(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁部にるつぼ軸方向に形成されたスリットを備え、連続的に供給される金属を溶解する溶解帯と溶解した金属を凝固させる冷却帯とからなる水冷式の銅製るつぼと、溶解帯の外周部に金属を電磁誘導作用によって溶解する通電用コイルを有する金属の連続溶解鋳造装置において、るつぼ内の溶融金属がるつぼと接する近傍であってスリットが存在する位置に近接してるつぼ軸方向に配設された磁束密度測定用コイルを有することを特徴とする金属の連続溶解鋳造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の連続溶解鋳造装置を用い、金属をるつぼ内に連続的に供給し、通電用コイルに高周波電流を通じることにより生じる電磁場中で電磁誘導作用により前記金属を溶解させつつ、るつぼの下方では凝固を進行させながら連続的に引き抜く金属の連続溶解鋳造方法であって、前記溶解する際に、磁束密度測定用コイルの磁束密度をあらかじめ定めてある値に制御してるつぼ内の湯面位置を調整することを特徴とする金属の連続溶解鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却式るつぼを使用して金属を誘導加熱し、表面欠陥の存在しない鋳片を製造する金属の連続溶解鋳造装置、およびその装置を用いて行う連続溶解鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属を冷却式るつぼを用いて誘導加熱により溶解し、かつ連続的に鋳造を行う方法として、“コールドクルーシブル”と称される方法がある。この方法は、チタン、ジルコニウム、ハフニウムあるいはこれらの金属の合金など、高融点で反応性に富む金属を溶解し、鋳片（インゴット）を製造する場合などに使用される。
【０００３】
この方法に使用される装置は、スリットが縦方向に設けられた水冷式の銅製るつぼの外周に高周波電流を通じるためのコイル（以下、「通電用コイル」、または単に「コイル」という）を配することにより構成されている。
【０００４】
この装置を用いて鋳片を製造するには、まず、原料である金属を固体状態または溶解して溶融状態でるつぼの上部から投入する。次いで、コイルに高周波電流を通じると、投入された原料はるつぼ内で誘導加熱により溶解しまたは更に加熱されて、溶湯部を形成する。溶湯部をるつぼの底部から引き抜くため徐々に下方へ移動させると、溶湯部は水冷されているるつぼによって冷却され、凝固する。凝固した鋳片はるつぼの底部から下方に連続的に引き出される。
【０００５】
この方法は、金属を連続的に溶解および鋳造することが可能であり、消耗式電極による溶解方法に比べて電極の製造コストが不要であることから、チタンなどの製品を安価にかつ大量に製造するのに適している。さらに、誘導加熱により溶融された溶湯部はるつぼの中心方向に働く電磁気力によりるつぼと非接触状態で保持されるので、るつぼからの汚染がなく、反応性に富む前記のような金属の溶解に適している。
【０００６】
コールドクルーシブルを用いた誘導加熱による金属の溶解では、溶湯と凝固した部分の界面の形状（凝固界面形状または溶湯形状）が鋳片の表面性状、特に引張り応力に起因する鋳片表面割れの発生に大きな影響を与えることが知られている。すなわち、最適な凝固界面形状または溶湯形状が存在する。一方、溶湯保持位置（通電用コイルの位置に対するるつぼ内での溶融金属の位置）は凝固界面形状に大きく影響する。したがって、良好な表面性状を有する鋳片を製造する上で、最適な溶湯保持位置が存在するということができる。
【０００７】
また、誘導加熱による金属の加熱ならびに溶解効率も溶湯保持位置により変化し、最適な溶湯保持位置が存在する。このように、コールドクルーシブルを用いた高周波誘導加熱においては、溶湯保持位置、換言すれば、通電用コイルの位置に対する溶融金属の位置（すなわち、湯面位置）の制御が重要となる。
