JP2000317584A - 金属の溶融処理装置およびその処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】外表面だけでなく、内面も品質的に優れたチタ
ンなどの金属の中空の素材を連続して得ることができる
溶融処理装置およびその処理方法の提供。 【解決手段】金属の溶融部を形成する間隔を設けて同心
状に外側の炉壁８および内側の炉壁９が配置された溶融
炉において、それぞれの炉壁は、内部が水冷された導電
性材料からなり、内側の炉壁の上端部は外側の炉壁の上
端部よりも高く、外側の炉壁の下端部は内側の炉壁の下
端部よりも低く、外側の炉壁の上部の外周および少なく
とも外側の炉壁の上端部より高い位置の内側の炉壁の外
周に、それぞれ通電コイル６、７が配置され、外側の炉
壁の外周部の通電コイル６に対向する外側の炉壁部に
は、その通電コイルの巻き方向と交差する方向のスリッ
ト１０を備える金属の溶融処理装置およびその処理方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反応性に富み、高
融点であるチタンなどの金属の中空の素材を、連続して
得ることができる溶融処理装置およびその処理方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】チタンなどの高融点で、かつ、反応性に
富む金属を溶解する方法として、従来、セラミックス製
坩堝、または、内部が水冷された炉壁を有する溶解炉
（コールドクルーシブル）を用いて誘導溶解する方法が
採られていた。

【０００３】セラミックス製坩堝を用いて誘導溶解する
方法では、チタンなどの溶融金属がセラミックスと反応
して、溶融金属中に不純物が侵入するという問題があ
る。

【０００４】コールドクルーシブルを用いて誘導溶解す
る方法では、溶融金属中に不純物が侵入することは防止
できても、溶融金属を単に鋳型に注入するだけでは、中
空の素材を連続して鋳造することができない。

【０００５】また、パイプ製品などの製造に用いられる
中空の素材を鋳造する方法として、遠心鋳造方法が、従
来採られていたが、この方法でも、素材を１本単位で鋳
造するため、生産性が低い。また、成分偏析などの内質
欠陥が発生するという問題があった。

【０００６】特開平２−３０７５６１号公報では、間隔
を設けて同心円状に外側の坩堝および内側の坩堝を配置
し、内側の坩堝の内周および外側の坩堝の外周にそれぞ
れ通電コイルを設け、チタンなどの金属を溶融し、中空
の素材を連続して引抜く方法が提案されている。

【０００７】しかし、この方法では、内側の坩堝の内側
に配置した通電コイルを作用させても、この通電コイル
によって発生する電磁力は、この通電コイルの外側では
顕著に減衰するので、この内側の通電コイルによる誘導
加熱効果は少ない。したがって、内側の坩堝の外周近傍
の金属の溶融が十分でなく、鋳造された中空の素材の内
面には疵が発生しやすいという問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、反応性
に富み、高融点であるチタンなどの金属の中空の素材を
連続して得る従来の方法では、鋳造された中空の素材の
内面に、疵が発生しやすいという問題がある。

【０００９】本発明は、反応性に富み、高融点であるチ
タンなどの金属を連続して溶融し、外表面だけでなく、
内面も優れた品質の中空の素材を連続して得ることがで
きる溶融処理装置およびその処理方法の提供を目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
（１）に示す金属の溶融処理装置および（２）に示すそ
の処理方法にある。

【００１１】（１）下記〜に示す特徴を備える溶融
処理装置（図１および図２参照）。 溶融処理装置の溶融炉は、外側の炉壁８および内側の
炉壁９が同心状に配置されている構造であること。それ
ぞれの炉壁は、内部が水冷された導電性材料からなるこ
と。 内側の炉壁の上端部は外側の炉壁の上端部よりも高
く、外側の炉壁の下端部は内側の炉壁の下端部よりも低
いこと。 外側の炉壁の上部の外周および少なくとも外側の炉壁
の上端部より高い位置の内側の炉壁の外周に、それぞれ
通電コイル６、７が配置されていること。 外側の炉壁の外周部の通電コイル６に対向する外側の
炉壁部には、その通電コイルの巻き方向と交差する方向
のスリット１０を備えること。 外側の炉壁と内側の炉壁の間に金属の溶融部が形成さ
れること。

【００１２】（２）下記〜に示す特徴を備える処理
方法（図１参照）。 固体の金属材料１を外側の炉壁８と内側の炉壁９との
間に装入すること。 外側の炉壁の外周および内側の炉壁の外周に設けたそ
れぞれの通電コイル１４、１５に高周波電流を通電し、
固体の金属材料を溶融すること。 溶融金属２を下方に引き抜いて固化し、固化した中空
の素材４を引き抜くこと。

