JPH0159341B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 この発明は、真空溶解炉においてバージン材、
特にチタン、ジルコニウムまたはこれらの合金の
ような難融性金属のバージン材、またはこのバー
ジン材とスクラツプとを電子ビームまたはプラズ
マ電子ビームで溶解するか、あるいは消耗電極式
アーク溶解炉において前記バージン材、または前
記バージン材とスクラツプ（以下、両者をまとめ
て単に「溶解原料」という）からつくつた電極を
消耗電極として溶解して、インゴツトを製造する
方法に関するものである。 〔従来の技術〕 従来、溶解原料、特にチタン、ジルコニウムま
たはこれらの合金のような難融性金属の溶解原料
を溶解してインゴツトを製造するのに、真空溶解
炉中のハース内に供給された切粉および粒状ない
し小さな塊状の溶解原料を電子ビームまたはプラ
ズマ電子ビームによつて溶解し、その結果ハース
内に溜つた溶湯を水冷モールド内に移して、凝固
した鋳塊をモールドの下方から引き抜くか、ある
いは消耗電極式アーク溶解法により、前記溶解原
料からつくつた消耗電極を水冷銅るつぼ内に吊り
下げて、その先端と銅るつぼ中の溶湯との間に直
流アークを発生させ、それによつて電極自体をそ
の先端から徐々に溶かして銅るつぼ中に落下させ
て溶湯プールを形成させ、その溶湯プールを下方
から凝固させて、インゴツトを製造していた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、前者の真空溶解法において電子
ビームまたはプラズマ電子ビームを使用するイン
ゴツトの製造法では、予め溶解原料をその大きさ
によつて仕分けしなければならない上に、切粉お
よび粒状ないし小さな塊状までの寸法の小さい溶
解原料しか処理できないので作業に手間がかか
り、処理できる溶解原料の範囲が限られ、また後
者の消耗電極式アーク溶解法で溶解原料から前記
消耗電極をつくるには、まずその溶解原料をその
大きさから分類した後、寸法の大きいものは互に
溶接して電極を作製し、切粉および粒状ないし小
さな塊状のものはプレスしてブリケツトとしてこ
れを互に溶接して電極を作製し、上記二者の中間
にあたる中位の大きさの塊状のものは細かい粒度
のものに粉砕してからプレスしてブリケツトをつ
くり、ついでこれを互に溶接して電極を作製して
いたので、消耗電極をつくるのに手数と手間がか
かるという問題があつた。 〔研究に基づく知見事項〕 そこで、本発明者等は、このような問題を解決
するために種々研究を重ねた結果、 (1) 前記種々の寸法を有する溶解原料を、断面が
多角形の管材を軸方向に切断することによつて
形成される形状を有するとともに、両端または
一端に仕切部材を有するか、または両端に全く
仕切部材を備えていない上開きの箱材、あるい
は断面が多角形を呈するとともに、両端または
一端に仕切部材を有するか、または両端に全く
仕切部材を備えていない管材に詰め込み、この
ように溶解原料が詰め込まれた前記箱材または
管材を、真空溶解炉中で水平に保持した状態で
その一端から他端へ向つて電子ビームまたはプ
ラズマ電子ビームで加熱するか、あるいは消耗
電極式アーク溶解炉中で偶数本組み合わせ、そ
れらの端部を互に向かい合わせて水平に保持
し、これらの端部間にアークを発生させて、前
記溶解原料を前記箱材または管材とともに溶解
させると、前者の真空溶解炉を使用する方法で
は、溶解原料をその大きさによつて仕分けする
必要がない上に、寸法の小さいものばかりでな
く、大きな塊状のものに至るまで広範囲にわた
る種々の寸法の溶解原料をまとめて溶解できる
ので、処理できる溶解原料の範囲を拡大でき、
また後者の消耗電極式アーク溶解炉を使用する
方法では、溶解原料をその大きさによつて仕分
けする必要がない上に、消耗電極をつくるの
に、粉砕、プレス、溶接などの面倒な処理を一
切必要としないこと、 (2) 溶解原料からブリケツトを製造することな
く、この溶解原料を直接前記箱材または管材に
詰め込む前記方法によれば、所定の成分組成を
有するインゴツトを製造するために、合金元素
