JP5066357B2

JP5066357B2 - 金属溶製用溶解装置およびこれを用いた金属の溶製方法

Info

Publication number: JP5066357B2
Application number: JP2006290351A
Authority: JP
Inventors: 敏昭持丸; 正康伊藤; 幸尋眞珠; 伸男深田
Original assignee: Toho Titanium Co Ltd
Current assignee: Toho Titanium Co Ltd
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2026-10-25
Also published as: JP2008107008A

Description

本発明は、チタンインゴットの溶解装置に関するもので、特に、ＬＤＩ（低密度不純物、ＬｏｗＤｅｎｓｉｔｙＩｍｐｕｒｉｔｙ）等の汚染源を極力抑えたチタンインゴットの溶製に好適な電子ビーム溶解装置およびこれを用いた金属の溶製方法に関する。

チタンインゴットは、通常、クロール法によって四塩化チタンを還元して製造されたスポンジチタンを粉砕整粒後、圧縮成形してブリケットにし、このブリケットを複数組み合わせて消耗電極として、この消耗電極を真空アーク炉にて溶解・再凝固して製造される。

金属チタンは、強度や耐食性等の特徴から幅広い分野で利用されており、なかでも、高純度チタンが求められる用途もある。最近ではターゲット用金属チタンの高純度化に対する要求が高まりつつあり、そのような高純度化に応えるため、電子ビーム溶解炉を用いた純度の高い金属チタンインゴットの製造方法が提案されている。

また、航空機向け用の金属チタンに対してはＬＤＩと呼ばれる介在物の混入が嫌われていることから、このような高品質の金属チタンの製造に際してはハース精製式電子ビーム溶解炉が盛んに利用されている。

前記したハース精製式電子ビーム溶解炉は、溶解前の原料チタン中に含まれるＬＤＩやＨＤＩ（高密度不純物、ＨｉｇｈＤｅｎｓｉｔｙＩｍｐｕｒｉｔｙ）を効率よく分離除去できるという効果を奏するものである。

しかしながら、金属チタンの溶解が行われる際、電子ビーム溶解炉内は１０^−３〜１０^−４Ｔｏｒｒ（０．１３〜０．０１３Ｐａ）の高い減圧状態に維持されるので、原料が溶融状態で保持されるハースや鋳型プールから溶解金属蒸気が盛んに発生する。

ここで図４は、電子ビーム溶解炉の構成を表している。天井壁１０に内装された電子銃２４から放射された電子ビームはハース２０に保持された溶融チタンプール２１および鋳型２６に保持された溶融チタンプール２５を金属チタンの融点以上に保持する。その際、電子ビーム溶解炉内の雰囲気は、高い減圧状態に維持されるので前記溶湯プール表面から溶融金属が蒸発する。

前記の金属蒸気は、電子ビーム溶解炉の天井壁１０に到達して冷却されて凝縮し、固体として析出する。このように、天井壁に析出した金属が電子ビーム溶解時間に比例して成長して析出量が増加し、最後には、析出物の付着力に比べて析出物の自重が大きくなり、天井壁１０から剥離して下方にある溶融チタンプール２１または２５内に落下するという問題がある。

前記の析出物は、ハース２０から蒸発した金属チタンであるので純度は高いものの、異種金属から構成されている天井壁に析出する際に天井壁から汚染され、不純物レベルが高い状態に変わっている場合が多い。よって、天井壁に析出した金属チタンがハースや鋳型プール内に落下して戻ってくることは好ましくないとされている。

このような析出物落下の問題については、電子ビーム溶解炉の天井壁の内面に析出物落下防止用の撥状の凹部を多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）。この公報に開示されている撥状の凹部を設けることにより、前記凹部に凝縮成長した析出物は、前記撥構造により自重により下方に落下しにくいという効果を奏するものである。

しかしながら、この方法をもってしても、前記撥状の凹部に析出物が蓄積して許容量を超えた後は、新たに析出する金属蒸気を収容することができず、全体の操業時間が前記の撥状凹部の容積に影響されるという新たな課題に直面する。

一方、ハースの上方に水冷式網目構造の凝縮板を配置することにより、ハースから蒸発してきた金属蒸気を凝縮回収する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、前記凝縮板に凝縮された金属の回収方法に関する記載は見当たらず、全体の操業を停止して凝縮板を回収しなければならないと考えられる。

また、特許文献２の従来技術には、ステンレス線材で織り込んだネットを鋳型プールの上方空間に配置することにより、鋳型プールから蒸発した金属を回収する技術も開示されている。しかしながら、同文献には、析出物が成長すると自重で鋳型プール内に落下して溶製されるインゴットの組成が変動し改善が必要であると記載されており、この技術によっても本発明の課題を解決することはできない。

