(57)【要約】【課題】インゴットを安全に安定して製造する。【解決手段】鋳造装置１０は、真空チャンバー１２内に設置された鋳型１４と、鋳型１４に金属原料Ｓを供給する原料供給手段１６とを備えている。また、鋳造装置１０は、鋳型１４の内側にある内容物Ｃの上面に向けて電子ビームを照射し、該内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域を加熱するビーム照射手段１８と、鋳型１４内の内容物Ｃを自転させて、内容物Ｃの上面におけるビーム照射手段１８に相対する領域を切り替える回転手段２０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバー(12)と、
前記真空チャンバー(12)の内部に設置されて、金属原料(S)を溶融して得られる溶融湯(M)を冷却してインゴット(I)を成形する鋳型(14)と、
前記鋳型(14)の上側から該鋳型(14)内に前記金属原料(S)を供給する原料供給手段(16)と、
前記鋳型(14)の内側にある内容物(C)の上面に向けて電子ビームを照射し、該内容物(C)の上面における半径以上に相当する領域を加熱するビーム照射手段(18)と、
前記鋳型(14)内の内容物(C)を、該鋳型(14)の内側を上下に通る軸周りに回転させ、該内容物(C)の上面における前記ビーム照射手段(18)に相対する領域を切り替える回転手段(20)と、
を備えた
ことを特徴とする鋳造装置。
【請求項２】
前記鋳型(14)内の内容物(C)の上面位置を計測する計測手段(32)と、
前記計測手段(32)で得た前記内容物(C)の上面位置に応じて、該上面高さを一定に保つように該内容物(C)を前記鋳型(14)から下方へ引き抜く引抜手段(34)と、を備えた請求項１記載の鋳造装置。
【請求項３】
前記内容物(C)の上面を撮像する撮像手段(42)と、
前記撮像手段(42)で撮像した前記内容物(C)の上面の状況に基づいて、前記ビーム照射手段(18)による電子ビームの照射を停止するよう制御する制御手段(44)と、を備えた請求項１または２記載の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子ビームを用いる鋳造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム溶解は、高真空・高温雰囲気が得られるため、活性金属や高融点金属、特に、Ｔｉ(チタン)やＮｂ(ニオブ)、Ｔａ(タンタル)などのレアメタルの溶融や精製に利用されている。電子ビーム溶解装置としては、電極を構成するバー状固形原料の端部に電子ビームを照射することで、バー状固形原料の端部から順次溶融した金属を鋳型に供給し、鋳型内で冷却・凝固して金属インゴットを溶製する、「ドリップ式」と称される方式が知られている。ドリップ式の電子ビーム溶解装置は、緻密な金属インゴットを作るため、鋳型内にも電子ビームを照射して溶融状態を維持しながら、冷却・凝固することが行われている。
【０００３】
また、「ハース式」と称される別の方式は、原料供給手段により固形原料をハースと呼ばれる溶解用容器へ供給し、そこへ電子ビームを照射することによって固形原料を溶解してハース内で溶湯を作る。次に、溶湯をハース近傍に配置された鋳型に流し込み、順次冷却・凝固することで、インゴットを得ている。ハース式の電子ビーム溶解装置であっても、緻密な金属インゴットをつくるため、鋳型内にも電子ビームを照射して溶融状態を維持しながら、冷却・凝固することも行われている。このようなハース式の電子ビーム溶解装置は、例えば特許文献１および特許文献２に示すようなものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２５１００８号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／０７８４０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ドリップ式の装置は、原料が顆粒状や塊状の場合に、プレスや溶接といった加工により形を整えて棒形状とする必要があるので、原料コストが上昇してしまう。また、合金を原料として用いる場合、合金を構成する金属成分の融点や蒸気圧の違いにより、融点が低い金属成分が優先的に溶融したり、溶解後に蒸発し易い金属成分が減少するなどにより、原料の組成比とインゴットの組成比が異なってしまう。このため、狙った品質のインゴットを得ることが難しい。
