JP2015021691A

JP2015021691A - コールドクルーシブル溶解炉及びその製造方法

Info

Publication number: JP2015021691A
Application number: JP2013151795A
Authority: JP
Inventors: 田所　昌宏; Masahiro Tadokoro; 昌宏田所; 弘樹西河; Hiroki Nishikawa
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-02-02

Abstract

【課題】セグメントの変形を有効に防止できるコールドクルーシブル溶解炉及びその製造方法を提供する。【解決手段】内部に冷却流体の通路１２０ａを有する複数のセグメント１２０…１２０がスリットＳを介して周方向に隣接して配置された側壁部１２と、前記側壁部１２の下方に位置する底部１１と、前記側壁部１２の径外方向に離れて配置された誘導加熱コイル３０と、を備え、減圧環境下で用いられるコールドクルーシブル溶解炉１において、前記側壁部１２の外方に非誘導性物質からなり、前記セグメント１２０の径外方向への変形を抑制するたわみ抑制部４０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱により被溶解金属を溶解するコールドクルーシブル溶解炉及びその製造方法に関する。

従来、被溶解金属を誘導加熱により溶解する装置としては、例えば、銅などの金属で形成され、内部に冷却水路を有するるつぼと、るつぼの周囲に配置された誘導加熱コイルとを備えたコールドクルーシブル溶解炉がある。このコールドクルーシブル溶解炉でるつぼに収容された被溶解金属を溶解する場合、誘導加熱コイルによって被溶解金属を誘導加熱するとともに、冷却水路に冷却水を通すことによってるつぼを冷却する。これにより、るつぼに収容された被溶解金属は、外周側において抜熱されるため、この外周側で被溶解金属が冷却されて凝固したスカルが形成されて内部のみが溶融することとなる。このため、被溶解金属が溶解した溶湯は、スカルによってるつぼと隔離されることによりるつぼからの汚染が防止される。また、るつぼは、上記のように金属で形成されていることから、急速溶解したとしても割れなどの損傷が生じる恐れがない。このため、このコールドクルーシブル溶解炉では、減圧環境（真空環境を含む）で使用しても高純度の溶湯を高速で生成することが可能である。

このコールドクルーシブル溶解炉のるつぼは、内部に冷却流体の通路を有する複数のセグメントがスリットを介して周方向に隣接して配置された側壁部と、前記側壁部の下方に位置する底部とを備える。前記スリットには、モルタル等の非誘導性物質が詰められて隙間が塞がれている。

ここで、被溶融金属がるつぼ内に収容された状態のままで誘導加熱コイルへの通電が停止されることにより、被溶融金属がるつぼ内で固まってしまうことがある。そして、この固まった被溶融金属を溶解（再溶解）させようとして誘導加熱コイルへの通電を再開した際に、以下の不都合が発生する場合がある。

ほとんどの被溶融金属は、溶湯の状態と固体の状態とで比重が異なる。例えば鉄（Ｆｅ）の場合、溶湯の比重が６．９、固体の比重が７．８５である。これはつまり、同一質量の被溶融金属が、溶湯の状態と固体の状態とで体積が異なるということである。前記鉄の場合、同一質量では、溶湯の方が固体よりも体積が大きくなる。

前記再溶解の場合、固まった被溶融金属のうち、誘導加熱コイルからの磁力が強く及ぶ、るつぼ内の外側部分、つまり、るつぼ内の側壁部に近い部分から溶解が始まる。このため、溶解した部分は内方の未溶解である固体部分と外方の側壁部とに挟まれた状態となる。前記のように、固体よりも溶湯の方が体積が大きいことから、前記溶解した部分には膨張力が発生する。ここで、内方の固体部分よりも外方の側壁部の方が、強度は相対的に小さい。このため、前記膨張力は径外方向への力として前記側壁部に働く。この力が前記側壁部を構成するセグメントの強度を超えた場合、特にセグメントの長手方向中央部付近にて、前記スリットが広げられるようにセグメントが変形してしまう。

