JP2006265570A - 鋳塊の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コールドスタート法を用いたＥＳＲ法により一次鋳塊の再溶解を行う場合において、溶融スラグ層の精錬作用を損なうことなく、未滓化スラグの発生及びこれに起因する偏析等の品質低下を抑制し、材料歩留まりを向上させること。
【解決手段】 エレクトロスラグ再溶解装置１０の鋳型１２底部に設けられた銅製スツール１４上に少なくともスタートブロック１６を載置し、スタートブロック１６上に着火材１８を載置する第１工程と、スタートブロック１６の周囲に初装フラックス２６ｂを装入する第２工程と、着火材１８の表面に消耗電極２２を接触させ、銅製スツール１４−消耗電極２２間に電圧を印加し、初装フラックス２６ｂを溶解させ、溶融スラグ層２８を形成する第３工程と、初装フラックス２６ａが溶解した後、鋳型１２内に追装フラックス２６ｂを装入し、追装フラックス２６ｂを溶解させる第４工程とを備えた鋳塊の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋳塊の製造方法に関し、さらに詳しくは、エレクトロスラグ再溶解装置を用いた鋳塊の製造方法に関する。

エレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ法）とは、粗金属からなる消耗電極（一次鋳塊）と、水冷銅鋳型内に形成されたメタルプールとの間に溶融スラグ層をおき、溶融スラグを抵抗加熱発熱体として消耗電極を再溶解する方法である。
ＥＳＲ法は、
（１）溶融スラグの精錬作用により、清浄な鋳塊を製造することができる、
（２）水冷銅鋳型による方向性凝固（積層凝固）により、一次鋳塊より健全性が著しく向上し、機械的特性に優れた鋳塊を製造できる、
という利点がある。そのため、ＥＳＲ法は、主として高級で清浄な鋳塊を製造する方法として用いられている。

ＥＳＲ法を用いた鋳塊の製造は、具体的には、以下のような手順により行われる。すなわち、まず、水冷銅鋳型内に、ＣａＦ_２を主成分とする塩基性溶融スラグからなる溶融スラグ層を形成させる。次いで、溶融スラグ層中に粗金属からなる消耗電極を浸漬し、鋳型−溶融スラグ層−消耗電極間に通電する。溶融スラグ層に通電されると、スラグの電気抵抗加熱により消耗電極自身が溶融し、液滴となる。液滴は、溶融スラグ層中を通過する間に、脱硫、脱酸などの不純物の除去、精錬が行われる。滴下した液滴は、水冷銅鋳型の底部でメタルプールを作り、連続的に冷却されて鋳塊となる。

ＥＳＲ法を用いて一次鋳塊の再溶解を行うためには、予め鋳型内に溶融スラグ層を形成する必要がある。このような溶融スラグ層の形成方法（再溶解の開始方法）には、ホットスタート法と、コールドスタート法とがある。
ホットスタート法とは、予め溶融させたスラグを鋳型内に投入する方法である。
一方、コールドスタート法とは、
（１）水冷銅鋳型底部の銅製スツール上に消耗電極と同一又は類似の材質からなるスタートブロックを載置し、スタートブロックの上にさらに着火材を載置し、
（２）スタートブロックの周囲にフラックスを装入し、
（３）消耗電極先端を着火材に接触させた状態で、消耗電極−着火材−スタートブック−銅製スツール間に電圧を印加し、消耗電極−着火剤−スタートブロック間でアーキング（着火）させ、アーク熱と溶融メタル熱でフラックスを溶融させる、
方法をいう。

コールドスタート法は、ホットスタート法に比べて作業が容易であるので、ＥＳＲ法のスタート方法には、通常、コールドスタート法が用いられている。
しかしながら、コールドスタート法は、鋳型底部の銅製スツールとスタートブロックとの間にアークが発生しやすいという問題がある。銅製スツール−スタートブロック間にアークが発生すると、銅製スツールを損傷させたり、あるいは、銅製スツールとスタートブロックの間に溶融スラグが侵入し、鋳塊側面にアークスポットや偏析を生じさせる原因となる。
また、フラックスには、脱酸作用のあるＣａＯを含むもの（例えば、ＣａＦ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ）を用いるのが好ましいが、ＣａＯは吸水性が高いという問題がある。水分を含むフラックスを用いて溶融スラグ層を形成すると、鋳塊の下部にブローホールが発生しやすくなり、材料歩留まりが低下する。

