JP2005324207A - コールドクルーシブル炉を用いた金属インゴットの製造方法およびコールドクルーシブル炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 コールドクルーシブル炉を用いて金属インゴットを製造する方法において、引け巣（頭頂部に生じる空洞）を可及的に小さくすることができるようにする。
【解決手段】 非酸素雰囲気下にて、水冷銅るつぼ１６の周囲に高周波コイル１８が配置されたコールドクルーシブル炉を用いて金属原料４６を溶解した後に、そのるつぼ１６内にて溶融金属４８を凝固させて金属インゴット２２を製造する方法において、溶融金属４８の凝固工程（ｃ）で、溶融金属４８の頭頂部を非移送形プラズマトーチ２８を用いて加熱する。このようにすると、頭頂部の表面の凝固が遅らせられる。従って、引け巣５０を小さくすることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、コールドクルーシブル炉を用いた金属インゴットの製造方法、および、その製造方法に好適に用いることができるコールドクルーシブル炉に関する。

コールドクルーシブル炉は、水冷銅るつぼの周囲に高周波コイルを配置して、水冷銅るつぼ内に装入した金属を電磁誘導作用により溶解するものであり、水冷銅るつぼには、コイルから発生した磁場をるつぼ内へ侵入させるために、径方向に貫通する垂直方向のスリットが複数設けられている。

上記コールドクルーシブル炉を用いて金属を溶解する場合、水冷銅るつぼ内に装入された金属は、高周波コイルを流れる電流に起因して渦電流が生じて、ジュール熱により加熱されて溶融させられる。加えて、溶融金属すなわち溶湯には、高周波コイルの軸心方向、すなわちるつぼ中心方向にローレンツ力が働くので、溶融金属がるつぼに接触することが少ない。そのため、るつぼ材による汚染が少ないという利点がある。また、溶湯が撹拌されるため偏析が少なく、しかも、雰囲気ガスの選択範囲が広いという利点もある。この利点のために、Ｔｉおよびその合金などの高活性金属や、高純度金属のインゴットを製造する場合に用いられる。

このコールドクルーシブル炉を用いて溶解した金属を凝固させる方法としては、水冷銅るつぼを傾けて鋳型に溶融した金属を流し込む方法、予めるつぼの底に設けた穴から鋳型に溶融した金属を流し込む方法、および、溶解に使用したるつぼをそのまま鋳型として使用する方法などがある。

上記３つの方法のうち、３番目の方法は不純物の混入が少ないという利点があるが、この方法によって凝固させたインゴットには、頭部中央に引け巣と呼ばれる空洞が生じるという問題がある。上記引け巣が生じている部分は、後加工において不都合を生じないようにするために切り落としてしまうので、歩留まりの低下を招いていた。

この引け巣が生じる理由は、雰囲気ガスと水冷銅るつぼに接している表面が先に凝固し、水冷銅るつぼから遠くなる径方向中心側ほど遅くに凝固するからである。すなわち、表面が凝固した後に内部が凝固し、その内部の凝固の際の体積収縮によって、空洞すなわち引け巣が、径方向中心の、水冷銅るつぼより冷却の遅い雰囲気ガスと接している上部に生じるのである。

上記引け巣を少なくするために、溶融金属の凝固工程において、高周波コイルを水冷銅るつぼに対して相対移動させて、高周波コイルにより溶融金属の頭頂部を加熱することによって、頭頂部の表面が凝固するのを遅らせる方法が提案されている（たとえば、特許文献１）。
特開２００２−３４６７００号公報

しかし、特許文献１の方法の場合には、頭頂部付近のみでなく、溶融金属の上部の広い範囲が加熱されてしまうので、十分に引け巣を小さくすることはできなかった。また、高周波コイルと水冷銅るつぼとの相対位置を変化させる必要があるので、高周波コイルおよび水冷銅るつぼの一方または両方を移動させる設備が必要となるという問題もある。

ここで、アーク放電により頭頂部を局所的に加熱することが考えられるが、アーク放電による加熱の場合には、電極構成材料によるインゴットの汚染の問題があるため、インゴットと全く同じ材質の電極を用意する必要があり、現実的でない。また、バーナーを用いて頭頂部を加熱することも考えられるが、高活性金属のインゴットを製造する場合には、非酸素雰囲気とされるので、燃料を燃焼させることができない。また、鋳鉄のインゴットを製造する場合には、溶融金属からの熱により発火する保温材を上面に載置して、その保温材を燃焼させることによって上部の凝固を遅らせる方法が行われているが、非酸素雰囲気では、その方法を用いることもできない。従って、非酸素雰囲気下にて、コールドクルーシブル炉を用いて金属インゴットを製造する方法においては、前記特許文献１の方法が、引け巣を少なくする方法として現在知られている唯一の方法であるが、特許文献１の方法では、前述のように、引け巣を十分に小さくできない等の問題点がある。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、コールドクルーシブル炉を用いて金属インゴットを製造する方法において、引け巣を可及的に小さくすることができるようにすること、および、その方法に好適に用いることができるコールドクルーシブル炉を提供することにある。

