JP5379583B2 - Manufacturing method of ultra high purity alloy ingot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超高純度(極低不純物含有量)が要求される高級ステンレス鋼や超合金などの合金鋳塊の製造方法に関し、特に、製品鋳塊の重量が10kg以上の実用規模鋳塊を製造するのに好適な製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an alloy ingot such as high-grade stainless steel or superalloy that requires ultra-high purity (very low impurity content), and in particular, a practical scale ingot having a product ingot weight of 10 kg or more. The present invention relates to a manufacturing method suitable for manufacturing.
合金の耐食性に悪影響を及ぼす不純物元素として、炭素[C]、窒素[N]、酸素[O]、リン[P]、硫黄[S]などが知られている。また、これらの不純物元素濃度を極限まで低減させることにより、合金の耐食性が大幅に改善されることも知られている。 Known impurity elements that adversely affect the corrosion resistance of the alloy include carbon [C], nitrogen [N], oxygen [O], phosphorus [P], and sulfur [S]. It is also known that the corrosion resistance of the alloy is greatly improved by reducing the concentration of these impurity elements to the limit.
これらの不純物元素の濃度は、例えば[C]+[N]+[O]+[P]+[S]<100ppmとすることが目標となる。従来のステンレス鋼の量産製造法では、これら不純物元素の総量は高純度化されたステンレス鋼であっても250ppmほどであった。 The target concentration of these impurity elements is, for example, [C] + [N] + [O] + [P] + [S] <100 ppm. In the conventional mass production method of stainless steel, the total amount of these impurity elements is about 250 ppm even for highly purified stainless steel.
一方、電解鉄、電解ニッケル、金属クロムなどの高純度合金原料を用いて、真空誘導溶解装置により溶製を行う方式であれば、[P],[S]は10〜20ppm程度に、[N],[O]は20〜30ppm程度に、[C]は30〜50ppm程度にまで、不純物元素を低減することができ、かなり高純度な合金鋳塊を製造することができる。しかしながら、高価な高純度合金原料を用いる必要がある。 On the other hand, in the case of using a high-purity alloy raw material such as electrolytic iron, electrolytic nickel, and metallic chromium, and performing melting by a vacuum induction melting apparatus, [P] and [S] are about 10 to 20 ppm, and [N ], [O] can be reduced to about 20 to 30 ppm, and [C] can be reduced to about 30 to 50 ppm, and an alloy ingot having a considerably high purity can be produced. However, it is necessary to use an expensive high-purity alloy raw material.
次に、リン[P]などの不純物元素の除去技術として、1970年台には、非特許文献1に示されるような還元精錬技術が報告されている。この報告では、エレクトロスラグ再溶解(ESR)装置を用いている。この報告は、金属Caを用いる還元精錬手法の初期の報告であり、還元精錬法によりCr含有合金中からリン[P]などの不純物元素が、原理的に除去精錬可能であることを示した報告である。また、1980年代には、特許文献1〜3に示されるような、水冷銅るつぼを用いる磁気浮揚型の誘導溶解装置(コールドクルーシブル式誘導溶解装置)を用いた還元精錬技術が報告されている。この精錬技術は、ステンレス鋼の溶解自体を誘導加熱して合金溶湯プールを形成させ、これに金属Caおよびフッ化カルシウム(CaF2)を精錬剤として添加して、リン[P]などの不純物元素を除去するものである。 Next, as a technique for removing impurity elements such as phosphorus [P], a reduction refining technique as shown in Non-Patent Document 1 has been reported in the 1970s. In this report, an electroslag remelting (ESR) apparatus is used. This report is an early report of the reduction refining technique using metal Ca, and shows that impurity elements such as phosphorus [P] can be removed and refined in principle from the Cr-containing alloy by the reduction refining process. It is. In the 1980s, reduction refining technology using a magnetic levitation type induction melting apparatus (cold crucible induction melting apparatus) using a water-cooled copper crucible as shown in Patent Documents 1 to 3 has been reported. In this refining technique, melting of stainless steel itself is induction-heated to form a molten alloy pool, to which metal Ca and calcium fluoride (CaF 2 ) are added as a refining agent, and an impurity element such as phosphorus [P] Is to be removed.
一方、金属Caを用いる還元精錬を施すと、ステンレス鋼中のCa含有量が数百ppm程度まで増加することが、非特許文献1および特許文献1〜3に示されている。合金中のCa濃度が増加すると、合金特性が劣化することが懸念される。すなわち、金属Caを除去する技術が必要となる。 On the other hand, Non-Patent Document 1 and Patent Documents 1 to 3 show that when reductive refining using metallic Ca is performed, the Ca content in stainless steel increases to about several hundred ppm. When the Ca concentration in the alloy increases, there is a concern that the alloy characteristics deteriorate. That is, a technique for removing the metal Ca is required.
金属Ca自体は、蒸気圧が高いため、ほとんどの金属Ca成分は、溶解を行うことで自然に蒸発除去されることとなるが、若干のCaは合金中に残留することとなる。これらを完全に分離除去するためには、何らかの酸化精錬が必要となる。 Since the metal Ca itself has a high vapor pressure, most of the metal Ca components are naturally evaporated and removed by dissolution, but some Ca remains in the alloy. In order to completely separate and remove these, some oxidation refining is required.
また、溶解原料(合金原料)として、ステンレス鋼スクラップ、炭素鋼、フェロクロム材などの廉価原料を用いると、炭素[C],珪素[Si],マンガン[Mn],アルミニウム[Al]などが溶解原料から必然的に持ち込まれることとなる。特に、超高純度ステンレス鋼などのスクラップを原料として用いる場合は、リン[P],硫黄[S],錫[Sn],鉛[Pb]などの不純物元素は十分に除去されているが、場合によっては、珪素[Si],アルミニウム[Al],チタン[Ti],ジルコニウム[Zr],ハフニウム[Hf],硼素[B]などが持ち込まれる。したがって、目標とする合金組成中の[C],[Si],[Mn],[Al],[Ti],[Zr],[B]含有量を低くする必要のある場合は、これらの除去精錬が必要となる。 Moreover, when inexpensive raw materials such as stainless steel scrap, carbon steel, and ferrochrome materials are used as melting raw materials (alloy raw materials), carbon [C], silicon [Si], manganese [Mn], aluminum [Al], etc. are dissolved raw materials. Will inevitably be brought in. In particular, when scrap such as ultra-high purity stainless steel is used as a raw material, impurity elements such as phosphorus [P], sulfur [S], tin [Sn], and lead [Pb] are sufficiently removed. In some cases, silicon [Si], aluminum [Al], titanium [Ti], zirconium [Zr], hafnium [Hf], boron [B] and the like are brought in. Therefore, when it is necessary to reduce the [C], [Si], [Mn], [Al], [Ti], [Zr], and [B] contents in the target alloy composition, these are removed. Refining is required.
例えば、極限の耐食性が求められる超高純度ステンレス鋼材では、[Si]<0.01wt%,[Mn]<0.01wt%,[B]<1ppm,[Ca]<1ppmなどが求められる場合がある。このような材料要求に対応するためには、これら元素の除去技術の確立が不可欠となる。これら元素は、先の[Ca]と同様に、合金の基本となるFeやNiに比べて、より活性な元素であり、これらを除去するためには、酸化精錬が必要となる。 For example, in ultra-high purity stainless steel materials that require extreme corrosion resistance, [Si] <0.01 wt%, [Mn] <0.01 wt%, [B] <1 ppm, [Ca] <1 ppm may be required. is there. In order to meet such material requirements, it is essential to establish a technology for removing these elements. These elements, like [Ca], are more active elements than Fe and Ni, which are the basis of the alloy, and oxidative refining is required to remove them.
コールドクルーシブル式誘導溶解法において、これら活性元素を除去する方法は、例えば特許文献4に記載されている。まず、内径φ84mmの水冷銅るつぼを用いるコールドクルーシブル式浮揚溶解装置を用いて、これに高Crフェライト系耐熱鋼(10Cr)2kgを溶解させる。そして、溶湯プールに酸化鉄10gを添加して[Al]を酸化させる。その後、フッ化カルシウム(75g)をフラックスとして添加することにより、酸化アルミニウムをCaF2系フラックスに吸収除去する。特許文献4に記載されたこの報告には、酸化剤として酸化鉄が有効であることが示されている。しかしながら、実施例を見ると、炭素[C]などは除去できていない。また、φ84mmの原理確認規模での試験であり、例えば10kg以上の実用規模での精錬を行う具体的な精錬条件は、いまだ明らかとはなっていない。 In the cold crucible induction dissolution method, a method for removing these active elements is described in Patent Document 4, for example. First, 2 kg of high Cr ferritic heat resistant steel (10Cr) is dissolved in a cold crucible levitation melting apparatus using a water-cooled copper crucible having an inner diameter of φ84 mm. Then, 10 g of iron oxide is added to the molten metal pool to oxidize [Al]. Thereafter, calcium fluoride (75 g) is added as a flux to absorb and remove aluminum oxide into the CaF 2 flux. This report described in Patent Document 4 shows that iron oxide is effective as an oxidizing agent. However, when an Example is seen, carbon [C] etc. cannot be removed. Moreover, it is a test on the principle confirmation scale of φ84 mm, and specific refining conditions for performing refining on a practical scale of, for example, 10 kg or more have not yet been clarified.
なお、コールドクルーシブル式誘導溶解法技術について記載されたその他の文献として例えば特許文献5、6に記載されたものもある。 Other documents describing the cold-crucible induction melting technique are described in Patent Documents 5 and 6, for example.
すなわち、本発明が解決しようとする課題は、コールドクルーシブル式誘導溶解法を利用した酸化剤として酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物を用いる酸化精錬技術において、少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素、あるいは炭素とともに珪素、アルミニウムなどを含む不純物元素を、合金中から除去できる方法を明示すること、および、この酸化精錬技術を、製品鋳塊重量が例えば10kg以上となる実用規模の精錬技術にまで発展させるための方法を明示することにある。 That is, the problem to be solved by the present invention is that, in an oxidation refining technique using an oxide of a predetermined main component element such as iron oxide as an oxidizing agent using a cold-crucible induction melting method, at least carbon and calcium are used. Clarifying a method capable of removing impurity elements containing silicon or impurity elements containing carbon, silicon, aluminum, etc. from the alloy, and this oxidative refining technology can be used for refining on a practical scale with a product ingot weight of, for example, 10 kg or more. It is to specify a method for developing into technology.
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、製品鋳塊重量が例えば10kg以上となる実用規模の合金溶湯プールから少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素、あるいは炭素とともに珪素、アルミニウムなどを含む不純物元素を、除去するために不可欠となる、酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物の添加量、ならびにフラックスの成分組成およびその添加率の範囲などを見出し、この知見に基づき本発明が完成するに至ったのである。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that an ingot element containing at least carbon and calcium, or silicon, aluminum, etc. together with carbon from a practical scale molten alloy pool having a product ingot weight of, for example, 10 kg or more. In this knowledge, we found the amount of oxide added to the main constituent elements of a given alloy composition, such as iron oxide, which is indispensable for removing impurity elements containing iron, as well as the component composition of flux and the range of its addition rate. Based on this, the present invention has been completed.
