JP2018189246A - Cold Crucible Melting Furnace - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cold crucible melting furnace having a hearth provided with magnetic flux induction mechanisms securely melting a solidified skull to realize stable tapping, further, to save power regarding the tapping, and simultaneously, to suppress the damage of the furnace side walls of the melting furnace, the additional structures thereof and the hearth.SOLUTION: A cold crucible melting furnace 1 has such a configuration that a hearth 2 composing the bottom part of the cold crucible melting furnace is made of an aggregate obtained by joining segments almost separately formed in a circumferential direction, and induction magnetic field fluxes from a coil 4 at the lower part are introduced into the upper part of the hearth via the released slits among the segments, and an intermediate slit(s) is provided, other than the slits among the segments, for guiding the fluxes generated at the coils 4 in the lower part to the upper part of the hearth, and further flux induction mechanisms 220a, 220b, 221a and 221b are provided concentrating the fluxes from the coils 4 located in positions exceeding the inner circumferences of furnace side walls 11 on the upper and central directions.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、コールドクルーシブル溶解炉に関する。特に、省電力でありながら炉床のオリフィス部付近の金属溶解効率を高めることで、安定した出湯を確保し、かつ溶解炉の装置損傷を低減できる炉床を有する溶解炉に関する。   The present invention relates to a cold crucible melting furnace. In particular, the present invention relates to a melting furnace having a hearth that can secure stable tapping and reduce apparatus damage of the melting furnace by increasing the metal melting efficiency near the orifice of the hearth while saving power.

コールドクルーシブル誘導溶解法は、るつぼとして、水冷された銅製の溶解炉を用いる溶解法であり、雰囲気制御されたチェンバ内で、チタンをはじめとする高融点でかつ活性な金属の無汚染溶解が可能である。   The cold crucible induction melting method is a melting method using a water-cooled copper melting furnace as a crucible, and it is possible to dissolve high-melting and active metals such as titanium in a controlled atmosphere chamber without contamination. It is.

誘導加熱コイルからの磁束は、溶解炉側壁のセグメント間のスリットの空隙を通してるつぼ内の溶解対象となる金属に作用する。溶融した金属はピンチ力によりドーム形状となり、側方は炉側壁と相対し、下方は同じく銅製の炉床と接することとなるが、どちらも水冷されているため、表面が冷やされて凝固スカルを形成する。凝固スカルはその内部の溶融金属と溶解炉を構成する銅との接触を阻止するため、本溶解法は、無汚染で高純度の金属を得る有用な手段となっている。   Magnetic flux from the induction heating coil acts on the metal to be melted in the crucible through the slit gap between the segments of the melting furnace side wall. The molten metal becomes a dome shape due to pinch force, the side faces the furnace side wall, and the lower part is also in contact with the copper hearth, but both are water cooled, so the surface is cooled and solidified skull is drawn Form. Since the solidified skull prevents contact between the molten metal inside it and the copper constituting the melting furnace, this melting method is a useful means for obtaining a high-purity metal without contamination.

そのため、コールドクルーシブル溶解炉は、高価な金属を少量融解させる、小型溶解炉として使用するケースがある。特に、アトマイズ処理等の次工程に受渡しする際には、細い出湯ノズルを用いることが多いため、高熱にさらされるノズルが正常に機能する寿命を考えると、小型溶解炉を使いまわす方が望ましい。   Therefore, the cold crucible melting furnace may be used as a small melting furnace that melts a small amount of expensive metal. In particular, when delivering to the next process such as atomization, a thin hot water nozzle is often used. Therefore, it is desirable to use a small melting furnace in consideration of the life in which the nozzle exposed to high heat functions normally.

溶融金属の出湯のために、従来はるつぼを傾けて出湯する傾動法が一般的であったが、出湯歩留まり、温度低下しやすいこと、安全性等様々な問題があるため、現在では、炉床から直接出湯する方法も多く工夫されている。   In the past, the tilting method in which the crucible was tilted to discharge the molten metal was generally used. However, there are various problems such as the yield of the molten metal, the low temperature, and safety. Many methods have also been devised for direct hot water discharge.

特表2008−545885号公報Special table 2008-554585 gazette

炉床から直接出湯するためには、凝固スカルを溶解する必要がある。そこで、炉床の下方に別途、高周波誘導加熱コイルを設けて、炉側壁と独立して加熱する必要が生じるが、大容量の電力を消費することや、炉床の下方から加熱する際に、コイルの磁場の範囲内に入る溶解炉側壁の下部やそれに付属する構造物も同時に誘導加熱し、損傷してしまう等の問題がある。   In order to discharge directly from the hearth, it is necessary to dissolve the solidified skull. Therefore, it is necessary to separately provide a high frequency induction heating coil below the hearth and to heat independently from the furnace side wall, but when consuming a large amount of power or heating from the bottom of the hearth, There is a problem that the lower part of the side wall of the melting furnace that falls within the magnetic field of the coil and the structure attached thereto are simultaneously induction-heated and damaged.

