JP6629477B1

JP6629477B1 - 溶解炉

Info

Publication number: JP6629477B1
Application number: JP2019096733A
Authority: JP
Inventors: 健梶谷
Original assignee: 健梶谷
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2039-05-23
Also published as: US20210055052A1; JP2020190379A; CA3095504A1; KR102255643B1; WO2020235579A1; US11125503B2; CA3095504C; KR20200135345A; CN112912679A; MX2020010291A

Abstract

【課題】溶融材料の酸化を抑制し、溶融材料の品質を向上できる溶解炉を提供する。【解決手段】溶解炉１は、金属材料が供給される溶解部２と、溶解部２の金属材料を溶解して溶融材料とするためのバーナー４と、溶解部２から溶融材料を受け入れて該溶融材料の温度を上昇させる加熱部５と、加熱部５から溶融材料を受け入れて該溶融材料を貯留する温度調整部６と、加熱部５と温度調整部６とを仕切る隔壁７であって、下端部７０が溶融材料に浸漬して該隔壁７の下方に加熱部５から温度調整部６への溶融材料の流入を可能とする流入口７１を形成する隔壁７と、温度調整部６内の溶融材料に少なくとも一部が浸漬されることで該溶融材料を加熱する浸漬ヒーター１０と、隔壁７に形成されかつバーナー４からの燃焼ガスを温度調整部６内の溶融材料上の空間に導入するガス導入路７２と、を備え、バーナー４は、燃焼ガス中の酸素濃度が５％以下となるよう制御される。【選択図】図３

Description

本発明は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属材料を溶解し、溶解した金属材料（以下、「溶融材料」という。）を保持する溶解炉に関する。

現状、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属材料を溶解及び保持する過程において、溶融材料（以下、「溶湯」ともいう。）の酸化のメカニズムに対応した高効率の溶解炉が存在していない。

従来の溶解炉１００を図５〜図８に示すと、予熱部１０１の下方に溶解部１０２が配置されており、溶解部１０１にはバーナー１０３が備えられている。アルミニウム等の金属材料は、予熱部１０１の上部の、蓋１０４により開閉可能に閉じられた開口１０５を通して溶解部１０２内に投入され、バーナー１０３によって加熱されることで溶融し、溶融材料となる。溶融材料は、斜面１０６上を流れて温度調整部１０７に供給される。温度調整部１０７にはバーナー１０８が備えられ、温度調整部１０７内の溶融材料の温度は、バーナー１０８によって所定の温度に維持又は昇温される。温度調整部１０７内の溶融材料は、隔壁１０９の下縁部１１０の下方を通って流れ、汲出し部１１１へ出る。汲出し部１１１内の溶融材料は、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使用することができる。溶解部１０２は、扉１１２を備えており、扉１１２は、溶解部１０２の点検及び清掃のために開くことができる。温度調整部１０７も扉１１３を備えており、扉１１３は、温度調整部１０７の点検及び清掃のために開くことができる。

上述した従来の溶解炉１００は、溶解部１０２でバーナー１０３によって溶解された溶融材料が、溶解部１０２と斜面１０６で接続された温度調整部１０７に流れ込むが、この際に、溶融材料とともに溶解時に発生する酸化物１１４が温度調整部１０７に流入し、温度調整部１０７内で溶融材料が酸化物１１４と混合する可能性がある。また、温度調整部１０７内の溶融材料は、天井蓋１１５に取り付けられるバーナー１０８によって温度制御されて規定の温度にされるが、溶融材料は、温度調整部１０７内において高温下で保持されるので、温度調整部１０７内の空気と酸化反応を起こすことにより、温度調整部１０７内で酸化物１１６が増大して集塊が生成される可能性がある。したがって、従来の溶解炉１００では、作業者が扉１１３を開くことによって、温度調整部１０７を常に清掃することが必要であった。

しかしながら、温度調整部１０７の清掃は高温下で行われるうえ、長時間除去されず高温下にあった酸化物１１６は温度調整部１０７の内壁１１７に強固に付着しているので、温度調整部１０７からの酸化物１１６の完全な除去は作業者にとって過度の負担である。また、酸化物１１６の欠片が溶融材料に混入すると、鋳造プロセス等で溶融材料を使用する際に不純物となり、製品としての溶融材料の品質が低下する。さらに、酸化物１１６が温度調整部１０７の内壁１１７で増大蓄積すると、酸化物１１６が断熱層となって温度調整部１０７の空間の容積を減少させるため、溶融材料の温度を高温に維持するためには温度調整部１０７内の雰囲気温度を上げる必要が生じる。そのうえ、温度調整部１０７の内壁１１７の絶縁層を変化又は劣化させることで、溶解炉１００の外部へ熱漏出を引き起こす可能性がある。

