JPS6338535A

JPS6338535A - 反応性金属の製造装置

Info

Publication number: JPS6338535A
Application number: JP62189976A
Authority: JP
Inventors: サルバドール・ルヤン・カマチョ
Original assignee: Plasma Energy Corp
Current assignee: Plasma Energy Corp
Priority date: 1986-07-30
Filing date: 1987-07-29
Publication date: 1988-02-19
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: JP2561289B2; US4718477A; DE3723418C2; DE3723418A1

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】（発明の背景）本発明は、金属材料を製造するための装置に係り、特に
、地下鉱物、海綿金属、鉄くず等を含む反応性金属材料
の溶融及び固化に使用する装置に関するものである。

チタン、ジルコニウム等は通常、反応性金属と呼ばれ、
事実、これらの金属は、あるガスの存在下で加熱される
と急速な反応を呈したり又は爆発したりする傾向にある
。したがって、このような金属の溶融は注意深く制御す
る必要があり、そして、従来では、反応性金属の溶融及
び固化は真空炉の中で行なわれ、熱は電子ビームによっ
て供給されている。しかしながら、電子ビームの使用に
は多くの不利益を有し、事実、電子ビームを持続するの
に真空の高レベルを必要とし、必要とされる高レベルの
真空は費用がかかり、またその結果、合金成分のあるも
のは気化されそして失われる。

また、溜り深さが約１インチ（約２．５４ｃｍ）以上に
なった場合、従来の電子ビーム加熱器は溶融する金属を
加熱するに際して効果が上がらず、したがって、溜り深
さを大変浅くする必要がある。このことは、高比重の汚
染含有物の重力分離を更に困難にする。

必要とされる真空レベルを変え、電子ビーム加熱器の他
の不利益を除去する試みとして、例えば米国特許第３４
２９５６４号に開示されているように、反応性金属を生
成する炉内においてプラズマアークトーチを使用するこ
とが提案された。しかしながら従来の製造に用いられて
いるプラズマアークトーチは全てを満足させることはで
きない。なぜなら、このようなトーチは通常内部にタン
グステン製の電極棒が用いられており、このタングステ
ンは作用中に侵食されたり、また製造されている金属を
汚染したりする。付加的に、周囲真空状態で使用するプ
ラズマトーチの電圧勾配（アーク長で決定されるアーク
電圧）は、プラズマトーチを大気圧中で作用する場合の
電圧勾配よりも非常に小さいので、周囲真空状態におけ
るプラズマトーチの使用にかなりの障害を及ぼす。なぜ
なら、電圧勾配は、与えられたアーク長に対しである程
度の有益な出力パワーを必要とし、トーチの有益な出力
パワーが真空状態でかなり減少し、この場合原材料を有
効に溶かすのに十分なパワーを得ることができない、と
いう理由による。また、パワーレベルはアークの長さに
比例し、そして、通常の環境つまり大気圧において、パ
ワーレベルはアーク長の増大に応じて増加させることが
できる。しかしながら、周囲真空状態において、電圧勾
配は非常に小さいので、アーク長の増加はパワーにおい
てほんの僅かな増加しか与えない。

したがって本発明の目的は、上記した従来技術の欠点及
び制約を克服しかつ反応性金属を溶融するための装置を
提供することにある。

本発明の目的は、電子ビーム加熱器に代えて金属溶融用
のプラズマアークトーチを使用し、また、従来の電子ビ
ーム加熱器に必要とされる真空状態よりも更に高い圧力
下で、そして部分的な真空状態下で作用することができ
る反応性金属溶融用の装置を提供することにある。より
高い作用圧は、加熱チャンバのコストを低減することが
できるばかりでなく、合金の気化及び損失に関する問題
点を回避できる。

本発明の目的は、真空状態でプラズマアークトーチを使
用して反応性金属を溶融し、溶融によるタングステン汚
染を排除し、周囲真空状態においてもトーチの出力パワ
ーを十分に高くなして必要とするパワーレベル及び加熱
能力を与え、トーチが数インチの深さをもった金属溜り
部を加熱でき、そして、数インチの深さをもつことで高
比重の含有物の重力分離を一層容易にする装置を提供す
ることにある。

