JPH03104828A - 高温溶融物の汚染を低減させる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 関連出願の説明 本発明は、１９８９　年１月１日に提出された米国特許
出願第３Ｑ０　０５２　　号およびユｌｍ年ニし月１一
日に提出された米国特許出願第ユＺ乙エ巧３エ号の内容
に関連している。

発明の背景 本発明は、高融点金属の融解処理に関するものである。

更に詳しく言えば、本発明は高温溶融物の汚染を低減も
しくは防止するための方法に関する。

金属の低温溶融物を処理する際には，大気による酸化、
融解るつぼから溶融物中に導入される不純物、あるいは
粉塵の粒子に原因する汚染は極めて少ないことが知られ
ている。このような金属の場合には、通常の作業手順に
従えば、許容不純物レベルを越えることなしに融解およ
び鋳造を行うことができるので゛ある。すなわち、鉛、
亜鉛、スズ、ビスマスなどのごとき金属、並びに黄銅、
青銅などのごとき合金に対して融解工程を含む処理を施
した場合でも、かかる処理のために過剰な量の不純物や
汚染物が導入されることによって固体金属製品の品質が
低下することはないのである。

このような金属は１００℃ないし数１００℃程度の低い
温度で融解する．このような金属に対しては、該金属の
入ったるつぼの壁を通して熱を伝達することができるの
であって、かかる加熱方法は視界を遮るような蒸気状ま
たは粒子状の物質をほとんど発生しない。

それよりも高い融点、とりわけ約１０００℃を越える融
点を有する金属の場合、それらの融解に際して使用され
る技術および大気または不純物による溶融物の汚染を防
止するための技術は性格が異なっている． 第一に、遥かに高い融点を有する金属を融解するために
使用される手段は独特のものであって、チタンのごとき
反応性の高い金属に対してはプラズマ火炎や電子ビーム
などによる融解技術が使用されることがある．かかる熱
源による金属の加熱は、るつぼの壁を通してではなく金
属の表面に対して直接に実施される．その上、チタンの
ごとき金属は高い反応性を有するため、酸素や窒素を含
有する大気から金属を保護しなければならない。

更にまた、チタンのごとき金属はるつぼ材料に対しても
高い反応性を示すから、固体のチタン層が液状の溶融チ
タンに対するるつぼとして役立つような低温スカル型の
るつぼ内において融解が実施される．このような特異な
状況が存在する上、高融点金属材料の融解に際しては蒸
気状および粒子状の物質が発生するため、特別の問題が
生じるのである． かかる問題の１つは、溶融金属が大気に接触するのを防
止するために設けられた包囲容器の内面上に蒸気状およ
び粒子状の物質が付着することである。高融点金属材料
の場合、蒸気状および粒子状物質の生成の程度は極めて
高いが、その理由の１つは融解方法における熱伝達の仕
方にある。すなわち、高温熱源からの熱が金属または溶
融物の表面に高速で伝達される。たとえば、プラズマト
ーチは１００００’Ｃを越える温度を有している。

それ故、低温炉床るつぼ内に配置された金属の上面にプ
ラズマ火炎を下向きに当てた場合には多量の蒸気状およ
び粒子状物質が発生することが判明している．また、電
子ビームによる加熱を使用した場合にも、多量の固体お
よび液体材料の蒸発や飛散が起こる結果、包囲容器の内
面上には蒸気状および（または〉粒子状の物質が付着す
ることになる． 上記のごとき包囲容器を使用し続けると、内面上に付着
した物質の剥離および落下が起こって溶融物の汚染をも
たらす傾向が生じる．また、同じ包囲容器を用いて数種
の合金の融解処理を行う場合には、１種の合金の処理時
に生じた付着物が剥離して他の合金の溶融物中に落下し
、それによって後者の合金を汚染する恐れもある． このような汚染を回避するための努力も行われてきたの
であって、その一例は作業間に炉の内部を清掃すること
である．しかしながら、１回の作業中にも別種の問題が
起こるのであって、これは作業間の清掃によって回避す
ることはできない．その問題とは、包囲容器の内面上に
生成した凝縮物中に存在する揮発性の高い元素（たとえ
ばアルミニウム）の濃度が蒸気の発生源である溶融物中
よりも遥かに高いことである．たとえば、本来６％のア
ルミニウムを含有するチタン合金から生じた凝縮物は５
０％ものアルミニウム含量を有することがある．このよ
うな凝縮物が１回の作業中に生成し、そして鋳造の直前
に溶融物中に落下すると、鋳造品においては実質的な性
質のむらが生じることがある． 高い融点を有する金属のもう１つの処理法は、急速凝固
プラズマ溶射法である．この方法においては、融解すべ
き金属の粒子がキャリャガスによって運ばれ、そしてプ
ラズマ火炎中を通過する。

