JP5380264B2 - 金属インゴットの溶製方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビーム溶解による金属インゴットの溶製方法であって、特に、金属チタンインゴットを構成する酸素源を効率よく添加する方法に関する。

チタン材は、近年用途開発が進み、航空機用途のみならず、建材や道路、あるいはスポーツ用品等の民生用にも広く用いられている。

上記チタン材は純チタンのまま使用されることは少なく、通常は合金の形で使用されることが多い。合金のなかでも、酸素あるいは鉄等の合金元素を添加して構成されるチタン合金が知られており、チタン合金成分として酸素を添加する場合は、例えば電子ビーム溶解炉にスポンジチタンを供給する際に、スポンジチタンと共に酸化チタンといった粉末状の酸化物を配合して溶解炉に供給する場合が多い。

しかしながら、前記のような粉末状の酸化チタンは、顆粒状であるスポンジチタンと効率よく均一に混合することが難しく、両原料は、原料フィーダーや混合器の内部で偏在する場合が多く、経時的に均一な組成の溶解原料を電子ビーム溶解炉に供給することは困難であった。

このような課題に対して、例えば、ソーダガラス中に懸濁させた粉状合金原料をスポンジチタン表面に塗布することにより、スポンジチタン表面に所定の割合で合金成分を保持させ、この合金原料が塗布されたスポンジチタンを電子ビーム溶解炉に供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このような方法によれば、スポンジチタン中の合金組成を目論見どおりの組成に構成することができるものと考えられる。

しかしながら、この技術では、ソーダガラスや有機溶媒等、原料以外の第三成分を添加することになるので、純度の高い合金インゴットを製造するには必ずしも有効な方法ではないと思われる。また、前記方法は、スポンジチタンへの合金成分の塗布工程を含み、生産性の点でも検討の余地が残されている。

また、表面に酸化チタン粉を塗布した顆粒状のスポンジチタンを真空中で高温に加熱して、表面の酸化チタンをスポンジチタンに焼結させることにより、粉状の合金成分をスポンジチタンに効率よく配合するという技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、この方法も、スポンジチタンへの酸化チタンの塗布工程および焼結工程を含み、設備と時間の点で自由度に制約があるために必ずしも効率的ではなく改善が望まれている。

また、スポンジチタンのような顆粒状金属と合金粉を混合して構成したブリケットを電子ビーム溶解炉あるいはＶＡＲ溶解炉に供給する技術も知られている（特許文献３参照）。

しかしながら、前記したスポンジチタンのような顆粒状金属と酸化チタンあるいは酸化鉄のような粉状の酸化物を混合してブリケット成型する方法は、ブリケット成型工程が必要となり、コストの点で改善の余地が残されている。

さらに、特許文献３と同様の観点から、粉末状の酸化チタンをプレス成型した後、タブレット状に焼成加工したペレット状の酸化チタンを準備し、これとスポンジチタンを配合した混合原料を電子ビーム溶解炉に供給して金属チタンインゴットを溶解する技術が開示されている（例えば、特許文献４参照）。この方法では、スポンジチタンと酸化チタンペレットの供給比を調節することによって、合金成分を均一にすることができる。また、電子ビーム溶解炉のハースに前記原料を投入した場合の酸化チタンの飛散ロスを効果的に抑制することができる。

しかしながら、このようにして焼成加工された酸化チタンペレットは、ハース内に保持された溶融チタン中に投入されてから比較的短時間にて溶解消滅する場合が多いが、寸法によっては溶融チタン中に滞留している時間内に完全に溶解せず、未溶解の微細な酸化チタンペレットがそのまま鋳型に排出される場合があり改善が求められていた。特に、酸素含有率の高いチタン合金を製造する際は、供給する酸化チタンペレットの寸法や数が増大するため、未溶解の酸化チタンペレットが問題となり易い。

