(57)【要約】  金属インゴットの溶製開始時に形成される初期溶湯部の溶融不良や表面欠陥を抑制した金属材料の溶解方法を提供する。原料金属を溶解するハースと、溶解した金属を流し込んで金属インゴットを作製する鋳型とを備えた金属の溶解装置であって、鋳型の底部には、インゴット引き抜き用のベースが設けられ、ベース表面の任意の部位に凹部が設けられ、ベース表面のうち凹部を囲むベース表面が、凹部に向かって傾斜していることを特徴とする金属の溶解装置。
2007052433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料金属を溶解するハースと、溶解した上記金属を流し込んで金属インゴットを作製する鋳型とを備えた金属の溶解装置であって、
上記鋳型の底部には、インゴット引き抜き用のベースが設けられ、
上記ベース表面の任意の部位に凹部が設けられ、
上記ベース表面のうち上記凹部を囲むベース表面が、上記凹部に向かって傾斜していることを特徴とする金属の溶解装置。
【請求項２】
前記凹部に向かって傾斜している前記ベース表面の傾斜角が２〜１０°の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の金属の溶解装置。
【請求項３】
前記凹部は、底部と側壁部からなり、上記側壁部は垂直方向から傾斜して上記底部と上記側壁部とのなす角度が鋭角であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属の溶解装置。
【請求項４】
前記凹部の底部に、更に凹部を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属の溶解装置。
【請求項５】
前記凹部の底部に設けた凹部の底面が水平面に対して任意の方向に傾斜していることを特徴とする請求項４に記載の金属の溶解装置。
【請求項６】
前記インゴット引き抜き用ベースの上に形成されたインゴットを前記ベースから抜き出すことができるように、前記引き抜き用ベースが分割可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属の容器装置。
【請求項７】
前記ベースが水冷銅で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属の溶解装置。
【請求項８】
前記金属の溶解装置が電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の金属の溶解装置。
【請求項９】
前記金属がチタン、ジルコニウム、またはタンタルであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の金属の溶解装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の金属の溶解装置を用いることを特徴とする金属の製造方法。
【請求項１１】
前記金属が、チタン、ジルコニウム、またはタンタルであることを特徴とする請求項１０に記載の金属の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料の溶解装置およびその装置を用いた金属の製造方法に係り、特に、電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉で金属材料のインゴットを製造するに当り、溶解初期に生成されるインゴット部位における溶融不良及び表面欠陥を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶解炉内に水冷銅ルツボを配置し、下方に移動可能な水冷ベースをこのルツボの底部に配置した溶解炉を使用して、真空雰囲気下で電子ビームを金属材料に照射し、溶融した金属材料を当該水冷ベースに注ぎ込みながら、あるいは滴下させながら当該水冷ベースを継続的にあるいは断続的に引き下げることによって、当該金属材料のインゴットを製造する技術が知られている。【０００３】
溶解開始時は、溶融金属（以下、「溶湯」と称する場合がある）が水冷ベースと直接接触し、その接触部から凝固が開始する。溶湯の供給が進行すると水冷ベースのほぼ全面に溶湯が堆積固化する。次いで、水冷ベースに堆積した金属材料に電子ビームを照射して全面を溶融させてから水冷ベースを下方に引き抜く。水冷ベースの下方への引き抜きに伴って溶湯面が下降するので、さらに電子ビーム溶解した溶湯を供給する。このようにして水冷ベースを下方に引き抜きつつ溶湯を供給し続け、連続的に金属インゴットを製造する。【０００４】
