(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンまたはチタン合金の鋳塊を連続的に製造する装置に設けられ、原料である固体のチタンまたはチタン合金をプラズマ加熱により溶解させて溶湯とし当該溶湯を流下させて鋳型に注入するチタン溶解装置であって、
原料である固体のチタンまたはチタン合金が投入され、当該原料をプラズマ加熱により溶解させて前記溶湯とする原料溶解用ハースと、
前記原料溶解用ハースの底面に近接配置され、当該原料溶解用ハース内の前記溶湯に旋回流を生じさせて当該溶湯を攪拌する電磁攪拌装置と、
を備え、
前記原料溶解用ハースは、原料投入部および溶湯出口流路を有し、
前記原料投入部から前記溶湯出口流路への距離が、前記原料投入部から前記溶湯出口流路への２つの攪拌方向で互いに異なり、
前記電磁攪拌装置による前記溶湯の攪拌方向が、前記２つの攪拌方向のうち前記距離が長い方の攪拌方向とされていることを特徴とする、チタン溶解装置。
【請求項２】
請求項１に記載のチタン溶解装置において、
前記原料溶解用ハースの内周壁は長方形状または楕円とされており、
前記内周壁の長辺または長軸の長さと短辺または短軸の長さとの比が１以上１．５以下であることを特徴とする、チタン溶解装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のチタン溶解装置において、
前記原料溶解用ハース内の前記溶湯の湯面だけでなく前記溶湯出口流路内の前記溶湯の湯面もプラズマ加熱できるようにされていることを特徴とする、チタン溶解装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のチタン溶解装置において、
前記原料溶解用ハースから前記溶湯が流れ込み、流れ込んだ前記溶湯が流下した後前記鋳型に流れ込む、中間ハースが設けられていることを特徴とする、チタン溶解装置。
【請求項５】
請求項４に記載のチタン溶解装置において、
前記中間ハースは、前記鋳型への溶湯注入流路を有し、
前記中間ハース内の前記溶湯の湯面および前記溶湯注入流路内の前記溶湯の湯面がいずれもプラズマ加熱できるようにされていることを特徴とする、チタン溶解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタンまたはチタン合金の鋳塊を連続的に製造する装置に設けられ、原料である固体のチタンまたはチタン合金を溶解させて溶湯とし当該溶湯を流下させて鋳型に注入するチタン溶解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタンの鋳塊を連続的に製造する装置として、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の装置は、プラズマ電子銃、ハース、および鋳型を囲む位置にソレノイドコイルが設けられ、当該ソレノイドコイルにより磁場を発生させる構成とされている。プラズマ電子ビーム流に対して平行な磁界を生成することで、プラズマ電子ビームを集束し、ビーム密度を調節し、溶湯の溶融状態を制御することができる、と特許文献１において称されている。また、水冷銅ハース上では溶湯の磁気攪拌が行われるので、投入原料の完全な融解と精錬が完全な混合によって行うことができる、とも特許文献１において称されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭４８−５１８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らは、チタン（純チタン）やチタン合金の鋳塊を連続的に製造する装置の開発に取り組んでいる。ここで、原料である固体のチタンの溶解は、ロッド材やブロック材に原料塊を事前に成型して直接溶解する方法と、原料塊（スポンジチタン、残材、スクラップなど）をハース（保持容器）内に投入してハースで溶解する方法とがある。ロッド材などを直接溶解する方法は、原料の成型にコストが発生し、また溶解速度も遅いため、ハース内に原料を投入してハースで溶解する方法のほうが有効である。特許文献１に記載の装置においても、ハース内に原料を投入してハースで溶解する方法を採っている。
