JP5046385B2 - 金属の電子ビーム溶解炉および同炉を用いた金属の溶解方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビームを用いた金属の溶解炉に係り、特に、ハースから蒸発して電子銃に付着し、電子銃から剥離落下した蒸着物によりインゴット中に生成される低密度介在物（Ｌｏｗ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ、以下、ＬＤＩと略称する）及び高密度介在物（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ、以下、ＨＤＩと略称する）による汚染の少ない溶解炉および同炉を用いた金属の溶解方法を提供するものである。

高融点金属は、一般に融点が高くしかも大気との反応性が高いため、真空中もしくはアルゴンガスやヘリウムガスのような不活性ガス雰囲気中での溶解方法が採られている。

特にターゲット材に用いるような純度の高い金属を溶解するには、精製効果の高いと言われている電子ビーム溶解炉が好んで用いられている。電子ビーム溶解炉の中でも、不純物の精製効果の大きいハース式溶解炉が主流をなしている。

前記した電子ビーム溶解炉には、大気および装置自体からの汚染防止を目的とした種々の配慮がなされている。例えば、電子ビーム溶解炉においては、溶融保持された金属が蒸発して装置内壁や天井壁に付着したものが落下して溶融金属を汚染することが懸念されているが、そのような問題に対し、電子ビーム溶解炉において、金属蒸気凝縮保持用の撥型の窪みを複数配置した天井壁構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

前記天井壁は撥型構造を有しているため、電子ビーム溶解炉内に配置されたハースプールあるいは鋳型プールから発生した金属蒸気が撥型溝内に凝縮析出されて前記析出物が落下しにくく、その結果前記の凝縮物がハースあるいは鋳型内のプールに落下して、生成する金属を汚染するという課題を効果的に解消している。

また、ハース内に保持された溶湯の表面にスラグ層を設けてハースからの溶融金属の蒸発飛散を効果的に抑制する技術も開示されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、前記の解決手段を採用したとしても天井壁に析出した付着物がハースに落下混入するという事態を皆無にすることは困難でありその対策が求められている。

また、天井壁の内面を貫通して配置される電子銃の下方には、電子ビームの軌跡を遮るような付着物落下防止用の金網等を配置することが困難であるため、電子銃の先端部あるいはその周囲に付着した蒸着物あるいは電子銃の構成部品がハース溶湯面や鋳型プール面に落下しやすい傾向にある。

前記した電子銃を構成する陰極は、タングステンやタンタル等の高融点金属で構成されており、前記陰極近傍に析出した金属チタン付着物は、陰極の構成材である高融点金属に汚染される。前記高融点金属に汚染された金属チタン付着物が、ハースプールや鋳型プールに落下すると溶製された金属インゴットが高融点金属で汚染される好ましくない事態をもたらす。

更に、前記ハースに溶解原料を供給する原料供給部に前記金属チタン付着物あるいは電子銃の構成部品が落下して混入しても同様の問題を引き起こし改善が求められている。

このように、純度の高い金属を精度よくしかも安定して溶製するには、種々の課題が残されており、これらの課題を効果的に解決する方法が望まれている。
特開平１１−１３２６６４号 特開平０２−０８０５２７号

本発明は、電子ビームを用いた金属の溶解炉および溶解方法であって、とりわけ、電子ビーム溶解中に生起される不純物混入を効果的に回避する装置構成を有する溶解炉およびこの溶解炉を用いた金属の溶解方法の提供を目的としている。

かかる実情に鑑みて前記課題について鋭意検討を進めて来たところ、電子ビーム溶解炉を構成する電子銃について、平面配置においてハース領域、鋳型領域または原料供給領域外に電子銃を配置することにより、溶製されるインゴット中にＬＤＩ、ＨＤＩ等の介在物の生起を効果的に回避できることを見出し、本願発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、原料を供給する原料供給フィーダーと、原料を溶湯として保持するハースと、ハースの下流側に設けられた鋳型と、溶解炉本体の天井壁に設けられハースおよび鋳型内の原料を溶融させる電子銃とを備えた金属の電子ビーム溶解炉であって、平面配置において、ハース領域、鋳型領域および原料供給フィーダー領域外に電子銃を配置し、電子銃の周囲には、金属蒸気付着防止用のフードが配置され、フード表面にアルゴンガス層が形成されていることを特徴としている。

