浮揚溶解鋳造法及び該鋳造法で使用される水冷坩堝
【課題】 浮揚溶解鋳造法による金属材料の鋳造技術を改良し、溶解後の金属材料が坩堝内面に溶着し難い、新たな構造を有する水冷坩堝を提供する。
【解決手段】 水冷坩堝１０１は、内部に水冷管１０が長手方向に設けられたセグメント２０が所定間隔のスリット３０を設けて配列されている。この水冷坩堝１０１ではセグメント２０は半円状に配列されている。セグメント２０は、断面が凹部を形成するようにに成形されており、これらの配列により鋳型部を兼ねる坩堝部となる凹部４１が形成される。
【解決手段】 水冷坩堝１０１は、内部に水冷管１０が長手方向に設けられたセグメント２０が所定間隔のスリット３０を設けて配列されている。この水冷坩堝１０１ではセグメント２０は半円状に配列されている。セグメント２０は、断面が凹部を形成するようにに成形されており、これらの配列により鋳型部を兼ねる坩堝部となる凹部４１が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱により金属材料を溶解する浮揚溶解鋳造法及びこの鋳造法で使用される水冷坩堝に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高純度金属、高活性金属、高融点金属等の特殊な金属材料の鋳造方法として、従来から浮揚溶解鋳造法と称される方法が知られている。この方法は、導電性を有する水冷坩堝内に配置された金属材料を電磁誘導作用により加熱して溶解するという誘導溶解法の一種であり、金属材料はその表面に生じる渦電流により抵抗加熱される。この際、金属材料と水冷坩堝の内周面との間には電磁気的な反発力が生じるため、金属材料が水冷坩堝壁面から離れた状態（浮揚した状態）で溶解される。このように浮揚溶解鋳造法では、溶解する金属材料が水冷坩堝に直接接触しないので、溶湯の汚染が極めて少なく、また、電磁気力による溶湯の強撹拌作用が期待できるため、合金材料を溶成する際に非常に好適なものである。更に、イリジウム（融点２４４７℃）等のような融点が極めて高い金属材料を溶解するためには、誘導溶解法によらざるを得ないことが多く、この観点からも好適な方法である（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−７９７６８号公報
【０００３】
図２は、浮揚溶解鋳造法で従来から用いられている水冷坩堝１００を示すものである。この水冷坩堝１００は、冷却水の循環経路となる水冷管１０が長手方向に内挿された導電材料からなるセグメント２０を備える。そして、各セグメントは所定幅のスリット３０を隔てて円周状に複数配列されており、セグメントの配列により坩堝部４０が形成される。水冷坩堝１００の外周側には図示せぬ高周波誘導コイルが配置されている
【０００４】
浮揚溶解鋳造法による金属材料の溶解では、垂直状態の水冷坩堝１００の坩堝部４０に溶解対象となる金属材料を配置して、高周波誘導コイルに通電することで金属材料が誘導加熱されて溶解する。この溶解の際には、セグメント２０が溶解熱で破損が生じないように、水冷管１０に冷却水を循環させている。そして、金属材料の溶解が完了した時点で高周波誘導コイルへの通電を停止し、金属材料を冷却・凝固させる。以上の工程により、坩堝底部にボタン状又は球状の金属材料が形成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の浮揚溶解鋳造法においては、金属材料の凝固の際、坩堝底面に金属材料が溶着することがある。この現象は、特に、イリジウム等の高融点金属を鋳造するときに生じ易い傾向にあるが、このような金属材料の溶着は、水冷坩堝の破損に繋がることに加えて、金属材料の汚染にも繋がり、高純度の金属材料を得ることができという浮揚溶解鋳造法の利点を損なうことにもなる。
【０００６】
