(57)【要約】鋳造プロセス中に、金属鋳物内の介在物、収縮鋳巣、気孔及び樹枝状結晶を低減するための、並びにインゴット及びその他の鋳物の粒状構造、機械的特性及び収量を改良するための装置（１０）並びに方法。この装置（１０）は、アーク（１６）と当該装置（１０）と電源（３４）との間に接続された電子制御装置（３２）とを含む電気回路（３０）を完備するために、鋳造されている金属鋳物（１２）の上面（１８）の上方に亘って移動アーク（１６）を形成するための少なくとも一つの電極（１４）と、鋳込み中又は鋳込み後に金属鋳物（１２）の上面（１８）の上方に亘ってアーク電極（１４）及び鋳造のために使用されている型（２８）の金属表面（２６）に取り付け可能な第２の電極とを垂下させるためのスタンド（２０）と、を含んでいる。
2004520163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造金属及び合金の品質及び鋳物収量を改良するための方法であって、
アーク電極を準備し且つ金属を型内に鋳込み中又は鋳込み後に、同アーク電極を溶融金属の上面の若干上方に配置するステップａ）と、
電極に電流を付与することによって、凝固中に前記溶融金属の上面の上方に亘って移動アークを適用するステップｂ）と、を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
液体金属を攪拌し、介在物、気孔、収縮鋳巣及び粒度の低減のいくつか又は全てをもたらし且つ鋳造された金属及び合金内の均質性を改良するための方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、砂型鋳物及び金型鋳物内の押湯の大きさ及び数を減らすための方法。
【請求項４】
金属インゴットの鋳造のための請求項１に記載の方法であって、
型内に液体金属を鋳込むステップａ）と、
アーク電極を準備し且つ同アーク電極を溶融金属の上面の若干上方に配置するステップｂ）と、
前記電極に電流を適用して、前記電極と前記上面との間にアークを形成するステップｃ）と、
前記溶融物の上面の上方に亘って前記アークを移動させるステップｄ）と、
の各ステップを含む方法。
【請求項５】
鋳造粉末の使用を含む金属インゴットの鋳造のための請求項１に記載の方法であって、
液体金属を型内に鋳込むステップａ）と、
鋳造されているインゴットの上面から鋳造粉末を除去するステップｂ）と、
前記溶融金属の上面上に耐火物ガードリングを電極作用領域を包囲するように配置することによって、前記鋳造粉末の戻りを防止するステップｃ）と、
アーク電極を準備して溶融金属の上面の若干上方に配置するステップｄ）と、
前記電極に電流を適用して、同電極と前記溶融金属の上面との間にアークを形成するステップｅ）と、
前記溶融金属の上面の上方に亘って前記アークを移動させるステップｆ）と、
を含む方法。
【請求項６】
連続鋳造及び半連続鋳造のための請求項１に記載の方法であって、
液体金属をタンディッシュ内へ注ぎ、同液体金属が、スラブ、ビレット又はブルームを鋳造するためにタンディッシュから型内へ連続的に鋳込まれるようにするステップａ）と、
アーク電極を準備し且つ同アーク電極を溶融金属の上面の若干上方に配置するステップｂ）と、
前記電極と前記上面との間にアークを形成するために、前記電極に電流を適用するステップｃ）と、
前記電極を前記上面の上方に亘って移動させるステップｄ）と、
を含む方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
前記タンディッシュと前記型との間に第２の電気回路が設けられる、方法。
【請求項８】
鋳造粉末の使用を含む連続鋳造及び半連続鋳造のための請求項１に記載の方法であって、
液体金属をタンディッシュ内へ注ぎ、同液体金属が、スラブ、ビレット又はブルームを鋳造するためにタンディッシュから型内へ連続的に鋳込まれるようにするステップａ）と、
アーク電極を準備し且つ同アーク電極を溶融金属の上面の若干上方に配置するステップｂ）と、
鋳造されている溶融金属の上面から鋳物粉末を除去するステップｃ）と、
