消耗電極式真空アーク溶解方法及びその装置
【課題】溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得るに際し、溶解中の溶解炉内を目視観察できない場合でも、炉内の溶解状態を的確、かつ確実に把握し、必要に応じて溶解炉の動作を制御することができるようにした、消耗電極式真空アーク溶解方法及びその装置を提供すること。
【解決手段】溶解炉１内でアークＢを発生させて溶解用電極Ａを溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊Ｄを得る消耗電極式真空アーク溶解装置において、溶解炉１内部の熱画像を取得する赤外線カメラ１１と、赤外線カメラ１１で取得した熱画像を取り込み、前記熱画像から炉内温度情報を得る画像処理装置１２と、赤外線カメラ１１で取得した熱画像又は前記画像処理装置１２で得た炉内温度情報に基づいて炉内の溶解状態を判断し、該溶解状態に基づいて前記溶解炉１の動作を制御する制御装置１４とを備える。
【解決手段】溶解炉１内でアークＢを発生させて溶解用電極Ａを溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊Ｄを得る消耗電極式真空アーク溶解装置において、溶解炉１内部の熱画像を取得する赤外線カメラ１１と、赤外線カメラ１１で取得した熱画像を取り込み、前記熱画像から炉内温度情報を得る画像処理装置１２と、赤外線カメラ１１で取得した熱画像又は前記画像処理装置１２で得た炉内温度情報に基づいて炉内の溶解状態を判断し、該溶解状態に基づいて前記溶解炉１の動作を制御する制御装置１４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得る消耗電極式真空アーク溶解方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高融点金属の一例として、チタンやそのチタン合金は、軽量性、耐熱性、耐腐食性などに優れた特性を有することから、化学・電気プラント、航空機、スポーツ用品などの様々な分野で高付加価値製品に欠かせない金属素材として使用されている。
【０００３】
チタン又チタン合金からなるチタン鋳塊の製造には、消耗電極式真空アーク溶解法（ＶＡＲ法）が多用されている。このＶＡＲ法では、高真空雰囲気中、あるいは、Ａｒ又はＨｅガス雰囲気中において溶解炉の水冷銅るつぼ内で、消耗性電極である棒状の溶解用電極と溶融プールとの間にアーク（直流アーク）を発生させて、熱源であるアーク熱により溶解用電極先端部が溶解し、溶融プールが形成される。溶融プールは下方から冷却されて凝固し、溶解用電極の溶解とともに鋳塊が上方に成長することとなる。
【０００４】
ＶＡＲ法では、通常、溶解を２回あるいは３回と繰り返すことにより、チタン鋳塊の成分の均一化が図られている。最初の溶解を一次溶解と称し、一次溶解では、スポンジチタンや合金原料をプレス形成し、これらをプラズマアーク溶接して製作した溶解用電極が使用される。前記スポンジチタンはクロール法で製造されている。クロール法は、酸化チタン（ＴｉＯ２）を一旦ＴｉＣｌ４に転換し、これをＭｇで還元して純チタンを得る精錬法である。
【０００５】
ところが、このＶＡＲ法による一次溶解によってチタン鋳塊を製造するに際し、溶解用電極の溶解中に、前記クロール法で製造されたスポンジチタンに残留している不純物が蒸発して溶解用電極から微粒子が発生する場合がある。
【０００６】
この場合、溶解炉内が、前記蒸発微粒子があたかも噴霧され拡散されたような蒸発微粒子の噴霧状態を呈することとなる。その結果、溶解炉上部の観察窓を通して水冷銅るつぼの内部状態を目視観察できないという不都合が生じていた。
【０００７】
このため、アーク発生状態が不安定となり、溶解用電極と水冷銅るつぼとの間にアークが発生している異常な状態が発生しても、目視観察によって直接に把握することができず、電極電圧のモニタリングによって間接的にしか知ることができなかった。すなわち、このような溶解挙動異常を確実に把握し、かつ、その対応を行うという点において、改善すべき点があった。
【０００８】
また、ＶＡＲ法による一次溶解によってチタン鋳塊を製造するに際し、歩留を低下させないようにするため、溶解用電極をその溶解終了側端面の限界まで溶解するための工夫として、溶解用電極の溶解終了側端面に円形凹部を設けて溶解終了側端部の断面積を小さくしている。すなわち、溶解終了時には、溶解用電極の溶解が前記円形凹部にまで到達したことを電極電圧の変化から間接的に検知することで、溶解終了のタイミングを決定するようにしている。あるいは、溶解原理を考慮して計算によって算出した溶解終了電極位置になったことを溶解開始からの積算時間から知り、溶解終了のタイミングを決定するようにしている。
【０００９】
しかしながら、これらの溶解終了のタイミングを把握するやり方は、溶解用電極の溶解が溶解終了側端面近くにまで進行したことを間接的に把握するようにしたものであり、的確、かつ確実に溶解用電極の所望の溶解終了位置を把握できるようにするという点において改善の余地があった。
【００１０】
なお、溶解終了に先立ち、溶解の末期には、溶解電流（アーク電流）を徐々に低下させる「ホットトップ操作」が行われる。このホットトップ操作は、鋳塊を急激に凝固させないようにすることで、凝固末期のひけ巣などの凝固欠陥の発生を防止するためのものである。
【００１１】
このホットトップ操作に関して、特開２００７−３２２０５７号公報（特許文献１）には、溶解用電極の溶解終端部である頂部に、第１の切欠きとこれよりも長さの短い第２の切欠きとを設けておき、これらの形状の変化を検知して溶解末期に行うホットトップ操作の開始時期及び終了時期を把握する方法が開示されている。
【００１２】
しかしながら、この方法は、目視観察によって前記形状変化を検知するようにしたものであるから、前述したところの、溶解中の水冷銅るつぼの内部状態を目視観察できないような場合には、適用がむずかしいと考えられる方法である。
【００１３】
ところで、ＶＡＲ法による一次溶解によってチタン鋳塊を製造するにあたり、溶解中に上方より水冷銅るつぼと溶解用電極との間に、溶解炉の炉外に設置されたチャージ原料ホッパーからチャージ原料を投入しつつ溶解を行うチャージ式溶解法が知られている。このチャージ式溶解法では、前記チャージ原料として再生スクラップやスポンジチタン原料が使用されており、溶解用電極とチャージ原料との比は、６０：４０であり、スクラップの利用が容易という優れた利点がある。チャージ式溶解法では、チャージ原料を連続的に定量投入するようにしている。
【００１４】
このチャージ式溶解法では、従来、そのチャージ原料投入量は、仕様に基づく計算値、操業実績データなどに基づいて予め設定されており、チタン鋳塊での成分偏析の原因のひとつとなるチャージ原料投入量に起因する溶融プールの温度低下を溶解中において防止するためのより確実な手段が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００７−３２２０５７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで、本発明の課題は、溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得るに際し、溶解中の溶解炉内を目視観察できない場合でも、炉内の溶解状態を的確、かつ確実に把握し、必要に応じて溶解炉の動作を制御することができるようにした、消耗電極式真空アーク溶解方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１８】
