(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレクトロスラグ精錬により酸化物及び硫化物を除去した清浄な精錬された金属の供給源を形成する工程と核生成鋳造によって物品を形成する工程とを含むプロセスによって製造される、本質的に酸化物及び硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織を有する物品であって、上記物品を形成する工程が、
清浄な金属の供給源からの清浄な金属のストリームを溶融金属の液滴に破砕し、
溶融金属の液滴を部分的に凝固させて、平均で各液滴の５〜４０容量％が固体で、残りが溶融状態となるようにし、
部分的に凝固した液滴を金型内に収集し凝固させ、物品を形成する工程を含み、液滴によって上面に乱流ゾーンが形成され、部分的に凝固した液滴を収集し凝固させる工程が、液滴を乱流ゾーンで収集し、平均で液滴の５０容量％未満を凝固させることを含む、物品。
【請求項２】
前記エレクトロスラグ精錬工程が、
精錬すべき金属の供給源を設け、
金属供給源のエレクトロスラグ精錬に適したエレクトロスラグ精錬構造を設け、溶融スラグを容器に入れ、
精錬された溶融金属を溶融スラグの下側に保持するコールドハース構造を設け、精錬された溶融金属をコールドハース構造に入れ、
金属供給源をエレクトロスラグ精錬構造内に挿入して、エレクトロスラグ精錬構造内の溶融スラグと接触するように装填し、
電力を供給する電源を設け、
電源、金属供給源、溶融スラグ及びエレクトロスラグ精錬構造を含む回路に電力を供給して金属供給源をエレクトロスラグ精錬し、
金属供給源が溶融スラグと接触するところで金属供給源を抵抗加熱溶融し、溶融金属の液滴を形成し、
溶融液滴を溶融スラグ中を落下させ、
溶融液滴が溶融スラグを通過した後、溶融液滴をエレクトロスラグ精錬構造直下のコールドハース構造内で精錬された液体金属体として収集し、
コールドハース構造の下方部分にオリフィスを有するコールドフィンガオリフィス構造を設け、
コールドハース構造に集まるエレクトロスラグ精錬された金属をコールドフィンガオリフィス構造のオリフィスを通して排出する
工程を含む、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
金属供給源がニッケル基、コバルト基、チタン基及び鉄基金属から選ばれる少なくとも１種の合金を含み、前記清浄な金属核生成鋳造プロセスにより形成した物品がニッケル基、コバルト基、チタン基及び鉄基金属の少なくとも１種を含む、請求項２に記載の物品。
【請求項４】
金属供給源を精錬構造中に進入させる速度がインゴットの下端が抵抗加熱溶融により溶融される速度に一致する、請求項２に記載の物品。
【請求項５】
排出工程が溶融金属のストリームを形成する工程を含む、請求項２に記載の物品。
【請求項６】
エレクトロスラグ精錬構造及びコールドハース構造が同一構造物の上部と下部である、請求項２に記載の物品。
【請求項７】
電力を供給する工程が精錬された液体金属に回路を形成する工程を含む、請求項２に記載の物品。
【請求項８】
排出工程が抵抗加熱溶融速度にほぼ等しい排出速度を確立する工程を含む、請求項２に記載の物品。
【請求項９】
溶融金属の液滴を部分的に凝固させる工程が平均で液滴の１５〜３０容量％を凝固させる、請求項１に記載の物品。
【請求項１０】
部分的に凝固した液滴を収集し凝固させる工程が液滴を収集し液滴の５〜４０容量％を凝固させる、請求項１に記載の物品。
【請求項１１】
破砕工程が少なくとも１つの噴霧ガスジェットをストリームに衝突させる工程を含む、請求項１に記載の物品。
【請求項１２】
物品がインゴット、鋳物又はプレホームの少なくとも１つである、請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１３】
物品がニッケル基、コバルト基、チタン基及び鉄基金属の少なくとも１種を含む、請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１４】
物品がタービン構成部品の用途に使用できる、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１５】
金属供給源が消耗電極、粉末金属供給源及び溶融金属供給源から選ばれる少なくとも１種である、請求項１に記載の物品。
【請求項１６】
本質的に酸化物及び硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織を有する物品の清浄金属核生成鋳造システムであって、当該鋳造システムが、エレクトロスラグ精錬システムと核生成鋳造システムとを含んでおり、
前記エレクトロスラグ精錬システムが、
精錬用溶融スラグを受け入れ、保持するのに適当なエレクトロスラグ精錬構造と、
前記エレクトロスラグ精錬構造中で精錬すべき金属の供給源と、
前記エレクトロスラグ精錬構造内の溶融スラグ体であって、金属供給源が接触状態に配置される溶融スラグ体と、
電流を電極としての前記金属供給源に、溶融スラグを通してそのスラグの下側の精錬金属体に供給して、精錬用スラグを溶融状態に保つとともにスラグと接触した金属供給源の端部を溶融する構成の電源と、
前記金属供給源を溶融スラグと接触状態にして金属の精錬が進むにつれて電極の接触表面が溶融される速度に対応する速度で前進させる前進装置と、
前記エレクトロスラグ精錬構造の下側に位置するコールドハース構造であって、エレクトロスラグ精錬された溶融金属を受け入れ、それをコールドハース容器の壁上に形成される精錬金属固体スカルと接触状態に保持するよう構成されたコールドハース構造と、
コールドハース構造内で溶融スラグの下側にくる精錬された溶融金属体と、
