JP2002181453A - 真空アーク再溶解法装置およびその方法 - Google Patents
真空アーク再溶解法装置およびその方法Info
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Abstract
umArcRemelting)におけるインゴットシ
ェルフの崩壊による溶融物汚染の防止。 【解決手段】VAR装置は、炉室14、炉室内で再溶解
される材料で形成された消耗電極12および炉室内のル
ツボ16を含む。ルツボは、消耗電極からの溶解物を収
集するための容器を形成する壁を備える。壁の少なくと
も一部は、シェルフの下側が溶解しシェルフの上側が形
成されるにつれて、シェルフの機械的安定化のための面
積を付与するようにテクスチャ加工されている。VAR
プロセスにおいて、消耗電極の先端から材料の溶解を生
じるために電極とルツボの底部との間で直流電流を励起
し、消耗電極からの溶解物を収集するための容器を形成
するテクスチャ加工した壁を備える冷却ルツボの上で炉
室に装填される。溶解物は、凝固材料の下側境界に先ん
じてルツボのテクスチャ加工した部分に隣接して形成さ
れる。
Description
(VAR=Vaccum arc remelting)のための装置および
方法に関する。
sensitive alloys)を制御しながら凝固するためのプロ
セスである。そのプロセスでは、円筒形の合金電極を、
炉の水冷式銅ルツボ内に装填する。炉内の空気を抜き、
電極(カソード)とルツボ(アノード)底部の原料との
間に直流アークを励起する。アークは原料と電極チップ
の両方を加熱し、最終的に両者を溶解する。電極チップ
が溶解してしまうと、溶解金属はルツボ内にしたたり落
ちる。このプロセスでは、完全に凝固インゴットへの転
移帯である軟泥状領域に至る液状溶解池が維持される。
ルツボの直径は電極の直径より大きい。その結果、常時
収縮する電極を、アノード池表面に向けて下方に移動
し、電極チップと池との間の平均距離を一定に保つこと
ができる。電極チップから液状金属池表面までの平均距
離は、電極ギャップ(ge)と呼ばれる。
壁に隣接する溶解金属が凝固する。池表面の近傍でルツ
ボ壁に接して凝固する材料の固体層は、「シェルフまた
は棚(shelf)」と呼ばれる。溶融池表面下のある距離
で、材料は、完全に凝固し、非常に稠密な合金インゴッ
トを生じる。十分な時間の経過後、定常状態の状態が、
完全に凝固インゴットベース上部に位置する溶解物のシ
ェルフとなった「ボウル(bowl)」からなるものに徐々に
変化する。
有し、改善された化学的並びに物理的均質性を有するイ
ンゴットに転換される。VARは、(「合金718」の
ような)ニッケル系「超合金」の溶解に特に適する。こ
れらの材料は、相当量の反応性元素を含有する。VAR
では、含有ガス、特に水素および酸素、非金属介在物、
中心ポロシティおよび偏析が低減される。再溶解合金の
延性や疲労強度といった機械的特性は改善される。
ては、マンガン、アルミニウム、クロムといった揮発性
汚染種が蒸発する。これらの元素の蒸発種(vapor speci
es)は、凝固物質のシェルフのすぐ上のルツボ壁の領域
といった冷表面で凝縮する。さらに、電極アークが電極
表面を移動すると、一部の粒子は溶融池からルツボ壁に
対して飛散し、そこで凝縮している蒸気種の形成皮膜に
よって捕獲され得る。
質希薄材料は、凝縮された揮発性種およびルツボ壁を覆
う飛沫に接して固化する最初の液状の金属である。さら
に、溶解が進むにつれ、液状の金属池の表面に存在する
酸化物および窒化物の介在物は通常、溶融池の側方に押
しやられ、シェルフにおいて凝固物に固化する。
につれて、インゴットシェルフは下側から溶解し、他
方、上側に新しいシェルフが形成される。溶解とシェル
フ形成の定常状態が維持される場合、シェルフが漸次的
に形をなし、溶解し、溶融池の表面とともに上方に進
