JP6736162B2 - 黒鉛坩堝及びそれを用いた溶解保持炉並びに鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造において鋳物の原料を溶解するための黒鉛坩堝及びそれを用いた溶解保持炉に関する。

鋳造においては、鋳物の原料であるアルミニウム等の金属を溶かした溶湯を、金型等の鋳型に流し込んで冷やすことにより、目的の形状に加工された鋳物が製造される。鋳造には、低圧鋳造やダイカスト鋳造などがある。低圧鋳造では、溶湯を低圧かつ低速で鋳型内に充填することにより成形される。また、ダイカスト鋳造では、溶湯を高圧かつ高速で射出し、鋳型内に充填された鋳物の原料を急速に凝固させることにより、高い寸法精度の形状を短時間で大量に加工することを可能にしている。

鋳型に供給される溶湯は、溶解炉に投入されたアルミニウム等のインゴットを加熱することにより生成され、保持炉に移されて所定の温度で加熱保持される。なお、加熱には、ガスバーナや電気ヒータ等が用いられる。特許文献１に記載されているように、被溶解材のオーバーチャージを防ぎ、排気ガスを有効に利用する坩堝式溶解保持炉の発明も公開されている。また、特許文献２に記載されているように、ヒータの消費電力の増加等を抑制し、効率よく短時間で原料を溶融する黒鉛坩堝の発明も公開されている。

特許第４３６２７１２号公報 特開２０００−４４３８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、坩堝炉の外側をバーナで加熱して鋳物の原料を溶解させるので、加熱する際に発生した燃焼排ガスを外部に排出する必要がある。また、特許文献２に記載の発明は、黒鉛坩堝の外側に配置したヒータで加熱するが、消費電力が大きくなるため、エネルギー効率が良いとは言えない。

そこで、本発明は、鋳造において鋳物の原料を効率良く溶解・保持することができる黒鉛坩堝及びそれを用いた溶解保持炉を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、第１の発明である黒鉛坩堝は、鋳物の原料を周壁に囲まれた内部で溶解させ、当該鋳物の原料が溶解した溶湯を底孔から外部へ流出させる坩堝炉と、前記坩堝炉の周壁に複数配置される棒状ヒータと、を有し、前記坩堝炉は、周壁が前記棒状ヒータを挿通するための非貫通の縦穴が空けられるだけの厚みを持ち、前記棒状ヒータは、前記坩堝炉内の鋳物の原料を加熱すると共に前記坩堝炉外の溶湯を加熱する、ことを特徴とする。

また、前記坩堝炉は、炭化ケイ素を含む黒鉛を成形したものであり、表面にセラミックスがコーティングされる、ことを特徴とする。

第２の発明である溶解保持炉は、前記黒鉛坩堝が炉槽内に複数並置され、前記炉槽内の溶湯が、鋳型に注入されるまで保持するための湯槽に、堰板を介して送り出される、ことを特徴とする。

また、前記堰板は、前記炉槽内の溶湯の表面に生じた酸化物を堰き止めるためのＶ字溝が形成される、ことを特徴とする。

また、前記炉槽は、前記堰板を介して送り出すために湯溜めに集められた溶湯からガス出しやフラックス処理をするための注入管を有する、ことを特徴とする。

また、前記堰板を通過した酸化物が前記湯槽に行かないように溶湯の表面を仕切ることで、当該酸化物を除去するための取出槽を有する、ことを特徴とする。

第３の発明である鋳造装置は、前記溶解保持炉を備えた、ことを特徴とする。

本発明によれば、アルミニウム等の金属又は合金の鋳造において鋳物の原料を効率良く加熱・溶解・保持することができる。熱伝導性が良く熱輻射率の高い黒鉛を介して鋳物の原料が効率良く加熱される。黒鉛坩堝内で溶解した鋳物の原料は、溶湯として黒鉛坩堝外に流出し、黒鉛坩堝を浸漬させるので、溶湯も加熱保持することができる。溶湯は、溶解炉から保持炉に移動する過程で酸化物等が除去され、効率良く鋳型に注入される。

本発明である鋳造装置の正面の一部断面図である。 本発明である溶解保持炉の平面図である。 本発明である溶解保持炉の正面の断面図である。 本発明である溶解保持炉の側面の断面図である。 本発明である溶解保持炉の一部の斜視図である。 本発明である溶解保持炉における酸化物の遮断について説明する図である。 本発明である溶解保持炉における酸化物の除去について説明する図である。 本発明である黒鉛坩堝の平面図である。 本発明である黒鉛坩堝の縦断面の斜視図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

