JP2004508529A - 高温工程用の流動床ガスディストリビュータシステム - Google Patents
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Abstract
鋳造部分からの砂中子の剥離及び砂中子除去を行い、金属部分を熱処理し、金属部分から有機汚染物を除去する方法及び装置であって、該方法及び装置は、流動床(18)内において当該部分から遠い下方向に流動化ガス(20)を放出する、改良した流動化ガスディストリビュータ(12)を有した流動床炉を使用している。
Description
【0001】
発明の分野
本発明は、概ね、鋳造部分から砂中子を剥離し砂中子を除去し、金属部分を熱処理し、金属部分から有機汚染物質を除去する方法及び装置に関し、さらに詳細には、改良した流動化ガスディストリビュータを備え付けた流動床炉を用いて改良した方法及び装置に関する。
発明の背景
【0002】
鉄及び非鉄金属を部品に鋳造する際において、鋳込み部分は、融解した鉄または非鉄金属を型内に注湯することにより形成される。部品が内部に開口部または通路を有する時には、砂中子を、鋳物砂及び粘結剤を用いて内部開口部または通路の形状にし、型内の適切な位置に配置する。通常中子のいくらかまたは殆どを取り囲む型と中子との間の空間内へ溶湯を注湯する。金属が凝固すると、型を開いて当該部分を取り外す。殆どの場合においては、中子は、内部に残ったままとなり取り除く必要がある。
【0003】
米国特許第5,423,370号明細書は、その開示が参照によりここに組み込まれたものとし、砂中子を形成するために使用したのと同じタイプの流動化砂を用いることに基づく熱プロセスを用いて鋳造物から砂中子を取り除くための流動床炉についての本発明を記述する。この同じ特許には、アルミニウム鋳造物加熱処理用の流動床炉の使用が説明されている。
【0004】
鋳造以外の他の方法により鉄及び非鉄金属部品を製造する場合においては、流動床は、かなり多くの商業的用途における部品または他の物体を熱処理及び洗浄を行う効果的な処理方法として設置された。これは、米国特許第4,512,821号、第 4,524,957号及び第4,547,228,号明細書が例示しており、その開示は、参照によりここに組み込まれたものとする。
【0005】
流動固形物床が所望の温度レベルに達するとともに、システムの熱損失を加え、行われている特定のプロセスのエネルギー要件を満たすように流動床炉へエネルギーを投入可能ないくつかの既知の技術がある。流動床炉システムへのエネルギー投入源は、電気或いは、天然ガスまたは石油のような燃料であることが典型的である。
【0006】
エネルギーをエネルギー源から流動固形物床へ伝達する機構は、以下の方法の1つまたはそれらを組み合わせることにより行われることが典型的である。
【0007】
機構i: 図1に示すように、流動化ガス相を、炉に入れる前に流動固形物床の作用温度を越える温度に加熱する。高温の流動化ガスが流動化ガス分配羽口を通って流動床へ入ると、所望のエネルギーが投入される。これを「直接加熱」と呼ぶ。
【0008】
機構ii: 図2に示すように、流動固形物床と接触した熱伝達面を通じて、典型的には流動固形物床中に沈められた加熱管を通じて、或いは流動固形物床を収容する槽の壁を取り囲む加熱マントルから該壁を通じて、エネルギーを伝達する。エネルギー投入のこの機構を「間接加熱」と呼ぶ。
【0009】
機構iii: 図3に示すように、流動固形物床内へ気体、液体または固体状の燃料を直接注入し、それが流動固形物床内にある間に、すなわち流動固形物床の最上の位置より下において、燃料を燃焼させる。
【0010】
エネルギー源の選択は経済性を考慮して行うのが典型的である。流動床へのエネルギー伝達機構の選択は、炉の形状構成及び、含まれるプロセス適用についての特徴によって異なる。この選択は、沈められた部分が必要とするガス相の環境により決まるのが典型的である。
【0011】
処理される製品が典型的燃料の燃焼生成物に接触させられない適用においては、流動床へエネルギーを伝達する機構は、機構iiによる流動床の間接加熱を行うこと及び/または、流動化ガスの間接加熱を行い温度を上昇させてその後に機構iによる流動床の直接加熱を続けることに限定される。
【0012】
これらの場合においては、機構iiiによる流動固形物床内への燃料の直接注入は、流動固形物床内に存在する燃焼ガスが製品品質に悪影響を与えるために用いることができない。
【0013】
上記図3に示すように、典型的な燃料の燃焼生成物が品質を損なうことなく部分に接触可能であるとともに炉内の流動固形物の作用温度が燃料の発火温度より高いため流動固形物床内の燃料の完全燃焼を保証する心配がない場合には、経済性を考慮することが機構iiiには概ね有利である。図3に、直接燃料噴射及び直接燃焼空気噴射型の装置を示す。多くの重要な商業的用途では流動化ガスは空気であるが、その場合には、流動化空気が燃焼に必要な酸素を提供するので燃焼用空気を直接噴射する必要はない。流動床へ燃料を給送することだけが必要である。
【0014】
金属部分の熱処理を含む殆どの場合においては、流動化ガスの組成を注意深く制御し続ける必要がある。上記これらの適用を考慮した結果、この要件は、機構iiiには適用されないことが典型的である。
【0015】
アルミニウム鋳造物の砂中子を剥離しアルミニウム鋳造物及び他のアルミニウム部品を熱処理することに対する非常に重要な適用のための本プロセスは、約550℃で行う。この温度は天然ガス及び他の燃料の発火点より低く、安全を考えてかつ/または機構iiiを安全に行うための保護装置にかかるコストを考えて、機構iiiは用いられないことが多い。
【0016】
これは、一般に、上述したアルミニウム鋳造物及び他のアルミニウム部分を処理し金属を熱処理することを含んだ重要な商業的用途のために、考慮を機構i及びiiに制限する。