請求項１の発明は、溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得る消耗電極式真空アーク溶解方法において、前記溶解炉内部の熱画像を取得し、該熱画像に基づいて炉内温度情報を取得し、前記熱画像又は前記炉内温度情報に基づいて炉内の溶解状態を判断し、該溶解状態に基づいて前記溶解炉の動作を制御することを特徴とする消耗電極式真空アーク溶解方法である。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１記載の消耗電極式真空アーク溶解方法において、前記溶解状態が、前記溶解用電極の溶解中における溶解挙動異常の有無、又は、溶解終了のタイミングの到達の有無を含むことを特徴とするものである。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の消耗電極式真空アーク溶解方法において、前記溶解炉が、溶解中に上方より前記溶解用電極近傍にチャージ原料を投入しつつ溶解を行うチャージ式の溶解炉であることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項３記載の消耗電極式真空アーク溶解方法において、前記溶解状態が、前記炉内温度情報に基づくチャージ原料投入量の適否を含み、前記溶解状態に基づいてチャージ原料投入量を制御することを特徴とするものである。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の消耗電極式真空アーク溶解方法において、前記高融点金属が、チタン、ジルコニウム、鉄、ニッケル、タンタル、ハフニウム又はこれらの合金であることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項６の発明は、溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得る消耗電極式真空アーク溶解装置において、前記溶解炉内部の熱画像を取得する撮像手段と、前記撮像手段で取得した熱画像を取り込み、前記熱画像から炉内温度情報を得る画像処理装置と、前記撮像手段で取得した熱画像又は前記画像処理装置で得た炉内温度情報に基づいて炉内の溶解状態を判断し、該溶解状態に基づいて前記溶解炉の動作を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする消耗電極式真空アーク溶解装置である。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項６記載の消耗電極式真空アーク溶解装置において、前記制御装置が判断する前記溶解状態が、前記溶解用電極の溶解中における溶解挙動異常の有無、又は、溶解終了のタイミングの到達の有無を含むことを特徴とするものである。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項６又は７記載の消耗電極式真空アーク溶解装置において、炉外にチャージ原料ホッパーとチャージ原料供給装置とを備え、前記チャージ原料ホッパーからのチャージ原料を前記チャージ原料供給装置によって上方より前記溶解用電極近傍に投入しつつ溶解を行うチャージ式の溶解炉であることを特徴とするものである。
【００２６】
請求項９の発明は、請求項８記載の消耗電極式真空アーク溶解装置において、前記制御装置は、前記溶解状態として前記炉内温度情報に基づいてチャージ原料投入量の適否を演算し、前記溶解状態に基づいてチャージ原料投入量を変更するように前記チャージ原料供給装置に対する制御を行うことを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１０の発明は、請求項６〜９のいずれか１項に記載の消耗電極式真空アーク溶解装置において、前記高融点金属が、チタン、ジルコニウム、鉄、ニッケル、タンタル、ハフニウム又はこれらの合金であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の消耗電極式真空アーク溶解方法又は消耗電極式真空アーク溶解装置は、溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得るに際し、溶解中の溶解炉の内部状態を熱画像として取得し、その取得した熱画像又は該熱画像に基づく炉内温度情報から溶解炉内の溶解状態を判断し、この溶解状態に基づいて溶解炉の動作を制御するようにしている。
【００２９】
これにより、溶解中の溶解炉内を目視観察できない場合でも、溶解用電極の溶解中における溶解挙動異常の有無を的確、かつ確実に把握することができるので、例えば、アーク発生異常を素早く検知して対策を講じることができる。また、溶解用電極の溶解終了のタイミングの到達を的確、かつ確実に把握することができるので、溶解用電極をその限度ぎりぎりまで使い切ることができて、金属鋳塊の歩留を高く維持することができる。
【００３０】
また、本発明の消耗電極式真空アーク溶解方法又は消耗電極式真空アーク溶解装置においてチャージ式の溶解炉を備えたものでは、前記炉内温度情報に基づいてチャージ原料投入量の適否を判断してチャージ原料投入量の制御を行なうようにしている。
【００３１】
これにより、前記の効果に加えて、溶融プールの温度が所定温度を下回らないように溶解中においてチャージ原料投入量を調整することで、成分偏析のない品質の良好な金属鋳塊を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態による消耗電極式真空アーク溶解装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】図１に示す消耗電極式真空アーク溶解装置の動作フローを示すフロー図である。
【図３】図２における電極位置自動調整処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図４】図２における溶解挙動異常判断処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図５】図２におけるチャージ原料投入量調整処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】図２における溶解終了電極位置判断処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図７】赤外線カメラによる水冷銅るつぼの内部状態を示す熱画像の一例を模式的に示す図である。
【図８】赤外線カメラによる水冷銅るつぼの内部状態を示す熱画像の一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態による消耗電極式真空アーク溶解装置の全体構成を概略的に示す図である。
【００３４】
図１に示す消耗電極式真空アーク溶解装置は、チャージ式溶解法を用いたＶＡＲ法による一次溶解によってチタン鋳塊を製造する溶解装置であり、チャージ式の溶解炉１を備えている。
【００３５】
前記溶解炉１は、円筒状をなす水冷銅るつぼ２を備えている。この水冷銅るつぼ２は、その外周に冷却水が流される冷却ジャケット（図示せず）が装着されている。水冷銅るつぼ２の上側に、水冷銅るつぼ２とともに溶解室を構成する炉上部体３が設けられている。炉上部体３には、溶解の際に溶解室内を真空又は不活性ガス雰囲気とするため、図示しないバルブを介して真空排気系に連絡している排気管４が接続されるとともに、不活性ガス導入管（図示せず）が接続されている。また、炉上部体３の天井壁には、水冷銅るつぼ２の内部状態を観察するための複数個（図例では２個）の観察窓５ａ，５ｂが設けられている。
【００３６】
