(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶解金属を収容する収容凹部を有する炉本体と、前記炉本体の外周側に配置され、前記収容凹部に収容された被溶解金属を誘導加熱して溶湯とする誘導加熱コイルとを備え、
前記炉本体は、前記収容凹部の少なくとも一部を規定する複数の導電性セグメントを備え、
前記複数の導電性セグメントの各々は、内部に冷却水路を有し、外部または内部に、前記冷却水路の内面から各導電性セグメントにおける前記収容凹部を向いた面までの距離を均一化する肉厚調整部を有し、幅方向略中央部には厚さ方向に連通するスリットが形成されており、
前記各導電性セグメントの横断面形状は、角部を有する形状であり、
前記肉厚調整部は、前記角部のうちで、前記各導電性セグメントにおいて前記スリットを挟む２領域の各々における前記収容凹部側の２箇所の角部が有する、平面である面取部または湾曲面であるアール部により構成されるコールドクルーシブル溶解炉。
【請求項２】
前記面取部または前記アール部は、前記各導電性セグメントに誘導加熱時の磁束が浸透する浸透深さを基準として、当該浸透深さの５倍以下の寸法を有する、請求項１に記載のコールドクルーシブル溶解炉。
【請求項３】
前記各導電性セグメントを構成する材料は銅を含む金属である、請求項１または２に記載のコールドクルーシブル溶解炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱により被溶解金属を溶解する溶解炉に関し、溶解を炉本体が冷却されつつ行うコールドクルーシブル溶解炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被溶解金属を誘導加熱により溶解する装置として、例えば、銅などの金属で形成され、内部に冷却水路を有する炉本体と、炉本体の外周側に配置された誘導加熱コイルとを備えたコールドクルーシブル溶解炉がある。このコールドクルーシブル溶解炉で炉本体に収容された被溶解金属を溶解する場合、誘導加熱コイルによって被溶解金属を誘導加熱するとともに、冷却水路に冷却水を通すことによって炉本体を冷却する。これにより、炉本体に収容された被溶解金属は、外周側において炉本体に抜熱されるため、この外周側で被溶解金属が冷却されて凝固したスカルが形成され、内部のみが溶融することとなる。このため、被溶解金属が溶解した溶湯は、スカルによって炉本体と隔離されることにより炉本体からの汚染が防止される。また、炉本体は、上記のように金属で形成されていることから、急速溶解したとしても割れなどの損傷が生じる恐れがない。このため、コールドクルーシブル溶解炉では、高純度の溶湯を高速で生成することが可能である。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載のコールドクルーシブル溶解炉は、被溶解金属を収容する収容凹部を有する炉本体と、前記炉本体を冷却する冷却手段と、前記炉本体の外周側に配置され、前記炉本体の収容凹部に収容された被溶解金属を誘導加熱する誘導加熱コイルとを備える。炉本体は、収容凹部の少なくとも一部を規定する複数の導電性セグメントを備える。
【０００４】
各導電性セグメントの横断面形状に関しては、例えば特許文献２の図２に示されている。各導電性セグメントにおける収容凹部を向いた面は、収容凹部を取り巻く、一定曲率の湾曲面の一部を形成している。
【０００５】
前記被溶解金属、つまり、コールドクルーシブル溶解炉で生成する鋳塊の材料としては、従来、コバルト、チタン、タンタルのような高融点材料（各導電性セグメントを構成する材料よりも融点の高い材料）を用いてきた。しかし、最近では、前記高融点材料に低融点材料（例えばすずなど、各導電性セグメントを構成する材料よりも融点の低い材料）を混ぜて特殊な材料（例えば医療用の生体埋め込み部品に用いられる生体金属）の鋳塊をコールドクルーシブル溶解炉で生成したいというニーズがある。
【０００６】
ここで、例えば、各導電性セグメントを構成する金属に銅が含まれており、被溶解金属に、前記低融点材料として銅と親和性の高い特定の金属（例えばすず）が含まれている場合に問題が生じることがある。具体的には、各導電性セグメントを構成する材料である銅の融点よりも加熱された被溶解金属が低温であっても、各導電性セグメント中の銅に対して、前記特定の金属（すず）が反応して合金を形成してしまうことがある。そうなると、各導電性セグメントにクラックが生じる等して損傷することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−８５５２５号公報