（発明の概要）本発明の上記目的、他の目的そして利点は、ここで説明
され、また図示された実施例において達成され、そして
、本発明は、周囲真空状態においてプラズマアークトー
チを作用する場合、トーチ自身内でアークを細長くする
ことで、アークの低電圧勾配つまり低減させられたトー
チのパワー能力を更に補整し、そしてトーチ内側を比較
的高いガス圧にすることによって電圧勾配をより高くす
るという発明を伴なっている。特に、本発明に関し反応
性金属等を溶融するための装置を提供し、この装置は閉
鎖された加熱チャンバと、溶けた金属（湯）を支持する
ためにチャンバ内に位置決めされた炉床と、加熱チャン
バ内の気体を実質的に排出するための手段とを含む。ま
た、前記プラズマアークトーチは、トーチハウジングと
、閉鎖された内端と開放外端とをもった細長い管状の金
属部材からなりかつ前記ハウジンク内に設けられた後部
電極棒と、貫通する孔をもった管状の金属部材からなる
規準ノズルとを含み、この規準ノズルは前記ハウジング
内に設けられると共に、前記後部電極棒と同一軸線上に
整列し、そして更に前記プラズマアークトーチは、前記
後部電極棒と規準ノズルとの中間でガスの渦流を発生す
るための渦発生手段とを備える。また、パワー供給手段
は、規準ノズルを通り後部電極棒の孔から炉床までアー
クが延在しトランスファーアークモードでトーチが作用
するように後部電極棒と炉床とを有効に連結させる。作
用において、渦ガス流速とパワー供給とを、炉床に対す
るトーチの軸線位置に関して整合させ、その結果アーク
は後部電極棒の閉鎖された内端に近接して付着し、更に
前記アークは後部電極棒から炉床まで前方に延在すると
共に、トーチ内にアーク長の少なくとも約半分を有する
。

好適には、規準ノズルの孔の直径は後部電極棒の孔の直
径より実質的以下であり、このことは、後部電極棒内の
ガス圧を増加するのに役立つと共に、アーク付着点が後
部電極棒の閉鎖された内端に近接して配置されるのを補
助する。

（実施例）本発明に係る一実施例を以下図面に基づいて詳細に説明
する。

第１，２図を特に参照して、本発明を具体化する装置を
参照数字１０で示し、この装置１０は包囲されかつ熱を
通さないチャンバ１２を備える。このチャンバ１２はほ
ぼ円筒状の壁を有すると共に、水平方向に位置決めされ
ており、特定の実施例において、前記装置は、直径約８
フイート（約２．４４Ｉｎ）高さ約１０フイート　（約
３．０５ｍ）を有している。また、チャンバ１２の壁は
適切な水循環システム（図示せず）によって水冷却され
ている。チャンバ１２の一端はチャンバの内部に手が届
くように開放することができる環状ドア（ドア手段）１
４によって閉鎖されている。

加熱する前記チャンバ内には、皿状で水冷却された銅製
の炉床１６が設けられている。この炉床１６は側縁部に
沿って注ぎ口１７を有し、そして炉床１６は、下方に位
置する鋳型１８内へ溶融金属の注ぎを可能にするために
選択的な枢着がなされている。

第２図に最もよく示されているように、前記鋳型１８は
底部回収タイプをなし、したがって、鋳型１８が満たさ
れ金属が固化した時に、インゴットが連続的に下方に回
収される。炉床１６はまた、炉床の底面に溶接された銅
製の配管（図示せず）を有し、炉床１６を水冷却するこ
とができる。また、同様に鋳型１８を水循環システムに
よって冷却してもよい。

炉床１６の深さを十分にすることで、高比重の汚染含有
物を重力によって炉床の底に分離することができ、そし
てその結果、鋳型１８内へ前記含有物を注ぐ危険性を効
果的に最小にする。