コールドハース構造の下方のコールドフィンガオリフィス構造であって、エレクトロスラグ精錬システムにより加工される精錬された溶融金属のストリームをコールドハース構造からオリフィスを通して小出しするように構成されたコールドフィンガオリフィス構造と、
精錬された金属がコールドハース構造及びオリフィスを含むコールドフィンガオリフィス構造と接触して凝固したスカルと、
精錬された溶融金属のストリームを溶融金属の液滴に変換する破砕サイトと、
溶融金属の液滴を受け取り、溶融金属の液滴を部分的に凝固させて、平均で各半固体の液滴の５〜４０容量％が固体で、残りが溶融状態となるような半固体の液滴にする冷却ゾーンと、
半固体の液滴を収集し、凝固させ、これにより本質的に酸化物及び硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織を有する物品を形成する金型であって、この際半固体の液滴により金型の上面に乱流ゾーンを形成し、この乱流ゾーン内で平均で液滴の５０容量％未満が固体となるように構成された、金型とを含む、
清浄金属核生成鋳造システム。
【請求項１７】
物品がインゴット、鋳物又はプレホームの少なくとも１つである、請求項１６に記載の清浄金属核生成鋳造システム。
【請求項１８】
物品がニッケル基、コバルト基、チタン基及び鉄基金属の少なくとも１種を含む、請求項１６に記載清浄金属核生成鋳造システム。
【請求項１９】
物品がタービン構成部品である、請求項１６に記載の清浄金属核生成鋳造システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
この発明は、清浄金属核生成鋳造による物品、その物品を形成する方法およびシステムに関する。
【０００２】
金属、たとえば鉄（Ｆｅ）基、ニッケル（Ｎｉ）基、チタン（Ｔｉ）基およびコバルト（Ｃｏ）基合金はよくタービン構成部品用途に用いられ、その場合微細結晶粒ミクロ組織、均質性そして本質的に欠陥のない組成が望ましい。超合金鋳造物およびインゴットにこのような問題があると、超合金形成に伴うコストが高いので、望ましくなく、これらの問題の結果は、特にタービン構成部品に形成されるインゴットの場合、望ましくない。鋳造物を生成する従来のシステムでは、鋳造物から製造した物品に悪影響するおそれのある不純物、汚染物その他の成分の量を減らそうとしてきた。しかし、超合金のような金属の比較的大きな物体の加工と精錬はしばしば、均質な、欠陥のない組織を実現する上で様々な問題を伴う。これらの問題は、少なくとも部分的には、金属本体の嵩高い体積によると考えられる。
【０００３】
超合金にしばしば生じるこの種の問題として、精錬金属の結晶粒度および他のミクロ組織の制御がある。代表的には、精錬する金属の体積が通常５，０００ポンド程度以上であり、３５，０００ポンド程度以上ともなり得るので、精錬加工には、金属の大きな本体を順次加熱および溶融、成形、冷却そして再加熱するなどの多数の工程を行う。さらに、加工を大きな金属本体に行うので、合金または成分の偏析の問題も生じる。多くの場合、一連の長い経費のかさむ加工工程を選択して、金属のバルク加工および精錬操作を用いることから来る上述した難点を克服している。
【０００４】
当業界で採用されているこのような既知の手順としては、真空誘導溶融、これに続くエレクトロスラグ精錬（ＥＳＲ＝electroslag refining）（たとえば、すべて本出願人に譲渡された米国特許第５，１６０，５３２，同第５，３１０，１６５号、同第５，３２５，９０６号、同第５，３３２，１９７号、同第５，３４８，５６６号、同第５，３６６，２０６号、同第５，４７２，１７７号、同第５，４８０，０９７号、同第５，７６９，１５１号、同第５，８０９，０５７号および同第５，８１０，０６６号に開示されている）、これに続く真空アーク精錬（ＶＡＲ＝vacuum arc refining）、そしてこれに続く鍛造および引き抜きによる機械加工を行い、微細なミクロ組織を達成する。このような順序により製造された金属はきわめて有用であり、金属製品自体はきわめて価値あるものであるが、加工プロセスが多大な費用と長い時間を要する。さらに、このような手順からの歩留まりは低く、結果としてコストを引き上げる。
【０００５】
スクラップ金属を真空誘導溶融して、たとえば２０，０００ポンド以上のような大きな金属本体とすることは、スクラップ材料の回収に有用である。スクラップを真空誘導溶解工程により加工して、大きなインゴット品を形成する。このタイプの大きなインゴット品はスクラップよりはるかに価値があるが、大きなインゴット品は通常、ボイド、クラック、酸化物介在物、マクロ偏析などの種々の欠陥を有する。スクラップ金属のインゴットへの回収は、たいていの場合、費用と時間のかかる金属精錬プロセスの第１工程である。後続の加工工程で、前の金属加工工程で生じた欠陥を矯正する。たとえば、スクラップ金属を大きなインゴットとした後、そのインゴットをエレクトロスラグ精錬（ＥＳＲ）により加工して、不純物、汚染物、酸化物、硫化物その他の望ましくない成分を除去する。エレクトロスラグ精錬法の生成物は通常、不純物濃度が低い。
【０００６】
エレクトロスラグ精錬加工操作中にいくつかの問題が生じることがある。たとえば、従来のエレクトロスラグ精錬法では、精錬用容器を使用し、その内部でスラグ精錬層が溶融精錬された金属の層の上に浮かぶ。通常、未精錬金属のインゴットを消耗電極として使用し、容器内に降下して溶融したエレクトロスラグ層と接触させる。スラグ層を通してインゴットに電流を流し、インゴットとスラグ層との界面で表面溶融を起こさせる。インゴットが溶融するにつれて、酸化物介在物や不純物がスラグにさらされ、インゴットとスラグの接触点で除去される。精錬された金属の液滴を形成し、これらの液滴がスラグ内を通過し、スラグの下側の溶融精錬された金属のプールに捕集される。
