(57)【要約】【課題】真空アーク溶解において、溶解用電極の溶解終了時期における電極の残存量を減少させ、かつ、溶解がスタブにまで到達することを抑制することができる給電治具、およびこの給電治具を用いた金属インゴットの製造方法を提供する。【解決手段】真空アーク溶解炉においてインゴット溶製用電極を電源に接続するための給電治具であって、電極と接合されるスタブ中継体と、スタブ中継体に接合されるスタブ本体とから構成され、スタブ中継体の底面に凹部が形成されている真空アーク溶解用給電治具。また、この真空アーク溶解用給電治具と電極を接合し、真空アーク溶解を行う金属インゴットの製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空アーク溶解炉においてインゴット溶製用電極（以下単に「電極」と呼ぶ。）を電源に接続するための給電治具であって、上記給電治具は、上記電極と接合されるスタブ中継体と、上記スタブ中継体に接合されるスタブ本体とから構成され、上記スタブ中継体の底面に凹部が形成されていることを特徴とする真空アーク溶解用給電治具。
【請求項２】
前記スタブ中継体の底面に設けた凹部の天井面から、スタブ中継体に接合された電極の下方に形成される溶融プールまでの距離が、上記電極の外周面から鋳型までの距離よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の真空アーク溶解用給電治具。
【請求項３】
前記電極と接するスタブ中継体の底面のうち凹部が形成されていない平坦部に、前記凹部の中心部から外縁部に向かって形成された連通溝を有することを特徴とする請求項１または２に記載の真空アーク溶解用給電治具。
【請求項４】
前記請求項１〜３のいずれかに記載の真空アーク溶解用給電治具と電極を接合し、真空アーク溶解を行うことを特徴とする金属インゴットの製造方法。
【請求項５】
前記金属インゴットが純チタンインゴットまたはチタン合金インゴットであることを特徴とする請求項４に記載の金属インゴットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空アーク溶解においてインゴット溶製用電極を接続するための電源給電治具を構成するスタブに係り、特に、真空アーク溶解時の前記スタブの溶損を効果的に抑制できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属チタンは、近年航空機を始め、自動車あるいは二輪車用等、あらゆる分野にて用途開発が進んでいる。このような金属チタンは、四塩化チタンをマグネシウムによって還元する、所謂クロール法によって製造されたスポンジチタン塊を破砕整粒後、加圧成形されたブリケットを組み合わせて電極とし、これを真空アーク溶解することによりインゴットとして製造されている。
【０００３】
真空アーク溶解に供される電極は、スタブと呼ばれる給電治具に溶接接合等の手段で接続され、このスタブを介して真空アーク溶解炉の電源に接続される。スタブに溶接接合された電極の下端部と鋳型との間に電圧を印加してアーク放電を発生させ、電極の下端部を溶解させる。溶解した電極は鋳型内に落下して、チタンの溶融プールを形成する。真空アーク溶解が進むにつれて電極の溶解および鋳型内への落下が進み、鋳型内に蓄積した溶融プールは鋳型の下方から凝固して金属インゴットが生成する。電極がスタブと電極の接合部近傍まで溶解されたところで通電を停止し溶解操作を終了する。
【０００４】
通電を停止して溶解を終了するタイミングが早すぎる場合は、スタブに電極が残存してインゴット製造効率が悪化するという問題があり、逆にタイミングが遅すぎる場合は、真空アーク溶解がスタブ部分にまで到達してしまい、スタブの材質が溶製される電極の材質と異なっている場合にスタブが溶解して落下することによってインゴットを汚染してしまうという問題があった。スタブの溶損が確認されたインゴットは、品質保証の観点から製品として出荷できないという好ましくない状況をもたらす。
【０００５】
従来、電極の溶解終了時期は、真空アーク溶解炉内に装着されたカメラの映像によりオペレーターがアークの変化を察知して判定するのが一般的であった。また、他の溶解終了判定方法として、スタブと接合される電極頂部の断面が特徴的な形状となるように電極頂部に異形部を設け、溶解がこの異形部に到達したことを検知して終了時期を判定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
