JP5203680B2 - 金属のエレクトロスラグ再溶解のプロセスおよびこれに使用されるインゴット・モールド - Google Patents

Description

本発明は、本特許出願の請求項１の前提部分に従って、長さの短い水冷式スライディング・インゴット・モールド内で、１つまたは複数の消耗性電極から再溶解ブロックを製造する、金属、特に鉄合金やニッケル合金のエレクトロスラグ再溶解のプロセスに関する。また、本発明はこのプロセスを実行するために、従来の技術を改良したインゴット・モールドを含む。

今日稼動しているエレクトロスラグ再溶解炉では、再溶解ブロックを造形および製造するために水冷式インゴット・モールドが使用されており、ブロックを造形する水冷式インゴット・モールドの壁と、一般的に銅からなるスラグ浴とを有している。スラグ浴が一般的に銅からなる理由は、連続鋳造からも知られているように、金属の固体化によって放出される大量の熱を冷水に素早く効率良く取り除くのに、この材料が最も適しているからである。連続鋳造では長さの短いインゴット・モールドのみが使用され、最初の熱棒支持シェルの形成後に、固体化している熱棒がそのインゴット・モールドからおよそ連続的に引き抜かれる。その一方で、従来の技術によるエレクトロスラグ再溶解では、いわゆる固定されたインゴット・モールドおよび長さの短いスライディング・インゴット・モールドが一般的に使用されている。

固定されたインゴット・モールドでは、インゴット・モールドの長さが製造されるブロックの長さに相当する。溶解溜まりの金属表面の上に浮かぶスラグ浴の中で消耗性電極を溶解することによって、再溶解プロセス中にインゴット・モールドに再溶解された金属が連続的に充填され、このとき、インゴット・モールド、すなわちインゴット・モールドの壁と、再溶解ブロックとは相対運動をしていない。

スライディング・インゴット・モールドを用いると、再溶解ブロックはインゴット・モールドの長さの何倍にもなる長さに製造される。このとき、その長さの短い水冷式インゴット・モールドは、溶解炉融体およびキャスティング・モールドの役目を果たし、その内部には高熱のスラグ浴があり、消耗性電極から溶解した金属が集められて固体化し、引き続き再溶解ブロックを造形する。よって、インゴット・モールドは、再溶解プロセスを実行するためにスラグ浴およびブロック固体化の領域にのみ必要となる。いったん再溶解ブロックが固体化してしまえば、キャスティング・モールドの目的は終わる。このため、インゴット・モールドの長さを前記に記載した範囲に限定し、溶解プロセスの間に、例えばブロック造形の速度と同じ平均速度で造形中のブロックをインゴット・モールドから引き抜くことが可能となる。このことは、造形されたブロックとインゴット・モールドの壁との間の相対運動になり、溶解溜りの金属表面は凹状になり、開始フェーズ時以外のブロック全体の造形の間は実質的にインゴット・モールド内で一定のレベルに留まる。造形中のブロックを、前記のとおり作業プラットフォーム上に設置されたインゴット・モールドから引き出す代わりに、固定された底板上に再溶解ブロックを造形し、調整装置を用いてブロック造形の速度と同じ速度で長さの短いインゴット・モールドを上方に引き抜くことも可能である。

一般的に知られているように、エレクトロスラグ再溶解中における溶解電力の消費量は、同様に電力を使用して稼動する他の溶解プロセス、例えばアーク炉またはるつぼ形誘導炉におけるスクラップ金属の溶解のようなものに対し比較的大きい。それは、エレクトロスラグ再溶解中は、再溶解ブロックの欠陥の無い固体化構造を確実にすることを優先して金属溶解速度が制御されているからである。それ故に、流れる電流によって高温に加熱されて加熱源となっているスラグ浴と水冷式インゴット・モールドの壁との直接的な接触は、付加的な充分な悪い影響を持つので、溶解速度を上昇させることによるエネルギーの節約はできない。

