JP2009138964A - 金属溶解保持炉およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】間接加熱型の金属溶解保持炉における溶解速度が遅い、熱効率が低いなどの欠点を解消する他に、炉内温度の変動を小さくすることができ、燃料の無駄を避けることができるようすることにある。
【解決手段】金属溶解保持炉本体のるつぼ１内の溶湯温度Ｔ１を第１温度センサー４にて、炉本体内部の炉内温度Ｔ２を第２温度センサー６にて計測し、第１温度調節計５に溶湯温度Ｔ１の目標値Ａを設定するとともに溶湯温度Ｔ１の計測値を入力して炉内温度Ｔ２の目標値Ｂを第２温度調節計７に出力し、第２温度調節計７に炉内温度Ｔ２の計測値を入力し、第２温度調節計７からバーナ３への燃料供給量および酸化剤供給量を調節する制御信号を出力し、この制御信号によってバーナ３への燃料供給量および酸化剤供給量を調整する。
【選択図】図２

Description

この発明は、アルミニウム合金、亜鉛合金、マグネシウム合金などのインゴット等の金属材料を溶解し、溶湯状態を保持しつつ一時的に貯留する間接加熱型の金属溶解保持炉とその運転方法に関し、金属の溶解、溶湯保持に要する熱エネルギーを削減できるようにしたものである。

この種の金属溶解保持炉には、直接加熱炉と間接加熱炉とがある。
図５は、従来の間接加熱炉の例を示すものである。
この間接加熱炉は、金属インゴットを溶解して溶湯とし、この溶湯を溶融状態に保ちつつ貯えるるつぼ１と、このるつぼ１を囲む炉体２と、この炉体２の底部に設けられてるつぼ１をその外部から加熱するバーナ３とから概略構成されている。

このような間接加熱炉にあっては、溶湯がバーナ３の火炎に直接曝されることがないので、溶融金属が酸化されて金属酸化物となって損失することが少なく、溶湯品質が優れていると言う利点がある一方、間接加熱であるため、溶解速度が遅い、熱効率が低いなどの欠点が指摘されている。

すなわち、従来の溶解保持炉では、溶湯温度が低下すると温度センサーによってこれを検知し、この検知信号に基づいてバーナへの燃料供給量および酸化剤供給量をＯＮ−ＯＦＦ制御しているが、この制御方法では、燃料供給量が過剰となって燃料の無駄が生じ、熱の多くが外部に逃げ、熱効率が低くなるのである。
特開２００７−２３２２７３号公報 特開２００６−２７５３３６号公報 特開２００５−７５９４０号公報

よって、本発明における課題は、間接加熱型の金属溶解保持炉における熱効率が低い欠点を解消して燃料の無駄を減らすようすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、金属を溶解して溶融状態を保持する間接加熱炉本体と、この炉本体を加熱するバーナを備えた金属溶解保持炉の運転方法であって、
炉本体のるつぼ内の溶湯温度と炉本体内部の炉内温度とを計測し、第１温度調節計に溶湯温度の目標値を設定するとともに溶湯温度の計測値を入力して炉内温度の目標値を第２温度調節計に出力し、第２温度調節計に炉内温度の計測値を入力し、第２温度調節計からバーナへの燃料供給量および酸化剤供給量を調節する制御信号を出力し、この制御信号によってバーナへの燃料供給量および酸化剤供給量を調整することを特徴とする金属溶解保持炉の運転方法である。

請求項２にかかる発明は、るつぼの蓋の開閉を検知し、この検知信号を第１温度調節計に入力して、溶湯温度の目標値Ａを蓋の開時間に対応する時間だけ高くすることを特徴とする請求項１記載の金属溶解保持炉の運転方法である。
請求項３にかかる発明は、炉内温度の計測位置が炉体の底部付近であり、溶湯温度の計測位置がるつぼの底部付近であることを特徴とする請求項１記載の金属溶解保持炉の運転方法である。

