JP2006225698A

JP2006225698A - 溶解炉の合金溶製方法

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Publication number: JP2006225698A
Application number: JP2005039076A
Authority: JP
Inventors: Masanori Tsuda; 正徳津田; Yasuhiro Nakai; 泰弘中井
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2025-02-16
Also published as: JP4985903B2

Abstract

【課題】添加材の溶け残りを防ぎ、合金の組成が狂うのを防止する溶解炉の合金溶製方法を提供する。
【解決手段】合金を溶製する方法において、添加材５４を添加する前に、溶湯５２と添加材５４により溶製される合金を溶融保持するのに必要な電力量より所定量少ない電力を溶解炉５０に供給するようにする工程と、この所定量少ない電力を溶解炉５０に供給している状態で添加材５４を添加する工程と、添加材５４を添加した後に、溶解炉５０に供給する電力量を、溶湯５２と添加材５４により溶製される合金を溶融保持するのに必要な元の電力量に戻す工程とを含む構成とした。
この場合、電力を低減する電力量は、添加材５４添加後の合金を溶融保持するのに必要な電力量とした場合のスカル厚みの想定量とほぼ一致するようなスカル厚みとなるような低減量とすると良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶解炉、特に、真空中又は不活性ガス雰囲気下で、コールドクルーシブル溶解炉にて溶解された溶湯に、高融点で高比重の合金材料を添加する場合の合金溶製方法の改良に関する。

特許文献１に開示されているように、従来より、真空中又は不活性ガス雰囲気下で、コールドクルーシブル溶解炉等の誘導炉内の溶湯に種々の合金材料を添加し、所望の組成の合金を溶製することが行われている。
この合金を溶製する工程において、誘導炉内の溶湯に合金材料を添加する方法について、図３を用いて説明する。

図３は、従来の合金溶製方法において、合金を添加する方法を示す概略構成図である。
同図において、５０はコールドクルーシブル溶解炉、５１は、コールドクルーシブル溶解炉５０内のルツボ、５２はルツボ５１内の溶湯、また、５３は合金５４（以下、適宜、「合金材料」、「添加材」という場合がある。）を収納した合金室、５５は円筒状の管を屈曲して形成したシューターである。
以上の構成で、真空中のルツボ５１内の溶湯５２に合金材料を添加する場合、図３に示すように、合金室５３内の合金５４をシューター５５を介してルツボ５１内の溶湯５２に添加するようにしている。

次に、コールドクルーシブル溶解炉５０について、図３を用いて補足説明を行う。
コールドクルーシブル溶解炉５０は、セグメント構造の良導電金属製の水冷ルツボ５１と、その外周に配置された誘導加熱コイル５６とを有して、高周波誘導加熱によりルツボ５１内に装入された被溶解金属をルツボ壁と非接触状態で誘導加熱溶解する。

ルツボ５１は、ルツボ５１の垂直軸心に平行に下方まで延びる所定の幅の複数個のスリット５１ｂと、これらのスリット５１ｂにより分割された複数のセグメント５１ａとを有し、各セグメント５１ａは、内壁、外壁の二重壁構造の管状体とされ、これら管状体の内外壁間に画定される空間が冷却水の流通路とされ、冷却水は、図３に矢印で示されるようにルツボ５１に流入し、ルツボ５１を冷却して外部に排出される。

このような構造のコールドクルーシブル溶解炉５０のルツボ５１内に被溶解材が供給され、コイル５６に高周波の交流電流が印加されると、装入された被溶解金属は交番磁場に晒されて、誘導加熱溶解され溶融して溶湯５２となり、側壁の底部以外の部分では溶融金属の表面に作用する電磁力と溶融金属の静圧とのバランスによって、溶融金属の表面は形状がドーム状となり、ルツボ側壁と非接触の状態で溶融が保持される。
なお、図３に示すように、ルツボ５１の底部には、凝固層であるスカル５９が形成される。

