JP7471946B2 - Manufacturing method of titanium ingot - Google Patents

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Description

この発明は、スポンジチタンを含む溶解原料を溶解し、それにより得られる溶湯を用いて鋳造を行い、チタン系インゴットを製造する方法に関するものである。 This invention relates to a method for producing titanium-based ingots by melting a raw material containing titanium sponge and casting the resulting molten metal.

チタンを含有するチタン系インゴットを製造するに当っては、たとえば電子ビーム式溶解炉を使用して、溶解原料の溶解及び、鋳造を行うことがある。なおチタン系インゴットには、円柱状や、長手方向に直交する断面が多角形の角柱状等のものがある。なかでも角柱状のチタン系インゴットには、当該断面が矩形であって熱間圧延に供され得るスラブが含まれる。 When manufacturing titanium-based ingots containing titanium, for example, an electron beam melting furnace may be used to melt the raw materials and cast them. Titanium-based ingots can be cylindrical or prismatic, with a polygonal cross section perpendicular to the longitudinal direction. Prismatic titanium-based ingots in particular include slabs with a rectangular cross section that can be subjected to hot rolling.

この種の技術としては、特許文献1等に記載されたものがある。特許文献1では、「粉状の合金原料と顆粒状金属原料を歩留まり良く、また均一に電子ビーム溶解炉に供給する技術の提供を目的」とし、「電子ビーム溶解炉を用いた金属インゴットの溶製方法において、塊状酸化物と顆粒状金属とを混合し、これらの混合物を溶解原料として電子ビーム溶解炉に供給することを特徴とする金属インゴットの溶製方法」が提案されている。 One example of this type of technology is described in Patent Document 1. Patent Document 1 aims to "provide a technology for supplying powdered alloy raw materials and granular metal raw materials to an electron beam melting furnace with good yield and uniformity," and proposes "a method for producing metal ingots using an electron beam melting furnace, which is characterized by mixing lump oxide and granular metal, and supplying the mixture to the electron beam melting furnace as the melting raw materials."

チタン系インゴットを製造するときに溶解させる溶解原料には、特許文献1にも記載されているように、クロール法等により得られたスポンジチタンを含ませることがある。クロール法では、四塩化チタンを金属マグネシウムで還元することにより、スポンジチタン塊を生成させる。なおこのとき、還元反応の副生成物として塩化マグネシウムが生成する。このスポンジチタン塊を破砕することで、粒状等の上記スポンジチタンが得られる。スポンジチタンは、それを取り出したスポンジチタン塊の部位等によっては、塩化マグネシウム等に由来して塩素含有率がある程度高い場合がある。 As described in Patent Document 1, the raw material melted when producing titanium-based ingots may contain titanium sponge obtained by the Kroll process or the like. In the Kroll process, titanium tetrachloride is reduced with metallic magnesium to produce a titanium sponge mass. At this time, magnesium chloride is produced as a by-product of the reduction reaction. The titanium sponge mass is crushed to obtain the above-mentioned titanium sponge in granular form or the like. Depending on the part of the titanium sponge mass from which it was extracted, the titanium sponge may have a relatively high chlorine content due to the magnesium chloride, etc.

国際公開第2008/078402号International Publication No. 2008/078402

ところで、塩素含有率が比較的高いスポンジチタンを溶解原料として用いて、チタン系インゴットを鋳造すると、チタン系インゴットの表層の内部にポアが形成されることがあった。チタン系インゴットを圧延処理等する際は事前に切削作業が行われることがあり、この切削作業によって内部ポアが表面に現出すると、そのままでは熱間圧延を行えない。熱間圧延を行うには、表面に現出したポアがなくなるまでさらに切削作業が必要であり、作業負荷が大きかった。また、内部ポア数が多すぎると製品として使用できない場合もあった。
このことから従来は、塩素含有率がある程度高いスポンジチタンは、チタン系インゴットの製造に用いられていなかった。
However, when titanium sponge with a relatively high chlorine content is used as a melting material to cast a titanium-based ingot, pores may be formed inside the surface layer of the titanium-based ingot. When a titanium-based ingot is subjected to rolling or other processing, cutting may be performed beforehand, and if internal pores appear on the surface as a result of this cutting, hot rolling cannot be performed as is. To perform hot rolling, further cutting is required until the pores that appear on the surface disappear, which is a heavy workload. Also, if there are too many internal pores, the ingot may not be usable as a product.
For this reason, titanium sponge, which has a relatively high chlorine content, has not been used in the manufacture of titanium-based ingots.

この発明の目的は、塩素含有率が比較的高いスポンジチタンを溶解原料として用いても、チタン系インゴットの表層への内部ポアの発生を抑制することができるチタン系インゴットの製造方法を提供することにある。 The object of this invention is to provide a method for producing titanium-based ingots that can suppress the occurrence of internal pores in the surface layer of the titanium-based ingot, even when using titanium sponge with a relatively high chlorine content as the melting raw material.

発明者は鋭意検討の結果、塩素含有率が比較的高いスポンジチタンを溶解原料として用いた場合に、チタン系インゴットの表層に内部ポアが多数発生する理由について、次のように考えた。 After extensive research, the inventors came to the following conclusion as to why numerous internal pores occur on the surface of titanium-based ingots when sponge titanium with a relatively high chlorine content is used as the melting raw material.

スポンジチタンに含まれる塩素が塩化マグネシウムに由来するものである場合、そのようなスポンジチタンには、塩化マグネシウムの吸湿性の故に水も含まれると推測される。そして、水を構成する成分のうち、水素は、溶解原料を溶解した際に溶湯中に溶け込み、その後の鋳造時に冷却による溶解度の低下に起因して、溶湯中でガスとなりうる。鋳造時に溶湯は深さ方向で該溶湯の液面から離れた位置ほど温度が低くなって凝固が進行するため、ガスは溶湯の液面から深さ方向にある程度離れた位置で発生しやすいと思われる。また、鋳型内で溶湯はその周囲の鋳型内面に近い側から冷却されていくので、インゴットの表層となる部位ではガスの発生から溶湯の凝固までの時間が短くなると考えられる。従来は鋳型内の溶湯の液面温度が比較的低かったことから、溶湯中の上記のガスが鋳型内面側の液面から抜け出ようとする途中で溶湯が凝固点以下の温度になって凝固し、これがチタン系インゴットの表層へのポアの発生の要因になっていたと考えられる。なお、鋳型内面から離れた位置の溶湯の中央近傍は冷却速度が比較的遅いため、その中央近傍でガスが発生しても当該ガスは溶湯の液面から抜け出ることができると思われる。 If the chlorine contained in the titanium sponge is derived from magnesium chloride, it is assumed that such sponge also contains water due to the hygroscopicity of magnesium chloride. Among the components that make up water, hydrogen dissolves in the molten metal when the raw material is melted, and can become gas in the molten metal due to a decrease in solubility caused by cooling during subsequent casting. During casting, the temperature of the molten metal decreases as the metal solidifies, and gas is likely to be generated at a position that is somewhat distant from the molten metal surface in the depth direction. In addition, since the molten metal is cooled from the side close to the inner surface of the molten metal in the casting mold, the time from gas generation to solidification of the molten metal is thought to be shorter in the area that will become the surface layer of the ingot. Conventionally, the surface temperature of the molten metal in the casting mold was relatively low, so the molten metal solidified at a temperature below its freezing point while the above-mentioned gas in the molten metal was trying to escape from the surface on the inner surface side of the mold, which is thought to have been the cause of pores in the surface layer of titanium-based ingots. Furthermore, since the cooling rate is relatively slow near the center of the molten metal, away from the inner surface of the mold, it is believed that even if gas is generated near the center, the gas can escape from the surface of the molten metal.

