JPS6124105B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はエレクトロスラグ再溶解による複合鋳
塊の製造方法に係り、特に電磁力による撹拌効果
を利用して溶着金属の高温割れを防止し、さらに
中空鋳塊の溶込み深さを均一にし得るエレクトロ
スラグ再溶解による複合鋳塊の製造方法に関す
る。

近年発電あるいは圧延設備の大型化に伴つて、
それに使用される発電用タービンロータ、圧延ロ
ール等も大型でかつ信頼性の高い材料であること
が要求され、その素材となる鋼塊も100トンを超
えるものが多い。このような大型鋼塊を従来の鋳
造法により健全に製造することは非常に困難であ
る。

大型鋼塊の製造法として、あらかじめ鋳造され
た鋼塊のＶあるいは逆Ｖ等のマクロ偏析や引け巣
等の不健全部を軸方向に沿つてせん孔除去して中
空鋼塊となし、その空所をエレクトロスラグ再溶
解により充てんする方法が例えば特公昭52―897
号公報、特公昭52―48933号公報に記載されてい
る。この方法によれば、従来公知のエレクトロス
ラグ再溶解法の特長によりマクロ偏析や引け巣の
ない大型鋼塊を製造することが期待できるが、鋼
塊内部に充てんされた溶着金属中に高温割れを生
ずる欠点がある。割れが軽度であれば、後に鍛造
圧着することも可能であるが、コスト高を招くこ
とになる。また割れがはなはだしい場合には使用
不能に至る。

上野 誠、有安久共編「消耗ノズルル式エレク
トロスラグ溶接法」（森北出版）はエレクトロス
ラグ再溶解法と原理を同じくするエレクトロスラ
グ溶接法における高温割れと溶着金属の凝固形状
との関係を述べ、第１図に示すように、高温割れ
はShape factorと呼ばれる溶接部の幅ｂに対する
溶融金属浴の深さｈの比ｂ／ｈに大きく支配さ
れ、Shape factorが大きい程割れにくくなること
を示している。

この状況を溶着金属の凝固現象から第１図によ
つて説明くる。すなわち溶融スラグ浴２の抵抗加
熱によつて消耗電極は溶解され、溶融金属浴３を
形成し、母材１の内壁は加熱再溶融される。溶融
金属は母材溶融境界部から冷却されて凝固を開始
し、次第に凝固層の厚みを増して両端から成長し
た柱状晶が溶接線中央部で接触して凝固を完了す
る。この時柱状晶の接触する角度αは溶融金属浴
３の形状によつて決まり、それが深い程すなわち
前述したShape factorが小さい程鈍角をなして接
触する。一方、溶着金属は凝固する際に収縮引張
応力が発生し、結晶粒界に低融点物質あるいは介
在物等が存在する時に作用すると高温割れを招く
が、引張応力は溶融金属浴３が深い程集中して割
れ感受性が大きくなり、逆に浅い程割れ感受性が
小さくなり、柱状晶が軸と平行に成長する場合に
割れに対する抵抗力が最大となる。また母材の拘
束力も大きな影響を及ぼぼし、拘束力が大きい程
高温度割れが促進される。

エレクトロスラグ再溶解により中空鋼塊の中空
部を充てんする方法は完全拘束に近く、割れ感受
性が非常に大きい。種々検討した結果、完全拘束
に近い状態で高温割れを防ぐためには、柱状晶の
接触角度を90゜よりも小さくする、すなわち溶融
金属浴深さを溶接部の幅のおよそ1/2以下にする
ことが必要であることがわかつた。しかしなが
ら、熱伝導は中空鋼塊及び凝固相（溶着金属）を
通じて行われるため、その抜熱量は通常のエレク
トロスラグ再溶解に比べて非常に小さく、また鋼
塊が大型になる程入熱量も増加するので溶融金属
浴は深くなりやすく、所望する柱状晶の接触角度
を得ることが難しくなる。溶融金属浴の深さは電
流を下げることで制御されるが、電流の低下は溶
解速度の低下を招き、生産を阻害するとともに母
材の溶込み深さにも影響を及ぼし、鋼塊が大型に
なるほど適正な電流条件を選定することが困難に
なる。

