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JP5395545B2 - Manufacturing method of ultra high purity alloy ingot - Google Patents

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JP5395545B2 JP2009166725A JP2009166725A JP5395545B2 JP 5395545 B2 JP5395545 B2 JP 5395545B2 JP 2009166725 A JP2009166725 A JP 2009166725A JP 2009166725 A JP2009166725 A JP 2009166725A JP 5395545 B2 JP5395545 B2 JP 5395545B2
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Description

本発明は、超高純度(極低不純物含有量)が要求される高級ステンレス鋼や超合金などの合金鋳塊の製造方法に関し、特に、製品鋳塊の重量が10kg以上の実用規模鋳塊を製造するのに好適な製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an alloy ingot such as high-grade stainless steel or superalloy that requires ultra-high purity (very low impurity content), and in particular, a practical scale ingot having a product ingot weight of 10 kg or more. The present invention relates to a manufacturing method suitable for manufacturing.

合金の耐食性に悪影響を及ぼす不純物元素として、炭素[C]、窒素[N]、酸素[O]、リン[P]、硫黄[S]などが知られている。また、これらの不純物元素濃度を極限まで低減させることにより、合金の耐食性が大幅に改善されることも知られている。   Known impurity elements that adversely affect the corrosion resistance of the alloy include carbon [C], nitrogen [N], oxygen [O], phosphorus [P], and sulfur [S]. It is also known that the corrosion resistance of the alloy is greatly improved by reducing the concentration of these impurity elements to the limit.

これらの不純物元素の濃度は、例えば[C]+[N]+[O]+[P]+[S]<100ppmとすることが目標となる。従来のステンレス鋼の量産製造法では、これら不純物元素の総量は高純度化されたステンレス鋼であっても250ppmほどであった。   The target concentration of these impurity elements is, for example, [C] + [N] + [O] + [P] + [S] <100 ppm. In the conventional mass production method of stainless steel, the total amount of these impurity elements is about 250 ppm even for highly purified stainless steel.

一方、電解鉄、電解ニッケル、金属クロムなどの高純度合金原料を用いて、真空誘導溶解装置により溶製を行う方式であれば、[P],[S]は10〜20ppm程度に、[N],[O]は20〜30ppm程度に、[C]は30〜50ppm程度にまで、不純物元素を低減することができ、かなり高純度な合金鋳塊を製造することができる。しかしながら、高価な高純度合金原料を用いる必要がある。   On the other hand, in the case of using a high-purity alloy raw material such as electrolytic iron, electrolytic nickel, and metallic chromium, and performing melting by a vacuum induction melting apparatus, [P] and [S] are about 10 to 20 ppm, and [N ], [O] can be reduced to about 20 to 30 ppm, and [C] can be reduced to about 30 to 50 ppm, and an alloy ingot having a considerably high purity can be produced. However, it is necessary to use an expensive high-purity alloy raw material.

また、Cr含有量の高いステンレス鋼溶湯から、[P],[N]などの不純物元素を除去する方法として、通常の耐火物るつぼ真空誘導溶解法では困難であることが知られている。鉄鋼材料中の通常の[P]の除去精錬では、酸化精錬法が用いられ、[P]をスラグ状のリン酸化物(P)に転換させて、スラグに[P]を吸収除去する。しかしながら、Cr含有量の高いステンレス鋼の場合は、[P]と同時に合金成分である[Cr]も酸化されてしまう。すなわち、通常の耐火物るつぼ真空誘導溶解法では、Cr含有量の高いステンレス鋼の場合、酸化精錬が困難となるという原理的な問題がある。 Further, it is known that a conventional refractory crucible vacuum induction melting method is difficult as a method for removing impurity elements such as [P] and [N] from a molten stainless steel with a high Cr content. In normal refining of [P] in steel materials, an oxidation refining method is used. [P] is converted to slag-like phosphorous oxide (P 2 O 5 ), and [P] is absorbed and removed by slag. To do. However, in the case of stainless steel with a high Cr content, [P], which is an alloy component, is also oxidized simultaneously with [P]. That is, in the normal refractory crucible vacuum induction melting method, there is a principle problem that oxidation refining is difficult in the case of stainless steel with a high Cr content.

これに対し、リン[P]などの不純物元素の除去技術として、1970年台に、非特許文献1に示されるような還元精錬技術が報告されている。この報告では、エレクトロスラグ再溶解(ESR)装置を用いている。内径φ70mmの水冷銅るつぼ内で、溶融スラグとしてCaFを使用し、これに金属Caを溶解させたスラグ浴を形成させて、消耗電極材としてステンレス鋼(SUS304)の溶解精錬試験を行っている。結果として、ステンレス溶鋼中の不純物元素である[P],[Sn],[Pb],[As],[Sb],[Bi],[O],[S],[Se],[Te],[N]などが除去精錬できることが文献に示されている。この報告は、金属Caを用いる還元精錬手法の初期の報告であり、還元精錬法によりCr含有合金中からリン[P]などの不純物元素が、原理的に除去精錬可能であることを示した報告である。しかしながら、この報告で用いられたESRプロセスでは、スラグ浴自体に交流電流を通電して、その抵抗発熱によりスラグ浴を形成させる必要がある。そのため、精錬効果を高めようとして添加する金属Ca量を増やすと、スラグ浴自体の電気抵抗が著しく低くなり、十分な発熱量が得られず、スラグ浴の形成自体が困難となる。すなわち、実用的なプロセスとしては課題があった。 On the other hand, as a technique for removing impurity elements such as phosphorus [P], a reduction refining technique as shown in Non-Patent Document 1 has been reported in the 1970s. In this report, an electroslag remelting (ESR) apparatus is used. In a water-cooled copper crucible with an inner diameter of 70 mm, CaF 2 is used as molten slag, and a slag bath in which metallic Ca is dissolved is formed, and a melting and refining test of stainless steel (SUS304) is performed as a consumable electrode material. . As a result, [P], [Sn], [Pb], [As], [Sb], [Bi], [O], [S], [Se], [Te] which are impurity elements in molten stainless steel , [N] etc. can be removed and refined. This report is an early report of the reduction refining technique using metal Ca, and shows that impurity elements such as phosphorus [P] can be removed and refined in principle from the Cr-containing alloy by the reduction refining process. It is. However, in the ESR process used in this report, it is necessary to supply an alternating current to the slag bath itself and form the slag bath by the resistance heat generation. Therefore, when the amount of metallic Ca added to increase the refining effect is increased, the electrical resistance of the slag bath itself is remarkably lowered, and a sufficient calorific value cannot be obtained, making it difficult to form the slag bath itself. That is, there was a problem as a practical process.

1980年代には、特許文献1〜3に示されるような、水冷銅るつぼを用いる磁気浮揚型の誘導溶解装置(コールドクルーシブル式誘導溶解装置)を用いた還元精錬技術が報告されている。この精錬技術は、ステンレス鋼の溶解自体を誘導加熱して合金溶湯プールを形成させ、これに金属Caおよびフッ化カルシウム(CaF)を精錬剤として添加して、リン[P]などの不純物元素を除去するものである。これらの報告では、内径φ60mmまたは内径φ84mmの水冷銅るつぼ(コールドクルーシブル)を用いて、ステンレス鋼(SUS316L)を0.8kg〜2.0kgほど溶解させる。その後、フッ化カルシウムおよび金属Caが溶融した棒状の精錬剤を、ステンレス鋼(溶湯プール)に直接添加して反応させる。これにより、リン[P]などの不純物元素の除去精錬ができる。しかしながら、これら報告も、非特許文献1に記載された報告と同様に、小規模な原理確認試験の規模であった。すなわち、実用的と思われる10kg以上の合金溶湯プールに対して、還元精錬技術が成立するか否か、あるいは成立する場合の具体的な条件などは、把握されていない状態であった。 In the 1980's, a reduction refining technique using a magnetic levitation type induction melting apparatus (cold crucible induction melting apparatus) using a water-cooled copper crucible as shown in Patent Documents 1 to 3 has been reported. In this refining technique, melting of stainless steel itself is induction-heated to form a molten alloy pool, to which metal Ca and calcium fluoride (CaF 2 ) are added as a refining agent, and an impurity element such as phosphorus [P] Is to be removed. In these reports, stainless steel (SUS316L) is dissolved by 0.8 kg to 2.0 kg using a water-cooled copper crucible (cold crucible) having an inner diameter of φ60 mm or an inner diameter of φ84 mm. Thereafter, a rod-shaped refining agent in which calcium fluoride and metal Ca are melted is directly added to stainless steel (molten metal pool) to cause a reaction. Thereby, removal and refining of impurity elements such as phosphorus [P] can be performed. However, similar to the report described in Non-Patent Document 1, these reports were also the scale of a small-scale principle confirmation test. That is, whether or not the reduction refining technique is established for a molten alloy pool of 10 kg or more that seems to be practical, or the specific conditions when it is established, has not been grasped.

前記した還元精錬方式では、フッ化カルシウム(CaF)をフラックスとして使用し、溶融フッ化カルシウム層を形成させて、これに金属Caを溶解させた状態を形成させる。そして、金属Caと合金溶湯プール中の[P]とを反応させてCa化合物とし、フッ化カルシウム浴中にCa化合物を吸収させる。これにより、脱リン[P]を行わせている。この精錬反応では、金属Caを溶解できるCaFなどの溶融フラックスを用いることが不可欠であることから、反応容器として、溶融CaFやCaと反応しない容器である水冷銅るつぼを用いる必要がある。すなわち、この還元精錬技術は、通常の耐火物るつぼ方式真空誘導溶解法には適用できない。したがって、実用化のためには、大型のコールドクルーシブル式誘導溶解装置での還元精錬技術を確立することが必要となる。 In the reductive refining method described above, calcium fluoride (CaF 2 ) is used as a flux to form a molten calcium fluoride layer, in which a state in which metal Ca is dissolved is formed. Then, the metal Ca and [P] in the molten alloy pool are reacted to form a Ca 3 P 2 compound, and the Ca 3 P 2 compound is absorbed in the calcium fluoride bath. Thereby, dephosphorization [P] is performed. In this refining reaction, it is indispensable to use a molten flux such as CaF 2 that can dissolve metal Ca. Therefore, it is necessary to use a water-cooled copper crucible that is a container that does not react with molten CaF 2 or Ca. That is, this reductive refining technique cannot be applied to a normal refractory crucible type vacuum induction melting method. Therefore, for practical use, it is necessary to establish a reduction refining technique using a large-sized cold-crucible induction melting apparatus.

一方、本発明者らは、大型コールドクルーシブル式誘導溶解法技術として、特許文献4に示すような、内径φ400mm以上の水冷銅るつぼを用いた大規模なコールドクルーシブル式誘導溶解技術を確立している。前記した還元精錬技術を、このような大型のコールドクルーシブル式誘導溶解装置で成立させる条件が把握できれば、実用規模での精錬技術となることが期待される。なお、コールドクルーシブル式誘導溶解法技術について記載されたその他の文献として例えば非特許文献2や特許文献5〜7に記載されたものもある。 On the other hand, the present inventors have established a large-scale cold-crucible induction melting technique using a water-cooled copper crucible having an inner diameter of 400 mm or more, as shown in Patent Document 4, as a large-scale cold-crucible induction melting technique. . If the conditions for establishing the above-described reduction refining technique with such a large cold-crucible induction melting apparatus can be grasped, it is expected to be a refining technique on a practical scale. Other documents describing the cold-crucible induction melting technique include those described in Non-Patent Document 2 and Patent Documents 5 to 7, for example.

Y.Nakamura et.al: Refining of 18%Cr-8%Ni Steel with Ca-CaF2 Solution, Transaction ISIJ, Vol.16,(1976) p.623Y. Nakamura et.al: Refining of 18% Cr-8% Ni Steel with Ca-CaF2 Solution, Transaction ISIJ, Vol. 16, (1976) p.623 岩崎、櫻谷、福澤:コールドクルーシブル浮揚溶解による極低リンステンレス鋼の溶製:鉄と鋼 Vol.88(2002)No.7,p.413Iwasaki, Sugaya, Fukuzawa: Melting ultra-low phosphorus stainless steel by cold crucible levitation melting: Iron and steel Vol.88 (2002) No.7, p.413 特開平11−246910号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-246910 特開2002−69589号公報JP 2002-69589 A 特開2003−55744号公報JP 2003-55744 A 特開平11−310833号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-310833 特開2003−342629号公報JP 2003-342629 A 特開2007−154214号公報JP 2007-154214 A 特開2007−155141号公報JP 2007-155141 A

そこで、本発明者らは、10〜50kg級の合金溶湯プールにおいて、前記した還元精錬技術が成立するか否かを見極めるため、内径がφ220mmの水冷銅るつぼを有する真空チャンバー付のコールドクルーシブル式誘導溶解装置を用いて、ステンレス鋼(SUS310組成)20kgを溶解し、これにフッ化カルシウムおよび金属Caを添加する試験を試みた。真空チャンバー内の雰囲気は、Caの酸化損失を抑制するため、真空チャンバー内を真空排気した後にArガスを600〜800hPaまで導入した不活性ガス雰囲気とした。市販のフェロクロム、低炭素鋼、電解ニッケルなどを合金原料として用いて、ステンレス鋼(SUS310組成)を20kg溶解し、合金溶湯プールを形成させた。その後、粉状フッ化カルシウム(CaF):400gと粒状金属Ca:100gとを混合した精錬剤を合金溶湯プールに添加する試験を試みたところ、精錬剤の添加と同時に、激しく金属Caの蒸発が始まり、黒色の煙状物(ダスト)が発生して、わずか数秒で、合金溶湯プール表面からの放射光も観察できない状況になることが明らかとなった。 Therefore, in order to determine whether or not the above-described reduction refining technique is established in a molten alloy pool of 10 to 50 kg class, the present inventors have introduced a cold-crucible induction with a vacuum chamber having a water-cooled copper crucible having an inner diameter of 220 mm. Using a melting apparatus, 20 kg of stainless steel (SUS310 composition) was melted, and a test was attempted in which calcium fluoride and metallic Ca were added thereto. The atmosphere in the vacuum chamber was an inert gas atmosphere in which Ar gas was introduced up to 600 to 800 hPa after the inside of the vacuum chamber was evacuated in order to suppress oxidation loss of Ca. Using commercially available ferrochrome, low carbon steel, electrolytic nickel, etc. as alloy raw materials, 20 kg of stainless steel (SUS310 composition) was melted to form a molten alloy pool. Thereafter, an attempt was made to add a refining agent in which 400 g of powdered calcium fluoride (CaF 2 ) and granular metal Ca: 100 g were added to the molten alloy pool. It became clear that black smoke (dust) was generated, and it was not possible to observe the radiant light from the molten alloy pool surface in just a few seconds.

ここで、通常の溶解操作では、合金溶湯プール表面の溶融状況を観察しながら、合金溶湯プール状態の保持が行われている。そのため、通常、合金溶湯プール表面が観察できない状況となることはないため、本発明者らは、直ちに(添加1分後)、高周波加熱電源をOffとして、水冷銅るつぼ内で合金溶湯プールを凝固させる操作を行った。   Here, in a normal melting operation, the molten alloy pool state is maintained while observing the molten state of the molten alloy pool surface. For this reason, since the surface of the molten alloy pool cannot be observed normally, the present inventors immediately solidify the molten alloy pool in a water-cooled copper crucible with the high-frequency heating power turned off (after 1 minute of addition). The operation was performed.

上記溶解精錬試験後、一晩の間、水冷銅るつぼを静置して、翌日に真空チャンバーを開放したところ、黒色のダストはほぼ沈降して真空チャンバーの床面や壁面に落下・付着していた。また、水冷銅るつぼ内には、凝固したステンレス鋼塊および凝固スラグ(CaF−Ca)が存在した。これらは凝固収縮により直径が小さくなっていたことから、これらを水冷銅るつぼから取り出すことが可能であった。凝固したステンレス鋼塊およびCaF−Caスラグを取り出した後、水冷銅るつぼ内の損傷の状況を観察すると、CaF−Caスラグにより侵食された状況はなく、水冷銅るつぼ自体は健全であることが確認された。また、精錬剤として添加した金属Caは全量溶融されていたが、フッ化カルシウムは、その一部が粉体のままで凝固スラグ(CaF−Ca)の上側に付着しており、全量が溶融できたのではないことも明らかとなった。 After the melting and refining test, the water-cooled copper crucible was allowed to stand overnight, and the vacuum chamber was opened the next day. The black dust almost settled and dropped and adhered to the floor and walls of the vacuum chamber. It was. In the water-cooled copper crucible, there were solidified stainless steel ingots and solidified slag (CaF 2 -Ca). Since these were reduced in diameter due to solidification shrinkage, they could be removed from the water-cooled copper crucible. After removing the solidified stainless steel ingot and CaF 2 -Ca slag, when observing the state of damage in the water-cooled copper crucible, there is no situation eroded by the CaF 2 -Ca slag and the water-cooled copper crucible itself is healthy. Was confirmed. In addition, the entire amount of the metal Ca added as a refining agent was melted, but the calcium fluoride partially adhered to the upper side of the solidified slag (CaF 2 -Ca) as a powder, and the entire amount was melted. It became clear that it was not possible.

次に、取り出した凝固鋳塊(凝固したステンレス鋼塊)から分析用試料を切り出して、分析調査を行った。その結果、合金溶湯プール段階で0.018wt%ほどであった[P]濃度が、0.014wt%ほどと、若干であるが、除去精錬されていることが確認された。すなわち、10kg以上の合金溶湯プール重量規模(実用規模)においても、原理的に除去精錬できる可能性のあることが確認できた。しかしながら、効率的に除去精錬効果を得るためには、適正な精錬条件を究明することが不可欠であることが判明した。   Next, an analytical sample was cut out from the solidified ingot taken out (solidified stainless steel ingot), and an analysis investigation was performed. As a result, it was confirmed that the [P] concentration, which was about 0.018 wt% in the molten alloy pool stage, was as small as 0.014 wt%, but was removed and refined. That is, it has been confirmed that there is a possibility of removal and refining in principle even with a molten metal pool weight scale (practical scale) of 10 kg or more. However, in order to obtain the removal and refining effect efficiently, it has been found that it is indispensable to investigate appropriate refining conditions.

すなわち、本発明が解決しようとする課題は、水冷銅るつぼを用いるコールドクルーシブル式浮揚溶解装置の実験室規模試験において原理確認されている、リン[P]などの不純物元素の金属Caによる還元精錬技術などを、製品鋳塊重量が例えば10kg以上となる実用規模の精錬技術にまで発展させるための具体的な方法を明示することにある。   That is, the problem to be solved by the present invention is a reduction refining technique of an impurity element such as phosphorus [P] with metal Ca, which has been confirmed in principle in a laboratory scale test of a cold-crucible levitation melting apparatus using a water-cooled copper crucible Is to specify a specific method for developing a refining technology on a practical scale in which the product ingot weight is, for example, 10 kg or more.

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、製品鋳塊重量が例えば10kg以上となる実用規模の合金溶湯プールから不純物元素を除去するために不可欠となる、金属Caの添加率、ならびにフラックスの成分組成およびその添加率などの範囲を見出し、この知見に基づき本発明が完成するに至ったのである。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the addition rate of metallic Ca is indispensable for removing impurity elements from a practical scale molten alloy pool having a product ingot weight of, for example, 10 kg or more. As a result, the present inventors have found a range such as the component composition of the flux and the addition ratio thereof and have completed the present invention based on this finding.

すなわち本発明は、コールドクルーシブル式誘導溶解装置の水冷銅るつぼに合金原料を投入して、不活性ガス雰囲気下において、所定の合金組成に成分調整した合金溶湯プールを形成する溶湯プール形成工程と、前記合金溶湯プールに精錬剤を添加して、少なくともリンを含む不純物元素を除去する精錬工程と、を備える超高純度合金鋳塊の製造方法である。そして、前記精錬剤は、金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物であり、前記Caハライド組成フラックスは、フッ化カルシウムに酸化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF-CaO、フッ化カルシウムに塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF-CaCl、または、フッ化カルシウムに酸化カルシウムおよび塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF-(CaO+CaCl)であり、前記合金溶湯プールの重量に対する前記金属Caの添加率を、0.5wt%以上とし、前記合金溶湯プールの重量に対する前記Caハライド組成フラックスの添加率を、前記金属Caの添加率以上とする。 That is, the present invention is a molten pool forming step of forming an alloy molten pool having components adjusted to a predetermined alloy composition in an inert gas atmosphere by charging the alloy raw material into a water-cooled copper crucible of a cold crucible induction melting device, And a refining step of removing an impurity element containing at least phosphorus by adding a refining agent to the molten alloy pool. The refining agent is a mixture of metallic Ca and a Ca halide composition flux, and the Ca halide composition flux is CaF 2 -CaO in which 5-30 wt% of calcium oxide is mixed in calcium fluoride, and chloride in calcium fluoride. CaF 2-CaCl 2 calcium was blended 5-30 wt%, or, CaF 2 was 5-30 wt% blending calcium oxide and calcium chloride in the calcium fluoride - a (CaO + CaCl 2), wherein relative to the weight of the molten alloy pool The addition rate of metal Ca is 0.5 wt% or more, and the addition rate of the Ca halide composition flux with respect to the weight of the molten alloy pool is set to be equal to or higher than the addition rate of the metal Ca.

また本発明において、前記合金溶湯プールに前記精錬剤を添加した後、添加した前記精錬剤が全て溶融するのに要する時間の1/2に当たる時間T1以上、添加した前記金属Caの1/2が蒸発により失われる時間T2以下の間、前記合金溶湯プールを保持することが好ましい。   Further, in the present invention, after the refining agent is added to the molten alloy pool, 1/2 of the added metal Ca is equal to or longer than a time T1 corresponding to 1/2 of the time required for all of the added refining agent to melt. It is preferable to hold the molten alloy pool for a time T2 or less lost by evaporation.

さらに本発明において、前記溶湯プール形成工程および前記精錬工程を複数回行って、少なくともリンの含有量が2ppm以下の超高純度合金鋳塊を製造することが好ましい。   Furthermore, in the present invention, it is preferable to produce the ultra high purity alloy ingot having a phosphorus content of 2 ppm or less by performing the molten pool forming step and the refining step a plurality of times.