【０００７】
上述したエレクトロスラグ精錬装置は、個々のプロセスパラメータ、たとえば精錬電流の強度、特定の熱入力、溶融速度など（これらに限らない）の関係に依存する。この関係は、金属のエレクトロスラグ精錬速度と、金属インゴット温度と、精錬された溶融金属の冷却速度との間の望ましくない相互依存を含み、これらはすべて得られる鋳物の冶金学的組織を貧弱なものとするおそれがある。
【０００８】
従来のエレクトロスラグ精錬プロセスと関連した別の問題として、エレクトロスラグるつぼに比較的深い金属プールが形成される。深い湯プールは金属中の成分のマクロ偏析度を変動させる原因となり、これは微細結晶粒ミクロ組織でないミクロ組織のようなあまり望ましくないミクロ組織となったり、不均質な組織を形成するような元素種の偏析を生じたりする。この深い湯プールの問題を克服するため、エレクトロスラグ精錬プロセスと組み合わせる後続処理操作が提案されている。この後処理は真空アーク再溶解（ＶＡＲ＝vacuum arc remelting）とすることができる。真空アーク再溶解は、インゴットを真空アーク工程で処理するときに開始され、比較的浅い湯プールを生成し、これにより水素含量も低くなる可能性のあるすぐれたミクロ組織を生成する。真空アーク精錬プロセスに続いて、得られたインゴットを機械加工して所望の微細結晶粒ミクロ組織を有する金属ストックを得る。このような機械加工は鍛造工程と引抜き工程との組合せとすることができる。この熱機械的加工には、大型の高価な装置が必要で、また多量で高価なエネルギー入力も必要である。
【０００９】
望ましい鋳造ミクロ組織を得ようとする方法が米国特許第５，３８１，８４７号に提案されており、ここでは垂直鋳造プロセスにより、デンドライト成長を抑制することにより結晶粒子ミクロ組織を制御している。このプロセスにより得られるミクロ組織は用途によっては有用であるが、垂直鋳造プロセスは、不純物、酸化物その他の望ましくない成分などのソース金属含有物を制御しない。ソース金属含有物を制御しないと、鋳物のミクロ組織や特性に悪影響を与える。
【００１０】
したがって、多数の加工工程に依存せず、供給源から清浄な金属を供給され、比較的均質で、微細結晶粒のミクロ組織を有する鋳物を製造する金属鋳造プロセスが必要とされている。さらに、比較的均質な微細結晶粒ミクロ組織を有する鋳物を製造する金属鋳造システムを提供することが必要とされている。さらに、タービン構成部品としての用途に適当な、本質的に酸化物を含有しない鋳物を製造する金属鋳造プロセスおよびシステムを提供することが必要とされている。
【００１１】
【発明の概要】
本発明の第１の観点によれば、微細結晶粒均質ミクロ組織を有する物品が提供される。この物品は本質的に酸化物および硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない。この物品は、エレクトロスラグ精錬により酸化物および硫化物を除去した清浄な精錬された金属の供給源を形成する工程と、核生成鋳造により物品を形成する工程とを含むプロセスにより製造する。
【００１２】
本発明の別の観点によれば、本質的に酸化物および硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織を有する物品が提供される。この物品は、エレクトロスラグ精錬システムと核生成鋳造システムとを含む清浄金属核生成鋳造システムにより形成される。エレクトロスラグ精錬システムは、精錬用溶融スラグを受け入れて保持するのに適当なエレクトロスラグ精錬構造と、エレクトロスラグ精錬構造で精錬すべき金属の供給源と、エレクトロスラグ精錬構造内の溶融スラグの本体とを含む。金属供給源は溶融スラグと接触状態に配置されている。エレクトロスラグ精錬システムはさらに、電流を電極としての前記金属供給源に、そして溶融スラグを通してスラグの下側の精錬された金属の本体に供給して、精錬用スラグを溶融状態に保つとともにスラグと接触した金属供給源の端部を溶融する構成の電源と、前記金属供給源を溶融スラグと接触状態にして金属の精錬が進むにつれて電極の接触表面が溶融される速度に対応する速度で前進させる前進装置と、前記エレクトロスラグ精錬構造の下側に位置するコールドハース構造であって、エレクトロスラグ精錬された溶融金属を受け入れ、それをコールドハース容器の壁上に形成される精錬された金属の固体スカルと接触状態に保持するよう構成されたコールドハース構造と、コールドハース構造内で溶融スラグの下側にくる精錬された溶融金属の本体と、コールドハース構造の下方のコールドフィンガオリフィス構造であって、エレクトロスラグ精錬システムにより加工される精錬された溶融金属のストリームをコールドハース構造およびオリフィスを通して小出しするように構成されたコールドフィンガオリフィス構造と、精錬された金属がコールドハース構造およびオリフィスを含むコールドフィンガオリフィス構造と接触して凝固したスカルと、精錬された溶融金属のストリームを溶融金属の液滴に変換する破砕サイトと、溶融金属液滴を受け取る冷却ゾーンとを備える。冷却ゾーンは、溶融金属液滴を部分的に凝固させて半固体液滴とし、平均で各半固体液滴の約５〜４０容量％が固体で、残りが溶融状態となるようにする。金型は、半固体液滴を収集し、凝固させ、これにより本発明の１実施態様としての本質的に酸化物および硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒の均質なミクロ組織を有する物品を形成する。この際半固体液滴により金型の上面に乱流ゾーンを形成し、この乱流ゾーン内で平均で液滴の約５０容量％未満が固体となる。
