JP2010007988A - 攪拌装置付溶解炉 - Google Patents

Abstract

【課題】構造がシンプルで扱いやすく、さらに経済的で、小型炉から大型炉まで対応可能な溶解炉を提供する。
【解決手段】溶湯を収納可能な溶解炉と、前記溶湯を電磁力により撹拌するための攪拌装置と、を備え、前記攪拌装置は、前記溶解炉内の溶湯と接するように、前記溶解炉の任意の位置に設けられた、第１の電極と、前記溶解炉の底壁近傍に、前記溶湯と接するように設けられた、第２の電極と、前記溶解炉の外部に、前記溶解炉の底壁と対向して設けられ、Ｎ極を前記底壁と対向させる、第１の磁場装置と、前記溶解炉の外部に、前記溶解炉の底壁と対向して設けられ、Ｓ極を前記底壁と対向させる、第２の磁場装置と、を有し、前記第１の磁場装置と前記第２の磁場装置とは、互いに、ある方向に沿った隙間を介して配置されている、ことを特徴とする攪拌装置付溶解炉として構成される。
【選択図】図５

Description

本発明は、攪拌装置付溶解炉に関する。

自動車、電機、建材の各業界では近年製品のアルミニウム化が顕著に進んでいる。製品化にあたり、均一な組成のアルミニウム溶湯を得るため各業界は苦心している。この目的達成のため現状では大きく分けて３種類ほどの手段が用いられている。

１つは電磁式スターラーである。この技術においては、アルミニウム溶湯を動かすために必要な磁場発生エネルギーとして、商用の電力を使用している。この技術では、磁場発生過程で電力が熱に変換される割合が大きく、大きな消費電力が必要とされ、またメンテナンスも難しい欠点がある。

２つ目は機械式攪拌である。これは比較的安価であるが、ランニングコストが大きい欠点がある。

３つ目は真空ポンプ式である。これは運転に細心の注意が必要であり、また能力的にも小さいものに限定される。

本発明は、上記に鑑みて、上記の従来式の欠点を補うべくなされたもので、構造がシンプルで扱いやすく、さらに経済的で、小型炉から大型炉まで対応可能な溶解炉を提供しようとするものである。

本発明は、
溶湯を収納可能な溶解炉と、前記溶湯を電磁力により撹拌するための攪拌装置と、を備え、
前記攪拌装置は、
前記溶解炉内の溶湯と接するように、前記溶解炉の任意の位置に設けられた、第１の電極と、
前記溶解炉の底壁近傍に、前記溶湯と接するように設けられた、第２の電極と、
前記溶解炉の外部に、前記溶解炉の底壁と対向して設けられ、Ｎ極を前記底壁と対向させる、第１の磁場装置と、
前記溶解炉の外部に、前記溶解炉の底壁と対向して設けられ、Ｓ極を前記底壁と対向させる、第２の磁場装置と、
を有し、
前記第１の磁場装置と前記第２の磁場装置とは、互いに、ある方向に沿った隙間を介して配置されている、
ことを特徴とする攪拌装置付溶解炉
として構成される。

本発明によれば、構造がシンプルで扱いやすく、さらに経済的で、小型炉から大型炉まで対応可能な溶解炉を提供することができる。

本発明の実施形態を説明する前に、本発明の原理を説明する。

本発明は、２つの磁場装置を用い、それらの磁場装置による電磁力の合成力により、アルミニウム溶湯等を直進的に駆動するものである。

まず、１つの磁石による駆動原理について説明する。

図１、図２の装置は、図２に示す流れＦ１の方向に溶湯Ｍを回転させるためのものである。図１に縦断説明図、図２に平面説明図を示す。

図１において、１は溶解炉であり、２Ａは攪拌装置である。溶解炉１の炉本体３の側壁３ａ、３ｂのうちの側壁３ｂに電極４ｂを設け、底壁３ｃにも電極４ｃを設けている。これらの電極４ｂ，４ｃをケーブル５で電源（電源制御盤ＥＣ）６に繋いでいる。撹拌装置２Ａは、継鉄８上に設けた磁場装置（永久磁石）９Ａを有する。永久磁石９Ａは、図中、上方にＮ極が、下方にＳ極がくるようにしている。永久磁石９Ａはステンレスケース１１で囲まれている。この図１の平面説明図が図２に示される。