出湯のための加熱は、金属溶解のための加熱に比べて、冷却されている箇所を加熱するので余分なエネルギーが必要である。また、コールドクルーシブル溶解炉においては、大型になるにつれて、炉側壁からの金属を溶解するための加熱に要する電力原単位(単位重量あたり溶解電力量)は低下するが、出湯のための炉床下方からの加熱に要する電力量は大型であっても小型であっても同程度必要である。そのため、小型の溶解炉においては、炉側壁からの加熱と同程度の大容量の電力が必要であると言われているため、特に問題が大きい。   The heating for tapping hot water requires extra energy because the portion being cooled is heated as compared with the heating for melting the metal. Moreover, in a cold crucible melting furnace, as the size of the furnace increases, the basic unit of electric power (melting electric power per unit weight) required for melting the metal from the furnace side wall decreases. The amount of electric power required for heating from the heat source is about the same whether it is large or small. Therefore, in a small melting furnace, it is said that a large amount of electric power equivalent to the heating from the side wall of the furnace is necessary, so that the problem is particularly great.

炉床の形状を漏斗状にした場合、出湯出口となるオリフィス部に至る漏斗状の傾斜部分、垂直部分に対応させて、誘導加熱コイルを斜め方向と垂直方向に配置することとなり、複雑な磁束が誘導されるため、出湯炉床の出湯出口付近の凝固スカルに均一に電磁誘導加熱することが困難であり、また、平板形状に比べて炉床の加熱面積が大きくなるため、消費電力も大きくなる。   When the shape of the hearth is funnel-shaped, induction heating coils are arranged in an oblique direction and a vertical direction corresponding to the funnel-shaped inclined part and the vertical part leading to the orifice part serving as the outlet of the hot water. Therefore, it is difficult to uniformly heat the solidified skull near the tapping outlet of the tapping hearth, and the heating area of the hearth is larger than that of the flat plate shape. Become.

一方、平板形状で出湯出口に漏斗形状のオリフィス部を有する炉床は、磁束を集中しやすいという特徴の他にも、溶融金属と出湯構造との接触を最小限にできるため、「温度低下させずに次工程へ受け渡せる」、「必要電力の最小化が図れる」というアドバンテージがある。   On the other hand, a flat hearth with a funnel-shaped orifice part at the outlet of the hot water has a feature that it is easy to concentrate the magnetic flux, and can minimize the contact between the molten metal and the hot water structure. There is an advantage that it can be delivered to the next process without being required, and "the required power can be minimized".

特許文献1では、チタンを次工程のアトマイズ加工に受け渡すための構成として、平板形状の炉床を用いることで、出口部分のオリフィス部に均一な磁場を形成するとともに、磁性体である鉄粉を当該部分に混合することにより、さらに磁束を集中させやすくする構成を示している。   In patent document 1, while using a flat hearth as a structure for delivering titanium to the atomization process of the next process, a uniform magnetic field is formed in the orifice part of the outlet part, and iron powder that is a magnetic substance is used. The structure which makes it easy to concentrate a magnetic flux further by mixing is mixed with the said part is shown.

ところで、安定した出湯のためには、出湯出口となるオリフィス部付近の強力な誘導加熱が必要とされ、そのためには、炉床の下方にあるコイルからの磁束を多く当該部分に集める必要がある。しかし、不要な磁束は、コイル損失となるとともに、炉側壁やその付属装置、及び炉床そのものも誘導加熱により損傷してしまう。したがって、不要な磁束は、軌道修正ができることが望ましい。   By the way, for stable tapping, strong induction heating in the vicinity of the orifice serving as a tapping outlet is required, and for that purpose, it is necessary to collect a large amount of magnetic flux from a coil below the hearth in that portion. . However, the unnecessary magnetic flux causes coil loss and damages the furnace side wall, its attached devices, and the hearth itself by induction heating. Therefore, it is desirable that the unnecessary magnetic flux can be corrected.

この点、上記特許文献1に示す構成では、下方の誘導加熱コイルからの磁束を上方に大きく促進するものではなく、また、オリフィス部そのものに混合された磁性体は、若干磁束を軌道修正して誘導加熱を促進するかもしれないが、その効果は弱く、オリフィス部自身の耐久性にとっても好ましくない。   In this respect, in the configuration shown in Patent Document 1, the magnetic flux from the lower induction heating coil is not greatly promoted upward, and the magnetic substance mixed in the orifice portion itself slightly corrects the trajectory of the magnetic flux. Although induction heating may be promoted, the effect is weak and it is not preferable for the durability of the orifice part itself.

特に小型のコールドクルーシブル溶解炉においては、スカル溶解に十分な誘導加熱のために必要なコイルの大きさが炉側壁内面の範囲内に納まりきらない事態も出現し、このような態様では、コイル損失が大きい事に加え、漏れ磁束による炉側壁の下部やその付属装置の損傷も大きな問題となっており、磁束の軌道修正を可能とする方法が望まれている。   In particular, in a small cold crucible melting furnace, a situation has arisen in which the coil size required for induction heating sufficient for skull melting does not fit within the inner surface of the furnace side wall. In addition to being large, damage to the lower part of the furnace side wall and its attached devices due to leakage magnetic flux is also a serious problem, and a method that can correct the trajectory of the magnetic flux is desired.

