JPS594489B2 - プラズマ溶解精錬方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属又は合金材料をプラズマ・アークによる加
熱によって連続的に溶解し、精錬する方法に関するもの
であり、特に被溶解材料を確実に溶解し、且つ均一な精
錬を施し、以て品質の一定な良質の鋳塊を生産性よく製
造し得る方法に関するものである。

従来より、非鉄金属はそれぞれの特性に応じてそれ単独
で或は合金として種々なる用途に使用されており、例え
ばクロム又はクロム合金にあっては高温耐酸化性が優れ
ているため、高湿装置用材料として採用されている他、
不感磁性材料としての用途も開発されつつある。

しかしながら、クロムのように酸素と結合しやすい活性
金属であって、またその融点が高くて難融性であるわり
には２沸点との差が小さく、蒸気圧が高い金属又はその
合金の溶解鋳造においては、耐火物を使用する通常の溶
解炉を用いることは、該耐火物等に基づく汚染によって
得られる鋳塊の品質を低下せしめるために、不適当とさ
れている。

また、品質低下の要因である炉用耐大物に代えて金属製
水冷ルツボを゛使用し、且つ非汚染の熱源を用いる真空
アーク溶解法、電子ビーム溶解法などの方法の採用も考
えられるが、前述のように蒸気圧が高いために溶解中の
蒸発ロスが大きく、これが溶解コストを高めている。

これに対し、高温のプラズマ・アークを利用する溶解法
は、熱源や溶解鋳造容器によって溶解物（溶湯）を汚染
することがなく、また圧力下で溶解することが出来るた
め、クロムの如き特性を有する金属又はその合金の溶解
鋳造には最も適していると考えられている。

一方、種々なる方法にて取得される金属又はその合金材
料は一般に不純物を成程度含有しており、例えば通常電
解によって得られ、粒塊状或は小片状を為しているクロ
ムにあっては、酸素が０．１〜１．０係、硫黄が０．０
１〜０．１係も含まれているのであって、その実際の用
途に供するには、脱硫、脱酸などの精錬を必要としてい
る。

このため、金属又はその合金材料を溶解炉へ供給すると
共に、前記不純物を除去する目的でスラグ等の精錬剤を
添加する必要があるが、従来の方法、特に好適と考えら
れるプラズマ溶解法にあっても種々なる問題が内在して
いる。

例えば、プラズマ・アーク加熱によって金属又はその合
金材料を連続的に溶解せしめる場合に、一般に金属又は
合金材料は精錬剤と予め所定割合に混ぜられて原料ホッ
パーに容れられており、溶解時にかかる原料ホッパーか
ら溶解炉内に連続的に供給されることとなるが、該金属
又は合金材料と精錬剤との比重差が犬なるために、溶解
操作の経過につれてかかる原料ホッパーから供給される
金属又は合金材料と精錬剤の配合割合が変化し、従って
溶解初期と溶解後期とでは得られる溶解物（溶湯）の精
錬状態が異なってくる問題があった。

また、連続的に供給される金属又は合金材料並びに精錬
剤は炉内へ粒状、片状或は粉状で落下せしめられている
ため、これらにプラズマ・アークの当らない部分が発生
し、その部分は完全に溶融（溶解）されず、不完全溶融
となり、従って精錬も不完全となって、精錬効果の不充
分な且つ不均質な鋳塊を与える問題もあった。

特に、クロムのように高融点であるにも拘らず、沸点と
の差が小さい金属又はその合金材料にあっては、プラズ
マ・アークが当る部分と当らない部分があると蒸発若し
くは不完全溶解のいずれかとなり、電力の調整だけでは
炉内に供給される全ての被溶解材料を完全に溶融状態に
することは極めて困難であったのである。

このため、不均一な精錬状態の、また不均質な鋳塊が出
来ると、これを再度プラズマ溶解する必要があるのであ
り、これがプラズマ溶解の生産性を低下せしめる要因と
なっている。

ここにおいて、本発明はこのような事情を背景にして為
されたものであって、その目的とするところは被溶解材
料を確実に溶解し、且つ均一な精錬を施すと共に、溶解
操作のいずれの時期においても所定の精錬状態を維持し
、以て品質の一定な良質の、クロムの如き金属又はその
合金からなる鋳塊を工業的規模で生産性よく製造し得る
方法を提供することにある。