更に、加熱チャンバ１２は排出ポート２０を含み、この
排出ポート２０は、これに連結された適切な真空ポンプ
２１を有する。また、一対の材料供給ポート２２がチャ
ンバ１２の対向側壁を通って延在し、前記材料供給ポー
ト２２は溶融される材料を支持するためのトレイ２３を
有し、同様に、押し出し棒２４によって定期的に前記材
料を前進させて、下方に位置する炉床内に材料を落とす
。

トランスファーアーク型式のプラズマアークトーチ３０
は加熱チャンバ１２の壁内に設けられており、そして、
第３図に示されているように、前記トーチ３０はトーチ
ハウジング３１を（Ｒｒｌえ、後部電極棒３２は前記ハ
ウジング３１内に設けられると共に、閉鎖された内端３
３及び開放した外端を有する細長い管状の金属部材を備
えている。好適には、後部電瓶棒３２は一体をなす−か
たまりの銅から構成されている。規準ノズル３５はこの
ノズルを貫通する孔を形成した管状の金属部材を備え、
前記規準ノズル３５は、ハウジング３１内に設けられて
いると共に、後部電極棒の開放外端と軸線方向に整列し
ている。

また、後部電極棒３２とノズル３５との中間位置で、ガ
スの渦流を発生するための渦発生手段が備えられている
。この渦発生手段は中空の環状リング３６を有し、この
リング３６は内側面において接線方向に開放した複数の
開口部を有すると共に、ノズル３５に隣接している。ま
た、典型的なヘリウムガスやアルゴンガスのガス源３８
と、リング３６すなわちトーチ３０内への流速を制御す
るための調整装置３９とを有する。第４図に最もよく示
されているように、規準ノズル３５の孔の直径ｄは、以
下に示す理由ｊこより、後部電陽棒３２の孔の直径りよ
り概ね以下である。

水はトーチ３０を冷却するのに必要であり、したかって
、前記トーチ３０は第３図において符号４０で示されて
し）る内部水循環システムを有する。また、従来のアー
クガス再生システム４１（第１図参照）を排出ダクト内
に設けてもよく、このシステムを設けることによって、
アークガスの少なくとも一部分が再生されそしてトーチ
３０へ再循環される。

渦発生手段及び水冷システムに関して更に詳細なものと
しては、カマチョ（Ｃａｍａｃｈｏ）社に付与された米
国特許第３６７３３７５号、第３８１８１７４号に開示
されている。

トーチ３０はボール動作部４２によって加熱チャンバ１
２の一端に隣接して設けられており、前記ボール動作部
４２によって、トーチ３０は軸線方向への出入移動にお
いて炉床からの離間を調整することができ、同様に少な
くとも２面内で漢方向すなわち側方移動を可能にする。

また、トーチ３０は、プラズマ柱が炉床の平面に対して
約６０°の角度で配置されるように備えられている。

本発明の装置はまたパワー供給手段４４を有し、このパ
ワー供給手段４４は、トーチ３０をトランスファーアー
クモードで作用させるために、後部電極棒３２と炉床１
６とを有効に連結しており、したがって、アークＡが、
規準ノズル３５を通って、後部電極棒３２の孔から炉床
１６まで延在する。一つの実施例として、パワー供給手
段４４は、３相交流を、制御された直流電力に変換する
よう設計され、陽極を後部電極棒３２に接続し、陰極を
炉床に接続する。

例えば、前記パワー供給手段４４は３相で６００ボルト
、６０ヘルツのものを受は入れ、これを５００〜７５Ｑ
ｋｗの直流電力に変換する。アーク電流は制御パネルで
決定され制御される。一方アーク長及びアークガスはア
ーク電圧を決めることによって調整される。

