JP2008142717A - Ｔｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊方法および造塊装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｔｉなどからなる鋳塊を良好な鋳肌にして確実に造塊できるＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊方法、およびこれに用いられる造塊装置を提供する。
【解決手段】Ｔｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌを溶解し且つこれらの溶湯Ｍ１を炉底４の出湯ノズル６から出湯させる誘導溶解炉２と、係る誘導溶解炉２の下方に配置され、当該溶解炉２に対して相対的に下降可能とされた鋳型１０と、上記溶解炉２の炉底４付近から上記鋳型１０の内側に垂下されたＴｉなどの金属製のパイプ８と、を含み、上記鋳型１０は、油圧シリンダ１６上端のテーブル１２上に支持されている、Ｔｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊装置１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｔｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌからなるインゴットの造塊方法、およびこれに用いる造塊装置に関する。

ＴｉやＴｉ合金の鋳塊を得るに際し、水冷式の銅ルツボの周囲に高周波誘導コイルを巻き付けた真空誘導溶解炉内で装入されたＴｉなどの原料を、Ｔｉなどの溶湯にセミレビテーション溶解した後、係る溶湯を炉底から出湯して、下方の鋳型内に鋳込むようにした溶解方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
更に、ＴｉやＴｉ合金からなり良好な鋳肌の鋳塊を得るため、上記同様のセミレビテーション溶解炉と、その下方に配置したインゴットケースと、係るインゴットケースの内側に配置され且つ注下された溶湯の湯面の上昇に同期して上昇可能とされたＴｉ製のパイプと、を備えた上注ぎ造塊装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−３１０８３３号公報（第１〜７頁、図１） 特開２００３−２６６１６６号公報（第１〜９頁、図１〜５）

しかしながら、前記特許文献１に記載の溶解方法による場合、鋳型内に注下するＴｉなどの溶湯が湯面に落下した際に生じる溶滴の飛沫が、当該鋳型の内壁面に付着し、係る飛沫の凝固片がＴｉなどの鋳塊の表面に残存するため、その鋳肌が荒れてしまう、という問題があった。このため、得られた鋳塊の表層を除去する皮削りする工程が必要となる。しかし、ＴｉＡｌは、切削加工が困難であるため、その鋳塊を平滑な表面にすることが困難である。

前記溶滴の飛沫による鋳肌の荒れは、前記特許文献２に記載の上注ぎ造塊装置によって一応解決されている。しかしながら、係る上注ぎ造塊装置では、造塊の初期には、Ｔｉ製のパイプがインゴットケース内の低い位置にあり、係るＴｉ製のパイプの上端と前記溶解炉の出湯ノズルの下端との距離が離れている。このため、係る出湯ノズルから注下した溶湯流が、当該出湯ノズルの下端に付着した凝固物によって拡がった場合、溶湯流の飛沫がインゴットケースの内面に付着することによって、鋳塊の鋳肌が荒れてしまう、という問題があった。

本発明は、前記背景技術において説明した問題点を解決し、溶解炉の出湯ノズルから注下した溶湯流が拡がった場合でも、Ｔｉなどからなる鋳塊を良好な鋳肌にして確実に造塊できるＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊方法、およびこれに用いる造塊装置を提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、誘導溶解炉で溶解されたＴｉなどの溶湯を鋳型内に注下する際に、上記溶解炉の炉底部から垂下するＴｉなどの金属からなるパイプによって、上記鋳型内を注下する溶湯流を囲むと共に、係る鋳型を溶解炉に対して相対的に下降させる、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明によるＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊方法（請求項１）は、誘導溶解炉で溶解したＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの溶湯を前記溶解炉の炉底から出湯して注下させ、注下する上記溶湯を上記溶解炉に対して相対的に下降する鋳型に注湯すると共に、注下する上記溶湯の周囲を、上記溶解炉の炉底付近から上記鋳型の内側に垂下された金属製のパイプで囲う、ことを特徴とする。

