JP6953256B2

JP6953256B2 - 消耗電極式アーク溶解炉

Info

Publication number: JP6953256B2
Application number: JP2017184021A
Authority: JP
Inventors: 剛杉田; 正幸市川; 裕崇柏崎
Original assignee: Toho Titanium Co Ltd
Current assignee: Toho Titanium Co Ltd
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: JP2019061797A

Description

この発明は、消耗電極を、その上端に取り付けたスタブを介してスティンガーロッドで把持させ、該スティンガーロッドにより消耗電極をるつぼ内で吊下げ支持して通電することで、消耗電極とるつぼ内の鋳塊の溶湯プールとの間に発生するアーク熱によって消耗電極を溶解させる消耗電極式アーク溶解炉に関するものであり、特には、使用に際し、スタブとスティンガーロッドとの間の電気的接続部分で生じ得る接続の問題に対処する技術を提案するものである。

たとえば、チタン、ジルコニウム、タンタル、モリブデンといった高融点活性金属またはその合金等のインゴットを製造するためのこの種のアーク溶解炉は、水冷銅るつぼ中の溶湯との間に真空下でアークを生じさせる真空アーク再溶解（ＶＡＲ）等に用いられることがある。

かかるアーク溶解炉の一例として図４に示す消耗電極式アーク溶解炉２１は、主として、消耗電極２２が内部に配置されるるつぼ２３と、消耗電極２２の上端に取り付けた通電用冶具としてのスタブ２４と、スタブ２４を把持して、消耗電極２２をるつぼ２３内で吊下げ支持するとともに昇降変位させるスティンガーロッド２５とを備え、スティンガーロッド２５の下端側には、スタブ２４を把持するクランプ部２５ａが設けられている。なお、この消耗電極式アーク溶解炉２１はさらに、るつぼ２３の周囲に配置した水冷ジャケット２６及び、るつぼ２３の上方側に配置されてその内部を真空チャンバーに区画する真空タンク２７、ならびに、図示しない電源、ケーブルその他の所要の設備を備えるものである。

消耗電極式アーク溶解炉２１を用いて真空アーク再溶解を行うには、電源の一端をスティンガーロッド２５に接続するとともに他端をるつぼ２３に接続し、真空タンク２７をセットして、るつぼ２３内を真空チャンバーにする。その状態で、スティンガーロッド２５の作動に基き、消耗電極２２の下端をるつぼ２３の底部に近接させて通電することにより、スティンガーロッド２５からスタブ２４を経て電流が流れる消耗電極２２を一方の電極とし、るつぼ２３を他方の電極として、溶解で形成される鋳塊上部の溶湯プールと消耗電極２２の先端との間に真空下でアークを生じさせる。そして、そのアークにより局所的に発する高熱により、消耗電極２２を加熱して溶解させることができる。
このようなアーク溶解法に関する技術として従来は、特許文献１〜６に記載されたもの等がある。

なお、消耗電極２２は一般に、粒状等の原料粉末を圧縮成形して得られた成形体を束ねて溶接したもの又は、一回以上溶解された鋳塊であり、アーク溶解法を実施する度に消耗されるものであるから、その都度新たな消耗電極２２を用いる。一方、消耗電極２２の上端に溶接等により取り付けられてスティンガーロッド２５との物理的及び電気的な接続に供されるスタブ２４は、溶解終了後にそれが取り付けられている消耗電極２２の未溶解残部から切り離され、次の溶解に繰り返し用いられる。

米国特許第３２０２７５１号明細書米国特許第３２１５９７４号明細書米国特許第３２９３３４７号明細書特許第３００５６４１号公報特開２００６−６６１５６号公報特開２００９−４６７１５号公報

ところで、スタブ２４とスティンガーロッド２５との電気的接続部分は、図５に示すように、スタブ２４の上端面から窪ませて設けられた凹状のスタブソケット３１と、スティンガーロッド２５の下端部でクランプ部２５ａ内に位置する凸状のロッドプラグ３２とで構成される。なお、クランプ部２５ａのクランプ機構については、ここでは図示及び説明を省略する。

