JP5706189B2 - 電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属製造用電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法に関し、特に、ハースに投入した原料の効率的な溶解方法に関する。

金属チタンは、航空機産業のみならず近年の世界的な需要の拡大に伴い生産量も大幅に伸びてきている。これに伴い、スポンジチタンのみなならず、金属チタンインゴットの需要も大きく伸びている。

従来、金属チタンインゴットは、四塩化チタンを還元性金属で還元する所謂クロール法で製造されたスポンジチタンを原料とし、これを電極と呼ばれるバー状の原料とし、電子ビーム溶解炉のハースに供給し、同原料の端部に電子ビームを照射して電極を溶解して溶融した金属を鋳型に供給し、鋳型を冷却して金属インゴットとして引き抜くことにより溶製されていた。

しかしながら、前記の方法では、顆粒状の原料を電極に成形するような加工工程が必要となり改善が求められていた。この点については、図４に示すように、電子ビーム溶解炉の鋳型とは別個にハースを設け、そこに所謂バラ原料を投入して同原料を溶解して溶湯となし、この溶湯をハースより鋳型に注入して金属インゴットを溶製する方法も知られている（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながら、この方法では、溶湯が保有する熱によりバラ原料を溶解するという方式を採用しているために、生産性を上げるには原料の投入速度を高める必要があり、そのためには、ハース溶湯への電子ビームの照射エネルギーを増加させる必要がある。しかしながら、ハースは水冷銅で構成されているため、ハースに保持された溶湯に対して電子ビームエネルギーを増加させても、前記増加エネルギーの大半は、水冷銅に吸収されると共に、たとえ溶湯の加熱に使われたとしても、局所的に溶湯の蒸発が促進されるだけであり、溶湯全体を適切に加熱することは難しい状況にあり、改善が求められていた。

また、原料フィーダからハースに投入した直後の固体状態の原料に対して電子ビームを照射して溶解する方法も考えられるが、ハースに投入される原料は、電極と異なり顆粒状であるため互いに離散的であり、また落下時間も短いため同原料を完全に溶解する前にハース内の溶湯に落下し、未溶解原料が溶湯内を流れて下流側に配置された鋳型の方にショートパスしてしまい、溶け残りのスポンジチタン原料が組織中に含まれる不健全なインゴットが溶製されてしまうという課題があった。

このように、顆粒状の原料を電子ビーム溶解炉のハースにて効率よく溶解させて、溶け残りのない健全なインゴットを溶製する方法が望まれている。

Siegfried Schiller, Ulrich Heisig and Siegfried Panzer "Electron Beam Technology", p.271, 1982

本発明は、ハースを有する電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法であって、特に、電子ビーム溶解炉に供給する顆粒状原料を効率よく溶解させることができる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を解決すべく鋭意検討を重ねてきたところ、顆粒状の金属原料をハースに供給して未溶解原料の堆積部を形成させてから、同原料に直接電子ビームを照射して溶解しつつ、同未溶解原料の堆積部に原料を供給することにより、溶解原料を効率よく溶解することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明に係る電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法は、原料供給手段によって溶解原料をハースに供給し、電子ビームを照射することによって前記溶解原料を溶解して溶湯とし、溶湯を鋳型に供給して冷却固化させることでインゴットを生成する金属製造用溶解炉を用いた金属の溶製方法であって、ハース内に溶解原料を落下させて溶解原料の堆積部を形成させた後、堆積部上に溶解原料を供給しつつ、電子ビームを堆積部の溶湯の表面から出ている部分において往復しかつ溶湯浴面から前記堆積部の頂部に向けて走査して溶解することを特徴とする。

本発明においては、ハースに保持されている堆積部のうち、溶湯の浴面から上方に突出している堆積部位に対して電子ビームを照射することを好ましい態様としている。

本発明においては、ハースに保持されている堆積部のうち、鋳型側に面している堆積部の表面に対して電子ビームを照射し、電子ビーム照射の走査方向は、水平かつ溶湯浴面から頂部に向かう方向であることを好ましい態様としている。

本発明においては、ハースを構成する側壁のうち、原料供給手段側に存在するハース側壁のみがハース内部に傾斜されていることを好ましい態様としている。

本発明においては、溶解原料が、単体金属原料で構成されるか、または、合金原料を含む混合原料で構成されることを好ましい態様としており、特に、金属原料がスポンジチタンまたは純チタンスクラップであり、合金原料が酸化チタンまたは酸化鉄で構成されたペレットであることが好ましい。また、溶解原料が、顆粒状原料であることを好ましい態様としている。

