JP5652953B2 - 金属溶製用溶解炉およびこれを用いた合金インゴットの溶製方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属溶製用溶解炉に係るもので、特に、合金を製造するに際して、溶解炉を構成するハースに対して、溶解原料を精度よく供給することができる装置構成に関する。

電子ビーム溶解炉は、従来は電極と呼ばれるバー状の原料をハースに供給し、同原料の端部に電子ビームを照射して電極を溶解して溶融した金属を鋳型に供給し、そこで冷却して金属インゴットとして引き抜くことにより、金属インゴットが溶製されていた。

しかしながら、前記の方法では、顆粒状の原料を電極に成形するような加工工程が必要となり改善が求められていた。

そこで、電子ビーム溶解炉の鋳型とは別個にハースを設け、そこに所謂バラ原料を投入して同原料を溶解して溶湯となし、この溶湯をハースより鋳型に注入して金属インゴットを溶製する方法も知られている（例えば、非特許文献１参照）。

前記した方法においては、スポンジチタンやチタンスクラップを原料とした純チタンインゴットを溶製する場合には格別な配慮は不要となる。

しかしながら、チタン合金を製造する場合において、前記のようなチタン材に、合金原料も一緒にハースに供給するには、組成を均一に維持するために工夫が必要となる。

このような技術として、表面にバインダーとして有機物を塗布してその上に粉状の酸化チタンを塗布したスポンジチタンを電子ビーム溶解し、金属成分のチタンと、合金成分の酸化チタンの比率を一定にする方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この方法は、試験規模の電子ビーム溶解に対しては対応可能であるが、所謂、商用規模の生産設備に当該方法を利用するには、バインダーの塗布工程や酸化チタンの塗布工程を要するなど、効率の点で改善の余地が残されている。

更には、合金原料と金属原料をそれぞれ独立したホッパーに貯留した後、前記ホッパーより、両者の供給比を精度よく制御し、その結果、組成の均一なインゴットを溶製する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、このような方法をもってしても、酸化チタンや酸化鉄あるいは鉄粉のような粉状の合金原料は、原料ホッパーや原料フィーダーに残留する傾向が強く、電子ビーム溶解炉のハースに両者の原料供給比を精度よく供給するという観点において改善の余地が残されている。

また、酸化チタンや酸化鉄を中心部に内装したチタンペレットを準備し、これを、ハースに供給する方法も検討されているが（例えば、特許文献３参照）、この方法においては、電子ビーム溶解に先立ってペレットの製造工程が必要となり、生産性の点で改善の余地が残されている。

また、前記課題は、電子ビーム溶解炉のみならずプラズマアーク溶解炉についても同様の課題を有している。

このように、金属溶製用溶解炉に配設したハースに対して、金属原料と合金原料の供給速度のみならず、両者の供給比を精度よく制御できる機能を具備した金属溶製用溶解炉が望まれている。

また、前記課題は、電子ビーム溶解炉のみならず、プラズマ溶解炉についても同様の課題を有している。

特開平０１−１５６４３６号公報 特開平０２−０６６１２９号公報 特開２００７−３３２３３９号公報

Siegfried Schiller, Ulrich Heisig and Siegfried Panzer "Electron Beam Technology", p.271, 1982

本発明は、ハースに合金原料の供給量を精度よく供給することができ、また、金属原料と合金原料の供給比も精度よく制御しつつ供給することができる機能を具備した金属溶製用溶解炉の提供を目的としている。

かかる実情に鑑みて前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきたところ、金属製造用溶解炉において、内部に装着されているハース全体の重量を常時に測定し、前記ハースに投入された金属原料の重量に応じて、合金原料をハースに供給できるような装置構成をとることで、前記課題を効果的に解決することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明に係る金属溶製用溶解炉は、原料供給装置と、原料を溶解してなる溶湯を保持するハースと、ハース下流に設けられ溶湯を装入する鋳型と、鋳型の下方からインゴットを引き抜く引き抜き治具とを備えた金属溶製用溶解炉において、ハースは、秤量器に載置され、原料供給装置は、金属原料フィーダーおよび合金原料フィーダーを含む複数のフィーダーより構成されており、ハースに対して供給された金属原料の重量を秤量器にて測定し、測定値に基づいて合金原料をハースに供給されるように構成されたことを特徴としている。

