■チタン開発 50 周年特集

FEATURE : The 50th Anniversary of Titanium Development

チタン溶解技術の進歩
草道龍彦＊・三井貴之＊＊＊

技術開発本部・生産技術研究所＊＊

鉄鋼カンパニー・チタン技術部

Progress in Titanium Melting Technology
Tatsuhiko Kusamichi・Noriyuki Mitsui

In this paper, the characteristics of titanium melting technology, and its historical development are explained．
Major recent developments in titanium melting technology, such as vacuum arc re-melting（VAR）, electron，plasma arc melting（PAM）and cold crucible induction melting（CCIM）are introbeam melting（EBM）
duced．
4）

まえがき＝チタン（Ti）は溶融温度では激しく空気酸化

囲気下で水冷銅るつぼをもちいておこなわれる 。水冷される活性な金属であり，鉄鋼材料のように耐火物るつ銅るつぼをもちいる場合，入力電力のほとんどが冷却水ぼで大気雰囲気溶解することは難しいため，様々な特殊に伝熱されるため，銅るつぼの溶損防止には核沸騰伝熱溶解技術が開発されてきた。本稿では，Ti 溶解技術発のバーンアウト点を越えない冷却水流量を確保する必要

展の経緯や，現在の主流溶解法である真空アーク再溶解がある 。その目安は 1kW あたり冷却水量 0.1Nm /h 程法（VAR : Vacuum Arc Remelting），最近米国で実用化度であり，工業的使用ではさらに余裕をみた冷却水量がされた電子ビーム溶解法（EBM : Electron Beam Melt-

もちいらる。十分な冷却により，銅壁と接する溶湯をたing）やプラズマアーク溶解法（PAM : Plasma Arc Melt-

だちに凝固させて薄い凝固層を形成させ，溶湯をその凝ing），高融点活性金属の溶解に適したコールドクルーシ

固層の内側に保持することで，銅の溶損が防止される。

ブル誘導溶解法（CCIM : Cold Crucible Induction Melt-

この凝固層は凝固収縮してるつぼ壁との間にギャップ（隙ing）などについて，その特徴や技術課題を紹介する。

間）が形成され，これが本溶解方式の重要な熱抵抗部と1．チタン溶解技術発展の経緯

5）

3なっている。
加熱方式の違いにより溶解方法は次のように分類され6）チタン（Ti）材料の溶解に係わる物理的性質は鉄鋼材る 。①電極−溶湯間のアーク加熱（VAR），②プラズ料と良く似ている。たとえばその融点は 1 600〜1 700℃

マトーチによるプラズマアーク加熱（PAM），③電子ビと鉄鋼材料にくらべてやや高い程度であり，溶解に必要ーム銃からの電子ビーム衝撃加熱（EBM），④コイルかな熱容量もほぼ同等のため ，鋼と同様な溶解技術が適1）らの高周波誘導加熱（CCIM）。この内，①〜③は溶湯用できる。しかし化学的性質は大きく異なり，Ti 溶湯表面を加熱する方式であり，④は内部で発熱させる方式

は空気により激しく酸化され，最終的には二酸化チタンである。

（TiO2）となる。また，Ti 材料中の酸素濃度は機械的性

2．
1 消耗電極式真空アーク再溶解（VAR）法

質に顕著な影響を与えるため，溶解時の酸素濃度制御が本溶解法では，真空または不活性ガス雰囲気下の水冷重要であり，溶解は真空または不活性ガス雰囲気下でお銅るつぼ内で，溶解材料自体で構成される棒状の消耗電こなわれる。

