JP3902133B2

JP3902133B2 - 電極を溶解して金属インゴットまたはビレットを製造する方法およびこれを実行する装置

Info

Publication number: JP3902133B2
Application number: JP2002541132A
Authority: JP
Inventors: ホルツグルーバー・ヴォルフガング; ホルツグルーバー・ハラルド; メドヴァール・レヴ; ラントスマン・イズレイル
Original assignee: インテコ・インターナショナーレ・テクニシェ・ベラツング・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2021-11-09
Also published as: AU2002219090A1; EP1339885A2; AT410412B; DE10154727A1; JP2004522850A; DE50113765D1; ATA18932000A; WO2002038820A3; WO2002038820A2; US20040026380A1; EP1339885B1; US6853672B2; EP1339885B2

Description

本発明は、スラグ浴に電流を流す、長さの短く、水冷式の下方に向かって開放されているモールドにおいて、交流または直流を使用して消耗性電極を電気的に導電性のスラグ浴中で溶解することにより、金属インゴットまたはビレット、特に鋼ならびにニッケル合金およびコバルト合金を製造する方法に関するものである。本発明はさらに、前記方法を実行するための装置に関するものである。

固定チルモールドまたは長さの短いスライディング・チルモールドを使用してエレクトロスラグ再溶解法により、再溶解されたインゴットを製造する場合、再溶解された合金の偏析の発生度に応じて、溶解速度を時間当たりの重量で設定するのが通常である。例えば、円筒形（丸形）インゴットの場合、該インゴットの直径（mm）の７０％から１１０％を溶解する速度に設定される。円形の断面を有するインゴットとは異なる、正方形または平板状のインゴットの場合、断面の周囲長さを円周率πで除した等価直径を使用する。工具鋼または高度なニッケル合金のような、重度に偏析し易い合金の場合には、偏析現象を防止するために浅い溶解溜まり（metal sump）を形成する目的で、溶解速度を低く設定する。しかしながら、従来のエレクトロスラグ再溶解プロセスでは、溶解している電極からスラグ浴に電力を供給する際、電力を著しく減少させる必要があり、その結果、スラグ浴の温度が低くなってしまい、しばしば条溝（groove）を伴う劣悪なインゴット面が形成される。このため、溶解速度を７０％以下に設定することはほとんど不可能である。スラグ浴への電力の供給を極度に減少させると、インゴットとモールドの間には厚いスラグ膜が形成されてしまって、インゴット表面からの放熱が妨げられ、その結果、所望の浅い溶解溜まり（molten bath sump）を得ることはできない。一方、偏析の生じにくい鋼や合金の場合でさえも、ＥＳＲ法と呼ばれる従来のエレクトロスラグ再溶解プロセスでは、インゴットの直径（mm）の１１０％を超える溶解速度に設定することはできない。なぜなら、溶解速度が上がり、スラグ浴が過熱されると、溶解溜まりがインゴットを形成するには許容できない深さになってしまい、偏析現象とも関係のある、粗悪なインゴット構造が形成されるからである。溶解電流が溶解電極を通ってスラグ浴に流れ、再溶解されたインゴットおよび底板を通って戻る従来のＥＳＲ法では、上述から明らかな通り、スラグ浴の温度、溶解速度、これらに関連する溶解溜まりの深さおよびインゴット表面の性質は、緊密に相関しており、また別個に監視および制御できるものではない。

１０００mm以上の大径を持つ再溶解されたインゴットを製造する場合、次のことが認められる。つまり、特に、チルモールドの直径の６５〜８５％を占める直径を持つ溶解電極を使用した場合に、上述した所望の低溶解速度で再溶解を行うと、スラグ浴の温度が極めて低くなってしまい、その結果、しばしば条溝が形成された劣悪な表面を有する再溶解されたインゴットが製造される。その場合に、スラグ浴への電力供給を増やすと、インゴット表面がより良好になることは確かであるが、同時に溶解速度が許容範囲を超えてしまい、その結果、溶解溜まりがより深くなり、かつインゴットが硬化しにくくなる。スラグ浴への電力供給の増加に伴う溶解速度の上昇は、溶解電極が、エネルギーをスラグ浴に供給する一方で、スラグ浴への電力供給の増加に応じて、より早く溶解するという理由により、生じる。電極の位置は、電極自体が溶解する速度でスラグ浴内へ移動させることにより、適切に調整されなければならない。溶解電極がそのように位置的に調整されない場合、スラグ浴面の上方で電極の溶解が行われるため、スラグ浴との電気的接触、すなわちスラグ浴への電力供給が妨げられる。したがって、再溶解プロセスは停止する。

