JP4761593B2 - 誘導溶解炉及び誘導溶解方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイルに高周波電流を通電させて被溶解金属に誘導電流を発生させ、ジュール熱により炉内の金属を溶解するようにした誘導溶解炉及び誘導溶解方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の誘導溶解炉には、通常の誘導溶解炉と、この通常の誘導溶解炉を改良したＵ．Ｄ．Ｓ（UNI-DIRECTIONAL-STIRRING)システムによる誘導溶解炉（以下、「Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉」という。）が実用に供されている。
この通常の誘導溶解炉とＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉について、以下、順次説明を行う。
【０００３】
先ず、通常の誘導溶解炉について、図４及び図５を用いて説明する。
図４は、通常の誘導溶解炉５０の概略構成を示す概念図、図５は、誘導溶解炉５０の温度及び供給電力と、経過時間との関係を示す特性図である。
図４に示すように、通常の誘導溶解炉５０の主要構成は、高周波電源５２、高周波電源５２により高周波電流が通電される単一のコイル５４、被溶融金属を収容しておく坩堝５６である。
なお、図４において、Ｙは溶解された金属の溶湯、Ｓは、溶湯Ｙを高周波電源５２で加熱する加熱回路５８のスイッチである。
また、同図では垂直方向をＺ軸、半径方向をＲ軸とする円柱座標を用いているが、以降の説明で用いる座標系は、同様に総て円柱座標とする。
【０００４】
以上の構成で、通常の誘導溶解炉５０の基本動作を図４を用い、図５を参照して説明する。
コイル５４に、高周波電源５２により単相の高周波電流を流すと、坩堝５６中の被溶解金属に誘導電流が発生し、このジュール熱により被溶解金属が溶解し、溶湯Ｙとなる。総ての被溶解金属を溶解した後は、溶湯Ｙから発生するガスを脱ガスするための脱ガスモードに切り替わる。
なお、この際、コイル５４に通電するための高周波電源としては、被溶解金属の溶解効率を上げるために、通常は５００Ｈｚ以上の周波数のものが用いられる。
【０００５】
また、図５に示すように、時間０→ｔ１の被溶融金属の溶解モードでは、大電力をコイル５４に供給するので、誘導溶解炉５０の溶解温度は、経過時間にほぼ比例して上昇する。
一方、被溶解金属の溶融が終了する時間ｔ１以降の時間ｔ１→ｔ２の脱ガスモードでは、溶解温度を一定に保つために電力を制御して溶解温度を調節し、被溶解金属から発生するガスの脱ガスを行う。
なお、脱ガスモードにおいては、溶湯Ｙの余分な温度上昇は、冶金的な見地及び炉材に与える悪影響の点から好ましくないので、スイッチＳをオンオフすることによりスポット的に電力を供給し、溶湯Ｙの温度をほぼ一定に保つようにしている。
【０００６】
ところで、溶湯Ｙに発生する誘導電流をＪｅとし、溶湯Ｙ中に発生する磁界をＢとすると、溶湯Ｙには、誘導電流Ｊｅと磁界Ｂによるローレンツ力Ｆ＝Ｊｅ×Ｂが働く。
このローレンツ力Ｆは、図４に矢印で示すように、誘導溶解炉５０の中心軸方向に向かう力であり、その大きさは、コイル５４の両端で最小値、コイル５４の中間位置で最大値となる山形の分布となる。
そのために、溶湯Ｙの流動パターンは、図４の破線矢印で示すように、コイル５４の中間位置において、坩堝５６の周縁部から坩堝５６の中心軸に向かう流れが発生し、坩堝５６の中心軸では溶湯Ｙの流れは坩堝５６の上部に向かうものと、坩堝５６の下部に向かうものと２つの方向に分流する。
【０００７】
一方、通常の誘導溶解炉５０では、溶解の際に発生するガスの脱ガスは、溶湯Ｙの上面でのみ行われるために、溶湯Ｙの流れが坩堝５６の中心軸（Ｚ軸）近辺でこのように２方向に分かれると溶湯Ｙの撹拌効率が悪く、下層部の被溶融金属が坩堝５６の上面に出るには長時間を要し、その結果、誘導溶解炉５０の溶解性能を阻害しているという問題があった。
【０００８】
この通常の誘導溶解炉の有する問題を解決するために開発されたＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉について、図６を用い、図５を参照して説明する。
図６は、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０の概略構成を示す側面図である。
【０００９】
図６に示すように、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０の主要構成は、高周波電源６２、高周波電源６２により高周波電流が通電される２つのコイル６４Ａ、６４Ｂ、被溶融金属を収容しておく坩堝６６である。
なお、図６において、Ｙは溶解された金属の溶湯、Ｓ３、Ｓ４は、溶湯Ｙを高周波電源６２で加熱する加熱回路６８のスイッチである。
なお、図６に示すように、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０の特徴は、上述した通常の誘導溶解炉５０とは異なりコイルを複数（図示のものでは２つ）に分割している点である。
【００１０】
以上の構成で、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０の基本動作を図６を用い、図５を参照して説明する。
先ず、図５に示す溶解モード区間（区間：０→ｔ１）では、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０により被溶解金属を溶解する場合は、図６に示すスイッチＳ３を閉じ、スイッチＳ４を開いたままとすることにより、コイル６４Ａとコイル６４Ｂを直列に接続し、上述した通常の誘導溶解炉５０と同様に、高周波電源６２により単相の高周波電流を流し、２分割したコイル６４Ａ、６４Ｂを中心に磁場を誘導し、坩堝６６中の被溶解金属に誘導電流を発生させて、このジュール熱により被溶解金属が溶解し、溶湯Ｙとする。
【００１１】
次に、図５に示す脱ガスモード区間（区間：ｔ１→ｔ２）では、スイッチＳ３を閉じたままスイッチＳ４を閉じ、コイル６４Ｂを短絡する。
すると、コイル６４Ｂでは、コイル６４Ａの作る磁界により電圧が誘起され、コイル６４Ａに流れる交流電流よりもほぼπ／２の位相遅れの交流電流が流れる。
このように、コイル６４Ｂには、コイル６４Ａよりもπ／２だけ位相が遅れた電流が発生するために、溶湯Ｙ中には進行磁界が生じ、図６に示すように溶湯Ｙに上向き又は下向きのローレンツ力を発生させる。
【００１２】
このようにして、溶湯Ｙには、図６の破線に示すように、溶湯Ｙの周縁部では概ね上方に進行し、坩堝６６の中心軸（Ｚ軸）近辺では下向きに進行する流動パターンが生じる。
これにより、坩堝６６底部近辺の溶解金属も溶湯Ｙの上面に出やすく撹拌効率が良くなり、脱ガス機能が高まることにより、溶解炉の溶解機能が著しく向上する。
