JP2004206900A - 消耗電極式アーク溶解用電極 - Google Patents

Abstract

【課題】高融点活性金属の消耗電極式アーク溶解法における、強度を向上させた電極の提供。
【解決手段】粉体状の溶解原料を加圧成形してブリケットとし、これらを溶接して組立て成型する消耗電極において、該ブリケットの成型時のポンチ加圧面が電極の軸方向に平行、すなわち加圧方向が電極軸に垂直であるように配置する消耗電極式アーク溶解用電極で、電極の表面にあって隣接する各ブリケットのポンチ加圧面同士が溶接により接合されていること、溶接ビードがブリケット成型時のポンチ加圧面上にあり、かつ電極軸方向に2本以上の溶接ビードが形成されていること、ブリケットが、円柱を中心軸が含まれる面にて分割した形状で、かつ円柱面をポンチ加圧面とするプレス加工にて成形されていること、などの形態を有する電極、およびこれらの電極を用いたチタンの消耗電極式アーク溶解方法。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、高融点活性金属などのインゴット溶製に使用される消耗電極式アーク溶解法の消耗電極およびその電極の製作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極式アーク溶解法は、通電体である電極自身が溶解原料となり消耗溶解して鋳塊となる溶解方法である。したがって、溶解原料が粒状、粉状、フレーク状、小片状などのいわゆる巨視的に粉体状の原料である場合、これらを用いて電極を作成しなければならない。これにはまず原料をプレス加圧して押し固め、１個の固体状のブリケットを作る。その後、このブリケットを多数並べて溶接し、長尺状の消耗電極とするのが一般的である。
【０００３】
消耗電極を構成するブリケットの強度は、溶解中、電極がそれ自身の重量に耐え得る強度を確保する上で非常に重要である。また、ブリケットの自立性、取り扱い、運送、組立て強度、消耗電極溶解設備上の制約などから、嵩密度をできるだけ大きくして寸法を小さくし、かつ強度を増大させることが電極製作上も、溶解する上においても望ましい。ブリケットの強度は、ブリケット構成材料の形態、性状と、プレス時のプレス荷重の大きさと、そのプレス方法によって決定される。
【０００４】
ブリケットを構成する材料は、一般的にはスポンジ状の金属粒であることが多く、たとえばチタンの場合、クロール法またはハンター法といわれる方法で塩化物をＭｇ、Ｎａで還元したスポンジ状金属塊を破砕、整粒したものである。これに目的インゴットの製造コストを下げるため、あるいは成分調整の目的で、チップ状、あるいは細かく砕いた金属板など様々な形状のスクラップ、添加剤等が品質を確認した上で配合されることもある。また、合金の場合には、各種合金元素、または母合金などをこのブリケット中に配合する。
【０００５】
これらのブリケット構成材料のうち、スポンジ状のものは、一般的に内部に多くの隙間を持った多孔質なので、プレス時にスクラップ材などより容易に変形し、粒が相互に絡み合って、ブリケットも強度のあるものを確保しやすい。しかし、スクラップ、添加材、合金元素などを多量に配合した場合、ブリケットの強度が低下することから、これらの配合量は一定の制限を受ける。
【０００６】
ブリケットの強度を確保する上で、プレス圧力を増大することは非常に有効である。しかしながら、プレス時の金型の強度を超えて圧力を増大させることはできないため、これもある一定の制限を受ける。また、プレス圧力を単に増大させただけでは、プレスの加圧力がブリケット全体に均一には行き渡らず、圧力のかかり方が異なる結果、嵩密度、強度ともブリケット内の部位で異なるものができる。
【０００７】
いま、ブリケット成形のため金型内に原料を挿入して、上方からプレスにて加圧した場合を考える。粉体原料の上ポンチ面接触部にはポンチの全圧が作用するが、金型下面に近づくに伴い、金型と被加圧粉体側面との接触面に生じる摩擦力のために、次第に上ポンチ面からの力は減少し、金型下面に接する部分で最小となる。したがって、ブリケットの上ポンチ面に接する部分は嵩密度が高く強度の大きいものが得られるが、金型下面に接していた部分では、ブリケットの嵩密度が小さく弱いものとなり、全体としては嵩密度、強度の不均一なブリケットとなる。これが、最も一般的に実施されている、いわゆる片押し法である。
