(57)【要約】【課題】ルツボを築炉する際に、手間および時間を軽減することが可能な真空溶解装置と、その真空溶解装置で用いられるルツボユニットを提供すること。【解決手段】真空吸引されるチャンバ２０内でコイル１２０に高周波電流を導通させることで、原料を誘導加熱して溶解するためのルツボユニット、ルツボユニットを有する真空溶解装置１０であって、コイル１２０の空芯部１２５に配置されると共に材質がセラミックスである外ルツボ１４０と、外ルツボ１４０の内筒部１４４に配置されると共に、材質をセラミックスとする内ルツボ１５０と、を具備し、内ルツボ１５０は、外ルツボ１４０よりも熱膨張係数が大きなセラミックスを材質として形成されていると共に、外ルツボ１４０の内筒面１４４ａと内ルツボ１５０の外周面１５３ａとの間の隙間寸法Ｓは、原料の溶解の際の熱膨張において外ルツボ１４０側から内ルツボ１５０側へ圧力を及ぼす状態に設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空吸引されるチャンバ内でコイルに高周波電流を導通させることにより、原料に誘導加熱を生じさせ、当該原料を溶解させるための真空溶解装置であって、
上記コイルの空芯部に配置される外ルツボと、
上記外ルツボの内筒部に配置される内ルツボと、
を具備し、
上記内ルツボは、上記外ルツボよりも熱膨張係数が大きな材質として形成されていると共に、
上記外ルツボの内筒面と上記内ルツボの外周面との間の隙間寸法は、上記原料の誘導加熱における熱膨張によって、上記外ルツボ側から上記内ルツボ側へ圧力を及ぼす状態に設定されている、
ことを特徴とする真空溶解装置。
【請求項２】
前記外ルツボおよび前記内ルツボは、いずれもセラミックスを材質とすることを特徴とする請求項１記載の真空溶解装置。
【請求項３】
前記外ルツボは、その外周側に位置する固定部位に対して、セメントにより取付固定されることを特徴とする請求項１または２記載の真空溶解装置。
【請求項４】
前記隙間寸法は、前記内ルツボと前記外ルツボの生産に際して、前記外ルツボの内筒面と前記内ルツボの外周面のうちの少なくとも一方の寸法誤差以上に設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の真空溶解装置。
【請求項５】
前記隙間寸法は、前記内ルツボの直径の２％以内に設定されていることを特徴とする請求項４記載の真空溶解装置。
【請求項６】
前記内ルツボは、その材質をマグネシアとすると共に、前記外ルツボは、その材質をアルミナとしていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の真空溶解装置。
【請求項７】
真空吸引されるチャンバ内でコイルに高周波電流を導通させることにより、原料に誘導加熱を生じさせ、当該原料を溶解させるための真空溶解装置であって、
外側に配置されると共に絶縁性の材質から形成される第１の容器と、
上記第１の容器の内筒部に配置されると共に、材質をセラミックスとする内ルツボと、
上記第１の容器の内筒面と上記内ルツボの外周面との間の隙間部分に、固着されない状態で充填される充填部材と、
を具備することを特徴とする真空溶解装置。
【請求項８】
前記充填部材は、セラミックスを材質とするボール部材であることを特徴とする請求項７記載の真空溶解装置。
【請求項９】
前記隙間部分の上端側には、前記ボール部材が脱落するのを防止する蓋部材が取り付けられることを特徴とする請求項８記載の真空溶解装置。
【請求項１０】
前記ボール部材は、前記内筒面から前記外周面に向かい、少なくとも３層を為す状態で前記隙間部分に配置されていることを特徴とする請求項８または９記載の真空溶解装置。
【請求項１１】
前記第１の容器は、その材質をセラミックスとするルツボであることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の真空溶解装置。
【請求項１２】
前記内ルツボは、前記第１の容器よりも熱膨張係数が同等又は大きなセラミックスを材質として形成されていることを特徴とする請求項１１記載の真空溶解装置。
【請求項１３】
真空吸引される真空溶解装置のチャンバ内でコイルに高周波電流を導通させることにより、原料に誘導加熱を生じさせ、当該原料を溶解させるために用いられるルツボユニットであって、
上記コイルの空芯部に配置される外ルツボと、
上記外ルツボの内筒部に配置される内ルツボと、
を具備し、
上記内ルツボは、上記外ルツボよりも熱膨張係数が大きな材質として形成されていると共に、
上記外ルツボの内筒面と上記内ルツボの外周面との間の隙間寸法は、上記原料の誘導加熱における熱膨張によって、上記外ルツボ側から上記内ルツボ側へ圧力を及ぼす状態に設定されている、
ことを特徴とするルツボユニット。
【請求項１４】
前記外ルツボおよび前記内ルツボは、いずれもセラミックスを材質とすることを特徴とする請求項１３記載のルツボユニット。
【請求項１５】
前記外ルツボは、その外周側に位置する固定部位に対して、セメントにより取付固定されることを特徴とする請求項１３または１４記載のルツボユニット。
【請求項１６】
前記隙間寸法は、前記内ルツボと前記外ルツボの生産に際して、前記外ルツボの内筒面と前記内ルツボの外周面のうちの少なくとも一方の寸法誤差以上に設定されていることを特徴とする請求項１３から１５のいずれか１項に記載のルツボユニット。
【請求項１７】
前記隙間寸法は、前記内ルツボの直径の２％以内に設定されていることを特徴とする請求項１６記載のルツボユニット。
【請求項１８】
前記内ルツボは、その材質をマグネシアとすると共に、前記外ルツボは、その材質をアルミナとしていることを特徴とする請求項１３から１７のいずれか１項に記載のルツボユニット。
【請求項１９】
真空吸引される真空溶解装置のチャンバ内でコイルに高周波電流を導通させることにより、原料に誘導加熱を生じさせ、当該原料を溶解させるために用いられるルツボユニットであって、
外側に配置されると共に絶縁性の材質から形成される第１の容器と、
上記第１の容器の内筒部に配置されると共に、材質をセラミックスとする内ルツボと、
上記第１の容器の内筒面と上記内ルツボの外周面との間の隙間部分に、固着されない状態で充填される充填部材と、
を具備することを特徴とするルツボユニット。
【請求項２０】
前記充填部材は、セラミックスを材質とするボール部材であることを特徴とする請求項１９記載のルツボユニット。
【請求項２１】
前記隙間部分の上端側には、前記ボール部材が脱落するのを防止する蓋部材が取り付けられることを特徴とする請求項２０記載のルツボユニット。
【請求項２２】
前記ボール部材は、前記内筒面から前記外周面に向かい、少なくとも３層を為す状態で前記隙間部分に配置されていることを特徴とする請求項２０または２１記載のルツボユニット。
【請求項２３】
前記第１の容器は、その材質をセラミックスとするルツボであることを特徴とする請求項１９から２２のいずれか１項に記載のルツボユニット。
【請求項２４】
前記内ルツボは、前記第１の容器よりも熱膨張係数が同等又は大きなセラミックスを材質として形成されていることを特徴とする請求項２３記載のルツボユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属を真空溶解させるための真空溶解装置および当該真空溶解装置で用いられるルツボユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、鉄等の金属原料を、真空中で誘導加熱することにより溶解させる、真空溶解装置が存在する。かかるルツボは、真空吸引可能な真空チャンバを備えており、さらにこの真空チャンバの内部に、溶解炉が設けられている。溶解炉には、アルミナやマグネシア等のセラミックを材質とするルツボが設置される。また、このルツボの外周には、中空状のコイルが配置されていて、このコイルに高周波電流を印加することにより、磁界の変化を生じさせ、ルツボ内の金属原料にうず電流を発生させる。そして、このうず電流の導通によりジュール熱が生じ、金属原料が溶融させられる。
【０００３】
ところで、ルツボは、セラミックスから形成されている。そのため、ルツボは、圧縮力には強いものの引っ張り力には弱い、という特質を有している。それにより、上述の真空溶解装置においては、バックアップ用のセメント（バックアップセメント）を用いてルツボを箱体の内部（コイルの空芯部）に固定する、いわゆる築炉作業が行われている。この築炉作業は、セメントで固めたコイルの空芯部にルツボを設置し、コイルとルツボとの間の隙間にバックアップ用のセメントを充填し、時間の経過を待って、充填したセメントを凝固させる。また、セメントの凝固後に、多量に残存している水分を蒸発させるため、所定の時間だけ自然乾燥させる。さらにその後に、真空脱ガスを行う。この真空脱ガスでは、真空ポンプを作動させて、チャンバの内部の真空吸引を行う。それにより、自然乾燥後も残存している水分を、ほぼ完全に取り除くことを可能としている。
