JP4062004B2

JP4062004B2 - 金属線材の誘導加熱溶解装置

Info

Publication number: JP4062004B2
Application number: JP2002221632A
Authority: JP
Inventors: 幸雄高橋; 公治山口; 康夫岸本; 浩光柴田; 泰成植野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: JP2003336971A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属線材を効率良く連続的に加熱溶解する誘導加熱溶解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導加熱コイルに高周波電源を接続し、その誘導加熱コイル内を連続的に通過する金属線材を誘導加熱する誘導加熱装置が、一般的に良く知られている。また、金属線材が内包されるように適当な耐火材を施工することによって、誘導溶解炉と同様に誘導コイル内で金属線材の溶解も可能である。しかしながら、この従来の誘導加熱方法では加熱効率が加熱温度によって左右され、特にキューリー点以上まで加熱する場合には、磁性を有する金属線材を加熱する場合であっても、加熱効率が大幅に低下することも周知の事項となっている。
【０００３】
金属線材の連続加熱における加熱効率の低下を防止する方法として、たとえば特開昭63-143226 号公報に開示されているように、コイルピッチを大きくとると共に誘導加熱コイル入口側と出口側とを短絡部材を介して電気的に短絡させることにより、金属線材の軸方向に高周波電流を形成させ、これにより金属線材を加熱する方法である。この方法によれば、通常の誘導加熱における渦電流によるジュール発熱とは異なり、電源周波数による電流の浸透深さの影響が少なく、低周波でも良好な加熱効率が得られるとしている。
【０００４】
ところで、金属線材を連続的に溶解する場合も加熱効率の低下防止が重要であるが、誘導加熱コイル出口側では溶融金属となるため、前述の誘導加熱コイル入口側と出口側とを短絡部材を介して電気的に短絡する方法の採用は、短絡部材の耐久性と溶損による溶融金属の汚染および配置上の面から困難である。
また、金属線材の連続溶解においては、特に溶解初期におけるヒートロスが無視できず、得られる溶融金属温度が低くなり、耐火材中で再凝固する恐れがある。このため、溶解初期の溶融金属温度を十分高めるか、あるいは耐火材の温度を十分高めて耐火材中で溶融金属が再凝固することがないようにしておくことが重要となる。
【０００５】
前者の方法として溶解初期の投入電力を高める、すなわち電源の大容量化，誘導加熱コイル長さ（巻き数）の増加や電源周波数の高周波化等が挙げられる。しかしながら、これらの方法においては経済性の低下や装置の大型化を招くのみならず、銅損の増加により加熱効率が低下するといった問題もあり、現実的ではない。
【０００６】
一方、後者の方法として耐火材を予熱する、具体的にはガスバーナー等による燃焼熱を利用する方法や、耐火材を黒鉛等の導電性を有する材料として、耐火材自体を誘導加熱により発熱させる方法が一般的である。しかしながら、これらの予熱方法を小径の金属線材を加熱溶解する装置に適用した場合、耐火材管内径が小さくガスバーナーの設置スペースの確保や燃焼空間の確保が困難となることに加え、耐火材の種類によっては燃焼ガスにより耐火材が酸化損傷する危険もある。また、耐火材に黒鉛を採用した場合には、金属線材を溶解して得た溶融金属の炭素汚染が問題となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題を解消するべく、溶解特性に優れた新しい金属線材を連続的に加熱溶解する誘導加熱溶解装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、誘導加熱コイルに内挿される耐火材の予熱，加熱方法について種々検討を加えた。すなわち、耐火材との化学反応や耐火材の損傷の恐れがなくかつ誘導加熱コイルの内径を小さくできる方法として、抵抗加熱に着目した。
電熱用抵抗材料としてはニッケルクロム合金が一般的であるが、金属線材としてニッケルを使用する場合、ニッケルの融点である約1455℃と比較すると、最高使用温度が1100℃程度と低く、誘導加熱による金属線材の溶解初期において発生しやすいヒートロスが大きいことによる耐火材管内での溶融金属の再凝固や金属線材の詰まりを招く恐れがある。
【０００９】