室温から鉄合金またはニッケル合金を溶解させて、約１６００℃に加熱するためには、理論上のエネルギー要求量は約４００kWh/tが必要となる。電力のみを使用するアーク炉または誘導炉内で溶解および過熱が起こる場合、プロセス関連の熱損失により、５００〜７００kWh/tのエネルギー消費量が予想される。これとは対照的に、例えば直径１０００ｍｍを持つ再溶解ブロックを１０００kg/hの割合で製造したときのエネルギー消費量は、使用されるスラグとスラグ浴の表面高さに応じて、１０００〜１８００kWh/tになる。このことは、高熱のスラグ浴から水冷式インゴット・モールドの壁を経由して冷水に伝わる熱量の流れが、スラグの成分に応じて１０００〜２０００kW/m^２になることによる。最も頻繁に使用されている、CaO、CaF_２およびAl_２O_３をそれぞれ１／３ずつ有するスラグにおいては、約１１００kW/m^２が予想される。１０００ｍｍの直径を持つインゴット・モールド内およびスラグ面の高さが約２００ｍｍのスラグ浴内での再溶解に関しては、スラグ領域でのエネルギー損失量は約６３０kWが予想され、これは再溶解ブロック造形が１０００kg/hの再溶解速度で行われた場合のエネルギー消費量である約６３０kWh/tに相当する。この値は、前記のスラグを用いた再溶解中の総エネルギー消費量である約１３００kWh/tと比較すると、実に５０％に相当する。しかし、より多くのCaF_２の含有量を持つスラグを使用した場合、この割合は著しくさらに高くなる。

上述した理由から、溶解エネルギー消費量を低下させるために、スラグ浴の領域における熱損失に対してインゴット・モールドを断熱することは自明である。特許文献１によると、これに相当する提案は１９６８年に既にされており、これによると、インゴット・モールド内の溶解された金属の表面の位置を制御することによって、溶解された金属の上に浮かぶスラグ全体が、インゴット・モールドの断熱された領域における液状のスラグ層として集められる。このように、断熱によって液状のスラグ層の温度は、前記金属の溶融温度より高く、または少なくともそれと同一の温度に保たれる。そのため、インゴット・モールド内の液状の金属は集められ、インゴット・モールドの断熱領域に移動するので、インゴット・モールドの断熱された部分と水冷された部分とを分ける境界ラインは溶解溜まりの金属表面より下に位置することになる。

従来の技術である前記の構成は、固体化する先端が適切に形成されていないので、稼動使用時に多大な困難が生じるという欠点を持つ。このため、金属のこの過熱によって、この金属がインゴット・モールドの断熱された部分と水冷された部分との間のギャップに侵入し、水冷された下部に接触しながらそこで固体化して、ギャップ内に垂れ下がったままの金属タブ（tab）を形成することがある。そのタブの厚み次第では、ブロックはインゴット・モールド内にいずれにせよ垂れ下がったままになり、ブロックの引き抜きが不可能となり、その結果、再溶解プロセスが終了される。タブの厚みが薄く、かつ、ブロックの表面全体に形成されていない場合は、固体化シェルに亀裂を形成し、少なくともブロックのその後の処理を困難にする。より深い亀裂が形成された場合には、液状の金属およびスラグが流出し、その結果、やはり再溶解プロセスが終了される。断熱された容器から始まり、液状の金属または最終的に固体化する金属と接触しながら水冷固体化する工程の問題は、水平連続鋳造で知られている。熱伝導、液状の金属に対する湿潤性、およびその他に関する特有の性質によって、固体化の進行が、断熱された部分と水冷された部分との境界ラインを超えて進行しないようにしたり、固体化熱棒シェルから容易に取り外しができる
窒化ホウ素から作られたいわゆるブレークリングが、断熱された部分と水冷された部分との移行点に設けられることによって前記問題が解決される。しかしながら、窒化ホウ素は生成するのが複雑で高価な材料であり、直径約２００ｍｍが上限となる従来の連続鋳造の寸法以下の比較的小さい寸法でしか得ることができず、このため、エレクトロスラグ再溶解にとって重要である直径５００ｍｍまたはそれを大きく超える寸法には適していない。
オーストラリア特許 ２８７２１５号明細書

そこで、本発明の目的は、エレクトロスラグ再溶解中のスラグ浴の領域における断熱の経済的な利点を利用する一方で、それだけでなく、ひいては前記で説明した問題を回避して、効果的な方法で技術を応用することができる。

