JP2018069265A - Casting device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電子ビームを用いる鋳造装置に関するものである。 The present invention relates to a casting apparatus using an electron beam.
電子ビーム溶解は、高真空・高温雰囲気が得られるため、活性金属や高融点金属、特に、Ｔｉ(チタン)やＮｂ(ニオブ)、Ｔａ(タンタル)などのレアメタルの溶融や精製に利用されている。電子ビーム溶解装置としては、電極を構成するバー状固形原料の端部に電子ビームを照射することで、バー状固形原料の端部から順次溶融した金属を鋳型に供給し、鋳型内で冷却・凝固して金属インゴットを溶製する、「ドリップ式」と称される方式が知られている。ドリップ式の電子ビーム溶解装置は、緻密な金属インゴットを作るため、鋳型内にも電子ビームを照射して溶融状態を維持しながら、冷却・凝固することが行われている。 Electron beam melting is used for melting and refining active metals and refractory metals, especially rare metals such as Ti (titanium), Nb (niobium), and Ta (tantalum) because a high vacuum and high temperature atmosphere can be obtained. . As an electron beam melting device, the end of the bar-shaped solid material constituting the electrode is irradiated with an electron beam, so that the molten metal is sequentially supplied from the end of the bar-shaped solid material to the mold. A method called “drip method” in which a metal ingot is solidified by solidification is known. In order to make a dense metal ingot, a drip type electron beam melting apparatus is cooled and solidified while irradiating an electron beam into a mold to maintain a molten state.
また、「ハース式」と称される別の方式は、原料供給手段により固形原料をハースと呼ばれる溶解用容器へ供給し、そこへ電子ビームを照射することによって固形原料を溶解してハース内で溶湯を作る。次に、溶湯をハース近傍に配置された鋳型に流し込み、順次冷却・凝固することで、インゴットを得ている。ハース式の電子ビーム溶解装置であっても、緻密な金属インゴットをつくるため、鋳型内にも電子ビームを照射して溶融状態を維持しながら、冷却・凝固することも行われている。このようなハース式の電子ビーム溶解装置は、例えば特許文献１および特許文献２に示すようなものがある。 Another method called “Haas type” is to supply solid raw material to a melting container called hearth by raw material supply means, and irradiate an electron beam thereto to dissolve the solid raw material in the hearth. Make molten metal. Next, the molten metal is poured into a mold arranged in the vicinity of the hearth, and then cooled and solidified in order to obtain an ingot. Even in a hearth-type electron beam melting apparatus, in order to make a dense metal ingot, cooling and solidification are performed while irradiating an electron beam into a mold to maintain a molten state. Examples of such a hearth-type electron beam melting apparatus include those shown in Patent Document 1 and Patent Document 2.
ドリップ式の装置は、原料が顆粒状や塊状の場合に、プレスや溶接といった加工により形を整えて棒形状とする必要があるので、原料コストが上昇してしまう。また、合金を原料として用いる場合、合金を構成する金属成分の融点や蒸気圧の違いにより、融点が低い金属成分が優先的に溶融したり、溶解後に蒸発し易い金属成分が減少するなどにより、原料の組成比とインゴットの組成比が異なってしまう。このため、狙った品質のインゴットを得ることが難しい。 In the drip-type apparatus, when the raw material is in the form of granules or lumps, it is necessary to adjust the shape by processing such as pressing or welding to form a rod shape, which increases the raw material cost. In addition, when using an alloy as a raw material, due to the difference in melting point and vapor pressure of the metal component constituting the alloy, the metal component having a low melting point is preferentially melted, or the metal component that easily evaporates after dissolution is reduced. The composition ratio of the raw material is different from the composition ratio of the ingot. For this reason, it is difficult to obtain an ingot of targeted quality.
ハース式の装置は、ハースに設けられた水冷構造の出湯口から、ハースで溶融した溶融湯を鋳型へ出湯するようになっている。当該装置は、溶融湯からの抜熱や冷却による出湯口での凝固・閉塞を防止するため、溶融湯を出湯前に融点より更に高い温度状態(スーパーヒート)に維持する必要がある。溶融湯をスーパーヒート状態にすると、合金を原料として用いる場合、合金の金属成分の融点や蒸気圧の違いにより、融点が低い金属成分が優先的に溶融したり、融解後に蒸発し易い金属成分が減少するなどにより、出湯口の通過前後で合金の組成に差違が生じてしまう。このため、狙った品質のインゴットを得ることが難しい。また、ハースから鋳型へ安定した出湯を行うため、出湯口へ絶えず電子ビームによる照射が必要であり、電子銃、その電源および制御装置が高価であることから、設備コストが上昇してしまう。 The hearth-type apparatus is configured to discharge the molten metal melted by the hearth into a mold from a water-cooling outlet provided in the hearth. In order to prevent solidification and clogging at the tap outlet due to heat removal from the molten water or cooling, the apparatus needs to maintain the molten hot water at a temperature (superheat) higher than the melting point before pouring. When the molten metal is in a superheated state, when an alloy is used as a raw material, a metal component having a low melting point is preferentially melted due to a difference in melting point or vapor pressure of the metal component of the alloy, or a metal component that easily evaporates after melting. Due to the decrease, the alloy composition is different before and after passing through the tap. For this reason, it is difficult to obtain an ingot of targeted quality. In addition, in order to perform stable pouring from the hearth to the mold, it is necessary to constantly irradiate the pouring gate with an electron beam, and the electron gun, its power source and control device are expensive, resulting in an increase in equipment cost.
ドリップ式およびハース式の何れであっても、オペレーターが真空チャンバーの覗き窓から溶融湯の溶融面を観察しながら電子ビームを走査・照射する操作を行ったり、電子ビームの出力を調整しており、溶融作業の自動化が実現されていない。オペレーターの操作ミス、あるいは電子ビーム走査制御装置の不具合などにより、電子ビームが所定の走査照射範囲から逸脱する、所謂「ビームの暴走」が発生するおそれがある。ビームの暴走が起こった際に、銅などで構成される水冷構造の鋳型の壁面に高エネルギーの電子ビームが接近すると、鋳型が溶け出して鋳型を構成していた金属が溶融湯中に不純物として混入したり、壁面に穴が開いて水漏れするなどが起こる。このような場合、溶融作業は即時中止するほかはなく、処理していた高価な製品が水と反応してその品質が損なわれ、経済的な損失が発生する。また、装置を構成する真空ポンプや電子銃もダメージを被り、装置の復旧までに多大な経済的・時間的なロスが発生してしまう。 Regardless of the drip type or the hearth type, the operator scans and irradiates the electron beam while observing the molten surface of the molten metal from the observation window of the vacuum chamber, and adjusts the output of the electron beam. The automation of the melting operation has not been realized. There is a possibility that a so-called “beam runaway” in which the electron beam deviates from a predetermined scanning irradiation range may occur due to an operator's operation mistake or a defect in the electron beam scanning control device. When a beam runaway occurs, if a high-energy electron beam approaches the wall of a water-cooled mold made of copper or the like, the mold melts and the metal that forms the mold becomes impurities in the molten metal. Mixing or water leaks due to holes in the wall. In such a case, the melting operation must be stopped immediately, and the expensive product that has been treated reacts with water to deteriorate its quality, resulting in an economic loss. In addition, the vacuum pump and the electron gun constituting the apparatus are damaged, and a great economic and time loss occurs until the apparatus is restored.