本発明は、上記のような課題を解消することを目的としており、具体的には、出湯出口のオリフィス部分を誘導加熱する磁束の軌道修正を可能とすることで、安定した出湯が実現できると同時に、省電力で、装置の損傷を最小限に抑えることができる炉床を備えたコールドクルーシブル溶解炉を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described problems. Specifically, a stable tapping water can be realized by making it possible to correct the trajectory of the magnetic flux for induction heating the orifice portion of the tapping outlet. At the same time, an object of the present invention is to provide a cold crucible melting furnace having a hearth that can save power and minimize damage to the apparatus.

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。   In order to achieve this object, the present invention takes the following measures.

すなわち、本発明のコールドクルーシブル溶解炉は、溶解対象物が投入される炉側壁で囲われた溶解炉と、この溶解炉の底部となる炉床、及び前記炉床の円周中心にあって溶解炉内の溶湯を外部に出湯するオリフィス部及び出湯ノズルを具備し、前記炉床は円周方向に略分割形成されたセグメントからなり、セグメント間の開放されたスリットの空隙を介して炉床上部に下方のコイルからの磁束を導入する構成であって、炉床下方にあるコイルからの磁束を炉床上面かつ炉床中心方向へ導く誘導機構をさらに有することを特徴とする。   That is, the cold crucible melting furnace of the present invention is a melting furnace surrounded by a furnace side wall into which an object to be melted is charged, a hearth serving as the bottom of the melting furnace, and a melting center located at the circumference center of the hearth. Provided with an orifice portion and a discharge nozzle for discharging the molten metal in the furnace to the outside, the furnace floor is composed of segments that are substantially divided in the circumferential direction, and the upper part of the hearth via the open slit gap between the segments In this configuration, a magnetic flux from a lower coil is introduced, and an induction mechanism is further provided for guiding the magnetic flux from the coil below the hearth to the upper surface of the hearth and toward the center of the hearth.

ここで「略分割形成されたセグメント」とは、全体が完全に分離したセグメントからなる場合のみでなく、セグメント同士が部分的につながった形状である場合を含む。   Here, the “substantially divided segment” includes not only the case where the entire segment is completely separated, but also the case where the segments are in a partially connected shape.

これにより、炉床下方のコイルからの磁束を、出湯オリフィス部のある炉床上面かつ炉床円周中心に向けて、より多く伝えることができるため、炉床上面にある凝固スカルの厚みを薄くすることができ、より安定した出湯を得ることができる。   As a result, a larger amount of magnetic flux from the coil below the hearth can be transmitted toward the upper surface of the hearth with the tapping orifice and the center of the hearth, so the thickness of the solidified skull on the upper surface of the hearth is reduced. More stable hot water can be obtained.

当該中心方向への磁束の誘導機構は、主として上方向へ磁束を促進する前記スリットと協働できるように設けることが望ましく、具体的には、上方かつ中心方向となる斜め方向の方向性を有した磁束誘導空間又は磁束誘導部材を前記スリットの下方に接合して備えることが好ましい。   The mechanism for guiding the magnetic flux in the central direction is preferably provided so as to be able to cooperate with the slit that mainly promotes the magnetic flux in the upward direction. Specifically, it has a directionality in an oblique direction that is upward and in the central direction. Preferably, the magnetic flux induction space or the magnetic flux induction member is provided below the slit.

凝固スカルを溶解するとともに、炉側壁及びその付属装置を加熱し、余分な損失につながるのは、主として、スリットの空隙を介して上方に向かう漏れ磁束であるため、これを軌道修正することが最も効率的だからである。   It is most likely to correct the trajectory because it is primarily the leakage flux that goes upwards through the slit gap, which melts the solidified skull and heats the furnace sidewall and its associated equipment, leading to extra losses. Because it is efficient.

上方向に向かう磁束を円周中心方向に向かって横方向に誘導することは修正角度が大きすぎて不可能なため、上方かつ中心方向となる斜め方向に誘導することが好ましい。   Since it is impossible to induce the upward magnetic flux in the lateral direction toward the circumferential center direction, the correction angle is so large that it is impossible to induce the magnetic flux upward and in the oblique direction that is the central direction.

特に、小型のコールドクルーシブル溶解炉においては、炉側壁内周を超える位置にあるコイルからの磁束を上方かつ中心方向へ集中させる機構を有する炉床とすることが望ましい。   In particular, in a small cold crucible melting furnace, it is desirable to use a hearth having a mechanism for concentrating the magnetic flux from the coil located above the inner periphery of the furnace side wall in the upward and central directions.

炉側壁内面の範囲からはみ出たコイルの上方に向かう磁束は、全て漏れ磁束となって、溶解炉本体やその付属構造を誘導加熱すると同時に、余分な損失となる。したがって、これらの磁束を炉側壁内面からより円周中心の方向へ向かって軌道修正することで、損傷を低減し、コイル損失を減らすことができる。   All the magnetic flux that goes out of the range of the inner wall of the furnace wall and goes to the upper side of the coil becomes a leakage flux, and at the same time as the induction furnace heats the melting furnace body and its attached structure, it becomes an extra loss. Therefore, by correcting the trajectory of these magnetic fluxes from the inner surface of the furnace side wall toward the circumference center, damage can be reduced and coil loss can be reduced.

炉床上面方向へのコイル磁束の誘導を促進することを目的として、前記炉床の各セグメントの中央部に短絡化した中間スリットを備えることが望ましい。   In order to promote induction of coil magnetic flux toward the upper surface of the hearth, it is desirable to provide an intermediate slit that is short-circuited at the center of each segment of the hearth.