前記セグメントの変形に伴い、非誘導性物質が詰められていたスリットに隙間が発生してしまう。そして、この発生した隙間に再溶解した溶湯が入り込むことがある（「湯差し」という）。この隙間への溶湯の入り込みは、磁束の均一な流れを部分的に阻害するため、るつぼや誘導加熱コイルが溶けたり、短絡が発生したりするという不具合を発生させてしまうことがある。特に、径寸法が大きくなるに従い、るつぼの製造コストが上昇する（るつぼが高価になる）ため、前記不具合の発生によりるつぼの再製造または補修が必要となって大きな経済的損失が発生することが懸念される。

特開２００９−８５５２５号公報

そこで本発明は、セグメントの変形を有効に防止できるコールドクルーシブル溶解炉及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、内部に冷却流体の通路を有する複数のセグメントがスリットを介して周方向に隣接して配置された側壁部と、前記側壁部の下方に位置する底部と、前記側壁部の径外方向に離れて配置された誘導加熱コイルと、を備え、減圧環境下で用いられるコールドクルーシブル溶解炉において、前記側壁部の外方に非誘導性物質からなり、前記セグメントの径外方向への変形を抑制するたわみ抑制部を備えることを特徴とするコールドクルーシブル溶解炉である。

この構成によれば、前記側壁部の外方にたわみ抑制部を備える。このため、前記たわみ抑制部により、径外方向への力が前記側壁部に働いた場合であっても、前記スリットが広げられるように前記セグメントが変形してしまうことが抑制される。

また、前記たわみ抑制部は、前記側壁部と前記誘導加熱コイルとの間に位置することもできる。この構成によれば、前記たわみ抑制部は前記側壁部に対して直接当接可能である。このため、前記セグメントの変形抑制を確実にできる。

また、前記たわみ抑制部は、前記たわみ抑制部は、前記側壁部の周方向の全周に沿うように位置することもできる。この構成によれば、周方向の全周に亘って前記セグメントの変形抑制を行える。

また本発明は、内部に冷却流体の通路を有する複数のセグメントがスリットを介して周方向に隣接して配置された側壁部と、前記側壁部の下方に位置する底部と、前記側壁部の径外方向に離れて配置された誘導加熱コイルと、を備え、減圧環境下で用いられるコールドクルーシブル溶解炉の製造方法において、流動性を有する非誘導性物質を、前記側壁部と前記誘導加熱コイルとの間に投入してたわみ抑制部を形成することを特徴とするコールドクルーシブル溶解炉の製造方法である。

この構成によれば、流動性を有する非誘導性物質を、前記側壁部と前記誘導加熱コイルとの間に投入してたわみ抑制部を形成する。このため、径外方向への力が前記側壁部に働いた場合であっても前記セグメントが変形してしまうことを抑制できる前記たわみ抑制部を、容易に形成可能である。

本発明によると、前記たわみ抑制部により、径外方向への力が前記側壁部に働いた場合であっても、前記スリットが広げられるように前記セグメントが変形してしまうことが抑制される。このため本発明によると、セグメントの変形を有効に防止できるコールドクルーシブル溶解炉及びその製造方法を提供できる。

本発明の一実施形態のコールドクルーシブル溶解炉を示す斜視図である。同コールドクルーシブル溶解炉を示す、炉中央における縦断面図である。同コールドクルーシブル溶解炉を示す側面図である。同コールドクルーシブル溶解炉を示す横断面図である。

図１〜図４は、本実施形態のコールドクルーシブル溶解炉１を示している。このコールドクルーシブル溶解炉１の基本的な構成は特許文献１記載のコールドクルーシブル溶解炉の構成と同じである。つまり、このコールドクルーシブル溶解炉１は、被溶解金属Ｗを収容するるつぼ１０と、るつぼ１０を冷却する冷却手段２０と、るつぼ１０の外周側に配置された誘導加熱コイル３０とを備える。被溶解金属Ｗとしては、例えば鋳鉄や酸化鉄が挙げられるが、その他様々な金属を適用可能である。なお、本実施形態のコールドクルーシブル溶解炉１は、気密容器（図示しない）の内部に設置されて減圧雰囲気（真空雰囲気を含む）中で被溶解金属Ｗの溶解を行う。図２に溶解状態の被溶解金属Ｗを二点鎖線で示している。

