JP2013245354A - 金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構造で、金属材料を容易に撹拌することができ、小型化することができる金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法を提供する。
【解決手段】金属材料を入れて溶解させるための導電性のハース１１と、ハース１１の上方に配置されたアーク電極１２と、ハース１１の下方に配置された磁石１３とを有している。ハース１１とアーク電極１２との間でアーク放電１を発生させ、ハース１１に入れた金属材料を溶解するよう構成されている。磁石１３は、アーク放電１により金属材料中を流れる電流の方向に対して磁場が交差するよう、ハース１１に入れた金属材料に対して、上下方向の磁場を印加可能に設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法に関する。

従来、純金属の金属塊や、複数の金属元素から成る合金塊、金属元素と非金属元素とから成る合金塊を高純度で得るために、アーク溶解法が利用されている。しかし、一般的なアーク溶解法では、溶解した金属材料が十分に攪拌されないため、特に均一に混ざりにくい複数の元素から成る合金では、優れた品質の金属塊が得られないという問題があった。そこで、この問題を解決するために、本発明者等は、ハースの内部で金属材料の表裏を反転させる反転機構を設けた、合金塊の作製装置を開発している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２６４４８４号公報

特許文献１に記載の合金塊の作製装置によれば、金属材料を効率良く溶解して、均一に撹拌することができるが、反転機構が大がかりになるため、装置全体が大型化してしまうという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、比較的簡単な構造で、金属材料を容易に撹拌することができ、小型化することができる金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る金属材料の溶解装置は、アーク放電により金属材料を溶解させるアーク溶解炉を利用した金属材料の溶解装置であって、前記アーク放電により前記金属材料中を流れる電流の方向に対して、交差する方向に磁場を印加するための磁石を有することを特徴とする。

本発明に係る金属材料の溶解方法は、アーク放電により金属材料を溶解させるアーク溶解法を利用した金属材料の溶解方法であって、前記アーク放電により前記金属材料中を流れる電流の方向に対して、交差する方向に磁場をかけることを特徴とする。

本発明に係る金属材料の溶解方法は、本発明に係る金属材料の溶解装置により好適に実施することができる。本発明に係る金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法は、アーク放電により金属材料中を流れる電流の方向に対して、交差する方向に磁場を印加するため、電流の方向および磁場の方向に対して垂直な方向に力が発生する。その力の方向に沿って、アーク放電で溶解した金属材料中に流れが発生するため、金属材料を撹拌することができる。このように、本発明に係る金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法は、アーク放電とともに磁場を印加するだけの比較的簡単な構造で、金属材料を容易に撹拌することができる。また、大がかりな構造を必要としないため、装置全体を小型化することができる。

本発明に係る金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法で、金属材料は、純金属であってもよく、複数の金属元素から成る合金材料や、金属元素と非金属元素とから成る合金材料であってもよい。本発明に係る金属材料の溶解装置で、磁石は、永久磁石であってもよく、電磁石であってもよい。電磁石から成る場合には、金属材料の種類に応じて磁場を調整することができ、撹拌効果を高めることができる。

本発明に係る金属材料の溶解装置で、前記アーク溶解炉は、前記金属材料を入れて溶解させるための導電性のハースと、前記ハースの上方に配置されたアーク電極とを有し、前記ハースと前記アーク電極との間でアークを発生するよう構成され、前記磁石は、前記ハースの下方に配置されていることが好ましい。特に、前記磁石は、前記ハースに入れた前記金属材料に対して、上下方向の磁場を印加可能に設けられていることが好ましい。この場合、以下の原理で金属材料を撹拌することができる。

図１および図２に示すように、ハースが水冷銅炉床から成り、磁石がサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）などから成るリング状の永久磁石（Ｍａｇｎｅｔ ｒｉｎｇ）から成るものとする。図１（ａ）および図２に示すように、ハースに金属材料を入れて、ハースの上方に配置されたアーク電極からアークを発生させると、アークの熱により、上部から下部に向かって金属材料が溶解していく。このとき、溶融金属（Ｍｏｌｔｅｎ ａｌｌｏｙ）の電気抵抗は高温ほど高くなるため、アーク電流（Ａｒｃ ＤＣ ｃｕｒｒｅｎｔ）は、まず電気抵抗の小さい未溶解領域（Ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｅｌｔｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）の見られる溶融金属の底部に向かい、さらにそこで溶融金属の底部の縁とハースとの間で生成されている凝着部に向かう。すなわち、溶融金属の底部では、中心から周縁に向かってほぼ水平方向に流れていくと考えられる。

