JPH03279783A - コールドウォール型ルツボ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高級特殊金属、特に、酸素（０）や窒素（Ｎ
）と反応し易いために高純度の金属または合金として溶
成するのが困難なことから活性金属（Ｒｅａｃｔｉｖｅ
　Ｍｅｔａｌｓｌ　と呼ばれるＴｉ．Ｗ，Ｍｏ，Ｂｅ．
Ｚｒ。

Ｖ．Ｓｒなどの溶解に適した構造の水冷金属ルツボ溶解
装置に適用可能な多層巻き誘導加熱コイルを有するコー
ルドウオール型ルツボに関する。

より具体的には、コールドウオール型ルツボ溶解法と呼
ばれる誘導溶解方法に使用されるルツボであって、全体
としてほぼ中空円筒形で銅などのように導電性と熱伝導
度が良好な金属製のルツボ本体と、その外周に配置され
る誘導加熱コイルとから成り、ルツボの側壁および又は
底部が円周方向に複数のセグメントに分割され、それぞ
れの内部に冷却水などの流通路を有し、冷媒により冷却
されコールドウオール型ルツボ炉と呼ばれる誘導溶解用
ルツボに適用される多層巻誘導コイルを有するコールド
ウオール型ルツボに関する。

−射的なコールドウオール型ルツボ炉の特徴はその側壁
の構造であって、側壁はその円周面上において長手軸線
にほぼ平行な４〜２０個程度の複数の縦に細長い短冊形
の側壁セグメントに分割され、各側壁セグメントは隣接
する側壁セグメントとの間に、所定の隙間を保って間欠
的に配置されて側壁部が円周方向に連続したコイルを形
成しないようになっていて、それぞれの内部には冷却水
を流通させるための空隙が設けられているが、底部では
一体に結合され電気的に接続されていることである。

また、底部が一体に結合され短絡されることにより、底
部で磁束が側壁方向へ偏向することによる電力損失など
を低減するため、底部を曲線状に逐次細くしワイングラ
ス状の断面とし、さらに円周方向にも分割してセグメン
ト化した水冷銅ルツボも使用されていする。

［従来の技術］ 特殊金属と呼ばれている、 イ）半導体などの材料として使用される高純度の金属、
合金、 口）　Ｔｉ、Ｚｒなど酸素、窒素、炭素その他の元素と
反応しやすい金属とそれらの合金、およびハ）　Ｗ、Ｍ
ｏ、Ｔａなど溶融温度が極めて高い金属とその合金など
特殊な金属の溶解は、従来は電子ビーム溶解炉、非消耗
型アーク炉や高周波誘導炉などにより、真空、不活性ガ
ス雰囲気中で溶解して何とか要望に応じてきた。

しかしながら、上記の溶解装置のうち真空溶解炉ではア
ルミナ、シリカ、マグネシア、ベリリアなどの金属酸化
物を主体とするセラミック系の耐火材料で作られたルツ
ボ、あるいは黒鉛ルツボなどの冶金容器の内部に被溶融
金属を接触させた状態で収容して、高温で溶解する手段
に依存していたため、それらのルツボの炉壁を構成する
耐火材料と被溶融金属との高温での接触が不可避なこと
により、それらのセラミックス成分や黒鉛ルツボの炭素
が被溶融金属に吸収され溶解された材料の純度が低下し
要求規格に達しないようになった。

ルツボの炉壁が円周方向に複数のセグメントに分割され
て、短冊状に縦に延び、それぞれが水冷される金属スプ
リット銅ルツボな使用する溶解方法と装置が米国鉱山局
により開発され、１９５７年にＧ、　Ｈ，５ｈｉｐｐｅ
ｒｅｉｔを発明者として特許されている。

これに続き、１９７０年代にインダクションスラグ溶解
法が開発された。

この装置は、第２図に示されるように、スロット２によ
り細長い複数の区画に分割され、内部に水などの冷媒の
通路Ｊを有する水冷銅側壁セグメント３のそれぞれは、
底部において結合して一体化されるが、側壁部は相互に
完全絶縁する必要がないという知見に基づくもので、溶
融スラグ層４と凝固した薄いスラグ層４°が形成されて
被溶融金属９と炉壁との間に介在するから予め絶縁構造
にしておく必要がないということである。