このように、合金成分として酸素を含むチタン合金を製造するにあたり、効率よく、酸素成分を均一にし、しかも酸素含有率を上昇させる方法は、従来の技術では困難であった。

特開平０１−１５６４３４号公報 特開２００１−２７９３４５号公報 特開２００５−２９８８５５号公報 ＷＯ２００８−０７８４０２号公報

以上述べたように、合金成分として酸化チタンを使用して、チタン合金中の組成を均一にし、しかもチタン合金材中の酸素含有率を高める効率的な方法が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電子ビーム溶解による金属インゴットの溶製方法おいて、顆粒状金属原料に添加した酸化物焼塊を効率良く溶解させることができる技術の提供を目的とするものである。

かかる実情に鑑み、前記した観点に基づき前記課題の解決手段について鋭意検討を重ねてきたところ、電子ビーム溶解炉を用いて金属溶湯中の酸素含有率を調整するに際して、顆粒状金属原料と酸化物を焼成して得られた焼塊から構成された混合物を電子ビーム溶解炉に投入することにより、前記金属酸化物が、金属溶湯中に溶け残ることなく均一に溶解させることができることを見出し、本願発明を完成するに至った。

即ち、本願発明に係る金属インゴットの溶製方法は、電子ビーム溶解炉を用いた金属インゴットの溶製方法において、一次粒子径が１．０〜３．０μｍの金属水酸化物を焼成して得られた粒径０．１〜５．０ｍｍの焼塊あるいは一次粒子径が１．０〜３．０μｍの金属酸化物を焼成して得られた粒径１〜５ｍｍの焼塊（以降、「酸化物焼塊」と呼ぶ場合がある）と顆粒状金属原料との混合物を溶解原料として用いる金属インゴットの溶製方法であって、
酸化物焼塊の粒径ｄ _ｐ （ｍｍ）は、酸化物焼塊を構成する一次粒子の粒径ｄ _ｆ （μｍ）より（１）式の関係式で計算された前記酸化物焼塊の単位径当たりの溶解時間ａ（分／ｍｍ）を、（２）式に適用して規定することを特徴とするものである。
ａ＝−ｂ×ｄ _ｆ ＋ｃ ・・・（１）
（ここで、係数ｂとｃは、原料に使用する酸化物焼塊の種類により適宜決定される定数である。）
ｄ _ｐ ＝ｔ _ｍ ／ａ ・・・（２）
（ここで、ｔ _ｍ （分）は、電子ビーム溶解炉内での酸化物焼塊の滞留時間である。）

本発明においては、酸化物焼塊は、金属水酸化物を焼成して得られたクリンカーであることを特徴とするものであることを好ましい態様としている。

本発明においては、酸化物焼塊は、前記酸化物で構成された顆粒状の造粒体であることを好ましい態様としている。

本発明においては、前記金属酸化物で構成された焼塊の純度が、３Ｎ以上であることを好ましい態様としている。

本発明においては、酸化物焼塊と顆粒状金属原料との混合物を、電子ビーム溶解炉のハース内に保持されたハース溶湯に供給することを好ましい態様としている。

本発明においては、ハース溶湯の表面近傍温度が、酸化物焼塊の融点以上に加熱保持されていることを好ましい態様としている。

本発明においては、酸化物焼塊と顆粒状金属原料との混合物が、回転式原料投入装置より一定量が切り出されつつ、ハース溶湯に供給されることを好ましい態様としている。

本発明においては、酸化物焼塊の粒径ｄ_ｐ（ｍｍ）は、酸化物焼塊を構成する一次粒子の粒径ｄ_ｆ（μｍ）より（１）式の関係式で計算された酸化物焼塊の単位径当たりの溶解時間ａ（分／ｍｍ）を、（２）式に適用して規定することを好ましい態様としている。
ａ＝−ｂ×ｄ_ｆ＋ｃ ・・・（１）
（ここで、係数ｂとｃは、原料に使用する酸化物焼塊の種類により適宜決定される定数である。）
ｄ_ｐ＝ｔ_ｍ／ａ ・・・（２）
（ここで、ｔ_ｍ（分）は、電子ビーム溶解炉内での酸化物焼塊の滞留時間である。）

