JPH07248190A

JPH07248190A - 加熱効率に優れた溶解用るつぼ

Info

Publication number: JPH07248190A
Application number: JP3965394A
Authority: JP
Inventors: Manabu Nishimoto; 学西元; Atsuhiko Kuroda; 篤彦黒田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 1995-09-26

Abstract

(57)【要約】【目的】加熱効率に優れた誘導加熱溶解用るつぼを提供
する。【構成】(1) コールドクルーシブル溶解用の縦方向に複
数のスリットを有するるつぼであって、全ての水平断面
におけるスリット幅がるつぼ半径外面方向に向かって拡
がり、その内面側のスリット幅が0.1mm 以上1.2mm 以下
であり、同じく外面側のスリット幅が1.5mm 以上である
加熱効率に優れた誘導加熱溶解用るつぼ。 (2)スリットにセラミックスを充填した上記(1) の誘導
加熱溶解用るつぼ。【効果】本発明のるつぼでは加熱と溶解の効率が高い。
しかも、湯差しや充填材からの汚染が生じないため、高
品質の鋳片を得るのに適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、誘導加熱により金属を
溶解、鋳造するためのるつぼに関する。

【０００２】

【従来の技術】コールドクルーシブル溶解用るつぼは、
チタンやジルコニウム等の高融点で、かつ反応性に富む
金属材料を、誘導加熱により溶解し、それらのインゴッ
トを製造する場合等に使用される水冷却式のものであ
る。広く知られているように、この種のるつぼとして、
その目的に応じた様々な形状と構造を有するものが提案
されている。

【０００３】図５は、仏国特許第2609655 号明細書に開
示されているるつぼのスリット構造を示す縦断面図であ
る。このるつぼ１は、その上部には縦方向に等しい幅で
平行な複数のスリット２とセグメント３とを有し、その
周囲には複数巻きで誘導加熱用コイル13が備えられてい
る。装置としては、誘導加熱で溶融金属９を形成し、る
つぼ１の下部でインゴット12を鋳造して引抜き棒11によ
り連続的に引抜くものである。通常、４個から20個の複
数のセグメント３を含むるつぼ全体を、銅製の水冷式と
したものが多いが、るつぼ径が大きい場合には、100 個
程度のセグメント３からなるものもある。さらにスリッ
ト２の部分は空間であり、各セグメント３の水平方向間
は電気的にも絶縁されている。そして、複数のスリット
２は、溶融金属９の表面部に電磁力を有効に作用させ、
るつぼ１の内壁面と溶融金属９を離反させる作用効果を
もたらす。また、複数のスリット２は、るつぼ内の金属
を誘導加熱し溶融金属９を形成させる作用も負う。

【０００４】そのため、るつぼのスリット構造が加熱効
率に対して重要な意味をもち、なかでもスリット幅を拡
大することが高溶解効率の達成につながる。これは、ス
リット幅が広くなるほど、るつぼとコイル間の相互イン
ダクタンスが低下することによる。

【０００５】図６は、本出願人が特開平４−162954号公
報に開示したるつぼのスリット構造を示す一部破断斜視
図である。この例では、るつぼ１は、セグメント３間の
スリット２がテーパー状に下方に拡がり、下部の冷却装
置14と一体の構造を有している。この場合のスリット幅
は、るつぼ上端部の最狭部で0.2mm 、下端部の最広部で
0.4mm である。このような下方に広がるテーパー形状と
する目的は、スリット２内に溶融金属が浸入した場合で
も、下部方向にインゴットを引抜く際に、るつぼ１とイ
ンゴットとの間に発生する応力を緩和するためである。

【０００６】上記のるつぼのスリット形状は、その水平
断面で見るといずれも、るつぼ肉厚方向に単に平行な切
り込みを入れただけのものであるために、高加熱効率を
狙ってスリツト幅を拡大すると、溶融金属がスリット内
部に浸入、固化する、いわゆる「湯差し」という問題が
生じる。この湯差しは鋳片の形状を悪化させるとともに
鋳片に割れを引き起こす。また、逆に湯差し防止のため
にスリット幅を小さくすると、加熱効率が低くなって使
用電力が大幅に増大し、電力コスト（生産コスト）を上
昇させてしまう。

