(57)【要約】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た金属鋳塊の製造方法であって、照射ラインは、前記溶湯の表面において前記金属原料が供給される上流領域と前記第１の側壁との間の下流領域に、前記リップ部を塞ぐように、かつ、２つの端部が前記ハースの前記側壁の近傍に位置するように配置される。前記照射ラインに対して、第１の電子ビームを前記溶湯の表面に対して照射し、前記照射ラインに対して前記第１の電子ビームを照射する。これにより、前記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照射ラインから前記第１の側壁とは反対側の方向である上流へ向かう溶湯流を形成する。【選択図】図１
2018190424.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た、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、
照射ラインは、前記溶湯の表面において前記金属原料が供給される上流領域と前記第１の側壁との間の下流領域に、前記リップ部を塞ぐように、かつ、２つの端部が前記ハースの前記側壁の近傍に位置するように照射ラインを配置し、
前記照射ラインに対して、第１の電子ビームを前記溶湯の表面に照射し、
前記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照射ラインから前記第１の側壁とは反対側の方向である上流へ向かう溶湯流を形成する、金属鋳塊の製造方法。
【請求項２】
前記照射ラインの２つの前記端部は、前記第１の側壁の近傍に位置する、請求項１に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項３】
前記照射ラインの２つの端部は、前記側壁の内側面または前記側壁の内側面からの離隔距離が５ｍｍ以下の領域に位置する、請求項１または２に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項４】
前記溶湯流は、前記照射ラインから、前記ハースの側壁のうち前記第１の側壁から前記上流に向かって略垂直に延びる側壁に到達する流れである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項５】
前記照射ラインは、前記リップ部側から前記上流に向かって突出する凸形状を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項６】
前記照射ラインは、Ｖ字形状、または、少なくとも前記リップ部の開口幅以上の直径を有する円弧形状である、請求項５に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項７】
前記照射ラインは、前記２つの端部の間において前記第１の側壁に沿った第１の直線部と、前記第１の直線部から前記上流に向かって略垂直に延びる第２の直線部とからなる、Ｔ字形状である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項８】
前記照射ラインは、前記２つの端部の間において前記第１の側壁に沿った直線形状である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項９】
前記溶湯流は、
前記照射ラインから前記上流に向かい、
かつ、前記ハースの側壁のうち前記第１の側壁から前記上流に向かって略垂直に延びて互いに対向する一対の側壁から中央に向かう流れである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項１０】
前記照射ラインは、前記上流から前記リップ部に向かって突出する凸形状である、請求項９に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項１１】
前記照射ラインは、
前記２つの端部の間において前記第１の側壁に沿った第１の直線部と、
前記第１の直線部の前記２つの端部から、前記ハースの側壁のうち前記第１の側壁から上流に向かって略垂直に延びて互いに対向する一対の側壁にそれぞれ沿った第２の直線部及び第３の直線部と、
からなる、Ｕ字形状である、請求項９に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項１２】
前記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り生じる前記溶湯流のよどみ位置に、第２の電子ビームを照射する、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項１３】
前記溶湯の表面において、前記第１の電子ビームの照射軌跡が交差または重複するように、複数の電子銃を用いて、前記照射ラインに対して複数の前記第１の電子ビームを照射する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項１４】
前記ハースは、１つの精錬ハースのみからなり、
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に滴下させ、前記精錬ハース内の前記溶湯中で前記金属原料を精錬する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項１５】
前記ハースは、複数の分割ハースが組み合わされて連続的に配置された複数段のハースであり、
前記分割ハースそれぞれにおいて、
前記下流領域に前記リップ部を塞ぐように、かつ、前記２つの端部が前記分割ハースの前記側壁の近傍に位置するように配置された前記照射ラインに対して、前記第１の電子ビームを前記溶湯の表面に対して照射する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の金属鋳塊の製造方法。
【請求項１６】
前記金属原料は、チタン元素を５０質量％以上含む、請求項１〜１５のいずれか１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、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、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等して、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ド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ド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た、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、照射ラインは、前記溶湯の表面において前記金属原料が供給される上流領域と前記第１の側壁との間の下流領域に、前記リップ部を塞ぐように、かつ、２つの端部が前記ハースの前記側壁の近傍に位置するように照射ラインを配置し、前記照射ラインに対して、第１の電子ビームを前記溶湯の表面に照射し、前記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照射ラインから前記第１の側壁とは反対側の方向である上流へ向かう溶湯流を形成する、金属鋳塊の製造方法が提供される。【００１４】
本発明によれば、ハース内の溶湯表面に対して上述のような照射ラインに対して電子ビームを照射することで、不純物がハースからモールドへ流出するのを防止し、インゴットに不純物が混入することを防止できる。【００１５】
前記照射ラインの２つの前記端部は、前記第１の側壁の近傍に位置する。【００１６】
前記照射ラインの２つの端部は、前記側壁の内側面または前記側壁の内側面からの離隔距離が５ｍｍ以下の領域に位置する。【００１７】
前記溶湯流は、前記照射ラインから、前記ハースの側壁のうち前記第１の側壁から前記上流に向かって略垂直に延びる側壁に到達する流れであってもよい。【００１８】
前記照射ラインは、前記リップ部側から前記上流に向かって突出する凸形状であってもよい。【００１９】
前記照射ラインは、Ｖ字形状、または、少なくとも前記リップ部の開口幅以上の直径を有する円弧形状であってもよい。【００２０】
前記照射ラインは、前記２つの端部の間において前記第１の側壁に沿った第１の直線部と、前記第１の直線部から前記上流に向かって略垂直に延びる第２の直線部とからなる、Ｔ字形状であってもよい。【００２１】
前記照射ラインは、前記２つの端部の間において前記第１の側壁に沿った直線形状であってもよい。【００２２】
前記溶湯流は、前記照射ラインから前記上流に向かい、かつ、前記ハースの側壁のうち前記第１の側壁から前記上流に向かって略垂直に延びて互いに対向する一対の側壁から中央に向かう流れであってもよい。【００２３】
前記照射ラインは、前記上流から前記リップ部に向かって突出する凸形状であってもよい。【００２４】
前記照射ラインは、前記２つの端部の間において前記第１の側壁に沿った第１の直線部と、前記第１の直線部の前記２つの端部から、前記ハースの側壁のうち前記第１の側壁から上流に向かって略垂直に延びて互いに対向する側壁にそれぞれ沿った第２の直線部及び第３の直線部と、からなる、Ｕ字形状であってもよい。【００２５】
前記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り生じる前記溶湯流のよどみ位置に、第２の電子ビームを照射してもよい。【００２６】
前記溶湯の表面において、前記第１の電子ビームの照射軌跡が交差または重複するように、複数の電子銃を用いて、前記照射ラインに対して複数の前記第１の電子ビームを照射させてもよい。【００２７】
前記ハースは、１つの精錬ハースのみからなり、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に滴下させ、前記精錬ハース内の前記溶湯中で前記金属原料を精錬するようにしてもよい。【００２８】
前記ハースは、複数の分割ハースが組み合わされて連続的に配置された複数段のハースであり、前記分割ハースそれぞれにおいて、前記下流領域に前記リップ部を塞ぐように、かつ、前記２つの端部が前記分割ハースの前記側壁の近傍に位置するように配置された前記照射ラインに対して、第１の電子ビームを前記溶湯の表面に対して照射してもよい。【００２９】
また、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】
【００３０】
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】
【００３１】
【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】本発明の第１の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】図４のＩ−Ｉ切断線における部分断面図である。
【図６】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に形成される溶湯流の一例を示す平面図である。
【図７】同実施形態に係る照射ラインの一例を示す平面図である。
【図８】同実施形態に係る照射ラインの他の一例を示す説明図である。
【図９】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、照射ラインに沿って電子ビームを照射したときに形成さるた溶湯流の一例を示す平面図である。
【図１０】同実施形態に係る照射ラインの形状を説明するための平面図である。
【図１１】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、照射ラインに沿って電子ビームを照射したときに形成される溶湯流の一例を示す平面図である。
【図１２】本発明の第４の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１３】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に形成される溶湯流の一例を示す平面図である。
【図１４】同実施形態に係る照射ラインの一例を示す平面図である。
【図１５】同実施形態に係る照射ラインの一例を示す平面図である。
【図１６】同実施形態に係る照射ラインの変形例であって、Ｖ字形状の照射軌跡を示す平面図である。
【図１７】同実施形態に係る照射ラインの変形例であって、円弧形状の照射軌跡を示す平面図である。
【図１８】同実施形態に係る照射ラインの変形例であって、Ｕ字形状の照射ラインを示す平面図である。
【図１９】複数段ハースの一構成例を示す概略平面図である。
【図２０】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２１】実施例１に係る溶湯の流動を示す流線図である。
【図２２】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２３】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２４】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２５】実施例５の照射ラインを示す説明図である。
【図２６】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２７】実施例６の照射ラインを示す説明図である。
【図２８】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２９】実施例７の照射ラインを示す説明図である。
【図３０】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３１】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３２】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３３】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３４】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３５】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３６】実施例１３に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図３７】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３８】比較例２の照射ラインを示す説明図である。
【図３９】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。
【図４０】比較例３の照射ラインを示す説明図である。
【図４１】比較例３に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図４２】比較例４の照射ラインを示す説明図である。
