JP2007240102A - コールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水冷銅ルツボ底部に出湯用ノズルを有するコールドクルーシブル溶解装置を用いて鋳塊を製造する場合において、出湯終期にルツボ内に発生する旋回流を完全に抑え、出湯流を整流化すること。
【解決手段】水冷銅ルツボ１２底部に出湯用ノズル１２ｃを有するコールドクルーシブル溶解装置１０を用いて第１の金属を溶融させ、水冷銅ルツボ１２内に第１の金属の溶湯２０を生成させる溶解工程と、溶湯２０の上方から溶湯２０に整流板１８を装入し、整流板１８の先端を出湯用ノズル１２ｃの開口部に近接させ、溶湯２０を出湯用ノズル１２ｃから鋳型２２に出湯する出湯工程とを備えたコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、コールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法に関し、さらに詳しくは、チタン、ジルコニウム等の高活性金属を含む金属・合金からなる鋳塊の製造方法として好適なコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法に関する。

コールドクルーシブル溶解法は、スリットによって垂直方向に分割された水冷銅ルツボの周囲に高周波コイルを配置し、水冷銅ルツボ内に投入された金属を電磁誘導作用により溶解させる誘導溶解法の一種である。コールドクルーシブル溶解法は、ルツボ材による溶湯の汚染が少なく、電磁気力による溶湯の強撹拌効果が期待でき、しかも、雰囲気も加圧から真空まで幅広く選択できるという特徴があることから、高純度金属、高活性金属、高融点金属等の特殊金属の溶解法として用いられている。

コールドクルーシブル溶解装置において、水冷銅ルツボの側壁部分は、短冊状のセグメントに分割されている。各セグメントは、それぞれ水冷できるようになっており、また、各セグメントの隙間（スリット）には、これらを互いに絶縁するための充填材（例えば、アルミナ等のセラミックス）が埋め込まれている。
このような水冷銅ルツボに初装原料を入れ、高周波コイルに高周波電流を印加すると、磁界がスリットを通って水冷銅ルツボ内の初装原料に作用する。その結果、初装原料に渦電流が発生し、ジュール熱により初装原料が溶融する。この時、溶湯には中心方向の力（ローレンツ力）が作用するので、溶湯が水冷銅ルツボに接触する機会は少ない。一方、ルツボ底部においては、溶湯がルツボにより冷却され、スカル層と呼ばれる凝固層が形成される。得られた溶湯に、必要に応じて成分調整用の追装原料を投入した後、溶湯を凝固させると、所望の組成を有する鋳塊が得られる。

コールドクルーシブル溶解装置内で溶解させた溶湯を凝固させる方法としては、
（１） 溶湯がルツボ内にある状態で高周波電流の印加を停止させ、ルツボ内で溶湯をそのまま凝固させる第１の方法、
（２） 溶湯が入ったルツボを傾け、ルツボ上部の開口部から溶湯を鋳型に鋳込む第２の方法（傾注方式）、
（３） ルツボ底部に出湯用ノズルを設け、出湯用ノズルから溶湯を鋳型に鋳込む第３の方法（ボトム出湯方式）、
などが知られている。
これらの内、第１の方法は、鋳塊の形状がルツボ形状により定まり、所望の形状を有する鋳塊が得られないという欠点がある。また、第２の方法は、溶解量が数十ｋｇ程度の小型炉に対してのみ適用可能な方法であり、しかも、鋳込む際に多量の溶湯がルツボの側壁に付着し、歩留まりが低いという欠点がある。これに対し、第３の方法、溶解量が数百ｋｇ程度の大型炉に対して適用可能であり、歩留まりが高く、しかも、任意の形状を有する鋳塊を容易に製造できるという利点がある。そのため、第３の方法は、チタン等の高融点・高活性金属を大量に溶解・鋳造する方法として好適である。

第３の方法を用いて金属を溶解させる場合、予め出湯用ノズルの開口部をノズル栓により塞ぎ、この状態でルツボ内に投入された初装原料を溶解させる必要がある。また、溶湯を出湯させる際には、出湯用ノズルの周囲に配置された出湯用コイルによりノズル栓を加熱し、ノズル栓を溶解させる必要がある。
しかしながら、一般に、ノズル栓を溶解させるのは容易ではない。また、ルツボ底部に設けられた出湯用ノズルから溶湯を出湯させると、溶湯に旋回流（渦）が発生する。溶湯に旋回流が発生すると、出湯用ノズル先端から排出される出湯流が乱れ、鋳塊の表面品質を悪化させたり、あるいは、出湯用コイルに溶湯の飛沫が付着し、出湯用コイルを破損させる場合がある。