即ち、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０は、単一電源で、複数コイル６４Ａ、６４Ｂに所定の位相差の交流電流を流して進行磁界を生成し、一方向流動パターンを作ることを特徴としている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、通常の誘導溶解炉、及び、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の脱ガスモードにおいて、磁界解析シミュレーションを行った結果の磁束分布とローレンツ力分布を図７乃至図９に示す。
なお、この解析は、高周波電流の位相速度をω、時間をｔとした場合、ωｔ＝０、電流値を一定、周波数を５００Ｈｚとした条件で行っている。
【００１４】
図７は、上記条件における通常の誘導溶解炉５０の磁束ＦＸの分布とローレンツ力Ｆの分布の解析結果を示す側面図である。
図８乃び図９は、同様に、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０、６０′の磁束ＦＸの分布とローレンツ力Ｆの分布の解析結果の右半分を示す側面図で、図８はコイルを２分割とし、夫々コイル６４Ａ、コイル６４Ｂとした場合のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０、図９はコイルを４分割とし、夫々コイル６４Ａ、コイル６４Ｂ、コイル６４Ｃ、コイル６４Ｄとした場合のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０′である。
なお、図７乃至図９において、７０は誘導磁場の強度を増大すると共に、外部への磁束ＦＸの漏洩を防止するために取り付けた背面鉄心である。
【００１５】
図７に示すように、通常の誘導溶解炉５０では、ローレンツ力Ｆはコイル５４の中間部で高くなる山形の分布となっており、これは上述したように、図４に示す、２方向の流動パターンの原動力となっている。
従って、磁界解析シミュレーションにより、通常の誘導溶解炉５０における流動パターンが裏付けられている。
【００１６】
一方、図８、図９に示すように、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０、６０′では、２分割コイル６４Ａ、６４Ｂ、４分割コイル６４Ａ〜６４Ｄの場合双方で、従来より説明されていたものとは異なり、上（下）方向のローレンツ力Ｆは、その成分が半径Ｒ方向が大半を占め、Ｚ軸方向にはほとんど働いていないことが分かる。
即ち、高周波（５００Ｈｚ）の単一電源を用い、コイルを複数分割することにより上下方向の力を発生させて一定方向の流動パターンを作るという従来からの説明には誤りがあることが、この磁界解析シミュレーション結果から分かる。
【００１７】
以下、従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉で説明されていた上下方向にローレンツ力が発生するということが誤りであることを図１０を用いて説明する。
図１０は、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０の右半分のみを示した側面図である。
図１０に示すように、コイル６４Ａ、６４Ｂに流す電流の周波数が大きいと、磁束Ｆは溶湯Ｙに発生する誘導電流Ｊｅによるダンピング効果のために、溶湯Ｙの内部深くにはほとんど発生せず、溶湯Ｙ表面に沿って多数分布する。
なお、同図においてＩはコイル６４Ａ、６４Ｂに流す位相差をπ／２としたときの交流電流であり、電流の向きはある時点での瞬間的な方向を示している。
【００１８】
ここで、磁界浸透深さをδとすると、δは次の（１）式で与えられる。
なお、ρは溶湯Ｙの抵抗率、μは溶湯Ｙの透磁率、ｆは高周波電流の周波数である。
式（１）に示すように、磁界浸透深さδは、周波数ｆの１／２乗に反比例することが分かる。
即ち、溶湯Ｙに発生するローレンツ力Ｆは、溶湯Ｙの中心軸方向に向かう分布となり、従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０で説明されていたように、溶湯Ｙの上下方向のローレンツ力Ｆは発生しないのが示される。
従って、従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０も、脱ガスモードにおいて、脱ガス効率の改善が不十分であるという問題を含んでいる。
【００１９】
本発明は、上記課題（問題点）を解決し、溶解時における溶解効率を低下させず、溶湯中の流動パターンを改善して脱ガス効率を改良することにより、溶解性能を向上させた誘導溶解炉及び誘導溶解方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘導溶解炉は、上記課題を解決するために、請求項１に記載のものでは、複数の誘導コイルと、この誘導コイルに交流電流を通電する交流電源と、被溶解金属を収容する坩堝とを備え、誘導電流により発生する熱で被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属から脱ガスを行うようにした誘導溶解炉において、
前記坩堝は単一の坩堝とし、
前記複数の誘導コイルは、前記坩堝の側周囲で上下方向に配列し、前記交流電源として、前記被溶解金属の溶解時に使用する高周波電源と、被溶解金属の脱ガス時に使用する単相交流の低周波電源とを用い、被溶解金属の溶解時は、上記複数の誘導コイルを上記高周波電源に直列に接続し、被溶解金属の脱ガス時には、上記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルのみを接続すると共に、他の誘導コイルを短絡することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じる構成とした。
このように構成すると、溶解時には高周波電源を用いることにより溶解効率の低下を防止でき、また、脱ガス時では低周波電源を用いることにより溶湯中の流動パターンが改善されて脱ガス効率が改良され、溶解性能を向上させた誘導溶解炉とすることができる。さらに、脱ガス時に上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じることにより、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるため、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
【００２１】
請求項２に記載の誘導溶解炉は、複数の誘導コイルと、この誘導コイルに交流電流を通電する交流電源と、被溶解金属を収容する坩堝とを備え、誘導電流により発生する熱で被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属から脱ガスを行うようにした誘導溶解炉において、前記坩堝は単一の坩堝とし、前記複数の誘導コイルは、前記坩堝の側周囲で上下方向に配列し、前記交流電源として、前記被溶解金属の溶解時に使用する高周波電源と、被溶解金属の脱ガス時に使用する単相交流の低周波電源とを用い、被溶解金属の溶解時は、上記複数の誘導コイルを上記高周波電源に直列に接続し、被溶解金属の脱ガス時には、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルを接続すると共に、他の誘導コイルには所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じる回路構成とした。
