JP4744872B2 - 金属の製造又は精製用の装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に金属の加工に関する。さらに具体的には、本発明はチタン、アルミニウム、ニッケル及びこれらの合金のような高性能金属の製造又は精製のための方法及び装置に関する。

苛酷な工業的用途で使用される比較的大形の構造物を形成するため、様々な金属及び合金が使用されている。一例として、大形のタービンローター及び羽根を形成するためには、大抵はニッケル基超合金が使用される。タービンの低温セクションにおける部品（例えば、ファンディスク、ファン羽根、圧縮機ディスク及び圧縮機羽根）には、チタン合金がしばしば使用される。これらは、他のタイプの高価値製品を製造するためにも使用される。例えば、チタン材料から医療用の人口補装具を鋳造又は鍛造できる。

大形部品に使用される高性能金属は、大抵の場合、真空誘導融解、エレクトロスラグ精製及び真空アーク再融解のような一連の加工技術を用いて大形物体として製造される。一例として、航空機エンジン用途のためのプレミアムチタン合金は、大抵の場合、チタン系原料の低温炉床融解、次いで真空アーク再融解を用いる１以上の追加の再融解段階を含む方法で形成される。

これらの技術で製造される金属は極めて高い価値を有するが、幾つかの段階を通しての加工は多大の費用及び時間を必要とすることがある。例えば、低温炉床装置は、原料供給材料を融解すると共に、加工中にそれを溶融状態に保つため、通常は１組のプラズマトーチ又は電子ビームガンを使用する。このタイプの装置は、購入するのに極めて高価であると共に、非常に高いエネルギー費を必要とする。

その原価を考慮すれば、これらの高性能金属及び合金の純度及び品質は大抵の場合に重要である。したがって、金属製品（例えば、インゴット）から様々な不純物及び異物を排除することに特別の注意が払われる。例えば、酸素、窒素及び炭素の１種以上が高い濃度で格子間に侵入したチタンからなる硬質α介在物が、時にはチタンインゴット中に出現する。（同様に、超合金又は他の種類の合金で形成されるインゴット中にも、時には各種の欠陥が出現することがある。）大抵は一次形成プロセス中に導入されるこれらの欠陥は、インゴットから形成される物品の脆弱点及び起こり得る破壊に対する開始部位として働くことがある。

かかる欠陥の排除又は低減は、製造業者、加工業者及びユーザーにとって今なお大きな問題である。例えば、チタンスポンジのようなバージンチタンの製造中には、一般に窒素に富む介在物が生じる。ひとたび生じると、以後の加工、選別又は再融解作業中にこれらを除去又は低減しなければならない。スポンジを非常に小さい断片に破砕すれば、問題は多少改善される。液体状態での処理時間を増加させる融解技術の使用も有用である。それでもなお、今日までの努力では、これらの欠陥の存在は必ずしも排除されなかった。

チタン合金の場合、窒素に富む介在物はチタン金属自体の融解範囲より高い範囲内で融解する。介在物の密度は、チタン金属及びチタン合金の密度より高い。したがって、融解又は浮揚による介在物の除去は実用的でない。液体チタン中への窒素に富む介在物の溶解は非常に遅いが、現在では唯一の実用的解決策である。炉床融解加工は、スカル中への介在物の密度分離又は溶解による格子間元素濃度の再分配を可能にするため、非常に注意深くゆっくりと行わなければならない。

チタン系物品中での欠陥のもう一つの大きな原因は、高密度又はチタン不溶性の種類の介在物又は夾雑物の存在である。これらの夾雑物は、大抵の場合、チタン及びチタン合金スクラップ（本明細書中では「再生品」ともいう）のリサイクル、回収及び加工中に取り込まれたタングステン含有又はその他の耐火性組成物である。例えば、望ましくない物質は、時にはトーチ又は他の切削工具を使用する切削プロセス中に導入され、ドリルビット、のこ刃の歯、切断トーチの電極などの形態を有し得る。これらの種類の夾雑物を除去するという問題は特に難しい。これらは大抵の場合にチタンの融点よりかなり高い融点を有するので、熱処理は無効又は非実用的であり得る。その代わりに、これらは電子ビーム低温炉床再融解のような別の技術で除去しなければならないことがある。

チタンのような金属をエレクトロスラグ法で精製する場合、製品は上述したもののような夾雑物を非常に取り込み易い。例えば、介在物及び夾雑物は融解する供給インゴットから落下し、下方のスラグ層を通過することがある。次いで、これらはスラグ下方の鋳型内で形成されるインゴット製品中に容易に取り込まれる。

上述のように、本発明は高性能金属の製造にも関する。厳しい用途のために設計される合金中に使用されることが多いので、チタンは良い例となる。様々な鉱石からチタンを得るための商業的方法は公知である。その例には、チタン鉱石を塩素化して四塩化チタンを製造し、次いでナトリウム（Ｈｕｎｔｅｒ法）又はマグネシウム（Ｋｒｏｌｌ法）で四塩化チタンを還元するものがある。

チタンのような金属は、米国特許第６０７４５４５号（Ｇｉｎａｔｔａ）に記載されているような電解法でも製造できる。かかる方法では、垂直に配置された銅製円筒がるつぼとして機能し、液体金属プールが陰極として役立つ。るつぼは通常は水冷されており、電源に接続された底板も含んでいる。黒鉛製の陽極が円筒の内部に配置されている。陽極も、母線を介して電源に接続されている。るつぼは、エレクトロスラグ精製法で使用されるスラグに類似した溶融塩電解質（カルシウム又はカルシウム化合物）を収容している。電解質は、電源からの電気による抵抗加熱で溶融状態に維持される。

