JP3947584B2 - コールドクルーシブル誘導溶解炉 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は誘導加熱を用いるコールドクルーシブル溶解法において、 被溶解材の未溶解部を少なくする目的で、 溶解作業中に溶融状態にある被溶解材が、 冷却水などにより冷却されたルツボとの接触により生成される、 被溶解材の凝固部(スカル)を低減させるためのルツボ構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
いわゆるコールドクルーシブル(コールドウォールとも呼ばれる)溶解法を実施するための従来のコールドクルーシブル溶解炉の炉体の側壁を構成するセグメントの形状について分類すると、 下記のように第1と第2の形式の溶解炉として大別される。
(1)第1の形式の従来の溶解炉
イ)図6に示されるように、コールドクルーシブル炉の炉体としての水冷銅ルツボ1は、 その側壁1aと底壁1dとこの底壁1dの下方に配置されるルツボ底部4とから構成される。
ルツボ1の側壁1aの底部には、半径方向外方に張り出して形成されたフランジ1cと、これに対応して底部4の頂部から半径方向外方に張り出して形成されたフランジ4aとが連結ボルト7によって連結されて形成され、底付き中空円筒形の金属製ルツボ1の側壁1aは、垂直方向に延在する複数のスリット(溝)1bによって複数のセグメント1a’に区分される。
セグメント1aは、それぞれの内部に2重管5が配置され冷却水の流入路と流出路とに区分され、それぞれが中空管状の底部4の内部の流入路5aと流出路6aとに連通して個々に冷却されるセグメントとされ、これらセグメント1a’の集合体としての水冷金属製ルツボの炉体とされる。
ロ)これら水冷金属製ルツボ1の外周を囲んで配置されたコイルに、 高周波あるいは中周波電流を供給して誘導加熱により、ルツボ内に収容された被溶解金属をルツボ壁とは非接触状態で誘導加熱により溶解する誘導加熱コイル2と、加熱されるセグメントを冷却する冷却水の配管と、
ハ)上記の溶解電流と冷却水の供給および調節を行う図示しない供給、調節装置と、を含んで構成される。
要約すると、従来の第1の形式のコールドクルーシブル1は、 スリットにより複数のセグメントに分割され、 個々のセグメントが給水口、排水口を備えて独立して機能する構造のルツボの側壁1aと底壁1dと底部4と、ルツボの周囲に配置された誘導加熱用のコイルと冷却水の配管と、それらの供給・調節装置で構成される。
このような構成により、ルツボ内に供給された被溶解材は、コイルに印加された高周波または中周波の交流電流による交番磁場にさらされて誘導加熱されて溶解され、被溶解材は溶融金属となる。
溶融金属の表面に作用する電磁力と、溶融金属(以下溶湯と呼ぶ)による静圧とのバランスによって溶湯の上部表面は側壁の内面から離れて上方に円形屋根状に隆起して、ルツボ側壁とは非接触のドーム状の溶湯3として保持され、溶湯3の底部と側壁1aの内周および底壁1dの間には水冷された銅ルツボによって凝固した金属の皮としてのスカル9が形成される。
【0003】
(2)第2の形式の従来のコールドクルーシブル溶解炉
第2の形式の従来のコールドクルーシブル溶解炉ルツボが前記第1の従来例と相違するところは次の点である。
図7(A)と(B)に示されるように、ルツボ側壁を構成する複数のセグメント13は、隣接する13aと13bなどの2個ごとに対を成し、その一方13aは冷却媒体の流入路15aを、対の他方13bは、流出管に連通する流出路15bを有して、これら1対のセグメント13aと13bとが単位セグメントの脚として機能するように構成される。
これらの各単位セグメントは、下端より上方に向かって少なくとも中間部13dまでがスリット14aにより2分され、それぞれの下部13dと13eは、前記の脚部に一体に連続し、 上方のスリット14aに連続したスリット14bによって分離され、半径方向外方に突出してフランジを形成し、これにより各セグメントの脚と足部とで、半体縦断面が図7(B)に示されるL字形に成形される。また、ルツボの底壁を構成する底部17は、側壁を形成するセグメントとは別体として製作され、単位セグメントの集合体としての側壁の下部の内周面により形成される空間部内に、絶縁物18を介して図7(A)のように挿入されて組立てられる。
前記第1の形式の従来のコールドクルシーブル溶解炉と比較して、この第2の形式においても、第1の形式の従来のコールドクルーシブル溶解炉の、ロ)において述べた誘導溶解コイルおよび冷却水の配管と、 ハ)溶解電流と冷却水の供給、 調節を行う装置は、 ほぼ同一なので説明を省略する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
