JP4116297B2 - 金属融解装置及び金属融解方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波誘導加熱によって金属を融解する金属融解方法及びそれに用いる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属融解装置は、例えば歯科用や装飾品等の小型鋳造物を精密鋳造するための鋳造装置の一部として使用されることがある。金属融解装置は、金属が収容される坩堝の外周囲に高周波誘導コイルを設け、この高周波誘導コイルに高周波電流を供給して、金属に渦電流を発生させ、これによって金属を加熱して、融解させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
坩堝に金属を収容する場合、複数の金属塊を坩堝に投入することがある。この場合、金属塊に発生する渦電流の大きさが、金属塊間の接触状態や金属塊の位置によって影響を受け、大きくばらつく。そのため、加熱されやすい金属塊と加熱されにくい金属塊とが発生し、全体にバランスよく加熱融解せず、大部分の金属塊が融解しているにも拘わらず、一部の金属塊の融解が遅れ、全体が融解するまでに多くの時間が必要になることがある。即ち、同一の重量の複数の金属塊を坩堝内に投入しても、坩堝内の金属塊の積み込み状態によって、加熱融解時間が大きくばらつくことがある。特に、加熱融解時間が延びる場合には、一部の金属塊の融解の遅れによって、大部分の融解金属が過熱されることになり、合金成分の変質が生じたり、注湯される鋳型において融解金属の焼きつきが発生したりして、鋳造品の品質を低下させることが生じる。しかも、誘導加熱電力が無駄に消費されることにもなる。
【０００４】
図４（ａ）、（ｂ）は、坩堝２内に収容した複数の金属塊を誘導加熱によって融解する状態を示したものである。坩堝２の外周囲に誘導加熱コイル４が設けられ、坩堝２内に複数個の金属塊６が収容されている。図４（ａ）は、誘導加熱コイル４からの磁束を、各金属塊６が充分に受けるように、各金属塊６が坩堝２内に収容されている状態を示す。この場合、各金属塊６は効率よく加熱融解される。図４（ｂ）は、坩堝２内に無作為に金属塊６が収容された結果、誘導加熱コイルから金属塊６の一部６ａがはみ出しており、一部の金属塊６ａは充分に磁束を受けない状態を示している。この状態では、金属塊６ａ以外の金属塊６は、比較的効率よく加熱融解される。しかし、金属塊６ａは加熱が遅れ、金属塊６ａを含む全ての金属塊６が融解されるまで長い時間が必要になる。しかも、金属塊６ａ同士が坩堝２内にブリッジ状に引っかかって宙吊り状態になり、誘導加熱コイル４からはみ出した状態が継続し、極端な場合には、これら宙吊り状態の金属塊６ａが融解されない可能性がある。
【０００５】
本発明は、坩堝への金属塊の収容状態に拘わらず、確実に短時間に無駄な電力消費することなく、複数の金属塊を融解することができる金属融解方法及び金属融解装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による金属融解装置は、坩堝を有している。この坩堝の外周囲に高周波誘導加熱コイルが設けられている。坩堝には、複数の金属塊が無作為に収容される。この場合、金属塊の一部が、コイルよりもはみ出すことがある。このコイルに５０ｋＨ以上の高周波電流を高周波電源が供給する。高周波電流の振幅が、第１の振幅と、第１の振幅と異なる第２の振幅との間で、振幅変調周波数を５乃至３０Ｈｚとして、交互に変化し、坩堝と金属塊とが振動する。
【０００７】
このように構成すると、高周波電流の振幅の変化に同期して、金属塊が振動し、坩堝に収容されている金属塊間の空隙が少なくなるように、各金属塊が次第に坩堝の下部に向かって落ち込んでいく。そして、高周波誘導加熱コイルによって発生されている磁束密度の高い範囲に各金属塊が導入される。坩堝の下部にある金属塊が融解し、液体に変わり始めると、高周波電流の振幅が大きくなったときに、融解金属の液面が盛り上がり、高周波電流の振幅が小さくなったとき液面が平坦になる。このように、液化し始めた金属の振動が大きくなって、融解が遅れている金属や、宙吊りになっている金属をゆり落とす効果が強くなり、液化金属内へ、次々と金属塊を落下投入させて、加熱融解の遅れが防止される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の１実施の形態の金属融解装置は、図２に示すように、鋳造装置の一部として使用されている。