より詳細には、図６にスタブソケット３１及びロッドプラグ３２を取り出して示すように、スタブソケット３１は、上方側に向かうに従い内径が増大するテーパ内面３１ａを有し、また、ロッドプラグ３２は概して、円柱基部３２ａおよび、その円柱基部３２ａより下方側に位置して上記のテーパ内面３１ａに実質的に整合するテーパ外面３２ｂを有する円錐台先端部３２ｃからなる。このようなスタブソケット３１及びロッドプラグ３２では、それらのテーパ内面３１ａとテーパ外面３２ｂとが面接触し、そこでスティンガーロッド２５からスタブ２４、ひいては消耗電極２２への通電が行われる。

ここで、チタン鋳塊の真空溶解に代表される大型インゴットの真空アーク再溶解等における大電流の使用時であっても、スタブソケット３１のテーパ内面３１ａとロッドプラグ３２のテーパ外面３２ｂとの十分大きな接触面積、つまり通電面積を確保して、当該接触面積が小さい場合に起こり得る接触抵抗による局所発熱やアーキング現象を防止するため、アーク溶解炉２１の使用時には、図７に示すように、スティンガーロッド２５の上部に配置されたエアシリンダー等の押圧機構２８により、スティンガーロッド２５の内管２９を通じて、ロッドプラグ３２に、スタブソケット３１内への押圧力を付与することとしている。

しかるに、スタブソケット３１は、水冷等により冷却されるスティンガーロッド２５のロッドプラグ３２とは異なり、ロッドプラグ３２との接触面で発生するジュール熱が蓄積して高熱になるところ、電流の大きさその他の条件によっては加熱されすぎて軟化し、クリープ変形が生じる。そしてここでは、スタブソケット３１のクリープ変形に伴い、高温による熱膨張とも相俟って、押圧機構２８によるロッドプラグ３２からの押圧力の作用により、図６（ｂ）に矢印で示すように、スタブソケット３１内にロッドプラグ３２が埋め込まれる。

その後、溶解が終了してスタブ２４が冷却されると、スタブソケット３１が熱収縮するので、スタブソケット３１内に埋め込まれていたロッドプラグ３２が、いわゆる焼嵌めのように、スタブソケット３１内に強固に嵌合されて、スタブソケット３１からのロッドプラグ３２の分離が困難になるという問題があった。この場合、スタブソケット３１からロッドプラグ３２を強制的に分離させようとすれば、ロッドプラグ３２がスティンガーロッド２５の下端部から脱落してしまうこともあり、その修理ないし交換に時間及びコストがかかる。

この発明は、従来の消耗電極式アーク溶解炉におけるこのような問題を解決することを課題とするものであり、その目的は、スティンガーロッドのロッドプラグとプラグソケットとの間の所要の電気的接続性を確保しつつ、消耗電極の溶解時の、スタブソケット内へのロッドプラグの意図しない嵌合を有効に防止して、スタブソケットからロッドプラグを容易に分離することのできる消耗電極式アーク溶解炉を提供することにある。

発明者は、使用後にロッドプラグがスタブソケット内に、焼嵌めのように嵌合される上記の問題について鋭意検討した結果、従来のものでは、ロッドプラグの上方側部分をなす円柱基部の特に下端側縁部が、スタブソケットのテーパ内面に接触しており、この下端側縁部が使用時に、クリープ変形及び熱膨張するスタブソケットのテーパ内面に食い込むことが、スタブソケット内へのロッドプラグの強固な嵌合の大きな原因であることを見出した。

それゆえに、ロッドプラグの下方側部分をなす円錐台先端部は、スタブソケットのテーパ内面に十分大きな面積で接触させて、必要な通電面積を確保する一方で、ロッドプラグの円柱基部は当該テーパ内面と非接触になるように、テーパ内面をテーパ角度の異なる二段階以上のテーパ面に形成することにより、溶解後にスタブが冷却された際であっても、ロッドプラグがスタブソケット内に嵌合することを有効に防止できると考えた。そしてこのことは、さらに、スタブソケットの下段テーパ面のテーパ角度および、ロッドプラグの円錐台先端部のテーパ外面のテーパ角度をともに、従来のものよりも緩やかな所定の範囲とすることで、より一層効果的になるとの知見も得た。