【０００７】湯差し防止のために、スリット内部に Al₂
O₃、ZrO₂などのセラミックスを充填する場合もあるが、
前記の従来のるつぼでは、図５に示すようにスリット部
の下端が溶融金属の表面よりも下に位置するため、溶融
金属と充填材であるセラミックスとが接触する。したが
って、例えば活性金属であるチタンの溶解では、溶融チ
タンによりセラミックス充填材が還元されてチタン中に
多くの酸素が侵入し、製品の品質悪化を招く。あるいは
上記の還元反応によりセラミックが損壊し、充填材とし
ての役割を果たさなくなるという問題も生じる。特にス
リット幅が広いときにセラミックスを充填すると、溶融
金属との接触面積がますます増加するため上記の弊害も
大きくなる。したがって、コールドクルーシブル溶解法
の特徴の一つである活性金属の高清浄溶解ができるとい
うメリットを活かすことができない。

【０００８】1982年に米国鉱山局が公表したコールドク
ルーシブル溶解用るつぼのカタログには、上記のような
セグメント形状やスリット構造とは異なるるつぼが紹介
されている。このるつぼは、その内面側を平坦にした棒
状の32本のセグメントで構成されている。

【０００９】図７は、上記るつぼのセグメント３とその
間のスリット２を部分的に示す水平断面図である。図示
するように、このるつぼは、スリット２の幅がるつぼ内
面側においてやや拡がり、続いてるつぼ外面側に向かっ
て少し狭まり、やがてさらに同じく広がっていくような
スリット構造を有している。そのため、スリット２の部
分に溶湯が浸入する「湯差し」と、それにともなう問題
が生じやすい。

【００１０】本発明者らは、溶解効率を向上させるには
スリット本数の増加も有効であることを把握している。
しかし、その場合には個々のセグメントは必然的に小さ
くなり、その強度も弱くなって、るつぼ自体の剛性が問
題となるとともに、その内部に水冷構造を設けることが
一層困難となる。したがって、さらに溶解効率の向上を
達成するには、次の、のような相反する要因を同時
に解決することができるスリット構造のるつぼを開発す
る必要がある。

【００１１】高溶解効率を得るためには、スリット本
数を適切に維持しながら、スリット幅を拡大しなければ
ならない。

【００１２】溶融金属がスリット内部に浸入、固化す
る「湯差し」を防止するためには、スリット幅を拡大す
ることができない。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、湯差しを防
止しながら、低電力で効率よく金属の加熱、溶解を行う
とともに、品質のよいインゴットを得ることができる誘
導加熱溶解用るつぼを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の
(1)および(2) のるつぼにある。

【００１５】(1)金属を溶解、鋳造するためのコールド
クルーシブル溶解用の縦方向に複数のスリットを有する
るつぼであって、全ての水平断面におけるスリット幅が
るつぼ半径外面方向に向かって拡がり、その内面側のス
リット幅が0.1mm 以上1.2mm 以下であり、同じく外面側
のスリット幅が1.5mm 以上であることを特徴とする加熱
効率に優れた誘導加熱溶解用るつぼ。

【００１６】(2)スリットにセラミックスを充填したこ
とを特徴とする上記(1) に記載の加熱効率に優れた誘導
加熱溶解用るつぼ。

【００１７】

【作用】本発明者らは種々の基礎実験の結果から、次の
〜の知見を得た。

【００１８】スリット水平断面方向で、るつぼ肉厚と直角方向のスリット幅
は、湯差しおよび溶解、加熱効率に影響を与える。

【００１９】このスリット幅が 0.1〜5.0mm の間の種々
の水平断面形状を有するスリットを比較検討した結果、
その幅が大きいほど溶解効率が向上した。よって、スリ
ット幅を拡大することが溶解効率の高いるつぼに必須で
ある。しかし、るつぼ内面と接触する部分において、ス
リット幅が1.2mm を超えると溶融金属の湯差しが生じ、
インゴット引抜き時に大きな問題となる。なお、るつぼ
内面におけるスリット幅が0.1mm 未満では、隣接するセ
グメント間でスパークが発生し、電気的短絡が生じる。
そのため溶解効率が低下する。また、スパークによるセ
グメント損傷によって漏水が起こる可能性もあり、安全
上問題となる。

【００２０】さらに、加熱効率の向上に寄与するスリッ
ト幅の要因の一つは、その最大幅がるつぼ肉厚方向でど
の位置にあるかである。すなわち、スリットの最大幅
は、るつぼの外面部分にくるように配置するのが最もよ
い。

【００２１】このため、溶融金属と接するるつぼ内面に
おけるスリット幅が最小になるように小さくし、外面相
当部でスリット幅を拡げ、最外面部分で最大にすること
により、湯差しを防止するとともに加熱効率を向上させ
ることができる。なお、るつぼ上部のように溶融金属と
接しないるつぼ内面のスリット幅は、必ずしも 0.1〜1.
2 mmにする必要はない。

