JP4477955B2 - 金属チタンの溶解装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属チタンの溶解装置に係り、特に、金属チタン材中の不純物濃度を抑制して高純度チタンとするための金属チタンの溶解装置に関する。

金属材料の溶解には、真空アーク溶解炉（以下、ＶＡＲ溶解と略称する）あるいは電子ビーム溶解炉（以下、ＥＢ溶解と略称する）が主に使用されており、高真空かつ高温にて溶解することができるために金属中の不純物を効果的に分離除去することができる。これらの溶解方法は、金属チタン、モリブデンあるいはタングステン等の高融点金属の溶解にも利用されている。

特に、ＥＢ溶解は、精製効果が高いことから、酸素や窒素等のガス成分や、鉄、クロム、ニッケル等の不純物成分を数ｐｐｍ以下に抑制することが求められている航空機用高純度チタン合金の製造にも応用されている。

ＥＢ溶解においては真空度や溶解温度あるいは溶解時間を適切に選ぶことで、これらの成分をある程度分離除去することができる。しかしながら、これらの成分を分離除去するには溶湯温度を高温にし、また溶解速度も低速にしてこれらの不純物が溶湯から揮発除去するに十分な溶解時間をとる必要があり、生産性の低下や金属チタンの歩留りの低下等の問題があった。

これに対して、溶解炉への原料装入に先立って磁選により製鋼ダストに含まれる不純物を分離除去するという技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、鉄などの金属不純物濃度が高いダストを吸着し、効果的に分離除去することができる。

特開平０６−０４７３１５号公報

しかしながら、前記したチタン材に含まれる不純物成分は必ずしも磁性を有していないため、この方法では、不純物を完全に除去することは困難である。このように、従来の方法では、不純物濃度の低いチタンインゴットを製造することが困難であるか、可能であっても生産性や歩留まりに問題を有していた。

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、不純物の混入を高度に嫌うインゴットを溶製する場合に対処すべく、ＥＢ溶解炉あるいはＶＡＲ溶解炉に不純物の少ない原料を供給し、その結果、不純物濃度の低いチタンインゴットを製造することができる金属の溶解装置の提供を目的とする。

一般に、原料チタン材中に含まれている鉄やニッケル等の不純物は、チタン材全体に均等に存在しているのではなく、偏析して局所的に存在している。このため、原料チタン材を粒子状に粉砕して供給する際、鉄やニッケル等の不純物の偏析した部分が微粒子となって欠落し易くなっており、さらに、その後のチタン粒子を移送する工程においてチタン粒子同士の摩擦によって粒子が崩壊し、不純物の偏析部分が微粒子となって新たに生成する。また、アルキメデス缶を用いたチタン粒子の移送工程では、移送手段を構成する金属壁等との摩擦によってその金属元素を取り込んでしまい、微粒子中の不純物濃度がさらに高くなってしまう。これら不純物濃度の高い微粒子は、インゴットの溶製工程に混入してチタンインゴットの純度を低下させるばかりか、供給手段または移送手段にある程度蓄積された後、チタンインゴット溶製工程の終盤にかけて集中的に混入することから、チタンインゴットの不純物濃度が底部において比較的低く、頂部において濃縮されるという問題があった。

本発明の金属チタンの溶解装置は、原料チタン材の供給手段、原料チタン材を溶解する溶解炉、および原料チタン材を溶解炉へ移送する移送手段を備えた金属チタンの溶解装置において、移送手段上に設けられた分離手段によって、原料チタン材中に含まれる微粒または微粉をあらかじめ分離除去するものであり、移送手段は、振動数が５０〜１００Ｈｚである振動フィーダであり、分離手段は、振動フィーダの一部または全体に設けられて振動する目開きが１〜１０ｍｍである振動篩であることを特徴としている。

本発明によれば、チタン粒子の移送手段に設けられた分離手段によって、鉄あるいはニッケル等の不純物濃度の高い微粒または微粉を効果的に分離除去することができ、その結果、不純物濃度の低い金属チタンインゴットを効率良く製造することができる。また、チタンインゴット溶製工程の終盤にかけて集中的に増加・混入していた微粒または微粉も除去することができることから、従来問題になっていたチタンインゴットの頂部に不純物が濃縮される問題も効果的に解消することができる。

Ａ．実施形態の構成
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は、本発明を実施するための電子ビーム（ＥＢ）溶解装置の好適な装置構成例を表している。以下、原料チタン材がスポンジチタンである場合を例にとり説明するが、原料が、チタンスクラップあるいは切粉の場合にも同様に適用することができる。

