(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶解器に収容されている被溶解物を溶解する誘導加熱型溶解炉であって、
前記溶解器の上下方向に沿って配置され、前記被溶解物を誘導加熱するための複数のコイルと、前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の増加に応じて、前記コイルの駆動個数を減らすとともに、前記各コイルに流す電流の周波数を変更する制御手段と、前記溶解器に取り付けられ前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の湯面を監視する湯面センサと、が設けられ、
前記制御手段は、全てのコイルに、表皮効果により前記被溶融物を溶解可能な周波数で電流を流し、前記湯面センサで監視する前記湯面が所定の高さレベルとなることにより、前記被溶融物が部分的に溶解されて前記溶湯が増加したことを検出すると、前記複数のコイルの駆動を、上段から下段に向かって順に停止させていくとともに、駆動させる前記コイルの電流の周波数を低くして、前記溶湯を熱して前記溶湯に温度差による対流を発生させることが可能な周波数に変更するものであることを特徴とする誘導加熱型溶解炉。
【請求項２】
溶解器に収容されている被溶解物を溶解する誘導加熱型溶解炉であって、
前記溶解器の上下方向に沿って配置され、前記被溶解物を誘導加熱するための複数のコイルと、前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の増加に応じて、前記コイルの駆動個数を減らすとともに、前記各コイルに流す電流の周波数を変更する制御手段と、前記溶解器に配置され前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の温度を測定する放射温度計と、が設けられ、
前記制御手段は、全てのコイルに、表皮効果により前記被溶融物を溶解可能な周波数で電流を流し、前記放射温度計で測定する前記溶湯の温度が所定の温度になることにより、前記被溶融物が部分的に溶解されて前記溶湯が増加したことを検出すると、前記複数のコイルの駆動を、上段から下段に向かって順に停止させていくとともに、駆動させる前記コイルの電流の周波数を低くして、前記溶湯を熱して前記溶湯に温度差による対流を発生させることが可能な周波数に変更するものであることを特徴とする誘導加熱型溶解炉。
【請求項３】
溶解器に収容されている被溶解物を溶解する誘導加熱型溶解炉を用いた溶解方法であって、
前記誘導加熱型溶解炉としては、前記溶解器の上下方向に沿って配置され、前記被溶解物を誘導加熱するための複数のコイルと、前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の増加に応じて、前記コイルの駆動個数を減らすとともに、前記各コイルに流す電流の周波数を変更する制御手段と、前記溶解器に取り付けられ前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の湯面を監視する湯面センサと、が設けられているものが採用され、
前記制御手段で、全てのコイルに、表皮効果により前記被溶融物を溶解可能な周波数で電流を流し、前記湯面センサで監視する前記湯面が所定の高さレベルとなることにより、前記被溶融物が部分的に溶解されて前記溶湯が増加したことを検出すると、前記複数のコイルの駆動を、上段から下段に向かって順に停止させていくとともに、駆動させる前記コイルの電流の周波数を低くして、前記溶湯を熱して前記溶湯に温度差による対流を発生させることが可能な周波数に変更することを特徴とする誘導加熱型溶解炉を用いた溶解方法。
【請求項４】
溶解器に収容されている被溶解物を溶解する誘導加熱型溶解炉を用いた溶解方法であって、
前記誘導加熱型溶解炉としては、前記溶解器の上下方向に沿って配置され、前記被溶解物を誘導加熱するための複数のコイルと、前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の増加に応じて、前記コイルの駆動個数を減らすとともに、前記各コイルに流す電流の周波数を変更する制御手段と、前記溶解器に配置され前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の温度を測定する放射温度計と、が設けられているものが採用され、
