JP2014031551A - 金属インゴット溶製用原料およびこれを用いた金属インゴットの溶製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビーム溶解炉の供給原料として、純度が高く、自己崩壊性がなく、更にハースに投入した際に比較的容易に溶解することができるインゴット溶製に好適な添加材を含む金属インゴット溶製用原料の提供を目的とするものである。
【解決手段】金属の電子ビーム溶解に用いる原料であって、前記原料が、溶製用金属原料と、溶解法で製造された添加材とから構成されており、前記添加材の純度が９９．９ｗｔ％以上であり、かつ炭素、酸素、および窒素の合計濃度が１００ｐｐｍ以下である金属インゴット溶製用原料。また、この金属インゴット溶製用原料を電子ビーム溶解する金属インゴットの溶製方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属インゴット溶製用原料に係るもので、特に、電子ビーム溶解に好適な溶解用原料およびこれを用いた金属インゴットの製法に係る技術に関する。

金属チタンは、最近の需要の多様化や高純度化に伴って、真空アーク溶解炉に加えて、電子ビーム溶解炉を用いたインゴットの製造も盛んに行われている。

電子ビーム溶解炉は、真空アーク溶解炉とは異なり、原料チタンをコンパクトに成形することなく顆粒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。

電子ビーム溶解炉に供給する原料は、スポンジチタンやチタンスクラップのみならず、合金用金属、酸化チタンあるいは酸化鉄等を配合した混合物で構成する場合がある。

前記した原料は、電子ビーム溶解炉に配設したアルキメデス缶と呼ばれる混合機能を有する回転ドラム式アルキメデス缶と呼ばれる原料貯蔵容器よりハースに排出される（例えば、特許文献１参照）。

前記したアルキメデス缶内の原料は、アルキメデス缶の内面に形成されたスパイラル状の案内板に沿ったアルキメデス缶の端面の開口部よりフィーダーに排出される。フィーダーに排出された溶解原料はハースに供給される。

アルキメデス缶内に装填された原料は、内部で原料相互の攪拌状態に置かれるため、原料の形態や強度によっては、アルキメデス缶から排出されるまでに自己崩壊して、その結果、アルキメデス缶より排出される場合には、合金元素が部分的に偏析した状態で排出される場合がある。

このような場合には、電子ビーム溶解炉で生成されたインゴットの長手方向の合金成分が経時的に変化し組成の均一性が崩れるという課題が生起される場合がある。

このような観点においては、例えば酸化チタンペレットを酸素源として用い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、当該酸化チタンペレットは、焼結工程を経ているためアルキメデス缶内で自己崩壊性に対しては優れているものの、当該ペレットがハースに投入された場合には完全溶解に要する時間が長くなるという新たな課題が生起される。

このように、アルキメデス缶のような回転混合式の原料フィーダーを使用する場合には、自己崩壊し難く、しかもハース内の溶湯に比較的容易に溶解するような添加材が求められている。

また、溶解原料に配合する添加材は、溶製されるインゴットの成分を制御する上でも、その純度が高い方が好ましいとされる。

このように、純度が高く、自己崩壊がなく、しかも、ハースに投入された場合の溶解性の良好な特性を有する添加材が求められている。

特開２００４−１４９８２０号公報（本文） ＷＯ２００８−０７８４０２号公報（本文）

本発明は、電子ビーム溶解炉の供給原料として、純度が高く、自己崩壊性がなく、更にハースに投入した際に比較的容易に溶解することができるインゴット溶製に好適な添加材を含む金属インゴット溶製用原料の提供を目的とするものである。

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、溶解法で製造された原料であって、しかも、炭素、酸素または窒素含有量の低い添加材を溶解原料の添加材とすることにより、上記課題を効果的に抑制することができることを見出し、本願発明を完成すするに至った。

即ち、本願発明に係る金属インゴット溶製用原料は、金属の電子ビーム溶解に用いる原料であって、前記原料が溶製金属原料と、溶解法で製造された添加材から構成されており、前記添加材の純度が９９．９ｗｔ％以上であり、かつ炭素、酸素、および窒素の合計濃度が１００ｐｐｍ以下であることを特徴とするものである。

本願発明に係る金属インゴット溶製用原料を構成する添加材の粒度が、３ｍｍ〜２００ｍｍであることを好ましい態様とするものである。

本願発明に係る金属インゴット溶製用原料を構成する添加材が、金属鉄、金属アルミニウムまたは金属バナジウムの中から少なくとも１種類以上選択されたものであることを好ましい態様とするものである。

本願発明に係る溶製金属原料が、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。

本願発明に係る金属インゴットの溶製方法は、前記金属インゴット溶製用原料を用いて電子ビーム溶解することを特徴とするものである。

以上述べた本願発明に従えば、溶解原料が自己崩壊することなくハースに投入することができ、その結果、生成チタンインゴット中の不純物濃度のバラツキも効果的に抑制することができる、という効果を奏するものである。

