JP2009113064A

JP2009113064A - 鋳塊の製造方法

Info

Publication number: JP2009113064A
Application number: JP2007286627A
Authority: JP
Inventors: Seishi Furuta; 誠矢古田; Tatsuhiko Sodo; 龍彦草道; Masami Nohara; 正美野原; Koichi Sakamoto; 浩一坂本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-11-02
Also published as: JP5001790B2

Abstract

【課題】鋳造欠陥の発生を抑制でき、健全な大型の鋳塊を製造することができる鋳塊の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】ＣＣＩＭ法で溶解原料３を供給しつつ、るつぼ底１を下方に引き抜いて鋳塊６を製造する方法において、コイル電圧を一定値に保持した状態で、上方より供給する溶解原料３の供給速度の制御、および／または、下方に引き抜く鋳塊３の引抜速度の制御を行うことで、溶解原料３を溶湯プール５とする際に投入する電力値の変動幅を、所定の電力値の±５％の範囲とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、コールドクルーシブル誘導溶解（ＣＣＩＭ）法で、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＴｉＡｌ基（金属間化合物系）合金、Ｚｒ、Ｚｒ合金、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などで成る大型の鋳塊を製造する鋳塊の製造方法に関するものである。

Ｔｉ合金、ジルカロイなどの活性金属を含有する合金や、超高清浄性が要求されるＦｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等で成る鋳塊の製造には、現在、工業的には、真空アーク溶解法、プラズマアーク溶解法、電子ビーム溶解法などにより製造されている。これらの溶解法は、いずれも水冷された銅材をるつぼ溶解容器として用いる溶解法である。これらの溶解法は、合金原料の全量を一括して溶解せずに、少量ずつ供給して溶解を行い、形成される溶融金属浴を下側から順次凝固させて鋳塊を製造することを特徴としている。現在、１〜１０ｔｏｎ程度の鋳塊がこれらの溶解法を用いて製造されている。但し、これらの溶解方法は、溶湯の攪拌力が小さく、合金成分の不均一が起こりやすいという課題も併せ持っている。

これに対し、コールドクルーシブル誘導溶解（ＣＣＩＭ）法は、合金原料を一括で全量溶解して合金化した後に、凝固させて鋳塊を製造する方法である。この溶解方法であれば、合金成分の不均一を発生することなく均質な鋳塊を製造することができると考えられるが、ＣＣＩＭ法によって大型の鋳塊を製造する技術自体は、現状ではまだ開発途上の段階である。

ＣＣＩＭ法により比較的大型で長尺の鋳塊を製造する方法として、非特許文献１に記載の製造方法が知られている。この製造方法は、水冷銅るつぼを用いて、その外周部に設置した高周波コイルに高周波電流を通電して、水冷銅るつぼ内に供給した合金原料を誘導溶解し、水冷銅るつぼの底部を下方に引き抜き、大型で長尺の鋳塊を製造する方法である。この製造方法は、水冷銅るつぼと溶湯プールの間にフッ化カルシウム(ＣａＦ_２)などのフッ化物系スラグを、精錬効果、電気的絶縁効果、或いは引き抜き時の潤滑効果などを狙って添加することを特徴としている。この方法により、溶解原料としてスポンジＴｉを用いて、直径５インチの長尺鋳塊が製造できることが示されているが、Ｔｉ溶湯に溶融フッ化カルシウム(ＣａＦ_２)が接触することとなるため、鋳塊中にフッ素（Ｆ）が数十ｐｐｍほど混入する結果となっており、高清浄な鋳塊を製造するには問題がある。

また、ＣＣＩＭ法によって大型で長尺の鋳塊を製造する方法として、フッ化カルシウム(ＣａＦ_２)などの精錬材を添加せずに、コイルからの電磁気力により溶融金属浴を保持して、水冷銅るつぼの底部を引き抜くことにより、長尺鋳塊を製造する方法も考えることはできる。しかしながら、たとえこの製造方法で長尺鋳塊を製造したとしても、不適切な操業条件を用いると、鋳塊内部に溶け残り原料が残留したり、鋳塊表面に大きな表面欠陥が発生したりして、歩留まりが大幅に悪化するなどの問題が発生し、健全な鋳塊を製造することは困難である。

