JP4860253B2 - 金属の電子ビーム溶解装置およびこの装置を用いた金属の溶解方法 - Google Patents

Description

本発明は、高融点金属の溶解装置およびこれを用いた金属の溶解方法に関し、特に、溶解装置が電子ビーム溶解炉であって、溶解炉の稼働率を効果的に高めることのできる装置および方法に関する。

金属チタンは、従来航空機用材料や部品に多く用いられてきたが、近年、用途開発が進み、建材や道路、あるいはスポーツ用品等に幅広く用いられている。

このような金属チタンを得る方法としては、クロール法（四塩化チタンを金属マグネシウムで還元してチタンを得る）で製造されたスポンジチタンを破砕整粒後、加圧成形されたブリケットを組み合わせて電極とし、これを真空アーク溶解することにより金属チタンを得る方法や、スポンジチタンを電子ビーム溶解して鋳型に流し込み、インゴットを得る方法が主流である。

特に、純度の高い金属チタンが求められている場合には、電子ビーム溶解炉による高純度チタンインゴットを溶製する方法が用いられることが多い。電子ビーム溶解炉は、真空アーク溶解炉に比べて１〜２オーダー低い１０^−４〜１０^−５Ｔｏｒｒの高真空下で溶解されるため、高い精製効果を実現することができ、その結果、４Nあるいは５Nレベルの純度を有する高純度チタンを製造することが可能となる。

しかしながら、電子ビーム溶解時の真空度が高いため、溶融チタンおよび他の不純物成分が蒸発し、電子ビーム溶解炉の内面に蒸着して固体として析出する。特に、電子ビーム溶解炉の天井壁に析出した付着物は、自重に耐え切れずに落下して溶解炉内に配置されたハースや鋳型内に混入して、生成インゴットを汚染したり組成のバラツキを発生させる場合があった。

このため、従来の電子ビーム溶解炉においては、一連の溶解工程を終了して生成チタンインゴットを炉外に抜き出した後は、炉内に付着した金属粉や金属塊をできるだけ除去するような整備作業を行っていた。

この作業は、溶解炉の大きさや溶解炉の内壁面の汚れ具合にもよるが、溶解炉を再使用可能な状態にするまでには約３〜７日程度の時間を要する場合が多く、この整備作業の間は次の溶解を行うことができず、電子ビーム溶解炉の稼働率を低下させる要因となっていた。金属チタンの需要が急増している近年の状況においては、少しでも溶解時間や整備時間を短縮して溶解炉の稼働率を向上させることが緊急の課題として求められている。

通常、溶解炉内の整備は、人手による解体整備を基本とするが、上述の溶解炉の稼働率低下の対策として、例えば、高圧水を利用した人手に依らない洗浄方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術を用いれば、高圧水を噴射して不着物を除去することができるので、人手による整備作業に比べて比較的短時間で整備することができるという効果が期待できる。

しかしながら、この方法によって多少の時間短縮は実現できても、溶解炉内を洗浄するには一定の時間が必要とされる状況に変わりはなく、この間は溶解工程が待機状態にあり、稼働率低下の問題は根本的には解決されていない。

また、天井壁に撥型構造体を組み込んだ電子ビーム溶解炉が開示されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、撥型天井壁構造を用いることで天井壁からの付着物の落下をある程度抑制することはできるものの、皆無にすることはできず、また、炉床に落下した付着物は溶解工程終了後に清掃除去することになり、溶解炉が待機状態になって稼働率が低下する問題は解決されていない。
特開２００４−１８３９２３号 特開平１１−１３２６６４号

このように、金属の溶解炉、とりわけ、電子ビーム溶解炉や真空アーク溶解炉においては、溶解後の溶解炉の整備に一定の時間が必要となり、この間溶解炉が停止状態となり生産性の点で好ましくなく、稼働率の高い溶解炉およびその方法が求められている。

本発明は、金属の電子ビーム溶解において、溶解炉の稼動率を高めることのできる電子ビーム溶解装置およびこれを用いた金属の溶解方法の提供を目的としている。

かかる実情に鑑みて鋭意検討を重ねてきたところ、電子ビーム溶解炉の内面に予め装脱着可能なライニングを施しておくことで、溶解終了後に付着の堆積した前記ライニングを新規に交換することにより、溶解終了後に求められていた炉の整備作業時間を大幅に短縮することができ、その結果、溶解炉の稼働率を飛躍的に高めることが出来ることを見出し本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、金属に電子ビームを照射して溶解させる溶解炉を備えた金属の電子ビーム溶解装置であって、溶解炉の内面に、溶解炉の内面に設けたフックによりそれぞれ独立して溶解炉から装脱着可能であり、かつ溶解炉の内面から離間して設けられた天井ライニングおよび側壁ライニングと、独立して溶解炉から装脱着可能である底部ライニングとを設けたことを特徴としている。

