JP4465796B2 - 誘導加熱溶解炉 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱により金属を溶解する誘導加熱溶解炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘導加熱溶解炉は、図２に示すように、互いに電気的に絶縁された縦割り状の導電性セグメント５１を円周方向に配列することにより形成された容器状の炉本体５２と、炉本体５２の周囲に配置された誘導加熱コイル５３とを備えている。そして、炉本体５２は、冷却水により効率良く冷却されるように、導電性セグメント５１の内部に冷却水路５１ａが形成されていると共に、大きな熱伝導率の銅により形成されている。
【０００３】
上記の構成によれば、炉本体５２に対して塊状や粉状等の被溶解金属を投入した後、誘導加熱コイル５３に交流電力を供給することによって、炉本体５２内の被溶解金属を交番磁場により誘導加熱して溶解させることができる。そして、このときに、冷却水の供給により炉本体５２を冷却しておくことによって、溶解された被溶解金属を冷却固化して炉本体５２の壁面に沿って膜状のスカルを生成させることができる。これにより、炉本体５２の冷却により炉本体５２と被溶解金属とを反応させないようにすることによって、炉本体５２の不純物が溶湯に移行することによる汚染を防止することが可能になっている。また、被溶解金属による導電性セグメント５１・５１間の短絡をスカルにより防止することができるため、被溶解金属の溶解が進行した場合でも、強度の交番磁場を被溶解金属に付与し続けることが可能になり、結果として被溶解金属を十分に撹拌しながら溶解した溶湯を得ることが可能になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、炉本体５２が溶湯を冷却する際に、例えば溶湯である被溶解金属が大きな熱伝導率の銅等であると、溶湯から熱量を取り去る冷却能力が誘導加熱による加熱能力を上回り易くなる。従って、溶湯が炉本体５２の側面壁に接触し、この側面壁からも冷却されるようになると、溶湯に対する冷却能力が非常に大きなものとなって、殆どがスカルになってしまうという問題がある。そして、この問題は、炉本体５２を大型化する程、炉本体５２と溶湯との接触面積（伝熱面積）が拡大することにより顕著となる。この結果、１バッチ分の処理量を増やそうとして炉本体５２を大型化しても、銅等の大きな熱伝導率の被溶解金属に対しては冷却能力が過剰となって殆ど溶湯を得ることができないものとなる。
【０００５】
従って、本発明は、大きな熱伝導率の被溶解金属を溶解したときでも大部分を溶湯として得ることができる誘導加熱溶解炉を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、複数の導電性セグメントを円周方向に相互に絶縁して配列することにより形成された側面壁を有し、被溶解金属を冷却可能に収容する炉本体と、前記側面壁の外周側に配置され、前記炉本体に収容された被溶解金属を誘導加熱する誘導加熱コイルと、前記炉本体の側面壁の内側面に沿って配設され、前記炉本体の冷却能力を低減する筒状の隔壁部材とを備えており、前記炉本体が、当該炉本体の底面壁を構成し被溶解金属を載置する柱状部と、前記柱状部の下縁部から外周方向に突設され前記導電性セグメントを保持するフランジ部とを含むベース体を有しており、前記導電性セグメントが、前記側面壁を構成し前記柱状部の側周面に当接された側壁部と、前記側壁部の下端部から直角方向に曲折され前記フランジ部の上面に当接された取付部とを有しており、被溶解金属が載置される前記柱状部の上面の高さ位置が、前記導電性セグメントの前記取付部の上端位置と前記誘導加熱コイルの下端位置との間であって、前記取付部の前記上端位置よりも前記誘導加熱コイルの前記下端位置寄りに存在しており、前記隔壁部材は、前記柱状部の上面から鉛直方向に沿って延在していることを特徴としている。
【０００７】
上記の構成によれば、炉本体の側面壁における冷却能力を隔壁部材により低減することができるため、大きな熱伝導率の被溶解金属を誘導加熱して溶解させた結果、溶湯が隔壁部材を介して炉本体の側面壁に接触した場合でも、溶湯が冷却されてスカルとなる量を必要最小限に抑制することができる。これにより、被溶解金属の大部分を溶湯の状態に確実に維持することができることになり、例えば１バッチで多量の溶湯を得るように炉本体を大型化することもできる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の誘導加熱溶解炉であって、前記隔壁部材は、カーボンからなることを特徴としている。
