(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉であって、
順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
前記電力変換部の出力力率を検出する力率検出部と、
前記第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部と
を備え、
前記制御信号生成部は、前記第１および第２スイッチング素子に対する制御信号として、
被溶解材を溶解させる第１段階において、前記力率検出部を介して検出される出力力率が１となる周波数の制御信号を生成し、
溶解した被溶解材に成分調整材を添加する第２段階において、該成分調整材を被溶解材に溶け込ませるのに適した周波数の制御信号として、撹拌による被溶解材の液面の高さの変化が所定の大きさとなる周波数の制御信号を生成し、
成分調整材が被溶解材に溶け込んだ後の第３段階において、前記力率検出部を介して検出される出力力率が１となる周波数の制御信号を生成することを特徴とする誘導溶解炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の誘導溶解炉としては、下記特許文献１および２に示すように、順変換器と逆変換器とが並列共振型回路（電流型回路）を構成する電力変換部と、電力変換部の出力力率を検出し、検出された力率から電力変換部の周波数を制御することにより出力力率を所望の値に制御する制御装置が知られている。
【０００３】
さらに、下記特許文献３に示すように、真空浮揚溶解装置において、真空容器内の銅るつぼに収容された溶解材料が完全に溶解した後、誘導コイルの運転周波数を予め設定された周波数に低下させて、溶湯への撹拌力を増大させることにより、不純物除去のための脱ガス処理を行う真空浮揚溶解装置が知られている（特許文献１段落[００３０]）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−８４７８９号公報
【特許文献２】特開昭６０−１８０４７８号公報
【特許文献３】特開２０００−７４５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の誘導溶解炉の制御装置では、電力変換部が並列共振型回路（電流型回路）では、この特性上、負荷共振周波数で運転されるため、発振周波数を任意に変更することは困難である。
【０００６】
そのため、溶解作業中に溶湯に成分調整材である微量の黒鉛、シリコン、マンガン等を添加すると、負荷共振周波数による溶湯の撹拌力では、成分調整材が溶湯に溶け込む前に、溶湯が過昇温状態となり成分調整剤の一部が未溶融で残ったり、溶湯成分が不均一になるなどの問題がある。
【０００７】
これに対して、引用文献３に示すように、発振周波数を低下させて溶湯の撹拌力を増大させることも考えられるが、（引用文献３では発振周波数を低下させる具体的構成は不明であり）並列共振型回路では上述のように発振周波数を変更すること自体困難である。
【０００８】
以上の事情に鑑みて、本発明は、溶解作業中に溶湯の過昇温を抑止し成分調整材を十分に溶け込ませることができる誘導溶解炉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】
【０００９】
上記目的を達成するために、第１発明の誘導溶解炉は、
炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉であって、
順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
前記電力変換部の出力力率を検出する力率検出部と、
前記第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部と
を備え、
前記制御信号生成部は、前記第１および第２スイッチング素子に対する制御信号として、
被溶解材を溶解させる第１段階において、前記力率検出部を介して検出される出力力率が１となる周波数の制御信号を生成し、
溶解した被溶解材に成分調整材を添加する第２段階において、該成分調整材を被溶解材に溶け込ませるのに適した周波数の制御信号として、撹拌による被溶解材の液面の高さの変化が所定の大きさとなる周波数の制御信号を生成し、
成分調整材が被溶解材に溶け込んだ後の第３段階において、前記力率検出部を介して検出される出力力率が１となる周波数の制御信号を生成することを特徴とする。
【００１０】
第１発明の誘導溶解炉によれば、制御信号生成部により、逆変換器の第１および第２スイッチング素子の制御信号を負荷共振周波数に拘らず任意の周波数にすることができる。