発明者らは、ＣＣＩＭ法で塊状の合金原料を供給しつつ、水冷銅製るつぼのるつぼ底を下方に引き抜くことで、溶解鋳造の操業条件を最適化することにより、合金原料などの溶け残りのない健全な大型の鋳塊を製造する方法について特許出願している(特許文献１，２)。しかしながら、これらの製造方法においても、少しでも不適切な操業条件を用いると、鋳塊の表面に著しく大きな凹凸が形成されてしまうという課題が残されていた。

特開２００６−１２２９２０号公報特開２００６−２８１２９１号公報 P.G.Clites，「Inductslag Melting Process」，US，Bureau of Mines Bulletin 673，1982

本発明は、上記従来の問題を解消せんとしてなされたもので、鋳塊に表面欠陥等の鋳造欠陥が発生することを抑制でき、健全な大型の鋳塊を安定して製造することができる鋳塊の製造方法を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、るつぼ底が上下方向に移動自在に形成された水冷銅製るつぼの内部に上方より供給した溶解原料を、その水冷銅製るつぼの周囲を取り巻く高周波コイルによる誘導加熱で溶解して溶湯プールとし、前記るつぼ底を下方に移動させることにより、そのるつぼ底上の前記溶湯プールを前記高周波コイルによる誘導加熱領域外に引き抜いて凝固させて鋳塊を製造する鋳塊の製造方法であって、高周波コイルのコイル電圧を一定値に保持した状態で、上方より供給する前記溶解原料の供給速度の制御、および／または、下方に引き抜く前記鋳塊の引抜速度の制御を行うことで、前記溶解原料を溶解して前記溶湯プールとする際に投入する電力値の変動幅を、所定の電力値の±５％の範囲として鋳塊を製造することを特徴とする鋳塊の製造方法である。

本発明の請求項１記載の鋳塊の製造方法によると、表面欠陥等の鋳造欠陥が発生することを抑制でき、健全な大型の鋳塊を安定して製造することができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

本発明によって製造される鋳塊は、図１及び図２に示すような、るつぼ底１が上下方向に移動自在に形成された水冷銅製るつぼ２と、その水冷銅製るつぼ２の周囲を取り巻くように配置された高周波コイル４で成るコールドクルーシブル誘導溶解（ＣＣＩＭ）装置Ａを用いて作製することができる。

このコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａを構成する水冷銅製るつぼ２は、複数本の銅製セグメント７を円筒状に組み合わせて構成されており、底部には円形で銅製のるつぼ底１が配置されている。複数本の銅製セグメント７、７、…の間には、０．０５〜２ｍｍのスリットが設けられており、それらスリットには、電気的絶縁のため、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）系セメント、或いはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）系セメント等の絶縁材が埋め込まれている。高周波コイル４は、水冷銅製るつぼ２の周囲をその上下端をある程度残し、螺旋状に取り巻くように水冷銅製るつぼ２の表面より僅かに離れて設けられており、大出力の高周波電源８に接続されている。銅製セグメント７、るつぼ底１、高周波コイル４は夫々中空状であり、中空内部には冷却水が注入されている。るつぼ底１は、下方のシリンダ等の引き抜き機構９に連結されて上下方向に移動自在に構成されており、水冷銅製るつぼ２の銅製セグメント７で成る円筒状の本体から下方に引き抜くように移動させることができる。

このコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａを用いて、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＴｉＡｌ基合金、Ｚｒ、Ｚｒ合金、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などで成る鋳塊６の製造が行われるが、このコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａは、真空チャンバーＢ内に設けられている。また、るつぼ底１の上面には、溶解開始時のスタート材となる底盤１０が取り付けられている。この底盤１０は、純チタン材やチタン合金材、炭素鋼、ステンレス鋼等、製造される鋳塊６の材質を考慮した金属材料で形成されている。

尚、本発明が対象とする大型の鋳塊６については、特にその大きさを限定しないが、例えば、その寸法は、直径２００ｍｍ以上、その直径に対する高さ寸法が１．５倍以上、即ち３００ｍｍ以上とすることが好ましい。前記した寸法に達しない小型の鋳塊６であれば、特にコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａを用いなくても比較的容易に製造することができると共に、比重の重い金属材料で製造した鋳塊６であっても５０ｋｇ以下の小型であって、特に実用性もないからである。また、鋳塊６の直径は１０００ｍｍ以下、直径に対する高さ寸法の倍率は５倍以下とすることが好ましい。

