JP2000171169A - 浮揚溶解装置の金属るつぼ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】溶湯が安定して金属るつぼとの非接触状態を保
ち、かつ、被溶解材料と鎖交する磁束と誘導コイルによ
り発生する全磁束との比率を増加させて溶解効率を向上
さる。 【解決手段】金属るつぼ１において、スリット８は金属
るつぼ１の内周側、および外周側で狭くし、中間を広げ
て形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、導電性の被溶解
材料を交番磁界内に置いて電磁誘導作用により誘導加熱
するとともに、被溶解材料に側面から電磁力を与えて、
被溶解材料がるつぼ側面に非接触で溶解し、上方から挿
入する減圧ノズルまたは、るつぼ底部の略中心に設けた
流出口から出湯して鋳造する浮揚溶解装置の金属るつ
ぼ、または凝固物を機械的に引き下げてインゴットを生
成する連続鋳造装置の金属るつぼに関する。

【０００２】

【従来の技術】図５〜８は従来例の構成を示し、図５は
従来例の浮揚溶解装置の縦断面図、図６は図５の金属る
つぼの概観図、図７は図５の金属るつぼの横断面図、図
８は図５の金属るつぼの内外周の略中間を上下方向に切
断した部分断面図を示す。この図５〜８において、１は
周方向に略等間隔で放射状のスリット２を有する金属る
つぼ、３は該金属るつぼ１を水冷する冷却水の通水路、
４は金属るつぼ１内に投入された溶解材料を誘導加熱し
て溶解する誘導コイル、５は金属るつぼ１内に投入され
た溶解材料が溶解された溶湯、６は溶解材料が溶解して
金属るつぼ１の底部で冷却されて凝固した、上部の溶湯
５の受け皿、７は金属るつぼ１の胴部に放射状に穿孔し
たスリット２で区切られたセグメントを示す。

【０００３】この図５〜８において、金属るつぼ１は円
筒体の胴部に放射状の縦長のスリット２を設けた有底の
るつぼに構成されており、スリット２で区切られたセグ
メント７の略中心に冷却水の通水路３が上部でセグメン
ト７間を亙って下部の冷却水出入り口に通じて、そこか
ら冷却水を給排水して金属るつぼ１を冷却するようにし
ている。この金属るつぼ１の外周側には誘導コイル４が
巻回されており、図示されていない交流電源に接続され
ている。

【０００４】上記構成において、誘導コイル４により発
生した磁束は金属るつぼ１と、金属るつぼ１のスリット
２を通して金属るつぼ１内に侵入して、金属るつぼ１内
に投入された溶解材料とに鎖交して、金属るつぼ１の主
にスリット２で区切られたセグメント７に渦電流を誘起
するとともに、溶解材料にも渦電流を誘起する。溶解材
料に誘起した渦電流は溶解材料の電気抵抗との間でジュ
ール熱を発生して溶解材料を加熱溶解する。このセグメ
ント７に誘起した渦電流と、溶解材料に誘起した渦電流
は対向する面では電流の向きが逆方向であるので互いに
反発力が発生し金属るつぼ１は固定しているので溶解材
料が溶解した溶湯５が金属るつぼ１から離れて浮揚す
る。この溶湯の一部は金属るつぼの底部で冷却されて凝
固して上部の溶湯５の受け皿６（その形状が骸骨に似て
いることからスカルと呼ばれる）となっており、溶湯５
は、側壁では金属るつぼ１からの反発力により非接触で
溶解し、底部は受け皿６と接しているので直接金属るつ
ぼ１と接触することなく溶解される。セグメント７に誘
起した渦電流はセグメント７を加熱するので通水路３に
冷却水を通水して金属るつぼ１が過熱しないように冷却
している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の構成で
は誘導コイルに高周波電流を通電して発生した磁束は金
属るつぼに鎖交して渦電流を誘起して、その渦電流によ
りセグメントの部分では磁束が金属るつぼ内に進入しな
いように遮蔽するので、金属るつぼ内にはスリットを通
過した磁束のみが進入する。従来の構成ではスリット幅
を狭くして溶湯の安定を保つようにしているので所望の
溶解能力を得るための磁束を金属るつぼ内に生成するた
めには誘導コイルへの入力電力を大きくする必要があっ
たがセグメント内の渦電流損も大きくなる。一方、スリ
ットの幅を広くして被溶解材料と鎖交する磁束と誘導コ
イルにより発生する全磁束との比率を増加させると溶解
効率は向上するとともに、溶湯の非接触状態を確実に行
うことができる。しかしながら、スリットの開口幅を広
くすると、スリットに対向する溶湯の部分では電磁反発
力が大きくなり溶湯の動きが乱れ、安定して金属るつぼ
との非接触状態を保てなくなり、また、スリットに充填
されている絶縁物のるつぼ内部への露出面積が大きくな
って、チタン等の高融点活性金属の溶解では、溶解金属
と絶縁物とが接触し易くなり、溶解金属が汚染する。ま
た、溶湯の輻射熱でセグメント内に温度差が生じセグメ
ントが変形しようとする問題もある。