【０００８】
湯面位置を制御するには、湯面検知センサーが必須である。湯面検知方法としては、従来、鋼の連続鋳造で用いられている、鋳型内の湯面に高周波磁場を印加し、湯面で生じた誘導磁場を検出用のコイルで検知する渦流センサー方式が主流である。しかし、コールドクルーシブルで使用する鋳造装置の場合、誘導加熱のための大きな高周波電磁場が鋳型内に印加されるので、渦流センサーには大きなノイズが発生する。そのため、渦流センサー方式の使用は不可能である。
【０００９】
そこで、コールドクルーシブルでは、従来、溶融金属の湯面形状をるつぼの上方からビデオカメラで監視する方法がとられていた。しかし、この方法では、湯面形状の検出は作業者のビデオによる監視に依存することとなるため、原料の供給は手動とせざるを得ず、自動化することは困難である。また、ビデオカメラによる監視方法では正確な湯面位置の検出は不可能である。
【００１０】
一方、センサーを用いる方法としては、湯面で反射したレーザーを検知するレーザー距離計を用いて湯面までの距離を測定する方法がある。しかし、この方法も、電磁気力により誘起される溶湯内の流動により湯面形状が変動するため、誤差が大きくなる。同様なことが超音波距離計にもいえる。
【００１１】
他に、特開平７−１４６０７７号公報において、鋳型外周のスリット部に設置した磁束密度検出手段で鋳型の半径方向の磁束密度を測定して溶鋼の湯面位置を検知する方法が提案されている。この方法は、原理的には可能であるが、鋳型の外からの検知であり、湯面位置に対する磁束密度の変化率が小さく、精度の良い湯面位置の検知は困難であることが推測される。また、幅１ｍｍ以下のスリット部に設置できるサイズの検知コイルを製作することが必要であり、コイルサイズの誤差による精度の低下も考えられる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、冷却式るつぼを用いて誘導加熱により金属を溶解する際の湯面位置の制御における上記の問題を解決するためになされたもので、通電用コイルの位置に対するるつぼ内での溶融金属の位置（湯面位置）を最適な位置に制御して、表面欠陥のない鋳片を製造するとともに、金属の加熱ならびに溶解効率を増大させることができる金属の連続溶解鋳造装置およびこの装置を用いて行う連続溶解鋳造方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、これまで、るつぼ内の湯面と通電用コイルとの相対位置が凝固界面（溶湯と凝固した部分の界面）の形状、溶湯保持形状、鋳片表面割れの発生状況、溶解効率等に与える影響を調査してきた。その結果、それらの間には最適な関係が存在し、特に、湯面位置、その中でも溶湯保持上端位置（誘導加熱により湯面に作用する電磁気力によって湯面が盛り上げられたその最も高い部分の位置）が通電用コイルの上端に近い場合に、鋳片表面割れが発生せず、加熱および溶解効率が最大になることを確認した。
【００１４】
本発明はこの知見に基づいてなされたもので、その要旨は、下記（１）の金属の連続溶解鋳造装置および（２）のその装置を用いて行う金属の連続溶解鋳造方法にある。
【００１５】
（１）側壁部にるつぼ軸方向に形成されたスリットを備え、連続的に供給される金属を溶解する溶解帯と溶解した金属を凝固させる冷却帯とからなる水冷式の銅製るつぼと、溶解帯の外周部に金属を電磁誘導作用によって溶解する通電用コイルを有する金属の連続溶解鋳造装置において、るつぼ内の溶融金属がるつぼと接する近傍であってスリットが存在する位置に近接してるつぼ軸方向に配設された磁束密度測定用コイルを有することを特徴とする金属の連続溶解鋳造装置。
【００１６】
（２）上記（１）に記載の連続溶解鋳造装置を用い、金属をるつぼ内に連続的に供給し、通電用コイルに高周波電流を通じることにより生じる電磁場中で電磁誘導作用により前記金属を溶解させつつ、るつぼの下方では凝固を進行させながら連続的に引き抜く金属の連続溶解鋳造方法であって、前記溶解する際に、磁束密度測定用コイルの磁束密度をあらかじめ定めてある値に制御してるつぼ内の湯面位置を調整することを特徴とする金属の連続溶解鋳造方法。
