JP4214118B2 - 消耗電極式アーク溶解法の消耗電極製造方法およびそれに用いる端面切削装置 - Google Patents

Description

本発明は、チタンやジルコニウムなどの消耗電極式アーク溶解法における、先に溶解されたインゴットを消耗電極として溶解するときの、消耗電極の製造方法およびそれに用いるインゴット端面切削装置に関するものである。

チタンやジルコニウムなどの融点が高くしかも高温での活性が極めて高い金属の、加工用素材となるインゴットの溶解として、消耗電極式真空アーク溶解（ＶＡＲ：Vacuum Arc Remelting）法が多用されている。とくにチタンおよびチタン合金の生産では、世界の溶解能力の８５％以上がこのＶＡＲ法である。

図１は、ＶＡＲ法の溶解炉の構造を模式的に示したものである。溶解原料である消耗電極１を外側を水冷した銅製鋳型２の中に吊り下げ、真空または不活性ガス雰囲気にて、消耗電極を負、鋳型を正とした直流電流により、消耗電極下端と鋳型底との間にアークを発生させる。アークの熱により消耗電極から溶け落ちた金属の溶湯でプール４が形成されるが、消耗電極を徐々に降下させてプール４と消耗電極１との間隔および電流を制御し、安定したアーク３を継続させると、消耗電極は下端から順次溶解していき、溶湯プール４は下方から逐次凝固していって、素材消耗電極をすべて溶解し終われば銅鋳型内にインゴット５が溶製される。

溶解原料は、通常、還元して得られたスポンジ状の金属を破砕した粒子を用い、これに破砕したスクラップや要すれば合金元素を混ぜ、プレスで圧縮して固めたコンパクトあるいはブリケットと呼ばれる圧縮塊にした後、これらを並べて溶接し消耗電極を作製する。スポンジ状のたとえばスポンジチタンは、多孔質で圧縮加工性に富んでおり、容易に塊状に成型できる。このスポンジ状の素材を圧縮した消耗電極による溶解を一次溶解、得られたインゴットを一次インゴットと称する。

一般に、一次溶解は消耗電極が不均質で還元残渣などが含まれていて不安定なため、一次インゴットには組成の不均質があり、表面および内部に欠陥が多いので、一次インゴットを消耗電極にして再度ＶＡＲ法による溶解、すなわち二次溶解をおこなって、より健全なインゴットにするのが普通である。その場合、一次インゴットはそのまま二次溶解の消耗電極になるので、二次溶解の銅鋳型は一次溶解よりも大きい寸法のものになる。さらに要すれば三次溶解またはそれ以上の溶解がおこなわれることもある。

図１に示すＶＡＲ法の炉において、消耗電極１は降下上昇機構を持つスティンガーロッド６に、スタブ７を介して取り付けられる。通常、スタブは消耗電極と同じ金属で作られており、一端は取り外し可能な形式でねじまたはボルトにてスティンガーロッドに固定され、他端は消耗電極１に溶接される。

一次溶解の場合、消耗電極はスポンジを圧縮したコンパクトを組みあげて溶接したものであるが、二次溶解以降では、消耗電極は通常、前次溶解のインゴットの底部にスタブを溶接し、そのインゴットの頂部を下端にして溶解がおこなわれる。

このようなチタンインゴットの製造方法については、たとえば非特許文献１、または特許文献１もしくは特許文献２などに詳細が記述されている。

特開平１０−２５５２７号公報 特開２００３−４１３３０号公報 草道英武編「金属チタンとその応用」日刊工業新聞社、１９８７年、Ｐ．１６〜２３

ＶＡＲ式溶解炉では溶解効率の向上から、消耗電極の外径と水冷銅鋳型の内面との間隔は大きくなく、また銅鋳型は縦に長いものとなっているので、サイドアーク発生防止のため、消耗電極の中心軸と銅鋳型の中心軸とを一致させ、鋳型内面と消耗電極表面との間隔が鋳型内の消耗電極周囲で、できるだけ同じになるようにする必要がある。

このため、一次溶解のコンパクトを組上げて消耗電極を作製する場合、コンパクトが真っ直ぐな消耗電極になるよう治具を用い整列させて溶接し、さらにスティンガーロッドに取り付けたとき、スティンガーロッドの中心軸すなわち銅鋳型の中心軸と消耗電極の中心軸とが一致するよう軸あわせを十分におこなって、スタブを溶接している。

