(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉスクラップを水素雰囲気中で加熱保持して脆化処理し、このＴｉスクラップを小片化、粉化、又は脆弱化した後、
上記脆化処理されたＴｉスクラップを不活性雰囲気中でアーク溶解し、更に、真空中でアーク溶解する、
ことを特徴とするＴｉスクラップの処理方法。
【請求項２】
前記加熱保持温度が３００℃乃至１０００℃の範囲内である、
ことを特徴とする請求項１に記載のＴｉスクラップの処理方法。
【請求項３】
前記脆化処理した後、更にＴｉスクラップをハンマー等で破砕して小片化又は粉化を促進する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＴｉスクラップの処理方法。
【請求項４】
前記不活性雰囲気中でのアーク溶解が、プラズマアーク溶解である、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のＴｉスクラップの処理方法。
【請求項５】
前記アーク溶解の少なくとも一方において、前記脆化処理されたＴｉスクラップを別の脆化処理されていないＴｉ原料と混合して溶解する、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れに記載のＴｉスクラップの処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｔｉ(チタン)又はＴｉ合金のスクラップを再生するために用いられるＴｉ又はＴｉ合金スクラップ(以下、単にＴｉスクラップという)の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｔｉ又はＴｉ合金は、その軽さ、強度、及び優れた耐食性を有することにより、棒、板、線材等の種々の形態にされて広汎な分野で活用されている。
このため、Ｔｉ又はＴｉ合金からなる棒、板、線材等を製造する工程からは、各種のサイズのＴｉスクラップが排出される。また、Ｔｉ又はＴｉ合金からなる製品や部材の廃棄物からも多種類のＴｉスクラップが排出される。
一般に、これらのＴｉスクラップは、再溶解して再生されるが、再溶解を行うために通常数１０mm以下のサイズのものが使用される。
【０００３】
このため、前記Ｔｉ又はＴｉ合金の棒、板、線材等を製造するに先立って施される分塊圧延工程から排出される例えば１辺２００mmの角形断面を有するＴｉスクラップや比較的大型のＴｉ部材からリサイクルされるＴｉスクラップは、例えばハンマーによって予め細かく破砕される。
しかし、Ｔｉは靱性が著しく高いため、ハンマーによる破砕処理を行うことは極めて困難で、多くの時間と労力を必要とするという問題があった。また、ジョークラッシャーによる破砕処理は、その破砕部分に目詰りを生ずるため活用できないという問題もある。
【０００４】
このため、比較的大型のＴｉスクラップは、例えば個別にバンドソー等にセットし、冷却水を注ぎながら所要サイズに切断するという切断工程を通さざるを得ないため、多くの手間と時間を要する。しかも、係る切断工程を多くのＴｉスクラップに行うため、その再生処理の効率を低下させると共に、コストアップを招いてしまうという問題点もあった。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、以上における従来の技術が抱える問題点を解決して、比較的大型のＴｉスクラップを容易且つ迅速に破砕しその再生を効率良く行うことを可能にするＴｉスクラップの処理方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するため、Ｔｉスクラップを水素により脆化して破砕し易くすること、及び脆化したＴｉスクラップ中から水素を許容量レベルまで除去することに着想して成されたものである。
即ち、本発明のＴｉスクラップの処理方法は、Ｔｉスクラップを水素雰囲気中で加熱保持して脆化処理し、このＴｉスクラップを小片化、粉化、又は脆弱化した後、上記脆化処理されたＴｉスクラップを不活性雰囲気中でアーク溶解し、更に、真空中でアーク溶解する、ことを特徴とする。
