JP4892785B2 - 誘導加熱溶解炉 - Google Patents

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】
いわゆるコールドクルーシブ法で誘導加熱により金属（特に、活性金属、高融点金属、高純度金属）を溶解する誘導加熱溶解炉として、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と、炉本体の周囲に配置された誘導加熱コイルとを備えたものが知られている（例えば特開平１０−１０３８７５号公報参照）。この誘導加熱溶解炉で金属を溶融するには、炉本体に対して塊状や板状等の被溶解金属を投入した後、誘導加熱コイルに交流電力を供給する。このようにして、炉本体内の被溶解金属を交番磁場で誘導加熱して溶解させることができる。
【０００３】
このとき、炉本体は冷却水が供給されることによって冷却されているため、溶解した被溶解金属の一部が冷却固化し、炉本体の壁面に沿って膜状のスカル（凝固部）が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した誘導加熱溶解炉においては、誘導加熱コイルで発生した磁束を炉本体内部に導入するために、複数の導電性セグメント間が耐火物（一般には不定形の粘土状物質が詰め込まれる）または空隙によって絶縁される。しかしながら、各導電性セグメント間に空隙がある場合には、炉本体の壁面に沿って形成されるスカルが空隙内に差し込んで形成されることにより、溶解効率を低下させたり、溶解後に炉本体内で凝固させた鋳物または出湯後に残ったスカルを取り出すときに炉本体を損傷させることがある。また、各導電性セグメント間の空隙に耐火物を詰め込んだ場合、セグメント間へのスカルの差し込みは防止できるが、耐火物が被溶融金属によって加熱されて温度が高くなると、耐火物が被溶解金属と反応することや耐火物からガスが放出されることによって耐火物中の不純物が溶湯に移行して被溶融金属の汚染が生じることがある。特に、高純度の金属を溶解する場合には、耐火物が被溶解金属と反応することにより、溶解金属の純度を低下させてしまうという問題が生じる。また、導電性セグメントと底部材との間に空隙がある場合には、スカルが空隙内に差し込んで形成されることにより、溶解後に炉本体内で凝固させた鋳物または出湯後に残ったスカルを取り出すときに炉本体を損傷させることがある。
【０００５】
そこで、本発明の主な目的は、溶湯の汚染を防止することができるとともに、炉本体の損傷を抑制することができる誘導加熱溶解炉を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の誘導加熱溶解炉は、複数の導電性セグメントを円周方向に配列することにより形成された側面壁、および、前記側面壁との間に空隙が形成されるように配置され、底面壁を構成するように柱状部が形成された導電性を有する底部材を有し、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を備えた誘導加熱溶解炉において、前記導電性セグメントで形成された側面壁の内側面と前記底部材の柱状部の側周面との間に形成された前記空隙が、この空隙を介して互いに対向する一対の面に沿って配置された耐火性および絶縁性を有する薄膜によって埋められていることを特徴としている。
【００１０】
請求項１によると、耐火性および絶縁性を有する薄膜が側壁面と底部材との間の空隙を埋めるように配置されることにより、側壁面と底部材との間の空隙内に差し込むスカルをごく少量に抑えることができる。そのため、溶解後に炉本体内で凝固した鋳物または出湯後に残ったスカルの取り出しを容易にし、また鋳物またはスカルを取り出すときの炉本体の損傷を効果的に抑制することができる。
【００１１】
また、薄膜は導電性セグメントが冷却されるのにともなって十分に冷却されるので、薄膜の温度上昇を抑えることができる。したがって、耐火物である薄膜と被溶解金属との反応が抑制され、薄膜からのガスの放出量が低減する。また、側壁面と底部材との間の空隙を介して互いに対向する一対の面に沿って配置された薄膜と被溶解金属とが実質的に一平面においてのみ接触するので両者の接触面積が減少し、このことによっても薄膜と被溶解金属との反応が抑制される。このように、薄膜と被溶解金属とが反応して、炉本体の不純物が溶湯に移行することによる汚染が生じるのを低減させることができる。
【００１２】
請求項２の発明は、前記薄膜が複数層により構成されていることを特徴としている。請求項２によると、薄膜を形成する材料および炉本体を形成する材料の膨張率の差に起因する薄膜の割れまたは欠けを抑制することができ、薄膜の耐久性が向上する。
【００１３】
請求項３の発明は、前記薄膜が黒鉛より大きい体積固有抵抗率を有する材料により形成されていることを特徴としている。請求項３によると、溶解に必要な電力を炉本体内の溶湯へ供給することが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図１〜図３に基づいて以下に説明する。図１は、本実施の形態に係る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は、図１の誘導加熱溶解炉における導電性セグメントの要部斜視図である。図３は、図１の誘導加熱溶解炉における導電性セグメントの水平方向の断面図である。
