(57)【要約】【課題】酸化物の巻き込みが少なく、且つ形状が均一な複数の溶融鋳造インゴットを低コスト及び安定に作製可能なインゴット鋳造装置及び鋳造方法を提供する。【解決手段】  インゴット鋳造装置１は金属原料２０を加熱溶融した溶湯２１を原料投入槽２のノズル６から鋳型本体３に流し込んでインゴットを鋳造する。鋳型本体３は貯留室３１とインゴット鋳造室３２，３２を備え、インゴット鋳造室３２，３２の底部の相互間がカーボンシート４の流通溝４１を通して貯留室３１に連通している。更に、インゴット鋳造室３２，３２に流入した溶湯２１を所定の高さでオーバーフローさせる排出溝３６が鋳型本体３の上部に形成されている。【選択図】図１
2015182111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素濃度が低く高純度、且つ、均一形状の複数の金属インゴットを形成するためのインゴット鋳造装置であって、
インゴットに鋳造するための金属原料を収容する原料投入槽と、
前記原料投入槽と連通され、前記金属原料を加熱溶融した溶湯を貯える貯留室を有すると共に、前記貯留室に隣接するようにして複数のインゴット鋳造室が配置され、前記インゴット鋳造室に流入した溶湯を排液部へオーバーフローさせる排出溝が上部に形成された鋳型本体と、
前記鋳型本体の底面に配置され、前記インゴット鋳造室の底部と前記貯留室の底部を連通するようにして形成された流通溝が形成されたカーボンシートと、
前記カーボンシートを前記鋳型本体に密着させる底板と、
を備えていることを特徴とするインゴット鋳造装置。
【請求項２】
請求項１に記載のインゴット鋳造装置において、
前記原料投入槽、前記鋳型本体、前記カーボンシート及び前記底板は、高純度カーボンによって形成されていることを特徴とするインゴット鋳造装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のインゴット鋳造装置において、
前記インゴット鋳造室は、上部側又は底部側に向かって拡開したテーパ状とされていることを特徴とするインゴット鋳造装置。
【請求項４】
酸素濃度が低く高純度、且つ、均一形状の複数の金属インゴットを形成するためのインゴット鋳造方法であって、
インゴットに鋳造するための金属原料を原料投入槽へ収容するステップと、
前記金属原料を還元雰囲気又は不活性雰囲気中で加熱溶融した溶湯を前記原料投入槽と連通された貯留室へ流入させるステップと、
前記貯留室に隣接するようにして配置された複数のインゴット鋳造室の底部と前記貯留室の底部を連通するようにして形成された流通溝を介して前記溶湯を前記インゴット鋳造室に互いに流入させるステップと、
前記インゴット鋳造室に流入した前記溶湯を所定の高さでオーバーフローさせるステップと、
前記インゴット鋳造室に流入した溶湯を冷却することにより固化してインゴットとするステップと、
前記インゴットを取り出すステップと、
を含み構成されていることを特徴とするインゴット鋳造方法。
【請求項５】
請求項４に記載のインゴット鋳造方法において、
前記インゴット鋳造室を、上部側又は底部側に向かって拡開したテーパ状に形成することにより、形成されたインゴットを容易に取り出し可能としたことを特徴とするインゴット鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物の巻き込みが少なく、しかも形状が均一な複数の溶解鋳造インゴットを低コスト且つ安定に製造可能なインゴット鋳造装置及び鋳造方法置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビスマステルル、インジウムアンチモン等の化合物半導体を量産レベルで大量に合成する場合、投入原料を秤量する時間を短縮するために一定の形状の金属原料（インゴット）を予め多数個作製しておくことが要求される。この一定形状の金属インゴットを作製するには鋳造等のプロセスを設ける必要があるが、その工程において酸化物の巻き込みや形状のばらつき等を発生することがある。このため、秤量時間の短縮化が十分に達成できないことがある。
【０００３】
