JP4496791B2 - 電磁出湯ノズルおよびこれを用いる金属溶解・出湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁力により金属溶湯を出湯する電磁出湯ノズルおよびこれを用いる連続溶解・出湯が可能な金属溶解・出湯装置に関する。

例えば、複数の水冷式金属セグメントからなる円筒形のルツボとその外周に巻き付けた溶解用誘導コイルとを備えたコールドクルーシブル溶解装置において、上記ルツボの底部に設置した上記同様の複数の水冷式金属セグメントからなるほぼ逆円錐形のノズルから金属溶湯を出湯するボトム出湯方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。上記ノズルは、外周に出湯用誘導コイルを巻き付けた電磁コイルで、その内周面にアルミナなどの絶縁性皮膜が形成されている。

特開２００１−４１６６１号公報（第１〜６頁、図１，２）

前記電磁ノズルでは、その内表面にアルミナなどの絶縁性皮膜を形成することにより、当該ノズルの内表面と凝固シェル（スカル）との間が絶縁されるので、前記出湯用誘導コイルにより凝固シェルに生じる誘導電流がノズルの各セグメントに戻らない。この結果、凝固シェルを溶解するに必要な誘導電流が確保できるため、前記溶解用誘導コイルに多大な電流を投入せずに且つノズル内部の凝固シェルによるノズル閉塞を生じることなく、比較的小径の電磁ノズルから出湯および連続溶解を行うことを可能としている。

しかしながら、前記電磁ノズル内側に位置する逆円錐形状の凝固シェルを確実に溶解しようとすると、前記出湯用誘導コイルに多大の高周波電流を給電する必要があり、設備およびコスト面において実用的ではない。しかも、絶縁性皮膜が剥離し易いため、その補修にも工数を要する、という問題があった。
発明者らは、前述した問題点を解決するため、電磁出湯ノズルの内周面に黒鉛などの導電性物質からなる逆円錐形または漏斗形の発熱・断熱層を配置した金属溶湯出湯装置を先に提案した（特願２００３−１８２７４８）。これによれば、出湯用誘導コイルへの比較的小容量の通電により上記発熱・断熱層が誘導加熱され、電磁コイル内の凝固シェルが溶解されるため、上方に位置するコールドクルーシブル溶解炉の炉底からの金属溶湯の出湯が可能となった。

しかし、前記発熱・断熱層を配置した電磁出湯ノズルでは、出湯および通電停止の後に、注湯速度の低下に伴って電磁ノズルの先端（下端）部には、丸棒状の凝固塊が付着する。このため、再出湯を行うべく出湯用誘導コイルに通電しても、電磁出湯ノズルを形成する複数の水冷式金属セグメントからの抜熱によって、当該セグメントの下部に付着した上記凝固塊を溶解できず、再出湯が不可能となる場合があった。仮に再出湯が可能となった場合においても、上記凝固塊を均一に溶解できず、その一部のみに出湯経路が形成されるため、出湯する溶湯流が安定した位置や形状で下方に流下しない、という問題点があった。

本発明は、前述した背景技術における問題点を解決し、内径が小径であっても凝固シェルの下側に連なる凝固塊によるノズル閉塞を確実に防ぎ安定して再出湯が行える電磁出湯ノズルおよびこれを用いた連続溶解・出湯が可能な金属溶解・出湯装置を提供する、ことを課題とする。上記「連続」は「連続的」も含む。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、上記課題を解決するため、発明者らの鋭意研究および調査の結果、電磁出湯ノズルの内面に配置する導電性のノズル体の形状およびサイズを最適化する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の電磁出湯ノズル（請求項１）は、上部に位置する逆円錐形状のコーン部およびその下部から垂下する円筒形の直線部からなり且つ円周方向に沿ってスリットにより複数のセグメントに分割された金属製の本体と、係る本体の外周に沿って螺旋形状に巻き付けられた出湯用誘導コイルと、上記本体における上記コーン部の内面に接して配置される逆円錐部および係る逆円錐部の下部から垂下し且つ上記直線部の内側を貫通し係る直線部の下端よりも下方に先端が垂下する円筒形の垂直部からなる導電性のノズル体と、を備え、係るノズル体の垂直部は、上記逆円錐部の下部寄りに位置する細径のストレート孔と、係るストレート孔の下方から先端までに位置する大径孔とを内側に有する、ことを特徴とする。