【００１３】本発明者らは、前述の本発明の課題を、次
のようにして解決した。すなわち、本発明の処理装置お
よび処理方法では、後述する図２で示すように、内部が
水冷された導電性材料からなる外側の炉壁８および内側
の炉壁９を配置した溶融炉を用い、内側の炉壁にはスリ
ットを設けず、その炉壁の外周に通電コイルを配置す
る。このとき、内側の炉壁の外側表面に誘導電流が流れ
るようになる。

【００１４】したがって、外側の炉壁と内側の炉壁との
間に装入された固体の金属材料は、スリットを備えた外
側の炉壁の外周に備えた通電コイルからの誘導電流と、
内側の炉壁の外周に備えた通電コイルからの誘導電流と
で、効果的に加熱され、溶融する。

【００１５】内側の炉壁の外周近傍の固体の金属材料も
完全に溶融できるため、外表面だけでなく、内面も品質
的に優れた中空の素材を得ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の溶融処理装置およ
びその処理方法を説明する。図１は、本発明の溶融処理
装置全体の例を概念的に示す図である。外側の炉壁８と
内側の炉壁９と固定板１３の上方のダミーインゴット１
６との間に溶融金属２および溶融スラグ３が存在し、連
続して中空の素材４が引き抜かれている状態を概念的に
示す。

【００１７】図２は、炉壁の構造や炉壁と通電コイルの
位置関係を示す概念図である。外側の炉壁８とスリット
１０、およびその炉壁内部の冷却水用孔５を示し、ま
た、外側および内側の炉壁とそれぞれの通電コイルとの
位置関係を示す。

【００１８】本発明の溶融処理装置には、内部が水冷さ
れた導電性材料からなる外側の炉壁８と内側の炉壁９を
同心状に配置した溶融炉を備える。同心状とは、外側と
内側のそれぞれの炉壁の中心軸が多少偏心しているもの
も含む。外側の炉壁や内側の炉壁の大きさは、製造する
中空の素材の大きさで決めればよい。内側の炉壁の上端
部は外側の炉壁の上端部よりも高く、外側の炉壁の下端
部は内側の炉壁の下端部よりも低くする。また、内側の
炉壁の下端部は外側の炉壁の上端部より低くする。

【００１９】内部が水冷された導電性材料からなる外側
および内側の炉壁の材料としては、とくに限定しない
が、銅合金が望ましい。銅合金は熱を伝達しやすく、溶
融した金属などを急速に固化できる。また、溶融した金
属と反応しにくいので、浸食を受けにくい。アルミニウ
ムまたはその合金、銀またはその合金、ステンレス鋼な
どでも構わない。

【００２０】図２に示す例では、外側の炉壁８の水平断
面形状は中空の円形、内側の炉壁９の水平断面形状は円
形の例を示したが、それぞれの断面形状は、とくに限定
しない。六角形、四角形などの多角形、楕円形など、必
要とする中空の素材の形状に応じて変えればよい。ま
た、外側の炉壁および内側の炉壁は同心状に配置する。

【００２１】外側の炉壁８の上部の外周に通電コイル６
を備え、また、少なくとも溶融金属２の湯面より高い位
置の内側の炉壁の外周に、通電コイル７を配置する。こ
れらの通電コイル６、７には、高周波電源１４、１５か
ら高周波電流が通電される。外側の炉壁の外周に備える
通電コイルは、炉壁の全高さの４／５程度から下の炉壁
の部分以外に設けるのがよい。外側の炉壁の下部で、溶
融金属を固化させるためである。

【００２２】通電コイル６に対向する外側の炉壁８の部
分には、図２に示すように、通電コイルの巻き方向と交
差する方向のスリット１０を設ける。スリットの隙間の
寸法については、とくに限定しないが、溶融金属や溶融
スラグが、スリットから外部に漏出しない程度の隙間で
あればよい。たとえば、０．２ｍｍ程度のスリットの隙
間でよい。スリットの高さは、少なくとも通電コイルを
備える位置に対向する部分を含む炉壁に備える。図２で
は、外側の炉壁の上端から下部に向かってスリットを配
置する例を示す。

【００２３】溶融処理装置には、外側の炉壁８と内側の
炉壁９との間に固体の金属材料１を装入するための材料
装入装置１１、溶融金属２および固化した中空の素材４
を引き抜くための引抜き装置１２を備えるのがよい。

【００２４】図示していないが、本発明の溶融処理装置
には、炉壁や通電コイルなどを冷却するための冷却水供
給装置を設ける。

【００２５】また、上述する溶融処理装置の内の必要な
装置を１つの容器内に収納するのがよい。反応性に富む
チタンなどの金属材料を溶融処理する場合に、作業の安
全性と金属の清浄度を確保できるからである。収納する
容器を用いる場合には、金属材料を溶融する際に発生す
るガスを容器の外に取り出すための排ガス出口、排ガス
を処理するための排ガス処理装置などを備えるのがよ
い。また、容器内の雰囲気を不活性ガスの雰囲気にした
り、減圧または加圧できるようにするのがよい。