係る水素を内部に侵入させることにより、Ｔｉスクラップを金属組織の上から脆性化できるので、そのまま又は少ない外力によって容易に小片化、小塊化等することができる。更に、脆化処理されたＴｉスクラップを上記不活性雰囲気中でアーク溶解および真空中でアーク溶解することにより、上記Ｔｉスクラップ内に侵入した過剰な水素を排出させ、通常のＴｉ又はＴｉ合金に求められる許容量まで下げると共に、硬い溶製組織のＴｉインゴットとすることができる。
【０００７】
また、上記加熱保持温度が３００℃乃至１０００℃の範囲内であるＴｉスクラップの処理方法も含まれる。
上記温度範囲内で加熱することにより、水素を効率良くＴｉスクラップ中に侵入させることができる。尚、３００℃未満では水素の侵入が不十分になり、一方、１０００℃超では再利用に不向きなほど微粉化が進むため、除外される。
更に、上記脆化処理した後、更にＴｉスクラップをハンマー等で破砕して小片化又は粉化を促進するＴｉスクラップの処理方法も含まれる。
これにより、脆化しても自ら小片化しないＴｉスクラップも少ない力で確実に破砕できると共に、ジョークラッシャー等による連続処理も可能となる。
尚、加熱保持時間は、Ｔｉ合金の種類により区々となるが、Ｔｉスクラップの中心部まで水素が侵入するまで行うことが望ましい。
【０００８】
また、前記不活性雰囲気中でのアーク溶解が、プラズマによるアーク溶解である処理方法も含まれる。
尚、係る脱水素処理を確実に行い且つ所定の許容量レベルにすると共に、硬い溶製組織とするため、上記プラズマアーク溶解と真空中でのアーク溶解を併用することが必要である。
【０００９】
更に、上記アーク溶解の少なくとも一方において、前記脆化処理されたＴｉスクラップを別の脆化処理されていないＴｉ原料と混合して溶解するＴｉスクラップの処理方法も含まれる。
これにより、上記脱水素処理を特別な専用設備を用いることなく、予め別の脆化されていないＴｉ原料(スクラップを含む)と共に、効率良く大量に再生することが可能となり、且つ添加元素成分も併用して所望の成分組成を有するＴｉ合金を得ることも可能となる。上記Ｔｉ原料は純Ｔｉ又はＴｉ合金からなる。
尚、本明細書において、Ｔｉ合金とは少なくともＴｉが５０wt％以上含まれるものを指す。また、各成分についての「％」はwt％を示す。
【００１０】
【実施の形態】
以下において本発明の実施に好適な形態を図面等により説明する。
図１は、ＴｉスクラップＷを脆化処理する状態と、これに用いる処理炉を示し、同図(Ａ)は水素雰囲気炉１を示す垂直断面図である。
この水素雰囲気炉１は、密閉された炉室２と、外部から炉室２内の底部付近に水素(Ｈ2)を供給する垂直な供給管３と、供給管３の反対側における炉室２の上部に設けた過剰になる水素を排出する排気管４とを有し、常に炉室２内に水素を供給して大気圧よりやや高めに保ち、炉室２内を略水素１００％の雰囲気に保持すると共に、外気の進入を防いでいる。
【００１１】
炉室２の周囲には、炉室２内を加熱する誘導加熱コイル８が隣接して設けられる。また、炉室２内には、通気性を有するホルダー６内に入れた大型のＴｉスクラップＷが装入され、上記供給管３から吐出される水素に接触する。この際、水素は加熱されて活性化すると共にその分子がＴｉよりもかなり小さいため、ＴｉスクラップＷ内に容易に侵入し、その金属組織を脆性化させる。即ち、侵入した水素は金属組織内に偏析してＴｉの靭性を低下させる。係る水素脆化によって、ＴｉスクラップＷ中の水素量は、通常の１０〜２０ＰＰＭレベルから約３％と著しく増加する。この結果、水素脆化されたＴｉスクラップＷは、小さな塊片又は粉末となったり、或いはヒビが多数入り(脆弱化)僅かの外力で崩壊し易くなる。
【００１２】
図１(Ｂ)は、異なる水素雰囲気炉１０を示す垂直断面図である。
この雰囲気炉１０も密閉された炉室１２と、外部から炉室１２内の底部付近に水素を供給する垂直な供給管１４と、この供給管１４の反対側における炉室１２の上部に設けた過剰となる水素を排出する排気管１５とを有し、炉室１２の各側壁１３に沿って炉室１２内を蛇行するガスパイプ１８が配設されている。このパイプ１８内には、予め外部で加熱された高温のガスＧが循環して炉室１２内を加熱する。そして、ホルダー１６内に装入したＴｉスクラップＷに水素を侵入させて、前記同様にその脆化を行うものである。
【００１３】
図１(Ｃ)は、更に異なる水素雰囲気炉２０を示す垂直断面図である。
この雰囲気炉２０も密閉された炉室２２と、外部から炉室２２内の底部付近に水素を供給する垂直な供給管２４と、この供給管２４の反対側における炉室２２の上部に設けた過剰となる水素を排出する排気管２５とを有し、炉室２２の床上又は側壁に沿ってヒーター２８を配設している。上記供給管２４から炉室２２内に供給された水素は、ヒーター２８によって加熱され、ホルダー２６内のＴｉスクラップＷ中に侵入して、前記同様にその脆化を行う。
