JP2561289B2

JP2561289B2 - 反応性金属の製造装置

Info

Publication number: JP2561289B2
Application number: JP62189976A
Authority: JP
Inventors: サルバドール・ルヤン・カマチョ
Original assignee: PURAZUMA ENAAJII CORP
Current assignee: PURAZUMA ENAAJII CORP
Priority date: 1986-07-30
Filing date: 1987-07-29
Publication date: 1996-12-04
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: JPS6338535A; DE3723418A1; US4718477A; DE3723418C2

Description

【発明の詳細な説明】（発明の背景）本発明は、金属材料を処理するための装置、特に、地
下鉱物、海綿金属、金属屑等を含む反応性金属材料の溶
融及び固化に有用な装置に関するものである。

チタン、ジルコニウム、及びある他の金属は、あるガ
スの存在下で加熱されると、急激な反応を呈したりある
いは爆発したりする傾向があるために、通常、反応性金
属と呼ばれている。その結果、このような金属の溶融は
注意深く制御する必要があり、そして、従来、反応性金
属の溶融及び固化は真空炉の中で行なわれ、熱は電子ビ
ームによって供給されている。しかし、電子ビームの使
用には、電子ビームを持続するために高レベルの真空を
必要とし、必要とされる高レベルの真空には費用がかか
り、またその結果、合成成分のあるものが気化して失わ
れること、を含むいくつかの欠点がある。また、溜り深
さが約１インチ（2.54cm）以上になった場合、従来の電
子ビーム加熱器は溶融する金属を加熱するに際して効果
が上がらず、従って、溜り深さを著しく浅くする必要が
ある。このことは、高比重の汚染介在物の重力分離を更
に困難にする。

必要とされる真空レベルを低くし、電子ビーム加熱器
の他の欠点を除去する試みとして、例えば米国特許第34
29564号に開示されているように、反応性金属用炉内に
おいてプラズマアークトーチを使用することが提案され
た。しかし、プラズマアークトーチを用いる従来の方法
は全てを満足させることはできなかった。その理由は、
このようなトーチは通常内部にタングステン電極棒が用
いられており、このタングステンが作動中に侵食された
り、また処理されている金属を汚染したりする傾向があ
るからである。さらに、真空雰囲気におけるプラズマト
ーチの使用に対する大きな障害は、電圧勾配（アーク電
圧をアーク長で割ったもの）が、プラズマトーチを大気
圧中で作動させる場合の電圧勾配より著しく小さいこと
である。電圧勾配は、所定のアーク長における有効出力
パワーの尺度であるから、トーチの有効出力パワーが、
真空雰囲気では、原料を有効に溶融するのに十分なパワ
ーに達しない点まで有意に減少するのは、明らかであ
る。また、パワーレベルはアークの長さに比例し、そし
て、大気圧下の通常雰囲気においては、パワーレベルは
アークの長さを増大することにより増加させることがで
きる。しかし、真空雰囲気においては、電圧勾配は非常
に小さいので、アークの長さの増大はパワーにおいてほ
んの僅かな増加しか与えない。

従って、本発明の目的は、上記した従来技術の欠点及
び制約を克服することができる反応性金属の溶融装置を
提供することにある。

また、本発明の目的は、電子ビーム加熱器に代えて金
属溶融用プラズマアークトーチを使用し、また、従来の
電子ビーム加熱器に必要とされる真空状態より十分に高
い圧力下で、そして部分的な真空状態下で作動させるこ
とができる反応性金属の溶融装置を提供することにあ
る。より高い作動圧は、加熱チャンバのコストを低減す
ることができるばかりでなく、合金の気化及び損失に関
連する問題点を回避することができる。

また、本発明の目的は，真空雰囲気においてプラズマ
アークトーチを使用して反応性金属を溶融し、溶融物の
タングステンによる汚染をなくなし、真空雰囲気におい
てもトーチの出力パワーを十分に高くして必要とするパ
ワーレベル及び加熱能力を与え、トーチが数インチの深
さを有する金属溜り部を加熱することができ、これによ
り高比重介在物の重力分離を容易にすることができる装
置を提供することにある。