【0017】
機構iは、流動化ガス加熱器を用いて流動固形物に所望のエネルギーを提供して流動化ガスの温度を上昇させる、概ね比較的低コストの方法である。この機構により可能なガス流動固形物床へのエネルギーの最大伝達率は、炉の流動化ガス分配羽口システムが機械的に耐えうる最高温度と、炉から出る流動化ガス内の固形物を飛沫同伴し過ぎずに流動中の固形物に適用可能な最高流動化速度とにより制限される。
【0018】
流動化ガスの温度は、典型的には、図1に示すように、ガス加熱器を用いて上昇させ、次いで高温の流動化ガスを床の分配羽口から給送する。流動化ガス加熱器は、流動固形物のガス相内において燃焼生成物が受容可能な時には直接燃料に点火するか、或いは当該適用が流動化ガス相内において燃焼生成物を受容不可能な時には燃料または電気により間接加熱することができる。
【0019】
機構iを用いる第1の欠点は、ガス流動固形物へのエネルギー投入速度を高くする必要がある適用では、流動化ガスの温度を流動固形物床の温度よりかなり高くする必要がある点である。
【0020】
この高温の流動化ガスは、流動化ガスが放出される羽口の直近において流動固形物を、平均床温度をかなり上回る温度に上昇させる。この高温は、ある場合には、部品が羽口に接近するかまたは接触すると処理中の部品を損傷する可能性がある。
【0021】
一例として、アルミニウム金属部品を処理する事例のための典型的な流動床炉は、流動化ガスの温度を約815℃にして、流動固形物床内において500℃で該部品を溶体化アニーリング(solution annealing)することができる。アルミニウム部品が流動化ガス羽口に接触するかまたは直近になると、溶解するかまたはひどく変形してしまう可能性がある。さらには、典型的には処理中の部品から落ちて流動床炉の底へ流れて一定の期間にわたって徐々に積もるアルミニウムの小さい削り屑、破片、または切り屑がある。これらの断片は、羽口の付近に近づくかまたは羽口に接触すると、通常、溶解し徐々に羽口を取り囲み空気の流れを妨げる。
【0022】
本発明の改良した流動化ガスディストリビュータは、羽口から放出される前の流動化ガスの温度を低減し、それにより羽口付近における局所的な高温領域をなくし、羽口の付近において部品を溶解させるかまたは変形させるという問題を解消する。
【0023】
本発明は、流動化床内へエネルギーを伝達する、改良した新しい方法であり、流動固形物床の温度がエネルギー源として使用する燃料の発火温度より高くても低くてもいずれにしても、流動化ガス相内におけるエネルギー源である燃焼生成物を受容不可能な適用に役立たせることができる。
【0024】
間接熱伝達を行いその後に流動化ガスをガス分配装置から放出することによる直接加熱を行うことにより流動固形物を加熱する革新的な構成において、機構i及び機構iiの構想のいくつかを組み合わせることによりこの広範囲の適用の利点を得られる。この構成は、特に金属部分の熱処理、金属部分の洗浄、鋳造物からの砂中子及び囲んでいる型の除去に好ましいものとなり得るが、流動床炉を含めたいくつかの流動床リアクタの構成においても好ましい。
【0025】
発明の概要
本発明は、流動化ガスディストリビュータからの高温の流動化ガスにより高温の流動床炉またはリアクタへエネルギーが供給される時の、典型的な流動化ガスディストリビュータにおける欠点を克服する方法及び装置を含む。この改良したガス相ディストリビュータは、固形物の流動床内に装着された配管を含み、該配管は、流動固形物を形成する粒状固形物床のより低い部分における高さに比較的均等な間隔をおいて配置された分配羽口へ高温の流動化ガスを運ぶ。分配羽口は、配管列の底部に接続され、列を構成する配管と隣接する。羽口は、羽口の放出地点の高さかまたは若干低い高さにおいて流動化床現象を引き起こす下方向に高温の流動化ガスを放出する。
【0026】
この構成によって、配管列の位置が、流動化が開始される高さより上の高さに、従って流動固形物床内になることが保証される。これによって、概して好ましい、熱を伝達する性質が流動固形物にあるために、列の配管壁を通じた、分配配管内の流動化ガスから流動床内への間接熱伝達が増す結果となる。この間接熱伝達によって、羽口ディストリビュータから放出されるガス相の温度が配管列へ給送された流動化ガスの温度より低くなる。この状態によって、分配羽口の付近における流動床の下方部分の温度がさらに均一になる。
【0027】
このガス相分配の発明は、流動床炉の下方部の近傍に配置される被処理部分を劣化または破壊する可能性があるとともに、高温の流動化ガスを含む直接加熱エネルギー伝達機構を有した流動床炉の利点を引き出すことが難しくなる可能性がある、分配羽口付近における高温領域を低減するかまたはなくす。
【0028】
このガス相分配装置は、羽口の放出を下方向にすることによって、固形物の粒子が羽口のガス相放出孔から配管列へ入りにくくするという利点をさらに有する。
【0029】
好ましい実施形態の詳細な説明
次いで同様の部分には同じ番号を付けた図面を開いて、図4に、多量の金属部分を処理することを含む1つの典型的な形態の高温流動床炉10を示す。この炉には、流動床ガスディストリビュータ12が備え付けられる。このガスディストリビュータ12のさらなる詳細を図5に示し、全体を14で示す下向き放出用羽口を図6に示す。
【0030】
本発明において、高温の流動化ガスが、図4、図5及び図6に示す配管列16によって水平面内において炉10中に分配される。分配用配管列16の下に位置する羽口14から流動化ガスを放出した場合、固形物の流動化開始の高さが、配管列16より下のレベルになる。従って、配管列16は、その周り全体に流動固形物床18を有し、配管列16からガス流動固形物床への熱伝達率は、ガス流動固形物と接触した熱伝達面と流動固形物自体との間における典型的な好ましい熱伝達係数によって得られる。典型的には、粒子用の鋳物砂を含めた適用においては、熱伝達係数は、20から100 BTU/hr.ft2゜Fである。
