JP4655301B2 - 金属の溶解出湯装置 - Google Patents

Description

本発明は金属の溶解出湯装置に関し、更に詳しくはレビテーション溶解炉とその底部に接続された出湯ノズルとを備え、該レビテーション溶解炉で浮揚溶解した金属の溶湯を該出湯ノズルから出湯するようにした金属の溶解出湯装置に関する。

従来、前記のような金属の溶解出湯装置として、レビテーション溶解炉（コールドクルーシブル溶解炉ともいう）と、該レビテーション溶解炉と同様に構成され且つ該レビテーション溶解炉の底部に接続された出湯ノズルとを備えるものが知られている（例えば特許文献１参照）。この従来装置では、レビテーション溶解炉は、相互に絶縁されて筒状に立設された複数の水冷銅製セグメントからなる炉本体と、該炉本体の外周回りに配置されたコイルとを備えており、また出湯ノズルは、かかるレビテーション溶解炉の炉本体と同様に構成されたノズル本体と、該ノズル本体の外周回りに配置されたコイルとを備えている。そしてノズル本体は逆円錐部とこれに連なるノズル部とからなる全体として略漏斗形に形成されており、かかるノズル本体の内表面に絶縁性皮膜が形成されている。

前記した従来装置では、先ず炉本体の外周回りに配置されたコイルへ高周波電流を流して誘導加熱し、この際に発生するローレンツ斥力により、該炉本体内へ装入した金属を浮揚溶解する。この段階では、金属の溶湯は炉本体内にて浮揚した状態となるが、該炉本体の底部すなわちこれに接続されたノズル本体の逆円錐部上には凝固シェルが形成される。次にノズル本体の外周回りに配置されたコイルへ高周波電流を流して誘導加熱することにより、該ノズル本体の逆円錐部上に形成されている凝固シェルを溶解し、炉本体内の溶湯を該ノズル本体から出湯する。そしてこの際、ノズル本体の内表面に形成された絶縁性皮膜が、充分な誘導電流を確保して、凝固シェルの溶解を促すというものである。

ところが、かかる従来装置には、ノズル本体の逆円錐部上の凝固シェルを確実に溶解しようとすると、該ノズル本体の外周回りに配置されたコイルへ大容量の高周波電流を流す必要があり、装置面において、また経済面において、実用装置としては著しく不都合という問題がある。前記したように、出湯ノズルのノズル本体は上側の逆円錐部とこれに連なる下側のノズル部とからなる全体として略漏斗形に形成されている。逆円錐部のノズル部に連なる端部はその口径が狭くなっており、該端部には複数の水冷銅製セグメントが接近していて、これらの水冷銅製セグメントによる抜熱量が大きい。ノズル本体の逆円錐部上の凝固シェル、とりわけその端部付近の凝固シェルを誘導加熱により溶解しようとすると、該ノズル本体の外周回りに配置されたコイルへ大容量の高周波電流を流さなければならず、したがって前記した従来装置は、装置面において、また経済面において、実用性に欠けるのである。
特開２００１−４１６６１号公報

本発明が解決しようとする課題は、レビテーション溶解炉と、該レビテーション溶解炉と同様に構成され且つ該レビテーション溶解炉の底部に接続された出湯ノズルとを備える金属の溶解出湯装置において、出湯ノズルを構成するノズル本体の逆円錐部上の凝固シェル、とりわけ該逆円錐部のノズル部に連なる端部付近の凝固シェルを比較的容易に且つ確実に溶解でき、したがって金属の円滑な溶解及び出湯を促すことができる実用的な金属の溶解出湯装置を提供する処にある。