上記の構成によれば、加工性および高純度化が容易なカーボンを隔壁部材に使用することによって、安価に隔壁部材を準備することができると共に、隔壁部材による被溶解金属（溶湯）への汚染を低減することができる。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の誘導加熱溶解炉であって、前記被溶解金属は、純銅や銅合金、金、銀、アルミニウムから選ばれた大きな熱伝導率を有した金属であることを特徴としている。
上記の構成によれば、大きな熱伝導率により溶湯の状態を維持することが困難な被溶解金属であるが、本発明の炉本体内で溶解することによって、確実に溶湯の状態に維持することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る誘導加熱溶解炉は、図１に示すように、被溶解金属２０を収容する銅製の炉本体１を有している。尚、炉本体１は、純銅や銅合金からなる銅製の他、電気抵抗率の低い金や銀、場合によってはステンレス等を用いることができる。また、被溶解金属２０としては、純銅や銅合金の他、金や銀、アルミニウム、これら各金属の合金等の大きな熱伝導率を有した金属を挙げることができると共に、鉄やコバルト、チタン、ニッケル、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、ニオブ、タンタル、モリブデン、ウラン、希土類金属、トリウム、これらの合金等を挙げることができる。
【００１１】
上記の炉本体１は、炉本体１の底面壁を構成するように形成されたベース体２と、炉本体１の側面壁を構成するように、ベース体２上に円周方向に配設された複数の導電性セグメント８とを有している。ベース体２は、円柱形状に形成された柱状部３と、柱状部３の下縁部から外周方向に突設されたフランジ部４とを有している。一方、フランジ部４には、上下方向に貫設された複数の締結穴４ａが導電性セグメント８の配列位置に対応して形成されていると共に、冷却水路４ｂが形成されている。
【００１２】
上記の各締結穴４ａには、ボルト部材６が挿通されている。ボルト部材６は、ナット部材７とで導電性セグメント８をフランジ部４に固定している。導電性セグメント８は、上下方向に立設され、内側面が柱状部３の側周面に当接された側壁部９と、側壁部９の下端部から直角方向に曲折され、下面がフランジ部４の上面に当接された取付部１０とを有している。取付部１０には、締結穴１０ａが形成されており、締結穴１０ａは、フランジ部４の締結穴４ａに対応するように配置され、ボルト部材６が挿通されている。
【００１３】
上記の導電性セグメント８は、隣接するセグメント８・８同士が互いに電気的に絶縁状態にされている。また、各導電性セグメント８における幅方向の中心部には、上端部を残して縦方向にスリット８ａが形成されている。スリット８ａは、導電性セグメント８を縦方向に二分割しており、導電性セグメント８の側壁部９と取付部１０とは、スリット８ａを介して互いに電気的に絶縁状態にされている。
【００１４】
また、各導電性セグメント８の内部には、冷却水路８ｂと連通路８ｃとが形成されている。冷却水路８ｂは、スリット８ａで二分割された一方の側壁部９と他方の側壁部９とにそれぞれ形成されている。また、連通路８ｃは、導電性セグメント８の上端部に形成されており、両側壁部９・９における冷却水路８ｂ・８ｂの上端部同士を連通している。また、各冷却水路８ｂの下端は、上述のフランジ部４の冷却水路４ｂに連通されており、これらの冷却水路８ｂ・４ｂは、冷却水を流通させることによって、導電性セグメント８を含む炉本体１の全体を所定の温度以下に冷却している。
【００１５】
上記のように構成された炉本体１の外周側には、誘導加熱コイル１１が巻回されている。誘導加熱コイル１１には、任意の周波数の交流電力を出力可能な図示しない電源装置が接続されている。電源装置は、誘導加熱コイル１１に対して交流電力を供給して交番磁場を発生させ、この交番磁場を炉本体１に収容された被溶解金属２０に浸透させて誘導加熱する。一方、炉本体１の内周側には、隔壁部材１２が設けられている。隔壁部材１２は、炉本体１の冷却能力を低減するように熱伝導率のカーボン、望ましくは高純度化されたカーボンからなっている。
【００１６】
