(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦方向に延びる複数のスリットによって、複数のセグメントに分割され内部に冷却水の通路を収容する側壁と、この側壁の内周によって画定される溶解室と、下部に半径方向外方に延在するフランジを有する底部材と、この底部材の外周と前記側壁の内周との間と前記側室の下端と前記フランジの上面との間に所定の隙間を保って前記側壁の下部内周の内方に挿入された底部と、前記側壁の外周に配置された誘導加熱コイルとを有して、前記溶解室に装入された被溶解金属を溶解するコールドクルーシブル溶解炉において、
前記側壁を構成するセグメントのそれぞれは、その上端部が隣接するセグメントと連結されて短絡部となり、この短絡部より下では半径方向の厚さが同一とされ、前記底部は前記各セグメントの内周下端との間に５ｍｍ以下の上下長さの重なりと所定の空隙を保って挿入され、前記誘導加熱コイルによって発生される磁束が、各スリットの部分と各セグメントの下部と底部の外周との間の隙間とを通過することが可能にされ、磁束密度が各セグメントの下部近くで増大されることを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。
【請求項２】
請求項１において、前記空隙の少なくとも一部が非金属で充填されていることを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。
【請求項３】
請求項１において、前記空隙の少なくとも一部が空間となっていることを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、セグメントより細い冷却配管がセグメント下端部から導出されることを特徴とする誘導加熱溶解炉。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかにおいて、 この空隙部の上端を底部上面より磁気抵抗に大きく影響のない程度に低くし、かつセグメントで構成される内面と底部の外周の隙間を０．５ｍｍ以下の値としたことを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかにおいて、隣接しているセグメント相互間を分割しているスリットの幅がコイル上端より上方で、それより下方より実質的に広くされていることを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。
【請求項７】
請求項５において、セグメントの半径方向の空隙の少なくとも一部を０．５ｍｍ以下の値としたことを特徴とするコールドクルーシブル誘導溶解炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は誘導加熱を用いるコールドクルーシブル溶解法において、 被溶解材の未溶解部を少なくする目的で、 溶解作業中に溶融状態にある被溶解材が、 冷却水などにより冷却されたルツボとの接触により生成される、 被溶解材の凝固部（スカル）を低減させるためのルツボ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるコールドクルーシブル（コールドウォールとも呼ばれる）溶解法を実施するための従来のコールドクルーシブル溶解炉の炉体の側壁を構成するセグメントの形状について分類すると、 下記のように第１と第２の形式の溶解炉として大別される。
（１）第１の形式の従来の溶解炉
イ）図６に示されるように、コールドクルーシブル炉の炉体としての水冷銅ルツボ１は、 その側壁１ａと底壁１ｄとこの底壁１ｄの下方に配置されるルツボ底部４とから構成される。
ルツボ１の側壁１ａの底部には、半径方向外方に張り出して形成されたフランジ１ｃと、これに対応して底部４の頂部から半径方向外方に張り出して形成されたフランジ４ａとが連結ボルト７によって連結されて形成され、底付き中空円筒形の金属製ルツボ１の側壁１ａは、垂直方向に延在する複数のスリット（溝）１ｂによって複数のセグメント１ａ’に区分される。
セグメント１ａは、それぞれの内部に２重管５が配置され冷却水の流入路と流出路とに区分され、それぞれが中空管状の底部４の内部の流入路５ａと流出路６ａとに連通して個々に冷却されるセグメントとされ、これらセグメント１ａ’の集合体としての水冷金属製ルツボの炉体とされる。
ロ）これら水冷金属製ルツボ１の外周を囲んで配置されたコイルに、 高周波あるいは中周波電流を供給して誘導加熱により、ルツボ内に収容された被溶解金属をルツボ壁とは非接触状態で誘導加熱により溶解する誘導加熱コイル２と、加熱されるセグメントを冷却する冷却水の配管と、
ハ）上記の溶解電流と冷却水の供給および調節を行う図示しない供給、調節装置と、を含んで構成される。
