(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部に水冷銅セグメントからなる出湯用ノズルを有するるつぼ本体部外周には溶解用コイルが環装され、該出湯用ノズルの外周にはノズル加熱用コイルが環装されたコールドクルーシブル誘導溶解装置の出湯方法であって、
段階的、あるいは連続的に該ノズル加熱用コイルの誘導加熱電力を徐々に高めてノズル栓を溶解させるにあたり、溶解に必要な誘導加熱電力に到達させる前に溶湯からの加熱によって該出湯用ノズルに配設されたノズル栓の上部のスカル層をるつぼ内の溶湯側から溶解させてからノズル栓を溶解させることを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解装置の出湯方法。
【請求項２】
ノズル栓の温度上昇及び溶解をるつぼ内の溶湯からの加熱とノズル加熱用コイルによる加熱のバランスに基づいて制御することにより、るつぼ内の溶湯からの加熱によるスカル層の溶解を先行させてノズル栓の溶解を行う請求項１に記載の出湯方法。
【請求項３】
前記出湯用ノズルに耐火物製スリーブを配設すると共に、出湯用コイルの下端位置を耐火物製スリーブの下端位置と等しくするか、あるいは耐火物製スリーブの下端位置よりも下に配設したコールドクルーシブル誘導溶解装置を用いる請求項１または２に記載の出湯方法。
【請求項４】
耐火物製スリーブ内の少なくとも２箇所に垂直方向に延長された凸部を配設した出湯用ノズルを用いる請求項１〜３のいずれかに記載の出湯方法。
【請求項５】
上記凸部の突出高さが出湯用ノズル内径の５〜２０％である請求項４に記載の出湯方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコールドクルーシブル誘導溶解装置に関し、詳細にはるつぼ底部に水冷銅セグメントからなる出湯用ノズルを有するコールドクルーシブル誘導溶解装置の出湯方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コールドクルーシブル誘導溶解装置は、縦長に分割された良導性金属のセグメントを略円筒状に形成されたるつぼを誘導コイル内に配設することで構成されており、上記誘導コイルによりるつぼの各セグメントに渦電流を発生させ、この渦電流により更にるつぼ内の被溶解材料に渦電流を発生させ被溶解材料にジュール熱を発生させて加熱・溶解する装置である。尚、上記誘導溶解装置は、るつぼ自体の溶解を防止することを目的として、上記るつぼ内には水などの冷媒を循環させる様に構成されていることからコールドクルーシブル誘導溶解装置と呼ばれている。
【０００３】
るつぼ底部に出湯用ノズルを有するボトム出湯方式を採用するコールドクルーシブル誘導溶解装置としては、例えば被溶融金属を電磁作用によって加熱すると共に、電磁力によって被溶融金属を浮揚させた状態で溶解させる浮揚型コールドクルーシブル誘導溶解装置が知られている。この浮揚型装置では、浮揚状態を保つために誘導コイルの電流を大きくしなければならないが、電力を大きくすると溶湯の電力消費量が増えるだけでなく、横絞り力も増加して溶湯が不安定になるという問題を生じていた。この様な問題を解決する技術として、例えば特開平７−２４９２８３号には、るつぼの底と出湯管部との結合部を除いて出湯管部の内径寸法を大きくして結合部に内径側に突出する突出部を形成することによって、渦電流を該突出部に集中させて溶湯の下面に流れる渦電流との相互作用によって、電流を大きくすることなく溶湯を浮揚させるための浮揚力を提供する技術を開示している。
【０００４】
しかしながら浮揚型コールドクルーシブル誘導溶解装置では、５０ｋｇ程度の金属溶湯であれば浮揚させることができるものの、大量の金属溶湯を浮上させることは困難であり、未だ工業ベースでの生産には適さない。
【０００５】
従来から工業用に採用されているコールドクルーシブル誘導溶解装置として図１に示す様な底部に出湯用ノズルを有するボトム出湯方式が例示される。図１の装置は、溶解用コイル２１の内側に、水冷銅セグメント構造からなるるつぼ１０が設置されている。るつぼ底部の構造としては、平坦な底面を有するリング状の水冷銅底板１２、テーパ部１３ａとストレート部１３ｂを有する水冷銅セグメント構造からなる出湯用ノズル１３、その外側にノズル加熱用コイル２２が配置されている。溶解用コイル２１には、溶解用の高周波加熱電源２３が接続されており、またノズル加熱用コイル２２には出湯用の高周波加熱電源２４が接続されている。