かかる目的を達成するための第１発明は、非酸素雰囲気下にて、水冷銅るつぼの周囲に高周波コイルが配置されたコールドクルーシブル炉を用いて金属原料を溶解した後に、そのるつぼ内にて溶融金属を凝固させて金属インゴットを製造する方法であって、前記溶融金属の凝固工程で、その溶融金属の頭頂部を、非移送形または高周波励起形プラズマアーク発生装置を用いて局所的に加熱して、その頭頂部の凝固を遅らせることを特徴とする。

第２発明は、第１発明の金属インゴットの製造方法であって、前記プラズマアーク発生装置による加熱に加えて、前記高周波コイルを前記水冷銅るつぼに対して上下方向に相対移動させて、前記溶融金属の頭頂部ほど電磁誘導によって生じる発熱が大きくなる位置とした状態で、その高周波コイルに通電することによって、前記溶融金属の頭頂部の凝固を遅らせることを特徴とする。

第３発明は、水冷銅るつぼの周囲に高周波コイルが配置されているコールドクルーシブル炉であって、前記水冷銅るつぼの上部に、そのるつぼ内にて溶解させられた溶融金属の頭頂部を局所的に加熱可能な非移送形または高周波励起形プラズマアーク発生装置が備えられていることを特徴とする。

第４発明は、第３発明のコールドクルーシブル炉において、前記高周波コイルが前記水冷銅るつぼに対して上下方向に相対移動可能に構成されていることを特徴とする。

上記第１発明よれば、溶融金属の凝固工程において、頭頂部が非移送形または高周波励起形プラズマアーク発生装置にて局所的に加熱されて、その加熱がない場合よりも頭頂部の表面の凝固が遅らせられるので、引け巣を小さくすることができる。

また、第２発明によれば、プラズマアーク発生装置による加熱に加えて、高周波コイルによる電磁誘導作用によっても溶融金属の頭頂部の凝固が遅らせられるので、頭頂部の凝固が一層遅くなる。従って、一層、引け巣を小さくすることができる。

第３発明は第１発明を実施するための装置であり、第３発明の装置を用いて第１発明のようにして金属インゴットを製造すれば、引け巣を小さくすることができる。

第４発明は第２発明を実施するための装置であり、第４発明の装置を用いて第２発明のようにして金属インゴットを製造すれば、一層、引け巣を小さくすることができる。

図１は、本発明の一実施例であるコールドクルーシブル炉１０の概略構成を示す図である。上記コールドクルーシブル炉１０は、雰囲気調整装置１２によってアルゴン雰囲気などの非酸素雰囲気とすることが可能な容器１４内に、水冷銅るつぼ（以下、単にるつぼという）１６、高周波コイル１８、昇降装置２０などが収容されている。

るつぼ１６は、従来のコールドクルーシブル炉に用いられているものを用いることができ、図示していないが、高周波コイル１８に交流電流が流されたときに、その高周波コイル１８に生じる磁場をるつぼ１６内に侵入させるために、径方向に貫通する垂直方向のスリットが、周方向に多数本形成されているとともに、冷却水を流すための通路が形成されている。

また、るつぼ１６は、従来のものと同様に、底部１６ａとその底部１６ａ上に載置される円筒状の外周壁部１６ｂとから構成されており、外周壁部１６ｂの内面は、上方ほど緩やかに径が増加するテーパ面とされている。そして、るつぼ１６内にて製造された金属インゴット２２をるつぼ１６から取り出す際には、底部１６ａを外して、下方から金属インゴット２２を押し出す。

なお、るつぼ１６の底部１６ａ、外周壁部１６ｂは、銅を主に用いるが、電気伝導度、熱伝導度が銅と同等以上であれば、他の金属や合金も用いることができる。また、溶融金属との反応が生じない耐火物を用いることもできる。

高周波コイル１８は、外周壁部１６ｂの外周に巻回された角型または丸型のパイプ状導電部材であり、内部に冷却水が流通させられるようになっている。昇降装置２０は、たとえば、油圧シリンダなどを備えており、るつぼ１６を昇降させて、るつぼ１６と高周波コイル１８との相対位置を変化させる。