まず、本発明である黒鉛坩堝を用いた溶解保持炉を有する鋳造装置について説明する。図１は、鋳造装置を正面から見た図であるが、下部の溶解保持炉については、Ａ−Ａから見たものを図２に示し、図２に示すＢ−Ｂで切断した縦断面を図１に示す。本実施例に係る鋳造装置は、電磁ポンプを用いた電磁鋳造装置であるが、これに用いる溶解保持炉の応用先は、低圧鋳造でもダイカスト鋳造でも良い。

図１に示すように、鋳造装置１００は、鋳物の原料である固体のアルミニウム等の金属又は合金を加熱して液体の溶湯８００にし、それを鋳型１１０に注入して冷やし固めることにより、目的の形状に成形する装置である。鋳造装置１００は、溶解保持炉２００、保持用ヒータ１３０、電磁ポンプ１２０、及び鋳型１１０等を有する。

溶解保持炉２００は、鋳物の原料を溶解するための溶解炉と、鋳型１１０に注入するまで貯留しておく保持炉を有し、溶解炉と保持炉が一体となっていても良い。例えば、図１においては、炉槽２１０を溶解炉とし、湯槽２２０を保持炉とする。溶解保持炉２００は、黒鉛坩堝を備えた炉槽２１０において鋳物の原料を溶解させ、その溶湯８００を湯槽２２０に送り、保持用ヒータ１３０で加熱保持しつつ、電磁ポンプ１２０で鋳型１１０に注入する。なお、炉槽２１０から湯槽２２０に送るまでの間も黒鉛坩堝の外表面により溶湯８００が加熱保持される。

次に、本発明である黒鉛坩堝を用いた溶解保持炉について説明する。図２は、溶解保持炉を上方から見た図であるが、図１に示すＡ−Ａで切断した横断面を示す。図３は、図２の溶解保持炉を正面から見た図であるが、図２に示すＣ−Ｃで切断した縦断面を示す。図４は、溶解保持炉を左側面から見た図であるが、図２に示すＤ−Ｄで切断した縦断面を示す。図５は、溶解保持炉の一部、特に炉槽側を示す斜視図である。

図２に示すように、溶解保持炉２００は、炉槽２１０と湯槽２２０とが堰板５００で仕切られる。炉槽２１０には、溶解炉３００として複数の黒鉛坩堝３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、３００ｄ（黒鉛坩堝３００ａ等）が設置される。例えば、奥側（図２では上側）に２つ並置し、手前側（図２では下側）に２つ並置すれば良い。なお、黒鉛坩堝は１つでも良いし、４つより多く設置しても良い。すなわち、炉槽２１０の大きさに合う黒鉛坩堝を用意しても良いし、一定の大きさの黒鉛坩堝を炉槽２１０の大きさに合わせて複数用意しても良い。

黒鉛坩堝３００ａ等には複数の棒状ヒータ３５０が差し込める複数の非貫通の縦穴３４０（図５及び図９参照）が開いており、図２に示すように複数の棒状ヒータ３５０が差し込まれる（図３及び図９参照）。棒状ヒータ３５０の本数及び黒鉛坩堝３００ａ等の数は、溶解保持炉２００に必要な熱容量で決定される。黒鉛坩堝３００ａ等には、坩堝炉開口部３１０ａが開いており、炉底の貫通する側が絞られた構造になっている。坩堝炉開口部３１０ａの上からアルミニウム合金等の鋳物の原料が投入され、投入された鋳物の原料は坩堝炉開口部３１０ａの炉底で絞られた部分に空けられた底孔３２０（図９参照）で一旦留まって、棒状ヒータ３５０の通電加熱により溶解される。

黒鉛坩堝３００ａ等からの溶湯８００を炉槽２１０から湯槽２２０側に送るに際し、奥側の黒鉛坩堝３００ａ、３００ｂと、手前側の黒鉛坩堝３００ｃ、３００ｄの間に溶湯８００を集める湯溜め２３０を設ける。堰板５００の前で一時的に溶湯８００が溜まる場所が確保されれば良い。堰板５００の中央部から炉槽２１０側に突出するように、湯溜め２３０の奥側に湯流制御板６００を、手間側に湯流制御板６１０を立てる。なお、湯流制御板６００、６１０に加えて、炉槽２１０の底に傾斜や段差を付けるなどして溶湯８００の流れを湯溜め２３０に向けてガイドしても良い。