本発明に係る電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法に従うことにより、ハースに投入された溶解原料、特に顆粒状の金属原料を効率よく溶解させることができ、組織に欠陥のない均質な金属インゴットを溶製することができる。また、混合原料によって合金インゴットを製造する場合は、成分の偏析の少ない組成の均一な合金インゴットも溶製することができるという効果を奏するものである。

図１は、本発明の一実施形態に係るインゴットの溶製装置を模式的に示す側断面図である。 図２は、図１における部分拡大図である。 図３は、本発明の他の実施形態に係るインゴットの溶製装置を模式的に示す側断面図である。 図４は、従来の電子ビーム溶解炉を示す斜視図である。

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は、本発明に係る電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法に係る好ましい態様の一例を表している。

電子ビーム溶解炉は、溶解原料３を供給する振動フィーダ等の原料供給手段１と、溶解原料３を溶解するハース２と、ハース２内に電子ビーム６を照射して溶解原料３を溶湯５に溶解させる電子ビーム供給手段と、ハース２の下流側に形成された溶湯排出口１０の下方に設けられた鋳型７と、鋳型７内に形成されたインゴット９の引き抜き手段１２とから構成されている。

まず原料供給手段１から供給された溶解原料３は、ハース２内で電子ビーム照射手段によって溶解されて溶湯５を形成する。溶湯５は、ハース２の下流から鋳型７内に供給される。 鋳型７内には、溶解に先立って、鋳型７の底部を構成するように図示しないスタブが配置されている。よって鋳型７内にハースから供給された溶湯５は、溶解原料３と同じ金属で構成されたスタブの上で固化してインゴット９が生成される。

一方、鋳型７内のスタブ上に供給された溶湯５の表面は、電子ビーム照射手段によって加熱されて溶融プール８を形成する。
鋳型７内に供給される溶湯５の供給に併せてスタブに係合された引き抜き手段１２を下方に移動させることにより、鋳型７内の溶融プール８のレベルは一定に保持される。溶融プール８の下方は、鋳型７の冷却によって順次凝固していくので、これにより連続的にインゴット９を抜き出すことができる。

本願発明においては、ハース２内に原料堆積部４を形成させ、前記堆積部４に向けて、原料供給手段１により上方から溶解原料３が連続的に供給されると共に、前記原料堆積部４に電子ビーム６を照射することを特徴とするものである。その結果、前記堆積部４の大きさを一定に保持しつつ、原料堆積部４に供給された溶解原料３を効率よく溶解させることができるという効果を奏するものである。

本発明においては、溶解原料３の溶解に先立って、原料供給手段１より溶解原料３をハース２の内部に供給し、図示するような原料堆積部４を形成させ、その堆積部４に電子ビームを照射して堆積部４において溶湯５を生成させることを特徴としている。

このような操作を継続することにより、原料堆積部４に照射された電子ビームエネルギーのほぼ全量を、溶解原料３の溶解エネルギーとして利用することができるという効果を奏するものであり、ハースに保持された溶湯全体に電子ビームを照射していた従来の電子ビーム溶解方法と比較して、効率的な溶解操業を行なうことができるという効果を奏するものである。

原料堆積部４の形成方法は、ハース２に溶湯５がまだ形成されていないインゴット溶製初期の段階と、溶湯がすでに形成されているインゴット溶製工程中の段階の２種類の場合があるので、それぞれの場合について以下に説明する。

ハースに溶湯が形成されていない場合
溶解原料３の溶解に先立って、まずは、ハース２内に溶解原料３を供給し、所定の大きさの原料堆積部４を形成させた後、原料堆積部４に対して電子ビーム６の照射を開始して、前記溶解原料３の溶解操作を開始する。

原料堆積部４で溶解生成した溶湯がハース２内に蓄積されて、ハース２内の下流側に設けられた溶湯排出口１０レベルまで溶湯レベルが達した後は、ハース２より溶湯５が鋳型７内に排出される。 鋳型７内に供給された溶湯５の底部は、鋳型７により冷却固化されてインゴット９をなし、溶湯５の頂部では、電子ビーム照射により溶融プール８が形成される。

