JP2015048501A - 金属の溶解装置およびこれを用いた金属インゴットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】前溶解物のスカル成分の影響を受けることなく新たな目的成分のインゴットを製造できる装置および方法を提供する。
【解決手段】溶解原料を保持するハースＭを具備した電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉を採用した金属溶解装置であって、ハースには、複数の溶湯排出口１，２が形成されている。前記複数の溶湯排出口は、前記排出口の底面の高さがそれぞれ異なる。インゴットの溶製開始に先立って、前記ハース底部に残存している先の金属インゴット成分を有するスカルを溶解して溶湯となし、これを前記ハース外に抜き出した後、後の金属インゴットの溶解原料を前記ハースに投入してこれを溶解して溶湯を形成するとともに前記ハース底部にスカルを形成させ、前記溶湯を鋳型に供給してインゴットを製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子ビーム溶解炉を用いた金属インゴットの溶製方法に関し、特に、品種の異なったインゴットを連続的に製造するに際して、悪影響なく効率よく溶製することができる金属インゴットの製造方法に関する。

ハースを有する電子ビーム溶解炉は、目的金属の溶湯より比重の大きい固体状の介在物を沈降除去できること、あるいは比重の小さい介在物では溶湯表面に浮遊しやすい性質を利用して除去できることから材料欠陥の存在が厳しく制限される金属の溶解に広く使用されるようになってきている。

上記金属の中でも、例えば、チタンやチタン合金では、ハースを具備した電子ビーム溶解炉を使用することにより、従来にも増して介在物の低減が図られており、その結果、得られた金属は航空機や発電用タービンに使用されるようになっている（特許文献１：特開２００８−２７４３４５号）。

このように水冷銅ハースを使用すると優れた品質のインゴットを得ることができるが、成分の異なるインゴットを連続して製造しようとする場合には、後続の溶湯が、ハースの底部に形成されている最初の溶湯のスカル成分の影響を受けて、目的成分のインゴットを溶製することが難しいという課題がある。

この点について電子ビーム溶解炉を使用してチタンを溶解する場合を例にとり以下に説明する。ハースに投入された溶解原料は、電子ビームの照射を受けて溶解され、原料の溶解が進行して溶湯面が上昇すると、ハース下流に設けた注湯口からオーバーフローして、ハース下流に配設されたモールドに注入される。

なお、ハースから溶湯がオーバーフローするまでにハースに溜まった溶湯のうち、ハース底面と接している側は冷却されて固体の金属層(以降、「スカル」と呼ぶ場合がある）を形成している。よって、ハース底部にスカルが形成された以降は、前記スカルを底面として、その上にプールが形成され、原料を溶解する場を提供している。

モールドの中にはオーバーフローした溶湯を受け、さらにその溶湯面の位置を一定に保つために下降する水冷引抜き台座が設置されている。原料を溶解しながら前記した水冷引抜き台座を降下することによって長尺インゴットが製造される。

ハースに投入される溶解原料の種類に変更がない場合には、上記スカルを変更することなく、同スカルをハース底部に存在させたまま、製造装置を継続使用することできる。

しかしながら、これまで製造していたインゴットと成分の異なったインゴットを製造するにあたり、新たな原料の使用を開始する場合には、スカルから溶湯への成分溶出の観点から、これまでに形成されているスカルを除去し、次の溶解を予定している原料と同じ成分のスカルに置換する必要がある。

通常、スカルの交換は電子ビーム溶解装置を大気開放し、スカルに吊り上げ治具を取り付けてハースから抜き出す。この際、大気と反応しない金属であれば大気開放が可能なので容易にスカルを除去できるが、チタンのように大気と反応する金属の場合は、溶解中に発生した金属蒸気が装置内面に付着しており、それが大気と反応（燃焼）してチタンにとって致命的な介在物を形成してする場合がある。

そのため、溶解装置から完全に介在物を除去するための清掃が必須となる。さらに、溶解装置の内部には様々な部品が組み込まれており、これらの清掃または交換も必須となる。

このように、大気と反応しやすい金属の場合、製造する金属種の変更の度にスカルを交換して成分変更を行う方法は、著しい負荷となってしまう。

このような負荷を軽減するために、使用したスカルをそのままハースに残し、そこに目的成分の原料を投入、溶解しながらスカルの成分を目的成分に近付けていくことがある。この場合、得られたインゴットを細かく分析し規格を満足する部位を特定する必要があり、さらに規格を外れた部位は処分することになるのでこの方法でも損失が大きく解決策にはなっていない。