また、円柱状をなす溶解用電極Ａは、電極駆動装置７によって昇降される電極支持棒６で支持されており、水冷銅るつぼ２内に配置される。溶解用電極Ａは、電極支持棒６の先端に取り付けられたスタブ（スターティングブロック）６ａに接続されている。そして、図示しないアーク電源装置から、水冷銅るつぼ２と溶解用電極Ａとの間に、水冷銅るつぼの側が正となるように直流の電圧が印加されるようになっている。溶解が開始されると、溶融プールＣとの間で所定の電極電圧（アーク電圧）が維持されるようにして、電極駆動装置７によって溶解用電極Ａが下降されるようになっている。なお、図１において、符号Ｂは溶解用電極Ａと溶融プールＣとの間に発生させるアーク、符号Ｄは溶融プールＣが凝固して得られるチタン鋳塊を示す。
【００３７】
前記炉上部体３の外側上方には、前述の再生スクラップやスポンジチタン原料からなるチャージ原料が貯留されたチャージ原料ホッパー８と、チャージ原料ホッパー８からチャージ原料を引き出し、搬送シュート１０を経て、水冷銅るつぼ２と溶解用電極Ａとの間に供給するための、スクリューフィーダ駆動部９ａを有するスクリューフィーダ９（チャージ原料供給装置）とが設けられている。
【００３８】
このように、チャージ原料を投入しつつ該チャージ原料と溶解用電極Ａとを溶解させるチャージ式の溶解炉１は、溶解室を構成する前記水冷銅るつぼ２、前記真空排気系、前記アーク電源装置、溶解用電極Ａの前記電極駆動装置７、チャージ原料供給装置としてのスクリューフィーダ９などを備えている。
【００３９】
１１は、前記観察窓５ａを通して溶解中の水冷銅るつぼ２の内部状態を熱画像としてとらえる撮像手段としての赤外線カメラである。赤外線カメラ１１は、水冷銅るつぼ２の内部を種々の異なる視野角度からとらえることが可能なように、可動となっている。なお、赤外線カメラ１１は、図例では１台としてあるが、必要に応じて複数の観察窓にそれぞれ設置するようにすればよい。
【００４０】
図７は赤外線カメラ１１による水冷銅るつぼ２の内部状態を示す熱画像の一例を模式的に示す図である。赤外線カメラ１１によると、溶解用電極Ａから発生する前述した蒸発微粒子のために水冷銅るつぼ２の内部状態を観察窓５ａ，５ｂから目視観察できない場合でも、図７に示すように、溶解中の水冷銅るつぼ２の内部における水冷銅るつぼ内壁面２ａ、溶融プールＣ、溶解用電極Ａの先端部をとらえることができる。なお、溶解用電極Ａ先端外周でのアークの挙動もとらえることができる。
【００４１】
１２は画像処理装置である。画像処理装置１２は、前記赤外線カメラ１１でとらえた熱画像を取り込み、該熱画像から水冷銅るつぼ２内部の炉内温度情報を求めるとともに、表示のため熱画像をビデオ信号に変換して表示装置１３へ出力することなどを行なうものである。この画像処理装置１２は、前記炉内温度情報として、例えば、水冷銅るつぼ２内部における水冷銅るつぼ内壁面２ａ、溶融プールＣ表面及び溶解用電極Ａ表面の各温度を示す温度分布データを求め、この温度分布データと、水冷銅るつぼ内壁面２ａ、溶融プールＣ、溶解用電極Ａ及びアークＢの発生状態をとらえた水冷銅るつぼ２の内部状態を示す前記熱画像とを制御装置１４へ与えるようになっている。
【００４２】
制御装置１４は、画像処理装置１２からの前記熱画像と前記温度分布データとに基づいて、水冷銅るつぼ２内部の溶解状態を判断し、後述するように、該溶解状態に基づいて溶解炉１の動作を制御するものである。
【００４３】
次に、前記制御装置１４による溶解炉１の動作の制御について説明する。図２は図１に示す消耗電極式真空アーク溶解装置の動作フローの一例を示すフロー図である。
【００４４】
図２に示すように、溶解炉１では、溶解用電極Ａに通電が行なわれて溶解が開始され、溶解開始直後に初期溶融プールが形成されると、水冷銅るつぼ２と溶解用電極Ａとの間にチャージ原料ホッパー８からのチャージ原料を投入するサイドチャージが開始される。このサイドチャージ開始によって、水冷銅るつぼ２内で溶解用電極Ａと溶融プールＣとの間に発生しているアークＢを熱源として、消耗電極である溶解用電極Ａの先端部からの溶解と前記投入されたチャージ原料の溶解とが始まる。
【００４５】
サイドチャージは、例えばサイドチャージ開始から予め設定された時間にわたって行なわれようになっており、溶解末期に近づくと終了となる。そして、このサイドチャージ開始からサイドチャージ終了までにわたって、図２に示すように、制御装置１４により、電極位置調整処理、溶解挙動異常判断処理及びチャージ原料投入量調整処理が行なわれる。これらの処理については後述する。
【００４６】
溶解末期に近づきサイドチャージ終了ののち、先に述べた、溶解電流（アーク電流）を徐々に低下させるホットトップ操作が行われる。そして、このホットトップ操作の後に、溶解用電極Ａへの通電を停止する溶解終了に先立ち、制御装置１４による後述の溶解終了電極位置判断処理が行なわれる。
【００４７】
次に、図３を参照して、制御装置１４による前記電極位置調整処理について説明する。図３は図２における電極位置調整処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【００４８】
制御装置１４による電極位置調整処理は、従来方法と同様である。制御装置１４では、電極電圧をモニタリングして、その電極電圧測定値が設定電圧範囲から外れているか否かを判断する（ステップＳ１０１）。電極電圧測定値が設定電圧範囲から外れている場合には（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、ステップＳ１０３に進み、ここで、電極電圧測定値が設定電圧範囲となるように、前記電極駆動装置７に対する制御を行なって溶解用電極Ａの下降速度を調整し、ステップＳ１０１へ戻る。前記ステップＳ１０３では、電極電圧測定値が設定電圧範囲よりも高いときには、溶解用電極Ａの下降速度を増加し、電極電圧測定値が設定電圧範囲よりも低いときには、溶解用電極Ａの下降速度を下げる。
【００４９】
一方、電極電圧測定値が設定電圧範囲内であれば（ステップＳ１０１でＮＯ）、ステップＳ１０２に進み、サイドチャージ終了でなければ（ステップＳ１０２でＮＯ）、ステップＳ１０１へ戻る。サイドチャージ終了であれば（ステップＳ１０２でＹＥＳ）、電極位置調整処理を終了する。
【００５０】
次に、図４を参照して、制御装置１４による前記溶解挙動異常判断処理について説明する。図４は図２における溶解挙動異常判断処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【００５１】
制御装置１４では、画像処理装置１２からの温度分布データのうち、水冷銅るつぼ内壁面２ａの表面温度が予め定められた設定温度Ｔ１よりも上昇しているか否かを判断する（ステップＳ２０１）。水冷銅るつぼ内壁面２ａの表面温度が設定温度Ｔ１よりも上昇している場合（ステップＳ２０１でＹＥＳ）には、アーク発生状態が不安定となって前記電極位置調整処理が機能せずに、溶解用電極Ａと水冷銅るつぼ２との間にアークが発生している異常な状態が継続していることが考えられるので、安全操業のため、直ちにアーク電源装置への通電停止指令の出力など溶解炉非常停止処理を行なう（ステップＳ２０３）。
【００５２】
一方、水冷銅るつぼ内壁面２ａの表面温度が設定温度Ｔ１を超えていなければ（ステップＳ２０１でＮＯ）、ステップＳ２０２に進み、サイドチャージ終了でなければ（ステップＳ２０２でＮＯ）、ステップＳ２０１へ戻る。サイドチャージ終了であれば（ステップＳ２０２でＹＥＳ）、溶解挙動異常判断処理を終了する。
【００５３】
これにより、溶解用電極Ａから発生する前述した蒸発微粒子のために水冷銅るつぼ２の内部状態を目視観察できない場合でも、溶解用電極Ａの溶解中における溶解挙動異常のひとつとして、溶解用電極Ａと水冷銅るつぼ２との間に発生するアークによる水冷銅るつぼ２の表面温度の異常上昇を早期に確実に把握することができるので、安全操業に寄与することができる。