【００１３】
本発明のさらに他の観点によれば、物品はインゴット、鋳物またはプレホーム（予備成形品）の少なくとも１つである。
【００１４】
本発明のさらに他の観点によれば、物品はニッケル基、コバルト基、チタン基および鉄基金属の少なくとも１種を含む。
【００１５】
本発明の上述したまた他の目的、特徴および効果は、添付の図面を参照した以下の説明から明らかになるであろう。図面には本発明の実施態様を具体的に示すが、同様の部材は同じ符号で示す。
【００１６】
【好適な実施態様】
本発明の１実施態様による物品を製造する清浄金属核生成鋳造プロセスは、エレクトロスラグ精錬（ＥＳＲ）システムから清浄な液体金属の供給源を形成する工程と、清浄な金属を核生成鋳造システムに送る工程と、本質的に酸化物を含まず不純物を含まない材料の物品、たとえばこれらに限らないが鋳物、インゴットまたはプレホーム（予備成形品）を生成する工程を含む。ここで用語「本質的に含まない」とは、材料中のいかなる成分もその材料に、たとえばその強度や他の関連特性に悪影響を与えないことを意味する。さらに、本発明の１実施態様による清浄金属核生成鋳造プロセスは、特に上述したような従来の溶融プロセスにより製造した鋳物と比較して、欠陥の偏析を低減した鋳物が製造される。本発明の説明は、清浄金属核生成鋳造プロセスおよびシステムにより形成した物品または鋳物に言及するが、この説明は例示にすぎず、いかなる意味でも本発明を限定しようとするものではない。
【００１７】
本発明の１実施態様による清浄な液体金属供給源（ソース）は、エレクトロスラグ精錬工程により清浄な（クリーンな）液体金属を与えるエレクトロスラグ精錬装置から構成することができる。たとえばエレクトロスラグ精錬装置は、たとえば本出願人に譲渡された前掲の特許に記載されているような、コールド誘導ガイド（ＣＩＧ＝cold-induction guide）と協同するエレクトロスラグ精錬システムからなる。核生成鋳造システムは、多数の溶融金属液滴を形成し、冷却ゾーンに通過させることのできるシステムからなり、冷却ゾーンは平均して各液滴の約３０容量％以下を凝固させるのに十分な長さに形成する。つぎに液滴を金型（モールド）に受け取り、金属液滴の凝固を金型内で完了させる。液滴の固体部分が約３０容量％未満であれば、液滴は液体特性を保ち、金型内で容易に流動する。
【００１８】
本発明の１実施態様による物品を製造する清浄金属核生成鋳造プロセスは、タービン構成部品の用途に用いられることが多い、ニッケル（Ｎｉ）基およびコバルト（Ｃｏ）基超合金や、鉄（Ｆｅ）およびチタン（Ｔｉ）合金など（これらに限定されない）を含む多数の金属および合金について、均質な微細結晶粒ミクロ組織を形成する。本発明の１実施態様においては、清浄金属核生成鋳造プロセスにより形成される物品は、均質な微細結晶粒ミクロ組織であるため、わずかな加工および熱処理工程で最終物品またはビレットに変換し、あるいは直接鍛造することができる。したがって、清浄金属核生成鋳造プロセスは、具体的にはディスク、ロータ、ブレード、ベーン、ホイール、バケット、リング、シャフト、ホイールその他の要素（これらに限定されない）を含む回転装置用途、そして他のタービン構成部品用途など、多種多様な用途に使用できる高品質な鍛造品を製造するのに使用できる。本発明の説明は主に鋳物から形成するタービン構成部品に言及するが、これは本発明の範囲内の用途の例示にすぎない。
【００１９】
ここで添付図面を参照すると、図１は、本発明の１実施例による清浄金属核生成鋳造プロセスおよびシステム３を示す半線図的、部分断面の立面図である。図２〜図４は図１に示した特徴部分の詳細図である。本発明の理解を容易にするために、まずエレクトロスラグ精錬システム１について説明し、ついで核生成鋳造システム３について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施例による物品を製造するための清浄金属核生成鋳造システム３の線図的説明図である。図１において、エレクトロスラグ精錬システム１により、清浄金属核生成鋳造システム３およびその関連する清浄金属核生成鋳造プロセスに適切な清浄な金属を提供する。清浄な金属を核生成鋳造システム２に供給する。エレクトロスラグ精錬システム１および核生成鋳造システム２が協同して清浄金属核生成鋳造システム３を形成し、これにより清浄な金属の核生成した鋳物を形成する。
【００２１】
エレクトロスラグ精錬システム１は精錬すべき金属の消耗電極２４をエレクトロスラグ精錬システム１に導入し、その消耗電極２４を精錬して清浄な精錬された金属メルト４６（以下「クリーン金属」と言う）を生成する。消耗電極２４としてのエレクトロスラグ精錬システム１用の金属供給源は単なる例示であり、本発明の範囲には、インゴット、金属メルト、粉末金属およびこれらの組合せからなるソース金属が包含されるが、これらに限定されない。ここでは本発明を消耗電極に関連して説明するが、これは単なる例示にすぎず、いかなる意味でも本発明を限定しようとするものではない。クリーン金属４６は、エレクトロスラグ精錬装置１の下側に装着されたコールドハース構造４０内に受け入れられ保持される。クリーン金属４６はコールドハース構造４０から、その下側に装着配置されたコールドフィンガオリフィス構造８０を通して小出しされる。
【００２２】
金属のエレクトロスラグ精錬の速度と精錬された金属をコールドハース構造４０に送り出す速度が、溶融金属（湯）４６をコールドハース構造４０からコールドフィンガオリフィス構造８０のオリフィス８１を通して抜き出す速度に近ければ、エレクトロスラグ精錬システム１は、クリーン金属４６を供給するのにほぼ定常状態の作動を行うことができる。したがって、清浄金属核生成鋳造プロセスは長期間にわたって連続的に運転でき、したがって大量の金属を処理できる。あるいはまた、清浄金属核生成鋳造プロセスは、清浄金属核生成鋳造システム３の特徴部分の１つ以上を間欠的に運転することにより間欠的に運転することができる。
