(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温ルツボ型誘導溶解炉の中で導電性材料を溶解するための方法において、
前記溶解炉の中で導電性材料をその溶解温度になるまで電磁的に閉じ込め、それによって液体の前記導電性材料をルツボの壁部から分離させる工程と、
液体の前記導電性材料の中に含まれる介在物粒子をデカンテーションする工程と、
前記液体導電性材料の一部を前記溶解炉の下に設けられる出湯管を介して出湯する工程と、
前記液体導電性材料の出湯噴射流を半径方向において電磁的に閉じ込め、それによってこの出湯噴射流の形状を垂直な円筒形とする工程とを備え、
前記液体導電性材料並びに前記出湯噴射流に作用する電磁場を垂直方向において同軸状に整合させ、
前記デカンテーションする工程において、電磁撹拌により前記液体導電性材料の中に少なくとも１つの渦流を形成して前記介在物粒子を旋回運動の中に導き、前記液体導電性材料の表面に到達させることにより前記介在物粒子をデカンテーションすることを特徴とする方法。
【請求項２】
電磁撹拌を受けている前記液体導電性材料の中に、少なくとも２つの重なった渦流を形成する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
請求項１又は２の方法を実施するために低温ルツボの中で電磁誘導によって導電性材料を溶解する溶解炉であって、互いに電気的に絶縁された複数の金属部分を有し、前記導電性材料を収容するためのルツボと、前記金属部分を冷却するための冷却手段と、前記ルツボの周囲に設けられ、前記導電性材料を電磁誘導によって加熱するための加熱手段と、前記ルツボの下で垂直方向に配列された液体導電性材料用の出湯管と、前記液体導電性材料を前記出湯管の中に閉じ込めるための電磁手段とを備え、該電磁手段が、前記出湯管の周囲に設けられると共に発電機によって電力が供給されるようになされた溶解炉において、前記液体導電性材料の噴射流を前記出湯管及びルツボの垂直軸線に対して閉じ込めるために前記電磁手段を中心決めするための中心決め手段と、前記ルツボの金属部分を前記加熱手段及び前記電磁手段に対して中心決め及び位置決めするための中心決め及び位置決め手段とを備えることを特徴とする溶解炉。
【請求項４】
前記中心決め手段が、前記電磁手段を包囲する電気絶縁性及び熱絶縁性の材料から成るケースを備えることを特徴とする請求項３に記載の溶解炉。
【請求項５】
前記中心決め及び位置決め手段が、前記金属部分の周囲に設けられて前記加熱手段及び前記冷却手段を包囲する電気絶縁性及び熱絶縁性の材料から成るシェルを備えることを特徴とする請求項３に記載の溶解炉。
【請求項６】
前記電磁手段が極めて平坦な電磁コイルを備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の溶解炉。
【請求項７】
前記電磁コイルが、直径が約１２ｍｍの導電性材料の噴射流に対して３０ｍｍの高さで配列された銅板の形態の１０個の巻きを有することを特徴とする請求項６に記載の溶解炉。
【請求項８】
前記出湯管は、流体の循環により冷却される二重壁を有する分割型の金属シリンダを備えることを特徴とする請求項３ないし７のいずれかに記載の溶解炉。
【請求項９】
前記電磁手段に電力を供給する前記発電機が、前記導電性材料の噴射流の断面の半径と磁場の浸透深さとの間の比が１.７よりも大きくなるような周波数における信号を与えることを特徴とする請求項３に記載の溶解炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、低温ルツボ型誘導溶解炉の中で導電性材料を溶解する方法、並びに、該方法を実施するための溶解炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