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、鋳型底部の銅製スツール上に金属板を敷設し、金属板の上にスタートブロックを載置して、溶解を開始するエレクトロスラグ溶解方法が開示されている。同文献には、銅製スツール上に金属板を敷くことによって、絶縁不良に起因するアークの発生が抑制され、鋳塊にアークスポットや偏析が発生しにくくなる点が記載されている。

また、特許文献２には、エレクトロスラグ溶解装置にフラックスを充填して溶解を開始するに際して、ＣａＯを含まないフラックスの存在下で溶解を開始した後、ＣａＯ粉末を添加して、またはＣａＯ含有フラックスの存在下で溶解作業を続行するエレクトロスラグ溶解方法が開示されている。同文献には、溶解開始時にＣａＯを含有しないフラックスの存在下で溶解作業を行うと、鋳塊形成当初における水分の影響が少なくなるので、ブローホールのない鋳塊を得ることができる点が記載されている。

特開平７−１８８７９５号公報 特開平７−１８８７９４号公報

コールドスタート法を用いて再溶解を行う場合、一般に、フラックスは、着火前にその全量が鋳型内に投入される。鋳型の周壁及び鋳型底部の銅製スツールは水冷されているので、着火前にフラックスを全量投入すると、鋳型底部に溶け残り（以下、これを「未滓化スラグ」という。）が発生しやすい。未滓化スラグは、特に鋳塊の下部において局部的な凝固の遅れを誘発し、偏析等の原因となる。その結果、品質に悪影響を与え、あるいは、材料歩留まりが低下する。
この問題を解決するために、鋳型内に投入すべきフラックス量を減量させることも考えられる。しかしながら、溶融スラグ層は、抵抗発熱体であるだけでなく、精錬作用も有しているので、ある一定量の一次鋳塊を再溶解するためには、ある一定量以上のスラグが必要となる。

本発明が解決しようとする課題は、コールドスタート法を用いたＥＳＲ法により一次鋳塊の再溶解を行う場合において、溶融スラグ層の精錬作用を損なうことなく、未滓化スラグの発生を抑制することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、未滓化スラグに起因する偏析等の品質低下が少なく、材料歩留まりの高い鋳塊の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る鋳塊の製造方法は、エレクトロスラグ再溶解装置の鋳型底部に設けられた銅製スツール上に少なくともスタートブロックを載置し、該スタートブロック上に着火材を載置する第１工程と、前記スタートブロックの周囲に初装フラックスを装入する第２工程と、前記着火材の表面に消耗電極を接触させ、前記銅製スツール−前記消耗電極間に電圧を印加し、前記初装フラックスを溶解させ、溶融スラグ層を形成する第３工程と、前記初装フラックスが溶解した後、前記鋳型内に追装フラックスを装入し、該追装フラックスを溶解させる第４工程と、を備えていることを要旨とする。

鋳型に装入すべきフラックスを初装フラックスと追装フラックスに分割し、初めに初装フラックスのみを溶解させ、次いで追装フラックスを鋳型内に装入すると、未滓化スラグの発生を抑制することができる。その結果、品質低下が少なく、かつ、材料歩留まりの高い鋳塊が得られる。しかも、十分な量の溶融スラグ層を形成できるので、精錬能力を損なうこともない。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。図１に、本発明に係る鋳塊の製造方法の工程図を示す。図１において、本発明に係る鋳塊の製造方法は、第１工程と、第２工程と、第３工程と、第４工程とを備えている。

