(57)【要約】【課題】ハース内の溶湯に含まれる不純物がインゴットへ混入することを抑制可能な金属鋳塊の製造方法を提供する。【解決手段】電子銃と、金属原料の溶湯を貯留するハースとを備えた電子ビーム溶解炉を用いた金属鋳塊の製造方法であって、前記金属原料の溶湯を貯留するハースの第２の側壁に沿って配置される供給ラインの位置に、前記金属原料を供給する。前記溶湯の表面において前記供給ラインに沿って配置され、かつ、前記供給ラインよりも前記ハースの中央部側に配置される第１の照射ラインに対して、第１の電子ビームを照射する。これにより、前記第１の照射ラインにおける前記溶湯の表面温度（Ｔ２）を、前記ハース内の前記溶湯の表面全体の平均表面温度（Ｔ０）よりも高くして、前記溶湯の表層において前記第１の照射ラインから前記供給ラインに向かう第１の溶湯流を形成する。【選択図】図５
2018190419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームの照射位置を制御可能である電子銃と、金属原料の溶湯を貯留するハースとを備えた電子ビーム溶解炉を用いて、チタン、タンタル、ニオブ、バナジウム、モリブデン及びジルコニウムからなる群から選択された少なくとも１つ以上の金属元素を合計で５０質量％以上含む金属鋳塊を製造する、金属鋳塊の製造方法であって、
前記金属原料の溶湯を貯留するハースの複数の側壁のうち、第１の側壁は、前記ハース内の前記溶湯をモールドへ流出させるためのリップ部が設けられる側壁であり、第２の側壁は、前記第１の側壁以外の少なくとも１つの側壁であり、
前記溶湯の表面において前記第２の側壁の内側面に沿って配置された供給ラインの位置に、前記金属原料を供給し、
前記溶湯の表面において前記供給ラインに沿って配置され、かつ、前記供給ラインよりも前記ハースの中央部側に配置された第１の照射ラインに対して、第１の電子ビームを照射し、
前記第１の照射ラインに対して前記第１の電子ビームを照射することによって、前記第１の照射ラインにおける前記溶湯の表面温度（Ｔ２）を、前記ハース内の前記溶湯の表面全体の平均表面温度（Ｔ０）よりも高くして、前記溶湯の表層において前記第１の照射ラインから前記供給ラインに向かう第１の溶湯流を形成する、金属鋳塊の製造方法。
【請求項２】
下記式（Ａ）で表される温度勾配ΔＴ／Ｌが、−２．７０［Ｋ／ｍｍ］以上である、請求項１に記載の金属鋳塊の製造方法。
ΔＴ／Ｌ＝（Ｔ２−Ｔ１）／Ｌ    ・・・（Ａ）
Ｔ１：前記供給ラインにおける前記溶湯の表面温度［Ｋ］
Ｔ２：前記第１の照射ラインにおける前記溶湯の表面温度［Ｋ］
Ｌ：前記溶湯の表面における前記第１の照射ラインと前記供給ラインとの距離［ｍｍ］
【請求項３】
前記ΔＴ／Ｌが、０．００［Ｋ／ｍｍ］以上であり、
前記溶湯の表層において前記第１の照射ラインから前記供給ラインを横切って前記第２の側壁の内側面に向かう前記第１の溶湯流を形成する、請求項２に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項４】
原料供給部において前記金属原料を溶解し、前記溶解された金属原料を、前記原料供給部から前記ハース内の前記溶湯の前記供給ラインの位置に滴下させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項５】
前記溶湯の表面において、前記第１の照射ラインの両端は、前記供給ラインの両端よりも前記供給ラインの延長方向の外側に位置する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項６】
前記供給ラインと前記第１の照射ラインとの間の帯状領域において、前記リップ部へ向かう第２の溶湯流を形成し、
前記第２の溶湯流に対して第２の電子ビームをスポット照射する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項７】
前記帯状領域の前記リップ部側の端部に配置される照射スポットの位置で、前記第２の溶湯流に対して前記第２の電子ビームをスポット照射する、請求項６に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項８】
前記溶湯の表面において前記リップ部を塞ぐように配置され、かつ、両端が前記第１の側壁の近傍に位置する第２の照射ラインに対して、第３の電子ビームを照射する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項９】
前記金属原料は、チタン元素を５０質量％以上含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビーム溶解法により金属原料を溶解する金属鋳塊の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
純チタン、チタン合金等のインゴット（鋳塊）は、スポンジチタンまたはスクラップ等のチタン原料を溶解することにより製造される。チタン原料等の金属原料（以下では、単に「原料」と称する場合もある。）を溶解する技術としては、例えば、真空アーク溶解法やプラズマアーク溶解法、電子ビーム溶解法等がある。このうち、電子ビーム溶解法では、電子ビーム溶解炉（Electron-Beam melting furnace；以下、「ＥＢ炉」と称する。）において、固体の原料に電子ビームを照射することにより、原料を溶解する。電子ビームのエネルギー散逸を防ぐため、ＥＢ炉での電子ビームの照射による原料の溶解は、真空チャンバー内で行われる。溶解された原料である溶融チタン（以下、「溶湯」と称する場合もある。）は、ハースにおいて精錬された後、モールド（鋳型）において凝固して、チタンのインゴットが形成される。電子ビーム溶解法によれば、熱源である電子ビームの照射位置を電磁気力により正確に制御できるため、モールド付近の溶湯に対しても十分に熱を供給することができる。このため、インゴットの表面品質を劣化させることなくインゴットを製造可能である。【０００３】
ＥＢ炉は、一般に、スポンジチタン等の原料を供給する原料供給部と、供給された原料を溶解するための１つまたは複数の電子銃と、溶解された原料を貯留するためのハース（例えば、水冷銅ハース）と、ハースから流し込まれた溶融チタンを冷却してインゴットを形成するためのモールドとを備える。ＥＢ炉は、ハースの構成の違いによって、大きく２つに分類される。具体的には、ＥＢ炉としては、例えば、図１に示すような溶解ハース３１及び精錬ハース３３を備えるＥＢ炉１Ａと、図２に示すような精錬ハース３０のみを備えるＥＢ炉１Ｂとがある。【０００４】
図１に示すＥＢ炉１Ａは、原料供給部１０と、電子銃２０ａ〜２０ｅと、溶解ハース３１及び精錬ハース３３と、モールド４０とを備える。原料供給部１０から溶解ハース３１に投入された固体の原料５に対して、電子銃２０ａ、２０ｂにより電子ビームを照射することによって、当該原料５が溶解されて、溶湯５ｃとなる。溶解ハース３１において溶解された原料（溶湯５ｃ）は、該溶解ハース３１と連通する精錬ハース３３に流れる。精錬ハース３３において、電子銃２０ｃ、２０ｄにより電子ビームを溶湯５ｃに照射することにより、溶湯５ｃの温度を維持、或いは上昇させる。これによって、溶湯５ｃに含まれる不純物が除去されるなどして、溶湯５ｃが精錬される。その後、精錬された溶湯５ｃは、精錬ハース３３の端部に設けられたリップ部３３ａからモールド４０へ流し込まれる。モールド４０内において溶湯５ｃが凝固して、インゴット５０が製造される。図１に示すような溶解ハース３１及び精錬ハース３３からなるハースは、ロングハースとも称されている。【０００５】
一方、図２に示すＥＢ炉１Ｂは、原料供給部１０Ａ、１０Ｂと、電子銃２０Ａ〜２０Ｄと、精錬ハース３０と、モールド４０とを備える。このように精錬ハース３０のみからなるハースは、図１に示すロングハースに対して、ショートハースとも称されている。ショートハースを用いたＥＢ炉１Ｂでは、原料供給部１０Ａ、１０Ｂ上に載置された固体の原料５に対して、電子銃２０Ａ、２０Ｂにより電子ビームを直接照射して溶解させ、当該溶解された原料５を原料供給部１０Ａ、１０Ｂから精錬ハース３０の溶湯５ｃに滴下させる。これにより、図２に示すＥＢ炉１Ｂでは、図１に示す溶解ハース３１を省略できる。さらに、精錬ハース３０において、電子銃２０Ｃにより電子ビームを溶湯５ｃの表面全体に広範囲に照射することにより、溶湯５ｃの温度を維持、或いは上昇させる。これによって、溶湯５ｃに含まれる不純物が除去されるなどして、溶湯５ｃが精錬される。その後、精錬された溶湯５ｃは、精錬ハース３０の端部に設けられたリップ部３６からモールド４０へ流し込まれ、インゴット５０が製造される。【０００６】
ここで、上記のような電子ビーム溶解法によりハースとモールドを用いてインゴットを製造する場合、インゴットに不純物が混入していると、インゴットの割れの原因となる。このため、ハースからモールドに流し込まれる溶湯に不純物が混入しないようにすることが可能な電子ビーム溶解技術の開発が望まれている。不純物は、主に原料に混入しており、ＨＤＩ（High Density Inclusion）と、ＬＤＩ（Low Density
Inclusion）の２種類に分類される。ＨＤＩは、例えば、タングステンを主成分とする不純物であり、ＨＤＩの比重は溶融チタンの比重よりも大きい。一方、ＬＤＩは、窒化チタン等などを主成分とする不純物である。ＬＤＩの内部はポーラス状であるため、ＬＤＩの比重は溶融チタンの比重よりも小さい。【０００７】
水冷銅ハースの内面には、当該ハースと接触する溶融チタンが凝固した凝固層が形成されている。この凝固層は、スカルと呼ばれる。上記不純物のうち、ＨＤＩは、高比重であるため、ハース内の溶湯（溶融チタン）中を沈降し、スカルの表面に固着して捕捉されるため、インゴットに混入する可能性は低い。一方、ＬＤＩは、溶融チタンよりも比重が小さいため、ＬＤＩの大部分はハース内の溶湯表面に浮遊している。ＬＤＩは、溶湯表面に浮遊している間に窒素を拡散して溶湯に溶解される。図１に示したロングハースを用いる場合、ロングハースにおける溶湯の滞留時間を長期化できるため、ショートハースを用いた場合に比べてＬＤＩ等の不純物を溶湯に溶解させやすい。一方、図２に示したショートハースを用いる場合、ショートハースにおける溶湯の滞留時間はロングハースと比較して短いため、不純物が溶湯に溶解されない可能性がロングハースに比べて高い。また、高い窒素濃度を有するＬＤＩは、その融点が高いため、通常操業の滞留時間内で溶湯に溶解される可能性は極めて低い。【０００８】
そこで、例えば特許文献１には、ハース内の溶湯表面においてモールドへの溶湯流れ方向とは逆方向に電子ビームを走査するとともに、ハース内の溶湯排出口に隣接する領域における溶湯の平均温度を不純物の融点以上とする、金属チタンの電子ビーム溶解方法が開示されている。かかる特許文献１に記載の技術では、電子ビームを溶湯流れ方向と逆方向にジグザグに走査することで、溶湯表面に浮遊する不純物を上流側へ押し戻し、不純物が下流のモールドへ流れ込まないようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２３２０６６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Tao Meng, “Factors influencing the fluid flow and heat transfer inelectron beam melting of Ti-6Al-4V”, (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、上記特許文献１に記載の方法では、電子ビームを溶湯流れ方向と逆方向に走査するため、電子ビームの照射位置より溶湯流れの下流側に、不純物が通り抜けてしまう可能性がある。さらに、電子ビームの照射位置より下流側では、モールドに向かう溶湯の流れが加速され、ハースにおける溶湯の滞留時間が短くなり、不純物の除去率が低下する可能性がある。また、電子ビームの照射位置より不純物が溶湯流れの下流側にあると、その不純物は溶湯の流れに乗ってモールドへ流出するリスクが高まる。これらの理由により、ハース内の溶湯に含まれる不純物、特に、溶湯５ｃの表面に浮遊しているＬＤＩが、ハースからモールドに流出し、モールドで形成されるインゴットに混入してしまう可能がある。従って、ＬＤＩ等の不純物がハースからモールドに流出することを抑制することによって、当該不純物がインゴットに混入することを抑制できる金属鋳塊の製造方法が希求されていた。【００１２】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ハース内の溶湯に含まれる不純物がインゴットへ混入することを抑制可能な、新規かつ改良された金属鋳塊の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、
電子ビームの照射位置を制御可能である電子銃と、金属原料の溶湯を貯留するハースとを備えた電子ビーム溶解炉を用いて、チタン、タンタル、ニオブ、バナジウム、モリブデン及びジルコニウムからなる群から選択された少なくとも１つ以上の金属元素を合計で５０質量％以上含む金属鋳塊を製造する、金属鋳塊の製造方法であって、
前記金属原料の溶湯を貯留するハースの複数の側壁のうち、第１の側壁は、前記ハース内の前記溶湯をモールドへ流出させるためのリップ部が設けられる側壁であり、第２の側壁は、前記第１の側壁以外の少なくとも１つの側壁であり、
前記溶湯の表面において前記第２の側壁の内側面に沿って配置された供給ラインの位置に、前記金属原料を供給し、
前記溶湯の表面において前記供給ラインに沿って配置され、かつ、前記供給ラインよりも前記ハースの中央部側に配置された第１の照射ラインに対して、第１の電子ビームを照射し、
前記第１の照射ラインに対して前記第１の電子ビームを照射することによって、前記第１の照射ラインにおける前記溶湯の表面温度（Ｔ２）を、前記ハース内の前記溶湯の表面全体の平均表面温度（Ｔ０）よりも高くして、前記溶湯の表層において前記第１の照射ラインから前記供給ラインに向かう第１の溶湯流を形成する、金属鋳塊の製造方法が提供される。
【００１４】
下記式（Ａ）で表される温度勾配ΔＴ／Ｌが、−２．７０［Ｋ／ｍｍ］以上であるようにしてもよい。
ΔＴ／Ｌ＝（Ｔ２−Ｔ１）／Ｌ    ・・・（Ａ）
Ｔ１：前記供給ラインにおける前記溶湯の表面温度［Ｋ］
Ｔ２：前記第１の照射ラインにおける前記溶湯の表面温度［Ｋ］
Ｌ：前記溶湯の表面における前記第１の照射ラインと前記供給ラインとの距離［ｍｍ］【００１５】
前記ΔＴ／Ｌが、０．００［Ｋ／ｍｍ］以上であり、
前記溶湯の表層において前記第１の照射ラインから前記供給ラインを横切って前記第２の側壁の内側面に向かう前記第１の溶湯流を形成するようにしてもよい。【００１６】
原料供給部において前記金属原料を溶解し、前記溶解された金属原料を、前記原料供給部から前記ハース内の前記溶湯の前記供給ラインの位置に滴下させるようにしてもよい。【００１７】