また、本願発明に係る電子ビーム溶解炉は、ハースに装着した溶湯飛散防止用のガードプレートの先端部を通る垂直平面と電子ビーム溶解炉を構成する天井壁との交線と、ガードプレートの先端部からガードプレートの延在方向に延長した平面と天井壁との交線とで囲まれた天井壁領域に電子銃を配置することを特徴とするものである。

さらには、本願発明に係る電子ビーム溶解方法は、前記の電子ビーム溶解炉を用いることを特徴とするものである。

本発明の電子ビーム溶解炉を用いることにより、天井壁に設けられた電子銃から剥離した蒸着物あるいは電子銃を構成する部品の落下による汚染がなく、ＬＤＩ、ＨＤＩ等の介在物を含まない純度の高い金属インゴットを効率良く製造できるという効果を奏するものである。よって、本発明にかかる電子ビーム溶解炉およびこれを用いて溶製された金属インゴットは、航空機材料は勿論のこと、ターゲット材の製造を目的とした高純度インゴットの溶製にも好適に供することができる。

更には、ハースから電子銃本体へ受ける電子線や輻射熱も緩和することができ、その結果、電子銃の寿命も引き延ばすことができるという効果を奏するものである。

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および図２は本発明を実施するための好適な装置構成例を表している。

本実施態様においては、溶解する金属がチタンである場合を例にとって説明するが、それ以外のジルコニウム、ニオブ、モリブデンやタンタルで場合においても本発明を効果的に実施することができる。

図１は、本発明の金属の電子ビーム溶解炉に係る電子銃１とハース３との好適な位置関係を表している。図１において、符号１は、スポンジチタン等のチタン原料を溶融させる電子ビームの発射源の電子銃であり、溶解炉本体の天井壁２に設けられている。天井壁２の下方には、ハース３が配置されており、スポンジチタン等のチタン原料を電子ビームにより溶融させてなる溶湯４を保持している。さらに、ハース３の端部には、ハース３内の溶湯４の飛散防止用ガードプレート３１が装着されている。以下、本実施態様を例にして、本願発明の好ましい態様につき説明する。

本願発明においては、電子銃１は、ハース３の占める平面領域外に存在する天井壁２に配置することが好ましく、ここで、「ハースの占める平面領域外」とは、ハース３を天井壁に投射した場合にその占める範囲外を意味する。より具体的には、図１に示したガードプレート３１の先端部を通る垂直平面Ｈと天井壁２が交わる交線と、前記ガードプレート３１の延在方向に延長した平面Ｓと天井壁２が交わる交線とで囲まれる範囲内にある天井壁２に電子銃１を配置することが好ましい。

本願発明においては、前記ガードプレート３１の水平面に対する傾斜角θは４５〜８０°の範囲に維持することが好ましい。前記、傾斜角が４５°以下の場合には、ガードプレート３１を装着したハース３内に保持した溶湯４の飛散を効果的に抑制することができない。一方、８０°を超える場合には、電子銃１がよりハース上方に位置するため金属蒸気が多量に付着し、またハース３内において電子銃１から照射される電子ビームの非照射領域が大きくなり好ましくない。よって、本願発明においては、ガードプレート３１の傾斜角は、４５〜８０°の範囲に維持することが好ましい。但し、電子ビームがガードプレートと干渉しないで、被溶解物に照射できる場合は８０°を超えて９０°でも良い。

