JP2002167629A - Method for producing high purity titanium ingot - Google Patents

Method for producing high purity titanium ingot

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JP2002167629A
JP2002167629A JP2000364470A JP2000364470A JP2002167629A JP 2002167629 A JP2002167629 A JP 2002167629A JP 2000364470 A JP2000364470 A JP 2000364470A JP 2000364470 A JP2000364470 A JP 2000364470A JP 2002167629 A JP2002167629 A JP 2002167629A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a homogeneous, high purity titanium ingot by using a raw material having an expanded allowable impurity concentration range without adding specified elements thereto. SOLUTION: A sponge titanium cake is produced by a Kroll process. A high purity sponge titanium lump is picked from the central part of the sponge titanium cake and is cut into a plurality of pieces of lump. The concentrations of one impurity selected from contained impurities and contained oxygen are measured for each cut lump. After that, each cut lump is arranged so as to make a gradient in the order of the measured impurity concentrations, and, welding is performed thereto. Provided that the high concentration side of the contained impurities is A, final dissolution is performed under condition that the tip of the final ingot is the part corresponding to A in the case of the impurity elements in which the distribution coefficient (S/L) between solid titanium (S) and liquid titanium (L) is >1. Alternatively, it is performed under condition that the bottom part of the final ingot is the part corresponding to A in the case of the impurity elements in which the distribution coefficient (S/L) is <1.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、クロール法によ
り製造したスポンジチタンケーキを原料として、不純物
の含有が極めて少ない高純度チタンインゴットを製造す
る方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a high-purity titanium ingot containing a very small amount of impurities from a sponge titanium cake produced by the Kroll method.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体製造を始め電子機器製造な
どの各分野で高純度チタンの需要が増大しつつある。こ
の高純度チタンは、通常クロール法により原料鉱石から
作られるスポンジチタンケーキを原料として溶解工程を
経て製造される高純度チタンインゴットが原材料とな
る。
2. Description of the Related Art In recent years, demand for high-purity titanium has been increasing in various fields such as semiconductor manufacturing and electronic equipment manufacturing. This high-purity titanium is obtained from a high-purity titanium ingot that is produced through a melting step using a sponge titanium cake that is usually made from a raw ore by a crawl method as a raw material.

【0003】従来の展伸用チタンの製造方法として、例
えば特公平4−29722号公報に記載された製造方法
がある。このものは展伸材向けのチタンインゴットであ
り、成分濃度の目標値は、酸素:1300ppm、F
e:500ppmである。また、二次溶解のトップ部に
相当する15%を、目標値より酸素は200ppm高
く、Feは100ppm低くなるように調整する。実際
には、酸素濃度の調整は、消耗電極の作製時に、トップ
部に相当する15%の部分には添加剤として酸化タチン
を添加して酸素濃度を上げ、トップ部以外の部分に相等
する85%の部分には添加剤として鉄粉を添加してい
た。
[0003] As a conventional method for producing titanium for spreading, there is, for example, a production method described in Japanese Patent Publication No. 29722/1992. This is a titanium ingot for wrought material, and the target value of the component concentration is oxygen: 1300 ppm, F
e: 500 ppm. In addition, 15% corresponding to the top part of the secondary dissolution is adjusted so that oxygen is higher by 200 ppm and Fe is lower by 100 ppm than the target values. In practice, the adjustment of the oxygen concentration is made by adding tatatin oxide as an additive to the 15% portion corresponding to the top portion at the time of manufacturing the consumable electrode, thereby increasing the oxygen concentration, and making it equivalent to portions other than the top portion. % Iron iron powder was added as an additive.

【0004】スポンジチタンケーキは、バッチの位置に
起因する不純物濃度のばらつきが極めて大きいため、ク
ラッシャーなどで細かな粒径に破砕してブレンドして均
質化しなければ、展伸材用の溶解原料として使用できな
かった。この溶解材料としてのスポンジチタンケーキ
は、不純物濃度が高いため、破砕工程とその後のブレン
ド工程により均質化されたものが使用される。
[0004] Since the sponge titanium cake has a very large variation in impurity concentration due to the position of the batch, it must be crushed to a fine particle size by a crusher or the like, and unless blended and homogenized, it is used as a dissolving raw material for wrought material. Could not be used. Since the sponge titanium cake as the dissolving material has a high impurity concentration, a sponge titanium cake homogenized by a crushing step and a subsequent blending step is used.

【0005】一方、近年、半導体配線用の高純度チタン
材に要求されるスペックは、例えば酸素≦300pp
m、Fe、Ni、Cr、Al、V、Sn、Moの各元素
≦10ppmと極めて低い。従って、上記特公平4−2
9722号公報に記載された製造方法のごとく、目標値
に応じて酸素や鉄の不純物を積極的に添加してインゴッ
トの均質化を図る方法は極力避けなければならない。
On the other hand, in recent years, specifications required for a high-purity titanium material for semiconductor wiring are, for example, oxygen ≦ 300 pp.
Each element of m, Fe, Ni, Cr, Al, V, Sn, and Mo is extremely low as ≦ 10 ppm. Therefore, the above-mentioned Tokuhei 4-2
As in the production method described in Japanese Patent No. 9722, a method of positively adding oxygen or iron impurities in accordance with a target value to homogenize an ingot must be avoided as much as possible.

