(57)【要約】【課題】  一次インゴットの落下やスタブの溶解による二次インゴットの品質悪化を防ぎつつ、消耗電極の残量を少なくして溶解歩留をよくする消耗電極式アーク溶解によるインゴットの製造方法を提供することである。【解決手段】  一次インゴットの吊り下げ方向と直交する断面積がスタブの断面積より大きい本体部と、この本体部の上端面に、一次インゴットの吊り下げ方向と直交する断面が本体部の断面より小さい断面縮小部とを有する一次インゴットを作製し、その一次インゴットの断面縮小部をスタブ底面に接続し、その状態で通電することにより、断面縮小部または断面縮小部と本体部との接続部の外縁形状変化に基づいて、スタブへの給電停止タイミングを把握しつつ本体部を溶解して、鋳型により二次インゴットを作製する。【選択図】図１
2005171367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次インゴットの上端面にスタブを取り付け、該スタブを介して前記一次インゴットを吊り下げた状態で、該一次インゴットを消耗電極として、下端面側から溶解し、該一次インゴットの下方に設けられた鋳型内で凝固させて二次インゴットを得る方法において、
前記二次インゴットを作製するために溶解させる、前記一次インゴットの吊り下げ方向と直交する断面積が前記スタブの断面積より大きい本体部と、該本体部の上端面に、前記一次インゴットの吊り下げ方向と直交する断面が前記本体部の断面より小さい断面縮小部とを有する一次インゴットを作製する工程と、
その一次インゴットの前記断面縮小部をスタブ底面に接続し、その状態で通電することにより、前記断面縮小部または該断面縮小部と前記本体部との接続部の外縁形状変化に基づいて、前記スタブへの給電停止タイミングを把握しつつ前記本体部を溶解して、前記鋳型により前記二次インゴットを作製する工程と、
を含む消耗電極式アーク溶解によることを特徴とするインゴットの製造方法。
【請求項２】
前記一次インゴットを作製する工程において、
前記本体部の上端面を平坦に形成し、前記断面縮小部を前記上端面から突出する突出部として形成する請求項１に記載のインゴットの製造方法。
【請求項３】
前記一次インゴットの原材料を予備溶解し、その溶湯を前記断面縮小部に対応した底部内面形状を有する鋳型内に鋳込むことにより、該鋳型の底部内面形状をインゴット底部に転写して前記断面縮小部となした前記一次インゴットを得るとともに、
該一次インゴットを上下反転して、前記断面縮小部に前記スタブを接続する請求項１または２に記載のインゴットの製造方法。
【請求項４】
前記予備溶解は、前記原材料にて構成した消耗電極を用いたアーク溶解にて行う請求項１ないし３のいずれか１項に記載のインゴットの製造方法。
【請求項５】
前記一次インゴットを作製するための原材料を仮スタブ上にて成形しつつ、該原材料の成形体を前記仮スタブと一体化し、その後上下反転して前記原材料の成形体の下端面側から溶解し、前記一次インゴットを作製する請求項１ないし４のいずれか１項に記載のインゴットの製造方法。
【請求項６】
前記本体部の上端面を平坦に形成し、前記断面縮小部を前記上端面から突出する突出部として形成する前記一次インゴットを作製する工程において、
前記一次インゴットの原材料を第一電流密度で予備溶解し、その溶湯を前記鋳型の前記断面縮小部に対応した凹部内に鋳込み、前記凹部内が鋳込まれた後、前記第一電流密度より大きい第二電流密度で前記原材料を予備溶解する請求項４または５に記載のインゴットの製造方法。
【請求項７】
前記鋳型の前記凹部にインゴットの前記原材料と共通の主成分を有する導電性粒状体を分散配置し、前記第一電流密度による予備溶解を安定化させる請求項６に記載の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、消耗電極式アーク溶解を用いたインゴットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極式アーク炉は、Ｃｕるつぼ内に吊り下げた消耗電極自身へ給電してアークを発生させ、そのアーク熱により消耗電極から溶融滴下した溶湯を凝固させる方式の溶解炉である。溶融方法としては、ＶＡＲ（真空アーク再溶解）、ＥＳＲ（エレクトロスラグ再溶解）と呼ばれる溶解方法が一般的に用いられる。いずれも非汚染雰囲気下で溶融できるという特徴を持つため、高級鋼、高清浄度鋼、チタン等の金属のインゴット製造に用いられている。
【０００３】
