステップと、を含む。
【００１３】
いくつかの実施形態では、プラーを用いて鋳型中心を徐々に下方へ移動させる。さらに、鋳型の略底部に冷媒を提供することができ、冷媒は内パイプを通って上へ流れ、環状空間を通って下へ流れることができる。冷媒は水とすることができるが、これに限定されない。鋳型中心はプラーを用いて所定の場所に固定することができる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、１個以上の電子ビームガンを用いて原材料を溶融する。代替実施形態では、エレクトロスラグ再溶融、プラズマアーク溶融を用いて、またはプラズマトーチを用いることにより、原材料を溶融することができる。原材料は金属材料であることが好ましく、チタニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ニッケル、およびその合金が挙げられるが、これらに限定されない。原材料は鋳型の略上部で供給することができる。
【００１５】
代替実施形態では、外パイプを鉄、銅、またはセラミック材料で構成することができる。外パイプは鋳造後さらなるプロセスまでインゴットに残すことができる。本発明の方法は、鋳造中に鋳型中心の水平移動を防止するよう鋳型中心を保持するレシーバーを提供するステップをさらに含むことができる。
【００１６】
別の実施形態では、中空インゴットの半連続鋳造装置を提供する。この装置は、冷媒用の環状空間を形成するよう配置した内パイプおよび外パイプを有する鋳型中心と、外鋳型と、鋳型中心を下方へ移動させるプラーと、を備える。
【００１７】
いくつかの実施形態では、外パイプは消費可能であり、さらなるプロセスまで鋳造した中空インゴットに残すことができる。プラーは鋳型中心を受容するよう配置した穴を有することができる。プラーは鋳型中心を所定の場所に固定することができる。この装置は、１個以上の電子ビームガン、エレクトロスラグ再溶融装置、プラズマアーク装置、または１個以上のプラズマトーチをさらに備えることができる。この装置は、鋳型中心の上に位置し、鋳造中に鋳型中心の水平移動を防止するよう構成したレシーバーをさらに備えることができる。
【００１８】
さらに別の実施形態では、本発明は金属中空インゴット製品を提供する。金属中空インゴット製品は、金属中空インゴットと、金属中空インゴットの内側表面で金属中空インゴットと密接に結合したパイプとを備える。金属中空インゴットは、チタニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ニッケル、およびその合金のような、金属材料とすることができる。パイプは鉄、銅、またはセラミックとすることができるが、これらに限定されない。
【００１９】
添付の図面は、本開示に組み入れられ、開示発明の一部を構成し、開示発明の例となる実施形態を示し、開示発明の原理を説明するのに用られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態による中空インゴットの半連続鋳造方法を示すフローチャートである。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による鋳型中心の外パイプの側面図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による図２Ａに示す外パイプのＤ‐Ｄ断面に沿って得た断面図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態による図２Ａに示す外パイプのＣ‐Ｃ断面に沿って得た断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による鋳型中心の内パイプの側面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による図３Ａに示す内パイプのＥ部の拡大図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による鋳型中心の外パイプに挿入された内パイプの側面図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による図４Ａに示す外パイプに挿入された内パイプのＡ‐Ａ断面に沿って得た断面図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態による鋳型中心の外パイプ中に固定された内パイプの側面図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による外パイプ中に固定された内パイプを示す図５ＡのＢ‐Ｂ断面に沿って得た断面図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態によるプレートの平面図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による図６Ａに示すプレートの斜視図である。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態による図６Ａに示すプレートの側面図である。
