JP2019021477A - 溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法、および該出力制御方法に用いる溶湯加熱用浸漬ヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータの金属系抵抗発熱体の早期の断線を防止できるとともに、実効出力の低下を防止できる、溶湯汲出室内の溶湯の加熱に特に好適な溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法、および出力制御方法に用いる溶湯加熱用浸漬ヒータを提供せんとする。【解決手段】溶湯の温度を検出する温度センサ１３を設け、熱電対２１により保護管２０内温度を検出し、ヒータ２の出力を当該保護管内温度が設定管内温度になるように高位出力を維持し、温度センサ１３で検出される溶湯温度が設定溶湯温度に達すれば、ヒータ出力を低位出力にし、温度センサ１３で検出される溶湯温度が前記所定溶湯温度未満の所定温度まで降下した時点で、ヒータ出力を設定管内温度に対応する前記高位出力に戻すことを繰返す。【選択図】図２

Description

本発明は、ダイカスト鋳造時に使用する溶湯保持炉や溶解保持炉等における溶湯の加熱に好適な溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法に関し、特に、電気絶縁性セラミックス保護管内に金属系抵抗発熱体及び熱電対が位置するとともに、電気絶縁性且つ高熱伝導性セラミックス粉末を充填した溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法に関する。

ダイカスト鋳造機にアルミニウム合金等の溶湯をラドル等の汲出し装置で供給するための溶湯保持炉や溶解保持炉は、従来、加熱ヒータを配置した溶湯保持室と、該溶湯保持室に連通し、溶湯汲出開口を有する溶湯汲出室とを備えて構成され、鋳造操業時、溶湯汲出室の溶湯汲出開口は殆ど開放状態とされる。鋳造操業時における汲出溶湯温度の管理は、溶湯汲出室内の溶湯温度を温度センサで検出し、この検出結果に基づき溶湯保持室の加熱ヒータの出力制御を行うことで、所望の溶湯温度を維持している。

溶湯温度精度は、所望の溶湯温度±５℃に制御するのが一般的である。溶湯保持室内の溶湯を加熱する加熱ヒータは、溶湯保持室内の上部空間に配置される電熱ヒータや、溶湯中に配置される燃焼式又は電熱式の浸漬ヒータが用いられる。

ところで、操業時、溶湯保持炉の溶湯汲出開口は殆ど開放状態であるため、溶湯汲出室における熱放散は溶湯保持室より大となり、溶湯汲出室内の溶湯温度が溶湯保持室内の溶湯温度よりも低くなる傾向にある。それ故に、溶湯汲出室内の溶湯温度を検出し、この検出温度に基づき溶湯保持室内の溶湯温度を制御する方式では、加熱ヒータで加熱する溶湯保持室内の溶湯温度を、溶湯汲出室内の溶湯温度（所望の溶湯温度）よりも５０℃〜７０℃高く維持する必要があった。

このように溶湯を高温に加熱すると、溶湯保持室内で酸化物の形成が促進されることとなり、この酸化物による溶湯清浄度の劣化及び溶湯汲出室内に流入した酸化物による鋳造不良の原因となるととともに、溶湯保持室における熱放散による有効熱エネルギーの低下の原因となる。

一方、溶湯汲出室内の溶湯温度の降下対策として、図１に示すように、溶湯汲出室内に加熱ヒータを配置し、溶湯汲出室内の溶湯を直接加熱ヒータで加熱することも検討されている。このような直接加熱用のヒータとしては、窒化珪素系ファインセラミックス、炭化珪素系ファインセラミックス等の電気絶縁性セラミックス保護管内に金属系抵抗発熱体及び熱電対が位置するとともに、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化マグネシウム等の電気絶縁性且つ高熱伝導性を有するセラミックス粉末を充填した電熱式の浸漬ヒータ（粉末充填型浸漬ヒータ）（例えば、特許文献１参照。）が好適に用いられる。

この粉末充填型浸漬ヒータは、高熱伝導性のセラミックス粉末を充填して高い熱効率（熱伝導）を得ることができること、即ち、同一のヒータ出力であってもヒータ発熱体温度（保護管内温度）に対して溶湯に伝達される熱量（実効出力）が多く、効率的であるうえ、保護管の外径も２８ｍｍから６０ｍｍの小径に抑えることができ、溶湯汲出室に設けるものとしては好適となる。