そこで、本発明は、浮揚溶解鋳造法による金属材料の鋳造技術の改良、及び、溶解後の金属材料の溶着が生じ難い新たな構造を有する水冷坩堝を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した金属材料の溶着の要因について考察するに、従来の水冷坩堝の坩堝部となる凹部の底面、は側面と比較すると各セグメントに内蔵されている水冷管からの距離が大きくなっている。従って、坩堝部の底面は、壁面よりも冷却が不十分であるといえ、その結果、金属材料の冷却が不均一となり、底面と接触する金属材料の凝固が遅れる傾向にあり溶着しやすい状態にある。このため、凝固金属の坩堝部底面での溶着が生じ易いと考えられる。
【０００８】
かかる坩堝部底面の冷却不足の問題に対する対策として、冷却管の容量の拡大も一応は有効と考えられる。しかし、冷却管の容量拡大は、セグメント全体の冷却に繋がるため、金属材料溶解時の条件を変更させることとなり現実的な対応策とは言い難い。
【０００９】
そこで、本発明者等は、水冷坩堝の内壁面を活用して金属材料を凝固させる方法に想到した。具体的には、溶融した金属材料が坩堝内壁面に広く接触するようにすることで、金属材料の冷却を均一なものとし、水冷坩堝への溶着が抑制できると考え、本発明に想到した。
【００１０】
即ち、本発明は、冷却水の循環経路となる水冷管が長手方向に内挿された導電性のセグメントを複数配列してなる水冷坩堝内に金属材料を配置し、前記金属材料を誘導加熱により溶解した後に凝固させる浮揚溶解鋳造法において、前記水冷坩堝を水平状態にして金属材料を溶解及び凝固する浮揚溶解鋳造法である。
【００１１】
水冷坩堝が水平であると、坩堝の内壁面が下になり、溶融状態の金属材料は重力により内壁面に行き渡るようになる。そして、水冷坩堝の内壁面は、冷却管に近接していることから、金属材料は効率的かつ均一に冷却されることとなる。これにより、金属材料が水冷坩堝に溶着する従来の問題点を解消することができる。
【００１２】
本発明の鋳造方法においては、従来の水冷坩堝を水平状態にして、金属材料を溶解しても良い。この場合、坩堝上端部に溶融した金属材料が漏洩するのを防止するための堰を形成すると良い。但し、従来の水冷坩堝を水平状態にして金属材料を溶解する場合、配置される金属材料より上部分のセグメントは、金属材料の溶解への寄与は少なくなるため、必ずしも円筒状の坩堝を用いる必要はない。
【００１３】
そこで、本発明に係る鋳造法を行なう場合、導電性のセグメントが水平状態で円弧状に配列されてなり、この円弧状に配列されたセグメントにより溶解した金属材料を保持することのできる凹部が形成された水冷坩堝を適用するのが好ましい。このような形状の水冷坩堝であれば、十分な量の金属材料の鋳造を、溶解から凝固まで一貫して行なうことができ、また、セグメント内の水冷管による冷却作用も良好であり凝固した金属が坩堝に溶着することもない。
【００１４】
そして、この水冷坩堝では、全てのセグメントを等長とし、半円状に配列したものが好ましい。全てのセグメントを等長にするのは、各セグメントの長さを変化させても特段のメリットはなく、水冷坩堝を取扱い難くするだけだからである。また、セグメントを半円状に配列する、即ち、半円筒状の水冷坩堝とするのは、凹部の容量を適切なものとするためである。尚、セグメントの配列により形成される凹部は、その底面がセグメント内の水冷管に平行であり、かつ断面が矩形のものとすることが好ましい。均一な冷却を図ると共に、凝固後（鋳造後）の金属材料の加工を容易なものとするためである。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明した鋳造法によれば、セグメントの水冷管に最も近い位置で金属材料の底部を冷却することができ、金属材料の水冷坩堝への溶着を抑制することができる。これにより、水冷坩堝の破損を防止すると共に、金属材料の汚染を回避し、高純度の金属材料を鋳造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の好ましい実施形態について、以下に記載する実施例及び比較例に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る浮揚溶解鋳造法用の水冷坩堝１０１の構造を示すものである。図１において、水冷坩堝１０１は、内部に水冷管１０が長手方向に設けられたセグメント２０が所定間隔のスリット３０を設けて配列されている。この水冷坩堝１０１ではセグメント２０は半円状に配列されている。セグメント２０は、断面が凹部を形成するようにに成形されており、これらの配列により鋳型部を兼ねる坩堝部となる凹部４１が形成される。この実施形態に係る水冷坩堝の各寸法は以下の通りである。
