JPH0814008B2 - 冷却火床精練 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、未精練混合物を全く含んではならないチタ
ン合金などの金属の冷却火床精練に関し、さらに詳細に
は、精練された金属の汚染を防止するのに特に好適な新
規で改良された冷却火床機構に関する。

発明の背景 冷却火床精練によって精練されたチタン合金などの金
属を例えば航空機のエンジン部品に使用する用途におい
て、精練されたインゴット中における少量の未精練混在
物の存在は著しく有害である。そのような混在物は、例
えば、高速で回転する航空機のエンジン部品における破
損および破壊をまねくおそれがあるため、完全に除去さ
れなければならない。

チタン合金などの金属における従来の冷却火床精練に
おいては、水冷火床に、チタンスポンジの塊または小
片、あるいはチタン合金部品の製造から出るスクラップ
から成るチタン合金の機械削りくずを入れる。この材料
は、炉の細長い冷却された火床の一端で重力供給によっ
て導入され、そこでまず溶融され、次に電子ビーム衝突
またはプラズマトーチからのエネルギー入力によって精
練される。この精練された溶融材料は、火床の反対側の
端から円筒状モールドに注がれ、そこで垂直に配された
円筒状インゴットを形成して、固化と共にモールド内で
下向きに取り出される。

チタン合金材料の大きな固体片および圧縮ブリケット
を溶融領域に導入する、チタン合金等の精練に使用する
従来の冷却火床炉においては、合金材料の未溶融部分が
火床の溶融領域から精練領域へと下流方向にロールまた
は浮遊していき、キャスティング領域の精練された金属
を汚染する。切り刻まれた管状材料などの軽量固体もま
た、完全な溶融をのがれ、精練領域へと浮遊して同じ問
題を引起す。

これまで、火床にせき（dam）または間仕切などの物
理的バリヤーを設けることによって、冷却火床精練シス
テムにおける火床の異なった領域を分離する試みがなさ
れてきた。例えば米国特許第3,343,828号においては、
火床の相対向する側から交互に延びるグラファイト製の
部分仕切を設けて曲がりくねった路を形成することによ
って細長い流路が火床に形成される。この機構は高価で
あるばかりでなく、火床の完全再構成範囲内の変更がで
きない。米国特許第3,748,070号は、火床自体内または
溶融材料の表面に接触するよう配置された選択位置で冷
却体を与え、溶融材料が固化しかつ冷却体の直近にバリ
ヤーを形成するようにすることによって１つの火床領域
ともう１つの火床領域の間にせきまたはバリヤーを形成
することを開示している。この機構もまた、コストが増
加する追加的火床構造を要し、さらに火床の再構成範囲
内の変更ができない。

発明の開示 本発明の目的は、従来技術の上記問題点を克服する新
規で改良された冷却火床精練機構を提供することであ
る。

本発明のもう１つの目的は、火床を分解することなく
構成変更ができる、火床の溶融領域と精練領域を分離し
た、新規で改良された冷却火床精練機構を提供すること
である。

本発明におけるこれらおよび他の目的は、溶融および
精練すべき材料を受容する入口端と出口端とを有し、さ
らに溶融材料の固化によってスカル（skull）が形成さ
れ、前記入口端と出口端の間に位置するスカル材料の部
分バリヤーを形成せしめるように望ましい方法でエネル
ギーを火床の選択された領域に向けるための制御された
エネルギー入力機構を有した冷却火床（cold hearth）
を提供することによって達成される。１つの実施態様に
おいて、前記スカル材料の部分バリヤーは、溶融領域か
ら精練領域への流出通路を形成する狭いネックを有する
せきから成る。他の形態において、部分バリヤーは、溶
融領域と精練領域の間にラビリンス（labyrinth）を形
成する、火床の相対向する側から離間されて延在するス
カル材料の半島状突出物から成る。どちらの場合も、溶
融領域は精練領域から十分に分離されており、精練領域
への未溶融材料の移動は効果的におさえられている。

本発明のさらなる目的および効果は、添付の図面と共
に以下の説明から明らかとなるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明による冷却火床機構の１実施例を示
す略縦断面図、 第２図は、第１図に示された実施例の平面図、そして 第３図は、本発明の他の実施例を示す平面図である。