【０００５】
ここで、チタンの溶解速度は遅いため、ハースで原料を溶解させる場合、原料の溶け残りが後段の鋳型に流入する危険性がある。また、溶けきらない原料がハースの底に沈降したりハース内壁に付着したりするなどの操業トラブルが発生する可能性もある。
【０００６】
このような懸念事項は、特許文献１に記載の装置にも当てはまる。特許文献１に記載の装置では、プラズマ電子銃、ハース、および鋳型、という機器全てを囲む位置にソレノイドコイルを設けている。このソレノイドコイルにより、プラズマ電子ビームのビーム密度を調節している。また、上記ソレノイドコイルにより水冷銅ハース上の溶湯の磁気攪拌が行われる、とのことでもある。すなわち、特許文献１に記載のソレノイドコイルは、プラズマ電子ビームの調節を主眼としており、ハースでの溶湯の攪拌が不十分となることが危惧される。結果として、原料の溶け残りが鋳型に流入してしまったり、溶けきらない原料がハースの底に沈降したりハース内壁に付着したりするなどの操業トラブルが発生してしまう可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ハースでの溶湯の攪拌を従来よりも十分に行うことができる構造を備えたチタン溶解装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、チタンまたはチタン合金の鋳塊を連続的に製造する装置に設けられ、原料である固体のチタンまたはチタン合金をプラズマ加熱により溶解させて溶湯とし当該溶湯を流下させて鋳型に注入するチタン溶解装置である。このチタン溶解装置は、原料である固体のチタンまたはチタン合金が投入され、当該原料をプラズマ加熱により溶解させて溶湯とする原料溶解用ハースと、前記原料溶解用ハースの底面に近接配置され、当該原料溶解用ハース内の前記溶湯に旋回流を生じさせて当該溶湯を攪拌する電磁攪拌装置と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のチタン溶解装置によれば、ハースでの溶湯の攪拌を従来よりも十分に行うことができる。その結果、原料の溶け残りが鋳型に流入してしまったり、溶けきらない原料がハースの底に沈降したりハース内壁に付着したりするなどの操業トラブルをより防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るチタン溶解装置を具備してなる鋳造装置の主要部説明図である。
【図２】図１に示したチタン溶解装置の変形例を示す図である。
【図３】図１に示したチタン溶解装置の変形例を示す図である。
【図４】比較例に係る原料溶解用ハースを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
（チタン溶解装置の構成）
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係るチタン溶解装置１を具備してなる鋳造装置の主要部の平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００１３】
本発明のチタン溶解装置は、チタンまたはチタン合金の鋳塊を連続的に製造する鋳造装置に設けられ、原料である固体のチタンまたはチタン合金をプラズマ加熱により溶解させて溶湯とし当該溶湯を流下させて鋳型に注入するまでの役割を担う装置である。
【００１４】
図１に示したように、本実施形態のチタン溶解装置１は、原料溶解用ハース２、中間ハース３などを備えている。プラズマトーチ５からのプラズマガスにより原料５１が溶解した溶湯５３は、原料溶解用ハース２から中間ハース３へ流下し、中間ハース３から鋳型４に流れ込む。本実施形態では、例示として多孔質のスポンジチタン（純チタン）を原料としている。