特開平１１−１５９９７２号公報

ところで、合金の溶製においては、特性の向上のために合金元素を加えるが、コールドクルーシブル溶解炉に合金材料を全材料を投入して溶解する場合、その合金元素が溶解初期のスカル形成時にスカルに取り込まれて材料のまま残り、組成が狂うという問題を備えている。

また、全材料投入の代わりに、主要な被溶解材を溶融した後に、合金添加機構を使い、溶湯中に合金元素を添加する方法を用いたとしても、添加した合金元素が溶湯底部のスカルに取り込まれてしまい、同様に、組成が狂うという問題が残る。
このため、所望の合金の組成を得るためには、再溶解の必要があるが、特に、合金元素が高融点金属の場合、再溶解の回数が３〜４回となり、溶製コストが増大する原因となっていた。

以下、この問題について、添加元素と添加元素が投入される溶湯の融点と比重との関連において、具体的に説明する。
上述したように、この種のコールドクルーシブル溶解（以下、スカル溶解という場合がある）では、溶湯の底部に凝固層であるスカルが存在する。
このスカル溶解において、溶湯に添加元素を添加する場合、添加元素の融点が溶湯の湯温より低ければ殆ど問題なく溶ける。
また湯温より融点が高い元素でも、比重が溶湯よりも大幅に大きくなければ、コールドクルーシブル溶解では誘導加熱を用いているので、溶湯撹拌作用により溶湯中を運動しているので溶解が進み易くなり、上記した組成が狂うという問題は、殆ど発生しない。

ところが、添加材が溶湯よりも融点も比重も高ければ、添加後、添加材は、底部スカルまで短時間に落下してスカルに取り込まれてしまい、溶湯に接している時間が短い。
従って、高融点で比重の大きい添加元素は溶け残ってしまう。

例えば、融点が３３８０℃で、比重が１９．３であるタングステンＷを、Ｆｅ−６０Ｃｒの溶湯（湯温１６００℃程度、比重７程度）に添加するときについて説明する。
Ｆｅ−６０Ｃｒの溶解後、タングステン材料Ｗを溶湯中に添加するにも関わらず、添加材料タングステンＷの溶解が進まない現象が見られるが、この原因は、先ず、添加元素を入れることにより、湯温が下がり、スカル上面に降り積もったタングステンＷを取り込みながら新たなスカル層として凝固してしまうためである。
次に、一部溶解したタングステンＷにより溶湯の融点が上がり、湯温自体も上昇し、新たに増加したスカル層が合金添加前のスカル厚まで減少せず、スカルに取り込まれたタングステンＷが溶け残るものと考えられる。

本発明は、上記課題（問題点）を解決し、溶解炉内の溶湯に、溶湯の湯温よりも融点が高く、溶湯の比重よりも大きな比重の添加材を添加して合金を溶製する場合でも、添加材の溶け残りを防ぎ、合金の組成が狂うのを防止する溶解炉の合金溶製方法を提供することを目的とする。

本発明の溶解炉の合金溶製方法は、上記課題を解決するために、請求項１に記載のものでは、溶解炉内の溶湯に、前記溶湯の湯温よりも融点が高く、前記溶湯の比重よりも大きな比重の添加材を添加して合金を溶製する方法において、前記添加材を添加する前に、前記溶湯と前記添加材により溶製される合金を溶融保持するのに必要な電力量より所定量少ない電力を前記溶解炉に供給するようにする工程と、この所定量少ない電力を前記溶解炉に供給している状態で前記添加材を添加する工程と、前記添加材を添加した後に、前記溶解炉に供給する電力量を、前記溶湯と前記添加材により溶製される合金を溶融保持するのに必要な元の電力量に戻す工程とを含む構成とした。

請求項２に記載の溶解炉の合金溶製方法は、前記溶解炉に供給する電力を低減する電力量は、前記添加材を前記溶解炉内の溶湯に添加する前の前記溶解炉の底部に生成されるスカル厚みが、前記添加材を前記溶解炉内の溶湯に添加した後に、前記溶解炉に供給する電力量を、前記溶湯と前記添加材により生成される合金を溶融保持するのに必要な電力量とした場合において、前記溶解炉の底部に生成されるスカル厚みの想定量とほぼ一致するようなスカル厚みとなるような低減量であるようにした。