また、このとき、ハースの下方に配置されたリング状の磁石により、溶融金属の内部で上向きの磁場（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ）がかかるため、アーク電流を帯びた溶融金属に対して電磁誘導によって電磁力（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ）が発生する。この力は、溶融金属の底部で、溶融金属の中心から周縁に向かってほぼ水平方向に流れるアーク電流、および上向きの磁場のそれぞれに対して垂直な方向を有し、水平面内で溶融金属を回転させるように作用する。なお、この力は、アーク電流が強ければ強いほど、また磁石が強ければ強いほど、強くなる。

この横回転により、未溶解部分を巻き込んで溶融金属の底部が撹拌されるとともに、熱対流による垂直方向の縦回転が加わることにより、図１（ｂ）に示すように、溶融金属全体を均一に溶解して撹拌することができる（Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ）。

本発明によれば、比較的簡単な構造で、金属材料を容易に撹拌することができ、小型化することができる金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法を提供することができる。

本発明に係る金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法の動作原理の（ａ）溶融金属にかかるアーク電流、磁場、力の向きを示す断面図、（ｂ）撹拌後の溶融金属を示す断面図である。 本発明に係る金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法の動作原理の、溶融金属にかかるアーク電流および力を示す斜視図である。 本発明の実施の形態の金属材料の溶解装置の使用状態を示す（ａ）縦断面図、（ｂ）平面図である。 図３に示す金属材料の溶解装置の磁石の変形例を示す、（ａ）リング状、（ｂ）円盤状、（ｃ）直方体状、（ｄ）直方体状のものを複数並べたもの、（ｅ）電磁石から成る磁石が埋め込まれたハースの底面図である。 本発明の実施の形態の金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法の、ＣｕＡｌ合金を溶解して撹拌を行ったときの（ａ）磁場を加えたときの溶融金属、（ｂ）磁場を加えないときの溶融金属を示す斜視図である。 （ａ）図５（ａ）に示す溶融金属、（ｂ）図５（ｂ）に示す溶融金属のＥＰＭＡによる組成分析結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態の金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法の、ＦｅＣｕ合金を溶解して撹拌を行ったときの（ａ）磁場を加えたときの溶融金属、（ｂ）磁場を加えないときの溶融金属を示す斜視図である。 （ａ）図７（ａ）に示す溶融金属、（ｂ）図７（ｂ）に示す溶融金属のＥＰＭＡによる組成分析結果を示すマッピング図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図３乃至図８は、本発明の実施の形態の金属材料の溶解装置および金属材料の溶解方法を示している。
図３に示すように、金属材料の溶解装置１０は、アーク溶解炉を利用して成り、ハース１１とアーク電極１２と磁石１３とを有している。

図３に示すように、ハース１１は、導電性の水冷銅炉床から成り、表面および底面が正方形で、やや厚みのある角柱形状を成している。ハース１１は、表面の中央に円形の凹部１１ａを有している。凹部１１ａは、周縁から中央に向かって徐々に窪んだ形状を成している。アーク電極１２は、ハース１１の凹部１１ａの上方に配置されている。アーク電極１２は、ハース１１との間に電位差を生じさせることにより、ハース１１に向かって直流のアーク放電１を発生するよう構成されている。

図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、磁石１３は、リング状の永久磁石から成り、Ｎ極が上になるようにして、ハース１１の底部に埋め込まれている。磁石１３は、その中心軸が凹部１１ａの中心軸と一致するよう配置されている。これにより、磁石１３は、ハース１１の凹部１１ａで、上向きの磁場を印加可能になっている。

なお、図３に示す具体的な一例では、ハース１１は、表面が縦８０ｍｍ×横８０ｍｍであり、凹部１１ａが直径５０ｍｍである。また、磁石１３は、サマリウムコバルト磁石から成り、外径が２６ｍｍ、内径が２０ｍｍ、厚みが２ｍｍである。

本発明の実施の形態の金属材料の溶解方法は、金属材料の溶解装置１０により実施される。本発明の実施の形態の金属材料の溶解方法では、まず、ハース１１の凹部１１ａに金属材料を入れ、アーク電極１２でアーク放電１を発生させて、金属材料を溶解させる。このとき、磁石１３により、ハース１１に入れた金属材料に対して、上方向の磁場が印加されているため、図１および図２に示す原理に従って、凹部１１ａ内の溶融金属２の底部に横回転の流れが発生する。この横回転により溶融金属２の底部が撹拌されるとともに、熱対流による垂直方向の縦回転が加わって、溶融金属２の全体を均一に溶解して撹拌することができる。

