JP5004195B2

JP5004195B2 - コールドクルーシブル溶解法

Info

Publication number: JP5004195B2
Application number: JP2009117444A
Authority: JP
Inventors: 康祐青木; 正彦室; 肇垣原
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2029-05-14
Also published as: JP2010264475A

Description

この発明は、ＢＣＣ型水素吸蔵合金などの金属の鋳塊を製造するコールドクルーシブル溶解法に関するものである。

金属原料を溶解炉の水冷坩堝内で誘導加熱によって溶解し、該坩堝の炉底を引き抜いて徐々に溶湯を凝固させることで長尺な鋳塊を製造することができるコールドクルーシブル溶解法が知られている。該コールドクルーシブル溶解法は、汚染が少なく、清浄度の高い鋳塊を製造できるという特徴を有している。
水素吸蔵合金、特にＢＣＣ型水素吸蔵合金では、含有酸素が特性を低下させることがあり、高温での溶解が必要であるため、一般の酸化性耐火物からなる坩堝を用いて鋳込みを行うと、坩堝からの微量酸素混入が合金の水素吸蔵特性、主に有効水素移動量や水素吸放出の反応速度、耐久性等に悪影響を及ぼすことがある。この点で、酸化性耐火物を坩堝に使用せず坩堝からの酸素汚染がない上記コールドクルーシブル溶解法は水素吸蔵合金の製造に好適に用いることができる。

一般的なコールドクルーシブル溶解装置は、雰囲気調整可能になっており、水冷の銅製などの坩堝の周囲に誘導コイルを配置し、坩堝底部に配した炉底部を下降させる引き抜き装置を設けて構成されている（例えば特許文献１参照）
また、炉底部上には、スターティングブロックを配置して溶湯の抜けを防止しており、該スターティングブロックには、一般に安価な炭素鋼が用いられるが、溶湯と同材料を用いる場合もある（例えば特許文献１）。
また、炉底部を下部材と上部材からなるスターティングタブとした鋳造装置も提案されている（特許文献２参照）。

特開平１１−２１１３５４号公報特開平８−１４１７０５号公報

しかし、スターティングブロックに炭素鋼などを使用すると、高融点材料などを金属原料として溶解する場合、炭素鋼の成分が溶解材に溶け出し、不純物元素となって合金性能が低下してしまうという課題がある、また、消耗品として、スターティングブロックを１チャージ毎に廃棄することが必要であり、製造コストを増大させる要因になるという問題もある。
これに対し、高融点材料などを溶解する場合に、スターティングブロックを溶解材料と同成分によって構成することで、スターティングブロックからの成分溶け出しを回避することができる。ところで、スターティングブロックと鋳塊とは良好な結合性が得られるようにスターティングブロック上面に溝を設ける構造が多いが、溶解時にスターティングブロックを溶かさずに溶湯を溝に流し込む条件は非常に難しく、引抜く時に両者の縁切りが生じやすく、この場合引き抜きが困難になるという問題が依然としてある。また、溶解後も溶湯の溶け込み具合によってはスターティングブロックから鋳塊を外すのが困難な場合もある。
また、上記特許文献２では、スターティングタブの上部材に冷却水室となる中空円筒部を設け、該上部材が溶湯により溶解されるのを防止している。しかし、上部材を十分に冷却すると、上記した溝に溶湯を良好に流し込むことが困難になるという問題が生じるため、上部材の溶解阻止と溝への溶湯流し込みとを両立させることが難しいという課題がある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、スターティングブロックから溶湯への汚染がなく、また、鋳塊とスターティングブロックとの縁切りが生じにくいコールドクルーシブル溶解法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明のコールドクルーシブル溶解法のうち、第１の本発明は、金属原料を追装しつつ該金属原料を溶解させる溶解炉の炉底部を引き抜いて金属鋳塊を製造するコールドクルーシブル溶解法において、前記炉底部上に、前記金属鋳塊の最終組成と略同じ組成からなり、溶解時に脱酸材を投入して脱酸を行った後の前記金属鋳塊の酸素含有量を想定して、該酸素含有量以下の酸素含有量に調整されたスターティングブロックを配置しておき、前記溶解初期には該スターティングブロック上で該スターティングブロックの一部とともに初装の前記金属を溶解させ、かつ脱酸材を連続または間欠的に溶湯に投入して脱酸を行い、その後は、前記脱酸を行いつつ前記金属原料を追装しながら該金属原料を溶解して前記引き抜きを行い、引き抜き完了後、前記スターティングブロックとともに製造された金属鋳塊の下方側を切断して、切断後の下方の余部をコールドクルーシブル溶解の際のスターティングブロックに使用することを特徴とする