要約すると、従来の第１の形式のコールドクルーシブル１は、 スリットにより複数のセグメントに分割され、 個々のセグメントが給水口、排水口を備えて独立して機能する構造のルツボの側壁１ａと底壁１ｄと底部４と、ルツボの周囲に配置された誘導加熱用のコイルと冷却水の配管と、それらの供給・調節装置で構成される。
このような構成により、ルツボ内に供給された被溶解材は、コイルに印加された高周波または中周波の交流電流による交番磁場にさらされて誘導加熱されて溶解され、被溶解材は溶融金属となる。
溶融金属の表面に作用する電磁力と、溶融金属（以下溶湯と呼ぶ）による静圧とのバランスによって溶湯の上部表面は側壁の内面から離れて上方に円形屋根状に隆起して、ルツボ側壁とは非接触のドーム状の溶湯３として保持され、溶湯３の底部と側壁１ａの内周および底壁１ｄの間には水冷された銅ルツボによって凝固した金属の皮としてのスカル９が形成される。
【０００３】
（２）第２の形式の従来のコールドクルーシブル溶解炉
第２の形式の従来のコールドクルーシブル溶解炉ルツボが前記第１の従来例と相違するところは次の点である。
図７（Ａ）と（Ｂ）に示されるように、ルツボ側壁を構成する複数のセグメント１３は、隣接する１３ａと１３ｂなどの２個ごとに対を成し、その一方１３ａは冷却媒体の流入路１５ａを、対の他方１３ｂは、流出管に連通する流出路１５ｂを有して、これら１対のセグメント１３ａと１３ｂとが単位セグメントの脚として機能するように構成される。
これらの各単位セグメントは、下端より上方に向かって少なくとも中間部１３ｄまでがスリット１４ａにより２分され、それぞれの下部１３ｄと１３ｅは、前記の脚部に一体に連続し、 上方のスリット１４ａに連続したスリット１４ｂによって分離され、半径方向外方に突出してフランジを形成し、これにより各セグメントの脚と足部とで、半体縦断面が図７（Ｂ）に示されるＬ字形に成形される。また、ルツボの底壁を構成する底部１７は、側壁を形成するセグメントとは別体として製作され、単位セグメントの集合体としての側壁の下部の内周面により形成される空間部内に、絶縁物１８を介して図７（Ａ）のように挿入されて組立てられる。
前記第１の形式の従来のコールドクルシーブル溶解炉と比較して、この第２の形式においても、第１の形式の従来のコールドクルーシブル溶解炉の、ロ）において述べた誘導溶解コイルおよび冷却水の配管と、 ハ）溶解電流と冷却水の供給、 調節を行う装置は、 ほぼ同一なので説明を省略する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
第１の形式の従来のコールドクルーシブル溶解炉の炉体としてのルツボの側壁と非接触で溶融状態となっている金属は、前項に述べたようにルツボ底部では周囲以外に磁束が無く、またセグメント底部においては、 この部分の磁束では支えられず互いに接触している。
このため、溶融金属の中央部が丸屋根状に隆起して側壁から離れている部分（以下溶融ドームと呼ぶ）より下方の底部には、 図６で示すような皮状の凝固部（スカル）９が存在し、溶解効率を悪くする原因となる。
特に、 スカルがルツボ側壁内面へ接触している部分は、 溶融中に金属からの熱伝導損失を大きくするばかりでなく、表面より誘導加熱される熱さえ溶解に寄与することがない。
【０００５】
第２の形式の従来ルツボにおいて前記第１の従来例と機能的に相違するのは次の点である。
ルツボ底部の磁束の出入はルツボ底部上面の径方向延長部上にルツボ側壁がある場合（図７）、主にスリットを通路とする。
図７（Ｂ）のＬ1部とＬ2部を通る磁気抵抗がスリットを通る磁気抵抗より大きいからである。しかも図７（Ａ）と（Ｂ）に示されるように、ルツボ側壁はＬ字形断面をなして成形されているので、コイルがルツボ底に対して、このＬ字部を避けるためには、１）上方移動して配置するか、２）またはコイル径を大きくしなければならないが、大きくすると全体的効率が大きく低下する。
１）、２）のいずれの方法によっても、ルツボ底部付近の磁束密度の低下を招く結果となってしまう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この問題を解決するために、
イ）ルツボ底部の磁束を増加させることにより電磁力を増し、
ロ）溶融金属とルツボ側壁とを非接触状態にし、溶融金属からの熱伝達経路を遮断し、
ハ）また、この部分の誘導加熱電力も加熱に寄与させ、溶融状態を維持するための所要電力を低減し、
ニ）溶解電力効率を上げスカル量の減少を図り、
これらの手段により装入された被溶解金属を限りなく全量近く溶解するようにして課題を解決した。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１〜４に示す各実施の形態を通じ、ルツボ構造は下記の特徴を有している。（１）ルツボ側壁のセグメントの内周が、少なくともその下部において底壁の外周から離れて位置し、ルツボの側壁の内周と底壁が相互に、かつ底部の金属と短絡されていない。
