JP7244445B2 - 非鉄金属用溶解炉及び非鉄金属用保持炉 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金等の非鉄金属を、各種鋳造製品の製造に使用すべく溶解したり保持するための非鉄金属用溶解炉及び非鉄金属用保持炉に関するものである。

従来、アルミニウム合金等の非鉄金属をバーナにかえて電気ヒーターを利用して溶解する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

電気ヒーターとしては、図４に示すように、抵抗体１を使用して浸漬チューブ１０の内面を輻射加熱するタイプのものや、図５に示すように、抵抗体２と浸漬チューブ１０の間に熱伝導率の高い充填材５を充填して伝熱加熱するタイプのもの、あるいは、特許文献１のようにこれらを併用したものがある。

特開２０１９－１４９３３１号公報

しかしながら、輻射加熱するタイプのものは、伝熱係数と浸漬チューブ１０の厚さに起因する内部温度の制約から、伝熱できる単位面積あたりのエネルギー密度が大きく取れないといった問題がある。
また、充填材５を充填して伝熱加熱するタイプのものにおいても、浸漬チューブ１０の厚さに起因するエネルギー密度の制約がある。

これらは、いずれも浸漬チューブ１０といった有底環状管を使用するものであるために生じる問題であるので、本発明者は、有底環状管を排除することを念頭に種々検討した結果、本発明をするに至った。

そこで、本発明の目的とするところは、電気ヒーターによる加熱を効率的に行うことのできる非鉄金属用溶解炉及び非鉄金属用保持炉を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、電気ヒーター（２０，３０）によって溶湯（Ｓ）を加熱する室（１０１）を備え、溶湯（Ｓ）に投入された非鉄金属を溶解する非鉄金属用溶解炉（１００）であって、
前記電気ヒーター（２０，３０）は、前記室（１０１）において前記溶湯（Ｓ）に浸漬され、水平方向に所定間隔（Ｌ）を開けて対向する少なくとも一対の電極となる発熱部素材（２１，３１）と、前記発熱部素材（２１，３１）の、電源（２００）を接続する側に接合され前記発熱部素材（２１，３１）より小さい抵抗値を有する導電部素材（２２，３２）を備え、
前記発熱部素材（２１，３１）は有底環状管内に挿入されることなく露出状態であり、前記溶湯（Ｓ）を利用して前記一対の電極間に電流を流すようにし、
前記発熱部素材（２１，３１）の、前記溶湯（Ｓ）に浸漬した先端（２１ａ，３１ａ）を開放状態とし、前記発熱部素材（２１，３１）と前記導電部素材（２２，３２）の外周面を絶縁材（４０）で連続的に覆うとともに、前記絶縁材（４０）の一端（４０ａ）を、前記溶湯（Ｓ）に接触する部分より前記電源（２００）を接続する側の位置になるように設けたことを特徴とする。

また、本発明は、電気ヒーター（２０，３０）によって溶湯（Ｓ）を加熱する室を備え、非鉄金属が溶融された前記溶湯（Ｓ）を保持する非鉄金属用保持炉であって、
前記電気ヒーター（２０，３０）は、前記室において前記溶湯（Ｓ）に浸漬され、水平方向に所定間隔（Ｌ）を開けて対向する少なくとも一対の電極となる発熱部素材（２１，３１）と、前記発熱部素材（２１，３１）の、電源（２００）を接続する側に接合され前記発熱部素材（２１，３１）より小さい抵抗値を有する導電部素材（２２，３２）を備え、
前記発熱部素材（２１，３１）は有底環状管内に挿入されることなく露出状態であり、前記溶湯（Ｓ）を利用して前記一対の電極間に電流を流すようにし、
前記発熱部素材（２１，３１）の、前記溶湯（Ｓ）に浸漬した先端（２１ａ，３１ａ）を開放状態とし、前記発熱部素材（２１，３１）と前記導電部素材（２２，３２）の外周面を絶縁材（４０）で連続的に覆うとともに、前記絶縁材（４０）の一端（４０ａ）を、前記溶湯（Ｓ）に接触する部分より前記電源（２００）を接続する側の位置になるように設けたことを特徴とする。

なお、上記括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に掲載された対応要素または対応事項を示す。

本発明によれば、非鉄金属用溶解炉の溶解室や保持室といった溶湯を加熱する室に設けられ溶湯を加熱する電気ヒーターは、一対の電極となる発熱部素材と、その発熱部素材に接合され発熱部素材より小さい抵抗値を有する導電部素材からなり、発熱部素材は、浸漬チューブなどの有底環状管内に挿入されることなく露出状態であり、溶湯を利用して一対の電極間に電流を流すように構成されているので、従来のように浸漬チューブ内に加熱源があるものと比較して伝熱できる単位面積あたりのエネルギー密度が大きく、効率的に溶湯を加熱することができる。
ここで、電気ヒーターが設けられる室は、非鉄金属用溶解炉の溶解室でもよいし、非鉄金属用溶解炉の保持室でもよい。また、溶解室及び保持室の両方であってもよい。
また、非鉄金属用溶解炉に限らず、非鉄金属用保持炉の保持室であってもよい。
電気ヒーターは、非鉄金属用溶解炉及び非鉄金属用保持炉に対して上下方向に延びる縦型のものであっても、水平方向に延びる横型のものであってもよい。