【００１４】
以上の各水素雰囲気炉１，１０，２０の何れかによって、侵入した水素により脆化されたＴｉスクラップＷには、通常の許容量の数千倍の水素が含まれる。
従って、水素脆化により小塊片又は粉末となったＴｉスクラップＷを再生処理する際に、その過程で水素を除去することが必要となる。この場合、水素の除去を単独で行うことも可能であるが、ＴｉスクラップＷの再生処理工程自体において並行して行うことが効率的である。
この水素の除去と再生を同時に行う方法として、図２(Ａ)に示すプラズマアーク溶解装置３０を用いてアーク溶解する方法がある。
【００１５】
この溶解装置３０は、下方の銅製の水冷鋳型３１と、その上方の側壁３２を貫通して先端部が中心付近に向かって斜め下向きになる複数のプラズマトーチ３６と、天井３３の中央に設けた小塊片又は粉末のＴｉスクラップＷを装入するコーン３４と、上記水冷鋳型３１の底部３５を昇降自在に貫通するロッド３９の上端に固定したＴｉ製のスターティングブロック３８とから構成される。上記複数のプラズマトーチ３６は、各々の先端部から射出されるプラズマアークが互いに装置３０の中心位置で交差するように、放射状に側壁３２に取付けられている。
【００１６】
ＴｉスクラップＷの再生と脱水素処理は次のように行われる。
先ず、上記ロッド３９を上昇させ、上記ブロック３８を各プラズマアークが交差する付近に位置させた状態として、上方のコーン３４から約１０〜数１０mmのＴｉスクラップＷを装入する。各トーチ３６からは、Ａｒガスと共に高温のプラズマアークが射出され、垂下するＴｉスクラップＷを加熱し溶解する。この際、上記ブロック３８の上面にはアークにより溶解された湯溜りＭが形成されると共に、その上面に溶解されたＴｉ又はＴｉ合金が凝固して順次堆積する。そして、このＴｉの堆積に連れてロッド３９を下降させると、ブロック３８上には水冷鋳型３１に倣った形状のＴｉインゴットＷ１が形成される。
【００１７】
図２(Ｂ)に示すように、このＴｉインゴットＷ１は円筒形を呈するが、その中に含まれる水素は高温のプラズマアークによる加熱で約０.０１〜０.０５％程度となり、脱水素処理前の数１００分の１に低減される。しかし、これは一般的なＴｉ又はＴｉ合金における水素の許容含有量よりも一桁程度多い。
また、このＴｉインゴットＷ１は内部に多数の空孔を含むポーラスな組織を有する。このため、ＴｉインゴットＷ１を例えばハンマー等で細かく破砕し、再度上記溶解装置３０内に装入して再溶解することにより、水素量を許容含有量以下に抑制することも可能である。
【００１８】
しかし、ＴｉインゴットＷ１のポーラス組織のままでは、圧延等の加工が行えないので、硬い溶製組織にする必要がある。そこで、上記ＴｉインゴットＷ１を次のように真空中でアーク溶解する方法を用いることにより、低い水素量と硬い溶製組織とを有するＴｉインゴットＷ２を得ることができる。
即ち、図２(Ｃ)に示す真空アーク溶解装置４０は、密閉された炉室４２と、この炉室４２内を真空にするため中間に真空ポンプ４４を介在させた排気管４３と、炉室４２内にセットされた銅製の水冷鋳型４６と、炉室４２の天井を垂直に貫通し昇降自在なホルダー４８とから構成され、このホルダー４８の下端４９に前記ＴｉインゴットＷ１が溶接により固着される。また、ホルダー４８を介して図示しない電源と導通するＴｉインゴットＷ２はプラス(＋)電極とされ、その下端と対向する上記鋳型４６は別途電源と導通してマイナス(−)電極とされている。
【００１９】
そして、真空ポンプ４４により空気を外部に排出して炉室４２内を真空にすると共に、ホルダー４８を下降させてこれと一体のＴｉインゴットＷ１の下端を鋳型４６の底面に近接して対向させる。この状態でＴｉインゴットＷ１と鋳型４６にそれぞれ高電圧を印加すると、両者間にはアークが発生しその熱によりＴｉインゴットＷ１自体がその下端側から順次溶解する。溶解したＴｉ又はＴｉ合金は鋳型４６の底面上に落下して凝固しつつ堆積する。この堆積により硬い溶製組織とを有するＴｉインゴットＷ２が形成される。しかも、上記真空中の溶解によってＴｉインゴットＷ２中の水素は例えば数ＰＰＭ〜数１０ＰＰＭ程度に低減される。従って、ＴｉインゴットＷ２は、圧延や鍛造等の各種の加工に用いられても健全な棒、線、板材等のＴｉ製品を製造することが可能になる。