【図４３】比較例４に係るシミュレーション結果を示す説明図である。
【図４４】溶湯流の挙動に関する実施例の検証結果を示す説明図である。
【図４５】ＬＤＩ溶解促進用の電子ビームの実施例の検証結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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。
【００３３】
［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。
【００３４】
［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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、溶解した原料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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
［１．２．金属鋳塊の製造方法の概要］
次に、図３〜図６に基づいて、本発明の第１の実施形態に係る電子ビーム溶解法によ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、図４のＩ−Ｉ切断線における部分断面図である。図６は、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法により、照射ラインに沿って電子ビームを照射したときに形成される溶湯流の一例を示す平面図である。なお、図４及び図６の平面図は、図３の電子ビーム溶解炉１のハース３０に対応している。
【００４５】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法の目的は、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ある。本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、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課題解決としている。なお、以下の説明では、図３に示したショートハースの電子ビーム溶解炉１を用いた場合について説明するが、本発明はかかる例に限定されず、図１に示したロングハースの電子ビーム溶解炉１Ａについても適用可能である。
【００４６】
かかる目的を達成するために、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に対して、原料５をハース３０内の溶湯５ｃに供給する。そして、ハース３０に貯蔵されている溶湯５ｃの表面に対し、リップ部３６を塞ぐように配置された照射ライン２５に対して電子ビームを照射する。
【００４７】
供給ライン２６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。
【００４８】
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である。なお、供給ライン２６は、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃの内側面に沿った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。
【００４９】
照射ライン２５（本発明の「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、リップ部３６を塞ぐように配置される。照射ライン２５の２つの端部ｅ１、ｅ２は、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄ（以下、「側壁３７」と総称する場合もある。）の近傍に位置する。照射ライン２５は、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。
【００５０】
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。すなわち、側壁３７Ａ、３７Ｂは、側壁３７のうち、リップ部３６が設けられた側壁３７Ｄから上流に向かって略垂直に延びている。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。ここで、「略垂直」とは、通常用いられるハースは矩形であり、ある側壁と、当該側壁に隣接する側壁とは略垂直に交差していることに由来する。すなわち、「略垂直」とは、厳密な垂直を示すものではなく、一般的にハースとして用いることが可能な範囲での誤差は許容される。許容される垂直からの角度誤差は、例えば５°以内である。
【００５１】
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、「リップ部が設けられない側壁」に相当する。
【００５２】
図４に示す例では、ハース３０の溶湯５ｃの表面上に、側壁３７Ａ、３７Ｂに沿った２本の直線状の供給ライン２６が配置されている。さらに、当該供給ライン２６よりもハース３０の長手方向（Ｙ方向）下流側に、リップ部３６を塞ぐように照射ライン２５が配置されている。本発明では、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）において、供給ライン２６を含み、リップ部３６には接しない領域を、上流領域Ｓ２とする。また、ハース３０の長手方向（Ｙ方向）において、上流領域Ｓ２とリップ部３６が設けられている側壁３７Ｄとの間の領域を、下流領域Ｓ３とする。以下の説明では、ハース３０内の領域を、２つの供給ライン２６におけるリップ部３６側の端点を結ぶ直線により、上流領域Ｓ２と下流領域Ｓ３とに分割して説明する。
【００５３】
照射ライン２５は、下流領域Ｓ３に配置される。照射ライン２５の２つの端部ｅ１、ｅ２は、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄの近傍に位置する。図４に示す例では、端部ｅ１、ｅ２は、側壁３７Ｄの近傍に位置している。ここで、端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の近傍に位置するとは、端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の内側面または側壁３７の内側面からの離隔距離ｘが５ｍｍ以下の領域に位置することをいう。かかる領域に第１の電子ビームが照射される。なお、ハース３０の側壁３７の内側面には、溶湯５ｃが凝固したスカル７と呼ばれる凝固層が形成されている（図５、図６参照）。側壁３７の近傍にスカル７が形成されていたとしても問題はなく、スカル７に第１の電子ビームが照射されてもよい。
【００５４】
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。
【００５５】
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、１９２３（チタン合金の融点）〜２３２３Ｋであり、好ましくは１９７３〜２２７３Ｋである。
【００５６】
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５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、１９２３〜２４２３Ｋであり、好ましくは１９７３〜２３７３Ｋである。
【００５７】
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に対して照射ライン２５に対して集中的に照射する。この電子ビームの集中照射により、下流領域Ｓ３においてリップ部３６を塞ぐように、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、１９２３〜２４７３Ｋであり、好ましくは１９７３〜２４２３Ｋである。
【００５８】
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６に示すように、溶湯５ｃの表層において、照射ライン２５から側壁３７Ｄとは反対側の方向である上流へ向かう（すなわち、Ｙ方向の負側に向かう）溶湯流６１（本発明の「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。
【００５９】
ハース３０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６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に流動する。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とに区分される。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、図５に示すように、溶湯５ｃの表層の流れに乗って移動する。
【００６０】
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の表面に対し、２つの端部ｅ１、ｅ２がハース３０の側壁３７に位置し、かつ、リップ部３６を塞ぐように配置された照射ライン２５に対して、電子ビームを照射する。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６に示すように、溶湯５ｃの表層において、照射ライン２５から上流へ向かう溶湯５ｃの表層流れ（溶湯流６１）を形成する。溶湯流６１は、ハース３０の溶湯５ｃの表面に浮遊するＬＤＩ８をリップ部３６から離れる方向に移動させることにより、ＬＤＩ８がモールド４０に流出することを防ぐ。
【００６１】
流体の表面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。マランゴニ対流はチタンを代表とする主な金属においては、高温領域から低温領域に向かう流れである。
【００６２】
図４に示すように、供給ライン２６に沿って原料５がハース３０内の溶湯５ｃに滴下されるときにおいて、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、既にハース３０内に既に貯留されている溶湯温度Ｔ０よりも高い場合を考える。この場合、図５に示すように、溶融された原料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５及び図６に示すように、溶湯５ｃの表層において、領域Ｓ１から側壁３７Ｂへ向かう溶湯流６３、及び、領域Ｓ１からハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央部へ向かう溶湯流６２が形成される。
【００６３】
すると、図６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。左右一対の供給ライン２６の各々からハース３０の中央部へ向かう溶湯流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（図６参照。）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に向けて流動する。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、リップ部３６に向かう溶湯流６０に乗って流動するＬＤＩをハース３０の上流側へ押し戻し、リップ部３６から遠ざける溶湯５ｃの表層流を形成するのが好ましい。
【００６４】
そこで、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、図４及び図６に示すように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄの近傍に位置し、リップ部３６を塞ぐように、上流側に突出するＶ字形状の照射ライン２５に対して電子ビームを溶湯５ｃの表面に照射する。これにより、照射ライン２５付近の領域の溶湯５ｃの表面温度Ｔ２を上昇させ、照射ライン２５付近の領域と保温照射領域２３とにおいて、溶湯５ｃの表面温度に温度勾配を生じさせる。この結果、マランゴニ対流が発生し、図６に示すように、溶湯５ｃの表層に、照射ライン２５から上流側に向かう溶湯流６１が発生する。この溶湯流６１により、ＬＤＩ等の不純物の流動を制御して、リップ部３６に向かって下流側に流動してきた不純物を、照射ライン２５よりも上流側へ押し戻す。これにより、不純物をリップ部３６から流出するのを抑制することができる。
【００６５】
このとき、照射ライン２５を、例えば図４及び図６に示すＶ字形状のように上流側に突出する形状とすることで、リップ部３６へ向かう溶湯流６１がハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向かうようなマランゴニ対流を発生させることができる。すなわち溶湯流６１は、図６において、Ｙ軸方向には上流方向（リップ部３６から離れる方向）への流れであり、かつ、Ｘ軸方向にはリップ部３６から離れる方向への流れである。これにより、溶湯流６１は、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、照射ライン２５よりも上流側であって、かつ、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて移動させる。
【００６６】
側壁３７Ａ、３７Ｂに向かって移動したＬＤＩ８の一部は、ハース３０の側壁３７の内側面に形成されたスカル７に固着し、ハース３０内の溶湯５ｃ中を移動しなくなる。あるいは、ハース３０内を循環する間に、ＬＤＩ８は徐々に溶解する。特に、照射ライン２５の近辺の溶湯５ｃは高温であるため、ＬＤＩ８の溶解が促進される。このように、照射ライン２５に対して電子ビームを照射することによって、不純物を照射ライン２５で塞いてせき止めるだけでなく、不純物を側壁３７Ａ、３７Ｂの内側面に形成されたスカル７に捕捉させたり、あるいは、ＬＤＩ８の主成分である窒化チタン等の溶解を促進したりすることで、リップ部３６からの不純物の流出を抑制できる。
【００６７】
このように、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よりも下流側にある照射ライン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の高温領域から上流へ向かう溶湯流６１を形成することで、リップ部３６側へ流動してきたＬＤＩ等の不純物を照射ライン２５よりも上流側に押し戻す。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。その結果、不純物がインゴットに混入することを抑制できる。
【００６８】
［１．３．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。
【００６９】