【図６Ｄ】本発明の一実施形態による図６Ｃに示すプレートのＦ‐Ｆ断面に沿って得た断面図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態によるプラーの平面図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による図７Ａに示すプラーの斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態による溶融炉の側断面図である。
【図９Ａ】１５、１０、および５フィートのインゴット長さＬｉｎｇｏｔについて２,０００ｌｂ／ｈの鋳造速度Ｒｃａｓｔでの中空インゴットの断面積Ａｘ‐ｓｅｃｔの関数である長さ補正係数ｋｂの値を示すプロットである。
【図９Ｂ】１５、１０、および５フィートのインゴット長さＬｉｎｇｏｔについて１,５００ｌｂ／ｈの鋳造速度Ｒｃａｓｔでの中空インゴットの断面積Ａｘ‐ｓｅｃｔの関数である長さ補正係数ｋｂの値を示すプロットである。
【図９Ｃ】１５、１０、および５フィートのインゴット長さＬｉｎｇｏｔについて１,０００ｌｂ／ｈの鋳造速度Ｒｃａｓｔでの中空インゴットの断面積Ａｘ‐ｓｅｃｔの関数である長さ補正係数ｋｂの値を示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図面を通して、同一の参照符号は、とくに明記しない限り、例示実施形態の同様の特徴、要素、構成部材、または部分を示すのに用いられる。さらに、以下、開示発明を例示実施形態に関連して、図面を参照して詳しく説明する。
【００２２】
本発明は、鋳造速度を増加させ、後続プロセスのコストおよび時間を減少させる、中空インゴットの半連続鋳造装置および方法を提供する。開示発明によって製造された中空インゴットが均一な寸法および所望の表面品質を達成するというように、開示装置および方法は、結果の再現性を可能にする。
【００２３】
図１は開示発明による中空インゴットの半連続鋳造方法の一例を示す。図１に示すように、プロセスは鋳型を提供するステップ１１０で開始する。鋳型は鋳型中心および外鋳型とともにそれらの間に形成した鋳型キャビティを有する。鋳型中心は、冷媒用の環状空間を形成するよう配置した内パイプおよび外パイプを備える。
【００２４】
図２Ａ〜図２Ｃに、鋳型中心の外パイプ２００の一例となる実施形態を例示の目的で示す。図２Ａに示すように、外パイプ２００は外パイプ胴部２１０を備え、外パイプ胴部２１０は、得られる中空インゴットの所望の内径を達成するのに適した大きさとすることができる。例えば、パイプは直径約２〜１４インチとすることができる。
【００２５】
外パイプ２００は、十分な冷却を前提に、溶融材料に関連する厳しい条件および高温に耐えることができる適切な材料で製造することができる。さらに、より重要なことには、鋳型中心にかかる半径方向圧力は約１〜２ｋｓｉとなり得るので、外パイプ２００は溶融金属材料を収縮する圧力に耐えられなくてはならない。従って、鋳型中心に用いる材料は３０ｋｓｉの最小引張降伏強さ、４８ｋｓｉの最小引張極限強さ、および２５ＢＴＵ／ｈｒ‐ｆｔ‐°Ｆの最小熱伝導率を有することが好ましい。また、材料は機械加工が比較的容易なものであるべきである。好適には、外パイプは鉄、銅、他の金属、セラミックス、またはその他の適切な材料で製造する。さらに、セラミックコーティングを施した金属材料を用いることができる。例となるコーティングとしては、ジルコニア、シリカ、酸化イットリウム、および他の適切なセラミック材料が挙げられる。好適な実施形態では、外パイプは消費可能であり、さらなるプロセスのため得られる中空インゴットに残す。従って、外パイプは、安価で簡単に入手可能な材料であって、溶融材料を収縮する圧力に耐えることができるもので製造すべきである。適切な材料の例は、スケジュール８０の鉄パイプのような重量級パイプである。
【００２６】
図２Ａに示すように、プレート２２０を外パイプ胴部２１０の底部に溶接することができる。図２Ａに示すように、正方形チューブ２３０はプレート２２０から下方へ延在することができる。図２Ｂは図２ＡにおけるＤ‐Ｄ線に沿って得た断面図であり、一方図２Ｃは図２ＡにおけるＣ‐Ｃ線に沿って得た断面図である。図２Ｃに見られるように、プレート２２０は、内パイプ３００を受容する円形開口部２４０を備える。
