(57)【要約】【課題】坩堝内の金属材料の溶解後に改めて出湯口を加熱することなく、坩堝内の金属材料の溶湯を出湯口から外部へ吐出することができる金属材料の溶解方法を提供する。【解決手段】次の各ステップからなる金属材料Ｍの溶解方法。金属材料Ｍを収容する坩堝２の出湯口２ｃを予熱封止部材３によって封止した状態で坩堝２の周囲に配された誘導加熱コイルに高周波電流を流し、誘導加熱によって金属材料Ｍを溶融させると共に予熱封止部材３を加熱して出湯口２ｃを金属材料Ｍの融点以上の温度に予熱する第１のステップ。出湯口２ｃから予熱封止部材３を抜き取って坩堝２内の金属材料Ｍの溶湯ｍを出湯口２ｃから外部に吐出する第２のステップ。【選択図】図３
2015017298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料を収容する坩堝の出湯口を予熱封止部材によって封止した状態で前記坩堝の周囲に配された誘導加熱コイルに高周波電流を流し、誘導加熱によって前記金属材料を溶融させると共に前記予熱封止部材を加熱して前記出湯口を前記金属材料の融点以上の温度に予熱する第１のステップ、
前記出湯口から前記予熱封止部材を抜き取って前記坩堝内の前記金属材料の溶湯を前記出湯口から外部に吐出する第２のステップ、
からなる金属材料の溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料の溶解方法に係り、例えば誘導加熱によって金属材料を溶解する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から坩堝の外周に配した誘導コイルに交流電流を流すことで坩堝内の金属材料を誘導加熱により溶解させる誘導加熱装置が用いられている。例えば坩堝の底部に連通するノズルを設け、該ノズルの外周部に高周波誘導加熱コイルを配した溶解装置が知られている（下記特許文献１を参照）。
【０００３】
一般に誘導加熱装置の容量は初期投資の削減等を目的として最小容量に設定されるため、誘導加熱の初期段階では坩堝内の溶湯量は少量であり、坩堝の底部に設けられた出湯口周辺の温度は十分に上昇しないことがある。少量の溶湯が低温の出湯口に到達すると温度が低下して凝固し、凝固した金属材料によって出湯口が閉塞される虞がある。一旦、出湯口内で凝固した金属材料は、坩堝内の溶湯から供給される熱量では容易には溶融せず、坩堝内の溶湯を出湯口から吐出することが困難になる虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−２０７９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の溶解装置では、予め出湯口となるノズルを金属栓によって封止した状態で坩堝の外周部に備えた高周波誘導加熱コイルに電力を印加することで坩堝内の金属材料を溶解した後に、ノズルの外周部に装備した高周波誘導加熱コイルに電力を印加してノズル内の金属栓を溶融、落下させてノズルを開孔する。したがって、特許文献１の溶解装置によれば、ノズルを閉塞する金属栓を溶融させ、坩堝内の溶湯をノズルから外部に吐出することができる。
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１の溶解装置は、坩堝内の金属材料の溶解後にノズル内の金属栓を溶融させるために、坩堝用の誘導加熱コイルとは別にノズル用の誘導加熱コイルを設ける必要がある。また、坩堝内の金属材料の溶湯を吐出する際には金属材料の溶解後に改めてノズル内の金属栓を加熱する必要がある。