請求項３に記載の溶解炉の合金溶製方法は、上記溶解炉は、コールドクルーシブル溶解炉等の誘導溶解炉である構成とした。

本発明の溶解炉の合金溶製方法は、以上のように構成したために、次のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、添加材の溶け残りの量を低減できるので、合金の組成が狂うという従来の問題を解決できる。

（２）請求項２に記載したように構成すると、添加材の溶け残りの量を最小限にできるので、所望の組成の合金を得ることができる。
（３）また、再溶解の回数も低減できるので、溶製コストを大幅に削減することができる。

（４）請求項３に記載したように構成すると、最も好適な合金の溶製方法とすることができる。

本発明の合金溶製方法の一実施の形態について図１乃び図２を用いて説明する。
図１及び図２は、本発明の合金溶製方法の一実施の形態を説明するための縦断側面図である。
なお、図１乃び図２において、図３と同一の構成については同一の符号を付して、説明は省略した。

本発明の合金溶製方法に用いる溶解炉５０は、図３に示す溶解炉５０とほぼ同様の構成を有するため、各構成についての説明は省略し、以下、本実施の形態の合金溶製方法について説明する。
なお、図１には、合金添加機構６０を概念的に図示している。

先ず、従来問題として、溶解炉の合金溶製方法において、溶湯の湯温よりも融点が高く、溶湯の比重よりも大きな比重の添加材を添加して合金を溶製する場合、添加前よりもルツボ底部のスカル厚みが厚くなる結果、スカル上面に降り積もった添加材を取り込みながら新たなスカル層としてしまうことがあった。

そこで、本実施の形態の溶解炉の合金溶製方法は、以下の工程で、合金の溶製を行う。
図１に示すように、先ず、添加材５４を添加する前に、溶解炉５０の溶湯５２と添加材５４により溶製される合金を溶融保持するのに必要な電力量より所定量少ない電力を、誘導加熱コイル５６を介して溶解炉５０に供給する。

次に、この所定量少ない電力を溶解炉５０に供給している状態で添加材５４を添加し、更に、添加材５４を添加した後に、溶解炉５０に供給する電力量を、溶湯５２と添加材５４により溶製される合金を溶融保持するのに必要な元の電力量に戻す。

添加材５４を溶湯５２に添加する前に、投入電力を下げることが本願発明の重要な操作であり、その電力の下げの量は次のような論理で決められるが、これを図２を用いて説明する。
例えば、従来技術の課題でも用いたが、高融点、高比重のタングステンＷを、Ｆｅ−６０Ｃｒの溶湯に添加する場合、高融点金属であるタングステンＷが、溶湯５２中に溶け込むと融点が上昇する。

溶解炉５０中の溶湯５２への投入電力が一定ならばスカル５９が、図２中のＳ１からＳ２に厚みが増加することにより、平衡状態となる。
そこで、例えば、添加材５４であるタングステンＷが、スカル５９に取り込まれて溶けなくなる事態を回避するためには、添加前に、スカル５９の厚みがＳ２となるようにし、合金添加機構６０にてタングステンＷを添加し、図１に示すように、スカル面Ｓ２に添加材５４のタングステンＷが乗り、一旦スカル５９に取り込まれた後、溶解炉５０に供給する電力を元に戻すという工程を行うと、スカル５９の厚みは、タングステンＷの添加前の厚みまで減少する。

また、スカル厚みは、溶解炉５０に供給する電力量を低減することによって、スカル面Ｓ１からスカル面Ｓ２まで増やすことができるので、よって、上述した電力の減少量は、添加材５４の添加後の溶融温度でのスカル面Ｓ２でのスカル厚みとなるような量ということになる。

一方、スカル溶解は、ルツボ側壁に接触せず、無汚染で溶解できることを特徴としているため、本来ならばルツボ壁には極力接触させたくなく、一旦、ルツボ壁に接触してスカル５９ができてしまったら、再溶解するのに多くの時間がかかる上に、場合によっては、元の状態に戻らない其れもある恐れもある。