【００５４】
なお、この図４の例では、溶解状態として、溶解用電極Ａの溶解中における溶解挙動異常の有無を判断し、その判断は炉内温度情報（温度分布データ）に基づいたが、溶解用電極Ａ先端外周でのアークの挙動を赤外線カメラ１１でとらえた熱画像に基づいて判断してもよい。
【００５５】
次に、図５を参照して、制御装置１４による前記チャージ原料投入量調整処理について説明する。図５は図２におけるチャージ原料投入量調整処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【００５６】
制御装置１４では、画像処理装置１２からの温度分布データのうち、溶融プールＣの表面温度が予め定められた設定温度Ｔ２よりも低下しているか否かを判断する（ステップＳ３０１）。溶融プールＣの表面温度が設定温度Ｔ２より低下している場合（ステップＳ３０１でＹＥＳ）には、チャージ原料投入量が過多であると考えられるので、ステップＳ３０３に進む。ステップＳ３０３で、チャージ原料投入量を所定量減少させるように前記スクリューフィーダ駆動部９ａに対する制御を行なう。そして、ステップＳ３０３でのチャージ原料投入量減少の結果の適否がわかる所定時間経過してから、ステップＳ３０１へ戻る。
【００５７】
一方、溶融プールＣの表面温度が設定温度Ｔ２より低下していなければ（ステップＳ３０１でＮＯ）、ステップＳ３０２に進み、サイドチャージ終了でなければ（ステップＳ３０２でＮＯ）、ステップＳ３０１へ戻る。サイドチャージ終了であれば（ステップＳ３０２でＹＥＳ）、チャージ原料投入量調整処理を終了する。
【００５８】
これにより、溶融プールＣの温度が所定温度（Ｔ２）を下回らないように溶解中においてチャージ原料投入量を調整することで、成分偏析のない品質の良好なチタン鋳塊を得ることができる。
【００５９】
次に、図６，図８を参照して、制御装置１４による前記溶解終了電極位置判断処理について説明する。図６は図２における溶解終了電極位置判断処理の手順の一例を示すフローチャート、図８は赤外線カメラによる水冷銅るつぼの内部状態を示す熱画像の一例を模式的に示す図である。
【００６０】
溶解が進行して溶解末期になると、図８に示すように、熱画像として、水冷銅るつぼ内壁面２ａ、溶融プールＣ及び溶解用電極Ａの先端部に加えて、前記のスタブ６ａをとらえることができる。
【００６１】
制御装置１４では、熱画像の画面上にスタブ６ａをとらえると、それ以後は、溶解用電極Ａが所定の溶解終了電極位置に到達したか否かを判断する（ステップＳ４０１）。溶解用電極Ａが所定の溶解終了電極位置に到達していなければ（ステップＳ４０１でＮＯ）、再度ステップＳ４０１へ戻る。
【００６２】
溶解がさらに進行して、溶解用電極Ａが所定の溶解終了電極位置に到達すると（ステップＳ４０１でＹＥＳ）、ステップＳ４０２に進み、ここで、アーク電源装置への通電停止を出力する。
【００６３】
これにより、溶解用電極Ａから発生する前述した蒸発微粒子のために水冷銅るつぼ２の内部状態を目視観察できない場合でも、溶解用電極Ａの溶解終了のタイミングの到達を的確、かつ確実に把握することができるので、溶解用電極Ａをその限度ぎりぎりまで使い切ることができて、チタン鋳塊の歩留を高く維持することができる。
【００６４】
前記の実施形態では、制御装置１４が、画像処理装置１２からの熱画像と温度分布データとに基づいて、水冷銅るつぼ２内部の溶解状態を判断し、溶解炉１の動作を制御するものであったが、前記表示装置１３に表示された熱画像を操作者が目視で確認し、溶解状態を判断して、溶解炉１の動作を制御するための命令を制御装置１４に入力する方法を別途実施あるいは併用してもよい。
【００６５】
また、前記の実施形態では、チャージ式の溶解炉１を使用した例について説明したが、本発明の方法又は装置は、チャージ原料供給装置によるチャージ原料の投入を伴わない溶解炉に適用できることはもちろんのことであり、この場合には、図２に示した動作フローにおいて、サイドチャージに関するフロー及びチャージ原料投入量調整処理（図５）が除外される。
【００６６】
また、本発明の方法又は装置は、前記の一次溶解のみならず、二次溶解以降においても同様に適用することができる。
【００６７】
また、前記の実施形態では高融点金属がチタン又チタン合金である場合について説明したが、本発明の方法又は装置は、高融点金属が、ジルコニウム、鉄、ニッケル、タンタル、ハフニウム又はこれらの合金であるものについても適用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１…チャージ式の溶解炉
２…水冷銅るつぼ ２ａ…水冷銅るつぼ内壁面
３…炉上部体
４…排気管
５ａ，５ｂ…観察窓
６…電極支持棒 ６ａ…スタブ
７…電極駆動装置
８…チャージ原料ホッパー
９…スクリューフィーダ ９ａ…スクリューフィーダ駆動部
１０…搬送シュート
１１…赤外線カメラ
１２…画像処理装置
１３…表示装置
１４…制御装置
Ａ…溶解用電極
Ｂ…アーク
Ｃ…溶融プール
Ｄ…チタン鋳塊
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得る消耗電極式真空アーク溶解方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高融点金属の一例として、チタンやそのチタン合金は、軽量性、耐熱性、耐腐食性などに優れた特性を有することから、化学・電気プラント、航空機、スポーツ用品などの様々な分野で高付加価値製品に欠かせない金属素材として使用されている。
【０００３】
チタン又チタン合金からなるチタン鋳塊の製造には、消耗電極式真空アーク溶解法（ＶＡＲ法）が多用されている。このＶＡＲ法では、高真空雰囲気中、あるいは、Ａｒ又はＨｅガス雰囲気中において溶解炉の水冷銅るつぼ内で、消耗性電極である棒状の溶解用電極と溶融プールとの間にアーク（直流アーク）を発生させて、熱源であるアーク熱により溶解用電極先端部が溶解し、溶融プールが形成される。溶融プールは下方から冷却されて凝固し、溶解用電極の溶解とともに鋳塊が上方に成長することとなる。
【０００４】
ＶＡＲ法では、通常、溶解を２回あるいは３回と繰り返すことにより、チタン鋳塊の成分の均一化が図られている。最初の溶解を一次溶解と称し、一次溶解では、スポンジチタンや合金原料をプレス形成し、これらをプラズマアーク溶接して製作した溶解用電極が使用される。前記スポンジチタンはクロール法で製造されている。クロール法は、酸化チタン（ＴｉＯ２）を一旦ＴｉＣｌ４に転換し、これをＭｇで還元して純チタンを得る精錬法である。
【０００５】
ところが、このＶＡＲ法による一次溶解によってチタン鋳塊を製造するに際し、溶解用電極の溶解中に、前記クロール法で製造されたスポンジチタンに残留している不純物が蒸発して溶解用電極から微粒子が発生する場合がある。
【０００６】
この場合、溶解炉内が、前記蒸発微粒子があたかも噴霧され拡散されたような蒸発微粒子の噴霧状態を呈することとなる。その結果、溶解炉上部の観察窓を通して水冷銅るつぼの内部状態を目視観察できないという不都合が生じていた。
【０００７】
このため、アーク発生状態が不安定となり、溶解用電極と水冷銅るつぼとの間にアークが発生している異常な状態が発生しても、目視観察によって直接に把握することができず、電極電圧のモニタリングによって間接的にしか知ることができなかった。すなわち、このような溶解挙動異常を確実に把握し、かつ、その対応を行うという点において、改善すべき点があった。
【０００８】