【0031】
図4を参照すると、高温流動化ガス20は、炉槽壁24の側部内の給送ポート22を通り配管列16へ入り、給送配管22と連続した連結配管16の列へ流れる。この配管列16を図5に示す。図5を参照すると、高温流動化ガスの入口は、給送ポート22に通じる。その流れは、典型的には、メインヘッダー配管26から分岐管の配管列28内へそれから下向き排出羽口32内の孔から出て行く。次に、ガス相は、流動床内において典型的な上方向を向く。図6に、下向き放出羽口32の一実施形態を示す。
【0032】
配管列16から固形物流動床18への対流性のある熱の伝達率が高いことで、羽口32から放出される流動化ガスの温度は、ポート22からの給送温度より低くなり流動床温度に著しく近い温度になる。
【0033】
従って、流動固形物へのエネルギー投入は、2つに分かれ、配管列16の中を流れる高温のガスから配管壁34を通り流動固形物床への間接伝熱によって伝達され、一方では、流動固形物内へ伝達されるエネルギーの残りは、羽口32から流動固形物内へ流動化ガスを直接導入することによって得られる。
【0034】
配管列16の熱伝達領域を増やすことにより、羽口32から出る流動化ガスの温度を、放出が行われる付近の羽口部分への種々の損傷も回避される流動床温度に近い流動床温度レベルへ低減可能である。
【0035】
さらには、羽口32を下向きに装着することで、羽口32から出る均一な流れパターンを乱すことなく、配管列の頂上部に格子またはスクリーンを固定可能であることが好ましく、鋳造材料からなる小部分または小片が、羽口の放出が行われる付近に落ちて放出を遮断することが妨げられるか、或いはアルミニウムのような低融点の金属部分の場合には羽口の放出温度が高すぎるために軟化または融解することが妨げられる。
【0036】
本発明の好適な実施形態を図4及び図8に示すが、この設計方法の利点が得られる他の構成が可能である。図4は、炉の頂部内の給送ドア36から装入材料を給送する、さらに典型的な低量プロセスである。
【0037】
図7に、損傷を受けることなく燃料の燃焼によるガス相と接触可能な金属部分の場合のための、本発明の好適な実施形態を示す。この場合においては、図示するように、経済的で好適な実施形態では、ガス分配列内へ直接放出を行う容積式バーナー38を装着する。
【0038】
図8は、金属部分が炉システムを通り繰り返しコンベヤ40により給送されるさらに典型的な大容量プロセスである。
【0039】
図8を参照すると、大量生産操作を含めた、砂中子の除去についての本発明の方法を行うための、典型的な、連続したまたは部分的に連続した熱プロセスの概略が見られる。これは、本発明を応用した典型例である。本応用は、流動床炉及び/または機械コンベヤを他の構成にして行うことができる。
【0040】
流動床炉42には、連続したコンベヤ40が備え付けられ、該コンベヤ40は、チェーン型またはこの一般的分類のコンベヤのいずれかにできる。コンベヤは、搬送用バスケットまたは取付具44であり、該搬送用バスケットまたは取付具44は、鋳物46を保持可能であるとともに、均一にかつ、炉内において金属部分46が所望の滞留時間滞留可能なように調節される線速度で、炉42の中を連続してまたは循環して単独でまたはグループで移動させることが可能である。
【0041】
金属部分は、ドア50を通り待機場所48から炉へ入り、該ドア50は、自動的に開閉可能である。ドア50が閉じた後、次のドア52が開いて、バスケットまたは取付具46が、待機場所48から出て炉空間54へ入り得る。これらの給送ドア50及び52は、コンベヤ40が炉の中を通り解放場所56へ、バスケットまたは取付具の連続したラインを動いている時に、交互に開閉し続ける。
【0042】
金属部分は、炉からドア58を通って解放場所56内へ出る。解放バスケットまたは取付具44が解放場所56に入った後、ドア58が閉じドア60が開いて、バスケットまたは取付具が、解放場所56を出て、次の鋳物用のプロセスステップに続くか、またはこのプロセスが砂中子の剥離だけしか含まない場合には、鋳物46がバスケットまたは取付具から取り外される装出領域へ続き得る。これらの解放ドア58及び60は、コンベヤ40が炉42から外へバスケットまたは取付具の連続したラインを動く時に、交互に開閉し続ける。
【0043】
炉42は、流動固形物床62を含み、該流動固形物床62は、好適な実施形態では、この炉内において除去されている砂中子の製造に使用したのと同じ組成および大きさの範囲の流動鋳物砂である。流動固形物のレベルは、コンベヤ40が給送端において下向きに傾斜し、水平レベルになり、次いでコンベヤ40が解放端において上向きに傾斜することによって、バスケットまたは取付具44が、金属部分46を含めて、制御された速度で流動固形物床中を通過するようなものとする。
【0044】
粒状固形物の流動化床を作り出す流動化空気は、典型的には送風機64により空気加熱器66から分配導管68を通りポンプ注入される大気であり、該分配導管68は、加熱された空気を配管列16へ給送し、該配管列16は、流動化空気を下向きの羽口32から流動化床62内へ給送する、改良された空気分配システムを形成し、該流動化床62は、流動固形物内へ空気を均一に分配することができ、これにより、粒子が浮揚し分配配管列の下の高さにおいて流動固形物現象が生じる。
【0045】
加熱された流動化空気はまた、砂中子を剥離するのに必要な温度に流動固形物を維持し制御する所望のエネルギーを提供し、これは、改良された流動化空気分配システムを形成する配管列16の壁34全体への対流熱によって、また続いて、この対流熱伝達により流動化空気の温度が低減した後には、流動化空気の温度が流動固形物床の温度に下がることにより流動固形物へのエネルギーの追加が中止されると、下向きの放出口32のポートまたは孔30から流動固形物床内へ直接放出を行うことによって、行われる。