インダクトスラグ溶解法は、このような構造的特徴があ
るにもかかわらず、スラグとして弗化カルシュラム［Ｃ
ａＦ２）による良質のスラグを必要とすること、溶解中
に弗化カルシウムと被溶解材料であるＴｉ−Ａｌ合金中
の溶融金属とが反応してガスが発生し、凝固した金属に
空孔が発生して溶解と鋳造を困難にするため、かなりの
期間実用化するには至らなかった。

その後インダクトスラグ溶解法の装置を使用して、しか
もスラグを使用しなくても溶解が可能な現象が認められ
た。

例えば、ｌ）、Ａ、Ｈｕｋｉｎが実施した浮遊溶解法で
はスラブなしでランタンを真空中で溶解したり白金を大
気中で溶解している（ＵＳＰ３７０２３６８１゜この装
置の概要は第３図（Ａ）と（Ｂ）に示すとおりであり、
この方法では上２の図面に示されているように、ルツボ
の炉体はスロット２により細長い複数の区画（セグメン
ト）３に分割され、底部６で一体に連結され、開放され
た頭部とそれに続く中空円筒部と、頭部と底部３°の中
間で内径が次第に減少する中間部３゛°とから成り溶解
室の内形がワイングラスに似たルツボを使用する。

一方、同じく米国のデュリロン社により同種のルツボを
使用してスラグなしで活性金属を溶解する方法が提案さ
れている（特開昭６３−１４９３３７）。

この装置の概要は第３図（Ｃ）と（Ｄ）に示すとおりで
あり、この方法はインダクション・スカル溶解法とも呼
ばれているが、要するに水冷銅短冊セグメント３の炉壁
面に、スカル（ｓｋｕｌｌｌ　　と呼ばれる被溶融金属
の凝固層５を形成させるとともに、電磁誘導作用により
、るつぼ上部では溶湯を側壁から浮遊させようとして銅
短冊炉壁相互間の短絡を防止し、るつぼ下部６は一体に
連結させるという考え方によるものである。

電磁気的作用としては、１次誘導コイル８に流された商
用周波数以上の周波数の電流により発生する磁束の一部
は、ルツボを構成する水冷銅短冊セグメント３を貫通し
て２次誘導電流を流す。

しかしながら、ルツボの炉壁は短冊セグメント３として
分割されているので、ルツボの全周壁を循環して流れる
ことはなく個々の短冊セグメントごとに流れるだけであ
る。

従って、電流値も少なく各短冊セグメントを流れる電流
に対する銅の電気抵抗によって各短冊セグメントはある
程度発熱するが、発生した熱は水冷ジャケットＪ内を流
れる水により冷却される。

方、１次誘導コイル８によって発生する磁束の大半は、
ルツボの溶解室９内を通過し、内部に収容されている未
溶解の被溶解材料あるいは溶湯に２次誘導電流を流して
発熱させて溶解を進行させ、あるいは溶湯の温度を上昇
させる。

溶湯の内部では、１次誘導コイルによって発生する高い
周波数の磁束と、該磁束によって発生する２次誘導電流
によって、磁束の方向と電流の方向とのそれぞれの方向
に直角な方向の力が発生して、そのアンバランスによっ
て、溶湯はるつぼの溶解室内で撹拌され、合金成分が混
合されるとともにスカルが壁から浮上する。

上述したコールドウオール溶解法の長所は、１）スリッ
トが刻まれているため、銅ルツボ自体の電力損失が少な
い。

２）セラミック系のルツボな使用しないため耐火材を構
成する物質の混入、またはそれらとの反応による汚染が
回避出来る。

３）電磁撹拌力により比重の異なる金属を偏析の発生を
避は良質の合金とすることができる。

４）雰囲気圧力を１気圧以上にすることができるので、
沸点が極めて相違する２種以上の合金元素を合金とする
ことができる。

このようにして、溶融金属が凝固して形成された皮膜あ
るいは層をスラグの代わりに利用することにより、銅製
のスプリット型ルツボ中でチタンなどの活性金属を溶解
するコールドウール型ルツボは一応実用可能な原型とし
ての域に達した。