この水冷ベース表面は平坦状となっており、注ぎ込んだ溶湯は水冷ベースに落下するとその場で短時間に凝固する。さらに、凝固したその金属の上に次の溶湯が落下すると、任意の方向に溶湯が流れ短時間に凝固する。溶解初期には、このような水冷ベースへの溶湯の落下と凝固が繰り返し起こる。このため、溶解初期に生成されたインゴット部位（以降、「初期溶湯部」と称する場合がある）、特に水冷ベースとの接触面におけるインゴット部位においては溶融不良部や表面欠陥が形成される。これらの欠陥は、後工程で行われる加工工程で障害となる場合があることから、予め切削または切断等により除去していた。しかしながら、これはインゴットの歩留りを低下させてしまい改善が求められていた。【０００５】
このような欠陥を抑制するため、溶湯が水冷ベース上へ落下した直後から電子ビームを照射して、初期溶湯部を常時溶融状態に維持する技術が知られているが、この技術では、水冷ベース上に溶湯が落下してから落下部位に電子ビームを照射して溶湯形成および維持を行う際に、照射位置を設定する間に溶湯の凝固が進行してしまうという問題があった。【０００６】
この問題に対しては、水冷ベース上の溶湯落下部を含む広い面に電子ビームを照射することで初期溶湯部の凝固を抑制する技術が考案されているが、この技術では、初期溶湯部の部分的な凝固は一時的に抑制することはできるものの、溶湯に覆われていない水冷ベース面に直接電子ビームが照射されて水冷ベース面を溶損させることがあり改善が求められていた。【０００７】
上記諸問題を解決する方法として、水冷ベース上にあらかじめ被溶解金属と同等品位の金属ブロック材料を配置し、同材料の上面に電子ビームを照射して十分な溶湯面を形成した後、溶解を開始する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、溶湯の落下部位に電子ビームを照射するまでに溶湯が凝固する問題や、落下部位を含む範囲に電子ビームを照射して水冷ベースが損傷する問題は解決することができるが、水冷ベースにあらかじめ配置した金属ブロックの頂部に溶湯面を形成した後に鋳型への溶湯の供給を開始する方法しか開示されておらず、初期溶湯部の形成方法に関する記載はない。そのため、水冷ベース上に配置していた金属ブロックの相当部分を除去する必要が生じるため、収率が低下することや、除去に要する費用が発生するという問題があった。【０００８】
また、鋳型底部に、インゴットと係合することが可能な楔形状部を有する水冷ベースを設け、この水冷ベースに溶湯を落下させて楔形状部とインゴットの初期溶湯部とを係合させ、インゴットの凝固後に水冷ベースを下方へ引き抜くことによってインゴットを連続鋳造する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２７４９５７号公報
【特許文献２】特開２０００−１５３３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献２の開示においても、初期溶湯部の形成方法あるいは初期溶湯部における欠陥発生の回避方法に関する記載は見られない。このように、金属インゴット製造の際の初期溶湯部形成に関する上記問題に対して有効な対策は未だ講じられていない。【００１１】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、上記のような従来技術に残された問題点を解決し、さらに歩留まりよくインゴットを製造することを目的としている。すなわち、溶解開始時に生成する初期溶湯部の溶融不良や表面欠陥を抑制した金属材料の溶解方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記従来技術に残された課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、水冷銅鋳型の底部に生成インゴット引き抜き用水冷ベースを配置した溶解炉を使用し、かつ水冷ベース表面に設けた凹部を取り囲むベースの表面に傾斜を設けることによって、鋳型内に落下或いは滴下した溶湯を水冷ベースに設けた凹部に集約できることを見出し、本願発明を完成するに至った。【００１３】
すなわち、本発明は、原料金属を溶解するハースと、溶解した金属を流し込んで金属インゴットを作製する鋳型とを備えた金属の溶解装置であって、鋳型の底部には、インゴット引き抜き用のベースが設けられ、ベース表面の任意の部位に凹部が設けられ、ベース表面のうち凹部を囲むベース表面が、凹部に向かって傾斜していることを特徴としている。【００１４】
また、本発明はベース表面に設けた凹部の底部に更に凹部を設けたことを特徴とするものである。さらには、前記インゴット引抜き用ベースの上に形成されたインゴットを前記ベースから抜出すことができるように前記引抜き用ベースが分割可能に構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
上記の構成を有する本発明の金属の溶解装置によれば、鋳型底部のベース表面に設けられた凹部に向かってベース表面の他の部分が傾斜しているので、ハースより流し込まれる溶湯が最初にベースに到達した際、その傾斜に導かれてまず凹部に流入させられ、続いて供給される溶湯は凹部より順次充填されて冷却凝固するので、生成する金属インゴットの初期溶湯部における表面欠陥や溶融不良部の発生を効果的に抑制することができるという効果を奏するものである。【００１６】