スラグ浴の温度を上昇させる別の方法は、小径の電極を再溶解することである。その場合、スラグ浴に浸漬する、電極の端面は小さいため、比較的加熱されたスラグ浴が所望の溶解速度を得るのに要求される。多くの場合、そのような方法で、インゴット表面を向上できるのは確かであるが、小径の電極を使用すると、インゴットの中心に熱がより集中し、その結果、Ｖ形に窪んだ（溶解）溜まりが形成され、偏析が生じ易くなる。

上記問題の原因は、電極の溶解速度が、電極を通ってスラグ浴に供給されるエネルギーによって制御される一方で、溶解溜まり全体を十分に液状に維持するために、および溶解溜まりのメニスカス（meniscus）上での硬化の一時的な進行を防止するために、エネルギー供給が十分であることが必要とされる、という事実にある。詳細には、スラグ浴の温度が極めて低いため、硬化がメニスカスを越えて一時的に進行した場合には、インゴットの表面に条溝が形成されてしまい、後のインゴット製造プロセスに悪影響を及ぼす。

本願の出願人のＥＰ特許７８６５２１Ｂ１は、従来のエレクトロスラグ再溶解法よりも比較的大径の電極を溶解することにより、溶解速度をより高く設定するエレクトロスラグ再溶解の方法を開示している。この方法では、溶解電流の一部は、チルモールドの壁に装着された導電素子を通って戻る。この構成により、使用される導電ループ（loop）の全抵抗に反比例して、戻り電流が分配（分電）される。

上記問題に鑑みて、本発明は、スラグ浴の温度とは別個に電極の溶解速度を制御すること、および同時に良好なインゴット表面を確保することを目的とする。

上記目的は、独立請求項の教示により果たされるのに対し、従属項は有利な発展形態を定める。さらに、本発明の範囲は、明細書、図面および特許請求の範囲に開示される特徴のうち少なくとも２つの特徴からなる全ての組み合わせを包含する。

上記目的は、スラグ中で消耗性電極を再溶解するために、スラグ浴の領域内でモールドの壁に装着され、かつ再溶解されたインゴットを造形するモールド下部に対して電気的に絶縁されている導電素子を公知のモールドに用いた場合、驚くほど単純な方法で果たされる。この方法では、モールドの壁を介してエネルギーを供給することにより、スラグ浴内へ前進移動する電極とは別個にスラグ浴を加熱できるので、溶解溜まりは、その縁から縁までメニスカス全体にわたって液状に維持できる。他方、消耗性電極の溶解速度は、過熱されたスラグ浴内への電極の前進速度によって容易に制御できる。

溶解電極には電流を全く流さなくてもよいが、電流の一部を電極を介して流すこともできる。

モールド下部において造形されたインゴットは、モールドから下方に引き抜かれるか、または底板上にインゴットが造形されて高くなるにつれ、モールドを持ち上げることにより引き抜かれる。

したがって、本発明の主題は、公知の方法でスラグ浴に電流を流す、長さの短く、水冷式の下方に向かって開放されているモールドにおいて、電気的に導電性のスラグ浴内で消耗性電極を溶解することにより、金属のインゴットまたはビレット、特に鋼、ニッケル合金およびコバルト合金を製造する方法に関する。前記本発明による方法では、供給された溶解電流は、電極およびモールド間の電流の分配に関しては、制御および調整されて溶解電極およびモールドの両方を通ってスラグ浴に導入される。また、溶解電流の戻りは、スイッチの切替えにより、（ａ）前記モールドのみ、（ｂ）インゴットおよび底板、または（ｃ）モールド、インゴットおよび底板、を選択的に通って行われ、電流の分割を調整できる。さらに、溶解電極を通って供給される電流を供給される全溶解電流の０〜１００％の割合に調整できることが望ましい。同様に、底板を通って溶解電流供給手段へ戻る電流を供給された全溶解電流の０〜１００％の割合に調整できることが望ましい。

