JP2006038351A - 誘導溶解炉 - Google Patents

Abstract

【課題】攪拌時に上下のコイルに位相差と電圧を調整した電源を接続して、炉全体を均一の温度で効率よく攪拌できる誘導溶解炉を提供するものである。
【解決手段】溶解室１の上下に巻回した２個のコイル２Ａ、２Ｂを直列に接続し、この両端を、直列に接続した２組のコンデンサ１２Ａ、１２Ｂの両端にそれぞれ接続し、その一方の接続点１５はインバータ電源１０の第１の端子１１Ａに接続し、他方の接続点１６は第１のスイッチＳＷ_１ を介してインバータ電源１０の第２の端子１１Ｂに接続し、前記２個のコイル２Ａ、２Ｂの中間点１３と、前記２組のコンデンサ１２Ａ、１２Ｂの中間点１４との間に第２のスイッチＳＷ_２ を設けると共に、インバータ電源１０の第２の端子１１Ｂと、前記２組のコンデンサ１２Ａ、１２Ｂの中間点１４との間に第３のスイッチＳＷ_３ を接続したものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、溶湯の攪拌を行なうことができる誘導溶解炉に関するものである。

一般に誘導溶解炉で合金を製造する場合、溶解した金属溶湯を撹拌して均一な組成にする必要がある。従来の攪拌を制御した誘導溶解炉としては、例えば図１０に示すように溶解室１の外周に、上下２個のコイル２Ａ、２Ｂを分割して設け、これを単相交流電源３に接続し、それぞれのコイル２Ａ、２Ｂに２組のコンデンサ４、４を並列に接続して、一方のコンデンサ４には力率を調整するスイッチ５が設けられ、上下コイル２Ａ、２Ｂの結線６には上部のコイル２Ｂへの通電を遮断するスイッチ７を設けたものがある（例えば特許文献１）。

この誘導溶解炉では、通常溶解時には上下２個のコイル２Ａ、２Ｂに通電して同電圧Ｖ_１ ＝Ｖ_２ を印加すると、矢印で示すように上下が逆方向で同じ力の攪拌力が生じる。攪拌時には、スイッチ７をオフして図１１に示すように上部のコイル２Ｂへの通電を遮断し、下部コイル２Ａに通電すると、上部のコイル２Ｂは相互誘導共振回路となり、下部のコイル２Ａから発生した磁束により図１２に示すように位相差をもった電圧Ｖ_２ が誘起される。この結果、溶解室１内の溶湯８の上部には、図１１に示すように攪拌力が働いて溶湯８が攪拌される。

しかしながら従来の誘導溶解炉では、攪拌時には上部コイル２Ｂは、通電を遮断して相互誘導共振回路となるので、図１２に示すように位相はずれるが、電圧Ｖ_２ は、下部コイル２Ａの電圧Ｖ_１ に比べてＶ_１ ＞Ｖ_２ となる。この結果、上部の溶湯８を加熱する能力が低くなると共に、攪拌力が小さくなる。このため溶湯金属より比重の軽い合金成分を添加した場合に、上部の攪拌力が弱いので全体を均一に攪拌できない問題がある。また下部コイル２Ａに印加する電圧Ｖ_１ を上げると、上部コイル２Ｂの電圧Ｖ_２ との位相差が少なくなって、上下の攪拌に時間差がなくなり攪拌作用が低下し、逆に位相差を広げると電圧比が拡大して保持加熱温度や攪拌力が上下で不均一になる欠点があった。
特公昭４９ー３０５号公報

本発明は上記問題を改善し、攪拌時に上下のコイルに位相のずれたほぼ同一の電力を印加して炉全体を均一の温度で効率よく攪拌することができる誘導溶解炉を提供するものである。