本発明者らは溶融金属浴の形状を変えることに
よつて、高温割れに対する抵抗力が増大する可能
をもつという上記知織に基づいて、従来技術の欠
点を解決することを目的として研究した結果、電
流あるいは入熱量を低下させることなく、溶融金
属浴の深さを浅く、すなわちShape factorを大き
くするためには溶融金属浴に対して電磁撹拌を付
与することが効果的であることを見い出した。

すなわち、第２図に示す電磁撹拌に関する研究
結果の一例（JIS規格SS41 80mmφ鋼塊）から明
らかなように、溶融金属浴に対して溶解電流と外
部磁界によつて励起される磁界を利用して電磁撹
拌を付与することによつて柱状晶が軸に対してよ
り平行に成長するようになり、Shape factorを大
きくできることがわかる。電磁撹拌によつて
Shape factorが大きくなるのは以下の理由によ
る。

すなわち、通常のエレクトロスラグ再溶解にい
おいては溶融金属浴は水冷鋳型に接しているた
め、強制冷却を受けて表面から凝固を開始する
が、鋼塊内部では凝固層を通じての熱伝導でかあ
り、さらに消耗電極先端で生成した溶鋼滴の持込
む熱によつて凝固が遅れる。その結果、第２図に
示す縦断面のサルフアープリントの模写図かなら
明らかなように、溶融金属浴の形状はＶ字型とな
る。一方、電磁撹拌によつて溶融金属浴内外部の
温度は均一になるとともに、撹拌流は円心円状の
回転であるので、溶融金属浴の半径方向の流束分
布は鋼塊中心から離れるにつれて増加する。従つ
て鋼塊表層側は最も流速の大きい溶鋼流と接触し
つつ凝固するが、このような場合、凝固速度が大
幅に抑制されることが知られている。さらに電極
先端で生成された溶鋼滴は撹拌された溶融スラグ
浴中を落下する間にアトマイズされて分散する現
象を生ずる。その結果、第２図に示すサルフアー
プリントの模写図から明らかなように、溶融金属
浴形状は平坦となり、Shape factorが他の方法で
は達成不可能なほど著しく大きくなる、また、溶
融スラグ浴を撹拌すれば、消耗電極との間の熱、
物質移動が促進され、溶解速度が向上するなどの
電磁撹拌の効果が得られた。前述したように、撹
拌はスラグ浴及び溶融金属浴の円周方向の温度分
布を均一にするので、溶解の際には母材の溶込み
を均一にする上で有効であることもわかつた。以
上の知見に基づき、本発明は前記従来のエレクト
ロスラグ再溶解により中空鋳塊の中空部を充てん
して複合鋳塊を製造する方法の欠点を解消し、高
温割れを防止して、かつ中空鋳塊の溶込みの均一
化を計るものである。

本発明の特徴は、中空鋳塊の中空部をエレクト
ロスラグ再溶解により充てんする時に、中空鋳塊
内の溶融金属浴または溶融金属浴及び溶融スラグ
浴に対して溶解電流と外部磁界によつて励起され
る磁界を利用して電磁撹拌を付与することにより
同一電気条件でも高温割れの感受性を表わす
Shape factorを大きくするとともに、中空鋳塊の
溶込みを均一にすることにある。

連続鋳造においても、例えば、特公昭53―
16365号公報、特公昭54―19377号公報に記載され
ているように電磁撹拌が行われているが、それら
は撹拌によつて柱状晶を分断して等軸晶を形成さ
せることによつて鋼塊中心偏析、中心ポロシテイ
あるいはホワイトバンドなどの防止を計ることを
目的にしており、本発明のように、溶融金属浴形
状を変えて高温割れを防止することとは明らかに
目的が異なる。以下、本発明を一実施例に基づい
て具体的に説明する。

