JPS6277427A - 電子ビ−ム溶解・鋳造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、スポンジＴｉの如きスポンジ状活性金属を含
む原料に゛電子ビームを照射して溶解しＴｉ等の活性金
属鋳塊を製造するに当たり、スプラッシュと呼ばれる溶
滴飛散現象による製品歩留りの低下をはじめとする種々
の問題点を効果的に防止することのできる電子ビーム溶
解、Ｐｉ造装置に関するものである。

［従来の技術］ Ｔｉ等の活性金属のＷｌには従来よりＭＡＲ（真空アー
ク再溶解）υ、が汎用されている。即ちＶ　Ａ、　Ｒｆ
）、とは、活性金属を電極状に成形し高真空下（１０７
−１０３ｔｏｒｒ程度）で該電極と水冷るつぼ内溶湯間
にアークを発生させ、これにより：Ｉ！。

極を溶解させる方法である。ところがこの方法では、ア
ーク溶解に先立ってＴｉ等の活性金属製電極を製造する
必要があり、工程が煩雑で生産性及び経済性が低いとい
う難点があった。

−力真空技術の進ル及び′電子ビーム照射装置の大型化
に伴い’＋ｈ子ビーム溶解法を利用した鋳塊製造法が提
案され注目を集めている。即ち電子ビーム溶解・鋳造法
とは、高真空下（１０２〜１０−’・ｔａｒｔ程度）で
溶解原料に電子ビームを照射して溶解し順次水冷鋳型へ
供給していく方法であり、この力υ、であれば粒状原料
やスクラップ等をそのままの形態で溶解することかでき
、ＭＡＲ法で必須とされる電極！Ｖ造工程等が全く不要
である。しかも電磁場制御により電子ビームを自由方向
に走査させることができるので、異形の鋳塊でも容易に
溶製することかできる。

この様に電子ビーム溶解・鋳造法は種々の特長を有して
いるか、反面溶解原料が制限されるという欠点があり、
特にスポンジＴｉの如きスポンジ状活性金属を溶解原本
′ｌとして用いた場合には、溶解工程で溶湯が発泡状態
を？しつつ飛散するという極めて好ましくない現象（ス
プラッシュ現象）が発生し、溶湯の劣情り低下を招くば
がりでなく飛散した溶滴が溶解炉の内ＩＶや電子ビーム
照射装置？ｉ等に付着して操業にのトラブルを誘発し、
メンテナンス作業を煩雑且つ困難なものにしている。

即ちスポンジＴｉやスポンジＺｒの様なスポンジ状活性
金属を製造する最も一般的な方法は、例えばスポンジＴ
ｉの場合ではＴｉＯ２を塩素化してＴｉＣｌ４とした後
ＭｇやＮａ等で還元する方法である。このうちＭｇで還
元する方法を採用した場合、ＴｉＣ１ｎ中の塩素分はＭ
ｇＣ１２等として分離される訳であるが、得られるスポ
ンジＴｉ粗製物中にはＭｇＣｌ、等や未反応のＭｇが不
純物として多’ｊ’　Ｇ人してくる為、これらの不純物
を除去する為精製（真空蒸留等）が行われる。

しかしこの様な精製処理を行なった場合でも、スポンジ
Ｔｉ精製物中には依然として約１１０００ｐｐ程度のＭ
ｇＣ１２等か除去しきれずに残留する。−・方ＴｉＣ１
ｎ　を金属Ｎａで還元する方法を採用した場合はスポン
ジＴ　ｉ　Ｑ製物中に多聞−のＮａＣｌが混入してくる
ので、これを純水中に長時間侵情してＮａＣ１の除去が
行なわれる。しかしこうしてｆｊ）たスポンジＴｉ精製
物中には、Ｍｇ還元法の場合と同様約２０００ｐｐｍ程
度のＮａＣ１（１１！化物）が除去しきれずに残留する
。

この様にＭｇ還元法、Ｎａ還元法の何れの方法を採るに
しても、スポンジＴｉ精製物中には約１０００〜２００
０　ｐｐｍ程度の塩化物（ＭｇＣ１２やＮａＣ１）が含
まれている。またこうした不純塩化物の混入はスポンジ
Ｔｉに限られるものではなく、スポンジＺｒの様な他の
スポンジ状活性金属にしても同様である。