【０００６】
ハース式の装置は、ハースに設けられた水冷構造の出湯口から、ハースで溶融した溶融湯を鋳型へ出湯するようになっている。当該装置は、溶融湯からの抜熱や冷却による出湯口での凝固・閉塞を防止するため、溶融湯を出湯前に融点より更に高い温度状態(スーパーヒート)に維持する必要がある。溶融湯をスーパーヒート状態にすると、合金を原料として用いる場合、合金の金属成分の融点や蒸気圧の違いにより、融点が低い金属成分が優先的に溶融したり、融解後に蒸発し易い金属成分が減少するなどにより、出湯口の通過前後で合金の組成に差違が生じてしまう。このため、狙った品質のインゴットを得ることが難しい。また、ハースから鋳型へ安定した出湯を行うため、出湯口へ絶えず電子ビームによる照射が必要であり、電子銃、その電源および制御装置が高価であることから、設備コストが上昇してしまう。
【０００７】
ドリップ式およびハース式の何れであっても、オペレーターが真空チャンバーの覗き窓から溶融湯の溶融面を観察しながら電子ビームを走査・照射する操作を行ったり、電子ビームの出力を調整しており、溶融作業の自動化が実現されていない。オペレーターの操作ミス、あるいは電子ビーム走査制御装置の不具合などにより、電子ビームが所定の走査照射範囲から逸脱する、所謂「ビームの暴走」が発生するおそれがある。ビームの暴走が起こった際に、銅などで構成される水冷構造の鋳型の壁面に高エネルギーの電子ビームが接近すると、鋳型が溶け出して鋳型を構成していた金属が溶融湯中に不純物として混入したり、壁面に穴が開いて水漏れするなどが起こる。このような場合、溶融作業は即時中止するほかはなく、処理していた高価な製品が水と反応してその品質が損なわれ、経済的な損失が発生する。また、装置を構成する真空ポンプや電子銃もダメージを被り、装置の復旧までに多大な経済的・時間的なロスが発生してしまう。
【０００８】
すなわち本発明は、従来の技術に係る前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、廉価で安全性が高く、また品質に優れたインゴットを得られる鋳造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明の鋳造装置は、
真空チャンバーと、
前記真空チャンバーの内部に設置されて、金属原料を溶融して得られる溶融湯を冷却してインゴットを成形する鋳型と、
前記鋳型の上側から該鋳型内に前記金属原料を供給する原料供給手段と、
前記鋳型の内側にある内容物の上面に向けて電子ビームを照射し、該内容物の上面における半径以上に相当する領域を加熱するビーム照射手段と、
前記鋳型内の内容物を、該鋳型の内側を上下に通る軸周りに回転させ、該内容物の上面における前記ビーム照射手段に相対する領域を切り替える回転手段と、を備えたことを要旨とする。
請求項１に係る発明によれば、装置および金属原料に関するコストを低廉にすることができる。また、電子ビームの照射に関する制御を簡単にすることができ、インゴットを安全に安定した品質で製造することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明では、前記鋳型内の内容物の上面位置を計測する計測手段と、
前記計測手段で得た前記内容物の上面位置に応じて、該上面高さを一定に保つように該内容物を前記鋳型から下方へ引き抜く引抜手段と、を備えたことを要旨とする。