【0046】
従って、羽口から放出される放出物の付近における流動固形物の温度は、配管列16全体への間接的な対流熱伝達によるこの改良された流動化空気分配システムの場合には、この革新的な改良がない場合ほど高くはない。羽口32から出る流動化空気の温度がこのように低減することで、鋳物または金属部分が羽口にきわめて近接するために損傷を受けるという問題および、金属部分のアルミニウム片または他の金属の廃棄片が鋳物から除去され炉の底部へ落ちてそこで羽口から放出される高温の流動化空気により融解する場合があるという問題が解消される。
【0047】
結合剤を熱分解させるための、炉内42のアルミニウム鋳物の温度および滞留時間は、典型的には、温度を450℃から550℃の範囲にし、含まれる金属部分の形状及び大きさにより異なるが約20から90分、その金属部分を所定温度にして得られる。
【0048】
流動化床内へ流れる砂中子から加わる鋳物砂は、溢流管70から流出させることにより炉から排出され、次いで集められ、冷却され、時にふるいにかけられて、再利用の準備が行われるのが典型的である。
【0049】
流動固形物床62からの流動化ガスは、導管72を通って炉を出て、次いで典型的には粒子除去用のサイクロンを備えた排ガス処理システム24および、砂中子結合剤の熱分解による種々の揮発性の有機炭素(VOC)化合物を酸化するアフターバーナーを通過して、次いで排気装置76を通過し、該排気装置76は、若干負圧下に、典型的には0.5インチw.c.未満に流動床炉42を維持して流動化ガスを炉システムから排出させる。
【0050】
砂中子の剥離に続いて、溶体化アニーリング熱処理ステップ(solution annealing heat treating step)を行う必要がある時、両処理ステップを行うための滞留時間の要件に備えるために流動床炉42を十分長く作製しなければならないという点を除いて、図2に示したのと同じシステムを用いることができる。
【0051】
本発明のプロセスのシミューレーションを行う試験工場操業においてアルミニウム自動推進エンジン部分を含んだ以下の適用を行った。
【0052】
このプロセスの好適な実施形態が例として開示されたこと及び、添付の特許請求の範囲および精神から逸脱せずに他の変形があり得ることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
固形物流動化床内へエネルギーを伝達する機構として高温の流動化ガスを使用する、典型的な流動床炉の概略図である。
【図2】
流動床内にエネルギーを伝達する機構として間接加熱を用いる、典型的な流動床炉の概略図である。この図面は、加熱用マントルを使用して、槽を含んだ流動床の壁および、間接加熱用チューブを通じて熱を伝達する間接加熱を示す。先のアプローチは、典型的には、流動床の体積に対する槽壁面積が所望のエネルギー投入を伝達するのに十分にある場合にはより小さい炉に用いられる。加熱用チューブの必要数は、プロセスの所望の熱伝達率を満たすのに必要な間接熱伝達総面積により異なる。図2はまた、固形物流動化床に対して熱伝達率をさらに補うために流動化ガス加熱器を任意に使用することも示す。
【図3】
エネルギーを流動床内へ伝達する機構として流動床内へ燃料を直接注入する、典型的な流動床炉の構成の概略図である。この構成においては、燃料は、典型的には、気体、例えば天然ガス、または液体、例えば油である。この炉には、羽口を含んだディストリビュータプレートが備え付けられる。
【図4】
典型的な、アルミニウム鋳物または他の金属部分について砂中子の剥離および熱処理において部分的処理を行うための、本発明に係る改良した流動床ガスディストリビュータシステムを備え付けた典型的な流動床炉の概略図である。
【図5】
改良した流動化ガスディストリビュータの平面図及び側面図である。
【図6】
改良した流動化ガスディストリビュータの下向き排出羽口の側面図及び平面図である。
【図7】
流動化ガスディストリビュータの配管列内に直接点火を行う、直接点火型の容積式バーナーが備え付けられた、改良した流動化ガスディストリビュータの側方部分断面図である。
【図8】
鋳物の給送が通常の繰り返しサイクルを基礎にしている場合、大規模なアルミニウム鋳物の砂中子剥離法における、改良した流動化ガスディストリビュータの好適な実施形態の側方断面図である。
発明の分野
本発明は、概ね、鋳造部分から砂中子を剥離し砂中子を除去し、金属部分を熱処理し、金属部分から有機汚染物質を除去する方法及び装置に関し、さらに詳細には、改良した流動化ガスディストリビュータを備え付けた流動床炉を用いて改良した方法及び装置に関する。
発明の背景
【0002】
鉄及び非鉄金属を部品に鋳造する際において、鋳込み部分は、融解した鉄または非鉄金属を型内に注湯することにより形成される。部品が内部に開口部または通路を有する時には、砂中子を、鋳物砂及び粘結剤を用いて内部開口部または通路の形状にし、型内の適切な位置に配置する。通常中子のいくらかまたは殆どを取り囲む型と中子との間の空間内へ溶湯を注湯する。金属が凝固すると、型を開いて当該部分を取り外す。殆どの場合においては、中子は、内部に残ったままとなり取り除く必要がある。
【0003】
米国特許第5,423,370号明細書は、その開示が参照によりここに組み込まれたものとし、砂中子を形成するために使用したのと同じタイプの流動化砂を用いることに基づく熱プロセスを用いて鋳造物から砂中子を取り除くための流動床炉についての本発明を記述する。この同じ特許には、アルミニウム鋳造物加熱処理用の流動床炉の使用が説明されている。