実施例 第３図は本発明による実施状態を示すもので、 以下の条件で本発明を実施した場合の実施例に
ついて説明する。

中空鋼塊 140φ×57φ×350 ここで140φは外径が140mmφ、57φ
は円径が57mmφおよび350は高さ
が350mmであることを示す。

消耗電極 30φ×1250 ここで電極は丸棒であつて30φは30
mmφの径、1250は1250mmの長さを
示す。

電 流 900A 電 圧 35V 溶融金属浴の深さ 30mm （ｂ／Ｈ）＝2.5 スラグ浴の深さ 45mm 消耗電極の溶解速度 撹拌有り 210ｇ／min 撹拌無し 290ｇ／min 撹拌強度 230ガウスス 溶融スラグ浴２及び溶融金属３の部分に電磁コイ
ル４が配置されている。まず、一方の電極に当る
水冷定盤５上にあらかじめ鋳造され、不健全部が
せん孔除去された中空鋳塊６を配置し、この中に
フツ化カルシウム（CaF₂）、酸化アルミニウム
（Al₂O₃）、酸化カルシウム（CaO）等の酸化物か
らなる溶融スラグを適当力入れて溶融スラグ浴２
を形成する。ここで、溶融スラグ浴の組成は、フ
ツ化カルシウム（CaF₂）が40重量％、酸化カルシ
ウム（CaO）が30重量％、酸化アルミニウム
（Al₂O₃）が30重量％である。次に中空鋳塊６と同
種または異種材料からなる消耗電極７と水冷定盤
５の間に溶融スラグ浴２を介して通電し、発生す
るジユール熱によつて消耗電極７を溶解する。溶
融金属浴３が形成されるとともに、中空鋳塊６の
内壁は溶融スラグ浴２によつて加熱再溶融され、
溶融金属浴３と混合する。そしてこの時に、消耗
電極７を通じて流れる電流と電磁コイル４によつ
て、溶融スラグ浴２及び溶融金属浴３を中空鋳塊
６の円周方向に沿つて電磁撹拌する。溶融金属浴
３の深さは撹拌によつて浅く、平坦なものとされ
る。また消耗電極７と溶融スラグ浴２の間の熱、
物質移動が促進され、溶解速度の向上が計られ
る。溶解はこうした状態で進行し、そして溶融金
属は中空鋳塊境界部から冷却されて凝固を開始
し、次第に凝固層の厚みを増して複合鋳塊が形成
されるが、溶着金属８は電磁撹拌によつてShape
factorが大きくされているので、高温割れはほと
んど発生しない。また溶融スラグ浴２及び溶融金
属浴３の温度が撹拌によつて均一になるので、中
空鋳塊６の円周方向の溶込みも均一になる。

溶融スラグ浴及び溶融金属浴に付加する撹拌強
度は材質、中空鋳塊の大きさ、入力等の操業因子
によつて決定されるが、第２図の結果から、撹拌
強度が大きすぎる場合には溶融金属浴が深くなり
Shape factorが減少することがわかつた。

以上の説明では撹拌領域を溶融スラグ浴及び溶
融金属浴としたが高温割れの防止は溶融金属浴の
みに撹拌を付加することも達成される。また撹拌
を一定時間間隔で付加したり、溶解の最終段階の
み行うこともできる。さらに撹拌を鋳塊軸方向の
循環流をすることも有効である。

以上のように本発明によれば、溶融スラグ浴及
び溶融金属浴に電磁撹拌を付加することで、それ
らの温度分布を均一にし、Shape factorを大きく
することができるので、中空鋳塊の溶込みが均一
でかつ高温割れのほとんどない複合鋳塊が製造で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はエレクトロスラグ溶接における溶着金
属の凝固形状の説明図、第２図は電磁撹拌法を適
用した時の電磁コイルに付与した磁束密度と
Shape factorとの関係を示す図及び溶融金属形状
を示す鋼塊縦断面のサルフア―プリントの模写
図、第３図は本発明による電磁撹拌法を適用する
エレクトロスラグ再溶解による複合鋳塊の実施状
況を示す断面図である。 １……母材、２……溶融スラグ浴、３……溶融
金属浴。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中空部を有する鋳塊の中空部に上記鋳塊と同
   種または異種の材料で形成された消耗電極材を挿
   入し、消耗電極材に溶解電流を供給して溶融スラ
   グ浴の下でエレクトロスラグ再溶解させ、溶融金
   属により上記鋳塊の中空部を充てんして複合鋳塊
   を製造する方法において、溶解電流と外部磁界に
   よつて励起される磁界を利用して溶融金属浴また
   溶融金属浴及び溶融スラグ浴に対して電磁撹拌を
   付与することを特徴とするエレクトロスラグ再溶
   解による複合鋳塊の製造方法。