JP6012897B1 - 誘導加熱炉用坩堝 - Google Patents
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Abstract
【課題】効率よく高融点金属を加熱・溶解することができるとともに、耐久性の高い誘導加熱炉用坩堝を提供する。【解決手段】金属Ｍを誘導コイル１１からの誘導加熱により溶解する誘導加熱炉用坩堝１であって、金属Ｍを収容する耐火物からなる容器状の内側層２と、内側層２の少なくとも側壁部２０を覆い、誘導加熱により発熱する発熱体からなる外側層３と、内側層２及び外側層３の間の少なくとも一部分に介在する中間層４とを備える。中間層４は、カーボン層、セラミック層及び空気層からなる群より選ばれる少なくとも１つの層を含む。カーボン層が、炭素繊維を用いたシート材、黒鉛シート及び黒鉛粉末からなる群より選ばれる少なくとも１つからなり、セラミック層が、セラミック繊維を用いたシート材、セラミックシート及びセラミック粉末からなる群より選ばれる少なくとも１つからなる。【選択図】図１
Description
本発明は、金属、特に高融点金属を溶解するのに好適な誘導加熱炉用坩堝に関する。
アルミニウムなどの低融点金属を溶解・保持する容器としては、黒鉛や炭化珪素を主成分とした坩堝（黒色坩堝）が一般に使用されている。一方で、鋳鉄、鋳鋼、特殊鋼、銅合金などの高融点金属を溶解・保持する場合、黒色坩堝は高温雰囲気下で長期間使用すると酸化による損耗が激しく、また、溶解する鋳鉄などと反応して汚染するため、黒色坩堝は使用できない。よって、アルミナやシリカなどを主成分とした耐熱性及び高融点金属に対する耐食性に優れた耐火物からなる坩堝（白色坩堝）が使用されている。
この白色坩堝を用いて高融点金属を溶解させるには、図１３に示すように、白色坩堝１００の周囲に誘導コイル１０１を配置し、白色坩堝１００と誘導コイル１０１との間にアルミナや珪砂などのバックサンド（不定形材）１０２を配置する。また、誘導コイル１０１の内側に絶縁材１０３を配置する。白色坩堝１００内に高融点金属Ｍを収容し、白色坩堝１００の周囲に配置された誘導コイル１０１に電圧を印加すると、白色坩堝１００内の高融点金属Ｍが電磁誘導作用により誘導加熱されることで溶解する。
しかしながら、白色坩堝１００は、電磁誘導作用により発熱することはなく、白色坩堝１００内に高融点金属Ｍを投入して溶解を開始する際には、白色坩堝１００は常温の状態である。そのため、白色坩堝１００が昇温するまで、誘導加熱される高融点金属Ｍから白色坩堝１００に熱が奪わる。また、高融点金属Ｍの溶解が終了し、溶解した高融点金属（溶融金属）を取り出して次の高融点金属Ｍの溶解を行う際も、操業サイクルにより程度の差はあるが、溶融金属の排出後に白色坩堝１００は冷却される。よって、高融点金属Ｍを再加熱・再溶解するのに時間がかかるうえエネルギーコストが嵩み、効率よく加熱・溶解することができないとの課題がある。
そこで、本出願人は、上記した課題に着目して、図１４に示すように、耐火物からなる内側層１１１と、誘導加熱により発熱する発熱体からなる外側層１１２とを備える２層式の誘導加熱炉用坩堝１１０を提供することで、効率よく高融点金属Ｍを加熱・溶解することを可能としている（特許文献１を参照）。