【0006】上記のごとく、破砕工程とその後のブレン
ド工程により均質化されたスポンジチタンは、酸素及び
金属不純物の汚染があるため、高純度チタン材として使
用することはできない。そのため、例えば特許第286
3469号特許公報に記載されているように、バッチ式
で作られたスポンジチタンケーキの中心部分を採取し、
これを切断プレスで粒径10〜300mmに切断して、
破砕工程とその後のブレンド工程を経ずに溶解原料とす
る方法が提案されている。なお、バッチ式でスポンジチ
タンケーキを製造する還元容器の内面は純鉄製であるこ
とが望ましい。例えば、クラッド材を用いて外面をステ
ンレス鋼、内面を純鉄とした還元容器あるいはステンレ
ス鋼容器の内面に純鉄をバタリング(全面肉盛溶接)し
た還元容器などを用いることができる。
As described above, titanium sponge homogenized by the crushing step and the subsequent blending step cannot be used as a high-purity titanium material because of contamination of oxygen and metal impurities. Therefore, for example, Patent No. 286
As described in US Pat. No. 3469, a central part of a sponge titanium cake made in a batch mode is collected,
This is cut to a particle size of 10 to 300 mm with a cutting press,
There has been proposed a method in which a raw material is dissolved without passing through a crushing step and a subsequent blending step. In addition, it is desirable that the inner surface of the reduction container for producing the sponge titanium cake in a batch type is made of pure iron. For example, it is possible to use a reduction container in which the outer surface is made of stainless steel and the inner surface is made of pure iron using a clad material, or a reduction container in which pure iron is buttered (overlay welding) on the inner surface of the stainless steel container.

【0007】上記の製造方法は、破砕工程とその後のブ
レンド工程を用いていないために若干不均一ではある
が、スポジチタンケーキの中心部分を切り取って原材料
としているため、比較的均質であり、そのまま溶解材料
として用いることができる。しかし、このように不純物
の添加を避ければ、特公平4−29722号公報に記載
されているように、二次溶解後のインゴットトップ部分
で酸素濃度が低く、Fe濃度が高くなるという問題があ
った。
[0007] The above-mentioned production method is slightly inhomogeneous because the crushing step and the subsequent blending step are not used. It can be used as a dissolving material. However, if the addition of the impurities is avoided in this way, there is a problem that the oxygen concentration is low and the Fe concentration is high at the ingot top portion after the secondary melting, as described in Japanese Patent Publication No. 4-29722. Was.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上記のごとく、従来の
高純度チタンの製造方法では、インゴット単位を大きく
するとスポンジチタンのばらつきやマクロ偏析によって
インゴットの不純物濃度が不均一となり、また、インゴ
ット平均ではスペック範囲内でも、位置によって1種類
の元素でもスペック範囲外となれば、インゴット全体が
高純度チタンとして使用できなくなる場合があるなどの
欠点があった。
As described above, in the conventional method for producing high-purity titanium, when the ingot unit is increased, the impurity concentration of the ingot becomes non-uniform due to the dispersion of titanium sponge and macro-segregation. Even within the specification range, if even one kind of element is out of the specification range depending on the position, there is a defect that the entire ingot may not be used as high-purity titanium.

【0009】また、インゴットの成分濃度を均一にする
ために酸素源及び鉄源を添加して濃度を調整してチタン
インゴットを製造する方法は、不純物のスペック範囲が
低く押さえられている場合には採用できない。
The method of producing a titanium ingot by adjusting the concentration by adding an oxygen source and an iron source in order to make the component concentration of the ingot uniform is required when the spec range of impurities is kept low. Can not be adopted.

【0010】従って、従来の製造方法で不純物濃度が低
く押さえられた高純度チタンを製造するには、不純物濃
度をスペック上限よりかなり低くしなければならず、そ
のためスポンジチタンケーキの中心部から高純度スポン
ジ塊を採取する方法では収量が著しく減少する欠点があ
った。
[0010] Therefore, in order to produce high-purity titanium having a low impurity concentration by the conventional production method, the impurity concentration must be considerably lower than the upper limit of the specification. The method of collecting a sponge mass has a disadvantage that the yield is significantly reduced.

【0011】現在、高純度チタン製造用として、クロー
ル法によるスポンジチタンケーキの中心部から溶解原料
を採取する方法が行われているが、最近では高純度チタ
ンの不純物スペックが用途ごとに多岐にわたるため、ス
ポンジチタンメーカーは、それぞれのスペック範囲内に
ある溶解原料として、スポンジチタンケーキの中心部分
から採取した分塊を選定して使用する。従って、スペッ
クによっては全ての分塊を使用することができず、比較
的高純度の分塊のみを選別して使用することがある。そ
のため、高純度の分塊が不足し、スペックを若干満たし
ていない分塊が余り、高純度チタン製造用原料として使
用不能になるという問題が起きている。
At present, for the production of high-purity titanium, a method of collecting a melted raw material from the center of a sponge titanium cake by the Kroll method has been carried out. However, recently, the impurity specifications of high-purity titanium have been diversified for each application. The titanium sponge maker selects and uses a lump taken from the central part of the titanium sponge cake as a dissolving raw material within the respective specification ranges. Therefore, depending on the specifications, not all lumps can be used, and only lumps having relatively high purity may be selected and used. For this reason, there is a problem that the high-purity lumps are insufficient, and the lumps that do not slightly satisfy the specifications are too much to be used as a raw material for producing high-purity titanium.