堰板５００には、湯溜め２３０がある位置にＶ字溝５１０を形成し、湯溜め２３０に貯留された溶湯８００がＶ字溝５１０から湯槽２２０側に流れ出るようにする。堰板５００を超えた溶湯８００は、湯面仕切板７００によって仕切られた取出槽２４０に流れ込み、さらに湯面仕切板７００の下側から先に流れて湯槽２２０に貯留される。湯面仕切板７００は、溶湯８００の表面に生じる酸化物８２０（図５、図６参照）を湯槽２２０側に流れ出ないようにするためのものである。

図３に示すように、黒鉛坩堝３００ａ等の底から流出した溶湯８００は、炉槽２１０内に溜まる。溶湯８００の量が増えれば、溶湯８００は黒鉛坩堝３００ａ等の周りに流れ込み、黒鉛坩堝３００ａ等は溶湯８００に浸漬された状態となる。さらに、溶湯８００は、湯溜め２３０に向かって流れるようになる。湯溜め２３０に流れ込んだ溶湯８００は、堰板５００に堰き止められ、溶湯８００がＶ字溝５１０の下の所定の高さまで溜まると、湯槽２２０に連設された取出槽２４０に流出する。湯槽２２０は奥（図３では右側）に向かって底が浅くなるように傾斜しており、溶湯８００が溜まるに従って取出槽２４０から湯槽２２０の奥に流れ込む。

図４に示すように、堰板５００には、湯流制御板６００と湯流制御板６１０の間となる位置に、上部から下に向かって途中から逆三角形状に狭くなるＶ字溝５１０が空けられる。Ｖ字溝５１０の尖った下端は、炉槽２１０の底よりも高い位置にあり、そこまでが溶湯８００が溜まる湯溜め２３０となる。溶湯８００の高さがＶ字溝５１０の下端まで達すると、溶湯８００が湯槽２２０側へ流れ始まる。

図５に示すように、黒鉛坩堝３００ａ等が浸漬するくらいまで溶湯８００が炉槽２１０内に溜まった状態において、溶湯８００は、湯溜め２３０に集まって堰板５００のＶ字溝５１０から取出槽２４０に流れ、湯面仕切板７００の下を潜って湯槽２２０に送られる。このとき、溶湯８００の表面にノロと呼ばれる酸化物８２０等が生じていた場合、酸化物８２０等は、湯面仕切板７００によって湯槽２２０まで進むのを抑制されるので、取出槽２４０において除去されれば良い。

次に、溶解保持炉における溶湯の処理について説明する。図６は、溶解保持炉における酸化物の遮断について説明する図である。図７は、溶解保持炉における酸化物の除去について説明する図である。溶湯８００には、湯槽２２０に送られるまでの間に表面に酸化物８２０等が生じたりするので、浄化処理などを施しても良い。

図６に示すように、炉槽２１０内の溶湯８００が堰板５００のＶ字溝５１０の高さまで溜まってきた状況において、黒鉛坩堝３００ａ等から湯溜め２３０に流れ込むまでに溶湯８００の表面に生じた酸化物８２０は、Ｖ字溝５１０で湯槽２２０側に移動するのを抑制される。溶湯８００を移動させるために空けた空隙を下端が狭くなったＶ字状にすることで酸化物８２０のみが堰き止められ、酸化物８２０の下側にある酸化していない溶湯８００が、Ｖ字溝５１０から湯槽２２０側に滴り落ちる。

図７に示すように、湯溜め２３０に溜まった溶湯８００が堰板５００のＶ字溝５１０から流れ出すまでの間においては、湯溜め２３０に溶湯処理管４００を設置して、溶湯８００中の水素ガス出しや、フラックス処理を施しても良い。溶湯処理管４００は、上端に注入口を有し、下端に噴出口を有する管体４００ａ、４００ｂを用いれば良い。なお、管体４００ａ、４００ｂの上部は垂立させ、下端は湾曲させることで、横向きに噴出するようにしても良い。

管体４００ａ、４００ｂの注入口から入れたガス等を、噴出口から溶湯８００内に送り込む。例えば、管体４００ａ、４００ｂのいずれかのうち管体４００ａにおいて、水素ガス出し用のＡｒ（アルゴン）泡を噴出させ、溶湯８００中に溶解している水素をＡｒ泡に取り込むことにより除去する溶湯処理管とする。また、管体４００ｂにおいて、フラックス含有Ａｒガスを噴出させ、溶湯８００中の酸化物８２０等を除去する溶湯処理管とする。Ａｒ等の不活性ガスをキャリアとして溶湯８００内にフラックスを送り込み、化学反応等により溶湯８００を清浄化する。