すなわち本発明は、従来の技術に係る前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、廉価で安全性が高く、また品質に優れたインゴットを得られる鋳造装置を提供することを目的とする。 That is, the present invention has been proposed in view of the above-described problems related to the prior art, and provides a casting apparatus that can provide an ingot that is inexpensive, highly safe, and excellent in quality. The purpose is to do.
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明の鋳造装置は、
真空チャンバーと、
前記真空チャンバーの内部に設置されて、金属原料を溶融して得られる溶融湯を冷却してインゴットを成形する鋳型と、
前記鋳型の上側から該鋳型内に前記金属原料を供給する原料供給手段と、
前記鋳型の内側にある内容物の上面に向けて電子ビームを照射し、該内容物の上面における半径以上に相当する領域を加熱するビーム照射手段と、
前記鋳型内の内容物を、該鋳型の内側を上下に通る軸周りに回転させ、該内容物の上面における前記ビーム照射手段に相対する領域を切り替える回転手段と、を備えたことを要旨とする。
請求項１に係る発明によれば、装置および金属原料に関するコストを低廉にすることができる。また、電子ビームの照射に関する制御を簡単にすることができ、インゴットを安全に安定した品質で製造することができる。
In order to overcome the above-mentioned problems and achieve an intended object, a casting apparatus according to claim 1 of the present application includes:
A vacuum chamber;
A mold that is installed inside the vacuum chamber and cools molten water obtained by melting a metal raw material to form an ingot;
Raw material supply means for supplying the metal raw material into the mold from above the mold;
Beam irradiation means for irradiating an electron beam toward the upper surface of the contents inside the mold and heating a region corresponding to a radius of the upper surface of the contents or more,
Rotating means for rotating the contents in the mold around an axis passing up and down the inside of the mold and switching a region on the upper surface of the contents relative to the beam irradiation means. .
According to the invention which concerns on Claim 1, the cost regarding an apparatus and a metal raw material can be made cheap. In addition, the control related to the irradiation of the electron beam can be simplified, and the ingot can be manufactured safely and with stable quality.
請求項２に係る発明では、前記鋳型内の内容物の上面位置を計測する計測手段と、
前記計測手段で得た前記内容物の上面位置に応じて、該上面高さを一定に保つように該内容物を前記鋳型から下方へ引き抜く引抜手段と、を備えたことを要旨とする。
請求項２に係る発明によれば、ビーム照射手段と内容物の上面との関係を一定に維持することができるから、高品質なインゴットをより安定的に製造することができる。
In the invention according to claim 2, measuring means for measuring the upper surface position of the contents in the mold,
The gist of the invention is that it comprises a drawing means for drawing the contents downward from the mold so as to keep the height of the upper face constant according to the position of the upper face of the contents obtained by the measuring means.
According to the second aspect of the present invention, since the relationship between the beam irradiation means and the upper surface of the contents can be maintained constant, a high quality ingot can be manufactured more stably.
請求項３に係る発明では、前記内容物の上面を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像した前記内容物の上面の状況に基づいて、前記ビーム照射手段による電子ビームの照射を停止するよう制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする。
請求項３に係る発明によれば、電子ビームによる鋳型の損傷やインゴットの汚損を回避でき、安全性をより高めることができる。
In the invention which concerns on Claim 3, the imaging means which images the upper surface of the said content,
And a control unit that controls to stop the irradiation of the electron beam by the beam irradiation unit based on the state of the upper surface of the content imaged by the imaging unit.
According to the invention which concerns on Claim 3, the damage of the casting_mold | template and the ingot of an ingot by an electron beam can be avoided, and safety | security can be improved more.
本発明に係る鋳造装置によれば、廉価で安全性が高い装置によって、品質に優れたインゴットを得ることができる。 According to the casting apparatus according to the present invention, an ingot having excellent quality can be obtained by an inexpensive and highly safe apparatus.
次に、本発明に係る鋳造装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。 Next, a preferred embodiment of the casting apparatus according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
（第１実施形態)
図１に示すように、第１実施形態に係る鋳造装置１０は、真空チャンバー１２と、真空チャンバー１２の内部に設置された鋳型１４と、鋳型１４に金属原料Ｓを供給する原料供給手段１６とを備えている。また、鋳造装置１０は、鋳型１４の内側にある内容物Ｃに向けて、電子ビームを照射可能なビーム照射手段１８と、鋳型１４の内側にある内容物Ｃを回転させる回転手段２０とを備えている。鋳造装置１０は、鋳型１４に供給された金属原料Ｓをビーム照射手段１８から照射した電子ビームで加熱することで溶融し、金属原料Ｓが溶融した溶融湯Ｍを鋳型１４で冷却・凝固することで、インゴットＩを製造するよう構成されている。従って、鋳型１４の内側には、供給された金属原料Ｓのみ、供給された金属原料Ｓおよび金属原料Ｓが溶融した溶融湯Ｍ、あるいは金属原料Ｓ、溶融湯Ｍおよび溶融湯Ｍが冷却して凝固したインゴットＩが、製造段階に応じて存在している。そして、鋳型１４には、製造段階の大部分においてインゴットＩの上側に溶融湯Ｍのプールが形成され、内容物Ｃの上面が溶融湯Ｍの溶融面で構成される。なお、鋳型１４の内側にある金属原料Ｓ、溶融湯ＭおよびインゴットＩを区別なく指称する場合は、内容物Ｃという。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, a casting apparatus 10 according to the first embodiment includes a vacuum chamber 12, a mold 14 installed in the vacuum chamber 12, and raw material supply means 16 for supplying a metal raw material S to the mold 14. It has. Further, the casting apparatus 10 includes a beam irradiation means 18 capable of irradiating an electron beam toward the contents C inside the mold 14 and a rotating means 20 for rotating the contents C inside the mold 14. ing. The casting apparatus 10 melts the metal raw material S supplied to the mold 14 by heating with the electron beam irradiated from the beam irradiation means 18, and cools and solidifies the molten metal M in which the metal raw material S is melted by the mold 14. Thus, the ingot I is configured to be manufactured. Therefore, only the supplied metal raw material S, the molten metal M in which the supplied metal raw material S and the metal raw material S are melted, or the metal raw material S, the molten hot water M, and the molten hot water M are cooled inside the mold 14. A solidified ingot I is present depending on the production stage. And in the casting_mold | template 14, the pool of the molten metal M is formed in the upper side of the ingot I in the majority of a manufacturing stage, and the upper surface of the content C is comprised by the molten surface of the molten metal M. FIG. In addition, when referring to the metal raw material S, the molten metal M, and the ingot I inside the mold 14 without distinction, they are referred to as the contents C.