【００１７】
・水冷坩堝本体：全幅 １７８ｍｍ
高さ ５５ｍｍ
坩堝部（鋳型部） 幅５０ｍｍ、高さＲ１８ｍｍ
・セグメント：タフピッチ銅製 ８個 スリット間隔 ０．２ｍｍ
・水冷管：外管内径 ５．８ｍｍ
内管外径 ４．２ｍｍ（内管材質ＳＵＳ３１６）
内管内径 ３．６４ｍｍ
配置位置 坩堝部中心から２３ｍｍ径の円周状に水冷管の中心が配置されている
【００１８】
そして、この水冷坩堝を用いて金の鋳造を行なった。溶解対象となる金３００ｇを投入し、冷却水を循環させながら（循環水量４０Ｌ／ｍｉｎ、冷却水入口温度２５℃、排出温度３５℃）、溶解高周波電力４０ｋＷ、周波数３００ｋＨｚを加えて溶解処理を行い金を十分に完全溶解することができた（溶解時間１分）。この状態で２分間保持した後、パワーオフして冷却し金を凝固させた。この金は板状（かまぼこ形状）であり、水冷坩堝から容易取り出すことができた。そして、金が水冷坩堝へ溶着した形跡もなかった。同様の鋳造作業を１０回繰り返し行なったが、いずれにおいても金の水冷坩堝への溶着は見られなかった。
【００１９】
比較例：上記実施形態に対する比較として、従来の水冷坩堝を用いて、従来と同様の工程で金の鋳造作業を行なった。用いた水冷坩堝は図２と同一構造の物である。水冷坩堝の寸法は下記の通りである。
【００２０】
・水冷坩堝本体：全幅 ５５ｍｍ
全長 １５７ｍｍ
坩堝部幅３６ｍｍ
・セグメント：タフピッチ銅製 １６個 スリット間隔 ０．２ｍｍ
・水冷管：外管内径 ５．８ｍｍ
内管外径 ４．２ｍｍ（内管材質ＳＵＳ３１６）
内管内径 ３．６４ｍｍ
配置位置 坩堝部中心から３８．４ｍｍ径の円周状に水冷管の中心が配置されている
【００２１】
比較例における金の鋳造条件は、冷却水の水圧を６．０気圧で循環水量３０Ｌ／ｍｉｎとし、冷却水入口温度２５．５℃、排出温度３５．５℃、溶解高周波電力４０ｋＷ、周波数３００ｋＨｚとした。そして、金が溶解した状態で２分間保持した後、パワーオフして冷却し金を凝固させた。尚、比較例でも１０回の鋳造を行なった。
【００２２】
比較例の鋳造作業では、１０回に１回の割合で鋳造物が水冷坩堝に張り付き、取り出せなくなることがあった。このような場合に鋳造物を無理に取り出すと、鋳造物底面に銅が付着していた。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態で使用した浮揚溶解鋳造法用の水冷坩堝の構造を示す図。
【図２】従来の浮揚溶解鋳造法用の水冷坩堝の構造を示す図。
【符号の説明】
【００２４】
１００、１０１ 水冷坩堝
１０ 水冷管
２０ セグメント
３０ スリット
４０ 鋳型部
４１ 凹部
５０ キャップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱により金属材料を溶解する浮揚溶解鋳造法及びこの鋳造法で使用される水冷坩堝に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高純度金属、高活性金属、高融点金属等の特殊な金属材料の鋳造方法として、従来から浮揚溶解鋳造法と称される方法が知られている。この方法は、導電性を有する水冷坩堝内に配置された金属材料を電磁誘導作用により加熱して溶解するという誘導溶解法の一種であり、金属材料はその表面に生じる渦電流により抵抗加熱される。この際、金属材料と水冷坩堝の内周面との間には電磁気的な反発力が生じるため、金属材料が水冷坩堝壁面から離れた状態（浮揚した状態）で溶解される。