JP3129048B2 - 浮上溶解装置とその運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、導電性の被溶解材を
交番磁界中に置いて電磁誘導作用によって誘導加熱する
とともに、磁界を所定のの分布にして被溶解材に電磁力
による浮上力を与えて浮上状態で溶解することによって
高純度の材料を得ることのできる浮上溶解装置とその運
転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】浮上溶解装置は、所定の分布になるよう
に生成された交番磁界中に溶解される材料を置き、誘導
加熱と電磁力による浮上力の双方を同時に与えて材料が
浮いた状態になって、るつぼなど他の物に接触しない状
態で溶解させて所定の材質と寸法の製品を得る装置であ
る。溶解時に他の物と接触しないために異物の混入が極
めて少ないこと、融点の高い材料でも溶解が可能である
こと、熱伝導損失が小さい、などの特長があることか
ら、高融点でしかも高純度が要求される材料、例えば、
チタニウム、シリコンなどの溶解処理に用いられる。

【０００３】図２は従来の浮上溶解装置の運転状態の全
体を示す縦断面斜視図、図３は図２の初期状態の要部を
示す縦断面斜視図であり、これらの図はこの発明と同じ
出願人による特願平4-140811号に示されているものであ
る。これらの図において、浮上溶解装置は、上るつぼ11
と下るつぼ12からなるるつぼ１、その外径側に周回して
設けられた誘導コイル２、るつぼ１の上部の開口部から
被溶解材５からなる小片53を連続的に投入する連続投入
装置３、これを制御する制御装置３１及びその制御情報
を得るための湯面温度計32、下るつぼ12を上下方向に駆
動する駆動装置４、これを制御する制御装置41、これの
制御情報を得るための湯面レベル計42などからなってい
る。

【０００４】誘導コイル２は誘導コイル21,22 からなっ
ていてこれらをそれぞれ励磁するための交流電源23,24
が設けられ、連続投入装置３には小片53をあらかじめ加
熱するための交流電源34で励磁される誘導コイル33が設
けられている。誘導コイル２を２つに分けてそれぞれ異
なる交流電源23,24 で励磁するのは、主に上側の誘導コ
イル21で誘導加熱を、下側の誘導コイル22で浮上力を、
それぞれ分担して効率よく与えることができるようにす
る場合に採用されるもので、その場合には、誘導コイル
22の方を誘導コイル21に比べて低い周波数で励磁するの
が普通である。ただ、この発明においてはこれら２つの
誘導コイル21,22 を区別する必要がないので以下の記載
ではまとめて誘導コイル２として取り扱う。

【０００５】上るつぼ11、下るつぼ12はいずれも図示の
ように所定の形状を持つ複数のセグメント111,121 がマ
イカなどの絶縁材を挟んで図示のように上下のるつぼ1
1,12を合わせたるつぼ１の形状は略底のある円柱状に形
成されるもので、それぞれのセグメント111,121 は銅製
で誘導コイル２に交流が流されたときに電磁誘導によっ
て電流が流れルツボ１内部にその断面形状に応じた交番
磁界を生成する。電流による温度上昇を抑制するために
内部に図示しない冷却孔が設けられていて冷却水によっ
て冷却される構造になっている。

