JP5654339B2 - 誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉 - Google Patents

Description

この発明は、アルミダイキャストに使用されるアルミニウムおよびアルミニウム合金等を溶解し、溶解した溶湯を保持しておくための誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉に関する。

従来のアルミニウム溶解・保持炉は、黒鉛または鋼材製のるつぼにアルミニウム溶解原料を入れて、このるつぼをガスバーナまたは電気ヒータ等により加熱してアルミニウムの溶解および溶解されたアルミニウム溶湯の保持を行うのが一般的であった。

このようなるつぼをガスバーナまたは電気ヒータ等で加熱するようにした従来のアルミニウム溶解・保持炉では、保持した溶湯の温度調節を、加熱源を断続することによって行っているので、溶湯の温度が設定温度に対して±５℃以上変動し、温度を精度よく保持することができない問題があった。

このような、問題を解決するため、誘導加熱を利用した誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉が特許文献１に示されるように既に提案されている。

このような従来の誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉の構成を図６に示す。

図６において、５０は、誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉であり、この炉５０は、アルミニウム等の溶解原料を保持する黒鉛製のるつぼ５１と、このるつぼ５１の外周にこれを取り囲んで設置された誘導加熱コイル５２を備え、炉枠５３内に収納されている。炉５０の全体は、床面に設置される支持基台５４で支持され、るつぼ５１は、この基台５４の中央に設置したるつぼ支持台５５により断熱材５６を介して着脱可能に支持されている。

誘導加熱コイル５２は、炉枠５３に支持された複数のコイル保持枠５７により支持される。るつぼ５１とコイル５２の間には、断熱材５８を介装して、コイル５２の過熱を防いでいる。さらに、炉枠５３の上下端には、断熱材５８と炉枠５３の間に形成されたコイル５２を冷却するための通気路６０に連通した通気口６１，６２が設けられている。基台５４上には、るつぼ５１の開口を開閉する開閉蓋６３が回動可能に取り付けられている。

このように構成された誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉５０においては、誘導加熱コイル５２に高周波交流電源から高周波の交流電力を供給することにより、電磁誘導作用により黒鉛製るつぼ５１に誘導電流が流れて黒鉛製るつぼ５１が加熱され、その熱により、黒鉛製るつぼ５１に収容されたアルミニウム等の溶解原料が溶解される。運転中、誘導加熱コイル５２は、通電によりそれ自身のジュール熱およびるつぼ５１の発生熱により加熱される。加熱コイル５２がこれらの熱により過熱されないようにするため、矢印で示すように、下部の通気口６１から内部の通気路６３に冷却空気を送り、上部の通気口６２から排出することにより、加熱コイル５２の冷却を行っている。

溶解されたアルミニウム溶湯の温度は、誘導加熱コイルに供給する電流を調整することにより微細に調節可能となる。このため、この誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉でアルミニウム溶湯の保持温度を、所定の設定温度に精度よく保つことができる。

特開平０３−２７５２６２号公報

しかしながら、前記の従来の誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉は、るつぼを構成する黒鉛が酸化しやすいため、表面の酸化防止のためにるつぼの表面をガラス層で被覆するが、黒鉛とガラスの熱膨張差によりガラス層にクラックが生じやすく、るつぼの寿命が短くなる不都合がある。

また、るつぼの黒鉛は、非磁性であるので、誘導加熱コイルの発生する磁束が、るつぼ内のアルミニウム等の溶湯に作用するため、溶湯に大きな電磁撹拌力が発生し、溶湯に含まれる不純物が溶湯全体に拡散されようになり、湯の品質が低下する不都合もある。

さらに、この従来の誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉は、誘導加熱コイルが空冷されているため、コイル導体が通気路内に露出して配置されるので、るつぼが破損して溶湯が漏れ出した際に、溶湯が誘導加熱コイルに触れる易いため、コイルが溶湯により焼損される危険性が高く、安全性が低いという不都合もある。

