WO2012115272A1

WO2012115272A1 - 金属溶製用溶解炉

Info

Publication number: WO2012115272A1
Application number: PCT/JP2012/054835
Authority: WO
Inventors: 高士小田; 寿宗田中; 健新良貴; 則雄山本
Original assignee: 東邦チタニウム株式会社
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2012-08-30
Also published as: EA201391229A1; US9744588B2; CN103402671B; US20130327493A1; EP2679321A4; EA029080B1; EP2679321A1; KR101892771B1; KR20140010408A; US20170246680A1; CN103402671A

Abstract

【課題】ハースを有する金属溶製用溶解炉を用いた活性金属の製造において、前記溶解炉に内装された鋳型から抜き出されるインゴットを効率よく冷却することにより、インゴットを効率よく生産することができるという効果を奏する。また、１基のハースより、複数のインゴットを効率よくかつ高品質を維持しながら生産できる装置構成を提供する。【解決手段】原料を溶解して生成された溶湯を保持するハースと、溶湯を装入する鋳型と、鋳型下方に設けられ冷却固化したインゴットを下方に引き抜く引き抜き治具と、インゴットを冷却する冷却部材と、これらを大気から隔てる外筒とから構成された金属溶製用溶解炉であって、外筒内に１基以上の鋳型および引き抜き治具が配設され、冷却部材は、前記外筒と前記インゴットとの間または、複数のインゴットの間、間に配設されている。　

Description

金属溶製用溶解炉

　本発明は、チタン等の金属製造用溶解炉に係り、特に、金属インゴットの製造効率を向上させることができる金属製造用溶解炉構造に関する。

　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らず、金属チタンインゴットの需要も大きく伸びている。

　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ブリケットに成形した後、前記ブリケットを組み合わせて溶解用の電極とし、前記電極を真空アーク溶解することで製造されている。

　また、金属チタンインゴットの他の製造方法としては、金属チタンスクラップをスポンジチタンに配合して溶解原料とし、これを電子ビーム溶解炉あるいはプラズマ溶解炉にて溶解し、鋳型内で冷却固化されたインゴットを鋳型から引き抜く方法も知られている。この電子ビーム溶解炉の一例を、図１～３に示す（図２は、図１において方向Ａから見た平面図であり、図３は、Ｂ－Ｂ線断面図である）。

　電子ビーム溶解炉では、真空アーク溶解炉とは異なり、溶解原料を必ずしも電極に成形する必要はなく、顆粒状あるいは塊状の原料１２をそのままハース２０に投入して溶解することができるという特徴を有している。

　また、電子ビーム溶解炉では、原料中の不純物を揮発させつつ、ハース２０にて原料１２を溶解して生成された溶湯２０を鋳型１６に供給することができるので、純度の高い金属チタン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ものである。

　このようにハース付きの電子ビーム溶解炉によれば、金属チタンのみならず、ジルコニウムやハフニウムあるいはタンタル等の高融点金属に不純物が含まれているような原料を溶解する場合においても、純度の高い金属インゴットを製造することができる。

　しかしながら、電子ビーム溶解炉では、前記したように鋳型１６で冷却固化したインゴット２２を引き抜き治具３０によって引き抜いている。鋳型１６より引き抜かれた直後のインゴット２２は高温であり、また、引き抜き部５０内は、減圧とされているので、鉄鋼の連続鋳造（例えば、特許文献１）のように水スプレーでインゴットを冷却することは困難であり、現実には図１および３で波線の矢印で示すように、主に輻射のみによる放熱によってインゴット２２は冷却されており、室温近傍まで冷却するには長時間を必要とされている。このように、引き抜き部５０内でのインゴットの冷却には時間を要するため、鋳型１６で生成されたインゴットの効率的な冷却構造が望まれている。

　また、金属製造用溶解炉における生産性の改善を目指す方法としては、１基のレトルトを用いて、電極を溶解して生成された溶湯を複数の鋳型に分散して流し込み、複数のインゴットとして抜き出すことにより、生産性を高める技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

　また、インゴットの製造効率を向上させるため、図４～７に示すような（図５は、図４において方向Ａから見た平面図であり、図６は、図４において方向Ｃから見た側面図であり、図７は、Ｂ－Ｂ線断面図である）、鋳型１６を複数配置し、樋１７によって溶湯を振り分け、複数のインゴットを同時に製造することができる電子ビーム溶解炉が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

　このような電子ビーム溶解炉においても、上述のとおり、複数のインゴット２２は輻射によって放熱させるしかなくインゴットの冷却効率が悪い上に、さらに、図６、７に示すように、引き抜き部外筒５１に対向するインゴット表面からは輻射熱が引き抜き部外筒５１に良好に放熱されるものの、インゴット同士が対向している面（引き抜き部５０内中央近傍）においては放熱が進行せず、結果としてインゴットの冷却速度が上がらないという課題がある。

　更には、一のインゴット内において、不均一な温度分布が生じ、インゴットの反り等の変形を伴う場合もあり改善が求められていた。

　ところで、鋳型内に生成されている鋳型プールと接する鋳型面には、凝固シェルと呼ばれている薄い固相が形成されている。凝固シェルは、鋳型プールの底部に向うほどその厚みが増加する傾向を示し、鋳型の底部付近で鋳型プールが消滅して、固体のインゴットのみが存在するようになる。これは、鋳型の底部に向かうに伴い、鋳型壁面への放熱に加えて、鋳型プール底部への抜熱量も増加することに起因しているもの考えられている。

　このような鋳型内で形成されている鋳型プールとインゴット固相の境界面は、従来、図３１（ａ）に２１ｂで示すように、鉛直方向の断面において所謂放物線状に形成されている場合が多く、この場合には、鋳型内壁面に形成される凝固シェルの厚みも鋳型プールの鉛直下方向に向かって増加する傾向を示す。これは、鋳型プール底部が狭くなり、鋳型プール内の対流による溶湯の攪拌効果が減少し、合金成分の偏析を招き好ましくないとされる。したがって、図３１（ｂ）に示すように、放物線よりも底部が両側に膨らんだ境界面であることが望ましいと考えられている。鋳型プールの底面に至るまでの鋳型内壁面（メニスカス部、２１ａ部分）に形成される凝固シェルの厚みはできる限り一定である方が、生成されるインゴットの鋳肌が健全に保持されることが知られている。

　このように、金属チタンの電子ビーム溶解炉において、鋳型プールと接する鋳型壁の内面に形成される凝固シェルの厚みがなるべく薄い状態に維持され、メニスカス部が長く、かつ、鋳型プールの底部が広く形成されるような鋳型を有する電子ビーム溶解炉の装置構成が望まれている。

特開平１０－１８０４１８号公報米国特許第３８３４４４７号公報特公平３－７５６１６号公報

　前記した課題は、プラズマアーク溶解炉についても共通するものであり、前記した課題を解決しうる金属溶製用の溶解炉が望まれている。

　本発明は、ハースを有する金属溶製用溶解炉、特に、電子ビーム溶解炉やプラズマアーク溶解炉を用いた活性金属の製造において、複数のインゴットを効率よくかつ高品質を維持しながら生産できる金属溶製用溶解炉に係る装置構成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、原料溶解ハース、鋳型、インゴット引き抜き治具および外筒から構成され、金属原料を溶解してインゴットを製造する金属溶製用溶解炉において、冷却部材を生成インゴットと外筒との間に配置することにより、効率良くインゴットを製造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。

　また、上記冷却部材に対して鉛直方向に温度分布を設けることにより、鋳型より生成されたインゴットを効率よく冷却することができることも見出し、本願発明を完成するに至った。

　更には、インゴットを溶製する鋳型に対して、鋳型の頂部から底部に向かって単調に減少する温度部分布を有し、前記温度分布の中に少なくとも１個以上の変曲点が形成されるように構成することにより、溶製されるインゴットの鋳肌を優れた状態に維持できることを見出し、本願発明を完成するに至った。