一般にＶＡＲは、まず原料をプレス成形して作製されたブリケットを、複数個溶接して円柱状の母材を作製し、この母材の一端にスタブを溶接してこれを消耗電極とし、消耗電極と溶解プールとの間のアーク加熱を利用し、消耗電極を下端から再溶解することにより行われる。この溶解で得たインゴットは、必要により再度ＶＡＲによる二次溶解を行う。これによって不純物を除去したり、未溶解を防止したり、成分組成の均一化を図ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
消耗電極はスタブに固定されて吊り下げられており、消耗電極は、下端から溶解するが、スタブが溶解しないように電極が全て溶融しきる直前、すなわちスタブにさしかかる直前で溶解を終了させる。この溶融終了のタイミングが早すぎると、大量の電極残材が生じ、遅すぎるとスタブを溶融してしまうことになる。前者の場合は、溶解歩留悪化をもたらし、後者の場合は、本来溶融すべきでないスタブ部がインゴット中に混入してしまうため品質悪化を招く。
【０００５】
また電極とスタブの固定を溶接で行っている場合は、溶接部が先に溶融したり、溶接部が高温にさらされたことで、溶接強度が低下し、電極残材がスタブから剥がれてインゴット中に固体状で落下する場合も発生する。この場合は、混入部を切断除去したり、手直し後、再度消耗電極式アーク溶解に供ずる必要が生じ、大幅な工程ロス、損失が発生する。
【０００６】
図６に従来のインゴット製造方法を示す。まず（ａ）に示すように、原料となる金属母材を溶接などによって円柱とし、スタブ１と溶接する。あるいは、スタブ１に原材料を載せ、その原材料を溶解させて仮インゴット２を作製する。仮インゴット２の側面のスタブとの接合部に、原料と同質の線材５を溶接する。そして（ｂ）に示すように、スタブ１と仮インゴット２とを一体として消耗電極として、水冷銅モールド４３に挿入し、真空アーク再溶解を行う。この時、溶接された線材５を目印としてカメラ６等で観察し、アーク溶解を終了する。（ｃ）に示すように、水冷銅モールド４３で凝固させ、一次インゴット２６を作製する。これを一次ＶＡＲとする。
【０００７】
続いて、一次インゴット２６を取り出し、上下を反転して、（ｄ）に示すように、再びスタブ１１に溶接し、これを消耗電極とする。この時、一次インゴット２６の上部にインゴットと同質の線材５を溶接する。この線材は、二次ＶＡＲを行う際に、カメラ６によって観測し、止電のタイミングを決める。そして（ｅ）に示すように二次ＶＡＲを行う。この時、スタブ１１と一次インゴット２６との溶接部を溶かし込まない位置で止電することが必要で、このＶＡＲにおいては、一次インゴット２６に溶接された線材５をカメラ６で監視することで、ＶＡＲの終了時期を決定する。しかし止電用目印が不鮮明であり、タイミングを誤りやすい。早く止電すれば、残材が多くなり歩留まりが悪くなり、遅く止電すると、溶接部から一次インゴット２６が落下する危険があった。
【０００８】
そこで本発明の課題は、一次インゴットの落下やスタブの溶解による二次インゴットの品質悪化を防ぐとともに、消耗電極の残量を少なくして溶解歩留をよくする消耗電極式アーク溶解によるインゴットの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明のインゴットの製造方法は、
一次インゴットの上端面にスタブを取り付け、該スタブを介して前記一次インゴットを吊り下げた状態で、該一次インゴットを消耗電極として、下端面側から溶解し、該一次インゴットの下方に設けられた鋳型内で凝固させて二次インゴットを得る方法において、
前記二次インゴットを作製するために溶解させる、前記一次インゴットの吊り下げ方向と直交する断面積が前記スタブの断面積より大きい本体部と、該本体部の上端面に、前記一次インゴットの吊り下げ方向と直交する断面が前記本体部の断面より小さい断面縮小部とを有する一次インゴットを作製する工程と、
その一次インゴットの前記断面縮小部をスタブ底面に接続し、その状態で通電することにより、前記断面縮小部または該断面縮小部と前記本体部との接続部の外縁形状変化に基づいて、前記スタブへの給電停止タイミングを把握しつつ前記本体部を溶解して、前記鋳型により前記二次インゴットを作製する工程と、
