誘導炉用るつぼの選定：各種合金に適した粘土黒鉛、炭化ケイ素、アルミナ
るつぼは、誘導炉のオーバーホール間隔を左右する消耗品です。るつぼの選択を誤ると、500回加熱するごとに炉の内張りを交換する必要が生じ、500回加熱するごとに交換しなければならなくなります。適切なるつぼを選べば、数ヶ月間稼働させることができます。最適なるつぼは、溶解する合金の種類、炉のサイズ、電力入力、そして作業者の熟練度によって異なります。万能な最適るるつぼは存在しません。
最終的な判断が実際にどのように下されるのか、その手順を説明しよう。
まずは合金から始めましょう。
鉄鋼は、炭素含有量や合金添加物によって1150～1600℃で溶融します。るつぼは、この最高温度に加えて安全マージンも考慮して耐熱性を確保する必要があります。そのため、るつぼ材料の使用温度は、最高溶融温度を100～200℃上回らなければなりません。
鉄鋼用るつぼの標準品は、粘土黒鉛るつぼ（粘土結合黒鉛るつぼ、静水圧プレス粘土黒鉛るつぼとも呼ばれる）です。粘土黒鉛るつぼは、黒鉛（通常30～50％）と耐火粘土（通常50～70％）を混合し、プレス成形または突き固めて成形し、焼成したものです。黒鉛はるつぼに耐熱衝撃性と潤滑性を与え、粘土はるつぼに強度と耐侵食性を与えます。
1トン誘導炉に用いられる一般的な粘土黒鉛るつぼは、肉厚が50～80mm、高さが800～1000mm、外径が600～800mmである。るつぼは水冷式の銅コイル内に設置され、るつぼとコイルの間には耐火材（通常は10～30mmの乾燥シリカ砂またはセラミックファイバー）が挟み込まれる。
粘土黒鉛るつぼは耐熱衝撃性に優れており、冷間から溶融鋼まで割れることなく加熱できるため、シフトごとに加熱と冷却を繰り返す誘導炉の操業において非常に重要です。しかし、欠点としては、粘土黒鉛るつぼが溶融物によって消費される点が挙げられます。スラグ中の酸化鉄が粘土中のシリカを侵食し、黒鉛中の炭素が溶融物に溶け込むことで、るつぼの壁が徐々に薄くなります。一般的な粘土黒鉛るつぼは、サイズ、出力、スラグ処理方法にもよりますが、製鋼用誘導炉で100～300回の加熱に耐えることができます。
高温合金や長寿命合金には、炭化ケイ素（SiC）るつぼが選択肢の一つとなります。SiCるつぼは、特に腐食性の高いスラグにおいて、粘土黒鉛るつぼよりも耐侵食性に優れています。ただし、SiCは高価で脆いため、粘土黒鉛るつぼほど熱衝撃に強くありません。SiCるつぼは、銅や真鍮の溶解において、運転温度が低く熱衝撃も比較的少ないため、一般的に使用されています。
アルミニウムや亜鉛の溶解において、標準的なるつぼ材料はアルミナ（Al2O3）または高アルミナ耐火物です。アルミニウムの作業温度は660～750℃で、ほとんどの耐火物材料の限界温度をはるかに下回ります。問題は、溶融アルミニウムが非常に反応性が高いことです。シリカ系耐火物の場合、シリカをシリコンに還元して溶融物に溶解させることで腐食します。その結果、高シリコンアルミニウム合金が生成され、るつぼは侵食され、溶融物は汚染されます。
アルミナるつぼは、溶融アルミニウムと接触しても熱力学的に安定しているため、アルミニウムの腐食に強い。ただし、アルミナは粘土黒鉛るつぼよりも高価で脆いという欠点がある。アルミニウム溶解用の一般的なアルミナるつぼは、500～2000回の加熱に耐えることができ、同じ用途における粘土黒鉛るつぼよりもはるかに長持ちする。
銅や真鍮の溶解には、炭化ケイ素るつぼが標準です。炭化ケイ素は1000～1300℃の銅の温度に耐え、酸化銅スラグに強く、誘導加熱サイクルにおける優れた耐熱衝撃性を備えています。銅溶解用の炭化ケイ素るつぼは、300～1000回の加熱に耐えることができます。
貴金属（金、銀、プラチナ）の精錬には、溶融シリカまたは高純度アルミナ製のるつぼが標準的に用いられる。るつぼは化学的に不活性（溶融物の汚染がないこと）で、かつ熱的に安定している必要がある。コストは高いが、処理量は少ない。
