JP2007163031A - 誘導加熱溶解炉 - Google Patents

Abstract

【課題】金属を溶解し所望の成分の合金を得るために用いられる誘導溶解炉において、底部に設けられた出湯部から出湯する際に、底面に溶湯が濡れ広がるのを防止することが可能な誘導溶解炉を提供する。
【解決手段】出湯部２の底面２ｂの近傍に、少なくとも連通穴２ａの下縁に位置する溶湯１３Ｂに向かって不活性ガス２０を噴きつけるガス噴霧器１８を設ける。また、出湯部の底面の形状を、底面の外周側から連通穴２ａの下縁に向かって先細りの形状にする。
【選択図】図３

Description

本発明は、誘導加熱により金属を溶解する誘導加熱溶解炉に関する。

金属を溶解し、所望の成分の合金を得るために、誘導加熱溶解炉が用いられている。とりわけ、反応性の高い金属を溶融して高純度の金属を得たり、所望の成分の合金を得る場合に、コールドクルーシブル誘導加熱溶解炉が用いられている。これらの溶解炉のうち、底部に設けられた出湯部から出湯を行う誘導加熱溶解炉においては、出湯時に溶湯が出湯部の底面に濡れ広がる場合がある。係る場合には、出湯時に伝え漏れ等が生じることで出湯流が乱れて、安全で安定した鋳造が困難となったり、出湯後に出湯部の底面に凝固塊が付着して、連続出湯が困難となったりする。よって、出湯毎に出湯部のメンテナンスを行う必要があった。

そこで、特許文献１には、出湯部の内側に溶湯と同じ材質からなるパイプ状のアダプタを装着し、出湯後に凝固塊の付着したアダプタを取り外すことで容易に凝固塊を除去することが可能な底穴出湯式浮揚溶解装置が開示されている。

特開平９−３２０７５２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のアダプタを用いたとしても、溶湯がアダプタの底面からはみ出して出湯部の底面に濡れ広がる場合があり、上記問題を解決するには不十分である。

本発明の目的は、炉の底部に設けられた出湯部から出湯を行う誘導加熱溶解炉において、出湯部の底面に溶湯が濡れ広がるのを防止することが可能な誘導加熱溶解炉を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の誘導加熱溶解炉は、溶解対象物を収容する収容手段と、前記収容手段の底部に設けられ、溶解した溶解対象物からなる溶湯が流下される連通穴を備えた出湯部と、前記出湯部の外周側に配置され、前記出湯部に収容された溶解対象物を誘導加熱するコイル手段と、前記コイル手段に電力を供給する電源手段と、前記出湯部の底面の近傍に設けられ、少なくとも前記連通穴の下縁に位置する溶湯に向かってガスを噴きつけるガス噴きつけ手段と、を備えたことを特徴とする。

上記の構成によると、出湯部の底面の近傍に設けられたガス噴きつけ手段が、少なくとも連通穴の下縁に位置する溶湯に向かってガスを噴きつけることで、出湯時に溶湯はガスの噴きつけ力によって出湯部の底面に濡れ広がることなく流下していくため、溶湯が出湯部の底面に濡れ広がるのを防止することができる。よって、出湯時に出湯流が乱れて安全で安定した鋳造が困難となったり、出湯後に出湯部の底面に凝固塊が付着して連続出湯（あるいは操業）が困難となったりすることを防止することができる。

本発明の誘導加熱溶解炉において、前記ガス噴きつけ手段が、複数のガス吹き出し穴を周方向に備えた環状パイプであってよい。上記の構成によると、環状パイプからなるガス噴きつけ手段のガス吹き出し穴が、周方向に複数設けられることで、少なくとも連通穴の下縁に位置する溶湯に向かってガスを噴きつけたときにガスの噴きつけ力によって出湯流が乱れるのを防止することができる。

本発明の誘導加熱溶解炉は、溶解対象物を収容する収容手段と、前記収容手段の底部に設けられ、溶解した溶解対象物からなる溶湯が流下される連通穴を備えた出湯部と、前記出湯部の外周側に配置され、前記出湯部に収容された溶解対象物を誘導加熱するコイル手段と、前記コイル手段に電力を供給する電源手段と、を備え、前記出湯部の底面が、当該底面の外周側から前記連通穴の下縁に向かって先細りの形状になっていることを特徴とする。

