JP5000149B2 - コールドクルーシブル誘導溶解装置 - Google Patents

Description

本発明は、高融点活性金属の溶解に使用可能なコールドクルーシブル誘導溶解装置に関する。

コールドクルーシブル誘導溶解装置は、縦長に分割された良導電性金属のセグメントで略円筒状に形成された坩堝を誘導コイル内側に配設することで構成されており、誘導コイルにより坩堝の各セグメントに渦電流を発生させ、この渦電流により更に坩堝内の被溶解金属に渦電流を発生させ、ジュール熱で被溶解金属を加熱・溶解する装置である。このコールドクルーシブル誘導溶解装置は、例えば真空炉内に配設されて活性金属（大気中の溶解では酸化し易いＴｉやＣｒ，Ｍｇ等）の溶解等に用いられており、今後、Ｔｉスクラップの溶解等への工業的利用が期待されている。

このようなコールドクルーシブル誘導溶解装置に関しては、従来から多数の特許出願が行われている（例えば特許文献１乃至特許文献４参照）。図９は、従来のコールドクルーシブル誘導溶解装置の一例を表した説明図である。図示の従来のコールドクルーシブル誘導溶解装置は、水冷銅製のセグメントにより構成された筒状坩堝９１と、坩堝９１の下部に配置する出湯ノズルが備えられた水冷銅製底板９２と、坩堝９１の外周を囲う第一誘導コイル９３と、底板９２のノズル外周を囲う第二誘導コイル９４を備えている。この装置において、金属が溶解されて溶湯９５となり、底板９２のノズルから出湯される。

ところで、コールドクルーシブル誘導溶解装置には、様々な要求がある。その一つが、金属溶解電力の省電化である。また、従来のコールドクルーシブル誘導溶解装置では、坩堝９１と底板９２とで構成される角部に溶融金属の凝固物９６（以下、「スカル」）が形成され易く、スカル形成に伴う出湯率低下を改善することも要求されている。
特開平１０−８０７５１号公報 特開２００２−１９２３３２号公報 特開２００４−３１４１２１号公報 特開２００５−５９０１５号公報

上記事情に鑑み、本発明は、少電力で金属を溶解でき、角部におけるスカル形成を抑制可能なコールドクルーシブル誘導溶解装置の提供を目的とする。

本発明のコールドクルーシブル誘導溶解装置は、内部が連通する第一坩堝と第二坩堝とからなる連結坩堝と、前記連結坩堝の外周を囲繞するコイルを有し、前記第一坩堝と第二坩堝とが絶縁体を介して連結されていることを特徴とする。

前記コールドクルーシブル誘導溶解装置では、前記第二坩堝の内径が前記第一坩堝の内径よりも小径であっても良い。好適には、前記第二坩堝が下方向テーパー状となった内部を有することである。

前記コイルは、単数の略円柱面状巻き線構造体であることが好ましい。

前記絶縁体は、酸化物、窒化物、または炭化物であると良く、この厚みが１０ｍｍ以下であると好適である。また、絶縁体は、粉末であっても良く、輪状平板形状であると好適である。

前記コールドクルーシブル誘導溶解装置は、前記第二坩堝の端部に連設された鋳型部と、前記鋳型部の内部に挿入可能な引き抜き機構を備えることで、鋳造装置として使用できる。

本発明によれば、第一坩堝と第二坩堝との連結部分に絶縁体を介在させているので、金属溶解のための電力消費量を抑えることができ、また、連結部近傍における磁束が高密度となるので、この近傍の溶融金属が高温となって、スカルの形成を抑制する。

以下、本発明を実施形態に基づき説明する。図１は、本発明の第一実施形態に係るコールドクルーシブル誘導溶解装置の説明図である。図示の装置は、チタン、ジルコニウム、バナジウム、クロム等で構成される活性高融点金属の鋳造も兼ねて行われる装置であり、上部の第一坩堝１０と下部の第二坩堝４０が絶縁体３０を介して連結した連結坩堝を備え、第二坩堝４０の下側に鋳型部５０が連設された構成をとっている。そして、第一坩堝１０と第二坩堝４０の外周は、図示されていない高周波電源を備えたコイル２０に囲まれている。更に、本実施形態の装置は、鋳型部５０の金属を引き抜くための引き抜き機構６０が設けられている。