さらに本発明において、前記した超高純度合金鋳塊の製造方法により製造した鋳塊を1次鋳塊とし、前記コールドクルーシブル式誘導溶解装置の水冷銅るつぼに前記1次鋳塊を投入して、合金溶湯プールを形成する第2溶湯プール形成工程と、前記1次鋳塊の合金溶湯プールに第2精錬剤を添加した後、チャンバー内の不活性ガスを排気して排気状態を15分以上保持し、少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素を除去する第2精錬工程と、を備え、前記第2精錬剤は、酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤と前記Caハライド組成フラックスとの混合物であり、前記酸化剤の添加重量を、前記1次鋳塊の合金溶湯プール中の前記少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素を全量酸化させるために算出される算出重量の0.2倍以上、4.0倍以下とし、前記第2精錬工程において、前記1次鋳塊の合金溶湯プールの重量に対する前記Caハライド組成フラックスの添加率を、0.5wt%以上、5.0wt%以下とすることが好ましい。   Furthermore, in the present invention, the ingot produced by the method for producing the ultra-high purity alloy ingot described above is used as a primary ingot, and the primary ingot is introduced into the water-cooled copper crucible of the cold crucible induction melting apparatus, A second molten pool forming step for forming a molten alloy pool, and after adding a second refining agent to the molten alloy pool of the primary ingot, the inert gas in the chamber is exhausted and the exhaust state is maintained for 15 minutes or more. And a second refining step for removing impurity elements including at least carbon and calcium, wherein the second refining agent is an oxide that is an oxide of a predetermined main component element of an alloy composition such as iron oxide and the Ca. In order to oxidize the impurity element including at least carbon and calcium in the molten alloy pool of the primary ingot, the added weight of the oxidizing agent is a mixture with a halide composition flux. In the second refining step, the addition rate of the Ca halide composition flux with respect to the weight of the molten alloy pool of the primary ingot is set to 0.2. It is preferable to set it to 5 wt% or more and 5.0 wt% or less.

さらに本発明において、前記した超高純度合金鋳塊の製造方法により製造した鋳塊に、脱酸元素系の合金成分を添加して、合金化することが好ましい。   Further, in the present invention, it is preferable to add a deoxidizing element-based alloy component to the ingot produced by the above-described method for producing an ultra-high purity alloy ingot to form an alloy.

さらに本発明において、前記した超高純度合金鋳塊の製造方法により製造した鋳塊を2次鋳塊とし、コールドハース式電子ビーム溶解装置の水冷銅製皿状容器に前記2次鋳塊を供給して、5×10−4mbarよりも低い気圧下において、当該水冷銅製皿状容器内と当該水冷銅製皿状容器に隣接する水冷銅鋳型内とに、合金溶湯プールを形成する第3溶湯プール形成工程と、前記水冷銅製皿状容器内の合金溶湯プールに第3精錬剤を添加して、不純物元素である炭素を除去する第3精錬工程と、を備え、前記第3精錬剤は酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤であり、前記第3精錬剤の添加重量を、前記2次鋳塊の合金溶湯プール中の前記不純物元素である炭素を全量酸化させるために算出される算出重量の1.0倍以上、4.0倍以下とすることが好ましい。 Further, in the present invention, the ingot produced by the above-described method for producing an ultra-high purity alloy ingot is used as a secondary ingot, and the secondary ingot is supplied to a water-cooled copper dish-like container of a cold hearth type electron beam melting apparatus. Forming a third molten metal pool in the water-cooled copper dish-shaped container and in the water-cooled copper mold adjacent to the water-cooled copper dish-shaped container at a pressure lower than 5 × 10 −4 mbar. And a third refining step for removing carbon as an impurity element by adding a third refining agent to the molten alloy pool in the water-cooled copper dish-shaped vessel, wherein the third refining agent is iron oxide or the like In order to oxidize all the carbon as the impurity element in the molten alloy pool of the secondary ingot, the added weight of the third refining agent 1.0 of the calculated weight calculated in It is preferable to make it not less than twice and not more than 4.0 times.

本発明によれば、製品鋳塊重量が例えば10kg以上となる超高純度な合金の実用規模鋳塊を溶製により製造することができる。   According to the present invention, a practical scale ingot of an ultra-high purity alloy having a product ingot weight of, for example, 10 kg or more can be manufactured by melting.

コールドクルーシブル式誘導溶解装置を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing a cold crucible induction dissolution device. 金属Caの添加率{Ca}Mと脱リン[P]率、脱窒[N]率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the addition rate {Ca} M of metal Ca, a dephosphorization [P] rate, and a denitrification [N] rate. 合金溶湯プールの保持時間に対する、脱リン率および脱窒率の変化を模式的に示すグラフである。It is a graph which shows typically the change of the dephosphorization rate and the denitrification rate with respect to the retention time of a molten alloy pool. 金属Ca還元精錬反応をモデル化した図(図4(a))、および反応モデルにおける2つのパラメータ(Kmelt(Ca+Flx)、Kev(Ca))を試験結果から求めた例を示すグラフ(図4(b)、(c))である。The figure which modeled metallic Ca reduction refining reaction (Figure 4 (a)), and the graph which shows the example which calculated two parameters (Kmelt (Ca + Flx), Kev (Ca)) in reaction model from test result (Figure 4 (b), (c)). 水冷銅るつぼの内径と精錬剤添加後の最適保持時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the internal diameter of a water-cooled copper crucible, and the optimal holding time after adding a refining agent. 酸化鉄添加・真空酸化精錬における酸化鉄添加割合(WFe/MFeO)および合金溶湯プール重量に対するCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mと、脱炭[C]率との相関を示すグラフである。Correlation between the addition rate {Flx} M of the Ca halide composition flux and the decarburization [C] rate relative to the iron oxide addition ratio (WFe 3 O 4 / MFeO) and the molten alloy pool weight in the iron oxide addition / vacuum oxidation refining It is a graph. 酸化鉄添加・真空酸化精錬における酸化鉄添加割合(WFe/MFeO)および合金溶湯プール重量に対するCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mと、脱珪[Si]率との相関を示すグラフである。Correlation between iron oxide addition ratio (WFe 3 O 4 / MFeO) in iron oxide addition / vacuum oxidation refining and Ca halide composition flux addition rate {Flx} M to molten alloy pool weight and desiliconization [Si] rate It is a graph. コールドハース式電子ビーム溶解装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a cold hearth type electron beam melting apparatus.

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、文部科学省からの委託研究の成果を利用してなされたものである。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention was made | formed using the result of the commissioned research from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology.

(コールドクルーシブル式誘導溶解装置を用いたCa還元精錬方法)
前記したように、本発明は、コールドクルーシブル式誘導溶解装置1の水冷銅るつぼ3に例えば原料フィーダー2により合金原料を投入し、不活性ガス雰囲気下において、当該合金原料を例えばコイル5により誘導溶解させて、所定の合金組成に成分調整した合金溶湯プール6を形成する溶湯プール形成工程と、形成された合金溶湯プール6に精錬剤を添加して、少なくともリンを含む不純物元素を除去する精錬工程と、を備える超高純度合金鋳塊の製造方法である。そして、上記精錬剤は金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物である。このCaハライド組成フラックスは、フッ化カルシウムに酸化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF-CaO、フッ化カルシウムに塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF-CaCl、または、フッ化カルシウムに酸化カルシウムおよび塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF-(CaO+CaCl)である。本製造方法では、合金溶湯プール6の重量に対する金属Caの添加率を0.5wt%以上とし、合金溶湯プール6の重量に対するCaハライド組成フラックスの添加率を金属Caの添加率以上とする(番号は、添付の図1を参照)。
(Ca reduction refining method using cold crucible induction melting apparatus)
As described above, according to the present invention, the alloy raw material is introduced into the water-cooled copper crucible 3 of the cold crucible induction melting apparatus 1 by the raw material feeder 2, for example, and the alloy raw material is induction melted by, for example, the coil 5 in an inert gas atmosphere. And a molten metal pool forming step for forming a molten alloy pool 6 whose components are adjusted to a predetermined alloy composition, and a refining step for removing an impurity element containing at least phosphorus by adding a refining agent to the formed molten alloy pool 6 And a method for producing an ultra-high purity alloy ingot. The refining agent is a mixture of metallic Ca and Ca halide composition flux. The Ca halide composition flux the calcium oxide to calcium fluoride CaF 2 -CaO formulated 5-30 wt%, calcium chloride calcium fluoride CaF 2-CaCl 2 was blended 5-30 wt%, or, calcium fluoride CaF 2 that calcium oxide and calcium chloride were formulated 5-30 wt% - a (CaO + CaCl 2). In this manufacturing method, the addition rate of the metal Ca with respect to the weight of the molten alloy pool 6 is set to 0.5 wt% or more, and the addition rate of the Ca halide composition flux with respect to the weight of the molten alloy pool 6 is set to be higher than the addition rate of the metal Ca. (See attached FIG. 1).

本発明の超高純度合金鋳塊の製造方法によると、製品鋳塊の重量が10kg以上の超高純度合金鋳塊を製造することができる。ある程度の熱間加工を施し、実用規模での部品を形成するためには、少なくとも10kg以上程度の製品鋳塊重量が必要となる。   According to the method for producing an ultra high purity alloy ingot of the present invention, an ultra high purity alloy ingot having a product ingot weight of 10 kg or more can be produced. In order to perform a certain amount of hot working and form a part on a practical scale, a product ingot weight of at least about 10 kg is required.

超高純度合金鋳塊の成分組成は、その使用の目的により、様々な成分組成とすることができる。すなわち、本発明の製造方法は、Feを主成分とする合金材料、Niを主成分とする合金材料、Fe−Niを主成分とする合金材料、またはCoなどを主成分とする合金材料、などの合金原料への適用が可能である。なお、好適には、Fe−Niを主成分とするFe基Ni基合金材料に本発明の製造方法を適用することである。また、超高純度とは、現在すでに多用されている同種合金の鋳塊に比べて、不純物元素とされる少なくともPの含有量がきわめて少ないことを意味する。さらには、超高純度とは、現在すでに多用されている同種合金の鋳塊に比べて、不純物元素とされる例えばP、S、N、Sn、Pbなどの各含有量が総合的にきわめて少ないことを意味する。   The component composition of the ultra-high purity alloy ingot can be varied depending on the purpose of use. That is, the manufacturing method of the present invention includes an alloy material mainly composed of Fe, an alloy material mainly composed of Ni, an alloy material mainly composed of Fe-Ni, or an alloy material mainly composed of Co, etc. It can be applied to alloy raw materials. Preferably, the production method of the present invention is applied to an Fe-based Ni-based alloy material mainly composed of Fe-Ni. Further, ultra-high purity means that the content of at least P, which is an impurity element, is extremely small as compared with ingots of the same type of alloy that are already widely used. Furthermore, ultra-high purity means that the contents of impurities such as P, S, N, Sn, and Pb, which are used as impurity elements, are generally very small compared to ingots of the same type of alloys that are already widely used. Means that.

本発明の製造方法を実施するためには、図1に示したような、水冷銅るつぼ3を有する磁気浮揚型のコールドクルーシブル誘導溶解(CCIM)方式の溶解設備(コールドクルーシブル式誘導溶解装置1)が不可欠であり、一般的な耐火物るつぼを用いる誘導溶解方式には適用できない。これは、精錬用フラックスとしてフッ化カルシウム(CaF)などのCaハライド系フラックスを用いる必要があるためである。通常の耐火物るつぼ方式では、耐火物るつぼが溶融フッ化カルシウムなどにより、著しく溶損されて、加熱用水冷銅コイルの溶損-水蒸気爆発などの事故につながる危険性があるためである。 In order to carry out the production method of the present invention, a magnetic levitation type cold crucible induction melting (CCIM) type melting apparatus (cold crucible type induction melting apparatus 1) having a water-cooled copper crucible 3 as shown in FIG. Is indispensable and cannot be applied to the induction melting method using a general refractory crucible. This is because it is necessary to use a Ca halide flux such as calcium fluoride (CaF 2 ) as a refining flux. This is because, in the normal refractory crucible system, the refractory crucible is significantly melted by molten calcium fluoride, etc., and there is a risk of causing an accident such as erosion of the water-cooled copper coil for heating and a steam explosion.

コールドクルーシブル式誘導溶解装置1の水冷銅るつぼ3の内径D(m)は、10kg以上の合金溶湯プール6を形成させるために、直径0.2m以上とすることが望ましい。水冷銅るつぼ3の内径が、直径0.2m以下の場合、形成できる合金溶湯プール6の重量が少なくなり、10kg以上の合金溶湯プール形成に対しては、実用的と言えない。   The inner diameter D (m) of the water-cooled copper crucible 3 of the cold crucible induction melting apparatus 1 is preferably 0.2 m or more in diameter in order to form a molten alloy pool 6 of 10 kg or more. When the inner diameter of the water-cooled copper crucible 3 is 0.2 m or less, the weight of the molten alloy pool 6 that can be formed is reduced, which is not practical for forming an molten alloy pool of 10 kg or more.

CCIM方式での溶製では、雰囲気制御のための真空チャンバー4が設けられていることが必要である。そして、溶製する合金中からの合金成分の蒸発損失を防ぐために、真空チャンバー4内をArガスやHeガスなどを導入した不活性ガス雰囲気下とすることが有効である。不活性ガス雰囲気とするためには、事前に、真空ポンプにより真空チャンバー4内の排気を行った後、Arガスなどを導入することが望ましい。これは、精錬剤として用いる溶融金属Caが非常に活性なため、真空チャンバー4内に酸素ガスなどが存在すると、精錬反応前にCaが酸化されて消耗してしまうためである。なお、金属Caを用いる還元精錬においては、真空チャンバー4からの漏れを極力低減しておくことが望ましい。   For melting by the CCIM method, it is necessary to provide a vacuum chamber 4 for controlling the atmosphere. In order to prevent evaporation loss of alloy components from the alloy to be melted, it is effective to place the inside of the vacuum chamber 4 in an inert gas atmosphere into which Ar gas, He gas, or the like is introduced. In order to obtain an inert gas atmosphere, it is desirable to introduce Ar gas or the like after exhausting the inside of the vacuum chamber 4 with a vacuum pump in advance. This is because molten metal Ca used as a refining agent is very active, and therefore, if oxygen gas or the like is present in the vacuum chamber 4, Ca is oxidized and consumed before the refining reaction. In the reductive refining using metal Ca, it is desirable to reduce leakage from the vacuum chamber 4 as much as possible.

実際の精錬操作では、コールドクルーシブル式誘導溶解装置1の水冷銅るつぼ3内において、所定の合金組成に成分調整した合金溶湯プール6を形成させた後、合金溶湯プール6の重量M(kg)に対して、以下の条件を満足する精錬剤を添加することにより、リン[P]、硫黄[S]、窒素[N]、錫[Sn]、鉛[Pb]、硼素[B]などの不純物元素を除去精錬する。合金溶湯プール6の下には合金凝固スカル層8が形成される。この様なCa還元精錬の状況は、模式的に図1のように表される。以下に示すような精錬条件を満足させることが、不純物元素を除去精錬して、超高純度(極低不純物)な例えばFe基Ni基合金鋳塊を溶製するために不可欠な条件となる。   In an actual refining operation, in the water-cooled copper crucible 3 of the cold crucible induction melting apparatus 1, an alloy molten pool 6 whose components are adjusted to a predetermined alloy composition is formed, and then the weight M (kg) of the molten alloy pool 6 is set. On the other hand, an impurity element such as phosphorus [P], sulfur [S], nitrogen [N], tin [Sn], lead [Pb], boron [B] is added by adding a refining agent that satisfies the following conditions: Remove and refine. An alloy solidified skull layer 8 is formed under the molten alloy pool 6. Such a state of Ca reduction refining is schematically represented as shown in FIG. Satisfying the refining conditions as described below is an indispensable condition for removing and refining the impurity elements and melting, for example, an Fe-based Ni-based alloy ingot of ultra-high purity (very low impurities).

内径φ220mmの水冷銅るつぼ3を有するコールドクルーシブル式誘導溶解装置1を用いて、多数の試験および検討を行い、明らかとなった精錬条件は次の通りである。   Using the cold-crucible induction melting apparatus 1 having a water-cooled copper crucible 3 having an inner diameter of φ220 mm, a number of tests and examinations were conducted, and the refining conditions revealed were as follows.

(1)精錬剤は、金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物であること。
金属Caを用いる還元精錬法では、金属Caを安定に保持する必要がある。金属Ca単体の沸点は、1484℃である。CCIM法で形成される例えばFe基Ni基合金の溶湯プール温度は、1520℃前後(Fe基)から1450℃前後(Ni基)ほどである。そのため、単体で金属Caを合金溶湯プール6に添加すると、沸点が1484℃の金属Caは、ほぼ蒸発除去されてしまい、精錬反応のための金属Caが存在できない状況となる。したがい、金属Caの蒸気圧を低減させて、金属Caを合金溶湯プール6と共存させるための手段が必要となる。金属Caは、溶融フッ化カルシウム(CaF)などの溶融Caハライドに溶解することが知られている。フッ化カルシウムの融点は、1410℃ほどであり、Fe基合金の場合は、合金溶湯プール6の温度が比較的高いことから、合金溶湯プール6からの伝熱により溶融スラグ層7を形成させることが可能である。
(1) The refining agent is a mixture of metallic Ca and Ca halide composition flux.
In the reduction refining method using metal Ca, it is necessary to hold metal Ca stably. The boiling point of the metallic Ca alone is 1484 ° C. The molten metal pool temperature of, for example, an Fe-based Ni-based alloy formed by the CCIM method is about 1520 ° C. (Fe-based) to about 1450 ° C. (Ni-based). Therefore, when metal Ca is added to the molten alloy pool 6 alone, the metal Ca having a boiling point of 1484 ° C. is almost evaporated and removed, so that there is no metal Ca for the refining reaction. Therefore, a means for reducing the vapor pressure of the metal Ca and causing the metal Ca to coexist with the molten alloy pool 6 is required. It is known that metal Ca dissolves in a molten Ca halide such as molten calcium fluoride (CaF 2 ). The melting point of calcium fluoride is about 1410 ° C., and in the case of an Fe-based alloy, the temperature of the molten alloy pool 6 is relatively high. Therefore, the molten slag layer 7 is formed by heat transfer from the molten alloy pool 6. Is possible.

(2)Caハライド組成フラックスの成分組成については、非特許文献1、特許文献1〜3においては、フッ化カルシウム(CaF)単体が用いられている。しかしながら、Ni含有量の多いステンレス鋼やNi基合金の場合は、CCIM法で形成される合金溶湯プールの温度が低いことから、フッ化カルシウム(CaF)単体では、それが溶融されずに粉体のままの状態で精錬反応が終わることがしばしば観察された。そのような場合、金属Caをフラックス浴に有効に保持することが困難となり、不純物除去精錬効果が得られにくくなる。多数の試験の結果、本発明者らは、フッ化カルシウム(CaF)を主成分とするものの、融点を降下させる化合物を添加したフラックスを用い、添加フラックスが容易に溶解される必要のあることを見出した。フッ化カルシウム(CaF)に添加して融点を降下させ、かつ精錬反応に影響の少ない化合物として、酸化カルシウム(CaO)、または塩化カルシウム(CaCl)を選択し、これらをフッ化カルシウム(CaF)に配合するフラックス組成とすることが適切であることを見出した。 (2) Regarding the component composition of the Ca halide composition flux, calcium fluoride (CaF 2 ) alone is used in Non-patent Document 1 and Patent Documents 1 to 3. However, in the case of stainless steel or Ni-based alloy with a high Ni content, the temperature of the molten alloy pool formed by the CCIM method is low, so that calcium fluoride (CaF 2 ) alone is not melted and powdered. It was often observed that the refining reaction ended with the body intact. In such a case, it becomes difficult to effectively hold the metal Ca in the flux bath, and it becomes difficult to obtain the impurity removal refining effect. As a result of many tests, the present inventors use calcium flux (CaF 2 ) as a main component, but use a flux added with a compound that lowers the melting point, and the added flux needs to be easily dissolved. I found. Calcium oxide (CaO) or calcium chloride (CaCl 2 ) is selected as a compound that is added to calcium fluoride (CaF 2 ) to lower the melting point and has little influence on the refining reaction, and these are selected as calcium fluoride (CaF 2 ). It was found that the flux composition blended in 2 ) is appropriate.

Caハライド組成フラックスの具体的な組成は、CaF−CaO(5〜30wt%)、CaF−CaCl(5〜30wt%)、またはCaF−(CaO+CaCl)(5〜30wt%)組成などである。ここで、例えば、CaF−CaO(5〜30wt%)とは、フッ化カルシウムに酸化カルシウムを5〜30wt%(フッ化カルシウムに対する比率)配合したものである。また、CaF−(CaO+CaCl)(5〜30wt%)とは、フッ化カルシウムに対して、酸化カルシウムと塩化カルシウムとを合わせて計5〜30wt%配合したものである。 The specific composition of the Ca halide composition flux is CaF 2 —CaO (5-30 wt%), CaF 2 —CaCl 2 (5-30 wt%), CaF 2 — (CaO + CaCl 2 ) (5-30 wt%), etc. It is. Here, for example, CaF 2 —CaO (5 to 30 wt%) is obtained by blending calcium oxide with 5 to 30 wt% (ratio to calcium fluoride) in calcium fluoride. CaF 2 − (CaO + CaCl 2 ) (5 to 30 wt%) is a mixture of calcium fluoride and calcium chloride combined with calcium fluoride in a total of 5 to 30 wt%.

Ni含有量の少ないFe基合金に対しては、これらの中では、比較的に融点の高いCaF−20CaO(wt%)組成のフラックス(CaF−CaO(20wt%)組成のフラックス)が有効であった。CaFへの少量のCaOやCaClの添加により、フラックスの融点が低下し、合金溶湯プール6からの伝熱による溶融スラグ層7の形成が容易となる。しかしながら、添加するCaOが30wt%以上になると、CaOの溶け残りなどが発生するためと推定されるが、フラックスが溶解されにくくなり、スラグ浴の流動性が低下するため、これ以上の添加は有効では無いと判断された。また、塩化カルシウムの添加は、低融点化の効果が大きいため、Ni含有量が多く、その融点が低い合金に対して有効である。ただし、蒸発損失が激しいため、これも30wt%以上の添加は、精錬操作が不安定となったことから、30wt%以下が適切と見出された。 Ni relative content less Fe based alloys, among which a high melting point CaF 2 -20CaO relatively (wt%) composition flux (CaF 2 -CaO (20wt%) Flux composition) is valid Met. The addition of small amounts of CaO and CaCl 2 to CaF 2, melting point of the flux is lowered, it is easy to form a molten slag layer 7 by heat transfer from the molten alloy pool 6. However, when the CaO to be added is 30 wt% or more, it is presumed that the undissolved CaO is generated, but the flux becomes difficult to be dissolved and the fluidity of the slag bath is lowered. It was judged that it was not. Further, the addition of calcium chloride is effective for an alloy having a high Ni content and a low melting point because it has a large effect of lowering the melting point. However, since evaporation loss is severe, the addition of 30 wt% or more was also found to be 30 wt% or less because the refining operation became unstable.

