JP5282814B2 - ニッケル基超合金の鋳造における熱収縮割れ軽減の方法、ニッケル基超合金からなる製品を準備する方法、および、高圧スチームタービンケーシングを製造する方法 - Google Patents

Description

本出願は、ニッケル基超合金の鋳造、特に割れの問題を引き起こす大型鋳造品の鋳造方法に関するものである。

鋳造品を製造する装置は、製品の形状をつくる鋳型と押湯を含む。鋳造品とは、溶けた金属（溶湯）が、要求された最終形状又はそれに近い形状の鋳型に注入されたものである。鋳造品は、一般的に複雑な形状でないインゴットとは異なり、最終形状を形成する前に、熱特性プロセスに影響される。溶湯は、通常、湯口又は押湯を通じて鋳型に注入される。

押湯の球状体積は、鋳型にある金属の後に、押湯（押湯にある金属）が凝固されるように設定される。通常、これは、押湯の等価球状体積が、鋳造品の等価球状体積より大きくなることを意味する。各鋳造品に一つ以上の押湯を使用することができる。

押湯又は押湯管とは、凝固時の収縮による引巣を防止するために、金属鋳造鋳型（砂型）に据え付けられたタンクのことである。金属は個体より液体の方が凝縮されていないので、冷却すると鋳造品は収縮する。これが、引巣（空隙）となり、一般的に凝固した最後の箇所に残る。押湯は、収縮が起こりそうな箇所に溶湯を供給し、これを防止する。従って、引巣（空隙）は、押湯中で凝固する金属内部に形成され、鋳造品本体には残らないものである。

今迄、大型ニッケル基超合金鋳造品の製造において、引巣を鋳造品本体に残らないようにすることは可能ではなかった。なぜなら、大型ニッケル基超合金鋳造品は、効果的な押湯サイズを計算するのに、従来の鋳造シュミレーションモデルを用いて製造され、その結果、割れが鋳造品本体に出現したからである。

本発明は、ニッケル基超合金の鋳造における熱収縮割れ軽減の方法を示したものであり、その方法は、溶湯が鋳型の押湯にある状態で溶湯を鋳型に注入すること；押湯にある溶湯の冷却速度を減少させる為に押湯の溶湯に電流を流すこと、で構成されている。

この方法で、大型ニッケル基超合金鋳造品を、割れることなく製造することができる。このことは、計算上の効果的な押湯より小さい押湯を用いて、押湯が凝固しないように（以下に説明）押湯の溶湯を加熱することで、又は押湯にある溶湯内の温度差の度合いを減少させ、それによって、特に押湯と鋳造品本体の間の境界で、大きな熱応力が起こらないようにすることで、達成される。この場合、押湯の直径は、効果的な押湯の直径より大きく又は小さくすることができ、そして（十分な溶湯量を確保する為に）割れが起こる箇所の直径より大きくすることができる。この方法によって、ニッケル基超合金鋳造品が有する（鋼又は他の一般的な鋳造材料にはない）問題が克服される。

本発明は、以下の添付図に、ほんの一例として、示されている。
図１は、本発明に伴う金属鋳造装置をイラスト図で示したものである。 図２は、押湯にある溶湯に渦電流を流す導電性材料の位置をイラスト図で示した弁体鋳造品の断面図である。

ニッケル基超合金（ニッケル成分55％以上）は、鋼とは異なる溶湯注入の特徴をもっている。

ニッケル基超合金は、非常に低い熱伝導率をもつので（鋼の50 W/m℃と比較し、ニッケル基合金は通常10 W/m℃）、押湯の直径は制限される必要がある。

ニッケル基超合金に大きすぎる押湯を使用した場合、押湯直下に割れが頻繁に発見されるであろう。これは、ニッケル基合金の低い熱伝導率によるものである。

通常、押湯の外表面がまず最初に凝固するであろう。しかし、低い熱伝導率の為、押湯の中央部が凝固するまでに、外側の温度が鋼の場合よりかなり大幅に低下する。このことは、凝固点以下の温度から室温までの間に起こる押湯中央部の金属収縮の為、非常に大きい引張応力を引き起こすことを意味する。これは、押湯の外表面にある金属が固定され、同時に中央部の金属がまだ冷却し収縮していることから起こるものである。その結果、押湯中央部にある金属の極限の引張応力を超える非常に高い引張応力となり、それが割れを引き起こすのである。