さらに、コールドクルーシブル炉１０は、上記るつぼ１６の上部開口に載置される蓋２４を備えている。この蓋２４には、昇降装置２６を介して、るつぼ１６側に突き出すように、プラズマアーク発生装置であるプラズマトーチ２８が固定されている。また、蓋２４の上面には、原料を追装するための追装装置２９が設けられている。

図１の昇降装置２６は、上下方向に移動可能とされたラック３０と、そのラック３０と噛み合うピニオン３２とを備えており、ピニオン３２が図示しないモータにより回転させられることにより、ラック３０が上下方向に移動させられる。なお、昇降装置２６は、図１のものに限られず、シリンダ機構を有するもの等、公知の種々の昇降装置を用いることができる。

図２は、上記プラズマトーチ２８の構成を説明する要部断面図である。プラズマトーチ２８は、ケース３４内に筒体３６が収容されており、その筒体３６の上端から下方に突き出すようにタングステン電極などの陰極３８が設けられ、筒体３６の下端には、陽極となる導体板４０が固定されている。そして、一端が筒体３６内に突き出す配管４２からプラズマガスが筒体３６内に供給される。このように構成されたプラズマトーチ２８は非移送形（非移行形）であり、陰極３８と導体板４０との間でプラズマアーク４４が発生させられる。プラズマトーチ２８は、このプラズマアーク４４が頭頂部に吹き付けられるように、るつぼ１６の中心の真上に設けられている。なお、プラズマトーチの形式としては、非移送形の他に、プラズマトーチが一方の電極となり、他方の電極が被加熱物とされるオープンアーク形および移行形があるが、良導電体である銅製のるつぼ１６を有するコールドクルーシブル炉１０では、それらオープンアーク形および移行形は用いることができない。

次に、図１のコールドクルーシブル炉１０を用いた、本発明の第１の金属インゴットの製造方法を説明する。この第１の金属インゴットの製造方法は、原料装入工程と、溶解工程と、凝固工程とを備えている。

まず、原料装入工程では、図３（ａ）に示すように、るつぼ１６に、金属インゴット２２を製造するための所定の金属原料４６を装入する。この金属原料４６に特に限定はないが、Ｔｉおよびその合金、Ｚｒおよびその合金、Ｖおよびその合金、Ｎｂおよびその合金、Ｔａおよびその合金などが用いられる。また、必要に応じて、次述する溶解工程中にも、追装装置２９を用いて金属およびその他の化合物などの原料を追装することもできる。

続く溶解工程では、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気とされた状態で、高周波コイル１８に所定の高周波（たとえば、１５ｋＨｚ）の電流を流して、金属原料４６を溶解させ、図３（ｂ）に示すように、溶融金属４８とする。なお、溶融金属４８は、外周壁部１６ｂから離隔する方向にローレンツ力を受けて、図３（ｂ）に示されるように、頭頂部が盛り上がる。

続く凝固工程では、プラズマトーチ２８から溶融金属４８にプラズマアーク４４を吹き付けて溶融金属４８の頭頂部を局所的に加熱しつつ、高周波コイル１８の電流を所定のパターンに従って低下させる。この低下のさせ方は、材料の特性に応じて、徐々にであってもよいし、瞬時にゼロまで低下させてもよい。また、徐々に低下させる場合、連続的に低下させてもよいし、段階的に低下させてもよい。

高周波コイル１８の電流が低下させられると、渦電流による発熱が減少して、溶融金属４８が冷却される。なお、高周波コイル１８の電流を低下させて溶融金属４８に生じるローレンツ力が低下すると、溶融金属４８の頭頂部が低下するので、プラズマトーチ２８による溶融金属４８の頭頂部の加熱効率を向上させるために、図３（ｃ）に示すように、昇降装置２６によってプラズマトーチ２８を下降させて、プラズマトーチ２８と溶融金属４８の頭頂部との距離を短くする。