本発明の請求項１記載の誘導溶解炉は、溶解室の上下に巻回した２個のコイルを直列に接続し、この両端を、直列に接続した２組のコンデンサの両端にそれぞれ接続し、その一方の接続点はインバータ電源の第１の端子に接続し、他方の接続点は第１のスイッチを介してインバータ電源の第２の端子に接続し、前記２個のコイルの中間点と、前記２組のコンデンサの中間点との間に第２のスイッチを設けると共に、インバータ電源の第２の端子と、前記２組のコンデンサの中間点との間に第３のスイッチを接続して、前記スイッチの切換えにより通常溶解時には倍電圧方式により加熱し、攪拌時には上下コイルの位相差と電圧を調整して加熱するようにしたことを特徴とするものである。

本発明の請求項２記載の誘導溶解炉は、２組のコンデンサの少なくとも一方が、容量の可変できるコンデンサで形成されていることを特徴とするものである。

本発明の請求項３記載の誘導溶解炉は、第１のスイッチと第３のスイッチを、１個の単極双投スイッチで形成したことを特徴とするものである。

本発明に係る請求項１記載の誘導溶解炉によれば、スイッチの切換えにより高い電力を必要とする通常溶解時にはコンデンサによる倍電圧方式により加熱し、低い電力で保持しながら攪拌する時には、上下コイルの位相差と電圧を調整して加熱するので、上下のコイルにはほぼ等しい電圧で、位相を約９０度ずらせて通電することができる。

このように上下のコイルに位相差を設けて通電することにより時間の経過に伴って攪拌力が生ずる位置が上下に順次移動していくので、溶湯金属より比重の軽い合金成分や重い合金成分を添加しても均一に攪拌されて成分が均一な合金を製造することができる。またインバータ電源の発振周波数を可変することで、攪拌力の調整も容易である。また上下のコイルの電圧分担比率を変えて攪拌力に差をつけることもできる。また回路構成も簡素化されると共に、スイッチも比較的小容量のものが使用可能となる。

また請求項２記載の誘導溶解炉によれば、２組のコンデンサの少なくとも一方を、容量の可変できるコンデンサで形成することにより、溶解する合金の種類や溶解量に応じて最適の条件で攪拌を制御することができる。

また請求項３記載の誘導溶解炉によれば、第１のスイッチと第３のスイッチを１個の単極双投スイッチに置き換えたので、更に構造を簡素化することができる。

上下コイルの電圧をほぼ等しくして、位相差を約９０度ずらせて通電して、時間の経過に伴って攪拌力が生ずる位置を上下に順次移動させることができる誘導溶解炉を実現した。

以下本発明の実施例を図１ないし図８を参照して詳細に説明する。図１は誘導溶解炉の基本構成を示すもので、溶解室１の上下に巻回した２個のコイル２Ａ、２Ｂを直列に接続し、この両端が、直列に接続した２組のコンデンサ１２Ａ、１２Ｂにそれぞれ接続されている。この一方の接続点１５はインバータ電源１０の第１の端子１１Ａに接続し、他方の接続点１６は第１のスイッチＳＷ_１ を介してインバータ電源１０の第２の端子１１Ｂに接続されている。

更に前記２個のコイル２Ａ、２Ｂの中間点１３と、前記２組のコンデンサ１２Ａ、１２Ｂの中間点１４との間に第２のスイッチＳＷ_２ を設けると共に、インバータ電源１０の第２の端子１１Ｂと、前記２組のコンデンサ１２Ａ、１２Ｂの中間点１４との間に第３のスイッチＳＷ_３ が設けられている。

上記構成の誘導溶解炉で通常溶解する場合は、図１に示すように第３のスイッチＳＷ_３ をオンし、第１のスイッチＳＷ_１ と第２のスイッチＳＷ_２ をオフすると、等価回路は図２に示すようになる。これは倍電圧回路で、インバータ電源１０の出力電圧をＶとすると、両コイル２Ａ、２Ｂには約２×Ｖの電圧が印加され、溶解時に必要な高い電圧が得られて効率よく短時間で金属を溶解することができる。