【００２３】
クリーン金属４６がコールドフィンガオリフィス構造８０を通してエレクトロスラグ精錬システム１から外に出た後、クリーン金属４６は核生成鋳造システム２に入る。ここでクリーン金属をさらに加工して比較的大きな精錬金属のインゴットを生成すことができる。あるいはまた、クリーン金属４６をここを通して加工してもっと小さな鋳物、インゴット、物品を生成するか、連続した鋳造物品に形成することができる。清浄金属核生成鋳造プロセスは、本発明の実施態様では、所望の組合せの材料特性を有する金属鋳物を生成するために今まで必要とされていた上述した加工操作のような加工操作の多くをなくすることができ、効果的である。
【００２４】
図１に、鉛直移動制御装置１０を線図的に示す。鉛直移動制御装置１０は、ボックス１２を鉛直サポート１４に装着した構成で、鉛直サポート１４は原動装置（図示せず）、たとえばモータその他の機構（これらに限らない）を有する。原動装置はスクリュ部材１６に回転運動を与えるようになっている。
【００２５】
インゴット支持構造２０は、部材、たとえば一端がスクリュ部材１６にねじ係合された部材２２（これに限らない）を含む。部材２２は他端で、適当な連結具、たとえばボルト２６（これに限らない）により消耗電極２４を支持する。
【００２６】
エレクトロスラグ精錬構造３０は、適当な冷却材、たとえば水（これに限らない）により冷却されるリザーバ３２を備える。リザーバ３２は、溶融スラグ３４を含み、ここで過剰なスラグ３４は固体スラググラニュール３６として図示されている。清浄金属核生成鋳造プロセスに用いるスラグ組成は、処理される金属とともに変化する。後述するような、内壁８２の外側に流れる冷却材の冷却作用のため、スラグスカル７５がリザーバ３２の内壁８２の内面に沿って形成される。
【００２７】
コールドハース構造４０（図１〜図３）はエレクトロスラグ精錬構造３０の下側に装着されている。コールドハース構造４０は、ハース（炉床）４２を備え、これは水のような適当な冷却材で冷却される。ハース４２は凝固した精錬金属からなるスカル（凝固湯垢）４４と精錬された液体金属の本体４６とを含有する。リザーバ３２はハース４２と一体に形成することができる。あるいはまた、リザーバ３２とハース４２を別個のユニットとして形成し、これらを連結してエレクトロスラグ精錬システム１を構成してもよい。
【００２８】
エレクトロスラグ精錬システム１の底部オリフィス８１は、コールドフィンガオリフィス構造８０に設けられ、これらを図３および図４を参照して説明する。エレクトロスラグ精錬システム１により本質的に酸化物、硫化物、他の不純物を含まないように精錬されたクリーン金属４６は、エレクトロスラグ精錬システム１を横切り、コールドフィンガオリフィス構造８０のオリフィス８１から流出する。
【００２９】
電源構造７０により精錬用電流をエレクトロスラグ精錬システム１に供給することができる。電源構造７０は電力供給兼制御機構７４を備える。電気導体７６により電源構造７０を部材２２に接続し、電流を部材２２に搬送し、ついで電流を消耗電極２４に搬送することができる。導体７８をリザーバ３２に接続し、エレクトロスラグ精錬システム１の電源構造７０の回路を完成する。
【００３０】
図２は、エレクトロスラグ精錬構造３０およびコールドハース構造４０の詳細な部分断面図である。ここでエレクトロスラグ精錬構造３０はリザーバ３２の上方部分を画定し、コールドハース構造４０はリザーバ３２の下方部分４２を画定する。リザーバ３２は通常、内壁８２および外壁８４を有する二重壁リザーバである。内壁８２と外壁８４との間に水（これに限定されない）などの冷却材８６を供給する。冷却材８６は、供給源９８（図３）から通常の入口および出口（図示せず）を経て内壁８２および外壁８４間に画定された流れチャンネルに流入し通過する。コールドハース構造４０の壁８２を冷却する冷却水８６は、エレクトロスラグ精錬構造３０およびコールドハース構造４０の冷却を行い、スカル４４をコールドハース構造４０の内面上に形成させる。冷却材８６はエレクトロスラグ精錬システム１、清浄金属核生成鋳造システム３あるいはエレクトロスラグ精錬構造３０の運転にとって必須ではない。液体金属４６が内壁８２に接触し、内壁８２を攻撃すると、内壁８２からの若干の溶解をもたらし液体金属４６を汚染するおそれがあるが、冷却により液体金属４６の内壁８２との接触や、内壁８２への攻撃を防止することができる。
【００３１】
図２において、コールドハース構造４０は外壁８８も備え、この外壁８８はフランジ付き管状セクション９０および９２を含むのがよい。２つのフランジ付き管状セクション９０および９２が図２の底部に示されている。外壁８８は核生成鋳造システム２と協同して、後述する制御された雰囲気環境１４０を形成する。
【００３２】
コールドハース構造４０は、コールドフィンガオリフィス構造８０を備え、その詳細を図３および図４に示す。コールドフィンガオリフィス構造８０を図３にコールドハース構造４０および液体メルト４６のストリーム５６との関係で示すが、液体メルト４６のストリーム５６は、コールドフィンガオリフィス構造８０を通ってコールドハース構造４０を出てゆく。図２および図３では、コールドフィンガオリフィス構造８０を、固体金属スカル４４および液体金属４６との構造的協同関係にて示している。図４では、コールドフィンガオリフィス構造８０を液体金属も固体金属スカルもなしで示しているので、コールドフィンガオリフィス構造８０の細部がよくわかる。