しかしながら、図１４に示す構成の誘導加熱炉用坩堝１１０では、内側層１１１と外側層１１２とで求められる特性（溶融金属に対する耐蝕性と誘導加熱による発熱性）が違うことから、互いに選択される素材が異なる。例えば、内側層１１１は、耐蝕性や耐熱性、耐酸化性の観点から、主としてマグネシアやアルミナなどが選択される。一方で、外側層１１２は、主として黒鉛が選択される。そのため、内側層１１１と外側層１１２とで熱膨張率に大きな差を生じるが、この熱膨張率の差によって２つの層間に応力が発生し、例えば、外側層１１２よりも内側層１１１の熱膨張率が大きいと、繰り返しの使用に伴い外側層１１２に過大な負荷がかかって外側層１１２に亀裂や割れ（亀裂など）を生じさせ、ひいては、その亀裂などの存在によって誘導発熱が困難となる懸念がある。また、外側層１１２は、内側層１１１が亀裂や損耗によって損傷を受けたときに、溶融金属の侵出を食い止める役割も期待されるが、外側層１１２に亀裂などが生じると、溶融金属が坩堝１１０外部に漏れ出し、誘導コイル１０１を損傷させるなどの事故を起こす懸念もある。また、内側層１１１の方が外側層１１２よりも熱膨張率が小さくても、高融点金属Ｍが溶融する際は、外側層１１２よりも内側層１１１が高温となる場合があり、内側層１１１の熱膨張によって外側層１１２が割れるなどの懸念もある。さらに、冷却時、内側層１１１にスポールによって亀裂が発生した場合、外側層１１２にも亀裂が伝播する懸念もある。
本発明は、上記した課題に着目してなされたもので、効率よく高融点金属を加熱・溶解することができるうえ、外側層に亀裂や割れが生じることを抑制できる耐久性の高い誘導加熱炉用坩堝を提供することを目的とする。
本発明の前記目的は、誘導コイルからの誘導加熱により金属を溶解する誘導加熱炉用坩堝であって、金属を収容する耐火物からなる容器状の内側層と、前記内側層の少なくとも側壁部を覆い、誘導加熱により発熱する発熱体からなる外側層と、前記内側層と前記外側層との間の少なくとも一部分に介在する中間層と、を備え、前記中間層は、カーボン層、セラミック層及び空気層からなる群より選ばれる少なくとも１つの層を含み、前記カーボン層が、炭素繊維を用いたシート材、黒鉛シート及び黒鉛粉末からなる群より選ばれる少なくとも１つからなり、前記セラミック層が、セラミック繊維を用いたシート材、セラミックシート及びセラミック粉末からなる群より選ばれる少なくとも１つからなる誘導加熱炉用坩堝により達成される。
上記構成の誘導加熱炉用坩堝において、例えば高さが１０００ｍｍ以上あるような大型の坩堝の場合には、内側層の熱膨張が外側層に及ぼす影響を小さくするため、前記外側層が、高さ方向において、複数に分割されていることが好ましい。
また、前記中間層が、黒鉛粉末からなる前記カーボン層、セラミック粉末からなる前記セラミック層又は前記空気層からなり、前記中間層が、前記内側層と前記外側層とで密閉されていることがさらに好ましい。
また、前記中間層は、炭素繊維を用いたシート材からなる２つの前記カーボン層の間に、セラミック繊維を用いたシート材からなる前記セラミック層が挟まれて構成されていることがさらに好ましい。
また、前記中間層は、前記内側層から順に、前記空気層又はセラミック繊維を用いたシート材からなる前記セラミック層と、黒鉛シートからなる前記カーボン層とが少なくとも配置された構成のものであることがさらに好ましい。
本発明の誘導加熱炉用坩堝によれば、効率よく高融点を有する導電性金属を加熱・溶解することができるので、操業時間の短縮が可能であり、省エネルギーを実現できる。そのうえ、内側層と外側層との間に中間層が介在しているので、内側層及び外側層の熱膨張率の差によって２つの層間に応力が発生しても、その応力が中間層により緩和されて小さくなるため、外側層にかかる負荷が低減される。その結果、繰り返し使用しても、外側層に亀裂や割れが生じることが抑制されるので、坩堝の耐久性が増し、損傷なく継続使用することができる。
以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る誘導加熱炉用坩堝１（以下、単に「坩堝１」という）の一例として示す誘導炉１０の縦断面図である。この誘導炉１０は、鋳鉄、鋳鋼、特殊鋼、銅合金などの高融点（例えば１０００℃以上）の金属Ｍの溶解に特に好適に用いることができるが、アルミニウム、亜鉛などの低融点金属の溶解にも用いることができる。
