JPH08145571A - 底注ぎコールドウォール溶解炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 上注ぎ方式のコールドウォール溶解炉でルツ
ボを傾動して出湯すると、ルツボ内の溶湯が水冷されて
いるセグメントの上部に接触し、凝固する量が多く、凝
固したスカルがスリット内にも侵入して、注湯が困難に
なったり、出湯歩留りが悪く、湯の飛散があるため効率
よく注湯するのが困難になったりしている。このような
問題なく出湯でき、構造が簡単な底注ぎコールドウォー
ル溶解炉を提供することを目的とする。 【構成】 複数のセグメント３による側壁１３の延長部
としての底壁６と、底壁６の中心軸周辺の開口１６と、
この開口１６の端部から垂下する円筒形の注湯管部１４
とを含み、前記の開口１６の上端に接して、開口１６の
直径Ｄ₁より大きくルツボの内径Ｄ₀より僅かに小さい直
径Ｄ₂の被溶解材料とほぼ同等の材料などによる厚肉平
板状の底蓋１５を上から覆って配置する構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空中または不活性ガ
ス雰囲気下で金属や合金などを溶解するコールドウォー
ル型のルツボ溶解炉に関する。より具体的には、底壁の
ほぼ中心部に垂直に開口部を設け、ルツボの側壁の上端
からこの開口までの底壁が、スリットにより複数のセグ
メントに分割されて、複数のセグメントのそれぞれが冷
却水などにより冷却されるルツボ本体と、このルツボ本
体内に配置されて被溶解材料と同一か均等または溶解さ
れる合金のいずれかの成分とほぼ同一か均等の金属材料
製で前記の開口を上部から覆う底蓋とで構成され、溶解
の初期には底壁の周縁部に付着して凝固する溶湯の液滴
により底蓋が底壁に接合され、溶解の進行とともに、こ
の底蓋自体が軸心に近い部分から溶融して前記の開口内
で注湯口となる底注ぎコールドウォールルツボ溶解炉に
関する。