すなわち本発明は、コールドクルーシブル式誘導溶解装置の水冷銅るつぼに合金原料を投入して、所定の合金組成に成分調整した合金溶湯プールを形成する溶湯プール形成工程と、前記合金溶湯プールに精錬剤を添加した後、チャンバー内の不活性ガスを排気して排気状態を15分以上保持し、少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素を除去する精錬工程と、を備える超高純度合金鋳塊の製造方法である。そして、前記精錬剤は、酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤とCaハライド組成フラックスとの混合物であり、前記Caハライド組成フラックスは、フッ化カルシウムに酸化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-CaO、フッ化カルシウムに塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-CaCl2、または、フッ化カルシウムに酸化カルシウムおよび塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-(CaO+CaCl2)である。前記酸化剤の添加重量を、前記合金溶湯プール中の前記少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素を全量酸化させるために算出される算出重量の0.2倍以上、4.0倍以下とする。また、前記精錬工程において、前記合金溶湯プールの重量に対する前記Caハライド組成フラックスの添加率を、0.5wt%以上、5.0wt%以下とする。 That is, the present invention includes a molten pool forming step of forming an alloy molten pool having components adjusted to a predetermined alloy composition by introducing an alloy raw material into a water-cooled copper crucible of a cold crucible induction melting apparatus, and a refining agent in the molten alloy pool And a refining step of removing an impurity element containing at least carbon and calcium by evacuating an inert gas in the chamber after the addition of gas and maintaining the exhaust state for 15 minutes or more, and a method for producing an ultra-high purity alloy ingot It is. The refining agent is a mixture of an oxidizing agent that is an oxide of a predetermined main component element of an alloy composition such as iron oxide and a Ca halide composition flux, and the Ca halide composition flux includes calcium oxide in calcium fluoride. 5-30 wt% compounded CaF 2 -CaO, CaF 2 -CaCl 2 and 5-30 wt% blend of calcium chloride to calcium fluoride, or, CaF 2 formulated 5-30 wt% calcium oxide and calcium chloride in the calcium fluoride -(CaO + CaCl 2 ). The added weight of the oxidizing agent is set to be 0.2 times or more and 4.0 times or less of a calculated weight calculated for oxidizing the impurity elements including at least carbon and calcium in the molten alloy pool. Further, in the refining step, the addition ratio of the Ca halide composition flux with respect to the weight of the molten alloy pool is set to 0.5 wt% or more and 5.0 wt% or less.
また本発明において、前記Caハライド組成フラックスは、フッ化カルシウムに酸化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-CaO、または、フッ化カルシウムに酸化カルシウムおよび塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-(CaO+CaCl2)であり、前記酸化剤の添加重量を、前記合金溶湯プール中の少なくとも炭素、カルシウム、アルミニウムおよび珪素を含む不純物元素を全量酸化させるために算出される算出重量の2.0倍以上、4.0倍以下とし、前記精錬工程において、前記合金溶湯プールの重量に対する前記Caハライド組成フラックスの添加率を、3.0wt%以上、5.0wt%以下とすることが好ましい。 In the present invention, the Ca halide composition flux, CaF 2 -CaO was 5-30 wt% blending calcium oxide calcium fluoride or,, CaF 2 formulated 5-30 wt% calcium oxide and calcium chloride in the calcium fluoride -(CaO + CaCl 2 ), and the addition weight of the oxidizing agent is 2.0 times the calculated weight calculated to oxidize all impurity elements including at least carbon, calcium, aluminum, and silicon in the molten alloy pool As described above, it is preferable that the addition ratio of the Ca halide composition flux with respect to the weight of the molten alloy pool is 3.0 wt% or more and 5.0 wt% or less.
さらに本発明において、前記した超高純度合金鋳塊の製造方法により製造した鋳塊に、脱酸元素系の合金成分を添加して、合金化することが好ましい。 Further, in the present invention, it is preferable to add a deoxidizing element-based alloy component to the ingot produced by the above-described method for producing an ultra-high purity alloy ingot to form an alloy.
さらに本発明において、前記した超高純度合金鋳塊の製造方法により製造した鋳塊を1次鋳塊とし、コールドハース式電子ビーム溶解装置の水冷銅製皿状容器に前記1次鋳塊を供給して、5×10−4mbarよりも低い気圧下において、当該水冷銅製皿状容器内と当該水冷銅製皿状容器に隣接する水冷銅鋳型内とに、合金溶湯プールを形成する第2溶湯プール形成工程と、前記水冷銅製皿状容器内の合金溶湯プールに第2精錬剤を添加して、不純物元素である炭素を除去する第2精錬工程と、を備え、前記第2精錬剤は酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤であり、前記第2精錬剤の添加重量を、前記1次鋳塊の合金溶湯プール中の前記不純物元素である炭素を全量酸化させるために算出される算出重量の1.0倍以上、4.0倍以下とすることが好ましい。 Further, in the present invention, the ingot produced by the above-described method for producing an ultra-high purity alloy ingot is used as a primary ingot, and the primary ingot is supplied to a water-cooled copper dish-like container of a cold hearth type electron beam melting apparatus. Forming a second molten metal pool in the water-cooled copper dish-shaped container and in the water-cooled copper mold adjacent to the water-cooled copper dish-shaped container at a pressure lower than 5 × 10 −4 mbar. And a second refining step of removing carbon as an impurity element by adding a second refining agent to the molten alloy pool in the water-cooled copper dish-shaped vessel, wherein the second refining agent is iron oxide or the like In order to oxidize the carbon as the impurity element in the molten alloy pool of the primary ingot, the added weight of the second refining agent 1.0 of the calculated weight calculated in It is preferable to make it not less than twice and not more than 4.0 times.
本発明によれば、少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素、あるいは炭素とともに珪素、アルミニウムなどを含む不純物元素を、合金中から除去することができる。また、製品鋳塊重量が例えば10kg以上となる超高純度な合金の実用規模鋳塊を溶製により製造することができる。 According to the present invention, an impurity element containing at least carbon and calcium, or an impurity element containing silicon, aluminum, and the like together with carbon can be removed from the alloy. Moreover, a practical scale ingot of an ultra-high purity alloy having a product ingot weight of, for example, 10 kg or more can be manufactured by melting.
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、文部科学省からの委託研究の成果を利用してなされたものである。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention was made | formed using the result of the commissioned research from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology.
(コールドクルーシブル式誘導溶解装置を用いた酸化精錬方法)
前記したように、本発明は、コールドクルーシブル式誘導溶解装置1の水冷銅るつぼ3に例えば原料フィーダー2により合金原料を投入して、当該合金原料を例えばコイル5により誘導溶解させて、所定の合金組成に成分調整した合金溶湯プール6を形成する溶湯プール形成工程と、形成された合金溶湯プール6に精錬剤を添加した後、チャンバー内の不活性ガスを排気して排気状態を15分以上保持し、少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素を除去する精錬工程と、を備える超高純度合金鋳塊の製造方法である。そして、上記精錬剤は、酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤とCaハライド組成フラックスとの混合物である。このCaハライド組成フラックスは、フッ化カルシウムに酸化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-CaO、フッ化カルシウムに塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-CaCl2、または、フッ化カルシウムに酸化カルシウムおよび塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-(CaO+CaCl2)である。本製造方法では、酸化鉄の添加重量を、合金溶湯プール6中の少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素を全量酸化させるために算出される算出重量の0.2倍以上、4.0倍以下とする。また、前記精錬工程において、合金溶湯プール6の重量に対するCaハライド組成フラックスの添加率を、0.5wt%以上、5.0wt%以下とする(番号は、添付の図1を参照)。
(Oxidative refining method using cold crucible induction melting equipment)
As described above, according to the present invention, the alloy raw material is introduced into the water-cooled copper crucible 3 of the cold crucible induction melting apparatus 1 by, for example, the raw material feeder 2, and the alloy raw material is inductively melted by, for example, the coil 5 to obtain a predetermined alloy. A molten pool forming step for forming a molten alloy pool 6 whose composition is adjusted to the composition, and a refining agent is added to the formed molten alloy pool 6, and then the inert gas in the chamber is exhausted to maintain the exhausted state for 15 minutes or more. And a refining process for removing impurity elements including at least carbon and calcium. The refining agent is a mixture of an oxidizing agent which is an oxide of a predetermined main component element of an alloy composition such as iron oxide and a Ca halide composition flux. The Ca halide composition flux the calcium oxide to calcium fluoride CaF 2 -CaO formulated 5-30 wt%, calcium chloride calcium fluoride CaF 2-CaCl 2 was blended 5-30 wt%, or, calcium fluoride CaF 2 that calcium oxide and calcium chloride were formulated 5-30 wt% - a (CaO + CaCl 2). In this manufacturing method, the added weight of iron oxide is 0.2 times or more and 4.0 times or less of the calculated weight calculated for oxidizing all the impurity elements including at least carbon and calcium in the molten alloy pool 6. To do. In the refining step, the addition rate of the Ca halide composition flux with respect to the weight of the molten alloy pool 6 is set to 0.5 wt% or more and 5.0 wt% or less (see the attached FIG. 1 for the numbers).
本発明の超高純度合金鋳塊の製造方法によると、少なくとも炭素およびCaを含む不純物元素を合金中から除去することができ、かつ、製品鋳塊の重量が10kg以上の超高純度合金鋳塊を製造することができる。ある程度の熱間加工を施し、実用規模での部品を形成するためには、少なくとも10kg以上程度の製品鋳塊重量が必要となる。 According to the method for producing an ultra high purity alloy ingot of the present invention, an impurity element containing at least carbon and Ca can be removed from the alloy, and the weight of the product ingot is 10 kg or more. Can be manufactured. In order to perform a certain amount of hot working and form a part on a practical scale, a product ingot weight of at least about 10 kg is required.
超高純度合金鋳塊の成分組成は、その使用の目的により、様々な成分組成とすることができる。すなわち、本発明の製造方法は、Feを主成分とする合金材料、Niを主成分とする合金材料、Fe−Niを主成分とする合金材料、またはCoなどを主成分とする合金材料、などの合金原料への適用が可能である。なお、好適には、Fe−Niを主成分とするFe基Ni基合金材料に本発明の製造方法を適用することである。また、超高純度とは、現在すでに多用されている同種合金の鋳塊に比べて、不純物元素とされる炭素、Caなどの含有量がきわめて少ないことを意味する。 The component composition of the ultra-high purity alloy ingot can be varied depending on the purpose of use. That is, the manufacturing method of the present invention includes an alloy material mainly composed of Fe, an alloy material mainly composed of Ni, an alloy material mainly composed of Fe-Ni, or an alloy material mainly composed of Co, etc. It can be applied to alloy raw materials. Preferably, the production method of the present invention is applied to an Fe-based Ni-based alloy material mainly composed of Fe-Ni. In addition, ultra-high purity means that the contents of carbon, Ca, and the like, which are impurity elements, are extremely small as compared with ingots of the same type of alloy that are already widely used.