前記上面上に耐火物ガードリングを前記電極作用領域を包囲するように配置することによって、前記鋳物粉末の戻りを防止するステップｄ）と、
前記電極と前記上面との間にアークを形成するために、前記電極に電流を適用するステップｅ）と、
前記電極を前記上面の上方に亘って移動させるステップｆ）と、
を含む方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、
前記タンディッシュと型との間に第２の電気回路が設けられる方法。
【請求項１０】
複数の押湯を有する砂型鋳物又は金型鋳物のための請求項１及び３に記載の方法であって、
液体金属を型内に鋳込むステップａ）と、
複数のアーク電極を準備し且つ選択された押湯の上面の若干上方に電極を配置するステップｂ）と、
前記電極と液体金属の上面との間に移動アークを形成するために、前記電極に電流を適用するステップｃ）と、含む方法。
【請求項１１】
（インゴット、ブルーム又はスラブのような）一つの大きな鋳物の上方に亘って複数のアークを適用するための請求項１に記載の方法であって、
液体金属を型内に鋳込むステップａ）と、
複数のアーク電極を準備し且つ好ましい位置において鋳物の上面の若干上方に同電極を配置するステップｂ）と、
前記電極と液体金属の上面との間に移動アークを形成するために前記電極に電流を適用するステップｃ）と、を含む方法。
【請求項１２】
凝固中に溶融金属と合金との上方に亘って移動するアークを適用するための装置であって、
ａ）鋳造されつつある金属鋳物の上面の上方に亘って移動するアークを形成するための少なくとも一つの電極と、
ｂ）鋳込み後又は鋳込み中に、前記金属鋳物の上面の上方に亘ってアーク電極を垂下させるためのスタンドと、
ｃ）前記アークを含む電気回路の完備のための液体金属である第２の電極と、
ｄ）前記アークと方法とのパラメータを監視するために当該装置間に接続された制御装置と、を含む装置。
【請求項１３】
回転するアークを形成するために請求項１２の装置と共に使用されるべき中空のアーク電極であって、
グラファイト等によって作られ、不活性ガスの流れを当該電極の内面に導くための一つ又は数個の入口を有し、同入口は、当該電極の輪郭に対する接線方向に前記ガスの流れが入るのを許容する方法で配置されている、アーク電極。
【請求項１４】
一の方向に連続的に移動するアークを製造するために、請求項１２の装置と共に使用されるべき細長い電極であって、
当該電極は、ナイフ形状をしており且つ強いアークの動きを生じさせる磁場を形成するコイル装置を備え、当該電極は、前記磁場によって、一端で点火され且つ他端まで移動し、次いで、新しいアークが点火されるようになされた、電極。
【請求項１５】
請求項１２に記載のプラズマ鋳造装置であって、
電力を供給されると、前記鋳物の前記上面の上方に亘る前記アークの回転運動の速度を増大させる少なくとも一つの電気コイルを前記電極に隣接して更に含んでいる、装置。
【請求項１６】
請求項１２に記載のプラズマ鋳造装置であって、
前記鋳物が金属インゴット、ブルーム、スラブ又はビレットであり、前記電極が中空であり、鋳造されている前記インゴットの上面の上方に亘る前記電極の中心を通るように不活性ガスの流れを導くため及び酸化からの保護雰囲気の提供及び鋳物の上面からの鋳物粉末のような固体不純物の除去のための管及び制御装置を更に含んでいる、装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置であって、
前記不純物が電極の作用領域に到達するのを防止するために、前記インゴット（スラブ、ブルーム及びビレットも）の前記上面内に浸漬される耐火物ガードリングを更に含んでいる、装置。
【請求項１８】
請求項１２に記載の装置であって、
アークを鋳物の中心に向かって磁気的に付勢する電気回路の構成要素である中空の鋳造ノズル、タンディッシュ及び型がその中を貫通して挿入されるのを許容するのに十分な大きさの中空の電極が設けられている、装置。
【請求項１９】
請求項１２に記載の装置であって、