これによれば、前記誘導溶解炉で溶解されたＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの溶湯は、炉底から注下する溶湯流となって前記鋳型の内側を落下し、係る鋳型の底部に順次滞留しつつ凝固して鋳塊となる。係る過程で、上記溶湯流は、前記金属製のパイプによって囲まれた状態で、鋳型の内側を注下した後、係る鋳型内の湯面に落下する。その際に、係る溶湯流は、飛散した溶滴の飛沫となるが、係る飛沫は、上記パイプの内壁面に付着するため、鋳型では、その内壁面に倣った良好な鋳肌の鋳塊を確実に得ることが可能となる。従って、例えば、３００ｋｇ以上の比較的大型であるＴｉＡｌのインゴットを、低コストで造塊することも可能となる。

尚、前記ＴｉＡｌは、ＴｉＡｌ相を主な構成相とするＴｉＡｌ基の金属間化合物である。
また、前記誘導溶解炉は、Ｔｉなどの高融点で且つ活性な金属や合金が誘導溶解できる炉底出湯タイプの誘導溶解炉であれば、特に限定されない。
更に、前記金属製のパイプは、溶解および造塊されるＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌと同じ組成のＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌ製のものが望ましい。但し、係るパイプの溶損量は少ないため、造塊すべき金属や合金の組成のずれが許容される場合には、異なる組成の金属や合金からなるパイプを用いても良い。係るパイプは、前記溶解炉の炉底付近に直に支持したり、あるいは、当該パイプの上部が上記誘導炉と同じレベルを保つように、別個の支持物に支持しても良い。
加えて、前記「溶解炉に対して相対的に下降する」とは、係る溶解炉および金属製のパイプが一定のレベルに位置する場合には、前記鋳型が下降し、一方、係る鋳型が一定のレベルに位置する場合には、上記溶解炉および金属製のパイプが上昇することを指す。

また、本発明には、前記鋳型の下降は、その内側に注湯された前記溶湯の湯面の上昇に合わせて行われると共に、前記金属製のパイプの下端は、上記溶湯中に浸漬されている、Ｔｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊方法（請求項２）も含まれる。
これによれば、上記金属製のパイプの下端は、上記鋳型内の溶湯の湯面に常に接触しているため、注下する溶湯流の飛沫が鋳型の内壁面に確実に付着せず、Ｔｉ製のパイプの内壁面に付着させることができる。従って、良好な鋳肌を有するＴｉＡｌなどの鋳塊を安定して得ることが可能となる。
尚、前記「…合わせて」は、湯面レベルが上昇する度合に応じて、前記溶解炉および金属製のパイプに対して、前記鋳型が相対的に下降する、ことを指す。
また、前記金属製のパイプは、その内壁面の下端側から溶滴の飛沫が付着し且つ凝固すると共に、下端側から徐々に溶損していく。このため、下端側の溶損部分を切断し且つ所定長さの範囲内で繰り返して再利用できるが、係る長さに満たなくなったり、内壁面の汚染が目立つようになった時点で、取り替えられる。

一方、本発明によるＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊装置（請求項３）は、Ｔｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌを溶解し且つこれらの溶湯を炉底から出湯させる誘導溶解炉と、係る誘導溶解炉の下方に配置され、前記溶解炉に対して相対的に下降可能とされた鋳型と、上記溶解炉の炉底付近から上記鋳型の内側に垂下された金属製のパイプと、を含む、ことを特徴とする。
これによれば、上記溶解炉で溶解されたＴｉＡｌなどの溶湯を、炉底から注下する溶湯流として前記鋳型の内側に落下させ、係る鋳型の底部に順次滞留させつつ凝固して鋳塊とし、その際に生じる溶滴の飛沫を金属製のパイプの内壁面に付着させられる。従って、良好な鋳肌を有するＴｉＡｌなどの鋳塊を確実に得ることが可能となる。
尚、前記誘導溶解炉は、例えば、コールドクルーシブル構造を有するセミレビテーション誘導溶解炉である。係る誘導溶解炉は、その炉底付近に、例えば、電磁出湯手段を備えている。

