(57)【要約】【課題】  溶製効率に優れ、合金の組成割合が正確に製造できると共に、高融点金属の溶解、水素精錬を可能にした、誘導加熱溶解炉及び誘導加熱溶解方法を提供する。【解決手段】  被溶解金属１３０を収容する溶解炉本体１１０と、この溶解炉本体１１０の側面壁１１２の外周側に配置され、溶解炉本体１１０に収容された被溶解金属１３０を誘導加熱する誘導加熱コイル１２０とを備えた誘導加熱溶解炉１０において、溶解炉本体１１０の上方に、被溶解金属１３０に対してアークプラズマが照射可能なプラズマトーチ２０を設置した構成とした。  また、溶解方法は、この誘導加熱溶解炉１０を用い、被溶解金属１３０の融点よりも１００℃以上に被溶解金属１３０の溶湯温度を昇温した後に、出湯し、鋳造を行うように構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶解金属を収容する溶解炉本体と、この溶解炉本体の側面壁の外周側に配置され、前記溶解炉本体に収容された被溶解金属を誘導加熱する誘導加熱コイルとを備えた誘導加熱溶解炉において、
前記溶解炉本体の上方に、前記被溶解金属に対してアークプラズマが照射可能なプラズマトーチを設置したことを特徴とする誘導加熱溶解炉。
【請求項２】
前記被溶解金属は、高融点金属、又は、高融点金属を含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項３】
前記プラズマトーチは、アークの基点となる電極と、
この電極の周囲に、ガスを流す間隙を介して配置されるノズルと、
を具備してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項４】
前記電極と前記ノズル間には、パイロット電流を供給する直流電源が備えられると共に、前記電極と前記被溶解金属間には、メイン電流を供給する直流電源が備えられていることを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項５】
前記アークプラズマ用ガスとして、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、又は、水素を用いるようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の誘導加熱溶解炉 。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の誘導加熱溶解炉を用い、
前記電極と前記ノズル間に発生したアークプラズマをガス流にて前記プラズマトーチ先端部から噴出させるパイロットアークを行った後に、
前記被溶解金属にメインアークを行うようにしたことを特徴とする誘導加熱溶解方法。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の誘導加熱溶解炉を用い、
前記被溶解金属の融点よりも１００℃以上に前記被溶解金属の溶湯温度を昇温した後に、出湯し、鋳造を行うようにしたことを特徴とする誘導加熱溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱溶解炉及びこの溶解炉を用いた誘導加熱溶解方法に係り、特に、溶製効率に優れ、合金の組成割合が正確に製造できると共に、高融点金属の溶解、水素精錬を可能にした、プラズマ併用型の誘導加熱溶解炉及びこの溶解炉を用いた誘導加熱溶解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、従来の誘導加熱溶解炉の一例として、コールドクルーシブル誘導溶解炉 （以下、簡単に「溶解炉」という場合がある。）が実用に共されている。
以下、従来のコールドクルーシブル誘導溶解炉について、図４を用いて説明する。
図４は、従来のコールドクルーシブル誘導溶解炉を説明するための一部裁断側面図である。
【０００３】
図４に示すように、従来のコールドクルーシブル誘導溶解炉１００は、互いに電気的に絶縁された縦割り状の導電性セグメント１１２を、円周方向に配列することにより形成された容器状の溶解炉本体１１０と、この溶解炉本体１１０の周囲に配置された誘導加熱コイル１２０とを備えた構成である。
なお、以下、「溶解炉本体」を適宜「ルツボ」という場合がある。
【０００４】
また、溶解炉本体１１０は、冷却水１１４により効率良く冷却されるように、導電性セグメント１１２内部に冷却水路１１６が形成されていると共に、熱伝導率の良い金属により形成されている。
【０００５】
通常、溶解炉本体１１０内の被溶解金属１３０を誘導加熱により溶解しているときに、溶解炉１００内壁表面１１２ａの底側に、溶湯１３４の凝固物であるスカル１３２が付着している。
また、図４に示すように、溶解炉１００の溶解時には、被溶解金属１３０の溶湯１３４がスカル１３２を器とし、電磁力により盛り上がって溶融状態を保っている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３４０５６０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の溶解炉では、誘導加熱による電力は、上部の溶湯部分と、溶解炉内壁表面に付着しているスカル部分に投入される。