したがって、製品としての溶融材料の品質を向上させ、さらに、作業者の負担を軽減するためには、温度調整部１０７内において溶融材料の酸化を抑制して、酸化物１１６の生成量を最小限にする必要がある。

先行技術文献として、特許文献１では、保持室内の溶湯を良好に保温するとともに、加熱手段としての電気ヒーターの熱損失を抑えて電力消費量を少なくし、かつ溶融材料と酸素との反応による酸化物の発生を少なくした金属溶解保持炉が提案されている。この特許文献１の金属溶解保持炉は、金属材料を溶解バーナーによって溶解する溶解室と、溶解室に連通孔を介して連通し溶解炉で溶解された溶湯を加熱手段で所定の温度に保温する保持室とを備えており、保持室に設けられる加熱手段が電気ヒーターであり、溶解室と保持室とを連通する連通孔が、少なくとも保持室内に貯留される溶融材料の常態のメタルラインより下方に配置されていることを特徴とする。電気ヒーターは、例えば保持室の天井蓋に略水平状態で収容配置され、保持室内の溶融材料の液面を略全域に均等に加熱する。

先行技術文献として、特許文献２では、溶解に伴う金属酸化物等の不純物の除去処理を簡便に行うことができ、かつフラックスの使用を不要もしくは低減することができ、同時に清浄な溶融材料を供給することができる金属溶解炉が提案されている。この特許文献２の金属溶解炉は、傾斜炉床と保持部との間に隔壁部を設けて処理部を配設し、隔壁部の下部の処理部の底面より高い位置に保持部との連通部を形成し、隔壁部の上部に保持部からの排ガス流通部を形成し、かつ、処理部に面する炉体壁面に点検作業口及び扉を設けたことを特徴としている。

先行技術文献として、特許文献３では、炉内の酸化物の発生を少なくするとともに、炉内の清掃、ヒーターの交換等のメンテナンスを容易にする溶湯保持炉が提案されており鋳造等の生産効率及び製品品質の向上が図られている。この特許文献３の溶湯保持炉は、浸漬ヒーターが炉壁に設けられた取付口に、溶融材料中に浸漬するように斜めに取り付けられている。取付口の炉内部側の開口部は湯面より下方に設けられており、取付口の炉外部側の開口部は湯面より上方に設けられている。また、浸漬ヒーターの電熱線を有する部分は湯面より下方に位置している。

特許第４１９８２２４号特許第３８６０１３５号特開平９−６６３５７号

しかしながら、特許文献１〜３に記載の技術も、溶融材料の酸化を効果的に抑制できるものではなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、溶融材料の酸化を抑制し、溶融材料の品質を向上できる溶解炉を提供することを目的とする。

本発明に係る溶解炉は、金属材料が供給される溶解部と、前記溶解部の金属材料を溶解して溶融材料とするためのバーナーと、前記溶解部から溶融材料を受け入れて該溶融材料の温度を上昇させる加熱部と、前記加熱部から溶融材料を受け入れて該溶融材料を貯留する温度調整部と、前記加熱部と前記温度調整部とを仕切る隔壁であって、下端部が溶融材料に浸漬して該隔壁の下方に前記加熱部から前記温度調整部への溶融材料の流入を可能とする流入口を形成する隔壁と、前記温度調整部内の溶融材料に少なくとも一部が浸漬されることで該溶融材料を加熱する浸漬ヒーターと、前記隔壁に形成されかつ前記バーナーからの燃焼ガスを前記温度調整部内の溶融材料上の空間に導入するガス導入路と、を備え、前記バーナーは、燃焼ガス中の酸素濃度が５％以下となるよう制御されることを特徴とする。

本発明に係る溶解炉は、前記バーナーは、燃焼ガス中の酸素濃度が３％以下となるよう制御されることが好ましい。

また、本発明に係る溶解炉は、前記ガス導入路は、前記溶解部側の入口に対して前記温度調整部側の出口が上方に位置するように傾斜していることが好ましい。

また、本発明に係る溶解炉は、前記ガス導入路により前記温度調整部に導入される燃焼ガスは、前記バーナーのガス燃焼量の１０％以上２０％以下に調整されることが好ましい。

また、本発明に係る溶解炉は、前記温度調整部は、内壁又は天井に第１排気口が形成されるとともに前記第１排気口には排気量を調整する調整ダンパーが設けられることが好ましい。