本発明の原理から定められた、本発明による方法は、作業者の要求に対して様々な方法で適合することができる。

例えば、長さの短い、導電性のモールドは作業プラットホームに固定されて設置され、再溶解されたインゴットはモールドから下方に引き抜かれる。

また、固定された底板上でインゴットを造形し、インゴットが大きくなるにつれモールドを持ち上げることも可能である。インゴットを引き抜く作業、またはモールドを持ち上げる作業を、段階的にまたは連続的に行ってもよい。

本発明によれば、使用される溶解電流供給手段が直流電源の場合、２つの溶解電流供給手段に対して極の切替えスイッチを設けることにより、陽極または陰極としての上記複数の回路態様において給電を行うことが可能である。

また、本発明による装置において公知の方法で電極を交換することにより、電極の長さには関係なく、長いインゴットを製造することが望ましい。

本発明の別の利点、特徴および詳細は、好ましい実施形態の下記の記述および図面から明瞭になるであろう。

図１に示すように、中空の環状モールド本体１２を持つ水冷式チルモールド１０の下方には、中空の底板１４が位置する。底板１４の外径はモールド１０の内径ｄよりもわずかに小さい。底板１４はモールドの開口部つまり高さｈを持つモールドの内部空間１１内に押し込まれて、中空のモールド本体１２の上端１３の直下に配置される。

環状の絶縁素子１６が上端１３上に設けられ、また、リング形状の、複数の部品からなる導電素子１８が、絶縁素子１６上に設けられている。導電素子１８は、モールド１０の水冷された下部領域２０に対して、電流を伝導しない絶縁素子１６によって電気的に絶縁されており、かつ上部絶縁素子１６ａによってモールド１０の水冷された上部領域である中空のリング２２から離されている。なお、上部絶縁素子１６ａは、本明細書に記述される、本発明の装置では必ずしも必要でない。

スラグ浴２４の下方で溶解溜まり２６に被覆され、かつ底板１４上で支持される再溶解インゴットまたはプレインゴット３０は、消耗性電極２８を用いる再溶解プロセスによって製造され、モールド１０の水冷された下部領域２０において造形される。再溶解プロセスを開始するにあたって、例えば、スラグ浴２４のスラグ面２５がほぼ上部絶縁素子１６ａの上端に達するまで液状のスラグがモールド１０および電極２８間の間隙（mold gap）に流し込まれる。

一方で、電極２８が、他方で、底板１４が、大容量の電流ライン３２，３４を介して直流または交流電源３６のそれぞれの極に接続されている。ライン３２から枝分かれしている、大容量の電流ライン３２ａが、その一端で導電素子１８に接続されている。交流または直流電源３６からスラグ浴２６への溶解電流の給電は、ライン３２，３２ａによって接続される大容量の各接点３８，３９の状態に応じて行われる。つまり、スラグ浴２６への給電は、電極２８もしくはモールド１０の導電素子１８、または同時に電極２８および導電素子１８の両方を介して行われる。電極２８または導電素子１８を通って流れる電流の割合は、調整可能な抵抗４２，４２ａ、または効果の点に関して、これら抵抗と同等である他の装置によって、所望通りに調整できる。この接続形態によれば、全溶解電流の戻りは、再溶解インゴット３０および下方に移動可能な底板１４を経て戻りライン３４により行われる。

図２に示す別の接続形態では、モールド１０に設けられた少なくとも２つの導電素子１８，１８ａは、絶縁素子１６，１６ａにより、互いに絶縁されており、またモールド１０の下部領域２０および上部領域２２、すなわち中空リング１２に対しても絶縁されている。図３に示すように、リングの一部を構成する（part-circular）２つの導電素子１８，１８ａが、これらの導電素子と共にリングを形成するのに適切な形状をした絶縁素子１６ｂにより、互いに絶縁されている。異なる電位にある２つ以上の導電素子１８，１８ａが、特に、縦軸Ａを中心とする円形の断面を持つモールド１０において要求される場合、これらの導電素子もリング形の円形形状であり、また互いに上下に重ねて配置でき、その間には絶縁素子１６が絶縁のために配置される。この絶縁素子１６もリング形状である。

電流がモールド１０の導電素子１８および底板１４を通って戻る場合、底板１４を電源３６に接続する戻りライン３４の調整可能な抵抗４４と、電源３６を導電素子１８に接続し、かつ戻りライン３４に接続するライン３５または同等な機能を持つ別の装置の調整可能な抵抗４４ａとによって、底板１４を通って戻る電流の割合を調整できる。

