JP2018098153A - 誘導溶解炉 - Google Patents

Abstract

【課題】出湯の度に溶湯の量が変化した場合でも正確な保持温度の管理が可能な誘導溶解炉を提供する。【解決手段】コントローラ１００は、溶解炉本体Ｘ内に収容された被加熱材Ｙを昇温させる昇温過程では、第２温度計測手段９Ｂによる計測温度が設定温度となるまで被加熱材を加熱溶解させると共に、加熱溶解後の出湯過程では、第１温度計測手段９Ａによる計測温度と、重量計測手段８により計測された被加熱材Ｙの質量とから保持電力を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して高周波電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉に関する。

従来、この種の誘導溶解炉としては、下記特許文献１に示すように、炉壁の外周に設けられた加熱コイルにより被加熱材を加熱溶解させる金属溶解炉において、炉蓋を貫通して被加熱材の溶解温度を計測する光ファイバ式の放射温度計を備えるものが知られている。

特開平６−１５９９４４号公報

ここで、従来の金属溶解炉では、比較的小型の誘導溶解炉において、鋳造に必要な量の原料を１回の鋳造毎に加熱溶融させて順次供給するものであり、大型の溶融炉を使用し、その中で複数回の鋳造に相当する量の溶湯を溶融した後、一回の鋳造に必要な量の溶湯を出湯して鋳型に供給する場合には、出湯の度に、持ち出しの熱量と残った溶湯の量が変化し、正確な保持温度の管理が困難であるという問題があった。

そこで、本発明は、出湯の度に溶湯の量が変化した場合でも正確な保持温度の管理が可能な誘導溶解炉を提供することを目的とする。

第１発明の誘導溶解炉は、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して高周波電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉であって、
前記炉内に収納された被加熱材の重量を計測する重量計測手段と、
前記炉内に収納された被加熱材の温度を計測する第１温度計測手段と、
前記電力供給手段を介した前記加熱コイルへの高周波電力の供給を制御する電力制御手段とを備え、
前記第１温度計測手段は、前記炉の炉蓋に設けられ、該炉内に収納された被加熱材の温度を非接触で計測する放射温度計測手段であって、
前記電力制御手段は、前記炉内に収容された被加熱材を昇温させる昇温過程では、前記第１温度計測手段による計測温度が設定温度となるまで被加熱材を加熱溶解させると共に、加熱溶解後の出湯過程では、該第１温度計測手段による計測温度と、前記重量計測手段により計測された被加熱材の質量とから保持電力を算出することを特徴とする。

第１発明の誘導溶解炉によれば、炉内に収容された被加熱材を昇温させる昇温過程では、非接触式の放射温度計測手段である第１温度計測手段により、被加熱材の温度を連続的に計測して設定温度とすることができる。

さらに、出湯過程では、第１温度計測手段による計測温度に加えて、重量計測手段により計測された被加熱材（溶湯）の質量から保持温度を算出することにより、出湯の度に溶湯の量が変化した場合でも正確な保持温度の管理ができる。

このように、第１発明の誘導溶解炉によれば、出湯の度に溶湯の量が変化した場合でも正確な保持温度の管理が可能となる。

第２発明の誘導溶解炉は、第１発明において、
前記炉内に収納された被加熱材に一時的に接触させて直接温度計測する第２温度計測手段を備え、
前記電力制御手段は、前記昇温過程において、前記第１温度計測手段に加えて又は代えて前記第２温度計測手段による計測温度から昇温完了時間を算出し、算出した昇温完了時間まで被加熱材を加熱溶解させることを特徴とする。

第２発明の誘導溶解炉によれば、被加熱材を加熱溶融させる昇温過程では、溶解した被加熱材の表面にスラグなどの介在物が存在し、炉蓋に設けた放射温度計では正確な溶解温度の管理が困難な場合もあるところ、かかる昇温過程において、第１温度計測手段に加えて又は代えて、被加熱材と直接接触して温度計測する第２温度計測手段による計測温度から昇温完了時間を算出し、算出した昇温完了時間まで被加熱材を加熱溶解させることで、昇温過程における温度管理性を向上させることができる。

このように、第２発明の誘導溶解炉によれば、被加熱材と直接接触して温度計測する第２温度計測手段を第１温度計測手段による温度計測の補完又は代替としても用いることができ、昇温過程における温度管理性を高めることができると共に、出湯過程において出湯の度に溶湯の量が変化した場合でも正確な保持温度の管理ができる。