前記制御手段で、全てのコイルに、表皮効果により前記被溶融物を溶解可能な周波数で電流を流し、前記放射温度計で測定する前記溶湯の温度が所定の温度になることにより、前記被溶融物が部分的に溶解されて前記溶湯が増加したことを検出すると、前記複数のコイルの駆動を、上段から下段に向かって順に停止させていくとともに、駆動させる前記コイルの電流の周波数を低くして、前記溶湯を熱して前記溶湯に温度差による対流を発生させることが可能な周波数に変更することを特徴とする誘導加熱型溶解炉を用いた溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶解器に収容されている被溶解物を溶解する誘導加熱型溶解炉およびその溶解方法に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
近年、工場等で物を作った際に出る鉄屑等の産業廃棄物は、誘導加熱型溶解炉等の溶解炉で溶かし、その溶湯を型枠等に流し込んで成形すれば、別の製品として再利用することができる。
ここで、誘導加熱型溶解炉は、被溶解物である鉄屑等を収容する溶解器と、溶解器の外周面に沿って巻回された一つのコイルと、コイルに所定周波数の電流を流す電源装置とを備えている。
つまり、鉄屑等を溶解器の中に入れ、コイルに所定周波数の電流を流すと、電流によって生じた磁束が、溶解器に収容されている鉄屑等の内部に渦電流を発生させ、この渦電流による熱で当該鉄屑等を溶解するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような誘導加熱型溶解炉では、鉄屑等の形状や大きさにはむらがあり、溶解器の内部における磁束密度にむらが生じるので、収容されている鉄屑等を均一に溶解することが困難であり、このため、鉄屑等を全て溶解するのに、時間や電力が非常にかかり、効率が悪いという問題がある。
また、鉄屑等の溶解の始まりから終わりまで、コイルに流れる電流の周波数を同一周波数とすると、鉄屑等の被溶解物が溶けて固体から液体に相変化する際に、溶解に最適な周波数が変化しているので、溶解に大変時間がかかり、この点からも、効率が悪いという問題もある。
さらに、鉄屑等を溶解してある程度溜まった溶湯の中に、新たに鉄屑等を追加して溶解する、いわゆる追いチャージができない特殊な環境下で溶解作業を行う場合、非溶解状態においては、溶解器内全体に鉄屑等が充填されていても占有率が低い。このため、溶解が進むと、下部に溶湯としてたまるので、コイル占積率が悪く、効率が非常に悪いという問題がある。
また、一般の溶解においても、大きな誘導加熱型溶解炉で少量の鉄屑等の溶解作業を行うと同様に効率が悪くなるという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、被溶解物を効率よく溶解することが可能な誘導加熱型溶解炉およびそれを用いた溶解方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１発明は、溶解器に収容されている被溶解物を溶解する誘導加熱型溶解炉であって、前記溶解器の上下方向に沿って配置され、前記被溶解物を誘導加熱するための複数のコイルと、前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の増加に応じて、前記コイルの駆動個数を減らすとともに、前記各コイルに流す電流の周波数を変更する制御手段と、前記溶解器に取り付けられ前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の湯面を監視する湯面センサと、が設けられ、前記制御手段は、全てのコイルに、表皮効果により前記被溶融物を溶解可能な周波数で電流を流し、前記湯面センサで監視する前記湯面が所定の高さレベルとなることにより、前記被溶融物が部分的に溶解されて前記溶湯が増加したことを検出すると、前記複数のコイルの駆動を、上段から下段に向かって順に停止させていくとともに、駆動させる前記コイルの電流の周波数を低くして、前記溶湯を熱して前記溶湯に温度差による対流を発生させることが可能な周波数に変更することを特徴とする。