真空チャンバー１２は、図示しない真空ポンプによって内部の圧力が例えば１×１０−２Ｐａ以下に保持された密閉容器であり、内部に設置された鋳型１４を視認可能な覗き窓２２が上部に設けられている。原料供給手段１６は、真空チャンバー１２の外側に設けられた原料貯留部２４に貯留された金属原料Ｓを、鋳型１４に近接して設けられた供給口から、鋳型１４における上方に開口する上部開口に向けて供給可能に構成されている。原料供給手段１６は、金属原料Ｓの供給量、供給タイミングおよび供給時間を調節可能に構成されており、金属原料Ｓを鋳型１４の上側から鋳型１４内に供給する際に、所定量の金属原料Ｓを所定タイミングで所定時間かけて供給する。なお、本実施形態では、ビーム照射手段１８による電子ビームの照射位置から外れた位置であって、当該照射位置から内容物Ｃの回転方向上流側へ９０°程度離れた位置に、原料供給手段１６によって鋳型１４内への金属原料Ｓが供給される。 The vacuum chamber 12 is a sealed container whose internal pressure is maintained at, for example, 1 × 10 −2 Pa or less by a vacuum pump (not shown), and a viewing window 22 through which the mold 14 installed therein can be seen is provided at the top. ing. The raw material supply means 16 is an upper opening that opens the metal raw material S stored in the raw material storage section 24 provided outside the vacuum chamber 12 upward from the supply port provided close to the mold 14. It is configured to be able to supply towards The raw material supply means 16 is configured to be able to adjust the supply amount, supply timing, and supply time of the metal raw material S, and when supplying the metal raw material S from the upper side of the mold 14 into the mold 14, a predetermined amount of the metal raw material is provided. S is supplied at a predetermined timing over a predetermined time. In the present embodiment, the raw material supply means 16 is located at a position deviated from the electron beam irradiation position by the beam irradiation means 18 and about 90 ° away from the irradiation position to the upstream side in the rotation direction of the contents C. Thus, the metal raw material S is supplied into the mold 14.
金属原料Ｓとしては、チタン(Ｔｉ)、ニオブ(Ｎｂ)、タンタル(Ｔａ)などの主に単体の金属を含むもの、チタン合金、ニオブ合金、タンタル合金などの合金を主に含むもの等、その他、電子ビームにより溶融可能なものが挙げられる。また、金属原料Ｓとしては、粒状や塊状など、形状や大きさに特に限定はなく、棒状などに予め成形することは必須ではない。また、原料供給手段１６は、単一種類の金属原料Ｓを供給することに限らず、複数種類の金属原料Ｓを供給してもよい。複数種類の金属原料Ｓを鋳型１４に供給する場合は、複数の原料貯留部２４毎に供給経路を設けた原料供給手段１６により鋳型１４内で金属原料Ｓを混合する構成や、複数の原料貯留部２４に繋がる供給経路を設けた原料供給手段１６により供給経路で金属原料Ｓを混合する構成などを採用できる。鋳造装置１０は、供給する金属原料Ｓに応じたインゴットＩを製造可能であり、特に高融点金属とも呼ばれる融点の高い金属原料、例えばタングステン(Ｗ)、タンタル、モリブデン(Ｍｏ)、ニオブと、これらの合金など、融点が２０００℃を超すものを含むインゴットＩを製造することに適している。 Examples of the metal raw material S include those containing mainly a single metal such as titanium (Ti), niobium (Nb), and tantalum (Ta), and those containing mainly an alloy such as a titanium alloy, niobium alloy, and tantalum alloy. And those which can be melted by an electron beam. In addition, the metal raw material S is not particularly limited in shape and size, such as a granular shape or a lump shape, and it is not essential to form the metal raw material S in advance into a rod shape or the like. The raw material supply means 16 is not limited to supplying a single type of metal raw material S, and may supply a plurality of types of metal raw material S. When supplying a plurality of types of metal raw materials S to the mold 14, a configuration in which the metal raw materials S are mixed in the mold 14 by the raw material supply means 16 provided with a supply path for each of the plurality of raw material storage portions 24, or a plurality of raw material storages. A configuration in which the metal raw material S is mixed in the supply path by the raw material supply means 16 provided with the supply path connected to the section 24 can be adopted. The casting apparatus 10 can produce an ingot I according to a metal raw material S to be supplied. Particularly, a metal raw material having a high melting point called a high melting point metal, such as tungsten (W), tantalum, molybdenum (Mo), niobium, and the like. It is suitable for manufacturing an ingot I including an alloy of which the melting point exceeds 2000 ° C.
鋳型１４は、銅などの熱伝導率に優れた金属製であり、壁内に水などの冷却剤が循環する冷却構造になっている。鋳型１４は、上下に開口する円筒状であり、内部を循環する水などの冷却剤により冷却可能なチルプレート２６に載置され、チルプレート２６上に設置された図示しない敷板(スタブ)によって下部開口が塞がれている。敷板は、金属からなる薄い板状体であり、鋳型１４で精製されるインゴットＩと同じ組成の金属材料で構成することが好ましい。鋳型１４は、溶融湯Ｍを冷却・凝固してインゴットＩにする機能だけではなく、ビーム照射手段１８の加熱により金属原料Ｓを溶融させる際の耐熱容器(るつぼ)としての機能も有している。 The mold 14 is made of a metal having excellent thermal conductivity such as copper, and has a cooling structure in which a coolant such as water circulates in the wall. The casting mold 14 has a cylindrical shape that opens up and down, is placed on a chill plate 26 that can be cooled by a coolant such as water circulating inside, and is lowered by a floor plate (stub) (not shown) installed on the chill plate 26. The opening is blocked. The floor plate is a thin plate-like body made of metal, and is preferably composed of a metal material having the same composition as the ingot I purified by the mold 14. The mold 14 has not only a function of cooling and solidifying the molten metal M to form an ingot I, but also a function as a heat-resistant container (crucible) when the metal raw material S is melted by heating the beam irradiation means 18. .