また、本発明に係る溶解炉は、材料投入路及び蓋を備えかつ前記溶解部の上方に位置する予熱部をさらに備え、前記温度調整部は、前記第１排気口に第１開閉ダンパーがさらに設けられ、前記予熱部は、前記蓋に第２排気口が形成されるとともに前記第２排気口に第２開閉ダンパーが設けられることが好ましい。

本発明に係る溶解炉によれば、溶融材料の酸化を抑制し、溶融材料の品質を向上できる。

本実施形態の溶解炉の平面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＢ−Ｂ断面図である。図１のＣ−Ｃ断面図である。従来技術の溶解炉の平面図である。図５のＡ−Ａ断面図である。図５のＢ−Ｂ断面図である。図５のＣ−Ｃ断面図である。

本発明に係る溶解炉は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属材料（特に非鉄金属材料）を溶解する溶解部とともに、溶融材料を加熱する加熱部、さらに、後続の鋳造プロセスのためにその溶融材料を所定の温度に保持して貯留するための温度調整部を備えることを特徴とする。また、本発明に係る溶解炉は、溶解部の金属材料を溶解するバーナーの燃焼ガス（火炎）中の酸素濃度が５％以下に制御され、燃焼ガスの一部がガス導入路により温度調整部内に導入されることを特徴とする。温度調整部内では燃焼ガスが溶融材料と反応し、薄い緻密な酸化皮膜を生成する。この酸化皮膜により、溶融材料が保護されることで、溶融材料の酸化が抑制される。よって、温度調整部内で生成される酸化物の量が低減され、溶融材料の品質が向上する。また、本発明に係る溶解炉は、温度調整部内において制せされる酸化皮膜に対する保護を提供する。

以下、本発明に係る溶解炉の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１〜図４は、本実施形態の溶解炉１の概略構成を示す。溶解炉１は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属材料を溶解して保持するものであり、主に、予熱部２、溶解部３、加熱部５、温度調整部６及び汲出し部１２で構成されている。溶解部３にはバーナー４が設けられ、温度調整部６には浸漬ヒーター１０が設けられている。

予熱部２は、内部に材料投入路２０を有する筒状を呈しており、上部に開閉可能な蓋８が設けられている。予熱部２は、投入された金属材料を下方の溶解部３に案内するとともに、バーナー４から出る燃焼ガスの煙道としても機能する。蓋８には燃焼ガスの排気口（第２排気口）８０が形成され、排気口８０には開閉ダンパー８１が設けられている。

溶解部３は、予熱部２から供給される金属材料を受け入れて溶解する。溶解炉１の炉壁には、溶解部３内の金属材料に向けて斜め下方に燃焼ガス（火炎）を噴射するバーナー４が取り付けられている。溶解部３内の金属材料は、バーナー４からの燃焼ガス（火炎）の熱によって溶解されて、溶融材料となる。溶解部３で生成された溶融材料は、加熱部５に向かって低く傾斜する溶解部３の傾斜床３０上を下方に向かって流れ、加熱部５に流入する。

バーナー４は、燃料ガスに燃焼空気を適宜混合させて燃焼させる従来から公知の燃焼バーナーを用いることができる。なお、バーナー４は、溶解部３の広さ、当該バーナー４の溶解能力等に応じて、適当な数を設置することができる。バーナー４は、燃焼ガス（火炎）による金属材料の溶解中に酸化反応が起こることを抑制するために、燃焼ガス（火炎）中の酸素濃度が５％以下、好ましくは３％以下に制御されている。

加熱部５は、溶解部３から溶融材料を受け入れて該溶融材料の温度を上昇させる。本実施形態では、バーナー４が加熱部５に近接して配置されており、バーナー４から噴射される燃焼ガス（火炎）の輻射熱により溶融材料を加熱して溶融材料の温度を上昇させる。ただし、加熱部５における溶融材料の加熱方法は特に限定されるものではない。溶解炉１の加熱部５が面する炉壁には、開閉可能な扉１４，１５が設けられており、扉１４，１５は、溶解部３や加熱部５の点検及び清掃のために開くことができる。加熱部５で加熱された溶融材料は、加熱部５の底をなしかつ温度調整部６に向かって低く傾斜する接続路５０上を下方に向かって流れ、温度調整部６に流入する。