【０００６】
上記コールドクルーシブル誘導溶解装置を用いて金属材料の溶解を行なうに当っては、初めに原料をるつぼ１０内に装入し、溶解用電源２３をＯＮにして誘導溶解を行ない、るつぼの底及びるつぼ下部内壁にスカル層２を形成させながら溶解した後、出湯用ノズル１３の上部に配設されたノズル栓３をノズル加熱用コイル２２により溶解させて出湯を行なうものである。
【０００７】
本発明者らはコールドクルーシブル誘導溶解装置の出湯方法を改良した技術を種々提案している。例えばコールドクルーシブル誘導溶解装置における出湯用ノズルに耐火物製スリーブを配設することによって、出湯を行なっても出湯用ノズルの下方端近傍位置における凝固物の付着を防止する技術を提供（特開平１１−３６５４７５号）している。また出湯用ノズルの内表面に絶縁性皮膜を形成することによって溶解用コイルに多大な電力を投入することなく、出湯用ノズルからの出湯と連続操業を行なうことができる技術を提供（特開平１１−２１２５４２号）している。更にるつぼ内の湯面高さ減少に伴う出湯速度の減衰を防止し、均一速度で出湯して連続鋳造など各種鋳造方法への適用を容易にする技術を提供（特開平１２−２６８９４８号）している。また更にコールドクルーシブル誘導溶解装置において出湯途中の停止が可能であり、しかも短時間で出湯を再開することができる技術を提供（特開平１２−２７４９５１号）している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示す様なボトム出湯方式のコールドクルーシブル誘導溶解装置では、上記の通りノズル栓とその上部のスカル層（ノズル栓近傍のスカル層）を溶解させて出湯しているが、出湯中においても出湯用ノズル内で溶湯流が乱れを生じると出湯用ノズル内表面にも凝固層が成長することがある。このため出湯用ノズルから鉛直方向に落下するはずの出湯流が乱れてしまい、表面品質の良好な鋳塊を得ることが難しかった。特にノズル栓の溶解が不十分であると該ノズル栓が出湯用ノズル先端部に付着して凝固層を形成してしまい、出湯開始直後の出湯流が乱れたり、あるいはノズル先端に付着した凝固層よって出湯が阻害され、そのまま本格的な出湯に至らないという問題が生じていた。
【０００９】
またるつぼ内の溶湯の湯面高さが低くなる出湯末期には、るつぼ内で溶湯が渦を形成することがあり、渦の発生によって溶湯が回転流を有したまま出湯用ノズル内を流下するため、ノズルから出湯された溶湯流が乱れるという問題を有していた。特にるつぼの直径が４００ｍｍを超えると溶湯が渦を形成させやすく、直径６００ｍｍを超えるるつぼに至っては渦の形成が顕著であった。
【００１０】
出湯用ノズルから溶出した出湯流の乱れが大きくなると、湯受け部から湯が飛び散るという問題が生じるために、飛散した溶湯がノズル加熱用コイルを破損することがない様に、出湯用ノズルの下方端がノズル加熱用コイルの下端により下方に位置するように構成しなければならなかった。そのため出湯流の乱れが原因となって、出湯ノズルの下方端に溶湯が回り込み、そのまま凝固した凝固付着物が更に出湯の乱れを生じさせるとともに、出湯を阻害して表面品質の良好な鋳塊を製造することが困難であった。
【００１１】
本発明は上記事情に着目してなされたものであって、本発明の目的はこの様な従来技術に存する問題点を解消し、安定した出湯を実現する技術を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明とは、底部に出湯用ノズルを有するるつぼ本体部外周には溶解用コイルが環装され、出湯用ノズルの外周にはノズル加熱用コイルが環装されたコールドクルーシブル誘導溶解装置の出湯方法であって、出湯用ノズルに配設されたノズル栓の上部の凝固スカル層をるつぼ内の溶湯側から溶解させてからノズル栓を溶解させることに要旨を有するコールドクルーシブル誘導溶解装置の出湯方法である。
【００１３】
この際、ノズル栓の温度上昇及び溶解をるつぼ内の溶湯からの加熱とノズル加熱用コイルによる加熱のバランスに基づいて制御することにより、るつぼ内の溶湯からの加熱による凝固スカル層の溶解を先行させてノズル栓の溶解を行うことが推奨される。
【００１４】
また段階的、あるいは連続的にノズル加熱用コイルの誘導加熱電力を徐々に高めてノズル栓を溶解させるにあたり、溶解に必要な誘導加熱電力に到達させる前に溶湯からの加熱によって凝固スカル層を溶解させることが望ましい。