【０００４】
なお、上述のルツボを有する真空溶解装置の概要を示すものとして、特許文献１に示す技術内容がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１５４７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、築炉作業は、バックアップセメントの充填、自然乾燥、および真空脱ガスの各作業を必要としている。そのため、築炉作業には、非常に手間が掛かる。加えて、築炉作業では、真空脱ガスまでの間に多大な時間を要しており、直ぐに真空溶解装置を用いて原料を溶解させることができない、という問題がある。
【０００７】
また、既設置のルツボが破損した場合、新しいルツボに交換する必要がある。また、溶解させる原料の材質・組成を変更する場合にも、既設置のルツボに付着している付着物が溶湯に混入する、いわゆるコンタミネーションの問題から、新たなルツボに交換する必要がある。しかしながら、築炉により既に設置してあるルツボを取り除く場合、上記の築炉〜真空脱ガスまでのプロセス以外に、バックアップセメントを破壊する作業や、重いルツボを取り出したり、新たなルツボを設置したりする作業を要する。そのため、一般に、ルツボの築炉は、非常に手間および時間が掛かるものとなっている。
【０００８】
本発明は上記の事情にもとづきなされたもので、その目的とするところは、ルツボを築炉する際に、手間および時間を軽減することが可能な真空溶解装置と、当該真空溶解装置で用いられるルツボユニットを提供しよう、とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、真空吸引されるチャンバ内でコイルに高周波電流を導通させることにより、原料に誘導加熱を生じさせ、当該原料を溶解させるための真空溶解装置であって、コイルの空芯部に配置される外ルツボと、外ルツボの内筒部に配置される内ルツボと、を具備し、内ルツボは、外ルツボよりも熱膨張係数が大きな材質として形成されていると共に、外ルツボの内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間寸法は、原料の誘導加熱における熱膨張によって、外ルツボ側から内ルツボ側へ圧力を及ぼす状態に設定されているものである。
【００１０】
このように構成する場合、本発明の真空溶解装置は、外ルツボと内ルツボの２つのルツボを備えている。このため、外ルツボの内筒部から内ルツボのみを取り出して、容易に交換することが可能となる。それにより、内ルツボの交換に際して、バックアップセメントの充填、自然乾燥および真空脱ガス等を経る築炉作業を行う必要がなく、加えて既に設置してある内ルツボを取り除く作業時にバックアップセメントの破壊等を行う必要がない。それにより、内ルツボの設置・交換に際して、その手間を大幅に削減することが可能となっている。また、内ルツボの設置・交換後、直ぐに本発明の真空溶解装置を用いて、原料を溶解させることが可能となり、生産性を高めることが可能となる。
【００１１】
また、本発明では、溶解させる原料の材質・組成を変更する場合でも、内ルツボの交換を容易に行える。そのため、原料の溶解に際して、いわゆるコンタミネーションが生じるのを防止することが可能となり、溶解後に生成される製品（インゴット等）の品質を向上させることが可能となる。
【００１２】
また、内ルツボは、外ルツボよりも熱膨張係数の大きな材質として形成されている。しかも、外ルツボの内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間の寸法は、原料の溶解の際の熱膨張において外ルツボ側から内ルツボ側へ圧力を及ぼす状態に設定されている。このため、内ルツボが熱膨張するに従い、外ルツボの内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間が徐々に小さくなっていき、いずれは内ルツボの外周面が外ルツボの内筒面に、圧力を及ぼす状態で接触する。そのため、内ルツボには、その圧力の反力である、圧縮力が及ぼされる。そのため、内ルツボが熱膨張に伴う引っ張り力に弱い材質から形成されていても、内ルツボに圧縮力が及ぼされ、内ルツボに割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【００１３】
また、他の発明は、上述の発明に加えて更に、外ルツボおよび内ルツボは、いずれもセラミックスを材質としたものである。
【００１４】
このように構成する場合、ここで、外ルツボおよび内ルツボの材質はセラミックスであるため、圧縮力には強い。そのため、原料の溶解の際には、内ルツボに圧縮力が及ぼされる状態となるので、内ルツボに割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【００１５】
また、他の発明は、上述の発明に加えて更に、外ルツボは、その外周側に位置する固定部位に対して、セメントにより取付固定されるものである。
【００１６】
このように構成する場合、外ルツボが固定部位に対して、セメントにより取付固定されるため、原料の溶解時に外ルツボに温度上昇が生じても、外ルツボの熱膨張が抑えられ、外ルツボに圧縮力を及ぼすことが可能となる。それにより、外ルツボに割れや変形が生じるのを抑えることが可能となる。また、内ルツボの熱膨張により、外ルツボを広げる向きの力（引っ張り力）が作用しても、その力に抗することが可能となる。
【００１７】
さらに、他の発明は、上述の各発明に加えて更に、隙間寸法は、内ルツボと外ルツボの生産に際して、外ルツボの内筒面と内ルツボの外周面のうちの少なくとも一方の寸法誤差以上に設定されているものである。
【００１８】
このように構成する場合、外ルツボの内筒部に、内ルツボを挿入し易くなる。そのため、内ルツボの設置が容易となる。
【００１９】
また、他の発明は、上述の発明に加えて更に、隙間寸法は、内ルツボの直径の２％以内に設定されているものである。
【００２０】
このように構成する場合、原料の誘導加熱時に内ルツボが熱膨張すると、当該内ルツボの外周面が外ルツボの内筒面に、圧力を及ぼしながら接触する状態となる。このため、内ルツボには、圧縮力が及ぼされる状態となり、内ルツボの割れ・変形を良好に防止することが可能となる。
【００２１】
また、他の発明は、上述の各発明に加えて更に、内ルツボは、その材質をマグネシアとすると共に、外ルツボは、その材質をアルミナとしているものである。
【００２２】
このように構成する場合、マグネシアの熱膨張率は、アルミナの熱膨張率よりも大きいため、内ルツボが熱膨張すると、内ルツボの外周面が外ルツボの内筒面に、圧力を及ぼしながら接触する状態となる。このため、内ルツボには、圧縮力が及ぼされる状態となり、内ルツボの割れ・変形を良好に防止することが可能となる。
【００２３】
さらに、他の発明は、真空吸引されるチャンバ内でコイルに高周波電流を導通させることにより、原料に誘導加熱を生じさせ、当該原料を溶解させるための真空溶解装置であって、外側に配置されると共に絶縁性の材質から形成される第１の容器と、第１の容器の内筒部に配置されると共に、材質をセラミックスとする内ルツボと、第１の容器の内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間部分に、固着されない状態で充填される充填部材と、を具備するものである。
【００２４】
このように構成する場合、本発明の真空溶解装置は、第１の容器と内ルツボの間の隙間部分には、充填部材が設けられている。しかも、この充填部材は、固着されない状態で存在している。このため、第１の容器の内筒部から内ルツボの取り出しが容易となり、交換作業が容易となる。それにより、内ルツボの交換に際して、バックアップセメントの充填、自然乾燥および真空脱ガス等を経る築炉作業を行う必要がなく、加えて既に設置してある内ルツボを取り除く作業時にバックアップセメントの破壊等を行う必要がない。それにより、内ルツボの設置・交換に際して、その手間を大幅に削減することが可能となる。また、内ルツボの設置・交換後、直ぐに本発明の真空溶解装置を用いて、原料を溶解させることが可能となり、生産性を高めることが可能となる。
【００２５】
また、本発明では、溶解させる原料の材質・組成を多少変更する場合でも、内ルツボの交換を容易に行える。そのため、原料の溶解に際して、いわゆるコンタミネーションが生じるのを極力防止することが可能となり、溶解後に生成される製品（インゴット等）の品質を向上させることが可能となる。
【００２６】