第２の本発明のコールドクルーシブル溶解法は、前記第１の本発明において、前記金属原料がＢＣＣ型水素吸蔵合金であることを特徴とする。

本発明によれば、スターティングブロックを金属鋳塊の最終組成と略同じ組成（特に望ましくは同組成設計）にすることで、溶解初期にスターティングブロックを一部溶解させて鋳塊と一体化させても鋳塊を汚染することがない。また、溶解後にはスターティングブロックと鋳塊とが一体化されているので、スターティングブロックと鋳塊との縁切りが生じず、引き抜きを円滑に行うことができる。したがって、縁切り防止のためにスターティングブロックに溝などを形成することを不要にすることができ、製造工程を簡略にすることができる。
また、上記スターティングブロックは、鋳塊製造後に、鋳塊から切り離すことで再使用でき、製造コストの低減効果がある。再使用されるスターティングブロックも組成変動はなく、以降のコールドクルーシブル溶解においても鋳塊を汚染することなく使用することができる。

さらに、本発明では、コールドクルーシブル溶解に際し、溶解炉に脱酸材を投入して金属溶湯の脱酸を行う際に、脱酸後の金属鋳塊の酸素含有量を考慮して、スターティングブロックの組成における酸素含有量を前記脱酸後の酸素含有量以下にしておくのが望ましい。これによりスターティングブロックから溶湯へ酸素が取り込まれるのを回避でき、溶湯の脱酸効果を確実なものにすることができる。また、鋳塊を前記のように切断する際に、切断箇所によらず均等な組成が得られるため、精密な位置調整は必要とされず切断作業を容易に行うことができ、スターティングブロックの再使用に際しても溶湯の脱酸に支障なく使用することができる。

酸素含有量を低減したスターティングブロックは、コールドクルーシブル溶解法で得られる鋳塊に比べて相当にサイズが小さいため、真空溶解などの既知の適宜方法により容易に得ることができ、製造負担を格別に増大させるものでもない。

なお、溶解炉への上記脱酸材の投入は、一度に行うのではなく、連続的にまたは間欠的に行うのが望ましい。これにより追装される金属原料の溶湯に対しても効果的に脱酸を行うことができる。一度に大量の脱酸材を投入すると、大量の酸化物が生成され、それが溶湯表面に膜を張り、追装原材料が溶け込めなくなってしまうおそれがある。コールドクルーシブル溶解法において脱酸材を投入して鋳塊を製造するものとしては、水素吸蔵合金、特にＢＣＣ型の水素吸蔵合金が好適である。

以上、説明したように、本発明によれば、金属原料を追装しつつ該金属原料を溶解させる溶解炉の炉底部を引き抜いて金属鋳塊を製造するコールドクルーシブル溶解法において、前記炉底部上に、金属鋳塊の最終組成と略同じ組成からなるスターティングブロックを配置しておき、溶解初期には該スターティングブロック上で該スターティングブロックの一部とともに前記金属を溶解させ、その後は、前記金属原料を追装しながら該金属原料を溶解して前記引き抜きを行うので、溶湯に不純物元素が入り込んで汚染することなく金属鋳塊を得ることができる。また、溶湯とスターティングブロックとの縁切れもなく、円滑に溶解作業を行うことができる効果がある。
また、得られた鋳塊を切断して下方部をスターティングブロックとして再利用することが可能であり、これまでのように一度の溶解でスターティングブロックを廃棄する無駄を防ぐことができる。

本発明の一実施形態の溶解法に用いるコールドクルーシブル溶解装置の概略を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
図１は、コールドクルーシブル溶解装置１を示すものである。
該コールドクルーシブル溶解装置１は、銅製の水冷坩堝２を有し、該水冷坩堝２の外周に誘導加熱コイル３が配設されて溶解炉が構成されている。水冷坩堝２の上方に、脱酸材投入装置４と原料追装装置５とが配置されている。水冷坩堝２の下部側は、上昇、下降が可能な炉底部７で構成されており、該炉底部７は、引き抜き機構８によって昇降される。なお、水冷坩堝２は図示しないが雰囲気調整が可能になっている。