このような知見に基き、この発明の消耗電極式アーク溶解炉は、内部に消耗電極が配置されるるつぼと、消耗電極の上端に取り付けられるスタブと、スタブを把持して、るつぼ内で消耗電極を吊下げ支持するとともに消耗電極を昇降変位させることが可能なスティンガーロッドとを備え、スタブが、その上端面から窪んで、上方側に向かうに従い内径が増大するテーパ内面を有する凹状のスタブソケットを有し、スティンガーロッドが、その下端部に、円柱基部および、該円柱基部より下方側に位置して前記テーパ内面に対応するテーパ外面を有する円錐台先端部を含んで構成されて、前記スタブソケットと電気的に接続される凸状のロッドプラグを有し、スティンガーロッド及びスタブを介する消耗電極への通電ならびに、るつぼへの通電により、消耗電極とるつぼ内の溶湯プールとの間にアークを生じさせ、その熱により消耗電極を溶解させるものであって、スタブソケットの前記テーパ内面を、ロッドプラグの円錐台先端部の前記テーパ外面に接触する下段テーパ面と、前記下段テーパ面より上方側に位置し、前記下段テーパ面に比して、該スタブソケットの中心軸線に直交する平面に対するテーパ角度が小さい上段テーパ面とを含む二段階以上のテーパ面で構成し、ロッドプラグの前記円柱基部を、スタブソケットの前記テーパ内面と非接触としてなるものである。

ここで、スタブソケットの前記上段テーパ面のテーパ角度は、該スタブソケットの中心軸線に直交する平面に対して２５°〜３５°とすることが好ましい。
またここで、スタブソケットの前記下段テーパ面のテーパ角度および、ロッドプラグの円錐台先端部の前記テーパ外面のテーパ角度をともに、該スタブソケットの中心軸線に直交する平面に対して４０°〜５０°とすることが好ましい。

そしてまた、スタブソケットの下段テーパ面と、ロッドプラグの円錐台先端部の前記テーパ外面との見かけの接触面積は、４４００ｍｍ²〜５０００ｍｍ²とすることが特に有効である。

また好ましくは、消耗電極の上端に取り付けたスタブをスティンガーロッドで把持させた消耗電極の配置姿勢で、スタブソケットの前記下段テーパ面の上端側縁部と、ロッドプラグの前記円柱基部の下端側縁部との軸線方向に沿う距離が、２．７ｍｍ〜５．３ｍｍである。

この発明の消耗電極式アーク溶解炉によれば、スタブソケットのテーパ内面を、ロッドプラグの円錐台先端部のテーパ外面に接触する下段テーパ面と、下段テーパ面より上方側で下段テーパ面に比してテーパ角度が小さい上段テーパ面とを含む二段階以上のテーパ面で構成し、ロッドプラグの円柱基部を、スタブソケットの前記テーパ内面と非接触としたことにより、ロッドプラグとプラグソケットとの間の所要の電気的接続性を確保しつつ、スタブソケット内へのロッドプラグの意図しない嵌合を有効に防止することができる。その結果として、スタブソケットからロッドプラグを容易に分離することが可能になる。

この発明の一の実施形態の消耗電極式アーク溶解炉のスタブソケット及びロッドプラグを取り出して、溶解前後の状態で示す、中心軸線に沿う断面図である。図１のスタブソケット及びロッドプラグのそれぞれを示す斜視図である。図１（ａ）の部分拡大断面図である。消耗電極式アーク溶解炉の一例を示す、中心軸線に沿う断面図である。従来の消耗電極式アーク溶解炉の要部を示す、中心軸線に沿う断面図である。図５の消耗電極式アーク溶解炉のスタブソケット及びロッドプラグを取り出して、溶解前後の状態で示す断面図である。図４の消耗電極式アーク溶解炉のスティンガーロッドを示す部分断面図である。

以下に図面を参照しながら、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
この発明の一の実施形態の消耗電極式アーク溶解炉２１は、先に述べたところと重複するものもあるが、図４に示すように、消耗電極２２が内部に配置されるるつぼ２３と、消耗電極２２の上端の略中央域に溶接等により取り付けられる実質的に円柱状等のスタブ２４と、たとえばスティンガーロッド２５の下端側にスタブ２４を把持するクランプ部２５ａが設けられ、当該クランプ部２５ａ等でスタブ２４を把持することにより、スタブ２４が取り付けられた消耗電極２２を、るつぼ２３内で吊下げ支持するとともに昇降変位させることのできるスティンガーロッド２５と、るつぼ２３の周囲に配置された水冷ジャケット２６と、るつぼ２３の上方側に配置されてその内部を真空チャンバーに区画する真空タンク２７とを備えるものであり、その他にさらに、図示しない電源、ケーブル等の設備が含まれる。

