JPH10139414A

JPH10139414A - プラズマ式溶解装置及びそれを用いた導電性物質の溶解方法

Info

Publication number: JPH10139414A
Application number: JP29004096A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Baba; 裕幸馬場; Norio Miura; 紀雄三浦; Katsumi Kuno; 勝己久能; Kiyoshi Yasukawa; 清安川
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 1998-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、導電性を有する高融点物質を低電力
で且つ強撹拌で溶解し、短時間のうちに成分偏析の少な
い均一なインゴットを得ることの可能なプラズマ式溶解
装置及びこの装置を用いた導電性物質の溶解方法を提供
することを目的としている。【解決手段】溶解対象の導電性物質を保持する非導電性
容器と、プラズマ・トーチと、プラズマ・トーチから噴
射されるガスに電圧を印加してアーク及びガス流を発生
させる電気回路とからなるプラズマ式溶解装置におい
て、１本のプラズマ・トーチを共用して独立した２つの
直流電源を並列に接続すると共に、該直流電源の一方を
移行型プラズマ電源、他方を非移行型プラズマ電源とし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ式溶解装
置及び導電性物質の溶解方法に関し、特に、金属シリコ
ンのような導電性のある高融点物質を低コストで迅速に
溶解する技術に係わる。

【０００２】

【従来の技術】例えば、金属シリコンのような導電性を
有する高融点物質の溶解には、これら物質を銅製の水冷
容器（以下、水冷銅容器という）内に保持し、その表面
に電子ビームを照射したり、あるいは移行型（アーク及
びガス流が被加熱物に当たる）の熱プラズマ・アークで
加熱する方法が一般的である。

【０００３】しかしながら、これらの溶解方法は、溶湯
の撹拌があまり強力でないので、溶解後に溶湯を鋳造し
ても、成分偏析の少ない均一な鋳塊（インゴット）を得
ることが期待できない。また、溶湯の撹拌に電磁力等を
利用した強制撹拌手段を併用すると、磁場の影響で電子
ビームやプラズマ・アークの方向性に乱れが生じるの
で、熱対流に依存した緩やかな撹拌を時間をかけて行っ
ているのが現状である。したがって、溶湯を容器に保持
する時間が長く、抜熱速度が速い水冷銅容器への熱量放
出が多くなり不経済なので、チタンやニオブといった比
較的高価な材料の溶解にしか使用されていない。

【０００４】一方、導電性を有しないアルミナやセラミ
ックス等の高融点物質の溶解には、非移行型（アークが
トーチ内のみで発生し、加熱は高温のガス流で行う）の
熱プラズマ溶解法が用いられる。この方法では、プラズ
マ・ガス流の溶湯撹拌力は大きいが、プラズマ・ガス流
の熱効率が上記した移行型に比べて１／３程度と低い。
従って、この方法を導電性を有する高融点物質の溶解に
用いると、電力コストが嵩むので、これも高価な材料に
限って使用されているのが現状である。さらに、溶解中
に、溶湯に酸化性あるいは還元性ガスを付与して該溶湯
の改質を行う場合、酸化あるいは還元反応が溶湯の表面
での反応が主体となる。そのため、溶湯の撹拌が弱い
と、反応時間が長くなり、結局、電力コストが高いもの
となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる事情
を鑑み、導電性を有する高融点物質を低電力で且つ強撹
拌で溶解し、短時間のうちに成分偏析の少ない均一なイ
ンゴットを得ることの可能なプラズマ式溶解装置及びこ
の装置を用いた導電性物質の溶解方法を提供することを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者は、上記目的を達
成するため、前記した移行型及び非移行型プラズマ溶解
法（以下、プラズマを省略）の長所と短所を、以下のよ
うに整理した。つまり、移行型溶解法は、プラズマ・ア
ークと共に流れるプラズマ・ガスの流速が非移行型溶解
法に比べて遅いので、ガスによって湯面に形成される凹
状部分が浅く、溶湯はあまり撹拌されない。しかし、ア
ークは、直接、湯面上に形成されるので、その熱効率
は、非移行型溶解法より３倍程度高い。一方、非移行型
溶解法は、ガスが高速のため、溶湯を撹拌する力が大き
い。