【０００６】この発明は上記課題を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、るつぼ内の溶解
金属の汚染を防止し、かつ、溶湯が安定して金属るつぼ
との非接触状態を保ち、被溶解材料と鎖交する磁束と誘
導コイルにより発生する全磁束との比率を増加させて溶
解効率を向上させるとともに、るつぼを構成するセグメ
ントの変形を防ぐことができるた浮揚溶解装置の金属る
つぼを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項１記載の発明は、半径方向に複数の放射状のス
リット、および該スリットで区切られた良導電金属製の
セグメントを有する浮揚溶解装置の金属るつぼにおい
て、前記スリットは金属るつぼの内周側、および外周側
で狭くし、中間を広げて形成することを特徴とする。

【０００８】上記構成によりスリットを通過しようとす
る磁束に対する磁気抵抗は通過長さに比例して断面積に
反比例するのでスリット幅の狭い部分の長さを短くして
中間のスリット幅を広げることはスリット部分の磁気抵
抗を減少させることになり、その分金属るつぼ内へ侵入
する磁束が増加して、その分溶解エネルギが増加して、
誘導コイルの電気効率を向上させることが可能になる。

【０００９】また、スリットの内周側と外周側とを狭く
し、中間を広げることにより、スリットに充填される絶
縁物でセグメントが強固に固定されることになり、セグ
メントの径方向及び周方向の動きを抑制しているので、
スリット間の絶縁物の剥離、セグメントの変形の防止が
可能になる。

【００１０】また、請求項２の発明は、請求項１記載の
金属るつぼにおいて、内周側で狭くしたスリット部の内
周側から外周側への長さは少なくとも該金属るつぼに印
加される誘導磁界の周波数と、金属るつぼの物性値で決
まる浸透深さの４倍に相当する長さで形成したことを特
徴とする。

【００１１】上記の浮揚溶解装置の金属るつぼにおい
て、内周側で狭くしたスリット部の内周側から外周側へ
の長さを少なくしてそこから極端にスリット幅を広げる
と、セグメントの内周側いっぱいには渦電流が周回しな
くなることが起こる。内周側で狭くしたスリット部の内
周側から外周側への長さは少なくとも該金属るつぼに印
加される誘導磁界の周波数と金属るつぼの物性値で決ま
る浸透深さの４倍に相当する長さ以上の長さで形成する
か、スリット幅を外周側に向けて緩やかに広げることが
望ましい。

