JPH11745A - 金属の連続溶解鋳造装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】表面欠陥のない鋳片を製造するとともに、金属
の溶解効率を増大させることができる金属の連続溶解鋳
造装置および方法を提供する。 【解決手段】（１）側壁部にるつぼ軸方向に形成された
スリット４を備え、連続的に供給される金属２を溶解す
る溶解帯と溶解した金属を凝固させる冷却帯とからなる
水冷式の銅製るつぼ１と、溶解帯の外周部に金属を電磁
誘導作用によって溶解する通電用コイル５を有する金属
の連続溶解鋳造装置において、るつぼ内の溶融金属がる
つぼと接する近傍であってスリットが存在する位置に近
接してるつぼ軸方向に配設された磁束密度測定用コイル
８を有する連続溶解鋳造装置。 （２）この連続溶解鋳造装置を用い、原料である金属を
るつぼ内で溶解する際に、磁束密度測定用コイルの磁束
密度をあらかじめ定めてある値に制御してるつぼ内の湯
面位置を調整する方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却式るつぼを使
用して金属を誘導加熱し、表面欠陥の存在しない鋳片を
製造する金属の連続溶解鋳造装置、およびその装置を用
いて行う連続溶解鋳造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属を冷却式るつぼを用いて誘導加熱に
より溶解し、かつ連続的に鋳造を行う方法として、“コ
ールドクルーシブル”と称される方法がある。この方法
は、チタン、ジルコニウム、ハフニウムあるいはこれら
の金属の合金など、高融点で反応性に富む金属を溶解
し、鋳片（インゴット）を製造する場合などに使用され
る。

【０００３】この方法に使用される装置は、スリットが
縦方向に設けられた水冷式の銅製るつぼの外周に高周波
電流を通じるためのコイル（以下、「通電用コイル」、
または単に「コイル」という）を配することにより構成
されている。

【０００４】この装置を用いて鋳片を製造するには、ま
ず、原料である金属を固体状態または溶解して溶融状態
でるつぼの上部から投入する。次いで、コイルに高周波
電流を通じると、投入された原料はるつぼ内で誘導加熱
により溶解しまたは更に加熱されて、溶湯部を形成す
る。溶湯部をるつぼの底部から引き抜くため徐々に下方
へ移動させると、溶湯部は水冷されているるつぼによっ
て冷却され、凝固する。凝固した鋳片はるつぼの底部か
ら下方に連続的に引き出される。

【０００５】この方法は、金属を連続的に溶解および鋳
造することが可能であり、消耗式電極による溶解方法に
比べて電極の製造コストが不要であることから、チタン
などの製品を安価にかつ大量に製造するのに適してい
る。さらに、誘導加熱により溶融された溶湯部はるつぼ
の中心方向に働く電磁気力によりるつぼと非接触状態で
保持されるので、るつぼからの汚染がなく、反応性に富
む前記のような金属の溶解に適している。

【０００６】コールドクルーシブルを用いた誘導加熱に
よる金属の溶解では、溶湯と凝固した部分の界面の形状
（凝固界面形状または溶湯形状）が鋳片の表面性状、特
に引張り応力に起因する鋳片表面割れの発生に大きな影
響を与えることが知られている。すなわち、最適な凝固
界面形状または溶湯形状が存在する。一方、溶湯保持位
置（通電用コイルの位置に対するるつぼ内での溶融金属
の位置）は凝固界面形状に大きく影響する。したがっ
て、良好な表面性状を有する鋳片を製造する上で、最適
な溶湯保持位置が存在するということができる。

【０００７】また、誘導加熱による金属の加熱ならびに
溶解効率も溶湯保持位置により変化し、最適な溶湯保持
位置が存在する。このように、コールドクルーシブルを
用いた高周波誘導加熱においては、溶湯保持位置、換言
すれば、通電用コイルの位置に対する溶融金属の位置
（すなわち、湯面位置）の制御が重要となる。

【０００８】湯面位置を制御するには、湯面検知センサ
ーが必須である。湯面検知方法としては、従来、鋼の連
続鋳造で用いられている、鋳型内の湯面に高周波磁場を
印加し、湯面で生じた誘導磁場を検出用のコイルで検知
する渦流センサー方式が主流である。しかし、コールド
クルーシブルで使用する鋳造装置の場合、誘導加熱のた
めの大きな高周波電磁場が鋳型内に印加されるので、渦
流センサーには大きなノイズが発生する。そのため、渦
流センサー方式の使用は不可能である。