第１工程は、エレクトロスラグ再溶解装置（ＥＳＲ装置）１０の鋳型１２底部に設けられた銅製スツール１４上に少なくともスタートブロック１６を載置し、スタートブロック１６上に着火材１８を載置する工程である（図１（ａ）参照）。
ＥＳＲ装置１０は、鋳型１２と、鋳型１２の底部に固定された銅製スツール１４と、電源２０とを備えている。鋳型１２は、内部が空洞（図示せず）になっており、冷却水を循環させるようになっている。電源２０の一端には、銅製スツール１４が接続され、他端には、鋳型１２の上部から挿入される消耗電極（一次鋳塊）２２が接続されている。

スタートブロック１６は、再溶解開始時に消耗電極２２との間にアークを発生させるためのものである。スタートブロック１６を用いなくても消耗電極２２の先端にアークを発生させることはできるが、スタートブロック１６を用いると、アークによる銅製スツール１４の損傷を抑制することができる。
スタートブロック１６には、通常、消耗電極２２と同一又は類似の材料（具体的には、使用済み消耗電極２２の残った部分）が用いられるが、大きな成分変動が生じない場合等には、異なる材料を用いても良い。また、スタートブロック１６の形状、大きさ等は、特に限定されるものではないが、スタートを安定化させるためには、スタートブロック１６の面積は、相対的に大きい方が好ましい。但し、必要以上にスタートブロック１６を大きくしても、あまり実益はない。

着火材１８は、スタート時において消耗電極２２−スタートブロック１６間のアークの発生を容易化し、発生したアーク熱と着火材の溶融熱でフラックスを溶融させるためのものである。着火材１８には、通常、消耗電極２２と同一又は類似の材料からなる切り屑（ダライ）が用いられるが、大きな成分変動が生じない場合等には、異なる材料を用いても良い。着火材１８の投入量は、特に限定されるものではなく、着火が円滑に行われる量以上であればよい。

本発明において、消耗電極２２の材質、すなわち、一次鋳塊の組成は、特に限定されるものではなく、あらゆる材料に対して適用できる。特に、０．５ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下の炭素を含む高炭素鋼は、凝固中に偏析がおきやすいので、これに対して本発明を適用すると、特に高い効果が得られる。このような高炭素鋼としては、具体的には、高速度工具鋼、熱間工具鋼、冷間工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などがある。

なお、銅製スツール１４とスタートブロック１６との間には、図１（ａ）に示すように、金属製の底板２４を敷設しても良い。底板２４は、必ずしも必要なものではないが、底板２４を設けると、スタートブロック１６下面の凹凸や、再溶解中に生ずるスタートブロック１６の浮き上がりに起因するアークの発生、及び、これらに起因する銅製スツール１４の損傷を抑制することができる。

底板２４は、浮き上がりを防止するために、鋳型１２と銅製スツール１４の間に挟み込み、固定するのが好ましい。なお、底板２４は、図１（ａ）に示すように、銅製スツール１４に凹部を形成し、凹部内にはめ込んでも良く、あるいは、単に平坦な銅製スツール１４上に載置するだけでも良い。
底板２４の材質は、特に限定されるものではなく、消耗電極２２の組成、製造コスト等を考慮して、最適なものを選択する。例えば、消耗電極２２がＦｅ系合金である場合、底板２４として、Ｆｅ板を用いるのが好ましい。また、例えば、消耗電極２２がＮｉ基合金の場合には、底板２４として、Ｎｉ板を用いるのが好ましい。底板２４の形状は、特に限定されるものではなく、円形、四角形等、種々の形状を有するものを用いることができる。

また、図１（ａ）に示すＥＳＲ装置は、銅製スツール１４が鋳型１２に固定された固定型であるが、本発明は、銅製スツール１４を下方に移動させて鋳塊を引き抜くタイプのＥＳＲ装置に対しても適用することができる。この場合、鋳塊は、溶解作業終了後に上方に引き上げることにより鋳型１２から取り出されるので、銅製スツール１４とスタートブロック１６との間に底板２４を敷設する時には、底板２４は、鋳型１２の断面内におさまる大きさとする必要がある。

