JP2009172665A - 高融点金属インゴットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本願発明は、電子ビームを用いた高融点金属インゴットの製造方法であって、特に、鋳肌の優れた金属インゴットを効果的に溶製することができる溶解方法を提供する。
【解決手段】電子ビーム溶解炉を構成する鋳型内に溶湯を供給して鋳型プールを形成しつつ、鋳型プールの底部近傍の冷却固化したインゴットを回転させながら引き抜く高融点金属インゴットの製造方法であって、インゴットの１回転当たりの引き抜き距離が、鋳型プールの深さよりも小さいことを特徴とする。また、鋳型プールのうち、鋳型に隣接した鋳型プールの周縁部に沿って電子ビームを照射することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本願発明は、電子ビーム溶解炉による高融点金属インゴットの製造方法であって、特に、鋳肌のすぐれた高融点金属インゴットの製造方法に関する。

金属チタンは、航空機産業のみならず近年の世界的な需要の拡大に伴い生産量も大幅に伸びてきている。これに伴い、スポンジチタンのみなならず、金属チタンインゴットの需要も大きく伸びている。

金属チタンインゴットは、四塩化チタンを還元性金属で還元する所謂クロール法で製造されたスポンジチタンをブリケットに成形した後、前記ブリケットを組み合わせて溶解用の電極とし、前記電極を真空アーク溶解することで製造することができる。

金属チタンインゴットは、スポンジチタンのみならず、市況に出回っている金属チタンスクラップを原料とし、これを電子ビーム溶解炉にて溶解することでも純度の高い金属インゴットを溶製することができる。電子ビーム溶解炉は、真空アーク溶解炉と違って、溶解原料を必ずしも電極に成形する必要はなく、顆粒状あるいは塊状の原料をそのまま溶解することができるという特徴を有している。

また、ハース付きの電子ビーム溶解炉では、ハースにて原料を溶解して原料中の不純物を効果的に分離してから溶湯を鋳型に供給することができるので、純度の高い金属チタンインゴットを溶製することができるという効果も奏するものである。よって、ハース付きの電子ビーム溶解炉によれば、チタンスクラップのみならずジルコニウムやハフニウムあるいはタンタル等の高融点金属に不純物が含まれているような原料を好適に溶解することができる。

しかしながら、電子ビーム溶解炉は、前記したようにスクラップを用いて純度の高いインゴットを効果的に溶製することができるものの、溶製されたインゴットは、鋳型と接する表面である鋳肌が真空アーク溶解炉に比べてやや劣る場合がある。

これは、前記したハースから注入される溶湯が、鋳型プールの一部に供給されるために鋳型プール内の溶湯温度に偏りが生じ、その結果、鋳型内で生成されるインゴットの鋳肌が不均一になるというものであり、改善が求められている。

この問題に対して、底部に鋳型を連設した誘導溶解炉で溶製されたチタン溶湯を底部の鋳型内で冷却固化させてインゴットとし、これを回転させつつ引抜く技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、インゴットの引抜き速度と回転速度の最適値は、試験を行った結果を解析することにより提示されているに過ぎず、溶製されるインゴットのサイズやチタン合金等の溶解に際しては前記の条件をそのまま適用することは困難である。

また、誘導溶解炉ではなく前記した電子ビーム溶解炉で溶製されたインゴットを回転させつつ引き抜くという技術に関する開示は見当たらない。

更にクロムまたはクロム合金をインダクション・スラグ溶解法により溶解して鋳型内で冷却・固化させてインゴットとし、これを回転させつつ、連続的に引き抜く技術が開示されている（例えば、特許文献２、３参照）。しかしながら、前記回転速度は、１回転当たりの原料の投入速度で数値的に規定されているために、他の金属の溶解に前記の条件を適用することは困難である。

以上のように、電子ビーム溶解炉を用い、チタンのみならずジルコニウムあるいはタンタルのような高融点金属について鋳肌の優れた金属インゴットを溶解する技術が望まれている。
特開平０２−２３６２３２号公報 特開平０６−２７９８８４号公報 特開平０６−２８７６５９号公報

本願発明は、電子ビームを用いた高融点金属インゴットの製造方法であって、特に、鋳肌の優れた金属インゴットを効果的に溶製することができる溶解方法の提供を目的としている。