【０００２】

【従来の技術】通常のコールドウォール溶解炉は、模式
図としての図５に示すように、垂直に延びる複数のスリ
ット２２により側壁３３が複数区画に分割された、銅な
どの熱伝導性の良好な金属製で短冊状の複数のセグメン
ト２３と、底壁２６とから成るコールドウォールのルツ
ボ２５を有し、それぞれのセグメント２３の側壁３３と
底壁２６とは中空で、冷却水が導入され互いに連通され
た空隙３１ａ、３１ｂが設けられて比較的に低温に保た
れているため、ルツボから溶湯への汚染が無いことか
ら、製品として超高純度の金属、合金あるいは活性金属
の溶解に多用されているルツボ炉である。水冷されたル
ツボ２５の外周には誘導加熱コイル８が配置され、この
誘導加熱コイル８に中周波または高周波電流を印加する
ことにより、ルツボ２５内の被溶解材料を溶解して、溶
湯９が形成され、水冷された底壁２６や側壁３３と接触
する部分の溶湯９は凝固してスカル５すなわち凝固層と
なり、溶湯９とルツボ２５内面との直接接触を防止す
る。通常、炉の底壁２６はセグメント状の側壁３３と一
体に形成され、溶解作業が進み内部の被溶解材が所定の
温度の溶湯になった状態で、炉体は図６に示すように垂
直状態から約１１０°までの範囲で下方に傾動され、ル
ツボ２５内の溶湯９はルツボ２５の上部から炉体の前方
下部に配置された図示しない鋳型内に注湯される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】溶湯を出湯するためル
ツボ２５を傾動する際に、ルツボ２５内の溶湯９は、図
６に示すようにルツボ２５を構成する水冷されたセグメ
ント２３の上部に接触する。セグメント２３は水冷され
ているため溶湯９の温度に比較し著しく低温であり、そ
のため溶湯９が注湯の途中で凝固する量が多く、この際
できるスカル５は、図５に示したスリット２２内にも侵
入することになるため、注湯が困難になったり、出湯歩
留りが悪く、また出湯の際に溶湯の流れが乱れて溶湯の
飛散があるため効率よく注湯するのが困難ある。また図
示しない鋳型へ出湯する際に流れが乱れた溶湯を受ける
ため、鋳型上部にタンディッシュを配置し溶湯の飛散を
防止したりするが、タンディッシュを構成する材料から
の溶湯の汚染を招く懸念がある。コールドウォール溶解
炉中で炉体を傾動して出湯する上注ぎ方式では、上記の
ような問題が発生するため、これを解決する手段として
炉体を傾動する代わりに底注ぎ出湯方式を採用すること
が考えられる。特公平３−３０７９９号公報には、発明
の名称を『るつぼ形注湯炉および注湯方法』として、誘
導加熱コイルにより加熱されて金属を溶解するルツボ炉
の底部付近の側壁に注湯口を設け、この注湯口を下側外
方から開閉する冷却装置を備えた開閉弁を有するルツボ
形注湯炉と、この注湯炉を使用する注湯方法が記載され
ている。しかし、この注湯炉は炉体がセラミックスなど
の耐火材料製であり外方から冷却されるるため、炉体の
側壁も炉底も、本発明の対象とする導電性の良好な金属
製のコールドウォールのルツボのように内部を流動する
冷却水により冷却できず、側壁や炉底の内表面側は、こ
れらに接触している溶湯とほぼ同温度に保たれ、コール
ドウォール溶解炉のようにスカルと呼ばれる凝固層は発
生せず、側壁や炉底から溶湯が汚染されるため金属溶解
の点からは全く別個の技術によっている。本発明の解決
しようとする課題は、出湯の際に上記の諸問題点を生じ
ない底注ぎ出湯方式によるコールドウォール溶解炉を提
供することである。従って、炉体の構造と溶解の際の炉
壁の温度が全く相違しているため、本発明の課題を解決
するために、特公平３−３０７９９号公報に記載されて
いる底注ぎ出湯方式は採用できない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】底注ぎ出湯方式を実現す
るための炉体の構造としては、側壁に対し直角にほぼ水
平に延在する底壁の一部、通常垂直中心軸線（後述する
図１の軸線Ｙ−Ｙ）の周辺に、直径がＤ₁の開口を設け
る。この開口の上端に接して断面が厚い平板状で、直径
が前記の開口の直径Ｄ₁よりも大きく、ルツボの内径Ｄ₀
よりは僅かに小さい直径Ｄ₂の底蓋を、前記の開口を上
から覆うようにほぼ同軸に配置する。この底蓋は被溶解
材料としての金属や合金と、あるいは溶解される合金の
いずれかの成分とほぼ同一の金属材料製で、ルツボの下
方には水冷または水冷しない金型などの鋳型を配置する
構成とした。

【０００５】

【作用】被溶解材料は、塊状、粒状、ペレット状などと
して装入され、側壁と底壁と底蓋とに囲まれる空間に収
容され、セグメントの上部から底部までの冷却水の流路
に近い部分にある装入材は、誘導加熱コイルに通電され
ると、溶解しても冷却されすぐに凝固してスカルとなる
が、冷却水の流路から離れた中央部は冷却効果が弱いた
めに溶融し始める。また、溶解の初期には、底蓋の周縁
部に付着した溶湯の液滴が底蓋を底壁に接合し、溶解の
進行に伴い熱伝導により底蓋も中央部から次第に溶落し
て小孔となり、小孔が次第に大きくなり下端まで達した
状態で開口内に注湯口を形成する。溶湯は、このように
して底蓋を貫通して形成された注湯口を通過して下方に
配置された鋳型内に重力落下する。

【０００６】

【実施例】図１は、本発明の底注ぎコールドウォール溶
解炉の実施例を示す側断面図であり、図２は図１のセグ
メント３の上部のみを示すＢ−Ｂ矢視平面図であり、図
３は個々のセグメント３を示す図２のＣ−Ｃ矢視側面図
である。図１と図２を参照すると、上端から下端まで連
続して延在する第１のスリット２により、独立した１２
個のセグメント３で画定される側壁１３の外周には誘導
加熱コイル８が巻回されて高周波または中周波の電源に
接続される。図２と図３に示されるように、個々のセグ
メント３は側壁上端から僅かに下の部分から下端手前の
部分までが、第２のスリット１９により内部に冷却水の
流路１８を有する中空な左右の脚部３ａ、３ｂに分割さ
れている。図１と図２に示されるように、さらに個々の
セグメント３は、側壁下端から半径方向内方に略直角に
曲げられて底壁６となり、中心軸線Ｙ−Ｙから所定の距
離の位置でさらに略直角に下方に曲げられ、側壁１３は
内径がＤ₀の中空直円筒状で、その下端は半径方向内方
に突出し連続した中空環状の内径がＤ₁の注湯路となる
注湯管部１４を形成し、全体として内径が２通りの円筒
状で、小径の開口１６を有する漏斗形の炉体１０を画定
する。これにより、側壁１３の内部が内径Ｄ₀の溶解室
を構成し、底壁６の中心の開口１６が内径Ｄ₁の出湯口
を構成する。