また、金属原料を溶解鋳造した複数個のインゴットを鋳型から取り出す際、以下のような問題が生じる場合がある。
（１）原料に付着した酸化物が鋳造インゴットに巻き込まれるために、インゴット中の酸素濃度が低くならない。一部に酸素濃化部が有る場合、後工程で除去する必要があるために時間と手間が必要になる。
（２）複数個のインゴットの大きさを同じにするためには鋳型内に溶湯貫通孔を設ける必要があるが、貫通孔が大きいと鋳造インゴット凝固時に貫通孔部中の溶湯も凝固するため、インゴット鋳造後に貫通孔の固化部を切断する作業が必要になる。
（３）鋳造インゴットを鋳型から取り出す時にインゴットの一部が鋳型表面に固着し、脆い金属の場合にはインゴットが破損することがある。
【０００４】
尚、不純物の低減については、特許文献１に示されており、精製方法及び精製装置では金属を鋳型中で真空加熱することで解決を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２１２６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の精製方法や特許文献１の精製装置によると、不純物の低減は解消されるものの、上記したその他の諸問題は解決されないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、酸化物の巻き込みが少なく、且つ形状が均一な複数の溶解鋳造インゴットを低コスト及び安定に作製可能なインゴット鋳造装置及び鋳造方法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】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の本発明は、酸素濃度が低く高純度、且つ、均一形状の複数の金属インゴットを形成するためのインゴット鋳造装置であって、インゴットに鋳造するための金属原料を収容する原料投入槽と、原料投入槽と連通され、金属原料を加熱溶融した溶湯を貯える貯留室を有すると共に、貯留室に隣接するようにして複数のインゴット鋳造室が配置され、インゴット鋳造室に流入した溶湯を排液部へオーバーフローさせる排出溝が上部に形成された鋳型本体と、鋳型本体の底面に配置され、インゴット鋳造室の底部と貯留室の底部を連通するようにして形成された流通溝が形成されたカーボンシートと、カーボンシートを鋳型本体に密着させる底板とを備えていることを特徴とするインゴット鋳造装置を提供する。
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のインゴット鋳造装置において、原料投入槽、鋳型本体、カーボンシート及び底板は、高純度カーボンによって形成されていることを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載のインゴット鋳造装置において、インゴット鋳造室は、上部側又は底部側に向かって拡開したテーパ状とされていることを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項４に記載の本発明は、酸素濃度が低く高純度、且つ、均一形状の複数の金属インゴットを形成するためのインゴット鋳造方法であって、インゴットに鋳造するための金属原料を原料投入槽へ収容するステップと、金属原料を還元雰囲気又は不活性雰囲気中で加熱溶融した溶湯を原料投入槽と連通された貯留室へ流入させるステップと、貯留室に隣接するようにして配置された複数のインゴット鋳造室の底部と貯留室の底部を連通するようにして形成された流通溝を介して溶湯をインゴット鋳造室に互いに流入させるステップと、インゴット鋳造室に流入した溶湯を所定の高さでオーバーフローさせるステップと、インゴット鋳造室に流入した溶湯を冷却することにより固化してインゴットとするステップと、インゴットを取り出すステップとを含み構成されていることを特徴とするインゴット鋳造方法を提供する。