かかる実情に鑑みて鋭意検討を重ねてきたところ、電子ビーム溶解炉で溶製された高融点金属インゴットを回転させつつ引き抜くことで、従来に比べて鋳肌の優れた高融点金属インゴットを溶製することができることを見出し、本願発明を完成するに至った。また、高融点金属インゴットを回転させつつ引き抜くのみならず、インゴット１回転当たりの引抜き距離を、鋳型プールの深さよりも小さくすることで、更に鋳肌の優れた高融点金属インゴットを溶製することができることも見出した。

即ち、本願発明に係る高融点金属インゴットの製造方法は、電子ビーム溶解炉を構成する鋳型内に溶湯を供給して鋳型プールを形成しつつ、鋳型プールの底部近傍の冷却固化したインゴットを回転させながら引き抜く高融点金属インゴットの製造方法であって、インゴットの１回転当たりの引き抜き距離が、鋳型プールの深さよりも小さいことを特徴としている。

本願発明では、冷却固化したインゴットを水平面内で回転させた後、前記回転を停止し次いで鉛直方向に引き抜く操作を繰り返しつつ前記インゴットを引き抜くことを好ましい態様としている。

また、本願発明に係る高融点金属インゴットの製造方法は、電子ビーム溶解炉を構成する鋳型内に溶湯を供給して鋳型プールを形成しつつ、鋳型プールの底部近傍の冷却固化したインゴットを回転させながら引き抜く高融点金属インゴットの製造方法であって、上記鋳型プール面に照射する電子ビームのうち、鋳型プールの中心部に比べて、上記鋳型に隣接した鋳型プールの周縁部に沿った電子ビームのエネルギー密度を高めて照射することを特徴とするものである。

また、本願発明においては、電子ビームの照射に先立って、前記インゴットの回転を開始することを好ましい態様としている。

本願発明に係る高融点金属インゴットの製造方法を用いることにより、鋳肌の優れた金属インゴットを溶製することができ、その結果、切削歩留まりが改善されて低コストの高融点金属インゴットを溶製することができるという効果を奏するものである。また、前記の方法で溶製された高融点金属インゴットは、その内質も優れているという効果を奏するものである。

本願発明の最良の実施形態について、図面を用いて以下に詳細に説明する。図１は本願発明を実施するための好適な装置構成例を表している。図１に示す本願発明に用いる電子ビーム溶解炉Ｍは、溶湯を保持し冷却固化させる鋳型１と、インゴットの溶解原料である電極２と、原料を溶解する電子銃３と、原料が溶解された溶湯からなる鋳型プール４と、鋳型プール４の底部近傍から下方に形成されたインゴット５と、インゴット引き抜き用スタブ６と、インゴット５の引き抜き手段７と、電極２の懸架手段８とから構成されている。

電極２は、本願発明により製造されるインゴットの溶解原料となるものであり、チタン、タンタル、ハフニウム等から構成される金属棒、金属スクラップあるいは、粉末冶金により作成した棒状の溶解原料から構成することができる。

前記棒状の原料を電極懸架手段８に装着した後、図示しない真空チャンバーを閉じた後、電子ビーム溶解炉Ｍ内を減圧吸引することが好ましい。

電子ビーム溶解炉Ｍ内の圧力が平衡に達したことを確認後、電極２の周囲に配設した電子銃３からの電子ビームの照射を開始して、電極２先端部の溶解を進める。電極先端部の溶解の進行に伴い、電極懸架装置８を下方に順次連続的に下降させることで、電極２の全体の溶解を完了させることができる。

鋳型１内には、前記した溶解に先立って、引き抜き手段７に載置されたスタブ６を鋳型１内に挿入しておくことが好ましい。鋳型１内に挿入されたスタブ６の頂部は、電子銃３からの電子ビームを受けて鋳型プール４を形成することが好ましい。

電極懸架装置８を下方に順次連続的に下降させながら電極２を連続的に溶解させることで、鋳型プール４が増量して溶湯面が上昇するので、その上昇速度に合わせて引き抜き手段７によってインゴット５を下方に引き抜く。