湯溜め２３０における溶湯８００の量が、堰板５００のＶ字溝５１０の下端５２０よりも上のＶ字溝５１０が狭まり始める高さ８３０にまで増えると、酸化物８２０等も湯槽２２０側に移動するようになる。湯面仕切板７００の下端７１０を当該高さ８３０よりも下となる深さ８４０まで降ろしておくことにより、溶湯８００の表面にある酸化物８２０等は湯面仕切板７００によって移動が遮られる。酸化物８２０等の下側にある溶湯８００だけが湯面仕切板７００の下を潜って湯槽２２０に移動する。

湯面仕切板７００の下端７１０は、Ｖ字溝５１０が狭まり始める高さ８３０とＶ字溝５１０の流路が閉じる下端５２０までの間に位置する。一般的にはＶ字溝５１０の流路の高さ８３０の２分の１となる深さ８４０を目安にするが、Ｖ字溝５１０の最大流路幅が２００ｍｍより狭いときは、湯面仕切板７００の下端７１０をＶ字溝５１０の高さ８３０の２分の１より上にしても良い。

溶湯８００は、黒鉛坩堝３００ａ等で加熱溶解した後も、炉槽２１０から湯槽２２０に移動するまで黒鉛坩堝３００ａ等により加熱保持されているので、その過程で生じた酸化物８２０を除去しておくことにより、効率的に湯槽２２０から鋳型に溶湯８００を注入することができる。

溶解炉において金属又は合金を加熱して溶解させるための黒鉛坩堝について説明する。図８は、黒鉛坩堝を上方から見た図であるが、図２に示す溶解炉の一部を拡大したものである。図９は、黒鉛坩堝の斜視図であるが、図８に示すＥ−Ｅで切断した縦断面を示す。

図８に示すように、溶解炉３００は、炉槽内に複数の黒鉛坩堝３００ａ、３００ｂを並置し、黒鉛坩堝３００ａ、３００ｂ内でアルミニウム等の鋳物の原料の小塊８１０を溶解させ、炉槽内に溶湯８００を溜める。黒鉛坩堝３００ａ、３００ｂは、黒鉛を横断面が矩形又は円形等の柱状体に成形し、内部に空間を設けて容器状の坩堝炉３１０とすれば良い。なお、炭化ケイ素を含む黒鉛を成形し、表面にセラミックスをコーティングしても良い。

坩堝炉３１０内に固体の鋳物の原料の小塊８１０を投入し、その周囲に配置した棒状ヒータ３５０で加熱して、鋳物の原料の小塊８１０が溶解した液体の溶湯８００を坩堝炉開口部３１０ａ内に空けた底孔３２０から炉槽内へ送出する。棒状ヒータ３５０は、坩堝炉３１０の内周面と外周面の間となる周壁３３０に上端から下方に縦穴３４０を空けて、挿通させれば良い。なお、坩堝炉３１０の下側は溶湯８００に浸漬されるため、縦穴３４０は下端まで貫通させない方が良い。

縦穴３４０は、坩堝炉開口部３１０ａ内を囲むように周壁３３０に複数空けられ、それぞれに棒状ヒータ３５０を挿通させるが、角の位置など何れか一の縦穴３４０に制御用の熱電対３６０を挿通させても良い。なお、熱電対３６０は、坩堝炉開口部３１０ａ内の温度を測定し、棒状ヒータ３５０の出力を調整する。

棒状ヒータ３５０は、ニクロム線等を使用した発熱体の周りをマグネシア粉末等で絶縁した上でオーステナイト系ステンレス鋼等のシースで覆った電気ヒータであり、そのうち、一方側にのみ端子を有するカートリッジヒータが着脱を容易にする上で好ましい。周壁３３０には、棒状ヒータ３５０又は熱電対３６０を挿通させる縦穴３４０を空けるのに必要な幅を持たせれば良く、それが坩堝炉３１０の厚みとなる。

図９に示すように、黒鉛坩堝３００ａの坩堝炉開口部３１０ａは、上面が広く開口して鋳物の原料の小塊８１０を投入可能である。鋳物の原料としては、アルミニウムの脱酸塊など金属や合金の小塊を用いる。坩堝炉開口部３１０ａの内底３７０は、テーパ状に先細って下端の底孔３２０に繋がる。底孔３２０は、坩堝炉開口部３１０ａの内部から外部に貫通するが、固体の鋳物の原料の小塊８１０が通過しない程度の径で空けられる。溶解した鋳物の原料の小塊８１０が内底３７０に沿って滑落し、底孔３２０から溶湯８００が流出する。