請求項２に係る発明によれば、ビーム照射手段と内容物の上面との関係を一定に維持することができるから、高品質なインゴットをより安定的に製造することができる。
【００１１】
請求項３に係る発明では、前記内容物の上面を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像した前記内容物の上面の状況に基づいて、前記ビーム照射手段による電子ビームの照射を停止するよう制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする。
請求項３に係る発明によれば、電子ビームによる鋳型の損傷やインゴットの汚損を回避でき、安全性をより高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る鋳造装置によれば、廉価で安全性が高い装置によって、品質に優れたインゴットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の好適な第１実施形態に係る鋳造装置を示す概略図である。
【図２】鋳型内の内容物と電子ビームの照射範囲との関係を示す説明図であり、(ａ)は１基の電子銃により内容物の上面における半径方向に延在する領域を走査する場合であり、(ｂ)は内容物の上面における半径方向に延在する領域を２基の電子銃で平行に走査する場合であり、(ｃ)は内容物の上面における半径方向外側と半径方向内側とのそれぞれを２基の電子銃で分担して走査する場合である。なお、電子ビームの照射範囲は、二点鎖線で囲った範囲である。
【図３】第２実施形態に係る鋳造装置を示す概略図である。
【図４】第３実施形態に係る鋳造装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明に係る鋳造装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。
【実施例】
【００１５】
（第１実施形態)
図１に示すように、第１実施形態に係る鋳造装置１０は、真空チャンバー１２と、真空チャンバー１２の内部に設置された鋳型１４と、鋳型１４に金属原料Ｓを供給する原料供給手段１６とを備えている。また、鋳造装置１０は、鋳型１４の内側にある内容物Ｃに向けて、電子ビームを照射可能なビーム照射手段１８と、鋳型１４の内側にある内容物Ｃを回転させる回転手段２０とを備えている。鋳造装置１０は、鋳型１４に供給された金属原料Ｓをビーム照射手段１８から照射した電子ビームで加熱することで溶融し、金属原料Ｓが溶融した溶融湯Ｍを鋳型１４で冷却・凝固することで、インゴットＩを製造するよう構成されている。従って、鋳型１４の内側には、供給された金属原料Ｓのみ、供給された金属原料Ｓおよび金属原料Ｓが溶融した溶融湯Ｍ、あるいは金属原料Ｓ、溶融湯Ｍおよび溶融湯Ｍが冷却して凝固したインゴットＩが、製造段階に応じて存在している。そして、鋳型１４には、製造段階の大部分においてインゴットＩの上側に溶融湯Ｍのプールが形成され、内容物Ｃの上面が溶融湯Ｍの溶融面で構成される。なお、鋳型１４の内側にある金属原料Ｓ、溶融湯ＭおよびインゴットＩを区別なく指称する場合は、内容物Ｃという。
【００１６】
真空チャンバー１２は、図示しない真空ポンプによって内部の圧力が例えば１×１０−２Ｐａ以下に保持された密閉容器であり、内部に設置された鋳型１４を視認可能な覗き窓２２が上部に設けられている。原料供給手段１６は、真空チャンバー１２の外側に設けられた原料貯留部２４に貯留された金属原料Ｓを、鋳型１４に近接して設けられた供給口から、鋳型１４における上方に開口する上部開口に向けて供給可能に構成されている。原料供給手段１６は、金属原料Ｓの供給量、供給タイミングおよび供給時間を調節可能に構成されており、金属原料Ｓを鋳型１４の上側から鋳型１４内に供給する際に、所定量の金属原料Ｓを所定タイミングで所定時間かけて供給する。なお、本実施形態では、ビーム照射手段１８による電子ビームの照射位置から外れた位置であって、当該照射位置から内容物Ｃの回転方向上流側へ９０°程度離れた位置に、原料供給手段１６によって鋳型１４内への金属原料Ｓが供給される。