抽出すべき金属を含有する化合物は、通常の供給機構で電解質中に導入される。供給化合物は固体、液体又は気体のいずれの形態であってもよい。（チタン合金の場合、化合物の例はＴｉＣｌ_４、ＴｉＦ_３、ＴｉＢｒ_４、ＡｌＣｌ_３、ＶＣｌ_４、ＶＣｌ_３、ＶＣｌ_２などである。）供給化合物が電気分解で還元されるのに伴い、気体副生物は陽極中のダクトを通して除去される。生成物（例えば、チタン金属）は、陰極に溶融金属として集められる。液体金属プールを陰極−鋳型内で冷却凝固させればインゴットとなる。インゴットは、後退式の底板を降下させることで取り出すことができる。

Ｇｉｎａｔｔａの特許に記載されたような電解法は、チタン及び他の高性能金属を製造するために非常に有用であり得る。Ｇｉｎａｔｔａ法は、特に、ＴｉＣｌ_４のような原料からプレミアムグレードのチタンを直接に製造できる可能性を有するように思われる。この技術は、チタンスポンジの形成及び再圧密に関係する他の複雑な段階を迂回することを可能にする点で、かなり大きい加工上の利点を有し得る。

しかし、かかる方法はそれでもなお前述した重大な欠点の幾つかを示す。例えば、Ｇｉｎａｔｔａの融解及び再結晶ステーションの垂直整列は、介在物及び他の不純物が陽極チェンバーから（冷えて製品になる）液体金属中に直接移行するのを許すであろう。原料が金属再生品及び他の固体材料を含む場合、この問題は特に深刻化する。したがって、上述のように、介在物及び異物を排除するため、多大の時間及びエネルギーを消費する再融解のような追加の段階が必要となる。

これらの事実を念頭に置けば、チタン及び他の金属を製造し精製する方法の改良は当技術分野で歓迎されるはずである。新しい技術は、精製又は製造すべき金属から介在物及び他の不純物を効果的に低減又は排除できるものでなければならない。例えば、異物の除去は、複数の再融解ステーション又は他の加工段階を必要とせずに行わなければならない。さらに、新しい方法は、プラズマトーチ又は電子ビームガンのような高価な加熱装置の必要性を最小限に抑えるものでなければならない。その上、かかる方法は、融解温度や電気インピーダンスのような重要パラメーターを監視して調整できる制御機構に順応し得るものでなければならない。最後に、かかる方法は、金属の製造及び精製に通例付随する他の段階（例えば、原料の加工段階又は鋳造や鍛造のような製造後段階）に適合し得るものでなければならない。
米国特許第６０７４５４５号

本発明の一実施形態は、金属又は合金を精製又は製造するためのエレクトロスラグ−低温炉床（ＥＳＣＨ）装置に関する。本装置は、溶融液体金属のプール及びその上方に位置するスラグ層を保持できる１以上の低温炉床容器を含んでいる。炉床の上方には原料金属源（例えば、供給電極）が配置され、溶融スラグ中に供給される。インゴット鋳型は低温炉床及び供給電極から側方に片寄っている（即ち、垂直方向に整列していない）。

インゴット鋳型は、あふれダム又はせきをはじめとする何らかのタイプの通路で低温炉床に連結されている。ダムは、介在物及び他の異物の通過を防止しながら、液体金属を炉床からインゴット鋳型に流入させる。このようにすれば、精製されたインゴットは介在物及び他の不純物を実質的に含まない。さもないと、かかる介在物及び他の不純物は最終製品中に欠陥として存在するか、或いはかかる欠陥の開始部位として働くことがある。

このようなタイプの特定の例示的なＥＳＣＨ装置は、
ａ）溶融液体金属のプールを融解して保持するための１以上の低温炉床容器、
ｂ）低温炉床容器内の金属プールの上方に位置する液体スラグ層、
ｃ）液体スラグ層の上方に配置された１以上の金属源、
ｄ）金属源から側方に片寄っていると共に、スラグ層の一部の下方に位置する、低温炉床容器内の溶融金属のプールから溶融金属を受け入れるためのインゴット鋳型、
ｅ）スラグ層を電気的に加熱するための１以上の電源、及び
ｆ）低温炉床容器をインゴット鋳型から隔離するあふれダム
を含んでなる。

原料金属源は、大抵の場合、対象となる金属又は合金を含む材料で形成された消耗電極である。（この開示を簡潔にするため、「金属」という用語は金属及び合金の両方を包含するものとする。）精製プロセスでは、原料金属源は大抵は金属再生品からなる。液体スラグ層は、通常はカルシウム系である。

電源は、通常、消耗電極を通して液体スラグ層に電流を供給できる電源手段を含んでいる。このようにすれば、供給材料をスラグ中に導入しながら、スラグを溶融状態に維持することができる。後述のように、電源は各種のモードで動作し得る。

ＥＳＣＨ装置の他の実施形態は、スラグを加熱するため、及び／又は装置の他の部品に電力を供給するために使用できる第二の電源を含んでいる。第二の電源は、スラグ層に接触する１以上の非消耗電極を通して接続される。場合によっては、非消耗電極はそれをスラグ層に対して垂直に移動させることのできる構造物上に取り付けられる。

ここに記載したＥＳＣＨ装置は、広範囲の金属及び合金を精製又は製造するために使用できる。これらの多くは後述される。かかる装置に導入するものとしてかなり興味深いのは、チタン及びその合金である。本発明に従って金属又は合金を製造する場合、金属源は、所望の金属又は合金を電気化学的に（例えば、電解的に）抽出できる１種以上の原料前駆体（例えば、ＴｉＣｌ_４）を含むのが通常である。

本発明の別の実施形態は、エレクトロスラグ−低温炉床装置で金属を精製する方法に関する。本方法は、
（Ｉ）低温炉床容器内に収容された下方の溶融スラグに金属源を接触させることで、金属源を融解して溶融金属のプールを形成する段階、
（II）溶融金属のプールを低温炉床容器からあふれダムを越えて導き、金属源から側方に片寄っているインゴット鋳型に導入する段階、及び
（III）インゴット鋳型内の精製金属を冷却して凝固させる段階
を含んでなる。