【０００６】図２は溶解過程の最終段階に近い状態を示
し、図３は初期の状態を示すもので、初期には小さな被
溶解材５が浮上し溶解した初期溶解部50を形成する状態
から、以下に詳しく説明する過程で被溶解材５が成長し
て固化部52が成長しその上に溶解部51がある状態を示し
たのが図２である。実際に被溶解材５が溶解されて所定
の製品が得られる過程は次の通りである。 図３に示すように、最初に初期溶解部50に適した量の
被溶解材５を入れて誘導コイル２を励磁する。これによ
って、誘導コイル２の内側空間に交番磁界が発生し電磁
誘導作用によってそれぞれのセグメント111,121 及び被
溶解材５に渦電流が流れる。るつぼ１内の磁束はるつぼ
１の内面に沿った分布をするが、下るつぼ12のセグメン
ト121 が図示のように下に絞られた形状をしているので
被溶解材５がある底部近傍の磁束分布は下から上に向か
って開いた分布になる。渦電流によって被溶解材５は加
熱されるが、一方、前述のような磁束分布と渦電流の相
互作用から詳しい説明は省略するが被溶解材５には重力
に逆らう上向きの電磁力が働く。図のような下るつぼ12
の底部の形状は浮上力を発生させるに適した磁束分布が
得られるように設定されているのである。 電磁力は誘導コイル２が励磁されると同時に働き僅か
の時間遅れで被溶解材５は浮上し重力と電磁力が釣り合
う位置で停止する。一方、被溶解材５の融点は高いので
溶解までに時間がかかり、融点に達して初期溶解部50と
なった時点ではすでに浮上した状態になっている。した
がって初期溶解部50は何にも接触していないので不純物
が混入することがない。 連続投入装置３によって被溶解材５の小片53を投入す
る。小片53は誘導コイル33による電磁誘導加熱によって
加熱されて融点には達しないが高温になっており、初期
溶解部50と接触して熱伝導によって融点以上に加熱され
て溶解し初期溶解部50と文字通り一体になる。初期溶解
部50は漸次大きくなって溶解部51となる。小片53が連続
して投入されるにつれて溶解部51は大きくなって成長し
てゆく。小片53の投入は湯面温度計32が所定の値以上の
ときに行い、以下になったときには停止するというよう
に適宜投入速度が制御される。 溶解部51の浮上力は重量の増加ほどには増加しないの
で溶解部51の成長とともに浮上位置が下がってゆきつい
に溶解部51の下部が下るつぼ12の底部に接触する。前述
のように下るつぼ12は冷却されて低温に保持されている
ので接触部はただちに固化する。このようにして固化部
52が生成され以後は溶解部51と固化部52からなる被溶解
材５の成長とともに固化部52も成長する。溶解部51は常
に被溶解材５の上先端部に存在し、この溶解部51に小片
53が投入される。溶解部51は固化部52の上にあるのでる
つぼ１と接触することがなく、不純物が混入しない条件
のまま被溶解材５は大きく成長することができる。 被溶解材５がある程度成長したところで下るつぼ12を
下に向けて移動させて溶解部51が上るつぼ11及び誘導コ
イル２に対して一定の位置を保持するように制御され
る。この制御は湯面レベル計42によって被溶解材５の上
面位置を計測しその結果を制御装置41に入力しこれに基
づいて駆動装置４によって下るつぼ12が駆動される。 被溶解材５が所定の長さになったところで下るつぼ12
の駆動、小片53の投入、及び誘導コイル２の励磁を止め
る。図２のように棒状に成長した被溶解材５は全体が固
化するのでこれを取り出して所望の製品が得られる。こ
の製品の大きさ、特にその長さは下るつぼ１２の移動距
離によって決まるので、この浮上溶解装置はるつぼ１の
容積に比べてはるかに大きな製品を得ることができると
いう特長を持つものである。

【０００７】なお、図２では被溶解材５の固化部52とる
つぼ１の内面との間にかなりの隙間があるものとして図
示してあるが、前述の説明からも分かるように固化部52
とるつぼ１の内面との間の隙間は実質的に無しか僅かな
のが実際である。また、溶解部51に凸凹があるように図
示してあるが、これは小片53が溶解部51に入った瞬間や
溶解部が振動して変形するなどの実際の現象を示したも
のであり、小片53の投入の影響がなくなったときの溶解
部51の形状は後述のように軸対称性の安定した形状を保
つのが実際である。

【０００８】なお、誘導コイル２の電流は数千アンペア
と非常に大きくしかも周波数は50ｋＨz 程度と高いので
その導体やリードの断面積が大きいことから誘導コイル
２の上下方向を移動させるのは困難である反面、上るつ
ぼ11や下るつぼ12は冷却水用の配管がつながるとはい
え、移動させるのは誘導コイル２に比べてはるかに容易
なので、実際に採用される構造は誘導コイル２は固定し
ておき下るつぼ12を移動可能にされるのが実際である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、被溶解材５
には種々のものがあり更にその小片53の形状も色々であ
る。特に再利用される材料のときには小片53は製品であ
ったときの形状そのままか、つぶしたり切断するなどの
簡単な加工を施したものであることが多い。特に板状の
ものの場合、１枚の小片53のルツボ１内の配置によって
渦電流の大きさ、したがって発生熱量が大きく変わる。
一般に金属に渦電流が流れるとき磁界との相互作用とし
て働く電磁力は渦電流が流れ難くなるように働く。