前記溶湯の表面において、前記第１の照射ラインの両端は、前記供給ラインの両端よりも前記供給ラインの延長方向の外側に位置するようにしてもよい。【００１８】
前記供給ラインと前記第１の照射ラインとの間の帯状領域において、前記リップ部へ向かう第２の溶湯流を形成し、
前記第２の溶湯流に対して第２の電子ビームをスポット照射するようにしてもよい。【００１９】
前記帯状領域の前記リップ部側の端部に配置される照射スポットの位置で、前記第２の溶湯流に対して前記第２の電子ビームをスポット照射するようにしてもよい。【００２０】
前記溶湯の表面において前記リップ部を塞ぐように配置され、かつ、両端が前記第１の側壁の近傍に位置する第２の照射ラインに対して、第３の電子ビームを照射するようにしてもよい。【００２１】
前記金属原料は、チタン元素を５０質量％以上含むようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように本発明によれば、ハース内の溶湯に含まれる不純物がインゴットへ混入することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ロングハースを備える電子ビーム溶解炉を示す模式図である。
【図２】ショートハースを備える電子ビーム溶解炉を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法を実行する電子ビーム溶解炉（ショートハース）を示す模式図である。
【図４】同実施形態に係るハースにおける照射ライン及び供給ラインの一例を示す平面図である。
【図５】同実施形態に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示す平面図である。
【図６Ａ】同実施形態の比較例として、照射ラインに沿って電子ビームを照射しないときの溶湯の流動状態を示す縦断面図である。
【図６Ｂ】同実施形態の比較例として、照射ラインに沿って電子ビームを照射しないときの溶湯の流動状態を示す平面図である。
【図７】、同実施形態に係る金属鋳塊の製造方法により、照射ラインに沿って電子ビームを照射したときの溶湯の流動状態を示す縦断面図である。
【図８】同実施形態に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の別の例を示す平面図である。
【図９】同実施形態に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の別の例を示すハースの平面図である。
【図１０】同実施形態の変更例に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示すハースの平面図である。
【図１１】同実施形態の変更例に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示すハースの平面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示す平面図である。
【図１３】同実施形態の変更例に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示すハースの平面図である。
【図１４】同実施形態の変更例に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示すハースの平面図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示す平面図である。
【図１６】同実施形態の変更例に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示すハースの平面図である。
【図１７】比較例１、２に係るハースの状態を示す平面図である。
【図１８】実施例１に係る溶湯の流動を示す流線図である。
【図１９】実施例１に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図２０】実施例２に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図２１】実施例３に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図２２】実施例４に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図２３】実施例５に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図２４】実施例６に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図２５】実施例７に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図２６】比較例１に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図２７】実施例８に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図２８】実施例９に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図２９】実施例１０に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図３０】実施例１１に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図３１】実施例１２に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図３２】比較例２に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２５】
［１．第１の実施形態］
最初に、本発明の第１の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法について説明する。
【００２６】
［１．１．電子ビーム溶解炉の構成］
まず、図３を参照して、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法を実行するための電子ビーム溶解炉の構成について説明する。図３は、本実施形態に係る電子ビーム溶解炉１（以下、ＥＢ炉１」と称する。）の構成を示す模式図である。
【００２７】
図３に示すように、ＥＢ炉１は、一対の原料供給部１０Ａ、１０Ｂ（以下、「原料供給部１０」と総称する場合もある。）と、複数の電子銃２０Ａ〜２０Ｅ（以下、「電子銃２０」と総称する場合もある。）と、精錬ハース３０と、モールド４０とを備える。このように、本実施形態に係るＥＢ炉１は、ハースとして、１つの精錬ハース３０のみを備えており、かかるハース構造は、ショートハースと称される。なお、本発明の金属鋳塊の製造方法は、図３に示すようなショートハースのＥＢ炉１に好適に適用できるが、図１に示したようなロングハースのＥＢ炉１Ａにも適用可能である。
【００２８】
精錬ハース３０（以下、「ハース３０」と称する。）は、金属原料５（以下、「原料５」と称する。）の溶湯５ｃを貯留しながら、溶湯５ｃを精錬して、溶湯５ｃ中の不純物を除去するための装置である。本実施形態に係るハース３０は、例えば、矩形状を有する水冷式銅ハースで構成される。ハース３０の長手方向（Ｙ方向）の一側端の側壁には、リップ部３６が設けられている。リップ部３６は、ハース３０内の溶湯５ｃをモールド４０に流出させるための流出口である。
【００２９】
モールド４０は、原料５の溶湯５ｃを冷却して凝固させ、金属のインゴット５０（例えば、チタンまたはチタン合金のインゴット）を製造するための装置である。モールド４０は、例えば、矩形筒状を有する水冷式銅モールドで構成される。モールド４０は、ハース３０のリップ部３６の下方に配置され、上方のハース３０から流し込まれた溶湯５ｃを冷却する。この結果、モールド４０内の溶湯５ｃは、モールド４０の下方に向かうにつれて次第に凝固して、固体のインゴット５０が形成される。
【００３０】
原料供給部１０は、原料５をハース３０に供給するための装置である。原料５は、例えば、スポンジチタンまたはスクラップ等のチタン原料である。本実施形態では、例えば、図３に示すように、ハース３０の一対の長辺の側壁の上方に、一対の原料供給部１０Ａ、１０Ｂが設けられる。原料供給部１０Ａ、１０Ｂには、外部から搬送された固体の原料５が載置され、当該原料５に対して電子銃２０Ａ、２０Ｂから電子ビームが照射される。
【００３１】
このように本実施形態では、ハース３０に原料５を供給するために、原料供給部１０にて固体の原料５に対して電子ビームを照射することにより、原料５を溶解させ、溶解された原料５（溶融金属）を原料供給部１０の内縁部からハース３０内の溶湯５ｃに滴下させる。つまり、ハース３０外で原料５を予め溶解させてから、溶融金属をハース３０内の溶湯５ｃに滴下することで、ハース３０に原料５を供給する。このように溶融金属が原料供給部１０からハース３０内の溶湯５ｃの表面に対して滴下される位置を表す滴下ラインが、後述する供給ライン２６（図４参照。）に相当する。
【００３２】
なお、原料５の供給方法は、上記滴下の例に限定されない。例えば、原料供給部１０からハース３０内の溶湯５ｃに、固体の原料５をそのまま投入してもよい。投入された固体の原料５は、高温の溶湯５ｃ内で溶解されて、溶湯５ｃに加わる。この場合、固体の原料５がハース３０内の溶湯５ｃに対して投入される位置を表す投入ラインが、後述する供給ライン２６（図４参照。）に相当する。
【００３３】
電子銃２０は、電子ビーム溶解法を実行するために、原料５または溶湯５ｃに対して電子ビームを照射する。図３に示すように、本実施形態に係るＥＢ炉１は、例えば、原料供給部１０に供給された固体の原料５を溶解させるための電子銃２０Ａ、２０Ｂと、ハース３０内の溶湯５ｃを保温するための電子銃２０Ｃと、モールド４０内の上部における溶湯５ｃを加熱するための電子銃２０Ｄと、ハース３０からの不純物の流出を抑制するための電子銃２０Ｅとを備える。各々の電子銃２０Ａ〜２０Ｅは、電子ビームの照射位置を制御可能である。従って、電子銃２０Ｃ、２０Ｅは、ハース３０内の溶湯５ｃの表面の所望の位置に対して電子ビームを照射可能である。
【００３４】
電子銃２０Ａ、２０Ｂは、原料供給部１０上に載置された固体の原料５に対して電子ビームを照射することにより、当該原料５を加熱して溶解させる。電子銃２０Ｃは、ハース３０内の溶湯５ｃ表面に対して広範囲に渡って電子ビームを照射することにより、溶湯５ｃを加熱して所定温度に保温する。電子銃２０Ｄは、モールド４０内の溶湯５ｃの表面に対して電子ビームを照射することにより、モールド４０内の上部の溶湯５ｃが凝固しないように、当該上部の溶湯５ｃを加熱して所定温度に保持する。電子銃２０Ｅは、ハース３０からモールド４０への不純物の流出を防ぐために、ハース３０内の溶湯５ｃの表面における照射ライン２５（図４参照。）に対して、電子ビームを集中的に照射する。
【００３５】
このように本実施形態では、例えば電子銃２０Ｅを用いて、溶湯５ｃの表面の照射ライン２５に対して、電子ビームを集中的に照射して（ライン照射）、不純物の流出を防ぐことを特徴としているが、その詳細は後述する。なお、本実施形態に係るＥＢ炉１では、図３に示すようにライン照射用の電子銃２０Ｅが、他の電子銃２０Ａ〜２０Ｄとは別個に設けられている。これにより、他の電子銃２０Ａ〜２０Ｄにより、原料５を溶解し、溶湯５ｃを保温しながら、同時並行して、電子銃２０Ｅによりライン照射し続けることができるので、ライン照射位置の溶湯５ｃの表面温度の低下を防止できる。しかし、本発明はかかる例に限定されない。例えば、ライン照射用の電子銃２０Ｅを追加設置せずに、既存の原料溶解用の電子銃２０Ａ、２０Ｂ、または溶湯保温用の電子銃２０Ｃ、２０Ｄのうちいずれか１つ若しくは複数の電子銃を用いて、照射ライン２５に対して電子ビームを照射してもよい。これにより、ＥＢ炉１における電子銃の設置数を低減し、設備コストを低減できるとともに、既設の電子銃を有効利用できる。
【００３６】
［１．２．金属鋳塊の製造方法の概要］
次に、図３〜図５を参照して、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法の概要について説明する。図４は、本実施形態に係るハース３０における照射ライン２５及び供給ライン２６の一例を示す平面図である。図５は、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示す平面図である。なお、図４及び図５のハース３０の平面図は、図３のＥＢ炉１のハース３０に対応している。
【００３７】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法の解決課題は、純チタンまたはチタン合金等の金属のインゴット５０を製造する際に、固体の原料５が溶解された溶融金属（溶湯５ｃ）に含まれる不純物が、ハース３０からモールド４０に流れ込むことを抑制することによって、不純物がインゴット５０に混入することを抑制することにある。本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法は、特に、金属原料としてチタン原料を対象とし、チタン原料に含まれる不純物の中でも、チタンの溶湯（溶融チタン）よりも比重の小さいＬＤＩが、チタンまたはチタン合金のインゴット５０に混入することを抑制することを解決課題としている。なお、ここでいうチタンまたはチタン合金とは、元素としてのチタンを質量％で５０％以上含む金属を指す。
【００３８】
かかる課題を解決するために、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、図４に示すように、ハース３０の長辺の側壁３７Ａ、３７Ｂに隣接する供給ライン２６の位置で、ハース３０内の溶湯５ｃに対して、原料５を供給する。そして、ハース３０に貯留されている溶湯５ｃの表面において、供給ライン２６に隣接する照射ライン２５に対して、電子ビームを集中的に照射する。
【００３９】
供給ライン２６（本発明の「供給ライン」に相当する。）は、原料５がハース３０の外部からハース３０内の溶湯５ｃに供給される位置を表す仮想ラインである。供給ライン２６は、溶湯５ｃの表面上において、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面に沿って配置される。
【００４０】