【０００９】そこで、コールドクルーシブルでは、従
来、溶融金属の湯面形状をるつぼの上方からビデオカメ
ラで監視する方法がとられていた。しかし、この方法で
は、湯面形状の検出は作業者のビデオによる監視に依存
することとなるため、原料の供給は手動とせざるを得
ず、自動化することは困難である。また、ビデオカメラ
による監視方法では正確な湯面位置の検出は不可能であ
る。

【００１０】一方、センサーを用いる方法としては、湯
面で反射したレーザーを検知するレーザー距離計を用い
て湯面までの距離を測定する方法がある。しかし、この
方法も、電磁気力により誘起される溶湯内の流動により
湯面形状が変動するため、誤差が大きくなる。同様なこ
とが超音波距離計にもいえる。

【００１１】他に、特開平７−１４６０７７号公報にお
いて、鋳型外周のスリット部に設置した磁束密度検出手
段で鋳型の半径方向の磁束密度を測定して溶鋼の湯面位
置を検知する方法が提案されている。この方法は、原理
的には可能であるが、鋳型の外からの検知であり、湯面
位置に対する磁束密度の変化率が小さく、精度の良い湯
面位置の検知は困難であることが推測される。また、幅
１ｍｍ以下のスリット部に設置できるサイズの検知コイ
ルを製作することが必要であり、コイルサイズの誤差に
よる精度の低下も考えられる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、冷却式るつ
ぼを用いて誘導加熱により金属を溶解する際の湯面位置
の制御における上記の問題を解決するためになされたも
ので、通電用コイルの位置に対するるつぼ内での溶融金
属の位置（湯面位置）を最適な位置に制御して、表面欠
陥のない鋳片を製造するとともに、金属の加熱ならびに
溶解効率を増大させることができる金属の連続溶解鋳造
装置およびこの装置を用いて行う連続溶解鋳造方法を提
供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、これま
で、るつぼ内の湯面と通電用コイルとの相対位置が凝固
界面（溶湯と凝固した部分の界面）の形状、溶湯保持形
状、鋳片表面割れの発生状況、溶解効率等に与える影響
を調査してきた。その結果、それらの間には最適な関係
が存在し、特に、湯面位置、その中でも溶湯保持上端位
置（誘導加熱により湯面に作用する電磁気力によって湯
面が盛り上げられたその最も高い部分の位置）が通電用
コイルの上端に近い場合に、鋳片表面割れが発生せず、
加熱および溶解効率が最大になることを確認した。

【００１４】本発明はこの知見に基づいてなされたもの
で、その要旨は、下記（１）の金属の連続溶解鋳造装置
および（２）のその装置を用いて行う金属の連続溶解鋳
造方法にある。

【００１５】（１）側壁部にるつぼ軸方向に形成された
スリットを備え、連続的に供給される金属を溶解する溶
解帯と溶解した金属を凝固させる冷却帯とからなる水冷
式の銅製るつぼと、溶解帯の外周部に金属を電磁誘導作
用によって溶解する通電用コイルを有する金属の連続溶
解鋳造装置において、るつぼ内の溶融金属がるつぼと接
する近傍であってスリットが存在する位置に近接してる
つぼ軸方向に配設された磁束密度測定用コイルを有する
ことを特徴とする金属の連続溶解鋳造装置。

【００１６】（２）上記（１）に記載の連続溶解鋳造装
置を用い、金属をるつぼ内に連続的に供給し、通電用コ
イルに高周波電流を通じることにより生じる電磁場中で
電磁誘導作用により前記金属を溶解させつつ、るつぼの
下方では凝固を進行させながら連続的に引き抜く金属の
連続溶解鋳造方法であって、前記溶解する際に、磁束密
度測定用コイルの磁束密度をあらかじめ定めてある値に
制御してるつぼ内の湯面位置を調整することを特徴とす
る金属の連続溶解鋳造方法。

【００１７】ここで、「連続的に供給される金属」と
は、固体金属に限らず、それを溶解して溶融状態とした
金属（溶融金属）であってもよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明（上記（１）およ
び（２）の発明）を図面を用いて詳細に説明する。