１種以上の原料金属源から金属を製造する方法も記載される。いずれの場合にも、製品は前述の望ましくない成分を実質的に含まないようにすることができる。

さらに、本発明の別の実施形態は、精製作業及び製造作業の両方を含むＥＳＣＨ装置に関する。前述のように、精製作業は液体スラグ層中で供給電極を融解すること（及び片寄ったインゴット鋳型を利用すること）を含む。製造作業は、原料金属源（例えば、金属のハロゲン化物）から所望の金属又は合金を電解的に製造することを含む。

本発明の様々な特徴に関するさらに詳しい説明は、明細書の残部及び添付図面中に見出される。

図１は、通常のエレクトロスラグ融解装置２の一部の略図である。この装置は、インゴット鋳型（通常は水冷受け器）と共に、融解すべき金属又は合金の消耗電極４を含んでいる。この装置は、電極支持カラム８も含んでいる。インゴット鋳型６は液体スラグ１０の層を収容していて、その中に電極４の下端が浸される。電極４は、任意の機械的手段（図示せず）により、スラグ１０に向かって前進させ、スラグ１０に接触させることができる。前進速度は、通常、精製の進行に伴って電極の接触面を融解する速度に一致する。融解条件を制御するため、エレクトロスラグ融解装置は一般に不活性雰囲気（例えば、アルゴン）中に収容できる。

スラグは、電源３及び付随する回路５（電極４を含む）によって供給される電流で加熱される。スラグの加熱は電極４の下端を融解させ、液体金属のプール１６を形成する。（通常、付随する凝固金属のスカル１８がプールの底に生じる。）スラグを加熱するために必要な電流の量は、特定の材料、電極及びインゴットの寸法、並びに使用する装置のタイプに依存する。通常、それは約２０００〜約３００００アンペアの範囲内にある。加熱プロセス中には、スラグ−金属界面で消耗電極４から金属液滴が融け出す。液滴はスラグを通って液体金属プール１６内に直接落下し、そこで冷却凝固して製品インゴット１２になる。インゴット１２はプラットホーム１４で支持されているが、これは後退式であってもなくてもよい。

図２は、本発明のエレクトロスラグ−低温炉床（ＥＳＣＨ）装置の一実施形態の略図である。ＥＳＣＨ装置は、通常、何らかのタイプのチェンバー３２内に収容されている。チェンバーは、通常、装置に不活性雰囲気を供給し、例えばアルゴンのような不活性ガスを満たしたものである。大抵の場合、不活性雰囲気は融解条件の良好な制御を可能にする。

本装置は、消耗電極３４の形態で金属源を含んでいる。電極の形状は本発明にとって重要でなく、一つにはその成分、その形成方法、及び後述する低温炉床容器の形状に依存する。大抵の場合、消耗電極３４はインゴット鋳造品として形成され、実質的に円柱状である。それは心棒４９に（例えば、プラズマ溶接で）溶接するか、クランプするか、又は任意適宜の手段で結合することができる。電極は、突張り部材２９を介して軸又は心棒４９に連結された任意適宜の機構（例えば、電極駆動装置３１）によって制御下で上昇下降させることができる。（突張り部材２９は心棒４８から電気絶縁されている。）
ＥＳＣＨ装置は、液体スラグ材料と共に、（電極から融解した）液体金属を保持し得る炉床３５も含んでいる。この目的のために好適な炉床は当技術分野で公知であり、例えば、米国特許第６００１４９５号（その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす）に記載されている。炉床は各種の材料で形成できる。精製又は製造すべき金属がチタンのように比較的高い融解温度を有する場合、大抵は銅又は銅合金が使用される。炉床はＥＳＣＨの運転中に通常冷却されるので、しばしば「低温炉床」と呼ばれる。様々な冷却機構が使用可能であり、ここで詳しく説明する必要はない。非限定的な一例として、炉床には、炉床を冷却してその融解を防止するための水を流す内部流路を組み込むことができる。炉床のサイズは、やはりＥＳＣＨ装置の総合寸法及び消耗電極３４のサイズのような様々な因子に依存する。

炉床３５は溶融スラグ４０を収容している。スラグは、通常、図示するように液体金属プール４４の上部に浮遊している。スラグは、非常に高い温度、即ち消耗電極３４の下部３３を融解するのに十分な温度に維持される。例えば、消耗電極がチタン又はチタン電極で形成されている場合、スラグは通常は約１７００〜約２２００℃の範囲内の温度に維持される。

スラグを加熱するための様々な方法が実施可能である。この例では、電源４６からの電流が加熱源である。電流（この実施形態では通常は交流）は、導線４８から心棒４９及び消耗電極３４を通してスラグに供給できる。電流は電極からスラグ４０及び液体金属プール４４に流れる。ついで、電流は成長中のインゴット４２及びインゴット底板５２に流れる。導線５０がインゴット底板５２から電流を導くことで、電気回路が完成する。加熱技術に関する他の細部（例えば、電力制御機構）は当技術分野で公知であり、ここで詳しく説明する必要はない。（米国特許第５１６０５３２号（Ｂｅｎｚら）は若干の関連情報を提供しており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）
この実施形態では、電流は通常は交流（ＡＣ）である。しかし、一般に、本発明用の電源はＡＣ、ＤＣ（直流）、又は二つのモードの何らかの組合せとして動作させ得る。例えば、電源はＡＣ及びＤＣの間で切り換えることもできるし、或いはＤＣオフセットを用いながらＡＣとして動作させることもできる。（後述する電解式の実施形態では、電源は通常はＤＣモードである。）
スラグ４０は、ＥＳＣＨ装置内で幾つかの機能を果たす。エレクトロスラグは、上述のように消耗電極３４を融解する高温媒質である。スラグは、酸化物及び窒化物介在物を溶解するための媒質としても役立つ。酸化物介在物はスラグ中に残留する一方、窒化物介在物は融解炉床スカル中に浸透するか、又は精製すべき金属（例えば、チタン）中に再溶解する。