【００１５】
本発明においては出湯用コイルの下端位置を出湯用ノズルの下端位置と等しくするか、あるいは出湯用ノズルの下端位置よりも下に配設したコールドクルーシブル誘導溶解装置を用いることが好ましい。更に出湯用ノズル内の少なくとも２箇所に垂直方向に延長された凸部を配設した出湯用ノズルを用いることも本発明の好ましい実施態様であり、また更に前記凸部の突出高さが出湯用ノズル内径の５〜２０％とすることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の出湯方法を水冷銅セグメント構造からなるるつぼを用いた図６のコールドクルーシブル誘導溶解装置を例に挙げて説明するが、本発明の出湯方法は以下に例示されるコールドクルーシブル誘導溶解装置に限定されるものではない。図６に示すコールドクルーシブル誘導溶解装置は、溶解用コイル２１の内側に、水冷銅セグメント構造からなるるつぼ１０が配設され、るつぼ底部の構造として、平坦な底面を有するリング状の水冷銅底板１２と、テーパ部１３ａとストレート部１３ｂを有し、水冷銅セグメント構造からなる出湯用ノズル１３が配設されたものである（もちろんテーパ部を設けない構成であってもよい）。
【００１７】
出湯用ノズル１３内には、図示する如く原料（目的とする被溶解物）の落下及び初期溶解時の溶湯の垂落を防止するため、原料と同材料のノズル栓３が設置されている。
【００１８】
るつぼ内に装入された原料は、溶解用電源２３をＯＮにして溶解用コイル２１に通電することによって溶解され溶湯となる。るつぼ底部と接した溶湯は冷却されて例えば厚さ１ｃｍ前後の凝固層（スカル層）２を形成する。また溶解用コイル２１によって、溶湯には求心方向に電磁気力が働き、溶湯はるつぼ壁から離脱してドーム状を呈するが、溶湯は電磁気力による流動攪拌の影響で著しく揺動しており、乱れが生じて溶湯がるつぼ側面と接触して、るつぼ側面にも例えば厚さ１ｃｍ以下の凝固層（スカル層）２が形成される（特にるつぼ下部に形成されやすい）。原料溶解後、溶湯１の温度とスカル層２の形状が定常となるまで一定時間保持する。その後、出湯用ノズル３から溶湯を出湯するためにノズル加熱用コイル２２に通電することによって、出湯用ノズル３を介してノズル栓３及びその上部スカル層（以下、「上部スカル層」とはノズル栓近傍に形成されたスカル層を示す）が溶解されて出湯が開始される。
【００１９】
通常、出湯用電源２４からノズル加熱用コイル２２ヘ電力を供給する場合、加熱に要する時間を少なくして電力効率を向上させるために、出湯用電源２４の電源スイッチをＯＮにすると同時に出湯用コイル２２にノズル栓３及び上部スカル層の溶解に必要な電力（kW）を供給している。図６の様にテーパ部を有する場合、テーパ部１３ａとストレート部１３ｂとの境界部近傍に強大な電磁気力が発生する（尚、テーパ部を有さない場合、るつぼ底部とストレート部の結合近傍に電磁気力が集中する）。そのためノズル加熱用コイル２２の出力をノズル栓３の溶解に必要な電力（ｋＷ）まで急速に高めると、実際は該境界部近傍のノズル栓３の一部のみ（以下、ノズル栓の一部を３ａとする。）が急速に加熱されるため、該境界部近傍のノズル栓３ａ以外のノズル栓３及び上部スカル層が溶解される前に溶解して出湯用ノズル１３を落下して該境界部近傍に空隙が形成される（図２（ｂ））。そして該境界部近傍に空隙が形成されると、誘導電流をノズル栓３の残部および／または上部スカル層に十分に発生させることができないため、ノズル栓３の残部及び上部スカル層の溶解が困難となり、溶解に要する電力消費が過大になる。また溶解して落下したノズル栓３ａの該境界部近傍は加熱されているものの、ノズル栓３ａ下端部付近は十分に加熱されていないために、ノズル先端付近で冷やされてノズル内壁に付着することがある。この付着したノズル栓３ａが溶湯流の乱れの原因となる。また付着量が多いと該先端部を閉塞して出湯を阻害することがある。
【００２０】
したがってこの様な空隙の形成やノズル先端部での付着物の形成を防ぐために、該出湯用ノズル１３に配設されたノズル栓３の上部スカル層をるつぼ１０内の溶湯１側から溶解させてから、ノズル栓３を溶解させることが望ましい。この様にノズル栓３の溶解に先立って溶湯１側から上部スカル層を溶解すれば、ノズル栓３の溶解と同時にるつぼ１０内の溶湯１を出湯することができるので、空隙の形成やノズル先端部での付着物の形成を防止することができると共に、良好な出湯が確保できる。この際、溶湯１側から溶解させるのは上部スカル層に限らずノズル栓３も溶湯側から溶解させることが好ましい。上部スカル層に溶湯１側からの熱によって溶解される程の発熱量が投入されていれば、ノズル栓３も当然に十分な発熱量を有しているため、溶湯側からノズル栓３を溶解することができる。