【００１２】すなわち、セグメントに流れる渦電流は表
皮効果により表面近傍を流れ表面で最大値となり表面か
ら内部に向かって指数関数的に減少する。ここで、セグ
メントの表面から内部に向かう距離ｘでの電流密度Ｉ
は、表面に流れる電流密度（最大値）をＩ0 とするとＩ
＝Ｉ0 ｅ-x/d（ここでｅは自然対数の底数、ｄは浸透深
さと呼ばれており電流密度Ｉを表面（ｘ＝０）から内部
に無限大（ｘ＝∞）まで積分した電流値が、表面からｄ
まで一様に流れた電流値に相当するとの仮定から生まれ
た値であるが誘導加熱には重要な数値である。なお、浸
透深さｄは一様な磁界中に置かれた平板の内部の磁界の
分布を求める式から求められるが詳細は省略する）とな
る。内周側で狭くした狭スリット部長さを前記浸透深さ
の２倍（２ｄ）とすると、前記長さの中心の所はｘ＝ｄ
となりその部分のセグメントに流れる電流値Ｉは前式よ
りＩ0 ×３７％となり、前記長さの上下で電流が逆向き
になるためこの長さでは渦電流の一部分の電流しか周回
しない。そのために、この部分での溶湯とセグメントの
周回電流とによる電磁反発力が弱まり溶湯の安定した浮
揚が保てなくなる。次に、内周側で狭くした狭スリット
部長さを４ｄとすると、前記長さの中心の所はｘ＝２ｄ
となりその部分のセグメントに流れる電流値はＩ0 ×１
４％となるので渦電流の殆どをこの部分に周回させるこ
とができる。

【００１３】よって上記構成により、溶湯と対向する前
記狭スリット部のスリット幅を所定値にするとともに、
前記狭スリット部の内周側から外周側への長さを該金属
るつぼに印加される誘導磁界の周波数と金属るつぼの物
性値で決まる浸透深さの４倍に相当する長さ以上にする
ことによりセグメントの内周側のコーナーまで電流を周
回させて、スリットに対向する溶湯の電磁反発力の乱れ
を抑制するとともに、前記スリット幅が浸透深さの４倍
に相当する長さからセグメントの外周側までのスリット
幅を広げることにより、セグメントの横断面積が減少し
てセグメントに鎖交する磁束の量が減少するので被溶解
材料と鎖交する磁束と誘導コイルにより発生する全磁束
との比率が増加して溶解効率を向上させることが可能に
なる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態の主
要部の構成図を示す。この図１において、従来例と同一
の符号を付けた部材はおおよそ同一の機能を有するので
その説明は省略する。この図１は金属るつぼ１の胴部の
横断面図であり、内周側と、外周側とが幅が狭く中間を
断面円形に広げたスリット８で区切られたセグメント９
と、セグメント９の略中心に冷却水の通水路３を設けて
構成されている。なお、スリット８の部分は絶縁物１０
が装着されている。上記構成において、金属るつぼ１の
外周側に巻回された誘導コイルにより発生した磁束は金
属るつぼ１と、金属るつぼ１のスリット２を通して金属
るつぼ１内に侵入して、金属るつぼ１内に投入された溶
解材料とに鎖交して、金属るつぼ１の主にスリット２で
区切られたセグメント９に渦電流を誘起するとともに、
溶解材料にも渦電流を誘起する。

【００１５】このスリット８は中間を円形に広げて構成
されているので、スリット部の磁気抵抗は減少し、磁束
のるつぼ内への浸透は容易となり、溶解材料と鎖交する
磁束が増加する。溶解材料に誘起した渦電流は溶解材料
の電気抵抗との間でジュール熱を発生して溶解材料を加
熱溶解する。このセグメント９に誘起した渦電流と、溶
解材料に誘起した渦電流は対向する面では電流の向きが
逆方向であるので互いに反発力が発生し金属るつぼ１は
固定しているので溶解材料が溶解した溶湯が金属るつぼ
１から離れて浮揚する。セグメント９に誘起した渦電流
はセグメント９を加熱するので通水路３に冷却水を通水
して金属るつぼ１が過熱しないように冷却している。

【００１６】ここでるつぼ内周側のスリット幅が狭くな
っているので、るつぼ内面の絶縁物１０の露出面積は小
さくなり、るつぼ内での絶縁物１０と溶湯との接触によ
る汚染の発生を抑制することができる。

【００１７】加えて、金属るつぼ１の外周側でスリット
８の幅を狭くしすることで、スリット８に充填されてい
る絶縁物１０によりセグメント９が強固に固定されるこ
とになり、セグメント９が径方向および周方向に動くこ
とを抑制し、セグメント９と、絶縁物１０との剥離を防
ぐことができるとともに、セグメント９の変形も防止で
きる。