このように構成すると、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるので、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
【００２２】
請求項３に記載の誘導溶解方法は、請求項１に記載の誘導溶解炉において、
被溶解金属の溶解時は、上記複数の誘導コイル及び上記高周波電源を直列に接続して被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属の脱ガス時は、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルのみを接続すると共に、他の誘導コイルを短絡することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにした。
このようにすると、溶解効率の低減を抑え、脱ガス効率を改善し、誘導溶解炉の溶解性能を向上させた誘導溶解方法とすることができる。また、脱ガス時に上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じることにより、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるため、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
【００２４】
請求項４に記載の誘導溶解方法では、請求項２に記載の誘導溶解炉において、被溶解金属の溶解時は上記複数の誘導コイル及び上記高周波電源を直列に接続して被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属の脱ガス時は、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルを接続すると共に、他の誘導コイルには、所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにした。
このようにすると、溶解効率の低減を抑え、脱ガス効率を改善し、誘導溶解炉の溶解性能を向上させた誘導溶解方法とすることができる。また、脱ガス時に上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じることにより、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるため、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の誘導溶解炉の一実施の形態を図１乃至図３を用い、図５を参照して説明する。
図１は、本実施の形態の誘導溶解炉１０の概略構成及び作動原理を示す、右半分を示した側面図、図２及び図３は、本実施の形態の誘導溶解炉１０の磁場解析結果の右半分を示す側面図で、図２はコイルを２分割とし、夫々コイル１６Ａ、コイル１６Ｂとした場合の誘導溶解炉１０、図３はコイルを４分割とし、夫々コイル１６Ａ、コイル１６Ｂ、コイル１６Ｃ、コイル１６Ｄとした場合の誘導溶解炉１０′である。
【００２６】
図１に示すように、本発明の誘導溶解炉１０の主要構成は、高周波電源１２、低周波電源１４と、高周波電源１２及び低周波電源１４により交流電流が通電される２つのコイル１６Ａ、１６Ｂ、被溶融金属を収容しておく坩堝１８である。
なお、図１において、Ｙは溶解された金属の溶湯、Ｓ１、Ｓ２は、溶湯Ｙを加熱する加熱回路２０のスイッチで、ａ、ｂは加熱回路２０の端子である。
また、同図においてＩはコイル１６Ａ、１６Ｂに流す位相差をπ／２としたときの交流電流であり、電流の向きはある時点での瞬間的な方向を示している。
【００２７】
以上の構成で、本発明の誘導溶解炉１０を用いて、被溶解金属を溶解する方法について図１を用い、図５を参照して説明する。
先ず、図５に示す溶解モード区間（区間：０→ｔ１）では、図１に示すようにスイッチＳ２を開放し、スイッチＳ１を端子ａ側に投入することにより、コイル１６Ａ及びコイル１６Ｂを直列に接続し、この２つのコイル１６Ａ、１６Ｂを高周波電源（例えば５００Ｈｚ）１２に接続することにより、コイル１６Ａ、１６Ｂに高周波電流を供給する。
【００２８】
このとき、図５に示すように、コイル１６Ａ、１６Ｂには大電力が供給されるために、誘導溶解炉１０の温度は経過時間に比例する形で上昇して行く。
これは上述した従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の溶解時と同様であり、従って、高周波電流により被溶解金属を溶解することにより、従来の誘導溶解炉が備えている溶解効率を維持できる。
【００２９】
一方、図５に示す脱ガスモード区間（区間：ｔ１→ｔ２）では、スイッチＳ１をｂ側に切り替え、スイッチＳ２を閉じ、コイル１６Ａは共に低周波電源１４に接続する。
このとき、例えば低周波電源１４の周波数を５０Ｈｚとすると、式（１）に示したように、磁界の浸透深さδは周波数の１／２乗に反比例するために、従来の誘導溶解炉のときのように５００Ｈｚの高周波電源を用いていたのに比べて、約３．３倍の値になり、低周波電源１４で発生する磁界は溶湯深くまで浸透し、図２（或いは、コイルを４分割しコイル１６Ａ〜１６Ｄとした場合は図３）に示すように磁束ＦＸは溶湯Ｙの中心軸方向まで広く分布するようになる。
また、スイッチＳ２を閉ざすことにより、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉と同様に、コイル１６Ｂには、コイル１６Ａとの位相差が最大でπ／２の交流電流が流れるようになる。
【００３０】
このため、ローレンツ力Ｆは上述したように、誘導電流Ｊｅと磁束Ｂとのベクトル積（外積）で与えられるために、溶湯Ｙの中心軸方向に至るまで広い範囲でローレンツ力Ｆが発生し、その向きも図２及び図３に示すようにＺ軸方向の成分が増加する。
また、コイル１６Ａとコイル１６Ｂには最大で位相差がπ／２の交流電流が流れることにより、溶湯Ｙ中には底部から上面にかけて進行磁界が発生する。
その結果、溶湯内には溶融金属を溶湯表面に押しやる一方向の流れとなり、この結果、溶湯Ｙ底部の溶融金属が溶湯Ｙの表面に浮揚しやすくなり、脱ガス効率が改善し、誘導溶解炉１０の溶解性能を向上させることが可能となる。
【００３１】
更に、低周波電源の周波数を単相の５０Ｈｚ又は６０Ｈｚとするようにすると、工場や製鉄所等においては、商業電力をそのまま使用できるようになるので、誘導溶解炉１０の構成が簡単で、製造コストを大幅に低減することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の誘導溶解炉は、上述のように構成したために以下のような優れた効果を有する。