本発明の重要な特色について、トーチ３０の後部電極棒
３２は細長い円筒形状を有し、後部電極棒３２の内部直
径りに対する孔の長さの比率は少なくとも約１０倍好適
には２０倍以上である。例えば、電極棒３２は内部孔の
長さ約３０インチ（約７６．２ｃｍ）　、内部直径約１
．１２５インチ（約２．８５７５ｃｍ）を有し、この場
合、直径りに対する孔の長さの比率は約２６．７倍であ
る。また、前記トーチ３０は、アークＡが電極棒３２の
内端３３に直近の地点で、孔内に付着するような作用を
なすと共に、後部電極棒３２から炉床１６まで延在する
アークＡの長さの半分がトーチ３０内に配置されている
。最も好適には、第３図に示すように、アークＡの長さ
しの２７３以上がトーチ３０内に配置されている。

事実、ノズル３５の直径ｄは後部電極棒３２の孔の直径
り以下であり、その結果、ノ、ズル３５を通って外方に
出る渦状のガス流を制限する。このことは後部電極棒内
でのガス圧を増し、それによって、アークの付着点が、
後方へ移動すると共に、後部電極棒の閉鎖された内端３
３に近接するように配置されるということが判明した。

好適には、Ｄ／ｄは比率は約１．５であり、上記例にお
いて、直径りが１、１２５インチ（約２．８５７５ｃｍ
）　、直径ｄは好適には約０．７５インチ（約１．９０
５　ｃｍ）である。

アーク長さのうちの大部分がトーチ３０内にあるように
トーチを作用させることの重要性は第５゜６図の実験値
によって分かる。第５図は、ヘリウム及びアルゴンガス
に関する電圧勾配対真空レベルのプロットを示している
。そこで、約７６０トールの大気圧にふいて、ヘリウム
ガスの周囲におけるアークは約１０〜１１ｖ／Ｃｌ１１
の電圧勾配を有し、アルゴンガスの周囲におけるアーク
は約６〜８Ｖ／ｃｍの電圧勾配を有している。しかしな
がら、第５図に示すように、圧力降下に対して電圧勾配
はかなり降下する。したがって、圧力２２５トールにお
いて、ヘリウムガス及びアルゴンガスに対する電圧勾配
はそれぞれ約４．５Ｖ／　ｃｍ及び約２．９Ｖ／Ｃｍで
あり、第６図に示すように、アーク長対アーク電圧のプ
ロットの傾斜は圧力２２５トールでほとんどフラットで
あり、その結果、アーク長の変化はアーク電圧に補備か
な変化しか与えず、したがって僅かなパワーしか引き出
されない。低圧力で反応性金属の製造がしばしば行なわ
れ、曲線はなお一層フラットとなり、そしてアーク長の
変化はパワーレベルに影響をほとんど及ぼさない。この
ことは、高い真空状態で悪い結果をもたらす。なぜなら
、金属材料を溶融するために、十分なパワー及び熱を供
給するのに必要な距離だけアーク長を延ばすことができ
ないからである。

本発明に関して、上記問題点を解決するためには、渦ガ
スの導入によってトーチ３０自身内に比較的高い圧力を
生じさせ、そしてこの圧力レベルが、上述したＤ／ｄ比
率によって引き起こされる制限によって増加するという
点を認識することである。

また、細長い管を形成する後部電極棒３２を使用し：か
つガス流速と電流レベルを整合することによって、トー
チ内の圧力を制御することができ、そしてアークは、後
部電極棒の内端３３に近接する地点での付着を可能にす
る。したがって、アーク長はトーチ自身内で延在され、
その場所で比較的高い圧力が存在し、そして、内側にお
けるアークのこの部分では比較的高い電圧勾配を有する
と共に、トーチの外側に存在する真空状態における電圧
勾配のロスを補償することができる。