尚、前記プラズマアーク溶解や上記真空アーク溶解を行う際、ＴｉスクラップＷに健全なＴｉ原料を配合すると安定した溶解を行い易くなるので望ましい。
【００２０】
【実施例】
以下において具体的な実施例を説明する。
先ず、表１に示すＮo,１〜８のＴｉスクラップＷについて前記水素雰囲気炉１を使用して脆化処理を行った。各ＴｉスクラップＷは何れも約１.４〜２.８kgで、且つ少なくとも一辺又は長さが１００mmの大型のスクラップである
前記水素雰囲気炉１の炉室２内は一辺が約３００mmで高さ約４００mmのスペースを有し、前記供給管３から純水素(Ｈ2;99.999％)を１５００リットルＮ／時の流量にて炉室２内に供給し、表１に示す各温度毎において全て８時間ずつ加熱保持して脆化処理を行った。
その結果、Ｎo,１〜５のＴｉ合金のＴｉスクラップＷは何れも小(塊)片状又は粉末状になった。従って、これらについては水素による脆化処理だけで、大型のＴｉスクラップを容易に破砕できることが判明した。
【００２１】
【表１】
0003721709.tif 000002
【００２２】
尚、Ｎo,１〜４のＴｉスクラップＷでは、処理温度が高くなるに連れて小(塊)片化又は粉末化することが認められた。また、別の合金であるＮo,５のＴｉスクラップＷは、比較的低い温度で粉末化することも認められた。
また、Ｎo,６〜８の純ＴｉのＴｉスクラップＷは何れも当初の外形を留めているが、表層部や内部にヒビが入り(脆弱化)、鱗形状の脆化部が多数形成されており、剥離し易くなっている。これらにおいても、処理温度が高くなるに連れて鱗形状化、剥離化が進むことが認められた。そして、これらをハンマーで叩くと、略小(塊)片状に容易に破砕することができた。但し、比較的低温度で処理したＮo,６のＴｉスクラップＷでは中心部分にやや大きめの塊が残った。
【００２３】
また、Ｎo,１〜４のＴｉスクラップＷにおける処理後の増加重量は表１に示すように、内部の侵入した水素の含有量と推定される。更に、Ｎo,６〜８のＴｉスクラップＷでは、処理後の表層部と中心部の双方で水素含有量を調べた。増加重量は上記同様に侵入した水素によるものと推定されるが、表層部側に多く水素が存在し中心部側では少ないことも判明した。尚、何れにおいても水素含有量は表１の処理温度範囲内では、該処理温度による影響は殆んどなかった。
以上の結果から、本発明における水素による脆化処理方法は、大型のＴｉスクラップＷを容易に小(塊)片化、粉末化できることが裏付けられた。尚、材質の違いに応じて処理温度や処理時間を最適なものに選択することにより、所望のサイズや形状の小塊片等を得ることも可能である。
【００２４】
次に、上記脆化処理により小塊片とされた前記Ｎo,１のＴｉスクラップＷを用いて脱水素処理を行った。先ず、処理する原料として表２に示すように、Ｎo,１のＴｉスクラップＷのみからなるもの(No,▲１▼)と、Ｎo,１のＴｉスクラップＷを配合割合を約１０％とする新たな純Ｔiを加えたもの(No,▲２▼,▲３▼,▲４▼)の４種類を用意した。尚、上記ＴｉスクラップＷ中及び上記純Ｔｉに含まれる水素、酸素、及び窒素の各含有量も表２に併記した。また、No,▲４▼は、実操業に近い容量とし、スポンジ状の純Ｔｉを加えたものである。
これらのスクラップ原料について、前記プラズマアーク溶解装置３０を用いてそれぞれアーク溶解(１th溶解)した。溶解条件として、No,▲１▼,▲２▼,▲４▼の各原料については装置３０を密閉して約０.５気圧のＡｒガスを用い、No,▲３▼の原料には略１気圧のＡｒガスを毎分１０リットルの流量で流通させ、前記プラズマトーチ３６で溶解した。尚、装置３０内の容積は約１０リットルである。
【００２５】
【表２】
0003721709.tif 000003
【００２６】
その結果、表２に示すように、No,▲１▼のスクラップ原料はアークの発生が不安定で十分な溶解が行えなかった。一方、No,▲２▼〜▲４▼のスクラップ原料は略均一に又はスムーズに溶解することができた。これらNo，▲２▼〜▲４▼の原料から得られたＴｉインゴットＷ１について、含まれる水素、酸素、及び窒素の各含有量を測定してその結果も表２に示した。
各ＴｉインゴットＷ１中の水素は、前記原料に用いたＴｉスクラップＷ段階のものに比べ大幅に低下し、特に、No,▲３▼の原料から得られたＴｉインゴットＷ１中の水素は、０.０１２％に低下している。これは、新たな純Ｔｉを加えて水素の割合を下げたことよりも、上記溶解時の加熱によって内部の水素がガスとして排出されたことにより多く起因する。