本発明においては、合金原料フィーダーの下流に秤量器付の中間ホッパーが介装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、ハースに対して単位時間当たりに供給された金属原料の重量を秤量器にて測定し、測定値に対応した重量に係る信号を中間ホッパーに送り、信号に基づいて合金原料をハースに供給されるように構成されたことを好ましい態様としている。

本発明においては、金属原料フィーダーおよび合金原料フィーダーから金属原料および合金原料を、秤量器に載置されたハースに供給し、原料を溶解して溶湯とし、溶湯を前記ハース下流に設けられた鋳型に装入し、鋳型の下方からインゴットとして引き抜く合金インゴットの溶製方法において、金属原料フィーダーのみを連続的に稼動させて所定量の金属原料をハースに供給し、ハースに対して供給された金属原料の重量を秤量器にて測定し、測定値に基づいて、合金原料フィーダーを間歇的に稼動させて、ハースに投入された金属原料の重量に見合った合金原料を供給することを特徴としている。

本発明においては、原料を秤量器付の中間ホッパーを経由してハース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、金属原料が、スポンジチタン、チタンチップ、またはチタン切粉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、合金原料が、粉末酸化チタン、粉末酸化鉄または鉄粉であることを好ましい態様としている。

本発明に係る金属溶製用溶解炉を用いた金属の溶製方法に従うことにより、金属原料を精度よくハースに供給することができるのみならず、金属原料と一緒に供給する合金原料も精度よくハースに供給することでき、その結果、溶製されたインゴットの組成も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。

図１は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム溶解炉を示す模式断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム溶解炉の原料供給装置を示す模式断面図である。 図３は、従来の電子ビーム溶解炉を示す模式断面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム溶解炉のハースを示す模式断面図である。

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。以下の説明においては、金属溶製用溶解炉が電子ビーム溶解炉である場合を例に説明するが、本発明は、この態様に限定されず、プラズマアーク溶解炉の場合にも、同様に適用することができる。

図１は、本発明に係る電子ビーム溶解炉を用いた金属の溶製方法に係る好ましい態様の一例を表している。電子ビーム溶解炉は、金属原料３０を供給する振動フィーダー等の金属原料フィーダー１０と、合金原料３１を供給する振動フィーダー等の合金原料フィーダー１１と、これら溶解原料を溶解するハース２０と、ハース２０内に電子ビーム４０を照射して溶解原料を溶湯３２に溶解させる電子銃と、ハース２０の下流側に設けられた鋳型２３と、鋳型２３内に形成されたインゴット３４の引き抜き治具２４と、ハース２０が載置されハース２０と溶解原料の重量を計測する秤量器２１から構成されている。

まず金属原料フィーダー１０および合金原料フィーダー１１から供給された溶解原料は、ハース２０内で電子銃によって溶解されて溶湯３２を形成する。溶湯３２は、ハース２０の下流から鋳型２３内に供給される。鋳型２３内には、溶解に先立って、鋳型２３の底部を構成するように図示しないスタブが配置されている。よって鋳型２３内にハースから供給された溶湯２３は、溶解原料の組成と同じ合金金属で構成されたスタブの上で固化してインゴット３４が生成される。

一方、鋳型２３内のスタブ上に供給された溶湯３２の表面は、電子銃によって加熱されて溶融プール３３を形成する。鋳型２３内に供給される溶湯３２の供給に併せてスタブに係合された引き抜き治具２４を下方に移動させることにより、鋳型２３内の溶融プール３３のレベルは一定に保持される。溶融プール３３の下方は、鋳型２３の冷却によって順次凝固していくので、これにより連続的にインゴット３４を抜き出すことができる。

本発明に係る電子ビーム溶解炉を用いた合金インゴットの溶製方法は、上記の電子ビーム溶解炉を使用した溶製方法であって、溶解炉内に保持したハース２０に対して金属原料３０を連続的に供給しつつ、合金原料３１を間歇的に供給することを特徴とするものである。

すなわち、上述した溶解炉には、まず、金属原料フィーダー１０のみを動作させて金属原料３０のみをハース２０に供給し、ハース２０内に溶湯を形成させる。次に、所定の時間経過後、ハース２０を載置した秤量器２１によりこの金属原料３０のみからなる溶湯の重量が測定されるので、金属原料フィーダー１０を連続的に動作させつつ、合金原料フィーダー１１を動作させることにより、事前に決定されている比となるよう、この重量測定値に見合った合金原料３１をハース２０に供給する。