ハースに溶湯が形成されている場合
ハース２内に既に溶湯５が形成されている場合には、電子ビーム６はハース２内の溶湯５のみに照射されておりこの状態を継続させる。次いで、原料供給手段１より溶解原料３の供給を開始して一定の大きさの原料堆積部４を形成させることが好ましい。前記した原料堆積部４を形成している間は、電子ビーム６を前記原料堆積部４には照射させないことが好ましい。

所定量の大きさの原料堆積部４が形成されていることが確認された後は、前記原料堆積部４に対しても電子ビーム６を照射させて、溶解原料３の溶解を進めることが好ましい。 前記原料堆積部４には、電子ビームを連続的に照射すると共に、溶解原料もこれに併せて連続的に供給することにより、原料堆積部４の大きさを一定に保持することができるという効果を奏するものである。

本発明においては、図２に示すように、前記原料堆積部４のうち、溶湯５面より上方にあってかつ原料堆積部の頂部１１よりも鋳型７に面している側の照射範囲１３に対して電子ビームを照射することが好ましい。前記した原料堆積部４に対して電子ビーム照射を行なうことにより、原料堆積部４の溶解を効果的に進めることができるという効果を奏する。

本発明に用いる溶解原料３は、スポンジチタンのような顆粒状原料を用いることができるが、それ以外にも、チップ状の原料あるいはチャンク状の原料も溶解原料として用いることができる。また、スポンジチタンの中でも、１ｍｍ〜２０ｍｍ（３／４”）に整粒したものを溶解原料３として用いることが好ましい。

１ｍｍ未満の微粒スポンジチタンをハースに投入した場合に、ヒュームによってハース２の溶湯５に供給されるに先立って、ハース２の外に飛散する場合がある。一方、２０ｍｍよりも大きな溶解原料では、原料堆積部４の表面に落下した際に、同堆積部の斜面を転がり、電子ビームにて溶解されることなく、直接溶湯５内に落下することがある。溶湯５内に落下した溶解原料３は、溶湯５から熱を受けて溶解する傾向を示す。しかしながら、これは、溶湯５の温度を低下させる場合がある。従って、溶解原料として粒径を１〜２０ｍｍに整粒した原料を用いることにより、溶解原料を効率よく溶解でき、更には、金属インゴットの均質性を高めることができるという効果を奏する。

よって、本発明においては、原料堆積部４を構成する原料に対して電子ビーム６によって、溶解された溶湯が原料堆積部４の斜面を流れてハース２内の溶湯５と合体するように溶解させることが好ましい。

前記したような溶解方法を採用することにより、ハース２に保持された溶湯５の温度低下を抑制することができるのみならず、未溶解原料がハース２の溶湯に直接落下することによる、局部的な低温ゾーンの生成も抑制することができるという効果を奏するものである。

ハース２内の溶湯５に局部的な温度低下ゾーンが形成されると、原料堆積部４で生成したハースへの溶湯の流れを遮るのみならず、ハース２から鋳型７への溶湯５の排出も遮る場合がある。

よって、本発明においては、原料堆積部４の上に溶解原料３を供給し、次いで、前記原料堆積部４の上で、電子ビーム６を照射して溶解した原料３をハース２の溶湯５と合体するように構成することが好ましい。

本発明では、また、スポンジチタンのような顆粒状原料と合金原料を混合した原料を用いることにより合金を溶製することができる。合金原料としては、酸化チタンや酸化鉄、あるいは、鉄粉をスポンジチタンに塗布する形で供給することができる。

本発明においては、前記合金原料として、酸化チタンや酸化鉄を造粒体として、スポンジチタンに配合してハース２に供給することが好ましく、特に、スポンジチタンの粒度と、合金原料を構成する造粒体との粒度は、できるだけ揃っていることが好ましい。具体的には、金属原料の平均粒径に対する合金原料の平均粒径の比（以降、単に「原料粒度比」と略称する）は、０．１〜１．０の範囲に調整しておくことが好ましい。

このように両者の粒度比を揃えておくことにより、原料供給手段１から切り出された溶解原料３を相分離することなく、均一な状態でハース２に投入することができ、また、両者が原料堆積部４の同一の場所に落下するため、原料堆積部４のスポンジチタンと合金原料を均一に堆積させることができ、その結果、組成の均一なインゴットを溶製することができるという効果を奏する。

前記合金原料粒度比が０．１未満の場合には、図示しない原料貯留槽からハース２まで搬送される間に、原料供給手段１の上で相分離し、その結果、組成の均一な溶解原料３をハース２に供給することができない場合がある。