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を含む上流領域Ｓ２と側壁３７Ｄとの間の下流領域Ｓ３に配置される照射ライン２５に対して、電子ビームを照射する。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。
【００７０】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、照射ライン２５は、図６に示すように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄに位置し、リップ部３６を塞ぐように、上流側に突出するＶ字形状である。この照射ライン２５に対して溶湯５ｃの表面に電子ビームを照射することによって、照射ライン２５から上流へ向かう溶湯流６１を生じさせる。その結果、リップ部３６のある下流へ向かう溶湯流６０は上流へ押し戻され、ＬＤＩ等の不純物がハース３０からモールド４０へ流出することを抑制できる。
【００７１】
この際、ハース３０の中央からリップ部３６へ向かう溶湯流６０が、照射ライン２５をすり抜けてリップ部３６へ向かわないように、照射ライン２５の配置を適切に設定することが好ましい。そこで、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が配置された上流領域Ｓ２とリップ部３６との間を、照射ライン２５により確実に区分する。このため、照射ライン２５の２つの端部ｅ１、ｅ２を側壁３７の近傍に位置させる。端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の近傍に位置するとは、端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の内側面または側壁３７の内側面からの離隔距離ｘが５ｍｍ以下の領域に位置することをいう。かかる領域内であれば、ＬＤＩ等の不純物が側壁３７と照射ライン２５の端部ｅ１、ｅ２との間をすり抜けることがなく、上流領域Ｓ２からリップ部３６への流路を確実に塞ぐことができる。なお、上述したように、側壁３７の近傍にスカル７が形成されていたとしても問題はなく、スカル７に第１の電子ビームが照射されてもよい。
【００７２】
また、図４のＸ方向における照射ライン２５の幅（以下、「照射ライン幅」と称する。）ｂは、少なくともリップ部３６の開口幅ｂ０よりも大きくする必要がある。照射ライン幅ｂがリップ部３６の開口幅ｂ０よりも小さい場合には、電子ビームが照射されない部分で、上流領域Ｓ２からリップ部３６へ向かう溶湯５ｃの表層の流れができてしまい、ＬＤＩがモールド４０側へ流出する可能性がある。なお、照射ライン幅ｂは、ハース３０の幅よりも小さければよいが、照射ライン幅ｂが大きくなるほど、照射ライン２５を１回走査するために必要な時間が長くなる。照射ライン２５を１回走査するために必要な時間が長くなると、電子ビームの照射によってハース３０の側壁に向かう溶湯流６１が弱まり、ＬＤＩがリップ部３６へ流出する可能性が高まる。
【００７３】
さらに、照射ライン２５が上流に向かって突出する高さである照射ライン高さｈは、当該電子ビームの照射によって形成される溶湯流６１と走査時間とを考慮して決定される。ここで、照射ライン高さｈは、照射ライン２５の頂点から、照射ライン２５の２つの端部ｅ１、ｅ２を結んだ直線と照射ライン２５の頂点を通りＹ方向に延びる直線との交点までの距離とする。照射ライン高さｈが大きくなるほど、図４に示すようなＶ字形状の照射ライン２５に対して電子ビームを照射することで形成される溶湯流６１は、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向かうものとなる一方、１回の走査に要する時間は長くなる。そこで、溶湯流６１を側壁３７Ａ、３７Ｂへ向けつつ、かつ、走査に要する時間がなるべく短くなるように、照射ライン高さｈを設定するのが好ましい。
【００７４】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法において、照射ライン２５の頂点の位置は、図４に示すように、ハース３０の幅中心を通る直線（「中心線」ともいう。）上に設定することに限定されない。しかし、図４に示すように、照射ライン２５の頂点及びリップ部３６の開口幅中心は、ハース３０の中心線上にあることが望ましい。中心線上に照射ライン２５の頂点を設けることで、図６に示すように、溶湯流６１を中心線に対して対称とすることができる。このような電子ビームの照射により、溶湯５ｃの表層の流れの向きを照射ライン２５から距離が近い側壁３７Ａ、３７Ｂへと向かわせて、ＬＤＩ等の不純物をスカル７に固着させる確度を上げることができる。
【００７５】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法の電子ビームの照射ライン２５は、リップ部３６から上流へ突出する凸形状であればよく、図４に示したＶ字形状以外の形状であってもよい。例えば、照射ライン２５は、放物線等の曲線形状であってもよい。あるいは、照射ライン２５は、例えば図７に示すように、略半円の円弧形状であってもよい。このとき、円弧形状の照射ライン２５は、リップ部３６の開口幅ｂ０以上の直径を有する。具体的には、図７に示すように、リップ部３６の開口幅中心を通る直線上に中心を有し、少なくともリップ部３６の開口幅ｂ０以上の直径を有する円周の一部となるように設定する。
【００７６】
この場合にも、図４と同様に、供給ライン２６において滴下された原料５の温度が、既にハース３０内に貯留されている溶湯５ｃよりも高温の場合は、図６に示した溶湯流６０、６１、６２に対応する溶湯流が形成される。すなわち、供給ライン２６において滴下された原料５は、それぞれハース３０の幅方向（Ｘ方向）中央に向かって流れ、これらの溶湯流６２が当たるハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央においてリップ部３６に向かう溶湯流６０となる。
【００７７】
また、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄの近傍に位置し、リップ部３６を塞ぐように、照射ライン２５を設定する。このような照射ライン２５に対して電子ビームを溶湯５ｃの表面に照射する。これにより、マランゴニ対流を発生させ、リップ部３６へ向かう溶湯流６０を、ハース３０の上流側であって、かつ、側壁３７Ａ及び３７Ｂに向かう方向に誘導する。その結果、ハース３０の側壁３７に形成されたスカル７にＬＤＩを固着させ、ＬＤＩが溶湯５ｃ中を移動しないようにすることができる。あるいは、ハース３０に貯留された溶湯５ｃ中を循環する間に、ＬＤＩを溶解させることも可能である。
【００７８】
なお、照射ライン２５に対して電子ビームが照射される実際の照射位置は、厳密に照射ライン２５上になくともよい。電子ビームが照射される実際の照射位置は、おおよそ目標とする照射ライン２５上であればよく、実際の電子ビームの照射軌跡が目標とする照射ライン２５から制御上ずれる範囲であれば問題ない。また、照射ライン２５の２つの端部ｅ１、ｅ２は、ハース３０の側壁３７内表面の近傍に位置される。端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の近傍に位置するとは、端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の内側面または側壁３７の内側面からの離隔距離ｘが５ｍｍ以下の領域に位置することをいう。かかる領域において照射ライン２５の端部ｅ１、ｅ２が設定され、電子ビームが照射されるが、ハース３０の側壁３７の内側面にスカル７が形成されていたとしても問題はなく、スカル７に電子ビームが照射されてもよい。
【００７９】
また、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法において、電子ビームの照射ライン２５の配置は、下流領域Ｓ３の内部に、「２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７（３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄのいずれか）の近傍にあり」、「照射ライン２５がリップ部３６を塞ぐように（上流領域Ｓ２とリップ部３６との間を、照射ライン２５により確実に区分するように）」である限り、任意の形態をとることができる。図４または図７で示された様態はあくまで例示であり、これらの例に比べて照射ライン２５が側壁３７Ｄから離れたものであっても許容される。
【００８０】
例えば、図８に示すように、供給ライン２６を含む上流領域Ｓ２が、ハース３０の長手方向の上流側に配置されている場合には、上流領域Ｓ２と側壁３７Ｄとの間の下流領域Ｓ３は、図４に示す場合よりも広くなる。しかし、照射ライン２５は、下流領域Ｓ３であれば配置可能であるため、図８に示すように、ハース３０の長手方向の中央部に配置することも可能である。このとき、照射ライン２５の２つの端部ｅ１、ｅ２は、側壁３７Ａ、３７Ｂに位置させてもよい。ＬＤＩ８がハース３０からモールド４０へ流出するのをより確実に防止する観点においては、照射ライン２５の２つの端部ｅ１、ｅ２は、図４等に示したように、リップ部３６が設けられた側壁３７Ｄに位置させるのが好ましい。これにより、電子ビームの走査距離が短くなり、照射ライン２５を１回の走査するために必要な時間を短縮することができる。その結果、照射ライン２５における溶湯５ｃの温度を効率よく上昇させることができ、溶湯５ｃの表層において照射ライン２５から上流へ向かう溶湯流６１をより早く形成することができる。
【００８１】
［１．４．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。
【００８２】
上記のように、照射ライン２５からの溶湯流６１（図６参照。）により、供給ライン２６からの溶湯流６２（図６参照。）をハース３０の上流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。
【００８３】
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、溶湯５ｃの主流に打ち勝つ溶湯流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。
【００８４】
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、溶湯流６０を溶湯流６１により抑えることが難しくなり、溶湯流６０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。
【００８５】
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。
【００８６】
【数１】
2018190424.tif 000003
【００８７】
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。ｑ０は電子ビーム中心位置での熱流束を表す。ｑ０は、電子銃の伝熱量をＱとしたとき、上記式（２）に示すように、ハース内のすべての溶湯表面における熱流束ｑの総和がＱとなるように設定される。
【００８８】
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、ハース３０の中央部からリップ部３６へ向かう溶湯流６０を照射ライン２５より上流へ向かわせるような値を求め、設定してもよい。具体的には、図６に示したように、照射ライン２５付近の高温領域の温度（ライン照射温度Ｔ２）が、保温照射領域２３の温度（溶湯表面温度Ｔ０）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。
【００８９】
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と兼用してもよい。
【００９０】
［１．５．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、ハース３０内の溶湯５ｃの表面に対し、２つの端部ｅ１、ｅ２がハース３０の側壁３７に位置し、かつ、リップ部３６を塞ぐように配置された照射ライン２５に対して、電子ビームを照射する。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６に示すように、溶湯５ｃの表層において、照射ライン２５から上流へ向かう溶湯５ｃの表層流れ（溶湯流６１）を形成する。従って、溶湯流６１により、ハース３０の中央部をリップ部３６に向かう溶湯流６０を、照射ライン２５より上流へ押し戻すことができ、溶湯５ｃに浮遊するＬＤＩ８等の不純物がハース３０からモールド４０へ流出するのを抑制できる。ハース３０内に押し戻された溶湯５ｃは、ハース３０内の溶湯５ｃを循環する間に溶解され、もしくはスカル７に捕捉される。
【００９１】
また、照射ライン２５を、図４及び図７に示すように、上流に向かって突出する凸形状とする。これにより、リップ部３６に向かう溶湯流６０を、溶湯流６１によって、照射ライン２５からハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向かわせることができる。その結果、溶湯５ｃの表層に浮遊するＬＤＩ８をハース３０の側壁の内側面のスカル７に固着させることができる。また、ＬＤＩ８は、ハース３０内の溶湯５ｃ中を循環する間に溶解させることも可能である。これにより、不純物がハース３０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。
【００９２】
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。
【００９３】
また、従来のチタン合金の製造方法は、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、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法によれば、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、電気代等の加熱コストを削減することができ、ＥＢ炉１のランニングコストを低減できる。加えて、ロングハースに代えてショートハースを用いることにより、ハースに生成されるスカル７の量を抑制できる。そのため、歩留まりを向上できる。
【００９４】
［２．第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る電子ビーム溶解法による金属鋳塊の製造方法について説明する。
【００９５】
本実施形態に係る電子ビーム溶解法による金属鋳塊の製造方法は、第１の実施形態と比較して、電子ビームの照射ライン２５の形状が相違する。以下では、第１の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法との相違点を主として説明し、第１の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法と同様の設定、処理等については詳細な説明を省略する。なお、以下の説明においても、図３に示したショートハースの電子ビーム溶解炉１を用いた場合について説明するが、本発明はかかる例に限定されず、図１に示したロングハースの電子ビーム溶解炉についても適用可能である。