また、隙間部分に充填部材が存在するため、内ルツボが熱膨張しようとしても、この充填部材の存在により、第１の容器側から圧縮力が及ぼされる。ここで、内ルツボの材質はセラミックスであるため、圧縮力には強い。そのため、原料の溶解の際には、内ルツボに圧縮力が及ぼされる状態となるので、内ルツボに割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【００２７】
また、他の発明は、上述の発明に加えて更に、充填部材は、セラミックスを材質とするボール部材としたものである。
【００２８】
このように構成する場合、隙間部分にボール部材を充填すると、そのボール部材は、隙間部分の下方側から、その隙間部分を埋める状態で充填されていく。そして、充填後には、内ルツボを多点支持する状態となる。そのため、誘導加熱時においては、内ルツボには、多数の支点により、熱膨張に抗する圧縮力が与えられ、当該内ルツボの割れ・変形を抑えることが可能となる。また、第１の容器から内ルツボを取り出す場合、ボール部材には、いわゆる「コロ」の役割を奏させることが可能となり、取り出し時の内ルツボの外周面と内筒面との間の抵抗が少なくなる。そのため、内ルツボの取り出しが容易となる。また、ボール部材は、その材質がセラミックスであるため、圧縮力に対して相対的に強く、内ルツボの熱膨張を良好に抑えることが可能となる。
【００２９】
さらに、他の発明は、上述の発明に加えて更に、第１の容器の内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間部分の上端側には、ボール部材が脱落するのを防止する蓋部材が取り付けられるものである。
【００３０】
このように構成する場合、蓋部材の存在により、ボール部材が隙間部分から脱落する（こぼれ落ちる）のが防止される。
【００３１】
また、他の発明は、上述の各発明に加えて更に、ボール部材は、内筒面から外周面に向かい、少なくとも３層を為す状態で隙間部分に配置されるものである。
【００３２】
このように構成する場合、隙間部分には、十分な個数のボール部材が存在する状態となる。また、ボール部材の直径は、隙間部分と比較して小さいものとなる。このため、内ルツボを、比較的少ない箇所で支持するのを防止することが可能となり、内ルツボに生じる圧縮応力に、局所的に大きな部分が発生するのを防止可能となる。それにより、内ルツボに割れ・変形が生じるのを防止可能となる。
【００３３】
さらに、他の発明は、上述の各発明に加えて更に、第１の容器は、その材質をセラミックスとするルツボとしたものである。
【００３４】
このように構成する場合、外側に位置するセラミック製のルツボの内筒部に、内ルツボを挿入する構成となる。このため、第１の容器をセメントの成型等によって製作する必要がなく、しかも既製品であるルツボを用いるため、一定の精度があり、内ルツボの挿入が比較的容易となる。また、内ルツボに割れ等が発生し、湯漏れが生じた場合でも、漏れ出した湯を受け止めることが可能となる。それにより、湯がコイル等に接触して、水蒸気爆発等が生じるのを防止可能となる。
【００３５】
また、他の発明は、上述の各発明に加えて更に、内ルツボは、第１の容器と同一かそれ以上の熱膨張係数を持ったセラミックスを材質として形成されているものである。
【００３６】
このように構成する場合、内ルツボが熱膨張する際に、第１の容器側から大きな圧縮力を受ける状態となる。ここで、内ルツボの材質はセラミックスであるため、圧縮力には強く、内ルツボに割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【００３７】
さらに、他の発明は、真空吸引される真空溶解装置のチャンバ内でコイルに高周波電流を導通させることにより、原料に誘導加熱を生じさせ、当該原料を溶解させるために用いられるルツボユニットであって、コイルの空芯部に配置される外ルツボと、外ルツボの内筒部に配置される内ルツボと、を具備し、内ルツボは、外ルツボよりも熱膨張係数が大きな材質として形成されていると共に、外ルツボの内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間寸法は、原料の誘導加熱における熱膨張によって、外ルツボ側から内ルツボ側へ圧力を及ぼす状態に設定されているものである。
【００３８】
このように構成する場合、本発明のルツボユニットは、外ルツボと内ルツボの２つのルツボを備えている。このため、外ルツボの内筒部から内ルツボのみを取り出して、容易に交換することが可能となる。それにより、内ルツボの交換に際して、バックアップセメントの充填、自然乾燥および真空脱ガス等を経る築炉作業を行う必要がなく、加えて既に設置してある内ルツボを取り除く作業時にバックアップセメントの破壊等を行う必要がない。それにより、内ルツボの設置・交換に際して、その手間を大幅に削減することが可能となっている。また、内ルツボの設置・交換後、直ぐに真空溶解装置を用いて、原料を溶解させることが可能となり、生産性を高めることが可能となる。
【００３９】
また、本発明では、溶解させる原料の材質・組成を変更する場合でも、内ルツボの交換を容易に行える。そのため、原料の溶解に際して、いわゆるコンタミネーションが生じるのを防止することが可能となり、溶解後に生成される製品（インゴット等）の品質を向上させることが可能となる。
【００４０】
また、内ルツボは、外ルツボよりも熱膨張係数の大きな材質として形成されている。しかも、外ルツボの内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間の寸法は、原料の溶解の際の熱膨張において外ルツボ側から内ルツボ側へ圧力を及ぼす状態に設定されている。このため、内ルツボが熱膨張するに従い、外ルツボの内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間が徐々に小さくなっていき、いずれは内ルツボの外周面が外ルツボの内筒面に、圧力を及ぼす状態で接触する。そのため、内ルツボには、その圧力の反力である、圧縮力が及ぼされる。そのため、内ルツボが熱膨張に伴う引っ張り力に弱い材質から形成されていても、内ルツボに圧縮力が及ぼされ、内ルツボに割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【００４１】
また、他の発明は、上述の発明に加えて更に、外ルツボおよび内ルツボは、いずれもセラミックスを材質としたものである。
【００４２】
このように構成する場合、ここで、外ルツボおよび内ルツボの材質はセラミックスであるため、圧縮力には強い。そのため、原料の溶解の際には、内ルツボに圧縮力が及ぼされる状態となるので、内ルツボに割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【００４３】
また、他の発明は、上述の発明に加えて更に、外ルツボは、その外周側に位置する固定部位に対して、セメントにより取付固定されるものである。
【００４４】
このように構成する場合、外ルツボが固定部位に対して、セメントにより取付固定されるため、原料の溶解時に外ルツボに温度上昇が生じても、外ルツボの熱膨張が抑えられ、外ルツボに圧縮力を及ぼすことが可能となる。それにより、外ルツボに割れや変形が生じるのを抑えることが可能となる。また、内ルツボの熱膨張により、外ルツボを広げる向きの力（引っ張り力）が作用しても、その力に抗することが可能となる。
【００４５】
さらに、他の発明は、上述の各発明に加えて更に、隙間寸法は、内ルツボと外ルツボの生産に際して、外ルツボの内筒面と内ルツボの外周面のうちの少なくとも一方の寸法誤差以上に設定されているものである。
【００４６】
このように構成する場合、外ルツボの内筒部に、内ルツボを挿入し易くなる。そのため、内ルツボの設置が容易となる。
【００４７】
また、他の発明は、上述の発明に加えて更に、隙間寸法は、内ルツボの直径の２％以内に設定されているものである。
【００４８】
このように構成する場合、原料の誘導加熱時に内ルツボが熱膨張すると、当該内ルツボの外周面が外ルツボの内筒面に、圧力を及ぼしながら接触する状態となる。このため、内ルツボには、圧縮力が及ぼされる状態となり、内ルツボの割れ・変形を良好に防止することが可能となる。
【００４９】
また、他の発明は、上述の各発明に加えて更に、内ルツボは、その材質をマグネシアとすると共に、外ルツボは、その材質をアルミナとしているものである。
【００５０】
このように構成する場合、マグネシアの熱膨張率は、アルミナの熱膨張率よりも大きいため、内ルツボが熱膨張すると、内ルツボの外周面が外ルツボの内筒面に、圧力を及ぼしながら接触する状態となる。このため、内ルツボには、圧縮力が及ぼされる状態となり、内ルツボの割れ・変形を良好に防止することが可能となる。
【００５１】