［発明が解決しようとする課題］ このコールドウール型ルツボは、炉の壁が耐火物でなく
、スリットで円周方向に均等に分割され内部に冷却水の
通路を有し水冷したセグメント銅ルツボを使用する。

このため、断面が閉曲線で一体にされた耐火材料製の通
常の誘導溶解炉に比較し、多（の電力量を必要とし、同
一量の金属を溶解するのに５倍程度を要し、特に小容量
の炉では、相対的に比表面積が増加するため、この傾向
が著しい。

そこで、生産コストを極力低減するためには所要電力量
を低減する必要が生ずる。

［課題を解決するための手段］ 本発明では、誘導溶解コイルを多層巻きにして電流を減
らし、かつ、コイルの通流断面積を増加して、エネルギ
ー原単位を大幅に減らずようにして課題を解決した。

［作用コ コイル損失をＸ、セグメント化水冷銅ルツボに投入され
る電力をＹとし、負荷（被溶融金属）に投入される電力
をＺとした場合、通常は、Ｘ：Ｙ：Ｚ＝１　：　１　：
　１程度である。

Ｘ＝１とする。

２倍の巻数のコイルを２層にわけて巻線とすると、同−
ＡＴ（アンペアターン）を得るには電流は坏、よって前
記のコイル損失はＸ＝０．５となりＸ：Ｙ：Ｚ＝　　０
．５：　ｌ　：　Ｌとなる。

また、１層のもとのコイルと同じ巻き数を２層にわけれ
ば導体が倍の幅にできる。

このため同じＡ−ＴではＸが騒と成るが、電流が上記に
比べて大きい。

全消費電力に対する負荷投入電力の割合を比較した場合
、 通常の巻き線方式では、 Ｚ／Ｘ＋Ｙ十Ｚ＝　１／３＝３３．３％多層巻線方式で
は、 ｚ／ｘ＋ｙ＋ｚ＝　１／２．５　＝４０．０％従って、
負荷投入電力を、３３３％→４０％に増加（金属が１０
０μｍ・ｃｍの電気抵抗率の例）し得る。

アルミナなどの耐火材ルツボ１を使用する第４図に示す
従来炉では、ルツボＣ自体が被溶融金属Ｍの溶湯の温度
に近い温度まで達する。

このため、通常の炉では耐火物を冷却する目的で水冷パ
イプをコイルとして使用している。

従って、耐火材ルツボでは誘導加熱コイル８の外周にコ
イルセメント７を巻いて熱と電気の絶縁を図っているが
、かなりの高温に達するので絶縁被覆が５ｍｍ程度にな
ると、絶縁被覆の表面が炭化したり熱分解するため多層
巻きは適用できない。

しかしながら、銅コールドウオール型ルツボでは、幸い
にしてルツボ自体が水冷されるので、従来炉のように、
ルツボ自体が被溶融金属の溶湯の温度に近い温度まで達
するようなことはなく、大気温度をやや上回る程度に保
たれるので、直接耐火物からの伝熱を受けることはなく
多層巻きが採用でき絶縁の厚さを自由に選択できる。

従って、本発明は、セグメント化された水冷銅ルツボな
使用する以上、セグメント化が側壁部分のみのものにも
、また側壁と底部がともにセグメント化されたクイブに
も適用可能である。

［実施例］ 第１図において、符号１は本発明による多層巻コイルで
あって、２はスロット、３はセグメント化された水冷銅
ルツボで、Ｍは溶解さるべき金属材料である。

本発明の多層巻コイル１は、従来の単層巻き誘導加熱コ
イルに比較して約２倍の巻数のコイルを２層にわけて巻
いている。

従って、抵抗値、自己インダクタンスがともに増加して
いるので１、従来と同一値の電流を流すと溶解すべき金
属材料には従来に比してほぼ２倍の電力を供給すること
ができる。

