JP2932954B2 - 気化性不純物を含む高融点金属原料の溶解方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、気化性不純物を含む
高融点金属原料を長時間、溶解効率の低下なしにコール
ドクルーシブル溶解法で溶製し鋳造する方法に関する。
高融点金属とは、眼鏡、時計等の民生品や電子工業用部
品の素材となる純Ti、Ti合金、純Zr、Zr合金、純Ni、Ni
合金、純Mo、Mo合金、純Ｗ、Ｗ合金あるいは純Ta、Ta合
金等の金属である。

【０００２】

【従来の技術】コールドクルーシブル溶解法は、セグメ
ント構造の内部水冷式銅製るつぼ (以下、「るつぼ」と
記す) の周りに誘導コイル (以下、「コイル」と記す)
を配置し、高周波加熱によりるつぼ内の金属 (Ti、Zr、
Ni、Mo、Ｗ、Taあるいはこれらの合金等の高融点で化学
的に活性な金属) をるつぼと非接触で誘導溶解する方法
である。

【０００３】図３は、従来のコールドクルーシブル溶解
および鋳造法を説明するための装置要部の例を示す縦断
面図である。

【０００４】図示のように、この装置では、給水口1d、
排水口1eを備えるスリット1cで複数のセクター1bに分割
されたセグメント構造のるつぼ１、るつぼ１の外周面を
周回する誘導加熱用のコイル３、鋳造されたインゴット
を引き抜く引抜き棒５、および溶解用の原料を溶融金属
に定量供給する原料フィーダー４、が真空排気系を有す
るチャンバー（図示は省略）内に配置されている。溶解
雰囲気は通常Arガス雰囲気である。そして、コイル３に
印加された中波あるいは高周波の交流電流による交番磁
場が、るつぼ１のセクター1bを介してるつぼ内のスター
ター母材（初期溶融金属浴を形成するため、るつぼ内に
挿入される溶解原料と同材のインゴット) 中に電流を誘
導し、スターター母材の上部は加熱、溶解されて、溶融
金属浴を形成する。この溶融金属浴内は誘導電流により
攪拌される。また、溶融金属浴の表面に作用する電磁力
と溶融金属自体の静圧とのバランスによって、溶融金属
浴の表面は形状がドーム状となり、るつぼ１と非接触の
状態で溶解がなされる。さらに、溶融金属浴に原料フィ
ーダー４から原料を投下して溶解し、るつぼ１下部でイ
ンゴットを鋳造する。このインゴットは、引抜き棒５に
より溶融金属ドーム（以下、「ドーム」と記す）の高さ
が一定になるように原料供給量にバランスして連続的に
引き抜かれる。

【０００５】溶解用の高融点金属原料中には0.01重量％
以上の気化性不純物を含むものがある。例えば、四塩化
物をMgで還元し、反応生成物の MgCl₂を水洗除去し、未
反応Mgを酸洗除去して製造されるスポンジTiやスポンジ
Zr中には、除去されずに残った MgCl₂ (沸点1412℃) 、
Mg (沸点1120℃) が不純物として存在する。また、鉱石
からの湿式製錬の過程でHF、KFやNaOH、KOH を使用する
ので、Ta、Ｗ等の金属の原料中にはKF (沸点1505℃) 、
NaF(沸点1705℃) が不純物として不可避的に存在してい
る。

【０００６】上述した高融点金属原料中に含まれる気化
性不純物は、溶解温度が高い（融点は、Ti: 1680℃、Z
r: 1855℃、Ta: 2990℃、Mo: 2630℃、Ｗ: 3380℃) た
め、気化した後、水冷されたるつぼ内壁面に凝着しやす
い。この気化・凝着により次のような問題が生ずる。

【０００７】図４は、従来のコールドクルーシブル溶解
法による原料溶解時のるつぼ内状況を模式的に説明する
図である。

【０００８】図示のように、気化性不純物を含む高融点
金属原料（例えばスポンジTi) を用いて長時間の連続溶
解を行うと、原料内の夾雑不純物 (Mg、MgCl₂)が気化
し、水冷るつぼの内壁面に凝着して苔状の凝着物薄壁10
に成長する。一方、溶融金属ドーム７は安定時のドーム
表面7aの前後左右に振動しており、例えば、ドーム揺動
面7bが図中左側のるつぼ内壁面と接触し、図中右側のる
つぼ内壁面からは離れるという接触−非接触運動を繰り
返している。この時、るつぼ内壁面に苔状の凝着物薄壁
10が介在するので、溶融金属の一部がるつぼ内壁内に付
着、凝固し、るつぼ内壁面に沿って原料と同種の付着金
属薄壁7cに成長する。そして、この薄壁7cがるつぼ内の
磁場強度を低下させる。