そして、押湯の除去作業の時に、それが高温又は低温プロセスでも、これらの割れは頻繁に肉厚部欠陥を通じて伝播する。そのような熱収縮割れは、押湯の直径（又は押湯と鋳型が接触する等価面積）が約400mm（等価面積0.125m²）以上のもので起こる。

高い熱伝導率の為、指向性凝固を促す温度勾配はコントロールが難しい。ニッケル基合金は、例えば鋼よりも広い凝固温度範囲をもっている。

効果的押湯の基準は、ｉ）凝固しないこと（以下に説明）ii）鋳造時の収縮を補う十分な量の溶湯があること、である。ニッケル基超合金の大型鋳造品における収縮計算では、効果的な押湯の為に、大口径（400mmを超える）の押湯を使用するように要求される。しかしながら、別途記述したように、そのような大口径の押湯は割れを引き起こすので、使用が可能ではなかった。このことを解決する一つの方法として、複雑になり且つ余分な費用をかけて、多数の押湯を備えつけることがある。しかし、小型の押湯が鋳造品の後に凝固しない場合は、押湯はその役目を果たさないであろうし、実際、多数の押湯は、鋳造品を過剰に加熱する傾向にあり、大口径の押湯にはそのような要求がされる。押湯の溶湯が鋳型の溶湯の前に凝固し、冷却中に鋳型の溶湯の収縮部に押湯からの溶湯が補給できない個所では、凝固がさらに問題になる。

本発明は、150〜900mm、300〜900mmあるいはそれ以上の直径をもつ押湯の使用に向けられたものである。好ましい直径の範囲は、400〜600mmである。こうような大口径の押湯は、本発明がなければ、使用できないであろう。しかしながら、大口径の押湯は、大型のニッケル基超合金鋳造品（過去には製造可能ではなかったような）の収縮の為に必要である。そのような鋳造品は最終重量で3000kg又は6000kgを超えるもの、さらには4000kg又は12000kg以上、鋳込重量では20000kg又は25000kgを超えるものもある。これは、少なくとも0.5 m³の容量に相当し、好ましいのは0.6 m³ 又は 0.7 m³、可能性的には1.4 m³より大きくなる場合もある。押湯は、割れを引き起こす熱収縮をさけるには十分小さく、しかし、大型のニッケル基超合金鋳造品の高い熱収縮率に対応する為には、十分大きくすることができる。その場合、誘導電流は、押湯の溶湯が凝固するのを防ぎ、より長く溶融の状態を維持させる。しかしながら、以下に説明するように、いくつかの実施例では、押湯は、割れを引き起こす熱収縮が起こる可能性のあるサイズより大きくすることができる。（しかし、効果的押湯のサイズよりは大きくないかもしれないが）。

押湯にある溶湯をより長く溶融状態に維持する為に、押湯の特に外表面の溶湯の冷却速度を減少させる為に、押湯内の溶湯に渦電流を起こす導電性材料が使われる。それは、押湯の外表面に流す電流の大きさを、押湯の中央部に流す電流より大きくする。

電流は、溶湯が凝固した後でさえ、押湯内の金属に流し続けることができる。これは、溶湯の中に電流を流すことと同様な効果を与えることができる。もし、割れを引き起こす熱収縮を超える臨界径より大口径の押湯が使用される場合は、押湯内の凝固した金属に電流を流すことが必要であろう。

誘導加熱によって、150〜900mmの直径をもつ押湯の凝固をコントロールし、ニッケル成分が30％より多いニッケル基超合金の割れを防止する方法を、これから説明する。

鋳造品本体が凝固するにつれて、収縮の量を減少させる為に、溶湯は押湯から鋳造品本体に注入される。誘導加熱の使用によって、鋳造品の主押湯は、通常より長く溶融状態を保持することができる。補助押湯は、この方法で処理する必要がない場合もある。