本発明に関し、多数のチタニウム片の溶融及び固化を伴
う工程の例を以下に示す。上述されたように加熱チャン
バ１２には、１００ＫＶす〜１５００ｋｖＪの範囲で作
用するパワーをもったトーチ３０が嵌着されている。ト
ーチ３０の後部電極棒３２は、閉鎖された内端と約３０
インチ（約７６．２ｃｍ）の長さの孔と、１．１２５イ
ンチ（約２．８５７５　ａｍ）の直径りとを有し、一体
をなす銅製の管を構成する。ノズル３５の直径ｄは０．
７５インチ（約１．９０５　ｃｍ）であり、渦発生体く
リング）３６及びノズル３５の軸線方向長さは総計約５
インチ（約１２．７ｃｍ）である。様々なサイズ及び形
状のチタニウム片が炉床１６上に供給され、そして、チ
ャンバ１２は約２２５トールの圧力になるまで空気が排
出される。次に、プラズマトーチ３０を約５００ｋｗで
作用させ、渦ガスの流速は６Ｑｓｃｆｍ　（ｓｔａｎｄ
ａｒｄｃｕｂｉｃ　ｆｅｅｔ　ｐｅｒ　ｍ１ｎｕｔｅ）
　　（約１．６９８ｍ３／ｍ１ｎ）でセットされると共
に、±２０％の範囲で循環して変化させると、約４１１
１−７２ｓｃｆｍ　（約１．３５８〜２．０３８ｍ３／
ｍ１ｎ）の間で変化する。アークは後部電極棒３２の内
端部分内で付着すると共に、圧力変化に応じて軸線方向
に約１０インチ（約２５．４ｃｍ）移動し、その結果、
電極棒の孔の侵食が広範囲になる。アークの付着地点の
移動の中心は後部電極棒の閉鎖された内端３３から約５
インチ（約１２．７ｃｍ）である。作用中、トーチの前
端は炉床から１８インチ（約４５．７２　ｃｍ）離れて
配置され、アーク長は後部電極棒内で平均２５インチ（
約６３．５ｃｍ）　、渦発生体リング３６を通って５イ
ンチ（約１２．７ｃｍ）　、炉床まで１８インチ（約４
５．７２　ｃｍ）を有するので、アークの全長は約４８
インチ（約１２１．９２ｃｍ）である。したがって、全
アーク長４８インチ（約１２１．９２ｃｍ）　　のうち
の３０インチ（約７６．２ｃｍ）すなわち全長の６２．
５％はトーチ内に入っている。

作用中、トーチ３０の取付体４２においてトーチ３０を
側方に回動して炉床内の溶融領域の面積を増し、チタニ
ウム片が溶かされた場合、炉床１６は、下方に位置する
鋳型１８に溶融金属を流し込むために傾けられる。この
工程は、鋳型１８が一坏になるまで繰返され、その結果
、宇宙航空産業に用いられる既存の反応性金属製造明細
書のもとで゛′第１インゴ７）”としての価値及び条件
を満たす６０００ポンド（約２７２１．５４　ｋｇ）　
のインゴットが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に関し反応性金属を溶融するための装置
の一実施例を示す部分切欠斜視図、第２図は第１図の装
置の部分切欠側面図、第３図は本発明に係る装置の要部
拡大断面図、第４図は第３図に示されたトーチの先端に
おける拡大断面図、第５図はヘリウムガス及びアルゴンガスにおける電圧勾
配対真空レベルのプロットを表わすグラフ、第６図は２２５トールの圧力下でヘリウムガス及びアル
ゴンガスにおけるアーク電圧対アーク長のプロットを表
わすグラフである。１０・・・装置　　　　　　　１２・・・加熱チャンバ
１４・・・ドア手段（環状ドア）１６・・・炉床　　　　　　　１７・・・注ぎ口１８・
・・鋳型　　　　　　　２０・・・排出ポート２１・・
・真空ポンプ　　　　２２・・・材料供給ポート２４・
・・押し出し棒３０・・・プラズマアークトーチ３１・・・トーチハウジング　３２・・・後部電極棒３
３・・・内端　　　　　　　３５・・・規準ノズル３６
・・環状リング　　　　３８・・・ガス源３９・・・調
整装置４０・・・内部水循環システム４２・・・ボール動作部　　　４４・・・パワー供給手
段特許出願人　プラズマ・エナージー・コーポレーション