一方、前記合金原料粒度比が、１．０を超える場合には、図示しない原料貯留槽から原料供給手段１を経由してハース２に投下される直前まではほぼ均一に保持されるものの、原料供給手段１からハース２に投下された後では、両者が原料堆積部４の同一の場所には、落下せず、溶解原料３のうち合金原料のみが、金属原料に比べて遠方にまで飛翔して、その結果、原料堆積部４に合金原料が偏った形で堆積する傾向を示す場合がある。

よって、本発明において合金原料の原料粒度比は、前記の範囲に粒度を調整しておくことにより、原料供給手段１より供給された溶解原料３が偏析することなく、ほぼ均一な組成でハース２内に供給することができるという効果を奏する。

また、本発明に用いるハース２の側壁は、図３に示すように、原料供給手段１が配置された部位のみ、内側に傾斜させておくことが好ましい。その結果、原料堆積部４を鋳型７方向に傾斜させることができ、原料供給手段１から排出された溶解原料３を原料堆積部４の斜面に導き、移動させることができる。その結果、原料堆積部４の表層部にある原料を効率よく溶解させることができるという効果を奏するものである。なお、傾斜角を有する部分は、原料堆積部４の斜面に近接するハース２の側壁の一部であってもよい。

前記ハース２の側壁の傾斜角θは０〜３０°の範囲が好ましい。この範囲にハース側壁の傾斜角θを選択することにより、ハース２内に形成する原料堆積部４を均一な組成で構成することができるという効果を奏する。また、前記傾斜角θが３０°以下であると、原料フィーダ１から投下した溶解原料３を、前記ハース２内で収率よく投入することができるという効果を奏する。

前記傾斜角が０°未満（マイナス側を意味する）の場合には、原料堆積部４のハース２の側壁側、すなわち電子ビーム照射の影になる側の部分に合金原料が偏析する場合がある。

一方、前記ハース２の側壁の傾斜角θが３０°を超える場合には、原料供給手段１からハース２に投入された原料が、ハース２の外にこぼれる場合がある。

よって、本発明においては、ハース２の側壁は、鉛直もしくは、鉛直方向に対して、０〜３０°の範囲から選択することが好ましい。

以上の実施態様で述べたように、電子ビーム溶解炉を構成するハース内に、原料堆積部４を形成させつつ、溶解することにより、溶解原料３を効果的に溶解することができるという効果を奏するものである。

以下、実施例および比較例により、本発明をより詳細かつ具体的に説明する。
［実施例１］
１．装置構成
１）溶解原料
金属原料：スポンジチタン（粒度範囲：１〜２０ｍｍ、平均粒径：１２ｍｍ）
合金添加原料：酸化チタンペレット（粒度範囲：２〜５ｍｍ、平均粒径：４ｍｍ）
金属原料に対する合金原料粒度比：０．３３
金属原料に対する合金添加原料の配合比：１ｗｔ％
なお、各原料の平均粒径は、ＪＩＳＺ８８１５に準拠した篩い分け試験により、篩上累積重量が５０％となる値とした。
２）ハース
材質および構造：水冷銅ハース
２．電子ビーム照射方法
図１示す原料堆積部４に対して、原料堆積部４が浸漬している溶湯５より表面に出ている裾野の部位より頂部に向かいつつ、前記堆積部４の表面の水平方向に対して電子ビームを照射した。
３．溶解結果
図１に示す上記条件の装置構成を用いて、ハース２内に原料堆積部４を形成しつつ、その斜面に対して電子ビーム６を照射して、ハース２内に投入された溶解原料３を溶解し、電子ビーム溶解炉の側壁に設けたサイトグラスより、内部の溶解状況を観察した。ハース２内に形成された原料堆積部４の表層部より、電子ビーム照射で溶解された溶湯５が生成しつつ、前記原料堆積部４の表層部を流下して、ハース２内に保持されている溶湯５と合流している様子が観察された。また、合金インゴットの組成も均一であった。

［実施例２］
図１に示すような装置構成を用いて、ハース側壁の傾斜角を垂直（０°）、１０、１５、３０および４０°に変更して、ハース２内に投入された溶解原料３の偏析状況をコールドモデルにより調査した。