本発明の第２発明は、溶解器に収容されている被溶解物を溶解する誘導加熱型溶解炉であって、前記溶解器の上下方向に沿って配置され、前記被溶解物を誘導加熱するための複数のコイルと、前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の増加に応じて、前記コイルの駆動個数を減らすとともに、前記各コイルに流す電流の周波数を変更する制御手段と、前記溶解器に配置され前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の温度を測定する放射温度計と、が設けられ、前記制御手段は、全てのコイルに、表皮効果により前記被溶融物を溶解可能な周波数で電流を流し、前記放射温度計で測定する前記溶湯の温度が所定の温度になることにより、前記被溶融物が部分的に溶解されて前記溶湯が増加したことを検出すると、前記複数のコイルの駆動を、上段から下段に向かって順に停止させていくとともに、駆動させる前記コイルの電流の周波数を低くして、前記溶湯を熱して前記溶湯に温度差による対流を発生させることが可能な周波数に変更するものであることを特徴とする。
ここで、被溶解物としては、鉄屑等が採用できる。
本発明によれば、被溶解物を溶解するのに最適な周波数の電流を各コイルに流すことが可能となるので、被溶解物を短時間で効率よく溶解することが可能となる。
その上、被溶解物の溶解を始めた際は、全てのコイルを駆動させて溶解器内全体を熱することで被溶解物を溶解していき、被溶解物が部分的に溶解されて溶解器の下方に被溶解物を溶解して得られる溶湯が溜まりだしたら、コイルの駆動を上段から下段に向かって順に停止させ、溶湯の部分のコイルだけを駆動し、溶湯の対流を利用して被溶解物を効率よく溶解することが可能となる。従って、被溶解物の溶解状態に応じて、必要なコイルだけを駆動することが可能となるので、この点からも、被溶解物を効率よく溶解することが可能となる。
また、このようにすれば、非溶解状態においては、周波数を高くし、溶解し出したら周波数を下げ、かつ、溶湯の高さレベルに合った高さレベルのコイルを駆動することにより、高効率が保たれる。
ここで、鉄屑等の被溶解物を溶解する場合、コイルに高い周波数の電流を流した方が効率よく加熱溶解される。つまり、高い周波数の電流をコイルに流し、そこで発生する高い周波数の渦電流を被溶解物に流すと、表皮効果によって被溶解物の表面の電流密度が大きくなって、当該表面が非常に高い温度になり、短時間で表面から溶解していくようになる。
一方、被溶解物が部分的に溶解され、溶解器内に溶湯が溜まりだしたら、周波数を低い周波数にし、溶湯を熱する。すると、溶湯中に生じる電磁撹拌力および温度差によって発生する対流により溶湯全体の温度が高い温度となり、この熱で残りの被溶解物が溶解されるようになる。
このように、制御手段で、被溶解物を溶解して得られる溶湯の増加により、周波数を低い周波数に変更すれば、溶湯の内部への電流の透過深度が大きくなり、対流が活発となって、全ての被溶解物を短時間に溶解することが可能となる。これにより、被溶解物を効率よく溶解することが可能となる。
また、溶湯が溜まってきたら、溶湯の対流を利用し、かつ、溶湯の熱で残りの被溶解物を効率よく溶解することが可能となるので、溶湯の部分に配置されているコイルのみを駆動させればよく、制御手段でコイルの駆動個数を減らすことで、コイルの電力消費量を低減することが可能となり、この点からも、被溶解物を効率よく溶解することが可能となる。
さらに、前述のように、溶湯が溜まってきたら、溶湯の対流を利用し、かつ、溶湯の熱で残っている被溶解物を効率よく溶解することが可能となるので、コイルの駆動を上段から順に停止させていけば、コイルの電力消費量を低減することが可能となり、この点からも、被溶解物を効率よく溶解することが可能となる。
【０００９】