を含む消耗電極式アーク溶解によることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、一次インゴットに断面縮小部を設けた。断面縮小部は、本体部の上端面に、一次インゴットの吊り下げ方向と直交する断面が本体部の断面より小さく形成された部分である。また本体部は、一次インゴットの吊り下げ方向と直交する断面積がスタブの断面積より大きい。このような一次インゴットの断面縮小部をスタブ底面に接続し、その状態で通電し、本体部を溶解する。このような断面積の関係を有するスタブ、本体部、断面縮小部により、断面縮小部または断面縮小部と本体部との接続部の外縁形状の変化に基づいて、スタブへの給電停止タイミングを把握することができる。すなわち、本体部の断面積に対し断面縮小部の断面積が小さいため、本体部を下端から溶解しつつ、上端面側から観察すると、次第に上端面が赤熱化することが確認できる。さらに給電しつつ溶解を進めると、断面縮小部または断面縮小部と本体部との接続部の外縁が欠け始めるため、本体部がほぼ溶解したことを容易に把握できる。この外縁形状の変化により、給電を停止すれば、スタブ溶接部の肉厚を確保して、スタブを溶かし込まないようにしつつ、残材量を少なくすることができる。残材量は、従来の方法と比べ、１／２〜１／３にすることが可能である。
【００１１】
そして断面縮小部は、一次インゴットの本体部の上端面を平坦に形成し、断面縮小部を上端面から突出する突出部として形成するようにできる。本体部の上端面を平坦にし、断面縮小部を突出する形状にし、この突出部にスタブを接続し、本体部を溶解する。インゴットのスタブ接続部のみが凸型化しており肉厚が確保される。上端面側から観測すれば、本体部の外縁が赤熱化して欠け始めるのが容易に分かり、給電停止タイミングを正確に把握できる。つまり凸型化した消耗電極の場合、止電が近づくと消耗電極周囲が赤熱化し、周囲が次第に欠け始めるのが鮮明に確認できるため、止電タイミングを誤ることがほとんど起こらない。これにより消耗電極の残材量を削減することができる。
【００１２】
本発明のインゴットの製造方法は、前記一次インゴットの原材料を予備溶解し、その溶湯を前記断面縮小部に対応した底部内面形状を有する鋳型内に鋳込むことにより、該鋳型の底部内面形状をインゴット底部に転写して前記断面縮小部となした前記一次インゴットを得るとともに、該一次インゴットを上下反転して、前記断面縮小部に前記スタブを接続する。
【００１３】
一次インゴットの断面縮小部は、予備溶解によって作製することができる。原材料を溶解し、断面縮小部に対応した底部内面形状を有する鋳型内に鋳込むことにより、一次インゴットに断面縮小部を形成する。鋳型の底部内面形状によって、一次インゴットの断面縮小部を形成するため、上下を反転して、断面縮小部を上側にし、ここにスタブを接続して、この一次インゴットを溶解する。予備溶解によって一次インゴットを作製し、さらに本溶解によって二次インゴットを作製することにより、不純物が少ない金属や均質な合金を製造することができる。
【００１４】
この他に一次インゴットの断面縮小部を鍛造にて形成することもできる。あるいは、複数の鋳塊を溶接によって接続し、断面縮小部を有する一次インゴットをを作製することもできる。
【００１５】
さらに一次インゴットを作製する予備溶解も、前記原材料にて構成した消耗電極を用いたアーク溶解にて行うことができる。真空アーク再溶解（ＶＡＲ）により、一次インゴットを作製し、さらに再度真空アーク再溶解して、二次インゴットを作製するダブルＶＡＲ法を用いることにより、不純物が少ない金属や均質な合金を製造することができる。非汚染雰囲気下で溶解できるため、高級鋼、高清浄度鋼、チタン等のインゴットを製造することができる。
【００１６】
一次インゴットを作製するための方法として、一次インゴットを作製するための原材料を仮スタブ上にて成形しつつ、原材料の成形体を仮スタブと一体化し、その後上下反転して前記原材料の成形体の下端面側から溶解する。
【００１７】
原材料を仮スタブ上にて、例えばプラズマにより溶解して、成形し、スタブと一体化し、これを上下反転して消耗電極となし、下端側から溶解して鋳型で一次インゴットを作製する。溶接によって原料とスタブとを接続した場合、接続部が弱く、接続部付近まで原料の成形体を溶解すると、これらが塊として落下する危険がある。しかしこの方法によれば、より強固に接続することができ、本体部の溶解をスタブと原材料の成形体の接続部に近い位置まで行うことができ、溶解の歩留を向上することができる。
【００１８】
また本体部の上端面を平坦に形成し、前記断面縮小部を前記上端面から突出する突出部として形成する前記一次インゴットを作製する工程において、
前記一次インゴットの原材料を第一電流密度で予備溶解し、その溶湯を前記鋳型の前記断面縮小部に対応した凹部内に鋳込み、前記凹部内が鋳込まれた後、前記第一電流密度より大きい第二電流密度で前記原材料を予備溶解する。