また、ＶＡＲ法による一次溶解によってチタン鋳塊を製造するに際し、歩留を低下させないようにするため、溶解用電極をその溶解終了側端面の限界まで溶解するための工夫として、溶解用電極の溶解終了側端面に円形凹部を設けて溶解終了側端部の断面積を小さくしている。すなわち、溶解終了時には、溶解用電極の溶解が前記円形凹部にまで到達したことを電極電圧の変化から間接的に検知することで、溶解終了のタイミングを決定するようにしている。あるいは、溶解原理を考慮して計算によって算出した溶解終了電極位置になったことを溶解開始からの積算時間から知り、溶解終了のタイミングを決定するようにしている。
【０００９】
しかしながら、これらの溶解終了のタイミングを把握するやり方は、溶解用電極の溶解が溶解終了側端面近くにまで進行したことを間接的に把握するようにしたものであり、的確、かつ確実に溶解用電極の所望の溶解終了位置を把握できるようにするという点において改善の余地があった。
【００１０】
なお、溶解終了に先立ち、溶解の末期には、溶解電流（アーク電流）を徐々に低下させる「ホットトップ操作」が行われる。このホットトップ操作は、鋳塊を急激に凝固させないようにすることで、凝固末期のひけ巣などの凝固欠陥の発生を防止するためのものである。
【００１１】
このホットトップ操作に関して、特開２００７−３２２０５７号公報（特許文献１）には、溶解用電極の溶解終端部である頂部に、第１の切欠きとこれよりも長さの短い第２の切欠きとを設けておき、これらの形状の変化を検知して溶解末期に行うホットトップ操作の開始時期及び終了時期を把握する方法が開示されている。
【００１２】
しかしながら、この方法は、目視観察によって前記形状変化を検知するようにしたものであるから、前述したところの、溶解中の水冷銅るつぼの内部状態を目視観察できないような場合には、適用がむずかしいと考えられる方法である。
【００１３】
ところで、ＶＡＲ法による一次溶解によってチタン鋳塊を製造するにあたり、溶解中に上方より水冷銅るつぼと溶解用電極との間に、溶解炉の炉外に設置されたチャージ原料ホッパーからチャージ原料を投入しつつ溶解を行うチャージ式溶解法が知られている。このチャージ式溶解法では、前記チャージ原料として再生スクラップやスポンジチタン原料が使用されており、溶解用電極とチャージ原料との比は、６０：４０であり、スクラップの利用が容易という優れた利点がある。チャージ式溶解法では、チャージ原料を連続的に定量投入するようにしている。
【００１４】
このチャージ式溶解法では、従来、そのチャージ原料投入量は、仕様に基づく計算値、操業実績データなどに基づいて予め設定されており、チタン鋳塊での成分偏析の原因のひとつとなるチャージ原料投入量に起因する溶融プールの温度低下を溶解中において防止するためのより確実な手段が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００７−３２２０５７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで、本発明の課題は、溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得るに際し、溶解中の溶解炉内を目視観察できない場合でも、炉内の溶解状態を的確、かつ確実に把握し、必要に応じて溶解炉の動作を制御することができるようにした、消耗電極式真空アーク溶解方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１８】
請求項１の発明は、溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得る消耗電極式真空アーク溶解方法において、前記溶解炉内部の熱画像を取得し、該熱画像に基づいて炉内温度情報を取得し、前記熱画像又は前記炉内温度情報に基づいて炉内の溶解状態を判断し、該溶解状態に基づいて前記溶解炉の動作を制御することを特徴とする消耗電極式真空アーク溶解方法である。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１記載の消耗電極式真空アーク溶解方法において、前記溶解状態が、前記溶解用電極の溶解中における溶解挙動異常の有無、又は、溶解終了のタイミングの到達の有無を含むことを特徴とするものである。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の消耗電極式真空アーク溶解方法において、前記溶解炉が、溶解中に上方より前記溶解用電極近傍にチャージ原料を投入しつつ溶解を行うチャージ式の溶解炉であることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項３記載の消耗電極式真空アーク溶解方法において、前記溶解状態が、前記炉内温度情報に基づくチャージ原料投入量の適否を含み、前記溶解状態に基づいてチャージ原料投入量を制御することを特徴とするものである。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の消耗電極式真空アーク溶解方法において、前記高融点金属が、チタン、ジルコニウム、鉄、ニッケル、タンタル、ハフニウム又はこれらの合金であることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項６の発明は、溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得る消耗電極式真空アーク溶解装置において、前記溶解炉内部の熱画像を取得する撮像手段と、前記撮像手段で取得した熱画像を取り込み、前記熱画像から炉内温度情報を得る画像処理装置と、前記撮像手段で取得した熱画像又は前記画像処理装置で得た炉内温度情報に基づいて炉内の溶解状態を判断し、該溶解状態に基づいて前記溶解炉の動作を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする消耗電極式真空アーク溶解装置である。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項６記載の消耗電極式真空アーク溶解装置において、前記制御装置が判断する前記溶解状態が、前記溶解用電極の溶解中における溶解挙動異常の有無、又は、溶解終了のタイミングの到達の有無を含むことを特徴とするものである。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項６又は７記載の消耗電極式真空アーク溶解装置において、炉外にチャージ原料ホッパーとチャージ原料供給装置とを備え、前記チャージ原料ホッパーからのチャージ原料を前記チャージ原料供給装置によって上方より前記溶解用電極近傍に投入しつつ溶解を行うチャージ式の溶解炉であることを特徴とするものである。
【００２６】
請求項９の発明は、請求項８記載の消耗電極式真空アーク溶解装置において、前記制御装置は、前記溶解状態として前記炉内温度情報に基づいてチャージ原料投入量の適否を演算し、前記溶解状態に基づいてチャージ原料投入量を変更するように前記チャージ原料供給装置に対する制御を行うことを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１０の発明は、請求項６〜９のいずれか１項に記載の消耗電極式真空アーク溶解装置において、前記高融点金属が、チタン、ジルコニウム、鉄、ニッケル、タンタル、ハフニウム又はこれらの合金であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の消耗電極式真空アーク溶解方法又は消耗電極式真空アーク溶解装置は、溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得るに際し、溶解中の溶解炉の内部状態を熱画像として取得し、その取得した熱画像又は該熱画像に基づく炉内温度情報から溶解炉内の溶解状態を判断し、この溶解状態に基づいて溶解炉の動作を制御するようにしている。
【００２９】