【００１５】
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３０を収容する炉本体１を有している。炉本体１は、純銅の熱伝導率（３８９Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも小さな熱伝導率（３２２Ｗ／ｍ・Ｋ）のクロム銅により形成されており、炉本体１の機械的強度を高めていると共に、被溶解金属２０の単位時間当たりの抜熱量を純銅の場合よりも低減している。なお、炉本体１は、クロム銅の他、純銅の熱伝導率よりも小さな熱伝導率のジルコニウム銅、ベリリウム銅、クロムジルコニウム銅、テルル銅等の金属材料により形成されるのが好ましいが、純銅により形成されていてもよい。また、被溶解金属３０としては、純銅や銅合金の他、金、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ともに、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。
【００１６】
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底部材２と、炉本体１の側面壁を構成するように、底部材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。底部材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。柱状部３は、炉本体１の底面壁となるように平板状に形成された上面壁３ａ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。
【００１７】
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の側周面と対向した側壁部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。
【００１８】
また、隣接する導電性セグメント８は、それぞれスリット１５と、スリット１５よりも広幅の切欠部９ａとが内周側から外周側にかけてこの順に形成され、互いに電気的に絶縁状態に配置されている。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１６と、スリット１６よりも広幅の切欠部９ｂとが内周側から外周側にかけてこの順に形成されている。スリット１６および切欠部９ｂは、導電性セグメント８の上端部を除く部分を縦方向に二分割しており、導電性セグメント８の二分割された一方の側壁部９および取付部１０と他方の側壁部９および取付部１０とは、スリット１６および切欠部９ｂを介して互いに電気的に絶縁状態にされている。さらに、切欠部９ａ、９ｂは、誘導加熱による損失を減少させるように、所定の強度を維持できる範囲内で側壁部９の横断面積を減少させている。
【００１９】
ここで、図３に示すように、隣り合う導電性セグメント８のスリット１５において互いに対向する一対の面には、この面に沿って、アルミナなどの耐火物で形成された絶縁性を有する厚さ０．５ｍｍ以下の薄膜２０（４つの薄膜２０ａ〜２０ｄからなる）がスリット１５を埋めるように層状に配置されている。また同様に、導電性セグメント８に形成されているスリット１６において互いに対向する一対の面には、この面に沿って、厚さ０．５ｍｍ以下の薄膜２１（４つの薄膜２１ａ〜２１ｄからなる）がスリット１６を埋めるように層状に配置されている。このように、炉本体１の側面壁９の内周面は、導電性セグメント８の内周面と薄膜２０ａ〜２０ｄおよび薄膜２１ａ〜２１ｄとによって隙間なく形成されている。このように、薄膜２０、２１がそれぞれ４層から形成されているため、薄膜２０、２１を形成する材料および炉本体１を形成する材料の膨張率の差に起因する薄膜２０、２１の割れまたは欠けを抑制することができ、薄膜２０、２１の耐久性が向上する。
【００２０】
また、導電性セグメント８と底部材２とが互いに対向する一対の面には、この面に沿って、アルミナなどの耐火物で形成された絶縁性を有する薄膜２５が導電性セグメント８と底部材２との空隙を埋めるように配置されている。このように、炉本体１の底面壁は、底部材２の上面壁３ａと薄膜２５とによって導電性セグメント８との間に隙間ができないように形成されている。
【００２１】
本実施の形態において、薄膜２０、２１、２５は、黒鉛より大きい体積固有抵抗率を有する材料により形成されていることが好ましい。なぜなら、このようにすることで、渦電流が発生するのを抑制することができるため、溶解効率の低下を低減することができ、また、炉本体内の溶湯へ熱量を供給するために行う誘導加熱コイルに対する電力供給の制御性を向上させることができるからである。
【００２２】
また、本実施の形態においては、薄膜２０、２１が複数層により構成されているため、薄膜２０、２１の絶縁抵抗が大きくなり、渦電流が発生するのを抑制することができる。従って、溶解効率の低下を低減することができるとともに、炉本体内の溶湯へ熱量を供給するために行う誘導加熱コイルに対する電力供給の制御性を向上させることができるという利点が生じる。