【００３３】
コールドフィンガオリフィス構造８０はオリフィス８１を備え、ここから加工された溶融金属４６がストリーム５６の形態で流出することができる。コールドフィンガオリフィス構造８０は、コールドハース構造４０およびエレクトロスラグ精錬構造３０に連結されている。したがってコールドハース構造４０は、加工された不純物をほぼ含有しない合金が、コールドハース構造４０の壁に接触することで、スカル４４および８３を形成するのを許す。かくしてスカル４４および８３は溶融金属４６のためのコンテナとして作用する。その上、コールドフィンガオリフィス構造８０に形成されるスカル８３（図３）はその厚さが制御可能で、代表的にはスカル４４より小さな厚さに形成される。厚いスカル４４はコールドハース構造４０に接触し、薄いスカル８３はコールドフィンガオリフィス構造８０に接触し、これらのスカル４４および８３は互いに接触して実質的に連続したスカルを形成している。
【００３４】
制御された量の熱をスカル８３に与え、液体金属本体４６に熱的に伝達する。この熱は、コールドハース構造のまわりに配置された誘導加熱コイル８５から与える。誘導加熱コイル８５は、水などの適当な冷却材を供給部８７からコイルに流すことで冷却された誘導加熱コイルである。誘導加熱用電力は図３に線図的に示す電源８９から供給する。コールドフィンガオリフィス構造８０の構成は、誘導エネルギーによる加熱がコールドフィンガオリフィス構造８０を透過し、液体金属４６およびスカル８３を加熱し、オリフィス８１を開放状態に保つことを可能にし、したがってストリーム５６がオリフィス８１から流出できる。加熱用電力をコールドフィンガオリフィス構造８０に供給しないと、液体金属４６のストリーム５６が凝固しオリフィスが閉塞してしまう。加熱は、コールドフィンガオリフィス構造８０の絶縁されている各フィンガに依存し、これらのフィンガは互いに隣接するフィンガから、たとえば空気またはガスギャップによりあるいは適当な絶縁材料により絶縁されている。
【００３５】
コールドフィンガオリフィス構造８０が図４に示されており、ここではスカル４４および８３も溶融金属４６も図示の便宜上省略されている。個々のコールドフィンガ９７は隣接するフィンガ、たとえばフィンガ９２からギャップ９４により分離されている。ギャップ９４を設け、ここに絶縁材料、たとえばセラミック材料または絶縁ガス（これらに限らない）を充填する。かくて、コールドフィンガオリフィス構造８０内に配置された溶融金属４６（図示せず）はギャップを通って漏れ出ることがない。これはスカル８３がコールドフィンガの上にブリッジを形成し、そこを通っての液体金属４６の通過を防止するからである。図面を見る者の視線と一致しているギャップ９９が示されている図４から明らかなように、各ギャップはコールドフィンガオリフィス構造８０の底部まで延在する。ギャップの幅を約２０ミル〜約５０ミルの範囲とすることができ、この幅は隣接するフィンガ間の絶縁分離を達成するのに十分である。
【００３６】
個々のフィンガに、水などの冷却材を与えることができ、たとえば冷却材を適当な冷却材源（図示せず）から導管９６に通す。冷却材はつぎに、マニホールド９８のまわりをぐるりとまわりそこから個々の冷却チューブ、たとえば冷却チューブ１００を通過する。冷却チューブ１００から出た冷却材は冷却チューブ１００の外面とフィンガの内面との間に流れる。つぎに冷却材はマニホールド１０２で集められ、水出口チューブ１０４を通ってコールドフィンガオリフィス構造８０から外に出る。この個別のコールドフィンガ水供給チューブ配列によりコールドフィンガオリフィス構造８０全体の冷却が可能になる。
【００３７】
コールドフィンガオリフィス構造８０を通してスカル４４および８３にまた液体金属４６に与えられる加熱または冷却の量を制御して、ストリーム５６としての液体金属４６のオリフィス８１の通過を制御することができる。誘導コイル８５への電流およびコールドフィンガオリフィス構造８０に入り、そこを通過する冷却材の量を制御することにより、制御された加熱または冷却を実現する。制御された加熱または冷却により、スカル４４および８３の厚さを増減して、オリフィス８１を開閉し、あるいはオリフィス８１を通るストリーム５６の通過を増減することができる。スカル４４および８３の厚さを増減することにより、多量または少量の液体金属４６がコールドフィンガオリフィス構造８０を通ってオリフィス８１に通過し、ストリーム５６を規定することができる。スカル４４および８３の厚さを制御するとともに、誘導加熱コイル８５への冷却水および加熱用電流および電力を制御してオリフィス８１を所定の通過寸法に維持することにより、ストリーム５６の流れを所望のバランスに維持することができる。
【００３８】
つぎに、清浄金属核生成鋳造システム３のエレクトロスラグ精錬システム１の作動を、図面を参照しながら説明する。清浄金属核生成鋳造システム３のエレクトロスラグ精錬システム１は、欠陥および不純物を含有しうる、あるいは相対的に精錬できるインゴットを精錬（精製）することができる。消耗電極２４をエレクトロスラグ精錬システム１により溶融する。消耗電極２４をエレクトロスラグ精錬システム１に、エレクトロスラグ精錬システム１内の溶融スラグと接触状態に装着する。電力をエレクトロスラグ精錬システム１およびインゴットに供給する。電力により、インゴットを溶融スラグと接触する表面で溶融させ、金属の溶融ドロップを形成する。溶融ドロップが溶融スラグ中を落下する。溶融スラグ内を通過した後、溶融ドロップを、エレクトロスラグ精錬構造３０の下側のコールドハース構造４０にて精錬された液体金属の本体として収集する。消耗電極２４から派生する酸化物、硫化物、汚染物その他の不純物は、液滴がインゴットの表面上に生成して溶融スラグを通過する際に除去される。溶融ドロップはエレクトロスラグ精錬システム１からコールドフィンガオリフィス構造８０のオリフィス８１を通ってストリーム５６として抜き出される。本発明の実施例で物品を形成する清浄金属核生成鋳造システム３のエレクトロスラグ精錬システム１から出てくるストリーム５６は、本質的に酸化物、硫化物、汚染物その他の不純物を含まない精錬されたメルトからなる。