さらに、中間スリットの下方に接合して前記磁束誘導空間又は磁束誘導部材を備えることで、磁束誘導効果を高めることができる。   Furthermore, the magnetic flux induction effect can be enhanced by providing the magnetic flux induction space or the magnetic flux induction member by joining below the intermediate slit.

炉床には、構造物内部に循環水冷機構を備えることが望ましい。   The hearth is preferably provided with a circulating water cooling mechanism inside the structure.

出湯のために、特に集中して誘導加熱されるオリフィス部付近では、構造物の損傷を防ぐために、冷却は必須である。   In order to prevent damage to the structure, cooling is indispensable especially in the vicinity of the orifice portion that is heated by induction in a concentrated manner.

前記磁束を誘導する機構として、上方かつ炉床中心部への方向性を有する磁束誘導空間又は磁束誘導部材を炉床の円周と同心円状のリング状に、できるだけ切れ目なく配置することができ、本態様は、磁束の炉床上方への誘導機構との協働により、最大の磁束の誘導効果を生むことができる。   As a mechanism for inducing the magnetic flux, a magnetic flux induction space or a magnetic flux induction member having directionality toward the center of the hearth can be arranged as seamlessly as possible in a ring shape concentric with the circumference of the hearth, This aspect can produce the maximum magnetic flux induction effect by cooperating with the induction mechanism of the magnetic flux above the hearth.

本発明は、以上説明した構成であるから、確実に凝固スカルを溶解して安定した出湯を実現するとともに、出湯排出に関わる電力を省力することができ、同時に、炉床部分の余分な加熱も抑制することができる。   Since the present invention has the above-described configuration, it is possible to reliably dissolve the solidified skull and realize a stable tapping water, and to save power related to tapping discharge. Can be suppressed.

コールドクルーシブル溶解炉の正面断面図及び炉床部分の正面断面図Front cross section of cold crucible melting furnace and front cross section of hearth 炉床全体の斜視図Perspective view of the entire hearth 炉床とコイルの断面図及び磁束誘導の模式図Cross section of hearth and coil and schematic diagram of magnetic flux induction 炉床の1セグメントを水冷機構とともに示す上面図Top view showing one segment of hearth with water cooling mechanism

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1aは、本実施形態のコールドクルーシブル溶解炉1の正面断面図である。図示されない機構により水冷された銅製の炉側壁11は、図示されていないが、短冊状のセグメントに分断されており、断面が示されている誘導加熱のためのコイル3がその外周に螺旋状に巻きついた構成となっている。コイル3の電流により誘導された磁場は、前記セグメント間のスリットの空隙を介して、るつぼ内の金属に渦電流を惹起し、金属は自己加熱する。   FIG. 1 a is a front sectional view of the cold crucible melting furnace 1 of the present embodiment. The copper furnace side wall 11 that is water-cooled by a mechanism (not shown) is not shown, but is divided into strip-shaped segments, and a coil 3 for induction heating, whose cross section is shown, is spirally formed on its outer periphery. It has a wound configuration. The magnetic field induced by the current of the coil 3 causes eddy currents in the metal in the crucible through the slit gap between the segments, and the metal self-heats.

一方、溶解炉1の底部は炉側壁11の外周より大きい平板形状の炉床2となっており、その中心部から溶融金属を溶解炉の外に排出することのできるオリフィス部21及び出湯ノズル22を備えている。炉床2も前記炉側壁11と同様に、水冷された銅製で、中心部においてはつながっているものの、円周方向に略分割されたセグメント201の集合体となっている。加熱されて融解した金属7は、水冷されている炉側壁11と相対する外側、及び炉床2との接触面から凝固する。冷やされて、炉床上面に形成された金属塊を凝固スカル8という。炉床2のオリフィス部21から溶湯を直接出湯するためには、この凝固スカルを溶融させる必要がある。   On the other hand, the bottom of the melting furnace 1 is a flat hearth 2 that is larger than the outer periphery of the furnace side wall 11, and an orifice 21 and a hot water nozzle 22 that can discharge molten metal from the center of the melting furnace 1 out of the melting furnace. It has. Similarly to the furnace side wall 11, the hearth 2 is made of water-cooled copper and is an aggregate of segments 201 that are substantially divided in the circumferential direction, although connected in the center. The metal 7 that has been heated and melted solidifies from the outside facing the water-cooled furnace side wall 11 and the contact surface with the hearth 2. The metal lump formed on the upper surface of the hearth after being cooled is called a solidified skull 8. In order to directly discharge the molten metal from the orifice portion 21 of the hearth 2, it is necessary to melt the solidified skull.

図1bはコールドクルーシブ溶解炉の正面断面図のうち、炉床2付近を拡大したものである。   FIG. 1 b is an enlarged view of the vicinity of the hearth 2 in the front cross-sectional view of the cold exclusive melting furnace.