本実施形態の誘導溶解炉の全体的な構成を示すシステム構成図。 図１の誘導溶解炉における処理内容を示すフローチャート。

図１に示すように、本実施形態の誘導溶解炉は、誘導溶解炉は、溶解炉本体Ｘ内に収納された被加熱材Ｙを溶解させるものである。

具体的に、誘導溶解炉は、電源１と、高圧受電盤２と、高調波フィルタ３と、変換装置用変圧器４と、高周波インバータ５と、高周波整合装置６と、加熱コイル７と、重量計測手段８と、温度計測手段９（９Ａ，９Ｂ）と、制御回路１０と、コントローラ１００（本発明の電力制御手段に相当する）とを備える。

電源１は、定格の交流電源であって、高圧受電盤２に接続されている。

高圧受電盤２は、誘導加熱装置への電源通電・停止と故障発生時の電源遮断を行う装置であって、パワーヒューズ２１と、遮断機２２と、計器用変流器２３と、計器用変圧器２４とを備える。

パワーヒューズ２１は、短絡事故時に電流遮断する手段であって、遮断機２２は、電源の通電と停止に伴う開閉動作を行う。また、計器用変流器２３は、この回路の回路電流をを制御回路１０への出力信号に変換して制御回路１０へ出力する。同様に、計器用変圧器２４は、この回路の回路電圧を制御回路１０への出力信号に変換して制御回路１０へ出力する。

高調波フィルタ３は、高圧受電盤２に接続され、高周波インバータ５から高調波電流が電力系統に流出しないように抑制する装置であって、限流リアクトル３１と、直列リアクトル３２と、高調波コンデンサ３３とから構成される。また、高調波フィルタ３は、高調波電流が所定値を超過した場合に異常信号である信号を制御回路１０へ出力する。

変換装置用変圧器４は、高調波フィルタ３に接続され、高周波インバータ５が所定の出力電圧を出力するために、高周波インバータ５への入力電圧を調整する装置であって、温度上昇や内部ガス圧異常などの際に異常信号である信号を制御回路１０へ出力する。

高周波インバータ５は、変換装置用変圧器４に接続され、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源から任意の高周波電流を生成するための装置であって、交流/直流変換器である順変換器５１と、直流/交流変換器である逆変換器５２から構成され、制御回路１０からの運転・停止・出力制御信号により制御される。

また、高周波インバータ５には、直流リアクトル５３が内蔵されており、順変換器５１で生成する直流電圧に重畳するリプル成分を除去すると共に、逆変換器５２や加熱コイル７などの負荷破損時の過電流の急激な流出を抑制する。

さらに、高周波インバータ５は、故障時に制御回路１０に故障状態を伝える信号や、電圧・電流・電力・周波数といった稼動時の電気データ（電力供給状態に相当する）を、必要に応じてコントローラ１００へ出力する。

高周波整合装置６は、高周波インバータ５に接続され、高周波インバータ５と加熱コイル７とのインピーダンス整合を図る装置である。高周波整合装置６は、インピーダンス整合を図るための高周波整合変圧器６１と、加熱コイル７の遅れ力率を進み力率に補償する力率調整コンデンサ６２とを備え、これらの構成要素の温度上昇や破損などの異常信号を制御回路１０へ出力する。

加熱コイル７は、高周波インバータ５から供給された高周波電力により、溶解炉本体Ｘ内に収納された鉄等の被加熱材Ｙにうず電流を発生させ，うず電流により金属材料間に発生するジュール熱で被加熱材Ｙを昇温させて溶解させる。

このとき、図示しない温度検出手段や冷却水路の循環機構などの際に異常信号が制御回路１０に出力される。

重量計測手段８は、例えば、溶解炉本体Ｘの下方に設けられた質量測定手段であるロードセルであって、溶解炉本体Ｘ内に収納された被加熱材Ｙの質量を計測し、その質量信号をコントローラ１００へ出力する。

なお、重量計測手段８は、ロードセル以外の質量計測手段であってもよい、例えば、溶解炉本体Ｘ内に投入する際に被加熱材の質量を予め計測すると共に出湯量の質量を計測する外部質量計測手段により、溶解炉本体Ｘ内の質量を間接的に算出してもよい。