インゴットを消耗電極にする二次またはそれ以降の溶解では、溶製されたインゴットの底面にスタブを溶接することになる。その場合、インゴットの底面は水冷銅鋳型の底の形状と同じになるが、使用回数が増すにつれて鋳型は変形してくるので、インゴットの底面は平坦ではなく凹凸があり、全体に中央部が凸の状態になっている場合が多い。その状態のままでスタブを軸あわせして溶接すると、周囲の溶接部分に隙間があるため溶接不良を生じて強度不足をきたすおそれがあり、またスタブとインゴットの接触が十分でないため通電面積が低下し、溶解中に局所発熱して鋳型内消耗電極の中心軸がずれるなどのトラブル発生の原因になる。

そこで、インゴットの底面を切削し平坦にしてスタブを溶接しているが、この切削は鍛造や圧延などの次工程に送り出すインゴットの表面仕上げ切削に用いる大型旋盤にておこなっていた。しかしながら、この大型旋盤による底面切削には次のような問題がある。

溶解後のインゴットの頂部は、凝固時の収縮により中心部が凹み周囲が王冠状に出張っている。これに均質化を目的として磁場印加による溶湯撹拌をおこなわせていると、この王冠状出張りはさらに高くなる。インゴットの底面を切削するには、頂部を旋盤の回転軸のチャックに固定しなければならないが、被切削物を掴むチャックの歯の長さに対し王冠状出張りが高いので、その部分は強度が不足し、高さの不揃いもあり、十分な固定ができない。

このため、底面を切削するには、まず頂部の王冠状出張りを切除し、安定して旋盤のチャックに固定できるようにしなければならない。頂部がチャックで十分に固定できるようにその形を整えるには、旋盤による切除が最も確実である。したがって、旋盤ではまず底部をチャックで掴んで頂部を切削し、次にインゴットを逆転させて頂部を掴んで切削することになる。

しかしながら、大型旋盤により円柱状の長大かつ大重量のインゴットを切削する場合、旋盤のチャックだけでは十分水平に保持できないので、インゴットの中間部分にリング状の保持用治具をはめる。そのため回転物の芯出しは、チャック部だけではなく中間の保持用治具部でもおこなう必要がある。旋盤での切削は、このような煩雑な作業を二度も繰り返さざるを得ず、その上、頂部の王冠状出張りは削除されスクラップになるので、製品の歩留まりも低下する。

本発明の目的は、ＶＡＲ法によるインゴットを消耗電極としておこなう二次溶解以降の溶解において、消耗電極の中心軸と、消耗電極を吊下し駆動するスティンガーロッドの中心軸とを一致させ、かつ十分な通電を確実にするための、スタブを溶接する消耗電極用インゴット底面の切削方法およびその装置を提供することにある。

本発明の要旨は次のとおりである。
（１）ＶＡＲ法により溶解されたインゴットを素材消耗電極とする再溶解において、消耗電極保持用のスタブが接続される該インゴットの端面を、フライス削りにより切削して平坦面とすることを特徴とする溶解用消耗電極作製方法。
（２）長軸が水平になるようにインゴットを置き、インゴットの長軸と正面フライスの回転軸とを平行に配置し、軸に直角な面上をフライスが任意に移動できるようにして、インゴットの端面を切削し平坦面にすることを特徴とする上記（１）の溶解用消耗電極作製方法。
（３）円柱状のインゴットにおいては、長さ方向の中心軸のまわりに回転できるよう複数の回転ローラーを有する台上にインゴットを置き、端面を切削する時にはインゴットを固定することを特徴とする上記（１）または（２）の溶解用消耗電極作製方法。
（４）円柱状のインゴットにおいては、長さ方向の中心軸のまわりに回転できるよう複数の回転ローラーを有する台上にインゴットを置き、端面を切削する時にはインゴットを固定し、表面を清浄化する時にはインゴットを回転させ、研磨用治具等を用いてインゴット表面の異物を除去することを特徴とする上記（１）、（２）または（３）の溶解用消耗電極作製方法。
（５）インゴットを、その長軸が水平になるように置くことができ、かつ中心の長軸のまわりに回転させることができる支持用回転ローラー対を有する台と、インゴットの長軸に直角な端面をフライス削りにより平坦面に切削する切削機と、切削時にはインゴットを固定する固定治具と、インゴットを回転させつつその柱面の付着物を排除できる清掃用機とを具備することを特徴とする、上記（１）、（２）、（３）または（４）の記載の消耗電極を作製に用いられるインゴット端面切削装置。