多数の電極が設けられており、各電極が、砂型鋳物又は金型鋳物の選択された押湯の上方に亘って、又は、別個に動くアークを製造するための大きな鋳物の選択された領域の上方に亘って配置されている、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄金属及び非鉄金属の鋳造の改良に関する。より特別には、本発明は、鋳造中における金属鋳物内の介在物、収縮鋳巣、気孔及び偏析を減らし且つインゴットおよびその他の鋳物の粒子構造、機械的特性及び収量を改良するための装置及び方法を提供する。
【０００２】
金属は何千年もの間鋳造されて来たけれども、完全な重力鋳物を製造することの難しさは今日まで残っている。鋳造プロセス中に、液体金属が鋳造型内に注がれると、液体は、冷めて、最初に型の壁の近くで凝固し、その後、鋳物の中心においても凝縮する。冷却プロセスは、実質的な収縮を伴うので、収縮鋳巣と称されるボイドが、鋳物内、典型的にはその中心領域に形成される。鋼の製造においては、収縮鋳巣は、切り取られ且つ廃棄されるインゴットの頂部５ないし２０％の不合格品を生じる。収縮鋳巣によって生じる損失を減らす一つの試みは、取鍋内の軟鋼を部分的に脱酸素して、収縮鋳巣が、後に圧延によって閉じることができるたくさんの分布せしめられた小さい鋳巣に変形されるようにすることである。この問題のより一般的な解決方法は、板か粉末によって発熱性押湯又は隔離押湯を使用することである。押湯は、溶融金属内に樹枝状結晶を給送するためにインゴットの頂部に溶融金属のリザーバを維持することを可能にする。
【０００３】
同じようなタイプの廃物が通常の砂型鋳物内に起こる。型が完全に充填されることを確実にするために、いくつかの大きな押湯が使用されて、金属が型内に入るのを助ける。鋳物が鋳造工場を出て行く前に押湯は切り取られ且つ廃棄される。合金の鋳造における更なる作用は、冷却中に樹枝状結晶が形成されることであり、これらの樹枝状結晶は、凝固中に、溶融塊内の種々の点が格子構造を取り上げる際に形成される。樹枝状結晶の形成中に、金属酸化物及び窒化物のような不純物が外方へ押し出されて結晶粒境界を形成し、これらは、後に、仕上げられた構成要素内に亀裂を惹き起こす部位を形成する。これらの不純物の集団は介在物と称される。注意深い型の設計及びより低い鋳込み温度は、ある程度まで介在物の形成に対抗することができる。
【０００４】
液体金属中には、大気又はその他の供給源からの気体もまた存在し、これらは、鋳物の気孔の主たる原因である。水素、酸素及びその他の気体の介在物は、真空チャンバ内で液体合金を鋳造することによって大きく減じることができるが、このプロセスは、最高品質の合金の製造に対しては経済的なだけである。
【０００５】
連続鋳造は、今日では、長い金属インゴット（ビレット、ブルーム及びスラブ）を製造するための主要な方法であり、この長いインゴットは、凝固が完了した後に必要な長さに切断される。最も多く使用されている装置においては、金属は、タンディッシュから水冷型内へと連続的に注がれる。鋳造されたロッドは、ローラーによって前進せしめられ且つ水噴射によって冷却される。気孔、介在物、割れ及び粗い粒度の問題は、この方法においてもまた全て現れ、これらの問題に対抗するために多くの努力が払われて来た。
【０００６】
米国特許第４，３０７，２８０号において、Ｅｃｅｒは、鋳物が既に形成された後に、鋳物のボイドを充填する方法を開示している。ボイドは、検知されて測量する必要があり、その後に、鋳物は、２つの電極間で押圧され、ボイドの近くでの局部的な溶融を生じさせるのに十分な電流が適用される。内部のボイドは、それによって潰され且つ表面へと移動せしめられて、充填され得る凹みを生じさせると言われている。この方法は、もちろん、硫化物及び珪酸塩のような固体含有物の排除には不適当である。連続鋳造中にインゴットにローラーの圧力を適用することは、特開昭５６−０５０７０５号においてＦｕｋｕｏｋａらによって提案されている。圧力は、鋳造溝の底部に亀裂を生じさせるのを防止すると言われている。ローラーは、曲げられたインゴットが真っ直ぐにされる場所に配置される。この方法は介在物の低減又は金属の微細構造を改良する助けとはならないことは明らかである。
【０００７】