この様な状態であれば出湯用ノズル１３側からノズル栓３の一部だけが溶解して脱落することがなく、出湯用ノズル１３側からノズル栓３が溶解すると、それに伴って出湯が開始されるので空隙が形成されず、またノズル先端部に付着物を形成することもない。したがってノズル栓３についても上部スカル層の溶解に続いて溶湯側から徐々に溶解させることが望ましいが、この様な状態での出湯用ノズル１３側からノズル栓３が溶解されることを排除する趣旨ではない。
【００２１】
溶湯１側から上部スカル層を溶解させる方法としては例えば、るつぼ１０内の溶湯１からの加熱とノズル加熱用コイル２２による加熱のバランスに基づいて制御することにより、るつぼ１０内の溶湯からの加熱による上部スカル層の溶解を先行させると共に、ノズル栓３の温度上昇及び溶解を行なえばよい。
【００２２】
具体的には段階的、あるいは連続的にノズル加熱用コイル２２の誘導加熱電力を徐々に高めていくことによって、ノズル栓３の温度を徐々に上昇させれば、ノズル栓３を溶解させることなくノズル栓３全体、上部スカル層の温度を上昇させることができる。そしてるつぼ１０内の溶湯１は溶解用コイル２１によって加熱されて図３（ａ）に例示する如く流動しているため、上部スカル層近傍の溶湯は高温状態にあるので、ノズル加熱用コイル２２によってある一定の温度まで昇温されれば、溶湯によって上部スカル層を溶解させることができる。もちろんコイル栓３も昇温しているので溶湯によって容易に溶解する。
【００２３】
ノズル加熱用コイル２２の誘導加熱電力を徐々に高めていくとは、即ちノズル加熱用コイル２２にノズル栓３の溶解に必要な電力P（kW）を１００とした場合（通電前の高周波電源２４からの供給電力は０）、出湯用電源２４をＯＮにすると同時に電力を１００供給するのではなく、段階的に（例えば供給電力を１０，２０，３０…と高め最終的に１００とする）電力を供給するか、あるいは連続的に（例えば供給電力を０から連続的に高めていき最終的に１００とする）電力を供給することを意味する。またノズル加熱用コイル２２に出湯用電源２４をＯＮにした後、短時間（数秒）で必要電力Ｐ（ｋＷ）を供給するのではなく、上部スカル層に対して水冷銅セグメントヘの伝熱損失量に見合う熱量を供給して、ノズル栓先端部を溶融させることなく加熱を行い、るつぼ内の溶湯の熱量により上部スカル層を溶解することできる様に電力供給速度を制御することが望ましい。
【００２４】
必要電力Ｐ（ｋＷ）に到達するまでに要する時間、即ち、徐々に電力を上昇させた場合の電源ＯＮから供給電力１００に到達するまでに要する時間については特に限定されず、ノズル栓３が先に溶解されない様にるつぼ１０内の溶湯１からの加熱とノズル加熱用コイル２２による加熱のバランスに基づいて制御すればよい。徐々に加熱すれば上部スカル層に伝熱するためノズル栓３の一部だけが溶解されて脱落することがない。例えば出湯用ノズル１３のノズル径が１０〜６０ｍｍ程度であって、るつぼ１０側の溶湯１による要溶解物層（上部スカル層及びノズル栓）の厚さが４ｃｍ（±１０ｍｍ）程度の場合（厚さはストレート部１３ａ上端から上部スカル層溶湯側表面まで）、安定した出湯を達成するためには必要電力Ｐ（ｋＷ）に到達するまでに少なくとも６０秒以上の時間をかけて、連続的または階投的に徐々に出湯用電源２４からの供給電力を増加させることが推奨される。より好ましくは１２０秒以上である。るつぼ１０内の溶湯による要溶解物層が薄い場合は、急激な加熱（電源ＯＮから数秒程度で必要電力Ｐ（ｋＷ）に到達）であっても十分伝熱し、上部スカル層が溶湯によって溶解されて出湯が可能となる場合がある。しかしながら要溶解物と底部支持台との接触状態等によって伝熱量が変動するため、数秒程度で必要電力Ｐ（ｋＷ）１００に到達させた場合、常に安定した出湯が得られないことがある。
【００２５】