また、前記電子銃１の周囲には、ハース３から飛散する金属蒸気が電子銃１に析出するのを防止するためのフード２１を電子銃１の周囲に配置することが好ましい。前記した金属蒸気析出防止用のフード２１を電子銃１に設ける場合には、前記フード２１を含めた電子銃１をハース３の占める平面領域外に配置することが好ましい。

電子銃１の開口部には金網等の付着物落下防止材を設置できないため蒸着物の落下が起こりやすく、前記蒸着物がハース内に保持したハースプールに落下した場合には、溶製されたインゴット中のＬＤＩ、ＨＤＩ等の介在物を混入させる原因となり好ましくないとされている。しかしながら、前記したような領域に電子銃１を配置することにより、前記電子銃１およびフード２１に凝縮した付着物がその下方に落下したとしても、その下方にはハース３が存在しないため前記付着物がハース３内に落下することを効果的に抑制することができる。

本願発明においては、図１に示した電子銃１の先端部Ｇから溶湯４のプール面中心Ｐまでの距離Ｌは、１ｍ〜３ｍの範囲に設定することが好ましいとされる。

前記の距離Ｌが１ｍ以下の場合には、溶湯４から電子銃１へのスプラッシュ等による被浴の確率が高まり好ましくない。一方、前記距離が３ｍを越えると電子ビームの空間ロスが顕著となり溶湯４の加熱効率が低下して好ましくない。よって、本願発明においては、前記の範囲に設定することが好ましい。

なお、前記のハース３と電子銃１との距離Ｌは、電子銃１の出力とも関連するが、本願発明においては、２５０ｋＷ／本〜８００ｋＷ／本の出力を有する電子銃に対して好適に適用することができる。

更に前記したハース内のプール面に対する電子ビームの照射領域の中心線と電子銃の先端から下ろした垂線となす角度を１０°〜５０°の範囲に規定することでより好ましい電子ビームによる加熱を行うことができる。

図２は、電子銃１から放射される電子ビームとハース３を構成する側壁との位置関係を表している。電子銃１は、前記したようにハース３の領域の外部の天井壁２に配置されている。よって、電子ビームが、ハース３の側壁３２に対して斜め左方向からハース３の内部に保持された溶湯４の浴面のうち図示した電子ビーム照射範囲１１に照射される場合、図２でいうハース左側の側壁３３と溶湯面との間に電子ビームの照射不可領域１２が形成される。

したがって、本発明においては、図２でハースを挟んで対称の位置に、図示しない別の電子銃１’を配置することが好ましい。前記したような別の電子銃１’を配置することでハース３内に形成される電子ビームの照射不可領域１０を無くし、効果的に加熱することができる。

図３は、電子ビーム溶解炉を構成する原料供給フィーダー５、ハース３および鋳型６とハース加熱用電子銃（以降、単に「ハース用電子銃」と呼ぶ場合がある）１３および１３’と鋳型内プール加熱用電子銃（以降、単に「プール用電子銃」と呼ぶ場合がある）１４および１４’の好ましい平面配置を表している。

図３に示すように、前記したハース用電子銃１３および１３’は、前記電子銃の鉛直中心から下ろした垂線の足が、ハース３の側壁を両側に延長した２本の平行線Ｌ１、Ｌ２に囲まれ（以降、「ハース用電子銃配置領域」と呼ぶ場合がある）、しかも、ハース３と原料供給フィーダー５の占める平面領域の外部に配置することが好ましい。

このような電子銃１の平面配置をとることで、電子銃１またはフード２１の先端部近傍に付着した析出物あるいは前記の構成材の一部がハース３内に保持された溶湯４または原料供給フィーダー５に落下することを防止し、その結果、ハース３内に保持された溶湯４の汚染を効果的に回避することができる。

次に、電子ビーム溶解炉を構成する鋳型６内に形成する鋳型内プール加熱用電子銃１４および１４’は、鋳型６および前記ハース３の占める平面領域外に配置することが好ましく、具体的には、鋳型６の中心を通りかつハース３の端辺に平行な線Ｌ３上であってかつ鋳型６および前記ハース３の占める平面領域外に前記鋳型プール加熱用電子銃２６を配置することが好ましい。