次に、コールドクルーシブル誘導溶解装置Ａを用い、るつぼ底１を下方に移動させることにより大型の鋳塊６を製造する方法について説明する。

コールドクルーシブル誘導溶解装置Ａ等を用いて鋳塊６を製造する作業を始める前に、溶解原料３を準備する。溶解原料３には、水冷銅製るつぼ２内に初期に供給される塊状の溶解原料３と、初期の溶解が終了した後、水冷銅製るつぼ２内に供給する複数本の棒状の溶解原料３がある。尚、溶解原料３は、必ずしも初期に供給する塊状の溶解原料３と追加供給する複数本の棒状の溶解原料３に分ける必要はなく、棒状の溶解原料３だけであっても良いし、初期に供給する原料と、追加供給する原料に分ける場合であっても、その形状、数量は問わない。

まず、溶解開始時のスタート材となる底盤１０を上面に取り付けたるつぼ底１を所定の高さ位置に配置した状態で、水冷銅製るつぼ２の内部に、初期の溶解原料３を供給する。この状態で、高周波コイル４に高周波電流を通電することにより、高周波コイル４による誘導発熱領域にある底盤１０の上部と初期の溶解原料３を同時に溶解する。溶解された底盤１０の上部と初期の溶解原料３は、初期の溶湯プール５を形成する。

次に、るつぼ底１を徐々に下方に引き下げれば、るつぼ底１上の溶湯プール５は、高周波コイル４による誘導発熱領域から徐々に下方に抜き出されることとなり、その下方から凝固を開始する。尚、溶湯プール５のうち水冷銅製るつぼ２の内壁面に接触した外表面から、水冷により事前に凝固を開始して凝固層１２となっているため、溶湯プール５は下方に抜き出しても流れ出すことはない。

溶湯プール５を徐々に下方に引き抜くにつれて、水冷銅製るつぼ２内の溶湯プール５の量が減少するため、その引き抜き量と見合う量の棒状の溶解原料３を上方より徐々に追加供給して溶解することにより、溶湯プール５の量を常に一定に保つことが可能である。この引き抜きによって凝固した部位が目的の鋳塊６となる。尚、上方より供給する棒状の溶解原料３は、複数本を束にして、真空チャンバーＢの上部に設けた吊り下げ機構１１に吊り下げた状態で、その下端部から溶湯プール５の減少量に見合った量だけ徐々に供給される。

この引き抜き鋳造法によって作製される鋳塊６には、一般に行われている重力鋳造法で作製する鋳塊６のように中心部に引け巣欠陥が発生することはなく、健全な鋳塊６を製造することができる。特に、ＴｉＡｌ基合金のように割れやすい合金材料の鋳塊の製造方法としては、引け巣欠陥を起因とする割れが発生しないので、この引き抜き鋳造法は適したものということができる。

単に、以上の製造方法で、大型の鋳塊６を製造した場合、製造条件によれば、鋳塊６の表面に、図４に示すような、深さが２０ｍｍ以上に及ぶくびれ状欠陥ａや、その深いくびれ状欠陥に溶湯が流入して二重の凝固組織となった二重肌欠陥ｂといった表面欠陥が生成される可能性がある。このような深いくびれ状欠陥ａや二重肌欠陥ｂのような表面欠陥が鋳塊６の表面に生成されてしまうと、鋳塊６の表面の切削（皮削り）が必要となり、鋳塊６の歩留まりが著しく低下してしまい、条件によれば、使用が不可能なものとなってしまう。

また、比較的表面欠陥が発生し難いＦｅ基合金材料においても、不適切な操業条件下では、鋳塊６の表面に水平方向の割れ状欠陥（幅１〜５ｍｍ、長さ２０〜１００ｍｍ、深さ１〜１５ｍｍ程度）が多数発生する場合がある。

一方、本発明による適正な製造方法で、鋳塊６を製造した場合、たとえ、くびれ状欠陥ａが生成されたとしても、比較的軽微（深さ５ｍｍ以内）で、使用上問題のないくびれ状欠陥ａしか生成されず、製造される鋳塊６は、鋳塊６として使用可能なものとなる。

