(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面断面積が可変である複数の容器に、電源への接続切断自在になした誘導コイルを嵌合してあり、加工スケジュールに応じて容器の平面断面積及び電源への誘導コイル接続数を決定し、電源に接続された誘導コイルを有する容器内へ導電性金属を装入し、前記誘導コイルによる電磁誘導を利用して前記導電性金属を加工する方法において、
前記誘導コイルの巻回数及びその軸長方向の１巻き当たりの導体幅が異なる複数の誘導コイルを準備しておき、容器の平面断面積及び誘導コイルの接続数に応じて所定のインダクタンスとなるように巻回数を決定し、その巻回数に応じて所定のコイル高さとなるように導体幅を決定し、これらの決定した結果に従う誘導コイルを選択することを特徴とする導電性金属の加工方法。
【請求項２】
前記巻回数ｍは、次の（１）式にて決定する請求項１記載の導電性金属の加工方法。
ｍ＝α・（ｎ／ａ）      …（１）
但し、ｎ：誘導コイルの接続数
ａ：容器の平面断面積
α：定数
【請求項３】
前記導体幅ｗは、次の（２）式にて決定する請求項１記載の導電性金属の加工方法。
ｗ＝β・（１／ｍ）      …（２）
但し、ｍ：誘導コイルの巻回数
β：定数
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複数の坩堝又は鋳型等の容器に誘導コイルをそれぞれ取り付け、該誘導コイルにて生ずる電磁誘導を利用して導電性金属の溶融又は鋳造等の加工を行う方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開平４−１３４４５  号公報には、複数の鋳型を備える連続鋳造設備において、各鋳型の周囲にそれと同心状に誘導コイルを配設し、各々の誘導コイルに対応して設けてある高周波電源から、誘導コイルに高周波電流を与え、鋳型内に供給された溶湯に鋳型の中心に向かうピンチ力を発生させることによって、湯面と鋳型内壁面との間に隙間を生じさせて鋳造を行う方法が開示されている。これによって、凝固シェルと鋳壁との間へのパウダの流入が増加し、潤滑性が増大して鋳造速度が向上すると共に、初期凝固シェルの形状が良好となり、鋳型の振動によって生じるオッシレーションマークが減少して鋳片の品質が向上する。
【０００３】
一方特開平２−２８７０９１号公報には、冷却管が埋設された複数の金属製の坩堝の周囲に誘導コイルを、該坩堝の上下方向にコイルの巻回密度を異ならせてそれぞれ配設し、各々の誘導コイルに対応して設けてある高周波電源から誘導コイルに高周波電流を与え、坩堝の壁を冷却しつつ電磁誘導によって坩堝内に投入した導電性金属材料を溶解すると共に混合することによって、不純物の混入を防止して純度が高い合金を製造する方法が開示されている。
【０００４】
図６は上述した従来方法を実施するための加工設備の一例を示す回路図であり、図６においては並列共振回路を用いて誘導コイルを発振するようになしてある。なお金属材料を装入する鋳型及び坩堝等の容器は複数配備されており、その平面断面積は可変である。平面断面積が可変である複数の容器（図示せず）の周囲にはそれぞれ、誘導コイル３１，３１，３１，３１が設けられており、誘導コイル３１，３１，３１，３１は、複数のタップ３２，３２，…を備えるトランス３３，３３，３３，３３の２次コイル側にそれぞれ接続されている。またトランス３３，３３，３３，３３の１次コイル側及び可変容量式のコンデンサ３４，３４，３４，３４はスイッチ３５，３５，３５，３５を介して、誘導コイル３１，３１，３１，３１に対応して備えられた高周波電源３６，３６，３６，３６に並列的に接続されている。そして加工スケジュールに応じて、誘導コイルと電源との接続数及び容器の平面断面積が変更されるようになっている。
【０００５】
このような装置において、導電性金属の溶融又は鋳造を行うには、使用する容器に係るスイッチ３５，３５，…を接続して高周波電源３６，３６，…から高周波電流を誘導コイル３１，３１，…に与え、誘導コイル３１，３１，…が発生する電磁誘導を利用して導電性金属を加熱し、又はピンチ力を与えて溶融又は鋳造を行う。
【０００６】
そして加工スケジュールに応じて接続する誘導コイルの数の増減及び容器の平面断面積の変更を行うには、まず接続予定の容器に係るトランス３３，３３，…及びコンデンサ３４，３４，…について、その容器の平面断面積の変更に応じて次のようにタップ３２，３２，…及びコンデンサ３４，３４，…の容量の切り替えを行う。