【００９６】
［２．１．金属鋳塊の製造方法の概要］
本実施形態に係る電子ビーム溶解法による金属鋳塊の製造方法では、照射ライン２５を、２つの端部ｅ１、ｅ２の間において側壁３７Ｄに沿った第１の直線部Ｌ１と、第１の直線部Ｌ１から上流に向かって略垂直に延びる第２の直線部Ｌ２とからなる、Ｔ字形状とする。第１の直線部Ｌ１により、リップ部３６が塞がれる。このような照射ライン２５に対して電子ビームを照射することにより、溶湯５ｃの表層に浮遊しているＬＤＩが、ハース３０からモールド４０へ流出しないようにする。
【００９７】
図９及び図１０に基づいて、より詳細に説明する。図９は、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法における照射ライン２５の一例を示す平面図であって、ハース３０内の溶湯５ｃの表面における溶湯流を示す。図１０は、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法における照射ライン２５の一例を示す平面図である。なお、図９の平面図は、図３の電子ビーム溶解炉１のハース３０に対応している。また、図１０においては、ハース３０の側壁３７の内側面に形成されたスカルの記載は省略している。
【００９８】
本実施形態では、図９及び図１０に示すように、照射ライン２５をＴ字形状とし、当該照射ライン２５に対して電子ビームを照射する。この場合にも、第１の実施形態において示した照射ライン２５に対して電子ビームを照射する場合と同様に、保温照射領域２３と照射ライン２５付近の領域とに温度勾配が生じ、マランゴニ対流が発生する。マランゴニ対流の発生により、照射ライン２５から上流へ向かう溶湯流６１が生じ、ＬＤＩが上流へ向かって押し戻される。
【００９９】
図９に、供給ライン２６に滴下された原料５の温度が、既にハース３０内に貯蔵されている溶湯５ｃよりも高温である場合の溶湯５ｃの流れを示す。マランゴニ対流は高温領域から低温領域に向かう流れである。このため、供給ライン２６に滴下された原料５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３７Ａ、３７Ｂに向けて流動する。左右一対の供給ライン２６の各々からハース３０の中央部へ向かう溶湯流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に向けて流動する。リップ部３６に向かう溶湯流６０に乗って流動するＬＤＩをハース３０の上流側へ押し戻し、リップ部３６から遠ざける溶湯５ｃの表層流を形成することで、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ことができる。
【０１００】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、リップ部３６に向かう溶湯流６０は、図９に示すように、リップ部３６へ近づくと、溶湯５ｃの表面に対してＴ字形状の照射ライン２５に対して電子ビームが照射されている領域に到達する。照射ライン２５は、側壁３７Ｄに略平行であり、リップ部３６を塞ぐ第１の直線部Ｌ１と、第１の直線部Ｌ１の略中央から、上流に向かって延びる第２の直線部Ｌ２とからなる。第１の直線部Ｌ１の２つの端部ｅ１、ｅ２は、側壁３７Ｄに位置している。
【０１０１】
電子ビームが照射される照射ライン２５付近の領域の溶湯温度Ｔ２は、保温照射領域２３の温度Ｔ０と比較して高くなる。このため、マランゴニ対流が発生し、照射ライン２５から上流に向かう溶湯流６１が形成される。マランゴニ対流の発生により、図９に示すように、リップ部３６へ向かう溶湯流６０が、照射ライン２５において発生する溶湯流６１により上流へ押し戻され、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向かい到達する流れとなる。これにより、溶湯流６０に乗ってリップ部３６へ流れてきたＬＤＩは、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂ側に向かって移動した後、ハース３０の側壁に形成されたスカル７に固着して移動しなくなる。あるいは、ＬＤＩは、溶湯５ｃの表面の流れに乗ってハース３０を循環する間に、溶解される。
【０１０２】
このように、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、Ｔ字形状の照射ライン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から上流側に向かう溶湯流が生じる。その結果、溶湯５ｃ中のＬＤＩ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。したがって、不純物がハース３０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。
【０１０３】
［２．２．照射ラインの配置］
照射ライン２５がＴ字形状の場合、例えば３つ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。すなわち、図１０に示すように、第１の直線部Ｌ１を構成する照射ラインｄ１、ｄ３と、第２の直線部Ｌ２を構成する照射ラインｄ２とに対して、それぞれ電子ビームを照射する。
【０１０４】
ハース３０の幅方向（Ｘ方向）に略平行な側壁３７Ｄに沿った第１の直線部Ｌ１については、２つの電子銃を用いて、電子ビームを照射する。照射ラインｄ１及び照射ラインｄ３は、それぞれの一端を共有させ、かつ、略同一直線上に配置される。ここで、特に合金金属を溶解している場合には、アルミニウム等の揮発有価元素の蒸発により電子ビームの照射位置制御の精度が低下する。したがって、第１の直線部Ｌ１に沿った電子ビームの照射により、リップ部３６を確実に塞ぐため、照射ラインｄ１の一端側と照射ラインｄ３の一端側とを重複させるのが好ましい。特に、照射ラインｄ１と照射ラインｄ３とが、５ｍｍ以上の長さの領域で重複していることで、照射ライン２５に対する電子ビームの照射位置制御の精度が低下した場合にも、照射ラインｄ１と照射ラインｄ３との間に隙間が生じないようにすることができる。
【０１０５】
第１の直線部Ｌ１の照射ライン長さｂ２（すなわち、図１０では照射ラインｄ１、ｄ３の長さの和）は、後述する第２の直線部Ｌ２の照射ライン高さｈ２あるいは電子銃から出力される電子ビームの伝熱量を考慮して決定される。照射ライン長さｂ２は、少なくともリップ部３６の開口幅よりも大きくする。照射ライン長さｂ２がリップ部３６の開口幅よりも小さい場合、電子ビームが照射されない部分で、ハース３０の上流領域Ｓ２からリップ部３６へ向かう溶湯流ができてしまい、ＬＤＩがハース３０からモールド４０へ流出する可能性がある。このため、照射ライン長さｂ２は、少なくともリップ部３６の開口幅よりも大きくするのがよい。
【０１０６】
また、照射ライン長さｂ２は、ハース３０の幅よりも小さければよいが、照射ライン長さｂ２が大きくなるほど、図９に示す第１の直線部Ｌ１を１回走査するために必要な時間が長くなる。照射ライン２５を１回の走査するために必要な時間が長くなると、電子ビームの照射によってハース３０の側壁に向かう溶湯流６１が弱まり、ＬＤＩがリップ部３６を通り抜ける可能性が高まる。また、第１の直線部Ｌ１を構成する照射ラインｄ１、ｄ３の各長さは、略同一であるのがよい。これにより、各電子ビームの走査距離を均等に短くすることができ、第１の直線部Ｌ１における溶湯５ｃの温度を均等に上昇させることができる。なお、第１の直線部Ｌ１に対して電子ビームを照射する電子銃の数は、かかる例に限定されず、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。
【０１０７】
また、第２の直線部Ｌ２については、例えば１つの電子銃により電子ビームが照射される。第２の直線部Ｌ２に対して電子ビームを照射する電子銃の数は複数であってもよいが、通常、第１の直線部Ｌ１よりも走査距離が短いので、１つでも十分対応可能である。第２の直線部Ｌ２の照射ライン高さｈ２も、第１の直線部Ｌ１の照射ライン長さｂ２あるいは電子銃から出力される電子ビームの伝熱量を考慮して決定される。照射ライン高さｈ２が大きくなるほど、照射ライン２５を１回の走査するために必要な時間は長くなり、第２の直線部Ｌ２における溶湯５ｃの温度上昇の程度も小さくなる。したがって、照射ライン高さｈ２は走査に要する時間をなるべく短くし、かつ、溶湯５ｃの温度を効率よく上昇させることができるように、設定される。なお、照射ライン高さｈ２は、照射ライン長さｂ２の２／５以上３／５以下程度であるのが望ましい。
【０１０８】
このようなＴ字形状の照射ライン２５に対して、ハース３０内の溶湯５ｃの表面に対して電子ビームを照射する場合、リップ部３６の開口幅の中心、第１の直線部Ｌ１の中点、及び第２の直線部Ｌ２は、図１０に示すようにハース３０の中心線上に設定するのがよい。これにより、ハース３０内の溶湯５ｃの流れを中心線に対して略対称とすることができる。また、電子ビームの照射ライン２５における溶湯流の向きを、照射ライン２５から距離が近い側壁３７Ａ、３７Ｂ側へと向かわせることができる。これにより、ＬＤＩ等の不純物をスカル７に固着させる確度を上げることができる。
【０１０９】
なお、照射ライン２５に対して電子ビームが照射される実際の照射位置は、厳密に照射ライン２５上になくともよい。電子ビームが照射される実際の照射位置は、おおよそ目標とする照射ライン２５上であればよく、実際の電子ビームの照射軌跡が目標とする照射ライン２５から制御上ずれる範囲であれば問題ない。また、本実施形態において電子ビームの照射軌跡における第１の直線部Ｌ１の両端ｅ１、ｅ２は、ハース３０の側壁の内側面の近傍に位置される。端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の近傍に位置するとは、端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の内側面または側壁３７の内側面からの離隔距離ｘが５ｍｍ以下の領域に位置することをいう。かかる領域において照射ライン２５の端部ｅ１、ｅ２が設定され、電子ビームが照射されるが、ハース３０の側壁３７の内側面にスカル７が形成されていたとしても問題はなく、スカル７に電子ビームが照射されてもよい。
【０１１０】
また、各電子銃から照射される電子ビームについては、第１の実施形態と同様、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。
【０１１１】
ここで、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法における照射ライン２５は、第１の直線部Ｌ１と第２の直線部Ｌ２とにより構成されている。Ｔ字形状の照射ライン２５に対して電子ビームを照射することで形成される溶湯流６１は、第１の直線部Ｌ１と第２の直線部Ｌ２とにより形成される流れが重ね合わさって形成される。このため、Ｔ字形状の照射ライン２５に沿った電子ビームの照射方法は、照射ライン長さｂ２及び照射ライン高さｈ２、または、電子銃の伝熱量のうち少なくともいずれか一方に基づき決定される。これらの値の設定により、照射ライン２５からハース３０の側壁３７へ向かう溶湯５ｃの表面流れのベクトルを決定することができる。
【０１１２】
具体的には、第２の直線部Ｌ２に照射される電子ビームが与える熱量よりも第１の直線部Ｌ１に照射される電子ビームが与える熱量が大きい場合、ハース３０のリップ部３６と対向する側壁３７Ｃ側へ向かう流れが強くなる。一方、第１の直線部Ｌ１に照射される電子ビームが与える熱量よりも第２の直線部Ｌ２に照射される電子ビームが与える熱量が大きい場合には、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂへ向かう流れが強くなる。このように、第１の直線部Ｌ１への電子ビームの照射と第２の直線部Ｌ２への電子ビームの照射との強さ関係により、電子ビームの照射位置からハース３０の側壁３７へ向かう溶湯流の向きを決定することができる。
【０１１３】
例えば、使用する電子銃の伝熱量が略同一であれば、照射ライン２５の照射方法は、照射ライン長さｂ２及び照射ライン高さｈ２の関係のみから決定してもよい。この場合、例えば、各電子銃の走査距離（すなわち、照射ラインｄ１、ｄ２、ｄ３の長さ）を略同一とし、また、走査速度及び熱流束分布も略同一となるように、各パラメータを設定してもよい。すなわち、照射ライン長さｂ２を、照射ライン高さｈ２の２倍程度とする。
【０１１４】
また、使用する電子銃の伝熱量が相違する場合には、照射ライン長さｂ２及び照射ライン高さｈ２と、各電子銃の伝熱量を考慮して、リップ部３６へ向かう溶湯流６０が、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向かう溶湯流６１によって上流へ押し戻されるように、照射ライン２５の照射方法を決定すればよい。
【０１１５】
また、本実施形態に係る電子ビームの照射方法では、第１の直線部Ｌ１と第２の直線部Ｌ２とにより形成される流れが重ね合わさって溶湯流６１が形成される。このため、第１の実施形態に示した照射ライン２５に対して電子ビームを照射した場合に比べて、ＬＤＩをハース３０の側壁３７へ向かわせる速度を大きくすることができ、スカル７に固着させる確度をさらに上げることができる。したがって、各電子銃の伝熱量、走査速度、及び熱流束分布のうち少なくともいずれか１つの値を、第１の実施形態に示した照射ライン２５に対して電子ビームを照射する電子銃の設定よりも小さくしても、第１の実施形態と同等以上の効果を奏することが可能である。
【０１１６】
このように、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法のように、照射ライン２５に対して電子ビームを照射することにより、リップ部３６に向かう溶湯５ｃの表面の流れを、照射ライン２５よりも上流に向かって、かつ、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向かって押し戻すことができる。これにより、リップ部３６に向かって流れてきたＬＤＩをハース３０の側壁３７に向かわせ、ハース３０の側壁３７のスカル７に固着させることができる。あるいは、ＬＤＩを、ハース３０内の溶湯５ｃ中を循環する間に溶解させることも可能である。これにより、ＬＤＩがハース３０からモールド４０へ流出し、インゴットに混入することを抑制できる。
【０１１７】
なお、照射ライン２５は、特に限定されるものではなく、下流領域Ｓ３の内部に、「２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７（３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄのいずれか）の近傍にあり」、「照射ライン２５がリップ部３６を塞ぐように（上流領域Ｓ２とリップ部３６との間を、照射ライン２５により確実に区分するように）」である限り、任意の形態をとることができる。例えば、照射ライン２５は、ハース３０の長手方向の中央部に配置してもよく、リップ部３６の近傍に配置してもよい。ＬＤＩがハース３０からモールド４０へ流出するのをより確実に防止する観点においては、照射ライン２５は、なるべくリップ部３６の近くに配置するのが好ましい。