本願発明においては、酸化物焼塊が、酸化チタンまたは酸化鉄で構成されていることを好ましい態様とするものである。

本発明においては、顆粒状金属原料がスポンジチタンまたはチタンスクラップで構成されていることを好ましい態様としている。

以上、本願発明によって規定された酸化物焼塊および顆粒状金属原料をハース内の溶湯に投入した場合にも、前記酸化物焼塊の溶け残りが生ずることなく、金属チタン中の酸素含有率を均一に、かつ効果的に高めることができるという効果を奏するものである。本願発明に係る方法を用いることで、金属インゴット中の酸素含有率を目標レベルに構成することができるのみならず、前記金属インゴットの長手方向の酸素含有率分布も均一に形成することができるという効果を奏するものである。

本発明における酸化物焼塊の平均粒径と溶解時間との関係を示すグラフである。 本発明における酸化物焼塊を構成する一次粒子の一次粒径と、溶解速度の関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る金属インゴットの溶製装置を示す模式断面図である。 図３の溶製装置におけるハースと鋳型部分の平面図である。

以下、本願発明の実施形態について、詳細に説明する。
本願発明に係る金属インゴットの溶製方法は、酸化物焼塊と顆粒状金属原料との混合物を溶解原料として用いることを特徴とするものである。

特に本願発明においては、金属水酸化物を焼成して得られたクリンカーまたは金属酸化物で構成された顆粒状の造粒体を用いることを好ましい態様とするものである。

前記のような形態の酸化物焼塊を顆粒状金属原料に対する添加剤として使用することで
溶製される金属インゴット中の酸素含有率を均一かつ効率的に高めることができるという効果を奏するものである。

前記金属水酸化物を高温で焼成した得られたクリンカーでは、比較的微細なクリンカーを用いることが好ましい。具体的には、０．１〜５．０ｍｍのクリンカーを前記原料として使用することが好ましい。

本願発明において溶製される金属インゴットに求められる酸素含有率は、１００〜５００ｐｐｍの範囲である、よって、これを満足するために求められる酸化物焼塊は、顆粒状金属原料に対して、重量比で１／１００〜１／１０００程度の範囲でありごく僅かである。

よって、顆粒状金属原料に対して均一に添加するには、顆粒状金属原料に添加される酸化物焼塊の大きさもできるだけ微細な方が好ましく、具体的には、０．１〜５．０ｍｍのクリンカーを前記原料として使用することが好ましい。

その結果、組成の均一な原料を電子ビーム溶解炉のハース内に供給することができ、前記電子ビーム溶解炉で溶製される金属インゴットの組成を均一にすることができるという効果を奏するものである。

本願発明においては、顆粒状金属原料としては、種々の形態の金属原料を用いることができる。例えば、溶製する金属インゴットが金属チタンインゴットでは、スポンジチタンあるいはチタンスクラップチップ状原料を使用することができる。

しかしながら、本願発明に係る酸化物焼塊として前記したようなクリンカーを用いる場合には、スポンジチタンのような多孔質なチタン材を使用することが好ましい。

顆粒状酸化チタンと顆粒状チタンは、電子ビーム溶解炉に供給するに先立って事前に混合機を用いて混合しておくことにより、スポンジチタンの空隙部に顆粒状酸化チタンを物理的に固着させることができるという効果を奏するものである。

その結果、回転式原料供給器に充填されているクリンカーを歩留まりよく電子ビーム溶解炉内のハースに排出することができるという効果を奏するものである。

一方、溶製される金属インゴット中の酸素含有率が高めに設定されている場合には、前記した酸化チタンクリンカーは、更に造粒して顆粒状あるいはペレット状に加工して使用することもできる。前記ペレット状酸化チタンの大きさは、顆粒状チタンの粒度に近似した形に整粒しておくことが好ましい。具体的には、１〜５ｍｍの範囲に調整しておくことが好ましい。

その場合にも原料を電子ビーム溶解炉に供給するに先立って、顆粒状チタンと顆粒状酸化チタンの両者を事前に混合しておくことが好ましい。これにより、顆粒状酸化チタンと顆粒状チタン原料が均一混合された原料を電子ビーム溶解炉に供給することができるという効果を奏するものである。