特定のスラグ組成物の選択は、一つには精製又は製造すべき金属及び上述のスラグ機能に依存する。チタン又はチタン合金の場合、スラグ組成物は大抵は１種以上のカルシウム系化合物（カルシウム金属自体も含む）からなる。カルシウム化合物の非限定的な例には、塩化カルシウムやフッ化カルシウムのようなハロゲン化カルシウム、及び酸化カルシウムがある。スラグの他の典型的成分の若干例は、マグネシア、アルミナ及びシリカである。大抵の場合、炉床３５の内面４３上にスラグスカル４１が生じる。このスカルは、炉床壁体３７に接して（又はその内部を）流れる冷却材（図示せず）の冷却作用で生じる。

ＥＳＣＨ装置は、さらにインゴット鋳型３６を含んでいる。インゴット鋳型の形状及びそれを形成する材料は、炉床３５と同じであり得る。（図２及び３に示すように、インゴット鋳型は実際には単一の容器の一方の側の部分を構成することができ、その場合には低温炉床容器が他方の側の部分を構成する。）大抵の場合、鋳型は銅で作製されており、凝固するインゴット製品に所望の形状を与えるのに十分な寸法を有している。鋳型３６は金属円筒であり得る。円筒はその下端で開いており、そこに下部セクション３９が設けられている。このような構成は、金属インゴット４２を形成しながら凝固させることを可能にする。後述のように、成長するインゴットの冷却凝固に伴って後退式の底板５２を降下させる。

また、鋳型３６を各種の技術で冷却することもできる。若干例が米国特許第６０７４５４５号（Ｇｉｎａｔｔａ）（その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす）に記載されている。例えば、鋳型の外周を取り巻くようにジャケットを設けて冷却水を循環させることができる。

インゴット鋳型３６は、あふれダム５４で炉床容器３５から隔離されている。液体金属プール４４からの液体金属はダムの頂部５７を越え、インゴット鋳型３６内に流れ込むことができる。しかし、ダムは高密度の介在物がインゴット鋳型に侵入するのを効果的に防止する。その代わりに、介在物は炉床３５の底部又はその付近に沈降する。

あふれダムは、前述の介在物及び他の不純物のほとんど又はすべてに対する障壁として役立つ限り、各種の形状及びサイズを有し得る。図３は、図２のＥＳＣＨ装置の一部の上部斜視図である。液体金属４４上に存在するはずの溶融スラグ４０は図示されていないので、下方の構造を容易に見ることができる。この特定の実例では、あふれダム５４はインゴット鋳型３６の壁体部分５５に隣接した炉床３５の壁体３７の一つである。ダムは銅のような金属で形成でき、前述の技術の一つで冷却できる。ダムの上面５６は、液体金属を炉床からインゴット鋳型に流すための切欠き又は溝５８を含むことができる。溝の寸法は、液体金属の粘度及びダムに使用する合金のような様々な因子に依存する。しかし、多くの場合に液体金属は上面５６の大部分又は全部を越えて鋳型３６内に流れ込むので、溝５８は任意である。

図３に示した実施形態では、炉床壁体３７の高さ「Ｈ」は、一つには炉床３５の所望深さに依存する。炉床は、（常にではないが）大抵の場合、約３インチ（７．６ｃｍ）〜約１０インチ（２５．４ｃｍ）の深さを有する。ダムの厚さ、即ち炉床の壁体厚さは、一つには収容すべきスラグ及び溶融金属の種類に依存する。チタン基消耗電極が約１０００〜約１００００ｋｇの重量を有し得る工業的設定に関する一例としては、銅系ダムの厚さは約４〜約２０ｃｍの範囲内であり得る。当業者ならば、これらの教示に基づいて特定の組合せの運転条件（例えば、熱負荷条件）を満たすようにダムの寸法を容易に修正することができる。

上述のように、ダムは各種の形状を有し得る。例えば、それは一般に図３に示すような実質的に真直ぐな壁体の形態を有し得る。別法として、例えば炉床容器３５の壁体が湾曲していれば、それは湾曲していてもよい。（炉床及びインゴット鋳型は、互いに独立した容器であり得るか、或いは上述したようにダムで二つの部分に分割された単一の容器であり得ることを理解すべきである。）
図２及び３は、炉床３５及びインゴット鋳型３６の相対位置に関し、本発明の主たる特徴を示している。インゴット鋳型は、炉床（したがって、炉床の上方に位置する消耗電極）から側方に片寄っている。消耗電極３４のいかなる部分も鋳型３６の直上に位置しない限り、インゴット鋳型３６の片寄りの程度は様々に変化し得る。したがって、図１に示す先行技術の実施形態のように、電極３４から生じてスラグ中を落下する不溶性又は緩溶解性介在物がインゴット鋳型内に直接落下することはない。その代わり、介在物は概して炉床内に捕捉される。

前述の通り、炉床から鋳型３６内に流れ込んだ液体金属が冷えて凝固し始めるのに伴ってインゴット４２が形成される。図２について述べれば、インゴット底板５２はインゴット製品の成長に対処するように設計されている。底板を降下させるために各種の機構を使用できる。非限定的な一例として、底板は一般的に要素５３として示した適当な走行機構（例えば、ボールねじ又は親ねじ）上に取り付けることができる。走行機構は、任意適宜の電源（図示せず）に接続された電動機５９で駆動できる。別の例として、インゴット製品を形成するための構造物を制御下で上昇させることもできる。例えば、適当な機構で炉床３５及びインゴット鋳型３６を上昇させることで、インゴットの成長に対処することができる。