【０００７】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、坩堝内の金属材料の溶解後に改めて出湯口を加熱することなく、坩堝内の金属材料の溶湯を出湯口から外部へ吐出することができる金属材料の溶解方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成すべく、本発明の金属材料の溶解方法は、金属材料を収容する坩堝の出湯口を予熱封止部材によって封止した状態で前記坩堝の周囲に配された誘導加熱コイルに高周波電流を流し、誘導加熱によって前記金属材料を溶融させると共に前記予熱封止部材を加熱して前記出湯口を前記金属材料の融点以上の温度に予熱する第１のステップ、前記出湯口から前記予熱封止部材を抜き取って前記坩堝内の前記金属材料の溶湯を前記出湯口から外部に吐出する第２のステップからなる。
【０００９】
第１のステップで坩堝に収容する金属材料は、誘導加熱による溶解が可能な金属あれば特に限定されないが、例えば鉄若しくは鋼等の鉄鋼材料又はアルミニウム若しくはチタン等の非鉄金属材料が適している。坩堝の材料としては、例えばタングステン若しくはモリブデン等の高融点材料又はカーボン若しくはグラファイト等の耐熱性材料を用いることができる。坩堝の形状は特に限定されないが、例えば円筒形状にすることができる。坩堝の出湯口は坩堝の底部又は側部の好ましくは下方側に設けることができ、貫通孔、ノズル又は配管及び継手等を構成要素として含んでもよい。
【００１０】
出湯口を封止する予熱封止部材の材料としては、誘導加熱によって加熱することが可能でかつ坩堝内で溶融させる金属材料の融点よりも融点が高い材料、例えばタングステン又はモリブデン等の高融点材料を用いることができる。予熱封止部材の形状及び寸法は、出湯口に嵌入可能でかつ出湯口を封止して坩堝内の溶湯の漏れを防止できる形状及び寸法に規定される。予熱封止部材の寸法は、例えば誘導加熱による熱膨張を考慮して出湯口から抜き取り可能な寸法に規定される。予熱封止部材は、例えば適宜の駆動装置によって出湯口に対して前進又は後退することで出湯口に嵌入され、又は出湯口から抜き取られるように構成される。
【００１１】
誘導加熱コイルは、例えば高周波電源等に接続されて高周波電流が流されることで坩堝又は坩堝内の金属材料に渦電流を発生させて坩堝又は金属材料を誘導加熱によって加熱すると共に坩堝内の金属材料の溶湯を電磁力によって撹拌する。また、誘導加熱コイルは、坩堝内の金属材料の誘導加熱に先立って又は坩堝内の金属材料の誘導加熱と同時に、出湯口に嵌入された予熱封止部材を誘導加熱によって加熱する。
【００１２】
金属材料を溶解する第１のステップでは、まず坩堝の出湯口に、例えば前記の駆動装置によって予熱封止部材を嵌入し、予め出湯口を封止しておく。次に坩堝内に金属材料を投入して誘導加熱コイルに高周波電流を流すことで金属材料を誘導加熱により溶融させる。坩堝に投入した金属材料を溶融させる際には同時に予熱封止部材を誘導加熱により加熱する。予熱封止部材は、金属材料の投入に先立って予め誘導加熱により加熱しておいてもよい。
【００１３】
坩堝の出湯口を予熱封止部材によって封止することで、金属材料の誘導加熱の初期段階における少量の溶湯が出湯口内に流入して凝固することが防止され、凝固した金属材料により出湯口が閉塞されることが防止される。また、坩堝内に溶湯を貯留してその体積を増加させることで出湯口及びその近傍に対して溶湯から熱を供給し、出湯口及びその近傍の温度を上昇させることができる。また、出湯口は予熱封止部材によって加熱されて金属材料の融点以上の温度に予熱される。
【００１４】
金属材料を溶解する第２のステップでは、例えば前記駆動装置によって坩堝の出湯口から予熱封止部材を抜き取って坩堝内の溶湯を出湯口から外部に供給する。ここで、出湯口が予熱封止部材によって坩堝に投入される金属材料の融点以上の温度に予熱されていることから、坩堝内の溶湯が出湯口を通過する際の溶湯の温度低下及び凝固が防止され、出湯口が凝固した金属材料によって閉塞されることが防止される。これにより、坩堝内の金属材料の溶湯を出湯口から従来よりも迅速かつ安定的に吐出することが可能になる。
【００１５】