また、本願発明に係る酸化物焼塊としては、塩素法または硫酸法で製造された微粒酸化チタンを造粒して生成された酸化チタン造粒体を使用することもできる。酸化チタン造粒体は、微粒酸化チタンにＰＶＡ等の分散剤を添加した後、造粒機により所定の大きさに造粒後、脱水乾燥後、高温処理することにより、本願発明に使用する酸化物焼塊として使用することもできる。このような造粒体を使用することにより、スポンジチタンのような多孔質原料との混合状況を格段に改善することができるという効果を奏する。

よって、顆粒状酸化チタンを構成する造粒体の大きさは、１〜５ｍｍの範囲とすることが好ましい。前記した範囲の大きさに造粒しておくことで、スポンジチタンの表面に形成されている多孔体の内部に入り込ませ、あるいは固着させることができるという効果を奏するものである。その結果、回転式混合機から電子ビーム溶解炉のハース内に効率よく排出することができるという効果を奏するものである。

次に、前記酸化物焼塊の各態様の好ましい物性について以下に説明する。
１）酸化物焼塊が酸化チタンクリンカーの場合
酸化チタンクリンカーは、チタンの水酸化物を焼成して得られたものを使用することが好ましい。また、前記クリンカーの見掛け密度は、０．５〜１．５ｇ／ｃｍ^３の範囲のものを使用することが好ましい。

一方、顆粒状酸化チタンの見掛け密度が、１．５ｇ／ｃｍ^３以上の場合には、ハース内に保持されている金属チタン溶湯と効率よく接触させることができるものの、前記気孔の内部に溶湯が侵入しにくく、その結果、顆粒状酸化チタンの完全溶解を遅らせる原因ともなりうる。このため、本願発明に使用する顆粒状酸化チタンの見掛け密度は、０．５〜１．５ｇ／ｃｍ^３の範囲となるように選択して使用することが好ましい。

また、前記クリンカーを構成する一次粒子の大きさも、１．０μｍ〜３．０μｍの範囲のものを、選択的に使用することが好ましい。前記一次粒子の大きさが１．０μｍ未満の場合には、金属チタン溶湯に投入された場合に、溶融チタンがクリンカーの内部まで浸透しにくく、結果的に、クリンカーの溶解速度を低下させて好ましくない。一方、前記酸化チタンクリンカーを構成する一次粒子の大きさが３．０μｍを越える場合には、酸化チタンクリンカーの溶解速度が低下して好ましくない。

２）酸化物焼塊が酸化チタンの造粒体である場合
顆粒状酸化チタンが、微粒酸化チタンを造粒して使用する場合においても、造粒された後の造粒体の見掛け密度は、前記酸化チタンクリンカーと同様の範囲とすることが好ましく、具体的には０．５〜１．５ｇ／ｃｍ^３の範囲とすることが好ましい。

また、微粒酸化チタンから構成された酸化チタン造粒体の大きさも、１〜５ｍｍの範囲とすることが好ましい。

本願発明に係る酸化物焼塊を前記した範囲に構成しておくことで、電解ビーム溶解炉内のハースに保持された金属チタン溶湯内に投入された場合に、速やかに溶解させることができるという効果を奏するものである。

本願発明に係る酸化物焼塊として酸化チタンクリンカーを使用する場合、前記クリンカーの粒径ｄ_ｐ（ｍｍ）は、顆粒状酸化チタンを構成する一次粒子ｄ_ｆ（μｍ）の粒径より下記（１）式の関係式で計算された前記クリンカー単位径当たりの溶解時間ａ（分／ｍｍ）を（２）式に適用して規定することを特徴とするものである。
ａ＝−ｂ×ｄ_ｆ＋ｃ ・・・（１）
ここで、係数ｂとｃは、原料に使用する顆粒状酸化チタンの種類により適宜決定されるものである。
ｄ_ｐ＝ｔ_ｍ／ａ ・・・（２）
ここで、ｔ_ｍは、電子ビーム溶解炉内での顆粒状酸化チタンの滞留時間である（分）。