【００２７】
図３Ａおよび図３Ｂに、内パイプ３００の一例となる実施形態を限定ではなく例示の目的で与える。図３Ａに示す内パイプ胴部３１０は、冷媒の循環のため、内パイプ３００と外パイプ２００（図２参照）との間に適切な環状空間を形成するような大きさとすべきである。例えば、外パイプ２００が直径約１０インチである場合、内パイプ３００は直径約６インチであることが好ましい。
【００２８】
内パイプ３００は適切な材料で製造することができる。例えば、内パイプ３００は、鉄、銅、他の金属、セラミックス、または他の適切な材料で製造することができる。外パイプ２００（図２参照）が消費可能である例となる実施形態では、内パイプ３００は好適には中空インゴット製造後外パイプ２００から取り外すことができ、よって再利用することができる。従って、内パイプ３００は安価で簡単に入手可能な材料に制限されない。好適な実施形態では、内パイプ３００はスケジュール４０の鉄パイプである。
【００２９】
図３Ａにさらに示すように、例となる実施形態では、１／２インチ治具のような治具３２０を内パイプ胴部３１０の上部に取り付ける。冷媒の循環を可能にする循環手段３３０を治具３２０に取り付ける。図３Ｂに循環手段３３０の拡大図を提供する。循環手段３３０は、例えば穴または通路のような、適切な構成とすることができる。しかしながら、循環手段３３０は、制限なく循環手段３３０を通る冷媒の十分な流速を提供するのに十分な断面積を備えるよう選択すべきである。
【００３０】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、実際には、内パイプ３００（図３Ａ参照）を外パイプ２００（図２Ａ参照）に挿入する。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、内パイプ胴部３１０を外パイプ胴部２１０に完全に挿入すると、図５Ｂに示すように、外パイプ２００（図２Ａ参照）に対して内パイプ３００（図３Ａ参照）を固定するようプレート６００を底部に挿入して気密シールを形成する。内パイプ胴部３１０および外パイプ胴部２１０の配置は環状空間４００を形成する。好適な実施形態では、鋳型中心をプラーに取り付けることによる干渉問題を回避するため、内部溶接を用いてプレート６００を固定するが、これについては以下でより詳しく説明する。
【００３１】
図６Ａ〜図６Ｄに、一例となるプレート６００を限定ではなく例示の目的で示す。プレート６００の上部は、内パイプ胴部３１０（図３Ａ参照）の底部を受容し、気密シールを形成するよう配置した支持リング６１０を備えることができる。図５Ｂに示すように、内パイプ３００（図３Ａ参照）の内外、および内パイプ３００と外パイプ２００との間の環状空間４００の内外への冷媒の流入および流出を可能にするため、プレート６００に穴６２０を備えることができる。例示のプレート６００は正方形であるが、他の形状のプレートを用いることもできる。
【００３２】
ここで図１に戻り、ステップ１２０で、本発明の方法は続いて環状空間で冷媒を循環させる。冷媒注入口および排出口を鋳型の略底部に備えることができる。好適な実施形態では、冷媒路は、図６Ａに示す穴６２０を通ってプレート６００に接続する。好適な実施形態では、例えば、図５Ｂに示すように、冷媒は内パイプ胴部３１０を通って上方へ流れ、循環手段３３０を通り、その後環状空間４００を通って下方へ流れる。この構成は、冷水が液だまりのメニスカスが形成される鋳型の上部にあること、ひいては優れた冷却を可能にする。この構成はまた、液だまりの表面からの放射線および入射する電子ビームまたはパイプに接触し得る他の加熱装置にさらされる外パイプ２００（図２Ａ参照）に追加の冷却を提供するという追加の利点を有する。あるいは、冷媒を、環状空間４００を通って上方へ流し、循環手段を通り、その後内パイプ胴部３１０を通って下方へ（図５Ｂに示すものとは反対方向に）流すことができる。この構成は、鋳型中心の上部での蒸気の集積を防止する役割を果たす。
【００３３】
冷媒は外パイプ２００（図２Ａ参照）の適切な冷却を提供するよう選択すべきであり、それは順に溶融材料を冷却する。例となる冷媒としては、水、ナトリウム‐カリウム共晶混合物、および他の適切な冷媒が挙げられる。好適には冷媒は水である。冷媒は溶融材料の所望の冷却を達成し、入射する電子ビームと外パイプとの接触に伴う熱を消散するよう十分に低温で供給すべきである。例えば、水を約６０°Ｆで供給するステップは十分な冷却を提供するだろう。冷媒の流速は適切な冷却を提供するよう選択すべきであり、用いる冷媒によって決まるだろう。例えば、冷媒が水である場合、好適な流速は毎分約４５〜１００ガロンである。