【００１７】
金属原料Ｓとしては、チタン(Ｔｉ)、ニオブ(Ｎｂ)、タンタル(Ｔａ)などの主に単体の金属を含むもの、チタン合金、ニオブ合金、タンタル合金などの合金を主に含むもの等、その他、電子ビームにより溶融可能なものが挙げられる。また、金属原料Ｓとしては、粒状や塊状など、形状や大きさに特に限定はなく、棒状などに予め成形することは必須ではない。また、原料供給手段１６は、単一種類の金属原料Ｓを供給することに限らず、複数種類の金属原料Ｓを供給してもよい。複数種類の金属原料Ｓを鋳型１４に供給する場合は、複数の原料貯留部２４毎に供給経路を設けた原料供給手段１６により鋳型１４内で金属原料Ｓを混合する構成や、複数の原料貯留部２４に繋がる供給経路を設けた原料供給手段１６により供給経路で金属原料Ｓを混合する構成などを採用できる。鋳造装置１０は、供給する金属原料Ｓに応じたインゴットＩを製造可能であり、特に高融点金属とも呼ばれる融点の高い金属原料、例えばタングステン(Ｗ)、タンタル、モリブデン(Ｍｏ)、ニオブと、これらの合金など、融点が２０００℃を超すものを含むインゴットＩを製造することに適している。
【００１８】
鋳型１４は、銅などの熱伝導率に優れた金属製であり、壁内に水などの冷却剤が循環する冷却構造になっている。鋳型１４は、上下に開口する円筒状であり、内部を循環する水などの冷却剤により冷却可能なチルプレート２６に載置され、チルプレート２６上に設置された図示しない敷板(スタブ)によって下部開口が塞がれている。敷板は、金属からなる薄い板状体であり、鋳型１４で精製されるインゴットＩと同じ組成の金属材料で構成することが好ましい。鋳型１４は、溶融湯Ｍを冷却・凝固してインゴットＩにする機能だけではなく、ビーム照射手段１８の加熱により金属原料Ｓを溶融させる際の耐熱容器(るつぼ)としての機能も有している。
【００１９】
図１に示すように、ビーム照射手段１８は、真空チャンバー１２の上部に設けられた電子銃から、鋳型１４の上部開口を介して鋳型１４内の内容物Ｃに向けて電子ビームを照射し、内容物Ｃの上面の一部領域を加熱する。ビーム照射手段１８による加熱範囲は、内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域に設定されている。ビーム照射手段１８は、内容物Ｃの上面全体に電子ビームを照射するように走査するのではなく、内容物Ｃの上面の一部領域に限定して電子ビームを照射するように走査して、内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域を加熱する。なお、内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域とは、内容物Ｃの自転により上面のおおよそ全体に電子ビームが照射されて上面全体を加熱し得るに足る領域であればよく、内容物Ｃの上面における半径程度から直径未満であればよい。ここで、ビーム照射手段１８は、１基の電子銃によって内容物Ｃの上面を回転手段２０による回転中心から半径方向に延在するように走査する加熱態様(図２(ａ))や、複数の電子銃によって内容物Ｃの上面を半径方向へ平行に走査する加熱態様(図２(ｂ))などとすることができる。このように、ビーム照射手段１８は、内容物Ｃの上面における半径方向に延びる範囲に電子ビームを照射する場合、基本的に一軸方向だけに電子ビームを偏向させる制御とすることができる。また、ビーム照射手段１８は、複数の電子銃によって半径方向に並ぶ範囲に電子ビームをそれぞれ照射して、複数の電子ビーム照射範囲が連なって全体として内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域を加熱する態様(図２(ｃ))などであってもよい。図２(ｃ)の態様であれば、それぞれの電子銃による電子ビームの照射範囲をより狭くすることができる。