第２工程は、スタートブロック１６の周囲に初装フラックス２６ａを装入する工程である（図１（ｂ）参照）。
初装フラックス２６ａの組成は、特に限定されるものではなく、消耗電極２２の組成、鋳塊に要求される特性等に応じて、最適なものを選択する。通常は、ＣａＦ_２を主成分とするフラックス（例えば、ＣａＦ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯなど）が用いられる。

初装フラックス２６ａは、着火材１８の表面が初装フラックス２６ａで覆われないように装入する。具体的には、図１（ｂ）に示すように、消耗電極２２を着火材１８表面に近接させ、消耗電極２２の周囲から初装フラックス２６ａを投入するのが好ましい。
鋳型１２に装入される全フラックス量は、消耗電極２２の全量を精錬するのに必要な量以上であれば良い。具体的な全フラックス量は、消耗電極２２の組成及び重量、鋳塊に要求される特性等に応じて、最適な量を選択する。例えば、重量約１ｔの高速度工具鋼からなる消耗電極２２を溶解させる場合、全フラックス量は、通常、３０〜５０ｋｇ程度である。
初装フラックス２６ａの装入量は、鋳型１２内に装入される全フラックス量の１０ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下が好ましい。初装フラックス２６ａの装入量が全フラックス量の１０ｗｔ％未満であると、スタート時に形成される溶融スラグ量が相対的に少なくなるので好ましくない。一方、初装フラックス２６ａの装入量が４０ｗｔ％を超えると、未滓化スラグが発生するおそれがある。初装フラックス２６ａの装入量は、さらに好ましくは、全フラックス量の２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下である。

第３工程は、着火材１８の表面に消耗電極２２を接触させ、銅製スツール１４−消耗電極２２間に電圧を印加し、初装フラックス２６ａを溶解させ、溶融スラグ層２８を形成する工程である（図１（ｃ）参照）。
消耗電極２２の先端を着火材１８の表面に接触させ、電源２０を介して電圧を印加すると、消耗電極２２−着火材１８−スタートブロック１６間でアークが発生し、着火材１８が溶融する。また、アーク熱と着火材１８の溶融熱で初装フラックス２６ａが溶融し、溶融スラグ層２８となる。初装フラックス２６ａが完全に溶解したか否かは、鋳型１２の上部から目視で確認することができる。
また、フラックス２６ａの溶融と共に消耗電極２２は引き上げられ、スタートブロック１６と消耗電極２２の溶融が開始する。生成した溶湯は、鋳型１２により冷却されて鋳塊３０となる。また、鋳塊３０の上には、未凝固の溶湯からなるメタルプール３０ａが形成される。

第４工程は、初装フラックス２６ａが溶解した後、鋳型１２内に追装フラックス２６ｂを装入し、追装フラックス２６ｂを溶解させる工程である（図１（ｄ）、図１（ｅ）参照）。
追装フラックス２６ｂは、初装フラックス２６ａと同一の組成を有するものであっても良く、あるいは、異なる組成であっても良い。
追装フラックス２６ｂの装入速度（すなわち、単位時間及び消耗電極２２の単位重量当たりの追装フラックス２６ｂの装入量）は、未滓化スラグが生成しないように、スタート時の投入電力、鋳型１２に装入する全フラックス量、消耗電極２２の重量等に応じて、最適な装入速度を選択する。一般に、装入速度が相対的に遅い場合には、作業効率が低下する。一方、装入速度が相対的に速い場合には、未滓化スラグが生成しやすくなる。追装フラックス２６ｂの装入速度は、具体的には、２ｋｇ／ｔ・分以上５ｋｇ／ｔ・分以下が好ましい。初装フラックス２６ｂの装入速度は、さらに好ましくは、３ｋｇ／ｔ・分以上４ｋｇ／ｔ・分以下である。