【０００９】また、溶融金属ドーム７に投下された原料
６は図中矢印で示す原料落下軌跡6aに沿って、ドーム基
底部の溶融金属とるつぼ内磁場強度を低下させる付着金
属薄壁7cに囲まれた谷部で加熱されて溶解する。従っ
て、高融点金属原料の溶解効率が経時的に低下して、生
産性の低下や連続操業時の溶解不安定化等の問題が生じ
る。

【００１０】上記の問題を回避するために、一旦溶解し
て気化性不純物を気化させ、るつぼ内壁に凝着させて除
去して得た高融点金属を原料として、再度溶解する溶解
法がSixth World Conference on Titanium (1988.6.6〜
9)の報告書(p.583参照) に紹介されている。

【００１１】また、本出願人はコールドクルーシブル溶
解法でスポンジTiを溶解し、残留塩素の少ない機械的性
質が優れたTi、Ti合金製品の製造方法を特開平４−2721
46号公報に開示した。この方法では、スポンジTiをドー
ムの最高温度が「液相線温度＋20℃」以上、原料の溶湯
状態での平均滞留時間が30秒以上、雰囲気圧力が 0.1〜
1.5 気圧の範囲内の条件で溶解する。この方法でも、溶
解時間が１時間程度であれば、るつぼ内壁面のチタン薄
壁の成長は軽微であり、磁場強度低下による溶解効率の
低下は認められない。しかし、１時間を超えるような長
時間連続溶解の場合は、前述したとおり、チタン薄壁が
成長するのは避けられないので、溶解効率が低下する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のコールドクルーシブル溶解法は、溶解原料に気化性不
純物を含む高融点金属原料を用いると、溶解中に不純物
が気化してるつぼ内壁面に苔状の凝着物を形成する。そ
して、この凝着物を介して、溶融金属の一部が凝固し、
付着金属薄壁が成長する。このため、るつぼ内磁場強度
が低下して原料の溶解効率が低下するので、生産性や連
続操業の溶解安定性が阻害されるのは避けられない。

【００１３】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであり、その具体的な目的は、コールドクルー
シブル溶解法において、長時間の操業でも溶解効率を低
下させることなく、高生産性かつ安定して高融点金属製
品の素材用インゴットが製造できる気化性不純物を含む
高融点金属原料の溶解方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来使用
が難しいとされてきた気化性不純物を含む高融点金属原
料のコールドクルーシブル溶解について検討を重ねた結
果、るつぼ内の適正位置に筒状耐火物を設けて、るつぼ
内の雰囲気ガス流れを制御することによりるつぼ内壁面
への気化性不純物の凝着が防止され、長時間の連続操業
でも溶解効率を低下させる懸念がないことを確認した。

【００１５】本発明の気化性不純物を含む高融点金属原
料の溶解方法は、溶解原料の供給装置と、内部冷却式セ
グメント構造の竪型導電性るつぼと、このるつぼを周回
する誘導コイルと、鋳造インゴットの引抜き棒とを有す
る装置を用いて金属を溶解し鋳造するコールドクルーシ
ブル溶解法であって、下記からまでを特徴とする方
法である（図１参照）。 上記のるつぼ１内に、その内壁と同心状に筒状耐火物
２を設置すること。

【００１６】上記の筒状耐火物の外壁とるつぼの内壁
との間隙距離を１mm以上、かつ、るつぼ内径の 0.25 倍
以下の範囲内とすること。

【００１７】上記の筒状耐火物の下端2bと上記誘導コ
イルの上端3aとの高さ方向下方距離(L₀)をコイル高さ
（Ｌ）の0.25倍以上で0.75倍以下の範囲内とすること。

【００１８】本発明方法で用いる筒状耐火物の材質は、
基本的には 700℃以上の高温にさらされても、形状がほ
どんど変化しない良好な耐熱性があり、電磁場をよく通
す材料であればよく、例えば、耐熱ガラス、 Al₂O₃、Zr
O₂等を用いることができる。

【００１９】また、筒状耐火物の肉厚は厚すぎると耐火
物の内径が小さくなり、溶融金属ドームの表面と接触し
やすくなるので、５mm以下が好ましく、強度的に問題が
ない範囲で薄いほど好ましい。