請求項４にかかる発明は、金属を溶解して溶融状態を保持する間接加熱炉本体と、この炉本体を加熱するバーナを備えた金属溶解保持炉であって、
炉本体のるつぼ内の溶湯温度を計測する第１温度センサーと、炉本体内部の炉内温度を計測する第２温度センサーと、
溶湯温度の目標値が設定されるとともに第１温度センサーからの溶湯温度の計測値が入力されて炉内温度の目標値を算出する第１温度調節計と、
第１温度調節計からの炉内温度の目標値が入力されるとともに第２温度センサーからの炉内温度の計測値が入力されて、バーナへの燃料供給量および酸化剤供給量を調節する制御信号を出力する第２温度調節計と、
第２温度調節計からの制御信号によってバーナへの燃料供給量および酸化剤供給量を調整する制御手段を有することを特徴とする金属溶解保持炉である。

請求項５にかかる発明は、るつぼの蓋の開閉を検知し、蓋の開信号を第１温度調節計に送る蓋開閉センサーを設けたことを特徴とする請求項４記載の金属溶解保持炉である。
請求項６にかかる発明は、第１温度センサーの設置位置がるつぼの底部までの深さの約半分の深さであり、第２温度センサーの設置位置が炉体の底部付近であることを特徴とする請求項４記載の金属溶解保持炉の運転方法である。

本発明によれば、上述のように、溶湯温度を指標としてバーナへの燃料供給量および酸化剤供給量をカスケード制御することで、バーナの熱出力を精密に制御することができ、炉内温度が過度に上昇することがなくなり、バーナへの無駄な燃料供給がなくなり、燃料消費量を削減できる。

図１および図２は、本発明の溶解保持炉の一例を示すもので、図１は金属溶解保持炉自体を示し、図２は金属溶解保持炉の温度制御系を示すものである。これら図１および図２において、符号１はるつぼを、２は炉体を、３はバーナを示す。
るつぼ１は、外形が碗状であって、その内側の空間に溶解すべき金属インゴットを投入して溶解し、生成した溶湯をその溶融状態を保って貯えるものである。
このるつぼ１は、炉体２に囲まれた状態となっている。

炉体２は、耐熱レンガ、シリカボード、セラミックファイバなどから構築されており、円形の炉壁２１と円板状の炉底２２と、るつぼ１の開口部を開閉する円板状の蓋２３とから概略構成されている。
また、炉壁２１の下部にはバーナ３を設置するためのバーナ設置部２４が外方に突出して設けられている。さらに、炉壁２１の上部には、燃焼排ガスを排出する煙突２５が設けられている。

炉壁２１の内壁面には、図１に示すように、畝状に突出したスパイラル状の突出部２６が形成されている。
このスパイラル状の突出部２６によりバーナ３の火炎または燃焼ガスがらせん状に炉体２内を上昇してるつぼ１を取り巻くようにして上昇してこれを効率よく加熱するようになっている。

バーナ３は、通常の液化石油ガス（ＬＰＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）、プロパン、ブタンなどの炭化水素系ガスからなる燃料と、空気などの酸素含有ガスからなる酸化剤とが供給されて燃焼するもので、炉壁２１に設けられたバーナ設置部２４内に設置されている。
バーナ３には、これに燃料を供給する燃料供給管３１、酸化剤を供給する酸化剤供給管３２が接続されており、燃料供給管３１は図示しない燃料供給源に、酸化剤供給管３２は図示しない酸化剤供給源に接続されている。

また、図２に示すように、燃料供給管３１には燃料供給流量を調節する燃料流量調節弁３３が、酸化剤供給管３２には酸化剤供給流量を調節する酸化剤流量調節弁３４がそれぞれ設けられている。
図１および図２に示すように、るつぼ１の内側には、溶湯温度を計測する第１温度センサー４が取り付けられ、この第１温度センサー４からの計測値が第１温度調節計５に送られるようになっている。
さらに、炉体２の炉壁２１の内壁の下部には、この位置での炉内の温度（以下、炉内温度と言う）を測定する第２温度センサー６が取り付けられており、この第２温度センサー６で計測された計測値が第２温度調節計７に送られるようになっている。