本発明の製造方法を実施するためには、図1に示したような、水冷銅るつぼ3を有する磁気浮揚型のコールドクルーシブル誘導溶解(CCIM)方式の溶解設備(コールドクルーシブル式誘導溶解装置1)が不可欠であり、一般的な耐火物るつぼを用いる誘導溶解方式には適用できない。これは、精錬用フラックスとしてフッ化カルシウム(CaF2)などのCaハライド系フラックスを用いる必要があるためである。通常の耐火物るつぼ方式では、耐火物るつぼが溶融フッ化カルシウムなどにより、著しく溶損されて、加熱用水冷銅コイルの溶損-水蒸気爆発などの事故につながる危険性があるためである。 In order to carry out the production method of the present invention, a magnetic levitation type cold crucible induction melting (CCIM) type melting apparatus (cold crucible type induction melting apparatus 1) having a water-cooled copper crucible 3 as shown in FIG. Is indispensable and cannot be applied to the induction melting method using a general refractory crucible. This is because it is necessary to use a Ca halide flux such as calcium fluoride (CaF 2 ) as a refining flux. This is because, in the normal refractory crucible system, the refractory crucible is significantly melted by molten calcium fluoride, etc., and there is a risk of causing an accident such as erosion of the water-cooled copper coil for heating and a steam explosion.
コールドクルーシブル式誘導溶解装置1の水冷銅るつぼ3の内径D(m)は、10kg以上の合金溶湯プール6を形成させるために、直径0.2m以上とすることが望ましい。水冷銅るつぼ3の内径が、直径0.2m以下の場合、形成できる合金溶湯プール6の重量が少なくなり、10kg以上の合金溶湯プール形成に対しては、実用的と言えない。 The inner diameter D (m) of the water-cooled copper crucible 3 of the cold crucible induction melting apparatus 1 is preferably 0.2 m or more in diameter in order to form a molten alloy pool 6 of 10 kg or more. When the inner diameter of the water-cooled copper crucible 3 is 0.2 m or less, the weight of the molten alloy pool 6 that can be formed is reduced, which is not practical for forming an molten alloy pool of 10 kg or more.
ここで、超高純度合金を溶製するための溶解原料としては、例えば金属Caを用いて精錬した合金鋳塊などを用いることができるが、そのような鋳塊原料中には、特にNiを合金成分として含有する合金鋳塊において、相当量の金属Caが鋳塊中に残留することとなる。例えば、Ni含有量が0(ゼロ)の合金の場合は、残留[Ca]濃度=約0.02wt%であり、20wt%程度の合金の場合は、残留[Ca]濃度=約0.05wt%となる。Ni含有量が35wt%程度の合金では、残留[Ca] 濃度=約0.09wt%となる。Ni含有量が45wt%程度の合金では、残留[Ca]濃度=約0.12wt%となる。さらに、Ni含有量が60wt%程度のNi基合金では、残留[Ca]濃度=約0.5wt%となる場合もある。このように、金属Caを用いて精錬した合金鋳塊中には、相当量の[Ca]が残留することとなる。合金鋳塊中の[Ca]などのアルカリ土類元素やアルカリ金属元素などは、耐食性を劣化させることが知られている。よって、超高純度合金鋳塊を製造するためには、これら不純物元素含有量を0.001wt%以下、望ましくは1ppm以下にまで低減しておくことが好ましい。 Here, as a melting raw material for melting an ultra-high purity alloy, for example, an alloy ingot refined using metal Ca can be used. In such an ingot raw material, in particular, Ni is used. In the alloy ingot contained as the alloy component, a considerable amount of metal Ca remains in the ingot. For example, in the case of an alloy having a Ni content of 0 (zero), the residual [Ca] concentration = about 0.02 wt%, and in the case of an alloy of about 20 wt%, the residual [Ca] concentration = about 0.05 wt%. It becomes. In an alloy having a Ni content of about 35 wt%, the residual [Ca] concentration is about 0.09 wt%. In an alloy having a Ni content of about 45 wt%, the residual [Ca] concentration = about 0.12 wt%. Further, in a Ni-based alloy having a Ni content of about 60 wt%, the residual [Ca] concentration may be about 0.5 wt%. Thus, a considerable amount of [Ca] remains in the alloy ingot refined using metal Ca. It is known that alkaline earth elements such as [Ca] and alkali metal elements in the alloy ingot deteriorate the corrosion resistance. Therefore, in order to produce an ultra-high purity alloy ingot, the content of these impurity elements is preferably reduced to 0.001 wt% or less, desirably 1 ppm or less.
また、金属Caを用いての還元精錬の際、Caにより比較的還元されやすい、炭素、アルミ、などの元素が不純物として増加しやすい。[C]では30ppm程度、[Al]や[Si]に関しては0.005wt%程度の濃度増加が発生する場合がある。これらは、チャンバー(真空チャンバー4)内に付着する有機物やセラミック類が、金属Caにより還元されて、合金溶湯プール6中に吸収されるためと考えられる。これは、金属Caを用いての還元精錬を行う際にしばしば発生する現象であることが判明している。これらの不純物元素も、必要に応じて除去する必要がある。 Further, during reduction refining using metal Ca, elements such as carbon and aluminum that are relatively easily reduced by Ca are likely to increase as impurities. [C] may cause an increase in concentration of about 30 ppm, and [Al] and [Si] may increase in concentration by about 0.005 wt%. It is considered that these are because organic substances and ceramics adhering in the chamber (vacuum chamber 4) are reduced by the metal Ca and absorbed into the molten alloy pool 6. This has been found to be a phenomenon that often occurs when reductive refining using metallic Ca. These impurity elements also need to be removed as necessary.
また、超高純度合金を溶製するための溶解原料としては、超高純度合金スクラップなども適用可能である。この場合、リン[P],硫黄[S],錫[Sn],鉛[Pb]などの不純物元素は十分に低い状態にあるが、合金元素として、アルミニウム[Al],チタン[Ti],ジルコニウム[Zr],珪素[Si]などが添加されている可能性があり、これら目標の合金組成に調整するためには、一旦これら合金元素を除去する必要がある。 Moreover, as a melting raw material for melting an ultra-high purity alloy, ultra-high purity alloy scrap or the like can be applied. In this case, impurity elements such as phosphorus [P], sulfur [S], tin [Sn], and lead [Pb] are in a sufficiently low state, but aluminum [Al], titanium [Ti], zirconium are used as alloy elements. [Zr], silicon [Si] or the like may be added, and in order to adjust to these target alloy compositions, it is necessary to remove these alloy elements once.
さらに、溶解原料として、比較的に高純度な原料である電解鉄,電解ニッケル,金属クロムなどを用いる場合でも、不純物元素として、[Si],[Al],[B]などが含まれる可能性もあり、必要に応じてこれら元素を除去する必要がある。 Furthermore, even when electrolytic iron, electrolytic nickel, metallic chromium, or the like, which is a relatively high purity raw material, is used as a melting raw material, there is a possibility that [Si], [Al], [B], etc. are included as impurity elements. There is also a need to remove these elements as necessary.
溶解原料として、廉価原料である市販ステンレス鋼スクラップ,低炭素鋼材、フェロクロムなどの合金鉄材などを用いる場合は、[C],[Si],[Mn],[Al],[Ca]などの不純物元素が、数百から数千ppmのレベルで多量に含まれる場合があり、目的とする超高純度合金を溶製しようとする場合は、最初に、これら不純物元素を除去しておく必要がある。 Impurities such as [C], [Si], [Mn], [Al], [Ca], etc. when using commercially available steel scraps, low-carbon steel materials, ferrochrome and other alloy iron materials as low-cost raw materials Elements may be contained in a large amount at a level of several hundred to several thousand ppm, and when trying to melt the intended ultra-high purity alloy, it is necessary to remove these impurity elements first. .
一方、超高純度が要求される合金においては、炭素[C]<10ppm、ケイ素[Si]<0.01wt%などが要求される場合もある。よって、[Ca]とともに[C]、[Si]などを除去する技術が必要となる。また、硼素[B]が著しく耐食性を劣化させることもあり、[B]<1ppmが要求される場合もある。 On the other hand, in an alloy that requires ultra-high purity, carbon [C] <10 ppm, silicon [Si] <0.01 wt%, or the like may be required. Therefore, a technique for removing [C], [Si] and the like together with [Ca] is required. Further, boron [B] may significantly deteriorate the corrosion resistance, and [B] <1 ppm may be required.
ステンレス溶湯プール中の[C]不純物元素は、これを除去するために、次式の反応により脱炭反応を促進させる必要がある。
[C]+[O]→CO(g)↑
この反応を進めるには、合金溶湯プール6中に酸素[O]を供給するとともに、発生するCO(g(ガス))を除去して、CO分圧を低下させ、反応を促進させる必要がある。この具体的な手段として、合金溶湯プール6への酸素供給のために、酸素ガスを使用することも可能ではある。しかし、CO(g)の除去には、真空排気を行い、発生COガスを排出し続けることが有効となるため、ガス状での酸素供給よりは、固体状での酸素源となる酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤を添加する方が有効である。特に、金属Caにより還元精錬された合金鋳塊中には、残留酸素[O]は多くの場合5ppm以下となっており、酸素源のない状態となっていることから、脱炭反応用の酸素源の供給が不可欠となる。
In order to remove the [C] impurity element in the molten stainless steel pool, it is necessary to promote the decarburization reaction by the reaction of the following formula.
[C] + [O] → CO (g) ↑
In order to proceed with this reaction, it is necessary to supply oxygen [O] into the molten alloy pool 6 and remove generated CO (g (gas)) to reduce the CO partial pressure and promote the reaction. . As a specific means, oxygen gas can be used for supplying oxygen to the molten alloy pool 6. However, for removing CO (g), it is effective to evacuate and continue to discharge the generated CO gas. Therefore, rather than supplying oxygen in a gaseous state, iron oxide serving as a solid oxygen source, etc. It is more effective to add an oxidant which is an oxide of a main component element of a predetermined alloy composition. In particular, residual oxygen [O] is often 5 ppm or less in an alloy ingot reductively refined with metal Ca, and is in a state where there is no oxygen source. Source supply is essential.
また、炭素以外の合金元素として、[Si],[Al],[Ti],[Zr],[Hf],[B],[Ca]などの、鉄やニッケルと比べてその酸化物が熱力学的に安定となるような活性金属元素を除去しようとする場合は、以下のような酸化精錬反応を進め、それぞれの酸化物をスラク゛中に分離除去する必要がある。
[Si]+2[O]→(SiO2)
2[Al]+3[O]→(Al2O3)
[Ti]+2[O]→(TiO2)
[Zr]+2[O]→(ZrO2)
2[B]+3[O]→(B2O3)
[Ca]+[O]→(CaO)
In addition, as an alloy element other than carbon, oxides such as [Si], [Al], [Ti], [Zr], [Hf], [B], and [Ca] are heated compared to iron and nickel. In order to remove the active metal element that is mechanically stable, it is necessary to proceed with the following oxidative refining reaction and separate and remove each oxide in the slack.