【０００８】
しかし、この状態を少しでも避けるため、上下のポンチ両方を動かしてブリケットに圧力を加える両押し法や、片押し法同様上ポンチのみで加圧するが、ダイスをスプリングなどで支えて上下に動くようにし、両押し法と同様の効果を持たせたフローティングダイス法なども採用される。これらの方法によると、上下両側のポンチ面での加圧力は最大となり、片押し法よりは強度のあるブリケットが得られるが、依然として、ブリケットの中央付近には、上下のポンチ加圧面より弱い部分が存在する。
【０００９】
一方、ブリケットの生産性を向上させ、さらには消耗電極製作の溶接工数を減少させるためには、ブリケットの大型化あるいは単重の増加が望まれ、その場合、１回のプレスで大量の原料を投入してブリケットを製作することが必要になる。しかしながら従来の方法では、たとえ両押し法でブリケットを製作しても、依然として上記のようにブリケットの中央付近に強度の低い部分が発生してしまうため、ある一定レベル以上の強度を確保したい場合、必然的にブリケットの大きさにも制限を受ける。
【００１０】
消耗電極式アーク溶解炉の水冷銅るつぼ形状は、生産性、製作の容易さ、水冷銅るつぼ内溶融物の攪拌性、など種々の条件を勘案して円筒型であるのが一般的である。この場合、消耗電極の長さ方向に垂直な断面の形状も、品質、生産性、安全性などの点を考慮すると、円形であることが望ましい。したがって、消耗電極の断面積が比較的小さな溶解炉の場合、ブリケット形状を円柱状とし、上面のみまたは上下両面からポンチにて加圧成形するのが一般的である。
溶解炉が大型化し、消耗電極の直径が増大してくると、この消耗電極断面の面積に比例してプレス力も増大させなければブリケットの強度が確保できず、大型のプレス機が必要となってくる。この事態を回避するため、ブリケットの個数は増加するものの、プレス方向はそのままで、円柱状のブリケットを2〜6分割の扇型とすることがなされてきた。しかし、このような場合でも、上面または上下面の加圧ポンチ面より離れた位置に発生する強度の弱い部分の存在については未解決のままであり、この部分の強度低下を幾分でも防止させるためには、ブリケットの単重を減少させてブリケットの厚さを減少させることがなされてきた。しかし、これもブリケットの数が増加し、生産性を低下する問題があった。
長尺消耗電極を組立てる場合、多数のブリケットを形状が円柱状ならそのまま、断面が扇形であれば円柱状に組み合わせた上で上下面を突き合わせ、長手方向に並べて長尺棒状とし、溶接によって接合製作するのが一般的である。溶接は母材を溶かし込んで実施されるため、歪みが発生しやすいのは、一般の溶接と同様であるが、上記ブリケットを溶接する場合には特に注意を要する。すなわち、ブリケットは、単に原料を押し固めてプレスしただけのものであるため、ソリッドな金属材のような強度がなく、溶接欠陥を発生させやすい。
【００１１】
特に発生しやすい欠陥は、溶接金属や溶接ビードそのものの欠陥ではなく、溶接金属や溶接ビード近傍の母材に発生する割れである。溶接ビード部は溶接金属が形成され、ソリッドで強固なものとなるが、母材ブリケットは粉体がプレス圧着されただけのものであるので、溶接金属や溶接ビード部より強度は低い。溶接金属や溶接ビード部は、溶接後の温度低下によって収縮しする。このとき発生する応力に対し、母材となるブリケットの強度が耐えられなければ、溶接金属やビード近傍に割れとして欠陥が出現する。このため溶接金属形成部分のブリケット強度は非常に重要である。
【００１２】