さらに、前記ベース表面に設けた凹部の底面に溶湯を集約することができ、前記の表面欠陥や溶融不良部の発生を更によりいっそう削減することができるという効果を奏するものである。【００１７】
さらには、前記インゴット引抜き用ベースが分割可能に構成されているために、前記ベースの上に生成されたインゴットを溶解終了後、容易に抜出すことができるという効果を奏するものである。【００１８】
従来方法においては、初期溶湯部の欠陥部を切断除去していたが、本発明においては、上述のように初期溶湯部の表面欠陥や溶融不良部がほとんど発生しないため、インゴットの歩留まりを従来の方法に比べて高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の電子ビーム溶解装置の概略断面図である。
【図２】本発明の水冷ベースの変更例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の水冷ベースの他の変更例を示す概略断面図である。
【図４】本発明の水冷ベースの他の変更例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の水冷ベースの他の変更例を示す概略断面図である。
【図６】従来の水冷ベースを示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１      原料供給手段
２      スポンジチタン
３      ハース
４      溶湯
５      鋳型
６      電子ビーム照射手段
７ａ〜７e  水冷ベース（本発明例）
７ｆ    水冷ベース（従来例）
７１    ベース傾斜部
７２    ベース凹部
７３    逆テーパ部
７４    ベース底部
７５    傾斜底部
７６    水平底部
７７    傾斜底部
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の好ましい実施態様について図面を用いて詳細に説明する。
図１は、スポンジチタンを溶解原料としてハース電子ビーム溶解炉を用いて金属チタンインゴットを溶製する際の好ましい実施態様を表している。符号１は、原料であるスポンジチタン２を供給するための原料供給手段である。原料供給手段１の下流には、水冷銅で構成されたハース３が設けられており、ハース３は、溶融チタンからなる溶湯４を保持している。ハース３の下流側には、鋳型５が設けられており、ハース３は全体が傾斜して配置されているので、ハース３から鋳型５へ溶湯４を流入させることが可能になっている。ハース３および鋳型５の上方には、電子ビーム照射手段６が設けられており、ここから電子ビームを照射することによって、溶湯４を溶融状態にすることができる。【００２２】
鋳型５の底部には、水冷ベース７ａが設けられている。水冷ベース７ａは、図１に示すように、中央にベース凹部７２が形成され、ベース凹部７２の周囲は、ベース凹部７２に向かって傾斜するようにベース傾斜部７１が形成されている。さらに、ベース凹部７２は、ベース凹部７２の側壁をなす逆テーパ部７３およびベース底部７４からなる。図に示すように、逆テーパ部７３は、垂直方向から傾斜しており、逆テーパ部７３とベース底部７４とがなす角度が鋭角となるように構成されている。【００２３】
次に、このハース電子ビーム溶解炉の動作を説明する。チタン溶解が開始される前のハース３底部には、図示しないスカルと呼ばれるチタンの固形層が配置されており、まず、ここに電子ビームを照射することによって、溶湯４を形成する。続いて、原料供給手段１によってスポンジチタン２をハース３に供給し、電子ビームの照射によってスポンジチタン２を溶解して溶湯４と一体化する。次いで溶湯４は、ハース３内を流れて精製された後、鋳型５内に流入する。【００２４】
鋳型５に流入した溶湯４は、鋳型５の底部に配置した水冷ベース７ａに達する。水冷ベース７ａに達した溶湯４のうち、ベース凹部７２に到達したものは、ベース底部７４によって冷却されて暫時の後に凝固し、ベース傾斜部７１に到達したものは、ベース傾斜部７１の傾斜によって速やかにベース凹部７２に流入させられ、同様に凝固する。このように、ベース上のいずれの箇所に到達した溶湯も、ベース凹部７２内に導いて凝固させることができる。さらに溶湯４を供給して、ベース傾斜部７１を覆う程度まで、溶湯を満たし、凝固させてチタンインゴットの初期溶湯部を形成する。なお、ベース凹部７２に最初に溶湯が供給された直後においては、水冷ベースが溶湯からの熱によって十分に加熱されておらずに低温状態にあるため、溶湯が短時間に凝固する傾向にある。したがって、電子ビームの照射出力を増加させておくことが好ましい。【００２５】