るつぼ１０は、底部１１を構成するように形成されたベース体１１０と、側壁部１２を構成するようにベース体１１０上に平面視略円形状に配設された複数の側壁部セグメント１２０…１２０とを有する。そして、互いに固定されたベース体１１０と複数の側壁部セグメント１２０…１２０とによって、上部が開口して被溶解金属Ｗを収容する収容凹部１０ａが形成されている。なお、本実施形態では、るつぼ１０を傾けることで収容凹部１０ａの上部から出湯がなされる。

側壁部セグメント１２０の材質としては、電気伝導度及び熱伝導率に優れ、熱衝撃に強く、必要な機械的強度を有するとともに、冷却手段２０による冷却によってスカル（図示しない）を形成するのに必要な高熱伝導率を有する材料、例えば、銅、または、クロム銅、ベリリウム銅などの銅合金が選択される。前記銅系材料は、特に、るつぼ１０を真空槽の内部に設置して真空雰囲気中、または減圧雰囲気中で被溶解金属Ｗの溶解を行う場合に酸化物を形成しないため、酸化金属等の耐火物と比較して有利である。

ここで、複数の側壁部セグメント１２０…１２０は、スリットＳを介して周方向に隣接して配置されている。このため、隣接する側壁部セグメント１２０，１２０は電気的に絶縁されている。このスリットＳは、溶湯の浸入を防止するため、セラミックス板、モルタル等の非誘導性物質により埋められている。

側壁部セグメント１２０は、冷却手段２０の一部を構成する冷却水路１２０ａを内部に有している。この冷却水路１２０ａは、入口配管１４１及び下ヘッダー部１４２を介して、同じく冷却手段２０の一部を構成する冷却水供給源（図示しない）に接続されている。そして、側壁部セグメント１２０の下部から供給された、冷却流体としての冷却水が冷却水路１２０ａを通って側壁部セグメント１２０の上部へと一方向に抜け、上ヘッダー部１４３及び出口配管１４４を通って排出されることにより、側壁部セグメント１２０が冷却される。この冷却により、るつぼ１０の内面にスカルを形成することが可能となっている。なお、冷却流体は本実施形態の水に限定されず、各種液体（ゲル状のものも含む）及び気体を冷却流体として用いることができる。

るつぼ１０には径外方向に突出した出湯部１３が形成されている。この出湯部１３を形成するため、複数の側壁部セグメント１２０…１２０のうち周方向の一部領域に位置する側壁部セグメント１２０が上方に延長されるようにして、出湯部セグメント１３０が形成されている。この出湯部セグメント１３０は、曲げ加工及びろう付けにより形成され、側壁部セグメント１２０に対して一体とされている。この出湯部セグメント１３０内には冷却水路１３０ａが形成されており、側壁部セグメント１２０の冷却水路１２０ａと連通している。また、この出湯部セグメント１３０の冷却水路１３０ａは、前記上ヘッダー部１４３に接続されている。

溶湯を出湯部１３の幅以下である狭い幅の流れで取り出すため、この出湯部１３の上端における幅寸法は、側壁部１２の内径寸法以下とされることが好ましい。

前記出湯部セグメント１３０における上端位置は、出湯部１３の幅方向における中央に位置する出湯部セグメント１３０の方が、同方向における両端に位置する出湯部セグメント１３０よりも低い。これにより、図３に示すように、出湯部１３の上縁は正面視で凹状となり、当該上縁で最も低い部分が低位部１３１である。この低位部１３１の形成により、出湯時における溶湯の流れを、側壁部セグメント１２０に接した状態と比較して狭い幅の流れに収束させることができる。つまり、この低位部１３１により、出湯時の溶湯の流れ方向に直交する断面にて下方に凹んだ流路が出湯部１３に形成される。この凹んだ流路では、るつぼ１０が出湯機構９１により傾動方向（出湯部１３が下方となる方向）に傾けられた場合には、溶湯に働く重力により、出湯部１３のうち最も低い低位部１３１に優先的に溶湯が流れる。