図１に示すように、ビーム照射手段１８は、真空チャンバー１２の上部に設けられた電子銃から、鋳型１４の上部開口を介して鋳型１４内の内容物Ｃに向けて電子ビームを照射し、内容物Ｃの上面の一部領域を加熱する。ビーム照射手段１８による加熱範囲は、内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域に設定されている。ビーム照射手段１８は、内容物Ｃの上面全体に電子ビームを照射するように走査するのではなく、内容物Ｃの上面の一部領域に限定して電子ビームを照射するように走査して、内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域を加熱する。なお、内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域とは、内容物Ｃの自転により上面のおおよそ全体に電子ビームが照射されて上面全体を加熱し得るに足る領域であればよく、内容物Ｃの上面における半径程度から直径未満であればよい。ここで、ビーム照射手段１８は、１基の電子銃によって内容物Ｃの上面を回転手段２０による回転中心から半径方向に延在するように走査する加熱態様(図２(ａ))や、複数の電子銃によって内容物Ｃの上面を半径方向へ平行に走査する加熱態様(図２(ｂ))などとすることができる。このように、ビーム照射手段１８は、内容物Ｃの上面における半径方向に延びる範囲に電子ビームを照射する場合、基本的に一軸方向だけに電子ビームを偏向させる制御とすることができる。また、ビーム照射手段１８は、複数の電子銃によって半径方向に並ぶ範囲に電子ビームをそれぞれ照射して、複数の電子ビーム照射範囲が連なって全体として内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域を加熱する態様(図２(ｃ))などであってもよい。図２(ｃ)の態様であれば、それぞれの電子銃による電子ビームの照射範囲をより狭くすることができる。 As shown in FIG. 1, the beam irradiation means 18 irradiates an electron beam from the electron gun provided in the upper part of the vacuum chamber 12 toward the contents C in the mold 14 through the upper opening of the mold 14. A partial region on the upper surface of the contents C is heated. The heating range by the beam irradiation means 18 is set to a region corresponding to the radius on the upper surface of the contents C or more. The beam irradiation means 18 does not scan so as to irradiate the entire upper surface of the content C with the electron beam, but scans so as to irradiate the electron beam limited to a partial region of the upper surface of the content C. A region corresponding to the radius of the upper surface of the contents C is heated. Note that the region corresponding to the radius on the upper surface of the content C is equal to or larger than the region where the entire upper surface can be heated by irradiating the entire upper surface with the electron beam by the rotation of the content C. What is necessary is just to be less than the diameter from the radius on the upper surface of C. Here, the beam irradiation means 18 is a heating mode (FIG. 2 (a)) in which the upper surface of the content C is scanned by one electron gun so as to extend in the radial direction from the rotation center by the rotation means 20, or a plurality of A heating mode (FIG. 2B) in which the upper surface of the content C is scanned in parallel in the radial direction by the electron gun can be used. As described above, when the beam irradiation means 18 irradiates an electron beam in a radially extending range on the upper surface of the content C, it can be basically controlled to deflect the electron beam only in one axial direction. Further, the beam irradiation means 18 irradiates the electron beam to the ranges aligned in the radial direction by the plurality of electron guns, and the plurality of electron beam irradiation ranges are connected to form a region corresponding to the radius on the upper surface of the content C as a whole. A mode of heating (Fig. 2 (c)) may be used. If it is the aspect of FIG.2 (c), the irradiation range of the electron beam by each electron gun can be made narrower.
回転手段２０は、チルプレート２６の下面から上下に延在してチルプレート２６を支持する支持軸２８を、モータ等の駆動源により上下の軸周りに回転して、チルプレート２６に載置された鋳型１４を自転させる。回転手段２０は、チルプレート２６および鋳型１４と共に、鋳型１４の内側にある内容物Ｃを、鋳型１４の中心を上下に通る軸周りに回転し、内容物Ｃの上面におけるビーム照射手段１８に相対する領域を切り替える。回転手段２０は、内容物Ｃを撹拌しない程度の低速で該内容物Ｃを自転させ、例えば０．２回転／分〜２回転／分の範囲に設定することが好ましい。なお、敷板は、例えばチルプレート２６に設けられた凹凸に嵌まり込む印籠構造として、チルプレート２６と一緒に回転するように構成してもよい。 The rotating means 20 is mounted on the chill plate 26 by rotating a support shaft 28 extending vertically from the lower surface of the chill plate 26 and supporting the chill plate 26 around a vertical axis by a driving source such as a motor. The mold 14 is rotated. The rotation means 20 rotates the contents C inside the mold 14 together with the chill plate 26 and the mold 14 around an axis passing up and down the center of the mold 14, and is relative to the beam irradiation means 18 on the upper surface of the contents C. Switch the area to be used. The rotating means 20 preferably rotates the content C at a low speed that does not agitate the content C, and is set, for example, in the range of 0.2 rotations / minute to 2 rotations / minute. Note that the floor plate may be configured to rotate together with the chill plate 26, for example, as a stamped structure that fits into the unevenness provided on the chill plate 26.
次に、第１実施形態の鋳造装置１０を用いたインゴットＩの製造方法について説明する。チルプレート２６に載置された鋳型１４内に原料供給手段１６により金属原料Ｓを供給し、回転手段２０によってチルプレート２６および鋳型１４と一緒に内容物Ｃを回転させつつ、ビーム照射手段１８により内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域を加熱する。チルプレート２６および鋳型１４と共に内容物Ｃを自転することで、ビーム照射手段１８による内容物Ｃの加熱範囲が順次切り替わり、内容物Ｃが一周り自転すると内容物Ｃの上面全体がビーム照射手段１８で加熱される。また、内容物Ｃを自転させつつ金属原料Ｓを供給するので、金属原料Ｓが内容物Ｃの回転方向へ適宜分散することになる。金属原料Ｓは、電子ビームによる加熱により溶融して溶融湯Ｍとなり、電子ビームが当たる上面より遠い溶融湯Ｍ下側から、冷却された鋳型１４およびチルプレート２６により抜熱・冷却されることで凝固して、インゴットＩが製造される。内容物Ｃを自転させると共に内容物Ｃの上面を加熱しつつ、金属原料Ｓを逐次供給することで、インゴットＩを鋳型１４内で上方へ順次成長させる。この際に、金属原料Ｓの供給およびインゴットＩの成長に伴って上昇する内容物Ｃの上面に合わせて、電子ビームを調節することで、内容物Ｃの上面に対する電子ビームの焦点が一定になるように制御する。このようにしてインゴットＩが得られる。 Next, the manufacturing method of the ingot I using the casting apparatus 10 of 1st Embodiment is demonstrated. The metal raw material S is supplied into the mold 14 placed on the chill plate 26 by the raw material supply means 16, and the contents C are rotated together with the chill plate 26 and the mold 14 by the rotating means 20, while the beam irradiation means 18 A region corresponding to the radius of the upper surface of the contents C is heated. By rotating the contents C together with the chill plate 26 and the mold 14, the heating range of the contents C by the beam irradiation means 18 is sequentially switched, and when the contents C rotate one turn, the entire upper surface of the contents C is completely irradiated by the beam irradiation means 18. Is heated. Moreover, since the metal raw material S is supplied while rotating the content C, the metal raw material S is appropriately dispersed in the rotation direction of the content C. The metal raw material S is melted by heating with an electron beam to become molten metal M, and is removed and cooled by the cooled mold 14 and chill plate 26 from the lower side of the molten metal M farther from the upper surface to which the electron beam hits. Solidify to produce ingot I. The ingot I is sequentially grown upward in the mold 14 by rotating the contents C and simultaneously supplying the metal raw material S while heating the upper surface of the contents C. At this time, the focus of the electron beam with respect to the upper surface of the content C becomes constant by adjusting the electron beam in accordance with the upper surface of the content C that rises as the metal raw material S is supplied and the ingot I grows. To control. Ingot I is thus obtained.
前述した第１実施形態の鋳造装置１０は、金属原料Ｓを鋳型１４内で電子ビームにより溶融させる構成であるから、ドリップ式のように金属原料Ｓを棒状に加工することは必須ではなく、様々な形態の金属原料Ｓを用いることができる。従って、鋳造装置１０によれば、ドリップ式と比べて金属原料Ｓにかかるコストを低減することができる。また、鋳造装置１０は、金属原料Ｓを鋳型１４内に直接供給し、るつぼとしても機能する鋳型１４内で金属原料Ｓを溶融する構成であるから、ハース式のように鋳型１４に併設するハースを省略することができると共に、ハースから鋳型１４への出湯管理が不要となる。鋳造装置１０によれば、ハース式と比べて設備コストが低廉でエネルギー効率がよく、ハースから鋳型１４への出湯操作が不要であるから運転操作が容易である。また、出湯のために溶融湯Ｍを過剰なス−パーヒート状態にする必要がないので、狙いとする純度および成分を有する外観がきれいなインゴットＩを得ることができる。 Since the casting apparatus 10 of the first embodiment described above is configured to melt the metal raw material S by the electron beam in the mold 14, it is not essential to process the metal raw material S into a rod shape as in the drip method. Various forms of the metal raw material S can be used. Therefore, according to the casting apparatus 10, the cost concerning the metal raw material S can be reduced as compared with the drip type. The casting apparatus 10 is configured to directly supply the metal raw material S into the mold 14 and melt the metal raw material S in the mold 14 that also functions as a crucible. Can be omitted, and the hot water management from the hearth to the mold 14 becomes unnecessary. According to the casting apparatus 10, the equipment cost is low and energy efficiency is higher than that of the hearth type, and the operation of the hot water from the hearth to the mold 14 is unnecessary, so that the operation is easy. In addition, since it is not necessary to bring the molten hot water M into an excessive superheat state for hot water, it is possible to obtain an ingot I having a clean appearance and having a target purity and components.