なおここで、円筒状その他の所定の形状をなす銅製等のるつぼ２３は、消耗電極式アーク溶解炉２１の使用に際し、その上方側に真空タンク２７が気密に取り付けられて内部が真空チャンバーに区画された状態で、後述するアーク溶解法の実施により消耗電極２２が溶解した溶湯を貯留するとともに、水冷ジャケット２６による冷却作用に基き、当該溶湯を冷却固化させるべく機能する。

またここで、消耗電極２２としては、粒状等の原料粉末を圧縮成形して得られた円形断面の柱状もしくは棒状等の成形体を束ねて溶接したもの又は、一回以上溶解された同様の形状の鋳塊等を用いることができる。消耗電極２２は、一回のアーク溶解法の実施の都度、溶解された後に冷却されて所期したインゴットになるものであり、アーク溶解法の開始前に、新たな消耗電極２２が消耗電極式アーク溶解炉２１に、スティンガーロッド２５に把持されるスタブ２４を介して配置される。

これに対し、スタブ２４は繰り返し用いることができるものであって、アーク溶解法の開始前に、消耗電極２２に溶接等によって取り付けられるとともに、その終了後に、溶解されずに残った消耗電極２２の上端側残部から切り離される。
なお、スタブ２４は、図１に示すように、そのスタブ２４の上端面から窪む凹状のスタブソケット１が設けられており、銅その他の導電性金属材料からなるこのスタブソケット１は、上方側に向かうに従い内径が増大するテーパ内面２を有するものであって、スティンガーロッド２５との間での電気的な接続に用いられる。図示のスタブソケット１は、図２に示すように、実質的に円盤状のものの一方の表面の中央に、該表面側の円形開口部から窪んで内側面が上記のテーパ内面２からなるとともに円形の底面を有する凹部１ａを設けた形状をなす。凹部１ａの開口部の周囲には、一個以上の連結用の円形貫通孔が設けられている。

そしてまた、スタブ２４を把持して消耗電極２２を昇降変位させるべく駆動されるスティンガーロッド２５は、図７に示すように、概して、外管２９ａと、外管２９ａの内側に外管２９ａに対して軸線方向に沿って相対変位可能に配置されて、下端部に、上記のスタブソケット１と接触するロッドプラグ３が設けられた内管２９と、外管２９ａに対して内管２９を相対変位させ、ロッドプラグ３をスタブソケット１に向けて押圧するエアシリンダー等の押圧機構２８とを含む。
銅等の導電性金属製のロッドプラグ３は、図１に示すところでは、円柱基部４と、円柱基部４より下方側に位置して、たとえば円柱基部４と一体に形成され、スタブソケット１のテーパ内面２に対応するテーパ外面５ａを有する円錐台先端部５とで構成されて、スタブソケット１と電気的に接続される。このロッドプラグ３の表面中央には、図２に示すように、一個以上の連結用の円形貫通孔が設けられている。

このような消耗電極式アーク溶解炉２１を用いた真空アーク再溶解では、一回以上溶解された鋳塊を消耗電極２２として用いることとし、電源の一端をスティンガーロッド２５に接続するとともに電源の他端をるつぼ２３に接続し、真空タンク２７をるつぼ２３の上方側に取り付けて、るつぼ２３内を真空引きして真空チャンバーにする。

そして、スティンガーロッド２５を作動させて、消耗電極２２の下端を、るつぼ２３の底面上に薄く敷いたスタート材（消耗電極２２と同材質の着火用のスポンジチタン粒や切粉等）との間で、一旦、短絡させて着火し、即時、電極を引上げて、アークを発生させ、スタート材を溶解し、溶湯プールを形成させ、スティンガーロッド２５からスタブ２４を通して消耗電極２２に通電するとともに、るつぼ２３に通電する。それにより、消耗電極２２が一方の電極となり、るつぼ２３が他方の電極となって、消耗電極２２とるつぼ２３中の鋳塊の溶湯プール間に、真空雰囲気でアークを生じさせる。これにより、当該アークによる高熱が、消耗電極２２を加熱して溶解させ、るつぼ２３内の鋳塊上部に溶湯をもたらす。
かかる溶湯は、るつぼ２３の周囲に配置した水冷ジャケット２６により冷却されて凝固し、所望のインゴットを製造することができる。

