JP2014018829A - スラブの溶製方法および溶製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビーム溶解炉を用い、バルジングが抑制され直線性に優れたチタンスラブを効率よく製造することができるチタンスラブ溶製方法および装置を提供する。
【解決手段】水平断面が矩形の鋳型に溶湯を流し込んで直接スラブを溶製する電子ビーム溶解炉を用いたスラブの溶製方法であって、鋳型の長辺側鋳型壁における内面に、鋳型の水平断面の中心方向に向う張り出し部が形成されていることを特徴とする。また、スラブ原料およびその溶湯を保持するハースと、ハース内に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段と、ハース内の溶湯を流し込んでスラブを形成する鋳型とを備え、鋳型は、水平断面が矩形であり、鋳型の長辺側鋳型壁における内面に、鋳型の水平断面の中心方向に向う張り出し部が形成されていることを特徴とするスラブの溶製装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属スラブの溶製方法であって、特に、溶製されるスラブの厚みの均一性に優れたスラブの溶製方法に関する。

金属チタンに対する近年の航空機需要の拡大のみならず民生用の用途拡大に伴い、チタン材の需要が急速に伸び、これに対応すべくチタンインゴットに対する需要も急速に拡大しつつある。

チタンインゴットは、従来は、スポンジチタンを主原料とし、これに適宜、スクラップ等のリサイクル材を添加した原料を真空アーク溶解（以下、ＶＡＲ溶解）により製造されてきた。ＶＡＲ溶解されたインゴットは、その形状が円柱状であるため、熱間鍛造してスラブに加工した後、ついで、熱間圧延により板材として製造されている。

しかしながら、このような工程においては、溶解・熱間鍛造・熱間圧延といった多工程を経るためにコストの点で改善の余地が残されている。

一方、ＶＡＲ溶解に対して、精製能力に優れたチタン材の製法として電子ビーム溶解炉を用いたインゴットの製造方法がクローズアップされている。電子ビーム溶解炉は、ＶＡＲ溶解炉に比べて減圧度が優れているため、大気中の酸素や窒素に由来する酸化物や窒化物が抑制された純度の高いチタン材の製造に適している。また、ＶＡＲ溶解炉とは異なり、底部の開放された、いわゆる鉄鋼の連鋳鋳型が使用されている。

このような形式の鋳型を用いるため、ＶＡＲ溶解に比べて鋳型に対する選択の自由度が高く、断面形状が丸型の鋳型のみならず、矩形の鋳型を用いることにより、矩形のインゴットを電子ビーム溶解炉から直接製造する技術も知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような方法で製造されたチタンスラブは、３００〜５００ｍｍというような厚みであるため、直接熱間圧延機にかけることが難しく、熱間圧延機に直接かけられるような薄手のスラブが望まれている。

薄手のスラブは、鉄鋼の分野では古くから知られている技術であるが、チタン材の分野では一般的ではなく、検討の余地が残されている。このような点については、その後、種々の改善が加えられ、チタンスラブを直接製造できる技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２に記載の技術によれば、電子ビーム溶解炉にて直接薄手のスラブを製造することができるため、当該設備で製造されたチタンスラブは、直接熱間圧延機にかけることができる。

しかしながら、電子ビーム溶解炉の生産性を更に高めるべく、チタンスラブの引き抜き速度を上げていくと、電子ビーム溶解炉から抜き出されたチタンスラブの直線性に悪影響を及ぼす場合や、電子ビーム溶解炉の鋳型より抜き出されたチタンスラブが厚み方向に膨らむ現象（以降、「バルジング」と呼ぶ場合がある。）が生起される場合がある。

このバルジングは、凝固が不十分な状態でスラブが鋳型から引き抜かれた場合、当該抜き出された部分は、鋳型と接触していた外周部は冷却凝固しているものの、その中心部近傍においては未だ溶融しており、その溶湯の圧力に外周部が耐え切れずにスラブが膨張することで生じる現象である。