微細な固体粒子および金属蒸気が生成されるという点で
、溶融相を経由して粉末を吹付けるプラズマ溶射法は上
記のごとき高温融解法と同様である．゛発明の要約 本発明の目的の１つは、高温融解装置において処理され
る溶融物の汚染を制限するための方法を提供することに
ある． また、汚染物のレベルを制限もしくは低減させ得るよう
な装置を提供することも本発明の目的の１つである． 更にまた、汚染を低減させながらニッケル基超合金のご
とき金属の融解処理および（または）プラズマ処理を行
うための方法を提供することも本発明の目的の１つであ
る． 更にまた、融解処理に原因する汚染を低減させながらチ
タン合金のごとき反応性の高い金属の融解処理を行うた
めの方法を提供することも本発明の目的の１つである． 本発明のその他の目的は、以下の詳細な説明を読むこと
によって自ら明らかとなろう．本発明の目的を達戒する
ためには、一般的に述べれば、極めて早い速度で極めて
高い温度にまで金属を加熱するために使用される炉の包
囲容器が用意される。上記のごとき金属の加熱は、プラ
ズマトーチや電子ビームのごとき強力熱源を用いて金属
の上面から行われることが好ましい．金属を収容するる
つぼとの反応によって溶融物が汚染されるのを回避する
ためには、溶融物が同じ金属のスカル内に収容されるよ
うにすればよい．上記のごとき強力加熱はまた、受容面
上に金属のプラズマ溶着層を形成するために粒子の融解
処理を行う場合のごとく、粒子の流れにプラズマ加熱を
施す際にも粒子表面上において起こることである。かか
る強力加熱は、蒸気状または粒子状の物質から戒る煙霧
を包囲容器内に発生させる．このような煙霧は、加熱区
域内において金属の表面を強力加熱することによって生
じるものである．かかる煙霧および包囲容器の壁面上へ
の付着物を低減させるため、加熱区域に近接した包囲容
器内の位置に少なくとも１個の金属面が配置される。か
かる金属面に電圧を印加することにより、加熱区域内に
電界が生み出される．かかる電界により、加熱区域から
の蒸気状および（または）粒子状物質は帯電した金属面
上に゛付着し、従って包囲容器の壁面に対するかかる物
質の付着は低減する．このように包囲容器の壁面上にお
ける付着物が低減する結果、付着物が落下して溶融物を
汚染したり、あるいはプラズマ溶射による溶着金属層を
汚染したりすることが抑制されるのである。

ここで言う「蒸気状の物質」とは、加熱された金属表面
から蒸気となって離脱する物質を意味する。とは言え、
かかる物質はそれの発生源である強力加熱区域を離れる
と直ちに液滴を形成することを理解すべきである．また
、かかる液滴は周囲温度がそれらの凝固点よりも低い区
域に入ると直ちに凝固して粒子になることも理解すべき
である。

更にまた、蒸気のままに残留した物質が包囲容器の壁面
上に凝縮することもある。

添付の図面を参照しながら以下の説明を読めば、プラズ
マアーク融解法（ＰＡＭ法）または電子ビーム融解法（
　Ｅ　’Ｂ　Ｍ法）によって炉を連続的に運転する場合
、あるいは急速凝固プラズマ溶射法（ＲＳＰＤ法〉を実
施する場合、それらの方法から生じた粒子状物質が包囲
容器の内面上に付着することが判明している。かかる付
着物は、溶融物プールの上方およびＲＳＰＤ法による溶
着層の上方に位置する内面をはじめとして、包囲容器の
ほとんど全ての内面上に生じる．やがて付着物が十分に
厚くなると、それは破砕して剥離し、そして溶融物プー
ル中に落下する．かかる付着物の一部は酸素に富んでい
る．また、別の一部は上記に説明したごとくに不均等な
或分含量を有している。