（１） 請求項１に記載したように、交流電源として、被溶解金属の溶解時に使用する高周波電源と、被溶解金属の脱ガス時に使用する低周波電源とを用いるようにすると、溶解時には高周波電源を用いることにより溶解効率の低下を防止でき、また、脱ガス時では上記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルのみを接続すると共に、他の誘導コイルを短絡することにより、
上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにしたので、溶湯中の流動パターンが改善されて脱ガス効率が改良され、溶解性能を向上させた誘導溶解炉とすることができる。
この場合、上記の複数の誘導コイルは、坩堝の側周囲で上下方向に配置するようにしたので、移動磁界が発生した際に、坩堝の底部にある溶湯が坩堝の上部に、また、坩堝上部の溶湯が坩堝の底部へと適正に攪拌されることで、溶解効率は向上する。
【００３４】
（２） 請求項２に記載したように、低周波電源は単相交流電源であり、誘導溶解炉の加熱回路は、この単相交流電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルを接続すると共に、他の誘導コイルには所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じ、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるので、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
この場合も、上記の複数の誘導コイルは、坩堝の側周囲で上下方向に配置するようにしたので、移動磁界が発生した際に、坩堝の底部にある溶湯が坩堝の上部に、また、坩堝上部の溶湯が坩堝の底部へと適正に攪拌されることで、溶解効率は向上する。
【００３７】
また、本発明の誘導溶解方法は、上述のように構成したために以下のような優れた効果を有する。
（３）請求項３に記載したように、被溶解金属の溶解時は複数の誘導コイル及び高周波電源を直列に接続して被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属の脱ガス時は、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルのみを接続すると共に、他の誘導コイルを短絡することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにすると、溶解効率の低減を抑え、脱ガス効率を改善し、誘導溶解炉の溶解性能を向上させた誘導溶解方法とすることができる。また、脱ガス時に上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じることにより、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるため、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
（４）請求項４に記載したように、被溶解金属の溶解時は複数の誘導コイル及び高周波電源を直列に接続して被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属の脱ガス時は、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルを接続すると共に、他の誘導コイルには所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにすると、溶解効率の低減を抑え、脱ガス効率を改善し、誘導溶解炉の溶解性能を向上させた誘導溶解方法とすることができる。また、脱ガス時に上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じることにより、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるため、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の誘導溶解炉の概略構成及び作動原理を説明するため、右半分を示した側面図である。
【図２】 コイルを２分割とした場合の、本発明の誘導溶解炉の磁場解析結の右半分を示した側面図である。
【図３】 コイルを４分割とした場合の、本発明の誘導溶解炉の磁場解析結果の右半分を示した側面図である。
【図４】 従来の通常の誘導溶解炉の概略構成を示す概念図である。
【図５】 従来の誘導溶解炉の温度及び供給電力と、経過時間との関係を示す特性図である。
【図６】 従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の概略構成を示す概念図である。
【図７】 従来の誘導溶解炉の磁場解析結果を示す右半分を示した側面図である。
【図８】 コイルを２分割とした場合の、従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の磁場解析結果の右半分を示した側面図である。
【図９】 コイルを４分割とした場合の、従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の磁場解析結果の右半分を示した側面図である。
【図１０】 Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の右半分を示した側面図である。
【符号の説明】
１０、１０′：誘導溶解炉
１２：高周波電源
１４：低周波電源
１６Ａ〜１６Ｄ：コイル
１８：坩堝
２０：加熱回路
Ｙ：溶湯
Ｊｅ：電流
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイルに高周波電流を通電させて被溶解金属に誘導電流を発生させ、ジュール熱により炉内の金属を溶解するようにした誘導溶解炉及び誘導溶解方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の誘導溶解炉には、通常の誘導溶解炉と、この通常の誘導溶解炉を改良したＵ．Ｄ．Ｓ（UNI-DIRECTIONAL-STIRRING)システムによる誘導溶解炉（以下、「Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉」という。）が実用に供されている。
この通常の誘導溶解炉とＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉について、以下、順次説明を行う。
【０００３】
先ず、通常の誘導溶解炉について、図４及び図５を用いて説明する。
図４は、通常の誘導溶解炉５０の概略構成を示す概念図、図５は、誘導溶解炉５０の温度及び供給電力と、経過時間との関係を示す特性図である。
図４に示すように、通常の誘導溶解炉５０の主要構成は、高周波電源５２、高周波電源５２により高周波電流が通電される単一のコイル５４、被溶融金属を収容しておく坩堝５６である。
なお、図４において、Ｙは溶解された金属の溶湯、Ｓは、溶湯Ｙを高周波電源５２で加熱する加熱回路５８のスイッチである。
また、同図では垂直方向をＺ軸、半径方向をＲ軸とする円柱座標を用いているが、以降の説明で用いる座標系は、同様に総て円柱座標とする。
