JP5569919B2 - アーク溶解炉およびアーク鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、アーク溶解炉およびアーク鋳造装置に関する。

従来、高純度金属などの材料をアーク放電により溶解するアーク溶解炉として、溶解後鋳造するとき、炉本体を傾斜させて溶湯溜部の上縁部から溶湯を鋳型に注湯する傾角炉床機構（例えば、特許文献１参照）がある。しかし、傾角炉床機構では、鋳型に浮き滓が流れ込むという問題があった。

このような鋳型に浮き滓が流れ込む問題を解決するために、スライド炉床機構や、アーク溶解炉の炉本体の底部から注湯するボトム注湯機構が提案されている。ボトム注湯機構として、炉床を稲妻形状の分割線に沿って２等分し、一方を分割線に沿って移動させることにより、その隙間から注湯するものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−２９０９０９号公報 特開２００２−３７２３７８号公報

しかしながら、スライド炉床機構は、ボトム注湯を繰り返して行うことができないという課題があった。また、特許文献２に記載のボトム注湯機構によるアーク溶解炉でも、注湯後、分割された炉床の隙間に溶湯が残留するため、残留した溶湯が固まって炉床の動きを制限したり隙間を塞いだりして、再注湯できなくなるという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、繰り返しボトム注湯可能で、浮き滓が鋳型に流れ込むのを防止することができるアーク溶解炉およびアーク鋳造装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るアーク溶解炉は、高純度金属などの材料をアーク放電により溶解して溶湯を得るのに使用されるアーク溶解炉であって、炉本体と第１放電手段と第２放電手段とを有し、前記炉本体は内部に前記溶湯を溜めるよう凹状に形成された溶湯溜部を有し、前記溶湯溜部の内面が部分球面状に形成されており、前記溶湯溜部の最深部からずれた位置に外部に連通する注湯孔を有し、常態位置のときの前記溶湯溜部の最深部と前記注湯孔とを結ぶ円弧を含む円の中心を通り、前記円を含む面に対して垂直な軸を中心として回転し、前記溶湯溜部の内部の前記溶湯を前記注湯孔から排出可能に、前記常態位置から前記注湯孔の位置が最深部となる注湯位置まで傾斜可能に構成されており、前記溶湯の持つ慣性を利用して前記溶湯の位置を動かすことなく、前記常態位置と前記注湯位置との間を瞬時に移動可能に設けられ、前記第１放電手段は前記炉本体が前記常態位置のとき、前記溶湯溜部の内部に収納された前記材料を溶解可能にアーク放電するよう設けられ、前記第２放電手段は前記炉本体が前記注湯位置のとき、少なくとも前記注湯孔の近傍の前記材料を溶解可能に、前記注湯孔に向かってアーク放電するよう前記注湯孔の上方に設けられていることを、特徴とする。

本発明に係るアーク溶解炉は、主に鋳造に使用される高純度金属などの溶湯を得るために、以下のようにして使用される。まず、常態位置の炉本体の溶湯溜部に、高純度金属などの材料を入れ、第１放電手段からアーク放電してその材料を溶解する。材料を溶解後、炉本体を注湯位置まで傾斜させ、注湯孔から溶湯を排出し、下方に配置された鋳型に流し込む。このとき、溶湯の下方から排出するため、溶湯の表面の浮き滓が鋳型に流れ込むのを防止することができる。また、第２放電手段からアーク放電して、注湯孔の近傍の溶湯を加熱することにより、注湯時に材料を完全に溶解することができ、浮き滓を防ぐとともに生産効率を高めることができる。また、成分が均一に整った品質の良い溶湯を得ることができる。また、炉本体を傾斜させるとき、溶湯溜部の内部の溶湯を、溶湯溜部の内面に沿って滑らかに移動させることができる。また、炉本体の外部から視たとき、炉本体を傾斜させても、溶湯溜部の内部の溶湯の位置は、溶湯の慣性と表面張力のため変化しない。このため、溶湯が暴れたり飛び散ったりせず、安全性が高く、生産効率を高めることができる。

注湯後、注湯孔の上方の第２放電手段から注湯孔に向かってアーク放電することにより、アーク炎のガス流を伴う圧力で、注湯孔の内部に残留していた溶湯を排出することができる。これにより、注湯孔を常にきれいに保つことができるため、繰り返しボトム注湯を行うことができる。このため、本発明に係るアーク溶解炉は、１回での溶解量が少ない高純度金属等に対して使用されると特に効果的であり、品質の良い高純度金属等の溶湯を繰り返し得ることができる。