上記プラズマトーチ２８の出力は、溶融金属４８の頭頂部表面を溶融状態に維持できるような出力とされることが好ましく、そのような出力である場合には、溶融金属４８の頭頂部表面以外の部分が凝固した後に、プラズマトーチ２８の出力を低下させて頭頂部を凝固させる。ただし、プラズマトーチ２８の出力は、溶融金属４８の頭頂部表面を溶融状態に維持できる出力よりも低い出力であってもよい。そのような出力であっても、溶融金属４８の頭頂部表面の凝固を遅らせることはできるからである。また、そのように低い出力の場合には、凝固が完全に終了するまでプラズマトーチ２８による加熱を継続してもよいし、凝固が完全に終了する前に加熱を終了してもよい。また、プラズマトーチ２８の出力は、溶融金属４８の頭頂部が溶融状態である期間、一定値とされてもよいし、徐々に低下させられるようになっていてもよい。図３（ｄ）は、このようにプラズマトーチ２８からの加熱によって頭頂部の凝固が遅らせられて製造された金属インゴット２２を示している。図３（ｄ）の金属インゴット２２には、頭頂部に引け巣５０が生じているが、頭頂部の凝固が他の部分よりも遅らせられているので、この引け巣５０の大きさは、比較的小さくなっている。

このように、図３に示す方法によれば、溶融金属４８の凝固工程において、頭頂部がプラズマトーチ２８にて局所的に加熱されて、その加熱がない場合よりも頭頂部の表面の凝固が遅らせられるので、引け巣５０を小さくすることができる。

次に、本発明の第２の金属インゴットの製造方法を説明する。前述の図３に示す方法では、るつぼ１６を昇降させる昇降装置２０を使用していなかった（従って、前述の方法では昇降装置２０は不要であった）が、第２の製造方法は、その昇降装置２０を使用する方法である。

本発明の第２の製造方法は、第１の製造方法と同様に、原料装入工程と、溶解工程と、凝固工程とを備えており、凝固工程のみが第１の製造方法と異なる。図４は、第２の製造方法における工程図であり、（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ図３の（ａ）〜（ｄ）に対応する。

第２の製造法において、凝固工程では、図４には図示していない昇降装置２０により、溶融金属４８の頭頂部ほど電磁誘導によって生じる発熱が大きくなるように、すなわち、頭頂部ほど電磁誘導によって生じる渦電流が大きくなるように、るつぼ１６を下降させる。そして、その状態で高周波コイル１８による加熱を継続しつつ、第１の製造方法の場合と同様に、プラズマトーチ２８からプラズマアーク４４を吹き付けることによる溶融金属４８の頭頂部の局所加熱も行う。

ここで、高周波コイル１８の電磁誘導作用は、高周波コイル１８の軸方向の中心において最も大きいことから、高周波コイル１８の軸方向中心が溶融金属４８の頭頂部よりも上となるように、るつぼ１６が下降させられれば、溶融金属４８の頭頂部ほど電磁誘導によって生じる発熱を大きくすることができるが、凝固工程においては高周波コイル１８による加熱も頭頂部に局限されることが好ましい。従って、図４（ｃ）に示すように、高周波コイル１８の軸方向中心が溶融金属４８の頭頂部よりも高くなるように、るつぼ１６が下降させられることが好ましい。ただし、るつぼ１６の位置が低すぎて、高周波コイル１８と溶融金属４８との距離が遠くなりすぎると、高周波コイル１８による加熱の効果が低下してしまう。また、高周波コイル１８による加熱は、高周波コイル１８を流れる電流の大きさも関係する。従って、凝固工程における高周波コイル１８とるつぼ１６との相対位置は、高周波コイル１８の電流値などが考慮されて実験に基づいて決定される。

また、この凝固工程における高周波コイル１８の電流値は、徐々に低下させてもよいし、所定の電流値まで低下させた後、その電流値を維持するようにしてもよい。要するに、高周波コイル１８による電磁誘導作用によって、この電磁誘導作用がない場合よりも溶融金属４８の頭頂部の凝固が遅らせられるようになっていれば、どのような電流値であってもよく、また、どのような制御パターンであってもよい。

また、この第２の製造方法の凝固工程でも、プラズマトーチ２８は昇降装置２６によって下降させられた状態で溶融金属４８の頭頂部を加熱する。このプラズマトーチ２８の出力は、第１の製造方法の場合と同様に、溶融金属４８の頭頂部表面を溶融状態に維持できる出力であっても、また、それ以下あってもよい。なお、溶融金属４８の頭頂部表面を溶融状態に維持する場合であっても、第２の製造方法の場合には、高周波コイル１８によっても溶融金属４８の頭頂部は加熱されているので、プラズマトーチ２８の出力は第１の製造方法の場合よりは小さくなる。

プラズマトーチ２８の出力の変化パターンも、第１の製造方法の場合と同様に、溶融金属４８の頭頂部が溶融状態である期間、一定値とされてもよいし、徐々に低下させられるようになっていてもよい。