特開平０９−０２５５２２号公報（本文） ＷＯ２０１０−０９０３１０号公報（本文）

電子ビーム溶解炉の生産性を高めるべくスラブの抜き出し速度を向上させ、かつ、このようなバルジングのない直線性に優れたチタンスラブが望まれている。

本発明は、電子ビーム溶解炉を用いた直線性に優れたチタンスラブを効率よく製造することができるチタンスラブ溶製方法の提供を目的とする。

かかる実情に鑑み前記課題について鋭意検討を進めたところ、電子ビーム溶解炉を用いたチタンスラブの溶製方法において、電子ビーム溶解炉の鋳型内面に、鋳型の中心部に向かう張り出し部を設けた鋳型を用いることにより、反りや曲がりのみならず、バルジングのない健全インゴットを効率よく溶製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、本発明に係るスラブの溶製方法は、水平断面が矩形の鋳型に溶湯を流し込んで直接スラブを溶製する電子ビーム溶解炉を用いたスラブの溶製方法であって、鋳型の長辺側鋳型壁における内面に、鋳型の水平断面の中心方向に向う張り出し部が形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明に係るスラブの溶製装置は、スラブ原料およびその溶湯を保持するハースと、ハース内に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段と、ハース内の溶湯を流し込んでスラブを形成する鋳型とを備え、鋳型は、水平断面が矩形であり、鋳型の長辺側鋳型壁における内面に、鋳型の水平断面の中心方向に向う張り出し部が形成されていることを特徴とするものである。

本発明に係るスラブの溶製方法および溶製装置においては、上記張り出し部が、鋳型より抜き出されるスラブに形成されるバルジ形状が解消されるように形成されていることを好ましい態様とするものである。

本発明に係るスラブの溶製方法および溶製装置においては、上記張り出し部の水平断面が放物線状に形成されていることを好ましい態様とするものである。

上記張り出し部は、鋳型の鉛直下方向ほど小さくなるように形成されていることを好ましい態様とするものである。

本発明に係るスラブの溶製方法および溶製装置においては、上記スラブが純チタンまたはチタン合金であることを好ましい態様とするものである。

以上述べた本発明に従えば、張り出し部によって鋳型中のスラブに凹部が形成されるので、スラブ抜き出し後のバルジング現象による膨張を打ち消し、結果として、反り・曲がりが少なく、かつバルジングが高度に抑制された矩形のスラブを安定的にしかも、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。

本発明のスラブの製造に用いる電子ビーム溶解装置の模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る鋳型の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る鋳型壁の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る鋳型壁の断面図である。

本発明の最良の実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。
本発明に係る好ましい態様の説明に先立って、図１を用いて本発明に用いる電子ビーム溶解炉の好ましい態様について以下に述べる。

図１は、電子ビーム溶解炉の模式図である。符号４は、原料１０を外部から供給するための原料フィーダであり、原料フィーダ４の下流側には、原料１０およびその溶湯１２を保持するハース３が設けられている。ハース３の下流側には、溶湯１２を流し込み冷却凝固させるための鋳型５が設けられている。ハース３および鋳型５の上方には、原料を溶融させハース３内の溶湯１２および鋳型５内の溶湯プール１３とするための電子銃１ａおよび１ｂがそれぞれ配置されている。鋳型５の下方には、溶湯１２を冷却凝固して形成されたスラブ１１を係合させる引き抜きベース６と、引き抜きベース６をスラブ１１と共に下方に引くシャフト７および引き抜き動力８が接続されている。

まず、スポンジチタンに代表されるような原料１０をハース３の側壁より該ハース３の内部に形成されたハース溶湯１２に投入する。ハース溶湯１２に投入された原料１０は、電子銃１ａより電子ビーム２ａを照射されてハース溶湯１２と一体となり、ハース３の下流に配置された鋳型５に供給される。

鋳型５に供給されたハース溶湯１２は、浴面では電子銃１ｂより照射される電子ビーム２ｂにより溶融状態を保ち溶湯プール１３を形成しているが、下方に行くほど鋳型５の水冷壁により冷却固化されて凝固シェルを形成する。鋳型５内の壁近傍に形成された凝固シェルは、鋳型５の引き抜き方向に沿ってその厚みを増し、最終的には、全体が固相となりスラブ１１として抜き出される。