【特許文献２】特開平２−３０２５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、各導電性セグメントを構成する金属に対して親和性の高い特定の金属が含まれた被溶解金属を溶解する場合であっても、問題なく使用できるコールドクルーシブル溶解炉を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、被溶解金属を収容する収容凹部を有する炉本体と、前記炉本体の外周側に配置され、前記収容凹部に収容された被溶解金属を誘導加熱して溶湯とする誘導加熱コイルとを備え、前記炉本体は、前記収容凹部の少なくとも一部を規定する複数の導電性セグメントを備え、前記複数の導電性セグメントの各々は、内部に冷却水路を有し、外部または内部に、前記冷却水路の内面から各導電性セグメントにおける前記収容凹部を向いた面までの距離を均一化する肉厚調整部を有し、前記各導電性セグメントの横断面形状は、角部を有する形状であり、前記肉厚調整部は、前記角部のうちで前記収容凹部側の角部が有する、平面である面取部または湾曲面であるアール部により構成されるコールドクルーシブル溶解炉である。
【００１０】
この構成によれば、各導電性セグメントが肉厚調整部を有する。このため、各導電性セグメントにおいて冷却水路から収容凹部を向いた面までの肉厚を均一化できることから、冷却水路に冷却水等の冷却媒体を通すことによる各導電性セグメントの冷却に、部分によるばらつきが生じにくくなる。よって、各導電性セグメントにおける収容凹部を向いた面の表面温度を、被溶解金属に含まれる特定の金属の融点よりも低下させることが可能である。
【００１２】
また、この構成によれば、各導電性セグメントの角部に平面または湾曲面を機械加工することで容易に肉厚調整部を形成できる。
【００１３】
そして、前記面取部または前記アール部は、前記各導電性セグメントに誘導加熱時の磁束が浸透する浸透深さを基準として、当該浸透深さの５倍以下の寸法を有するものとできる。
【００１４】
この構成によれば、面取部またはアール部を、浸透深さを基準として、当該浸透深さの５倍以下の寸法で形成することにより、各導電性セグメントにおいて、磁束が通過することにより発熱する領域（横断面における面積）を縮小させることができる。このため、発熱を抑制できることから、各導電性セグメントの冷却効率が良好である。よって、各導電性セグメントにおける収容凹部側の表面の温度をより有効に低下させられる。
【００１５】
そして、前記各導電性セグメントを構成する材料は銅を含む金属とできる。
【００１６】
この構成によれば、被溶解金属に銅と親和性の高い特定の金属（例えばすず）が含まれていても、銅を含む金属からなる導電性セグメントを損傷させることを抑制できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、各導電性セグメントにおける収容凹部を向いた面の表面温度を、被溶解金属に含まれる特定の金属の融点よりも低下させることが可能である。このため、各導電性セグメントを構成する金属に対して親和性の高い特定の金属が含まれた被溶解金属を溶解する場合であっても、各導電性セグメントを損傷させることなく、問題なく使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るコールドクルーシブル溶解炉の概要を示す、一部を断面視表示した側面図である。
【図２】同コールドクルーシブル溶解炉における複数の導電性セグメントの形状を示す横断面図である。
【図３】同コールドクルーシブル溶解炉における複数の導電性セグメントの寸法を示す横断面図である。