この場合、溶湯部分に投入される電力は有効に溶湯の加熱に利用されるが、スカル部分への電力は、スカルが付着している溶解炉内壁表面から吸熱されて、溶湯の加熱に利用されない。
【０００８】
このような溶融状態の時は、ルツボ底側のスカルが厚くなるという問題がある。
スカル量が多い溶解は、例えば、次のような問題を備えている。
（１）投入した被溶解金属の投入材料のうち、溶湯となる割合が小さくなり、溶解効率が悪化する。
（２）合金を溶製する場合は、スカルになった部分により被溶解金属が取り込まれて、合金の組成が目的の割合と相違してしまう。また、添加物を添加して溶融する場合は、スカルに添加物が取り込まれて、添加物を有効に溶融できないことがある。
【０００９】
特に、高融点金属や、この高融点金属を含む合金を溶製する場合は、上記の問題が顕著となり、場合によっては、溶湯より、溶湯が載っているスカルの方が多い状態になり、更に、最悪のケースでは、溶解自体が行われなくなることもあり得る。
【００１０】
また、従来の溶解炉によるコールドクルーシブル溶解では、被溶解金属の融点＋１００℃以上の溶湯の過昇温ができなかったため、例えば、チタン（Ｔｉ）系、ニッケル（Ｎｉ）系などの精密鋳造においては、鋳型への湯流れが悪く、鋳造不良を起こし、製品の品質、歩留まりを低下させるなどの問題があった。
このため、場合によっては、遠心鋳造などの鋳造方法が採られていたが、より優れた製品を得るためには、溶湯の過昇温（融点＋１００℃以上）が求められていた。
【００１１】
また、例えば、高融点金属（Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗなど）を含むスパッタリング等に用いられるターゲットは、焼結により作製されているが、焼結体は気孔の発生をなくすことができないため、この気孔によるスパッタリング成膜中の突沸、異常放電などが発生し、これらの事態による製品の歩留まり低下、成膜速度の低下などの問題を抱えていた。
従って、これらの問題を解決できる、溶解鋳造品のターゲットが従来より望まれていた。
【００１２】
本発明は、上記課題（問題点）を解決し、溶製効率に優れ、合金の組成割合が正確に製造できると共に、高融点金属の溶解、水素精錬を可能にした、誘導加熱溶解炉及び誘導加熱溶解方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の誘導加熱溶解炉は、上記課題を解決するために、請求項１に記載のものでは、被溶解金属を収容する溶解炉本体と、この溶解炉本体の側面壁の外周側に配置され、前記溶解炉本体に収容された被溶解金属を誘導加熱する誘導加熱コイルとを備えた誘導加熱溶解炉 において、前記溶解炉本体の上方に、前記被溶解金属に対してアークプラズマが照射可能なプラズマトーチを設置した構成とした。
【００１４】
請求項２に記載の誘導加熱溶解炉は、前記被溶解金属は、高融点金属、又は、高融点金属を含む合金である構成とした。
【００１５】
請求項３に記載の誘導加熱溶解炉は、前記プラズマトーチは、アークの基点となる電極と、この電極の周囲に、ガスを流す間隙を介して配置されるノズルと、を具備してなる構成とした。
【００１６】
請求項４に記載の誘導加熱溶解炉は、前記電極と前記ノズル間には、パイロット電流を供給する直流電源が備えられると共に、前記電極と前記被溶解金属間には、メイン電流を供給する直流電源が備えられている構成とした。
【００１７】
請求項５に記載の誘導加熱溶解炉は、前記アークプラズマ用ガスとして、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、又は、水素を用いるように構成した。
【００１８】
請求項６に記載の誘導加熱溶解方法は、請求項４又は５に記載の誘導加熱溶解炉を用い、前記電極と前記ノズル間に発生したアークプラズマをガス流にて前記プラズマトーチ先端部から噴出させるパイロットアークを行った後に、前記被溶解金属にメインアークを行うように構成した。
【００１９】
請求項７に記載の誘導加熱溶解方法は、請求項１乃至５のいずれかに記載の誘導加熱溶解炉を用い、前記被溶解金属の融点よりも１００℃以上に前記被溶解金属の溶湯温度を昇温した後に、出湯し、鋳造を行うように構成した。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の誘導加熱溶解炉は、以上のように構成したために、次のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、溶湯に対して、プラズマ照射により、直接、電力が投入され、溶製効率が優れ、合金の組成割合が正確に製造できる。
（２）また、溶解炉本体の内側面の未溶解部であるスカルが減少することにより、スカルにより遮蔽されていた誘導磁場が溶湯に届き、誘導電力の溶湯への直接的な投入が促進され、一層スカルの低減が可能になる。
【００２１】
（３）請求項２に記載したように構成すると、特に、被溶解金属が、高融点金属、又は、高融点金属を含む合金である場合に顕著な効果を有する。