第1の形式の従来のコールドクルーシブル溶解炉の炉体としてのルツボの側壁と非接触で溶融状態となっている金属は、前項に述べたようにルツボ底部では周囲以外に磁束が無く、またセグメント底部においては、 この部分の磁束では支えられず互いに接触している。
このため、溶融金属の中央部が丸屋根状に隆起して側壁から離れている部分(以下溶融ドームと呼ぶ)より下方の底部には、 図6で示すような皮状の凝固部(スカル)9が存在し、溶解効率を悪くする原因となる。
特に、 スカルがルツボ側壁内面へ接触している部分は、 溶融中に金属からの熱伝導損失を大きくするばかりでなく、表面より誘導加熱される熱さえ溶解に寄与することがない。
【0005】
第2の形式の従来ルツボにおいて前記第1の従来例と機能的に相違するのは次の点である。
ルツボ底部の磁束の出入はルツボ底部上面の径方向延長部上にルツボ側壁がある場合(図7)、主にスリットを通路とする。
図7(B)のL1部とL2部を通る磁気抵抗がスリットを通る磁気抵抗より大きいからである。しかも図7(A)と(B)に示されるように、ルツボ側壁はL字形断面をなして成形されているので、コイルがルツボ底に対して、このL字部を避けるためには、1)上方移動して配置するか、2)またはコイル径を大きくしなければならないが、大きくすると全体的効率が大きく低下する。
1)、2)のいずれの方法によっても、ルツボ底部付近の磁束密度の低下を招く結果となってしまう。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この問題を解決するために、
イ)ルツボ底部の磁束を増加させることにより電磁力を増し、
ロ)溶融金属とルツボ側壁とを非接触状態にし、溶融金属からの熱伝達経路を遮断し、
ハ)また、この部分の誘導加熱電力も加熱に寄与させ、溶融状態を維持するための所要電力を低減し、
ニ)溶解電力効率を上げスカル量の減少を図り、
これらの手段により装入された被溶解金属を限りなく全量近く溶解するようにして課題を解決した。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1〜4に示す各実施の形態を通じ、ルツボ構造は下記の特徴を有している。(1)ルツボ側壁のセグメントの内周が、少なくともその下部において底壁の外周から離れて位置し、ルツボの側壁の内周と底壁が相互に、かつ底部の金属と短絡されていない。
(2)ルツボ側壁底部下方の隣接部材との間が絶縁されること、つまり絶縁性の非金属で構成されるか、もしくは空間となっている。
まず、図1(A)と、その要部Bの拡大図である図1(B)を参照して本発明の第1の実施の形態について説明する。
ルツボ30の側壁31の構造は、前記第1の形式の従来のルツボのセグメント1aの上下を反転して倒立させたセグメント31aの複数から成る構成とし、その上部31a’が半径方向外方に張り出して半体断面で逆L字形をしており、この上部31a’の円周方向に隣接する部分が連続されて短絡部を形成する。
セグメント31aの短絡部31a’より下の脚の部分31bは、隣接するセグメントとの間にスリット31b’が形成され、このスリット31b’が設けられた部分31bの下端内周の空間には、部分拡大図である図1(B)に示されるように、上下方向の重なり長さLと水平方向の空隙gを保って、凸字状のルツボ底部分34の頭部34aが挿入され、前記の脚部31bの下端と底部分34の肩部34bとの間には非金属などの絶縁材38が配置されるか、または支持部材を除いた部分が空間部分とされる。
上記Lの値は5mm以下とすることが必要であり、0すなわち重なり部分がなくなると湯漏れもしくは非金属との反応で問題があるため、隙間gへの湯差しが起こらない程度で0に近い寸法の位置が必要である。空隙gは溶融金属が差し込まない程度でなければならず、通常0.5mm以下が望ましい。完全に0にすることは困難なので挿入可能な範囲を下限とする。
複数のセグメント31aの相互間はスリット31b’によって分離され、この分離された状態のセグメント31aの集合体によってルツボの側壁が形成され、その周囲に誘導加熱コイル2が配置される。スリット31b’は、コイル2の上端2aを越えて、その上方まで存在している。
このような構造にされていることにより、 溶解の際に生成されるスカル39は側壁の下端と底部の上面に沿う薄い平板状に形成される。
【0008】
次に、上記第1の実施の形態による本発明のルツボと、従来型ルツボを比較して、磁束量がどの程度増加されているかを図5の(A)と(B)にグラフとして示す。
本発明のルツボと従来型ルツボの両方とも、内径φ158、高さ90mm、巻数6ターンの同一コイルで、同一の電流(647A×6ターン=3883Aターン)、周波数8.5kHzを使用して、スリットと各セグメントの円周方向中央部の内壁面上の磁束密度を測定し、それぞれ点線と実線で示したものである。また、本発明の第1の実施の形態を示す図1(B)では、L=1.5mm、スリット長さ148.5mmとした。
