JP6498843B2 - 溶解炉 - Google Patents

Description

本発明の分野は、機械工学及び材料科学に関し、特に、本発明は、非鉄金属溶解炉の構成部品及び構造に関する。

一般に、金属溶解炉には、次に述べる主な３つのタイプがある。（１）直接燃料火炎炉（direct fuel fire furnace）は、金属の予熱、金属の溶解、及び温度制御を行うための別個の部分、ゾーン又はチャンバーを備える。この炉は、金属に直に接する火炎を使用し、多くの金属を溶解するのに適している。（２）間接燃料火炎炉（indirect fuel fire furnace）は、円筒形又は鍋形の形状を有し、昇降炉、傾動炉又は回転坩堝炉に細分化することができる。（３）電気炉（electrical powered furnace）は、電気抵抗を利用するものと電磁誘導を利用するものとを含む２つのタイプに細分化される。

本発明は、従来の直接燃料火炎炉内で溶融材料を保持する温度調整部又は保持部内において、除去及び清掃が困難であり、かつ溶融材料の全収率に悪影響を与え得る酸化アルミニウム等の金属酸化物の蓄積に関する問題を解決するのに役立つことができる。従来の溶解炉の１組の例を、図５〜図８に示すことができる。溶解部６は、予熱部５の下方に配置されており、溶解炉６の片側にはバーナー９が備えられる。非鉄金属又はアルミニウムは、予熱部５の上に配置される開口１７を通して溶解炉内に移送されることができ、次に、バーナー９によって加熱されて、非鉄金属又はアルミニウムは溶融して、溶融材料１ｂとなる。溶融材料１ｂは、次に、斜面１５上を流れて温度調整部３内に入る。温度調整部３の温度は、バーナー１２によって維持又は上昇される。溶融材料１ｂは、次に、隔壁１０の延長部である下縁部１３を通って流れ、炉出口４へ出る。得られる溶融材料１ｃは、次に、外部の鋳造又は成形装置による鋳造又は成形プロセスにおいて使用することができる。アルミニウム等の非鉄材料は、蓋１６を含む予熱部５に注入されることができ、溶解部６は、片側に取り付けられる扉２３を含む。扉２３は、点検及び溶解部６の清掃のために開くことができる。温度調整部３は、点検及び温度調整部３の清掃のために開くことができる扉２４を含む。

従来の溶解炉の上述の構成部品及び構造は、バーナー９によって溶解された溶融材料１ｂが、斜面１５に接続された温度調整部３に流れ込み、温度調整部３内で酸化物２１ａと混合する可能性があり、確かな欠点を有する。溶融材料１ｂは、この場合、天井蓋１１に取り付けられるバーナー１２によって制御される規定の温度に維持される。溶融材料１ｂは、温度調整部３内において高温下に維持されるので、温度調整部３内の空気との酸化反応を起こす可能性があり、それにより、温度調整部３内で集塊を形成して増大し得る酸化物２１ｂが生成される可能性がある。したがって、従来の溶解炉の使用者は、扉２４を開くことによって、温度調整部３を常に清掃することが必要である。しかしながら、清掃プロセスは高温下で行われるので、温度調整部３からの酸化物２１ｂの完全な除去は、多くの場合に困難かつ複雑な作業となる。さらに、長時間除去されず高温下にあった酸化物２１ｂは、コランダム（Ａｌ_２Ｏ_３）又は他の形態の結晶化物質に結晶化する場合があり、これは、溶解炉の内壁又は内面に強固に付着する。上述した酸化物２１ｂは、限定はしないが、溶解炉の内壁から上記酸化物２１ｂの欠片が溶融材料に混入し、これにより、鋳造又は成形された製品にハードスポットを生じさせ、最終製品の強度を低下させることを含む問題の根本的な原因である。さらに、酸化物２１ｂは、温度調整部３の内壁で増大し、これにより、温度調整部３内の空間を低減させ、温度調整部３内の絶縁層２２を変化又は劣化させ、その後、外部環境への熱漏出を引き起こす可能性がある。したがって、製品の品質を向上するためには、溶解炉は、生産時の酸化物２１ｂの生成又は排出量を最小限にする必要がある。