本願発明においては、図４に示すように、前記フード２１の表面にアルゴンガス層を形成させることが好ましい。更には前記フード２１の内面と外面の両面にアルゴンガス層を形成させることが好ましい。その結果、電子銃１およびフード２１の下方に配置されているハースプール５から飛散してくる金属蒸気の凝縮を効果的に回避することができるという効果を奏する。

前記アルゴンガスは、フード２１への金属蒸気の蒸着を抑制する効果を期待できる程度の流速を維持しておけば良く、具体的には、炉内圧力が０．０１〜０．１Ｐａ上昇する程度の流速を有するアルゴンガス流を形成しておくことが好ましい。

このような配置をとることで、電子銃１またはフード２の近傍に析出した付着物あるいは電子銃１またはフード２を構成する材料の一部が、鋳型２１内に溶融保持した溶融プール内に落下することを回避でき、その結果、溶製されたチタンインゴットの品質異常を効果的に回避することができる。

以上述べたように、本発明で開示した電子ビーム溶解炉を用いることで品質の安定したチタンインゴットを効率良く製造できるという効果を奏するものである。また、ハースから受ける電子線の反射は輻射熱も抑制することができるため、電子の寿命も効果的に引き延ばすことができるという効果も奏するものである。

［実施例１］
下記条件でチタンインゴットの溶製試験を実施した。
１．溶解設備
１）電子銃とハースとの関係
図３に示すように電子銃１の投影面が、ハース３、鋳型６および原料供給フィーダー５と重複しないように配置し、また、図１に示した電子銃１の先端部Ｇからハース３のプール面中心Ｐまでの距離Ｌを２．５ｍとした設備配置において、以下の条件でチタンインゴットの溶解試験を実施した。
２）溶解出力
ハース：８８５ｋＷ／ｍ^２
鋳型：８１０ｋＷ／ｍ^２
３）ハース寸法
溶解ハース：９００（Ｗ）×１５００（Ｌ）×２００（Ｄ）（ｍｍ）
４）鋳型内径：１３５０×８５０ｍｍ

２．溶製条件
１）溶解原料：スポンジチタン
２）原料粒度：１／２インチ以下
３）原料供給速度：３３ｋｇ／分

前記条件で、チタンインゴットを１５本溶製し、鍛造してチタンスラブに加工した後、鍛造および圧延を行い、厚さ１ｍｍの薄板を製造した。前記の薄板の検査段階で低密度介在物や未溶解物が原因と思われる介在物は検出されなかった。

［実施例２］
実施例１のインゴットを溶製後、炉内を解体整備することなく、炉内圧力が０．１Ｐａ上昇する流量のアルゴンガスを導入し電子銃１の周囲に配置したフード２１の表面にアルゴンガス流を形成させつつ、更に１０本のインゴットを溶製した。溶製されたインゴットを実施例１のように厚さ１ｍｍの薄板に加工し、薄板の検査を行ったがＬＤＩや未溶解物は検出されなかった。

［実施例３］
図１に示したガードプレート３１の傾斜角を様々に変更して、ハース内の溶湯の飛散状況とハース内の電子ビームの照射状況を調査した。その結果を表１に示す。ガードプレートの傾斜角が４０°では、ハース内の溶湯に対する加熱状況は好ましいが、ハースからのスプラッシュによる溶湯の飛散が頻繁に発生して好ましくない。これに反して８０°では、スプラッシュによる溶湯の飛散は殆ど発生しないが、電子銃からの金属蒸気付着物の落下が発生、またハース内への加熱状況が好ましくなく、溶湯温度の低下が見られた。このようにハースに装着したガードプレートの傾斜角は、４５〜８０°が好ましいことが分かった。