(3)合金溶湯プール6の重量M(kg)に対する金属Caの添加率({Ca}M(wt%))、および合金溶湯プール6の重量M(kg)に対するCaハライド組成フラックスの添加率({Flx}M(wt%))は、次の範囲を満足することが有効であることが、多数の試験の結果、明らかとなった。ここで、{Ca}M(wt%)、および{Flx}M(wt%)は、次式で定義される。
{Ca}M=WCa/M×100
{Flx}M=WFlx/M×100
WCa:添加する金属Caの重量(kg)
WFlx:添加するするCaハライド組成フラックスの重量(kg)
M:合金溶湯プール6の重量(kg)
なお、精錬剤として添加する金属Caの重量やフラックスの重量は、通常の取り扱いでは、フラックス中の濃度として整理されることが多い。しかしながら、合金溶湯プール6の重量M(kg)に対する重量割合として整理する方が、所要の金属Ca量やフラックス量を直接的に把握しやすいことから、ここでは、{Ca}Mや{Flx}Mのような定義の表示でそれらの重量を表すこととした。なお、合金溶湯プール6の重量Mは、水冷銅るつぼ3に投入する前の合金原料の重量と等しい。
(3) Addition rate of metallic Ca to weight M (kg) of molten alloy pool 6 ({Ca} M (wt%)), and addition rate of Ca halide composition flux to weight M (kg) of molten alloy pool 6 ( As a result of a number of tests, {Flx} M (wt%)) is effective to satisfy the following range. Here, {Ca} M (wt%) and {Flx} M (wt%) are defined by the following equations.
{Ca} M = WCa / M × 100
{Flx} M = WFlx / M × 100
WCa: Weight of added metal Ca (kg)
WFlx: Weight of added Ca halide composition flux (kg)
M: Weight of molten alloy pool 6 (kg)
In addition, the weight of the metal Ca added as a refining agent and the weight of the flux are often arranged as a concentration in the flux in normal handling. However, since it is easier to directly grasp the required metal Ca amount and flux amount by organizing as a weight ratio with respect to the weight M (kg) of the molten alloy pool 6, here {Ca} M and {Flx} We decided to express those weights with a definition such as M. The weight M of the molten alloy pool 6 is equal to the weight of the alloy raw material before being put into the water-cooled copper crucible 3.

そして、{Ca}Mおよび{Flx}Mの具体的な所要量は、次式を満足する必要のあることが判明した。
0.5≦{Ca}M かつ {Ca}M≦{Flx}M
金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物を合金溶湯プール6に添加すると、直ちに金属Caの蒸発が始まり、黒色の煙が発生する。金属Ca添加率が少ない条件({Ca}M<0.1)では、初期添加のCa蒸発損失により、添加したCaの多くが失われるため、除去精錬効果がほとんど得られない結果となる。金属Caの添加量を増加させると(0.4<{Ca}M)、添加後、数秒から数十秒で、発生する黒煙が真空チャンバー4内に立ち込めて、合金溶湯プール6表面からの放射光も遮られる状況となり、合金溶湯プール6の表面状況を観察することが困難となる。
And it turned out that the specific requirement of {Ca} M and {Flx} M must satisfy the following equation.
0.5 ≦ {Ca} M and {Ca} M ≦ {Flx} M
When the mixture of the metal Ca and the Ca halide composition flux is added to the molten alloy pool 6, the evaporation of the metal Ca immediately starts and black smoke is generated. Under conditions where the metal Ca addition rate is low ({Ca} M <0.1), most of the added Ca is lost due to the initial addition Ca evaporation loss, resulting in almost no removal and refining effect. When the addition amount of metallic Ca is increased (0.4 <{Ca} M), the generated black smoke enters the vacuum chamber 4 within a few seconds to several tens of seconds after the addition, and from the surface of the molten alloy pool 6. The situation is such that the radiated light is also blocked, and it is difficult to observe the surface condition of the molten alloy pool 6.

本検討の初期の段階では、合金溶湯プール6表面の状態が観察できなることを懸念して、添加する金属Ca量を少なくした条件での試験を行った。例えば、φ220mmの水冷銅るつぼ3内に20kgの合金溶湯プール(Fe−20Ni25Cr)を形成させ、この合金溶湯プールに、金属Ca:30gとCaF−CaO(8:2):270gとを添加する試験({Ca}M=0.15%、{Flx}M=1.35%)を実施した。このような条件であれば、Ca蒸発ダストにより視界は劣化するものの、合金溶湯プール6表面の観察自体は、何とか可能な状態であった。 At the initial stage of the present study, a test was performed under a condition in which the amount of metallic Ca to be added was reduced because of concern that the state of the surface of the molten alloy pool 6 could not be observed. For example, a 20 kg molten alloy pool (Fe-20Ni25Cr) is formed in a water-cooled copper crucible 3 having a diameter of 220 mm, and metal Ca: 30 g and CaF 2 —CaO (8: 2): 270 g are added to the molten alloy pool. The test ({Ca} M = 0.15%, {Flx} M = 1.35%) was performed. Under such conditions, the field of view deteriorates due to Ca evaporation dust, but the surface itself of the molten alloy pool 6 can be observed.

しかしながら、このような条件では、リン[P]などの不純物除去精錬効果は、脱リン[P]率として15〜30%ほどしかなく、全く不満足なものであった。ここで、脱リン率:ηp(%)、および脱窒[N]率:ηN(%)は、次式で定義される。
ηp=([P]0−[P])/[P]0×100
ηN=([N]0−[N])/[N]0×100
[P]0:精錬前[P]濃度(wt%)、[P]:精錬後[P]濃度(wt%)
[N]0:精錬前[N]濃度(wt%)、[N]:精錬後[N]濃度(wt%)
However, under these conditions, the refining effect for removing impurities such as phosphorus [P] was only about 15 to 30% as the dephosphorization [P] rate, which was completely unsatisfactory. Here, the dephosphorization rate: ηp (%) and the denitrification [N] rate: ηN (%) are defined by the following equations.
ηp = ([P] 0− [P]) / [P] 0 × 100
ηN = ([N] 0− [N]) / [N] 0 × 100
[P] 0: [P] concentration before refining (wt%), [P]: [P] concentration after refining (wt%)
[N] 0: [N] concentration before refining (wt%), [N]: [N] concentration after refining (wt%)

また、金属Ca添加量の少ない({Ca}Mが小さい)条件での精錬試験を繰り返した。その結果、金属CaとCaハライド組成フラックスとを添加する精錬試験を繰り返し実施しても、水冷銅るつぼ3の損傷は発生しないことが把握され、合金溶湯プール6を直接に目視観察する必要のないことが把握できた。そこで、金属Caの添加率{Ca}MやCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mを増加させた試験を引き続き実施した。   Further, the refining test was repeated under the condition that the amount of metallic Ca added is small ({Ca} M is small). As a result, even if the refining test for adding the metal Ca and the Ca halide composition flux is repeatedly performed, it is understood that the water-cooled copper crucible 3 is not damaged, and it is not necessary to visually observe the molten alloy pool 6 directly. I was able to grasp that. Then, the test which increased the addition rate {Ca} M of metal Ca and the addition rate {Flx} M of Ca halide composition flux was continued.

金属Caの添加率を増加させた精錬操業(0.4<{Ca}M)では、金属Ca添加後、数秒から数十秒で、発生する黒煙が真空チャンバー4内に立ち込める。そして、合金溶湯プール6表面からの放射光さえも遮られる状況となり、合金溶湯プール6の表面状況を目視観察することは不可能となる。しかしながら、合金溶湯プール6からの放射光の観察さえもできなくなるほどの量の金属Caを添加することが、精錬効果を得るために必要であることが判明した。   In the refining operation (0.4 <{Ca} M) in which the addition rate of the metallic Ca is increased, the generated black smoke can enter the vacuum chamber 4 in several seconds to several tens of seconds after the addition of the metallic Ca. And even the radiated light from the surface of the molten alloy pool 6 is blocked, and it is impossible to visually observe the surface state of the molten alloy pool 6. However, it has been found that it is necessary to add a quantity of metal Ca so that even the radiated light from the molten alloy pool 6 cannot be observed, in order to obtain a refining effect.

金属Caの添加率{Ca}M、およびCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mについて、合金溶湯プール6の重量Mを20kgから50kgまでの範囲で、様々に変化させた条件で、多数の精錬試験を実施した。その結果を整理すると、脱リン率(ηP)と{Ca}Mとの間には、図2(a)に示すような相関関係が見出された。これら相関のばらつきは大きいものの、合金溶湯プール6重量M(kg)に対する金属Caの添加率{Ca}M が大きくなるにつれて脱リン率(ηP)は増加し、{Ca}Mが1.0付近で、脱リン率および脱窒率が、ほぼ上限(80〜100%)に近くなることが判明した。不純物元素含有量の多い廉価な原料(例えば[P]0=200〜300ppmほど含有するフェロクロム原料など)を用いて、不純物元素含有量の少ない超高純度材料([P]<2ppm)を溶製するためには、複数回のこのようなCa還元精錬操作が必要となる。また、精錬回数を最小限にするためには、1回の精錬操作で、脱リン[P]率として少なくとも50%以上は必要と考えられる。50%以上の脱リン[P]率を得るためは、図2に示す相関関係より、金属Caの添加率は、少なくとも0.5≦{Ca}Mを満足させる必要がある。   With respect to the addition rate {Ca} M of the metal Ca and the addition rate {Flx} M of the Ca halide composition flux, the weight M of the molten alloy pool 6 was varied in a range from 20 kg to 50 kg, and a number of conditions were varied. A refining test was conducted. When the results were arranged, a correlation as shown in FIG. 2 (a) was found between the dephosphorization rate (ηP) and {Ca} M. Although the variation of these correlations is large, the dephosphorization rate (ηP) increases as the Ca Ca addition rate {Ca} M to 6 wt M (kg) of the molten alloy pool increases, and {Ca} M is around 1.0. Thus, it has been found that the dephosphorization rate and the denitrification rate are close to the upper limit (80 to 100%). Melting ultra-high purity material ([P] <2ppm) with low impurity element content using inexpensive raw material with high impurity element content (eg [P] 0 = ferrochrome raw material containing about 200-300ppm) In order to do this, a plurality of such Ca reduction refining operations are required. Moreover, in order to minimize the number of times of refining, it is considered that at least 50% or more is necessary as the dephosphorization [P] rate in one refining operation. In order to obtain a dephosphorization [P] ratio of 50% or more, the addition ratio of metal Ca needs to satisfy at least 0.5 ≦ {Ca} M from the correlation shown in FIG.

なお、{Ca}Mが1.0近傍で、脱リン[P]率はほぼ上限に達することから、金属Caの添加率を、それ以上に過度に増やしても、大きな精錬効果は期待できない。したがって、脱リンという目的に対しては、{Ca}M=1.0前後が望ましい。   In addition, since the dephosphorization [P] rate almost reaches the upper limit when {Ca} M is in the vicinity of 1.0, a large refining effect cannot be expected even if the addition rate of metal Ca is excessively increased. Therefore, {Ca} M = 1.0 or so is desirable for the purpose of dephosphorization.

一方、脱窒[N]についても、リンの場合とほぼ同様な図2(b)に示す脱窒[N]率と{Ca}Mとの相関が得られるが、リンの場合と比べると、やや脱[N]率が低くなる傾向がある。これは、窒素については、精錬操作の際に若干の大気リークなどが発生すると、容易に空気中の窒素ガスが真空チャンバー4内へ流入して、窒素混入を引き起こすためと推定される。そのため、脱[N]という目的に対しては、{Ca}M =1.0〜1.2前後が望ましい。   On the other hand, as for denitrification [N], the correlation between the denitrification [N] rate and {Ca} M shown in FIG. 2 (b), which is almost the same as that of phosphorus, can be obtained. There is a tendency that the removal [N] rate is slightly lowered. This is presumably because nitrogen in the air easily flows into the vacuum chamber 4 and causes nitrogen contamination when a slight atmospheric leak occurs during the refining operation. Therefore, for the purpose of removing [N], {Ca} M = around 1.0 to 1.2 is desirable.

また、金属Caの添加率については、原理的には{Ca}Mを多くするほど、確実に不純物除去効果が得られると考えられる。しかしながら、実際の精錬操作においては、{Ca}Mを1.5より大きくすると、Ca還元精錬操業自体は可能であるものの、精錬操作後の鋳塊に付着し、吸収される金属Ca量が多くなる。その結果、鋳塊の取り出しなどの後処理で、蒸発したCaダストの発火などの問題が起こりやすくなる。さらには、次の溶解精錬工程における鋳塊中溶解[Ca]の蒸発によるダスト発生などの操業阻害が顕著になる。本発明者らは、これらの問題を経験している。以上のことから、安定した精錬操作を行うには、{Ca}M≦1.5としておくことが好ましい。   In addition, regarding the addition rate of metal Ca, in principle, it is considered that as the amount of {Ca} M is increased, the effect of removing impurities is surely obtained. However, in the actual refining operation, if {Ca} M is made larger than 1.5, the Ca reduction refining operation itself is possible, but the amount of metallic Ca adhering to the ingot after refining operation and absorbed is large. Become. As a result, problems such as ignition of evaporated Ca dust easily occur in post-processing such as taking out the ingot. Furthermore, operation hindrance such as dust generation due to evaporation of [Ca] in the ingot in the next melting and refining process becomes remarkable. The inventors have experienced these problems. From the above, in order to perform a stable refining operation, it is preferable to set {Ca} M ≦ 1.5.

また、{Flx}Mが、{Ca}Mより少ない場合は、添加した金属Caの蒸発損失が顕著となり、安定した精錬操作が行えなかったことから、合金溶湯プール6の重量M(kg)に対するCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}M (wt%)を、{Ca}M≦{Flx}Mとする条件が必要と判明した。さらには、金属Caを安定してCaハライド組成フラックス中に溶解させるためには、{Flx}Mは{Ca}Mの1.5倍以上あるほうが望ましい。   Further, when {Flx} M is less than {Ca} M, the evaporation loss of the added metal Ca becomes remarkable, and stable refining operation cannot be performed. Therefore, the weight M (kg) of the molten alloy pool 6 is reduced. It was found that the condition that the addition rate {Flx} M (wt%) of the Ca halide composition flux was {Ca} M ≦ {Flx} M was necessary. Furthermore, in order to stably dissolve the metallic Ca in the Ca halide composition flux, it is desirable that {Flx} M is 1.5 times or more than {Ca} M.

また、Caハライド組成フラックスの添加については、金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合精練剤を添加する前に、あらかじめCaハライド組成フラックスを添加しておくことが好ましい。これにより、あらかじめ溶融Caハライド組成スラグ層を形成させて、添加する金属Caの蒸発損失を抑制することができる。あらかじめ添加しておくCaハライド組成フラックスは、合金溶湯プール6重量M(kg)に対するCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}M0(wt%)としてあらわす場合、{Ca}M≦{Flx}M0を満足する量としておくことが有効であった。   Regarding the addition of the Ca halide composition flux, it is preferable to add the Ca halide composition flux in advance before adding the mixed scouring agent of the metal Ca and the Ca halide composition flux. Thereby, a molten Ca halide composition slag layer can be formed in advance, and evaporation loss of the added metal Ca can be suppressed. The Ca halide composition flux added in advance is expressed as {Ca} M ≦ {Flx} M0 when the addition ratio {Flx} M0 (wt%) of the Ca halide composition flux with respect to 6 wt M (kg) of the molten alloy pool. It was effective to keep the amount satisfactory.

一方、このような金属Ca−Caハライド還元精錬法では、合金溶湯プール6からの伝熱により、溶融スラグ層7を形成させる必要がある。ここで、{Ca}M、{Flx}M、および{Flx}M0の総量が多くなりすぎると、溶融スラグ層7を形成させることが困難となった。多数の試験により、{Ca}M、{Flx}M、および{Flx}M0の総量は、合金溶湯プール6重量Mの5%以内することが望ましいと判明した。   On the other hand, in such a metal Ca—Ca halide reduction refining method, it is necessary to form the molten slag layer 7 by heat transfer from the molten alloy pool 6. Here, when the total amount of {Ca} M, {Flx} M, and {Flx} M0 is too large, it becomes difficult to form the molten slag layer 7. Numerous tests have shown that the total amount of {Ca} M, {Flx} M, and {Flx} M0 is preferably within 5% of 6 weight M of the molten alloy pool.

[P]、[N]以外の不純物元素の除去精錬効果であるが、[S]は容易に除去された。また、[Sn]、[Pb]、[Sb]などは、[P]や[N]とほぼ同程度のCa還元精錬効果が得られた。なお、硼素[B]に関しては、{Ca}M=1.0における脱[B]率は約20%であり、分離除去精錬は可能である。   The effect of removing and refining impurity elements other than [P] and [N], but [S] was easily removed. In addition, [Sn], [Pb], [Sb], and the like obtained a Ca reduction refining effect substantially the same as [P] and [N]. For boron [B], the de [B] rate at {Ca} M = 1.0 is about 20%, and separation and refining is possible.

前記したように、合金溶湯プール6の重量に対する金属Caの添加率{Ca}Mを0.5wt%以上とし、合金溶湯プール6の重量に対するCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mを金属Caの添加率{Ca}M以上とすることにより、脱リン[P]率として50%以上は確保できる。しかしながら、合金溶湯プール6に精錬剤を添加した後の合金溶湯プール6の保持時間によっては除去精錬効果が大きく変化する。このことが、図2に示した相関関係のバラツキが大きくなる要因の一つとなっており、高い除去精錬効果を得るためには、適正な合金溶湯プール6保持時間を確保することが重要である。   As described above, the addition rate {Ca} M of the metal Ca with respect to the weight of the molten alloy pool 6 is 0.5 wt% or more, and the addition rate {Flx} M of the Ca halide composition flux with respect to the weight of the molten alloy pool 6 is changed to the metal Ca. The addition rate of {Ca} M or more can secure 50% or more as the dephosphorization [P] rate. However, the removal and refining effect varies greatly depending on the retention time of the molten alloy pool 6 after the refining agent is added to the molten alloy pool 6. This is one of the factors that increase the variation in the correlation shown in FIG. 2. In order to obtain a high removal and refining effect, it is important to secure an appropriate molten metal pool 6 holding time. .

そこで、本発明者らは、下記試験を実施した。
内径φ220mmの水冷銅るつぼ3を有するコールドクルーシブル式誘導溶解装置1を用い、ステンレス鋼材(Fe−20Ni25Cr、Fe−35Ni25Cr)などを水冷銅るつぼ3に投入して、重量M(20kg、40kg、50kg)の合金溶湯プール6を形成させる。その後、Caハライド組成フラックス(CaF−CaO(8:2)、CaF−CaCl−CaO(8:1:1)など)を添加({Flx}M0=1.5%)して溶融スラグ層7をあらかじめ形成させる。その後、{Ca}M=1.0%、{Flx}M=1.5%の条件で、金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物である精錬剤を添加して、ある一定時間、合金溶湯プール6と溶融スラグ層7とを保持(2分〜60分)する。その後、直ちに高周波加熱電源を停止させて、合金溶湯プール6を、水冷銅るつぼ3内で急冷凝固させる。その後、急冷凝固させた鋳塊中のリン[P]、窒素[N]などの不純物元素を分析する。
Therefore, the present inventors conducted the following test.
Using a cold crucible induction melting apparatus 1 having a water-cooled copper crucible 3 having an inner diameter of 220 mm, a stainless steel material (Fe-20Ni25Cr, Fe-35Ni25Cr) or the like is put into the water-cooled copper crucible 3 and weight M (20 kg, 40 kg, 50 kg) The molten alloy pool 6 is formed. Thereafter, Ca halide composition flux (CaF 2 -CaO (8: 2 ), CaF 2 -CaCl 2 -CaO (8: 1: 1) , etc.) added ({Flx} M0 = 1.5% ) and molten slag Layer 7 is pre-formed. Thereafter, a refining agent that is a mixture of metallic Ca and Ca halide composition flux is added under the conditions of {Ca} M = 1.0% and {Flx} M = 1.5%, and the molten alloy is melted for a certain period of time. The pool 6 and the molten slag layer 7 are held (2 to 60 minutes). Thereafter, the high-frequency heating power supply is immediately stopped, and the molten alloy pool 6 is rapidly solidified in the water-cooled copper crucible 3. Then, impurity elements such as phosphorus [P] and nitrogen [N] in the ingot that has been rapidly solidified are analyzed.

上記試験を実施した結果を図3に示す。図3は、合金溶湯プール6の保持時間に対する、脱リン率および脱窒率の変化を模式的に示すグラフである。   The result of carrying out the above test is shown in FIG. FIG. 3 is a graph schematically showing changes in the dephosphorization rate and the denitrification rate with respect to the holding time of the molten alloy pool 6.

図3(a)に模式的に示した試験結果の条件は下記のとおりである。合金溶湯プール6の重量は20kgとした。また、添加する金属Caの重量は200g({Ca}M=1.0)、Caハライド組成フラックスの重量は300g({Flx}M=1.5)、あらかじめ添加したCaハライド組成フラックスの重量は300g({Flx}M0=1.5)とした。   The conditions of the test results schematically shown in FIG. 3 (a) are as follows. The weight of the molten alloy pool 6 was 20 kg. The weight of the added metal Ca is 200 g ({Ca} M = 1.0), the weight of the Ca halide composition flux is 300 g ({Flx} M = 1.5), and the weight of the Ca halide composition flux added in advance is 300 g ({Flx} M0 = 1.5).

図3(b)に模式的に示した試験結果の条件は下記のとおりである。合金溶湯プール6の重量は50kgとした。また、添加する金属Caの重量は500g({Ca}M=1.0)、Caハライド組成フラックスの重量は750g({Flx}M=1.5)、あらかじめ添加したCaハライド組成フラックスの重量は750g({Flx}M0=1.5)とした。   The test result conditions schematically shown in FIG. 3B are as follows. The weight of the molten alloy pool 6 was 50 kg. The weight of the metal Ca to be added is 500 g ({Ca} M = 1.0), the weight of the Ca halide composition flux is 750 g ({Flx} M = 1.5), and the weight of the Ca halide composition flux added in advance is It was set to 750 g ({Flx} M0 = 1.5).