【図４】本発明の他実施形態に係る各導電性セグメントの形状を示す横断面図であり、（Ａ）はスリットが内外連通しない参考例を示し、（Ｂ）は角部にアール部を形成したものを示し、（Ｃ）は冷却水路の横断面形状を四角形とした参考例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態のコールドクルーシブル溶解炉を示している。このコールドクルーシブル溶解炉の基本的な構成は特許文献１記載のものと同じである。つまり、このコールドクルーシブル溶解炉１は、被溶解金属Ｗを収容する収容凹部１０ａを有する炉本体１０と、炉本体１０を冷却する冷却手段２０と、炉本体１０の外周側に配置された誘導加熱コイル３０とを備える。被溶解金属Ｗとしては、例えば鋳鉄や酸化鉄が挙げられるが、その他様々な金属を適用可能である。後述のように、本実施形態の導電性セグメント１２は、肉厚調整部Ｘを構成する面取部１２ｅ（図２参照）を備えたことにより、導電性セグメント１２の冷却に、部分によるばらつきが生じにくくなる。このため、被溶解金属Ｗに銅と親和性の高い特定の金属（例えばすず）が含まれていても、当該金属の融点よりも導電性セグメント１２における、収容凹部１０ａ側の表面の温度を低下させることができるので、導電性セグメント１２を損傷させることなくコールドクルーシブル溶解炉１を使用できる。なお、本実施形態のコールドクルーシブル溶解炉１は、大気中に設置されて被溶解金属Ｗの溶解を行うものとしてもよいし、真空槽等、気密状態で密閉可能な槽（図示しない）の内部に設置されて、例えば真空雰囲気中で被溶解金属Ｗの溶解を行うものとしてもよい。
【００２０】
炉本体１０は、収容凹部１０ａの底面壁を構成するように形成されたベース体１１と、収容凹部１０ａの側面壁を構成するようにベース体１１上に平面視略円形状に配設された複数の導電性セグメント１２…１２とを有する。そして、互いに固定されたベース体１１と複数の導電性セグメント１２…１２とによって、上部が開口して被溶解金属Ｗを収容する収容凹部１０ａが形成されている。つまり、複数の導電性セグメント１２…１２は、平面視において収容凹部１０ａの、被溶解金属Ｗを収容可能な空間の外縁を周回するよう設けられることで、収容凹部１０ａの少なくとも一部を規定している。なお、本実施形態のコールドクルーシブル溶解炉１はバッチ処理を行うよう構成されているが、本発明はこれに限定されず、例えばベース体１１を下方に移動可能とし、冷却により固形化した鋳塊（インゴット）を収容凹部１０ａの下方に引き抜きできるよう構成することもできる。この構成を採用したコールドクルーシブル溶解炉１では、被溶解金属Ｗを収容凹部１０ａに上方から連続的に投入しつつ、下方から連続引き抜きを行うことで連続鋳造を行うことができるため、長尺の鋳塊を得ることができる。
【００２１】
前記ベース体１１は、略円柱状に形成された柱状部１３と、柱状部１３の下端部から外周側へ張り出したフランジ部１４とを有する。柱状部１３の上面は、収容凹部１０ａを構成する内面１５のうち底面１５ａを形成していて、この底面１５ａは熱緩衝部材４０によって覆われている。また、フランジ部１４には、各導電性セグメント１２に対応する位置で、それぞれ上下方向に連通する複数の締結孔１１ａと、冷却水路１１ｂとが形成されている。
【００２２】
導電性セグメント１２は、上下方向に立設された側壁部１６と、側壁部１６の下端から曲折された取付部１７とによって、縦断面略Ｌ字形に形成されている。導電性セグメント１２の材質としては、熱衝撃に強く、必要な機械的強度を有するとともに、冷却手段２０による冷却を有効に行えるもの、例えば、銅（純銅）、または、クロム銅、ベリリウム銅などの銅合金が選択される。
【００２３】
側壁部１６は、内側面が下部においてベース体１１の柱状部１３に当接するとともに、上部が柱状部１３から上方へ突出し、収容凹部１０ａを構成する内面１５のうち壁面１５ｂを形成している。また、取付部１７には、ベース体１１のフランジ部１４の締結孔１１ａ及び冷却水路１１ｂとそれぞれ連通するようにして複数の締結孔１２ａ及び冷却水路１２ｂが形成されている。そして、互いに連通するベース体１１のフランジ部１４及び導電性セグメント１２の取付部１７の締結孔１１ａ，１２ａには、固定ボルト１８が挿通され、ナット１８ａによって締め付けられていて、これにより導電性セグメント１２とベース体１１とは一体となっている。
【００２４】
ここで、ベース体１１に固定された各導電性セグメント１２は、平面視において周方向に隣接するもの同士が隙間Ｇを有して配置されている。この隙間Ｇにより、隣接する導電性セグメント１２，１２同士は電気的に絶縁されている。また、各導電性セグメント１２において、幅方向略中央部には厚さ方向に連通するスリット１２ｃが形成されている。スリット１２ｃは、図示しないが、取付部１７にも形成されているとともに、側壁部１６において、下端部から上方まで（ただし、上端部には至らない）形成されている。前記隙間Ｇ及びスリット１２ｃは、溶解した被溶解金属Ｗが外方に漏れ出ること（湯差し）を防止するために、有する空間が耐火材料で埋められることもできる。