上述した酸化物の蓄積によって生じる問題は、「金属溶解炉」という名称の特許文献１によって予見されている。この発明は、溶解部から温度調整部までを連結する傾斜炉床又は斜面状炉床の間に隔壁を設けることにより、酸化物蓄積の問題を解決することを意図したものである。隔壁は、温度調整部及び傾斜炉床内の溶融材料よりも低い高さにおける接続路を形成し、これにより、金属酸化物が温度調整部に流れ込むことを防止する。しかしながら、上記発明は、温度調整部の半分未満のサイズであるとともに上記温度調整部及び接続路よりも低い床高さを有する溶融金属処理部を含み、これにより、溶解炉の構成部品数が増加するため、システムの複雑性が高まり得る。また、「金属溶解炉」という名称の特許文献２は、溶解部内の更なる加熱板とともに部分隔壁を記載している。また、酸化物の低減は、別の２つの特許出願によって予見されている。１つは、「タワー型アルミニウム溶解保持炉」という名称の特許文献３による、溶解部及び温度調整部の昇温によるものであり、もう１つは、「金属溶解炉」という名称の特許文献４による、投入ポートと、上部通気口と、溶解部内の底部における加熱板とを使用し、バーナーヘッドを温度調整部の側部に配置することによるものである。しかしながら、これらの出願は、いくつかの状況に適さない場合がある複雑な構成部品セットの使用を提案するものである。

上記の従来技術は、システムにおける酸化物の生成量を低減するために、溶解炉の構成部品若しくは構造を改良すること、又は、ガスの量若しくは化学プロセスを制御する手段を提供することを意図したものである。しかしながら、従来技術では、加熱板、扉又は隔壁等の複雑な構成部品を溶解炉システムに導入することをせずに、溶解炉からの酸化物の排除に関してアルミニウム炉等の産業用の非鉄金属炉の効率を改善する能力を有する発明は、依然として存在していない。

米国特許第７，０６０，２２０号 特開２００６−０７１２６６号 特開２００１−２７２１７１号 米国特許出願公開第２０１５／００４２０２４号

本発明に係る溶解炉は、アルミニウム等の非鉄金属を溶解するとともに、後続の鋳造のためにその溶融材料を貯留するための温度調整部を特徴とする。本発明は、温度調整部内で生成される酸化物の量を低減し、ひいてはアルミニウム又は非鉄金属の品質を向上させるのに役立つ。本発明は、溶融材料の液面に浮かぶ酸化生成物に対する保護を提供する。溶解炉の溶解部における溶融材料は、センサー又は溶融材料検出装置を用いて溶融材料の液面レベルを制御することによって、隔壁の底縁部の下に沈み、接続路を通って温度調整部に流れる。本発明は、温度調整部の天井部の一部において、火炎を保持する温度調整バーナーを更に用いて、溶融したアルミニウムと温度調整部内のガスとの反応を防止するとともに、温度調整部内の酸素濃度を制御して下げ、溶融材料から酸化物が生成される可能性を回避する。

本発明の溶解炉の平面図である。 本発明の溶解炉の側面断面図Ｃである。 本発明の溶解炉の側面断面図Ａである。 本発明の溶解炉の側面断面図Ｂである。 従来技術の溶解炉の平面図である。 従来技術の溶解炉の側面断面図Ａである。 従来技術の溶解炉の側面断面図Ｃである。 従来技術の溶解炉の側面断面図Ｂである。

図１は、本発明に係る溶解炉の１つの実施形態の平面図を示しており、溶解炉は、図２の断面図Ｃ、図３の断面図Ａ及び図４の断面図Ｂに示される種々の構成部品を備える。溶解炉は、材料投入路１７及び蓋１６を備え、材料は、材料投入路１７内に投入されると、予熱部５内に移動される。予熱部５の下方には、溶解部６及び傾斜炉床１５がある。傾斜炉床１５の上側には、バーナー９が備えられる。材料は、溶解部６内でバーナー９の火炎の熱によって溶解され、その後、傾斜炉床１５上を下方に流れ、加熱部７に入る。加熱部７は、溶融材料１ａの温度を維持及び上昇させるために使用され、酸化物除去扉１４ａ，１４ｂを備える。加熱部７は、温度調整部３に溶融材料１ａを流し込むための接続路２を更に備える。温度調整部３は、溶融材料１ｃが出湯口４を通って溶解炉を出る前に溶融材料１ｂを保持することができる。本発明に係る溶解炉は、特に温度調整部３を備え、温度調整部３は、溶融材料１ａを受け入れるための接続路２と、溶融材料１ｃを放出するための出湯口４とを含む。接続路２は、予熱部５の下部、溶解部６、傾斜炉床１５及び加熱部７に更に接続する。

接続路２により、一般に、溶解部６及び加熱部７から温度調整部３内に移動する溶融材料１ａの上に浮かぶ酸化生成物２１ａから溶解炉を保護することができる。接続路２は、隔壁１０の下縁部１３の下に位置し、温度調整部３に通じる。接続路２の下底部は、下縁部１３の位置よりも低く没する傾斜面で特徴付けられる。溶融材料の検出器又はセンサー８は、出湯口４に近接して又は溶解炉の任意の部分に配置される。検出器８は、最上液面レベルを有効に検出し、ひいては、溶融材料１ｃを出湯口４から汲み出すまたは放出させずに隔壁１０の下縁部１３を上回る溶融材料１ａ、１ｂ、１ｃの高さを維持することができ、したがって、加熱部７からの酸化物２１ａが温度調整部３内の溶融材料１ｂに混じることがない。

