JP5367715B2 - 溶解炉 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱式の溶解炉に関する。詳しくは、溶解加熱後のルツボ温度をすばやく下げることが可能な溶解炉に関する。
本願は、２００８年０９月２６日に、日本に出願された特願２００８−２４８０８６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

レアアースの金属状の原料塊を溶解して、インゴットに鋳造し、又はレアアースの酸化物原料をカルシウムの熱還元で溶解精製することには、高融点金属で形成されたルツボが使用される。これらのプロセスは真空溶解炉中で行なわれる。具体的に、前記プロセスは、真空溶解炉に原料を入れたルツボを設置した後、真空溶解炉を排気し、不活性ガス（アルゴン等）を充填して行なわれる。溶解には、誘導加熱を使用する（例えば、特許文献１参照）。

従来の誘導加熱方式の溶解炉において、一度溶解を実施した溶解炉は、ルツボ内を清掃する必要がある。しかしながら、溶解加熱後のルツボ内があまりの高温になっているために、その温度がメンテナンス可能な温度に低下するまではメンテナンス作業を開始できず、これが作業サイクルを拘束していた。

従来，溶解加熱後のルツボの冷却は、誘導加熱するためのコイル内部に冷却水を流すことによる熱伝導、又はルツボ表面からの輻射に頼るしかなかった。熱伝導は断熱材を介しての冷却であるため、非常に脆弱で、実際は輻射による冷却がほとんど全てである。このように輻射による冷却では、ルツボが冷めるまでに時間がかかり、作業サイクルの向上を妨げた。

日本国特開平８−２５２６５０号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、溶解加熱後のルツボを効率よく冷却することができ、作業サイクルを向上することができる溶解炉を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る溶解炉は、不活性ガス雰囲気とした密閉容器と、前記密閉容器の内部に設置され、誘導加熱によって原材料が溶解されるルツボと、ルツボ冷却機構とを備え、前記ルツボ冷却機構は、前記密閉容器に連通し、前記密閉容器から前記不活性ガスを流出させるための吸気口と、前記密閉容器へ不活性ガスを流入させるための吹き出し口とを備えた配管部と、前記配管部の中途に配された熱交換部と、前記配管部の途中に設置された気体移動部とを備える。
前記ルツボ冷却機構の前記気体移動部は、前記熱交換部の後段または前段に設置されている、構成を採用してもよい。
前記吹き出し口の内径が、前記吸気口の内径より小さい、構成を採用してもよい。
前記吹き出し口は、前記吸気口より大きい流速で、前記不活性ガスを吐出する、構成を採用してもよい。
前記ルツボは、溶融状態と出湯状態との間で切り替えるように、傾転軸を中心に傾転する、構成を採用してもよい。
前記ルツボは、内底面と、溶解された前記原材料を出湯されるための湯口部とを備える、構成を採用してもよい。
前記吹き出し口は、出湯状態にある前記ルツボの内底面と対向して配され、前記吸気口は、前記ルツボの出湯状態において、前記ルツボの湯口部より前記密閉容器の底面側に位置される、構成を採用してもよい。
前記吸気口は、前記ルツボの出湯状態で、且つ前記湯口部が前記密閉容器の底面側に向けた状態において、前記ルツボの湯口部より下部に設置されている、構成を採用してもよい。
前記吸気口は、溶解した前記原材料の出湯方向において、前記ルツボの湯口部より下部に設置されている、構成を採用してもよい。
前記吹き出し口は、前記吹き出し口から吐出される前記不活性ガスが、前記ルツボの内底面において、前記内底面の中心から直径の４０％以内の領域に吹きつけられるように、設置されている、構成を採用してもよい。
前記ルツボ冷却機構の前記熱交換部及び前記気体移動部は、前記配管部の前記吸気口と前記吹き出し口との間に設置されている、構成を採用してもよい。
前記熱交換部は熱交換器を有し、前記気体移動部はファンを有する、構成を採用してもよい。

本発明に係る溶解炉は、不活性ガス雰囲気とした密閉容器に連通し、この密閉容器内から前記不活性ガスを流出させるための吸気口と、この密閉容器内へ気体を流入させるための吹き出し口を備えた配管部、この配管部の中途に配された熱交換部、及び、この配管部の途中にあってこの熱交換部の後段または前段に配された気体移動部、から構成されるルツボ冷却機構を有している。従って、従来の（密閉容器内においてほぼ静止状態にある）不活性ガスを通じた伝熱より、高速で温度交換（すなわち冷却）が可能となり、冷却時間の短縮を図ることができる。その結果、ルツボを効率よく冷却することができ、ひいては作業サイクルの向上を図ることが可能な溶解炉を提供することができる。