これに対し、鋳型内の溶湯の液面温度を所定の温度以上に高くすると、溶湯中の上記のガスが鋳型内面側から十分に抜け出るまで溶湯が凝固しないと考えられ、その結果として、チタン系インゴットの表層への内部ポアの発生を抑制できることが解かった。但し、この発明は、上述したような理論に限定されるものではない。 In response to this, it has been found that if the surface temperature of the molten metal in the mold is raised above a predetermined temperature, the molten metal will not solidify until the above-mentioned gases in the molten metal have sufficiently escaped from the inner surface of the mold, and as a result, it is possible to suppress the occurrence of internal pores in the surface layer of the titanium-based ingot. However, this invention is not limited to the theory described above.

この発明のチタン系インゴットの製造方法は、スポンジチタンとして、塩素含有率が0.15質量%以上である高塩素含有率スポンジチタンを含み、スポンジチタンの総量における前記高塩素含有率スポンジチタンの量の占める割合が質量基準で4%以上である溶解原料を溶解させ、溶湯を得る溶解工程と、前記溶湯を鋳型内に流し込み、前記溶湯を構成する材料の融点をTm(℃)としたとき、鋳型内の前記溶湯の液面温度Ts(℃)を鋳型内面の近傍の周縁領域で、Ts≧Tm+105℃とする鋳造工程とを含むものである。 The method for producing a titanium-based ingot of this invention includes a melting step of melting a raw material containing a titanium sponge with a high chlorine content of 0.15% by mass or more, and the proportion of the amount of the high chlorine content titanium sponge in the total amount of titanium sponge is 4% or more by mass, to obtain a molten metal, and a casting step of pouring the molten metal into a mold and setting the liquid surface temperature Ts (°C) of the molten metal in the mold to Ts ≧ Tm + 105°C in the peripheral region near the inner surface of the mold, where Tm (°C) is the melting point of the material that constitutes the molten metal.

前記周縁領域は、前記鋳型内面の位置と、前記鋳型内面から該鋳型内面上に立てた法線に沿って内側に20mm~40mmの距離で離れた位置との間の領域とすることが好ましい。 The peripheral region is preferably an area between the position of the mold inner surface and a position 20 mm to 40 mm away from the mold inner surface along a normal line drawn on the mold inner surface.

前記鋳造工程では、前記溶湯を凝固させながら鋳型内の底部側から連続的に引き抜いて、チタン系インゴットを鋳造することが好適である。
この場合、前記鋳造工程で、鋳型内からの引抜き速度を、2.5tоn/hr以下とすることが好ましい。
In the casting step, it is preferable to cast a titanium-based ingot by continuously withdrawing the molten metal from the bottom side of the mold while solidifying the molten metal.
In this case, it is preferable that the withdrawal speed from the mold in the casting step is 2.5 ton/hr or less.

この発明のチタン系インゴットの製造方法では、たとえば角柱状又は円柱状のチタン系インゴットを製造することができる。 The titanium-based ingot manufacturing method of this invention can produce titanium-based ingots that are, for example, prismatic or cylindrical.

この発明のチタン系インゴットの製造方法によれば、塩素含有率が比較的高いスポンジチタンを溶解原料として用いても、チタン系インゴットの表層への内部ポアの発生を抑制することができる。 The method for producing titanium-based ingots of this invention makes it possible to suppress the occurrence of internal pores on the surface layer of titanium-based ingots, even when sponge titanium with a relatively high chlorine content is used as the melting raw material.

この発明の一の実施形態に係るチタン系インゴットの製造方法で用いることができる電子ビーム式溶解炉の一例を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an electron beam melting furnace that can be used in a method for producing a titanium-based ingot according to one embodiment of the present invention. 図1の電子ビーム式溶解炉が備える鋳型の平面図である。FIG. 2 is a plan view of a mold provided in the electron beam melting furnace of FIG. 1 . 電子ビーム式溶解炉における鋳型の他の例を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing another example of a mold in an electron beam melting furnace. 電子ビーム式溶解炉における鋳型のさらに他の例を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing still another example of a mold in an electron beam melting furnace.

以下に、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
この発明の一の実施形態に係るチタン系インゴットの製造方法では、図1に例示するような、ハース2、鋳型3及び電子銃4等を備える電子ビーム式溶解炉1を用いることができる。この実施形態には、ハース2内にて、スポンジチタンを含む溶解原料Msを電子銃4からの電子ビームの照射により溶解させ、溶湯Mmを得る溶解工程と、溶湯Mmを鋳型3内に流し込んで、該溶湯Mmを鋳型3内で冷却して凝固させる鋳造工程とが含まれる。上記の溶解原料Msは、スポンジチタンとして、塩素含有率が0.15質量%以上である高塩素含有率スポンジチタンを含み、スポンジチタンの総量における高塩素含有率スポンジチタンの量の占める割合が質量基準で4%以上であるものとする。そして、鋳造工程では、溶湯Mmを構成する材料の融点Tm(℃)と、鋳型3内の鋳型内面3aの近傍の周縁領域での溶湯Mmの液面温度Ts(℃)とが、Ts≧Tm+105℃の関係を満たすように、当該液面温度Tsを調整する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
In the manufacturing method of titanium-based ingot according to one embodiment of the present invention, an electron beam melting furnace 1 equipped with a hearth 2, a mold 3, an electron gun 4, etc., as exemplified in Fig. 1, can be used. This embodiment includes a melting step in which a molten raw material Ms containing titanium sponge is melted in the hearth 2 by irradiation of an electron beam from the electron gun 4 to obtain a molten metal Mm, and a casting step in which the molten metal Mm is poured into a mold 3 and cooled and solidified in the mold 3. The molten raw material Ms includes a high chlorine content titanium sponge having a chlorine content of 0.15 mass% or more as the titanium sponge, and the proportion of the amount of the high chlorine content titanium sponge in the total amount of the titanium sponge is 4% or more by mass. In the casting step, the melting point Tm (°C) of the material constituting the molten metal Mm and the liquid surface temperature Ts (°C) of the molten metal Mm in the peripheral region near the mold inner surface 3a in the mold 3 are adjusted so that the relationship Ts ≧ Tm + 105°C is satisfied.

この実施形態では、詳細については後述するが、鋳造工程で鋳型3内の溶湯Mmの液面Smのうち、鋳型内面3aの近傍の周縁領域の液面温度Tsを上記のように高くすることにより、高塩素含有率スポンジチタンをある程度多く含む溶解原料Msを用いても、表層での内部ポアの発生が抑えられたチタン系インゴットを製造することができる。それにより、高塩素含有率スポンジチタンを有効に活用できるとともに、チタン系インゴット製造の歩留まりの低下を抑制することができる。 In this embodiment, the details will be described later, but by increasing the liquid surface temperature Ts of the peripheral region near the mold inner surface 3a of the liquid surface Sm of the molten metal Mm in the mold 3 in the casting process as described above, it is possible to produce a titanium-based ingot in which the occurrence of internal pores in the surface layer is suppressed, even when using a molten raw material Ms that contains a certain amount of high-chlorine content titanium sponge. This makes it possible to effectively utilize the high-chlorine content titanium sponge and suppress a decrease in the yield of titanium-based ingot production.