誘導炉１０は、坩堝１の外側に、誘導コイル１１が配置されており、坩堝１と誘導コイル１１との間には、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、珪砂などのバックサンド（不定形材）１２が配置されている。また、誘導コイル１１の内側には、絶縁材１３が配置されている。坩堝１は、金属Ｍを収容する容器状の内側層２と、内側層２の少なくとも側壁部２０を覆う外側層３と、内側層２及び外側層３の間の少なくとも一部分に介在する中間層４とを備えている。
内側層２は、上端に開口を有する有底筒状に形成されており、円筒状や角筒状など任意の形状とすることができる。内側層２は、鋳鉄などの高融点の金属Ｍを収容することから、耐熱性、高温強度、耐酸化性、溶解する高融点金属（溶融金属）に対する耐蝕性などに優れた耐火物からなり、その材料としては、二酸化珪素（シリカ、石英）、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、窒化珪素、及び、これらの１種以上の組み合わせなどを好ましく例示することができる。ただし、耐熱性や耐蝕性、強度などの特性を確保できていれば、その他の添加物や不純物を含んでいてもよい。
内側層２は、流し込み成形、ＣＩＰ成形、プレス成形、振動成形などの種々の成形法により形成することができる。内側層２の厚みは、内側層２の大きさにより変わってくるが、側壁部２０が例えば１０ｍｍ〜７０ｍｍ程度であり、底壁部２１が例えば１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。
内側層２の内周面には、溶解した高温の溶融金属に対する耐熱性及び耐蝕性を良好なものとするために、例えば特開２００９−２２８９１９号公報に記載されているような窒化珪素−アルミナ系材料からなる保護層をコーティングするようにしてもよい。
外側層３は、本実施形態では、内側層２の側壁部２０のみを覆う円筒状に形成されている。外側層３は、誘導コイル１１からの誘導加熱により発熱する発熱体からなり、その材料としては、導電性を有しかつ熱伝導率が高い黒鉛やカーボンなどの導電性材料を好ましく例示することができるが、その他の添加物（例えば炭化珪素や二酸化珪素など）や不純物を含んでいてもよい。外側層３は、誘導炉１０の能力、例えば通電する周波数によっても異なるが、電気比抵抗値が２０×１０−３Ωｃｍ以下、好ましくは１０×１０−３Ωｃｍ以下であることが好ましい。電気比抵抗値が２０×１０−３Ωｃｍよりも大きいと、発熱性が弱いからである。
外側層３は、ＣＩＰなどの加圧成形、流し込み成形、振動成形などの種々の成形法により形成することができる。
外側層３の厚みは、例えば５ｍｍ〜３０ｍｍ程度であり、内側層２の側壁部２０の厚み以下であることが好ましい。誘導炉１０では、溶解する金属Ｍの溶解効率を良好とするためには、金属Ｍと誘導コイル１１との間に配置される耐火物（坩堝１やバックサンド１２）の厚みをできる限り小さくする必要がある。ただし、坩堝１の内側層２（側壁部２０）の厚みは内側層２の寿命に大きく影響し、必要な寿命を得るためには可能な限り厚くする必要がある。また、バックサンド１２は、熱に対する誘導コイル１１の保護や、坩堝１が割れたときのバックアップ材として必要な厚み（例えば、大きさによって変わるが１０ｍｍ〜５０ｍｍ）を設定する必要がある。外側層３の厚みは、上記した事情を考慮しながら設定するが、溶融金属の出湯後の坩堝１保温のためには、熱容量が大きいほうが好ましいので、厚いほうがよい。ただし、バックサンド１２の厚みとの兼ね合いで最適な厚みとする必要があり、そうすると、外側層３の厚みは、内側層２（側壁部２０）の厚み以下となることが好ましくなる。