本発明を実施するための最良の形態 第１図および第２図に示された本発明の典型的実施態
様において、火床10は、水または他の冷却液が循環され
ている冷却パイプ12を含む火床ヘッド11から成る。火床
の入口端において、シュート13は、チタンスポンジまた
はチタン合金削りくずなどの精練すべき原材料の小片14
を火床に導く。この図示された実施態様において、エネ
ルギー入力は一連の従来型有向エネルギー入力装置15に
よって行われる。この装置15は、溶融されるべき材料14
を加熱し、その溶融材料を望ましい方法で精練するため
に火床の所望する領域に選択的に配向されたエネルギー
ビーム16の制御可能なパターンを発生させる。エネルギ
ー入力装置15は、方向制御可能な従来の電子ビームガン
または従来のプラズマトーチから構成されてもよい。第
１図の機構において、エネルギービーム16の１つが火床
の溶融領域17にある原材料14に集中してその材料を溶融
しており、他のエネルギービームは精練領域18をカバー
すべく制御され、それによって、火床の他端にある注ぎ
口20に向って流れる溶融材料が精練領域を通過する際に
精練される。火床ベッド11はパイプ12を通って流れる液
体によって冷却されるので、溶融材料の固体スカル21が
火床ベッド11の内側表面に形成され、溶融材料による崩
壊から保護する。

精練された金属19は、注ぎ口20を通って火床から垂直
モールド21へ流れる。溶融材料を冷却するために、冷却
パイプ22がモールド21に設けられ、矢印で示すように、
従来のようにモールド内を下向きに徐々に移動されるイ
ンゴット23を形成する。エネルギー入力装置24は、モー
ルドの頂部にある溶融材料26の表面に向ってエネルギー
ビーム25を制御された形態で導き、インゴット23へのそ
の材料の冷却および固化を所望のように制御する。エネ
ルギー入力として電子ビームを用いる場合は、機構全体
は密閉容器内におかれ、従来の方法で高度の真空に維持
される。

第１図および第２図に示されるように、火床の溶融領
域17に導入された固体材料はある時間未溶融状態にあ
る。そのような未溶融材料が精練領域18に入ってしまう
と精練領域内の溶融材料19を汚染し、その汚染物は溶融
材料19と共に運ばれて、注ぎ口20を通ってモールド21内
に流れ込んでしまう。本発明においては、そのような汚
染を防止するため、第１図のエネルギー入力装置15によ
って得られるプラズマトーチの配向性またはビーム16の
方向性などのようなエネルギー入力の方向性パターンが
制御され、それによって火床内における合金材料の選択
された部分の加熱がさけられ、スカル21の成長を可能に
して、火床の両側から中央に向って溶融材料の表面より
上に延びるせきを形成する。エネルギー入力パターン
は、狭くて浅い溶融材料通路28を与えるために制御さ
れ、溶融領域17から精練領域18への材料の制御された流
れを可能にする。このようにして、未溶融材料の精練領
域への混入およびそれによるインゴット23内の材料の汚
染が効果的に防止される。

第３図に示された実施形態において、エネルギー入力
パターンを制御して、スカル材料が火床の各側からその
反対側に向って延びる２つの隣接して離間された半島状
突出物を形成するのを可能にすることによって、火床の
溶融領域17および精練領域18間のバリヤー機構が与えら
れる。これによって、溶融領域17と精練領域18間の溶融
材料の流れのための曲がりくねった通路31が形成され、
全ての未溶融材料が電子ビームまたはプラズマトーチか
らのエネルギー入力にさらされる時間を延ばし、よって
精練領域18に達するまでに材料の完全溶融が達成され
る。

第１〜３図に示された本発明による機構により、未溶
融材料に起因す混在物が精練領域へ混入し、その後イン
ゴットに運ばれて、得られた材料を汚染するという事態
になやまされることなく、チタン合金などの金属を冷却
火床炉で精練することができる。もちろん本発明は、単
一火床の使用に限定されるものではなく、２つ以上の火
床を有する冷却火床精練システムに用いることもでき、
所望からば、本発明によって形成されたスカルバリヤー
を第１の火床のみに設けるか、２つ以上の連続する火床
に用いることもできることは理解されよう。

ここでは、本発明を特定の実施例に基づいて説明した
が、多くの変更および改良が容易に行い得ることは当業
者にとって明らかである。従って、それらの変更および
改良は、全て本発明の範囲に含まれる。