また、坩堝内の金属材料の溶湯を出湯口から吐出する際には出湯口から予熱封止部材を抜き取るだけでよいので、坩堝内の金属材料が溶解した後に改めて出湯口を加熱することなく、坩堝内の溶湯を出湯口から外部へ吐出することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上の説明から理解できるように、本発明の金属材料の溶解方法によれば、金属材料を収容する坩堝の出湯口を予熱封止部材によって封止した状態で、坩堝の周囲に配された誘導加熱コイルに高周波電流を流して誘導加熱により金属材料を溶融させると共に予熱封止部材を加熱して出湯口を金属材料の融点以上の温度に予熱する。したがって、出湯口から予熱封止部材を抜き取って坩堝内の金属材料の溶湯を出湯口から外部に吐出することで、坩堝内の金属材料が溶解した後に改めて出湯口を加熱することなく、坩堝内の溶湯を出湯口から従来よりも迅速かつ安定的に外部へ吐出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の金属の溶解方法に用いる溶解装置の実施の形態を示した模式断面図である。
【図２】図１に示す溶解装置が金属材料を溶解させた状態を示した模式断面図である。
【図３】図１に示す溶解装置の出湯口近傍を拡大した模式断面図であり、（ａ）は金属材料投入後の状態を示す図であり、（ｂ）は誘導加熱の初期段階の状態を示した図であり、（ｃ）は金属材料の溶解時の状態を示した図である。
【図４】従来の溶解装置の出湯口近傍を拡大した模式断面図であり、（ａ）は金属材料投入後の状態を示した図であり、（ｂ）は誘導加熱の初期段階の状態を示した図であり、（ｃ）は金属材料の溶解時の状態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の金属材料の溶解方法を説明する。
【００１９】
（溶解装置）
まず、本発明の金属材料の溶解方法に用いる溶解装置の実施の形態の一例を説明する。図１は、本実施の形態の溶解装置を示す模式断面図であり、図２は、図１に示す溶解装置が金属材料を溶解させた状態を示す模式断面図である。
【００２０】
本実施の形態の溶解装置１は、金属材料を収容する坩堝２と、坩堝２の出湯口２ｃに嵌入される予熱封止部材３と、予熱封止部材３を駆動する駆動部４と、坩堝２の周囲に配された誘導加熱コイル５とを備えている。
【００２１】
坩堝２は、例えば上部に開口部２ａを有する有底円筒形状に形成され、開口部２ａを蓋体２ｂによって封止可能に構成されている。坩堝２及び蓋体２ｂは、例えばタングステン若しくはモリブデン等の高融点材料又はカーボン若しくはグラファイト等の耐熱性材料を用いて製作することができる。坩堝２の底には、坩堝２内の溶湯ｍを外部に供給するための出湯口２ｃが設けられている。
【００２２】
予熱封止部材３は、坩堝２の出湯口２ｃに嵌入可能でかつ出湯口２ｃを封止して坩堝２内の溶湯ｍの漏れを防止できる形状及び寸法に規定される。また、予熱封止部材３の寸法は、熱膨張を考慮して出湯口２ｃから抜き取り可能な寸法に規定される。予熱封止部材３は、例えばタングステン又はモリブデン等の高融点材料により製作することができる。
【００２３】
駆動部４は、予熱封止部材３を坩堝２の出湯口２ｃに対して前進させることで予熱封止部材３を出湯口２ｃに嵌入して出湯口２ｃを封止する。また、駆動部４は、予熱封止部材３を坩堝２の出湯口２ｃに対して後退させて出湯口２ｃから抜き取ることで、出湯口２ｃを開口させる。駆動部４は、例えばアクチュエータ、進退機構及び制御部等を備え、制御部からの指令により所定のタイミングでアクチュエータを作動させることで、進退機構が予熱封止部材３を坩堝２の出湯口２ｃに対して前進及び後退させる。駆動部４の機構は、予熱封止部材３の嵌入及び抜き取りが可能であれば特に限定されず、例えばモータ及び適宜の動力伝達機構等を用いてもよい。
【００２４】
誘導加熱コイル５は、不図示の高周波電源に接続されて高周波電流が流されることで、坩堝２又は坩堝２内の金属材料に渦電流を発生させて発熱させる誘導加熱によってこれらを加熱し、坩堝２内の金属材料を溶融させると共に溶湯ｍを電磁力によって撹拌する。また、誘導加熱コイル５は、坩堝２内の金属材料の溶融に先立って又は坩堝内の金属材料の溶融と同時に、坩堝２の出湯口２ｃを封止する予熱封止部材３を誘導加熱によって加熱する。誘導加熱コイル５は、例えば銅チューブによって製作し、冷却水を流通させて水冷することができる。
