JPH0518677A - 材料の連続溶解・流出制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的と効果】 本発明はるつぼを用いて、材料を誘導
溶解（含成分、温度調整）する場合に、るつぼ内から溶
融材料を成型や微粒化等次工程に適量供給できる流出流
量制御手段を提供するもので、これによってるつぼ操業
を連続化し、当該材料による製品の多様化と生産性の向
上を図ることができる。 【構成】 本発明は、底部に流出口４を有するるつぼ１
の外周に材料を誘導溶解するための第１コイル２を設
け、るつぼ底部の下方に第１コイル２と独立して電流を
流すことのできる溶融材料保持力調整用第２コイル３を
設けて、この二つのコイルへの電流を制御して、材料の
溶解（含成分、温度調整）と流出口４からの溶融材料６
の流出を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】金属・半導体・セラミック等の材
料をるつぼを用いての溶解、あるいは成分、温度調整し
て、該るつぼから溶融材料を流出する場合の流出制御に
関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、金属などの溶解は、例えば誘導加
熱装置を備えた耐火物製のるつぼなどの容器を用いて行
われているが、耐火物などの介在物による汚染を避ける
ことができず、高純度な材料を製造することは難しかっ
た。

【０００３】近年、高純度を要求される溶融材料を得る
ための溶解方法として低温るつぼ（コールドクルーシブ
ル）を用いた誘導溶解によって材料をるつぼ壁と非接触
で溶解させる技術が広く報告されている。この低温るつ
ぼ技術は、特に金属等の材料を高周波および中間周波数
領域の誘導溶解の場合について最適とされている。

【０００４】この低温るつぼにおいては、るつぼ壁が複
数のセグメントが環状に連結されて構成されており、各
セグメントは内部に冷却水を通す中空部を有する銅製の
ものである。このるつぼ内に溶解する材料を入れ、るつ
ぼの外周に配設した誘導コイルに高周波ないし中間周波
数波電流を流すことによって、るつぼ内の材料に渦電流
が発生し、その渦電流損によって材料は発熱溶解する。
また、るつぼ表面に発生する渦電流と溶解物表面に発生
する渦電流とによる電磁気力によってるつぼ内の溶解物
とるつぼ壁との非接触化を図ることができ、またるつぼ
下方の壁を絞ることによって内部の介在物を溶解浮上さ
せることによって、高純度の素材を得ることができる。

【０００５】この低温るつぼ技術を用いた溶融・晶出る
つぼの技術が、特開昭６０−２８７６号公報において開
示されており、この低温るつぼ技術を用いたシリコンの
連続鋳造方法が特開昭６４−５３７３２号公報に開示さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の例えば特開昭６
０−２８７６号公報に開示のものは、低温るつぼ内で溶
解させた溶融材料をるつぼから凝固させながら連続的に
取り出す方法であり、また特開昭６０−２８７６号公報
に開示のものはるつぼの下方で凝固させる連続鋳造方法
である。

【０００７】しかし、これらの方法では材料を連続的に
溶解し、これを溶融状態で連続的に適量流出させること
は困難であるため連続操業ができず生産性が低いという
問題がある。また近年、材料を任意な形状に鋳込むこと
や微粒化する要請があり、この場合、溶解した材料を溶
融状態で取り出す必要があるが、これらの従来技術で
は、これらの要請に応え難い。

【０００８】本発明は、例えばるつぼ内で高純度な材料
を連続的に溶解し、これをるつぼから連続流出する場
合、その流出流量を制御して溶融状態で、成型、微粒化
などの次の工程に供給できるるつぼにおける溶融材料の
流出制御方法を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の発明は、
るつぼを用いて材料を溶解し、るつぼ底部に設けた流出
口から、溶融材料を流出する方法において、るつぼの外
周に設置される材料溶解用の第１コイルと、るつぼ底部
下方に溶融材料の保持力調整用の第１コイルと独立して
電流を流すことができる第２コイルを設置し、第１コイ
ルと第２コイルへの電流を制御することを特徴とするる
つぼにおける材料の連続溶解・流出制御方法である。

【００１０】第２の発明は、るつぼに溶融材料を供給
し、温度調整溶解してるつぼ底部に設けた流出口から溶
融材料を流出する方法において、るつぼの外周に設置さ
れる溶融材料温度調整溶解用第１コイルと独立して電流
を流すことができる第２コイルを設置し、第１コイルと
第２コイルへの電流を制御することを特徴とするるつぼ
における材料の連続溶解・流出制御方法である。