簡単に上述した通り、金属源は図２及び３に示すようにインゴット（例えば、消耗電極３４）又はその他の塊状体の形態を有する必要はない。代わりに、離散状態の金属片（例えば、再生金属）も使用できる。このような実施形態を図４に示す。（図４のＥＳＣＨ装置の構成要素の多くは前述の実施形態のものと同じであり、再び詳しく説明する必要はない。）この実施形態では、消耗電極７４は使用されない。代わりに、固体金属片７６が任意適宜の供給ステーション８７で炉床８５に供給される。図２及び３のように、インゴット鋳型８６は炉床から側方に片寄っている。この実施形態では、スラグを加熱するための様々な技術（例えば、後述のような非消耗電極の使用）が実施可能である。

再生金属の形態及び種類は、かなり広範囲に変化し得る。例えばチタンの場合、再生品は以前に使用したチタンの破片、粒状物、生産戻り品、バージンチタン（例えば、チタンスポンジ）又はかかる材料の任意の組合せからなり得る。超合金再生品は、大抵の場合、使用済み部品、機械加工材料（例えば、旋削や中ぐりの削り屑）及び廃棄インゴットからなる。

さらに、エレクトロスラグ精製分野の当業者は、本発明に関連し得るその他の因子、例えば再生品のサイズ、再生品の供給速度、電圧及び電力、炉床の寸法などに精通している。当業者ならば、これらの因子を考慮しながらプロセスパラメーターの調整を行うことができる。有用な指針は、ＶＶ．Ｐｒａｓａｄら、「Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｏｆ Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ Ｓｃｒａｐ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｓｌａｇ Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ」、ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、第３６巻（１９６６年）、第１２号、１４５９〜１４６４頁のような幾つかの参考文献に示されている。

本発明に従えば、各種の金属及び合金を製造又は精製できる。非限定的な例は、チタン、ニッケル、アルミニウム、スズ、アンチモン、ベリリウム、ホウ素、ガリウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、トリウム、ジルコニウム、バナジウム、イリジウム、オスミウム、レニウム、ウラン及び希土類元素からなる群から選択される１種以上の元素を含むものである。これらの元素に対する原料として使用できる適当な前駆体（例えば、ハロゲン化物塩）は、当技術分野で公知である。チタン材料の場合、原料はチタン−バナジウム及びチタン−バナジウム−アルミニウム製品のような通常の合金に転化できる様々な前駆体からなり得る。そのような場合における好適な前駆体の例は、ＴｉＣｌ_４のようなチタン前駆体に加え、塩化アルミニウム及び塩化バナジウムである。

本発明の別の実施形態では、１以上の非消耗電極がＥＳＣＨ装置内に組み込まれる。非消耗電極の主たる機能は、ＥＳＣＨ装置内の所望部位にエネルギーを供給して加熱するための電気導体として役立つことである。通常、非消耗電極はスラグ用の第二の加熱源として非常に有効である。

非消耗電極は各種の形態を有し得る。図５に示す実施形態では、非消耗電極１００は炉床１０２及びインゴット鋳型１０４の上方セクションである。これらのセクションは、単一の構造物をなしていてもよいし、或いは上述のように二つの分割されたセクションをなしていてもよい。炉床及び鋳型はあふれダム１１７で隔離されている。非消耗電極１００は、導線１０８で電源１０６に接続できる。（導線１０５は、図２について記載したようにして、電源１０７から消耗電極１０９に加熱電流を流す。）
非消耗電極はスラグ１１０に接触しており、電源１０６（及び追加の電源）の電圧を調整することによって所望量の熱エネルギーをスラグに供給する。非消耗電極１００を炉床１０２及び鋳型１０４の下部セクション１１４、１１６からそれぞれ電気的に隔離するため、絶縁体１１２が使用されている。絶縁体は様々な形態を有することができ、例えば、一般に非導電性の耐熱性材料の層であり得る。好適な絶縁体には、セラミック及び雲母や石綿のような鉱物性材料がある。さらに、異なる電源装置も使用可能であり、例えば、二つの電源の代わりに単一の電源も使用できる。（図５中で特に符号を付けてない構成要素は、他の実施形態（例えば、図２の実施形態）のものとほぼ同一である。）
別法として、非消耗電極は図６及び７に示すように独立の（即ち、るつぼから独立した）プレート又はフレームからなっていてもよい。（これらの図は、この実施形態の説明に関連したＥＳＣＨ装置の部分を示している。）かかるフレームは、通常は黒鉛又は銅のような導電性材料で形成されている。導電性材料には、スラグ中で起こり得る劣化から保護するため、タングステン又はモリブデンのような耐火材の被膜又はキャップを設けてもよい。フレームは、一つには使用する特定のＥＳＣＨ装置に応じて様々な形状を有することもできる。

図６はフレーム（非消耗電極）１３０を上方から見たところであり、二つのリング１３２及び１３４で形成されていることがわかる。図７の側面図に示されるように、リング１３２は消耗電極（供給電極）１３６を取り巻くのに十分な直径を有している。リング１３４は形成される「製品」（即ち、インゴット１３８）を取り巻くのに十分な直径を有している。（リング１３４は、図示の通り、物理的にインゴットの上方に配置されている。したがって、このリングは開いている必要はない。例えば、それは丸いむく円板であり得る。しかし、開いたリングの利点は、インゴット１３８上方の材料が落下してインゴットを汚染しないことである。）他の実施形態のように、インゴット鋳型１４０は炉床１４２から側方に片寄っているので、電極１３６から融け出る介在物又は他の夾雑物がインゴット鋳型内に直接落下することはない。インゴット鋳型１４２及び炉床１４２は、前述のように、あふれダム１４４で互いに隔離されている。