[Si] +2 [O] → (SiO 2 )
2 [Al] +3 [O] → (Al 2 O 3 )
[Ti] +2 [O] → (TiO 2 )
[Zr] +2 [O] → (ZrO 2 )
2 [B] +3 [O] → (B 2 O 3 )
[Ca] + [O] → (CaO)
また、合金鋳塊中の[Ca]については、溶解するだけでも蒸発除去されるが、若干量は合金鋳塊中に残留する可能性がある。これを完全に除去するには、同じく、酸化精錬を行うことが重要である。これらの元素を酸化物にしてスラグとして吸収する際、溶融スラグ層7中のCaOと反応させて、より安定な化合物として、溶融スラグ層7中でのこれら成分の活量を低下させておくことが、除去精錬反応にとっては有効である。例えば、[Si]を酸化して形成されるSiO2は、CaOと反応させて、Ca2SiO4などの安定した化合物とすることにより、溶融スラグ層7中のSiO2活量を低下させて、[Si]の酸化反応を進行させやすくすることが有効である。同様に、Al2O3、TiO2、B2O3などについても、CaOと反応させて化合物化し溶融スラグ層7中の活量を低下させることが、これら元素の酸化除去精錬にとって有効である。そのため、溶融スラグ層7中のCaO量を、酸化反応により発生する種々のこれら酸化物の量に見合うようにしておくことが有効である。
[Ca] in the alloy ingot is removed by evaporation only by melting, but a slight amount may remain in the alloy ingot. In order to remove this completely, it is also important to carry out oxidative refining. When these elements are converted into oxides and absorbed as slag, they are reacted with CaO in the
本酸化精錬では、合金原料を水冷銅るつぼ3に投入して、不活性ガス雰囲気下において、所定の合金組成に成分調整した合金溶湯プール6を形成させた後、以下の条件を満足する精錬操作を施すことにより、炭素[C],珪素[Si],アルミニウム[Al],チタン[Ti],ジルコニウム[Zr],ハフニウム[Hf],硼素[B]などの活性元素の不純物元素を除去精錬する。合金溶湯プール6の下には合金凝固スカル層8が形成される。また、不活性ガスとしては、ArガスやHeガスなどを用いる。真空チャンバー4内を不活性ガス雰囲気とするためには、事前に、真空ポンプにより真空チャンバー4内の排気を行った後、Arガスなどを導入する。
In this oxidation refining, an alloy raw material is charged into a water-cooled copper crucible 3 to form a molten alloy pool 6 having components adjusted to a predetermined alloy composition in an inert gas atmosphere, and then a refining operation that satisfies the following conditions: To remove and refine the impurity elements of the active elements such as carbon [C], silicon [Si], aluminum [Al], titanium [Ti], zirconium [Zr], hafnium [Hf], boron [B]. . An alloy solidified
内径φ220mmの水冷銅るつぼ3を有するコールドクルーシブル式誘導溶解装置1を用いて、多数の試験および検討を行い、明らかとなった精錬条件は次の通りである。 Using the cold-crucible induction melting apparatus 1 having a water-cooled copper crucible 3 having an inner diameter of φ220 mm, a number of tests and examinations were conducted, and the refining conditions revealed were as follows.
(1)精錬剤として、酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤とCaハライド組成フラックスとを混合した精錬剤を合金溶湯プール6に添加すること。
合金原料がFe基合金の場合、酸素源となる酸化剤としては、Fe2O3、またはFe3O4などの酸化鉄を使用する。また、Ni基合金やFe−Ni基合金の場合は、酸化剤として酸化ニッケルなどを用いることも可能である。Co基合金の場合は、酸化コバルトなどを用いる。これらの酸化剤は、固体の酸化剤であり(酸素ガスのような気体ではない)、換言すれば酸化金属からなる酸化剤である。酸化反応の結果、発生する酸化物を、溶融スラグ層7中に安定して吸収させる必要がある。そこで、酸化物吸収能の高いフラックスとして、フッ化カルシウム(CaF2)や塩化カルシウム(CaCl2)などのCaハライド系フラックスに、CaOを添加したフラックスとしている。
(1) As a refining agent, a refining agent obtained by mixing an oxidizing agent that is an oxide of a predetermined main component element of an alloy composition such as iron oxide and a Ca halide composition flux is added to the molten alloy pool 6.
When the alloy raw material is an Fe-based alloy, iron oxide such as Fe 2 O 3 or Fe 3 O 4 is used as an oxidant serving as an oxygen source. In the case of a Ni-based alloy or a Fe-Ni-based alloy, nickel oxide or the like can be used as an oxidizing agent. In the case of a Co-based alloy, cobalt oxide or the like is used. These oxidizing agents are solid oxidizing agents (not gases such as oxygen gas), in other words, oxidizing agents made of metal oxides. As a result of the oxidation reaction, it is necessary to stably absorb the oxide generated in the
(2)上記Caハライド系フラックスは、基本成分のCaF2より低融点化させた成分系とし、CaF2−CaO(5〜30wt%)、CaF2−CaCl2(5〜30wt%)、またはCaF2−(CaO+CaCl2)(5〜30wt%)系を使用すること。ここで、例えば、CaF2−CaO(5〜30wt%)とは、フッ化カルシウムに酸化カルシウムを5〜30wt%(フッ化カルシウムに対する比率)配合したものである。また、CaF2−(CaO+CaCl2)(5〜30wt%)とは、フッ化カルシウムに対して、酸化カルシウムと塩化カルシウムとを合わせて計5〜30wt%配合したものである。 (2) The Ca halide-based flux is a component system having a lower melting point than the basic component CaF 2 , and is CaF 2 —CaO (5 to 30 wt%), CaF 2 —CaCl 2 (5 to 30 wt%), or CaF. Use the 2- (CaO + CaCl 2 ) (5-30 wt%) system. Here, for example, CaF 2 —CaO (5 to 30 wt%) is obtained by blending calcium oxide with 5 to 30 wt% (ratio to calcium fluoride) in calcium fluoride. CaF 2 − (CaO + CaCl 2 ) (5 to 30 wt%) is a mixture of calcium fluoride and calcium chloride combined with calcium fluoride in a total of 5 to 30 wt%.
フラックスを低融点化させることで、合金溶湯プール6からの伝熱により添加フラックスが容易に溶融して溶融スラグ層7が形成される。これにより、反応を促進させることができる。酸化反応により生成する酸化物を吸収するためには、CaOを含有するフラックスがより有効である。また、発生する酸化物を安定な化合物にするために必要なCaO量を、あらかじめフラックスに含有させた成分系がより有効となる。
By reducing the melting point of the flux, the added flux is easily melted by the heat transfer from the molten alloy pool 6 to form the
なお、フッ化カルシウムに配合するCaOが30wt%以上になると、CaOの溶け残りなどが発生するためと推定されるが、フラックスが溶解されにくくなり、スラグ浴の流動性が低下するため、これ以上の添加は有効では無いと判断された。また、塩化カルシウムの場合、低融点化の効果が大きいため、Ni含有量が多く、その融点が低い合金に対して有効である。ただし、蒸発損失が激しいため、これも30wt%以上のフッ化カルシウムへの配合は、精錬操作が不安定となることから、30wt%以下が適切と見出された。 In addition, when CaO mix | blended with calcium fluoride will be 30 wt% or more, it is estimated that the undissolved part of CaO etc. generate | occur | produces, but since it becomes difficult to melt | dissolve a flux and the fluidity | liquidity of a slag bath falls, it is beyond this. Was determined to be ineffective. In the case of calcium chloride, since the effect of lowering the melting point is large, it is effective for an alloy having a high Ni content and a low melting point. However, due to severe evaporation loss, it was found that 30 wt% or less was appropriate for blending with calcium fluoride of 30 wt% or more because the refining operation became unstable.
(3)合金溶湯プール6の重量M(kg)に対するCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mは、0.5≦{Flx}M≦5.0(wt%)の範囲を満足すること。ここで、{Flx}M(wt%)は、次式で定義される。
{Flx}M=WFlx/M×100
WFlx:添加するするCaハライド組成フラックスの重量(kg)
M:合金溶湯プール6の重量(kg)
Caハライド組成フラックスの添加率が少なすぎると、発生酸化物の吸収効果が得られないことから、少なくとも合金溶湯プール6の重量の0.5wt%のフラックス量は必要である。一方、{Flx}Mが5.0wt%以上になると、合金溶湯プール6からの伝熱が不足し、溶融スラグ層7が形成されにくくなるため、5.0wt%を上限とする。
(3) The addition rate {Flx} M of the Ca halide composition flux with respect to the weight M (kg) of the molten alloy pool 6 satisfies the range of 0.5 ≦ {Flx} M ≦ 5.0 (wt%). Here, {Flx} M (wt%) is defined by the following equation.
{Flx} M = WFlx / M × 100
WFlx: Weight of added Ca halide composition flux (kg)
M: Weight of molten alloy pool 6 (kg)
If the addition ratio of the Ca halide composition flux is too small, the effect of absorbing the generated oxide cannot be obtained. Therefore, a flux amount of at least 0.5 wt% of the weight of the molten alloy pool 6 is necessary. On the other hand, when {Flx} M is 5.0 wt% or more, heat transfer from the molten alloy pool 6 is insufficient and the
なお、精錬剤として添加するCaハライド組成フラックスの重量は、通常の取り扱いでは、フラックス中の濃度として整理されることが多い。しかしながら、合金溶湯プール6の重量M(kg)に対する重量割合として整理する方が、所要のCaハライド組成フラックス量を直接的に把握しやすいことから、Caハライド組成フラックスの添加量を上記した{Flx}Mで表すこととした。なお、合金溶湯プール6の重量Mは、水冷銅るつぼ3に投入する前の合金原料の重量と等しい。 The weight of the Ca halide composition flux added as a refining agent is often arranged as a concentration in the flux in normal handling. However, since it is easier to directly grasp the required amount of Ca halide composition flux when organizing it as a weight ratio with respect to the weight M (kg) of the molten alloy pool 6, the addition amount of the Ca halide composition flux described above {Flx } It was decided to express with M. The weight M of the molten alloy pool 6 is equal to the weight of the alloy raw material before being put into the water-cooled copper crucible 3.
(4)上記混合精錬剤中の酸化鉄(FexOy)の添加重量(WFexOy(kg))は、以下の条件を満足すること。
0.2×MFeO≦WFexOy≦4.0×MFeO
ここで、
MFeO=M/100×([C]/12.01+2×[Si]/28.09+1.5×[Al]/26.98+2×[Ti]/47.9+2×[Zr]/91.22+2×[Hf]/178.49+1.5×[B]/10.811+[Ca]/40.08−[O]/15.9994)/y×(55.85×x+16.0×y)
M:合金溶湯プール6の重量(kg)
[C]:合金溶湯プール6中のC濃度(wt%)
[Si]: 合金溶湯プール6中のSi濃度(wt%)
[Al]合金溶湯プール6中のAl濃度(wt%)
[Ti]: 合金溶湯プール6中のTi濃度(wt%)
[Zr]: 合金溶湯プール6中のZr濃度(wt%)
[Hf]: 合金溶湯プール6中のHf濃度(wt%)
[B]: 合金溶湯プール6中のB濃度(wt%)
[Ca]: 合金溶湯プール6中のCa濃度(wt%)
[O]: 合金溶湯プール6中のO濃度(wt%)
(4) The added weight (WFexOy (kg)) of iron oxide (FexOy) in the above mixed refining agent satisfies the following conditions.