出湯用ノズル１３（ストレート部１３ｂ）のノズル径（穴径）は小さい程、ノズル内の磁束密度が増加し、ノズル内に作用する電磁気力が増大する。したがってノズル径が小さい場合、テーパ部１３ａとストレート部１３ｂとの境界部付近には強大な電磁気力が発生するため、該部分近傍のノズル栓が溶解され易くなる。また電磁気力により表面張力の作用が大きくなるため、出湯の妨げとなることがあるのでノズル径は４ｍｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは１０ｍｍ以上、最も好ましくは２０ｍｍ以上である。尚、ノズル径が大きくなりすぎると、ノズル栓としての凝固部が形成されないことがあるので好ましくは６０ｍｍ以下、より好ましくは５０以下、最も好ましくは４５ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００２６】
出湯用ノズル１３のノズル径がこの範囲内であれば、必要電力Ｐ（ｋＷ）到達に６０秒以上かけてゆっくりと加熱する方式が有効である。もちろん６０ｍｍを超えるノズル径であっても、同様の現象が起こるので、この点を考慮して電力上昇速度を制御することが望ましい。また出湯に伴って出湯用ノズル１３の熱が損失することがあるので、出湯開始後、出湯用電源２４の出力あげて出湯用ノズル１３での溶湯の付着を防止することが望ましい。
【００２７】
必要電力Ｐ（ｋＷ）は出湯用ノズル１３のノズル径等様々な要因によって異なるが、例えば図６に示す様に出湯用ノズル１３がテーパ部１３ａとストレート部１３ｂから構成されている場合、テーパ部とストレート部の境界部近傍のノズル栓が溶解し易いため、該境界部近傍のノズル栓が溶解する電力を必要電力Ｐ（ｋＷ）とする。必要電力Ｐ（ｋＷ）は以下の様に求めることができる。尚、ノズルストレート部１３ｂは水冷銅セグメント構造なので、高温で流下する溶湯と接触して溶損することを防止するために、出湯に際して出湯用ノズルの内壁には薄いスカル層を形成させると共に、出湯中は該スカル層を維持させることが望ましいが、ノズル加熱用コイル２２の誘導加熱電力が高くなりすぎると、凝固スカル層が溶解することがある。また誘導加熱電力が低すぎると凝固スカル層が厚くなりすぎて出湯を阻害することがある。したがって適度な凝固スカル層厚を維持しつつ、出湯を保持できる様に誘導加熱電力を適宜調節することが望ましい。
Ｑ（ｋＷ）＝Ｓ×Ｕ×（Ｔ−３０）／１０００
Ｓ（ｍ2）＝πＤＨ＋２πＤ2／４
Ｕ（Ｗ／（ｍ2Ｋ））＝４１９＋２．３×（Ｔ−１７２０）
【００２８】
式中、Ｄはノズル直径（ｍ），Ｈはノズル内におけるノズル栓の長さ（ｍ）を表し、Ｓ（ｍ2）は表面積を表す（尚、ノズルストレート１３ｂに係るノズル栓の上側、及び下端面共に側面と同じ総括伝熱係数とする）。またＵ（Ｗ／（ｍ2Ｋ））はスカル層を介した溶湯と水冷銅セグメント構造を有する出湯ノズルとの総括伝熱係数（即ち、溶湯−上部スカル層−ノズル銅材−冷却水間の総括伝熱係数）を表し、Ｔは溶湯温度（℃）を表す。
【００２９】
上記式によれば、例えば溶湯温度Ｔ（℃）が１７２０℃であるチタンの場合、総括伝熱係数Ｕ（Ｗ／（ｍ2Ｋ））は４１９（Ｗ／（ｍ2Ｋ））である。そしてノズル直径Ｄ（ｍ）を１０ｍｍ，高さＨを１３ｍｍとすると表面積Ｓ（ｍ2）は５．６×１０-4ｍ2となるので、必要な誘導加熱電力Ｑ（ｋＷ）は０．４ｋＷである。尚、異なる直径を有するノズルによって出湯用ノズル１３が構成されている場合、夫々の誘導加熱電力（Ｑ）を算出し、それらを合計した値を誘導加熱電力（Ｑ）とする。例えば上記出湯用ノズルがノズル径５０ｍｍと３０ｍｍのノズルによって構成され、誘導加熱電力Ｑ（ｋＷ）は夫々３．２ｋＷと８．８ｋＷであれば、これらを合計した値（１２ｋＷ）が誘導加熱電力となる。
【００３０】
尚、電源の効率は設備の構成等によって変動するため、出湯用ノズル１３を誘導加熱する場合の電源の効率を考慮して溶解に必要な電力Ｐ（ｋＷ）を算出して、出湯用電源２４の出力を決定すればよい。例えば上記の如く出湯用ノズルの直径が１０〜６０ｍｍの場合、誘導加熱する場合の電源の効率は１０％程度であることが多いため、必要電力Ｐ（ｋＷ）は少なくとも誘導加熱電力Ｑの１０倍程度とすることが必要である。もちろん用いる装置に応じて電源の出力を調節することが望ましい。
【００３１】
本発明者らが用いた試験装置の出湯用電源２４における出湯用ノズル１３内のノズル栓の加熱溶融に必要な正味の電力は、電力配分を測定した結果、ノズル径が２０〜６０ｍｍにおける発熱溶融に用いられる電力は、電源出力の５〜１０％程度であった。また供給された電力の約５０％はコイル部での発熱となり、また約４０％は水冷銅セグメント部での発熱として失われることが判明した。即ち、コイルや水冷銅セグメントにおけるジュール損が発生するため、加熱のために要求される出湯用電源２４の周波数は少なくとも数ｋＨｚは必要である。したがって出湯用ノズル１３内のノズル栓を溶解するためには、出湯用電源２４の出力は少なくとも４〜１６０ｋＷとすることが推奨される。