【００１９】
インゴットに本体部の上端面から突出する突出部を形成する場合、その突出部に対応した凹部を有する鋳型を用いる。この場合、この凹部が原材料を溶解させた溶湯により鋳込まれるまでの間、凹部と原材料との間でアークが不安定とならないように、低電流である第一電流密度で原材料を溶解する。そして凹部が鋳込まれた後、低電流の第一電流密度からより大きな第二電流密度へ上げ、原材料の溶解を行う。このように第一電流密度を抑えることにより、アークが不安定となって、鋳型が損傷することを防ぐことができる。凹部が鋳込まれた後、電流密度を上げることにより、効率よく一次インゴットを作製することができる。
【００２０】
さらにインゴットに突出部を形成するために、凹部を有する鋳型を用いる場合、鋳型の凹部に導電性粒状体を分散配置し、前記第一電流密度による予備溶解を安定化させる。凹部に廃金属材の粉末、例えば切削粉などを敷き詰めて、第一電流密度により原材料を溶解させることにより、アークを安定化させることができる。
【００２１】
上記のように断面縮小部を有するインゴットを作製し、二次溶解を行う方法により、残材量を少なくしつつ、不純物を除去したり、未溶解を防止したりし、成分組成の均一化を図ることができる。さらに二次溶解により作製されるインゴットにも断面縮小部を形成し、三次溶解を行えば、歩留まりを向上しつつ、より均一化、高清浄化を図ることができる。なお必要に応じて、四次溶解以上を同様の方法によって行ってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１に本発明のインゴットの製造工程を示す。（ａ）に示すように、粒状、片状等の金属材料を圧縮成形や溶解して得た母材２を吊り下げ用治具であるスタブ１に溶接する。本実施例では、スタブ１上にチタンをプラズマにより溶解して、スタブ１と一体化した。この方法によると、スタブ１と母材２との密着性をよくすることができ、スタブ１と母材２の接合部付近まで母材２を溶解させることができる。さらに原料の成形体２とスタブとの接続部付近に、原料と同質の線材５を取り付け、これを溶解時の止電の目印とした。そしてこれを消耗電極とし、（ｂ）に示すように水冷銅モールド３に挿入しアークにより溶解する。アークによって消耗電極の母材２は、下端から溶解していく。この場合、水冷銅モールド３の断面縮小部形成部となる凹部４において、アークが不安定になる虞があり、凹部が鋳込まれるまで、低電流で消耗電極を溶解する。
【００２３】
この様子を図２において説明する。水冷銅モールド３は、インゴットに断面縮小部を形成するための形状を有する凹部４を有する。（ａ）に示すように、水冷銅モールド３に母材２を吊り下げる。そして（ｂ）に示すように、アークによりこの母材を下端から溶解し、溶湯が凹部４を鋳込み断面縮小部２１が形成される。この断面縮小部２１が形成されるまでの間、凹部４付近において、アークが不安定になる虞があり、凹部４が鋳込まれるまで、低電流の第一電流密度で母材２を溶解する。（ｃ）に示すように凹部４が鋳込まれて断面縮小部２１の形成が終了した後、第一電流密度よりも大きい第二電流密度で、母材２の溶解を進める。電流密度をあげることにより、効率よく母材２を溶解することができる。ところで（ｄ）に示すように、溶解を始める前に廃金属材料の切削粉５０などを凹部４に敷き詰めると、より安定して溶解を行うことができる。
【００２４】
図１に戻り、凹部が鋳込まれた後は、電流を上げ、引き続いて、（ｃ）、（ｄ）に示すように、消耗電極を溶解する。線材５をカメラ６で観察することで止電タイミングを決める。前述のようにプラズマ等を用いて、母材２とスタブ１とを一体として成形してあれば、母材２とスタブ１との接合部付近まで溶解することができる。この一次ＶＡＲにより、本体部２０の一端に断面縮小部２１として突出部を有する一次インゴット２５が製造される。本実施例の消耗電極式アーク溶解炉は、水冷銅モールド３の底部の形状が凹状であり、この部分によって一次インゴットに断面縮小部２１が形成される。この断面縮小部２１は、二次ＶＡＲを行う際に、スタブ２１と溶接される部分であり、スタブ２１の底面とほぼ同面積で形成される。
【００２５】
