JP2925446B2 - 浮上溶解装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、導電性の被溶解材を
交番磁界中に置いて電磁誘導作用によって誘導加熱する
とともに、磁界を所定の分布にして被溶解材に電磁力に
よる浮上力を与えて浮上状態で溶解することによって高
純度の材料を得ることのできる浮上溶解装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】浮上溶解装置は、所定の分布になるよう
に生成された交番磁界中に溶解される材料を置き、誘導
加熱と電磁力による浮上力の双方を同時に与えて材料が
浮いてるつぼなど他の物に接触しない状態で溶解させて
所定の材質と寸法の製品を得る装置である。溶解時に他
の物と接触しないために異物の混入が極めて少ないこ
と、融点の高い材料でも溶解が可能であること、熱伝導
損失が小さいこと、などの特長があることから、高融点
でしかも高純度が要求される材料、例えば、チタニウ
ム、シリコンなどの溶解処理に用いられる。

【０００３】図２は従来の浮上溶解装置の運転状態の全
体を示す縦断面斜視図、図３は図２の初期状態の要部を
示す縦断面斜視図であり、これらの図はこの発明と同じ
出願人による特願平4-140811号に示されているものに類
似である。これらの図において、浮上溶解装置は、上る
つぼ11と下るつぼ12からなるるつぼ１、その外径側に周
回して設けられた誘導コイル２、るつぼ１の上部の開口
部から被溶解材５からなる小片53を連続的に投入する連
続投入装置３、これを制御する制御装置31及びこれの制
御情報を得るための湯面温度計32、下るつぼ12を上下方
向に駆動する駆動装置４、これを制御する制御装置41、
これの制御情報を得るための湯面レベル計42などからな
っている。

【０００４】誘導コイル２は高周波の交流電源６によっ
て電圧が印加され電流が供給される。連続投入装置３に
は小片53をあらかじめ加熱するための交流電源34で励磁
される誘導コイル33が設けられている。上るつぼ11、下
るつぼ12はいずれも図示のように所定の形状を持つ複数
のセグメント111,121 がマイカなどの絶縁材を挟んで図
示のように上下のるつぼを合わせたるつぼ１の形状が底
のある略円柱状に形成されるもので、それぞれのセグメ
ント111,121 は銅製で内部に図示しない冷却孔が設けら
れていて冷却水によって強力に冷却される構造になって
いる。