米国特許第４，７７０，７２４号において、Ｌｏｗｒｙらは、ボイド及び割れ目を排除すること及び稠密な均質性を有する製品を製造することを請求している金属のための通常の連続鋳造方法を記載している。これは、封じ込め力をも提供する電磁場によって、金属を重力に抗して上方へと流れさせることによって達成される。この方法は小さな断面積に限定されているので、大きなスラブ又はブルームに対して適用することができない。
【発明の目的】
【０００８】
従って、本発明の一つの目的は、従来技術による鋳造方法の不利な点を拒み且つより良好な品質のインゴット及びその他の鋳物を製造するための改良された方法及び装置を提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、樹枝状結晶を小片に粉砕し、それによって、完成した鋳物の粒度を小さくする装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、均質性を改良し且つ軽い密度の介在物及び気体を鋳物の表面へと上昇させるために、凝固中に液体金属を攪拌することである。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、金属鋳物内の収縮鋳巣、介在物、気孔及び粒度を減じるための及びその中の均質性を改良するための装置を提供することによって、上記の目的を達成する。この装置は、
ａ）鋳造されている金属鋳物の上方に亘って移動するアークを形成するための少なくとも一つの電極と、
ｂ）鋳込み中又は鋳込み後に、前記金属鋳物の上方に亘って前記アークを垂下させるためのスタンドと、
ｃ）前記アーク電極を含む電気回路の完備のために、鋳造のために使用されている型の金属表面に取り付けることができる第二の電極と、
ｄ）前記装置と電源との間に接続された電子制御装置と、を含んでいる。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態においては、複数の電極が設けられ、各々の電極が、各押湯を覆う別個に動くアークを形成するために、砂型鋳物か又は金型鋳物の押湯少なくとも一つを覆うように配置可能であるアーク鋳造装置が設けられている。
【００１２】
本発明の好ましいプロセスにおいては、金属鋳物内の収縮鋳巣、介在物、気孔及び粒度を減じるため並びにその中の均質性及び収量を改良するための方法が提供され、この方法は、ａ）液体金属を型内に注ぎ込むステップと、ｂ）アーク電極を準備し且つ同アーク電極を溶融金属の上面の若干上方に配置するステップと、ｃ）液体金属を攪拌し、粗い樹枝状結晶が存在する場合にはそれを破壊し、冷却による収縮によって鋳物内に形成されたボイドを充填するために、電極に電流を付与して同電極と液体金属の上面との間にアークを形成して、金属の中心溶融池を維持するステップと、ｄ）電流を付与することによって、前記上面の上方に亘ってアークを連続的に移動させるステップと、を含んでいる。
【００１３】
本発明の方法及び装置の更に別の実施形態を以下に説明する。
Ｐｒａｉｔｏｎｉらに付与された米国特許第４，７５６，７４９号には、いくつかの鋳造注ぎ口を有するタンディッシュから鋼を連続鋳造するための方法が記載され且つ請求されている。鋼は、タンディッシュ内にある間に、請求項５において請求されている移動せしめられるアークプラズマトーチである更なる加熱を受ける。米国特許第５，９６３，５７９号において、Ｈｅｎｒｙｏｎは、同様の方法を記載している。金属がタンディッシュから型へ注がれる間に気体の吸収が再度起こることがあり、気孔及び偏析に対する解決方法は提供されない。
【００１４】
これと対照的に、本発明は、凝固中に、移動アークを鋳物の上面に直に適用するための方法及び装置を記載している。ここで説明されたこのような構造の利点は、鋳造中に型の中の金属自体の攪拌がもたらされることである。凝固の直前にこのような攪拌を行うことによって、図９に見られるように、粗い樹枝状結晶がより小さな固体に粉砕され、このようにして粒子構造が改良される。攪拌はまた、気泡を液体の頂部へ上昇させ且つ逃がす。収縮鋳巣は完全に排除され、不純物の集合物は粉砕され且つ分散される。
【００１５】
このように、本発明の新規な装置は、鋳物の品質及び均質性を著しく改良し且つ比較写真及び図面に示されている更なるデータから明らかであるように、鋳物内部に、ばらつきのより少ない硬度を達成する役目を果たす。