また、ハースを傾斜させて注湯口からハース溶湯を排出することも紹介されている。しかし、真空中または不活性雰囲気下でハースを傾斜する駆動方法の信頼性が無いこと、水平にあるハースを大きく傾斜させるので設備の高さを大きくしなければならず、同方法も効果的な対策にはなっていない。

そのため、スカル成分の影響を受けずに異なる成分のインゴットを連続的に溶解できる技術的な改善が切望されていた。

特開２００８−２７４３４５号公報

本発明は、真空下または不活性雰囲気下に於いてハースを使用する金属の溶解技術に関し、溶解装置を大気開放することなく、ハース底部のスカルを新規作製することにより、異なる成分のインゴットを連続的に製造できる金属の溶解装置およびこれを用いた金属インゴットの製造方法の提供を目的としている。

かかる実情に鑑み前記課題について鋭意検討を進めてきたところ、溶解原料を溶解するハースに対して、原料の溶解により溶製された溶湯の排出口に加えて、ハース底部に形成されたスカルを溶解させて生成された溶湯を別個に排出するための溝を設置することにより、溶解装置を大気開放することなくハース底部に形成されたスカルを溶解排出することが可能となり、その結果、異なる成分のインゴットを連続的に製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、溶解原料を保持するハースを具備した電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉を採用した金属溶解装置であって、前記ハースには、複数の溶湯排出口が形成されていることを特徴とするものである。

本発明においては、前記複数の溶湯排出口は、前記排出口の底面の高さがそれぞれ異なることを好ましい態様とするものである。

また、本発明は、ハースを具備した電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉による金属インゴットの製造方法であって、 互いに成分の異なる複数の金属インゴットを連続的に製造する方法であり、先の金属インゴット製造工程においては、ハースに溶解原料を供給し、これを溶解して溶湯を形成するとともにハース底部にスカルを形成させ、溶湯を鋳型に供給してインゴットを製造し、後の金属インゴット製造工程においては、インゴットの溶製開始に先立って、ハース底部に残存している先の金属インゴット成分を有するスカルを溶解して溶湯となし、これをハース外に抜き出した後、後の金属インゴットの溶解原料をハースに投入してこれを溶解して溶湯を形成するとともにハース底部にスカルを形成させ、溶湯を鋳型に供給してインゴットを製造することを特徴とするものである。

本発明においては、前記ハースには、相対的に浅い溶湯排出口と、相対的に深い溶湯排出口が設けられ、先の金属インゴット成分を有するスカルは、相対的に深い溶湯排出口から排出されることを好ましい態様としている。

本発明に係る金属の溶解装置および溶解方法を用いることにより、溶解装置を大気に開放することなくハース内のスカルを溶解除去することができ、異なる成分を有する金属インゴットを連続的に製造できるという効果を奏するものである。

本発明の一実施形態におけるハースの溶湯排出口を説明する正面図である。 本発明の一実施形態におけるハースおよび鋳型部分を示す側面図である。 本発明の他の実施形態におけるハースおよび鋳型部分を示す側面図である。 本発明の他の実施形態におけるハースおよび鋳型部分を示す側面図である。

本発明の最良の実施形態について図面を用いて以下に説明する。図１〜図４は本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は、本発明に係る金属インゴットの製造に好ましいハースＭの構造例を表している。ハースＭには、図示しない原料供給手段により溶解原料が供給され、電子ビーム照射手段等により、溶解原料が溶解されて溶湯を形成する。また、ハース底部Ｍ_３の頂面により溶湯が冷却されて、これが凝固することによって、溶湯の一部がハース底部Ｍ_３の表面にスカルを形成する。ハースＭには、オーバーフローした溶湯を排出して鋳型３に供給しインゴットを製造するための溶湯排出口１と、先のインゴット製造終了後、ハース底部に残存するスカル自身を溶解して生成した溶湯を排出するための溶湯排出口２が設置されている。

図１に示すように、溶湯排出口１と溶湯排出口２は、互いに高さが異なることが好ましく、溶湯排出口２の方が、深く切り込まれて形成することを好ましい態様とするものである。

インゴット製造後にスカルを排出させるための前記溶湯排出口２の幅Ｅは、５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲とすることが好ましい。前記溶湯排出口２の幅Ｅが５ｍｍより小さいと、溝の中にある溶湯に電子ビームを照射した際には、溶湯排出口２の近傍のハースＭの構成部材（ハース側壁Ｍ_４）にも誤って電子ビームが照射される危険性が高まる。

一方、前記溶湯排出口２の幅Ｅが５０ｍｍを越える場合には、必要以上に鋳肌の荒れ領域が増えてしまうため、好ましくない。

よって、本発明においては、前記溶湯排出口２の幅Ｅは、５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲とすることが好ましいとされる。