より長い時間、押湯を溶融状態に保つことで、特にニッケル基合金に限ってのことではないが、他に要求がなければ、小型の押湯を使用することで、鋳造を可能にする。

このことは、以下の有益な効果がある。

前述したように、中央部に割れが発生することになる大口径で全接触面をもつ押湯を使用する必要がない。

断面の肉厚が通常の最大径押湯より大きい大型ニッケル基超合金鋳造品を製造できる。

さらに又はその代わりの効果として、押湯の合金内における（水平面での）温度差を減少させることで、効果的な押湯サイズと同じ押湯量で、熱収縮割れに影響するような温度差の減少なしに、大型ニッケル基超合金を製造できる。

押湯内の熱を保持するいくつかの一般的な方法がある。最初の方法は、押湯のまわりに保温材を置いて熱損失を減少させ、溶湯をより長く溶融状態に保つことである。この保温材は、通常、タイル又は成形前のスリーブの形をしている。また、熱損失を防止する為、保温材は、溶湯の注入後、押湯の上面に加えられる。２番目の方法は、発熱材とよばれるものを使用することである。同じようにこれらはスリーブの形状で、注入中に溶湯に反応する金属酸化物を含んでおり、凝固時間を長引かせるように押湯に熱を加えるように発熱反応を促す。保温材（粉）は、より高い発熱反応を与えることと同じ効果を得ることにも利用できる。保温材及び発熱材の目的は、鋳造品本体の金属より、押湯内にある金属をより長く溶融状態に保持することである。これは、もし押湯が溶融状態になければ、鋳造品本体にある金属の熱収縮によってできる引巣に溶湯を補充するといった役目を果たさないからである。熱収縮は、固相線温度から室温への冷却時と同様に、金属が液体から固体へ冷却する時の両方で起こる。熱損失をコントロールする為に、前述した現在のあらゆるシステムを用いたとしても、押湯の効率は制限され、押湯がかなり大きくないと、鋳造品本体又はインゴット内の全溶湯の収縮が起こる前に、押湯内の凝固が起こる可能性がある。

これは、従来の押湯内収縮の特徴で、すべての一般的な押湯の上面は、"u"型に沈んだ形状になる。これらのパイプ及び"u"型は、溶湯が押湯の中央部だけから凝固中の鋳造品本体に供給され、一方、押湯の外側領域は、すでに冷え切っていることを示している。これらの方法は、単に、大型ニッケル基超合金鋳造品に必要な大型押湯に対応する十分なエネルギーを供給していない。

誘導加熱とは、電磁誘導による金属物の非接触加熱で、それにより金属内に電流が起こり、抵抗が金属を加熱することである。誘導加熱器は、導電性材料からなり、例えばコイルの形状で、中波又は高周波交流（AC）を流す。押湯の誘導加熱は、他の金属の鋳造、特に小型の鋼の鋳造品や融点の低い金属の鋳造歩留まりを向上させる為に使用されてきた。しかしながら、これらの金属は、ニッケル基超合金より５倍の導電性をもっており、熱収縮割れを起こすことはない。これらの目的は、高効率を達成する為に押湯の直径を減少させることである。従って、これらの方法は、効果的押湯より小さい直径の押湯を使用する。

押湯のサイズ及び渦電流の必要な貫入量において、周波数の好ましい範囲は200-450Hzでさらに望ましいのは200-350Hzである。交流電流の一般的電力は少なくとも200kWであろう。

押湯への誘導加熱の使用は、特にニッケル成分が30-95％の合金に適用できる。典型的なものには、他の成分も含んで、ニッケルクロム鉄、ニッケルモリブデン及びニッケルクロムモリブデン合金がある。