本実施形態では、図３に示したようにハース３０の長辺の側壁３７Ａ、３７Ｂの上方に配置された原料供給部１０の内縁部からハース３０に対して、溶融した原料５が滴下される。このため、供給ライン２６は、ハース３０内の溶湯５ｃの表面において、当該原料供給部１０の内縁部の下方に位置し、側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面に沿って延びる線状を有する。なお、供給ライン２６は、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃの内側面に沿って延びる線状であれば、厳密な直線状でなくてもよく、例えば、破線状、点線状、曲線状、波線状、ジグザグ状、二重線状、帯状、折線状などであってもよい。
【００４１】
照射ライン２５（本発明の「第１の照射ライン」に相当する。）は、ハース３０内の溶湯５ｃの表面上において、電子ビーム（本発明の「第１の電子ビーム」に相当する。）が集中的に照射される位置の軌跡を表す仮想ラインである。照射ライン２５は、溶湯５ｃの表面上において、原料５の供給ライン２６に沿って配置される。照射ライン２５は、供給ライン２６に沿って延びる線状であれば、厳密な直線状でなくてもよく、例えば、破線状、点線状、曲線状、波線状、ジグザグ状、二重線状、帯状、折線状などであってもよい。
【００４２】
ここで、照射ライン２５と供給ライン２６の配置について、より詳細に説明する。図４に示すように、本実施形態に係る矩形状のハース３０は、４つの側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄ（以下、「側壁３７」と総称する場合もある。）を有する。Ｘ方向に相対向する一対の側壁３７Ａ、３７Ｂは、ハース３０の一対の長辺を構成し、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）に対して平行である。また、Ｙ方向に相対向する一対の側壁３７Ｃ、３７Ｄは、ハース３０の一対の短辺を構成し、ハース３０の幅方向（Ｘ方向）に対して平行である。
【００４３】
短辺の一方の側壁３７Ｄには、ハース３０内の溶湯５ｃをモールド４０に流出させるためのリップ部３６が設けられている。これに対し、側壁３７Ｄ以外の他の３つの側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃには、リップ部３６が設けられていない。このため、側壁３７Ｄは、リップ部が設けられる「第１の側壁」に相当し、側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃは、リップ部３６が設けられない「第２の側壁」に相当する。
【００４４】
図４に示す例では、ハース３０の溶湯５ｃの表面上に、相互に平行な２本の直線状の供給ライン２６、２６が配置されている。さらに、当該供給ライン２６、２６の内側（ハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央部側）に、相互に平行な２本の直線状の照射ライン２５、２５が配置されている。供給ライン２６、２６は、ハース３０の４つの側壁のうち２つの側壁３７Ａ、３７Ｂ（第２の側壁）の内側面に沿って、当該内側面からハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央部側に所定距離Ｌ１だけ離隔した位置に配置される。照射ライン２５、２５は、供給ライン２６、２６に沿って、当該供給ライン２６、２６からハース３０の幅方向の中央部側に所定距離Ｌだけ離隔した位置に配置される。
【００４５】
本実施形態では、上記溶湯５ｃの表面上の照射ライン２５に対して電子ビームを集中的に照射することにより、ハース３０内の溶湯５ｃの表面に特殊な温度勾配を形成し、溶湯５ｃの流動を制御する。ここで、ハース３０内の溶湯５ｃの表面の温度分布について説明する。
【００４６】
一般に、電子ビーム溶解法では、ハース３０内の溶湯５ｃが凝固することを防ぐために、当該溶湯５ｃの表面のうち広範囲を占める保温照射領域２３に対して、例えば、電子銃２０Ｃにより電子ビームを均等に照射して、ハース３０内の溶湯５ｃを保温する。かかる保温用の電子ビームの照射により、ハース３０内に貯留されている溶湯５ｃ全体を加熱して、溶湯５ｃの表面全体の平均的な表面温度Ｔ０（以下、「溶湯表面温度Ｔ０」と称する。）を所定温度に保持する。溶湯表面温度Ｔ０は、例えば、１９２３Ｋ（チタン合金の融点）〜２３２３Ｋであり、好ましくは１９７３Ｋ〜２２７３Ｋである。
【００４７】
本実施形態では、上記原料供給部１０において、固体の原料５に対して電子銃２０Ａ、２０Ｂにより電子ビームを照射して原料５を溶解し、当該溶解された高温の溶融金属を、ハース３０内の溶湯５ｃの供給ライン２６の位置に滴下することで、ハース３０に原料５を供給する。このため、原料５に含まれているＬＤＩ等の不純物は、ハース３０内の溶湯５ｃのうち、供給ライン２６付近に多く存在することになる。そして、供給ライン２６に対して高温の溶融金属が連続的または非連続的に供給されるため、当該供給ライン２６付近には、上記溶湯表面温度Ｔ０よりも高い表面温度Ｔ１を有する高温領域（図６Ａ及び図７の領域Ｓ１を参照。）が形成される。当該供給ライン２６における溶湯５ｃの表面温度Ｔ１（以下、「原料供給温度Ｔ１」と称する。）は、原料供給部１０からハース３０に滴下される溶融金属の温度と略同一であり、上記溶湯表面温度Ｔ０よりも高い（Ｔ１＞Ｔ０）。原料供給温度Ｔ１は、例えば、１９２３Ｋ〜２４２３Ｋであり、好ましくは１９７３Ｋ〜２３７３Ｋである。
【００４８】
さらに、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、上記溶湯５ｃの保温照射領域２３に対する保温用の電子ビームの照射とは別に、電子銃２０Ｅにより電子ビームを溶湯５ｃの表面上の照射ライン２５に対して集中的に照射する。具体的には、電子銃２０Ｅによる電子ビームの照射位置を、溶湯５ｃの表面における照射ライン２５上で移動させる。このような照射ライン２５に対する電子ビームの集中照射により、照射ライン２５付近に、上記溶湯表面温度Ｔ０よりも高い表面温度Ｔ２を有する高温領域（図７の領域Ｓ２を参照。）が形成される。当該照射ライン２５における溶湯５ｃの表面温度Ｔ２（以下、「ライン照射温度Ｔ２」と称する。）は、上記溶湯表面温度Ｔ０よりも高い（Ｔ２＞Ｔ０）。さらに、不純物の流出をより確実に抑制するためには、ライン照射温度Ｔ２は、上記原料供給温度Ｔ１よりも高いことが好ましい（Ｔ２＞Ｔ１＞Ｔ０）。ライン照射温度Ｔ２は、例えば、１９２３Ｋ〜２４７３Ｋであり、好ましくは１９７３Ｋ〜２４２３Ｋである。
【００４９】
このように本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、溶湯５ｃの表面上の照射ライン２５に対して電子ビームを集中的に照射することによって、供給ライン２６付近だけでなく、照射ライン２５付近にも溶湯５ｃの高温領域を形成する。これにより、図５に示すように、溶湯５ｃの表層において、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１（本発明の「第１の溶湯流」に相当する。）を強制的に形成することができる。特に、照射ライン２５の任意の位置において、溶湯５ｃの温度をＴ０より高く維持することにより、形成された溶湯流６１を定常的に維持することができる。
【００５０】
この溶湯流６１により、供給ライン２６付近に多く存在するＬＤＩ等の不純物の流動を制御して、当該不純物がリップ部３６に向かって流動しないようにすることができる。具体的には、この溶湯流６１により、供給ライン２６付近の領域において溶湯５ｃの表面に浮遊しているＬＤＩ等の不純物を、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて移動させて、当該側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面に形成されたスカル７に捕捉させることができる。また、照射ライン２５に対して電子ビームを照射して、ライン照射温度Ｔ２を上昇させることで、照射ライン２５付近の溶湯５ｃに浮遊しているＬＤＩの主成分である窒化チタン等の溶解を促進できる。
【００５１】
以上のように、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、供給ライン２６、２６よりもハース３０の中央部側（内側）にある照射ライン２５、２５に対して電子ビームを照射する。これにより、照射ライン２５付近に溶湯５ｃの高温領域を形成し、当該高温領域からの溶湯流６１により、供給ライン２６付近に存在するＬＤＩ等の不純物を側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動させ、リップ部３６に向けて流動しないようにガードする。従って、当該不純物がハース３０からモールド４０に流出することを抑制できる。
【００５２】
［１．３．ライン照射による溶湯の流動］
次に、図５〜図７を参照して、電子ビームのライン照射によるハース３０内の溶湯５ｃの流動について、より詳細に説明する。図６Ａ、図６Ｂはそれぞれ、本実施形態の比較例として、照射ライン２５に対して電子ビームを照射しないときの溶湯５ｃの流動状態を示すハースの縦断面図、平面図である。図７は、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法により、照射ライン２５に対して電子ビームを照射したときの溶湯５ｃの流動状態を示すハースの縦断面図である。
【００５３】
上述したように本実施形態では、ハース３０の長辺の側壁３７Ａ、３７Ｂの上方に原料供給部１０Ａ、１０Ｂをそれぞれ配置し、当該原料供給部１０Ａ、１０Ｂ上の固体の原料５に対して電子銃２０Ａ、２０Ｂにより電子ビームを照射して、原料５を溶解させる。溶解された原料５は、原料供給部１０Ａ、１０Ｂからハース３０内の溶湯５ｃの供給ライン２６、２６の位置に滴下される。このように本実施形態では、原料５の溶融金属を滴下させることにより、ハース３０に原料５を供給する。この点、本実施形態に係る供給ライン２６は、溶湯５ｃの表面において原料５の溶融金属が滴下される位置を表す仮想ライン（滴下ライン）に相当する。
【００５４】
ハース３０内に貯留された溶湯５ｃは、ハース３０内での滞留中に精錬された後、リップ部３６から流出してモールド４０に排出される。図５に示すように、ハース３０内の幅方向（Ｘ方向）の中央部には、一方の側壁３７Ｃ付近からリップ部３６に向けて、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）に沿って流れる溶湯流６０が形成される。この溶湯流６０によって、ハース３０内に貯留されている溶湯５ｃが、リップ部３６からモールド４０に流出する。
【００５５】
また、ハース３０の側壁３７の内側面及び底面には、図５〜図７に示すように、溶湯５ｃが凝固した凝固層（「スカル７」と称される。）が形成されている。ハース３０に溶湯５ｃを貯留することにより、スカル７等を利用して、溶湯５ｃに含まれる不純物を除去することが可能である。不純物は、溶湯５ｃと比べて高比重のＨＤＩ（図示せず。）と、低比重のＬＤＩ８とに分類される。高比重のＨＤＩは、溶湯５ｃ中を沈降して、ハース３０の底面に形成されたスカル７に固着するため、リップ部３６からモールド４０へ流出する可能性は低い。一方、低比重のＬＤＩ８の大部分は、溶湯５ｃの表面に浮遊しており、溶湯５ｃの表層の流れに乗って流動する。このため、ハース３０の溶湯５ｃ中に浮遊するＬＤＩ８がリップ部３６からモールド４０へ流出しないように、溶湯５ｃの表層流を制御することが好ましい。
【００５６】
そこで、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、ハース３０内の溶湯５ｃの表面上において、供給ライン２６、２６よりも内側にある照射ライン２５、２５に対して、電子ビームを集中的に照射する。これにより、溶湯５ｃの表面の温度勾配によるマランゴニ対流を発生させ、図５及び図７に示すように、溶湯５ｃの表層において、照射ライン２５から供給ライン２６へ向かう溶湯５ｃの表層流れ（第１の溶湯流６１）を形成する。これにより、供給ライン２６付近に多く存在するＬＤＩ８を、当該供給ライン２６に隣接するハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動させ、当該側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面に形成されているスカル７に、捕捉させる。以下にこの原理について詳述する。
【００５７】
流体の表層に温度勾配が生じると、当該流体の表面張力にも勾配が生じ、これが原因となって当該流体の対流が生じる。この流体の対流をマランゴニ対流という。流体が溶融チタン又は溶融チタン合金である場合には、マランゴニ対流は、流体の高温領域から低温領域に向かう流れとなる。溶融チタン及び溶融チタン合金は、その温度が高い場合に表面張力が弱くなる性質があるからである。
【００５８】
ここで、本実施形態の比較例として、図６Ａに示すように、照射ライン２５に対して電子ビームが照射されず、供給ライン２６に滴下される溶融金属の温度（原料供給温度Ｔ１）が、ハース３０内に既に貯留されている溶湯表面温度Ｔ０よりも高い場合を考える。この場合、溶解された原料５（溶融金属）が滴下される供給ライン２６付近の領域Ｓ１は、他の領域の溶湯５ｃよりも温度が高い高温領域となる。このため、図６Ａに示すように、領域Ｓ１の溶湯５ｃが、供給ライン２６からハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央部及び側壁３７Ｂの両方向に流動するため、溶湯５ｃの表層に溶湯流６２、６３が形成される。
【００５９】
すると、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、供給ライン２６に滴下された溶融金属に含まれるＬＤＩ８は、溶湯流６２に乗って、ハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央部に向けて流動するとともに、溶湯流６３に乗って、ハース３０の側壁３７Ｂに向けて流動する。図６Ｂに示すように、左右一対の供給ライン２６、２６の各々からハース３０の中央部へ向かう溶湯流６２、６２は、ハース３０の幅方向の中央部において衝突して、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）に沿ってリップ部３６に向かう溶湯流６０が形成される。この結果、溶湯５ｃに浮遊するＬＤＩ８も溶湯流６０に乗ってリップ部３６に向けて流動し、リップ部３６からモールド４０へ流出してしまう。従って、ＬＤＩ８等の不純物が、リップ部３６からモールド４０へ流出しないようにするためには、供給ライン２６付近に存在するＬＤＩ８が、図６Ａ及び図６Ｂに示す溶湯流６２に乗ってハース３０の幅方向の中央部に向けて流動しないように、溶湯５ｃの表層流を制御することが好ましい。
【００６０】