【０００７】そこで、発明者は、それぞれの長所を生か
せば、もっと効率良い加熱、溶解ができると考えた。そ
して、導電性を有する高融点物質の加熱時あるいは溶解
時に、移行型と非移行型のプラズマ電源を、重畳して使
用することを着想し、本発明を完成させた。すなわち、
本発明は、溶解対象の導電性物質を保持する非導電性容
器と、プラズマ・トーチと、プラズマ・トーチから噴射
されるガスに電圧を印加してアークやガス流を発生させ
る電気回路とからなるプラズマ式溶解装置において、１
本のプラズマ・トーチを共用して独立した２つの直流電
源を並列に接続すると共に、該直流電源の一方を移行型
プラズマ電源、他方を非移行型プラズマ電源としてなる
ことを特徴とするプラズマ式溶解装置である。

【０００８】また、本発明は、上記非導電性容器に、別
途、溶解した導電性物質を凝固させる容器を備えたこと
を特徴とするプラズマ式溶解装置である。さらに、本発
明は、導電性物質を、プラズマ・アークやガス流で溶解
する方法であって、単一のプラズマ・トーチから、移行
型（低速）と非移行型（高速）の２種類のガス流を重畳
して発生させ、該導電性物質を溶解することを特徴とす
る導電性物質の溶解方法である。

【０００９】加えて、本発明は、上記導電性物質を金属
シリコンとすることを特徴とする導電性物質の加熱・溶
解方法でもある。本発明では、導電性物質を加熱・溶解
する装置及び加熱・溶解方法を上記のような構成にした
ので、非移行型溶解法と移行型溶解法との利点が相乗効
果を発揮するようになる。その結果、導電性物質を、例
え高融点であっても、低電力で且つ強撹拌で溶解し、短
時間のうちに成分偏析の少ない均一なインゴットにする
ことが可能になる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１に、本発明に係るプラズマ式
加熱溶解装置の縦断面を示す。それは、１本のプラズマ
・トーチ１の陰極２を共用して、移行型プラズマ電源３
と非移行型プラズマ電源４を互いに並列になるよう接続
することを基本としている。かかる電気回路を形成する
と、非導電性容器５に保持した被溶解物６は、該非導電
性容器５の底部に配置した陽極７と、上方のプラズマ・
トーチ１の陰極２との間で導通し、トーチ１から噴射さ
れるアーク８及びガス流９で効率良く加熱・溶解される
ことになる。つまり、移行型溶解法の利点が利用され
る。一方、プラズマ・トーチ１は、該トーチ１内の陰極
２と陽極１０間でアークを発生し、非移行型の高温、高
速のプラズマ・ガス流を発生する。そのため、被溶解物
６は、該ガス流９によって強力に撹拌され、溶解の迅速
化が図られるようになる。

【００１１】なお、図１には、被溶解物の炉内供給手段
（シュート）１１及び溶解物の凝固用容器１２は記載さ
れているが、プラズマ発生用のガス供給手段は省略して
ある。また、上記非導電性容器５の材質は、被溶解物６
の種類によって適切なものが、選択・使用される。例え
ば、被溶解物６を金属シリコンとした場合には、シリカ
質の容器が好ましい。さらに、図１では、該容器５を水
冷銅容器１４又は黒鉛製容器１４で保護している状況が
示されている。加えて、該非導電性（シリカ質）容器５
の上部には、溶解物をオーバ・フローさせ、その凝固用
容器１２へ移行させる湯道１３も設けられている。

【００１２】以下、このプラズマ溶解装置で金属シリコ
ン粒子を溶解した例を説明する。

【００１３】

【実施例】黒鉛製１４又は水冷銅容器１４で保護したシ
リカ容器５に、被溶解物６として、金属シリコン又は金
属シリコンと半導体用高純度シリコンとを重量比１：１
で混合したシリコンを１５ｋｇ装入し、本発明に係る溶
解法で溶解した。その際、プラズマ電源としては、移行
型３及び非移行型４共に、１００ｋワットの出力を有す
るものを使用した。プラズマ・ガス流９あるいはアーク
８を発生させるガスとしては、アルゴンを選択し、流量
１００リットル／分でトーチに供給した。溶湯表面の８
０％が溶融状態となった後は、その状態を保つように、
粒径５〜２０ｍｍの金属シリコン又は上記混合シリコン
を連続的に上記シリカ容器５に供給し、オーバー・フロ
ーした溶湯（溶融シリコン）１６を前記凝固用容器１２
に受け、固めていった。従って、この供給速度が溶解速
度となる。なお、この間、移行型電源３及び非移行型電
源４の出力電圧は、常時それぞれボルトを維
持するように調整した。