上記の構成によると、出湯部の底面が、底面の外周側から連通穴の下縁に向かって先細りの形状になっており、出湯時に溶湯はその自重により出湯部の底面に濡れ広がることなく流下していくため、溶湯が出湯部の底面に濡れ広がるのを防止することができる。よって、出湯時に出湯流が乱れて安全で安定した鋳造が困難となったり、出湯後に出湯部の底面に凝固塊が付着して連続出湯が困難となったりすることを防止することができる。

本発明の実施の形態を図１ないし図４に基づいて以下に説明する。

［誘導加熱溶解炉の構成］
本実施の形態に係る誘導加熱溶解炉、特にコールドクルーシブル誘導加熱溶解炉は、図１及び図２に示すように、チタン等の溶解対象物１３を収容する収容手段としての複数の柱状の水冷銅製の炉本体１を有している。尚、炉本体１は、純銅や銅合金からなる銅製の他、電気抵抗率の低い金や銀または場合によってはステンレス等を用いることができる。また、溶解対象物１３としては、鉄および非鉄とその合金をはじめ、チタンの他、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、ニオブ、タンタル、モリブデン、ウラン、希土類金属、トリウム、およびこれらの合金から選ばれる金属からなる反応性金属を挙げることができる。

上記の炉本体１は、高真空から大気圧までの任意の圧力に減圧可能な図示しない真空チャンバ内に設けられている。また、炉本体１の底部には、溶解した溶解対象物１３からなる溶湯が流下される連通穴２ａを備えた出湯部２が設けられている。また、炉本体１の外周は、円筒形状の側面壁３により形成されている。

図２に示すように、出湯部２は、縦割り状の複数（８個）の導電性セグメント９を円周方向に相互に絶縁して配列することにより形成されているとともに、側面壁３は、縦割り状の複数の導電性セグメント４を円周方向に相互に絶縁して配列することにより形成されている。尚、絶縁は、絶縁部材を導電性セグメント９・９間に介装したり、導電性セグメント９・９間を離隔することにより行われている。導電性セグメント４についても同様である。

側面壁３を形成する導電性セグメント４は、図１に示すように、冷却水が流動する冷却水路４ａを内部に有している。冷却水路４ａは、導電性セグメント４の上端部（側面壁３の上端部）から下端部（側面壁３の下端部）にかけて形成されている。上端部の冷却水路４ａは、図示しない冷却水供給装置に接続されており、冷却水通路の一例として、下端部の冷却水路４ａは、連絡口４ｂを介して隣接する導電性セグメント４の冷却水路４ａに連通されている。そして、冷却水路４ａは、隣接する２つの導電性セグメント４・４を一組として冷却系を構成している。これにより、冷却系は、一方の導電性セグメント４の上端部から冷却水を導入して下端部に流動させることにより一方の導電性セグメント４を冷却した後、下端部の連絡口４ｂを介して隣接する導電性セグメント４の冷却水路４ａに流入させ、この冷却水路４ａの下端部から上端部に流動させることにより他方の導電性セグメント４を冷却するようになっている。出湯部２を形成する導電性セグメント９についても同様の構成であり、冷却水路９ａ及び連絡口９ｂを備えている。

図２に示すように、側面壁３の外周側には、第１誘導加熱コイル５が設けられているとともに、出湯部２の外周側には、コイル手段としての第２誘導加熱コイル６が設けられている。第１誘導加熱コイル５は、側面壁３の底部から中央部にかけて巻回されている。一方、第２誘導加熱コイル６は、出湯部２の下端から上端にかけて巻回されている。そして、第１誘導加熱コイル５は溶解用電源７に、第２誘導加熱コイル６は電源手段としての出湯用電源８にそれぞれ接続されており、これらの電源７・８から交流電力が供給されたときに、側面壁３および出湯部２の壁面に沿って図示しない交番磁場を生成するようになっている。

溶解用電源７は、溶解対象物１３を溶解させる程度の第１周波数の交流電力を出力するように設定されていると共に、周波数を任意に変更可能になっている。一方、出湯用電源８は、図１に示すように、溶解対象物１３を溶解させる程度の第１周波数の交流電力を出力する溶解用電源部１０と、溶解対象物１３を凝固させる程度の第２周波数の交流電力を出力する凝固用電源部１１とを有している。そして、両電源部１０・１１は、上述の溶解用電源７と同様に周波数を任意に変更可能になっている。

