JPH0344133B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 イ 発明の背景 本発明は水で冷却される金属るつぼ内における
反応性金属及び合金の誘導溶融に係る。

“ジヤーナルオブメタルズ”誌1961年２月号
140〜143ページ所載G.H.シツパライト外の論文
“反応性金属の低温るつぼ誘導溶融”及びシツパ
ライトの米国特許第3223519号（1965年12月14日）
に説明されるように、例えば消耗電極によるアー
ク溶融技術に基づく既知の工業的規模の溶融方法
に代わるものとして、チタンのごとき反応性金属
の溶融のためには誘導加熱方法を使用することが
理論的に望ましいことは当業者によつて相当以前
から認められている。誘導溶融においては、電流
は溶融さるべき金属に誘導される。従つて、一次
誘導コイルを交流電流を供給することによつて、
逆交流電流が該コイルの磁界内に位置する任意の
導電体に誘導される。

誘導溶融において、るつぼは誘導コイルの磁界
内に存在する金属装入物から形成される溶融池を
保持するために必要とされる。ほとんどの誘導溶
融法においては、るつぼは酸化アルミニウムのご
とき耐火性材料から形成される。しかし、チタ
ン、ジルコニウム、ナフニウム、モリブデン、ク
ロム、ニオブ及びこのタイプのその他金属並びに
合金を包含する前記反応性金属は耐火るつぼにお
いては成功的に溶融され得ない。溶融されたと
き、これら金属は前記るつぼに対して反応してそ
れを分解し、それによつて、溶金が汚染される。
この問題はコールドモールド式アーク溶融炉によ
つて回避される。その理由は、通常は銅から成る
るつぼが冷却されて、封入された反応性金属に反
応を生じさせるのに十分なほど高い温度を避け得
るからである。銅は、良好な熱及び電気伝導性と
熱衝撃抵抗性とを得るために、そのような低温る
つぼのために好適とされる。しかし、水冷金属る
つぼ内で反応性金属を誘導溶融しようとする初期
の試みは不成功であつた。そのような場合、るつ
ぼを包囲する一次コイルは強電流をるつぼに誘導
し、その結果として、るつぼ内に保持される金属
装入物への電力の伝達は溶融を開始させるには不
十分になつた。

これら問題に鑑みて、シツパライトは、“セグ
メント化”された、即ち不伝導性材料（例えば、
薄いプラスチツク、セラミツク）によつて互いか
ら電気的に絶縁された複数の金属セグメントから
構成された、金属るつぼ内に金属装入物が保持さ
れる低周波コア無し誘導溶融法を提案した。この
方法によれば、包囲する誘導コイルから発生され
る誘導電流は前記るつぼに沿つて円周方向に連続
的態様で流れることを許されず、それによつて、
前記るつぼによつて保持される金属装入物内に誘
導電流を確立するように計画された磁束の減衰を
最小化するとともに、該るつぼの損傷を防止し、
且つ／または装入金属によるるつぼ金属の合金化
を防止し得た。

シツパライトによつて提案されたセグメント化
低温壁誘導溶融概念を、チタンを含有する反応性
金属を溶融するための工業的実用手段に直すべく
多大の努力が払われた。この研究作業は、1964年
７月MLTDR64−209、コントラクトAF33（600）
−39039、“チタンを溶融するための誘導加熱法”
に記載されている。この方法は全体として不成功
で、放棄された。

クリテス外の米国特許第3775091号（1973年11
月27日）において、シツパライトの誘導方法及び
装置は、小規模の装置においては成功するが、大
形のるつぼにおいて使用するようにその規模を大
きくされ得ないことが指摘された。クリテス外に
よれば、金属装入物がシツパライト法で溶融され
るにつれて、溶金がるつぼセグメント間の隙間に
詰まり、従つてセグメントを互いに短絡させて、
誘導電流が該るつぼに確立される前記望ましから
ざる状況に戻る。