む。定常状態が持続する限り、シェルフは、ルツボ壁に
接して凝固する溶融飛沫と凝縮する蒸気種との間のバリ
ヤーとして機能する。しかし定常状態が維持できない場
合、シェルフは不安定になり、崩壊し、蒸気種皮膜、飛
沫および高融点溶質希薄材料をドラグしながら、溶融池
に落下する。溶質希薄材料は、光沢のある「白点」とし
てインゴットに現れる。溶質希薄材料が酸化物種を伴っ
ている場合、溶質希薄材料は「くすんだ白点」として現
れる。溶質希薄材料および酸化物種のこうした領域は、
初期破壊の開始の場であり、その材料から製造された部
品の寿命は結果として短縮する。
汚染を回避するVAR炉およびプロセスが必要である。
防ぐためにインゴットシェルフを安定させることによっ
て汚染を回避するVARプロセスおよび炉を提供する。
VARプロセスは、シェルフが不安定にならないように
固定させるルツボ壁を特徴とする新規な設計の装置にお
いて実施される。VAR装置は、炉室、炉室内で再溶解
される材料で形成された消耗電極および炉室内のルツボ
を含む。ルツボは、消耗電極からの溶融物を収集する容
器を形成する壁を備える。壁は、凝固する溶融物を機械
的に安定させる増大した表面積を付与するようにテクス
チャ加工されている。
らの溶解物を収集する容器を形成するテクスチャ加工し
た壁を備える冷却ルツボの上で消耗電極炉室に装填する
ことからなる。プロセスは、電極の先端から材料の溶解
を生じる電極とルツボの底部との間で直流電流を励起す
ることを含む。溶融物はルツボ内で先端から収集され
る。溶解物は冷却されてインゴットを形成するが、凝固
材料の下側境界に先んじてルツボのテクスチャ加工した
壁に隣接して形成される凝固物のシェルフを特徴とす
る。
は、シェルフの下側が溶解しシェルフの上側が形をなす
につれて、シェルフの機械的安定化のために増大した表
面積を付与するようにテクスチャ加工されている。テク
スチャ加工した表面とは、平坦な表面全体にわたって増
大した表面積を付与する不均一または乱様な表面であ
る。その表面は、図示の通り溝を付けるか、または交番
するリッジ(ridge)やリブ(rib)によりパターン化ま
たは波形加工してもよい。表面を、丸溝(flute)、襞
(pleat)、溝(groove)やくぼみ(indent)といった
刻印(impression)により特徴づけしてもよく、また
は、表面を、筋(furrow)、波皺(ripple)またはリッ
ジ(ridge)による輪郭形成することもできる。
施形態を、非限定的な実施例として記載する、図面およ
び以下の詳細な検討によって明白になるであろう。
り、図2は、凝固インゴットの一部を示す炉ルツボ壁3
81の断面の略図である。図1および図2において、円
筒形の合金電極12が、水冷式銅ルツボ16の上で炉室
14内に装填される。炉10は、直流電源18、真空ポ
ート20、冷却水ガイド22、ラム駆動スクリュー24
およびラム駆動モータアセンブリ26を含む。
炉室14内の空気を引き、電極(カソード)12とルツ
ボ16底部(アノード)の原料(例えば金属チップ)と
の間に直流(dc)アークが励起する。アークは原料と
電極チップ28の両方を加熱し、最終的に両者を溶解す
る。電極チップ28が溶解してしまうと、溶解金属はし
たたり落ち、下方に溶解池30を形成する。ルツボの直
径は代表的には電極の直径より50〜150mm大きい
ので、電極12は、アノードの池に向け下方に移動し、
電極チップ28と池表面32の間の平均距離を維持す
る。
につれて、壁に隣接する溶解金属が凝固する。溶融池表
面下のある距離で、合金は完全に凝固し、非常に稠密な
インゴット40を生じる。ある時間経過後、定常状態
は、十分に凝固したインゴットベースの上部に位置する
溶解した「ボウル」を特徴とするものに徐々に変化す
る。さらに多くの材料が凝固するにつれて、インゴット
40は成長する。
および窒化物の介在物が、溶解池30の表面32に浮上
する。酸化物および窒化物種は、通常、溶解池30の側
