JPH094980A

JPH094980A - 空芯型誘導加熱炉及びその製造方法

Info

Publication number: JPH094980A
Application number: JP8130184A
Authority: JP
Inventors: Gerard M Cullan; エム．カランジェラルド
Original assignee: Saint Gobain Norton Industrial Ceramics Corp
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1995-05-25
Filing date: 1996-05-24
Publication date: 1997-01-10
Also published as: US5495495A; CA2176537A1; DE19621423A1; CA2176537C

Abstract

(57)【要約】【課題】より厳しい運転条件下でも運転可能な、金属
チャージを処理するための空芯型誘導加熱炉を提供す
る。【解決手段】本発明の空芯型誘導加熱炉は、ａ）らせ
ん状コイル１を含む外側のケーシングと、ｂ）気孔率が
少なくとも約１０％の外側の耐火性層４及び気孔率が
０．２％と１％の間の内側の耐火性ライニング５を含む
内側のるつぼ、とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空芯型誘導加熱炉
とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】高周波
数の交流電流を使ってある種の金属を溶融させること
は、当該技術分野において周知である。そのような処理
で使用される炉の一つのタイプは、空芯型誘導加熱炉で
ある。図１を参照。空芯型誘導加熱炉は、セラミックグ
ラウトＧに包まれ交流が流れる水冷のら旋式銅コイルＣ
のあることを特徴とする。このコイルは、固体の金属チ
ャージＭを入れる円筒状のるつぼＲの外側の周囲に巻か
れる。高周波電流がコイルを流れると、その結果生じた
磁場が金属チャージに電流を誘起させる。その電流に対
する金属チャージの固有の抵抗が、当該金属チャージの
温度を上昇させ、結局はそれを溶融させる。

【０００３】空芯型誘導加熱炉の通常のるつぼは、典型
的に、乾いた耐火物粒子の混合物（例えばムライトで結
合したアルミナ、スピネルで結合したアルミナ、及びス
ピネルで結合したマグネシアといったようなもの）を金
属の成形型（ｆｏｒｍｅｒ）とセラミックグラウトとの
間に詰め込んで所定の箇所に固定された保護耐火性層を
含む。詰め込まれると、これらの耐火物混合物は、典型
的には約１８％の気孔率と約１０μｍの平均気孔半径を
有する。詰め込んだ耐火物がこの状態のままであると、
その高い気孔率と大きな気孔寸法は溶融金属に対する抵
抗をほとんどあるいは少しももたらさないであろう。と
ころが、炉を始動する間に（すなわち金属成形型が融解
する少し前とその融解の間に）、上昇する金属成形型の
温度が金属／耐火物粒子界面の耐火物粒子を一緒に結合
するのに十分な熱を放出して、その結果、未結合の耐火
物粒子が背後にある、約１０％の気孔率と約８ミクロン
（μｍ）の気孔寸法のより緻密なセラミック表面層（又
は「表皮層」）をもたらす。このより緻密な表面層が、
金属が耐火物中へ移動することに対する抵抗を提供す
る。その上、残っている未結合の耐火物粒子の多孔性
は、より緻密な表面層が溶融金属と接触する際にこのよ
り緻密な表面層のために熱膨張を緩衝するばかりでな
く、溶融金属の前部にさらされる場合に自己結合するこ
とにより溶融金属の更なる移動に対して追加のバリヤー
を提供する（より緻密な表面層が割れるかあるいは別の
傷を受けるならば）。

【０００４】上述の耐火物を詰め込む構想は、従来の空
芯型誘導加熱炉で金属の移動を防止するのにある程度成
功している。例えば、ねずみ鋳鉄を１５２０℃で約６箇
月間処理する直径２２インチ（５６ｃｍ）の空芯型誘導
加熱炉は典型的に、その４インチ（１０．２ｃｍ）の耐
火性層の約四分の一に達するまで鉄が移動することを示
す。この移動が耐火性層の約半分に入り込むと、耐火性
層は一般的に交換される。