このように浮揚溶解鋳造法では、溶解する金属材料が水冷坩堝に直接接触しないので、溶湯の汚染が極めて少なく、また、電磁気力による溶湯の強撹拌作用が期待できるため、合金材料を溶成する際に非常に好適なものである。更に、イリジウム（融点２４４７℃）等のような融点が極めて高い金属材料を溶解するためには、誘導溶解法によらざるを得ないことが多く、この観点からも好適な方法である（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−７９７６８号公報
【０００３】
図２は、浮揚溶解鋳造法で従来から用いられている水冷坩堝１００を示すものである。この水冷坩堝１００は、冷却水の循環経路となる水冷管１０が長手方向に内挿された導電材料からなるセグメント２０を備える。そして、各セグメントは所定幅のスリット３０を隔てて円周状に複数配列されており、セグメントの配列により坩堝部４０が形成される。水冷坩堝１００の外周側には図示せぬ高周波誘導コイルが配置されている
【０００４】
浮揚溶解鋳造法による金属材料の溶解では、垂直状態の水冷坩堝１００の坩堝部４０に溶解対象となる金属材料を配置して、高周波誘導コイルに通電することで金属材料が誘導加熱されて溶解する。この溶解の際には、セグメント２０が溶解熱で破損が生じないように、水冷管１０に冷却水を循環させている。そして、金属材料の溶解が完了した時点で高周波誘導コイルへの通電を停止し、金属材料を冷却・凝固させる。以上の工程により、坩堝底部にボタン状又は球状の金属材料が形成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の浮揚溶解鋳造法においては、金属材料の凝固の際、坩堝底面に金属材料が溶着することがある。この現象は、特に、イリジウム等の高融点金属を鋳造するときに生じ易い傾向にあるが、このような金属材料の溶着は、水冷坩堝の破損に繋がることに加えて、金属材料の汚染にも繋がり、高純度の金属材料を得ることができという浮揚溶解鋳造法の利点を損なうことにもなる。
【０００６】
そこで、本発明は、浮揚溶解鋳造法による金属材料の鋳造技術の改良、及び、溶解後の金属材料の溶着が生じ難い新たな構造を有する水冷坩堝を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した金属材料の溶着の要因について考察するに、従来の水冷坩堝の坩堝部となる凹部の底面、は側面と比較すると各セグメントに内蔵されている水冷管からの距離が大きくなっている。従って、坩堝部の底面は、壁面よりも冷却が不十分であるといえ、その結果、金属材料の冷却が不均一となり、底面と接触する金属材料の凝固が遅れる傾向にあり溶着しやすい状態にある。このため、凝固金属の坩堝部底面での溶着が生じ易いと考えられる。
【０００８】
かかる坩堝部底面の冷却不足の問題に対する対策として、冷却管の容量の拡大も一応は有効と考えられる。しかし、冷却管の容量拡大は、セグメント全体の冷却に繋がるため、金属材料溶解時の条件を変更させることとなり現実的な対応策とは言い難い。
【０００９】
そこで、本発明者等は、水冷坩堝の内壁面を活用して金属材料を凝固させる方法に想到した。具体的には、溶融した金属材料が坩堝内壁面に広く接触するようにすることで、金属材料の冷却を均一なものとし、水冷坩堝への溶着が抑制できると考え、本発明に想到した。
【００１０】
即ち、本発明は、冷却水の循環経路となる水冷管が長手方向に内挿された導電性のセグメントを複数配列してなる水冷坩堝内に金属材料を配置し、前記金属材料を誘導加熱により溶解した後に凝固させる浮揚溶解鋳造法において、前記水冷坩堝を水平状態にして金属材料を溶解及び凝固する浮揚溶解鋳造法である。
【００１１】
水冷坩堝が水平であると、坩堝の内壁面が下になり、溶融状態の金属材料は重力により内壁面に行き渡るようになる。そして、水冷坩堝の内壁面は、冷却管に近接していることから、金属材料は効率的かつ均一に冷却されることとなる。これにより、金属材料が水冷坩堝に溶着する従来の問題点を解消することができる。