本発明の最良の実施形態について以下に説明する。
本願発明に係る金属インゴットの溶製用原料は、金属インゴットの主成分である溶製金属原料と、溶解法で製造された添加材からなることを特徴とし、金属インゴットの製造方法は、これら原料を電子ビーム溶解炉に供給することを特徴とするものである。

ここで、溶解法とは、高炉・転炉法で原料を溶解して製造する方法を意味し、正極および負極を用いて電解して金属を得る所謂電解法は含まない。溶解法で製造された添加材は、気孔率の殆どない緻密な材料となり、具体的には、溶解法で製造された金属インゴットから切出された小塊や金属チップあるいは熱間加工時に発生する切断片のような形態を意味するものである。

本願発明においては、また、前記添加材の純度が９９．９９Ｎ以上の純度を有していることを好ましい態様とするものである。

前記したような純度の高い添加材を用いることで溶製されたインゴット成分を精度よく調整することができるという効果を奏するものである。

更には、本願発明に用いる添加材中の炭素、酸素、および窒素の合計濃度が１００ｐｐｍ以下とすることを好ましい態様とするものである。

このような特徴を有する添加材を含む溶解原料を使用することにより、溶製されたインゴット中に炭化物や酸化物あるいは窒化物の生成を効果的に抑制することができるという効果を奏するものである。

前記したような添加材を用いることで、目標とする純度の高い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。

例えば、前記した添加材が金属鉄の場合には、炭素含有率の低い鋼種で構成された金属鉄チップを使用することが好ましい。

また、前記金属鉄中の酸素含有率が１００ｐｐｍ、窒素含有率が１００ｐｐｍ以下のものを用いることが好ましい。

さらには、前記した金属添加材は、３ｍｍ〜２００ｍｍの範囲に整粒しておくことが好ましい。

前記した範囲に整粒しておくことにより、ハースに投入された金属添加材を円滑に溶解させることができるという効果を奏するものである。

前記添加材が金属バナジウムや金属アルミニウムの場合にも、溶解法で製造された金属より切り出した材料で構成された添加材を用いることで、電子ビーム溶解炉に対して歩留まりよく供給することができるという効果を奏するものである。

Ａ．装置構成
１）電子銃の出力：４００ＫＡ
２）ハース
材質：水冷銅
寸法：０．５ｍ（長さ）×０．３ｍ（幅）
３）鋳型
材質：水冷銅
鋳型断面形状：矩形
４）溶製用原料：スポンジチタン
５）添加材：鉄チップ（サイズ：３ｍｍ〜２００ｍｍ）
６）添加材配合比：０．０５ｗｔ％〜０．２０ｗｔ％

Ｂ．方法
前記溶解用原料および添加材を所定量配合した後、アルキメデス缶に投入して電子ビーム溶解炉に連続的に供給して、矩形インゴットを溶製した。溶製されたインゴットを長手方向に切断して、Ｔｏｐ、ＭｉｄｄｌｅおよびＢｏｔｔｏｍ部の鉄組成を分析した。

［実施例１］
高炉・転炉法で溶製された鉄チップと金属溶製用原料であるスポンジチタンを鉄の平均値が０．０３０ｗｔ％になるように配合してから、アルキメデス缶に充填後、同アルキメデス缶を回転して、電子ビーム照射により溶湯保持されたハースプール内に供給すると共に、ハースに投入して溶解生成されたチタン溶湯を鋳型に排出して連続的に矩形インゴットを溶製した。溶製された矩形インゴット中の鉄濃度分布を調査し、その結果を表１に示した。表１に示したように、生成インゴット中の鉄の長手方向の均一性は、良好であった。

［実施例２］
実施例１における添加材の濃度を０．０２４ｗｔ％に変更した以外は同条件下にてチタンインゴットを溶製した。溶製されたチタンインゴット中の鉄の均一性は良好であった。

［比較例１］
実施例１において、使用した鉄チップを電解法で製造されたものを用いた以外は同じ条件下で溶製した。溶製されたチタンインゴット中の鉄の分布を調査したところ、長手方向に顕著なバラツキが観察された。

以上の試験結果より、溶解法で製造された鉄チップを原料として使用することで、目的とする組成の金属インゴットを精度よく溶製できることが確認された。

本願発明は、金属インゴット溶製用の添加材として好適な溶解用原料を提供するものである。

Claims (5)

1. 金属の電子ビーム溶解に用いる原料であって、前記原料が、溶製用金属原料と、溶解法で製造された添加材とから構成されており、前記添加材の純度が９９．９ｗｔ％以上であり、かつ炭素、酸素、および窒素の合計濃度が１００ｐｐｍ以下であることを特徴とする金属インゴット溶製用原料。
2. 前記添加材の粒度が、３ｍｍ〜２００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の金属インゴット溶製用原料。
3. 前記添加材が、金属鉄、金属アルミニウムまたは金属バナジウムの中から少なくとも１種類以上選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載の金属インゴット溶製用原料。
4. 前記溶製用金属原料が、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に記載の金属インゴット溶製用原料。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の金属インゴット溶製用原料を電子ビーム溶解することを特徴とする金属インゴットの溶製方法。