加熱部５及び温度調整部６は、隔壁７により仕切られている。隔壁７は、下端部７０が溶融材料に浸漬しており、隔壁７の下方つまりは隔壁７の下端部７０と接続路５０との間には、加熱部５及び温度調整部６を連通して加熱部５から温度調整部６への溶融材料の流入を可能とする流入口７１が形成されている。

隔壁７の下端部７０が溶融材料中に浸漬していることで、加熱部５から温度調整部６に流入する溶融材料の液面に浮かぶ酸化物１７が温度調整部６に溶融材料とともに流入して、温度調整部６内の溶融材料に混入することが抑制されている。よって、温度調整部６内の溶融材料が酸化物１７から保護される。

隔壁７には、溶解部３と温度調整部６とを連通し、溶解部３内の燃焼ガスを温度調整部６内の溶融材料上の空間に導入するガス導入路７２が形成されている。ガス導入路７２は、本実施形態では、溶解部３側の入口７２ａに対して温度調整部６側の出口７２ｂが上方に位置するように傾斜している。これにより、後述する温度調整部６の溶融材料の液面に形成された酸化皮膜１８に対して、温度調整部６内に導入される燃焼ガスが酸化皮膜１８に被らないようになっている。ガス導入路７２は、隔壁７に複数形成されていてもよく、また、必ずしも傾斜している必要はない。

温度調整部６は、溶融材料が汲出し部１２から汲み出される前に溶融材料を所定の温度で保持する。温度調整部６の天井を構成する開閉可能な蓋９には燃焼ガスの排気口（第１排気口）９０が形成されている。溶解部３から温度調整部６に導入された燃焼ガスは排気口９０から溶解炉１の外部に排出される。排気口９０には、排気される燃焼ガス量を調整する調整ダンパー９１と、開閉ダンパー９２とが設けられている。調整ダンパー９１により排気口９０から排出される燃焼ガス量を調整することにより、ガス導入路７２を介して溶解部３から温度調整部６に導入される燃焼ガス量を調整することができる。ガス導入路７２により温度調整部６に導入される燃焼ガスは、バーナー４のガス燃焼量の１０％以上２０％以下が好ましく、より好ましくは１０％程度に調整される。

温度調整部６には１又は複数の浸漬ヒーター１０が設けられている。浸漬ヒーター１０は、温度調整部６内の溶融材料に少なくとも一部が浸漬されることで溶融材料を加熱する。浸漬ヒーター１０は、従来から公知のものを用いることができ、例えば浸漬チューブに内蔵されたヒーターやバーナーなどにより浸漬チューブを加熱し、浸漬チューブに接触する溶融材料を加熱するものである。浸漬ヒーター１０は、本実施形態では温度調整部６内の溶融材料に対して斜めに挿入されるよう溶解炉１の炉壁に取り付けられている。これにより、浸漬チューブに内蔵するヒーターを大幅に小さくできる。なお、浸漬ヒーター１０は、温度調整部６内の溶融材料に対して必ずしも斜めに挿入される必要はない。

温度調整部６内の溶融材料は、浸漬ヒーター１０により内部から加熱されるとともに、ガス導入路７２により温度調整部６内に導入される燃焼ガスにより液面から加熱されて高い温度で保持される。このとき、温度調整部６内に導入される酸素濃度の低い燃焼ガスにより、溶融材料の液面には薄い緻密な酸化皮膜１８が形成される。この酸化皮膜１８は、溶融材料の液面に浮かぶとともに、緻密で保護作用があるため、溶融材料のガス吸収や酸化を防止するバリアの役割を果たす。そのため、酸化皮膜１８によって溶融材料の酸化が抑制され、溶融材料の品質が向上する。

汲出し部１２は、温度調整部６に連なった状態で設けられており、仕切壁１６により温度調整部６と仕切られている。仕切壁１６は、下端部が溶融材料に浸漬しており、仕切壁１６の下方に温度調整部６と汲出し部１２とを連通して、温度調整部６から汲出し部１２への溶融材料の移動を可能とする連通口１１が形成されている。汲出し部１２に移動した溶融材料は、適宜汲み出されて、鋳造プロセス等に使用される。