【００３４】
ここで図１に戻り、ステップ１３０で、本発明の方法は続いて原材料を鋳型中に供給する。好適な実施形態では、原材料を鋳型の略上部で供給する。供給する混合物の生成は、得られる中空インゴットの所望の特性および組成を満たすよう選択する。好適な実施形態では、原材料は金属または金属合金である。原材料は、例えば、チタニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ニッケル、他の反応金属、およびその合金とすることができる。例となる実施形態では、原材料の流速は毎時間約１００〜３０００ポンドであり、用いる原材料の密度および鋳造する中空インゴットの所望の直径によって決まるだろう。
【００３５】
ここで図１に戻り、ステップ１４０で、本発明の方法は続いて原材料を加熱して溶融材料を形成する。例となる実施形態では、１個以上の電子ビームガン（図８に示す８５０）を用いて溶融材料を溶融する。液だまりの表面全体にわたり溶融材料を維持するのに十分な熱を提供する限り、任意の数および配置の電子ビームガン８５０を用いることもできる。例えば、外鋳型の外周のまわりで約９０°間隔を介する４個の電子ビームガン８５０は液だまり表面を十分にカバーすることができる。用いる電子ビームガンの適当な出力は、原材料の流速および密度、用いる電子ビームガンの数、電子ビームガンの構成、および電子ビームガンの製造業者によって決まるだろう。例えば、５０〜８０ｋＷの出力の電子ビームガンを用いることができる。鋳型表面上のビームパターンは、上面全体が確実に液体のままであるよう、ひいてはチューブ状プリフォームの内径および外径両方の上に所望の表面を生成するように調節すべきである。しかしながら、加熱しすぎはパイプの壊滅的な破裂、またはパイプと溶融材料との界面での、例えば、鉄‐チタニウム結晶混合物の形成を引き起こし得るので、ビームパターン調節は、電子ビームを内パイプ３００（図３Ａ参照）に近づけすぎるリスクとのバランスを保たなければならない。あるいは、従来知られているように、エレクトロスラグ再溶融プロセスを用いて金属原材料を溶融することができる。
【００３６】
ここで図１に戻り、ステップ１５０で、本発明の方法は続いて鋳型中心を外鋳型に対して徐々に下方へ移動させる。好適な実施形態では、液だまりがほぼ同じ場所にとどまるように原材料を加えるのと略同じ速度で鋳型中心を下方へ移動させる。
【００３７】
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、限定ではなく例示の目的で、プラー８４０が設けられる。プラー８４０を用い、鋳型を通って下方向に鋳型中心を移動させることができる（図８に示すとおり）。一例となる実施形態では、ある装置を用いてプラーを引き下ろす。例えば、その装置は折り畳み油圧シリンダーとすることができるが、これに限定されない。さらに、プラー８４０を用い、鋳型中心を所定の場所に固定することができる。実際には、外パイプ胴部２１０（図２Ａ〜図２Ｂ参照）の底部に取り付けた正方形チューブ２３０（図２Ａ〜図２Ｂ参照）をプラー８４０の中心にある穴７３０中に入れる。次に、図７Ｂに示すように、プラーの２つの部分、第１部分７１０および第２部分７２０を、プラー８４０に備えたボルト穴７４０のボルトを用いて正方形チューブ２３０の周りでともにしっかりと固定する。さらに、プラー８４０は、プラー８４０そのものを内部で冷却する水路７５０を備えることができる。一例となる実施形態では、プラー８４０を研削または機械加工し、冷媒を鋳型中心へ供給およびそこから回収する冷媒路（図示せず）を作成する。
【００３８】
ここで図１に戻り、ステップ１６０で、本発明の方法は続いて溶融材料を凝固させて中空インゴットを形成する。一例となる実施形態では、標準的な溶融炉８６０を示す概略図である図８に示すように、水冷鋳型中心８１０および水冷外鋳型８２０両方からの冷却の結果、溶融材料は凝固する。用いる溶融炉の種類は、例えば、真空炉、エレクトロスラグ炉、プラズマアーク炉、または当技術分野で周知の任意の種類の溶融炉とすることができる。図８は、外鋳型８２０と鋳型中心８１０との間に鋳型キャビティ８００を形成する構成を明示する。鋳型配置が溶融炉といかに相互作用するかは、当業者にとっては容易に理解できるものである。
【００３９】
いくつかの実施形態では、図８に示すように、鋳型中心８１０を保持し、鋳造中に鋳型中心８１０の水平移動を防止するため、レシーバー８３０が設けられる。例となる実施形態では、レシーバー８３０は、鋳造プロセスを通して鋳型中心８１０を同心に保つよう鋳型中心８１０の上部に取り付ける３枚のプレートを備える。レシーバー８３０の使用は、中心から外れた内孔の形成を防止し、中空インゴットの製造率を増加させる。