図3(a)、(b)からわかるように、脱[P]率、脱[N]率とも、精錬剤(金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物)を添加した直後は低い値である。しかしながら、20kg合金溶湯プール6の場合(図3(a))は4〜7分の保持時間で、50kg合金溶湯プール6の場合(図3(b))は10〜17分の保持時間で、脱[P]率、脱[N]率は最大値(90〜95%ほど)に達する。しかし、さらに長時間、溶湯の状態(溶解した状態)を保持し続けると、逆に、脱[P]率、脱[N]率とも、再び低下する傾向が認められる。このような挙動は、合金溶湯プール6の重量が40kgの場合も、同様な傾向を示した。ただし、脱[P]率や脱[N]率が最大となる時間は、40kgの合金溶湯プール6の場合(添加する金属Caの重量:400g({Ca}M=1.0)、Caハライド組成フラックスの重量:600g({Flx}M=1.5)。あらかじめ添加したCaハライド組成フラックスの重量:600g({Flx}M0=1.5))で、8〜11分であった。   As can be seen from FIGS. 3A and 3B, both the de [P] rate and the de [N] rate are low values immediately after the refining agent (mixture of metallic Ca and Ca halide composition flux) is added. . However, in the case of the 20 kg molten alloy pool 6 (FIG. 3A), the holding time is 4 to 7 minutes, and in the case of the 50 kg molten alloy pool 6 (FIG. 3B), the holding time is 10 to 17 minutes. The removal [P] rate and the removal [N] rate reach the maximum values (about 90 to 95%). However, when the molten metal state (dissolved state) is maintained for a longer time, on the contrary, both the [P] rate and the [N] rate tend to decrease again. Such a behavior showed a similar tendency even when the weight of the molten alloy pool 6 was 40 kg. However, the time when the de [P] rate and the de [N] rate are maximum is 40 kg for the molten alloy pool 6 (weight of added metal Ca: 400 g ({Ca} M = 1.0), Ca halide) The weight of the composition flux: 600 g ({Flx} M = 1.5) The weight of the Ca halide composition flux added in advance: 600 g ({Flx} M0 = 1.5)) was 8 to 11 minutes.

これらの試験結果から、添加する精錬剤の量が少ない場合(合金溶湯プール6の重量が少ない場合)には、最大の精錬効果が得られるまでの時間が短時間となる傾向が判明した。   From these test results, it was found that when the amount of the refining agent to be added is small (when the weight of the molten alloy pool 6 is small), the time until the maximum refining effect is obtained tends to be short.

また、高い脱[P]率や脱[N]率を得るためには、精錬剤(金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物)を添加した後の合金溶湯プール6の保持時間を適正な時間範囲に制御する必要のあることは図3から明らかである。したがって、精錬技術としては、水冷銅るつぼ3の内径D、合金溶湯プール6の重量M、および添加する精錬剤の量(金属Caの重量およびCaハライド組成フラックスの重量)などの条件に応じて、精錬剤(金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物)を添加した後の、適正な溶湯保持時間を明らかにすることが不可欠となる。   Further, in order to obtain a high [P] rate and a [N] rate, the retention time of the molten alloy pool 6 after the addition of a refining agent (mixture of metal Ca and Ca halide composition flux) is an appropriate time. The need to control the range is apparent from FIG. Therefore, as a refining technique, depending on conditions such as the inner diameter D of the water-cooled copper crucible 3, the weight M of the molten alloy pool 6, and the amount of refining agent to be added (the weight of the metal Ca and the weight of the Ca halide composition flux), It is essential to clarify the proper molten metal retention time after the addition of the refining agent (mixture of metallic Ca and Ca halide composition flux).

また、合金溶湯プール6の量が異なり、それに応じて添加する金属Caの量およびCaハライド組成フラックスの量が異なる場合は、脱[P]率が最大となる合金溶湯プール6の保持時間が異なるという試験結果から、次のような精錬反応機構が推定された。   Further, when the amount of the molten alloy pool 6 is different and the amount of the metallic Ca added and the amount of the Ca halide composition flux are different accordingly, the holding time of the molten alloy pool 6 at which the de [P] rate is maximized is different. From the test results, the following refining reaction mechanism was estimated.

合金溶湯プール6に添加された金属CaおよびCaハライド組成フラックスの融解は、合金溶湯プール6からの伝熱により始まる。これにより、溶融スラグ層7(Ca+フラックスの層)が形成されてゆき、スラグ中に溶解した金属Caの量が増加するに伴って、次のような脱リン[P]反応および脱窒[N]反応が促進される。
2[P]+3(Ca)→(Ca
2[N]+3(Ca)→(Ca
Melting of the metallic Ca and Ca halide composition flux added to the molten alloy pool 6 is started by heat transfer from the molten alloy pool 6. As a result, the molten slag layer 7 (Ca + flux layer) is formed, and as the amount of metallic Ca dissolved in the slag increases, the following dephosphorization [P] reaction and denitrification [N ] The reaction is promoted.
2 [P] +3 (Ca) → (Ca 3 P 2 )
2 [N] +3 (Ca) → (Ca 3 N 2 )

一方、溶融スラグ層7中の(Ca)は、Ca(g(ガス))として蒸発し続けている。この蒸発損失のために、溶融スラグ層7中のCa濃度は、一旦、溶融スラグ層7にCaが溶解した後は、徐々に低下していくと考えられる。金属Ca単体の蒸気圧は非常に高く、Caの蒸発速度は相当に大きくなることから、溶融スラグ層7中のCa濃度の低下も相当の速度で進むこととなる。溶融スラグ層7中のCa濃度が低下すると、一旦、Ca化合物化されて、溶融スラグ層7に吸収されていた(Ca)化合物、(Ca)化合物などは分解して、合金溶湯プール6中に再び[P]、[N]などが戻る。すなわち、次式のような、いわゆる復リン反応などが溶融スラグ層7中で発生する。
(Ca)→Ca(g)↑
(Ca)→2[P]+3(Ca)
(Ca)→2[N]+3(Ca)
On the other hand, (Ca) in the molten slag layer 7 continues to evaporate as Ca (g (gas)). Due to this evaporation loss, it is considered that the Ca concentration in the molten slag layer 7 gradually decreases once Ca is dissolved in the molten slag layer 7. Since the vapor pressure of the metallic Ca alone is very high and the evaporation rate of Ca is considerably increased, the decrease in the Ca concentration in the molten slag layer 7 also proceeds at a considerable rate. When the Ca concentration in the molten slag layer 7 is lowered, the (Ca 3 P 2 ) compound, the (Ca 3 N 2 ) compound, etc. once converted into a Ca compound and absorbed in the molten slag layer 7 are decomposed, [P], [N], etc. return to the molten alloy pool 6 again. That is, a so-called dephosphorization reaction such as the following formula occurs in the molten slag layer 7.
(Ca) → Ca (g) ↑
(Ca 3 P 2 ) → 2 [P] +3 (Ca)
(Ca 3 N 2 ) → 2 [N] +3 (Ca)

このため、溶湯保持精錬時間を必要以上に長く取ることには意味がない。極端に長時間、合金溶湯プール6を保持した場合は、一旦、溶融スラグ層7に吸収されていた[P]や[N]が全て合金溶湯プール6側に戻り、全く精錬効果が得られないこともありうる。したがって、金属Caを用いる還元精錬法では、精錬剤を添加した後の時間管理が極めて重要となる。合金溶湯プール6の重量に応じて、添加すべき金属Caの重量、Caハライド組成フラックスの重量が異なることから、溶湯保持時間の管理では、添加する金属Caの重量やCaハライド組成フラックスの重量に応じて、適正な溶湯保持時間の範囲が異なることとなる。また、形成される溶融スラグ層7の量も、水冷銅るつぼ3の内径によって異なることから、これも考慮する必要がある。   For this reason, it is meaningless to take a molten metal refining time longer than necessary. When the molten alloy pool 6 is held for an extremely long time, all the [P] and [N] once absorbed in the molten slag layer 7 return to the molten alloy pool 6 side and no refining effect is obtained. It is also possible. Therefore, in the reductive refining method using metal Ca, time management after the refining agent is added is extremely important. Since the weight of the metal Ca to be added and the weight of the Ca halide composition flux differ depending on the weight of the molten alloy pool 6, in the management of the molten metal holding time, the weight of the added metal Ca and the weight of the Ca halide composition flux is used. Accordingly, the range of the appropriate molten metal holding time is different. Moreover, since the quantity of the molten slag layer 7 formed also changes with the internal diameters of the water-cooled copper crucible 3, this needs to be considered.

そこで、本発明者らは、図1に模式的に示した溶解精錬状況を、図4に示すようにモデル化した。図4は、精錬剤(金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物)添加による還元精錬反応をモデル化した図である。   Therefore, the present inventors modeled the melting and refining situation schematically shown in FIG. 1 as shown in FIG. FIG. 4 is a diagram modeling a reductive refining reaction by adding a refining agent (mixture of metallic Ca and Ca halide composition flux).

本発明者らは、下記の反応モデルを構築した。
合金溶湯プール6からの伝熱により、合金溶湯プール6の上部に添加した金属CaとCaハライド組成フラックスとが順次溶解して、溶融スラグ層7が形成される(図4の時間ステップ0から4への段階)。溶融スラグ層7が形成されると、溶融スラグ層7中のCaとの局所平衡により、合金溶湯プール6中の[P]濃度および[N]濃度、溶融スラグ層7中の(Ca)濃度および(Ca)濃度などが定まり、脱[P]、脱[N]反応が進行する。しかしながら、一旦完全に溶融スラグ層7が形成された(図4の時間ステップ4の段階)後は、溶融スラグ層7からのCa蒸発損失のために、時間と共に溶融スラグ層7中のCa濃度が低下する。このCa濃度の低下に応じて、局所平衡の反応により、再び、合金溶湯プール6中の[P]濃度や[N]濃度が増加する、という反応モデルである。
The inventors constructed the following reaction model.
Due to heat transfer from the molten alloy pool 6, the metal Ca added to the upper part of the molten alloy pool 6 and the Ca halide composition flux are sequentially dissolved to form a molten slag layer 7 (time steps 0 to 4 in FIG. 4). To the stage). When the molten slag layer 7 is formed, the [P] concentration and the [N] concentration in the molten alloy pool 6 and the (Ca 3 P 2 concentration in the molten slag layer 7 due to local equilibrium with Ca in the molten slag layer 7. ) Concentration and (Ca 3 N 2 ) concentration are determined, and the de [P] and de [N] reactions proceed. However, once the molten slag layer 7 is completely formed (time step 4 in FIG. 4), the Ca concentration in the molten slag layer 7 increases with time due to Ca evaporation loss from the molten slag layer 7. descend. This is a reaction model in which the [P] concentration and the [N] concentration in the molten alloy pool 6 again increase due to the local equilibrium reaction according to the decrease in the Ca concentration.

この反応モデルでは、初期の添加金属Caと添加Caハライド組成フラックスとが、単位面積単位時間当たりに合金溶湯プール6からの伝熱により溶解する溶解速度定数をKmelt(Ca+Flx) (kg/s/m2)とした。また、溶融スラグ層7から金属Caが蒸発する、単位時間単位面積当たりのCa蒸発速度定数をKev(Ca) (kg/s/m2)とした。そして、Kmelt(Ca+Flx)、Kev(Ca)をパラメータとして用い、これらのパラメータの値を、合金溶湯プール6の重量が20kg,40kg,50kgの場合における試験結果と整合するように求めた。   In this reaction model, Kmelt (Ca + Flx) (kg / s) is defined as a melting rate constant at which the initial added metal Ca and added Ca halide composition flux are melted by heat transfer from the molten alloy pool 6 per unit area unit time. / m2). In addition, the Ca evaporation rate constant per unit time unit area in which the metallic Ca evaporates from the molten slag layer 7 was Kev (Ca) (kg / s / m 2). Then, Kmelt (Ca + Flx) and Kev (Ca) were used as parameters, and the values of these parameters were determined so as to be consistent with the test results when the weight of the molten alloy pool 6 was 20 kg, 40 kg, and 50 kg.

φ220mm水冷銅るつぼ3内に200gのCaFCaO(8:2)フラックスを添加すると、約1分〜2分ほどで溶融スラグ層7が形成される。このことから、精練剤の溶解速度定数(Kmelt(Ca+Flx))は、0.017〜0.088(kg/s/m2)ほどの範囲と推定される。金属Caを含有する場合は、スラグ融点が低下することから、これよりやや早い速度となることが予想される。一方、溶融スラグ層7(例えばCaCaFCaO(25/60/15wt%)など)からのCa蒸気の蒸発速度定数(Kev(Ca))は、純Caの蒸気圧を用いて、真空化での蒸発速度定数を求める式から算出すると、1〜2(kg/s/m2)程度となる。しかしながら、Ca還元精錬は、例えばArガス1気圧付近で実施されることから、蒸発速度はこれより低くなることが推定される。これについては、溶鋼プール中の[Mn]の蒸発速度が、真空下に比べてArガス1気圧雰囲気下では、約1/100程度に低下することが、R.G.Ward(JISI Vol201(1963)p.11)により報告されていることから、Caの蒸発においても同様と仮定すると、Kev(Ca)は0.01〜0.02(kg/s/m2)のオーダーとなることが予想される。そこで、合金溶湯プール6重量50kgに対して、初期装入フラックス量:{Flx}M0=1.5%(750g)を添加して溶融スラグ層7を形成させた後、金属Ca:{Ca}M=1.0%(500g)+Caハライド組成フラックス:{Flx}M=1.5%(750g)を添加して、精錬時間を変えてCa還元精錬試験を実施した試験条件に対して、反応モデルを用いて精練剤の溶解速度定数を変化させた場合の添加精練剤の溶解所要時間を求めると、図4(b)に示す通りである。この試験では、最も高い脱[P]率が得られた反応時間が、10〜17分(600〜1020秒)ほどと判明している。よって、この時間(600〜1020秒)で、添加した精練剤が完全に溶解して溶融スラグ層7になったものと判断できる。これより、Kmelt(Ca+Flx)は0.03〜0.06(kg/s/m2)ほどの範囲となる。この値は、フラックスの溶解速度から推定される速度定数とほぼ一致している。 When 200 g of CaF 2 CaO (8: 2) flux is added into the φ220 mm water-cooled copper crucible 3, the molten slag layer 7 is formed in about 1 to 2 minutes. From this, the dissolution rate constant (Kmelt (Ca + Flx)) of the scouring agent is estimated to be in the range of about 0.017 to 0.088 (kg / s / m 2). When the metal Ca is contained, the slag melting point is lowered, so that it is expected that the speed is slightly higher than this. On the other hand, the evaporation rate constant (Kev (Ca)) of Ca vapor from the molten slag layer 7 (for example, CaCaF 2 CaO (25/60/15 wt%), etc.) is obtained by evacuation using the vapor pressure of pure Ca. When calculated from the equation for obtaining the evaporation rate constant, it is about 1-2 (kg / s / m 2). However, since Ca reduction refining is performed, for example, in the vicinity of 1 atm of Ar gas, the evaporation rate is estimated to be lower than this. Regarding this, the RGWard (JISI Vol201 (1963) p.11) shows that the evaporation rate of [Mn] in the molten steel pool is reduced to about 1/100 in an atmosphere of 1 atmosphere of Ar gas compared to that in a vacuum. ), It is expected that Kev (Ca) will be on the order of 0.01 to 0.02 (kg / s / m 2) if the same is assumed in the evaporation of Ca. Therefore, after adding the initial charge flux amount: {Flx} M0 = 1.5% (750 g) to the molten alloy pool 6 weight 50 kg to form the molten slag layer 7, the metal Ca: {Ca} M = 1.0% (500 g) + Ca halide composition flux: {Flx} M = 1.5% (750 g) was added, and the reaction was performed with respect to the test conditions in which the Ca refining test was carried out by changing the refining time. FIG. 4B shows the time required for dissolution of the added scouring agent when the dissolution rate constant of the scouring agent is changed using a model. In this test, the reaction time at which the highest de [P] rate was obtained was found to be about 10 to 17 minutes (600 to 1020 seconds). Therefore, it can be judged that the added scouring agent is completely dissolved in this time (600 to 1020 seconds) to form the molten slag layer 7. Thus, Kmelt (Ca + Flx) is in the range of about 0.03 to 0.06 (kg / s / m2). This value almost coincides with the rate constant estimated from the flux dissolution rate.

次に、Kmelt(Ca+Flx)=0.045として、Kev(Ca)の値を変化させて、得られる脱[P]率を求めた結果は図4(c)に示す通りである。実際の精錬試験で得られた脱[P]率は、88%〜94%ほどであったことから、これに対応するKev(Ca)の値は、0.002〜0.012(kg/s/m2)ほどとなる。この値も、純Caの蒸気圧から推定したCa蒸発速度定数値と概ね一致しており、妥当な値が得られている。   Next, assuming that Kmelt (Ca + Flx) = 0.045 and changing the value of Kev (Ca), the obtained [P] rate is shown in FIG. 4C. Since the de [P] rate obtained in the actual refining test was about 88% to 94%, the corresponding Kev (Ca) value was 0.002 to 0.012 (kg / s / m2). This value is also generally consistent with the Ca evaporation rate constant value estimated from the vapor pressure of pure Ca, and a reasonable value is obtained.

同様に、40kgおよび20kgの溶湯プール条件の場合について、反応モデルより、試験結果を表す値を求めると、Kmelt(Ca+Flx)は、それぞれ0.04〜0.07および0.03〜0.06(kg/s/m2)となり、Kev(Ca)は、それぞれ0.002〜0.012および0.002〜0.012(kg/s/m2)となる。また特許文献2および非特許文献2には、φ84mmの水冷銅るつぼ内で1.6kgの溶湯プールをつくり、Ca+CaF精練剤をこれに添加して、精錬時間を変えた試験結果が報告されている。その結果では、最も高い脱[P]率(85〜95%ほど)が得られるのは、添加後1〜2分であることが開示されている。このデータに対して、同様に反応モデルによる解析を行うと、φ84mmの水冷銅るつぼでの試験におけるKmelt(Ca+Flx)は、0.04〜0.09(kg/s/m2)ほど、Kev(Ca)は、0.008〜0.0027(kg/s/m2)ほどとなる。φ220mmの水冷銅るつぼ3での試験と比べて、いずれもやや大きな値とはなるものの、ほぼ一致しており、ほとんどすべての直径の水冷銅るつぼ3を用いてのCa還元精錬試験に、この反応モデルを適用することができる。 Similarly, when 40 kg and 20 kg of molten metal pool conditions are used, values representing test results are obtained from the reaction model, and Kmelt (Ca + Flx) is 0.04 to 0.07 and 0.03 to 0.03, respectively. 06 (kg / s / m2), and Kev (Ca) becomes 0.002 to 0.012 and 0.002 to 0.012 (kg / s / m2), respectively. In Patent Document 2 and Non-Patent Document 2, a test result in which a 1.6 kg molten pool is created in a φ84 mm water-cooled copper crucible and a Ca + CaF 2 scouring agent is added thereto and the refining time is changed is reported. Yes. As a result, it is disclosed that the highest de [P] rate (about 85 to 95%) is obtained 1 to 2 minutes after the addition. When this data was similarly analyzed using a reaction model, the Kmelt (Ca + Flx) in the test with a φ84 mm water-cooled copper crucible was about 0.04 to 0.09 (kg / s / m2), Kev. (Ca) is about 0.008 to 0.0027 (kg / s / m 2). Compared to the test with φ220mm water-cooled copper crucible 3, all the values are almost the same, but they are almost the same, and this reaction was applied to Ca reduction refining test using water-cooled copper crucible 3 of almost all diameters. A model can be applied.

以上の検討の結果、20〜50kgの合金溶湯プール6重量に対して満足する精錬剤(金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物)を完全溶融させる際の上記Kmelt(Ca+Flx)の範囲は、データのばらつきなどを考慮すると、0.03≦Kmelt(Ca+Flx)≦0.1ほどであり、一方、Kev(Ca)は、0.002≦Kev(Ca)≦0.012ほどであることが判明した。   As a result of the above examination, the range of Kmelt (Ca + Flx) when completely melting a refining agent (mixture of metallic Ca and Ca halide composition flux) that satisfies a 6 to 20 kg molten alloy pool weight is In consideration of data variation, etc., 0.03 ≦ Kmelt (Ca + Flx) ≦ 0.1, while Kev (Ca) is about 0.002 ≦ Kev (Ca) ≦ 0.012. It has been found.

これらの値を用いれば、任意のサイズの水冷銅るつぼ3内で、合金溶湯プール6を形成させ、金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物からなる精錬剤を添加する際の、適正な溶湯保持時間を設定することができる。定量的には、精錬剤(金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物)を合金溶湯プール6に添加した後の、適切な合金溶湯プール6保持時間T(min)として、次のT1≦T≦T2 (min)の条件を満足することが、高い脱リン[P]率、脱窒[N]率などを得るための有効な条件となる。   If these values are used, the molten metal pool 6 is formed in the water-cooled copper crucible 3 of an arbitrary size, and an appropriate molten metal is maintained when a refining agent composed of a mixture of metallic Ca and Ca halide composition flux is added. You can set the time. Quantitatively, after adding a refining agent (mixture of metal Ca and Ca halide composition flux) to the molten alloy pool 6, an appropriate molten alloy pool 6 retention time T (min) is expressed as T1 ≦ T ≦ Satisfying the condition of T2 (min) is an effective condition for obtaining a high dephosphorization [P] rate, denitrification [N] rate, and the like.

時間T1、T2は、次のように設定することができる。(図3参照)
T1(min)は、精錬剤(金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物)の添加後、当該精錬剤が完全溶融するために要する所要時間の1/2である。
T1=WCa+Flx/S/Kmelt(Ca+Flx) /60/2
WCa+Flx=M×({Ca}M+{Flx}M)/100
WCa+Flx:精錬剤の合計重量(kg)
S: πD/4:水冷銅るつぼ3内の水平断面積(m2)、D:水冷銅るつぼ3の内径(m)
Kmelt(Ca+Flx) (kg/s/m2)=0.1として計算される上記時間T1の2倍の時間が、添加した精練剤が完全溶解して、溶融スラグ層7を形成するための所要時間である。この時間(T1×2)が最も精錬効果が最大となる時間であるが、実際にはばらつきも大きい。そのため、その時間の1/2の時間T1を最短の合金溶湯プール6保持時間とした。T1以上の時間、溶湯を保持する必要がある。
Times T1 and T2 can be set as follows. (See Figure 3)
T1 (min) is ½ of the time required for the refining agent to completely melt after the refining agent (mixture of metal Ca and Ca halide composition flux) is added.
T1 = WCa + Flx / S / Kmelt (Ca + Flx) / 60/2
WCa + Flx = M × ({Ca} M + {Flx} M) / 100
WCa + Flx: Total weight of refining agent (kg)
S: πD 2/4: horizontal cross-sectional area (m2) of the water-cooled copper crucible 3, D: inside diameter of the water-cooled copper crucible 3 (m)
Kmelt (Ca + Flx) (kg / s / m2) = twice the time T1, calculated as 0.1, for the added scouring agent to completely dissolve and form the molten slag layer 7 Time required. This time (T1 × 2) is the time at which the refining effect is maximized, but in reality, the variation is large. Therefore, the time T1 which is ½ of the time is set as the shortest molten alloy pool 6 holding time. It is necessary to hold the molten metal for a time longer than T1.