本発明の第３発明は、溶解器に収容されている被溶解物を溶解する誘導加熱型溶解炉を用いた溶解方法であって、前記誘導加熱型溶解炉としては、前記溶解器の上下方向に沿って配置され、前記被溶解物を誘導加熱するための複数のコイルと、前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の増加に応じて、前記コイルの駆動個数を減らすとともに、前記各コイルに流す電流の周波数を変更する制御手段と、前記溶解器に取り付けられ前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の湯面を監視する湯面センサと、が設けられているものが採用され、前記制御手段で、全てのコイルに、表皮効果により前記被溶融物を溶解可能な周波数で電流を流し、前記湯面センサで監視する前記湯面が所定の高さレベルとなることにより、前記被溶融物が部分的に溶解されて前記溶湯が増加したことを検出すると、前記複数のコイルの駆動を、上段から下段に向かって順に停止させていくとともに、駆動させる前記コイルの電流の周波数を低くして、前記溶湯を熱して前記溶湯に温度差による対流を発生させることが可能な周波数に変更することを特徴とする。
本発明の第４発明は、溶解器に収容されている被溶解物を溶解する誘導加熱型溶解炉を用いた溶解方法であって、前記誘導加熱型溶解炉としては、前記溶解器の上下方向に沿って配置され、前記被溶解物を誘導加熱するための複数のコイルと、前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の増加に応じて、前記コイルの駆動個数を減らすとともに、前記各コイルに流す電流の周波数を変更する制御手段と、前記溶解器に配置され前記被溶解物を溶解して得られる溶湯の温度を測定する放射温度計と、が設けられているものが採用され、前記制御手段で、全てのコイルに、表皮効果により前記被溶融物を溶解可能な周波数で電流を流し、前記放射温度計で測定する前記溶湯の温度が所定の温度になることにより、前記被溶融物が部分的に溶解されて前記溶湯が増加したことを検出すると、前記複数のコイルの駆動を、上段から下段に向かって順に停止させていくとともに、駆動させる前記コイルの電流の周波数を低くして、前記溶湯を熱して前記溶湯に温度差による対流を発生させることが可能な周波数に変更することを特徴とすることを特徴とする。
ここで、被溶解物としては、鉄屑等が採用できる。
このような本発明によれば、被溶解物を溶解するのに最適な周波数の電流を各コイルに流すことが可能となるので、被溶解物を短時間で効率よく溶解することが可能となる。
また、被溶解物の溶解状態に応じて、必要なコイルだけを駆動することが可能となるので、この点からも、被溶解物を効率よく溶解することが可能となる。
さらに、前述のように、溶湯が溜まってきたら、溶湯の対流を利用し、かつ、溶湯の熱で残っている被溶解物を効率よく溶解することが可能となるので、コイルの駆動を上段から順に停止させていけば、コイルの電力消費量を低減することが可能となり、この点からも、被溶解物を効率よく溶解することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態の前提技術を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の一実施形態の前提技術に係る誘導加熱型溶解炉１が示されている。
誘導加熱型溶解炉１は、被溶解物である大きさと形状が異なる様々な鉄屑１００を溶解するものであり、当該鉄屑１００を収容する坩堝等の溶解器２と、この溶解器２に設けられた３つのコイル３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、各コイル３Ａ、３Ｂ、３Ｃを駆動するための電源装置４と、各コイル３Ａ、３Ｂ、３Ｃの駆動の切り替えを行う切替手段であるスイッチ５Ａ、５Ｂ、５Ｃと、電源装置４およびスイッチ５Ａ、５Ｂ、５Ｃをそれぞれ制御する制御手段である制御装置６とを備えている。
【００１２】
溶解器２は、鉄屑１００が収容される断面Ｕ字形状の本体２１と、この本体２１上面の開口を塞ぐ蓋部２２とを備えている。前述の鉄屑１００は、この本体２１内に収容されている。
【００１３】
