JPS63165047A - 電子ビ−ムによる連続溶解・鋳造方法 - 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］ 本発明は電子ビームを利用して金属を連続的に溶解し引
続いて連続鋳造を行なう方法に関し、詳細には連続鋳造
における鋳塊の冷却能力を強化することにより生産効率
を改善した連続溶解・鋳造法に関するものである。

［従来の技術］ 電子ビーム溶解法を用いて鋳塊を連続鋳造するに当たっ
ては、例えば第５図に示す様に溶解室１内を１０−２〜
１０−’Ｔｏｒｒの高真空にしておき、該溶解室１内の
原料棒２に電子銃３から電子ビーム（以下ＥＢという）
を照射してこれを溶解し、得られた金属溶液を下方に配
置した水冷鋳型４内に落下させて冷却凝固させ、且つ徐
々に成長する凝固鋳塊Ｍを下方へ引抜くことにより水冷
鋳型４からの溶融金属のあぶれを防止しつつ鋳塊Ｍを製
造していく。第６図はＥＢ連続鋳造法の他の従来例を示
す模式図で、この場合には溶解室内に水冷へ一ス５を設
け、ホッパー６から供給されてきた粒状原料を水冷ハー
ス５内でＥＢ照射により溶解し、水冷ハース５からあふ
れた溶融金属を水冷鋳型４に導入して鋳造する方式をと
っている。

［発明が解決しようとする問題点］ この様な連続溶解・鋳造法によって鋳塊を製造する場合
、鋳塊の冷却は専ら水冷鋳型によって行なうものであり
、水冷鋳型による冷却を除けば造塊室において輻射熱の
放散による冷却が若干進行する程度に過ぎず、造塊室の
雰囲気も前記と同様の高真空状態にある為、対流等によ
る伝熱放散も余り期待できず、その冷却量は微々たるも
のである。その為ＥＢ連続溶解・鋳造法においては鋳塊
冷却能力が必ずしも十分ではなく、水冷鋳型への鋳込速
度を上げると冷却能力不足となって鋳型内での凝固が不
完全となり、溶融金属の流出事故（通常ブレークアウト
と称している）が発生し、あるいは鋳塊の内部品質が不
健全なものとなる。

こうした理由からＥＢ連続溶解・鋳造法においてはむや
みに鋳込速度を上げることができず、生産性の向上に限
界があった。

またＥＢ連続溶解・鋳造法においては、電子ビームを発
生させる電子銃のフィラメントあるいはカソードが酸化
され易いＷあるいはＴａ等で製作されていることから酸
化を防止する為にも雰囲気を高真空状態に保つ必要があ
り、装置（溶解室、造塊室等）を高真空容器とする必要
がある。

尚造塊室を溶解室と連通させて同じ様な高真空状態にし
ているのは、仮に水冷鋳型を境にして両者を区画し造塊
室側を常圧にしたとすると、水冷鋳型の内周壁に沿って
気体が侵入し造塊が不可能となるからである。この様に
ＥＢ連続溶解・鋳造法では大きな高真空容器が必要とな
る為設備コストが高騰し、他の特殊造塊法：真空アーク
溶解法（ＶＡＲ）、エレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ
）、プラズマアーク溶解法（ＰＡＲ）等に比べるとイニ
シャルコストが高いという欠点がある。

この様に生産性の低さ並びにイニシャルコストの高さが
原因となってＥＢ連続溶解・鋳造法の生産コストは高い
ものとなっている。もっともＥＢ連続溶解・鋳造法では
高品質の鋳塊を得ることができるという特長がある為、
特定の分野即ち生産コスト（殊に生産性）を云々するよ
りは品質の高いものが要求される様な特殊金属（例えば
Ｔａ。

Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ等）の溶製分野では貴重な手段として賞
月されている。言わば生産コストの高さがＥＢ連続溶解
・鋳造法の汎用化を妨げていたのである。