これにより、溶解中の溶解炉内を目視観察できない場合でも、溶解用電極の溶解中における溶解挙動異常の有無を的確、かつ確実に把握することができるので、例えば、アーク発生異常を素早く検知して対策を講じることができる。また、溶解用電極の溶解終了のタイミングの到達を的確、かつ確実に把握することができるので、溶解用電極をその限度ぎりぎりまで使い切ることができて、金属鋳塊の歩留を高く維持することができる。
【００３０】
また、本発明の消耗電極式真空アーク溶解方法又は消耗電極式真空アーク溶解装置においてチャージ式の溶解炉を備えたものでは、前記炉内温度情報に基づいてチャージ原料投入量の適否を判断してチャージ原料投入量の制御を行なうようにしている。
【００３１】
これにより、前記の効果に加えて、溶融プールの温度が所定温度を下回らないように溶解中においてチャージ原料投入量を調整することで、成分偏析のない品質の良好な金属鋳塊を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態による消耗電極式真空アーク溶解装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】図１に示す消耗電極式真空アーク溶解装置の動作フローを示すフロー図である。
【図３】図２における電極位置自動調整処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図４】図２における溶解挙動異常判断処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図５】図２におけるチャージ原料投入量調整処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】図２における溶解終了電極位置判断処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図７】赤外線カメラによる水冷銅るつぼの内部状態を示す熱画像の一例を模式的に示す図である。
【図８】赤外線カメラによる水冷銅るつぼの内部状態を示す熱画像の一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態による消耗電極式真空アーク溶解装置の全体構成を概略的に示す図である。
【００３４】
図１に示す消耗電極式真空アーク溶解装置は、チャージ式溶解法を用いたＶＡＲ法による一次溶解によってチタン鋳塊を製造する溶解装置であり、チャージ式の溶解炉１を備えている。
【００３５】
前記溶解炉１は、円筒状をなす水冷銅るつぼ２を備えている。この水冷銅るつぼ２は、その外周に冷却水が流される冷却ジャケット（図示せず）が装着されている。水冷銅るつぼ２の上側に、水冷銅るつぼ２とともに溶解室を構成する炉上部体３が設けられている。炉上部体３には、溶解の際に溶解室内を真空又は不活性ガス雰囲気とするため、図示しないバルブを介して真空排気系に連絡している排気管４が接続されるとともに、不活性ガス導入管（図示せず）が接続されている。また、炉上部体３の天井壁には、水冷銅るつぼ２の内部状態を観察するための複数個（図例では２個）の観察窓５ａ，５ｂが設けられている。
【００３６】
また、円柱状をなす溶解用電極Ａは、電極駆動装置７によって昇降される電極支持棒６で支持されており、水冷銅るつぼ２内に配置される。溶解用電極Ａは、電極支持棒６の先端に取り付けられたスタブ（スターティングブロック）６ａに接続されている。そして、図示しないアーク電源装置から、水冷銅るつぼ２と溶解用電極Ａとの間に、水冷銅るつぼの側が正となるように直流の電圧が印加されるようになっている。溶解が開始されると、溶融プールＣとの間で所定の電極電圧（アーク電圧）が維持されるようにして、電極駆動装置７によって溶解用電極Ａが下降されるようになっている。なお、図１において、符号Ｂは溶解用電極Ａと溶融プールＣとの間に発生させるアーク、符号Ｄは溶融プールＣが凝固して得られるチタン鋳塊を示す。
【００３７】
前記炉上部体３の外側上方には、前述の再生スクラップやスポンジチタン原料からなるチャージ原料が貯留されたチャージ原料ホッパー８と、チャージ原料ホッパー８からチャージ原料を引き出し、搬送シュート１０を経て、水冷銅るつぼ２と溶解用電極Ａとの間に供給するための、スクリューフィーダ駆動部９ａを有するスクリューフィーダ９（チャージ原料供給装置）とが設けられている。
【００３８】
このように、チャージ原料を投入しつつ該チャージ原料と溶解用電極Ａとを溶解させるチャージ式の溶解炉１は、溶解室を構成する前記水冷銅るつぼ２、前記真空排気系、前記アーク電源装置、溶解用電極Ａの前記電極駆動装置７、チャージ原料供給装置としてのスクリューフィーダ９などを備えている。
【００３９】
１１は、前記観察窓５ａを通して溶解中の水冷銅るつぼ２の内部状態を熱画像としてとらえる撮像手段としての赤外線カメラである。赤外線カメラ１１は、水冷銅るつぼ２の内部を種々の異なる視野角度からとらえることが可能なように、可動となっている。なお、赤外線カメラ１１は、図例では１台としてあるが、必要に応じて複数の観察窓にそれぞれ設置するようにすればよい。
【００４０】
図７は赤外線カメラ１１による水冷銅るつぼ２の内部状態を示す熱画像の一例を模式的に示す図である。赤外線カメラ１１によると、溶解用電極Ａから発生する前述した蒸発微粒子のために水冷銅るつぼ２の内部状態を観察窓５ａ，５ｂから目視観察できない場合でも、図７に示すように、溶解中の水冷銅るつぼ２の内部における水冷銅るつぼ内壁面２ａ、溶融プールＣ、溶解用電極Ａの先端部をとらえることができる。なお、溶解用電極Ａ先端外周でのアークの挙動もとらえることができる。
【００４１】
１２は画像処理装置である。画像処理装置１２は、前記赤外線カメラ１１でとらえた熱画像を取り込み、該熱画像から水冷銅るつぼ２内部の炉内温度情報を求めるとともに、表示のため熱画像をビデオ信号に変換して表示装置１３へ出力することなどを行なうものである。この画像処理装置１２は、前記炉内温度情報として、例えば、水冷銅るつぼ２内部における水冷銅るつぼ内壁面２ａ、溶融プールＣ表面及び溶解用電極Ａ表面の各温度を示す温度分布データを求め、この温度分布データと、水冷銅るつぼ内壁面２ａ、溶融プールＣ、溶解用電極Ａ及びアークＢの発生状態をとらえた水冷銅るつぼ２の内部状態を示す前記熱画像とを制御装置１４へ与えるようになっている。
【００４２】
制御装置１４は、画像処理装置１２からの前記熱画像と前記温度分布データとに基づいて、水冷銅るつぼ２内部の溶解状態を判断し、後述するように、該溶解状態に基づいて溶解炉１の動作を制御するものである。
【００４３】
次に、前記制御装置１４による溶解炉１の動作の制御について説明する。図２は図１に示す消耗電極式真空アーク溶解装置の動作フローの一例を示すフロー図である。
【００４４】
図２に示すように、溶解炉１では、溶解用電極Ａに通電が行なわれて溶解が開始され、溶解開始直後に初期溶融プールが形成されると、水冷銅るつぼ２と溶解用電極Ａとの間にチャージ原料ホッパー８からのチャージ原料を投入するサイドチャージが開始される。このサイドチャージ開始によって、水冷銅るつぼ２内で溶解用電極Ａと溶融プールＣとの間に発生しているアークＢを熱源として、消耗電極である溶解用電極Ａの先端部からの溶解と前記投入されたチャージ原料の溶解とが始まる。
【００４５】
サイドチャージは、例えばサイドチャージ開始から予め設定された時間にわたって行なわれようになっており、溶解末期に近づくと終了となる。そして、このサイドチャージ開始からサイドチャージ終了までにわたって、図２に示すように、制御装置１４により、電極位置調整処理、溶解挙動異常判断処理及びチャージ原料投入量調整処理が行なわれる。これらの処理については後述する。
【００４６】