(チタン系インゴット)
チタン系インゴットを製造するには、たとえば、電子ビーム式溶解炉1で、少なくともスポンジチタン、必要に応じて合金元素等を含む溶解原料Msを溶解し、その溶湯Mmを鋳型3内に流し込んで鋳造を行う。鋳型3内で溶湯Mmは冷却されて凝固し、当該鋳型3の形状に応じた所定の形状を有するチタン系インゴットになる。チタン系インゴットは、円柱状のもの又は、長手方向に直交する断面が多角形であるスラブ等の角柱状のものとすることがある。
(Titanium ingot)
To manufacture a titanium-based ingot, for example, a molten raw material Ms containing at least titanium sponge and, if necessary, alloying elements, etc. is melted in an electron beam melting furnace 1, and the resulting molten metal Mm is poured into a mold 3 for casting. The molten metal Mm is cooled and solidified in the mold 3 to become a titanium-based ingot having a predetermined shape corresponding to the shape of the mold 3. The titanium-based ingot may be cylindrical or prismatic, such as a slab having a polygonal cross section perpendicular to the longitudinal direction.

チタン系インゴットは、たとえば、実質的にチタンからなるチタン製のもの、又は、チタン及び合金成分を含有するチタン合金製のものとすることができる。例えば、チタン製とは、JIS規格の1種~4種相当のチタン製とすることができる。例えば、チタン合金は、チタンとFe、Sn、Cr、Al、V、Mn、Zr、Mo等の金属(合金元素)との合金であり、具体例としては、Ti-6-4(Ti-6Al-4V)、Ti-5Al-1Fe、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-8-1-1(Ti-8Al-1Mo-1V)、Ti-6-2-4-2(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)、Ti-6-6-2(Ti-6Al-6V-2Sn-0.7Fe-0.7Cu)、Ti-6-2-4-6(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)、SP700(Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo)、Ti-17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)、β-CEZ(Ti-5Al-2Sn-4Zr-4Mo-2Cr-1Fe)、TIMETAL555(「TIMETAL」は登録商標)、Ti-5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe)、TIMETAL21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)、TIMETAL LCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al)、10-2-3(Ti-10V-2Fe-3Al)、Beta C(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Cr)、Ti-8823(Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al)、15-3(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)、BetaIII(Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn)、Ti-13V-11Cr-3Al等が挙げられる。なお、上記の列挙において、各合金元素の前に付した数字は、含有率(質量%)を意味する。例えば、「Ti-6Al-4V」とは、6質量%のAlと4質量%のVとを含有するチタン合金を指す。 The titanium-based ingot can be, for example, a titanium ingot that is substantially made of titanium, or a titanium alloy that contains titanium and alloying components. For example, titanium can be titanium that is equivalent to JIS standards types 1 to 4. For example, titanium alloys are alloys of titanium and metals (alloying elements) such as Fe, Sn, Cr, Al, V, Mn, Zr, and Mo. Specific examples include Ti-6-4 (Ti-6Al-4V), Ti-5Al-1Fe, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-8-1-1 (Ti-8Al-1Mo-1V), Ti-6-2-4-2 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si), Ti-6-6-2 (Ti-6Al-6V-2Sn-0.7Fe-0.7Cu), Ti-6-2-4-6 ( Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo), SP700 (Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo), Ti-17 (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr), β-CEZ (Ti-5Al-2Sn-4Zr-4Mo-2Cr-1Fe), TIMETAL555 ("TIMETAL" is a registered trademark), Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe), TIMETAL21S (Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si), TIMETAL Examples include LCB (Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al), 10-2-3 (Ti-10V-2Fe-3Al), Beta C (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Cr), Ti-8823 (Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al), 15-3 (Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn), BetaIII (Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn), Ti-13V-11Cr-3Al, etc. In the above list, the numbers in front of each alloying element indicate the content (mass%). For example, "Ti-6Al-4V" refers to a titanium alloy containing 6 mass% Al and 4 mass% V.

円柱状のチタン系インゴットは、たとえば、直径が100mm~1500mm、長さが9000mm以下であるものとすることがある。角柱状のスラブ等としてのチタン系インゴットは、たとえば、幅が700mm~1600mm、典型的には1100mm~1350mm、厚みが220mm~260mm、長さが9000mm以下のものとすることができる。但し、チタン系インゴットの寸法は、これに限らない。
なお、チタン系インゴット中のマグネシウムは、後述するような溶解工程でハースにて十分に低減されたこと等により、10質量ppm未満になることがある。
A cylindrical titanium-based ingot may have a diameter of 100 mm to 1500 mm and a length of 9000 mm or less, for example. A titanium-based ingot as a prismatic slab or the like may have a width of 700 mm to 1600 mm, typically 1100 mm to 1350 mm, a thickness of 220 mm to 260 mm, and a length of 9000 mm or less, for example. However, the dimensions of the titanium-based ingot are not limited to these.
The magnesium content in the titanium-based ingot may be less than 10 ppm by mass due to sufficient reduction in the hearth during the melting process described below.

(溶解原料)
チタン系インゴットの製造に用いる溶解原料Msは、ブリケット状、棒状、粉状及び/又は粒状等の形状であり、少なくともスポンジチタンを含むものとする。例えば、スポンジチタンを原料として使用してブリケットを製造し、該ブリケットを溶解原料Msとして用いる場合は、その溶解原料Msはスポンジチタンの加工物を含むからスポンジチタンを含むものである。溶解原料Msは、スポンジチタンをそのままの形態で含むものであってもよいが、スポンジチタンを加工して得られたブリケット等の加工物を含むものであってもよい。
(Melting raw materials)
The melting raw material Ms used in the production of titanium-based ingots is in the form of briquettes, rods, powders and/or particles, etc., and contains at least titanium sponge. For example, when a briquette is produced using titanium sponge as a raw material and the briquette is used as the melting raw material Ms, the melting raw material Ms contains a processed product of titanium sponge, and therefore contains titanium sponge. The melting raw material Ms may contain titanium sponge in its original form, or may contain a processed product such as a briquette obtained by processing titanium sponge.

このスポンジチタンとしては、クロール法で得られたものを好適に用いることができる。より具体的には、溶融状態の金属マグネシウム上に精製四塩化チタン等の四塩化チタンを滴下し、四塩化チタンを金属マグネシウムで還元することにより、スポンジチタン塊を生成させる。この際に、副生成物として塩化マグネシウムも生成する。その後、スポンジチタン塊を破砕し、所定の大きさの粒状等のスポンジチタンとする。なお、上記の精製四塩化チタンを得るには、例えば、約1000℃の高温にてコークス等の還元材とチタン鉱石中の酸化チタンと塩素ガスと反応させ、それにより生成する粗四塩化チタンを蒸留する。 As this titanium sponge, one obtained by the Kroll process can be suitably used. More specifically, titanium tetrachloride such as purified titanium tetrachloride is dropped onto molten magnesium metal, and the titanium tetrachloride is reduced with the magnesium metal to produce a titanium sponge mass. In this process, magnesium chloride is also produced as a by-product. The titanium sponge mass is then crushed to produce titanium sponge in the form of granules of a specified size. To obtain the above-mentioned purified titanium tetrachloride, for example, a reducing agent such as coke is reacted with titanium oxide in titanium ore and chlorine gas at a high temperature of about 1000°C, and the crude titanium tetrachloride produced is distilled.