温度調整部３には、燃焼に用いる空気の温度を調整するための熱交換器２０、又は、加熱部７と温度調整部３との間の下縁部１３における少なくとも１つの穴、又は、少なくとも１つの穴及び１つの熱交換器２０を有し、これらは、燃焼に用いられるエネルギーの低減に効果を有し得る。さらに、温度調整部３の天井蓋１１に温度調整バーナー１２が配置され、バーナー１２は、天井部において帯状のフラットな火炎（フラットフレーム）を放射することが好ましい。また、バーナー１２のフラットフレームは、酸素濃度を温度調整部３内の可燃性ガス全体の１％〜５％に、より好ましくは１％未満に制御して、溶融材料１ｂの最上層の酸化物の厚みを低減することができる。

従来の温度調整部３は、定期的に清掃する必要があり、したがって、図６に示すような溶解炉から金属酸化物を除去するための温度調整扉２４を必要とするが、これとは異なり、本発明は、温度調整扉２４の設置を必要とせず、代わりに、フラットフレーム式の温度調整バーナー１２を使用する。温度調整バーナー１２は、溶解炉の温度調整部３内の酸素の量を制御することができるとともに、検出器又はセンサーを更に備え、温度調整部３内の酸素の量を測定して、生成される酸化物の量を低減する。上述したこのような構成は、溶解炉の酸化物の重量を低減すると同時に、エネルギー消費及び溶解炉の清掃のための人員を削減することができる。

上記のプロセスは、本発明の実施形態のうちの１つにすぎず、決して上述した記載に制限されるものではない。本発明の意図と一致するのであれば、例えば、バーナー１２を温度調整部３の底面１９に配置するか、又は、電気若しくは燃料ガスによって加熱される浸漬ヒーター若しくは加熱チューブを設けるか、又は、天井蓋１１に金属ベースヒーター若しくはバーナーを設けるか、又は、ファイバーベースヒーター若しくはバーナー、若しくは空気が表面構造を流通することを可能にする構造を与えることができる多孔材料ベースヒーター若しくはバーナーを設けることによって、構成部品を改良又は変更することができる。

温度調整部３内において、浸漬加熱チューブを使用する又は天井蓋１１に金属ベースヒーターを使用する例では、溶融材料１ｂが急激な酸化反応を起こすことを防止又は阻止するために、不活性ガスを噴射して温度調整部３内の酸素濃度を下げることが必要な場合がある。

Claims (6)

1. 材料投入路（１７）とともに蓋（１６）を備える予熱部（５）と、
   前記予熱部（５）の下方の溶解部（６）と、
   バーナー（９）を上部に備える傾斜炉床（１５）と、
   前記溶解部（６）で前記バーナー（９）によって溶解された後に前記傾斜炉床（１５）上を流れる溶融材料（１ａ）を受け入れて溶融材料（１ａ）の温度を上昇させる加熱部（７）と、
   火炎を放射する温度調整バーナー（１２）を備え、溶融材料を貯留する温度調整部（３）と、
   傾斜又は湾曲した底部を特徴とし、前記加熱部（７）から溶融材料（１ａ）を前記温度調整部（３）に流し込む接続路（２）と、
   前記接続路（２）を形成する隔壁（１０）であって、前記加熱部（７）内の溶融材料（１ａ）の液面及び前記温度調整部（３）内の溶融材料（１ｂ）の液面よりも低く位置する下縁部（１３）を有する隔壁（１０）と、
   溶融材料の出湯口（４）と、を備え、
   前記温度調整部（３）は、閉システムであり、
   前記温度調整バーナー（１２）は、前記温度調整部（３）内の酸素濃度を１％〜５％又は１％未満となるよう制御される、溶解炉。
2. 溶融材料（１ａ），（１ｂ），（１ｃ）の液面レベルを制御又は検出して酸化物（２１ａ）が前記温度調整部（３）内に流れ出ることを防止するセンサー（８）を更に備え、
   前記センサー（８）は、前記出湯口（４）に近接して配置される、請求項１に記載の溶解炉。
3. 前記温度調整バーナー（１２）は、フラットフレームバーナーである、請求項１又は２に記載の溶解炉。
4. 前記温度調整部（３）は、炉壁の一部又は天井蓋（１１）に設置された熱交換器（２０）を更に備える、請求項１〜３のいずれかに記載の溶解炉。
5. 前記温度調整部（３）は、扉を有しない閉システムである、請求項１〜４のいずれかに記載の溶解炉。
6. 前記加熱部（７）には、酸化物除去扉（１４ａ）、（１４ｂ）が設けられる、請求項１〜５のいずれかに記載の溶解炉。

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