（２）ルツボ側壁底部下方の隣接部材との間が絶縁されること、つまり絶縁性の非金属で構成されるか、もしくは空間となっている。
まず、図１（Ａ）と、その要部Ｂの拡大図である図１（Ｂ）を参照して本発明の第１の実施の形態について説明する。
ルツボ３０の側壁３１の構造は、前記第１の形式の従来のルツボのセグメント１ａの上下を反転して倒立させたセグメント３１ａの複数から成る構成とし、その上部３１ａ’が半径方向外方に張り出して半体断面で逆Ｌ字形をしており、この上部３１ａ’の円周方向に隣接する部分が連続されて短絡部を形成する。
セグメント３１ａの短絡部３１ａ’より下の脚の部分３１ｂは、隣接するセグメントとの間にスリット３１ｂ’が形成され、このスリット３１ｂ’が設けられた部分３１ｂの下端内周の空間には、部分拡大図である図１（Ｂ）に示されるように、上下方向の重なり長さＬと水平方向の空隙ｇを保って、凸字状のルツボ底部分３４の頭部３４ａが挿入され、前記の脚部３１ｂの下端と底部分３４の肩部３４ｂとの間には非金属などの絶縁材３８が配置されるか、または支持部材を除いた部分が空間部分とされる。
上記Ｌの値は５ｍｍ以下とすることが必要であり、０すなわち重なり部分がなくなると湯漏れもしくは非金属との反応で問題があるため、隙間ｇへの湯差しが起こらない程度で０に近い寸法の位置が必要である。空隙ｇは溶融金属が差し込まない程度でなければならず、通常０．５ｍｍ以下が望ましい。完全に０にすることは困難なので挿入可能な範囲を下限とする。
複数のセグメント３１ａの相互間はスリット３１ｂ’によって分離され、この分離された状態のセグメント３１ａの集合体によってルツボの側壁が形成され、その周囲に誘導加熱コイル２が配置される。スリット３１ｂ’は、コイル２の上端２ａを越えて、その上方まで存在している。
このような構造にされていることにより、 溶解の際に生成されるスカル３９は側壁の下端と底部の上面に沿う薄い平板状に形成される。
【０００８】
次に、上記第１の実施の形態による本発明のルツボと、従来型ルツボを比較して、磁束量がどの程度増加されているかを図５の（Ａ）と（Ｂ）にグラフとして示す。
本発明のルツボと従来型ルツボの両方とも、内径φ１５８、高さ９０ｍｍ、巻数６ターンの同一コイルで、同一の電流（６４７Ａ×６ターン＝３８８３Ａターン）、周波数８．５ｋＨｚを使用して、スリットと各セグメントの円周方向中央部の内壁面上の磁束密度を測定し、それぞれ点線と実線で示したものである。また、本発明の第１の実施の形態を示す図１（Ｂ）では、Ｌ＝１．５ｍｍ、スリット長さ１４８．５ｍｍとした。
この結果から、磁束密度は、従来型ルツボでは図５（Ａ）に示すように、コイル存在範囲の中央部付近で高く、底部に向かって弱くなっている。
また底部付近では、スリット部内壁面上の磁束密度が、セグメント中央部に比べ幾分高いことが認められる。
一方、図１（Ｂ）に示した本発明の第一の実施の形態のルツボでは、スリット部内壁面上の磁束密度とセグメント中央部とも、ほぼ同一で、コイル存在範囲の中央部付近よりも底部付近で磁束密度が高くなっていることが認められた。
ところで、この測定はルツボ内に被加熱材の入っていない状態で測定したものであるが、溶解時もほぼ同じ傾向になると予測できる。
【０００９】
次に、図２を参照して第２の実施の形態について説明する。
これは、スリット４１ｂの円周方向の幅（Ｂ）を、コイル２の上端の位置２ａより上方で、第１の実施の形態におけるスリット３１ｂ’の円周方向の幅ｂよりも広いＢとし、これにより全体的に磁気抵抗を下げ磁束の増加を図るものである。３４ｂは絶縁材または空間である。
図３（Ａ）と、そのＡ矢視斜視図である図３（Ｂ）に示した第３の実施の形態のイ）は、各セグメントと、その上方に位置する短絡部を分離し短絡部に代わってセグメント取付短絡環５２をセグメント５１の上部に配置し、両者を冷却水配管５３によって接続するものであり、冷却水配管を使用したことにより、第２の実施の形態でスリット幅を広げたことによる効果を一層高めたものである。
この第３の実施の形態のイ）は、冷却水配管を各セグメントに対して入水管と排水管とを個別に設けた例であるが、その一部変更例として、図３（Ｃ）に示すように各セグメント５５の内部に、１つの内孔５５ａを明けた第３の実施の形態の一部変更例としてのロ）は、その内部に一本の内管５５ｂを挿入して２重管とし、外部の入水管５５ｃに接続して、一方、内管５５ｂとその外側の内孔５５ａとの間の隙間を排水路として外部の排水管５５ｄに連結して、取付短絡環５２を分流コックとして使用することも可能である。
【００１０】
図４（Ａ）と、そのＢ矢視斜視図である図４（Ｂ）を参照して、本発明の第４の実施の形態について説明する。
各セグメント６１はスリット６１ｃにより分離され、上端６１ａおよび下端６１ｂにおいて、冷却水配管を接続し、上端では第３の実施の形態と同じようにセグメント取付短絡環６２と接続する冷却水配管６６を接続する。なお、下端部の冷却水配管６５はコイルおよびルツボ底を避けるように斜め下方へ導出される。