本発明に係る溶解炉の内部構成の一例を模式的に示す側面図である。

以下、本発明に係る溶解炉の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る溶解炉の内部構成の一例を模式的に示す側面図である。
本実施形態に係る溶解炉１は、不活性ガス（例えばアルゴンガスや窒素ガス）雰囲気とした密閉容器２と、この密閉容器２の内部に設置され、原材料を溶解するための溶解炉体３と、を少なくとも備える。
前記溶解炉体３は、ルツボ４と誘導コイル５とを有する。すなわち、この溶解炉１は誘導加熱式の溶解炉である。前記ルツボ４は、内底面４ａと湯口部４ｂとを備えている。誘導コイル５は、ルツボ４を所定温度（例えば、溶解しようとする原材料の溶解点）まで加熱して、ルツボ４の内部に配置された原材料を溶解して溶解物を形成する。

本実施形態に係る溶解炉１はルツボ４を所定温度（例えば、メンテナンスできる温度）まで冷却するルツボ冷却機構１０を有している。このルツボ冷却機構１０は、吸気口１１と吹き出し口１２とを備える配管部１３と、熱交換部１４と、気体移動部１５とから構成されている。ここで、吸気口１１と吹き出し口１２とは各々、密閉容器２に連通しており、吸気口１１はこの密閉容器２内から不活性ガスを流出させるために用いられる。吹き出し口１２は密閉容器２内へ不活性ガスを流入させるために用いられる。ゆえに、吸気口１１及び吹き出し口１２は、配管部１３の一端及び他端を構成する。また、配管部１３の中途には、吸気口１１側から吹き出し口１２への順に、熱交換部１４と気体移動部１５とが設けられている。なお、その逆順に、吸気口１１側から吹き出し口１２への順に、気体移動部１５と熱交換部１４とが設けられても良い。すなわち、気体移動部１５は、熱交換部１４の前段または後段に設置されることができる。
吸気口１１は、気体移動部１５により、密閉容器２内の熱い不活性ガスを流出させる。この吸気口１１から流出された熱い不活性ガスは、配管部１３を経て熱交換部１４に導入され、この熱交換部１４により冷却される。この熱交換部１４により冷却された不活性ガスは、気体移動部１５により、吹き出し口１２を経て密閉容器２に流入される。

上記構成のルツボ冷却機構１０を有することにより、本実施形態に係る溶解炉１は、従来の（密閉容器内においてほぼ静止状態にある）不活性ガスを通じた伝熱に頼って冷却する場合に比べて、著しく高速で、温度交換（すなわち冷却）することが可能となり、ひいては冷却時間の短縮を図ることができる。その結果、本実施形態に係る溶解炉１では、ルツボ４を効率よく冷却することができる。すなわち、従来の溶解炉より極めて短時間の冷却時間を経過した後に、密閉容器２の内部を大気開放して、この内部をメンテナンスすることができるので、本実施形態に係る溶解炉１の作業サイクルを向上することができる。

そのほか、溶解炉１において、密閉容器２には真空ポンプ６や、不活性ガス導入管７が接続されている。密閉容器２の内部は、所望のプログラムに従ってそれぞれ所定の真空度に維持されるが、例えば、一定の真空度まで真空排気した後に、この不活性ガス導入管７から所望の不活性ガスを導入して、所定の圧力に保持することが行われる。

そして、溶解炉１のルツボ４内では、金属類の原料インゴット（原材料）が誘導コイル５によって誘導加熱されて溶解される。
また、溶解炉１の溶解炉体３は、回動軸（図示せず）の回りに傾動可能（傾転可能、回転可能）に支持されており、油圧シリンダ（図示せず）によって、図１の点線で示す位置から、実線で示す位置へ傾動される。以下、図１の実線で示された状態を、溶融状態として、点線で示された状態を出湯状態とする。即ち、溶融状態において、ルツボ４は、その内部における金属類の原料インゴットを溶解する。なお、出湯状態において、ルツボ４は、溶解された溶解物を外部に出湯させる。