クリテス等によつて提案されたこの問題に対す
る解決策は、セグメント化るつぼ概念には全般的
に従うが、金属装入物と共にスラツグまたはフラ
ツクス剤を使用し、それによつて、るつぼセグメ
ント間に自己発生し自己更新する絶縁材を生じさ
せるとともに、るつぼ内面にライナを形成させる
ことである。シツパライトによつて提案された溶
融方法の変更に加えて、クリテスは後にるつぼの
デザインそのものを修正した。この修正型るつぼ
デザインにおいては、るつぼの側部セグメントは
もはや互いに電気的に絶縁されず、るつぼのベー
スにおいて電気的に接続された。米国特許第
3775091号のほかに、このような“誘導スラツグ”
溶融法または鋳造法に関するその他の説明は、米
国特許第4058668号及びP.G.クリテス外の輪文
“誘導スラツグ溶融によるインゴツト及び特別輪
郭鋳物の調製”（1974年10月16〜18日電気スラツ
グ及びその他特種溶融技術に関する第５回国際シ
ンポジウム会報所載）、米国内務省鉱山局公報673
（1982）所載“誘導スラツグ溶融法”及び同鉱山
局調査報告書R17268所載“チタンの誘導スラツ
グ溶融”にそれぞれ記載されており、それらは何
れも引用により本明細書に包含される。

クリテスによつて開発された前記“誘導スラツ
グ”溶融法は各種の反応性金属及びそれらの合金
の溶融に少なくとも理論的応用可能性を有するも
のとして先行技術において検討されてきたが、こ
の方式に関する出願人等の研究はいくつかの重大
な問題に遭遇した。第１に、反応性金属の溶融に
おけるスラツグの使用は、該金属のスラツグ汚染
の結果としての品質劣化に関する懸念の故に決し
て商業的には容認されていない。第２に、“誘導
スラツグ”処理のための好適条件下における−即
ち、アルゴンまたはヘリウムの分圧下における一
溶融及び鋳込みは、商業目的のため満足される品
質を有する鋳造物を生産しなかつた。真空下で前
記方法を実行することによつて、出願人等は不活
性ガスによる鋳造物の品質欠陥を除去し得た。し
かし、真空下での作業は、これまでは遭遇されな
かつた、または、諸文献では言及されなかつた幾
つかの新しい問題を生じた。特に、スラツグは高
級鋳造物の生産に必要な真空レベル下の溶金から
蒸発した。この蒸発は該溶金表面の全域に広範囲
に及ぶデポジツトを形成した。そして、これらデ
ボジツトは真空ポンプを含む真空系を著しく汚染
した。或る条件下においては、これらデポジツト
は溶金と反応して鋳造物に広範囲に亙る多数の孔
を形成した。総ての条件下において、スラツグの
蒸発は溶金浴から熱を抽出し、そして前記るつぼ
から鋳型内に鋳込まるべき金属の量を激減させ
た。

ロ 発明の概要 以上に鑑み、誘導加熱によつて反応性金属を溶
融する方法を提供することが本発明の目的であ
る。

本発明のもう一つの目的は、鋳造物、インゴツ
ト等を形成するため反応性金属の溶融池を形成す
るように反応性金属を誘導溶融する方法を提供す
ることである。

本発明のさらにもう一つの目的は、鋳造物、イ
ンゴツト等の生産に用いるのに好適な反応性金属
の溶融池を形成するように、絶縁スラツグ材料を
使用することなしに金属るつぼ内で反応性金属を
誘導溶融する方法を提供することである。

本発明のさらにもう一つの目的は、言及された
タイプの誘導溶融の方法であつて、高級鋳造物、
インゴツト等を生産するのに使用し得る溶金を作
るため実質的に抜気された条件下で遂行され得、
しかも処理工程及びその他の当業界において従来
遭遇される諸問題を伴わないものを提供すること
である。

本発明に従えば、反応性金属の溶融は、工程か
らスラツグの意図的使用を完成に排除することに
よつて、非反応性雰囲気下において、クリテス外
の教示に従つて組立てられたセグメント化導電性
金属るつぼを使用する誘導溶融方法によつて達成
され得ることが証明された。先行技術の教示にも
かかわらず、前記条件下におけるスラツグの不存
在は、誘導溶融方法の効率に重大な悪影響を及ぼ
す程度にまで複数の離隔されたるつぼセグメント
間の短絡を生じないことが認められた。