【０００５】この従来の炉は従来の空芯型誘導加熱炉か
らの漏れを阻止するのにある程度成功してはいるもの
の、誘導加熱炉の性能要件は現在はますます欲張ったも
のになっている。詳しく言えば、炉はより高い周波数
（６０Ｈｚに対し１０００Ｈｚ）そしてより高い温度
（２７００°Ｆ（１４８０℃）に対し少なくとも２９５
０°Ｆ（１６２０℃））で運転されており、その結果条
件がより厳しくなっている。従って、これらの新しい運
転条件は、空芯型誘導加熱炉の従来の耐火性層により与
えられる保護の再検討を必要としている。

【０００６】米国特許第５１３４６２９号明細書には、
耐火性バリヤーがフレーム溶射セラミックコーティング
を含んでいる「芯−コイル（ｃｏｒｅａｎｄｃｏｉ
ｌ）」誘導加熱炉が開示されている。米国特許第３９１
４５２７号明細書には、耐火性バリヤーが溶融シリカを
含んでいる「芯−コイル」誘導加熱炉が開示されてい
る。ヨーロッパ特許出願公開第００６９０９４号明細書
には、耐火物バリヤーが溶射された、キャストされた、
あるいは刷毛塗りされた耐火性層を含んでいる「芯−コ
イル」誘導加熱炉が開示されている。とは言え、「芯−
コイル」誘導加熱炉はより新しい高周波数の空芯型誘導
加熱炉と比較して相対的に穏やかな条件（すなわち６０
Ｈｚの周波数と２７５０°Ｆ（１５１０℃）の温度）下
で運転するので、これらの従来の「芯−コイル」誘導加
熱炉から耐火物の設計を単に借用することは、ほとんど
価値がないことと考えられる。

【０００７】空芯型加熱炉での新しい運転条件に関連し
て一つの特に重要なことは、より高い周波数は、より強
いだけでなく保護耐火性層のより近くに位置する磁場を
生じさせることである。従って、溶融金属が耐火物にし
み込むと、それはコイルに向かって移動して、そうして
いるうちに磁場の一層強い部分に入り込む。このより強
い磁場は紛れ込んだ金属を一層高い温度に加熱して、そ
れが耐火物を通って移動するのを促進する。なお悪い場
合には、金属はもっと熱くなり、そして最終的にコイル
の周りの冷却水に到達するまで更に先へ移動する。２７
５０°Ｆ（１５１０℃）の金属が水と接触すると、それ
は水を解離して水素と酸素にし、そしてこれらは再結合
すると激しくて破滅的な爆発を引き起こす。

【０００８】従って、最新の運転条件下でも溶融金属の
浸透に抵抗する保護耐火性層を有する空芯型誘導加熱炉
が必要とされている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、耐火性
のるつぼを有する空芯型誘導加熱炉で使用するための耐
火性ライニングが提供され、この耐火性ライニングは耐
火性るつぼの内面をライニングし、そして０．２〜１％
の気孔率を有する。やはり本発明によれば、次に掲げる
ａ）とｂ）とを含む、金属チャージを処理するための空
芯型誘導加熱炉が提供される。ａ）らせん状コイルを含む外側のケーシング。ｂ）ｉ）気孔率が少なくとも約１０％の外側の耐火性層
と、ｉｉ）気孔率が０．２％と１％の間の内側の耐火性
ライニングとを含む内側のるつぼ。

【００１０】

【発明の実施の形態】溶融金属と空芯型誘導加熱炉の通
常の詰め込まれた耐火性層との間に気孔率が０．２〜１
％の耐火性ライニングを設けることが、空芯型誘導加熱
炉の溶融金属の浸透に対する抵抗を高めることが見いだ
された。

【００１１】好ましい態様においては、本発明のライニ
ングは金属棒をフレーム溶射又はプラズマ溶射して溶融
セラミックを作ることにより製造される。凝固すると、
この溶融セラミックは、少なくとも三つの理由で通常の
耐火性層よりも優れている好ましいライニングをもたら
す。