【００１０】図４は板状の小片５３が交番磁界中にある
ときの渦電流の方向の発生する電磁力との関係を説明す
る模式図である。この図において、左側が紙面から手前
に向かう方向、右側が手前から紙面に向かう方向の電流
Ｉによって生ずる磁束密度Ｂは右ねじの法則によって図
示のように下から上に向かう方向になる。磁束が小片53
と鎖交する量に応じて小片53には電磁誘導による渦電流
ｉ_e が流れる。右端の渦電流ｉ_e は手前に向かい、左端
のは紙面に向かう方向に流れる。磁束密度Ｂと渦電流ｉ
_e の方向の関係から電磁力Ｆは図示のように小片53を反
時計方向に回転させるトルクとなる。したがって、斜め
になっている小片53は立ち上がって磁束密度Ｂと同じ方
向の垂直になろうとする。

【００１１】図１はこの発明の実施例の説明のための浮
上溶解装置の要部断面図であるが、従来の技術にも共通
する部分があるので、これを用いて説明する。溶解の所
期にはるつぼ１に所定量の小片53に投入されるが、それ
らは下るつぼ12の中に収まる。したがって図１は下るつ
ぼ12とその外側の誘導コイル２だけを図示したものであ
る。図１(a) は初期溶解部50を形成するに適した量の小
片53が投入された直後の状態を示す。小片53はばらばら
に投入されるのでそれらの配置は無秩序である。このよ
うな状態では図４のように個々の小片53の中で循環する
渦電流が流れるとともに、小片53同士の接触部を介して
より大きな面積の経路を通る誘導電流も流れる。また、
電磁力によって個々の小片53は運動して接触部が離れた
りもする。このとき流れていた電流はアークとなって接
触部が離れても電気的には連結する状態が継続する。こ
のとき高温のアークによって小片53が局部的に溶解す
る。接触部が離れなくても接触部の大きな抵抗によって
加熱して溶解する部分を生ずる。小片53同士が溶解部で
接触するとその部分の抵抗値が小さくなって発生損失が
小さくなり温度が下がって固化してあたかも接着剤で接
着したように小片53同士が部分的に接着された状態にな
る。このように、小片53同士は運動しながらも互いに接
着する部分が多くなっていき、ついには殆どの小片53が
接着されて一体化し停止してしまう。この状態を模擬的
に示したのが図１(b) である。前述のように小片53は磁
界の方向に沿って配置する傾向があり、下るつぼ12の中
の磁界の方向は概ね紙面の垂直方向であるから図のよう
にそれぞれの小片53は立ち上がった状態で部分的に接着
されて停止する。この状態では大きな渦電流が流れる経
路が充分にできずそのため全体が溶解もしなければ浮上
もしないという図１(b) の状態のまま変化しなくなって
しまう。そのため、更に小片53を投入することもできず
実質的に運転不能に陥ってしまうという問題が生ずる。

【００１２】この発明はこのような問題を解決し、運転
不能となるような状態を回避し安定した運転を継続する
ことのできる浮上溶解装置とその運転方法を提供するこ
とにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、所定の断面形状を持つ良導電金
属製のセグメントの複数個が絶縁材を介して密に配置さ
れてなり上るつぼと下るつぼに所定の水平面で分割され
たるつぼ、るつぼの外径側に設けられた誘導コイル、誘
導コイルに電流を供給する交流電源、るつぼの上部から
導電性の被溶解材の小片を連続的にるつぼ内に投入する
連続投入装置、及び下るつぼと上るつぼの上下方向位置
を変え駆動装置とこれを制御する制御装置が備えられて
なり、被溶解材の小片が板状をしてなる浮上溶解装置の
運転方法において、最初に所定の量を被溶解材の小片を
投入し、交流電源から誘導コイルに供給される電流によ
る電磁誘導作用によって小片に渦電流が流れて電磁力が
働いて運動するとともに小片間の接触部が局部的に溶解
して再度固化し、結果的に殆どの小片が一体化して小片
塊を形成して運動を実質的に停止した後に、この小片塊
の板面を上向きに配置変えし、小片塊が浮上するととも
に溶解して初期溶解部が形成されたあと小片の投入を継
続して投入するものとし、また、小片塊の配置変えのと
きには、交流電源による誘導コイルへの電流の供給を止
めるものとする。また、このような運転方法を行う浮上
溶解装置において、ルツボの上部から差し込んで遠隔操
作により小片塊の配置を変えるロボッの腕が備えられて
なるものとする。