本発明の方法は反応性金属及び合金を誘導溶融
する方法である。本発明に従えば、概ね均一の横
断面をその全長に亙つて有する中空の細長い円筒
形金属組立体を有するるつぼ室であつて、その側
壁が少なくとも２個のセグメントにこれらセグメ
ントが電気的に接続されるベースを除く実質的に
るつぼ全長に延在するスリツトによつて分割され
ているものが設けられる。本発明のるつぼは、前
記壁セグメントが互いから電気的に絶縁されず、
むしろ、該セグメントが共通のベースに一緒に形
成される区域においては電気的に短絡されること
において前記シツパライトの特許に開示されるそ
れと異なる。本るつぼはその外側面を冷却する手
段を設けられ、そして少なくともその上部分は一
次誘導コイルによつて包囲される。反応性金属装
入物が、前記るつぼ室内に供給されて密閉されそ
して前記一次誘導コイルへ交流電流が供給され、
それによつて、装入金属が溶融を生じるのに十分
な誘導交流電流磁束にさらされることによつて、
溶融池を形成するようにそこで加熱される。溶融
工程は何らの意図的スラツグ材料をも添加される
ことなしに真空または不活性ガス雰囲気下で遂行
される。形成された金属溶融池は各種の有用な製
品、最も好ましくは、鋳造物、インゴツト、粉、
箔、フレーク、フアイバ、結晶及び顆粒材料から
構成される群から選ばれる製品、を生産するのに
使用され得る。

本発明の方法は、この分野における先行技術と
いくつかの点において異なる。本方法はるつぼ構
造が変更されていることにおいてシツパライトの
それとは異なる。即ち、本発明によるるつぼの壁
セグメントは、シツパライトのるつぼの場合のよ
うに互いから電気的には絶縁されずに、むしろ、
共通のベースにおいて互いに結合される。本発明
の方法は、るつぼ内における電力の減衰を防止す
るために絶縁スラツグは使用されずまたは必要と
されない点において、クリテスの方法とは異な
る。

ハ 発明の細部の説明 本発明に使用されるるつぼ室は当業界において
知られている一般的タイプ（例えば、クリテス外
の米国特許第3775091号及び第4058668号参照）で
さしつかえない。第１図及び第２図には米国特許
第4058668号に開示されるタイプのるつぼが図示
される。前記るつぼ室は銅のごとき高導熱性を有
する金属材料から円筒中空形状に構成される。直
立する側壁１が、円形の列に並べられた直立同心
の複数の管対によつて形成されており、各管対は
その上端４及び下端５においてともに開いている
内管３と、開いた下端７及び閉じた上端８を有す
る外管６とを以て構成される。内管３の上端４は
外管６の前記閉じた上端８の下方において終端し
ており、これにより、管の一方の内部の冷却水は
他方の管の内部に自由に流入し得る。前記外管６
はベース部材９内に固定されており、該ベース部
材９は壁セグメントを支持するとともに、各外管
６を電気的に接続するのに役立つ。各外管６は不
伝導性のより高い温度に耐える耐火性または同様
の高温度絶縁性材料１０であつて前記るつぼの頂
から前記ベース部材９まで延在するものによつて
隣接の外管６から隔離されている。冷却水は内管
３を通り、外管６を経て外へ出る。冷却水を前記
るつぼへ供給しそしてそれから復帰させるために
マニホルド１１が使用される。

前記るつぼは動作コイル１２によつて包囲され
ており、該動作コイル１２自体は好適な電力供給
源（図示せず）に接続されている。前記動作コイ
ル及び前記るつぼはさらに冷却ジヤケツト（図示
せず）によつて包囲されそして、または、冷却流
体（例えば、水）が前記動作コイルを通じて流さ
れ得る。動作コイル１２は一般的に銅管から形成
される。