【００１７】
ここで、「連続的に供給される金属」とは、固体金属に限らず、それを溶解して溶融状態とした金属（溶融金属）であってもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明（上記（１）および（２）の発明）を図面を用いて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、上記（１）の発明の金属の連続溶解鋳造装置（以下、「本発明の装置」ともいう）の一例の構成を示す図で、（ａ）は要部の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図である。
【００２０】
図１に示すように、水冷式の銅製のるつぼ（以下、単に「るつぼ」という）１の上部には、原料である金属２の供給装置３が備え付けられ、この原料供給装置３を介して金属２は連続的にるつぼ１内に供給される。このるつぼ１は、側壁部にるつぼ軸方向に形成されたスリット４を備え、連続的にるつぼ１内に供給される金属２を溶解する溶解帯と、その下方部にあって、溶解した金属を凝固させる冷却帯とからなっている。溶解帯、冷却帯のいずれも水冷されている。なお、スリット４はるつぼの全周にわたって複数本（この例では、８本（図１（ｂ）参照））設けられている。
【００２１】
るつぼ１の外周部で、スリット４が設けられている溶解帯には高周波電流通電用のコイル５が巻かれており、高周波電源（図示せず）に接続されている。この通電用コイル５に高周波電流を流すことにより、スリット４の存在している部分を介してるつぼ内の金属２に高周波電磁場が印加される。一般的には、通電される高周波電流の周波数は誘導加熱の効果が得られる１ｋＨｚから５００ｋＨｚまでである。これ以上の周波数になると、コイル５の端子の電圧が高圧となり、さらに、るつぼ１のスリット４間での電圧も高くなり、スパークが発生する可能性があるからである。
【００２２】
本発明の装置においては、さらに、るつぼ１内の所定の位置に湯面位置を調節するための磁束密度測定用コイル８が配置されている。
【００２３】
この連続溶解鋳造装置は、雰囲気調整ができるガスの給排気系が備わったチャンバー７内に設置されている。
【００２４】
図２はるつぼ１の一部の斜視図である。図示するように、るつぼ内壁のスリット４が存在する位置に近接して、湯面位置を調節するための磁束密度測定用コイル８が配置されている。この磁束密度測定用コイル８は螺旋状に巻かれた形状を有しており、その軸方向がるつぼ１の軸方向と平行になるように保持されている。
【００２５】
磁束密度測定用コイル８の設置高さは、電磁気力により盛り上げられたるつぼ内の溶融金属がるつぼと接する部分の近傍とする。できるだけ近づけるのがよいが、溶湯形状の変動により磁束密度測定用コイル８が溶湯と接触したり、溶湯の輻射熱により高温にさらされるのを避けるために、磁束密度測定用コイル８の先端が溶湯部（湯面）から２０ｍｍ以上離れた位置にくるように設置するのが好ましい。なお、通常は、溶湯保持上端位置が通電用コイルの上端と同じ位置になるように調整するので、図１または後述する図３に示すように、磁束密度測定用コイル８の先端を通電用コイルの上端に合わせる。
【００２６】
磁束密度測定用コイル８をスリット４が存在する位置（以下、単に「スリット位置」という）に接近させるのは、後述するように、スリット位置での磁束密度はるつぼ内で最も大きいので、その位置に接近させるほど検知精度が向上するからである。また、磁束密度測定用コイル８をるつぼ１の軸方向と平行になるように配置するのは、るつぼ内の磁束はるつぼの軸方向成分が主となるからである。
【００２７】