これによれば、出湯用誘導コイルに通電して形成される磁界により、金属製の本体と導電性のノズル体とに誘導電流が流れてこれらが加熱される。この際、ノズル体は、その発熱により前回の溶解時に当該電磁出湯ノズルの内側で凝固したほぼ逆円錐形の凝固シェルを溶解すると共に、係る凝固シェルの下方に連なる凝固塊をも均一に溶解することができる。しかも、ノズル体における直線部の先端は、上記本体における直線部の下端よりも下方に位置しているため、凝固塊から溶け出た溶湯は、ノズル体によって外側の本体寄りに回り込む事態を阻止される。従って、前回の溶解・出湯時に残留した凝固シェルと共に凝固塊をも均一且つ迅速に溶解できるため、再出湯を確実に行うことが可能となる。

更に、前記ノズル体の垂直部は、逆円錐部の下部寄りに位置する細径のストレート孔と、係るストレート孔の下方から先端までに位置する大径孔とを内側に有するので、前記本体におけるコーン部の内側に位置する凝固シェルとその下端の中心部から垂下するほぼ円柱形の凝固塊とを、上記細径のストレート孔によって、これを貫通する上記凝固塊の上部に形成される細径の凝固部を溶断し易くなる。
従って、ノズル体の発熱により、凝固塊における細径の凝固部付近を集中的に溶解でき、当該凝固塊を短時間で凝固シェルと分離して落下させ、ノズル体内側の閉塞状態を解除することができる。

一方、本発明の金属溶解・出湯装置（請求項２）は、前記電磁出湯ノズルと、係る電磁出湯ノズルの前記本体におけるコーン部の上方に炉体内を連通して配置した溶解炉と、を含み、係る溶解炉は、円筒形で且つ円周方向に沿ってスリットにより複数のセグメントに分割された金属製の炉体と、係る炉体の外周に沿って巻き付けられた溶解用誘導コイルと、を備える半磁気浮揚溶解炉である、ことを特徴とする。
これによれば、溶解炉で最初の原料から加熱された金属溶湯を前記電磁出湯ノズルから出湯し且つその残部の凝固シェルおよび凝固塊により電磁出湯ノズルを閉塞した後、電磁出湯ノズルの前記出湯用誘導コイルにのみ通電して凝固シェルおよび凝固塊を均一且つ迅速に溶解して再溶解・再出湯が可能となる。あるいは、電磁出湯ノズルが閉塞した状態で次の原料を溶解炉に装入して溶解する連続溶解が行えると共に、係る次の原料が溶解した時点で、上記コイルに通電することにより、上記凝固シェルおよび凝固塊を均一且つ迅速に溶解して、再出湯ができる。従って、連続溶解および連続出湯をタイミング良く行うことが可能となる。

しかも、溶解炉を前記半磁気浮揚溶解炉としたので、通電された溶解用誘導コイルにより炉体内に装入された原料に誘導電流を流して加熱し、溶け出した金属溶湯をローレンツ斥力により、炉体内でほぼ半球形状に立ち上がらせると共に、電磁出湯ノズルの本体寄りの下部には、係る本体からの抜熱による凝固シェルが形成される。従って、出湯用誘導コイルに通電することにより、上記凝固シェルを均一に溶解して出湯することができる。
尚、溶解用誘導コイルと出湯用誘導コイルとへの通電するタイミングをずらしたりするなどの制御を行うことで、電力コストを抑制することも可能となる。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、電磁出湯ノズル１０、その上方に配置された半磁気浮揚溶解炉（溶解炉）２、および上記電磁出湯ノズル１０の下方に配置されたアトマイズ用の環状噴射ノズル２７からなる本発明の金属溶解・出湯装置１の垂直断面図である。また、図２は、上記電磁出湯ノズル１０の垂直断面を含む分解斜視図であり、図３は、係る電磁出湯ノズル１０の垂直断面図である。
半磁気浮揚溶解炉２は、図１に示すように、円筒形で且つ円周方向に沿って等間隔に位置するスリット５により複数のセグメント４に分割された銅（金属）製の炉体３と、係る炉体３の外周に沿って螺旋状に巻き付けられた溶解用誘導コイル８とを備えている。各セグメント４は、中空部６を内蔵し、図示しない給水口および排水口を介して冷却水が循環供給される。即ち、炉体３は水冷式である。