また溶湯８が形成されて、ここに合金成分を添加して攪拌する場合には、図３に示すように第１のスイッチＳＷ_１ と第２のスイッチＳＷ_２ をオンし、第３のスイッチＳＷ_３ をオフすると、等価回路は図４に示すようになる。この状態でインバータ電源１０から電圧Ｖを印加すると下部コイル２ＡにはＶ_１ 、上部コイル２ＢにはＶ_２ の電圧が印加される。ここでＶ＝Ｖ_１ ＋Ｖ_２ である。

もし下部コイル２Ａと上部コイル２Ｂのインダクタンスが等しくこれをＬとし, コンデンサ１２Ａと１２Ｂの容量が等しくこれをＣとしたとき、Ｖ_１ ＝Ｖ_２ ＝Ｖ／２となり二つのコイル電圧の間には位相のずれは生じない。しかし、コンデンサ１２Ａと１２Ｂの容量をそれぞれＣ／ｋ^２ とｋ^２ Ｃとすると、下部コイル２Ａとコンデンサ１２Ａの共振角周波数ω_Ａ と上部コイル２Ｂとコンデンサ１２Ｂの共振角周波数ω_Ｂ の間に差が生ずる。ここでｋ^２ は１よりやや大きな定数で、ω_Ａ ＝（１／ＬＣ／ｋ^２ ）^１／２ ＝ｋω_０ 、ω_Ｂ ＝（１／Ｌｋ^２ Ｃ）^１／２ ＝ω_０ ／ｋ、ω_０ ＝（１／ＬＣ）^１／２ である。インバータ電源１０の周波数ｆをω_０ ／２πとすると、ω_Ａ ＞ω_０ 、ω_Ｂ ＜ω_０ から、下部コイル２Ａとコンデンサ１２ＡのＬＣ回路は誘導性、上部コイル２Ｂとコンデンサ１２ＢのＬＣ回路は容量性となり、二つのＬＣ回路の電圧には位相差が出てくる。この様子を示したものが図５である。

図５において、下部コイル２Ａの電圧Ｖ_１ と、上部コイル２Ｂの電圧Ｖ_２ は、電源電圧Ｖよりも低くなり、これは保持温度を維持する目的には好都合である。位相差と振幅差はコンデンサ１２Ａと１２Ｂの容量の平均に対する比率ｋ^２ とインバータ電源周波数ｆによって変わり、図５に示すように位相差を約９０度にすることが可能である。時刻ｔ１では下部コイル２Ａがピークの＋き電で、上部コイル２Ｂはゼロクロスで、き電のない状態となる。また時刻ｔ２では下部コイル２Ａと上部コイル２Ｂがクロスして同電圧の、き電状態となる。更に時刻ｔ３では下部コイル２Ａがゼロクロスで、き電のない状態となり、上部コイル２Ｂはピークの＋き電状態となる。

このように上下のコイル２Ａ、２Ｂに位相差を設けて通電することにより溶湯８を攪拌することができる。つまり時刻ｔ１では、図６に示すように下部コイル２Ａにだけ通電され、溶湯８ではコイル電流と反対方向の電流が流れ、電磁力は反発力となって下部溶湯の中心部方向に働くので、上下に向かって矢印で示す攪拌力が生じる。次に時刻ｔ２では、図７に示すように上下のコイル２Ａ、２Ｂに同時に通電され、溶湯８の上部と下部で、それぞれ矢印で示す攪拌力が生じる。時刻ｔ３になると、図８に示すように上部コイル２Ｂにだけ通電され、上部溶湯の中心部方向に矢印で示す攪拌力が生じる。またマイナス側の電流が流れる時は、電流方向が逆になるが攪拌力は同じである。

従って時間の経過に伴って攪拌力が生ずる位置が上下に順次移動していくので、溶湯金属より比重の軽い合金成分や、重い合金成分を添加しても均一に攪拌されて成分が均一な合金を製造することができる。また上下のコイル２Ａ、２Ｂの電圧をほぼ等しくできるので、溶湯全体を均一に加熱することができる。また周波数を低くして強く攪拌することができ、逆に周波数を高くすると攪拌力が弱くなるので、攪拌力の調整も容易である。なお上下のコイル２Ａ、２Ｂの電圧分担比率を変えて攪拌力に差をつけることもでき、溶湯金属より比重の軽い合金成分を添加した場合に、上部側だけ強く攪拌することもできる。