還元工程で生成したスポンジチタン塊はその部位によって品質が異なる。例えば、スポンジチタン塊の底部側は塩化マグネシウム含有量が比較的高くなる傾向がある。そして、スポンジチタン塊の底部側から得られるスポンジチタンは、比較的多い量の塩化マグネシウムが残留することがある。このような理由から、スポンジチタンは、クロール法により作製されて副生成物の塩化マグネシウムが残留していること等により、塩素を0.15質量%以上、たとえば0.20質量%~1.50質量%と比較的多く含有することがある。塩素含有率が0.15質量%以上であるスポンジチタンを、ここでは高塩素含有率スポンジチタンと呼ぶ。一方、塩素含有率が0.15質量%未満であるスポンジチタンは、低塩素含有率スポンジチタンと称する。なお、前述のとおりスポンジチタン中の塩素含有率の高低は、スポンジチタン塊の採取部位によって異なる場合がある。スポンジチタンの塩素含有率は、硝酸銀滴定法により求めることができる。 The quality of the titanium sponge mass produced in the reduction process varies depending on the location. For example, the bottom side of the titanium sponge mass tends to have a relatively high magnesium chloride content. The titanium sponge obtained from the bottom side of the titanium sponge mass may have a relatively large amount of residual magnesium chloride. For this reason, the titanium sponge may contain a relatively large amount of chlorine, such as 0.15 mass% or more, for example, 0.20 mass% to 1.50 mass%, due to the residual magnesium chloride by-product produced by the Kroll process. A titanium sponge with a chlorine content of 0.15 mass% or more is referred to here as a high chlorine content titanium sponge. On the other hand, a titanium sponge with a chlorine content of less than 0.15 mass% is referred to as a low chlorine content titanium sponge. As mentioned above, the chlorine content in the titanium sponge may vary depending on the location where the titanium sponge mass is collected. The chlorine content of the titanium sponge can be determined by silver nitrate titration.

溶解原料Msは、高塩素含有率スポンジチタンを含むものとする。より詳細には、溶解原料Msは、高塩素含有率スポンジチタン及び低塩素含有率スポンジチタンを含み、スポンジチタンの総量における高塩素含有率スポンジチタンの量の占める割合が質量基準で4%以上であるものとする。さらに溶解原料Msは、スポンジチタンの総量における高塩素含有率スポンジチタンの量の割合が質量基準で4~10%、また6%~10%であるものとすることができる。スポンジチタンの総量は、高塩素含有率スポンジチタンの量と低塩素含有率スポンジチタンの量の合計である。仮に溶解原料Msが上記のブリケット等の加工物を含む場合、ここでいう割合は、当該加工物の製造に用いられたスポンジチタンの量から求める。 The melting raw material Ms contains high chlorine content titanium sponge. More specifically, the melting raw material Ms contains high chlorine content titanium sponge and low chlorine content titanium sponge, and the proportion of the amount of high chlorine content titanium sponge in the total amount of titanium sponge is 4% or more by mass. Furthermore, the melting raw material Ms can be such that the proportion of the amount of high chlorine content titanium sponge in the total amount of titanium sponge is 4-10% by mass, or 6%-10% by mass. The total amount of titanium sponge is the sum of the amount of high chlorine content titanium sponge and the amount of low chlorine content titanium sponge. If the melting raw material Ms contains a processed product such as the above-mentioned briquette, the proportion referred to here is determined from the amount of titanium sponge used in the production of the processed product.

高塩素含有率スポンジチタンを含む溶解原料Msを用いて、チタン系インゴットを溶解及び鋳造により製造すると、チタン系インゴットの表層に内部ポアが多数発生するおそれがある。なお、内部ポアは、チタン系インゴットの表層に発生しやすく、表層よりも内部側には発生しにくい傾向がある。これに対し、この実施形態では、上述したように高塩素含有率スポンジチタンを比較的多く含む溶解原料Msを用いたとしても、後述する鋳造工程を行うことにより、チタン系インゴットの表層への内部ポアの発生を抑制することができる。それにより、これまではチタン系インゴットの製造に用いられていなかった高塩素含有率スポンジチタンを有効に活用することができる。また、溶解原料Msに含まれるスポンジチタン全体のうち、高塩素含有率スポンジチタンをある程度の量に抑えることにより、鋳造時のガスの発生量を抑制できる。 When a titanium-based ingot is produced by melting and casting using a melting raw material Ms containing a high-chlorine content titanium sponge, a large number of internal pores may occur in the surface layer of the titanium-based ingot. Note that internal pores tend to occur easily in the surface layer of the titanium-based ingot, and are less likely to occur in the inner side than the surface layer. In contrast, in this embodiment, even if a melting raw material Ms containing a relatively large amount of high-chlorine content titanium sponge is used as described above, the generation of internal pores in the surface layer of the titanium-based ingot can be suppressed by performing the casting process described below. This makes it possible to effectively utilize high-chlorine content titanium sponge, which has not been used in the production of titanium-based ingots until now. In addition, by limiting the amount of high-chlorine content titanium sponge to a certain amount among the total sponge titanium contained in the melting raw material Ms, the amount of gas generated during casting can be suppressed.

チタン製であるチタン系インゴットを製造する場合、溶解原料Msは、高塩素含有率スポンジチタン及び低塩素含有率スポンジチタンのみを含むことがある。あるいは、チタン合金製のチタン系インゴットを製造する場合、溶解原料Msは、高塩素含有率スポンジチタン及び低塩素含有率スポンジチタンの他、当該チタン合金の合金元素を含む原料を、その合金元素の含有率等に応じた量で含むものとすることができる。 When producing a titanium-based ingot made of titanium, the melting raw material Ms may contain only high-chlorine content titanium sponge and low-chlorine content titanium sponge. Alternatively, when producing a titanium-based ingot made of a titanium alloy, the melting raw material Ms may contain, in addition to high-chlorine content titanium sponge and low-chlorine content titanium sponge, raw materials containing alloying elements of the titanium alloy in amounts according to the content of the alloying elements, etc.

(溶解工程)
溶解工程では、電子ビーム式溶解炉(いわゆるEB炉)等を用いて、上記の溶解原料Msを溶解させて溶湯Mmとする。プラズマアーク溶解法を実施するプラズマ溶解炉その他の溶解炉も使用できる場合があるが、溶解原料Ms中の不純物の除去やチタン系インゴットの成分調整等の観点で優れる電子ビーム式溶解炉を用いることが好ましい。
(Dissolving process)
In the melting step, the raw material Ms is melted to obtain the molten metal Mm using an electron beam melting furnace (so-called EB furnace) or the like. Although a plasma melting furnace for carrying out a plasma arc melting method or other melting furnaces may be used, it is preferable to use an electron beam melting furnace, which is superior in terms of removing impurities in the raw material Ms and adjusting the composition of the titanium-based ingot.

図示の例の電子ビーム式溶解炉1は、溶解原料Msを溶解させるハース2と、ハース2への溶解原料Msの投入に用いるフィーダ5と、ハース2から流し込まれた溶湯Mmを冷却して凝固させる鋳型3と、ハース2内や鋳型内の溶解原料Msないし溶湯Mmに電子ビームを照射する一個以上、ここでは二個の電子銃4とを備えるものである。電子銃4の個数は電子ビーム式溶解炉1の構成に鑑みて適宜変更可能である。 The electron beam melting furnace 1 in the illustrated example includes a hearth 2 for melting the molten raw material Ms, a feeder 5 for feeding the molten raw material Ms into the hearth 2, a mold 3 for cooling and solidifying the molten metal Mm poured from the hearth 2, and one or more electron guns 4 (two in this case) for irradiating the molten raw material Ms or the molten metal Mm in the hearth 2 or the mold with an electron beam. The number of electron guns 4 can be changed as appropriate in consideration of the configuration of the electron beam melting furnace 1.