【００４０】
本発明の方法は、溶融炉８６０内で、インゴットを構成する材料によって真空または大気圧の下でインゴットを冷却するステップをさらに含むことができる。本発明によって製造したインゴットは溶融後、溶融炉から取り出す際の同じ直径の標準的インゴットよりもかなり冷たい。よって、開示発明の１つの利点は、溶融後のインゴットを冷却するのに要する時間の大幅な短縮である。冷却時間の短縮は、１つには鋳型中心８１０の外パイプ２００が鋳造した材料と密接に結合しているためである。さらに、材料は鋳型中心８１０および外鋳型８２０の両方から冷却される。冷却時間は中空インゴットの所望の直径によって決まるが、次の実験式
ｔｃｏｏｌｉｎｇ＝Ａｘ‐ｓｅｃｔ（１／Ｒｃａｓｔ）Ｌｉｎｇｏｔρｋａｋｂ
を用いて控えめに概算することができる。なお、式中、
ｔｃｏｏｌｉｎｇは要する冷却時間（ｈｒ）、
Ａｘ‐ｓｅｃｔは中空インゴットの断面積（ｉｎ２）、
Ｒｃａｓｔは鋳造速度（ｌｂ／ｈｒ）、
Ｌｉｎｇｏｔは鋳造する中空インゴットの長さ（ｉｎ）、
ρは材料密度（Ｉｂ／ｉｎ３）、
ｋａは０.５２に相当する補正係数、
ｋｂは長さ補正係数、
である。ｋｂの値は、それぞれ２,０００ｌｂ／ｈ、１,５００ｌｂ／ｈ、および１,０００ｌｂ／ｈの鋳造速度Ｒｃａｓｔでの中空インゴットの断面積Ａｘ‐ｓｅｃｔの関数としてのｋｂのプロットである図９Ａ、図９Ｂ、および図９Ｃから得ることができる。図９Ａ〜図９Ｃの上、中、および下の曲線は、それぞれ１５、１０、および５フィートのインゴット長さＬｉｎｇｏｔを表す。
【００４１】
別の例となる実施形態では、本発明は中空インゴットの半連続鋳造装置を提供する。この装置は、冷媒用の環状空間４００を形成するよう配置した内パイプ３００および外パイプ２００を有する鋳型中心８１０（図８参照）、外鋳型８２０、および鋳型中心８１０を下方へ移動させるプラー８４０を備える。原材料を受容する鋳型キャビティ８００は鋳型中心８１０と外鋳型８２０との間に設けられる。
【００４２】
内パイプ３００及び外パイプ２００は、本明細書で前述した特性のいずれかを有することができる。例えば、より詳しく上述するように、いくつかの実施形態では、外パイプ２００は消費可能であり、さらなるプロセスまでインゴットに残すことができる。プラー８４０は鋳型中心８１０を受容するよう配置した穴を備えることができ、プラー８４０は鋳型中心８１０を所定の場所に固定することができる。この装置は、１個以上の電子ビームガン８５０を備えることができる。代替実施形態では、エレクトロスラグ再溶融、プラズマアークプロセスにより、またはプラズマトーチを用い、原材料を加熱することができる。好適な実施形態では、例えば、図８に黒太矢印によって示す加熱場所の近くの鋳型キャビティ８００の上部で原材料を加える。プラー８４０および電子ビームガン８５０は、本明細書で前述した特性および／または構成のいずれかを有することができる。
【００４３】
別の例となる実施形態では、本発明は金属中空インゴット製品を提供する。金属中空インゴット製品は、金属中空インゴットと金属中空インゴットの内面で金属中空インゴットと密接に結合したパイプとを備える。
【００４４】
中空インゴットおよびパイプは、本明細書で前述した特性のいずれかを有することができる。例えば、パイプは鉄、銅、他の金属、セラミックス、または他の適切な材料で製造することができる。中空インゴットは、チタニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ニッケル、他の反応金属、及びその合金からなる群から選択した材料から製造することができる。好適な実施形態では、中空インゴットは、金属または金属材料を用いて鋳造し、従って中空金属インゴットである。
【００４５】
開示発明は幅広い大きさの試料を製造するのに適している。限定ではなく例示の目的で、金属材料で製造した中空インゴットの大きさの例を表１に示す。
【００４６】
【表１】
2011527946.tif 000003
【００４７】
変化し得るプロセスパラメータとしては、原材料の種類、原材料の供給速度、熱源によって加えられる熱量、中子および外鋳型への冷媒供給により生じる冷却速度、中子を下方へ引っ張る速度とともに、鋳型そのものの全径が挙げられる。
【実施例】
【００４８】
チタニウム合金を配合して溶融金属材料を製造し、硬度向上のため修正を加えてＥｘｔｒａ  Ｌｏｗ  Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ（ＥＬＩ）材料を製造した。１０００〜３０００ｌｂ／ｈｒの目標鋳造速度を用いた。
【００４９】