また、本発明によれば、発熱部素材と導電部素材の外周面を絶縁材で連続的に覆うとともに、絶縁材の一端を溶湯する部分より電源を接続する側の位置になるように設けたので、感電や炉周辺機器の破損を防止することができる。このとき、発熱部素材の先端については絶縁材で覆うことなく開放状態にしてあるので、発熱部素材の先端が直接、溶融金属と接触することで伝熱係数が大きくさらに効率的に溶湯を加熱することができる。

本発明のように、非鉄金属用溶解炉に設けられた電気ヒーターは一対の電極となる発熱部素材と導電部素材からなり、発熱部素材を有底環状管内に挿入されることなく露出状態にして一対の電極間に電流を流すようにしたものは、上述した特許文献１には一切記載されていない。

本発明の実施形態に係る非鉄金属用溶解炉の要部を示す側断面図である。 図１に示す非鉄金属用溶解炉に設けられる別の電気ヒーターの要部をする側断面図である。 本発明の実施形態に係る別の非鉄金属用溶解炉の要部を示す側断面図である。 従来例に係る非鉄金属用溶解炉に設けられる電気ヒーターの要部をする側断面図である。 従来例に係る非鉄金属用溶解炉に設けられる別の電気ヒーターの要部をする側断面図である。

図１を参照して、本発明の実施形態に係る非鉄金属用溶解炉１００について説明する。
本実施形態に係る非鉄金属用溶解炉１００は、アルミニウム合金等の非鉄金属を、ダイカスト鋳造等の鋳造製品を製造するために溶解するものである。
この非鉄金属用溶解炉１００は、溶湯Ｓを溜める室として溶解室１０１と、保持室（図示を省略）とを備え、溶解室１０１側に、溶湯Ｓを加熱する電気ヒーター２０，３０が設けられている。

溶解室１０１は、溶湯Ｓを加熱する室であって、溶湯Ｓに投入された非鉄金属（インゴットや切粉）が溶湯Ｓの熱によって溶解される
溶解室１０１に隣接して堰で隔てられた保持室が設けられ、溶解室１０１の容量を超えた溶湯が堰をオーバーフローして保持室に供給されるようになっている。

電気ヒーター２０，３０は、少なくとも一対（ここでは一対）で、水平方向に所定間隔Ｌを開けて対向するように配置される。
電気ヒーター２０，３０は、それぞれ、発熱部素材２１，３１と、その発熱部素材２１，３１の上部（後述する電源２００を接続する側）に接合された導電部素材２２，３２からなり、発熱部素材２１，３１が一対の電極となって両者間に電流が溶湯Ｓを利用して流れるようになっている。
電気ヒーター２０，３０の発熱部素材２１，３１及び導電部素材２２，３２の材質は、特に限定されるものではないが、例えばＳｉＣ（シリコンカーバイド），Ｃ（炭素）などからなる。そして、発熱部素材２１，３１（ここでは導電部素材２２，３２についても）は、特に浸漬チューブなどの有底環状管内に挿入されることなく溶湯Ｓの中では露出状態にされている（ここでは溶湯Ｓより上方に突出した導電部素材２２，３２についても露出状態としている）。

また電気ヒーター２０，３０は、交流電源２００に接続された変換器３００で変換された直流により作動するようにされている。
変換器３００としては、交流を直流に変換するものであれば使用できるが、ここではサイリスタレギュレータを使用した。

溶湯Ｓにはセンサーとして熱電対７００が取付けられ、熱電対７００からの溶湯Ｓの温度情報が温度調節器（図示しない）に送られてモニタされ、その溶湯温度に応じて一対の電極（発熱部素材２１，３１）間に流れる電流量（すなわち発熱量）を制御し、溶湯温度を所望の温度としている。

また交流電源２００と電気ヒーター２０，３０の導電部素材２２，３２の間には感電防止のため絶縁トランス５００が設けられている。絶縁トランス５００について省くこともできる。また、絶縁トランス５００を使用することにかえて４線式Ｙ結線を用いて感電防止を図ることもできる。
また、溶湯Ｓにはその他に、接地電極（図示しない）も浸漬しておりアースされている。

以上のように構成された非鉄金属用溶解炉１００によれば、溶解室１０１に設けられ溶湯Ｓを加熱する電気ヒーター２０，３０を、一対の電極となる発熱部素材２１，３１と、その発熱部素材２１，３１の上部に接合され発熱部素材２１，３１より小さい抵抗値を有し溶湯Ｓに下部側だけが浸漬された導電部素材２２，３２からなるものとし、発熱部素材２１，３１は、浸漬チューブなどの有底環状管内に挿入されることなく露出状態であり、溶湯Ｓを利用して一対の電極間（発熱部素材２１，３１間）に電流を流すように構成されているので、従来のように浸漬チューブ内に加熱源があるものと比較して伝熱できる単位面積あたりのエネルギー密度が大きく、効率的に溶湯を加熱することができる。
しかも、電気ヒーター２０，３０は、交流電源２００に接続された変換器３００で変換された直流により作動するものであるので、直流電極を使用するものと比較してコストを抑えられる。