【００２５】
（金属の溶解方法）
次に、前述の溶解装置１を用いた本発明の金属の溶解方法の実施の形態の一例について説明する。図３は、溶解装置１の坩堝２の出湯口２ｃ近傍の拡大断面図であり、（ａ）は坩堝２への金属材料Ｍの投入後の状態を示し、（ｂ）は金属材料Ｍの誘導加熱の初期段階の状態を示し、（ｃ）は金属材料Ｍの溶湯ｍを外部に供給している状態を示している。
【００２６】
本実施形態の金属の溶解方法では、まず、図１に示す駆動部４を作動させ、予熱封止部材３を坩堝２の出湯口２ｃに向けて前進させ、予熱封止部材３を出湯口２ｃに嵌入して出湯口２ｃを封止する。出湯口２ｃを封止した後、坩堝２内に溶解させる金属材料Ｍを投入する。
【００２７】
ここで金属材料Ｍとしては、誘導加熱による溶解が可能な金属あれば特に限定されないが、例えば鉄若しくは鋼等の鉄鋼材料又はアルミニウム若しくはチタン等の非鉄金属材料を用いることができる。
【００２８】
なお、予熱封止部材３による出湯口２ｃの封止は、坩堝２内への金属材料Ｍの投入に先立って行ってもよいし、金属材料Ｍの投入後、金属材料Ｍを溶融させる前に行ってもよい。
【００２９】
＜第１のステップ＞
第１のステップでは、図３（ａ）に示すように、金属材料Ｍを収容する坩堝２の出湯口２ｃを予熱封止部材３によって封止した状態で、坩堝２の周囲に配された誘導加熱コイル５に高周波電源によって高周波電流を流す。これにより誘導加熱コイル５を貫く磁界が発生し、金属材料Ｍ及び予熱封止部材３に渦電流が流れることでこれらが発熱すると共に、材質によっては坩堝２も同様に発熱する。この誘導加熱により金属材料Ｍを溶融させると共に予熱封止部材３を加熱して出湯口２ｃを予熱する。予熱封止部材３が発する熱Ｈにより、出湯口２ｃ及びその近傍の温度は、例えば金属材料Ｍの融点以上の温度に予熱される。
【００３０】
なお、坩堝２内への金属材料Ｍの投入に先立って出湯口２ｃを予熱封止部材３により封止する場合には、金属材料Ｍの投入前に誘導加熱により予熱封止部材３を加熱して出湯口２ｃを予熱しておいてもよい。
【００３１】
図３（ｂ）に示すように、金属材料Ｍの誘導加熱の初期段階で生じた少量の溶湯ｍは、坩堝２の底部に設けられた出湯口２ｃの近傍に到達する。しかし、坩堝２の出湯口２ｃは予熱封止部材３によって封止されているので、溶湯ｍが出湯口２ｃ内に流入して凝固することが防止され、凝固した金属材料により出湯口２ｃが閉塞されることが防止される。また、金属材料Ｍの誘導加熱の初期段階で生じた少量の溶湯ｍが外部に流出せず、坩堝２内に貯留されることで、坩堝２内の溶湯ｍの体積が増加していく。これにより、出湯口２ｃ及びその近傍に対して溶湯ｍから熱ｈを供給し、出湯口２ｃ及びその近傍の温度を上昇させることができる。
【００３２】
また、予熱封止部材３によって出湯口２ｃ及びその近傍を金属材料Ｍの融点以上の温度に予熱することで、誘導加熱の初期段階で出湯口２ｃの近傍に到達した少量の溶湯ｍの温度を上昇させることができる。また、出湯口２ｃの近傍の溶湯ｍを予熱封止部材３が発する熱Ｈにより加熱することも可能になる。したがって、出湯口２ｃを予熱封止部材３によって封止した状態で金属材料Ｍの誘導加熱を行うことで、誘導加熱の初期段階で生じた少量の溶湯ｍが出湯口２ｃ及びその近傍で凝固するのを防止することができる。
【００３３】
以上のように出湯口２ｃ及びその近傍における溶湯ｍの凝固が防止された状態で坩堝２内の金属材料Ｍの溶融が進行し、図２に示すように坩堝２内の金属材料Ｍが全て溶解して溶湯ｍとなる。
【００３４】
＜第２のステップ＞