電子ビームガンを用いてインゴットを溶融した。溶融炉上にあるのぞき窓ガラスを通した観察により、目に見える液面全体が完全に溶融したことは明らかだった。
【００５０】
溶融中、漏出は進行せず、溶接失敗は起きなかった。鋳型中心の冷却回路は最高９０°Ｆに達し、平均約８５°Ｆであった。
【００５１】
インゴットの上面はほとんど平坦で均一であった。概して、表面の状態は極めて妥当であった。
【００５２】
試料片をインゴットから切り出した。断面は鋳型中心の外殻の直径の小さな変化を示した。
【００５３】
本明細書では特定の好適な実施形態および実施例の観点から本発明を説明するが、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、各種変形および改良を行うことができると認識するだろう。よって、本発明は添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内である変形および変更を含むことを意図する。さらに、本発明の一実施形態の個々の特徴について本明細書で議論し、あるいは一実施形態を図面に示し、他の実施形態を図示していないが、一実施形態の個々の特徴は他の実施形態の１つ以上の特徴または複数の実施形態の特徴と組み合わせることができると理解すべきである。
【００５４】
特許請求の範囲で請求する特定の実施形態に加えて、本発明は、特許請求の範囲で請求する従属する特徴と上記明細書で開示した特徴とのその他の可能な組み合わせを有する他の実施形態も対象とする。このように、従属請求項に記載し、上記で開示した特定の特徴は本発明の範囲内で他の方法方で互いに組み合わせることができるので、本発明はとくにその他の可能な組み合わせを有する他の実施形態も対象とすると認識すべきである。よって、本発明の特定の実施形態の前述の説明は例示および説明の目的で記載したものである。これは包括的であることも、本発明をそれらの開示実施形態に限定することも意図しない。
【００５５】
当業者は、本発明が本明細書でとくに図示、説明したものに限定されないことを理解するだろう。本発明の範囲は以下の特許請求の範囲により定義される。上記説明は実施形態を説明する実施例の単なる典型であることをさらに理解すべきである。読者の便宜のため、上記説明は、可能な実施形態の典型試料、本発明の原理を教示する試料に焦点を当てた。他の実施形態は、異なる実施形態の部分の異なる組み合わせからもたらすことができる。
【００５６】
本明細書はすべての変更の可能性を包括的に列挙することを試みたものではない。代替実施形態は、本発明の特定の部分について記載したものではなく、記載した部分の異なる組み合わせからもたらすことができる、すなわち他の記されていない代替実施形態を本発明のある部分について用いることができることは、それら代替実施形態の権利の放棄と認識されるものではない。それら記されていない実施形態の多くは、以下の特許請求の範囲の文字通りの範囲内であり、他も同等であると理解されるだろう。さらに、本明細書を通して引用したすべての参考文献、出版物、米国特許、および米国特許出願公報は、本明細書に完全に記載されているのと同様に参照により組み入れられる。
【図１】
2011527946.tif 000004
【図２Ａ】
2011527946.tif 000005
【図２Ｂ】
2011527946.tif 000006
【図２Ｃ】
2011527946.tif 000007
【図３Ａ】
2011527946.tif 000008
【図３Ｂ】
2011527946.tif 000009
【図４Ａ】
2011527946.tif 000010
【図４Ｂ】
2011527946.tif 000011
【図５Ａ】
2011527946.tif 000012
【図５Ｂ】
2011527946.tif 000013
【図６Ａ】
2011527946.tif 000014
【図６Ｂ】
2011527946.tif 000015
【図６Ｃ】
2011527946.tif 000016
【図６Ｄ】
2011527946.tif 000017
【図７Ａ】
2011527946.tif 000018
【図７Ｂ】
2011527946.tif 000019
【図８】
2011527946.tif 000020
【図９Ａ】
2011527946.tif 000021
【図９Ｂ】
2011527946.tif 000022
【図９Ｃ】
2011527946.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月12日(2011.1.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空インゴットの半連続鋳造方法であって、