前記の課題を解決する本発明は、レビテーション溶解炉と、該レビテーション溶解炉と同様に構成され且つ該レビテーション溶解炉の底部に接続された出湯ノズルとを備え、金属を該レビテーション溶解炉で浮揚溶解し、次にその溶湯を該出湯ノズルから出湯するようにした金属の溶解出湯装置において、出湯ノズルのノズル本体が逆円錐部とこれに連なるノズル部とを備える全体として略漏斗形に形成されており、該逆円錐部のうちで少なくとも該ノズル部に連なる端部の内表面に該端部に形成される凝固シェルを溶解する黒鉛の発熱・断熱層が形成されており、該端部の内表面の発熱・断熱層が平面から見てノズル部側へ突出して形成されて成ることを特徴とする金属の溶解出湯装置に係る。

本発明に係る金属の溶解出湯装置も、レビテーション溶解炉と、該レビテーション溶解炉と同様に構成され且つ該レビテーション溶解炉の底部に接続された出湯ノズルとを備えている。レビテーション溶解炉は、相互に絶縁されて筒状に立設された複数の水冷銅製セグメントからなる炉本体と、該炉本体の外周回りに配置されたコイルとを備えており、また出湯ノズルは、かかるレビテーション溶解炉の炉本体と同様に構成されたノズル本体と、該ノズル本体の外周回りに配置されたコイルとを備えていて、該ノズル本体は上側の逆円錐部とこれに連なる下側のノズル部とからなる全体として略漏斗形に形成されている。

本発明に係る金属の溶解出湯装置では、出湯ノズルのノズル本体を構成する逆円錐部のうちで少なくともノズル部に連なる端部の内表面に導電性物質の発熱・断熱層が形成されている。出湯ノズルのノズル本体を構成する逆円錐部のうちでノズル部に連なる端部はその口径が狭くなっており、該端部には複数の水冷銅製セグメントが接近しているため、そのままであると、また前記した従来装置のようにその内表面に単に絶縁性皮膜を形成するだけであると、これらの水冷銅製セグメントによる抜熱量が大きいが、本発明に係る金属の溶解出湯装置のように、かかる端部の内表面に導電性物質の発熱・断熱層を形成すると、水冷銅製セグメントによる抜熱量を充分に小さくでき、したがってかかる端部付近の凝固シェルを比較的容易に且つ確実に溶解できる。

本発明に係る金属の溶解出湯装置において、前記のような端部の発熱・断熱層は平面から見てノズル部側へ突出して形成する。かかる発熱・断熱層はノズル部の内表面にも形成するのが好ましい。炉本体内の溶湯をノズル本体から出湯するとき、該溶湯は該ノズル本体の逆円錐部の端部からノズル部へと自重落下するので、かかる端部の発熱・断熱層を平面から見てノズル部側へ突出して形成しておくと、出湯途中の溶湯が該ノズル部に付着するのをより効果的に防止できる。また何らかの原因で出湯途中の溶湯がノズル部に付着しても、かかるノズル部の内表面にも発熱・断熱層を形成しておくと、付着した溶湯が凝固し、ついには該ノズル部を閉塞するのを防止できる。

前記のような発熱・断熱層を形成する導電性物質としては、黒鉛の他に、炭化珪素、窒化珪素、ボロンナイトライドのような硼化物、またタングステン、ニオブ、タンタルのような高融点金属、更にはレビテーション溶解炉で浮揚溶解する金属と同系統の金属を用いることができるが、経済性及び加工性の観点、また溶湯をより出湯させ易くする観点から黒鉛を用いる。尚、前記の同系統の金属とは少なくとも主材が溶解炉で浮揚溶解する金属と同じである金属を意味する。例えばレビテーション溶解炉で浮揚溶解する金属がチタンである場合、導電性物質として用いる同系統の金属はチタン又はチタン合金であり、またレビテーション溶解炉で浮揚溶解する金属がチタン合金である場合も、導電性物質として用いる同系統の金属はチタン又はチタン合金である。いずれにしても、以上例示したような導電性物質は、ノズル本体の外周回りに配置されたコイルへ高周波電流を流すことによりそれ自体が誘導加熱されるため、これと接する前記のような凝固シェルをより容易に溶解することができる。また以上例示したような導電性物質で形成する発熱・断熱層の厚さは、通常は２mm以上とするが、３〜１０mmとするのが好ましい。