また、本発明には、前記鋳型は、昇降可能なテーブル上に支持されている、Ｔｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊装置（請求項４）も含まれる。
これによれば、一定のレベルに位置する前記誘導溶解炉および金属製のパイプに対し、上記鋳型を内部の湯面レベルの上昇に応じて、確実に下降させられると共に、造塊前後の鋳型を取り替える作業も容易となる。
尚、前記テーブルの昇降手段は、例えば、油圧式シリンダであり、そのピストンロッドの先端側に鋳型を配置するテーブルを支持しているもの、あるいは、パンタグラフ式のリフターの上部にテーブルを水平に支持しているものなどが含まれる。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１の左側は、本発明によるＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊装置（以下、Ｔｉなどの造塊装置と略称する）１の垂直断面を示す概略図である。
Ｔｉなどの造塊装置１は、図１の左側に示すように、誘導溶解炉２と、係る溶解炉２の炉底４付近から前記鋳型１０の内側に垂下されたＴｉ（金属）製で断面円形のパイプ８と、上記誘導溶解炉２の下方に配置された鋳型１０と、係る鋳型１０を昇降可能に支持する油圧シリンダ１６と、を備えている。

上記誘導溶解炉２は、全体がほぼ円筒形を呈し且つスリットにより垂直方向に沿って分割された複数のセグメントからなる銅製の水冷ルツボであり、図１の左側に示すように、ほぼ円筒形の側壁３、平面視が円形の炉底４、およびこれらに囲まれた炉内５を有する。係る側壁３の外側には、高周波誘導コイルｃ１が螺旋状に巻き付けられている。また、炉底４の中央部には、出湯孔７を内設する出湯ノズル６が垂下している。係るノズル６の外側には、高周波誘導コイルｃ２が螺旋状に巻き付けられ、上記ノズル６と共に溶解した溶湯（Ｍ１）の出湯および停止を行う電磁出湯手段を構成している。
尚、上記誘導溶解炉２は、例えば、前記ルツボの炉内５の開口部に遮蔽蓋が配置され、あるいは、係る開口部を含むほぼ全体が外部から遮蔽されている。

また、Ｔｉ製のパイプ８は、前記誘導溶解炉２の炉底４付近、例えば、出湯ノズル６の付近において、その上端部が上記炉底４、または上記ノズル６、あるいは、図示しない上記溶解炉２の遮蔽物などに吊り下げて固定されている。このため、係る金属パイプ８は、常に上記溶解炉２と同じレベルに位置している。
更に、鋳型１０は、図１の左側に示すように、円筒形またはほぼ角筒形を呈する鋳型本体１１と、その内側に位置し且つ鋳型本体１１とほぼ相似形の中空部１３とを備え、上面が平坦なテーブル１２の上に載置され且つ固定されている。
上記テーブル１２は、油圧シリンダ１６における上端（先端）側のピストンロッドｒ１に支持されている。係る油圧シリンダ１６は、フロア（図示せず）上に設置されたシリンダｓと、係るシリンダｓ内に格納され且つ当該シリンダｓから伸張および退行する２段式のピストンロッドｒ１，ｒ２とを、備えている。

次に、前記造塊装置１を用いた本発明によるＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊方法（以下、Ｔｉなどの造塊方法と略称する）について、説明する。
予め、油圧シリンダ１６のピストンロッドｒ１，ｒ２を上向きに伸張させると共に、テーブル１２上にセットされた鋳型１０の中空部１３にＴｉ製のパイプ８を挿入し、その下端８ｅをテーブル１２の表面に接触ないし接近させておく。尚、係るパイプ８には、造塊すべきＴｉなどの鋳塊と同じ組成のＴｉ、Ｔｉ合金、あるいはＴｉＡｌと同じ材料からなるものを選定することが望ましい。

次に、前記誘導溶解炉２の炉内５に、Ｔｉなどの原料を装入し、Ａｒなどの不活性ガス雰囲気とし、且つ係る炉内５の開口部を炉蓋などの遮蔽物で炉外と遮蔽した後、前記誘導コイルｃ１に高周波電流（例えば、１０００Ｈｚ）を通電する。
その結果、前記誘導コイルｃ１の周囲に磁界が形成される。係る磁界は、前記誘導溶解炉２の水冷ルツボにおける円筒形の側壁３および円形の炉底４を半径方向に沿って横切るため、装入された上記原料に浸透して、これを誘導加熱する。