【0012】本発明は、上記従来の製造方法に見られる
欠点を排除することを目的とし、特定の元素を添加する
ことなく均一な高純度チタンインゴットを得ることがで
き、また高純度チタンインゴットを大型化した場合にも
均一性を確保でき、更にインゴットの原料として使用可
能な不純物濃度範囲を拡大できる高純度チタンインゴッ
トの製造方法を提供するものである。
An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages of the conventional production method, and to obtain a uniform high-purity titanium ingot without adding a specific element. An object of the present invention is to provide a method for producing a high-purity titanium ingot that can ensure uniformity even when the size is increased and further expand the range of impurity concentration that can be used as a raw material for the ingot.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するため、種々実験・検討の過程で、高純度スポ
ンヂチタンケーキを複数に分塊して不純物濃度の測定を
続けている内、各分塊の不純物濃度は元素ごとに様々で
あることを知った。そこで、これらの分塊を溶解原料と
して用いる場合、凝固偏析を利用して特定の不純物濃度
に勾配ができるように分塊を並べて溶接した原料すなわ
ち消耗電極を溶解すれば、不純物濃度を均一にできるこ
とがわかった。本発明は、この知見に基づいて、次のよ
うに完成したのである。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present inventors have continued the measurement of the impurity concentration by agglomerating high-purity sponge titanium cake into a plurality of pieces in the course of various experiments and examinations. Of these, it was found that the impurity concentration of each lump varied depending on the element. Therefore, when these agglomerates are used as a dissolving raw material, the solidified segregation can be used to dissolve the raw material in which the agglomerates are arranged and welded, that is, a consumable electrode, so that a gradient can be obtained at a specific impurity concentration. I understood. The present invention has been completed as follows based on this finding.

【0014】本発明でいう分塊とは、スポンジチタンケ
ーキの中心部、すなわちスポンジチタンケーキの頂部か
ら高さ8%以上、底部から高さ20%以上、円周部から
直径の10%以上を切り捨てた中心部分を、切断プレス
などにより、例えば一辺が約60cm程度の立方体状ま
たは直方体状に切断した塊を、更に10〜300mm程
度の粒径に刻んで、ドラム缶に詰めたものである。中心
部分の採取方法は、スポンジチタンケーキの頂部から高
さ10%以上、底部から高さ30%以上、円周部から直
径の15%以上を切り捨てることが不純物濃度の低減の
ためには望ましい。
The agglomerate referred to in the present invention refers to the center of the sponge titanium cake, that is, at least 8% of the height from the top, at least 20% of the height from the bottom, and at least 10% of the diameter from the circumference of the sponge titanium cake. The cut-out central part is cut into a cubic or rectangular parallelepiped shape having a side of about 60 cm by a cutting press or the like, and further cut into a particle size of about 10 to 300 mm and packed in a drum. As for the method of collecting the central portion, it is desirable to cut off at least 10% of the height from the top, 30% or more of the height from the bottom, and 15% or more of the diameter from the circumference of the sponge titanium cake in order to reduce the impurity concentration.

【0015】本発明の高純度チタンインゴットの製造方
法は、クロール法でスポンジチタンケーキを製造し、該
スポンジチタンケーキの中心部分から高純度スポンジチ
タン塊を採取して複数に分塊し、各分塊ごと1種類以上
の含有不純物の濃度を測定した後、測定した不純物濃度
の順に勾配ができるように各分塊を並べて、その順番に
溶解・鋳造してインゴットを製造する方法において、含
有不純物の高濃度側をAとしたときの、最終溶解を下記
条件で行う。 固体チタン(S)と液体チタン(L)の間の分配係
数(S/L)が1超の不純物元素の場合には、最終イン
ゴットの頂部をAに当たる部分とする。 固体チタン(S)と液体チタン(L)の間の分配係
数(S/L)が1未満の不純物元素の場合には、最終イ
ンゴットの底部をAに当たる部分とする。
According to the method for producing a high-purity titanium ingot of the present invention, a sponge titanium cake is produced by a crawl method, a high-purity titanium sponge lump is collected from a central portion of the sponge titanium cake, and divided into a plurality of chunks. After measuring the concentration of one or more types of contained impurities for each lump, arranging each mass so as to form a gradient in the order of the measured impurity concentration, melting and casting in that order to produce an ingot, When the high concentration side is A, final dissolution is performed under the following conditions. When the partition coefficient (S / L) between the solid titanium (S) and the liquid titanium (L) is more than 1, the top of the final ingot corresponds to A. When the partition coefficient (S / L) between the solid titanium (S) and the liquid titanium (L) is less than 1, the bottom of the final ingot corresponds to A.

【0016】高純度チタンインコットにおいて問題とな
る不純物元素として代表的なものは、分配係数(S/
L)が1超のものにはO、N、Al、Mo、Nbなどが
あり、分配係数(S/L)が1未満のものにはFe、N
i、Cr、As、Sn、C、V、Zr、Sb、Siなど
がある。
A typical impurity element that poses a problem in a high-purity titanium incot is a partition coefficient (S /
When L) is more than 1, there are O, N, Al, Mo, Nb and the like, and when the distribution coefficient (S / L) is less than 1, Fe, N
i, Cr, As, Sn, C, V, Zr, Sb, Si and the like.

