JP3972390B2

JP3972390B2 - 高周波誘導溶解用るつぼ炉

Info

Publication number: JP3972390B2
Application number: JP26873096A
Authority: JP
Inventors: 等河野; 正徳津田; 泰弘中井; 賢人中嶋; 正信原田
Original assignee: 神鋼電機株式会社
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2016-10-09
Also published as: JPH10115488A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波誘導溶解用るつぼ炉、とくに側部がスリットと絶縁材とを介して複数に分割された金属製るつぼ炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高純度の金属・合金を真空溶解装置を使って精錬する技術の研究が進んでいる。その真空溶解装置の構造は、内部に高周波誘導溶解炉、すなわち、高周波誘導溶解用るつぼ炉を収容したものが一般的である。
【０００３】
そして、そのるつぼ炉の多くは、アルミナやマグネシア, カルシアの如き耐火物製のるつぼ (炉本体) と、その外側に所定の間隔をおいて捲回配設した誘導加熱コイルとで構成されており、この耐火物製るつぼ内の溶解金属に高周波電流を誘導して、該溶解金属内を流れる誘導渦電流と金属の抵抗とによって、該金属を溶解する炉である。
【０００４】
図１は、高純度金属・合金を精錬する際に用いられる高周波真空溶解装置の概略を示すものである。この装置は、真空容器101 内に耐火物製るつぼ102 を配設し、このるつぼ102 のまわりを包囲するように配設した高周波誘導加熱コイル103 を使って真空誘導加熱する装置である。この真空溶解装置において、真空容器101 内に配設されているるつぼ102 は、一般に、金属酸化物 (Al₂O₃, MgO, CaO など) を成形焼結したものであり、このるつぼ102 の外側の誘導加熱コイル103 に高周波電流を通電することにより、このるつぼ102 内の材料 (金属・合金) を誘導加熱して溶解するようになっている。なお、この誘導加熱コイル103 は、水冷銅パイプの外側をアスベストテープやガラステープにて絶縁した構造を有し、水冷ケーブル104 を介して外部の高周波電源105 からの高周波電流を通電できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記した従来装置、とくに耐火物製るつぼによって、高純度金属・合金を真空精錬しようとすると、このるつぼ表面からマグネシアやアルミナのような無機化合物が被溶解金属溶湯中へ溶出し、場合によってはかえって不純物濃度が上がるという問題点があった。このような現象は、とくに高純度の金属・合金を真空精錬しようとする場合に不可避に起こり、むしろ元の被溶解材料の純度さえ維持できないという問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は、高純度金属・合金を溶製するのに適した高周波誘導溶解用るつぼ炉を提供することにある。
本発明の他の目的は、不純物やガスの発生の少ないるつぼ本体を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、製作, 保守の容易なるつぼの側部 (壁) 構造を提案することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上掲の目的の実現に向け鋭意研究した結果、発明者らは、金属製るつぼに着目した。それは、るつぼ本体が金属であれば、前述の不純物やガスの発生がなく高純度の金属・合金を溶解し精錬するのに好都合だからである。
ただし、るつぼ本体をたとえば、銅のような金属で製作するには、（ａ）るつぼの冷却が必要になること、（ｂ）二次側の誘導電流が金属製るつぼ壁に集中することで被溶解金属に電磁場を形成することができず誘導損失を誘発するという問題があった。
【０００８】
これらの問題点について発明者らは、（ａ）については、るつぼ本体を水冷ジャケット構造にすることで対処することとし、（ｂ）については、るつぼの周方向の複数個所に絶縁材 (耐火物やセラミックス) を介挿して、るつぼ内被溶解金属に電磁界を生じさせて加熱できるようにした。即ち、図２に示すように、まずるつぼ壁の円周方向を分割して複数の柱状セグメントＳ１，Ｓ２，・・・Ｓｎとし、かつ各セグメントＳ１，Ｓ２，・・・Ｓｎ相互間にはスリットを設け、ここに流し込み用不定形耐火物(キャスタブル耐火物)