前記のような不都合を解消するため、この発明は、寿命が長く、溶湯の品質を高く維持でき、しかも誘導加熱コイルが焼損する危険を低下させ、安全性の高い誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉を提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するため、この発明は、コイル導体を間隔をおいて複数回巻回して円筒状の誘導加熱コイルを形成し、このコイル成形体の全体を耐熱性のキャスタブルセメントにより包み込んで成形して、全体が耐火性無機質セメント被覆層で覆われた円筒状の誘導加熱コイル成形体を形成し、この誘導加熱コイル成形体を炉枠内に固定的に設置し、前記円筒状の誘導加熱コイル成形体の中央空所に、磁性を有する鉄材で形成した鍋状のるつぼを出し入れ可能に収納し、前記鉄材製るつぼの外周を前記誘導加熱コイルにより取り囲み、前記鍋状の鉄材製るつぼの周壁の厚さを前記誘導加熱コイルで発生する磁束の浸透深の２．３倍以上の厚さとし、かつ、前記誘導加熱コイルの巻回したコイル導体の間隔を中央部より上下端部を狭くして導体密度を高くしたことを特徴とするものである。鉄材製るつぼの周壁の磁束の浸透深さの２．３倍の厚みの部分では、誘導電流は表面の１０％の大きさであり、鉄材製るつぼの周壁の厚さを磁束の浸透深さの２．３倍以上の厚みにすることで大方の電流を発熱に使うことができる。

さらに、この発明においては、誘導加熱コイル成形体の誘導加熱コイルを覆う耐火性無機質セメント被覆層に粒状の高熱伝導材を分散混合するようにしてもよい。

この発明においては、アルミニウム溶解原料を収容するるつぼを磁性を有する鉄材で形成しているため、黒鉛製のるつぼに比べると損耗が小さいため寿命を長くすることができるとともに、誘導加熱コイルで発生される磁束によりるつぼに誘導して流れる電流がるつぼの外表面付近に集中して流れるようになりるつぼの発熱効率が高くなる。また、誘導加熱コイルで発生される磁束が磁性材製のるつぼに周壁に集中して流れ、るつぼのアルミニウム溶解原料を収容した内部にはほとんど流れないので、アルミニウム溶解原料が溶解された溶湯を撹拌する電磁力が僅少となり、アルミニウム溶湯の撹拌が抑制されることによる、アルミニウム溶湯の品質を向上することができる。

この発明の実施例のアルミニウム溶解・保持炉の構成を示す平面図。 図１に示すアルミニウム溶解・保持炉のII−II線に沿う縦断面図。 この発明の実施例のアルミニウム溶解・保持炉の構成を示す側面図。 この発明の実施例のアルミニウム溶解・保持炉に使用する誘導加熱コイルの平面図。 この発明の実施例のアルミニウム溶解・保持炉に使用する誘導加熱コイルの正面図。 従来のアルミニウム溶解・保持炉の構成を示す一部破断面図。

＜実施例＞
以下に図１ないし図５に示すこの発明の実施例について説明する。

図１ないし図３において、１は、アルミニウム溶解・保持炉である。このアルミニウム溶解・保持炉１は、アルミニウム溶解原料を収容する鍋状のるつぼ１０と、このるつぼを誘導加熱するための誘導加熱コイル成形体２０およびるつぼ１０およびコイル成形体２０を支持する炉枠３０とを備える。

るつぼ１０は、有低の円筒部１１とこの円筒の上部開口の外周に水平に延びたフランジ部１２とで構成した鍋状容器からなり、ＳＳ材と呼ばれる圧延鋼等の磁性を有する鉄材で製作されている。フランジ部１２には、るつぼ１０を吊り下げて移動するときに使用する吊下げ用フック１５が複数個設けられている。

コイル成形体２０は、図４および図５に示すように、パイプや棒材で構成されたコイル導体を適宜の間隔をおいて複数回巻回して、ほぼ円筒台形状に形成された誘導加熱コイル２１を備える。このコイル２１の巻始めと巻終わりは適宜の長さ引き出されて電源接続リード２２を形成する。このリード２２の先端部には、外部の電源から給電ケーブルを接続するための接続端子板２３が結合されている。コイル２１の各ターン間には、耐熱性の無機材料で形成されたスペーサブロック２４が円周上に等間隔で複数個挿入されている。上下方向に位置するスペーサブロックは、図５に示すように互いに重ならないように円周方向に少しずらして配置するのがよい。

このように、コイル導体を円筒台形状に巻回して構成された誘導加熱コイル２１の全体を、注形型などを用いて耐熱性の無機材料のキャスタブルセメントにより一体モールドして、コイル２１の全体が耐火性セメント被覆層２５で被覆された、円筒状をなす誘導加熱コイル成形体２０を形成する。このコイル成形体２０は、円筒の内周面が、るつぼの外形に合わせて、上端から下端へ向かって内径が小さくなるように傾斜したテーパ面に形成されている。セメント被覆層２５は、コイル２１の絶縁材であるとともに形状保持材でもある。そして、セメント被覆層２５に粒状の高熱伝導材を分散混合するようにすれば、セメント被覆層２５の熱伝導が高くなり、コイル２１の冷却を助けることができる。