なお、図２に示すように、電気ヒーター２０（電気ヒーター３０についても同様）の発熱部素材２１と導電部素材２２の外周面を絶縁材４０で連続的に覆うとともに、絶縁材４０の上端（一端）４０ａを溶湯Ｓより上方の位置、すなわち溶湯Ｓに接触する部分より電源２００を接続する側の位置になるように設けるようにすることもでき、これによれば、感電や炉周辺機器の破損を防止することができる。絶縁材４０による被覆は、電気ヒーター２０の外周面に絶縁材４０が付着するように加工したものであるが、円筒状の絶縁材４０の内部に電気ヒーター２０を差し込むようにしてもよい。
このとき、発熱部素材２１の下端（先端）２１ａについては絶縁材４０で覆うことなく開放状態にしてあるので、発熱部素材２１の下端２１ａが直接、溶融金属と接触することで伝熱係数が大きくさらに効率的に溶湯Ｓを加熱することができる。

図１では、電気ヒーターは、非鉄金属用溶解炉１００に対して上下方向に延びる縦型のものであるが、図３に示すように、水平方向に延びる横型のものとすることもできる。
このとき、電気ヒーター２０の発熱部素材２１の先端２１ａと、電気ヒーター３０の発熱部素材３１の先端３１ａが水平方向において相対向するように配置されている。このとき、電気ヒーター２０，３０は炉壁に対して密封状態で取付けられている。

なお、本実施形態では、非鉄金属用溶解炉１００の溶解室１０１内に電気ヒーター２０，３０を設けた場合を例示したが、非鉄金属用溶解炉１００の保持室（図示しない）内に電気ヒーター２０，３０を設けるようにしてもよいし、溶解室１０１と保持室の両方に設けるようにしてもよい。
また、非鉄金属用溶解炉１００に限らず、非鉄金属が溶融された溶湯Ｓを保持する非鉄金属用保持炉の保持室に、電気ヒーター２０，３０を設けることもできる。

また、変換器３００を介して交流を直流に変換するようにしたが、交流をそのまま、あるいは交流を別の異なる交流に変換して電気ヒーター２０，３０を作動させることもできる。

１ 抵抗体
２ 抵抗体
５ 充填材
１０ 浸漬チューブ
２０ 電気ヒーター
２１ 発熱部素材
２１ａ 下端（先端）
２２ 導電部素材
３０ 電気ヒーター
３１ 発熱部素材
３１ａ 下端（先端）
３２ 導電部素材
４０ 絶縁材
４０ａ 上端
１００ 非鉄金属用溶解炉
１０１ 溶解室
２００ 交流電源
３００ 変換器
５００ 絶縁トランス
７００ 熱電対（センサー）
Ｌ 所定間隔
Ｓ 溶湯

Claims (2)

1. 電気ヒーターによって溶湯を加熱する室を備え、溶湯に投入された非鉄金属を溶解する非鉄金属用溶解炉であって、
   前記電気ヒーターは、前記室において前記溶湯に浸漬され、水平方向に所定間隔を開けて対向する少なくとも一対の電極となる発熱部素材と、前記発熱部素材の、電源を接続する側に接合され前記発熱部素材より小さい抵抗値を有する導電部素材を備え、
   前記発熱部素材は有底環状管内に挿入されることなく露出状態であり、前記溶湯を利用して前記一対の電極間に電流を流すようにし、
   前記発熱部素材の、前記溶湯に浸漬した先端を開放状態とし、前記発熱部素材と前記導電部素材の外周面を絶縁材で連続的に覆うとともに、前記絶縁材の一端を、前記溶湯に接触する部分より前記電源を接続する側の位置になるように設けたことを特徴とする非鉄金属用溶解炉。
2. 電気ヒーターによって溶湯を加熱する室を備え、非鉄金属が溶解された前記溶湯を保持する非鉄金属用保持炉であって、
   前記電気ヒーターは、前記室において前記溶湯に浸漬され、水平方向に所定間隔を開けて対向する少なくとも一対の電極となる発熱部素材と、前記発熱部素材の、電源を接続する側に接合され前記発熱部素材より小さい抵抗値を有する導電部素材を備え、
   前記発熱部素材は有底環状管内に挿入されることなく露出状態であり、前記溶湯を利用して前記一対の電極間に電流を流すようにし、
   前記発熱部素材の、前記溶湯に浸漬した先端を開放状態とし、前記発熱部素材と前記導電部素材の外周面を絶縁材で連続的に覆うとともに、前記絶縁材の一端を、前記溶湯に接触する部分より前記電源を接続する側の位置になるように設けたことを特徴とする非鉄金属用保持炉。

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