ベース凹部７２およびベース傾斜部７１を覆う初期溶湯部が形成された後は、水冷ベース７ａを下方へ引いて鋳型５上部の空間を拡大し、この空間にさらに溶湯４の供給を継続する。このように、溶湯４を鋳型５内に供給しつつ水冷ベース７ａを下方へ引き抜くことによって、鋳型の下部から上部へ向けて徐々に溶湯が冷却されて凝固していくので、連続的にチタンインゴットを製造することができる。この引き抜きの際、ベース凹部７２内の逆テーパ部７３がチタンインゴットの初期溶湯部と係合しているため、初期溶湯部と水冷ベース７２が剥離することなく、チタンインゴットを下方へ引き抜くことができる。【００２６】
次に、本発明の構成要素の他の好ましい変更例について説明する。
本発明の水冷ベースのベース傾斜部は、周囲から中心へ向けて傾斜構成しておく方が好ましい。【００２７】
また、ベース傾斜部の傾斜角度は、溶湯がチタンの場合は、水平面に対して２〜１０°の範囲となるように構成することが好ましい。この範囲の角度でベース傾斜部を構成することで、供給された溶湯を水冷ベースの中心部に均一に配流させることができる。傾斜角度が２°未満の場合は、チタン溶湯の粘性のために水冷ベースの任意の部位に迅速に配流させることが困難となり、傾斜角度が１０°を越える場合は、溶製されるインゴットに占める初期溶湯部の比率が増大するため、加工歩留まりを低下させるおそれがある。なお、傾斜角度範囲の下限値２°は溶製する金属がチタンの場合であって、他の金属を溶製する場合はその粘性により下限値は異なる。【００２８】
本発明の他の態様として、水冷ベース上にあらかじめスポンジチタンを配置しておき、ここに電子ビームを照射して溶解させてハース凹部に流し込み、初期溶湯部を形成しても良い。このような態様によれば、スポンジチタンが水冷ハースを覆っているので、初期溶湯部を形成する際の電子ビームの照射によって水冷ハースが損傷することを抑制することができる。【００２９】
図２は、本発明に係る別の実施態様を表している。すなわち、図１における水冷ベース７ａの変更例である。この水冷ベース７ｂは、ベース凹部７２の底部が水平ではなく、中心部に向かって傾斜した傾斜部７５を設けている。このような構成の水冷ベース７ｂによれば、最初に流入してきた溶湯がランダムな箇所で凝固することを抑制し、ベース凹部内の中心に溶湯を導いて順次凝固させていくことが可能になる。【００３０】
図３は、水冷ベース７ａのさらに別の好ましい態様を表している。水冷ベース７ｃは、さらに傾斜部７５と水平部７６とから構成されている。このような凹部構成とすることで、生成インゴットの初期溶湯部の底部は、緩やかな凸部を形成することができ、図２に示す水冷ベース７ｂによって製造した初期溶湯部に比べて取り扱いが容易となる。【００３１】
図４は、水冷ベース７ａの更に好ましい態様を表している、水冷ベース７ｄは、ベース凹部７２の底部７７が平坦ではあるが、紙面右方向に向かって傾斜した構造を有している。このような構成の水冷ベース７ｄによれば、当該ベースに流入してきた溶湯を前記ベース凹部７２の底部の傾斜方向に沿ってハースから流入してきた溶湯を導くことができる。その結果、前記溶湯が前記底部７７の最下端より順次凝固が進行し、その結果、前記溶湯の凝固部にマクロ的な欠陥の形成がなく、健全なインゴットを製造できるという効果を奏する。【００３２】
図５に示した本願発明に係る水冷ベースは矩形であり、上方から見た平面図を表している。即ち、本願実施態様にて溶製されるインゴットは断面が矩形になる。本実施態様においては、前記ベース凹部７２が台形状に構成されていることを特徴とするものである。また、直線Ｌ−Ｌ’は前記鋳型の分割線を表している。前記分割線を境界にして、前記水冷ベース７ｅを２つの部位（７ｅ−ａ、７ｅ−ｂ）に分割することができるように構成されていることを特徴としている。特に、前記台形の下底が前記分割線側に位置するように構成しておくことが好ましい。この際、前記台形の上底から下底を結ぶ各辺は上開きになっておれば特に制限はないが、水平線に対する各辺の角度は３０〜６０°の範囲に設定しておく方が実用上好ましい。【００３３】
このような配置とすることで、予定量のインゴットを溶製した後、前記水冷ベース７ｅ−ａを７ｅ−ｂから分離した後、水冷ベース７ｅの上面に載置されているインゴットを直線Ｌ−Ｌ’と直交する方向に摺動させることにより、前記凹部に嵌合部を形成してなるインゴットを水冷ベース７ｅから分離することができるという効果を奏する。【００３４】
なお、前記した水冷ベースの分割構造は、前記した水冷ベース７ａから７ｄに対しても適用することが好ましい。このような分割構造を採用することで溶製されたインゴットを水冷ベースから容易に抜出すことができる。【００３５】
また、水冷ベース７ａ〜７ｅの水平断面は、前記した矩形のみならず円形のインゴットを溶製する場合にも適用することができる。【００３６】