鋳造装置１０は、ビーム照射手段１８による加熱が内容物Ｃの上面のうちの一部領域に設定されているので、ビーム照射手段１８を制御して電子ビームを照射する範囲を狭くすることができる。すなわち、内容物Ｃの上面全体に電子ビームを順々に照射する場合と比べて、ビーム照射手段１８の制御負担を減らすことができるから、オペレーターの操作ミスなどの不具合の発生を防止して、電子ビームが所定の照射範囲から逸脱する可能性を低くすることができる。このように、鋳造装置１０によれば、電子ビームの暴走に起因する鋳型１４等の設備の損傷やインゴットＩの汚損などの問題の発生を防止し得るので、当該問題の解消に伴う経済的・時間的ロスを招かず、インゴットＩを安全に安定して製造することができる。 In the casting apparatus 10, since the heating by the beam irradiation means 18 is set in a partial region of the upper surface of the contents C, the range of the electron beam irradiation can be narrowed by controlling the beam irradiation means 18. . That is, compared with the case where the entire upper surface of the content C is irradiated with an electron beam in order, the control burden of the beam irradiation means 18 can be reduced, so that the occurrence of problems such as operator error can be prevented, The possibility that the electron beam deviates from the predetermined irradiation range can be reduced. As described above, according to the casting apparatus 10, it is possible to prevent the occurrence of problems such as damage to the equipment such as the mold 14 and contamination of the ingot I due to the runaway of the electron beam. The ingot I can be manufactured safely and stably without incurring time loss.
鋳造装置１０は、ビーム照射手段１８による加熱を内容物Ｃの上面のうちの一部領域に設定して、電子ビームを照射する箇所を狭い領域に限定してあるので、当該領域内での加熱ムラを抑えることができる。そして、鋳造装置１０は、内容物Ｃを自転させつつ、内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域をビーム照射手段１８で加熱するので、内容物Ｃの自転に伴って該内容物Ｃの上面におけるビーム照射手段１８に相対する領域が順次切り替わり、内容物Ｃの上面全体をむらなく加熱できる。このように、鋳造装置１０は、内容物Ｃの上面を均一に加熱することができるので、不純物を蒸発させて精製することでインゴットＩの純度を効率よく高めることができると共に、蒸発速度が大きい必要成分の減少を抑えて、狙った成分のインゴットＩを簡単に製造することができる。 Since the casting apparatus 10 sets the heating by the beam irradiation means 18 to a partial region of the upper surface of the contents C and limits the portion to be irradiated with the electron beam to a narrow region, the heating within the region is performed. Unevenness can be suppressed. And since the casting apparatus 10 heats the area | region corresponded more than the radius in the upper surface of the content C with the beam irradiation means 18, rotating the content C, the rotation of the content C of the content C is carried out. The region on the upper surface facing the beam irradiation means 18 is sequentially switched, and the entire upper surface of the contents C can be heated uniformly. Thus, since the casting apparatus 10 can uniformly heat the upper surface of the contents C, the purity of the ingot I can be increased efficiently by purifying by evaporating impurities, and the evaporation rate is high. It is possible to easily manufacture the ingot I of the targeted component while suppressing a decrease in necessary components.
（第２実施形態)
図３に示すように、第２実施形態に係る鋳造装置３０は、第１実施形態の構成に加えて、鋳型１４内の内容物Ｃの上面位置を計測可能な計測手段３２と、鋳型１４内の内容物Ｃを下方へ引き抜き可能な引抜手段３４とを備えている。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成は同じ符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 3, in addition to the configuration of the first embodiment, the casting apparatus 30 according to the second embodiment includes a measuring unit 32 capable of measuring the upper surface position of the contents C in the mold 14, and the inside of the mold 14. And a pulling means 34 capable of pulling the contents C downward. Note that in the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
第２実施形態の鋳型１４は、真空チャンバー１２側に固定されており、回転手段２０によるチルプレート２６の回転に伴って、鋳型１４が回転することなく、チルプレート２６に載った鋳型１４内の内容物Ｃだけが自転するように構成されている。なお、第２実施形態の鋳型１４は、第１実施形態と比べて上下寸法が小さく設定されている。 The mold 14 of the second embodiment is fixed to the vacuum chamber 12 side, and the mold 14 does not rotate with the rotation of the chill plate 26 by the rotating means 20. Only the contents C are configured to rotate. In addition, the casting_mold | template 14 of 2nd Embodiment is set small the vertical dimension compared with 1st Embodiment.
計測手段３２は、真空チャンバー１２の上部に設けられ、金属原料Ｓの供給およびインゴットＩの成長に伴って上昇する内容物Ｃの上面位置の変化を認識可能になっている。計測手段３２としては、レーザーなどを用いた非接触型のレベルモニター(レベル計)などが用いられる。引抜手段３４としては、チルプレート２６の支持軸２８を昇降させるモータ等のアクチュエータを用いることができ、計測手段３２で計測した内容物Ｃの上面位置に基づいて、チルプレート２６を下降するように制御される。第２実施形態の鋳造装置３０は、計測手段３２で計測した内容物Ｃの上面位置に基づいて、当該上面位置が一定になるように、鋳型１４で冷却・固化したインゴットＩをチルプレート２６の下降により鋳型１４から下方へ引き抜くように構成されている。 The measuring means 32 is provided in the upper part of the vacuum chamber 12 and can recognize a change in the upper surface position of the contents C that rises with the supply of the metal raw material S and the growth of the ingot I. As the measuring means 32, a non-contact type level monitor (level meter) using a laser or the like is used. As the extracting means 34, an actuator such as a motor for raising and lowering the support shaft 28 of the chill plate 26 can be used, and the chill plate 26 is lowered based on the upper surface position of the contents C measured by the measuring means 32. Be controlled. The casting apparatus 30 according to the second embodiment uses the chill plate 26 to cool the ingot I cooled and solidified by the mold 14 so that the upper surface position is constant based on the upper surface position of the contents C measured by the measuring means 32. It is comprised so that it may pull out from the casting_mold | template 14 downward.