しかるにＥＢ連続溶解・鋳造法は、各種溶解・鋳造法の
中でも特に熱制御特性が優れたものと考えられており原
理的には最良の鋳塊を製造し得る方法である。従って生
産性さえ改良することができれば、ある程度の量産材（
例えば高級特殊鋼、各種超合金、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｚｒ
、Ｚｒ合金）の溶製にも適用することができると期待さ
れ、その結果ＥＢ溶解法の特長である高品質化を多方面
に亘って享受することが可能となるのである。

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
他の特殊溶解・鋳造法と同等以上の生産性を有する様な
ＥＢ連続溶解・鋳造法を提供することを目的とするもの
であり、これにより最高級品質の鋳塊を経済的辷製造し
ようとするものである。

［問題点を解決する為の手段］ 上記目的を達成した本発明方法は、水冷鋳型の下方部に
電子ビーム溶解室と気密的に区画された引抜鋳塊ガス冷
室を設け、該ガス冷室内を連続的に引抜かれていく鋳塊
表面に向けて気体を吹付けることにより鋳塊の冷却を促
進すると共に、該気体は前記ガス冷室から連続的に吸引
排気する点に要旨を有するものである。

［作用］ 前述した様にＥＢ連続溶解・鋳造法の生産性を左右して
いるのは溶融金属若しくは鋳塊を冷却する能力であり、
冷却能力を強化することができれば鋳込速度を上げるこ
とができ、生産性を向上させることができると期待され
る。

ところでＥＢ連続鋳造法に、鋼の連続鋳造で行なわれて
いる様な冷却水吹付方法を採用することは、ＥＢ溶解室
内を高真空としていることの関係上、技術的に困難であ
る。即ち冷却水を吹付けるとＥＢ溶解室内の真空度が著
しく低下し、電子銃のフィラメントやカソードが酸化損
耗を受けるからである。

一方水冷鋳型による冷却能力自体を強化することも考え
られるが、第７図に示す様に溶融金属の凝固に役立って
いるのは鋳型の一部であるから、水冷鋳型を単に長くす
るだけでは冷却強化は図れない。即ち金属溶湯は水冷鋳
型との接触によって冷却凝固すると体積が収縮するので
鋳型との間に隙間が生じ、鋳型下部は実質的に凝固鋳塊
と接触しておらず冷却の機能を果たしていない。従って
例えば水冷鋳型を長くして冷却能力を上げようとしても
実効は上がらない。尚水冷鋳型を凝固鋳塊の収縮度に合
わせて下すぼまりのテーパ状に形成することも考えられ
るが、鋳塊を下方へ引抜く関係から鋳塊の収縮速度と引
抜速度を正確に調整することが難しくバランスが崩れる
と鋳塊の断裂や溶融金属のオーバフロー等の事故が発生
する。

本発明者等はこうした状況の中で解決手段について更に
検討を重ね前記構成で示される本発明を完成するに至っ
た。

即ち本発明はＥＢ溶解室等の真空度低下や鋳塊品質の悪
化、操業上のトラブル等を招くことなく冷却能力の強化
を図るものであって、水冷鋳型の下方部に電子ビーム溶
解室と気密的に区画された引抜鋳塊ガス冷室を設け、該
ガス冷室内を連続的に引抜かれていく鋳塊表面に向けて
気体を吹付けることにより鋳塊の冷却を促進すると共に
、該気体は前記ガス冷室から連続的に吸引排気し、電子
ビーム溶解室方向への流入（水冷鋳型内壁と鋳塊・溶融
金属浴とのわずかな隙間からの洩れ込み）による真空度
の低下を阻止すると共に、昇温した気体の滞留をなくす
ことによって冷却効果を高め得る様に構成している。尚
水冷鋳型から引抜かれる鋳塊は相当の高温状態（９００
〜１０００℃程度）にあり酸化性ガスに触れると容易に
酸化されるので、冷却用ガスとしてはアルゴンやヘリウ
ム等の不活性ガス、窒素、水素或はこれらの混合ガスの
如き非酸化性ガスを使用することが望まれる。尚冷媒と
して水を吹付ける方法も考えられるが、水は高温の鋳塊
に接触すると瞬時に蒸発して急激な体積膨張を起こし、
高性能の真空ポンプを用いた場合でも系内の真空度を急
減させるので不適当である。