さらに、他の発明は、真空吸引される真空溶解装置のチャンバ内でコイルに高周波電流を導通させることにより、原料に誘導加熱を生じさせ、当該原料を溶解させるために用いられるルツボユニットであって、外側に配置されると共に絶縁性の材質から形成される第１の容器と、第１の容器の内筒部に配置されると共に、材質をセラミックスとする内ルツボと、第１の容器の内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間部分に、固着されない状態で充填される充填部材と、を具備するものである。
【００５２】
このように構成する場合、本発明のルツボユニットは、第１の容器と内ルツボの間の隙間部分には、充填部材が設けられている。しかも、この充填部材は、固着されない状態で存在している。このため、第１の容器の内筒部から内ルツボの取り出しが容易となり、交換作業が容易となる。それにより、内ルツボの交換に際して、バックアップセメントの充填、自然乾燥および真空脱ガス等を経る築炉作業を行う必要がなく、加えて既に設置してある内ルツボを取り除く作業時にバックアップセメントの破壊等を行う必要がない。それにより、内ルツボの設置・交換に際して、その手間を大幅に削減することが可能となる。また、内ルツボの設置・交換後、直ぐに本発明のルツボユニットが設置された真空溶解装置を用いて、原料を溶解させることが可能となり、生産性を高めることが可能となる。
【００５３】
また、本発明では、溶解させる原料の材質・組成を多少変更する場合でも、内ルツボの交換を容易に行える。そのため、原料の溶解に際して、いわゆるコンタミネーションが生じるのを極力防止することが可能となり、溶解後に生成される製品（インゴット等）の品質を向上させることが可能となる。
【００５４】
また、隙間部分に充填部材が存在するため、内ルツボが熱膨張しようとしても、この充填部材の存在により、第１の容器側から圧縮力が及ぼされる。ここで、内ルツボの材質はセラミックスであるため、圧縮力には強い。そのため、原料の溶解の際には、内ルツボに圧縮力が及ぼされる状態となるので、内ルツボに割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【００５５】
また、他の発明は、上述の発明に加えて更に、充填部材は、セラミックスを材質とするボール部材としたものである。
【００５６】
このように構成する場合、隙間部分にボール部材を充填すると、そのボール部材は、隙間部分の下方側から、その隙間部分を埋める状態で充填されていく。そして、充填後には、内ルツボを多点支持する状態となる。そのため、誘導加熱時においては、内ルツボには、多数の支点により、熱膨張に抗する圧縮力が与えられ、当該内ルツボの割れ・変形を抑えることが可能となる。また、第１の容器から内ルツボを取り出す場合、ボール部材には、いわゆる「コロ」の役割を奏させることが可能となり、取り出し時の内ルツボの外周面と内筒面との間の抵抗が少なくなる。そのため、内ルツボの取り出しが容易となる。また、ボール部材は、その材質がセラミックスであるため、圧縮力に対して相対的に強く、内ルツボの熱膨張を良好に抑えることが可能となる。
【００５７】
さらに、他の発明は、上述の発明に加えて更に、第１の容器の内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間部分の上端側には、ボール部材が脱落するのを防止する蓋部材が取り付けられるものである。
【００５８】
このように構成する場合、蓋部材の存在により、ボール部材が隙間部分から脱落する（こぼれ落ちる）のが防止される。
【００５９】
また、他の発明は、上述の各発明に加えて更に、ボール部材は、内筒面から外周面に向かい、少なくとも３層を為す状態で隙間部分に配置されるものである。
【００６０】
このように構成する場合、隙間部分には、十分な個数のボール部材が存在する状態となる。また、ボール部材の直径は、隙間部分と比較して小さいものとなる。このため、内ルツボを、比較的少ない箇所で支持するのを防止することが可能となり、内ルツボに生じる圧縮応力に、局所的に大きな部分が発生するのを防止可能となる。それにより、内ルツボに割れ・変形が生じるのを防止可能となる。
【００６１】
さらに、他の発明は、上述の各発明に加えて更に、第１の容器は、その材質をセラミックスとするルツボとしたものである。
【００６２】
このように構成する場合、外側に位置するセラミック製のルツボの内筒部に、内ルツボを挿入する構成となる。このため、第１の容器をセメントの成型等によって製作する必要がなく、しかも既製品であるルツボを用いるため、一定の精度があり、内ルツボの挿入が比較的容易となる。また、内ルツボに割れ等が発生し、湯漏れが生じた場合でも、漏れ出した湯を受け止めることが可能となる。それにより、湯がコイル等に接触して、水蒸気爆発等が生じるのを防止可能となる。
【００６３】
また、他の発明は、上述の各発明に加えて更に、内ルツボは、第１の容器と同一かそれ以上の熱膨張係数を持ったセラミックスを材質として形成されているものである。
【００６４】
このように構成する場合、内ルツボが熱膨張する際に、第１の容器側から大きな圧縮力を受ける状態となる。ここで、内ルツボの材質はセラミックスであるため、圧縮力には強く、内ルツボに割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【００６５】
さらに、他の発明は、真空吸引されるチャンバ内でコイルに高周波電流を導通させることにより、原料に誘導加熱を生じさせ、当該原料を溶解させるための真空溶解装置であって、上述の各発明に係るルツボユニットを、当該ルツボユニットの外ルツボがコイルの空芯部に配置される状態で備えているものである。
【００６６】
このように構成する場合、本発明の真空溶解装置は、外ルツボと内ルツボの２つのルツボを備えている。このため、外ルツボの内筒部から内ルツボのみを取り出して、容易に交換することが可能となる。それにより、内ルツボの交換に際して、バックアップセメントの充填、自然乾燥および真空脱ガス等を経る築炉作業を行う必要がなく、加えて既に設置してある内ルツボを取り除く作業時にバックアップセメントの破壊等を行う必要がない。それにより、内ルツボの設置・交換に際して、その手間を大幅に削減することが可能となっている。また、内ルツボの設置・交換後、直ぐに本発明の真空溶解装置を用いて、原料を溶解させることが可能となり、生産性を高めることが可能となる。
【００６７】
また、本発明では、溶解させる原料の材質・組成を変更する場合でも、内ルツボの交換を容易に行える。そのため、原料の溶解に際して、いわゆるコンタミネーションが生じるのを防止することが可能となり、溶解後に生成される製品（インゴット等）の品質を向上させることが可能となる。
【００６８】
また、内ルツボは、外ルツボよりも熱膨張係数の大きな材質として形成されている。しかも、外ルツボの内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間の寸法は、原料の溶解の際の熱膨張において外ルツボ側から内ルツボ側へ圧力を及ぼす状態に設定されている。このため、内ルツボが熱膨張するに従い、外ルツボの内筒面と内ルツボの外周面との間の隙間が徐々に小さくなっていき、いずれは内ルツボの外周面が外ルツボの内筒面に、圧力を及ぼす状態で接触する。そのため、内ルツボには、その圧力の反力である、圧縮力が及ぼされる。そのため、内ルツボが熱膨張に伴う引っ張り力に弱い材質から形成されていても、内ルツボに圧縮力が及ぼされ、内ルツボに割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【発明の効果】
【００６９】
本発明によると、真空溶解装置において、ルツボを築炉する際に、手間および時間を軽減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７０】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態に係る真空溶解装置１０について、図１から図７に基づいて説明する。図１は、本発明の真空溶解装置１０の概略構成を示す図である。
【００７１】
図１に示すように、この真空溶解装置１０は、真空チャンバ２０（チャンバに対応）と、真空ポンプ３０と、高周波電源４０と、モールド５０と、溶解炉１００と、を主要な構成要素としている。
【００７２】
これらのうち、真空チャンバ２０は、内部にチャンバ室２１を具備している。この真空チャンバ２０は、その内部がチャンバ室２１となっており、このチャンバ室２１を所定の真空度に維持可能とするための気密性を備えている。また、真空チャンバ２０は、真空吸引時に付与される外部からの圧力に抗し得るだけの強度を備えている。
【００７３】
