JPS6037865B2 - 精錬法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマによる金属の精錬法に関し、特にＦｅ
、Ｎｊ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ等の各金属の単体又はこれら
の合金におけるＣ、Ｎ、０、Ｓ等の不純物成分を極く徴
量にまで除去し得、且つ気泡等が存在しない健全な鏡塊
を製造することができる高純度金属の精錬法を提案する
ものである。

プラズマアーク熔解法により母村を溶解し、この熔解の
過程で各種の不純物及び介在物を除去して高純度の金属
を得る精錬法が近時注目されてい，る〔鉄と鋼６２（１
９７６）Ｐ４３及び鉄と鋼６３（１９７７）Ｐ２０１０
〕。

これは例えば第３図、第４図に示すような方法にて、Ｆ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金等の高級鋼からなる母材をアルゴン
プラズマ等を熱源として溶解するものである。第３図は
チャンバ１５内に円筒状の内部水冷構造の銅鋳型１１を
設置し、棒状の母村１３を銅鋳型１１の上方にその下端
が銅鋳型１１の上部閉口から若干離隔するように臨ませ
て上下動可能に設置し、更にアルゴンプラズマ等のアー
クトーチＩＤ，１０をその先端を母材１３と鋳型１１の
上部関口との間に臨ませて設置してなる装置にて、アー
クトーチ１０，１０から噴出されるプラズマジェットに
より母村１３の下端を溶解し、これを鋳型１１内の銭塊
１４上に滴下させて、銅鋳型１１により冷却凝固させ、
鋳型底１２を下降移動させて溶解精錬後の銭塊１４を連
続的に下方へ引抜く方法である。また第４図はチャンバ
２０内に酸化物系の耐火物で内面をラィニングした耐火
物製のルッボ１６を設置し、ルッボ１６の上部開口にそ
の下端を臨ませたアークトーチ１７を鉛直設置し、更に
タングステン等のアノード電極１８をルッボ１６の底面
を挿通してその内部に臨ませて設置してなる装置にて、
母村１９をルツボ１６内に装填し、アノード電極１８と
導適する母材１９とアークトーチ１７との間に高電圧を
印加してプラズマジェットを母材１９に照射し、母村１
９を一旦溶解した後、ルッボ１６を煩勤して出湯し、以
後の造塊を行う方法である。而してプラズマジェットの
生成には通常アルゴンガスが使用されるが、このアルゴ
ンプラズマの場合はその精錬効果が母材中の酸化物系介
在物の分離除去に止まる。

これに対し水素ガス又は水素とアルゴン等との浪合ガス
を使用した場合は、生成する水素プラズマが溶融した母
材金属と原子状態又はイオン状態で反応し、極めて優れ
た脱炭及び脱窒効果を示す。このためＦｅ−Ｃｒ合金等
においてＣｒ等の合金成分を酸化消耗することなくＣ、
Ｎ等の不純物成分の濃度を著しく低減し得る等、水素プ
ラズマの利用価値は極めて高い。然るに従来方法にて水
素プラズマにより精錬した場合は以下に示すような難点
がある。即ち第３図の方法による場合は、水素プラズマ
にて溶解したときに鋳型内熔湯中に水素が溶解して残留
し、凝固時に水素ガスの気泡が生成して鍵塊中に気泡が
トラップされ、その品質を著しく低下させる。また水袷
鋼鋳型１１による冷却速度が早いために、プラズマアー
ク溶解後にＣ等の成分調整をすることが難しい。一方第
４図による場合は水素プラズマによる脱炭脱窒精錬後、
プラズマジェットをアルゴンプラズマに切換えて脱水素
処理をすることができ、更に成分調整も容易に行えるの
であるが、溶湯がルッボ１６のラィニング酸化物からの
酸素及び酸化物の混入汚染を受け、精錬効果が著しく損
なわれる。本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもので
あって、水素プラズマによる脱炭、脱窒を図る一方、耐
火物からの酸素等の混入がなく気泡のない健全な大型の
綾塊を得ることができ、上述の従来方法の欠点を一挙に
解消した高純度金属の精錬法を提供することを目的とす
る。