第一坩堝１０は、２０〜３０本の水冷銅セグメントで構成されている坩堝であり、その金属溶解が行われる内部は、略円柱状の中空部となっている。その内表面には、幅１．５〜２．０ｍｍのスリット１０ａが軸方向に延びている。そして、コイルによる電磁誘導で生じた渦電流で坩堝が加熱溶解することを防止するために、水等の冷媒を流通させる冷媒路が坩堝壁内に設けられている。

第二坩堝４０は、第一坩堝１０と同じく２０〜３０本の水冷銅セグメントで構成されている坩堝である。この第二坩堝４０の内部も、略円柱状の中空部となっており、第一坩堝１０の中空部と連通している。第二坩堝４０における内径（第二坩堝４０における中空部の直径）は、第一坩堝１０の内径（第一坩堝１０における中空部の直径）よりも小径となっており、第一坩堝１０の内壁と第二坩堝４０の端面とで直角面が形成される。第二坩堝４０の内表面には、幅１．５〜２．０ｍｍのスリット４０ａが軸方向に延びている。そして、第一坩堝１０と同じく、冷媒路が坩堝壁内に設けられている。

第一坩堝１０と第二坩堝４０との間に介在している絶縁体３０は、各坩堝１０、４０が接しないようにしている。この絶縁体３０は、絶縁物であればその材質が特に限定されるものではないが、マイカ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等の酸化物、窒化物または炭化物等であると良い。

また、絶縁体３０の厚みは、絶縁体３０に誘導される磁束密度にもよるが、絶縁体３０の厚みが１０ｍｍを超えると絶縁体３０自体が溶解・損傷する恐れがあるので、１０ｍｍ未満であることが好ましい。一方で、絶縁体３０の厚みの下限値は、絶縁体３０に絶縁物粉末が使用されている場合、第一坩堝１０の銅セグメントと第二坩堝４０の銅セグメントとの接触を防止し、絶縁体３０付近の磁束密度の低下を抑制するため、０．１ｍｍ以上が好ましい。

粉末の絶縁物を第一坩堝１０と第二坩堝４０との間に充填して絶縁体３０を設けることも可能であるが、絶縁物の均一な充填が困難である。そのため、本実施形態の装置では、予め輪状平板に圧粉成形した絶縁体が採用されている。

第二坩堝４０の端部に連設されている鋳型部５０は、第二坩堝４０の内部と連通する中空部を有する。この鋳型部５０の中空部は、第二坩堝４０の内部と同じ直径の構造となっている。他方で、内壁は、スリットのない平滑面となっており、製造される鋳塊の表面にスリット跡が付されることを防止する。なお、この鋳型部５０も水冷されている。

コイル２０は、第一坩堝１０と第二坩堝４０とからなる連結坩堝の外周を覆い囲う略円柱状の巻き線構造体となっている。本実施形態においては、設備費の低減を図るため、一基の高周波電源で磁力線を発生させることができる単一のコイル２０のみが連結坩堝の外周を囲っている。

引き抜き機構６０は、鋳型部５０の内部に挿入するものであり、スターティングブロック６０ａと、スターティングブロック６０ａの下端に連結するヘッド部６０ｂと、ヘッド部６０ｂの下端に接続されたロッド部６０ｃで構成されている。本実施形態において、スターティングブロック６０ａは、被溶解金属と同種の金属を材質にし、鋳型部５０の内径と同一径の略円柱形状となっている。ヘッド部６０ｂは、例えば銅を材質にしており、その上面の中心線上に深さと共に拡張する凹部を設け、この凹部でスターティングブロック６０ａを固持する。なお、ヘッド部６０ｂとロッド部６０ｃには、図示されていない水冷機構が内部に設けられている。

本実施形態の装置は、上記の如く構成となっている。この装置を使用した鋳造方法を図２を参照して説明する。図２は、図１のコールドクルーシブル誘導溶解装置の使用説明図である。先ず、鋳型部５０にスターティングブロック６０ａが挿入されている状態で、被溶解金属が坩堝に供給される。供給された被溶解金属は、コイル２０からの磁力線に基づく誘導電流で加熱されて溶湯７０となる。溶湯７０は、鋳型部５０を満たし、それと共に溶解したスターティングブロック６０ａの上端部と一体化した状態で鋳塊７０ａとして引き抜き鋳造される。この引き抜き時に、鋳塊７０ａが冷却される。