独立請求項によって、前記目的が達成することができ、従属項が好ましい発展した形態を示している。さらに、明細書、図面および／または特許請求の範囲に開示されている少なくとも２つの特徴の全ての組み合わせが、本発明の構成の中に含まれる。表示され指定された範囲に関しては、その範囲内にある数値は限定的な数値としても開示されるべきであり、また、必要に応じて使用されるべきである。

本発明の課題解決手段は、２つの上下部分を有する長さの短い公知のスライディング・インゴット・モールドを使用することで達成され、その下部は従来の方法で水冷されるキャスティング・モールドの横断面を造形し、上部は熱を除去するために完全にまたは部分的に断熱されており、開始フェーズ時以外の通常のブロック造形の間、溶解溜まりの金属表面は、インゴット・モールドと再溶解ブロックとの間の相対運動の適切な制御によってインゴット・モールドの水冷された下部、つまりインゴット・モールドの水冷された部分と断熱された部分とを分ける境界ラインより下の位置に常時保たれ、溶解溜まりの金属表面と、水冷された部分と断熱された部分とを分ける境界ラインで形成される面との間の距離は５ｍｍ、最大で１００ｍｍであり、また、溶解溜まりの金属表面の上に浮かぶスラグ浴の高さの少なくとも７５％が断熱された部分の領域に位置している。

前記相対運動は、公知の方法で段階的または連続的に行われるものでよい。段階的な運動に関しては、その運動ステップはブロック造形速度の少なくとも２倍であり、ステップ後に休止が伴う。原則的には、このような運動ステップのそれぞれの後に反対方向へのステップを伴ってよく、その反対方向のステップの長さ、すなわちステップのストローク長さは正方向の運動ステップの最大３０％である。適用可能な場合には、往復運動が連続的な引き抜き運動を伴ってもよい。

放熱を防ぐ層の製造に関しては、断熱性のある、好ましくはセラミック製の層、例えば磁器製の層を持つ内層（lining）が特許文献１に提案されている。この材料だけでなく他のセラミック材料が持つ問題点は、それらが過熱された反応性の高いスラグに溶解され、ほんの短時間で消耗してしまうということにある。

本発明のさらなる利点、特徴および詳細は本発明の好ましい例示的な実施形態についての以下の説明や図面より明らかになる。

図１は１つの図面の中に、従来技術を改良し、本発明のプロセスを実行するのに特に適したインゴット・モールドを備え、多数の構成部を有するインゴット・モールドユニットの縦断面を示している。

インゴット・モールド１０は縦方向Ａに２つの部分に区分されている。多数の部分を有するインゴット・モールド・ユニット１０としてのスライディング・インゴット・モールドの下部は、水冷された固体化する、すなわちキャスティング・モールド１２を示し、そのキャスティング・モールド１２の内壁が、好ましくは、銅から作られたインサート１４からなる。そのインサート１４は水ジャケットまたは水ボックス内に設けられている。なお、水ジャケットと水ボックスは図示されていない。インサート１４より内側では、インゴット・モールド縦方向Ａにおいてインサート１４より上に位置する消耗性電極２から滴り落ちる金属が、溶解溜まり４で集められて固体化し、再溶解ブロック６を形成する。溶解溜まり４の金属表面５の上にスラグ浴８が形成される。

溶解溜まりの金属表面５が、キャスティング・モールドの上部の水冷のフランジ表面１８よりも下に常時位置するようにしながら、下方へ移動可能な底板１６によってキャスティング・モールド１２から再溶解ブロック６が引き抜かれる。水冷のフランジ表面１８より上に位置し、多数の構成部を有するインゴット・モールドの上部２０は、長方形断面を持つ管状リングの形状をした水冷の支持構造物２２と、同様に環状の形をしたインサート２４とを備えている。インサート２４の内側の層２６は、好ましくは黒鉛または高融点金属、例えばタングステンやモリブデンからなり、また、高さｈのスラグ浴８と接触している。長方形の環状断面を持つ内側の高温耐熱層２６は、キャスティング・モールド１２の内径ｄとほぼ一致する内径を有する。