【０００７】前記の第２のスリット１９より上の部分は
冷却水の流路１８も含め一体に連結され、この実施例で
は、冷却水は左の脚部３ａの下部にある流入口１８ａか
ら上部の連結部を経て右の脚部３ｂ内を下方に流れ流出
口１８ｂから流出する。これにより、このルツボ炉は側
壁１３と底壁６とが冷却水により十分冷却される構造に
なっている。１７ａと１７ｂは、それぞれ上部支持構造
体と下部支持構造体である。この実施例では、個々のセ
グメント３が狭い第２のスリット１９により２分割され
たものについて述べたが、図５に示すように個々のセグ
メント２３の内部に流入管と流出管を有する二重管構造
のものでもよいことは勿論である。前記の開口１６の上
端に接して断面が厚い平板状で前記の開口１６の内径Ｄ
₁よりも大きく、ルツボの内径Ｄ₀よりは僅かに小さい直
径Ｄ₂を有する底蓋１５をほぼ同軸に配置する。この底
蓋１５は、通常、被溶解材料の金属と同一の金属材料製
つまり共金の底蓋として準備する。

【０００８】底蓋の軸心部を中心とする出湯口を有する
本発明のコールドウォール溶解炉の溶解作業について述
べる。先ず溶解準備作業について述べると、既に述べた
ように、通常、底蓋１５は被溶解材料と同等の金属材料
製とするが、被溶解材料が合金の場合、または溶解によ
り合金が形成される場合は、底蓋１５の材料は同じ化学
組成の合金またはこの合金のいずれかの成分の金属製で
ある。このようにして、底蓋１５がルツボ内の底壁６と
開口１６を含めた領域を覆うように配置された後、その
上に被溶解材料を下部を広く上に至るほど狭く、いわゆ
る分数状態に装入する。水冷銅ルツボの中心軸線を垂直
に設定し、ルツボの下方に鋳型を設置する。鋳型として
は、水冷金型、非水冷金型、セラミックス製鋳型も採用
されるが、鋳型に湯道のような狭い空隙がある場合には
鋳型自体に加熱手段を有し、溶湯温度とほぼ同程度に加
熱される場合もある。これは、鋳型内での溶湯の流動性
をよくし、溶湯を鋳型内の狭い空隙内にも流入させる必
要がある場合に採用される。

【０００９】このようにして溶解準備作業が終了した状
態で、誘導加熱コイルに通電して溶解を開始する。溶解
が進行するのに伴い、装入材料は表面から溶融を開始す
る。さらに溶解が進行するとともに、装入材料中底壁に
接している部分は水冷却されているため溶解されにく
く、炉体の中央部にある部分から溶融が始まり、溶融し
た溶湯の液滴の一部が落下し装入材料や側壁に付着しな
がら少しずつ底壁や底蓋まで達し、底壁や底蓋は水冷さ
れているため、前記の液滴は凝固して底蓋を底壁に接合
してこれらの間の隙間を埋める。次第に内部が溶融し全
体が溶落し、底蓋と側壁の下部とにスカルが形成され
る。溶解がさらに進行するのに伴い、溶融した部分から
の熱伝導により装入材料中の上部と周辺の部分も溶融し
始め、装入材料全体が溶落する。図４は、挿入材料が溶
落してからの炉内下部に備えられた底蓋の状態を示す模
式図で、同図（Ａ）は底蓋が溶解し始めた初期状態の側
面図であり、同図（Ｂ）は小孔が形成された後の側断面
図である。水冷ルツボの底壁６に接触している底蓋１５
は容易に溶落しないが、装入材料全体が溶落する段階に
なると、水冷ルツボの底壁からの冷却効果の少ない中心
部が溶融し始め窪み１５ａを形成し（図４（Ａ）参
照）、徐々に窪み１５ａが拡がり中心部を貫通する小孔
１５ｂが形成され（図４（Ｂ）参照）、内部の溶湯９が
この小孔１５ｂを通過してルツボ底部の開口１６を経由
して下方に配置された図示しない鋳型内に重力落下す
る。最終的には底蓋１５も溶湯９からの熱伝導により溶
融して一体の溶湯となり開口１６を通過して鋳型内に流
入する。