図１に示すように、半磁気浮揚溶解炉２は、ベース９に穿孔した円形孔９ａの上縁に沿って炉体３の底面７を配置してベース９上に配設され、炉体３の内側に連通し且つ円形孔９ａに嵌合するようにして電磁出湯ノズル１０が配設される。
電磁出湯ノズル１０は、図２，３に示すように、銅（金属）製の本体１１と、係る本体１１の内側に配置され黒鉛からなる導電性のノズル体２０と、上記本体１１の外周に沿って螺旋形状に巻き付けられた出湯用誘導コイル１８とを備えている。上記本体１１は、上部に位置する逆円錐形状のコーン部１２およびその下部の中心寄りから垂下する円筒形の直線部１３からなり、円周方向に沿って等間隔に配置したスリット１５により複数のセグメントｓに分割され、各セグメントｓごとに給水口１７および排水口１７を有する冷却水循環用の中空部１４を内蔵している。更に、上記直線部１３の内側には、コーン部１２の内側に連通する円柱形の垂直孔（内側）１９が貫通している。

ノズル体２０は、図２，３に示すように、電磁出湯ノズル１０の本体１１における上記コーン部１２の内面に接して配置される逆円錐部２２と、係る逆円錐部２２の下部の中心部付近から垂下する円筒形の垂直部２４とを備えている。
ノズル体２０の垂直部２４は、図３に示すように、上記本体１１における直線部１３の垂直孔１９を貫通し、その先端２６は、直線部１３の下端１６よりも下方に高さｔ：約１〜３ｍｍ程度更に垂下している。また、垂直部２４は、逆円錐部２２寄りの上部に位置する細径（内径約１〜４ｍｍ）のストレート孔２３と、その下方から先端２６までに位置する内径が約６〜９ｍｍの大径孔２５とを、内側に有している。
尚、前記ノズル体２０は、優れた導電性、断熱性、および加工性ならびに経済性の観点から、黒鉛の素材を切削加工したものが推奨されるが、これに限らず、炭化珪素、窒化珪素、硼化物（例えばＢＮ）などの化合物や、タングステン、ニオブ、またはタンタルなどの高融点金属の素材を成形したものを用いても良い。

更に、アトマイズ用の環状噴射ノズル２７は、図１の下方に示すように、電磁出湯ノズル１０のノズル体２０における垂直部２４の下方に配置され且つ係る垂直部２４の中心軸を中心とする平面視が円形の環状体２８と、これに内蔵されるリング状の中空部２９と、係る中空部２９から内側の下隅部に向けて斜め下向きに開口するスリット状の円形噴射孔２９ａとを備えている。中空部２９に供給される水Ｗまたはアルゴンガスなどは、図１中の一点鎖線の矢印で示すように、円形噴射孔２９ａから斜め下向きに逆円錐形状にして、図１中の実線の矢印で示す流下する金属溶湯Ｍに噴射され、これを粉化する。

ここで、前述した金属溶解・出湯装置１の使用方法および作用について、図４〜７および図８のフローチャートによって説明する。
先ず、半磁気浮揚溶解炉２の炉体３内に溶解すべき金属の原料、例えばＴｉ合金（Ｔｉ−６wt％Ａｌ−４wt％Ｖ−０．５wt％Ｃ）のインゴットまたはスクラップを装入した後、溶解用誘導コイル８に高周波電流を通電する（図８中のステップＳ１）。尚、炉体３内は、予め不活性ガス雰囲気または真空状態にされている。また、原料が上記のようなＣ（炭素）を含む場合は、同じＣ（黒鉛）からなるノズル体２０の溶損を抑制できる。