【０００４】
以上の構成で、通常の誘導溶解炉５０の基本動作を図４を用い、図５を参照して説明する。
コイル５４に、高周波電源５２により単相の高周波電流を流すと、坩堝５６中の被溶解金属に誘導電流が発生し、このジュール熱により被溶解金属が溶解し、溶湯Ｙとなる。総ての被溶解金属を溶解した後は、溶湯Ｙから発生するガスを脱ガスするための脱ガスモードに切り替わる。
なお、この際、コイル５４に通電するための高周波電源としては、被溶解金属の溶解効率を上げるために、通常は５００Ｈｚ以上の周波数のものが用いられる。
【０００５】
また、図５に示すように、時間０→ｔ１の被溶融金属の溶解モードでは、大電力をコイル５４に供給するので、誘導溶解炉５０の溶解温度は、経過時間にほぼ比例して上昇する。
一方、被溶解金属の溶融が終了する時間ｔ１以降の時間ｔ１→ｔ２の脱ガスモードでは、溶解温度を一定に保つために電力を制御して溶解温度を調節し、被溶解金属から発生するガスの脱ガスを行う。
なお、脱ガスモードにおいては、溶湯Ｙの余分な温度上昇は、冶金的な見地及び炉材に与える悪影響の点から好ましくないので、スイッチＳをオンオフすることによりスポット的に電力を供給し、溶湯Ｙの温度をほぼ一定に保つようにしている。
【０００６】
ところで、溶湯Ｙに発生する誘導電流をＪｅとし、溶湯Ｙ中に発生する磁界をＢとすると、溶湯Ｙには、誘導電流Ｊｅと磁界Ｂによるローレンツ力Ｆ＝Ｊｅ×Ｂが働く。
このローレンツ力Ｆは、図４に矢印で示すように、誘導溶解炉５０の中心軸方向に向かう力であり、その大きさは、コイル５４の両端で最小値、コイル５４の中間位置で最大値となる山形の分布となる。
そのために、溶湯Ｙの流動パターンは、図４の破線矢印で示すように、コイル５４の中間位置において、坩堝５６の周縁部から坩堝５６の中心軸に向かう流れが発生し、坩堝５６の中心軸では溶湯Ｙの流れは坩堝５６の上部に向かうものと、坩堝５６の下部に向かうものと２つの方向に分流する。
【０００７】
一方、通常の誘導溶解炉５０では、溶解の際に発生するガスの脱ガスは、溶湯Ｙの上面でのみ行われるために、溶湯Ｙの流れが坩堝５６の中心軸（Ｚ軸）近辺でこのように２方向に分かれると溶湯Ｙの撹拌効率が悪く、下層部の被溶融金属が坩堝５６の上面に出るには長時間を要し、その結果、誘導溶解炉５０の溶解性能を阻害しているという問題があった。
【０００８】
この通常の誘導溶解炉の有する問題を解決するために開発されたＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉について、図６を用い、図５を参照して説明する。
図６は、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０の概略構成を示す側面図である。
【０００９】
図６に示すように、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０の主要構成は、高周波電源６２、高周波電源６２により高周波電流が通電される２つのコイル６４Ａ、６４Ｂ、被溶融金属を収容しておく坩堝６６である。
なお、図６において、Ｙは溶解された金属の溶湯、Ｓ３、Ｓ４は、溶湯Ｙを高周波電源６２で加熱する加熱回路６８のスイッチである。
なお、図６に示すように、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０の特徴は、上述した通常の誘導溶解炉５０とは異なりコイルを複数（図示のものでは２つ）に分割している点である。
【００１０】
以上の構成で、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０の基本動作を図６を用い、図５を参照して説明する。
先ず、図５に示す溶解モード区間（区間：０→ｔ１）では、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０により被溶解金属を溶解する場合は、図６に示すスイッチＳ３を閉じ、スイッチＳ４を開いたままとすることにより、コイル６４Ａとコイル６４Ｂを直列に接続し、上述した通常の誘導溶解炉５０と同様に、高周波電源６２により単相の高周波電流を流し、２分割したコイル６４Ａ、６４Ｂを中心に磁場を誘導し、坩堝６６中の被溶解金属に誘導電流を発生させて、このジュール熱により被溶解金属が溶解し、溶湯Ｙとする。
【００１１】
次に、図５に示す脱ガスモード区間（区間：ｔ１→ｔ２）では、スイッチＳ３を閉じたままスイッチＳ４を閉じ、コイル６４Ｂを短絡する。
すると、コイル６４Ｂでは、コイル６４Ａの作る磁界により電圧が誘起され、コイル６４Ａに流れる交流電流よりもほぼπ／２の位相遅れの交流電流が流れる。
このように、コイル６４Ｂには、コイル６４Ａよりもπ／２だけ位相が遅れた電流が発生するために、溶湯Ｙ中には進行磁界が生じ、図６に示すように溶湯Ｙに上向き又は下向きのローレンツ力を発生させる。
【００１２】
このようにして、溶湯Ｙには、図６の破線に示すように、溶湯Ｙの周縁部では概ね上方に進行し、坩堝６６の中心軸（Ｚ軸）近辺では下向きに進行する流動パターンが生じる。
これにより、坩堝６６底部近辺の溶解金属も溶湯Ｙの上面に出やすく撹拌効率が良くなり、脱ガス機能が高まることにより、溶解炉の溶解機能が著しく向上する。
即ち、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０は、単一電源で、複数コイル６４Ａ、６４Ｂに所定の位相差の交流電流を流して進行磁界を生成し、一方向流動パターンを作ることを特徴としている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、通常の誘導溶解炉、及び、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の脱ガスモードにおいて、磁界解析シミュレーションを行った結果の磁束分布とローレンツ力分布を図７乃至図９に示す。
なお、この解析は、高周波電流の位相速度をω、時間をｔとした場合、ωｔ＝０、電流値を一定、周波数を５００Ｈｚとした条件で行っている。
【００１４】
図７は、上記条件における通常の誘導溶解炉５０の磁束ＦＸの分布とローレンツ力Ｆの分布の解析結果を示す側面図である。
図８乃び図９は、同様に、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０、６０′の磁束ＦＸの分布とローレンツ力Ｆの分布の解析結果の右半分を示す側面図で、図８はコイルを２分割とし、夫々コイル６４Ａ、コイル６４Ｂとした場合のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０、図９はコイルを４分割とし、夫々コイル６４Ａ、コイル６４Ｂ、コイル６４Ｃ、コイル６４Ｄとした場合のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０′である。
なお、図７乃至図９において、７０は誘導磁場の強度を増大すると共に、外部への磁束ＦＸの漏洩を防止するために取り付けた背面鉄心である。
【００１５】