さらに、本発明は、上記ライニングが内面に設けられた溶解炉を備えた金属の電子ビーム溶解装置を用いて金属の溶解を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、ライニングが装脱着可能であるので、溶解炉において金属の溶解を終了し、冷却してインゴットとして引き抜いた後に、溶融金属が蒸着したライニングを速やかに取り外して新規に用意されたライニングを装着し、溶解炉を再稼動させることができる。このように、本発明の溶解炉は、炉内の整備作業を大幅に短縮することができ、その結果、溶解炉の稼動率を飛躍的に向上させることができるという効果を奏するものである。また、溶解炉の内面を洗浄する作業頻度も少なくて済むために、腐食による炉寿命の短縮も効果的に回避できるという効果も奏する。

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、本実施態様では、高融点金属がチタンである場合を例にとり以下に説明する。なお、以下の構成は本発明の一例であり、本発明はこの構成のみに限定されない。

図１は、本発明に係る金属の電子ビーム溶解装置Ｍの構成例を表している。符号１は、溶解装置を構成する本体である。本体１は円筒形状をしており、側壁、底壁および開口部を有し、開口部には、天井部２が設けられている。本体１底部には、円筒形状の鋳型３が設けられており、さらに、鋳型３の上方には、溶融チタンを保持する水冷ハース４が設けられており、鋳型３に溶融チタンを流し込むことができる。水冷ハース４上方には、電子銃５が設けられており、ここからの電子ビーム照射によって図示しないチタン原料を溶解し、水冷ハース４内に保持する。

符号６１は、水冷ハース４から供給された溶融チタンプールであり、その下方には、溶融チタンプール６１が凝固してなるチタンインゴット６２が形成されている。チタンインゴット６２の下方には引き抜き手段７が設けられており、溶融チタンの供給に伴って増量する溶融チタンプール６１の浴面が常に一定の高さとなるようにこれを下方に引き抜く。

天井部２の内壁には、天井ライニング２１が装脱着可能に設けられている。同様に本体１側壁の内面には側壁ライニング２２が装脱着可能に設けられており、本体１底壁の内面には底部ライニング８４が装脱着可能に設けられている。

溶解装置Ｍにおいては、まず、図示しない原料フィーダからスポンジチタン原料が水冷ハース４に供給されて、電子銃５からの電子ビーム照射を受けて溶解されて溶湯を形成する。溶湯は、水冷ハース４の下流に設けられた鋳型３に供給されるが、インゴット溶製開始前の鋳型３内には、図示しないチタン製のスタブが配置されており、溶湯をこのスタブ上に注入して、スタブの上面に、溶融チタンプール６１を形成する。溶融チタンプール６１の増量に伴って、引き抜き手段７を下方に引くことによってスタブを下方に引き抜き、溶融チタンプール６１は下方から順次冷却されてチタンインゴット６２を形成し、そのまま下方に連続的に引き抜かれる。

この過程において、水冷ハース４に保持されたチタン溶湯および溶融チタンプール６１からは、チタン蒸気が蒸発して溶解装置内に充満し、天井ライニング８１、側壁ライニング８２、および底部ライニング８４に付着して析出する。インゴットの溶製が終了した際は、溶解装置を解体して各ライニングを新規ライニングに交換し、溶解装置を組み立てて直ちに次のチタンインゴットの溶製に用いることができる。従来の溶解装置においては、インゴットの溶製が終了するたびに内壁に付着した付着物の洗浄除去といった整備工程を要し、溶解装置の稼働率が低かったが、本発明では、このように、溶解装置の稼働率を飛躍的に向上させることができる。なお、取り外したライニングは別工程で付着物の洗浄除去を行い、再利用することもできる。