運転時、前記るつぼは500ミクロン以下の圧力
まで抜気し得る装置を有する気密室内に完全に密
封される。該気密室はその外部から金属の溶融、
装入及び鋳込みの諸作業が可能であるように設計
される。

本発明の方法において、前記るつぼは気密室内
に配置され、該気密室は500ミクロン以下の圧力
まで抜気され、そして前記るつぼの周囲における
冷却水循環が開始される。金属の最終用途に応じ
て、前記気密室は真空下に放置され、または大気
圧に達するまで不活性ガスで詰め戻される。気密
室の初度抜気の前に前記るつぼに装入されなかつ
た反応性金属が任意の好適な物理的形式及び比率
を以て好適な供給機構を通じて供給され、そして
電力が前記動作コイルに供給される。溶融過程
間、るつぼ内にはいかなる絶縁スラツグ材料材も
意図的には存在しないが、言うまでもなく、あま
り問題視されない若干の不純物が金属の装入を通
じて導入される可能性はある。前記動作コイルに
よる加熱は金属の溶融池を形成するように進行す
る。間欠的に追加金属が装入され得る。金属はよ
り良い均一性を得るため、望ましからざる不純物
を融解するため、または同様の理由のため、いつ
たん溶融池が得られたならば、溶融状態に保持さ
れる。

溶融作業が完了した後、得られた溶融金属はイ
ンゴツト、鋳造物、粉、箔、フレーク、フアイ
バ、結晶及び顆粒材料のごとき製品を作るのに使
用され得る。

以下記述する作業例は、本発明の方法の説明に
役立つものである。

例 １ 第１図及び第２図に示されたるつぼと同様に構
成された直径20.0cm（8″）×高さ20.0cm（8″）のる
つぼが、気密室の内部において動作コイルの内側
に配置された。チタン−６、アルミニウム−４及
びバナジウムから成る9.0Kg（20｜ｂ）のチタン
合金が、5.0（2″）×5.0（2″）の棒材の形式を以て前
記るつぼ内に装入された。次いで、前記気密室は
38ミクロンの圧力までポンプによつて抜気され、
そして前記動作コイルが給電された。入力電力
260KGで16分経過した後に、溶金が形成された。
この溶金は５分間そのまま保持され、次いで前記
るつぼからインベストメント鋳型内に鋳込まれ
た。鋳込み時における前記気密室内の圧力は47ミ
クロンであつた。

例 ２ 第１図に説明されたるつぼと同じるつぼが、気
密室の内部において動作コイルの内側に配置され
た。11.70Kg（26｜ｂ）のチタン、5.40Kg（12｜
ｂ）のアルミニウム−コロンビウム母合金、1.30
Kg（３｜ｂ）のバナジウム−アルミニウム母合金
及び1.30Kg（３｜ｂ）のモリブデン−アルミニウ
ム母合金が前記るつぼに供給された。次ぎに、気
密室は50ミクロン以下の圧力までポンプによつて
抜気され、それに続いて、132トルの圧力に達す
るまでアルゴンで詰め戻された。最初、120KW
の電力が前記動作コイルに供給された。電力は
徐々に300KWまで増加された。動作コイルが給
電された後、13分経過したとき、完全な溶金が得
られた。この時点において、0.90Kg（２｜ｂ）の
アルミニウムが加給され、そして該溶金はさらに
５分間そのまま保持された。この時間の経過後、
前記動作コイルへの電力が切られ、そして前記溶
金は前記るつぼ内において固化するように放置さ
れた。

本発明の方法は、既に言及されたように、各種
の反応性金属の誘導溶融及びその後の鋳込みに好
適である。これら反応性金属として、チタン、ジ
ルコニウム、ハフニウム、クロム、ニオブ、タン
タル、モリブデン、ウラン、希土類金属及びトリ
ウム並びにこれら金属と他金属との合金であつて
そこにおいて該反応性金属が、もし、本発明の方
法が使用されないならば固有の反応性を理由とす
る誘導溶融法に伴う記述の諸問題を生じるに至る
可能性を有するほどに十分に大きい部分を構成す
るものが挙げられる。