本発明に係るアーク溶解炉で、前記第２放電手段は前記炉本体が前記常態位置のとき、少なくとも前記注湯孔の近傍の前記材料を溶解可能に、前記注湯孔に向かってアーク放電するよう設けられていることが好ましい。この場合、常態位置で、第２放電手段から注湯孔に向かってアーク放電することにより、残留した溶湯が注湯孔の内部で固まっている場合にも、それを溶解して排出することができ、注湯孔をよりきれいに保つことができる。

本発明に係るアーク鋳造装置は、本発明に係るアーク溶解炉と繰り返しボトム注湯手段とを有し、前記繰り返しボトム注湯手段は複数の鋳型を有し、前記アーク溶解炉の前記炉本体が前記注湯位置のとき前記注湯孔から排出される前記溶湯を各鋳型に順番に注入可能、かつ、最後の鋳型に前記溶湯を注入後、再び最初の鋳型から順番に注入可能に、各鋳型を断続的に移動させるよう設けられ、前記溶湯が再度注入される前に各鋳型から鋳物を取り出すよう構成されていることを、特徴とする。

本発明に係るアーク鋳造装置は、本発明に係るアーク溶解炉により各鋳型の動きに合わせて繰り返しボトム注湯することにより、各鋳型から連続的に鋳物を得ることができる。また、成分が均一に整った品質の良い鋳物を、連続的かつ大量に得ることができる。１回での溶解量が少ない高純度金属を、本発明に係るアーク溶解炉により繰り返し溶解することにより、品質の良い高純度金属材料の鋳物を連続的かつ大量に得ることができる。

本発明によれば、再注湯可能で、浮き滓が鋳型に流れ込むのを防止することができるアーク溶解炉およびアーク鋳造装置を提供することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図３は、本発明の実施の形態のアーク溶解炉およびアーク鋳造装置を示している。
図１に示すように、アーク鋳造装置１０は、アーク溶解炉１１と繰り返しボトム注湯手段１２とを有している。

図１に示すように、アーク溶解炉１１は、高純度金属などの材料１をアーク放電により溶解して溶湯１ａを得るのに使用され、炉本体２１と第１放電手段２２と第２放電手段２３とを有している。図２に示すように、炉本体２１は、銅製で、所定の厚みを有する矩形板状を成している。炉本体２１は、上面２１ａおよび下面２１ｂが水平を成すよう配置されている。炉本体２１は、下面２１ｂの長さ方向に沿った中心線付近から、長さ方向に沿った一方の側面２１ｃにかけて傾斜面２１ｄが形成されている。

炉本体２１は、上面２１ａの中央部に、部分球面状に加工された凹状の溶湯溜部２４を有している。溶湯溜部２４は、内部に溶湯１ａを溜めるようになっている。炉本体２１は、溶湯溜部２４の最深部から、長さ方向に沿った一方の側面２１ｃの側にずれた位置に注湯孔２５を有している。注湯孔２５は、溶湯溜部２４の内部と外部とを連通するよう、溶湯溜部２４から傾斜面２１ｄまで厚みを貫通して設けられている。また、炉本体２１は、両端面に、凹状に形成された１対の支持用穴２６を有している。

炉本体２１は、溶湯溜部２４の最深部と注湯孔２５とを結ぶ円弧を含む円の中心を通り、その円を含む面に対して垂直な軸を中心として回転して傾斜するよう構成されている。炉本体２１は、支持部材（図示せず）により各支持用穴２６で支持された状態で傾斜可能になっている。炉本体２１は、傾斜していない図１（ａ）の常態位置から、注湯孔２５の位置が最深部となる図１（ｂ）の注湯位置まで傾斜するようになっている。炉本体２１は、溶湯１ａの持つ慣性を利用して溶湯１ａの位置を動かすことなく、常態位置と注湯位置との間を瞬時に移動可能になっている。炉本体２１は、注湯位置のとき、注湯孔２５が鉛直下方に向かって伸びるよう形成されている。これにより、炉本体２１は、注湯位置のとき、溶湯溜部２４の内部の溶湯１ａを、注湯孔２５から排出可能になっている。

図１に示すように、第１放電手段２２は、細長い電極から成り、炉本体２１が常態位置のとき溶湯溜部２４の最深部に向かって伸びるよう、炉本体２１の上方に配置されている。第１放電手段２２は、炉本体２１との間でアーク放電してアークを発生可能に構成されている。これにより、第１放電手段２２は、炉本体２１が常態位置のとき、溶湯溜部２４の内部に収納された高純度金属などの材料１を溶解可能になっている。