そこで、本実施形態では、図５及び図７に示すように、供給ライン２６よりもハース３０中央部側に位置する照射ライン２５に対して、電子ビームを集中的に照射する。これにより、照射ライン２５付近の領域Ｓ２の溶湯５ｃの表面温度Ｔ２を上昇させ、照射ライン２５と供給ライン２６との間の帯状領域Ｓ３において、溶湯５ｃの表面温度に温度勾配を生じさせる。この結果、溶湯５ｃの表層に、照射ライン２５から側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面に向かう溶湯５ｃのマランゴニ対流（第１の溶湯流６１）が発生する。かかる溶湯流６１により、供給ライン２６付近の溶湯５ｃの表面に浮遊して存在するＬＤＩ８を、側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて強制的に流動させて、リップ部３６に向かわないようにガードすることができる。従って、照射ライン２５と側壁３７Ａ、３７Ｂとの間の領域において、供給ライン２６の位置に滴下された溶融金属に含まれるＬＤＩ８は、当該溶湯流６１に乗って、側壁３７Ａ、３７Ｂに向かって流動し、側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面上に形成されたスカル７に付着して捕捉される。
【００６１】
上記のライン照射による溶湯５ｃの流動について、より詳細に説明する。図５及び図７は、照射ライン２５における溶湯５ｃの表面温度Ｔ２（ライン照射温度Ｔ２）が、供給ライン２６における溶湯５ｃの表面温度Ｔ１（原料供給温度Ｔ１）よりも高い場合の、溶湯５ｃの流れを示している。
【００６２】
上述したように、溶湯５ｃが溶融チタンである場合は、マランゴニ対流は、溶湯５ｃの高温領域から低温領域に向かう流れとなる。照射ライン２５に対して電子ビームを集中的に照射すると、電子ビームが照射された照射ライン２５付近の領域Ｓ２が加熱されて高温領域となる。従って、当該領域Ｓ２から、その周辺の低温領域に向かうマランゴニ対流が発生する。この結果、図７に示すように、溶湯５ｃの表層において、照射ライン２５からハース３０の幅方向中央部へ向かう溶湯流６４と、照射ライン２５から供給ライン２６を横切って側壁３７Ｂへ向かう溶湯流６１が形成される。一方、溶湯５ｃの深層においては、ハース３０の幅方向（Ｘ方向）の端部の側壁３７Ｂからハース３０の中央部へ向かう溶湯流６５が形成される。
【００６３】
ここで、溶湯５ｃの表層において、ライン照射温度Ｔ２が原料供給温度Ｔ１よりも高く、かつ、照射ライン２５から供給ライン２６にかけて溶湯５ｃの表面温度が連続的に降下するような温度分布を形成することが好ましい。かかる温度分布を実現することにより、図７に示すように、溶湯５ｃの表層において、供給ライン２６からハース３０の中央部側に向かう溶湯流（図６Ａ及び図６Ｂの溶湯流６２に相当する。）が形成されず、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１は、供給ライン２６を横切って、側壁３７Ｂの内側面まで到達することができる。
【００６４】
この結果、図７に示すように、供給ライン２６付近に滞留しているＬＤＩ８は、溶湯流６１により、供給ライン２６付近の領域Ｓ１から側壁３７Ｂに向けて流動するため、ハース３０の中央部に向けて流動しない。なお、供給ライン２６に滴下された溶融金属に含まれるＬＤＩ８は、滴下時に溶湯５ｃの表面に対して衝突した影響で、一時的に供給ライン２６から幅方向（Ｘ方向）の両側に広がる。しかし、その後は、上記の溶湯流６１により、供給ライン２６付近の領域Ｓ１から側壁３７Ｂに向けて強制的に流動させられる。
【００６５】
一般的に、原料５が滴下される供給ライン２６と側壁３７Ｂとの距離Ｌ１は小さい。このため、供給ライン２６付近に浮遊するＬＤＩ８を溶湯流６１によりハース３０の側壁３７Ｂに向けて移動させれば、ＬＤＩ８は、側壁３７Ｂの内側面上に形成されたスカル７に容易に付着する。従って、電子ビームのライン照射により溶湯５ｃの表層に溶湯流６１を形成することで、供給ライン２６付近の領域Ｓ１に浮遊しているＬＤＩ８を、側壁３７Ｂの内側面上のスカル７に効率的に捕捉して、除去できる。
【００６６】
また、ハース３０内の溶湯５ｃ中に浮遊するＬＤＩ８の混入源は、外部からハース３０に滴下される溶融金属であり、供給ライン２６に滴下された溶融金属に含まれるＬＤＩ８の少なくとも一部は、ハース３０内に滞留する間に、溶湯５ｃに溶解したり、スカル７に付着したりする。このため、供給ライン２６付近以外の領域には、溶湯５ｃ中に浮遊するＬＤＩ８は、ほとんど存在しないと考えられる。従って、図７に示すように、電子ビームが集中照射される照射ライン２５付近の領域Ｓ２には、浮遊するＬＤＩ８はほぼ存在せず、当該領域Ｓ２からハース３０の幅方向の中央部へ向かう溶湯流６４には、ＬＤＩ８は含まれていない。図５に示すように、このＸ方向の溶湯流６４は、ハース３０の幅方向の中央部において方向転換して、リップ部３６に向かうＹ方向の溶湯流６０となるが、この溶湯流６０にもＬＤＩ８は含まれていない。このため、溶湯流６０をそのままリップ部３６からモールド４０へ流出させても問題ない。
【００６７】
［１．４．照射ラインの配置］
次に、電子ビームが集中的に照射される照射ライン２５の配置について、より詳細に説明する。
【００６８】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、図４に示すように、供給ライン２６、２６よりもハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央部側に配置される照射ライン２５、２５に対して、電子ビームを集中的に照射する。ここで、供給ライン２６は、原料５の溶融金属がハース３０の溶湯５ｃに滴下される位置を表す仮想線であり、照射ライン２５は、ライン照射用の電子銃２０Ｅによる電子ビームの照射軌跡に対応する仮想線である。
【００６９】
ライン照射により不純物の流出を的確に防止する観点から、供給ライン２６、２６は、ハース３０の一対の長辺の側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面に対して略平行な直線状であることが好ましい。さらに、照射ライン２５は、供給ライン２６に対して略平行な直線状であることが好ましい。
【００７０】
ここで「略平行」とは、両者が厳密に平行（角度差が０°）である場合だけでなく、両者の角度差が所定角度以下である場合も含む。具体的な例として、供給ライン２６が、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面に対して角度差が６°以下であれば、本発明の効果を得られる。ただし、供給ライン２６が側壁３７Ａ、３７Ｂに近づきすぎ、具体的には５ｍｍ程度まで近くなり、溶融金属の供給に支障が出る場合にはこの限りではない。また、照射ライン２５も、供給ライン２６に対して角度差が４°以下であれば、本発明の効果を見込める。ただし、照射ライン２５が供給ライン２６に近づきすぎ、具体的には５ｍｍ程度まで近くなり、後述する溶湯流６１の形成に支障が出る場合にはこの限りではない。
【００７１】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、図５に示すように、照射ライン２５に対して電子ビームを集中的に照射することにより、照射ライン２５から供給ライン２６に向かうマランゴニ対流（溶湯流６１）を生じさせる。そして、この溶湯流６１により、供給ライン２６からハース３０の中央部へ向かう溶湯流６２を、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂへ向けて押し戻す。この際、供給ライン２６からハース３０の中央部へ向かう溶湯流６２が、照射ライン２５をすり抜けてハース３０の中央部へ向かわないように、供給ライン２６及び照射ライン２５の配置を適切に設定することが好ましい。
【００７２】
そこで、本実施形態では、図４に示すように、供給ライン２６は、ハース３０の長辺の側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面に対して略平行な直線状に設定され、かつ、照射ライン２５は、供給ライン２６に対して略平行な直線状に設定されている。これにより、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）の位置に関わらず、側壁３７Ａまたは３７Ｂの内側面と供給ライン２６との距離Ｌ１が略一定になり、かつ、照射ライン２５と供給ライン２６との距離Ｌが略一定となる。従って、照射ライン２５から供給ライン２６に向かうＸ方向の溶湯流６１が、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）に略均等に形成される。よって、供給ライン２６のＹ方向全体に渡って、供給ライン２６からハース３０の中央部へ向かう溶湯流６２を、溶湯流６１で均等に抑え込むことができる。それ故、当該溶湯流６２が照射ライン２５を越えてハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央部に向かうことを、より確実に防止できる。
【００７３】
次に、照射ライン２５と供給ライン２６との間の距離Ｌについて説明する。図５に示すように、照射ライン２５は、供給ライン２６とハース３０の幅方向の中央部との間において、供給ライン２６から所定距離Ｌだけ離隔した位置に配置される。この距離Ｌは、一般的には原料供給温度Ｔ１と、照射ライン２５に照射される電子ビームの照射条件等により決定されるが、例えば、距離Ｌは、５ｍｍ以上、３５ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、照射ライン２５からの溶湯流６１により、供給ライン２６付近に滞留するＬＤＩ８を側壁３７Ａ、３７Ｂまで好適に流動させ、スカル７に捕捉させることができる。
【００７４】
距離Ｌが５ｍｍ未満であると、照射ライン２５が供給ライン２６に近すぎて、図７に示す高温領域Ｓ２と高温領域Ｓ１とが重なってしまう。このため、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１が形成され難くなり、供給ライン２６付近のＬＤＩ８がリップ部３６に向けて流動してしまう可能性がある。一方、距離Ｌが３５ｍｍを超えると、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１は、供給ライン２６に到達するまでに弱くなる。このため、供給ライン２６付近のＬＤＩ８を、側壁３７Ａ、３７Ｂまで流動させることが難しくなり、ＬＤＩ８は照射ライン２５と供給ライン２６の間の帯状領域Ｓ３において、リップ部３６に向かって流動してしまう可能性がある。従って、溶湯流６１により溶湯流６２を適切に押し戻すためには、距離Ｌは５ｍｍ以上、３５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００７５】
また、図４及び図５に示すように、照射ライン２５は供給ライン２６よりも長く、かつ、照射ライン２５の両端はそれぞれ、供給ライン２６の両端よりも供給ライン２６の延長方向の外側（図示の例では、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）の外側）に配置されることが好ましい。これにより、照射ライン２５が供給ライン２６をＹ方向に広くカバーするので、供給ライン２６からＸ方向に向かう溶湯流６２が、照射ライン２５のＹ方向の両端を迂回してハース３０の中央部に向かわないように抑制することができる。
【００７６】
［１．５．ライン照射用の電子ビームの設定］
次に、上記照射ライン２５に対して集中的に照射されるライン照射用の電子ビーム（第１の電子ビーム）の設定について説明する。
【００７７】
上記のように、照射ライン２５からの溶湯流６１（図７参照。）により、供給ライン２６からの溶湯流６２（図６Ａ及び図６Ｂ参照。）をハース３０の側壁３７Ｂに向けて押し戻すためには、ライン照射用の電子ビームの伝熱量、走査速度及び熱流束分布等の照射条件を適切に設定することが好ましい。
【００７８】
電子ビームの伝熱量［Ｗ］は、照射ライン２５における溶湯５ｃの温度上昇、及び当該温度上昇により生じるマランゴニ対流（溶湯流６１）の流速に影響するパラメータである。電子ビームの伝熱量が小さいと、供給ライン２６からの溶湯流６２に打ち勝つ溶湯流６１を形成できない。従って、電子ビームの伝熱量は大きいほど好ましく、例えば、０．１５〜０．６０［ＭＷ］である。
【００７９】
電子ビームの走査速度［ｍ／ｓ］は、上記溶湯流６１の流速に影響するパラメータである。照射ライン２５に対して電子ビームを照射する場合、電子銃２０Ｅから発射される電子ビームで、溶湯５ｃの表面上の照射ライン２５を繰り返し走査する。このときの電子ビームの走査速度が遅いと、照射ライン２５上で電子ビームが長時間照射されない位置が生じてしまう。電子ビームが照射されない位置の溶湯５ｃの表面温度は急速に低下し、当該位置から生じる溶湯流６１の流速が減少してしまう。そうすると、供給ライン２６からの溶湯流６２を溶湯流６１により抑えることが難しくなり、溶湯流６２が照射ライン２５をすり抜ける可能性が高くなる。このため、電子ビームの走査速度はできる限り速いほうが好ましく、例えば、１．０〜２０．０［ｍ／ｓ］である。
【００８０】
電子ビームによる溶湯５ｃの表面における熱流束分布は、電子ビームから溶湯５ｃに対して与えられる伝熱量に影響するパラメータである。熱流束分布は電子ビームの絞りの大きさに対応する。電子ビームの絞りが小さいほど、急峻な熱流束分布を溶湯５ｃに与えることができる。溶湯５ｃの表面における熱流束分布は、例えば下記式（１）により表される（例えば、非特許文献１参照）。下記式（１）は、電子ビームの中心からの距離に応じて熱流束が指数減衰することを表している。
【００８１】
【数１】
2018190419.tif 000003
【００８２】
ここで、（ｘ、ｙ）は溶湯表面上の位置を表し、（ｘ０、ｙ０）は電子ビーム中心位置を表し、σは熱流束分布の標準偏差を表す。また、電子銃の伝熱量Ｑは、上記式（２）に示すように、ハース３０内のすべての溶湯５ｃの表面における熱流束ｑの総和となるように設定される。これらのパラメータは、例えば熱流動シミュレーション等により、照射ライン２５に対する電子ビームの照射によって生じるマランゴニ対流により、供給ライン２６からハース３０の中央部へ向かう溶湯流６２をハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂへ向かわせるような値を求め、設定してもよい。
【００８３】
このとき、照射ライン２５から供給ライン２６へ向かう溶湯流６１の流速が、供給ライン２６からハース３０の中央部へ向かう溶湯流６２の流速よりも大きければ、溶湯流６１により溶湯流６２をより確実に受け止めて、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面に向けて押し戻すことができる。
【００８４】