の全量を計算で求めるだけでよく、ブリケツト
毎の秤量を必要としないので、手間が非常に省
けること、 (3) 前記箱材または管材の材質が溶解原料の材質
と同じでない場合は、その溶解原料とともに溶
解してインゴツト中に混入した箱材または管材
がその組成を変動させるが、その変動が許容さ
れる範囲内にあれば箱材または管材の材質を溶
解原料と同一材質としなくても、その箱材また
は管材の材質を、溶解原料の構成成分を１種以
上含むようにすれば十分であること、 を見出した。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明は、上記知見に基づいて発明されたも
ので、電子ビームまたはプラズマ電子ビームを加
熱源とする真空溶解法または消耗電極式アーク溶
解法において溶解原料を溶解してインゴツトを製
造する場合に、種々の寸法を有する溶解原料を仕
分けしないでまとめて、かつ簡単に処理すること
を目的とし、 真空溶解炉または消耗電極式アーク溶解炉にお
いて溶解原料を溶解し、それによつて生成した溶
湯を水冷モールド内で凝固させてインゴツトとす
ることによつて、前記溶解原料からインゴツトを
製造する方法において、前記溶解原料の構成成分
と同じ成分を１種以上含み、かつ断面が多角形の
管材を軸方向に切断することによつて形成される
形状を有するとともに、両端または一端に仕切部
材を有するか、または両端に全く仕切部材を備え
ていない上開きの箱材、あるいは断面が多角形を
呈するとともに、両端または一端に仕切部材を有
するか、または両端に全く仕切部材を備えていな
い管材に前記溶解原料を詰め込んだものを、前記
真空溶解炉中で水平に保持した状態でその一端か
ら他端へ向つて電子ビームまたはプラズマ電子ビ
ームで加熱するか、あるいは前記消耗電極式アー
ク溶解炉中で偶数本組み合わせ、それらの端部を
互に向かい合わせて水平に保持し、これらの端部
間にアークを発生させて、前記溶解原料を前記箱
材または管材とともに溶解し、それによつて生成
した溶湯を直接水冷モールド内に落下させるか、
あるいはこの溶湯を一旦ハース内に溜めた後、そ
の上澄みをオーバーフローにより水冷モールド内
に落下させて、前記溶湯を凝固させることを特徴
とする、前記インゴツトの製造方法、 を提供するものである。 〔発明の具体的な構成および作用〕 以下、この発明の具体的な構成および作用につ
いて説明する。 １ 箱材および管材 溶解原料が充填された箱材または管材は、その
溶解原料とともに溶解してインゴツト中に混入す
る結果、そのインゴツトの材質に影響を及ぼすの
で、箱材または管材の材質は溶解原料と同一材質
であるのが最も好ましいけれども、通常、材質が
若干相違する溶解原料を混合して処理する場合も
ある上に、製品となるインゴツトの成分組成にも
或程度の許容範囲が存在するので、この箱材また
は管材の混入によるインゴツトの成分組成の変動
がインゴツトに対して要求される成分組成範囲を
外れないかぎり、必ずしも箱材または管材の材質
を溶解原料の材質と同一にする必要はなく、その
混入によるインゴツトの成分組成の変動が、イン
ゴツトに許容される成分組成範囲内に入れば、そ
の箱材の材質を、溶解原料の構成成分と同じ成分
を１種以上含むようにすれば十分である。 この発明において使用される箱材および管材は
断面がどのような形状のものでもよく、すなわち
箱材は、その断面が多角形の一部の辺を欠いた形
状のものならばどのような形状のものでもよく、
また管材は、その断面が多角形を呈するものなら
ばどのような形状のものでもよいが、通常、製作
や取扱いが容易なところから、箱材は第４図のａ
に示されるような断面がコ字状の箱材１、そして
管材は第４図ｂに示されるような断面が長方形の
管材２が好都合に使用される。 前記箱材１および管材２の一端または両端に設
けられる、例えば第４図のａおよびｂに示される
板状の仕切部材１ａおよび２ａは、それらの箱材
または管材の中に溶解原料を充填する際、および
この溶解原料を詰め込んだ箱材または管材を溶解
炉内に供給して溶解する迄に、溶解原料が箱材ま
たは管材の中からこぼれ落ちるのを防止するため
のもので、このようなこぼれ落ちを防ぐものであ