図１（ｄ）に示すように、所定の装入速度で追装フラックス２６ｂを装入しながら通電を行うと、溶融スラグ層２８が発熱し、追装フラックス２６ｂを溶解させる。そして、追装フラックス２６ｂが全量投入された時には、図１（ｅ）に示すように、鋳型１２底部に所定量の溶融スラグ層２８が形成される。
フラックスが全溶した後、消耗電極２２を送り初め、さらに通電を続行すると、図１（ｆ）に示すように、溶融スラグ層２８の抵抗加熱により消耗電極２２が溶融し、液滴２２ａとなって滴下する。滴下した液滴２２ａは、溶融スラグ層２８で精錬された後、鋳型１２底部でメタルプール３０ａを作り、連続的に冷却されて鋳塊３０となる。

次に、本発明に係る鋳塊の製造方法の作用について説明する。
ＥＳＲ法において、溶融スラグ層は、抵抗発熱体であるだけでなく、溶湯の精錬を行う機能も有している。従って、所定量の一次鋳塊を再溶解するためには、所定量以上のスラグが必要となる。
しかしながら、コールドスタート法を用いて必要量のスラグを形成する場合において、着火前にフラックスを鋳型内に全量投入すると、鋳型が冷却されているために、鋳型底部には未滓化スラグが残る場合がある。この時、未滓化スラグの形状が対称である場合には、メタルプールの形状も対称になるので、メタルプール内の溶融金属は、ほぼ均等な凝固速度で凝固する。一方、未滓化スラグの形状が非対称である場合には、メタルプールの形状も非対称となるので、メタルプール内の溶融金属の凝固速度に、局部的な遅れが発生する。

高速度工具鋼は、液相から固相への凝固温度範囲が広いので、一次鋳塊には偏析が生じやすい。この点は、高速度工具鋼以外の高炭素鋼も同様である。このような偏析のおきやすい高炭素鋼をＥＳＲ法を用いて再溶解させると、一般に、偏析の少ない健全な鋳塊が得られる。
しかしながら、凝固初期に未滓化スラグに起因する局部的な凝固の遅れが発生すると、鋳塊の底部にブラックスポットが発生する場合がある。ブラックスポットとは、炭化物が凝集している斑点状の領域であって、肉眼で黒く見える部分を言う。ブラックスポットが生成した部分は、組織が異常になっており、規格外として切り捨てられるので、ブラックスポットの生成は、製品歩留まりを低下させる原因となる。

これに対し、鋳型１２に装入すべきフラックスを初装フラックスと追装フラックスに分割して装入すると、未滓化スラグの発生が抑制される。その結果、メタルプールが対称になり、局部的な凝固の遅れ、並びに、これに起因する品質の低下（ブラックスポットの発生）及び材料歩留まりの低下が抑制される。しかも、十分な量の溶融スラグ層を形成できるので、精錬能力が損なわれることもない。

（実施例１）
図１に示す手順に従い、ＥＳＲ装置１０を用いて高速度工具鋼（ＪＩＳ ＳＫＨ５１）の再溶解を行った。再溶解条件は、以下の通りである。
消耗電極 ： ２００ｍｍ×２００ｍｍ×３０００ｍｍ
水冷銅鋳型： φ４００ｍｍ×長さ２０００ｍｍ
フラックス： ＣａＦ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系
フラックス装入量： 合計４５ｋｇ（内、初装フラックス１０ｋｇ）
追装フラックス装入速度： ３ｋｇ／ｔ・分

（比較例１）
スタート時に鋳型内にフラックスを全量装入した以外は、実施例１と同一の手順に従い、高速度工具鋼の再溶解を行った。
（比較例２）
比較例１と同一条件下で、高速度工具鋼の再溶解を行った。