【００２３】
各導電性セグメント８の内部には、冷却水路８ａと連通路８ｂとが形成されている。冷却水路８ａは、スリット１６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８ｂ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における冷却水路８ａの上端部同士を連通している。また、各冷却水路８ａ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８ａ、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および薄膜２０、２１、２５を含む炉本体１の全体を所定の温度（被溶解金属３０との反応温度）以下に冷却している。
【００２４】
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３０に浸透させて誘導加熱する。
【００２５】
次に、本実施の形態の誘導加熱溶解炉の動作について説明する。まず、塊状や粉状の被溶解金属３０が炉本体１に投入される。そして、側壁部９の冷却水路８ａ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３０に浸透し、被溶解金属３０を誘導加熱する。これにより、被溶解金属３０は、溶融温度に昇温した表面側から溶解を開始して溶湯３０ｂ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３０ｂ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３０ａを形成する。
【００２６】
ここで、スカル３０ａ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ると、スカル３０ａ上に溶湯３０ｂが滞留していくことになる。そして、滞留する溶湯３０ｂの量が増加すると、溶湯３０ｂが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ことになる。また、このような溶湯３０ｂの形成時において、被溶解金属３０のスカル３０ａと接触する炉本体１の内周面が反応温度以下に冷却されているため、薄膜２０、２１、２５の不純物がスカル３０ａを介して溶湯３０ｂに移行することもない。なお、スカル３０ａ上に多量の溶湯３０ｂを形成して維持するためには、炉本体１の溶湯３０ｂに対する抜熱量よりも大きな熱量で溶湯３０ｂが加熱されるように、誘導加熱コイル１１への電力供給が継続される必要がある。
【００２７】
以上のように、本実施の形態の誘導加熱溶解炉は、隣り合う導電性セグメント８間に形成されるスリット１５、導電性セグメント８に形成されるスリット１６および導電性セグメント８と底部材２との間の隙間において互いに対向する一対の面に、この面に沿って薄膜（熱伝導率のよい緻密な材料からなるものが好ましい））２０、２１、２５がこれらの間の空隙を埋めるように配置されているため、スカル３０ａがスリット１５、スリット１６および導電性セグメント８と底部材２との間の隙間内に差し込んで形成されるのを抑制することができ、これに起因して、溶解効率が低下したり、溶解後に炉本体１内で凝固させた鋳物または出湯後に残ったスカル３０ａを取り出すときに炉本体１を損傷させることを効果的に低減することができる。
【００２８】
また、耐火物が薄膜２０、２１であるため、導電性セグメント８が冷却されるのにともなって薄膜２０、２１も十分に冷却され、薄膜２０、２１、２５の温度上昇が抑えられる。したがって、耐火物で形成された薄膜２０、２１、２５と被溶解金属３０との反応が抑制され、薄膜２０、２１、２５からのガスの放出量が低減される。これにより、溶解装置の溶解中の真空特性がよくなる。また、薄膜２０、２１、２５と被溶解金属３０とは、僅かな面積でしか接触しないため、両者の反応が抑制される。このように、本実施の形態によると、薄膜２０、２１、２５と被溶解金属３０とが反応して、薄膜２０、２１、２５の不純物が溶湯３０ｂに移行することによる汚染が生じるのを低減することができる。
【００２９】
また、薄膜２０、２１がそれぞれ４層から形成されているため、薄膜２０、２１を形成する材料および炉本体１を形成する材料の膨張率の差に起因する薄膜２０、２１の割れまたは欠けを抑制することができ、薄膜２０、２１の耐久性が向上する。
【００３０】
以上、本発明の好適な一実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、導電性セグメント８の中心部にスリット１６を縦向き方向に形成して側壁部９を二分割し、両側の側壁部９にそれぞれ冷却水路８ａを形成することによって、炉本体１を冷却するように構成にされているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、参考例の図４に示すように、冷却水路２１は、フランジ部４の中心部に取水口２１ａおよび排水口２１ｂを形成し、取水口２１ａから立ち上げてフランジ部４で外周方向に曲折し、さらに、側壁部９内の外周側を通るように立ち上げた後、上端部の内周側を通るように立ち下げて排水口２１ｂに連結した二重構造となっていても良い。