極と溶湯表面との間にアークを発生させ，その熱により溶解法として，初期には鋼と同様な耐火物るつぼをも消耗電極を溶融して溶滴として落下させる。溶滴が集まちいる高周波誘導溶解法が試みられたが，アルミナ，マった溶湯プールは下側から冷却されて凝固し，一方向凝グネシア，黒鉛などのるつぼ耐火物が Ti 溶湯と激しく固に近い方式で鋳塊が製造される。操業には直流の大電反応して溶湯中に不純物として入り込み，機械的性質や流（数千〜数万 A）・低電圧（数十〜百 V）電源がもち耐食性をいちじるしく劣化させるために採用されなかっいられる。本溶解法は電力消費量の少ないことが特徴で

2）た 。るつぼ耐火物による汚染の問題を回避するため，ある。これは溶解時には高温となる消耗電極表面と溶湯

W. J. Kroll らは水冷銅るつぼをもちいて，タングステプールとが近い距離で対面する配置となり，周辺への熱ンや炭素などの非消耗電極と Ti 溶湯間の電気アークを熱源放射ロスが少ないためである。とする非消耗電極式真空アーク再溶解法を開発し（1930

いっぽう，安全対策や鋳塊品質上はアークの安定性維年代），その後非消耗電極自体の溶損による Ti 溶湯汚染持が重要で，電極−溶湯間距離を一定に保持する制御がを防止するために，溶解材料自体を電極とする消耗電極おこなわれている。また鋳塊表面品質改善のために静磁式真空アーク再溶解（VAR）方式に発展した（1950 年

場を附加して溶湯プールを回転撹拌することなどもおこ3）代） 。この方式が現在の中心的な溶解技術となってい4）る 。

2．チタン材料溶解技術の特徴と最近の動向
チタン材料の溶解は，通常，真空または不活性ガス雰なわれる。チタンの VAR 溶解工程では，スポンジチタンを合金原料とともにプレス成形してブリケットとし，これを溶接して消耗電極とする。一回の溶解だけでは鋳塊の合金成分均質化が不十分なため，初回溶解の鋳塊を消耗電極として再度溶解する二重溶解が一般的であり，
神戸製鋼技報/Vol. 49 No. 3（Dec. 1999）

13

第 1 表 チタンの各種溶解法の特性
Table 1 Characteristics of titanium melting process

Heating Method
Stirring of Metal
AtmospherePa

Melting Casting Method

Vacuum Arc
Remelting（VAR）
Vacuum or
Argon Arc
Surface Heating
MediumElectron Beam
Melting（EBM）
Electron Beam
Bombardment
Surface Heating
Slight0.1〜105
ProgressiveHopper
Plasma ArcMelting（PAM）
Plasma Arc

Cold Crucible
Induction Melting（CCIM）
Induction

Surface Heating
SlightInternal Heating
Violent

10 4〜10 1

103〜105

10 2〜105

Progressive

Progressive

Batch

−−−

Electrode−

とくに高品質の要求される航空宇宙材料では三重溶解もおこなわれる。

＋;;;; ;; ;本溶解法は高品質な鋳塊を効率よく製造できるが，スクラップなどを原料として利用しにくいのが課題であっConsumable Electrodeた。そこで第 1 図のような，一次溶解において消耗電極と銅るつぼ壁との間（100mm 程度）からスクラップArc細片などを連続的に装入する高効率溶解技術（神戸法）

Water Cooled
Cu Crucibleが実用化されており， これにより溶解所要時間が 50％，7）

電力消費量が 60％ 程度にまで低減されている 。
2．
2 電子ビーム溶解（EBM）法第 1 図 真空アーク再溶解法（神戸法）の摸式図Fig. 1 Schematic diagram of vacuum arc remelting process（Kobe Method）

本溶解法は，従来タンタルなどの高融点金属の溶解に適用されてきたが，最近米国では Ti スクラップの溶解

2．
4 コールドクルーシブル誘導溶解（CCIM）法を容易にする水冷銅ハース（皿状容器）をもちいる大CCIM 法は，鉄鋼材料の溶解で一般的な真空誘導溶解型炉（EBCHM : Electron Beam Cold Hearth Melting）が法（VIM）の耐火物るつぼを，水冷銅製の多数のセグメ実用化され，THT 社（現 Timet）では EB 出力 5MW（6EBントで構成されるるつぼに置換した溶解法である。本溶ガン），最大スラブ鋳塊重量 20 ton の炉が稼働中であ解法は VAR，EBM，PAM 法などと異なり，全原料を一8）る 。チタン材料の切削には超硬工具が使用されるが，括溶融する方式であり，溶湯成分の調整などが容易とな