このような技術により、溶解終了時期を適切に判定して、スタブに接合した電極の残量を最大限に少なくすると同時にスタブ自体の溶解の防止に努めてきた。しかしながら、このような状況においてもスタブに接続された電極が無視できない程度に残留する場合があり、更なる改善が求められている。
【０００７】
また、溶解終了後のスタブに残存した電極は、底面が必ずしも平坦ではなく、周囲に比べて中心部が窪んだドーム状を呈している場合がある。図３は、このときのスタブおよび残電極の様子を模式的に表している。図３において、スタブ中継体２の周縁部に接合されている電極４は残存しているのに対し、スタブ中継体２の中央部に接合されていた電極４は残存せず、スタブ中継体２の底面の一部が溶損して溶損部７を形成している。また、場合によっては、予め電極４がいくらか残留するような溶解を目論んでいた場合であっても、溶解終了直前に突然溶解が進行してスタブの中央部が溶損する場合があり改善が求められている。
【０００８】
このようなスタブ下端部の溶損を防止する方法として、鋼材で構成した電極に係合されるスタブの下端部に凹部を形成することで前記電極とスタブの間に発生するアークの発生を抑制することによりスタブの溶損を回避する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
また、特許文献２に記載されているアーク発生の問題は、頂部に引け巣（溶融金属の凝固時に発生する空隙）が形成された金属インゴットを電極として再溶解する場合に生起することが多く、スポンジチタンをプレス成形して得たブリケットから構成されたチタン材で構成した電極を用いる場合には、前記のような課題は余り経験されないものであり、本願の課題を解決するためにはスタブにどの程度の凹部を設ければよいのかという記載はなく、特許文献２の記載のみから前記したスタブの溶損事故を回避できるような解決手段を構築することは困難である。
【００１０】
このような状況から、真空アーク溶解を用いた金属インゴット、とりわけチタンインゴットを製造する場合において、一次溶解、二次溶解あるいは三次溶解の全ての段階において発生するスタブの溶損あるいは落下の防止に有効な解決手段が望まれている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１７１３６７号公報
【特許文献２】特開２００１−３４２５２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、金属の真空アーク溶解において、溶解用電極の溶解終了時期における電極の残存量を減少させ、かつ、溶解がスタブにまで到達することを抑制するために好適な給電治具構造、およびこの給電治具を用いて安定した金属インゴットを溶製する技術の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる実情に鑑みて鋭意検討を重ねてきたところ、真空アーク溶解装置の電源と溶製する電極を接続するための治具（以下単に「給電治具」と呼ぶ場合がある。）であって、前記給電治具がスタブ本体とスタブ中継体から構成し、前記電極と接合されるスタブ中継体の底面に凹部を設けることにより、前記したスタブ底面の溶損落下を効果的に回避できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、本願発明に係る真空アーク溶解用給電治具は、真空アーク溶解炉においてインゴット溶製用電極（以下単に「電極」と呼ぶ。）を電源に接続するための給電治具であって、電極と接合されるスタブ中継体と、スタブ中継体に接合されるスタブ本体とから構成され、スタブ中継体の底面に凹部が形成されていることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明は、スタブ中継体に設けた凹部の天井面から、スタブ中継体に接合された電極の下方に形成される溶融プールまでの距離が、溶解用電極の外周面から鋳型までの距離（以降、「鋳型ギャップ」と呼ぶ場合がある。）よりも常に大きくなるように構成することを好ましい態様としている。
【００１６】
更に、電極と接合されるスタブ中継体の下端面に、凹部の中心部から外縁部に向かった連通溝を有することを特徴とするものである。
【００１７】