0.2 × MFeO ≦ WFexOy ≦ 4.0 × MFeO
here,
MFeO = M / 100 × ([C] /12.01+2× [Si] /28.09+1.5× [Al] /26.98+2× [Ti] /47.9+2× [Zr] /91.22+2× [ Hf] /178.49+1.5× [B] /10.811+ [Ca] /40.08- [O] /15.9994) / y × (55.85 × x + 16.0 × y)
M: Weight of molten alloy pool 6 (kg)
[C]: C concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[Si]: Si concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[Al] Al concentration in molten alloy pool 6 (wt%)
[Ti]: Ti concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[Zr]: Zr concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[Hf]: Hf concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[B]: B concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[Ca]: Ca concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[O]: O concentration in molten alloy pool 6 (wt%)
上記計算式は、[C]はCOガスに、[Si]はSiO2スラグに、[Al]はAl2O3スラグに、[Ti]、[Zr]、[Hf]はそれぞれTiO2スラグ,ZrO2スラグ,HfO2スラグに、[B]はB2O3スラグに、[Ca]はCaOスラグに、変換するために、それぞれの元素の原子量で割って、必要となる酸素モル数を求め、これをFexOy酸化鉄により酸素供給する場合に必要となる重量を算出する式である。ここで、[C],[Si],[Al],[Ti],[Zr],[Hf],[B],[Ca]などの濃度値は、配合した溶解原料の分析値から算出される値である。 [C] is CO gas, [Si] is SiO 2 slag, [Al] is Al 2 O 3 slag, [Ti], [Zr], and [Hf] are TiO 2 slag, In order to convert ZrO 2 slag, HfO 2 slag, [B] into B 2 O 3 slag, and [Ca] into CaO slag, divide by the atomic weight of each element to obtain the required number of moles of oxygen. This is an equation for calculating the weight required for supplying oxygen with FexOy iron oxide. Here, the concentration values of [C], [Si], [Al], [Ti], [Zr], [Hf], [B], [Ca], etc. are calculated from the analysis values of the blended dissolved raw materials. Value.
なお、上記計算式には含めていないが、活性金属として、[アルカリ金属:EI]、[アルカリ土類金属:EII]、[Y]、[ランタン系・アクチニウム系金属:ER]などが存在する場合は、これらをEI2O,EIIO,Y2O3,ER2O3などのスラグに変換するために必要な酸素量を、上記計算式に付け加える必要がある。また、マンガン[Mn]については、Feと比べてさほど活性とはいえず、酸化精錬除去が比較的行われにくいこと、さらに、高真空化での溶解において、蒸発除去されやすいといった特性があることから、ここでの酸化精錬では除去対象としていない。なお、酸化剤として酸化ニッケルなどを用いる場合は、上記式のFeをNiなどに置き換えて計算すればよい。その場合、Feの原子量(55.85)ではなく、Ni原子量(58.71)に置き換える必要がある。 Although not included in the above formula, there are [alkali metal: EI], [alkaline earth metal: EII], [Y], [lanthanum-based / actinium-based metal: ER] and the like as active metals. In this case, it is necessary to add the amount of oxygen necessary to convert these into slag such as EI 2 O, EIIO, Y 2 O 3 , ER 2 O 3, etc. In addition, manganese [Mn] is not so active as compared to Fe, and is relatively difficult to remove by oxidative refining, and moreover, has a characteristic that it is easily removed by evaporation in high vacuum melting. Therefore, it is not a target for removal by oxidation refining here. When nickel oxide or the like is used as the oxidant, the calculation may be performed by replacing Fe in the above formula with Ni or the like. In that case, it is necessary to replace with the Ni atomic weight (58.71) instead of the Fe atomic weight (55.85).
いくつかの溶製精錬試験の結果、脱炭[C]を主目的とする場合は、脱炭[C]率:η_Cと、(酸化剤として装入した酸化鉄重量:WFexOy)/(不純物元素の全量酸化させるために算出される算出重量:MFeO)比との関係、および合金溶湯プール重量に対するCaハライド組成フラックスの添加率:{Flx}Mとの関係は図2の通りであり、添加する必要のある酸化鉄重量:WFexOy(kg)は、図2(a)に示すように、計算量:MFeO(kg)の0.2倍以上必要であり、同時に添加するするフラックスの添加率:{Flx}Mは、0.5wt%以上必要であることが明らかとなった。WFexOyが、WFexOy<0.2×MFeO、{Flx}Mが、{Flx}M<0.5の場合は、脱[C]率も大幅に低下し、精錬効果が得られにくいこととなる。
ここで、脱炭[C]率:η_Cは、次のように定義されている。
η_C=([C]0−[C])/[C]0×100 (%)
また、[Al],[Ti]などの元素と比べて、その酸化物の熱力学的な安定性が少ない[Si]や[B]の酸化除去精錬については、図3のWFe3O4/MFeOおよび{Flx}Mと、脱[Si]率との関係に示すように、脱[Si]率として50%以上を得ようとするならば、添加する酸化鉄の重量は、1.0×MFeO<WFexOyを満足し、かつ{Flx}Mは、3.0<{Flx}Mを満足することが有効であることは明らかである。
ここで、脱炭[Si]率:η_Siは、次のように定義されている。
η_Si=([Si]0−[Si])/[Si]0×100 (%)
さらに、より確実に脱[Si]率を高くするためには、WFexOyをMFeOの1.5倍から2倍程度にする必要があった。これは、添加した酸化鉄が、全て反応に使われているのではないためである。一方、酸化鉄の重量を所要量の4倍以上添加すると、合金成分のCrなどの酸化損失が増えすぎるため望ましくない。
As a result of several smelting and refining tests, when the main purpose is decarburization [C], the decarburization [C] rate: η_C and (weight of iron oxide charged as oxidant: WFexOy) / (impurity element The relationship between the calculated weight calculated to oxidize the total amount of MFeO) and the ratio of the Ca halide composition flux to the molten alloy pool weight: {Flx} M is as shown in FIG. As shown in FIG. 2A, the necessary iron oxide weight: WFexOy (kg) is required to be 0.2 times or more of the calculated amount: MFeO (kg), and the addition rate of the flux to be added simultaneously: { It was revealed that Flx} M is required to be 0.5 wt% or more. When WFexOy is WFexOy <0.2 × MFeO and {Flx} M is {Flx} M <0.5, the de [C] rate is also greatly reduced, and it is difficult to obtain a refining effect.
Here, the decarburization [C] rate: η_C is defined as follows.
η_C = ([C] 0 − [C]) / [C] 0 × 100 (%)
In addition, the oxidation removal refining of [Si] and [B], whose thermodynamic stability of the oxide is less than that of elements such as [Al] and [Ti], is shown in WFe 3 O 4 / FIG. As shown in the relationship between MFeO and {Flx} M and the de [Si] rate, if it is desired to obtain 50% or more as the de [Si] rate, the weight of iron oxide added is 1.0 × It is clear that it is effective that MFeO <WFexOy is satisfied and {Flx} M satisfies 3.0 <{Flx} M.
Here, the decarburization [Si] rate: η_Si is defined as follows.
η_Si = ([Si] 0 − [Si]) / [Si] 0 × 100 (%)
Furthermore, in order to increase the removal [Si] rate more reliably, WFexOy has to be about 1.5 to 2 times that of MFeO. This is because not all the added iron oxide is used in the reaction. On the other hand, when the weight of iron oxide is added more than 4 times the required amount, oxidation loss such as Cr of the alloy component increases excessively, which is not desirable.
添加する酸化鉄の重量を、計算量:MFeOの0.2倍から1.0倍ほどとし、真空酸化精錬を施した場合、[C]や[Al],[Ti],[Zr],[Hf],[Ca]などのその酸化物が熱力学的に安定な元素の除去精錬は進むものの、[Si],[B]などの除去はさほど顕著には進行しないことが多い。しかしながら、酸化鉄の添加量をMFeO量の1.0倍以上とし、Caハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mを3wt%以上とすることにより、[Si]、[B]なども除去精錬できるようになる。例えば、[B]濃度は、精錬前50ppm→精錬後1ppmとなる。[Si]濃度は、精錬前0.22wt%→精錬後<0.01wt%となる。さらには、酸化鉄の添加量をMFeO量の2.0倍以上とし、CaF2−CaO系またはCaF2−(CaO+CaCl2)系フラックスを使用し、かつ、合金溶湯プール6の重量に対するCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mを3.0wt%以上とすることにより、より[Si],[B]の除去精錬がより容易となる。 When the weight of iron oxide to be added is about 0.2 to 1.0 times that of MFeO and vacuum oxidation refining is performed, [C], [Al], [Ti], [Zr], [Zr] Although removal and refining of elements whose oxides such as Hf] and [Ca] are thermodynamically stable proceeds, removal of [Si] and [B] often does not proceed so significantly. However, [Si], [B], etc. can be removed and refined by setting the addition amount of iron oxide to 1.0 times or more of the MFeO amount and the Ca halide composition flux addition rate {Flx} M to 3 wt% or more. It becomes like this. For example, the [B] concentration is 50 ppm before refining → 1 ppm after refining. The concentration of [Si] is 0.22 wt% before refining → <0.01 wt% after refining. Furthermore, the amount of iron oxide added is 2.0 times or more the amount of MFeO, a CaF 2 -CaO-based or CaF 2- (CaO + CaCl 2 ) -based flux is used, and the Ca halide composition with respect to the weight of the molten alloy pool 6 When the flux addition rate {Flx} M is 3.0 wt% or more, the removal and refining of [Si] and [B] becomes easier.
ただし、添加する酸化鉄の重量を、MFeO量の4倍より多くすると、酸化反応が激しくなりすぎて、合金元素であるCrなどの酸化ロスも著しく発生するようになるため、4倍より多くすることは好ましくない。 However, if the weight of iron oxide to be added is more than four times the amount of MFeO, the oxidation reaction becomes too intense, and oxidation loss such as Cr, which is an alloy element, will be generated significantly. That is not preferable.
これらの量を具体的に示すと、例えば、Fe−20Ni25Cr組成のステンレス鋼を、市販廉価原料であるフェロクロム原料、低炭素鋼原料などと、高純度原料である電解Ni原料を用いて50kgの溶湯プールを形成させると、その溶湯プール中の不純物元素濃度は、[C]=0.02,[Si]=0.21,[Al]=0.015,[B]=0.005,[Ca]=0.001,[O]=0.02wt%程度となる。これらを酸化するために必要な酸素モル量は、8.9molと計算される。この酸素を、酸化鉄Fe3O4により供給するとすれば、Fe3O4は、MFeO=515gとなる。そこで、Fe3O4を約800g(約1.5倍)添加すると、[C]は0.005wt%程度,[Al]は0.003wt%程度まで低下する。しかし、[Si]は0.19wt%程度,[B]は0.004wt%程度とあまり低下しない。しかし、Fe3O4を1300g(2.5倍)添加すると、[Si]は0.01wt%以下、[B]は0.0001wt%程度まで低下する。この際に用いたCaハライド組成フラックスはCaF2−CaO(8:2)組成であり、添加率は{Flx}M=4.0%(2000g)としている。 Specifically, for example, a stainless steel having a composition of Fe-20Ni25Cr, a 50 kg molten metal using a commercially available low-cost raw material such as a ferrochrome raw material, a low carbon steel raw material, and an electrolytic Ni raw material that is a high-purity raw material. When the pool is formed, the impurity element concentration in the molten pool is [C] = 0.02, [Si] = 0.21, [Al] = 0.015, [B] = 0.005, [Ca ] = 0.001 and [O] = 0.02 wt%. The molar amount of oxygen necessary to oxidize them is calculated as 8.9 mol. If this oxygen is supplied by iron oxide Fe 3 O 4 , Fe 3 O 4 becomes MFeO = 515 g. Therefore, when about 800 g (about 1.5 times) of Fe 3 O 4 is added, [C] decreases to about 0.005 wt% and [Al] decreases to about 0.003 wt%. However, [Si] is about 0.19 wt%, and [B] is about 0.004 wt%. However, when 1300 g (2.5 times) of Fe 3 O 4 is added, [Si] decreases to 0.01 wt% or less, and [B] decreases to approximately 0.0001 wt%. The Ca halide composition flux used at this time is a CaF 2 —CaO (8: 2) composition, and the addition rate is {Flx} M = 4.0% (2000 g).