【０００５】図２は溶解過程の最終段階に近い状態を示
し、図３は初期の状態を示すもので、初期には小さな被
溶解材５が浮上するとともに溶解して初期溶解部50とな
り、以下に詳しく説明する過程で初期溶解部50から始ま
って被溶解材５が成長して長くなった状態を示したのが
図２である。実際に被溶解材５が溶解されて所定の製品
が得られる過程を次に説明する。 図３に示すように、最初に初期溶解部50となる所定の
量の被溶解材５を入れて誘導コイル２を励磁する。これ
によって、誘導コイル２の内側空間に交流磁界が発生し
電磁誘導作用によってそれぞれのセグメント111,121 及
び被溶解材５に渦電流が流れる。るつぼ１内の磁束はる
つぼ１の内面に沿った分布をするが、下るつぼ12のセグ
メント121 が図示のように下に絞られた形状をしている
ので被溶解材５がある底部近傍の磁束分布は下から上に
向かって開いた分布になる。渦電流によって被溶解材５
は加熱されるが、一方、前述のような磁束分布と渦電流
の相互作用から詳しい説明は省略するが被溶解材５には
重力に逆らう上向きの電磁力が働く。図のような下るつ
ぼ12の底部の形状は浮上力を発生させるに適した磁束分
布が得られるように設定されているのである。 誘導コイル２が励磁されると電磁力は同時に働き僅か
の時間遅れで被溶解材５は浮上し、重力と電磁力とが釣
り合う位置で停止する。一方、被溶解材５の融点は高い
ので溶解までに時間がかかり、融点に達した時点ではす
でに浮上した状態になっている。したがって被溶解材５
が溶解して初期溶解部50となったときに浮上してるつぼ
１の内壁に接触しないので不純物が混入することがな
い。 連続投入装置31によって小片53を投入する。小片53は
誘導コイル33による電磁誘導加熱によって加熱されて融
点には達しないが高温になっており、初期溶解部50と接
触して熱伝導によって融点以上に加熱されて溶解し初期
溶解部50と文字通り一体になる。小片53が連続して投入
されるにつれて初期溶解部50は大きくなって成長してゆ
く。小片53の投入は湯面温度計３２が所定の値以上のと
きに行い、以下になったときには停止するというように
制御装置31によって投入頻度が適宜制御される。 小片53の投入によって初期溶解部50から大きくなった
被溶解材５の浮上力は重量の増加ほどには増加しないの
で被溶解材５の成長とともに浮上位置が下がってゆきつ
いに被溶解材５の下部が下るつぼ12の底部に接触する。
前述のように下るつぼ12は冷却されて常温近くの低温に
保持されているので接触部はただちに固化する。このよ
うにして固化部52が生成され以後は被溶解材５の成長と
ともに固化部52も成長する。溶解部51は常に被溶解材５
の上先端部に存在し、この溶解部51に小片53が投入され
る。溶解部51は固化部52の上にあるのでるつぼ１と接触
することがないことから不純物が混入しない条件のまま
被溶解材５は大きく成長することができる。 被溶解材５がある程度成長したところで下るつぼ12を
下に向けて移動させて溶解部51が上るつぼ11及び誘導コ
イル２に対して一定の位置を保持するように制御され
る。この制御は湯面レベル計42によって被溶解材５の上
面位置を計測しその結果を制御装置41に入力しこれに基
づいて駆動装置４によって下るつぼ１２が駆動される。 被溶解材５が所定の長さになったところで下るつぼ12
の駆動、小片53の投入、及び誘導コイル２の励磁を止め
ると、図２のように棒状に成長した被溶解材５は全体が
固化するのでこれを取り出して所望の製品が得られる。
この製品の大きさ、特にその長さは下るつぼ１２の移動
距離によって決まるので、この浮上溶解装置はるつぼ１
の容積に比べてはるかに大きな製品を得ることができる
という特長を持つものである。

【０００６】なお、図２では被溶解材５の固化部52とる
つぼ１の内面との間にかなりの隙間があるものとして図
示してあるが、前述の説明からも分かるように固化部52
とるつぼ１の内面との間の隙間は実質的に零か僅かなの
が実際である。また、溶解部51に凸凹があるように図示
してあるが、これは小片53が溶解部51に入った瞬間や溶
解部が振動して変形するなどの実際の現象を示したもの
であり、小片53の投入の影響がなくなったときの溶解部
51の形状は後述のように軸対称性の安定した形状を保つ
のが実際である。

【０００７】なお、誘導コイル２の電流は数千アンペア
と非常に大きくしかも周波数は50kHz と高いのでその導
体やリードの断面積が大きいことから誘導コイル２の上
下方向を移動させるのは困難である反面、上るつぼ11や
下るつぼ12は冷却水用の配管がつながるとはいえ、移動
させるのは誘導コイル２に比べてはるかに容易なので、
実際に採用される構造も誘導コイル２は固定しておき下
るつぼ12を移動可能になっているのが実際である。

【０００８】下るつぼ12の移動の制御は前述のように被
溶解材５の上面、すなわち溶解部51の上面位置を湯面レ
ベル計42で計測しその結果を基に、上面位置が高すぎる
と下るつぼ12を下げる速度を上げ、低すぎると速度を下
げるという考えを基に行われる。その際、基準になる位
置は溶解部51の消費電力が最大になる位置に設定され
る。溶解部51で消費電力が最大になる条件は誘導コイル
２との位置関係から決まる。