本発明に基づく方法の重要な特徴は、誘導溶融
工程間に絶縁スラグ材を使用する必要性を無く
し、それによつて、溶融金属池を汚染するととも
に高級な金属鋳物、インゴツト、粉などの生産に
要求される抜気条件下での工程の遂行を不可能に
する恐れある材料を工程から完全に排除すること
である。既に指摘したごとく、溶融工程において
装入される金属及び合金はそれらの給源に応じて
固有の不純物を含有するが、こけら不純物は工程
が機能するためにその存在は決して必要とされ
ず、実際上は、全く存在しないことが望ましいも
のである。従つて、工程が本発明において“絶縁
スラツグ材の不存在”下で遂行されることに言及
するとき、そのような用語は、計画的に（例え
ば、在来技術の機能的と信じられる目的のため
に）供給されるスラツグの存在を排除することを
意図するが、不純物のごとき無機スラツグ状材料
を本質的に含有する金属装入物の使用を工程から
排除することを意図しない。

本発明のもう一つの重要な特徴は、溶融工程間
における装入物の保持のために、耐火材料から作
られたるつぼを使用しないで、金属るつぼを使用
することである。これによつて、反応性金属が耐
火材を分解しそれによつて汚染される顕著な傾向
が無くされる。しかし、既述のごとく、前記金属
るつぼは前記ベース部材の上方で該るつぼを形成
する金属セグメントを互いに離隔するのに使用さ
れるスリツトのための充填材として耐火材または
その他の絶縁材を用いることを許容される（ベー
ス部材で金属“セグメント”は意図的に電気的に
接続される）。従つて、ここで“金属”るつぼと
言うとき、それは該るつぼの本質的内部作用面
が、不伝導性の絶縁材も金属セグメント間の縦方
向離隔スリツトの充填のために使用される少量を
以て存在する事実にもかかわらず、伝導性金属
（好ましくは銅）から形成されている事実を意味
することが意図される。

本発明のさらにもう一つの重要な特徴は、溶融
工程のために密閉される気密室から（少なくとも
約500ミクロンの圧力まで）空気が排除されるこ
とによつて達成される溶融工程間における実質的
な抜気であり、そしてその後、選択的に不活性ガ
スによつて真空が“置換”される（即ち、気密室
が詰め戻される）ことである。

前記るつぼの動作コイルに供給される電力の特
定量はそれ自体重大ではなく、単に、前記るつぼ
内に保持される金属装入物においてその完全な溶
融を達成するのに有効な誘導電流を生じさせるの
に十分な量であるに過ぎない。従つて、特定給電
量は溶融さるべき金属、誘導コイルの形式及びそ
の他同様の考慮事項に応じて決定される。