次に炉枠３０について説明する。炉枠３０は、チャンネル材で構成された２本の支持脚３１上に、アングル材を組み合わせて直方体状に組み上げた枠体３２が載置されている。この枠体３２の側面は側面板３３で、天面は天面板３４で、そして底面は底面板３５で覆われている。底面板３５上には、耐火煉瓦３６を敷き詰め、その上に、高さ調節の可能な複数の支持脚３７を介してコイル支持基板３８が設置される。この基板３８の中央部は、るつぼ１０の底壁１３を支持するためにセラミック材等で形成された耐熱基板３８ａで構成されている。コイル支持基板３８の周囲には、コイル成形体２０の中心位置を調整するために複数のアジャスタボルト付きの保持機構３９が等間隔で設けられている。

コイル成形体２０から電源接続リード２２の引き出される側の炉枠３０の側面板３３には、その一部を切欠き、この切り欠き部に電気絶縁板で構成したリード支持板３３ａが貼り付けられ、このリード支持板３３ａにより、炉枠３０から外へ引き出される電源接続リード２２を支持するようにしている。

炉枠３０内に設置されたコイル成形体２０は、コイル支持基板３８を支持する支持脚により水平レベルが調整され、保持機構３９のアジャスタボルトにより水平方向の位置が調整される。コイル成形体２０が水平に保たれ、中心位置が炉枠３０の中心位置に一致されたところで、支持脚３７および保持機構３９のアジャスタボルトを固定することにより、コイル成形体２０の位置決めを行う。

このように炉枠３０内に位置決め固定されたコイル成形体２０の中央空所部内に鍋状の鉄材製るつぼ１０を出し入れ可能に挿入する。このコイル成形体２０の中央空所部内に挿入された鉄材製るつぼ１０は、上端縁のフランジ部１２を炉枠３０の上面板３４上に、そして底壁を支持基板３３上に載置することにより、炉枠３０によって支持され、るつぼ１０のコイル成形体２０への挿入位置が所定の位置に固定される。るつぼ１０の筒状部１１の外周とコイル成形体２０の内周との間の隙間およびるつぼ２０の底壁とるつぼ支持基板３８、３８ａとの間の隙間には、るつぼ１０の放熱防止のために、ガラスウール等の繊維状の断熱材２９が詰め込まれている。

このように構成されたアルミニウム溶解・保持炉１においては、るつぼ１０内に収容されたアルミニウム溶解原料を溶解するために、接続端子２３に図示しない高周波交流電源から給電ケーブルを接続して、誘導加熱コイル２１に高周波の交流電力が供給される。

これによって誘導加熱コイル２１で高周波磁界が発生され、その磁束がほとんど磁性を有する鉄材製のるつぼ１０の周壁を通流することにより、るつぼ１０の周壁が誘導加熱作用により発熱する。この熱より、るつぼ１０内に収容されたアルミニウム溶解原料が急速に加熱され、溶解される。

るつぼ１０内の溶解されたアルミニウム溶湯の保持温度は、誘導加熱コイル２１へ供給する電力の調整により容易に制御することができる。このため、温度調節器を設け、この温度調節器により温度センサにより検出した溶湯温度と設定温度との偏差が零になるように誘導加熱コイル２１へ供給する電力を調節することにより、溶湯の温度を、精度良く設定温度に保つことができる。

また、この発明においては、るつぼ１０が磁性を有する鉄材で形成されているため、誘導加熱コイルで発生された磁束が、ほとんどるつぼ１０の周壁に集中して通流し、るつぼ１０のアルミニウム溶解原料収容部を通ることがなくなるため、溶解されたアルミニウム溶湯に電磁撹拌力が発生することがなくなり、溶湯には熱的な弱い対流だけでるつぼ１０内を流動するだけとなる。このため、溶湯に含まれる不純物はるつぼ１０の底部に沈降集積され、溶湯全体に拡散されることがないので、溶湯の品質を高い品質に維持することができる。

このようにして、溶解されたアルミニウムの溶湯を、ダイキャストするために、ダイキャストマシーンの設置されている場所まで運ぶために、るつぼ１０から別の取鍋に移して運ぶことも可能であるが、るつぼ１０が炉枠３０に対して取り出し可能に構成されているので、このるつぼ１０を炉枠３０から取り出して、直接ダイキャストマシーンの設置されている場所まで運んでダイカストマシーンに溶湯を注ぐことができる。