そこで、図７に示したように、照射ライン２５付近の高温領域Ｓ２の温度（ライン照射温度Ｔ２）が、供給ライン２６付近の高温領域Ｓ１の温度（原料供給温度Ｔ１）よりも高くなるように、ライン照射用の電子ビームの照射条件を設定すればよい。これにより、ライン照射温度Ｔ２と溶湯表面温度Ｔ０との温度差を、原料供給温度Ｔ１と溶湯表面温度Ｔ０との温度差よりも大きくすることができるので、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１を強くすることができる。
【００８５】
なお、上記ライン照射用の電子ビームの伝熱量、走査速度及び熱流束分布等の照射条件は、電子ビームを照射する設備スペックにより制約される。したがって、電子ビームの照射条件を設定する場合には、設備スペックの範囲内で、できるだけ、伝熱量は大きく、走査速度は速く、熱流束分布は狭く（電子ビームの絞りを小さく）するのがよい。また、照射ライン２５に対する電子ビームの照射は、１つの電子銃により行ってもよく、複数の電子銃により行ってもよい。さらに、ここで説明したライン照射用の電子銃は、ライン照射専用の電子銃２０Ｅ（図３参照。）を用いてもよく、あるいは、原料溶解用の電子銃２０Ａ、２０Ｂまたは溶湯保温用の電子銃２０Ｃ、２０Ｄ（図３参照。）等の他用途の電子銃を兼用してもよい。
【００８６】
［１．６．温度勾配ΔＴ／Ｌ］
次に、図５、図８及び図９を参照して、照射ライン２５と供給ライン２６との間の温度勾配ΔＴ／Ｌが、ハース３０内の溶湯５ｃの流動に与える影響について説明する。
【００８７】
上述した照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１の強さは、照射ライン２５と供給ライン２６との間の温度勾配ΔＴ／Ｌによって変化する。ここで、温度勾配ΔＴ／Ｌ［Ｋ／ｍｍ］は、下記式（Ａ）で表される。
【００８８】
ΔＴ／Ｌ＝（Ｔ２−Ｔ１）／Ｌ    ・・・（Ａ）
Ｔ１：供給ライン２６における溶湯５ｃの表面温度（原料供給温度）［Ｋ］
Ｔ２：照射ライン２５における溶湯５ｃの表面温度（ライン照射温度）［Ｋ］
Ｌ  ：溶湯５ｃの表面における照射ライン２５と供給ライン２６との距離［ｍｍ］
【００８９】
温度勾配ΔＴ／Ｌは、−２．７０［Ｋ／ｍｍ］以上であることが好ましく（ΔＴ／Ｌ≧−２．７０Ｋ／ｍｍ）、０．００［Ｋ／ｍｍ］以上であることがより好ましい（ΔＴ／Ｌ≧０．００Ｋ／ｍｍ）。これにより、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１を適切に形成することができる。従って、照射ライン２５と供給ライン２６との間の帯状領域Ｓ３において、供給ライン２６付近に浮遊するＬＤＩ８等の不純物がリップ部３６に向けて流動することを抑制し、リップ部３６からの不純物の流出量を好適に抑制できる。以下にこの理由について詳述する。
【００９０】
（１）「ΔＴ／Ｌ≧０．００」の場合
まず、図５を参照して、温度勾配ΔＴ／Ｌが０．００［Ｋ／ｍｍ］以上である場合について説明する。この場合、ライン照射温度Ｔ２が原料供給温度Ｔ１以上に高くなり（Ｔ２≧Ｔ１＞Ｔ０）、ΔＴ／Ｌも十分に大きくなる。
【００９１】
従って、図５に示すように、照射ライン２５と供給ライン２６との間の帯状領域Ｓ３において、供給ライン２６から照射ライン２５に向かう溶湯流６２（図６Ａ及び図６Ｂ参照。）よりも、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１が優位になる。このため、照射ライン２５から供給ライン２６を横切って側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面に向かう溶湯流６１を適切に形成することができる。従って、当該溶湯流６１により、供給ライン２６付近のＬＤＩ８を側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて適切に流動させ、当該側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面上のスカル７に確実に捕捉させて除去できる（図７参照。）。よって、ΔＴ／Ｌ≧０．００Ｋ／ｍｍであれば、ＬＤＩ８等の不純物がリップ部３６から流出することを好適に抑制できるので、照射ライン２５に電子ビームを照射しない場合と比べて、リップ部３６からの不純物の流出量を例えば０．１％以下に大幅に低減できる。ここで、不純物の流出量は、リップ部３６から流出する溶湯５ｃに含まれる不純物量（質量）を単位時間あたりで集計し、対比した。
【００９２】
（２）「−２．７０≦ΔＴ／Ｌ＜０．００」の場合
次に、図８を参照して、温度勾配ΔＴ／Ｌが−２．７０［Ｋ／ｍｍ］以上、０．００［Ｋ／ｍｍ］未満である場合について説明する。この場合、ライン照射温度Ｔ２は溶湯表面温度Ｔ０よりは高いものの（Ｔ２＞Ｔ０）、原料供給温度Ｔ１よりも低くなり、ΔＴ／Ｌもゼロ未満になる。
【００９３】
従って、図８に示すように、照射ライン２５と供給ライン２６との間の帯状領域Ｓ３において、供給ライン２６から照射ライン２５に向かう溶湯流６２と、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１が同等になる。このため、当該帯状領域Ｓ３において、リップ部３６に向かうＹ方向の溶湯流６６が形成される場合もある。しかし、照射ライン２５からの溶湯流６１により、供給ライン２６からの溶湯流６２を抑え込むことができるので、溶湯流６２が照射ライン２５を越えてハース３０の幅方向の中央部に向かうことを防止できる。中央部への侵入を止められたＬＤＩ８は、溶湯流６６に乗って帯状領域Ｓ３を移動し、徐々にリップ部３６に向かって進行する。帯状領域Ｓ３は、温度がＴ１である供給ライン２６と、温度がＴ２である照射ライン２５とに挟まれているため、帯状領域Ｓ３の温度はＴ０よりも高い。そのため、ＬＤＩ８は、帯状領域Ｓ３内にあるうちに一部が溶解される。よって、ΔＴ／Ｌ≧−２．７０であれば、ＬＤＩ８等の不純物がリップ部３６から流出することを抑制できるので、照射ライン２５に電子ビームを照射しない場合と比べて、リップ部３６からの不純物の流出量を例えば１％以下に低減できる。
【００９４】
（３）「ΔＴ／Ｌ＜−２．７０」の場合
次に、図９を参照して、温度勾配ΔＴ／Ｌが−２．７０［Ｋ／ｍｍ］未満である場合について説明する。この場合、ライン照射温度Ｔ２が原料供給温度Ｔ１よりも大幅に低くなり（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ０）、ΔＴ／Ｌも大幅に小さいマイナス値になる。このため、照射ライン２５に対する電子ビームの照射位置（Ｙ方向の位置）によって、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１が形成される位置と、形成されない位置が生じうる。
【００９５】
具体的には、図９に示すように、照射ライン２５と供給ライン２６との間の帯状領域Ｓ３において、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１と、供給ライン２６から照射ライン２５に向かう溶湯流６２の双方が形成される。そして、照射ライン２５に対する電子ビームの照射位置によって、溶湯流６１と溶湯流６２が同等である領域Ｓ３１と、溶湯流６１よりも溶湯流６２が優位となる領域Ｓ３２とが混在することになる。つまり、照射ライン２５上を移動する電子ビームの照射位置から近いためライン照射温度Ｔ２が高い領域Ｓ３１では、溶湯流６１と溶湯流６２が同等となるが、電子ビームの照射位置から離れているためライン照射温度Ｔ２が相対的に低下した領域Ｓ３２では、十分な強さの溶湯流６１が形成されないときもある。
【００９６】
従って、照射ライン２５と供給ライン２６との間の帯状領域Ｓ３において、リップ部３６へ向かう溶湯流６６が形成されたり、供給ライン２６から照射ライン２５を横切ってハース３０の幅方向の中央部側に向かう溶湯流６７が形成されたりする可能性がある。よって、当該溶湯流６６または溶湯流６７に乗って、供給ライン２６付近に滞留するＬＤＩ８がリップ部３６から流出してしまう恐れがある。
【００９７】
しかし、ΔＴ／Ｌ＜−２．７０である場合であっても、照射ライン２５からの溶湯流６１により、供給ライン２６からの溶湯流６２をある程度は抑え込むことができる。このため、溶湯流６１により、ハース３０の幅方向の中央部への侵入を止められたＬＤＩ８は、帯状領域Ｓ３に滞留するうちに徐々に溶解される。よって、供給ライン２６付近のＬＤＩ８等の不純物がリップ部３６に向かうことをある程度は抑制できるので、照射ライン２５に電子ビームを照射しない場合と比べて、リップ部３６からの不純物の流出量を例えば５％以下に低減できる。
【００９８】
以上により、ライン照射により適切な溶湯流６１を形成して、不純物の流出量を低減するためには、温度勾配ΔＴ／Ｌは、−２．７０［Ｋ／ｍｍ］以上であることが好ましく、０．００［Ｋ／ｍｍ］以上であることがより好ましい。かかる好適な数値範囲の温度勾配ΔＴ／Ｌが得られるように、ライン照射用の電子ビームの照射条件（例えば、電子ビームの伝熱量、走査速度及び熱流束分布等）、溶湯５ｃの温度Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、または照射ライン２５と供給ライン２６の配置若しくは距離Ｌ、Ｌ１などを適切に設定すればよい。
【００９９】
なお、不純物の流出量を抑制する観点からは、温度勾配ΔＴ／Ｌは大きいほどよい。しかし、電子ビームを照射する設備スペックにより、温度勾配ΔＴ／Ｌの上限値は制約される。この設備スペックの制約のため、温度勾配ΔＴ／Ｌの上限値は、例えば、６４．０［Ｋ／ｍｍ］以下であることが好ましく、１０．０［Ｋ／ｍｍ］以下であることがより好ましい。
【０１００】
［１．７．変更例］
次に、上記第１の実施形態の変更例について説明する。上記では、図４に示したように、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）の側壁３７Ａ、３７Ｂ及び供給ライン２６、２６に対して平行な一対の照射ライン２５、２５を配置する例について説明した。しかし、本発明はかかる例に限定されない。照射ライン２５と供給ライン２６は、リップ部３６が設けられる側壁３７Ｄ（第１の側壁）以外の任意の１または２以上の側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ（第２の側壁）に沿って配置されればよく、照射ライン２５と照射ライン２５の設置本数や方向等は、上記図４の例に限定されない。
【０１０１】
例えば、図１０に示すように、ハース３０の一方の短辺の側壁３７Ｃに対して略平行な１本の直線状の供給ライン２６に沿って、原料５がハース３０に供給される場合もある。この場合、当該供給ライン２６よりもハース３０の長手方向（Ｙ方向）の中央部側に、供給ライン２６に沿って、照射ライン２５を配置すればよい。この照射ライン２５から短辺の側壁３７Ｃに向かう溶湯流６１を形成すれば、供給ライン２６付近の不純物を側壁３７Ｃの内側面上のスカル７に捕捉して除去できる。
【０１０２】
また、図１１に示すように、一対の長辺の側壁３７Ａ、３７Ｂ及び短辺の１つの側壁３７Ｃに沿って、コの字型の１本の供給ライン２６が配置され、当該供給ライン２６に沿って、原料５がハース３０に供給される場合もある。この場合、供給ライン２６よりもハース３０の長手方向（Ｙ方向）及び幅方向（Ｘ方向）の中央部側に、上記供給ライン２６に沿って、コの字型の１本の照射ライン２５を配置すればよい。この照射ライン２５から長辺の側壁３７Ａ、３７Ｂ及び短辺の側壁３７Ｃに向かう溶湯流６１を形成すれば、供給ライン２６付近の不純物を側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃの内側面上のスカル７に捕捉して除去できる。
【０１０３】
また、図示はしないが、例えば、ハースの側壁が、楕円状、長円状などの湾曲形状である場合もある。この場合には、湾曲したハースの側壁に沿って、曲線状の供給ライン２６及び照射ライン２５を配置してもよい。
【０１０４】
［１．８．まとめ］
以上、本発明の第１の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法について説明した。本実施形態によれば、供給ライン２６よりもハース３０の幅方向の中央部側に、供給ライン２６に沿って照射ライン２５を配置し、当該照射ライン２５に対して電子ビームを集中的に照射する。これにより、図５、図８、図９等に示すように、照射ライン２５付近に高温領域を形成し、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１を形成できる。従って、溶湯流６１により、供給ライン２６付近の溶湯５ｃの表面に浮遊するＬＤＩ８等の不純物の拡散をガードできる。これにより、不純物がハース３０のリップ部３６からモールド４０へ流出してインゴット５０に混入することを抑制できる。
【０１０５】
さらに、ΔＴ／Ｌ≧０．００とすることにより、図５に示すように、照射ライン２５から供給ライン２６を越えてハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向かう溶湯流６１を形成すれば、当該不純物をハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動させ、内側面上のスカル７に固着させることができる。これにより、不純物がハース３０のリップ部３６からモールド４０へ流出してインゴット５０に混入することをより確実に抑制できる。
【０１０６】
また、ΔＴ／Ｌ≧−２．７０とすることにより、図８に示すように、照射ライン２５からの溶湯流６１により供給ライン２６からの溶湯流６２を抑え込むことができる。従って、供給ライン２６付近の溶湯５ｃの表面に浮遊するＬＤＩ８等の不純物が、溶湯流６２に乗って、照射ライン２５を越えてハース３０の幅方向の中央部に向かうことを防止できる。よって、ＬＤＩ８等の不純物を高温の帯状領域Ｓ３内に滞留させて溶解できるので、当該不純物がリップ部３６から流出することを適切に抑制できる。
【０１０７】
また、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法によれば、既存のハース３０の形状を変更する必要もないので、容易に実施可能であり、特段のメンテナンスも不要である。
【０１０８】
また、従来のチタンまたはチタン合金の鋳塊の製造方法では、ハースに溶湯を長時間滞留させることにより、ハース底面に形成されたスカルにＨＤＩを固着させつつ、溶湯にＬＤＩを溶解して、不純物を除去することが一般的であった。このため、従来では、ハース内における溶湯の滞留時間を確保するために、ロングハースを用いることが一般的であった。しかし、本実施形態によれば、ハース内における溶湯の滞留時間が比較的短い場合であっても、不純物を適切に除去できるので、ショートハースを用いることが可能となる。したがって、ＥＢ炉１でショートハースを用いることによって、ＥＢ炉１のランニングコストを低減できる。加えて、ショートハースを用いれば、ハースに残留したスカル７を再利用しなくても、インゴット５０の歩留まりを向上することもできる。