これら深いくびれ状欠陥ａや二重肌欠陥ｂ、割れ状欠陥といった表面欠陥等の凝固欠陥の発生を防止するためには、適正な溶解鋳造の操業条件を選択することが不可欠である。操業条件が変動すると、その変動の際の凝固界面での凝固状況が急激に変化することになり、凝固欠陥が発生する可能性が高くなる。特に、溶解原料３を溶解して溶湯プール５とする際に投入する電力値の変動や、溶湯プール５の体積（湯量）の変動は、溶湯プール５の形状に直接的な影響を与えるため、凝固欠陥の発生に大きな影響を与える。

従って、コールドクルーシブル誘導溶解装置Ａを用いて、鋳塊６を引き抜く方法で、鋳塊６を製造する場合は、溶湯プール５の湯量の変動を抑制しつつ、溶解原料３を溶解して溶湯プール５とする際に投入する電力（以下、溶湯プール５への投入電力、または単に投入電力という。）を極力一定に保持することが肝要である。

溶湯プール５への投入電力は、高周波コイル４のコイル電圧を変化させることによって簡単に調整することができるが、この方法で投入電力を調整すると、溶湯プール５の湯量を一定量に保持することが困難となる。

そこで、発明者らは、数多くの溶解鋳造試験を行う中で、溶湯プール５の湯量を一定量に保持するためには、高周波コイル４のコイル電圧を一定値に保持した状態で、溶解原料３を溶湯プール５とする溶解速度と、その溶湯プール５を凝固させて鋳塊６とする凝固速度を一定に（同一と）するように制御することが有効であることを見出した。

以下、本発明が完成するまでの経緯について詳細に説明する。

コールドクルーシブル誘導溶解法で、大型の鋳塊６を製造する際の原料となる溶解原料３を溶解する場合、まず、高周波コイル４に高周波電流を通電し、その溶解原料３に発生する誘導電流の抵抗発熱によって、その溶解原料３を加熱し、その加熱温度を溶解原料３の融点（液相線）以上まで上昇させて、溶解原料３を溶解することにより溶湯プール５とする。その際、図３に示すように、その溶湯プール５内では、誘導磁場による中心方向への磁気力（横向き矢印で示す）が作用して、溶湯静圧（下向き矢印で示す）と釣り合うようになると想定される。原理的には、磁気力と溶湯静圧が釣り合う位置で、溶湯プール５の溶湯が、水冷銅製るつぼ２の内壁面に接触して凝固層１２が形成され始めることになるが、溶湯プール５は電磁気力によりその中央部で盛り上がり、表面を溶湯が流れ落ちるような激しい流動をしている。その結果、溶湯の一部は、図３及び図４に示すように、前記した釣り合いの位置より更に上方で水冷銅製るつぼ２の内壁面に接触して上下に長い凝固層１２となり、凝固層１２で囲まれた内側に溶湯プール５が形成されたような状態となる。

このような状態で、水冷銅製るつぼ２のるつぼ底１を下方に移動させると、表層に形成された凝固層１２と共に、溶湯プール５が下方に引き抜かれることになるが、図４に示すように、表層の凝固層１２の一部が水冷銅製るつぼ２を構成する銅製セグメント７、７間に形成されたスリットに食い込んだような状態等となり、強固に固着していると（図３、図４に○で示す）、固着した部位は引き下げられないことになる。その結果、凝固層１２の下部に引っ張り応力が作用することとなり、特にスリットに食い込む等で固着が強固な場合は、凝固層１２の下部に亀裂が発生し、その亀裂が成長して大きく深いくびれ状欠陥ａとなってしまう。凝固層１２が上下に長いほど、スリットに食い込んだ固着部等、強固な固着部が形成される可能性が高くなり、深いくびれ状欠陥ａが生成される可能性も高くなる。従って、この凝固層１２が上下に長く成長しないようにすることが、深いくびれ状欠陥ａが生成される可能性を低くすることにつながると考えた。

また、溶湯プール５の直下で大きく深いくびれ状欠陥ａが生成された場合、図４に示すように、溶湯プール５とくびれ状欠陥ａとの間の凝固層１２の比較的薄い部分が破壊されることがある。その場合、溶湯プール５の溶湯が、くびれ状欠陥ａ内に流入することとなり、くびれ状欠陥ａ内に充填された溶湯が凝固し、二重肌欠陥ｂとなる。二重肌欠陥ｂを形成する溶湯は、元のくびれ状欠陥ａの内面には完全には溶着しないため、浸透探傷試験を行うと欠陥部として検出されることとなる。