この発明においては、アルミニウムを溶解し、保持するるつぼを、磁性を有するＳＳ材等の鉄材で形成しているため、るつぼ１０の発熱効率が高くなる利点がある。

すなわち、導電材を流れる誘導電流は、表皮効果により導電材の表面付近に集中して流れることはよく知られていることである。そして、そのときの電流の浸透深さδは、次の数１に示されるとおりとなる。

ここで、ρ：被加熱体の固有抵抗（μΩ/ｃｍ）、μ：比透磁率、ｆ：周波数（Ｈｚ）である。

比透磁率は非磁性材の場合は１で、ＳＳ材のような磁性を有する鉄材の場合は、２０〜１０００と大きな値を示す。

このため、この発明のように磁性材である鉄材で構成したるつぼ１０は、前記した従来装置のように非磁性材の黒鉛で構成したるつぼに比べると比透磁率が著しく大きいので、るつぼに流れる誘導電流の浸透深さδが浅くなる。ＳＳ材製のるつぼの浸透深さδを実際に計算すると、電源周波数が１０ｋＨｚで、浸透深さδが０．９ｍｍ程度となり、かなり浅いことがわかる。

このため、この発明における鉄材製るつぼ１０においては、これに流れる誘導電流が小さい断面積に集中して流れることになり、電流密度が実効的に大きくなり、発熱効率を高くすることができる。

この場合、鍋状の鉄材製るつぼの周壁の厚さを前記るつぼに流れる誘導電流の浸透深さの２．３倍以上の厚さとすると前記の効果がより高く発揮される。

そして、誘導加熱コイル２０で発生される磁束が、前記鉄材製るつぼにより均等に分布するようにするためには、コイル成形体を形成するコイル導体をコイル成形体の上下端において間隔を狭く、そして中央部において間隔を広く巻くようにするのがよい。

さらに、この発明においては、アルミニウム溶解原料を溶解し、保持するるつぼを鉄材でだけで構成しているので、るつぼは、使用中にアルミニウム溶湯により僅かに浸食を受けるが、熱応力に対する耐力が高いことにより、加熱、冷却によってるつぼ壁に亀裂が生じることがほとんどないため、るつぼの寿命を長くすることができる。

また、万が一にもるつぼ壁に亀裂が生じて、アルミニウム溶湯がるつぼから漏れ出すような事故が発生しても、誘導加熱コイル成形体２０は、コイル導体を巻回して構成したコイルが、全体に耐熱性のセメント被覆層２５で被覆されているので、漏れ出したアルミニウム溶湯がこのセメント被覆層２５に接触して冷やされるだけで、コイル２１に直接当たることはない。このため、漏れ出したアルミニウム溶湯によって誘導加熱コイル２１が焼損することはないので、極めて安全に運転することができる。さらに、漏れ出したアルミニウム溶湯が炉底に達しても、炉低に敷き詰められた耐火煉瓦により保護され、アルミニウム溶湯が炉外に漏れ出すことを防止することができるので、さらに安全性を高めることができる。

１：誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉
１０：鉄材製るつぼ
１１：胴部
１２：フランジ部
１３：底部
２０：誘導加熱コイル成形体
２１：誘導加熱コイル
２２：引き出しリード部
２３：接続端子部
２５：セメント被覆層
２９：断熱材
３０：炉枠
３１：支持台
３２：枠体
３３：側面版
３４：天面板
３５：下面板
３６：耐火煉瓦壁
３７：支持脚
３８：支持基板

Claims (2)

1. コイル導体を間隔をおいて複数回巻回して円筒状の誘導加熱コイルを形成し、このコイル成形体の全体を耐熱性のキャスタブルセメントにより包み込んで成形して、全体が耐火性無機質セメント被覆層で覆われた円筒状の誘導加熱コイル成形体を形成し、この誘導加熱コイル成形体を炉枠内に固定的に設置し、前記円筒状の誘導加熱コイル成形体の中央空所に、磁性を有する鉄材で形成した鍋状のるつぼを出し入れ可能に収納し、前記鉄材製るつぼの外周を前記誘導加熱コイルにより取り囲み、前記鍋状の鉄材製るつぼの周壁の厚さを前記誘導加熱コイルで発生する磁束の浸透深さの２．３倍以上の厚さとし、かつ、前記誘導加熱コイルの巻回したコイル導体の間隔を中央部より上下端部を狭くして導体密度を高くしたことを特徴とする誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉。
2. 前記誘導加熱コイル成形体の誘導加熱コイルを覆う耐火性無機質セメント被覆層に粒状の高熱伝導材を分散混合することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱式アルミニウム溶解・保持炉。

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