【００２０】
回転手段２０は、チルプレート２６の下面から上下に延在してチルプレート２６を支持する支持軸２８を、モータ等の駆動源により上下の軸周りに回転して、チルプレート２６に載置された鋳型１４を自転させる。回転手段２０は、チルプレート２６および鋳型１４と共に、鋳型１４の内側にある内容物Ｃを、鋳型１４の中心を上下に通る軸周りに回転し、内容物Ｃの上面におけるビーム照射手段１８に相対する領域を切り替える。回転手段２０は、内容物Ｃを撹拌しない程度の低速で該内容物Ｃを自転させ、例えば０．２回転／分〜２回転／分の範囲に設定することが好ましい。なお、敷板は、例えばチルプレート２６に設けられた凹凸に嵌まり込む印籠構造として、チルプレート２６と一緒に回転するように構成してもよい。
【００２１】
次に、第１実施形態の鋳造装置１０を用いたインゴットＩの製造方法について説明する。チルプレート２６に載置された鋳型１４内に原料供給手段１６により金属原料Ｓを供給し、回転手段２０によってチルプレート２６および鋳型１４と一緒に内容物Ｃを回転させつつ、ビーム照射手段１８により内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域を加熱する。チルプレート２６および鋳型１４と共に内容物Ｃを自転することで、ビーム照射手段１８による内容物Ｃの加熱範囲が順次切り替わり、内容物Ｃが一周り自転すると内容物Ｃの上面全体がビーム照射手段１８で加熱される。また、内容物Ｃを自転させつつ金属原料Ｓを供給するので、金属原料Ｓが内容物Ｃの回転方向へ適宜分散することになる。金属原料Ｓは、電子ビームによる加熱により溶融して溶融湯Ｍとなり、電子ビームが当たる上面より遠い溶融湯Ｍ下側から、冷却された鋳型１４およびチルプレート２６により抜熱・冷却されることで凝固して、インゴットＩが製造される。内容物Ｃを自転させると共に内容物Ｃの上面を加熱しつつ、金属原料Ｓを逐次供給することで、インゴットＩを鋳型１４内で上方へ順次成長させる。この際に、金属原料Ｓの供給およびインゴットＩの成長に伴って上昇する内容物Ｃの上面に合わせて、電子ビームを調節することで、内容物Ｃの上面に対する電子ビームの焦点が一定になるように制御する。このようにしてインゴットＩが得られる。
【００２２】
前述した第１実施形態の鋳造装置１０は、金属原料Ｓを鋳型１４内で電子ビームにより溶融させる構成であるから、ドリップ式のように金属原料Ｓを棒状に加工することは必須ではなく、様々な形態の金属原料Ｓを用いることができる。従って、鋳造装置１０によれば、ドリップ式と比べて金属原料Ｓにかかるコストを低減することができる。また、鋳造装置１０は、金属原料Ｓを鋳型１４内に直接供給し、るつぼとしても機能する鋳型１４内で金属原料Ｓを溶融する構成であるから、ハース式のように鋳型１４に併設するハースを省略することができると共に、ハースから鋳型１４への出湯管理が不要となる。鋳造装置１０によれば、ハース式と比べて設備コストが低廉でエネルギー効率がよく、ハースから鋳型１４への出湯操作が不要であるから運転操作が容易である。また、出湯のために溶融湯Ｍを過剰なス−パーヒート状態にする必要がないので、狙いとする純度および成分を有する外観がきれいなインゴットＩを得ることができる。
【００２３】
鋳造装置１０は、ビーム照射手段１８による加熱が内容物Ｃの上面のうちの一部領域に設定されているので、ビーム照射手段１８を制御して電子ビームを照射する範囲を狭くすることができる。すなわち、内容物Ｃの上面全体に電子ビームを順々に照射する場合と比べて、ビーム照射手段１８の制御負担を減らすことができるから、オペレーターの操作ミスなどの不具合の発生を防止して、電子ビームが所定の照射範囲から逸脱する可能性を低くすることができる。このように、鋳造装置１０によれば、電子ビームの暴走に起因する鋳型１４等の設備の損傷やインゴットＩの汚損などの問題の発生を防止し得るので、当該問題の解消に伴う経済的・時間的ロスを招かず、インゴットＩを安全に安定して製造することができる。