フィーダ5からハース2内に投入された溶解原料Msは、電子銃4から電子ビームが照射されて溶湯Mmになる。溶湯Mmは、必要に応じて電子銃4から電子ビームが照射されその溶融状態が維持されながら、ハース2内から鋳型3内へと流し込まれる。 The molten raw material Ms fed from the feeder 5 into the hearth 2 is irradiated with an electron beam from the electron gun 4 to become molten metal Mm. The molten metal Mm is poured from the hearth 2 into the mold 3 while being irradiated with an electron beam from the electron gun 4 as necessary to maintain the molten state.

なお、ハース2は、図示は省略するが、溶解原料を溶解させる溶解ハース、溶湯中の不純物を沈殿ないし蒸発させて溶湯の精製を行う精製ハース、並びに、精製後の溶湯を一個又は複数個の鋳型に対して必要に応じて分配してから注湯する注湯ハース等を含むことがある。また、ハース2は、水冷銅ハース等のコールドハースとすることができる。この場合、ハース2の内面にスカルが形成された状態で溶解及び鋳型3への溶湯の流込みを行うことにより、低密度介在物量を低減することができる他、チタン系インゴットの組成のばらつきを抑制することができる。多くの場合、溶解工程及び、後述の鋳造工程は、電子ビーム式溶解炉1内を真空等の減圧雰囲気として行われる。 Although not shown, the hearth 2 may include a melting hearth for melting the raw material, a refining hearth for refining the molten metal by precipitating or evaporating impurities in the molten metal, and a pouring hearth for distributing the refined molten metal as necessary into one or more molds before pouring it. The hearth 2 may be a cold hearth such as a water-cooled copper hearth. In this case, by melting and pouring the molten metal into the mold 3 with a skull formed on the inner surface of the hearth 2, the amount of low-density inclusions can be reduced and the variation in the composition of the titanium-based ingot can be suppressed. In many cases, the melting process and the casting process described below are performed in a reduced pressure atmosphere such as a vacuum inside the electron beam melting furnace 1.

溶解原料Msをハース2内で溶解させた際に、溶解原料Ms中の塩化マグネシウムに吸着する等して溶解原料Msに含まれていた水の構成成分である水素は、溶解原料Msが溶解して得られる溶湯Mm中に溶け込むと考えられる。そして、ハース2内では溶湯Mmは比較的高温に維持されるので溶存可能の水素量は比較的多く、溶湯Mm中の水素は、溶湯Mmが鋳型3内へ流し込まれるときに、溶湯Mmに溶け込んだ状態で鋳型3内に持ち込まれると推測される。なお、水の構成成分の酸素は、溶湯Mmに溶け込まずにハース2内で適切に低減され得る。 When the molten raw material Ms is melted in the hearth 2, hydrogen, a component of water, that is contained in the molten raw material Ms by being adsorbed to the magnesium chloride in the molten raw material Ms, is thought to dissolve into the molten metal Mm obtained by dissolving the molten raw material Ms. In the hearth 2, the molten metal Mm is maintained at a relatively high temperature, so the amount of hydrogen that can dissolve is relatively large, and it is presumed that the hydrogen in the molten metal Mm is brought into the mold 3 in a dissolved state when the molten metal Mm is poured into the mold 3. Note that oxygen, a component of water, can be appropriately reduced in the hearth 2 without dissolving into the molten metal Mm.

(鋳造工程)
溶解工程の後、溶湯Mmを鋳型3内に流し込み、溶湯Mmを凝固させる鋳造工程を行う。なお、図1の電子ビーム式溶解炉1は1つの鋳型3を備えるものであるが、鋳型の数は特に限定されず、2つ以上の鋳型を備える電子ビーム式溶解炉を用いてもよい。鋳型が複数存在する場合は、全ての鋳型に溶湯を注湯することがある他、それらのうちの一部の鋳型に溶湯を注湯することもある。水冷銅鋳型等の鋳型3内では、たとえばその周壁内に設けられた流路での水等の冷却媒体の流動による冷却で、溶湯Mmが周囲の鋳型内面3a側から徐々に凝固する。これにより、チタン系インゴットが得られる。
(Casting process)
After the melting step, the molten metal Mm is poured into the mold 3, and a casting step is performed to solidify the molten metal Mm. Although the electron beam melting furnace 1 in FIG. 1 is equipped with one mold 3, the number of molds is not particularly limited, and an electron beam melting furnace equipped with two or more molds may be used. When there are multiple molds, the molten metal may be poured into all of the molds, or may be poured into some of the molds. In the mold 3 such as a water-cooled copper mold, the molten metal Mm gradually solidifies from the side of the surrounding mold inner surface 3a by cooling with the flow of a cooling medium such as water through a flow path provided in the peripheral wall. This allows a titanium-based ingot to be obtained.

このとき、溶湯Mm中に溶け込んでいた水素等は、鋳型3等での冷却によって溶解度が低下し、溶湯Mm中から放出されてガスになると考えらえる。ここで、鋳型3内の溶湯Mmの液面Smにおける温度(「液面温度」ともいう。)が低い場合、鋳型3内の溶湯Mmの鋳型内面3aの近傍では溶湯Mmが急速に冷却されて凝固するので、特に液面Smから離れた深い位置で発生した上記ガスは液面Smから排出される前に、凝固する溶湯Mm中に封入されると推測される。なお、鋳型内面3aから離れた半径方向の中央付近では、鋳型内面3aの近傍に比して溶湯Mmの冷却が緩慢になることから、そこで発生したガスは溶湯Mmが凝固する前に液面Smから外部に排出されやすい。このようにして鋳型内面3aの近傍で凝固途中の溶湯Mmに封入されたガスにより、チタン系インゴットの表層の内部ポアが形成されると考えられる。 At this time, it is believed that the solubility of hydrogen and the like dissolved in the molten metal Mm decreases due to cooling in the mold 3, etc., and the hydrogen and the like are released from the molten metal Mm and become gas. Here, when the temperature (also called "liquid surface temperature") of the molten metal Mm at the liquid surface Sm of the molten metal Mm in the mold 3 is low, the molten metal Mm is rapidly cooled and solidified near the mold inner surface 3a of the molten metal Mm in the mold 3, so it is presumed that the above-mentioned gas generated in a deep position away from the liquid surface Sm is sealed in the solidifying molten metal Mm before being discharged from the liquid surface Sm. Note that, since the cooling of the molten metal Mm is slower near the center in the radial direction away from the mold inner surface 3a than near the mold inner surface 3a, the gas generated there is likely to be discharged from the liquid surface Sm to the outside before the molten metal Mm solidifies. It is believed that the gas sealed in the molten metal Mm in the middle of solidifying near the mold inner surface 3a in this way forms internal pores in the surface layer of the titanium-based ingot.

