(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
短い導電性水冷式チルモールドであって、チルモールドの開口内に置かれ水冷されているマンドレルと共に、中空鋳造用の鋳造空隙を形成しているチルモールドを使用して、金属の中空鋳造体を製造する方法において、
電気的絶縁状態で前記マンドレルに組み込まれ直接水冷されない導電性素子を通して電流を伝導する、前記金属の上側に位置するスラグ・バス内に、直流または交流電流を導入し、
前記電流によりスラグ・バスを加熱し、
前記電流を、電気的絶縁状態で前記チルモールドの壁に組み込まれた導電素子を通して回収する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
短い導電性水冷式チルモールドであって、チルモールドの開口内に置かれ水冷されているマンドレルと共に、中空鋳造用の鋳造空隙を形成しているチルモールドを使用して、金属の中空鋳造体を製造する方法において、
電気的絶縁状態で前記チルモールドの壁に組み込まれ直接水冷されない導電性素子を通して電流を伝導する、前記金属の上側に位置するスラグ・バス内に、直流または交流電流を導入し、
前記電流によりスラグ・バスを加熱し、
前記電流を、電気的絶縁状態で前記マンドレルに組み込まれた導電素子を通して回収する、
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載された方法であって、チルモールドに対する間隔を変化できる底板を使用して鋳造する方法において、
前記底板およびその上に形成される前記中空鋳造体が固定されており、前記チルモールドおよびマンドレルを、前記中空鋳造体の上面の高さが前記導電性素子に対しほぼ一定レベルを維持する速度で上昇させることを特徴とする方法。
【請求項４】
短い導電性水冷式チルモールドであって、チルモールドの開口内に置かれ水冷されているマンドレルと共に、中空鋳造用の鋳造空隙を形成しているチルモールドを使用し、かつ、チルモールドに対する間隔を変化できる底板を使用して、金属の中空鋳造体を製造する方法において、
前記底板およびその上に形成される前記中空鋳造体が固定されており、前記チルモールドおよびマンドレルを、前記中空鋳造体の上面の高さが前記導電性素子に対しほぼ一定レベルを維持する速度で上昇させ、
電気的絶縁状態で前記マンドレルに組み込まれ直接水冷されない導電性素子を通して電流を伝導する、前記金属の上側に位置するスラグ・バス内に、直流または交流電流を導入し、
前記電流によりスラグ・バスを加熱し、
前記電流を、製造される中空鋳造体および前記底板を通して回収する、
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４において、電流源への回収が、さらに、前記チルモールドの前記導電性素子によりなされることを特徴とする方法。
【請求項６】
短い導電性水冷式チルモールドであって、チルモールドの開口内に置かれ水冷されているマンドレルと共に、中空鋳造用の鋳造空隙を形成しているチルモールドを使用し、かつ、チルモールドに対する間隔を変化できる底板を使用して、金属の中空鋳造体を製造する方法において、
前記底板およびその上に形成される前記中空鋳造体が固定されており、前記チルモールドおよびマンドレルを、前記中空鋳造体の上面の高さが前記導電性素子に対しほぼ一定レベルを維持する速度で上昇させ、
前記底板および製造される中空鋳造体を通して電流を伝導する、前記金属の上側に位置するスラグ・バス内に、直流または交流電流を導入し、
前記電流によりスラグ・バスを加熱し、
前記電流を、電気的絶縁状態で前記マンドレルに組み込まれたマンドレルの導電素子を通して回収する、
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６において、前記スラグ・バスへの溶解電流の供給が、さらに、前記チルモールドの前記導電性素子によりなされることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項において、前記金属が、鋼と、ＮｉベースまたはＣｏベースの合金とからなることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項において、前記チルモールドの壁に組み込まれている前記導電性素子は環形状であり、この導電素子の内周面が前記スラグ・バスを完全に取り囲んでいることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項において、前記マンドレルに組み込まれている前記導電素子は環形状であり、この導電素子の外周面が前記スラグ・バスにより完全に取り囲まれていることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項において、前記中空鋳造体がチルモールドとマンドレルとの間の鋳造空隙から下方に、前記中空鋳造体の上面の高さが前記導電性素子に対しほぼ一定レベルを維持する速度で引き抜かれることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかにおいて、直流電流を使用するとき、その極性が変化可能であることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法を実施する装置であって、