【００２０】また、るつぼ上端の高さ位置は、コイル上
端から下端までの範囲内の高さ位置にするのが溶解効率
上望ましいが、特にこれに限定されるものではない。

【００２１】

【作用】以下、図面を参照しながら、本発明方法の作用
を説明する。

【００２２】図１は、本発明方法による原料溶解時のる
つぼ内状況を説明するための装置要部の例を示す縦断面
図である。

【００２３】高融点金属原料を溶解するときの溶融金属
温度はその融点より高く保たれ、例えばTiの場合2000℃
前後となるため、溶解雰囲気である不活性ガスは溶融金
属ドーム７上で激しく熱せられ上昇気流を形成する。こ
の時、図示のように、るつぼ１の内壁面に同心状に筒状
耐火物２が設置されていると、図中矢印線で示す雰囲気
ガス流れ９は筒上耐火物２の外壁面とるつぼ１の内壁面
との間隙部では下降流となり、ドーム７の基底部とるつ
ぼ１の内壁面に囲まれた谷部で方向を変えて筒状耐火物
２の内部では上昇流となって、るつぼ外に出るという経
路をたどる。

【００２４】このため、原料溶解中に気化した気化性不
純物をるつぼ内壁面と接触させることなく、るつぼ外に
排出することができる。従って、るつぼ内壁面に気化性
不純物の凝着物薄壁は形成されず、ドーム揺動面7bの接
触−非接触運動による付着金属薄壁の生成を防止するこ
とができる。これにより原料の溶解効率を低下させるこ
となく、安定した長時間の連続操業が可能となる。

【００２５】上述した雰囲気ガス流れ９の制御により、
気化性不純物のるつぼ内壁面凝着防止を効果的に行うに
は、筒状耐火物外壁面とるつぼ内壁面との間隙距離（以
下、「間隙距離」と記す）および筒状耐火物の下端高さ
位置が重要である。本発明者らは上記の間隙距離および
筒状耐火物下端2bの高さ位置を様々に変化させた実験結
果から、間隙距離の範囲は 1.0mm以上でるつぼ内径の0.
25倍以下が適当であり、また、筒状耐火物下端2bの高さ
位置範囲としては、コイル上端3aの高さ位置から下方へ
の距離 (L₀) がコイル高さ（Ｌ）の0.25倍以上で0.75倍
以下の範囲、即ち、L₀＝0.25Ｌ〜0.75Ｌが適当であるこ
とを確認した。

【００２６】上記の間隙距離については 1.0mm未満なら
ば、間隙部で十分な雰囲気ガス下降流が生じないので、
気化性不純物の凝着防止効果は得られない。また、るつ
ぼ内径の0.25倍を超えれば溶融金属ドーム７内に筒状耐
火物２が浸没して溶損するおそれがある。また、筒状耐
火物下端2bの高さ位置については、コイル上端3aの高さ
位置から下方への距離がコイル高さ（Ｌ）の0.25倍未満
であると、気化性不純物の凝着防止効果が得られず、0.
75倍を超えれば溶融金属ドーム７内に筒状耐火物２が浸
没して溶損するおそれがある。本発明の効果をさらに高
めるには、上記のL₀を0.35Ｌ〜0.65Ｌの範囲とするのが
好ましい。

【００２７】なお、筒状耐火物2aの上端高さ位置は筒状
耐火物内の雰囲気ガス流れの上昇流を強めるため高い位
置とするのが望ましいが、少なくともコイル上端3aの高
さ位置より上方、かつ、るつぼ上端1aの高さ位置より上
方とするのがよい。

【００２８】図２は本発明方法の実施に用いる筒状耐火
物の形状例を示す縦断面図である。

【００２９】前記図１では直円筒形状のものを示した
が、例えば、図２ (a)に示すフランジ付筒状耐火物2A、
あるいは図２(b) に示す漏斗付筒状耐火物2Bを用いれば
原料飛散によるコイルとるつぼ間の電気的短絡防止効果
も得られる。

【００３０】

【実施例１】前記図１に示す金属の溶解および連続鋳造
装置を使用し、筒状耐火物の下端位置および筒状耐火物
外壁面とるつぼ内壁面との間隙距離を変化させて、気化
性不純物を含む高融点金属原料の溶解・鋳造の実験を行
い、溶解効率の経時的安定性および筒状耐火物の損傷状
況を調査して本発明方法の効果を評価した。なお、従来
例として、筒状耐火物を使用せずに同じ実験を行った。
また比較例として、筒状耐火物を使用したが、その設置
位置が本発明で定める条件を満たしていない実験も行っ
た。