これに対し、この実施形態では、鋳造工程にて、たとえば電子銃4で鋳型3の上方側の開口部から鋳型3内に電子ビームを照射すること等により、ハース2内から鋳型3内に流れ込んだ溶湯Mmの、鋳型内面3aの近傍の周縁領域での液面温度Tsを、所定の高温にする。具体的には、鋳型内面3aの近傍の周縁領域での溶湯Mmの液面温度Tsと、溶湯Mmを構成する材料(金属又は合金)の融点Tmとが、Ts≧Tm+105℃の関係を満たすようにする。たとえば、溶湯Mmを構成する材料がチタンである場合、チタンの融点は1668℃であるから、上記の液面温度Tsは1773℃以上にする。この場合、鋳型内面3aの近傍でも、上記のガスが溶湯Mmの液面Smから抜け出るまで溶湯Mmの溶融状態が維持されやすくなると考えられる。このようなメカニズムの正否によらず、この実施形態によれば、鋳造工程で溶湯Mmが凝固して形成されるチタン系インゴットの表層への内部ポアの発生を良好に抑制することができる。 In contrast, in this embodiment, in the casting process, for example, the electron gun 4 irradiates an electron beam into the mold 3 from an opening on the upper side of the mold 3, thereby raising the liquid surface temperature Ts of the molten metal Mm that flows from the hearth 2 into the mold 3 in the peripheral region near the mold inner surface 3a to a predetermined high temperature. Specifically, the liquid surface temperature Ts of the molten metal Mm in the peripheral region near the mold inner surface 3a and the melting point Tm of the material (metal or alloy) that constitutes the molten metal Mm are set to satisfy the relationship Ts ≧ Tm + 105°C. For example, if the material that constitutes the molten metal Mm is titanium, the melting point of titanium is 1668°C, so the liquid surface temperature Ts is set to 1773°C or higher. In this case, it is considered that the molten state of the molten metal Mm is easily maintained even in the vicinity of the mold inner surface 3a until the gas escapes from the liquid surface Sm of the molten metal Mm. Regardless of whether this mechanism is correct or not, this embodiment effectively suppresses the occurrence of internal pores in the surface layer of the titanium-based ingot that is formed by solidifying the molten metal Mm during the casting process.

鋳型3内の溶湯Mmの液面Smにおいて上記の温度Tsにするのは、鋳型3内に貯留した溶湯Mmの平面視で、鋳型内面3aの位置と、鋳型内面3aから該鋳型内面3a上に立てた法線に沿って内側に所定の距離Dで離れた位置との間の周縁領域とする。たとえば図2に平面視で示すような、上方側の開口部が円環状である鋳型3の場合、その鋳型3内の溶湯Mmの液面Smで、鋳型内面3aの位置と、鋳型内面3aから鋳型内面3a上の法線の方向(半径方向)の内側へ距離Dだけ離れた位置(同図の破線で示す。)との間の円環状の領域が、上記の周縁領域になる。また、図3に示すような上方側の開口部が矩形の環状である鋳型13の場合、鋳型13内の溶湯Mmの液面Smで、鋳型内面13aの位置と、鋳型内面13aから鋳型内面13a上の法線の方向の内側へ距離Dだけ離れた位置(同図の破線で示す。)との間の矩形の環状の領域を、周縁領域とする。なお、チタン系インゴットとしてスラブを製造する場合は、鋳型13内の溶湯Mmの液面Smが略長方形である。また、図4に示すような上方側の開口部が楕円の環状である鋳型23の場合、鋳型23内の溶湯Mmの液面Smで、鋳型内面23aの位置と、鋳型内面23aから鋳型内面23a上の法線の方向の内側へ距離Dだけ離れた位置(同図の破線で示す。)との間の環状の領域が、周縁領域である。この周縁領域の液面Smの温度が上記の温度Tsであればよい。鋳型内面の近傍に存在する溶湯Mmの凝固態様が、チタン系インゴットの表層への内部ポアの発生に大きな影響を及ぼすからである。好ましくは、鋳型内面の位置と、該鋳型内面から中央側に離れた位置との間の所定の距離D(図2の例では、周縁領域の半径方向の距離)を、20mm~40mmの範囲内としてよく、さらに20mm~30mmの範囲内としてよい。なおここでは、代表例として主に図2に示す鋳型3についてその具体的な構成等の説明をするが、それらは図3、4に示す鋳型13、23、さらには図示しない他の鋳型にも適用することができる。鋳型の形状ないし構造は特に問わない。 The liquid level Sm of the molten metal Mm in the mold 3 is set to the above temperature Ts in the peripheral region between the position of the mold inner surface 3a and a position a predetermined distance D inward from the mold inner surface 3a along a normal line erected on the mold inner surface 3a, as viewed in plan of the molten metal Mm stored in the mold 3. For example, in the case of a mold 3 having an annular upper opening as shown in the plan view of Figure 2, the liquid level Sm of the molten metal Mm in the mold 3 is set to the above peripheral region in the annular region between the position of the mold inner surface 3a and a position (shown by the dashed line in the figure) a distance D inward from the mold inner surface 3a in the direction of the normal line to the mold inner surface 3a (radial direction). In the case of a mold 13 having an upper opening in the shape of a rectangular ring as shown in FIG. 3, the liquid level Sm of the molten metal Mm in the mold 13 is defined as a rectangular ring-shaped region between the position of the mold inner surface 13a and a position (indicated by a broken line in the figure) that is a distance D away from the mold inner surface 13a inward in the direction of the normal to the mold inner surface 13a. When a slab is produced as a titanium-based ingot, the liquid level Sm of the molten metal Mm in the mold 13 is substantially rectangular. In the case of a mold 23 having an upper opening in the shape of an ellipse ring as shown in FIG. 4, the liquid level Sm of the molten metal Mm in the mold 23 is defined as a ring-shaped region between the position of the mold inner surface 23a and a position (indicated by a broken line in the figure) that is a distance D away from the mold inner surface 23a inward in the direction of the normal to the mold inner surface 23a. The temperature of the liquid level Sm in the peripheral region may be the above-mentioned temperature Ts. This is because the solidification mode of the molten metal Mm present near the mold inner surface has a significant effect on the occurrence of internal pores in the surface layer of the titanium-based ingot. Preferably, the predetermined distance D between the position of the mold inner surface and a position away from the mold inner surface toward the center (in the example of FIG. 2, the radial distance of the peripheral region) may be within a range of 20 mm to 40 mm, and may further be within a range of 20 mm to 30 mm. Note that here, the specific configuration etc. of the mold 3 shown in FIG. 2 will be mainly described as a representative example, but they can also be applied to the molds 13 and 23 shown in FIGS. 3 and 4, and other molds not shown. There is no particular limit to the shape or structure of the mold.

鋳型内における溶湯Mmの周縁領域の液面温度Tsは、Tm+105℃≦Ts≦Tm+170℃を満たすことが好ましい。液面温度Tsを高くしすぎないことにより、ブレークアウトの防止、良好な鋳肌の確保及びコスト(電力費・整備費)の低減を図ることができる。なお、チタン系インゴットの製造において、鋳型内における溶湯Mmの周縁領域の液面温度Tsは、1780℃~1830℃とすることが好ましい場合がある。 The liquid surface temperature Ts of the peripheral region of the molten metal Mm in the mold preferably satisfies Tm + 105°C ≦ Ts ≦ Tm + 170°C. By not setting the liquid surface temperature Ts too high, it is possible to prevent breakouts, ensure a good casting surface, and reduce costs (electricity costs and maintenance costs). In the production of titanium-based ingots, it may be preferable for the liquid surface temperature Ts of the peripheral region of the molten metal Mm in the mold to be 1780°C to 1830°C.

