JPH08200963A - コールドウォール溶解炉における溶解方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来の溶解方法では、溶湯の上下に長い凸形
になり過ぎてまたは溶湯の盛り上がりが殆どなく、溶湯
が側壁に接触して冷却されスカル状態になり、あるいは
スリットのセラミックスと反応して汚染され易い。溶湯
と側壁の接触を最小限にして高純度の金属あるいは合金
を溶解する方法を提供する。 【構成】 溶湯６と側壁２との接触を最小限にするた
め、溶湯６の上端部高さが誘導加熱コイル４の巻回され
た上端部とほぼ一致し、立ち上がり部１が底板３の上面
から２０ｍｍ以内である溶湯形状に制御するため、ルツ
ボ１１の内径区分ごとに最適な周波数および電力を決定
する構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は真空中又は不活性ガス雰
囲気中において高純度、高融点の金属、活性金属または
それらの金属の合金を電磁誘導加熱により溶解する（高
周波）真空誘導溶解装置中のコールドウォール溶解炉に
おいて、上記の各金属やそれらの合金の溶湯がコールド
ウォール溶解炉のルツボの側壁と接触するのを防止する
ことにより高純度の金属材料として溶解するとともに、
ルツボの底部に発生するスカルを必要最小限の量に低減
することを可能にする溶解方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属や合金（以下これらを被溶解金属と
称する）を電磁誘導加熱により溶解する誘導溶解炉のル
ツボとしては、従来は主として多孔質で耐熱性の大きい
セラミックス材料により底付円筒形または回転楕円体の
半体状に成形され、誘導加熱コイルの内側に配置され
て、ルツボ内に装入された前記被溶解金属の装入材やそ
れらが溶解された溶湯を保持していた。この場合の欠点
はスポーリングや熱ショックによりルツボが割れ易いこ
とと、ルツボに機械的に接触した被溶解金属や溶湯に侵
食されてルツボを構成する耐火材料の粒子が溶湯に混入
して製品の純度や質を低下させることであった。このよ
うな欠点を改善するため、従来のルツボの側壁を軸線に
平行に縦割りにして円周方向に複数個に分割し、導電性
および熱伝導性の優れた銅を始めとする金属製の短冊状
のセグメントとし、それぞれの内部に中空部を設け冷却
水を導入し水冷可能にした多数のセグメントが誘導加熱
コイルの内側に垂直にスリットと呼ばれる隙間を隔て
て、それぞれ隣接して配置された側壁と、前記のスリッ
ト内に挿入されたセラミックス製の耐火物と、前記の側
壁下部に密接して側壁と同じく銅を始めとする金属製で
内部に中空部を設け水冷された底板とでルツボを構成
し、必要に応じ底板の一部をも円周方向に複数に分割し
たスリット内にセラミックス製耐火物が挿入されたルツ
ボ（詳細にはコールドウォールルツボともいうが、本発
明ではより一般的なルツボと称する）を備えたコールド
ウォール溶解炉が発明され使用されてきた。

【０００３】このルツボに使用する金属は熱伝導率が高
く延性が大きいため、熱による割れは生じにくく、脱粒
も生じない。また、水冷されているため侵食による溶湯
の汚染がなく、長期使用が可能であるためコストが低く
さらに高純度の製品が得やすいため多用されている。図
２はコールドウォール溶解炉の一例を示す断面正面図で
あり、図３はこの溶解炉を上部からみた平面図であり、
螺旋状に巻回され、冷却水入口４ａと冷却水出口４ｂと
を有する誘導加熱コイル４の巻回方向の内側に、冷却水
入口９ａ、冷却水管５と冷却水出口９ｂを経由する水に
より水冷され、短冊状の銅チューブで形成された多数の
セグメント２ａが円周上に隣接して配置されている。互
いに隣接する前記セグメント２ａ間のスリット２ｂには
図示しない溶湯が外方に漏洩しないように図示しない非
磁性のセラミックス製耐火物が詰め物として挿入され、
これらのセグメント２ａと耐火物詰め物とにより側壁２
が構成されている。側壁２の下部には水室７を設けた銅
製の底板３が配置され、前記側壁２と前記底板３とが例
えばボルトなどで相互に密接され底付円筒容器となり水
冷されたルツボ１１を形成し、このルツボ１１と誘導加
熱コイル４とが、支持部材１２により一体化されてコー
ルドウォール溶解炉１０が構成されている。