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項５に記載の本発明は、請求項４に記載のインゴット鋳造方法において、インゴット鋳造室を、上部側又は底部側に向かって拡開したテーパ状に形成することにより、形成されたインゴットを容易に取り出し可能としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るインゴット鋳造装置及び鋳造方法によれば、インゴットに鋳造するための金属原料を一旦貯留室へ導入し、貯留室を介して底部で連通しているインゴット鋳造室へ溶湯を流入させると共に、インゴット鋳造室に流入した溶湯を所定の高さでオーバーフローさせることとしたので溶湯中に含まれている酸化物は溶湯の上部に浮上して貯留室にとどまり、またオーバーフローによってインゴット鋳造室から排除されるため酸化物の巻き込みが少ないインゴットを製造することができるという効果がある。また、インゴット鋳造室の形状が一定であることから形状が均一な溶解鋳造インゴットの多数を低コストに安定して製造することができるという効果がある。さらに、製造されたインゴットを用いて合金を合成する際の秤量時間を短縮することができる。
【００１４】
また、鋳造鋳型を構成する原料投入槽、鋳型本体、カーボンシート及び底板を高純度カーボンによって形成したのでインゴットが汚染されることが防止されるという効果がある。
【００１５】
さらに、インゴット鋳造室を上部側又は底部側に向かって拡開したテーパ状に形成したので形成されたインゴットが脆い金属の場合であっても破損することなく容易に取り出すことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るインゴット鋳造装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１に示すインゴット鋳造装置のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１に示すインゴット鋳造装置を利用したインゴット鋳造方法の各工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係るインゴット鋳造装置及び鋳造方法について、好ましい一実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るインゴット鋳造装置の一実施形態を示す断面図、図２は図１に示すインゴット鋳造装置のＡ−Ａ断面図である。
【００１８】
［インゴット鋳造装置の構成］
図示されたインゴット鋳造装置１は、概略として、インゴットに鋳造するための金属原料２０を収容する原料投入槽２と、金属原料２０を加熱溶融した溶湯２１を貯える貯留室３１を有すると共に、貯留室３１を取り囲むようにして複数（本実施形態では１２室）のインゴット鋳造室３２，３２が配置された鋳型本体３と、鋳型本体３の底面に配置され、貯留室３１の底部と複数のインゴット鋳造室３２，３２の底部とを連通させる流通溝４１が形成されたカーボンシート４と、カーボンシート４を鋳型本体３に密着させる角板状の底板５を備えて構成されている。
【００１９】
原料投入槽２には、底部に金属原料２０を加熱溶融した溶湯２１を貯留室３１へ注ぎ入れるためのノズル６が取り付けられている。また、鋳型本体３の上部側には、流通溝４１を介して貯留室３１の底部から各インゴット鋳造室３２，３２の底部へ流入させた溶湯２１の一部を排液部３３へオーバーフローさせる排出溝３６，３６が設けられている。尚、貯留室３１と各インゴット鋳造室３２，３２とは流通溝４１で連通されている以外はその空間はそれぞれ区分されている。排液部３３は、各インゴット鋳造室３２，３２に隣接するようにして鋳型本体３を取り巻くように配置されている。上記構成において、原料投入槽２、鋳型本体３、カーボンシート４、底板５のそれぞれは、インゴットの汚染防止を図るために高純度カーボンによって形成されている。
【００２０】
鋳型本体３の内部には、貯留室３１と複数のインゴット鋳造室３２，３２とを区分する衝立状の仕切り部材３４，３４が設けられており、さらに外周には排液部３３を形成する側壁部３５，３５が立設されている。また、溶湯２１を排液部３３にオーバーフローさせる排出溝３６は、各インゴット鋳造室３２，３２で鋳造されるインゴットの大きさを均一にするために鋳型本体３の上部側に同じ高さ位置に設けられている。