【0017】また、上記高純度チタンインゴットの製造
方法において、順番に溶解する方法が、各分塊を前記順
番に並べて溶接し、棒状の溶解原料を作製した後、電子
ビーム溶解法または真空アーク溶解法で溶解することを
特徴とする。
In the above method of manufacturing a high-purity titanium ingot, the method of melting in order is as follows. It is characterized by being dissolved by a method.

【0018】更に、上記高純度チタンインゴットの製造
方法において、不純物濃度の順に勾配を作る方法が、順
番に並べられた各分塊の両端で、最終インゴットの頂部
に当たる側の端の位置を0、底部に当たる端を1とした
とき、分塊ごとの{不純物濃度/(不純物濃度の平均
値)}の位置をプロットした場合、その線形近似直線の
傾きの絶対値が0.1以上であり、分塊の数が10個以
上であることを特徴とする。
Further, in the above-mentioned method for producing a high-purity titanium ingot, the method of forming a gradient in the order of impurity concentration is as follows: When the end corresponding to the bottom is set to 1, when the position of {impurity concentration / (average value of impurity concentration)} for each lump is plotted, the absolute value of the slope of the linear approximation line is 0.1 or more. It is characterized in that the number of lumps is 10 or more.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】本発明は上記のごとく、各分塊の
不純物濃度の多様性を利用し、不純物濃度がスペック上
限よりそれほど低くない分塊、更には一部の不純物濃度
がスペック上限を超えている分塊をも使って、凝固偏析
すなわち溶媒であるチタンが凝固するとき、溶質である
不純物元素が固体チタン(S)と液体チタン(L)との
間で、ある分配係数(S/L)で分配される現象を利用
して、不純物濃度に勾配ができるように各分塊を並べ
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As described above, the present invention makes use of the variety of the impurity concentration of each lump, the lump whose impurity concentration is not much lower than the upper limit of the specification, and furthermore, the impurity concentration of some lump is lower than the upper limit of the specification. When the solidifying segregation, that is, the solidifying of titanium as a solvent, is also performed using the oversized lump, the impurity element as a solute causes a certain partition coefficient (S / S) between solid titanium (S) and liquid titanium (L). Using the phenomenon distributed in L), the individual lumps are arranged so that the impurity concentration has a gradient.

【0020】このときの各分塊の並べ方は、固体チタン
(S)と液体チタン(L)との間の分配係数(S/L)
が1超の不純物元素の場合と、分配係数(S/L)が1
未満の不純物元素の場合とで逆とした。例えば、酸素な
どの分配係数(S/L)が1超の不純物元素について
は、最終溶解で最終インゴットの頂部が高濃度側に相当
するように溶解する。また、鉄などの分配係数(S/
L)が1未満の不純物元素については、その逆に溶解す
る。
At this time, the arrangement of the respective lumps is based on the distribution coefficient (S / L) between the solid titanium (S) and the liquid titanium (L).
Is more than one impurity element, and the distribution coefficient (S / L) is 1
It was reversed for the case of less than the impurity element. For example, impurity elements such as oxygen having a distribution coefficient (S / L) of more than 1 are dissolved in the final dissolution so that the top of the final ingot corresponds to the high concentration side. In addition, the distribution coefficient (S /
Conversely, the impurity element having L) of less than 1 is dissolved.

【0021】上記のごとくして最終溶解を終えたチタン
インゴットをビレットとし、インゴットの高さ方向に相
当する方向でスペックが設定されている全ての不純物濃
度を測定した結果、すべての測定位置で不純物濃度をス
ペック範囲内とすることができ、不純物濃度は均一であ
った。
The titanium ingot, which has been finally melted as described above, is used as a billet, and all impurity concentrations whose specifications are set in a direction corresponding to the height direction of the ingot are measured. The concentration could be within the specification range, and the impurity concentration was uniform.

【0022】本発明で用いるクロール法で作られるスポ
ンジチタンケーキは、バッチサイズに制限はなく、スポ
ンジチタンケーキの中心部に所望する高純度のスポンジ
チタン塊が得られれば良い。なお、高純度スポンジチタ
ン塊の採取方法や採取大きさには制限はない。また、多
くの不純物濃度の組合せを得るには、可能な限り多くの
スポンジチタンケーキから高純度スポンジチタン塊を採
取することが望ましい。
The sponge titanium cake produced by the crawl method used in the present invention is not limited in batch size, as long as a desired high-purity titanium sponge lump is obtained at the center of the sponge titanium cake. There is no limitation on the method of collecting the high-purity titanium sponge mass or the size of the mass. In order to obtain many combinations of impurity concentrations, it is desirable to collect a high-purity titanium sponge mass from as many sponge titanium cakes as possible.