【００２２】
（４）請求項３に記載したように構成すると、溶湯へのプラズマ照射が安定して行えるようになる。
【００２３】
（５）請求項４に記載したように構成すると、パイロットアークを介してメインアークへの２段構成が可能になり、プラズマ照射が容易に制御可能になる。
【００２４】
（６）請求項５に記載したように構成すると、アークプラズマ用ガスとして、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを用いた場合は、溶湯に熱のみを加えることができる。
（７）一方、アークプラズマ用ガスとして、水素ガスを用いた場合は、水素精錬が行えるようになる。
【００２５】
また、本発明の誘導加熱溶解方法は、以上のように構成したために、次のような優れた効果を有する。
（８）請求項６に記載したように構成すると、プラズマトーチによるプラズマ照射が円滑に行えるようになる。
【００２６】
（９）請求項７に記載したように構成すると、真空精錬が促進され、また、湯流れ良く鋳型に鋳込めるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の誘導加熱溶解炉の一実施の形態について図１乃至図３を用いて説明する。
図１は、本発明の誘導加熱溶解炉の一実施の形態を説明するための縦断側面図である。
図２は、本発明の誘導加熱溶解炉に用いるプラズマトーチの概略構成を示す一部裁断側面図である。
図３は、本発明の誘導加熱溶解炉の有用性を説明するための一部裁断側面図である。
【００２８】
本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０は、誘導加熱溶解炉の一例として、従来装置の説明同様に、コールドクルーシブル誘導溶解炉を用い、図１に示すように、従来のコールドクルーシブル誘導加熱溶解炉１００（図４参照）同様に、縦割り状の導電性セグメント１１２を、円周方向に配列することにより溶解炉本体１１０が形成され、この溶解炉本体１１０の周囲に誘導加熱コイル１２０が配置されている。
【００２９】
一方、図１に示すように、本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０は、溶解炉本体１１０の上方に、被溶解金属１３０に対してアークプラズマ５０が照射可能なプラズマトーチ２０を設置したことに特徴を有している。
【００３０】
また、このプラズマトーチ２０は、図２に示すように、アークの基点となる電極２２と、この電極２２の周囲に、ガス２４を流す間隙２６を介して配置されるノズル２８から構成される。
【００３１】
更に、プラズマトーチ２０の電極２２とノズル２８間には、パイロット電流を供給する直流電源３０が備えられ、また、電極２２と被溶解金属１３０間には、メイン電流を供給する直流電源３２が備えられている。
なお、図２及び図３では、本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０の有用性の検証を説明するために、図１中の被溶解金属（スカル１３２：溶湯１３４）１３０の代わりに母材４０を用いた例で図示している。
【００３２】
次に、本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０の基本動作について、図１乃至図３を用いて説明する。
先ず、図２に示すように、メイン電流を流す電源３２の＋極を溶湯１３４（図２の母材４０に相当）に、−極をプラズマトーチ２０の電極に接続し、溶湯１３４に直流プラズマ５０を照射する。
【００３３】
この際、アークプラズマ用ガスとして、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを用いると、溶湯１３４に熱のみを加えることができる。
一方、アークプラズマ用ガスとして、水素を用いるようにすると、水素精錬が行えるようになる。
【００３４】
また、後述するように、溶湯１３４にプラズマ５０を照射する際には、電極２２−溶湯１３４間には、メインアーク以外に、電極２２−ノズル２８間のパイロットアークを適用する２段構成が有効である。
【００３５】
そこで、以下、パイロットアークからメインアークに移行する工程について説明する。
（１）先ず、電極２２−ノズル２８間の間隙２６からプラズマトーチ２０の下方に向かって、ガス流２４を噴出させる。
（２）次に、電極２２−ノズル２８間に直流電源３０により直流電圧を印加した上で、図示しない高周波電圧を重畳し、パイロットアークを生じさせる。このパイロットアークは、非移行型のプラズマであり、加熱対象が絶縁物質の場合はこの状態で加熱できる。
（３）次に、プラズマ５０が照射されている先に母材４０（図１の溶湯１３４に相当）を置き、電極２２−母材４０間に直流電源３２により直流電圧を印加し、メインアークに移行する。
【００３６】
従って、本実施の形態の誘導加熱溶解炉によると、溶湯１３４に対して、プラズマ照射により、直接、電力が投入され、未溶解部であるスカル１３２が減少し、溶製効率が優れ、合金の組成割合が正確に製造できる誘導加熱溶解炉とすることができる。