【００２１】
そして、インゴット鋳造室３２，３２は、鋳造後のインゴットをインゴット鋳造室３２，３２内から容易に取り出せるように、底部側に向かって拡開したテーパが設けられている。尚、原料投入槽２を取り外し可能に形成した場合にはインゴット鋳造室３２，３２の上部側に向かって拡開したテーパを設けることで上部側から取り出すように形成することもできる。
【００２２】
カーボンシート４は、高純度カーボンによって形成された板状部材であり、カーボンシート４の所定領域には開口形状の流通溝４１，４１が設けられている。そして、カーボンシート４は、溶湯２１が鋳型外部に漏れ出さないように複数のボルト（カーボンボルト）７，７によって鋳型本体３の底面にしっかりと固定されている。
【００２３】
［インゴットの鋳造方法］
次に、上述したインゴット鋳造装置１の動作及びインゴットを鋳造する方法について図３を参照しつつ説明する。図３は図１に示すインゴット鋳造装置を利用したインゴット鋳造方法の各工程を示すフローチャートである。
【００２４】
初めに、原料投入槽２に金属原料２０を収納し、金属原料２０収納したインゴット鋳造装置１を図示しない抵抗加熱炉内に収容する。図示しない抵抗加熱炉内の雰囲気を還元雰囲気もしくは不活性雰囲気とした後、インゴット鋳造装置１を金属原料２０の融点以上の温度になるまで加熱して溶融させる（ステップＳ１）。
【００２５】
原料投入槽２の中で溶融した金属原料２０は溶湯２１となって原料投入槽２の底部に設けられたノズル６を介して貯留室３１へ流入する。ここで、貯留室３１へ流入した溶湯２１中に含まれていた酸化物２２は溶融金属よりも比重が軽いため、貯留室３１の上部に浮上する。そのため、酸化物２２は隣接するインゴット鋳造室３２へは流出せず、貯留室３１にのみ留まる。このとき、貯留室３１と複数のインゴット鋳造室３２，３２の下部には流通溝４１を備えたカーボンシート４が存在するため、その流通溝４１を介して酸化物２２を含まない溶湯２１が各インゴット鋳造室３２，３２内に流入する（ステップＳ２）。
【００２６】
インゴット鋳造室３２，３２に徐々に溜まった溶湯２１の上部側は最終的にインゴット鋳造室３２，３２の上部に設けられた排出溝３６を介して排液部３３にオーバーフローするため（ステップＳ３）、複数のインゴット鋳造室３２，３２内の溶湯２１の高さを均一化することができる。これにより鋳造されるインゴットの大きさを均一にすることができる。また、インゴット鋳造室３２，３２内に溜まった溶湯２１中に万一酸化物が含まれていた場合にも溶湯２１の上部側は排出溝３６を介して排液部３３へオーバーフローによって排出されるので酸化物のないインゴットを製造することができる。また、底板５と貯留室３１とインゴット鋳造室３２との間に微小な隙間があったとしても、カーボンシート４が設けられているために溶湯２１が漏れ出ることはない。
【００２７】
尚、厚さの薄いカーボンシート４を使用する場合、流通溝４１深さも浅くなるため、隣接するインゴット鋳造室３２，３２への流れ込みに時間がかかる場合がある。そこで、原料投入槽２から貯留室３１に注入された溶湯２１が貯留室３１から溢れる場合には、原料投入槽２のノズル６の径を小さくし或いは貯留室３１の高さを高くするなどの適宜に調整を実施することが好ましい。
【００２８】
その後、インゴット鋳造室３２，３２に流入した溶湯を冷却することにより固化してインゴット（図示せず）を形成する（ステップＳ４）。そして、原料投入槽２と鋳型本体３を分離した後、専用の装置または人手によって鋳型本体３及びインゴット鋳造室３２，３２内のインゴットを押し出し、鋳型本体３及びインゴット鋳造室３２，３２からインゴットを取り出し（ステップＳ５）、保管場所へ移動させる。このとき、インゴット鋳造室３２，３２にはテーパが設けられているので拡開方向へ向かって押し出すことにより容易に取り出すことができる。以上によりインゴット鋳造は終了する。尚、貯留室３１によって形成されたインゴットは溶湯中の酸化物が上部に浮遊していることから製品としては使用しない。
【００２９】