るつぼの形状と大きさも重要です。
誘導炉のるつぼは、一般的に円筒形で、底部は平底または丸底です。直径と高さは、炉のサイズと溶解能力によって決まります。500kg炉のるつぼは、直径約400mm、高さ約600mmです。5トン炉のるつぼは、直径約900mm、高さ約1500mmです。20トン炉のるつぼは、直径約1500mm、高さ約2500mmです。
るつぼの壁の厚さは、るつぼのサイズに比例します。大きなるつぼほど、溶融物の機械的負荷に耐えるために厚い壁が必要になります。小さなるつぼの壁の厚さは30mm程度ですが、大きなるつぼの壁の厚さは100mm程度です。
るつぼの底部の形状は極めて重要な要素です。平底は製造が容易ですが、角部に熱応力が集中します。丸底は応力をより均等に分散するため、大型るつぼや高出力運転に適しています。大型誘導炉用るつぼの多くは、半球形または円錐形の底部を備えています。
るつぼの設置作業は、中型炉の場合、4～8時間かかります。
設置作業は、コイルとバックアップ耐火材の清掃から始まります。前のるつぼから残った金属、スラグ、または破片はすべて除去する必要があります。次に、新しいバックアップ耐火材を設置します。通常は、乾燥したシリカ砂を突き固めて敷き詰めるか、成形済みのセラミックファイバーボードを使用します。
次に、るつぼを炉内に降ろします。るつぼはコイルと同心円状に配置する必要があり、位置ずれがあると電磁結合が不均一になり、ホットスポットが発生し、早期故障の原因となります。るつぼは治具を用いて中心に位置合わせされ、その後、るつぼとバックアップ材の間の隙間に砂またはセラミックファイバーが充填されます。
新しいるつぼは、最初の溶融を行う前に焼結（焼成）されます。焼結工程では、温度を4～8時間かけてゆっくりと800～1000℃まで上昇させ、水分を除去してるつぼを安定させます。焼結後、最初の溶融物を投入し、るつぼは使用開始となります。
新しいるつぼは、最初の 10 ～ 20 回加熱する際に慎重な操作が必要です。冷たい原料が熱いるつぼに当たる熱衝撃は、適切に設置されたるつぼであってもひび割れの原因となります。通常、作業者は最初の原料をるつぼ容量の 50 ～ 70 パーセントまで投入し、溶かしてから注ぎ、その後、最初の全量を投入します。このシーズニング処理により、るつぼが安定し、寿命が延びます。
るつぼの故障モードは、運用上の現実である。
最も一般的な故障モードは、壁の薄化です。スラグと溶融金属がるつぼの壁を侵食し、壁が薄くなり、最終的に壁が破損します。作業者はこれを、るつぼの壁がコイル冷却から溶融金属を遮断できなくなるため、溶融温度の不安定性が徐々に高まる兆候と捉えます。解決策は、炉を新しいるつぼで内張りすることです。
2番目に多い故障モードは、ひび割れです。熱衝撃（低温装入、停電、またはスラグの浸入）によって、るつぼの壁にひび割れが生じます。ひび割れは、小さいもの（貫通しない細いひび）から大きいもの（溶融金属がコイルに漏れ出す貫通ひび）まで様々です。小さなひび割れであれば、数回の加熱であれば対処可能な場合もありますが、大きなひび割れは緊急事態です。炉を傾け、溶融金属を注ぎ出し、炉を停止してください。
3つ目の故障モードは、金属の浸透です。溶融金属がるつぼの細孔に吸い込まれ、溶融金属とコイルの間に金属の橋が形成されます。その結果、るつぼ内に電流経路ができ、るつぼの加熱が不均一になり、故障が加速します。金属の浸透は通常、バックアップ耐火材の不良、るつぼの焼結不足、または最初の加熱時の過剰な電力によって引き起こされます。
著者：モンテ・インテリジェンス社誘導炉エンジニアリングチーム。るつぼの選定およびライフサイクル分析については、helenxu@cnlymonte.comまでお問い合わせください。