またＥＢ溶解室とガス冷室は前述の如く隔壁によって区
画されているが、両室は水冷鋳型内壁と鋳塊との僅かな
隙間を通して連通しており、ガス冷室の真空度が低過ぎ
る場合は冷却用ガスの一部がＥＢ溶解室方向へ流入して
真空度を低下させ、電子ビームの発生に悪影響を及ぼす
。従ってこうした問題を回避する為には、ガス冷室の真
空度がＩ　Ｘ　１０−２ｔｏｒｒ以下とならない様（換
言するとＥＢ溶解室の真空度をＩ　Ｘ　１０　””ｔｏ
ｒｒ以下にまで下げることのない様）吸引排気能に応じ
て冷却用ガス吹付は量をコントロールすることが望まれ
る。尚鋳塊に対する冷却用ガスの吹付けは、水冷鋳型か
ら出た直後の最も高温の鋳塊表面に向けて行なうことに
より最大の冷却効果を得ることができる。

［実施例］ 第１．２図は本発明の実施例を示す概略縦断面図であり
、基本的な構成は第５．６図の例と同様であるので、同
一の部分には同一の符号を付して重複説明は省略する。

但し本発明では水冷鋳型４の下部に隔壁８を設け、ＥＢ
溶解室１と気密的に区画された引抜鋳塊ガス冷室（以下
単にガス冷室という）９を形成すると共に、その上方部
には引抜鋳塊Ｍに向けて冷却用気体吹付はノズル１０を
配設し、また下方部適所には真空ポンプに接続した吸引
排気管１１を接続する。そして連続鋳造に当たってはガ
スボンベ１２から流量調整弁１３及び気体吹付はノズル
１０を通して冷却用気体を引抜鋳塊Ｍに向けて吹付けて
鋳塊Ｍを冷却しつつ、昇温した気体は吸引排気管１１か
ら連続的に吸引排気する。南国ではＥＢ溶解室１側壁の
適所に真空度検知器１４を設け、該検知器１４により測
定される真空度を制御器１５へ入力して流量調整弁１３
の開度をコントロールすることにより、ガス冷室９ひい
てはＥＢ溶解室１内が所定の真空度に保たれる様に冷却
用気体の吹付は量を制御する構成を採用している。この
場合、ガス冷室９にも真空度検知器を設けて該ガス冷室
内の真空度を測定しＥＢ溶解室１に設けた真空度検知器
１４によって求められる真空度と比較しながら流量調整
弁１３の開度をコントロールすることもできるし、或は
冷却用ガス吹付は量を一定とし吸引排気用真空ポンプの
回転数を増減することにより、ガス冷室９内の真空度を
コントロールすることもできる。

かくして本発明によれば、水冷鋳型４で凝固し連続的に
引抜かれる鋳塊Ｍは冷却用気体の吹付けによって外面か
ら冷却される為該鋳塊Ｍの冷却速度は大幅に高められ、
その結果鋳塊Ｍの引抜き速度を従来例よりも相当高める
ことができる。しかも吹付けられた気体は吸引排気管１
１から連続的に引抜かれ、ガス冷室９内は十分な高真空
状態に保持されるので、冷却用気体が水冷鋳型４と鋳塊
Ｍの隙間からＥＢ溶解室１方向へ流入して電子ビームの
発生を阻害する様な恐れもない。

第３図は本発明の更に他の実施例を示す概略縦断面図で
あり、前記と同様の気体による冷却に加えて、固形冷却
部材（水冷銅板）を鋳塊表面に接触させて冷却を促進さ
せる構成を採用している。