なお、この磁束密度測定用のコイル８は高温に保持される溶湯部にかなり近接して配置されるため、実際には、後述する図４に例示するように、耐火物製の保護ボックスの中に収納された状態で使用される。
【００２８】
本発明の装置は上記の構成を有しており、この装置を用い、以下に述べる方法によってるつぼ内の湯面位置を最適な位置に調整することにより、表面欠陥のない鋳片を製造することができる。
【００２９】
前記（２）の発明は、上記本発明の装置を用いて行う金属の連続溶解鋳造方法（以下、「本発明方法」ともいう）である。
【００３０】
はじめに、磁束密度測定用コイルを、上述したようにるつぼ１内の溶湯がるつぼ１と接する部分の近傍で、スリット４位置に接近させて配することにより湯面位置を検知できる原理を説明する。
【００３１】
るつぼ内での溶湯の位置が変化すると、るつぼおよび溶湯を含めた系のインダクタンスが変化するため、るつぼ内での電磁場の状態が変化し、るつぼ内での磁束密度の分布が変化する。また、一般に高い周波数の電流により生じる電磁場は電気伝導性の高い金属の中には浸透しにくいので、電磁気力により盛り上げられた溶湯の湯面近傍では、その狭い領域に磁束密度が集中し、磁束密度がるつぼ内で最も大きくなる。さらに、通電用コイルに対する溶湯の湯面位置が変化すると電磁気力の印加状態も変化するため、盛り上げられる溶湯の保持形状、特にるつぼとの接触角が変化する。それによってるつぼと溶湯の隙間が変化するため磁束密度の集中度合いが変化し、るつぼの内壁部の磁束密度は大きく変化することになる。
【００３２】
この現象はスリットの存在部において顕著であるため、スリット位置での磁束密度を測定することにより、溶湯の位置の変化を検知することができる。スリット位置での磁束密度はるつぼ内で最も大きいので、検知精度はかなり向上する。また、るつぼ内であるため、かなり大きめの検知コイルを設置することが可能である。コイル径が大きい方が、より大きな磁束密度および磁束密度の変化を検知できるので有利である。
【００３３】
上記のように検知される磁束密度を、後述するように、あらかじめ定めてある所定の値に制御することにより、溶融金属の湯面を所定の位置に調整することができる。その結果、表面欠陥のない鋳片を製造することができるとともに、金属の加熱効率および溶解効率を増大させることができる。
【００３４】
図３は、本発明方法を実施する際に用いる制御系の一例を示す図である。
【００３５】
図３に示すように、螺旋状に巻かれた磁束密度測定用のコイル８を、るつぼ１内の、目標とする湯面位置の数１０ｍｍ上であって、スリット位置に磁束密度測定用コイル８の中心が合致するように、かつ、るつぼ軸方向に、しかもできるだけスリット位置に接近させて配置する。なお、この磁束密度測定用コイル８の径は、るつぼ１の上方からの原料である金属の供給の妨げにならず、かつ挿入が可能なサイズにする必要があるため、るつぼ１の半径より小さくする。
【００３６】
磁束密度測定用コイル８に誘起された交流電圧は整流器９で直流電圧に変換され、さらに、コイル５に流れる高周波電流の周波数や、コイル電圧、コイル電流、電源の出力電圧などの信号を取り込んで演算回路１０により磁束密度に換算される。この磁束密度の値が、あらかじめ定めてある所定の値になるように制御回路１１で原料の供給速度を設定してやれば、湯面位置を最適な位置に調整することができる。なお、あらかじめ定めてある所定の値は、実際に原料をるつぼで溶解し、溶解および鋳造に適した湯面位置になるように磁束密度測定用コイルを配置し、そのときの磁束密度の値として把握しておけばよい。
【００３７】
溶解および鋳造条件によっては、コイル５に通電する高周波電流の大きさを変更する場合があるが、そのときは、演算回路１０において、磁束密度測定用コイル８で得られる磁束密度の値をコイル電流値で除する操作をすればよい。るつぼ１内の磁束密度の大きさはコイル５電流に比例するからである。
【００３８】