第２実施形態の鋳造装置３０は、前述した第１実施形態の作用効果に加えて、以下のような作用効果を示す。鋳造装置３０は、ビーム照射手段１８の電子銃と内容物Ｃの上面との距離が自動に調節されて常に一定になるように維持されるから、電子ビームの焦点位置の調整を含む一切の操作が不要であり、金属原料Ｓの溶解の初めから終わりまで同じ条件で運転することが可能である。このように製造条件を均一に揃えることができるので、得られたインゴットＩの成分をより安定させることができる。また、製造できるインゴットＩの長さが鋳型１４の高さに制約されることなく、内容物Ｃの引き下げ距離に応じた長尺なインゴットＩを製造することが可能である。また、鋳造装置３０によれば、インゴットＩの高さ方向への成長に合わせて電子ビームの焦点を調整する手間を軽減し、自動化を図ることが可能となり、省力化することができる。 The casting apparatus 30 of the second embodiment exhibits the following operational effects in addition to the operational effects of the first embodiment described above. Since the distance between the electron gun of the beam irradiation means 18 and the upper surface of the contents C is automatically adjusted and kept constant so that the casting apparatus 30 is always constant, all operations including adjustment of the focal position of the electron beam are performed. Can be operated under the same conditions from the beginning to the end of the dissolution of the metal raw material S. Since the production conditions can be made uniform in this way, the components of the obtained ingot I can be made more stable. Further, the length of the ingot I that can be manufactured is not limited by the height of the mold 14, and it is possible to manufacture a long ingot I that corresponds to the pulling distance of the contents C. Moreover, according to the casting apparatus 30, the effort which adjusts the focus of an electron beam according to the growth of the ingot I in the height direction can be reduced, automation can be achieved, and labor can be saved.
（第３実施形態)
図４に示すように、第３実施形態に係る鋳造装置４０は、第２実施形態の構成に加えて、鋳型１４内の内容物Ｃの上面を撮像する撮像手段４２と、撮像手段４２で撮像した内容物Ｃの上面の状況に基づいて、ビーム照射手段１８を制御する制御手段４４とを備えている。なお、第３実施形態において、第１および第２実施形態と同様の構成は同じ符号を付して説明を省略する。
(Third embodiment)
As shown in FIG. 4, in addition to the structure of 2nd Embodiment, the casting apparatus 40 concerning 3rd Embodiment images with the imaging means 42 which images the upper surface of the content C in the casting_mold | template 14, and an imaging means 42 And a control means 44 for controlling the beam irradiation means 18 based on the condition of the upper surface of the content C. Note that in the third embodiment, identical symbols are assigned to configurations similar to those in the first and second embodiments and descriptions thereof are omitted.
撮像手段４２は、ＣＣＤカメラなど、内容物Ｃの上面を画像として認識し得るものが用いられ、第３実施形態では、覗き窓２２を介して内容物Ｃの上面を撮像するようになっている。ここで、撮像手段４２は、ビーム照射手段１８の電子ビーム照射範囲を含むように撮像するように設定され、撮像手段４２で得た情報は、ビーム照射手段１８を制御する制御手段４４に入力される。制御手段４４は、例えば鋳型１４の内壁付近を含む特定エリアを撮像手段４２から得た情報に基づいて監視し、内容物Ｃの上面の状況に基づいて、ビーム照射手段１８からのビーム照射を停止するように制御する。より具体的には、電子ビームの照射範囲のうちで、鋳型１４の内壁と溶融湯Ｍの上面との境界部分をクローズアップして、当該境界部分の色の変化などを閾値として、電子ビームが鋳型１４の内壁に異常接近したことを検知した際に、電子ビームの照射を瞬時に遮断する。 The imaging means 42 is a CCD camera or the like that can recognize the upper surface of the content C as an image. In the third embodiment, the upper surface of the content C is imaged through the viewing window 22. . Here, the imaging means 42 is set to take an image so as to include the electron beam irradiation range of the beam irradiation means 18, and information obtained by the imaging means 42 is input to the control means 44 that controls the beam irradiation means 18. The For example, the control unit 44 monitors a specific area including the vicinity of the inner wall of the mold 14 based on information obtained from the imaging unit 42 and stops the beam irradiation from the beam irradiation unit 18 based on the state of the upper surface of the contents C. Control to do. More specifically, within the irradiation range of the electron beam, the boundary portion between the inner wall of the mold 14 and the upper surface of the molten metal M is closed up, and the electron beam is generated with the change in the color of the boundary portion as a threshold value. When an abnormal approach to the inner wall of the mold 14 is detected, the electron beam irradiation is instantaneously interrupted.
第３実施形態の鋳造装置４０は、前述した第１および第２実施形態の作用効果に加えて、以下のような作用効果を示す。鋳造装置４０は、電子ビームが鋳型１４の内壁に対する過剰接近するような変動を検知した場合、電子ビームの照射を停止するので、電子ビームの暴走に起因する鋳型１４の破損やインゴットＩの汚損等をより好適に防止することができる。 The casting apparatus 40 of the third embodiment exhibits the following operational effects in addition to the operational effects of the first and second embodiments described above. Since the casting apparatus 40 stops the irradiation of the electron beam when detecting a fluctuation that causes the electron beam to approach the inner wall of the mold 14 excessively, the casting apparatus 40 is damaged due to the runaway of the electron beam, the ingot I is damaged, and the like. Can be more suitably prevented.
＜試験例１＞
内径２０ｃｍ、高さ４０ｃｍの円筒状の水冷鋳型に対して、顆粒状のチタン原料と顆粒状のニオブ原料とを７：５の割合で、チタン原料とニオブ原料との合計で毎分２００ｇになるように順次供給する。また、チルプレートに載った鋳型を毎分１回転の速度で自転しながら、加速電圧３５ｋＶ、電流値１．５Ａに設定した電子ビームを内容物の上面に対し、該内容物の上面における半径相当長さ(図２(ａ)参照)に固定して照射し、ニオブチタン合金のインゴットを製造した。なお、インゴットの高さ方向への成長に合わせて電子ビームの焦点を調整し、内容物の上面における電子ビームによるホットスポットを同じ大きさに維持するように調整した。冷却・凝固後にインゴットを鋳型から取り出し、寸法を測定したところ直径１９ｃｍ、高さ３８ｃｍであり、質量は７２ｋｇ、比重は６．７であった。また、化学分析により、インゴットの径方向のチタン濃度分布を調べた結果、最高４７．９％、最低４６．２％であり、平均でニオブ５３％−チタン４７％の組成であり、超電導材素材相当の組成のインゴットを製造することができた。チタンの方がニオブより真空中での溶融時の蒸発量が多いので、蒸発量を見込んでチタン原料の比率を高くしたが、得られたインゴット中のチタンの比率はニオブより小さいものとなった。
<Test Example 1>
7: 5 ratio of granular titanium raw material and granular niobium raw material to a cylindrical water-cooled mold having an inner diameter of 20 cm and a height of 40 cm, and the total of titanium raw material and niobium raw material is 200 g per minute. Sequentially supply as follows. Further, while rotating the mold mounted on the chill plate at a speed of one revolution per minute, an electron beam set at an acceleration voltage of 35 kV and a current value of 1.5 A is equivalent to the radius on the upper surface of the content with respect to the upper surface of the content. A niobium titanium alloy ingot was manufactured by fixing to a length (see FIG. 2A) and irradiating. The focus of the electron beam was adjusted in accordance with the growth of the ingot in the height direction, and the hot spot caused by the electron beam on the upper surface of the contents was adjusted to be the same size. The ingot was taken out from the mold after cooling and solidification, and the dimensions were measured. As a result, the diameter was 19 cm, the height was 38 cm, the mass was 72 kg, and the specific gravity was 6.7. Moreover, as a result of examining the titanium concentration distribution in the radial direction of the ingot by chemical analysis, the maximum is 47.9%, the minimum is 46.2%, and the composition is an average of 53% niobium-47% titanium. Ingots of considerable composition could be produced. Titanium has a higher amount of evaporation when melted in vacuum than niobium, so the proportion of titanium material was increased in anticipation of evaporation, but the proportion of titanium in the resulting ingot was smaller than niobium. .