即ち本例ではガス冷室９の上方部側壁に、引抜鋳塊方向
に進退する水冷銅板１６を配設しく図中１７は真空シー
ルを示す）、連続鋳造に当たっては冷却用気体吹付はノ
ズル１０から鋳塊Ｍ表面に向けて冷却用気体を吹付ける
と共に、水冷銅板１６には例えば１０Ｌ／分程度の量の
冷却水を導入しツツ鋳塊Ｍ表面に０．００２〜０．２に
ｇ／ｃｍ２の押付圧力で接触させて鋳塊Ｍの冷却を行な
う。この間ガス冷室９内の昇温気体を連続的に吸引排気
することは前述の例と同じである。この様にガス冷却と
水冷銅板による冷却を併用すれば冷却効率を一段と高め
ることができ、鋳造を更に高速度で行なうことができる
。

ちなみに第４図は、ガス冷却を行なった場合、ガス冷却
と水冷銅板による冷却を併用した場合及び水冷鋳型以外
の強制冷却を全く行なわない場合について、各引抜鋳塊
の表面温度と溶融金属浴の形状を調べた結果を示したも
のである。尚溶解・鋳造条件、冷却条件等は下記の通り
とした。

（溶解・鋳造条件） 鋳塊：１５０ｗＸ１００Ｄｘａｏｏ’　（ｍｍ）材質　
　：Ｔｉ ＥＢ出カニ６０ＫＷ 溶湯表面温度：約２０００℃ 溶解速度：４０にｇ／ｈ 水冷鋳型冷却水量：６０Ｊｌ／ｍ１ｎ （冷却条件） ガス冷却（アルゴン） 吹付量大（強冷） 吹付量小（弱冷） 水冷銅板：供給水量・・弓０λ／ｌｌ１ｉｎ押付圧力・
０．００２〜０．２にｇ／ｃｍ２（温度測定） 鋳塊表面温度測定用２色温度計使用 （プール形状調査） 溶解終了（ＥＢ出力停止）と同時に水冷鋳型内へタング
ステンを添加し、次いで引抜鋳塊縦断面のマクロ腐食試
験によって確認した。

尚第４図（Ａ）〜（Ｄ）は下記の実験条件に対応する。

第４図（Ａ）二強制冷却なしく従来例）、ＥＢ溶解室真
空度：　Ｉ　Ｘ　１０−’ｔｏｒｒ第４図（Ｂ）：ガス
冷却（弱冷）実施ＥＢ溶解室真空度：　７　Ｘ　１０−
’ｔｏｒｒ第４図（Ｃ）：ガス冷却（強冷）実施、ＥＢ
溶解室真空度：　２１　Ｘ　１０−２ｔｏｒｒ第４図（
Ｄ）：ガス冷却（強冷）と水冷銅板併用、ＥＢ溶解室真
空度＝２× １０−２ｔｏｒｒ 第４図からも明らかな様に本発明の方法を採用すると、
鋳塊の表面温度を従来例に対して１５０〜４００℃程度
低下せしめ得るばかりでなく溶融プールも浅くなってお
り、本発明の優れた効果を確認することができる。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、ＥＢ連続融解・鋳
造に支障を与えることなく冷却能力を強化することがで
き、溶造速度の増大即ち生産性を向上することができた
。かくして量産材の溶製にもＥＢ連続溶解・鋳造法を適
用することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１．２図は本発明方法の一例を示す概略縦断面説明図
、第３図は本発明の他の実施例を示す概略縦断面説明図
、第４図は本発明の効果を示す実験結果説明図、第５．
６図は従来のＥＢ連続溶解・鋳造法を示す模式図、第７
図は水冷鋳型内の温度分布を示す説明図である。 １・・・ＥＢ溶解室　　　　２・・・原料棒３・・・電
子銃　　　　　　４・・・水冷鋳型５・・・水冷ハース
　　　　８・・・隔壁９・・・ガス冷室

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電子ビームによって金属を連続的に溶解し引続いて連続
   鋳造を行なう方法において、水冷鋳型の下方部に電子ビ
   ーム溶解室と気密的に区画された引抜鋳塊ガス冷室を設
   け、該ガス冷室内を連続的に引抜かれていく鋳塊表面に
   向けて気体を吹付けることにより鋳塊の冷却を促進する
   と共に、該気体は前記ガス冷室から連続的に吸引排気す
   ることを特徴とする電子ビーム連続溶解・鋳造方法。