(57)【要約】【課題】ワークへの電力配分の割合が大きくなるよう設計された誘導溶解用水冷るつぼを提供する。【解決手段】少なくともるつぼ壁の中腹部の縦方向に、複数のスリット１と、内部に冷却水路２Ａが形成されている複数のセグメント２とが交互に周設されていて、るつぼの内径をＤ１、冷却水路の内径をＤ２、セグメントの断面積をＳ１、冷却水路の断面積をＳ２としたとき、前記Ｄ１，Ｄ２の間、および前記Ｓ１，Ｓ２の間には、次式：０．０４≦Ｄ２／Ｄ１≦０．８０．２５≦Ｓ２／Ｓ１≦０．８で示される関係が成立している誘導溶解用水冷るつぼ。【選択図】　　　図１
2004060996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともるつぼ壁の中腹部の縦方向に、複数のスリットと、内部に冷却水路が形成されている複数のセグメントとが交互に周設されていて、前記るつぼの内径をＤ１、前記冷却水路の内径をＤ２、前記セグメントの断面積をＳ１、前記冷却水路の断面積をＳ２としたとき、
前記Ｄ１，Ｄ２の間、および前記Ｓ１，Ｓ２の間には、次式：
０．０４≦Ｄ２／Ｄ１≦０．８
０．２５≦Ｓ２／Ｓ１≦０．８
で示される関係が成立していることを特徴とする誘導溶解用水冷るつぼ。
【請求項２】
前記冷却水路の断面中心よりも外側に位置するセグメント部分の肉厚をＴ１としたとき、Ｔ１と前記Ｄ１の間には、次式：
０．０１５≦Ｔ１／Ｄ１≦０．０８
で示される関係が成立している請求項１の誘導溶解用水冷るつぼ。
【請求項３】
前記Ｔ１は一定の値になっている請求項２の誘導溶解用水冷るつぼ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は誘導溶解用水冷るつぼに関し、更に詳しくは、被溶解物の溶解時に投入する高周波電力が当該被溶解物に有効に配分されるように設計されている誘導溶解用水冷るつぼに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ＴｉやＮｂなどの溶解に関しては、コールドクルーシブル溶解法が適用されはじめている。このコールドクルーシブ溶解法は、後述する水冷るつぼの周囲に水冷高周波コイルを配設し、前記水冷るつぼ内に被溶解物を装入し、前記コイルに高周波電力を投入して操業が進められる。
【０００３】
ここで、このコールドクルーシブル溶解法で用いる水冷るつぼについて説明する。
この水冷るつぼとしては、各種タイプのものが知られているが、その１構造例を図３と図４に示す。図３は、水冷るつぼの壁部の一部を示す平面図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【０００４】
まず、この水冷るつぼは、全体が例えばＣｕで構成され、断面は円形である縦長の容器になっている。そして、その中腹部Ａには、縦方向に、ある幅で複数のスリット１が形成され、また、そのスリット１と隣接してある幅とある厚みを有するセグメント２が形成され、そのセグメント２の内部には、当該セグメントを冷却するための冷却水を流す冷却水路２Ａが形成されている。したがって、中腹部Ａには、スリット１とセグメント２が交互に周設されていて、それら全体で水冷るつぼの壁部が構成されている。
【０００５】
なお、図示した水冷るつぼの場合は、中腹部Ａの上部と下部が周方向に一体化した構造になっているが、タイプによっては、スリットをるつぼの上下に縦断して形成することにより、セグメントを個々に独立配置したものもある。
【０００６】
被溶解物の溶解は次のようにして進められる。
水冷るつぼの外周に配設されている高周波コイルに電力を投入すると、被溶解物には電磁誘導により、誘導電流が流れる。
【０００７】
すなわち、被溶解物にはジュール熱が発生して当該被溶解物の溶解が進む。同時に、るつぼの中心部に向かうローレンツ力が発生するので、被溶解物の溶湯はるつぼの内壁から浮き上がる。
【０００８】
したがって、るつぼの中腹部Ａにスリット１が形成されていても、このスリットから溶湯が流出することはない。しかし、操業を終了すると、上記した力は消失して溶湯はスリットに進入し、固化して、いわゆる湯刺しが発生するようになるので、通常は、操業に際し、当該スリットに例えばＡｌ２Ｏ３のようなセラミックスを充填しておく。
【０００９】
このように、コールドクルーシブ溶解法では、るつぼ内壁と非接触状態で被溶解物の溶解が進行するので、冷却後に得られたインゴットはるつぼからの汚染を受けず、高純度のものになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したコールドクルーシブル溶解法には次のような問題がある。
それは、コイルに電力を投入して操業を開始すると、Ｃｕ製のるつぼも導電体であるため投入電力の一部はるつぼに配分され、それが被溶解物に対して同じく電磁誘導作用を示すということである。そのときの誘導電流の向きは、コイルによる誘導電流の向きと逆であり、それを部分的に相殺する。その結果、被溶解物に発生するジュール熱は減少するため、溶解効力は低下する。