【０１０９】
［２．第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法について説明する。
【０１１０】
［２．１．金属鋳塊の製造方法の概要］
まず、図１２を参照して、第２の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法の概要について説明する。図１２は、第２の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示す平面図である。
【０１１１】
図１２に示すように、第２の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、ハース３０からの不純物の流出量を更に低減するために、上記第１の実施形態に係る照射ライン２５に対する電子ビームの照射（ライン照射）に加えて、照射ライン２５と供給ライン２６の間の帯状領域Ｓ３を流れる溶湯流６６（本発明の「第２の溶湯流」に相当する。）に対して、不純物の溶解用の電子ビーム（本発明の「第２の電子ビーム」に相当する。）をスポット的に照射することを特徴とする。
【０１１２】
第２の実施形態においても、上述した照射ライン２５に対して電子ビームを照射することで、照射ライン２５付近に高温領域Ｓ２を形成し、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１を形成する。これにより、照射ライン２５とハース３０の側壁３７との間で溶湯５ｃの流動を制御して、供給ライン２６付近に浮遊するＬＤＩ８等の不純物が、リップ部３６に向けて流動しないように制限する。さらに、第２の実施形態でも、照射ライン２５から側壁３７Ａ、３７Ｂに向かう溶湯流６１を形成すれば、供給ライン２６付近に滞留するＬＤＩ８を、ハース３０の側壁３７の内側面上に形成されたスカル７に捕捉させて除去することができる。
【０１１３】
この点、上記第１の実施形態において、図５で説明したように、照射ライン２５と供給ライン２６との間の温度勾配ΔＴ／Ｌが十分に大きい場合（例えば、ΔＴ／Ｌ≧０．００である場合）には、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１が、供給ライン２６を越えて、側壁３７Ａ、３７Ｂまで到達する。この強い溶湯流６１により、供給ライン２６付近に浮遊するＬＤＩ８を、側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面まで流動させて、当該内側面上に形成されたスカル７にＬＤＩ８を捕捉させることで、ＬＤＩ８等の不純物がリップ部３６から流出することを適切に抑制できる。
【０１１４】
しかし、図８及び図９で説明したように、温度勾配ΔＴ／Ｌが小さい場合（例えば、ΔＴ／Ｌ＜０．００である場合）には、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１が、比較的弱いため、供給ライン２６から照射ライン２５に向かう溶湯流６２を押し戻すことが困難になる。このため、図８に示すように、照射ライン２５と供給ライン２６との間の帯状領域Ｓ３において、リップ部３６に向かうＹ方向の溶湯流６６が形成されることになる。この場合、当該溶湯流６６に乗ってＬＤＩ８等の不純物がリップ部３６に向かい、リップ部３６からモールド４０に流出してしまう恐れがある。
【０１１５】
そこで、第２の実施形態では、図１２に示すように、照射ライン２５と供給ライン２６との間の帯状領域Ｓ３に配置される照射スポット２７に対して、電子ビームを集中的に照射する（スポット照射）。これにより、当該帯状領域Ｓ３をリップ部３６に向けて流れる溶湯流６６に対して、電子ビームがスポット的に照射される。従って、照射スポット２７の位置で溶湯５ｃの表面温度を局所的に上昇させて、溶湯流６６に含まれるＬＤＩ８等の不純物を溶湯５ｃに溶解させて除去できる。よって、ＬＤＩ８等の不純物がリップ部３６からモールド４０に流出することを、より確実に防止できる。
【０１１６】
［２．２．スポット照射温度］
ＬＤＩ８は、窒化チタン等からなり、窒化チタンの融点は純チタンの融点よりも高い。このため、溶湯表面温度Ｔ０が比較的低い場合には、溶湯５ｃの主成分であるチタンが溶融している場合であっても、ＬＤＩ８の成分である窒化チタンは溶融せずに、粒状の固体で残存しやすい。そこで、上記照射スポット２７において、電子ビームを集中的に照射して、当該照射スポット２７における溶湯５ｃの表面温度Ｔ３（以下、「スポット照射温度Ｔ３」と称する。）を溶湯表面温度Ｔ０よりも大幅に上昇させる。これにより、スポット照射温度Ｔ３を例えば窒化チタンの融点よりも高くして、窒化チタンを溶湯５ｃに溶解して、窒素を拡散させ、チタンに変化させることができる。従って、照射スポット２７を通過する溶湯流６６に含まれるＬＤＩ８を、溶湯５ｃに確実に溶解させて除去することができる。なお、窒化チタンの融点は窒素濃度により変化するが、例えば、窒素濃度が１．２３〜４質量％である場合は、窒化チタンの融点は２３００Ｋである。
【０１１７】
ここで、スポット照射温度Ｔ３は、例えば、２３００Ｋ〜３５００Ｋであり、好ましくは２４００Ｋ〜２７００Ｋである。スポット照射温度Ｔ３は、上記原料供給温度Ｔ１及びライン照射温度Ｔ２よりも高いことが好ましい（Ｔ３＞Ｔ１、かつ、Ｔ３＞Ｔ２）。これにより、原料供給部１０での原料５の溶解時（原料供給温度Ｔ１）やライン照射時（ライン照射温度Ｔ２）に、ＬＤＩ８が溶解されずに固体で残留した場合であっても、より高温のスポット照射温度Ｔ３で当該ＬＤＩ８を加熱できるので、ＬＤＩ８をより確実に溶解できる。
【０１１８】
［２．３．照射スポットの位置］
まず、照射スポット２７のＹ方向の位置について説明する。照射スポット２７は、図１２に示すように、照射ライン２５と供給ライン２６の間の帯状領域Ｓ３のうち、リップ部３６側の端部又はその付近に配置されることが好ましい。帯状領域Ｓ３をリップ部３６に向けて流れる溶湯流６６は、帯状領域Ｓ３のリップ部３６側の端部から帯状領域Ｓ３外に流出する。このため、帯状領域Ｓ３を流れる溶湯流６６に含まれるＬＤＩ８は、当該帯状領域Ｓ３のリップ部３６側の端部を通過することになる。従って、帯状領域Ｓ３のリップ部３６側の端部に照射スポット２７を配置し、当該照射スポット２７に対して電子ビームを集中的に照射することが好ましい。これにより、帯状領域Ｓ３を流れる溶湯流６６に乗ってリップ部３６に向かうＬＤＩ８の全て若しくは大半を、照射スポット２７の位置で、より確実に溶解させて除去できる。
【０１１９】
次に、照射スポット２７のＸ方向の位置について説明する。照射スポット２７は、照射ライン２５と供給ライン２６の間に配置される。照射スポット２７と供給ライン２６との距離Ｌ２は、原料供給温度Ｔ１、ライン照射温度Ｔ２、ライン照射及びスポット照射の照射条件等により適宜設定されるが、当該距離Ｌ２は、照射ライン２５と供給ライン２６の距離Ｌの半分程度であることが好ましい。これにより、照射ライン２５と供給ライン２６の間の帯状領域Ｓ３を流れる溶湯流６６の位置に、照射スポット２７を適切に配置できるので、溶湯流６６に含まれるＬＤＩ８を効率的に溶解及び除去できる。
【０１２０】
なお、図１２の例では、各々の帯状領域Ｓ３内のリップ部３６側の端部に照射スポット２７を１つだけ配置し、一箇所で溶湯流６６に対して電子ビームをスポット照射している。しかし、本発明は、かかる例に限定されず、溶湯５ｃの表面上でＬＤＩ８等の不純物が通過する任意の位置に対して、スポット照射してもよい。例えば、帯状領域Ｓ３に複数の照射スポット２７を離隔して配置し、複数箇所で溶湯流６６に対して電子ビームをスポット照射してもよい。また、帯状領域Ｓ３内の溶湯流６６に対してスポット照射できる位置であれば、帯状領域Ｓ３内の任意の位置（例えば、Ｙ方向の中央部、または当該中央部のＹ方向の上流側若しくは下流側など）に対して、電子ビームをスポット照射してもよい。さらに、帯状領域Ｓ３内だけでなく、帯状領域Ｓ３外においても、リップ部３６に向かう溶湯流に対して電子ビームをスポット照射したり、リップ部３６の周辺に電子ビームをスポット照射したりしてもよい。
【０１２１】
［２．４．スポット照射用の電子ビームの設定］
第２の実施形態では、上記のように照射ライン２５と供給ライン２６の間の帯状領域Ｓ３に、ＬＤＩ８の流路（溶湯流６６）を形成して、その流路を絶つように照射スポット２７を配置し、当該照射スポット２７に対して、電子ビームを集中的に照射する。これにより、照射スポット２７におけるスポット照射温度Ｔ３を高温に維持することで、リップ部３６へ向かう溶湯流６６中のＬＤＩ８を、より確実に溶解させることができる。溶湯５ｃが溶融チタンである場合は、放射温度計で測定されるスポット照射温度Ｔ３を、例えば２４００Ｋ以上に維持すれば、溶湯チタンに含まれるＬＤＩ８を確実に溶解させることができる。
【０１２２】
なお、ＬＤＩ８等の不純物を溶解するスポット照射用の電子ビームは、スポット照射温度Ｔ３を所定温度範囲に維持できれば、照射スポット２７に対して連続的に照射されてもよいし、断続的に照射されてもよい。また、スポット照射用の電子ビームの伝熱量、走査速度及び熱流束分布等の照射条件は、電子ビームを照射する設備スペックにより制約される。したがって、電子ビームの照射条件を設定する場合には、設備スペックの範囲内で、できるだけ、電子ビームの伝熱量を大きく、走査速度を速く、熱流束分布を狭く（電子ビームの絞りを小さく）することが好ましい。
【０１２３】
また、照射スポット２７に対する電子ビームの照射は、１つの電子銃により行ってもよく、複数の電子銃により行ってもよい。さらに、スポット照射用の電子銃は、上記ライン照射用の電子銃２０Ｅ（図３参照。）と兼用することが好ましい。これにより、ＥＢ炉１における電子銃の設置数を低減し、設備コストを低減できるとともに、既設の電子銃を有効利用できる。しかし、かかる例に限定されず、スポット照射用の電子銃は、スポット照射専用の電子銃（図示せず。）を用いてもよく、あるいは、原料溶解用の電子銃２０Ａ、２０Ｂまたは溶湯保温用の電子銃２０Ｃ、２０Ｄ（図３参照。）等の他用途の電子銃を兼用してもよい。
【０１２４】
［２．５．変更例］
次に、上記第２の実施形態の変更例について説明する。上記では、図１２に示したように、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）の側壁３７Ａ、３７Ｂに対して略平行な２つの帯状領域Ｓ３、Ｓ３が配置される例について説明した。しかし、本発明はかかる例に限定されない。帯状領域Ｓ３は、リップ部３６が設けられる側壁３７Ｄ（第１の側壁）以外の任意の１または２以上の側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ（第２の側壁）に沿って配置されてもよく、帯状領域Ｓ３の設置数や方向、形状等は、上記図１２の例に限定されない。
【０１２５】
例えば、図１３に示すように、ハース３０の一方の短辺の側壁３７Ｃに対して略平行に、１本の直線状の供給ライン２６と１本の照射ライン２５が配置され、当該供給ライン２６と照射ライン２５の間に、短辺の側壁３７Ｃに対して略平行な帯状領域Ｓ３が配置されてもよい。この場合、帯状領域Ｓ３のＸ方向の両端部に２つの照射スポット２７、２７を配置し、帯状領域Ｓ３内をＸ方向に流れる溶湯流６６、６６に対して当該２つの照射スポット２７、２７で電子ビームを集中的に照射すればよい。これにより、溶湯流６６、６６に含まれるＬＤＩ８を溶解できるので、ＬＤＩ８が照射ライン２５のＸ方向両端を迂回してリップ部３６へ向かうことを防止できる。
【０１２６】
また、図１４に示すように、一対の長辺の側壁３７Ａ、３７Ｂ及び短辺の１つの側壁３７Ｃに沿って、コの字型の供給ライン２６及び照射ライン２５が配置され、当該供給ライン２６と照射ライン２５の間に、コの字型の帯状領域Ｓ３が配置されてもよい。この場合、コの字型の帯状領域Ｓ３のリップ部３６側の両端部に２つの照射スポット２７、２７を配置し、帯状領域Ｓ３内をリップ部３６に向けて流れる溶湯流６６、６６に対して当該２つの照射スポット２７、２７で電子ビームを集中的に照射すればよい。これにより、溶湯流６６、６６に含まれるＬＤＩ８を溶解できるので、ＬＤＩ８が、コの字型の帯状領域Ｓ３の両端部を通過して、リップ部３６へ向かうことを防止できる。
【０１２７】
［２．６．まとめ］
以上、本発明の第２の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法について説明した。第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態の効果に加えて、次の効果を奏する。
【０１２８】
第２の実施形態によれば、照射ライン２５と供給ライン２６の間の帯状領域Ｓ３に、リップ部３６へ向かう溶湯流６６が形成されるときに、当該帯状領域Ｓ３の一端部若しくは両端に配置される照射スポット２７にて、溶湯流６６に対して不純物の溶解用の電子ビームを集中的に照射する。これにより、溶湯流６６に含まれるＬＤＩ８等の不純物が、帯状領域Ｓ３からリップ部３６に到達する前に、高温の照射スポット２７にて当該不純物を溶解させて除去できる。よって、ＬＤＩ８等の不純物がリップ部３６からモールド４０に流出することを、より確実に抑制できる。
【０１２９】
上記第１の実施形態では、装置スペック、その他の制約により、ライン照射温度Ｔ２が原料供給温度Ｔ１よりも低い場合や、供給ライン２６と照射ライン２５の間の温度勾配ΔＴ／Ｌが０．００未満である場合に、帯状領域Ｓ３にリップ部３６に向かう溶湯流６６が形成され、当該溶湯流６６に乗って不純物がリップ部３６に流出する可能性があった。このような場合であっても、第２の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法によれば、リップ部３６への不純物の流出をより確実に抑制できるので、特に有用である。
【０１３０】
［３．第３の実施形態］
続いて、本発明の第３の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法について説明する。
【０１３１】
［３．１．金属鋳塊の製造方法の概要］
まず、図１５を参照して、第３の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法の概要について説明する。図１５は、第３の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示す平面図である。
【０１３２】