これが破損してスクラップに混入すると，溶湯プール内るため合金の溶解に適していると思われるが，まだ実験でその重い比重のために沈降して，VAR では溶湯中に炉の域を出ていない 。

12）

完全に溶解する前に凝固界面に捕獲され，これが製品中以上の各種溶解法の基本特性を比較した結果を第 1での HDI（High Density Inclusion）介在物となる場合表に示す。目的により適切な溶解法の選択が重要であるがある。

が，最近ではとくに米国においてスクラップの有効活用

EBCHM 法では，比重の大きい超硬片（WC）などをや介在物除去の見地から，水冷銅ハースをもちいる電子ハース上に形成される凝固層に沈降捕獲させ，上澄みのビーム溶解法やプラズマアーク溶解法の大規模実用設備溶湯だけを出湯することで，HDI 介在物を除去できるが稼働していることが注目される。

9）とされている 。また別種の介在物である Hard Alpha :LDI（Low Density Inclusion）は，スポンジ Ti 原料製造

むすび＝チタン・チタン合金の溶解技術の歴史的な経緯工程や消耗電極溶接工程で生成された窒化物が，溶湯中と現在の状況やその技術的な課題について概説した。に完全に溶解される前に凝固界面に捕獲されるため発生するといわれている。直径 6.5mm 程度の窒化チタン粒を Ti 融点温度近傍で溶湯中に完全に溶解するには，110）時間は必要と報告されており ，ハース溶解法でもこの完全な溶解除去は容易ではないと考えられる。また，
EBM は高真空下溶解となるため，Al，Sn，Cr などの蒸気圧の高い合金成分の蒸発ロスを完全に抑制することが難しい。
2．
3 プラズマアーク溶解（PAM）法
PAM 法は，不活性ガス雰囲気下溶解となることがEBM 法と異なる点であり，合金成分の蒸発ロスによる成分変動の少ないことが特徴である。チタン用としては水冷銅ハースをもちいることは EBM 法と同じであり，ハースでの介在物除去効果を高めるために複数段のハースをもちいる方式の大型炉が検討され，米国 Teledyne11）社や RMI 社 などで実用化され始めている。
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参 考 文 献1 ） O. Kubaschewski et al. ：Metallurgical Thermochemistry,（1979）, Pergamon Press.
2 ） チタニウム懇話会編：チタンジルコニウムハフニウム，（1965）, p.46，アグネ.
3 ） 草道英武：金属 Vol.69（1999），No.5，p.453.
4 ） 草道英武，井関順吉編：日本のチタン産業とその新技術，（1996）, p.95, アグネ.
5 ） 伝熱工学資料,（1986）, 日本機械学会，丸善.
6 ） 金山宏志：材料とプロセス, Vol.11（1998），No.3，p.504.
7 ） 三井貴之：日本でチタンの研究開発はどこまで進んでいるか，（1993）, p.25, 日本鉄鋼協会.
8 ） M. C. Pauster et al.：Proc. Conf. on Electron Beam Melting
and Refining−State of the Art,（1997），p.262.
9 ） C. E. Shamblen：ditto,（1997）, p.39.
10） C. E. Shamblen et al.：ditto,（1989）, p.50.
11） F. H. Froes et al.：Titanium today and tomorrow（1997）, p.3.
12） 坂本浩一ほか：神戸製鋼技報，Vol.45, No.2,（1995）p.27.

KOBE STEEL ENGINEERING REPORTS/Vol. 49 No. 3（Dec. 1999）