スラブ１１の底部には、引き抜きベース６が係合されており、上記引き抜きベース６に接合されたシャフト７を介して引き抜き動力８により鉛直下方に抜き出すことができる。

図２は、本発明に用いる鋳型５を模式的に表している。
上記鋳型５は、矩形鋳型であって、一対の長辺側鋳型壁５ａおよび１対の短辺側鋳型壁５ｂから構成されており、長辺側鋳型壁５ａには、鋳型内面方向に向かって張り出し部５ｃが形成されていることを本発明の特徴とするものである。

前記したような張り出し部５ｃを形成させておくことにより、鋳型５より抜き出される矩形スラブの長辺面に凹部を形成することができる。

その結果、従来の矩形鋳型を用いて溶製されるスラブに溶湯静水圧が印加された場合にも、スラブ長辺に設けられた凹部が外部に押し広げられる応力が印加されて、外部に膨張するような所謂バルジングによる変形が生じたとしても、凹部状に形成された面が平滑に戻り、結果として平坦な平面を有するスラブ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、溶製されるスラブの長辺側の面が内側に湾曲していることにより、平面である場合と比較して表面積が増大して当該面における冷却強度が大きく、その結果、スラブ内面に形成されるシェルの厚みが増加させことができるという効果を奏するものである。

その結果、溶湯プールの静水圧を効果的に押し戻すことができるという効果を奏するものである。

本発明に係る鋳型５の内面に形成される張り出し部５ｃの最大厚みは、鋳型５の矩形度（ここでは、「鋳型の厚みに対する幅の比」を意味する）の大きさおよび生成スラブの抜き出し速度に応じて、抜き出されたスラブに生起されるバルジングが解消されて結果的に平滑な平面で形成されたスラブが製造されるように形成することが好ましい。

従来の張り出し部を有さない鋳型でスラブの製造試験を行い、そこで発生するバルジングの程度を把握することにより、同条件下での製造における張り出し部の最大厚みを決定することができる。

前記長辺鋳型壁５ａに対する張り出し部５ｃの厚みの比（以降、「逆バルジ率」と呼ぶ場合がある）は、０．２％〜３．０％が好ましい。逆バルジ率が前記の下限値よりも小さい場合には、同鋳型より引き抜かれたインゴットに生起されるバルジングによる変形率の影響が大きく、結果的に鋳型より抜き出されたインゴットに生起されるバルジングを解消することが難しくなる場合がある。一方、前記した逆バルジ率が上限値を越えると、今度はインゴットに生起されるバルジング量が前記した逆バルジ率よりも小さくなり、結果的に外側に膨らんだ断面形状のインゴットが生成される結果となる。よって、本願発明に係る逆バルジ率は、０．２％〜３．０％の範囲を好ましいとするものである。

上記の張り出し部５ｃの断面は、放物線の一部で構成することが好ましい。前記したような放物線状に形成することにより、前記張り出し部５ｃを比較的容易に構成することができる。

図３および４は、本発明に係る別の好ましい長辺側鋳型壁５ｄの態様を表している。図３は斜視図、図４は、図３におけるＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線断面図である。当該実施態様においては、鋳型５の長辺側鋳型壁５ｄの内面に形成された張り出し部５ｅは、鋳型５の頂部から底部に向かって張り出し部５ｅの厚みが減少するように構成することが好ましい。

バルジングの程度は、スラブ上方で大きく、下方で小さいため、前記したような立体構造とすることで、バルジングを精度良く相殺し、鋳型５から抜き出されたスラブをより平滑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。

本発明に係るチタンスラブの原料１０は、スポンジチタンを主原料とし、その他のチタンスクラップのようなリサイクル材を好適に使用することができる。また、スラブの鍛造片のようなブロック状の原料も効果的に使用することができるといいう効果を奏する。

以上、本発明に係る好ましい態様に限定されず、その他の態様についても幅広く対応することができるという効果を奏するものである。

以下に示す鋳型を用いて実施例および比較例によって本発明をより具体的かつ詳細に説明する。下記の条件にてチタンスラブを製造した。
１）電子銃の出力：４００ＫＷ
２）鋳型
水平断面形状：矩形
寸法：１００Ｔ（短辺鋳型壁長）×６００Ｌ（長辺鋳型壁長）
３）内壁張り出し部
逆バルジ率：１／６０（図２に対応）
逆バルジ率：０〜１／６０（図３に対応、鋳型の頂部から底部に向かって同比率は低下し、最終的にはゼロになる）
張り出し部の水平断面形状：放物線
４）鋳型壁構造
ジャケット式水冷鋳型
５）溶解原料
スポンジチタン
６）生成スラブ引き抜き速度
１０〜２０ｃｍ／分