そして、得られる金属の溶湯（溶解物）を溶解炉１から出湯させる際には、溶解炉体３がその傾転軸（回転軸）の回りに、点線で示す位置（溶融状態）から実線で示す位置（出湯状態）に傾動されることにより、溶湯（溶解物）がルツボ４の湯口部４ｂから出湯される。
なお、図１では示していないが、溶解炉１と隣接して鍛造室等が設けられており、溶解炉１のルツボ４から出湯された溶湯は、溶解炉１の底面に設けられた開口（出湯口）から鍛造室へ供給される。

このように、原料インゴットを加熱溶解し、その溶湯を出湯した後の溶解炉１において、ルツボ４の内部をメンテナンスするために、ルツボ４をメンテナンスできる温度まで冷却する必要がある。通常の状態ではなかなか冷えないルツボを積極的に冷却するために、本実施形態では、ルツボ冷却機構１０が設けられている。即ち、密閉容器２内の不活性ガスをルツボ冷却機構１０の吸気口１１から流出させて、ルツボ冷却機構１０の熱交換部１４によりこの不活性ガスを冷却した後、この密閉容器２内へ冷却後の不活性ガスを流入させる。本実施形態に係るルツボ冷却機構１０により、前記冷却後の不活性ガス（冷風）を吹き出し口１２からルツボ４内に吹き込んで、ルツボ４を有効に冷却することができる。

この冷却された不活性ガス（冷風）を作製するため、ルツボ冷却機構１０には、吸気口１１と吹き出し口１２とを有する配管部１３の途中において、熱交換部１４と、その後段に配された気体移動部１５とが設けられている。その中、熱交換部１４は熱交換器であってもよい。気体移動部１５は、ファンであってもよい。

このように、本実施形態では、溶解炉体３が納められた密閉容器２に吸気口（ダクト）１１を設置し、この密閉容器２の内部から熱い不活性ガスを気体移動部１５で吸い込み、その熱い不活性ガスを熱交換部１４を通過させることで冷却させ、冷却された不活性ガスを吹き出し口１２からルツボ４内に吹き込む。これにより、ルツボ４は輻射以外に、吹き込まれた冷却後の不活性ガスと熱交換することで冷却が促進される。

また、ルツボ冷却機構１０が気体移動部（ファン）１５と熱交換部（熱交換器）１４とを備えていることで、所望の気体循環速度と、所望の温度に冷却された不活性ガスを生成することができる。ひいては、この所望の温度に冷却された不活性ガス（冷風）をルツボ４へ吹きつけることにより、ルツボ４の冷却曲線も制御できる。従って、ルツボ４の材質や、ルツボ４の時々刻々変化する温度に適した冷却条件を、適宜設定することが可能となる。

また、前記吹き出し口１２が、傾倒した状態にある前記ルツボ４（図１の実線で示すルツボ４の状態；出湯状態）の内底面４ａと対向して配されることが好ましい。傾倒した状態にある前記ルツボ４の湯口部４ｂを前記密閉容器２の底面側に向けた状態（図１の実線で示すルツボ４の状態；出湯状態）において、前記吸気口１１が、この湯口部４ｂよりこの密閉容器２の底面側に位置されるように配置されることが好ましい。即ち、ルツボ４の出湯状態で、前記吸気口１１が、出湯方向において（図面の上から下への方向、即ち、重力方向）、この湯口部４ｂの下部に設けられている。密閉容器２の内部において、ルツボ４の湯口部４ｂの形状を利用して（特に、重力方向とも一致させることにより）、気体の流れる方向をより積極的に構築することができる。すなわち、吹き出し口１２から吐出される気体（不活性ガス）をルツボ４の内底面４ａに確実に吹きつけることができるとともに、ルツボ４からの伝熱により温まった気体を吸気口１１へと効率よく導くことができる。これによりルツボ４の冷却をより促進することができる。

また、前記吹き出し口１２の内径ｄ_１が、前記吸気口１１の内径ｄ_２より小さくなされていることが好ましい。ここでは、配管部１３において、気体移動部１５と吹き出し口１２とを接続する接続部位１３ａの内径が、それ以外の部位に比べて小さくなされている。吹き出し口１２を絞ったことにより、冷却された気体を大きい流速で局所的に吹き出すことができ、標的であるルツボ４に確実に吹きつけることができる。即ち、吹き出し口１２の流速を吸気口１１の流速より大きくすることができる。また、局所的な吹き出しは、狙った部分、すなわち「ルツボ４の内底面４ａにおける所望の位置」に確実に吹きつけることができる。本実施形態において、冷却された不活性ガスを大きい流速で局所的に吹き出すために、接続部位１３ａの内径を小さくしているが、これに限定されず、接続部位１３ａに不活性ガスの流速を増加させる機構を設置してもよい。例えば、接続部位１３ａの内部にリブを設けることができる。

