JPH03152390A - 溶解炉の温度制御方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、溶解炉の温度制御方法およびその装置に関し
、とくに溶解材料の溶解時の温度制御を自動化するよう
にした溶解炉の温度制御方法および装置に関する。

［従来の技術］ 金属材料を溶ｗｌする溶解炉においては、溶湯の温度を
所望の温度に上昇させるための温度制御が行なわれてお
り、溶湯温度の測定結果に基づいて溶解炉への通電量を
制御することにより、溶湯温度を所定の温度に精度よく
到達させるようにしている。

これに関連する先行技術として、たとえば特開昭６３−
１０８１９０＠公報、特公平１−３２９１６号公報が知
られている。前者は、溶解俊の溶湯の温度上昇率から設
定サイクルタイム到達時点の溶湯温度を予測し、目ｅ！
、温度との比較で投入電力を算出し、溶湯温度を所定サ
イクルタイムで目標温度に到達させるようにしている。

後者は、炉入力に対応して溶湯を１℃上昇させるのに必
要な時間を計算し、溶融後の溶湯を湿度センサで測温後
、上記時間毎に１°Ｃを加えて目標温度に達した時点で
信号を出力するようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前記両公報に開示されている装置の場合
は、溶湯の湿度測定するためには溶解材料が完全に溶融
したか否かの判断が必要であり、とくに、後者（特公平
１−３２９１６＠公報）における溶解材料の溶解時には
作業者による監視が必要であった。前者（特開昭６３−
１０８１９０号公報）の場合では、溶融温度にプラスの
溶湯温度ＴＯより検出温度Ｔが高いか否かで溶融状態を
判定しているが、溶融前の炉内に温度センサを挿入する
のは非常に困難であり、また測温の精度も低いので、現
実には前者と同様に監視者が必要となる。

また、後者の場合では、溶解時間を所定時間内に入れる
手段がなく、各秤条件の変動により溶解時間が変動し、
ワンショットメルクのようにサイクルタイムに制約があ
る場合には不適である。

ざらに、両者とも溶融完了に至るまでと、投入された溶
解材料が完全に溶湯になってからの投入電力の切替えが
ないので、短時間での急速溶解の場合は、温度制御が間
に合わず、溶解炉がＡ−バヒートする危険がある。

本発明は、上記の問題に着目し、溶解材料の溶解時の作
業者による監視が不要で、しかもサイクルタイムに合わ
せた溶解が可能な溶解炉の温度制御方法およびその装置
を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的に沿う本発明に係る溶解炉の温度制御方法は、
電力の供給により溶解材料を溶融する溶解炉の温度制御
方法において、前記溶解材料の重量および特性値とから
溶解炉に投入される溶解材料が完全に溶融するのに必要
な電力量を予め求め、該電力毎に基づいた電力の供給に
よって溶解材料を溶融させ、該溶解材料の溶融完了後に
溶湯の温度を自動測定し、該自動測定された溶湯の温度
と溶湯の目標温度との温度差から必要とされる供給電力
量を求め、該必要とされる供給電力口と予め設定された
溶解時間とから溶湯を目標温度に上昇させるための供給
電力を算出する方法から成る。

また、本発明に係る溶解炉の温度制御装置は、溶解炉内
の溶湯の温度を自動測定する温度測定手段と、 前記溶解材料の重量および特性値とから溶解炉に投入さ
れる溶解材料が完全に溶融するのに必要な電力毎を求め
るとともに、前記温度測定手段によって測定された溶湯
の温度と溶湯の目標温度との温度差から必要とされる供
給電力口を求め、該供給電力口と予め設定された溶解時
間とから溶湯を目標温度に１貸させるための供給電力を
算出する演ｐ手段と、 前記演算手段からの信号に基づいて前記溶解炉への通電
ｍを制御する電力制御手段と、を具備したものから成る
。