【００１１】
このような問題に対しては、るつぼの体積を減らし、るつぼとコイル間の相互インダクタンスを減らすということが行われている。しかしながら、るつぼの体積を減らしすぎると、るつぼの強度が低下し、溶融時の熱で変形してしまう。また、冷却水路のサイズはるつぼ形状を設計する上で重要であるが、上記サイズが小さすぎると冷却能力の不足により、るつぼそれ自体が融解することもあり、逆にサイズが大きすぎるとるつぼ体積は減少し、強度は低下する。
【００１２】
本発明は、上記したような問題を解決し、対象ワークへの電力配分が向上するように設計された新規な誘導溶解用水冷るつぼの提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、少なくともるつぼ壁の中腹部の縦方向に、複数のスリットと、内部に冷却水路が形成されている複数のセグメントとが交互に周設されていて、前記るつぼの内径をＤ１、前記冷却水路の内径をＤ２、前記セグメントの断面積をＳ１、前記冷却水路の断面積をＳ２としたとき、前記Ｄ１，Ｄ２の間、および前記Ｓ１，Ｓ２の間には、次式：
０．０４≦Ｄ２／Ｄ１≦０．８　…（１）
０．２５≦Ｓ２／Ｓ１≦０．８　…（２）
で示される関係が成立していることを特徴とする誘導溶解用水冷るつぼが提供される。
【００１４】
更に好ましくは、前記冷却水路の断面中心よりも外側に位置するセグメント部分の肉厚をＴ１としたとき、Ｔ１と前記Ｄ１の間には、次式：
０．０１５≦Ｔ１／Ｄ１≦０．０８　…（３）
で示される関係が成立しており、またそのＴ１が一定の値になっている誘導溶解用水冷るつぼが提供される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明のるつぼは、冷却水路が形成されている状態でセグメントの体積をできるだけ小さくして、投入電力のうち、セグメントで損失する電力の割合をできるだけ小さくすることにより、被溶解物への電力配分を多くして溶解効率を高めるということを設計思想に据えて開発されたものである。
【００１６】
具体的には、式（１）と式（２）を同時に満足することを必須とし、好ましくは更に式（３）の条件を満足しているるつぼである。以下に、これら式の意味について説明する。
【００１７】
図１は、るつぼの中腹部に周設されているスリット１とセグメント２の一部を示す断面図である。図１の仮想線は、中腹部の上部（または下部）に位置するるつぼの部分を示している。
【００１８】
なお、一般には、るつぼのセグメントとしては図１で示したような扇状のセグメントが用いられている。
今、るつぼの中心をＯとし、るつぼの内径をＤ１とする。また、セグメント２に形成されている冷却水路２Ａの内径をＤ２とする。そして、セグメント２の断面積をＳ１、冷却水路２Ａの断面積をＳ２（＝πＤ２２／４）とする。
【００１９】
設計に際しては、まず、被溶解物の溶解量との関係で、るつぼの内径Ｄ１が決められる。溶解量が多い場合は、それに対応するために内径Ｄ１は大きい値に設定されることになる。
【００２０】
そして、内径Ｄ１が決まれば、それに対応して冷却態様が決まる。すなわち、溶解量が多く、内径Ｄ１が大きければ、投入される溶解電力が大きくなるため、るつぼを冷却するためにはセグメント２に多量の冷却水を流さなければならず、その結果、冷却水路２Ａの内径Ｄ２を大きく設計することが必要になる。
【００２１】
すなわち、Ｄ２／Ｄ１を０．０４よりも小さい値にすると、るつぼの冷却能力不足により、るつぼが融解し、またＤ２／Ｄ１を０．１８より大きい値にすると、るつぼの強度が低下し、溶解時の熱でるつぼが変形するという問題が発生する。
【００２２】
このようなことから、Ｄ１とＤ２の値は、式（１）の関係を満たすように設計されることが必要である。好ましいＤ１とＤ２の値は、次式：
０．０６≦Ｄ２／Ｄ１≦０．１６　…（１’）
を満たすように設計されることである。
【００２３】
また、セグメント２の断面積Ｓ１と冷却水路２Ａの断面積Ｓ２との関係において、前者が後者に対して相対的に小さい場合は、セグメント２の肉厚が薄い状態にあるということである。
【００２４】
そのような状態にあるセグメントは、操業時において、溶湯からの熱で強度低下を起こすこともあり、るつぼ強度の確保という点で不安がある。
また、前者が後者に対して相対的に大きい場合は、冷却水路２Ａを流れる冷却水が少なくなってセグメントに対する冷却効果の低下をもたらし、同時に、セグメントの相対的な体積増が引き起こされるので、電力損失の増加を招くという問題も生ずる。
【００２５】
このようなことから、Ｓ１とＳ２の値は、式（２）を満たすように設計されることが必要となる。好ましいＳ１とＳ２の値は、次式：
０．４≦Ｓ２／Ｓ１≦０．６　…（２’）
を満たすように設計されることである。
【００２６】