短い導電性水冷式チルモールド（１０）と、
このチルモールドの開口内に置かれて水冷されているマンドレル（１４）と、
前記チルモールド（１０）に電気絶縁状態で組み込まれた導電性素子（２４）、および前記マンドレル（１４）に電気絶縁状態で組み込まれた導電性素子（２６）とを備え、
前記チルモールド（１０）は前記マンドレル（１４）と共に中空鋳造体（４８）用の鋳造空隙（１８）を形成しており、かつ、チルモールドとの間隔を可変できるようにチルモールド（１０）に関連付けて設定され、前記中空鋳造体（４８）をその上で固定する底板（３６）を備え、
前記底板および前記両方の導電性素子（２４、２６）が、スイッチ（６４、５６、６０）を持つ大電流電線（５２、５４）により、電流源（５０）に接続されている、
ことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の概要】
本発明は請求項１の前提部分に記載の方法および装置に関する。
【０００２】
鋳型に直接入れるか、あるいは圧延または鍛造によりさらに熱処理を施されるような用途には、中空鋳造体またはインゴットを必要とする。非合金または低合金鋼の場合に有益な事例としては、予め鋳造体が製造されない場合、固体ブロックを鋳造して、高温でそれに穴を空け、その後、別の高温成形加工を施す場合である。
【０００３】
しかしこの加工モードは、例えばオーステナイト、フェエライト、マルテンサイト腐食、および耐熱鋼のようなさらに高合金の鋼を処理する場合、また大幅に異なる成分の工具鋼を処理する場合、オプションの可能性がほとんど無い。その理由は、それらが高温穴あけ方法のための適正な高温成形能力を持たないためである。これは、作業がより困難になるＮｉベースおよびＣｏベースの合金を処理するときには、さらに可能性が少なくなる。困難な作業を要する合金および鋼から中空体を製造するには、多くの場合、固体鋳造ブロックを穴あけするか、または前もって機械加工で中空にする必要があり、この時だけそれにさらに高温作業を施すことができる。しかし、この加工モードは高合金鋼としてはコストが高く、合金を困難を伴なう機械加工によってだけ加工でき、さらに、多くの場合熱処理後に機械加工する必要がある。
【０００４】
前述の困難性を回避するために、過去に多くの機会に、別の処理、特に鍛造を意図した高合金の中空体および中空ブロックを、自己消耗電極を用いるエレクトロスラグ再溶解方法を使用して製造することが提案されてきた。エレクトロスラグ再溶解方法は高品質の中空ブロックを製造できるからである。
【０００５】
そこで、文献では、エレクトロスラグ再溶解方法を使用して中空ブロックを製造する方法を述べている。前記方法は、短い、円形断面の水冷チルモールド内に、上から、水冷されている円錐形の棒またはマンドレルを、環状空隙をチルモールドとマンドレルとの間に形成するような同心関係で挿入することを含む。中空ブロックを製造するために、棒状の摩耗電極が環状空隙内に同心的に配置され、その電極により、溶解電流が空隙内のスラグ・バスに流れ込み、溶解されたバスおよび底板から流出する。電極は電流がスラグ・バスを通り流れるときに発生するジュール熱によって溶解する。下方に落下する液体金属は環状空隙内に収集され、連続的に硬化して、中空ブロックを形成する。この方法を用いて、満足できる品質の中空ブロックが製造可能になる。しかし、長くて細い棒状の電極の製造および準備の面での費用は高く、環状空隙内の同心配列は、特に薄い壁厚の中空ブロックを製造する場合、かなりの困難性を伴なう。したがって、スラグ・バス内で、漏斗（じょうご）形状で上方に広くなっている、いわゆるＴ型チルモールドが有効である。このモールドは中空ブロックの壁厚に比較して厚い消耗電極を使用できるからである。
【０００６】
別の公知の方法では、水冷チルモールド内で同心に配置されたマンドレルが、ブロックを底板上に形成するように、底板の開口を通過して下方から上方に移動する。この場合、マンドレル上端はスラグ・バス中に突き出るが、常にバスにより完全に覆われたままである。この方法で、大きい電極をスラグ・バス内でマンドレルの上に溶解できる。電極から溶解される金属は、マンドレルの曲面上に落下し、そこからチルモールドとマンドレルとの間の環状空隙に流れ込み、再度中空ブロックを形成する。この方法において、消耗電極の製造は本質的に簡単になるが、比較的長いブロックを製造するとき、マンドレルをチルモールドに対して同心に設定するのが難しくなる。そのために、穴の偏心率が大きくなる。さらに、穴の表面形態の不良が別の処理に関しての困難性をたびたび引き起こす。それらを回避するには、多くの場合、内部穴を機械加工し、その後高温成形作業が必要となる。