また、炉底部７上には、製造予定の鋳塊の最終組成と同じ組成を有する円盤状のスターティングブロック６が設置されている。該スターティングブロック６の下面側には、前記炉底部に設けた溝に係合する係合部６ａを有しており、該係合部６ａを炉底部７の溝に係合させる。これによりスターティングブロック６は、炉底部７とともに昇降する。スターティングブロック６は、ＶＩＭ炉などにより溶製した鋳塊から切り出して所望のサイズに作製する。該スターティングブロック６は、コールドクルーシブル溶解において脱酸されて製造される鋳塊の酸素含有量と略同じ酸素含有量に調整されている。

脱酸材投入装置４は、Ｙ、Ｈｆなどの脱酸材が収容され、上記水冷坩堝２内に、連続または間欠的に脱酸材を投入することができる。
原料追装装置５は、ＢＣＣ型水素吸蔵合金などの金属原料が収容され、逐次、上記水冷坩堝２内に金属原料を追装することができる。

次に、上記コールドクルーシブル溶解装置１による水素吸蔵合金の溶解方法について説明する。
上記水冷坩堝２内に初装の水素吸蔵合金を装入し、所定の雰囲気に調整した後、前記誘導加熱コイル３への通電によって前記水素吸蔵合金を誘導加熱して溶解する。この際にスターティングブロック６の上部側が同様に溶融する。水素吸蔵合金の溶落後、前記脱酸材投入装置４から脱酸材として収容したＹまたはＨｆを供給し、溶解炉２内の溶湯１０に所定の時間間隔で所定量を投入する。

次いで、前記引き抜き機構８で炉底部７を徐々に下降させるとともに、前記原料追装装置５から金属原料を前記溶解炉２内に追装する。すると、追装された原料が溶解するとともに、引き抜かれる溶湯が徐々に凝固を開始する。溶解初期には、一部が溶解したスターティングブロック６が金属溶湯１０とともに凝固して一体化し、その上方で水素吸蔵合金が凝固する。上記操作を繰り返すことで長尺鋳塊形状の水素吸蔵合金が得られる。

得られた水素吸蔵合金は、酸素含有量が効果的に低減されているとともに、脱酸材の残存も殆ど認められない。また、スターティングブロックに近接した水素吸蔵合金の凝固初期の部位も良好に酸素含有率が低減されており、鋳塊を歩留りよく使用することができる。
溶解完了後，鋳塊と一体となったスターティングブロックの下部側を初期のサイズに切り離す。このスターティングブロックは，再びコールドクルーシブル溶解に使用することができる。

以上、本発明について、上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、当然に本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。

１コールドクルーシブル溶解装置
２水冷坩堝
３誘導加熱コイル
４脱酸材投入装置
５原料追装装置
６スターティングブロック
７炉底部
８引き抜き機構
１０溶湯

Claims

金属原料を追装しつつ該金属原料を溶解させる溶解炉の炉底部を引き抜いて金属鋳塊を製造するコールドクルーシブル溶解法において、前記炉底部上に、前記金属鋳塊の最終組成と略同じ組成からなり、溶解時に脱酸材を投入して脱酸を行った後の前記金属鋳塊の酸素含有量を想定して、該酸素含有量以下の酸素含有量に調整されたスターティングブロックを配置しておき、前記溶解初期には該スターティングブロック上で該スターティングブロックの一部とともに初装の前記金属材料を溶解させ、かつ脱酸材を連続または間欠的に溶湯に投入して脱酸を行い、その後は、前記脱酸を行いつつ前記金属原料を追装しながら該金属原料を溶解して前記引き抜きを行い、引き抜き完了後、前記スターティングブロックとともに製造された金属鋳塊の下方側を切断して、切断後の下方の余部をコールドクルーシブル溶解の際のスターティングブロックに使用することを特徴とするコールドクルーシブル溶解法。
前記金属原料がＢＣＣ型水素吸蔵合金であることを特徴とする請求項１に記載のコールドクルーシブル溶解法。