冷媒用の環状空間を形成するよう配置された内パイプおよび外パイプを有する鋳型中心と、
外鋳型と、
の間に鋳型キャビティが形成された鋳型を提供するステップと、
前記環状空間に冷媒を循環させるステップと、
前記鋳型キャビティ内に原材料を供給するステップと、
前記原材料を加熱して溶融材料を生成するステップと、
前記鋳型中心を前記外鋳型に対して徐々に下方へ移動させるステップと、
前記溶融材料を凝固させて中空インゴットを形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
プラーを用いて前記鋳型中心を徐々に下方へ移動させることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、
前記冷媒を前記鋳型の略底部に提供し、
前記冷媒を、前記内パイプを通って上方へ流し、前記環状空間を通って下方へ流すことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法において、
前記冷媒は水またはナトリウム‐カリウム共晶混合物であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、
プラーを用いて前記鋳型中心を所定の場所に固定することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法において、
１個以上の電子ビームガン、エレクトロスラグ再溶融、プラズマアークプロセス、または１個以上のプラズマトーチにより前記原材料を加熱することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法において、
前記外パイプを鋳造後さらなるプロセスまでインゴットに残すことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法において、
前記原材料をチタニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ニッケル、およびその合金からなる群から選択することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法において、
前記外パイプを鉄、銅、およびセラミックスからなる群から選択することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法において、
前記原材料を前記鋳型の略上部で前記鋳型キャビティ内へ供給することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法であって、
鋳造中に前記鋳型中心の水平移動を防止するよう前記鋳型中心を保持するレシーバーを備えるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
中空インゴットの半連続鋳造装置であって、
冷媒用の環状空間を形成するよう配置された内パイプおよび外パイプを有する鋳型中心と、
前記鋳型中心と外鋳型との間に鋳型キャビティを備えるよう構成された該外鋳型と、
前記鋳型キャビティの上面領域を加熱するよう構成された加熱装置と、
前記鋳型中心を前記外鋳型に対して徐々に下方へ移動させるプラーと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置において、
前記外パイプは消費可能であり、さらなるプロセスまでインゴットに残すことを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の装置において、
前記プラーは鋳型中心を受容するよう配置した穴を備えることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の装置において、
前記プラーは前記鋳型中心を所定の場所に固定することを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の装置において、
前記加熱装置は１個以上の電子ビームガン、エレクトロスラグ再溶融装置、プラズマアーク装置、または１個以上のプラズマトーチを備えることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の装置であって、
前記鋳型中心の上に位置し、鋳造中に前記鋳型中心の水平移動を防止するよう配置されたプラーをさらに備えることを特徴とする装置。
【国際調査報告】
2011527946.tif 000024
2011527946.tif 000025
2011527946.tif 000026
2011527946.tif 000027