しかしながら、上記従来方法によるブリケットのプレス、および電極組立てのブリケット配列方法では、ブリケットの強度の低い部分に溶接金属や溶接ビードがかかるような溶接を実施せざるを得ない。そうなると溶接金属や溶接ビード近傍の母材となるブリケットに割れが発生して消耗電極として使用できなくなる状態となる。この事態を避けるためには、溶接のビードを増やすことも考えられるが、基本的には母材となるブリケットの強度が低いため、この部分を溶接するとさらに割れが発生し、大した効果が得られないばかりか、余分な工数、手間が必要となって著しく生産性が低下するという問題があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、消耗電極製作時のブリケット製作個数、溶接工数を減少させ、また、ブリケット構成材料にその強度を低下させるようなスクラップ類、添加材などを従来より多く配合することを可能にする電極とその製造方法、およびその電極を用いた溶解方法の提供にある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ブリケットのプレス加圧方向とこれによって発生するブリケット内の強度分布とに着目し、ブリケット内の強度の弱い部分が溶接ビードの施される位置、すなわち消耗電極の表面部分より外れるようにしたブリケット配列を検討して、これを実現させることにより、本発明を完成するに至った。
【００１５】
本発明の要旨は次のとおりである。
【００１６】
(1) 消耗電極式アーク溶解法に用いる粒状の原料を押し固めてブリケットとし、これらを溶接して組立てした電極において、ブリケットの成形時ポンチ加圧面が電極軸方向に平行となるように配置したことを特徴とする消耗電極式アーク溶解用電極。
【００１７】
(2) 電極の表面にあって隣接する各ブリケットの成形時ポンチ加圧面同士が溶接により接合されていることを特徴とする上記(1)に記載の消耗電極式アーク溶解用電極。
【００１８】
(3) 電極組立ての溶接ビードがブリケットの成形時ポンチ加圧面上にあり、かつ電極軸方向に2本以上の溶接ビードが形成されていることを特徴とする上記(1)または(2)の消耗電極式アーク溶解用電極。
【００１９】
(4)ブリケットが中心軸を含む面にて円柱を分割した形状であって、かつ円柱面をポンチ加圧面としたことを特徴とする上記(1)、(2)または(3)の消耗電極式アーク溶解用電極。
【００２０】
(5)上記(1)、(2)、(3)または(4)のいずれかの電極を用いることを特徴とする高融点活性金属の消耗電極式アーク溶解方法。
【００２１】
高融点活性金属の消耗電極式アーク溶解において、溶解炉の大型化に伴い、電極形状が大きくなってきたり、原料スポンジに混入するスクラップ片や合金元素添加の比率が増加してくると、必然的にブリケットの強度が低下し電極の強度が低下してくる。そこで本発明者は、ブリケットのプレス方法とブリケットの配列を工夫することによって電極の強度を改善するため、種々の検討をおこなった。
【００２２】
両押し法、またはフローティング法でプレスされたブリケットを消耗電極とするため、多数並べて溶接し組立てる場合、嵩密度、強度が最大となるブリケットの成形時ポンチ加圧面を、消耗電極軸のどこに配置するかによって、消耗電極全体の強度に差が出てくる。
【００２３】
通常おこなわれるように、上下面を加圧し成形した円柱状ブリケットを、消耗電極の軸方向と、ブリケットのプレス方向が同方向となるようにし、隣り合ったブリケットのポンチ加圧面同士が重なり合うように配列 (すなわち、ブリケットのポンチ加圧面が電極軸方向と垂直に配列) すると、最も強度の弱いブリケット中央部が、電極自重を支えることになり電極の強度を低下させるので好ましくない。その上、電極の軸方向表面には、嵩密度の大きい部分と小さい部分とがブリケット毎に交互に現れ、嵩密度が小さく強度の弱い部分付近での溶接は、溶接金属やビード近傍のブリケット母材部分に割れが発生しやすい。
【００２４】
また、この弱い部分のビード溶接を避けるため、ブリケット同士の溶接をスポット溶接で実施したとしても、溶接金属の形成により、熱収縮の応力が作用し、母材割れの溶接欠陥につながる可能性が高い。すなわち、消耗電極の溶接金属近傍には、消耗電極自重を保持するときの応力が作用するのみならず、溶接の熱収縮による応力の発生も加わるので、この溶接される部分のブリケット強度は特に重要である。
