(57)【要約】【課題】コールドクルーシブル誘導溶解装置において追装する材料の偏りや坩堝への付着を防止して安定した溶解を可能にする。【解決手段】誘導加熱によって金属の加熱を行う筒状の坩堝と、前記坩堝の上端部の周壁に沿って配置され、前記周壁上方よりも高い位置に上端を有する導電性スリーブと、前記導電性スリーブの上方側に位置して導電性スリーブの内側に原料を投入する原料投入部と、を備えることで、追装した材料が坩堝の内周面に付着するのを防止して坩堝付着量を減少でき、材料を安定して坩堝に投入して安定した溶解を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加熱によって金属の加熱を行う筒状の坩堝と、
前記坩堝の上端部の周壁に沿って配置され、前記周壁上方よりも高い位置に上端を有する導電性スリーブと、
前記導電性スリーブの上方側に位置して導電性スリーブの内側に原料を投入する原料投入部と、を備え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。
【請求項２】
前記導電性スリーブは、前記坩堝の内周壁面よりも内側に内周壁面を有することを特徴とする請求項１記載のコールドクルーシブル誘導溶解装置。
【請求項３】
前記導電性スリーブは、前記坩堝内の溶解金属の予定上端位置よりも下方側に下端が位置していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコールドクルーシブル誘導溶解装置。
【請求項４】
前記導電性スリーブは、非金属材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコールドクルーシブル誘導溶解装置。
【請求項５】
前記原料投入部は、原料投入口に連なって上下方向に搬送方向を有する投入口搬送経路と、前記投入口搬送経路に連なり、前記上下方向とは異なる傾斜方向の第２搬送方向を有する第２搬送経路と、前記第２搬送経路に連なり、前記第２搬送方向とは異なる傾斜方向の第１搬送方向を有する第１搬送経路と、を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のコールドクルーシブル誘導溶解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電磁誘導溶解によって各種金属材料の溶製を行うことができるコールドクルーシブル誘導溶解装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、コールドクルーシブル誘導溶解装置としては、図５に示す装置が知られている。
コールドクルーシブル誘導溶解装置１は、銅製などの筒状の坩堝２を有し、坩堝２内に、引き下げ装置３が移動可能に設置されている。坩堝２の外周側には、坩堝２内の原料金属を誘導加熱によって溶解させる誘導コイル４が配置される。
また、坩堝２の上方側に、材料充填室１０が設置されている。材料充填室１０は、粉粒状とした材料１００を下方に落下させる。材料充填室１０の下方側には、材料充填室１０から落下する材料１００を受けて、所定方向に搬送する材料搬送装置１１が設置されている。材料１００は金属材料であり、その種別は特に限定されない。
【０００３】
材料搬送装置１１の搬送先には、材料搬送装置１１から供給される材料１００を搬送する搬送部１２を有している。搬送部１２は、材料搬送装置１１から搬送される材料を受けるホッパ１２Ａと、ホッパ１２Ａに連通し、鉛直方向に対し、所定の角度を有する搬送配管１２Ｂと、搬送配管１２Ｂに連結部１２０で連結され、搬送配管１２Ｂと同一の角度を有する搬送配管１２Ｃとを有している。搬送配管１２Ｃには、鉛直方向に沿った搬送配管１２Ｄが連結されており、搬送配管１２Ｄの先端に投入口１２Ｅが設けられている。
搬送部１２は、設置位置や角度の調整によって、投入口１２Ｅが坩堝２の中央直上に位置される。なお、最終の搬送配管１２Ｄでは、必ずしも鉛直方向に沿って配置されている必要はない。
【０００４】
次に、コールドクルーシブル誘導溶解装置１の動作について説明する。
材料充填室１０の底に位置する電磁弁（図示しない）を開き、材料充填室１０内に収容されている材料１００を搬送装置１１に入れる。この搬送装置１１が振動することで、材料１００を搬送部１２のホッパ１２Ａに送り込む。搬送部１２では、材料１００が、搬送配管１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄを通って、投入口１２Ｅから坩堝２内に落下する構造となっている。
坩堝２では、誘導コイル４への通電によって、材料１００に対する誘導加熱が行われ、坩堝２内で溶湯１１０が得られる。坩堝２は、誘導コイル４の下方側で冷却されて溶湯１１０が凝固する。引き下げ装置３によって坩堝２内の材料１００を徐々に下降させるとともに、搬送部１２によって坩堝２内に材料１００を追装することで金属材料の溶製が連続して行われる。