【０１１８】
［２．３．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。本実施形態によれば、照射ライン２５を、２つの端部ｅ１、ｅ２の間において側壁３７Ｄに沿った第１の直線部Ｌ１と、第１の直線部Ｌ１から上流に向かって略垂直に延びる第２の直線部Ｌ２とからなる、Ｔ字形状とする。このような照射ライン２５に対して電子ビームを照射することにより、リップ部３６に向かう溶湯流を照射ライン２５において上流へ押し戻し、ハース３０の側壁３７に向かわせることができる。その結果、溶湯５ｃの表面に浮遊するＬＤＩをハース３０の側壁３７のスカル７に固着させることができる。あるいは、ＬＤＩを、ハース３０内の溶湯５ｃ中を循環する間に溶解させることも可能である。これにより、ＬＤＩがハース３０からモールド４０へ流出し、インゴットに混入することを抑制できる。
【０１１９】
さらに、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法によれば、照射ライン２５に対して電子ビームを照射することにより形成される溶湯流６１は、第１の直線部Ｌ１と第２の直線部Ｌ２とのそれぞれの位置での電子ビームの照射によって形成される流れが重ね合わさって形成されるため、強い流れとなる。したがって、確実にＬＤＩをスカルに固着させることができる。また、電子銃の伝熱量、走査速度、あるいは熱流束分布の設定を弱めることも可能となる。
【０１２０】
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。
【０１２１】
また、従来のチタン合金の製造方法は、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、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法によれば、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、電気代等の加熱コストを削減することができ、ＥＢ炉１のランニングコストを低減できる。加えて、ロングハースに代えてショートハースを用いることにより、ハースに生成するスカル７の量を抑制することができる。そのため、歩留まりを向上できる。
【０１２２】
［３．第３の実施形態］
次に、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。
【０１２３】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法は、第１の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法と比較して、照射ライン２５の形状は略同一であるが、電子ビームを照射する電子銃の数が相違する。以下では、第１の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法との相違点を主として説明し、第１の実施形態に係る金属鋳塊の製造方法と同様の設定、処理等については詳細な説明を省略する。なお、以下の説明においても、図３に示したショートハースの電子ビーム溶解炉１を用いた場合について説明するが、本発明はかかる例に限定されず、図１に示したロングハースの電子ビーム溶解炉１Ａについても適用可能である。
【０１２４】
図１１に基づいて、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法における電子ビームの照射方法について説明する。図１１は、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法における照射ライン２５の一例を示す平面図である。
【０１２５】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、図１１に示すように、照射ライン２５は、図４に示した第１の実施形態と同様、リップ部３６から上流に向かって突出する凸形状である。具体的には、照射ライン２５は、例えばＶ字形状である。図１１に示すＶ字形状の照射ライン２５は、ハース３０の４つの角部のうち、リップ部３６が設けられた側壁３７Ｄの両端の角部から、ハース３０の中央に向かってそれぞれ延びる、第１の直線部と、第２の直線部とからなる。第１の直線部の端部ｅ１は側壁３７Ｄの一端に位置し、第２の直線部の端部ｅ２は側壁３７Ｄの他端に位置する。
【０１２６】
第１の直線部及び第２の直線部への電子ビームの照射は、異なる電子銃により行われる。すなわち、２本の電子銃により、Ｖ字形状の照射ライン２５に対して電子ビームが照射される。例えば、設備スペース等の制約から電子ビームの照射範囲に制限があり、第１の実施形態のように１本の電子銃によって図４に示したＶ字形状の照射ライン２５に沿った照射を行うことができない場合等には、本実施形態のように複数の電子銃を用いて電子ビームを照射してもよい。
【０１２７】
このとき、溶湯５ｃの表面において、電子ビームの照射軌跡が交差または重複するように、２つの電子銃を用いて、照射ライン２５に対してそれぞれ電子ビームを照射する。例えば、電子ビームは、図１１に示すように、第１の直線部と第２の直線部とが接続される部分（Ｖ字形の頂点部分）において、これらの直線部が交差するように照射してもよい。すなわち、第１の直線部と第２の直線部とは、側壁３７Ｄの端部ｅ１、ｅ２とは反対側の端部で接続されるのではなく、第１の直線部と第２の直線部とが交差するように接続される。
【０１２８】
合金金属を溶解している場合には、アルミニウム等の揮発有価元素の蒸発により、電子ビームの照射位置制御の精度が低下する。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が、揮発有価元素が蒸発すると真空チャンバー内の真空度が低下し、電子ビームの直進性が低下する。その結果、電子ビームの照射位置を高精度に制御することが困難となる。そうすると、２本の電子銃によって、図４に示すような２つの直線部がそれぞれの端部で接続されたＶ字形状の照射ライン２５に沿った照射を正確に行うことが困難となる。そして、２つの直線部の間に隙間が生じれば、この隙間からリップ部３６に向かう溶湯５ｃの表面の流れが形成され、ＬＤＩがリップ部３６へ流出する可能性が高まる。
【０１２９】
そこで、２本の電子銃によって電子ビームを照射する場合にも、２つの端部ｅ１、ｅ２を側壁３７に位置させ、かつ、リップ部３６を塞ぐように、照射ライン２５を配置する。さらに、ハース３０内の溶湯５ｃ中のＬＤＩがリップ部３６から流出するのを確実に防止するため、２本の電子銃から出力される電子ビームの照射軌跡を交差させるようにする。これにより、電子ビームの照射位置制御の精度が多少低下しても、第１の直線部と第２の直線部とが交差しているため、これらの直線部の間に隙間が生じることはなく、ハース３０内の溶湯５ｃ中のＬＤＩがリップ部３６から流出することがない。特に、第１の直線部、第２の直線部とも、交差点から端部までの長さを５ｍｍ以上とすることにより、ＬＤＩがリップ部３６へ流出する可能性をより低減することができる。
【０１３０】
第１の直線部と第２の直線部とは、それぞれの端部以外で接続されていればよい。例えば、電子ビームの直進性が保たれた状態で、図１１に示すように、ハース３０の角部と反対側の端部からハース３０の幅方向にハース３０の半幅Ｄの１／４離れた位置（すなわち、Ｄ１＝Ｄ／４である位置）で、第１の直線部と第２の直線部とが接続されてもよい。なお、電子ビームの照射位置制御を高精度に行うことが可能な場合には、第１の直線部及び第２の直線部の長さを、ハース３０の角部から交点までの長さとし、図４に示したような２つの直線部がそれぞれの端部で接続されたＶ字形状の照射ライン２５を配置してもよい。
【０１３１】
照射ライン２５の形状がＶ字形状以外の形状である場合にも、２本の電子銃を用いることは可能である。例えば、ハース３０の中心線上に頂点がある凸形状として、放物線等の曲線状の照射ライン２５を配置してもよい。あるいは、図７に示したような略半円の照射ライン２５を配置してもよい。このような場合にも、照射ラインが接続される部分において、電子ビームの照射軌跡を交差させ、上流領域Ｓ２とリップ部３６との間の溶湯５ｃの流路を塞ぐようにすればよい。また、３本以上の電子銃を用いる場合でも、互いに異なる電子銃により照射される電子ビームの照射軌跡が接続される部分において、これらの照射軌跡が交差するようにすればよい。
【０１３２】
［４．第４の実施形態］
次に、本発明の第４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。
【０１３３】
［４．１．金属鋳塊の製造方法の概要］
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、ハース内の溶湯の表面に配置される照射ラインをハースの幅方向に略平行な直線形状とする。かかる照射ラインに対して電子ビームを照射することにより、ハース内の溶湯をモールドへ流出させるリップ部への溶湯流路を塞ぐ。これにより、溶湯表面に浮遊している不純物であるＬＤＩがリップ部からモールドへ流れ出さないようにハース内に押し戻す。ハース内に押し戻されたＬＤＩは、ハース内に滞留する間に溶解する。その結果、ＬＤＩがモールドへ流出することを抑制することができる。
【０１３４】
図１２及び図１３に基づいて、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法についてより詳細に説明する。図１２は、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法における照射ライン２５を示す平面図である。図１３は、図１２に示す照射ライン２５に対して電子ビームを照射したときに溶湯５ｃの表面に形成される溶湯流を示す説明図である。なお、図１２の平面図は、図３の電子ビーム溶解炉１のハース３０に対応している。なお、以下の説明では、図３に示したショートハースの電子ビーム溶解炉１を用いた場合について説明するが、本発明はかかる例に限定されず、図１に示したロングハースの電子ビーム溶解炉１Ａについても適用可能である。
【０１３５】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、２つの端部ｅ１、ｅ２がハース３０の側壁３７の近傍に位置し、リップ部３６を塞ぐように、ハース３０内の溶湯５ｃの表面に対して、照射ライン２５を設定する。具体的には、照射ライン２５は、図１２に示すように、２つの端部ｅ１、ｅ２の間においてハース３０の幅方向に略平行な直線形状である。照射ライン２５の２つの端部ｅ１、ｅ２は、リップ部３６が設けられた側壁３７Ｄの近傍に位置する。図１２に示す照射ライン２５は、リップ部３６の開口幅と略同一の長さとする。照射ライン２５は、供給ライン２６を含む上流領域Ｓ２と側壁３７Ｄとの間の下流領域Ｓ３に配置されている。
【０１３６】
このような照射ライン２５に対して、溶湯５ｃの表面に電子ビームを照射する。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１３に示すように、溶湯５ｃの表層において、照射ライン２５から上流側へ向かう溶湯５ｃの表層流れ（溶湯流６１）を形成する。ここで、供給ライン２６に沿って原料５がハース３０内の溶湯５ｃに滴下されるときにおいて、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温度Ｔ０よりも高い場合を考える。この場合、溶融された原料５（溶融金属）が滴下される供給ライン２６付近の領域は、他の領域の溶湯５ｃよりも温度が高い高温領域となる。したがって、図１３に示すように、供給ライン２６付近の領域の溶湯５ｃは、供給ライン２６からハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央部に流動し、溶湯５ｃの表層に溶湯流６２が形成される。
【０１３７】
なお、図１３には図示していないが、図５に示したように、供給ライン２６付近の領域の溶湯５ｃは、供給ライン２６からハース３０の幅方向（Ｘ方向）の側壁３７Ａ、３７Ｂへも流動し、溶湯５ｃの表層に溶湯流（図５の溶湯流６３）が形成される。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（図５の溶湯流６３）に乗って、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動し、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。
【０１３８】
左右一対の供給ライン２６の各々からハース３０の中央部へ向かう溶湯流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に向けて流動する。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、リップ部３６に向かう溶湯流６０に乗って流動するＬＤＩをハース３０の上流側へ押し戻し、リップ部３６から遠ざける溶湯５ｃの表層流を形成するのが好ましい。
【０１３９】
そこで、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、図１２及び図１３に示すように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄの近傍に位置し、リップ部３６を塞ぐように、直線形状の照射ライン２５が溶湯５ｃの表面に配置される。照射ライン２５付近の領域での溶湯温度は、保温照射領域２３と比較して高くなる。このため、マランゴニ対流が発生し、照射ライン２５から上流に向かう溶湯流６１が形成される。溶湯流６１は、ハース３０の幅方向の中央部における溶湯流６０に乗ってリップ部３６へ流動してきたＬＤＩ８をハース３０の上流側に押し戻す流れである。かかる溶湯流６１により、リップ部３６へ向かって流動してきたＬＤＩ８は、照射ライン２５において上流側へ押し戻され、ハース３０内に流動する。ハース３０内に押し戻されたＬＤＩ８は、溶湯５ｃの表面の流れに乗ってハース３０を循環する間に、溶解される。あるいは、ＬＤＩ８は、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂ側に向かって移動した後、ハース３０の側壁３７に形成されたスカル７に固着して移動しなくなる。
【０１４０】
このように、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の近傍に位置し、かつ、リップ部３６を塞ぐように配置された照射ライン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の高温領域から上流へ向かう溶湯流６１を形成し、リップ部３６側へ流動してきたＬＤＩ等の不純物を照射ライン２５よりも上流側に押し戻す。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。その結果、不純物がインゴットに混入することを抑制できる。