【００１２】第一に、フレーム又はスプレー溶射された
セラミックライニングは一般に、約０．２％と１．０％
の間のみの、しばしば約０．５％の、気孔率を持つ。対
照的に、通常の詰め込まれた耐火物層の気孔率は約１８
％である一方、詰め込まれた耐火物の始動過程の間に結
合する通常の層の気孔率は約１０％に過ぎない。この好
ましいライニングの低下した気孔率は、金属の移動に対
して実質的な物理的バリヤーを提供することができる。

【００１３】第二に、セラミックのプラズマ又はフレー
ム溶射コーティングは典型的に、約１〜１０オングスト
ローム（０．１〜１ｎｍ）のみの、しばしば約５オング
ストローム（０．５ｎｍ）の気孔寸法を持つ。対照的
に、通常の詰め込まれた層は約１２μｍの気孔寸法を持
つ一方、通常の結合された層は約８μｍの気孔寸法を有
する。本発明の好ましいライニングの低下した気孔寸法
は、濡れるのと溶融金属の浸透とに抵抗するように浸透
性を低下させるのに役立つ実質的に大きな毛管抗力をも
たらすことができる。

【００１４】第三に、溶融金属と詰め込まれた比較的安
定な二元耐火性組成物との反応は比較的不安定な三元化
合物を作ると信じられる。対照的に、フレーム又はプラ
ズマ溶射されたコーティングは一般に一元（すなわち、
アルミナ、クロミア、ジルコニア又はマグネシアのうち
の一つ）である。これらの好ましいライニングが後に溶
融金属と反応すると、その結果得られる化合物は単に二
元になるだけであり、従って比較的安定である。それゆ
えに、好ましいライニングの単一相の性質はそれらの溶
融金属に対する抵抗に寄与すると信じられる。

【００１５】本発明の空芯型誘導加熱炉の好ましい円筒
状の態様の断面を図２に示す。この加熱炉の一番外側の
領域は鋼の外殻を含む。この鋼の外殻の壁の直ぐ内側に
は、交流周波数電流を供給することができるらせん状の
電気コイル１がある。典型的には水冷式プラスチックハ
ウジング（図示せず）で取り囲まれて、このコイルは耐
火性セラミックグラウト２により所定の位置に保持され
る。このグラウトは、外側が上記の鋼の外殻に接し、そ
して内側はセラミックファイバーペーパーに接する。こ
のセラミックファイバーペーパーの内側へ進むと、順番
に、詰め込まれた耐火物粒子４、緻密な耐火物（又は
「セラミック」）のライニング５、そして金属チャージ
６がある。

【００１６】本発明を実施する一つの好ましい方法は、
緻密セラミックライニングをその場で作らずに、むしろ
溶融状態でもって、溶融させようとする金属チャージの
形状、一般には垂直の円柱、と同じ形状の成形型の表面
に供給する。緻密セラミックライニングは、米国特許第
５１３４６２９号明細書（その明細書は参照してここに
組み入れられる）に教示されたようにフレーム溶射コー
ティングを含めた任意の既知の方法で、あるいは任意の
既知のプラズマ溶射法で、そのように供給することがで
きる。型は、溶融セラミックを受け入れてその形状を保
つことができる、鉄、鋼、銅、及びアルミニウム合金を
含めた、任意の材料で製作することができる。溶融セラ
ミックが冷えて融合すると、それは型表面の形状を備
え、そして上記の気孔率と気孔寸法の特性を有する。

【００１７】次に、この型をセラミックグラウトに取り
囲まれたらせん状電気コイルにより画定された円筒状の
キャビティーの中央に配置する。とは言え、型の外径寸
法とグラウトの内径寸法は、それらの間に約２．５〜６
インチ（６．４〜１５．２ｃｍ）の空間ができるような
寸法である。この空間に乾いた耐火物粒子を充填し、次
いでこれらを通常の手段により詰め込んで、気孔率が約
１０％と約２０％の間の外側の耐火物領域を作る。