【００１１】なお、ここでは主としてるつぼ壁と非接で
溶解（温度調整を含む）ができる特徴を有する低温るつ
ぼを用いるものである。

【００１２】

【作用】本発明の方法を用いた制御法では、るつぼ中の
溶融状態の材料は上下二つの誘導コイルによって誘起さ
れる電磁力と表面張力によって保持される。このるつぼ
中の溶融状態の材料にるつぼ上部の開口部より原料を供
給することにより、るつぼ中の溶融状態の材料がもつ熱
量によって原料は加熱され第１コイルから誘起される誘
導電流とともに速やかに溶解される。さらに材料を加え
ると、溶解物を支える電磁力と表面張力に対し重力が打
ち勝つことによってるつぼ下部に設けた流出口から溶融
状態の材料が流出する。ここで、るつぼ下方に設けた第
２コイルに流す電流を制御することによって、るつぼ内
の溶融状態の材料に働く電磁力を制御することによって
流出量を制御することができる。また、二つのコイルに
流す電流の周波数は同じであってもよいし、異なってい
てもよい。

【００１３】初期の材料の溶融状態の形成については、
誘導溶解可能な大きさの材料を用意し誘導電流によって
溶解してもよいし、グラファイト等の発熱体を原料中に
挿入して誘導電流によって発熱させて溶解してもよい
し、別途溶解させた原料をるつぼ中に流し込んでもよ
い。

【００１４】連続して供給する原料については、粉末上
でもよいし、塊状であってもよくまた、予め溶解した原
料を供給してもよく材料の性状・形状を問わない。

【００１５】通常この溶解に使用するるつぼは低温るつ
ぼであるが、この低温るつぼは熱伝導性と電気伝導性の
観点から銅製のものが用いられる。溶融状態の材料とる
つぼ壁とは非接触化できるために溶融状態の材料の温度
が銅の融点以上になってもるつぼ壁は低温に保たれるた
め、銅を侵すことはほとんどない。しかしながら、銅な
どの金属元素を微量であっても不純物として製品の品質
に影響を与えるような材料の溶解においては、石英ガラ
ス等でるつぼ壁をコーティングしたり、石英のるつぼ内
装としてもよい。

【００１６】低温るつぼの底部に設けられる流出口の口
径ｄは、浮上溶解に用いる低温るつぼに比べ大きくしな
ければならない。通常の低温るつぼの場合、電磁力がな
い状態でも底部に設けた流出口から溶融した材料が流出
しないように、表面張力によって材料の静圧を支えなけ
ればならない。したがって、（１）式の条件を満たす流
出口の口径ｄに設計される。 ２σ／ｄ＞ρｇｈ＋ρｇｄ／２ （１） （材料の表面張力） （材料の静圧） 但し、σ；材料の表面張力 ［dy
n ／cm］ ρ；材料の密度 ［g ／c
m³ ］ ｈ；るつぼの中の材料のヘッド高さ ［cm］ ｇ；重力加速度 ｇ＝９８０cm／ s² 本発明で用いる低温るつぼの場合、溶融状態の材料を流
出させることを目的とするため、（２）式の条件を満た
す口径ｄに設計する。 ２σ／ｄ＜ρｇｈ＋ρｇｄ／２ （２） 低温るつぼにおいては溶融状態の材料を支える力として
表面張力とコイルから発生する電磁力がある。したがっ
て、本発明の低温るつぼではコイルから発生する電磁力
の保持力を第２コイルで調整することによって、るつぼ
内の溶融状態の材料の保持量を調整し、流量制御を行
う。

【００１７】

【実施例】図１において銅製の６つのセグメントに分割
された直径２５mmのるつぼ１の底には直径３mmの流出口
４が設けられている。各セグメントには冷却水が流れる
流路８が設けられ、るつぼ１を冷却するようになってい
る。このるつぼ１の外周には第１コイル２が、るつぼの
下方には第２コイル３が設置されそれぞれ給電線５、
５’が接続され、高周波発振器（図示しない）と接続さ
れている。るつぼ１の中に溶融状態の材料６が二つのコ
イル２、３によって発生される電磁力によって保持され
ている。るつぼ１の開口部上部に固体材料７を供給する
と、るつぼ１の底部に設けられた流出口４から溶融状態
の材料６が流出するようになっている。第２コイルの電
流によって流量を制御することができ、溶融状態の材料
６は制御されて流出する。