このように、本発明に係るインゴット鋳造装置及び鋳造方法によれば、原料投入槽２の下部に鋳型本体３を配設し、鋳型本体３の中央部に貯留室３１を形成し、貯留室３１の外側を取り囲むようにして複数のインゴット鋳造室３２，３２を配置し、鋳型本体３の底面に流通溝４１が形成されたカーボンシート４を着脱可能の取り付けたことにより、酸化物の巻き込みが少なく、且つ形状が均一で取り出しやすい多数の溶解鋳造インゴットを低コストで安定して作製できるという効果がある。
【実施例】
【００３０】
次に、上述したインゴット鋳造装置１を用いてインゴットを鋳造した実施例について説明する。本発明者らは図１及び図２に示すインゴット鋳造装置１を用い、約５０×約４５×約３５ｍｍのサイズの４Ｎ−Ｔｅ原料から下端部が２４.８×２４.８、上端部が２５.０×２５.０のサイズで高さが１２５ｍｍのテーパ形状を持つ１２本のＴｅインゴットの溶解鋳造を実施した。まず、原料投入槽２に１個あたり約５００ｇの４Ｎ−Ｔｅブロックを１６個投入し、インゴット鋳造装置１を図示しない抵抗加熱炉の内部にセットした。そして、炉内を真空排気した後、５Ｎの水素ガスを３０分間流して、炉内雰囲気を水素に十分置換した後、６５０℃まで１０℃／１分の昇温速度で温度を上げた。Ｔｅブロックは昇温途中の４５０℃以上で溶解が開始する。溶湯２１は原料投入槽２の下部に設けたノズル６を介して貯留室３１に流入する。ノズル６から注入された溶湯２１には酸化物２２が混入されているため、貯留室３１内の溶湯２１の上部には溶融金属より比重の軽い酸化物２２が浮上する。
【００３１】
酸化物２２が浮上している溶湯２１はインゴット鋳造室３２，３２の下部に設けた厚さ０．５ｍｍのカーボンシート４の流通溝４１を通り、隣接する各インゴット鋳造室３２，３２に流入する。その後、溶湯２１は、インゴット鋳造室３２，３２の上部に設けた排出溝３６を通じて排液部３３にオーバーフローさせることで各インゴット鋳造室３２，３２内の溶湯２１の高さが均一にされる。
【００３２】
そして、６５０℃の温度を６０分間保持した後、抵抗加熱炉のヒーター電源をＯＦＦにして炉冷を行い、１００℃以下まで下がったところで、水素ガスからＡｒガスに切り替えて、鋳型本体３を大気中に取り出した。この後、ボルト７，７を外して原料投入槽２を鋳型本体３から分離し、さらにインゴット鋳造室３２，３２の下部にあるカーボンシート４を取り外した。この時、流通溝４１に溜まった溶湯２１が凝固して凸形状となっているが、凸部は厚さ１ｍｍ程度の薄い板形状となっているので、ヘラを用いることにより容易に除去することができる。凸部を除去した後、インゴットの下部を押すことにより、インゴット鋳造室３２，３２内のインゴット（１２本）を破損させることなく容易に取出すことができた。
【００３３】
以上による鋳造を実施し、１２本の高さの測定値を表１に示す。平均値で１２４.９７ｍｍであり、バラツキは標準偏差で、０.２２ｍｍとバラツキの非常に少ない値が得られた（本実施例において鋳造されたインゴットの高さの相対変動係数は、０．１７６％であった）。酸素濃度については、インゴット上部から試料を切り出し、ＬＥＣＯ法（赤外吸収分光法）でガス分析したところ全て１０ｐｐｍ以下という好結果が得られた。一方、貯留室２１で凝固したＴｅインゴットの上部について酸素濃度を分析したところ、７０ｐｐｍと製品部に比べて高い値であった。
【００３４】
【表１】
2015182111.tif 000003
【符号の説明】
【００３５】
１      インゴット鋳造装置
２      原料投入槽
３      鋳型本体
４      カーボンシート
５      底板
６      ノズル
７      ボルト
１０      インゴット鋳造装置
１１      原料投入槽
１２      カーボンシート
２０      金属原料
２１      溶湯
２２      酸化物
３１      貯留室
３２      インゴット鋳造室
３３      排液部
３４      仕切り部材
３５      側壁部
３６      排出溝
４１      流通溝
【図１】
2015182111.tif 000004
【図２】
2015182111.tif 000005
【図３】
2015182111.tif 000006