本発明は、特に鋳型製作において樹脂で固める粒子状材料を使用する典型的な砂型鋳型で、特に1個の鋳型に適用できる。砂型の粒子状材料は、砂、ジルコン、溶融シリカ、セラミック、クロマイト又はそれらを混合したものになるであろう。例えば、その方法は、発電所用高圧蒸気タービンケーシングの製造に使用できる。最新の次世代超超臨界タービンにおいて、ケーシングの運転温度は700°Cを超え、その材料にはインコネル625のようなニッケル基超合金の使用が要求される。そのようなタービンケーシングが高圧シェルを形成する。ニッケル基超合金は、溶接が困難である（材料の低い熱伝導性が溶接割れを引き起こす為）。従って、鋳造品が11から12トンであれば、本発明の使用なしでは、鋳造することも難しいであろう。

押湯への誘導加熱は、鋳造品のサイズに必要とされるものより小さい直径の押湯を用いることを可能にする。熱収縮による割れは、押湯の直径を小さくし、押湯の外表面にある金属の冷却速度をコントロールすることで防ぐことができる。後述のケースの場合、誘導加熱は、押湯内の金属が冷却するにつれて、押湯の厚みを通じて温度分布を減少する為に使用される。それは、押湯内の溶湯中（水平面において）の温度差を減少させることである。例えば、冷却を遅らせる為に押湯の外表面に電流を流し、その外側の温度が押湯の内側の温度により近づくことになる。これは、熱収縮による押湯内の熱ひずみを小さくし、熱収縮割れの機会を減少させる。その結果、大型鋳造品のための大口径の押湯の使用が可能になる。本発明における押湯寸法を下記に示す。

押湯内の溶湯に電流を流す為に、導電性材料が準備される。好ましくは、導電性材料を誘導コイルの形状にするとよい。

誘導コイルは、鋳型製作時に使用される砂型の砂の中に埋められるのが好ましい。鋳造品に通常通り溶湯が注入されると、Power Pack 5を使って導電性材料を通じて、電流が流される。また別の方法として、個別（添付）の誘導コイルが押湯の周辺に配置され、電流が流される。

誘導コイルは、押湯の凝固をコントロールする為に使用され、押湯の凝固時間をより長くし、押湯金属の効率性を高める。それによって、押湯より早く大型鋳造品を凝固させる。もし誘導加熱が無ければ、押湯の方がより早く凝固するであろう。誘導コイルは、固相線（又は丁度、液相線から固相線の間）温度から室温への押湯の冷却速度を遅くする為にも使用できる。また、（誘導コイルの使用によって）遅い冷却が、押湯の径方向の大きい温度勾配を減少させるので、（本来は使用不可の）大口径の押湯を使用することができる。冷却の後半部（固相線前後の温度）では、電流は断続的に（非連続で）流れるか又は弱い電力になる場合もある。

電流は、押湯の溶湯全体に流される（さもなければ、電流が流れてない個所には熱収縮割れの危険性がある）。

鋳造品は、固相線温度より低い温度で冷却されてから（例えば、鋳造品が安全に取り扱えるかもしれない温度）、鋳型から取り出される。それから、鋳造品の熱処理は、例えば熱処理炉で行われることもできる。例えば、熱処理は、1200°Cを超える温度でも可能である。

この鋳造装置及び鋳造方法には、以下の優位点がある。
ａ） 押湯の直径が及ぼす熱的限界を減少させ、大型のニッケル基超合金鋳造品の製造を可能にする。さもなければ、このサイズの大型鋳造品は製造できないであろう。
ｂ） 必要とされるエネルギーを少なくできる。
ｃ） 押湯の直径を小さくした為、即座に押湯の除去ができる。
ｄ） 押湯の径方向の冷却勾配を小さくすることができる。

図1は、鋳造品１の模式図である。鋳造品１を製造する為の装置は、鋳造品１の要求された形状を決定する鋳型を含んでいる。押湯もまた鋳型に取り付けられる。液体の金属（溶湯）は、湯口系6（湯口・湯道・堰）又は押湯を通って、鋳型に注入される。鋳型には、溶湯が押湯の上面近くまで満たされるように注入される。溶湯が凝固され、そこに鋳造品１の収縮が起こっている間、押湯２から溶湯が静水圧によって補給され、鋳造品はできる限り設計された形状に近づき、熱収縮によって形成される引巣（空隙）ができないようにする。図2からわかるように、鋳型は、鋳型に溶湯を供給する為に使用される湯口系6も含む。湯口系6は、押湯の上部から下部へつなぐようにパイプ形状につくられ、溶湯を押湯の下部から鋳型へ注入する。溶湯を冷却する為に、金属板又はそれに類するものを、鋳型の底面に置くことができ、それにより、押湯2から最も遠い鋳型の底面から、凝固が始まる。

