(57)【要約】      （修正有）【課題】金属の電子ビーム溶解方法において、歩留まり良く、しかも安定的に金属を溶解する方法を提供する。【解決手段】原料フィーダー２０から原料１０を供給し、電子ビーム照射手段５０によってハース４０にて溶解し、鋳型６にて連続的に固化させる金属の電子ビーム溶解方法であって、ハース４０内に保持した原料を溶解してなる溶湯１１面から鉛直上方向に対して、ハース有効単位面積当たり２００〜１０００ｍｍ／ｍ２の範囲内に配置された原料フィーダー先端部より原料を供給する。また、原料を供給する原料フィーダーと、原料を溶解するハース、原料を連続的に固化させる鋳型、およびハースおよび鋳型を加熱する電子ビーム照射手段を備えた金属の電子ビーム溶解装置であって、ハース内に保持した原料を溶解してなる溶湯面から鉛直上方向に対して、ハース有効単位面積当たり２００〜１０００ｍｍ／ｍ２の範囲内に原料フィーダー先端部を配置する。【選択図】    図１
2007039807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料フィーダーから金属原料を供給し、上記原料フィーダーから供給された原料を電子ビーム照射手段によってハースにて溶解し、上記ハースで溶解された原料を鋳型にて連続的に固化させる金属の電子ビーム溶解方法であって、
上記ハース内に保持した上記金属原料を溶解してなる溶湯面から鉛直上方向に対して、ハース有効単位面積当たり２００〜１０００ｍｍ／ｍ２の範囲内に配置された上記原料フィーダー先端部より原料を供給すること特徴とする金属の電子ビーム溶解方法。
【請求項２】
前記ハースの平面形状が、矩形もしくはＬ字型であることを特徴とする請求項１に記載の金属の電子ビーム溶解方法。
【請求項３】
前記金属の電子ビーム溶解方法において、前記ハースに保持された溶湯表面に供給される電子ビーム出力が、２００〜１０００ｋW／ｍ２であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属の電子ビーム溶解方法。
【請求項４】
前記金属がチタン、バナジウム、ジルコニウム、ニオブまたはこれらの合金である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電子ビーム溶解方法。
【請求項５】
金属原料を供給する原料フィーダーと、上記原料フィーダーから供給された原料を溶解するハース、上記ハースで溶解された原料を連続的に固化させる鋳型、および上記ハースおよび鋳型を加熱する電子ビーム照射手段を備えた金属の電子ビーム溶解装置であって、
上記ハース内に保持した上記金属原料を溶解してなる溶湯面から鉛直上方向に対して、ハース有効単位面積当たり２００〜１０００ｍｍ／ｍ２の範囲内に上記原料フィーダー先端部を配置したことを特徴とする金属の電子ビーム溶解装置。
【請求項６】
前記ハースの平面形状が、矩形もしくはＬ字型であることを特徴とする請求項５に記載の金属の電子ビーム溶解装置。
【請求項７】
前記金属の電子ビーム溶解方法において、前記ハースに保持された溶湯表面に供給される電子ビーム出力が、２００〜１０００ｋW／ｍ２であることを特徴とする請求項５または６に記載の金属の電子ビーム溶解装置。
【請求項８】
前記金属がチタン、バナジウム、ジルコニウム、ニオブまたはこれらの合金であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の金属の電子ビーム溶解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高融点金属の溶解方法に関し、とりわけ、効率よく金属を電子ビーム溶解する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属チタンは、従来航空機用材料や部品に多く用いられてきたが、近年、用途開発が進み、建材や道路、あるいはスポーツ用品等に幅広く用いられている。
【０００３】
このような金属チタンを得る方法としては、クロール法（四塩化チタンを金属マグネシウムで還元してチタンを得る）で製造されたスポンジチタンを破砕整粒後、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金属チタンを得る方法や、スポンジチタンを電子ビーム溶解して鋳型に流し込み、インゴットを得る方法が主流である。
【０００４】
特に、純度の高い金属チタンが求められる場合や原料が塊状である場合には、電子ビーム溶解炉が用いられることが多い。電子ビーム溶解炉は、真空アーク溶解炉に比べて１〜２オーダーの高真空下で溶解されるため、高い精製効果を実現することができる。
【０００５】
電子ビーム溶解炉は棒状あるいは粒状のいずれの形態を有する原料も溶解することができる。粒状原料は、スポンジチタン粒に限ることなくチタンスクッラプ片や切粉等のリサイクル材も溶解することができる。これに対して棒状原料は、前記の粒状原料を予めプレス成形してブリケット化後、これらを組み合わせて溶接接合して得られるものである。