溶解末期に近づきサイドチャージ終了ののち、先に述べた、溶解電流（アーク電流）を徐々に低下させるホットトップ操作が行われる。そして、このホットトップ操作の後に、溶解用電極Ａへの通電を停止する溶解終了に先立ち、制御装置１４による後述の溶解終了電極位置判断処理が行なわれる。
【００４７】
次に、図３を参照して、制御装置１４による前記電極位置調整処理について説明する。図３は図２における電極位置調整処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【００４８】
制御装置１４による電極位置調整処理は、従来方法と同様である。制御装置１４では、電極電圧をモニタリングして、その電極電圧測定値が設定電圧範囲から外れているか否かを判断する（ステップＳ１０１）。電極電圧測定値が設定電圧範囲から外れている場合には（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、ステップＳ１０３に進み、ここで、電極電圧測定値が設定電圧範囲となるように、前記電極駆動装置７に対する制御を行なって溶解用電極Ａの下降速度を調整し、ステップＳ１０１へ戻る。前記ステップＳ１０３では、電極電圧測定値が設定電圧範囲よりも高いときには、溶解用電極Ａの下降速度を増加し、電極電圧測定値が設定電圧範囲よりも低いときには、溶解用電極Ａの下降速度を下げる。
【００４９】
一方、電極電圧測定値が設定電圧範囲内であれば（ステップＳ１０１でＮＯ）、ステップＳ１０２に進み、サイドチャージ終了でなければ（ステップＳ１０２でＮＯ）、ステップＳ１０１へ戻る。サイドチャージ終了であれば（ステップＳ１０２でＹＥＳ）、電極位置調整処理を終了する。
【００５０】
次に、図４を参照して、制御装置１４による前記溶解挙動異常判断処理について説明する。図４は図２における溶解挙動異常判断処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【００５１】
制御装置１４では、画像処理装置１２からの温度分布データのうち、水冷銅るつぼ内壁面２ａの表面温度が予め定められた設定温度Ｔ１よりも上昇しているか否かを判断する（ステップＳ２０１）。水冷銅るつぼ内壁面２ａの表面温度が設定温度Ｔ１よりも上昇している場合（ステップＳ２０１でＹＥＳ）には、アーク発生状態が不安定となって前記電極位置調整処理が機能せずに、溶解用電極Ａと水冷銅るつぼ２との間にアークが発生している異常な状態が継続していることが考えられるので、安全操業のため、直ちにアーク電源装置への通電停止指令の出力など溶解炉非常停止処理を行なう（ステップＳ２０３）。
【００５２】
一方、水冷銅るつぼ内壁面２ａの表面温度が設定温度Ｔ１を超えていなければ（ステップＳ２０１でＮＯ）、ステップＳ２０２に進み、サイドチャージ終了でなければ（ステップＳ２０２でＮＯ）、ステップＳ２０１へ戻る。サイドチャージ終了であれば（ステップＳ２０２でＹＥＳ）、溶解挙動異常判断処理を終了する。
【００５３】
これにより、溶解用電極Ａから発生する前述した蒸発微粒子のために水冷銅るつぼ２の内部状態を目視観察できない場合でも、溶解用電極Ａの溶解中における溶解挙動異常のひとつとして、溶解用電極Ａと水冷銅るつぼ２との間に発生するアークによる水冷銅るつぼ２の表面温度の異常上昇を早期に確実に把握することができるので、安全操業に寄与することができる。
【００５４】
なお、この図４の例では、溶解状態として、溶解用電極Ａの溶解中における溶解挙動異常の有無を判断し、その判断は炉内温度情報（温度分布データ）に基づいたが、溶解用電極Ａ先端外周でのアークの挙動を赤外線カメラ１１でとらえた熱画像に基づいて判断してもよい。
【００５５】
次に、図５を参照して、制御装置１４による前記チャージ原料投入量調整処理について説明する。図５は図２におけるチャージ原料投入量調整処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【００５６】
制御装置１４では、画像処理装置１２からの温度分布データのうち、溶融プールＣの表面温度が予め定められた設定温度Ｔ２よりも低下しているか否かを判断する（ステップＳ３０１）。溶融プールＣの表面温度が設定温度Ｔ２より低下している場合（ステップＳ３０１でＹＥＳ）には、チャージ原料投入量が過多であると考えられるので、ステップＳ３０３に進む。ステップＳ３０３で、チャージ原料投入量を所定量減少させるように前記スクリューフィーダ駆動部９ａに対する制御を行なう。そして、ステップＳ３０３でのチャージ原料投入量減少の結果の適否がわかる所定時間経過してから、ステップＳ３０１へ戻る。
【００５７】
一方、溶融プールＣの表面温度が設定温度Ｔ２より低下していなければ（ステップＳ３０１でＮＯ）、ステップＳ３０２に進み、サイドチャージ終了でなければ（ステップＳ３０２でＮＯ）、ステップＳ３０１へ戻る。サイドチャージ終了であれば（ステップＳ３０２でＹＥＳ）、チャージ原料投入量調整処理を終了する。
【００５８】
これにより、溶融プールＣの温度が所定温度（Ｔ２）を下回らないように溶解中においてチャージ原料投入量を調整することで、成分偏析のない品質の良好なチタン鋳塊を得ることができる。
【００５９】
次に、図６，図８を参照して、制御装置１４による前記溶解終了電極位置判断処理について説明する。図６は図２における溶解終了電極位置判断処理の手順の一例を示すフローチャート、図８は赤外線カメラによる水冷銅るつぼの内部状態を示す熱画像の一例を模式的に示す図である。
【００６０】
溶解が進行して溶解末期になると、図８に示すように、熱画像として、水冷銅るつぼ内壁面２ａ、溶融プールＣ及び溶解用電極Ａの先端部に加えて、前記のスタブ６ａをとらえることができる。
【００６１】
制御装置１４では、熱画像の画面上にスタブ６ａをとらえると、それ以後は、溶解用電極Ａが所定の溶解終了電極位置に到達したか否かを判断する（ステップＳ４０１）。溶解用電極Ａが所定の溶解終了電極位置に到達していなければ（ステップＳ４０１でＮＯ）、再度ステップＳ４０１へ戻る。
【００６２】
溶解がさらに進行して、溶解用電極Ａが所定の溶解終了電極位置に到達すると（ステップＳ４０１でＹＥＳ）、ステップＳ４０２に進み、ここで、アーク電源装置への通電停止を出力する。
【００６３】
これにより、溶解用電極Ａから発生する前述した蒸発微粒子のために水冷銅るつぼ２の内部状態を目視観察できない場合でも、溶解用電極Ａの溶解終了のタイミングの到達を的確、かつ確実に把握することができるので、溶解用電極Ａをその限度ぎりぎりまで使い切ることができて、チタン鋳塊の歩留を高く維持することができる。
【００６４】
前記の実施形態では、制御装置１４が、画像処理装置１２からの熱画像と温度分布データとに基づいて、水冷銅るつぼ２内部の溶解状態を判断し、溶解炉１の動作を制御するものであったが、前記表示装置１３に表示された熱画像を操作者が目視で確認し、溶解状態を判断して、溶解炉１の動作を制御するための命令を制御装置１４に入力する方法を別途実施あるいは併用してもよい。
【００６５】
また、前記の実施形態では、チャージ式の溶解炉１を使用した例について説明したが、本発明の方法又は装置は、チャージ原料供給装置によるチャージ原料の投入を伴わない溶解炉に適用できることはもちろんのことであり、この場合には、図２に示した動作フローにおいて、サイドチャージに関するフロー及びチャージ原料投入量調整処理（図５）が除外される。
【００６６】
また、本発明の方法又は装置は、前記の一次溶解のみならず、二次溶解以降においても同様に適用することができる。
【００６７】
また、前記の実施形態では高融点金属がチタン又チタン合金である場合について説明したが、本発明の方法又は装置は、高融点金属が、ジルコニウム、鉄、ニッケル、タンタル、ハフニウム又はこれらの合金であるものについても適用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１…チャージ式の溶解炉