【００１５】
なお、ハース（２、３）、鋳型４などは、チャンバ―（不図示）と呼ばれる容器の中に入れられている。ハース（２、３）、鋳型４のまわり（チャンバ―内）は、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガス雰囲気とされる（不活性ガスが充填される）。
【００１６】
（原料溶解用ハース）
原料溶解用ハース２は、原料５１（スポンジチタン）をプラズマ加熱により溶解させて溶湯５３とする役割を担う有底の保持容器である。原料溶解用ハース２は上方に開口しており、平面視においてその内周壁および外周壁は、いずれも正方形状とされている。図１（ａ）に示したように、原料溶解用ハース２の内周壁の一辺の長さをＬ１、これに垂直な一辺の長さをＬ２とすると、Ｌ１＝Ｌ２とされている。なお、原料溶解用ハース２の内周壁のうち４つのコーナー部（角部）は、円弧状に面取りされている。このように、本発明において正方形状とは、正方形（内角がすべて直角で、辺の長さがすべて等しい四角形）だけでなく、コーナー部（角部）が面取りされた正方形も含む。
【００１７】
原料溶解用ハース２の内周壁および／または外周壁は、長方形状であってもよい。原料溶解用ハース２の内周壁を長方形状とする場合、その長辺の長さと短辺の長さとの比は、１．５以下とすることが好ましい。すなわち、図１（ａ）において、Ｌ１／Ｌ２、またはＬ２／Ｌ１の値は、１以上１．５以下であることが好ましい。なお、正方形は、長方形の一種であるとする。
【００１８】
さらには、原料溶解用ハース２の内周壁および／または外周壁は、楕円または円であってもよい。原料溶解用ハース２の内周壁を楕円とする場合、その長軸の長さと短軸の長さとの比は、１．５以下とすることが好ましい。すなわち、「長軸の長さ」／「短軸の長さ」の値は、１以上１．５以下であることが好ましい。なお、円は、楕円の一種であるとする。
【００１９】
さらには、原料溶解用ハース２の内周壁および／または外周壁は、四角形以外の多角形であってもよい。多角形として、例えば八角形を挙げることができる。原料溶解用ハース２の内周壁を例えば八角形とする場合、正八角形に近い（縦横比が小さい）形のものが好ましい。
【００２０】
なお、原料溶解用ハース２は銅製であって水で冷却されるようになっている（中間ハース、鋳型についても同様）。
【００２１】
原料溶解用ハース２の一側壁の上には原料投入経路９が設けられている。この原料投入経路９から原料溶解用ハース２内へ原料５１が投入される。また、原料投入経路９が設けられたこの一側壁に垂直な側壁部には溶湯出口流路１１が設けられている。この溶湯出口流路１１を経由して原料溶解用ハース２から中間ハース３内へ原料５１が溶解してなる溶湯５３が流れ込む。溶湯出口流路１１は上方に開口している。
【００２２】
原料溶解用ハース２の上方にはプラズマトーチ５（プラズマ加熱装置）が配置されている。このプラズマトーチ５は、その軸方向へスライド可能（上下動可能）、且つ３６０°どの方向にも揺動可能なように、軸受け（不図示）を介してチャンバ―の天井壁に取り付けられている（チャンバ―を貫く形態でチャンバ―に取り付けられている）。また、プラズマトーチ５は、電動駆動または油圧駆動され、その制御装置（不図示）からの信号で、あらかじめ設定された移動パターンで動かされる（手動に切り替えて手動で動かすこともできる）。なお、後述する中間ハース３の上方に配置されたプラズマトーチ５、鋳型４の上方に配置されたプラズマトーチ７、および図２、３に示したプラズマトーチ（５、７）に関しても同様であり、その軸方向へスライド可能（上下動可能）、且つ３６０°どの方向にも揺動可能な態様で、チャンバ―を貫く形態でチャンバ―の天井壁に取り付けられ、電動駆動または油圧駆動される（手動に切り替えて手動で動かすこともできる）。
【００２３】