上記のようなアーク溶解法において、スティンガーロッド２５からスタブ２４を介して消耗電極２２へ電流を有効に流すため、スタブ２４の凹状のスタブソケット１と、スティンガーロッド２５のクランプ部２５ａ内のロッドプラグ３とを、比較的大きな面積で接触させることを要する。このことは特に、１０００ｍｍを超える内径を有するるつぼ２３および、１０ｔｏｎを上回る重量の消耗電極２２を用いるチタン鋳塊の真空溶解等の大型の真空アーク再溶解で、３５ＫＡ〜５０ＫＡの大電流を８時間以上の溶解時間にわたって流す場合に、当該接触の不良に起因して生じ得る接触抵抗による局部発熱やアーキング現象を防止するために重要となる。

このようなスタブソケット１とロッドプラグ３との所要の接触面積の確保等を目的として、アーク溶解法の実施に際しては、押圧機構２８により、スティンガーロッド２５の内管２９をスタブ２４側に変位させ、内管２９の下端部のロッドプラグ３をスタブソケット１に向けて押圧することとする。

但し、消耗電極２２の溶解時には、スティンガーロッド２５側のロッドプラグ３２は水冷等により冷却されるが、消耗電極２２側のスタブソケット１は冷却されないことから、スタブソケット１はジュール熱の蓄積により高温になり、それに起因して生じるスタブソケット１のクリープ変形および熱膨張により、ロッドプラグ３がスタブソケット１内に押し込まれる。そして、従来のものでは、溶解終了後に、冷却されたスタブソケット内にロッドプラグが強固に嵌め合わされて、スタブソケットからのロッドプラグの分離が困難になるという問題があった。

この問題に対処するべく、この発明の実施形態では、図１、２に示すように、スタブソケット１のテーパ内面２を、ロッドプラグ３の円錐台先端部５のテーパ外面５ａに接触する下段テーパ面２ａと、下段テーパ面２ａより上方側に位置し、下段テーパ面２ａに比して、該スタブソケット１の中心軸線ＣＬに直交する平面（以下、「軸線直交平面」という。）に対するテーパ角度が小さい上段テーパ面２ｂとを含む二段階以上のテーパ面で構成し、それにより、ロッドプラグ３の円柱基部４を、スタブソケット１のテーパ内面２と、少なくとも通電開始前に、好ましくは常に非接触とする。

このことによれば、スタブソケット１のテーパ内面２を二段階以上の上記のテーパ面として、ロッドプラグ３の円柱基部４を、スタブソケット１のテーパ内面２と非接触としたことにより、溶解時に、図１（ｂ）に矢印で示すようにロッドプラグ３が押し込まれるスタブソケット１に、クリープ変形や熱膨張が生じても、円柱基部４の特に下端側縁部の、スタブソケット１のテーパ内面２への食込みが抑制されるので、スタブソケット１内へのロッドプラグ３の強固な嵌合が効果的に防止されることになる。その結果として、スタブソケット１からロッドプラグ３を容易に分離することが可能になり、スティンガーロッド２５からのロッドプラグ３の脱落等といった故障の発生のおそれを有効に取り除くことができる。

またこの実施形態では、スタブソケット１を、その下段テーパ面２ａで、ロッドプラグ３のテーパ外面５ａと十分大きな面積で接触させることができるので、チタン鋳塊の真空溶解といった大型インゴットの真空アーク再溶解等に際する大電流の使用時にあっても、通電面積の低下による局所発熱やアーキング現象を防止することができる。

なお、図示の実施形態では、スタブソケット１のテーパ内面２を、下段テーパ面２ａと上段テーパ面２ｂの二段階としているも、たとえば、上端テーパ面２ｂの途中でさらに角度を変化させること等によって、三段階以上のテーパ面とすることもできる。
また、この実施形態では、スタブソケット１の下段テーパ面２ａ及び上段テーパ面２ｂはいずれも、それぞれ内径が図示の断面で直線状に変化する平坦面としているが、それらのテーパ面のうちの少なくとも一方を、内径が当該断面で曲線状に変化する湾曲面とすることも可能である。ロッドプラグのテーパ外面に接触させる下段テーパ面を湾曲面とした場合、それとの接触面積を十分大きく確保するため、ロッドプラグのテーパ外面も、当該下段テーパ面に倣う湾曲面とすることが好ましい。