（発明の概要）本発明の上記目的、他の目的及び利点は、ここで説明
し、また図示した実施例において達成される。本発明に
おいては、真空雰囲気においてプラズマアークトーチを
作動させる場合、トーチ自身内でアークを細長くするこ
とによって、アークの低い電圧勾配つまり低下したトー
チのパワー能力を十二分に補償することができ、そして
トーチ内側を比較的高いガス圧にすることによって電圧
勾配をより高くすることができることを見い出した。特
に、本発明は反応性金属等を溶融するための装置を提供
し、この装置は、包囲された加熱チャンバと、溶融金属
（湯）を支持するために加熱チャンバ内に配置された炉
床と、加熱チャンバ内を実質的に排気するための手段と
を備える。さらに、プラズマアークトーチを備え、該プ
ラズマアークトーチは、トーチハウジングと、該トーチ
ハウジング内に設けられ内部孔及び閉鎖された内端及び
開放された外端を有する細長い管状金属部材からなる後
部電極棒と、貫通孔を有する管状金属部材からなり前記
ハウジング内に前記後部電極棒と同一軸線上に整列させ
て設けられた視準ノズルと、前記後部電極棒と前記視準
ノズルとの中間位置でガスの渦流を発生させるための渦
発生手段とを備える。また、パワー供給手段は、トラン
スファーアークモードでトーチを作動させるために後部
電極棒及び炉床に作動的に連結されている。アークが後
部電極棒の内部孔から視準ノズルを通って炉床まで延在
するよう構成されている。作動時には、渦発生手段から
の渦ガス流量とパワー供給手段からのパワー供給量と
を、アークが後部電極棒の内部孔の閉鎖された内端に隣
接した位置で発生し、かつアークが後部電極棒から前方
に炉床まで延在してアークの長さの少なくとも約半分が
トーチ内に位置するように、炉床に対するトーチの軸線
位置に関して調整できるように構成されている。視準ノ
ズルの孔の直径は後部電極棒の内部孔の直径より実質的
に小さくするのが好ましく、これは、後部電極棒の内部
孔内でガス圧を増加するのに役立つと共に、アーク発生
点位置を後部電極棒の内部孔の閉鎖された内端に隣接し
た位置にするのを助ける。

（実施例）本発明を図面を参照して例について詳細に説明する。

第１図及び第２図において、本発明装置を符号10で示
す。この装置10は包囲された気密な加熱チャンバ12を備
える。この加熱チャンバ12はほぼ円筒状の壁を有し、水
平に配置され、特定の一例では、前記加熱チャンバ12
は、直径約８フィート（約2.44m）、長さ約10フィート
（約3.05m）である。また、加熱チャンバ12の壁は適当
な水循環システム（図示せず）によって水冷することが
できる。加熱チャンバ12の一端は加熱チャンバ12の内部
に手が届くように開放することができる円形ドア（ドア
手段）14によって閉鎖されている。

前記加熱チャンバ12内には、皿形の水冷される銅製の
炉床16が設けられている。この炉床16は一方の側縁部に
沿って注ぎ口17を有し、炉床16は、下方に位置する鋳型
18内への溶融金属の注入を可能にするために選択的に回
動可能に取り付けられている。第２図に最もよく示され
ているように、前記鋳型18は底部取出しタイプとするこ
とができ、この場合には鋳型18を満たす金属が固化した
時に、インゴットが連続的に下方に取り出される。ま
た、炉床16は、その底面に溶接された銅製の配管（図示
せず）を有し、炉床16を水冷することができる。また、
鋳型18は水循環システムによって同様に冷却することが
できる。特定例では、炉床16は直径約762mm（30イン
チ）深さ約152mm（６インチ）であり、76mm（３イン
チ）のレベルに設けられた注ぎ口17を有する。炉床16の
深さが、高比重の汚染介在物を重力によって炉床の底に
分離することができる十分な深さである場合には、前記
介在物が鋳型18内に注入される危険が効果的に最小にな
る。

更に、加熱チャンバ12は排出口20を有し、排出口20に
は適当な真空ポンプ21が連結されている。また、一対の
材料供給口22が加熱チャンバ12の対向側壁を貫通して延
在しており、材料供給口22は溶融される材料を支持する
ためのトレイ23及び押し出し棒24を有し、押し出し棒24
によって定期的に前記材料を前進させて、下方に位置す
る炉床内に材料を落下させることができる。

