JP2013508162A - ボアを含む金属製インゴットを製造する方法並びに関連のインゴット及び成形装置 - Google Patents

Abstract

本方法において、インゴット型２と、コア４と、底部２７とによって画定された成形キャビティ３Ａを含む型１が、溶融金属をその上部にて導入する手段９を含む真空鋳造エンクロージャー５の内側に配置されている。真空鋳造エンクロージャー５の中に導入された溶融鋼を受け入れるのに適しているとともに、成形キャビティ３Ａ内に溶融金属を再分配するのに適している、溶融金属を受け入れて分配する手段１１Ａ、１１’が、成形キャビティ３Ａの上部に配置されている。溶融金属は、受け入れて分配する手段１１Ａ、１１’の上に溶融金属を注ぐために真空下で溶融鋼の第１の噴流５０を形成するように、かつ、真空下で溶融鋼の少なくとも１つの第２の噴流５２を形成するようにエンクロージャー５の中に導入され、第２の噴流５２は、成形キャビティ３Ａに溶融金属を満たすように、受け入れて分配する手段１１Ａ、１１’で始まるとともに成形キャビティ３Ａで終わる。

Description

本発明は、縦方向のボアを含む金属製インゴットの製造に関し、特に、鍛造環状部品を製造することを意図した鋼製インゴットの製造に関する。

例えば原子力発電プラント容器又は石油化学反応炉を建設するためのスリーブのような鍛造環状部品を製造するために、中実であるインゴットを使用すること（その場合、軸方向の孔の穿孔を含む鍛造作業を必然的に伴う）が知られている。スリーブの形態に直接変形され得る、中央ボアを含むインゴットを直接鋳造することが知られている。

これら２つのタイプのインゴットは、特に鋳込条件の点において異なり、結果として、特に、溶融状態おいて保たれる水素含有量において異なり、得られた部品の特性及び製造条件の両方に影響を与え得る。

実際、中実のインゴットは真空鋳造が可能であり、真空鋳造中に脱気された鋼からインゴットを作ることを可能にし、これにより水素含有量レベルが１ｐｐｍ未満のレベルに保証される。

しかしながら、中央ボアを含むインゴットは大気中で下注ぎ鋳造される。これらのインゴットは、取鍋精錬作業中に脱気された金属又は溶融鋼を用いて鋳造され、一般的に、１．５ｐｐｍを下回る水素含有量が保証される。しかしながら、下注ぎ鋳造中、大気を介した通路、及び、熱源を構成する耐火材との接触により、鋼は再び０．３ｐｐｍ前後の量の水素を取り込み、このため、インゴット型内で鋼が溶融状態にある場合、１．８ｐｐｍを下回る水素含有量を保証することができるインゴットを得るのは困難である。

しかしながら、或る種の用途において、特に原子炉建設の分野における用途においては、完成品における水素含有量が０．８ｐｐｍ未満である部品を確保する必要がある。そのような含有量レベルは、真空鋳造による中実インゴットを用いて、特に真空鋳造エンクロージャー内の圧力が１３．３３２Ｐａ（０．１トール）前後の場合に達成することができる。しかしながら、下注ぎ鋳造されるインゴット、特に縦方向のボアを含むインゴットの場合、鍛造中に、特に酸素を拡散させることを意図する長時間かつ高コストの一連の熱処理を部品に対して施すことによってしか、この保証を得ることができない。したがって、これらの相違点に起因して、縦方向のボアを有するインゴットを中実のインゴットに比して簡素化された鍛造プロセスによって鍛造することができるが、その一方で、極めて長時間かつ極めて費用のかかる脱気処理が必要とされることになり、これによりプロセスが一層複雑化してしまう。

しかしながら、中実のインゴットは水素含有量レベルが低く、したがって脱気処理も必要とされないが、より一層複雑化した鍛造プロセスが必要となる。実際、このプロセスは、中央穴を形成することを意図する少なくとも１つの工程を含まなければならず、そのため、炉内での幾つかの鍛造作業及び加熱作業が必要となる。

本発明の１つの目的は、多くの脱気熱処理を必要とすることなく完成品において低い水素含有量状態を保証するように、最初から水素含有量が十分に低いものでありながらも縦方向のボアを有する鍛造されたインゴットを得る手段を提案することによってこれらの欠点を解消することにある。