【０００５】
しかし、この装置では、材料を添加する際に追装材料が坩堝外に飛散する問題が発生している。
図６に坩堝２の周辺における材料１００の飛散状態を示すが、材料１００が坩堝２内面のスリット部などに付着しており、その付着量は時間経過によって増加している。
この問題を解決するため、特許文献１では、投入部先端内部に逆テーパーの蓋と案内板を設け、追装時には、投入部を下降させ、さらに材料が投入部内を落下する勢いを蓋で止めてから、蓋を開けて案内板を通して溶湯中心部に向けて材料を落下させる機構の追装装置を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１５９９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、投入部内部の追加構造であるため、時間当たりの供給量が多い場合においては投入部内部で材料が詰まる可能性がある。
【０００８】
また、コールドクルーシブル溶解装置は、材料の追装と溶湯底に位置する坩堝底の引抜を同時に行い連続鋳造が可能な追装引抜法がある。この場合、坩堝内の溶湯の量を一定に保つために追装する材料の重量と坩堝底の引抜速度のバランスが重要である。
コールドクルーシブル溶解装置は、高周波によって材料を加熱しているが、図６に示すように、ＦｅやＮｉなどの強磁性体の材料１００を追装すると、投入口１２Ｅから溶湯１１０へ落下中の材料が、坩堝２の外側面に配置された誘導コイル４から発する磁場４０領域内を通るため、磁性を帯びる。そのため、誘導コイル４に吸い寄せられるように、漏洩磁束が発生する坩堝２の内面スリット部などに付着する。その結果、追装された強磁性体材料は溶湯１１０中に落下しないため必要な量の材料が溶解されず、追装する材料１１０の重量と水冷銅底の引抜によって生じる凝固層の重量とのバランスが崩れ安定した連続溶解が行えないという問題がある。
【０００９】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、材料が電磁磁場によって坩堝内面に付着するのを防止して、安定した溶解が行えるコールドクルーシブル誘導溶解装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明のコールドクルーシブル誘導溶解装置のうち第１の形態は、誘導加熱によって金属の加熱を行う筒状の坩堝と、
前記坩堝の上端部の周壁に沿って配置され、前記周壁上方よりも高い位置に上端を有する導電性スリーブと、
前記導電性スリーブの上方側に位置して導電性スリーブの内側に原料を投入する原料投入部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
他の形態のコールドクルーシブル誘導溶解装置は、前記の形態の本発明において、前記導電性スリーブは、前記坩堝の内周壁面よりも内側に内周壁面を有することを特徴とする。
他の形態のコールドクルーシブル誘導溶解装置は、前記の形態の本発明において、前記原料投入部は投入口を有し、該投入口は前記導電性スリーブの上端よりも下方に位置することを特徴とする。
他の形態のコールドクルーシブル誘導溶解装置は、前記の形態の本発明において、前記導電性スリーブは、前記坩堝内の溶解金属の予定上端位置よりも下方側に下端が位置していることを特徴とする。
他の形態のコールドクルーシブル誘導溶解装置は、前記の形態の本発明において、前記導電性スリーブは、非金属材料からなることを特徴とする。
他の形態のコールドクルーシブル誘導溶解装置は、前記の形態の本発明において、前記原料投入部は、原料投入口に連なって上下方向に搬送方向を有する投入口搬送経路と、前記投入口搬送経路に連なり、前記上下方向とは異なる傾斜方向の第２搬送方向を有する第２搬送経路と、前記第２搬送経路に連なり、前記第２搬送方向とは異なる傾斜方向の第１搬送方向を有する第１搬送経路と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明は、導電性スリーブによって追装した材料が坩堝の内周面に付着するのを防止して坩堝付着量を減少することができ、材料を安定して坩堝に投入して、安定した溶解を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態における坩堝周辺の構造および動作状態を示す図である。
【図２】同じく、搬送配管の形状変更例を示す図である。
【図３】実施形態および従来例における追装材料の散布率を示す図である。
【図４】投入電力と溶湯高さの関係を示す図である。
【図５】従来のコールドクルーシブル誘導溶解装置の概略を示す図である。
【図６】同じく、坩堝周辺の構造および動作状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に示した本実施形態のコールドクルーシブル誘導溶解装置１Ａは、図５で説明したコールドクルーシブル誘導溶解装置１と共通する構成を有している。なお、コールドクルーシブル誘導溶解装置１と共通する構成については一部で説明を簡略化する。