そこで、ニッケルの融点近傍、あるいはそれ以上に加熱できる電熱用抵抗材料について、さらに検討を加えた。その結果、カンタルと白金−ロジウム合金が有効であることが判明した。すなわち、最高使用温度はカンタルの場合には約1400℃、白金−ロジウム合金の場合には約1600℃にも達すると共に、耐火材との化学反応や耐火材の損傷の恐れも非常に少ない利点を有する。
【００１０】
次いで、誘導加熱コイル自体のデザインについても検討を加えた。すなわち、コイル外径とコイル長さを一定（誘導加熱コイルの銅損一定）のままでコイルピッチを誘導加熱コイルの長さ方向で変更することにより加熱効率が変化することに着目した。
金属線材の送給条件および誘導加熱条件によって金属線材が誘導加熱コイル内で溶解し始める位置が決定される。この金属線材の溶解開始位置が誘導加熱コイルの入口側に近い条件は、コイルピッチを誘導加熱コイルの入口側で密、すなわち渦電流密度を高めることで得られる。逆に金属線材の溶解開始位置が誘導加熱コイルの出口側に近い条件は、コイルピッチを誘導加熱コイルの出口側で密とすることで得られる。コイルピッチが一様である一般的な誘導加熱コイルの場合には、前記の中間の特性が得られる。この結果、溶解開始位置が誘導加熱コイルの入口側に近い場合には、溶融金属と誘導加熱コイル内に内挿される耐火材との接触距離、時間が長くなり、この分耐火材を介してのヒートロスが大きくなるので加熱効率が低下する。
【００１１】
逆に溶解開始位置が誘導加熱コイル出口側に近い場合には、このヒートロスが抑えられるので加熱効率が向上する。このような現象は、前述のように耐火材の抵抗加熱により緩和されるが熱的に安定するまで比較的時間を要する流通系で、しかも長時間の溶解を行なっていない場合には加熱効率の低下は避けられない。
本発明は、誘導加熱コイル内の空間に金属線材を連続的に送給し、金属線材を誘導加熱溶解する装置において、誘導加熱コイル内空間内の金属線材の通路を耐火材管によって囲繞すると共に、耐火材管を電気抵抗加熱する手段を設けたことを特徴とする金属線材の誘導加熱溶解装置である。
【００１２】
前記した発明においては、好適態様として、電気抵抗加熱する手段が、耐火材管の一部または全長にわたって抵抗発熱体を装着したものであることが好ましい。
さらに、誘導加熱コイルのコイルピッチが、金属線材の通路出口に向かうにしたがい連続的または段階的に狭められてあることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の誘導加熱溶解装置の構成例を示す断面図であり、耐火材管の一部を断面図として示す。誘導加熱コイル１のコイル中心軸は、水平に対して傾斜させて溶融金属を自重で排出できるように設置する。なお、誘導加熱コイル１のコイル中心軸は、水平に対して直交するように（すなわち鉛直に）設置しても構わない。
【００１４】
また、誘導加熱コイル１には耐火材管２を内挿し、この耐火材管２の外周には抵抗加熱用ワイヤ３を巻き付け、耐火材管２の予熱，加熱ができるような構成とする。これにより、誘導加熱による金属線材４の溶解初期において発生しやすいヒートロスが大きいことによる耐火材管２内での溶融金属の再凝固や金属線材４の詰まりを防止できる。
【００１５】
図２は本発明の誘導加熱溶解装置の他の構成例を示す断面図であり、図１と同様に耐火材管の一部を断面図として示す。この例では、図１に図示した基本的な構成に加えて誘導加熱コイル１のコイルピッチを入口側で粗、出口側で密となるように設けたところに特徴がある。なお、コイルピッチは連続的に変えても良いし、段階的に変えても構わない。これと前述の耐火材管２の抵抗加熱用ワイヤ３による予熱、加熱と組み合わせることにより、誘導加熱による溶解効率を一層高めることが可能となる。
【００１６】
【実施例】
（実施例１）
本発明の誘導加熱溶解装置は、図１に示すように耐火材管２を内挿するコイル長さが約460mm でコイルピッチ20mmの誘導加熱コイル１、および発振周波数40kHz の高周波電源５と周波数50Hzの商用電源６から構成される。誘導加熱コイル１は、水平に対して約20°の傾斜をつけて配置した。
【００１７】
耐火材管２としては、内径11mmの窒化珪素管を採用し、その外周には全長にわたり抵抗加熱用ワイヤ３を巻き付けた。抵抗加熱用ワイヤ３として直径0.5mm の30％Rh−70％Pt線を用い、商用電源６に接続した。金属線材４としては直径８mmで純度99.5％のニッケルを使用し、ワイヤーフィーダーを介して供給した。