【０００７】
容器の平面断面積，更には容器に配設した誘導コイル３１，３１，…の長さを拡大する場合は、それによって誘導コイル３１，３１，…のインダクタンスが増加する。誘導コイル３１，３１，…が容器内の導電性金属に与える電磁気的効果は誘導コイル３１，３１，…が発生する磁束密度に比例するが、高周波電源３６，３６，…の出力が一定である場合は、インダクタンスが増加すると磁束密度は低下するため、導電性金属が受ける加熱及びピンチ力等の電磁気的効果が減少し、加工速度の低下又は品質の低下を招く。一方、磁束密度は誘導コイル３１，３１，…に印加される電圧に比例するため、容器の平面断面積の変更前後おいて同等な電磁気的効果を導電性金属に同程度に与えるためには、誘導コイル３１，３１，…に印加する電圧を高める、即ち電圧が高いタップ３２，３２，…に切り替える操作を行う。
【０００８】
また誘導コイル３１，３１，…のインダクタンスが増加すると、インダクタンスの平方根に逆比例して共振周波数が低下する。共振周波数の減少は、磁気シールドパラメータの値を小さくし、溶融した導電性金属の自由表面の形状に対する不安定性を増加させることになる。そこで共振周波数を一定にすべく、インダクタンスの増加に逆比例してコンデンサ３４，３４，…の容量を減少させる操作を行う。
【０００９】
反対に、容器の平面断面積を縮小する場合はこれと逆の操作を行う。そして使用予定の容器に係る誘導コイル３１，３１，…を作動させるべく、スイッチ３５，３５，…を閉じ、その他のスイッチ３５，３５，…は開いたままにしておく。なお、このような並列発振回路以外の発振方式によっても電磁誘導を行い得るが、そのような場合であっても容器の平面断面積の変更に伴って、コンデンサの容量切り替え及びタップの切り替えの各操作が行われる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の方法にあっては、各誘導コイルに対応して高周波電源をそれぞれ設けなければならず、また容器の平面断面積の変更に対応すべく、多くのタップを備えたトランス及び可変幅が大きいコンデンサを配備しなければならないため設備費が高いという問題があった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは誘導コイルの接続数及び容器の平面断面積の変更に応じて決定した巻回数及びコイル幅に従う誘導コイルを選択することによって、高周波電源の設置数等を減少して設備費を低減し得る導電性金属の加工方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１発明に係る導電性金属の加工方法は、平面断面積が可変である複数の容器に、電源への接続切断自在になした誘導コイルを嵌合してあり、加工スケジュールに応じて容器の平面断面積及び電源への誘導コイル接続数を決定し、電源に接続された誘導コイルを有する容器内へ導電性金属を装入し、前記誘導コイルによる電磁誘導を利用して前記導電性金属を加工する方法において、前記誘導コイルの巻回数及びその軸長方向の１巻き当たりの導体幅が異なる複数の誘導コイルを準備しておき、容器の平面断面積及び誘導コイルの接続数に応じて所定のインダクタンスとなるように巻回数を決定し、その巻回数に応じて所定のコイル高さとなるように導体幅を決定し、これらの決定した結果に従う誘導コイルを選択することを特徴とする。
【００１２】
第２発明に係る導電性金属の加工方法は、第１発明において、前記巻回数ｍは、次の（１）式にて決定することを特徴とする。
ｍ＝α・（ｎ／ａ）      …（１）
但し、ｎ：誘導コイルの接続数
ａ：容器の平面断面積
α：定数
【００１３】
第３発明に係る導電性金属の加工方法は、第１発明において、前記導体幅ｗは、次の（２）式にて決定することを特徴とする。
ｗ＝β・（１／ｍ）      …（２）
但し、ｍ：誘導コイルの巻回数
β：定数
【００１４】
【作用】
いま、平面断面積がａ０  である円筒形の複数の容器（平面断面積は可変）の周囲に、誘導コイルが交換可能にそれぞれ配設されており、全誘導コイルは１つの高周波電源に並列接続可能になしてあり、その接続数はｎ０  であるものとする。また誘導コイルは、該誘導コイルのインダクタンス及びその磁束密度が最適であるように誘導コイルの巻回数ｍ０  ，及び該誘導コイルを構成する導体の誘導コイルの軸長方向の１巻き当たりの幅（導体幅）ｗ０  を定めたものを取り付けてある。
【００１５】