そこでこの問題を解決するために従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、底部に出湯口を有するルツボ本体外周部には溶解用コイルが環装され、出湯口の外周には出湯用コイルが環装されたコールドクルーシブル溶解装置を用いて、出湯停止に際しては、出湯用コイルの通電量を減少させ、出湯再開に際しては出湯用コイルの通電量を高めるコールドクルーシブル溶解装置の出湯方法が開示されている。同文献には、出湯用コイルへの通電量を制御することにより、出湯停止及び出湯再開を短時間で行うことができる点が記載されている。

また、特許文献２には、ルツボ底部に出湯用ノズルを有するコールドクルーシブ誘導溶解装置を用いて金属材料を溶解させる場合において、ルツボの直径を４００ｍｍ以上とし、溶解用加熱電源の周波数を２０００Ｈｚ以下、出力を１３００ｋＷ以上に設定し、かつ、出湯用加熱電源の周波数を５００Ｈｚ以上、出力を５０ｋＷ以上に設定して運転を行うコールドクルーシブル誘導溶解法が開示されている。同文献には、出湯用加熱電源の周波数を５００Ｈｚ以上、出力を５０ｋＷ以上に設定することによって、小さな電源で出湯が可能になる点が記載されている。

また、特許文献３には、出湯用ノズルに配設されたノズル栓の上部のスカル層をルツボ内の溶湯側から溶解させてからノズル栓を溶解させるコールドクルーシブル誘導溶解装置の出湯方法が開示されている。同文献には、
（１） ノズル栓の溶解に先立って溶湯側からスカル層を溶解させると、空隙の形成やノズル先端部での付着物の形成を防止することができ、出湯流の乱れやノズル先端部の閉塞を回避することができる点、
（２） 出湯用ノズルのストレート部を長くし、あるいは、出湯用ノズルに耐火物性スリーブを配設すると、溶湯に発生した渦に起因する出湯流の回転方向の流れが抑制され、出湯流を整流化できる点、及び、
（３） 耐火物性スリーブ内に垂直方向に延長した凸部を配設すると、出湯用ノズル内で出湯流の回転方向の流れをより効果的に抑制できる点、
が記載されている。
さらに、特許文献４には、出湯用ノズルに溶鋼渦発生防止用突起部を設けて、出湯口の溶鋼の流動を制限することにより、鋳込み末期に出湯口付近で発生する溶鋼渦を防止する点が記載されている。

特開２０００−２７４９５１号公報 特開２００１−１３１６５１号公報 特開２００２−２７７１７０号公報 特開２０００−２１８３６２号公報

ボトム出湯方式により溶湯を出湯する場合において、出湯用コイルの破損を防止し、表面品質の良好な鋳塊を得るためには、出湯用ノズル先端から出湯される出湯流の乱れを抑制することが重要である。特許文献３に記載されているように、ノズルのストレート部を長くし、あるいは、ノズル内面に突起を設けると、出湯流の乱れをある程度抑制することができる。
しかしながら、ノズルのストレート部を長くしたり、あるいは、ノズル内面に突起を設けると、ノズル内面又は先端に凝固物が付着し、ノズルの閉塞が起きやすい。また、ノズルの全長が長くなるほど、ノズル内の凝固物の再溶解が困難となる。さらに、活性金属は、酸化物系の耐火物と反応しやすいので、使用するノズルの材質に制約がある。そのため、ノズル形状だけで出湯流の乱れを抑制するには限界がある。
さらに、出湯流の乱れは、ルツボ内の溶湯に発生した旋回流が原因である。しかしながら、ルツボ内の旋回流そのものを消滅させ、これによって出湯流の乱れを抑制するための方法が提案された例は、従来にはない。

本発明が解決しようとする課題は、水冷銅ルツボ底部に出湯用ノズルを有するコールドクルーシブル溶解装置を用いて鋳塊を製造する場合において、ルツボ内に発生する旋回流を完全に抑え、出湯流を整流化することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、水冷銅ルツボ底部に出湯用ノズルを有するコールドクルーシブル溶解装置を用いて鋳塊を製造する場合において、出湯用コイルの破損を防止し、表面品質の良好な鋳塊を得ることにある。

上記課題を解決するために本発明に係るコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法は、水冷銅ルツボ底部に出湯用ノズルを有するコールドクルーシブル溶解装置を用いて第１の金属を溶融させ、前記水冷銅ルツボ内に前記第１の金属の溶湯を生成させる溶解工程と、前記溶湯の上方から前記溶湯に整流板を装入し、前記整流板の先端を前記出湯用ノズルの開口部に近接させ、前記溶湯を前記出湯用ノズルから鋳型に出湯する出湯工程とを備えていることを要旨とする。