中間層４は、カーボン層、セラミック層及び空気層からなる群より選ばれる少なくとも１つの層を含む。つまり、中間層４は、カーボン層、セラミック層又は空気層のいずれか１層で構成されていてもよいし、カーボン層又はセラミック層の複数層で構成されていてもよく、さらに、カーボン層、セラミック層及び空気層のうちの２種又は３種の組み合わせによる複数層で構成されていてもよい。
カーボン層としては、炭素繊維を用いたシート材、黒鉛シート（カーボンシートと称されるものも含む）及び黒鉛粉末からなる群より選ばれる少なくとも１つからなる。炭素繊維を用いたシート材としては、紙、編み物、織布、フェルト、不織布など、所定の厚みを有し、伸縮性を有していればその形態は特に限定されない。また、シート材には、カーボン網などの網目状のシート材（網材）も含まれる。
これらのカーボン層のうち、黒鉛シートは、黒鉛をシート状に圧縮したものであり、伸縮性を有するため、中間層４として用いると、内側層２が外側層３よりも大きく熱膨張しても外側層３が受ける応力を緩和することができるうえ、表面のすべり摩擦係数が小さいため、内側層２が外側層３よりも大きく熱膨張しても外側層３が受けるすべり摩擦を大幅に低減することができる。よって、外側層３にかかる負荷を抑制することができ、外側層３に亀裂や割れが生じることを防止できる。また、黒鉛シートを複数重ねて中間層４に用いると、すべり摩擦はさらに低減されるので好ましい。
また、炭素繊維を用いたシート材は、特に伸縮性に優れているので、中間層４として用いると、内側層２が外側層３よりも大きく熱膨張しても外側層３が受ける応力を大幅に緩和することができる。そのうえ、表面のすべり摩擦係数もある程度小さいため、内側層２が外側層３よりも大きく熱膨張しても外側層３が受けるすべり摩擦を低減することができる。よって、外側層３にかかる負荷を抑制することができ、外側層３に亀裂や割れが生じることを防止できる。
また、黒鉛粉末は、その形状の不定形性により、中間層４として用いると、内側層２が外側層３よりも大きく熱膨張しても外側層３が受ける応力をより大幅に緩和することができる。よって、外側層３にかかる負荷を抑制することができ、外側層３に亀裂や割れが生じることを防止できる。
次に、セラミック層としては、セラミック繊維を用いたシート材、セラミックシート及びセラミック粉末からなる群より選ばれる少なくとも１つからなる。セラミック繊維を用いたシート材としては、紙、編み物、織布、フェルト、不織布など、所定の厚みを有し、伸縮性を有していればその形態は特に限定されない。また、シート材には、網目状のシート材（網材）も含まれる。
これらのセラミック層のうち、セラミックシートは、セラミック粉末、ポリマー及び溶剤などを混合・粉砕して得られるスラリーを例えばドクターブレードなどの工法を通じてシート状に成形したものである。セラミックシート及びセラミック繊維を用いたシート材は、特に伸縮性に優れているので、中間層４として用いると、内側層２が外側層３よりも大きく熱膨張しても外側層３が受ける応力を大幅に緩和することができる。よって、外側層３にかかる負荷を抑制することができ、外側層３に亀裂や割れが生じることを防止できる。
また、セラミック粉末は、その形状の不定形性により、中間層４として用いると、内側層２が外側層３よりも大きく熱膨張しても外側層３が受ける応力を分散することができる。よって、外側層３にかかる負荷を抑制することができ、外側層３に亀裂や割れが生じることを防止できる。
このようなセラミック層に用いられるセラミックとしては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、炭化珪素などを挙げることができる。