鋳型は、導電材料3も含む。これは、図1にもイラスト図で示されている（図1のイラスト図にある鋳造装置の一部として）。より好ましい実施例において、導電性材料3は、押湯内の溶湯に電流を流す為、コイル状になっている。しかしながら、他の形状でも適しているものもある。

導電性材料は、鋳型の材料に埋め込むことができる。例えば、鋳型が砂型である場合、鋳型の形状を砂で形づくる際に、導電性材料を砂の中に埋め込むことができる。代替として、導電性材料を鋳型の中には埋め込まず、押湯を形成する耐火材のまわりに設置することができる。

低い熱伝導率の為、ニッケル基超合金鋳造品は凝固に長い時間がかかる。このことが、鋳型に特別な挑戦を要する。特に、鋳型の耐火材が非常に熱くなることがある。実際に、押湯内の溶湯に電流を流す為に使われる導電性材料3が、その材料の融点に達する可能性がある。従って、冷却システム4が、使用中の導電性材料を冷却する為に準備される。これを備え付ける一つの方法は、熱伝達流体を導電性材料の中、その周辺又は近くに流すことである。これを行う一つの方法は、チューブ状の導電性材料を備え付け、チューブの中に冷却流体（液体又は気体）を流すことである。いくつかの誘導炉は、中空の誘導コイルを使用し、その中に冷却流体（通常は水）を流す。しかしながら、本発明においては、水よりも冷却ガスを使用する方がよいであろう。このことは、鋳型内に残った溶湯にコイルが溶けた場合、水と溶湯は爆発の危険性があるので、ガスの方がよりよい冷却媒体となる。従って、ガスの使用が、導電性材料から熱を取り除く熱伝達流体として適している。冷却ガスは、窒素、アルゴンのような不活性ガス（純ガス）又はガスの混合（例えば空気）あるいは冷凍ガスが使用されることがある。

冷却システム4では、冷たい熱伝達流体が、鋳型に備えつけられた導電性材料の端から注入される。熱伝達流体は導電性材料を通過するにつれて、温められる。導電性材料の別の端からは、熱伝達流体が、導電性材料に最初に入ってきた温度より高くなった時点で排出される。その熱伝達流体は、廃却されるか、また再度導電性材料の中を通るか、その周辺又は近くで冷却の役目を果たす為に、注入される前に冷却されて、再利用できる。

冷却システムはいろいろなバリエーションが可能である。例えば、冷却流体は常に導電性材料全体に行き渡って通す必要はない。例えば、導電性材料は、独立した冷却システムとして、いくつかの部分に分けることができる。

一つの実施例として、コイルは、安全性と強靭性をもつ高温融点金属から作ることができる。

これから、鋳造装置がどのように使用されるかを説明する。

鋳造品は、通常、押湯のまわりに誘導コイルを設置し鋳込まれる。押湯の端からの径方向距離は、10〜300mmの間で、40〜100mmの間が好ましく、約75mmが最適である。

誘導コイル３は、押湯の凝固をコントロールするのに使用され、押湯の凝固時間を長引かせ、溶湯の効率を増加させる。押湯が鋳造品の断面より小さい容量の時、注湯中に押湯が凝固し、その役目を果たせないであろう。

最初に、鋳型と押湯が設計される。効果的な押湯の直径が計算される。もし、押湯の直径が、割れを起こすであろうと計算される直径の大きさを超えていれば、その直径を小さくするか、それを維持するか、又はむしろ大きくするか、判断される。効果的だと計算された押湯のサイズが割れを起こすようなサイズであるならば、本発明の使用が必要とされるであろう。鋳型が準備された後（例えば砂型）、溶湯は鋳型の押湯にある状態で、押湯又は湯口系（湯口・湯道・堰）を通って鋳型に注入できる。

a) 鋳込み後すぐ又は最初の10分程度は、誘導コイル3には電流が流れない。しかし、それは、誘導コイルが溶解するのを防止する為に、冷却媒体（ガス又は液体）を連続で循環させているからである。

b) 最初の10分位たってから、部分誘導溶解炉パワーパック５を用いて、誘導コイルに電気が流され、鋳造品が最終形状に凝固される間、誘導コイル３が設置されている個所の押湯の温度は、溶融状態を保持している。