そのために、本発明は、上方に開口したキャビティを含む、支持体の上で垂直方向に延びるインゴット型と、該インゴット型のキャビティの内側に配置された垂直方向のコアと、底部とによって画定されたほぼ環状の成形キャビティを含む型における溶融金属鋳造によって、縦方向のボアを含む金属製インゴットを製造する方法に関する。

本方法によれば、型は、溶融金属をその上部にて導入する手段を含む真空鋳造エンクロージャーの内側に配置されており、
真空鋳造エンクロージャーの中に導入された溶融鋼を受け入れるのに適しているとともに、成形キャビティ内に溶融金属を再分配するのに適している、溶融金属を受け入れて分配する手段が、成形キャビティの上部に配置されており、
溶融金属は、該溶融金属を受け入れて分配する手段の上に注ぐために真空下で溶融鋼の第１の噴流を形成するように、かつ、真空下で溶融鋼の少なくとも１つの第２の噴流を形成するようにエンクロージャーの中に導入され、第２の噴流は、成形キャビティに溶融金属を満たすように、受け入れて分配する手段で始まるとともに成形キャビティで終わる。

本発明による方法は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含むことができる：
溶融金属を受け入れて分配する手段は、成形キャビティ内に連通する、少なくとも１つの放出チャネルを含む洗面器すなわちベイスン(cuvette)状の形態をした（分配器である。放出チャネルは、様々な形状（管、曲路等）及び様々な位置（水平、傾斜等）をとることができる。
溶融金属を受け入れて分配する手段は、耐火性材料で作製された錐状体であり、該錐状体の先端が溶融鋼の第１の噴流を受けるようになっている。
溶融金属を受け入れて分配する手段は、コアの上端で支持されている。
コアは、金属製の軸方向フレーム構造部を含む、耐火性材料で作製されたほぼ筒状のボディで構成されている。
コアのフレーム構造部は、例えば鋼で作製された金属管であり、その壁に複数の孔を有する。
型は、ほぼ回転対称である。
溶融金属は溶融鋼である。
真空エンクロージャー内の圧力は２６．６６４Ｐａ（０．２トール）未満である。

本発明はまた、真空鋳造によって得られる縦方向のボアを含む鋼製インゴットに関する。インゴットは例えば、ほぼ回転対称の形状を有することができる。

インゴットは、１．２ｐｐｍ未満、好ましくは、１ｐｐｍ以下、特により好ましくは０．８ｐｐｍ以下の水素含有量を有することができる。

本発明はまた、縦方向のボアを含む金属製インゴットを真空鋳造する装置であって、
インゴット型、
インゴット型内に垂直方向に配置された、補強耐火性材料から作製されたコア、及び
底部、
によって画定された、成形キャビティと、
コアの上端で支持されるように配置された、溶融金属を受け入れて分配する手段と、
を備える、装置に関する。

代替案によれば、
溶融金属を受け入れて分配する手段は、成形キャビティで終端する少なくとも１つの放出チャネルを含む、ベイスン状の分配器であり、
溶融金属を受け入れて分配する手段は、耐火性材料から作製された錐状体であり、該錐状体の先端が溶融鋼の第１の噴流を受けるようになっている。

本発明を次に、添付図面を参照しながら、より詳細に、しかし非限定的に説明する。

縦方向のボアを含む金属製インゴットのための真空鋳造設備の断面図である。 溶融金属を受け入れて分配する手段を備えた、縦方向のボアを含むインゴットを鋳造するためのインゴット型の上面図である。 縦方向のボアを含むインゴットを鋳造するためのインゴット型の頂部に溶融金属を分配する装置の第２の実施形態の概略断面図である。 図３に示した溶融金属を受け入れて分配する装置の拡大分解図である。

図１は、ほぼ回転対称の形状を有するとともに縦方向の中央ボアを含む金属製インゴット、特に鋼製インゴットの真空鋳造を可能とする設備を示す。

この設備は、金属製インゴットを成形することを意図する型１を備え、型１は、それ自体知られている鋳鉄製インゴット型２で構成されており、インゴット型２はキャビティ３を画定しており、キャビティ３の内部には垂直方向のコア４が配置されている。このユニットは真空鋳造エンクロージャー５の中に配置されており、エンクロージャー５は、蓋８で封止されるタンク（cuve）６で構成されており、タンク６はポンプ設備（図示せず）に接続されたポンプチャネル７を含んでいる。蓋８は、真空エンクロージャーの内部に溶融金属を導入する手段９を含み、この手段９は、スライドゲート１１によって封止される中間レードル１０で構成されており、スライドゲート１１は、中間レードル１０と真空エンクロージャー５との間の接合部に配置されている。

