JP2012228723A - 金属溶製用溶解炉 - Google Patents

Abstract

【課題】ハースを有する金属溶製用溶解炉を用いた活性金属の製造において、複数のインゴットを効率よくかつ高品質を維持しながら生産できる装置構成を提供する。
【解決手段】原料を溶解して生成された溶湯を保持するハースと、溶湯を装入する鋳型と、鋳型下方に設けられ冷却固化したインゴットを下方に引き抜く引き抜き治具と、インゴットを冷却する冷却部材と、これらを大気から隔離する外筒とから構成された金属溶製用溶解炉であって、外筒内に複数の鋳型および複数の引き抜き治具が配設され、冷却部材は、複数の鋳型から抜き出される複数のインゴットの間、および／または、外筒と前記インゴットとの間に配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属溶製用溶解炉およびこれを用いたチタン等の活性金属インゴットの溶製方法に係り、特に、インゴットを効率よく生産することができる装置構成に関する。

金属溶製用溶解炉のうち、電子ビーム溶解炉では、ハースに投入されたチタン等の活性金属原料は、電子ビームの照射を受けて溶解された後、ハース下流に配置された鋳型内で冷却固化されて、インゴットの形で鋳型下方の引き抜き部へ引き抜かれる。

前記鋳型より抜き出されたインゴットは、内部を大気から隔離する引き抜き部の外筒（容器壁）に対して、放熱しながら所定の温度まで冷却後、大気開放してから装置外に抜き出される。

このような操作を見る限りは、上記の電子ビーム溶解炉を用いたインゴットの溶製方法は、鉄鋼の連続鋳造に似ている。しかしながら、大気中で行なう鉄鋼の連続鋳造とは異なり、金属チタンや金属ニオブあるいは金属タンタルのような活性な高融点金属を電子ビーム炉で溶解するような場合には、高温のインゴットは大気と反応してしまうため、溶解炉内は、真空または減圧下に維持されている。

このため、真空または減圧下にある電子ビーム溶解炉においては、鋳型から抜き出された高温状態にあるインゴットは、冷媒となる雰囲気が存在しないため、連続的に抜き出されつつ容器壁に輻射伝熱により徐々に抜熱されて室温近傍まで冷却されるため、冷却に時間を要し、インゴットの製造効率が低いという問題がある。また、この問題は、電子ビーム溶解炉のみならず、他の金属溶製用溶解炉の一例であるプラズマアーク溶解炉においても同様である。

インゴットの冷却に関しては、鉄鋼の連続鋳造において、抜き出された高温のインゴットに水スプレーを噴霧して強制冷却するような技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、図５に示すように、鋳型１２の下方において一次冷却用および二次冷却用の水スプレー１２ａおよび１５ａが生成インゴット２２表面に対して噴霧される。

しかしながら、当該方法を適用すると、チタン等の活性金属のインゴットは、大気のみならず水とも反応してしまうため、鉄鋼の連続鋳造のような水冷によるインゴットの冷却操作は、不可能である。

また、金属製造用溶解炉における生産性の改善を目指す方法としては、１基のレトルトを用いて、電極を溶解して生成された溶湯を複数の鋳型に分散して流し込み、複数のインゴットとして抜き出すことにより、生産性を高める技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、当該方法においては、複数の鋳型と鋳型の数に応じた抜き出し部を準備する必要があり、複数の抜き出し部を備えた溶解装置の製造コストや、個々の抜き出し部内の圧力制御、更には、装置メンテナンスの点で改善の余地が残されている。

さらに、電子ビーム溶解炉に対して、複数の鋳型および抜き出し部に対して、１基の溶解部を順に適用していくことにより、見かけ上のインゴットの生産性を高める方法も知られている（例えば、特許文献３参照）。

しかしながら、この方法では、電子ビーム溶解炉の溶解部を並列に配置されているそれぞれの鋳型まで移動し後、減圧雰囲気を形成するという操作が都度必要となり、効率の点で改善の余地が残されている。