方に押しやられ、溶解池表面32の直下の溶解界面にお
ける凝固物よりなるシェルフ42において凝固物に固化
する。シェルフ42のすぐ上では、飛沫と蒸気種の凝線
物が、クラウン(王冠)44と呼ばれる外皮状の縁を形
成する。
ェルフ42またはクラウン44をルツボ壁38から脱離
させることもできる。シェルフ42が崩壊し、シェルフ
物およびクラウン物が溶解池30に落下する。それらの
物は溶解池に沈み、そこでシェルフ物は再溶解し、クラ
ウンの酸化物および窒化物をクラスタ欠陥として残す。
または、シェルフが塊として大きい場合、それは部分的
に再溶解され得るにすぎず、結果的に酸化物または窒化
物の種が付着したまま固化する。
るテクスチャ加工した表面52を備えたルツボ壁38を
示す。図3は、溝付きルツボ壁38の略平面図である。
図4は、炉ルツボ壁38、テクスチャ加工したルツボ壁
の表面52および凝固インゴット40の略断面図であ
る。図5は、溝付きルツボ壁38の一部の略立面図であ
る。図6は、テクスチャ加工した表面52が垂直向きの
溝46によりもうけられたルツボの全円周の略平面図で
ある。図7は、テクスチャ加工した表面52が垂直向き
の溝46により設けられたルツボ16の断面の略平面図
である。各図において、ルツボ壁38は、シェルフと基
礎インゴットとの間において一つまたは連続した支持リ
ガメント(ligament)が凝固するようにテクスチャ加工さ
れている。リガメントは、シェルフの下側が溶解しシェ
ルフの上側が形をなすにつれ、シェルフの機械的安定化
を賄う。テクスチャ加工した壁表面52に相補的である
インゴットのテクスチャ化された凝固表面は、シェルフ
を支持し、機械的に安定させる。また、テクスチャ加工
した表面52は、水冷された銅と液状金属池との間の増
大した接触面積により、形成シェルフからの抽熱も増大
させる。増大した抽熱はシェルフの厚さを増大させ、シ
ェルフを強化しさらに安定させる。より厚くなり、支持
され、より安定化、したシェルフは、凝固インゴットの
突然の破壊および結果として生じる汚染に抵抗する。
48と別の平坦なルツボ壁表面52に、組付けた平坦な
底部50よりなる溝46を設けたルツボ壁38が示され
ている。溝46の形状、深さおよび間隔は、溝が容易に
液状の金属で満たされ、リブに凝固し、シェルフ42が
下側から溶解し上側に形成される際に完全には再溶解し
ないように選択される。
方に曲げることができ、溝のコーナは、溝の充填の容易
さおよび、インゴット凝固後のルツボからのインゴット
の取り出しの容易さを考慮して丸めることができる。溝
46は、垂直線から約60°まで、望ましくは垂直線か
ら約5°から30°曲げることができる。好ましくは、
溝46は、垂直線から約10°から20°曲げることが
できる。
鋭角なコーナにアールをつけ、インゴットの取り出しを
容易にし、結果として得られるインゴットの鋭角なコー
ナを避けることができる。アールの測度は、アール付け
弧の内側から測定されたアールを付けたコーナの半径に
より記述することができる。コーナのアール付けにあた
っては、溝幅の最大1/2倍、望ましくは溝の約1/8
〜1/2倍、好ましくは溝幅の約1/4〜1/2倍と、
広範な半径が適用できる。
変えることができる。容易に充填され、インゴットが完
全に凝固した後ルツボ16からのインゴット40の取り
出しを可能にするすべての形状が、適用できる。溝の深
さは、1/8〜3/4インチ、好適には約1/4〜1/
2インチの範囲をとり得る。典型的な溝幅は、約1/8
〜2インチ、好適には約1/4〜1/2インチの範囲を
とり得。ほとんどの例において、溝の大きさはルツボの
大きさによって変わる。ルツボの円周に対する溝の深さ
または幅の比率は、約0.001〜0.05、望ましく
は約0.002〜0.04、好ましくは約0.006〜
0.02の範囲で変えることができ、内側円周のインチ
あたりの溝の頻度は、約0.1〜5、望ましくは約0.