通電された溶解用誘導コイル８は、その軸方向（図４で垂直方向）に沿って磁界を形成し、係る磁界が上記原料を透過するため、当該原料内に誘導電流が流れてこれを加熱し、やがて係る原料を溶解する。
溶け出した金属溶湯Ｍは、上記磁界によるローレンツ斥力を炉体３の中心寄りに向って受けるため、図４に示すように、炉体３内でほぼ半球形状に立ち上がる半浮揚状態となり、炉体３の内周面から離れる（図８中のステップＳ２）。
一方、炉体３の底面７寄りおよび電磁出湯ノズル１０寄りに位置する金属溶湯Ｍは、後者の本体１１上部からの抜熱により凝固し、図４に示すように、偏平形状の凝固シェルＳとなる。

次に、電磁出湯ノズル１０の出湯用誘導コイル１８に高周波電流を通電する（図８中のステップＳ３）。すると、出湯用誘導コイル１８は、その軸方向（図４で垂直方向）に沿って磁界を形成し、係る磁界が電磁出湯ノズル１０の本体１１、ノズル体２０、および上記凝固シェルＳを透過するため、これらに誘導電流が流れて加熱する。特に、導電性に優れ且つ断熱性を有する黒鉛からなるノズル体２０は、熱容量が大きく発熱量が多いため、その逆円錐部２２およびストレート孔２３を有する垂直部２４の上部に隣接する凝固シェルＳを加熱し且つ溶解する。
その結果、図５に示すように、凝固シェルＳは、電磁出湯ノズル１０の本体１１におけるコーン部１２の上端面と炉体３の内周面の下部との間に位置する残留部分を除いて、溶解されて金属溶湯Ｍとなる。この結果、係る溶湯Ｍは、ノズル体２０のストレート孔２３から細径（外径約１〜４ｍｍ）の溶湯Ｍとなって流下（出湯）する（図８中のステップＳ４）。

流下した溶湯Ｍは、図５に示すように、アトマイズ用の環状噴射ノズル２７の内側の中心部を通過した後、係るノズル２７の円形噴射孔２９ａから斜め下向きに逆円錐形状に噴射される水Ｗまたはアルゴンガスなどにより、粉化（アトマイズ）されて金属粉末Ｆとなる。この際、金属溶湯Ｍが細径にして流下するため、水Ｗなどが衝突する粉化点の位置が一定化する。この結果、平均粒径が数１０μｍ程度の微細な金属粉末Ｆを効率良く製造することが可能となる。
尚、環状噴射ノズル２７に替えて、電磁出湯ノズル１０の下方にインゴットケース（インゴット鋳型）を配置することにより、例えばＴｉ合金のインゴットを製造しても良く、あるいは通気性の耐火物からなるロストワックス鋳型を配置して、直に精密鋳造製品を鋳造するようにしても良い。

更に、半磁気浮揚溶解炉２の炉体３内から金属溶湯Ｍの大半が流出（出湯）した時点で、前記溶解用誘導コイル８および出湯用誘導コイル１８への通電を停止する（図８中のステップＳ５）。
その結果、図６に示すように、電磁出湯ノズル１０の本体１１におけるコーン部１２およびノズル体２０の逆円錐部２２の内側には、残留した溶湯Ｍが凝固して凝固シェルＳが形成される。同時に、係る凝固シェルＳの下端と接続し、且つノズル体２０の直線部２４における内側のストレート孔２３内および大径孔２５内で凝固したほぼ円柱形の凝固塊ｇが形成される。係る凝固塊ｇの先端（下端）は、図６の下方に示すように、直線部２４の先端２６よりも下側および側方にほぼ半球形に張り出しているが、予め直線部２４の先端２６が本体１１における直線部１３の下端１６よりも下側に垂下しているため、係る直線部１３の下端１６を伝って外側の本体１１の直線部１３寄りに漏れ出る事態を確実に防止できる。
以上のような凝固シェルＳおよび凝固塊ｇが形成されることにより、電磁出湯ノズル１０は閉塞され、出湯が停止される（図８中のステップＳ６）。

次いで、出湯用誘導コイル１８にのみ高周波電流を再通電する（図８中のステップＳ７）。すると、ノズル体２０の逆円錐部２２と直線部２４とが誘導電流により加熱されるため、これらの内側に隣接する前記凝固シェルＳおよび凝固塊ｇが加熱される。この結果、図７に示すように、凝固シェルＳの大半は、溶湯Ｍとなる。この際、黒鉛からなるノズル体２０の直線部２４の内側では、ストレート孔２３の全体および大径孔２５の上部が特に加熱される。
このため、図７に示すように、凝固塊ｇは、ストレート孔２３内の細径の凝固部で凝固シェルＳの下部と溶断ｙされ、ノズル体２０の直線部２４から離脱して落下する（図８中のステップＳ８）。この結果、電磁出湯ノズル１０は、開放され、再出湯が可能となる。