トランスファーアーク型式のプラズマアークトーチ30
は加熱チャンバ12の壁に取り付けられており、第３図に
最も良く示されているように、前記トーチ30は、トーチ
ハウジング31及び後部電極棒32を備え、後部電極棒32は
前記ハウジング31内に設けられ、閉鎖された内端33及び
開放された外端を有する細長い管状金属部材からなる。
後部電極棒32は一体をなす銅部材から構成するのが好ま
しい。貫通孔を有する管状金属部材からなる視準ノズル
35を、ハウジング31内に、後部電極棒32の開放外端と軸
線方向に整列させて設ける。また、後部電極棒32と視準
ノズル35との中間位置に、ガスの渦流を発生させるため
の渦発生手段が設けられている。この渦発生手段は視準
ノズル35に隣接する中空の環状リング36を有し、環状リ
ング36はその内側面において接線方向に開放された複数
の開口部を有する。また、代表的な例では、ヘリウムガ
スまたはアルゴンガスであるガス源38と、環状リング36
内すなわちトーチ30内への流量を制御するための調整装
置39とが設けられている。第４図に最もよく示されてい
るように、視準ノズル35の孔の直径ｄは、以下に示す理
由により、後部電極棒32の孔の直径Ｄより実質的に小さ
くする。

水はトーチ30を冷却するのに必要であり、前記トーチ
30は第３図において符号40で示されている内部水循環シ
ステムを有する。また、従来のアークガス再生（recove
ry）システム41（第１図参照）を排出ダクト内に設ける
ことができ、このシステムを設けることによって、アー
クガスの少なくとも一部分を再生してトーチ30に再循環
することができる。渦発生手段及び水冷システムに関す
る更に詳細な説明は、カマチョ（Camacho）社に付与さ
れた米国特許第3673375号、同第3818174号に開示されて
いる。

トーチ30はボール作動装置42によって加熱チャンバ12
の一端に隣接して設けられており、前記ボール作動装置
42によって、トーチ30を軸線方向に出入移動させて炉床
からの離間距離を調整することができ、また少なくとも
２つの平面内で横方向すなわち側方に移動させることが
できる。また、トーチ30は、プラズマ柱が炉床の平面に
対して約60゜の角度になるように取り付ける。

また、本発明装置はパワー供給手段44を備え、このパ
ワー供給手段44は、トーチ30をトランスファーアークモ
ードで作動させるために、後部電極棒32と炉床16とに作
動的に連結されていて、アークＡは、後部電極棒32の孔
から視準ノズル35を通って炉床16まで延在する。一つの
実施例では、パワー供給手段44は、３相交流を、制御さ
れた直流電力に変換するよう設計され、陽極を後部電極
棒32に接続し、陰極を炉床に接続する。特定の例とし
て、前記パワー供給手段44は３相で600ボルト、60ヘル
ツのパワーを受け入れ、これを500〜750kwの直流電力に
変換するように設計することができる。アーク電流は制
御パネルにおいて設定され制御される。一方、アークの
長さ及びアークガスを調整してアーク電圧を決める。

本発明の重要な面として、トーチ30の後部電極棒32は
細長い円筒形状を有し、後部電極棒32の内部直径Ｄに対
する孔の長さの比は少なくとも約10倍、好適には20倍以
上である。特定の例として、電極棒32は内部孔の長さ約
30インチ（約76.2cm）、内部直径約1.125インチ（約2.8
575cm）であり、この例では、直径Ｄに対する孔の長さ
の比は約26.7倍である。また、前記トーチ30は、アーク
Ａが後部電極棒32の内端33に直近の位置において孔内で
発生するように作動すると共に、後部電極棒32から炉床
16まで延在するアークＡの長さの少なくとも約半分がト
ーチ30内に位置するように作動する。第３図に示すよう
に、アークＡの長さＬの約2/3以上がトーチ30内に位置
するのが最も好ましい。

視準ノズル35の直径ｄは後部電極棒32の孔の直径Ｄよ
り小さいので、視準ノズル35を通って外方に出る渦状ガ
スの流れが制限される。この結果、後部電極棒32内のガ
ス圧が増大し、これは、アーク発生位置を、後方に移動
させ、かつ、後部電極棒32の閉鎖された内端33に接近し
た位置にするのを助けることが判明した。D/dの比は約
1.5であるのが好ましく、直径Ｄが1.125インチ（約2.85
75cm）である上述の例では、直径ｄが約0.75インチ（約
1.905cm）であるのが好ましい。