【００１６】
記載されるべき方法及び装置が実際に試験されたこともまた強調する。例えば、本発明の請求項８及び１７によるシリンダヘッドの砂型鋳造のための１２−ヘッドの装置を、本発明の目的に合うように構築し作動させた。押湯による体積減少及び増大鋳造生産性の例もまた図１５に見られるであろう。
【００１７】
本発明の例示的な好ましい実施形態を示している添付図面を参照して本発明を更に説明する。構造的詳細は、本発明の基本的な理解のために必要である限度においてのみ示されている。図面と共に説明された例によって、本発明がどのようにして実現することができるかが当業者に明らかとなるであろう。
【００１８】
（発明の詳細な説明）
最初に図１を参照すると、この図は、型２８内の液体金属１２上にアーク１６を付与して、鋳物内に電流の流れ５の分布を形成するアーク電極１４の詳細図である。これは、鋳物を作る基本的な原理である。
【００１９】
図２には、図１に関して説明される方法を使用して金属鋳物１２を製造するための装置１０が示されている。装置１０は、図１０〜１４に関して説明するように、少量のボイドを有するか又はボイドを含んでいない金属鋳物を製造し、介在物、気孔及び粒度を減らし、均質性を改良する。
【００２０】
装置１０は、アーク電極１４を支持しており、アーク電極１４は、電力を供給されると、鋳造されている液体金属１２の上面１８の上方に亘って移動するアーク１６を形成する。スタンド２０及びアーム２２は、鋳込み後又は鋳込み中に、上面１８の上方に電極１４を垂下させる。アーム２２は、電極１４が金属表面１８の上方に配置できるように高さを調整することができる。
【００２１】
図３により有効に見ることができるアーク１６を含んでいる電気回路３０の完備のために、鋳造のために使用されている型２８の金属表面２６に第２の電極２４が取り付けられている。
【００２２】
電流及びアークの動きを制御するために使用される電子制御装置３２が、装置１０と電源３４との間に接続されている。
電源３４は、ＤＣ電流（ＡＣ電流、高周波スタビライザ等も同様に適する）を発生し、電極１４のプラス端子に接続されるのが好ましく、マイナス端子は、型２８の金属部品２６に接続されるのが好ましい。
【００２３】
残りの図面を参照すると、同様の参照番号は同じ部品を特定するために使用されている。
図３．ａを参照すると、アーク鋳造装置４２の詳細が示されており、この装置は、任意選択物として電極１４に隣接した電気コイル４４を含んでいても良い。コイル４４に電力が供給されると、電気コイル４４は、鋳物１２の表面１８の上方での回転運動におけるアーク１６の径方向の動きを増大させ且つアークの速度を増大させる。
【００２４】
図４は、図２に見られるように、型２８内で清浄な金属鋳物を製造するための鋳造装置４６の詳細を示している。電極５０は中空であり且つガス供給パイプ５２を収容するのに十分な大きさである。管５４及び図２に見られる制御装置３２は、アルゴンのような不活性ガスの流れを、電極５０の中空部を介して、鋳造されているインゴット４８の上面３６の上方へと導く。ガス噴射５６は、金属表面の酸化及び窒素の付着を防止する役目を果たし、鋳造粉末５８のような非金属不純物を上面から除去する役目を果たす。
【００２５】
インゴット４８の上面３６上に配置されているセラミック材料によって作られるのが好ましい耐火物ガードリング６０が設けられるのが有利である。ガードリング６０は、上面３６からの鋳造粉末のような非金属不純物の排除を維持する。
【００２６】
図５を参照すると、連続鋳造装置６２の詳細が図示されている。中空の電極６４は、上方に設けられたタンディッシュ７０から金属６８を受け取る鋳造ノズル６６がその中へ挿入されるのを可能にするのに十分な大きさである。一つの任意選択肢として、型７２の少なくとも一部分は、金属製であり且つ図１におけるように鋳物７６の中心に向かってアークを磁気的に付勢する電気回路７４の一つの要素として作用する。
【００２７】
図は２つの電気回路３０、７４を示している。内側の高出力回路３０は、アーク１６を形成するための電力を提供する。外側の低出力回路７４は、タンディッシュ７０を型７２に結合させ且つアークの制御を安定化させ且つアークを型７２の中心に向けて導くためのものである。