以上説明した本発明に係る金属の溶解出湯装置では、先ずレビテーション溶解炉の炉本体内へ原料となる金属を装入する。この場合の金属としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ及びＷ等から選ばれる一つ又は二つ以上が挙げられ、二つ以上の場合は結果として合金となる。そして例えばＡｒガス雰囲気下で、炉本体の外周回りに配置されたコイルへ高周波電流を流して誘導加熱し、この際に発生するローレンツ斥力により、該炉本体内へ装入した金属を浮揚溶解する。この段階では、炉本体内にて金属の溶湯は浮揚した状態となり、該炉本体の底部すなわちこれに接続されたノズル本体の逆円錐部上には凝固シェルが形成される。

次にノズル本体の外周回りに配置されたコイルへ高周波電流を流して誘導加熱することにより、該ノズル本体の逆円錐部上に形成されている凝固シェルを溶解し、炉本体内の溶湯を該ノズル本体のノズル部から出湯する。この際、ノズル本体の逆円錐部のうちで少なくともノズル部に連なる端部の内表面に導電性物質の発熱・断熱層が形成されているため、かかる端部においては複数の水冷銅製セグメントが接近しているものの、これらによる抜熱量を小さく抑えることができ、またノズル本体の外周回りに配置されたコイルへ高周波電流を流すことによりかかる導電性物質の発熱・断熱層それ自体が誘導加熱されるため、これと接する端部付近の凝固シェルを容易に溶解して炉本体とノズル部とを容易に且つ確実に連通させることができる。また炉本体内の溶湯はかかる端部と極めて短時間接触するだけであるため、該端部における耐火材製の断熱層によって汚染される程度は殆ど無視できる。

本発明に係る金属の溶解出湯装置は、レビテーション溶解炉の底部に接続された出湯ノズル上の凝固シェルを容易に且つ確実に溶解でき、また出湯途中の溶湯がノズル部に付着するのを防止できるため、金属の円滑な溶解及び出湯を促すことができる。

図１は本発明に係る金属の溶解出湯装置を例示する縦断面図である。図１に例示した金属の溶解出湯装置は、レビテーション溶解炉１１と、レビテーション溶解炉１１と同様に構成され且つレビテーション溶解炉１１の底部に接続された出湯ノズル２１とを備えている。レビテーション溶解炉１１は、相互に絶縁されて筒状に立設された複数の水冷銅製セグメント１２，１２・・からなる炉本体１３と、炉本体１３の外周回りに配置されたコイル１４とを備えている。また出湯ノズル２１は、相互に絶縁されて上向き放射状に立設された複数の水冷銅製セグメント２２，２２・・からなるノズル本体２３と、ノズル本体２３の外周回りに配置されたコイル２４とを備えている。

ノズル本体２３は上側の逆円錐部２５とこれに連なる下側のノズル部２６とからなる全体として略漏斗形に形成されており、炉本体１３の底部には逆円錐部２５が接続されていて、主として逆円錐部２５の外周回りにコイル２４が配置されている。逆円錐部２５のうちでノズル部２６に連なる端部２７を含む下側部分の内表面に導電性物質の発熱・断熱層３１が形成されており、端部２７における発熱・断熱層３１は平面から見てノズル部２６側へ突出されていて、平面から見たときに端部２７における発熱・断熱層３１によってノズル部２６の内表面が隠れるようになっている。

図１は、炉本体１３内へ装入した金属を、コイル１４へ高周波電流を流して誘導加熱し、この際に発生するローレンツ斥力により浮揚溶解している状態を示している。この段階では、炉本体１３内に溶湯Ａが浮揚した状態になっており、ノズル本体２３の端部２７を含む逆円錐部２５上に凝固シェルＢが形成されている。