アークの長さのうちの高い割合がトーチ30内に位置す
るようにトーチを作動させることの重要性は、第５図及
び第６図の実験値によって証明することができる。第５
図は、ヘリウム及びアルゴンガスを使用した場合の電圧
勾配対真空レベルのプロットを示している。第５図から
分るように、約760トールの大気圧において、ヘリウム
ガス雰囲気におけるアークは約10〜11V/cmの電圧勾配を
有し、アルゴンガス雰囲気におけるアークは約６〜8V/c
mの電圧勾配を有する。しかし、第５図に示すように、
圧力の低下につれて電圧勾配は有意に低下する。従っ
て、例えば、圧力225トールにおいて、ヘリウムガス及
びアルゴンガスを使用した場合の電圧勾配は、それぞれ
約4.5V/cm及び約2.9V/cmであり、第６図に示されている
ように、アーク長対アーク電圧のプロットの傾斜は圧力
225トールで全くフラットであるので、アーク長の変化
はアーク電圧に極めて僅かな変化しか与えず、従って極
めて僅かなパワーしか引き出されない。反応性金属の処
理が行われることの多い低い圧力では、曲線はなお一層
フラットであり、アーク長の変化はパワーレベルにさら
に小さい影響を及ぼすにすぎない。これは、高い真空レ
ベルにおいて悪い結果をもたらす。その理由は、金属材
料を溶融するために、十分なパワー及び熱を供給するの
に必要な距離だけアーク長を延ばすことができないから
である。

上記問題点に対する本発明による解決は、渦ガスが導
入されるためにトーチ30自身内に比較的高い圧力が存在
し、この圧力レベルを、上述したD/d比によって生じる
制限によって高めることができることを見い出した点に
ある。また、細長い管の形をした後部電極棒32を使用
し、かつガス流量及び電流レベルを調整することによっ
て、トーチ内の圧力を制御することができ、アークを後
部電極棒32の内端33に隣接する位置で発生させることが
できる。従って、アークの長さを比較的高い圧力が存在
するトーチ自身内で延長することができ、そして、この
アークのトーチ内部分は比較的高い高圧勾配を有し、ト
ーチの外側に存在する真空中における電圧勾配のロスを
補償することができる。

以下に、本発明に従ってチタン屑の溶融及び固化を行
う方法の特定の例を説明する。上述のような加熱チャン
バ12に、作動パワー範囲100kw〜1500kwのトーチ30を嵌
着させた。トーチ30の後部電極棒32は、閉鎖された内端
33を有し、孔の長さ約30インチ（約76.2mm）直径D1.125
インチ（約2.8575cm）の一体をなす銅管から形成した。
視準ノズル35の直径ｄは0.75インチ（約1.905cm）であ
り、渦発生器（環状リング）36及び視準ノズル35の軸線
方向の長さは合計で約５インチ（12.7cm）であった。種
々の大きさ及び形状のチタン屑を炉床16に供給し、加熱
チャンバ12を約225トールの圧力になるまで排気した。
次に、プラズマトーチ30を約500kwで作動させ、渦ガス
の流量を60scfm（standard cubic feet per minute）
（約1.698m³/分）に設定し、この値から周期的に±20％
変化させ、約48〜72scfm（約1.358〜2.038m³/分）の間
で変化させた。アークは後部電極棒32の内端33の部分内
で発生し、圧力変化に応じて軸線方向に約10インチ（2
5.4cm）移動し、その結果、電極棒の孔の侵食が拡がっ
た。移動するアーク発生位置の中心は後部電極棒32の閉
鎖された内端33から約５インチ（12.7cm）であった。作
動中、トーチの前端は炉床16から約18インチ（45.7cm）
の位置であるので、アークの全長は約48インチ（121.9c
m）であり、このアーク長さの内訳は、後部電極棒32内
における平均25インチ（63.5cm）、渦発生器リング36及
び視準ノズル35を通る部分における５インチ（12.7c
m）、炉床までの部分における18インチ（45.7cm）であ
った。従って、アークの全長48インチ（121.9cm）のう
ちの30インチ（76.2cm）すなわち全長の62.5％はトーチ
内に位置する。

作動中、トーチ30をその取付装置42において側方に移
動して炉床における溶融領域の面積を増大させ、チタニ
ウム屑が溶融した場合に、炉床16を傾斜させて下方に位
置する鋳型18に溶融金属を流し込んだ。この処理を、鋳
型18が一杯になるまで繰り返えした結果、航空宇宙産業
に用いられる既存の反応性金属製加工処理規格において
“第１インゴット”としての評価及び品質認定に適した
6000ポンド（2721.54kg）のインゴットが得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の反応性金属溶融装置の一例の内部を
示すために部分切除した斜視図、第２図は第１図の装置の断面側面図、第３図は第２図の装置の要部の拡大断面図、第４図は第３図に示したプラズマアークトーチの先端部
の拡大断面図、第５図はヘリウム及びアルゴンの２種類のガスを使用し
た場合における電圧勾配対真空レベルの関係を示すグラ
フ、第６図は225トールの圧力下にヘリウム及びアルゴンの
２種類のガスを使用した場合におけるアーク電圧対アー
ク長の関係を示すグラフである。 10……装置 12……加熱チャンバ 14……ドア手段（円形ドア） 16……炉床 17……注ぎ口 18……鋳型 20……排出口 21……真空ポンプ 22……材料供給口（原料供給手段） 24……押し出し棒 30……プラズマアークトーチ 31……トーチハウジング 32……後部電極棒 33……内端 35……視準ノズル 36……環状リング（渦発生器） 38……ガス源 39……調整装置 40……内部水循環システム 41……アークガス再生システム 42……ボール作動装置（取付装置） 44……パワー供給手段