本願発明に係る金属インゴットの製造方法は、前記に記載の真空アーク溶解用給電治具と電極を接合し、真空アーク溶解を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明した本発明に沿って構成されたスタブを真空アーク溶解炉に用いることにより、電極の残存部分を限りなく減少させ、かつ、スタブ底面の溶損落下を効果的に回避することができるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の最良の実施形態について図面を用いて以下に説明する。
１．給電治具構造
本願発明に係る給電治具の好ましい態様を図１に示す。本願発明に係る給電治具（スタブ）は、スタブ本体１とスタブ中継体２から構成されている。スタブ本体１の上端部は、電源に係合された図示しないスティンガーロッドとよばれる電源端子に直接係合されている。また、スタブ本体１の底面は、スタブ中継体２と接合され、さらに、スタブ中継体２の底面は、電極４に接合されている。
【００２０】
スタブ本体１の上端部には、スティンガーロッドとの係合を容易にするための凸部およびネジ部が形成されている。この凸部およびネジ部は、スティンガーロッドの凹部と嵌合するように構成されている。
【００２１】
電極の大きさによっては、スタブ本体１と電極４を直接接合して溶解することも可能であるが、スタブ本体１に比べて電極４が大きい場合には、スタブ本体１と電極４との間に急激な電流密度の変化が生起されて両者の接合部にクラックが発生し、場合によっては電極４がスタブ本体１から剥離して落下してアーク溶解を継続することができない場合がある。このため、本発明においては電源と係合するスタブ本体１と電極４との間にスタブ中継体２を介在させている。このようにスタブ中継体２を介在させることにより、スタブ本体１からスタブ中継体２を介して電極４に安定的に電流を供給することができるという効果を奏するものである。
【００２２】
スタブ本体１に係合されるスタブ中継体２の断面積は、スタブ本体１に比べて大きく、前記スタブ中継体２に接合される電極４よりも小さくなるように構成することが好ましい。このような大きさのスタブ中継体２を介在させることにより電極４を安定して溶解継続することができ、更に好ましい態様とされる。
【００２３】
またスタブ本体１とスタブ中継体２の材質は、溶解される電極の材質と同じか、または近似するもので構成しておくことが好ましい。前記したような材質を選択しておくことにより、スタブ本体１やスタブ中継体２の溶損時に生起されるインゴットへの品質汚染を最小限に抑制できるという効果を奏するものである。
【００２４】
スタブ本体１とスタブ中継体２には電源から大電流が供給されるために、スタブ本体１とスタブ中継体２とは溶接接合することが好ましい。また、前記溶接接合に加えてネジにより締結するように構成しておいても良い。このような接合とすることでスタブ本体１とスタブ中継体２との接触抵抗を大幅に低下させることができる。その結果、スタブ本体１とスタブ中継体２との接触抵抗により生成するジュール熱の発生を抑制することができ、スタブ本体１とスタブ中継体２との溶損による離脱を効果的に回避することができるという効果を奏するものである。
【００２５】
本願発明に係るスタブ中継体２の底面には、凹部３が形成されている。このような凹部３を形成させておくことにより、電極４の溶解終了時期に電極４の中央部が溶解し尽くされてスタブ中継体２が露出した際に、溶融プール５とスタブ中継体２との間のアーク放電を効果的に抑制することができる。この現象を図２により以下に説明する。
【００２６】
図２は、電極４の溶解終了時期に形成される代表的な様子を模式的に表している。ここで留意すべき点は、スタブ中継体２に係合された電極４の断面形状が均一ではなく、電極４の周縁部と比較して中央部の溶解がより進行し、残存する電極４はドーム状に形成される点にある。これは、電極４と溶融プール５との間とで発生するアークの強さが溶融プール５の断面方向に均一ではなく中央部にアークが集中し、その結果電極４の中央部が周囲に比べて優先的に溶解することに起因しているからであると考えられている。
【００２７】
本願発明に係るスタブ中継体２の底面に設けた凹部３の深さ（天井面までの高さ）ｔｃと電極４の残部周囲高さｔｒおよび電極４の下端から溶融プール５の表面までの距離ｔｇ（以降、「アークギャップ」と呼ぶ場合がある。）の合計長さ（ｔｃ＋ｔｒ＋ｔｇ）は、電極４の外周面から鋳型側壁までの距離ｔｓ（以降、「鋳型ギャップ」と呼ぶ場合がある。）よりも大きくなるように構成することが好ましい。