炉床2の出湯出口にあたる漏斗状の形状をしたオリフィス部21は炉床2の円周中心に接合されている。当該オリフィス部21の漏斗形状の傾斜部分21aは炉床構造物と同一平面状にあり、垂直部分以下21bの構造は、炉床2の構造物から下方に突出している。この突出部分の周囲にコイル4が同一平面状に渦巻状に巻きついている。そのため、コイル4に電流を流すと、誘導された磁束がスリット210の空隙を介して炉床上方にあるスカル8底部からコイル4の中心にあるオリフィス部21にかけて誘導加熱することができ、炉床構造物以下にあるオリフィス部21b等についても誘導加熱することができる。   The funnel-shaped orifice portion 21 corresponding to the outlet of the hot water of the hearth 2 is joined to the center of the circumference of the hearth 2. The funnel-shaped inclined portion 21 a of the orifice portion 21 is in the same plane as the hearth structure, and the structure of the vertical portion 21 b and below protrudes downward from the structure of the hearth 2. A coil 4 is wound around the protruding portion in the same plane. Therefore, when an electric current is passed through the coil 4, the induced magnetic flux can be induction-heated from the bottom of the skull 8 above the hearth to the orifice 21 at the center of the coil 4 through the gap of the slit 210. The orifice portion 21b and the like below the structure can also be induction-heated.

コイル4の下方には板状の磁性体5と冷却プレート6が配置されている。   A plate-like magnetic body 5 and a cooling plate 6 are disposed below the coil 4.

前記オリフィス部21と一体として下方に接合された出湯ノズル22は、内面がカーボンコートされた円柱構造物で、上記冷却プレート6の構造物からさらに一段下方に突出しており、出湯した金属溶解物を次工程に直接受渡しやすい構造となっている。   The hot water nozzle 22 integrally joined to the orifice portion 21 is a cylindrical structure whose inner surface is coated with carbon, and protrudes further downward from the structure of the cooling plate 6 so that the molten metal melted from the hot water The structure is easy to deliver directly to the next process.

図2は、炉床2の斜視図である。   FIG. 2 is a perspective view of the hearth 2.

円板状の銅製炉床2は、円周方向に略8分割されており、各セグメント201の間は例えば幅1mmのスリット210となっていて、炉床下方のコイル4からの磁束を上方へ誘導する。本実施形態では各セグメント201の構造物中央にも、磁束誘導機構として短絡的に開放したスリット211を設け、下方のコイル4からの磁束の上方への誘導を促進している。   The disk-shaped copper hearth 2 is divided into approximately eight in the circumferential direction, and a slit 210 having a width of, for example, 1 mm is formed between the segments 201 so that the magnetic flux from the coil 4 below the hearth is upward. Induce. In the present embodiment, a slit 211 that is opened in a short-circuit manner is provided as a magnetic flux guiding mechanism at the center of the structure of each segment 201 to promote upward induction of magnetic flux from the lower coil 4.

このような構成とすることで、炉床下方にあるコイルからの磁束を炉床上面に、より多く伝えることができるため、炉床上面にある凝固スカルの厚みを薄くして、より安定した出湯が可能となる。コイルの磁束はコイル中心に向かうため、中間スリット211は単独でも、炉床上面かつ中心方向への磁束誘導機構として効果を有する。   By adopting such a configuration, a larger amount of magnetic flux from the coil below the hearth can be transmitted to the upper surface of the hearth. Is possible. Since the magnetic flux of the coil is directed toward the coil center, the intermediate slit 211 alone is effective as a magnetic flux guiding mechanism toward the upper surface of the hearth and toward the center.

図2に示すように、炉床2には磁束を誘導する空間として、炉床2の下方にあるコイルの外周端に対応した位置から、上方かつ中心方向に向かって斜めに、上方に貫通しない形で、円柱様の凹空間(220a)を設けている。これは同時に、炉床上方にある、炉側壁内面よりも内側に円柱様凹空間の上面が対応するように設けられている。当該磁束誘導空間は、上記セグメント間のスリット(210)、又は上記セグメント中央のスリット(211)の空隙部分に対応して16箇所設けている。   As shown in FIG. 2, as a space for inducing magnetic flux in the hearth 2, it does not penetrate upward and obliquely toward the center direction from a position corresponding to the outer peripheral end of the coil below the hearth 2. In shape, a cylindrical concave space (220a) is provided. At the same time, it is provided so that the upper surface of the cylindrical concave space corresponds to the inner side of the inner surface of the furnace side wall above the hearth. The magnetic flux induction space is provided at 16 locations corresponding to the gaps between the slits (210) between the segments or the slit (211) at the center of the segment.

これにより、コイル損失に最も大きな影響の出る、炉側壁の内周をはみ出したコイル部分の磁束において、スリット210,211の空隙を介して上方に向かうものを、効果的に炉側壁内周から中心方向にある凝固スカル8に振り向けることができる。   As a result, the magnetic flux in the coil portion that protrudes from the inner periphery of the furnace side wall, which has the greatest influence on the coil loss, is effectively centered from the inner periphery of the furnace side wall through the gap between the slits 210 and 211. Can be directed to the solidified skull 8 in the direction.

当該磁束誘導空間220a,221aに、フェライトを始めとする磁性体220b,221bを導入することで、より強力な磁束誘導効果が期待できる。   By introducing magnetic bodies 220b and 221b including ferrite into the magnetic flux induction spaces 220a and 221a, a stronger magnetic flux induction effect can be expected.