【０１４１】
［４．２．照射ラインの配置］
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、直線形状の照射ライン２５が配置される。照射ライン２５の形状を直線形状とすることにより、電子ビームの走査距離を短くすることができる。その結果、溶湯５ｃ中のＬＤＩ８がリップ部３６を通り抜けてハース３０からモールド４０へ流出することを抑制できる。
【０１４２】
図１２及び図１３に示すように、ハース３０を平面視したときの形状が矩形状である場合には、照射ライン２５は、側壁３７Ｄに沿って配置するのが望ましい。側壁３７Ｄは、ハース３０の幅方向（Ｘ方向）に略平行である。供給ライン２６の各々からハース３０の中央部に向かう溶湯流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。この溶湯流６０は、ハース３０長手方向に略平行である。したがって、照射ライン２５を、ハース３０の側壁３７Ｄに沿って配置することにより、リップ部３６に向かう溶湯５ｃの流れ（溶湯流６０）を効率よく堰き止めることができる。また、照射ライン２５から上流に向かう溶湯流６１が形成される。これにより、溶湯５ｃの流れに乗ってリップ部３６へ向かって流動したＬＤＩ８を、溶湯流６１によってリップ部３６から遠ざけるように押し戻して、ハース３０内に滞留させることができる。
【０１４３】
照射ライン２５は、少なくとも供給ライン２６を含む上流領域Ｓ１と側壁３７Ｄとの間の下流領域Ｓ３に配置されればよい。不純物の流出をより確実に抑制するためには、図１２及び図１３に示すように、照射ライン２５は、リップ部３６への流入口に配置するのが好ましい。このとき、照射ライン２５の長さは、少なくともリップ部３６の開口幅以上とする。好ましくは、照射ライン２５の長さは、リップ部３６の開口幅と略同一の長さとする。これにより、照射ライン２５に対して照射される電子ビームの走査距離を最も短くすることができる。これにより、電子ビームの走査速度が低下した場合にも、照射ライン２５に対して電子ビームを照射することにより形成される溶湯流６１の弱まりも小さい。したがって、ＬＤＩ８は、リップ部３６へ流入する前に確実にハース３０の内部側へ押し戻されるため、ハース３０から流出しない。
【０１４４】
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法における照射ライン２５の配置は、図１２及び図１３に示したショートハースのみならず、ロングハースにも適用可能である。図１４及び図１５に、溶解ハース３１及び精錬ハース３３を備えるロングハース（以下、「ロングハース３１、３３」と称する。）に、直線形状の照射ライン２５を配置した場合の例を示す。なお、図１４及び図１５では、便宜上、溶解ハース３１及び精錬ハース３３は１つのハースとしてモデル化して示している。例えば、図１４に示すように、図１２及び図１３と同様、リップ部３６への流入口に、リップ部３６の開口幅と略同一の長さを有する直線形状の照射ライン２５を配置する。照射ライン２５は、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄに位置し、リップ部３６を塞ぐように配置されている。これにより、図１２及び図１３と同様、溶湯５ｃとともにリップ部３６へ向かって流動するＬＤＩ８を照射ライン２５において堰き止め、上流側へ押し戻す。これにより、ＬＤＩ８は、ロングハース３１、３３内に滞留し、ロングハース３１、３３からモールド４０へ流出することを確実に抑制できる。
【０１４５】
また、ロングハース３１、３３の場合にも、照射ライン２５は、原料５が滴下される原料供給領域２８を含む上流領域Ｓ２と側壁３７Ｄとの間の下流領域Ｓ３に配置されればよい。ロングハース３１、３３では、図１４及び図１５に示すように、原料５が滴下される原料供給領域２８は、通常、ロングハース３１、３３の長手方向（Ｙ方向負側）の最上流位置にある。すなわち、原料供給領域２８は、ロングハース３１、３３の長手方向においてリップ部３６と反対側の側壁３７Ｃの近傍にある。したがって、例えば図１５に示すように、照射ライン２５を、ロングハース３１、３３の長手方向の中央に配置してもよい。ロングハース３１、３３の長手方向の中央の位置は、原料供給領域２８を含む上流領域Ｓ２よりも下流側の下流領域Ｓ３に位置する。この際、照射ライン２５の２つの端部ｅ１、ｅ２は、側壁３７Ａ、３７Ｂの近傍に位置する。これにより、ＬＤＩ８が照射ライン２５を通り抜けてリップ部３６へ流出することを抑制できる。
【０１４６】
なお、照射ライン２５に対して電子ビームが照射される実際の照射位置は、厳密に照射ライン２５上になくともよい。電子ビームが照射される実際の照射位置は、おおよそ目標とする照射ライン２５上であればよく、実際の電子ビームの照射軌跡が目標とする照射ライン２５から制御上ずれる範囲であれば問題ない。また、端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の近傍に位置するとは、端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の内側面または側壁３７の内側面からの離隔距離ｘが５ｍｍ以下の領域に位置することをいう。かかる領域において照射ライン２５の端部ｅ１、ｅ２が設定され、電子ビームが照射されるが、ロングハース３１、３３の側壁３７の内側面にスカル７が形成されていたとしても問題はなく、スカル７に電子ビームが照射されてもよい。
【０１４７】
また、各電子銃から照射される電子ビームについては、第１の実施形態と同様、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。
【０１４８】
［４．３．ＬＤＩの溶解促進］
本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法では、照射ライン２５によってリップ部３６を塞ぐことにより、ＬＤＩ８をハース３０内に堰き止め、ＬＤＩ８がハース内を循環している間に溶解させる。これにより、ＬＤＩ８がハース３０からモールド４０へ流出することを抑制している。このため、ＬＤＩ８が溶解するまでは、ＬＤＩ８がハース３０からモールド４０へ流出する可能性がある。そこで、ＬＤＩ８がハース３０からモールド４０へ流出する可能性を低減するため、ハース３０内に存在するＬＤＩ８の溶解を促進させる。このために、ハース３０内の溶湯５ｃの表面に対して、ＬＤＩ溶解促進用の電子ビーム（本発明の「第２の電子ビーム」に相当する。）を照射するようにしてもよい。
【０１４９】
ＬＤＩ溶解促進用の電子ビームは、例えば、溶湯５ｃの流れによどみが生じているよどみ位置に照射してもよい。溶湯５ｃの流れのよどみ位置は、ＬＤＩ８が滞留しやすい。このように、ＬＤＩが滞留する位置にＬＤＩ溶解促進用の電子ビームを照射することで、ハース内のＬＤＩ８をより早く溶解させることができる。なお、ＬＤＩ溶解促進用の電子ビームは、連続して照射する必要はなく、ＬＤＩ８が滞留する溶湯５ｃの流れのよどみ位置に対して適宜照射すればよい。また、ＬＤＩ溶解促進用の電子ビームを照射する電子銃は、ＬＤＩ溶解促進用に電子銃（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。溶湯５ｃの流れのよどみ位置は、予めシミュレーションにより特定する等すればよい。上述したように、設定された照射ライン２５の位置と形状、電子ビームの伝熱量及び走査速度等に基づいてシミュレーションを行うことにより、よどみ位置を特定できる。
【０１５０】
［４．４．変形例］
第４の実施形態の変形例について説明する。上記では、図１２及び図１３に示すように、ハース３０内の溶湯５ｃの表面に対して、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の近傍に位置し、かつ、リップ部３６を塞ぐような直線形状の照射ライン２５が配置される例を説明した。しかし、本発明はかかる例に限定されない。照射ライン２５の形状が図１２または図１３に示した例でなくとも、ハース３０内の溶湯５ｃをモールド４０へ流出させるリップ部３６への溶湯流路を塞ぎ、ＬＤＩ８をハース３０内に押し戻すことができる。
【０１５１】
例えば、照射ライン２５は、ハース３０の上流から下流のリップ部３６に向かって突出する凸形状であってもよい。具体的には、図１６に示すように、照射ライン２５は、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ａ、３７Ｂの近傍に位置し、かつ、リップ部３６に向かって突出するＶ字形状であってもよい。これにより、リップ部３６が塞がれるため、溶湯５ｃ中のＬＤＩ８がリップ部３６へ流出することを抑制できる。また、照射ライン２５に対して電子ビームを照射することにより、照射ライン２５から上流へ向かう溶湯５ｃの流れを形成することができる。その結果、ＬＤＩ８をハース３０の内部側へ押し戻すことができる。
【０１５２】
あるいは、図１７に示すように、照射ライン２５は、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ａ、３７Ｂの近傍に位置し、かつ、リップ部３６に向かって突出する円弧形状であってもよい。この場合にも、リップ部３６が塞がれるため、溶湯５ｃ中のＬＤＩ８がリップ部３６へ流出することを抑制できる。また、照射ライン２５に対して電子ビームを照射することにより、照射ライン２５から上流へ向かう溶湯５ｃの流れを形成することができる。その結果、ＬＤＩ８をハース３０の内部側へ押し戻すことができる。
【０１５３】
さらに、照射ライン２５は、ハース３０の上流からリップ部３６に向かって凸形状となるＵ字形状であってもよい。例えば、図１８に示すように、Ｕ字形状の照射ライン２５は、第１の直線部Ｌ１と、第２の直線部Ｌ２と、第３の直線部Ｌ３とからなる。第１の直線部Ｌ１は、２つの端部ｅ１、ｅ２の間において側壁３７Ｄに沿って略平行に配置される。第１の直線部Ｌ１は、リップ部３６を塞ぐように配置されている。第２の直線部Ｌ２及び第３の直線部Ｌ３は、第１の直線部Ｌ１の両端から、互いに対向する一対の側壁３７Ａ、３７Ｂに沿って、それぞれ上流に向かって略垂直に延びるように配置されている。照射ライン２５の両端ｅ１、ｅ２は、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂの近傍に位置する。これにより、リップ部３６が塞がれるため、溶湯５ｃ中のＬＤＩ８がリップ部３６へ流出することを抑制できる。また、照射ライン２５に対して電子ビームを照射することにより、照射ライン２５から上流へ向かう溶湯５ｃの流れを形成することができる。その結果、ＬＤＩ８を、ハース３０の内部側に押し戻すことができる。
【０１５４】
なお、Ｕ字形状の照射ライン２５は、第１の直線部Ｌ１と第２の直線部Ｌ２とが接続する角、及び、第１の直線部Ｌ１と第３の直線部Ｌ３とが接続する角が、図１８に示すように直角であってもよく、丸みを有してもよい。
【０１５５】
変形例においても、照射ライン２５に対して電子ビームが照射される実際の照射位置は、厳密に照射ライン２５上になくともよい。電子ビームが照射される実際の照射位置は、おおよそ目標とする照射ライン２５上であればよく、実際の電子ビームの照射軌跡が目標とする照射ライン２５から制御上ずれる範囲であれば問題ない。また、端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の近傍に位置するとは、端部ｅ１、ｅ２が側壁３７の内側面または側壁３７の内側面からの離隔距離ｘが５ｍｍ以下の領域に位置することをいう。かかる領域において照射ライン２５の端部ｅ１、ｅ２が設定され、電子ビームが照射されるが、ハース３０の側壁３７の内側面にスカル７が形成されていたとしても問題はなく、スカル７に電子ビームが照射されてもよい。
【０１５６】
また、図１６〜図１８に示す照射ライン２５に対しては、１本の電子銃を用いて照射ライン２５に電子ビームを照射させてもよく、複数の電子銃を用いて照射ライン２５に電子ビームを照射させてもよい。
【０１５７】
さらに、図１６〜図１８に示すような照射ライン２５を配置した場合、当該照射ライン２５に対して電子ビームを照射すると、照射ライン２５よりも上流に向かい、かつ、ハース３０の幅方向（Ｘ方向）の中央に向かう溶湯５ｃの流れが形成される。すなわち、照射ライン２５よりも上流側において、側壁３７Ａ、３７Ｂから中央に向かう溶湯５ｃの流れが形成される。このとき、照射ライン２５付近の領域における溶湯温度は、保温照射領域２３の溶湯温度よりも高い。したがって、マランゴニ対流が発生し、ハース３０の側壁３７Ａ、３７Ｂから中央に向かう溶湯流６１が形成される。
【０１５８】
このとき、ハース３０の幅方向の中央には、溶湯５ｃの流れによどみが生じやすい。そこで、この溶湯５ｃの流れのよどみ位置に対して、ＬＤＩ溶解促進用の電子ビームを照射してもよい。溶湯流れのよどみ位置は、ＬＤＩ８が滞留しやすい。このように、ＬＤＩが滞留する位置にＬＤＩ溶解促進用の電子ビームを照射することで、ハース内のＬＤＩ８をより早く溶解させることができる。
【０１５９】
［４．５．まとめ］
以上、本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、ハース３０内の溶湯５ｃの表面に対して、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７に位置し、かつ、リップ部３６を塞ぐような照射ライン２５を配置する。これにより、ハース３０内の溶湯をモールドへ流出させるリップ部３６への溶湯流路が塞がれる。その結果、ＬＤＩ８は、リップ部３６への流入口で堰き止められる。ＬＤＩ８は、ハース３０内を循環し続け、その間に溶解される。これにより、溶湯５ｃ中に含まれるＬＤＩ８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る。
【０１６０】
また、照射ライン２５を直線形状とすることで、電子ビームの走査距離を短くすることができる。したがって、電子ビームの走査速度が低下しても、照射ライン２５に対して電子ビームを照射することにより形成される溶湯５ｃの流れの弱まりは小さい。したがって、ＬＤＩ８は、リップ部３６へ流入する前に確実にハース３０の内部側へ押し戻されるため、ハース３０から流出しない。
【０１６１】
さらに、照射ライン２５を直線形状とすることで、電子ビームを照射する電子銃を直線的に移動させればよいため、その制御が容易であり、使用する電子銃の数も最小限とすることができる。
【０１６２】
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。
【０１６３】
また、従来のチタン合金の製造方法は、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、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法によれば、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、電気代等の加熱コストを削減することができ、ＥＢ炉１のランニングコストを低減できる。加えて、ロングハースに代えてショートハースを用いることにより、ハースに生成されるスカル７の量を抑制できる。そのため、歩留まりを向上できる。