［作　　用］ このように構成された溶解炉の温度制御方法およびその
方法においては、まず、溶解材料の重量および特性値と
から溶解炉に投入される溶解材料が完全に溶融するのに
必要な電力量が予め演算手段によって求められる。そし
て、この求められた電力量に基づいて溶解炉に電力が供
給され溶解材料は完全に溶融される。溶解材料が溶融さ
れると、溶湯の温度が温度測定手段によって自動測定さ
れる。演算手段は、自動測定された溶湯の温度と溶湯の
目標温度との温度差から必要とされる供給電力量を求め
、ざらに、この供給電力量と予め設定された溶解時間と
から溶湯を目標温度に玉貸させるための供給電力が算出
される。

このように、演粋手段によって筒用される供給電力量に
基づいて溶解ｖｊ利を完全に溶融させてから湿度測定手
段による溶湯の温度測定が行なわれるので、溶解材ＩＩ
の完全溶融を作業者によって監視する必要がなくなる。

また、溶解ｖｉ　１１が完全に溶融された後は、測定さ
れた溶湯の温度と溶湯の目標温度との温度差から必要と
される供給型り早が求められ、この供給電力量と予め設
定された溶解時間とから供給すべき電ｈ＠筒用するよう
にしているため、サイクルタイムに合わせた温度上野が
可能になるとともに、温はの急上昇による溶解炉のオー
バーと−］・も防止される。

［実施例］ 以下に、本発明に係る溶解炉の温度小制御方法およびそ
の装置の望ましい実施例を、図面を参照して説明する。

第１実施例 第１図ないし第６図は、本発明の第１実施例を示してお
り、このうち第１図は、本発明が適用される溶解炉の温
度制御装着を示している。

第１図において、図中、１は溶解炉を示しており、溶解
炉１の炉体２の外周には、高周波加熱コイル３が配；２
されている。炉体２内には溶解材料が投入されており、
溶解材料は高周波加熱コイル３によってＩＪ口熱され溶
融されるようになっている。

炉体２の上方には、高周波加熱コイル３によって溶融さ
れた溶湯４の温度を測定する温度測定手段５が配置され
ている。温度測定手段５は、昇降手段６に取付けられて
おり、温度測定時には昇降手段６の下降動作によって温
度測定手段５が溶湯に浸漬可能になっている。本実施例
では、温度測定手段５は溶湯４に直接浸漬させる熱電対
から構成されているが、故ｔＦＪ温度計等の非接触型の
温度測定手段を用いてもよい。したがって、非接触型の
温度測定手段を用いた場合は、本実施例のような昇降手
段６は不要である。高周波加熱コイル３と温度測定手段
５は、温度υ］制御手段に接続されている。温度制御手
段７は、＠算手段としてのマイクロコンピュータのＣＰ
ＵＩＩ、ＡＤ変換器１２、電力制御手段１３とから構成
されている。

ＣＰＵＩＩは、溶解材料の千Ｇおよび特性値とから溶解
炉に投入される溶解材料が完全に溶融するのに必要な電
力♀を求める機能を有している。また、ｃ　ｐ　ｕ　ｔ
ｉは、温度測定手段５によって測定された溶湯４の温度
と、溶湯４の目標温度との温度差から必要とされる供給
電力量を求め、この供給電力量と予め設定された溶解時
間とから溶湯を目標温度に玉貸させるための供給電力を
算出する機能を有している。

温度測定手段５は、ＡＤ変換器１２を介してＣＰｔＪｌ
ｌに接続されている。つまり、温度測定手段５は熱雷対
から構成されているので、アナログ信号をデジタル信号
に変換する必要があり、温度情報としてＣＰ　Ｕ　１１
にはデジタル信号が入力される。

溶解炉１の高周波加熱コイル３は、電力υ制御手段１３
を介してＣＰＵ１１に接続されている。電り制御手段１
３は、ｃｐｕｉｌからの信号に基づいて高周波加熱コイ
ル３への通電ωを制御する機能を有している。また、ｇ
度測定手段５を４降させる昇降手段６は、ＣＰ　Ｕ　１
１に接続されており、ＣＰＵ１１ｈ１らの出力信号に基
づいて温度測定手段５が昇降動作するようになっている
。