また、真空ポンプ３０は、チャンバ室２１を真空吸引するためのものである。この真空ポンプ３０は、真空管路３１を介してチャンバ室２１と連通している。また、高周波電源４０は、後述するコイル１２０に、例えば所定の周波数の高周波電流（交流電流またはパルス電流等）を供給するためのものである。また、モールド５０は、誘導加熱により液体状となっている原料（湯）を、注ぎ入れる部分であり、冷却後に所定形状のインゴットが形成される部分である。なお、このモールド５０は、真空チャンバ２０に設置される構成を採用しても良く、また真空チャンバ２０とは別室のチャンバを設け、そのチャンバが真空吸引可能に設けられる構成を採用しても良い。
【００７４】
また、図１および図２に示すように、溶解炉１００は、箱体１１０と、コイル１２０と、プレート１３０と、外ルツボ１４０と、内ルツボ１５０と、を主要な構成要素としている。これらのうち、箱体１１０は、絶縁性を備える材質から形成されていて、コイル１２０で発生する高周波の影響を受けない。
【００７５】
また、コイル１２０は、外ルツボ１４０の周囲に配置されている。このコイル１２０は、例えば銅等のような導電性に優れる材質から形成されている。また、図７等に示すように、コイル１２０は、中空部１２２を備える導電パイプ１２１を所定の巻数だけ巻回することにより構成されている。そのため、導電パイプ１２１の管肉部１２３を高周波電流が導通すると共に、中空部１２２を水等の冷却媒体が流通する。また、コイル１２０は、コイルセメントが凝固したもの（図７では、コイルセメントの凝固状態が示されているが、この部分を、セメント硬化部１２４とする。）によって、固結されている。そのため、このコイル１２０は、外見上、筒状を為すように設けられている。さらに、このコイル１２０は、外径側に向かって延伸する、不図示の支持ロッドによって支持されている。これらセメント硬化部１２４および支持ロッドの存在により、高周波電流の導通に伴い強力な電磁力が発生しても、当該コイル１２０が拡がるのを抑え、そのコイル１２０で発生する振動等を抑制している。
【００７６】
また、図１に示すように、コイル１２０の下方側には、基台となるプレート１３０が設置されている。このプレート１３０は、例えば耐熱性を有するセラミックスを材質として形成されている。
【００７７】
＜外ルツボおよび内ルツボの構成について＞
以下、本実施の形態における特徴部分は、外ルツボ１４０と、内ルツボ１５０の２つを、コイル１２０の空芯部１２５に、二重構造を為す状態で配置すると共に、以下の条件を満たす点に特徴がある。以下、その詳細について説明する。なお、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０とにより、ルツボユニットが構成される。
【００７８】
図２〜図６に示すように、外ルツボ１４０および内ルツボ１５０は、有底筒状に設けられていて、一方側（下方側）のみに底部１４１，１５１が存在し、他方側（上方側）には底部１４１，１５１が存在せずに開放するように設けられている。なお、以下の説明では、他方側（上方側）の開放している部分を開口部１４２，１５２とする。また、外ルツボ１４０、内ルツボ１５０のうち、底部１４１，１５１に連続する筒状の壁面部分を周壁部１４３，１５３とし、周壁部１４３，１５３および底部１４１，１５１で囲まれる部分を、内筒部１４４，１５４とする。
【００７９】
外ルツボ１４０と内ルツボ１５０は、その外観は略円筒形状に設けられている。しかしながら、内筒部１４４に対する内ルツボ１５０の挿入性を良好にするため、および外ルツボ１４０および内ルツボ１５０の制作性を良好とするために、上方側（開口部１４２，１５２側）から下方側（底部１４１，１５１側）に向かうにつれて、若干だけ徐々に直径が小さくなるように設けられている。
【００８０】
上述のうち、外ルツボ１４０は、コイル１２０の空芯部１２５に、築炉により予め取り付けられる。すなわち、外ルツボ１４０を空芯部１２５に挿入し、プレート１３０の上部に設置した後に、コイル１２０と外ルツボ１４０との間の部位にバックアップセメント（図７等では、凝固状態が示されているが、この凝固した部分をセメント凝固部１６０とする。）を流し込む。そして、このバックアップセメントが固結され、セメント凝固部１６０が形成されることにより、外ルツボ１４０が空芯部１２５に取付固定される。なお、取付固定の状態では、誘導加熱による温度上昇が生じると、外ルツボ１４０は温度膨張しようとするが、外ルツボ１４０はセメント凝固部１６０等により押さえ付けられるため、セメント凝固部１６０側から外ルツボ１４０に向かい、圧縮応力が付与される状態となる。
【００８１】
また、外ルツボ１４０の上方側の周壁部１４３には、湯を流すガイド１７０を取り付けるための切欠部１４５が設けられている。この切欠部１４５を正面視すると、その形状が略矩形状を為している。また、内ルツボ１５０の上方側の周壁部１５３にも、湯を良好に流れ出させるための、切欠部１５５が設けられている。この切欠部１５５は、切欠部１４５よりも小さく設けられている。また、切欠部１５５を正面視すると、その形状が略二等辺三角形を為すように設けられている。
【００８２】
外ルツボ１４０の内筒部１４４には、内ルツボ１５０が配置される。すなわち、外ルツボ１４０の内径Ｌ１（内筒部１４４の直径）は、内ルツボ１５０の外径Ｌ２（周壁部１５３の外周面１５３ａの直径）よりも、大きく設けられている。ここで、本実施の形態では、外ルツボ１４０の内筒部１４４に、内ルツボ１５０が良好に挿入されると共に、内筒部１４４に内ルツボ１５０が設置されている場合、内ルツボ１５０が良好に取り出せるように、内径Ｌ１と外径Ｌ２とが設定されている。
【００８３】
なお、以下の説明においては、外ルツボ１４０の内筒面１４４ａと内ルツボ１５０の外周面１５３ａとの間の部分を隙間部分１４６とすると共に、外ルツボ１４０の内径Ｌ１と外径Ｌ２との間の差（すなわち、外ルツボ１４０の内筒面１４４ａと内ルツボ１５０の外周面１５３ａとの差）である隙間寸法を、隙間寸法Ｓとして説明する。このため、図７では、片側のみが図示されているので、図７に図示されている部分の寸法はＳ／２となる。
【００８４】
また、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０は、共にセラミックスを材質としているが、これら２つの材質は、異なっている。すなわち、原料（金属原料）の誘導加熱により、温度上昇が生じると、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０は、共に温度膨張する。しかしながら、セラミックスは、圧縮応力に対しては相対的に強いが、引っ張り応力と曲げ応力（せん断応力）に対しては相対的に弱い（圧縮応力の付与に対して圧倒的に弱い）、という特質を有している。このため、内ルツボ１５０の熱膨張係数α２（線膨張係数）が、外ルツボ１４０の熱膨張係数α１（線膨張係数）よりも大きくなるように（内ルツボ１５０の熱膨張係数α２＞外ルツボ１４０の熱膨張係数α１）、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０の材質が選定されている。
【００８５】
ここで、外ルツボ１４０の熱膨張係数α１および熱膨張係数α２は、外ルツボ１４０の内径Ｌ１および内ルツボ１５０の外径Ｌ２との関係で、以下の要件をも満たす。すなわち、誘導加熱による熱膨張で、内ルツボ１５０が外ルツボ１４０に接触し、外ルツボ１４０側から内ルツボ１５０側へ圧力を及ぼすことが必要とされる。このように、誘導加熱の際の熱膨張により、内ルツボ１５０が外ルツボ１４０に接触すると（すなわち、隙間寸法Ｓがゼロになると）、その接触状態よりも更に内ルツボ１５０が熱膨張しようとしても、外ルツボ１４０により、その熱膨張が抑えられる。それにより、外ルツボ１４０から内ルツボ１５０に対して圧縮力が付与される状態となる。ここで、上述のように、セラミックスは、圧縮力に対しては相対的に強い。そのため、熱膨張により内ルツボ１５０が外ルツボ１４０に接触する場合、当該内ルツボ１５０の割れを良好に防ぐことが可能となっている。
【００８６】
なお、上述のような熱膨張係数を有する、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０との組み合わせとしては、内ルツボ１５０をマグネシア（熱膨張係数：約１２．５×１０-6）とすると共に、外ルツボ１４０をアルミナ（熱膨張係数：約７．５×１０-6）とする場合がある。なお、真空溶解用のセラミックスを材質とするルツボとしては、アルミナ、マグネシア、ジルコニアが主流であり、その中のジルコニアは、約９．５×１０-6の熱膨張係数を有している。
【００８７】