鋳型プール４の深さは、鋳型１径と投入される電子ビームのエネルギー、電極２の先端部から落下する溶融金属の顕熱、鋳型１内で形成されるインゴットの引き抜き速度および鋳型プール４から鋳型１への抜熱量および鋳型プール４からの輻射熱とのバランスにより決定される。

鋳型プール４は深いほど溶製されるインゴットの組成は均一になる傾向にあるが、鋳型プール４に投入すべき電子ビームのエネルギーも増加させる必要がありコストの上昇を招く。

従って、前記の要因をコストの点あるいは品質の点でその都度目的に応じて最適な条件を組み合わせることにより鋳型プール４の深さを設定することができる。本願発明においては、鋳型およびコストの観点から、鋳型プール４の深さは、鋳型１の内径の６％〜７％の範囲となるように構成しておくことが好ましい。

前記のような条件の下で安定したプールの形成が確認された後、まずは、チタンインゴットの回転を開始すると共にインゴットの下方への引き抜きも開始する。インゴットの回転数は、１ｒｐｍ〜５ｒｐｍの範囲に設定することが好ましい。このような速度でインゴットを回転させることにより、鋳型１内で形成されるチタンインゴットの鋳肌を良好に維持することができるという効果を奏するものである。

また、本願発明においては、インゴット５の下方への引き抜きと回転を同時に行って螺旋状にインゴットを引き抜くことも可能ではあるが、引き抜きと回転とは別個に実施することが更に好ましい。即ち、実操業においては、鋳型１内に保持されているインゴット５を所定の回数だけ回転させた後、前記インゴット５の回転を停止させてから、前記インゴット５を所定量だけ引抜くことが好ましい。本願発明においては、インゴット５を１〜５回転させた後、回転を停止させ、鋳型プール４の深さよりも小さい距離だけ引き抜くことが好ましい。

前記のような回転および引抜きをいわば交互に断続的に行うことで、溶製されるインゴット５の表面を平滑に保持することができるという効果を奏する。また、比較的簡素な装置で、インゴットの溶解・引き抜き操作を進めることができるという効果を奏するものである。

前記のより具体的には、鋳型径が１００〜２００ｍｍの場合、インゴット５の引抜き速度は、０．５〜２．０ｃｍ／分の範囲で操業することが好ましい。前記した操作を継続することで、鋳肌の優れたチタンインゴットを効率よく製造することができるという効果を奏するものである。

図２は、鋳型１および鋳型プール４を上方から見た平面図であり、鋳型プール４内の電子ビームの照射部位を表している。鋳型１内に形成する鋳型プール４に対しては、電子銃３から鋳型１の内壁面に隣接した鋳型プール４の周縁部への外周照射と鋳型プール４中心部への中心照射に分けて照射することが好ましい。このような照射方式を採用することで、鋳型プール４内の温度を均一に保持することができるという効果を奏するものである。

なお、前記の外周照射の照射方向は、インゴットの回転方向と必ずしも整合させる必要はなく、任意の方向に回転させつつ照射すればよい。

前記外周照射の回転数は、前記したインゴットの回転数よりも大きくなるように設定することが好ましい。本願発明においては、１０〜１００ｒｐｍの範囲に設定することが好ましい。

また、本願発明においては、前記の外周照射の回転方向はインゴット５に対して同じように周期的に反転させてもよい。このような方法に沿って、電子銃３からの電子ビームを照射することで前記インゴットを効率的に溶製することができるという効果を奏するものである。

本願発明においては、鋳型プール４内への電子ビームの照射に先立って、インゴット５を回転させることが好ましい。このようなインゴット５の回転操作により鋳型プール４内に保持される溶湯が一部攪拌され、その後に照射される電子ビームエネルギーを鋳型プール４内全体に分散供給させることができる。その結果、鋳型プール４内の温度分布を均一に保持することができるという効果を奏するものである。

本願発明を用いて溶製できる金属は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、タングステン等の高融点金属のみならず、周期律表の４族〜１０族に属する金属インゴットの溶製に対して好適に適用できる。また、これら金属の合金インゴットの溶製に対しても好適に用いることができる。

以上述べたような本願発明に従って金属インゴットを製造することにより、鋳肌の良好な金属インゴットを溶製することができるという効果を奏するものである。また、その結果、前記のインゴットの切削歩留まりを効果的に高めることができるという効果を奏するものである。