図７に示すように、通常の誘導溶解炉５０では、ローレンツ力Ｆはコイル５４の中間部で高くなる山形の分布となっており、これは上述したように、図４に示す、２方向の流動パターンの原動力となっている。
従って、磁界解析シミュレーションにより、通常の誘導溶解炉５０における流動パターンが裏付けられている。
【００１６】
一方、図８、図９に示すように、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０、６０′では、２分割コイル６４Ａ、６４Ｂ、４分割コイル６４Ａ〜６４Ｄの場合双方で、従来より説明されていたものとは異なり、上（下）方向のローレンツ力Ｆは、その成分が半径Ｒ方向が大半を占め、Ｚ軸方向にはほとんど働いていないことが分かる。
即ち、高周波（５００Ｈｚ）の単一電源を用い、コイルを複数分割することにより上下方向の力を発生させて一定方向の流動パターンを作るという従来からの説明には誤りがあることが、この磁界解析シミュレーション結果から分かる。
【００１７】
以下、従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉で説明されていた上下方向にローレンツ力が発生するということが誤りであることを図１０を用いて説明する。
図１０は、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０の右半分のみを示した側面図である。
図１０に示すように、コイル６４Ａ、６４Ｂに流す電流の周波数が大きいと、磁束Ｆは溶湯Ｙに発生する誘導電流Ｊｅによるダンピング効果のために、溶湯Ｙの内部深くにはほとんど発生せず、溶湯Ｙ表面に沿って多数分布する。
なお、同図においてＩはコイル６４Ａ、６４Ｂに流す位相差をπ／２としたときの交流電流であり、電流の向きはある時点での瞬間的な方向を示している。
【００１８】
ここで、磁界浸透深さをδとすると、δは次の（１）式で与えられる。
式（１）に示すように、磁界浸透深さδは、周波数ｆの１／２乗に反比例することが分かる。
即ち、溶湯Ｙに発生するローレンツ力Ｆは、溶湯Ｙの中心軸方向に向かう分布となり、従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０で説明されていたように、溶湯Ｙの上下方向のローレンツ力Ｆは発生しないのが示される。
従って、従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉６０も、脱ガスモードにおいて、脱ガス効率の改善が不十分であるという問題を含んでいる。
【００１９】
本発明は、上記課題（問題点）を解決し、溶解時における溶解効率を低下させず、溶湯中の流動パターンを改善して脱ガス効率を改良することにより、溶解性能を向上させた誘導溶解炉及び誘導溶解方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘導溶解炉は、上記課題を解決するために、請求項１に記載のものでは、複数の誘導コイルと、この誘導コイルに交流電流を通電する交流電源と、被溶解金属を収容する坩堝とを備え、誘導電流により発生する熱で被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属から脱ガスを行うようにした誘導溶解炉において、
前記坩堝は単一の坩堝とし、
前記複数の誘導コイルは、前記坩堝の側周囲で上下方向に配列し、前記交流電源として、前記被溶解金属の溶解時に使用する高周波電源と、被溶解金属の脱ガス時に使用する単相交流の低周波電源とを用い、被溶解金属の溶解時は、上記複数の誘導コイルを上記高周波電源に直列に接続し、被溶解金属の脱ガス時には、上記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルのみを接続すると共に、他の誘導コイルを短絡することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じる構成とした。
このように構成すると、溶解時には高周波電源を用いることにより溶解効率の低下を防止でき、また、脱ガス時では低周波電源を用いることにより溶湯中の流動パターンが改善されて脱ガス効率が改良され、溶解性能を向上させた誘導溶解炉とすることができる。さらに、脱ガス時に上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じることにより、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるため、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
【００２１】
請求項２に記載の誘導溶解炉は、複数の誘導コイルと、この誘導コイルに交流電流を通電する交流電源と、被溶解金属を収容する坩堝とを備え、誘導電流により発生する熱で被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属から脱ガスを行うようにした誘導溶解炉において、前記坩堝は単一の坩堝とし、前記複数の誘導コイルは、前記坩堝の側周囲で上下方向に配列し、前記交流電源として、前記被溶解金属の溶解時に使用する高周波電源と、被溶解金属の脱ガス時に使用する単相交流の低周波電源とを用い、被溶解金属の溶解時は、上記複数の誘導コイルを上記高周波電源に直列に接続し、被溶解金属の脱ガス時には、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルを接続すると共に、他の誘導コイルには所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じる回路構成とした。
このように構成すると、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるので、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
【００２２】
請求項３に記載の誘導溶解方法は、請求項１に記載の誘導溶解炉において、
被溶解金属の溶解時は、上記複数の誘導コイル及び上記高周波電源を直列に接続して被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属の脱ガス時は、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルのみを接続すると共に、他の誘導コイルを短絡することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにした。
このようにすると、溶解効率の低減を抑え、脱ガス効率を改善し、誘導溶解炉の溶解性能を向上させた誘導溶解方法とすることができる。また、脱ガス時に上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じることにより、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるため、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