次に、空気層は、内側層２と外側層３とを分離するので、中間層４として用いると、内側層２が外側層３よりも大きく熱膨張しても外側層３が受ける応力を遮断することができる。よって、外側層３に負荷がかかることを防止でき、外側層３に亀裂や割れが生じることを防止できる。
なお、中間層４を、空気層や、黒鉛粉末やセラミック粉末を用いて構成する場合には、坩堝１は、図２に示すように、内側層２の側壁部２０の上端部及び下端部に径方向外側に延びるリング状のフランジ部２２，２３を形成し、中間層４を内側層２と外側層３とで密閉することが好ましい。
上述した中間層４は、内側層２及び外側層３の熱膨張率の差の大きさや坩堝１の大きさなどに応じて、カーボン層、セラミック層及び空気層を適宜組み合わせるなどして構成される。また、中間層４の厚みも、内側層２及び外側層３の熱膨張率の差の大きさや坩堝１の大きさなどに応じて設定される。
例えば、内側層２及び外側層３の熱膨張率の差が小さい場合（例えば±０．２％ａｔ１２００℃以下）や坩堝１が小型の場合（外径３００ｍｍ以下、高さ４００ｍｍ以下）には、黒鉛シートやセラミックシートを中間層４として用いることができる。また、内側層２及び外側層３の熱膨張率の差がさらに大きい場合や坩堝１が中型の場合（外径５００ｍｍ以下、高さ８００ｍｍ以下）には、図３に示すように、黒鉛シートを複数（図３では２枚）重ねたものを中間層４として用いることができる。また、内側層２及び外側層３の熱膨張率の差が特に大きい場合（例えば±０．３％ａｔ１２００℃以上）や坩堝１が大型の場合には、図４に示すように、２層の黒鉛シートの間にセラミックシートを間に挟んだ３層構造のものを中間層４として用いることが好ましい。この図４の例では、セラミックシートの優れた伸縮性と黒鉛シートの優れたすべり性とにより、内側層２の熱膨張により外側層３が受ける応力を効果的に緩和することができる。なお、図４においては、セラミックシートに代えて、セラミック繊維や炭素繊維を用いたシート材を用いてもよい。また、黒鉛シート、セラミックシート及びセラミック繊維を用いたシート材を交互に組み合わせた層構造のものを中間層４として用いてもよい。
また、内側層２と外側層３との熱膨張率の差が非常に大きい場合には、中間層４として空気層を用いることが好適であり、坩堝１の側壁部の厚みを十分とれる場合には、中間層４として黒鉛粉末やセラミック粉末を用いることが好適である。また、空気層は、中間層４として黒鉛シートやセラミックシートと組み合わせることが好適であり、黒鉛粉末やセラミック粉末を中間層４に用いると、内側層２及び外側層３を同時にＣＩＰ成形などで形成するのに好適である。
また、中間層４に通気性の低い黒鉛シートを用いることで、さらにガスの浸透防止の効果を期待することができる。つまり、例えば溶融する金属Ｍが銅合金などの場合、銅合金などに含有される亜鉛は、一部ガス化して内側層２の側壁部２０に浸透し、誘導コイル１１付近で冷却されて堆積することによって、外側層３の劣化や誘導コイル１１の損傷などの弊害をもたらす。これに対して、通気性の低い黒鉛シートを中間層４に用いると、ガス化した亜鉛の浸透が黒鉛シートにより防止されるので、外側層３の劣化による発熱低下や誘導コイル１１の損傷を防止することができる。
なお、通気性の低い黒鉛シートを中間層４として使用すると、特に内側層２に吸湿などによる残留水分が存在していたり加熱時にガスが発生したりする可能性がある場合に、内側層２と黒鉛シートとの境界でガスの内圧が高まり、内側層２に亀裂が生じるおそれがある。そのため、この残留水分の蒸発やガス発生に対して、内側層２の外面側からガスを排出できるように構成することが好ましい。そのため、黒鉛シートを中間層４として用いた場合には、内側層２と黒鉛シートとの間に通気性の高いセラミックシートを挟んだり、空気層を挟むことがさらに好ましい。