そのような真空鋳造設備は、それ自体知られており、溶融金属、特に鋼を鋳造することを可能とし、溶融金属は最初に中間レードル１０に注がれ、次いで、真空を破壊することなくスライドゲート１１を開放することによって真空エンクロージャー５内に流入することができる。

型１はウェッジ１７の上に載置され、ウェッジ１７の高さは、インゴット型が真空鋳造エンクロージャー５内に完全に配置される高さとなっており、上記真空鋳造エンクロージャー５は地面１６の下に置かれている。

型１の下部において、この部分は全体として符号２７で示された底部を含み、底部２７はウェッジ手段１８及び鋳鉄製バックプレート２０を含んでいる。底部は、所望のインゴット高さを得るようになっている。ウェッジ手段は、例えば鋳鉄から作製されている。ウェッジ手段とインゴット型の側壁との間の空間には乾燥砂１９が充填されている。

垂直方向のコア４の下部を受け入れることを意図する鋳鉄製バックプレート２０は、クロム鉄鉱製ジョイントによって包囲されている。

このように、インゴット型２、コア４及び底部２７が、溶融金属の受け入れを意図する概ね環状の成形キャビティを画定している。

ほぼ円筒状の垂直方向のコア４は、その外側部分が、金属製フレーム構造部を取り囲むクロム鉄鉱で構成されており、フレーム構造部は、全高さにわたって延びる鋼管４２と、潜在的に孔を有し得る壁とで構成されている。この金属製フレーム構造部は、一方では、垂直方向のコア４の剛性を確保することを意図しており、他方では、煙突を構成することを意図しており、この煙突を介してクロム鉄鉱製のコアの脱気から生じるガスを逃がすことができる。クロム鉄鉱製コアは、有利には、耐火性コーティングで被覆することができ、ベースはケイ酸ジルコニウム又は任意の等価製品である。

成形キャビティ３Ａの上部には、押し湯用プレート２２が、インゴット型の内壁及びコアの外壁に配置されている。そのような押し湯用プレートはそれ自体知られており、当業者にも知られている。

型の上部には、真空エンクロージャー内に導入される溶融鋼を受け入れて分配する手段１１Ａが配置されている。この液体を受け入れて分配する手段１１Ａは、ベイスン状の、管状アルミナによって形成された分配器１２で構成されており、分配器１２は、その周囲に、成形キャビティ３Ａの上に垂直方向に出ているチャネル１３を含む。チャネル１３は、分配器１２の内部に収容された溶融鋼を成形キャビティ３Ａへ導くことを意図する。これらのチャネル１３は、耐火性材料から作製されており、砂が充填されたボックス１４内に収納されている。それらは支持プレート１５上に載置されており、支持プレート１５は垂直方向のコア４の上部及びインゴット型２の上面で支持されている。

上面図である図２に示されているように、分配器１２は内側ベイスン(cuvette)１２１を含み、この内側ベイスン１２１から４本のチャネル１３が延びており、４本のチャネル１３は、砂を収容している４つのメンテナンスボックス１４内に収納されており、支持プレート１５のアーム１２２によって支持されている。これらのアーム１２２は、十字状に配置されており、インゴット型２の頂部で支持されている。

最後に、成形キャビティ３Ａの中に溶融鋼を注ぐことを可能とする、成形キャビティ３Ａの上部及びチャネル１３の開口近くに、型１は、一方では垂直方向のコア４を、他方ではインゴット型２を包囲する押し湯用プレート２２を含む。そのような押し湯用プレートは、当業者によってそれ自体知られている。