＜試験例２＞
内径２０ｃｍ、高さ４０ｃｍの円筒状の水冷鋳型に対して、顆粒状のニオブ原料を毎分１００ｇの供給速度で順次供給する。また、チルプレートに載った鋳型を毎分１回転の速度で自転しながら、加速電圧３５ｋＶ、電流値１．５Ａに設定した電子ビームを内容物の上面に対して、該内容物の上面における半径相当長さ(図２(ａ)参照)に固定して照射し、純ニオブのインゴットを製造した。なお、インゴットの高さ方向への成長に合わせて電子ビームの焦点を調整し、内容物の上面における電子ビームによるホットスポットを同じ大きさに維持するように調整した。冷却・凝固後にインゴットを取り出し、寸法を測定したところ直径１９ｃｍ、高さ３７ｃｍであり、質量は９０ｋｇ、比重は８．５７であった。化学分析の結果、ニオブ９９．８％以上の高純度のインゴットを鋳造することができた。なお、不純物の大部分はニオブと共存するタンタルであった。
<Test Example 2>
Granular niobium raw material is sequentially supplied at a supply rate of 100 g / min to a cylindrical water-cooled mold having an inner diameter of 20 cm and a height of 40 cm. In addition, while rotating the mold placed on the chill plate at a speed of one revolution per minute, an electron beam set at an acceleration voltage of 35 kV and a current value of 1.5 A with respect to the upper surface of the content, the radius at the upper surface of the content Irradiated with a fixed length (see FIG. 2A), a pure niobium ingot was produced. The focus of the electron beam was adjusted in accordance with the growth of the ingot in the height direction, and the hot spot caused by the electron beam on the upper surface of the contents was adjusted to be the same size. The ingot was taken out after cooling and solidification, and the dimensions were measured. As a result, the diameter was 19 cm, the height was 37 cm, the mass was 90 kg, and the specific gravity was 8.57. As a result of chemical analysis, it was possible to cast a high-purity ingot of 99.8% or more of niobium. Most of the impurities were tantalum coexisting with niobium.
＜試験例３＞
内径３２ｃｍ、高さ１５ｃｍの円筒状の水冷鋳型を、チルプレートに設置した敷板(スタブ)で下部開口を塞ぐようにチルプレート上にセットする。敷板は、目的とするインゴットと同じ組成であり、直径がインゴットの直径以上で、厚さが０．５ｃｍである。水冷鋳型に対して、顆粒状のチタン原料と顆粒状のニオブ原料とを７：５の割合で、チタン原料とニオブ原料との合計で毎分４００ｇになるように順次供給する。チルプレートおよび敷板を毎分０．８回転で回転して鋳型内の内容物を自転させながら、加速電圧３５ｋＶ、電流値１．５Ａに設定した２基の電子銃から内容物の上面に電子ビームを照射した。２基の電子銃によって、内容物の上面における半径相当長さのパターンが平行に隣接して並ぶように固定して(図２(ｂ)参照)電子ビームを同時に照射し、ニオブチタン合金のインゴットを製造した。ここで、チルプレートを毎時４ｃｍの速度で下降することで、内容物(インゴット)を鋳型から下方へ引き抜きつつ、インゴットを成長させた。冷却・凝固後にインゴットを取り出し、寸法を測定したところ、直径３０．５ｃｍ、高さ６７ｃｍであり、質量は３２４ｋｇ、比重は６．６であった。化学分析の結果、ニオブ５２％−チタン４８％の超電導材素材相当の組成を有する合金であることが確認された。得られたインゴットにおいて、ニオブとチタンの濃度分布のばらつきは、外周層を除き、最大２％であった。なお、インゴットにおいて、厚さ５ｍｍ前後の外周層は、チタン濃度が６０％程度と高かった。
<Test Example 3>
A cylindrical water-cooled mold having an inner diameter of 32 cm and a height of 15 cm is set on the chill plate so as to close the lower opening with a floor plate (stub) installed on the chill plate. The floorboard has the same composition as the target ingot, has a diameter equal to or greater than the diameter of the ingot, and has a thickness of 0.5 cm. A granular titanium raw material and a granular niobium raw material are sequentially supplied to the water-cooled mold at a ratio of 7: 5 so that the total of the titanium raw material and the niobium raw material is 400 g per minute. An electron beam from two electron guns set at an acceleration voltage of 35 kV and a current value of 1.5 A is applied to the upper surface of the contents while rotating the contents in the mold by rotating the chill plate and the base plate at 0.8 revolutions per minute. Was irradiated. With two electron guns, the pattern of the length corresponding to the radius on the upper surface of the contents is fixed so that they are adjacent to each other in parallel (see FIG. 2 (b)). Manufactured. Here, the ingot was grown while the contents (ingot) were pulled downward from the mold by lowering the chill plate at a speed of 4 cm per hour. When the ingot was taken out after cooling and solidification and the dimensions were measured, the diameter was 30.5 cm, the height was 67 cm, the mass was 324 kg, and the specific gravity was 6.6. As a result of chemical analysis, it was confirmed that the alloy had a composition corresponding to a superconducting material material of niobium 52% -titanium 48%. In the obtained ingot, the variation in the concentration distribution of niobium and titanium was 2% at maximum, excluding the outer peripheral layer. In the ingot, the outer peripheral layer having a thickness of about 5 mm had a high titanium concentration of about 60%.