このような構成とすることで、漏れ磁束の軌道を修正して凝固スカルを誘導するための磁束を増やすとともに、漏れ磁束を減らすことで装置への余分な加熱を低減し、コイル損失を減らすことができる。   By adopting such a configuration, the magnetic flux for inducing the solidified skull is increased by correcting the trajectory of the magnetic flux leakage, and by reducing the magnetic flux leakage, excess heating to the device is reduced and coil loss is reduced. Can do.

特に高純度金属の溶解に有用とされる小型のコールドクルーシブル溶解炉1においては、コイル4の巻き数を確保しようとすると、凝固スカル8の存在する、炉側壁11の範囲を超えないように、径の細いコイルを選択することとなる。すると、図3aに示すように誘起磁場の範囲は必要面積部分に限定できて、炉床上面直近のスカルを薄くできるが、断面積の小さいコイル材の為、コイル損失が増大して、出力電力が大きい高周波電源を用意しなければならない。   In a small cold crucible melting furnace 1 that is particularly useful for melting high-purity metals, when the number of turns of the coil 4 is to be secured, the range of the furnace side wall 11 where the solidified skull 8 exists is not exceeded. A coil with a small diameter will be selected. Then, as shown in FIG. 3a, the range of the induced magnetic field can be limited to the necessary area, and the skull near the top surface of the hearth can be thinned. However, because of the coil material having a small cross-sectional area, the coil loss increases and the output power There must be a large high frequency power supply.

一方、図3bのように、幅広のコイル4を用いた場合、巻き数を確保すると、出湯に必要な強さと範囲の溶解は得られるものの、誘導される磁場が炉側壁11の範囲を超えてしまうため、目標とする溶解対象の金属のみでなく、はみ出た部分の上部にある炉側壁11の下部やその付属構造物を加熱してしまう。また、これを防止するためのアイソレータープレート等を設置したとしても、余分な損失は免れない。   On the other hand, when a wide coil 4 is used as shown in FIG. 3b, if the number of turns is secured, the strength and range required for tapping can be obtained, but the induced magnetic field exceeds the range of the furnace side wall 11. Therefore, not only the target metal to be melted, but also the lower part of the furnace side wall 11 at the upper part of the protruding part and its attached structure are heated. Even if an isolator plate or the like is installed to prevent this, an extra loss is inevitable.

これに対し、本実施形態を模式的に図示した図3cでは、セグメント間の開放スリット210や後述する短絡化したスリット211に対応する形で、磁束誘導空間220a,221aあるいは磁束誘導部材220b,221bの追加することにより、磁束の通り道を炉床上面かつオリフィス部21に効果的に誘導することが可能となる。同じ幅広コイルを用いた図3bの場合と比べても、より強い渦電流を出湯出口付近に惹起することができるため、細い出湯ノズルでも安定した溶融金属の出湯が可能となり、コイル損失も低減できる。また同時に、図3bと比べて、コイル4上方にある炉側壁11構造物の誘導加熱による余分な加熱も低減することができる。   On the other hand, in FIG. 3C schematically showing the present embodiment, the magnetic flux induction spaces 220a and 221a or the magnetic flux induction members 220b and 221b are formed corresponding to the open slits 210 between the segments and the shorted slits 211 described later. As a result, the path of magnetic flux can be effectively guided to the upper surface of the hearth and the orifice portion 21. Compared to the case of FIG. 3b using the same wide coil, a stronger eddy current can be induced in the vicinity of the hot water outlet, so that stable molten metal can be discharged even with a thin hot water nozzle and coil loss can be reduced. . At the same time, as compared with FIG. 3b, extra heating due to induction heating of the furnace side wall 11 structure above the coil 4 can be reduced.

本実施例に至るまでに行った比較実験によると、幅広コイルの巻き数を炉側壁の外周に合わせて4ターンにした場合に比べ、はみ出して6ターン巻いた場合には、はみ出した部分への損失が大きくなって、溶解炉1内のるつぼへの供給電力量は3%低下するのに対し、本願発明に係る中央部のスリットと磁性体による磁束誘導機構を導入することで、これを5%回復することができた。   According to a comparative experiment conducted up to this example, when the number of windings of the wide coil is set to 4 turns in accordance with the outer periphery of the furnace side wall, when it is protruded and turned 6 turns, While the loss increases and the amount of power supplied to the crucible in the melting furnace 1 is reduced by 3%, the introduction of the magnetic flux induction mechanism by the central slit and the magnetic material according to the present invention reduces this to 5%. % Was able to recover.

図4は、炉床2の1セグメント201の上面図を示す。   FIG. 4 shows a top view of one segment 201 of the hearth 2.

磁束誘導機構として中央部を短絡したスリット211を設けることで、炉床2下方のコイル4から上方に向けた磁束の抜け道をできるだけ増やすとともに、炉床内部に中心のオリフィス21の周辺部まで折り返すことのできる冷却水路230を確保することができる。これにより、最も損傷の激しいオリフィス中心部21の寿命を延ばせるとともに、構造物を内部から冷却することで、出湯部の温度に極力影響を与えない範囲で、構造物を冷却することができる。   By providing a slit 211 having a short-circuited central portion as a magnetic flux induction mechanism, the escape path of the magnetic flux directed upward from the coil 4 below the hearth 2 is increased as much as possible, and the inside of the hearth is folded back to the periphery of the central orifice 21. The cooling water channel 230 that can be used can be secured. As a result, the life of the orifice portion 21 having the most severe damage can be extended, and the structure can be cooled within a range that does not affect the temperature of the tapping portion as much as possible by cooling the structure from the inside.