3〜4、好ましくは0.5から3の範囲で変えることが
できる。
8が台形の溝46により溝を付けられた、好適な実施例
を示している。矩形から半円形までの他さまざまな形状
が使用することができる。例えば、容易に充填され、イ
ンゴットが完全に凝固した後ルツボからの、インゴット
の取り出しを可能にするすべての形状が、適用できる。
施形態を、非限定的な実施例として記載する、図8およ
び以下の詳細な検討によって明白になるであろう。
いて形成された小試験片による標準の商用VAR溶解条
件のもとで凝固した超合金インゴット、「合金718」
(概ねNi,Cr19%,Fe18%,Nb5%,Mo
3%,Ti1%,Al0.6%)の表面の写真である。
この実施例では、標準の商用グレード20インチ径の、
VARルツボの上側部分が、2つの90°円弧の平滑な
壁の比較区分により分離された2つの90°円弧のテク
スチャ加工した壁の試験区分を備えるように修正され
た。
の内側円周の1/2インチあたり1個の間隔で生じる約
1/4インチの深さで幅1/4インチの一連の垂直溝を
設けた。深さおよび幅は、溝内で凝固するリブが、ルツ
ボ内の液状の金属が上昇するにつれて再溶解しないよう
に選択された。内側円周での位置の頻度は、再溶解シェ
ルフの堅固な安定を与えるように選択された。側壁の溝
は、溝のベースに直角な垂直線から外方に約14°曲
げ、溝のコーナは、液状の金属による溝の充填の容易さ
およびインゴットが凝固した後、のルツボからのインゴ
ットの取り出しの容易さを考慮してアールをつけた。
したシェルフが製造されたことが観察され、図8に示し
た「合金718」の鋳物は、テクスチャ加工した壁を設
けていない炉で鋳造したインゴットに比べて、白点やく
すんだ白点が少ないこと特徴とした。
発明は変更および修正が可能であり、従って、実施例の
厳密な詳細に限定されるべきではない。例えば、本発明
は、高合金鉄基鋼またはTi−17(Ti,Al5%,
Cr4%,Mo4%,Sn2%、Zr2%)のような高
合金チタンといった好適な材料のいかなるものを鋳造す
るためのプロセスと連係して使用することができる。図
9、10、11および12は、テクスチャ加工した壁5
2の別の例を示している。図9はクレバス(crevice)
56およびピーク58のテクスチャ加工を示し、図10
は平坦な底部50を有するピーク58を示し、図11は
クレバス56を有する平坦な頂部60を示しており、図
12はアールを付けた波状の輪郭62よりなる別の好適
な構造を示す。本発明は、以下の請求項の範囲に該当す
る変更および改変の全てを含む。
である。
の略平面図である。
ゴットの断面の略図である。
ットの表面の写真である。
る。
る。
る。
Claims (39)
- 【請求項1】炉室(14)と、 前記炉室(14)内で再溶解する材料で形成された消耗
電極(12)と、 前記炉室(14)内のルツボ(16)であって、前記ル
ツボ(16)は、前記消耗電極(12)からの溶解物を
収集する容器を形成する壁から構成されており、前記壁
はテクスチャ加工されることにより凝固溶解物を機械的
に安定させるべく増大した表面積を付与することを特徴
とする、真空アーク再溶解法装置(10)。 - 【請求項2】 前記テクスチャ加工した壁が、前記凝固
溶解物質のシェルフ(42)の固定を行う請求項1記載
の装置(10)。 - 【請求項3】 前記テクスチャ加工した壁が、平坦な表
面にわたって増大した表面積を付与する不均一または乱
様な表面(52)を設けた、請求項1記載の装置(1
0)。 - 【請求項4】 前記テクスチャ加工した壁が、交番する
リッジや溝を有す施条、パターン化または波形にされた
表面(52)を設けた、請求項1記載の装置(10)。 - 【請求項5】 前記テクスチャ加工した壁が、丸溝、
襞、刻印、くぼみまたは溝を設けた請求項1記載の装置