【００２４】
鋳造装置１０は、ビーム照射手段１８による加熱を内容物Ｃの上面のうちの一部領域に設定して、電子ビームを照射する箇所を狭い領域に限定してあるので、当該領域内での加熱ムラを抑えることができる。そして、鋳造装置１０は、内容物Ｃを自転させつつ、内容物Ｃの上面における半径以上に相当する領域をビーム照射手段１８で加熱するので、内容物Ｃの自転に伴って該内容物Ｃの上面におけるビーム照射手段１８に相対する領域が順次切り替わり、内容物Ｃの上面全体をむらなく加熱できる。このように、鋳造装置１０は、内容物Ｃの上面を均一に加熱することができるので、不純物を蒸発させて精製することでインゴットＩの純度を効率よく高めることができると共に、蒸発速度が大きい必要成分の減少を抑えて、狙った成分のインゴットＩを簡単に製造することができる。
【００２５】
（第２実施形態)
図３に示すように、第２実施形態に係る鋳造装置３０は、第１実施形態の構成に加えて、鋳型１４内の内容物Ｃの上面位置を計測可能な計測手段３２と、鋳型１４内の内容物Ｃを下方へ引き抜き可能な引抜手段３４とを備えている。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成は同じ符号を付して説明を省略する。
【００２６】
第２実施形態の鋳型１４は、真空チャンバー１２側に固定されており、回転手段２０によるチルプレート２６の回転に伴って、鋳型１４が回転することなく、チルプレート２６に載った鋳型１４内の内容物Ｃだけが自転するように構成されている。なお、第２実施形態の鋳型１４は、第１実施形態と比べて上下寸法が小さく設定されている。
【００２７】
計測手段３２は、真空チャンバー１２の上部に設けられ、金属原料Ｓの供給およびインゴットＩの成長に伴って上昇する内容物Ｃの上面位置の変化を認識可能になっている。計測手段３２としては、レーザーなどを用いた非接触型のレベルモニター(レベル計)などが用いられる。引抜手段３４としては、チルプレート２６の支持軸２８を昇降させるモータ等のアクチュエータを用いることができ、計測手段３２で計測した内容物Ｃの上面位置に基づいて、チルプレート２６を下降するように制御される。第２実施形態の鋳造装置３０は、計測手段３２で計測した内容物Ｃの上面位置に基づいて、当該上面位置が一定になるように、鋳型１４で冷却・固化したインゴットＩをチルプレート２６の下降により鋳型１４から下方へ引き抜くように構成されている。
【００２８】
第２実施形態の鋳造装置３０は、前述した第１実施形態の作用効果に加えて、以下のような作用効果を示す。鋳造装置３０は、ビーム照射手段１８の電子銃と内容物Ｃの上面との距離が自動に調節されて常に一定になるように維持されるから、電子ビームの焦点位置の調整を含む一切の操作が不要であり、金属原料Ｓの溶解の初めから終わりまで同じ条件で運転することが可能である。このように製造条件を均一に揃えることができるので、得られたインゴットＩの成分をより安定させることができる。また、製造できるインゴットＩの長さが鋳型１４の高さに制約されることなく、内容物Ｃの引き下げ距離に応じた長尺なインゴットＩを製造することが可能である。また、鋳造装置３０によれば、インゴットＩの高さ方向への成長に合わせて電子ビームの焦点を調整する手間を軽減し、自動化を図ることが可能となり、省力化することができる。
【００２９】
（第３実施形態)
図４に示すように、第３実施形態に係る鋳造装置４０は、第２実施形態の構成に加えて、鋳型１４内の内容物Ｃの上面を撮像する撮像手段４２と、撮像手段４２で撮像した内容物Ｃの上面の状況に基づいて、ビーム照射手段１８を制御する制御手段４４とを備えている。なお、第３実施形態において、第１および第２実施形態と同様の構成は同じ符号を付して説明を省略する。