【０００９】図４は溶解部51の上面と誘導コイル２の上
端面との間の寸法ｈと溶解部の形状の関係を示す３つの
模式的断面図である。図４(a) は溶解部51が後述するよ
うに消費電力が最大となる最適位置（ｈ＝ｈ _m ）、図４
(b) は溶解部51が最適位置よりも高い位置にあるとき
（ｈ＝ｈ_o ＞ｈ _m ）、図４(c) は溶解部51が最適位置よ
りも低い位置にあるとき（ｈ＝ｈ_U ＜ｈ _m ）であり、図
から明らかなように、図４(a) では溶解部５１の頂点は
丸くなり図４(b) では平坦になり、図４(c) では尖った
形になる。

【００１０】その理由は、概ね次の通りである。図４
(b) の場合、誘導コイル２が低いために溶解部51近傍の
磁界強度が小さくなり溶解部51の誘導コイル２に対する
反発力が低下して盛り上がりが少なくなり、図４(c) の
場合は磁界強度が大きくなって溶解部51の誘導コイル
２に対する反発力が大き過ぎるために盛り上がりが大き
くなり過ぎて尖った形状となるものであり、図４(a) は
これらの中間の丁度よい盛り上がりをしている状態を示
すものである。図４(a) のように溶解部51の形状が丸く
なっているときに溶解部51の消費電力が最大になって誘
導加熱の効率が最高になることが実験的に確認されてい
る。したがって、湯面レベル計42で溶解部51の上面の位
置を計測し、その誘導コイル２に対する相対位置が図４
(a) の状態になるように制御するのが理想的である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、溶解部51の
温度は高温なので、湯面レベル計は非接触で計測するこ
とが必須であり、このような計測器としてレーザを利用
したものが使用されるのが一般である。この湯面レベル
計はレーザを湯面に向かって発射し反射してきたレーザ
を基に湯面までの距離を計測するものである。このよう
なレーザ型湯面レベル計では湯面に面してレンズが設け
られているが、湯面からのふく射熱のために加熱されて
寿命が低下するので、特に耐熱性の高いものを使用する
か充分離れた位置に設けるかしなければならないが、耐
熱性の高いものは高価であるし、離れた位置に設けると
計測精度が悪くなるという問題がある。また、溶湯から
生ずる金属ガスによってレンズ表面が汚れ安定した測定
が困難であるという問題もある。

【００１２】この発明の目的は、このような問題を解決
して、湯面レベル計による湯面レベルの直接計測をする
ことなしに適切な湯面位置を維持しながら運転が可能な
浮上溶解装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、所定の断面形状を持ち周方向に
分割された良導電金属製の上るつぼと下るつぼとに分割
されたるつぼ、るつぼの外径側に設けられた誘導コイ
ル、誘導コイルに電流を供給する交流電源、るつぼの上
部から導電性の被溶解材の小片を連続的にるつぼ内に投
入する連続投入装置とその制御装置、及び下るつぼと上
るつぼの上下方向位置を変える駆動装置とこれを制御す
る制御装置とが備えられてなる浮上溶解装置において、
誘導コイルに印加される電圧を計測し電圧信号を出力す
る電圧計測手段、誘導コイルに流れる電流を計測し電流
信号を出力する電流計測手段、これら電圧信号と電流信
号との位相差を求めこれを基に駆動装置の制御装置に制
御指令信号を出力する制御装置が設けられてなるものと
する。

【００１４】

【作用】この発明の構成において、誘導コイルに印加さ
れる電圧を電圧計測手段で計測して電圧信号を出力し、
誘導コイルに流れる電流を電流計測手段で計測して電流
信号を出力し、これら電圧信号と電流信号を制御装置に
入力してこれら２つの信号の間の位相差を求めると、こ
の位相差は誘導コイルと被溶解材の溶解部との間の位置
に対して一義的な関係があり、溶解部の消費電力が最高
となる最適位置に対応する最適の位相差を最適位相差と
して、駆動装置を制御することによって求められた位相
差が最適位相差に一致するように制御することによって
最高効率を維持する運転が可能になる。