【０００７】
前述の方法の両方に共通していることは、その方法により、摩耗電極を溶解する溶解電流をスラグ・バス内に流し込むことであり、また望ましい硬化構造を得るのに必要な溶解速度を監視する方法で溶解電流を調整する必要があることである。しかし、その方法で調整される電流またはパワーをスラグ・バスに供給することは、穴内のブロックおよび外面に対し良好な表面を発生させるスラグ・バス温度に必ずしもならない。したがって、これらの方法を用いて、望ましい鋳造構造および良好な表面の両方を有する中空ブロックまたは鋳造体を製造することはほとんど不可能である。
【０００８】
当技術分野のこのような状態を考慮して、発明者は前述の欠点を無くすることを目的とした。
【０００９】
前記目的は独立請求項の内容により達成され、従属請求項は有利な展開を記述している。本発明の範囲は発明の詳細な説明、図面および／または特許請求の範囲で開示された形態の少なくとも２つの組合せすべてを包含している。
【００１０】
本発明による方法は、エレクトロスラグ溶解または鋳造方法――本質的に短い、導電性の、水冷式チルモールドの原理を利用――を使用して金属、特に鋼、ＮｉベースおよびＣｏベース合金の中空鋳造体を製造する方法を含む。この場合、中空鋳造体は、チルモールドの開口内に配置され、かつチルモールドと水冷されるマンドレルとの間に生じる空隙内で形成される。金属のレベル（上面）はスラグ・バスにより覆われており、前記スラグ・バスは、電流を通電し、チルモールドの壁および／または水冷されたマンドレルに組み込まれかつ直接水冷されない複数の導電性素子を通してスラグ・バスに流れ込む直流電流または交流電流により加熱される。この電流は、チルモールドとマンドレルの導電性素子のうち前記電流の導入に使用されない導電性素子および／または鋳造体を通して取り出される。この場合、前記導電性素子の少なくとも１つが、水冷されたチルモールドおよびマンドレルそれぞれの他の部分から電気的に絶縁されている。
【００１１】
本発明による方法を効果的に実行するためには、導電性素子がスラグ・バスの領域内に完全に入るように配置され、スラグ・バスで覆われることが好ましい。スラグのレベル（上面）を導電性素子の領域内に常に維持するには、チルモールドとマンドレルとの間の環状空隙内で形成される中空ブロックが下方に引き抜かれるかまたは――ブロック固定状態で――前記レベルが上昇するときに、チルモールドがマンドレルと共に引き上げられるか、のどちらかが必要である。
【００１２】
好ましくは、中空鋳造体が、チルモールドとマンドレルとの間の鋳造空隙から下方に、鋳造体レベルが導電性素子に対しほぼ一定レベルを維持する速度で引き抜かれる。
【００１３】
鋳造の際にチルモールドに対する間隔が変化する底板を利用する場合、底板およびその底板上に製造される中空鋳造体を固定して、チルモールドおよびマンドレルを、導電性素子に対し鋳造体レベルがほぼ一定レベルを維持するような速度で上昇させる。この場合、好ましくはチルモールドおよびマンドレルを金属のレベルの上昇速度で上昇させる。
【００１４】
本発明によれば、電流の供給および回収のために種々の構造を採用できる。スラグ・バスへの溶解電流の供給はチルモールド壁の導電性素子により実行され、それら素子は、中空ブロックの外面を形成するチルモールドの水冷部分に対し電気的に絶縁される必要がある。電流の回収は水冷マンドレルの導電性素子、および／または形成される中空ブロックおよび底板により実行される。しかし、導電性素子がマンドレルの他の水冷部分に対し電気的に絶縁されている場合、電流の供給はマンドレルの導電性素子により実現できる。この場合、電流の回収はチルモールドの導電性素子、および／またはブロックおよび底板により実行される。原理的には――導電性エレメントが電気絶縁状態で取り付けられている場合――電流供給はチルモールドとマンドレルとを接続することで実現できる。この場合、全電流の回収はブロックおよび底板により実現する。
【００１５】
前述の従来の欠点は、中空ブロックの基本材料が液体状態、あるいは棒、ターニングもしくはチップ、または微粒材料の形状の固体状態に関係なく、本明細書に述べる本発明による方法を使用して効果的に回避できる。
【００１６】
本発明の範囲は、短い、導電性の、水冷チルモールドを備える、上述した方法を実施する装置を包含する。前記チルモールドは、水冷され、チルモールドの開口内に配置されるマンドレルと共に中空鋳造のための空隙を形成しており、また底板を有し、その底板が、チルモールドとの間隔を変化できるように、マンドルに関連付けて配置されている。チルモールドおよび底板、チルモールド内に絶縁して備えられた導電性素子ならびにマンドレルが、スイッチを持つ大電流電線により電流源に接続されている。
【００１７】
本発明の別の利点、特徴、および詳細は、実施例とチルモールドを有する鋳造装置全体の縦断面を示す単一の図面とによる、好ましい実施形態の以後の説明から明らかになるであろう。