係る加熱と平行して、加熱・溶融された前記原料の溶湯Ｍ１は、前記磁界により生じるローレンツ斥力（磁気気圧）によって、図１の左側に示すように、炉内５でほぼ半球形状に盛り上がり、側壁３に接触しにくくなる。係る盛り上がった溶湯Ｍ１のうち、炉底４に接触する部分は、ほぼ円盤形の凝固シェルＳが形成される。このため、出湯ノズル６内の出湯孔７は、閉塞されている。
次いで、前記誘導コイルｃ２に高周波電流（例えば、１５０００Ｈｚ）を通電する。その結果、出湯ノズル６内の出湯孔７付近に位置する凝固シェルＳの中央部が溶融されてリング形になる。このため、出湯孔７が開放され、図１の左側に示すように、炉内５の溶湯Ｍ１がほぼ一定径の溶湯流Ｍ２となってＴｉ製のパイプ８の内側９を注下する。

前記Ｔｉ製のパイプ８の内側９を注下した溶湯流Ｍ２は、テーブル１２上と鋳型１０の中空部１３とに囲まれたキャビティ内に落下し、徐々に堆積しつつ周囲から徐々に凝固して鋳塊Ｍ３となる。係る鋳塊Ｍ３の内側に位置する溶湯の湯面に対し、注下する溶湯流Ｍ２が落下した際、図１の左側に示すように、鋳塊Ｍ３内の湯面には溶滴の飛沫が生じる。
しかし、Ｔｉ製のパイプ８の下端８ｅが、予め、テーブル１２の表面に接触ないし接近しているため、上記飛沫は、Ｔｉ製のパイプ８の内側（内壁面）９に付着し、鋳型本体１１の中空部（内壁面）１３には、付着しない。

更に、鋳型１０内で上向きに形成される鋳塊Ｍ３，Ｍ４に内包される溶湯の湯面が上昇するのに合わせて、図１の右側の矢印で示すように、油圧シリンダ１６のピストンロッドｒ１，ｒ２を下向きに退行させ、鋳型１０およびテーブル１２を下降させる。この間において、前記Ｔｉ製のパイプ８の下端８ｅは、鋳塊Ｍ３，Ｍ４内の溶湯中に浸漬されている。この結果、溶湯流Ｍ２から生じる飛沫は、上記パイプ８の内側９に付着し、鋳型本体１１の中空部１３には、付着しない。

図２の左側および右側に示すように、鋳型１０内で上向きに形成される鋳塊Ｍ５，Ｍ６に内包される溶湯の湯面が上昇する度合に合わせて、図２の左・右側中の各矢印で示すように、油圧シリンダ１６のピストンロッドｒ１，ｒ２を更に下向きに退行させ、鋳型１０およびテーブル１２を一層下降させる。
この間においても、前記Ｔｉ製のパイプ８の下端８ｅは、鋳塊Ｍ５，Ｍ６内の溶湯中に浸漬されている。その結果、溶湯流Ｍ２から生じる飛沫は、前記パイプ８の内側９に付着し、鋳型本体１１の中空部１３には、付着しない。

そして、図３の左側に示すように、鋳型１０の中空部１３内の上部まで湯面が達する鋳塊Ｍ７となった時点で、前記高周波誘導コイルｃ２への通電を停止する。この間において、Ｔｉ製のパイプ８の内側９に溶湯流Ｍ２から飛散した飛沫が付着すると共に、その下端８ｅは、図３の左側に示すように、僅かに溶損される。
その結果、図３の右側に示すように、前記炉内５の溶湯Ｍ１のうち、出湯ノズル６内の出湯孔７内の溶湯Ｍ１が前記凝固シェルＳとなって、係る出湯孔７が閉塞される。更に、ピストンロッドｒ１，ｒ２を若干退行させ、鋳型１０およびテーブル１２を最下のレベルに下降した状態で保持する。

前記鋳型１０の中空部１３内で保持された鋳塊Ｍ８は、周囲から徐々に冷却されて凝固し、図３の右側に示すように、上面に凹んだコーンｃを有するインゴットＭ８となる。これによって、鋳肌が中空部１３の内壁面に倣って良好なＴｉなどのインゴットＭ８が確実に造塊できる。
尚、図３の右側の矢印で示すように、Ｔｉ製のパイプ８を若干持ち上げ、更に炉底４などの支持物から外して、溶損された下端８ｅを切断して除去する。その後、上記支持物に切断後の上記パイプ８を吊り下げ・固定して再利用する。