【００２４】
請求項４に記載の誘導溶解方法では、請求項２に記載の誘導溶解炉において、被溶解金属の溶解時は上記複数の誘導コイル及び上記高周波電源を直列に接続して被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属の脱ガス時は、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルを接続すると共に、他の誘導コイルには、所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにした。
このようにすると、溶解効率の低減を抑え、脱ガス効率を改善し、誘導溶解炉の溶解性能を向上させた誘導溶解方法とすることができる。また、脱ガス時に上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じることにより、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるため、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の誘導溶解炉の一実施の形態を図１乃至図３を用い、図５を参照して説明する。
図１は、本実施の形態の誘導溶解炉１０の概略構成及び作動原理を示す、右半分を示した側面図、図２及び図３は、本実施の形態の誘導溶解炉１０の磁場解析結果の右半分を示す側面図で、図２はコイルを２分割とし、夫々コイル１６Ａ、コイル１６Ｂとした場合の誘導溶解炉１０、図３はコイルを４分割とし、夫々コイル１６Ａ、コイル１６Ｂ、コイル１６Ｃ、コイル１６Ｄとした場合の誘導溶解炉１０′である。
【００２６】
図１に示すように、本発明の誘導溶解炉１０の主要構成は、高周波電源１２、低周波電源１４と、高周波電源１２及び低周波電源１４により交流電流が通電される２つのコイル１６Ａ、１６Ｂ、被溶融金属を収容しておく坩堝１８である。
なお、図１において、Ｙは溶解された金属の溶湯、Ｓ１、Ｓ２は、溶湯Ｙを加熱する加熱回路２０のスイッチで、ａ、ｂは加熱回路２０の端子である。
また、同図においてＩはコイル１６Ａ、１６Ｂに流す位相差をπ／２としたときの交流電流であり、電流の向きはある時点での瞬間的な方向を示している。
【００２７】
以上の構成で、本発明の誘導溶解炉１０を用いて、被溶解金属を溶解する方法について図１を用い、図５を参照して説明する。
先ず、図５に示す溶解モード区間（区間：０→ｔ１）では、図１に示すようにスイッチＳ２を開放し、スイッチＳ１を端子ａ側に投入することにより、コイル１６Ａ及びコイル１６Ｂを直列に接続し、この２つのコイル１６Ａ、１６Ｂを高周波電源（例えば５００Ｈｚ）１２に接続することにより、コイル１６Ａ、１６Ｂに高周波電流を供給する。
【００２８】
このとき、図５に示すように、コイル１６Ａ、１６Ｂには大電力が供給されるために、誘導溶解炉１０の温度は経過時間に比例する形で上昇して行く。
これは上述した従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の溶解時と同様であり、従って、高周波電流により被溶解金属を溶解することにより、従来の誘導溶解炉が備えている溶解効率を維持できる。
【００２９】
一方、図５に示す脱ガスモード区間（区間：ｔ１→ｔ２）では、スイッチＳ１をｂ側に切り替え、スイッチＳ２を閉じ、コイル１６Ａは共に低周波電源１４に接続する。
このとき、例えば低周波電源１４の周波数を５０Ｈｚとすると、式（１）に示したように、磁界の浸透深さδは周波数の１／２乗に反比例するために、従来の誘導溶解炉のときのように５００Ｈｚの高周波電源を用いていたのに比べて、約３．３倍の値になり、低周波電源１４で発生する磁界は溶湯深くまで浸透し、図２（或いは、コイルを４分割しコイル１６Ａ〜１６Ｄとした場合は図３）に示すように磁束ＦＸは溶湯Ｙの中心軸方向まで広く分布するようになる。
また、スイッチＳ２を閉ざすことにより、Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉と同様に、コイル１６Ｂには、コイル１６Ａとの位相差が最大でπ／２の交流電流が流れるようになる。
【００３０】
このため、ローレンツ力Ｆは上述したように、誘導電流Ｊｅと磁束Ｂとのベクトル積（外積）で与えられるために、溶湯Ｙの中心軸方向に至るまで広い範囲でローレンツ力Ｆが発生し、その向きも図２及び図３に示すようにＺ軸方向の成分が増加する。
また、コイル１６Ａとコイル１６Ｂには最大で位相差がπ／２の交流電流が流れることにより、溶湯Ｙ中には底部から上面にかけて進行磁界が発生する。
その結果、溶湯内には溶融金属を溶湯表面に押しやる一方向の流れとなり、この結果、溶湯Ｙ底部の溶融金属が溶湯Ｙの表面に浮揚しやすくなり、脱ガス効率が改善し、誘導溶解炉１０の溶解性能を向上させることが可能となる。
【００３１】
更に、低周波電源の周波数を単相の５０Ｈｚ又は６０Ｈｚとするようにすると、工場や製鉄所等においては、商業電力をそのまま使用できるようになるので、誘導溶解炉１０の構成が簡単で、製造コストを大幅に低減することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の誘導溶解炉は、上述のように構成したために以下のような優れた効果を有する。
（１） 請求項１に記載したように、交流電源として、被溶解金属の溶解時に使用する高周波電源と、被溶解金属の脱ガス時に使用する低周波電源とを用いるようにすると、溶解時には高周波電源を用いることにより溶解効率の低下を防止でき、また、脱ガス時では上記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルのみを接続すると共に、他の誘導コイルを短絡することにより、
上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにしたので、溶湯中の流動パターンが改善されて脱ガス効率が改良され、溶解性能を向上させた誘導溶解炉とすることができる。
この場合、上記の複数の誘導コイルは、坩堝の側周囲で上下方向に配置するようにしたので、移動磁界が発生した際に、坩堝の底部にある溶湯が坩堝の上部に、また、坩堝上部の溶湯が坩堝の底部へと適正に攪拌されることで、溶解効率は向上する。
【００３４】
（２） 請求項２に記載したように、低周波電源は単相交流電源であり、誘導溶解炉の加熱回路は、この単相交流電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルを接続すると共に、他の誘導コイルには所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じ、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるので、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
この場合も、上記の複数の誘導コイルは、坩堝の側周囲で上下方向に配置するようにしたので、移動磁界が発生した際に、坩堝の底部にある溶湯が坩堝の上部に、また、坩堝上部の溶湯が坩堝の底部へと適正に攪拌されることで、溶解効率は向上する。