また、溶解炉本体１１０の内側面の未溶解部であるスカル１３２が減少することにより、スカル１３２により遮蔽されていた誘導磁場が溶湯１３４に届き、誘導電力の溶湯１３４への直接的な投入が促進され、一層スカル１３２の低減が可能になる。
【００３７】
また、本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０では、プラズマ５０による精錬効果が期待できるが、特に、プラズマガスに水素を用いると、水素精錬が行われて、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）などのガス成分を積極的に除去できる効果も併せ持つことが可能になる。
【００３８】
更に、従来の誘導加熱溶解炉１００（図４参照）では、溶湯１３４の温度は、融点よりも数十℃高い程度であったが、溶湯１３４上部にプラズマトーチ２０によりプラズマ５０を照射することにより、被溶解金属１３０の融点より１００℃以上の高い湯温（スパーヒート）が溶湯１３４上部を中心に達成できる。
これにより、真空精錬が促進され、また、溶湯１３４を湯流れ良く鋳型に鋳込めるようになる。
【００３９】
次に、本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０のプラズマ照射の安定性の検証について図３を用いて説明する。
図３では、母材４０の左側上面に突起物４２を配置したが、この突起物４２は、母材４０を被溶解金属１３０とした場合、ルツボ１１０の上面を想定したものである。
【００４０】
図３に示すように、プラズマトーチ２０から照射されるガス流の方向に母材４０を置き、上記したように、プラズマトーチ２０の近傍で母材４０の左側上面に突起物４２を配置し、パイロットアークを発生させた。
【００４１】
この状況で、メインアークは、電界強度の大きい突起物４２の方ではなく、ガス流の進行方向であるパイロットアークの先に設置した母材４０との間に発生した。
つまり、この検証実験が示すように、溶湯１３４と同電位であるルツボ１１０の上縁にプラズマ５０を照射することなく、溶湯１３４に安定かつ有効に電力を投入できることが理解される。
しかし、この場合、ガス流が弱いとパイロットアークからメインアークに移行せずに、パイロットアークのままであったが、ガスの流量を増すことにより、メインアークに移行することが判明した。
【００４２】
よって、本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０では、プラズマ５０に用いるガス流を制御することにより、母材４０と同電位の突起物４２がプラズマトーチ２０の近傍に存在しても、母材４０に有効にプラズマ照射をすることができる。
即ち、溶湯１３４と同電位であるルツボ１１０の上縁にプラズマ５０を照射することなく、溶湯１３４に安定かつ有効に電力を投入できることが実証されている。
【００４３】
また、本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０では、図示しない炉体傾動装置などの出湯手段を備えさせ、誘導加熱溶解炉１０とプラズマ５０の併用により、金属或いは合金の溶解を行い、かつ、水素ガスを用いたプラズマ５０による還元精錬、プラズマ５０併用による昇温での蒸発精錬を効果的に行い、また、誘導加熱溶解炉１０の電磁撹拌により、所望の組成の合金とすることができる。
更に、電磁撹拌により上記プラズマ５０併用による還元精錬、蒸発精錬の効率を一層高めることができ、被溶解金属１３０の融点より１００℃以上の溶湯温度で、鋳型への出湯を行うことができる。
【００４４】
本発明の誘導加熱溶解炉は上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。
上記実施の形態では、誘導加熱溶解炉として、コールドクルーシブル誘導溶解炉を例に用いたが、必ずしもこれに限定されず、他の誘導加熱溶解炉にも適用できるのは勿論のことである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の誘導加熱溶解炉の一実施の形態を説明するための縦断側面図である。
【図２】本発明の誘導加熱溶解炉に用いるプラズマトーチの概略構成を示す一部裁断側面図である。
【図３】本発明の誘導加熱溶解炉の有用性を説明するための一部裁断側面図である。
【図４】従来のコールドクルーシブル誘導溶解炉を説明するための一部裁断側面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０：誘導加熱溶解炉
２０：プラズマトーチ
２２：電極
２４：ガス
２６：間隙
２８：ノズル
３０：パイロットアーク用直流電源
３２：メインアーク用直流電源
５０：プラズマ
１１０：溶解炉本体
１２０：誘導加熱コイル
１３０：被溶解金属
１３２：スカル
１３４：溶湯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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