【００２７】
また、No,▲３▼の原料のものが最も低くなったのは、発生した水素ガスがＡｒガスと共に装置３０外に排出されたためで、これに対してNo,▲２▼の原料のものでは発生した水素ガスが排出されないため、No,▲２▼の原料内の水素分圧が上昇したことに起因するものと推定される。更に、No,▲４▼の原料から得られたＴｉインゴットＷ１は、大容量の溶解にも拘わらずNo,▲２▼の原料によるものと略同等に水素を低減することができた。尚、酸素と窒素の各含有量についても同様に低下していた。
【００２８】
また、上記実施例のＮｏ，(２)，(３)(何れも丸数字)のポーラスなＴｉインゴットＷ１について、更に前記真空アーク溶解装置４０（内部容積約１０００リットル）を用いて再度溶解（２ｔｈ溶解）した。上記各インゴットＷ１を前記ホルダー４８の下端に溶着し、各インゴットＷ１の下端を前記鋳型４６の上約１０ｃｍの高さとして、炉室４２内を略０．０１Ｔｏｒｒの真空とすると共に、インゴットＷ１と鋳型４６の間に３０Ｖの電圧を印加して両者間にアークを発生させた。インゴットＷ１の下端部分が溶け落ちるのに応じてホルダー４８を順次下降させ、アークの安定化を図りつつ溶解した（４０分間）。
何れのＴｉインゴットＷ１も一部アークが不安定なるものの略均一な溶解を行え、鋳型４６内には新たなＴｉインゴットＷ２が得られた。特に、Ｎｏ，(３)(丸数字)による溶解は操業可能なレベルになった。各ＴｉインゴットＷ２に含まれる水素、酸素、及び窒素の各含有量を測定してその結果も表２に示した。
【００２９】
その結果、何れのＴｉインゴットＷ２も処理前のＴｉインゴットＷ１に比べ、水素量は更に一桁低下し、通常のＴｉ合金における許容量と略同等であることが判明した。また、酸素や窒素も略同様の許容量レベルにあることも認められた。しかも、前記No,▲２▼,▲３▼の何れによるＴｉインゴットＷ２も固くて緻密な組織を有するので、例えば分塊圧延、熱間・冷間圧延、或いは熱間・冷間鍛造等の各種の加工を施しても所定の棒、板、線材等の形態を有する優れたＴｉ製品を製造することも可能である。尚、前記No,▲４▼のＴｉインゴットＷ１は、前記プラズマアーク溶解(１th溶解)時におけるガス成分から、上記真空中のアーク溶解を行うことも可能と判断されたので、この溶解(２th溶解)は省略した。
以上の結果から、前記水素による脆化処理されたＴｉスクラップＷをプラズマアーク溶解し、更に真空アーク溶解することにより、水素量を通常のレベルにした健全なＴｉインゴットＷ２を確実に得ることができることも理解されよう。
【００３０】
尚、本発明の水素雰囲気中で加熱保持する脆化処理は、前記雰囲気炉１〜２０の何れを用いても、或いはこれら以外の処理炉や設備を用いることもできる。
また、脆化処理されたＴｉスクラップＷは、前記のように新たなＴｉ原料を配合すると安定した溶解を行えるが、その成分組成や溶解条件等によっては、ＴｉスクラップＷ単独で脱水素処理することも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上において説明した本発明によれば、Ｔｉスクラップを水素雰囲気中で加熱保持して脆化処理することによって、大型のスクラップでも容易且つ迅速に小(塊)片化、粉末化することができ、以後の再生工程において活用が容易にし得る。しかも、上記脆化処理されたＴｉスクラップを不活性雰囲気でアーク溶解し、更に、真空中でアーク溶解することにより、過剰な水素を特別な専用設備を用いることなく除去できると共に、硬い溶製組織のＴｉインゴットを確実に得ることができる。
特に、請求項４又は５の発明によれば、水素の除去とＴｉスクラップの再生を並行して行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  (Ａ)乃至(Ｃ)は共に、本発明に用いる水素雰囲気炉の各形態を示す垂直断面図である。
【図２】  (Ａ)は本発明に用いるプラズマアーク溶解装置を示す垂直断面図、(Ｂ)はこれにより得られたＴｉインゴットの斜視図、(Ｃ)は別のアーク溶解装置を示す垂直断面図である。
【符号の説明】
Ｗ……Ｔｉスクラップ
【図１】
0003721709.tif 000004
【図２】
0003721709.tif 000005