【００２５】
このことから、ブリケット内で最も強度の高いポンチ面を消耗電極軸方向と平行とし、この面が電極の側面外側になるように配列すれば上記問題は解決できると考えた。この配列方法の場合、ブリケットの強度の弱い部分に電極自重が作用することはなく、また、消耗電極の外側に強度の高いポンチ面が存在するので、この部分を溶接しても、溶接ビード近傍の欠陥は発生しにくい信頼性の高い溶接が可能となる。
【００２６】
消耗電極の長さ方向に垂直な断面の形状は、銅るつぼ内に挿入できれば特に限定されるものではないが、円筒形の銅るつぼを用いる場合は、電極の断面も円形であることが好ましい。そこで、円柱を中心軸を含む面で二分割した断面形状が半円形のブリケットを、円柱の軸方向に対し垂直の方向に加圧して成形し、このブリケットを円柱状の電極形状に配列して、突き合わせ部分にはスポット溶接、電極側面は縦方向の溶接ビードを形成させた。
【００２７】
このブリケットは、円柱を軸方向に加圧する場合に比較すれば、密度の均一性は多少不十分ではあったが、プレスにて加圧され、ブリケット形状を十分維持できる程度に成形されておれば、電極としての強度は向上しており、円柱面の特に中央に近い部分を軸方向に沿って縦に形成させた溶接ビードは、割れの少ない健全なものが得られることがわかった。
【００２８】
しかし、断面が半円形のブリケットでは、円柱面の円弧の端に近くなると、面圧が低下するためかスポット溶接部の強度が十分でなく、溶接ビード近傍の割れも多く発生する。そこで、円柱を中心軸を含む面で分割した1／4円の断面を持つブリケット、あるいは1／6円の断面を持つブリケットを、円柱面から軸に垂直の方向に加圧して作製し、電極を作成してみた。その結果、溶接して得られた電極の強度は十分大きく、重量が増しても、あるいは金属片を破砕したスクラップの比率が増しても、折損しにくいものであることが確認できた。本発明はこのような知見に基づき、さらに検討を進めて完成されたものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明は、消耗電極式アーク溶解法において、スポンジ粒子、合金成分、切削屑や板棒管等の切断片など破砕したスクラップの、粒状や紛状の原料を加圧成形してブリケットとし、このブリケットを溶接して組立て成型する電極の表面が、ブリケット成型時のポンチ加圧面となっている電極である。
【００３０】
電極に組立てるブリケットは、粒状原料を加圧して成形するが、その成形時、電極の長さ方向すなわち中心軸方向に対し、垂直方向に加圧し成形する。これは、加圧する際のポンチに接した面が電極の表面となるようにするためで、隣接したポンチ加圧面の突き合わせ位置でのスポット溶接は、嵩密度の低い部分が存在しないことにより、溶接点間に作用する応力に対しより強度の高い状態とすることができるからである。また、ブリケットのポンチ加圧面に溶接ビードを形成させることにより、欠陥のない健全なビード溶接部分が容易に得られるからでもある。
【００３１】
ブリケットの形状は上記の条件が満足されるなら、その形状は問わない。たとえば図２に示すように、断面形状がほぼ正方形のブリケット４を上下方向から圧縮してプレス成形し、これを配列してポンチ加圧面に溶接ビード３を形成させ電極としてもよいし、長方形の断面形状を有するブリケットを短辺垂直方向に圧縮し、これを複数個積み上げた形の電極断面としてもよい。図３は、断面形状が長方形のブリケット４をプレス成形し、より円形断面に近い形の電極を形成させた例である。
【００３２】
しかし、円筒形の銅製るつぼに対しては、溶解の生産性を高めるため電極形状は円柱に近い形状である方が好ましいので、電極表面をポンチ加圧面とするために円柱を中心軸を含むこれに平行な面で分割した扇状断面のブリケットを、円柱面から中心軸方向に垂直に加圧成形すればよい。
【００３３】