プラズマアーク融解法または電子ビーム融解法によって
生成された微粒子状物質は容易に酸素を吸収して反応す
るのであって、こうして生じた酸化物を含有する付着物
は融解処理によって製造すべき最終合金と異なる組戒を
有するのが普通である。

このような意味で、かかる酸化物含有付着物は金属プー
ルまたはＲＳＰＤ法による溶着層に対して不要かつ（恐
らくは）有害な添加物となるのである．これまでにも、
かかる落下物による汚染を低減もしくは排除す゛るため
の努力は行われてきた。

数種のＲＡＭ炉においては、ガスを絶えず流すことによ
って生戒した粒子状物質の一部が除去されているが、上
記のごとき付着物を排除するためにはガスの流量を何倍
にも増加させなければならないはずである。ＥＢＭ法に
おいては、粒子状物質を捕獲するため、溶融物プールの
上方に格子が配置されてきた。かかる格子は、溶融物プ
ールの上方に位置する表面に対し粒子状物質をより強固
に結合させるためにも役立つ．この着想は、粒子状物質
がより大きい捕集面積を有する格子表面に一層強固に付
着すれば、それが剥離して溶融物プール中に落下する可
能性は減少するというものである。溶融物プールの上方
に格子を配置することや多量のガスを用いてパージを行
うことなどの受動的な技術はあまり顕著な成功を収めな
かった．それ故、これらの技術において使用される工程
や装置の改良が要望されている． ＲＳＰＤ法における問題点は、包囲容器の内面から付着
物が剥離し、そして受容面上に落下することである。そ
の結果、かかる付着物がＲＳＰＤ法による溶着層中に包
埋され、それによって表面組織の欠陥や合金組成中の包
有物を生じることになる。

本発明者等の行った実験的研究に基づけば、ＰＡＭ法、
ＥＢＭ法および（または）ＲＳＰＤ法による高融点金属
の融解処理に際して使用される炉の包囲容器の内面上に
おける粒子状物質の付着は、顕著に低減もしくは実質的
に回避し得るように思われる。すなわち、包囲容器の内
面上に付着した蒸気状および粒子状の物質から或る付着
物が落下して溶融物または溶着層を汚染する可能性を低
減させるためには、処理空間内に存在する粒子状物質の
大部分を吸引するのに有効な包囲容器内の位置に少なく
とも１個の電極を配置すればよい。

本発明者等は、炉室内に存在する粒子状物質は帯電して
いることを見出した。かかる電荷の存在は、粒子状物質
が反対符号の電位を有する金属板に吸引されるという事
実から推論された。それ故に本発明者等は、粒子状物質
に対して引力および（または）斥力を゛及ぼすような電
界を炉室内に生み出せば、粒子状物質の付着を制御し得
るという結論を得たのである。