以上説明したように、本実施例のコールドクルーシブル溶解炉1は、溶解対象物が投入される炉側壁11で囲われた溶解炉と、この溶解炉の底部となる炉床2、及び前記炉床の円周中心にあって溶解炉内の溶湯を外部に出湯するオリフィス部21及び出湯ノズル22を具備し、前記炉床2は円周方向に略分割形成されたセグメント201を継ぎ合わせた集合体からなり、セグメント間の開放されたスリット210を介して炉床上部に下方のコイル4からの誘導磁場を導入する構成であって、前記セグメント間のスリット210以外に、前記炉床下方にあるコイル4で発生する磁束を炉床上面かつ炉床中心方向へ導く誘導機構をさらに有するよう構成されている。   As described above, the cold crucible melting furnace 1 of the present embodiment includes the melting furnace surrounded by the furnace side wall 11 into which the object to be melted is charged, the hearth 2 serving as the bottom of the melting furnace, and the hearth And an outlet 21 and an outlet nozzle 22 for discharging the molten metal in the melting furnace to the outside, and the hearth 2 is an assembly in which segments 201 that are substantially divided in the circumferential direction are joined together. The induction magnetic field from the lower coil 4 is introduced into the upper part of the hearth via the slits 210 opened between the segments, and the coil located below the hearth in addition to the slits 210 between the segments. 4 further includes an induction mechanism for guiding the magnetic flux generated at 4 toward the upper surface of the hearth and toward the center of the hearth.

このような構成であるから、炉床下方のコイル4からの磁束を、出湯オリフィス部21のある炉床2上面かつ炉床2円周中心に向けて、より多く伝えることができるため、炉床2上面にある凝固スカル8の厚みを薄くすることができ、より安定した出湯を得ることができる。   Since it is such a structure, since the magnetic flux from the coil 4 below the hearth can be transmitted more toward the upper surface of the hearth 2 having the tapping orifice portion 21 and the center of the circumference of the hearth 2, 2 The thickness of the solidified skull 8 on the upper surface can be reduced, and a more stable tapping water can be obtained.

本実施例は、小型のコールドクルーシブル溶解炉1であり、磁束を上方かつ中心方向へ集中させる磁束の誘導機構の一つとして、220a、220b、221a、221bを有する構成となっている。   The present embodiment is a small cold crucible melting furnace 1 and includes 220a, 220b, 221a, and 221b as one of magnetic flux induction mechanisms that concentrate the magnetic flux upward and in the central direction.

特に、炉側壁11内周の範囲からはみ出たコイル4の上方に向かう磁束は、全て漏れ磁束となって、溶解炉1本体やその付属構造を誘導加熱して余分な損失となる。したがって、これらの磁束を炉側壁内面からより円周中心の方向へ向かって軌道修正することで、余分な損失を減らすことができる。   In particular, all the magnetic flux that goes out of the range of the inner periphery of the furnace side wall 11 toward the upper side of the coil 4 becomes a leakage magnetic flux, and inductively heats the melting furnace 1 body and its attached structure, resulting in an extra loss. Therefore, extra losses can be reduced by correcting the trajectory of these magnetic fluxes from the inner surface of the furnace side wall toward the center of the circumference.

主として上方向へ強く磁束を促進する磁束誘導機構である前記スリット210の下方に接合する形で、磁束誘導空間220a又は磁束誘導部材220bは設けられており、スリットの空隙を介して上方に向かう漏れ磁束を効果的に軌道修正することができる構成としている。   The magnetic flux guiding space 220a or the magnetic flux guiding member 220b is provided mainly in the form of being joined below the slit 210, which is a magnetic flux guiding mechanism that strongly promotes the magnetic flux strongly in the upward direction, and leaks upward through the slit gap. The magnetic flux can be effectively corrected in the trajectory.

また本実施例においては、前記スリット210に加えて、さらなる磁束誘導機構として、前記炉床セグメント201の中央部に設けた短絡した中間スリット211が設けられており、これと協働できるように下方に接合して設けられた磁束誘導空間221a又は磁束誘導部材221bを備える構成としている。   In this embodiment, in addition to the slit 210, a short-circuited intermediate slit 211 provided at the center of the hearth segment 201 is provided as a further magnetic flux guiding mechanism. It is set as the structure provided with the magnetic flux induction space 221a or the magnetic flux induction member 221b provided by joining to.

これらの構成により、凝固スカル8を効率的に溶解するとともに、炉側壁11及びその付属装置を余分に加熱した上に、コイル損失につながる主な原因であるスリット210や211を介して上方に向かう漏れ磁束を軌道修正することができる。   With these configurations, the solidified skull 8 is efficiently melted, and the furnace side wall 11 and its attached devices are heated excessively and further upward through the slits 210 and 211 which are the main causes leading to coil loss. The trajectory of the leakage magnetic flux can be corrected.

本実施例では、炉床1の構造物内部に循環水冷機構230を備えることを特徴とする。   In the present embodiment, a circulating water cooling mechanism 230 is provided inside the structure of the hearth 1.