れば、この仕切部材は板状とはかぎらずどのよう
なものでもよく、例えば溶解原料の寸法が或程度
大きければ、これを例えばネツト状、格子状また
はスリツト状のものなど、貫通孔が形成されてい
るものでもよく、この仕切部材は溶解原料のこぼ
れ落ちの虞れがない場合は箱材または管材の一端
だけに設けるか、あるいはその取付を全く省くこ
とができる。 なお、この箱材および管材は、任意の方法によ
つて製造できるが、一般に熱間圧延後脱スケール
して得た板を溶接組立によつて製造するのが有利
であり、したがつてこの箱材および管材の製造で
は、円形パイプと比べて巾の狭い板でも利用する
ことができるだけでなく、厳しい温度管理の下に
遂行しなければならない熱間圧延や熱処理を必要
としないという利点もあり、さらに箱材では、溶
解原料を上方から詰め込むことができて、その詰
め込み作業が容易となり、さらに箱材内部全体の
充填状態を目視によつて判別できる上に、箱材全
体にわたつて上方から随所に溶解原料を供給でき
るので、箱材の中に溶解原料を極く簡単に均一
に、しかも高い充填率で詰め込むことができ、ま
たこのような上開きのまま溶解作業を遂行できる
ので、その分材料が節減され、インゴツトに混入
される望ましくない成分の量も減少できるととも
に、その製作の手間が省けるという利点も得られ
る。 ２ 鋳造方法 溶解原料からインゴツトを製造するこの発明に
おいては、第１図〜第３図にその製造状態の要点
を側面図で示したように、仕切部材１ａを有する
箱材、または仕切部材２ａを有する管材２に種々
の大きさのスクラツプＳを仕分けしないでそのま
ま詰め込み、 (i) これを、真空溶解炉中、水冷モールド４上
（第１図）またはハース５上（第２図）で水平
に保持しながら、加熱源である電子ビームまた
はプラズマ電子ビーム３によつて高温に加熱さ
れている帯域６内に、その一端から少しずつ進
入させると、前記溶解原料Ｓは箱材１ととも
に、第１図に示されるように、水冷モールド４
内に溶け落ちるか、あるいは第２図に示される
ように、ハース５内に溶け落ちて溶湯７のプー
ルを形成した後、この溶湯７の上澄みがハース
５から水冷モールド４内にオーバーフローし
て、その水冷モールド４内の上方で溶湯７のプ
ールを形成する一方、その下方では水冷モール
ド４により前記溶湯７が冷却されて固化し、イ
ンゴツト８を形成し、 (ii) 前記溶解原料Ｓが詰め込まれた管材２を第３
図に示されるように、それらの端部を互に向か
い合わせて水冷モールド４上で水平に配置し、
これらを消耗電極としてその間にアーク９を発
生させると、両電極を構成している溶解原料Ｓ
は管材２とともに水冷モールド４内に溶け落ち
て、その水冷モールド４の上方で溶湯７のプー
ルを形成する一方、その下方では水冷モールド
４により溶湯７が冷却されて固化し、インゴツ
ト８を形成する。なお、この方法においても前
記(i)項で述べたように、溶湯７を一旦ハース５
内に集めた後、その上澄みをオーバーフローに
より水冷モールド４内に落下させてもよく、こ
のようなハースを使用する方法は、溶解原料中
に含まれている炭化タングステンのような重質
の不純物を取り除く場合好都合に使用され、一
方ハースを使用しない前述の方法は、このよう
な不純物が溶解原料中に混入している虞れがな
い場合、消費電力を節減する方法として有利に
使用される。 この発明では、溶解作業中に溶解原料が前記箱
材または管材の中から滑り落ちたり、あるいは転
がり落ちたりするような支障が生じなければ、こ
の箱材または管材をどのように配置してもよく、
したがつて、本明細書中で使用している「水平」
という用語は、完全な水平ばかりでなく、上記の
意味も当然含めた、ほぼ水平な横向きの状態も意
味している。 溶解原料がこぼれ落ちるのを防止していた仕切
部材１ａまたは２ａが溶け落ちた後には、箱材ま
たは管材中に詰め込まれていた溶解原料のうちの
幾分かが、溶解作業中に溶解しないまま、水冷モ
ールド４またはハース５に形成された溶湯プール
に落下する場合も起るが、このような溶解原料は
寸法が比較的小さいために、電子ビームやプラズ
マ電子ビームまたはアークによつて加熱されてい