本発明者等の実験に基づけば、炉室内に存在する粒子状
物質は極めて微細であり、しかもかかる微細な粒子の大
部分は帯電していることが見出された．本発明者等の実
験によれば、ある種の融解処理装置においては、粒子状
物質はほとんど例外なく負に帯電していることが証明さ
れた。それ故、本明細書は負に帯電した粒子状物質に関
連して記載されている．とは言え、本発明者等の実験に
よって得られた主たる知見は、粒子状物質の大部分がた
だ１種の電荷を有しており、それ故に粒子状物質を効果
的に処理し得るということである．また、粒子状物質の
大部分は１ミクロン未満の粒度を有している．このよう
な粒子の大きさと粒子が有する電荷との組合せに基づき
、粒子の大部分を帯電させた金属板に吸引することがで
きるのである。ＰＡＭ法、ＥＢＭ法およびＲＳＰＤ法は
長年にわたって使用されてきたが、本発明者等の知る限
りでは、積極的な捕集手段の使用によって装置内の雰囲
気から粒子状物質を除去しようとする努力はこれまで行
われていなかった． 粒子の捕集除去を達成するためには、融解すべき金属の
加熱が行われる加熱区域に近接した包囲容器内の位置に
少なくとも１個の導電性表面を配置する必要がある。少
なくとも工個の導電性表面が配置されるとは言え、２個
以上の導電性表面を配置することも可能である．実験的
装置においては、かかる導電性表面に対して１０〜３０
ｋＶ程度の比較的高い電圧が印加される．そのためには
、導電性表面に対して数！ＩＡ程度の比較的小さい電流
を供給し得るような電源を使用すればよい．なお、導電
性表面の電位は粒子の電荷と反対の符号を有するものと
する．使用する電圧が高いほど粒子の捕集速度は早くな
るが、アーク発生などの望ましくない副作用を引起こす
ほどに高い電圧を使用してはならない。かかるアーク発
生または絶縁破壊が起こる電圧は、雰囲気の種類、圧力
、温度などの因子、並びに粒子の密度、種類などの因子
に依存する．また、電子ビーム加熱と共に磁界または電
界を使用する際には、電子ビームの方向が目的のターゲ
ットから逸れてしまわないように注意する必要がある． 本発明者等の実験によれば、負に帯電させた金属板は極
めて清浄なままに保たれることが判明した．しかるに、
正に帯電させた金属板上には包囲容器内の粒子の相当部
分が付着するように思われた。このような付着の結果と
して包囲容器内の粒子の煙霧が減少することは直接に観
察できなかったが、総合的に見れば、達成し得る成果の
少なくとも一部として煙霧の減少が起こることが信じら
れる。

更にまた、直接に観察することはできなかったが、少な
くとも１個の帯電させた金属板を使用することによって
包囲容器の内面上における粒子状物質の付着を制限もし
くは低減させ得るという結論を得ることはできた。正に
帯電させた金属板に対して負に帯電した粒子が付着する
という事実に基づいて本発明者等は、溶融物の露出表面
を取巻いて配置された金属製のつばを使用すれば、包囲
容器の内面から付着物が剥離落下して溶融物またはＲＳ
ＰＤ法による溶着層を汚染する可能性を効果的に低減さ
せ得るという結論に到達した。

本明細書中においては、説明の都合上、金属の強力加熱
を行うための包囲容器を「炉室」と呼ぶことがある。か
かる強力加熱は、ＰＡＭ法、ＥＢＭ法、ＲＳＰＤ法、あ
るいは（液体、固体または固体粒子のいずれの形態を有
するにせよ）金属表面に多量の熱を急速に伝達するよう
なその他任意の方法によって行うことができる。

プラズマ火炎によって強力加熱が行われる理由は、プラ
ズマ火炎が高温による気体のイオン化を伴っており、か
つプラズマの動作温度は通例１００００℃を越えている
結果、かかるプラズマ火炎と金属との接触によって金属
が高温がっ高速で加熱されることにある．また、転移ア
ークによる加熱の場合にも同様な高速加熱が行われる．
次に、第１図を参照しながら本発明の方法を説明しよう
．なお、第１図は略図に過ぎないのであって、装置の各
種゛部品の関係は示されているが、それらの部品の機械
的支持の細部は示されていない。かかる細部は当業者に
とって自明のものであると共に、本発明の実施にとって
必須のものではない。

第１図について説明すれば、金属１２の強力加熱を行う
ための装置が包囲容器１０の内部に収容されている。加
熱すべき金属１２は炉床１４の内部に配置されている．
炉床１４は銅製のるつぼから楕戒されていて、炉床ｌ４
の本体を冷却するため、基部２０には冷却管ｌ８が埋込
まれており、また側壁■６の周囲にも冷却管が配置され
ている．かかる冷却の結果として溶融物ｌ２を取囲むス
カル２２が形戒される結果、炉床１４の材料による溶融
物の汚染は回避される。炉床１４はフレーム２４上に支
持されていて、フレーム２４は接地線２６によって接地
されており、また炉床１４は接地線２８によって接地さ
れている。