ここで、（１）式に含まれる係数ｂとｃは、顆粒状酸化チタンの種類や溶解条件に依存して決定される数値であり、本願発明においては、係数ｂは５〜１０、係数ｃは１５〜２０の範囲の中から適宜設定されるものである。ここで、係数ｂ、ｃの決定方法について以下に説明する。

前記酸化チタンクリンカーとしては、一次粒子径が異なり、しかも造粒後においても粒径が異なる少なくとも２種類の顆粒状酸化チタンを準備する。電子ビーム溶解炉内に載置したチタン材を溶解加熱後、その中に前記顆粒状酸化チタンを個別に投入し、前記顆粒状酸化チタンのそれぞれの完全溶解時間、すなわち滞留時間ｔ_ｍ（分）を測定して、単位時間当たりの溶解速度ａ（分／ｍｍ）を求める。

次いで、その２つの顆粒状酸化チタンについて、溶解速度ａ（分／ｍｍ）と一次粒子径ｄ_ｆ（μｍ）とをプロットし、その２点を結ぶと、図１に示すような直線関係で表現した式を得ることができる。この直線の傾きおよびＹ軸の切片により、前記（１）式の係数ｂおよびｃの両者を決定することができる。

同関係が定式化されると、一次粒子径を与えることで、前記（２）式に含まれる図２に示すような直線の傾きとして、溶解速度ａ（分／ｍｍ）が決まる。更には、前記酸化チタンが投入されるハース内の溶湯での滞留時間が決定されると、前記（２）式より、ハースに投入すべき顆粒状酸化チタンの粒径ｄ_ｐ（ｍｍ）が決定される。

即ち、ハースに投入される酸化チタンクリンカーの一次粒子径が決まり、ハース内の溶湯の滞留時間が決まることで、ハースに投入すべき顆粒状酸化チタンの粒径を決定することができる。こうして決定された顆粒状酸化チタンは、ハースに投入された場合にも、内部で溶け残りを生じることなく、効率よく溶解させることができるという効果を奏するものである。

本願発明で使用する酸化物焼塊の純度は、３Ｎ以上が好ましく、更には、４Ｎ以上がより好ましいとされる。前記したような純度の酸化物焼塊を用いることで、溶製される金属インゴットの純度を低下させることなく、酸素含有率のみを効果的に高めることができるという効果を奏するものである。

本願発明に係る酸化物焼塊は、溶解炉への投入に先立って、１１０〜３００℃程度の温度範囲にて事前に加熱処理しておくことが好ましい。このような加熱処理を施しておくことにより、前記酸化チタン中の水分を分離除去することができ、前記酸化チタンクリンカーを溶解炉に投入した場合の水蒸気に起因する突沸現象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。

前記したような酸化物焼塊を供給するハース内に保持された溶湯の表面近傍の温度は、酸化物焼塊の融点以上に保持しておくことが好ましい。前記したような温度に溶湯の表面温度を維持しておくことにより、操業のばらつきや変動に伴う酸化物焼塊の残留頻度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。

本願発明に用いる酸化物焼塊は顆粒状金属原料と配合して均一混合した後、前記混合物をアルキメデス缶のような回転式混合器を用いてハース内に保持された金属チタン溶湯内に供給することが好ましい。

前記顆粒状金属原料としては、スポンジチタンのような多孔質原料を使用することが好ましいが、前記スポンジチタンに替えて、純チタンの切粉や鍛造片等のリサイクル材を使用することもできる。前記したようなリサイクル材を使用することで、溶製される金属インゴットの原料コストを低減することができるという効果を奏するものである。

本願発明に用いる顆粒状金属原料として用いられるスポンジチタンは、１〜１０ｍｍの粒度範囲を選択的に用いることが好ましい。スポンジチタンの粒度が、前記１ｍｍ以下の場合には、ハースに保持されたチタン溶湯に投入した場合に、チタン溶湯より発生している上昇流に遮られてハースより外部に飛散し好ましくない。

一方、前記スポンジチタンの粒度が前記範囲の上限である１０ｍｍ以上の場合には、ハース内に保持された金属チタン溶湯内にて完全に溶解させることができず好ましくない。
よって、本願発明に用いる塊状金属の好ましい態様の一つであるスポンジチタンは、１〜１０ｍｍの粒度範囲を選択的に用いることが好ましい。