すなわち、かかる本発明の方法は、金属又は合金材料を
プラズマ・アークによる加熱によって連続的に溶解し、
精錬するにあたり、該金属又は合金材料に精錬剤を混合
して成形した棒状成形物を、被溶解材料として使用する
ことを特徴とするものであり、またかかる棒状成形物の
成形に際して、該金属若しくは合金材料又は精錬剤とな
る金属からなる線材を芯金として用いれば、成形作業性
や得られる棒状成形物の溶解特性等を改善することが出
来、本発明はかかる特定の線材を芯金として有する前記
棒状成形物を使用することも特徴とするものである。

かくの如き本発明方法に従えば、金属又は合金材料と精
錬剤とをそれぞれ粒子状或は粉末状にて混合してそのま
まの状態で原料ホッパーから炉内に供給する従来法とは
異なり、金属又は合金材料と精錬剤とは予め均一に混合
され、棒状に成形された後、かかる棒状成形物の形態に
て、プラズマ・アークによる加熱によって順次溶解せし
められることとなるため、金属又は合金材料と精錬剤と
の配合を予め一定に調整でき、且つその配合割合が溶解
操作の途中でも変化することがなく、従って連続的に溶
解して得られる溶湯の精錬状態が常に一定に維持され、
以、て所望の精錬が均一に施された鋳塊を得ることが出
来るのである。

また、本発明に従えば、金属又は合金材料並びに精錬剤
が均一に混合されて棒という比較的局所に固められてい
るため、プラズマ・アークをこの被溶解材料（棒状物）
に確実に照射することが出来るのであり、また該材料か
ら溶融滴下した溶湯部分で更に溶解、精錬が継続される
ため、溶解されない部分が全く発生することがなく、し
かも精錬も充分に行なわれ、従って均一な良質の鋳塊が
得られるのである。

さらに、本発明によって容易に均一な溶解と確実な精錬
が達成されるため、原料供給速度、電力等の溶解条件の
調整の手間や、得られた不均質な鋳塊を更にもう一度溶
解しなおす（再溶解）という手間が省略され、著しく生
産性が向上するのである。

かかる本発明に使用される被溶解材料は、クロム、クロ
ム合金材料の如き金属又は合金材料と精錬剤との均一な
混合物から得られる棒状成形物であり、該金属又は合金
材料並びに精錬剤はそれらを均一に混合させるためにも
出来るだけ小さい粒状のものを使用することが望ましい
が、実用的には約２（ｈ＋ｍ以下の大きさの金属又は合
金材料に対し１６メツシユ以下の精錬剤が用いられる。

また、精錬剤は溶解に供する金属又は合金材料の種類に
応じて種々選択され、例えばクロム又はクロム合金材料
にあっては、稀土類元素、カルシウム、マグネシウム、
炭素、アルミニウム、マンガン及び硅素からなる群より
選ばれた１種又は２種以上の元素を含む精錬剤や、これ
と併用して下記の如き溶融スラグが好適な精錬剤として
使用され得る。

（１）ＣａＯ−Ａ １２０ｓ系溶融スラグ一般に溶融後
の組成において、Ｃａ０５０〜９０チ及びＡ１２０３１
０〜５０％のもの。

（２）ＣａＯ−ＭｇＯ系溶融スラグ 一般に溶融後の組成において、Ｃａ０６０〜７０係及び
Ｍｇ０３０〜４０飴のもの。

（３）多成分系溶融スラグ 主成分がＣａ Ｏ、Ｃａ Ｆ ２ 、 Ｎ ａ ２０
＋ Ｋ２０ 。

Ａ１２０３９Ｍｇ０で、残余が不純物からなるものであ
り、一般に、溶融後の組成において、ＣａＯ：２０〜９
０％、Ｎａ２Ｏ＋に２０：２５係以下、Ｃａ Ｆ ２
：３０〜９０ ％ 、 Ａ １２０３ ”。