図１において、符号１は、原料の貯留槽であるアルキメデス缶である。アルキメデス缶１の内部は、螺旋状の仕切りが設けられ、原料チタン材２が充填されている。アルキメデス缶１の原料チタン材排出口には、フィーダ３が配置されている。このフィーダ３は、上流から下流に向けて傾斜している、また、フィーダ３は、振動手段４に接続されており、この振動手段４の振動によって原料チタン材２を下流へと移動させる。フィーダ３の下流には、篩５が配置されている。篩５は、フィーダ３と同じく上流から下流に向けて傾斜しており、また、振動手段４に接続されている。振動手段４の振動に伴って、篩５の目より大きい粒子を下流へと移動させるとともに、篩５の目より細かい粒子を篩い落とす。

篩５の下流には、ＥＢハース６が配置されている。ここに供給された原料チタン材２は、電子ビーム照射装置７から照射される電子ビーム８によって溶融させられ、溶融チタン９を形成する。溶融チタン９は、ＥＢハース６の下流側に配置された図示しない鋳型に流し込まれ、チタンインゴットを形成する。

Ｂ．実施形態の動作
ＥＢ溶解で溶製されるチタンインゴットの成分規格を満足させるように原料を配合し、原料チタン材２を調製した後、アルキメデス缶１に原料チタン材２を充填する。原料チタン材２の充填されたアルキメデス缶１を電子ビーム溶解装置に装着後、アルキメデス缶１を回転させる。原料チタン材２は、アルキメデス缶１の回転に伴って順次送出されて行き、アルキメデス缶１の出口からフィーダ３上には常に一定量の原料が排出される。フィーダ３に接続された振動手段４の振動によって、排出された原料チタン材２はフィーダ３上を下流に向かって滑り移動しながら、フィーダ３の下流に取り付けられた篩５に移送させられる。

アルキメデス缶１の内部では、アルキメデス缶１の回転に伴って原料チタン材２の摩擦による崩壊が進行し、微粉または微粒が生成している。この微粉または微粒は、上述のように、原料チタン材２の不純物が偏析した部分であることが多く、鉄やニッケル等の不純物が濃縮されている。原料チタン材２にはこの微粉または微粒が付着あるいは混入しているので、これを篩５にかけ、振動手段４の振動によって篩い落とすことによって分離除去する。

微粉または微粒の分離除去された原料チタン材は、ＥＢハース６に供給されて、溶解炉内に設置された電子ビーム照射装置７から電子ビーム８が照射されて溶解される。原料チタン材２が溶融した溶融チタン９は溶融状態を保持しつつ、ＥＢハース６内の下流に移動し、図示しない水冷鋳型に導入されて冷却固化し、チタンインゴットを形成する。

以上のように、本発明では、不純物の濃縮された微粉または微粒が分離除去されているので、溶製されたチタンインゴットは、不純物濃度が低く抑えられ、かつ、インゴットの底部から頂部にかけて均一な不純物濃度となっている。

原料チタン材としてスポンジチタンを用いる場合、粒径を１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲に整粒したものを用いることが好ましい。上述したように、スポンジチタン中の不純物は微粒側に濃縮する傾向にあるため、１ｍｍよりも小さいスポンジチタンを用いることは品質を維持する上で好ましくない。一方、スポンジチタン粒が１００ｍｍを超えたものも使用することはできるが、ハンドリングや作業性を考慮すると１００ｍｍ以内に選別しておいた方が好ましい。

なお、前記したアルキメデス缶にスポンジチタンを投入するに先立って、あらかじめスポンジチタン中に含まれる微粒を篩別分離しておいても良い。このような予備処理を組み合わせることで、本発明の効果を一層高めることができる。

篩の網は、ステンレス製のものを使用することができるが、極微量の鉄、ニッケル、あるいはクロムの混入を嫌う場合には、金属チタンで構成しても良い。このような金属チタンで篩を構成することで、篩を通過した原料チタン材中の不純物を極めて低レベルに維持することができる。

篩の網目は、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲に設定しておくことが好ましい。篩の網目が１ｍｍ以下になると、スポンジチタン中に含まれる微粒あるいは微粉が網の上に残り、原料チタン材中の不純物濃度が高まる傾向があるからである。一方、１０ｍｍ以上に目開きを設定すると、スポンジチタンの歩留まりが低下して好ましくない。

振動フィーダの振動数は、５０〜１００Ｈｚの範囲が好ましい。振動数が高すぎると原料チタンの粉砕を促進して好ましくない。一方、振動数が小さすぎると、アルキメデス缶から排出されたスポンジチタンの移動速度が低下して生産性の低下をもたらす。