【００１９】図１は、上記（１）の発明の金属の連続溶
解鋳造装置（以下、「本発明の装置」ともいう）の一例
の構成を示す図で、（ａ）は要部の縦断面図、（ｂ）は
（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図である。

【００２０】図１に示すように、水冷式の銅製のるつぼ
（以下、単に「るつぼ」という）１の上部には、原料で
ある金属２の供給装置３が備え付けられ、この原料供給
装置３を介して金属２は連続的にるつぼ１内に供給され
る。このるつぼ１は、側壁部にるつぼ軸方向に形成され
たスリット４を備え、連続的にるつぼ１内に供給される
金属２を溶解する溶解帯と、その下方部にあって、溶解
した金属を凝固させる冷却帯とからなっている。溶解
帯、冷却帯のいずれも水冷されている。なお、スリット
４はるつぼの全周にわたって複数本（この例では、８本
（図１（ｂ）参照））設けられている。

【００２１】るつぼ１の外周部で、スリット４が設けら
れている溶解帯には高周波電流通電用のコイル５が巻か
れており、高周波電源（図示せず）に接続されている。
この通電用コイル５に高周波電流を流すことにより、ス
リット４の存在している部分を介してるつぼ内の金属２
に高周波電磁場が印加される。一般的には、通電される
高周波電流の周波数は誘導加熱の効果が得られる１ｋＨ
ｚから５００ｋＨｚまでである。これ以上の周波数にな
ると、コイル５の端子の電圧が高圧となり、さらに、る
つぼ１のスリット４間での電圧も高くなり、スパークが
発生する可能性があるからである。

【００２２】本発明の装置においては、さらに、るつぼ
１内の所定の位置に湯面位置を調節するための磁束密度
測定用コイル８が配置されている。

【００２３】この連続溶解鋳造装置は、雰囲気調整がで
きるガスの給排気系が備わったチャンバー７内に設置さ
れている。

【００２４】図２はるつぼ１の一部の斜視図である。図
示するように、るつぼ内壁のスリット４が存在する位置
に近接して、湯面位置を調節するための磁束密度測定用
コイル８が配置されている。この磁束密度測定用コイル
８は螺旋状に巻かれた形状を有しており、その軸方向が
るつぼ１の軸方向と平行になるように保持されている。

【００２５】磁束密度測定用コイル８の設置高さは、電
磁気力により盛り上げられたるつぼ内の溶融金属がるつ
ぼと接する部分の近傍とする。できるだけ近づけるのが
よいが、溶湯形状の変動により磁束密度測定用コイル８
が溶湯と接触したり、溶湯の輻射熱により高温にさらさ
れるのを避けるために、磁束密度測定用コイル８の先端
が溶湯部（湯面）から２０ｍｍ以上離れた位置にくるよ
うに設置するのが好ましい。なお、通常は、溶湯保持上
端位置が通電用コイルの上端と同じ位置になるように調
整するので、図１または後述する図３に示すように、磁
束密度測定用コイル８の先端を通電用コイルの上端に合
わせる。

【００２６】磁束密度測定用コイル８をスリット４が存
在する位置（以下、単に「スリット位置」という）に接
近させるのは、後述するように、スリット位置での磁束
密度はるつぼ内で最も大きいので、その位置に接近させ
るほど検知精度が向上するからである。また、磁束密度
測定用コイル８をるつぼ１の軸方向と平行になるように
配置するのは、るつぼ内の磁束はるつぼの軸方向成分が
主となるからである。

【００２７】なお、この磁束密度測定用のコイル８は高
温に保持される溶湯部にかなり近接して配置されるた
め、実際には、後述する図４に例示するように、耐火物
製の保護ボックスの中に収納された状態で使用される。

【００２８】本発明の装置は上記の構成を有しており、
この装置を用い、以下に述べる方法によってるつぼ内の
湯面位置を最適な位置に調整することにより、表面欠陥
のない鋳片を製造することができる。

【００２９】前記（２）の発明は、上記本発明の装置を
用いて行う金属の連続溶解鋳造方法（以下、「本発明方
法」ともいう）である。

【００３０】はじめに、磁束密度測定用コイルを、上述
したようにるつぼ１内の溶湯がるつぼ１と接する部分の
近傍で、スリット４位置に接近させて配することにより
湯面位置を検知できる原理を説明する。