尚、隔壁部材１２は、炉本体１の冷却能力を低減するように熱抵抗を増やしさえすればどのような材質であっても良く、例えばセラミックス等の耐火物であっても良い。この理由は、被溶解金属２０から炉本体１（導電性セグメント８）への熱移動は、主に隔壁部材１２と炉本体１および被溶解金属２０との熱伝達と、隔壁部材１２の熱伝導とで考えられる。この際、隔壁部材１２の熱伝導は、隔壁部材１２の厚さが１０ｍｍ程度以下のため、熱抵抗として表現すると、例えばカーボンの場合、１５０／０．０１＝１５００ｗ／ｍ2 Ｋ以下となる。従って、被溶解金属２０から炉本体１（導電性セグメント８）への熱移動においては、接触による熱抵抗が主に作用し、隔壁部材１２の熱伝導が補助的に作用するという関係があると理解できる。これにより、固体同士の接触を増やすことに意味があり、この固体同士の接触を増やすものとして隔壁部材１２が存在するからである。
【００１７】
上記の隔壁部材１２は、導電性セグメント８で構成された側面壁の内側面に沿うように筒形状に形成されている。尚、隔壁部材１２は、一体的に形成されていても良いし、導電性セグメント８に分割して貼設され、導電性セグメント８を円周方向に配列したときに筒形状になるように形成されていても良い。また、隔壁部材１２の厚みは、交番磁場の被溶解金属２０への浸透深さよりも薄くなるように設定されている。
【００１８】
具体的には、２ｋＨｚの周波数で７００ｋＷの交流電力を誘導加熱コイル１１に供給して被溶解金属２０（銅）を溶解させるときには、５ｍｍ〜１０ｍｍの厚みに設定される。尚、このように設定される理由は、以下の通りである。即ち、浸透深さで時速密度が１／ｅ（＝０．３６８）に減衰すると、電力であれば、（１／ｅ）2 （＝０．１３５）になる。このような減衰では、効率が悪いことによる溶解不良を招く。そこで、浸透深さδについて減衰率が０．５となるように厚み（ｘ）を求めると、ｅ-A＝０．５、但し、Ａ＝２ｘ／δという関係に基づいて１０ｍｍの厚みが求められるからである。
【００１９】
また、この場合の炉本体１等の仕様は、以下の通りである。炉本体１は、内径がφ２５０となるように、２セグメント×２４対の４８セグメントで形成されている。電源装置は、２ｋＨｚの周波数でもって７００ｋＷの交流電力を出力する。隔壁部材１２は、材質がカーボン、抵抗率が８００ｍμΩｃｍ、２ｋＨｚでの浸透深さが３２ｍｍに設定されている。尚、隔壁部材１２の厚みは、スカル２０ａが所定の厚みとなるように決定されていることが好ましい。
【００２０】
上記の構成において、誘導加熱溶解炉の動作について説明する。
先ず、例えば銅からなる塊状や粉状の被溶解金属２０が炉本体１に投入される。そして、側壁部９の冷却水路８ｂに冷却水が供給されることにより炉本体１が冷却されながら、誘導加熱コイル１１に交流電力が供給されることによって、誘導加熱コイル１１の周囲に交番磁場が生成される。誘導加熱コイル１１の内周側における交番磁場は、縦方向に分割された導電性セグメント８および隔壁部材１２を介して炉本体１の内側に透過することによって、被溶解金属２０に浸透し、被溶解金属２０を誘導加熱する。これにより、被溶解金属２０は、溶融温度に昇温した表面側から溶解を開始して溶湯２０ｂとなり、炉本体１の底面壁に向かって流れ落ちる。そして、溶湯２０ｂが炉本体１の底面壁に到達したときに、炉本体１により冷却されて凝固し、皿状のスカル２０ａを形成する。この後、スカル２０ａが所定以上の厚みとなって炉本体１による冷却能力よりも誘導加熱による加熱能力が上回ったときに、スカル２０ａ上に溶湯２０ｂとして滞留していくことになる。
【００２１】
上記の溶湯２０ｂは、交番磁場と誘導電流との相互作用および重力の作用を受けることによって、周辺部から中央部にかけて盛り上がったドーム形状の外形を呈しながら撹拌される。そして、多量の溶湯２０ｂが滞留すると、周縁部が隔壁部材１２を介して導電性セグメント８に接触し、導電性セグメント８による冷却作用を受ける。この際、隔壁部材１２は、カーボンからなっている。従って、溶湯２０ｂが直接的に導電性セグメント８に接触して冷却される場合よりも小さな冷却能力で冷却されるため、溶湯２０ｂが大きな熱伝導率の銅からなっていても、直ちに凝固してスカル２０ａを発生させることはない。また、隔壁部材１２に沿ってスカル２０ａが発生しても、誘導加熱による加熱能力が冷却能力を上回ることによって、スカル２０ａが薄い状態に維持される。この結果、炉本体１を大型化することによって、溶湯２０ｂと炉本体１との接触面積が増大することになっても、ドーム形状の多量の溶湯２０ｂが炉本体１内に形成されることになる。
【００２２】
以上のように、本実施形態の誘導加熱溶解炉は、複数の導電性セグメント８を円周方向に相互に絶縁して配列することにより形成された側面壁を有し、被溶解金属２０を冷却可能に収容する炉本体１と、側面壁の外周側に配置され、炉本体１に収容された被溶解金属２０を誘導加熱する誘導加熱コイル１１と、炉本体１の側面壁の内側面に沿って配設され、前記炉本体の冷却能力を低減するカーボン等の隔壁部材１２とを備えた構成にされている。