この精錬により、市販の廉価原料であるフェロクロムや低炭素鋼材などを溶解原料として使用しても、電解鉄や電解Ni、金属Crなどの高純度原料を使用する場合と同等な不純物濃度([Si]<0.01wt%)にまで除去精錬できることが確認されている。 By this refining, even if commercially available low-priced raw materials such as ferrochrome and low carbon steel are used as melting raw materials, the impurity concentration ([Si ] <0.01 wt%) has been confirmed to be able to be removed and refined.
なお、[Si]や[B]の除去が不要な場合は、MFeO量の1.5倍ほどの酸化鉄を添加し、CaO含有量の少ないCaハライド組成フラックスを使用し、さらに合金溶湯プール6の重量に対するCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mを0.5〜2%ほどとすることにより、[Si]や[B]の低減を抑制して[C]除去を優先する精錬が可能となる。 When removal of [Si] and [B] is unnecessary, iron oxide about 1.5 times the amount of MFeO is added, a Ca halide composition flux with a low CaO content is used, and the molten alloy pool 6 Refining to prioritize [C] removal by suppressing reduction of [Si] and [B] is possible by setting the Ca halide composition flux addition rate {Flx} M to about 0.5-2% with respect to the weight of the steel. It becomes.
(5)Caハライド組成フラックスと酸化鉄との混合物である精錬剤を添加した後、チャンバー(真空チャンバー4)内の不活性ガスを排気し(真空排気を行い)、その状態(真空状態(排気状態))で15分間以上保持すること。
Caハライド組成フラックスと酸化鉄との混合物である精錬剤を合金溶湯プール6に添加して、溶融スラグ層7が形成されれば、例えば油回転ポンプでチャンバー内の真空排気を行う。必要に応じて、メカニカルブースターポンプ、拡散ポンプなどによる真空排気を行い、真空雰囲気下での酸化精錬を行う。
(5) After adding a refining agent that is a mixture of Ca halide composition flux and iron oxide, the inert gas in the chamber (vacuum chamber 4) is evacuated (evacuated), and the state (vacuum state (exhaust Hold for at least 15 minutes in the state)).
When a refining agent, which is a mixture of Ca halide composition flux and iron oxide, is added to the molten alloy pool 6 and the
真空度が10hPa以下になると、合金溶湯プール6から細かな溶滴(スプラッッシュ)が飛散するようになる。これは、[C]が[O]と反応してCO(g)ガスが放出される際、周囲の溶融メタルを吹き飛ばしているものと推定される。この現象は、合金溶湯プール6中の[C]濃度が低下すると、反応が終了する。例えば、初期濃度[C]0=250ppmほどの場合でも、およそ10分ほどで、激しいスプラッシュ発生は終了し、[C]濃度は20〜60ppmほどとなる。また、真空下で保持することにより、合金溶湯プール6の表面温度は高くなり、添加したフラックスが溶融しやすくなって、溶融スラグ層7が安定して形成されることが観察される。
When the degree of vacuum is 10 hPa or less, fine droplets (splash) are scattered from the molten alloy pool 6. It is presumed that when [C] reacts with [O] and CO (g) gas is released, the surrounding molten metal is blown away. In this phenomenon, when the [C] concentration in the molten alloy pool 6 decreases, the reaction ends. For example, even in the case of the initial concentration [C] 0 = 250 ppm, intense splashing is completed in about 10 minutes, and the [C] concentration is about 20 to 60 ppm. In addition, it is observed that the surface temperature of the molten alloy pool 6 is increased by holding it under vacuum, the added flux is easily melted, and the
このような脱[C]反応の後、合金溶湯プール6の表面には、酸化物と思われる溶融スラグ片が浮上してくるのが観察される。これらは、Caハライド組成フラックスの溶融スラグ層7に徐々に吸収されて消滅する。そして約15分ほどで、酸化物スラグの湧き出しもほとんどなくなり、合金溶湯プール6表面の浮遊酸化物が少なくなるのが観察される。したがって、15分以上は溶湯を保持する必要がある。
After such de [C] reaction, it is observed that molten slag pieces considered to be oxides float on the surface of the molten alloy pool 6. These are gradually absorbed by the
合金溶湯プールに酸化鉄を添加する操作は、特許文献4に記載されている。具体的には、不活性ガス雰囲気下において、φ84mm水冷銅るつぼ内の2kgの溶湯プールに対して酸化鉄およびCaF2を添加している。本条件は、酸化鉄を利用する点では同じである。しかしながら、本発明では、φ200mm以上の水冷銅るつぼ3内で10kg以上の合金溶湯プール6を形成させ、実用規模での酸化鉄と低融点Caハライド組成フラックスの添加条件を明らかにしている。この点が先行技術と異なっている。さらに、本発明では、真空排気操作により、脱[C]反応を促進させて、それにより溶融スラグ層7の形成を促進させて形成酸化物を吸収させている。この点が先行技術と異なっている。すなわち、具体的な精錬効果を得るための条件を明示していることが、本発明の大きな特徴となっている。
The operation of adding iron oxide to the molten alloy pool is described in Patent Document 4. Specifically, iron oxide and CaF 2 are added to a 2 kg molten pool in a φ84 mm water-cooled copper crucible under an inert gas atmosphere. This condition is the same in that iron oxide is used. However, in the present invention, a molten alloy pool 6 of 10 kg or more is formed in a water-cooled copper crucible 3 of φ200 mm or more, and the conditions for adding iron oxide and low melting point Ca halide composition flux on a practical scale are clarified. This is different from the prior art. Furthermore, in the present invention, the de [C] reaction is promoted by the vacuum evacuation operation, thereby promoting the formation of the
(脱酸元素系の合金成分の添加)
前記した酸化精錬方法により溶製した鋳塊の内、[P],[S],[N],[Sn],[Pb]などの含有量が低い場合は、これを溶解原料として、当該溶解原料に脱酸元素系の合金成分を添加して合金化することが好ましい。脱酸元素系の合金成分としは、[Si],[Al],[Ti],[Zr],[B]などがある。これにより、所定の合金組成の超高純度(極低不純物)Fe基Ni基合金鋳塊を溶製することができる。
(Addition of deoxidized elemental alloy components)
When the content of [P], [S], [N], [Sn], [Pb], etc. is low in the ingot produced by the above-described oxidative refining method, this is used as a melting raw material and the melting It is preferable to alloy a raw material by adding a deoxidizing element-based alloy component. Deoxidizing element-based alloy components include [Si], [Al], [Ti], [Zr], [B], and the like. Thereby, the ultra high purity (very low impurity) Fe-base Ni-base alloy ingot of a predetermined alloy composition can be melted.
超高純度合金鋳塊の溶製において、真空酸化精錬(酸化精錬)を施した場合、合金溶湯プール6中に多量の酸素[O]が含有された状態となっていることがあるから、活性元素の(脱酸元素系の)合金成分を合金溶湯プール6に添加する際、それらの脱酸酸化物が発生する。このような脱酸酸化物を合金溶湯プール6から分離除去するためには、Caハライド組成フラックスを、合金成分の添加とともに添加することが有効である。この場合のCaハライド組成フラックスの添加率は、{Flx}Mで0.5〜2wt%程度が適切である。一方、鋳塊中の[P],[S],[N],[Sn],[Pb]などの含有量が高い場合は、これを溶解原料として、Ca還元精錬などを実施する必要がある。 In the melting of an ultra-high purity alloy ingot, when vacuum oxidation refining (oxidative refining) is performed, the molten alloy pool 6 may contain a large amount of oxygen [O]. When elemental (deoxidation element type) alloy components are added to the molten alloy pool 6, their deoxidized oxides are generated. In order to separate and remove such deoxidized oxide from the molten alloy pool 6, it is effective to add the Ca halide composition flux together with the addition of the alloy components. In this case, the addition rate of the Ca halide composition flux is suitably about 0.5 to 2 wt% for {Flx} M. On the other hand, when the content of [P], [S], [N], [Sn], [Pb], etc. in the ingot is high, it is necessary to carry out Ca reduction refining or the like using this as a melting raw material. .
(コールドハース式電子ビーム溶解方法)
前記したコールドクルーシブル式誘導溶解装置1を用いての酸化精錬方法により溶製した鋳塊、または当該鋳塊に脱酸元素系の合金成分を添加して合金化した鋳塊、を1次鋳塊(合金原料)として、以下に記述するコールドハース式電子ビーム溶解方法で、さらなる脱炭[C]、脱酸[O]を行うことが好ましい。
(Cold hearth electron beam melting method)
A primary ingot obtained by smelting by an oxidative refining method using the above-described cold crucible induction melting apparatus 1 or an ingot obtained by adding a deoxidizing element-based alloy component to the ingot and alloying the ingot. As (alloy raw material), it is preferable to perform further decarburization [C] and deoxidation [O] by the cold hearth type electron beam melting method described below.
内径φ200mm以上の水冷銅るつぼ3を有するコールドクルーシブル式誘導溶解装置1を用いて、合金溶湯プールの重量が10kg以上で、酸化精錬(真空酸化精錬)を実施し、[C],[Al],[Ti],[Zr],[Ca],[Si],[B]などの不純物元素の除去精錬を行って合金鋳塊を製造する。あるいは、必要に応じてさらに脱酸元素系の合金成分を当該合金鋳塊に添加した鋳塊を製造する。その後、以下に記述するコールドハース式電子ビーム溶解方法により、脱[C]、脱[O]を施して、[C]<10ppm,[O]<10ppmにまで除去精錬することができる。この方式により、最も高純度(極低不純物)のFe基Ni基合金鋳塊を製造することが可能となる。 Using a cold crucible induction melting apparatus 1 having a water-cooled copper crucible 3 with an inner diameter of φ200 mm or more, an alloy refining (vacuum oxidation refining) is performed with a weight of the molten alloy pool of 10 kg or more, [C], [Al], An alloy ingot is manufactured by removing and refining impurity elements such as [Ti], [Zr], [Ca], [Si], and [B]. Or the ingot which added the deoxidation element type alloy component to the said alloy ingot as needed is manufactured. After that, by the cold hearth type electron beam melting method described below, de [C] and de [O] can be applied to remove and refine to [C] <10 ppm and [O] <10 ppm. By this method, it is possible to produce the Fe-base Ni-base alloy ingot with the highest purity (very low impurities).