【００１１】
そのため、制御信号生成部により、被溶解材を溶解させる第１段階においては、力率検出部を介して検出される出力力率が１となるように、第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を生成することで、高力率で被溶解材を溶解させることができる。
【００１２】
また、溶解した被溶解材に成分調整材を添加する第２段階においては、成分調整材を被溶解材に溶け込ませるのに適した周波数の制御信号を生成することで、成分調整材が溶湯に溶け込む前に溶湯が過昇温状態となることを防止することができる。
【００１３】
さらに、成分調整材が被溶解材に溶け込んだ後の第３段階においては、力率検出部を介して検出される出力力率が１となる周波数の制御信号を生成することで、成分調整材の溶け込み後もその状態が継続されることによる炉壁の磨耗を抑制することができ、高力率で被溶解材を溶解させることができる。
【００１４】
このように第1発明の誘導溶解炉によれば、溶解作業中に溶湯に成分調整材を十分に溶け込ませることができる。
【００１６】
また、第１発明の誘導溶解炉によれば、溶湯内の撹拌力を直接計測することができないため、撹拌による被溶解材の液面の高さの変化を基準とすることで、任意の周波数にすることができる第１および第２スイッチング素子の制御信号を、成分調整材の溶解に適した撹拌周波数にすることができる。これにより、成分調整材が溶湯に溶け込む前に溶湯が過昇温状態となり、成分調整剤の一部が未溶融となる事を防止することができ、溶解作業中に溶湯に成分調整材を十分に溶け込ませることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】誘導溶解炉の構成を示す全体構成図。
【図２】制御部の構成を示す説明図。
【図３】制御部による処理内容を示す説明図。
【図４】誘導溶解炉における溶解方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１を参照して、本実施形態の誘導溶解炉について説明する。
【００１９】
誘導溶解炉は、溶解炉内に収納された被溶解材Ｘを溶解させるものであり、具体的には、電源１と、高圧受電盤２と、変換装置用変圧器３と、電力変換装置４と、高周波整合装置５と、誘導加熱装置６と、液面計測装置７と、コントローラ１００とを備える。
【００２０】
なお、電力変換装置４および高周波整合装置５が本発明の電力変換部に相当する。
【００２１】
電源１は、交流電源であって、高圧受電盤２に接続されている。
【００２２】
高圧受電盤２は、誘導加熱装置６への電源通電・停止と故障発生時の電源遮断を行う装置であって、パワーヒューズ２ａと遮断機２ｂとを備える。パワーヒューズ２ａは、短絡事故時に電流遮断する手段であって、遮断機２ｂは、電源の通電と停止に伴う開閉動作を行う。
【００２３】
変換装置用変圧器３は、高圧受電盤２に接続され、電力変換装置４への入力電圧が所定の値となるように調整する。
【００２４】
電力変換装置４は、変換装置用変圧器３に接続され、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源から任意の高周波電流を生成するための装置であって、制御回路１０と、交流/直流変換器である順変換器４１ａ，４１ｂと、直流/交流変換器である逆変換器４２ａ，４２ｂとを備え、制御回路１０からの出力制御信号により制御される。
【００２５】
具体的に、電力変換装置４は、入力側にダイオード式順変換器４１ａ，４１ｂを備え、出力側にＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂを備え、順変換器４１ａ，４１ｂにはそれぞれ直列に平滑用リアクトル４３ａ，４３ｂが接続されると共に、順変換器４１ａ，４１ｂに並列に平滑用コンデンサ４４ａおよび４４ｂが接続される。
【００２６】
さらに、電力変換装置４は、順変換器４１ａ，４１ｂの出力側の直流電圧を検出して直流電圧信号（ａ）を出力する直流電圧検出器４５と、直流電流を検出して直流電流信号（ｂ）を出力する直流電流検出器４６とを備え、直流電圧検出器４５および直流電流検出器４６の出力値は、制御回路１０に出力される。
【００２７】
なお、制御回路１０による電力変換装置４の制御内容については詳細を後述する。
【００２８】
高周波整合装置５は、電力変換装置４と誘導加熱装置６との間に設けられて、誘導加熱装置６が低力率であるため負荷力率を改善する。
【００２９】
具体的に、高周波整合装置５は、共振用コンデンサ５１ａ，５１ｂと、高周波整合装置５の出力電流を検出して出力電流信号（ｄ）を出力する電流検出器５２および出力電圧を検出して出力電圧信号（ｅ）を出力する電圧検出器５３等から構成される。