導電性材料をその溶解温度まで加熱する工程と、液体の導電性材料の中に含まれる固体の介在物粒子をデカンテーションする工程と、上記液体導電性材料の一部を溶解炉の下に設けられた出湯導管を介して出湯する工程とを備え、低温ルツボ型誘導溶解炉の中で導電性材料を溶解するための方法は周知である。
上記方法は通常、溶解した金属を可変出湯速度で安定的に出湯し、微粒化により金属粉末を製造するために採用される。
【０００３】
その目的のための誘導加熱炉が知られており、該誘導加熱炉には導電性材料を受け入れるためのルツボが採用されており、該ルツボは、永続的に冷却されるので低温ルツボと呼ばれている。
そのような溶解炉においては、液体導電性材料をルツボの壁部から分離させるために行われる電磁的な閉じ込めによって、液体導電性材料の一部又は全部が溶解される。
【０００４】
この目的のために、上記ルツボは、互いに電気的に絶縁された複数の金属部分を備え、これら金属部分は、ルツボの中に収容される導電性材料を電磁誘導により加熱するための手段によって包囲されている。
ルツボは例えば、円筒形の形状とすることができ、出湯オリフィスが設けられた実質的に半球形又は截頭円錐形の底部を有しており、上記出湯オリフィスには、液体導電性材料を出湯するための管が固定されている。
【０００５】
低温金属ルツボ型の誘導溶解炉は、導電性材料とルツボの耐火物の壁部との間の接触により液体導電性材料を汚染する耐火物ルツボ型の溶解炉よりも好ましいものである。
そのような汚染は、例えば酸化物である化合物から成る介在物粒子が形成されることに起因する。
【０００６】
例えば金属の微粒化により粉末を準備する特定の用途においては、上記汚染により粉末の中に多くの介在物が含まれ、例えばニッケル基材の航空機のエンジンの回転部品の中にそのような介在物が存在すると、疲労応力を受けるそのような部品の使用中に欠陥が生ずる原因となることがあり、特に、高温において高い応力を受ける部品が早期に破壊することが特に認識されている。
そのような欠点を解消するために、液体導電性材料を出湯するための出湯オリフィスを形成する電磁ノズルを使用し、該ノズルの壁部に液体導電性材料を接触させないという考えに基づく解決策（完全に満足すべきものではないが）が提案されている。
【０００７】
出湯管を通る液体金属の流速を調節する分野において、フランス特許第２,３１６,０２６号（ＦＲ-Ａ-２,３１６,０２６）、フランス特許第２,３９６,６１２号（ＦＲ-Ａ-２,３９６,６１２）、及び、フランス特許第２,３９７,２５１号（ＦＲ-Ａ-２,３９７,２５１）は、高周波数で作動する電磁気的な装置を開示しているが、そのような装置においては、所望の閉じ込めを得るために銅のスクリーンを使用しなければならない。
しかしながら、そのような装置を例えばニッケル基材の超合金粉末の微粒化を行うための設備に工業的な規模で用いるには大きな困難性がある。
【０００８】
そのような困難性を解消するために、フランス特許第２,６４９,６２５号（ＦＲ-Ａ-２,６４９,６２５）は、コイル巻きされたインダクタを備える電磁ノズルを開示しており、該ノズルは、上記コイル巻きされたインダクタと出湯オリフィスの壁部との間に設けられて磁場を集中させるための装置とともに設けられている。
そのようなノズルは、特定の寸法パラメータ、並びに、与えられる磁場を決定する例えば磁場の周波数及び強度の如きパラメータの選定によりその作動が限定されるという欠点を有している。
また、上記ノズルは、寸法が大きく効率が低い。
【０００９】
更に、フランス特許第２,６６５,２４９号は、磁極間継鉄（magnetic yoke）とともに設けられる低温ルツボ炉を開示しており、上記継鉄は、ルツボの中に収容された溶解した装填物の上面のレベルにおいて磁束線を互いに接近させることができる。