第１および第２の温度センサー４、６は、いずれも熱電対からなるものが用いられ、窒化ケイ素などの耐熱性セラミックスからなる保護管内の先端部に収められている。
第１温度センサー４の設置位置は、この実施形態では、るつぼ１の深さの約１／２の深さの底部付近であって、るつぼ１の内面から３〜５ｃｍ突出した位置となつている。第１温度センサー４は、るつぼ１内に浸した状態で設置されるので、Ｌ字型の保護管が用いられることになる。
この設置位置に第１温度センサー４を配置する理由は、この位置での溶湯温度の変化が大きく表れ、検出速度が速くなるためである。この位置で第１温度センサー４により計測された溶湯温度が溶湯温度の計測値となる。

第２温度センサー６の設置位置は、炉壁の内面の底部の内面から３０〜５０ｃｍ上がった位置であり、保護管が炉壁を貫通して保護管の先端部が内壁面から３〜５ｃｍ突出した位置となっている。この設置位置では、バーナ３の火炎の影響を受けにくく、適切な炉内温度を計測することができる。この位置で第２温度センサー６により計測された炉内温度が炉内温度の計測値となる。

前記第１温度調節計５は、予め設定された溶湯温度の目標値と、第１温度センサー４から入力された溶湯温度の計測値とに基づいて、炉内温度の目標値を算出し、この算出された目標値を第２温度調節計７に送り出す機能を有するもので、ＰＩＤ制御を実行するものである。なお、算出された炉内温度の目標値には、上限値が設定されており、炉内温度の目標値がこの上限値を超えないようになっている。

前記第２温度調節計７は、第１温度調節計５から送られた炉内温度の目標値と、第２温度センサー６から入力された炉内温度の計測値とに基づいて、前記燃料流量調節弁３３の開度を制御する制御信号を算出し、この制御信号を出力する機能を有するもので、ＰＩＤ制御を実行するものである。
図２に示すように、第２温度調節計７から出力された燃料流量制御信号は、一旦燃料流量調節器３５に送られ、この燃料流量調節器３５から弁開度信号が燃料流量調整弁３３に送られるように構成されている。

また、これと同時に、燃料流量調節器３５からは燃料流量信号が酸化剤流量調節器３６に送られ、酸化剤流量調節器３６ではこの燃料流量信号に基づいてこれに応じた酸化剤流量を算出し、この酸化剤流量に基づいて酸化剤流量調整弁３４に弁開度信号を送るようになっている。
燃料流量から酸化剤流量を算出するには、例えば燃料がＬＮＧで、酸化剤が空気である場合、ＬＮＧ１Ｎｍ^３／時間当たりの理論空気量１０．６Ｎｍ^３／時間に空燃比１．１を乗じて算出される。
このように、燃料供給量が決まると、これに対応する酸化剤供給量が自動的に定まるようになっている。

また、図１に示すように、炉体２の上部には、蓋２３の開閉を検知するリミットスイッチなどの蓋開閉検知センサー８が取り付けられており、この蓋開閉検知センサー８からの蓋２３の開信号が第１温度調節計５に送られるようになっており、第１温度調節計５は、蓋開閉検知センサー８からの開信号が入力されると、開信号が入力されている期間に対応して溶湯温度の目標値を１〜５℃程度高めるように動作する。

つぎに、上述の金属加熱保持炉の運転方法について説明する。
まず、第１温度調節計５に溶湯温度の目標値を設定する。金属材料がアルミニウム合金である場合の目標値は６６０〜６８０℃の温度範囲内で設定される。
バーナ２に適量の燃料と酸化剤を供給して燃焼を開始し、るつぼ１内にアルミニウムインゴットなどの金属材料を投入して溶解を行う。