水冷銅ルツボ内に生成させた第１の金属からなる溶湯を出湯させる際、溶湯の上方から溶湯に整流板を装入し、整流板の先端を出湯用ノズルの開口部に近接させると、ルツボ内に発生する旋回流をほぼ完全に抑制することができる。そのため、旋回流に起因する出湯流の乱れが抑制され、出湯流を整流化することができる。また、これによって出湯用コイルの破損や鋳塊の表面品質の劣化を抑制することができる。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
図１（ａ）に、コールドクルーシブル溶解装置の概略構成図を示す。図１（ａ）において、コールドクルーシブル溶解装置１０は、水冷銅ルツボ１２と、溶解用コイル１４と、出湯用コイル１６とを備えている。
水冷銅ルツボ１２は、周知のように、その側壁部分が短冊状のセグメント１２ａ…に分割されており、各セグメント１２ａ…は、それぞれ水冷できるようになっている。また、各セグメント１２ａ…の隙間（スリット）には、これらを互いに絶縁するための充填材（例えば、アルミナ等のセラミックス）が埋め込まれている。水冷銅ルツボ１２の底部には、水冷銅板からなる底板１２ｂが設けられている。底板１２ｂは、溶解用コイル１４により発生する磁界と、出湯用コイル１６により発生する磁界とを遮断し、誤作動を防止する機能も有している。さらに、底板１２ｂのほぼ中央には、出湯用ノズル１２ｃが設けられている。
溶解用コイル１４は、水冷銅ルツボ１２内に投入された原料に渦電流を発生させるためのものであり、水冷銅ルツボ１２の周囲を囲むように配置されている。さらに、出湯用コイル１６は、出湯用ノズル１２ｃの内部及び上部にある凝固物を出湯時に溶解させるためのものであり、出湯ノズル１２ｃの周囲を囲むように配置されている。
水冷銅ルツボ１２内で金属を溶解させると、溶湯２０が底板１２ｂに冷却されることによって、底板１２ｂ表面にスカル層２０ａが形成される。また、溶湯２０は、出湯用ノズル１２ｃから鋳型２２に排出され、鋳塊２０ｂとなる。

本発明において、出湯用ノズル１２ｃの構造は特に限定されるものではなく、種々の構造を有するノズルを用いることができる。出湯用ノズル１２ｃとしては、具体的には、
（１） 水冷銅ルツボ１２と同様の水冷銅セグメント構造を有する水冷銅ノズル、
（２） 耐火物製ノズル、
（３） 水冷銅セグメント構造を有する水冷銅ノズルの先端に耐火物製ノズルが接続された複合ノズル、
（４） 金属製ノズル
などがある。本発明においては、いずれの構造を有するノズルであっても使用することができる。
但し、耐火物製ノズルは、溶湯２０と反応する場合があるので、溶解させる金属の組成に応じて最適な材料を選択するのが好ましい。耐火物製ノズルの材質としては、具体的には、黒鉛、窒化ホウ素、イットリア、ジルコニア、カルシア、マグネシアなどがある。特に、Ｔｉ、Ｚｒ等の高活性金属を溶解させる場合において、耐火物製ノズルを用いるときには、黒鉛製ノズルを用いるのが好ましい。また、金属製ノズルは、自身の融点が溶解させる金属の融点よりも高い材料を選択する必要があり、Ｗ、Ｔａなどが好ましい。

また、本発明において、出湯用ノズル１２ｃの形状は特に限定されるものではなく、種々の形状を有するノズルを用いることができる。
例えば、図１（ａ）においては、ルツボ底部側の開口部にテーパ部を有する出湯用ノズル１２ｃが記載されているが、これは単なる例示であり、テーパ部を有しないノズルを用いても良い。但し、ルツボ底部側の開口部にテーパ部を有するノズルを用いると、溶湯の連続出湯が容易になるという利点がある。
また、一般に、出湯用ノズル１２ｃの全長が長くなるほど、摩擦によりノズル１２ｃ内を流れる溶湯２０の旋回流が小さくなるので、ノズル先端から排出される出湯流の乱れが小さくなる。一方、出湯用ノズル１２ｃの全長が長くなりすぎると、出湯を停止したときにノズル内に多量の凝固物が付着し、これを再溶解させるのが困難となる。従って、出湯用ノズル１２ｃの全長は、目的に応じて最適な長さを選択するのが好ましい。
また、一般に、出湯用ノズル１２ｃの内径が大きくなるほど、出湯は容易になる。一方、出湯用ノズル１２ｃの内径が大きくなりすぎると、途中で出湯を停止させるのが困難となる。従って、出湯用ノズル１２ｃの内径は、目的に応じて最適な内径を選択するのが好ましい。