【００１５】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施例を示す浮上溶解装置の模式図と
その交流電源の回路図であり、図２と同じ構成要素には
共通の符号を、類似の構成要素には添字Ａを付けて詳し
い説明を省く。この図において、誘導コイル２を励磁す
る交流電源6Aは、図示のように直流電源67の直流電力を
インバータ66によって50 kHz程度の高周波交流に変換し
変圧器62で所定の電圧に変換した上で誘導コイル２に印
加する構成になっており、直流電源67は配電系統から得
られる三相商用周波交流を整流器で整流して得られるも
のである。

【００１６】インバータ66の出力側の回路には直列コン
デンサ65が挿入されており、これは変圧器62の漏れイン
ダクタンスなどの遅れ成分を補償して力率改善を行うも
のである。変圧器62と誘導コイル２との間に設けられて
いる直列コンデンサ64は誘導コイル２と直列共振させる
ものである。誘導コイル２の端子間の電圧を計測するた
めの電圧計測手段61が図示の位置に設けられ、電流を計
測するための電流計測手段63が変圧器62の入力側回路に
設けられている。電圧計測手段61は計器用変圧器であ
り、通常の電磁誘導の原理を用いたものとコンデンサ分
圧によるものなどが用いられる。また、電流計測手段は
変流器である。ただ、これらは高周波に適したものなの
で例えば鉄心にはフェライトコアーが使用されたものな
ど、高周波特性の優れたものが用いられる。

【００１７】この発明の主眼は誘導コイル２の力率、す
なわち、後述するように印加電圧と電流との位相差φと
前述の図４の寸法ｈとが一義的な関係にあることを利用
するもので、最適寸法ｈ_m に対応する最適位相差をφ_m
として、電圧計測手段６２と電流計測手段６３とで計測
した電圧信号ｖと電流信号ｉとから位相差φを求め、こ
の位相差φが最適位相差をφ_m に一致するように駆動装
置４を制御することによって最高効率を維持して運転し
ようとするものである。

【００１８】電圧計測手段61は計測結果として電圧信号
ｖを出力し、電流計測手段６３は電流信号ｉを出力す
る。これらは制御装置41A に入力される。制御装置41A
は位相演算器43と制御指令器44とからなっており、位相
差演算器43に電圧信号ｖと電流信号ｉとが入力されてこ
れらの間の位相差φが演算され、その結果としての位相
差信号が制御指令器44に入力されて位相差信号の値を基
にして駆動装置４が駆動される。なお、図２の制御装置
41の場合は湯面レベル計42の出力信号を基に図１の制御
指令器44と類似の機能を持った制御指令器によって駆動
装置４に対する駆動指令が生成される。

【００１９】寸法ｈと位相差φとの一義的な関係は次の
通りである。まず、図４(b) の場合、溶解部51を含めた
被溶解材５が誘導コイル２が囲む領域を大きく占有して
いるので磁束が通る空間が減少しているために誘導コイ
ル２からみたインダクタンスが図４(a) に比べて小さ
く、一方、被溶解材５全体に流れる渦電流の総和は大き
いため被溶解材５が消費する電力は大きいので力率は大
きい。図４(c) の場合、被溶解材５が誘導コイル２が囲
む領域に対して上部に空間を持っているので誘導コイル
２からみたインダクタンスが図４(a) に比べて大きく、
一方、被溶解材５全体の消費電力は小さいことからその
力率は小さい。すなわち、寸法ｈが大きいほど力率は１
に近くなるという一義的な関係が成立し、前述のような
制御が可能になる。

【００２０】寸法ｈと位相差φの関係特性はコンピュー
タによる交番磁界計算によって求めることができるし、
その結果を実測によって確認及び修正することもでき
る。したがって、これらのデータを基に前述の制御指令
器44を製作することになる。位相差演算器43による位相
差φの演算は力率計などに使用される方法を採用するこ
とができる。