電源部１０・１１および溶解用電源７は、電源制御装置１２に接続されている。溶解用電源７および溶解用電源部１０の第１周波数は、２〜５０ｋＨｚ程度の高周波数に設定するようになっている。尚、凝固用電源部１１の第２周波数は、通常、商用電源の周波数（１００〜２００Ｈｚ程度の低周波数）に設定されている。また、電源制御装置１２は、動作信号を各電源７・８に出力することによって、各電源７・８における交流電力の出力と停止とを切り替え可能になっていると共に、出湯用電源８における溶解用電源部１０と凝固用電源部１１との作動を切り替え可能になっている。

また、図１及び図２に示すように、出湯部２の下方近傍には、ガス噴きつけ手段としてのガス噴霧器１８が設けられている。なお、ガス噴霧器１８は、環状で複数のガス吹き出し穴が設けられている。ガス噴霧器１８は、不活性ガス供給装置１９から供給される不活性ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ_２など）２０を、少なくとも出湯時に噴射する。

出湯部２とガス噴霧器１８とを拡大した図３において、出湯部２の底面２ｂは、底面２ｂの外周側から連通穴２ａの下縁２ｃに向かって先細りの形状になっている。出湯部２の底面２ｂがこのような形状にされていることで、出湯時に溶解した溶解対象物１３（後述する溶湯１３Ｂ）は、その自重により出湯部２の底面２ｂに濡れ広がることなく流下していく。よって、溶解した溶解対象物１３が出湯部２の底面２ｂに濡れ広がることがない。

また、少なくとも出湯時において、ガス噴霧器１８からは、不活性ガス２０が連通穴２ａの下縁２ｃからその下方に亙る一定の領域に向かって噴き出される。このような構成にされることで、出湯時に溶解した溶解対象物１３（溶湯１３Ｂ）は不活性ガス２０の噴きつけ力によって出湯部２の底面２ｂに濡れ広がることなく流下していく。よって、溶解した溶解対象物１３（溶湯１３Ｂ）が出湯部２の底面２ｂに濡れ広がることがない。また、ガス噴霧器１８は周方向に複数のガス吹き出し穴が設けられているため、溶湯１３Ｂに向かって不活性ガス２０を噴きつけたときに不活性ガス２０の噴きつけ力によって溶湯１３Ｂの流れが乱れることもない。

［誘導加熱溶解炉の動作］
上記の構成において、誘導加熱溶解炉の動作について説明する。先ず、図１に示すように、炉本体１の上方から溶解対象物１３が投入されることによって、炉本体１への溶解対象物１３の収容が行われる。

この後、冷却水路４ａ，９ａに冷却水を流すことにより側面壁３及び出湯部２を冷却し、溶解の準備を完了する。そして、オペレータが溶解開始の指令を電源制御装置１２に入力したとき、電源制御装置１２は、溶解用電源７を動作状態にすることによって、第１周波数（高周波数）の交流電力を第１誘導加熱コイル５に出力させる。第１誘導加熱コイル５に交流電力が供給されると、第１誘導加熱コイル５から側面壁３の壁面に沿って交番磁場が生成され、この交番磁場により溶解対象物１３が誘導加熱されることにより塊状片の表面から溶解される。そして、溶解した溶解対象物１３が側面壁３の壁面に接触すると、側面壁３の冷却作用により溶解対象物１３が再び凝固することによって、スカル１４が側面壁３に沿って容器状に形成される。これにより、溶解初期においては、図４に示すように、大きな層厚のスカル１４上に溶解した溶解対象物（溶湯）１３Ｂが載置された状態となる。

尚、通電されていない第２誘導加熱コイル６（図１参照）は、交番磁場を生成していないため、出湯部２の周辺には、第１誘導加熱コイル５による小さな交番磁場が存在しているだけである。従って、出湯部２は、側面壁３による冷却で形成された大きな層厚のスカル１４により閉口された状態になっている。

