(57)【要約】【課題】真空アーク溶解炉を用いたチタンインゴットの溶製方法であって、高純度で、鋳肌が良好で、しかも生産性の高いチタンインゴットの溶製方法を提供する。【解決手段】鋳型に保持された溶湯と消耗電極との間にアークを発生させ、消耗電極を溶解して鋳型内にインゴットを形成する真空アーク溶解炉を用いたチタンインゴットの溶製方法において、アークギャップ（消耗電極下端から溶湯面までの距離）を、溶製されるチタンの種類に応じて変更することを特徴とする。溶製されるインゴットがチタン合金の場合は、アークギャップの平均値（真空アーク溶解を実施可能な範囲内において最大限のアークギャップ値と最小限のアークギャップ値との算術平均）よりも小さいアークギャップにて溶解を行い、溶製されるインゴットが純チタンの場合は、アークギャップの平均値よりも大きいアークギャップで溶解する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空アーク溶解炉を用いたチタンインゴットの溶製方法において、上記消耗電極下端から上記溶湯面までの距離であるアークギャップを、溶製されるチタンインゴットの種類によって変更することを特徴とするチタンインゴットの溶製方法。
【請求項２】
前記溶製されるチタンインゴットがチタン合金の場合においては、上記アークギャップの平均値（ここで、平均値とは、「装置構成および操業条件で選択可能な最大のアークギャップと最小のアークギャップの算術平均値」を意味する。）よりも小さいアークギャップにて溶解を行うことを特徴とする請求項１に記載のチタンインゴットの溶製方法。
【請求項３】
前記溶製されるチタンインゴットが純チタンの場合においては、アークギャップの平均値よりも大きいアークギャップで溶解することを特徴とする請求項１に記載のチタンインゴットの溶製方法。
【請求項４】
前記消耗電極側面と前記鋳型との距離であるサイドギャップが、前記アークギャップよりも常に大きい条件下で操業することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のチタンインゴットの溶製方法。
【請求項５】
前記真空アーク溶解に用いる鋳型径に対する前記サイドギャップの比が、０．０１〜  ０．１０であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のチタンインゴットの溶製方法。
【請求項６】
前記チタン合金が、アルミニウム、バナジウム、鉄、ニオブ、スズ、モリブデンの中から少なくとも１種以上含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載のチタンインゴットの溶製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空アーク溶解炉を用いたチタンインゴットの溶製方法で係り、特に、鋳肌が良好で、かつ生産性の高いチタンインゴットを溶製できる金属の溶解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属チタンのような高融点金属は一般に融点が高く、しかも大気との反応性が高いため、真空アーク溶解法や電子ビーム溶解法のように真空下において溶製されている。特に、チタンのような高融点金属の大型インゴットは、消耗電極式の真空アーク溶解方法が一般的に用いられている。
【０００３】
消耗電極式真空アーク溶解方法（以下、「ＶＡＲ法」または「ＶＡＲ溶解」と記載する場合がある。）は、水冷された銅製の鋳型内に、溶解原料を棒状に成形または加工した電極を懸垂配置させ、前記電極と鋳型内に保持した溶湯プールとの間にアークを発生させて前記電極を溶解させつつ、その下方にインゴットを形成させる方法である。
【０００４】
このようなＶＡＲ法による金属の溶解においては、前記したアークが電極下方に形成される溶湯の中心部に集中する傾向があるために、鋳型近傍の溶湯プールへの入熱が不足する。その結果、溶製されるインゴットの鋳肌が荒れるというような弊害をもたらす場合がある。また、鋳型内壁に付着した固形物により鋳肌が悪化する場合もある。
【０００５】
このような課題に対して、外部から回転磁場を溶湯プールに付与して溶湯全体を攪拌することにより溶湯プールの鋳型近傍への入熱を促進させて鋳肌の改善を狙った技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、この技術では、溶解炉の外部に別途磁場を付与するための装置を要するため、その設備コストを要することに加え、その磁場付与装置の運転監視も必要となり、結果として製造コストが増大するという問題があった。
【０００７】
また、ＶＡＲ溶解中の雰囲気の圧力を高めに設定して、溶湯プールからの金属の蒸発を抑制して鋳型内壁面への付着を抑制する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。更には、溶湯中に塩化マグネシウムを添加することにより、電極と溶湯プール間に形成されるアークの幅を拡大させることにより鋳型近傍の溶湯プール温度を向上させる技術も公開されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
しかしながら、雰囲気の圧力を高めに設定した場合や、溶湯中に塩化マグネシウムを添加すると、雰囲気気体成分や塩化マグネシウムが溶湯中に混入してインゴットの不純物となる虞があり、純度の高い金属の製造においては前記した技術は、必ずしも好適であるとはいえず、純度の高い金属の製造に好適で鋳肌の優れた金属の溶解方法が望まれている。
【０００９】