本発明に係る精錬法は、水素プラズマによる精錬室と、
不活性元素のプラズマによる精錬室とを溶傷通過窓を開
設した隔壁にて隔ててなる精錬装置を用い、水素プラズ
マによる精錬と、不活性元素プラズマによる再精錬と、
精錬後の溶湯の鋳造とからなる一連の工程を連続的に行
うことを特徴とする。

以下本発明方法を図面に基いて説明する。

第１図は本発明方法の実施状態を示す模式図である。チ
ャンバ５内に碗状のハース２ａ及び２ｂが互いの隣接部
分をハース２ａがハース２ｂよりも若干上方になるよう
に重ね合わせて設置されれている。またハ−ス２ｂにお
けるハース２ａの反対側には円筒状の鋳型３がそのハー
ス２ｂ寄りの部分をハース２ｂの間縁直下に位置せしめ
て鉛直設置されており、溶解開始前にはその上端に鋳型
底３ａを取付けた支持綾３ｂを上移動させて鋳型３の下
部開口に鋳型底３ａを貫入しておく。ハ−ス２ａ，２ｂ
及び鋳型３はいずれも銅製であって内部水冷構造として
ある。またハース２ａのハース２ｂ寄り周縁及びハース
２ｂの鋳型３寄り周縁はその高さがハース２ａ，２ｂ全
体の局縁高よりも低めに形成されていて、ハース２ａ又
は２ｂ内に貯留された落陽はこの低緑部から夫々ハース
２ｂ上に又は鋳型３内に溢流するようになっている。そ
して鋳型３内に溢流した溶湯は鋳型３により冷却され凝
固して銭塊６ｃとなり、支持棒３ｂの下降により鋳型底
３ａ上に教導された銭魂６ｃは連続的に下方へ引抜かれ
る。ハース２ａ，２ｂ及び鋳型３の直上域には夫々アー
クトーチｌａ，ｌｂ及びｌｃがその先端のプラズマジェ
ットの噴出口をハース２ａ，２ｂ及び鋳型３の各中央に
臨ませて設置されている。

アークトーチｌａは水素ガス又は水素とアルゴンとの混
合ガスの供給源（図示せず）に接続されていてアークト
ーチｌａの先端部のカソード電極とアノード電極として
のハース２ａとの間に高電圧を印加することにより、水
素プラズマ又は水素プラズマ及びアルゴンプラズマ（以
下これを水素プラズマ等と略す）がハース２ａに向けて
照射されるようになっている。なお水素とアルゴンとの
混合ガスを使用する場合は水素プラズマによる脱炭、脱
峯等の精錬効果を確保するために、水素ガスの混合率は
１０％以上とする必要がある。アークトーチｌｂ又はｌ
ｃはアルゴンガスの供給源（図示せず）に接続されてい
て、同様にアークトーチｌｂ又はｌｃの先端部のカソー
ド電極とアノード電極としてのハース２ｂ又は鋳型３と
の間に高電圧を印加してアルゴンプラズマをハース２ｂ
又は鋳型３の上部関口に向けて照射するようになってい
る。而して母材供聯合装置４に取付けられた丸棒状等の
母材６ａがその先端をアークトーチｌａとハース２ａと
の対向域に臨ませて設置されており、母材供給装置４は
母材６ａを連続的に前記対向域に向けて進出させるよう
にしてある。

チャンバ５はアークトーチｌａ及びハース２ａを設置し
た部分とアークトーチｌｂ及びハース２ｂ並びにアーク
トーチｌｃ及び鋳型３を設置した部分とをハース２ａ及
び２ｂが重なり合う位置にて隔壁５ａにより仕切ってあ
り、ハース２ａ内の溶湯がハース２ｂに向けて溢流する
溶湯通過域に渚湯通過窓５ｂを設けて、ハース２ａ側の
水素プラズマ精錬室５日とハース２ｂ側のアルゴンプラ
ズマ精錬室５Ａとを連結してある。そしてアークトーチ
ｌｂ及び／又はｌｃのアルゴンガスの供給圧力をアーク
トーチｌａの水素ガス又は水素とアルゴンとの混合ガス
の供給圧力よりも高圧に設定することにより、アルゴン
プラズマ精錬室５Ａ側からアルゴンガスが溶湯通過窓５
ｂを遠流して水素プラズマ精錬室５日へ流入し、水素プ
ラズマ精錬室５印こ設けた排気孔５ｃから水素ガスと共
にチャンバ５外へ排出されるようにして、水素プラズマ
精錬室５日内の水素ガスがアルゴンプラズマ精錬室５Ａ
内に混入しないようにしてある。またチヤンバ５の上方
に合金添加用のホツパ７ａがその下端に取付けた供給管
７ｂをアルゴンプラズマ精錬室５Ａ内に導入し、その先
端をハース２ｂの上方に臨ませて設置されており、必要
に応じてホッパ７ａにＦｅ−Ｃ合金、電解マンガン等の
各種合金及び金属を収容しておき、これらの合金等を供
給管７ｂを介してハース２ｂ内の熔湯６ｂに添加するこ
とにより溶湯の成分調整を図る。このような装置により
本発明方法を実施する場合は先ず母材供給装贋４により
連続的に送給されてくる母材６ａの先端をアークトーチ
ｌａから噴出される高温の水素プラズマ等により溶解し
てハース２ａ上に滴下せしめる。