そして、この粉末充填型浸漬ヒータを配置し、当該溶湯温度に基づき浸漬ヒータの出力をON―OFF制御することで溶湯温度を所望の溶湯温度±５℃に維持することが可能となる。このON―OFF制御方式は、温度に起因する金属系抵抗発熱体の断線にも有効な手段である（例えば、特許文献２参照。）しかしながら、実際には、このような制御を行うとヒータ内の断線が早期に生じたり、或いはヒータの熱伝導性（効率）が落ちて実効出力が低下してしまうという問題があった。

特開平１１−８０４９号公報 特許第２９８９３７１号公報

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、電気絶縁性セラミックス保護管内に金属系抵抗発熱体及び熱電対が位置するとともに、電気絶縁性且つ高熱伝導性セラミックス粉末が前記保護管内の隙間に充填された溶湯加熱用浸漬ヒータを用いて溶湯温度を設定溶湯温度に制御するにあたり、金属系抵抗発熱体の早期の断線を防止できるとともに、実効出力の低下を防止できる、溶湯汲出室内の溶湯の加熱に特に好適な溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法、および出力制御方法に用いる溶湯加熱用浸漬ヒータを提供する点にある。

本発明者は、上述の課題を解決すべく鋭意検討した結果、浸漬ヒータの出力をON―OFF制御することで、金属系抵抗発熱体が膨張及び収縮を繰返し、多大な金属疲労が生じ、早期の断線が起きる原因となること、また、同じく金属系抵抗発熱体の膨張及び収縮により、粉末充填層に隙間が生じて保護管内における熱伝導性が低下し、実効出力が低下すること、そして、ヒータ出力をOFFではなく低位出力に下げるようにすることで、金属系抵抗発熱体の膨張と収縮との差を軽減させることができ、これにより上記問題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、以下の発明を包含する。
（１） 電気絶縁性セラミックス保護管内に金属系抵抗発熱体及び熱電対が位置するとともに、電気絶縁性且つ高熱伝導性セラミックス粉末が前記保護管内の隙間に充填された溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法であって、前記浸漬ヒータにより加熱される溶湯の温度を検出する温度センサを設け、前記熱電対により保護管内温度を検出し、ヒータ出力を当該保護管内温度が設定管内温度になるように高位出力を維持し、前記温度センサで検出される溶湯温度が設定溶湯温度に達すれば、ヒータ出力を低位出力にし、前記温度センサで検出される溶湯温度が前記所定溶湯温度未満の所定温度まで降下した時点で、ヒータ出力を設定管内温度に対応する前記高位出力に戻すことを繰返すことを特徴とする溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。

（２） 前記低位出力が、前記設定溶湯温度に応じた出力に設定される（１）記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。

（３） 前記低位出力が、前記高位出力に対して、５０％以上１００％未満の範囲内で前記設定溶湯温度に応じて設定される所定の割合の値に設定される（１）又は（２）に記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。

（４） 前記割合が、７０〜８５％の範囲内の所定の割合に設定される（３）に記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。

（５） 設定溶湯温度別に前記高位出力及び低位出力の値を定めた設定テーブルを予め設け、該設定テーブルに基づき、前記設定溶湯温度に応じた高位出力及び低位出力の値を決定する（１）〜（４）の何れかに記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。

（６） 前記ヒータ出力に、変圧器で昇圧した高電圧を用いる（１）〜（５）の何れかに記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。

（７） 前記高電圧が、２２０Ｖ以上である（６）記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力
制御方法。

（８） （１）〜（５）の何れかに記載の出力制御方法に用いる溶湯加熱用浸漬ヒータであって、前記ヒータ出力に、変圧器で昇圧した高電圧を用いる溶湯加熱用浸漬ヒータ。

（９） 前記高電圧が、２２０Ｖ以上である（８）記載の溶湯加熱用浸漬ヒータ。

以上にしてなる本願発明によれば、浸漬ヒータは設定管内温度維持に必要な出力（高位出力）と出力低下時の出力（低位出力）と間の間欠的な出力制御であるため、金属系抵抗発熱体の膨張・収縮の変動幅が減少することになり、金属疲労が軽減できるとともに充填層における空隙等の欠陥を防止でき、断線及び実効出力の低下を防止できる。