このため、ルツボ壁のスカル５９を増加させないように必要以上の電力低下は極力避けたい。
この時、合金添加元素である添加材５４が溶融した場合の溶湯温度でのスカル面Ｓ２のスカル厚みとなる電力までしか下げないことにより、ルツボ壁への接触を極力避け、溶湯５２をなるべく汚染しないようにすることが重要である。

即ち、スカル厚みは概ね投入電力と抜熱との平衡により決まるので、融点が高くなる場合（合金添加後に相当）には投入電力が一定ならばスカル厚みは厚くなる。
一方、融点が低い場合（合金添加前に相当）には投入電力を下げるとスカル厚みを同じように厚くできる。
但し、上述したように、以下の点に留意すべきである。
（１）電力を下げすぎると側面スカルが多くできてしまい、合金添加前の溶融状態に戻らなくなってしまう。
（２）逆に下げるのが不足すると、融点が上昇したときの平衡スカル厚み内に多くのタングステンが取り込まれてしまう。

極端な例として、電力を下げずにタングステンＷをＦｅ−６０Ｃｒの溶湯中に添加した場合、最初から全材料を投入して溶解した場合と同じ溶け残り量となり、合金添加機構６０を使用した効果がなかった。
具体的な例としては、溶解材料として、鉄Ｆｅ：２７４５ｇ、クロムＣｒ：４３２０ｇ、タングステンＷ：３６０ｇとした場合、
（１）合金添加機構６０を使用したが、電力をそのままでタングステンＷを添加した場合、１８０ｇの溶け残りが発生した。
（２）添加前に電力を２割下げ、添加後、元の電力に戻した場合、９０ｇの溶け残りとなった。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。
上記実施の形態では、溶解炉として、コールドクルーシブル溶解炉を例に用いたが、スカル厚みを電力量によって制御しうる他の溶解炉についても本願発明が適用できるのは勿論のことである。

溶解炉、特に、コールドクルーシブル溶解炉等の誘導溶解炉を用いて高融点高比重の添加材を添加して合金を溶製する用途に適用できる。

本発明の合金溶製方法の一実施の形態を説明するための縦断側面図である。本発明の合金溶製方法の一実施の形態を説明するための縦断側面図である。従来の合金溶製方法において、合金を添加する方法を示す概略構成図である。

符号の説明

５０：溶解炉（コールドクルーシブル溶解炉）
５１：ルツボ
５２：溶湯
５４：添加材（タングステンＷ）
５６：誘導加熱コイル
５９：スカル
Ｓ２：スカル面

Claims

溶解炉内の溶湯に、前記溶湯の湯温よりも融点が高く、前記溶湯の比重よりも大きな比重の添加材を添加して合金を溶製する方法において、
前記添加材を添加する前に、前記溶湯と前記添加材により溶製される合金を溶融保持するのに必要な電力量より所定量少ない電力を前記溶解炉に供給するようにする工程と、
この所定量少ない電力を前記溶解炉に供給している状態で前記添加材を添加する工程と、
前記添加材を添加した後に、前記溶解炉に供給する電力量を、前記溶湯と前記添加材により溶製される合金を溶融保持するのに必要な元の電力量に戻す工程とを含むことを特徴とする溶解炉の合金溶製方法。
前記溶解炉に供給する電力を低減する電力量は、
前記添加材を前記溶解炉内の溶湯に添加する前の前記溶解炉の底部に生成されるスカル厚みが、
前記添加材を前記溶解炉内の溶湯に添加した後に、前記溶解炉に供給する電力量を、前記溶湯と前記添加材により生成される合金を溶融保持するのに必要な電力量とした場合において、前記溶解炉の底部に生成されるスカル厚みの想定量とほぼ一致するようなスカル厚みとなるような低減量であることを特徴とする請求項１記載の溶解炉の合金溶製方法。
上記溶解炉は、コールドクルーシブル溶解炉等の誘導溶解炉であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶解炉の合金溶製方法。