なお、具体的な一例では、金属材料の量を３０〜８０ｇとし、アーク電流を３００Ａとした。また、このときの溶融金属２の横回転は、１分間に約９０回転であった。

このように、本発明の実施の形態の金属材料の溶解装置１０および金属材料の溶解方法によれば、アーク放電１とともに磁場を印加するだけの比較的簡単な構造で、金属材料を溶解して、その溶融金属２を容易に撹拌することができる。また、磁石１３が低磁場のものであっても、十分な撹拌効果を得ることができる。このため、大がかりな構造を必要とせず、装置全体を小型化することができる。

なお、図４（ｂ）〜（ｅ）に示すように、本発明の実施の形態の金属材料の溶解装置１０および金属材料の溶解方法で、磁石１３は、円盤状や直方体状、それらを複数並べたもの、電磁石など、ハース１１に入れた金属材料に対して、上下方向の磁場を印加可能であれば、いかなる構成であってもよい。特に、電磁石から成る場合には、金属材料の種類に応じて磁場を調整することができ、撹拌効果を高めることができる。

また、ハース１１が、凹部１１ａ内の表面に凹凸を有していてもよい。この場合、凹部１１ａ内で回転する溶融金属２が、凹凸でさらに撹拌されるため、撹拌効果をより高めることができる。

図３に示す金属材料の溶解装置１０を使用して、銅が８６ａｔ％、アルミニウムが１４ａｔ％のＣｕＡｌ合金（アルミニウム青銅）を溶解して、撹拌を行った。アーク電流を３００Ａとし、アーク放電を３分間行った。アーク放電中に、磁場を加えたときの撹拌時の様子を図５（ａ）に、磁場を加えることなく撹拌したときの様子を図５（ｂ）に示す。また、図５（ａ）および（ｂ）中の矢印に沿ってＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）による組成分析を行った結果を、それぞれ図６（ａ）および（ｂ）に示す。

図５（ｂ）および図６（ｂ）に示すように、磁場を加えないときには、溶融金属２の底部に溶け残った銅が偏積していることが確認できる。これに対し、図５（ａ）および図６（ａ）に示すように、磁場を加えることにより、溶融金属２の底部に銅が偏積することなく、溶融金属２の全体がほぼ均一に撹拌されていることが確認できる。

図３に示す金属材料の溶解装置１０を使用して、銅が５０ａｔ％、鉄が５０ａｔ％のＦｅＣｕ合金を溶解して、撹拌を行った。アーク電流を３００Ａとし、アーク放電を３分間行った。アーク放電中に、磁場を加えたときの撹拌時の様子を図７（ａ）に、磁場を加えることなく撹拌したときの様子を図７（ｂ）に示す。また、それぞれについて、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）による組成分析を行ったときのマッピング結果を、それぞれ図８（ａ）および（ｂ）に示す。

ＦｅＣｕ合金は、もともとＦｅとＣｕとが混ざらないものであるため、図７（ｂ）および図８（ｂ）に示すように、磁場を加えないときには、ＦｅとＣｕとの界面がほぼ真っ直ぐで明瞭に認められる。これに対し、図７（ａ）および図８（ａ）に示すように、磁場を加えることにより、ＦｅとＣｕとの界面に凹凸が増加し、ＦｅおよびＣｕが細かくちぎれてブロック状または樹枝状の結晶となって互いの中に入り込んでいる状態が認められる。

１ アーク放電
２ 溶融金属
１０ 金属材料の溶解装置
１１ ハース
１１ａ 凹部
１２ アーク電極
１３ 磁石

Claims (4)

1. アーク放電により金属材料を溶解させるアーク溶解炉を利用した金属材料の溶解装置であって、
   前記アーク放電により前記金属材料中を流れる電流の方向に対して、交差する方向に磁場を印加するための磁石を有することを
   特徴とする金属材料の溶解装置。
2. 前記アーク溶解炉は、前記金属材料を入れて溶解させるための導電性のハースと、前記ハースの上方に配置されたアーク電極とを有し、前記ハースと前記アーク電極との間でアークを発生するよう構成され、
   前記磁石は、前記ハースの下方に配置されていることを
   特徴とする請求項１記載の金属材料の溶解装置。
3. 前記磁石は、前記ハースに入れた前記金属材料に対して、上下方向の磁場を印加可能に設けられていることを特徴とする請求項２記載の金属材料の溶解装置。
4. アーク放電により金属材料を溶解させるアーク溶解法を利用した金属材料の溶解方法であって、
   前記アーク放電により前記金属材料中を流れる電流の方向に対して、交差する方向に磁場をかけることを
   特徴とする金属材料の溶解方法。