　即ち、本発明に係る金属溶製用溶解炉は、原料を溶解して生成された溶湯を保持するハースと、溶湯を装入する鋳型と、鋳型下方に設けられ冷却固化したインゴットを下方に引き抜く引くための引き抜き治具と、インゴットを冷却する冷却部材と、これらを大気から隔てる外筒とから構成された金属溶製用溶解炉において、前記冷却部材が、前記外筒と前記インゴットとの間に配設されていることを特徴としている。

　本発明においては、冷却部材が、引き抜かれる生成インゴットの表面に沿って所定の距離を保って延在するように配設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、冷却部材が、インゴットの引き抜き方向に垂直な断面において、インゴット全周または周の一部を囲むように配設されたもの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、冷却部材が、水冷ジャケットまたは水冷コイルで構成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、鋳型は、複数のインゴットを同時に溶製することができるように複数の鋳型が溶解部内に配設され、引き抜き部内においては、前記複数のインゴット間に冷却部材を配設したことを好ましい態様としている。

　本発明においては、金属溶製用溶解炉には、底部の開放された鋳型が配設され、前記鋳型壁の頂部から底部に向かって単調に減少する温度分布を有し、前記温度分布の中に少なくとも１個以上の変曲点を有することを好ましい態様とするものである。

　本発明においては、鋳型は、鋳型上部にある第１冷却部と鋳型下部にある第２冷却部から構成されており、前記第１冷却部は、厚みが鋳型の上方向に向かって増厚される増厚部であり、第２冷却部は、厚みが一定の鋳型壁を有する平行部であることを好ましい態様とするものである。

　本発明においては、鋳型に流通させる冷却媒体は、第１冷却部を抜熱する第１冷却媒体と、第２冷却部を抜熱する第２冷却媒体からなり、第１冷却媒体の温度は、第２冷却媒体の温度よりも高いことを好ましい態様とするものである。

　本発明においては、鋳型に流通させる冷却媒体は、第１冷却部と第２冷却部とに対して、直列に供給されるものであり、冷却媒体は、第１冷却部および第２冷却部に巻き付けられた冷却用コイルを連続的に流通させるものであり、かつ、第１冷却部に巻き付けられた冷却用コイルは、第２冷却部に巻き付けられた冷却用コイルに対して、相対的に疎に巻き付けられていることを好ましい態様とするものである。

　本発明においては、鋳型に流通させる冷却媒体は、第１冷却部を抜熱する第１冷却媒体と、第２冷却部を抜熱する第２冷却媒体からなり、それぞれが独立して並列に供給されるものであり、第１冷却媒体は、第１冷却部に巻き付けられたコイル内を流通させるものであり、第２冷却媒体は、第２冷却部に巻き付けられたコイル内を流通させるものであることを好ましい態様とするものである。

　本発明においては、第２冷却部の下部には、生成インゴットの引き抜き方向に沿って鋳型内面が縮径しているテーパ部が形成されていることを好ましい態様とするものである。

　本発明においては、金属溶製用溶解炉が、電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉であることを好ましい態様とするものである。

　本発明に係る金属溶製用溶解炉を用いることにより、抜き出されたインゴットを効率よく冷却することができ、これによりインゴットの製造効率を向上させることができるという効果を奏する。

　また、複数のインゴットを同時に抜き出す場合においては、対向するインゴット間の放熱を促進することによって生成インゴットの冷却速度を高めることができるのみならず、一のインゴット内に不均一な温度分布の形成が抑制されこれに伴うインゴットの熱変形も回避され、その結果反りが無く直線性にも優れ、鋳肌が優れたインゴットを溶製することができることができるという効果を奏するものである。

　さらには、本発明に係る金属溶製用溶解炉を用いることにより、メニスカス部が長く、かつ、鋳型プールの底部が広く形成されるような鋳型プールが形成されるので、インゴットの鋳肌が優れているのみならず、溶製されるインゴットのマクロ組織も優れているという効果を奏するものである。

図１は、従来および本発明に係る、単数のインゴットを製造する電子ビーム溶解炉における共通の構成要素を示す模式断面図である。図２は、図１において方向Ａから見た平面図である。図３は、図１におけるＢ－Ｂ線断面図である。図４は、従来および本発明に係る、複数のインゴットを製造する電子ビーム溶解炉における共通の構成要素を示す模式断面図である。図５は、図４において方向Ａから見た平面図である。図６は、図４において方向Ｃから見た側面図である。図７は、図４におけるＢ－Ｂ線断面図である。図８は、本発明の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）はインゴット引き抜き部の側断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。図９は、本発明の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）はインゴット引き抜き部の側断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。図１０は、本発明の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）はインゴット引き抜き部の側断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。図１１は、本発明の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）はインゴット引き抜き部の側断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。図１２は、本発明の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）はインゴット引き抜き部の側断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。図１３は、本発明の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）はインゴット引き抜き部の側断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。図１４は、本発明の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）はインゴット引き抜き部の側断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。図１５は、本発明の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）はインゴット引き抜き部の側断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。図１６は、本発明の一実施形態における溶解部を示す部分平面図である。図１７は、図１６の実施形態のインゴット引き抜き部を示す断面図である。図１８は、本発明の一実施形態における溶解部を示す部分平面図である。図１９は、図１８の実施形態のインゴット引き抜き部を示す断面図である。図２０（ａ）～（ｃ）は、本発明のその他の変更例の一例におけるインゴット引き抜き部を示す断面図である。図２１は、本発明のその他の変更例の一例におけるインゴット引き抜き部を示す断面図である。図２２は、本発明の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）はインゴット引き抜き部の側断面図、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）における平断面図である。図２３は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム溶解炉を模式的に示し、（ａ）は平断面図であり、（ｂ）は側断面図である。図２４は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム溶解炉を模式的に示し、（ａ）は平断面図であり、（ｂ）は側断面図である。図２５は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム溶解炉を模式的に示し、（ａ）は平断面図であり、（ｂ）は側断面図である。図２６は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム溶解炉を模式的に示す側断面図である。図２７（ａ）は、本発明の一実施形態に係る鋳型部分を示す模式断面図であり、（ｂ）は、テーパ部を設けた例を示す模式断面図である。図２８（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る鋳型部分を示す模式断面図であり、（ｂ）は、テーパ部を設けた例を示す模式断面図である。図２９（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る鋳型部分を示す模式断面図であり、（ｂ）は、テーパ部を設けた例を示す模式断面図である。図３０（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る鋳型部分を示す模式断面図であり、（ｂ）は、テーパ部を設けた例を示す模式断面図である。図３１は、従来の鋳型（ａ）と本発明の鋳型（ｂ）における鋳型プールの形成状態と抜熱の様子を示す模式図である。図３２は、従来の電子ビーム溶解炉における鋳型部分を示す模式断面図である。

　本発明の最良の実施形態について、金属溶製用溶解炉が電子ビーム溶解炉である場合を例にとり、図面を用いて以下に詳細に説明する。以下の説明においては、原料がスポンジチタン、製造するインゴットが金属チタンであり、製造するインゴットの断面が矩形である場合を例に説明するが、本発明の電子ビーム溶解炉は、チタンインゴットの製造に限定されず、ジルコニウムやハフニウム、タングステンあるいはタンタル等の高融点金属、その他電子ビーム溶解炉によってインゴットを製造することができる金属やこれらの合金であれば同様に適用することができ、また、断面に関しても、矩形に限定されず、円形、楕円形、樽型、多角形、その他不定形など、あらゆる断面形状を含む。

第１実施形態（単数インゴット＋平板状冷却部材）
　図１～３は、単数のインゴットを製造するための、従来の電子ビーム溶解炉および本発明に係る電子ビーム溶解炉に共通する構成要素を表している。図２は、図１において方向Ａから見た平面図であり、図３は、図１におけるＢ－Ｂ線断面図である。図１に示す電子ビーム溶解炉は、原料を溶解する溶解部４０と、その下方で製造されたインゴットを引き抜く引き抜き部５０とから構成されている。