T2(min)は、添加した金属Caの1/2が蒸発損失により溶融スラグ層7から失われる時間である。
T2=WCa/2/S/Kev(Ca)/60
WCa=M×{Ca}M/100
WCa:添加する金属Caの重量(kg)
Kev(Ca) ) (kg/s/m2)=0.002として計算される上記時間T2が、添加した金属Caの1/2が蒸発して失われる時間であり、T2以下の時間で溶湯保持を終了させる必要がある。
T2 (min) is a time during which 1/2 of the added metal Ca is lost from the molten slag layer 7 due to evaporation loss.
T2 = WCa / 2 / S / Kev (Ca) / 60
WCa = M × {Ca} M / 100
WCa: Weight of added metal Ca (kg)
The time T2 calculated as Kev (Ca)) (kg / s / m2) = 0.002 is the time when 1/2 of the added metal Ca evaporates and is lost, and the molten metal is retained within the time T2 or less. Need to be terminated.

実際の精錬操作に際しては、添加した金属Caの1/2が失われるまで保持する必要性は少なく、定性的には、添加した精錬剤(金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物)が全量溶融して溶融スラグ層7が形成される時間(T1の2倍ほどの時間)の精錬効果が最大であり、その時点で、できるだけ速やかに合金溶湯プール6を急冷凝固させて、Ca蒸発損失に伴う復リン反応などを抑制することが有効と考えられる。しかしながら、実際の精錬操作においては、前記精錬剤の添加後は、数秒から数十秒ほどの短時間でCa蒸発によるダストによって、合金溶湯プール6表面の目視観察を行うこと自体が不可能となる。そのため、前記精錬剤がどの時点で完全溶融したかを観察により確認することは不可能であり、時間によってのみ管理することが必要となる。   In actual refining operation, it is not necessary to hold until half of the added metal Ca is lost, and qualitatively, the added refining agent (mixture of metal Ca and Ca halide composition flux) is completely melted. Then, the refining effect of the time for forming the molten slag layer 7 (about twice as long as T1) is the maximum, and at that time, the molten alloy pool 6 is rapidly solidified as soon as possible, resulting in Ca evaporation loss. It is considered effective to suppress the reversion reaction. However, in the actual refining operation, after the addition of the refining agent, it is impossible to visually observe the surface of the molten alloy pool 6 by dust caused by Ca evaporation in a short time of several seconds to several tens of seconds. . Therefore, it is impossible to confirm by observation at which point the refining agent has completely melted, and it is necessary to manage only by time.

この場合、不純物除去精錬効果は、図3に示すように、前記精錬剤が溶融する段階では、脱[P]率や脱[N]率の時間変化の勾配は急である。逆に、一旦、完全に溶融スラグ層7が形成された後、Ca蒸発が進行して溶融スラグ層7中のCa濃度が減少する段階での、脱[P]率や脱[N]率の時間変化は緩やかである。以上より、確実に脱[P]率を確保するためには、やや保持時間が長時間に設定するほうが、より確実である。そこで、スラグ中のCa量の1/2が、蒸発により失われる時間(T2)を上限としている。   In this case, as shown in FIG. 3, the impurity removal and refining effect has a steep gradient of time-dependent changes in the de [P] rate and de [N] rate at the stage where the refining agent melts. On the contrary, once the molten slag layer 7 is completely formed, when the Ca concentration proceeds and the Ca concentration in the molten slag layer 7 decreases, the de [P] rate and the de [N] rate are reduced. Time change is gradual. From the above, in order to ensure the removal [P] rate, it is more certain to set the holding time to be a little longer. Therefore, the upper limit is the time (T2) that ½ of the Ca content in the slag is lost by evaporation.

この関係を、水冷銅るつぼ3の内径D(m)に対して、適正な溶湯保持時間のT1およびT2の範囲の一例を、合金溶湯プール6の重量(L/D=0.75:水冷銅るつぼ3の内径×0.75高さ(L)の円筒状の合金溶湯プール6の重量)、事前添加Caハライド組成フラックスの重量({Flx}M0=1.5)、Ca+フラックス精錬条件({Ca}M=1.0、{Flx}M=1.5)の場合について示すと、図5に示す通りである。   With respect to this relationship, an example of a range of T1 and T2 of an appropriate molten metal holding time with respect to the inner diameter D (m) of the water-cooled copper crucible 3 is represented by the weight of the molten alloy pool 6 (L / D = 0.75: water-cooled copper The inner diameter of the crucible 3 × the weight of the cylindrical molten alloy pool 6 having a height (L) 6), the weight of the pre-added Ca halide composition flux ({Flx} M0 = 1.5), the Ca + flux refining conditions ({ The case of Ca} M = 1.0, {Flx} M = 1.5) is as shown in FIG.

水冷銅るつぼ3の内径により、適正保持時間が変化することが図5には示されている。試験データのばらつきが大きいこともあり、精度の点でやや問題はあるものの、より適正な溶湯保持の時間範囲は、T1についてはKmelt(Ca+Flx) (kg/s/m2)=0.06と設定した時間、T2についてはKev(Ca) ) (kg/s/m2)=0.006と設定した時間、である図5中の点線および二点鎖線で示した範囲内が妥当である。
以上より、ここで示した関係式(T1≦T≦T2)を用いることにより、φ200m以上の水冷銅るつぼ3内に形成させる合金溶湯プール6に対して施す金属Ca+Caハライド組成フラックスの添加による精錬操作の適正な時間範囲を設定することが可能となる。
FIG. 5 shows that the proper holding time varies depending on the inner diameter of the water-cooled copper crucible 3. Although there is some variation in test data and there are some problems in terms of accuracy, a more appropriate molten metal retention time range is Kmelt (Ca + Flx) (kg / s / m2) = 0.06 for T1. For the time T2, and the time T2, the time set as Kev (Ca)) (kg / s / m2) = 0.006 is within the range indicated by the dotted line and the two-dot chain line in FIG.
From the above, by using the relational expression shown here (T1 ≦ T ≦ T2), a refining operation by adding a metal Ca + Ca halide composition flux to be performed on the molten alloy pool 6 formed in a water-cooled copper crucible 3 of φ200 m or more. It is possible to set an appropriate time range.

前記したように、合金溶湯プール6の重量に対する金属Caの添加率{Ca}Mを0.5wt%以上とし、合金溶湯プール6の重量に対するCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mを金属Caの添加率{Ca}M以上とし、かつ、合金溶湯プール6の保持時間Tを、T1≦T≦T2とすることにより、リン[P]、硫黄[S]、錫[Sn]、鉛[Pb]などの不純物元素含有量を、それぞれ2ppm以下までに低減することが可能である。   As described above, the addition rate {Ca} M of the metal Ca with respect to the weight of the molten alloy pool 6 is 0.5 wt% or more, and the addition rate {Flx} M of the Ca halide composition flux with respect to the weight of the molten alloy pool 6 is changed to the metal Ca. And the retention time T of the molten alloy pool 6 is T1 ≦ T ≦ T2, so that phosphorus [P], sulfur [S], tin [Sn], lead [Pb] It is possible to reduce the content of impurity elements such as] to 2 ppm or less.

例えば、不純物元素含有量の多いフェロクロム原料および低炭素鋼原料(転炉材)と、高純度な電解Ni原料とを合金原料として用いる。また、φ220mmの水冷銅るつぼ3を有するコールドクルーシブル式誘導溶解装置1を用いる。ステンレス鋼(Fe−20Ni25Cr)を50kg、水冷銅るつぼ3に投入して合金溶湯プール6を形成する。その後、CaF−20CaOフラックスを用いて、金属Ca+フラックス精錬剤(添加条件:{Ca}M=1.0,{Flx}M=1.5)を合金溶湯プール6に添加する。そして、11分〜15分間、合金溶湯プール6を保持する精錬操作を行う。この場合、最初の合金原料配合段階での合金溶湯プール6中の不純物元素濃度は、[P]0=250ppm、[N]0=250ppm程度である。これをCa還元精錬することにより、脱[P]率=約90%、脱[N]率=約85%となるので、不純物元素濃度は、[P]1=25ppm、[N]1=40ppm程度となる。この鋳塊を原料として2回目のCa還元精錬を行うと、[P]2=3ppm、[N]2=6ppm程度となる。さらに3回目の精錬操作を行うと、ほぼ化学分析法の分析限界である2ppm以下までに、すなわち、[P]3<2ppm、[N]3<2ppmとなる。 For example, a ferrochrome raw material and a low carbon steel raw material (converter material) having a high impurity element content and a high-purity electrolytic Ni raw material are used as alloy raw materials. A cold crucible induction melting apparatus 1 having a water-cooled copper crucible 3 having a diameter of 220 mm is used. 50 kg of stainless steel (Fe-20Ni25Cr) is charged into the water-cooled copper crucible 3 to form the molten alloy pool 6. Thereafter, a metal Ca + flux refining agent (addition conditions: {Ca} M = 1.0, {Flx} M = 1.5) is added to the molten alloy pool 6 using CaF 2 -20CaO flux. Then, a refining operation for holding the molten alloy pool 6 is performed for 11 to 15 minutes. In this case, the impurity element concentrations in the molten alloy pool 6 at the initial alloy raw material blending stage are about [P] 0 = 250 ppm and [N] 0 = 250 ppm. By reducing this with Ca, the de [P] rate = about 90% and the de [N] rate = about 85%, so that the impurity element concentrations are [P] 1 = 25 ppm, [N] 1 = 40 ppm. It will be about. When the second Ca reduction smelting is performed using this ingot as a raw material, [P] 2 = 3 ppm and [N] 2 = 6 ppm. Further, when the refining operation is performed for the third time, it is almost within the analytical limit of 2 ppm or less, that is, [P] 3 <2 ppm and [N] 3 <2 ppm.

実際にこのような操作により、不純物元素含有量の多いフェロクロム原料と低炭素鋼原料(転炉材)とを用いて、φ220mmの水冷銅るつぼ3によるCCIM−Ca還元精錬を施した後、酸化鉄を添加して真空酸化精錬を行い、さらに電子ビーム(EB)溶製法において真空酸化精錬を施して鋳塊を製造し、通常の鉄鋼材料の化学分析法や微量分析が可能なGD−MS(グロー放電質量)分析法により、不純物元素分析を行った結果、化学分析法で[P]<2ppm(分析限界値以下)、GD−MS分析法では、[P]=0.5ppm程度にまで高純度化(不純物除去)された鋳塊が製造できている。このGD−MS分析法で測定したその他不純物の分析値は、例えば、表1に示す通りである。ここで、GD−MS分析法は、グロー放電質量分析法と呼ばれる分析法であり、半導体材料などの微量分析に適用されて、0.01ppmほどまでの金属元素・半導体元素・絶縁体元素などの微量分析が可能な分析方法である。高純度鋳塊の従来製造法である真空誘導溶解(VIM)−電子ビーム(EB)法により、電解鉄,電解ニッケル,金属クロムを溶解原料として用いて製造した鋳塊、さらに市販のステンレス鋼材(SUS304ULC)の分析結果を比較のために表1に示している。本Ca還元精練手法が、[P]、[S]や、[Sn]、[Sb]、[Pb]などのトレーストランプ元素の除去精錬に非常に有効であり、従来法鋳塊に比べて、高純度化できることが表1よりわかる。なお、窒素については、GD−MS分析が不可能であり、化学分析法の限界が5ppmであることから、[N]<5ppmまで不純物元素が除去されたことを確認している。   Actually, after performing CCIM-Ca reductive refining with φ220 mm water-cooled copper crucible 3 using a ferrochrome raw material having a high impurity element content and a low-carbon steel raw material (converter material) by such an operation, iron oxide GD-MS (glow glow), which can be used for chemical analysis and trace analysis of ordinary steel materials by adding vacuum to oxidative refining and further vacuum oxidative refining in the electron beam (EB) melting method to produce ingots. As a result of the impurity element analysis by the discharge mass) analysis method, the chemical analysis method has [P] <2 ppm (below the analysis limit), and the GD-MS analysis method has high purity up to about [P] = 0.5 ppm. Ingots (impurities removed) have been manufactured. Analytical values of other impurities measured by this GD-MS analysis method are as shown in Table 1, for example. Here, the GD-MS analysis method is an analysis method called glow discharge mass spectrometry, which is applied to a microanalysis of a semiconductor material or the like, and has a metal element / semiconductor element / insulator element up to about 0.01 ppm. This is an analytical method capable of microanalysis. Ingots produced using electrolytic iron, electrolytic nickel, and metallic chromium as melting raw materials by vacuum induction melting (VIM) -electron beam (EB) method, which is a conventional method for producing high-purity ingots, and commercially available stainless steel materials ( The analysis results of SUS304ULC are shown in Table 1 for comparison. This Ca reduction smelting method is very effective for removing and refining trace trump elements such as [P], [S], [Sn], [Sb], and [Pb]. It can be seen from Table 1 that it can be highly purified. As for nitrogen, since GD-MS analysis is impossible and the limit of chemical analysis is 5 ppm, it has been confirmed that impurity elements have been removed up to [N] <5 ppm.

表1は、Ca還元精錬法、コールドクルーシブル式誘導溶解装置1を用いた酸化精錬法(詳しくは後述する)、コールドハース式電子ビーム溶解装置11を用いた酸化精錬法(詳しくは、後述するコールドハース式電子ビーム溶解方法を参照のこと)の順で製造した(本発明)鋳塊中の不純物元素濃度と、真空誘導溶解(VIM)−電子ビーム(EB)法により製造した(従来技術)鋳塊中の不純物元素濃度と、市販材(SUS304ULC)中の不純物元素濃度とを比較した表である。   Table 1 shows a Ca reductive refining method, an oxidation refining method using a cold crucible induction melting apparatus 1 (details will be described later), and an oxidation refining method using a cold hearth type electron beam melting apparatus 11 (details will be described later). (Refer to Haas-type electron beam melting method)) (invention) Impurity element concentration in the ingot, and vacuum induction melting (VIM) -electron beam (EB) method (prior art) casting It is the table | surface which compared the impurity element density | concentration in a lump with the impurity element density | concentration in a commercial material (SUS304ULC).

Figure 0005395545
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一方、溶解原料(合金原料)として、比較的に入手しやすい市販高純度原料である、電解鉄、電解Ni、金属Crなどを用いる場合、初期配合段階での合金溶湯プール6中の不純物元素濃度は、[P]0=10ppm、[S]0=10ppm、[N]0=20ppm程度である。これに対しては、1回のCa還元精錬を施すだけで、[P]1<1ppm、[S]1<1ppmが達成されることが確認されている。また、[Sn]、[Pb]、[Sb]などのトレーストランプ元素不純物は、GD−MS測定法で分析して、1ppm以下となることが確認されている。   On the other hand, when using electrolytic iron, electrolytic Ni, metallic Cr, etc., which are commercially available high-purity raw materials that are relatively easily available, as the melting raw material (alloy raw material), the impurity element concentration in the molten alloy pool 6 at the initial blending stage [P] 0 = 10 ppm, [S] 0 = 10 ppm, and [N] 0 = 20 ppm. For this, it has been confirmed that [P] 1 <1 ppm and [S] 1 <1 ppm can be achieved only by performing Ca refining once. In addition, trace trump element impurities such as [Sn], [Pb], and [Sb] have been confirmed to be 1 ppm or less as analyzed by the GD-MS measurement method.

(コールドクルーシブル式誘導溶解装置を用いた酸化精錬方法)
前記したように、金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物を精錬剤として用いるCa還元精錬方法により、リン[P]などの不純物元素含有量が2ppm以下となる実用規模の合金鋳塊を製造することができる。
(Oxidative refining method using cold crucible induction melting equipment)
As described above, a practical-scale alloy ingot having a content of impurity elements such as phosphorus [P] of 2 ppm or less is produced by a Ca reductive refining method using a mixture of metal Ca and Ca halide composition flux as a refining agent. be able to.

しかしながら、金属Caを用いて精錬した合金鋳塊中には、特にNiを合金成分として含有する合金鋳塊において、相当量の金属Caが鋳塊中に残留することとなる。例えば、Ni含有量が0(ゼロ)の合金の場合は、残留[Ca]濃度=約0.02wt%であり、20wt%程度の合金の場合は、残留[Ca]濃度=約0.05wt%となる。Ni含有量が35wt%程度の合金では、残留[Ca] 濃度=約0.09wt%となる。Ni含有量が45wt%程度の合金では、残留[Ca]濃度=約0.12wt%となる。さらに、Ni含有量が60wt%程度のNi基合金では、残留[Ca]濃度=約0.5wt%となる場合もある。このように、金属Caを用いて精錬した合金鋳塊中には、相当量の[Ca]が残留することとなる。合金鋳塊中の[Ca]などのアルカリ土類元素やアルカリ金属元素などは、耐食性を劣化させることが知られている。よって、超高純度合金鋳塊を製造するためには、これら不純物元素含有量を0.001wt%以下、望ましくは1ppm以下にまで低減しておくことが好ましい。   However, in an alloy ingot refined using metal Ca, a considerable amount of metal Ca remains in the ingot, particularly in an alloy ingot containing Ni as an alloy component. For example, in the case of an alloy having a Ni content of 0 (zero), the residual [Ca] concentration = about 0.02 wt%, and in the case of an alloy of about 20 wt%, the residual [Ca] concentration = about 0.05 wt%. It becomes. In an alloy having a Ni content of about 35 wt%, the residual [Ca] concentration is about 0.09 wt%. In an alloy having a Ni content of about 45 wt%, the residual [Ca] concentration = about 0.12 wt%. Further, in a Ni-based alloy having a Ni content of about 60 wt%, the residual [Ca] concentration may be about 0.5 wt%. Thus, a considerable amount of [Ca] remains in the alloy ingot refined using metal Ca. It is known that alkaline earth elements such as [Ca] and alkali metal elements in the alloy ingot deteriorate the corrosion resistance. Therefore, in order to produce an ultra-high purity alloy ingot, the content of these impurity elements is preferably reduced to 0.001 wt% or less, desirably 1 ppm or less.

また、金属Caを用いての還元精錬の際、Caにより比較的還元されやすい、炭素、アルミ、などの元素が不純物として増加しやすい。[C]では30ppm程度、[Al]や[Si]に関しては0.005wt%程度の濃度増加が発生する場合がある。これらは、チャンバー(真空チャンバー4)内に付着する有機物やセラミック類が、金属Caにより還元されて、合金溶湯プール6中に吸収されるためと考えられる。これは、金属Caを用いての還元精錬を行う際にしばしば発生する現象であることが判明している。   Further, during reduction refining using metal Ca, elements such as carbon and aluminum that are relatively easily reduced by Ca are likely to increase as impurities. [C] may cause an increase in concentration of about 30 ppm, and [Al] and [Si] may increase in concentration by about 0.005 wt%. It is considered that these are because organic substances and ceramics adhering in the chamber (vacuum chamber 4) are reduced by the metal Ca and absorbed into the molten alloy pool 6. This has been found to be a phenomenon that often occurs when reductive refining using metallic Ca.

一方、超高純度が要求される合金においては、炭素[C]<10ppm、ケイ素[Si]<0.01wt%などが要求される場合もある。よって、[Ca]とともに[C]、[Si]などを除去する技術が必要となる。また、硼素[B]が著しく耐食性を劣化させることもあり、[B]<1ppmが要求される場合もある。   On the other hand, in an alloy that requires ultra-high purity, carbon [C] <10 ppm, silicon [Si] <0.01 wt%, or the like may be required. Therefore, a technique for removing [C], [Si] and the like together with [Ca] is required. Further, boron [B] may significantly deteriorate the corrosion resistance, and [B] <1 ppm may be required.

ステンレス溶湯プール中の[C]不純物元素は、これを除去するために、次式の反応により脱炭反応を促進させる必要がある。
[C]+[O]→CO(g)↑
この反応を進めるには、合金溶湯プール6中に酸素[O]を供給するとともに、発生するCO(g(ガス))を除去して、CO分圧を低下させ、反応を促進させる必要がある。この具体的な手段として、合金溶湯プール6への酸素供給のために、酸素ガスを使用することも可能ではある。しかし、CO(g)の除去には、真空排気を行い、発生COガスを排出し続けることが有効となるため、ガス状での酸素供給よりは、固体状での酸素源となる酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤を添加する方が有効である。特に、金属Caにより還元精錬された合金鋳塊中には、残留酸素[O]は多くの場合5ppm以下となっており、酸素源のない状態となっていることから、脱炭反応用の酸素源の供給が不可欠となる。酸化剤としては、Fe基合金の場合は酸化鉄(Fe,Feなど)、Fe−Ni基合金の場合は酸化鉄や酸化ニッケルが、Ni基合金では酸化ニッケルが、Co基合金の場合は、酸化コバルトなどが適用できる。これらの酸化剤は、固体の酸化剤であり、換言すれば酸化金属からなる酸化剤である。
In order to remove the [C] impurity element in the molten stainless steel pool, it is necessary to promote the decarburization reaction by the reaction of the following formula.
[C] + [O] → CO (g) ↑
In order to proceed with this reaction, it is necessary to supply oxygen [O] into the molten alloy pool 6 and remove generated CO (g (gas)) to reduce the CO partial pressure and promote the reaction. . As a specific means, oxygen gas can be used for supplying oxygen to the molten alloy pool 6. However, for removing CO (g), it is effective to evacuate and continue to discharge the generated CO gas. Therefore, rather than supplying oxygen in a gaseous state, iron oxide serving as a solid oxygen source, etc. It is more effective to add an oxidant which is an oxide of a main component element of a predetermined alloy composition. In particular, residual oxygen [O] is often 5 ppm or less in an alloy ingot reductively refined with metal Ca, and is in a state where there is no oxygen source. Source supply is essential. As an oxidizing agent, iron oxide (Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 etc.) is used in the case of Fe-based alloys, iron oxide or nickel oxide is used in the case of Fe-Ni based alloys, nickel oxide is used in Ni-based alloys, Co In the case of a base alloy, cobalt oxide or the like can be applied. These oxidizing agents are solid oxidizing agents, in other words, oxidizing agents made of metal oxides.