また、前記溶湯排出口２の幅Ｅは、鉛直方向に対して一定ではなく、上方に向かって拡開するように形成しておくことが好ましく、具体的には、図示するように、上方に向けて大きく（Ｄ＞Ｅ）形成することが望ましい。

その結果、溶湯排出口２の内部にある溶湯に対して安定的に電子ビームを照射することができる、という効果を奏するものである。

本発明における溶湯排出口１は、ハースＭの内部で原料を溶解することにより生成された溶湯をハースＭの下流に配置した鋳型に排出するためのものである。

本発明においては、前記溶湯排出口１は、Ｕ字型あるいはＶ字型形状に構成することが好ましい。前記したような形状とすることにより、ハースＭの内部で生成された溶湯を円滑に排出させることができる、という効果を奏するものである。

溶湯排出口２のハース底面Ｍ_３からの位置Ｂは、ハースＭの底部に形成されるスカル溶湯を全量排出する必要がある場合はハースＭの底面位置（＝０ｍｍ）としてもよいし、あるいは、図１に示すように僅かに高さを有した位置に設定してもよい。

次回の溶解で溶製するインゴットの目的成分濃度が先に溶解したインゴットの成分濃度と軽微な差異ならば、スカルを完全に排出する必要がないので、溶湯排出口１の底面位置Ｃに相当する位置（Ｂ〜Ｃ間の所定の位置）に設定することも可能である。

更に、目的金属より比重の大きい介在物が含まれる可能性がある場合は同介在物を効果的に沈降除去するため溝の底面位置ＢはハースＭの底面位置より上方位置に設定しておくことが好ましい。

このように、先の溶解原料との成分濃度の差異や原料中に目的金属より比重の大きい介在物が含まれる可能性有無によって溝の底面位置Ｂは、ハースＭの底面位置（＝０ｍｍ）から溶湯排出口１の底面位置Ｃの範囲（０ｍｍ≦Ｂ＜Ｃ）で適宜設定することが好ましい。

また、本発明においては、図２〜４に示すように、ハースＭの下流方向に対して、軽微な傾斜を持たせるように底部Ｍ_３を構成しておくことが好ましい。前記したようにハースＭの底面Ｍ_３に対して、軽微な傾斜を設けておくことにより、原料の溶解に先立て行なうスカル自身の溶解により生成した溶湯の排出を円滑に進めることができる、という効果を奏するものである。

なお、スカル自身の溶解により生成された溶湯は、鋳型３に排出されて製品インゴットに再利用することができる。

ハースＭの下流に配置された鋳型３内に排出されたインゴットは、鋳型内に事前に挿入されていた引き抜き台座４を引き抜き手段６によって下方に移動させることにより、所定長さのインゴットを溶製することができる。

電子ビーム溶解炉の内部で所定長さのインゴットが生成された後は、鋳型内に保持されていた水冷引抜き台座から溶製されたインゴットを系外に取り出して、製品として出荷される。

次に、先のインゴットの製造が終了し、次のインゴットを製造するにあたり、次回の溶解操作に先立って、ハースＭの底部に新たなスカルを形成させる方法について、以下に説明する。

図２の側面図は、引き抜き台座４で溶湯排出口２の溝を塞ぐ方法を表している。水冷引抜き台座４をハース壁面Ｍ_４に接触させるように上昇させ、その上面位置が溶湯排出口１の底面位置Ｃより上方になるまで上昇させることによって、溶湯排出口２を塞ぐことができる。

次いで、ハースＭに目的成分の溶解原料を投入して溶湯が生成されると、前記溶湯排出口２に前記溶湯が侵入し、同内部で凝固される。その後も、溶解原料の溶解を継続させることにより、ハースＭの内部に新たなスカルを形成させることができる、という効果を奏する。

前記手順によりハースＭの底部Ｍ_３に新たなスカルを形成させた後、次いで、インゴット溶解を行う位置まで水冷引抜き台座４を降下させることにより、通常のインゴット溶解を開始することができる。

図３は、引き抜き台座４の上に溶解原料と同じ組成の金属ブロック５を使用して、ハースＭの内部に新たなスカルを形成される別の好ましい態様を表している。

本実施態様においては、水冷引抜き台座４を前記の金属ブロック５の上面位置が注湯口底面位置Ｃより上方になるまで上昇させることにより溶湯排出口２を塞ぐことができる。

その後、前記態様と同様に、ハースＭの内部で原料を溶解させて溶湯を形成させることにより、ハースＭの底部に所定の厚みのスカルを形成させることができる。

図４は、挿入シャフト８の先端に金属ブロック７を接続し、これを溶湯排出口２に装入して設置する方法を示している。この方法を使用することにより、直接溝を封止するように設置できるので確実かつ容易であるという効果を奏する。