【０００６】
前記原料が粒状原料の場合は、アルキメデス缶と呼ばれる回転式混合型原料供給器を用いて、原料は定量的に排出され、原料フィーダー（振動フィーダー）を経由して電子ビーム溶解炉内のハースに供給される。
【０００７】
前記原料フィーダー先端部から排出された粒状原料はハースに落下した後、電子ビームによって溶解されて溶湯となり、ハース下流に配置された鋳型に供給される。粒状原料がハースに供給される際には、スプラッシュ（溶湯の飛散）が発生してハース外に浴が散逸して歩留まりを低下させる場合がある。
【０００８】
したがって、フィーダーの先端部は、出来る限りハースの浴面に近いことが好ましい。しかしながら、原料フィーダーが溶湯面に過度に近づき過ぎると、ハース内に保持された溶融金属面からの輻射熱により、原料フィーダー内の粒状原料が加熱されて軟化し、原料同士が原料フィーダー内にて溶着するおそれがある。このような原料の溶着現象が発生すると原料フィーダーからの原料供給が滞り、電子ビーム溶解を中断せざるを得ない場合があった。
【０００９】
原料フィーダー先端部の原料の溶着や堆積に関しては、ハースを原料フィーダー下部まで延在させた後、更にハース全体を振動させる構造をとることで原料の閉塞を回避する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開昭６３−１２８１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の技術では、ハース全体を振動させることが求められるので、チタン製造の実際の操業において適用するには安全上の観点から問題がある。このように、粒状原料を、歩留まり良く、また、操業を中断することなく電子ビーム溶解炉に供給する技術が望まれている。
【００１２】
本発明は、金属の電子ビーム溶解方法において、歩留まり良く、しかも安定的に金属を溶解する方法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、電子ビーム溶解炉に装着された原料フィーダーの先端部の位置を、ハースに保持された溶湯面から鉛直上方に向かって、ハース有効面積で基準化した値（以降、「フィーダー有効高さ」）を２００〜１０００ｍｍ／ｍ２の範囲に配置することにより前記課題を効果的に解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
ここでいうハース有効面積とは、前記フィーダー先端部に視点を置いた場合に見えるハース内に保持した溶湯の表面積を意味する。よって、ハース内の溶湯からフィーダー先端部との間に視界を遮るような物体があるが為に、いわゆる影の領域がハース内の溶湯面に形成される場合には、前記影領域に相当する面積をハース内の全溶湯面積から除外した面積に相当する。
【００１５】
すなわち、本発明は、電子ビーム溶解炉に装着された金属原料を供給する原料フィーダーの先端部の位置を、ハース内に保持した溶湯面から鉛直上方に向かって、２００〜１０００ｍｍ／ｍ２の範囲に配置することを特徴とするものである。
【００１６】
また、前記ハースに保持された溶湯表面に供給される電子ビーム出力が２００〜１０００ＫＷ／ｍ２であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電子ビーム溶解炉に装着された金属原料を供給する原料フィーダーの先端部をハース溶湯面から十分な距離をおくことができるので、溶湯面からの輻射熱による原料フィーダー内の金属原料同士の溶着が効果的に抑制されるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。図１は、本発明に係る金属の電子ビーム溶解装置Mの構成例を示す模式断面図である。本実施態様では、高融点金属が純チタンであり、特に断りがない限り前記溶解装置を構成するハースの平面形状が矩形である場合を例にとり以下に説明する。
【００１９】
まず、溶解装置Mの構成について説明する。装置上流側（図１において左側）には、金属原料１０を供給するための原料フィーダー２０が設けられている。
原料フィーダー２０先端部の下方には、水冷ハース４０が設けられており、金属原料１０の溶湯１１を保持している。また、水冷ハース４０の上方には、金属原料１０を溶解するための電子ビーム照射装置５０が設けられており、水冷ハース４０内に電子ビーム５１を照射する。さらに、水冷ハース４０の下流側には、鋳型６が設けられており、溶湯１１を鋳型６内に流しこんでインゴット１３を得ることができる。
【００２０】
次に、溶解装置Mの動作について説明する。金属原料１０は、図示しない原料供給装置によって供給されて原料フィーダー２０内を移送され、先端部より落下して水冷ハース４０に供給される。水冷ハース４０内においては、電子ビーム照射手段５０によって電子ビーム５１が照射され、金属原料１０が溶解されて溶湯１１となる。溶湯１１は、水冷ハース４０の下流から鋳型６に供給される。溶解装置の動作初期においては、鋳型６には、図示しないチタンのスターティングブロックが保持されており、その上面に溶湯１１が供給される。