【００３９】
さらに金属ストリーム５６がコールドフィンガオリフィス構造８０から出てくる速度は、オリフィス８１の上の液体金属４６の静水頭を制御することにより制御することができる。静水頭は、コールドフィンガオリフィス構造８０のオリフィス８１の上に延在する液体金属４６およびスカル４４，８３により決まる。本発明の実施例によるエレクトロスラグ精錬システム１を有する清浄金属核生成鋳造システム３を所定の一定な静水頭および一定な寸法のオリフィス８１で運転すれば、液体金属にほぼ一定な流量を確立することができる。
【００４０】
代表的には定常状態の電力が望ましく、そうすれば溶融速度がストリーム５６としての清浄金属核生成鋳造システム３からの排出速度にほぼ等しくなる。しかし、清浄金属核生成鋳造システム３に加えられる電流を調節して、オリフィス８１上の液体金属４６およびスカル４４，８３を多くしたり少なくしたりすることができる。オリフィス８１上の液体金属４６およびスカル４４，８３の量は、インゴットを溶融する電力と、スカルを生成するエレクトロスラグ精錬システム１の冷却によって決められる。適用する電流を調節することにより、オリフィス８１を通る流れを制御することができる。
【００４１】
また、定常状態の運転を確立するために、消耗電極２４の溶融スラグ３４の上面との接触を維持することができる。消耗電極２４のメルト４６への降下速度を調節し、これにより溶融スラグ３４の上表面との消耗電極２４の接触を定常状態運転に適切な状態に維持する。ストリーム５６からの定常状態の排出を清浄金属核生成鋳造システム３に維持することができる。清浄金属核生成鋳造システム３のエレクトロスラグ精錬システム１で形成される金属のストリーム５６は、エレクトロスラグ精錬システム１から外に出、核生成鋳造システム２に供給される。図１には核生成鋳造システム２を、エレクトロスラグ精錬システム１と組み合わせて線図的に示してある。
【００４２】
物品を形成する作用をなす核生成鋳造システム２は、清浄金属核生成鋳造システム３のエレクトロスラグ精錬システム１からストリーム５６を受け取るように配置された破砕サイト１３４を備える。破砕サイト１３４はストリーム５６を多数の溶融金属液滴１３８に変換する。ストリーム５６を、液滴１３８の望ましくない実質的な酸化を防止するのに十分な雰囲気の制御された環境１４０に置いた破砕サイト１３４に供給する。雰囲気の制御された環境１４０は、ストリーム５６の金属と反応しない任意のガスまたは混合ガスを含有すればよい。たとえばストリーム５６がアルミニウムまたはマグネシウムである場合、雰囲気の制御された環境１４０は液滴１３８が火災の危険となるのを防止する環境を与える。代表的には、希ガスまたは窒素が雰囲気の制御された環境１４０に用いるのに適当である。このようなガスは通常本発明の範囲内の金属および合金のほとんどと非反応性であるからである。たとえば、低コストガスである窒素は、過剰な窒化を受けやすい金属および合金以外なら、雰囲気の制御された環境１４０に使用できる。また、金属が銅である場合には、雰囲気の制御された環境１４０は窒素、アルゴンまたはこれらの混合物とすることができる。金属がニッケルまたは鋼である場合には、雰囲気の制御された環境１４０は窒素、アルゴンまたはこれらの混合物とすることができる。
【００４３】
破砕サイト１３４は、ストリーム５６を液滴１３８に変換するのに適当な装置ならいずれでもよい。たとえば破砕サイト１３４は、ストリーム５６を１つ以上のジェット１４２で包囲するガスアトマイザとすることができる。ストリーム５６に衝突するジェット１４２からのガスの流れを制御し、こうして液滴１３８の大きさと速度を制御することができる。本発明の範囲内に入る別の微粒化装置として、高圧噴霧ガスがあり、ガスの流れを用いて雰囲気の制御された環境１４０を形成する。雰囲気の制御された環境１４０のガスの流れが金属ストリーム５６に衝突し、金属ストリーム５６を液滴１３８に変換することができる。別の流れ破砕方式としては、２枚の電極をＤＣ電源に接続し、磁石を電界に垂直になるように配置し、２枚の電極間の狭いギャップにストリーム５６が流れる磁気流体力学アトマイゼーション（微粒化）や、機械式流れ破砕装置がある。
【００４４】
液滴１３８は破砕サイト１３４から下向きに散布され（図１参照）、概して末広がりのコーン形状を形成する。液滴１３８は、破砕サイト１３４と金型（モールド）１４６により支持された金属鋳物の上面１５０との間の距離により画定された冷却ゾーン１４４を横断する。冷却ゾーン１４４の長さは、液滴が冷却ゾーン１４４を横断し金属鋳物の上面１５０にぶつかる時までに液滴の体積分率部分を凝固させるのに十分である。凝固する液滴１３８の部分（以下「固体体積分率部分」という）は、金型１４６内で液体流れ特性が本質的に失われる粘度変曲点まで、金型１４６内での粗いデンドライト成長を阻止するのに十分である。
【００４５】
部分的に溶融しており、部分的に凝固している金属液滴（以下「半固体液滴」という）が金型１４６内に集まる。半固体液滴は、固体体積分率部分が粘度変曲点未満であれば液体のように挙動し、そして半固体液滴は金型の形状に順応する十分な流動性を呈する。一般に、粘度変曲点を規定する固体体積分率部分の上限は約４０容量％未満である。固体体積分率部分はたとえば約５〜４０容量％の範囲にあり、約１５〜３０容量％の範囲の固体体積分率部分は粘度変曲点に悪影響しない。