【００２２】このときのるつぼの最外面部におけるスリ
ット幅の最大値は、1.5mm 以上とするのが効果的であ
る。

【００２３】セラミックスによるスリットの充填るつぼは、電気伝導度の高い純銅で作られる場合が多
い。純銅は柔らかいために、るつぼは剛性に乏しく、各
セグメントは少しの衝撃で隣接するセグメントと接触
し、電気的短絡を生じる。とりわけ、スリットの幅が小
さい部分でその可能性が大きい。

【００２４】このような電気的短絡を生じる場合は、極
端に溶解効率が悪くなる。したがって、電気的短絡防止
のために、スリットの一部あるいは全てにセラミックス
を充填することが必要である。

【００２５】スリット部にセラミックスを充填する場
合でも、溶融金属と接するるつぼ内面側におけるスリッ
ト幅を小さくすれば、セラミックスによる溶融金属の汚
染を回避し、内質、表面性状にも優れたインゴットを低
電力で得ることができる。

【００２６】スリット部にはAl₂O₃、ZrO₂などのセラミ
ックスを充填するが、ただ単にスリット幅を拡大してチ
タンなどの活性金属を溶解する場合には、セラミックス
とチタンが反応し、チタン中に酸素が混入する。あるい
は、セラミックスが損壊して充填材としての役割を果た
さなくなる。

【００２７】本発明者らの実験によれば、充填セラミッ
クスは溶融チタンと確かに反応するが、るつぼ内面にお
けるスリット幅が1.2mm 以下であれば、溶融金属の表面
張力および隣接する銅製セグメントによって保護される
ために、その損傷が軽減される。実際、るつぼ内面にお
いてその幅が1.0mm のスリットにZrO₂を充填し、チタン
の溶解実験を４回行ったが、充填セラミックスは損傷を
ほとんど受けていなかった。しかし、このスリット幅を
1.7mm とした場合、充填したZrO₂は１回のチタン溶解実
験で損傷を受け、再充填する必要があった。

【００２８】次に、本発明のるつぼのスリット構造の例
およびその作用効果を、図１、図２に基づいて説明す
る。

【００２９】図１は本発明のるつぼの概念を示す全体斜
視図である。

【００３０】るつぼ１は、複数のセグメント３とるつぼ
長さＬの全長にわたって縦方向に設けられた複数のスリ
ット２とからなる。各スリット２の水平断面形状は、い
ずれも同一、長さＬの全長にわたっても同一である。る
つぼ１全体は複数のセグメント３が円周上に並置されて
なり、図示するような円筒状を呈する。

【００３１】図２の (1)〜(3) は本発明のるつぼのスリ
ット構造の例を示す部分図である。

【００３２】それぞれの図で、(a) はるつぼの上から観
た平面図、(b) はるつぼの正面図である。

【００３３】図２(1) は、スリット幅がるつぼ半径方向
の外側に向かって拡がり、図示するスリット面が単一の
円柱曲面 (曲率半径：Ｒ₁)の一部あるいは平面で構成さ
れているスリット構造の例である。るつぼ内面と接する
スリット幅が最小幅Ｓmin 、るつぼ外面相当部のスリッ
ト幅が最大幅Ｓmax である。このとき、曲率半径Ｒ
₁は、るつぼ肉厚ｔ以上であり、Ｒ₁ が無限大の場合は
スリット面は平面となる。

【００３４】図２(2) は、スリット面がふたつの曲面で
構成されているスリット構造の例であり、同様にスリッ
ト幅はるつぼ半径方向の外面に向かって拡がっている。
この例では、るつぼ内面のスリット幅が最小幅Ｓmin 、
るつぼ外面相当部のスリット幅が最大幅Ｓmax 、その中
間では変面部を有し、るつぼ内面から変面部までの距
離：ｔ₁におけるスリット幅もＳmin とＳmax との中間
の幅Ｓmid である。スリット面は、るつぼ内面側から曲
率半径Ｒ₂とＲ₃とのふたつの曲面で構成されている。

【００３５】スリット面の変面部は一箇所でなくてもよ
い。すなわち、異なる曲率半径を有する複数の曲面で構
成されていてもよく、多くなれば図２(1) の形状に近づ
く。

【００３６】スリット面の曲率半径Ｒ₂とＲ₃は、るつ
ぼ肉厚ｔ以上であり、曲率半径が無限大の場合、そのス
リット面は平面となる。

【００３７】このようにスリット面を多曲面スリット構
造とすることにより、スリット切り込み加工の自由度を
高め、スリット加工を容易にすることが可能である。

【００３８】図２(3) は、るつぼ内面から半径方向の外
面に向かって、るつぼ肉厚の一部の幅ｔ_sだけ、スリッ
ト面が平行の平行スリット部を有し、その後るつぼ半径
方向の外面に向かって拡がっているスリット構造の例で
ある。図２(3) の例では、平行スリット部のスリット幅
が最小スリット幅Ｓmin 、るつぼ外面相当部のスリット
幅が最大幅Ｓmax である。