【００２１】位相演算器43や制御指令器44も含めて制御
装置41A がコンピュータによるディジタル演算で行われ
る場合には、位相演算器43や制御指令器44の機能はコン
ピュータで実行されるソフトウエアに盛り込まれる。い
ずれにしても前述のｈ−φ特性が得られれば従来の技術
を応用して適正な制御装置を実現することができる。図
１において、電流計測手段63の位置を変圧器62の一次側
回路に設けたが、これにこだわらずを二次側に設けるこ
と可能である。誘導コイル２に供給される電流は非常に
大きいので、電流計測手段63はなるべく電流の小さな回
路に設けるのが妥当である。直列コンデンサ64、65が変
圧器62の一次側、二次側にそれぞれ挿入されているので
電圧計測手段62はこの位置でなければならない。

【００２２】なお、力率の改善や誘導コイル２との共振
のためには並列にコンデンサを挿入した回路構成を採用
することもできる。その場合にはその回路に応じた適切
な位置に電圧計測手段62と電流計測手段63とを挿入すれ
ばよい。

【００２３】

【発明の効果】この発明は前述のように、誘導コイルの
交流電源に電圧計測手段と電流計測手段を挿入し、計測
された印加電圧と供給電流との間の位相差を求めると、
この位相差は誘導コイルと被溶解材の溶解部との間の相
対位置に対して一義的な関係があり、溶解部の消費電力
が最高となる最適位置に対応する最適の位相差を最適位
相差として、求められた位相差が最適位相差に一致する
ように駆動装置を制御することによって最高効率を維持
する運転が可能になる。そのため、湯面レベル計による
溶解部の頂点部である湯面位置の計測が不要になり、湯
面レベル計を使用することによる種々の問題が全て解決
されるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す浮上溶解装置の模式図
とその交流電源の回路図

【図２】従来の浮上溶解装置の運転状態の全体を示す縦
断面斜視図

【図３】図３の初期状態の要部を示す縦断面斜視図

【図４】被溶解材と誘導コイルとの３つの異なる位置関
係を示す模式断面図で、図４(a) は溶解部の位置が最適
位置にあるとき、図４(b) は溶解部が最適位置よりも高
いとき、図４(c) は溶解部が最適位置よりも低いときの
図

【符号の説明】

１ るつぼ １１ 上るつぼ １２ 下るつぼ ２ 誘導コイル ３ 連続投入装置 ４ 駆動装置 ４１，４１Ａ 制御装置 ４３ 位相差演算器 ４４ 制御指令器 ６，６Ａ 交流電源 ６１ 電圧計測手段 ６３ 電流計測手段 ５被溶解材 ５１ 溶解部 ５２ 固化部 ５３ 小片

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 洋昭 茨城県那珂郡東海村大字村松４番地33 動力炉・核燃料開発事業団東海事業所内 (72)発明者 五十嵐 寛 茨城県那珂郡東海村大字村松４番地33 動力炉・核燃料開発事業団東海事業所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H05B 6/32 F27B 14/06 F27D 11/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の断面形状を持ち周方向に分割された
   良導電金属製の上るつぼと下るつぼとに分割されたるつ
   ぼ、るつぼの外径側に設けられた誘導コイル、誘導コイ
   ルに電流を供給する交流電源、るつぼの上部から導電性
   の被溶解材の小片を連続的にるつぼ内に投入する連続投
   入装置とその制御装置、及び下るつぼと上るつぼの上下
   方向位置を変える駆動装置とこれを制御する制御装置と
   が備えられてなる浮上溶解装置において、誘導コイルに
   印加される電圧を計測し電圧信号を出力する電圧計測手
   段、誘導コイルに流れる電流を計測し電流信号を出力す
   る電流計測手段、これら電圧信号と電流信号との位相差
   を求めこれを基に駆動装置の制御装置に制御指令信号を
   出力する制御装置が設けられてなることを特徴とす浮上
   溶解装置。。