溶融物１２の上方には、溶融物１２の上面に向けて熱を
供給するようにしてプラズマトーチ３０が配置されてい
る。トーチ３０に対する電源およびガス供給源は、本発
明の一部を威すものではないので図示されていない。

トーチ３０を点火すると、トーチ内部の電極間にアーク
が発生する．かかるアークを通してガスが流される結果
、ガンから火炎が放出されることになる。なお、点火後
の転移アーク操作によってガンの陰極と溶融物の表面と
の間にアークを発生させれば、溶融物の上面における強
力加熱を継続することができる．トーチ３０からのプラ
ズマの温度は１００００℃以上にも達するから、溶融物
表面には極めて高い温度下で熱の伝達が行われ、従って
溶融物表面の強力加熱が行われるのである。

このような溶融物表面の強力加熱に伴って、蒸気状およ
び（極めて微細な粒度を持った）粒子状の物質が発生す
る．なお、その他の方式の強力加熱〈たとえば、電子ビ
ームなどの手段を用いた加熱〉に際しても蒸気状および
粒子状の物質が同様に発生する．更にまた、プラズマ火
炎中を通過させながら材料の粒子を受容面上にプラズマ
溶射する場合にも、同様な蒸゛気状および粒子状の物質
が発生する．このように、金属表面の強力加熱を含む融
解処理操作のそれぞれに蒸気状および粒子状物質の発生
が伴うのであって、その点に関連して本発明は顕著な利
益をもたらすわけである．炉床１４から発生する蒸気状
および粒子状物質の濃度を低減させるためには、少なく
とも１個の導電性金属面（たとえば、金属板３４の表面
３２）を設置すればよい．粒子上の電荷が負である場合
には、導線３８を通して電源３６から正の電圧を金属板
３４に印加すればよい。また、粒子上の電荷が正である
場合には、金属板３４を負に帯電させて該金属板上に粒
子を付着させればよい．なお、導線３８は絶縁体４０に
よって包囲容器１０の壁から絶縁されている．金属板３
４に５〜３０ｋＶの電圧を印加することにより、炉床１
４から生じる粒子状物質を金属板３４の表面に付着させ
ることが可能である。金属板３４に印加される電圧の上
限は装置の能力によって決定される。本発明者等の実験
的装置は３０ｋＶまでの電圧を供給し得るものであった
．工業用装置としては、５０または８０ｋＶまであるい
はそれ以上の電圧を供給し得るものを使用することが好
ましい。

導電性表面上への粒子状物質の付着を調べる方法の１つ
としては、粒子状物質を付着させるための捕集面として
役立つ箔４２を金属板３４の導電性表面上に配置すれば
よい．付着物が蓄積した後、箔４２を金属板３４から取
除き、そしてそれの上に生じた付着物を調べることがで
きる。このようにして本発明者等は、金属板３４に電源
３６から正の電圧を印加した場合、箔４２上に粒子状物
質の実質的な付着が起こることを見出した。また、表面
上に箔４６を配置した金属板４４を使用することによっ
て本発明者等は、（金属板３４を正に帯電させると共に
）金属板４４を負に帯電させた場合、金属板４４上には
粒子状物質がほとんど付着しなかったことをも見出した
。なお、金属板４４には導線４８を通して電源３６から
電圧が印加される。導線４８は絶縁体５０によって包囲
容器１０の壁から絶縁されている。これらの実験に際し
ては、金属板３−４はれんが絶縁支持体５２によって所
定の位置に支持され、また金属板４４はれんが絶縁支持
体５４によって所定の位置に支持される。