［実施例１］
図２に示す鋳型の長辺長に対する張り出し部の最大厚みの比を０、３、５％と変化させ、それぞれの場合に対する生成スラブの引き抜き速度を変化させた際の生成スラブの表面に現れるバルジングの有無について調査し、その結果をバルジング率として下表１に示した。表１中の数値は、前記バルジング率を意味する。

内面に張り出し部のない鋳型（０％）を用いた場合には、スラブの引き抜き速度を高めていくと生成スラブに形成されるバルジング率は、増加する傾向を示した。

これに対して、事前に鋳型内面に３％の張り出し部を形成させておいた鋳型を用いた場合には、鋳型より抜き出されるスラブのバルジング率の上昇傾向は、張り出し部のない鋳型を用いた場合に比べて、抑制される傾向を示した。

更に、鋳型内面に５％の張り出し部を形成させておいた鋳型を用いた場合には、生成スラブのバルジング率の上昇傾向は、更に、抑制される傾向を示した。

バルジング率とは、生成されたスラブの表面に形成されているバルジング量を生成スラブの鋳型水平断面における長辺の長さで除した値をいう。

表１の結果が示すように、矩形鋳型の内面に形成する張り出し部を設けることにより、鋳型から抜き出されるスラブ表面に形成されるバルジング率を効果的に抑制することができることが確認された。

［実施例２］
実施例１において使用した図２の鋳型の代わりに図３に示した鋳型を使用して溶製されるインゴットのバルジング率について調査し、その結果を表２に示した。実施例１に比べてバルジング率は、更に改善される傾向を示した。

反りや曲がり、バルジングが高度に抑制された高品質なスラブを電子ビーム溶解炉から直接製造することができ、有望である。

１ａ、ｂ…電子銃、
２ａ、ｂ…電子ビーム、
３…ハース、
４…原料フィーダ、
５…鋳型、
５ａ、ｂ、ｄ…鋳型壁、
５ｃ、ｅ…張り出し部、
６…引き抜きベース、
７…シャフト、
８…引き抜き動力、
１０…原料、
１１…スラブ、
１２…ハース溶湯、
１３…溶湯プール。

Claims (10)

1. 水平断面が矩形の鋳型に溶湯を流し込んで直接スラブを溶製する電子ビーム溶解炉を用いたスラブの溶製方法であって、
   前記鋳型の長辺側鋳型壁における内面に、前記鋳型の水平断面の中心方向に向う張り出し部が形成されていることを特徴とするスラブの溶製方法。
2. 前記張り出し部が、前記鋳型より抜き出されるスラブに形成されるバルジ形状が解消されるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスラブの溶製方法。
3. 前記張り出し部の水平断面が放物線状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のスラブの溶製方法。
4. 前記張り出し部は、鋳型の鉛直下方向ほど小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載のスラブの溶製方法。
5. 前記スラブが純チタンまたはチタン合金であることを特徴とする請求項１に記載のスラブの溶製方法。
6. スラブ原料およびその溶湯を保持するハースと、
   前記ハース内に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段と、
   前記ハース内の前記溶湯を流し込んでスラブを形成する鋳型とを備え、
   前記鋳型は、水平断面が矩形であり、
   前記鋳型の長辺側鋳型壁における内面に、前記鋳型の水平断面の中心方向に向う張り出 し部が形成されていることを特徴とするスラブの溶製装置。
7. 前記張り出し部が、前記鋳型より抜き出されるスラブに形成されるバルジ形状が解消されるように形成されていることを特徴とする請求項６に記載のスラブの溶製装置。
8. 前記張り出し部の水平断面が放物線状に形成されていることを特徴とする請求項７に記載のスラブの溶製装置。
9. 前記張り出し部は、鋳型の鉛直下方向ほど小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項８に記載のスラブの溶製装置。
10. 前記スラブが純チタンまたはチタン合金であることを特徴とする請求項６に記載のスラブの溶製装置。

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