以上説明したような水冷ベース７ａ〜７ｅを溶解に先立って鋳型５に配置しておくことで、ハースから流入して来た溶湯を好適に凹部に導いて初期溶湯部と水冷ハースの係合を強固なものとすることができると共に、溶解終了後に溶製されたインゴットを前記水冷ベースから確実に引き抜くことができるという効果を奏するものである。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、これらは本発明の実施形態の例示であって、本発明を制限するものではない。
［実施例１］
図３に示した水冷ベース７ｃを図１の電子ビーム溶解装置の鋳型５に装着した。続いてハース３に電子ビームを照射すると共にスポンジチタン２をハース３に供給して溶湯４を形成し、これを鋳型５に供給してチタンインゴットを溶製した。溶製後のインゴットを冷却後、水冷ベース７ｃを切断して、チタンインゴットを得た。切断されたインゴット底部の組織は健全であり、そのまま熱間鍛造に供することができる品質であった。回収されたチタンインゴットの歩留まりは、投入原料からの理論収量に対して、９８％であった。
［実施例２］
実施例１において用いた水冷ベース７ｃに代えて７ｄを用いた以外は同じ条件でインゴットを溶製した。その結果、回収されたチタンインゴットの歩留まりは、投入原料からの理論収量に対して９８％であった。【００３８】
［比較例］
図６に示した従来の水冷ベース７ｆを用いた以外は、実施例１と同じ条件でチタンインゴットを溶製した。溶製されたチタンインゴットを水冷ベースから切断して切り離した。切り離されたチタンインゴットの切断面を調べたところ、溶融不十分な部位が見られ、その部位を切断除去した。その結果、正味のチタンインゴットの歩留まりは、９５％に留まった。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明による金属材料の電子ビーム溶解方法によりインゴットの初期溶湯部における溶融不良及び表面欠陥を抑制することが可能となるため、金属インゴット製造の歩留りを著しく向上させることができる。
【図１】
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【図２】
2007052433.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年2月27日(2007.2.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料金属を溶解するハースと、溶解した上記金属を流し込んで金属インゴットを作製する鋳型とを備えた金属の溶解装置であって、
上記鋳型の底部には、インゴット引き抜き用のベースが設けられ、
上記ベース表面の任意の部位に、底部と側壁部からなり上記側壁部が垂直方向から傾斜して上記底部と上記側壁部とのなす角度が鋭角である凹部が設けられ、
上記ベース表面のうち上記凹部を囲むベース表面が、上記凹部に向かって傾斜していることを特徴とする金属の溶解装置。
【請求項２】
前記凹部に向かって傾斜している前記ベース表面の傾斜角が２〜１０°の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の金属の溶解装置。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記凹部の底部に、更に凹部を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属の溶解装置。
【請求項５】
前記凹部の底部に設けた凹部の底面が水平面に対して任意の方向に傾斜していることを特徴とする請求項４に記載の金属の溶解装置。
【請求項６】
前記インゴット引き抜き用ベースの上に形成されたインゴットを前記ベースから抜き出すことができるように、前記引き抜き用ベースが分割可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属の容器装置。
【請求項７】
前記ベースが水冷銅で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属の溶解装置。
【請求項８】
前記金属の溶解装置が電子ビーム溶解炉またはプラズマアーク溶解炉であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の金属の溶解装置。
【請求項９】
前記金属がチタン、ジルコニウム、またはタンタルであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の金属の溶解装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の金属の溶解装置を用いることを特徴とする金属の製造方法。
【請求項１１】
前記金属が、チタン、ジルコニウム、またはタンタルであることを特徴とする請求項１０に記載の金属の製造方法。
【国際調査報告】
2007052433.tif 000009
2007052433.tif 000010