【００３１】
また、本実施の形態においては、薄膜２０、２１は、スリット１５、１６の全体に配置されているが、スリット１５、１６の全体に配置されている場合に限らず、少なくとも炉本体１の側面壁９の内周面を形成する部分に配置されていればよい。さらに、本実施の形態のように、薄膜２０、２１がそれぞれ同一の厚さの４層の薄膜から形成されている場合だけでなく、薄膜２０、２１のそれぞれの層の数量（薄膜の厚さ）は、薄膜２０、２１を形成する耐火物と、炉本体１および被溶解金属３０との組み合わせ、使用条件、耐火物および被溶解金属３０の諸物性を考慮して適宜変更してもよい。また、薄膜２５についても同様に、導電性セグメント８と底部材２との間、全体に配置されている場合に限らず、少なくとも炉本体１内部の被溶解金属３０と接触する部分に配置されていればよい。さらに、薄膜２０、２１と同様に、薄膜２５の層の数量（薄膜の厚さ）は適宜変更してもよい。
【００３２】
また、本実施の形態においては、薄膜２０、２１、２５はアルミナにより形成されているが、アルミナに限らず、ジルコニアなどの各種酸化物、窒化ケイ素などの各種窒化物により形成されていてもよい。なお、薄膜２０、２１、２５は、イオンプレーティング、溶射などの方法により形成される。また、薄膜２０、２１は４層ともすべて耐火物により形成されているが、薄膜が複数層から構成されている場合は、少なくとも１つの薄膜が耐火物により形成されていれば、その他の薄膜は金属により形成されていてもよい。例えば、薄膜２０において、薄膜２０ａ、２０ｄが耐火物により形成され、中間層に対応する２０ｂ、２０ｃが金属により形成されている場合でも同様の効果を得ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１によると、側壁面と底部材との間の空隙に耐火性および絶縁性を有する薄膜を空隙を埋めるように配置することにより、側壁面と底部材との間の空隙内に差し込むスカルをごく少量に抑えることができるため、差し込みによる溶解効率の低下および溶解後に炉本体内で凝固させた鋳物または出湯後に残ったスカルを取り出すときの炉本体の損傷を効果的に抑制することができる。また、導電性セグメントが冷却されるのにともなって薄膜も十分に冷却されるため薄膜の温度上昇を抑えることができる。したがって、耐火物で形成された薄膜と被溶解金属との反応が抑制され、薄膜からのガスの放出量が低減される。また、薄膜と被溶解金属とが接触する面積が減少することによっても両者の反応が抑制される。このように、薄膜と被溶解金属とが反応して、炉本体の不純物が溶湯に移行することによる汚染が生じるのを低減することができる。
【００３４】
請求項２によると、薄膜を形成する材料および炉本体を形成する材料の膨張率の差に起因する薄膜の割れまたは欠けを抑制することができ、薄膜の耐久性が向上する。請求項３によると、溶解に必要な電力を炉本体内の溶湯へ供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態に係る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】 図１の誘導加熱溶解炉における導電性セグメントの要部斜視図である。
【図３】 図１の誘導加熱溶解炉における導電性セグメントの水平方向の断面図である。
【図４】 参考例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 底部材
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
８ａ 冷却水路
８ｂ 連通路
９ 側壁部
９ａ、９ｂ 切欠部
１０ 取付部
１１ 誘導加熱コイル
１５ スリット（隣り合う導電性セグメント間における）
１６ スリット（導電性セグメントにおける）
２０、２１、２５ 薄膜
３０ 被溶解金属
３０ａ スカル
３０ｂ 溶湯

Claims (3)

1. 複数の導電性セグメントを円周方向に配列することにより形成された側面壁、および、前記側面壁との間に空隙が形成されるように配置され、底面壁を構成するように柱状部が形成された導電性を有する底部材を有し、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を備えた誘導加熱溶解炉において、前記導電性セグメントで形成された側面壁の内側面と前記底部材の柱状部の側周面との間に形成された前記空隙が、この空隙を介して互いに対向する一対の面に沿って配置された耐火性および絶縁性を有する薄膜によって埋められていることを特徴とする誘導加熱溶解炉。
2. 前記薄膜が複数層により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱溶解炉。
3. 前記薄膜が黒鉛より大きい体積固有抵抗率を有する材料により形成されてい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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