溶湯温度を第１温度センサー４によって、炉内温度を第２温度センサー６によって常時計測する。溶湯温度の計測値を第１温度調節計５に入力する。第１温度調節計５では、予め記憶されている溶湯温度と炉内温度との間の応答特性を用い、溶湯温度の目標値と溶湯温度の計測値とに基づいて、炉内温度の目標値を算出し、この炉内温度の目標値を第２温度調節計７に送信する。

るつぼ１に金属材料を投入する際には、蓋２３を開くことになるので、蓋開閉検知センサー８からの開信号が第１温度調節計５に送られる。第１温度調節計５では、開信号が送られている時間だけ、溶湯温度の目標値を１〜５℃程度高くする動作を行うので、算出される炉内温度の目標値もこれに応じて高くなる。

第２温度調節計７では、炉内温度の目標値と第２温度センサー６から入力された炉内温度の計測値に基づき、予め記憶されているバーナ３への燃料供給量に対する炉内温度の応答特性を参照して、燃料流量調整弁３３の開度を指示する燃料流量制御信号を算出し、この信号を燃料流量調節器３５に送る。

燃料流量調節器３５は、この燃料流量制御信号に基づいて、弁開度信号を燃料流量調整弁３３に送り、該弁３３の開度を調整し、バーナ１への燃料供給量を制御する。
同時に、燃料流量調節器３５は、燃料流量信号を酸化剤流量調節器３６に送る。酸化剤流量調節器３６は、この燃料流量信号に基づいて、燃料流量に応じて必要となる酸化剤流量を上述のように算出し、弁開度信号を酸化剤流量調整弁３４に送り、バーナ３への酸化剤供給量を制御する。

このような運転方法によれば、インゴット投入などの溶湯温度を変動させる外乱を受けても、バーナへの燃料供給量および酸化剤供給量を精密にかつ過不足なく制御できるので、炉内温度の変動が小さくなる。このことは、バーナへの燃料の過度の供給が抑えられることであり、熱効率が向上することである。
図３は、この実施形態の運転方法による溶湯温度および煙突温度の時間的な変動を示すグラフである。煙突温度は煙突から排出される排ガスの温度であって、溶解炉の外部に持ち出される（逃げる）熱量を示すものである。

なお、図３中のアルミ溶湯温度の変動を示す曲線に付した矢印は、アルミニウム合金インゴットをるつぼに投入したタイミングを示すものである。また、アルミ溶湯温度とは第１温度センサー４で計測した温度である。
このグラフは、アルミニウム合金インゴットの溶解時のものであって、溶湯温度の目標値は６８０℃に設定されている。

このように炉内温度の温度変動が小さい理由は以下に示すようなものと考えられる。
溶湯温度の計測値が目標値よりも低くなれば、第１温度調節計５は炉内温度の目標値を高めるように第２温度調節計７に出力し、第２温度調節計７はこの指示に従って炉内温度の目標値を高めて炉内温度の計測値がこの目標値になるように、バーナ３への燃料供給量を増加して炉内温度を高めるようにする。
一方、第２温度調節計７は、独自に炉内温度の計測値が目標値よりも低くなるとバーナ３への燃料供給量を増加して炉内温度を高めて目標値に合致するように動作する。

るつぼ１にインゴットを投入すると、炉内部からるつぼ１への熱伝達量が増加するため、溶湯温度の低下よりも先に炉内温度が低下する。この炉内温度の低下を第２温度調節計７が感知して独自に制御を行うことになり、溶湯温度の低下に先だって制御が開始されて応答速度が速くなり、温度変動幅が小さくなる。

また、蓋開閉検知センサー８からの開信号を第１温度調節計５に入力してインゴットの投入以前に炉内温度の目標値を高くすることで、インゴット投入による溶湯温度の低下に先だって炉内温度を高めることができる。このため、制御系全体の応答速度が速くなって、結果的に炉内温度の変動が小さくなる。