ここで、軸線直交平面に対する上段テーパ面２ｂの鋭角側のテーパ角度βは、図３に拡大して示すように、軸線直交平面に対する下段テーパ面２ａの鋭角側のテーパ角度αより小さいものであれば、極端な例では０°以下、たとえば−１５°〜０°であってもよいが、好ましくは２５°〜３５°とする。上段テーパ面２ｂのテーパ角度βがこの範囲の下限値を下回る場合、点接触とクリープ軟化によるロッドプラグ３の溶着のおそれがあり、この一方で、この範囲の上限値を上回る場合、ロッドプラグ３の座屈が懸念される。この観点より、上段テーパ面２ｂの鋭角側のテーパ角度βは、２５°〜３５°とすることが好ましい。

またここで、スタブソケット１の下段テーパ面２ａのテーパ角度αは、図示の実施形態のように、ロッドプラグ３のテーパ外面５ａのテーパ角度θと等しくすることが、通電面積の確保の観点から好適である。そして具体的には、スタブソケット１の下段テーパ面２ａのテーパ角度αおよび、ロッドプラグ３のテーパ外面５ａのテーパ角度θはともに、軸線直交平面に対し、４０°〜５０°とすることが好ましい。従来のものではこのような通電面のテーパ角度を６０°としていたが、それよりも小さい上記の範囲内とすることにより、テーパ内面２を二段階以上としたことと相俟って、スタブソケット１からのロッドプラグ３の分離をさらに容易なものとすることができる。これらのテーパ角度α、θがこの範囲の下限値を下回る場合、圧着面に対する接触応力が過大になり、クリープ変形を加速することが懸念され、また、この範囲の上限値を上回る場合、冷却時の焼嵌め現象が起こり易くなるおそれがある。より好ましくは、テーパ角度α、θを、４０°〜５０°とする。

このような二段階以上のテーパ面を有するスタブソケット１で、下段テーパ面２ａを、ロッドプラグ３のテーパ外面５ａと大きな面積で接触させて、所要の通電面積を確保するため、スタブソケット１の下段テーパ面２ａと、ロッドプラグ３の円錐台先端部５のテーパ外面５ａとの見かけの接触面積は、４４００ｍｍ²〜５０００ｍｍ²とすることが好適である。下段テーパ面２ａとテーパ外面５ａとの見かけの接触面積が４４００ｍｍ²未満であると、大型インゴットを溶解する際の最大電流３５ＫＡ〜５０ＫＡの通電時に、有効な通電面積が小さいことにより、接触抵抗に起因する局部発熱やアーキング現象により著しく高温になる部分が発生する可能性があり、この場合、甚だしくは、スタブ２４がクリープ変形し、消耗電極２２が自重でクランプ部２５ａから外れて、るつぼ２３内に落下するおそれがある。一方、下段テーパ面２ａとテーパ外面５ａとの見かけの接触面積が５０００ｍｍ²より大きい場合は、押圧機構２８による接触応力が低下する懸念がある。それゆえに、下段テーパ面２ａとテーパ外面５ａとの見かけの接触面積は、４４００ｍｍ²〜４７００ｍｍ²とすることがより一層好適である。この見かけの接触面積は、通電開始前の、消耗電極２２の上端に取り付けたスタブ２４をスティンガーロッド２５で把持させた消耗電極２２の配置姿勢で、表面の凹凸を考慮せずに外観上、スタブソケット１のテーパ内面２とロッドプラグ３のテーパ外面５ａとが接触していると認められる面積を求めることにより算出可能である。
なおここで、スタブソケット１及びロッドプラグ３はいずれも、銅、なかでも、ＪＩＳＣ１０２０に規定される無酸素銅からなるものとすることが、通電性の観点から好ましい。

但し、通電時に、押圧機構２８の作動に基いてロッドプラグ３にスタブソケット１内への押圧力が作用した際に、当該押圧力によりロッドプラグ３がスタブソケット１内へ押し込まれるが、この場合であっても、アーク溶解法の終了まで、先述したようにロッドプラグ３の円柱基部４の下端側縁部の、スタブソケット１のテーパ内面２への食い込みをより確実に防止するとの観点からは、円柱基部４は、可能な限りテーパ内面２から離して位置させることが望ましい。