上記構成の坩堝１は、例えば、まず外側層３を、流し込み成形やＣＩＰ成形などで形成した後、外側層３の内側に中間層４を施工し、その後、流し込み成形などで内側層２を形成することができる。また、内側層２を、流し込み成形やＣＩＰ成形などで形成後、内側層２の外側に中間層４を施工し、それを型枠の一部として、外側層３を流し込み成形などで形成して、内側層２と外側層３とを一体化させてもよい。さらに、ＣＩＰ成形や流し込み成形をする際に、内側層２、中間層４及び外側層３の材料を、型枠内に分けて充填し、内側層２、中間層４及び外側層３を同時に成形してもよい。
以上の構成を備えた坩堝１は、以下のようにして使用される。まず、坩堝１内に鋳鉄、鋳鋼、特殊鋼、銅合金などの高融点の金属Ｍ（形状は任意の形状）を収容する。そして、誘導コイル１１に高周波電流を通電する。これにより誘導コイル１１の周囲に磁界が形成され、この磁界が坩堝１内の金属Ｍを透過する結果、金属Ｍが電磁誘導作用により発熱して温度上昇する。加えて、坩堝１の外側層３に対しても、誘導コイル１１からの磁界が透過しかつ浸透することで、外側層３を構成する発熱体が発熱して温度上昇する。その結果、外側層３は８００℃以上の高温となり、その熱が熱伝導により内側層２に伝達されることで内側層２が高温となる。これらの両方の作用により、金属Ｍが耐火物から冷却されることなく加熱され、金属Ｍが溶解して溶融金属となり、溶融状態で保温される。
本実施形態の坩堝１によれば、通電した誘導コイル１１からの磁界により、発熱体からなる外側層３を発熱させ、熱伝導により内側層２を加熱することで内側層２内に収容された高融点金属Ｍを加熱するようにしている。よって、内側層２内の金属Ｍは、通電した誘導コイル１１からの磁界により、金属Ｍ自体が発熱して温度上昇するとともに、内側層２からの熱伝導による加熱によっても温度上昇するので、素早く融点に達して溶解する。その結果、効率よく金属Ｍを加熱・溶解することができるので、操業時間の短縮が可能である上、省エネルギーを実現できる。
加えて、内側層２は外側層３からの熱伝導により外面が加熱されるので、溶解した高温の溶融金属と接する内面側と外面側との間の温度差を小さくすることができる。よって、内側層２の内面側と外面側との間の温度差に伴う熱衝撃によって、内側層２が損傷を受けることを防止することができるので、内側層２の耐久性を高めることができ、坩堝１の長寿命化を図ることができる。
加えて、内側層２と外側層３との間に、伸縮性、すべり性、不定形性などを有する中間層４が介在しているので、内側層２及び外側層３の熱膨張率の差によって２つの層間に応力が発生しても、その応力が中間層４により緩和されて小さくなるか遮断されるため、外側層３にかかる負荷が低減される。その結果、外側層３に亀裂や割れが生じることが抑制されるので、坩堝１の耐久性が増し、損傷なく継続使用することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能であることは言うまでもない。例えば、図５に示すように、坩堝１の内側層２の側壁部２０の下端部にのみ径方向外側に延びるリング状のフランジ部２３を形成してもよい。なお、図示は省略するが、坩堝１の内側層２の側壁部２０の上端部にのみ径方向外側に延びるリング状のフランジ部を形成してもよい。この図５の実施形態によると、内側層２と外側層３とが接続されて坩堝１としてより一体化されるため、ハンドリング中における内側層２と外側層３とのズレ防止や加熱使用中の熱膨張収縮を繰り返すことで生じる内側層２と外側層３との上下方向のズレ防止を抑制することができる。
また、図６に示すように、坩堝１の内側層２の側壁部２０の上端部に径方向外側に延びるリング状のフランジ部２２を形成する場合には、中間層４及び外側層３が外気に露出することを防止するような構成とすることができる。この図６の実施形態によると、高融点の金属Ｍの溶解時において、黒鉛などで構成される外側層３や中間層４が、内側層２及びバックサンド１２によって完全に埋設されるので、外側層３及び中間層４の酸化を防止することができる。