なお、ＣＰ　Ｕ　１１には、初期投入電力量ＷＨ，、初
期投入時間ｔ１、溶解時間ｔｃ、目標溶解温度Ｔｃおよ
び保温電力Ｗにが予め設定されている。

初期投入電力ωＷ　Ｈ，は、溶解材料の重量、材質、形
状等の特性値から理論的に求めることもでき、あるいは
実際に溶解したデータを統計的に処理して求めることも
できる。

上述の初期投入電力ＩＷＨ，は、溶解材料が完全に溶融
するのに必要な電力ｆｆ１ＷＨＨおよび目標溶解温度に
達するまでの全投入電力ｆｆｉ　Ｗ　Ｈ丁を一例として
次の関係が成立する範囲で設定される。

ＷＨＨ＋α＜ＷＨｌ＜ＷＨＴ　ｘｋ ここで、αは溶解効率のバラツキと完全に溶融するため
の余裕係数であり、ｋは溶解効率のバラツキと目標溶解
温度以上にオーバヒートさせないための余裕係数である
。また、全供給電力ｆｆｉＷＨ■はＷＨ）ｆと同様の方
法で求められる。

本実施例では、ワンショットメルター等、溶解重量、溶
解材料の材質及び形状が決まっており、溶解材料の重ω
を計測し、溶Ｍ祠料を所定の溶解重量に調整してから溶
解が行なわれるが、温度制御手段７に図示されない設定
器を配設し、溶解材料の重量、その他の初期値をプリセ
ットし、毎サイクルごとに設定器を介してＱｐｔＪｌｌ
［初期値を入力する方法を採用することも可能である。

つぎに、本実施例における溶解炉の温度制御方法につい
て説明する。

第２図ないし第５図は、本実施例における温度制御方法
の原理を示す特性図を示している。このうち、第５図は
溶解時間と供給電力量の関係を示しており、所定の溶解
時間ｔｃ内の適当な時間ｔ、までに初期投入電力ｆｆｉ
　Ｗ　＋−１、が溶解炉に供給される。第４図は溶解炉
に供給される電力と時間の関係を示す図であり、時間Ｏ
〜ｔ、までの間の供給電力はＷｏ　＝ＷＨ、／ｌである
ことを示している。

この電力Ｗｏが溶解炉に供給された結果、溶解材料の温
度と時間との関係は第２図に示すようになる。ここで、
平均的な例を曲線ａ、バラツキの範囲内で溶解効率が最
も悪い例を曲線ｂ１同様に最も効率のいい例を曲線Ｃで
示す。初期供給電力ｆｆ１ＷＨ，が供給された結果、時
間ｔ、での溶湯温ＩＴ、は、それぞれ丁ｔ　ａ　、　Ｔ
ｔ　ｂ　、　Ｔｔ　ｃ　トなる。

ここで明らかなように、初期供給電力１ｔｔＷＨ。

は、最も効率の悪い場合でも供給完了時＝時間ｔ、での
溶湯温度Ｔ、ｂが溶融完了温度Ｔｕｔに対してＴ、ｂ　
＝Ｔ）ｌ　＋Ｔα（ＴＣは余裕係数）となる範囲で設定
される。また、最も効率の良い場合でも、初期供給電力
ＩＷＨ，は時間ｔ、での溶湯温度Ｔ、ｃが目標溶解温度
Ｔｃに対してＴｔ　Ｃ＝ＴＣ−ＴＢ　（ＴＢはイナーシ
ャでＴＣをオーバーしないための余裕係数）となる範囲
内で設定される。

第２図の曲線ａ、ｂ、ｃにおいて、時間ｔ、での溶湯温
度はそれぞれＴ、ａ　、Ｔ、ｂ　、Ｔ、ｃであるから、
目標溶解温度ＴＣとの温度差はそれぞれΔＴａ　＝ＴＣ
−Ｔ、ａ　、ΔＴｂ　＝ＴＣ−Ｔ、ｂ　。

ΔＴｃ　＝ＴＣＴ、Ｃとなり、この温度差分を所定の溶
解時間ｔｃとの時間差Δｔ＝ｔｃ−ｔ、で昇温すれば所
定の溶解時間ｔｃで目標溶解温度ＴＣに到達させること
ができる。ここで、温度差ΔＴ分だけ溶湯温度を１弄さ
せるのに必要な電力量は次式で表わされる。