【００２３】
上記の構成によれば、炉本体１の側面壁における冷却能力を隔壁部材１２により低減することができるため、大きな熱伝導率の被溶解金属２０を誘導加熱して溶解させた結果、溶湯２０ｂが隔壁部材１２を介して炉本体１の側面壁に接触した場合でも、溶湯２０ｂが冷却されてスカル２０ａとなる量を必要最小限に抑制することができる。これにより、被溶解金属２０の大部分を溶湯２０ｂの状態に確実に維持することができるため、炉本体１を大型化することにより溶湯２０ｂとの接触面積が拡大することになっても、１バッチで多量の溶湯２０ｂを得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１の発明は、複数の導電性セグメントを円周方向に相互に絶縁して配列することにより形成された側面壁を有し、被溶解金属を冷却可能に収容する炉本体と、前記側面壁の外周側に配置され、前記炉本体に収容された被溶解金属を誘導加熱する誘導加熱コイルと、前記炉本体の側面壁の内側面に沿って配設され、前記炉本体の冷却能力を低減する筒状の隔壁部材とを備えており、前記炉本体が、当該炉本体の底面壁を構成し被溶解金属を載置する柱状部と、前記柱状部の下縁部から外周方向に突設され前記導電性セグメントを保持するフランジ部とを含むベース体を有しており、前記導電性セグメントが、前記側面壁を構成し前記柱状部の側周面に当接された側壁部と、前記側壁部の下端部から直角方向に曲折され前記フランジ部の上面に当接された取付部とを有しており、被溶解金属が載置される前記柱状部の上面の高さ位置が、前記導電性セグメントの前記取付部の上端位置と前記誘導加熱コイルの下端位置との間であって、前記取付部の前記上端位置よりも前記誘導加熱コイルの前記下端位置寄りに存在しており、前記隔壁部材は、前記柱状部の上面から鉛直方向に沿って延在した構成である。
【００２５】
上記の構成によれば、炉本体の側面壁における冷却能力を隔壁部材により低減することができるため、大きな熱伝導率の被溶解金属であっても、誘導加熱して溶解させたときに、大部分を溶湯の状態に確実に維持することができる。
【００２６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の誘導加熱溶解炉であって、前記隔壁部材は、カーボンからなる構成である。
上記の構成によれば、加工性および高純度化が容易なカーボンを隔壁部材に使用することによって、安価に隔壁部材を準備することができると共に、隔壁部材による被溶解金属（溶湯）への汚染を低減することができる。
【００２７】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の誘導加熱溶解炉であって、前記被溶解金属は、純銅や銅合金、金、銀、アルミニウムから選ばれた大きな熱伝導率を有した金属である構成である。
上記の構成によれば、大きな熱伝導率により溶湯の状態を維持することが困難な被溶解金属であるが、本発明の炉本体内で溶解することによって、確実に溶湯の状態に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】誘導加熱溶解炉における被溶解金属の状態を示す説明図である。
【図２】従来の誘導加熱溶解炉における被溶解金属の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 炉本体
２ ベース体
３ 柱状部
４ フランジ部
６ ボルト部材
７ ナット部材
８ 導電性セグメント
９ 側壁部
１０ 取付部
１１ 誘導加熱コイル
１２ 隔壁部材
２０ 被溶解金属
２０ａ スカル
２０ｂ 溶湯
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱により金属を溶解する誘導加熱溶解炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘導加熱溶解炉は、図２に示すように、互いに電気的に絶縁された縦割り状の導電性セグメント５１を円周方向に配列することにより形成された容器状の炉本体５２と、炉本体５２の周囲に配置された誘導加熱コイル５３とを備えている。そして、炉本体５２は、冷却水により効率良く冷却されるように、導電性セグメント５１の内部に冷却水路５１ａが形成されていると共に、大きな熱伝導率の銅により形成されている。
【０００３】