【００１８】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
棒またはマンドレル１４が、内径ｄの環状中空体１２を持つ水冷チルモールド１０中に上から突入している。その棒またはマンドレルは、中空であり、鋳造方向に沿ってテーパが付けられており、外形ｅが、マンドレル壁１４とチルモールドとの間に空隙幅ｂの環状空隙を形成するように設定されている。
【００１９】
環状絶縁素子２０，２２はそれぞれ、中空体１２の上端面１３と、中空マンドレル１４における前記上端面１３と同一平面上にある表面１６との両方に載っており、その一方で、環状構造である導電性素子２４、２６が絶縁素子２０，２２のそれぞれの上に載っている。前記導電性素子は上部絶縁素子２０ａ，２２ａにより、上方の水冷中空リング２８からと、平面視でマンドレル１４の外形に一致する中空ブロック３０から分離している。チルモールド１０内のマンドレル１４の配置を固定する芯合わせデバイス３２が、中空リング２８および中空ブロック３０の上に係合している。
【００２０】
中空リング２８および中空ブロック３０は水冷され、同様に，鋳造方向Ｘに沿って下方に移動できる底板３６のシリンダ壁３４も水冷される。全体高さｈの底板３６は、外径ｆがチルモールド１０の内径ｄより僅かに小さく、それにより底板３６は、据付けの開始に当り、高さｉのチルモールド１０の開口または内部空間１１内に下から挿入し、底板３６の上端３８が下方の絶縁素子２０、２２の直ぐ下に配置されるまで挿入できる。
【００２１】
他方、底板３６またはそれのシリンダ壁３４の内径ｎは、マンドレル１４の外形ｅより僅かに大きく、そのため前記マンドレル１４は、底板３６が上昇するとき、底板の内部空間４０に突き出て、底板の内側上端４２で密封を形成する。
【００２２】
底板３６が前述のようにして上昇した状態（図示せず）で、スラグが環状鋳造空隙１８内に導入されるとき、スラグ・バス４４は導電性素子２４，２６の領域内で形成され、回路の選択に依存して、電流が流れる。別の結果として、例えば、液体金属４６をチルモールド１０とマンドレル１４との間の鋳造空隙１８内で、製造される鋳造体である中空体４８に適正な硬化構造を保証する鋳造速度で鋳造できる。
【００２３】
参照符号５０は直流または交流電流源を表わし、前記電流源は、一方を大電流電線５２、５４により、スイッチ５６，６０を介して、チルモールド１０の導電素子２４，２６およびマンドレル１４のそれぞれに接続され、他方を大電流スイッチにより底板３６に接続されている。スイッチは、対応するスイッチ接点５７，５８；６１，６２；６５，６６を交互に閉じることにより、一連のスイッチ・オプションを可能にする。以下の詳細は直流電流の使用に関するものである（交流電流に関連するものは、追加変形形態１〜３および５〜７にかっこ内で追加している）。
【００２４】
変形形態１：
マンドレル１４により供給、チルモールド１０により回収。
接点６２および５７が閉。
変形形態２：
マンドレル１４により供給、底板３６により回収。
接点６２および６５が閉。
変形形態３：
マンドレル１４により供給、チルモールド１０および底板３６により回収。
接点６２、６５および５７が閉。
変形形態４：
チルモールド１０により供給、マンドレル１４により回収。
接点５８および６１が閉（交流電流では変形形態１に一致）。
変形形態５：
チルモールド１０により供給、底板３６により回収。
接点５８および６５が閉。
変形形態６：
チルモールド１０により供給、マンドレル１４および底板３６により回収。
接点５８、６５、および６１が閉。
変形形態７：
チルモールド１０およびマンドレル１４により供給、底板３６により回収。
接点５８、６２、および６５が閉。
変形形態８：
底板３６により供給、マンドレル１４により回収。
接点６６および６１が閉（交流電流では変形形態２に一致）。
変形形態９：
底板３６により供給、チルモールド１０により回収。
接点６６および５７が閉（交流電流では変形形態５に一致）。
変形形態１０：
底板３６により供給、マンドレル１４およびチルモールド１０により回収。
接点６６、５７、および６１が閉（交流電流では変形形態７に一致）。
変形形態１１：
底板３６およびマンドレル１４により供給、チルモールド１０により回収。
接点６６、６２、および５７が閉（交流電流では変形形態６に一致）。
変形形態１２：
底板３６およびチルモールド１０により供給、マンドレル１４により回収。
接点６６、５８、および６１が閉（交流電流では変形形態３に一致）。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるチルモールドを有する鋳造装置全体の縦断面図である。
【符号の説明】
１０…チルモールド、１４…マンドレル、１８…環状空隙、２４，２６…導電性素子、３６…底板、４４…スラグ・バス、４８…鋳造体、５０…電流源、５２，５４…大電流電線、５６，６０，６４…スイッチ
【図１】
0004563639.tif 000002