電子ビーム溶解炉は、純度の高い金属を溶製するという点で優れているものの、生産性についてはまだ改善の余地が残されていると考えられる。このように、溶製されたインゴットの品質が高いのみならず、生産性の高い電子ビーム溶解炉やプラズマアーク溶解炉が望まれている。

特開平１０−１８０４１８号公報 米国特許第３８３４４４７号公報 特公平０３−０７５６１６号公報

本発明は、ハースを有する金属溶製用溶解炉、特に、電子ビーム溶解炉やプラズマアーク溶解炉を用いた活性金属の製造において、複数のインゴットを効率よくかつ高品質を維持しながら生産できる金属溶製用溶解炉に係る装置構成の提供を目的としている。

かかる実情に鑑みて前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきたところ、原料溶解ハース、鋳型、インゴット引き抜き治具および外筒から構成され、金属原料を溶解してインゴットを製造する金属溶製用溶解炉において、冷却部材を生成インゴットと外筒との間および／または複数のインゴット間に配置することにより、効率良くインゴットを製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明に係る金属溶製用溶解炉は、原料を溶解して生成された溶湯を保持するハースと、溶湯を装入する鋳型と、鋳型下方に設けられ冷却固化したインゴットを下方に引き抜く引き抜き治具と、インゴットを冷却する冷却部材と、これらを大気から隔離する外筒とから構成された金属溶製用溶解炉であって、外筒内に複数の鋳型および複数の引き抜き治具が配設され、冷却部材は、複数の鋳型から抜き出される複数のインゴットの間、および／または、外筒と前記インゴットとの間に配設されていることを特徴としている。

本発明においては、外筒内に複数の鋳型および複数の引き抜き治具が配設され、複数の鋳型から抜き出された複数のインゴットの間に冷却部材が配置されていることを好ましい態様としている。

本発明においては、冷却部材の底部の温度は、頂部の温度よりも低くなるように設定されていることを好ましい態様としている。

本発明においては、冷却部材の頂部の温度は、底部の温度よりも低くなるように設定されていることを好ましい態様としている。

本発明においては、インゴットの断面が、矩形、円形、楕円形、樽型、多角形、または不定形であることを好ましい態様としている。

本発明においては、冷却部材を冷却する媒体は、冷却部材の頂部より供給され、冷却部材の底部より抜き出されるように構成されていることを好ましい態様としている。

本発明においては、冷却部材は、インゴットの表面に沿うように鉛直方向に延在するように配設されていることを好ましい態様としている。

本発明においては、冷却部材は、複数のインゴットのそれぞれに対して１基ずつ配設されていることを好ましい態様としている。

本発明においては、冷却部材は、複数のインゴットのそれぞれに対して２基ずつ配設されていることを好ましい態様としている。

本発明においては、インゴットがチタンインゴットまたはチタン合金インゴットであることを好ましい態様としている。

本発明においては、金属溶製用溶解炉が、電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉であることを好ましい態様としている。

以上述べた金属溶製用溶解炉を用いることにより、１基当たりの金属溶製用溶解炉で生産されるインゴットの生産性を高めることができるのみならず、反りが無く直線性にも優れ、鋳肌が優れた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。

図１は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム溶解炉を模式的に示す側断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム溶解炉を模式的に示し、（ａ）は平断面図であり、（ｂ）は側断面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム溶解炉を模式的に示し、（ａ）は平断面図であり、（ｂ）は側断面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム溶解炉を模式的に示す側断面図である。 図５は、従来の鉄鋼の連続鋳造における冷却構造を模式的に示す側断面図である。