溶解保持炉を示す説明図。 ヒータ出力制御を行う本実施形態の制御システムの構成を示す説明図。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

本発明に係る溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御は、図１に示したダイカスト鋳造時に使用する溶湯保持炉や溶解保持炉１等に好適であり、溶湯加熱用浸漬ヒータ２は、溶湯保持室１１に連通し、溶湯汲出開口１２ａを有する溶湯汲出室１２内に配置され、溶湯汲出室１２内の溶湯１０を直接加熱するように構成される。また、同じく溶湯汲出室１２には、溶湯１０の温度を検出する温度センサ１３が設けられる。

溶湯加熱用浸漬ヒータ２については、従来から公知の粉末充填型浸漬ヒータを広く用いることが可能である。本実施形態では、外径５０ｍｍ×内径４０ｍｍの窒化珪素製ファインセラミックスの保護管内にＮｉ−Ｃｒ系／外径１．６ｍｍ線材の抵抗発熱体を保護管の内周面に近接して螺旋状に配置されるとともに熱電対が配置され、内部空間に酸化マグネシウム粉末が充填されたものが用いられる。
充填粉末は、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化マグネシウム等の電気絶縁性且つ高熱伝導性を有する他のセラミックス粉末でもよい。

図２は、溶湯加熱用浸漬ヒータ２の出力制御を行う本実施形態の制御システムの構成の例を示している。本制御システム３は、溶湯加熱用浸漬ヒータ２と２００Ｖの電源３０の間に、電力調整器（ＳＣＲ）３２が設けられ、該電力調整器（ＳＣＲ）３２でヒータ出力を自動制御できるように構成した例である。

電源３０とヒータ２との間には変圧器３５が設けられ、該変圧器３５で２２０Ｖ以上、本例では３３０Ｖに昇圧された高電圧がヒータ２の抵抗発熱体２３に供給される。溶湯加熱用浸漬ヒータ２の保護管２０内の熱電対２１で管内温度を検知し、その信号が管内温度調節計（ＴＩＣ）３１を介して電力調整器（ＳＣＲ）３２に出力されるように構成されている。

電力調整器（ＳＣＲ）３１は、設定管内温度（たとえば９９０℃）と比較されヒータ出力電圧を自動調整する。具体的には、ヒータ出力を当該保護管内温度が設定管内温度になるように高位出力（たとえば１６．０ｋＷ）を維持する。また、溶湯１０中の温度センサ１３（本例では熱電対）は、溶湯温度を検知し、その信号が溶湯温度調節計（ＴＩＣ）３３に出力され、設定溶湯温度（たとえば６４０℃）と比較される。

この検出溶湯温度が設定溶湯温度（６４０℃）に達した時点で，ＣＲ３４をONにすると同時に電力調整器（ＳＣＲ）３２が手動モードに切替る。手動モードに切り替わると、電力調整器（ＳＣＲ）３２は出力電圧をあらかじめ設定された所定の低位出力（たとえば１３．０ｋＷ）に変更する。

そして、溶湯温度が設定溶湯温度（６４０℃）未満に下降すると、ＣＲ３４がOFFとなり、電力調整器（ＳＣＲ）３２は自動モードに切替り、ヒータ出力は設定管内温度（９９０℃）に対応する出力に自動調整される。すなわち、設定管内温度９９０℃に対応する前記高位出力に戻される。

このように、設定管内温度維持に必要な出力（高位出力）と出力低下時の出力（低位出力）と間の間欠的な出力制御とすることで、金属系抵抗発熱体２３の膨張・収縮の変動幅が減少することになり、金属疲労が軽減できるとともに充填層における空隙等の欠陥を防止でき、断線及び実効出力の低下を防止できる。なお、低位出力への変更は自動方式で行っても良い。

また、低位出力は、設定溶湯温度に応じた出力に設定されることが好ましい。また、低位出力は、高位出力に対して５０％以上１００％未満の範囲内で前記設定溶湯温度に応じて設定される所定の割合の値に設定されることが好ましい。前記割合は、７０〜８５％の範囲内の所定の割合に設定されることがより好ましい。これにより金属系抵抗発熱体の膨張・収縮の変動幅が大幅に減少することになり、さらなる断線及び実効出力の低下を防止できる。