この時間が経過した後、誘導電気を抜くことができるが、放射熱及び伝導熱がコイルを溶かさなくなるまでのかなりの時間、コイルを通じて冷却媒体を流す必要がある。

押湯内の溶湯が固相線に達した後、さらに冷却する間の熱収縮割れを避ける為に、押湯の水平面での温度分布を減少させることが必要となることがある。従って、その冷却速度を減少させる為に、押湯内にある固体合金に電流を流すことが必要となる。押湯内の合金の温度差を少なくする為に、電流は流す必要がある。この段階では（前段階と同様）、誘導電気は断続的に流される（交流電流のスイッチは入れたり切ったりして）と同時に又は、交流電力は減少することがある。

それゆえに、健全な鋳造品を製造することができる。

図2から見ることができるように、一つの鋳造品は、湯口系6と同様に一つの押湯2より多くのものからなることができる。見ての通り、押湯が鋳造品の後に凝固するように、押湯のサイズを大きくする。本発明は、押湯が冷却する前に鋳造品がほとんど凝固するようにコントロールする為に、より小さい押湯を活用することを可能にする。それは、押湯の凝固がコントロールされ、押湯の引巣（押湯の外側が最初に凝固し、押湯の中央部の溶湯が、押湯の中央上部に空隙を残して下の方へ流れ込む）を避けることができる。これは、押湯の外表面の溶湯を長く溶融状態で維持することによってなされる。これにより、引巣のない円筒状で平らな押湯面をつくることができる。

平らな押湯面が達成できるか、又は誘導加熱が使用されるならば、熱収縮割れが起こらないような大きな直径をもつ押湯を使用することができる。熱電対7が押湯の外表面の温度についての情報を与え、押湯の外表面の温度が溶融状態を維持するのに十分な電流を押湯内に（特に押湯の外側に）流す為に、パワーパック5の制御によって情報を与えたり、与えられたりすることができる。一度凝固が起こり始めると、室温へ冷却する間、押湯2を通じて、均一の温度分布（径方向）を確実にする為に、同じ又は類似の制御システムを使用できる。固相線（約1400℃）から室温へ冷却する間、熱収縮割れが起こる可能性があるので、これがまた重要になる。それゆえに、誘導加熱のコントローラーは、冷却の間（冷却速度を減少する）押湯の外表面の温度をコントロールし続けることができ、過去のものよりさらに大きい直径の押湯２を本発明に使用できる。

このシステムのさらなる有益性は、押湯をさらに金属で一杯にすることを可能にし、押湯をより長く溶融状態に保持することができることである。

一つの実施例として、ニッケル基超合金鋳造品を製造する為の装置を紹介する。その装置は、押湯を含む鋳型、押湯の金属に渦電流を流す為の導電性材料を含む。押湯は150mm以上の直径をもっていることが望ましく、300mm以上はさらによく、500mm以上は好適である。鋳型は、0.5m³以上の容量が望ましく、0.6m³以上はさらによく、0.7m³以上は好適である。押湯の直径と高さの比率は、1:1 から5:1の範囲が望ましく、1.25:1 から 4:1. の範囲は好適である。望ましくは、鋳造装置は、使用中の導電性材料を冷却する為の冷却システムを含む。望ましくは、冷却システムは、導電性材料から熱を取り除く為の熱伝達流体として、ガスを使用する。望ましくは、鋳造装置は、複数の押湯からなります。望ましくは、鋳型は、鋳型に溶湯を注入する為の湯口系（湯口・湯道・堰）を含む。望ましくは、鋳造装置は、溶湯の中に流す電流と押湯内の溶湯の冷却速度をコントロールするためのコントローラーを含む。望ましくは、さらに鋳造装置は、押湯内の溶湯の温度を感知するセンサーとセンサーによって測定される温度を基に導電性材料を流れる電流をコントロールするコントローラーを含む。センサーは、押湯の径方向外部にある溶湯の温度を測定する為のものである。