１５〜５０％、ＭｇＯ： １５〜４０楚を含有し、残余
がＳ ｉ０２ 、 Ｍ ｎ Ｏ、Ｆ ｅ Ｏ、Ｔ １０
２ 。

Ｃｒ２Ｏ３の如き不純物（合計量）：１５％以下からな
る、例えばＣａＯＡｌ２Ｏ３系、Ｃａ ０−ＭｇＯ系、
ＣａＦ２−ＣａＯ系、ＣａＦ２−Ａｌ２Ｏ３系、ＣａＦ
２ ＣａＯＡｌ２Ｏ３系、ＣａＯ−ＡＡ２０３−Ｍｇ
Ｏ系の如きスラグ。

なお、金属又は合金材料に対する精錬剤の混合割合は、
精錬反応により精錬剤内の元素と金属又は合金材料中の
不純物とが化合するに必要な化学量論的な反応平衡を考
慮し、さらに実効歩留りに基づく係数を乗じて決められ
る。

また、金属又は合金材料と精錬剤との均一な混合物から
の成形には、種々なる公知の成形手段が用いられ、例え
ば該混合物をプレス成形したり、更にプレス成形したも
のを焼結したりすることによって棒状成形物とする方法
や、該混合物に水等を混じて流動性を与え、金型等の型
を用いて所望の形状に成形し、乾燥固化するか或は更に
焼結する方法等が採用される。

特に、前記混合物に水等を混じて精錬剤をバインダーと
して作用させれば、成形操作が極めて容易となる利点が
ある。

また、成形して得られる棒状成形物は、該棒状成形物の
適用されるプラズマ炉に応じて種々なる大きさく太さ）
、長さとされ、その断面形状としても円形、楕円形、三
角形、四角形等の種々なる形状のものが適宜選択される
。

特に、金属又は合金材料と精錬剤とからなる混合物の成
形操作において、該金属若しくは合金材料からなる線材
又は精錬剤となる金属の線材を芯金として使用し、得ら
れる棒状成形物中にその軸心方向に前記線材を位置せし
めることにより、前記混合物からの棒状物の形成が容易
となり、また得られる棒状成形物の強度の向上によって
その取扱作業性が著しく改善されると共に、溶解操作時
に熱による棒状成形物の折れ、破壊等が防止され得る等
の優れた効果を奏することが出来る。

なお、前記線材は、溶解に供される金属若しくは合金材
料からなり、また精錬剤となる金属、即ちプラズマ・ア
ークによって溶解されて金属又は合金材料に対して精錬
剤として作用する金属、例えばクロム合金材料に対して
はアルミニウム等の金属からなるため、生成する溶湯を
汚染することは全くない。

なかでも、精錬剤となる金属の線材を使用する場合には
、該金属がそのまま精錬剤として作用するので極めて好
都合である。

また、かかる線材は直線状のものに限らず、螺旋状等の
形態を有するものであっても何等差支えなく、更にその
断面形状、大きさく太さ）やその使用本数等も目的に応
じて適宜選択されるものである。

かくして得られた金属又は合金材料と精錬剤からなる棒
状成形物、或は該金属若しくは合金材料又は精錬剤とな
る金属の線材を芯金として有する棒状成形物は、第１図
に示す如きプラズマ溶解装置を用いて、プラズマ・アー
ク加熱にて連続的に溶解され、精錬されて、鋳塊にされ
ることとなる。

第１図において、金属製の水冷ルツボ１を密閉する炉蓋
２の上部中心部から、金属又は合金材料３ａと精錬剤３
ｂからなる棒状成形物３が垂下され、その一端が押込み
ロッド４に把持されて、他の一端が発生するプラズマ・
アークの領域内にあるように、適当な速度にて下方に押
しやられるようになっている。

また、炉蓋２には、溶解される棒状成形物３の進行方向
に傾斜してプラズマ・１−チ５ａ及び５ｂが設けられて
おり、それぞれのトーチから発生するプラズマ・アーク
によって棒状成形物の先端部が順次溶解せしめられるよ
うになっている。

なお、６は密閉された炉内の雰囲気をアルゴン又はアル
ゴンと水素との混合ガス等の不活性ガスに置換せしめた
り、また溶解操作時に炉内の圧力を一定に維持するため
の通気口である。