［効果］ コイルは常に水冷パイプ状のものを使い、セグメントは
水冷しているため、該コイルに用いた巻線の絶縁材料は
熱により炭化したり劣化することがなく、線間絶縁の劣
化によるレアショートは発生しない。

勿論、このコールドウオールタイプ炉は、真空あるいは
不活性雰囲気下で使用することが多い。

従来、真空炉では薄い絶縁が用いられていたためプラズ
マ放電からアーク短絡事故を頻発する欠点があった。

コールドウオール炉では絶縁が強固となっていることは
既にのべた。

したがって従来は、実効値電圧が５００Ｖ　ＲＭＳ程度
が限界となっていた炉電圧を１００ＯＶ　ＲＭＳまで増
加できる。

溶解すべき金属材料Ｍに供給すべき熱量が該金属材料の
材質と量の関係から、従来と同一熱量でよい場合は、コ
イルの巻数を増加しているので、巻数の増加分だけコイ
ルに供給すべき電流を減らすことができる。

従って、コイルの損失電力が減少できるので、従来の、 コイルの損失量カニるつぼ２に吸収される等の損失量カ
ニ負荷としての金属材料３に供給できる有効電力、の比
が、はぼｌ：１：１であったのが、　０．５：　１　：
　１となり、負荷投入電力が、コイル人力電力の１／３
であったのが１７２．５に改善される。即ち、効率が３
３％であったのが４０％に改善される。

」二連の説明では、コイルの巻数を従来のほぼ２倍とし
、コイルを２層に形成するように説明したが、コイルの
巻数は溶解すべき金属材料によって定まる電源周波数や
必要電力、るつぼの形状その他の条件に応し適切に設計
することが必要であって、コイルの巻数及びコイルの層
数は任意に設定することができ、印加する電圧も同様で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、発明の多層巻き誘導加熱コイルを有するコー
ルドウオールるつぼの模式説明図で、第２図はインダク
ションスラグ溶解装置の模式側面図、第３図ｆＡｌ　と
（Ｂｌは、Ｄ、Ａ、Ｈｕｋｉｎによる浮遊溶解装置の模
式説明図で、第３図［：）　、　ＦＤ）はインダクショ
ン・スカル溶解装置の模式説明図であり、第４図は通常
の耐火材料製ルツボ溶解装置の模式側面図である。 図面中の符号 　５ セグメ １：多層巻きコイル、２ニスロツト、３ント化ルツボ、
４．４”　　ニスラグ、５ニスカル、６、底部、８：単
層巻き誘導コイル、 Ｃ：耐火材料製ルツボ、Ｍ：溶融金属。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上端が閉じ内部に冷却媒体を流通させるための通路
   となる空隙を有し、円周方向に所定の間隙を保って分割
   されて、軸に平行に垂直方向に延在する複数の短冊形中
   空の側壁セグメントから成る側壁部と、前記の短冊形中
   空側壁セグメントの下部に連続して形成され半径方向内
   方に延在する底部とを有し、 前記の中間側壁部と底部の内面とが、上部が開放され内
   部に溶融される金属または合金の溶解室を画定する銅な
   どの導電性金属製の水冷ルツボ本体と、このルツボ本体
   の前記中空側壁セグメントと底部とを冷却する冷却媒体
   を給排する装置と、前記の中間側壁部の外周に配置され
   た誘導加熱コイルとを有するコールドウォール型ルツボ
   において、 前記誘導加熱コイルが多層巻きにされていることを特徴
   とするコールドウォール型ルツボ。 ２、請求項１記載のコールドウォール型ルツボにおいて
   、前記の底部が短冊形中空側壁セグメントの延長として
   半径方向内方に分割されて延在しているセグメント化底
   部であることを特徴とするコールドウォール型ルツボ。 ３、請求項１または２に記載のルツボ溶解装置において
   、前記誘導加熱コイルの最大印加電圧が７００ＶＲＭＳ
   以上１０００ＶＲＭＳに設定されていることを特徴とす
   るコールドウォール型ルツボ。