金属原料３０のみからなる溶湯の重量測定値に見合った合金原料３１が、ハース２０に対して停滞することなく完全に供給されたことを秤量器２１によって把握したら、原料供給フィーダー１１の動作を停止させ、再び金属原料３０のみの供給とする。そして、所定の時間経過後、再び合金原料フィーダー１１を動作させて、前回より加わった金属原料３０に見合った合金原料３１がハース２０に供給される。以降、金属原料フィーダー１０の連続的な動作に伴って、合金原料フィーダー１１の間歇的な動作が繰り返される。

以上のような操作を繰り返すことにより、間歇的ではあるが、ハース２０に保持された溶湯３２がバッファーとなって、実質的に、金属原料３０と合金原料３１の組成比が一定に制御された溶湯３２を鋳型２３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、本願発明の別の好ましい態様としては、ハース２０に供給された金属原料３０が溶解して生成した溶湯がハース２０より排出される速度をロードセル２１により計測し、同速度に応じた合金原料フィーダー１１を作動させて合金原料を投下しても良い。

図２に、本発明における合金原料供給フィーダー１１の他の好ましい具体的な態様を示す。図２に示すように、合金原料フィーダー１１の下流には、中間ホッパー１２と、中間ホッパー１２の秤量器２２と、合金原料の切り出し装置１３が設けられていることが好ましい。

合金原料フィーダー１１より中間ホッパー１２に供給された合金原料３１は、切り出し装置１３によってハース２０に供給され、その供給過程前後の中間ホッパー１２の重量差を測定することによって、ハース２０に供給された合金原料重量を把握することができる。

また、前記合金原料の切り出し重量は、図２のハース２０に供給された金属原料３０が溶解して生成した溶湯がハース２０より排出される速度をロードセル２１により計測し、同信号を演算器５０で処理した信号を中間ホッパーの切り出し装置にフィードバックすることにより、ハースに供給された金属原料３０に対して事前に決定された組成比となるように合金原料フィーダー１１を作動させて合金原料をハースに投下することができる。

この態様によれば、粉末状の合金原料３１が、合金原料フィーダー１１内に滞留した場合でも、秤量器２２によって中間ホッパー１２の重量を測定することにより検知できるため、供給される合金原料３１の比が変動することを抑制することができる。

また、図示は省略したが、図２に示す秤量器および切り出し装置を備えた中間ホッパーを、金属原料フィーダー１０の側にも設けることが好ましい。金属原料フィーダー１０および合金原料フィーダー１１のいずれの側にもこのような中間ホッパーを設けることにより、金属原料３０および合金原料３１の制御を、ハース２０に設けられた秤量器２１に加えて、金属原料フィーダー１０および合金原料フィーダー１１の側でもそれぞれ独立して行うことができ、インゴットの組成をより精度良く制御することができる。

以上説明した各実施形態において合金原料３１を合金原料フィーダー１１からハース２０に間歇的に投入する時間間隔は、ハース２０の容量と金属原料３０の供給速度とにより計算されるハース２０内にて生成する溶湯３２の平均滞留時間内に設定しておくことにより、組成の均一な溶湯３２を鋳型２３に供給することができる。

なお、本発明に係る合金原料３１は、粉末状であるため、ハース２０内に保持された溶湯３２と接触すると、ほぼ瞬間的に溶湯３２に溶解消滅させることができる。

本発明に用いる金属原料３０としては、スポンジチタン、チップまたは切粉状のチタンスクラップを使用することができる。前記スポンジチタンは、いわゆる、商用規格の１〜１２．５ｍｍ（１／２インチ）、あるいは、１〜１９ｍｍに整粒しておくことが好ましい。また、前記チップ又は切粉状のチタンスクラップも、また、前記した範囲に粉砕整粒しておくことが好ましい。

本発明に用いる合金原料３１としては、粉末酸化チタン、粉末酸化鉄または鉄粉等の酸素源あるいは、鉄源を好適に使用することができるが、その他の粉状の金属あるいは酸化物に係る合金原料も好適に使用することができる。