　溶解部壁４１で画成された溶解部４０内には、スポンジチタンあるいはチタンスクラップで構成されたチタン原料１２を供給するためのアルキメデス缶等の原料供給機１０と、原料１２を移送する振動フィーダ等の原料移送機１１と、供給された原料を溶解するハース１３と、ハース１３に供給された原料１２を溶解して溶湯２０とする電子ビーム照射機１４と、溶湯２０を冷却固化してインゴットを形成させる水冷銅等で構成された鋳型１６と、鋳型１６内に電子ビームを照射して溶解し溶融プール２１を形成させる電子ビーム照射機１５とが設けられている。

　溶解部４０の鋳型１６の下方には、引き抜き部外筒５１で画成された引き抜き部５０が設置されており、引き抜き部５０内には、鋳型１６で形成されたインゴット２２を下方に引き抜く引き抜き治具３０が設けられている。なお、溶解部４０および引き抜き部５０内は、減圧雰囲気が保持されるように構成されている。

　まず原料供給機１０から供給された原料１２は、ハース１３内で電子ビーム照射機１４によって溶解されて溶湯２０を形成する。溶湯２０は、ハース１３の下流から鋳型１６内に供給される。鋳型内１６には、原料１２の溶解に先立って図示しないスタブが配置されており、このスタブが鋳型１６の底部を構成している。前記スタブは原料１２と同じ金属で構成されており、鋳型１６内に供給された溶湯２０と一体化してインゴット２２を形成する。

　鋳型１６内のスタブ上に連続的に供給された溶湯２０の表面は、電子ビーム照射機１５によって加熱されて溶融プール２１を形成すると共に、溶湯２０の底部は、鋳型１６によって冷却されて固化して前記スタブと一体化してインゴット２２を形成する。

　鋳型１６内で生成したインゴット２２は、溶融プール２１のレベルが一定になるようにスタブに係合された引き抜き治具３０の引抜速度を調節しつつ引き抜き部５０内に抜き出される。

　以上が単数インゴット製造用の従来の電子ビーム溶解炉および本発明に係る電子ビーム溶解炉に共通する構成および動作であるが、本発明の第１実施形態においては、図８に示すように、引き抜き部５０内に、平板状の冷却部材６０が配設されていることを特徴としている。

　図８において、（ａ）は引き抜き部５０の側断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。図８に示すように、引き抜かれたインゴット２２および引き抜き治具３０の一方の側面には、平板状の冷却部材６０が、インゴット２２の表面に沿って所定の距離を保って延在するよう配設されている。前記冷却部材６０は、外部から冷媒の流通等により冷却可能であれば特に限定されず、例えば水冷銅ジャケットで構成することができる。

　図３に示すように、従来の電子ビーム溶解炉においては、引き抜き部５０が減圧に保たれているため、主に輻射によって電子ビーム溶解炉の引き抜き部外筒５１に対して放熱されていたが、本発明の第１実施形態によれば、引き抜き部５０内に平板状の冷却部材６０がインゴットと電子ビーム溶解炉の本体との間に配設されているので、放熱距離が短縮されて輻射による放熱量が増加してインゴット２２の冷却が促進される。その結果、生成インゴットの引抜速度を高めることができるという効果を奏するものである。インゴットの冷却速度の改善は、溶解速度を高めることができることを意味し、結果的にインゴットの生産速度を高めることができるという効果を奏するものである。

第２実施形態（単数インゴット＋コの字状冷却部材）
　本発明の第２実施形態においては、図９に示すように、引き抜き部５０内に、コ字状の冷却部材が配設されていることを特徴としている。図９において、（ａ）は引き抜き部５０の側断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。

　図９に示すように、引き抜かれたインゴット２２および引き抜き治具３０のうち三方の側面には、引き抜き方向の断面がコ字状の冷却部材６１が、インゴット２２の三方の表面に沿って所定の距離を保って延在するように配設されている。

　本発明の第２実施形態によれば、引き抜き部５０内にコ字状の冷却部材６１が配設されているので、第１実施形態と比較してインゴット２２の放熱をより促進させ、冷却を速やかに行うことができるという効果を奏するものである。

第３実施形態（単数インゴット＋ロ字状冷却部材）
　本発明の第３実施形態においては、図１０に示すように、引き抜き部５０内に、ロ字状の冷却部材が配設されていることを特徴としている。図１０において、（ａ）は引き抜き部５０の側断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。

　図１０に示すように、引き抜かれたインゴット２２および引き抜き治具３０の四方を取り囲むように、引き抜き方向の断面がロ字状の冷却部材６２が、インゴット２２の四方の表面に沿って所定の距離を保って延在するように配設されている。

　本発明の第３実施形態によれば、引き抜き部５０内にロ字状の冷却部材６２が配設されているので、インゴットを全方向から冷却することができ、第１および第２実施形態と比較してインゴット２２の放熱をより促進させ、冷却を速やかに行うことができるという効果を奏するものである。

第４実施形態（単数インゴット＋コイル状冷却部材）
　本発明の第４実施形態においては、図１１に示すように、引き抜き部５０内に、螺旋状のコイルからなる冷却部材が配設されていることを特徴としている。図１１において、（ａ）は引き抜き部５０の側断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。

　図１１に示すように、コイル状の冷却部材６３が、引き抜かれたインゴット２２および引き抜き治具３０の四方を螺旋状に取り囲み、かつインゴット２２の四方の表面に沿って所定の距離を保って延在するように配設されている。この冷却部材６３としては、外部から冷媒を流通させられる管状の部材であれば特に限定されず、例えば水冷銅コイルで構成することができる。

　本発明の第４実施形態によれば、引き抜き部５０内にコイル状の冷却部材６３が配設されているので、インゴットを全方向から冷却することができ、第３実施形態同様に、インゴット２２の放熱をより促進させ、冷却を速やかに行うことができるという効果を奏するものである。

第５実施形態（複数インゴット＋平板状冷却部材）
　図４～７は、複数のインゴットを製造するための、従来の電子ビーム溶解炉および本発明に係る電子ビーム溶解炉に共通する構成要素を表している。なお、図５は、図４において方向Ａから見た平面図であり、図６は、図４において方向Ｃから見た側面図であり、図７は、図４におけるＢ－Ｂ線断面図である。図４に示す電子ビーム溶解炉の構成要素のうち、原料供給機１０と、原料移送機１１と、ハース１３と、電子ビーム照射機１４および１５は、図１に示す電子ビーム溶解炉と共通であるので、説明を省略する。

　図４～７に示す電子ビーム溶解炉においては、２基の鋳型１６が、長手方向の辺が平行になるように並列に設けられており、さらに、ハース１３と鋳型１６との間に、溶湯２０を一旦受けて複数の鋳型１６のそれぞれに分配するための樋１７が設けられている。溶解部４０の下方に設置された引き抜き部５０では、複数の鋳型１６に対応して複数の引き抜き冶具３０が設けられており、複数の鋳型１６で形成されたインゴット２２を引き抜けるように構成されている。

　以上が２基のインゴット製造用の従来の電子ビーム溶解炉および本発明に係る電子ビーム溶解炉に共通する構成および動作であるが、本発明の第５実施形態においては、図１２に示すように、引き抜き部５０内に、平板状の冷却部材６０が配設されていることを特徴としている。

　図１２において、（ａ）は引き抜き部５０の側断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。図１２に示すように、引き抜かれた２列のインゴット２２および引き抜き治具３０に挟まれた空間には、平板状の冷却部材６０が、それぞれのインゴット２２の表面に沿って所定の距離を保って延在するように配設されている。

　図７に示すように、従来の電子ビーム溶解炉においては、引き抜き部５０が減圧に保たれているため、冷媒を直接供給してインゴット２２を冷却することができず、波線の矢印で示すように、前記インゴット２２は主に輻射によって冷却されていた。２列のインゴット２２の表面のうち、引き抜き部外筒５１に対向している面からは輻射により放熱が行われて冷却が進行するが、２列のインゴットが互いに対向する中央近傍では、互いに輻射熱を受けるため、インゴット２２の冷却速度が低下し、これはインゴットの生産速度の低下を招く。また、２列のインゴットが互いに対向するインゴット２２の周縁部と比較して冷却が相対的に進行しないため、同じインゴット内で、面によって不均一な温度分布が生じ、インゴットに反り等の変形が生じる原因となっていた。