磁束線を互いに接近させることにより、溶解物の表面のレベルにおける溶解物の求心的な駆動が生じ、これにより、そのような継鉄がない場合に生ずる自然な撹拌方向とは反対の方向における溶解装填物の撹拌が生ずる。
溶解装填物の上面における上記求心的な運動は、未だ完全に溶解せずに装填物の表面に浮いている物質が中心に向かってその後その装填物の中に吸い込まれることを可能とし、結果的には、そのような溶解物の中に存在する介在物を考慮することなく溶解した材料を撹拌することを可能とする。
【００１０】
また、フランス特許第２,６４６,８５８号（ＦＲ-Ａ-２,６４６,８５８）は、溶解した金属材料の介在物をデカンテーションする方法を開示しており、この方法は、電磁スキンの厚みの中で介在物粒子を表面に向けて移動させる工程と、その後ルツボの中の最も低温の粒子によって介在物粒子を捕捉する工程とを備えている。
上記方法においては、溶解金属の中の介在物を電磁スキンの領域に向けて移動させる電磁撹拌、並びに、上記スキンの領域における介在物の捕捉という２つの現象が用いられており、上記介在物は、電磁圧の力の作用によりルツボの壁部及び溶解金属の表面に向かって移動する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、低温ルツボ型誘導溶解炉の中で導電性材料を溶解し、介在物をデカンテーションすることにより、出湯の前及び出湯の間に液体導電性材料を動的に確実に精製する方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、低温ルツボ型誘導溶解炉の中で導電性材料を溶解するための方法が提供され、該方法は、
液体の上記導電性材料の中に含まれる介在物粒子をデカンテーションする工程と、
上記液体導電性材料の一部を上記溶解炉の下に設けられる出湯管を介して出湯する工程と、
上記液体導電性材料の出湯噴射流を半径方向において電磁的に閉じ込める工程とを備え、
上記液体導電性材料並びに上記出湯噴射流に作用する電磁場を垂直方向において同軸状に整合させ、
上記デカンテーションする工程において、電磁撹拌により上記液体導電性材料の中に少なくとも１つの渦流を形成して上記介在物粒子を旋回運動の中に導き、上記液体導電性材料の表面に到達させることにより上記介在物粒子をデカンテーションすることを特徴とする。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、電磁撹拌を受けている溶解した導電性材料に少なくとも２つの重なった渦流が形成される。
【００１４】
本発明はまた、上述の方法を実施するために導電性材料を低温ルツボで電磁誘導溶解するための溶解炉が提供され、該溶解炉は、互いに電気的に絶縁された複数の金属部分を有し、上記導電性材料を収容するためのルツボと、上記金属部分を冷却するための冷却手段と、上記ルツボの周囲に設けられ、上記導電性材料を電磁誘導によって加熱するための加熱手段と、上記ルツボの下で垂直方向に配列された液体導電性材料用の出湯管と、上記液体導電性材料を上記出湯管の中に閉じ込めるための電磁手段とを備え、該電磁手段は、上記出湯管の周囲に設けられると共に発電機によって電力が供給されるようになされ、該溶解炉は更に、上記液体導電性材料の噴射流を上記出湯管及びルツボの垂直軸線に対して閉じ込めるために上記電磁手段を中心決めするための中心決め手段と、上記ルツボの金属部分を上記加熱手段及び上記電磁手段に対して中心決め及び位置決めするための中心決め及び位置決め手段とを備える。
【００１５】
本発明の溶解炉の他の態様によれば、
上記中心決め手段は、電気絶縁性及び熱絶縁性の材料から構成されて上記電磁手段を包囲するケースを備え、
上記中心決め及び位置決め手段は、電気絶縁性及び熱絶縁性の材料から構成されて上記金属部分の周囲に配列されると共に上記加熱手段及び上記冷却手段を包囲するシェルを備え、