すなわち、コールドクルーシブル誘導溶解装置１Ａは、筒状の坩堝２内に、引き下げ装置３が移動可能に設置されており、坩堝２の外周側には、誘導コイル４が配置される。
坩堝２の上方側に、材料充填室１０が設置され、材料充填室１０の下方側に、材料搬送装置１１が設置されている。
【００１５】
材料搬送装置１１の搬送先には搬送部１２を有している。搬送部１２は、ホッパ１２Ａと、搬送配管１２Ｂと、連結部１２０で搬送配管１２Ｂに連結された搬送配管１２Ｃと、搬送配管１２Ｄとを有しており、搬送配管１２Ｄの先端に投入口１２Ｅが設けられている。この実施形態では、搬送配管１２Ｄは鉛直方向に沿って配置されているが、本発明としては最終の搬送配管が鉛直方向に沿っていることが必須とされるものではない。
【００１６】
さらに、本実施形態では、坩堝２の上端部に筒形状の導電性スリーブ５が装着されている。導電性スリーブ５は、坩堝２の内周面に沿った外周面を有するスリーブ本体５Ａと、スリーブ本体５Ａよりも外径を大きくした係合段部５Ｂを有しており、スリーブ本体５Ａから係合段部５Ｂに亘って同じ筒穴形状を有している。
係合段部５Ｂは、下面に平坦な係合面５０Ｂを有し、坩堝２の上面に係合面５０Ｂを載置して坩堝２に対する設置を行うことができる。
【００１７】
導電性スリーブ５は、投入口１２Ｅよりも上方に上端が位置している。導電性スリーブ５の上端位置は、係合段部５Ｂの厚さにより変更することができる。ただし、本発明としては、導電性スリーブに対する投入口の位置が特定のものに限定されるものではない。また、材料投入口の位置は、投入口が溶湯との接触や輻射熱により溶融、赤熱しない範囲で最も溶湯上端に近いことが望ましい。
また、導電性スリーブ５の下端は、溶湯量が最大のときに、後述する装置動作時の溶湯１１０の上端よりも下方に位置する。ただし、本発明としては、導電性スリーブの下端位置が特に限定されるものではない。導電性スリーブ５の下端は、溶湯と接触しないように位置しているのが望ましい。
【００１８】
なお、導電性スリーブ５は、導電性を有しており、溶湯との接触により溶融せず、追装材料が導電性スリーブ５に付着しない素材であることが望ましい。したがって、導電性としては、電気抵抗率が３×１０−５Ωｍ以下であり、耐熱性としては、液相線温度が２５００℃以上であるような、非磁性体の黒鉛、炭化物系のＷＣ、窒化物系のＺｒＮなどが挙げられる。
【００１９】
導電性スリーブ５は、その形状が筒形状であることは必要とされず、坩堝２の上端の外周に沿って配置されるものであればよく、複数のスリーブ材が間隔を置かず、または間隔を有して配置されて導電性スリーブを構成するものであってもよい。
【００２０】
次に、コールドクルーシブル誘導溶解装置１Ａの動作について説明する。
材料充填室１０に収容されている材料１００を搬送装置１１に入れ、搬送装置１１を振動させて、材料１００を搬送部１２のホッパ１２Ａに送り込む。搬送部１２では、材料１００が、搬送配管１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄを通って、投入口１２Ｅから坩堝２内に落下する。
【００２１】
坩堝２では、誘導コイル４への通電によって誘導加熱が行われ、坩堝２内で溶湯１１０が得られる。この際に、導電性スリーブ５の周囲では、電磁波が導電性スリーブ５に吸収され、導電性スリーブ５の内側で磁場が減衰され、投入口１２Ｅから投下された材料に対する磁束密度が下がって電磁波の影響を軽減することができる。一方、導電性スリーブ５が位置しない内周側では、電磁波の作用によって材料１００の溶解がなされる。溶解した溶湯１１０は、上端位置が導電性スリーブ５の下端を超えて上方に位置している。
【００２２】
坩堝２は、誘導コイル４の下方側で冷却されて溶湯１１０が凝固し、引き下げ装置３によって坩堝２内の材料が徐々に下降させるとともに、搬送部１２によって坩堝２内に材料１００を供給する。この実施形態では、材料１００は、投入位置に偏りを生ずることなく坩堝２内に投入することができる。また、坩堝２に対する材料の付着は、時間経過によってもその量は増加しない。この結果、材料１００の溶解も安定して行うことができる。
【００２３】
この実施形態は、投入口と溶湯の間にある坩堝２の上端部に導電性スリーブを設置し、追装した材料が溶湯の中心に落下するように構造を改良することで、追装材料が溶湯へ確実に落下するようにしたものである。なお、導電性スリーブは、溶融金属からの輻射熱に耐えるものであれば良く、導電性の素材を含む耐火物や黒鉛などの使用が望ましい。
【００２４】
以上のように、この発明によれば導電性のスリーブを坩堝上端に装着することで、強磁性体材料を高周波加熱中に追装しても坩堝内面のスリット部に付着する量を少量に抑えることが可能である。
【００２５】
次に搬送部の変更例を図２および図６に基づいて説明する。