ただし、2方向からのプレスによる加圧成形では、円弧状のポンチの面で圧力を加える方向に対し垂直に近い中央部分はよいが、中央部から離れると十分な面圧が加わらず、得られたブリケットの面のその部分における密度が十分高くならない。したがって、このようなブリケットの形状としては、円柱が中心軸を含む面で二分割された形状でもよいが、できれば円柱面から加圧される部分の面積が大きくないものが望ましい。
【００３４】
好ましいのは、図４(ａ)〜(ｃ)に例を示した円柱が中心軸を含む面にて1／3から1／6に等分割された形状の場合である。断面が1／3等分円すなわち扇形の中心角が120°を超えて大きくなると、円柱面での密度不十分の部分が多くなる。また、1／6の等分割よりさらに小さい分割形状になると、電極組立ての際のブリケット数が増え、ブリケットの加工工数や組立て溶接の工数が増してしまう。
【００３５】
この断面が扇形のブリケットの成形は、たとえば図５に示すように断面が円弧状の凹面を持つ上ポンチ５、断面がＶ字形の溝型の下ポンチ６、および矩形状の穴を持つダイス７用いておこなう。このとき、ダイス７と下ポンチ６を固定し、上ポンチ５のみ圧力を加える片押し法でもよいが、上下両ポンチを動かす両押し法、あるいは図５に示すようなフローティングダイス法にてプレスする方が、このような異形ポンチを用いる場合、ブリケットの密度をより高めることができる。
【００３６】
なお、この円柱が中心軸を含む面で分割された形状のブリケットは、その断面が正確に円を分割した形状でなくても大略これに近く、組み合わせたときに円に近い形状になっておればよい。
【００３７】
電極の組立ては、ブリケットが上述のようないずれの形状であっても、成形時のポンチ加圧面が電極の軸方向に平行であり、かつ、できるだけ電極表面となるようにする。このように、ブリケットが、その成形時のポンチ加圧面を電極軸方向に平行にして突き合わせされた状態で、突き合わせ部表面においてスポット溶接が施されると、溶接部と溶接部の間には嵩密度の高いポンチ加圧面の部分が存在することになり、スポット溶接だけでも十分強度の高い電極を得ることができるようになる。そして、さらにこのブリケットのポンチ加圧面に連続した溶接ビードを形成させれば、健全なビードの形成によって、より一層強度の高い電極とすることができる。
【００３８】
ブリケットのポンチ加圧面を電極の軸方向に平行とすることによって、スポット溶接の強度およびビード溶接の強度共向上するので、従来よりも溶接を簡略化することが可能であり、より重量の大きい電極とすることや、切削屑や板棒管等の切断片などスクラップの混入量を増すことも可能となる。
【００３９】
この電極を用いた消耗電極式アーク溶解は、通常採用される方法に準じておこなえばよく、特にその溶解条件等は限定する必要はない。
【００４０】
【実施例】
高融点活性金属の一つであるチタンを対象に、消耗電極式アーク溶解炉用として、ブリケットは図４(b)に示す円柱を4分割した形状とし、直径780mmの電極を作製した。まず、従来用いられている方法に準じ、この扇形断面を有する金型内に原料粉体を装入し、加圧面が平面のポンチにて電極の軸になる方向に平行、すなわちに垂直に加圧する方法によりブリケットを成形した。この場合ブリケットの単重は90kg、プレス荷重34.3MN（3500T）の片押し法で、平均嵩密度は3.2g／cm³であった。4個のブリケットを突き合わせ、突き合わせ部を点溶接して円柱とし、円柱を軸方向に並べて、突き合わせ部のスポット溶接、および各ブリケットの円柱面それぞれにて軸方向に2本の溶接ビードを形成させ、電極を作製した。
なお、スポット溶接の径は35mmで、溶接ビードの幅も35mmとした。
【００４１】
ブリケットの一部を用い、原料粉体のスポンジチタン粒子に旋盤の切り屑粉および板材の切断片などのスクラップの配合を変えたものを作製し、電極に組み込んだときの強度および溶接部分の健全性を調査した。その結果、電極として、スクラップの配合は5％までとすべきであると判断された。5％を超えると軸方向の引っ張り応力が加わったときの折損のおそれが増し、ブリケット表面の嵩密度が低いと推定される部分の溶接部に割れが発生しやすくなる。
【００４２】