２…水冷銅るつぼ ２ａ…水冷銅るつぼ内壁面
３…炉上部体
４…排気管
５ａ，５ｂ…観察窓
６…電極支持棒 ６ａ…スタブ
７…電極駆動装置
８…チャージ原料ホッパー
９…スクリューフィーダ ９ａ…スクリューフィーダ駆動部
１０…搬送シュート
１１…赤外線カメラ
１２…画像処理装置
１３…表示装置
１４…制御装置
Ａ…溶解用電極
Ｂ…アーク
Ｃ…溶融プール
Ｄ…チタン鋳塊
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得る消耗電極式真空アーク溶解方法において、
前記溶解炉内部の熱画像を取得し、該熱画像に基づいて炉内温度情報を取得し、前記熱画像又は前記炉内温度情報に基づいて炉内の溶解状態を判断し、該溶解状態に基づいて前記溶解炉の動作を制御することを特徴とする消耗電極式真空アーク溶解方法。
【請求項２】
前記溶解状態が、前記溶解用電極の溶解中における溶解挙動異常の有無、又は、溶解終了のタイミングの到達の有無を含むことを特徴とする請求項１記載の消耗電極式真空アーク溶解方法。
【請求項３】
前記溶解炉が、溶解中に上方より前記溶解用電極近傍にチャージ原料を投入しつつ溶解を行うチャージ式の溶解炉であることを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極式真空アーク溶解方法。
【請求項４】
前記溶解状態が、前記炉内温度情報に基づくチャージ原料投入量の適否を含み、前記溶解状態に基づいてチャージ原料投入量を制御することを特徴とする請求項３記載の消耗電極式真空アーク溶解方法。
【請求項５】
前記高融点金属が、チタン、ジルコニウム、鉄、ニッケル、タンタル、ハフニウム又はこれらの合金であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の消耗電極式真空アーク溶解方法。
【請求項６】
溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得る消耗電極式真空アーク溶解装置において、
前記溶解炉内部の熱画像を取得する撮像手段と、
前記撮像手段で取得した熱画像を取り込み、前記熱画像から炉内温度情報を得る画像処理装置と、
前記撮像手段で取得した熱画像又は前記画像処理装置で得た炉内温度情報に基づいて炉内の溶解状態を判断し、該溶解状態に基づいて前記溶解炉の動作を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする消耗電極式真空アーク溶解装置。
【請求項７】
前記制御装置が判断する前記溶解状態が、前記溶解用電極の溶解中における溶解挙動異常の有無、又は、溶解終了のタイミングの到達の有無を含むことを特徴とする請求項６記載の消耗電極式真空アーク溶解装置。
【請求項８】
前記溶解炉が、炉外にチャージ原料ホッパーとチャージ原料供給装置とを備え、前記チャージ原料ホッパーからのチャージ原料を前記チャージ原料供給装置によって上方より前記溶解用電極近傍に投入しつつ溶解を行うチャージ式の溶解炉であることを特徴とする請求項６又は７記載の消耗電極式真空アーク溶解装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記溶解状態として前記炉内温度情報に基づいてチャージ原料投入量の適否を演算し、前記溶解状態に基づいてチャージ原料投入量を変更するように前記チャージ原料供給装置に対する制御を行うことを特徴する請求項８記載の消耗電極式真空アーク溶解装置。
【請求項１０】
前記高融点金属が、チタン、ジルコニウム、鉄、ニッケル、タンタル、ハフニウム又はこれらの合金であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の消耗電極式真空アーク溶解装置。
【請求項１】
溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得る消耗電極式真空アーク溶解方法において、
前記溶解炉内部の熱画像を取得し、該熱画像に基づいて炉内温度情報を取得し、前記熱画像又は前記炉内温度情報に基づいて炉内の溶解状態を判断し、該溶解状態に基づいて前記溶解炉の動作を制御することを特徴とする消耗電極式真空アーク溶解方法。
【請求項２】
前記溶解状態が、前記溶解用電極の溶解中における溶解挙動異常の有無、又は、溶解終了のタイミングの到達の有無を含むことを特徴とする請求項１記載の消耗電極式真空アーク溶解方法。
【請求項３】
前記溶解炉が、溶解中に上方より前記溶解用電極近傍にチャージ原料を投入しつつ溶解を行うチャージ式の溶解炉であることを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極式真空アーク溶解方法。
【請求項４】
前記溶解状態が、前記炉内温度情報に基づくチャージ原料投入量の適否を含み、前記溶解状態に基づいてチャージ原料投入量を制御することを特徴とする請求項３記載の消耗電極式真空アーク溶解方法。
【請求項５】
前記高融点金属が、チタン、ジルコニウム、鉄、ニッケル、タンタル、ハフニウム又はこれらの合金であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の消耗電極式真空アーク溶解方法。
【請求項６】
溶解炉内でアークを発生させて溶解用電極を溶解し、凝固させて高融点金属の金属鋳塊を得る消耗電極式真空アーク溶解装置において、
前記溶解炉内部の熱画像を取得する撮像手段と、
前記撮像手段で取得した熱画像を取り込み、前記熱画像から炉内温度情報を得る画像処理装置と、
前記撮像手段で取得した熱画像又は前記画像処理装置で得た炉内温度情報に基づいて炉内の溶解状態を判断し、該溶解状態に基づいて前記溶解炉の動作を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする消耗電極式真空アーク溶解装置。
【請求項７】
前記制御装置が判断する前記溶解状態が、前記溶解用電極の溶解中における溶解挙動異常の有無、又は、溶解終了のタイミングの到達の有無を含むことを特徴とする請求項６記載の消耗電極式真空アーク溶解装置。
【請求項８】
前記溶解炉が、炉外にチャージ原料ホッパーとチャージ原料供給装置とを備え、前記チャージ原料ホッパーからのチャージ原料を前記チャージ原料供給装置によって上方より前記溶解用電極近傍に投入しつつ溶解を行うチャージ式の溶解炉であることを特徴とする請求項６又は７記載の消耗電極式真空アーク溶解装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記溶解状態として前記炉内温度情報に基づいてチャージ原料投入量の適否を演算し、前記溶解状態に基づいてチャージ原料投入量を変更するように前記チャージ原料供給装置に対する制御を行うことを特徴する請求項８記載の消耗電極式真空アーク溶解装置。
【請求項１０】
前記高融点金属が、チタン、ジルコニウム、鉄、ニッケル、タンタル、ハフニウム又はこれらの合金であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の消耗電極式真空アーク溶解装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１５８１１４（Ｐ２０１１−１５８１１４Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７７９１（Ｐ２０１０−１７７９１）
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]