図４は、溶解電流を供給するために並列に配置された２つの調整可能な電源３６，３６ａを使用して、本発明による方法を実行する接続形態を示している。この場合、２つの電源３６，３６ａによる溶解電流の給電は、ライン３２の大容量スイッチ３８，３８ａ，３８ｂ、ライン３２ａの大容量スイッチ３９、または電源３６ａおよび電極２８間のライン３２_nの大容量スイッチ３８ｂの切替えに応じて、別個にまたは共同で、電極２８もしくは導電素子１８ａまたはこれら両方に対して行われる。

溶解電流は、戻りライン３４に配置された大容量スイッチ４０，４０ａ、または戻りライン３５に配置された大容量スイッチ４１、または戻りライン３４を第２の電源３６ａに接続する分枝ライン３４_nの大容量スイッチ４０ｂの切替えに応じて、モールド１０の電流素子１８および／または底板１４を別々に、または同時に通って、電源３６もしくは電源３６ａ、またはこれら両方に戻る。以下の表１は、交流電源を使用した場合の、この接続形態によるスイッチ切替えの選択肢を示している。

電極およびスラグ浴は、モールド・フランジにより密閉される気密（gas-tight）フード（図示なし）によって、空気から保護されている。このように、再溶解処理は、空気中の酸素を除去した、調整された雰囲気中で行われるので、高純度の再溶解インゴットを製造することができ、また酸素に対して親和性のある元素の焼尽を防止できる。
実験例
スラグ浴２４への電流の供給が溶解電極２８およびモールド１０を介して行われ、電流の戻りがインゴット３０および底板１４を介して行われた、持ち上げ式モールド１０を用いるＥＳＲ装置に対して、テストを行った。

３０％のＣａＯ、３０％のＡｌ₂Ｏ₃、４０％のＣａＦ₂の組成から成る、７５ｋｇのスラグが溶解された後、まず、全溶解電流が電極を介して流され、スラグの上面が給電によりモールドリングを覆うまで、従来のＥＳＲプロセスにより電極が再溶解された。その時点までに、約４７０Ｋｇの電極が溶解された。最終的には、４６０Ｋｇ／ｈの溶解速度、４５０ＫＷのスラグ浴への電力供給、５８Ｖの２次電圧で８．０Ｋａの電流強度が得られた。その時点から、鋼の上面がモールドの導電リングに対して絶縁素子から略３０〜５０mm下方に保持されるようにモールドの持ち上げが調整され、したがって、導電リングは常にスラグ浴の領域内に保持された。導電リングを備えたことにより、溶解電流が導電リングおよび溶解電極間で分割された一方、同時にトランス電圧が４４Ｖまで下げられた。

後に、電極を通る電流は６．１ＫＡまで下がったが、モールドを通る電流は１１．４ＫＡであった。電極での有効電力は２７ＫＷであり、モールドを介しての有効電力は３８５ＫＷであった。これらの条件下では、溶解速度は３９０Ｋｇ／ｈまで落ちた。溶解はこれらの条件下で３．５時間行われた。次に、エネルギーの供給をモールドを介してのみで行うために、電極へエネルギーを供給するスイッチが切られた。トランスでの電圧が再び５５Ｖまで上げられ、その結果、モールドを通る電流が１３．９ＫＡまで上昇した。スラグ浴への電力供給は４８０ＫＷに設定され、同時に溶解速度は２７５Ｋｇ／ｈまで落ちた。

２時間後には、電流供給のスイッチが切られ、インゴットが装置から取り除かれた。製造されたインゴットの全長に渡って、特に低溶解速度で形成されたインゴット上部には、条溝やオーバーラップの無い滑らかな表面が形成された。鍛造作業後、製造されたインゴットの構造は、その全長に渡って満足できるものであった。

チルモールドを用いる金属鋳造装置の縦断面図である。チルモールドを用いる金属鋳造装置の縦断面図である。図２のラインＩＩＩ−ＩＩＩに沿った拡大断面図である。チルモールドを用いる金属鋳造装置の縦断面図である。