前記粉状の合金原料は、５００μｍ以上に篩別しておくことが好ましい。前記した範囲に篩別しておくことにより、前記原料を歩留まりよく、ハース２０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、前記合金原料を事前に顆粒状に造粒しておいても良い。前記した粉状の合金原料を顆粒状に造粒しておくことにより、合金原料フィーダー１１や中間ホッパー１２内への合金原料の残留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。

前記顆粒状合金原料の粒度は、３ｍｍ以上に造粒しておくことが好ましい。前記したような大きさに造粒しておくことにより、合金原料をハース２０に円滑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。

図４は、本発明に係る別の好ましい態様を表している。当該実施態様では、ハーススカル３５とハース２０との間に圧力センサー２５を介装させることを好ましい態様とするものである。前記圧力センサー２５は、スカル３５の底部のみならず、側壁にも介装させておくことが好ましい。

前記したような位置に圧力センサー２５を介装させておくことにより、ハース２０に投入された金属原料３０の投下量を精度よく測定でき、その結果、合金原料３１の供給量も精度よく制御することができるという効果を奏するものである。

なお、前記圧力センサー２５は、ストレインゲージのような市販のセンサーを用いることができるが、できるだけ、薄手のセンサーを使用することが好ましい。前記したようなセンサーを用いることにより、スカル３５とハース２０とのギャップが狭まり、その結果、スカル３５を安定な形状に維持することができる。

以上、電子ビーム溶解炉を用いた場合を例にとり、本願発明に係る好ましい態様について述べたが、プラズマアーク溶解炉についても本願発明を好適に適用することができる。

以下、実施例および比較例によって本発明をより詳細に説明する。
図１に示す装置構成を用いて以下の条件にてチタンインゴットを溶製した。
［実施例１］
１．溶解原料
金属原料：スポンジチタン（粒度範囲：１〜２０ｍｍ）
合金原料：
酸化チタンペレット（合金原料粒度比：０．５〜１．０）
粉末酸化チタン（平均粒径：８００μｍ）
金属原料に対する合金原料の配合比：１ｗｔ％
２．装置構成
１）原料供給装置
金属原料と合金原料をそれぞれ別個に制御して原料を定量供給した。
金属原料供給装置：スポンジチタン供給装置
合金原料供給装置：酸化チタン供給装置
２）ハース
４基のロードセルに載置し、ハースに投入された原料の重量を測定。
３）鋳型
水冷銅鋳型
４）秤量器
ロードセル（４基）
３．電子ビーム照射方法
ハース内に保持された溶湯および鋳型プール内に保持されたそれぞれの溶湯に対して電子ビームを照射して、所定温度に溶湯を保持した。
４．溶解方法
図１に示したように、金属原料供給装置と添加剤原料供給装置を使用して、金属原料と添加剤原料をそれぞれ別個のフィーダーよりハース３に供給した。
金属原料フィーダーからスポンジチタンのみを連続的に供給して、ハース内に溶湯を充満させた。その際に、ハースの重量増加をハースの重量を支持するロードセルの出力より計測した。次いで、金属原料フィーダーからのスポンジチタンの供給を一時停止して、溶製されるインゴット中の目標酸素量に対応した酸化チタン量を合金原料供給フィーダーよりハース内に保持されている溶湯に投入して、目標組成を有する溶湯をハース内に形成した。次いで、金属原料フィーダーを稼動させて再びスポンジチタンを所定時間投入後、その投入量に見合った酸化チタン量を合金原料フィーダーより再びハース内に供給した。前記した操作を繰り返すことにより、所定の酸素含有量のチタンインゴットを溶製した。前記インゴット中の酸素含有率を測定し、その結果を表１に示した。

その結果、溶製されたインゴット中の長手方向の酸素濃度のバラツキは、表１に示すように、溶製されたインゴット中の長手方向の酸素濃度のバラツキは、±１０％以内に収められていた。

［実施例２］
実施例１において、図１に代えて、図２の装置構成を用い、酸化チタンペレットに代えて、粉末酸化チタンを用いた以外は、同じ条件下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の長手方向の酸素濃度を測定し、表１に示した。

表１に示すように、溶製されたインゴット中の長手方向の酸素濃度のバラツキは、±５％以内に収められていた。ここで、図２においては、合金原料フィーダーから切り出された粉末酸化チタンを中間ホッパーに受けて、その重量を測定してからハースに供給した。