尚、図８中のステップＳ６で溶湯Ｍの出湯を停止した後、半磁気浮揚溶解炉２の炉体３内および電磁出湯ノズル１０の内側に残留する凝固シェルＳ上に、新たなインゴットなどの原料を装入し、溶解用誘導コイル８に通電して係る原料を溶解した後、出湯用誘導コイル１８に通電するようにしても良い。
この方法によれば、図９に示すように、炉体３内の原料を再溶解して半浮揚状態の金属溶湯Ｍとするとほぼ同時に、下方に位置する前回に形成された凝固塊ｇを前記同様に溶断して、再出湯可能とすることもできる。特に、電磁出湯ノズル１０の下方にインゴットケース（鋳型）を配置して、インゴットを鋳造する場合には、落下した凝固塊ｇを当該インゴットの一部として活用することができる。
以上のような電磁出湯ノズル１０およびこれを用いた金属溶解・出湯装置１によれば、原料を連続溶解し且つ金属溶湯Ｍを連続出湯することが容易且つ効率良くして可能となる。

本発明は、前述したような形態に限定されるものではない。
例えば、電磁出湯ノズルのノズル体における前記大径孔は、前記円柱形の形状に限らず、下側に緩く拡径する円錐形状としても良い。
また、金属溶解・出湯装置において、前記ステップＳ１，Ｓ３，Ｓ７のように、溶解用誘導コイル８と出湯用誘導コイル１８とへの通電するタイミングをずらように制御を行うことで、電力コストの抑制が可能となる。
尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

本発明の金属溶解・出湯装置を示す垂直断面図。 本発明の電磁出湯ノズルの垂直断面を含む分解斜視図。 上記電磁出湯ノズルの垂直断面図。 上記金属溶解・出湯装置の使用方法を示す概略図。 図４に続く使用方法を示す概略図。 図５に続く使用方法を示す概略図。 図６に続く使用方法を示す概略図。 以上の使用方法を示すフローチャート 異なる形態の使用方法を示す概略図。

符号の説明

１…………金属溶解・出湯装置
２…………半磁気浮揚溶解炉（溶解炉）
３…………炉体
４，ｓ……セグメント
５，１５…スリット
８…………溶解用誘導コイル
１０………電磁出湯ノズル
１１………本体
１２………コーン部
１３………直線部
１６………下端
１８………出湯用誘導コイル
１９………垂直孔（内側）
２０………ノズル体
２２………逆円錐部
２３………ストレート孔
２４………垂直部
２５………大径孔
２６………先端

Claims (2)

1. 上部に位置する逆円錐形状のコーン部およびその下部から垂下する円筒形の直線部からなり且つ円周方向に沿ってスリットにより複数のセグメントに分割された金属製の本体と、
   上記本体の外周に沿って螺旋形状に巻き付けられた出湯用誘導コイルと、
   上記本体における上記コーン部の内面に接して配置される逆円錐部および係る逆円錐部の下部から垂下し且つ上記直線部の内側を貫通し係る直線部の下端よりも下方に先端が垂下する円筒形の垂直部からなる導電性のノズル体と、を備え、
   上記ノズル体の垂直部は、上記逆円錐部の下部寄りに位置する細径のストレート孔と、係るストレート孔の下方から先端までに位置する大径孔とを内側に有する、
   ことを特徴とする電磁出湯ノズル。
2. 請求項１の電磁出湯ノズルと、
   上記電磁出湯ノズルの前記本体におけるコーン部の上方に炉体内を連通して配置した溶解炉と、を含み、
   上記溶解炉は、円筒形で且つ円周方向に沿ってスリットにより複数のセグメントに分割された金属製の炉体と、係る炉体の外周に沿って巻き付けられた溶解用誘導コイルと、を備える半磁気浮揚溶解炉である、
   ことを特徴とする金属溶解・出湯装置。

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