【００１８】上記装置を用いてシリコンの連続溶解・連
続流出を行った。二台の高周波発振器から第１コイル２
と第２コイル３にそれぞれに２００kHz の電流を流し、
溶融シリコンを５０g 保持することができた。平均粒径
１mmの原料シリコンを毎分１００g で供給したところ、
るつぼ１の底の流出口４から安定に流出させることがで
きた。このときに第２コイル３に流す電流を変化させた
ところ、電流量に応じて流量を制御することができた。
このときの溶融シリコンの温度は１５００℃であった。
この装置においてコイルに加えた電力は２０kWであっ
た。

【００１９】図２は本発明をステンレスの急冷薄膜製造
プロセスに適用した際の実施例を示した。このプロセス
では、低温るつぼは二つ有り、上部のるつぼ９では、固
体原料７の溶解を行ない、下部に設けられた流出口４か
ら下部のるつぼ１０に溶融した材料６を供給する。下部
のるつぼ１０は、上部のるつぼ９と同様に二つのコイル
２′および３′を備えている。下部のるつぼ１０の下方
には高速で回転する水冷ロール１１が設置されており、
下部のるつぼ１０から流出した溶融材料６を水冷ロール
１１上に流下させてステンレスの急冷薄膜１２を製造
し、巻き取る。上部のるつぼ９ではステンレスを溶解す
ることと同時に成分の調整を行なう。下部のるつぼ１０
では、温度制御と流量の微調整を行う。

【００２０】図３は、本発明をチタンの精密鋳造に適用
した際の実施例を示した。るつぼ１下方に鋳型１３を設
けている。るつぼ１の底部の流出口から溶融したチタン
６を鋳型１３内に注入し、鋳型１３内で材料を凝固させ
ることによって任意の形状のチタンの鋳造品を得ること
ができた。

【００２１】図４は、本発明をチタン合金の微粒化に適
用した際の実施例を示した。るつぼ１の底部の流出口の
出口からでた溶融状態のチタン合金６に不活性ガスを吹
き付けるノズル１４を設けている。るつぼ１から出てく
る溶融状態のチタン合金６の流れに不活性ガスを吹き付
けることによって、チタン合金を微粒化することがで
き、高純度のチタン合金の微粒子１５を得ることができ
た。

【００２２】

【発明の効果】以上説明した材料の連続溶解・流出制御
方法によれば、るつぼ等から汚染のない高純度の材料を
溶融状態で流出することができ、様々な工程と組み合わ
せることが可能となり、その工業的価値は極めて大であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による連続溶解・連続流出装置を示す図
である。

【図２】本発明をステンレスの急冷薄膜製造プロセスに
適用した際の実施例を示す図である。

【図３】本発明をチタンの精密鋳造に適用した際の実施
例を示す図である。

【図４】本発明をチタン合金の微粒化に適用した際の実
施例を示す図である。

【符号の説明】

１ 銅るつぼ ２ 第１コイル ３ 第２コイル ４ 流出口 ５ 給電線 ６ 溶融状態の材料 ７ 固体原料 ８ 冷却水流路 ９ 上部のるつぼ １０ 下部のるつぼ １１ 水冷ロール １２ 急冷凝固薄膜 １３ 鋳型 １４ ノズル １５ 微粒子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 るつぼを用いて材料を溶解し、るつぼ底
   部に設けた流出口から溶融材料を流出する方法におい
   て、るつぼの外周に設置される材料溶解用の第１コイル
   とるつぼの底部の下方に第１コイルと独立して電流を流
   すことができる溶融材料保持力調整用第２コイルを設置
   し、第１コイルと第２コイルへの電流を制御することを
   特徴とするるつぼにおける材料の連続溶解・流出制御方
   法。
2. 【請求項２】 るつぼに溶融材料を供給し、るつぼ底部
   に設けた流出口から溶融材料を流出する方法において、
   るつぼの外周に設置される第１コイルとるつぼの底部の
   下方に第１コイルと独立して電流を流すことができる第
   ２コイルを設置し、第１コイルと第２コイルへの電流を
   制御することを特徴とするるつぼにおける材料の連続溶
   解・流出制御方法。
3. 【請求項３】 るつぼが低温るつぼであることを特徴と
   する請求項１または２のるつぼにおける材料の連続溶解
   ・流出制御方法。