上記の構成によれば、炉本体５２に対して塊状や粉状等の被溶解金属を投入した後、誘導加熱コイル５３に交流電力を供給することによって、炉本体５２内の被溶解金属を交番磁場により誘導加熱して溶解させることができる。そして、このときに、冷却水の供給により炉本体５２を冷却しておくことによって、溶解された被溶解金属を冷却固化して炉本体５２の壁面に沿って膜状のスカルを生成させることができる。これにより、炉本体５２の冷却により炉本体５２と被溶解金属とを反応させないようにすることによって、炉本体５２の不純物が溶湯に移行することによる汚染を防止することが可能になっている。また、被溶解金属による導電性セグメント５１・５１間の短絡をスカルにより防止することができるため、被溶解金属の溶解が進行した場合でも、強度の交番磁場を被溶解金属に付与し続けることが可能になり、結果として被溶解金属を十分に撹拌しながら溶解した溶湯を得ることが可能になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、炉本体５２が溶湯を冷却する際に、例えば溶湯である被溶解金属が大きな熱伝導率の銅等であると、溶湯から熱量を取り去る冷却能力が誘導加熱による加熱能力を上回り易くなる。従って、溶湯が炉本体５２の側面壁に接触し、この側面壁からも冷却されるようになると、溶湯に対する冷却能力が非常に大きなものとなって、殆どがスカルになってしまうという問題がある。そして、この問題は、炉本体５２を大型化する程、炉本体５２と溶湯との接触面積（伝熱面積）が拡大することにより顕著となる。この結果、１バッチ分の処理量を増やそうとして炉本体５２を大型化しても、銅等の大きな熱伝導率の被溶解金属に対しては冷却能力が過剰となって殆ど溶湯を得ることができないものとなる。
【０００５】
従って、本発明は、大きな熱伝導率の被溶解金属を溶解したときでも大部分を溶湯として得ることができる誘導加熱溶解炉を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、複数の導電性セグメントを円周方向に相互に絶縁して配列することにより形成された側面壁を有し、被溶解金属を冷却可能に収容する炉本体と、前記側面壁の外周側に配置され、前記炉本体に収容された被溶解金属を誘導加熱する誘導加熱コイルと、前記炉本体の側面壁の内側面に沿って配設され、前記炉本体の冷却能力を低減する筒状の隔壁部材とを備えており、前記炉本体が、当該炉本体の底面壁を構成し被溶解金属を載置する柱状部と、前記柱状部の下縁部から外周方向に突設され前記導電性セグメントを保持するフランジ部とを含むベース体を有しており、前記導電性セグメントが、前記側面壁を構成し前記柱状部の側周面に当接された側壁部と、前記側壁部の下端部から直角方向に曲折され前記フランジ部の上面に当接された取付部とを有しており、被溶解金属が載置される前記柱状部の上面の高さ位置が、前記導電性セグメントの前記取付部の上端位置と前記誘導加熱コイルの下端位置との間であって、前記取付部の前記上端位置よりも前記誘導加熱コイルの前記下端位置寄りに存在しており、前記隔壁部材は、前記柱状部の上面から鉛直方向に沿って延在していることを特徴としている。
【０００７】
上記の構成によれば、炉本体の側面壁における冷却能力を隔壁部材により低減することができるため、大きな熱伝導率の被溶解金属を誘導加熱して溶解させた結果、溶湯が隔壁部材を介して炉本体の側面壁に接触した場合でも、溶湯が冷却されてスカルとなる量を必要最小限に抑制することができる。これにより、被溶解金属の大部分を溶湯の状態に確実に維持することができることになり、例えば１バッチで多量の溶湯を得るように炉本体を大型化することもできる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の誘導加熱溶解炉であって、前記隔壁部材は、カーボンからなることを特徴としている。
上記の構成によれば、加工性および高純度化が容易なカーボンを隔壁部材に使用することによって、安価に隔壁部材を準備することができると共に、隔壁部材による被溶解金属（溶湯）への汚染を低減することができる。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の誘導加熱溶解炉であって、前記被溶解金属は、純銅や銅合金、金、銀、アルミニウムから選ばれた大きな熱伝導率を有した金属であることを特徴としている。