Claims

【特許請求の範囲】１、閉鎖された加熱チャンバ（１２）と、溶融金属を支
持するために前記加熱チャンバ（１２）内で位置決めさ
れた炉床（１６）と、前記加熱チャンバ（１２）内の気
体を実質的に排出するための手段（２１）と、プラズマ
アークトーチ（３０）と、前記炉床（１６）から所定距
離離間して前記加熱チャンバ（３０）に前記トーチを取
付ける手段とを備え、反応性金属等を溶融するのに適し
た装置において、前記プラズマアークトーチ（３０）は
、トーチハウジング（３１）と、内部孔と閉鎖された内
端（３３）と開放外端とをもった細長い管状の金属部材
からなると共に、前記ハウジング（３１）内に設けられ
た後部電極棒（３２）と、貫通する孔をもった管状の金
属部材からなる規準ノズル（３５）とを含み、この規準
ノズルは前記ハウジング（３１）内に設けられると共に
、前記後部電極棒（３２）と同一軸線上に整列し、そし
て更に前記プラズマアークトーチ（３０）は、前記後部
電極棒（３２）と前記ノズル（３５）との中間位置でガ
スの渦流を発生させるための渦発生手段（３６、３８、
３９）と、前記規準ノズル（３５）を通り前記後部電極
棒（３２）の前記孔から前記炉床（１６）までアークが
延在しトランスファーアークモードで前記トーチ（３０
）が作用するように前記後部電極棒（３２）と前記炉床
（１６）とを有効に連結したパワー供給手段（４４）と
を有し、前記アークが前記後部電極棒（３２）の前記孔
の閉鎖された内端に近接して付着し前記後部電極棒（３
２）から前記炉床（１６）まで延在する前記アークの長
さの少なくとも約半分が前記トーチ（３０）内に配置さ
れるように、前記渦発生手段（３６、３８、３９）と前
記パワー供給手段（４４）とを整合したことを特徴とす
る反応性金属の製造装置。２、前記後部電極棒（３２）の前記内部孔はこの孔の直
径の少なくとも１０倍をなす軸線方向長さを有したこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。３、前記規準ノズル（３５）の前記孔の直径（ｄ）を前
記後部電極棒（３２）の前記孔の直径（Ｄ）よりも実質
的に小さくして、前記後部電極棒の孔内で渦ガスの圧力
を増加させることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の装置。４、前記装置は更に前記チャンバに設けられた水冷却さ
れた鋳型（１８）を有し、前記炉床（１６）を枢着して
前記鋳型（１８）内に溶融金属を選択的に注ぐことがで
きるよう構成したことを特徴とする特許請求の範囲第３
項記載の装置。５、前記加熱チャンバ（１２）は、このチャンバの内部
及び前記鋳型に選択的に近づくことができるようにドア
手段（１４）を有したことを特徴とする特許請求の範囲
第３項記載の装置。６、前記加熱チャンバ内の気体を実質的に排出するため
の手段（２１）は、前記渦発生手段によって前記加熱チ
ャンバ内に導入されたガスを集め、かつこの集められた
ガスを前記渦発生手段へ再循環させるための手段を有し
たことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置。７、前記装置は、更に、前記炉床（１６）へ原材料を選
択的に送り込むために、前記加熱チャンバ内で位置決め
された原材料供給手段（２２）を備えたことを特徴とす
る特許請求の範囲第３項記載の装置。８、前記トーチ（３０）を前記加熱チャンバ（１２）に
取付ける手段（４２）は前記炉床（１６）の平面に対し
て約６０°の角度で前記トーチ（３０）を保持すること
を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置。９、前記トーチ（３０）は、前記炉床（１６）に対して
接近したり離れたりして軸線方向に選択的に移動し、か
つ、前記炉床（１６）に対して選択的に側方へ移動する
ように、前記加熱チャンバ（１２）に調整可能に取付け
られたことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装
置。１０、前記パワー供給手段（４４）は直流電源を備え、
この電源の陽極側を前記後部電極棒（３２）に連結し、
陰極側を前記炉床（１６）に連結したことを特徴とする
特許請求の範囲第３項記載の装置。