また、水冷ルツボ（鋳型）１の鋳型内底部には水冷定盤
７が配置され、前記棒状成形物の溶解によって生じた溶
湯８を受けると共に、冷却による溶湯８の凝固速度にあ
わせて該水冷定盤７が引下げロッド１１にて引き下げら
れるように構成されている。

なお、１３，１４及び１５は水室である。従って、直流
電源１２．１２’の陰極とプラズマ・１−チ５ａ 、５
ｂを接続し、またそれらの陽極と水冷定盤７を接続して
給電し、プラズマ・アークを発生せしめ、図示のように
棒状成形物３の先端部に該プラズマ・アークを当てるこ
とによって、該棒状成形物の溶融が順次行なわれること
となる。

かくして、かかるプラズマ・アーク加熱によって棒状成
形物３を構成する金属又は合金材料３ａと精錬剤３ｂと
が共に溶融され、滴となって水冷ルツボ１内に落下する
ため、水冷ルツボ１内では未溶融の金属又は合金材料や
精錬剤部分は全く発生せず、且つ均一な精錬が行なわれ
るのである。

水冷ルツボ１内に落下した滴は、比重差により溶融スラ
グ１０部分が上層に、溶湯８部分が下層にわかれる。

また、水冷ルツボ１からの冷却によって該溶湯８は凝固
せしめられ、水冷定盤７の引下げによって、連続鋳塊９
が形成されるのである。

かくして得られた鋳塊は、均一な溶解と均一な精錬によ
って極めて良質なものとなり、しかも金属又は合金材料
と精錬剤とが常に一定の割合で溶解に供されるため、精
錬状態が一定に維持され、以て鋳塊のいずれの部分でも
一定の品質（均質）となっている。

なお、図示の装置は連続鋳塊を得るための好適な装置の
例であって、本発明はかかる装置を使用する方法に何等
限定されるものではなく、本発明に係る棒状成形物がプ
ラズマ・アーク加熱によって連続的に溶解され得るもの
であるなら如何なるプラズマ溶解装置をも使用出来、例
えばバッチタイプのスカル炉であっても本発明方法の適
用が可能である。

本発明方法のスカル炉への適用は、本発明に係る棒状成
形物からなる被溶解材料をプラズマ・アークにて連続的
に溶解せしめ、かくして得られる溶融滴を、スカル炉内
の水冷スカル・ルツボに受けることによって行なわれる
。

なお、該スカル・ルツボに所定量の溶湯が溜まると、鋳
型に注湯され、鋳塊が形成されることとなるが、該スカ
ル・ルツボ内での溶湯の凝固を抑制するために、必要に
応じて補助的なプラズマ・トーチが設けられる場合もあ
る。

このように、本発明方法は、クロム、クロム合金の如き
金属又は合金材料と精錬剤とを棒状成形物にしてプラズ
マ溶解炉にて連続的に溶解し、精錬せしめることによっ
て、被溶解材料を確実に溶解し、且つ均一な精錬を施す
と共に、溶解操作のいずれの時期においても常に所定の
精錬状態を維持することが出来るのであり、以て品質の
一定な良質の金属又は合金鋳塊を生産性よく製造し得る
ことは、本発明の工業的意義を著しく高めるものである
。

なお、本発明方法は、上述した如き金属又は合金材料の
溶解、精錬に好適に採用され得るものであるが、その他
ニオブ、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、クロム
、コバルトなどの周期律表第■〜■族及び第ｉ族から選
ばれた金属の酸化物を、炭素、金属炭化物などの還元剤
によって還元して（同時にプラズマの水素ガスによって
も還元されることとなる）金属を抽出しく化学的に）、
均一な金属鋳塊を製造する場合にも応用され得るもので
ある。

勿論、かかる金属酸化物の還元においても第１図に示す
如きプラズマ炉が使用され、前述の如き手法を採用する
ことによって、前記本発明に係る優れた特徴が発揮され
得ることは言うまでもない。

また、プラズマ炉に適用される棒状成形物は前記金属酸
化物と還元剤との均一混合物から前述の如き成形手法に
よって得ることが出来、更に該棒状成形物内に芯金とし
て導入される線材の金属としては、還元されるべき酸化
物を形成する金属が選ばれることとなる。