図１に示すように、第２放電手段２３は、細長い電極から成り、炉本体２１が注湯位置のとき注湯孔２５に向かって伸びるよう、注湯孔２５の上方に配置されている。第２放電手段２３は、炉本体２１との間でアーク放電してアークを発生可能に構成されている。これにより、第２放電手段２３は、炉本体２１が注湯位置のとき、注湯孔２５に向かってアーク放電するようになっている。また、第２放電手段２３は、炉本体２１が注湯位置のとき、少なくとも注湯孔２５の近傍の高純度金属などの材料１を溶解可能になっている。

図１に示すように、繰り返しボトム注湯手段１２は、所定の厚みを有する円盤形状を成し、上面１２ａおよび下面が水平を成すよう配置されている。繰り返しボトム注湯手段１２は、上面１２ａの中心軸を中心として回転可能に設けられている。図３に示すように、繰り返しボトム注湯手段１２は、中心軸を中心とした同心円状に、等角度間隔で設けられた複数の鋳型３１を有している。各鋳型３１は、上面１２ａに溶湯１ａの注入口３２を有し、下面に開閉可能な取出口（図示せず）を有している。図３に示す具体的な一例では、繰り返しボトム注湯手段１２は、鋳型３１を２４個有している。

図１に示すように、繰り返しボトム注湯手段１２は、炉本体２１の下方に配置され、炉本体２１が注湯位置のとき、注湯孔２５から排出される溶湯１ａが、注入口３２からいずれか一つの鋳型３１に注入されるよう配置されている。繰り返しボトム注湯手段１２は、断続的に回転可能に設けられ、同じ注湯孔２５の位置で、各鋳型３１に順番に注入可能、かつ、最後の鋳型３１に溶湯１ａを注入後、再び最初の鋳型３１から順番に注入可能になっている。また、繰り返しボトム注湯手段１２は、断続的な回転を、アーク溶解炉１１による再注湯に同期させるよう構成されている。各鋳型３１は、溶湯１ａの注入時には取出口を閉じ、溶湯１ａが再度注入される前に、取出口を開けて鋳物１ｂを取り出すよう構成されている。各鋳型３１は、注入口３２からノックピンを挿入して、鋳物１ｂを取出口から押し出すようになっている。

次に、作用について説明する。
アーク鋳造装置１０は、以下のようにして使用される。まず、常態位置の炉本体２１の溶湯溜部２４に、高純度金属などの材料１を入れ、第１放電手段２２からアーク放電してその材料１を溶解する。炉本体２１を注湯位置まで瞬時に傾斜させて注湯孔２５を溶湯１ａの下部に位置させ、注湯孔２５から溶湯１ａを排出し、下方に配置された繰り返しボトム注湯手段１２の鋳型３１に流し込む。一つの鋳型３１に流し込んだ後、炉本体２１を瞬時に常態位置に戻して再び材料１を溶解し、熔解後、炉本体２１を注湯位置まで傾斜させて注湯孔２５から溶湯１ａを排出する。この間に、繰り返しボトム注湯手段１２を回転させて、次の鋳型３１を注湯孔２５の下方に移動させておき、その鋳型３１に溶湯１ａを流し込む。このように、アーク溶解炉１１により各鋳型３１の動きに合わせて繰り返しボトム注湯することにより、各鋳型３１から連続的に鋳物１ｂを得ることができる。

アーク溶解炉１１は、溶湯１ａの下方から排出するため、溶湯１ａの表面の浮き滓が鋳型３１に流れ込むのを防止することができる。また、第２放電手段２３からアーク放電して、注湯孔２５の近傍の溶湯１ａを加熱することにより、注湯時に材料１を完全に溶解することができ、浮き滓を防ぐとともに生産効率を高めることができる。また、成分が均一に整った品質の良い溶湯１ａを得ることができる。このため、アーク鋳造装置１０は、成分が均一に整った品質の良い鋳物１ｂを、連続的かつ大量に得ることができる。

アーク溶解炉１１は、注湯後、注湯孔２５の上方の第２放電手段２３から注湯孔２５に向かってアーク放電することにより、アーク炎のガス流を伴う圧力で、注湯孔２５の内部に残留していた溶湯１ａを排出することができる。これにより、注湯孔２５を常にきれいに保つことができるため、繰り返しボトム注湯を行うことができる。実際に、図２に示すアーク溶解炉１１を用いて４回に分けて金属ガラスの分鋳を行った結果、分鋳後も注湯孔２５はきれいな状態を維持していることが確認された。