また、第１温度調節計５から出力される炉内温度の目標値に上限値を設定しているので、溶湯温度が大きく低下しても、これにともなって炉内温度をむやみに高めることがなくなるので、バーナ３へ燃料供給量を過剰に供給することがなくなり、燃料供給量を抑えることができる。
以上のようにして、炉内温度の変動を小さくすることができるとともに燃料供給量を抑えることができて、エネルギーコストを低減できる。

図４は、従来の溶湯温度の変動に基づいてバーナ３への燃料供給量および酸化剤供給量とを制御する方式での溶湯温度、炉内温度および煙突温度の時間的変動を示すグラフで、測温位置は図３のものと同じである。
このものでも、溶湯目標値は６８０℃である。
煙突温度が図３のものに比べて変動が大きくなっている。このことから煙突から熱が多く逃げており、熱効率が低いことがわかる。

本発明の金属溶解保持炉自体の構成の一例を示す概略構成図である。 本発明の金属溶解保持炉の温度制御系の一例を示す構成図である。 本発明による炉内温度等の時間的な変動を示すグラフである。 従来のものによる炉内温度等の時間的な変動を示すグラフである。 従来の金属溶解保持炉の例を示す概略構成図である。

符号の説明

１・・るつぼ、２・・炉体、３・・バーナ、４・・第１温度センサー、５・・第１温度調節計、６・・第２温度センサー、７・・第２温度調節計、８・・蓋開閉検知センサー

Claims (6)

1. 金属を溶解して溶融状態を保持する間接加熱炉本体と、この炉本体を加熱するバーナを備えた金属溶解保持炉の運転方法であって、
   炉本体のるつぼ内の溶湯温度と炉本体内部の炉内温度とを計測し、第１温度調節計に溶湯温度の目標値を設定するとともに溶湯温度の計測値を入力して炉内温度の目標値を第２温度調節計に出力し、第２温度調節計に炉内温度の計測値を入力し、第２温度調節計からバーナへの燃料供給量および酸化剤供給量を調節する制御信号を出力し、この制御信号によってバーナへの燃料供給量および酸化剤供給量を調整することを特徴とする金属溶解保持炉の運転方法。
2. るつぼの蓋の開閉を検知し、この検知信号を第１温度調節計に入力して、溶湯温度の目標値を蓋の開時間に対応する時間だけ高くすることを特徴とする請求項１記載の金属溶解保持炉の運転方法。
3. 炉内温度の計測位置が炉体の底部付近であり、溶湯温度の計測位置がるつぼの底部付近であることを特徴とする請求項１記載の金属溶解保持炉の運転方法。
4. 金属を溶解して溶融状態を保持する間接加熱炉本体と、この炉本体を加熱するバーナを備えた金属溶解保持炉であって、
   炉本体のるつぼ内の溶湯温度を計測する第１温度センサーと、炉本体内部の炉内温度を計測する第２温度センサーと、
   溶湯温度の目標値が設定されるとともに第１温度センサーからの溶湯温度の計測値が入力されて炉内温度の目標値を算出する第１温度調節計と、
   第１温度調節計からの炉内温度の目標値が入力されるとともに第２温度センサーからの炉内温度の計測値が入力されて、バーナへの燃料供給量および酸化剤供給量を調節する制御信号を出力する第２温度調節計と、
   第２温度調節計からの制御信号によってバーナへの燃料供給量および酸化剤供給量を調整する制御手段を有することを特徴とする金属溶解保持炉。
5. るつぼの蓋の開閉を検知し、蓋の開信号を第１温度調節計に送る蓋開閉センサーを設けたことを特徴とする請求項４記載の金属溶解保持炉。
6. 第１温度センサーの設置位置がるつぼの底部までの深さの約半分の深さであり、第２温度センサーの設置位置が炉体の底部付近であることを特徴とする請求項４記載の金属溶解保持炉の運転方法。

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