図２は図１の発熱・断熱層３１として黒鉛加工体を用いた場合について、コイル２４へ高周波電流を流した時間（秒）と、これにより誘導加熱された該黒鉛加工体の温度（℃）との関係を例示するグラフである。ここでは、上部内径が１１５mm且つ下部内径が２０mmの逆円錐部２５の下側部分に、発熱・断熱層３１として厚さ５mm且つ稜角（図１において左右の発熱・断熱層３１がそれらの延長上で交わるときの角）９０度の黒鉛加工体を嵌着し、コイル２４へ高周波電流を流さなかった場合（図２中の温度線３１ａ）、コイル２４へ３０ｋｗで高周波電流を流した場合（図２中の温度線３１ｂ）及びコイル２４へ６０ｋｗで高周波電流を流した場合（図２中の温度線３１ｃ）の結果を示している。

図３は本発明に係る他の金属の溶解出湯装置を例示する縦断面図である。図３に例示した金属の溶解出湯装置は、レビテーション溶解炉４１と、レビテーション溶解炉４１と同様に構成され且つレビテーション溶解炉４１の底部に接続された出湯ノズル５１とを備えている。レビテーション溶解炉４１は、相互に絶縁されて筒状に立設された複数の水冷銅製セグメント４２，４２・・からなる炉本体４３と、炉本体４３の外周回りに配置されたコイル４４とを備えている。また出湯ノズル５１は、相互に絶縁されて上向き放射状に立設された複数の水冷銅製セグメント５２，５２・・からなるノズル本体５３と、ノズル本体５３の外周回りに配置されたコイル５４とを備えている。

ノズル本体５３は上側の逆円錐部５５とこれに連なる下側のノズル部５６とからなる全体として略漏斗形に形成されており、炉本体４３の底部には逆円錐部５５が接続されていて、逆円錐部５５及びノズル部５６の外周回りにコイル５４が配置されている。逆円錐部５５のうちでノズル部５６に連なる端部５７を含む下側部分からノズル部５６に渡りこれらの内表面に導電性物質の発熱・断熱層６１が形成されている。図２も、図１と同様、炉本体４３内へ装入した金属を、コイル４４へ高周波電流を流して誘導加熱し、この際に発生するローレンツ斥力により浮揚溶解している状態を示している。この段階では、炉本体４３内に溶湯Ｃが浮揚した状態になっており、ノズル本体５３の端部５７を含む逆円錐部５５上に凝固シェルＤが形成されている。

本発明に係る金属の溶解出湯装置を例示する縦断面図。 図１の金属の溶解出湯装置において、発熱・断熱層として黒鉛加工体を用いたときの、誘導加熱による該黒鉛加工体の温度上昇を例示するグラフ。 本発明に係る他の金属の溶解出湯装置を例示する縦断面図。

１１，４１ レビテーション溶解炉
１３，４３ 炉本体
１４，２４，４４，５４ コイル
２１，５１ 出湯ノズル
２３，５３ ノズル本体
２５，５５ 逆円錐部
２６，５６ ノズル部
２７，５７ 端部
３１，６１ 発熱・断熱層
Ａ，Ｃ 溶湯
Ｂ，Ｄ 凝固シェル

Claims (1)

1. レビテーション溶解炉と、該レビテーション溶解炉と同様に構成され且つ該レビテーション溶解炉の底部に接続された出湯ノズルとを備え、金属を該レビテーション溶解炉で浮揚溶解し、次にその溶湯を該出湯ノズルから出湯するようにした金属の溶解出湯装置において、出湯ノズルのノズル本体が逆円錐部とこれに連なるノズル部とを備える全体として略漏斗形に形成されており、該逆円錐部のうちで少なくとも該ノズル部に連なる端部の内表面に該端部に形成される凝固シェルを溶解する黒鉛の発熱・断熱層が形成されており、該端部の内表面の発熱・断熱層が平面から見てノズル部側へ突出して形成されて成ることを特徴とする金属の溶解出湯装置。

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