【００３２】
一旦出湯が開始されると、ノズル内を流下する溶湯は高温であるためにノズル先端部に溶湯が付着することがないので安定した出湯を継続できるが、直径の大きいるつぼを用いたコールドクルーシブル誘導溶解装置の場合、るつぼ内の溶湯量が少なくなる出湯終期にるつぼ内の溶湯が渦を形成することがある。るつぼ直径が４００ｍｍ以下の場合、溶湯の渦はほとんど発生しないが、４００ｍｍを超えると溶湯が渦を形成することがある。特に直径６００ｍｍを超えるるつぼにおいては渦の発生頼度が高くなる。溶湯が渦を形成すると、出湯用ノズル１３から渦回転方向の流れを有した溶湯流が排出されるため、溶湯の散乱が発生し、出湯用ノズル下端部に付着して凝固層を形成して溶湯の流れを阻害したり、ノズル加熱用コイル２２を損傷したりすることがある。
【００３３】
したがってこの様な渦発生に起因する回転方向の流れの発生を抑制するために、出湯用ノズルのストレート部分を長くすることが望ましい。出湯用ノズルを長くして回転流を有しながら流下する溶湯をノズル内壁と摩擦を生じさせることによって回転流れを抑制し溶湯を整流化できる。
【００３４】
この様な効果を得るには出湯用ノズルの長さ（テーパ部１３ａとストレート部１３ｂとの境界部からノズル下端までの長さ）は、るつぼ内径の１／６以上とすることが好ましく、より好ましくはるつぼ内径の１／４以上とすることが望ましい。上限は特に限定されず、排出した溶湯の受け部との距離、及び該部における予定溶湯湯面レベル（注湯完了後の鋳塊の上部位置）を考慮して決定すればよく、予定湯面レベルとノズル先端部との距離が少なくとも４００ｍｍ有することがノズル先端部やノズル加熱用コイルの保護の観点から望ましい。
【００３５】
尚、水冷銅セグメントからなる出湯用ノズルを長くすると、それに伴ってノズル内を流下する溶湯が冷却されやすくなり、ノズル下端において溶湯が凝固することがあるので、出湯用ノズルを延長せずに、出湯用ノズルに耐火物製スリーブ５を配設することが望ましい。耐火物製スリーブ５を配設するにあたっては、出湯用ノズルの下方端に、該出湯用ノズルの内径と等しい内径を有する耐火物製スリーブを延設してもよく、あるいは前記出湯用ノズル１３の内周面に、耐火物製スリーブ５を挿設してもよく、この場合、前記出湯用ノズル１３の下方端を超えて下側まで耐火物製スリーブ５を延設することが望ましい。耐火物製スリーブ５の材料としては黒鉛，Ｙ2Ｏ3，ＣａＯ，ＺｒＯ2などから選ばれる材料を用いればよく、黒鉛製スリーブが好ましい。
【００３６】
また出湯ノズル（出湯用ノズルと耐火物スリーブを合わせたノズル）全長に合わせてノズル加熱用コイル２２を配設すれば、ノズル用コイル２２からの誘導発熱により該ノズル内での溶湯の付着を抑制することができるので望ましい。したがってノズル加熱用コイル２２の下端位置を耐火物製スリーブ（耐火物製スリーブを設けず、出湯用ノズルを延設する場合は出湯用ノズル）の下端位置と等しくするか、あるいは耐火物製スリーブ（或いは出湯用ノズル）の下端位置よりも下に配設することが望ましい。尚、出湯流が何らかの原因で乱れた場合に、ノズル加熱用コイル２２に溶湯が付着してコイル破損や電気的短絡が発生することがない様に、ノズル加熱用コイルの保護手段を設けることが望ましい。
【００３７】
また延設した耐火物製スリーブ５内に垂直方向に延長した凸部４（図５）を配設すると、出湯ノズル内で溶湯流の回転流れをより効果的に抑制することができる。この際、凸部４を耐火物スリーブ５内に少なくとも2箇所以上設けることが好ましく、より好ましくは４箇所以上である。更に凸部の設置位置は凸部を耐火物スリーブ内径において等間隔に設置することが好ましい。凸部４の突出高さは被設置スリーブ５内径の５％以上とすることが好ましく、より好ましくは１０％以上である。また突出高さを高くし過ぎるとスリーブ５内に溶湯が残留することがあるので、好ましくはスリーブ５内径の２５％以下、より好ましくは２０％以下とすることが望ましい。凸部４の上端は該スリーブ５の上端、あるいは出湯用ノズルストレート部の上端にあわせてもよい。凸部４の垂直方向の長さは有効な整流効果を得るために、出湯ノズル全長の少なくとも２０％、より好ましくは少なくとも４０％、更に好ましくは耐火物スリーブ５の全長と同じ長さ、最も好ましくは出湯ノズル全長に合わせて凸部を設けることが望ましい。凸部の形状については特に限定されないが、溶損を防ぐために図５に示される様な三角形を有する形状とすることが推奨される。