また、炭素以外の合金元素として、[Si],[Al],[Ti],[Zr],[Hf],[B],[Ca]などの、鉄やニッケルと比べてその酸化物が熱力学的に安定となるような活性金属元素を除去しようとする場合は、以下のような酸化精錬反応を進め、それぞれの酸化物をスラク゛中に分離除去する必要がある。
[Si]+2[O]→(SiO
2[Al]+3[O]→(Al
[Ti]+2[O]→(TiO
[Zr]+2[O]→(ZrO
2[B]+3[O]→(B
[Ca]+[O]→(CaO)
In addition, as an alloy element other than carbon, oxides such as [Si], [Al], [Ti], [Zr], [Hf], [B], and [Ca] are heated compared to iron and nickel. In order to remove the active metal element that is mechanically stable, it is necessary to proceed with the following oxidative refining reaction and separate and remove each oxide in the slack.
[Si] +2 [O] → (SiO 2 )
2 [Al] +3 [O] → (Al 2 O 3 )
[Ti] +2 [O] → (TiO 2 )
[Zr] +2 [O] → (ZrO 2 )
2 [B] +3 [O] → (B 2 O 3 )
[Ca] + [O] → (CaO)

また、合金鋳塊中の[Ca]については、溶解するだけでも蒸発除去されるが、若干量は合金鋳塊中に残留する可能性がある。これを完全に除去するには、同じく、酸化精錬を行うことが重要である。これらの元素を酸化物にしてスラグとして吸収する際、溶融スラグ層7中のCaOと反応させて、より安定な化合物として、溶融スラグ層7中でのこれら成分の活量を低下させておくことが、除去精錬反応にとっては有効である。例えば、[Si]を酸化して形成されるSiOは、CaOと反応させて、CaSiOなどの安定した化合物とすることにより、溶融スラグ層7中のSiO活量を低下させて、[Si]の酸化反応を進行させやすくすることが有効である。同様に、Al、TiO、Bなどについても、CaOと反応させて化合物化し溶融スラグ層7中の活量を低下させることが、これら元素の酸化除去精錬にとって有効である。そのため、溶融スラグ層7中のCaO量を、酸化反応により発生する種々のこれら酸化物の量に見合うようにしておくことが有効である。 [Ca] in the alloy ingot is removed by evaporation only by melting, but a slight amount may remain in the alloy ingot. In order to remove this completely, it is also important to carry out oxidative refining. When these elements are converted into oxides and absorbed as slag, they are reacted with CaO in the molten slag layer 7 to reduce the activity of these components in the molten slag layer 7 as a more stable compound. However, it is effective for the removal and refining reaction. For example, SiO 2 formed by oxidizing [Si] reacts with CaO to form a stable compound such as Ca 2 SiO 4 , thereby reducing the SiO 2 activity in the molten slag layer 7. It is effective to facilitate the progress of the oxidation reaction of [Si]. Similarly, with regard to Al 2 O 3 , TiO 2 , B 2 O 3, etc., it is effective for oxidative removal refining of these elements to react with CaO to form a compound and reduce the activity in the molten slag layer 7. . Therefore, it is effective to match the amount of CaO in the molten slag layer 7 with the amount of various oxides generated by the oxidation reaction.

本酸化精錬においても、前記したCa還元精錬と同様に、内径が0.2m以上の水冷銅るつぼ3を有するコールドクルーシブル式誘導溶解装置1を使用する(図1参照)。本酸化精錬では、金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物を精錬剤として用いる前記したCa還元精錬方法により製造した鋳塊(合金鋳塊)をさらに精錬処理(酸化精錬処理)する。前記したCa還元精錬方法により製造した鋳塊(合金鋳塊)を水冷銅るつぼ3に投入して、不活性ガス雰囲気下において、所定の合金組成に成分調整した合金溶湯プール6を形成させた後、以下の条件を満足する精錬操作を施すことにより、炭素[C],珪素[Si],アルミニウム[Al],チタン[Ti],ジルコニウム[Zr],ハフニウム[Hf],硼素[B]などの活性元素の不純物元素を除去精錬する。不活性ガスとしては、ArガスやHeガスなどを用いる。   Also in the present oxidation refining, a cold crucible induction melting apparatus 1 having a water-cooled copper crucible 3 having an inner diameter of 0.2 m or more is used as in the above-described Ca refining refining (see FIG. 1). In this oxidation refining, the ingot (alloy ingot) manufactured by the above-described Ca reduction refining method using a mixture of metal Ca and Ca halide composition flux as a refining agent is further subjected to refining treatment (oxidative refining treatment). After the ingot (alloy ingot) manufactured by the above-mentioned Ca reduction refining method is put into the water-cooled copper crucible 3 and the molten alloy pool 6 whose components are adjusted to a predetermined alloy composition is formed in an inert gas atmosphere. By performing a refining operation that satisfies the following conditions, carbon [C], silicon [Si], aluminum [Al], titanium [Ti], zirconium [Zr], hafnium [Hf], boron [B], etc. Remove and refine impurity elements of active elements. Ar gas or He gas is used as the inert gas.

(1)精錬剤として、酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤とCaハライド組成フラックスとを混合した精錬剤(第2精錬剤に相当する)を合金溶湯プール6に添加すること。
代表的な酸素源となる酸化鉄としては、Fe、またはFeなどを使用する。反応の結果、発生する酸化物を、溶融スラグ層7中に安定して吸収させる必要がある。そこで、酸化物吸収能の高いフラックスとして、フッ化カルシウム(CaF)や塩化カルシウム(CaCl)などのCaハライド系フラックスに、CaOを添加したフラックスとしている。
(1) As a refining agent, a refining agent (corresponding to a second refining agent) obtained by mixing an oxidizing agent which is an oxide of a predetermined main component element of an alloy composition such as iron oxide and a Ca halide composition flux is used as a molten alloy pool 6. To add to.
Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , or the like is used as iron oxide serving as a typical oxygen source. As a result of the reaction, it is necessary to stably absorb the oxide generated in the molten slag layer 7. Therefore, as a flux having a high oxide absorption capacity, a flux obtained by adding CaO to a Ca halide flux such as calcium fluoride (CaF 2 ) or calcium chloride (CaCl 2 ) is used.

(2)上記Caハライド系フラックスは、基本成分のCaFより低融点化させた成分系とし、CaF−CaO(5〜30wt%)、CaF−CaCl(5〜30wt%)、またはCaF−(CaO+CaCl)(5〜30wt%)系(Caハライド組成フラックス)を使用すること。
これらCaハライド組成フラックスの成分は、前記したCa還元精錬で用いたCaハライド組成フラックスと同じ組成としている。これは、フラックスを低融点化させて、合金溶湯プール6からの伝熱により添加フラックスが容易に溶融して、溶融スラグ層7を形成させることが、反応推進にとって有効なためである。酸化反応により生成する酸化物を吸収するためには、CaOを含有するフラックスがより有効である。発生する酸化物を安定な化合物にするために必要なCaO量を、あらかじめフラックスに含有させた成分系がより有効となる。
(2) The Ca halide-based flux is a component system having a lower melting point than the basic component CaF 2 , and is CaF 2 —CaO (5 to 30 wt%), CaF 2 —CaCl 2 (5 to 30 wt%), or CaF. Use a 2- (CaO + CaCl 2 ) (5-30 wt%) system (Ca halide composition flux).
These components of the Ca halide composition flux have the same composition as the Ca halide composition flux used in the Ca reduction refining described above. This is because it is effective for reaction promotion to lower the melting point of the flux and easily melt the added flux by heat transfer from the molten alloy pool 6 to form the molten slag layer 7. In order to absorb the oxide generated by the oxidation reaction, a flux containing CaO is more effective. A component system in which the amount of CaO necessary for making the generated oxide a stable compound is previously contained in the flux becomes more effective.

(3)Caハライド組成フラックスの添加率は、合金溶湯プール6の重量に対するフラックス添加重量割合{Flx}Mが、0.5≦{Flx}M≦5.0(wt%)の範囲を満足すること。
Caハライド組成フラックスの添加率が少なすぎると、発生酸化物の吸収効果が得られないことから、少なくとも合金溶湯プール6の重量の0.5wt%のフラックス量は必要である。一方、金属Ca還元精錬の場合と同様に{Flx}Mが5.0wt%以上になると、合金溶湯プール6からの伝熱が不足し、溶融スラグ層7が形成されにくくなるため、5.0wt%を上限とする。
(3) Regarding the addition rate of the Ca halide composition flux, the flux addition weight ratio {Flx} M with respect to the weight of the molten alloy pool 6 satisfies the range of 0.5 ≦ {Flx} M ≦ 5.0 (wt%). about.
If the addition ratio of the Ca halide composition flux is too small, the effect of absorbing the generated oxide cannot be obtained. Therefore, a flux amount of at least 0.5 wt% of the weight of the molten alloy pool 6 is necessary. On the other hand, when {Flx} M is 5.0 wt% or more, as in the case of metallic Ca reduction refining, the heat transfer from the molten alloy pool 6 is insufficient and the molten slag layer 7 is difficult to be formed. % Is the upper limit.

(4)上記混合精錬剤中の代表的な酸化剤である酸化鉄(FexOy)の添加重量(WFexOy(kg))は、以下の条件を満足すること。
0.2×MFeO≦WFexOy≦4.0×MFeO
ここで、
MFeO=M/100×([C/12.01+2×[Si]/28.09+1.5×[Al]/26.98+2×[Ti]/47.9+2×[Zr]/91.22+2×[Hf]/178.49+1.5×[B]/10.811+[Ca]/40.08−[O]/15.9994)/y×(55.85×x+16.0×y)
M:合金溶湯プール6の重量(kg)
[C]:合金溶湯プール6中のC濃度(wt%)
[Si]: 合金溶湯プール6中のSi濃度(wt%)
[Al]合金溶湯プール6中のAl濃度(wt%)
[Ti]: 合金溶湯プール6中のTi濃度(wt%)
[Zr]: 合金溶湯プール6中のZr濃度(wt%)
[Hf]: 合金溶湯プール6中のHf濃度(wt%)
[B]: 合金溶湯プール6中のB濃度(wt%)
[Ca]: 合金溶湯プール6中のCa濃度(wt%)
[O]: 合金溶湯プール6中のO濃度(wt%)
(4) The added weight (WFexOy (kg)) of iron oxide (FexOy), which is a representative oxidizing agent in the above mixed refining agent, satisfies the following conditions.
0.2 × MFeO ≦ WFexOy ≦ 4.0 × MFeO
here,
MFeO = M / 100 × ([C / 12.01 + 2 × [Si] /28.09+1.5× [Al] /26.98+2× [Ti] /47.9+2× [Zr] /91.22+2× [Hf ] /178.49+1.5× [B] /10.811+ [Ca] /40.08- [O] /15.9994) / y × (55.85 × x + 16.0 × y)
M: Weight of molten alloy pool 6 (kg)
[C]: C concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[Si]: Si concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[Al] Al concentration in molten alloy pool 6 (wt%)
[Ti]: Ti concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[Zr]: Zr concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[Hf]: Hf concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[B]: B concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[Ca]: Ca concentration (wt%) in the molten alloy pool 6
[O]: O concentration in molten alloy pool 6 (wt%)

[C],[Si],[Al]などはCa還元精錬の際に、水冷銅るつぼ3の外周に設けている飛散溶湯受け用の耐火シートなどからの混入などが若干ある。よって、添加する酸素量の計算ではCa還元精錬中のピックアップ量を考慮する必要があり、具体的には、試験結果に基づき、[C]は30ppm、[Si]および[Al]はそれぞれ50ppmほどの汚染によるピックアップの可能性がある。上記計算式中の各元素の濃度は、装入した原料の分析値などを用いた配合計算値を用いる必要がある。上記計算式は、[C]はCOガスに、[Si]はSiOスラグに、[Al]はAlスラグに、[Ti]、[Zr]、[Hf]はそれぞれTiOスラグ,ZrOスラグ,HfOスラグに、[B]はBスラグに、[Ca]はCaOスラグに、変換するために、それぞれの元素の原子量で割って、必要となる酸素モル数を求め、これをFexOy酸化鉄により酸素供給する場合に必要となる重量を算出する式である。 [C], [Si], [Al], and the like are slightly mixed from the fireproof sheet for receiving the scattered molten metal provided on the outer periphery of the water-cooled copper crucible 3 during Ca reduction refining. Therefore, in the calculation of the amount of oxygen to be added, it is necessary to consider the amount of pickup during the Ca reduction refining. Specifically, based on the test results, [C] is about 30 ppm, and [Si] and [Al] are about 50 ppm each. There is a possibility of pickup due to contamination. As the concentration of each element in the above calculation formula, it is necessary to use a blended calculated value using an analytical value of the charged raw material. [C] is CO gas, [Si] is SiO 2 slag, [Al] is Al 2 O 3 slag, [Ti], [Zr], and [Hf] are TiO 2 slag, In order to convert ZrO 2 slag, HfO 2 slag, [B] into B 2 O 3 slag, and [Ca] into CaO slag, divide by the atomic weight of each element to obtain the required number of moles of oxygen. This is an equation for calculating the weight required for supplying oxygen with FexOy iron oxide.

なお、上記計算式には含めていないが、活性金属として、[アルカリ金属:EI]、[アルカリ土類金属:EII]、[Y]、[ランタン系・アクチニウム系金属:ER]などが存在する場合は、これらをEIO,EIIO,Y,ERなどのスラグに変換するために必要な酸素量を、上記計算式に付け加える必要がある。また、マンガン[Mn]については、Feと比べてさほど活性とはいえず、酸化精錬除去が比較的行われにくいこと、さらに、高真空化での溶解において、蒸発除去されやすいといった特性があることから、ここでの酸化精錬では除去対象としていない。なお、酸化剤として、酸化ニッケルや酸化コバルトを用いる場合は、上記式中のFe(原子量:55.85)を、Ni(原子量:58.71)あるいはCo(原子量:58.93)に置き換えて計算すればよい。 Although not included in the above formula, there are [alkali metal: EI], [alkaline earth metal: EII], [Y], [lanthanum-based / actinium-based metal: ER] and the like as active metals. In this case, it is necessary to add the amount of oxygen necessary to convert these into slag such as EI 2 O, EIIO, Y 2 O 3 , ER 2 O 3, etc. In addition, manganese [Mn] is not so active as compared to Fe, and is relatively difficult to remove by oxidative refining, and moreover, has a characteristic that it is easily removed by evaporation in high vacuum melting. Therefore, it is not a target for removal by oxidation refining here. When nickel oxide or cobalt oxide is used as the oxidizing agent, Fe (atomic weight: 55.85) in the above formula is replaced with Ni (atomic weight: 58.71) or Co (atomic weight: 58.93). Calculate it.

いくつかの溶製精錬試験の結果、脱炭[C]を主目的とする場合は、添加する必要のある酸化鉄重量:WFexOy(kg)は、図6(a)に示すように、計算量:MFeO(kg)の0.2倍以上必要であり、同時に添加するするフラックスの添加率:{Flx}Mは、0.5wt%以上必要であることが明らかとなった。WFexOyが、WFexOy<0.2×MFeO、{Flx}Mが、{Flx}M<0.5の場合は、脱[C]率も大幅に低下し、精錬効果が得られにくいこととなる。また、[Al],[Ti]などの元素と比べて、その酸化物の熱力学的な安定性が少ない[Si]や[B]の酸化除去精錬については、図7のWFe/MFeOおよび{Flx}Mと、脱[Si]率との関係に示すように、脱[Si]率として50%以上を得ようとするならば、添加する酸化鉄の重量は、1.0×MFeO<WFexOyを満足し、かつ{Flx}Mは、3.0<{Flx}Mを満足することが有効であることは明らかである。さらに、より確実に脱[Si]率を高くするためには、WFexOyをMFeOの1.5倍から2倍程度にする必要があった。これは、添加した酸化鉄が、全て反応に使われているのではないためである。一方、酸化鉄の重量を所要量の4倍以上添加すると、合金成分のCrなどの酸化損失が増えすぎるため望ましくない。 As a result of some smelting and refining tests, when decarburization [C] is the main purpose, the iron oxide weight that needs to be added: WFexOy (kg) is calculated as shown in FIG. : MFeO (kg) is required to be 0.2 times or more, and the addition rate of the flux to be added simultaneously: {Flx} M was found to be 0.5 wt% or more. When WFexOy is WFexOy <0.2 × MFeO and {Flx} M is {Flx} M <0.5, the de [C] rate is also greatly reduced, and it is difficult to obtain a refining effect. In addition, the oxidation removal refining of [Si] and [B], whose thermodynamic stability of the oxide is less than that of elements such as [Al] and [Ti], is shown in WFe 3 O 4 / FIG. As shown in the relationship between MFeO and {Flx} M and the de [Si] rate, if it is desired to obtain 50% or more as the de [Si] rate, the weight of iron oxide added is 1.0 × It is clear that it is effective that MFeO <WFexOy is satisfied and {Flx} M satisfies 3.0 <{Flx} M. Furthermore, in order to increase the removal [Si] rate more reliably, WFexOy has to be about 1.5 to 2 times that of MFeO. This is because not all the added iron oxide is used in the reaction. On the other hand, when the weight of iron oxide is added more than 4 times the required amount, oxidation loss such as Cr of the alloy component increases excessively, which is not desirable.

添加する酸化鉄の重量を、計算量:MFeOの0.2倍から1.0倍ほどとし、真空酸化精錬を施した場合、[C]や[Al],[Ti],[Zr],[Hf],[Ca]などの除去精錬は進むものの、[Si],[B]などの除去はさほど顕著には進行しないことが多い。しかしながら、酸化鉄の添加量をMFeO量の1.0倍以上とし、Caハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mを3wt%以上とすることにより、[Si]、[B]なども除去精錬できるようになる。例えば、[B]濃度は、精錬前50ppm→精錬後1ppmとなる。[Si]濃度は、精錬前0.22wt%→精錬後<0.01wt%となる。さらには、酸化鉄の添加量をMFeO量の2.0倍以上とし、CaF−CaO系またはCaF−(CaO+CaCl)系フラックスを使用し、かつ、合金溶湯プール6の重量に対するCaハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mを3.0wt%以上とすることにより、より[Si],[B]の除去精錬がより容易となる。 When the weight of iron oxide to be added is about 0.2 to 1.0 times that of MFeO and vacuum oxidation refining is performed, [C], [Al], [Ti], [Zr], [Zr] Although removal and refining of Hf], [Ca], etc. proceeds, removal of [Si], [B], etc. often does not proceed so significantly. However, [Si], [B], etc. can be removed and refined by setting the addition amount of iron oxide to 1.0 times or more of the MFeO amount and the Ca halide composition flux addition rate {Flx} M to 3 wt% or more. It becomes like this. For example, the [B] concentration is 50 ppm before refining → 1 ppm after refining. The concentration of [Si] is 0.22 wt% before refining → <0.01 wt% after refining. Furthermore, the amount of iron oxide added is 2.0 times or more the amount of MFeO, a CaF 2 -CaO-based or CaF 2- (CaO + CaCl 2 ) -based flux is used, and the Ca halide composition with respect to the weight of the molten alloy pool 6 When the flux addition rate {Flx} M is 3.0 wt% or more, the removal and refining of [Si] and [B] becomes easier.

ただし、添加する酸化鉄の重量を、MFeO量の4倍より多くすると、酸化反応が激しくなりすぎて、合金元素であるCrなどの酸化ロスも著しく発生するようになるため、4倍より多くすることは好ましくない。   However, if the weight of iron oxide to be added is more than four times the amount of MFeO, the oxidation reaction becomes too intense, and oxidation loss such as Cr, which is an alloy element, will be generated significantly. That is not preferable.

これらの量を具体的に示すと、例えば、Fe−20Ni25Cr組成のステンレス鋼を、市販廉価原料であるフェロクロム原料、低炭素鋼原料などと、高純度原料である電解Ni原料を用いて50kgの溶湯プールを形成させると、その溶湯プール中の不純物元素濃度は、[C]=0.02,[Si]=0.21,[Al]=0.015,[Ti]=0.0,[B]=0.005,[Ca]=0.001,[O]=0.02wt%程度となる。これらを酸化するために必要な酸素モル量は、8.9molと計算される。この酸素を、酸化鉄Feにより供給するとすれば、Feは、MFeO=515gとなる。そこで、Feを約800g(約1.5倍)添加すると、[C]は0.005wt%程度,[Al]は0.003wt%程度まで低下する。しかし、[Si]は0.19wt%程度,[B]は0.004wt%程度とあまり低下しない。しかし、Feを1300g(2.5倍)添加すると、[Si]は0.01wt%以下、[B]は0.0001wt%程度まで低下する。この際に用いたCaハライド組成フラックスはCaF−CaO(8:2)組成であり、添加率は{Flx}M=4.0%(2000g)としている。 Specifically, for example, a stainless steel having a composition of Fe-20Ni25Cr, a 50 kg molten metal using a commercially available low-cost raw material such as a ferrochrome raw material, a low carbon steel raw material, and an electrolytic Ni raw material that is a high-purity raw material. When the pool is formed, the impurity element concentration in the molten pool is [C] = 0.02, [Si] = 0.21, [Al] = 0.015, [Ti] = 0.0, [B ] = 0.005, [Ca] = 0.001, [O] = 0.02 wt%. The molar amount of oxygen necessary to oxidize them is calculated as 8.9 mol. If this oxygen is supplied by iron oxide Fe 3 O 4 , Fe 3 O 4 becomes MFeO = 515 g. Therefore, when about 800 g (about 1.5 times) of Fe 3 O 4 is added, [C] decreases to about 0.005 wt% and [Al] decreases to about 0.003 wt%. However, [Si] is about 0.19 wt%, and [B] is about 0.004 wt%. However, when 1300 g (2.5 times) of Fe 3 O 4 is added, [Si] decreases to 0.01 wt% or less, and [B] decreases to approximately 0.0001 wt%. The Ca halide composition flux used at this time is a CaF 2 —CaO (8: 2) composition, and the addition rate is {Flx} M = 4.0% (2000 g).

この精錬により、市販の廉価原料であるフェロクロムや低炭素鋼材などを溶解原料として使用しても、電解鉄や電解Ni、金属Crなどの高純度原料を使用する場合と同等な不純物濃度([Si]<0.01wt%)にまで除去精錬できることが確認されている。   By this refining, even if commercially available low-priced raw materials such as ferrochrome and low carbon steel are used as melting raw materials, the impurity concentration ([Si ] <0.01 wt%) has been confirmed to be able to be removed and refined.

(5)Caハライド組成フラックスと酸化鉄との混合物である精錬剤(第2精錬剤)を添加した後、チャンバー(真空チャンバー4)内の不活性ガスを排気し(真空排気を行い)、その状態(真空状態(排気状態))で15分間以上保持すること。
Caハライド組成フラックスと酸化鉄との混合物である精錬剤を合金溶湯プール6に添加して、溶融スラグ層7が形成されれば、例えば油回転ポンプでチャンバー内の真空排気を行う。必要に応じて、メカニカルブースターポンプ、拡散ポンプなどによる真空排気を行い、真空雰囲気下での酸化精錬を行う。
(5) After adding a refining agent (second refining agent) that is a mixture of Ca halide composition flux and iron oxide, the inert gas in the chamber (vacuum chamber 4) is evacuated (evacuated), Hold in the state (vacuum state (exhaust state)) for 15 minutes or more.
When a refining agent, which is a mixture of Ca halide composition flux and iron oxide, is added to the molten alloy pool 6 and the molten slag layer 7 is formed, the chamber is evacuated with an oil rotary pump, for example. If necessary, evacuation is performed with a mechanical booster pump, diffusion pump, etc., and oxidative refining is performed in a vacuum atmosphere.