整流板１８は、水冷銅ルツボ１２内の溶湯２０に装入することによって溶湯２０内に発生する旋回流を抑制し、これによって出湯流の乱れを抑制するためのものである。従って、整流板１８には、溶湯２０に装入してから出湯が終了するまでの間、旋回流を抑制する機能を維持できる程度の耐熱性を有する材料を用いるのが好ましい。また、整流板１８を溶湯２０に装入すると、整流板１８の一部が溶融し、あるいは、整流板１８に含まれる成分元素の全部又は一部が溶湯２０内に拡散する場合がある。従って、整流板１８には、溶融又は成分元素の拡散が生じても、溶湯成分の変動が少ない材料を用いるのが好ましい。

整流板１８の材料としては、具体的には、以下のようなものがある。
整流板１８の材料の第１の具体例は、その融点が（Ｔ_ｍ−１００）℃以上（但し、Ｔ_ｍ（℃）は、水冷銅ルツボ１２内で溶解させる金属（第１の金属）の融点）である金属（第２の金属）からなる。ここで、「融点」とは、固相の溶融が開始する温度（固相線温度）をいう。
一般に、整流板１８を溶湯２０に装入した後、整流板１８の温度が溶湯温度に達するまでには、一定の時間がかかる。従って、整流板１８が第１の金属より低い融点を有する第２の金属からなる場合であっても、整流板１８の寸法や装入方法を最適化することによって、整流板１８としての機能を維持することができる。しかしながら、整流板１８を構成する第２の金属の融点が低くなりすぎると、短時間で整流板１８が軟化・溶融し、整流板１８としての機能を維持できない。従って、整流板１８には、その融点が（Ｔ_ｍ−１００）℃以上である金属（第２の金属）を用いるのが好ましい。第２の金属の融点は、高いほどよい。第２の金属の融点が高くなるほど、整流板１８としての機能の維持が容易になり、かつ、整流板１８の溶融又は成分元素の拡散に起因する溶湯成分の変動を抑制することができる。

整流板１８の材料の第２の具体例は、水冷銅ルツボ１２内で溶解させる金属（第１の金属）と同一組成を有する金属（第２の金属）からなる。
整流板１８として、第１の金属と同一組成を有する第２の金属を用いると、整流板１８の溶融又は成分元素の拡散に起因する溶湯成分の変動を最小限に抑制することができる。また、整流板１８の融点は、溶湯（第１の金属）２０の融点と同一であるので、その寸法や装入方法を最適化することによって、溶湯２０に装入してから出湯が終了するまでの間、整流板１８としての機能を維持することができる。

整流板１８の材料の第３の具体例は、水冷銅ルツボ１２内で溶解させる金属（第１の金属）に含まれる主成分をその主成分とする金属（第２の金属）からなる。ここで、「主成分」とは、金属中の含有量が最も多い元素をいう。
整流板１８として、第１の金属と主成分が共通である第２の金属を用いると、整流板１８の溶融又は成分元素の拡散に起因する溶湯成分の変動を最小限に抑制することができる。また、一般に、主成分以外の添加元素の種類及び量の差が少ない場合、整流板１８と溶湯２０の融点の差も小さい。そのため、整流板１８の寸法や装入方法を最適化すれば、溶湯２０に装入してから出湯が終了するまでの間、整流板１８としての機能を維持することができる。

例えば、溶湯がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖなどのチタン合金である場合、整流板１８の材料としては、具体的には、
（１） Ｔｉなどの高融点材料、
（２） Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖなどの溶湯と同一組成を有するチタン合金、
（３） Ｔｉなどの主成分が溶湯と共通である材料、
などがある。
また、例えば、溶湯がＺｒ合金、Ｖ合金、又は、Ｎｂ合金である場合、整流板１８の材料としては、具体的には、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂなどがある。

整流板１８の形状は、溶湯２０内に発生する旋回流を抑制可能な形状であればよい。
例えば、整流板１８は、図１（ｂ）に示すように、一定の幅及び厚さを有する１枚の板からなるものでも良い。あるいは、整流板１８は、図１（ｃ）に示すように、一定の幅及び厚さを有する２枚の板を十字形に交差させた形状（あるいは、４枚の羽板を放射状、かつ、等間隔に設けた形状）を有するものであっても良い。さらに、図示はしないが、整流板１８は、上から見たときに「＊」形等となるように、複数枚の羽板を放射状に設けたものでも良い。この場合、各羽板の間隔は、等間隔（例えば、１２０°間隔、９０°間隔、６０°間隔、４５°間隔など）でも良く、あるいは、不等間隔でも良い。特に、４枚以上の羽板が放射状に設けられたものは、流れの均等分割により旋回流を消す効果が大きいので、整流板１８の形状として特に好適である。