【００３１】るつぼ内での溶湯の位置が変化すると、る
つぼおよび溶湯を含めた系のインダクタンスが変化する
ため、るつぼ内での電磁場の状態が変化し、るつぼ内で
の磁束密度の分布が変化する。また、一般に高い周波数
の電流により生じる電磁場は電気伝導性の高い金属の中
には浸透しにくいので、電磁気力により盛り上げられた
溶湯の湯面近傍では、その狭い領域に磁束密度が集中
し、磁束密度がるつぼ内で最も大きくなる。さらに、通
電用コイルに対する溶湯の湯面位置が変化すると電磁気
力の印加状態も変化するため、盛り上げられる溶湯の保
持形状、特にるつぼとの接触角が変化する。それによっ
てるつぼと溶湯の隙間が変化するため磁束密度の集中度
合いが変化し、るつぼの内壁部の磁束密度は大きく変化
することになる。

【００３２】この現象はスリットの存在部において顕著
であるため、スリット位置での磁束密度を測定すること
により、溶湯の位置の変化を検知することができる。ス
リット位置での磁束密度はるつぼ内で最も大きいので、
検知精度はかなり向上する。また、るつぼ内であるた
め、かなり大きめの検知コイルを設置することが可能で
ある。コイル径が大きい方が、より大きな磁束密度およ
び磁束密度の変化を検知できるので有利である。

【００３３】上記のように検知される磁束密度を、後述
するように、あらかじめ定めてある所定の値に制御する
ことにより、溶融金属の湯面を所定の位置に調整するこ
とができる。その結果、表面欠陥のない鋳片を製造する
ことができるとともに、金属の加熱効率および溶解効率
を増大させることができる。

【００３４】図３は、本発明方法を実施する際に用いる
制御系の一例を示す図である。

【００３５】図３に示すように、螺旋状に巻かれた磁束
密度測定用のコイル８を、るつぼ１内の、目標とする湯
面位置の数１０ｍｍ上であって、スリット位置に磁束密
度測定用コイル８の中心が合致するように、かつ、るつ
ぼ軸方向に、しかもできるだけスリット位置に接近させ
て配置する。なお、この磁束密度測定用コイル８の径
は、るつぼ１の上方からの原料である金属の供給の妨げ
にならず、かつ挿入が可能なサイズにする必要があるた
め、るつぼ１の半径より小さくする。

【００３６】磁束密度測定用コイル８に誘起された交流
電圧は整流器９で直流電圧に変換され、さらに、コイル
５に流れる高周波電流の周波数や、コイル電圧、コイル
電流、電源の出力電圧などの信号を取り込んで演算回路
１０により磁束密度に換算される。この磁束密度の値
が、あらかじめ定めてある所定の値になるように制御回
路１１で原料の供給速度を設定してやれば、湯面位置を
最適な位置に調整することができる。なお、あらかじめ
定めてある所定の値は、実際に原料をるつぼで溶解し、
溶解および鋳造に適した湯面位置になるように磁束密度
測定用コイルを配置し、そのときの磁束密度の値として
把握しておけばよい。

【００３７】溶解および鋳造条件によっては、コイル５
に通電する高周波電流の大きさを変更する場合がある
が、そのときは、演算回路１０において、磁束密度測定
用コイル８で得られる磁束密度の値をコイル電流値で除
する操作をすればよい。るつぼ１内の磁束密度の大きさ
はコイル５電流に比例するからである。

【００３８】以上述べたように、磁束密度測定用コイル
８で得られる磁束密度の値を所定の磁束密度の値に制御
することにより、溶湯６のレベルを最適レベルに調整す
ることができる。

【００３９】なお、この磁束密度測定用のコイル８は高
温に保持される溶湯６にかなり近接して配置されるた
め、温度上昇を抑制する必要がある。したがって、本発
明方法を実際に適用する場合には、例えば、図４に一例
として示すように、磁束密度測定用のコイル８を非電気
伝導性で耐火物製の保護ボックス１２の中に収納して配
置するのが好ましい。さらには、冷却のため、例えばＡ
ｒガスやＮ₂ ガス等のような冷却ガスを保護ボックス１
２内に供給できる構造になっていることが望ましい。