図７に示すように、フレーム１３０（即ち、非消耗電極）の下方部分１４６はスラグ１４８に接触している。スラグは、融解する電極で形成された液体金属１５０の上方に位置している。この実施形態では、環状空間１５２が非消耗電極１３０をインゴット鋳型１４０及び炉床１４２から隔離している。したがって、絶縁体は不要である。図６に示すように、非消耗電極への電力は、電源（図示せず）に結合された導線１５４で供給される。

非消耗電極の構造及び位置については、数多くの変形例が存在する。一例として、フレーム１３０はほぼ長方形又は不規則形状のものであり得る。さらに、非消耗電極はスラグに対して数多くの接触部位を有することができ、例えば、スラグ内に下方に突き出た複数の電極を有することができる。さらに、独立の導体及び／又は独立の電源に各々接続された複数の非消耗電極を使用することもできる。一様な加熱及び効率的なエネルギー使用を促進するため、様々な非消耗電極を様々な相異なる位置でスラグに接触するように配置することもできる。

図７のような非消耗電極を使用すれば、熱エネルギーをインゴット１３８の上部の比較的近くに集中させることができる。このようにすれば、熱はインゴットの外径表面に集中し得る。集中した熱は、表面領域での「ラッピング」をほとんど又は全く伴わない比較的平滑な外面をもたらすことができる。このような構成による表面領域の向上は、追加の加工段階を排除できる。例えば、製品材料を無駄にすることのある面倒な機械加工又は再融解段階を低減又は排除することが可能となり得る。

別のタイプの非消耗電極の非限定的な例は、米国特許第４１８５６８２号（Ｋｓｅｎｄｚｙｋら）（その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす）に示されている。その開示例では、エレクトロスラグ鋳型の底板が電源に接続される。鋳型壁体の一部をなす上部スリーブも電源に接続することで、回路が完成する。（スリーブは鋳型の他の部分から絶縁されている。）上部スリーブ及び底板は１対の非消耗電極として機能する。当業者ならば、本明細書中の教示に基づき、かかる構成を本発明で使用するため容易に適合させることができよう。

若干の実施形態では、非消耗電極をスラグ中に浸漬する深さを変化させるため、非消耗電源を上昇又は下降させることができる。スラグ温度、炉床形状などのためにＥＳＣＨ装置での電圧制御が困難になることがあるという事実を考慮すれば、このような構成は大抵の場合に重要であり得る。浸漬深さの変化は、回路インピーダンス（即ち、抵抗）の直接制御を可能にする。この機構をＥＳＣＨ装置への電流制御と組み合わせた場合、スラグ温度を効率的に監視調整することができる。

非消耗電極を上昇又は下降させるためには、数多くの技術が利用できる。例えば、図６及び７の非消耗電流１３０の垂直移動は、任意の常用昇降装置で制御できる。例示的な機構は前述のＫｓｅｎｄｚｙｋの特許に図示されているが、そこでは駆動キャリジで昇降機構が非消耗電極に取り付けられている。駆動キャリジは、垂直支柱上に可動状態で取り付けることができる。

ＥＳＣＨ装置の一部を（断面図として）一般的に図示する図８には、使用可能な機構の一例が示されている。非消耗電極１７０は、サーボ作動式ラム１７２上に取り付けられている。ラム１７２は、矢印で表した方向の一つに沿って、電動機１７４で作動される。電動機には、任意適宜の電源から電力を供給できる。監視装置のインピーダンスにより、スラグ１７６中への非消耗電極１７０の浸漬を制御できる。（複数の非消耗電極を使用するならば、各々の移動はを同様な機構で制御できる。）
上述のように、本発明の別の実施形態は、チタン及びチタン合金のような高性能金属を製造する方法に関する。この実施形態は上述した一定の構成要素を含んでいるが、製造装置の残りの構成要素については数多くの変形例が実施可能である。図９は、本発明を実施するために適した製造装置の非限定的な一例を示している。一般に、所望の金属を該金属の塩から電気化学的に抽出するという点で、このタイプの装置は電解式である。（例えば水和物のような関連化合物も使用できる。）上述の米国特許第６０７４５４５号（Ｇｉｎａｔｔａ）（その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす）には、電解法の一例が示されている。かかる方法では、液体状態で四塩化チタンを電解的に還元して塩素及びチタン金属にすることでチタンが製造される。

図９の装置は炉床２００を含んでいるが、これは前述のもの（例えば、金属壁体を有する水冷式のもの）と同様であり得る。炉床の上部にはスラグ層２０２が存在しており、装置内で電解質として役立つ。他の実施形態と同じく、スラグの組成は一つには製造すべき金属に依存する。通常、スラグは１種以上のハロゲン化カルシウムを含み、さらにカルシウム金属を含むこともある。

１種以上の原料供給源が炉床と連絡している。例えば、供給装置２０４が液体又は固体状態で原料２０５を炉床に供給できる。多種多様の常用供給機構が使用でき、一つには原料の種類及び形態（例えば、その物理的状態）に依存する。

Ｇｉｎａｔｔａの特許に記載されているように、チタン用の典型的な原料には、ＴｉＣｌ_４、ＴｉＦ_３、ＴｉＢｒ_４、ＴｉＩ_４及びＴｉＣがある。液体又は気体状態で供給し得る化合物（例えば、ＴｉＣｌ_４）は、気体／液体供給源２０８に連結された適当な通路（例えば、何らかの形態の管２０６）を通して装置内に導くことができる。ある種の化合物は、高温（例えば、ＴｉＣｌ_４の場合には約１３７℃を超える温度）で気体状態にある。しかし、室温では、かかる化合物は液体である場合があり、これらは計量ポンプで取り扱うのが非常に便利である。液体は、スラグ／電解質中に導入されると気化する。