【００２１】
鋳型６内に溶湯１１を注いでなる溶融プール１２表面の高さが一定となるように、溶湯１１の供給に合わせてスターティングブロックを下方に引く。スターティングブロックの引き抜きに伴って、溶湯１１が下方に移動しながら順次固化してインゴット１３を形成し、インゴット１３の上面には水冷ハース４０から供給された溶湯１１にも電子ビームを照射しつつ溶融プール１２が形成されている。この工程を継続することによって、インゴット１３を連続的に製造することができる。
【００２２】
従来の溶解装置においては、溶湯からの輻射熱によって原料フィーダー内の金属原料同士が溶着し、原料フィーダーの出口を閉塞するという問題があったが、本発明においては、原料フィーダー２０の先端部の位置をハース有効面積で基準化したフィーダー有効高さに保持されている。その結果、フィーダー２０の先端部における金属原料１０の溶着を回避することができるとともに、水冷ハース４０に保持された溶湯のスプラッシュによるフィーダー２０の閉塞も効果的に抑制することができる。
【００２３】
ここで、前記で定義した「フィーダー有効高さ」と「ハース有効面積」の考え方について図２〜図４を用いて以下に述べる。図２は、本発明における原料フィーダー２０先端部の好ましい鉛直位置を模式的に表している。本発明においては、原料フィーダー２０の先端部のフィーダー有効高さＨは、ハース有効面積で基準化した溶湯１１の表面から上方への距離であって、前記フィーダー有効高さは、本発明においては２００〜１０００ｍｍ／ｍ２の範囲に設定しておくことが好ましい。
【００２４】
前記した有効フィーダー高さは、電子ビーム出力が３００ＫＷのときは、２００〜１０００ｍｍ／ｍ２、５００ＫＷのときは、３００〜８００ｍｍ／ｍ２、８００ＫＷのときは、５００〜８００ｍｍ／ｍ２が好ましい範囲とされる。
ここでいう「フィーダー有効高さ」とは、前記したように、ハース４１内に保持した溶湯面からフィーダー先端部までの距離Ｈをハース有効面積で基準化した値を意味する。
【００２５】
原料フィーダー２０の先端部は、水冷ハース４０内に保持した溶湯１１の表面から離れているほど、輻射熱を受けにくくなるので好ましい。しかしながら、水冷ハース４０内に保持した溶湯１１からの距離が大きくなると、装置の制約により限界がある。
【００２６】
また、本発明で用いる装置規模においては、フィーダー有効高さは、１０００ｍｍ／ｍ２が現実的な意味での上限とすることが好ましい。一方、両者の距離が２００ｍｍ／ｍ２未満の場合、溶湯１１からの輻射熱量が増大し、金属原料１０同士の溶着が発生しやすくなるので好ましくない。
【００２７】
次に、前記したハース有効面積の考え方について図３を用いて以下に説明する。図３においては、ハースの側壁の一部に遮蔽物７０を配設した場合の態様を表している。この場合、フィーダー先端部７１から遮蔽物７０の左端を通る直線がその延長上にあるハースの側壁と交叉する点をＱとすると、前記直線ＰＱよりも紙面上方にあるハースのうち鉛直部を構成するハースに形成される影領域７２は、本願発明でいうハース有効面積から除外される。
【００２８】
また、図４は、フィーダー先端部７１に遮蔽物７４を設けた場合のハース有効面積に関する考え方を例示している。フィーダー７１の先端部Ｐと遮蔽物７４の下端部を通る直線の延長線上あるハースの浴表面と交叉する点をＲとすると、ハースの浴表面にある点Ｒよりも紙面上左側にある領域は、ハースの影領域７５に該当する。よって、この場合のハース有効面積は、ハース１１の溶湯面積から影領域７５の面積を除外した面積に相当する。
【００２９】
本発明における水冷ハース４０内への溶湯１１に供給する電子ビームの出力は、溶湯１１の表面積で基準化した２００〜１０００ｋW／ｍ２の範囲に制御しておくことが好ましい。ここでいう溶湯１１の表面積とは、ハース内に保持された溶湯の全表面積を意味するものであり、前記したような遮蔽物により形成される影領域を除外したハースの浴面積を意味するものではない。
【００３０】
溶湯１１内に供給する電子ビーム５１の出力が大きい程、原料フィーダー２０から供給される原料を効率良く溶解させることができ、その結果、生産性を高めることが出来て好ましい。しかしながら、溶湯１１から発生する輻射熱もそれに比例して増加し、原料フィーダー２０の先端部の温度も上昇しやすくなる。
【００３１】
その結果、原料フィーダー２０の先端部で金属原料１１同士の溶着が発生しやすくなるので好ましくない。一方、電子ビーム出力が低い程、原料フィーダー２０の先端部の温度上昇は抑制されるが、出力が低すぎると原料を溶解することが困難となる。
【００３２】