以上の一連の鋳造において、一般的な誘導溶解装置を使用した場合、第一坩堝１０と第二坩堝４０との連結部近傍（以下、「コーナー部」）の溶湯７０は、スカルとなり易い。しかし、本実施形態の装置では、第一坩堝１０と第二坩堝４０との連結部に絶縁体３０を介在させているので、コーナー部近傍の溶湯７０に電磁誘導が生じ易く、その結果、コーナー部近傍の溶湯７０が特に高温となって、スカル形成が抑制されて円滑な引き抜き鋳造が可能となる。

次に、本実施形態の装置のシミュレーション解析に基づく予測温度を以下に示す。なお、この解析は、実機で測定した温度と相関性のある結果が得られる解析である。

シミュレーション解析を、３次元調和電磁場解析ソフト（ＡＮＳＹＳ Ｖｅｒ.８）を使用して行った。解析対象としたコールドクルーシブル誘導溶解装置および解析条件は以下の通りである。

［解析用モデル装置］
第一坩堝：高さ２５０ｍｍ、内径２２０ｍｍの水冷銅坩堝
第二坩堝：高さ２５０ｍｍ、内径１３０ｍｍの水冷銅坩堝
絶縁体：２ｍｍ厚のマイカ
コイル：巻き数７、断面積３０ｍｍ×２３０ｍｍ
溶融金属：チタン２０ｋｇ
第一坩堝内壁と溶融チタンとの間隔：２ｍｍ
モデル：全体の１／４８（円周７．５°モデル）
溶融金属表面：近似自由曲面
チタン中心部高さ：上坩堝底部から９８ｍｍ

［物性値］表１の通り。

［境界条件］
０°、７．５°における導電性材料領域：電流垂直
解析領域の最外面：磁束平行
コイル領域：周方向に強制電流
コイル消費電力：３８０ｋＷ
コイル印加電圧周波数：３ｋＨｚ
チタン溶融液−坩堝内側の輻射：輻射率０．９、雰囲気温度１００℃
伝熱条件：表２の通り。

［解析タイプ］
線形調和磁場解析

以上の条件で解析を行った。この解析結果を、第一坩堝と第二坩堝との連結部にマイカを介在させていない装置の解析結果と共に、チタン温度の経時変化を表すグラフを図３に示す。なお、温度は、図４の矢印に示す場所を測定場所としたものである。

図３のグラフに示すように、連結部にマイカを介在させた本実施形態の装置の方がチタンの昇温速度が早い解析結果となっている。つまり、本実施形態の装置は、省電力化を実現するシミュレーション解析結果が得られている。

次に、シミュレーション解析におけるチタン溶解時間と、同解析におけるコーナー部近傍のチタン温度を表３に示す。

解析では、本実施形態の装置の方が短時間でチタンが溶解された結果となっている。また、本実施形態の装置の方が高いコーナー部温度となり、鋳塊引き抜きに必須なスカル形成を抑制できる結果が得られている。

次に、第二実施形態のコールドクルーシブル誘導溶解装置に基づき本発明を説明する。図５は、第二実施形態に係るコールドクルーシブル誘導溶解装置の説明図、図６は、図５の装置の第二坩堝の平面図である。

本実施形態の装置は、上記第一実施形態の装置と類似するものであり、第一実施形態の装置と異なる点のみを説明する。第二実施形態の装置は、第二坩堝４１、鋳型部５１および引き抜き機構６１が第一実施形態の装置と異なっている。

第二坩堝４１が第一実施形態と異なる点は、中空部の形状が異なっていることである。本実施形態の第二坩堝４１は、テーパー部４１ｂと、テーパー部４１ｂの下端から連続している直管部４１ｃから構成される中空部を備えた坩堝である。テーパー部４１ｂの中空部は、上端が第一坩堝１０と略同径で、下端となる鋳型部５１側に向かうにつれて小径となっている。このようなテーパー部４１ｂを備えていることにより、より円滑な引き抜き鋳造が可能となっている。また、テーパー部４１ｂの上端は、円形となっているが、最下端は、略矩形の開口部となっている。他方で、直管部４１ｃは、テーパー部最下端開口を延長するものであり、その内部空間形状は、角柱状をなしている。