また、ハースの上方に金属蒸気の凝縮ベルトを配置し、前記ベルトに凝縮した金属を振動によりハースに戻す技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、前記ベルトから受ける不純物汚染の問題についての言及は見当たらない。

さらには、ハースの上方および側壁を水冷壁で囲むことにより、ハースから蒸発する金属蒸気や原料中に含まれている塩化物を凝縮して回収する方法が開示されている（例えば、特許文献４参照）。しかしながら、ハース内に保持された溶融金属の蒸発量は少なくないため、前記の水冷壁では溶解終了まで析出物を落下させずに保持し続けることは難しいと思われる。

以上述べたように、航空機向けに好適な高純度金属チタンインゴットの溶製装置および技術が望まれているが、従来の電子ビーム溶解ではＨＤＩやＬＤＩの混入を極めて低いレベルにまで抑制することは難しい状況である。

特開平１１−１３２６６４号公報特開平１１−０６１２８８号公報米国特許第５２２２５４７号特開昭６２−０７７４２８号公報

本発明は、金属溶製用溶解装置を用いて高融点金属や高融点金属スクラップから純度の高い金属インゴットを溶製する際に、溶解装置の構成材に起因する不純物汚染の少ない電子ビーム溶解装置および同装置を用いた金属の溶製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を解決すべく鋭意検討を重ねてきたところ、金属溶製用溶解装置の天井壁を金属蒸気凝縮部材で内張りすることにより前記の課題を効果的に解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、原料金属を溶解し、凝固させて金属インゴットを得る金属溶製用溶解装置において、溶解装置の天井壁を金属蒸気凝縮部材で内張りしたことを特徴とするものである。

また、本発明における金属蒸気凝縮部材は、金属金網層または金属スクラップ層で構成されていることをさらなる特徴とし、炭素鋼または金属チタンで構成されていること、または、溶融金属と同種の金属でメッキされていることをそれぞれ好ましい態様とするものである。また、前記天井壁面に減圧吸引口を設けることを好ましい態様とするものである。

さらには、本発明の金属の溶製方法は、前記装置を用いて高融点金属を製造することを特徴とするものである。

本発明を実施することで、金属溶製用溶解炉内に保持したハースあるいは鋳型内に保持した溶融金属プールから蒸発した金属蒸気が金属蒸気凝縮材に析出し、その後も、前記析出物が長時間に亘って、下方に落下することなく金属蒸気凝縮材に保持されるという効果を奏する。

その結果、前記金属インゴットを溶製するために用いた金属溶製用溶解炉の構成材からの汚染を効果的に回避できるという効果を奏するものである。

よって、本発明を実施することにより金属溶製用溶解炉で生成する金属インゴットの品質を高い水準に維持する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。
本発明は、電子ビーム溶解炉や真空アーク溶解炉等の天井壁に適用でき、また、数多くの種類の金属の溶製に適用できるが、本実施態様においては、金属溶製用の溶解炉として電子ビーム溶解炉を、また、溶製される高融点金属として金属チタンを例にとって好ましい態様につき以下の詳細に説明する。

図４は、本発明を適用することのできる電子ビーム溶解炉の構成例である。符号２２は、原料供給手段であり、原料供給手段２２によって原料金属２３をハース２０に供給する。原料金属２３は、天井壁１０に設けられた電子ビーム照射手段２４によって電子ビームを照射されて溶解し、溶融金属プール２１を形成する。

ハース２０の下流側には、鋳型２６が設けられ、ここにハース２０から溶融金属が供給される。鋳型２６の上方の天井壁１０にも電子ビーム照射手段２４が設けられており、溶融金属プール２６が形成されている。鋳型２７の下部には、溶融金属プール２６が凝固してなるインゴット２７が保持されており、引き抜き手段２８を下方に引き抜くと共に溶融金属をハース２０から鋳型２６へ供給することによって、インゴット２７を連続的に製造することができる。

以上説明した電子ビーム溶解炉等の金属の溶解装置においては、既に述べたように、操業中に溶融金属プール２１および２５から絶えず金属蒸気が発生し、天井壁１０に析出し、析出物が落下して、溶融金属プール２１および２５を汚染するという問題があった。本発明は、このような装置において天井壁１０に改良を加えて、この問題を解決したものである。すなわち、本発明は、天井壁１０の表面に金属蒸気凝縮部材を配置することを特徴とするものである。