ΔＷＨ＝　η　×ρＸＭＸ△Ｔ＋ΔＷＨに（η：炉の効
率　ρ：溶湯の比熱　Ｍ：溶解重量ΔＷＨに＝保温電′
ｈ但） この場合の必要投入電力Ｗは、 Ｗ＝△ＷＨ／Δｔ　＝η　８ρＸＭＸΔＴ十Δｔ ΔＷ　１−１Ｋ　＝ａｘΔＴ＋Ｗに △ｔ （ａ：係数　ＷＫ：保温電力） となる。第３図は、温度差Δ王と必要供給電力Ｗの関係
を示しており、第２図の曲線ａ、ｂ、ｃに対応する温度
差ΔＴａ、ΔＴｂ、ΔＴｃに対し供給電力はそれぞれＷ
ａ　、　Ｗｂ　、ＷＣになることがわかる。

第４図において、時間ｔ、以降の供給電力のレベルを下
げているのは、急速溶解の場合、昇温速度が速過ぎるた
め、制御系の遅れによるオーバーヒートが発生し易いた
めである。つまり、時間ｔ、以降の供給電力の降下は、
昇温速度を低減し、精度良く目標溶解温度とするための
手段であり、急速溶解の場合は不可欠であり、通常溶解
の場合も精度向上のために有効である。この供給電力の
レベルを下げる方法は、特別な装置は必要ではなく、急
速溶解では初期投入電力量ＷＨ，を許される範囲内で大
ぎくし、時間ｔ、を許される範囲で小さく設定すること
で可能となる。また、通常溶解では初期供給電力量ＷＨ
，は同様であるが、もともと昇温速度もあまり速くない
ので、時間ｔ。

は大きめに設定する方が初期供給電力が小となり経済的
である。

第６図は、演算手ＱとしてのＣＰｔＪｌｌにおける情報
処理の手順を示している。

ステップ３０に示すように、溶解準備完了によりスター
トし、ステップ３１で初期供給電力Ｗｏが電力１，１１
御手段１３を介して溶解炉１側に出力され、溶解炉］内
の溶解材料が高周波加熱コイルによってハ［１熱される
。ステップ３２ではタイマーの作動が開始し、ステップ
３３で作動Ｕ）間がｔ、になったか否かを判定し、その
結果がｔ、≧主になるまでこの動作を繰返す。つまり、
溶解材料が完全に溶融さ机たか否かを時間によって判定
する。ステップ３３において↑≧↑、になると、ステッ
プ３４に進み、湿度測定手段５の昇降手段６に下降指令
が出力され、温度測定手段５が溶湯４の中へ浸漬される
。

そして、溶湯温度ＴがＡ／Ｄ変換器６を介してＣＰｔＪ
ｌｌによって読み込まれる。ステップ３７ではＣＰＵ１
１により目標溶解温度ＴＣとの温度差ΔＴ＝Ｔｃ−Ｔが
算出され、ステップ３８で投入電力Ｗ＝ａ・ΔＴ　＋Ｗ
にが算出される。ステップ３９では、その結果を電力制
御手段１３に出力し、高周波加熱コイル３への通電量が
切り替えられる。

急速溶解等で温度測定手段５の溶湯４への浸漬動作時間
及び測温開始までの安定化時間が長ずぎて問題となる場
合は、タイマーを２段にして、上記時間分だけｔ、より
早目にタイムアツプするタイマーで温度センサー４の下
降指令を出力するか、−旦保温電力ＷＫにレベルを落と
しておく方法をとるのがよい。

通電ｍを切り替えた後は、ステップ４０、旧に進んで溶
湯４の湿度が監視される。そして、溶湯４の温度が目標
溶解湿度Ｔｃになると、ステップ４２に進み、溶解完了
信号を出力するとともに、供給電力を保温型ｆＪＷＫと
し、高周波加熱コイル３の通電ｍを切り替えられ、処理
は終了する。