【００１８】次に、型を溶融させて取り除く。型が溶融
させようとする金属で作られている場合には、単純に誘
導加熱炉を始動させることでそれを取り除く。始動する
と、初期の溶融サイクルにより供給される熱の一部が緻
密セラミックライニングと詰め込まれた耐火物粒子の方
へ伝えられる。この熱は、一番内側の詰め込まれた粒子
を少なくとも部分的に焼結させそして緻密セラミックラ
イニングへ結合させる。最終の結果は、本発明のライニ
ングが多孔質耐火物粒子の内面に固定されることであ
る。

【００１９】本発明のライニングは、０．２〜１．０％
の、もっと普通には０．４〜０．６％の気孔率を有す
る。そのメジアン気孔寸法は典型的に１〜１０オングス
トローム（０．１〜１ｎｍ）、もっと普通には２〜６オ
ングストローム（０．２〜０．６ｎｍ）である。その厚
さは、典型的に０．００７〜０．０１８″（０．１８〜
０．４６ｍｍ）、普通には０．０１２〜０．０１５″
（０．３０〜０．３８ｍｍ）である。スピネルのような
二元化合物を内側の緻密耐火性ライニングとして使用す
ることができるとは言うものの、このライニングは単一
のセラミック化合物、好ましくは単一のセラミック酸化
物、より好ましくはアルミナ、クロミア、ジルコニア又
はマグネシアのうちの一つ、からなるのが好ましい。緻
密セラミックライニングは、米国特許第４３２５５１２
号明細書（その明細書は参照してここに組み入れられ
る）に教示されたようなフレーム溶射コーティングを含
めた溶融セラミックを作る任意の既知の方法により、あ
るいは任意の既知のプラズマ溶射法により適用すること
ができる。

【００２０】気孔率が少なくとも１０％の外側耐火性層
は、ムライトで結合されたアルミナ、スピネルで結合さ
れたアルミナ、クロミアで結合されたアルミナ及びスピ
ネルで結合されたマグネシアを含めた、誘導加熱炉にお
いて普通に使用されている任意の耐火物粒子混合物から
作ることができる。それは、詰め込み、タンブリング、
環式振動及びスプレースラリー化を含めた、任意の通常
の方法によって形成することができる。これらの混合物
の粒子寸法は典型的に双峰（ｂｉｍｏｄａｌ）であり、
直径が約２．３ｍｍと４．７ｍｍの間の粗い粒子と、２
０μｍと４５μｍの間の細かい粒子を含む。この層は、
典型的に１０〜２０％、通常はほぼ１８％の気孔率を有
する。そのメジアン気孔寸法は、典型的に８〜１８μ
ｍ、普通には８〜１２μｍである。その厚さは加熱炉の
設計に決定的に依存するとは言え、典型的にはその厚さ
は５〜１５ｃｍである。

【００２１】本発明のらせん状コイルは、銅管を含め
た、空芯型誘導加熱炉において通例使用されている任意
の金属管からなることができる。コイルの直径は加熱炉
製造業者の設計により決められ、加熱炉の大きさと周波
数とともに変動するとは言うものの、それは一般には３
〜１０ｍ、好ましくは約３〜５ｍである。同様に、管の
直径は加熱炉製造業者の設計により決められ、加熱炉の
大きさと周波数とともに変動し、一般には５〜１５ｃ
ｍ、好ましくは約５〜１０ｃｍである。ある一定の高い
周波数の用途においては、コイルは２４０〜３０００Ｈ
ｚの周波数を生じさせる。

【００２２】らせん状コイルを包むグラウトは、空芯型
誘導加熱炉においてコイルを支持するために当該技術に
おいて使われている任意の典型的なグラウトでよい。適
当な材料には、シリカとアルミナが含まれる。典型的な
粒子寸法は８メッシュ（２．３６ｍｍ）以下である。典
型的なグラウトの気孔率は８〜２０％である。