【００２８】
図６は、多数の電極１４が備えられた移動アーク鋳造装置７８を示している。各電極１４は、大きな砂型鋳物又は金型鋳物８０の押湯のうちの一つ、例えば、シリンダヘッドの上方に配置される。各電極１４は、別個のモーター８２と電気回路３０とを有しており且つ電力を供給することができ、この電極が配置される押湯の上方にそれ自体の移動アークを形成する。押湯の中の流れがアークによって大きく助長されるので、従来の鋳物と比較して、小さいサイズのより少ない押湯を使用しても良い。この主題は、押湯を見ることができる図１５に更に図示されている。
【００２９】
図１乃至図４は、アーク１６の使用によって、金属鋳物内のボイド、介在物、気孔及び粒度を低減し内部の均質性を改良する方法を図示しているものとして参照される。
この方法は、以下のステップを含んでいる。
ステップＡ  鉄系か非鉄系の液体金属を、導電性部品２６を有する型２８内へと注ぐステップ
ステップＢ  アーク電極１４を準備し且つ溶融金属の上面の若干上方、典型的には２〜２０ｍｍの位置に配置するステップ
ステップＣ  電極１４と液体金属の上面１８との間にアークを形成するために電極１４に電流を付与するステップ
この好ましい方法においては、電流はＤＣである。アークは、電極１４の下面８５を連続的に移動して、液体金属を攪拌し、樹枝状結晶（図９）が存在する場合にはこれを破壊し、冷却収縮によって鋳物内に形成されるボイドを充填するために金属の中心に溶融池を維持する。アークの適用によって生じる電流は、図１において矢印５によって表されている。気泡及び低密度の介在物を鋳物の表面へと到達させるこの攪拌によって、強い渦が形成される。
【００３０】
図７は、アーク１６を連続的に回転させるための電極装置８４を示しており、同電極装置は、グラファイト製の中空電極８８の内側に、その外形の接線方向に配置された２つのアルゴンガス管８６を含んでいる。垂直方向のアルゴンの噴流９０は、上記したように、酸化及び窒素の除去に加えて、アーク１６を連続的に回転させる。
【００３１】
図８は、例えば、細長い型９７上に、細長い開口したアーク経路が必要とされるときに、アークを単一の方向に連続的に移動させるためのナイフ形状の電極９２を図示している。この装置は、一組みの馬蹄形の強磁性のコア９４、ナイフ形状の電極９６及び一組みのコイル９８を含んでいる。電流を電極９６に適用することによってアーク１６を点火し、アークは、次いで、コイル９８と強磁性コア９４とによって形成された磁場によって、点火箇所９３から電極の他端１０３まで移動するように駆動される。アーク１６を点火するためには、電極の端縁９３と溶融金属９５の表面との間に小さい隙間を形成する必要がある。アークによる点火は、電極９６、金属９５及び磁石を電源３４に接続する電気回路１０１に接続された発振器９９の助けによって形成される。アークは、端部９３において生じ、電極作用面に沿って点１０３に向かって高速で移動する。点１０３においてアークは止まり、それと同時に発振器は点９３において別のアークを点火する。
【００３２】
図１、図４及び図５をも参照すると、鋳造粉末５８の使用を含む金属インゴット２８及び７２の鋳造方法（連続鋳造と同様に）が記載されている。鋳造粉末は、酸化物及び炭素を含んでおり且つ鋳込みが起こりつつある間に型２８内へ導入される。粉末は、金属を酸化から守り且つ型の壁とインゴット４８との間の潤滑剤として作用する。
【００３３】
ステップＡ．  液体金属４８又は７６を型２８又は７２内へ注ぐこと
ステップＢ．  その上方にアルゴンのような不活性ガスを送風することによって、鋳造されているインゴット４８内の液体金属の上面３６から鋳造粉末を除去すること
不活性ガスの流れは、液体金属が依然として部分的に液体である間に鋳物の酸化及び窒素の付着から保護するために、鋳物が仕上げられるまで維持されるのが好ましい。
ステップＣ．  鋳物の上面３６上に耐火物ガードリング６０を配置することによって、鋳造粉末が戻るのを防止すること
ステップＤ．  アーク電極５０を準備し且つ同電極を溶融金属の上面３６の若干上方に配置すること