ここで、上述の熱膨張係数の関係から、アルミナを材質とするルツボは、外ルツボ１４０として、マグネシアを材質とするルツボは内ルツボ１５０として用いるのが好適である。また、ジルコニアを材質とするルツボは、主に外ルツボ１４０として用いるのが好適であるが、アルミナとの組み合わせでは、アルミナを材質とするルツボを外ルツボ１４０として用いると共に、ジルコニアを材質とするルツボを内ルツボ１５０として用いることも可能である。
【００８８】
また、外ルツボ１４０の内径Ｌ１と内ルツボ１５０の外径Ｌ２との寸法の関係は、外ルツボ１４０の内筒部１４４に対して、内ルツボ１５０が良好に挿脱可能となる寸法（隙間寸法Ｓが所定以上）である必要がある。ここで、内筒部１４４に対して、内ルツボ１５０を良好に挿脱させるためには、隙間寸法Ｓが、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０の生産に際して、外ルツボ１４０の内筒面１４４ａと内ルツボ１５０の外周面のうちの少なくとも一方の寸法誤差（製造誤差）以上に設定されることが望ましい。また、隙間寸法Ｓは、原料の溶解時における熱膨張により、内ルツボ１５０が外ルツボ１４０に良好に接触する程度の隙間であることが必要である。かかる要件を満たすものとしては、隙間寸法Ｓが内ルツボ１５０の外径Ｌ２の２％以内であることが好ましい。
【００８９】
また、上述したように、外ルツボ１４０の切欠部１４５には、ガイド１７０が取り付けられる。ガイド１７０は、嘴状の部材であり、湯を流通させるための溝部１７１を有している。また、溶解炉１００には、不図示の傾斜機構が取り付けられている。そのため、この傾斜機構が作動して、溶解炉１００が傾斜させられると、内ルツボ１５０に存在する湯が、ガイド１７０を介して流通し、モールド５０に注がれる。なお、モールド５０では、所定時間後に湯が凝固し、インゴットが形成される。
【００９０】
＜実験結果について＞
以上のような構成を有する真空溶解装置１０を用いて、原料を溶解させ、内ルツボ１５０に割れが生じないか否かに関する実験を行った。その実験結果を、以下に示す。
【００９１】
（実験例１）
実験例１では、鉄換算で５０ｋｇ用のルツボを用いて、実験を行った。このとき、内ルツボ１５０の材質としてマグネシアを選定し、外ルツボ１４０の材質としてアルミナを選定した。また、内ルツボ１５０の外径Ｌ２は２３０ｍｍであり、外ルツボ１４０の内径Ｌ１は２３４ｍｍであるので、隙間寸法Ｓは４ｍｍである。以上のような外ルツボ１４０および内ルツボ１５０を用いて、鉄換算で５０ｋｇの原料を投入して真空溶解を行ったところ、その実験後に、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０の双方に変形がなく、かつ割れがないことが確認された。
【００９２】
（実験例２）
実験例２では、鉄換算で１００ｋｇ以上（３００ｋｇ）用の大型のルツボを用いて、実験を行った。このとき、内ルツボ１５０の材質としてマグネシアを選定し、外ルツボ１４０の材質としてアルミナを選定した。また、内ルツボ１５０の外径Ｌ２は４００ｍｍであり、外ルツボ１４０の内径Ｌ１は４０６ｍｍであるので、隙間寸法Ｓは６ｍｍである。以上のような外ルツボ１４０および内ルツボ１５０を用いて、鉄換算で３００ｋｇの原料を投入して真空溶解を行ったところ、その実験後に、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０の双方に変形がなく、かつ割れがないことが確認された。
【００９３】
（実験例３）
実験例３では、鉄換算で１００ｋｇ以上（３００ｋｇ）用のルツボを用いて、実験を行った。このとき、内ルツボ１５０の材質としてマグネシアを選定し、外ルツボ１４０の材質としてアルミナを選定した。また、内ルツボ１５０の外径Ｌ２は４００ｍｍであり、外ルツボ１４０の内径Ｌ１は４１０ｍｍであるので、隙間寸法Ｓは１０ｍｍである。以上のような外ルツボ１４０および内ルツボ１５０を用いて、鉄換算で３００ｋｇの原料を投入して真空溶解を行ったところ、内ルツボ１５０が変形し、割れ発生と同時に湯流れが発生したことが確認された。
【００９４】
以上の実験例１〜３から、隙間寸法Ｓが、内ルツボ１５０の外径Ｌ２の２％を超えた状態（実験例３では２．５％）では、内ルツボ１５０の割れ・変形が確認された。また、隙間寸法Ｓが、内ルツボ１５０の外径Ｌ２の２％を超えない状態（実験例１では１．７４％であり、実験例２では１．５％）では、内ルツボ１５０の割れ・変形が確認されなかった。このため、隙間寸法Ｓが、内ルツボ１５０の外径Ｌ２の２％程度であれば、相当の確率で内ルツボ１５０に割れ・変形が生じないと考えられる。なお、確実に確認された、一層好適な結果としては、隙間寸法Ｓが、内ルツボ１５０の外径Ｌ２の１．７４％以内であることが挙げられる。
【００９５】
＜本実施の形態を適用した場合における効果＞
上述の真空溶解装置１０は、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０の２つのルツボからなるルツボユニットを備えている。このため、内筒部１４４から内ルツボ１５０のみを取り出し、容易に交換することが可能となる。それにより、内ルツボ１５０の交換に際して、バックアップセメントの流し込み、自然乾燥および真空脱ガス等を経る築炉作業を行う必要がなく、加えて既に設置してある内ルツボ１５０を取り除く作業（バックアップセメントの破壊等）も行う必要がない。それにより、内ルツボ１５０の設置・交換に際して、その手間を大幅に削減することが可能となる。
【００９６】
また、内ルツボ１５０の設置・交換後、直ぐに本発明のルツボユニットを有する真空溶解装置１０を用いて、原料を溶解させることが可能となる。それにより、生産性を高めることが可能となる。
【００９７】
また、溶解させる原料の材質・組成を多少変更する場合でも、内ルツボ１５０の交換を容易に行える。そのため、原料の溶解に際して、いわゆるコンタミネーションが生じるのを極力防止することが可能となり、溶解後に生成される製品（インゴット等）の品質を向上させることが可能となる。また、内ルツボ１５０の設置・交換に、さほど時間を要さなく、容易に交換可能であるため、本発明の真空溶解装置１０は、異なる原料が混入され、かつ比較的小ロッドの製品の製造に適したものとなる。
【００９８】
また、内ルツボ１５０は、外ルツボ１４０よりも熱膨張係数の大きなセラミックスを材質として形成されている。しかも、この隙間寸法Ｓは、原料の溶解の際の熱膨張において外ルツボ１４０側から内ルツボ１５０側へ圧力を及ぼす状態に設定されている。このため、内ルツボ１５０が熱膨張するに従い、内筒面１４４ａと外周面１５３ａとの間の隙間が徐々に小さくなっていき、いずれは外周面１５３ａが内筒面１４４ａに、圧力を及ぼす状態で接触する。そのため、内ルツボ１５０には、その圧力の反力である、圧縮力が及ぼされる。ここで、内ルツボ１５０の材質はセラミックスであるため、圧縮力には強い。そのため、原料の溶解の際には、内ルツボ１５０に圧縮力が及ぼされる状態となるので、内ルツボ１５０に割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【００９９】
また、外ルツボ１４０は、その外周側に位置するセメント硬化部１２４に対して、セメント凝固部１６０（バックアップセメントの硬化したもの）を介して取付固定されている。このため、原料の溶解時に外ルツボ１４０に温度上昇が生じても、外ルツボ１４０の熱膨張が抑えられ、外ルツボ１４０に圧縮力を及ぼすことが可能となる。それにより、外ルツボ１４０に割れや変形が生じるのを抑えることが可能となる。また、内ルツボ１５０の熱膨張により、外ルツボ１４０を広げる向きの力（引っ張り力）が作用しても、セメント硬化部１２４、セメント凝固部１６０の存在により、その力に抗させることが可能となる。
【０１００】
さらに、隙間寸法Ｓは、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０の生産に際して、外ルツボ１４０の内筒面１４４ａと内ルツボ１５０の外周面１５３ａのうちの少なくとも一方の寸法誤差以上に設定されている。このため、外ルツボ１４０の内筒部１４４に、内ルツボ１５０を挿入し易くなり、内ルツボ１５０の設置が容易となる。
【０１０１】
また、本実施の形態では、隙間寸法Ｓは、内ルツボ１５０の直径（外周面１５３ａの直径）の２％以内に設定されている。このため、原料の誘導加熱時に内ルツボ１５０が熱膨張すると、内ルツボ１５０の外周面１５３ａが外ルツボ１４０の内筒面１４４ａに、圧力を及ぼしながら接触する状態となる。このため、内ルツボ１５０には、圧縮力が及ぼされる状態となり、内ルツボ１５０の割れ・変形を良好に防止することが可能となる。
【０１０２】