次いで、前記した溶解原料を用いて合金インゴットを溶製する好ましい方法について、図３を用いて詳細に説明する。本実施態様においては、顆粒状金属原料がスポンジチタンで、酸化物焼塊が酸化チタンで構成された酸化チタンクリンカーである場合について以下に説明する。図３は、本願発明に用いる電子ビーム溶解炉の構成例を表している。

本実施態様における溶解原料１２は、スポンジチタンと酸化チタンクリンカーから構成された顆粒状混合物である。溶解原料１２は、アルキメデス缶１０と呼ばれる円筒状回転式の原料排出装置に充填されており、アルキメデス缶１０の回転に伴い連続的に原料フィーダー１１に排出される。溶解原料１２を構成する塊状スポンジチタンと顆粒状酸化チタンは、予め混合器を用いて充分に混合しておくことが好ましい。

前記のアルキメデス缶１０は、水平回転式の原料切り出し装置であって、前記アルキメデス缶１０の内面には、らせん状のリブが配設されており、このリブにより、アルキメデス缶１０内に充填された溶解原料１２が逆混合することなく、押し出し流れに近い状態で電子ビーム溶解炉に供給することができる。その結果、原料組成の均一なインゴットを溶製できるという効果を奏するものである。

原料フィーダー１１に排出された溶解原料１２は、原料フィーダー１１の下流に配置したハース１３に供給される。ハース１３に供給された溶解原料１２は、ハース１３に保持された溶湯２０内に滞留するが、電子ビーム照射手段１５から溶湯２０表面に照射される電子ビームおよび溶湯２０からの熱供給を受けて、ハース１３内に保持された溶湯２０中を滞留している間に完全に溶解して溶湯２０と一体化する。

また、図４にも示すように、ハース１３に保持した溶湯２０の下流側には、残りのハース領域に比べて電子ビームの照射密度を高めたガードゾーン１４を設けるように操業することが好ましい。

前記ガードゾーン１４に照射する電子ビームの照射密度は、その他の領域にあるハース内の溶湯２０に照射される電子ビームの密度に比べて、２〜１０倍だけ大きく照射することが好ましく、更には、４〜８倍大きく照射することが好ましい。その結果、前記ガードゾーン１４の温度を、その他のハース内の溶湯２０に比べて高温に保持することができ、溶解原料１２がハース１３に滞留している間に確実に溶解させることができるという効果を奏する。

前記のガードゾーン１４を設けることにより、ハース１３内に溶湯２０に供給された溶解原料１２の一部が未溶解のままバイパスして下流側に流出しようとした場合においても、前記ガードゾーン１４に入ると、そこでバイパスしようとした溶解原料１２がトラップされて完全に溶解されて溶湯２０と一体化されるという効果を奏するものである。なお、前記ガードゾーン１４は、ハース１３内の溶湯２０の流れと逆行するように電子ビームを照射することが好ましい。

溶解原料１２は、上記のようにしてハース１３内で完全に溶解し、ハース１３の下流に設けられた水冷鋳型３０に排出され、水冷鋳型３０内に鋳型プール２１を形成する。そして、鋳型プール２１の下部は、水冷鋳型３０からの冷却を受けてインゴット２２を形成する。水冷鋳型３０により形成されたインゴット２２は、インゴット２２の下端部に係合された引き抜き手段３１により下方に連続的に引抜かれる。

以上述べたように、本願発明に従えば、電子ビーム溶解炉に供給された酸化物焼塊の溶け残りを効果的に回避することができ、その結果、溶製された金属インゴット中の酸素含有量を均一に維持することができるという効果を奏するものである。

なお、本件発明に対して、前記酸化チタンに替えて、酸化鉄で構成した酸化物焼塊を用いることもできる。その場合も電子ビーム溶解炉内に保持したハース内の溶湯に対して均一にかつ歩留まりよく供給することができ、その結果、組成の均一なインゴットを溶製することができるという効果を奏するものである。