【0023】採取した高純度スポンジチタン塊は複数に
分塊するが、その分塊方法には制限はない。しかし、1
分塊当たりの重量は、インゴット重量の1〜10%の範
囲が望ましい。その理由は、1%未満ではインゴットの
不純物濃度を均一にする効果は大きくならず、不純物濃
度の測定が増え手間がかかるだけであり、10%を超え
るとインゴットの不純物濃度を均一にする効果が小さく
なるためである。なお、最も望ましいのは2〜6%の範
囲である。また、1分塊当たりの重量を一定にする必要
はない。そして、VARのコンパクトプレス及び不純物
濃度の測定のためには、汚染防止対策を前提とすれば、
分塊した後、更に細かく破砕する工程を付加しても良
い。
The collected high-purity titanium sponge mass is divided into a plurality of masses, but the method of mass formation is not limited. However, 1
The weight per agglomerate is preferably in the range of 1 to 10% of the ingot weight. The reason is that if the concentration is less than 1%, the effect of making the impurity concentration of the ingot uniform does not become large, and the measurement of the impurity concentration increases, and it takes much time. If it exceeds 10%, the effect of making the impurity concentration of the ingot uniform is obtained. This is because it becomes smaller. The most desirable range is 2 to 6%. Also, it is not necessary to keep the weight per lump constant. And for the VAR compact press and the measurement of impurity concentration, assuming contamination prevention measures,
After pulverization, a step of further crushing may be added.

【0024】本発明は、分塊ごとの不純物濃度のバラツ
キを利用して均質なインゴットを得る方法であるため、
分塊の数が少なすぎると、不純物濃度の適切な傾きを形
成することが困難となる場合がある。従って、用いる分
塊の数は少なくとも10個以上が必要であり、20個以
上を用いることが更に望ましい。
[0024] The present invention is a method for obtaining a homogeneous ingot by utilizing the variation in the impurity concentration of each lump,
If the number of lumps is too small, it may be difficult to form an appropriate gradient of the impurity concentration. Therefore, the number of used lumps must be at least 10 or more, and more preferably 20 or more.

【0025】上記のごとくして作られた各分塊は、それ
ぞれ不純物濃度を測定するが、その測定方法には制限が
ない。しかし、最終製品の測定方法と同じ方法で測定す
ることが望ましい。例えば、高周波プラズマ発光分光分
析(ICP)の測定装置を使って分塊の不純物濃度を測
定すれば、最終製品も同じ測定装置を使って不純物濃度
を測定する。
Each of the lumps produced as described above is individually measured for the impurity concentration, but the measuring method is not limited. However, it is desirable to measure by the same method as that of the final product. For example, if the impurity concentration of a lump is measured using a measuring device of high frequency plasma emission spectroscopy (ICP), the impurity concentration of the final product is also measured using the same measuring device.

【0026】不純物濃度の測定を終わった分塊は、不純
物濃度の順に勾配ができるように並べて溶接する。ここ
で、並べるというのは、各分塊の溶解する順序を決める
ことであり、また不純物濃度に勾配ができるようにする
ことは、各分塊の不純物濃度と並べる順序との関係を直
線に回帰計算したとき、直線に傾きが生じるようにする
ためである。なお、各分塊の溶解する順序を決めるに
は、次の3つのいずれかの方法で行うことができる。
The lumps for which the measurement of the impurity concentration has been completed are arranged and welded so as to have a gradient in the order of the impurity concentration. Here, arranging means determining the order in which each mass is dissolved, and providing a gradient in the impurity concentration involves regressing the relationship between the impurity concentration of each mass and the order in which the mass is arranged in a straight line. This is because a straight line is inclined when the calculation is performed. In addition, the order of dissolving each mass can be determined by any of the following three methods.

【0027】不純物濃度の組合せが異なる多くの種類の
分塊をストックしてある場合に有効な第1の方法は、先
ず最も重要な1つの不純物のみ着目して、本発明の範囲
となるように濃度順に並べる。次いで、他の不純物の並
びをチェックする。その並びが本発明の範囲となってい
ない場合には、最初に着目した不純物の並びが本発明の
範囲から外れないように注意しながら、使用する分塊と
は別にストックしてある他の分塊と入れ替える作業を、
試行錯誤を繰り返しながら行い、他の不純物の並びにつ
いても本発明の範囲に入るようにする。
A first method which is effective when many types of lumps having different combinations of impurity concentrations are stocked, first focuses on only the most important one impurity so as to fall within the scope of the present invention. Arrange in order of concentration. Next, the arrangement of other impurities is checked. If the arrangement does not fall within the scope of the present invention, be careful not to deviate from the scope of the present invention the arrangement of the impurities initially focused on the other impurities that are stored separately from the lumps to be used. Work to replace with lump,
The process is repeated by trial and error so that other impurities are arranged within the scope of the present invention.

【0028】不純物濃度の組合せが異なる多くの種類の
分塊を使用している場合に有効な第2の方法は、先ず最
も重要な1つの不純物のみ着目して、本発明の範囲とな
るように濃度順に並べる。次いで、他の不純物の並びを
チェックする。その並びが本発明の範囲となっていない
場合には、最初に着目した不純物の並びが本発明の範囲
から外れないように注意しながら、分塊の前後を入れ替
える作業を、試行錯誤を繰り返しながら行い、他の不純
物の並びについても本発明の範囲に入るようにする。
A second method which is effective when a large number of types of lumps having different combinations of impurity concentrations are used is to focus on only one of the most important impurities and to fall within the scope of the present invention. Arrange in order of concentration. Next, the arrangement of other impurities is checked. If the arrangement is not within the scope of the present invention, the work of replacing the front and rear of the lumps is repeated by trial and error while paying attention so that the arrangement of the impurities initially focused does not deviate from the scope of the present invention. This is done so that the arrangement of other impurities is also within the scope of the present invention.