この実施形態の搬送部１３では、搬送部１２における連結部１２０よりも下流側の構成を変更しており、連結部１２０およびそれよりも上流側の構成は、共通している。
搬送部１３では、連結部１２０に搬送配管１３Ｃ１が連結されている。搬送配管１３Ｃ１は、搬送配管１２Ｃよりも短い長さを有している。この実施形態では、搬送配管１３Ｃ１と傾斜角度が異なる搬送配管１３Ｃ２が接続されている。搬送配管１３Ｃ２に、鉛直方向の搬送配管１３Ｄが接続され、搬送配管１３Ｄの下端に投入口１３Ｅが設けられている。
なお、搬送配管１３Ｄは、本発明の投入口搬送経路に相当し、搬送配管１３Ｃ１は、本発明の第１搬送経路に相当し、搬送配管１３Ｃ２は、本発明の第２搬送経路に相当している。
【００２６】
この実施形態では、最終の搬送配管に対し、傾斜角度の異なる複数の搬送配管を接続しており、搬送配管を通過する材料を搬送配管の内壁で何度も跳ね返らせて投下速度を小さくし、また、散布率を一定にすることができる。この結果、最終の搬送配管の長さを長くしても投下速度を小さくすることができ、また、投下方向の偏りも小さくすることができる。また、投入口と坩堝上端との隙間を狭くすることで、追装材料の坩堝外への飛散を減らすことができる。なお、最終の搬送配管に対し、接続する傾斜角度の異なる搬送配管の数は、本発明としては特に限定されない。
従来の搬送部１２では、材料が搬送配管１２内部で跳ね返り回数が小さくて一定方向に偏りやすくなってしまい、追装材料の溶解が困難となる。
【実施例１】
【００２７】
以下に、本発明の実施例を説明する。
図３に実施形態による改良前後の追装材料の散布率を示す。散布率は、銅坩堝内を縦３×横３の９区間に分割した上で、各区間の面積と実際に追装を行い各区間に入った追装材料の重量を測定し、（１）式から求めた。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
ここで、Ｗｉ、Ａｉ、Ｓｉはそれぞれ区間ｉに追装された重量、区間ｉの面積および区間ｉの散布率である。
上記の式から散布率を計算した結果、従来例では散布率が約４〜１９％の範囲であり、落下する追装材は投入口奥側（区間７〜９）が多く、投入口手前側（区間１〜３）が少ない傾向にあった。一方、実施形態では、散布率が約８〜１３％の範囲であり、改良によってより均一に落下している傾向にあった。以上の結果から、強磁性体材料の追装において、提案した追装方法を行うと、坩堝内面に付着する量を減少させ、坩堝内への均一な追装が可能となった。
【００３０】
（実施例２）
コールドクルーシブル誘導溶解装置は高周波加熱を使用しているため、ピンチ力によって溶湯の中心部が盛り上がり、溶湯とスリーブが接触してスリーブが溶損するおそれがある。この盛り上がりは投入電力増加に比例して大きくなるが、導電性のスリーブが溶湯と接触させないために溶湯の形状を把握する必要がある。
【００３１】
実施例２を以下に示すが、内径８０ｍｍの銅坩堝において、周波数１０ｋＨｚの電源装置から電力を供給し、材料としてＦｅを２５００ｇ溶解した。その際に使用した導電性スリーブの内径は６７ｍｍであり、坩堝上端から３０ｍｍ下まで挿入した。水冷銅底の上端から坩堝の上端までは１３５ｍｍとした。
【００３２】
投入電力に対する溶湯高さの関係を図４に示す。投入電力の増加に比例して溶湯の高さも高くなっているが、投入電力２４０ｋＷで溶湯高さが約１４０ｍｍとなったときに、溶湯は導電性スリーブと接触し、投入電力２００ｋＷでは接触が認められなかった。従って、以上の条件では電力は２００ｋＷまで投入できる。また、異なる材料においては、溶湯形状が変わることが考えられるため、スリーブを使用する際は、溶湯の形状を事前に測定することで適用が可能である。すなわち、従来例に対し、より高い電力によって効率的な溶解を行うことが可能になる。
導電性スリーブの長さは、溶湯と接触しない長さとするのが望ましい。なお、投入電力や初装原料の装入量によって溶湯の高さが大きく変化するため最長値の指定はできない。
【００３３】
以上、実施形態および実施例に基づいて本発明について説明をしたが、本発明の範囲を逸脱しない限りは、上記内容を変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１    コールドクルーシブル誘導溶解装置
１Ａ  コールドクルーシブル誘導溶解装置
２    坩堝
３    引き下げ装置
４    誘導コイル
５    導電性スリーブ
５Ａ  スリーブ本体
５Ｂ  係合段部
１０    材料充填室
１１    材料搬送装置
１２    搬送部
１２Ａ  ホッパ
１２Ｂ  搬送配管
１３Ｃ１  搬送配管
１３Ｃ２  搬送配管
１３Ｄ  搬送配管
１３Ｅ  投入口
１００    材料
１１０    溶湯
１２０    連結部
【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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