【００１２】
本発明の鋳造方法においては、従来の水冷坩堝を水平状態にして、金属材料を溶解しても良い。この場合、坩堝上端部に溶融した金属材料が漏洩するのを防止するための堰を形成すると良い。但し、従来の水冷坩堝を水平状態にして金属材料を溶解する場合、配置される金属材料より上部分のセグメントは、金属材料の溶解への寄与は少なくなるため、必ずしも円筒状の坩堝を用いる必要はない。
【００１３】
そこで、本発明に係る鋳造法を行なう場合、導電性のセグメントが水平状態で円弧状に配列されてなり、この円弧状に配列されたセグメントにより溶解した金属材料を保持することのできる凹部が形成された水冷坩堝を適用するのが好ましい。このような形状の水冷坩堝であれば、十分な量の金属材料の鋳造を、溶解から凝固まで一貫して行なうことができ、また、セグメント内の水冷管による冷却作用も良好であり凝固した金属が坩堝に溶着することもない。
【００１４】
そして、この水冷坩堝では、全てのセグメントを等長とし、半円状に配列したものが好ましい。全てのセグメントを等長にするのは、各セグメントの長さを変化させても特段のメリットはなく、水冷坩堝を取扱い難くするだけだからである。また、セグメントを半円状に配列する、即ち、半円筒状の水冷坩堝とするのは、凹部の容量を適切なものとするためである。尚、セグメントの配列により形成される凹部は、その底面がセグメント内の水冷管に平行であり、かつ断面が矩形のものとすることが好ましい。均一な冷却を図ると共に、凝固後（鋳造後）の金属材料の加工を容易なものとするためである。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明した鋳造法によれば、セグメントの水冷管に最も近い位置で金属材料の底部を冷却することができ、金属材料の水冷坩堝への溶着を抑制することができる。これにより、水冷坩堝の破損を防止すると共に、金属材料の汚染を回避し、高純度の金属材料を鋳造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の好ましい実施形態について、以下に記載する実施例及び比較例に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る浮揚溶解鋳造法用の水冷坩堝１０１の構造を示すものである。図１において、水冷坩堝１０１は、内部に水冷管１０が長手方向に設けられたセグメント２０が所定間隔のスリット３０を設けて配列されている。この水冷坩堝１０１ではセグメント２０は半円状に配列されている。セグメント２０は、断面が凹部を形成するようにに成形されており、これらの配列により鋳型部を兼ねる坩堝部となる凹部４１が形成される。この実施形態に係る水冷坩堝の各寸法は以下の通りである。
【００１７】
・水冷坩堝本体：全幅 １７８ｍｍ
高さ ５５ｍｍ
坩堝部（鋳型部） 幅５０ｍｍ、高さＲ１８ｍｍ
・セグメント：タフピッチ銅製 ８個 スリット間隔 ０．２ｍｍ
・水冷管：外管内径 ５．８ｍｍ
内管外径 ４．２ｍｍ（内管材質ＳＵＳ３１６）
内管内径 ３．６４ｍｍ
配置位置 坩堝部中心から２３ｍｍ径の円周状に水冷管の中心が配置されている
【００１８】
そして、この水冷坩堝を用いて金の鋳造を行なった。溶解対象となる金３００ｇを投入し、冷却水を循環させながら（循環水量４０Ｌ／ｍｉｎ、冷却水入口温度２５℃、排出温度３５℃）、溶解高周波電力４０ｋＷ、周波数３００ｋＨｚを加えて溶解処理を行い金を十分に完全溶解することができた（溶解時間１分）。この状態で２分間保持した後、パワーオフして冷却し金を凝固させた。この金は板状（かまぼこ形状）であり、水冷坩堝から容易取り出すことができた。そして、金が水冷坩堝へ溶着した形跡もなかった。同様の鋳造作業を１０回繰り返し行なったが、いずれにおいても金の水冷坩堝への溶着は見られなかった。
【００１９】