金属蒸気凝縮部材としては、ハースおよび鋳型内に溶融保持されたプールから蒸発飛散してくる金属蒸気を凝縮させるために効率の良い構造が好ましく、そのような要求特性を満たす装置構成例を図１に示した。図１においては、天井壁１０面と平行に、天井壁から近い順に細目金網１１、粗目金網１２、および、金属板に複数の孔を有してなるパンチングメタル１３の３層を積層して配置され、それぞれの部材が、支持部材１４によって天井壁１０に固定されている。

ここで重要なことは、鉛直下方から上方に向かって配置されている金属蒸気凝縮部材の開口面積が次第に減少するように構成する点にある。よって、前記パンチングメタル１３の代わりに、粗目金網１２よりもさらに目の粗い金網を配置することもできる。

前記金網の目開きは、金属蒸気を通過するが、最終段すなわち天井壁１０の最も近くに設ける細目金網１１は、金属蒸気が凝縮しやすい大きさに設定しておくことが好ましい。そのようは範囲として、具体的には、１５〜２０ｍｍの範囲の金網を選択することが好ましい。また、粗目金網１２としては、２０〜６０ｍｍの範囲の金網を選択することが好ましいが、粗目金網１２の目開きが常に細目金網１１の目開きより大きくなるよう構成することが必要である。

また、パンチングメタル１３の孔径は、金属蒸気を通過することができる大きさであれば良いが、析出した金属固形物による閉塞を考慮すると６０〜１６０ｍｍの範囲に設定しておくことが好ましい。また、パンチングメタル１３の厚みは、成形性と高温強度を考慮して１〜６ｍｍの板圧を選択することが好ましい。更に、パンチングメタル１３の材質は、ステンレス鋼あるいは金属チタンで構成することが好ましい。

図２は、本発明に係る別の装置構成を表している。本実施態様においては、図１に示した金網の代わりに金属切粉１５およびパンチングメタル１３を金属蒸気凝縮部材として用いた例を表している。パンチングメタル１３は、固定部材によって天井壁１０に固定され、パンチングメタル１３と天井壁に囲まれた空間に金属切粉１５が充填されている。このような装置構成においては、図１に比べて装置構成が単純であるために、保守整備の手間が図１の実施態様に比べて削減されるという効果を奏するものである。

前記金属切粉１５の材質は特に制限はないが、高温の腐蝕に耐えうるステンレス鋼や金属チタンで構成することが好ましい。また、前記切粉に代えて、金属の不織布やワイヤ等のスクラップあるいは金属蒸気の析出に好適な金属材料で構成することもできる。

図３は、更に別の好ましい態様を表している。本実施態様においては、天井壁１０の表面に吸引口１６を設けたことを特徴とするものである。この吸引口１６は、図示しない減圧装置または電子ビーム溶解炉の排気系に接続しておくことが好ましい。なお、図３は、図２の実施態様に吸引口１６を加えた構成を例示しているが、図１の実施態様に吸引口１６を設けることも可能である。

このような装置構成とすることで、ハースあるいは鋳型プールから飛散してくる金属蒸気を効率よく捕集できるという効果を奏するものである。

図１〜図３に示した金属凝縮部材の構成部材は、炭素鋼あるいはステンレス鋼で構成することができるが、溶製されるインゴットに対する要求特性が厳しい場合には、金属チタンで構成することが好ましい。

以上は、純チタンを溶解する場合を例にとって好ましい態様を説明したが、金属チタンよりも蒸気圧の高い合金成分を含む合金を溶解する場合にも前記した金属凝縮部材を天井壁に適用することにより、ハースあるは鋳型プールから飛散してくる金属蒸気を好適に凝縮保持することができる。

なお、この際には、金属凝縮部材全体を金属チタンよりも蒸気圧の高い合金成分と同じ金属でメッキしておくことが、より好ましい。金属凝縮部材を蒸気圧の高い合金成分でメッキしておくことで、ハースあるいは鋳型プールから飛散してくる金属蒸気を効率よく補捉することができる。

例えば、金属アルミニウムを含む６Ａｌ−４Ｖ合金を溶解する場合には、金属アルミニウムが優先的に蒸発して天井壁に凝縮する傾向にある。この場合には、本発明に関する金属蒸気凝縮部材を溶融アルミニウムでメッキしておくこともできる。

このような溶融アルミニウムメッキを施すことで、前記ハースや鋳型内の溶融プールから飛散してくるアルミニウム蒸気を効率よく凝縮回収することができる。

なお、図１〜図３に示した金属凝縮部材の底面は天井壁と平行になるように曲面状に構成されているが、必ずしも両者が平行である必要は無く、金属凝縮部材の底面は平板状に構成してもよい。このような構成とすることで前記金属凝縮部材の製作が容易になるのみならず、保守点検の手間も削減できるという効果を奏するものである。