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】包囲された加熱チャンバ（12）と、溶融金
属を支持するために前記加熱チャンバ（12）内に配置さ
れた炉床（16）と、前記加熱チャンバ（12）内を実質的
に排気するための手段（21）と、プラズマアークトーチ
（30）と、前記炉床（16）から所定距離離間させて前記
加熱チャンバ（12）に前記トーチ（30）を取付ける手段
（42）とを備えた、反応性金属等を溶融するのに適した
装置（10）において、前記プラズマアークトーチ（30）は、トーチハウジング
（31）と、該トーチハウジング（31）内に設けられ内部
孔及び閉鎖された内端（33）及び開放された外端を有す
る細長い管状金属部材からなる後部電極棒（32）と、貫
通孔を有する管状金属部材からなり前記ハウジング（3
1）内に前記後部電極棒（32）と同一軸線上に整列させ
て設けられた視準ノズル（35）と、前記後部電極棒（3
2）と前記視準ノズル（35）との中間位置でガスの渦流
を発生させるための渦発生手段（36,38,39）とを備え、さらに、前記装置はパワー供給手段（44）を備え、該パ
ワー供給手段（44）はトランスファーアークモードで前
記トーチ（30）を作動させるために前記後部電極棒（3
2）及び前記炉床（16）に作動的に連結されていて、ア
ークが前記後部電極棒（32）の前記内部孔から前記視準
ノズル（35）を通って前記炉床（16）まで延在し、前記
渦発生手段（36,38,39）からの渦ガスの流量と前記パワ
ー供給手段（44）からのパワー供給量とを、前記アーク
が前記後部電極棒（32）の前記内部孔の閉鎖された内端
（33）に隣接して発生し、前記後部電極棒（32）から前
記炉床（16）まで延在する前記アークの長さの少なくと
も約半分が前記トーチ（30）内に位置するように、調整
できるように構成したことを特徴とする反応性金属の溶融装置。
【請求項２】前記後部電極棒（32）の前記内部孔はこの
孔の直径の少なくとも10倍である軸線方向長さを有する
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項３】前記視準ノズル（35）の前記孔の直径
（ｄ）を前記後部電極棒（32）の前記内部孔の直径
（Ｄ）よりも実質的に小さくして、前記後部電極棒（3
2）の前記内部孔内で渦ガスの圧力を増加させることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項４】更に、前記装置は、前記加熱チャンバ（1
2）に設けられた水冷却された鋳型（18）を有し、前記
炉床（16）を枢着して前記鋳型（18）内に溶融金属を選
択的に注ぐことができるよう構成したことを特徴とする
特許請求の範囲第３項記載の装置。
【請求項５】前記加熱チャンバ（12）は、該加熱チャン
バ（12）の内部及び前記鋳型（18）に選択的に近ずくこ
とができるようにドア手段（14）を備えることを特徴と
する特許請求の範囲第３項記載の装置。
【請求項６】更に、前記装置は、前記炉床（16）へ原料
を選択的に送給するために、前記加熱チャンバ（12）内
に配置された原料供給手段（22）を備えることを特徴と
する特許請求の範囲第３項記載の装置。
【請求項７】前記トーチ（30）を前記加熱チャンバ（1
2）に取付ける手段（42）は、前記炉床（16）の平面に
対して約60゜の角度で前記トーチ（30）を保持すること
を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置。
【請求項８】前記トーチ（30）を、前記炉床（16）に対
して接近したり離れたりするよう軸線方向に選択的に移
動させ、かつ、前記炉床（16）に対して選択的に側方へ
移動させるために、前記加熱チャンバ（12）に調整可能
に取付けられていることを特徴とする特許請求の範囲第
３項記載の装置。
【請求項９】前記パワー供給手段（44）は直流電源を備
え、この電源の陽極側を前記後部電極棒（32）に連結
し、陰極側を前記炉床（16）に連結したことを特徴とす
る特許請求の範囲第３項記載の装置。