従って、前記したような大きく深いくびれ状欠陥ａや二重肌欠陥ｂのような表面欠陥を発生させないようにするような溶解鋳造の操業条件を設定することが、鋳塊に表面欠陥等の鋳造欠陥が発生することを抑制するためには重要と考え、その条件を探求した。

前記したように、くびれ状欠陥ａは、溶湯プール５の表層に形成された凝固層１２が水冷銅製るつぼ２の内壁面に強固に固着される結果、その凝固層１２の下方が引っ張り応力を受けることで亀裂が発生し、その亀裂が成長することにより形成される。

従って、このようなくびれ状欠陥ａの発生を防止するためには、水冷銅製るつぼ２の内壁面に強固に固着する凝固層１２の領域を減少させることが有効と考えられる。凝固層１２は、磁気力と溶湯静圧が釣り合う位置より上側にも形成され、その領域が上方に長くなるほど、亀裂が発生する頻度も増加する。このようなくびれ状欠陥ａの生成を防止するためには、図５に示すように、溶湯プール５を浅くすることにより、凝固層１２の上方への成長を防止し、水冷銅製るつぼ２の内壁面へ付着する凝固層１２の領域を少なくすることが有効である。

溶湯プール５の湯量は、一般的な大型の鋳塊６を製造する際のコールドクルーシブル誘導溶解法−重力鋳造法の場合は、極力多量の溶湯を形成させることが高効率となるため、高周波コイル４による誘導加熱領域の全域、即ち高周波コイル４の全高さ範囲に溶湯プール５が存在するように、溶解原料３が装入される。

溶湯プール５の形状は、前記したように、中央部が盛り上がるドーム状であるが、その溶湯プール５の体積は、水冷銅製るつぼ２の内部で円柱状になると仮定したときの仮想溶湯プール５Ａ（図３、図５に点線で示す）の高さ（ｈ）を用いて表すことができる。

一般的な大型の鋳塊６を製造する際のコールドクルーシブル誘導溶解法−重力鋳造法で用いられる溶湯プール５の体積（湯量）は、仮想溶湯プール５Ａの高さ（ｈ：単位ｍｍ）と、高周波コイル４の全長（Ｌ：単位ｍｍ）との関係において、０．６＜ｈ／Ｌ＜０．９という数式を満たす範囲である。

しかしながら、コールドクルーシブル誘導溶解法−引き抜き鋳造法で、溶湯プール５の湯量を、前記コールドクルーシブル誘導溶解法−重力鋳造法と同じ量とすれば、水冷銅製るつぼ２の内壁面へ付着する凝固層１２の領域が上下に長くなり、鋳塊６の表面に、くびれ状欠陥ａや二重肌欠陥ｂ等の表面欠陥が生成される可能性が高くなる。

従って、水冷銅製るつぼ２の内壁面へ付着する凝固層１２の領域を少なくすることが、鋳塊６の表面に表面欠陥を生成させないための対策として有効であると考え、実際に溶湯プール５の体積（湯量）を変えて試験操業を行った。その結果、表面欠陥が生成しにくくするためには、水冷銅製るつぼ２の内部で操業時に実際に形成される溶湯プール５の体積をそのままとして、水冷銅製るつぼ２の内部で円柱状になると仮定したときの、仮想溶湯プール５Ａ（図５に点線で示す）の高さ（ｈ：単位ｍｍ）と、高周波コイル４の全長（Ｌ）の関係が、０．１５＜ｈ／Ｌ＜０．５という数式を満たす範囲とすることが有効であることが分かった。

しかしながら、溶湯プール５の体積が０．１５＜ｈ／Ｌ＜０．５という数式を満たす範囲内となるように操業しても、実際の操業では、様々な条件で溶湯プール５の体積（湯量）が変動することがある。溶湯プール５の湯量が大きく変動すると、溶湯プール５の形状が大きく変化し、凝固層１２の領域が上下に長くなることで、表面欠陥等の鋳造欠陥が生成されることや、鋳造自体ができなくなる場合もある。