３つのコイル３Ａ〜３Ｃは、溶解器２に収容されている鉄屑１００を誘導加熱するためのものであり、それぞれ溶解器２の外周面に沿って巻回され、前述の本体２１の上下方向に沿って、所定間隔毎に設けられている。
【００１４】
電源装置４は、高周波電流を出力するとともに、その周波数が変更可能なインバータである。周波数は、例えば、０．３ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲で変更可能となっている。このような電源装置４から、任意の周波数の電流を各コイル３Ａ〜３Ｃに流すと、電流によって生じた磁束によって、溶解器２に収容されている鉄屑１００の内部に渦電流が発生するようになっている。そして、鉄屑１００は、この渦電流による熱で溶解されるようになっている。
【００１５】
スイッチ５Ａ〜５Ｃは、電源装置４と各コイル３Ａ〜３Ｃとの間にそれぞれ設けられており、例えば、スイッチ５Ａを閉じれば、コイル３Ａに電流が供給されて当該コイル３Ａが駆動し、逆に、スイッチ５Ａを開けば、コイル３Ａに電流が供給されなくなり、当該コイル３Ａの駆動が停止するようになっている。
【００１６】
制御装置６は、その内部に図示しないコントロールユニットが内蔵されている。このコントロールユニットによって、各スイッチ５Ａ〜５Ｃの開閉がコントロールされる様になっている。このコントロールユニットによって、前述の電源装置４から出力する電流の周波数の変更や、各スイッチ５Ａ〜５Ｃの開閉等を、自動的に制御するようになっている。
【００１７】
詳しくは、制御装置６は、コントロールユニットによって、所定の時間に、電流の周波数を低い周波数に変更するようになっている。
ここで、鉄屑１００を溶解する場合、コイル３Ａ〜３Ｃに高い周波数の電流を流した方が効率よく溶解される。つまり、高い周波数の電流をコイル３Ａ〜３Ｃに流し、そこで発生する高い周波数の渦電流を鉄屑１００に流すと、表皮効果によって鉄屑１００の表面の電流密度が大きくなって、当該表面が非常に高い温度になり、短時間で表面から溶解していくようになる。一方、鉄屑１００が部分的に溶解され、溶解器２内に溶湯１０１が溜まりだしたら、周波数を低い周波数にし、溶湯１０１を熱する。すると、溶湯１０１中に生じる温度差によって発生する対流で溶湯１０１が撹拌され、全体の温度が高い温度となり、この熱で残りの鉄屑１００が溶解されるようになる。
この制御装置６は、電源装置４から出力される電流の周波数を３段階（ｆ１、ｆ２、ｆ３）に変更するように設定されている。なお、３段階に設定された周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３は、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３の関係となっており、具体的には、０．３ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲で設定されるのが好ましい。
【００１８】
また、制御装置６は、コントロールユニットによって、所定の時間に、スイッチ５Ａ〜５Ｃを順番に開けていき、コイル３Ａ〜３Ｃを上段から下段に向かって順に停止させ、コイル３Ａ〜３Ｃの駆動個数を減らすようになっている。つまり、鉄屑１００の溶解状態に応じて、必要なコイルだけを駆動するようになっている。
【００１９】
なお、コントロールユニットとしては、鉄屑１００を溶解して得られる溶湯１０１の増加量と時間との関係を実験から求め、この実験結果から得られる、鉄屑１００を溶解して得られる溶湯１０１の増加により溶解器２内に溶湯１０１が溜まりだす時間が設定されている。
電流の周波数の変更およびスイッチ５Ａ〜５Ｃの開閉は、一つのコントロールユニットによって連動して行われるようになっている。つまり、周波数が低い周波数に変更（例えば、ｆ１からｆ２に変更）されると同時にスイッチ５Ａが開くようになっている。
【００２０】
次に、誘導加熱型溶解炉１の溶解手順を以下に説明する。
まず、本体２１内に鉄屑１００を入れ、鉄屑１００の溶解を始める。この際、制御装置６で、全てのスイッチ５Ａ〜５Ｃを閉じるとともに、電源装置４から周波数ｆ１の電流を出力させ、図２（Ａ）に示されるように、全てのコイル３Ａ〜３Ｃを駆動させて溶解器２内全体を熱し、鉄屑１００を溶解していく。