を介在させる構造について、検討したのである。
【０００９】
しかしながら、前記（ａ）については問題ないとしても、前記（ｂ）の構造に関しては、下記のような問題点があった。
（１）前記キャスタブル耐火物の焼結が不完全だと、該キャスタブル耐火物中に水分が残り、溶解時に放出ガス源となり、溶湯の酸化を招き純度低下の原因となる。
（２）キャスタブル耐火物の表面が粗く、表面に水などを吸着しやすく、これもまた放出ガス源となる。
（３）溶解操業中にキャスタブル耐火物が欠け落ちることがあり、溶解金属インゴットあるいは出湯後のスカル（Ｓｋｕｌｌ）が除去できなくなる。この補修に大変な手間を要する。
（４）スリット中に施工したキャスタブル耐火物の乾燥−焼結は、るつぼ内側にダミー金属を設置し、誘導加熱する必要があり、取扱いが面倒である。
【００１０】
そこで、発明者らは、側部を金属セグメントにて構成するるつぼ炉について、さらにスリットを埋める前記キャスタブル耐火物の改良に取り組んだ。その結果、前記スリット中に、予め焼結したセラミック製棒状の絶縁材を着脱可能に取付ける構造が有効であるとの知見を得て本発明を開発した。
即ち、本発明は、円周方向を複数個に分割して得られるセグメントにて側部を構成してなる金属製のるつぼと、このるつぼの外側に所定の間隔を隔てて囲繞するように配設されたスパイラル状の誘導加熱コイルとからなるるつぼ炉であって、るつぼの上記各セグメント相互間には長手方向にのびる縦スリットを設けると共に、この縦スリット中に溶解した金属溶湯の差し込みが生じないように予め焼結した棒状絶縁材を着脱可能にかつ液密に嵌め込んだことを特徴とする高周波誘導溶解用るつぼ炉である。
【００１１】
本発明において、前記るつぼは、通水空間を有する水冷底部と、それぞれ通水空間を有する水冷式のセグメントを環状に組み合わせた側部とで構成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記縦スリットは、るつぼ内面側において狭く外側において広い横断面形状を有し、この縦スリットに嵌め込む棒状絶縁材もまた略同形の横断面形状を有し、該棒状絶縁材を上記縦スリット中に嵌め入れることにより隣接するセグメントどうしを連結して円環状のるつぼ側部を形造ることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる高周波誘導溶解用るつぼ炉の一実施例を図３に示す。この図に示すとおり、本発明にかかるるつぼ炉は、るつぼ１と誘導加熱コイル２とで構成されており、一次側の上記誘導加熱コイル２に高周波電流を印加し、二次側に当たるるつぼ１内被溶解金属に電磁界を生じさせて、誘導電流を発生させ、このときの抵抗加熱によって被溶解金属を加熱し溶解する形式の炉である。
【００１５】
このるつぼ炉の誘導加熱コイル２は、断面が円形や方形などの水冷銅管をるつぼ１の外周から所定の間隔をおいてスパイラル状に単層巻きしたものであり、電磁界, 誘導電磁力および誘導電流自体の吸引力に応じ巻数、間隔、距離を適宜に調整することが好ましい実施の態様と言える。
なお、この誘導加熱コイル２は、各ターンとも各層間はこのコイルに巻き付けたアスベストテープやガラステープ等で絶縁することが好ましい。
【００１６】
次に、本発明における前記るつぼ (炉本体) １は、前述したとおり、銅などの金属を用い、その側壁部分は、円周方向が複数, 好ましくは８〜16個に分割されたセグメント1a, 1b, ・・・1nによって形造ると共に、底部３は、環状に組付けられる該セグメント1a, 1b, ・・・1nの内の下部に液密状態にかつ上下動可能に嵌め入れて構成されている。
【００１７】
そして、前記各セグメント 1a … 1n 相互間には、スリット4 を長手方向に沿って平行に設ける。このスリット４は、平面形状 (横断面形状) が図４に示すように、るつぼ内面 (炉内) 側において狭く、かつ外側が広く (図示の円形に限らず方形でもよい) なった形状を有する。
そして、このスリット４中には略同形の断面形状を有する棒状の焼成した絶縁材、たとえば、アルミナ, マグネシア, SiＣやSi₃N₄などの棒状絶縁材５を、上下方向に着脱可能にかつ液密に装着する。即ち、この棒状絶縁材５にて図示のように、ちぎり矧ぎ継ぎの如き連結構造となるように、スリット４中に嵌着する。
【００１８】
ここで、スリット４中に嵌め入れる焼成した棒状絶縁材５と各セグメント 1a … 1n の各側縁とは若干の隙間 (1.5 mm以下、好ましくは 0.5〜1.0 mm) が生じる程度に液密状態に嵌め入れ、溶解した金属溶湯の差し込みが生じないようにする。