比較例：上記実施形態に対する比較として、従来の水冷坩堝を用いて、従来と同様の工程で金の鋳造作業を行なった。用いた水冷坩堝は図２と同一構造の物である。水冷坩堝の寸法は下記の通りである。
【００２０】
・水冷坩堝本体：全幅 ５５ｍｍ
全長 １５７ｍｍ
坩堝部幅３６ｍｍ
・セグメント：タフピッチ銅製 １６個 スリット間隔 ０．２ｍｍ
・水冷管：外管内径 ５．８ｍｍ
内管外径 ４．２ｍｍ（内管材質ＳＵＳ３１６）
内管内径 ３．６４ｍｍ
配置位置 坩堝部中心から３８．４ｍｍ径の円周状に水冷管の中心が配置されている
【００２１】
比較例における金の鋳造条件は、冷却水の水圧を６．０気圧で循環水量３０Ｌ／ｍｉｎとし、冷却水入口温度２５．５℃、排出温度３５．５℃、溶解高周波電力４０ｋＷ、周波数３００ｋＨｚとした。そして、金が溶解した状態で２分間保持した後、パワーオフして冷却し金を凝固させた。尚、比較例でも１０回の鋳造を行なった。
【００２２】
比較例の鋳造作業では、１０回に１回の割合で鋳造物が水冷坩堝に張り付き、取り出せなくなることがあった。このような場合に鋳造物を無理に取り出すと、鋳造物底面に銅が付着していた。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態で使用した浮揚溶解鋳造法用の水冷坩堝の構造を示す図。
【図２】従来の浮揚溶解鋳造法用の水冷坩堝の構造を示す図。
【符号の説明】
【００２４】
１００、１０１ 水冷坩堝
１０ 水冷管
２０ セグメント
３０ スリット
４０ 鋳型部
４１ 凹部
５０ キャップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水の循環経路となる水冷管が長手方向に内挿された導電性のセグメントを複数配列してなる水冷坩堝内に金属材料を配置し、前記金属材料を誘導加熱により溶解した後に凝固させる浮揚溶解鋳造法において、
前記水冷坩堝を水平状態にして金属材料を溶解及び凝固する浮揚溶解鋳造法。
【請求項２】
請求項１記載の浮揚溶解鋳造法で使用される水冷坩堝であって、
冷却水の循環経路となる水冷管を長手方向に内挿する導電性のセグメントを水平状態で円弧状に配列してなり、
前記セグメントの配列により金属材料を溶解すると共にこれを保持することのできる坩堝部及び鋳型部となる凹部が形成された水冷坩堝。
【請求項３】
等長のセグメントを略半円状に配列してなる請求項２記載の水冷坩堝。
【請求項１】
冷却水の循環経路となる水冷管が長手方向に内挿された導電性のセグメントを複数配列してなる水冷坩堝内に金属材料を配置し、前記金属材料を誘導加熱により溶解した後に凝固させる浮揚溶解鋳造法において、
前記水冷坩堝を水平状態にして金属材料を溶解及び凝固する浮揚溶解鋳造法。
【請求項２】
請求項１記載の浮揚溶解鋳造法で使用される水冷坩堝であって、
冷却水の循環経路となる水冷管を長手方向に内挿する導電性のセグメントを水平状態で円弧状に配列してなり、
前記セグメントの配列により金属材料を溶解すると共にこれを保持することのできる坩堝部及び鋳型部となる凹部が形成された水冷坩堝。
【請求項３】
等長のセグメントを略半円状に配列してなる請求項２記載の水冷坩堝。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−８５６４５（Ｐ２００７−８５６４５Ａ）
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２７５２８６（Ｐ２００５−２７５２８６）
【出願日】平成１７年９月２２日（２００５．９．２２）
【出願人】（０００２１７２２８）田中貴金属工業株式会社 (146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２２日（２００５．９．２２）
【出願人】（０００２１７２２８）田中貴金属工業株式会社 (146)
【Ｆターム（参考）】
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