【００３１】溶解・鋳造実験は、スターター母材上部を
誘導加熱して溶解し、初期溶融金属ドームを形成した
後、移動装置を用いて筒状耐火物を所定の位置に移動さ
せて設置し、溶解原料をドームに投下して連続的に溶解
するとともに、凝固インゴットを連続引抜きして行っ
た。

【００３２】装置諸元および溶解条件は下記のとおりで
ある。 1. 誘導コイル：周回内径 105mm、コイル高さ（Ｌ）90m
m、４巻き 2. 内部水冷銅製るつぼ：内径70mm、高さ 230mm、肉厚1
5mm スリット幅 0.8mm、スリット長さ 140mm、セクター数14 るつぼ上端位置はコイル上端位置と同高。

【００３３】3. 筒状耐火物：材質… Al₂O₃、形状…円
筒、 下端位置および間隙距離は表１記載のとお
り。 上端位置はコイル上端位置より上方 20 mmの高
さ。

【００３４】4. 溶解原料：スポンジTi (Fe:0.015wt
％、Si:0.003wt％、Cl:0.072wt％、Mg:0.024wt％、H :
0.002wt％、O :0.057wt％、Ti:bal. 気化性不純物は
0.01wt％以上) 5. スターター母材：金属Tiインゴット、上端位置はコ
イル中央より上方10mm 6. 溶解電力： 90KW (電源周波数 25 KHz) 7. 溶解雰囲気： Ar (雰囲気圧…大気圧＋0.1 気圧) 8. インゴット引抜き速度： 10mm/分の一定 次に、溶解効率の経時的安定性および筒状耐火物の損傷
状況の評価方法を説明する。

【００３５】ａ．溶解効率の経時的安定性 スポンジTiの投入量と引抜き量とがバランスした状態
で、経時的に安定して凝固インゴットの引抜き（引抜き
速度は10mm／分の一定) が実施できるかどうかで本発明
の効果を評価した。具体的には溶解中のドーム表面をテ
レビモニターで観察し、上記の引抜き速度でインゴット
を連続引抜きし、原料の溶け残りが無い状態で１時間30
分以上の連続溶解ができるかどうかを調査した。安定的
に連続溶解可能な場合を「〇」、１時間30分以上経過し
た時点で、連続溶解、引抜きに支障を生じない程度の若
干の原料溶け残りが認められた場合を「△」、原料の溶
け残りが生じて、溶解とインゴット引抜きのバランスが
保てない場合を「×」と表示した。

【００３６】ｂ．筒状耐火物の損傷状況 溶融金属と筒状耐火物が接触した場合、筒状耐火物が溶
融金属と還元反応して筒状耐火物が損傷する。そのた
め、溶解後、筒状耐火物の損傷の有無を調査した。耐火
物の損傷が目視で認められ、再使用不可の場合「×」、
多少の損傷はあるが再使用可能な場合「△」と表記し、
損傷が認められなかった場合「〇」と表記した。

【００３７】表１に、筒状耐火物設置条件と実験結果の
評価を示す。なお、筒状耐火物の下端位置は、コイル上
端の高さ位置から下方への距離 (図１のL₀）を示し、Ｌ
は図１に示したコイル高さである。また、間隙距離は、
筒状耐火物外壁面とるつぼ内壁面との間隙水平距離を示
し、Ｄはるつぼ内径である。そして（ ）内は実寸法で
ある。

【００３８】表１に示す結果から、下記のことが確認さ
れた。

【００３９】(1) 実施例のケース１〜19および従来例の
ケース20の結果から、本発明の要件を満たす条件で筒状
耐火物をるつぼ内に設置して、雰囲気ガス流れを制御す
ると、スポンジチタン（気化性不純物を含む高融点金属
原料) の連続溶解時における溶解効率が経時的に低下す
るのを防止できることがわかる。

【００４０】(2) 実施例のケース３、６、10、14、18お
よび比較例のケース21 (間隙距離 0.1×Ｄの一定、下端
位置変化）の結果から、筒状耐火物の下端高さ位置がコ
イル上端の高さ位置からコイル高さ（Ｌ）の0.75倍を超
えて大きく下方にある比較例のケース21では、筒状耐火
物の下端部がドームに埋没して筒状耐火物が損傷する。