その結果、表１に示すように、前記傾斜角が０°〜４０°の間では、原料フィーダー１の先端部の下方に形成された原料堆積部４には、スポンジチタンと酸化チタンペレットが偏析なく、均一な状態で蓄積されていることが確認された。なお、前記傾斜角が４０°の場合、ハース２の原料堆積部４上に投入された溶解原料３の一部は、ハース２の側壁より系外にこぼれる様子が観察された。

また、前記傾斜角がマイナスの場合には、合金原料の偏析が見られた。よって、本願発明においては、ハース側壁の傾斜角θは、０〜３０°の範囲が特に好ましいとされる。

［実施例３］
実施例１において、金属原料に対応するスポンジチタンの平均粒径に対する合金原料に対応した酸化チタンペレットの粒度比、即ち、合金原料粒度比を変化させて、その際の、原料供給手段１上およびハース２に投下された際に形成された原料堆積部４に対する偏析状況をコールドモデルにより観察した。

表２に示すように、合金原料粒度比が、０．１〜１．０の場合には、ハース２内でのスポンジチタンと酸化チタンペレットの顕著な相分離、原料フィーダー１の上での相分離は観察されなかった。よって、本発明における原料粒度比は、０．１〜１．０の範囲が特に好ましいことが確認された。

［比較例１］
実施例２において、ハース２内に原料堆積部４を形成することなく、ハース２に溶湯５が形成された後、原料供給手段１を稼動させて溶解原料３をハース２に投下すると共に、原料供給手段１より投下された原料に対して電子ビーム６を照射して、前記溶解原料３の溶解状況を観察した。ハース２内に投入された溶解原料３の大半は、完全溶解することなく、部分的に溶融した状態でハース２内の溶湯５に落下した。

また、原料供給手段１より落下した原料の背面に対応したハース側壁に配設したチタンスカルが優先的に溶解する状況も観察された。よって、本形式による溶解原料３の溶解方法は、適切でないことが確認された。

このように、原料堆積部４に照射する電子ビームは、裾野の部位から頂部に向かって、水平方向に照射することが好ましいことが確認された。

［比較例２］
実施例１において、原料堆積部４に電子ビームを照射しないで、その周囲にある溶湯５に対して電子ビームを照射して、溶湯５を過熱して原料堆積部４の溶解を試みた。その際、電子ビームを照射した溶湯５の温度をサイトグラスを通じて２色温度計により測定した。しかしながら、高温部は拡散してしまうため溶湯５の温度上昇は、殆どなく、また、原料堆積部４も消滅するのではなく、逆に成長する傾向が観察されたため、試験を中断した。

このように、原料堆積部４が浸漬されている溶湯５の温度を加熱させることにより、静的な溶解を行なうことができることを期待したものの、良好な結果は得られず、本発明の実施形態で述べたように、ハース２内に形成した原料堆積部４に対して電子ビームを直接照射することにより、効率よく原料を溶解することができることが、本比較例によって確認された。

本発明は、電子ビーム溶解炉およびこれを用いた金属の溶製方法に関し、特に、電子ビーム溶解炉に投入した溶解原料を効率よく溶解する方法を提供するものである。

１…原料供給手段
２…ハース
３…溶解原料
４…原料堆積部
５…溶湯
６…電子ビーム
７…鋳型
８…鋳型プール
９…インゴット
１０…溶湯排出口
１１…原料堆積部の頂部
１２…インゴット引き抜き手段
１３…電子ビーム照射範囲

Claims (6)

1. 原料供給手段によって溶解原料をハースに供給し、電子ビームを照射することによって前記溶解原料を溶解して溶湯とし、前記溶湯を鋳型に供給して冷却固化させることでインゴットを生成する金属製造用溶解炉を用いた金属の溶製方法であって、
   前記ハース内に前記溶解原料を落下させて溶解原料の堆積部を形成させた後、前記堆積部上に前記溶解原料を供給しつつ、前記源電子ビームを前記堆積部の前記溶湯の表面から出ている部分において往復しかつ溶湯浴面から前記堆積部の頂部に向けて走査して溶解することを特徴とする電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法。
2. 前記ハースを構成する側壁のうち、前記原料供給手段側に存在するハース側壁のみがハース内部に傾斜されていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法。
3. 前記溶解原料が、単体金属原料で構成されるか、または、合金原料を含む混合原料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法。
4. 前記溶解原料が、顆粒状原料であることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法。
5. 前記金属原料が、スポンジチタンまたは純チタンスクラップであることを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法。
6. 前記合金原料が、酸化チタンまたは酸化鉄で構成されたペレットであることを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法。

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