【0029】使用できる分塊が予め決められている場合
の有効な第3の方法は、2種類の不純物a及びbの分配
係数がそれぞれ1超と1未満となる場合には、例えば、
以下の方法で配列する。各分塊の不純物aを全分塊の平
均不純物濃度で割った値をAとし、各分塊の不純物bを
全分塊の平均不純物濃度で割った値をBとする。全分塊
について、Aの標準偏差をST(A)、Bの標準偏差を
ST(B)とするとき、各分塊ごとのAST(B)/BST(A)
の順番に配列する。2種類の不純物a及びbの分配係数
がいずれも1超または1未満となる場合には、AST(B)
×BST(A)の大きさの順に並べる。
An effective third method when usable masses are predetermined is that when the distribution coefficients of two kinds of impurities a and b are more than 1 and less than 1, respectively, for example,
Arrange in the following manner. Let A be the value obtained by dividing the impurity a of each mass by the average impurity concentration of all the masses, and let B be the value obtained by dividing the impurity b of each mass by the average impurity concentration of all the masses. Assuming that the standard deviation of A is ST (A) and the standard deviation of B is ST (B), A ST (B) / B ST (A)
In order. If the distribution coefficients of the two types of impurities a and b are both more than 1 or less than 1, A ST (B)
× B Arrange in the order of ST (A) .

【0030】上記勾配には、その大きさに上限はない。
その理由は、高純度チタンインゴットの製造に使用する
原料の不純物濃度は、クロール法で得られる下限の濃度
とスペック上限濃度または、これを僅かに上回る濃度と
で定まる範囲内に限られるため、おのずと勾配の上限が
設定されるからである。また勾配の大きさの下限は、平
均濃度で除した無次元濃度Cと並べる方向に対する位置
を並べる全長で除した無次元数Pとの関係を直線に回帰
計算したとき、勾配C/Pが絶対値0.1以上あること
が望ましい。なぜなら、勾配C/Pが0.1未満の場
合、最終溶解によるマクロ偏析がインゴットを不均一と
するように作用し、最終溶解によるマクロ偏析による不
純物濃度の異常を是正する効果が十分得られないからで
ある。なお、VARなとで2回以上溶解を行う場合に
は、勾配C/Pが0.2以上であることが望ましい。
The gradient has no upper limit.
The reason is that the impurity concentration of the raw material used in the production of high-purity titanium ingots is naturally limited to a range determined by the lower limit concentration obtained by the Kroll method and the upper limit concentration of the spec or a concentration slightly higher than this. This is because the upper limit of the gradient is set. When the relationship between the dimensionless density C divided by the average density and the dimensionless number P divided by the total length in which the positions are arranged in the arrangement direction is linearly regression-calculated, the gradient C / P is absolutely lower. It is desirable that the value be 0.1 or more. Because, when the gradient C / P is less than 0.1, macrosegregation due to final dissolution acts to make the ingot non-uniform, and the effect of correcting abnormalities in impurity concentration due to macrosegregation due to final dissolution cannot be sufficiently obtained. Because. When the dissolution is performed twice or more in the case of VAR, the gradient C / P is desirably 0.2 or more.

【0031】請求項3に記載の方法では、その線形近似
直線の傾きの絶対値が、不純物が酸素、窒素などの非金
属元素である場合は0.1以上であり、不純物が鉄、ニ
ッケルなどの金属元素である場合は0.3以上であるこ
とが、より望ましい。
In the method according to the third aspect, the absolute value of the slope of the linear approximation line is 0.1 or more when the impurity is a nonmetallic element such as oxygen or nitrogen, and the impurity is iron or nickel. In the case of the metal element, it is more preferably 0.3 or more.

【0032】また、全ての不純物元素について勾配がで
きるように並べることができるのが望ましい。しかし、
不純物濃度の多様性に限界があり、並べ方が実質的に困
難な場合がある。このような場合には、不純物濃度の高
い元素、あるいは分配係数(S/L)が1から大きく離
れている元素を主要な元素とし、例えば鉄と酸素の2元
素を主要な元素として選び、この主要な元素のみに勾配
ができるようにすれば良い。
It is desirable that all the impurity elements can be arranged so as to have a gradient. But,
There is a limit to the diversity of the impurity concentration, and the arrangement may be substantially difficult. In such a case, an element having a high impurity concentration or an element having a distribution coefficient (S / L) far apart from 1 is selected as a main element. For example, two elements of iron and oxygen are selected as main elements. What is necessary is to make the gradient only in the main element.

【0033】なお、2回以上溶解する場合には、得られ
る原料の不純物濃度差や各回の溶解条件、例えばインゴ
ット断面積の増加率などの条件に応じて、溶解する方向
を同じ向きとしてもよく、また反転してもよい。一般的
な真空アーク溶解法では、溶解する方向を反転する方が
より望ましい。なぜなら、得られる原料の不純物濃度差
が小さい場合でも1回目の溶解で一旦濃度差を増大させ
ることによって、最終の2回目の溶解でインゴットをよ
り均一にすることができるからである。
In the case of dissolving two or more times, the dissolving direction may be the same depending on the impurity concentration difference of the obtained raw material and the conditions of each dissolution such as the rate of increase of the ingot cross-sectional area. , And may be reversed. In a general vacuum arc melting method, it is more desirable to reverse the melting direction. This is because, even when the impurity concentration difference of the obtained raw material is small, the ingot can be made more uniform in the final second melting by increasing the concentration difference once in the first melting.