る前記溶湯プール中で容易に溶解する。 この発明においては、一度に処理する箱材また
は管材は必ずしも１本または１対とは限らず、例
えば生産性を上げるため、同時に複数本の箱材ま
たは管材を前記加熱帯域６に送り込んでも、ある
いは２対以上の消耗電極を対向させてそれらの間
にアーク９を発生させてもよい。 なお、この発明は、特にチタンやジルコニウム
またはこれらの合金のような難融性の溶解原料か
らインゴツトを製造する場合好都合に適用される
が、その他の溶解原料でも、電子ビームまたはプ
ラズマ電子ビームを加熱源とする真空溶解法また
は消耗電極式アーク溶解法で溶解するのに適した
溶解原料ならば、どのような溶解原料に対しても
この発明を適用できることは勿論であり、また以
上述べたこの発明の方法によつて得られたインゴ
ツトをさらに均質な鋳塊にしたいと望む場合は、
従来の消耗電極式アーク溶解法により、すなわ
ち、このインゴツトを消耗電極として水冷銅るつ
ぼ内に吊り下げ、その先端と銅るつぼ中の溶湯と
の間にアークを発生させて電極自体をその先端か
ら徐々に溶かし、一層均質な２次鋳塊を得ること
ができる。 〔実施例および実施例に基づく効果〕 ついで、この発明を実施例によつて説明する。 実施例 １ 第４図のｂに示されるような形状を有し、か
つ、60mm角×長さ：1200mm×板厚：１mmの寸法を
有する純チタン（JIS1種）製管材を用意しこの管
材に、バージン材として、スポンジチタン：6000
ｇ、Al：174ｇおよびAl−50％Ｖ：640ｇを第３
図のように層状に詰め込んだ。この時の管材を含
めた全重量は8.1Kg、充填率は37％であつた。 つぎに、これを第１図に示されるようにプラズ
マビーム溶解炉中で横置きとし、真空（0.01mm
Hg）下、プラズマトーチ電圧：35V、同電流：
800A、管材進行速度：0.4cm／minの条件下でプ
ラズマ電子ビームを照射して、直径：82mm×長
さ：600mmの寸法を有する円柱状インゴツトを製
造した。このときに得られたインゴツトの成分分
析値は第１表に示すとおりであつた。

【表】 その後、上記の円柱状インゴツトを消耗電極と
して、前に述べた従来の消耗電極式アーク溶解法
により、真空度：0.01mmHg以下、電圧：26V、
電流：2000Aの条件下で、直径：110mm×長さ：
300mmの寸法を有する円柱状の２次インゴツトを
製造したところ、それの成分分析値は第２表に示
されるとおりで、このインゴツトが一層均質であ
ることを示している。

【表】 実施例 ２ 実施例１で使用した純チタン製管材から上蓋を
取り除いたもの、すなわち第４図のａに示される
形状を有する箱材を用意し、この箱材に、バージ
ン材としてスポンジチタン：4100ｇ、Al：130ｇ
およびAl−50％V470ｇおよびスクラツプとして
Ti−6Al−４合金スクラツプ4600ｇを第１図のよ
うに層状に詰め込んだ。このときに充填した溶解
原料の寸法は最小数十ミクロンの粉末から最大40
mm角の塊状スクラツプで、箱材を含めた全重量は
10.6Kg、充填率は53％であつた。 つぎに、これを実施例１と同様にプラズマ電子
ビームによつて溶解し、直径：82mm×長さ：600
mmの円柱状インゴツトを製造した。このインゴツ
トの成分分析値を第３表に示す。

〔発明の綜合的効果〕

以上述べた説明から明らかなように、この発明
によると、溶解原料をその大きさによつて仕分け
する必要がない上に、電子ビームまたはプラズマ
電子ビームを使用する真空溶解法では、寸法の小
さいものばかりでなく、大きな塊状のものに至る
まで広範囲にわたる種々の寸法の溶解原料をまと
めて溶解できるので、処理できる溶解原料の範囲
を拡大でき、また消耗電極式アーク溶解法では、
その消耗電極を製作するのに、粉砕、プレス、溶
接などの面倒な処理を一切必要としないで、種々
の大きさの溶解原料をまとめて処理できるという
産業上有益な効果が得られる。 さらに、溶解原料の保持部材として箱材を使用
する場合には、それが上開きのため、溶解原料を
詰め込む作業が極めて容易になるとともに、この
溶解原料を箱材に均一に充填することができるた