【００２８】
鋳型ギャップｔｓは、真空アーク溶解で印加する電圧の範囲内においてはこの間でアークが発生しないと考えられている距離である。鋳型ギャップｔｓは長年の経験により決まってくるものであり、鋳型径と通電量で決まる数値である。
【００２９】
よって、溶融プール５の表面からスタブ中継体２の底面までの距離（ｔｃ＋ｔｒ＋ｔｇ）が、前記の鋳型ギャップｔｓよりも常に大きくなるように構成しておくことにより、溶解の終点近傍において溶融プール５とスタブ中継体３の底部に形成した凹部３の底部との間でアークが発生することはなく、スタブ中継体２の溶損を効果的に回避できるという効果を奏するものである。
【００３０】
電極４と溶融プール５との距離であるアークギャップｔｇも経験的に知られうる数値として決定することができる。また、電極４のドーム頂部が丁度電極４の支持部に接する際の電極４の高さｔｒも経験的に決定することができる。
【００３１】
よって、以上の関係を整理すると、スタブ中継体２の底面に形成する凹部３の深さｔｃは、ｔｃ＋ｔｒ＋ｔｇ＞ｔｓより、ｔｃ＞ｔｓ−ｔｒ−ｔｇの関係を満足するように構成すればよい。
【００３２】
ただし、前記凹部の深さｔｃは、深いほど好ましいが、深くなればなるほど、スタブ中継体２の強度が低下する。よって、両者の兼ね合いを考慮して凹部の深さｔｃを選択することが好ましい。このような観点から凹部の深さｔｃは、以下の（１）式で規定された範囲から選択することが好ましい。
【００３３】
ｔｓ−ｔｒ−ｔｇ＜ｔｃ＜（１／３）＊（スタブ中継体の厚み）・・・（１）
【００３４】
スタブ中継体２の厚みに乗じている係数１／３は経験上導きだされたものであり、この数値が１／３を超えると凹部の深さｔｃが大きくなり過ぎ、スタブ中継体２の強度が不足して好ましくない。逆に前記の係数が小さすぎると溶融プール５とスタブ中継体２に形成した凹部天井面との間にアークが発生しやすくなり好ましくない。
【００３５】
スタブ本体１とスタブ中継体２および電極４のそれぞれの径は、左記の順に大きくなるように構成することが好ましい。前記凹部３の直径は、大きいほど好ましいが、過度に大きくすると電極４との接合面積が減少し、電極４の落下の危険性が高まり、好ましくない。よって、本願発明においては、スタブ中継体２の直径の４０％〜６０％の範囲から選択しておけば、本願発明の効果を充分に享受することができる。
【００３６】
図５は、本願発明に係るスタブ中継体２を底面から見た様子を表している。スタブ中継体２の中心部には凹部３が形成されており、更に、スタブ中継体２底面の平坦部２０には、凹部３から外部に通じる連通溝２１を形成させておくことが好ましい。図５では連通溝２１が２本である例を示しているが、連通溝の数は、２〜８本の範囲で形成させておくことが好ましい。
【００３７】
前記のような連通溝２１を設けておくことにより、スタブ中継体２と電極４とを接合した場合に形成される凹部３の空間を外部と連通させることができ、前記空間部の密閉化を確実に回避することができるという効果を奏するものである。仮に凹部３が密閉状態にあると、溶解末期にスタブ中継体２が高温に曝され、スタブ中継体２の凹部内の圧力上昇が生じ、スタブ中継体２と電極４の接合強度の低下や剥離を与える場合があり好ましくない。しかしながら、連通溝２１を設けることによって、この問題を効果的に回避することができ、安定した溶解操業を継続することができるという効果を奏する。
【００３８】
なお、溶解の終点は、図２に示した電極４の中央部が溶け落ちて凹部３が外部と連通した状況になった時点とすることが好ましい。この時点は、アークが顕著な変化を示すので比較的容易に判定することができる。
【００３９】
２．溶解手順
図４を用いて本願発明に係る溶解手順を詳細に説明する。
図示しない真空排気系に接続されて減圧雰囲気に保持された真空アーク溶解炉の炉体１２の内部には電極４が内装されており、前記電極４はスタブ中継体２およびスタブ本体１を経てスティンガーロッド１０と呼ばれる電極昇降装置に係合されている。
【００４０】
前記のスティンガーロッド１０は、電源の陰極にも係合されていて電極４は陰極となり、陽極に接続された水冷鋳型１３との間に電圧を印加することにより、両者の間にアークを発生させることができる。また、スティンガーロッド１０と炉体１２との隙間は、シール部材１１によって密閉状態が保持されている。