【００２３】本発明により処理される金属は、銅、鋼、
鉄及びアルミニウム合金を含めた、空芯型誘導加熱炉で
典型的に処理されるいずれの金属でもよい。処理する間
は、金属チャージの温度は典型的に２２００°Ｆ（１２
００℃）と３３００°Ｆ（１８２０℃）の間である。固
体の金属チャージの直径は通常、高さが１〜５ｍ、直径
が１〜３ｍである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の空芯型誘導加熱炉を説明する図である。

【図２】本発明の空芯型誘導加熱炉を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１…電気コイル２…耐火性セラミックグラウト４…耐火物粒子５…ライニング６…金属チャージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記のａ）及びｂ）を含む、金属チャー
ジを処理するための空芯型誘導加熱炉。ａ）らせん状コイルを含む外側のケーシングｂ）ｉ）気孔率が少なくとも約１０％の外側の耐火性層
と、ｉｉ）気孔率が０．２％と１％の間の内側の耐火性
ライニングとを含む内側のるつぼ
【請求項２】前記内側の耐火性ライニングの平均の気
孔寸法が１〜１０オングストローム（０．１〜１ｎｍ）
である、請求項１記載の加熱炉。
【請求項３】前記内側の耐火性ライニングが単一のセ
ラミック化合物からなる、請求項２記載の加熱炉。
【請求項４】前記単一のセラミック化合物が酸化物セ
ラミックである、請求項３記載の加熱炉。
【請求項５】前記酸化物セラミックがアルミナ、クロ
ミア、ジルコニア及びマグネシアからなる群より選ばれ
る、請求項４記載の加熱炉。
【請求項６】前記内側の耐火性ライニングの厚さが
０．００７〜０．０１８インチ（０．１８〜０．４６ｍ
ｍ）である、請求項２記載の加熱炉。
【請求項７】前記内側の耐火性ライニングの厚さが
０．０１２〜０．０１５インチ（０．３０〜０．３８ｍ
ｍ）である、請求項６記載の加熱炉。
【請求項８】前記内側の耐火性ライニングがフレーム
溶射されている、請求項２記載の加熱炉。
【請求項９】前記内側の耐火性ライニングがプラズマ
溶射されている、請求項２記載の加熱炉。
【請求項１０】前記コイルを２４０〜３０００Ｈｚの
周波数の電流が流れる、請求項２記載の加熱炉。
【請求項１１】前記金属チャージの温度が２２００〜
３３００°Ｆ（１２００〜１８２０℃）である、請求項
１０記載の加熱炉。
【請求項１２】前記金属チャージが銅、鉄、鋼及びア
ルミニウム合金からなる群より選ばれる、請求項１０記
載の加熱炉。
【請求項１３】前記外側の耐火性層の厚さが５〜１５
ｃｍである、請求項２記載の加熱炉。
【請求項１４】前記外側の耐火性層が、ムライトで結
合されたアルミナ、スピネルで結合されたアルミナ、ク
ロミアで結合されたアルミナ及びスピネルで結合された
マグネシからなる群より選ばれる、請求項２記載の加熱
炉。
【請求項１５】下記の工程１）〜５）を含む、空芯型
誘導加熱炉の製造方法。１）溶融したセラミック材料を成形型へフレーム溶射し
て気孔率が０．２〜１．０％の緻密な耐火性ライニング
を作る工程２）上記の成形型を外側ケーシング内に配置してそれら
の間に空間を画定する工程３）この空間に耐火物粒子を充填する工程４）この耐火物粒子を詰め込んで気孔率が少なくとも約
１０％の外側の詰め込まれた耐火物層にする工程５）上記の型を取り除く工程
【請求項１６】下記の工程１）及び２）を含む、金属
の処理方法。１）ａ）らせん状コイルを含む外側のケーシングと、
ｂ）ｉ）気孔率が少なくとも約１０％の外側の耐火性層
及びｉｉ）気孔率が０．２％と１％の間の内側の耐火性
ライニングを含む内側のるつぼとを含む空芯型誘導加熱
炉に、固体の金属チャージを入れる工程２）上記のらせん状コイルに２４０〜３０００Ｈｚの周
波数の電流を流す工程