【0004】
鋳造以外の他の方法により鉄及び非鉄金属部品を製造する場合においては、流動床は、かなり多くの商業的用途における部品または他の物体を熱処理及び洗浄を行う効果的な処理方法として設置された。これは、米国特許第4,512,821号、第 4,524,957号及び第4,547,228,号明細書が例示しており、その開示は、参照によりここに組み込まれたものとする。
【0005】
流動固形物床が所望の温度レベルに達するとともに、システムの熱損失を加え、行われている特定のプロセスのエネルギー要件を満たすように流動床炉へエネルギーを投入可能ないくつかの既知の技術がある。流動床炉システムへのエネルギー投入源は、電気或いは、天然ガスまたは石油のような燃料であることが典型的である。
【0006】
エネルギーをエネルギー源から流動固形物床へ伝達する機構は、以下の方法の1つまたはそれらを組み合わせることにより行われることが典型的である。
【0007】
機構i: 図1に示すように、流動化ガス相を、炉に入れる前に流動固形物床の作用温度を越える温度に加熱する。高温の流動化ガスが流動化ガス分配羽口を通って流動床へ入ると、所望のエネルギーが投入される。これを「直接加熱」と呼ぶ。
【0008】
機構ii: 図2に示すように、流動固形物床と接触した熱伝達面を通じて、典型的には流動固形物床中に沈められた加熱管を通じて、或いは流動固形物床を収容する槽の壁を取り囲む加熱マントルから該壁を通じて、エネルギーを伝達する。エネルギー投入のこの機構を「間接加熱」と呼ぶ。
【0009】
機構iii: 図3に示すように、流動固形物床内へ気体、液体または固体状の燃料を直接注入し、それが流動固形物床内にある間に、すなわち流動固形物床の最上の位置より下において、燃料を燃焼させる。
【0010】
エネルギー源の選択は経済性を考慮して行うのが典型的である。流動床へのエネルギー伝達機構の選択は、炉の形状構成及び、含まれるプロセス適用についての特徴によって異なる。この選択は、沈められた部分が必要とするガス相の環境により決まるのが典型的である。
【0011】
処理される製品が典型的燃料の燃焼生成物に接触させられない適用においては、流動床へエネルギーを伝達する機構は、機構iiによる流動床の間接加熱を行うこと及び/または、流動化ガスの間接加熱を行い温度を上昇させてその後に機構iによる流動床の直接加熱を続けることに限定される。
【0012】
これらの場合においては、機構iiiによる流動固形物床内への燃料の直接注入は、流動固形物床内に存在する燃焼ガスが製品品質に悪影響を与えるために用いることができない。
【0013】
上記図3に示すように、典型的な燃料の燃焼生成物が品質を損なうことなく部分に接触可能であるとともに炉内の流動固形物の作用温度が燃料の発火温度より高いため流動固形物床内の燃料の完全燃焼を保証する心配がない場合には、経済性を考慮することが機構iiiには概ね有利である。図3に、直接燃料噴射及び直接燃焼空気噴射型の装置を示す。多くの重要な商業的用途では流動化ガスは空気であるが、その場合には、流動化空気が燃焼に必要な酸素を提供するので燃焼用空気を直接噴射する必要はない。流動床へ燃料を給送することだけが必要である。
【0014】
金属部分の熱処理を含む殆どの場合においては、流動化ガスの組成を注意深く制御し続ける必要がある。上記これらの適用を考慮した結果、この要件は、機構iiiには適用されないことが典型的である。
【0015】
アルミニウム鋳造物の砂中子を剥離しアルミニウム鋳造物及び他のアルミニウム部品を熱処理することに対する非常に重要な適用のための本プロセスは、約550℃で行う。この温度は天然ガス及び他の燃料の発火点より低く、安全を考えてかつ/または機構iiiを安全に行うための保護装置にかかるコストを考えて、機構iiiは用いられないことが多い。
【0016】
これは、一般に、上述したアルミニウム鋳造物及び他のアルミニウム部分を処理し金属を熱処理することを含んだ重要な商業的用途のために、考慮を機構i及びiiに制限する。
【0017】
機構iは、流動化ガス加熱器を用いて流動固形物に所望のエネルギーを提供して流動化ガスの温度を上昇させる、概ね比較的低コストの方法である。この機構により可能なガス流動固形物床へのエネルギーの最大伝達率は、炉の流動化ガス分配羽口システムが機械的に耐えうる最高温度と、炉から出る流動化ガス内の固形物を飛沫同伴し過ぎずに流動中の固形物に適用可能な最高流動化速度とにより制限される。
【0018】
流動化ガスの温度は、典型的には、図1に示すように、ガス加熱器を用いて上昇させ、次いで高温の流動化ガスを床の分配羽口から給送する。流動化ガス加熱器は、流動固形物のガス相内において燃焼生成物が受容可能な時には直接燃料に点火するか、或いは当該適用が流動化ガス相内において燃焼生成物を受容不可能な時には燃料または電気により間接加熱することができる。
【0019】
機構iを用いる第1の欠点は、ガス流動固形物へのエネルギー投入速度を高くする必要がある適用では、流動化ガスの温度を流動固形物床の温度よりかなり高くする必要がある点である。
【0020】
この高温の流動化ガスは、流動化ガスが放出される羽口の直近において流動固形物を、平均床温度をかなり上回る温度に上昇させる。この高温は、ある場合には、部品が羽口に接近するかまたは接触すると処理中の部品を損傷する可能性がある。
【0021】
一例として、アルミニウム金属部品を処理する事例のための典型的な流動床炉は、流動化ガスの温度を約815℃にして、流動固形物床内において500℃で該部品を溶体化アニーリング(solution annealing)することができる。アルミニウム部品が流動化ガス羽口に接触するかまたは直近になると、溶解するかまたはひどく変形してしまう可能性がある。さらには、典型的には処理中の部品から落ちて流動床炉の底へ流れて一定の期間にわたって徐々に積もるアルミニウムの小さい削り屑、破片、または切り屑がある。これらの断片は、羽口の付近に近づくかまたは羽口に接触すると、通常、溶解し徐々に羽口を取り囲み空気の流れを妨げる。