以下にコールドハース式電子ビーム溶解方法を説明する。なお、図4は、コールドハース式電子ビーム溶解装置11を示す模式図である。 The cold hearth type electron beam melting method will be described below. FIG. 4 is a schematic diagram showing the cold hearth type electron beam melting apparatus 11.
前記した酸化精錬方法は、内径φ200mm以上の水冷銅るつぼ3を用いる誘導溶解方式により、製品鋳塊重量として10kg以上の超高純度なFe基Ni基合金の実用鋳塊を溶解精錬法により製造する方法である。しかし、コールドクルーシブル式誘導溶解装置1の特性上、前記した酸化精錬方法は、高真空下での実施が困難であることがある。そのため、脱[C]精錬においては、発生するCOガスの除去が不十分となる場合がある。すなわち、脱[C]反応を促進できず、[C]<10ppmまでに炭素を除去するのは、困難な場合がある。 The oxidation refining method described above uses an induction melting method that uses a water-cooled copper crucible 3 with an inner diameter of 200 mm or more to produce a practical ingot of an ultra-high purity Fe-based Ni-based alloy having a product ingot weight of 10 kg or more by a melting refining method. Is the method. However, due to the characteristics of the cold crucible induction melting apparatus 1, the above-described oxidation refining method may be difficult to implement under a high vacuum. Therefore, removal of the generated CO gas may be insufficient in the decarbonization [C] refining. That is, the de [C] reaction cannot be promoted, and it may be difficult to remove carbon by [C] <10 ppm.
これに対して、高真空下で溶解−真空精錬を行う電子ビーム溶解方式は、不純物元素である炭素の極限までの除去精錬や、前記したCa還元精錬方法および前記した酸化精錬方法で除去し切れなかった窒素[N]やマンガン[Mn]などの真空除去精錬が可能となる。 On the other hand, the electron beam melting method that performs melting-vacuum refining under high vacuum can be completely removed by removal refining to the limit of carbon as an impurity element, the above-described Ca reduction refining method, and the above-described oxidizing refining method. Vacuum removal refining of nitrogen [N], manganese [Mn], etc. that has not been possible becomes possible.
電子線を熱源として用いる電子ビーム溶解法においても、溶解容器の内寸として0.2×0.2m以上を有する水冷銅製皿状容器9(水冷銅ハース)と、水冷銅製皿状容器9から出湯される溶湯を受けて鋳塊を形成する水冷銅製鋳型10とを具備してなるるコールドハース式電子ビーム溶解装置11を用いることにより、不純物元素除去精錬効果をさらに増進させることができる。
Also in the electron beam melting method using an electron beam as a heat source, the water-cooled copper dish-shaped container 9 (water-cooled copper hearth) having an inner dimension of the melting container of 0.2 × 0.2 m or more and the hot water from the water-cooled copper dish-shaped container 9 By using the cold hearth type electron beam melting apparatus 11 comprising the water-cooled
実際の溶解操作においては、水冷銅製皿状容器9の出湯口の対面側から、棒状・塊状の溶解原料12(1次鋳塊に相当する)を供給して、水冷銅製皿状容器9上で溶解させる。水冷銅製皿状容器9に隣接して設けた水冷鋳型10内に、水冷銅製皿状容器9のハース出湯口からあふれ出る溶湯を注入し、水冷鋳型10内で凝固させて形成される鋳塊を逐次下方に引き抜くことにより、長尺な鋳塊が溶製できる。この様な溶解方式において、下記の条件を満足する精錬操作を行うことにより、不純物元素である炭素[C]の除去精錬を確実に行うことができ、従来法では製造できなかった炭素不純物の少ない鋳塊を製造することができる。
In the actual melting operation, a rod-like or lump melting raw material 12 (corresponding to the primary ingot) is supplied from the facing side of the outlet of the water-cooled copper dish-shaped container 9, and the water-cooled copper dish-shaped container 9 is Dissolve. An ingot formed by pouring molten metal overflowing from the hearth outlet of the water-cooled copper dish-shaped container 9 into the water-cooled
(1)高真空雰囲気(<5×10−4mbar)下で、溶製を行うこと。
脱炭反応は、真空度が高いほど促進されやすいため、極限までの脱[C]を行わせるには、高真空雰囲気下であることが望ましい。なお、「<5×10−4mbar」としたのは、真空チャンバー4内に微量のArガスを導入する場合があるからである。真空チャンバー4内にArガスなどの不活性ガスを導入しない場合は、1×10−4mbarよりも低い気圧下で溶製を行うことが望ましい。
(1) Perform melting in a high vacuum atmosphere (<5 × 10 −4 mbar).
Since the decarburization reaction is more easily promoted as the degree of vacuum is higher, it is desirable that the decarburization reaction be performed in a high vacuum atmosphere in order to perform decarbonization to the limit. The reason why “<5 × 10 −4 mbar” is used is that a small amount of Ar gas may be introduced into the vacuum chamber 4. In the case where an inert gas such as Ar gas is not introduced into the vacuum chamber 4, it is desirable to perform melting at a pressure lower than 1 × 10 −4 mbar.
(2)所定の合金組成の合金溶湯プール13を水冷銅製皿状容器9内と凝固塊製造用の水冷銅製鋳型10内に形成させた後、溶解原料12(1次鋳塊に相当する)と酸化剤(FexOyなど)とを水冷銅製皿状容器9上に送り出すこと(本実施形態では、溶解原料12の上に酸化鉄を載せて送り出している)。
溶解原料12中の酸素濃度が不足する場合は、高真空条件下においても、脱[C]されることはない。そのため、[C]の酸化に必要な[O]を供給する必要がある。しかし、電子ビーム溶解法は、高真空下で実施されるため、酸素ガスを供給することは困難である。そこで、固体の酸素源として、高純度な酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤を溶解原料とともに供給する方式が有効である。この場合、微粉状の酸化鉄は、電子ビーム溶解の最初の真空排気の段階で、ガスの流れに巻き込まれて飛散し、真空ポンプにまで達して、当該真空ポンプを傷める結果となる。よって、事前に酸化鉄の焼結処理などを行い、顆粒状にした酸化鉄を添加することが望ましい。酸化剤としては、Fe基合金の場合は酸化鉄(Fe3O4,Fe2O3など)、Fe−Ni基合金の場合は酸化鉄や酸化ニッケルが、Ni基合金では酸化ニッケルが、Co基合金の場合は、酸化コバルトなどが適用できる。これらの酸化剤は、固体の酸化剤であり、換言すれば酸化金属からなる酸化剤である。
(2) After the
When the oxygen concentration in the melted
なお、コールドハース式電子ビーム溶解装置11に原料フィーダーを付属させている場合は、合金溶湯プール13を形成させた後、溶解原料12と酸化剤(FexOyなど)とを一緒に水冷銅製皿状容器9上に送り出す必要はない。この場合、原料フィーダーにより、溶解原料12の溶解具合に合わせて水冷銅製皿状容器9内の合金溶湯プール13に酸化剤(FexOyなど、第2精錬剤に相当する)を添加すればよい。
In addition, when the raw material feeder is attached to the cold hearth type electron beam melting apparatus 11, after the
(3)上記酸化鉄(FexOy)の添加重量(WFexOy(kg))は、1.0×MFeO≦WFexOy≦4.0×MFeOを満足する範囲内とすること。
MFeO=WM/100×([C]/12.01)/y×(55.85×x+16.0×y)
WM:溶解原料の重量(kg)、[C]:溶解原料中のC濃度(wt%)
酸化鉄の添加重量は、目的とする炭素のCOガス化に必要な計算量と同程度か、4倍ほど多い量を添加することが、試験の結果、有効と判明している。添加量が少なすぎると、脱[C]が不十分となり、多すぎると、鋳塊中の酸素[O]濃度が高くなる傾向があり、経験的には、計算量の2から3倍程度の添加量が適正な場合が多い。
(3) The added weight (WFexOy (kg)) of the iron oxide (FexOy) should be within a range satisfying 1.0 × MFeO ≦ WFexOy ≦ 4.0 × MFeO.
MFeO = WM / 100 × ([C] /12.01) / y × (55.85 × x + 16.0 × y)
WM: weight of molten raw material (kg), [C]: C concentration in molten raw material (wt%)
As a result of the test, it has been proved that the addition weight of iron oxide is the same as the calculation amount necessary for CO gasification of the target carbon or four times as much. When the addition amount is too small, the desorption [C] becomes insufficient. When the addition amount is too large, the oxygen [O] concentration in the ingot tends to increase, and empirically, it is about 2 to 3 times the calculated amount. In many cases, the amount added is appropriate.
このコールドハース式電子ビーム溶解法を適用することにより、鋳塊中の非金属介在物などの浮上分離が進み、酸素除去方式としても、非常に有効であることが確認できている。この精錬により、鋳塊中炭素[C]が10ppm以下、酸素[O]も10ppm以下することが可能であり、条件が適正であった場合は、[C]<5ppm,[O]<5ppmを満足する分析結果が得られることもある。なお、合金成分の[Mn]は、電子ビーム溶解過程において蒸発除去されて、その[Mn]濃度は0.01wt%以下となる場合が多い。 By applying this cold hearth type electron beam melting method, floating separation of non-metallic inclusions in the ingot progresses, and it has been confirmed that it is very effective as an oxygen removal method. By this refining, carbon [C] in the ingot can be reduced to 10 ppm or less and oxygen [O] can also be reduced to 10 ppm or less. When the conditions are appropriate, [C] <5 ppm, [O] <5 ppm. Satisfactory analysis results may be obtained. [Mn] of the alloy component is evaporated and removed in the electron beam melting process, and the [Mn] concentration is often 0.01 wt% or less.
(実施例)
精錬効果の確認に用いた試験装置の構造模式図は、図1および図4に示す通りであり、設備の概略仕様は、以下の通りである。
(1)コールドクルシ−ブル式誘導溶解(CCIM)装置1
高周波電源 最大出力:400kW,周波数:3000Hz
水冷銅るつぼ3 内径:φ220,セグメント数:24
到達真空度 10−2mbar台
真空排気装置 ロータリーポンプ、メカニカルブースターポンプ
(2)コールドハース式電子ビーム溶解(EBCHR)装置11
高圧電源 加速電圧:40kV,最大出力:300kW
電子ビーム銃14 2基
到達真空度 10−6mbar台
真空排気装置 ロータリーポンプ、メカニカルブースターポンプ、拡散ポンプ
原料供給機構 最大φ210×1000Lmm
鋳塊引抜機構 最大φ200×1000Lmm
(Example)
The structural schematic diagram of the test apparatus used for confirming the refining effect is as shown in FIGS. 1 and 4, and the general specifications of the equipment are as follows.