【０００４】このコールドウォール溶解炉１０は通常真
空容器（図示せず）の中に配置され、真空中あるいは不
活性ガス雰囲気中で誘導加熱コイル４に高周波電流を印
加すると、側壁２のセグメント２ａ間のスリット２ｂを
通って磁束がルツボ１１内に侵入し、該ルツボ１１内に
配置された被溶解金属の表面に渦（誘導）電流を誘導
し、ジュール熱により被溶解金属を加熱し溶解すること
ができる。上記のコールドウォール溶解炉１０では、銅
製のセグメント２ａ間のスリット２ｂには、溶解する金
属との耐反応性と耐熱性を考慮したセラミックス材料を
選定するが、活性の高い金属あるいは融点の高い金属を
溶解する場合には溶湯との接触による反応を無視できな
い場合がある。例えば、セラミックス材料としてのＡｌ
₂Ｏ₃と被溶解金属Ｔｉとは、高温になると次の反応式
（１）に示すような反応生成物ＴｉＯ₂を生じるが、こ
のＴｉＯ₂は酸化物として溶湯中に取り込まれ、溶湯中
で介在物として存在し製品としてのＴｉの純度を低下さ
せやすい。 ２Ａｌ₂Ｏ₃＋３Ｔｉ→４Ａｌ＋３ＴｉＯ₂ （１） 但し、上記反応式中の化学記号は次の物質を示す。 Ａｌ₂Ｏ₃：アルミナ Ｔｉ ：チタン Ａｌ ：アルミニウム ＴｉＯ₂：チタニア（二酸化チタン）

【０００５】上記反応式（１）は一例であり、高温にお
いては多種の被溶解金属とセラミックス材料との間で、
自由エネルギー変化に基づく複雑な反応が生じる。この
ような製品の純度低下を防ぐため、溶湯と側壁を構成す
るセラミックスとの接触面積を極力低減するよう側壁表
面の狭い範囲を使用して溶解することが好ましい。一
方、被溶解金属を溶解するための電力は、隣接する銅製
のセグメント相互の間隔が大きい程、また、銅製のセグ
メントの分割数が多いほど、ルツボ内に取り込まれる磁
束密度が大きくなるため、溶解するための電力効率が増
大する。しかしながら、上記のようなルツボの側壁の構
成上、溶湯とセラミックス材料との接触を避けて製品の
純度を高く保つことと、上記溶解効率の増大を図ること
は相反するため、他の方法で上記反応の抑制を図らなけ
ればならない。誘導溶解の場合、ルツボ内の溶湯は、誘
導加熱コイルにより形成される磁界と溶湯中を流れる渦
電流との相互作用により発生する電磁力によって撹拌さ
れ、この撹拌作用が溶湯内の成分を均質化して良質な製
品を得ることが可能となる。前記撹拌力の大きさは数１
（以下式（２）と称する）で示される。