このような装置にあっては、加工スケジュールに応じて、誘導コイルの接続数及び容器の平面断面積が変更されても、高周波電源に対する負荷全体のインダクタンスが一定であれば、変更の前後で共振周波数は変化しない。一方、誘導コイルの巻回数が一定である場合、高周波電源に対する負荷全体のインダクタンスは誘導コイルの接続数に略逆比例して減少し、また各誘導コイルのインダクタンスは容器の平面断面積に略比例して増加する。そこで誘導コイルの接続数及び容器の平面断面積に応じて、インダクタンスを一定にすべく誘導コイルの巻回数を決定することによって、共振周波数を一定にすることができる。
【００１６】
一方、誘導コイルへの巻回数が異なると、磁束密度の変化を招来する。これを回避するためには、前述した如く決定した巻回数に応じて、導体幅と巻回数との積であるコイル高さが一定になるように導体幅を決定する。そして、巻回数及び導体幅が異なる複数の誘導コイルを準備しておき、誘導コイルの接続数及び容器の平面断面積の変更に応じて、前述した如く決定した巻回数及び導体幅に従う誘導コイルを選択することによって、誘導コイルの接続数及び容器の平面断面積が変更されても、インダクタンス及び磁束密度が略一定となる。
【００１７】
前述した如く加工スケジュールに応じて、誘導コイルの接続数ｎ及び容器の平面断面積ａに変更される場合、次の（３）式を満足することによってインダクタンスが一定になる。
【００１８】
【数１】
0003613808.tif 000002
【００１９】
（３）式は次の（４）式に変形でき、（４）式中の（ｍ０  ・ａ０  ）／ｎ０  は定数αで置き換えることができる。従って、次の（１）式にて誘導コイルの巻回数ｍを決定することができる。
【００２０】
【数２】
0003613808.tif 000003
【００２１】
またコイルの積層高さは、コイル１巻き当たりの導体幅ｗ０  と巻回数ｍ０  との積で表され、一般的に一定値βに等しいことが望ましい。
0003613808.tif 000004
【００２２】
そして（１）式及び（２）式にて決定された巻回数ｍ，コイル１巻き当たりの導体幅ｗである誘導コイル、又はこれらに近似する誘導コイルを選択し、選択した誘導コイルに交換する。
【００２３】
【実施例】
以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて具体的に説明する。
図１は本発明方法を実施するための加工設備の回路図である。その平面断面積が可変である容器（図示せず）の周囲にはそれぞれ、導体を巻回した誘導コイル１，１，１，１が交換可能に外嵌してあり、各誘導コイル１，１，１，１は複数のタップ２，２，…を備えるトランス３，３，３，３の２次コイル側にそれぞれ接続されている。トランス３，３，３，３の１次コイル側及び容量可変のコンデンサ４，４，４，４はそれぞれ並列接続されており、これらは更にスイッチ５，５，５，５を介して高周波電源６と並列接続されている。また誘導コイル１，１，１，１は、その巻回数及びコイル１巻き当たりの導体幅が異なる複数種類を予め準備してある。
【００２４】
このような装置において、特に製品が円形断面の場合は、使用する容器の数，製品寸法等の加工スケジュールに応じて接続する誘導コイルの数及び容器の平面断面積を変更して、導電性金属の溶解又は鋳造を行うには、変更後の容器の平面断面積ａ，及び変更後の誘導コイルの接続数ｎに基づいて、所定のインダクタンスになるように次の（１）式によって誘導コイルの巻回数ｍを決定する。
ｍ＝α・（ｎ／ａ）      …（１）
但し、α：定数
【００２５】
図２は、容器の平面断面積を一定とし、接続する誘導コイルの基数の変更に応じて求めた巻回数の誘導コイルに交換した場合における高周波電源の発振特性を示すグラフであり、縦軸は高周波電源の出力電圧を、また横軸はその出力電流をそれぞれ示している。
【００２６】
図２から明らかな如く、接続する誘導コイルの基数ｎが変更されても、（１）式に基づいて求めた巻回数の誘導コイルに交換することによって、電流・電圧特性は同じ線上に重なりインダクタンスは一定であることが分かる。これによって単一の高周波電源にても複数の誘導コイルを接続することができ、従来の方法より高周波電源の数を削減することが可能となり、設備費が減少する。
【００２７】
また決定した誘導コイルの巻回数ｍに基づいて、次の（２）式によって変更後の導体の誘導コイルの１巻き当たりの長手方向の幅ｗを決定する。
ｗ＝β・（１／ｍ）      …（２）
但し、β：定数
【００２８】