特に、前記吹き出し口１２から吐出される気流が、前記ルツボ４の内底面４ａにおいて、その中心から直径の４０％以内の領域に吹きつけられるように、この吹き出し口１２を設置することが好ましい。
吐出される気流が、ルツボ４の内底面４ａにおいて、その中心から直径の４０％以内の領域に吹きつけられる構成とすることにより、吐出される気流をルツボ４に対して偏ることなく吹きつけることが可能となる。これにより、ルツボ４の冷却時において、ルツボ４が偏った冷却状態（たとえば、一方の半身が他方の半身より高温となるような状態）にならない。その結果、前記偏った冷却状態に起因するルツボ４の損傷（例えばヒビや割れ等）を抑制し、ルツボ４の再使用回数を増やすことができる。すなわち、ルツボ４の長寿命化を図ることができる。

そして、ルツボ４がメンテナンスするのに十分な温度まで冷却されたら、密閉容器２の蓋（不図示）を開け、メンテナンスを開始する。本実施形態では、上述したようにルツボ４の冷却を促進することができるので、メンテナンス作業を開始するまでの待機時間が大幅に減少し、その結果、作業サイクルを短くすることができ、ひいては生産性を向上させることが可能になる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

本発明は、密閉容器の内部に設置されたルツボを備えた、誘導加熱式の溶解炉について広く適用可能である。

１ 溶解炉
２ 密閉容器
３ 溶解炉体
４ ルツボ
５ 誘導コイル
１０ ルツボ冷却機構
１１ 吸気口
１２ 吹き出し口
１３ 配管部
１４ 熱交換部（熱交換器）
１５ 気体移動部（ファン）

Claims (11)

1. 不活性ガス雰囲気とした密閉容器と、
   前記密閉容器の内部に設置され、誘導加熱によって原材料が溶解されるルツボと、
   ルツボ冷却機構とを備え、
   前記ルツボ冷却機構は、
   前記密閉容器に連通し、前記密閉容器から前記不活性ガスを流出させるための吸気口と、前記密閉容器へ前記不活性ガスを流入させるための吹き出し口とを備えた配管部と、
   前記配管部の中途に設置された熱交換部と、
   前記配管部の途中に設置された気体移動部と、
   を備えてなる溶解炉であって、
   前記吹き出し口は、出湯状態にある前記ルツボの内底面と対向して配され、
   前記吸気口は、前記ルツボの出湯状態において、前記ルツボの湯口部より前記密閉容器の底面側に位置されることを特徴とする溶解炉。
2. 前記ルツボ冷却機構の前記気体移動部は、前記熱交換部の前段または後段に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の溶解炉。
3. 前記吹き出し口の内径が、前記吸気口の内径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の溶解炉。
4. 前記吹き出し口は、前記吸気口より大きい流速で、前記不活性ガスを吐出することを特徴とする請求項１に記載の溶解炉。
5. 前記ルツボは、溶融状態と出湯状態との間で切り替えるように、傾転軸を中心に傾転することを特徴とする請求項１に記載の溶解炉。
6. 前記ルツボは、内底面と、溶解された前記原材料を出湯されるための湯口部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の溶解炉。
7. 前記吸気口は、前記ルツボの出湯状態で、且つ前記湯口部が前記密閉容器の底面側に向けた状態において、前記ルツボの湯口部より下部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の溶解炉。
8. 前記吸気口は、溶解した前記原材料の出湯方向において、前記ルツボの湯口部より下部に設置されていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の溶解炉。
9. 前記吹き出し口は、前記吹き出し口から吐出される前記不活性ガスが、前記ルツボの内底面において、前記内底面の中心から直径の４０％以内の領域に吹きつけられるように、設置されていることを特徴とする請求項１に記載の溶解炉。
10. 前記ルツボ冷却機構の前記熱交換部及び前記気体移動部は、前記配管部の前記吸気口と前記吹き出し口との間に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の溶解炉。
11. 前記熱交換部は熱交換器を有し、前記気体移動部はファンを有することを特徴とする請求項１に記載の溶解炉。

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