【０００６】

【数１】

【０００７】式（２）によれば、特定の被溶解金属では
溶解金属の比抵抗ρは一定であるから、撹拌力は電力密
度、即ち、Ｐ／（π・ｄ・ｌ）に比例して増大し、周波
数ｆの平方根に反比例して減少する。誘導加熱コイルに
高周波電力を印加すると、交番磁界と被溶解金属や溶湯
表面の渦電流とにより前記被溶解金属や溶湯の表面積を
小さくする力（収縮力）が働き（これをピンチ効果と呼
ぶ）、この影響で溶湯がルツボ内で山形形状に盛り上が
る外形を呈するため、コールドウォール溶解炉の設計に
あたっては上記ピンチ効果を考慮して周波数や電力を決
定する必要がある。この山形形状の盛り上がり高さは、
次に示す式（３）により示されることが知られている。 ｈ＝Ｆ／ｒ （３） 但し、上記式（３）における符号は以下の通りである。 Ｆ：撹拌力 ｈ：盛り上がり高さ ｒ：溶湯の比重 式（３）によれば、溶湯の盛り上がり高さは撹拌力Ｆに
比例して増大し、溶湯の比重ｒに反比例して減少する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】溶解するために好適な
誘導加熱条件（電力、周波数）とルツボ内の溶湯の形状
を最適化するための誘導加熱条件とは異なっているの
で、電力と周波数の選定によっては、例えば電力密度が
大きい時、盛り上がりが大き過ぎて溶湯形状が不安定化
し動揺して側壁と接し、これに反して例えば電力密度が
小さい時は溶湯は殆ど盛り上がりを示さず外周表面の大
部分で側壁と接することになる。図４は溶湯の盛り上が
りが大き過ぎる状態をコールドウォール溶解炉の一部を
破断して示す概略断面図であり、以下の説明においては
すでに示した部材と同じ部材の符号の説明は省略する。
ルツボ１１の底板３上に生じたスカル８上の溶湯６は、
立ち上がり部１から盛り上がりを生じ側壁２と接しない
状態を形成しているが、盛り上がりが大き過ぎるため溶
湯６が不安定となり、ふらついて６ａあるいは６ｂのよ
うに搖れ、側壁２に接触して冷えて凝固されスカル状態
になり易く、あるいはセラミックスと反応して汚染され
易い。図５は溶湯６の盛り上がりが小さ過ぎる状態をコ
ールドウォール溶解炉の一部を破断して示す概略断面図
であり、溶湯６は立ち上がり部１から盛り上がりを生じ
ており、安定な形状を形成しているが、外周表面の大部
分が側壁２と接触しているため、側壁２側に多量のスカ
ルを形成したり、あるいはセラミックスによる汚染が顕
著に生じ易い。このような側壁２との接触が起こらない
ように、溶湯６の立ち上がり部を下方にして且つ溶湯６
の盛り上がり形状を安定化して、側壁２との接触を防止
して溶解し溶湯６を高純度に保つことが本発明の課題で
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】溶湯と側壁のスリットに
詰めたセラミックス材料との接触による溶湯の純度低下
を防止し溶湯の盛り上がりを安定した形状に保つため、
ルツボの内径に応じて周波数と電力などを最適条件に設
定し、これらの条件に基づいて溶解する方法を確立す
る。具体的には、ルツボ内の溶湯と側壁との接触を避け
るためには、 １）電磁力による溶湯の収縮力が過大で、盛り上がり高
さが大きくなり上部の溶湯がほぼ水平方向にふらつく状
態、 ２）溶湯の盛り上がりが過小で、盛り上がり下部の溶湯
外周がルツボの側壁と広い範囲で接触する状態、 の２つを避ける必要がある。上記を実現するためには、
溶湯の高さを高過ぎることもなく、また低過ぎもしない
適切な状態に制御する必要があり、さらに、撹拌力の低
下による製品の不均質化を避けるために、前記の条件式
（２）及び（３）で示される周波数と電力についても考
慮し溶解条件を設定することにした。溶湯の十分な撹拌
力を維持しつつ、溶湯と側壁との接触を最小にする誘導
加熱条件を各種の金属につき、ルツボ内径ごとに最適な
周波数と電力を設定するための実験を行い真空誘導溶解
炉の外部から覗き窓を通して、コールドウォール溶解炉
内の溶湯の外形と自己撹拌による溶湯の動きを観察して
設定する。

【００１０】

【作用】ルツボの内径に応じて、印加する電力量と周波
数とを適切に設定することにより、溶湯内に十分な撹拌
力を与え、また最適な溶湯高さを確保して、溶湯と側壁
の銅およびセラミックスとの接触面積を最小にし、これ
らによって溶湯の汚染およびスカルの発生量を必要最小
限にまで低減して、経済的で高純度な製品を入手し易く
できる。

【００１１】

【実施例】図１は溶湯６の外形が側壁２と殆ど接触しな
い良好な溶融状態をコールドウォール溶解炉の一部を破
断して示す概略断面図である。本発明のコールドウォー
ル溶解炉における溶解方法による溶湯６の盛り上がり状
態は、溶湯６の盛り上がり高さが、誘導加熱コイル４の
上端とほぼ一致した状態で、盛り上がり上部のふらつき
が認められず安定な形状を呈する。本発明の実施例の一
例として、鉄系合金を被溶解材料とし、内径の異なる種
々のルツボを使用して溶解し、誘導加熱コイルに印加す
る電流の周波数と電力を種々に変えて、溶湯の外形を真
空容器の覗き窓から観察した結果を以下に示す。表１は
上記の試験による鉄系合金の盛り上がり高さが最適とな
り、撹拌力が十分となる周波数と電力を３種のルツボの
内径区分ごとに示したものである。