続いて、溶湯１３Ｂを取り出す場合には、溶解用電源部１０を動作状態にすることによって、第１周波数（高周波数）の交流電力を第２誘導加熱コイル６に出力させる。第２誘導加熱コイル６に交流電力が供給されると、第２誘導加熱コイル６により高周波の交番磁場が出湯部２の周辺に生成される。これにより、出湯部２の上方に存在するスカル１４が誘導加熱により溶解することによって、出湯部２が開口した状態となり、溶湯１３Ｂが自重により出湯部２を介して外部に出湯される。

溶湯１３Ｂの出湯時には、図３に示すように、ガス噴霧器１８から不活性ガス２０が噴射される。これにより、不活性ガス２０の噴きつけ力によって溶湯１３Ｂは出湯部２の底面２ｂに濡れ広がることなく流下していく。更に、出湯部２の底面２ｂが、底面２ｂの外周側から連通穴２ａの下端に向かって先細りの形状になっているため、自重により流下する溶湯１３Ｂが出湯部２の底面２ｂに濡れ広がることもない。このように、溶湯１３Ｂの底面２ｂへの濡れ広がりが防止されているため、出湯時に伝え漏れ等が生じることで出湯流（溶湯１３Ｂの流れ）が乱れたり、出湯後に出湯部２の底面２ｂに凝固塊が付着したりすることがない。

また、ガス噴霧器１８には周方向に複数のガス吹き出し穴が設けられているため、溶湯１３Ｂに向かって不活性ガス２０を噴きつけたときに不活性ガス２０の噴きつけ力によって出湯流が乱れることもない。

なお、溶湯１３Ｂの取り出しを途中で中断したり、取り出し量を調整したりする場合には、第２誘導加熱コイル６への電力供給を溶解用電源部１０から凝固用電源部１１に切り替える。凝固用電源部１１に切り替えると、出湯部２の周辺に第２周波数（低周波数）の交番磁場が生成され、溶湯１３Ｂの表面からかなり深い部分まで渦電流が生じる。そして、この部分における電力密度が低くなり、加熱よりも専ら磁気圧が溶湯１３Ｂを上方に持ち上げるように作用する。これにより、出湯部２に加わる溶湯１３Ｂの自重による圧力が低減されることによって、出湯量が減少する。

出湯を停止させる場合には、凝固用電源部１１による第２周波数（低周波数）の交番磁場により出湯部２の開口径を順次減少させていき、溶解対象物１３の凝固を完全に進行させて、出湯部２を閉口させる。但し、出湯を停止させる凝固用電源部１１は必ずしも必要ではなく、出湯を途中で止めたい時などにおいて付属される。

［本実施の形態の概要］
以上のように、本実施の形態の誘導加熱溶解炉は、溶解対象物１３を収容する炉本体１と、炉本体１の底部に設けられ、溶解した溶解対象物１３からなる溶湯１３Ｂが流下される連通穴２ａを備えた出湯部２と、出湯部２の外周側に配置され、出湯部２に収容された溶解対象物１３を誘導加熱する第２誘導加熱コイル６と、第２誘導加熱コイル６に電力を供給する出湯用電源８と、出湯部２の底面２ｂの近傍に設けられ、少なくとも連通穴２ａの下縁に位置する溶湯１３Ｂに向かって不活性ガス２０を噴きつけるガス噴霧器１８と、を備えた構成にされている。

上記の構成によると、出湯部２の底面２ｂの近傍に設けられたガス噴霧器１８が、少なくとも連通穴２ａの下縁に位置する溶湯１３Ｂに向かって不活性ガス２０を噴きつけることで、出湯時に溶湯１３Ｂは不活性ガス２０の噴きつけ力によって出湯部２の底面２ｂに濡れ広がることなく流下していくため、溶湯１３Ｂが出湯部２の底面２ｂに濡れ広がるのを防止することができる。よって、出湯時に出湯流が乱れて安全で安定した鋳造が困難となったり、出湯後に出湯部２の底面２ｂに凝固塊が付着して連続出湯が困難となったりすることを防止することができる。

また、本実施の形態の誘導加熱溶解炉において、ガス噴霧器１８が、複数のガス吹き出し穴を周方向に備えた環状パイプである構成にされている。上記の構成によると、環状パイプからなるガス噴霧器１８のガス吹き出し穴が、周方向に複数設けられることで、少なくとも連通穴２ａの下縁に位置する溶湯１３Ｂに向かって不活性ガス２０を噴きつけたときに不活性ガス２０の噴きつけ力によって出湯流が乱れるのを防止することができる。