一つの実施例として、金属を鋳造する為の装置は、押湯を含む鋳型、押湯の金属に渦電流を流す為の導電性材料を含む。そこでの押湯は、150mm以上の直径をもっている。押湯の直径は300mm以上が望ましく、500mm以上は好適である。鋳型は、0.5m³以上の容量をもっていることが望ましく、0.6m³以上は好ましく、0.7m³以上はより好適である。押湯の直径と高さの比率は、1:1 から5:1の範囲が望ましく、1.25:1 から 4:1. の範囲は好適である。望ましくは、鋳造装置は、使用中の導電性材料を冷却する為の冷却システムを含む。望ましくは、冷却システムは、導電性材料から熱を取り除く為の熱伝達流体として、流体（液体又はガス）を使用する。望ましくは、鋳造装置は、複数の押湯を含む。望ましくは、鋳型は、鋳型に溶湯を注入する為の湯口系（湯口・湯道・堰）を含む。望ましくは、鋳造装置は、溶湯の中に流す電流と押湯内の溶湯の冷却速度をコントロールするためのコントローラーを含む。望ましくは、さらに鋳造装置は、押湯内の溶湯の温度を感知するセンサーとセンサーによって測定される温度を基に導電性材料を流れる電流をコントロールするコントローラーを含む。センサーは、押湯の径方向外部にある溶湯の温度を測定する為のものである。望ましくは、鋳造装置は、ニッケル基超合金鋳造品を製造する為のものである。

一つの実施例として、金属を鋳造する為の装置は、押湯を含む鋳型、押湯の金属に渦電流を流す為の導電性材料、そして、使用中の導電性材料を冷却する為の冷却システムを含む。望ましくは、冷却システムは、導電性材料から熱を取り除く為の熱伝達流体として、ガスを使用する。望ましくは、冷却システムは、導電性材料から熱を取り除く為の熱伝達流体として、液体を使用する。液体は、水又は他の液体がよいであろう。望ましくは、押湯は、150mm以上の直径をもっている。300mm以上の直径はさらによく、500mm以上は好適である。鋳型は、0.5m³以上の容量をもっていることが望ましく、0.6m³以上は好ましく、0.7m³以上はより好適である。押湯の直径と高さの比率は、1:1 から5:1の範囲が望ましく、1.25:1 から 4:1. の範囲は好適である。望ましくは、鋳造装置は、複数の押湯からなる。望ましくは、鋳型は、鋳型に溶湯を注入する為の湯口系（湯口・湯道・堰）を含む。望ましくは、鋳造装置は、溶湯の中に流す電流と押湯内の溶湯の冷却速度をコントロールするためのコントローラーを含む。望ましくは、さらに鋳造装置は、押湯内の溶湯の温度を感知するセンサーとセンサーによって測定される温度を基に導電性材料によって流れる電流をコントロールするコントローラーを含む。望ましくは、センサーは、押湯の径方向外部にある溶湯の温度を測定する為のものである。望ましくは、鋳造装置は、ニッケル基超合金鋳造品を製造する為のものである。

一つの実施例として、ニッケル基超合金を鋳造する方法は、溶湯が鋳型の押湯にある状態で、溶湯が鋳型に注入され、押湯にある溶湯の冷却速度を減少させる為に押湯内の溶湯に電流を流すことである。押湯は150mm以上の直径をもっていることが望ましく、300mm以上は好ましく、500mm以上はさらに好適である。溶湯は、少なくとも3トンの重量があることが望ましく、好ましいのは少なくとも6トンの溶湯が押湯を通じて注入されることである。押湯の直径と高さの比率は、1:1 から5:1の範囲が望ましく、1.25:1 から 4:1. の範囲は好適である。望ましくは、さらにその方法は、電流を流すために使用される導電性材料を冷却することである。望ましくは、冷却は、ガスを使用して導電性材料から熱を伝達することである。望ましくは、冷却は、液体を使用して導電性材料から熱を伝達することである。望ましくは、押湯を通じて溶湯を注入することは、複数の押湯を通じて溶湯を注入することである。望ましくは、注入は、湯口系（湯口・湯道・堰）を通じて溶湯を鋳型に注入することである。望ましくは、さらにその方法は、溶湯に流れる電流をコントロールし、押湯内の溶湯の温度を基に、押湯内の溶湯の冷却速度をコントロールすることである。望ましくは、押湯内の溶湯の温度は、押湯の径方向の外部にある溶湯の温度であることである。