溶湯プール５の湯量を一定の範囲内になるようにしてコールドクルーシブル誘導溶解法−引き抜き鋳造法で操業を行うためには、溶湯プール５の湯量を反映する操業指標を見出す必要がある。実際の溶湯プール５の湯量を求めるためには、その溶湯プール５の重量を秤量する必要があるが、直接秤量することは極めて困難である。引き抜きを行っている際の溶湯プール５の重量を含めた鋳塊６の重量は、引き抜き機構９のヘッド部にロードセル等を設置することにより、測定することが可能であるが、その測定値から溶湯プール５の重量だけを求めだすことはできない。

そこで、発明者らは、溶湯プール５の重量によってインダクタンス（誘導係数）がある一定の値となり、高周波コイル４のコイル電圧を一定とした条件下で発生する誘導電流が変化することを見出した。その誘導電流の変化と比例して変化する投入電力の変動幅を利用して、溶湯プール５の重量、そして溶湯プール５の体積（湯量）を制御することとした。

例えば、高周波コイル４のコイル電圧を一定とした条件下で、内径２００ｍｍの水冷銅製るつぼ２を用い、溶解原料３として３０ｋｇのステンレス鋼を溶解し、その状態から下方への引き抜きを行い、溶湯プール５の湯量を徐々に減少させた場合の、溶湯プール５の重量と投入電力の関係を示したのが図６である。コイル電圧を一定とした条件下では、投入電力値が溶湯プール５の重量に比例して変化することが分かる。コイル電圧が変化すれば異なることにはなるが、コイル電圧を一定とした操業を行う限りは、投入電力をある一定の範囲になるようにして制御することで、溶湯プール５の重量が一定の範囲になるように制御することができる。逆をいえば、溶湯プール５の重量を一定の範囲になるようにして制御することで、投入電力を一定の範囲になるように制御することができる。

溶湯プール５の重量は、極力一定になるようにして操業することが望ましいが、実際の操業では、溶解原料３の状況などによって、突然変動することがある。例えば、内径２００ｍｍの水冷銅製るつぼ２の内部に、２０ｋｇの溶湯プール５を保持して操業している状態で、追加供給した棒状の溶解原料３の一部が突然抜け落ちて、数ｋｇ程度の溶解原料３が溶湯プール５内に突然供給されてしまうことがあるが、この程度の追加供給量であれば、以後の溶解原料３の溶解速度の調整や、鋳塊６の引抜速度の調整を行うことで、操業を継続することは可能である。

溶湯プール５の重量の許容できる変動幅を±１５％（＝３ｋｇ／２０ｋｇ×１００％）の範囲であるとすると、図６に示した溶湯プール５の重量と投入電力の関係より、投入電力の変動は所定の電力値の±５％以内に収める必要があることが分かる。例えば、３００ｋＷで溶解操業を行う場合は、投入電力の電力値は所定の電力値の±１５ｋＷの範囲に制御する必要がある。

この投入電力の変動幅を具体的に制御するためには、前記したように、溶解原料３の溶解速度の調整や、鋳塊６の引抜速度の調整を行うことで制御することができる。定常時の溶解では、鋳塊６の引抜速度をＶｉ（ｍｍ／ｍｉｎ）、追加供給用の溶解原料３の供給速度をＶｅ（ｍｍ／ｍｉｎ）、鋳塊６の断面積をＳｉ（ｍ^２）、追加供給用の溶解原料３の断面積をＳｅ（ｍ^２）とすると、Ｖｉ・Ｓｉ＝Ｖｅ・Ｓｅの関係式を満足するように、追加供給用の溶解原料３の供給速度を調整する必要がある。

しかしながら、追加供給用の溶解原料３は、必ずしもその密度や断面積が、その高さ方向で常に一定であるとは限らないため、実際は、溶解速度は刻々変化している。鋳塊６の引抜速度を一定に保持する場合は、溶解原料３の溶解量が減少すれば、溶湯プール５の湯量が減少して、コイル電圧を一定値に保持した操業において、投入される電力値は低下することになる。このように投入電力が低下した場合は、追加供給用の溶解原料３の降下速度（供給速度）を速くして、溶解原料３の溶解速度を速くし、溶湯プール５の湯量を増加させるか、或いは、鋳塊６の引抜速度を遅くするか、引き抜きそれ自体を一時停止することで、溶湯プール５の湯量を増加させるという操作を行い、投入電力の値を所定の電力値に戻す必要がある。