同様に長方形の環状断面を持ち、断熱の機能を果たす中央層２８は、内側の高温耐熱層２６と支持構造物２２との間に設けられている。この中央層２８は、好ましくは断熱性を持ち、耐火性を持ち、温度変化に対して耐性を持つセラミック製の材料からなり、例えば耐熱のセラミック繊維マット、セラミック製ウール、あるいは軽量で耐火性を持つレンガ、もしくは、充てん材料、微細粒材料のような、さらに別の耐熱のセラミック製の材料または粒状金属からなる。

原則的に、インゴット・モールドの断熱された上部２０の支持構造物２２は、インゴット・モールドの下部１２の水ジャケットの拡張部として形成されてよく、支持構造物２２よりも内側に、内側の高温耐熱層２６と中央層２８が設けられる。さらに、インゴット・モールドの上部２０は支持構造物２２、内側の高温耐熱層２６、および中央層２８からなり、必要ならば、同様に水冷されて、長方形の環状断面を持つ管状リングの形状をしたカバーリング３０に押さえつけられてもよく。このために、カバーリング３０は、図示されない要素によってインゴット・モールドの水冷された下部１２の水ジャケットと一緒に固定されてよい。

インゴット・モールド１２から再溶解ブロック６を引き抜く代わりに、再溶解ブロック６は固定された底板の上で造形されてもよい。この場合、再溶解ブロック６の引き抜きに関して上述された方法と類似した方法で、インゴット・モールド・ユニット１０をブロック造形の速度に従って、図１に示されたかっこ内の上方に向いた矢印の方向へ段階的にまたは連続的に引き上げなければならない。

インゴット・モールド・ユニット１０のある実施形態では、図示されているように、スラグ浴８と接触するインゴット・モールドの上部２０が有するインサート２４は、電源３５の溶解電流の高電流導線３２を経由して、戻り導線３４に接続されて、これにより、インサート２４は底板１６と同一の電位となる。

しかしながら、例えば、図示されていない、高融点を持ち電流を通さないセラミック製の材料を有する内側の層が、インゴット・モールドの水冷された下部１２と、少なくとも、内側の層２６と、必要ならば、インゴット・モールドの上部２０の支持構造物２２との間に設けられている場合、インゴット・モールドの上部２０のインサート２４を消耗性電極２につながる電源へと接続することもできる（図示されていない）。この場合、インゴット・モールドの上部の内側の層２６は、消耗性電極２と同電位となり、また、インゴット・モールドの下部１２に対して電気的に絶縁されている。

本発明の実施形態の１つであるインゴット・モールドの縦断面図である。

符号の説明

２ 消耗性電極
５ 溶解溜まりの金属表面
６ 再溶解ブロック
８ スラグ浴
１０ インゴット・モールド
１２ インゴット・モールドの下部
１８ 境界ライン
２０ インゴット・モールドの上部

Claims (13)