図１５に示すように、第３の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、ハース３０からの不純物の流出量を更に低減するために、上記第１の実施形態に係る照射ライン２５（本発明の「第１の照射ライン」に相当する。）に沿った電子ビームの照射（ライン照射）に加えて、リップ部３６を塞ぐように配置される照射ライン２８（本発明の「第２の照射ライン」に相当する。）に対して電子ビーム（本発明の「第３の電子ビーム」に相当する。）を照射することを特徴とする。
【０１３３】
第３の実施形態においても、上述した照射ライン２５に対して電子ビームを照射することで、照射ライン２５付近に高温領域Ｓ２を形成し、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１を形成する。これにより、照射ライン２５とハース３０の側壁３７との間で溶湯５ｃの流動を制御して、供給ライン２６付近に浮遊するＬＤＩ８等の不純物が、リップ部３６に向けて流動しないように制限する。さらに、第３の実施形態でも、照射ライン２５から側壁３７Ａ、３７Ｂに向かう溶湯流６１を形成できれば、供給ライン２６付近に滞留するＬＤＩ８を、ハース３０の側壁３７の内側面上に形成されたスカル７に捕捉させて除去することができる。
【０１３４】
しかし、図８及び図９で説明したように、温度勾配ΔＴ／Ｌが小さい場合（例えば、ΔＴ／Ｌ＜０．００、特に、ΔＴ／Ｌ＜−２．７０である場合）には、照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１が、比較的弱いため、供給ライン２６から照射ライン２５に向かう溶湯流６２を押し戻すことができない。このため、照射ライン２５と供給ライン２６との間の帯状領域Ｓ３において、リップ部３６に向かうＹ方向の溶湯流６６が形成されたり（図８参照。）、供給ライン２６からの溶湯流６７が照射ライン２５を越えてハース３０の中央部に向かったり（図９参照。）することがある。この場合、当該溶湯流６６、あるいは溶湯流６７及び溶湯流６０に乗ってＬＤＩ８がリップ部３６に向かい、リップ部３６からモールド４０に流出してしまう恐れがある。
【０１３５】
そこで、第３の実施形態では、図１５に示すように、ハース３０内の溶湯５ｃの表面においてリップ部３６を塞ぐように照射ライン２８を配置し、当該照射ライン２８に対して、電子ビームを集中的に照射する（第２ライン照射）。これにより、照射ライン２８に沿って溶湯５ｃの表面温度を局所的に上昇させて、照射ライン２８付近に高温領域を形成する。この結果、リップ部３６周辺の溶湯５ｃの表層において、照射ライン２８付近からリップ部３６とは反対方向に向かう溶湯流６８が形成される。かかる溶湯流６８により、ＬＤＩ８等の不純物を含む溶湯流６６や溶湯流６０がリップ部３６に流入しないようにガードして、押し戻すことができる。押し戻された溶湯５ｃは、ハース３０内に長時間滞留することになるため、当該溶湯５ｃに含まれるＬＤＩ８等の不純物は、時間の経過とともに溶湯５ｃ中に窒素を拡散して溶解されて、除去される。
【０１３６】
よって、第３の実施形態では、上記第１の実施形態よりもさらに、ＬＤＩ８等の不純物がリップ部３６からモールド４０に流出することを確実に防止できる。
【０１３７】
［３．２．照射ラインの位置とライン照射温度］
照射ライン２８は、ハース３０内の溶湯５ｃの表面上において、電子ビームが集中的に照射される位置の軌跡を表す仮想ラインである。照射ライン２８は、溶湯５ｃの表面上において、リップ部３６を取り囲むように配置される。照射ライン２８の両端は、ハース３０の側壁３７Ｄ（第１の側壁）の内側面の近傍に位置する。ここで「近傍」とは、照射ライン２８の両端と側壁３７の内側面との間の距離が５ｍｍ以下の範囲内であることを意味する。照射ライン２８の両端が側壁３７Ｄの近傍に配置されることで、照射ライン２８の両端と側壁３７Ｄとの隙間を不純物がすり抜けて、リップ部３６へ向かうことを適切に抑制できる。
【０１３８】
なお、図１５に示す例の照射ライン２８は、Ｖ字型のラインであるが、リップ部３６を取り囲むように配置される線状であれば、例えば、円弧状、楕円状、その他の曲線状、コの字型、Ｕ字型、波線状、ジグザグ状、二重線状、帯状などであってもよい。
【０１３９】
上記の照射ライン２８に沿って電子ビームを集中的に照射することにより、溶湯５ｃの表面の照射ライン２８付近に、上記溶湯表面温度Ｔ０よりも高い表面温度Ｔ４を有する高温領域が形成される。当該照射ライン２８における溶湯５ｃの表面温度Ｔ４（以下、「第２ライン照射温度Ｔ４」と称する。）は、上記溶湯表面温度Ｔ０よりも高く（Ｔ４＞Ｔ０）、上記原料供給温度Ｔ１よりも高いことが好ましい（Ｔ４＞Ｔ１＞Ｔ０）。第２ライン照射温度Ｔ４は、例えば、１９２３Ｋ〜２４７３Ｋであり、好ましくは１９７３Ｋ〜２４２３Ｋである。
【０１４０】
［３．３．第２ライン照射用の電子ビームの設定］
第３の実施形態では、図１５に示したように、リップ部３６を取り囲む照射ライン２８に対して電子ビームを集中的に照射することにより、照射ライン２８からリップ部３６とは反対側に向かう溶湯流６８を形成する。この溶湯流６８によって、ＬＤＩ８等の不純物を含む溶湯流がリップ部３６に流入しないように、リップ部３６の周囲をガードする。かかる第２ライン照射用の電子ビームは、第２ライン照射温度Ｔ４を所定範囲に維持できれば、照射ライン２８に対して連続的に照射されてもよいし、断続的に照射されてもよい。また、第２ライン照射用の電子ビームの伝熱量、走査速度及び熱流束分布等の照射条件は、電子ビームを照射する設備スペックにより制約される。したがって、電子ビームの照射条件を設定する場合には、設備スペックの範囲内で、できるだけ、電子ビームの伝熱量を大きく、走査速度を速く、熱流束分布を狭く（電子ビームの絞りを小さく）することが好ましい。
【０１４１】
また、照射ライン２８に対する電子ビームの照射（第２ライン照射）は、１つの電子銃により行ってもよく、複数の電子銃により行ってもよい。さらに、第２ライン照射用の電子銃は、上記ライン照射用の電子銃２０Ｅ（図３参照。）と兼用することが好ましい。これにより、ＥＢ炉１における電子銃の設置数を低減し、設備コストを低減できるとともに、既設の電子銃を有効利用できる。しかし、かかる例に限定されず、第２ライン照射用の電子銃は、上記スポット照射用の電子銃（図示せず。）を用いてもよく、あるいは、原料溶解用の電子銃２０Ａ、２０Ｂまたは溶湯保温用の電子銃２０Ｃ、２０Ｄ（図３参照。）等の他用途の電子銃を兼用してもよい。
【０１４２】
［３．４．変更例］
次に、図１６を参照して、上記第３の実施形態の変更例について説明する。図１６は、第３の実施形態の変更例に係る金属鋳塊の製造方法により形成された溶湯流の一例を示す平面図である。
【０１４３】
当該変更例に係る金属鋳塊の製造方法は、図１５に示した第３の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法に、さらに、上記第２の実施形態に係るスポット照射（図１２等を参照。）を適用した例である。図１６に示すように、当該変更例では、照射ライン２５に対するライン照射（第１の実施形態）と、照射スポット２７に対するスポット照射（第２の実施形態）と、照射ライン２８に対する第２ライン照射（第３の実施形態）とが組合せられている。ここで、照射ライン２５と照射スポット２７と照射ライン２８は、相互に干渉しないように、それぞれの配置が調整されている。
【０１４４】
かかる組合せにより、第１の実施形態に係るライン照射や第２の実施形態に係るスポット照射によっても、ＬＤＩ８等の不純物を完全に除去しきれずに、一部の不純物が溶湯流に乗ってリップ部３６に向かったとしても、最終的にリップ部３６付近の照射ライン２８で、当該不純物がリップ部３６に流入することを防止できる。よって、リップ部３６からモールド４０に不純物が流出することを、より一層確実に防止できる。
【実施例】
【０１４５】
次に、本発明の実施例について説明する。下記の実施例は、本発明の効果を検証するための具体例に過ぎず、本発明は以下の実施例に限定されない。【０１４６】
（１）ライン照射の実施例
まず、表１及び図１８〜図２６を参照して、上述の本発明の第１の実施形態に係るライン照射によるＬＤＩの除去効果を検証するシミュレーションを行った実施例について説明する。【０１４７】
本実施例では、原料５として例えばチタン合金を用い、図３に示したショートハース内に貯留されたチタン合金の溶湯５ｃに対して、照射ライン２５に対して電子ビームを照射したときの、ハース３０内の溶湯流をシミュレーションした。そして、ハース３０内の溶湯５ｃの温度分布、ＬＤＩの挙動、及びハース３０からのＬＤＩの流出量について検証した。【０１４８】
表１に、本実施例のシミュレーション条件と評価結果を示す。【０１４９】
【表１】
2018190419.tif 000004
【０１５０】
表１に示す実施例１〜７のシミュレーションでは、図４に示したように、側壁３７Ａ、３７Ｂに平行な２本の直線状の供給ライン２６、２６と、当該供給ライン２６に平行な２本の直線状の照射ライン２５、２５を配置した。そして、供給ライン２６、２６に沿って原料供給温度Ｔ１の溶融チタン合金を滴下しながら、ハース３０内の溶湯５ｃの保温照射領域２３に対して保温用の電子ビームを照射して（保温照射）、溶湯５ｃの表面温度を溶湯表面温度Ｔ０に保持し、かつ、照射ライン２５、２５に対して、ライン照射用の電子ビームを集中的に照射した（ライン照射）。【０１５１】
一方、比較例１として、図１７に示すように、ハース３０内の溶湯５ｃの保温照射領域２３に対して保温用の電子ビームを照射しつつも、照射ライン２５、２５に対するライン照射を行わない場合についても、同様のシミュレーションを行った。なお、表１に示す実施例１〜７及び比較例１のシミュレーションでは、照射スポット２７に対する電子ビームをスポット照射は行わなかった。【０１５２】
実施例１〜７及び比較例１における各種の温度Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、ライン照射用の電子ビームの出力Ｑ２、照射ライン２５と供給ライン２６との距離Ｌ、温度勾配ΔＴ／Ｌ等は、上記表１の通りとした。【０１５３】
各シミュレーションでは、溶湯５ｃの流れや温度は電子ビームの照射によって時々刻々変化するため、非定常計算を行った。ＬＤＩは、窒化チタンであり、窒化チタンの粒径が３．５ｍｍであり、窒化チタンの密度が溶湯５ｃより１０％小さいと仮定して、シミュレーションを実施した。また、実施例１〜７及び比較例１では、ライン照射用の１本の電子銃を用いて、各照射ライン２５、２５を一端から他端にかけて電子ビームで走査することにより、各照射ライン２５、２５に対して電子ビームを集中的に照射した。ライン照射温度Ｔ２は、時間的及び空間的に変動するが、平均すると、表１に示す通りとなった。【０１５４】
また、表１に示すように、実施例１〜７及び比較例１では、ＬＤＩの除去効果を４段階で評価した（Ａ〜Ｄ評価）。各実施例１〜７におけるハース３０からの単位時間当たりのＬＤＩの流出量［ｇ／ｍｉｎ］を、比較例１におけるハース３０からの単位時間当たりのＬＤＩの流出量［ｇ／ｍｉｎ］を基準値（１００％）として、以下の評価基準で評価した。
Ａ評価：  ＬＤＩの流出量が０．１％未満、またはＬＤＩの流出が検出されず。
Ｂ評価：  ＬＤＩの流出量が０．１％以上、１％未満
Ｃ評価：  ＬＤＩの流出量が１％以上、５％未満
Ｄ評価：  ＬＤＩの流出量が１００％（基準値）【０１５５】
次に、実施例１〜７及び比較例１のシミュレーション結果と、ＬＤＩの流出量の評価について説明する。図１８は、実施例１の溶湯５ｃの流れを示す流線図である。図１９〜図２５はそれぞれ、実施例１〜７のシミュレーション結果を示し、図２６は、比較例１のシミュレーション結果を示す。【０１５６】
図１９〜図２５では、照射ライン２５に対して走査されるライン照射用の電子ビームの照射位置が代表的な６つの位置にあるときの、ハース３０内の溶湯５ｃの表面の温度分布と、溶湯５ｃの表面を流動するＬＤＩの挙動とを表している。これら図１９〜図２５中の左側の温度分布図において、丸を付けた温度が高い領域が、その時点での照射ライン２５に対する電子ビームの照射位置を示し、上下２本の帯状の温度の高い部分が、２本の供給ライン２６、２６を示し、ハースの内側面近傍の低温部分は、スカル７が形成されている部分を示す。また、図１９〜図２５中の右側の流線図において、非直線状に描かれている流線が、ＬＤＩの流動軌跡を示す。【０１５７】
実施例１では、図１８及び図１９に示すように、供給ライン２６の内側の照射ライン２５に沿って高温領域が形成され、照射ライン２５から供給ライン２６を越えてハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向かう溶湯流６１が形成されている。このため、図１９に示すように、供給ライン２６付近のＬＤＩは全て、溶湯流６１に乗って側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動しており、リップ部３６からモールド４０側に延びる流線はない。このことから、ハース３０内のＬＤＩは、側壁３７Ａ、３７Ｂのスカル７に捕捉されており、リップ部３６からモールド４０に流出していないことが分かる。この結果、実施例１では、ＬＤＩ流出量が０．１％未満と非常に低く、ＬＤＩ除去効果はＡ評価であった。【０１５８】
同様に、図２０に示す実施例２、及び図２１に示す実施例３でも、照射ライン２５から側壁３７Ａ、３７Ｂに向かう溶湯流６１により、供給ライン２６付近のＬＤＩの全てを側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動させて、スカル７に捕捉させることで、ＬＤＩがリップ部３６からモールド４０に流出することを防止できていることが分かる。この結果、実施例２、３でも、ＬＤＩ流出量が比較例１の０．１％未満と非常に低く、ＬＤＩ除去効果はＡ評価であった。【０１５９】
この理由は次の通りと考えらえる。上記の実施例１〜３ではいずれも、ライン照射温度Ｔ２は原料供給温度Ｔ１よりも高く、かつ、供給ライン２６と照射ライン２５の間の温度勾配ΔＴ／Ｌが、０．００Ｋ／ｍｍ以上と大きい。このため、照射ライン２５から供給ライン２６を横切って側壁３７Ａ、３７Ｂに向かう強い溶湯流６１を形成できるので、ＬＤＩがリップ部３６に向かわないように適切に制御して、ＬＤＩの流出を確実に防止できたと考えられる。【０１６０】
次に、実施例４及び実施例５では、図２２及び図２３に示すように、供給ライン２６付近のＬＤＩが照射ライン２５を越えてハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央部側に流出することは防止できたものの、一部のＬＤＩが、供給ライン２６と照射ライン２５の間の帯状領域Ｓ３を、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）に向かって流動した。このため、実施例４、５では、比較例１と比べて、リップ部３６からのＬＤＩの流出を大幅に抑制することはできたものの、わずかな量のＬＤＩがリップ部３６から流出した。この結果、実施例４、５では、ＬＤＩ流出量が比較例１の０．１％以上、１％未満であり、ＬＤＩ除去効果はＢ評価であった。【０１６１】