また、整流板１８の先端（ルツボ底部側）の形状は、
（１） ルツボ底部の形状をなぞったもの、
（２） ルツボ底部の形状にかかわらず、フラットであるもの、
のいずれあっても良い。
例えば、出湯用ノズル１２ｃのルツボ底部側開口部にテーパ部がある場合、テーパ部の形状に合わせて整流板１８の先端に突起を設けても良い。整流板１８の先端に突起を設け、この突起がテーパ部に装入されるように整流板１８を溶湯２０に装入すると、溶湯２０内に発生した旋回流を効果的に消滅させることができる。
一方、ルツボ底部にはスカル層２０ａがあり、その形状は溶解チャージごとに常に一定ではない。そのため、整流板１８の先端に凹凸があると、整流板１８の先端がスカル層２０ａに接触する場合がある。整流板１８とスカル層２０ａが接触すると、固着したり、また、出湯用ノズル１２ｃの開口部が整流板１８により塞がれ、溶湯２０の流れを阻害する場合がある。従って、このような場合には、スカル層２０ａと整流板１８との接触を防ぐために、整流板１８の先端の形状をフラットにすることが好ましい。

整流板１８の幅は、溶湯２０内に発生する旋回流を抑制可能な幅であればよい。ここで、「整流板１８の幅」とは、整流板１８の横方向の最大長さをいう。
一般に、整流板１８の幅が小さすぎると、溶湯２０内の旋回流が消えずにそのまま溶湯２０が出湯用ノズル１２ｃに流入する。旋回流を効率よく消滅させるためには、整流板１８の幅は、出湯用ノズル１２ｃの出湯口径の１倍以上が好ましい。整流板１８の幅は、さらに好ましくは、出湯口径の５倍以上である。ここで、「出湯口径」とは、出湯用ノズル１２ｃの最も細い部分の内径をいう。
一方、整流板１８の幅が大きすぎると、整流板１８と水冷銅ルツボ１２の間の溶湯２０が凝固し、整流板１８が水冷銅ルツボ１２に接触する。従って、整流板１８の幅は、水冷銅ルツボ１２の内径の０．８倍以下が好ましい。整流板１８の幅は、さらに好ましくは、水冷銅ルツボ１２の内径の０．６倍以下である。

整流板１８の厚さは、溶湯２０内に発生する旋回流を抑制可能な厚さであればよい。ここで、「整流板１８の厚さ」とは、整流板１８の最も厚い部分の厚さをいう。
一般に、整流板１８の厚さが薄すぎると、溶湯２０に装入したときに短時間で軟化又は溶融し、旋回流を消滅させる効果が小さい。旋回流を効率よく抑制するためには、整流板１８の厚さは、水冷銅ルツボ１２の内径の２％以上が好ましい。
一方、整流板１８の厚さがある一定以上になると、旋回流を消滅させる効果に差がなく、実益がない。従って、整流板１８の厚さは、水冷銅ルツボ１２の内径の２０％以下が好ましい。整流板１８の厚さは、さらに好ましくは、水冷銅ルツボ１２の内径の５％以下である。

整流板１８の厚さは、均一であっても良く、あるいは、場所によって異なっていても良い。例えば、溶解用コイル１４により溶湯２０に発生するローレンツ力は、高さ方向の位置によって異なり、溶解用コイル１４の高さのほぼ中心において最大となる。そのため、溶湯２０内には、溶解用コイル１４の高さのほぼ中心において、水冷銅ルツボ１２側から整流板１８に向かう対流が発生する。この対流は、溶解用コイル１４の高さのほぼ中心に相当する位置にある整流板１８の溶融を加速させる。
このような場合には、整流板１８の厚さの内、溶解用コイル１４の高さのほぼ中心に来る部分の厚さを他の部分より厚くするのが好ましい。溶融が著しい中央部分の厚さを厚くすると、整流板１８の中央部分からの溶融・脱落を抑制することができる。

さらに、整流板１８の高さは、溶湯２０内に発生する旋回流を抑制可能な高さであればよい。一般に、整流板１８の高さが低すぎる場合には、旋回流を消滅させる効果が小さい。従って、整流板１８の高さは、出湯口径の２倍以上が好ましく、さらに好ましくは、出湯口径の５倍以上である。
一方、整流板１８の高さがある一定以上になると、旋回流を消滅させる効果に差がなく、実益がない。従って、整流板１８の高さは、出湯前の溶湯高さ以下が好ましく、さらに好ましくは、出湯前の溶湯高さの５０％以下である。ここで、「溶湯高さ」とは、水冷銅ルツボ１２の底部から、溶湯２０の液面の頂点までの高さをいう。