そして（１）式にて求めた巻回数ｍ及び（２）式にて求めた幅ｗの誘導コイル，又はそれに近似する誘導コイルを選択し、現在取り付けてある誘導コイルを、選択した誘導コイルに交換した後、スイッチ５，５，…を閉じて高周波電流を誘導コイル１，１，…に与える。
【００２９】
一方、前述した如く誘導コイルの交換を行った後であっても、交換の前後において誘導コイル１，１，…の巻回数が整数倍にならない等の理由により、高周波電源６の発振特性が適正な負荷整合線から若干外れることがある。そのような場合には、コンデンサ４，４，…の容量及びトランス３，３，…のタップ２，２，…を適宜調整する。このとき従来の方法に比べてコンデンサ及びタップの調整量は小さいため、可変幅が小さいコンデンサ及びタップ数が少ないトランスを用いることができ、設備費が更に減少する。
【００３０】
次に比較試験を行った結果について説明する。
図３及び図４は、連続鋳造設備に備えられた鋳型の正断面図及び平断面図であり、図中９は平面視が長方形である筒状の鋳型である。鋳型９には上下方向に複数のスリット１１，１１，…が開設されており、スリット１１，１１，…で分けられた鋳壁９ａ，９ａ，９ｂ，９ｂには上下方向に冷却管１０，１０，…がそれぞれ埋設してある。
【００３１】
鋳型９内にはその上方から、給湯ノズル８の下端が所定長だけ延設されており、給湯ノズル８の下端付近の鋳型９の周囲には所要巻回数及び所要幅となされた誘導コイル１が鋳型９と同心状に交換自在に取り付けてある。給湯ノズル８から鋳型９内に注入された溶湯１２の湯面上にはパウダが供給されるようになっており、パウダは溶湯１２にて熱せられて溶融パウダ１４となって溶湯１２の酸化を防止する。鋳型９内の溶湯１２は、冷却管１０，１０，…内に冷却水が通流された鋳壁９ａ，９ａ，９ｂ，９ｂにて冷却収縮し、鋳壁９ａ，９ａ，９ｂ，９ｂとの間に隙間が生じる。この隙間内に溶融パウダ１４が入込んで凝固パウダ１５になり、熱伝導性を緩和しつつ溶湯１２の凝固シェル１３の成長を促進すると共に、凝固シェル１３と鋳壁９ａ，９ａ，９ｂ，９ｂとの摩擦力を低減し、鋳片と共に下方へ引き抜かれていく。
【００３２】
また前述した鋳造に際し、図示しない高周波電源から誘導コイル１へ高周波電流を与えて生じる磁場によって、溶湯１２に鋳型の中央に向かうピンチ力を発生させて前記隙間を拡大し、溶融パウダ１４の供給量を増加させることによって鋳込み速度を向上させている。
【００３３】
このような連続鋳造設備の諸元及び鋳造条件は次の通りである。
0003613808.tif 000005
【００３４】
まず、その外径が２０ｍｍ，巻回数が４巻である誘導コイルを取り付けて鋳型を１基運転した。この場合、コンデンサの容量が０．１３３  μＦ  ，トランスの１次巻回数が３０回であり、高周波電源の出力電圧，出力電流が７．５  ｋＶ，３３．４  Ａにて誘導コイルに１５０００  ＡＴの高周波電流を流すことができ、その周波数は２０±０．０２ｋＨｚ  であった。また消費電力は３１３  ｋＷであった。次に、誘導コイルを外径が５ｍｍ，巻回数が１６回のものに交換して４基の鋳型の運転を行った。このときコンデンサ及びトランスの条件を変更することなく、高周波電源の出力電圧，出力電流は１５  ｋＶ  ，６６．６  Ａにて誘導コイルに１５０００  ＡＴの高周波電流を流すことができ、その周波数は２０±０．０２ｋＨｚ  であった。また消費電力は１２５０ｋＷであり、鋳型１基のときの略４倍であった。
【００３５】
これに対し比較例では、その出力電圧，出力電流が７．５  ｋＶ，３３．４  Ａである高周波電源を４基準備し、各高周波電源と４基の鋳型に取り付けた誘導コイルそれぞれとを１対１となるように接続して全鋳型を運転した。このときの消費電力は１２５０ｋＷであり、従来方法の発振効率は本発明方法と同等であったが、高周波電源の配置基数が多いため、設備の建設費は本発明方法を採用した場合に比べて略２倍であった。
【００３６】
図５は誘導炉を示す模式的正断面図であり、図中２１はチャンバである。チャンバ２１の底部近傍には排気管２５及び給気管２４が接続してあり、チャンバ２１内を不活性ガスにて置換するようになっている。チャンバ２１内の略中央には金属円筒状の坩堝２９が配置されており、坩堝２９の上方には溶融材料２７を保持・投入するホッパ２６が坩堝２９と同軸状に設けられている。また坩堝２９の下方にはその上端に所要径の金属母材２２を支持する支持棒２３が昇降自在に配置してあり、金属母材２２の上端が坩堝２９中央の所定位置に達するまでこれを挿入する。