なお、鋳型内の溶湯Mmの液面Smにおいて周縁領域以外の領域である中央領域の温度は、たとえばTm+25℃以上かつTm+170℃以下、さらにはTm+25℃以上かつTm+105℃以下とすることがある。なお、鋳型3内における溶湯Mmの周縁領域の液面温度Tsを1780℃~1830℃とする場合、上記中央領域の温度は、例えば1700~1830℃、さらには1700℃~1780℃とすることがある。中央領域をある程度低い温度に抑えることにより、コスト(電力費・整備費)の低減を図ることができる。 The temperature of the central region, which is the region other than the peripheral region at the liquid surface Sm of the molten metal Mm in the mold, may be, for example, Tm+25°C or higher and Tm+170°C or lower, or even Tm+25°C or higher and Tm+105°C or lower. If the liquid surface temperature Ts of the peripheral region of the molten metal Mm in the mold 3 is set to 1780°C to 1830°C, the temperature of the central region may be, for example, 1700°C to 1830°C, or even 1700°C to 1780°C. By keeping the temperature of the central region at a relatively low level, costs (electricity costs and maintenance costs) can be reduced.

鋳型内の溶湯Mmの液面温度は、たとえば、鋳型の開口部の上方側に配置されて熱放射から温度を測定可能な放射温度計等により測定することができる。
溶湯Mmを構成する材料の融点Tmは、サーマルアレスト法により確認することができる。サーマルアレスト法は、主に高融点材料の融点の測定に用いられる手法として広く知られている。その具体的な測定方法は次のとおりである。はじめに、溶湯Mmを構成する材料からなる試料を耐熱カプセル内に入れて、この耐熱カプセルを加熱炉内に設置する。そして、加熱炉内で、耐熱カプセル内の試料の温度を測定しながら試料を昇温する。このとき、試料の溶融に伴う潜熱により昇温速度が停滞し又は低下する際の熱曲線の変化を読み取る。これにより、試料を構成する材料の融点を求めることができる。
The surface temperature of the molten metal Mm in the mold can be measured, for example, by a radiation thermometer that is placed above the opening of the mold and is capable of measuring temperature from thermal radiation.
The melting point Tm of the material constituting the molten metal Mm can be confirmed by a thermal arrest method. The thermal arrest method is widely known as a method mainly used for measuring the melting point of high melting point materials. The specific measurement method is as follows. First, a sample made of the material constituting the molten metal Mm is placed in a heat-resistant capsule, and the heat-resistant capsule is placed in a heating furnace. Then, in the heating furnace, the sample is heated while the temperature of the sample in the heat-resistant capsule is measured. At this time, the change in the heat curve is read when the rate of temperature rise stagnates or decreases due to the latent heat associated with the melting of the sample. This makes it possible to determine the melting point of the material constituting the sample.

ところで、鋳型としては種々のものを用いることができるが、図示の鋳型3、13、23は底部も開口しており、溶湯Mmを凝固させながら底部側から、図1に矢印で示すように下方側に向けて引き抜くことが可能なものである。このような鋳型では、底部側で溶湯Mmの少なくとも鋳型内面3aと接する部分が凝固し、その凝固した部分を連続的に引き抜く連続鋳造を行うことができる。これにより、長尺のチタン系インゴットを得ることができる。 While various types of molds can be used, the molds 3, 13, and 23 shown in the figures are also open at the bottom, and the molten metal Mm can be pulled out downward from the bottom side as shown by the arrow in Figure 1 while it is solidifying. With such molds, at least the portion of the molten metal Mm that is in contact with the mold inner surface 3a at the bottom side solidifies, and continuous casting can be performed in which the solidified portion is continuously pulled out. This makes it possible to obtain a long titanium-based ingot.

この場合において、鋳型内からの溶湯Mmの凝固部分Pcの引抜き速度は、2.5tоn/hr以下、特に1.0tоn/hr~2.0tоn/hrとすることが好ましい。引抜き速度は、時間あたりに鋳型から引き抜かれるインゴットの重量とする。このように凝固部分Pcの引抜き速度をある程度遅くすることにより、溶湯Mmの凝固前に上述したガスを十分に抜くことができるので、チタン系インゴットの表層への内部ポアの発生をより一層抑制することができる。一方、凝固部分Pcの引抜き速度を遅くしすぎないことにより、設備生産能力の確保が図れる。 In this case, the withdrawal speed of the solidified portion Pc of the molten metal Mm from within the mold is preferably 2.5 tons/hr or less, and particularly 1.0 to 2.0 tons/hr. The withdrawal speed is the weight of the ingot withdrawn from the mold per hour. By slowing down the withdrawal speed of the solidified portion Pc to a certain extent in this way, the above-mentioned gases can be sufficiently removed before the molten metal Mm solidifies, so that the occurrence of internal pores in the surface layer of the titanium-based ingot can be further suppressed. On the other hand, by not slowing down the withdrawal speed of the solidified portion Pc too much, the production capacity of the equipment can be ensured.

なお、鋳型の長手方向に直交する方向の断面形状を、円形状又は矩形その他の多角形状等にすることにより、円柱状又は、長手方向に直交する断面が多角形の角柱状等のチタン系インゴットを製造することができる。この実施形態では、チタン系インゴットとして、長手方向に直交する断面が矩形状であるスラブも製造可能である。
以上に述べた実施形態では、たとえば、インゴット1本当たりの重量が5tоn~30tоn程度であるチタン系インゴットを製造することができる。
In addition, by forming the cross-sectional shape of the mold in a direction perpendicular to the longitudinal direction into a circular shape, a rectangular shape, or other polygonal shape, it is possible to produce a titanium-based ingot in a cylindrical shape or a prismatic shape having a polygonal cross-section perpendicular to the longitudinal direction. In this embodiment, it is also possible to produce a slab having a rectangular cross-section perpendicular to the longitudinal direction as the titanium-based ingot.
In the embodiment described above, for example, titanium-based ingots with a weight of about 5 tons to 30 tons per ingot can be produced.

次に、この発明のチタン系インゴットの製造方法を試験的に実施し、その効果を確認したので以下に説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的としたものであり、これに限定されることを意図するものではない。 Next, the method for producing titanium-based ingots according to the present invention was experimentally carried out, and its effects were confirmed, which will be described below. However, the description here is merely for illustrative purposes and is not intended to be limiting.

塩素含有率が0.20質量%~1.20質量%である高塩素含有率スポンジチタン(高Clスポンジチタン)と、塩素含有率が0.12質量%以下である低塩素含有率スポンジチタン(低Clスポンジチタン)を準備した。実施例1~6及び比較例1では、これらのスポンジチタンを表1に示すように所定の割合で混合させたものを溶解原料とし、図1に示すような電子ビーム式溶解炉にて溶解及び鋳造を行い、重量が10tоnのチタン製またはチタン合金製のチタン系インゴットを製造した。参考例では、高塩素含有率スポンジチタンを混合せず、溶解原料のスポンジチタンを低塩素含有率スポンジチタンのみからなるものとし、同様にしてチタン系インゴットを製造した。実施例1~6、比較例1及び参考例では、鋳型内に流し込んだ溶湯の液面に電子ビームを照射し、当該溶湯の周縁領域(図2の距離Dが20mmである領域)の温度が、表1に示す温度になるように調整した。また、鋳型から溶湯の凝固部分を引き抜いた際の引抜き速度も表1に示す。なお、実施例1~6、比較例1及び参考例はいずれも、鋳型内の溶湯の中央領域の温度は周縁領域の温度Tsとほぼ同じとした。 A high-chlorine content titanium sponge (high Cl titanium sponge) with a chlorine content of 0.20% by mass to 1.20% by mass and a low-chlorine content titanium sponge (low Cl titanium sponge) with a chlorine content of 0.12% by mass or less were prepared. In Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, these titanium sponges were mixed in a predetermined ratio as shown in Table 1 and used as the melting raw material. The mixture was melted and cast in an electron beam melting furnace as shown in FIG. 1 to produce a titanium-based ingot made of titanium or titanium alloy with a weight of 10 tons. In the Reference Example, the high-chlorine content titanium sponge was not mixed, and the sponge titanium of the melting raw material was made of only low-chlorine content titanium sponge, and a titanium-based ingot was produced in the same manner. In Examples 1 to 6, Comparative Example 1, and Reference Example, an electron beam was irradiated to the liquid surface of the molten metal poured into the mold, and the temperature of the peripheral region of the molten metal (the region where the distance D in FIG. 2 is 20 mm) was adjusted to the temperature shown in Table 1. The withdrawal speed when the solidified part of the molten metal was withdrawn from the mold is also shown in Table 1. In addition, in all of Examples 1 to 6, Comparative Example 1, and Reference Example, the temperature of the central region of the molten metal in the mold was approximately the same as the temperature Ts of the peripheral region.