【0034】本発明の実施に当たっては、チタンインゴ
ットの溶解方法に制限はないが、マクロ偏析の効果をよ
り大きく利用できる点で真空アーク溶解法による溶解が
最も望ましい。なお、水冷銅ハース上に本発明の順序に
従って原料を供給するならば電子ビーム溶解法でも良
い。
In the practice of the present invention, there is no limitation on the method of melting the titanium ingot, but melting by the vacuum arc melting method is most desirable in that the effect of macro-segregation can be more greatly utilized. If the raw material is supplied on the water-cooled copper hearth according to the order of the present invention, an electron beam melting method may be used.

【0035】[0035]

【実施例】クロール法で約7トンのスポンジチタンケー
キを製造した。該スポンジチタンケーキの頂部から高さ
10%、底部から高さ20%、円周部から直径の12%
を切り捨てた中心部分から高純度スポンジチタン塊を採
取した。この高純度スポンジチタン塊を150kgづつ
に分塊した。そして、各分塊ごとに鉄(分配係数が1未
満)と酸素(分配係数が1超)の各濃度を測定した。こ
れらの分塊は、油圧プレスにより、更に直径470mm
の半割、重量75kgのコンパクトブリケット60個に
分塊した。
EXAMPLE A sponge titanium cake of about 7 tons was produced by the Kroll method. 10% height from the top, 20% height from the bottom and 12% of the diameter from the circumference of the titanium sponge cake
A high-purity titanium sponge mass was collected from the central portion where the was cut off. This high-purity titanium sponge mass was divided into 150 kg portions. Then, each concentration of iron (partition coefficient was less than 1) and oxygen (partition coefficient was more than 1) was measured for each agglomerate. These lumps are further pressed by a hydraulic press to a diameter of 470 mm.
Halved into 60 compact briquettes weighing 75 kg.

【0036】上記60個のコンパクトブリケットの内半
分の30個は、本発明の実施により表1の分塊番号31
〜60に示すように、測定した鉄と酸素濃度の順に勾配
ができるようにランダムに並べ、プラズマアーク溶接に
より溶接し、直径470mm、段数30、重量4500
kgの消耗電極を作製した。上記実施例の結果を図2の
グラフに示す。このグラフからコンパクトブリケット
は、不純物の鉄と酸素濃度の順に勾配をもって配列して
いることがわかる。
According to the practice of the present invention, 30 of the 60 compact briquettes in the above-mentioned 60 compact briquettes have a lump number 31 in Table 1.
As shown in Tables 60 to 60, the iron and oxygen concentrations were randomly arranged so as to have a gradient in the order, and were welded by plasma arc welding. The diameter was 470 mm, the number of steps was 30, and the weight was 4500.
kg of consumable electrode was produced. The results of the above example are shown in the graph of FIG. From this graph, it can be seen that the compact briquettes are arranged with a gradient in the order of the iron and oxygen concentrations of the impurities.

【0037】コンパクトブリケットの内残り半分の30
個は、表1の比較例として分塊番号1〜30に示すよう
に、測定した鉄と酸素濃度の大きさに関係なくランダム
に並べ、プラズマアーク溶接により溶接し、直径470
mm、段数30、重量4500kgの消耗電極を作製し
た。上記比較例の結果を図1のグラフに示す。このグラ
フからコンパクトブリケットは、不純物の鉄と酸素濃度
の大きさに関係なくランダムに配列していることがわか
る。
The other half of the compact briquette, 30
As shown in the lump numbers 1 to 30 as comparative examples in Table 1, the pieces were randomly arranged regardless of the magnitude of the measured iron and oxygen concentrations, and were welded by plasma arc welding to obtain a diameter of 470.
A consumable electrode having a thickness of 4,500 kg was prepared. The results of the comparative example are shown in the graph of FIG. From this graph, it can be seen that the compact briquettes are randomly arranged irrespective of the magnitude of the iron and oxygen concentrations of the impurities.

【0038】上記消耗電極を真空アーク溶解法により、
表1に示すように、比較例は段番号1の方向から一次溶
解し、本発明の実施例は分塊番号34の方向から一次溶
解し、それぞれ直径560mm、重量4500kgの一
次インゴットを作製した。続いて、一次インゴットを反
転して比較例は段番号30の方向から二次溶解し、本発
明の実施例は分塊番号38の方向から二次溶解し、それ
ぞれ直径740mm、重量4500kgの二次インゴッ
トを作製した。
The above-mentioned consumable electrode is formed by a vacuum arc melting method.
As shown in Table 1, the comparative example was primarily melted in the direction of the stage number 1 and the example of the present invention was primarily melted in the direction of the agglomeration number 34 to prepare a primary ingot having a diameter of 560 mm and a weight of 4500 kg. Subsequently, the primary ingot was inverted and the comparative example was secondarily melted in the direction of the stage number 30 and the example of the present invention was secondarily melted in the direction of the lumps number 38. Each of the secondary ingots was 740 mm in diameter and 4500 kg in weight. An ingot was made.