　しかしながら、本発明の第５実施形態によれば、２列のインゴット２２間に平板状の冷却部材６０が配設されているので、インゴット同士が対向する面においても放熱が促進され、冷却を速やかに行うことができる。結果として、インゴットの全表面から均一に冷却を行うことが可能になるという効果を奏するものである。

　なお、第５実施形態においては、インゴットを２列に製造する例を説明したが、本実施形態は２列のインゴットに限定されず、インゴットが３列以上の複数列とすることも可能であり、その場合は、インゴット２２と冷却部材６０を交互に配置すればよい。

第６実施形態（複数インゴット＋コ字状冷却部材）
　本発明の第６実施形態においては、図１３に示すように、引き抜き部５０内に、コ字状の冷却部材が配設されていることを特徴としている。図１３において、（ａ）は引き抜き部５０の側断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。

　図１３に示すように、２列の引き抜かれたインゴット２２および引き抜き治具３０はそれぞれ、三方の側面に、引き抜き方向の断面がコ字状の冷却部材６１が、インゴット２２の三方の表面に沿って所定の距離を保って延在するように配設されている。

　本発明の第６実施形態によれば、引き抜き部５０内にコ字状の冷却部材６１が配設されているので、第５実施形態と比較してインゴット２２の放熱をより促進させ、冷却を速やかに行うことができる。

　なお、第６実施形態においては、インゴットを２列製造する例を説明したが、本実施形態は２列のインゴットに限定されず、インゴットおよび冷却部材の組み合わせが３列以上の配置された複数列とすることも可能である。
　また、図１３に示した２組のコ字の冷却部材を相互に反転する形で配設することも可能である。

第７実施形態（複数インゴット＋ロ字状冷却部材）
　本発明の第７実施形態においては、図１４に示すように、引き抜き部５０内に、ロ字状の冷却部材が配設されていることを特徴としている。図１４において、（ａ）は引き抜き部５０の側断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。

　図１４に示すように、２列の引き抜かれたインゴット２２および引き抜き治具３０はそれぞれ、四方を取り囲むように、引き抜き方向の断面がロ字状の冷却部材６２が、インゴット２２の四方の表面に沿って所定の距離を保って延在するように配設されている。

　本発明の第７実施形態によれば、引き抜き部５０内にロ字状の冷却部材６２が配設されているので、インゴットを全方向から冷却することができ、第５および第６実施形態と比較してインゴット２２の放熱をより促進させ、冷却を速やかに行うことができる。

　なお、第７実施形態においては、２列のインゴットを製造する例を説明したが、本実施形態は２列のインゴットに限定されず、インゴットおよび冷却部材の組み合わせが３列以上の配置された複数列とすることも可能である。

第８実施形態（複数インゴット＋コイル状冷却部材）
　本発明の第８実施形態においては、図１５に示すように、引き抜き部５０内に、螺旋状のコイルからなる冷却部材が配設されていることを特徴としている。図１５において、（ａ）は引き抜き部５０の側断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。

　図１５に示すように、コイル状の冷却部材６３が、２列の引き抜かれたインゴット２２および引き抜き治具３０の四方を螺旋状に取り囲み、かつインゴット２２の四方の表面に沿って所定の距離を保って延在するよう配設されている。

　本発明の第８実施形態によれば、引き抜き部５０内にコイル状の冷却部材６３が配設されているので、インゴットを全方向から冷却することができ、第７実施形態同様に、インゴット２２の放熱をより促進させ、冷却を速やかに行うことができる。

　なお、第８実施形態においては、２列のインゴットを製造する例を説明したが、本実施形態は２列のインゴットに限定されず、インゴットおよび冷却部材の組み合わせが３列以上の配置された複数列とすることも可能である。

第９実施形態（複数インゴット＋三角柱状冷却部材）
　続いて、本発明の他の実施形態を説明する。図１６は、本発明の電子ビーム溶解炉における溶解部４０内において、複数の鋳型１６の配置を変更した例である。図１６に示すように、２基の鋳型１６は、長手方向の面が非平行の状態となるように配置され、ハース１３と鋳型１６との間には、溶湯２０をそれぞれの鋳型１６に分配する樋１８が設けられている。

　図１７は、図１６に示す溶解部４０で製造されるインゴットを引き抜き部５０に引き抜いた際の断面図を示す。図１７に示すように、引き抜かれた２列のインゴット２２は、ハ字状に配置されており、２列のインゴットに挟まれた空間には、三角柱状の冷却部材６４が、三角柱の２面がそれぞれのインゴット２２の表面と一定の間隔で沿って平行に延在するよう配設されている。

　本発明の第９実施形態によれば、２列のインゴットの面が互いに平行でなくても、インゴット間に配設される冷却部材が三角柱であって、かつ、その２面がそれぞれのインゴットの面に平行になるように設けられているので、インゴット間においても放熱を促進させ、冷却を速やかに行うことができる。結果として、インゴットの全表面から均一に冷却を行うことが可能になる。

第１０実施形態（複数インゴット＋三角柱状冷却部材）
　図１８は、本発明の電子ビーム溶解炉における溶解部４０内において、鋳型１６の配置を変更した例である。図１８に示すように、複数の鋳型１６は、長手方向の面が放射状になるように配置され、ハース１３と鋳型１６との間には、溶湯２０をそれぞれの鋳型１６に対して放射状に分配する樋１９が設けられている。

　図１９は、図１７に示す溶解部４０で製造されるインゴットを引き抜き部５０に引き抜いた際の断面図を示す。図１９に示すように、引き抜かれた複数のインゴット２２は、放射状に配置されており、隣接する２列のインゴットに挟まれた空間には、それぞれ三角柱状の冷却部材６５が、三角柱の２面がそれぞれのインゴット２２の表面と一定の間隔で沿って平行に延在するよう配設されている。

　本発明の第１０実施形態によれば、複数のインゴットが放射状に配置されその面が互いに平行でなくても、インゴット間に配設される冷却部材が三角柱であって、かつ、その２面がそれぞれのインゴットの面に平行になるように設けられているので、インゴット間においても放熱を促進させ、冷却を速やかに行うことができる。結果として、インゴットの全表面から均一に冷却を行うことが可能になる。また、本実施態様では、限られた空間の中で、複数のインゴットを効率よく製造することができるという効果を奏するものである。

その他の変形例（非矩形インゴット＋冷却部材）
　図２０は、本発明の他の変更例における引き抜かれたインゴットの断面図を示す。図２０（ａ）に示すように、本発明は、断面が円形のインゴット２３にも適用することができ、この場合の冷却部材６６は、矩形インゴットの場合と同様、インゴット２３の表面と所定の間隔をおいてインゴットの全周を取り囲む円形の断面を有しており、インゴット引き抜き方向に延在する。

　さらに、図２０（ｂ）に示すように、コイル状冷却部材６７によって円形インゴット全周を取り囲む形状とすることもできる。

　また、矩形インゴットの項目で説明した態様と同様、図２０（ａ）および（ｂ）に示す単数のインゴット２３と冷却部材を複数列並列に配置することもでき、また、図２０（ｃ）に示すように、複数の円形インゴット２３の間に、円形インゴットの一部の周を囲む冷却部材６８を配設することもできる。

　また、図２１の平面図に示すように、溶解部４０において鋳型１６が複数並列に設けられ、その下方の引き抜き部５０においては、引き抜き部５０を構成する外筒として、インゴットの一部を囲み一部が開放されたＣ字状の断面形状であるものを組み合わせた引き抜き部外筒５１とすることもできる。なお、図２１は、引き抜き部外筒５１の変形例を例示したものであり、図中に冷却部材の図示は省略されているが、本願明細書において説明した各種の冷却部材を、図２１に示す態様において適宜配設することができる。

　さらに、図２２に示すように、本発明においては、これまで説明してきたように冷却部材をインゴット下方から設置するのではなく、例えば銅板等からなる板状部材を鋳型１６の下端に固定具７２を介して取り付け、鋳型１６を上方から下方に延長させたような態様とすることもできる。インゴット断面が矩形の場合は図２２（ｂ）に示すように、インゴット断面が円形の場合は図２２（ｃ）に示すように、板状部材７０あるいは７１は、インゴットを取り囲むように設置することができる。いずれの場合も、板状部材７０および７１の周囲には、コイル状冷却部材６３および６７が配設され、冷却部材の抜熱によって板状部材を介してインゴットの冷却を行うことができる。