篩の網の下部に電磁石を配置しても良い。このように構成することで原料チタン材中の鉄等の磁性体不純物を効率良く分離除去することができる。

ハースを加熱する電子ビームはハース全体をスキャンしてハース内に保持されたチタンプール全体が溶融状態に保持される。この際、ハースを下流側から上流側に向かってチタンプール表面上をスキャンする方が好ましい。このようなスキャン方式を行うことで、ハースに溶解したプール表面にＬＤＩ（低密度介在物）が混入している場合には、このＬＤＩをハースのプール上流側に押し戻すことができ、ＬＤＩの混入のない金属チタンインゴットを製造することができる。

ＥＢ溶解炉を例として説明したが、本発明の金属の溶解装置は、ＶＡＲ溶解炉に対して適用することも可能である。

Ｃ．変形例
図２は、本発明の別の好ましい態様を表している。この態様では、アルキメデス缶１より排出された原料チタン材２が篩付フィーダ１０上を進み、ＥＢハース６に供給されている。本実施態様では、アルキメデス缶１から排出された原料チタン材２が図１のＥＢ溶解装置に比べて長い時間篩にかけられるので、原料チタン材２中の不純物をより効果的に分離除去することができる。その結果、不純物濃度の低いチタンインゴットを溶製することができる。

以上述べたように、本発明によれば、スポンジチタンあるいはチタンスクラップを原料としてＥＢ溶解またはＶＡＲ溶解して金属チタンを得るに際して、原料貯留槽であるアルキメデス缶から排出されたスポンジチタンあるいはチタンスクラップを篩を通過させることで、スポンジチタンあるいはチタンスクラップ中に混入している鉄、ニッケル等の不純物を効果的に分離除去することができる。

図１に示した電子ビーム溶解装置を使用して、粒径１〜１２ｍｍの高純度スポンジチタンからなる原料チタン材を充填した直径１５０ｃｍ×長さ１８０ｃｍのアルキメデス缶を電子ビーム溶解炉に装着した。ついで、アルキメデス缶を６ｒｐｍで回転させてアルキメデス缶内の原料スポンジチタンを振動フィーダに排出した。振動フィーダに排出されたスポンジチタンを振動フィーダの下流に配置された振動篩を通過させた後、ＥＢハースに供給して電子ビームによって溶融し、鋳型に流しこんで冷却し、金属チタンインゴットを製造した。また、図１において、篩を設けず、アルキメデス缶からフィーダを経てＥＢハースに直接スポンジチタンを供給して製造した金属チタンインゴットを比較例とした。

表１に原料および製品インゴット中のＦｅの分析値を、表２に原料および製品インゴット中のＮｉの分析値を示す。

表１および表２に示すように、従来のＥＢ溶解装置によって溶製されたチタンインゴット中の不純物濃度は、頂部に濃縮されているのに対し、本発明のＥＢ溶解装置によって溶製されたインゴットでは、頂部と底部での差異が殆どないばかりか、不純物濃度自体が抑制されている。

本発明によれば、不純物濃度が均一で、かつ高純度なチタンインゴットを製造することができる。

本発明の実施態様におけるＥＢ溶解装置を示す模式図である。 本発明の他の実施態様におけるＥＢ溶解装置を示す模式図である。

符号の説明

１ アルキメデス缶
２ 原料チタン材
３ （振動）フィーダ
４ 振動手段
５ （振動）篩
６ ＥＢハース
７ 電子ビーム照射装置
８ 電子ビーム
９ 溶融チタン
１０ 篩付フィーダ

Claims (5)

1. 原料チタン材の供給手段、上記原料チタン材を溶解する溶解炉、および上記原料チタン材を上記溶解炉へ移送する移送手段を備えた金属チタンの溶解装置において、
   上記移送手段上に設けられた分離手段によって、上記原料チタン材中に含まれる微粒または微粉をあらかじめ分離除去するものであり、
   上記移送手段は、振動数が５０〜１００Ｈｚである振動フィーダであり、上記分離手段は、上記振動フィーダの一部または全体に設けられて振動する目開きが１〜１０ｍｍである振動篩であることを特徴とする金属チタンの溶解装置。
2. 前記供給手段がアルキメデス缶であることを特徴とする請求項１に記載の金属チタンの溶解装置。
3. 前記原料チタン材が、スポンジチタン、切粉、チタンスクラップであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属チタンの溶解装置。
4. 前記溶解炉に供給される原料チタン材の粒径が１ｍｍ〜１００ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属チタンの溶解装置。
5. 前記溶解炉が電子ビーム溶解炉または真空アーク溶解炉であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属チタンの溶解装置。
   

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