誘導加熱コイル３０は、るつぼ１０の外周側に巻回されており、図示しない溶解電源装置によって、所定の高周波交流電力が供給される。この交流電力により交番磁場を発生させ、収容凹部１０ａに収容された被溶解金属Ｗを誘導加熱することが可能である。

図２及び図４に示すように、前記側壁部１２の外方には、非誘導性物質からなるたわみ抑制部４０が形成されている。このたわみ抑制部４０は、具体的には、側壁部１２と誘導加熱コイル３０との間に、周方向の全周に亘って位置する。また、このたわみ抑制部４０は側壁部１２と誘導加熱コイル３０とに直接接触している。また、このたわみ抑制部４０を構成する非誘導性物質は、例えば酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウムなどの酸化物とされている。前記酸化物としては粉末状のものが用いられている。この粉末状の酸化物は流動性を有することから、当該酸化物が側壁部１２と誘導加熱コイル３０との間に流し込まれ、押し固められることによりたわみ抑制部４０を形成できる。このように流動性を有する酸化物を側壁部１２と誘導加熱コイル３０との間に流し込むことで、側壁部１２と誘導加熱コイル３０との間に隙間なくたわみ抑制部４０を形成することができる。また、固体の部材を組み立ててたわみ抑制部４０を形成することに比べ、容易にたわみ抑制部４０を形成することができる。

ここで、被溶融金属Ｗがるつぼ１０内に収容された状態のままで誘導加熱コイル３０への通電が停止されることにより、被溶融金属Ｗがるつぼ１０内で固まってしまうことがある。そして、この固まった被溶融金属Ｗを溶解（再溶解）させようとして誘導加熱コイル３０への通電を行った際には、誘導加熱コイル３０からの磁力が強く及ぶ、るつぼ１０の側壁部１２に近い部位から溶解が始まる。温度上昇に伴う被溶融金属Ｗの熱膨張、及び、溶湯と固体との比重差の影響により、径外方向への力が側壁部１２に働く。この力は側壁部セグメント１２０…１２０をるつぼ１０の外方に変形させようとする力である。本実施形態では、側壁部１２の外方にたわみ抑制部４０が形成されていることから、前記変形させようとする力をたわみ抑制部４０が受け止めることができる。このため、側壁部セグメント１２０…１２０が変形してしまうことを抑制できる。

前記側壁部セグメント１２０の変形が抑制されることから、前記変形させようとする力によりスリットＳが広がることで、当該スリットＳに埋められていた非誘導性物質と側壁部セグメント１２０との間に発生した隙間に前記再溶解した溶湯が入り込むこと（湯差し）を抑制できる。そして、前記湯差しが抑制されることにより、るつぼ１０や誘導加熱コイル３０が溶けたり、短絡が発生したりするという不具合を発生させてしまうことを防止できる。特に、径寸法が大きくなるに従ってるつぼ１０の製造コストが上昇する（るつぼ１０が高価になる）が、たわみ抑制部４０の存在により、径寸法の大きいるつぼ１０において側壁部セグメント１２０が変形してしまい、大きな経済的損失が発生することを防止できる。

誘導加熱コイル３０の更に径外位置の６箇所には、周方向に均等間隔であり上下方向に延びる金属製のフレーム５０が位置している。このフレーム５０と前記たわみ抑制部４０との間には、径内側から順に、絶縁シート６０、鉄心部材７０が位置している。