この結果から、磁束密度は、従来型ルツボでは図5(A)に示すように、コイル存在範囲の中央部付近で高く、底部に向かって弱くなっている。
また底部付近では、スリット部内壁面上の磁束密度が、セグメント中央部に比べ幾分高いことが認められる。
一方、図1(B)に示した本発明の第一の実施の形態のルツボでは、スリット部内壁面上の磁束密度とセグメント中央部とも、ほぼ同一で、コイル存在範囲の中央部付近よりも底部付近で磁束密度が高くなっていることが認められた。
ところで、この測定はルツボ内に被加熱材の入っていない状態で測定したものであるが、溶解時もほぼ同じ傾向になると予測できる。
【0009】
次に、図2を参照して第2の実施の形態について説明する。
これは、スリット41bの円周方向の幅(B)を、コイル2の上端の位置2aより上方で、第1の実施の形態におけるスリット31b’の円周方向の幅bよりも広いBとし、これにより全体的に磁気抵抗を下げ磁束の増加を図るものである。34bは絶縁材または空間である。
図3(A)と、そのA矢視斜視図である図3(B)に示した第3の実施の形態のイ)は、各セグメントと、その上方に位置する短絡部を分離し短絡部に代わってセグメント取付短絡環52をセグメント51の上部に配置し、両者を冷却水配管53によって接続するものであり、冷却水配管を使用したことにより、第2の実施の形態でスリット幅を広げたことによる効果を一層高めたものである。
この第3の実施の形態のイ)は、冷却水配管を各セグメントに対して入水管と排水管とを個別に設けた例であるが、その一部変更例として、図3(C)に示すように各セグメント55の内部に、1つの内孔55aを明けた第3の実施の形態の一部変更例としてのロ)は、その内部に一本の内管55bを挿入して2重管とし、外部の入水管55cに接続して、一方、内管55bとその外側の内孔55aとの間の隙間を排水路として外部の排水管55dに連結して、取付短絡環52を分流コックとして使用することも可能である。
【0010】
図4(A)と、そのB矢視斜視図である図4(B)を参照して、本発明の第4の実施の形態について説明する。
各セグメント61はスリット61cにより分離され、上端61aおよび下端61bにおいて、冷却水配管を接続し、上端では第3の実施の形態と同じようにセグメント取付短絡環62と接続する冷却水配管66を接続する。なお、下端部の冷却水配管65はコイルおよびルツボ底を避けるように斜め下方へ導出される。
【0011】
本発明の第1から第4の実施の形態で示した構造が第1と第2の従来例と相違するのは、第1にルツボ側壁下端にフランジ部の張り出しが無いか有るか、という点、つまりフランジが径方向に長いと磁気抵抗がその分だけ増加する点にある。また、冷却水配管の取付部が従来例では、ルツボ本体の下端部となっていたのに対し、本発明の実施の形態では、ルツボ本体の上端部に取り付けられる構造にされている。
従って、本発明では、ルツボの底部付近でのコイル取付位置に制約がなく、コイルを磁気抵抗を小さくできる位置に配置できるため、従来例の欠点であるルツボ底部に存在するL字形断面のルツボ壁によるコイル位置の制約を本発明により除くことができる。
【0012】
【発明の効果】
1)磁束の通路であるルツボ壁底部を非磁性の非金属材料、または空間として構成することにより、ルツボ底部付近の磁気抵抗を下げることができ、ルツボ側壁、底部表面の磁束密度を集中的に上げることが可能になる。
従って、上部がドーム状となる溶融金属の底部表面に対する電磁気力の均一化と増加が同時に達成でき、ルツボ内壁面と溶融金属を非接触とすることができる。溶融金属をルツボ内壁に対して非接触で保持するため、磁束密度はルツボの底付近で強くなっている。このためこの付近の磁気抵抗を下げると磁束密度および磁束の増加に効果がある。
従来型のルツボでは、 磁束はスリットの部分のみを通過して出入できるに過ぎなかったが、 本発明では、 磁束はルツボ側壁とルツボ底部との間隙を通過でき、しかもルツボ側壁の終端部に沿って磁束がコイル下端に向かって通過できるため、 底部磁束量の増大が図れる。
しかし、 ルツボ側壁下端の位置が、 ルツボ底部の上面の位置より下がり過ぎると第2の形式の従来ルツボに近づき、磁束の出入がほぼスリットのみとなり本発明の効果が著しく減少してしまう。
従って、 図1(B)に示したルツボ側壁下端の位置までの距離Lはルツボ底上面位置より僅かに、例えば5mm程度が許容最低位置となる。
前記の欠点を補足して述べると図7(B)中で空隙L1とL2の長さが大きくなると、磁気抵抗が上がり、磁束が通りにくくなる。よってルツボ底付近の磁束はスリット部を通ってコイルに戻る。