他の実施形態と同じく、図９の電解装置は通常はチェンバー２０９内に収容されている。チェンバーは装置に不活性雰囲気を提供する。不活性ガスは、スラグ／電解質２０２の上方の窒素分圧を調節するために役立つ。ＴｉＣｌ_４のような原料を電解的に還元する場合、塩素のようなハロゲンガスが生成される。これらのガスは、任意の常用排気装置（図示せず）で除去できる。

以前の実施形態と同じく、スラグを加熱するために各種の技術を使用できる。図９では、スラグ／電解質２０２は非消耗電極２１０に供給される電流で加熱される。このタイプの電解装置（即ち、原料の一部又は全部がハロゲン化物系のものである電解装置）では、電流は（常にではないが）好ましくは直流（ＤＣ）である。非消耗電極２１０は導線２１４で電源２１２に接続されている。この装置では、電流は電源から電極２１０を通ってスラグ／電解質２０２及びその下方の液体金属２３２に流れる。次いで、電流はインゴット２３３及び底板２２０を通って流れ続け、導線２２６及び２２８を通って電源に戻る。しかし、このような電力経路については数多くの変形例が実施可能である。

スラグ２０２は、所望の金属をその塩から抽出するのに十分な温度に維持される。スラグは、前述のように、金属原料に由来する固体異物（例えば、高窒素介在物）を溶解するために働く。特定のスラグ温度は、一つには原料金属又は合金に応じて変化する。スラグは、原料の融点以上の温度に維持しなければならない。チタンの電解製造を行う装置に関してＧｉｎａｔｔａの特許に記載されているように、チタンの融点付近（例えば、約１６５０〜約１７００℃）でプロセスを実施することには熱化学的利点が存在する。

電解装置はインゴット鋳型２１６を含んでいる。前述のように、インゴット鋳型の形状及び組成は変化し得る。通常、それは流体冷却式である。図９に示すように、鋳型の下端は開いており、そこに下部セクション２１８が設けられている。成長するインゴット２３３が凝固するのに伴い、底板２２０を降下させることができる。このような目的のためには、任意適宜の電動機で制御し得る走行機構２２２及びその他各種の機構を使用できる。

金属精製のための実施形態と同じく、インゴット鋳型２１６はあふれダム２３０で炉床２００から隔離されている。液体金属２３２（即ち、電解法の製品）は、炉床２００からダムの頂部２３４を越えてインゴット鋳型２１６内に流れ込むことができる。前述のように、ダムは高密度介在物がインゴット鋳型に侵入するのを効果的に防止する。他の実施形態と同じく、あふれダムの形状及びサイズは顕著に変化し得る。図９の例では、あふれダムはインゴット鋳型の壁体の上部セクションである。

精製用の実施形態と同じく、インゴット鋳型２１６は炉床２００から側方に片寄っている。不純物を含むことのある原料の供給源が鋳型２１６の直上に位置していない限り、これらの構成要素の片寄りの程度は変化し得る。したがって、介在物及び他の異物がインゴット鋳型内に移行することはない。

前述のように、望ましくない物質が凝固する製品／インゴット中に取り込まれるのを防止する能力は、非常に重要な加工上の利点であり得る。金属の電解製造では、気体／液体供給源２０８に加えて原料２０５を使用する場合、「片寄った構成」は特に有利である。例えば、原料２０５がリサイクルされる固体再生金属であれば、異物が炉床２００に導入される可能性はかなり高い。本発明は、これらの異物を金属製品から効果的に分離する。

本発明の別の実施形態では、エレクトロスラグ−低温炉床装置を用いて金属を精製すると同時に、適当な原料から新しい金属を製造することができる。このような目的のための例示的なＥＳＣＨ装置を図１０に示す。（以前の図に共通する図中の構成要素には、一般に同じ要素番号が付けられている。）図２の実施形態と同じく、装置は下方に位置する炉床３５と共に消耗電極３４を含んでいる。炉床は、片寄ったインゴット鋳型３６からあふれダム５４で隔離されている。炉床は溶融スラグ４０を含んでおり、これは消耗電極を介して導線４８からの電流で加熱される。（前述のように、電流は通常はＤＣであるが、ＤＣオフセットを用いながらＡＣモードで動作させることもできる。）加熱されたスラグは、電極３４の下端部３３を融解して液体金属プール４４を形成する。

図１０のＥＳＣＨ装置は、さらに１以上の原料気体又は液体供給源２０８を含んでいる。チタン合金の場合、原料は大抵はＴｉＣｌ_４のようなハロゲン化物である。他の実施形態（図９）に関して記載したように、これらの原料はスラグ４０中に末端を有する適当な管２０６を通って装置に供給できる。供給材料がスラグ中に入ると、原料の電解還元が起こり、溶融生成物が金属プール４４の一部として炉床内に蓄積する。このように、金属プールには電解反応の生成物及び電極３４の融解の生成物の両方が「供給」される。所望される特定の合金を得るため、各供給源（電極３４及び原料２０８）の組成は異なることができる。さらに、図１０のＥＳＣＨ装置は独立の金属原料供給源（例えば、図４について記載したような任意適宜の供給ステーションを通して再生金属又はバージン金属材料を供給するもの）を含むこともできる。このような供給源は、電極金属源３４の代わりに又はそれに加えて使用することができる。

特定の実施形態に関して本発明を説明してきた。しかし、本発明は上記の説明に限定されるわけではない。したがって、当業者には、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱せずに様々な修正例、応用例及び代替例が想起されるであろう。上述した特許、論文及び参考書のすべての開示内容は、援用によって本明細書の内容の一部をなす。