ステップＥ．  液体金属４８を攪拌するために、電極５０に電流を付与して電極５０と上面３６との間にアーク１６を形成し、粗い樹枝状結晶が存在する場合にはそれを破壊し、ガスを含んでいる軽い密度の不純物を上面へ到達させ、冷却収縮によって鋳物内に形成されたボイドを充填するために金属の中心溶融池を維持すること
ステップＦ．  アーク１６を上面の上方に亘って連続的に移動させること
このような動きは、正しく形成された電極５０によって自動的に発生する。
【００３４】
再度図６を参照すると、以下の鋳造方法は、大きな砂型鋳物８０を形成するために使用され、金属は複数の押湯を介して供給される。
ステップＡ．  液体金属を型８０内へ鋳込むこと
ステップＢ．  複数の隔置されたアーク電極１４を準備し且つ各電極１４を各押湯の上面の若干上方に配置すること
ステップＣ．  電流を電極１４に適用して、電極と液体金属の上面との間に移動プラズマを形成すること
【００３５】
図９を参照すると、樹枝状結晶１０４（図示のために大きく拡大して示されている）を形成する方法における２つの鋳物１００、１０２の凝固過程が図示されている。図は、型１１０の壁１０６及び底部１０８に隣接した部分の凝固状態及び溶融金属１１２がその中心領域に残っている状態を示している。左側に示されている型１１０ａは、型の壁１０６において始まり、樹枝状結晶１０４内で終わっている幅の広い柱状の成長領域１１４ａを有している従来の鋳物を含んでいる。右側に示された型１１０ｂは、本発明の方法によって製造された鋳物１０２を保持している。型の壁１０６から始まり、破壊された樹枝状結晶内の端部で終わっている狭い柱状の成長領域が示されており、枝分かれ区分１１８は、小さな新しい結晶を形成している。樹枝状結晶の枝分かれ部分は、移動するアークプラズマの攪拌作用によって破壊され、小さな新しい結晶化の中心を形成する役目を果たす。
【００３６】
図１０は、２つの１０トンの工具鋼インゴットの微細構造を示している。サンプルは、各インゴットの頂部、中間及び底部の近くから取ったインゴットの中心部分から切り取った。図は５０倍に拡大したエッチングである。左側には、従来の鋳造インゴットから切り取られたエッチングの写真１２０、１２２、１２４が示されており、これは、粗い粒状構造及び低い均質性を示している。右側には、本発明の方法によって製造された鋳造インゴットから切り取られたエッチングの写真１２６、１２８、１３０が示されており、これは、より細かい粒状構造及び大きく改良された均質性を示している。
【００３７】
図１１は、２つの１０ｋｇＡｌＳｉ１０Ｍｇインゴットの微細構造を示している。サンプルは、インゴットの頂部近くの位置から切り取った。図は、１２５倍でのエッチングを示している。左側は、従来の鋳造インゴットから切り取られたエッチングの写真１３２、１３４、１３６であり、粗い粒状構造及び低い均質性が示されている。右側には、本発明の方法によって製造された鋳造インゴットから切り取ったエッチングの写真１３８、１４０、１４２が示されており、これは、より細かい粒状構造及び大きく改良された均質性を示している。
【００３８】
図１２のグラフは、２つの工具鋼棒のオーステナイト結晶粒度を、長さ１４４、１４６、１４８に関して且つ半径に関する３つの位置で測定して、各棒に対して９つの測定値を付与している。オーステナイト又はガンマ鉄は、鉄中の炭素の固溶体であり、その粒度は、熱処理されるべきであるあらゆる鋼において重要である。四角の点を結んだグラフの線は、従来の鋳造インゴットによって作られた鋼棒を示している。丸い点を結んだ線は、本発明の方法によって処理されたインゴットを示している。粒度が全ての位置において低減されているという結果が示されており、改良は、インゴットの底部の中心での無視できる程度から頂部の中心での７倍の改良までに亘っている。
【００３９】
図１３には、図１４に見られる２つの１．６トンの鋼インゴット１５４、１５６の硬度に関する比較グラフが示されている。硬度は、インゴットの底部から６つの高さにおいて各インゴットに対して外側面１５０と軸線領域１５２とにおいて測定した。図１１におけるように、四角の点を結んだグラフの線は、従来の鋳物によって作られたインゴットを示しており、一方、丸い点を結んだ線は、本発明の方法によって処理されたインゴットを示している。従来の鋳物インゴットは、本発明の方法によって製造されたインゴットよりも遙かに高い変動を示している。