　本発明においては、冷却部材が、複数のインゴットの間、および／または、外筒とインゴットとの間に配設されていることを特徴とするものであり、このうち、冷却部材が複数のインゴットの間に配設されている形態は、図１２ですでに説明したように、冷却部材６０をインゴット２２の間に介装させることにより、鋳型から高温状態で抜き出されたインゴット２２間の相互加熱を効果的に抑制できるという効果を奏するものである。

　また、図示は省略したが、インゴット２２と外筒４１との間に冷却部材を配設することもでき、さらに、図２３に示すように、これらの両方の態様を組み合わせ、複数のインゴット２２の間と、インゴット２２と外筒４１との間との両方に冷却部材を配設することもできる。

　インゴット２２間の相互加熱が抑制されると、鋳型から抜き出されたそれぞれのインゴット２２の断面方向の温度分布に偏りがなく、その結果、溶製されるインゴットの熱変形も効果的に抑制することができ、最終的には、直線性の優れた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ものである。

　本発明においては、前記鉛直方向に配設した冷却部材に対して、冷却部材の頂部から底部に向けて温度が低下するような温度勾配をつけることを好ましい態様とするものである。その結果、冷却部材に対して温度勾配を設けない場合に比べて、生成インゴットの鋳肌が改善されるという効果を奏するものである。

　また、本発明においては、前記鉛直方向に配設した冷却部材に対して、冷却部材の底部から頂部に向けて温度が降下するような温度勾配をつけることを好ましい態様とするものである。その結果、冷却部材に対して温度勾配を設けない場合に比べて、生成インゴットの直線性が改善されるという効果を奏するものである。

　図２４は、本発明における別の好ましい態様を表しており、冷却部材６０に対する温度勾配は付けない状態で２本のインゴット２２の対向する面に冷却部材６０をそれぞれ配設した例である。このような実施形態によれば、インゴット間の相互加熱を更に抑制することができ、その結果、図１２の態様に比べて生成インゴットの反りが改善されるという効果を奏するものである。

　図２５は、本発明における更に別の好ましい態様を表しており、冷却部材６０に対する温度勾配は付けない状態で２本のインゴット２２の対向する面および外筒に面する面の両者に冷却部材６０をそれぞれ配設した例である。このような実施形態によれば、インゴット間の相互加熱を更に抑制することができ、冷却速度が高まり、その結果、生成インゴットの反りが改善されるのみならず、生成インゴットの引き抜き速度も高めることができるという効果を奏するものである。

　図２６は、本発明に係る好ましい態様である温度勾配をつけた冷却部材６９を示しており、その勾配をつける方法の一例としての冷却水の通水構造例を表している。冷却部材６９の内部鉛直方向は、隔壁によって複数の領域に分割されており、頂部から底部に向かって順に第１区画６９ａ、第２区画６９ｂ、第３区画６９ｃと呼ぶことにする。

　当該実施態様においては、第１区画６９ａに対して温水（Ｈ）を供給して同区画より温水（Ｈ）を排出するような構造を有している。前記第１区画６９ａに対して供給する温水温度は、５０～７０℃の範囲とすることが好ましい。

　また、第３区画６９ｃに対しては、底部より冷水（Ｌ）を供給して、第３区画６９ｃの頂部より排出した後、前記排出された冷水（Ｌ）を第２区画６９ｂの底部に供給することを好ましい態様とするものである。前記冷水温度は、５℃～２０℃の範囲とすることが好ましい。

　前記したように冷却部材６９に対して頂部から底部に対して温度が低下する負の温度勾配を設けることにより、鋳型１２より抜き出された直後のインゴット２２を急冷することなく徐々に冷却するので、生成されるインゴット２２の鋳肌を改善できるという効果を奏するものである。

　また、本発明においては、図示は省略したが、図２６とは逆に、冷却部材６９の第１区画６９ａおよび第２区画および６９ｂに冷水（Ｌ）を供給し、第３区画６９ｃに温水（Ｈ）を供給することもできる。

　前記したように冷却部材６９に対して頂部から底部に対して温度が上昇する正の温度勾配を設けることにより、鋳型１２より抜き出された直後のインゴット２２どうしの相互過熱が抑制されるので、インゴット内の温度分布が不均一になることを抑制して、直線性を改善できるという効果を奏するものである。

　図示は省略するが、本発明は、断面が矩形や円形のインゴットに限定されず、断面が楕円形や、樽型や、多角形やその他曲線から構成される不定形といった、製造可能な形状であればあらゆる断面形状のインゴットに適用することができ、いずれの場合もインゴット列を単数や複数に設定することができ、それらインゴットの表面に対し、本発明の冷却部材は、その全周あるいは周の一部を取り囲む形状を有し、かつ冷却部材は、インゴットの表面に対して所定の距離を保って沿うように延在することを特徴とする。

　金属インゴットを冷却する冷却部材は熱伝導の良好な金属で構成され、前記部材自身に冷媒を使用することが望ましい。その冷却方法は部材をジャケット構造とすることにより銅部材の全面を冷却する方法や、冷却部材中にあらかじめ冷媒の流路を設け、前記流路に冷媒を通して部材を冷却する方法や、あるいは金属製のパイプをコイル状にして冷却部材の表面に付設して、冷却部材を冷却する方法があり、これらの方法を用いることでインゴットからの放熱を効率的に抜き取ることができる。

　前記冷却部材の材質は、伝熱の効果を発現するものであれば任意に選択でき、金属、セラミクス、あるいは耐熱性エンジニアリングプラスチック等を用いることができるが、本願においては、前記材料の中でも、銅、アルミニウム、鉄等の熱伝導が優れているものを好適に用いることができる。

　また、冷媒は水、有機溶媒、オイルあるいは気体を使用することもできる。

　冷却部材の他の冷却方法としては、冷却部材として二種類以上の異なる金属を張り合わせた材料を使用し、部材に直流電流を流すことで発現する所謂ペルチェ効果を利用して、インゴット側に面した部材表面を冷却する一方、部材の反対側に放熱させる方式を単独あるいは前記の冷媒による冷却方法と組合せて用いることも可能である。この際、部材としては、銅とコンスタンタン（銅・ニッケル合金）のクラッド材や銅とニッケル・クロム合金のクラッド材等が好適な材料として使用することができる。

第１１実施形態（１種類の冷却媒体＋増厚部＋平行部を備えた鋳型）
　電子ビーム溶解炉を示す図１の鋳型１６に対する好ましい態様を以下に述べる。図２７（ａ）は、図１において鋳型１６部分の拡大図である。

　本実施形態における鋳型８０は、鋳型上部の第１冷却部（増厚部）８０ａと、鋳型下部の第２冷却部（平行部）８０ｂとから構成されている。第１冷却部（増厚部）８０ａは、鋳型１６に保持されている溶湯の鋳型プール２１のうち、液相が直接鋳型８０に接しているメニスカス部２１ａに対応した部分からそれより上方までに設けられており、上方へ向かうほど鋳型壁の厚さが増加するように構成されている。

　第２冷却部（平行部）８０ｂは、鋳型プール２１が固相を介して接している部分およびそれより下方に設けられており、鋳型壁の厚さは一定である。

　また、鋳型８０の外側には、増厚部８０ａおよび平行部８０ｂに共通してこれらを冷却する冷却媒体８０ｄが供給されている。

　まず、図１における原料供給機１０から供給された原料１２は、ハース１３内で電子銃１４によって溶解されて溶湯２０を形成する。溶湯２０は、ハース１３の下流から鋳型１６内に供給される。鋳型内１６には、原料１２の溶解に先立って図示しないスタブが配置されており、このスタブが鋳型１６の底部を構成している。前記スタブは原料１２と同じ金属で構成されており、鋳型１６内に供給された溶湯２０と一体化してインゴット２２を形成する。