以下、金属製インゴット、特にほぼ回転対称の形状を有するとともに同じく回転対称の中央ボアを含む鋼製インゴットを鋳造する方法について説明する。

蓋８を用いてタンク６を封止した後、当業者によってそれ自体知られている真空ポンプ設備を用いて、チャネル７を介して真空引きすることで真空鋳造エンクロージャー５内に真空を作り出す。このようにして、真空エンクロージャー５の内部の気圧は、６６．６６１Ｐａ（０．５トール）未満、好適には２６．６６４Ｐａ（０．２トール）未満、さらに好適には１３．３３２Ｐａ（０．１トール）未満まで下がることができる値まで低下する。エンクロージャーの中にひとたび真空が作り出されると、鋼製レードルが中間レードル１０の上に配置され、溶融鋼が中間レードル１０内に注がれる。中間レードル１０が鋼で十分に満たされると、スライドゲート１１が開放され、真空エンクロージャー５の内部に溶融鋼を導入することが可能となる。この溶融鋼は、分配器１２のベイスン１２１内の溶融鋼の蓄え５１を形成する第１の噴流５０を形成する。

次いで、溶融鋼の蓄え５１は、チャネル１３を通って流れて、成形キャビティ３Ａの内部に溶融鋼を導入する第２の噴流５２を形成し、成形キャビティ３Ａの内部の溶融鋼５３の嵩を増していく）ことによって、その成形キャビティ３Ａを徐々に満たしていく。

真空エンクロージャー５の内部に、一方はスライドゲートと分配器１２との間に位置する噴流５０であり、他方は成形キャビティ３Ａを満たすための噴流５２である、溶融鋼の複数の噴流５０、５２を形成することにより、鋼の脱気が特に効果的となる。実際、第１の噴流５０及び他方の噴流５２の両方が勢いよく噴き出し、真空下でのこれらの噴流５０、５２の噴き出しは、水素の放出に好ましい。

このようにして、水素含有量レベルが好ましくは１．２ｐｐｍ〜１．５ｐｐｍであるように、静的な脱気レードル中で又は二次冶金作業時に最初に静的に脱気された液体の鋼を用いることで、インゴットがまだインゴット型の内部で溶融状態にあるときに水素含有量レベルがほぼ０．８ｐｐｍ未満であるものとすることができる、縦方向のボアを有するインゴットを得ることが可能である。

しかしながら、１つの代替の実施形態においては、水素含有量レベルが１．５ｐｐｍよりも高い溶融鋼から開始することが可能であり、それでもなお、ほぼ０．８ｐｐｍ未満となる水素含有量レベルを有するインゴットを得ることができる。

ひとたび成形キャビティ３Ａが溶融鋼で満たされると、既知の方法で、真空鋳造エンクロージャー５内でインゴットを固化させることによって手順を進める。

次いで、蓋８を取り外すことにより真空鋳造エンクロージャー５を開放し、次に、受け入れて分配する手段１１を取り外し、その後、当業者によってそれ自体知られている方法でインゴットを離型させることができる。

このようにして、金属特性が高く、原子力発電プラント容器又は石油化学設備のような重量設備の鍛造部品を製造するために使用することができる、金属製インゴット、特に鋼製インゴット、詳細には僅かに合金化された鋼が得られる。このインゴットは非常に低い水素含有量レベルを有し、１．２ｐｐｍ未満、さらには１ｐｐｍ未満、より好適には場合によって０．８ｐｐｍ未満であることを保証することができる。

このようなインゴットは、極めて高品質の部品を得るために、その後の非常に簡素化された鍛造作業を可能にするという利点を有している。ここに示された実施形態においては、溶融金属を受け入れて分配する手段１１Ａは、ベイスンを含み、中央コア４上に支持された分配器１２で構成される。他の実施形態も可能であり、重要な点は、２つの連続的な脱気作業が行われるように噴き出すことができる溶融金属の２つの連続的な噴流を少なくとも真空下で形成することである。

図３は、インゴット型２の頂部に、真空鋳造エンクロージャー内に導入される溶融金属の噴流５０を受け入れて分配する手段１１’が設けられた、別の可能な実施形態を示している。この手段１１’は、中央コア４上に支持されている錐状体１１０で構成されている。噴流５０によってもたらされる溶融金属は、錐状体１１０の外周上の領域５１’にわたって流れ、続いて成形キャビティ３Ａ内に出ると同時に、噴き出す噴流５２’を形成し、極めて良好な脱気を確保することができる。

図４は、錐状体１１０を維持することを意図するＵ字状クリップ(cavalier)１１１によって完成された、溶融鋼を受け入れて分配する手段の錐状体１１０を示している。

ここまでの記載において、ほぼ回転対称の、同じく回転対称である軸方向のボアを含むインゴットの製造について説明した。しかしながら、当業者は、インゴット及びボアが回転対称ではない場合があること、並びにボアが軸方向ではない場合があることを理解するであろう。いずれの場合も、成形キャビティはほぼ環状であると言える。