各チタン系インゴットの表面に対して深さ5mmの切削加工を施し、表層の内部ポアを確認した。その結果も表1に示す。なお、内部ポアは、切削加工時に内部から傷(孔)が顕在化した箇所を判断基準として、目視で確認されたものについて、その個数を評価した。
表1より、実施例1~6は、鋳造時に鋳型内における溶湯の周縁領域の液面温度を比較的高くしたことにより、当該液面温度が低かった比較例1に比して、内部ポアの個数が10個以下と十分に低減されていることが解かる。
The surface of each titanium-based ingot was subjected to cutting processing to a depth of 5 mm, and internal pores in the surface layer were confirmed. The results are also shown in Table 1. The internal pores were evaluated by the number of those visually confirmed, using the location where scratches (holes) appeared from the inside during cutting processing as the criterion for judgment.
From Table 1, it can be seen that in Examples 1 to 6, the liquid surface temperature of the peripheral region of the molten metal in the mold was relatively high during casting, and thus the number of internal pores was sufficiently reduced to 10 or less, compared to Comparative Example 1, in which the liquid surface temperature was low.

また、ICP発光分光分析法により、各チタン系インゴットのマグネシウム含有率を測定したところ、表1に示す結果を得た。なお、この測定の検出下限は10質量ppmであった。したがって、いずれのチタン系インゴットもマグネシウム含有率が十分に低かったことが解かる。このことから、塩化マグネシウムの残留に起因して塩素含有率が高いと考えられる高塩素含有率スポンジチタンを比較的多く溶解原料として用いたとしても、マグネシウムは溶解時に良好に低減されると推測される。なお表1からは、チタン系インゴットのマグネシウム含有率が低くても、比較例1のように内部ポアの個数が多い場合があることも解かる。 The magnesium content of each titanium-based ingot was measured by ICP atomic emission spectrometry, and the results shown in Table 1 were obtained. The detection limit for this measurement was 10 ppm by mass. This shows that the magnesium content of each titanium-based ingot was sufficiently low. From this, it is presumed that even if a relatively large amount of high-chlorine content titanium sponge, which is thought to have a high chlorine content due to residual magnesium chloride, is used as the melting raw material, magnesium is successfully reduced during melting. It can also be seen from Table 1 that even if the magnesium content of a titanium-based ingot is low, there may be a large number of internal pores, as in Comparative Example 1.

なお、さらに、鋳型内の溶湯の中央領域の温度を1750℃としたことを除いて実施例1と同様の条件とした試験、及び、鋳型内面からの距離Dを40mmとするとともに鋳型内の溶湯の中央領域の温度を1750℃としたことを除いて実施例1と同様の条件とした試験をそれぞれ行った。その結果、いずれの試験でも内部ポアの個数は1個/本であった。 Furthermore, a test was conducted under the same conditions as in Example 1, except that the temperature of the central region of the molten metal in the mold was set to 1750°C, and a test was conducted under the same conditions as in Example 1, except that the distance D from the inner surface of the mold was set to 40 mm and the temperature of the central region of the molten metal in the mold was set to 1750°C. As a result, the number of internal pores was 1 per piece in both tests.

以上より、この発明のチタン系インゴットの製造方法によれば、塩素含有率が比較的高いスポンジチタンを溶解原料として用いても、チタン系インゴットの表層への内部ポアの発生を抑制できることが示唆された。 The above suggests that the manufacturing method for titanium-based ingots of this invention can suppress the occurrence of internal pores in the surface layer of titanium-based ingots, even when sponge titanium with a relatively high chlorine content is used as the melting raw material.

1 電子ビーム式溶解炉
2 ハース
3 鋳型
3a 鋳型内面
4 電子銃
5 フィーダ
Ms 溶解原料
Mm 溶湯
Sm 鋳型内の溶湯の液面
Pc 溶湯の凝固部分
D 鋳型内面からの距離
Reference Signs List 1 Electron beam melting furnace 2 Hearth 3 Mold 3a Mold inner surface 4 Electron gun 5 Feeder Ms Melted raw material Mm Molten metal Sm Liquid surface of molten metal in mold Pc Solidified part of molten metal D Distance from mold inner surface

Claims (4)

スポンジチタンとして、塩素含有率が0.15質量%以上である高塩素含有率スポンジチタンを含み、スポンジチタンの総量における前記高塩素含有率スポンジチタンの量の占める割合が質量基準で4%以上である溶解原料を溶解させ、溶湯を得る溶解工程と、
前記溶湯を鋳型内に流し込み、前記溶湯を構成する材料の融点をTm(℃)としたとき、鋳型内の前記溶湯の液面温度Ts(℃)を鋳型内面の近傍の周縁領域で、Ts≧Tm+105℃とする鋳造工程と
を含
前記周縁領域を、前記鋳型内面の位置と、前記鋳型内面から該鋳型内面上に立てた法線に沿って内側に20mmの距離で離れた位置との間の領域とする、チタン系インゴットの製造方法。
a melting step of melting a melting raw material containing a titanium sponge having a high chlorine content of 0.15 mass% or more, the proportion of the amount of the high chlorine content titanium sponge in the total amount of the titanium sponge being 4 mass% or more, to obtain a molten metal;
a casting process in which the molten metal is poured into a mold, and when the melting point of a material constituting the molten metal is Tm (°C), the liquid surface temperature Ts (°C) of the molten metal in the mold is set to Ts≧Tm+105°C in a peripheral region near the inner surface of the mold,
a peripheral region between the position of the mold inner surface and a position spaced 20 mm inward from the mold inner surface along a normal line drawn on the mold inner surface .
前記鋳造工程で、前記溶湯を凝固させながら鋳型内の底部側から連続的に引き抜いて、チタン系インゴットを鋳造する、請求項1に記載のチタン系インゴットの製造方法。 2. The method for producing a titanium-based ingot according to claim 1 , wherein in the casting step, the molten metal is continuously pulled out from a bottom side of a mold while being solidified to cast a titanium-based ingot. 前記鋳造工程で、鋳型内からの引抜き速度を、2.5tоn/hr以下とする、請求項に記載のチタン系インゴットの製造方法。 3. The method for producing a titanium-based ingot according to claim 2 , wherein in the casting step, a withdrawal speed from within the mold is set to 2.5 tons/hr or less. 角柱状又は円柱状のチタン系インゴットを製造する、請求項1~のいずれか一項に記載のチタン系インゴットの製造方法。 The method for producing a titanium-based ingot according to any one of claims 1 to 3 , wherein a rectangular or cylindrical titanium-based ingot is produced.
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