したがって、通電開始前の、消耗電極２２の上端に取り付けたスタブ２４をスティンガーロッド２５で把持させた消耗電極２２の配置姿勢で、図３に示すように、スタブソケット１の下段テーパ面２ａの上端側縁部Ｕｅと、ロッドプラグ３の円柱基部４の下端側縁部Ｌｅとの、中心軸線ＣＬの方向に沿う距離ＤＬは、２．５ｍｍ〜５．５ｍｍとすることが好適である。さらに好ましくは、この軸線方向に沿う距離ＤＬを、２．７ｍｍ〜５．３ｍｍとする。軸線方向に沿う距離ＤＬが短すぎると、通電時にスタブソケット１が高温になるに伴い、ロッドプラグ３の円柱基部４が、スタブソケット１のテーパ内面２と接触してしまう可能性がある。一方、軸線方向に沿う距離ＤＬが長すぎると、スタブソケット１の下段テーパ面２ａとロッドプラグ３のテーパ外面５ａとの必要な接触面積が確保し得なくなることが懸念される。

なお、スタブソケット１の凹部１ａの最も窪んで位置する底面から、スタブソケット１の下段テーパ面２ａの上端側縁部Ｕｅまでの軸線方向の距離（つまり、下段テーパ面２ａが形成された軸線方向の長さ）は、たとえば、２２．５ｍｍ〜２５．１ｍｍとすることができる。また、スタブソケット１の下段テーパ面２ａの上端側縁部Ｕｅから、スタブの上端面までの軸線方向の距離（つまり、上段テーパ面２ｂが形成された軸線方向の長さ）は、たとえば、２７．３ｍｍ〜２９．９ｍｍとすることができる。
ロッドプラグ３は一般に、円錐台先端部５の最先端面とスタブソケット１の凹部１ａの底面とが、消耗電極式アーク溶解炉２１の使用時に、たとえば９．０ｍｍ〜１１．７ｍｍの距離で離れて位置するように配置される。

次に、この発明の消耗電極式アーク溶解炉のスタブソケット及びロッドプラグを試作し、その効果を確認したので、以下に説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的としたものであり、それに限定されることを意図するものではない。

（発明例）
図１〜３に示すような、いずれもＪＩＳＣ１０２０に規定される無酸素銅からなるロッドプラグ及びスタブソケットを作製した。
ここで、ロッドプラグは、テーパ外面のテーパ角度θが４５°であり、円錐台先端部の円形の最先端面の直径が９５．５ｍｍ、円柱基部の外周面の直径が１２５．５ｍｍであり、円柱基部の軸線方向長さが１５ｍｍであるものとした。またここで、スタブソケットは、下段テーパ面のテーパ角度αが４５°であり、円形の底面での直径が７４．８ｍｍであり、下段テーパ面の上端側縁部での直径が１１５．５ｍｍであり、底面から下段テーパ面の上端側縁部までの軸線方向距離が１０．３５ｍｍであるものとした。ロッドプラグのテーパ外面とプラグソケットのテーパ内面との接触面積は４６８７ｍｍ²であった。

上記のロッドプラグ及びスタブソケットを、図４、７に示すような構造を有する消耗電極式アーク溶解炉に装着し、当該消耗電極式アーク溶解炉を用いて、溶解時の最大電流を直流４２ＫＡとするとともに、その最大電流の保持時間を８時間以上とした条件の下、純チタン２種相当材（酸素含有量（％Ｏ）＝０．１０）の消耗電極（重量：約１５ｔｏｎ）の一次溶解を行った。なおこの消耗電極式アーク溶解炉は、るつぼが１１８５ｍｍの内径を有する。ここでは、上記の最大電流を接触面積で除して求められる電流密度は８．９６Ａ／ｍｍ²となる。

このような一次溶解を、同一のロッドプラグ及びスタブソケットを使用して繰り返し実施し、計２０回の溶解を行った。各溶解の終了後、ロッドプラグ及びスタブソケットの接触部分を確認したところ、焼嵌めのような強固な嵌合は一度も生じていなかった。それにより、このロッドプラグ及びスタブソケットによれば、溶解後にスタブソケットからロッドプラグを容易に分離できることが解かった。