【００４６】
液滴１３８のスプレーは金型１４６内の鋳物の表面に乱流ゾーン１４８を生成する。乱流ゾーン１４８は金型１４６内に約０．００５〜１．０インチの範囲の適当な深さを有することができる。乱流ゾーン１４８の深さは清浄金属核生成鋳造システム３の種々の要因、たとえば噴霧ガス速度、液滴速度、冷却ゾーン１４４の長さ、ストリーム温度および液滴寸法などに依存する。本発明の範囲内の乱流ゾーン１４８は、たとえば金型内での深さが約０．２５〜０．５０インチの範囲である。通常金型１４６内の乱流ゾーン１４８は、金属が主として液体特性を示す鋳物の領域より大きくてはいけない。
【００４７】
代表的には、乱流ゾーン１４８における低い粘度によりガスの混入を低減し、その結果鋳物内にできる気孔を最小限に抑える。乱流ゾーン１４８で固体である液滴の固体体積分率部分が平均約５０容量％未満であれば、鋳物へのガスの混入が最小限に抑えられる。たとえば乱流ゾーン１４８で固体である液滴の固体体積分率部分が平均約５〜４０容量％の範囲にあれば、鋳物へのガスの混入が最小限に抑えられる。
【００４８】
金型１４６は、金型壁を通しての熱伝導および鋳物の上面１５０からの対流により鋳物から熱を抽出する。乱流ゾーン１４８は、乱流ゾーンに固有の乱流により鋳物の熱勾配を低減する。熱勾配を小さくすると、ともに鋳物にとっては望ましくない鋳物の熱間割れやデンドライト粗粒化が軽減される。
【００４９】
金型１４６は、鋳造用途の適当な材料、たとえば黒鉛、鋳鉄または銅（これらに限定されない）で形成することができる。黒鉛は機械加工が比較的簡単で、熱除去の目的に満足な熱伝導性を有するので、金型１４６の材料として適当である。冷却材を循環させる冷却コイルを金型に埋設して金型１４６を通しての熱の除去を効果的にすることができる。本発明の範囲には、当業界で周知の他の金型冷却手段も含まれる。半固体液滴が既に部分的に凝固しているので、本発明の実施例における金型１４６は、従来の金型ほどの熱的保護を必要としない。したがって、半固体液滴からは一部の熱が既に除去されて液滴を部分的に凝固させているので、完全に液体金属から形成する従来の鋳物と比較して、半固体液滴が金型内にある場合に除去しなければならない熱の量は少ない。熱の除去が少なくなれば、金型１４６に熱的に誘引されるひずみを少なくでき、そしてこのことから鋳物からの熱除去速度が均一になり、鋳物の均一性と均質性が向上する。
【００５０】
金型１４６に半固体液滴１３８が充満するにつれて、その上面１５０が破砕サイト１３４に近づき、冷却ゾーン１４４が狭まる。破砕サイト１３４または金型１４６の少なくとも一方を可動サポート上に装着し、一定速度で遠ざけ、冷却ゾーン１４４の長さを一定に維持するのがよい。こうすれば、液滴１３８にほぼ一定な固体体積分率部分が形成される。核生成鋳造システム２にバッフル１３２を設けて、雰囲気の制御された環境１４０をエレクトロスラグ精錬システム１から金型１４６まで延長するのがよい。バッフル１３２は部分的に溶融した金属液滴１３８の酸化を防止し、雰囲気の制御された環境１４０のガスを保存することができる。
【００５１】
熱を鋳物から抽出して凝固プロセスを完了し、本発明の１実施態様である物品を形成する。清浄金属核生成鋳造プロセスにより製造された鋳物内には十分な数の核が形成されるので、凝固時には、微細な等軸なミクロ組織１４９が鋳物またその結果得られる物品内に形成される。本発明の清浄金属核生成鋳造プロセスは、エレクトロスラグ精錬システム１により生成されたクリーン金属と、核生成鋳造システム２により形成された制御されたミクロ組織の鋳物とを包含し、このことにより気孔率や熱間加工クラッキングが低下するか、ほとんどなくなる。
【００５２】
清浄金属核生成鋳造システム３は、望ましくないデンドライト成長を阻止し、形成される鋳物および物品の凝固収縮の気孔（率）を低減し、鋳造中およびその後の（本発明の実施態様である）鋳物および物品の熱間加工中いずれでも熱間割れを低減する。さらに、清浄金属核生成鋳造システム３は、本発明の実施態様である物品に均一な等軸組織を生成し、これは、鋳造時の金型のひずみを最小限に抑え、金型内の鋳物の凝固中の熱伝導を制御し、そして核生成を制御した結果である。清浄金属核生成鋳造システム３による物品は、従来の鋳物と比較して、延性および破壊靱性が高い。
【００５３】
以上、本発明の種々の実施態様を説明したが、当業者にはこれらの構成要素の種々の組合せや、その変更、改変が可能であり、そのような例も本発明の要旨の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施態様にしたがって物品を製造する、エレクトロスラグ精錬システムおよび核生成鋳造システムを有する清浄金属核生成鋳造システムの線図である。
【図２】図１に示した清浄金属核生成鋳造システムのエレクトロスラグ精錬システムの細部を示す部分的縦断面図である。
【図３】物品を製造する清浄金属核生成鋳造システムのエレクトロスラグ精錬システムの細部を示す部分的縦断面図である。
【図４】本発明の１実施態様にしたがって物品を製造する清浄金属核生成鋳造システムのエレクトロスラグ精錬システムの細部を示す部分的縦断面図である。
【符号の説明】
１：エレクトロスラグ精錬システム
２：核生成鋳造システム
３：清浄金属核生成鋳造システム
２４：消耗電極
３４：スラグ
４６：金属メルト
５６：ストリーム
１３８：溶融金属の液滴
１４６：金型
１４９：鋳物のミクロ組織
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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