【００３９】しかし、平行スリット部のるつぼ肉厚方向
の幅ｔ_sを大きくとることは、最小スリット幅Ｓmin の
領域が大きくなりことであり、溶解効率が低下するので
好ましくない。望ましい平行スリット部の幅ｔ_sは、る
つぼ肉厚ｔの0.1 倍以上 0.6倍以下である。

【００４０】このように一部に平行スリット部を有する
構造とする場合には、この平行部に予め肉厚の決まった
板状セラミックス充填材16を挿入し、溶湯のスリット部
への浸入を防止するとともに、スリットの幅出しを正
確、かつ容易に行うことができる。

【００４１】以上のようなスリット構造において、最小
スリット幅Ｓmin は、湯差し防止および充填材を挿入し
た場合の溶融金属と充填材との反応抑制の観点から、
0.1mm以上1.2mm 以下とするのである。特に好ましいの
は、0.2mm 以上0.8mm 以下である。さらに、溶解効率を
高めるために、Ｓmax は1.5mm 以上とする。ここで、Ｓ
max は各セグメントの中心線の間隔まで拡げることもで
きる。

【００４２】上記のスリット部では、るつぼ肉厚方向の
幅方向の一部または全部に、セラミックス充填材を充填
してもよい。一部の場合は、溶融金属と接するるつぼ内
面側がよい。この方法は、図２(3) に示すように、平行
スリット部に板状セラミックス充填材16と拡大部に不定
型セラミックス充填材17を用いるもの、または、一部ま
たは全部に不定型セラミックス充填材を用いるもの、も
しくは全てに板状セラミックス充填材を用いるものな
ど、いずれでもよい。これらはいずれも、前述のよう
に、湯差しの完全防止、セグメント間の電気的短絡の防
止、スリットの幅出しの正確性向上、るつぼ剛性の確保
に効果がある。

【００４３】このようなスリット構造を有するるつぼに
より、湯差しや汚染のない状態で高品質、高熱効率の溶
解を行うことができる。

【００４４】図３は、本発明のるつぼを用いるコールド
クルーシブル溶解、鋳造装置の例を示す縦断面図であ
る。この装置では、スリットで分割された複数のセグメ
ント３からなる銅製の水冷却式るつぼ１、るつぼ１の下
部冷却装置14、るつぼ１の外周面を囲む複数巻きの誘導
加熱用コイル13、鋳造されたインゴット12を引き抜く引
抜棒11、原料15の投入用ホッパー10が、排気口８を有す
るチャンバー７内に配置されている。

【００４５】前述のように、るつぼ１の壁面は４個から
100 個程度までの複数個の長手方向のセグメント３に分
割されている。これらの各セグメント３は、図１に示す
ように円周上に並置されると共に、セグメント３の内部
を冷却水が循環するように、冷却水路６を内蔵してい
る。この冷却水路６は、通常、冷却水入口４と同出口５
を有する冷却装置14に連設するのが最もよいので、るつ
ぼ１と冷却装置14とは一体で製作される場合が多い。

【００４６】るつぼ１の壁面がセグメント３に分割され
ていることによって、誘導加熱用コイル13に印加された
中波あるいは高周波の交流電流による交番磁場が、るつ
ぼ内の固体金属材料中に電流を誘導する。その結果、金
属材料は加熱、溶解され、溶融金属９が形成され、溶融
金属９は誘導電流により攪拌される。

【００４７】このとき、溶融金属９の表面に作用する電
磁力によって、図示するように、溶融金属９の表面とる
つぼの内壁面との間に間隙が形成される。

【００４８】

【実施例】図３に示す装置を用いて、金属Tiを連続的に
溶解し、鋳片を引き抜く実験を行った。実験は、25 kＨ
z 、30 kＷ以上の高周波電流を流し、ホッパーからスポ
ンジTiを投入、10mm／分の引抜速度で連続鋳造する方法
とした。

【００４９】最終的に外径70mmφ×長さ300mm の鋳片を
鋳造し、その後、不純物濃度の測定と鋳片表面性状の評
価を行った。溶解効率の評価は、出力を30〜60 kＷまで
変化させ、溶解の可否をみる方法で行った。