第２実施例 第７図ないし第９図は、本発明の第２実施例を示してい
る。本実施例が第１実施例と異なるところは、溶解時間
と溶解材料の温度との関係、および溶解時間と供給電力
の関係であり、その他は第１実施例の構成に準じるので
、準じる部分に第１実施例と同一の符号を付すことによ
り、準じる部分の説明は省略する。

第７図は、時間と溶解材料の温度の関係を、第８図は時
間と投入電力の関係を示している。本実施例では、Ｌ−
ｔｃ間をｎ個に区分し、それぞれの区間量に溶湯温度Ｔ
ｉを測温し、その結果と目標溶解温度−「Ｃとの温度差
△Ｔｉ　＝Ｔｃ　−Ｔにより供給電力Ｗｉを算出するこ
とにより、より細かいピッチで所定の溶解時間ｔｃに目
標溶解温度下Ｃとなるよう修正を加えていくものである
。

第７図においては、時間ｔ、のとき溶湯温度はＴ、であ
るので、温度差へＴ、＝Ｔｃ　　Ｔ１、時間差△ｔ、＝
ｔｃ　　ｔｌより溶解炉に供給する供給電力Ｗ、が１ｑ
られる。次の測温タイミングｔ２のとき、ｔ３のときと
同様の処理を行ない、ｔｉ＝ｔ−ｃになるまでこの処理
が繰り返えされる。

第９図は、本実施例のＣＰＵＩＩにおける情報処理のフ
ローチャートを示している。第１実施例と異なるのは、
ステップ３４で溶湯温度Ｔ１を読み込んだ後、ステップ
３５でＴｉを目標溶解温度Ｔｃと比較し、Ｔｉ≦ＴＣの
ときステップ３６に進み、時間ｔｉと所定の溶解時間ｔ
ｃを比較することであり、ｔｉ≦ｔｃのとき第１実施例
のステップ３７〜３９と同様の処理をステップ３７′〜
３９′で行ない、ステップ３４に戻ることである。ステ
ップ３６でｔｉ＞ｔｃとなるのは、所定の溶解時間ｔｅ
で目標溶解温度に達しなかった場合であり、この場合は
すぐにステップ３４に戻りｌ’−１−Ｔｃになるまで同
じ処理が繰り返えされる。この時の供給電力は、ｔ、＞
ｔｃとなる直前の電力Ｗｉに固定されている。

ステップ３５でＴｉ　＝ＴＣとなるとステップ４２に進
み、電力制御手段１３を介して保温電力ＷＫが出力され
、処理を終了する。

なお、第７図、第８図では、説明をわかり易くするため
、ある時間単位に区分して表示しであるが、ＣＰＵ１１
のステップ３４〜３９までの処理サイクル毎に処理すれ
ば良く、第９図の処理フローは後者で表記しである。

第３実施例 第１０図および第１１図は、本発明の第３実施例を示し
ている。本実施例は、過大な供給電力により溶湯の中央
部が盛り上がり、溶湯が炉外へはね出たりして安全性そ
の他から供給電力に限界が生じるのを防ぐのに適用でき
る例である。

初期投入電力ｆｆｉ　Ｗ　Ｈｌの設定の方法は、第１実
施例と同じであるが、図に示すように、溶解開始までと
、それ以降で供給電力を変更し、溶融開始以降は比較的
小さな電力に切り替え、急速溶解での危険を防ぐように
している。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る溶解炉の湿度制御方
法およびその装置によるときは、溶解材料の重量および
特性値とから溶解炉に投入される溶解材Ｉ＋が完全に溶
融づるのに必要な電力母を予め演算手段により求め、こ
の電力苗に基づいた電力の供給によって溶解材料を溶融
さ−Ｕ、溶ｖＲ−材利の溶融完了後に溶湯の温度を湿度
測定手段により自動測定し、自動測定された溶湯の湿度
と溶湯の目標温度との温度差から必要とされる供給電力
母を求め、必要とされる供給電力量と予め設定された溶
解時間とから溶湯を目標湿度に１弄させるための供給電
力を演ｎ手段により算出するようにしたので、以下の効
果が得られる。