それとは逆に、溶解原料３の溶解量が増加すれば、溶湯プール５の湯量が増加して、コイル電圧を一定値に保持した操業において、投入される電力値は上昇することになる。このように投入電力が上昇した場合は、追加供給用の溶解原料３の降下速度（供給速度）を遅くして、溶解原料３の溶解速度を遅くし、溶湯プール５の湯量を減少させるか、或いは、鋳塊６の引抜速度を速くすることで、溶湯プール５の湯量を減少させるという操作を行い、投入電力の値を所定の電力値に戻す必要がある。

尚、前記説明では、溶解原料３の降下速度（供給速度）の制御と、鋳塊６の引抜速度の制御のうちの一方の制御を行い、投入電力の値を所定の電力値に戻すと説明したが、溶解原料３の降下速度（供給速度）の制御と、鋳塊６の引抜速度の制御を同時に行い、投入電力の値を所定の電力値に戻しても良い。

コールドクルーシブル誘導溶解装置を用いて、鋳塊を下方に引き抜く方法で鋳塊を製造する試験を実施した。試験ではコイル電圧を一定値に保持した条件下で、投入電力の変動に応じて、溶解原料３の降下速度（供給速度）を変化させたり、或いは、鋳塊の引き抜きを一時停止させたりして鋳塊を製造した。使用したコールドクルーシブル誘導溶解装置等の基本仕様は以下に示す通りである。

コールドクルーシブル誘導溶解装置は、周波数：３０００Ｈｚ、出力：５００ｋＷ（Ｍａｘ）の高周波電源を有しており、製合盤を介して、水冷ケーブルにより高周波コイルと接続されている。高周波コイルは水冷銅製るつぼの外周を７周に亘り取り巻いており、その長さは２５６ｍｍである。水冷銅製るつぼは、円筒状に組まれた２４本の銅製セグメントと、引き抜き機構に取り付けられたるつぼ底より構成されている。銅製セグメント、るつぼ底等の内部には冷却水が流されており、その冷却水の流量は４００Ｌ／ｍｉｎである。また、コールドクルーシブル誘導溶解装置が収容された真空チャンバーの内容量は１０ｍ^３である。

表１に示す鋳塊の材質は、実施例１及び実施例３がステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、実施例２が炭素鋼、実施例４がＴｉ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（質量％））であり、内径が２２０ｍｍの水冷銅製るつぼを用いて鋳塊を製造した。また、表２に示す鋳塊の材質は、実施例５、実施例６ともに、ＴｉＡｌ基合金（Ｔｉ−３０Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｖ−４Ｍｎ合金（質量％））であり、内径が２５０ｍｍの水冷銅製るつぼを用いて鋳塊を製造した。

鋳塊の製造は、るつぼ底の上面に、溶解開始時のスタート材となる底盤を取り付け、所定のスタート位置に配置した状態で、水冷銅製るつぼの内部に、製造される鋳塊と同じ金属材料で成る初期の溶解原料を装入して開始した。尚、底盤は、実施例１並びに実施例３の場合はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、実施例２の場合は炭素鋼、実施例４、実施例５、実施例６の場合は工業用純チタン材で夫々形成されている。

追加供給用の溶解原料も初期の溶解原料と同様に鋳塊と同じ金属材料で成るが、その追加供給用の溶解原料は、複数本の棒状溶解原料を円柱状に束ねたものである。内径が２２０ｍｍの水冷銅製るつぼを用いた表１の場合は、その総直径は１４０ｍｍ、長さは１０００ｍｍであり、内径が２５０ｍｍの水冷銅製るつぼを用いた表２の場合は、その総直径は１８０ｍｍ、長さは１０００ｍｍである。この追加供給用の溶解原料は、真空チャンバーの上部に設けられた吊り下げ機構に吊り下げた状態で、その下端部から水冷銅製るつぼの内部に順次供給される。

まず、底盤を溶解開始時の所定の高さ位置に配置し、水冷銅製るつぼの内部に塊状の溶解原料を供給した。その後、真空チャンバーの内部の空気を拡散ポンプで６．７×１０^−２Ｐａになるまで真空排気した後、高純度Ａｒを最高７８ＫＰａになるまで充填して不活性ガス雰囲気とした。次に、高周波電源の出力を入れて、１００ｋＷ（１０分間）→２００ｋＷ（１０分間）→２６０ｋＷ（１０分間）で保持して、塊状の溶解原料と底盤の上部を溶解し、初期の溶湯プールを形成させた。