上記電磁手段は、極めて平坦な電磁コイルを備え、
上記電磁コイルは、直径が約１２ｍｍの導電性材料の噴射流に対して３０ｍｍの高さで配置された銅板の形態の１０個の巻きを備え、
上記出湯管は、二重壁を有すると共に流体の循環により冷却される分割型の金属シリンダによって形成され、
上記電磁手段に電力を供給する発電機は、上記導電性材料の噴射流の断面の半径と電磁場の浸透深さとの間の比が１.７よりも大きくなるような周波数において信号を与えるようになされる。
【００１６】
本発明の別の特徴及び効果は、図面を参照して例示する以下の記載から明らかとなろう。
【００１７】
【実施例】
図１には低温ルツボを用いた誘導溶解炉１０が示されており、この誘導溶解炉は、粉末を製造する際の微粒化に先立って導電性材料１を精製するために特に使用される。
【００１８】
溶解炉１０は、導電性材料１を収容するためのルツボ１１を備えており、このルツボは、互いに電気的に絶縁された複数の金属セクタすなわち金属扇状部１２から構成され、各々の金属セクタには、水の循環を用いた冷却手段（図１には図示されない）が設けられている。
金属セクタ１２の数は、例えば９つである。
ルツボ１１は例えば、実質的に半球形状又は截頭円錐形状の底部を有する円筒形であり、上記底部には、液体の導電性材料１用の出湯オリフィス１３が設けられている。
【００１９】
溶解炉１０は更に、導電性材料１を電磁誘導加熱するためにルツボ１１の周囲に設けられた電磁誘導加熱手段１４を備えている。
上記電磁誘導加熱手段１４は例えば、８つのコイルの巻きすなわち螺旋体を備える。
【００２０】
溶解炉１０は更に、液体導電性材料１を出湯するためにルツボ１１の下で出湯オリフィス１３の軸線に沿って垂直方向に配置された出湯管１５と、上記液体導電性材料１の噴射流を上記出湯管１５の中に閉じ込めるための手段１６とを備えている。
液体導電性材料の噴射流を閉じ込めるための電磁手段１６は、出湯管１５の周囲に設けられると共に、発電機（図示せず）によって電力が供給される。
【００２１】
図２に示すように、出湯管１５は、８つの円筒形部分１５ａを備えており、これら円筒形部分は、例えば水の如き流体がその中を循環する回路１７によって冷却される。
【００２２】
出湯管１５の中の液体導電性材料１の噴射流を閉じ込めるための手段１６は、例えばビターコイル（ＢＩＴＴＥＲコイル）の如き極めて平坦な電磁コイル１６を備えており、該コイルは例えば、約１２ｍｍの直径を有する導電性材料の噴射流に対して３０ｍｍの高さで配列された銅板の形態の１０の巻きすなわち螺旋体１６ａを有している。
各々の銅板には、電磁コイル１６を冷却するために水を横方向において循環させるための回路１８に接続された直径が２.５ｍｍの３６個の開口が設けられている。
【００２３】
溶解炉１０は更に、液体導電性材料の噴射流を閉じ込める電磁コイル１６を出湯管１５及びルツボ１１の垂直軸線に関して中心決めするための手段２０と、ルツボ１１の各セクタ１２を、電磁誘導によって導電性材料１を加熱する手段１４並びに電磁コイル１６に関して中心決め及び位置決めするための手段２５とを備えている。
【００２４】
電磁コイル１６を中心決めする手段は、電磁コイル１６の各巻き１６ａを包囲する例えばパーマグラス（ＰＥＲＭＡＧＬＡＳ）の如き絶縁材料製のケース２０を備える。
【００２５】
ルツボ１１の各セクタ１２を中心決め及び位置決めする手段は、例えばパーマグラスの如き絶縁材料製のシェル２５を備えており、該シェルは、上記各セクタの周囲に設けられ、電磁誘導によって導電性材料１を加熱するための手段１４、並びに、上記各セクタ１２を冷却するための手段を包囲している。
そのような包囲は、電磁誘導により導電性材料１を加熱する手段１４のコイルの巻き並びにルツボ１１を適所に保持し、液体導電性材料の流体力学的な乱れを防止する。