また、前記原料供給装置内への溶解原料の残留や偏在を極力回避することができるのみならず、原料供給装置からハース内の溶湯に供給された原料の飛散を効果的に抑制できるという効果を奏するものであり、その結果、アルキメデス缶からハースへの溶湯に対する排出歩留まりの低下を効果的に抑制することができるという効果も奏するものである。

このように、本願発明に係る酸化物焼塊を溶製される金属インゴットの酸素原として使用することで、前記酸化物焼塊のハース内で溶け残りを生じることなく、溶製されるインゴット中の成分を均一にし、成分変動も効果的に抑制できるという効果を奏するものである。

以下、実施例によって本願発明をさらに詳細に説明する。実施例および比較例の条件は下記の通りとした。
１．原料
１）スポンジチタン
純度：９９．７％
粒度：２５．４ｍｍ
嵩密度：１．３〜２．０ｇ／ｃｍ^３
２）酸化物焼塊Ａ（東邦チタニウム社製、ＴｉＯ_２粉（商品名：ＨＴ０２１０）をＰＶＡにて造粒）
純度：９９．９％
一次粒子径：２．３μｍ
粒度：１〜３ｍｍ（焼成後）
３）酸化物焼塊Ｂ（堺化学社製、硫酸法により製造された酸化チタンクリンカー）
純度：９９．９％
一次粒子径：０．９μｍ
粒度：０．１５〜０．８５ｍｍ（焼成後）

２．溶解装置
１）原料供給装置：アルキメデス缶（横型回転式供給装置）
２）溶解炉：ハース式電子ビーム溶解炉

３．溶解条件
１）溶解電力：１１００〜１４００ｋＷ
２）真空度：１×１０^−５〜８×１０^−３Ｔｏｒｒ
３）鋳型径：６６０ｍｍ

［実施例１］
金属原料であるスポンジチタンをボタン溶解炉で溶融状態に保持した後、前記酸化物焼塊ＡおよびＢを供給し、完全溶解するに要する時間を測定した。その際、ハースの温度を放射温度計で測定したところ、２０００℃であった。その結果を表１に示す。表１より、一次粒子径（ｄ_ｆ）と溶解速度（ａ）との関係は（３）式で、また、一次粒子で構成されたペレットの径（ｄ_ｐ）と溶解時間（ｔ_ｍ）との関係は（４）式のように決定された。
ａ＝−６．４×ｄ_ｆ＋１８．７ （分／ｍｍ） ・・・（３）
ｔ_ｍ＝ａ×ｄ_ｐ （分） ・・・（４）

定式化された関係を使用して、チタンインゴットの生産速度に要求されるハース内の溶湯の滞留時間に対応する粒径を有する酸化物焼塊を準備して、スポジチタンと均一に混合してアルキメデス缶に充填し、電子ビーム溶解炉の原料供給装置に装着した。

次いで、前記アルキメデス缶を溶解炉内のハースに供給して酸素含有率を高めた金属チタンインゴットを１０本溶製した。溶製されたインゴット断面方向および長手方向の酸素含有率を調査したところ、そのバラツキは製品として要求される特性を十分に満足するものであった。

［実施例２］
実施例１において、硫酸法で製造された酸化物焼塊Ｂ（酸化チタンクリンカー）であって、一次粒子径を種々変更した粒径１．５ｍｍの酸化チタンクリンカーを準備した以外は同一条件して、酸化チタンクリンカーの溶解速度を調査した。

その結果、前記一次粒子の径が１．０〜３．０μｍの範囲では、径が大きくなるほど溶解時間は短縮する傾向を示した。しかしながら、一次粒子径が１．０μｍ未満の０．８μｍまで低下すると逆に、溶解時間が延びる傾向を示した。一方、一次粒子径が３μｍを越えた３．２μｍの一次粒子径で構成された酸化チタンクリンカーでは、完全溶解時間が逆に延びる傾向に転じた。よって、当該実施例においては、一次粒子径が１．０〜３．０μｍで構成された酸化チタンクリンカーを使用することが好ましいことが確認された。