真空度が10hPa以下になると、合金溶湯プール6から細かな溶滴(スプラッッシュ)が飛散するようになる。これは、[C]が[O]と反応してCO(g)ガスが放出される際、周囲の溶融メタルを吹き飛ばしているものと推定される。この現象は、合金溶湯プール6中の[C]濃度が低下すると、反応が終了する。例えば、初期濃度[C]0=250ppmほどの場合でも、およそ10分ほどで、激しいスプラッシュ発生は終了し、[C]濃度は20〜60ppmほどとなる。また、真空下で保持することにより、合金溶湯プール6の表面温度は高くなり、添加したフラックスが溶融しやすくなって、溶融スラグ層7が安定して形成されることが観察される。   When the degree of vacuum is 10 hPa or less, fine droplets (splash) are scattered from the molten alloy pool 6. It is presumed that when [C] reacts with [O] and CO (g) gas is released, the surrounding molten metal is blown away. In this phenomenon, when the [C] concentration in the molten alloy pool 6 decreases, the reaction ends. For example, even in the case of the initial concentration [C] 0 = 250 ppm, intense splashing is completed in about 10 minutes, and the [C] concentration is about 20 to 60 ppm. In addition, it is observed that the surface temperature of the molten alloy pool 6 is increased by holding it under vacuum, the added flux is easily melted, and the molten slag layer 7 is stably formed.

このような脱[C]反応の後、合金溶湯プール6の表面には、酸化物と思われる溶融スラグ片が浮上してくるのが観察される。これらは、Caハライド組成フラックスの溶融スラグ層7に徐々に吸収されて消滅する。そして約15分ほどで、酸化物スラグの湧き出しもほとんどなくなり、合金溶湯プール6表面の浮遊酸化物が少なくなるのが観察される。したがって、15分以上は溶湯を保持する必要がある。   After such de [C] reaction, it is observed that molten slag pieces considered to be oxides float on the surface of the molten alloy pool 6. These are gradually absorbed by the molten slag layer 7 of Ca halide composition flux and disappear. In about 15 minutes, it is observed that almost no oxide slag is spilled out and floating oxide on the surface of the molten alloy pool 6 is reduced. Therefore, it is necessary to hold the molten metal for 15 minutes or more.

合金溶湯プールに酸化鉄を添加する操作は、特許文献5に記載されている。具体的には、不活性ガス雰囲気下において、φ84mm水冷銅るつぼ内の2kgの溶湯プールに対して酸化鉄およびCaFを添加している。本条件は、酸化鉄を利用する点では同じである。しかしながら、本発明では、φ200mm以上の水冷銅るつぼ3内で10kg以上の合金溶湯プール6を形成させ、実用規模での酸化鉄と低融点Caハライド組成フラックスの添加条件を明らかにしている。この点が先行技術と異なっている。さらに、本発明では、真空排気操作により、脱[C]反応を促進させて、それにより溶融スラグ層7の形成を促進させて形成酸化物を吸収させている。この点が先行技術と異なっている。すなわち、具体的な精錬効果を得るための条件を明示していることが、本発明の大きな特徴となっている。 The operation of adding iron oxide to the molten alloy pool is described in Patent Document 5. Specifically, iron oxide and CaF 2 are added to a 2 kg molten pool in a φ84 mm water-cooled copper crucible under an inert gas atmosphere. This condition is the same in that iron oxide is used. However, in the present invention, a molten alloy pool 6 of 10 kg or more is formed in a water-cooled copper crucible 3 of φ200 mm or more, and the conditions for adding iron oxide and low melting point Ca halide composition flux on a practical scale are clarified. This is different from the prior art. Furthermore, in the present invention, the de [C] reaction is promoted by the vacuum evacuation operation, thereby promoting the formation of the molten slag layer 7 and absorbing the formed oxide. This is different from the prior art. That is, it is a great feature of the present invention that the conditions for obtaining a specific refining effect are clearly indicated.

(Ca還元精錬方法と酸化精錬方法との組み合せ)
前記したCa還元精錬方法と、前記した酸化精錬方法とを適宜組み合わせて精錬処理を実施することも好ましい。所定の合金組成に成分調整した合金溶湯プール6から、不純物元素として、リン[P],硫黄[S],窒素[N],トレーストランプ元素([Sn],[Pb],[As],[Sb],[Bi],[Se]など),硼素[B]などをCa還元精錬により除去する。さらに、硼素[B],炭素[C],珪素[Si],アルミニウム[Al],チタン[Ti],Zr[Zr],カルシウム[Ca],アルカリ金属元素などを、酸化鉄添加真空酸化精錬により除去する。これらにより、リン[P],硫黄[S],錫[Sn],鉛[Pb]などの不純物元素を2ppm以下までに低減できる。また、窒素[N]を5ppm以下までに、珪素[Si],アルミニウム[Al],チタン[Ti],ジルコニウム[Zr]などを100ppm以下までに低減できる。さらに、炭素[C]を50ppm以下までに,珪素[B],カルシウム[Ca]などを1ppm以下までに低減できる。
(Combination of Ca reduction refining method and oxidation refining method)
It is also preferable to perform the refining process by appropriately combining the above-described Ca reduction refining method and the above-described oxidation refining method. From the molten alloy pool 6 whose components are adjusted to a predetermined alloy composition, phosphorus [P], sulfur [S], nitrogen [N], trace trump elements ([Sn], [Pb], [As], [As] Sb], [Bi], [Se], etc.), boron [B], etc. are removed by Ca reduction refining. Furthermore, boron [B], carbon [C], silicon [Si], aluminum [Al], titanium [Ti], Zr [Zr], calcium [Ca], alkali metal elements, and the like are subjected to iron oxide-added vacuum oxidation refining. Remove. Thus, impurity elements such as phosphorus [P], sulfur [S], tin [Sn], and lead [Pb] can be reduced to 2 ppm or less. Moreover, nitrogen [N] can be reduced to 5 ppm or less, and silicon [Si], aluminum [Al], titanium [Ti], zirconium [Zr], etc. can be reduced to 100 ppm or less. Furthermore, carbon [C] can be reduced to 50 ppm or less, and silicon [B], calcium [Ca], or the like can be reduced to 1 ppm or less.

Ca還元精錬方法により、[C],[Si],[Al],[Ca]などの元素のピックアップが発生することから、酸化精錬方法(真空酸化精錬)は、Ca還元精錬の後工程として実施することが望ましい。ただし、溶解原料中の不純物元素である[C],[Si],[Al],[Ti]などの含有量が著しく多い場合は、Ca還元精錬の前に、酸化精錬を施し、[C],[Si],[Al],[Ti]などの濃度を低下させておくことが有効である。   Since the pick-up of elements such as [C], [Si], [Al], and [Ca] is generated by the Ca reduction refining method, the oxidation refining method (vacuum oxidation refining) is performed as a subsequent process of the Ca reduction refining. It is desirable to do. However, if the content of impurity elements [C], [Si], [Al], [Ti], etc., in the melting raw material is extremely large, oxidation refining is performed before Ca reduction refining, and [C] , [Si], [Al], [Ti] and the like are effective in reducing the concentration.

例えば、ステンレス鋼のスクラップなどを溶解原料(合金原料)として用いる場合、合金組成にもよるが、[C]含有量が高いことや、[Si],[Al],[Ti]などの合金成分が1wt%前後含まれていたり、または[Zr],[B]などが数十ppmほど添加された合金であることなどもありうる。そのような場合は、酸化精錬の際の添加酸化鉄量を著しく多くすることが必要となる。このような、添加酸化鉄量を増やした酸化精錬を実施すると、合金溶湯プール6中の酸素[O]濃度が著しく高くなる可能性がある。最終の合金組成に成分調整するために、酸素含有量の高い合金溶湯プール6に対して活性金属合金元素を添加する場合は、歩留まりの大幅な低下による成分規格はずれや、非金属介在物発生量の著しい増大などを招く可能性がある。このような場合は、酸化精錬を2回に分けて実施することが望ましい。最初に酸化精錬(真空酸化精錬)を実施して、[C],[Si],[Al],[Ti],[B]などを除去する。その後、Ca還元精錬を施して、[P],[S],[Sn],[Pb],[N]などを除去する。そして、Ca還元精錬過程でピックアップされる数十から数百ppmの[C],[Si],[Al],[Ca]などをその後に再実施する(2回目の)真空酸化精錬で除去して、酸素[O]を過度に合金溶湯プール6中に残留させない。   For example, when stainless steel scrap or the like is used as a melting raw material (alloy raw material), depending on the alloy composition, the content of [C] is high, and alloy components such as [Si], [Al], [Ti], etc. May be included in an amount of about 1 wt%, or may be an alloy to which [Zr], [B] or the like is added by several tens of ppm. In such a case, it is necessary to significantly increase the amount of added iron oxide during oxidative refining. When such oxidative refining with an increased amount of added iron oxide is performed, the oxygen [O] concentration in the molten alloy pool 6 may be significantly increased. When the active metal alloy element is added to the molten alloy pool 6 having a high oxygen content in order to adjust the composition to the final alloy composition, the component specification is not satisfied due to a significant decrease in yield, and the amount of non-metallic inclusions generated May cause a significant increase in In such a case, it is desirable to carry out the oxidation refining in two steps. First, oxidation refining (vacuum oxidation refining) is performed to remove [C], [Si], [Al], [Ti], [B] and the like. Thereafter, Ca reduction refining is performed to remove [P], [S], [Sn], [Pb], [N] and the like. Then, several tens to several hundred ppm of [C], [Si], [Al], [Ca], etc. picked up in the Ca reduction refining process are removed by vacuum oxidation refining (second time). Thus, oxygen [O] is not excessively left in the molten alloy pool 6.

以上のように、Ca還元精錬法と酸化精錬法(真空酸化精錬法)とを適宜組み合わせて精錬を施すことにより、超高純度な超高純度(極低不純物)Fe基Ni基合金鋳塊の溶解精錬が可能となり、超高純度化した合金鋳塊を製造することができる。   As described above, by carrying out refining by appropriately combining the Ca reduction refining method and the oxidation refining method (vacuum oxidation refining method), the ultra-high purity ultra-high purity (very low impurity) Fe-based Ni-based alloy ingot Melting and refining becomes possible, and an ultra-high purity alloy ingot can be manufactured.

(脱酸元素系の合金成分の添加)
前記した酸化精錬方法により溶製した鋳塊、または前記したCa還元精錬方法と前記した酸化精錬方法とを適宜組み合わせて溶製した鋳塊を溶解原料として、当該溶解原料に脱酸元素系の合金成分を添加して合金化することが好ましい。脱酸元素系の合金成分としては、[Si],[Al],[Ti],[Zr],[B]などがある。これにより、所定の合金組成の超高純度(極低不純物)Fe基Ni基合金鋳塊を溶製することができる。
(Addition of deoxidized elemental alloy components)
An ingot produced by the above-described oxidation refining method, or an ingot produced by appropriately combining the above-described Ca reduction refining method and the above-described oxidation refining method as a melting raw material, and a deoxidizing element-based alloy in the melting raw material It is preferable to alloy by adding components. Deoxidizing element-based alloy components include [Si], [Al], [Ti], [Zr], [B], and the like. Thereby, the ultra high purity (very low impurity) Fe-base Ni-base alloy ingot of a predetermined alloy composition can be melted.

超高純度合金鋳塊の溶製において、最終工程として真空酸化精錬を施した場合、合金溶湯プール6中に多量の酸素[O]が含有された状態となっていることがあるから、活性元素の(脱酸元素系の)合金成分を合金溶湯プール6に添加する際、それらの脱酸酸化物が発生する。このような脱酸酸化物を合金溶湯プール6から分離除去するためには、Caハライド組成フラックスを、合金成分の添加とともに添加することが有効である。この場合のCaハライド組成フラックスの添加率は、{Flx}Mで0.5〜2wt%程度が適切である。   In the production of an ultra-high purity alloy ingot, when the vacuum oxidation refining is performed as a final process, the molten alloy pool 6 may contain a large amount of oxygen [O]. When these (deoxidizing element type) alloy components are added to the molten alloy pool 6, their deoxidized oxides are generated. In order to separate and remove such deoxidized oxide from the molten alloy pool 6, it is effective to add the Ca halide composition flux together with the addition of the alloy components. In this case, the addition rate of the Ca halide composition flux is suitably about 0.5 to 2 wt% for {Flx} M.

(コールドハース式電子ビーム溶解方法)
前記したCa還元精錬方法と前記した酸化精錬方法とを適宜組み合わせて溶製した鋳塊、または当該鋳塊に脱酸元素系の合金成分を添加して合金化した鋳塊、を2次鋳塊(合金原料)として、以下に記述するコールドハース式電子ビーム溶解方法で、さらなる脱炭[C]、脱酸[O]を行うことが好ましい。
(Cold hearth electron beam melting method)
An ingot produced by appropriately combining the above-described Ca reduction refining method and the above-described oxidation refining method, or an ingot formed by adding a deoxidizing element-based alloy component to the ingot and forming a secondary ingot As (alloy raw material), it is preferable to perform further decarburization [C] and deoxidation [O] by the cold hearth type electron beam melting method described below.

内径φ200mm以上の水冷銅るつぼ3を有するコールドクルーシブル式誘導溶解装置1を用いて、合金溶湯プールの重量が10kg以上で、金属Ca還元精錬を実施して、[P],[S],[Sn],[Pb],[N],[B]などの除去精錬を行い、その後、酸化精錬(真空酸化精錬)を実施して、[C],[Al],[Ti],[Zr],[Ca],[Si],[B]などの不純物元素の除去精錬を行って合金鋳塊を製造する。あるいは、必要に応じてさらに脱酸元素系の合金成分を当該合金鋳塊に添加した鋳塊を製造する。その後、以下に記述するコールドハース式電子ビーム溶解方法により、脱[C]、脱[O]を施して、[C]<10ppm,[O]<10ppmにまで除去精錬することができる。この方式により、最も高純度(極低不純物)のFe基Ni基合金鋳塊を製造することが可能となる。   Using a cold crucible induction melting apparatus 1 having a water-cooled copper crucible 3 having an inner diameter of 200 mm or more, the weight of the molten alloy pool is 10 kg or more, and metal Ca reduction refining is carried out to obtain [P], [S], [Sn ], [Pb], [N], [B] and the like are removed and then oxidation refining (vacuum oxidation refining) is performed, and [C], [Al], [Ti], [Zr], An alloy ingot is manufactured by removing and refining impurity elements such as [Ca], [Si], and [B]. Or the ingot which added the deoxidation element type alloy component to the said alloy ingot as needed is manufactured. After that, by the cold hearth type electron beam melting method described below, de [C] and de [O] can be applied to remove and refine to [C] <10 ppm and [O] <10 ppm. By this method, it is possible to produce the Fe-base Ni-base alloy ingot with the highest purity (very low impurities).

以下にコールドハース式電子ビーム溶解方法を説明する。なお、図8は、コールドハース式電子ビーム溶解装置11を示す模式図である。   The cold hearth type electron beam melting method will be described below. FIG. 8 is a schematic diagram showing the cold hearth type electron beam melting apparatus 11.

前記した酸化精錬方法は、内径φ200mm以上の水冷銅るつぼ3を用いる誘導溶解方式により、製品鋳塊重量として10kg以上の超高純度なFe基Ni基合金の実用鋳塊を溶解精錬法により製造する方法である。しかし、コールドクルーシブル式誘導溶解装置1の特性上、前記した酸化精錬方法は、高真空下での実施が困難であることがある。そのため、脱[C]精錬においては、発生するCOガスの除去が不十分となる場合がある。すなわち、脱[C]反応を促進できず、[C]<10ppmまでに炭素を除去するのは、困難な場合がある。   The oxidation refining method described above uses an induction melting method that uses a water-cooled copper crucible 3 with an inner diameter of 200 mm or more to produce a practical ingot of an ultra-high purity Fe-based Ni-based alloy having a product ingot weight of 10 kg or more by a melting refining method. Is the method. However, due to the characteristics of the cold crucible induction melting apparatus 1, the above-described oxidation refining method may be difficult to implement under a high vacuum. Therefore, removal of the generated CO gas may be insufficient in the decarbonization [C] refining. That is, the de [C] reaction cannot be promoted, and it may be difficult to remove carbon by [C] <10 ppm.

これに対して、高真空下で溶解−真空精錬を行う電子ビーム溶解方式は、不純物元素である炭素の極限までの除去精錬や、前記したCa還元精錬方法および前記した酸化精錬方法で除去し切れなかった窒素[N]やマンガン[Mn]などの真空除去精錬が可能となる。   On the other hand, the electron beam melting method that performs melting-vacuum refining under high vacuum can be completely removed by removal refining to the limit of carbon as an impurity element, the above-described Ca reduction refining method, and the above-described oxidizing refining method. Vacuum removal refining of nitrogen [N], manganese [Mn], etc. that has not been possible becomes possible.

電子線を熱源として用いる電子ビーム溶解法においても、溶解容器の内寸として0.2×0.2m以上を有する水冷銅製皿状容器9(水冷銅ハース)と、水冷銅製皿状容器9から出湯される溶湯を受けて鋳塊を形成する水冷銅製鋳型10とを具備してなるるコールドハース式電子ビーム溶解装置11を用いることにより、不純物元素除去精錬効果をさらに増進させることができる。   Also in the electron beam melting method using an electron beam as a heat source, the water-cooled copper dish-shaped container 9 (water-cooled copper hearth) having an inner dimension of the melting container of 0.2 × 0.2 m or more and the hot water from the water-cooled copper dish-shaped container 9 By using the cold hearth type electron beam melting apparatus 11 comprising the water-cooled copper mold 10 that receives the molten metal to form an ingot, the effect of removing the impurity elements can be further enhanced.

実際の溶解操作においては、水冷銅製皿状容器9の出湯口の対面側から、棒状・塊状の溶解原料12(2次鋳塊に相当する)を供給して、水冷銅製皿状容器9上で溶解させる。水冷銅製皿状容器9に隣接して設けた水冷鋳型10内に、水冷銅製皿状容器9のハース出湯口からあふれ出る溶湯を注入し、水冷鋳型10内で凝固させて形成される鋳塊を逐次下方に引き抜くことにより、長尺な鋳塊が溶製できる。この様な溶解方式において、下記の条件を満足する精錬操作を行うことにより、不純物元素である炭素[C]の除去精錬を確実に行うことができ、従来法では製造できなかった炭素不純物の少ない鋳塊を製造することができる。   In the actual melting operation, a rod-shaped and lump melting raw material 12 (corresponding to a secondary ingot) is supplied from the facing side of the outlet of the water-cooled copper dish-shaped container 9, and on the water-cooled copper dish-shaped container 9. Dissolve. An ingot formed by pouring molten metal overflowing from the hearth outlet of the water-cooled copper dish-shaped container 9 into the water-cooled mold 10 provided adjacent to the water-cooled copper dish-shaped container 9 and solidifying in the water-cooled mold 10 is formed. A long ingot can be melted by successively drawing downward. In such a melting method, by performing a refining operation that satisfies the following conditions, carbon [C], which is an impurity element, can be reliably removed and refined, and there are few carbon impurities that could not be produced by conventional methods. An ingot can be produced.

(1)高真空雰囲気(<5×10−4mbar)下で、溶製を行うこと。
脱炭反応は、真空度が高いほど促進されやすいため、極限までの脱[C]を行わせるには、高真空雰囲気下であることが望ましい。なお、「<5×10−4mbar」としたのは、真空チャンバー4内に微量のArガスを導入する場合があるからである。真空チャンバー4内にArガスなどの不活性ガスを導入しない場合は、1×10−4mbarよりも低い気圧下で溶製を行うことが望ましい。
(1) Perform melting in a high vacuum atmosphere (<5 × 10 −4 mbar).
Since the decarburization reaction is more easily promoted as the degree of vacuum is higher, it is desirable that the decarburization reaction be performed in a high vacuum atmosphere in order to perform decarbonization to the limit. The reason why “<5 × 10 −4 mbar” is used is that a small amount of Ar gas may be introduced into the vacuum chamber 4. In the case where an inert gas such as Ar gas is not introduced into the vacuum chamber 4, it is desirable to perform melting at a pressure lower than 1 × 10 −4 mbar.

(2)所定の合金組成の合金溶湯プール13を水冷銅製皿状容器9内と凝固塊製造用の水冷銅製鋳型10内に形成させた後、溶解原料12(2次鋳塊に相当する)と酸化剤(FexOyなど)とを水冷銅製皿状容器9上に送り出すこと(本実施形態では、溶解原料12の上に酸化鉄を載せて送り出している)。
溶解原料12中の酸素濃度が不足する場合は、高真空条件下においても、脱[C]されることはない。そのため、[C]の酸化に必要な[O]を供給する必要がある。しかし、電子ビーム溶解法は、高真空下で実施されるため、酸素ガスを供給することは困難である。そこで、固体の酸素源として、高純度な酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤を溶解原料とともに供給する方式が有効である。この場合、微粉状の酸化鉄は、電子ビーム溶解の最初の真空排気の段階で、ガスの流れに巻き込まれて飛散し、真空ポンプにまで達して、当該真空ポンプを傷める結果となる。よって、事前に酸化鉄の焼結処理などを行い、顆粒状にした酸化鉄を添加することが望ましい。酸化剤としては、Fe基合金の場合は酸化鉄(Fe,Feなど)、Fe−Ni基合金の場合は酸化鉄や酸化ニッケルが、Ni基合金では酸化ニッケルが、Co基合金の場合は、酸化コバルトなどが適用できる。これらの酸化剤は、固体の酸化剤であり、換言すれば酸化金属からなる酸化剤である。
(2) After the molten alloy pool 13 having a predetermined alloy composition is formed in the water-cooled copper dish-shaped container 9 and the water-cooled copper mold 10 for producing the solidified ingot, the molten raw material 12 (corresponding to the secondary ingot); Sending out an oxidizing agent (FexOy etc.) on the water-cooled copper dish-like container 9 (in this embodiment, iron oxide is put on the melted raw material 12 and sent out).
When the oxygen concentration in the melted raw material 12 is insufficient, it is not desorbed [C] even under high vacuum conditions. Therefore, it is necessary to supply [O] necessary for the oxidation of [C]. However, since the electron beam melting method is performed under a high vacuum, it is difficult to supply oxygen gas. Therefore, a method of supplying an oxidant, which is an oxide of a predetermined main component element of an alloy composition such as high-purity iron oxide, together with a dissolved raw material as a solid oxygen source is effective. In this case, the finely divided iron oxide is caught in the gas flow and scattered at the initial evacuation stage of the electron beam melting, reaches the vacuum pump, and damages the vacuum pump. Therefore, it is desirable to perform iron oxide sintering in advance and add the iron oxide in the form of granules. As an oxidizing agent, iron oxide (Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 etc.) is used in the case of Fe-based alloys, iron oxide or nickel oxide is used in the case of Fe-Ni based alloys, nickel oxide is used in Ni-based alloys, Co In the case of a base alloy, cobalt oxide or the like can be applied. These oxidizing agents are solid oxidizing agents, in other words, oxidizing agents made of metal oxides.