また、図７に示すように、外側層３を、内側層２を内部にすっぽりと収容可能な大きさの容器状に形成することもできる。ただし、図７のように、内側層２の底壁部２１が外側層３内に収納されている場合において、内側層２の熱膨張が大きいと、加熱及び冷却を繰り返し行うことで内側層２が上方にズレてくるおそれがある。そのため、その場合には、図８に示すように、内側層２の底壁部２１の一部分を、外側層３の底壁部を貫通させるように形成することが好ましい。
また、図９に示すように、外側層３が高さ方向において複数に分割されている、つまりは、複数の筒状部材３０が上下に積み重ねられることで形成されていてもよい。この図９の実施形態によると、内層側２と外層側３の熱膨張率の差が非常に大きい場合、外側層３を複数に分割して間に目地を形成しておけば、外側層３（筒状部材３０）が内側層２の熱膨張収縮の動きに個々に対応できるため。発生応力をさらに緩和できる。なお、図９において、外側層３に誘起された渦電流は、外側層３の外側表面側を円周方向に流れることから、外側層３が高さ方向に分割されていても問題なく加熱される。
以下、本発明の坩堝の実施例を示すが、本発明がこの実施例に限定されないことは言うまでもない。
まず、実施例１の坩堝は、アルミナ−スピネル系材料からなる容器状の内側層と、内側層の側壁部を覆うように配置した円筒状の黒鉛−炭化珪素系材料からなる外側層と、内側層及び外側層の間に介在した黒鉛シートからなる中間層との３層構造のものである。黒鉛シートは、市販品で一般に耐熱性ガスケットとして用いられているものを所定の大きさにカットしたものであり、ここでは、０．５ｍｍのシートを２枚重ねて中間層とした。坩堝の大きさは、外径が２５０ｍｍ、内径が２００ｍｍ、高さが２５０ｍｍであり、深さが２２０ｍｍであり、厚みは、外側層が１０ｍｍ、内側層が１４ｍｍ、中間層が１ｍｍである。内側層及び外側層を構成する主な材料の組成は、以下の表１に示す。実施例１の坩堝は、まず、円筒状の外側層をＣＩＰ成形及び１２００℃での焼成により形成した後、外側層の内周面に黒鉛シートを施工した。そして、外側層の内側に内側層を流し込み成形（２５０℃で乾燥）することで、形成した。誘導加熱炉としては高周波誘導炉（２５００Ｈｚ×５０Ｋｗ、直流電圧を１６０Ｖに設定）を用い、溶解する高融点の金属Ｍとしては、円柱状（重さ６ｋｇ）の鋳鉄を用いた。外側層の周囲には、アルミナからなるバックサンド及び絶縁シートを配置した。比較例１の坩堝は、中間層のない内側層及び外側層の２層構造のものである。
評価方法としては、鋳鉄を坩堝に投入して溶解させ、溶解した溶融金属を１５００℃まで昇温させた後、坩堝から排出する作業を４回実施した。そして、坩堝を誘導炉から取り出して、外側層の亀裂発生状況を目視にて観察した。
その結果、中間層のない比較例１の坩堝では、内側層に亀裂は発生していなかったが、外層側には図１０に示すように上下方向に延びる亀裂の発生が認められた。この亀裂が、その後の坩堝の操業にて大きく広がって外側層の割れなどに進展するおそれがあり、その場合には、外側層は、誘導発熱が困難となる、また、内側層が亀裂や損耗によって損傷を受けたときに溶融金属の侵出を食い止める役割を果たせなくなる、さらには、溶融金属が坩堝外部に漏れ出して誘導コイルを損傷させる、などの問題を引き起こすおそれがある。これに対して、中間層として黒鉛シートを備える実施例１の坩堝では、内側層及び外側層ともに亀裂や割れの発生を確認できなかった。よって、坩堝を継続使用することが確認できた。