以上のように、本発明のＴｉなどの造塊方法によれば、前記溶解炉２の炉底４側から注下する溶湯流Ｍ２は、前記鋳型１０の内側に落下し、その底部に順次滞留しつつ凝固して鋳塊Ｍ３〜Ｍ８となる。係る過程で、溶湯流Ｍ２は、前記Ｔｉ製のパイプ８によって囲まれた状態で、鋳型１０内に注下され、湯面に落下する際に、飛散して飛沫となるが、係る飛沫は、上記パイプ８の内側９に付着し、鋳型１０の中空部１３には付着しない。従って、鋳型１０の中空部１３の内壁面に倣った良好な鋳肌の鋳塊（インゴット）Ｍ８を確実に造塊することが可能となる。

また、本発明のＴｉなどの造塊装置１によれば、前記溶解炉２で溶解されたＴｉなどの溶湯Ｍ１を、炉底４側から注下する溶湯流Ｍ２として鋳型１０の内側に落下させ、係る鋳型１０内で順次滞留させつつ凝固して鋳塊Ｍ３〜Ｍ８とし、その際に生じる飛沫をＴｉ製のパイプ８の内側９に付着させられる。従って、良好な鋳肌を有するＴｉなどの鋳塊Ｍ８を確実に造塊することが可能となる。しかも、装置の構成が簡素なため、比較的低コストで製作することも可能である。

尚、本発明は、前記形態に限定されるものではない。
例えば、本発明のＴｉなどの造塊装置は、鋳型を固定し、前記誘導溶解炉および金属製のパイプを、鋳型内に注下され徐々に上昇する溶湯の湯面の上昇に合わせて、上昇するようにした装置構成とすることも可能である。
また、前記誘導溶解炉は、炉底から出湯可能な真空誘導炉などとしても良い。
更に、前記金属製のパイプは、断面ほぼ角形や、断面ほぼ正多角形のものとしても良い。
また、前記鋳型は、底板と側壁とが一体とされた形態としても良い。
加えて、前記テーブルの昇降手段には、油圧シリンダを含む複数の流体圧シリンダを併有し且つこれらのピストンロッドを同期して進退させる形態や、あるいは、パンタグラフ式の機構を有し、その上部にテーブルを水平に支持する形態としても良い。

本発明の造塊装置および造塊方法の工程を示す概略図。 図１に続く造塊方法の工程を示す概略図。 図２に続く造塊方法の工程を示す概略図。

符号の説明

１……………造塊装置
２……………誘導溶解炉
４……………炉底
８……………Ｔｉ（金属）製のパイプ
８ｅ…………Ｔｉ（金属）製のパイプの下端
１０…………鋳型
１２…………テーブル
Ｍ１…………溶湯
Ｍ３〜Ｍ７…溶湯ないし鋳塊
Ｍ８…………鋳塊（インゴット）

Claims (4)

1. 誘導溶解炉で溶解したＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの溶湯を前記溶解炉の炉底から出湯して注下させ、
   注下する上記溶湯を上記溶解炉に対して相対的に下降する鋳型に注湯すると共に、
   注下する上記溶湯の周囲を、上記溶解炉の炉底付近から上記鋳型の内側に垂下された金属製のパイプで囲う、
   ことを特徴とするＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊方法。
2. 前記鋳型の下降は、その内側に注湯された前記溶湯の湯面の上昇に合わせて行われると共に、前記金属製のパイプの下端は、上記溶湯中に浸漬されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊方法。
3. Ｔｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌを溶解し且つこれらの溶湯を炉底から出湯させる誘導溶解炉と、
   上記誘導溶解炉の下方に配置され、上記溶解炉に対して相対的に下降可能とされた鋳型と、
   上記溶解炉の炉底付近から上記鋳型の内側に垂下された金属製のパイプと、を含む、
   ことを特徴とするＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊装置。
4. 前記鋳型は、昇降可能なテーブル上に支持されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載のＴｉ、Ｔｉ合金、またはＴｉＡｌの造塊装置。

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