【０１６４】
［５．複数段ハースへの照射ラインの配置］
上記では、図３に示すショートハース３０あるいは図１に示すロングハース３１、３３に対して上記実施形態に係る金属鋳塊の製造方法を適用する場合について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、本発明に係る金属鋳塊の製造方法を適用するハースが、複数の分割ハースを組み合わせて連続的に配置された複数段のハースであってもよい。例えば、図１９に示すように、第１のハース３０Ａと、第２のハース３０Ｂとを組み合わせて連続的に配置することにより、２段のハース３０を構成してもよい。
【０１６５】
第１のハース３０Ａ（本発明の「分割ハース」に相当する。）は、例えば図４に示したハース３０と同様に、供給ライン２６に沿って滴下された原料５の溶湯５ｃを貯留しながら、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。第１のハース３０Ａは矩形状のハースであり、４つの側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄにより構成されている。第１のハース３０Ａの側壁３７Ｄには、リップ部３６が設けられている。リップ部３６から流出した第１のハース３０Ａの溶湯５ｃは、第２のハース３０Ｂに貯留される。
【０１６６】
第２のハース３０Ｂ（本発明の「分割ハース」に相当する。）は、第１のハース３０Ａから流入された溶湯５ｃを貯留しながら、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。第２のハース３０Ｂも矩形状のハースであり、４つの側壁３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄにより構成されている。第２のハース３０Ｂの側壁３７Ｄには、リップ部３６が設けられている。リップ部３６から流出した第２のハース３０Ｂの溶湯５ｃは、モールド４０へ流出する。
【０１６７】
このような２つの分割ハースからなる２段のハース３０においても、第１のハース３０Ａ及び第２のハース３０Ｂそれぞれにおいて、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７に位置し、かつ、リップ部３６を塞ぐように、照射ライン２５を配置する。第１のハース３０Ａ及び第２のハース３０Ｂそれぞれにおいて、照射ライン２５に対して溶湯５ｃの表面に電子ビームを照射することによって、照射ライン２５から上流へ向かう溶湯流６１を生じさせる。その結果、リップ部３６のある下流へ向かう溶湯５ｃの流れは上流へ押し戻され、ＬＤＩ等の不純物が第１のハース３０Ａから第２のハース３０Ｂへ、また、第２のハース３０Ｂからモールド４０へ流出することを抑制できる。
【０１６８】
なお、図１９に示す複数段のハースは、２段のハースであるが、本発明はかかる例に限定されない。複数段のハースは、３つ以上の分割ハースを組み合わせて連続的に配置した３段以上のハースであってもよい。この場合にも、各分割ハースにおいて、２つの端部が側壁の近傍に位置し、かつ、リップ部を塞ぐように、照射ラインを配置する。照射ラインに対して溶湯の表面に電子ビームを照射することによって、照射ラインから上流へ向かう溶湯流を生じさせる。これにより、リップ部のある下流へ向かう溶湯の流れを上流へ押し戻すことができ、ＬＤＩ等の不純物が後段のハースあるいはモールドへ流出することを抑制できる。
【実施例】
【０１６９】
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。【０１７０】
（１）ライン照射の実施例
まず、表１及び図２０〜図４３を参照して、上述の本発明の第１〜第４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。【０１７１】
本実施例では、実施例１〜８、１１〜１３及び比較例１、３、４では、原料５としてチタン合金を用い、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。また、実施例９、１０及び比較例２では、図１に示したロング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３１、３３内の溶湯流をシミュレーションした。【０１７２】
実施例１では、図４に示したように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄに位置し、かつ、リップ部３６を覆うようにＶ字形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。【０１７３】
実施例２では、図７に示したように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄに位置し、かつ、リップ部３６を覆うように円弧形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。【０１７４】
実施例３では、図１０に示したように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄに位置し、かつ、リップ部３６を覆うようにＴ字形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。【０１７５】
実施例４、５は、２本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た場合についての実施例である。実施例４では、図１１に示したように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄの両端に位置し、かつ、リップ部３６を覆うようにＶ字形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。実施例５は、図２５に示すように、照射ライン２５を図１１（実施例４）と同様に配置する一方、電子ビームの走査方向を変更した。実施例４及び実施例５で用いた２本の電子銃の電子ビーム伝熱量は、いずれも０．１２５［ＭＷ］とした。【０１７６】
実施例６では、図２７に示したように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄの両端に位置し、かつ、リップ部３６を覆うようにＶ字形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。【０１７７】
実施例７では、図２９に示したように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄの両端に位置し、かつ、リップ部３６を覆うようにＶ字形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。実施例７では、Ｖ字形状の頂点Ｑを、ハース３０の幅方向中央からずらして配置した。【０１７８】
実施例８では、図１２に示したように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄに位置し、かつ、リップ部３６を覆うように直線形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。【０１７９】
実施例９では、図１４に示したように、ロングハース３１、３３において、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄの両端に位置し、かつ、リップ部３６を覆うように直線形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。【０１８０】
実施例１０では、図１５に示したように、ロングハース３１、３３において、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ｄの両端に位置し、かつ、ロングハース３１、３３の長手方向の中央に直線形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。【０１８１】
実施例１１では、図１６に示したように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ａ、３７Ｂに位置し、かつ、リップ部３６を覆うようにリップ部３６に向かって突出するＶ字形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。【０１８２】
実施例１２では、図１７に示したように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ａ、３７Ｂに位置し、かつ、リップ部３６を覆うようにリップ部３６に向かって突出する円弧形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。【０１８３】
実施例１３では、図１８に示したように、２つの端部ｅ１、ｅ２が側壁３７Ａ、３７Ｂに位置し、かつ、リップ部３６を覆うようにリップ部３６に向かって突出するＵ字形状の照射ライン２５を配置し、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。【０１８４】
一方、比較例１として、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。【０１８５】
比較例２では、上記特許文献１の手法についてのシミュレーションを行った。すなわち、図３８に示すように、ロングハース３１、３３内の溶湯５ｃの表面にジグザグ状の照射ライン２５を配置し、当該照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。【０１８６】
比較例３では、実施例４との対比として、図４０に示すように、Ｖ字形状の照射ライン２５の頂点を交差させずに、電子ビームを照射した。なお、比較例３で用いた２本の電子銃の電子ビーム伝熱量は、いずれも０．１２５ＭＷとした。【０１８７】
比較例４では、実施例３との対比として、図４２に示すように、Ｔ字形状の照射ライン２５の３つの直線を交差させずに電子ビームを照射した。図４２に示す照射ライン２５は、リップ部３６が設けられた側壁３７Ｄに沿った第１の直線部Ｌ１及び第２の直線部Ｌ２と、側壁３７Ｄに対して垂直な第３の直線部Ｌ３とからなる。第１の直線部Ｌ１、第２の直線部Ｌ２、第３の直線部Ｌ３は、接していない。なお、第１の直線部Ｌ１及び第２の直線部Ｌ２に沿って照射される電子ビームの伝熱量は０．０５ＭＷとし、第３の直線部Ｌ３に沿って照射される電子ビームの伝熱量は０．１５ＭＷとした。また、第１の直線部Ｌ１及び第２の直線部Ｌ２に沿って照射される電子ビームの走査速度は２．９ｍ／ｓとし、第３の直線部Ｌ３に沿って照射される電子ビームの走査速度は３．６ｍ／ｓとした。  【０１８８】
表１に、本実施例のシミュレーション条件を示す。【０１８９】
【表１】
2018190424.tif 000004
【０１９０】
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走査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。【０１９１】
以下、実施例１〜１３及び比較例１〜４のシミュレーション結果を示す。図２０〜２４、２６、２８、３０〜３６はそれぞれ実施例１〜１３のシミュレーション結果を示し、図３７、３９、４１、４３はそれぞれ比較例１〜４のシミュレーション結果を示す。【０１９２】
図２０、２２〜２４、２６、２８、３０〜３６及び図３７、３９、４１、４３では、照射ライン２５に対して照射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位置にあるときの、ハース内の溶湯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２０、２２〜２４、２６、２８、３０〜３６及び図３７、３９、４１、４３で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２０、２２〜２４、２６、２８、３０〜３６及び図３７、３９、４１、４３で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。【０１９３】
（実施例１）
実施例１では、図２０に示すように、リップ部３６を塞ぐ照射ライン２５に沿って高温領域が形成され、照射ライン２５から上流に向かう溶湯流６１が形成されている。このため、図２０に示すように、供給ラインからリップ部３６に向かって流動したＬＤＩは全て、溶湯流６１に乗って側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動し、リップ部３６を通ってモールド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、上流側に押し戻され、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。図２１は、実施例１の照射ライン２５近傍の各地点における溶湯５ｃの流れ方向及び流れの強さを表す矢印を示している。図２１からも、照射ライン２５から上流に、かつ、側壁３７Ａ、３７Ｂに向かう流速の大きい強い溶湯５ｃの流れが形成されていることが分かる。【０１９４】
（実施例２）
図２２に示すように、実施例２でも、実施例１と同様、リップ部３６を塞ぐ照射ライン２５に沿って高温領域が形成され、照射ライン２５から上流に向かう溶湯流６１が形成されている。このため、供給ラインからリップ部３６に向かって流動したＬＤＩは全て、溶湯流６１に乗って側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動し、リップ部３６を通ってモールド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、上流側に押し戻され、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。【０１９５】
（実施例３）
実施例３でも、実施例１、２と同様、図２３に示すように、リップ部３６を塞ぐ照射ライン２５に沿って高温領域が形成され、照射ライン２５から上流に向かう溶湯流６１が形成されている。このため、供給ラインからリップ部３６に向かって流動したＬＤＩは全て、溶湯流６１に乗って側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動し、リップ部３６を通ってモールド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、上流側に押し戻され、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。【０１９６】
（実施例４、５）