この様な塩化物を含むスポンジ状活性金属を電子ビーム
溶解・鋳造川原ネ１として使用すると、溶解時の熱で塩
化物が蒸発して発泡するが、電子ビーム溶解・鋳造法で
はＩし子ビームを発生させる必要上溶解雰囲気をＶＡＲ
法よりも更に高い真空状７Ｅ：にしなければならない為
、塩化物の蒸発・発泡現象（スプラッシュ現象）は非常
に顕著となり、その結果溶湯の歩留りが低下し更には飛
散した溶滴が溶解炉内壁や電子ビーム照射装置等に付名
して操業上のトラブルを招く。

その為スポンジ状活性金属を含む原本１を使用する場合
、電子ビーム溶解・鋳造法を適用することは実質的に困
難であると考えられている。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明はこうした事情に着目してなされたものであって
、その目的は、原料としてスポンジ１．’：　ｌ’ｒ性
金属を使用した場合でもスプラッシュＷＩ−よる歩留り
低下を生ずることなく、且つ安定した操業性等を保障し
得る様な電子ビーム溶解・鋳造装置を提供しようとする
ものである。

「問題点を解決する為の手段］ 上記のｌ］的を達成した本発明の構成は、電子ビーム照
射装置、原料供給部、真空排気系統、原料溶解用容器、
水冷鋳型及び鋳片引抜き装置を備えた゛電子ビーム溶解
・ＰＩ造装置において、原料溶解用容器における電子ビ
ーム照射領域を囲繞する如く耐熱性壁材を立設してなる
ところに要旨を有するものである。尚本発明では上記耐
熱性壁材の立設によって、スポンジ状活性金属を含む原
料を用いた場合にさけることのできないスプラッシュ現
象による溶湯の飛散を防止したところに最大の特徴を有
するものであるが、該壁材で囲まれる上方適所に塩化物
抽集用トラップを設けて溶解時に発生するＭｇＣＩ２や
ＮａＣ１を捕集除去したり、或は該壁材で囲繞された原
料溶解用電子ビームの照射領域を別系統の真空排気系統
に接続して吸引しＭｇＣ１２やＮａＣ１を系外へ吸引排
気する様にすれば、これら塩化物に由来する他の問題点
についても可及的に防止することができる。

［作用］ スポンジ状活性金属を溶解する際に生ずるスプラッシュ
現象が当該金属中に含まれる塩化物に起因するものであ
ることは先に説明した通りであるが５本発明者等がこう
したスプラッシュ現象に伴う溶湯の飛散状況や歩留り低
下等を定量的に把握すべく次の様な実験を行なった。

まず第５図（概略断面説明図１図中１はシールドケース
、２は−を子ビーム照射装置、３は原料供給ホッパー、
４は原料溶解用容器、５は真空排気系統、Ｂは電子ビー
ム、Ｇはスポンジ状活性金属、Ｍは金属溶湯を夫々示す
）に示す様な設備を用い、残留塩化物量の異なる数種類
のスポンジＴｉを使用した場合における溶融金属の歩留
りを調べた。結果は第６図に示す通りであり、スポンジ
Ｔｉ中の残留塩化物ＢＣｐｐ層）と歩留り（％）とは明
らかに反比例の関係を有しており、残留塩化物量が増加
するにつれて歩留りは急激に低下してくる。従って歩留
りを高める為にはスポンジ状活性金属中の残留塩化物量
を少なくすればよい訳であるが、前述の如くスポンジ状
活性金属中の残留塩化物１．１を１０００〜２０００ｐ
ｐｍ以下にまで低減することは−ＩＩ常に困難であるの
で、相当量の塩化物を含むスポンジ状活性金属を使用し
た場合でも高歩留りを確保することのできる技術を開発
する心間がある。

次にスプラッシユ現象によって生ずる溶湯の飛散状況を
明確にする為、第７図（４！を略説明図、図中１〜５．
Ｂ、Ｇ、Ｍｔｔ前記と同じ、低味、６は円筒形金網を示
す）に示す様な装置を使用してスポンジＴｉの電子ビー
ム溶解を行ない、スプラッシュ現象に伴う金属飛散量の
高さ方向の分布を調べたところ、第８図に示す結果が得
られた。この図からも明らかな様に、溶融金属の飛散付
着量は原料溶解用容器４の上面位置で蔽も多く、上方に
行くに従って減少していることが分かる。またこの図に
よると、水冷容器４の内径に対応する高さを超える位置
では、飛散金属の付着は殆んど見られなくなる。