Ｋ）溶解材料の溶融完了を作業者によって監視する必要
がなくなり、溶解作業の自動化、無人化が可能となる。

Ｉ　溶解材料の投入時から温度を測定する従来方法では
、溶解材料の温度を計測しているのか、材料間の雰囲気
温度を計測しているのかがわからず、部分的に溶融が始
まった場合では、計測ミスが発生しやすいが、本発明で
は完全溶融後に、温度測定を開始するので、このような
計測ミスは確実に防止できる。

Ｑ）温度制御の遅れがないため、制御上は供給電力に制
限がなく急速溶解にも対応することができる。

■　初期供給電力口を投入完了時点のｇ度と目標溶解温
度との湿度差及び所定溶解時間との時間差により供給電
力を決めるため、所定の溶解時間で溶解が精度よく完了
し、サイクルタイムが決っている場合は、残りの時間を
保温するというエネルギーのロスを防止できる。ざらに
、サイクルタイムに間に合わないということもなくなり
、これに起因する生産性の低下が防止できる。

（ホ）初期供給電力母投入完了後の供給電力レベルが低
くなるよう初期供給電力口と完了タイミングで調整でき
るので、溶融完了までは大電力で急速に加熱、溶解し、
それ以降は溶湯湿度による制御でも十分な加熱速度とす
ることができ精度の良い制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る溶解炉の温度制御方
法に用いられる装置の概略構成図、第２図は第１図の装
置における溶解材料の温度と時間との関係を示す特性図
、 第３図は第１図の装置における算出された温度差と必要
投入電力との関係を示す特性図、第４図は第１図の装置
における供給電力と時間との関係を示す特性図、 第５図は第１図の装置における溶解時間と供給電力量と
の関係を示す特性図、 第６図は第１図の装置の演算手段における情報処理の手
順を示したフローチャート、 第７図は、本発明の第２実施例に係る溶解炉の温度制御
方法における溶解時間と溶解材料の温度との関係を示す
特性図、 第８図は第７図の特性に基づく溶解時間と供給電力との
関係を示す特性図、 第９図は第７図および第８図の特性を利用した場合の演
算手段における情報処理の手順を示したフローチャート
、 第１０図は本発明の第３実施例に係る溶解炉の温度制御
方法における溶解時間と溶解材料の温度との関係を示す
特性図、 第１１図は第１０図の特性に基づく溶解時間と供給電力
との関係を示す特性図、 である。 １・・・・・・溶解炉 ３・・・・・・高周波加熱コイル ４・・・・・・溶湯 ５・・・・・・温度測定手段 ６・・・・・・昇降手段 １１・・・・・・演ｎ手段 １３・・・・・・電力制御手段 特 許 出 願 人 トヨタ自動車株式会社 第１ 図 第６図 第９図 時間　（ｔ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電力の供給により溶解材料を溶融する溶解炉の温度
   制御方法において、前記溶解材料の重量および特性値と
   から溶解炉に投入される溶解材料が完全に溶融するのに
   必要な電力量を予め求め、該電力量に基づいた電力の供
   給によって溶解材料を溶融させ、該溶解材料の溶融完了
   後に溶湯の温度を自動測定し、該自動測定された溶湯の
   温度と溶湯の目標温度との温度差から必要とされる供給
   電力量を求め、該必要とされる供給電力量と予め設定さ
   れた溶解時間とから溶湯を目標温度に上昇させるための
   供給電力を算出することを特徴とする溶解炉の温度制御
   方法。 ２、溶解炉内の溶湯の温度を自動測定する温度測定手段
   と、 前記溶解材料の重量および特性値とから溶解炉に投入さ
   れる溶解材料が完全に溶融するのに必要な電力量を求め
   るとともに、前記温度測定手段によつて測定された溶湯
   の温度と溶湯の目標温度との温度差から必要とされる供
   給電力量を求め、該供給電力量と予め設定された溶解時
   間とから溶湯を目標温度に上昇させるための供給電力を
   算出する演算手段と、前記演算手段からの信号に基づい
   て前記溶解炉への通電量を制御する電力制御手段と、 を具備したことを特徴とする溶解炉の温度制御装置。