【００１４】

【作用】この発明の構成において、誘導コイルに交流電
源から所定の大きさの電流が供給されている状態で最初
に所定の量の被溶解材の小片を投入し、小片に渦電流が
流れて電磁力が働いて運動するとともに小片間の不完全
接触部で局部的に溶解して再度固化して接着され、結果
的に殆どの小片が一体化して小片塊を形成して運動を停
止したときに、この小片塊の配置を板面が上を向くよう
に配置変えして大きな渦電流が流れるようにする。これ
によって小片塊には浮上力が働いて浮上するとともに渦
電流による加熱が増大して溶解し初期溶解部を形成す
る。また、小片塊の配置を変えるときは交流電源による
誘導コイルへの電流の供給を止めることによって、小片
塊の配置変えを危険性のない状態で作業者が行うことが
できる。また、遠隔操作によりルツボの上部から差し込
んで小片塊の配置を変えるロボッの腕を備えることによ
って、誘導コイルへの電流の供給を停止することなくか
つ安全に小片の配置変えを行うことができる。

【００１５】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施例を示す浮上溶解装置による被溶
解材の溶解の初期状態を示す模式断面図であり、図１
(a)、図１(b) は先に説明したので重複する説明を省略
する。この発明の主眼は図１(b) の状態にある小片53が
一体化して形成された小片塊54を図１(c) のように配置
変えすることにある。

【００１６】図１(c) のように、それぞれの小片53の板
面が上を向くような配置になると、それぞれの小片53を
流れる渦電流は小片53の幅一杯に流れしかもそれぞれが
接着されているので図１(b) の状態に戻るよう運動する
ことも実質的に不可能である。そのため、大きな渦電流
が継続的に流れて所定の電磁力が働いて浮上するととも
に温度が上昇して溶解が進むことになり、期待していた
初期溶解部50が生成される。以後は小片53を連続的に投
入することにより前述した通りの正常な運転が継続する
ことになる。

【００１７】小片塊54を図１(b) の状態から図１(c) の
状態に移動する最も簡単な方法は、いったん電源を切り
感電などの危険性を取り除いた状態で作業者が工具を用
いて小片塊54を動かす方法である。図１(b) の状態の小
片塊54は渦電流が流れにくいためにその温度も余り上が
っていなことから簡単な工具を用いてれば直接作業者が
配置変えにすることも極めて容易である。また、小片塊
54を常温近くになるまで冷却させた後ならば手袋をした
手で直接つかむことも可能である。

【００１８】迅速にかつ安全に小片塊54を配置変えする
にはるつぼ１の上部から遠隔操作が可能な腕、すなわち
ロボットの腕を差し込んで図１(b) の状態にある小片塊
54をつかんで少し持ち上げおおよそ90°回転させて再度
置くことによって図１(c) の状態にすることができる。
その際、これを電源を切って行うならば通常のロボット
の腕で充分であるが、電源を入れたまま行うには腕にも
渦電流が流れることを考慮する必要がある。るつぼ１の
中に入る腕の部分は非金属製にするか渦電流による悪影
響が実質的にないとみなせる高抵抗の金属で構成する。
腕にさせる動作は単純なので従来の技術の応用でこのよ
うなロボットの腕の製作は容易である。