【００１１】
本発明の第１から第４の実施の形態で示した構造が第１と第２の従来例と相違するのは、第１にルツボ側壁下端にフランジ部の張り出しが無いか有るか、という点、つまりフランジが径方向に長いと磁気抵抗がその分だけ増加する点にある。また、冷却水配管の取付部が従来例では、ルツボ本体の下端部となっていたのに対し、本発明の実施の形態では、ルツボ本体の上端部に取り付けられる構造にされている。
従って、本発明では、ルツボの底部付近でのコイル取付位置に制約がなく、コイルを磁気抵抗を小さくできる位置に配置できるため、従来例の欠点であるルツボ底部に存在するＬ字形断面のルツボ壁によるコイル位置の制約を本発明により除くことができる。
【００１２】
【発明の効果】
１）磁束の通路であるルツボ壁底部を非磁性の非金属材料、または空間として構成することにより、ルツボ底部付近の磁気抵抗を下げることができ、ルツボ側壁、底部表面の磁束密度を集中的に上げることが可能になる。
従って、上部がドーム状となる溶融金属の底部表面に対する電磁気力の均一化と増加が同時に達成でき、ルツボ内壁面と溶融金属を非接触とすることができる。溶融金属をルツボ内壁に対して非接触で保持するため、磁束密度はルツボの底付近で強くなっている。このためこの付近の磁気抵抗を下げると磁束密度および磁束の増加に効果がある。
従来型のルツボでは、 磁束はスリットの部分のみを通過して出入できるに過ぎなかったが、 本発明では、 磁束はルツボ側壁とルツボ底部との間隙を通過でき、しかもルツボ側壁の終端部に沿って磁束がコイル下端に向かって通過できるため、 底部磁束量の増大が図れる。
しかし、 ルツボ側壁下端の位置が、 ルツボ底部の上面の位置より下がり過ぎると第２の形式の従来ルツボに近づき、磁束の出入がほぼスリットのみとなり本発明の効果が著しく減少してしまう。
従って、 図１（Ｂ）に示したルツボ側壁下端の位置までの距離Ｌはルツボ底上面位置より僅かに、例えば５ｍｍ程度が許容最低位置となる。
前記の欠点を補足して述べると図７（Ｂ）中で空隙Ｌ1とＬ2の長さが大きくなると、磁気抵抗が上がり、磁束が通りにくくなる。よってルツボ底付近の磁束はスリット部を通ってコイルに戻る。
２）前項１）の効果により、ルツボ側壁への接触による熱伝達がなくなる上にこの部分も誘導加熱されているので、新たに溶融金属に熱が投入される効果がある。
３）前項２）の効果により、主としてルツボ底へ熱伝達が行われるので、底部の凝固部（スカル）の厚さを減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図で、同図（Ａ）は側断面図であり、同図（Ｂ）は同図（Ａ）の要部Ｂの拡大図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す側断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す図で、同図（Ａ）は側断面図であり、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ矢視斜視図、同図（Ｃ）は変更例の一部側断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態を示す図で、同図（Ａ）は側断面図であり、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ矢視斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態によるコールドクルーシブル誘導溶解炉のコイル存在範囲での磁束密度を同図（Ｂ）に示し、同図（Ａ）の従来技術のものと比較したグラフである。
【図６】従来の第１の形式のコールドクルーシブル誘導溶解炉の側断面図である。
【図７】同図（Ａ）は従来の第２の形式のコールドクルーシブル誘導溶解炉の斜視図であり、同図（Ｂ）は半体側断面図である。
【符号の説明】
１ａ、３１ａ、５１ａ、５５、６１、６１ｄ：セグメント
２：コイル
２ａ：２の上端
３０、４０：ルツボ
３１：側壁
３１ｂ：脚部
３１ａ’：３１ａの短絡部
３１ｂ’、４１ｂ、５１ｂ、６１ｃ：スリット
３１ｄ：ルツボ側壁の下端
３４：ルツボ底部分
３４ａ：３４の頭部
３４ｂ：３４の肩部
３４ｃ：３９の底部
３８：絶縁物
３９：スカル
５３、６５、６６：冷却水配管
５２、６２：取付短絡環
５５ａ：内孔
５５ｂ：内管
５５ｃ：入水管
５５ｄ：排水管
６１ａ：６１の上端
６１ｂ：６１の下端
Ｂ：４１ｂの円周方向の幅
ｂ：３１ｂ’の円周方向の幅
【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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【図７】
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