＜試験例４＞
内径３２ｃｍ、高さ１５ｃｍの円筒状の水冷鋳型を、チルプレートに設置した敷板(スタブ)で下部開口を塞ぐようにチルプレート上にセットする。敷板は、目的とするインゴットと同じ組成であり、直径がインゴットの直径以上で、厚さが０．５ｃｍである。水冷鋳型に対して、顆粒状のニオブ原料を毎分３００ｇになるように順次供給する。チルプレートおよび敷板を毎分０．８回転で回転して鋳型内の内容物を自転させながら、加速電圧３５ｋＶ、電流値２Ａに設定した２基の電子銃から内容物の上面に電子ビームを照射した。２基の電子銃によって、内容物の上面における半径相当長さのパターンが平行に隣接して並ぶように固定して(図２(ｂ)参照)電子ビームを同時に照射し、純ニオブのインゴットを製造した。ここで、内容物の上面位置を水冷鋳型の上端より５ｃｍ低いレベルで維持するように、毎時２．８ｃｍの速度で引き下げる条件でチルプレートを下降することで、内容物(インゴット)を鋳型から下方へ引き抜きつつ、インゴットを成長させた。得られた純ニオブのインゴットは直径３１ｃｍ、高さ７０ｃｍで質量は４５３ｋｇであった。得られたインゴットの外観上の特徴として、鋳肌が試験例１と比べて円滑であり、これはインゴット自転時の水冷鋳型との摺動による平滑化効果によるものと考えられる。
<Test Example 4>
A cylindrical water-cooled mold having an inner diameter of 32 cm and a height of 15 cm is set on the chill plate so as to close the lower opening with a floor plate (stub) installed on the chill plate. The floorboard has the same composition as the target ingot, has a diameter equal to or greater than the diameter of the ingot, and has a thickness of 0.5 cm. A granular niobium raw material is sequentially supplied to a water-cooled mold so as to be 300 g per minute. The top surface of the contents is irradiated from two electron guns set at an accelerating voltage of 35 kV and a current value of 2A while rotating the contents in the mold by rotating the chill plate and the base plate at 0.8 revolutions per minute. did. With two electron guns, the pattern of the length corresponding to the radius on the upper surface of the contents is fixed so that they are adjacent to each other in parallel (see FIG. 2 (b)). Manufactured. Here, the contents (ingot) are lowered from the mold by lowering the chill plate at a speed of 2.8 cm per hour so as to maintain the upper surface position of the contents at a level 5 cm lower than the upper end of the water-cooled mold. The ingot was grown while pulling out. The obtained pure niobium ingot had a diameter of 31 cm, a height of 70 cm, and a mass of 453 kg. As a feature on the appearance of the obtained ingot, the casting surface is smooth as compared with Test Example 1, which is considered to be due to a smoothing effect by sliding with the water-cooled mold during the ingot rotation.
＜比較例＞
内径２０ｃｍ、高さ４０ｃｍの円筒状の水冷鋳型に対して、顆粒状のチタン原料と顆粒状のニオブ原料とを７：５の割合で、チタン原料とニオブ原料との合計で毎分２００ｇになるように順次供給する。また、加速電圧３５ｋＶ、電流値１．５Ａに設定した電子ビームを内容物の上面に順次全面を走査するよう照射し、ニオブチタン合金のインゴットを製造した。なお、インゴットの高さ方向への成長に合わせて電子ビームの焦点を調整し、内容物の上面における電子ビームによるホットスポットを同じ大きさに維持するように調整した。冷却・凝固後にインゴットを鋳型から取り出し、寸法を測定したところ直径１９ｃｍ、高さ３８ｃｍであり、質量は７２ｋｇ、比重は６．６であった。化学分析の結果、平均でニオブ５２％−チタン４８％の組成であったが、チタン濃度が最高７２％、最低３６％と局所的にばらつきが大きく、試験例１のように超電導材素材相当の組成のインゴットを製造することができなかった。
<Comparative example>
7: 5 ratio of granular titanium raw material and granular niobium raw material to a cylindrical water-cooled mold having an inner diameter of 20 cm and a height of 40 cm, and the total of titanium raw material and niobium raw material is 200 g per minute. Sequentially supply as follows. Further, an ingot of a niobium titanium alloy was manufactured by irradiating an electron beam set at an acceleration voltage of 35 kV and a current value of 1.5 A so as to sequentially scan the entire surface of the contents. The focus of the electron beam was adjusted in accordance with the growth of the ingot in the height direction, and the hot spot caused by the electron beam on the upper surface of the contents was adjusted to be the same size. The ingot was taken out from the mold after cooling and solidification, and the dimensions were measured. As a result, the diameter was 19 cm, the height was 38 cm, the mass was 72 kg, and the specific gravity was 6.6. As a result of chemical analysis, the composition was 52% niobium-48% titanium on average, but the titanium concentration was a maximum of 72% and a minimum of 36%. An ingot of composition could not be produced.
１２ 真空チャンバー，１４ 鋳型，１６ 原料供給手段，１８ ビーム照射手段，
２０ 回転手段，３２ 計測手段，３４ 引抜手段，４２ 撮像手段，４４ 制御手段，
Ｃ 内容物，Ｉ インゴット，Ｍ 溶融湯，Ｓ 金属原料
12 vacuum chamber, 14 mold, 16 raw material supply means, 18 beam irradiation means,
20 rotating means, 32 measuring means, 34 drawing means, 42 imaging means, 44 control means,
C contents, I ingot, M molten metal, S metal raw material
Claims (3)
前記真空チャンバー(12)の内部に設置されて、金属原料(S)を溶融して得られる溶融湯(M)を冷却してインゴット(I)を成形する鋳型(14)と、
前記鋳型(14)の上側から該鋳型(14)内に前記金属原料(S)を供給する原料供給手段(16)と、
前記鋳型(14)の内側にある内容物(C)の上面に向けて電子ビームを照射し、該内容物(C)の上面における半径以上に相当する領域を加熱するビーム照射手段(18)と、
前記鋳型(14)内の内容物(C)を、該鋳型(14)の内側を上下に通る軸周りに回転させ、該内容物(C)の上面における前記ビーム照射手段(18)に相対する領域を切り替える回転手段(20)と、
を備えた
ことを特徴とする鋳造装置。 A vacuum chamber (12);
A mold (14) that is placed inside the vacuum chamber (12) and cools molten metal (M) obtained by melting the metal raw material (S) to form an ingot (I);
Raw material supply means (16) for supplying the metal raw material (S) from above the mold (14) into the mold (14),
Beam irradiation means (18) for irradiating an electron beam toward the upper surface of the content (C) inside the mold (14) and heating a region corresponding to a radius of the upper surface of the content (C) or more. ,
The content (C) in the mold (14) is rotated around an axis passing up and down the inside of the mold (14), and is opposed to the beam irradiation means (18) on the upper surface of the content (C). Rotating means (20) for switching areas;
A casting apparatus comprising:
前記計測手段(32)で得た前記内容物(C)の上面位置に応じて、該上面高さを一定に保つように該内容物(C)を前記鋳型(14)から下方へ引き抜く引抜手段(34)と、を備えた請求項１記載の鋳造装置。 Measuring means (32) for measuring the upper surface position of the content (C) in the mold (14),
According to the position of the upper surface of the content (C) obtained by the measuring means (32), a pulling means for pulling the content (C) downward from the mold (14) so as to keep the upper surface height constant. (34) The casting apparatus of Claim 1 provided with.
前記撮像手段(42)で撮像した前記内容物(C)の上面の状況に基づいて、前記ビーム照射手段(18)による電子ビームの照射を停止するよう制御する制御手段(44)と、を備えた請求項１または２記載の鋳造装置。 Imaging means (42) for imaging the upper surface of the contents (C),
Control means (44) for controlling to stop the irradiation of the electron beam by the beam irradiation means (18) based on the state of the upper surface of the contents (C) imaged by the imaging means (42). The casting apparatus according to claim 1 or 2.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020022976A (en) * | 2018-08-06 | 2020-02-13 | 日本製鉄株式会社 | Method for producing titanium ingot |
| CN113198984A (en) * | 2021-04-15 | 2021-08-03 | 燕山大学 | Heating type pressurizing water-cooling steel ingot mold and cooling method |
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| JP7135556B2 (en) | 2018-08-06 | 2022-09-13 | 日本製鉄株式会社 | Method for manufacturing titanium ingot |
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