【００３７】
坩堝２９には上下方向に開設したスリットが複数形成されており、その平面断面積の寸法を変更し得るようになしてある。また坩堝２９の壁の内部にはその全周・全長にわたって空間部３０が設けられており、該空間部３０内にはチャンバ２１外から冷却水を流通させ得るようになっている。空間部３０はその幅が坩堝２９の上・下端付近では大きく、その間では小さくなしてあり、幅が小さくなった部分の坩堝２９の周囲には、所要巻回数及び所要幅となされた誘導コイル１が鋳型２９と同心状に交換自在に取り付けてある。誘導コイル１にはチャンバ２１外に設置してある高周波電源（図示せず）から高周波電流が与えられるようになており、誘導コイル１にて前記金属母材２２の上端が溶融されて形成された溶湯プール２８へ前記ホッパ２６から投入された溶融材料２７はここで溶融された後、坩堝２９の下端にて冷却凝固され下方へ引き抜かれる。
【００３８】
このような誘導炉の諸元及び鋳造条件は次の通りである。
0003613808.tif 000006
【００３９】
まず、その断面寸法が１５ｍｍ×１５ｍｍ，巻回数が４回である誘導コイル１を取り付けて坩堝２９を１基運転した。この場合、コンデンサの容量が０．１３３  μＦ  ，トランスの１次巻回数が３０回であり、高周波電源の出力電圧，出力電流が３．７５ｋＶ，１６．７  Ａにて誘導コイルに４０００  ＡＴ  の高周波電流を流すことができ、その周波数は２０±０．０２ｋＨｚ  であった。また消費電力は７８．３ｋＷであった。次に、誘導コイル１を断面寸法が３．７ｍｍ  ×１０ｍｍ，巻回数が１６巻のものに交換して４基の坩堝の運転を行った。このときコンデンサ及びトランスの条件を変更することなく、高周波電源の出力電圧，出力電流が７．５ｋＶ  ，３３．３  Ａにて誘導コイルに４０００±１０ＡＴの高周波電流を流すことができ、その周波数は２０±０．０２ｋＨｚ  であった。また消費電力は３１３  ｋＷであり、坩堝１基のときの略４倍であった。
【００４０】
これに対し比較例では、その出力電圧，出力電流が３．７５ｋＶ，１６．７  Ａである高周波電源を４基準備し、各高周波電源と４基の坩堝２９に取り付けた誘導コイルそれぞれとを１対１となるように接続して全坩堝を運転した。このときの消費電力は３１３  ｋＷであり、従来方法の発振効率は本発明方法と同等であったが、高周波電源の配置基数が多いため、設備の建設費は本発明方法を採用した場合に比べて略２倍であった。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明に係る方法にあっては、容器の平面断面積の変更及び誘導コイルの接続数に応じて誘導コイルの巻回数及び１巻き当たりの導体幅を決定することによって、１基の高周波電源にて複数の誘導コイルを接続することができるため、高周波電源の基数を容器の基数より減じることができ、設備費が減少する。また決定した巻回数及び導体幅に従う誘導コイルを選択するため、インダクタンスを一定とべく行うトランス及びコンデンサの調整量が減少して、タップ数が少ないトランス，及び可変幅が小さいコンデンサを用いることができ設備費が更に減少する等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するための加工設備の回路図である。
【図２】容器の平面断面積を一定とし、接続する誘導コイルの基数の変更に応じて求めた巻回数の誘導コイルに交換した場合における高周波電源の発振特性を示すグラフである。
【図３】連続鋳造設備に備えられた鋳型の正断面図である。
【図４】連続鋳造設備に備えられた鋳型の平断面図である。
【図５】誘導炉を示す模式的正断面図である。
【図６】従来方法を実施するための加工設備の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１    誘導コイル
２    タップ
３    トランス
４    コンデンサ
５    スイッチ
６    高周波電源
８    給湯ノズル
９    鋳型
１０  冷却管
１２  溶湯
１３  凝固シェル
１４  溶融パウダ
１５  凝固パウダ
【図１】
0003613808.tif 000007
【図２】
0003613808.tif 000008
【図３】
0003613808.tif 000009
【図４】
0003613808.tif 000010
【図５】
0003613808.tif 000011
【図６】
0003613808.tif 000012