【００３８】
本発明においては、るつぼ底部に設置されたリング状の水冷銅底板１２は、溶解用コイル２１とノズル加熱用コイル２２の発する電磁波を遮断し、溶解用電源２３と出湯用電源２４の２台の電源が互いに干渉し、誤作動・故障するのを防止する。
【００３９】
また以上の説明では、るつぼの材質は銅で、るつぼの冷却媒体として水を用いたコールドクルーシブル誘導溶解装置を取り上げたが、コールドクルーシブル誘導溶解装置のるつぼ材質は銅に限らず電気良導性物質であればよく、また冷却媒体についても、水に限らず、液体、気体を問わず冷却能等によって適宜選択すればよい。
【００４０】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に基づいて設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００４１】
【実施例】
以下の条件を採用して図６に示す様なコールドクルーシブル誘導溶解設備を用いてチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）５００ｋｇを溶解し、出湯用ノズルから、４００ｋｇの溶湯を出湯して、鋳塊を作製した。
【００４２】
１）コールドクルーシブル誘導溶解装置の構成
・溶解用電源２３：サイリスタインバータ盤と整合盤で構成
・溶解用コイル２１：内径６９０ｍｍ×高さ５２０ｍｍ（水冷銅製）ターン数8
・溶解用るつぼ１０：内径６００ｍｍ×高さ７１５ｍｍ
・溶解可能量  ：３５０〜６００ｋｇ（チタン），６００〜１０００ｋｇ（鋼）
・るつぼの構成：水冷銅製セグメント
材質：合金鋼（Ｃｒ−Ｃｕ）
セグメント寸法：縦３０ｍｍ×横４０ｍｍ×高さ８５０ｍｍ
本数：６０本
バックアップ：コイルとセグメントの隙間に砂を装入
・るつぼの底部支持台：水冷銅構造
・冷却水流量：るつぼ１６００Ｌ／ｍｉｎ，底部支持盤２４０Ｌ／ｍｉｎ
・出湯用ノズル１３：るつぼの底部支持台の中央部に取り付け
・出湯用ノズル１３：水冷銅セグメントで構成（全長５０ｍｍ，穴径４５ｍｍ）
材質：合金銅（Ｃｒ−Ｃｕ）
セグメント形状：テーパ角度９０°
セグメント本数：１６
・耐火物スリーブ５：セグメント内部に黒鉛スリーブ（全長１５０ｍｍ，穴径２５ｍｍ）を出湯用ノズルに１７ｍｍ挿入
・出湯用コイル２２：上部６ターンと下部１２ターンで構成（下部１２ターンコイルは使用しない場合もある）
・出湯用電源２４：トランジスタインバータ盤と整合盤で構成
・ノズル栓３：原料と同じチタン合金、サイズはテーパ部１３ａ及びストレート部１３ｂ（境界部からの下端まで１８３ｍｍ）に合致するサイズにした。
【００４３】
２）溶解出湯操業は次の手順で実施した。
▲１▼  ノズル栓３をしたるつぼ１０内へ原料（チタン合金）を装入すると共に、ノズルから出湯した溶湯を受ける鋳型２５を設置した。
▲２▼  溶解鋳造チャンバーを真空排気（図示しない油回転ポンプ，メカニカルブースターポンプ，油拡散ポンプにより１０-4Ｔｏｒｒ台まで）した。尚、雰囲気溶解する場合は真空排気後アルゴンガス（２００Ｔｏｒｒ）を導入した。
▲３▼  溶解用電源２３をＯＮに入れ、溶解用電力を徐々に増加させてるつぼ１０内の原料を溶解した。溶解の所要時間は原料の形状に依存して変動するが、約時間程度で原料を溶解（表１参照）させ、その後、溶湯を30分ほど保持してチタンの介在物（ＨＤＩ：超硬チップ破片（ＷＣ），ＬＤＩ：ＴｉＮ）を溶解消滅させると共に、溶湯成分の均一化を実施した。操業時の電力供給と溶解状況を表１に示す。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
▲４▼  溶湯保持の後、出湯用電源２４をＯＮにしてノズル加熱用コイル２４に通電した。この際、ノズル加熱用コイル２４への電力供給は徐々に電力を増加させた。この際のノズル加熱用コイル２２ヘの電力供給状況を表2に示す。
【００４６】
尚、電力Ｐ（ｋＷ）はノズルストレート部直径Ｄを２５ｍｍ，ノズル栓高さＨ１８３ｍｍ，溶湯温度Ｔ１７２０℃，としてＱ（２．５３ｋＷ）値を求め、該値を３倍した値である。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