ハース２ａ上に貯留された溶湯６ａは水素プラズマによ
り加熱されつつ精錬を受け、溶傷中のＣ、Ｎ、０、Ｓ等
の不純物成分が除去される。そして脱炭、脱窒等の精錬
後の落陽６ｂをハース２ａから溢流させてハース２ｂ上
に受湯し、ハース２ｂ上でアルゴンプラズマを照射して
、水素プラズマの照射により溶傷中に吸収された水素を
除去し、凝固後の鏡塊において水素ガスの気泡が発生す
る虞れのない程度にまで溶傷中の水素濃度を低減する。
そして必要に応じてホツパ７ａから各種合金等をハース
２ｂ上の溶湯６ｂに添加して溶傷中のＣ、Ｍｍ等の成分
調整を図る。次いでハース２ｂから鋳型３の上部関口内
に溢流した港湯６ｂを鋳型３により冷却して凝固せしめ
、鋳型底３ａを連続的に下降移動させて銭塊６ｃを鋳型
３から引抜く。なおこのとき銃型３内の溶湯６ｂにアル
ゴンプラズマを照射してこれを加熱し、鋳型３内に適宜
深さの落陽プールを形成して溶湯６ｂの不均一な凝固を
回避し、健全な凝固組織を得る。このようにして製造さ
れた鎌塊６ｃは水素プラズマによりＣｒ等の合金元素が
酸化消耗することなく脱炭及び脱窒等がなされて、Ｃ、
Ｎ、０、Ｓ等の不純物成分が著しく低減された高純度の
ものとなっており、水素プラズマによる精錬後水素ガス
が混入しないように仕切られた精錬室にてアルゴンプラ
ズマによる脱水素を行うから、水素ガスの気泡が存在す
ることのない健全な鏡塊となっている。またハース２ａ
，２ｂ及び鋳型３は内部水冷構造の銅製であるから耐火
物製のルツボを使用した場合のように溶湯がライニソグ
酸化物により汚染されることもない。更に溶湯中のＣ成
分又はＭｎ等の合金成分の濃度調整も容易に行うことが
でき、且つ精錬後熔湯を鋳型３にて半連続的に鋳造する
から大型の銭魂を製造することができる。なお上述の如
き本発明方法にて精錬される母材としては、特にはその
品種を限定するものではないが、Ｆｅ、Ｎｉ、又はＣｏ
の１又は２以上の成分をベースとするものは他の酸化精
錬法等にては精錬し難いため、これらの金属合金に対し
て本発明方法は特に有益である。なお本発明方法の実施
に使用する装置は、水素プラズマによる母材の溶解精錬
、アルゴンプラズマによる脱水素精錬及び鋳造からなる
一連の工程において、上述の如く各工程について１組の
アークトーチとハースとを設けたものに限らず、例えば
第２図に示す如く水素プラズマ精錬並びにアルゴンプラ
ズマ精錬のためのアークトーチ及びハースを夫々２組ず
つ設けたもの等も考えられる。