その後、棒状の溶解原料を下方に押し下げて、その下端部を前記溶湯プール内に浸漬して溶解すると同時に、その溶解量に見合った量だけ下方に引き抜いて鋳塊を作製することで、常時、溶湯プールの量が略一定となるように操業することを基本とした。鋳塊を下方に引き抜く際の投入電力は、表１、表２に夫々示す通りであり、各実施例とも０分での投入電力が請求項に記載した所定の電力値である。この投入電力は、試験操業での時間の経過に伴って変動する溶湯プールの量により上下に変動している。鋳塊の引き抜き速度は、実施例毎に２．０ｍｍ／分、３．０ｍｍ／分、４．０ｍｍ／分の何れかに固定して、連続的に鋳塊の引き抜きを行うことを基本とし、鋳塊を製造した。

試験で製造された鋳塊は、内径が２２０ｍｍの水冷銅製るつぼを用いた表１の場合は、直径が２１５ｍｍ、長さが５５０ｍｍの円柱状であり、内径が２５０ｍｍの水冷銅製るつぼを用いた表２の場合は、直径が２４５ｍｍ、長さが５５０ｍｍの円柱状である。

この試験における各実施例の溶解操業開始時から４０分経過時までの５分毎の状況を、内径が２２０ｍｍの水冷銅製るつぼを用いた場合は表１に、内径が２５０ｍｍの水冷銅製るつぼを用いた場合は表２に夫々示す。この試験で得られた鋳塊は、その何れもが大きな鋳造欠陥がなく、使用上問題のない鋳塊であった。

実施例１〜６の全てで、投入電力の変動に応じて、溶解原料３の降下速度（供給速度）を変化させ、また、実施例６では鋳塊の引き抜きを一時停止させたが、その際の投入電力の変動幅は、全て所定の電力値の±５％の範囲内であった。このように、上方より供給する溶解原料の供給速度の制御、下方に引き抜く鋳塊の引抜速度の制御を行うことで、投入電力の電力値の変動幅を、所定の電力値の±５％の範囲内にとどめることができ、その結果、大きな鋳造欠陥がなく、使用上問題のない鋳塊を製造することができる。

本発明の製造方法で、鋳塊を製造する方法の概要を示す縦断面図である。コールドクルーシブル誘導溶解装置を示す縦断面斜視図である。溶湯プール量を適正な範囲とせずに鋳塊を製造する状態を示す縦断面図である。くびれ状欠陥や二重肌欠陥が生成された状態を示す縦断面図である。本発明の一実施形態を示すもので、溶湯プール量を適正な範囲として鋳塊を製造する状態を示す縦断面図である。溶湯プールの重量と投入電力の関係を示す説明図である。

符号の説明

１…るつぼ底
２…水冷銅製るつぼ
３…溶解原料
４…高周波コイル
５…溶湯プール
５Ａ…仮想溶湯プール
６…鋳塊
７…銅製セグメント
８…高周波電源
９…引き抜き機構
１０…底盤
１１…吊り下げ機構
１２…凝固層
ａ…くびれ状欠陥
ｂ…二重肌欠陥
Ａ…コールドクルーシブル誘導溶解装置
Ｂ…真空チャンバー

Claims

るつぼ底が上下方向に移動自在に形成された水冷銅製るつぼの内部に上方より供給した溶解原料を、その水冷銅製るつぼの周囲を取り巻く高周波コイルによる誘導加熱で溶解して溶湯プールとし、前記るつぼ底を下方に移動させることにより、そのるつぼ底上の前記溶湯プールを前記高周波コイルによる誘導加熱領域外に引き抜いて凝固させて鋳塊を製造する鋳塊の製造方法であって、
高周波コイルのコイル電圧を一定値に保持した状態で、上方より供給する前記溶解原料の供給速度の制御、および／または、下方に引き抜く前記鋳塊の引抜速度の制御を行うことで、前記溶解原料を溶解して前記溶湯プールとする際に投入する電力値の変動幅を、所定の電力値の±５％の範囲として鋳塊を製造することを特徴とする鋳塊の製造方法。