［実施例３］
実施例１において、図１のハースおよび秤量器を、図４に示した装置装成を用いた以外は、同じ条件下で、同じ条件した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の長手方向の酸素濃度を測定し表１に示した。表１に示すように、溶製されたインゴット中の長手方向の酸素濃度のバラツキは、±１０％以内に収められていた。

［比較例１］
実施例１において、図１に代えて、図３に示すように金属原料ホッパーと合金原料ホッパーに、それぞれ、スポンジチタンと酸化チタンペレットを充填した後、それぞれのホッパーよりハースに対して金属原料および合金原料を振動フィーダーを経由させて定容供給し、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の長手方向の酸素濃度を測定し、表１に示した。表１に示すように、溶製されたインゴット中の長手方向の酸素濃度のバラツキは、±２０％以内であった。

［比較例２］
比較例１において、酸化チタンペレットに代えて粉末酸化チタンを充填した以外は同じ条件下で、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の長手方向の酸素濃度を測定し、表１に示した。表１に示すように、溶製されたインゴット中の長手方向の酸素濃度のバラツキは、±２０％以内であった。

［比較例３］
比較例２において、図３に示すように金属原料ホッパー１と添加剤原料ホッパー２にスポンジチタンと粉末酸化チタンを充填した後、両者の原料を合流させてからハースに原料を投入して、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の長手方向の酸素濃度を測定し、表１に示した。表１に示すように、溶製されたインゴット中の長手方向の酸素濃度のバラツキは、
±２０％以内に収められていた。

電子ビーム溶解炉やプラズマアーク溶解炉といった金属溶製用溶解炉において合金インゴットを製造するに際し、高精度に組成を均一にすることができる。

１０…金属原料フィーダー
１１…合金原料フィーダー
１２…中間ホッパー
１３…切り出し装置
１４…金属原料ホッパー
１５…合金原料ホッパー
１６…振動フィーダー
２０…ハース
２１…秤量器
２２…秤量器
２３…鋳型
２４…引き抜き治具
２５…圧力センサー
３０…金属原料
３１…合金原料
３２…溶湯
３３…溶融プール
３４…インゴット
３５…スカル
４０、４１…電子ビーム
５０…演算器

Claims (6)

1. 原料供給装置と、前記原料を溶解してなる溶湯を保持するハースと、前記ハース下流に設けられ前記溶湯を装入する鋳型と、前記鋳型の下方からインゴットを引き抜く引き抜き治具とを備えた金属溶製用溶解炉において、
   前記ハースは、秤量器に載置され、
   前記原料供給装置は、金属原料フィーダーおよび合金原料フィーダーを含む複数のフィーダーより構成されており、
   前記ハースに対して供給された金属原料の重量を前記秤量器にて測定し、前記測定値に基づいて前記合金原料をハースに供給されるように構成されたことを特徴とする金属溶製用溶解炉。
2. 前記合金原料フィーダーの下流に秤量器付の中間ホッパーが介装されており、
   前記ハースに対して供給された金属原料の重量を前記ハースを載置した秤量器にて測定し、前記測定値に対応した重量に係る信号を前記中間ホッパーに送り、前記基づいて前記合金原料をハースに供給されるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の金属溶製用溶解炉。
3. 金属原料フィーダーおよび合金原料フィーダーから金属原料および合金原料を、秤量器に載置されたハースに供給し、
   前記原料を溶解して溶湯とし、
   前記溶湯を前記ハース下流に設けられた鋳型に装入し、
   前記鋳型の下方からインゴットとして引き抜く合金インゴットの溶製方法において、
   前記金属原料フィーダーを稼動させて所定量の金属原料をハースに供給し、前記ハースに対して供給された金属原料の重量を前記秤量器にて測定し、前記測定値に基づいて、前記合金原料フィーダーを間歇的に稼動させて、ハースに投入された前記金属原料の重量に見合った合金原料を供給することを特徴とする合金インゴットの溶製方法。
4. 前記合金原料を秤量器付の中間ホッパーを経由してハースに供給することを特徴とする請求項３に記載の合金インゴットの溶製方法。
5. 前記金属原料が、スポンジチタン、チタンチップ、またはチタン切粉であることを特徴とする請求項３または４に記載の合金インゴットの溶製方法。
6. 前記合金原料が、粉末酸化チタン、粉末酸化鉄または鉄粉であることを特徴とする請求項３または４に記載の合金インゴットの溶製方法。

Images