本発明の最良の実施形態について、金属溶製用溶解炉が電子ビーム溶解炉である場合を例にとり、図面を用いて以下に説明する。
本発明は、原料を溶解して生成された溶湯を保持するハースと、溶湯を装入する鋳型と、鋳型下方に設けられ冷却固化したインゴットを下方に引き抜く引き抜き治具と、インゴットを冷却する冷却部材と、これらを大気から隔離する外筒とから構成された金属溶製用溶解炉であって、外筒内に複数の鋳型および複数の引き抜き治具が配設され、冷却部材は、複数の鋳型から抜き出される複数のインゴットの間、および／または、外筒と前記インゴットとの間に配設されていることを特徴とするものである。

図１は、本発明に係る金属溶製用溶解炉の一例である電子ビーム溶解炉を用いた好ましい態様を表している。図１に示すように、大気から隔離され減圧に保持された外筒１４内にはハース１０が設けられており、図示しない原料供給手段から供給された原料に電子ビームが照射され、溶湯２０が保持されている。ハース１０には２個の溶湯排出口１１が形成されており、同排出口１１よりハース１０の下方に配置した２基の鋳型１２に溶湯２０が注入されるように構成されている。

それぞれの鋳型１２に注入された溶湯２０は、鋳型１２内で冷却固化してインゴット２２を形成すると共に、インゴット底部に装着した引き抜き治具１３を下方に移動させることにより、前記インゴット２２が抜き出されるように構成されている。

本発明においては、冷却部材が、複数のインゴットの間、および／または、外筒とインゴットとの間に配設されていることを特徴とするものであり、このうち、本実施形態では、図１に示すように、複数のインゴット２２の間に冷却部材３０が配設されている。このように冷却部材３０をインゴット２２の間に介装させることにより、鋳型１２から高温状態で抜き出されたインゴット２２間の相互加熱を効果的に抑制できるという効果を奏するものである。また、図示は省略したが、インゴット２２と外筒１４との間に配設することもでき、さらに、これらの両方の態様を組み合わせ、複数のインゴット２２の間と、インゴット２２と外筒１４との間との両方に配設することもできる。

インゴット２２間の相互加熱が抑制されると、鋳型１２から抜き出されたそれぞれのインゴット２２の断面方向の温度分布に偏りがなく、その結果、溶製されるインゴットの熱変形も効果的に抑制することができ、最終的には、直線性の優れた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。

本発明においては、前記鉛直方向に配設した冷却部材３０に対して、冷却部材１０の頂部から底部に向けて温度が低下するような温度勾配をつけることを好ましい態様とするものである。その結果、冷却部材に対して温度勾配を設けない場合に比べて、生成インゴットの鋳肌が改善されるという効果を奏するものである。

また、本発明においては、前記鉛直方向に配設した冷却部材３０に対して、冷却部材１０の底部から頂部に向けて温度が降下するような温度勾配をつけることを好ましい態様とするものである。その結果、冷却部材に対して温度勾配を設けない場合に比べて、生成インゴットの直線性が改善されるという効果を奏するものである。

図２は、本発明における別の好ましい態様を表しており、冷却部材３１に対する温度勾配は付けない状態で２本のインゴット２２の対向する面に冷却部材３１をそれぞれ配設した例である。このような実施形態によれば、インゴット間の相互加熱を更に抑制することができ、その結果、図１の態様に比べて生成インゴットの反りが改善されるという効果を奏するものである。

図３は、本発明における更に別の好ましい態様を表しており、冷却部材３２に対する温度勾配は付けない状態で２本のインゴット２２の対向する面および外筒に面する面の両者に冷却部材３２をそれぞれ配設した例である。このような実施形態によれば、インゴット間の相互加熱を更に抑制することができ、冷却速度が高まり、その結果、生成インゴットの反りが改善されるのみならず、生成インゴットの引き抜き速度も高めることができるという効果を奏するものである。

図４は、本発明に係る好ましい態様である温度勾配をつけた冷却部材３３を示しており、その勾配をつける方法の一例としての冷却水の通水構造例を表している。冷却部材３３の内部鉛直方向は、隔壁によって複数の領域に分割されており、頂部から底部に向かって順に第１区画３３ａ、第２区画３３ｂ、第３区画３３ｃと呼ぶことにする。