［比較例１］
実施例１において、酸化チタンクリンカーの一次粒子の大きさを考慮しないで、単純に粒径と溶解時間の関係式を求めた。次いで、求められた関係式に、電子ビーム溶解炉で実施される溶解速度に見合う大きさの酸化物焼塊を準備し、電子ビーム溶解炉に供給して金属インゴットを製造した。その結果、インゴットの断面方向の酸素含有率のバラツキは小さいものであった。しかしながら、インゴットの長手方向の酸素含有率については、インゴットのミドル部で酸素含有率が異常に高い部分が見られた。

［比較例２］
実施例１において、硫酸法で製造された酸化チタンを造粒した後、１５００℃で高温焼成した酸化チタンペレットを電子ビーム溶解炉に投入したところ、実施例に比べ単位径当たりの溶解時間が数倍に延びため、実機への適用は断念した。

本発明は、合金組成が均一でしかも歩留まりの優れた金属インゴットを溶製する技術に好適であり、特に、電子ビーム溶解炉を用いたチタン合金の溶製に好適である。

１０…アルキメデス缶、
１１…原料フィーダー、
１２…溶解原料、
１３…ハース、
１４…ガードゾーン、
１５…電子ビーム照射手段、
２０…溶湯、
２１…鋳型プール、
２２…インゴット、
３０…水冷鋳型、
３１…引き抜き手段。

Claims (9)

1. 電子ビーム溶解炉を用いた金属インゴットの溶製方法において、一次粒子径が１．０〜３．０μｍの金属水酸化物を焼成して得られた粒径０．１〜５．０ｍｍの焼塊あるいは一次粒子径が１．０〜３．０μｍの金属酸化物を焼成して得られた粒径１〜５ｍｍの焼塊（以降、「酸化物焼塊」と呼ぶ場合がある）と顆粒状金属原料との混合物を溶解原料として用いる金属インゴットの溶製方法であって、
   前記酸化物焼塊の粒径ｄ _ｐ （ｍｍ）は、前記酸化物焼塊を構成する一次粒子の粒径ｄ _ｆ （μｍ）より（１）式の関係式で計算された前記酸化物焼塊の単位径当たりの溶解時間ａ（分／ｍｍ）を、（２）式に適用して規定することを特徴とする金属インゴットの溶製方法。
   ａ＝−ｂ×ｄ _ｆ ＋ｃ ・・・（１）
   （ここで、係数ｂとｃは、原料に使用する酸化物焼塊の種類により適宜決定される定数である。）
   ｄ _ｐ ＝ｔ _ｍ ／ａ ・・・（２）
   （ここで、ｔ _ｍ （分）は、電子ビーム溶解炉内での酸化物焼塊の滞留時間である。）
2. 前記酸化物焼塊は、金属水酸化物を焼成して得られたクリンカーであることを特徴とする請求項１記載の金属インゴットの溶製方法。
3. 前記酸化物焼塊は、金属酸化物で構成された顆粒状の造粒体であることを特徴とする請求項１に記載の金属インゴットの溶製方法。
4. 前記金属酸化物で構成された焼塊の純度が、３Ｎ以上であることを特徴とする請求項１に記載の金属インゴットの溶製方法。
5. 前記酸化物焼塊と前記顆粒状金属原料との混合物を、電子ビーム溶解炉のハース内に保持されたハース溶湯に供給することを特徴とする請求項１に記載の金属インゴットの溶製方法。
6. 前記ハース溶湯の表面近傍温度が、前記酸化物焼塊の融点以上に加熱保持されていることを特徴とする請求項１に記載の金属インゴットの溶製方法。
7. 前記酸化物焼塊と顆粒状金属原料との混合物が、回転式原料投入装置より一定量が切り出されつつ、ハース溶湯に供給されることを特徴とする請求項１に記載の金属インゴットの溶製方法。
8. 前記酸化物焼塊が、酸化チタンまたは酸化鉄で構成されてい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インゴットの溶製方法。
9. 前記顆粒状金属原料がスポンジチタンまたはチタンスクラップで構成されてい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インゴットの溶製方法。

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