【００１９】なお、図１(b) の小片塊54の配置を90°回
転させても図１(c) の状態になるとは限らない。すなわ
ち、図１(b) で紙面に水平に回転させれば図１(c) にな
るが紙面に垂直に回転させても板面は水平のままで上を
向くことはない。このようなことは作業者が直接動かす
ときには目視で容易に最適の配置を知りそれに基づいて
配置変えすることができるが、ロボットの腕によりしか
も目視しないという前提では、１回の移動で最適配置を
期待することはできない。したがって、投入電力を監視
していて小片塊54の配置を変えたことにより供給電力が
予想通り増大したときは良いとして、増大しないときは
別の面で90°回転させるというようにすればよい。１回
目の回転面を記憶させるようにしておけば２回目の回転
で図１(c) の状態に配置を変えることは原理的に可能で
ある。勿論テレビカメラを用いて間接的に目視する方法
を採用することもできる。

【００２０】

【発明の効果】この発明は前述のように、初期溶解部に
適した量の被溶解材の小片をるつぼ内に投入し、小片に
渦電流が流れて電磁力が働いて運動するとともに小片間
の不完全接触部で局部的に溶解して再度固化して接着さ
れ、結果的に殆どの小片が一体化して小片塊を形成して
運動を停止したときに、この小片塊の配置を板面の多く
が上を向くように変えて大きな渦電流が流れるようにす
る。これによって小片塊には浮上力が働いて浮上すると
ともに渦電流の加熱によって溶解して初期溶解部を形成
することができるので、以後安定した運転を行うことが
できるという効果が得られる。また、小片塊の配置を変
えるときに誘導コイルへの電流の供給を止めることによ
って、危険性のない状態で小片塊の配置変えを作業者が
行うことができる。又は、遠隔操作によりるつぼの上部
から差し込んで小片塊の配置を変えるロボッの腕を備え
ることによって、安全に小片の配置変えを行うことがで
きるともに、腕の構成を適正なものにすることにより誘
導コイルへの電流の供給を停止することなく行うことも
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す溶解過程の初期状態に
おける小片の３つの異なる様相を示す模式断面図

【図２】従来の浮上溶解装置の運転状態の全体を示す縦
断面斜視図

【図３】図２の浮上溶解装置の初期状態の要部を示す縦
断面斜視図

【図４】交番磁界中にある板状の小片の渦電流と電磁力
との関係を説明する模式図

【符号の説明】

１ るつぼ １１ 上るつぼ １２ 下るつぼ ２ 誘導コイル ３ 連続投入装置 ４ 駆動装置 ４１ 制御装置 ４２ 湯面レベル計 ５ 被溶解材 ５０ 初期溶解部 ５１ 溶解部 ５２ 固化部 ５３ 小片 ５４ 小片塊

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の断面形状を持つ良導電金属製のセグ
   メントの複数個が絶縁材を介して密に配置されてなり上
   るつぼと下るつぼに所定の水平面で分割されたるつぼ、
   るつぼの外径側に設けられた誘導コイル、誘導コイルに
   電流を供給する交流電源、るつぼの上部から導電性の被
   溶解材の小片を連続的にるつぼ内に投入する連続投入装
   置、及び下るつぼと上るつぼの上下方向位置を変え駆動
   装置とこれを制御する制御装置が備えられてなり、被溶
   解材の小片が板状をしてなる浮上溶解装置の運転方法に
   おいて、最初に所定の量を被溶解材の小片を投入し、交
   流電源から誘導コイルに供給される電流による電磁誘導
   作用によって小片に渦電流が流れて電磁力が働いて運動
   するとともに小片間の接触部が局部的に溶解して再度固
   化し、結果的に殆どの小片が一体化して小片塊を形成し
   て運動を実質的に停止した後に、この小片塊の板面を上
   向きに配置変えし、小片塊が浮上するとともに溶解して
   初期溶解部が形成されたあと小片の投入を継続して投入
   することを特徴とする浮上溶解装置の運転方法。
2. 【請求項２】小片塊の配置変えのときには、交流電源に
   よる誘導コイルへの電流の供給を止めることを特徴とす
   る請求項１記載の浮上溶解装置の運転方法。
3. 【請求項３】ルツボの上部から差し込んで遠隔操作によ
   り小片塊の配置を変えるロボッの腕が備えられてなるこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の運転方法を行う浮
   上溶解装置。