絶縁シート６０は、誘導加熱コイル３０と鉄心部材７０とを絶縁する樹脂製のシートである。鉄心部材７０は、多数のケイ素鋼板が側壁部１２の接線方向に沿う方向に積層されて形成されている。このように構成された鉄心部材７０は、当該鉄心部材７０の内部を磁束が通過できるため、誘導加熱コイル３０によるるつぼ１０の加熱を効率良く行うことができる。

フレーム５０には、当該フレーム５０を貫通するように保持ボルト８０がねじ込まれている。この保持ボルト８０は、径内側端面が鉄心部材７０の外周面に当接するようにフレーム５０にねじ込まれており、絶縁シート６０及び鉄心部材７０が径外方向にずれないように位置保持を行う。この保持ボルト８０のフレーム５０へのねじ込み度合を調整することにより、誘導加熱コイル３０及びたわみ抑制部４０への径内方向への押圧力を調整できる。なお、前記径外方向への力が側壁部１２に働いた場合には、この保持ボルト８０に径内方向への反力が生じる。

前記構成のコールドクルーシブル溶解炉１は、架台９０に支持される。そして油圧駆動シリンダを備えた出湯機構９１により、るつぼ１０を傾動方向へと回動させて前記架台９０に対して傾けることができる。出湯部１３は、前記出湯機構９１によるるつぼ１０の、平面視における傾動方向の延長線上に位置し、低位部１３１は前記延長線と一致している。これにより、溶湯を、傾けられた収容凹部１０ａから出湯部１３のうち低位部１３１を挟む幅のある領域を通り、鋳型等の出湯対象物に流し込むことが可能である。

本実施形態のるつぼ１０には、前記出湯部１３が形成されている。このため、円筒状のるつぼ、つまり、複数の側壁部セグメント１２０…１２０の上縁が等しい高さに位置するるつぼと比較して、溶湯を出湯部１３の幅以下である狭い幅の流れで取り出すことができる。つまり、溶湯を集約してるつぼ１０の外部に取り出すことができる。このため、るつぼ１０が大径であっても、鋳型等の出湯対象物に対して確実に出湯できる。そして、前記のように出湯部１３に低位部１３１が形成された場合には、溶湯を更に狭い幅の流れで取り出すことができる。

以上、本発明につき一実施形態を取り上げて説明してきたが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば底部１１を上下方向に移動可能に構成することで、被溶融金属Ｗが溶解後に固まった凝固相を下方に順次引き抜き、連続鋳造を行うことのできる構成とすることもできる。

１コールドクルーシブル溶解炉
１０るつぼ
１１底部
１２側壁部
１２０（側壁部）セグメント
１２０ａ冷却流体の通路、冷却水路
２０冷却手段
３０誘導加熱コイル
４０たわみ抑制部
Ｗ被溶解金属
Ｓスリット

Claims

内部に冷却流体の通路を有する複数のセグメントがスリットを介して周方向に隣接して配置された側壁部と、前記側壁部の下方に位置する底部と、前記側壁部の径外方向に離れて配置された誘導加熱コイルと、を備え、減圧環境下で用いられるコールドクルーシブル溶解炉において、
前記側壁部の外方に非誘導性物質からなり、前記セグメントの径外方向への変形を抑制するたわみ抑制部を備えることを特徴とするコールドクルーシブル溶解炉。
前記たわみ抑制部は、前記側壁部と前記誘導加熱コイルとの間に位置することを特徴とする請求項１に記載のコールドクルーシブル溶解炉。
前記たわみ抑制部は、前記側壁部の周方向の全周に沿うように位置することを特徴とする請求項１または２に記載のコールドクルーシブル溶解炉。
内部に冷却流体の通路を有する複数のセグメントがスリットを介して周方向に隣接して配置された側壁部と、前記側壁部の下方に位置する底部と、前記側壁部の径外方向に離れて配置された誘導加熱コイルと、を備え、減圧環境下で用いられるコールドクルーシブル溶解炉の製造方法において、
流動性を有する非誘導性物質を、前記側壁部と前記誘導加熱コイルとの間に投入してたわみ抑制部を形成することを特徴とするコールドクルーシブル溶解炉の製造方法。