図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に、それぞれ、比較例１、比較例２及び実施例１で得られた鋳塊の縦断面マクロ写真及び縦断面模式図を示す。
比較例１、２は、同一条件であるにもかかわらず、未滓化スラグの形状が異なっていた。すなわち、比較例２は、図２（ｂ）に示すように、未滓化スラグが生成しているが、その形状がほぼ対称であった。比較例２の場合、左右の未滓化スラグの高さの差は、約１０ｍｍであった。その結果、メタルプールの形状はほぼ対称であり、ブラックスポットの生成も認められなかった。
一方、比較例１は、図２（ａ）に示すように、未滓化スラグの形状が非対称であったため、メタルプールの形状も非対称となった。比較例１の場合、左右の未滓化スラグの高さの差は、約２３ｍｍであり、比較例２の倍以上であった。また、鋳塊左側断面にはブラックスポットは発生しなかったが、メタルプールの変形が著しい鋳塊右側断面には、ブラックスポットが発生した。
これに対し、フラックスを分割装入した実施例１では、図２（ｃ）に示すように、未滓化スラグがなく、鋳塊の底部形状がほぼ矩形になっていた。また、フラックスが完全に滓化しているので、メタルプールの形状もほぼ完全な対称であり、ブラックスポットも認められなかった。さらに、図示はしないが、実施例１と同一条件下で再度、高速度工具鋼の再溶解を行っても、図２（ｃ）と同様の結果が得られた。

図３に、比較例１で得られた鋳塊の健全部の組織写真（図３（ａ））、及び、ブラックスポット部の組織写真（図３（ｂ））を示す。図３より、ブラックスポット部は、炭化物の凝集体（図３（ｂ）中、白く見える部分）であることがわかる。
ブラックスポットは、メタルプールの形状が著しく変形している部分に発生していることから、ブラックスポットの生成原因は、未滓化スラグの形状が非対称であることに起因する、凝固速度の局部的な遅れによると考えられる。また、フラックスを分割装入することによって、ブラックスポットの発生を再現性良く抑制することができたのは、フラックスの滓化が完全に行われ、対称な形状を有するメタルプールを再現性良く形成することができ、凝固速度の局部的な遅れが抑制されたためと考えられる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る鋳塊の製造方法は、航空機エンジンや発電用タービンの回転部品の素材、高速度工具鋼などの各種高炭素鋼からなる鋳塊の製造方法として使用することができる。

本発明に係る鋳塊の製造方法を示す工程図である。 図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、それぞれ、比較例１、比較例２及び実施例１で得られた鋳塊の縦断面マクロ写真及び断面模式図である。 図３（ａ）は、比較例１で得られた鋳塊の健全部の組織写真、図３（ｂ）は、比較例１で得られた鋳塊に発生したブラックスポット部の組織写真である。

符号の説明

１０ エレクトロスラグ再溶解装置
１２ 鋳型
１４ 銅製スツール
１６ スタートブロック
１８ 着火材
２２ 消耗電極
２６ａ 初装フラックス
２６ｂ 追装フラックス
２８ 溶融スラグ層

Claims (4)

1. エレクトロスラグ再溶解装置の鋳型底部に設けられた銅製スツール上に少なくともスタートブロックを載置し、該スタートブロック上に着火材を載置する第１工程と、
   前記スタートブロックの周囲に初装フラックスを装入する第２工程と、
   前記着火材の表面に消耗電極を接触させ、前記銅製スツール−前記消耗電極間に電圧を印加し、前記初装フラックスを溶解させ、溶融スラグ層を形成する第３工程と、
   前記初装フラックスが溶解した後、前記鋳型内に追装フラックスを装入し、該追装フラックスを溶解させる第４工程と、
   を備えた鋳塊の製造方法。
2. 前記第２工程は、前記鋳型内に装入される全フラックス量の１０ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下のフラックスを前記初装フラックスとして装入するものである請求項１に記載の鋳塊の製造方法。
3. 前記第４工程は、２ｋｇ／ｔ・分以上５ｋｇ／ｔ・分以下の装入速度で、前記鋳型内に前記追装フラックスを装入するものである請求項１又は２に記載の鋳塊の製造方法。
4. 前記消耗電極は、０．５ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下の炭素を含む高炭素鋼からなる請求項１から３までのいずれかに記載の鋳塊の製造方法。
   

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