本発明の溶解用消耗電極作製方法によれば、ＶＡＲ法のインゴットを消耗電極として再溶解する際の、スタブを取り付けるためのインゴットの底面切削加工作業、あるいは表面の清浄化などのインゴットを消耗電極にするための処理作業が容易になり、それらに要する時間および工程を短縮でき、かつ製品の歩留まりを向上させることができる。

ＶＡＲ溶解法の消耗電極とするインゴットは、その底面を平坦にし、かつその面がインゴットの中心軸と垂直になるように切削するため、旋盤加工がなされているが、その作業が煩雑であり、多大の工数を要していることに関し、本発明者はその簡略化と工数低減を種々検討した。

その中で、最も大きな解決すべき課題と考えられたのは、底面のみ切削して平坦にすればよいにもかかわらず、長大でかつ重量の大きいインゴット全体を保持し回転させていることである。全体を回転させるため、保持方法やその芯出しに多大な時間が費やされる。したがって、インゴット全体を回転させることなしに底面を中心軸に垂直な平坦な面に切削できれば、この作業は大幅に改善できる。

そこで、その手段を種々検討した結果、インゴットは水平において固定しておき、正面フライスを用い、インゴットの中心軸とフライスの回転軸を平行に保って、フライスの回転機構を持つヘッドをインゴットの中心軸に垂直な面上で移動させ、平面を削り出す方法に想到した。

図２は、この方法の実施態様の一例を模式的に表したもので、消耗電極にするインゴットを保持するローラ１２を有する台とフライス８を持つヘッド９およびその保持移動機構１０とインゴット表面を清掃する治具１３からなる装置を示している。以下この図を用いて説明する。

正面フライス８とその回転機構とを持つヘッド９は、回転軸の方向に前進または後退ができてその位置で固定でき、その固定位置にて回転軸、すなわちＺ軸に垂直で相互に直角なＸおよびＹ軸を含む平面上を、自在に移動できる機構１０に取り付けられている。

インゴットは、旋盤のように回転させる必要がないので、相互間の開角度がたとえば９０°である対のブロックを２対、インゴットの軸方向と平行に配置した台を用意し、その上に置く。２対のブロックによって定まるインゴットの中心軸方向と、フライスの回転軸とが平行になるようにしておけば、インゴットをそこに置けば位置決めは終了し、芯出しは不要である。このブロックを、図２に示すように、回転できるローラの対１２に変えれば、インゴットをその中心軸のまわりに回転させることができる。

このロ−ラ対１２上に載置したインゴット５は、フライス８で底面を削るとき、油圧等を用いた固定具１１にて動かないように固定する。

ブロック対またはローラ対でインゴットを支持すれば、インゴットの径が変わっても対応でき、さらにブロック対またはローラ対を設置した台を上下に動かせるようにしておけば、フライスのヘッドの移動機構と併せて、同じ装置でとくに設定を変えずに種々の径のインゴットの底面を平面に研削することができる。

インゴットの支持に回転できるローラを用いるのは、固定具１１による固定を解放すれば、インゴットをその軸を中心に回転させることができるからである。

溶製後のインゴットの表面にはアーク溶解中の飛沫等、容易に脱落する異物が付着している。ことにスポンジが主原料である一次溶解後のインゴット表面には、還元残渣のＭｇＣｌ₂のような塩類も多く付着しており、これら付着物は、このインゴットを消耗電極とする次の溶解時に、不純物混入を増加させる原因になる。したがって、インゴット表面は消耗電極として用いる前に、十分清浄化しておかねばならない。
旋盤でインゴット底面を削る場合、旋盤に取り付けてから回転させつつ表面をブラシなどで清掃することも可能であるが、脱落する異物が旋盤の摺動レール上に落ち、旋盤を傷めるおそれがある。このため従来は、回転できるローラの付いた台の上に載せ、インゴットを回しながら表面を清浄化し、その後、旋盤に取り付けて底面を研削していた。