　鋳型１６内のスタブ上に連続的に供給された溶湯２０の表面は、電子銃１５によって加熱されて溶融プール２１を形成すると共に、溶融プール２１の底部は、鋳型１６によって冷却されて固化して前記スタブと一体化してインゴット２２を形成する。鋳型１６内で生成したインゴット２２は、溶融プール２１のレベルが一定になるようにスタブに係合された引き抜き治具３０の引抜速度を調節しつつ引き抜き部５０内に抜き出される。

　本実施形態においては図３１（ｂ）に示すように鋳型壁の頂部から底部に向かって単調に減少する温度分布を有し、前記温度分布の中に少なくとも１個以上の変曲点を有することを特徴とするものである。前記したような温度分布を形成させることにより、第２冷却部に示したような壁が第１冷却部まで平行に形成された従来の鋳型に比べて、抜熱量を抑制することができ、その結果、溶製されるインゴットの鋳肌を改善することができるという効果を奏するものである。

　即ち、前記したような温度分布を設けることにより、第１冷却部８０ａにおいては比較的冷却が穏やかであり、鋳型プールが高温に保たれるため、メニスカス部２１ａを長く形成することができ、一方、第２冷却部８０ｂにおいては冷却が比較的急速になるので、凝固が進行し、鋳型プールの底部の固液境界面２１ｂは、放物線形状と比較して広がる形状、すなわち鋳型プールを浅くすることができる。これにより、鋳型プール２１内の底部近傍でも溶湯成分の混合が促進され、かつ抜き出されるインゴットに対して溶融部である鋳型プールの底部が影響を及ぼすことが抑制され、その結果、鋳肌が優れたインゴットを製造することができる。

　本発明と従来の鋳型の違いを図３１に示す。図３１（ａ）が従来例、（ｂ）が本発明例である。図３１（ａ）に示すように、従来では固液境界面２１ｂが放物線形状であるので、底部近傍で溶湯成分の混合が阻害されるばかりか、仮に溶解エネルギーを上昇させてメニスカス部２１ａを長く形成しようとすると、底部の放物線凸部の位置が下方に下がり、抜き出されるインゴットに影響を及ぼす。しかしながら、本発明では、メニスカス部２１ａを長く形成しても、鋳型プール２１の底部は放物線ほど下方に突出しないため、上述した諸効果が得られるのである。

　また、図３１には、鋳型内の位置（座標Ｌ）における温度状況を模式的にグラフとして併記する。図３１に示すように、従来例（ａ）では冷却が単調なため、温度曲線は、最高温度Ｔ１から自然対数を用いた単一の減衰曲線で近似されるが、本発明例（ｂ）では、冷却が第１冷却部と第２冷却部の２段階で行われるため、最高温度Ｔ_１からＴ_２まで緩やかに温度が低下する減衰曲線と、Ｔ_２からの急激な温度低下を表す減衰曲線によって近似される。

　なお、本発明例を示す図３１（ｂ）では、下に膨らみを有している曲線を表しているが、これ以外にも上に膨らみを有している曲線を有する温度分布も本願発明に係る好ましい態様に含まれる。更には、変曲点も、１個のみならず２個あるいはそれ以上含んでいる態様も含むものとする。

第１２実施形態（２種類の冷却媒体を備えた鋳型）
　次に、第１２～第１４実施形態に係る金属溶製用溶解炉を説明するが、以下の実施形態では、第１２実施形態と共通の構成要素の説明は省略し、変更が加えられた鋳型部分についてのみ説明する。

　図２８（ａ）は、本実施形態に係る鋳型８１の拡大図である。鋳型８１は、鋳型上部の第１冷却部８１ａと、鋳型下部の第２冷却部８１ｂとから構成されている。第１冷却部８１ａは、鋳型８１に保持されている溶湯の鋳型プール２１のうち、液相が直接鋳型８１に接しているメニスカス部２１ａに対応した部分からそれより上方までに設けられており、第２冷却部８１ｂは、鋳型プール２１が固相を介して接している部分およびそれより下方に設けられており、これら鋳型壁の厚さは第１実施形態とは異なり、一定である。

　鋳型８１の外側には、それぞれ独立した領域に分割された流路に、鋳型８１の第１冷却部８１ａを冷却する第１冷却媒体８１ｄと、第２冷却部８１ｂを冷却する第２冷却媒体８１ｅが供給されている。これら冷却媒体は、第１冷却媒体８１ｄの方が、第２冷却媒体８１ｅと比較して温度が高くなるよう構成されており、第１冷却部８１ａの抜熱量が小さく、第２冷却部８１ｂの抜熱量が大きい。

　これにより、第１冷却部８１ａにおいては比較的冷却が穏やかであり、鋳型プールが高温に保たれるため、メニスカス部２１ａを長く形成することができ、一方、第２冷却部８１ｂにおいては冷却が比較的急速になるので、凝固が進行し、鋳型プールの底部の固液境界面２１ｂは、放物線形状と比較して広がる形状、すなわち鋳型プールを浅くすることができる。これにより、鋳型プール２１内の底部近傍でも溶湯成分の混合が促進され、かつ抜き出されるインゴットに対して溶融部である鋳型プールの底部が影響を及ぼすことが抑制され、その結果、鋳肌が優れたインゴットを製造することができる。

第１３実施形態（１種類の冷却媒体＋単一のコイルを備えた鋳型）
　図２９（ａ）は、本実施形態に係る鋳型８２の拡大図である。鋳型８２は、鋳型上部の第１冷却部８２ａと、鋳型下部の第２冷却部８２ｂとから構成されている。第１冷却部８２ａは、鋳型８２に保持されている溶湯の鋳型プール２１のうち、液相が直接鋳型８２に接しているメニスカス部２１ａに対応した部分からそれより上方までに設けられており、第２冷却部８２ｂは、鋳型プール２１が固相を介して接している部分およびそれより下方に設けられており、これら鋳型壁の厚さは、一定である。

　鋳型８２の外側には、単一のコイルが巻きつけられており、第１冷却部８２ａに相当する部分では、コイルは相対的に疎に巻きつけられており、第２冷却部８２ｂに相当する部分では、コイルは相対的に密に巻きつけられており、このコイル内に冷却媒体８２ｄが供給されている。

　本実施形態では、第１冷却部８２ａにおいてはコイルの本数が少なく、第２冷却部８２ｂにおいてはコイルの本数が多いので、抜熱量がこれらのコイル本数に比例し、第１冷却部８２ａの抜熱量が小さく、第２冷却部８２ｂの抜熱量が大きい。

　これにより、第１冷却部８２ａにおいては比較的冷却が穏やかであり、鋳型プールが高温に保たれるため、メニスカス部２１ａを長く形成することができ、一方、第２冷却部８２ｂにおいては冷却が比較的急速になるので、凝固が進行し、鋳型プールの底部の固液境界面２１ｂは、放物線形状と比較して広がる形状、すなわち鋳型プールを浅くすることができる。これにより、鋳型プール２１内の底部近傍でも溶湯成分の混合が促進され、かつ抜き出されるインゴットに対して溶融部である鋳型プールの底部が影響を及ぼすことが抑制され、その結果、鋳肌が優れたインゴットを製造することができる。

第１４実施形態（２種類の冷却媒体＋２種類のコイルを備えた鋳型）
　図３０（ａ）は、本実施形態に係る鋳型１９の拡大図である。鋳型８３は、鋳型上部の第１冷却部８３ａと、鋳型下部の第２冷却部８３ｂとから構成されている。第１冷却部８３ａは、鋳型８３に保持されている溶湯の鋳型プール２１のうち、液相が直接鋳型８３に接しているメニスカス部２１ａに対応した部分からそれより上方までに設けられており、第２冷却部８３ｂは、鋳型プール２１が固相を介して接している部分およびそれより下方に設けられており、これら鋳型壁の厚さは、一定である。

　鋳型８３の外側には、２種類の冷却媒体がそれぞれ独立して供給されるようにコイルが巻きつけられており、第３実施形態とは異なり、第１冷却部８３ａに相当する部分のコイルと、第２冷却部８３ｂに相当する部分のコイルは互いに独立している。そして、第１冷却部８３ａのコイルには、相対的に温度の高い第１冷却媒体８３ｄが供給されており、第２冷却部８３ｂのコイルには相対的に温度の低い第２冷却媒体８３ｅが供給されている。