めに、電子ビームまたはプラズマ電子ビームを使
用する真空溶解法では溶解速度を容易に一定に調
整することができ、また消耗電極式アーク溶解法
では均一なアークを安定して得ることができ、し
たがつてその溶解作業の制御も容易となり、さら
に溶解原料を高い充填率で箱材に詰め込むことが
できるので、溶解効率を高め、かつ作業性が向上
するなどの効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はこの発明の要点を示すために
側面から描いた説明図であり、その第１図および
第２図は電子ビームまたはプラズマ電子ビームを
加熱源とする真空溶解法を示し、第３図は消耗電
極式アーク溶解法を示し、そして第４図のａおよ
びｂは、この発明において使用される箱材および
管材の一例をそれぞれ示す斜視図である。図にお
いて １…箱材、２…管材、３…プラズマビーム、４
…水冷モールド、５…ハース、６…加熱帯域、７
…溶湯、８…インゴツト、９…アーク、Ｓ…スク
ラツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空溶解炉においてバージン材、またはバー
   ジン材とスクラツプとを溶解し、それによつて生
   成した溶湯を水冷モールド内で凝固させてインゴ
   ツトとすることによつて、前記バージン材、また
   は前記バージン材とスクラツプからインゴツトを
   製造する方法において、前記バージン材、または
   前記バージン材とスクラツプの構成成分と同じ成
   分を１種以上含み、かつ断面が多角形の管材を軸
   方向に切断することによつて形成される形状を有
   するとともに、両端または一端に仕切部材を有す
   るか、または両端に全く仕切部材を備えていない
   上開きの箱材、あるいは断面が多角形を呈すると
   ともに、両端または一端に仕切部材を有するか、
   または両端に全く仕切部材を備えていない管材に
   前記バージン材、または前記バージン材とスクラ
   ツプとを詰め込んだものを、前記真空溶解炉中で
   水平に保持した状態でその一端から他端へ向つて
   電子ビームまたはプラズマ電子ビームで加熱する
   ことにより、前記バージン材または前記バージン
   材とスクラツプとを前記箱材または管材とともに
   溶解し、それによつて生成した溶湯を直接水冷モ
   ールド内に落下させるか、あるいはこの溶湯を一
   旦ハース内に溜めた後、その上澄みをオーバーフ
   ローにより水冷モールド内に落下させて、前記溶
   湯を凝固させることを特徴とする、前記インゴツ
   トの製造方法。 ２ 消耗電極式アーク溶解炉においてバージン
   材、またはバージン材とスクラツプとを溶解し、
   それによつて生成した溶湯を水冷モールド内で凝
   固させてインゴツトとすることによつて、前記バ
   ージン材、または前記バージン材とスクラツプか
   らインゴツトを製造する方法において、前記バー
   ジン材、または前記バージン材とスクラツプの構
   成成分と同じ成分を１種以上含み、かつ断面が多
   角形の管材を軸方向に切断することによつて形成
   される形状を有するとともに、両端または一端に
   仕切部材を有するか、または両端に全く仕切部材
   を備えていない上開きの箱材、あるいは断面が多
   角形を呈するとともに、両端または一端に仕切部
   材を有するか、または両端に全く仕切部材を備え
   ていない管材に前記バージン材、または前記バー
   ジン材とスクラツプとを詰め込んだものを、前記
   消耗電極式アーク溶解炉中で偶数本組み合わせ、
   それらの端部を互に向かい合わせて水平に保持
   し、これらの端部間にアークを発生させて、前記
   バージン材、または前記バージン材とスクラツプ
   とを前記箱材または管材とともに溶解し、それに
   よつて生成した溶湯を直接水冷モールド内に落下
   させるかあるいはこの溶湯を一旦ハース内に溜め
   た後、その上澄みをオーバーフローにより水冷モ
   ールド内に落下させて、前記溶湯を凝固させるこ
   とを特徴とする、前記インゴツトの製造方法。