次に、図１に示すコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法について説明する。図２に、その工程図を示す。図２において、本発明に係る鋳塊の製造方法は、溶解工程と、出湯工程とを備えている。

溶解工程は、水冷銅ルツボ１２底部に出湯用ノズル１２ｃを有するコールドクルーシブル溶解装置１０を用いて第１の金属を溶解させ、水冷銅ルツボ１２内に第１の金属の溶湯２０を生成させる工程である。
第１の金属の溶解は、具体的には、以下のような手順により行う。すなわち、まず、図２（ａ）に示すように、出湯用ノズル１２ｃのルツボ側開口部をノズル栓２４で塞ぎ、水冷銅ルツボ１２内に初装原料２６を投入する。ノズル栓２４は、適当な形状の初装原料での代用も可能である。
ここで、水冷銅ルツボ１２内で生成させる溶湯の組成、すなわち、第１の金属の組成は、特に限定されるものではなく、種々の金属又は合金に対して本発明を適用することができる。特に、活性金属を相対的に多量に含む金属又は合金（例えば、Ｔｉ又はＺｒを主成分とする金属又は合金）に対して本発明を適用すると、ルツボ材等からの汚染の少なく、成分が均一な鋳塊を効率よく製造することができる。
また、初装原料２６は、第１の金属と同一組成を有するものであっても良く、あるいは、異なっていても良い。また、初装原料２６は、同一組成を有する一種類の原料のみからなるものでも良く、あるいは、組成の異なる２種以上の原料の混合物であっても良い。
さらに、ノズル栓２４は、通常、第１の金属と同一組成を有する金属が用いられるが、鋳塊の成分変動が許容範囲内に収まる場合等には、第１の金属と異なる組成を有する材料を用いても良い。

次に、図２（ｂ）に示すように、溶解用コイル１４に高周波電流を印加し、初装原料２６を溶解させる。この時、初装原料２６が目的とする組成と異なるときは、追装原料を水冷銅ルツボ１２内に投入し、溶湯２０の成分調整を行う。高周波コイル１４に高周波電流を印加すると、溶湯２０には中心方向のローレンツ力が作用するので、溶湯２０は、ドーム状となり、水冷銅ルツボ１２の側壁にほとんど接触しない。一方、底板１２ｂは、水冷されているので、底板１２ｂ表面にはスカル層２０ａが形成される。

出湯工程は、溶湯２０の上方から溶湯２０に整流板１８を装入し、整流板１８の先端を出湯用ノズル１２ｃの開口部に近接させ、溶湯２０を出湯用ノズル１２ｃから鋳型２２に出湯する工程である。ここで、「近接させる」とは、整流板１８の先端を出湯用ノズル１２ｃの開口部に接触させないように装入することをいう。出湯は、出湯用コイル１６に高周波電流を印加し、ノズル栓２４及びその上に形成されたスカル層２０ａを溶融させることにより行う。

整流板１８の装入深さは、旋回流が効率よく消滅するような深さとするのが好ましい。一般に、整流板１８の装入深さが深くなるほど、旋回流を効率よく消滅させることができる。一方、整流板１８の装入深さが深くなりすぎると、整流板１８の先端がスカル層２０ａに溶着する場合がある。整流板１８とスカル層２０ａが溶着すると、出湯用ノズル１２ｃの開口部が閉塞し、溶湯２０の流れを阻害する場合がある。整流板１８とスカル層２０ａの溶着を防ぐためには、整流板１８の装入深さは、最大でも、水冷銅ルツボ１２のスカル層２０ａ上３０ｍｍまでとするのが好ましい。
また、旋回流がきつくない場合には、溶湯２０の湯面から５０ｍｍ装入するだけでも、旋回流を消滅させる効果がある。旋回流を効率よく抑制するためには、整流板１８は、溶湯２０の湯面から１００ｍｍ以上装入するのが好ましい。

整流板１８の装入タイミングは、旋回流が効率よく消滅するタイミングとするのが好ましい。装入タイミングとしては、具体的には、
（１） 出湯直前、
（２） 湯面を観察し、旋回流が生成した時、
（３） 全出湯時間（出湯を開始してから出湯を終了するまでの時間）の５０％〜７０％が経過した時、
などがある。
一般に、溶湯２０内に発生する旋回流は、溶湯２０の残量が少なくなるほど大きくなる傾向があるので、整流板１８は、旋回流の流速が大きくなる直前に装入するのが好ましい。また、出湯を開始してから一定時間経過後に整流板１８を装入すると、整流板１８の溶融又は成分元素の拡散に起因する溶湯２０の成分変動を最小限に抑えることができる。