また、本実施の形態の誘導加熱溶解炉は、溶解対象物１３を収容する炉本体１と、炉本体１の底部に設けられ、溶解した溶解対象物１３からなる溶湯１３Ｂが流下される連通穴２ａを備えた出湯部２と、出湯部２の外周側に配置され、出湯部２に収容された溶解対象物１３を誘導加熱する第２誘導加熱コイル６と、第２誘導加熱コイル６に電力を供給する出湯用電源８と、を備え、出湯部２の底面２ｂが、底面２ｂの外周側から連通穴２ａの下縁に向かって先細りの形状になっている構成にされている。

上記の構成によると、出湯部２の底面２ｂが、底面２ｂの外周側から連通穴２ａの下縁に向かって先細りの形状になっており、出湯時に溶湯１３Ｂはその自重により出湯部２の底面２ｂに濡れ広がることなく流下していくため、溶湯１３Ｂが出湯部２の底面２ｂに濡れ広がるのを防止することができる。よって、出湯時に出湯流が乱れて安全で安定した鋳造が困難となったり、出湯後に出湯部２の底面２ｂに凝固塊が付着して連続出湯が困難となったりすることを防止することができる。

［本実施の形態の変形例］
尚、本実施の形態においては、第１誘導加熱コイル５と第２誘導加熱コイル６とを独立して作動させるようになっているが、これに限定されることはない。即ち、誘導加熱溶解炉は、第１誘導加熱コイル５と第２誘導加熱コイル６とを一体的に有した誘導加熱コイルと、このコイルに任意の周波数で交流電力を供給可能な溶解・出湯用電源と、溶解対象物１３の溶解時においては出湯部２を凝固した溶解対象物１３で閉口する一方、溶湯１３Ｂの取り出し時においては溶解対象物１３を溶解させて出湯部２を開口させるように、溶解・出湯用電源を制御する電源制御装置とを備えた構成にされていても良い。

また、本実施の形態においては、連通穴２ａの下縁２ｃからその下方に亙る一定の領域に向かって不活性ガス２０を噴きつけるガス噴霧器１８を備えた構成にされているとともに、出湯部２の底面２ｂが、底面２ｂの外周側から連通穴２ａの下端に向かって先細りの形状になっている構成としたが、どちらか一方の構成のみを備えたものであってよい。

誘導加熱溶解炉の概略構成を示す説明図である。 誘導加熱溶解炉の斜視図である。 出湯部とガス噴霧器とを示す拡大図である。 溶解対象物の溶解される過程を示す説明図である。

符号の説明

１ 炉本体
２ 出湯部
２ａ 連通穴
２ｂ 底面
６ 第２誘導加熱コイル
８ 出湯用電源
１３ 溶解対象物
１３Ｂ 溶湯
１８ ガス噴霧器
２０ 不活性ガス

Claims (3)

1. 溶解対象物を収容する収容手段と、
   前記収容手段の底部に設けられ、溶解した溶解対象物からなる溶湯が流下される連通穴を備えた出湯部と、
   前記出湯部の外周側に配置され、前記出湯部に収容された溶解対象物を誘導加熱するコイル手段と、
   前記コイル手段に電力を供給する電源手段と、
   前記出湯部の底面の近傍に設けられ、少なくとも前記連通穴の下縁に位置する溶湯に向かってガスを噴きつけるガス噴きつけ手段と、
   を備えたことを特徴とする誘導加熱溶解炉。
2. 前記ガス噴きつけ手段が、複数のガス吹き出し穴を周方向に備えた環状パイプ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。
3. 溶解対象物を収容する収容手段と、
   前記収容手段の底部に設けられ、溶解した溶解対象物からなる溶湯が流下される連通穴を備えた出湯部と、
   前記出湯部の外周側に配置され、前記出湯部に収容された溶解対象物を誘導加熱するコイル手段と、
   前記コイル手段に電力を供給する電源手段と、
   を備え、
   前記出湯部の底面が、当該底面の外周側から前記連通穴の下縁に向かって先細りの形状になっていることを特徴とする誘導加熱溶解炉。
   

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