一つの実施例として、合金を鋳造する方法は、溶湯が鋳型の押湯にある状態で、溶湯が鋳型に注入され、押湯にある溶湯の冷却速度を減少させる為に押湯内の溶湯に電流を起こすことで、押湯は150mm以上の直径をもっている。

一つの実施例として、合金を鋳造する方法は、溶湯が鋳型の押湯にある状態で、溶湯が鋳型に注入され、押湯にある溶湯の冷却速度を減少させる為に押湯内の溶湯に電流を流すことで、電流を流すための導電性材料を冷却する。

Claims (20)

1. 溶湯が鋳型の押湯にある状態で、少なくとも６トンの溶湯が鋳型に注入されること、及び
   前記押湯にある前記溶湯が固相線に達した固体合金となり、前記固体合金の冷却速度を減少させる為に前記固体合金に誘導を起こして、前記固体合金に電流を流すこと
   によって構成される、ニッケル基超合金の鋳造における熱収縮割れ軽減の方法。
2. そこに流された電流は、押湯にある溶湯中の温度差を減少させる請求項１に記載の方法。
3. 前記押湯の基本直径と高さの比率が1.25:1 〜 4:1の範囲にある、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記押湯の基本直径と高さの比率が1.6:1 〜 2.5:1の範囲にある、請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記押湯の直径が150mm以上である、請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記押湯の直径が300mm以上である、請求項１から５の何れか１項に記載の方法。
7. 前記押湯の直径が500mm以上である、請求項１から６の何れか１項に記載の方法。
8. そこでの押湯は400〜600mmの直径をもっている、請求項１から７の何れか１項に記載の方法。
9. そこでの鋳型と押湯の総接触面積は0.125 〜 0.295m ² の間にある、請求項１から８の何れか１項に記載の方法。
10. そこでの鋳型が樹脂結合粒子状物質からなる、請求項１から９の何れか１項に記載の方法。
11. 誘導電流がない場合に、押湯内の合金が熱収縮割れを被るより大きな直径の押湯を持っている場合である、請求項１から１０の何れか１項に記載の方法。
12. そこでの電流が押湯内の溶湯全体に流される、請求項１から１１の何れか１項に記載の方法。
13. そこで、200 Hz 〜 450 Hzの範囲の周波数をもつ交流電流を使って、合金の中に電流を流す、請求項１から１２の何れか１項に記載の方法。
14. そこで、押湯の径方向外部に流れる電流の大きさが、中央部に流れる電流より大きくなる、請求項１から１３の何れか１項に記載の方法。
15. そこで、すくなくとも200kWの交流電流によって、電流が流れる、請求項１から１４の何れか１項に記載の方法。
16. そこで、誘導が生じている期間の誘導は断続的である、請求項１から１５の何れか１項に記載の方法。
17. そこで、押湯内のすべての合金に実質的に電流が流れている、請求項１から１６の何れか１項に記載の方法。
18. 電流を流す為に使用される導電性材料を冷却することを含んでいる、請求項１から１７の何れか１項に記載の方法。
19. 請求項１から１８のいずれか１項に記載の方法、
    固相線温度以下の鋳造品を冷却すること、
    鋳型から鋳造品を取り出すこと、及び
    鋳造品を熱処理すること
    を含む、ニッケル基超合金からなる製品を準備する方法。
20. 請求項１から１９のいずれか１項に記載の方法で高圧スチームタービンケーシングを製造する方法。

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