JP2005509832A - 金属を溶融させる方法及び装置 - Google Patents

Abstract

金属を溶融させる方法及び装置は、主熱源としてマイクロ波エネルギを使用する。金属又は金属混合体が使用されるマイクロ波と少なくとも部分的に結合するセラミック製るつぼ１０内に配置される。るつぼは、絶縁のためセラミック製カスケット１４内に収容され且つ、マイクロ波チャンバ１内に配置される。チャンバ１は、排気し且つ、酸素を排除し得るように再充填することができる。金属が溶融した後、鋳込むため、るつぼ１０を除去し、又はチャンバ内で加熱した鋳型内に滴下し又は流動することにより金属をチャンバ１内に鋳込むことができる。マイクロ波が軟化し又は溶融した金属と見掛け結合することは、高温度を発生させ、エネルギを著しく節約することになる。

Description

米国政府は、エネルギ省とＢＷＸＴ Ｙ−１２、ＬＬＣとの間の契約番号第ＤＥ−ＡＣ０５−００ＯＲ２２８００号に基づいて本発明に対する権利を有する。
本発明は、全体として、製錬法、より具体的には、金属の溶融技術に関する。

金属は、従来、大きい負荷及び大型の炉を利用して溶融させていた。現在技術の金属溶融炉は、電気アーク炉、キュポラ炉、高炉、誘導炉、るつぼ又はポット炉を含む。
電気アーク炉は、溶融金属を閉込めるため耐火物にて被覆されている。かかる耐火物は、ゆっくりと分解し、また、溶融金属の頂部に浮くスラグと共に除去される。溶融すべき金属は、スラグの回収を容易にし得るように添加剤と共に、炉内に装荷される。３つの炭素電極又は黒鉛電極からの電気アークにより熱が提供される。かかる炉は、より大型の集約化した圧延機ではなくて、ローカル市場用の製品を製造する非集約型の小型の圧延機にて使用できるから、一般に、主として、スクラップ金属の溶融のため鉄鋼業にて使用される。

キュポラ炉は、鋳造業にて使用される炉の内最も古い型式のものである。金属、鉄系合金、コークス、及び石灰の交互の層が頂部から炉内に装入される。石灰は、金属内の不純物と反応するように添加されて、金属が溶融するとき、金属の頂部に浮いて金属を酸化から保護する。キュポラ炉は、典型的に、鋳鉄又はねずみ鋳鉄を溶融させるために使用される。

高炉は、耐火性レンガで被覆された極めて大きい円筒体である。予熱された空気が底部に吹き込まれるとき、鉄鉱石、コークス及び石灰石が高炉の頂部内に投入される。生ずる化学的反応は、鉄を鉄鉱石から抽出する。高炉が一旦運転し始めたならば、高炉は、予定された保守を行うため短時間停止させるだけで、４−１０年間、連続的に運転されよう。

非鉄系金属をバッチ溶融させるとき、反射炉又は平炉が使用される。反射炉は、処理中の材料が天井から下方に偏向された炎によって間接的に加熱される特殊な型式の平炉である。平炉は、通常、特殊な合金用の少量の金属を製造するために使用される。

誘導炉は、「コアレス」又は「溝」型の何れかである。コアレス溶融炉は、金属を閉込めるため耐火性エンベロープを使用する。エンベロープは、交電流を運ぶ銅コイルにより取り巻かれている。変圧器と同一の原理にて作用するとき、炉内の金属装入物は、単一の二次的端子として機能し、これにより、多数巻き銅一次コイルに電力が印加されたとき、渦電流流れを通じて熱を発生させる。金属が溶融するとき、電磁力は撹拌動作も生じさせる。誘導溝型炉において、溝がコイルを通じて耐火物に形成されており、これにより、溝は、炉の主要部分に金属が位置する連続的なループを形成する。溝内の溶銑は、炉エンベロープ内の金属の主本体内を循環し、また、より低温の金属と置換される。コアレス誘導炉と相違して、溝型炉を始動させるには、主溶銑の供給源が必要とされる。

るつぼ又はポット炉は、溶融金属を閉込めるためセラミック製るつぼを使用する溶融炉である。るつぼは、空気抵抗性の加熱要素により又は天然ガス炎によって加熱される。絶縁物が熱を封込め得るようにるつぼを取り巻いている。典型的に、溶融金属を鋳型内に鋳込むため、装置の全体を傾けることができる。