【００４１】この耐火物の損傷は、不純物元素増加によ
る製品品質の劣化を招くので、連続溶解・引抜きは行わ
なかった。なお、筒状耐火物の下端高さ位置がコイル上
端の高さ位置から下方への距離で 0.7×Ｌの高さ位置に
ある実施例のケース３では、実験開始直後のスターター
母材の溶解過程で溶融金属と筒状耐火物が接触し、筒状
耐火物が若干の損傷を受けるが再使用可能であり問題は
ない。

【００４２】(3) 実施例のケース３、６、10、14、18お
よび比較例のケース22の結果から、筒状耐火物の下端高
さ位置がコイル上端の高さ位置から下方への距離でコイ
ル高さ（Ｌ）の0.25倍未満の近いところに設置された比
較例のケース22では、雰囲気ガス流れは制御されないの
で、従来例のケース20とほぼ同様の引抜き開始から１時
間10分後に、気化性不純物のるつぼ内壁凝着に基因する
原料の溶け残りが認められた。すなわち、連続操業にお
ける溶解効率の経時的安定性は得られなかった。

【００４３】なお、筒状耐火物の下端高さ位置がコイル
上端の高さ位置から下方への距離で0.3×Ｌの高さ位置
にある実施例のケース18では、引抜き開始から１時間50
分後に連続溶解、引抜きに支障がない程度の若干の原料
溶け残りが発生した。従って、長時間連続溶解時には、
溶解効率の経時的安定性に十分留意して操業する必要が
ある。

【００４４】(4) 実施例のケース８〜11および比較例の
ケース23（下端位置 0.5×Ｄの一定、間隙距離変化）の
結果から、筒状耐火物外壁面とるつぼ内壁面と間の水平
間隙距離が非常に小さい（１mm未満）の比較例のケース
23では、雰囲気ガス流れを制御することができず、従来
例のケース20と同様引抜き開始から１時間後に、原料の
溶け残りが認められ、溶解効率の経時的安定性は得られ
なかった。

【００４５】(5) 実施例のケース８〜11および比較例の
ケース24の結果から、間隙距離がるつぼ内径（Ｄ）の0.
25倍を超えて長すぎる比較例のケース24ではドーム内に
筒状耐火物が埋没し筒状耐火物が損傷する。この損傷に
より製品品質が劣化するので、連続溶解・引抜きは行わ
なかった。

【００４６】

【表１】

【００４７】

【発明の効果】本発明のコールドクルーシブル溶解法に
よれば、気化性不純物を含む高融点金属原料 (スポンジ
Ti等) を使用しても、長時間安定した高い溶解効率で連
続溶解が可能となる。これにより高融点金属を入手が容
易な原料を用いて高い生産性で安定製造することがで
き、その経済効果は著しく大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法による原料溶解時のるつぼ内状況を
説明するための装置要部を示す縦断面図である。

【図２】本発明方法の実施に用いる筒状耐火物の形状例
を示す縦断面図である。

【図３】従来のコールドクルーシブル溶解法を説明する
ための装置要部を示す縦断面図である。

【図４】従来のコールドクルーシブル溶解法による原料
溶解時のるつぼ内状況を説明する模式図である。

【符号の説明】 １：るつぼ 1a：るつぼ上端
1b：セクター 1c：スリット 1d：給水口
1e：排水口 ２：筒状耐火物 2a：筒状耐火物上端
2b：筒状耐火物下端 2A：フランジ付筒状耐火物 2B：漏斗付筒状耐火物
３：コイル 3a：コイル上端 3b：コイル下端
４：原料フィーダー ５：引抜き棒 ６：原料
6a：原料落下軌跡 ７：溶融金属ドーム 7a：ドーム表面
7b：ドーム揺動面 7c：付着金属薄壁 ８：インゴット
９：雰囲気ガス流れ 10：凝着物薄壁

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶解原料の供給装置と、内部冷却式セグメ
   ント構造の竪型導電性るつぼと、このるつぼを周回する
   誘導コイルと、鋳造インゴットの引抜き棒とを有する装
   置を用いて金属を溶解し鋳造するコールドクルーシブル
   溶解方法であって、下記からまでを特徴とする気化
   性不純物を含む高融点金属原料の溶解方法。 上記のるつぼ内に、その内壁と同心状に筒状耐火物を
   設置すること。 上記の筒状耐火物の外壁とるつぼの内壁との間隙距離
   を１mm以上、かつ、るつぼ内径の 0.25 倍以下の範囲内
   とすること。 上記の筒状耐火物の下端と上記誘導コイルの上端との
   高さ方向下方距離をコイル高さの0.25倍以上で0.75倍以
   下の範囲内とすること。