［比較例１］
実施例１において、電子銃１を、ハースの浴面上方に配置する以外は、同じ条件でチタンインゴットを５本溶製した。次いで鍛造および圧延により薄板を製造した。前記製造した薄板を検査したところ、薄板の一部から蒸着物の落下に起因すると思われるＬＤＩや未溶解物が検出された。

［比較例２］
フード２の表面にアルゴンガス流れ層を形成しない以外は実施例２と同じ条件下で１０本のインゴットを溶製後、厚さ１ｍｍの薄板まで加工した。前記薄板の検査段階でＬＤＩおよび未溶解物が検出された。

以上述べた実施例および比較例により、本発明に係る電子ビーム溶解炉を用いることで品質異常の少ない金属インゴットを安定して製造することができるという効果が確認された。

不純物含有率の極めて低い高純度チタン等の高純度金属を効率良く製造することができる。

本発明におけるハースと電子銃の位置関係を示す模式断面図である。 本発明におけるハースと電子銃の位置関係を示す模式断面図である。 本発明における原料供給フィーダー、ハースおよび電子銃の位置関係を示す模式平面図である。 本発明における電子銃の周囲に設けられたフードの一実施形態を示す模式断面図である。

符号の説明

１ 電子銃
１１ 電子ビーム照射領域
１２ 電子ビーム非照射領域
１３、１３’ ハースプール加熱用電子銃
１４、１４’ 鋳型プール加熱用電子銃
２ 天井壁
２１ フード
３ ハース
３１ ガードプレート
３２、３３ 側壁
４ 溶湯（ハースプール）
５ 原料供給フィーダー
６ 鋳型
７ アルゴンガス層

Claims (8)

1. 原料を供給する原料供給フィーダーと、上記原料を溶湯として保持するハースと、上記ハースの下流側に設けられた鋳型と、溶解炉本体の天井壁に設けられ上記ハースおよび上記鋳型内の原料を溶融させる電子銃とを備えた金属の電子ビーム溶解炉であって、
   平面配置において、ハース領域、鋳型領域および原料供給フィーダー領域外に電子銃を配置し、
   上記電子銃の周囲には、金属蒸気付着防止用のフードが配置され、
   上記フード表面にアルゴンガス層が形成されていることを特徴とする金属の電子ビーム溶解炉。
2. 前記ハース領域とは、平面配置において、前記ハースおよびハースに設けられた付帯設備を含む平面領域であり、前記鋳型領域とは、上記ハース下流に配置したインゴット生成用鋳型の占める平面領域であり、前記原料供給フィーダー領域とは、上記ハースに原料を供給する原料供給フィーダーの占める平面領域であることを特徴とする請求項１に記載の金属の電子ビーム溶解炉。
3. 前記付帯設備が、前記ハース内に保持する溶湯飛散防止用のガードプレートであることを特徴とする請求項２に記載の金属の電子ビーム溶解炉。
4. 前記ガードプレートの先端部を通る垂直平面と電子ビーム溶解炉を構成する天井壁と の交線と、上記ガードプレートの先端部からガードプレートの延在方向に延長した平面と上記天井壁との交線とで囲まれた天井壁領域に前記電子銃を配置することを特徴とする請求項３に記載の金属の電子ビーム溶解炉。
5. 前記水平面に対するガードプレートの傾斜角を４５°〜８０°の範囲とすることを特徴とする請求項４に記載の金属の電子ビーム溶解炉。
6. 前記ハース領域よりも外部に電子銃が配置され、前記電子銃の先端部と前記ハースのプール面中心との距離が１ｍ〜３ｍの範囲に選択されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属の電子ビーム溶解炉。
7. 前記金属が、チタン、ジルコニウム、ニオブ、モリブデンまたはタンタルであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属の電子ビーム溶解炉。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の電子ビーム溶解炉を用いて、原料金属の溶解およびインゴットの製造を行うことを特徴とする金属の電子ビーム溶解方法。
   

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