本発明に用いる溶解原料は、粒状、小塊もしくは小片であることが好ましい。本発明では原料フィーダー２０として振動フィーダーを用いることが多いので、前記の溶解原料を用いるこことが好ましい。例えば、スポンジチタンやチタン材の加工工程で発生する切粉、あるいは切断片が好ましい原料の形態である。
【００３３】
本発明は、以上説明したような観点に基づき種々の予備試験を実施することにより、ハース内への溶湯に供給する電子ビームの好ましい出力範囲を決定したものである。
【００３４】
以上、高融点金属原料がチタンである場合を例に本発明を説明したが、高融点金属原料としては特に制限はなく、バナジウム、ジルコニウム、ニオブまたはこれらの合金等の製造に本発明を利用することができる。
【実施例】
【００３５】
本発明の効果について、実施例によって詳細に説明する。なお、本実施例では、図１に示す装置を用いた。
［実施例１］
１．試験条件
（１）溶解原料：スポンジチタン（粒度１〜２５ｍｍ）
（２）スポンジチタン供給速度：１０〜１５ｋｇ／分
（３）水冷ハースの大きさ（ｍｍ）：１５００（Ｌ）×６００（Ｗ）×１００（Ｈ）
（４）水冷ハース溶湯面積：０．９ｍ２
（５）ハース溶湯面からフィーダー先端部までの距離（ｍｍ／ｍ２）：
１００、２００、３００、５００、８００、１０００の６水準で試験した。
（６）ハース加熱用ビーム出力：８００ｋW
（７）溶湯温度：１７００〜１８００℃
【００３６】
２．試験結果
ハース有効面積で基準化したフィーダー有効高さが２００〜１０００ｍｍ／ｍ２においては、フィーダー先端部における原料同士の溶着が観察されず、しかも、ハース内溶湯の歩留まりロスも僅かであった。しかしながら、フィーダー有効高さが１００ｍｍ／ｍ２では、原料フィーダーの先端部における原料同士の溶着により、溶解に中断を余儀なくされた。一方、フィーダー有効高さが２００〜１０００ｍｍ／ｍ２においては、原料フィーダーの先端部に原料同士の溶着は見られず、溶解操業は予定時間継続することができた。なお、フィーダー有効高さは、装置上の制約があり、１０００ｍｍ／ｍ２が上限であった。また、投入原料と生成インゴット量から生成インゴットの歩留まりを検討した。その結果、フィーダー有効高さが２００〜８００ｍｍ／ｍ２の範囲では、跳ね返り等による顕著な歩留まり低下は見られなかった。結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
2007039807.tif 000003
【００３８】
［実施例２］
１．試験条件
（１）溶解原料：スポンジチタン（粒度：１〜２５ｍｍ）
（２）スポンジチタン供給速度：１０〜1５ｋｇ／分
（３）水冷ハースの大きさ（ｍｍ）：１５００（Ｌ）×６００（Ｗ）×１００（Ｈ）
（４）水冷ハース溶湯面積：０．９ｍ２
（５）フィーダー有効高さ（ｍｍ／ｍ２）：３００
（６）ハース加熱用ビーム出力（ｋW／ｍ２）：
１００、２００、３００、５００、８００、１０００の６水準で試験した。
（７）溶湯温度：１７００℃〜１８００℃
【００３９】
２．試験結果
ハース加熱用ビーム出力が、２００〜１０００ｋW／ｍ２においては、水冷ハースに投入された原料は順調に溶解し、また、原料フィーダーの先端部における原料同士の溶着も殆ど観察されなかった。しかしながら、溶解出力が１００ｋW／ｍ２では、原料フィーダー２０の先端部における溶解原料の溶着は観察されなかったが、ハース内の金属原料を完全には溶融することができなかった。一方、ハース加熱用ビーム出力が１０００ｋW／ｍ２では、原料は順調に溶解したが、原料フィーダー先端部に溶解原料同士の融着による閉塞が発生し始めた。また、１０００ｋWではハース内溶湯が過熱状態となり危険が感じられたためこれ以上の出力上昇は行わなかった。
【００４０】
【表２】
2007039807.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によれば、チタン等の高融点金属インゴットの製造を効率良く実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の溶解装置の一実施形態を示す模式断面図である。
【図２】本発明の溶解装置における溶湯と原料フィーダー先端部の位置関係を示す模式断面図である。
【図３】本発明の溶解装置の他の実施形態（Ｌ字型ハース）における影領域を示す平面図である。
【図４】本発明の溶解装置における下方の影領域を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
Ｍ    溶解装置
１０  金属原料
１１  溶湯
１２  溶融プール
１３  インゴット
２０  原料フィーダー
２１  スリーブ
４０  水冷ハース
５０  電子ビーム照射手段
５１  電子ビーム
６    鋳型
７０、７４  遮蔽物
７１  フィーダー先端部
７２、７５  影領域
【図１】
2007039807.tif 000005
【図２】
2007039807.tif 000006
【図３】
2007039807.tif 000007
【図４】
2007039807.tif 000008