これらの結果からも明らかな様に、スプラッシュ現象に
伴う溶融金属の飛散は、電子ビームの照射される金属溶
解用容器４の上方部に、電子ビーム照射領域を囲繞する
如く飛散防止壁を設けることによって防止することが可
能である。但しそれだけでは、シールドケース内部での
溶融金属の飛散が防止されるだけで、歩留り向上には直
結しない、そこで本発明では上記飛散防止壁を耐熱性壁
材によって構成し、該壁材に、付着した金属に対し定期
若しくは不定期に電子ビームを照射し、当該金属を下部
の水冷容器４内へ流下させて回収することによって金属
歩留りの向上を図ろうとするものであり、現にこうした
構成を採用することによってスポンジ状活性金属の溶製
歩留りを約５％高めることができる。即ち第１０図に示
す如く水冷構造の原料溶解用容器４の開口部上方に耐熱
性壁材を構成する水冷銅板７を立設しくその他の符号は
第５，７図と同じ）スポンジＴｉ（塩化物量：約ｔｏ０
０ｐｐｍ）の電子ビーム溶解を行ない、水冷銅板７に付
着したＴｉを電子ビームで定期的に溶融回収したところ
、Ｔｉの溶解歩留りは９８．５％と非常に高い値が得ら
れ、水冷銅板７なしの実験で得た溶解歩留り（９４，１
％）に対し４．４％も向」ニすることが確認された。殊
にＴｉやＺｒの様な活性金属は非常に高価であり、溶解
歩留りの向上がたとえ数％といえどもその経済的利益は
すこぶる大きい。従ってこの様にして溶解した活性金属
溶湯を後記実施例に示す如く順次水冷鋳型へ流入し、鋳
片引抜き装置を用いて連続的に引抜くことにより、溶解
から鋳造に亘る一律の工程を円滑に遂行することができ
る。尚上記では活性金属溶解用の容器として水冷容器を
用いたが、溶湯熱と電子ビーム照射に耐える耐熱性を有
するものであれば水冷容器の他セラミックス容器等を使
用することも勿論可能である。また耐熱性壁材に付着し
た活性金属は、前述の如く電子ビーム照射により再溶融
させて容器に戻すのが最もｔｌｆましいが、この他適占
なかき落し器具を用いて剥離し溶解用容器に戻す様にす
ることも勿論口■能である。

［実施例］ 本発明は上記の様な耐熱性壁材立設による歩留り向上効
果を、電子ビーム溶解・鋳造装置とじて具体的に活用し
得る様にしたものであり、その−例を第１図に示す。即
ち第２図においてｌはシールドケース、２ａ、２ｂは′
電子ビーム照射装置。

３は比重１供給ホッパー、４は水冷容器、５は真空排気
系統、７は水冷構造の耐熱性金属壁、８は水冷鋳型、９
は鋳片引抜装置、Ｂは電子ビーム、Ｇはスポンジ状活性
金属、Ｍは金属溶湯、■は鋳片を夫々示し、スポンジ状
活性金属Ｇを水冷容器４内へ連続的に供給しつつ電子ビ
ームＢを照射して溶解し、溶融金属Ｍは水冷容器４の他
端から水冷鋳型８へ送って順次冷却凝固させ、鋳片引抜
装置９により連続的に引抜いて行く、このとき１図示す
る如くスポンジ状活性金属溶解用電子ビーム照射装置２
ａからの１し子ビーム照射領域を囲繞する如く水冷容器
４の上部に水冷金属壁７を立設し、スポンジ状活性金属
溶解時のスプラッシュ現象によって飛散する溶融金属を
該水冷金属壁７によって捕集し、且つ捕集された該金属
に定期的に電子ビームを照射することによりこれを溶融
して下部の水冷容器４へ流下させることによって、飛散
による活性金属のロスを防ｌニレ得る様に構成している
。溶融された活性金属Ｍは容器４の他端に設けた溢流口
４ａから水冷９ｚ型８へ流し込み、該水冷鋳型８で１１
「１次凝固する鋳片■はその下部に設けた鋳片引抜装置
９により連続的若しくは間欠的に中核かれて行く、尚゛
１［子ビーム照射装？ｉ２ａから照射される電ｆ−ヒー
ムは、水冷容器４内及び水冷鋳型８表層部の活性金属Ｍ
を保熱し、活性金属Ｍの円滑な流れを保障する役割りを
果たすが、この時点ではもはやスプラッシュ現象を起こ
すことはないので、水冷金属壁等を配設する必要はない
。