次に一次インゴット２５を取り出し、上下を反対にして、一次インゴット２５の断面縮小部２１を上部とする。そして（ｅ）に示すように、断面縮小部２１をスタブ１１の底面と溶接する。大電流を流すため、溶接による接合は十分密着するように行わなければならない。さらに（ｆ）に示すように、水冷銅モールド１３に一次インゴット２５を挿入し、アークにより二次ＶＡＲを行う。アークによって一次インゴット２５は、下端から溶解していく。（ｇ）に示すように、溶解が上部まで進むとインゴット２５の上部の色が赤熱化し、本体部２０の周囲が欠け始める。このようになった時を終了時期と判断し、止電することで、残量を少なくし、かつスタブが溶解することを防ぐことができる。これにより、スタブの溶解による不具合を防ぎつつ、溶解歩留を改善して、二次インゴット３０を作製することができる。なお、更なるインゴットの均一化、高清浄化を図るために、三次溶解を行う場合も、二次インゴット３０に断面縮小部を形成して、同様の方法によれば、残材量を少なくすることができる。四次溶解以上を行う場合にも同様である。
【００２６】
図３（ａ）に、本発明における一次インゴット２５の実施形態を示す。この一次インゴット２５は、前述のように二次インゴット３０を作製するための消耗電極となる。この一次インゴット２５は、前述のようにスタブを接続する側を上面として、本体部２０の上面側に断面縮小部２１を有する。この断面縮小部２１の上面の面積は、スタブの底面と同じか、それより大きい。また断面縮小部２１の一次インゴットの吊り下げ方向と直交する断面積は、本体部２０より小さい。この断面縮小部２１をスタブ１１の底面と溶接することで、消耗電極とする。
【００２７】
図３（ｂ）に、この一次インゴット２５の平面図を示す。上部の断面縮小部２１は、（ｂ）に示すようにスタブの形状に合わせて、略円形とする。この円は、スタブと同径かまたは大きく形成する。また本体部２０の上端面の略中央に形成される。但し、スタブと接続することができればよく、（ｃ）に示すように断面縮小部２４が、四角形であっても、その他の形状であってもよい。スタブ底面と溶接できる形状であることが必要である。
【００２８】
スタブ底面と同形か、それより大きくかつ本体部の断面積より小さい断面縮小部を有するインゴットをスタブと溶接し、消耗電極にする。この消耗電極を用いてアーク溶解を行うと、下端から消耗電極が溶解し、上端に近づくに伴って凸部周辺域が赤色化し、アーク溶解の終了時期を知ることができる。これによってアーク溶解の止電タイミングを誤ることを防ぐことができる。
【００２９】
図４に断面縮小部の他の実施例を示す。（ａ）や（ｂ）に示すように断面縮小部１２５，１２６のように本体部２から盛り上がった形状をもつ一次インゴット１２１，１２２を作製してもよい。また断面縮小部１２７のように多段階に断面が縮小された一次インゴット１２３を作製することもできる。
【００３０】
さらに原材料から構成される断面縮小部を有するインゴットを溶接によって製造することもできる。図５に溶接による製造工程を示す。まずプレス等により一定の形状のブリケット６１，６２を製造する。このブリケットを合わせて溶接を行って一次インゴット２５とする。この一次インゴット２５は、一端に断面縮小部２１が形成されるように、凸部を有するブリケット６１を使用する。このようにして形成された断面縮小部２１とスタブ１１とを溶接し、消耗電極を形成する。
【００３１】
さらに断面縮小部２１を有する一次インゴット２５の他の作製方法として、断面縮小部２１を鍛造で製造することもできる。まず円柱状のインゴットを製作し、この一端に鍛造により断面縮小部２１を形成する。
【００３２】
以上のように一次インゴットの本体部の一端に断面縮小部を設けることにより、溶解時の給電の停止タイミングを容易に把握することができ、歩留まりを上げることができる。なお断面縮小部は、一次インゴットを吊り下げた吊り下げ方向に直交する本体部の断面より、断面が小さくなる形態であれば、実施例の形態に限られない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の製造工程を説明する図。
【図２】水冷銅モールドに形成された凹部への鋳込みを説明する図。
【図３】一端に断面縮小部を形成したインゴットの例。
【図４】断面縮小部の実施例。
【図５】ブリケットの溶接によるインゴットの作製を示す図。
【図６】従来の製造工程を説明する図。
【符号の説明】
【００３４】
１，１１    スタブ
２    母材
３    水冷銅モールド（鋳型）
４    凹部
２１    断面縮小部
２５    一次インゴット
【図１】
2005171367.tif 000003
【図２】
2005171367.tif 000004
【図３】
2005171367.tif 000005
【図４】
2005171367.tif 000006
【図５】
2005171367.tif 000007
【図６】
2005171367.tif 000008