さらに、整流板１８の装入方法は、旋回流が効率よく消滅する方法を用いるのが好ましい。装入方法としては、具体的には、
（１） 一旦溶湯２０に装入した後、出湯終了まで整流板１８を装入し続ける連続装入、
（２） 一定時間の溶湯２０への装入と、一定時間の溶湯２０からの引き上げとを交互に繰り返す間欠装入、
（３） 連続装入と間欠装入の組み合わせ、
などがある。
一旦、旋回流が消滅した後、旋回流が再生成するまでには一定の時間を要するので、間欠装入でも旋回流を消滅させる効果がある。また、間欠装入は、整流板１８の溶融又は成分元素の拡散を最小限に抑制する効果もある。
間欠装入を行う場合、溶湯２０への装入時間及び溶湯２０からの引き上げ時間は、それぞれ、５〜３０秒が好ましい。さらに、連続装入と間欠装入を組み合わせる場合、全出湯時間の５０〜８０％を連続装入とし、残りの時間を５〜３０秒間隔の間欠装入とするのが好ましい。また、連続装入と間欠装入を組み合わせる場合、出湯初期に連続装入を行い、出湯終期に間欠装入を行っても良く、あるいはその逆でも良い。

溶解用コイル１６によりノズル栓２４及びその上のスカル層２０ａを溶解させると、図２（ｃ）に示すように、溶湯２０が出湯用コイル１２ｃから鋳型２２に出湯される。鋳型２２内に鋳込まれた溶湯２０は、鋳型２２により冷却されて鋳塊２０ｂとなる。
また、複数の鋳型２２に順次、溶湯２０を出湯させるときには、１個目の鋳型２２に出湯した後、出湯用コイル１２ｃへの高周波電流の印加を停止する。これにより、底板１２ｂ表面のスカル層２０ａが成長し、あるいは、出湯用ノズル１２ｃ内に凝固物が付着することによって、出湯用ノズル１２ｃの開口部が閉塞する。出湯が停止した後、次の鋳型２２をセットし、溶解用コイル１６により出湯用ノズル１２ｃを閉塞させているスカル層２０ａ及び凝固物を溶解させれば、出湯を再開することができる。

次に、本発明に係る鋳塊の製造方法の作用について説明する。
一般に、高周波コイルにより発生するローレンツ力は、コイル高さのほぼ中心が最も大きく、コイルの端部に行くほど小さくなる。従って、コールドクルーシブル溶解装置を用いて金属を溶解させると、溶湯内にはローレンツ力の差に起因する対流が発生する。出湯用ノズルから出湯される溶湯は、この対流による運動量を持つ。
一方、水冷銅ルツボ内の溶湯には、溶湯の液面の高さに比例した圧力が発生する。従って、水冷銅ルツボ底部から溶湯を出湯させると、出湯流は、溶湯内の圧力に起因する下向きの速度成分を持つ。水冷銅ルツボ内の溶湯量が多いときには、対流により発生する周方向の速度成分よりも下向きの速度成分の方が大きいので、出湯流の乱れは少ない。しかしながら、水冷銅ルツボ内の残存溶湯量が少なくなると、下向きの速度成分が小さくなり、水冷銅ルツボ内の溶湯には、大きな旋回流が発生しやすくなる。

溶湯内に旋回流が発生すると、溶湯は旋回しながら出湯用ノズルから排出されるので、出湯流がノズル先端において左右に振れやすくなる。このような出湯流の乱れは、鋳塊の表面品質を悪化させる原因となる。また、出湯流が乱れると、ノズル先端に凝固物が付着しやすくなる。凝固物は、溶湯との濡れ性が良いので、ノズル先端に凝固物が付着すると、溶湯が凝固物を伝って横方向に流れやすくなる。その結果、出湯流の乱れが加速される。また、溶湯の飛沫が周囲に飛散しやすくなり、出湯用コイルが破損する場合もある。

これに対し、出湯する際に溶湯２０に整流板１８を装入すると、溶湯２０内における旋回流の発生が抑制され、出湯流を整流化することができる。そのため、表面品質の良好な鋳塊が得られ、溶湯の飛散に起因する出湯用コイルの破損も抑制することができる。
また、水冷銅ルツボ１２内の溶湯２０の残存量が少なくなったときに整流板１８を装入し、あるいは、整流板１８の間欠装入を行うと、旋回流を効率よく抑制できるだけでなく、整流板１８の溶融又は成分元素の拡散に起因する溶湯の成分変動も最小限に抑制することができる。