汲出し部１２には、内部に貯留する溶融材料の液面の位置（高さ）を計測する検出手段１３が備えられている。検出手段１３は、溶融材料の液面の位置（高さ）を計測できるものであれば種々の公知の計測器具、センサーを用いることができる。汲出し部１２内に貯留された溶融材料の液面の位置（高さ）は、温度調整部６や加熱部５内に貯留された溶融材料の液面の位置（高さ）と同レベルである。そのため、汲出し部１２内に貯留された溶融材料の液面の位置（高さ）を検出することで、溶融材料の液面の位置（高さ）を汲出し部１２から溢れさせずに、隔壁７の下端部７０を上回る位置に維持することができる。なお、検出手段１３は、汲出し部１２以外の溶解炉１の任意の箇所に設けることができる。

上記構成の本実施形態の溶解炉によれば、温度調整部６内に導入される燃焼ガス中の酸素濃度が５％以下の低濃度であることで、溶融材料の酸化が抑制されている。また、燃焼ガスにより温度調整部６内の溶融材料の液面に薄い緻密な酸化皮膜１８が形成され、この酸化皮膜１８により溶融材料が保護されるため、溶融材料の酸化が抑制されている。また、溶解部３と温度調整部６との間に加熱部５を設け、溶解部３で溶解した溶融材料を加熱部５にて加熱してその温度を上昇させた状態で温度調整部６に供給しているので、温度調整部６において溶融材料を加熱する温度を下げることができ、これにより、薄い緻密な酸化皮膜１８を変質させずに長期間保持することができる。このように、本実施形態の溶解炉１では、温度調整部６内での溶融材料の酸化を少なくして酸化物の増量化を抑制が可能であり、これにより温度調整部６内の溶融材料の品質を向上させることができる。そのうえ、従来技術では必要であった温度調整部６の酸化物の除去作業を大幅に軽減又は不要とすることができる。

さらに、バーナー４の停止時には、温度調整部６の開閉ダンパー９２及び予熱部２の開閉ダンパー８１を閉じて予熱部２、溶解部３及び温度調整部６を密閉し、予熱部２、溶解部３及び温度調整部６の燃焼ガスが外気と置換しないようにすることで、溶解部３、加熱部５及び温度調整部６内の溶融材料の酸化を抑制できるうえ、熱損失を抑えることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。

Claims

金属材料が供給される溶解部と、
前記溶解部の金属材料を溶解して溶融材料とするためのバーナーと、
前記溶解部から溶融材料を受け入れる加熱部であって、前記溶解部のバーナーから噴射される燃焼ガスの輻射熱により該溶融材料を加熱して該溶融材料の温度を上昇させる加熱部と、
前記加熱部から溶融材料を受け入れて該溶融材料を貯留する温度調整部と、
前記加熱部と前記温度調整部とを仕切る隔壁であって、下端部が溶融材料に浸漬して該隔壁の下方に前記加熱部から前記温度調整部への溶融材料の流入を可能とする流入口を形成する隔壁と、
前記温度調整部内の溶融材料に少なくとも一部が浸漬されることで該溶融材料を加熱する浸漬ヒーターと、
前記隔壁に前記溶解部と前記温度調整部とを連通するように形成されかつ前記溶解部のバーナーから噴射される燃焼ガスを前記温度調整部内の溶融材料上の空間に導入するガス導入路と、を備え、
前記バーナーは、燃焼ガス中の酸素濃度が５％以下となるよう制御される、溶解炉。
前記バーナーは、燃焼ガス中の酸素濃度が３％以下となるよう制御される、請求項１に記載の溶解炉。
前記ガス導入路は、前記溶解部側の入口に対して前記温度調整部側の出口が上方に位置するように傾斜している、請求項１又は２に記載の溶解炉。
前記ガス導入路に導入される燃焼ガスは、前記バーナーのガス燃焼量の１０％以上２０％以下に調整される、請求項１〜３のいずれかに記載の溶解炉。
前記温度調整部は、内壁又は天井に第１排気口が形成されるとともに前記第１排気口には排気量を調整する調整ダンパーが設けられる、請求項１〜４のいずれかに記載の溶解炉。
材料投入路及び蓋を備えかつ前記溶解部の上方に位置する予熱部をさらに備え、
前記温度調整部は、前記第１排気口に第１開閉ダンパーがさらに設けられ、
前記予熱部は、前記蓋に第２排気口が形成されるとともに前記第２排気口に第２開閉ダンパーが設けられる、請求項５に記載の溶解炉。