【００２６】
導電性材料を微粒化することにより粉末を準備する場合には、ルツボ１１及び出湯管１５を備える誘導炉１０を制御された雰囲気を有する密閉体すなわちケーシングの中に入れ、導電性材料の出湯噴射流を破壊させて粉末を形成することができる。
導電性材料の出湯噴射流の形状を完全に垂直な円筒形とすることが、微粒化により得られる粉末の品質を良好にするために重要且つ必須の事柄である。
一実施例においては、半径が５ｃｍの超合金鋼によって構成される導電性材料１をルツボ１１の中に入れ、電磁誘導加熱手段１４によって与えられる電力は、２０ＫＨzの周波数において１０００Ａの電力に対して５０ＫＷ程度である。
【００２７】
溶解炉１０の中で導電性材料１を溶解させる方法は、
溶解炉１０の中で導電性材料１をその溶解温度まで電磁的に閉じ込める工程と、
導電性材料１の中に含まれる固体又は液体の介在物粒子をデカンテーションする工程と、
液体導電性材料の一部を出湯管１５を介して出湯し、該液体導電性材料１の出湯噴射流を半径方向において電磁的に閉じ込める工程とを備え、
液体導電性材料１並びに該液体導電性材料の出湯噴射流に作用する電磁場を垂直方向において同軸状に整合させ、
上記デカンテーションする工程において、電磁撹拌により液体導電性材料１の中に少なくとも１つの渦流３０（図３）を発生させ、固体の介在物粒子を旋回運動の中に入れて液体導電性材料１の表面に近づけることによりデカンテーションさせることを特徴とする。
電磁撹拌を受ける液体導電性材料１の中に重なった少なくとも２つの渦流３０を形成するのが好ましい。
【００２８】
本発明者は実際に、処理すべき導電性材料１の中に含まれる非導電性の粒子は、電磁的な旋回媒体の中で、駆動力、見掛け質量、アルキメデスの推力、流体力学的圧力、並びに、特定の電磁撹拌における介在物の挙動を推論することを可能とするローレンツ力の如き一連の力を受けることを見いだした。
本発明者は、上述の種々のパラメータを考慮に入れ、溶解され且つ閉じ込められた導電性材料の中に含まれる非導電性の介在物粒子を分離してこれら介在物粒子を上記導電性材料の表面にデカンテーションさせるのにもっとも好適な形態を決定した。
【００２９】
そのようなデカンテーションを行わせるのに最も好ましい形態は、液体導電性材料の自由表面の形状、該導電性材料の寸法、電磁スキン（electromagnetic skin）の厚み、電磁撹拌の形態学、及び、出湯噴射流の幾何学的な形状によって得られる。
その理由は、本発明の方法は電磁撹拌の間に、液体導電性材料１の中に少なくとも１つの渦流３０を形成して固体又は液体の介在物粒子を螺旋状の旋回運動の中に導き、液体導電性材料１の表面に近づいた時にそのような介在物粒子をデカンテーションする工程を備えるからである。
【００３０】
これは特に、液体導電性材料１を含むルツボ１１の軸線と出湯管１５の長手方向の軸線とを同軸状に整合させることにより得られる。
この同軸状の整合を行わせるためには、噴射流を閉じ込めるための手段の電磁コイル１６が、溶解炉１０の垂直軸線に関して円筒形状に対称となる電磁場を発生することを必要とする。
【００３１】
現在までは、噴射流を電磁的に閉じ込めるコイルの幾何学的形状は無視し得るものと見なされてきたが、本発明者は、そのような幾何学的形状が根源的な機能を有することを見いだした。
実際に、円形で管状の断面を有する導電体を備える通常の螺旋状のコイルは、出湯噴射流を閉じ込めるためには適しておらず、その理由は、そのようなコイルの各々の巻きは、電磁コイルの螺旋体のピッチに直接依存して、垂直軸線に対して傾斜する平面に延在するパワー経路を形成するからである。
結局、通常の電磁コイルは、噴射流を出湯する際の不安定性をもたらす電磁場を発生する。
【００３２】