以下に本発明の好ましい実施態様を記載する。

本発明の冷却火床装置は、溶融すべき固体原材料を受
け取るための一端に隣接された溶融領域と、その溶融領
域から離間された精練領域とを有する、火床ベッドを備
えた火床手段； 前記溶融領域内で固体材料を溶融しかつ前記精練領域
内で材料を精練するために、前記火床手段に収容された
材料に方向を制御してエネルギーを加えるためのエネル
ギー入力手段； 前記火床手段内で精練されている材料のスカルを形成
するために前記火床ベッドの内側表面に隣接している溶
融された材料を冷却する、前記火床ベッドの内部に備え
られた冷却手段；および、 未溶融原材料が溶融領域から精練領域に運ばれるのを
防止するために、前記火床手段の前記溶融領域と前記精
練領域とを部分的に分離する、前記スカルから成るバリ
ヤー； を有してなるものである。

前記バリヤーは、溶融領域から精練領域への溶融材料
の流れのための制限された通路を与える、火床を実質的
に横切るように延びるせきから成るものであってもよ
い。

前記バリヤーはまた、溶融領域と精練領域の間の曲が
りくねった流路を与える、火床手段の相対向する両側か
らの離間された突出から成るものであってもよい。

前記エネルギー入力手段は電子ビームガン手段から成
るものであってもよい。

前記エネルギー入力手段はまた、プラズマトーチ手段
から成るものであってもよい。

本発明の冷却火床システムで材料を溶融しかつ精練す
る方法は、 溶融かつ精練すべき固体原材料を、火床ベッドを備え
た火床の溶融領域に供給し、前記火床内の前記固体材料
にエネルギーを加えて溶融材料とし、その溶融材料を前
記火床の前記溶融領域からその溶融領域とは離間された
精練領域に向って移動させ、前記火床を冷却して前記火
床ベッドの内側表面に近接している材料のスカルを形成
し、そして前記火床へ向けるエネルギーの方向を制御し
て、未溶融原材料が前記溶融領域から前記精練領域に運
ばれるのを防止するために前記溶融領域と前記精練領域
とを部分的に分離する、前記スカルから成るバリヤーを
形成せしめる各工程を含むものである。

前記本発明による方法は、火床へ加えるエネルギーを
制御して、溶融領域から精練領域への溶融材料の流れの
ための制限された通路を与える、火床を実質的に横切る
ように延びるせきを形成する工程を含むものであっても
よい。

前記本発明による方法はまた、火床へ加えるエネルギ
ーを制御して、溶融領域と精練領域の間の曲がりくねっ
た流路を与える。火床の相対向する両側からの離間され
た突出を形成する工程を含むものであってもよい。

前記本発明による方法はまた、前記エネルギーが、電
子ビームガン手段によって火床内の材料に加えられるも
のであってもよい。

前記本発明による方法はまた、前記エネルギーが、プ
ラズマトーチ手段によって火床内の材料に加えられるも
のであってもよい。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶融すべき固体原材料を受け取るための一
   端に隣接された溶融領域と、その溶融領域から離間され
   た精練領域とを有する、火床ベッドを備えた火床手段； 前記溶融領域内で固体材料を溶融しかつ前記精練領域内
   で材料を精練するために、前記火床手段に収容された材
   料に方向を制御してエネルギーを加えるためのエネルギ
   ー入力手段； 前記火床手段内で精練されている材料のスカルを形成る
   ために前記火床ベッドの内側表面に隣接している溶融さ
   れた材料を冷却する、前記火床ベッドの内部に備えられ
   た冷却手段；および 未溶融原材料が溶融領域から精練領域に運ばれるのを防
   止するために、前記火床手段の前記溶融領域と前記精練
   領域とを部分的に分離する、前記スカルから成るバリヤ
   ー； を有してなる冷却火床装置。
2. 【請求項２】冷却火床システムで材料を溶融しかつ精練
   する方法であって、 溶融かつ精練すべき固体原材料を、火床ベッドを備えた
   火床の溶融領域に供給し、前記火床内の前記固体材料に
   エネルギーを加えて溶融材料とし、その溶融材料を前記
   火床の前記溶融領域からその溶融領域とは離間された精
   練領域に向って移動させ、前記火床を冷却して前記火床
   ベッドの内側表面に近接している材料のスカルを形成
   し、そして前記火床へ向けるエネルギーの方向を制御し
   て、未溶融原材料が前記溶融領域から前記精練領域に運
   ばれるのを防止するために前記溶融領域と前記精練領域
   とを部分的に分離する、前記スカルから成るバリヤーを
   形成せしめる各工程を含むことを特徴とする方法。