そして、鉄屑１００を部分的に溶解し、溶解器２の下方に溶湯１０１が溜まりだした後、制御装置６で、スイッチ５Ａを開けて上段のコイル３Ａの駆動を停止させるとともに、電源装置４から周波数ｆ２の電流を出力させ、同図（Ｂ）に示されるように、中段および下段のコイル３Ｂ、３Ｃで溶解器２内を熱するようにする。
さらに、溶湯１０１が溜まり、鉄屑１００をほとんど溶解したら、制御装置６で、スイッチ５Ｂを開けて中段のコイル３Ｂの駆動を停止させるとともに、電源装置４から周波数ｆ３の電流を出力させ、同図（Ｃ）に示されるように、下段のコイル３Ｃのみを駆動し、溶湯１０１の対流を利用して鉄屑１００を完全に溶解する。
鉄屑１００を完全に溶解したら、制御装置６で、スイッチ５Ｃを開いて最終的に下段のコイル３Ｃの駆動を停止させる。
このようにして鉄屑１００を溶解する。
【００２１】
このような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、鉄屑１００の溶解状態に応じて、３つのコイル３Ａ〜３Ｃを切り替えるとともに、各コイル３Ａ〜３Ｃに流す電流の周波数を変更する制御装置６を設けたので、鉄屑１００を溶解するのに最適な周波数の電流を各コイル３Ａ〜３Ｃに流すことができ、鉄屑１００を短時間で効率よく溶解することができる。
その上、鉄屑１００の溶解状態に応じて、必要なコイルだけを駆動することができるので、この点からも、鉄屑１００を効率よく溶解することができる。
また、非溶解状態においては、周波数を高くし、溶解し出したら周波数を下げ、かつ、溶湯の高さレベルに合った高さレベルのコイルを駆動することにより、高効率を保つことができる。
【００２２】
また、制御装置６で、鉄屑１００を溶解して得られる溶湯１０１の増加により、周波数を低い周波数に変更するようにしたので、溶湯１０１の内部への電流の透過深度が大きくなり、対流が活発となって、全ての鉄屑１００を短時間に溶解することができる。これにより、鉄屑１００を効率よく溶解することができる。
【００２３】
さらに、制御装置６で、鉄屑１００を溶解して得られる溶湯１０１の増加により、コイル３Ａ〜３Ｃの駆動個数を減らすようにしたので、コイル３Ａ〜３Ｃの電力消費量を低減することができ、この点からも、鉄屑１００を効率よく溶解することができる。
【００２４】
また、制御装置６で、コイル３Ａ〜３Ｃの駆動個数を減らす際に、３つのコイル３Ａ〜３Ｃの駆動を、上段から下段に向かって順に停止させたので、この点からも、コイルの電力消費量を低減することができ、鉄屑１００を効率よく溶解することができる。
【００２５】
以上は、本発明の実施の形態の前提技術であり、次に、本発明の実施の形態について説明する。
すなわち、本発明の第１の実施の形態では、制御手段として、前提技術のコントロールユニットで時間的に切り替えるものに替えて、本体２１に溶湯の湯面を監視する湯面センサを取り付け、湯面が所定の高さレベルになったら切り替える構成を適用する。また、本発明の第２の実施の形態では、前提技術のコントロールユニットで時間的に切り替えるものに替えて、本体内に溶湯の温度を測定するための放射温度計を配置しておき、溶湯の温度が所定の温度となった場合に切り替える構成を適用する。
【００２８】
さらに、被溶解物としては、鉄屑に限らず、例えば、ステンレス鋼の屑や、ニッケル・コバルト・マンガンおよびそれらの合金の屑等を採用してもよく、要するに、金属であればよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の誘導加熱型溶解炉およびそれを用いた溶解方法によれば、被溶解物を効率よく溶解することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態の前提技術における誘導加熱型溶解炉を示す概略図である。
【図２】  前記前提技術における誘導加熱型溶解炉の溶解方法を示す概略図である。
【符号の説明】
１  誘導加熱型溶解炉
２  溶解器
３Ａ〜３Ｃ  コイル
６  制御手段である制御装置
１００  被溶解物である鉄屑
１０１  溶湯
【図１】
0003998859.tif 000002
【図２】
0003998859.tif 000003