【0039】得られた二次インゴットは熱間鍛造により
直径155mmのビレットに加工した。そして、ビレッ
ト長さの1/5づつの位置で鉄と酸素の濃度を測定し
た。その結果を表2に示す。
The obtained secondary ingot was processed into a billet having a diameter of 155 mm by hot forging. Then, the concentrations of iron and oxygen were measured at one-fifth positions of the billet length. Table 2 shows the results.

【0040】[0040]

【表1】 [Table 1]

【0041】[0041]

【表2】 [Table 2]

【0042】上記表2の試験結果より、測定した鉄と酸
素濃度の大きさに関係なく、コンパクトブリケットをラ
ンダムに並べた比較例の場合は、インゴットの位置によ
り不純物濃度に大きなばらつきがあり、殊にトップ部分
はスペックを超えており、高純度チタンインゴットとし
て使用する場合には、製品歩留りが悪いことがわかる。
一方、本発明の実施による場合は、トップからボトムま
で不純物濃度はスペック内の均一な低い範囲にあり、イ
ンゴット全体が高純度チタンインゴットとして使用でき
ることがわかる。
From the test results in Table 2 above, regardless of the magnitude of the measured iron and oxygen concentrations, in the case of the comparative example in which compact briquettes were randomly arranged, the impurity concentration varied greatly depending on the position of the ingot. The top part exceeds the specifications, and it can be seen that the product yield is poor when used as a high-purity titanium ingot.
On the other hand, according to the embodiment of the present invention, the impurity concentration from the top to the bottom is in a uniform low range within the specification, and it can be seen that the entire ingot can be used as a high-purity titanium ingot.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によれば、特定の元素を添加する
ことなく、かつ使用可能な不純物濃度範囲を拡大した原
料を使用して、均質な高純度チタンインゴットを製造す
ることができる。
According to the present invention, a homogeneous high-purity titanium ingot can be produced without adding a specific element and using a raw material whose usable impurity concentration range is expanded.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】表1の比較例のデータに基づく鉄及び酸素の線
形近似を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing a linear approximation of iron and oxygen based on the data of Comparative Example in Table 1.

【図2】表1の本発明の実施例のデータに基づく鉄及び
酸素の線形近似を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a linear approximation of iron and oxygen based on the data of the example of the present invention in Table 1.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 クロール法でスポンジチタンケーキを製
造し、該スポンジチタンケーキの中心部分から高純度ス
ポンジチタン塊を採取して複数に分塊し、各分塊ごと1
種類以上の含有不純物の濃度を測定した後、測定した不
純物濃度の順に勾配ができるように各分塊を並べて、そ
の順番に溶解・鋳造してインゴットを製造する方法にお
いて、含有不純物の高濃度側をAとしたときの、最終溶
解を下記条件で行う高純度チタンインゴットの製造方
法。 固体チタン(S)と液体チタン(L)の間の分配係
数(S/L)が1超の不純物元素の場合には、最終イン
ゴットの頂部をAに当たる部分とする。 固体チタン(S)と液体チタン(L)の間の分配係
数(S/L)が1未満の不純物元素の場合には、最終イ
ンゴットの底部をAに当たる部分とする。
1. A sponge titanium cake is produced by the Kroll method, a high-purity titanium sponge mass is collected from a central portion of the sponge titanium cake, and divided into a plurality of masses.
After measuring the concentration of contained impurities of more than one kind, arrange each lumps so that a gradient can be created in the order of the measured impurity concentration, and melt and cast in that order to produce an ingot. A is a method for producing a high-purity titanium ingot, wherein the final dissolution is performed under the following conditions. When the partition coefficient (S / L) between the solid titanium (S) and the liquid titanium (L) is more than 1, the top of the final ingot corresponds to A. When the partition coefficient (S / L) between the solid titanium (S) and the liquid titanium (L) is less than 1, the bottom of the final ingot corresponds to A.
【請求項2】 順番に溶解する方法が、各分塊を前記順
番に並べて溶接し、棒状の溶解原料を作製した後、電子
ビーム溶解法または真空アーク溶解法で溶解することを
特徴とする請求項1記載の高純度チタンインゴットの製
造方法。
2. A method of melting in order, wherein each mass is arranged and welded in the above order to produce a rod-shaped melting raw material and then melted by an electron beam melting method or a vacuum arc melting method. Item 4. The method for producing a high-purity titanium ingot according to Item 1.
【請求項3】 不純物濃度の順に勾配を作る方法が、順
番に並べられた各分塊の両端で、最終インゴットの頂部
に当たる側の端の位置を0、底部に当たる側の端を1と
したとき、分塊ごとの{不純物濃度/(不純物濃度の平
均値)}の位置をプロットした場合、その線形近似直線
の傾きの絶対値が0.1以上であり、分塊の数が10個
以上であることを特徴とする請求項1記載の高純度チタ
ンインゴットの製造方法。
3. A method of forming a gradient in the order of impurity concentration, in which, at both ends of each of the sequentially arranged lumps, the position of the end corresponding to the top of the final ingot is set to 0, and the end corresponding to the bottom is set to 1. When plotting the position of {impurity concentration / (average impurity concentration)} for each lump, the absolute value of the slope of the linear approximation line is 0.1 or more, and the number of lumps is 10 or more. The method for producing a high-purity titanium ingot according to claim 1, wherein:
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JP2007291453A (en) * 2006-04-25 2007-11-08 Kobe Steel Ltd Consumable electrode

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