【００１４】一方、本発明の実施効果を確認するため、
従来装置を用いた比較溶解実験も行った。使用装置を、
図２及び３に示す。図２は、移行型溶解法（比較例１）
の装置で、図３は非移行型溶解法（比較例−２）の装置
である。なお、使用したプラズマ・トーチ及び非溶解物
は、本発明の実施例で使用したものと同一物である。そ
して、これらの比較溶解実験の結果を、上記本発明の実
施結果と比較して表１〜３に整理した。

【００１５】表１より、溶解速度は、実施例と比較例１
とでほぼ同等であるが、比較例２では、１／４〜１／３
程度遅くなることが明らかである。また、金属シリコン
と半導体用高純度シリコンとの混合シリコンを溶解して
得たシリコン・インゴット１５から試料を多数採取し、
金属不純物元素の分析を行った。その結果は、表２に示
すように、実施例と比較例２の場合が最高値と最低値の
差が少なく、成分偏析の少ないほぼ均一なインゴット１
５になっていることを示した。しかし、比較例１の場合
は、成分偏析が大きく、溶解時の撹拌効果が実施例や比
較例２に比べて劣ていた。

【００１６】表３には、実施例及び比較例で１００時間
操業した後に、使用プラズマ・トーチの電極消費量を調
査した結果を示す。実施例に用いたトーチの電極消耗量
は、比較例に比べ１／５程度となっていた。これは、プ
ラズマ・アークを形成するガスの流速が遅い比較例１
や、トーチ内部だけでアークを発生させてガス加熱する
比較例２に比べ、本発明によれば、該電極の寿命が大幅
に改善されることを示唆するものである。

【００１７】なお、ここで説明した実施例は、被溶解物
を金属シリコンや半導体用高純度シリコンとしたが、本
発明に係る溶解装置及び方法は、これに限るものではな
く、チタンやニオブといった比較的高価な高融点金属材
料や比抵抗率１Ωｃｍ以下の弱い導電性のある高融点材
料の溶解に用いても良い。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、導電
性の高融点物質が効率良く溶解できるようになる。ま
た、溶湯の撹拌力が強化されたので、成分のバラツキが
大きい物質を溶解しても、偏析の少ない均一な組成のイ
ンゴットが得られるようになる。さらに、本発明では、
非移行型電源の使用でプラズマ・トーチ内での高温ガス
の対流時間を短くできるため、移行型電源で発生させる
プラズマ・アークから放出される熱を、移行型電源のみ
を使用した場合より速くトーチの外に放出できるので、
トーチ電極の消耗量が大幅に低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ式溶解装置の縦断面図で
ある。

【図２】従来の移行型溶解法を示す図である。

【図３】従来の非移行型溶解法を示す図である。

【符号の説明】

１プラズマ・トーチ（トーチ）２トーチ内の陰極３移行型プラズマ電源４非移行型プラズマ電源５非導電性（シリカ）容器６被溶解物（金属シリコン）７５の炉底に配置した陽極８プラズマ・アーク９プラズマ・ガス流１０トーチの陽極１１被溶解物の供給手段１２凝固用容器１３湯道（オーバ・フロー通路）１４保護容器（黒鉛製又は水冷銅容器）１５インゴット１６溶湯（溶融シリコン）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者久能勝己千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者安川清千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶解対象の導電性物質を保持する非導電
性容器と、プラズマ・トーチと、プラズマ・トーチから
噴射されるガスに電圧を印加してアーク及びガス流を発
生させる電気回路とからなるプラズマ式溶解装置におい
て、１本のプラズマ・トーチを共用して独立した２つの直流
電源を並列に接続すると共に、該直流電源の一方を移行
型プラズマ電源、他方を非移行型プラズマ電源としてな
ることを特徴とするプラズマ式溶解装置。
【請求項２】別途、溶解した導電性物質を凝固させる
容器を備えたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ
式溶解装置。
【請求項３】導電性物質を、プラズマ・アークやプラ
ズマ・ガス流で溶解する方法であって、単一のプラズマ・トーチから、移行型と非移行型の２種
類のガス流を重畳して発生させ、該導電性物質を溶解す
ることを特徴とする導電性物質の溶解方法。
【請求項４】上記導電性物質を金属シリコンとすること
を特徴とする請求項３記載の導電性物質の溶解方法。