【００３０】
共振用コンデンサ５１ａおよび５１ｂには、それぞれ並列に、調整用コンデンサ５１ａｃおよび５１ｂｃが設けられる。調整用コンデンサ５１ａｃおよび５１ｂｃには、それぞれコンタクタ５１ａｄおよび５１ｂｄが設けられており、コンタクタ５１ａｄおよび５１ｂｄにより、調整用コンデンサ５１ａｃおよび５１ｂｃが共振用コンデンサ５１ａおよび５１ｂに並列接続される。調整用コンデンサ５１ａｃおよび５１ｂｃにより、負荷共振回路の共振周波数よりも十分に低い発振周波数を電力変換装置４から出力した場合にも、負荷共振回路の無効電力の増大を防止することができる。
【００３１】
誘導加熱装置６は、電力変換装置４と高周波整合装置５とから供給される高周波電流を加熱コイル６１に通電させることにより、溶解炉本体内に収納された被溶解材Ｘにうず電流を発生させ、うず電流により発生するジュール熱で被溶解材Ｘを加熱溶解する。
【００３２】
液面計測装置７は、溶解炉内で溶解した被溶解材Ｘの液面高さを計測する装置であって、計測した液面高さをコントローラ１００へ出力する。液面計測装置７により液面の計測方法は、例えば、特開２００４−１５１０８８号公報に記載の光学式による計測方法のほか、種々の公知の液面変位計測手法を採用し得る。
【００３３】
本実施形態において、液面計測装置７は、溶解炉本体の直上側から溶解した被溶解材Ｘの液面に向けて計測用のレーザを照射することにより、液面の盛り上がり高さを計測する。
【００３４】
コントローラ１００は、制御誘導溶解炉の運転・停止を始めとする誘導溶解炉の運転の全般を制御する。なお、コントローラ１００による誘導溶解炉の被溶解材Ｘの溶解方法については、後述する。
【００３５】
次に、説明を後回しにした制御回路１０について、図２および図３を参照して説明する。
【００３６】
制御回路１０は、主に、出力調整等の制御を行うと共に、誘導溶解炉の制御装置として出力力率を検出する力率検出部、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号生成部としての機能を備える。
【００３７】
図２に示すように、制御回路１０は、力率検出回路１１と、ＰＬＬ制御回路１２とを備える。
【００３８】
力率検出回路１１は、電流検出器５２の出力値である高周波整合装置５の出力電流信号（ｄ）と、電圧検出器５３の出力値である高周波整合装置５の出力電圧信号（ｅ）とから、高周波整合装置５から出力される交流電流・電圧の出力力率を算出する。
【００３９】
ＰＬＬ制御回路１２は、電圧制御発振回路１３を備え、図示しない基準周波数生成部により生成された周波数基準に対して、力率検出回路１１により検出された出力力率に応じた値を加減させた周波数（制御周波数）を生成する。そして、この制御周波数を発振周波数とする三角波を電圧制御発振回路１３により生成し、この三角波を出力基準から減算して分周することで、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂのそれぞれの制御信号（ゲート信号）を生成する。この制御信号（ゲート信号）を生成する様子を図３に模式的に示す。
【００４０】
なお、力率検出回路１１とＰＬＬ制御回路１２との間には、スイッチ１４が設けられている。これは、外部から設定される周波数基準信号と力率検出信号とを同時に有効とすると、相反する周波数変化となり得るため、発振周波数を意図的に変化させたい場合に、スイッチをＯＦＦすることで、周波数基準信号のみを有効とするものである。
【００４１】
以上のように構成された誘導溶解炉による被溶解材の溶解方法について、図４を参照しながら説明する。
【００４２】
まず、コントローラ１００は、ユーザにより誘導炉本体内に被溶解材Ｘの投入が開始されると、電力変換装置４の運転を開始する（図４／ＳＴＥＰ１１）。
【００４３】
この被溶解材Ｘの溶解を行う第１段階において、制御回路１０は、力率検出部１１を介して出力力率が１となるように、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御信号（ゲート信号）を生成する。これにより、高力率で被溶解材を溶解させることができる。
【００４４】
次に、コントローラ１００は、被溶解材Ｘの誘導炉本体内への投入が完了したか否かをチェックし（図４／ＳＴＥＰ１２）、投入が完了していない場合には（図４／ＳＴＥＰ１２でＮＯ）、投入が完了するまでこのチェックを繰り返す。
【００４５】
一方、コントローラ１００は、投入が完了している場合には（図４／ＳＴＥＰ１２でＹＥＳ）、成分調整材を被溶解材Ｘが溶解した溶湯に添加する成分調整段階であるか否かをチェックする（図４／ＳＴＥＰ１３）。