(1) Cold Crucible Induction Melting (CCIM) device 1
High frequency power supply Maximum output: 400kW, Frequency: 3000Hz
Water-cooled copper crucible 3 Inner diameter: φ220, Number of segments: 24
High voltage power supply Acceleration voltage: 40kV, Maximum output: 300kW
Two
Ingot drawing mechanism Maximum φ200 × 1000Lmm
(コールドクルーシブル式誘導溶解装置を用いた酸化精錬試験の結果)
酸化鉄とCaハライド組成フラックスとの混合物である精錬剤を用いての酸化精錬試験の効果について表1に示す。この酸化精錬試験はCCIM装置を用いている。また、この酸化精錬試験では、炭素[C]や珪素[Si]などの不純物含有量の多いフェロクロム(FeCr)、極低炭素鋼、および高純度原料である電解Niを溶解原料としている。また、不純物元素の硼素[B]も50ppmほど含まれる条件としている。
(Results of oxidation refining test using cold crucible induction melting device)
Table 1 shows the effect of the oxidation refining test using a refining agent that is a mixture of iron oxide and Ca halide composition flux. This oxidation refining test uses a CCIM apparatus. In this oxidation refining test, ferrochromium (FeCr) having a high impurity content such as carbon [C] and silicon [Si], ultra-low carbon steel, and electrolytic Ni that is a high-purity raw material are used as melting raw materials. The impurity element boron [B] is also included in a condition of about 50 ppm.
表1からわかるように、酸化鉄添加量が少なすぎる(WFe3O4/MFeO<0.2)と、脱[C]効果が得られない。脱[C]を目的とする場合は、WFe3O4/MFeO=0.2以上、かつ{Flx}M =0.5以上とすることで、効果が得られる。脱[Si],脱[B]効果を得ようとする場合は、WFe3O4/MFeO=1.0以上、かつ{Flx}M=3.0以上とすることで、効果が得られるようになる。しかし、WFe3O4/MFeO=5.0とすると、真空精錬時に脱炭反応に伴う激しい溶滴飛散(スプラッシュ)が発生して、安定した精錬操作が行えなかった。すなわち、酸化鉄添加量には上限が存在する。 As can be seen from Table 1, if the amount of iron oxide added is too small (WFe 3 O 4 /MFeO<0.2), the de [C] effect cannot be obtained. For the purpose of removing [C], the effect can be obtained by setting WFe 3 O 4 /MFeO=0.2 or more and {Flx} M = 0.5 or more. In order to obtain the de- [Si] and de- [B] effects, the effect can be obtained by setting WFe 3 O 4 /MFeO=1.0 or more and {Flx} M = 3.0 or more. become. However, when WFe 3 O 4 /MFeO=5.0, violent droplet splashing (splash) accompanying decarburization reaction occurred during vacuum refining, and stable refining operation could not be performed. That is, there is an upper limit to the amount of iron oxide added.
(コールドハース式電子ビーム溶解法による試験結果)
φ220mmの水冷銅るつぼ3を有するCCIM装置で、酸化精錬(真空酸化精錬)処理を施した鋳塊を溶解原料として、コールドハース式電子ビーム溶解装置11により、当該溶解原料に酸化鉄を添加して溶解を行った場合の、脱[C]効果は、表2に示す通りである。
(Test result by cold hearth electron beam melting method)
In a CCIM apparatus having a water-cooled copper crucible 3 with a diameter of 220 mm, an ingot that has been subjected to oxidation refining (vacuum oxidation refining) is used as a melting raw material, and a cold hearth electron beam melting apparatus 11 is used to add iron oxide to the melting raw material. Table 2 shows the effect of removing [C] when dissolution is performed.
試験前の不純物元素濃度(wt%)は、[C]=0.0045、[O]=0.0025であった。また、これら不純物元素の含有量から算出したMFeO量は0.011kgであった。 The impurity element concentration (wt%) before the test was [C] = 0.445 and [O] = 0.005. The amount of MFeO calculated from the content of these impurity elements was 0.011 kg.
表2からわかるように、酸化鉄を適切量添加することにより、脱[C]が促進され、不純物元素[C]濃度10ppm以下の鋳塊を製造できる。条件によっては、[C]<5ppm,[O]<5ppmとなる鋳塊が製造できることもあることが分かる。すなわち、WFexOy/MFeO比は、1.0以上4.0以下であることが好ましく、より好ましくは、2.0以上3.0以下の値であることである。酸化鉄剤は、微粒のFe2O3粉末を1250℃で焼結して、顆粒状のFe2O3にしたものである。 As can be seen from Table 2, by adding an appropriate amount of iron oxide, de- [C] is promoted and an ingot having an impurity element [C] concentration of 10 ppm or less can be produced. It can be seen that an ingot with [C] <5 ppm and [O] <5 ppm can be produced depending on the conditions. That is, the WFexOy / MFeO ratio is preferably 1.0 or more and 4.0 or less, and more preferably 2.0 or more and 3.0 or less. The iron oxide agent is obtained by sintering fine Fe 2 O 3 powder at 1250 ° C. into granular Fe 2 O 3 .
顆粒状Fe2O3の添加量については、期待される脱炭反応に必要な酸素量に比べて、添加量が少なすぎると、脱炭反応が不十分となる。一方、過剰に入れすぎると、脱炭は十分に進むが、酸素含有量が高くなりすぎる問題がある。すなわち、EBCHRにおいて酸化鉄を添加する際の適切な範囲がある。 Regarding the addition amount of granular Fe 2 O 3 , if the addition amount is too small compared to the expected oxygen amount for the decarburization reaction, the decarburization reaction becomes insufficient. On the other hand, if excessively added, decarburization proceeds sufficiently, but there is a problem that the oxygen content becomes too high. That is, there is an appropriate range when adding iron oxide in EBCHR.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made as long as they are described in the claims. .
1:コールドクルーシブル式誘導溶解装置
2:原料フィーダー
3:水冷銅るつぼ
4:真空チャンバー
6:合金溶湯プール
7:溶融スラグ層
1: Cold crucible induction melting device 2: Raw material feeder 3: Water-cooled copper crucible 4: Vacuum chamber 6: Molten alloy pool 7: Molten slag layer
Claims (4)
前記合金溶湯プールに精錬剤を添加した後、チャンバー内の不活性ガスを排気して排気状態を15分以上保持し、少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素を除去する精錬工程と、
を備え、
前記精錬剤は、酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤とCaハライド組成フラックスとの混合物であり、
前記Caハライド組成フラックスは、フッ化カルシウムに酸化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-CaO、フッ化カルシウムに塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-CaCl2、または、フッ化カルシウムに酸化カルシウムおよび塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-(CaO+CaCl2)であり、
前記酸化剤の添加重量を、前記合金溶湯プール中の前記少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素を全量酸化させるために算出される算出重量の0.2以上、4.0倍以下とし、
前記精錬工程において、前記合金溶湯プールの重量に対する前記Caハライド組成フラックスの添加率を、0.5wt%以上、5.0wt%以下とすることを特徴とする、超高純度合金鋳塊の製造方法。 A molten pool forming step of forming an alloy molten pool in which the alloy raw material is charged into a water-cooled copper crucible of a cold crucible induction melting apparatus and the components are adjusted to a predetermined alloy composition;
After adding a refining agent to the molten alloy pool, a refining step of exhausting the inert gas in the chamber and maintaining the exhausted state for 15 minutes or more to remove impurity elements including at least carbon and calcium;
With
The refining agent is a mixture of an oxidizing agent which is an oxide of a predetermined alloy composition main component element such as iron oxide and a Ca halide composition flux,
The Ca halide composition flux the calcium oxide to calcium fluoride CaF 2 -CaO formulated 5-30 wt%, calcium chloride calcium fluoride CaF 2-CaCl 2 was blended 5-30 wt%, or, calcium fluoride CaF 2 − (CaO + CaCl 2 ) containing 5 to 30 wt% of calcium oxide and calcium chloride,
The addition weight of the oxidizing agent is 0.2 to 4.0 times the calculated weight calculated for oxidizing all the impurity elements including at least carbon and calcium in the molten alloy pool,
In the refining step, an addition rate of the Ca halide composition flux with respect to a weight of the molten alloy pool is 0.5 wt% or more and 5.0 wt% or less, and a method for producing an ultra high purity alloy ingot .
前記Caハライド組成フラックスは、フッ化カルシウムに酸化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-CaO、または、フッ化カルシウムに酸化カルシウムおよび塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF2-(CaO+CaCl2)であり、
前記酸化剤の添加重量を、前記合金溶湯プール中の少なくとも炭素、カルシウム、アルミニウムおよび珪素を含む不純物元素を全量酸化させるために算出される算出重量の2.0倍以上、4.0倍以下とし、
前記精錬工程において、前記合金溶湯プールの重量に対する前記Caハライド組成フラックスの添加率を、3.0wt%以上、5.0wt%以下とすることを特徴とする、超高純度合金鋳塊の製造方法。 In the manufacturing method of the ultra-high purity alloy ingot according to claim 1,
The Ca halide composition flux is CaF 2 -CaO in which 5-30 wt% of calcium oxide is mixed with calcium fluoride, or CaF 2- (CaO + CaCl 2 ) in which 5-30 wt% of calcium oxide and calcium chloride are mixed in calcium fluoride. And
The added weight of the oxidizing agent is 2.0 times or more and 4.0 times or less of the calculated weight calculated for oxidizing all the impurity elements including at least carbon, calcium, aluminum and silicon in the molten alloy pool. ,
In the refining step, the addition rate of the Ca halide composition flux with respect to the weight of the molten alloy pool is 3.0 wt% or more and 5.0 wt% or less, and a method for producing an ultra high purity alloy ingot .
コールドハース式電子ビーム溶解装置の水冷銅製皿状容器に前記1次鋳塊を供給して、5×10−4mbarよりも低い気圧下において、当該水冷銅製皿状容器内と当該水冷銅製皿状容器に隣接する水冷銅鋳型内とに、合金溶湯プールを形成する第2溶湯プール形成工程と、
前記水冷銅製皿状容器内の合金溶湯プールに第2精錬剤を添加して、不純物元素である炭素を除去する第2精錬工程と、
を備え、
前記第2精錬剤は酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤であり、
前記第2精錬剤の添加重量を、前記1次鋳塊の合金溶湯プール中の前記不純物元素である炭素を全量酸化させるために算出される算出重量の1.0倍以上、4.0倍以下とすることを特徴とする、超高純度合金鋳塊の製造方法。 The ingot produced by the method for producing an ultra-high purity alloy ingot according to any one of claims 1 to 3 is a primary ingot,
The primary ingot is supplied to a water-cooled copper dish-shaped container of a cold hearth-type electron beam melting apparatus, and the water-cooled copper dish-shaped container and the water-cooled copper dish-shaped container are used at a pressure lower than 5 × 10 −4 mbar. A second molten pool forming step for forming a molten alloy pool in a water-cooled copper mold adjacent to the container;
Adding a second refining agent to the molten alloy pool in the water-cooled copper dish-like container to remove carbon as an impurity element;
With
The second refining agent is an oxidizer that is an oxide of a main component element of a predetermined alloy composition such as iron oxide,
The addition weight of the second refining agent is 1.0 times or more and 4.0 times or less of the calculated weight calculated to oxidize all the carbon as the impurity element in the molten alloy pool of the primary ingot. A method for producing an ultra-high purity alloy ingot, wherein
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