温度計測手段９は、溶解炉本体Ｘの炉蓋Ｚに貫通して設けられ、溶解炉本体Ｘ内の被加熱材Ｙの温度を非接触式に計測する放射温度計測手段である第１温度計測手段９Ａと、溶解炉本体Ｘ内で溶解された被加熱材Ｙの温度を直接計測する第２温度計測手段９Ｂとを備える。

第１温度計測手段９Ａ及び第２温度計測手段９Ｂの計測温度は、それぞれコントローラ１００へ出力される。

制御回路１０は、誘導溶解炉に所定の運転をさせるための制御回路であって、加熱コイル７への電力制御を高周波インバータ５への制御信号を介して実行する。このほか、制御回路１０は、誘導溶解炉の各構成要素が破損あるいは定格を超過した運転条件になった場合に、誘導溶解炉を保護するものであり、各種信号を処理するための演算装置(シーケンサ)及びプログラム(ソフトウェア)等から構成される。

コントローラ１００は、誘導溶解炉の運転・停止のほか、後述する重量計測手段８及び温度計測手段９に基づく出力値の演算処理など、誘導溶解炉の運転の全般を制御する。

次に、図２に示すフローチャートを参照して、重量計測手段８及び温度計測手段９に基づくコントローラ１００による印加電力の出力値の演算処理について説明する。

まず、コントローラ１００は、重量計測手段８から溶解炉本体Ｘ内に収納されて加熱溶解させる被加熱材Ｙの質量を取得する（ＳＴＥＰ１１）。

次に、コントローラ１００は、被加熱材Ｙの溶湯温度の設定値を取得する（ＳＴＥＰ１２）。溶湯温度の設定値は、被加熱材Ｙの種類等から設定されてもよく、予め操業予定登録がされている場合には、操業予定登録内容から自動的に設定されるようにしてもよい。

次に、コントローラ１００は、次式に基づいて昇温時間ｔ［ｈ］を算出する（ＳＴＥＰ１３）。

ここで、Ｍ［ｋｇ］は、被加熱材Ｙの質量であり、ΔＴ［℃］は、目標温度である溶湯温度の設定値との温度差であり、Ｐ［ｋＷ］は印加電力であり、Ｋｓ，Ｋｐは、定数であり、ｎｃは加熱コイル７の効率であり、（ＬＯＳＳ）は、誘導溶解炉の設計値から定まる熱損失値である。

コントローラ１００は、印加電力Ｐ［ｋＷ］が予め設定されている場合（例えば、昇温時間を最短とするように最大出力とするように設定されている場合）には、上式に基づいて昇温時間ｔ［ｈ］を算出して、制御回路１０を介して被加熱材Ｙの昇温を開始する。

一方、コントローラ１００は、印加電力Ｐ［ｋＷ］が予め設定されていない場合（例えば、溶解完了時間が設定されている場合）には、上式に基づいて、印加電力Ｐ［ｋＷ］を算出して、制御回路１０を介して被加熱材Ｙの昇温を開始する。

次に、コントローラ１００は、第１温度計測手段９Ａ及び第２温度計測手段９Ｂの計測温度を所定のタイミングで取得する（ＳＴＥＰ１４）。

ここで、コントローラ１００は、第１温度計測手段９Ａと第２温度計測手段９Ｂの計測温度に温度差がある場合には、第２温度計測手段９Ｂの計測温度を優先して、次の昇温完了警報処理等を行う。昇温過程では、溶解した被加熱材の表面にスラグなどの介在物が存在し、炉蓋に設けた放射温度計では正確な溶解温度の取得が困難な場合もあるためである。

次に、コントローラ１００は、ＳＴＥＰ１４で取得した計測温度に基づいて、上式から昇温完了時間が所定時間後（例えば３０秒後）である場合には、昇温完了警報を図示しないスピーカおよびモニタ等を介してユーザ（作業者）に報知する（ＳＴＥＰ１５）。

そして、昇温完了時間となると、コントローラ１００は、被加熱材Ｙを溶湯温度の設定値に保持する保持モード（本発明の出湯過程に相当する）に移行する（ＳＴＥＰ２１）。

保持モードにおいて、コントローラ１００は、溶解炉本体Ｘが出湯のために傾動したか（傾動ボタンが選択されたか）を判定すると共に（ＳＴＥＰ２２）、傾動から復帰したか（復帰ボタンが選択されか）を判定する（ＳＴＥＰ２３）。