また、ＶＡＲ溶解により溶製されたチタンインゴットの鋳肌については、前記した電極と鋳型とのギャップを狭めることにより、鋳型近傍の溶湯プールへの熱補給が促進され、その結果、鋳肌が改善されるという効果を奏することが知られている（例えば、特許文献４参照）。しかしながら、前記の方法では、電極側面と鋳型との間でアークが発生しやすくなり、鋳型に与えられるダメージに関する言及は見られない。
【００１０】
以上述べた従来技術の諸問題を解決することができ、純度の高い金属を溶製することができ、しかも鋳肌のきれいなインゴットの溶製技術が望まれている。
【００１１】
【特許文献１】特公平０５−０３７２１４号公報
【特許文献２】特開平０７−１１８７８８号公報
【特許文献３】特開昭５１−１１０４１０号公報
【特許文献４】特開平１０−３１７０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、真空アーク溶解炉を用いたチタンインゴットの溶製方法であって、とりわけ、消耗電極式の真空アーク溶解炉を用いて溶製される、不純物の混入もなく鋳肌が良好で、しかも生産性の高いチタンインゴットの溶製方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる実情に鑑みて前記課題について鋭意検討を進めて来たところ、真空アーク溶解炉を用いたチタンインゴットの溶製方法において、溶製する金属の種類によって異なったアークギャップを選択することにより、鋳肌や品質が優れまた効率よくチタンインゴットを溶製できることを見出し、本願発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、本発明は、鋳型に保持された溶湯と消耗電極との間にアークを発生させ、消耗電極を溶解して鋳型内にインゴットを形成する真空アーク溶解炉を用いたチタンインゴットの溶製方法において、消耗電極下端から溶湯面までの距離であるアークギャップを、溶製される金属の種類に応じて変更することを特徴としている。
【００１５】
本発明においては、溶製されるチタンインゴットが合金の場合においては、上記アークギャップの平均値（ここで、平均値とは、「装置構成および操業条件で選択可能な最大のアークギャップと最小のアークギャップの算術平均値」を意味する。）よりも小さいアークギャップにて溶解を行うことを好ましい態様としている。
【００１６】
本発明においては、消耗電極側面と鋳型との距離であるサイドギャップが、アークギャップよりも常に大きい条件下で操業することを好ましい態様としている。
【００１７】
また、本発明においては、真空アーク溶解に用いる鋳型径に対するサイドギャップの比が、０．０１〜０．１０であることを好ましい態様としている。
【００１８】
本発明においては、溶解するチタン合金がアルミニウム、バナジウム、鉄、ニオブ、スズ、モリブデンの中から少なくとも１種以上含まれていることを好ましい態様としている。
【発明の効果】
【００１９】
本願発明に係る前記方法を金属チタンのような高融点金属の溶製に適用することで、鋳型にダメージを与える虞の高い電極側面と鋳型との間のサイドアークの発生を抑制しつつ、鋳肌のきれいなチタンインゴットを溶製することができるのみならず、高い生産性を維持しつつ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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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は本発明を実施するための好適な実施態様を表している。本実施態様では溶製するチタンインゴットがチタンインゴットである場合を例にとり、好ましい態様について以下に述べる。
【００２１】
図１は、スポンジチタンを成型して構成された消耗電極２が、真空アーク溶解炉Ｍの水冷銅鋳型１の内部に懸垂配置されている状況を表している。前記電極２は、その下方に配置されている溶融チタンプール３と対向して配置されており、前記チタンプール３と電極２の下端面とは、所定の間隔ＡＧ（アークギャップ）をもって配置されている。また、前記電極２の側面は鋳型１の内壁面とも所定の間隔ＳＧ（サイドギャップ）をもって配置されている。
【００２２】
本願発明においては、溶製する金属の種類に応じてアークギャップを変更することが好ましい。前記溶製されるインゴットがチタン合金の場合においては、上記に定義したアークギャップの平均値よりも小さいアークギャップで溶解することが好ましい。前記アークギャップを小さくとると、真空アーク溶解炉の内部に配設されている電極の下方に形成されているチタンプールが浅く形成され、その結果、溶製されるチタンインゴットを構成する合金成分の偏析を効率よく回避できるという効果を奏するものである。
【００２３】
これに対して溶製される金属が純チタンの場合においては、アークギャップの平均値よりも大きいアークギャップで溶解することが好ましい。定電流操業の場合にはアークギャップが大きくなると溶解電圧が上昇し、アークで発生する熱量が増加する。その結果、電極の溶製速度が速まり溶解時間を短縮することができるという効果を奏するものである。
【００２４】
溶製される金属が純チタンの場合には、電極２の下方に形成されるチタンプール３が深く形成されたとしても合金成分が含まれていないため偏析は起こらず合金を溶製する場合と違って品質の問題を伴うことはない。
【００２５】