(10)。 - 【請求項6】 前記テクスチャ加工した壁が、筋、波皺
またはリッジによる輪郭形状にされている請求項1記載
の装置(10)。 - 【請求項7】 前記テクスチャ加工した壁が、ほぼ垂直
向きの溝による輪郭形状にされている請求項1記載の装
置(10). - 【請求項8】 前記テクスチャ加工した壁が、垂直線か
ら60°未満で曲げた溝(46)にって輪郭形状にされ
ている請求項1記載の装置(10)。 - 【請求項9】 前記テクスチャ加工した壁が、垂直線か
ら約10°〜20°曲げた溝(46)によって輪郭形状
にされている請求項1記載の装置(10)。 - 【請求項10】 前記テクスチャ加工した壁が、約1/
8〜3/4インチの溝深さ、約1/8〜2インチの幅、
および約3/8〜4インチの溝間隔を有するほぼ垂直の
溝(46)によって輪郭形状にされている請求項1記載
の装置(10)。 - 【請求項11】 前記テクスチャ加工した壁が、約1/
4〜1/2インチの溝深さ、約1/4〜1/2インチの
幅、および約1/2〜3/4インチの溝間隔を有するほ
ぼ垂直の溝(46)によって郭形状にされている請求項
1記載の装置(10)。 - 【請求項12】 前記テクスチャ加工した壁が、溝幅の
約1/2倍まででアールを付けたほぼ垂直の溝(46)
によって郭形状にされている請求項1記載の装置(1
0)。 - 【請求項13】 前記テクスチャ加工した壁が、溝幅の
約1/4〜1/2倍でアールをつけたほぼ垂直の溝(4
6)によって郭形状にされている請求項1記載の装置
(10)。 - 【請求項14】 前記テクスチャ加工した壁がほぼ垂直
の溝(46)によって輪郭形状にされており、ルツボ
(16)の円周に対する溝(46)の深さまたは幅の比
率が約0.001〜0.05であり、ルツボ(16)の
内側円周のインチあたりの溝(46)の頻度が約0.1
〜5である請求項1記載の装置(10)。 - 【請求項15】 前記テクスチャ加工した壁が、ほぼ垂
直の溝(46)によって輪郭形状にされており、ルツボ
(16)の円周に対する溝(46)の深さまたは幅の比
率が約0.002〜0.04であり、ルツボ(16)の
内側円周のインチあたりの溝(46)の頻度が約0.3
〜4である、請求項1記載の装置(10)。 - 【請求項16】 前記テクスチャ加工した壁がほぼ垂直
向きの溝(46)によって輪郭形状にされており、ルツ
ボ(16)の円周に対する溝(46)の深さまたは幅の
比率が約0.006〜0.02であり、ルツボ(16)
の内側円周のインチあたりの溝(46)の頻度が約0.
5〜3である請求項1記載の装置(10)。 - 【請求項17】 前記テクスチャ加工した壁が、交番す
るクレバス(56)およびピーク(58)を設けた請求
項1記載の装置(10)。 - 【請求項18】 前記テクスチャ加工した壁が、交番す
る平坦な底部およびピーク(58)を設けた請求項1記
載の装置(10)。 - 【請求項19】 前記テクスチャ加工した壁が、交番す
る平坦な頂部(60)およびクレバス(56)を設けた
請求項1記載の装置(10)。 - 【請求項20】 前記テクスチャ加工した壁が、アール
を付けた波状の輪郭(62)を設けた請求項1記載の装
置(10)。 - 【請求項21】消耗電極(12)から溶解物を収集する
ための容器を形成するべくテクスチャ加工した壁から構
成される冷却ルツボ(16)の上で前記消耗電極(1
2)を炉室(14)内に装填し、 前記電極(12)とルツボ(16)の底部との間に直流
電流を励起して前記電極(12)の先端から材料の溶解
を生ぜしめ、 前記先端からの溶解物を前記ルツボ(16)に収集し、 前記溶解物を冷却してンゴットを形成する真空アーク再
溶解プロセスであって、 前記インゴットは、この真空アーク再溶解プロセス凝固
材料の下側境界に先んじて前記ルツボ(16)の前記テ
クスチャ加工した壁に隣接して形成される凝固物からな