図１（ａ）に示すコールドクルーシブル溶解装置１０、並びに、形状及び寸法の異なる各種の整流板１８を用いて、以下の条件下で金属の溶解を行った。
溶湯組成 ： 純Ｔｉ
誘導溶解条件： 投入電力２０００ｋＷ、周波数７００Ｈｚ
ルツボ形状 ： 内径６００ｍｍ、出湯口径３０ｍｍ
溶解量 ： ５００ｋｇ（溶湯高さ約６００ｍｍに相当）
整流板材質 ： 純Ｔｉ
表１に、その結果を示す。

整流板を用いることなく出湯した場合（Ｎｏ．１９）、及び、出湯口径より幅の狭い整流板を用いた場合（Ｎｏ．２０）のいずれも、出湯終期に出湯流の乱れが生じた。また、幅がルツボ内径の９０％である整流板を用いた場合（Ｎｏ．２１）、出湯中に整流板とルツボが固着した。また、高さが４０ｍｍである整流板を用いた場合（Ｎｏ．２２）、出湯流に乱れが生じた。さらに、厚さが６ｍｍである整流板を用いた場合（Ｎｏ．２３）、出湯中に板が溶失した。

これに対し、所定の形状及び寸法を有する整流板を用いた場合（Ｎｏ．１〜１８）、いずれも出湯流の乱れを抑制することができた。表１より、
（１） 整流板の羽板枚数が４枚以上である場合、
（２） 整流板の幅が出湯口径の５倍以上ルツボ内径の６０％以下である場合、
（３） 整流板の高さが出湯口径の５倍以上である場合、
（４） 整流板の装入深さが湯面から１００ｍｍ以上である場合、及び、
（５） 整流板を間欠装入する場合において、引き上げ時間が相対的に短いとき
には、出湯流の乱れを抑制する効果が特に大きいことがわかる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係るコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法は、チタン、ジルコニウム等の高活性金属を含む合金からなる鋳塊の製造方法として使用することができる。

図１（ａ）は、本発明において用いられるコールドクルーシブル溶解装置の概略構成図、図１（ｂ）は、整流板の第１の具体例の斜視図、図１（ｃ）は、整流板の第２の具体例の斜視図である。 本発明に係るコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法の工程図である。

符号の説明

１０ コールドクルーシブル溶解装置
１２ 水冷銅ルツボ
１２ｃ 出湯用ノズル
１８ 整流板
２０ 溶湯

Claims (10)

1. 水冷銅ルツボ底部に出湯用ノズルを有するコールドクルーシブル溶解装置を用いて第１の金属を溶解させ、前記水冷銅ルツボ内に前記第１の金属の溶湯を生成させる溶解工程と、
   前記溶湯の上方から前記溶湯に整流板を装入し、前記整流板の先端を前記出湯用ノズルの開口部に近接させ、前記溶湯を前記出湯用ノズルから鋳型に出湯する出湯工程と
   を備えたコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法。
2. 前記整流板は、その融点が（Ｔ_ｍ−１００）℃以上（但し、Ｔ_ｍ（℃）は、前記第１の金属の融点）である第２の金属からなる請求項１に記載のコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法。
3. 前記整流板は、前記第１の金属と同一組成を有する第２の金属からなる請求項１に記載のコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法。
4. 前記整流板は、前記第１の金属に含まれる主成分をその主成分とする第２の金属からなる請求項１に記載のコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法。
5. 前記整流板は、上から見たときに４枚以上の羽板が放射状に設けられた形状を有している請求項１から４までのいずれかに記載のコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法。
6. 前記整流板は、その幅が前記出湯用ノズルの出湯口径の１倍以上前記水冷銅ルツボの内径の０．８倍以下である請求項１から５までのいずれかに記載のコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法。
7. 前記整流板は、その厚さが前記水冷銅ルツボの内径の２％以上２０％以下である請求項１から６までのいずれかに記載のコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法。
8. 前記出湯工程は、全出湯時間の５０％〜７０％が経過した時に前記整流板を前記溶湯に装入するものである請求項１から７までのいずれかに記載のコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法。
9. 前記出湯工程は、前記溶湯に前記整流板を間欠装入するものである請求項１から８までのいずれかに記載のコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法。
10. 前記第１の金属は、Ｔｉ又はＺｒを主成分とするものである請求項１から９までのいずれかに記載のコールドクルーシブル溶解装置を用いた鋳塊の製造方法。
    

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