このため、アーク溶解炉１１は、１回での溶解量が少ない高純度金属等に対して使用されると特に効果的であり、品質の良い高純度金属等の溶湯１ａを繰り返し得ることができる。また、これにより、アーク鋳造装置１０は、品質の良い高純度金属材料１の鋳物１ｂを連続的かつ大量に得ることができる。

アーク溶解炉１１は、炉本体２１の外部から視たとき、炉本体２１を傾斜させても、溶湯１ａが有する表面張力および慣性力により、溶湯溜部２４の内部の溶湯１ａの位置は変化しない。このため、アーク鋳造装置１０は、溶湯１ａが暴れたり飛び散ったりせず、安全性が高く、生産効率を高めることができる。

なお、アーク溶解炉１１で、第２放電手段２３は炉本体２１が常態位置のとき、少なくとも注湯孔２５の近傍の材料１を溶解可能に、注湯孔２５に向かってアーク放電するよう設けられていてもよい。この場合、常態位置で、第２放電手段２３から注湯孔２５に向かってアーク放電することにより、残留した溶湯１ａが注湯孔２５の内部で固まっていても、それを溶解して排出することができ、注湯孔２５をよりきれいに保つことができる。

本発明の実施の形態のアーク溶解炉およびアーク鋳造装置を示す（ａ）炉本体が常態位置のときの縦断面図、（ｂ）炉本体が注湯位置のときの縦断面図および斜視図である。 図１に示すアーク溶解炉の（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ線断面図である。 図１に示すアーク鋳造装置の繰り返しボトム注湯手段の平面図である。

符号の説明

１ 材料
１ａ 溶湯
１ｂ 鋳物
１０ アーク鋳造装置
１１ アーク溶解炉
１２ 繰り返しボトム注湯手段
２１ 炉本体
２２ 第１放電手段
２３ 第２放電手段
２４ 溶湯溜部
２５ 注湯孔
２６ 支持用穴
３１ 鋳型
３２ 注入口

Claims (3)

1. 高純度金属などの材料をアーク放電により溶解して溶湯を得るのに使用されるアーク溶解炉であって、
   炉本体と第１放電手段と第２放電手段とを有し、
   前記炉本体は内部に前記溶湯を溜めるよう凹状に形成された溶湯溜部を有し、前記溶湯溜部の内面が部分球面状に形成されており、前記溶湯溜部の最深部からずれた位置に外部に連通する注湯孔を有し、常態位置のときの前記溶湯溜部の最深部と前記注湯孔とを結ぶ円弧を含む円の中心を通り、前記円を含む面に対して垂直な軸を中心として回転し、前記溶湯溜部の内部の前記溶湯を前記注湯孔から排出可能に、前記常態位置から前記注湯孔の位置が最深部となる注湯位置まで傾斜可能に構成されており、前記溶湯の持つ慣性を利用して前記溶湯の位置を動かすことなく、前記常態位置と前記注湯位置との間を瞬時に移動可能に設けられ、
   前記第１放電手段は前記炉本体が前記常態位置のとき、前記溶湯溜部の内部に収納された前記材料を溶解可能にアーク放電するよう設けられ、
   前記第２放電手段は前記炉本体が前記注湯位置のとき、少なくとも前記注湯孔の近傍の前記材料を溶解可能に、前記注湯孔に向かってアーク放電するよう前記注湯孔の上方に設けられていることを、
   特徴とするアーク溶解炉。
2. 前記第２放電手段は前記炉本体が前記常態位置のとき、少なくとも前記注湯孔の近傍の前記材料を溶解可能に、前記注湯孔に向かってアーク放電するよう設けられていることを、
   特徴とする請求項１記載のアーク溶解炉。
3. 請求項１または２記載のアーク溶解炉と繰り返しボトム注湯手段とを有し、
   前記繰り返しボトム注湯手段は複数の鋳型を有し、前記アーク溶解炉の前記炉本体が前記注湯位置のとき前記注湯孔から排出される前記溶湯を各鋳型に順番に注入可能、かつ、最後の鋳型に前記溶湯を注入後、再び最初の鋳型から順番に注入可能に、各鋳型を断続的に移動させるよう設けられ、前記溶湯が再度注入される前に各鋳型から鋳物を取り出すよう構成されていることを、
   特徴とするアーク鋳造装置。