第２図は隔壁５ａにより水素プラズマ精錬室５日とアル
ゴンプラズマ精錬室５Ａとに仕切られたチャンバ５内の
模式的平面図である。ハース８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは
第１図同様、その互いの隣接縁を上下に重ね合せて設置
されていて、ハース８ａから溢流した溶湯が順次ハース
８ｂ，８ｃ，８ｄを通流し、ハース８ｄから溢流して鋳
型３の上部関口内に鋳込まれるようになっている。そし
てハース８ａ及び８ｂの上方にはいずれも水素プラズマ
等を噴出するアークトーチ（図示せず）が設置されてお
り、ハース８ｃ，８ｄ及び鋳型３の上方にはいずれもア
ルゴンプラズマを噴出するアークトーチ（図示せず）が
設置されている。また第１図同様アルゴンプラズマ精錬
室５Ａの方が水素プラズマ精錬室５日よりも高圧に設定
されていて、水素ガスのアルゴンプラズマ精錬室５Ａ内
への混入を防止してある。このような装置においては母
材供給装置４により送給された母材６ａは水素プラズマ
等により溶解されてハース８ａ上に滴下し、ハース８ａ
上及びこれから溢流したハース８ｂ上にて水素プラズマ
による精錬を受け、次いで熔湯通過窓５ｂを通過してハ
ース８ｃ上に溢流し、ハース８ｃ上及びこれから溢流し
たハース８ｄ上にてアルゴンプラズマによる脱水素がな
され、更に必要に応じて図示しないホッパから合金等を
添加されて成分調整される。

そして精錬後の溶湯はハース８ｄから溢流して鋳型３内
に鋳込まれ鋳造される。この場合は水素プラズマによる
精錬とアルゴンプラズマによる脱水素とを夫々２回行う
から、精錬効果及び脱水素効果が高いという利点がある
。なおこれをより発展させて精錬及び／又は脱水素を３
回以上行うことも可能である。

また母材の溶解を水素プラズマにて行うこととしないで
、例えば高周波溶解炉等の別炉にて母材を溶解した後、
これをハース２ａ（第１図）又はハース８ａ（第２図）
上に供給することとしてもよいことは勿論である。次に
本発明方法の効果を実証するために行った溶解精錬の結
果について説明する。

第１表「母村」欄記載の各成分濃度を有するＦｅ−１９
％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼を母材として第１図に示した装置に
て精錬を行い、５０ｋ９銭塊を製造した。水素プラズマ
の生成のために使用したガスは水素とアルゴンとの等量
（５０％）混合ガスである。

この精錬後の銭塊における各成分濃度を第１表「実施例
１」欄に示す。また「実施例２」欄は同一組成の母村を
同様に水素プラズマ等（５０％水素ガス）により溶解精
錬した後、アルゴンプラズマにて脱水素する際に溶湯中
にＦｅ−４％Ｃ合金及び電解マンガンを所定量添加して
成分調整して得た銭塊の各成分濃度である。第 １ 第１表から明らかな如く、実施例１、２のいずれの場合
もＣｒ、Ｍｏ等の合金成分は酸化消耗することなく、Ｎ
、０、Ｓ等の不純物成分は著しく低減された。

また実施例１のＣ濃度も極めて低下しており、更に実施
例２の場合はＣ、Ｍｎが目標成分濃度に調整されている
。更にまた実施例１、２はいずれも綾塊において気泡が
発生せず、極めて健全な銭塊が得られた。以上詳述した
如く本発明方法による場合は、水素プラズマによる脱炭
、脱窒、脱酸及び脱硫を王とした優れた精錬効果が得ら
れ、しかも気泡の発生がない健全な銭塊が得られ、また
成分調整も容易に行え、更に耐火物を使用しないのでそ
の溶湯汚梁がなく精錬効果を損なうことがない等、本発
明はプラズマアーク溶解法による高純度金属の精錬技術
の向上に優れた効果を奏するものである。

図面の簡単な説明第１図、第２図は本発明方法の実施状
態を示す漠式図、第３図、第４図は従来のプラズマアー
ク溶解法の説明図である。

ｌａ，ｌｂ，ｌｃ，１０，１７……アークトーチ、２ａ
，２ｂ……ハース、３…・・・鋳型、６ａ，１３，１９
・・・・・・母材。

多’図 第２図 多３図 劣４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水素プラズマによる精錬室と、不活性元素のプラズ
   マによる精錬室とを溶湯通過窓を開設した隔壁にて隔て
   てなる精錬装置を用い、水素プラズマによる精錬と、不
   活性元素プラズマによる再精錬と、精錬後の溶湯の鋳造
   とからなる一連の工程を連続的に行うことを特徴とする
   精錬法。