次に、本発明の各構成要素について詳細に説明する。
１．天井ライニング
チタンの溶解工程において発生するチタン蒸気には低融点金属等の不純物成分が含まれているため、この蒸気が付着して生成する析出物が鋳型内に混入することは好ましくない。各ライニングのうち、側壁ライニングおよび底部ライニングの付着物に関しては位置的に鋳型内に析出物が落下しにくいので直接的にインゴットに悪影響を及ぼしにくいと思われるが、特に、溶融チタンの上方に配置された天井ライニングに関しては、析出物を放置すると、析出が進行して析出物の自重によって溶湯内に落下することになる。このため、天井ライニングは、溶湯析出物が付着して落下しにくい構造をとることが好ましい。

たとえば、金属製の網目構造を平面的に配置した構造が好ましい態様とされる。天井ライニングが網目構造を有すれば、析出物が凹部に引っ掛かり、板状構造の天井ライニングを用いた場合と比較して析出物が落下しにくい。網の材質は、ステンレス鋼で構成することができるが、製品への汚染が問題となるようであれば、チタン材で構成しても良い。このような構成配置とすることで天井ライニングに付着成長する析出物の落下を効果的に抑制することができる。

天井ライニングは、天井部に対して比較的容易に、装脱着可能な構造とすることが好ましい。例えば、ボルト締め、あるいは、フックを用いた取り付け構造とすることが好ましい。このような取り付け構造とすることで、例えば、クレーンを用いて天井ライニングを比較的容易に脱着することができる。その結果、天井ライニングを脱着する際の付着物の落下を効果的に抑制することができる。装置解体時、付着物が多少落下しても生成インゴットの品質汚染に直接繋がるものではないが、清掃等の新たな作業が必要になるので、天井ライニングからの付着物はできるだけ落下しないように脱着することが好ましい。

２．側壁ライニング
側壁ライニングは、本体の内壁部に装着して用いられるものであり、側壁ライニングもまた、天井ライニングと同様に装脱着が容易な構造にしておくことが好ましい。具体的には、ボルト締め、あるいは、フックで係合できる構造にしておくことが好ましい。

側壁ライニングの材質は、金属で構成することが好ましく、耐食性に優れたステンレス鋼で構成することが好ましい。また、不純物の汚染を極端に嫌う場合には、チタン材で構成することが好ましい。なお、ハースあるいは鋳型からの輻射熱が小さく温度が上昇しないような部位には、耐熱性の合成樹脂で構成することもできる。合成樹脂は腐食に強いために、水洗乾燥処理に適している。

側壁ライニングの下端には、図１に示すような付着受部８３を係合配置しておくことがより好ましい。このような付着受部８３を配置しておくことで、側壁ライニングの表面に析出した付着物が落下した場合にこれを効果的に回収することができる。その結果、溶解炉底部への付着物の落下を効果的に抑制することができる。さらに、回収した付着物を回収・精製してチタン原料として再利用することができる。

側壁ライニングは、金属の板状構造として構成することができるが、天井ライニングと同様、網目構造としても良い。側壁ライニングを網目構造とすることにより、付着物落下を効果的に抑制することができる。

３．底部ライニング
底部ライニングは、溶解炉Ｍの底部に装着するもので、できるだけ溶解炉の底部全体を覆うような構造にすることが好ましい。このような構造とすることで、天井ライニングや側壁ライニングを脱着する際に落下する付着物を効果的に回収することができるからである。

底部ライニングに前記の機能を持たせるには、金属で構成しても良いが、例えば、耐熱性のある合成樹脂で構成しても良い。このような合成樹脂で底部ライニングを構成することにより、溶解炉Ｍの底部形状に沿った形状のライニングを構成することができる。

合成樹脂は、例えば、塩化ビニルあるはスチレン系の樹脂で構成できるが、ＦＲＰで構成することもできる。ＦＲＰは軽量でしかも強度もあるので本発明の底部ライニングの構成材として好適である。

溶解装置底部には鋳型やその固定部材等が設けられていて凹凸のあるやや複雑な形状をしていることが多く、このような底部に対応することができる底部ライニングを設けるには、まずは、底部の型取りを行いこの型に合成樹脂を鋳込む方法で構成しても良い。このような方法で底部ライニングを構成することで、溶解装置の底部に密着させた状態で底部ライニングを構成することができる。

４．実際の操業形態について
ライニングの間隙から漏れたチタン蒸気によって溶解装置の内壁にも析出物が見られる場合もあることから、溶解装置から全てのライニングを取り外した後、必要に応じて溶解装置本体の清掃を行った方が好ましい場合もある。内部に付着物による汚染がないと判断された場合には、付着物を有するライニングの取り外した後、あらかじめ整備を済ませた交換用の各ライニングを溶解炉本体内面に直ちに装着する。