【００３０】
撮像手段４２は、ＣＣＤカメラなど、内容物Ｃの上面を画像として認識し得るものが用いられ、第３実施形態では、覗き窓２２を介して内容物Ｃの上面を撮像するようになっている。ここで、撮像手段４２は、ビーム照射手段１８の電子ビーム照射範囲を含むように撮像するように設定され、撮像手段４２で得た情報は、ビーム照射手段１８を制御する制御手段４４に入力される。制御手段４４は、例えば鋳型１４の内壁付近を含む特定エリアを撮像手段４２から得た情報に基づいて監視し、内容物Ｃの上面の状況に基づいて、ビーム照射手段１８からのビーム照射を停止するように制御する。より具体的には、電子ビームの照射範囲のうちで、鋳型１４の内壁と溶融湯Ｍの上面との境界部分をクローズアップして、当該境界部分の色の変化などを閾値として、電子ビームが鋳型１４の内壁に異常接近したことを検知した際に、電子ビームの照射を瞬時に遮断する。
【００３１】
第３実施形態の鋳造装置４０は、前述した第１および第２実施形態の作用効果に加えて、以下のような作用効果を示す。鋳造装置４０は、電子ビームが鋳型１４の内壁に対する過剰接近するような変動を検知した場合、電子ビームの照射を停止するので、電子ビームの暴走に起因する鋳型１４の破損やインゴットＩの汚損等をより好適に防止することができる。
【００３２】
＜試験例１＞
内径２０ｃｍ、高さ４０ｃｍの円筒状の水冷鋳型に対して、顆粒状のチタン原料と顆粒状のニオブ原料とを７：５の割合で、チタン原料とニオブ原料との合計で毎分２００ｇになるように順次供給する。また、チルプレートに載った鋳型を毎分１回転の速度で自転しながら、加速電圧３５ｋＶ、電流値１．５Ａに設定した電子ビームを内容物の上面に対し、該内容物の上面における半径相当長さ(図２(ａ)参照)に固定して照射し、ニオブチタン合金のインゴットを製造した。なお、インゴットの高さ方向への成長に合わせて電子ビームの焦点を調整し、内容物の上面における電子ビームによるホットスポットを同じ大きさに維持するように調整した。冷却・凝固後にインゴットを鋳型から取り出し、寸法を測定したところ直径１９ｃｍ、高さ３８ｃｍであり、質量は７２ｋｇ、比重は６．７であった。また、化学分析により、インゴットの径方向のチタン濃度分布を調べた結果、最高４７．９％、最低４６．２％であり、平均でニオブ５３％−チタン４７％の組成であり、超電導材素材相当の組成のインゴットを製造することができた。チタンの方がニオブより真空中での溶融時の蒸発量が多いので、蒸発量を見込んでチタン原料の比率を高くしたが、得られたインゴット中のチタンの比率はニオブより小さいものとなった。
【００３３】
＜試験例２＞
内径２０ｃｍ、高さ４０ｃｍの円筒状の水冷鋳型に対して、顆粒状のニオブ原料を毎分１００ｇの供給速度で順次供給する。また、チルプレートに載った鋳型を毎分１回転の速度で自転しながら、加速電圧３５ｋＶ、電流値１．５Ａに設定した電子ビームを内容物の上面に対して、該内容物の上面における半径相当長さ(図２(ａ)参照)に固定して照射し、純ニオブのインゴットを製造した。なお、インゴットの高さ方向への成長に合わせて電子ビームの焦点を調整し、内容物の上面における電子ビームによるホットスポットを同じ大きさに維持するように調整した。冷却・凝固後にインゴットを取り出し、寸法を測定したところ直径１９ｃｍ、高さ３７ｃｍであり、質量は９０ｋｇ、比重は８．５７であった。化学分析の結果、ニオブ９９．８％以上の高純度のインゴットを鋳造することができた。なお、不純物の大部分はニオブと共存するタンタルであった。
【００３４】
＜試験例３＞