るものであることを特徴とするインゴットを形成するこ
とを含む、真空アーク再溶解方法。 - 【請求項22】 前記テクスチャ加工した壁が、前記シ
ェルフ(42)を安定させ、前記壁からの前記シェルフ
(42)の突然の脱落を予防する、請求項21記載の方
法。 - 【請求項23】 前記テクスチャ加工した壁が、増大し
た表面積を平坦な表面にわたって付与する不均一または
乱様な表面(52)を設けた請求項21記載の方法。 - 【請求項24】 前記テクスチャ加工した壁が、ほぼ垂
直の溝によって輪郭形状にされている請求項21記載の
方法。 - 【請求項25】 前記テクスチャ加工した壁が、垂直線
から60°未満で曲げた溝(46)によって輪郭形状に
されている請求項21記載の方法。 - 【請求項26】 前記テクスチャ加工した壁が、垂直線
から約10°〜20°曲げた溝(46)によって輪郭形
状にされている請求項21記載の方法。 - 【請求項27】 前記テクスチャ加工した壁が、約1/
8〜3/4インチの溝深さ、約1/8〜2インチの幅、
および約3/8〜4インチの溝間隔を有するほぼ垂直の
溝(46)によって輪郭形状にされている請求項21記
載の方法。 - 【請求項28】 前記テクスチャ加工した壁が、約1/
4〜1/2インチの溝深さ、約1/4〜1/2インチの
幅、および約1/2〜3/4インチの溝間隔を有するほ
ぼ垂直の溝(46)によって輪郭形状にされている請求
項21記載の方法。 - 【請求項29】 前記テクスチャ加工した壁が、溝幅の
約1/2倍まででアールを付けたほぼ垂直の溝(46)
によって郭形状にされている請求項21記載の方法。 - 【請求項30】 前記テクスチャ加工した壁が、溝幅の
約1/4〜1/2倍でアールをつけたほぼ垂直の溝(4
6)によって郭形状にされている請求項21記載の方
法。 - 【請求項31】 前記テクスチャ加工した壁が、ルツボ
(16)の内壁の約3/8インチ〜4インチあたりに1
個の溝の頻度で台形の溝(46)を設けた請求項21記
載の方法。 - 【請求項32】 前記テクスチャ加工した壁が台形の溝
(46)を設けており、ルツボ(16)の円周に対する
溝(46)の深さまたは幅の比率が約0.001〜0.
05であり、ルツボ(16)の内側円周のインチあたり
の溝(46)の頻度が約0.1〜5である請求項21記
載の方法。 - 【請求項33】 前記テクスチャ加工した壁が、台形の
溝(46)を設けており、ルツボ(16)の円周に対す
る溝(46)の深さまたは幅の比率が約0.002〜
0.04であり、ルツボ(16)の内側円周のインチあ
たりの溝(46)の頻度が約0.3〜4である請求項2
1記載の方法。 - 【請求項34】 前記テクスチャ加工した壁が台形の溝
(46)を設けており、ルツボ(16)の円周に対する
溝(46)の深さまたは幅の比率が約0.006〜0.
02であり、ルツボ(16)の内側円周のインチあたり
の溝(46)の頻度が約0.5〜3である請求項21記
載の方法。 - 【請求項35】 前記テクスチャ加工した壁が、ルツボ
(16)の内壁の約1/2インチ〜3/4インチあたり
に1個の溝の頻度で台形の溝(46)を設けた請求項2
1記載の方法。 - 【請求項36】 前記テクスチャ加工した壁が、交番す
るクレバスおよびピーク(58)を設けた請求項21記
載の方法。 - 【請求項37】 前記テクスチャ加工した壁が、交番す
る平坦な底部およびピーク(58)を設けた請求項21
記載の方法。 - 【請求項38】 前記テクスチャ加工した壁が、交番す
る平坦な頂部(60)およびクレバス(56)を設けた
請求項21記載の方法。 - 【請求項39】 前記テクスチャ加工した壁が、アール
を付けた波状の輪郭(62)を設けた請求項21記載の
方法。
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