この鋳造装置は、ケース１０内の下部に鋳型１２を有している。鋳型１２は、その上面側に湯口を有するものである。鋳型１２の上方に金属融解装置の一部をなす坩堝１４が配置されている。坩堝１４は、その上方から金属塊が投入可能なように、上部に開口を有するもので、上下方向に２分割された坩堝形成部材１４ａ、１４ｂからなる。この坩堝形成部材１４ａ、１４ｂを組み合わせて坩堝１４を形成した状態で、金属塊を坩堝１４内に投入し、これらを融解した後、坩堝開閉操作装置１６によって、坩堝形成部材１４ａ、１４ｂを左右に開いて、融解金属からなる溶湯を鋳型１２内に注湯する。
【０００９】
坩堝１４内で金属塊を融解するために、坩堝１４の外周囲には、高周波誘導加熱コイル１８が巻回されている。この高周波誘導加熱コイル１８は、坩堝１４の下部から上部に向かって巻回されているが、坩堝１４の最上部まで完全には巻回されていない。このコイル１８に並列にコンデンサ２０が接続されて、タンク回路２２が構成されている。このタンク回路２２には、変圧器２４を介してインバータ２６から、例えば５０乃至１００ｋＨｚ或いはそれ以上の周波数の高周波電流が供給されている。この高周波電流がコイル１８に印加されることによって、坩堝１４内に磁束が発生し、この磁束によって坩堝１４内の金属塊に渦電流が流れ、金属塊が加熱され、融解される。但し、坩堝１４の最上部付近にある金属塊には、磁束が供給されにくく、加熱が円滑に進まない。
【００１０】
インバータ２６は、例えば商用交流電源２８からの交流電源を整流回路３０によって整流して得た直流電源を基に、高周波電流を発生する。インバータ２６は、それの出力電流及び出力電圧の値を検出し、これら検出値に基づいて、インバータ制御回路３２によって制御されている。インバータ制御回路３２には、可変利得増幅器３４によって振幅が調整された、例えば約５乃至３０Ｈｚの低周波信号が低周波発振器３６から供給されている。この低周波信号に基づいて、インバータ制御回路３２は、インバータ２６が発生する高周波電流を、例えば図３に示すように振幅変調されたものとしている。即ち、高周波電流は、約５乃至３０Ｈｚの繰り返し周波数で、振幅が予め定めた第１の値となることと、第２の値（第１の値＞第２の値）となることとを繰り返すものとなる。
【００１１】
整流回路３０も、整流回路制御回路３８によって制御され、整流回路制御回路３８は、インバータ２６の出力電圧の値に基づいて、インバータ２６に一定値の直流電圧を供給できるように整流回路３０を制御している。
【００１２】
なお、坩堝１４の上方には、覗き窓４０を介して光学検出器４２が設けられており、坩堝１４内の融解金属が発する光が、光学検出器４２によって検出され、この検出値が制御回路４４に供給され、所定値になったとき、坩堝開閉操作装置１６が坩堝１４を開く。
【００１３】
このように構成された鋳造装置では、図１（ａ）に示すように、坩堝１４内に無作為に複数の金属塊４６が投入され、高周波誘導コイル１８に高周波電流が流される。無作為に金属塊４６が投入されているために、各金属塊４６の間には空隙が存在し、また、高周波誘導加熱コイル１８の上端よりも上方にも、例えば金属塊４６ａのような金属塊が存在する。この金属塊４６ａには、高周波誘導加熱コイル１８が発生する磁束が余り印加されにくい。
【００１４】
高周波誘導加熱コイル１８に供給される高周波電流が振幅変調されていることにより、振幅変調周波数に同期して、充分に磁束を受けている金属塊４６が振動を開始する。この振動は、やがて坩堝１４全体の振動となり、坩堝１４自体も振動させられるようになる。このため、図１（ｂ）に示すように、次第に各金属塊４６、４６ａの空隙が減少し、坩堝１４の下部側に徐々に密集していく。同図（ｃ）に示すように、磁束密度が高く、周囲からの輻射熱も高くなっている坩堝１４の下部に位置する金属塊４６が次第に液化し始める。これによって、上部に位置し、加熱が遅れている金属塊４６の大部分が、坩堝１４の上下振動及びバランスの変化に伴って、融解金属中に落下没入し、融解される。
【００１５】