1. ２つの上下部分からなり、その下部（１２）は、水冷されたキャスティング・モールドの横断面を造形し、その上部（２０）は、熱を除去するために完全にまたは部分的に断熱された長さの短い水冷式スライディング・インゴット・モールド（１０）内で、少なくとも１つの消耗性電極（２）から再溶解ブロック（６）を製造する、金属、特に鉄合金やニッケル合金のエレクトロスラグ再溶解のプロセスであって、
   開始フェーズ時以外の通常のブロック造形の間、溶解溜まりの金属表面（５）は、前記インゴット・モールド（１０）と前記再溶解ブロック（６）との間の相対運動の制御によって、前記インゴット・モールドの水冷された前記下部（１２）、つまり前記インゴット・モールドの水冷された部分と前記断熱された部分とを分ける境界ライン（１８）より下方の位置に常時保たれ、前記溶解溜まりの金属表面（５）と、前記水冷された部分と前記断熱された部分とを分ける前記境界ライン（１８）とで形成される面との間の距離が５ｍｍ、最大で１００ｍｍであり、また、前記溶解溜まりの金属表面（５）の上に浮かぶスラグ浴（８）の高さ（ｈ）の少なくとも７５％が前記断熱された部分の領域に位置していることを特徴とするエレクトロスラグ再溶解のプロセス。
2. 請求項１において、前記インゴット・モールド（１０）と前記再溶解ブロック（６）との間の前記相対運動が段階的に実行され、このとき、運動速度が前記ブロック造形の速度の少なくとも２倍であることを特徴とするエレクトロスラグ再溶解のプロセス。
3. 請求項１において、前記インゴット・モールド（１０）と前記再溶解ブロック（６）との間の前記相対運動が連続的に実行されることを特徴とするエレクトロスラグ再溶解のプロセス。
4. 請求項１または２において、それぞれの相対運動ステップにおける段階的な運動に関して、反対方向へのステップを伴い、そのストローク長さは正方向のステップのストロークの長さの最大３０％であることを特徴とするエレクトロスラグ再溶解のプロセス。
5. 請求項１または３において、前記インゴット・モールド（１０）と前記再溶解ブロック（６）との間の前記連続的な相対運動は、往復運動を伴っていることを特徴とするエレクトロスラグ再溶解のプロセス。
6. 少なくとも請求項１〜５のいずれか一項のプロセスを実行して再溶解ブロック（６）を形成するために、縦方向に区分され、少なくとも２つの部分で水冷されており、キャスティング・モールドの断面を造形する水冷された下部（１２）と、
   前記下部（１２）に結合し、熱を除去するために断熱された上部（２０）と、
   を有するエレクトロスラグ再溶解のためのインゴット・モールドであって、
   前記断熱されている上部（２０）は多数の層を有し、断熱性の中央層（２８）は、外層となる水冷された支持構造物（２２）と、溶解溜まりの金属表面（５）の上に浮かぶスラグ浴（８）に接触する内側の高温耐熱層（２６）との間に設けられ、
   前記断熱性を持つ中央層（２８）は、温度変化に対して耐性を持つ耐火性のセラミック材料からなり、
   開始フェーズ時以外の通常のブロック造形の間、当該インゴット・モールドから前記再溶解ブロック（６）を引き抜く底板（１６）の下方への移動、または、当該インゴット・モールドの上昇によって、前記溶解溜まりの金属表面（５）を、前記水冷された下部（１２）と前記断熱された上部（２０）とを分ける境界ライン（１８）より下方の位置に常時保持するように制御されることを特徴とするインゴット・モールド。
7. 請求項６において、前記インゴット・モールドの上部（２０）の水冷された前記支持構造物（２２）が、前記インゴット・モールドの下部（１２）の水ボックスの一部として、前記水ボックスに接続されていることを特徴とするインゴット・モールド。
8. 請求項６において、多数の層を有し、熱を除去するために断熱構造にされている前記インゴット・モールドの上部（２０）が、その上に配置されている水冷されたカバーリング（３０）と前記インゴット・モールドの水冷された前記下部（１２）との間に固定されていることを特徴とするインゴット・モールド。
9. 請求項６〜８のいずれか一項において、前記インゴット・モールドの上部（２０）の前記スラグ浴（８）と接触している前記の内側の高温耐熱層（２６）が、黒鉛または高融点金属からなることを特徴とするインゴット・モールド。
10. 請求項９において、前記の内側の高温耐熱層（２６）が、タングステンまたはモリブデンからなることを特徴とするインゴット・モールド。
11. 請求項６〜１０のいずれか一項において、断熱性を持つ前記中央層（２８）は、断熱レンガ、繊維マット、セラミック製ウール、微細粒材料、粒状金属からなることを特徴とするインゴット・モールド。
12. 請求項９において、前記インゴット・モールドの前記上部（２０）の黒鉛または高融点金属からなる前記の内側の高温耐熱層（２６）を経由して、高電流導線（３２）によって電源（３５）に接続されていることを特徴とするインゴット・モールド。
13. 請求項９において、前記再溶解ブロック（６）を造形する、前記インゴット・モールド（１０）の水冷された前記下部（１２）と、前記インゴット・モールドの前記上部（２０）の黒鉛または高融点金属からなる前記の内側の高温耐熱層（２６）との間が電気的に絶縁されていることを特徴とするインゴット・モールド。

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