以上の説明は本発明の本質的特徴および本発明
において使用される特定の実例的材料並びに条件
を当業者に対して説明する目的を以て提供され
た。明らかに、提供された具体的な細部は、特定
溶融工程の要求に従つて変更され得、そして前掲
特許請求の範囲に記載される本発明の精神から逸
脱することなしにその他の修正形式及び実施例が
工夫され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は反応性金属の溶融のために本発明にお
いて役立つるつぼの縦断面図である。第２図は第
１図のＢ−Ｂ線に沿つて取られた部分横断面図で
ある。 図面上、１…側壁、３…内管、４…上端、５…
下端、６…外管、７…下端、８…上端、９…ベー
ス部材、１０…高温度絶縁性材料、１１…マニホ
ルド、１２…動作コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋳造物、インゴツト及びその他の製品を生産
   するための溶融金属池を提供するため反応性金属
   装入物を誘導溶融する方法において、 ａ 中空の細長い金属組立体から成るるつぼ室で
   あつて、その細長い金属の側壁が少なくとも２
   個の細長い金属の側壁セグメントから構成さ
   れ、そのようなセグメントのおのおのがどの隣
   接のセグメントからも離されて位置されるが総
   てのそのようなセグメントがそれにもかかわら
   ず電気的に互いに接続されており、その外側面
   を冷却する手段を設けられ、その少なくとも一
   部分が一次誘導コイルによつて包囲されている
   ものを設ける過程、 ｂ 約500ミクロンより低い圧力まで空気を除去
   するように抜気された閉鎖環境内に前記るつぼ
   室を配置する過程、 ｃ 前記るつぼ室内における反応性金属から成る
   装入物の溶融間に絶縁スラツグ層が形成されな
   いように、前記反応性金属から成る装入物を、
   いかなる意図的に添加される絶縁スラツグ材料
   も存在しない状態下で、前記るつぼ室内に導入
   する過程、 ｄ 前記一次誘導コイルに供給される交流電流に
   よつて誘導される交流電流磁束に前記金属装入
   物をさらす過程、及び ｅ 前記るつぼ室の外側面を冷却しつつ、該室内
   において前記金属装入物を溶融しそして溶融金
   属池を加熱するように前記交流電流磁束を維持
   する過程 を有する反応性金属装入物を誘導溶融する方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   前記反応性金属装入物がチタン合金から成る反応
   性金属装入物を誘導溶融する方法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   前記反応性金属装入物が、ジルコニウム、ハフニ
   ウム、クロム、ニオブ、タンタル、モリブデン、
   ウラン、希土類金属、トリウム及びそれらの合金
   から構成される群から選ばれる金属から成る反応
   性金属装入物を誘導溶融する方法。 ４ 部品をそれから生産するための溶融金属池を
   提供するため反応性金属装入物を誘導溶融する方
   法において、 ａ 中空の細長い金属組立体から成るるつぼ室で
   あつて、その細長い金属の側壁が少なくとも２
   個の細長い金属の側壁セグメントから構成さ
   れ、そのようなセグメントのおのおのがどの隣
   接のセグメントからも離されて位置されるが総
   てのそのようなセグメントがそれにもかかわら
   ず電気的に互いに接続されており、その外側面
   を冷却する手段を設けられ、その長さの少なく
   とも一部分が一次誘導コイルによつて包囲され
   ているものを設ける過程、 ｂ 約500ミクロンより低い圧力まで空気を除去
   するように抜気された閉鎖環境下で前記るつぼ
   室を配置する過程、 ｃ 反応性金属から構成される装入物を、それに
   絶縁スラツグ材料が本質的に含まれていない状
   態下で、前記るつぼ室内に導入する過程であつ
   て、前記反応性金属の装入物の組成が、本質的
   にスラツグの存在しない状態を維持し続けそし
   て、チタン合金、ジルコニウム、ハフニウム、
   クロム、ニオブ、タンタル、モリブデン、ウラ
   ン、希土類金属、トリウム、及びジルコニウ
   ム、ウラン、希土類金属及びトリウムと相互と
   のまたはその他の金属との合金及びそれらの混
   合物から構成される群から選ばれた材料から形
   成される溶融金属池が前記るつぼ内に誘導溶融
   後に存在するように選択されるもの、 ｄ 前記一次誘導コイルに供給される交流電流に
   よつて誘導される交流電流磁束に前記金属装入
   物をさらす過程、及び ｅ 前記るつぼ室の外側面を冷却しつつ、該るつ
   ぼ室内において前記金属装入物を溶融しそして
   溶融金属池を加熱するように前記交流電流磁束
   を維持する過程 を有する反応性金属装入物を誘導溶融する方法。 ５ 特許請求の範囲第１項または第４項に記載さ
   れる方法において、前記金属装入物を前記交流電
   流磁束にさらす過程に先立つて、前記真空がアル
   ゴン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンから構成
   される群から選ばれる不活性ガス雰囲気と置換さ
   れる反応性金属装入物を誘導溶融する方法。 ６ 特許請求の範囲第１項または第４項に記載さ
   れる方法において、前記溶融金属池から形成され
   る前記製品が、インゴツト、鋳造物、粉、箔、フ
   レーク、フアイバ、結晶及び顆粒材料から構成さ
   れる群から選ばれる反応性金属装入物を誘導溶融
   する方法。 ７ 特許請求の範囲第４項記載の方法において、
   前記金属装入物がチタン合金から構成される反応
   性金属装入物を誘導溶融する方法。