ただし、高周波誘導溶解炉は一般に、図５に示すように、一次側の誘導コイル２に高周波電流を流すと、該コイル２の電流と反対方向に流れるるつぼ１内の誘導電流の誘導電磁力Ｆ₁および金属溶湯６内の誘導電流自体の吸引力Ｆ₂による上下２層に分かれた攪拌流Ｐ₁とＰ₂になるので、基本的にるつぼ側壁外方への溶湯の差し込み圧力は小さく、それ故に、スリット４に嵌め入れる棒状絶縁材５は、必ずしも完全な液密状態にする必要はなく、抜きさしの容易な多少の隙間の存在は許容される。
なお、前記スリット４の間隔 (即ち、棒状絶縁材５の幅) および数は、投入する渦電流エネルギーに応じて決定する。
【００１９】
上記るつぼ１のスリット４は、図３に示すように、上ベースプレート７部を除く側壁部分を放電加工法などを適用して切断することが望ましい。
このようにして形成される複数個のセグメント 1a … 1n を１ユニットとし、これらを扇形の上ベースプレート７上に立設し、その４〜８個の扇形ユニットを接続して円形のるつぼ１を構築する。
そして、上記ベースプレート７下には、円形の下ベースプレート７′を水冷空間８, ８′を設けて重ね合わせ、ボルト11を使って固定する。
【００２０】
前記上・下ベースプレート７, ７′間に形成される水冷空間８, ８′は、各セグメント 1a … 1n 中に設けられた水冷空間９に連通し、これらは一次側電流の印加に当たって誘導発熱する該セグメント 1a … 1n の冷却のために用いられる。
【００２１】
また、前記セグメント 1a … 1n に形成される内底部には、水冷空間10を有するるつぼ底部３が液密に嵌着される。ただし、このるつぼ底部３は、長手方向に摺動するように支持する形式のものであってもよい。
なお、図示の12は被溶解金属、13はスカル、14は熱電対を示すものである。
【００２２】
このように構成される本発明にかかるるつぼ炉では、これを図１に示すような真空槽の中に設置して誘導加熱コイル２に高周波を印加し、例えば、純鉄を溶解精錬するとき、前記スリット４には焼成アルミナの如きセラミックスを用いているので、酸化物が溶出して鉄溶湯を汚染するようなことがない。また、焼成した棒状絶縁材を用いるので、耐火物の不完全な乾燥によってもたらされる水分(H₂O) やＮ₂, Ｏ₂の発生がなく、そのために溶解金属の酸化のおそれがなく、また、欠損のおそれも少ないので、高純度の純鉄溶製に有効である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のるつぼ炉は、金属・合金の高周波真空誘導溶解に好適に用いられると同時に、高純度の製品を精錬するのに有効である。しかも、棒状絶縁材による母金属溶湯の汚染が少ないだけでなく、製作や保守、とくにこの絶縁材の変換が容易で炉寿命も永いことから安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高周波真空溶解炉の略線図である。
【図２】るつぼセグメントの部分図である。
【図３】本発明るつぼ炉の一部切り欠き正面図である。
【図４】るつぼセグメントのユニット(a) とセグメント(b) の拡大平面図である。
【図５】るつぼの高周波誘導溶解炉の電磁力による溶湯攪拌を説明する図である。
【符号の説明】
１るつぼ
２誘導加熱コイル
３底部
４スリット
５棒状絶縁材
６金属溶湯
７上ベースプレート
７′ 下ベースプレート
８, ８′, ９, １０水冷空間
１１ボルト

Claims

円周方向を複数個に分割して得られるセグメントにて側部を構成してなる金属製のるつぼと、このるつぼの外側に所定の間隔を隔てて囲繞するように配設されたスパイラル状の誘導加熱コイルとからなるるつぼ炉であって、るつぼの上記各セグメント相互間には長手方向にのびる縦スリットを設けると共に、この縦スリット中に溶解した金属溶湯の差し込みが生じないように予め焼結した棒状絶縁材を着脱可能にかつ液密に嵌め込んだことを特徴とする高周波誘導溶解用るつぼ炉。
前記るつぼが、通水空間を有する水冷底部と、それぞれ通水空間を有する水冷式のセグメントを環状に組み合わせた側部とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のるつぼ炉。
前記縦スリットが、るつぼ内面側において狭く外側において広い横断面形状を有し、この縦スリットに嵌め込む棒状絶縁材もまた略同形の横断面形状を有し、該棒状絶縁材を上記縦スリット中に嵌め入れることにより隣接するセグメントどうしを連結して円環状のるつぼ側部を形造ることを特徴とする請求項１または２に記載のるつぼ炉。