同様に、ほぼ円筒状のコア及びインゴット型について説明したが、当業者は、コア及び／又はインゴット型は、僅かに円錐状とすることもできることを理解するであろう。一般的に、当業者は、成形キャビティに、離型を容易にすることを意図した抜き勾配を設けることができることを理解するであろう。

最後に、既知の方法で、インゴット型を幾つかの組み立てられたセグメントで構成することができる。

Claims (14)

1. 上方に開口したキャビティ（３）を含む、支持体（１７）の上で垂直方向に延びるインゴット型（２）と、前記キャビティ（３）の内側に配置された垂直方向のコア（４）と、底部（２７）とによって画定されたほぼ環状の成形キャビティ（３Ａ）を含む型（１）における溶融金属鋳造によって、縦方向のボアを含む金属製インゴットを製造する方法であって、
   前記型（１）は、その上部にて溶融金属を導入する手段（９）を含む真空鋳造エンクロージャー（５）の内側に配置されており、
   前記真空鋳造エンクロージャー（５）の中に導入された溶融鋼を受け入れるのに適しているとともに、前記成形キャビティ（３Ａ）内に前記溶融金属を再分配するのに適している、溶融金属を受け入れて分配する手段（１１Ａ、１１’）が、前記成形キャビティ（３Ａ）の上部に配置されていること、及び
   前記溶融金属は、前記受け入れて分配する手段（１１Ａ、１１’）の上に前記溶融金属を注ぐために真空下で溶融鋼の第１の噴流（５０）を形成するように、かつ、真空下で溶融鋼の少なくとも１つの第２の噴流（５２）を形成するように前記エンクロージャー（５）の中に導入され、前記第２の噴流（５２）は、前記成形キャビティ（３Ａ）に溶融金属を満たすように、前記受け入れて分配する手段（１１Ａ、１１’）で始まるとともに前記成形キャビティ（３Ａ）で終わることを特徴とする、方法。
2. 前記溶融金属を受け入れて分配する手段（１１Ａ）は、前記成形キャビティ（３Ａ）内に連通する、少なくとも１つの放出チャネル（１３）を含むベイスン状の分配器（１２）であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記溶融金属を受け入れて分配する手段（１１’）は、耐火性材料から作製された錐状体（１１０）であり、該錐状体（１１０）の先端が前記溶融鋼の第１の噴流を受けるようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記溶融金属を受け入れて分配する手段（１１Ａ、１１’）は、前記コア（４）の上端で支持されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記コア（４）は、金属製の軸方向フレーム構造部（４２）を含む、耐火性材料から作製されたほぼ円筒状のボディ（４１）で構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記コアの前記フレーム構造部は、例えば鋼から作製された金属管（４２）であり、該金属管（４２）の壁に複数の孔を有することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記型はほぼ回転対称であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記溶融金属は溶融鋼であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記真空エンクロージャー（５）内の圧力が６６．６６１Ｐａ未満であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 縦方向のボアを含む鋼製インゴットであって、真空鋳造によって得られたことを特徴とする、鋼製インゴット。
11. 水素含有量が１．２ｐｐｍ未満であることを特徴とする、請求項１０に記載の鋼製インゴット。
12. 縦方向のボアを含む金属製インゴットを真空鋳造する装置（１）であって、
    インゴット型（２）、
    前記インゴット型（２）内に垂直方向に配置された、補強耐火性材料から作製されたコア（４）、及び
    底部（２７）、
    によって画定された成形キャビティ（３Ａ）を含む、型（１）と、
    前記コアの上端で支持されるように配置された、溶融金属を受け入れて分配する手段（１１Ａ、１１’）と、
    を備えることを特徴とする、装置。
13. 前記溶融金属を受け入れて分配する手段（１１Ａ）が、前記成形キャビティ（３Ａ）で終端する少なくとも１つの放出チャネル（１３）を含む、ベイスン状の分配器（１２）であることを特徴とする、請求項１２に記載の成形装置。
14. 成形装置（１）であって、前記溶融金属を受け入れて分配する手段（１１’）は、耐火性材料から作製された錐状体（１１０）であり、該錐状体（１１０）の先端が溶融鋼の第１の噴流を受けるようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の成形装置。

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