第２のステップでは、坩堝２の出湯口２ｃから予熱封止部材３を抜き取って坩堝２内の金属材料Ｍの溶湯ｍを出湯口２ｃから吐出して外部に供給する。具体的には、図２に示すように、予熱封止部材３が出湯口２ｃに嵌入された状態から駆動部４を作動させ、予熱封止部材３を坩堝２の出湯口２ｃから遠ざかるように後退させることで、予熱封止部材３を出湯口２ｃから抜き取って出湯口２ｃを開口させる。これにより、図３（ｃ）に示すように、坩堝２内の金属材料Ｍの溶湯ｍが出湯口２ｃから吐出され、外部に供給される。
【００３５】
ここで、坩堝２の出湯口２ｃ及びその近傍が予熱封止部材３によって金属材料Ｍの融点以上の温度に予熱されていることから、坩堝２内の溶湯ｍが出湯口２ｃを通過する際の温度低下及び凝固が防止され、出湯口２ｃが凝固した金属材料によって閉塞されることが防止される。これにより、坩堝２内の金属材料Ｍの溶湯ｍを出湯口２ｃから従来よりも迅速かつ安定的に吐出することが可能になる。
【００３６】
また、坩堝２内の溶湯ｍを出湯口２ｃから吐出する際には、出湯口２ｃから予熱封止部材３を抜き取るだけでよい。したがって、坩堝２内の金属材料Ｍが溶解した後に改めて出湯口２ｃを加熱することなく、坩堝２内の溶湯ｍを出湯口２ｃから外部へ吐出することができる。
【００３７】
ここで、本実施の形態の溶解装置１及び金属の溶解方法との比較のために、従来の溶解装置１００及び金属の溶解方法について説明する。図４は、従来の溶解装置の坩堝１０２の出湯口１０２ｃ近傍の拡大断面図であり、（ａ）は坩堝１０２への金属材料Ｍの投入後の状態を示し、（ｂ）は金属材料Ｍの誘導加熱の初期段階の状態を示し、（ｃ）は坩堝１０２内の金属材料Ｍが溶解した状態を示している。図４に示す溶解装置は、予熱封止部材３及び駆動部４を有さない点以外は、図１に示す本実施形態の溶解装置１と同様の構成を有している。
【００３８】
図４（ａ）に示すように、金属材料Ｍを収容する坩堝１０２の出湯口１０２ｃを解放した状態で、坩堝１０２の周囲に配された誘導加熱コイルに高周波電源によって高周波電流を流す。これにより金属材料Ｍは誘導加熱されて溶融するが、坩堝１０２の出湯口１０２ｃ及びその周辺の温度が金属材料Ｍの融点よりも低い場合がある。この場合、図４（ｂ）に示すように誘導加熱の初期段階で生じた少量の溶湯ｍは、出湯口１０２ｃ及びその近傍に到達することで温度が低下し、出湯口１０２ｃ及びその近傍で凝固する虞がある。
【００３９】
一旦、出湯口１０２ｃ内で凝固した金属材料Ｍ１は、図４（ｃ）に示すように坩堝１０２内の金属材料Ｍが全て溶解した後でも、溶湯ｍから供給される熱ｈでは容易には溶融せず、坩堝１０２内の溶湯ｍを出湯口１０２ｃから吐出することが困難になる虞がある。また、出湯口１０２ｃにノズルを設け、ノズル内で凝固した金属材料Ｍ１をノズルの外周部に装備した誘導加熱コイルに電力を印加することで溶融させることも考えられるが、新たにノズルやノズル用の誘導加熱コイルを設けることが必要になる。また、坩堝１０２内の金属材料Ｍが溶解した後に改めて出湯口１０２ｃ内の金属材料Ｍ１を加熱する必要がある。
【００４０】
一方、本実施の形態の金属材料の溶解方法によれば、前述のように金属材料Ｍを収容する坩堝２の出湯口２ｃを予熱封止部材３によって封止した状態で、坩堝２の周囲に配された誘導加熱コイル５に高周波電流を流して誘導加熱により金属材料Ｍを溶融させると共に予熱封止部材３を加熱して出湯口２ｃを金属材料Ｍの融点以上の温度に予熱する。したがって、誘導加熱における電力容量を最小化した場合であっても、出湯口２ｃから予熱封止部材３を抜き取るだけで、坩堝２内の金属材料Ｍが溶解した後に改めて出湯口２ｃを加熱することなく、坩堝２内の溶湯ｍを出湯口２ｃから従来よりも迅速かつ安定的に外部へ吐出することができる。
【００４１】
以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４２】
２…坩堝、２ｃ…出湯口、３…予熱封止部材、５…誘導加熱コイル、Ｍ…金属材料、ｍ…溶湯
【図１】
2015017298.tif 000003
【図２】
2015017298.tif 000004
【図３】
2015017298.tif 000005
【図４】
2015017298.tif 000006