　本実施形態では、第１冷却部８３ａにおいては相対的に高温の冷却媒体が供給されており、第２冷却部８３ｂにおいては相対的に低温の冷却媒体が供給されているので、第１冷却部８３ａの抜熱量が小さく、第２冷却部８３ｂの抜熱量が大きい。

　これにより、第１冷却部８３ａにおいては比較的冷却が穏やかであり、鋳型プールが高温に保たれるため、メニスカス部２１ａを長く形成することができ、一方、第２冷却部８３ｂにおいては冷却が比較的急速になるので、凝固が進行し、鋳型プールの底部の固液境界面２１ｂは、放物線形状と比較して広がる形状、すなわち鋳型プールを浅くすることができる。これにより、鋳型プール２１内の底部近傍でも溶湯成分の混合が促進され、かつ抜き出されるインゴットに対して溶融部である鋳型プールの底部が影響を及ぼすことが抑制され、その結果、鋳肌が優れたインゴットを製造することができる。

変形例（テーパ部を備えた鋳型）

　以上説明した各実施形態における鋳型８０～８３には、図２７（ｂ）、図２８（ｂ）、図２９（ｂ）、図３０（ｂ）に示すように、第２冷却部８０ｂ～８３ｂの下端部に、テーパ部８０ｃ～８３ｃを設けることができる。テーパ部８０ｃ～８３ｃは、下方向へ向かうほど鋳型内面が縮径して厚さが増加するように構成されている。

　前記テーパ部８０ｃ～８３ｃを設けることにより、鋳型８０～８３に抜き出されたインゴットの表面に応力による絞りを加えることができ、その結果、鋳肌を改善することができるという効果を奏するものである。

　本発明におけるテーパ部のテーパ角θは、１°～５°とすることが好ましい。テーパ角θが１°未満の場合には、鋳肌の改善効果が顕著に現れず、また、５°超では、鋳型からインゴットを抜き出すことができなくなってしまう。

　本発明の各実施形態におけるテーパ部を設けない場合の第１冷却部および第２冷却部の長さの関係は、第１冷却部：第２冷却部＝４５～５５：４５～５５であることが好ましく、テーパ部を設ける場合は、第１冷却部：第２冷却部（テーパ部以外）：テーパ部＝（４５～５５）：（２０～２５）：（２０～２５）であることが好ましい。

　以上述べた電子ビーム溶解炉を用いたインゴットの溶製方法に係る好ましい態様は、プラズマアーク溶解炉においても同様に適用でき、その結果、鋳肌および直線性に優れたインゴットを製造することができる。

　以上述べたような本発明に従って金属インゴットを製造することにより、速やかに冷却を行うことができ、インゴットの空気酸化による劣化を抑制するとともにインゴットの製造効率が向上する。また、インゴットの放熱を、全方向に関して均一に行うことができるので、インゴットの不均一な温度分布による変形を防止することができる。

　このように、本発明に係る金属溶製用溶解炉において、鋳型より抜き出されるインゴット間、および／または、インゴットと外筒との間に冷却部材を配設することにより、生成されるインゴットの反りを効果的に抑制することができるのみならず、前記冷却部材に対して温度分布を設けることにより、生成されるインゴットの鋳肌も改善され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を用いて、本発明をより詳細に説明する。
［実施例１］
　下記の装置構成を有する電子ビーム溶解炉を用いて、チタンインゴットを溶製した。
１．溶解原料
　スポンジチタン（粒度範囲：１～２０ｍｍ）
２．装置構成
　１）ハース（材質および構造：水冷銅ハース、溶湯排出口：２個）
　２）鋳型（水冷銅鋳型：１基、断面形状：矩形）
　３）冷却部材（インゴットの周囲を取り囲むように配置）
　　　冷却水温度：２０℃
　　　温度勾配：無
３．溶製インゴット
　　形状：φ１００
４．インゴット抜き出し機構
　鋳型下部には、インゴット抜き出し治具を個別に配置して同時にインゴットを引き抜いた。
５．圧力制御
　炉内に設けた圧力計をモニターしながら、炉内の圧力を所定範囲に制御した。

　図１０に示すように、鋳型１６内に、１０００℃に保持されたインゴット（φ１００）の周囲を取り囲むように冷却部材を配置した場合のインゴットの冷却時間と、同冷却部材を用いない場合のインゴットが３００℃まで冷却されるに必要な冷却時間を測定した。
ここでは、冷却部材として水冷銅を用いた。

［実施例２］
　実施例１において、図１０に替えて図１１の冷却部材を用いた以外は同じ条件下でインゴットの冷却時間を測定した。

［実施例３］
　実施例１において、鋳型を２基に増設して２本のインゴットを同じ条件で溶製し、図１０に替えて図１２の冷却部材を用いた以外は同じ条件下でインゴットの冷却時間を測定した。

［実施例４］
　実施例１において、鋳型を２基に増設して２本のインゴットを同じ条件で溶製し、図１０に替えて図１４の冷却部材を用いた以外は同じ条件下でインゴットの冷却時間を測定した。

［実施例５］
　実施例１において、鋳型を２基に増設して２本のインゴットを同じ条件で溶製し、図１０に替えて図１５の冷却部材を用いた以外は同じ条件下でインゴットの冷却時間を測定した。

［実施例６］
　実施例１において、鋳型を２基に増設して、図１２に示す装置構成を用いて、２本のチタンインゴットを溶製して同時に引き抜いた結果、１組の鋳型と引き抜き治具を用いた場合に比べて２倍の生産性を確保することができた。また、溶製されたインゴットの直線性も製品の要求特性を満足するものであった。

［実施例７］
　実施例６において、図２６に示した設備を用いて３分割された冷却部材６９の頂部の第１区画６９ａに９０℃の温水を流し、次の第２区画６９ｂおよび底部の第３区画６９ｃに２０℃の冷水を流した以外は同じ条件で２本のインゴットを溶製した。溶製されたインゴットの表面肌を観察したところ、実施例１よりも鋳肌が改善されていることが確認された。

［実施例８］
　実施例７において、図２６に示した設備を用いて３分割された冷却部材６９の第１の区画６９ａに２０℃の冷水を流し、第２の区画６９ｂおよび第３の区画６９ｃに９０℃の温水を流した以外は同じ条件で２本のインゴットを溶製した。溶製されたインゴットの直線性を調査したところ、実施例６および７に比べて更に改善されていることが確認された。

［実施例９］
　実施例６において、図２４に示すように冷却部材６０を２基配置した以外は同じ条件で２本のインゴットを溶製した。溶製されたインゴットの表面肌を観察したところ、実施例１よりも鋳肌が改善されており、また、インゴットの直線性も良好であった。

［実施例１０］
　図２６に示した設備を用いて、インゴットの引き抜き速度を高めて、溶製されるインゴットの鋳肌やインゴットの反りの状況を調査したところ、実施例１～３で溶製されたインゴットの直線性や鋳肌の状態が保持される範囲において、インゴットの引き抜き速度は、最大で１０％高めることのできることが確認された。

［比較例１］
　実施例６において、冷却部材６０を配置しない以外は、同じ条件で２本のインゴットの溶製を試みた。その結果、全溶解時間の３０％を経過した頃より、インゴットの引き抜き装置の動きが鈍化したのでモーターの電流値を確認したところ、通常時に比べて、管理上限まで上昇していた。そのため、抜き出し装置および電子ビームを停止して、内部を室温まで冷却した。次いでインゴットの生成状況を確認したところ、それぞれのインゴットに面した部位のインゴット面に反りが生じていることが確認された。

　以上の実施例６～１０および比較例１の試験条件および試験結果を表６に整理した。本発明に係る冷却部材を鋳型より抜き出されたインゴットとインゴットとの間に冷却部材を配設することにより生成されるインゴットの直線性が担保されるのみならず、生成されるインゴットの鋳肌も改善されることが確認された。