先行技術に係る通常のエレクトロスラグ融解装置の略図である。 本発明のエレクトロスラグ−低温炉床装置の略図である。 図２のエレクトロスラグ−低温炉床装置の一部の斜視図である。 エレクトロスラグ−低温炉床装置の別の実施形態の略図である。 エレクトロスラグ−低温炉床装置のさらに別の実施形態の略図である。 エレクトロスラグ−低温炉床装置内に配置された非消耗電極の上面図である。 図６に示したエレクトロスラグ−低温炉床装置の一部の側面斜視図である。 エレクトロスラグ−低温炉床装置の一部である、非消耗電極を移動させるための機構の図である。 金属製品を製造するためのエレクトロスラグ−低温炉床装置の略図である。 金属製品の精製及び製造の両方を行うためのエレクトロスラグ−低温炉床装置の略図である。

符号の説明

３３ 端部
３４ 金属源又は消耗電極
３５ 低温炉床容器
３６ インゴット鋳型
４０ 液体スラグ層
４４ 溶融液体金属のプール
４６ 電源
５４ あふれダム
１００ 非消耗電極
１０２ 低温炉床容器
１０４ インゴット鋳型
１０６ 電源
１０９ 消耗電極
１１０ 液体スラグ層
１１２ 絶縁体
２００ 低温炉床容器
２０２ 液体スラグ層
２０６ 通路
２０８ 気体／液体供給源
２１０ 非消耗電極
２１２ 電源
２１６ インゴット鋳型
２３０ あふれダム
２３２ 溶融液体チタン又はチタン合金のプール

Claims (13)

1. 金属を精製又は製造するためのエレクトロスラグ−低温炉床装置であって、
   ａ）溶融液体金属のプール（４４）を融解して保持するための１以上の低温炉床容器（３５）、
   ｂ）溶融液体金属のプール（４４）の上部に浮遊する液体スラグ層（４０）、
   ｃ）液体スラグ層（４０）の上方に配置された１以上の金属源（３４）、
   ｄ）スラグ層（１１０）に接触する１以上の非消耗電極（１００，１３０，１７０，２１０）であって、非消耗電極（１００，１３０，１７０，２１０）の一部が金属源（３４）の一部を取り囲んでいる非消耗電極（１００，１３０，１７０，２１０）、
   ｅ）金属源（３４）から側方に片寄っていて、溶融金属のプール（４４）から溶融金属を受け入れるためのインゴット鋳型（３６）、
   ｆ）スラグ層（４０）を電気的に加熱するための電源（４６）、及び
   ｇ）低温炉床容器（３５）をインゴット鋳型（３６）から隔離するあふれダム（５４）
   を含んでなるエレクトロスラグ−低温炉床装置。
2. 金属源（３４）が該金属の消耗電極からなる、請求項１記載のエレクトロスラグ−低温炉床装置。
3. 金属源が金属スクラップ及び金属スポンジ材料の１以上からなる、請求項１記載の装置。
4. あふれダム（５４）が、インゴット鋳型（３６）内への液体金属（４４）の流入を可能にするが、インゴット鋳型内への介在物の流入は実質的に防止する壁体からなる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の装置。
5. 金属源（３４）が該金属の消耗電極からなり、電源（４６）が、消耗電極（３４）及び低温炉床容器（３５）内の液体スラグ層（４０）を通して電流を供給することで、スラグ（４０）に接触した電極（３４）の端部（３３）を融解しながらスラグを溶融状態に保つことのできる電源手段からなる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の装置。
6. 非消耗電極（１００）が、絶縁体（１１２）で低温炉床容器及びインゴット鋳型の下部セクションから隔離された低温炉床容器（１０２）及びインゴット鋳型（１０４）の上部セクションからなる、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の装置。
7. 非消耗電極（１３０，１７０，２１０）が、インゴット鋳型（３６）及び低温炉床容器（３５）から離隔している、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の装置。
8. 金属が、チタン、ニッケル、アルミニウム、スズ、アンチモン、ベリリウム、ホウ素、ガリウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、トリウム、ジルコニウム、バナジウム、イリジウム、オスミウム、レニウム、ウラン及び希土類元素からなる群から選択される１種以上の元素からなる、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の装置。
9. 金属がチタン又はチタン合金からなる、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の装置。
10. 金属を電解的に製造するための装置であって、金属源の少なくとも一部が、該金属を電気化学的に抽出できる１種以上の化合物を含む、請求項１記載の装置。
11. 金属源の一部が液体又は気体状態にあり、金属源の一部用の気体／液体供給源（２０８）が通路（２０６）を通して液体スラグ層（２０２）と連絡している、請求項１０記載の装置。
12. チタン又はチタン合金を電解的に製造するためのエレクトロスラグ−低温炉床装置であって、
    （Ａ）溶融液体チタン又はチタン合金のプール（２３２）を融解して保持するための低温炉床容器（２００）、
    （Ｂ）部分的に低温炉床容器（２００）の上方に位置するカルシウム系液体スラグ層（２０２）、
    （Ｃ）液体スラグ層（２０２）中に導入した場合に電気化学的に還元されてチタン又はチタン合金を生成し得る１種以上の液体又は気体状チタン塩を収容するための供給源（２０８）、
    （Ｄ）低温炉床容器（２００）から側方に片寄っていると共に、それと連絡している、溶融チタン又はチタン合金を受け入れるためのインゴット鋳型（２１６）、
    （Ｅ）スラグ層（２０２）を電気的に加熱するための電源（２１２）、
    （Ｆ）低温炉床（２００）をインゴット鋳型（２１６）から隔離するあふれダム（２３０）、及び
    （Ｇ）スラグ層（２０２）に接触すると共に、スラグ層に追加の熱エネルギーを供給し得る導電性非消耗電極（２１０）
    を含んでなるエレクトロスラグ−低温炉床装置。
13. さらに、チタン又はチタン合金で形成された消耗電極（３４）であって、降下させてスラグ層（４０）に接触させることで、追加のチタン又はチタン合金材料を電解的に製造しながらチタン又はチタン合金の精製を可能にするように配置された消耗電極（３４）を含む、請求項１２記載のエレクトロスラグ−低温炉床装置。
    

Images