内径３２ｃｍ、高さ１５ｃｍの円筒状の水冷鋳型を、チルプレートに設置した敷板(スタブ)で下部開口を塞ぐようにチルプレート上にセットする。敷板は、目的とするインゴットと同じ組成であり、直径がインゴットの直径以上で、厚さが０．５ｃｍである。水冷鋳型に対して、顆粒状のチタン原料と顆粒状のニオブ原料とを７：５の割合で、チタン原料とニオブ原料との合計で毎分４００ｇになるように順次供給する。チルプレートおよび敷板を毎分０．８回転で回転して鋳型内の内容物を自転させながら、加速電圧３５ｋＶ、電流値１．５Ａに設定した２基の電子銃から内容物の上面に電子ビームを照射した。２基の電子銃によって、内容物の上面における半径相当長さのパターンが平行に隣接して並ぶように固定して(図２(ｂ)参照)電子ビームを同時に照射し、ニオブチタン合金のインゴットを製造した。ここで、チルプレートを毎時４ｃｍの速度で下降することで、内容物(インゴット)を鋳型から下方へ引き抜きつつ、インゴットを成長させた。冷却・凝固後にインゴットを取り出し、寸法を測定したところ、直径３０．５ｃｍ、高さ６７ｃｍであり、質量は３２４ｋｇ、比重は６．６であった。化学分析の結果、ニオブ５２％−チタン４８％の超電導材素材相当の組成を有する合金であることが確認された。得られたインゴットにおいて、ニオブとチタンの濃度分布のばらつきは、外周層を除き、最大２％であった。なお、インゴットにおいて、厚さ５ｍｍ前後の外周層は、チタン濃度が６０％程度と高かった。
【００３５】
＜試験例４＞
内径３２ｃｍ、高さ１５ｃｍの円筒状の水冷鋳型を、チルプレートに設置した敷板(スタブ)で下部開口を塞ぐようにチルプレート上にセットする。敷板は、目的とするインゴットと同じ組成であり、直径がインゴットの直径以上で、厚さが０．５ｃｍである。水冷鋳型に対して、顆粒状のニオブ原料を毎分３００ｇになるように順次供給する。チルプレートおよび敷板を毎分０．８回転で回転して鋳型内の内容物を自転させながら、加速電圧３５ｋＶ、電流値２Ａに設定した２基の電子銃から内容物の上面に電子ビームを照射した。２基の電子銃によって、内容物の上面における半径相当長さのパターンが平行に隣接して並ぶように固定して(図２(ｂ)参照)電子ビームを同時に照射し、純ニオブのインゴットを製造した。ここで、内容物の上面位置を水冷鋳型の上端より５ｃｍ低いレベルで維持するように、毎時２．８ｃｍの速度で引き下げる条件でチルプレートを下降することで、内容物(インゴット)を鋳型から下方へ引き抜きつつ、インゴットを成長させた。得られた純ニオブのインゴットは直径３１ｃｍ、高さ７０ｃｍで質量は４５３ｋｇであった。得られたインゴットの外観上の特徴として、鋳肌が試験例１と比べて円滑であり、これはインゴット自転時の水冷鋳型との摺動による平滑化効果によるものと考えられる。
【００３６】
＜比較例＞
内径２０ｃｍ、高さ４０ｃｍの円筒状の水冷鋳型に対して、顆粒状のチタン原料と顆粒状のニオブ原料とを７：５の割合で、チタン原料とニオブ原料との合計で毎分２００ｇになるように順次供給する。また、加速電圧３５ｋＶ、電流値１．５Ａに設定した電子ビームを内容物の上面に順次全面を走査するよう照射し、ニオブチタン合金のインゴットを製造した。なお、インゴットの高さ方向への成長に合わせて電子ビームの焦点を調整し、内容物の上面における電子ビームによるホットスポットを同じ大きさに維持するように調整した。冷却・凝固後にインゴットを鋳型から取り出し、寸法を測定したところ直径１９ｃｍ、高さ３８ｃｍであり、質量は７２ｋｇ、比重は６．６であった。化学分析の結果、平均でニオブ５２％−チタン４８％の組成であったが、チタン濃度が最高７２％、最低３６％と局所的にばらつきが大きく、試験例１のように超電導材素材相当の組成のインゴットを製造することができなかった。
【符号の説明】
【００３７】
１２ 真空チャンバー，１４ 鋳型，１６ 原料供給手段，１８ ビーム照射手段，
２０ 回転手段，３２ 計測手段，３４ 引抜手段，４２ 撮像手段，４４ 制御手段，
Ｃ 内容物，Ｉ インゴット，Ｍ 溶融湯，Ｓ 金属原料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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