金属線材４の溶解手順としては、予め耐火材管２を抵抗加熱により1450℃まで昇温した後、この温度を保持するように商用電源６の電流値を調節する。次いで、誘導加熱コイル１に高周波電流を流し、電圧が 500Ｖとなった時点で抵抗加熱を停止すると共に金属線材４の供給を開始する。このときの金属線材４の送り速度は４ｍ／分とした。
【００１８】
この結果、得られた溶融金属温度は1562℃であり、溶解効率として15.3％を得た。
（実施例２）
本発明の誘導加熱装置は、図２に示すように耐火材管２を内挿するコイル長さが約460mm の誘導加熱コイル１、および発振周波数40kHz の高周波電源Ｓと周波数50Hzの商用電源６から構成される。
【００１９】
誘導加熱コイル１は、１つのコイルでありながらコイルピッチを２段階に変化させたものを使用した。すなわち、コイル長さが約375mm でコイルピッチ25mmの誘導加熱コイル1aを金属線材４の入口側に配置し、コイル長さが約85mmでコイルピッチ17mmの誘導加熱コイル1bを金属線材４の出口側に配置し、電気的にも直列に配置する。また、誘導加熱コイル１は水平に対して約20°の傾斜をつけて設置した。
【００２０】
耐火材管２としては、内径11mmの窒化珪素管を採用し、その外周には全長にわたり抵抗加熱用ワイヤ３を巻き付けた。抵抗加熱用ワイヤ３として直径0.5mm の30％Rh−70％Pt線を用い、商用電源６に接続した。
金属線材４としては、直径８mmで純度99.5％のニッケルを使用し、ワイヤーフィーダーを介して供給した。金属線材４の溶解手段としては、予め耐火材管２を抵抗加熱により1450℃まで昇温した後、この温度を保持するように商用電源６の電流値を調節する。次いで、誘導加熱コイル１に高周波電流を流すと同時に抵抗加熱を停止し金属線材４の供給を開始する。このときの金属線材４の送り速度は４±0.2 ｍ／分とし、この送り速度範囲内に入るように誘導加熱コイル電圧を調整した。
【００２１】
この結果、得られた溶融金属温度は1584℃であり、溶解効率として21.3％を得た。
なお比較例として、実施例１と同様の設備を使用して、抵抗加熱による耐火材管２の予熱を行なわない方法で金属線材４の溶解を行なった。
この結果、耐火材管２出口近傍でニッケルが再凝固してしまい、金属線材４の連続加熱溶解は不可能であった。
【００２２】
また実施例においては抵抗加熱用ワイヤ３を耐火材管２の外周に全長にわたり巻き付けたが、金属線材４が溶融している部位のみの施工でも良いし、抵抗加熱用ワイヤ３の材質としても他の白金−ロジウム合金やカンタル線等でも良い。
さらに、誘導加熱による金属線材４の溶解時に抵抗加熱を停止したが、抵抗加熱と誘導加熱を併用した金属線材４の加熱溶解も可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の金属線材の誘導加熱溶解装置は、抵抗加熱による耐火材管の予熱，加熱が可能であるため、溶解初期の溶融金属の再凝固や、これによる金属線材の詰まりを防止した金属線材の連続的な誘導加熱溶解が実現できるようになった。
さらに、誘導加熱コイルのコイルピッチを変更して金属線材の溶解開始位置を後方に移動させる方法との組み合わせにより、ヒートロスを低減した加熱効率に優れる金属線材の連続的な誘導加熱溶解が実現できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に際して用いた抵抗加熱用ワイヤを有する金属線材の誘導加熱溶解装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施に際して用いた抵抗加熱用ワイヤを有する金属線材の誘導加熱溶解装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１誘導加熱コイル
1a コイルピッチが粗の誘導加熱コイル
1b コイルピッチが密の誘導加熱コイル
２耐火材管
３抵抗加熱用ワイヤ
４金属線材
５高周波電源
６商用電源

Claims

誘導加熱コイル内の空間に金属線材を連続的に送給し、前記金属線材を誘導加熱溶解する装置において、前記誘導加熱コイル内空間内の金属線材の通路を耐火材管によって囲繞すると共に、前記耐火材管を電気抵抗加熱する手段を設けたことを特徴とする金属線材の誘導加熱溶解装置。
前記電気抵抗加熱する手段が、前記耐火材管の一部または全長にわたって抵抗発熱体を装着したものであることを特徴とする請求項１記載の金属線材の誘導加熱溶解装置。
前記誘導加熱コイルのコイルピッチが、金属線材の通路出口に向かうにしたがい連続的または段階的に狭められてあることを特徴とする請求項１または２に記載の金属線材の誘導加熱溶解装置。