当該実施態様においては、第１区３３ａ画に対して温水（Ｈ）を供給して同区画より温水（Ｈ）を排出するような構造を有している。前記第１区画３３ａに対して供給する温水温度は、５０〜７０℃の範囲とすることが好ましい。また、第３区画３３ｃに対しては、底部より冷水（Ｌ）を供給して、第３区画３３ｃの頂部より排出した後、前記排出された冷水（Ｌ）を第２区画３３ｂの底部に供給することを好ましい態様とするものである。前記冷水温度は、５℃〜２０℃の範囲とすることが好ましい。

前記したように冷却部材３３に対して頂部から底部に対して温度が低下する負の温度勾配を設けることにより、鋳型１２より抜き出された直後のインゴット２２を急冷することなく徐々に冷却するので、生成されるインゴット２２の鋳肌を改善できるという効果を奏するものである。

また、本発明においては、図示は省略したが、図４とは逆に、冷却部材３３の第１区画３３ａおよび第２区画および３３ｂに冷水（Ｌ）を供給し、第３区画３３ｃに温水（Ｈ）を供給することもできる。

前記したように冷却部材３３に対して頂部から底部に対して温度が上昇する正の温度勾配を設けることにより、鋳型１２より抜き出された直後のインゴット２２どうしの相互過熱が抑制されるので、インゴット内の温度分布が不均一になることを抑制して、直線性を改善できるという効果を奏するものである。

以上述べた電子ビーム溶解炉を用いたインゴットの溶製方法に係る好ましい態様は、プラズマアーク溶解炉においても同様に適用でき、その結果、鋳肌および直線性に優れた
インゴットを製造することができる。

このように、本発明に係る金属溶製用溶解炉において、鋳型より抜き出されるインゴット間、および／または、インゴットと外筒との間に冷却部材を配設することにより、生成されるインゴットの反りを効果的に抑制することができるのみならず、前記冷却部材に対して温度分布を設けることにより、生成されるインゴットの鋳肌も改善されるという効果を奏するものである。

以下、実施例および比較例を用いて、本発明をより詳細に説明する。
［実施例１］
下記の装置構成を有する電子ビーム溶解炉を用いて、チタンインゴットを溶製した。
１．溶解原料
スポンジチタン（粒度範囲：１〜２０ｍｍ）
２．装置構成
ハース（材質および構造：水冷銅ハース、溶湯排出口：２個）
鋳型（水冷銅鋳型：２基、断面形状：矩形）
冷却部材（個数：１個、長手方向に３領域に区画した冷却部材の全ての区画に対して２０℃の冷水を流した（温度勾配無し））
３．溶製インゴット
重量：５ｔ
形状：１０×１×０．１５ｍ
４．インゴット抜き出し機構
鋳型下部には、インゴット抜き出し治具を個別に配置して同時にインゴットを引き抜いた。
５．圧力制御
炉内に設けた圧力計をモニターしながら、炉内の圧力を所定範囲に制御した。

２本のチタンインゴットを溶製して同時に引き抜いた結果、１組の鋳型と引き抜き治具を用いた場合に比べて２倍の生産性を確保することができた。また、溶製されたインゴットの直線性も製品の要求特性を満足するものであった。

［実施例２］
実施例１において、図４に示した設備を用いて３分割された冷却部材１０の頂部の第１区画３３ａに９０℃の温水を流し、次の第２区画３３ｂおよび底部の第３区画３３ｃに２０℃の冷水を流した以外は同じ条件で２本のインゴットを溶製した。溶製されたインゴットの表面肌を観察したところ、実施例１よりも鋳肌が改善されていることが確認された。

［実施例３］
実施例２において、３分割された冷却部材１０の第１の区画３３ａに２０℃の冷水を流し、第２の区画３３ｂおよび第３の区画３３ｃに９０℃の温水を流した以外は同じ条件で２本のインゴットを溶製した。溶製されたインゴットの直線性を調査したところ、実施例１および２に比べて更に改善されていることが確認された。