また、内ルツボ１５０は、その材質をマグネシアとする一方、外ルツボ１４０は、その材質をアルミナとしている。ここで、マグネシアの熱膨張率は、アルミナの熱膨張率よりも大きい。そのため、内ルツボ１５０が熱膨張すると、その外周面１５３ａが外ルツボ１４０の内筒面１４４ａに、圧力を及ぼしながら接触する状態となる。このため、内ルツボ１５０には、圧縮力が及ぼされる状態となり、内ルツボ１５０の割れ・変形を良好に防止することが可能となる。
【０１０３】
（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態について、図８および図９に基づいて説明する。なお、本実施の形態では、上述の第１の実施の形態と同様の部分については、同じ符号を用いて説明する。また、本実施の形態では、上述の第１の実施の形態と相違する部分について説明する。
【０１０４】
本実施の形態では、上述の第１の実施の形態と同様に、外ルツボ１４０（第１の容器に対応）の内筒部１４４に内ルツボ１５０を配置している。しかしながら、本実施の形態では、外ルツボ１４０の内筒面１４４ａと、内ルツボ１５０の外周面１５３ａとの間の隙間部分１４６には、多数のボール部材１８０（充填部材に対応）が配置されている。そして、誘導加熱に際して、このボール部材１８０を介して、内ルツボ１５０に圧縮応力を与えるように構成されている。また、ボール部材１８０が、いわゆる「コロ」の役割を果たすことにより、内ルツボ１５０を交換する際に、当該内ルツボ１５０を内筒部１４４から容易に取り出すことが可能となっている。
【０１０５】
なお、本実施の形態では、上述の第１の実施の形態とは異なり、ボール部材１８０もルツボユニットを構成する。すなわち、本実施の形態では、ルツボユニットは、外ルツボ１４０と、内ルツボ１５０と、ボール部材１８０とが対応する。
【０１０６】
ここで、ボール部材１８０は、その材質をセラミックスとしており、誘導加熱に対して十分な耐熱性を有している。また、このボール部材１８０は、球状に形成されていると共に、その直径は、隙間寸法Ｓよりも十分に小さく設けられている。また、ボール部材１８０は、その表面が略滑らかに設けられている。
【０１０７】
また、ボール部材１８０が内ルツボ１５０の外周面に接触する箇所の数が多いほど、熱膨張時に内ルツボ１５０の膨張に抗する支持点が多くなる。また、一般に、ボール部材１８０の直径が小さくなるほど、当該ボール部材１８０は、荷重の負荷等に強くなる（破損し難くなる）。そのため、隙間部分１４６に配置されるボール部材１８０は、その断面図において１層ではなく、複数層を為すように配置されることが好ましい。なお、ボール部材１８０は、隙間部分１４６に３層以上配置されることが好ましい。ここで、隙間寸法Ｓの両側の合計が、例えば１０ｍｍ程度の場合（片側の隙間部分１４６が５ｍｍ程度の場合）には、隙間部分１４６にボール部材１８０が３層以上配置される点を考慮すると、ボール部材１８０の直径は、２ｍｍ以下（２ｍｍの直径であっても、隣り合うボール部材１８０の間の空間部を埋めるように、他のボール部材１８０が入り込むため。）であることが望ましい。
【０１０８】
また、本実施の形態における隙間寸法Ｓは、第１の実施の形態における隙間寸法Ｓよりも大きい値となるように選定可能である。すなわち、本実施の形態では、隙間部分１４６にボール部材１８０が配置されることにより、内ルツボ１５０の熱膨張に対して、当該内ルツボ１５０は、ボール部材１８０を外ルツボ１４０側へ押し付ける反面、ボール部材１８０の径方向の移動が、外ルツボ１４０により制限されることを起因として、内ルツボ１５０は、ボール部材１８０を介して自身を圧縮する向きの力を受ける。このため、隙間寸法Ｓを第１の実施の形態におけるものよりも大きくしても、内ルツボ１５０に割れが生じるのを抑えることが可能となっている。
【０１０９】
また、本実施の形態では、外ルツボ１４０の材質と、内ルツボ１５０の材質は、互いに同じもの（熱膨張係数が同等のもの）であっても良く、また互いに異なるものであっても良い。例えば、外ルツボ１４０の材質をアルミナとすると共に、内ルツボ１５０の材質を、上述の第１の実施の形態と同様にマグネシアとしたり、同じ材質であるアルミナとすることも可能である。
【０１１０】
また、隙間部分１４６の上端側には、蓋部材１９０が設けられている。この蓋部材１９０は、不図示の傾斜機構の作動により、溶解炉１００が傾斜させられる場合に、ボール部材１８０が隙間部分１４６から溢れ出るのを防止している。なお、蓋部材１９０としては、例えばアルミナを材質とする、フェルトを詰める等が挙げられる。しかしながら、蓋部材１９０は、アルミナ製のフェルトには限定されず、例えばセラミック製の耐熱性を備えるリング状のプレート部材を用いる等、種々のものを用いることが可能となっている。
【０１１１】
＜実験結果について＞
上述の第２の実施の形態に係る真空溶解装置１０を用いて、原料を溶解させ、内ルツボ１５０に割れが生じないか否かに関する実験を行った。その実験結果を、以下に示す。
【０１１２】
（実験例４）
実験例４では、鉄換算で１００ｋｇ以上（３００ｋｇ）用のルツボを用いて、実験を行った。このとき、内ルツボ１５０の材質としてマグネシアを選定し、外ルツボ１４０の材質としてアルミナを選定した。また、内ルツボ１５０の外径Ｌ２は４００ｍｍであり、外ルツボ１４０の内径Ｌ１は４１０ｍｍであるので、隙間寸法Ｓは１０ｍｍである。また、隙間部分１４６には、流動性の良いボール部材１８０を、隙間部分１４６を埋めるように充填した。以上のような構成を用いて、鉄換算で３００ｋｇの原料を投入して真空溶解を行ったところ、その実験後に、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０の双方に変形がなく、かつ割れがないことが確認された。
【０１１３】
なお、上述の第１の実施の形態における実験例３は、ボール部材１８０が隙間部分１４６に存在しないのみで、その他の条件は同一である。この実験例３では、実験後に内ルツボ１５０が変形し、割れ発生と同時に湯流れが発生したことが確認されている。そのため、実験例３と実験例４との比較により、ボール部材１８０を充填することで、内ルツボ１５０の割れ・変形を防止できることが確認された。
【０１１４】
＜本実施の形態を適用した場合における効果＞
本実施の形態におけるルツボユニットを有する真空溶解装置１０では、上述の第１の実施の形態におけるものと同様に、内ルツボ１５０の交換に際して、バックアップセメントの流し込み、自然乾燥および真空脱ガス等を経る築炉作業を行う必要がなく、加えて既に設置してある内ルツボ１５０を取り除く作業（バックアップセメントの破壊等）も行う必要がない。それに加えて、本実施の形態では、隙間部分１４６には、ボール部材１８０が充填される。しかも、このボール部材１８０は、固着されない状態で隙間部分１４６に存在する。そのため、内筒部１４４から内ルツボ１５０の取り出しが容易となり、交換作業が容易となる。
【０１１５】
また、隙間部分１４６にボール部材１８０が充填されるため、内ルツボ１５０が熱膨張しようとしても、このボール部材１８０の存在により、外ルツボ１４０側から圧縮力が及ぼされる。ここで、内ルツボ１５０の材質はセラミックスであるため、圧縮力には強い。しかも、本実施の形態では、内ルツボ１５０は、ボール部材１８０により、多点支持されている。そのため、誘導加熱時においては、多数の支点（ボール部材１８０）を介して、内ルツボ１５０に圧縮力が及ぼされる状態となるので、内ルツボ１５０に割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【０１１６】
また、ボール部材１８０は、セラミックスを材質として形成されている。このため、ボール部材１８０は、圧縮力に対して相対的に強く、内ルツボの熱膨張を良好に抑えることが可能となる。
【０１１７】
また、内ルツボ１５０を取り出す場合、ボール部材１８０には、いわゆる「コロ」の役割を奏させることが可能となり、取り出し時の内ルツボ１５０の外周面１５３ａと内筒面１４４ａとの間の抵抗が少なくなる。そのため、内ルツボ１５０の取り出しが容易となる。
【０１１８】
さらに、隙間部分１４６の上端側には、蓋部材１９０が取り付けられている。このため、蓋部材１９０が取り付けられた状態では、ボール部材１８０が隙間部分１４６から脱落する（こぼれ落ちる）のを防止可能となる。
【０１１９】
また、本実施の形態では、ボール部材１８０は、内筒面１４４ａから外周面１５３ａに向かい、少なくとも３層を為す状態で隙間部分１４６に配置されている。このため、隙間部分１４６には、十分な個数のボール部材１８０が存在する状態となる。また、ボール部材１８０の直径は、隙間部分１４６と比較して小さいものとなる。このため、内ルツボ１５０を、比較的少ない箇所で支持するのを防止可能となり、内ルツボ１５０に生じる圧縮応力に、局所的に大きな部分が発生するのを防止可能となる。それにより、内ルツボ１５０に割れ・変形が生じるのを防止可能となる。
【０１２０】