【００４０】本発明方法は、上述したように、本発明の
装置を組み込んだ上記図３に例示した制御系により実施
することができる。すなわち、るつぼ１内に投入された
原料（金属２）は、溶解帯で誘導加熱により溶解して湯
面位置が最適な位置に調整され、この溶湯６をるつぼの
底部から引き抜くため徐々に下方の冷却帯へ移動させる
と、溶湯部は冷却されて凝固するので、凝固した鋳片を
るつぼの底部から下方へ引き出すことにより金属の溶解
および鋳造を連続的に行うことができる。

【００４１】その結果、表面欠陥のない鋳片を製造する
ことができ、また、金属の加熱および溶解効率を増大さ
せることができる。

【００４２】

【実施例】図１に示した構成を有する本発明の装置を用
いて、チタンを溶解し連続鋳造した例を示す。

【００４３】実験条件を表１に示す。なお、磁束密度測
定用コイルは耐熱性のシリカ質耐火物で作った保護ボッ
クスの中に配置した。溶湯を保持する位置は、溶解効率
が最も高く、鋳片の表面に欠陥の存在しない条件である
通電用コイルの上端に溶湯の上端がくるように設定し
た。そのときのるつぼ軸方向の磁束密度の値は３００ｇ
ａｕｓｓとした。

【００４４】磁束密度測定用コイルにより得られた磁束
密度の大きさがあらかじめ定めた所定の値になるように
原料の供給速度を制御しつつ、原料の供給および鋳片の
引き抜きを連続的に実施した。鋳片の引き抜き速度は２
０ｍｍ／ｍｉｎとした。なお、チャンバー内はＡｒガス
により置換し、通電用コイルに流す高周波電流は、周波
数を２５ｋＨｚ、大きさを１５００Ａとした。

【００４５】鋳片の引き抜きを４０分間実施し、直径１
００ｍｍ、長さ８００ｍｍの鋳片（インゴット）を製造
した。得られた鋳片の表面は、横ひび割れのような割れ
は見られず、なめらかな表面であった。鋳片の表面粗さ
は、周方向の２カ所を全長にわたって測定したところ、
平均１００μｍと良好であった。

【００４６】

【表１】

【００４７】

【発明の効果】本発明方法によれば、通電用コイルに対
するるつぼ内での溶融金属の位置（すなわち、湯面位
置）を最適な位置に制御し、横ひび割れのような表面欠
陥のない良好な表面性状を有する鋳片を製造することが
でき、さらに、金属の加熱効率および溶解効率を増大さ
せることができる。この方法は、本発明の装置を用いれ
ば容易に実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の連続溶解鋳造装置の一例の構成す示す
図で、（ａ）は要部の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−
Ｉ矢視断面図である。

【図２】本発明の連続溶解鋳造装置の構成要素であるる
つぼの一部の斜視図である。

【図３】本発明方法を実施する際に用いる制御系の一例
を示す図である。

【図４】本発明の磁束密度測定用コイルの一例を示す図
である。

【符号の簡単な説明】

１：るつぼ ２：金属 ３：原料供給装置 ４：スリット ５：通電用コイル ６：溶湯 ７：チャンバー ８：磁束密度測定用コイル ９：整流器 １０：演算回路 １１：制御回路 １２：保護ボックス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】側壁部にるつぼ軸方向に形成されたスリッ
   トを備え、連続的に供給される金属を溶解する溶解帯と
   溶解した金属を凝固させる冷却帯とからなる水冷式の銅
   製るつぼと、溶解帯の外周部に金属を電磁誘導作用によ
   って溶解する通電用コイルを有する金属の連続溶解鋳造
   装置において、るつぼ内の溶融金属がるつぼと接する近
   傍であってスリットが存在する位置に近接してるつぼ軸
   方向に配設された磁束密度測定用コイルを有することを
   特徴とする金属の連続溶解鋳造装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の連続溶解鋳造装置を用
   い、金属をるつぼ内に連続的に供給し、通電用コイルに
   高周波電流を通じることにより生じる電磁場中で電磁誘
   導作用により前記金属を溶解させつつ、るつぼの下方で
   は凝固を進行させながら連続的に引き抜く金属の連続溶
   解鋳造方法であって、前記溶解する際に、磁束密度測定
   用コイルの磁束密度をあらかじめ定めてある値に制御し
   てるつぼ内の湯面位置を調整することを特徴とする金属
   の連続溶解鋳造方法。