上記の構成によれば、大きな熱伝導率により溶湯の状態を維持することが困難な被溶解金属であるが、本発明の炉本体内で溶解することによって、確実に溶湯の状態に維持することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る誘導加熱溶解炉は、図１に示すように、被溶解金属２０を収容する銅製の炉本体１を有している。尚、炉本体１は、純銅や銅合金からなる銅製の他、電気抵抗率の低い金や銀、場合によってはステンレス等を用いることができる。また、被溶解金属２０としては、純銅や銅合金の他、金や銀、アルミニウム、これら各金属の合金等の大きな熱伝導率を有した金属を挙げることができると共に、鉄やコバルト、チタン、ニッケル、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、ニオブ、タンタル、モリブデン、ウラン、希土類金属、トリウム、これらの合金等を挙げることができる。
【００１１】
上記の炉本体１は、炉本体１の底面壁を構成するように形成されたベース体２と、炉本体１の側面壁を構成するように、ベース体２上に円周方向に配設された複数の導電性セグメント８とを有している。ベース体２は、円柱形状に形成された柱状部３と、柱状部３の下縁部から外周方向に突設されたフランジ部４とを有している。一方、フランジ部４には、上下方向に貫設された複数の締結穴４ａが導電性セグメント８の配列位置に対応して形成されていると共に、冷却水路４ｂが形成されている。
【００１２】
上記の各締結穴４ａには、ボルト部材６が挿通されている。ボルト部材６は、ナット部材７とで導電性セグメント８をフランジ部４に固定している。導電性セグメント８は、上下方向に立設され、内側面が柱状部３の側周面に当接された側壁部９と、側壁部９の下端部から直角方向に曲折され、下面がフランジ部４の上面に当接された取付部１０とを有している。取付部１０には、締結穴１０ａが形成されており、締結穴１０ａは、フランジ部４の締結穴４ａに対応するように配置され、ボルト部材６が挿通されている。
【００１３】
上記の導電性セグメント８は、隣接するセグメント８・８同士が互いに電気的に絶縁状態にされている。また、各導電性セグメント８における幅方向の中心部には、上端部を残して縦方向にスリット８ａが形成されている。スリット８ａは、導電性セグメント８を縦方向に二分割しており、導電性セグメント８の側壁部９と取付部１０とは、スリット８ａを介して互いに電気的に絶縁状態にされている。
【００１４】
また、各導電性セグメント８の内部には、冷却水路８ｂと連通路８ｃとが形成されている。冷却水路８ｂは、スリット８ａで二分割された一方の側壁部９と他方の側壁部９とにそれぞれ形成されている。また、連通路８ｃは、導電性セグメント８の上端部に形成されており、両側壁部９・９における冷却水路８ｂ・８ｂの上端部同士を連通している。また、各冷却水路８ｂの下端は、上述のフランジ部４の冷却水路４ｂに連通されており、これらの冷却水路８ｂ・４ｂは、冷却水を流通させることによって、導電性セグメント８を含む炉本体１の全体を所定の温度以下に冷却している。
【００１５】
上記のように構成された炉本体１の外周側には、誘導加熱コイル１１が巻回されている。誘導加熱コイル１１には、任意の周波数の交流電力を出力可能な図示しない電源装置が接続されている。電源装置は、誘導加熱コイル１１に対して交流電力を供給して交番磁場を発生させ、この交番磁場を炉本体１に収容された被溶解金属２０に浸透させて誘導加熱する。一方、炉本体１の内周側には、隔壁部材１２が設けられている。隔壁部材１２は、炉本体１の冷却能力を低減するように熱伝導率のカーボン、望ましくは高純度化されたカーボンからなっている。
【００１６】
尚、隔壁部材１２は、炉本体１の冷却能力を低減するように熱抵抗を増やしさえすればどのような材質であっても良く、例えばセラミックス等の耐火物であっても良い。この理由は、被溶解金属２０から炉本体１（導電性セグメント８）への熱移動は、主に隔壁部材１２と炉本体１および被溶解金属２０との熱伝達と、隔壁部材１２の熱伝導とで考えられる。この際、隔壁部材１２の熱伝導は、隔壁部材１２の厚さが１０ｍｍ程度以下のため、熱抵抗として表現すると、例えばカーボンの場合、１５０／０．０１＝１５００ｗ／ｍ2 Ｋ以下となる。従って、被溶解金属２０から炉本体１（導電性セグメント８）への熱移動においては、接触による熱抵抗が主に作用し、隔壁部材１２の熱伝導が補助的に作用するという関係があると理解できる。これにより、固体同士の接触を増やすことに意味があり、この固体同士の接触を増やすものとして隔壁部材１２が存在するからである。
【００１７】
上記の隔壁部材１２は、導電性セグメント８で構成された側面壁の内側面に沿うように筒形状に形成されている。尚、隔壁部材１２は、一体的に形成されていても良いし、導電性セグメント８に分割して貼設され、導電性セグメント８を円周方向に配列したときに筒形状になるように形成されていても良い。また、隔壁部材１２の厚みは、交番磁場の被溶解金属２０への浸透深さよりも薄くなるように設定されている。