図４（ｄ）は、このようにプラズマトーチ２８からの加熱、および高周波コイル１８からの加熱によって頭頂部の凝固が遅らせられて製造された金属インゴット５２を示している。図４（ｄ）の金属インゴット５２には、引け巣は生じていない。なお、第２の製造方法によっても引け巣が生じる場合もあるが、生じてもその大きさを極めて小さく抑えることができる。

このように、第２の製造方法によれば、プラズマトーチ２８による加熱に加えて、高周波コイル１８による電磁誘導作用によっても溶融金属４８の頭頂部の凝固が遅らせられるので、頭頂部の凝固が一層遅くなる。従って、引け巣が生じないか、生じても、一層、小さいものとすることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

たとえば、前述の実施例では、プラズマアーク発生装置として、非移行形のプラズマトーチ２８を備えていたが、それに代えて、高周波励起形のプラズマアーク発生装置を用いてもよい。これは、電極を使用しないで高周波（たとえば数ＭＨｚ以上）励起によってプラズマアークを発生させる装置であり、電極を使用しない、すなわち、金属原料４６を電極とする必要がないので、非移行形のプラズマトーチ２８に代えて用いることができ、高周波励起形のプラズマアーク発生装置を用いた場合にも、非移行形プラズマトーチ２８を用いた場合と同様の効果が得られる。

また、図１のコールドクルーシブル炉１０では、るつぼ１６が昇降させられることによって、るつぼ１６と高周波コイル１８との相対位置が変化させられていたが、るつぼ１６の位置は固定されて高周波コイル１８を昇降させることにより両者の相対位置を変化させてもよいし、るつぼ１６および高周波コイル１８の双方を昇降させることにより両者の相対位置を変化させてもよい。

また、図１のコールドクルーシブル炉１０は、プラズマトーチ２８を昇降させる昇降装置２６が備えられていたが、プラズマトーチ２８の出力を大きくすることなどにより、プラズマトーチ２８を下降させなくても溶融金属４８の頭頂部の凝固を十分に遅らせることができれば、昇降装置２６は設けられなくてもよい。

また、図１のコールドクルーシブル炉１０は、雰囲気調整可能な容器１４内に水冷銅るつぼ１６などが収容されていたが、容器１４は設けられず、図５に示すコールドクルーシブル炉６０のように、雰囲気調整装置６２により水冷銅るつぼ１６内の雰囲気のみが調整されるようになっていてもよい。

本発明の一実施例であるコールドクルーシブル炉の概略構成を示す図である。 図１のプラズマトーチの構成を説明する要部断面図である。る。 本発明の第１の金属インゴットの製造方法における工程図である。 本発明の第２の金属インゴットの製造方法における工程図である。 図１とは別の本発明のコールドクルーシブル炉の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０：コールドクルーシブル炉
１６：水冷銅るつぼ
１８：高周波コイル
２２：金属インゴット
２８：プラズマトーチ（プラズマアーク発生装置）
４６：金属原料
４８：溶融金属
５０：引け巣
５２：金属インゴット
６０：コールドクルーシブル炉

Claims (4)

1. 非酸素雰囲気下にて、水冷銅るつぼの周囲に高周波コイルが配置されたコールドクルーシブル炉を用いて金属原料を溶解した後に、該るつぼ内にて溶融金属を凝固させて金属インゴットを製造する方法であって、
   前記溶融金属の凝固工程で、該溶融金属の頭頂部を、非移送形または高周波励起形プラズマアーク発生装置を用いて局所的に加熱して、該頭頂部の凝固を遅らせることを特徴とする金属インゴットの製造方法。
2. 前記溶融金属の凝固工程において、
   前記プラズマアーク発生装置による加熱に加えて、
   前記高周波コイルを前記水冷銅るつぼに対して上下方向に相対移動させて、前記溶融金属の頭頂部ほど電磁誘導によって生じる発熱が大きくなる位置とした状態で、該高周波コイルに通電することによって、
   前記溶融金属の頭頂部の凝固を遅らせることを特徴とする請求項１の金属インゴットの製造方法。
3. 水冷銅るつぼの周囲に高周波コイルが配置されているコールドクルーシブル炉であって、
   前記水冷銅るつぼの上部に、該るつぼ内にて溶解させられた溶融金属の頭頂部を局所的に加熱可能な非移送形または高周波励起形プラズマアーク発生装置が備えられていることを特徴とするコールドクルーシブル炉。
4. 前記高周波コイルが前記水冷銅るつぼに対して上下方向に相対移動可能に構成されていることを特徴とする請求項３のコールドクルーシブル炉。
   

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