【0022】
本発明の改良した流動化ガスディストリビュータは、羽口から放出される前の流動化ガスの温度を低減し、それにより羽口付近における局所的な高温領域をなくし、羽口の付近において部品を溶解させるかまたは変形させるという問題を解消する。
【0023】
本発明は、流動化床内へエネルギーを伝達する、改良した新しい方法であり、流動固形物床の温度がエネルギー源として使用する燃料の発火温度より高くても低くてもいずれにしても、流動化ガス相内におけるエネルギー源である燃焼生成物を受容不可能な適用に役立たせることができる。
【0024】
間接熱伝達を行いその後に流動化ガスをガス分配装置から放出することによる直接加熱を行うことにより流動固形物を加熱する革新的な構成において、機構i及び機構iiの構想のいくつかを組み合わせることによりこの広範囲の適用の利点を得られる。この構成は、特に金属部分の熱処理、金属部分の洗浄、鋳造物からの砂中子及び囲んでいる型の除去に好ましいものとなり得るが、流動床炉を含めたいくつかの流動床リアクタの構成においても好ましい。
【0025】
発明の概要
本発明は、流動化ガスディストリビュータからの高温の流動化ガスにより高温の流動床炉またはリアクタへエネルギーが供給される時の、典型的な流動化ガスディストリビュータにおける欠点を克服する方法及び装置を含む。この改良したガス相ディストリビュータは、固形物の流動床内に装着された配管を含み、該配管は、流動固形物を形成する粒状固形物床のより低い部分における高さに比較的均等な間隔をおいて配置された分配羽口へ高温の流動化ガスを運ぶ。分配羽口は、配管列の底部に接続され、列を構成する配管と隣接する。羽口は、羽口の放出地点の高さかまたは若干低い高さにおいて流動化床現象を引き起こす下方向に高温の流動化ガスを放出する。
【0026】
この構成によって、配管列の位置が、流動化が開始される高さより上の高さに、従って流動固形物床内になることが保証される。これによって、概して好ましい、熱を伝達する性質が流動固形物にあるために、列の配管壁を通じた、分配配管内の流動化ガスから流動床内への間接熱伝達が増す結果となる。この間接熱伝達によって、羽口ディストリビュータから放出されるガス相の温度が配管列へ給送された流動化ガスの温度より低くなる。この状態によって、分配羽口の付近における流動床の下方部分の温度がさらに均一になる。
【0027】
このガス相分配の発明は、流動床炉の下方部の近傍に配置される被処理部分を劣化または破壊する可能性があるとともに、高温の流動化ガスを含む直接加熱エネルギー伝達機構を有した流動床炉の利点を引き出すことが難しくなる可能性がある、分配羽口付近における高温領域を低減するかまたはなくす。
【0028】
このガス相分配装置は、羽口の放出を下方向にすることによって、固形物の粒子が羽口のガス相放出孔から配管列へ入りにくくするという利点をさらに有する。
【0029】
好ましい実施形態の詳細な説明
次いで同様の部分には同じ番号を付けた図面を開いて、図4に、多量の金属部分を処理することを含む1つの典型的な形態の高温流動床炉10を示す。この炉には、流動床ガスディストリビュータ12が備え付けられる。このガスディストリビュータ12のさらなる詳細を図5に示し、全体を14で示す下向き放出用羽口を図6に示す。
【0030】
本発明において、高温の流動化ガスが、図4、図5及び図6に示す配管列16によって水平面内において炉10中に分配される。分配用配管列16の下に位置する羽口14から流動化ガスを放出した場合、固形物の流動化開始の高さが、配管列16より下のレベルになる。従って、配管列16は、その周り全体に流動固形物床18を有し、配管列16からガス流動固形物床への熱伝達率は、ガス流動固形物と接触した熱伝達面と流動固形物自体との間における典型的な好ましい熱伝達係数によって得られる。典型的には、粒子用の鋳物砂を含めた適用においては、熱伝達係数は、20から100 BTU/hr.ft2゜Fである。
【0031】
図4を参照すると、高温流動化ガス20は、炉槽壁24の側部内の給送ポート22を通り配管列16へ入り、給送配管22と連続した連結配管16の列へ流れる。この配管列16を図5に示す。図5を参照すると、高温流動化ガスの入口は、給送ポート22に通じる。その流れは、典型的には、メインヘッダー配管26から分岐管の配管列28内へそれから下向き排出羽口32内の孔から出て行く。次に、ガス相は、流動床内において典型的な上方向を向く。図6に、下向き放出羽口32の一実施形態を示す。
【0032】
配管列16から固形物流動床18への対流性のある熱の伝達率が高いことで、羽口32から放出される流動化ガスの温度は、ポート22からの給送温度より低くなり流動床温度に著しく近い温度になる。
【0033】
従って、流動固形物へのエネルギー投入は、2つに分かれ、配管列16の中を流れる高温のガスから配管壁34を通り流動固形物床への間接伝熱によって伝達され、一方では、流動固形物内へ伝達されるエネルギーの残りは、羽口32から流動固形物内へ流動化ガスを直接導入することによって得られる。
【0034】
配管列16の熱伝達領域を増やすことにより、羽口32から出る流動化ガスの温度を、放出が行われる付近の羽口部分への種々の損傷も回避される流動床温度に近い流動床温度レベルへ低減可能である。
【0035】
さらには、羽口32を下向きに装着することで、羽口32から出る均一な流れパターンを乱すことなく、配管列の頂上部に格子またはスクリーンを固定可能であることが好ましく、鋳造材料からなる小部分または小片が、羽口の放出が行われる付近に落ちて放出を遮断することが妨げられるか、或いはアルミニウムのような低融点の金属部分の場合には羽口の放出温度が高すぎるために軟化または融解することが妨げられる。