符号の説明

１０モールド
１４底板
１６絶縁素子
１８導電素子
２０モールド下部
２４スラグ浴
２８消耗性電極
３０インゴット
３６電源

Claims

スラグ浴に電流を流す、長さの短く、水冷式の下方に向かって開放されているモールドにおいて、交流または直流を使用して消耗性電極を電気的に導電性のスラグ浴中で溶解することにより、金属インゴットまたはビレットを製造する方法において、
供給された前記溶解電流は、前記電極とモールド間の電流の分配に関しては、制御および調整されて前記溶解電極およびモールドの両方を通って前記スラグ浴に導入され、また前記溶解電流は、スイッチの切替えにより、
（ａ）前記モールドのみ、（ｂ）インゴットおよび底板、または（ｃ）モールド、インゴットおよび底板、
を選択的に通って戻り、そのため、電流の分割が調整可能であることを特徴とする方法。
請求項１において、前記溶解電極を通って供給される電流を、前記供給される全溶解電流の０〜１００％の割合に調整できることを特徴とする方法。
請求項１において、前記底板から戻る電流を、前記供給された全溶解電流の０〜１００％の割合に調整できることを特徴とする方法。
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記電流の供給および戻りが、直流電流が使用されている場合、互いに置き換えられることを特徴とする方法。
請求項１ないし４のいずれかにおいて、形成されるビレットが前記モールドから連続的に引き抜かれることを特徴とする方法。
請求項２ないし４のいずれかにおいて、形成されるビレットが前記モールドから段階的に引き抜かれることを特徴とする方法。
請求項１ないし４のいずれかにおいて、形成されるビレットが固定されており、前記モールドが連続的に持ち上げられることを特徴とする方法。
請求項１ないし４のいずれかにおいて、形成されるビレットが固定されており、前記モールドが段階的に持ち上げられることを特徴とする方法。
前記スラグ浴（２４）の領域内に設けられ、かつ前記再溶解インゴット（３０）を形成する、モールド（１０）の下部領域（２０）、および／または他の導電素子に対し絶縁されている少なくとも１つの導電素子（１８，１８ａ）と、底板（１４）とを有する長さの短い水冷式モールド（１０）を使用して、請求項１ないし８のいずれかに記載の方法を実施するための装置において、
少なくとも１つの電源（３６，３６ａ）から溶解電極（２８）および前記少なくとも１つの導電素子（１８）の両方に溶解電流を供給するライン（３２，３２ａ）が、適切な接続形態により別個にまたは同時に調整でき、また、モールド（１０）の前記少なくとも１つの導電素子（１８，１８ａ）および再溶解インゴット（３０）を支持する前記底板（１４）の両方から前記少なくとも１つの電源に戻る電流の戻りライン（３４，３５）が、別個にまたは同時に調整できることを特徴とする装置。
請求項９において、電源（３６）から、供給ライン（３２）が電極（２８）に接続されており、また他の供給ライン（３２ａ）が導電素子（１８）に接続されていることを特徴とする装置。
請求項９または１０において、戻りライン（３４，３５）が底板（１４）および導電素子（１８）から電源（３６）に接続されていることを特徴とする装置。
請求項９ないし１１のいずれかにおいて、絶縁素子（１６ｂ）によって隔てられている複数の導電素子（１８，１８ａ）が、モールド（１０）内で単一の水平線上に配置されていることを特徴とする装置。
請求項１２において、導電素子（１８，１８ａ）が絶縁素子（１６ｂ）と共にリングを形成することを特徴とする装置。
請求項１３において、２つの導電素子（１８，１８ａ）の一方が供給ライン（３２ａ）に接続されており、他方が戻りライン（３５）に接続されていることを特徴とする装置。
請求項９ないし１４のいずれかにおいて、２つの電源（３６，３６ａ）の一方が溶解電極（２８）に接続されており、他方の電源（３６ａ）が前記溶解電極および導電素子（１８ａ）の両方に接続されていることを特徴とする装置。
請求項９ないし１５のいずれかにおいて、供給ライン（３２，３２ａ）に設けられた調整可能な抵抗（４２，４２ａ）と、戻りライン（３４，３５）に設けられた調整可能な抵抗（４４，４４ａ）とによって、供給ライン（３２，３２ａ）および戻りライン（３４，３５）間の電流強度の分割が調整可能に設定されていることを特徴とする装置。
請求項９ないし１５のいずれかにおいて、２つの別個に調整可能である電源（３６，３６ａ）が配置されていることを特徴とする装置。
請求項９ないし１７のいずれかにおいて、極の切替えができる電源または供給源（３６，３６ａ）として、整流器が設けられていることを特徴とする装置。