［実施例１］
図１に示した電子ビーム溶解炉Ｍを用いて当該実施例を構成した。電子ビーム溶解炉Ｍの構成設備の仕様および操業条件は以下の通りである。以下の条件にてインゴットを製造し、引き抜きを行った。

１．電子ビーム溶解炉
１）電極（原料）：インゴット原料であり、タンタルスクラップから構成されている。寸法は外径１５０ｍｍ×全長５５０ｍｍ。
２）鋳型：水冷銅製の底なし円筒容器。内径１５０ｍｍ×全長１７０ｍｍ。
３）電子銃：電極溶解用と鋳型プール形成用の電子銃がそれぞれ２基ずつ配置されている。電極溶解用の出力は７０ｋＷ、鋳型プール形成用の出力は１５０ｋＷ。
４）回転・引き抜き装置：スタブと呼ばれる引き抜き用台座に固定された引き抜き棒を回転しつつ引き抜くことができるような駆動設備を使用した。
２．引抜き速度・回転数
１分間だけ引抜き操作を停止してインゴットを３回転させた後、次いで、インゴットの回転操作を停止して、鉛直方向に１分間だけ２ｃｍ引抜く操作を繰り返した。
１）引抜き速度：１ｃｍ／分〜２ｃｍ／分
２）回転数：２ｒｐｍ
３．鋳型プール深さ
１ｃｍ

［比較例１］
前記インゴットの回転を付与しない以外は同じ条件下でインゴットの製造および引き抜きを行った。

実施例１で溶製されたタンタルインゴットは、比較例１で溶製されたインゴットと比較して鋳肌が極めて良好であった。また、前記の方法で溶製されたインゴットの表面を所要量切削して製品インゴットにしたところ、実施例１の製品インゴットの切削後の歩留まりは、比較例１の製品インゴットに比べて５％改善されていることが確認された。

高品質な高融点金属インゴットの製造における効率化に寄与する。

図１は、本願発明の電子ビーム溶解装置の一実施形態を示す模式断面図である。 図２は、図１の電子ビーム溶解装置の鋳型および鋳型プール部分を上方から見た平面図である。

符号の説明

１…鋳型、２…電極、３…電子銃、４…鋳型プール、４１…外周照射部分、４２…中心照射部分、５…インゴット、６…スタブ、７…引き抜き手段、８…電極懸架手段

Claims (7)

1. 電子ビーム溶解炉を構成する鋳型内に溶湯を供給して鋳型プールを形成しつつ、上記鋳型プールの底部近傍の冷却固化したインゴットを回転させながら引き抜く高融点金属インゴットの製造方法であって、
   上記インゴットの１回転当たりの引き抜き距離が、上記鋳型プールの深さよりも小さいことを特徴とする高融点金属インゴットの製造方法。
2. 前記冷却固化したインゴットを水平面内で回転させた後、前記回転を停止し次いで鉛直方向に引き抜く操作を繰り返しつつ前記インゴットを引き抜くことを特徴とする請求項１に記載の高融点金属インゴットの製造方法。
3. 電子ビーム溶解炉を構成する鋳型内に溶湯を供給して鋳型プールを形成しつつ、上記鋳型プールの底部近傍の冷却固化したインゴット部分を回転させながら引き抜く高融点金属インゴットの製造方法であって、
   上記鋳型プール面に照射する電子ビームのうち、鋳型プールの中心部に比べて、上記鋳型に隣接した鋳型プールの周縁部に沿った電子ビームのエネルギー密度を高めて照射することを特徴とする請求項１に記載の高融点金属インゴットの製造方法。
4. 前記鋳型プールの周縁部に沿って照射する電子ビームの回転数を、前記引き抜き手段によるインゴット自体の回転数よりも大きくすることを特徴とする請求項２または３に記載の高融点金属インゴットの製造方法。
5. 前記電子ビームの照射に先立って、前記インゴットの回転を開始することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高融点金属インゴットの製造方法。
6. 前記高融点金属が、周期律表４族〜１０族の範囲にある金属もしくはこれらの金属の合金であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高融点金属インゴットの製造方法。
7. 前記高融点金属が、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタルまたはタングステンであることを特徴とする請求項６に記載の高融点金属インゴットの製造方法。
   

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