さらに、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、セラミックス製の外ルツボ１４０を用いているため、内ルツボ１５０を受け止める部分を、セメントの成型等によって製作する必要がない。また、本実施の形態では、既製品であるルツボを用いるため、一定の精度があり、内ルツボ１５０の挿入が比較的容易となる。また、内ルツボ１５０に割れ等が発生し、湯漏れが生じた場合でも、漏れ出した湯を受け止めることが可能となる。それにより、湯がコイル１２０等に接触して、水蒸気爆発等が生じるのを防止可能となる。
【０１２１】
また、内ルツボ１５０は、外ルツボ１４０よりも熱膨張係数が大きなセラミックスを材質とすることも可能である。このように構成する場合、内ルツボ１５０が熱膨張する際に、外ルツボ１４０側から大きな圧縮力を受ける状態となる。ここで、内ルツボ１５０の材質はセラミックスであるため、圧縮力には強い。それにより、内ルツボ１５０に割れが生じたり、割れの原因となる変形が生じるのを極力抑えることが可能となる。
【０１２２】
＜変形例＞
以上、本発明の各実施の形態に係るルツボユニットを有する真空溶解装置１０について説明したが、本発明はこれ以外にも種々変形可能となっている。以下、それについて述べる。
【０１２３】
上述の各実施の形態では、真空チャンバ２０を備える真空溶解装置１０に、本発明の要部である、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０の構成を適用しているが、真空チャンバ２０を備えない溶解装置に、本発明を適用することも可能である。また、チャンバ室２１の真空吸引を行わずに、窒素やアルゴン等の不活性ガスを供給し、当該不活性ガスの雰囲気化で原料を溶解する溶解装置に、本発明を適用することも可能である。
【０１２４】
また、上述の実施の形態では、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０の材質として、アルミナ、マグネシアおよびジルコニアを例示している。しかしながら、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０の材質は、これには限られず、耐熱性を備える種々のセラミックスを用いることが可能である。その他のセラミックスの例としては、ムライト（3Al2O3・2SiO2）、カルシア（CaO）、チタニア（TiO2 ）、シリカ（SiO2 ）、窒化ホウ素（BN）、窒化アルミニウム（AlN）、炭化ケイ素（SiC）、窒化ケイ素（Si3 N4 ）、チタンカーバイド（TiC）、および列記のもの（アルミナ、マグネシア、ジルコニアを含む）との複合体等が挙げられる。なお、代表的な複合体としては、アルミナとチタニアの複合体であるチタン酸アルミナ等が挙げられる。また、セラミックス以外の材質を用いても良く、その例としては、黒鉛が挙げられる。また、例えば表面に炭化ケイ素（SiC）のコーティングがされ、その内側がカーボンのような、セラミックスとセラミックス以外の材質の複合体を用いても良い。また、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０の組み合せとしては、いずれか一方の材質をセラミックスとすると共に、残りの他方をセラミックス以外の材質としても良い。
【０１２５】
また、上述の実施の形態では、外ルツボ１４０と内ルツボ１５０のテーパ角度を、更に大きくしても良い。この場合、内ルツボ１５０を挿入する深さによって、隙間寸法Ｓが変化する。そこで、外ルツボ１４０の底部１４１にスペーサを配置して、隙間寸法Ｓの調整を行えるように構成しても良い。なお、スペーサを外ルツボ１４０の底部１４１に配置すると、そのスペーサの厚み寸法だけ、内ルツボ１５０が上方に突出し、熱膨張に際して外ルツボ１４０と接触しない部分が生じる。しかしながら、原料の溶解を行って形成される湯は、内ルツボ１５０の６０％程度の体積を占め、しかも内ルツボ１５０への荷重の付与は、下方側に向かうにつれて大きくなる。そのため、スペーサの厚み寸法の分だけ多少突出しても、内ルツボ１５０に割れ等が生じ難くなっている。
【０１２６】
また、上述の第２の実施の形態では、第１の容器として、外ルツボ１４０を用いる場合について説明している。しかしながら、第１の容器は、外ルツボ１４０には限られず、例えば密閉性を有するように、セメント等を硬化させたものを、第１の容器としても良い。
【０１２７】
また、上述の実施の形態では、充填部材として、セラミックスを材質とするボール部材１８０を用いる場合について説明している。しかしながら、充填部材は、ボール部材には限られない。例えば、充填部材の「コロ」としての機能を犠牲にしても良い場合には、セラミックスを材質とするフェルト、セラミックスを材質とする砂状の部材等を、充填部材として用いても良い。なお、上述の実施の形態におけるボール部材１８０は、自身が傾斜面で転動することが可能な程度に、その表面がなだらかであって凹凸が少ないことが望ましい。
【０１２８】
また、上述の第２の実施の形態では、ボール部材１８０を、隙間部分１４６の高さ方向の上端側まで充填している（図８参照）。しかしながら、ボール部材１８０は、隙間部分１４６の上端側まで充填する必要はなく、隙間部分１４６の上端側まで達しない状態で充填しても良い。ここで、隙間部分１４６の下方側においては、熱膨張による圧力以外に、湯等の自重の圧力も作用する。そこで、例えば隙間部分１４６の下端側から、略１／３程度か、それよりも上回りかつ隙間部分１４６の上端側に達しない程度に、ボール部材１８０を充填するようにしても良い。
【０１２９】
また、上述の第２の実施の形態では、外ルツボ１４０の底部１４１には、ボール部材１８０を充填していない。しかしながら、底部１４１にもボール部材１８０を充填するようにしても良い。なお、底部１４１にボール部材１８０を充填する場合、内ルツボ１５０の高さ位置の調整（例えば、面合わせ等）を行うことが容易に可能となる。また、底部１４１にボール部材１８０を充填する場合、内ルツボ１５０を外ルツボ１４０の内筒部１４４に設置した後であっても、当該内ルツボ１５０を傾斜させたり、内筒部１４４で移動させる等の調整を行うことが可能となり、従来は困難であった隙間部分１４６の全周に亘る、均一寸法化等も図ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明のルツボユニットおよび真空溶解装置は、鉄等の金属を精錬する分野において利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る真空溶解装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１の真空溶解装置のうち、溶解炉付近の構成を示す側断面図である。
【図３】図１の真空溶解装置のうち、溶解炉付近の構成を示す平面図である。
【図４】図１の真空溶解装置が備えるルツボユニットのうち、外ルツボの構成を示す側断面図である。
【図５】図１の真空溶解装置が備えるルツボユニットのうち、内ルツボの構成を示す側断面図である。
【図６】図１の真空溶解装置が備えるルツボユニットのうち、内ルツボの切欠部付近の構成を示す側断面図である。
【図７】図１の真空溶解装置が備えるルツボユニットのうち、主として外ルツボと内ルツボの配置関係を拡大して示す部分断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るルツボユニットの構成のうち、外ルツボと内ルツボの配置関係の概略を示す側断面図である。
【図９】図８のうち、外ルツボと内ルツボの配置関係を拡大して示す部分断面図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１０…真空溶解装置
２０…真空チャンバ（チャンバに対応）
１００…溶解炉
１２０…コイル
１２４…セメント硬化部
１３０…プレート
１４０…外ルツボ（第２の実施の形態では、第１の容器に対応、ルツボユニットの一部に対応）
１４３，１５３…周壁部
１４４，１５４…内筒部
１４４ａ…内筒面
１５０…内ルツボ（ルツボユニットの一部に対応）
１５３ａ…外周面
１６０…セメント凝固部
１７０…ガイド
１８０…ボール部材（充填部材に対応、ルツボユニットの一部に対応）
【図１】
2008261573.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008261573.tif 000008
【図７】
2008261573.tif 000009
【図８】
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【図９】
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