【００５０】用いたるつぼのスリット構造は計８種類で
あり、本発明例を５種類（図２に示す組み合わせから選
んだもの）、比較例を図４に示す３種類とした。

【００５１】図４(1) 〜図４(3) は、るつぼの内面から
外面までのるつぼ肉厚ｔにおいて、またるつぼ全長Ｌに
わたってスリット幅Ｓが同一の平行スリットを有し、そ
の幅Ｓが異なるるつぼのスリット構造を示す部分図であ
る。図４の(a) はるつぼの上から観た平面図、(b) はる
つぼの正面図である。図４(3) はスリットの全てに、不
定型セラミックス充填材(ZrO₂)17を充填した例であり、
比較例６が図４(1) に、比較例７が図４(2) に、比較例
８が図４(3) に、それぞれ相当する。これらの条件を表
１に示す。

【００５２】そのスリット本数、スリット長さおよびる
つぼ肉厚は全て統一し、それぞれ14本、140mm 、10mmと
し、誘導加熱用コイルは、るつぼの周囲にらせん状に４
回巻いた構造である。

【００５３】

【表１】

【００５４】上記実験結果を表２にまとめて示す。

【００５５】

【表２】

【００５６】表２から次の〜がわかる。

【００５７】本発明例 No.１〜５と比較例 No.６の結
果から明らかなように、スリット幅をるつぼ半径方向で
拡大することが、加熱効率、溶解効率向上に寄与してい
る。

【００５８】比較例 No.６の結果から、平行スリット
でスリット幅が小さい(0.5mm) 場合、鋳片の湯差しはな
く、表面性状が良好であるが、溶解効率が悪く、溶解に
少なくとも60 kＷの出力が必要である。

【００５９】本発明例 No.４と No.５の結果の比較か
ら明らかなように、スリット部にセラミックスを充填し
た場合、るつぼ（セグメント）の剛性が向上し、少々の
衝撃ではセグメントが変形することはないが、セラミッ
クスを充填していない場合、少しの衝撃でセグメントが
変形し、セグメント間で接触ショート状態となりやす
い。

【００６０】比較例 No.７と No.８の結果から明らか
なように、 No.７では加熱効率こそ良かったものの、湯
差しが顕著に発生したり、あるいはセラミックス(ZrO₂)
を充填した No.８では充填材(ZrO₂)中の酸素がTiインゴ
ット中に入り、製品の品質を劣化させるという問題が生
じている。

【００６１】

【発明の効果】本発明のるつぼでは加熱と溶解の効率が
高い。しかも、湯差しや充填材からの汚染が生じないた
め、高品質の鋳片を得るのに適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明るつぼの概念を示す全体斜視図である。

【図２】本発明のるつぼのスリット構造の例を示す部分
図である。(a) はるつぼの上から観た平面図、(b) はる
つぼの正面図である。

【図３】コールドクルーシブル溶解、鋳造装置の例を示
す縦断面図である。

【図４】従来のスリット構造の例を示す部分図である。
(a) はるつぼの上から観た平面図、(b) はるつぼの正面
図である。

【図５】従来のコールドクルーシブル溶解、鋳造装置の
例を示す縦断面図である。

【図６】従来のるつぼのスリット構造の例を示す部分斜
視図である。

【図７】従来のるつぼのスリット構造の例を示す部分水
平断面図である。

【符号の説明】

１：るつぼ、２：スリット、３：セグメント、
４：冷却水入口、５：冷却水出口、６：冷却水路、
７：チャンバー、８：排気口、９：溶融金属、
10：原料投入用ホッパー、 11：引抜棒、12：
インゴット、 13：誘導加熱用コイル、 1
4：冷却装置、15：原料、 16：板状セラミック
ス充填材、17：不定形セラミックス充填材、Ｌ：るつぼ
長さＲ：スリット面の曲率半径、Ｓ：スリッ
ト幅、ｔ：るつぼ肉厚、ｔ_{s :}平行スリット部のるつ
ぼ肉厚方向幅、ｔ₁：るつぼ内面から変面部までの距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ２７Ｂ 14/06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属を溶解、鋳造するためのコールドクル
ーシブル溶解用の縦方向に複数のスリットを有するるつ
ぼであって、全ての水平断面におけるスリット幅がるつ
ぼ半径外面方向に向かって拡がり、その内面側のスリッ
ト幅が0.1mm 以上1.2mm 以下であり、同じく外面側のス
リット幅が1.5mm 以上であることを特徴とする加熱効率
に優れた誘導加熱溶解用るつぼ。
【請求項２】スリットにセラミックスを充填したことを
特徴とする請求項１の加熱効率に優れた誘導加熱溶解用
るつぼ。