ここで、図１（ａ）中の太線の実線矢印は、プラズマトーチ５のプラズマ噴射部５ａ（または、プラズマ噴射部５ａから噴射されるプラズマガスの中心）を移動（揺動および／またはスライド移動（上下動））させる範囲（移動パターン）を例示している。原料溶解用ハース２の上方に配置されたプラズマトーチ５がこのように移動可能であるので、プラズマトーチ５からのプラズマガスにより、原料溶解用ハース２の中央部の溶湯５３の湯面だけでなく、原料投入部２ａの原料５１（および溶湯５３の湯面）であったり、溶湯出口流路１１の溶湯５３の湯面であったりを状況に応じて重点的にプラズマ加熱することができる。
【００２４】
なお、中間ハース３の上方であって中間ハース３の中央よりも図１（ａ）中、左側に配置されたプラズマトーチ５を、例えば中間ハース３の中央よりも右側に配置すれば、当該プラズマトーチ５により、溶湯出口流路１１の溶湯５３の湯面をプラズマ加熱することができる。すなわち、原料投入部２ａおよび溶湯出口流路１１の湯面を同時にプラズマ加熱することも可能である。
【００２５】
（電磁攪拌装置）
原料溶解用ハース２の下には電磁攪拌装置６が配置されている。より詳細には、原料溶解用ハース２の底面に対して所定の間隔をあけて、原料溶解用ハース２の下に電磁攪拌装置６が原料溶解用ハース２に近接配置されている。電磁攪拌装置６は、原料溶解用ハース２内の溶湯５３に水平方向の旋回流を生じさせて溶湯５３を攪拌するための装置である。電磁攪拌装置６は、交流電流を通電するＥＭＳ（Electro-Magnetic Stirrer）であってもよいし、機械回転式のものであってもよい。なお、チタンの溶解速度は遅いため、電磁攪拌装置６を設置しない場合、すなわち、チタン原料の溶解のみによる原料溶解用ハース２内の流速は最大でも１ｃｍ／秒程度である。
【００２６】
図１（ａ）に溶湯５３の攪拌方向Ｒを示したように、電磁攪拌装置６による溶湯５３の攪拌方向は、原料投入部２ａから溶湯出口流路１１への２つの攪拌方向のうち、距離が長い方の攪拌方向（図１（ａ）において時計回りの方向）とされていることが好ましい。
【００２７】
（中間ハース）
中間ハース３は、溶湯５３温度の均一化・介在物の沈降分離・溶解量変動に起因する鋳型４への溶湯流入量変化の低減などの役割を担う有底の保持容器である。中間ハース３は上方に開口しており、平面視においてその内周壁および外周壁は、いずれも長方形状とされている。ここで、本実施形態では、中間ハース３の周囲四辺のうちの長辺の一端部に原料溶解用ハース２が配置され、この長辺の他端部に鋳型４が配置されている。すなわち、原料溶解用ハース２と中間ハース３とはＬ字状配置され、鋳型４を含めると全体でコ字状配置されている。
【００２８】
ここで、中間ハース３の長い側の側壁の端部には、鋳型４への溶湯注入流路１２が設けられている。原料溶解用ハース２から中間ハース３内へ流れ込んだ溶湯５３は、中間ハース３内を流下した後、溶湯注入流路１２を経由して鋳型４に流れ込む。溶湯注入流路１２は上方に開口している。中間ハース３の上方に配置されたプラズマトーチ５により、中間ハース３内を流下する溶湯５３の湯面はプラズマ加熱される。これにより、溶湯５３の凝固は防止される。なお、中間ハース３の上方に配置されたプラズマトーチ５のプラズマ噴射部（または、プラズマ噴射部から噴射されるプラズマガスの中心）を移動させる範囲を、図１（ａ）中に太線の実線矢印で例示している。
【００２９】
（鋳型）
鋳型４は、流れ込んだ（注入された）溶湯５３を凝固させて鋳塊５５とするための無底の鋳型である。鋳型４は、断面長方形状とされているので、スラブ形状（直方体）の鋳塊５５が得られる。鋳型４の下には引抜装置１３が配置されており、溶湯５３が凝固した鋳塊５５が引抜装置１３で下方に引き抜かれながら鋳造される。なお、図１（ｃ）における符号５４は凝固部を示している。鋳型４の上方にはプラズマトーチ７が配置されている。プラズマトーチ７により鋳型４に流れ込んだ溶湯５３の湯面はプラズマ加熱される。
【００３０】