融解液化した溶湯は、高周波電流の振幅変調周波数に同期して、液面が図１（ｃ）、（ｄ）に示すように、上下振動する。各金属塊４６の下部が液化して、その面積が振動に伴って大きく変化するので、上部の金属塊４６に与えられる振動も強くなる。これによって、図１（ｅ）、（ｆ）に示すように、坩堝１４の上部に位置していた金属塊４６ａが磁束密度の大きい下方の溶湯中に移動する。或いは、金属塊４６ａ同士が接触して、坩堝１４の内壁にブリッジを形成して、宙吊り状態になっていても、この宙吊り状態にある金属塊４６ａが揺り動かされて、強制的に溶湯内に落下する。このように宙吊り状態のまま金属塊が坩堝内に維持されることがなく、このような宙吊り状態の金属塊を融解する必要がないので、融解に要する時間を短縮することができるし、必要とされる高周波電力も少なくて済む。
【００１６】
その後、溶湯内で金属塊４６ａも融解され、図１（ｇ）、（ｈ）に示すように、各金属塊が一様に融解液化される。この一様に液化された融解金属の液面が、高周波電流の振幅変調周波数に同期して、上下動させられ、溶湯が攪拌されて、溶湯全体が均一な温度とされる。
【００１７】
このようにして均一の温度とされている溶湯の温度が所定の温度になったとき、図２に示す制御回路４４が坩堝開閉装置１６に坩堝１４を開かせ、鋳型１２に溶湯を注入する。
【００１８】
以上のように、本実施の形態によれば、金属塊を無作為に坩堝１４内に投入しても、高周波電流が振幅変調されていることにより、金属塊や坩堝が振動することによって、均一な温度の溶湯に融解される。
【００１９】
上記の実施の形態では、振幅変調周波数は約５乃至３０Ｈｚとし、図３に示したように振幅変調波形は正弦波としたが、坩堝１４の形状、金属の粘度、金属の表面に形成されている酸化膜の性質、鋳造操作上等の条件に応じて、変調周波数は種々の値とすることができるし、また波形も種々のデューティ比を持つパルス波、鋸歯状波等の種々の波形とすることができる。また、上記の実施の形態では、一定周波数によって振幅変調された高周波電流を高周波誘導加熱コイル１８に供給したが、ランダムに振幅変調した高周波電流を高周波誘導加熱コイル１８に供給してもよい。また、上記の実施の形態では、金属塊の加熱の開始から終了まで、振幅変調された高周波電流を高周波誘導加熱コイル１８に供給したが、加熱の開始から金属の融解直前まで振幅変調された高周波電流を供給し、その後、一定振幅の高周波電流を供給したり、或いは加熱の開始から金属の融解直前まで一定振幅の高周波電流を供給し、その後に振幅変調された高周波電流を供給したりしてもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、坩堝への金属塊がどのように収容されていても、坩堝及び複数の金属塊に振動を与えることができ、確実に短時間に無駄な電力消費することなく、複数の金属塊を融解することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態における金属融解装置での金属塊の融解の進行状態を示す図である。
【図２】上記１実施形態の金属融解装置のブロック図である。
【図３】図２の金属融解装置において坩堝に供給される高周波電流の波形を示す図である。
【図４】従来の金属融解装置における金属塊の融解状態を示す図である。
【符号の説明】
１４ 坩堝
１８ 高周波誘導加熱コイル
４６ ４６ａ 金属塊

Claims (2)

1. 複数の金属塊が無作為に収容される坩堝と、
   この坩堝の外周囲に設けられた高周波誘導加熱コイルと、
   このコイルに５０ｋＨｚ以上の高周波電流を供給する高周波電源とを、
   具備し、前記高周波電流の振幅を、第１の振幅と、第１の振幅と異なる第２の振幅との間で、振幅変調周波数を５乃至３０Ｈｚとして、交互に変化させて、前記坩堝と金属塊とを振動させることを特徴とする金属融解装置。
2. 外周囲に高周波誘導コイルが設けられた坩堝に、一部が前記コイルよりもはみ出した状態に、複数の金属塊を収容する過程と、
   前記コイルに５０ｋＨｚ以上の高周波電流を供給して、前記高周波電流の振幅を、第１の振幅と、第１の振幅と異なる第２の振幅との間で、振幅変調周波数を５乃至３０Ｈｚとして、交互に変化させて、前記金属塊に渦電流を生じさせて、これら金属塊を加熱する共に、前記坩堝と前記金属塊とを振動させる過程とを、
   具備する金属融解方法。

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