尚第１図に示した１１は、水冷金属壁７の上方開口部に
必要により設けられる塩化物捕集用トラー２プを示す、
即ちスプラッシュ現象がスポンジ状活性金属中に残留し
ている塩化物（ＭｇＣ＋２やＮａＣ１）の蒸発によって
発生することは先に述べた通りであるが、これらの塩化
物はシールドケース１の内壁に付着して高真空引きを阻
害したり、或は真空排気系の油拡散ポンプやロータリー
ポンプ等のオイルを汚染するといった多くのトラブルを
引き起こす。殊にＭｇＣｌ＋は吸湿性が高いので、操業
中断時にケーシング内を大気に曝らすと急速に吸湿し、
操業再開時の真空引きを著しく阻害する。こうした塩化
物付着による問題を回避する為本例では、図示する如く
水冷金属壁７で囲繞されたト方開ロ部に塩化物捕集用ト
ラップ１１を配設し、塩化物を吸着除去し得るように構
成している・ 第２図は本発明の他の実施例を示す概略断面図であり、
本質的な構成は第１図の例と同じである。伊し本例では
水冷容器４と［’８の間に溶融金属貯留容器１０を設け
、水冷容器４で溶融した活性金属溶湯を一旦該貯留容器
ｌＯに受けた後注入口１０ａから鋳型８へ流し込む様に
している。

電子ビーム照射装置２ｂ、２ｃは夫々溶湯Ｍ保熱用とし
て使用される。尚第１．２図では溶湯注入口４ａ（又は
１０ａ）に対し１つの水冷鋳型８を配設し１本の鋳片Ｉ
を製造する例を示したが、必要によっては溶湯注入口４
ａ（又は１０ａ）を複数箇所に設けて複数の水冷鋳型へ
注入できる様にし、複数本の鋳片を並行して製造し得る
様にすることも可能である。

第３．４図は本発明の更に他の実施例を示す概略断面説
明図であり、スポンジ状活性金属の電子ビーム溶解工程
で発生する塩化物の除去方式に変更が加えられている他
は第１．２図の例と実質的に同じである。即ちこれらの
例では、水冷容器４上に立設される水冷金属壁７により
電子ビーム加熱溶融領域を封鎖すると共に、上方適所に
排気ライン１２を接続して脱塩化物専用の真空排気系統
１３に連結し、スポンジ状活性金属の溶融工程で生ずる
塩化物を順次系外へ排出し得る様に構成している０図中
１４は塩化物除去用のトラップを示し、真空排気系統１
３が塩化物により汚染されるの防止する為に配設されて
いる。この場合トラップ１４をカセットタイプの着脱可
能なものとしておけばｎ！化物の吸着ｂｊ−が飽和した
時点での交換作業を簡単に行なうことができるので好ま
しい。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されているので、スポンジ状活
性金属を含む原料を用いた連続ＰＩ造における原料溶解
工程で生じるスプラッシュ現象による歩留り低下その他
の問題を効果的に防１ヒすることができ、原料の溶解か
ら鋳造に■るー・連の工程を高生産性のもとて円滑に遂
行することができ、且つ溶解−ｇ造装置のメンテナンス
性も向上することかでさる。

４、図面の簡単な説明　　　　　− 第１〜４図は本発明の実施例を示す概略断面説１１図、
第５．７．９図は予備実験法を示す説明図、第６図はス
ポンジＴｉ中の残留塩化物績と溶解時の歩留りの関係を
示すグラフ、第８図は金属溶解用容器上に立設した金網
の高さ方向位置と金属付着量の関係を示すグラフである
。

ｌ：シールドケース ２二電子ビーム照射装Ｌ ３：原料供給ホッパー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電子ビーム照射装置、原料供給部、真空排気系統、原料
   溶解用容器、水冷鋳型及び鋳片引抜き装置を備えた電子
   ビーム溶解・鋳造装置において、原料溶解用容器におけ
   る電子ビーム照射領域を囲繞する如く耐熱性壁材を立設
   してなることを特徴とする、スポンジ状活性金属を含む
   原料を用いる電子ビーム溶解・鋳造装置。