ここで、プラズマトーチ７のプラズマ噴射部（または、プラズマ噴射部から噴射されるプラズマガスの中心）を移動させる範囲を、図１（ａ）中に太線の実線矢印で例示している。プラズマトーチ７がこのような範囲で移動可能であるので、プラズマトーチ７からのプラズマガスにより、鋳型４の溶湯５３の湯面、および溶湯注入流路１２の溶湯５３の湯面をいずれも加熱できるようになっている。
【００３１】
なお、中間ハース３の上方に配置されたプラズマトーチ５の移動範囲を、溶湯注入流路１２まで広げることで、当該プラズマトーチ５からのプラズマガスにより湯注入流路１２の溶湯５３の湯面を加熱することも可能である。
【００３２】
（作用・効果）
本発明では、原料溶解用ハース２の底面に電磁攪拌装置６を近接配置し、この電磁攪拌装置６により、原料溶解用ハース２内の溶湯５３に旋回流を生じさせて溶湯５３を攪拌している。この構成によると、電磁攪拌装置６の電磁攪拌エネルギーのほとんどを、原料溶解用ハース２内の溶湯５３の攪拌に用いることができ、原料溶解用ハース２での溶湯５３の攪拌を十分に行うことができる（溶解効率が向上する）。すなわち、原料５１と溶湯５３との接触速度を上げて、溶湯５３から原料５１への接触熱伝達率を増加させることができる。その結果、原料５１の溶け残りが鋳型４に流入してしまったり、溶けきらない原料５１がハースの底に沈降したりハース内壁に付着したりするなどの操業トラブルをより防止することができる。ハースからハースへ、ハースから鋳型へ、溶湯５３を連続的に流しながら鋳造する場合には、最も上流に位置する原料溶解用ハース２の底面に電磁攪拌装置６を近接配置して、原料溶解用ハース２内の溶湯５３に旋回流を生じさせて溶湯５３を攪拌することが特に重要となる。また、原料５１の溶解効率が向上するため、原料溶解用ハース２の小型化が可能となり、電力効率が向上する、というメリットもある。
【００３３】
また、本実施形態では、原料溶解用ハース２の内周壁を正方形状としている（Ｌ１＝Ｌ２）。原料溶解用ハース２の内周壁を長方形状（または楕円）とし、且つ、内周壁の長辺（または長軸）の長さと短辺（または短軸）の長さとの比を、１以上１．５以下とすることで、原料溶解用ハース２内の旋回流の乱れを防止することができ、旋回流速を高く維持することができる。結果として、原料５１と溶湯５３との接触速度がより上がる。図４は、比較例に係る原料溶解用ハース６２を示す図である。図４に示したように、縦横比が大きい原料溶解用ハース６２とすると、ハース内の溶湯５３に流れの弱い領域Ｓが生じる（旋回流が乱れる）。そして、この流れの弱い領域Ｓへ原料５１が飛ばされ、その結果、原料５１の溶解効率が低下してしまう。
【００３４】
さらには、電磁攪拌装置６による溶湯５３の攪拌方向を、原料投入部２ａから溶湯出口流路１１への２つの攪拌方向のうち、距離が長い方の攪拌方向Ｒとすることで、原料投入部２ａと溶湯出口流路１１との間に短絡流が発生することを防止でき、原料５１の溶け残りが原料溶解用ハース２から出ていくことを有効に防止することができる。
【００３５】
また、中間ハース３を配置し、中間ハース３内に溶湯５３を流すことで、中間ハース３内でも溶湯５３を攪拌することができる。なお、中間ハース３の下に電磁攪拌装置６を配置してもよい。この場合、介在物の沈降分離効率などを考慮して、電磁攪拌の強さを決めることになる。
【００３６】
また、溶湯出口流路１１や溶湯注入流路１２は溶湯５３が凝固しやすい部分である。溶湯出口流路１１２の溶湯５３の湯面、溶湯注入流路１２の溶湯５３の湯面をプラズマ加熱できるようにしておくことで、これら流路部分での溶湯５３の凝固を有効に防止することができる。
【００３７】
（変形例１）
図２は、図１に示したチタン溶解装置１の変形例を示す図である。なお、この実施形態では、例示としてロッド状のチタン合金を原料５２としている。なお、図１に示した構成部材と同様の構成部材については同じ符号を付している。
【００３８】
チタン合金を原料とする場合、チタン（純チタン）を原料とする場合よりも、ハース内での溶湯５３の滞留時間を長くする必要がある。チタン合金の鋳塊（製品）は、チタン（純チタン）の鋳塊（製品）よりも、介在物の含有率が低いものが求められる。そのため、チタン合金を原料とする場合、沈降分離により溶湯５３から介在物をより確実に除去する必要がある。