本発明者等が実施した実験的研究の結果から、炉床１４
に近接して導電性表面（たとえば表面３２）を使用し、
それによって炉の加熱区域内に電界を生み出せば、上記
のごとき炉内処理操作による金属の強力加熱から発生す
る粒子状物質の大部分を捕集し得るという結論が得られ
た．自明のことながら、かかる炉内処理操作時において
蒸気状および粒子状の物質が発生することは、強力熱源
を用いた炉内処理の避け難い結果の１つである．しかる
に、本発明者等の実験的観察結果によれば、炉の加熱区
域内に生み出される電界の一方の極を成す導電性表面に
正の電圧（すなわち、反対符号の電圧）を印加すること
により、上記のごとき炉内処理操作から発生した粒子状
物質の大部分を捕集し得るという結論が得られたのであ
る．炉およびそれの支持体は接地されているから、第２
の金属板を使用しなくても、帯電させた金属板（または
導電性表面）を用いて加熱区域内に電界を生み出すこと
が可能である．かかる構成を採用する場合には、第１図
において金属板３４のみを設置し、そして金属板４４を
省略すればよい。

好適な形態の電界を生み出すには、正に帯電させたつば
状の金属板を炉床１４の全周にわたって配置すればよい
．かかる構成を理解するためには、第１図中の金属板３
４および４４が炉床１４を取巻くつばの断面であると考
えればよい．

【図面の簡単な説明】

第１図は金属の強力表面加熱を行うための炉の包囲容器
を示す略図である． 図中、１０は包囲容器、１２は金属または溶融物，１４
は炉床、１６は側壁、１８は冷却管、２０は基部、２２
はスカル、２４はフレーム、２６および２８は接地線、
３０はプラズマトーチ、３２は導電性表面、３４および
４４は金属板、３６は電源、３８および４８は導線、４
０および５０は絶縁体、４２および４６は箔、そして５
２および５４はれんが絶縁支持体を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）強力熱源による金属の融解を実施するための
   包囲容器を用意し、 （ｂ）前記包囲容器内に不活性雰囲気または真空を設定
   し、 （ｃ）前記包囲容器の内部に存在する加熱区域内におい
   て金属を強力に加熱し、 （ｄ）前記加熱区域に近接した前記包囲容器内の位置に
   少なくとも１個の金属面を配置し、そして（ｅ）前記金
   属面に電圧を印加して前記加熱区域内に電界を生み出す
   ことにより、前記加熱区域から発散する粒子状および蒸
   気状の物質の大部分を捕集する諸工程から成ることを特
   徴とする、強力熱源によって融解された溶融物の汚染を
   低減させる方法。 ２、前記包囲容器が炉室である請求項１記載の方法。 ３、前記金属面が正の電位を有する請求項１記載の方法
   。 ４、前記金属面が金属板の表面である請求項１記載の方
   法。 ５、前記包囲容器内に２個以上の金属面が存在する請求
   項１記載の方法。 ６、前記包囲容器内に２個以上の金属面が存在し、かつ
   前記金属面が相異なる電位を有する請求項１記載の方法
   。 ７、前記包囲容器内に２個の金属面が存在する請求項１
   記載の方法。 ８、前記包囲容器内に２個の金属面が存在し、かつ前記
   金属面が反対極性の電位を有する請求項１記載の方法。 ９、前記包囲容器内に２個の金属面が存在し、かつ前記
   金属面間に５〜８０ｋＶの電圧が印加される請求項１記
   載の方法。 １０、（ａ）高い融点を有する金属を内部に収容した包
   囲容器、 （ｂ）粒子状および蒸気状の物質を発生させるような早
   い速度で前記金属の表面を強力に加熱するための手段、 （ｃ）強力な加熱を受ける前記金属の表面に近接した前
   記包囲容器内の位置に配置された少なくとも１個の金属
   面、並びに （ｄ）粒子状および蒸気状の物質を前記金属面上に吸引
   して捕集するため前記金属面に電圧を印加するための手
   段の諸要素から成ることを特徴とする、高い融点を有す
   る金属の融解装置。 １１、前記包囲容器内に２個以上の帯電金属面が存在す
   る請求項１０記載の装置。 １２、前記金属面が金属板の表面である請求項１０記載
   の装置。 １３、前記金属面が１０〜３０ｋＶの電位を有する請求
   項１０記載の装置。 １４、強力な加熱を受ける前記金属の表面に近接して配
   置された表面を有する金属板に５〜８０ｋＶの電圧が印
   加される請求項１０記載の装置。