また第２のスイッチＳＷ_２ は、両中間点１３、１４の間に設けられ電圧の向きが逆向きであり、ここに流れる電流はその差分だけとなるので小型のスイッチでよい。また第１のスイッチＳＷ_１ と第３のスイッチＳＷ_３ は、コンデンサ１２Ａ、１２Ｂの電源側にあり、流れる電流が少ないので小型化することができる。

図９は本発明の他の実施例を示すもので、インバータ電源１０の第２の端子１１Ｂと、コンデンサ１２Ｂ側の接続点１６と、両コンデンサ１２Ａ、１２Ｂの中間点１４との間に単極双投スイッチＳＷ_４ を設けて、切換えるようにしたものである。つまり図１に示す第１のスイッチＳＷ_１ と第３のスイッチＳＷ_３ を１個の単極双投スイッチＳＷ_４ に置き換えたもので、構造を簡素化することができる。

なお上記実施例では、コンデンサ１２Ａ、１２Ｂとして固定容量のものを用いた場合について示したが、何れか少なくとも一方の容量が可変できるように構成することにより、溶解する合金の種類や溶解量に応じて最適の条件で攪拌を制御することができる。

上記説明では大気中で溶解する誘導溶解炉の場合について説明したが、真空や不活性ガスなどの大気条件以外の溶解炉にも適用することができる。

本発明の実施例による通常溶解時における誘導溶解炉の回路構成図である。 図１の等価回路図である。 攪拌時における誘導溶解炉の回路構成図である。 図３の等価回路図である。 攪拌時における上下コイルの電圧波形図である。 時刻ｔ１における溶湯内に作用する攪拌力を示す説明図である。 時刻ｔ２における溶湯内に作用する攪拌力を示す説明図である。 時刻ｔ３における溶湯内に作用する攪拌力を示す説明図である。 本発明の他の実施例による誘導溶解炉の回路構成図である。 従来の通常溶解時における誘導溶解炉の回路構成図である。 図１０の攪拌時における誘導溶解炉の回路構成図である。 従来の攪拌時における上下コイルの電圧波形図である。

符号の説明

１ 溶解室
２Ａ 下部コイル
２Ｂ 上部コイル
３ 単相交流電源
４ コンデンサ
５ スイッチ
６ 結線
７ スイッチ
８ 溶湯
１０ インバータ電源
１１Ａ 第１の端子
１１Ｂ 第２の端子
１２Ａ、１２Ｂ コンデンサ
１３ 中間点
１４ 中間点
１５ 接続点
１６ 接続点
ＳＷ_１ 第１のスイッチ
ＳＷ_２ 第２のスイッチ
ＳＷ_３ 第３のスイッチ
ＳＷ_４ 単極双投スイッチ

Claims (3)

1. 溶解室の上下に巻回した２個のコイルを直列に接続し、この両端を、直列に接続した２組のコンデンサの両端にそれぞれ接続し、その一方の接続点はインバータ電源の第１の端子に接続し、他方の接続点は第１のスイッチを介してインバータ電源の第２の端子に接続し、前記２個のコイルの中間点と、前記２組のコンデンサの中間点との間に第２のスイッチを設けると共に、インバータ電源の第２の端子と、前記２組のコンデンサの中間点との間に第３のスイッチを接続して、前記スイッチの切換えにより通常溶解時には倍電圧方式により加熱し、攪拌時には上下コイルの位相差と電圧を調整して加熱するようにしたことを特徴とする誘導溶解炉。
2. ２組のコンデンサの少なくとも一方が、容量の可変できるコンデンサで形成されていることを特徴とする請求項１記載の誘導溶解炉。
3. 第１のスイッチと第３のスイッチを、１個の単極双投スイッチで形成したことを特徴とする請求項１記載の誘導溶解炉。