次に、直径780mmの電極に対し、上記と同様、ブリケットは円柱4分割の形状で高さも同じとするが、プレスによる成形は図５に示すように断面がＶ字形の下ポンチ６と円弧凹形の上ポンチ５とを用い、電極の軸方向に対し垂直の方向に加圧する方法によりおこなった。この場合両押し法と同等の効果の得られるフローティングダイス法を用いた。
【００４３】
プレス荷重は上記と同様、34.3MN（3500T）としてブリケットを作製したが、突き合わせて円柱としたときの直径が小さくなったため、ブリケットの単重は10kg増して100kgとしなければならなくなり、平均嵩密度は3.5g／cm³となった。電極形状は図６に示すが、図６(b)の円柱の略1／4の形状のブリケット１０により、図６(ａ)のように点溶接２および面縦方向に溶接ビード３を形成させて組立てた。
【００４４】
得られた電極は、電極軸方向に加圧して成形したブリケットを用いた場合よりもはるかに強度が高く、溶接部の割れなどは見いだせなかった。これは電極の表面部には、嵩密度の低い部分がないからであると考えられた。
【００４５】
ブリケットの一部を用い、スクラップの配合比率を種々変えてみた結果、30％まで混合しても電極として十分な強度を有し、溶接部には割れが発生しないことが確認された。ただし、スクラップの配合比率が30％まで増加すると、平均嵩密度は3.4g／cm³になる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、高融点活性金属の消耗電極式アーク溶解法において、粉体を圧縮した原料電極の強度を増すことができ、溶接部の健全性を高めることができる。このため、安全性が向上し、より大きい電極も使用できるようになる。また、電極作製時のブリケット同士の溶接工数を減少させることができ、生産性が向上する。さらには、ブリケットの強度を低下させ電極折損のおそれが大きくなる、スクラップの配合率増加や合金成分の多量添加に対しても、十分安全に対処することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブリケットを溶接して組立てた電極を説明する模式図である。
【図２】直方体のブリケットを用いた電極の例の概念図である。
【図３】直方体のブリケットを用いた電極の例の概念図である。
【図４】円柱を中心軸を含む面で分割した扇形の断面を有するブリケット形状の例を示す図である。
【図５】扇形の断面を有するブリケットを、電極軸に垂直な円柱面をポンチ加圧面としてプレス成形する方法を説明する模式図である。
【図６】略1／4円の断面を有するブリケットによる電極を示す模式図である。
【符号の説明】
１、 粉体を圧縮した円柱状ブリケット
２、 点溶接
３、 溶接ビード
４、 直方体ブリケット
５、 上ポンチ
６、 下ポンチ
７、 ダイス
８、 ダイス遊動機構
９、 成形途中のブリケット
１０、 断面が略1／4円のブリケット

Claims (5)

1. 消耗電極式アーク溶解法に用いる粒状の原料を押し固めてブリケットとし、これらを溶接して組立てた電極において、ブリケットの成形時ポンチ加圧面が電極軸方向に平行となるように配置したことを特徴とする消耗電極式アーク溶解用電極。
2. 電極の表面にあって隣接する各ブリケットの成形時ポンチ加圧面同士が溶接により接合されていることを特徴とする請求項１に記載の消耗電極式アーク溶解用電極。
3. 電極組立ての溶接ビードがブリケットの成形時ポンチ加圧面上にあり、かつ電極軸方向に2本以上の溶接ビードが形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の消耗電極式アーク溶解用電極。
4. ブリケットが円柱を中心軸を含む面にて分割した形状であって、かつ円柱面を成形時のポンチ加圧面としたことを特徴とする請求項１、２または３に記載の消耗電極式アーク溶解用電極。
5. 請求項１、２、３または４のいずれかに記載の電極を用いることを特徴とする高融点活性金属の消耗電極式アーク溶解方法。

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