既存の炉の全ては、金属を溶融させるため、望ましいと考えられるよりも多量のエネルギを消費する。更に、従来技術の装置は、多くの安全上の危険性を有する。その他の短所は、封込め構造体の材料により溶湯が汚れ、溶湯の温度が制限され、また、多額の資本コストを要する大型の設備が必要とされることを含む。
米国特許第５，９４１，２９７号

このように、本発明の１つの目的は、金属を溶融させる新規な方法及び装置を提供することである。
本発明の更なる目的は、従来技術よりも使用するエネルギが著しく少ない方法及び装置を提供することである。

本発明の更に別の具体的な目的は、容器から殆ど又は全く汚さずに、溶融金属の小さいバッチすなわち一括生産を提供する、上記のような方法及び装置を提供することである。

上記及びその他の目的は、金属がマイクロ波エネルギを使用してるつぼ内で溶融される方法によって実現される。装置は、かかるるつぼを収容するマイクロ波チャンバと、マイクロ波エネルギをるつぼに向ける導波路とを提供する。熱がるつぼ内の金属を加熱する一方、るつぼを取り巻く絶縁性カスケットがその周りのマイクロ波チャンバをるつぼの熱から保護する。

本発明によれば、マイクロ波エネルギを使用して金属を効率的に且つ効果的に溶融させることが可能であることが分かった。マイクロ波を使用することは、小さいバッチを溶融させ、少量のエネルギを使用し、また、溶融される金属を汚さないるつぼ材料を使用することを許容する。このことは、驚くべきことであり、また、米国特許第５，９４１，２９７号に記載されているように、金属はマイクロ波発生器を損傷させ、その結果、常に全体的に機構を故障させるという一般的に受け入れられている考えと相違するものである。この短所は、本発明の方法及び装置によって回避される。色々な図面に関して記載した以下の説明から各種のその他の有利な効果及び特徴が明らかになるであろう。

要するに、本発明は、溶融すべき１つ又は２つ以上の金属をるつぼ内に配置するステップと、該るつぼをマイクロ波チャンバ内に配置するステップと、マイクロ波を該るつぼに誘導するステップとを備えている。マイクロ波はるつぼ及び金属を加熱することになる。金属及びるつぼの双方が加熱すると、金属及びるつぼはマイクロ波エネルギをより受け易くなり、加熱時間及び温度が増すに伴ない、金属はより迅速に加熱し始める。以下に説明する予加熱手段を利用することにより、マイクロ波の印加効率を向上させ且つ、工程時間を短縮し、マイクロ波を印加する前にるつぼ及びその関係した金属がマイクロ波加熱のためのより受容可能な温度に加熱される。

図１には、導波路３及び（又は）４を通じて発生器２からマイクロ波が向けられたマイクロ波チャンバ１が図示されている。アルゴンのような制御された雰囲気を導管５を通じて導入することができる一方、チャンバ１を排気するため真空ポンプ６を使用することができる。

溶融すべき１つ又は２つ以上の金属がるつぼ１０内に配置され、該るつぼは、選択的な鋳型１１及び関係したセラミック製カスケット１４と共に、封止扉１５を開放し且つ閉じるとき、摺動台７の上でチャンバ１に入り且つチャンバ１から出るように動かすことができる。セラミックカスケット１４は、るつぼ１０及び鋳型１１の周りに熱を閉込める。るつぼ１０及び鋳型１１の下方の絶縁板８は、摺動台及びチャンバ壁内に及びこれらを通じて熱が損失するのを防止する。るつぼ１０及び鋳型１１とカスケット１４との間の空間３１は、絶縁体として機能し、また、空の容積としてもよい。