【００１８】図２はこの発明の一実施例の構成図を示
す。この図２は金属るつぼ１の胴部の横断面図であり、
内周側と、外周側とが幅が狭く中間を断面三角形に広げ
たスリット１１で区切られたセグメント１２と、セグメ
ント１２の略中心に冷却水の通水路３を設けて構成され
ている。なお、スリット１１の部分は絶縁物１３が装着
されている。

【００１９】この図２が図１と異なる点は、スリットの
中間を断面円形に広げる代わりに断面三角形に広げた点
である。このようなスリット形状にすることにより円形
に広げるよりセグメントの断面積をさらに減少させるこ
とが可能になる。

【００２０】図３はこの発明の別の実施例の構成図を示
す。この図３は金属るつぼ１の胴部の横断面図であり、
内周側と、外周側とが幅が狭く内周側の幅が狭い部分か
ら緩やかにスリット幅を断面三角形に広げたスリット１
４で区切られたセグメント１５と、セグメント１５の略
中心に冷却水の通水路３を設けて構成されている。な
お、スリット１４の部分は絶縁物１６が装着されてい
る。

【００２１】この図３が図２と異なる点は、スリットの
中間を断面三角形に広げる代わりに内周側から断面三角
形に広げた点である。このようなスリット形状にするこ
とにより中間から三角形に広げるよりセグメントの断面
積をさらに減少させることが可能になる。

【００２２】図４はこの発明の他の実施例の構成図を示
す。この図４は金属るつぼ１の胴部の横断面図であり、
内周側と、外周側とが幅が狭く中間を断面台形に広げた
スリット１７で区切られたセグメント１９と、セグメン
ト１９の略中心に冷却水の通水路３を設けて構成されて
いる。なお、スリット１７の部分は絶縁物１８が装着さ
れている。

【００２３】この図４が図１と異なる点は、スリットの
中間を断面円形に広げる代わりに断面台形に広げた点で
ある。このようなスリット形状にすることにより円形に
広げるよりセグメントの断面積をさらに減少させること
が可能になる。

【００２４】

【発明の効果】この発明によれば、スリット幅の内周側
と外周側とを狭くして中間を広げているので誘導コイル
の電気効率を向上させることができるとともに、スリッ
ト部分に充填した絶縁物によりセグメントが強固に固定
されて径方向、周方向ともセグメントの動きを抑制する
効果がある。また、セグメントに流れる渦電流はセグメ
ント内周側のコーナーまで電流を周回させて、スリット
に対向する溶湯の電磁反発力の乱れを抑制する効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態の主要部分の構成図

【図２】この発明の一実施例の構成図

【図３】この発明の別の実施例の構成図

【図４】この発明の他の実施例の構成図

【図５】従来例の浮揚溶解装置の縦断面図

【図６】図５の金属るつぼの概観図

【図７】図５の金属るつぼの横断面図

【図８】図５の金属るつぼの内外周の略中間を上下方向
に切断した部分断面図

【符号の説明】

３ 通水路 ８，１１，１４、１７ スリット ９，１２，１５、１９ セグメント １０、１３，１６、１８ 絶縁物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3K059 AA08 AA10 AB07 AB16 AB28 AC10 AD03 AD07 BD05 CD05 CD48 CD52 4K046 AA01 BA01 BA03 CA01 CD02 EA03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半径方向に複数の放射状のスリット、およ
   び該スリットで区切られた良導電金属製のセグメントを
   有する浮揚溶解装置の金属るつぼにおいて、前記スリッ
   トは金属るつぼの内周側、および外周側で狭くし、中間
   を広げて形成することを特徴とする浮揚溶解装置の金属
   るつぼ。
2. 【請求項２】請求項１記載の金属るつぼにおいて、内周
   側で狭くしたスリット部の内周側から外周側への長さは
   少なくとも該金属るつぼに印加される誘導磁界の周波数
   と、金属るつぼの物性値で決まる浸透深さの４倍に相当
   する長さで形成したことを特徴とする浮揚溶解装置の金
   属るつぼ。