このような構成とすることで、出湯のために、特に集中して誘導加熱されるオリフィス部21付近の構造物の損傷を防ぐことができる。冷却は必須であるが、水冷プレート等による外部からの冷却は、高温を保持したいオリフィス部21中心の温度を低下させるおそれがあるとともに、加熱と冷却を同時に行うこととなり、明らかに冷却効率が悪い。   With such a configuration, it is possible to prevent damage to the structure in the vicinity of the orifice portion 21 that is particularly concentrated and heated for hot water discharge. Although cooling is indispensable, cooling from the outside with a water cooling plate or the like may reduce the temperature at the center of the orifice portion 21 where it is desired to maintain a high temperature, and heating and cooling are performed at the same time. .

その他、具体的な構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。   In addition, the specific configuration can be variously modified without departing from the gist of the present invention.

理論的には、スリットや磁束誘導体の数が多いほど、磁束の上方かつ中心方向への誘導効果が高くなり、本願発明の目的を達成し易くなる。したがって、磁束誘導空間や磁束誘導部材をリング状に配置したり、上述したような構成の炉床のセグメントの数を増やすことで、スリット数を増やす構成も考えられる。   Theoretically, the greater the number of slits and magnetic flux derivatives, the higher the effect of guiding the magnetic flux upward and toward the center, making it easier to achieve the object of the present invention. Therefore, a configuration in which the number of slits is increased by arranging the magnetic flux induction space and the magnetic flux induction member in a ring shape or increasing the number of hearth segments having the above-described configuration is also conceivable.

1… コールドクルーシブ溶解炉
11…炉側壁
2…炉床
21…オリフィス部
21a…漏斗状オリフィス傾斜部
21b…漏斗状オリフィス垂直部
22…出湯ノズル
3…金属溶解用加熱コイル
4…出湯用加熱コイル
5…磁性体プレート
6…水冷プレート
61…水冷通路
7…溶湯金属
8…凝固スカル
201…炉床セグメント
210…炉床セグメント間スリット
211…炉床セグメント中央部スリット
220a、b…炉床セグメント間スリット下磁束誘導空間、部材
221a、b…炉床セグメント中央部スリット下磁束誘導空間、部材
230…炉床セグメント構造内水冷通路

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cold exclusive melting furnace 11 ... Furnace side wall 2 ... Hearth 21 ... Orifice part 21a ... Funnel-shaped orifice inclination part 21b ... Funnel-shaped orifice vertical part 22 ... Hot metal nozzle 3 ... Metal melting heating coil 4 ... Hot water heating coil 5 ... Magnetic plate 6 ... Water cooling plate 61 ... Water cooling passage 7 ... Molten metal 8 ... Solidified skull 201 ... Hearth segment 210 ... Hearth segment segment slit 211 ... Hearth segment central slit 220a, b ... Hearth segment slit Lower magnetic flux induction space, members 221a, b ... hearth segment central slit lower magnetic flux induction space, member 230 ... water cooling passage in the hearth segment structure

Claims (4)

溶解対象物が投入される炉側壁で囲われた溶解炉と、前記溶解炉の底部を構成する炉床と、前記炉床内に、外部に溶解対象物を出湯するためのオリフィス部及び出湯ノズルを具備し、
さらに前記炉床下方に、出湯のための誘導加熱を行うコイルを具備し、
前記炉床は円周方向に略分割形成されたセグメントからなり、前記セグメント間の開放されたスリットを介して炉床上部に下方の前記コイルで発生する磁束を導入する構成であって、
さらに、炉床下方の前記コイル磁束を炉床上面かつ炉床中心方向へ導く誘導機構を前記炉床構造物内に備えることを特徴とするコールドクルーシブル溶解炉。
A melting furnace surrounded by a furnace side wall into which an object to be melted is charged, a hearth constituting the bottom of the melting furnace, an orifice part and a hot water nozzle for discharging the object to be melted outside in the hearth Comprising
Furthermore, a coil for performing induction heating for hot water is provided below the hearth,
The hearth is composed of segments that are substantially divided in the circumferential direction, and is configured to introduce magnetic flux generated in the lower coil to the upper part of the hearth through an open slit between the segments,
The cold crucible melting furnace further comprising an induction mechanism in the hearth structure for guiding the coil magnetic flux below the hearth to the upper surface of the hearth and toward the center of the hearth.
前記コイル磁束の炉床中心方向への誘導機構として、磁束誘導空間又は磁束誘導部材を前記炉床構造物内に備え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。 The cold crucible melting furnace according to claim 1, wherein a magnetic flux induction space or a magnetic flux induction member is provided in the hearth structure as a mechanism for guiding the coil magnetic flux toward the center of the hearth. 前記コイルの外径が前記炉側壁内径よりも大のものである請求項1又は2に記載のコールドクルーシブル溶解炉。 The cold crucible melting furnace according to claim 1 or 2, wherein an outer diameter of the coil is larger than an inner diameter of the furnace side wall. 前記スリット以外に、前記コイル磁束の炉床上面への誘導機構として、中間スリットを有する請求項1から3の何れかに記載のコールドクルーシブル溶解炉。


The cold crucible melting furnace according to any one of claims 1 to 3, further comprising an intermediate slit as a mechanism for guiding the coil magnetic flux to the upper surface of the hearth in addition to the slit.


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