また、より具体的には、たとえば下記表１に示すように、設定溶湯温度別に高位出力及び低位出力の値を定めた設定テーブルを予め設け、該設定テーブルに基づき、設定溶湯温度に応じた高位出力及び低位出力の値を決定することが好ましい。このような設定テーブルは、たとえば電力調整器（ＳＣＲ）３２内に記憶させ、電力調整器（ＳＣＲ）３２が自動で、または手動操作で設定できるように構成すればよい。

このようにテーブルを用いることで、所望の溶湯温度の変更に応じて効率よく出力の変動幅（高位出力と低位出力との差）を設定することができ、安定的に断線及び実効出力の低下を防止でき、実操業により好適になる。このようなテーブルを設けず、ダイヤル等で高位出力および低位出力の数値を手動で設定するようにしても勿論よい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施例に何ら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において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

次に、本実施形態に係る溶湯加熱用浸漬ヒータ２の同じ構成のサンプルを複数用いて、高位出力と低位出力の繰り返しによる耐久試験を行った結果について説明する。

（試験方法）
試験は、溶湯中に各サンプルを垂直状態で浸漬し、それぞれ高位出力と低位出力を２４時間ごとに切り替え、断線までの日数を測定した。すなわち、高位出力と低位出力の制御は、本発明に係る制御ではなく、溶湯の温度に関わりなく２４時間ごとに高位出力と低位出力を切り替えることとした。

サンプルは同じものを３つ（サンプル１〜３）用意し、それぞれ切り替える高位出力、低位出力の値を下記表２のとおりとした。

（試験結果）
試験の結果、サンプル１は１４日目で断線、サンプル２は２１日目で断線、サンプル３は３２日後も断線せず、粉末充填層も充填時の状態を維持していた。この結果より、高位出力と低位出力との差が小さくなるほど断線の頻度が軽減すること、及び高位出力の７０％で粉末充填層の初期状態を維持することを確認できた。

１ 溶解保持炉
２ 溶湯加熱用浸漬ヒータ
３ 制御システム
１０ 溶湯
１１ 溶湯保持室
１２ 溶湯汲出室
１２ａ 溶湯汲出開口
１３ 温度センサ
２０ 保護管
２１ 熱電対
２３ 抵抗発熱体
３０ 電源
３５ 変圧器

Claims (9)

1. 電気絶縁性セラミックス保護管内に金属系抵抗発熱体及び熱電対が位置するとともに、電気絶縁性且つ高熱伝導性セラミックス粉末が前記保護管内の隙間に充填された溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法であって、
   前記浸漬ヒータにより加熱される溶湯の温度を検出する温度センサを設け、
   前記熱電対により保護管内温度を検出し、ヒータ出力を当該保護管内温度が設定管内温度になるように高位出力を維持し、
   前記温度センサで検出される溶湯温度が設定溶湯温度に達すれば、
   ヒータ出力を低位出力にし、前記温度センサで検出される溶湯温度が前記所定溶湯温度未満の所定温度まで降下した時点で、ヒータ出力を設定管内温度に対応する前記高位出力に戻すことを繰返すことを特徴とする溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。
2. 前記低位出力が、前記設定溶湯温度に応じた出力に設定される請求項１記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。
3. 前記低位出力が、前記高位出力に対して、５０％以上１００％未満の範囲内で前記設定溶湯温度に応じて設定される所定の割合の値に設定される請求項１又は２に記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。
4. 前記割合が、７０〜８５％の範囲内の所定の割合に設定される請求項３に記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。
5. 設定溶湯温度別に前記高位出力及び低位出力の値を定めた設定テーブルを予め設け、該設定テーブルに基づき、前記設定溶湯温度に応じた高位出力及び低位出力の値を決定する請求項１〜４の何れか１項に記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。
6. 前記ヒータ出力に、変圧器で昇圧した高電圧を用いる請求項１〜５の何れか１項に記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方法。
7. 前記高電圧が、２２０Ｖ以上である請求項６記載の溶湯加熱用浸漬ヒータの出力制御方
   法。
8. 請求項１〜５の何れか１項に記載の出力制御方法に用いる溶湯加熱用浸漬ヒータであって、
   前記ヒータ出力に、変圧器で昇圧した高電圧を用いる溶湯加熱用浸漬ヒータ。
9. 前記高電圧が、２２０Ｖ以上である請求項８記載の溶湯加熱用浸漬ヒータ。

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