▲５▼  電源出力（８０ｋＷ）に到達後、該電源２４の出力を保持中に出湯が開始した。出湯開始後、電源出力を１５０ｋＷまで増加させて加熱を強化した
▲６▼  出湯終了後、出湯用電源２４および溶解用電源２３をＯＦＦにした。
【００４９】
以上の操作手順に際して、ノズル加熱用コイルヘの電力供給方法を表３に示す様に変えた以外は同一の条件である。出湯の成功率を表３に示す。また表３における電力供給の状況は図4に示す。
【００５０】
尚、予定の鋳塊量が得られた場合を「成功」とし、「出湯の成功率」は成功回数÷出湯回数×１００（％）である。
【００５１】
【表３】
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【００５２】
以上から必要電力P（ｋＷ）に至るまでの所要時間が短いと出湯の成功率が低くなることが分かる。また確実に出湯を得るためには、電力P（ｋＷ）に到達するまでに少なくとも６０秒以上は必要なことが明らかとなった。
【００５３】
次ぎに上記の操業手順での出湯に際して、出湯ノズルの長さを変化させると共に、各長さにおいて図５に示す様な凸部４（材質グラファイト，内径２５ｍｍ，外径４５ｍｍ，凸高さ５ｍｍ）を有する耐火物スリーブと凸部を有さない通常の耐火物スリーブとを用いた以外は上記操作手順と同一の手順で出湯を行ない、溶湯流が整流化するまでの時間を調べた。結果を表4に示す。
尚、整流化とは、ノズルから出湯した溶湯流が拡散したり横斜め方向への飛散などの乱れがないことである。
【００５４】
【表４】
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【００５５】
※出湯開始から出湯終了までを全出湯時間とする。
【００５６】
ノズル長さが１００ｍｍ以上であれば出湯流の乱れが少なくなり、十分な整流化が図られていることが分かる。また同じノズル長さであっても、ノズル内に凸部を設けることによって、出場流の回転流れを抑制し、出場流を整流化する効果が高いことが示され、出湯末期であっても出湯を安定化させる技術として有効であることが確認できた。
【００５７】
以上の実施例から３０秒程度での加熱条件では急激な加熱条件とほとんど結果は変わらず、出湯に至らない場合があり、出湯を安定して行うためには少なくとも６０秒必要であることが示されている。特に溶解に必要な電力P（ｋＷ）の２５％→５０％→７５％→１００％と１２０〜１８０秒ごとに出力を徐々に増加させた場合、より安定した出場が可能となった。尚、同様に電力P（ｋＷ）（２５％→５０％→７５％→１００％）を増加させる際の時間間隔を３００秒ごと，６００秒ごととした場合でも同様な効果が得られたが、不要に長時間かけるとるつぼ内の溶湯の保持にかなりの電力を要し、操業全体での電力原単位が上昇する結果となった。また全体での電力単位を省電力化するためにはノズル上部の要溶解物層を溶湯側から溶解し、溶湯開始と同時にるつぼ内の溶湯が一気に供給される条件にして出湯することが望ましいことが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボトム出湯型のコールドクルーシブル誘導溶解装置を示す概略説明図である。
【図２】コールドクルーシブル誘導溶解装置による従来の出湯状態を示す説明図である。
【図３】コールドクルーシブル誘導溶解装置による本発明の出湯状態を示す一説明図である。
【図４】実施例による電力供給の状況と出湯の成功率を示す説明図である。
【図５】凸部を配設したノズルの一態様を示すノズル断面図である。
【図６】本発明の好ましいボトム出湯型のコールドクルーシブル誘導溶解装置の一態様を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１．溶湯
２．スカル層
３．ノズル栓
４．凸部
５．耐火物スリーブ
１０．るつぼ
１２．水冷銅底板
１３．出湯用ノズル
１３ａ．テーパ部
１３ｂ．ストレート部
２１．溶解用コイル
２２．ノズル加熱用コイル
２３．溶解用電源
２４．出湯用電源
２５．湯受け部
【図１】
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【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】
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