セグメント２は、上記した要件を満たした上で、更に式（３）を満たしていることが好ましい。
Ｄ１とＴ１との間で、この関係が成立していれば、るつぼに必要な強度を確保しつつ、セグメント体積を小さくすることができるため、るつぼでの電力損失を小さくすることができるという効果を奏することができるからである。
【００２７】
なお、その場合、Ｔ１値が一定である、すなわち、図１で示したように、断面中心よりも外側に位置するセグメント２の外周が円弧を描いているような場合には、セグメント外側の強度が均一になるので、るつぼの強度を維持するという点で一層有効である。
【００２８】
本発明のるつぼにおいて、式（１）と式（２）が充足していることを前提として、スリット１の幅は適宜な値に設計されればよい。その場合、スリットの数が多い方が被溶解物への電力配分の割合は大きくなるので、その点を勘案してスリットの幅は設定される。
【００２９】
なお、セグメント２の断面形状は、式（１）と式（２）、好ましくは更に式（３）を充足していれば格別限定されるものではない。
また、セグメント２の内側部分が、例えば図２で示したように、周方向に張出しているピローブロック軸受のような形状になっていてもよい。この張出し部分２Ｂの張出し長さを適宜に調整することにより、スリット１の幅を調節することが可能になる。
【００３０】
なお、操業時にあっては、上記したスリットに、例えばＳｉＯ２，ＴｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＺｒＯ２，Ｙ２Ｏ３のそれぞれ単体、またはそれらの混合物を充填して湯刺しの発生を防止することが好ましい。
【００３１】
【実施例】
図２で示したピローブロック型のセグメント、または図３で示した扇形のセグメントが周設されているるつぼを設計した。
【００３２】
るつぼの内径（Ｄ１）、冷却水路の内径（Ｄ２）、各セグメントの肉厚（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）は表１に示したとおりである。また、各るつぼにおいて、セグメント間のスリット幅は２ｍｍ、スリット本数は１６本に統一した。
これらのるつぼを用いてＴｉを溶解した。溶解時のるつぼの状況、Ｔｉへ投入される電力割合を、表１，２に示した。
【００３３】
【表１】
2004060996.tif 000003
【００３４】
【表２】
2004060996.tif 000004
【００３５】
表１，２から次のことが明らかである。
（１）本発明で規定した（１）式、（２）式、（３）式のいずれもが成立している実施例１，実施例２は、溶解時のるつぼに何らの異常も認められずにＴｉ溶解を進めることができ、Ｔｉ溶解に配分される電力割合は、それぞれ、３６％，３５％と高い値を示している。
【００３６】
（２）冷却水路が細く、Ｄ２／Ｄ１値が０．０４より小さい比較例１と比較例５のるつぼの場合は、冷却能力が不足してるつぼの表面は融解してしまったためＴｉ溶解はできなかった。
【００３７】
（３）冷却水路が大きく、Ｄ２／Ｄ１値が０．１８より大きい比較例３と比較例７のるつぼの場合は、るつぼの肉厚（Ｔ１）が薄く低強度であるため、溶解時の熱で変形してしまったためＴｉ溶解はできなかった。
【００３８】
（４）Ｄ２／Ｄ１値は実施例のるつぼと同じであるが、セグメント断面積（Ｓ１）が大きく、Ｓ２／Ｓ１値が０．２５より小さい比較例２と比較例６のるつぼの場合、Ｔｉ溶解は可能であったが、るつぼでの電力損失が大きく、Ｔｉへ配分される電力割合は実施例の場合よりも小さくなっている。
【００３９】
（５）Ｄ２／Ｄ１値は実施例のるつぼと同じであるが、セグメントをピローブロック型にしてＳ２／Ｓ１値を０．８より大きくした比較例４と比較例８のるつぼの場合は、セグメントの肉厚（Ｔ１，Ｔ２）が薄く低強度になるため、溶解時の熱でるつぼは変形し、Ｔｉ溶解はできなかった。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のるつぼを用いると被溶解物への電力配分が増加してその溶解効率は向上する。これは、式（１），（２）の関係を成立させるように諸元が設計されていることによってもたらされる効果である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のるつぼにおけるセグメントの断面形状の１例を示す断面図である。
【図２】本発明のるつぼにおけるセグメントの断面形状の別の例を示す断面図である。
【図３】従来のるつぼの壁部例を示す部分平面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１　　　スリット
２　　　セグメント
２Ａ　　冷却水路
２Ｂ　　張出し部分
【図１】
2004060996.tif 000005
【図２】
2004060996.tif 000006
【図３】
2004060996.tif 000007
【図４】
2004060996.tif 000008