溶湯排出口２を塞ぐ方法として図２〜４に示したが、設備の構造や大きさに応じて種々の方法があるので特に同方法に限定する必要はなく、溶湯排出口２を有したハースＭと溶湯排出口２を塞ぐことにより目的が達成される。

なお、本発明においては、金属溶解炉として、電子ビーム用化炉やプラズマアーク溶解炉に対して、好適に適用することができる。

以上、本発明に係る溶解装置および方法を用いることにより、溶解装置を大気開放することなく、前段階のスカルを除去して次段階のスカルの新規作製を行うことが可能となり、異なる成分のインゴットを連続的に安価に製造できるという、従来の溶解技術ではなし得なかった効果を奏するものである。

［実施例１］
図２に示した装置を電子ビーム溶解炉に取り付けて、電子ビーム溶解炉を構成する金属溶解部を大気開放することなく、真空を維持した状態にて、異なる成分（ａ、ｂ）のチタンインゴットを各々１本製造した。
溶湯排出口２の構造は次の通り。
・溶湯排出口２の幅：６０ｍｍ
・溶湯排出口２の底面位置：ハースＭの底面位置と同じ
・ハースの傾斜：３°

その結果、ａ成分のスカル溶湯排出からｂ成分のスカル作製に要した時間は２．３時間、また、ａ成分のスカル溶湯をすべて排出することができて、ｂ成分のインゴットが汚染されることによるロス発生は無かった。

［比較例１］
溶湯排出口２の無い溶湯排出口１のみ有した水冷銅ハースを使用してａ成分のインゴットを製造後、大気開放、燃焼物を除去、治具類を外してからスカルを取り出し、ｂ成分のスカル及び新規治具類を設置して溶解装置の真空排気を行いｂ成分のインゴットを製造した。大気開放からｂ成分インゴットの製造開始まで６８時間要した。

［比較例２］
溶湯排出口２の無い溶湯排出口１のみ有した水冷銅ハースを使用してａ成分のインゴットを製造後、継続してｂ成分の原料を供給して２本のインゴット（Ａ、Ｂ）を製造した。この場合は、ａ成分インゴットのスカルを除去せず、残存したままｂ成分インゴットの製造に入ったため、成分調整に要する時間は発生しなかった。しかしながら、インゴット底部から５０ｍｍピッチで５００ｍｍの範囲を成分分析したところ、下表に示す結果が得られたが、ａ成分スカルの混入により底部は成分が不安定で、相当量の規格外れ部位が発生した。

本発明は、異なる成分のインゴットを連続的に製造できる金属の溶解装置およびこれを用いた金属インゴットの製造方法に関する。

Ｍ…ハース、
Ｍ_１…ハース壁部、
Ｍ_２…ハース壁部、
Ｍ_３…ハース底部、
Ｍ_４…ハース壁部、
１…溶湯排出口、
２…溶湯排出口、
３…鋳型、
４…引き抜き台座、
５…金属ブロック、
６…引き抜き手段、
７…金属ブロック、
８…挿入シャフト。

Claims (4)

1. 溶解原料を保持するハースを具備した電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉を採用した金属溶解装置であって、
   前記ハースには、複数の溶湯排出口が形成されていることを特徴とする金属溶解装置。
2. 前記複数の溶湯排出口は、前記排出口の底面の高さがそれぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載の金属溶解装置。
3. ハースを具備した電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉による金属インゴットの製造方法であって、
   互いに成分の異なる複数の金属インゴットを連続的に製造する方法であり、
   先の金属インゴット製造工程においては、前記ハースに溶解原料を供給し、これを溶解して溶湯を形成するとともに前記ハース底部にスカルを形成させ、前記溶湯を鋳型に供給してインゴットを製造し、
   後の金属インゴット製造工程においては、インゴットの溶製開始に先立って、前記ハース底部に残存している先の金属インゴット成分を有するスカルを溶解して溶湯となし、これを前記ハース外に抜き出した後、後の金属インゴットの溶解原料を前記ハースに投入してこれを溶解して溶湯を形成するとともに前記ハース底部にスカルを形成させ、前記溶湯を鋳型に供給してインゴットを製造することを特徴とする金属インゴットの製造方法。
4. 前記ハースには、相対的に浅い溶湯排出口と、相対的に深い溶湯排出口が設けられ、前記先の金属インゴット成分を有するスカルは、前記相対的に深い溶湯排出口から排出されることを特徴とする請求項３に記載の金属インゴットの製造方法。

Images