この乱れを防止するために、導電性材料の出湯噴射流を閉じ込めるための本発明の手段は、上述のタイプの極めて平坦な電磁コイル１６を備える。
出湯噴射流の円筒状の対称を確保するために、電磁コイル１６によって発生される電磁場は、該電磁コイル１６に供給される発電機の任意の電力に関して電磁圧の上昇が最大となるように決定される。
【００３３】
図３には、その移動速度が約０.２ｍ／ｓである重なったすなわち共存する２つの渦流３０によって実現される液体導電性材料１の運動が図解されている。
図４及び図５は、非導電性の介在物粒子が上方の渦流及び下方の渦流の中へ移動する状態をそれぞれ図解している。
【００３４】
固体の介在物粒子は、そのような粒子が磁気圧の如き界面現象によって自由表面すなわち低温壁の領域に捕捉される機構を考慮することなく、液体導電性材料１の表面に到達すると同時にデカンテーションされることは周知である。
デカンテーション時間を測定することにより、デカンテーションによる任意のサイズの介在物粒子の精製を確実に行う導電性材料の最小溶解時間並びに撹拌時間を知ることができる。
介在物粒子を分離する時間は、最初に単数又は複数の渦流３０の中心近くに位置する粒子に関して最大であり、デカンテーション時間は、小さなサイズの介在物粒子に関して非常に長い。
【００３５】
また、本発明者は、導電性材料１の出湯噴射流を電磁的に閉じ込める効率が、出湯噴射流の軸線とその表面との間の磁気圧の上昇が増大するに伴って増大することを見いだした。
実際に、圧力の上昇は、与えられる電磁力、並びに、出湯噴射流の中への磁場の浸透深さの関数である。
発電機の一定の電力に対して、最も高い圧力上昇を得ることのできる最適周波数が存在する。
【００３６】
図６は、導電性材料の種々の比電気抵抗ρに関して、圧力上昇値△Ｐｍの変動を磁場の浸透深さδに対する出湯噴射流の半径Ｒの比（Ｒ／δ）の関数として表す３つの曲線を示している。
図６は、磁場の浸透深さδに対する出湯噴射流の半径Ｒの比（Ｒ／δ）が約１.７になった時に圧力上昇△Ｐｍの最適値が得られることを示しており、そのような比は、約２０ＫＨzの周波数において１３０×１０-8Ωｃｍの比抵抗を有する合金から成る半径が７ｍｍの出湯噴射流に対応する。
【００３７】
本発明の方法は、出湯噴射流を閉じ込める手段の電磁場、導電性材料を誘導加熱するための手段、ルツボ、及び、導電性材料の同軸性に伴って生ずる出湯噴射流の電磁的な閉じ込めにより、液体物質の電磁撹拌を制御することを可能とすると同時に、導電性材料の中に含まれる固体介在物の不純物の連続的な分離を確実に行って製品の品質を改善することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の低温ルツボ型誘導溶解炉の概略断面図である。
【図２】  図１の溶解炉の下に配置された出湯管を拡大して示す概略断面図である。
【図３】  電磁的に閉じ込められた導電性材料を示す概略図である。
【図４】  導電性材料の中の介在物粒子の変位を具体的に示す概略図である。
【図５】  導電性材料の中の介在物粒子の変位を具体的に示す概略図である。
【図６】  出湯噴射流の軸線と該出湯噴射流の表面との間の磁気圧の上昇の変動を出湯噴射流を閉じ込める電磁手段にパワーを供給するための発電機によって与えられる信号の周波数の関数として示すグラフである。
【符号の説明】
１  導電性材料
１０  誘導溶解炉
１１  ルツボ
１２  金属部分
１３  出湯オリフィス
１４  電磁誘導加熱手段
１５  出湯管
１６  電磁手段
２０  中心決め手段（ケース）
２５  中心決め及び位置決め手段（シェル）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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