本発明では、この表面清浄化に用いていた台と同じ構造の台を使って底面を研削するので、インゴットの中心軸と平行に移動可能な、回転ブラシ等を取り付けた清掃具１３を設置しておけば、同じ台上の載せたままで、重量の大きいインゴットを移動させることなく表面清浄化と底面切削をおこなうことができる。

このように、運搬および芯出しの作業が大幅に簡略化できるので、その結果として、一次溶解後、二次溶解までの時間が大きく短縮され、一次溶解による熱が消耗電極に残っているままで二次溶解に取りかかれるので、二次溶解の溶解時間も短縮される効果がある。

本発明の溶解用消耗電極作製方法の効果を確認するため、前記図２に示したような装置を用い、直径８８０ｍｍ、長さ約３８００ｍｍ、重量８４００ｋｇの一次溶解インゴットを作製し、これを直径１０００ｍｍの二次インゴットに溶製したときの例を、旋盤切削による従来の場合と比較すると、つぎのような結果が得られた。

まず、一次インゴットの頂部の王冠状出張りを削除する必要がなくなり、インゴットの歩留まりが０．２％改善された。次に、一次溶解後炉から取り出して二次溶解の消耗電極用スタブ溶接が完了するまでの時間は、平均して４３％短縮できた。

さらに、二次溶解の溶解開始から終了までの時間が約１０％短縮された。これは、従来の方法では、二次溶解の開始時点で消耗電極の表面温度が２０℃前後であったものが、本発明の方法では１００℃程度もあり、一次溶解でインゴットに残った熱が、二次溶解の所要エネルギーを低減させたことによるものである。

本発明の溶解用消耗電極作製方法によれば、ＶＡＲ法のインゴットを消耗電極として再溶解する際の、スタブを取り付けるためのインゴットの底面切削加工作業、あるいは表面の清浄化などのインゴットを消耗電極にするための処理作業が容易になり、それらに要する時間および工程を短縮でき、かつ製品の歩留まりを向上させることができるので、ＶＡＲ法のインゴット製造方法として広範に利用可能であり、当技術分野の発展に大きく寄与する。

消耗電極式真空アーク溶解炉の構造を模式的に説明する図である。 本発明の消耗電極用インゴットの底面切削および表面清浄化用装置を模式的に説明する図である。

符号の説明

１ 消耗電極
２ 水冷式銅鋳型
３ アーク
４ 溶湯
５ インゴット
６ スティンガーロッド
７ スタブ
８ フライス
９ フライス回転用ヘッド
１０ ヘッド移動用機構
１１ インゴット固定用治具
１２ ローラ対
１３ 清掃用治具

Claims (5)

1. 消耗電極式アーク溶解法により溶解されたインゴットを素材消耗電極とする再溶解において、消耗電極保持用のスタブが接続される該インゴットの端面を、フライス削りにより切削して平坦面とすることを特徴とする溶解用消耗電極作製方法。
2. 長軸が水平になるようにインゴットを置き、インゴットの長軸と正面フライスの回転軸とを平行に配置し、軸に直角な面上をフライスが任意に移動できるようにして、インゴットの端面を切削し平坦面にすることを特徴とする請求項１に記載の溶解用消耗電極作製方法。
3. 円柱状のインゴットにおいては、長さ方向の中心軸のまわりに回転できるよう複数の回転ローラーを有する台上にインゴットを置き、端面を切削する時にはインゴットを固定することを特徴とする請求項１または２に記載の溶解用消耗電極作製方法。
4. 円柱状のインゴットにおいては、長さ方向の中心軸のまわりに回転できるよう複数の回転ローラーを有する台上にインゴットを置き、端面を切削する時にはインゴットを固定し、表面を清浄化する時にはインゴットを回転させ、研磨用治具等を用いてインゴット表面の異物を除去することを特徴とする請求項１、２または３に記載の溶解用消耗電極作製方法。
5. 上記請求項１〜４のいずれかに記載の溶解用消耗電極の作製に用いられるインゴット端面切削装置であって、
   前記インゴットを、その長軸が水平になるように置くことができ、かつ中心の長軸のまわりに回転させることができる支持用回転ローラー対を有する台と、
   前記インゴットの長軸に直角な端面をフライス削りにより平坦面に切削する切削機と、
   切削時には前記インゴットを固定する固定治具と、
   前記インゴットを回転させつつその柱面の付着物を排除できる清掃用機を具備することを特徴とするインゴット端面切削装置。
   

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