スリット１２ｃを横断する位置における、各導電性セグメント１２の有する横断面形状（スリット１２ｃを挟む２領域の各形状）は扇形または台形とされている。各導電性セグメント１２は、前記横断面形状の四隅に対応して角部を有する。これら角部のうち収容凹部１０ａ側（炉本体１０の径内側）である２箇所の角部には、図２に示すように、後述する肉厚調整部Ｘを構成する面取部１２ｅが形成されている。そして、側壁部１６においてスリット１２ｃを挟む幅方向の両側には、それぞれ冷却水路１２ｂが形成されている。本実施形態の冷却水路１２ｂは、内面の横断面形状が円形とされた水路である。この側壁部１６における一方と他方の冷却水路１２ｂ，１２ｂは、側壁部１６の上端部に形成された連通水路１２ｄによって互いに接続されている。そして、各冷却水路１２ｂは、それぞれベース体１１の冷却水路１１ｂと連通している。
【００２５】
これにより、冷却媒体供給源（図示しない）から冷却水等の冷却媒体をベース体１１の冷却水路１１ｂに供給すれば、供給された冷却媒体は、ベース体１１の冷却水路１１ｂ、導電性セグメント１２の一方の冷却水路１２ｂ、連通水路１２ｄ、導電性セグメント１２の他方の冷却水路１２ｂ、ベース体１１の冷却水路１１ｂを順次通って外部に排出される。このため、導電性セグメント１２及びベース体１１は、この冷却媒体によって冷却される。すなわち、冷却媒体供給源、冷却水路１１ｂ，１２ｂ、連通水路１２ｄによって冷却手段２０が構成されている。この冷却手段２０は、各導電性セグメント１２の収容凹部１０ａ側の表面温度を被溶解金属Ｗの溶解温度以下とできる冷却能力を有している。
【００２６】
導電性セグメント１２の外部または内部には、冷却水路１２ｂの内面から導電性セグメント１２における収容凹部１０ａを向いた面までの距離を均一化する肉厚調整部Ｘを有する。本実施形態では、この肉厚調整部Ｘを構成するものとして、図２に示すように、導電性セグメント１２の外部に面取部１２ｅが形成されている。前述のように、スリット１２ｃを横断する位置における、各導電性セグメント１２の有する横断面形状（スリット１２ｃを挟んだ２領域の各形状）は扇形または台形とされている。面取部１２ｅは、この扇形または台形における四隅の角部のうちで収容凹部１０ａ側の２箇所の角部に形成されている。
【００２７】
このように面取部１２ｅを形成することにより、冷却水路１２ｂの内面から導電性セグメント１２における収容凹部１０ａを向いた面までの厚み寸法を均一化できる。前記「均一化」とは、導電性セグメント１２におけるどの位置でも厚み寸法を等しくすることを意味するのではなく、位置による厚み寸法の差を小さくすることを意味している。つまり、導電性セグメント１２における収容凹部１０ａを向いた面のうち、図３に示す周方向の中央での厚み寸法Ｄ１と、角部での厚み寸法Ｄ２との差を、図３に破線で示したように面取部１２ｅを形成しない場合（厚み寸法Ｄ３）との差よりも、面取部１２ｅを形成した分小さくできる。このように厚み寸法の差を小さくできたことにより、冷却水路１２ｂを通る冷却媒体による導電性セグメント１２の冷却にばらつきが生じにくい。具体的には、導電性セグメント１２における収容凹部１０ａ側の角部の温度を、面取部１２ｅを形成しない場合よりも低下させることができる。よって、被溶解金属Ｗとして、銅と親和性の高い特定の金属（例えばすず）が含まれていても、当該特定の金属の融点（すずの場合約２３２℃）よりも導電性セグメント１２における表面（収容凹部１０ａ側の表面）の温度を低下させることができるため、導電性セグメント１２を損傷させることなくコールドクルーシブル溶解炉１を使用できる。
【００２８】
また、面取部１２ｅは、導電性セグメント１２の角部に平面ができるように形成すればいいので、導電性セグメント１２に対する機械加工により容易に肉厚調整部Ｘを形成できるというメリットがある。
【００２９】
本実施形態の面取部１２ｅは、各導電性セグメント１２に誘導加熱時の磁束が浸透する浸透深さδを基準とした寸法を有する。誘導加熱時の磁束は、隣接する導電性セグメント１２，１２同士の間の隙間Ｇにおける空間、スリット１２ｃにおける空間、そして、前記各空間に面した導電性セグメント１２の一部を通過する。浸透深さδとは、各導電性セグメント１２において磁束が通過する領域の、前記各空間に面した表面からの深さを示す（図３の二点鎖線で示した部分を参照）。浸透深さδ(cm)は以下の計算式で規定される。ただし、この計算式は一例に過ぎず、他の計算式等により浸透深さδを導出することも可能である。
δ＝５．０４√｛ρ／（μ・ｆ）｝