（比較例）
図６に示すような形状のロッドプラグ及びスタブソケットを用いたことを除いて、発明例と同様の消耗電極式アーク溶解炉で同様の条件の溶解試験を行った。
ここで、ロッドプラグは、テーパ外面のテーパ角度θが６０°であり、円錐台先端部の円形の最先端面の直径が１１０．３ｍｍ、円柱基部の外周面の直径が１２２．３ｍｍであり、円柱基部の軸線方向長さが１０．３ｍｍであるものとした。またここで、スタブソケットは、テーパ面のテーパ角度αが６０°であり、円形の底面での直径が９８．５ｍｍであり、ロッドプラグを配置した際にスタブソケットの底面とロッドプラグの最先端面との間の距離が１３ｍｍ、ロッドプラグの最先端面が位置する箇所でのスタブソケットのテーパ内面の直径が１１０．３ｍｍとなるものとした。このロッドプラグのテーパ外面とプラグソケットのテーパ内面との接触面積は４３４２ｍｍ²であった。当該接触面積と最大電流４２ＫＡから電流密度を算出すると、電流密度は９．６７Ａ／ｍｍ²となる。

かかるロッドプラグ及びスタブソケットを装着した消耗電極式アーク溶解炉を用いて、発明例と同様の一次溶解を繰り返し行ったところ、６回目の溶解が終了した際に、ロッドプラグがスタブソケットに強固に嵌合されて、それらの分離が困難となっており、その修復作業に２時間要した。

１スタブソケット
１ａ凹部
２テーパ内面
２ａ下段テーパ面
２ｂ上段テーパ面
３ロッドプラグ
４円柱基部
５円錐台先端部
５ａテーパ外面
２１消耗電極式アーク溶解炉
２２消耗電極
２３るつぼ
２４スタブ
２５スティンガーロッド
２５ａクランプ部
２６水冷ジャケット
２７真空タンク
２８押圧機構（エアシリンダー）
２９内管
２９ａ外管
ＣＬ中心軸線
Ｕｅ下段テーパ面の上端側縁部
Ｌｅ円柱基部の下端側縁部
α 下段テーパ面のテーパ角度
β 上段テーパ面のテーパ角度
θ 円錐台先端部のテーパ外面のテーパ角度
ＤＬ上端側縁部と下端側縁部との軸線方向に沿う距離

Claims

内部に消耗電極が配置されるるつぼと、消耗電極の上端に取り付けられるスタブと、スタブを把持して、るつぼ内で消耗電極を吊下げ支持するとともに消耗電極を昇降変位させることが可能なスティンガーロッドとを備え、
スタブが、その上端面から窪んで、上方側に向かうに従い内径が増大するテーパ内面を有する凹状のスタブソケットを有し、スティンガーロッドが、その下端部に、円柱基部および、該円柱基部より下方側に位置して前記テーパ内面に対応するテーパ外面を有する円錐台先端部を含んで構成されて、前記スタブソケットと電気的に接続される凸状のロッドプラグを有し、
スティンガーロッド及びスタブを介する消耗電極への通電ならびに、るつぼへの通電により、消耗電極とるつぼ内の溶湯プールとの間にアークを生じさせ、その熱により消耗電極を溶解させる消耗電極式アーク溶解炉であって、
スタブソケットの前記テーパ内面を、ロッドプラグの円錐台先端部の前記テーパ外面に接触する下段テーパ面と、前記下段テーパ面より上方側に位置し、前記下段テーパ面に比して、該スタブソケットの中心軸線に直交する平面に対するテーパ角度が小さい上段テーパ面とを含む二段階以上のテーパ面で構成し、ロッドプラグの前記円柱基部を、スタブソケットの前記テーパ内面と非接触としてなる消耗電極式アーク溶解炉。
スタブソケットの前記上段テーパ面のテーパ角度を、該スタブソケットの中心軸線に直交する平面に対して２５°〜３５°としてなる請求項１に記載の消耗電極式アーク溶解炉。
スタブソケットの前記下段テーパ面のテーパ角度および、ロッドプラグの円錐台先端部の前記テーパ外面のテーパ角度をともに、該スタブソケットの中心軸線に直交する平面に対して４０°〜５０°としてなる請求項１又は２に記載の消耗電極式アーク溶解炉。
スタブソケットの下段テーパ面と、ロッドプラグの円錐台先端部の前記テーパ外面との見かけの接触面積を、４４００ｍｍ²〜５０００ｍｍ²としてなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の消耗電極式アーク溶解炉。
消耗電極の上端に取り付けたスタブをスティンガーロッドで把持させた消耗電極の配置姿勢で、スタブソケットの前記下段テーパ面の上端側縁部と、ロッドプラグの前記円柱基部の下端側縁部との軸線方向に沿う距離が、２．７ｍｍ〜５．３ｍｍである請求項１〜４のいずれか一項に記載の消耗電極式アーク溶解炉。