この理由は次の通りと考えらえる。実施例４、５では、ライン照射温度Ｔ２が原料供給温度Ｔ１よりも低く、かつ、温度勾配ΔＴ／Ｌが、−２．７０Ｋ／ｍｍ以上、０．００Ｋ／ｍｍ未満であり、上記実施例１〜３の温度勾配ΔＴ／Ｌよりも小さい。このため、実施例４、５では、図８に示したように照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１が、供給ライン２６から照射ライン２５に向かう溶湯流６２を抑え込むことができず、供給ライン２６と照射ライン２５間の帯状領域Ｓ３にＹ方向の溶湯流６６が形成される。このため、当該溶湯流６６に乗って一部のＬＤＩがリップ部３６に向かったと考えられる。【０１６２】
また、上記実施例１〜３と実施例４、５の比較結果によれば、実施例１〜３（Ｔ２≧Ｔ１、ΔＴ／Ｌ≧０．００）の方が、実施例４、５（Ｔ２＜Ｔ１、−２．７０≦ΔＴ／Ｌ＜０．００）よりも、ライン照射によりＬＤＩの流出を防止する効果に優れるといえる。【０１６３】
次に、実施例６及び実施例７では、図２４及び図２５に示すように、照射ライン２５付近の高温領域により、供給ライン２６付近のＬＤＩが、ハース３０の幅方向（Ｘ方向）中央部に向かうことをある程度抑制できた。しかし、一部のＬＤＩが、供給ライン２６から照射ライン２５を越えてハース３０の幅方向（Ｘ方向）中央部に向かって流動し、当該中央部をリップ部３６に向けてＹ方向に流動し、ある程度の量のＬＤＩがリップ部３６から流出した。この結果、実施例６、７では、ＬＤＩ流出量が比較例１の１％以上、５％未満であり、ＬＤＩ除去効果はＣ評価であった。【０１６４】
この理由は次の通りと考えらえる。実施例６、７では、ライン照射温度Ｔ２が原料供給温度Ｔ１よりも低く、かつ、温度勾配ΔＴ／Ｌが、−２．７０Ｋ／ｍｍ未満であり、上記実施例４、５の温度勾配ΔＴ／Ｌよりも更に小さい。このため、実施例６、７では、図９に示したように一部の領域で、供給ライン２６から照射ライン２５に向かう溶湯流６２が照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１よりも優位になった。このため、供給ライン２６から照射ライン２５を横切る溶湯流６７が形成され、一部のＬＤＩがハース３０の中央部に漏れ出したと考えられる。【０１６５】
また、実施例１〜５と実施例６、７の比較結果によれば、実施例１〜５（ΔＴ／Ｌ≧−２．７０）の方が、実施例６、７（ΔＴ／Ｌ＜−２．７０）よりも、ライン照射によりＬＤＩの流出を防止する効果に優れるといえる。【０１６６】
一方、比較例１では、図１７に示すように、照射ライン２５に対して電子ビームが照射されない。このため、図２６に示すように、供給ライン２６の高温領域からハース３０の中央部に向かってＬＤＩが自由に流動し、ハース３０の中央部の溶湯流６０に乗って、大量のＬＤＩがリップ部３６からモールド４０に流出した。本発明によるＬＤＩ除去効果を得られない比較例１の結果をＤ評価とし、他の実施例の基準とした。【０１６７】
以上、実施例１〜７と比較例１のシミュレーション結果について説明した。これによれば、実施例１〜７のように照射ライン２５に対して電子ビームを集中的にライン照射することにより、供給ライン２６付近に滞留するＬＤＩの流動を制限して、ＬＤＩがリップ部３６に向かうことを抑制でき、リップ部３６からのＬＤＩの流出量を比較例１の５％未満に低減できることが実証されたといえる。特に、ライン照射によりＬＤＩの流出を防止し、ＬＤＩ除去効果を高める観点からは、実施例４、５（−２．７０≦ΔＴ／Ｌ＜０．００）が好ましく、実施例１〜３（ΔＴ／Ｌ≧０．００）が更に好ましいことが実証されたといえる。【０１６８】
（２）ライン照射及びスポット照射の実施例
次に、表２及び図２７〜図３２を参照して、上述の本発明の第２の実施形態に係るライン照射とスポット照射の組合せによるＬＤＩの除去効果を検証するシミュレーションを行った実施例について説明する。【０１６９】
本実施例では、原料５として例えばチタン合金を用い、図３に示したショートハース内に貯留されたチタン合金の溶湯５ｃに対して、照射ライン２５に対して電子ビームを照射し、かつ、照射スポット２７に対して電子ビームを照射したときの、ハース３０内の溶湯流をシミュレーションした。そして、ハース３０内の溶湯５ｃの温度分布、ＬＤＩの挙動、及びハース３０からのＬＤＩの流出量について検証した。【０１７０】
表２に、本実施例のシミュレーション条件と評価結果を示す。【０１７１】
【表２】
2018190419.tif 000005
【０１７２】
表２に示す実施例８〜１２のシミュレーションでは、図１２に示したように、側壁３７Ａ、３７Ｂに平行な２本の直線状の供給ライン２６、２６と、当該供給ライン２６に平行な２本の直線状の照射ライン２５、２５を配置し、二組の照射ライン２５と供給ライン２６の間の帯状領域Ｓ３、Ｓ３のリップ部３６側の端部に、照射スポット２７、２７を配置した。そして、供給ライン２６、２６に沿って原料供給温度Ｔ１の溶融チタン合金を滴下しながら、ハース３０内の溶湯５ｃの保温照射領域２３に対して保温用の電子ビームを照射して（保温照射）、溶湯５ｃの表面温度を溶湯表面温度Ｔ０に保持し、かつ、照射ライン２５、２５に対して、ライン照射用の電子ビームを集中的に照射し（ライン照射）、照射スポット２７、２７にスポット照射用の電子ビームを集中的に照射した（スポット照射）。【０１７３】
一方、比較例２として、図１７に示したように、溶湯５ｃに対して保温照射しつつも、照射ライン２５、２５に対するライン照射と、照射スポット２７、２７に対するスポット照射を行わない場合についても、同様のシミュレーションを行った。【０１７４】
実施例８〜１２及び比較例２における各種の温度Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、ライン照射用の電子ビームの出力Ｑ２、スポット照射用の電子ビームの出力Ｑ３、照射ライン２５と供給ライン２６との距離Ｌ、温度勾配ΔＴ／Ｌ等は、上記表２の通りとした。その他の条件は、上記実施例１〜７のシミュレーション条件と同一とした。また、ＬＤＩの除去効果の評価基準（Ａ〜Ｄの４段階評価）については、比較例１に替えて、比較例２を基準値（１００％）とする点以外は、上記実施例１〜７の評価基準と同一とした。【０１７５】
次に、実施例８〜１２及び比較例２のシミュレーション結果と、ＬＤＩの流出量の評価について説明する。図２７〜図３１はそれぞれ、実施例８〜１２のシミュレーション結果を示し、図３２は、比較例２のシミュレーション結果を示す。なお、図２７〜図３１の左側の温度分布図において、供給ライン２６、２６の右端側にある温度の高い２つのスポットは、上記照射スポット２７、２７を示す。【０１７６】
実施例８では、図２７に示すように、供給ライン２６付近のＬＤＩが照射ライン２５を越えてハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央部側に流出することは防止できたものの、一部のＬＤＩが、供給ライン２６と照射ライン２５の間の帯状領域Ｓ３を、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）に向かって流動した。しかし、帯状領域Ｓ３のリップ部３６側の端部（図の右端）では、照射スポット２７に対して電子ビームが集中的に照射されているので、図２７の右側の流線図に示すように、ＬＤＩは、当該照射スポット２７の位置を越えてリップ部３６に向けて流動せず、ＬＤＩがリップ部３６からモールド４０に流出することを防止できていることが分かる。この結果、実施例８でも、ＬＤＩ流出量が比較例２の０．１％未満と低く、ＬＤＩ除去効果はＡ評価であった。【０１７７】
同様に、実施例９及び実施例１０でも、図２８及び図２９の右側の流線図に示すように、ＬＤＩは、帯状領域Ｓ３の右端の照射スポット２７の位置を越えてリップ部３６に向けて流動していないことが分かる。この結果、実施例９及び実施例１０でも、ＬＤＩ流出量が比較例２の０．１％未満と低く、ＬＤＩ除去効果はＡ評価であった。【０１７８】
この理由は次の通りと考えらえる。実施例８〜１０では、温度勾配ΔＴ／Ｌが−２．７０Ｋ／ｍｍ以上、０．００Ｋ／ｍｍ未満であるため、図８に示したように照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１が、供給ライン２６から照射ライン２５に向かう溶湯流６２を抑え込むことができず、供給ライン２６と照射ライン２５間の帯状領域Ｓ３にＹ方向の溶湯流６６が形成される。ここで、上記実施例４、５のようにスポット照射しない場合には、図８に示した溶湯流６１に乗って一部のＬＤＩがリップ部３６に向かうと考えられる。しかし、実施例８〜１０では、図１２に示したように、帯状領域Ｓ３の溶湯流６６のリップ部３６側の端部に位置する照射スポット２７に対して電子ビームを照射して、Ｔ１よりも高いスポット照射温度Ｔ３の高温領域を形成した。このため、照射スポット２７の位置で、溶湯流６６に含まれるＬＤＩの窒化チタンが熱により溶湯５ｃに溶解して、除去されたと考えられる。【０１７９】
次に、実施例１１では、図３０に示すように、照射ライン２５から側壁３７Ａ、３７Ｂに向かう溶湯流６１により、供給ライン２６付近のＬＤＩの全てを側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動させて、スカル７に捕捉させることで、ＬＤＩがリップ部３６からモールド４０に流出することを防止できていることが分かる。この結果、実施例１１では、ＬＤＩ流出量が比較例２の０．１％未満と低く、ＬＤＩ除去効果はＡ評価であった。【０１８０】
この理由は次の通りと考えらえる。上記の実施例１１では、ライン照射温度Ｔ２は原料供給温度Ｔ１よりも高く、かつ、供給ライン２６と照射ライン２５の間の温度勾配ΔＴ／Ｌが、＋０．７０Ｋ／ｍｍであり、上記閾値である０．００Ｋ／ｍｍよりも十分に大きい。このため、照射ライン２５から供給ライン２６を横切って側壁３７Ａ、３７Ｂに向かう強い溶湯流６１を形成できるので、ＬＤＩがリップ部３６に向かわないように適切に制御して、ＬＤＩの流出を確実に防止できたと考えられる。従って、本実施例１１では、たとえスポット照射を行わなかったとしても、ＬＤＩの流出を十分に防止できたと考えられる。【０１８１】
次に、実施例１２では、図３１に示すように、照射ライン２５付近の高温領域により、供給ライン２６付近のＬＤＩがハース３０の幅方向（Ｘ方向）中央部に向かうことを、ある程度抑制できた。しかし、一部のＬＤＩが、供給ライン２６から照射ライン２５を越えてハース３０の幅方向（Ｘ方向）中央部に向かって流動し、当該中央部をリップ部３６に向けてＹ方向に流動し、ある程度の量のＬＤＩがリップ部３６から流出した。この結果、実施例１２では、ＬＤＩ流出量が比較例２の１％以上、５％未満であり、ＬＤＩ除去効果はＣ評価であった。【０１８２】
この理由は次の通りと考えらえる。実施例１２では、ライン照射温度Ｔ２が原料供給温度Ｔ１よりも低く、かつ、温度勾配ΔＴ／Ｌが、−３．６０Ｋ／ｍｍであり、上記閾値である−２．７０Ｋ／ｍｍよりも低い。このため、実施例１２では、図９に示したように一部の領域で、供給ライン２６から照射ライン２５に向かう溶湯流６２が照射ライン２５から供給ライン２６に向かう溶湯流６１よりも優位になった。このため、供給ライン２６から照射ライン２５を横切る溶湯流６７が形成され、一部のＬＤＩがハース３０の中央部に漏れ出したと考えられる。【０１８３】
一方、比較例２では、図１７に示すように、照射ライン２５に対して電子ビームが照射されない。このため、図３２に示すように、供給ライン２６の高温領域からハース３０の中央部に向かってＬＤＩが自由に流動し、ハース３０の中央部の溶湯流６０に乗って、大量のＬＤＩがリップ部３６からモールド４０に流出した。本発明によるＬＤＩ除去効果を得られない比較例２の結果をＤ評価とし、他の実施例の基準とした。【０１８４】
以上、実施例８〜１２と比較例２のシミュレーション結果について説明した。これによれば、実施例８〜１２のように照射スポット２７に電子ビームを集中的にスポット照射することにより、帯状領域Ｓ３をＹ方向に流れる溶湯流６６に含まれるＬＤＩを溶解して、ＬＤＩがリップ部３６に向かうことを抑制でき、リップ部３６からのＬＤＩの流出量を比較例２の５％未満に低減できることが実証されたといえる。特に、実施例８〜１０のように、ΔＴ／Ｌが−２．７０Ｋ／ｍｍ以上、０．００Ｋ／ｍｍ未満であるため、帯状領域Ｓ３において、リップ部３６に向かうＹ方向の溶湯流６６が形成される場合（図９参照。）には、照射スポット２７に電子ビームを集中的にスポット照射することが有効であることが実証されたといえる。【０１８５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。【０１８６】
上記では、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法による溶解対象の金属原料５が、例えば、チタンまたはチタン合金の原料であり、ハース３０とモールド４０を用いてチタンのインゴット５０（鋳塊）を製造する例について主に説明した。しかし、本発明の金属鋳塊の製造方法は、チタン原料以外の各種の金属原料を溶解して、当該金属原料の鋳塊を製造する場合にも適用可能である。特に、電子ビームの照射位置を制御可能である電子銃と、金属原料の溶湯を貯留するハースとを備えた電子ビーム溶解炉を用いて、インゴットを製造することが可能な高融点活性金属、具体的には、チタンのほか、タンタル、ニオブ、バナジウム、モリブデン又はジルコニウム等の金属原料の鋳塊を製造する場合に適用可能である。すなわち本発明は、ここで挙げた各元素を、合計で５０質量％以上含む鋳塊を製造する場合に、特に効果的に適用されうる。
【符号の説明】
【０１８７】
１  電子ビーム溶解炉（ＥＢ炉）
５  金属原料
５ｃ  溶湯
７  スカル
８  ＬＤＩ
１０Ａ、１０Ｂ  原料供給部
２０Ａ、２０Ｂ  原料溶解用の電子銃
２０Ｃ、２０Ｄ  溶湯保温用の電子銃
２０Ｅ  ライン照射用の電子銃
２３  保温照射領域
２５  第１の照射ライン
２６  供給ライン
２７  照射スポット
２８  第２の照射ライン
３０  精錬ハース
３６  リップ部
３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ  第２の側壁
３７Ｄ  第１の側壁
４０  モールド
５０  インゴット
６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７、６８  溶湯流
Ｓ３  帯状領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【国際調査報告】
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