【0036】
本発明の好適な実施形態を図4及び図8に示すが、この設計方法の利点が得られる他の構成が可能である。図4は、炉の頂部内の給送ドア36から装入材料を給送する、さらに典型的な低量プロセスである。
【0037】
図7に、損傷を受けることなく燃料の燃焼によるガス相と接触可能な金属部分の場合のための、本発明の好適な実施形態を示す。この場合においては、図示するように、経済的で好適な実施形態では、ガス分配列内へ直接放出を行う容積式バーナー38を装着する。
【0038】
図8は、金属部分が炉システムを通り繰り返しコンベヤ40により給送されるさらに典型的な大容量プロセスである。
【0039】
図8を参照すると、大量生産操作を含めた、砂中子の除去についての本発明の方法を行うための、典型的な、連続したまたは部分的に連続した熱プロセスの概略が見られる。これは、本発明を応用した典型例である。本応用は、流動床炉及び/または機械コンベヤを他の構成にして行うことができる。
【0040】
流動床炉42には、連続したコンベヤ40が備え付けられ、該コンベヤ40は、チェーン型またはこの一般的分類のコンベヤのいずれかにできる。コンベヤは、搬送用バスケットまたは取付具44であり、該搬送用バスケットまたは取付具44は、鋳物46を保持可能であるとともに、均一にかつ、炉内において金属部分46が所望の滞留時間滞留可能なように調節される線速度で、炉42の中を連続してまたは循環して単独でまたはグループで移動させることが可能である。
【0041】
金属部分は、ドア50を通り待機場所48から炉へ入り、該ドア50は、自動的に開閉可能である。ドア50が閉じた後、次のドア52が開いて、バスケットまたは取付具46が、待機場所48から出て炉空間54へ入り得る。これらの給送ドア50及び52は、コンベヤ40が炉の中を通り解放場所56へ、バスケットまたは取付具の連続したラインを動いている時に、交互に開閉し続ける。
【0042】
金属部分は、炉からドア58を通って解放場所56内へ出る。解放バスケットまたは取付具44が解放場所56に入った後、ドア58が閉じドア60が開いて、バスケットまたは取付具が、解放場所56を出て、次の鋳物用のプロセスステップに続くか、またはこのプロセスが砂中子の剥離だけしか含まない場合には、鋳物46がバスケットまたは取付具から取り外される装出領域へ続き得る。これらの解放ドア58及び60は、コンベヤ40が炉42から外へバスケットまたは取付具の連続したラインを動く時に、交互に開閉し続ける。
【0043】
炉42は、流動固形物床62を含み、該流動固形物床62は、好適な実施形態では、この炉内において除去されている砂中子の製造に使用したのと同じ組成および大きさの範囲の流動鋳物砂である。流動固形物のレベルは、コンベヤ40が給送端において下向きに傾斜し、水平レベルになり、次いでコンベヤ40が解放端において上向きに傾斜することによって、バスケットまたは取付具44が、金属部分46を含めて、制御された速度で流動固形物床中を通過するようなものとする。
【0044】
粒状固形物の流動化床を作り出す流動化空気は、典型的には送風機64により空気加熱器66から分配導管68を通りポンプ注入される大気であり、該分配導管68は、加熱された空気を配管列16へ給送し、該配管列16は、流動化空気を下向きの羽口32から流動化床62内へ給送する、改良された空気分配システムを形成し、該流動化床62は、流動固形物内へ空気を均一に分配することができ、これにより、粒子が浮揚し分配配管列の下の高さにおいて流動固形物現象が生じる。
【0045】
加熱された流動化空気はまた、砂中子を剥離するのに必要な温度に流動固形物を維持し制御する所望のエネルギーを提供し、これは、改良された流動化空気分配システムを形成する配管列16の壁34全体への対流熱によって、また続いて、この対流熱伝達により流動化空気の温度が低減した後には、流動化空気の温度が流動固形物床の温度に下がることにより流動固形物へのエネルギーの追加が中止されると、下向きの放出口32のポートまたは孔30から流動固形物床内へ直接放出を行うことによって、行われる。
【0046】
従って、羽口から放出される放出物の付近における流動固形物の温度は、配管列16全体への間接的な対流熱伝達によるこの改良された流動化空気分配システムの場合には、この革新的な改良がない場合ほど高くはない。羽口32から出る流動化空気の温度がこのように低減することで、鋳物または金属部分が羽口にきわめて近接するために損傷を受けるという問題および、金属部分のアルミニウム片または他の金属の廃棄片が鋳物から除去され炉の底部へ落ちてそこで羽口から放出される高温の流動化空気により融解する場合があるという問題が解消される。
【0047】
結合剤を熱分解させるための、炉内42のアルミニウム鋳物の温度および滞留時間は、典型的には、温度を450℃から550℃の範囲にし、含まれる金属部分の形状及び大きさにより異なるが約20から90分、その金属部分を所定温度にして得られる。
【0048】
流動化床内へ流れる砂中子から加わる鋳物砂は、溢流管70から流出させることにより炉から排出され、次いで集められ、冷却され、時にふるいにかけられて、再利用の準備が行われるのが典型的である。
【0049】
流動固形物床62からの流動化ガスは、導管72を通って炉を出て、次いで典型的には粒子除去用のサイクロンを備えた排ガス処理システム24および、砂中子結合剤の熱分解による種々の揮発性の有機炭素(VOC)化合物を酸化するアフターバーナーを通過して、次いで排気装置76を通過し、該排気装置76は、若干負圧下に、典型的には0.5インチw.c.未満に流動床炉42を維持して流動化ガスを炉システムから排出させる。
【0050】