次に、実施例２の坩堝は、アルミナ−スピネル系材料からなる円筒状の内側層と、内側層の側壁部を覆うように配置した円筒状の黒鉛−炭化珪素系材料からなる外側層と、内側層及び外側層の間に介在したセラミックシートからなる中間層との３層構造のものである。セラミックシートは、市販品で一般にセラミックペーパーとして用いられているものであり、ここでは、２．０ｍｍのものを中間層とした。坩堝の大きさは、外径が３６３ｍｍ、内径が３００ｍｍ、高さが４００ｍｍであり、厚みは、外側層が１２．５ｍｍ、内側層が１７ｍｍ、中間層が２ｍｍである。内側層及び外側層を構成する主な材料の組成は、上記表１と同じである。実施例２の坩堝は、まず、円筒状の外側層をＣＩＰ成形及び１２００℃での焼成により形成した後、外側層の内周面にセラミックシートを施工した。そして、外側層の内側に内側層を流し込み成形（２５０℃で乾燥）することで、形成した。比較例２の坩堝は、中間層のない内側層及び外側層の２層構造のものである。
評価方法としては、坩堝の周囲を断熱材で包み、この状態で１２００℃の炉の中に載置して１８０分加熱した後、坩堝を炉から取り出して、坩堝内に１２０℃の冷風を３０分噴射することにより坩堝を内面から冷却する。この作業を２回実施し、その後、断熱材を取り外して、２０℃の冷風を坩堝の外から６０分噴射することにより坩堝を外面から冷却した。そして、坩堝の外側層の亀裂発生状況を目視にて観察した。
その結果、中間層のない比較例２の坩堝では、図１１及び図１２に示すように、外層側に上下方向に延びる亀裂の発生が認められたうえ、内側層にも外側層と同じ位置に上下方向には伸びていないものの亀裂の発生が認められた。これらの亀裂が、その後の坩堝の操業にて大きく広がって外側層さらには内側層の割れなどに進展するおそれがあり、その場合には、上記した種々の問題を引き起こすおそれがある。これに対して、中間層としてセラミックシートを備える実施例２の坩堝では、内側層及び外側層ともに亀裂や割れの発生を確認できなかった。よって、坩堝を継続使用することが確認できた。
１ 誘導加熱炉用坩堝
２ 内側層
３ 外側層
４ 中間層
２ 内側層
３ 外側層
４ 中間層
Claims (5)
- 誘導コイルからの誘導加熱により金属を溶解する誘導加熱炉用坩堝であって、
金属を収容する耐火物からなる容器状の内側層と、
前記内側層の少なくとも側壁部を覆い、誘導加熱により発熱する発熱体からなる外側層と、
前記内側層と前記外側層との間の少なくとも一部分に介在する中間層と、を備え、
前記外側層は、円筒状に形成されており、
前記中間層は、カーボン層及びセラミック層からなる群より選ばれる少なくとも１つの層を含み、
前記カーボン層が、黒鉛シート及び黒鉛粉末からなる群より選ばれる少なくとも１つからなり、
前記セラミック層が、セラミック繊維を用いたシート材、セラミックシート及びセラミック粉末からなる群より選ばれる少なくとも１つからなり、
前記セラミック層に用いられるセラミック粉末は、アルミナ、シリカ、ジルコニア又は炭化ケイ素である誘導加熱炉用坩堝。 - 前記外側層が、高さ方向において、複数に分割されている請求項１に記載の誘導加熱炉用坩堝。
- 前記中間層が、前記黒鉛粉末からなる前記カーボン層又は前記セラミック粉末からなる前記セラミック層からなり、
前記中間層が、前記内側層と前記外側層とで密閉されている請求項１又は２に記載の誘導加熱炉用坩堝。 - 前記中間層は、炭素繊維を用いたシート材で前記セラミック繊維を用いたシート材からなる前記セラミック層を挟んだ構成のものである請求項１又は２に記載の誘導加熱炉用坩堝。
- 前記中間層は、前記内側層から順に、前記セラミック繊維を用いたシート材からなる前記セラミック層と、前記黒鉛シートからなる前記カーボン層とが少なくとも配置された構成のものである請求項１又は２に記載の誘導加熱炉用坩堝。
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