以下に本発明の理解を容易にするために実施例を示す。

なお、プラズマ溶解装置としては第１図に示した装置を
使用した。

実施例 １ 硫黄０．０２５係、酸素０．３８係、炭素０．０２１係
の不純物を含む板状の厚さ１〜３ｍｍ、板の面積２５〜
２５０ｘｍ２の粉砕小片である電解クロム粒に、ＣａＯ
とＡｌ２Ｏ３の比が６対４であるスラグを約２０％混合
し、更にこれに水を約１０係加えて均一に混練した後、
金型にて、０．５％量のアルミ線材（直径；４ｉｎ、長
さ；成形物の１．４倍）を螺旋状の芯金として用いて丸
棒状に成形した。

ついで、得られた丸棒状成形物を通常の環状炉内で約１
０００℃に加熱して、乾燥固化することにより、６０朋
φの丸棒状の被溶解材料を得た。

かくして得られた丸棒状被溶解材料を、出力６０ＫＷの
プラズマ・トーチ２本を用いてアルゴンプラズマにて０
．７Ｋｙ／ｆｉｌｌπの速度で溶解した。

なお、炉内雰囲気としてはアルゴンが使用された。

得られた１２０＋＋＋＋＋φのクロム鋳塊は、側表面ま
で完全に溶融されたものであり、また該鋳塊のいずれの
部分においても、硫黄０．００３〜０．００７係、酸素
０．０６〜０．０７係、炭素０．０２〜０．０６係の分
析結果を得、目的とする均一な脱酸、脱硫が達成された
、品質の均一な良質の鋳塊であることが認められた。

実施例 ３ 酸化ニオブ（Ｎｂ２０５）に炭素粉末をモル比で１対５
に混合し、これに水を約５係加えて均一に混練した後、
螺旋状ニオブ線材（直径５闘）を芯金として用いて金型
にて丸棒状に加圧成形した。

ついで得られた丸棒状成形物を通常の環状炉内で約１０
００°Ｃに加熱して、乾燥固化することにより、４０ｍ
ｍφの丸棒状の被処理材料を得た。

かくして得られた丸棒状被処理材料を、出力６０ＫＷの
プラズマ・トーチ２本を用いて、アルゴンに５％の水素
を加えたプラズマガスにて０．０５グラム／汲元の速度
で溶解せしめることによって、還元処理した。

なお、炉内雰囲気としては同じくアルゴンに５％の水素
を加えたガスが用いられた。

得うした１２０朋φのニオブ鋳塊は、脱酸されて９５％
以上のニオブ含有率を示し、側表面まで完全に溶融され
たものであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施に適するプラズマ・アーク炉
の縦断面図である。 １：水冷ルツボ、２：炉蓋、３：棒状成形物、３ａ：金
属又は合金材料、３ｂ：精錬剤、４：押込みロンド、５
ａ、５ｂ：プラズマ・トーチ、７：水冷定盤、８：溶湯
、９：鋳塊、１０：（溶融）スラグ、１１：引下げロン
ド、１２．１２代直流電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属又は合金材料をプラズマ・アークによる加熱に
   よって連続的に溶解し、精錬するにあたり、該金属又は
   合金材料に精錬剤を混合して成形した棒状成形物を、被
   溶解材料として使用することを特徴とするプラズマ溶解
   精錬方法。 ２ 金属又は合金材料をプラズマ・アークによる加熱に
   よって連続的に溶解し、精錬するにあたり、該金属又は
   合金材料に精錬剤を混合して成形したものであって、該
   金属若しくは合金材料又は精錬剤となる金属からなる線
   材を芯金として有する棒状成形物を、秘溶解材料として
   使用することを特徴とするプラズマ溶解精錬方法。 ３ 周期律表第■〜■族及び第１族からなる群より選ば
   れた金属の酸化物をプラズマ・アークによる加熱によっ
   て連続的に還元して前記金属を抽出するにあたり、該酸
   化物に還元剤を混合して成形した棒状成形物を、被処理
   材料として使用することを特徴とするプラズマ還元方法
   。