【００４６】
そして、成分調整段階でない場合には（図４／ＳＴＥＰ１３でＮＯ）、成分調整段階となるまでこのチェックを繰り返す。一方、成分調整段階の場合には（図４／ＳＴＥＰ１３でＹＥＳ）、コントローラ１００は、制御回路１０を介して、以下の処理を実行する。
【００４７】
すなわち、溶解した被溶解材Ｘに成分調整材を添加する第２段階において、制御回路１０は、スイッチ１４をＯＦＦすると共に周波数基準を低下させて、発振周波数を低下させる（図４／ＳＴＥＰ２１）。
【００４８】
このとき、溶解した被溶解材Ｘに作用する撹拌力Ｆは、下式（１）で表わされる。
【００４９】
【数１】
0005656532.tif 000002
・・・・・（１）
0005656532.tif 000003
【００５０】
ここで、上式（１）の発振周波数ｆを低下させることで撹拌力Ｆが増大する。そのため、発振周波数を低下させて、成分調整材を溶解した被溶解材Ｘに溶け込ませるのに適した撹拌力Ｆを発生させることで、短時間に成分調整材を被溶解材Ｘに溶け込ませることができ、成分調整材が溶湯に溶け込む前に溶湯が過昇温状態となることを防止することができる。
【００５１】
次いで、コントローラ１００は、液面計測装置７により計測される液面の高さが、（発振周波数低下前に対して）、所定の高さ（目標値）以上となっているか否かをチェックする（図４／ＳＴＥＰ２２）。
【００５２】
ここで、所定の高さ（目標値）は、被溶解材Ｘおよび添加される成分調整材の物性およびこれらの質量等から、成分調整材を被溶解材Ｘに溶け込ませるのに適した撹拌力が生じる場合の液面の高さとして設定される値である。
【００５３】
これにより、溶湯内の撹拌力を直接計測することができないため、撹拌による被溶解材の液面の高さの変化を基準とすることで、成分調整材の溶解に適した撹拌力Ｆを被溶解材Ｘの溶湯内に発生させることができる。
【００５４】
そして、コントローラ１００は、液面計測装置７により計測される液面の高さが、所定の高さ（目標値）以上となっていない場合には（図４／ＳＴＥＰ２２でＮＯ）、制御回路１０を介して発振周波数をさらに低下させる。
【００５５】
一方、液面計測装置７により計測される液面の高さが、所定の高さ（目標値）以上となっている場合には（図４／ＳＴＥＰ２２でＹＥＳ）、被溶解材Ｘの溶湯内に成分調整材を投入する（図４／ＳＴＥＰ２３）。
【００５６】
ここで成分調整材としては、例えば、黒鉛，シリコン，マンガン等であり、これらを、成分調整材添加後の被溶解材Ｘが所望の化学成分となるように、所定量（微量）添加する。
【００５７】
次いで、コントローラ１００は、成分調整材の投入が完了したか否かをチェックし（図４／ＳＴＥＰ２４）、投入が完了していない場合には（図４／ＳＴＥＰ２４でＮＯ）、投入完了までこのチェックを繰り返す。
【００５８】
一方、成分調整材の投入が完了している場合には（図４／ＳＴＥＰ２４でＹＥＳ）、第３段階として、スイッチ１４をＯＮさせると共に周波数基準を変更前に戻し、発振周波数の力率１を維持する制御状態に復帰させる（図４／ＳＴＥＰ３１）。
【００５９】
その後、コントローラ１００は、電力変換装置４の運転を終了し（図４／ＳＴＥＰ３２）、被溶解材Ｘを溶解させる一連の溶解作業を終了する。
【００６０】
以上が本実施形態の誘導溶解による被溶解材の溶解方法であり、上述のように、本実施形態の誘導溶解炉によれば、成分調整材が溶湯に溶け込む前に溶湯が過昇温状態となることを防止することができ、溶解作業中に溶湯に成分調整材を十分に溶け込ませることができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、コントローラ１００により、誘導溶解炉における制御処理の全般が実行される場合について説明したが、これに限定されるものでなく、コントローラ１００による処理の一部または全部がユーザにより実行されるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１…電源、２…高圧受電盤、３…変換装置用変圧器、４…電力変換装置、５…高周波整合装置、６…誘導加熱装置、７…液面計測装置、１０…制御回路、１１…力率検出部、１２…ＰＬＬ制御部（制御信号生成部）、４１ａ，４１ｂ…ダイオード式順変換器、４２ａ，４２ｂ…ＩＧＢＴ式逆変換器、６１…加熱コイル、１００…コントローラ、Ｘ…被溶解材。
【図１】
0005656532.tif 000004
【図２】
0005656532.tif 000005
【図３】
0005656532.tif 000006
【図４】
0005656532.tif 000007