【００１２】

【表１】

【００１３】各ルツボの内径を３種に区分し、それぞれ
一定値以上の適当な周波数と電力との組合せにおいて、
図１に示したような側壁と接触しにくい安定な溶湯外形
と撹拌による良好な溶湯の流れが認められた。なお、表
１に示したように、周波数をそれぞれ所定値以上にする
必要があることは盛り上がり高さと撹拌力を小さくする
効果を、一方、電力をそれぞれ所定値以上にする必要が
あることは盛り上がり高さと撹拌力を大きくする効果を
有するもので、周波数と電力の双方をこのように制御す
ることにより、適当な一定範囲の溶湯外形を形成し得る
ものである。表１に示した条件以外では図４に示した溶
湯の高過ぎる盛り上がりによる不安定な溶湯外形、ある
いは殆ど盛り上がりが生じないため溶湯の外周の全部が
ほぼ側壁と接触したような溶湯外形しか得られなかっ
た。また、表１に示した条件により安定な溶解が可能に
なるが、この場合の溶湯の立ち上がり部はルツボの底板
からの高さが２０ｍｍ以下まで低くされており、スカル
の生成量を低減して鋳造できる溶湯の量を増すことも可
能になった。さらに、表１の条件では、溶湯と側壁との
接触面積が小さくされるため、水冷されている銅製のセ
グメントによる溶湯の熱損失が小さくされた。鉄系合金
の場合と同様にアルミニウムを被溶解材料として試験し
た結果の例では、内径８０ｍｍ以下のルツボに対して周
波数が２０ｋＨｚ、電力が８０ｋＷの条件で鉄系合金の
場合と同様に良好な溶湯外形が得られた。

【００１４】

【発明の効果】本発明のコールドウォール溶解炉におけ
る溶解方法は、被溶解金属やルツボ内径毎に周波数及び
電力を制御することにより、溶解中の溶湯形状を最適化
し、溶湯と側壁との接触量を小さくし、セラミックスに
よる溶湯の汚染度を小さくするとともに水冷された銅か
らの冷却によるスカルの生成量を削減することができる
優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法により溶解した溶湯外形が殆ど側
壁と接触しない状態にあることをコールドウォール溶解
炉の一部を破断して示す概略断面図である。

【図２】コールドウォール溶解炉の一例を示す断面正面
図である。

【図３】図２の溶解炉を上部からみた平面図である。

【図４】従来方法により溶解した溶湯の盛り上がりが大
きく側壁と接触し易い状態を示す一部破断概略断面図で
ある。

【図５】従来方法により溶解した溶湯の盛り上がりが小
さく、大部分が側壁と接触している状態を示す一部破断
概略断面図である。

【符号の説明】

１ 溶湯の立ち上がり部 ２ 側壁 ２ａ セグメント ２ｂ スリット ３ 底板 ４ 誘導加熱コイル ４ａ 冷却水入口 ４ｂ 冷却水出口 ５ 冷却水管 ６ 溶湯 ７ 水室 ８ スカル ９ａ 冷却水入口 ９ｂ 冷却水出口 １１ ルツボ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空中あるいは不活性ガス雰囲気中に保
   持された容器内に設置され、高融点金属や活性金属など
   を溶解する誘導溶解炉として、誘導加熱コイルの内側に
   スリットにより垂直方向に分離されて次々に隣接し、該
   スリットにセラミックス耐火材料の詰め物が挿入された
   ルツボの側壁を形成し内部が水冷された複数のセグメン
   トと、該側壁の下端に密接する水冷ルツボ底板と前記ス
   リットに詰められたセラミックス耐火材料の詰め物とに
   よる底付円筒構造のルツボを含んで成るコールドウォー
   ル溶解炉において：前記誘導加熱コイルに印加する高周
   波電流の周波数と電力とを、前記ルツボの内径と被溶解
   金属の種類とに応じて、被溶解金属の溶湯の断面形状が
   ルツボの底板付近から前記側壁と離れて２次曲線状に立
   ち上がり始め、且つ前記溶湯の凸形形状が安定して維持
   され、前記溶湯と前記側壁との接触が実質的に防止され
   前記溶湯の汚染が防止されるように設定し、スカルの発
   生量を必要最小限にすることを特徴とするコールドウォ
   ール溶解炉における溶解方法。
2. 【請求項２】 前記溶湯が立ち上がり始める位置が、前
   記ルツボの底部に配置されている前記底板の上面から２
   ０ｍｍ以下の高さにされていることを特徴とする請求項
   １に記載のコールドウォール溶解炉における溶解方法。