2)前項1)の効果により、ルツボ側壁への接触による熱伝達がなくなる上にこの部分も誘導加熱されているので、新たに溶融金属に熱が投入される効果がある。
3)前項2)の効果により、主としてルツボ底へ熱伝達が行われるので、底部の凝固部(スカル)の厚さを減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す図で、同図(A)は側断面図であり、同図(B)は同図(A)の要部Bの拡大図である。
【図2】本発明の第2の実施の形態を示す側断面図である。
【図3】本発明の第3の実施の形態を示す図で、同図(A)は側断面図であり、同図(B)は同図(A)のA矢視斜視図、同図(C)は変更例の一部側断面図である。
【図4】本発明の第4の実施の形態を示す図で、同図(A)は側断面図であり、同図(B)は同図(A)のB矢視斜視図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態によるコールドクルーシブル誘導溶解炉のコイル存在範囲での磁束密度を同図(B)に示し、同図(A)の従来技術のものと比較したグラフである。
【図6】従来の第1の形式のコールドクルーシブル誘導溶解炉の側断面図である。
【図7】同図(A)は従来の第2の形式のコールドクルーシブル誘導溶解炉の斜視図であり、同図(B)は半体側断面図である。
【符号の説明】
1a、31a、51a、55、61、61d:セグメント
2:コイル
2a:2の上端
30、40:ルツボ
31:側壁
31b:脚部
31a’:31aの短絡部
31b’、41b、51b、61c:スリット
31d:ルツボ側壁の下端
34:ルツボ底部分
34a:34の頭部
34b:34の肩部
34c:39の底部
38:絶縁物
39:スカル
53、65、66:冷却水配管
52、62:取付短絡環
55a:内孔
55b:内管
55c:入水管
55d:排水管
61a:61の上端
61b:61の下端
B:41bの円周方向の幅
b:31b’の円周方向の幅
Claims (7)
- 縦方向に延びる複数のスリットによって、複数のセグメントに分割され内部に冷却水の通路を収容する側壁と、この側壁の内周によって画定される溶解室と、下部に半径方向外方に延在するフランジを有する底部材と、この底部材の外周と前記側壁の内周との間と前記側室の下端と前記フランジの上面との間に所定の隙間を保って前記側壁の下部内周の内方に挿入された底部と、前記側壁の外周に配置された誘導加熱コイルとを有して、前記溶解室に装入された被溶解金属を溶解するコールドクルーシブル溶解炉において、
前記側壁を構成するセグメントのそれぞれは、その上端部が隣接するセグメントと連結されて短絡部となり、この短絡部より下では半径方向の厚さが同一とされ、前記底部は前記各セグメントの内周下端との間に5mm以下の上下長さの重なりと所定の空隙を保って挿入され、前記誘導加熱コイルによって発生される磁束が、各スリットの部分と各セグメントの下部と底部の外周との間の隙間とを通過することが可能にされ、磁束密度が各セグメントの下部近くで増大されることを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。 - 請求項1において、前記空隙の少なくとも一部が非金属で充填されていることを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。
- 請求項1において、前記空隙の少なくとも一部が空間となっていることを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。
- 請求項1〜3のいずれかにおいて、セグメントより細い冷却配管がセグメント下端部から導出されることを特徴とする誘導加熱溶解炉。
- 請求項1〜3のいずれかにおいて、 この空隙部の上端を底部上面より磁気抵抗に大きく影響のない程度に低くし、かつセグメントで構成される内面と底部の外周の隙間を0.5mm以下の値としたことを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。
- 請求項1〜4のいずれかにおいて、隣接しているセグメント相互間を分割しているスリットの幅がコイル上端より上方で、それより下方より実質的に広くされていることを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。
- 請求項5において、セグメントの半径方向の空隙の少なくとも一部を0.5mm以下の値としたことを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。
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