実施例４、５では、２本の電子銃を用いて、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。実施例４では、２つの電子銃の電子ビームが同一のタイミングでＶ字形状の頂点に位置するように、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。また、実施例５では、一方の電子銃の電子ビームがＶ字形状の頂点に位置したとき、他方の電子銃の電子ビームが照射ラインの中央部に位置するように、照射ライン２５に対して電子ビームを照射した。図２４は実施例４のシミュレーション結果であり、図２６は実施例５のシミュレーション結果である。【０１９７】
実施例４、５いずれの場合も、図２４及び図２６に示すように、実施例１〜３と同様、リップ部３６を塞ぐ照射ライン２５に沿って高温領域が形成され、照射ライン２５から上流に向かう溶湯流６１が形成されている。このため、供給ラインからリップ部３６に向かって流動したＬＤＩは全て、溶湯流６１に乗って側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動し、リップ部３６を通ってモールド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、上流側に押し戻され、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。【０１９８】
（実施例６、７）
実施例６、７は、実施例１と同様、Ｖ字形状の照射ライン２５を配置した場合であるが、実施例１とはＶ字の形状が異なる。しかし、実施例６、７でも、実施例１〜５と同様、図２８及び図３０に示すように、リップ部３６を塞ぐ照射ライン２５に沿って高温領域が形成され、照射ライン２５から上流に向かう溶湯流６１が形成されている。このため、供給ラインからリップ部３６に向かって流動したＬＤＩは全て、溶湯流６１に乗って側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動し、リップ部３６を通ってモールド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、上流側に押し戻され、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。【０１９９】
（実施例８〜１０）
実施例８〜１０では、直線形状の照射ライン２５を配置した。図３１は実施例８のシミュレーション結果を示し、図３２は実施例９のシミュレーション結果を示し、図３３は実施例１０のシミュレーション結果を示す。実施例８〜１０では、直線状の照射ライン２５の配置、あるいは、使用するハースが異なる。しかし、実施例８〜１０でも、実施例１〜７と同様、図３１〜図３３に示すように、リップ部３６を塞ぐ照射ライン２５に沿って高温領域が形成され、照射ライン２５から上流に向かう溶湯流６１が形成されている。このため、供給ラインからリップ部３６に向かって流動したＬＤＩは全て、溶湯流６１に乗って側壁３７Ａ、３７Ｂに向けて流動し、リップ部３６を通ってモールド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、上流側に押し戻され、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。なお、図３１〜図３３より、照射ライン２５の端部近傍にＬＤＩが滞留するよどみ位置があることがわかる。このＬＤＩは、その後、ハース内の溶湯流に乗ってハース内を循環する。しかし、ＬＤＩが再び照射ライン２５に到達しても、ＬＤＩは同様の位置に留まった後、再びハース内を循環する。ＬＤＩは、ハース内を循環する間に溶解する。あるいは、このよどみ位置に対して、ＬＤＩ溶解促進用の電子ビームを照射し、ＬＤＩの溶解を促進することもできる。【０２００】
（実施例１１〜１３）
実施例１１〜１３では、上流からリップ部３６に向かって突出する凸形状の照射ライン２５を配置した。図３４は実施例１１のシミュレーション結果を示し、図３５は実施例１２のシミュレーション結果を示し、図３６は実施例１３のシミュレーション結果を示す。実施例１１〜１３では、照射ライン２５の凸形状が異なる。しかし、実施例１１〜１３でも、実施例１〜１０と同様、図３４〜図３６に示すように、リップ部３６を塞ぐ照射ライン２５に沿って高温領域が形成され、照射ライン２５から上流に向かう溶湯流６１が形成されている。このため、供給ラインからリップ部３６に向かって流動したＬＤＩは全て、溶湯流６１に乗って上流に向けて流動し、リップ部３６を通ってモールド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、上流側に押し戻され、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。【０２０１】
なお、図３４〜図３６より、照射ライン２５と供給ライン２６との間において、実施例８〜１０と同様、ハース３０の幅方向中央にＬＤＩが滞留するよどみ位置があることがわかる。このＬＤＩは、その後、ハース内の溶湯流に乗ってハース内を循環する。しかし、ＬＤＩが再び照射ライン２５に到達しても、ＬＤＩは同様の位置に留まった後、再びハース内を循環する。ＬＤＩは、ハース内を循環する間に溶解する。あるいは、このよどみ位置に対して、ＬＤＩ溶解促進用の電子ビームを照射し、ＬＤＩの溶解を促進することもできる。また、実施例８〜１３のシミュレーション結果より、照射ライン２５の配置及び形状を変化させることにより、ＬＤＩの滞留しやすいよどみ位置を調整できることがわかる。【０２０２】
なお、実施例１〜実施例１３では、照射ライン２５がリップ部３６を塞ぐように電子ビームを照射した。しかし、電子ビームの伝熱量、走査速度、および熱流束分布を適切に設定し、照射ライン２５の端部ｅ１、ｅ２をハース３０の側壁３７に位置させ、供給ライン２６を含む上流領域Ｓ２とリップ部３６との間の流路を塞ぐように照射すれば、照射ライン２５の配置は適宜変更可能である。この場合にも、ＬＤＩは、上記実施例１〜１３に示した挙動と同様の挙動を示すことは明らかである。【０２０３】
（比較例１）
比較例１では、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３７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を通ってモールドに流出した。【０２０４】
（比較例２）
比較例２は、上記特許文献１に記載の手法についてのシミュレーション結果である。すなわち、図３８に示すように、ハース３１、３３内の溶湯５ｃの表面において鋳型への溶湯流れ方向とは逆方向に電子ビームをジグザグに走査させた。照射ライン２５は、図３８に示すように、ハース３１、３３の長手方向に沿ったジグザグ形状となる。原料５は、ハースの長手方向上流側（すなわち、リップ部と反対側）の原料供給領域２８から投入されている。便宜上、溶解ハース３１及び精錬ハース３３は１つのハースとしてモデル化している。【０２０５】
比較例２では、図３９に示すように、ＬＤＩは、原料供給領域２８からリップ部３６に向かうにつれて、徐々にリップ部３６に集まり、モールド４０に流出した。なお、比較例２はロングハースを用いた場合についてシミュレーションを実施したが、ＬＤＩは照射ライン２５上を通過しており、ショートハースの場合にもやはりＬＤＩはモールドに向かって流出することは容易に推測できる。【０２０６】
（比較例３）
比較例３では、図４０に示すように、第１の直線部と第２の直線部とが交差していないため、ハース３０の中央線付近に電子ビームが照射されない箇所がある。このため、図４１に示すように、ＬＤＩは、電子ビームが照射されていない箇所を通り、リップ部３６を通ってモールド４０に向かって流出した。【０２０７】
（比較例４）
比較例４では、図４２に示すように、第１の直線部Ｌ１、第２の直線部Ｌ２、第３の直線部Ｌ３が交差していないため、ハース３０のリップ部３６への流入口付近に電子ビームが照射されない箇所がある。このため、図４３に示すように、ＬＤＩは、電子ビームが照射されていない箇所を通り、リップ部３６を通ってモールド４０に向かって流出した。【０２０８】
以上、実施例１〜１３と比較例１〜４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１〜１３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、照射ライン２５から上流に向かう溶湯流を形成し、ＬＤＩがリップ部３６を通ってモールドに向かって流出することを抑制できることが実証されたといえる。【０２０９】
（２）溶湯流の挙動に関する実施例
本実施例では、第１の実施形態に係るＶ字形状の照射ライン２５と、第２の実施形態に係る照射ライン２５とについて、溶湯流の挙動について検証した。ここでは、上記実施例の実施例１（Ｖ字形状の照射ライン２５）と、実施例３（Ｔ字形状の照射ライン２５）とを比較した。各シミュレーションでは、溶湯の流れや温度は電子ビームの走査によって時々刻々変化するため、非定常計算を行った。本実施例では、実施例１、３の電子銃を、下記表２のように設定した。実施例３については、３つの電子銃を用いており、Ｔ字形状の照射ライン２５は、照射ライン長さ（ｂ２）と照射ライン高さ（ｈ２）との比（ｈ２／ｂ２）が２／５となるようにした。【０２１０】
【表２】
2018190424.tif 000005
【０２１１】
図４４に、溶湯表面の流速分布及び溶湯表面の最大流速と、リップ部３６付近から線分ＡＢを横切って側壁３７Ａへ向かう溶湯流の総流量比とを示す。なお、総流量比は、溶湯流の平均流速と線分ＡＢの長さとの積で表される値の比である。【０２１２】
溶湯表面の流速分布を比較すると、実施例１、３ともにリップ部３６付近から側壁３７Ａへ向かう溶湯流の速さが大きくなっているが、図４４に示すように、実施例３の方が実施例１よりも流速が大きくなっている。最大流速は、実施例３は０．１３ｍ／ｓであるのに対し、実施例１は０．１１ｍ／ｓであった。また、図４４の溶湯表面の流速分布に示した、ハースの側壁３７に平行な線分ＡＢを通過する溶湯流の総流量比も、実施例３の方が実施例１よりも大きい値であった。【０２１３】
これより、１つの側壁に向かう溶湯の表面流れが単一のマランゴニ対流の発生によって形成される実施例１よりも、２つのマランゴニ対流の発生により形成される実施例３の方が、高速の溶湯表面流れが形成されることがわかった。【０２１４】
（３）ＬＤＩ溶解促進用の電子ビームの実施例
次に、上記実施例８に対し、ＬＤＩ溶解促進用の電子ビームを使用した場合のシミュレーションを実施した。本シミュレーションでも、溶湯５ｃの流れや温度は電子ビームの走査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。【０２１５】
本実施例では、まず、ＬＤＩ流出防止用の電子銃１本を用いて、図１２に示したように、２つの端部ｅ１、ｅ２がリップ部３６が設けられた側壁３７Ｄに位置し、かつ、リップ部３６を塞ぐように直線形状の照射ライン２５を配置した。ＬＤＩ流出防止用の電子ビームの伝熱量は０．２５ＭＷ、走査速度は１．６ｍ／ｓ、熱流束分布の標準偏差は０．０２ｍとした。また、ＬＤＩ流出防止用の電子銃とは異なる、ハース３０内のＬＤＩ溶解促進用の電子銃２本を用いて、溶湯流のよどみ位置に対して電子ビームを照射した。このとき、ＬＤＩ流出防止用の電子銃による電子ビームの照射時間は１秒とし、当該電子ビームの照射位置は溶湯流のよどみ位置に固定した。ＬＤＩ溶解促進用の電子ビームの伝熱量は０．２５ＭＷ、熱流束分布の標準偏差は０．０２ｍとした。【０２１６】
図４５に、シミュレーション結果を示す。図４５では、ＬＤＩが溶湯５ｃに滞留してから４つの時間におけるハース３０内の溶湯表面の温度分布図とＬＤＩの挙動とを示す。図４５中の左側の温度分布図において、リップ部３６近傍の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、供給ライン２６のリップ部３６の端部近傍の丸を付けた温度が高い領域が、その時点でのＬＤＩ溶解促進用の電子ビームの照射位置を示す。また、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４５中の右側には、各時間におけるＬＤＩの位置を示している。【０２１７】
図４５に示すように、ＬＤＩが溶湯に滞留してから０．８秒後に供給ライン２６近傍にあるＬＤＩは、時間の経過とともにハース３０内を移動する。ＬＤＩが溶湯に滞留してから２７．７秒後、ＬＤＩの挙動において丸で示す位置（溶湯流れのよどみ位置）にＬＤＩが複数滞留した。この滞留したＬＤＩ群に向けて、ＬＤＩが溶湯に滞留してから２７．８秒後から１秒間、ＬＤＩ溶解促進用の電子銃２本で電子ビームを照射した。その結果、ＬＤＩが溶湯に滞留してから２８．８秒後には、ＬＤＩは溶解した。このように、溶湯流れのよどみ位置を特定し、当該溶湯流れのよどみ位置に電子ビームを照射することで、ＬＤＩを早期に、かつ、確実に溶解させることが可能であることが示された。【０２１８】
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。【０２１９】
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、鋳塊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、モリブデンまた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。【０２２０】
また、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法を適用するハースの形状は矩形状に限定されない。例えば、ハースの側壁が楕円状、長円状等の湾曲形状である、矩形状以外のハースにも、本実施形態に係る金属鋳塊の製造方法は適用可能である。
【符号の説明】
【０２２１】
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                    照射ライン
２６                    供給ライン
３０                    精錬ハース
３６                    リップ部
３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ  リップ部が設けられない側壁
３７Ｄ                  第１の側壁
４０                    モールド
５０                    インゴット
６１、６２、６３        溶湯流
【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６】
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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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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【国際調査報告】
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