【００２６】次に、本発明の溶融処理炉を用いた本発明
の処理方法を説明する。まず、冷却水供給装置から、外
側および内側の炉壁、各通電コイル、各高周波電源など
冷却が必要な装置に冷却水を供給する。排ガスの処理が
可能な状態にし、容器内の雰囲気を不活性ガスの雰囲気
など、必要な雰囲気に維持する。

【００２７】次に、引抜き装置１２を逆転して、外側の
炉壁８の下端の開口部から固定板１３の上に配置した中
空のダミーインゴット１６を、外側の炉壁の外周に備え
た通電コイル６の下端の位置にまで、挿入する。ダミー
インゴットを挿入後、材料装入装置１１を用いて固体の
金属材料１を外側の炉壁８と内側の炉壁９との間に装入
する。

【００２８】この後、外側の炉壁８の外周に備えた通電
コイル６および内側の炉壁９の外周に備えた通電コイル
７に高周波電流を通電する。通電後しばらくして、装入
された固体の金属材料１は溶融する。

【００２９】電磁気力の作用により、溶融金属は炉壁と
接触することがなく、たとえ、溶融金属の流動の不安定
さのため、溶融金属が炉壁と接触しても、炉壁が冷却さ
れているので、反応性に富む溶融金属と炉壁とは反応し
にくい。

【００３０】金属が溶融した後に、連続的に溶融金属を
引き抜く。炉壁の下部には通電コイルを備えていないの
で、溶融金属に対して電磁気力は作用しなくなり、溶融
金属は炉壁に接触する。そのため、溶融金属は凝固し
て、中空の素材が得られる。

【００３１】外側の炉壁と内側の炉壁との間の溶融金属
の量が減れば、材料装入装置１１を用いて、固体の金属
材料１を追加して装入する。このようにして、連続して
中空の素材を得ることができる。

【００３２】

【実施例】図１の例に示す構成の溶融処理装置を用い
て、チタンアルミ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）の切り削
を溶融し、外径２００ｍｍ、内径１００ｍｍの中空の素
材を鋳造する試験を行った。中空の素材は１０００ｍｍ
長さ毎にダイヤモンドカッター（図示していない）を用
いて切断した。試験に用いた溶融処理装置の仕様を表１
に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】内側の炉壁の下端部が、外側の炉壁の上端
部の下方１００ｍｍの位置になるよう配置した。外側の
炉壁および内側の炉壁は、いずれも内部水冷された銅合
金製である。内側の炉壁にはスリットは備えていない。

【００３５】外側の炉壁の外周の通電コイルは、螺旋状
５重巻きで、炉壁と通電コイルとの隙間は５ｍｍとし
た。外側の炉壁の上端部と通電コイルの上端部の距離は
２０ｍｍとした。また、内側の炉壁の外周の通電コイル
は、螺旋状３重巻きで、炉壁と通電コイルとの隙間は３
ｍｍとした。内側の炉壁の下端部と通電コイルの下端部
の距離は１２０ｍｍとした。

【００３６】本発明の溶融処理装置を用い、かつ、本発
明の処理方法を行うことにより、実施例１および実施例
２に示す２種類の試験を行い、また、比較例として、実
施例３に示す１種類の試験を行った。

【００３７】（実施例１）図１に示す構成の溶融処理装
置を運転するにあたって、まず、冷却水供給装置（図示
していない）を介して、外側の通電コイル６、内側の通
電コイル７、外側の炉壁８、内側の炉壁９、引抜き装置
１２、材料装入装置１１、高周波電源１５、１６および
容器（図示していない）に冷却水を、それぞれ１５０、
１００、１００、１５０、５０、５０、２００、１５０
および５０リットル／分の量を供給した。次に、容器内
をＡｒガス雰囲気に置換した。

【００３８】引抜き装置１２を逆転して外側の炉壁８の
下端の開口部から、外径約２００ｍｍ、内径約１００ｍ
ｍ、長さ５００ｍｍのステンレス鋼製の中空のダミーイ
ンゴット１６を、その上端が外側の通電コイル６の上端
から５０ｍｍ下方の位置まで挿入するとともに、外側の
高周波電源を起動して、周波数３０ｋＨｚ、出力３００
ｋｗの高周波電流を外側の通電コイル６に供給した。さ
らに、内側の高周波電源を起動して、周波数３０ｋＨ
ｚ、出力１００ｋｗの高周波電流を内側の通電コイル７
に供給した。約５分でダミーインゴット１６の上端が溶
融し、電磁力の作用を受けてドーム状に隆起した。