なお、コールドハース式電子ビーム溶解装置11に原料フィーダーを付属させている場合は、合金溶湯プール13を形成させた後、溶解原料12と酸化剤(FexOyなど)とを一緒に水冷銅製皿状容器9上に送り出す必要はない。この場合、原料フィーダーにより、溶解原料12の溶解具合に合わせて水冷銅製皿状容器9内の合金溶湯プール13に酸化剤(FexOyなど、第3精錬剤に相当する)を添加すればよい。   In addition, when the raw material feeder is attached to the cold hearth type electron beam melting apparatus 11, after the molten alloy pool 13 is formed, the molten raw material 12 and the oxidizing agent (FexOy, etc.) are combined with a water-cooled copper dish-shaped container. 9 There is no need to send it up. In this case, an oxidizing agent (such as FexOy or the like corresponding to the third refining agent) may be added to the molten alloy pool 13 in the water-cooled copper dish-like container 9 in accordance with the melting state of the melting raw material 12 by the raw material feeder.

(3)上記酸化鉄(FexOy)の添加重量(WFexOy(kg))は、1.0×MFeO≦WFexOy≦4.0×MFeOを満足する範囲内とすること。
MFeO=WM/100×([C]/12.01)/y×(55.85×x+16.0×y)
WM:溶解原料の重量(kg)、[C]:溶解原料中のC濃度(wt%)
酸化鉄の添加重量は、目的とする炭素のCOガス化に必要な計算量と同程度か、4倍ほど多い量を添加することが、試験の結果、有効と判明している。添加量が少なすぎると、脱[C]が不十分となり、多すぎると、鋳塊中の酸素[O]濃度が高くなる傾向があり、経験的には、計算量の2から3倍程度の添加量が適正な場合が多い。
(3) The added weight (WFexOy (kg)) of the iron oxide (FexOy) should be within a range satisfying 1.0 × MFeO ≦ WFexOy ≦ 4.0 × MFeO.
MFeO = WM / 100 × ([C] /12.01) / y × (55.85 × x + 16.0 × y)
WM: weight of molten raw material (kg), [C]: C concentration in molten raw material (wt%)
As a result of the test, it has been proved that the addition weight of iron oxide is the same as the calculation amount necessary for CO gasification of the target carbon or four times as much. When the addition amount is too small, the desorption [C] becomes insufficient. When the addition amount is too large, the oxygen [O] concentration in the ingot tends to increase, and empirically, it is about 2 to 3 times the calculated amount. In many cases, the amount added is appropriate.

このコールドハース式電子ビーム溶解法を適用することにより、鋳塊中の非金属介在物などの浮上分離が進み、酸素除去方式としても、非常に有効であることが確認できている。この精錬により、鋳塊中炭素[C]が10ppm以下、酸素[O]も10ppm以下することが可能であり、条件が適正であった場合は、[C]<5ppm,[O]<5ppmを満足する分析結果が得られることもある。なお、合金成分の[Mn]は、電子ビーム溶解過程において蒸発除去されて、その[Mn]濃度は0.01wt%以下となる場合が多い。   By applying this cold hearth type electron beam melting method, floating separation of non-metallic inclusions in the ingot progresses, and it has been confirmed that it is very effective as an oxygen removal method. By this refining, carbon [C] in the ingot can be reduced to 10 ppm or less and oxygen [O] can also be reduced to 10 ppm or less. When the conditions are appropriate, [C] <5 ppm, [O] <5 ppm. Satisfactory analysis results may be obtained. [Mn] of the alloy component is evaporated and removed in the electron beam melting process, and the [Mn] concentration is often 0.01 wt% or less.

(実施例)
精錬効果の確認に用いた試験装置の構造模式図は、図1および図8に示す通りであり、設備の概略仕様は、以下の通りである。
(1)コールドクルシ−ブル式誘導溶解(CCIM)装置1
高周波電源 最大出力:400kW,周波数:3000Hz
水冷銅るつぼ3 内径:φ220,セグメント数:24
到達真空度 10−2mbar台
真空排気装置 ロータリーポンプ、メカニカルブースターポンプ
(2)コールドハース式電子ビーム溶解(EBCHR)装置11
高圧電源 加速電圧:40kV,最大出力:300kW
電子ビーム銃14 2基
到達真空度 10−6mbar台
真空排気装置 ロータリーポンプ、メカニカルブースターポンプ、拡散ポンプ
原料供給機構 最大φ210×1000Lmm
鋳塊引抜機構 最大φ200×1000Lmm
(Example)
The structural schematic diagram of the test apparatus used for confirming the refining effect is as shown in FIGS. 1 and 8, and the general specifications of the equipment are as follows.
(1) Cold Crucible Induction Melting (CCIM) device 1
High frequency power supply Maximum output: 400kW, Frequency: 3000Hz
Water-cooled copper crucible 3 Inner diameter: φ220, Number of segments: 24
Ultimate vacuum 10 -2 mbar level Vacuum evacuation device Rotary pump, mechanical booster pump (2) Cold hearth electron beam melting (EBCHR) device 11
High voltage power supply Acceleration voltage: 40kV, Maximum output: 300kW
Two electron beam guns 14 Ultimate vacuum 10 -6 mbar level Vacuum evacuation device Rotary pump, mechanical booster pump, diffusion pump Raw material supply mechanism Maximum φ210 × 1000Lmm
Ingot drawing mechanism Maximum φ200 × 1000Lmm

(コールドクルーシブル式誘導溶解装置を用いたCa還元精錬試験の結果)
金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物である精錬剤を用いてのCa還元精錬試験の効果について表2に示す。このCa還元精錬試験では、内径φ220mmの水冷銅るつぼ3を有するコールドクルーシブル式誘導溶解装置1を使用した。不純物元素含有量の多い、廉価原料であるフェロクロム材や低炭素鋼材を合金原料として用い、Fe−20Ni25Cr組成、あるいはFe−35Ni25Cr組成の合金溶湯プール6を形成させた。その合金溶湯プール6に、金属CaとCaハライド組成フラックスを添加して、Ca還元精錬試験を実施し、脱リン[P]効果についてまとめると表2に示す通りとなる。
(Results of Ca reduction refining test using cold-crucible induction melting device)
Table 2 shows the effect of the Ca reduction refining test using a refining agent that is a mixture of metallic Ca and Ca halide composition flux. In this Ca reduction refining test, a cold crucible induction melting apparatus 1 having a water-cooled copper crucible 3 having an inner diameter of 220 mm was used. An alloy molten pool 6 having a Fe-20Ni25Cr composition or a Fe-35Ni25Cr composition was formed using a ferrochrome material or a low carbon steel material, which is a low-priced material having a high impurity element content, as an alloy material. Metal Ca and Ca halide composition flux are added to the molten alloy pool 6 and a Ca reductive refining test is performed. The phosphorus removal [P] effects are summarized as shown in Table 2.

表2からわかるように、合金溶湯プール6の重量に対する金属Caの添加率{Ca}Mが、{Ca}M=0.2程度では、低い脱[P]効果しか得られなかった。0.5<{Ca}M以上にCa添加率を増加して初めて精錬効果がでる。また、比較例3、実施例3、および4において、Caハライド組成フラックスの添加率{Flx}Mが少なすぎると、金属Ca添加量は十分であっても、脱[P]率が低くなる。すなわち、精錬効果を得るためには、{Ca}M≦{Flx}Mが必要であることがわかる。   As can be seen from Table 2, when the Ca addition ratio {Ca} M to the weight of the molten alloy pool 6 is {Ca} M = 0.2, only a low de- [P] effect was obtained. The refining effect is not achieved until the Ca addition rate is increased to 0.5 <{Ca} M or more. Further, in Comparative Example 3, Examples 3 and 4, when the Ca halide composition flux addition rate {Flx} M is too small, the de- [P] rate is lowered even if the amount of metallic Ca addition is sufficient. That is, it can be seen that {Ca} M ≦ {Flx} M is necessary to obtain the refining effect.

さらに、Fe−20Ni25Cr合金やFe−35Ni25Cr合金において、合金溶湯プール6の重量が20kgの場合と50kgの場合とにおいて、脱[P]効果に及ぼす金属Ca添加後の合金溶湯プール6保持時間の影響を調べた結果から、金属Caの添加量やCaハライド組成フラックスの添加量に応じて、最適な溶湯保持時間が存在することがわかる。   Further, in the Fe-20Ni25Cr alloy and the Fe-35Ni25Cr alloy, the influence of the retention time of the molten alloy pool 6 after addition of metallic Ca on the de- [P] effect when the weight of the molten alloy pool 6 is 20 kg and 50 kg. From the results of examining the above, it can be seen that there is an optimum molten metal holding time depending on the addition amount of metallic Ca and the addition amount of Ca halide composition flux.

Figure 0005395545
Figure 0005395545

(コールドクルーシブル式誘導溶解装置を用いた酸化精錬試験の結果)
また、Ca還元精錬を施した鋳塊(試験結果を表2に示した)について、酸化鉄とCaハライド組成フラックスとの混合物である精錬剤(第2精錬剤)を用いての酸化精錬試験の効果について表3に示す。この酸化精錬試験はCCIM装置を用いている。また、この酸化精錬試験では、フェロクロム(FeCr)、極低炭素鋼、および電解Niを溶解原料としている。
(Results of oxidation refining test using cold crucible induction melting device)
In addition, for ingots subjected to Ca reduction refining (test results are shown in Table 2), an oxidation refining test using a refining agent (second refining agent) that is a mixture of iron oxide and Ca halide composition flux. The effects are shown in Table 3. This oxidation refining test uses a CCIM apparatus. In this oxidation refining test, ferrochrome (FeCr), ultra-low carbon steel, and electrolytic Ni are used as melting raw materials.

表3からわかるように、酸化鉄量が少なすぎる(WFe/MFeO<0.2)と、脱[C]効果が得られない。脱[C]を目的とする場合は、WFe/MFeO=0.2以上、かつ{Flx}M =0.5以上とすることで、効果が得られる。脱[Si],脱[B]効果を得ようとする場合は、WFe/MFeO=1.0以上、かつ{Flx}M=3.0以上とすることで、効果が得られるようになる。しかし、WFe/MFeO=5.0とすると、真空精錬時に脱炭反応に伴う激しい溶滴飛散(スプラッシュ)が発生して、安定した精錬操作が行えなかった。すなわち、酸化鉄添加量には上限が存在する。 As can be seen from Table 3, if the amount of iron oxide is too small (WFe 3 O 4 /MFeO<0.2), the de [C] effect cannot be obtained. For the purpose of removing [C], the effect can be obtained by setting WFe 3 O 4 /MFeO=0.2 or more and {Flx} M = 0.5 or more. In order to obtain the de- [Si] and de- [B] effects, the effect can be obtained by setting WFe 3 O 4 /MFeO=1.0 or more and {Flx} M = 3.0 or more. become. However, when WFe 3 O 4 /MFeO=5.0, violent droplet splashing (splash) accompanying decarburization reaction occurred during vacuum refining, and stable refining operation could not be performed. That is, there is an upper limit to the amount of iron oxide added.

Figure 0005395545
Figure 0005395545

(コールドハース式電子ビーム溶解法による試験結果)
さらに、φ220mmの水冷銅るつぼ3を有するCCIM装置(コールドクルーシブル式誘導溶解装置1)で、Ca還元精錬、酸化精錬(真空酸化精錬)の順で精錬処理を施した鋳塊を溶解原料として、コールドハース式電子ビーム溶解装置11により、当該溶解原料に酸化鉄を添加して溶解を行った場合の、脱[C]効果は、表4に示す通りである。
(Test result by cold hearth electron beam melting method)
Furthermore, a CCIM device (cold-crucible induction melting device 1) having a water-cooled copper crucible 3 with a diameter of 220 mm is used as a melting raw material with an ingot subjected to refining treatment in the order of Ca reduction refining and oxidation refining (vacuum oxidation refining). Table 4 shows the effect of removing [C] when iron oxide is added to the melting raw material and melting is performed by the hearth-type electron beam melting apparatus 11.

試験前の不純物元素濃度(wt%)は、[C]=0.005、[O]=0.003であった。また、これら不純物元素の含有量から算出したMFeO量は0.011kgであった。   The impurity element concentration (wt%) before the test was [C] = 0.005 and [O] = 0.003. The amount of MFeO calculated from the content of these impurity elements was 0.011 kg.

表4からわかるように、酸化鉄を適切量添加することにより、脱[C]が促進され、不純物元素[C]濃度10ppm以下の鋳塊を製造できる。すなわち、WFexOy/MFeO比は、1.0以上4.0以下であることが好ましく、より好ましくは、2.0以上3.0以下の値であることである。酸化鉄剤は、微粒のFe2粉末を1250℃で焼結して、顆粒状のFe2にしたものである。 As can be seen from Table 4, by adding an appropriate amount of iron oxide, de- [C] is promoted and an ingot having an impurity element [C] concentration of 10 ppm or less can be produced. That is, the WFexOy / MFeO ratio is preferably 1.0 or more and 4.0 or less, and more preferably 2.0 or more and 3.0 or less. The iron oxide agent is obtained by sintering fine Fe 2 O 3 powder at 1250 ° C. into granular Fe 2 O 3 .

顆粒状Fe2の添加量については、期待される脱炭反応に必要な酸素量に比べて、添加量が少なすぎると、脱炭反応が不十分となる。一方、過剰に入れすぎると、脱炭は十分に進むが、酸素含有量が高くなりすぎる問題がある。すなわち、EBCHRにおいて酸化鉄を添加する際の適切な範囲がある。 Regarding the addition amount of granular Fe 2 O 3 , if the addition amount is too small compared to the expected oxygen amount for the decarburization reaction, the decarburization reaction becomes insufficient. On the other hand, if excessively added, decarburization proceeds sufficiently, but there is a problem that the oxygen content becomes too high. That is, there is an appropriate range when adding iron oxide in EBCHR.

Figure 0005395545
Figure 0005395545

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made as long as they are described in the claims. .

1:コールドクルーシブル式誘導溶解装置
2:原料フィーダー
3:水冷銅るつぼ
4:真空チャンバー
6:合金溶湯プール
7:溶融スラグ層
1: Cold crucible induction melting device 2: Raw material feeder 3: Water-cooled copper crucible 4: Vacuum chamber 6: Molten alloy pool 7: Molten slag layer

Claims (6)

コールドクルーシブル式誘導溶解装置の水冷銅るつぼに合金原料を投入して、不活性ガス雰囲気下において、所定の合金組成に成分調整した合金溶湯プールを形成する溶湯プール形成工程と、
前記合金溶湯プールに精錬剤を添加して、少なくともリンを含む不純物元素を除去する精錬工程と、
を備え、
前記精錬剤は、金属CaとCaハライド組成フラックスとの混合物であり、
前記Caハライド組成フラックスは、フッ化カルシウムに酸化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF-CaO、フッ化カルシウムに塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF-CaCl、または、フッ化カルシウムに酸化カルシウムおよび塩化カルシウムを5〜30wt%配合したCaF-(CaO+CaCl)であり、
前記合金溶湯プールの重量に対する前記金属Caの添加率を、0.5wt%以上とし、
前記合金溶湯プールの重量に対する前記Caハライド組成フラックスの添加率を、前記金属Caの添加率以上とすることを特徴とする、超高純度合金鋳塊の製造方法。
A molten pool formation step of forming an alloy molten pool with components adjusted to a predetermined alloy composition in an inert gas atmosphere by charging the alloy raw material into a water-cooled copper crucible of a cold crucible induction melting device;
A refining step of adding a refining agent to the molten alloy pool to remove impurity elements including at least phosphorus;
With
The refining agent is a mixture of metallic Ca and Ca halide composition flux,
The Ca halide composition flux the calcium oxide to calcium fluoride CaF 2 -CaO formulated 5-30 wt%, calcium chloride calcium fluoride CaF 2-CaCl 2 was blended 5-30 wt%, or, calcium fluoride CaF 2 − (CaO + CaCl 2 ) containing 5 to 30 wt% of calcium oxide and calcium chloride,
The addition ratio of the metal Ca with respect to the weight of the molten alloy pool is 0.5 wt% or more,
A method for producing an ultra-high purity alloy ingot, wherein an addition rate of the Ca halide composition flux with respect to a weight of the molten alloy pool is equal to or higher than an addition rate of the metal Ca.
請求項1に記載の超高純度合金鋳塊の製造方法において、
前記合金溶湯プールに前記精錬剤を添加した後、添加した前記精錬剤が全て溶融するのに要する時間の1/2に当たる時間T1以上、添加した前記金属Caの1/2が蒸発により失われる時間T2以下の間、前記合金溶湯プールを保持することを特徴とする、超高純度合金鋳塊の製造方法。
In the manufacturing method of the ultra-high purity alloy ingot according to claim 1,
After the refining agent is added to the molten alloy pool, a time T1 or more that is 1/2 of the time required for all of the added refining agent to melt, and a time that 1/2 of the added metal Ca is lost by evaporation The method for producing an ultra-high purity alloy ingot, wherein the molten alloy pool is held for T2 or less.
請求項2に記載の超高純度合金鋳塊の製造方法において、
前記溶湯プール形成工程および前記精錬工程を複数回行って、少なくともリンの含有量が2ppm以下の超高純度合金鋳塊を製造することを特徴とする、超高純度合金鋳塊の製造方法。
In the manufacturing method of the ultra-high purity alloy ingot according to claim 2,
A method for producing an ultra high purity alloy ingot, wherein the molten pool forming step and the refining step are performed a plurality of times to produce an ultra high purity alloy ingot having a phosphorus content of 2 ppm or less.
請求項1〜3のいずれかに記載の超高純度合金鋳塊の製造方法により製造した鋳塊を1次鋳塊とし、
前記コールドクルーシブル式誘導溶解装置の水冷銅るつぼに前記1次鋳塊を投入して、合金溶湯プールを形成する第2溶湯プール形成工程と、
前記1次鋳塊の合金溶湯プールに第2精錬剤を添加した後、チャンバー内の不活性ガスを排気して排気状態を15分以上保持し、少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素を除去する第2精錬工程と、
を備え、
前記第2精錬剤は、酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤と前記Caハライド組成フラックスとの混合物であり、
前記酸化剤の添加重量を、前記1次鋳塊の合金溶湯プール中の前記少なくとも炭素およびカルシウムを含む不純物元素を全量酸化させるために算出される算出重量の0.2倍以上、4.0倍以下とし、
前記第2精錬工程において、前記1次鋳塊の合金溶湯プールの重量に対する前記Caハライド組成フラックスの添加率を、0.5wt%以上、5.0wt%以下とすることを特徴とする、超高純度合金鋳塊の製造方法。
The ingot produced by the method for producing an ultra-high purity alloy ingot according to any one of claims 1 to 3 is a primary ingot,
A second molten metal pool forming step of forming the molten alloy pool by charging the primary ingot into a water-cooled copper crucible of the cold crucible induction melting device;
After the second refining agent is added to the molten alloy pool of the primary ingot, the inert gas in the chamber is exhausted and the exhaust state is maintained for 15 minutes or more to remove impurity elements including at least carbon and calcium. 2 refining process,
With
The second refining agent is a mixture of an oxidizing agent that is an oxide of a predetermined alloy composition main component element such as iron oxide and the Ca halide composition flux,
The addition weight of the oxidizing agent is 0.2 times or more and 4.0 times the calculated weight calculated for oxidizing all the impurity elements including at least carbon and calcium in the molten alloy pool of the primary ingot. And
In the second refining step, the addition ratio of the Ca halide composition flux with respect to the weight of the molten alloy pool of the primary ingot is 0.5 wt% or more and 5.0 wt% or less, A method for producing a pure alloy ingot.
請求項4に記載の超高純度合金鋳塊の製造方法により製造した鋳塊に、脱酸元素系の合金成分を添加して、合金化することを特徴とする、超高純度合金鋳塊の製造方法。   An ingot produced by the method for producing an ultra high purity alloy ingot according to claim 4 is added with a deoxidizing element-based alloy component to form an alloy. Production method. 請求項1〜5のいずれかに記載の超高純度合金鋳塊の製造方法により製造した鋳塊を2次鋳塊とし、
コールドハース式電子ビーム溶解装置の水冷銅製皿状容器に前記2次鋳塊を供給して、5×10−4mbarよりも低い気圧下において、当該水冷銅製皿状容器内と当該水冷銅製皿状容器に隣接する水冷銅鋳型内とに、合金溶湯プールを形成する第3溶湯プール形成工程と、
前記水冷銅製皿状容器内の合金溶湯プールに第3精錬剤を添加して、不純物元素である炭素を除去する第3精錬工程と、
を備え、
前記第3精錬剤は酸化鉄などの所定の合金組成主要成分元素の酸化物である酸化剤であり、
前記第3精錬剤の添加重量を、前記2次鋳塊の合金溶湯プール中の前記不純物元素である炭素を全量酸化させるために算出される算出重量の1.0倍以上、4.0倍以下とすることを特徴とする、超高純度合金鋳塊の製造方法。
The ingot produced by the method for producing an ultra-high purity alloy ingot according to any one of claims 1 to 5 is a secondary ingot,
The secondary ingot is supplied to a water-cooled copper dish-shaped container of a cold hearth type electron beam melting apparatus, and the water-cooled copper dish-shaped container and the water-cooled copper dish-shaped container are used at a pressure lower than 5 × 10 −4 mbar. A third molten pool forming step for forming a molten alloy pool in a water-cooled copper mold adjacent to the container;
A third refining step of adding a third refining agent to the molten alloy pool in the water-cooled copper dish-like container to remove carbon as an impurity element;
With
The third refining agent is an oxidant that is an oxide of a main component element of a predetermined alloy composition such as iron oxide,
The added weight of the third refining agent is 1.0 times or more and 4.0 times or less of the calculated weight calculated to oxidize all the carbon as the impurity element in the molten alloy pool of the secondary ingot. A method for producing an ultra-high purity alloy ingot, wherein
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