黒鉛は熱伝導性が良いので、棒状ヒータ３５０の熱が効率良く鋳物の原料に伝わる。また、黒鉛は熱輻射率が高いので、坩堝炉３１０に厚みがあっても熱が鋳物の原料に十分に伝わる。さらに、棒状ヒータ３５０の熱は、坩堝炉開口部３１０ａの内部だけでなく外部にも伝わるので、坩堝炉３１０の外側で流出した溶湯８００にも熱が伝わる。黒鉛坩堝３００ａは、棒状ヒータ３５０の熱を効率的に利用して、鋳物の原料の小塊８１０の溶解及び溶湯８００の加熱保持をすることができる。黒鉛坩堝３００ａ自身の熱伝導性が良いので坩堝炉３１０内外に熱が伝わり鋳物の原料の小塊８１０の溶解だけではなく、保持炉側の湯温保持にも役立つようになっている。

このように、アルミニウム等の金属又は合金の鋳造において鋳物の原料を効率良く加熱・溶解・保持することができる。熱伝導性が良く熱輻射率の高い黒鉛を介して鋳物の原料が効率良く加熱される。黒鉛坩堝内で溶解した鋳物の原料は、溶湯として黒鉛坩堝外に流出し、黒鉛坩堝を浸漬させるので、溶湯も加熱保持することができる。溶湯は、溶解炉から保持炉に移動する過程で酸化物等が除去され、効率良く鋳型に注入される。

以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。

１００：鋳造装置
１１０：鋳型
１２０：電磁ポンプ
１３０：保持用ヒータ
２００：溶解保持炉
２１０：炉槽
２２０：湯槽
２３０：湯溜め
２４０：取出槽
３００：溶解炉
３００ａ，３００ｂ，３００ｃ，３００ｄ：黒鉛坩堝
３１０：坩堝炉
３１０ａ：坩堝炉開口部
３２０：底孔
３３０：周壁
３４０：縦穴
３５０：棒状ヒータ
３６０：熱電対
３７０：内底
４００：溶湯処理管
４００ａ，４００ｂ：管体
５００：堰板
５１０：Ｖ字溝
５２０：下端
６００，６１０：湯流制御板
７００：湯面仕切板
７１０：下端
８００：溶湯
８１０：鋳物の原料の小塊
８２０：酸化物
８３０：高さ
８４０：深さ

Claims (7)

1. 溶解炉の炉槽内に複数が並置され、内部で鋳物の原料が溶解された溶湯を前記炉槽に送出するための黒鉛坩堝であって、
   前記原料を内部に投入するために空けた開口部の内底を、前記溶湯を外部に送出するためにテーパ状に先細らせて底孔を貫通させた坩堝炉と、
   前記坩堝炉の厚みを持たせた周壁に複数空けられた非貫通の縦穴にそれぞれ挿通させた棒状ヒータと、を有し、
   前記棒状ヒータは、前記坩堝炉内の前記原料を加熱溶解すると共に、前記坩堝炉から送出されて前記炉槽内に溜められた前記溶湯を加熱する、
   ことを特徴とする黒鉛坩堝。
2. 前記坩堝炉は、炭化ケイ素を含む黒鉛を成形したものであり、表面にセラミックスがコーティングされる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の黒鉛坩堝。
3. 請求項１又は２に記載の黒鉛坩堝が炉槽内に複数並置され、
   前記炉槽内の溶湯が、鋳型に注入されるまで保持するための湯槽に、堰板を介して送り出される、
   ことを特徴とする溶解保持炉。
4. 前記堰板は、前記炉槽内の溶湯の表面に生じた酸化物を堰き止めるためのＶ字溝が形成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の溶解保持炉。
5. 前記炉槽は、前記堰板を介して送り出すために湯溜めに集められた溶湯からガス出しやフラックス処理をするための溶湯処理管を有する、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の溶解保持炉。
6. 前記堰板を通過した酸化物が前記湯槽に行かないように溶湯の表面を仕切ることで、当該酸化物を除去するための取出槽を有する、
   ことを特徴とする請求項３乃至５の何れか一に記載の溶解保持炉。
7. 請求項３乃至６の何れか一に記載の溶解保持炉を備えた、
   ことを特徴とする鋳造装置。

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