そして、傾動がない場合には（ＳＴＥＰ２２でＮＯ）、保持モードをそのまま維持し、傾動が選択されたが（ＳＴＥＰ２２でＹＥＳ）、復帰しない場合には（ＳＴＥＰ２３でＮＯ）、復帰するまで待機する。

次いで、傾動後に復帰すると（ＳＴＥＰ２３でＹＥＳ）、コントローラ１００は、溶解炉本体Ｘ内の被加熱材Ｙの質量を取得する（ＳＴＥＰ２４）。

さらに、コントローラ１００は、溶解炉本体Ｘ内の被加熱材Ｙの温度を第１温度計測手段９Ａにより取得する（ＳＴＥＰ２５）。ここで、保持モードにおいて、第１温度計測手段９Ａの測定温度を優先して用いるのは、出湯時には、溶解した被加熱材の表面にスラグなどの介在物が存在しても除滓等によって既に除去されているためである。

次に、コントローラ１００は、ＳＴＥＰ２４で取得した質量およびＳＴＥＰ２５で取得した計測温度から、上式に基づいて保持電力を算出し（ＳＴＥＰ２６）、算出した保持電力を制御回路１０を介して加熱コイル７に印加する。

次に、コントローラ１００は、出湯が完了するまで（出湯完了ボタンが選択されるまで）、上述の保持モードにおける処理ＳＴＥＰ２２〜２６を繰り返す（ＳＴＥＰ２７）。

以上が、重量計測手段８及び温度計測手段９に基づくコントローラ１００による印加電力の出力値の演算処理の詳細であり、かかるコントローラ１００による処理によれば、出湯の度に、持ち出しの熱量と残った溶湯の量が変化する場合にも、正確な保持温度の管理が可能となる。

なお、本実施形態では、温度計測手段９として、放射温度計測手段である第１温度計測手段９Ａと、溶湯に一時的に直接接触させて温度計測する第２温度計測手段９Ｂとを併用し、昇温過程では第２温度計測手段９Ｂを優先して用いると共に、保持モード（出湯過程）では、第１温度計測手段９Ａを優先して用いる場合について説明したが、これに限定されるものではく、昇温過程において、溶解した被加熱材の表面にスラグなどの介在物が少ないか、介在物があっても除滓を適時実行することで、第１温度計測手段９Ａを用いて、第２温度計測手段９Ｂを省略してもよい。

また、第２温度計測手段９Ｂを省略することなく、昇温過程において、第１温度計測手段９Ａと第２温度計測手段９Ｂとを併用し、これらの計測温度に所定の閾値を超える差がある場合に第１温度計測手段９Ａに代えて第２温度計測手段９Ｂの計測温度を採用するようにしてもよい。

１…電源、２…高圧受電盤、３…高調波フィルタ、４…変換装置用変圧器、５…高周波インバータ、６…高周波整合装置、７…加熱コイル、８…重量計測手段、９Ａ…第１温度計測手段、９Ｂ…第２温度計測手段、１０…制御回路、１００…コントローラ（電力制御手段）、Ｘ…溶解炉本体、Ｙ…被加熱材、Ｚ…炉蓋。

Claims (2)

1. 炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して高周波電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉であって、
   前記炉内に収納された被加熱材の重量を計測する重量計測手段と、
   前記炉内に収納された被加熱材の温度を計測する第１温度計測手段と、
   前記電力供給手段を介した前記加熱コイルへの高周波電力の供給を制御する電力制御手段とを備え、
   前記第１温度計測手段は、前記炉の炉蓋に設けられ、該炉内に収納された被加熱材の温度を非接触で計測する放射温度計測手段であって、
   前記電力制御手段は、前記炉内に収容された被加熱材を昇温させる昇温過程では、前記第１温度計測手段による計測温度が設定温度となるまで被加熱材を加熱溶解させると共に、加熱溶解後の出湯過程では、該第１温度計測手段による計測温度と、前記重量計測手段により計測された被加熱材の質量とから保持電力を算出することを特徴とする誘導溶解炉。
2. 請求項１記載の誘導溶解炉において、
   前記炉内に収納された被加熱材に一時的に接触させて直接温度計測する第２温度計測手段を備え、
   前記電力制御手段は、前記昇温過程において、前記第１温度計測手段に加えて又は代えて前記第２温度計測手段による計測温度から昇温完了時間を算出し、算出した昇温完了時間まで被加熱材を加熱溶解させることを特徴とする誘導溶解炉。