【００４０】
図１４を参照すると、中心を通って軸線方向に切断され且つ研磨された後に、既に図１３において言及した２つの１．６鋼インゴット１５４、１５６の写真が示されている。従来の鋳造方法によるインゴット１５４は、収縮鋳巣による実質的なボイド１５８を示している。本発明の方法によるインゴット鋳物１５６には一つのボイドも明らかではない。
【００４１】
図１５．ａは、２つの鋼の砂型鋳物１６０、１６２を示しており、各々の外径寸法は約８００×６５０ｍｍであり、壁の厚みは５０ないし７５ｍｍである。これらの鋳物１６０、１６２は、各々３１０ｋｇの重量であり、各々、単一の押湯１６４、１６６によって鋳造した。左側の鋳物１６０は、従来の手段によって製造したものであり、廃棄された押湯１６４は１４０ｋｇの重量であった。右側の鋳物１６２は、本発明の方法を使用して製造し、この方法は、押湯１６６の使用を可能にし、廃棄された押湯はほんの２６ｋｇの重量であった。
【００４２】
図１５．ｂは、２つのアルミニウムシリンダヘッドの砂型鋳物１６８、１７０を示している。これらの鋳物は、各々１０個の押湯１７２，１７４を有している。鋳物１６８は、従来の手段及び原寸の押湯によって鋳造され、一方、鋳物１７０は、本発明の方法を適用して鋳造された。この方法は、図６に見られるように、各押湯を使用する装置に作用する。押湯の体積は７３％だけ減った。
【００４３】
本発明の範囲は、特許請求の範囲の意義に含まれる全ての実施形態を含むことを意図している。上記の実施形態は、本発明の有用な形態を図示しているが、本発明の範囲を限定するものと考えられるべきではなく、当業者は、特許請求の範囲の意義から逸脱することなく、本発明の付加的な変更例及び変形例を形成することができることが容易にわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、型内の液体金属の上方に亘ってアークを付与するアーク電極の詳細図及び鋳物内の電流の流れの分布を示している図である。
【図２】図２は、本発明による装置の好ましい実施形態の斜視図である。
【図３】図３は、液体金属の上方の電極の位置の詳細な断面図である。
【図３．ａ】図３．ａは、アークの径方向の速度を増すために電磁コイルが設けられた実施形態の断面図である。
【図４】図４は、アーク作用領域に鋳造粉末が到達するのを防止するための構造を備えた実施形態の断面の詳細図である。
【図５】図５は、電極の中心を介して金属が注がれる実施形態の断面図である。
【図６】図６は、多数の電極が設けられた構造の概略平面図である。
【図７】図７は、アルゴンガスによる回転アーク電極の断面図である。
【図８】図８は、ナイフ形状の移動アーク電極の斜視図である。
【図９】図９は、一般的な鋳物及び本発明による鋳物内の樹枝状結晶の比較図であり、粒度及び樹枝状結晶の大きさが大きく誇張されている。
【図１０】図１０は、１０トンの工具鋼インゴット粒子構造の比較写真である。
【図１１】図１１は、１０トンの工具鋼インゴット粒子構造の比較写真である。
【図１２】図１２は、オーステナイト結晶粒度を図示し且つ比較しているグラフである。
【図１３】図１３は、種々のインゴット内位置の硬度を図示し且つ比較しているグラフである。
【図１４】図１４は、従来の鋳物と本発明による鋳物とのインゴット内のボイドの比較図である。
【図１５．ａ】図１５．ａは、従来の砂型鋳物と本発明による同じ砂型鋳物内の押湯の大きさの比較図である。
【図１５．ｂ】図１５．ｂは、従来の砂型鋳物と本発明による砂型鋳物との押湯の大きさの比較図である。
【図３】
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【図３ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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