また、以上の説明では３層構造の金属凝縮部材を例示したが、積層数は３層に限定されず、任意の積層数とすることができる。

以上述べた実施態様においては、電子ビーム溶解炉を対象としたが、本発明は、これ以外の真空下で行う誘導溶解炉やレーザービーム溶解炉のみならず、スパッタリング装置にも好適に適用することができる。また、チタン以外のタンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、シリコン等の高融点金属の溶製に対しても好適に本発明を適用することができる。

以上述べたように、本発明に係る金属凝縮部材を電子ビーム溶解炉の天井壁に配置することで、前記電子ビーム溶解炉内に保持されたハースや鋳型プールから飛散する金属蒸気を効率よく凝縮させることができ、さらには、凝縮生成した固体析出物の落下も併せて回避することができるという効果を奏するものである。

［実施例１］
１．装置
１）溶解炉：電子ビーム溶解炉
２）出力：１１００ｋＷ
３）溶製されるインゴットサイズ：６６０ｍｍ（φ）ｘ２７００ｍｍ（Ｌ）
４）天井壁：３層金網構造
図４に記載の電子ビーム溶解炉において図１に示した天井壁構造を用い、電子ビーム溶解炉の溶解室を開放することなく、8本のチタンインゴットを溶製した。溶解終了後、電子ビーム溶解炉を開放して天井壁に設けた金属凝縮部材の様子を観察したが、前記金属凝縮部材に析出した金属が落下した形跡は見つからなかった。

［比較例１］
実施例１において、図１に示した３層の金属凝縮部材に代わりに、粗めの金網のみで構成した１層の金属凝縮部材を用いて、実施例１と同じ数のインゴットを溶製した。その結果、前記金網の一部に析出金属の剥がれた箇所が数箇所見つかった。

本発明は、チタンインゴットを溶解するに際して、純度の高いチタンインゴットを製造する際の電子ビーム溶解に適用できる。

本発明の電子ビーム溶解炉に用いられる天井壁の一実施形態を示す模式断面図である。本発明の電子ビーム溶解炉に用いられる天井壁の他の実施形態を示す模式断面図である。本発明の電子ビーム溶解炉に用いられる天井壁の他の実施形態を示す模式断面図である。本発明において用いられる電子ビーム溶解炉の構成例である。

符号の説明

１０天井壁
１１細目金網
１２粗目金網
１３パンチングメタル
１４固定部材
１５金属切粉
１６吸引口
２０ハース
２１溶融金属プール
２２原料供給手段
２３原料金属
２４電子ビーム照射手段
２５溶融金属プール
２６鋳型
２７金属インゴット
２８引き抜き手段

Claims

原料金属を溶解し、凝固させて金属インゴットを得る金属溶製用溶解装置において、上記溶解装置の天井壁を金属蒸気凝縮部材で内張りし、上記金属蒸気凝縮部材が、積層構造を有する金網層であることを特徴とする金属溶製用溶解装置。
原料金属を溶解し、凝固させて金属インゴットを得る金属溶製用溶解装置において、上記溶解装置の天井壁を金属蒸気凝縮部材で内張りし、上記金属蒸気凝縮部材が、内部が金属スクラップで充填された多孔板で構成されていることを特徴とする金属溶製用溶解装置。
積層構造を有する前記金網層の目開きが、天井壁側に向かう程、密に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属溶製用溶解装置。
前記金網層の目開き位置が、積層方向に対して千鳥格子状に配置されていることを特徴とする請求項１または３に記載の金属溶製用溶解装置。
前記金属蒸気凝縮部材が、溶解する金属と同種の金属でメッキされていることを特徴とする請求項２に記載の金属溶製用溶解装置。
前記金属蒸気凝縮部材が、炭素鋼または金属チタンで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の金属溶製用溶解装置。
前記天井壁面に減圧吸引口が設けられてい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溶製用溶解装置。
前記溶解装置が、電子ビーム溶解炉、レーザービーム溶解炉、または、誘導溶解炉であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の金属溶製用溶解装置。
請求項１〜８に記載された金属蒸気凝縮部材を配置した金属溶製用溶解装置を用いて金属を溶製することを特徴とする金属の溶製方法。
前記溶製される金属が、チタン、タンタル、シリコン、モリブデン、ニオブ、タングステンまたはこれらの合金であることを特徴とする請求項９に記載の金属の溶製方法。