図２には、頂部にて開放し且つ台座１６を有し、第一の実施の形態の板８にて利用可能な効果よりもより大きい絶縁効果を提供する１つの代替的な実施の形態が図示されている。

るつぼ１０がチャンバ１内に装填され且つ、チャンバが封止されたならば、マイクロ波エネルギが導波路３及び（又は）４を通じてチャンバ内に誘導される。チャンバ及び導波路の幾何学的形態は、マイクロ波エネルギをるつぼ１０の上で収束させ且つ、るつぼ１０を均一に加熱し得るような形態とされている。チャンバの覗きポート１３を通じて見られる光学高温計のような高温計を使用してるつぼ１０の温度を監視することができる。るつぼの温度が金属の溶融温度に近付いたとき、マイクロ波エネルギの一部は、金属自体と結合し、温度の上昇速度を加速する。るつぼの温度がるつぼ１０内の金属の融点に達したならば、マイクロ波エネルギを遮断する。この時点にて、チャンバの扉を開け、溶融金属を除去し且つ鋳込むことができる。

鋳型１１は、るつぼ１０の下方でチャンバ内に配置することができる。この形態において、第二の導波路４は、マイクロ波エネルギを鋳型１１に向けるようにすることが好ましい。るつぼ１０及び鋳型１１の温度特性を更に制御するため、追加的な導波路を加えることができる。多数の同調させた導波路を使用することは、チャンバ１内のマイクロ波エネルギを均一化するためにチャンバ内で撹拌モータを使用する必要性を軽減し又は解消する。鋳型１１の温度は、熱電対９によって監視される。温度は、マイクロ波エネルギを導波路３、４を通じて選択的に向けることで制御することができる。るつぼ１０が金属の融点に達すると同時に又はその僅か前に、鋳型１１が溶融される金属の融点に達するようにすることが好ましい。るつぼ内の金属が溶融し始めたならば、２つの形態の何れかを使用して溶融金属を鋳型１１内に導入することができる。

好ましくは、るつぼ及び鋳型の組成物は、マイクロ波エネルギの受容体である、炭素、黒鉛又は炭化ケイ素のような材料を含むようにする。
るつぼ１０と鋳型１１との間に簡単な貫通穴又は滴下穴があることは、溶融金属が溶融するとき、鋳型１１内に滴下することを許容する。

これと代替的に、ある量の溶融金属を鋳型１１内に移動させることが望まれるとき迄、引張りロッド１２を使用してるつぼ１０と鋳型１１との間の貫通穴に栓をすることができる。かかる移動が望まれるとき、引張りロッド１２を上昇させ、溶融金属はるつぼ１０から鋳型１１内に流れる。この場合、鋳込み状態はより均質となり、この方法は、合金を溶融させるのにより適したものとなる。

多数の実験において、マイクロ波溶融炉内で形成された溶湯は、るつぼに亀裂を生じさせないことが実証された。その理由は、より集中的な熱源を使用する従来のるつぼ炉よりもるつぼがより均一に加熱されること、及び、熱源とるつぼとの間の温度差がより大きいことによる。マイクロ波溶融法によれば、るつぼはマイクロ波と直接結合することで加熱される。このことは、金属が渦電流により加熱される誘導加熱と関係した熱衝撃の場合と対比されるべきである。

更に、色々な実験を通じて、るつぼ及び鋳型の材料として、多岐に亙る材料を使用したが、これらの材料は、溶融加熱時に典型的に使用される黒鉛のような材料に卓越する明確な有利な効果を有する。黒鉛又は炭素は、特に繰り返して使用したとき、溶融金属を化学的に汚染させがちである。

溶融及び鋳造のための工程時間は、誘導法の場合と同等程度であるが、マイクロ波法の場合、必要な電力は著しく少ない。本発明のマイクロ波法を使用すれば、比較的少ない電力量（２から６キロワット）にて２３００℃の高温度に達することができる。このことは、１０から１５０キロワットが必要とされる誘導加熱法における１４００から１８００℃の適度な温度と比較可能である。

本発明の代替的な実施の形態は、るつぼ１０及びその関係した金属負荷を予熱するため、抵抗ヒータ３１のような補助的な加熱源を使用することを含む。
マイクロ波チャンバを使用することは、その他の有利な効果をもたらす。金属は実質的に酸素無しとすることのできる制御された雰囲気内で溶融する。該チャンバは、操作員と極めて高温度の溶融金属との間の保護障壁を構成する。この方法は、多数のモールドをチャンバ内に配置し且つ、ロボットを使用してるつぼに再装入する半自動式のものとすることができる。