【００４１】
水冷鋳型１３には、前記アークにより溶融した電極４が溶滴として落下して溶融プール５が形成され、溶解が進行するに伴って溶融プール５の表面位置が上昇し、溶融プール５の下方から順次凝固して金属インゴット６が成長する。この間、インゴット６の頂部に形成される溶融プール５の深さは、ほぼ一定に保持されている。
【００４２】
電極４の断面積は、鋳型１３の断面積に比べて小さいため、電極４の溶解に伴い電極４の下端部が溶融プール５から遠ざかる傾向を示す。よって、電極４は、スティンガーロッド１０によって常に下方に移動させることにより溶融プール５と一定の距離を維持させることができ、その結果、安定した溶解作業を継続させることができる。
【００４３】
前記の操作を継続し、溶融プール５の上方に配設したカメラの映像によるアークの変化により、電極４の形状が変化したと判断し、オペレーターの判断によって溶解作業を終了することができる。
【００４４】
以上述べたように、本願発明に係るスタブ構造を利用することにより、金属インゴットの溶解歩留まりを最大限に高めることができるという効果を奏するものである。
【実施例】
【００４５】
本発明の効果について、図１を参照しながら、実施例および比較例によって説明する。
［実施例］
１．試験条件
１）スタブ
材質：純チタン  ２種
スタブ本体の寸法：３４０ｍｍ（Ｄ）×１０００ｍｍ（Ｌ）
スタブ中継体の寸法：９００ｍｍ（Ｄ）×３００ｍｍ（Ｌ）
スタブ中継体凹部の寸法：４３０ｍｍ（Ｄ）×４０ｍｍ（ｔｃ）
（図２に示した溶融プール５からスタブ中継体２の底面に設けた凹部３の底面までの距離が電極４の外周面から鋳型内面までの距離よりも大きくなるように、凹部の深さｔｃを選択した。）
２）電極
材質：純チタンインゴット（一次溶解インゴット）
寸法：１１８０ｍｍ（Ｄ）×３３００ｍｍ（Ｌ）
３）電源：４５ｋＡ
４）溶解時間：５４０分
【００４６】
２．試験結果
一次溶解された純チタンインゴットを電極として、上記条件にて二次溶解を実施した。
溶解後のスタブ底面を観察したところ、図２に示したようなドーム状の残電極４が観察された。この際前記ドーム状残電極の中心部も溶け落ちてスタブ中継体２に設けた凹部も観察できたが、前記凹部３が溶損した痕跡を見つけることはできなかった。
【００４７】
［比較例］
実施例において、底面に凹部を設けないスタブ中継体を用いた以外は同じ条件にて純チタンインゴットを溶製した。溶解終了後、スタブ中継体２に係合された電極４を観察したところ、電極４の中央部は実施例１と同様に溶け落ちていた。また、電極４に密着していたスタブ中継体２の底面も一部溶損していた。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によれば、真空アーク溶解において原料電極の歩留まりを最大限に高めると共にスタブによる金属インゴットの汚染を抑制するという効果を奏することができる。本発明の給電治具は、真空アーク溶解工程に好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の真空アーク溶解の実施形態を示す模式断面図である。
【図２】本発明の真空アーク溶解の実施形態を示す模式断面図である。
【図３】従来の真空アーク溶解における問題点を示す模式断面図である。
【図４】本発明の真空アーク溶解の実施形態を示す模式断面図である。
【図５】本発明の真空アーク溶解におけるスタブ中継体底部の変更例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    スタブ本体
２    スタブ中継体
２０  底部（平坦部）
２１  底部（連通溝部）
３    凹部
４    インゴット溶製用電極
５    溶融プール
６    インゴット
７    溶損部
８    炉体
１０  スティンガーロッド
１１  シール部材
１２  炉体
【図１】
2008128586.tif 000003
【図２】
2008128586.tif 000004
【図３】
2008128586.tif 000005
【図４】
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【図５】
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