【００３９】ドーム状に隆起した溶融チタンアルミ合金
の一部は、外側の炉壁８および内側の炉壁９と接触しな
くなった。ドーム状の頂上から、外側の炉壁と溶融チタ
ンアルミ合金とが接する位置までの高さは約４０ｍｍ
で、内側の炉壁とのその高さは約６０ｍｍであった。ま
た、溶融チタンアルミ合金の温度は、約１８５０Ｋであ
った。

【００４０】続いて、材料装入装置１１を介して、チタ
ンアルミ合金の切り削を、装入速度約１００ｇ／分で、
外側の炉壁８と内側の炉壁９との間の隙間に装入した。
チタンアルミ合金の切り削を装入するとともに、引抜き
装置１２を作動させて、中空の素材を引抜き速度約５ｍ
ｍ／分で引き抜いた。

【００４１】装入されたチタンアルミ合金は、溶融チタ
ンアルミ合金の表面張力の作用のために、溶湯の表面を
しばらく浮遊するが、やがて電磁力による溶融チタンア
ルミ合金の流動によって、その内部に取り込まれ、溶融
した。引き抜きとともに、下方に移動した溶融チタンア
ルミ合金は炉壁と接触して凝固した。

【００４２】得られた外形が円形で中空の素材の外表面
は良好であった。また、内面も割れ性の欠陥などもな
く、良好な品質の素材が得られた。スリットを備えた外
側の炉壁の外周に備えた通電コイルからの誘導電流と、
内側の炉壁の外周に備えた通電コイルからの誘導電流と
で、効果的に金属材料が加熱されて、溶融したためであ
る。

【００４３】（実施例２）外側の炉壁８、内側の炉壁
９、およびこれらの外周の通電コイルの外側の横断面形
状がいずれも正６角形である点を除いて、実施例１と同
じ溶融処理装置および同じ処理方法で試験を行った。

【００４４】得られた外形が正６角形で中空の素材の外
表面は良好であった。また、内面も割れ性の欠陥なども
なく、良好な品質の素材が得られた。外形が正６角形の
中空の素材を保管する際、空間の充填率が約１０％高ま
る効果があった。

【００４５】（実施例３）図１の例に示す構成の溶融処
理装置を用いて、外径２００ｍｍ、内径１００ｍｍの中
空の素材を鋳造する試験を行ったが、比較例の試験とし
て、内側の炉壁９の外周に備えた通電コイル７を用いず
に試験した。それ以外は、実施例１と同じ内容の試験を
行った。

【００４６】得られた外形が円形で中空の素材の外表面
は良好であった。しかし、内面には割れが発生してい
た。内側の炉壁の外周に備えた通電コイルからの誘導電
流を作用させなかったために、内側の炉壁の外周近傍の
固体の金属の溶融が十分でなく、鋳造された中空の素材
の内面に、割れが発生した。割れは、１０００ｍｍ長さ
当たり、１０カ所程度の頻度で発生した。

【００４７】

【発明の効果】本発明の溶融処理装置およびその装置を
用いた処理方法の適用により、反応性に富み、高融点で
あるチタンなどの金属を連続して溶融し、外表面だけで
なく、内面も品質的に優れた中空の素材を連続して得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶融処理装置全体の例を概念的に示す
図である。

【図２】炉壁の構造や炉壁と通電コイルの位置関係を示
す概念図である。

【符号の説明】

１：固体の金属材料 ２：溶融金属 ３：溶融スラグ ４：中空の素材 ５：冷却水用孔 ６：外側の炉壁の外
周部の通電コイル ７：内側の炉壁の外周部の通電コイル ８：外側の炉壁 ９：内側の炉壁 １０：スリット １１：材料装入装置 １２：引抜き装置 １３：固定板 １４、１５：高周波電源 １６：ダミーインゴ
ット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属の溶融部を形成する間隔を設けて同心
   状に外側の炉壁および内側の炉壁が配置された溶融炉に
   おいて、それぞれの炉壁は、内部が水冷された導電性材
   料からなり、内側の炉壁の上端部は外側の炉壁の上端部
   よりも高く、外側の炉壁の下端部は内側の炉壁の下端部
   よりも低く、外側の炉壁の上部の外周および少なくとも
   外側の炉壁の上端部より高い位置の内側の炉壁の外周
   に、それぞれ通電コイルが配置され、外側の炉壁の外周
   部の通電コイルに対向する外側の炉壁部には、その通電
   コイルの巻き方向と交差する方向のスリットを備えるこ
   とを特徴とする金属の溶融処理装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の溶融処理装置を用いる処
   理方法であって、固体の金属材料を外側の炉壁と内側の
   炉壁との間に装入し、外側の炉壁の外周および内側の炉
   壁の外周に設けたそれぞれの通電コイルに高周波電流を
   通電して固体の金属材料を溶融した後、溶融した金属を
   下方に引き抜いて固化し、固化した中空の素材を引き抜
   くことを特徴とする処理方法。