砂中子の剥離に続いて、溶体化アニーリング熱処理ステップ(solution annealing heat treating step)を行う必要がある時、両処理ステップを行うための滞留時間の要件に備えるために流動床炉42を十分長く作製しなければならないという点を除いて、図2に示したのと同じシステムを用いることができる。
【0051】
本発明のプロセスのシミューレーションを行う試験工場操業においてアルミニウム自動推進エンジン部分を含んだ以下の適用を行った。
【0052】
このプロセスの好適な実施形態が例として開示されたこと及び、添付の特許請求の範囲および精神から逸脱せずに他の変形があり得ることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
固形物流動化床内へエネルギーを伝達する機構として高温の流動化ガスを使用する、典型的な流動床炉の概略図である。
【図2】
流動床内にエネルギーを伝達する機構として間接加熱を用いる、典型的な流動床炉の概略図である。この図面は、加熱用マントルを使用して、槽を含んだ流動床の壁および、間接加熱用チューブを通じて熱を伝達する間接加熱を示す。先のアプローチは、典型的には、流動床の体積に対する槽壁面積が所望のエネルギー投入を伝達するのに十分にある場合にはより小さい炉に用いられる。加熱用チューブの必要数は、プロセスの所望の熱伝達率を満たすのに必要な間接熱伝達総面積により異なる。図2はまた、固形物流動化床に対して熱伝達率をさらに補うために流動化ガス加熱器を任意に使用することも示す。
【図3】
エネルギーを流動床内へ伝達する機構として流動床内へ燃料を直接注入する、典型的な流動床炉の構成の概略図である。この構成においては、燃料は、典型的には、気体、例えば天然ガス、または液体、例えば油である。この炉には、羽口を含んだディストリビュータプレートが備え付けられる。
【図4】
典型的な、アルミニウム鋳物または他の金属部分について砂中子の剥離および熱処理において部分的処理を行うための、本発明に係る改良した流動床ガスディストリビュータシステムを備え付けた典型的な流動床炉の概略図である。
【図5】
改良した流動化ガスディストリビュータの平面図及び側面図である。
【図6】
改良した流動化ガスディストリビュータの下向き排出羽口の側面図及び平面図である。
【図7】
流動化ガスディストリビュータの配管列内に直接点火を行う、直接点火型の容積式バーナーが備え付けられた、改良した流動化ガスディストリビュータの側方部分断面図である。
【図8】
鋳物の給送が通常の繰り返しサイクルを基礎にしている場合、大規模なアルミニウム鋳物の砂中子剥離法における、改良した流動化ガスディストリビュータの好適な実施形態の側方断面図である。
Claims (11)
- 流動床リアクタまたは炉内のガス相ディストリビュータであって、
複数の羽口を通じて粒状固形物からなる流動床内へ放出を行うガス相配管列を備え、
前記複数の羽口は、前記粒状固形物が前記配管列の下において垂直の高さで流動化されてそれにより高温の流動化ガスが前記羽口から前記流動床に入る前に前記配管列を通り前記流動床を間接的に加熱するように、前記配管列の下に連結され装着される、流動床リアクタまたは炉内のガス相ディストリビュータ。 - 前記配管列からの放出は、前記配管列の底部内の開口部から行われる請求項1に記載のガス相ディストリビュータ。
- 前記ガス相ディストリビュータへの給送ライン内に熱交換器を備え、
該熱交換器は、流動化ガス分配ポートの垂直の高さより上の位置であり前記流動固形物中に沈められ、それにより、前記ガス分配ポートから前記流動床に入る前に流動固形物へエネルギーを伝達するように高温の流動化ガスからの間接熱伝達が可能となる請求項2に記載のガス相ディストリビュータ。 - 気体状の燃料が、空気で燃焼させられて、高温の燃焼生成物を得られ、該高温の燃焼生成物は、前記流動床炉内において前記配管列を通って給送され、前記配管列から前記流動床炉へエネルギーを伝達し、それにより前記羽口から前記流動床内へのガス放出温度が低くなる請求項1に記載のガス相ディストリビュータ。
- 気体状の燃料が、空気で燃焼させられて、高温の燃焼生成物を得られ、該高温の燃焼生成物は、前記流動床炉内において前記配管列を通って給送され、前記配管列から前記流動床炉へエネルギーを伝達し、それにより前記ポートから前記流動床内へのガス放出温度が低くなる請求項3に記載のガス相ディストリビュータ。
- 前記燃料は、液体燃料である請求項4に記載のガス相ディストリビュータ。
- 前記燃料は、液体燃料である請求項5に記載のガス相ディストリビュータ。
- 前記羽口の放出方向が、分配用配管列より下の高さにおける粒子の流動化を引き起こして、前記配管列から流動固形物への高い熱伝達係数を得られるようにする、前記流動固形物中に前記配管列が沈められることを保証し、それにより、前記羽口から放出される前における前記流動化ガスの温度が低くなる請求項1に記載のガス相ディストリビュータ。
- 前記開口部の放出方向が、分配用配管列より下の高さにおける粒子の流動化を引き起こして、前記配管列から流動固形物への高い熱伝達係数を得られるようにする、前記流動固形物中に前記配管列が沈められることを保証し、それにより、前記羽口から放出される前における前記流動化ガスの温度が低くなる請求項2に記載のガス相ディストリビュータ。
- 羽口が前記流動化ガスを、停止または流動化ガス流量を低減させている間に前記羽口に入る種々の物質の除去を増加させる下方向に運ぶ請求項9に記載のガス相ディストリビュータ。
- 前記ポートが前記流動化ガスを、停止または流動化ガス流量を低減させている間に前記ポートに入る種々の物質の除去を増加させる下方向に運ぶ請求項3に記載のガス相ディストリビュータ。
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