【００３９】
本実施形態のチタン溶解装置１０２では、正方形状の２個の中間ハース（８１、８２）を用いることで、ハースの容量を大きくし、溶湯５３の滞留時間を長くしている。中間ハース８１と中間ハース８２との間には流路１４が設けられている。複数の中間ハース（８１、８２）とせず、１つのおおきな中間ハースとしても溶湯５３の滞留時間を長くすることはできるが、複数の中間ハース（８１、８２）を用いることで、１つのおおきな中間ハースとする場合よりも、原料溶解用ハース２から鋳型４への短絡流（直送流）の発生を防止することができる。これにより、原料５２の溶け残りが鋳型１０に流れ込むことを防止できる。
【００４０】
チタン合金は、その原料５２の成分が不均一なため、ハース内での溶湯５３の十分な攪拌が必要であり、この観点からも、原料溶解用ハース２の底面に電磁攪拌装置６を近接配置して、原料溶解用ハース２内の溶湯５３に旋回流を生じさせて溶湯５３を攪拌することが好ましい。
【００４１】
また、図２中の太線の実線矢印は、図１（ａ）と同様に、プラズマトーチ５（または７）のプラズマ噴射部（または、プラズマ噴射部から噴射されるプラズマガスの中心）を移動（揺動および／またはスライド移動（上下動））させる範囲を例示している。本実施形態においても、各流路（１１、１２、１４）の溶湯５３の湯面をプラズマ加熱できるようになっている（図３に示したチタン溶解装置１０３についても同様）。
【００４２】
なお、チタン合金の鋳塊は、円柱形上の製品が主であるため、鋳型１０は、断面円形の無底の鋳型とされている。
【００４３】
（変形例２）
図３は、図１に示したチタン溶解装置１の変形例を示す図である。なお、図１に示した構成部材と同様の構成部材については同じ符号を付している。
【００４４】
図１に示したチタン溶解装置１と本実施形態のチタン溶解装置１０３との相違点は、中間ハースの形状、およびハース・鋳型の配置である。
【００４５】
本実施形態では、中間ハース８の内周壁および外周壁を、原料溶解用ハース２と同じように正方形状としている。なお、中間ハース８内の容量と、図１に示した中間ハース３内の容量とはほぼ同じである。
【００４６】
ハース・鋳型の配置に関しては、原料投入経路９・原料溶解用ハース２、中間ハース８、鋳型４をこの順で一列に並べて配置している。また、鋳型４の長い側の側壁の中央部から鋳型４内へ溶湯５３を注入するようにしている。なお、図１に示したチタン溶解装置１では、鋳型４の短い側の側壁の中央部から鋳型４内へ溶湯５３を注入するようにしている。
【００４７】
ここで、原料投入経路９、溶湯出口流路１１、および溶湯注入流路１２は、隣り合うもの同士が一直線上の配置とならないように、相互にずらされている。これにより、原料溶解用ハース２（さらには原料投入部２ａ）から鋳型４への短絡流（直送流）の発生を防止している。
【００４８】
なお、図１および２に示したチタン溶解装置（１、１０２）では、いずれも、ハースはＬ字状配置され、鋳型を含めると全体でコ字状配置されている。すなわち、図１および２に示したチタン溶解装置（１、１０２）では、ハース・鋳型をこのような配置にすることで、原料溶解用ハース２から鋳型４への短絡流（直送流）の発生を防止できている。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。
【符号の説明】
【００５０】
１：チタン溶解装置
２：原料溶解用ハース
３：中間ハース
４：鋳型
６：電磁攪拌装置
１１：溶湯出口流路
１２：溶湯注入流路
５１：原料（スポンジチタン）
５２：原料（ロッド状）
５３：溶湯
【図１】
0005878398.tif 000002
【図２】
0005878398.tif 000003
【図３】
0005878398.tif 000004
【図４】
0005878398.tif 000005