鋳込みロッドは更なる用途が可能である。ロッドを回転させると、合金化工程を行うときに特に有用である撹拌動作を提供することができる。気体をチャンバ内に導入し且つ（又は）金属を散布するため、微多孔質ロッド（全体又は一部）を使用することができる。

２．４５Ｇｈｚに同調させた標準的な銅導波路を使用して２つの６キロワット電源によって駆動される２つのコブラ（ＣＯＢＲＡ）（登録商標名）２．４５Ｇｈｚマイクロ波発生器は、１６５０℃以上のるつぼ温度を実現し且つ銅、ステンレス鋼及びアルミニウムを溶融させた。より長時間、マイクロ波エネルギを印加する結果、１８００℃の温度が実現され、金及び白金が溶融する。ホウ素も、２０００℃以上にて溶融した。

このように、本発明の方法及び装置は、金属材料を溶融させる新規な技術を提供するものであることが分かる。かかる方法及び装置は、多岐に亙るるつぼ材料を可能にし、また、負荷を小さくし、電力及び空間の必要性を顕著に軽減させる。

上記の説明は、性質上、一例にしか過ぎず、特許請求の範囲により規定されるような変更例が本発明の精神及び範囲に属するものである。

本発明による装置を示す断面図である。 本発明の方法を実施する１つの代替的な実施の形態の概略図及び断面図である。

Claims (20)

1. 金属を溶融させる装置において、
   マイクロ波チャンバと、
   少なくとも１つの同調させたマイクロ波発生器及び電源と、
   マイクロ波を前記少なくとも１つの発生器から前記チャンバに向ける少なくとも１つの同調させた導波路と、
   前記マイクロ波の一部と結合し且つ、溶融金属に対し耐火性のある材料で出来たるつぼと、
   該るつぼを前記チャンバ内で実質的に包み込む絶縁体とを備える、金属を溶融させる装置。
2. 前記るつぼが、前記マイクロ波の少なくとも一部に対し透明な材料で形成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記るつぼの下方に配置された鋳型を更に備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記鋳型を加熱する手段を更に備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記るつぼ及び鋳型を予加熱する手段を更に備える、請求項４に記載の装置。
6. 前記マイクロ波チャンバを排気する手段を更に備える、請求項１に記載の装置。
7. 制御された雰囲気を前記マイクロ波チャンバ内に導入する手段を更に備える、請求項６に記載の装置。
8. 前記るつぼが、溶融金属が前記鋳型内に滴下するときに通る貫通穴を有する、請求項３に記載の装置。
9. 前記貫通穴内に取り外し可能に挿入できる鋳込みロッドを更に備える、請求項８に記載の装置。
10. 前記鋳込みロッドが、前記溶融金属を散布する気体導入ポートを更に備える、請求項９に記載の装置。
11. 前記るつぼを前記マイクロ波チャンバ内に導入し且つ、該マイクロ波チャンバから除去する摺動台を更に備える、請求項１に記載の装置。
12. 前記るつぼが、セラミックである材料にて形成される、請求項２に記載の装置。
13. 前記絶縁体が、セラミック製カスケットを有する、請求項１に記載の装置。
14. 前記セラミック製カスケットが、前記マイクロ波と実質的に結合しないセラミックにて形成される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記セラミック製カスケットが、前記るつぼから仕切られる、請求項１４に記載の装置。
16. 前記マイクロ波チャンバ内の温度を決定する手段を更に備える、請求項１に記載の装置。
17. 前記るつぼ内で均一な温度勾配を維持する手段を更に備える、請求項２に記載の装置。
18. 均一な温度勾配を維持する前記手段が回転を含む、請求項１７に記載の装置。
19. 金属を溶融させる方法において、
    １つ以上のるつぼをセラミック製るつぼ内に配置するステップと、
    前記るつぼをマイクロ波チャンバ内に配置するステップと、
    前記るつぼを前記チャンバの壁から絶縁するステップと、
    前記金属が溶融したとき、前記セラミックるつぼ及び前記金属の少なくとも１つと結合するマイクロ波にて前記るつぼを照射するステップとを備える、金属を溶融させる方法。
20. 溶融金属をマイクロ波放射線にて照射する間、溶湯を前記るつぼから鋳型まで搬送するステップを更に備える、請求項１９の方法。

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