［実施例１１］
　下記の装置構成および条件にて、チタンインゴットを溶製した。
１．溶解原料
　スポンジチタン（粒度範囲：１～２０ｍｍ）
２．装置構成
　１）ハース：水冷銅ハース
　２）鋳型：
タイプ１：図２７に示す増厚部付き鋳型
　　　　　上部テーパ角＝１０°
タイプ２：図２８に示す増厚部＋平行部＋テーパ部付き鋳型
　　　　　上部テーパ角＝１０°
　　　　　下部テーパ角＝１°
　　　　　増厚部長さ：平行部長さ：テーパ部長さ＝５０：２５：２５
タイプ３：図３０に示す内面セラミックライニング鋳型

　上記タイプ１の増厚部付き鋳型を用いて、スポンジチタンの電子ビーム溶解を行い、５００ｋｇのインゴットを溶製した。溶製されたインゴットの表面の鋳肌を目視で観察し、これを評価し、表７に示した。

［実施例１２］
　上記タイプ２の増厚部＋平行部＋下部テーパ付き鋳型を用いた以外は実施例１と同じ条件で、５００ｋｇのインゴットを溶製した。溶製されたインゴットの表面の鋳肌を目視で観察し、これを評価し、表７に示した。

［比較例２］
　上記タイプ３のセラミックライニング鋳型を用いた以外は実施例１と同じ条件で、５００ｋｇのインゴットを溶製した。溶製後、鋳型内面の状況を肉眼で観察したところ、内面に内張りしたセラミックライニングが消滅していた。

［実施例１３］
　図２７に示した鋳型のテーパ角を種々変更した以外は実施例１２と同じ条件にて、鋳型から抜き出されたインゴットの鋳肌の状況とインゴットの抜き出し状況について調査した。その結果を表８に示す。

　テーパ角が０°のとき、即ち、図２７に示すような増厚部のみを有しテーパ部を有さない鋳型の場合に比べて、テーパ角が１～５°では、優れた鋳肌を示すことが確認された。しかしながらテーパ角が７°では、インゴットを抜き出す際に鋳型と競りが発生してしまい引き抜くことはできなかった。よって、本発明におけるテーパ角は、１°～５°が好ましい範囲であることが確認された。

［実施例１４］
　鋳型頂部壁の増厚部の壁厚みを２倍、３倍および４倍に変更した以外は実施例１１と同じ条件にて、それぞれの場合に生成されたインゴットの鋳肌を調査した。その結果を表９に示した。前記増厚部の壁厚みが、２倍以上の場合には、生成インゴットの鋳肌の改善効果が認められたが、２倍未満の場合には、鋳肌の顕著な改善効果は認められなかった。よって、本願発明における鋳型増厚部の壁厚みは、鋳型壁平行部の壁厚みを２倍以上に構成することにより、鋳肌の改善効果が認められた。

　以上の実施例および比較例の試験条件および試験結果より、本発明に係る冷却部材を鋳型より抜き出されたインゴットとインゴットとの間に冷却部材を配設することにより生成されるインゴットの直線性が担保されるのみならず、生成されるインゴットの鋳肌も改善されることが確認された。

　また、本願発明に係る冷却構造を有する鋳型を用いることにより、優れた鋳肌を有するインゴットを溶製できることが確認された。

　本発明によれば、インゴットの直線性や鋳肌といった特性を良好に維持しつつ、しかも複数のインゴットを同時に効率よく溶製することができる。

１０…原料供給機、
１１…原料移送機、
１２…原料、
１３…ハース、
１４、１５…電子ビーム照射機、
１６…鋳型、
１７～１９…樋、
２０…溶湯、
２１…溶融プール、
２１ａ…メニスカス部、
２１ｂ…固液境界線、
２２…インゴット（断面矩形）、
２３…インゴット（断面円形）、
３０…インゴット引き抜き治具、
４０…溶解部、
４１…溶解部外筒、
５０…引き抜き部、
５１…引き抜き部外筒、
６０…冷却部材（平板状ジャケット）、
６１…冷却部材（コ字状ジャケット）、
６２…冷却部材（ロ字状ジャケット）、
６３、６７…冷却部材（コイル）
６４、６５…冷却部材（三角柱状ジャケット）、
６６…冷却部材（円形）、
６８…冷却部材、
６９…冷却部材（分割）、
６９ａ～６９ｃ…分割冷却部材の第１区画～第３区画、
７０…板状部材、
７１…板状部材、（円形）、
７２…固定具、
８０～８４…鋳型、
８０ａ～８４ａ…第１冷却部、
８０ｂ～８４ｂ…第２冷却部、
８０ｃ～８４ｃ…テーパ部、
８０ｄ～８４ｄ…（第１）冷却媒体、
８１ｅ、８３ｅ…第２冷却媒体、
８５…セラミック、
Ｈ…温水、
Ｌ…冷水。
　
　
　

Claims

　原料を溶解して生成された溶湯を保持するハースと、
　前記溶湯を装入する鋳型と、
　前記鋳型下方に設けられ、冷却固化したインゴットを下方に引き抜くための引き抜き治具と、
　前記鋳型下方に引き抜かれたインゴットを冷却する冷却部材と、
　これらを大気と隔てる外筒とから構成された金属溶製用溶解炉において、
　前記冷却部材が、前記外筒と前記インゴットとの間に配設されていることを特徴とする金属溶製用溶解炉。
　前記冷却部材が、生成インゴットの引き抜き方向に沿って所定の距離を保って延在するように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の金属溶製用溶解炉。
　前記冷却部材が、生成インゴットの引き抜き方向に垂直な断面において、前記インゴットの全周または周の一部を囲むように配設されたものであることを特徴とする請求項１に記載の金属溶製用溶解炉。
　前記冷却部材が、水冷ジャケットまたは水冷コイルで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属溶製用溶解炉。
　前記冷却部材が、金属溶製用溶解炉内に配設された複数の鋳型から抜き出された複数のインゴット間に配設されたことを特徴とする請求項１に記載の金属溶製用溶解炉。
　前記金属溶製用溶解炉には、底部の開放された鋳型が配設され、前記鋳型壁の頂部から底部に向かって単調に減少する温度分布を有し、前記温度分布の中に少なくとも１個以上の変曲点を有することを特徴とする請求項１に記載の金属溶製用溶解炉。
　前記鋳型は、鋳型上部にある第１冷却部と鋳型下部にある第２冷却部から構成されており、前記第１冷却部は、鋳型壁の厚みが鋳型の上方向に向かって増厚される増厚部であり、
　前記第２冷却部は、厚みが一定の鋳型壁を有する平行部であることを特徴とする請求項６に記載の金属溶製用溶解炉。
　前記鋳型に流通させる冷却媒体は、前記第１冷却部と、前記第２冷却部に対して供給されるものであり、
　前記第１冷却部に供給する冷却媒体の温度は、前記第２冷却部に供給する冷却媒体の温度よりも高いことを特徴とする請求項７に記載の金属溶製用溶解炉。
　前記鋳型に流通させる冷却媒体は、前記第１冷却部と第２冷却部とに対して、直列に供給されるものであり、
　前記冷却媒体は、前記第１冷却部および第２冷却部に巻き付けられた冷却用コイルを連続的に流通させるものであり、かつ、前記第１冷却部に巻き付けられた冷却用コイルは、第２冷却部に巻き付けられた冷却用コイルに対して、相対的に疎に巻き付けられていることを特徴とする請求項８に記載の金属溶製用溶解炉。
　前記鋳型の外部に流通させる冷却媒体は、前記第１冷却部を抜熱する第１冷却媒体と、前記第２冷却部を抜熱する第２冷却媒体からなり、それぞれが独立して並列に供給されるものであり、
　前記第１冷却媒体は、前記第１冷却部に巻き付けられたコイル内を流通させるものであり、
　前記第２冷却媒体は、前記第２冷却部に巻き付けられたコイル内を流通させるものであること特徴とする請求項８に記載の金属溶製用溶解炉。
　前記第２冷却部の下部には、生成インゴットの引き抜き方向に沿って鋳型内面が縮径しているテーパ部が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の金属溶製用溶解炉。
　金属溶製用溶解炉が、電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉であることを特徴とする請求項１に記載の金属溶製用溶解炉。