【００１８】
具体的には、２ｋＨｚの周波数で７００ｋＷの交流電力を誘導加熱コイル１１に供給して被溶解金属２０（銅）を溶解させるときには、５ｍｍ〜１０ｍｍの厚みに設定される。尚、このように設定される理由は、以下の通りである。即ち、浸透深さで時速密度が１／ｅ（＝０．３６８）に減衰すると、電力であれば、（１／ｅ）2 （＝０．１３５）になる。このような減衰では、効率が悪いことによる溶解不良を招く。そこで、浸透深さδについて減衰率が０．５となるように厚み（ｘ）を求めると、ｅ-A＝０．５、但し、Ａ＝２ｘ／δという関係に基づいて１０ｍｍの厚みが求められるからである。
【００１９】
また、この場合の炉本体１等の仕様は、以下の通りである。炉本体１は、内径がφ２５０となるように、２セグメント×２４対の４８セグメントで形成されている。電源装置は、２ｋＨｚの周波数でもって７００ｋＷの交流電力を出力する。隔壁部材１２は、材質がカーボン、抵抗率が８００ｍμΩｃｍ、２ｋＨｚでの浸透深さが３２ｍｍに設定されている。尚、隔壁部材１２の厚みは、スカル２０ａが所定の厚みとなるように決定されていることが好ましい。
【００２０】
上記の構成において、誘導加熱溶解炉の動作について説明する。
先ず、例えば銅からなる塊状や粉状の被溶解金属２０が炉本体１に投入される。そして、側壁部９の冷却水路８ｂに冷却水が供給されることにより炉本体１が冷却されながら、誘導加熱コイル１１に交流電力が供給されることによって、誘導加熱コイル１１の周囲に交番磁場が生成される。誘導加熱コイル１１の内周側における交番磁場は、縦方向に分割された導電性セグメント８および隔壁部材１２を介して炉本体１の内側に透過することによって、被溶解金属２０に浸透し、被溶解金属２０を誘導加熱する。これにより、被溶解金属２０は、溶融温度に昇温した表面側から溶解を開始して溶湯２０ｂとなり、炉本体１の底面壁に向かって流れ落ちる。そして、溶湯２０ｂが炉本体１の底面壁に到達したときに、炉本体１により冷却されて凝固し、皿状のスカル２０ａを形成する。この後、スカル２０ａが所定以上の厚みとなって炉本体１による冷却能力よりも誘導加熱による加熱能力が上回ったときに、スカル２０ａ上に溶湯２０ｂとして滞留していくことになる。
【００２１】
上記の溶湯２０ｂは、交番磁場と誘導電流との相互作用および重力の作用を受けることによって、周辺部から中央部にかけて盛り上がったドーム形状の外形を呈しながら撹拌される。そして、多量の溶湯２０ｂが滞留すると、周縁部が隔壁部材１２を介して導電性セグメント８に接触し、導電性セグメント８による冷却作用を受ける。この際、隔壁部材１２は、カーボンからなっている。従って、溶湯２０ｂが直接的に導電性セグメント８に接触して冷却される場合よりも小さな冷却能力で冷却されるため、溶湯２０ｂが大きな熱伝導率の銅からなっていても、直ちに凝固してスカル２０ａを発生させることはない。また、隔壁部材１２に沿ってスカル２０ａが発生しても、誘導加熱による加熱能力が冷却能力を上回ることによって、スカル２０ａが薄い状態に維持される。この結果、炉本体１を大型化することによって、溶湯２０ｂと炉本体１との接触面積が増大することになっても、ドーム形状の多量の溶湯２０ｂが炉本体１内に形成されることになる。
【００２２】
以上のように、本実施形態の誘導加熱溶解炉は、複数の導電性セグメント８を円周方向に相互に絶縁して配列することにより形成された側面壁を有し、被溶解金属２０を冷却可能に収容する炉本体１と、側面壁の外周側に配置され、炉本体１に収容された被溶解金属２０を誘導加熱する誘導加熱コイル１１と、炉本体１の側面壁の内側面に沿って配設され、前記炉本体の冷却能力を低減するカーボン等の隔壁部材１２とを備えた構成にされている。
【００２３】
上記の構成によれば、炉本体１の側面壁における冷却能力を隔壁部材１２により低減することができるため、大きな熱伝導率の被溶解金属２０を誘導加熱して溶解させた結果、溶湯２０ｂが隔壁部材１２を介して炉本体１の側面壁に接触した場合でも、溶湯２０ｂが冷却されてスカル２０ａとなる量を必要最小限に抑制することができる。