アークギャップの平均値とは、前記したように装置構成および操業条件で選択可能な最大のアークギャップと最小のアークギャップの算術平均を意味する。例えば、アークギャップを増加させていくと前記したように溶解電圧が上昇する傾向を示すが、電源の大きさ等の制約によりどこかに上限が存在する。この時のアークギャップが、本願発明でいうところのアークギャップの最大値に相当する。また、その他の要因によりアークギャップの上限値が存在しても良い。いずれにしても、アークギャップにはその上限値が存在するものと考えられる。
【００２６】
これに対してアークギャップの最小値は、例えばアークギャップを縮めて行くと前記とは逆に溶解電圧が低下してアークで発生する熱量が低下し、どこかで電極を溶解できない状態に達するものと考えられる。このときのアークギャップが本願発明でいうところのアークギャップの最小値に相当する。また、その他の要因であってもよく、いずれにしても、アークギャップには下限値が存在するものと考えられる。
【００２７】
よって、本願発明でいうところのアークギャップの平均値とは、前記のようにして決まるアークギャップの最大値と最小値の算術平均を行うことで、装置構成が決まれば一義的に決定されるものである。
【００２８】
また、本願発明においては、図１に示すサイドギャップ（ＳＧ）およびアークギャップ（ＡＧ）の関係は、ＳＧ＞ＡＧとなるように制御することが好ましい。前記のような条件で電極の下降操作を行うことで、チタンインゴットの溶製中におけるサイドアークの発生を効果的に抑制することができるという効果を奏するものである。
【００２９】
その結果、サイドアークの発生が回避されるため、溶製されるチタンインゴットの鋳肌が良好に保持されるのみならず、鋳型内面への損傷も抑制され、鋳型の整備コストや寿命を効果的に改善することができるという効果を奏するものである。
【００３０】
本願発明においては、真空アーク溶解に用いる鋳型径に対するサイドギャップの比は、０．０１〜０．１０の範囲から選択することが好ましい。前記サイドギャップの比を下限以下に設定すると電極側面と鋳型が近接し過ぎてチタンインゴットの溶製中にサイドアークが発生して好ましくない。これに対して、前記サイドギャップの比の上限を超えると、溶融チタンプール中央部のみにアークが発生し、鋳型に近い周縁部の熱量が不足し、鋳肌が劣化して好ましくない。
【００３１】
本願発明に係るサイドギャップは、チタンインゴットの直径が、７００ｍｍ〜８００    ｍｍの場合には、３５ｍｍ〜６０ｍｍの範囲に設定して溶解することが特に好ましい。また、溶解電流は、１５ＫＡ〜３０ＫＡの範囲で制御することが好ましい。
【００３２】
また、チタンインゴットの直径が、７００ｍｍ〜８００ｍｍの場合、本願発明に係るアークギャップの範囲は、１０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲に設定することが特に好ましい。
【００３３】
なお、本願発明に用いる電極２としては、スポンジチタンで構成したブリケットで構成された電極を用いることもできるが、１次溶解して生成したインゴットを２次電極として用いる場合には、周方向のサイドギャップを均一に保持でき、サイドアークの発生も更に抑制することができる。その結果、鋳肌のより優れたインゴットを溶製できるという効果を奏するものである。
【００３４】
本実施態様においては、溶製する金属を、チタンを例にとり記載したが、本願発明に係るサイドアークの抑制方法は、タンタルやニオブ等の金属の溶解に対しても好適に適用することができる。
【００３５】
以上述べた本願発明に係るチタンインゴットの溶製方法に従うことで、溶製されるチタンインゴットの要求特性を効果的に充足させることが、また、チタンインゴットの生産性を高いレベルに維持でき、更には、チタンインゴットを溶製する鋳型の寿命も効果的に引き延ばすことができるという効果を奏するものである。
【実施例】
【００３６】
［実施例１］
下記条件で、２次電極からのチタンインゴットの溶製試験を実施した。
１．溶解設備
１）鋳型径：７５０ｍｍ
２）電源電圧：３５Ｖ、２０ＫＡ
３）２次電極径：６６５ｍｍ
２．溶解原料
１）原料：純チタンスポンジ
２）電極形式：純チタンスポンジをブリケット成形して構成した一次電極を溶解して溶製された２次電極。
３）電極重量：４０００Ｋｇ
３．アークギャップ（ＡＧ）とサイドギャップ（ＳＧ）
１）ＡＧ：２０ｍｍ
２）ＳＧ：４２．５ｍｍ（ＳＧ／鋳型径比＝０．０６）
３）ＡＧの平均値：３０ｍｍ
４．溶解結果
前記の条件でチタンインゴットを溶製したところ、溶製後の表面性状が優れていため、表面切削量は、全チタンインゴットの６．５％で済んだ。
【００３７】
［比較例１］
実施例１において、サイドギャップを８０ｍｍ（ＳＧ／鋳型径比＝０．１１）にした以外は全て同一条件下にてチタンインゴットを溶製したところ、チタンインゴットの鋳肌に不良部が見られたので、表面切削により前記不良部を除去した。その結果、表面切削量は、全チタンインゴットの８％に及んだ。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
チタンインゴットあるいは合金インゴットの鋳肌を良好に保つことができ、切削量を削減できる。結果として、インゴット製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の消耗電極式真空アーク溶解炉Ｍを示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
Ｍ…真空アーク溶解炉、１…水冷銅鋳型、２…消耗電極、３…溶融チタンプール、４…インゴット、ＡＧ…アークギャップ、ＳＧ…サイドギャップ。
【図１】
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