（ρ…各導電性セグメントを構成する材料の比抵抗(μΩcm)、μ…透磁率、ｆ…誘導加熱に係る通電周波数(Hz)）
【００３０】
本実施形態では、炉本体１０の平面視における周方向に沿う面取部１２ｅの寸法が、浸透深さδを基準としてあまりに大きい寸法であると、溶湯に対する接触面積が大きくなってしまうため好ましくない。このため、前記面取部１２ｅの寸法は、浸透深さδの５倍以下となるよう設定されている。
【００３１】
導電性セグメント１２は、磁束が通過することにより発熱する。このため、面取部１２ｅを、浸透深さδを基準とした寸法で形成することにより、導電性セグメント１２において自ら発熱する領域（横断面における面積）を縮小させることができる。このため、導電性セグメント１２の発熱を抑制できることから、冷却水路１２ｂを通る冷却媒体による、導電性セグメント１２の冷却効率が良好となり、導電性セグメント１２における収容凹部１０ａ側の表面の温度を有効に低下させられる。
【００３２】
誘導加熱コイル３０は、炉本体１０の外周側に巻回されることで炉本体１０を囲んでおり、図示しない電源装置によって高周波交流電力が供給される。この高周波交流電力により交番磁場を発生させ、収容凹部１０ａに収容された被溶解金属Ｗを誘導加熱することが可能である。
【００３３】
熱緩衝部材４０は、ベース体１１の柱状部１３の形状と対応した略円板状の部材で、底面１５ａの全体を覆っている。熱緩衝部材４０は、被溶解金属Ｗより融点の高い耐火物によって形成されており、炉本体１０を形成する材質よりも熱伝導率が低く、炉本体１０と同等の機械的強度を有するとともに、被溶解金属Ｗを加熱溶解する際に要求される耐熱衝撃性を有するものが選択される。より具体的には、熱緩衝部材４０を形成する耐火物は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウムなどの酸化物からなるものが好ましい。また、炭化ケイ素などを含むものとしてもよい。また、この熱緩衝部材４０は、底面１５ａに加え、壁面１５ｂの一部を覆ってもよい。
【００３４】
以上、本発明の一実施形態につき説明してきたが、本発明は前記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で種々の形態に変更可能である。
【００３５】
例えば、前記実施形態のスリット１２ｃは、導電性セグメント１２の厚さ方向に連通（貫通）するものであった。参考例として、図４（Ａ）に示すように、スリット１２ｃを導電性セグメント１２の外周側に連通（貫通）しないように形成することもできる。
【００３６】
また、肉厚調整部Ｘを構成するものとして、前記実施形態における導電性セグメント１２では、横断面形状における角部に、平面である面取部１２ｅが形成されていたが、図４（Ｂ）に示すように、湾曲面であるアール部１２ｆが形成されることもできる。面取部１２ｅと同様、アール部１２ｆであっても導電性セグメント１２への機械加工により容易に肉厚調整部Ｘを形成できる。
【００３７】
また、前記実施形態は、各導電性セグメント１２の外部（冷却水路１２ｂから離れた部分）に肉厚調整部Ｘを有するものであったが、各導電性セグメント１２の内部（冷却水路１２ｂに近い部分）に肉厚調整部Ｘを有するものであってもよい。参考例として、図４（Ｃ）に示すように、例えば導電性セグメント１２の横断面形状における角部には加工を施さず、冷却水路１２ｂの内面の横断面形状を、導電性セグメント１２の横断面形状と対称である扇形または台形としたり、正方形等の多角形としたりすることで、冷却水路１２ｂの内面から収容凹部１０ａを向いた面までの距離を均一化することができる。この場合の肉厚調整部Ｘは、冷却水路１２ｂの角部１２ｇにより構成される。
【符号の説明】
【００３８】
１          コールドクルーシブル溶解炉
１０        炉本体
１０ａ      収容凹部
１２ｂ      冷却水路
１２ｅ      肉厚調整部、面取部
１２ｆ      肉厚調整部、アール部
１２ｇ      肉厚調整部、冷却水路の角部
１５        炉本体の内面
３０        誘導加熱コイル
４０        熱緩衝部材
Ｗ          被溶解金属
Ｘ          肉厚調整部
【図１】
0006611000.tif 000002
【図２】
0006611000.tif 000003
【図３】
0006611000.tif 000004
【図４】
0006611000.tif 000005