これにより、被溶解金属２０の大部分を溶湯２０ｂの状態に確実に維持することができるため、炉本体１を大型化することにより溶湯２０ｂとの接触面積が拡大することになっても、１バッチで多量の溶湯２０ｂを得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１の発明は、複数の導電性セグメントを円周方向に相互に絶縁して配列することにより形成された側面壁を有し、被溶解金属を冷却可能に収容する炉本体と、前記側面壁の外周側に配置され、前記炉本体に収容された被溶解金属を誘導加熱する誘導加熱コイルと、前記炉本体の側面壁の内側面に沿って配設され、前記炉本体の冷却能力を低減する筒状の隔壁部材とを備えており、前記炉本体が、当該炉本体の底面壁を構成し被溶解金属を載置する柱状部と、前記柱状部の下縁部から外周方向に突設され前記導電性セグメントを保持するフランジ部とを含むベース体を有しており、前記導電性セグメントが、前記側面壁を構成し前記柱状部の側周面に当接された側壁部と、前記側壁部の下端部から直角方向に曲折され前記フランジ部の上面に当接された取付部とを有しており、被溶解金属が載置される前記柱状部の上面の高さ位置が、前記導電性セグメントの前記取付部の上端位置と前記誘導加熱コイルの下端位置との間であって、前記取付部の前記上端位置よりも前記誘導加熱コイルの前記下端位置寄りに存在しており、前記隔壁部材は、前記柱状部の上面から鉛直方向に沿って延在した構成である。
【００２５】
上記の構成によれば、炉本体の側面壁における冷却能力を隔壁部材により低減することができるため、大きな熱伝導率の被溶解金属であっても、誘導加熱して溶解させたときに、大部分を溶湯の状態に確実に維持することができる。
【００２６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の誘導加熱溶解炉であって、前記隔壁部材は、カーボンからなる構成である。
上記の構成によれば、加工性および高純度化が容易なカーボンを隔壁部材に使用することによって、安価に隔壁部材を準備することができると共に、隔壁部材による被溶解金属（溶湯）への汚染を低減することができる。
【００２７】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の誘導加熱溶解炉であって、前記被溶解金属は、純銅や銅合金、金、銀、アルミニウムから選ばれた大きな熱伝導率を有した金属である構成である。
上記の構成によれば、大きな熱伝導率により溶湯の状態を維持することが困難な被溶解金属であるが、本発明の炉本体内で溶解することによって、確実に溶湯の状態に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】誘導加熱溶解炉における被溶解金属の状態を示す説明図である。
【図２】従来の誘導加熱溶解炉における被溶解金属の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 炉本体
２ ベース体
３ 柱状部
４ フランジ部
６ ボルト部材
７ ナット部材
８ 導電性セグメント
９ 側壁部
１０ 取付部
１１ 誘導加熱コイル
１２ 隔壁部材
２０ 被溶解金属
２０ａ スカル
２０ｂ 溶湯
Claims (3)
- 複数の導電性セグメントを円周方向に相互に絶縁して配列することにより形成された側面壁を有し、被溶解金属を冷却可能に収容する炉本体と、前記側面壁の外周側に配置され、前記炉本体に収容された被溶解金属を誘導加熱する誘導加熱コイルと、前記炉本体の側面壁の内側面に沿って配設され、前記炉本体の冷却能力を低減する筒状の隔壁部材とを備えており、
前記炉本体が、当該炉本体の底面壁を構成し被溶解金属を載置する柱状部と、前記柱状部の下縁部から外周方向に突設され前記導電性セグメントを保持するフランジ部とを含むベース体を有しており、
前記導電性セグメントが、前記側面壁を構成し前記柱状部の側周面に当接された側壁部と、前記側壁部の下端部から直角方向に曲折され前記フランジ部の上面に当接された取付部とを有しており、
被溶解金属が載置される前記柱状部の上面の高さ位置が、前記導電性セグメントの前記取付部の上端位置と前記誘導加熱コイルの下端位置との間であって、前記取付部の前記上端位置よりも前記誘導加熱コイルの前記下端位置寄りに存在しており、
前記隔壁部材は、前記柱状部の上面から鉛直方向に沿って延在していることを特徴とする誘導加熱溶解炉。 - 前記隔壁部材は、カーボンからなることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱溶解炉。
- 前記被溶解金属は、純銅や銅合金、金、銀、アルミニウムから選ばれた大きな熱伝導率を有した金属であることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱溶解炉。
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