【００１０】

【発明の効果】本発明の底注ぎコールドウォール溶解炉
は、水冷された底壁の中心部に設けた開口とこの開口を
覆って配置された所定の厚みの底蓋とにより、溶解の進
行とともに、被溶解材料は溶融し始めるが、ある時期に
達すると底蓋の中央部は底壁からの冷却効果が少ないの
で先に溶融して窪みを形成し始め、次にこの中央部を上
下に貫通する小孔となり溶湯の注湯口を形成し、この小
孔は逐次拡大され底蓋の一部または全部が溶落し溶湯の
全量が底壁の中央部の開口から出湯される。このような
簡単な構成により、コールドウォール溶解炉で困難とさ
れていた注湯の問題を解決できるので産業界に貢献する
こと多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の底注ぎコールドウォール溶解炉の実施
例を示す側断面図である。

【図２】図１の底注ぎコールドウォール溶解炉のセグメ
ントのＢ−Ｂ矢視平面図である。

【図３】側壁を構成する一つのセグメントを示す図２の
Ｃ−Ｃ矢視側面図である。

【図４】底蓋が溶融する状態を示す模式図であり、同図
（Ａ）は窪みが形成された状態を示し、同図（Ｂ）は小
孔が形成された状態を示す。

【図５】従来のコールドウォール誘導溶解炉の一例を示
す側断面図である。

【図６】図５に示した従来のコールドウォール誘導溶解
炉を上注ぎ方式により傾動して注湯する状態を示す側断
面図である。

【符号の説明】

２ 第１のスリット ３ セグメント ３ａ、３ｂ 脚部 ６ 底壁 ８ 誘導加熱コイル １３ 側壁 １４ 注湯管部 １５ 底蓋 １６ 開口 １７ａ、１７ｂ 上、下支持構造体 １８ 冷却水の流路 １９ 第２のスリット

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のスリットにより分割された複数の
   中空のセグメントのそれぞれの直立した部分により画定
   される中空円筒形の側壁と、前記セグメントのそれぞれ
   の側壁を構成する下端から先の部分がほぼ水平に半径方
   向内方に曲げられた垂直中心軸線から所定の距離だけ手
   前までの部分により画定され中心部に円形の開口を有す
   る環状の底壁と、前記底壁の前記開口を画定する部分か
   らさらに先の部分が所定の長さだけ垂直下方に曲げら
   れ、それにより前記開口に連続して下方に延びる中空円
   筒状の注湯管部とにより形成される炉本体と；この炉本
   体の前記側壁の内部に直径が前記開口より大きく、この
   開口を上から覆って配置され、被溶解材料とほぼ同一組
   成の材料で製作され前記側壁と底壁とともに、被溶解材
   料を収容して溶解する炉室を構成し、溶解の進行に伴い
   それ自体が中心部から溶解して注湯口を形成する底蓋
   と；前記側壁の外周に巻回された誘導加熱コイルと；前
   記セグメントの内部を流路として冷却媒体を流動させる
   冷却装置と；を含んで成る底注ぎコールドウォール溶解
   炉。
2. 【請求項２】 被溶解材料が合金として準備されている
   か、または溶解により合金とされる場合、前記底蓋の化
   学組成は前記合金とほぼ同一であるか、または前記合金
   の成分のいずれか１つとほぼ同一である請求項１記載の
   底注ぎコールドウォール溶解炉。
3. 【請求項３】 前記セグメントの各々は頭部と下端部と
   が、内部にある冷却水の通路となる中空部を含んで合体
   され、頭部と下端部とを除く中間の部分が第２のスリッ
   トにより円周方向に２分割された一対の脚部を有し、冷
   却水は前記の頭部と下端部の合体部を経て、一方の脚部
   から他方の脚部へ流動するようになっている請求項１ま
   たは２記載の底注ぎコールドウォール溶解炉。
4. 【請求項４】 前記セグメントの各々は相隣接するセグ
   メント間に介在する複数のスリットにより分離され、同
   一セグメント内に冷却水の流入路と流出路とが設けられ
   ている請求項１または２記載の底注ぎコールドウォール
   溶解炉。