［実施例４］
実施例１において、図２に示すように冷却部材１０を２基配置した以外は同じ条件で２本のインゴットを溶製した。溶製されたインゴットの表面肌を観察したところ、実施例１よりも鋳肌が改善されており、また、インゴットの直線性も良好であった。

［実施例５］
図４に示した設備を用いて、インゴットの引き抜き速度を高めて、溶製されるインゴットの鋳肌やインゴットの反りの状況を調査したところ、実施例１〜３で溶製されたインゴットの直線性や鋳肌の状態が保持される範囲において、インゴットの引き抜き速度は、最大で１０％高めることのできることが確認された。

［比較例１］
実施例１において、冷却部材３０を配置しない以外は、同じ条件で２本のインゴットの溶製を試みた。その結果、全溶解時間の３０％を経過した頃より、インゴットの引き抜き装置の動きが鈍化したのでモーターの電流値を確認したところ、通常時に比べて、管理上限まで上昇していた。そのため、抜き出し装置および電子ビームを停止して、内部を室温まで冷却した。次いでインゴットの生成状況を確認したところ、それぞれのインゴットに面した部位のインゴット面に反りが生じていることが確認された。

以上の実施例および比較例の試験条件および試験結果を表１に整理した。本発明に係る冷却部材を鋳型より抜き出されたインゴットとインゴットとの間に冷却部材を配設することにより生成されるインゴットの直線性が担保されるのみならず、生成されるインゴットの鋳肌も改善されることが確認された。

本発明によれば、インゴットの直線性や鋳肌といった特性を良好に維持しつつ、しかも複数のインゴットを同時に効率よく溶製することができる。

１０…ハース、
１１…排出口、
１２…鋳型、
１３…インゴット引き抜き治具、
１４…外筒、
２０…溶湯、
２１…鋳型プール、
２２…インゴット、
３０〜３３…冷却部材、
３３ａ〜３３ｃ…分割冷却部材の第１区画〜第３区画、
Ｈ…温水、
Ｌ…冷水。

Claims (10)

1. 原料を溶解して生成された溶湯を保持するハースと、前記溶湯を装入する鋳型と、前記鋳型下方に設けられ冷却固化したインゴットを下方に引き抜く引き抜き治具と、前記インゴットを冷却する冷却部材と、これらを大気から隔離する外筒とから構成された金属溶製用溶解炉において、
   前記外筒内に複数の鋳型および複数の引き抜き治具が配設され、
   前記冷却部材は、前記複数の鋳型から抜き出される複数のインゴットの間、および／または、前記外筒と前記インゴットとの間に配設されていることを特徴とする金属溶製用溶解炉。
2. 前記冷却部材の底部の温度は、頂部の温度よりも低くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の金属溶製用溶解炉。
3. 前記冷却部材の頂部の温度は、底部の温度よりも低くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の金属溶製用溶解炉。
4. 前記インゴットの断面が、矩形、円形、楕円形、樽型、多角形、または不定形であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属溶製用溶解炉。
5. 前記冷却部材を冷却する媒体は、冷却部材の頂部より供給され、冷却部材の底部より抜き出されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属溶製用溶解炉。
6. 前記冷却部材は、前記インゴットの表面に沿うように鉛直方向に延在するように配設されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属溶製用溶解炉。
7. 前記冷却部材は、前記複数のインゴットのそれぞれに対して１基ずつ配設されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属溶製用溶解炉。
8. 前記冷却部材は、前記複数のインゴットのそれぞれに対して２基ずつ配設されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の金属溶製用溶解炉。
9. 前記インゴットがチタンインゴットまたはチタン合金インゴットであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の金属溶製用溶解炉。
10. 前記金属溶製用溶解炉が、電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の金属溶製用溶解炉。

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