【００３７】
また、本発明の誘導溶解方法は、上述のように構成したために以下のような優れた効果を有する。
（３）請求項３に記載したように、被溶解金属の溶解時は複数の誘導コイル及び高周波電源を直列に接続して被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属の脱ガス時は、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルのみを接続すると共に、他の誘導コイルを短絡することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにすると、溶解効率の低減を抑え、脱ガス効率を改善し、誘導溶解炉の溶解性能を向上させた誘導溶解方法とすることができる。また、脱ガス時に上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じることにより、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるため、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
（４）請求項４に記載したように、被溶解金属の溶解時は複数の誘導コイル及び高周波電源を直列に接続して被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属の脱ガス時は、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルを接続すると共に、他の誘導コイルには所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにすると、溶解効率の低減を抑え、脱ガス効率を改善し、誘導溶解炉の溶解性能を向上させた誘導溶解方法とすることができる。また、脱ガス時に上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じることにより、溶湯中において、一方向流動パターンが生成されるため、脱ガス効率が改善され、溶解性能が一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の誘導溶解炉の概略構成及び作動原理を説明するため、右半分を示した側面図である。
【図２】 コイルを２分割とした場合の、本発明の誘導溶解炉の磁場解析結の右半分を示した側面図である。
【図３】 コイルを４分割とした場合の、本発明の誘導溶解炉の磁場解析結果の右半分を示した側面図である。
【図４】 従来の通常の誘導溶解炉の概略構成を示す概念図である。
【図５】 従来の誘導溶解炉の温度及び供給電力と、経過時間との関係を示す特性図である。
【図６】 従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の概略構成を示す概念図である。
【図７】 従来の誘導溶解炉の磁場解析結果を示す右半分を示した側面図である。
【図８】 コイルを２分割とした場合の、従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の磁場解析結果の右半分を示した側面図である。
【図９】 コイルを４分割とした場合の、従来のＵ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の磁場解析結果の右半分を示した側面図である。
【図１０】 Ｕ．Ｄ．Ｓ．システム誘導溶解炉の右半分を示した側面図である。
【符号の説明】
１０、１０′：誘導溶解炉
１２：高周波電源
１４：低周波電源
１６Ａ〜１６Ｄ：コイル
１８：坩堝
２０：加熱回路
Ｙ：溶湯
Ｊｅ：電流
Claims (4)
- 複数の誘導コイルと、この誘導コイルに交流電流を通電する交流電源と、被溶解金属を収容する坩堝とを備え、誘導電流により発生する熱で被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属から脱ガスを行うようにした誘導溶解炉において、
前記坩堝は単一の坩堝とし、
前記複数の誘導コイルは、前記坩堝の側周囲で上下方向に配列し、
前記交流電源として、前記被溶解金属の溶解時に使用する高周波電源と、被溶解金属の脱ガス時に使用する単相交流の低周波電源とを用い、
被溶解金属の溶解時は、上記複数の誘導コイルを上記高周波電源に直列に接続し、
被溶解金属の脱ガス時には、上記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルのみを接続すると共に、他の誘導コイルを短絡することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにしたことを特徴とする誘導溶解炉。 - 複数の誘導コイルと、この誘導コイルに交流電流を通電する交流電源と、被溶解金属を収容する坩堝とを備え、誘導電流により発生する熱で被溶解金属を溶解し、溶解した被溶解金属から脱ガスを行うようにした誘導溶解炉において、
前記坩堝は単一の坩堝とし、
前記複数の誘導コイルは、前記坩堝の側周囲で上下方向に配列し、
前記交流電源として、前記被溶解金属の溶解時に使用する高周波電源と、被溶解金属の脱ガス時に使用する単相交流の低周波電源とを用い、
被溶解金属の溶解時は、上記複数の誘導コイルを上記高周波電源に直列に接続し、
被溶解金属の脱ガス時には、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルを接続すると共に、他の誘導コイルには所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差が生じるようにしたことを特徴とする誘導溶解炉。 - 請求項１に記載の誘導溶解炉において、
被溶解金属の溶解時は、上記複数の誘導コイル及び上記高周波電源を直列に接続して被溶解金属を溶解し、
溶解した被溶解金属の脱ガス時は、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルのみを接続すると共に、他の誘導コイルを短絡することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差を生じるようにしたことを特徴とする誘導溶解方法。 - 請求項２に記載の誘導溶解炉において、
被溶解金属の溶解時は、上記複数の誘導コイル及び上記高周波電源を直列に接続して被溶解金属を溶解し、
溶解した被溶解金属の脱ガス時は、前記低周波電源に上記複数の誘導コイルの内の一部の誘導コイルを接続すると共に、他の誘導コイルには所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、上記一部の誘導コイルと上記他の誘導コイルとの夫々に流れる交流電流の間に所定の位相差を生じるようにしたことを特徴とする誘導溶解方法。
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1999
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