ライニングの装着が完了したら、天井部を本体に係合させて炉内を減圧に吸引する。所定の真空度に達したことを確認した後、電子銃から電子ビームを水冷ハースと鋳型内に保持したスタブに照射して、上述の溶解作業を開始することができる。

以上述べたように、本発明においては、溶解工程終了後、溶解炉Ｍを解体して前記のライニングを取り外し新規に準備したライニングを装着するだけで、次の溶解工程に移ることができる。従来では、溶解炉Ｍを解体した後、溶解炉Ｍの天井や内壁に堆積していた付着物を人手により除去してきたが、この作業には５〜７日程度の日数が必要となり、装置の稼動率を低下させる主因となっていた。

このように、本発明のライニングを用いた溶解装置を用いて金属の溶解を行うことで、インゴット溶製終了後の整備時間を大幅に削減することができ、その結果溶解炉の生産性を飛躍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。また、溶解炉の内面を洗浄する頻度も少なくて済むために、腐食による溶解炉寿命の短縮も効果的に回避できるという効果をも奏するものである。

［実施例１］
図１に示した本発明に係る天井ライニング、側壁ライニングおよび底部ライニングを施した出力２０００ＫＷの電子ビーム溶解炉を用いて、１０ｔ／本のインゴットを１５本溶製した。炉内が室温まで低下するのを待って、炉を解体し、天井ライニング、側壁ライニングおよび底部ライニングの順に取り外した。次いで、炉内を清掃した後、整備済みの各ライニングを溶解炉Ｍの内面に装着して溶解炉Ｍを組み立て、次の溶解工程の準備を完了した。この間要した時間は、３日であった。
なお、溶解炉から取り外したライニングは、炉外で研磨・水洗乾燥し、次の組み立てに備えた。

［比較例１］
本発明に係るライニングを装着しない以外は実施例１と同じ条件で溶解工程を進めた。溶解工程終了後、炉を解体して、内部を清掃・水洗・乾燥した。次いで、溶解炉Ｍを組み立てて、次回の溶解工程に備えた。この間、要した時間は、６日であった。

以上の実施例および比較例で示したように、本発明に係る金属の電子ビーム溶解装置およびそれを用いた溶解方法によって、溶解工程終了後に行う溶解炉整備に要する時間を大幅に短縮できるという効果が確認された。

本発明によれば、稼動率を飛躍的に高めることができる金属の電子ビーム溶解装置およびこの装置を用いた金属の溶解方法を提供することができる。

本発明の電子ビーム溶解装置の一実施形態を示す模式断面図である。

符号の説明

１ 本体
２ 天井部
３ 鋳型
４ 水冷ハース
５ 電子銃
６１ 溶融チタンプール
６２ インゴット
７ 引き抜き手段
８１ 天井ライニング
８２ 側壁ライニング
８３ 底部ライニング

Claims (8)

1. 金属に電子ビームを照射して溶解させる溶解炉を備えた金属の電子ビーム溶解装置であって、
   上記溶解炉の内面に、
   上記溶解炉の内面に設けたフックによりそれぞれ独立して溶解炉から装脱着可能であり、かつ上記溶解炉の内面から離間して設けられた天井ライニングおよび側壁ライニングと、
   独立して溶解炉から装脱着可能である底部ライニングと
   を設けたことを特徴とする金属の電子ビーム溶解装置。
2. 前記天井ライニングは金属で構成され、前記側壁ライニングおよび底部ライニングは金属または樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属の電子ビーム溶解装置。
3. 前記側壁ライニングは、落下する付着物を回収するための付着受部を下端に有することを特徴とする請求項１または２に記載の金属の電子ビーム溶解装置。
4. 前記底壁ライニングは、樹脂で構成され、かつ、前記溶解炉の底部形状を有する型に樹脂を流し込んで成形したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属の電子ビーム溶解装置。
5. 前記天井ライニングを構成する金属が、炭素鋼、ステンレス鋼またはチタン材であることを特徴とする請求項２に記載の金属の電子ビーム溶解装置。
6. 前記天井ライニングが板状構造または網状構造であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属の電子ビーム溶解装置。
7. 電子ビームによって溶解される前記金属が、チタン、ジルコニウム、ニオブおよびバナジウムであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属の電子ビーム溶解装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の溶解装置を用いることを特徴とする金属の電子ビーム溶解方法。

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