第二坩堝４１にテーパー部４１ｂが設けられていない場合、直管部４１ｃがコイル２０から離れており、コイル２０で発生した磁場が坩堝の加熱に使用されてしまうため、溶融金属に発生させる渦電流が少量となる。しかし、本実施形態ではテーパー部４１ｂが設けられているので、溶融金属に発生させる渦電流を増加させることができる。また、直管部４１ｃの内部空間形状が角柱状となっているので、角柱角部の溶融金属が角柱周面部よりも加熱されて溶融金属の均等な凝固を阻害するが、本実施形態のようにテーパー部４１ｂが設けられていると溶融金属の不均一な凝固が阻害される。

鋳型部５１は、第二坩堝４１の直管部４１ｃから連続している略角柱状の中空部を有している。これ以外には第一実施形態の鋳型部５０と異なるところはない。

引き抜き機構６１は、鋳型部５１の中空部分に対応した略角柱形状のスターティングブロック６１ａを備えている。

上記第一実施形態の装置と同じく、第二実施形態の装置もシミュレーション解析を行った。なお、この解析では、第二坩堝下端における矩形開口辺を１１６ｍｍとし、溶解チタンの量を２５ｋｇとした。

第二実施形態の装置のシミュレーション解析結果を図７、図８、および表４に示す。図７は、チタン温度の経時変化を表す図、図８は、図７のチタン温度の測定場所を表す図、表４は、コーナー部のチタン温度解析結果を示す。

図７および表４に示した解析結果は、いずれも第一実施形態と同じ傾向を示している。すなわち、マイカを介在させた本実施形態の装置の方がチタンの昇温速度が早く、コーナー部の温度が高い、装置の省電力およびスカル形成を抑制できる解析結果となっている。

以上の通り、上記第一及び第二実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限り適宜な設計変更が可能である。例えば、第二実施形態の装置の直管部４１ｃおよび鋳型部５１の内部空間形状が略円柱形状であっても良い。

本発明の第一実施形態に係るコールドクルーシブル誘導溶解装置の説明図である。 図１のコールドクルーシブル誘導溶解装置の使用説明図である。 本発明の第一実施形態に係るコールドクルーシブル誘導溶解装置のシミュレーション解析によるチタン温度の変化を表すグラフである。 図３のグラフの温度測定場所を表す図である。 本発明の第二実施形態に係るコールドクルーシブル誘導溶解装置の説明図である。 図５の装置の第二坩堝の平面図である。 本発明の第二実施形態に係るコールドクルーシブル誘導溶解装置のシミュレーション解析によるチタン温度の変化を表すグラフである。 図７のグラフの温度測定場所を表す図である。 従来のコールドクルーシブル誘導溶解装置の一例を表した説明図である。

符号の説明

１０ 第一坩堝
２０ コイル
３０ 絶縁体
４０、４１ 第二坩堝
５０、５１ 鋳型部
６０、６１ 引き抜き機構
７０ 溶湯
９１ 坩堝
９２ 水冷銅製底板
９３ 第一誘導コイル
９４ 第二誘導コイル
９５ 溶湯
９６ スカル

Claims (7)

1. コールドクルーシブル誘導溶解装置において、
   内部が連通する上部第一坩堝と下部第二坩堝とからなる連結坩堝と、
   前記連結坩堝の外周を囲繞するコイルを有し、
   前記第一坩堝と第二坩堝とが絶縁体を介して連結されており、
   前記第二坩堝の内径が前記第一坩堝の内径よりも小径であることを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解装置。
2. 前記第二坩堝が下方向テーパー状となった内部を有する請求項１に記載のコールドクルーシブル誘導溶解装置。
3. 前記コイルが単数の略円柱面状巻き線構造体である請求項１または２に記載のコールドクルーシブル誘導溶解装置。
4. 前記絶縁体の厚みが１０ｍｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載のコールドクルーシブル誘導溶解装置。
5. 前記絶縁体が酸化物、窒化物、または炭化物である請求項１〜４のいずれかに記載のコールドクルーシブル誘導溶解装置。
6. 前記絶縁体が粉末または輪状平板である請求項１〜５のいずれかに記載のコールドクルーシブル誘導溶解装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のコールドクルーシブル誘導溶解装置であって、
   前記第二坩堝の端部に連設された鋳型部と、
   前記鋳型部の内部に挿入可能な引き抜き機構と、
   を有するコールドクルーシブル誘導溶解装置。

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