以上述べたように、磁束密度測定用コイル８で得られる磁束密度の値を所定の磁束密度の値に制御することにより、溶湯６のレベルを最適レベルに調整することができる。
【００３９】
なお、この磁束密度測定用のコイル８は高温に保持される溶湯６にかなり近接して配置されるため、温度上昇を抑制する必要がある。したがって、本発明方法を実際に適用する場合には、例えば、図４に一例として示すように、磁束密度測定用のコイル８を非電気伝導性で耐火物製の保護ボックス１２の中に収納して配置するのが好ましい。さらには、冷却のため、例えばＡｒガスやＮ2 ガス等のような冷却ガスを保護ボックス１２内に供給できる構造になっていることが望ましい。
【００４０】
本発明方法は、上述したように、本発明の装置を組み込んだ上記図３に例示した制御系により実施することができる。すなわち、るつぼ１内に投入された原料（金属２）は、溶解帯で誘導加熱により溶解して湯面位置が最適な位置に調整され、この溶湯６をるつぼの底部から引き抜くため徐々に下方の冷却帯へ移動させると、溶湯部は冷却されて凝固するので、凝固した鋳片をるつぼの底部から下方へ引き出すことにより金属の溶解および鋳造を連続的に行うことができる。
【００４１】
その結果、表面欠陥のない鋳片を製造することができ、また、金属の加熱および溶解効率を増大させることができる。
【００４２】
【実施例】
図１に示した構成を有する本発明の装置を用いて、チタンを溶解し連続鋳造した例を示す。
【００４３】
実験条件を表１に示す。なお、磁束密度測定用コイルは耐熱性のシリカ質耐火物で作った保護ボックスの中に配置した。溶湯を保持する位置は、溶解効率が最も高く、鋳片の表面に欠陥の存在しない条件である通電用コイルの上端に溶湯の上端がくるように設定した。そのときのるつぼ軸方向の磁束密度の値は３００ｇａｕｓｓとした。
【００４４】
磁束密度測定用コイルにより得られた磁束密度の大きさがあらかじめ定めた所定の値になるように原料の供給速度を制御しつつ、原料の供給および鋳片の引き抜きを連続的に実施した。鋳片の引き抜き速度は２０ｍｍ／ｍｉｎとした。なお、チャンバー内はＡｒガスにより置換し、通電用コイルに流す高周波電流は、周波数を２５ｋＨｚ、大きさを１５００Ａとした。
【００４５】
鋳片の引き抜きを４０分間実施し、直径１００ｍｍ、長さ８００ｍｍの鋳片（インゴット）を製造した。得られた鋳片の表面は、横ひび割れのような割れは見られず、なめらかな表面であった。鋳片の表面粗さは、周方向の２カ所を全長にわたって測定したところ、平均１００μｍと良好であった。
【００４６】
【表１】
0003728872.tif 000002
【００４７】
【発明の効果】
本発明方法によれば、通電用コイルに対するるつぼ内での溶融金属の位置（すなわち、湯面位置）を最適な位置に制御し、横ひび割れのような表面欠陥のない良好な表面性状を有する鋳片を製造することができ、さらに、金属の加熱効率および溶解効率を増大させることができる。この方法は、本発明の装置を用いれば容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の連続溶解鋳造装置の一例の構成す示す図で、（ａ）は要部の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図である。
【図２】本発明の連続溶解鋳造装置の構成要素であるるつぼの一部の斜視図である。
【図３】本発明方法を実施する際に用いる制御系の一例を示す図である。
【図４】本発明の磁束密度測定用コイルの一例を示す図である。
【符号の簡単な説明】
１：るつぼ
２：金属
３：原料供給装置
４：スリット
５：通電用コイル
６：溶湯
７：チャンバー
８：磁束密度測定用コイル
９：整流器
１０：演算回路
１１：制御回路
１２：保護ボックス
【図１】
0003728872.tif 000003
【図２】
0003728872.tif 000004
【図３】
0003728872.tif 000005
【図４】
0003728872.tif 000006