このような装置において、磁場装置（永久磁石）９からの磁場ＭＦ１は図１から分かるように図中上方に向かう。これと同時に、導電性の溶湯Ｍを通って一対の電極４ｂ，４ｃ間に電流が流れる。これにより、フレミングの左手の法則に従って電磁力が生じ、この電磁力によって溶湯Ｍは、磁界の外に向うように押されて、溶湯Ｍが図２に示す溶湯の流れＦ１のように回転状態に撹拌される。つまり、アルミニウム溶湯Ｍは電極４Ｃの周りに同心円状に回転することがわかる。

これに対し、図３、図４の装置は、図４に示す流れＦ２の方向に溶湯Ｍを回転させるためのものである。同じく、図３は縦断説明図、図４は平面説明図である。

図３、図４の装置が図１、図２の装置原理図と異なるところは、攪拌装置２Ｂにおける磁場装置９Ｂが、図３，図４と天地逆さまに、つまり、上方にＳ極が、下方にＮ極がきて、磁場ＭＦ２が下を向くように設置されている点にある。これにより、溶湯Ｍは、図４に示すように、流れＦ２の方向に回転する。

このように、図１、図２の装置と図３、図４の装置とでは、流れＦ１、Ｆ２は互いに逆向きとなる。

本発明は、上述の２種類の装置を用いて、それぞれの電磁力の合成力として溶湯Ｍを直線方向に駆動するものである。

図５は、本発明の実施形態の攪拌装置付溶解炉を示す。この図５の装置による溶湯Ｍの流れは図６に図示される。即ち、流れＦ１、Ｆ２が合成されて直線の流れＦ３となる。

即ち、磁場装置９Ａ、９Ｂは、そのN、S極間がある距離だけ離した隙間Ｇを持って設置され、これらの磁場装置９Ａ、９Ｂ間には電磁力が生じないようにしている。したがって、向き（運動方向）が反対の２つのアルミニウム溶湯の流れＦ１、Ｆ２が、これらの磁場装置９Ａ、９Ｂ間の溝状の隙間Ｇに相当する位置で衝突することになる。その結果として図６に示す如く磁場装置９Ａ、９Ｂ間の長手方向（N,S極と平行方向）に沿った流れＦ３でアルミニウム溶湯Ｍは流れ出すことになる。この後、アルミニウム溶湯Ｍは、溶解炉１内を流れＦ４として左回転方向に流れる。

この詳細は、流れＦ１、Ｆ２を示す図７及び作用する力の説明図としての図８に表される。即ち、図８は、図７における位置（１）付近の力の状態を示す説明図である。

前述の図５，図６に示す如く、磁場装置９Ａ上のアルミニウム溶湯Ｍに左回り、磁場装置９Ｂ上のそれには右回りの電磁力が働くとすると、図７の磁場装置９Ａ、９Ｂ間位置（１）、（２）、（３）・・・においてアルミニウム溶湯Ｍは衝突することになる。図８に示す如く衝突位置（１）でのアルミニウム溶湯Ｍに作用する電磁力をx軸、y軸方向に分解する。先ずx軸方向について考えればSx(１)とNx(１)は方向が逆で大きさが同じであり、相殺される。ポイント（２）、（３）、（４）・・・においても同様である。Y軸方向について考えれば、Sy(１),Ny(１)はともに上方（同一方向）への分力が生じている。従ってy軸方向の電磁力はその合力Sy(１)＋Ny(１)となる。他の各ポイントにおいても同様である。従って、結果としてy軸方向の電磁力のみがアルミニウム溶湯Ｍを動かすエネルギーとなり、アルミニウム溶湯ＭはN,S極と平行方向（Ｆ３）に直線運動をすることになる。他の位置（２）、（３）においても上記とどうようである。磁場装置９Ａ、９Ｂの平面図における向きを変えれば（捩れば）アルミニウム溶湯Ｍの運動方向を変えることが可能であることは自明である。

これに着目し、磁場装置９Ａ、９Ｂ（攪拌装置２Ｃ）は、溶解炉１に対して、ほぼ垂直な軸線の回りに回転可能に構成されている。

さらに、磁場装置９Ａ、９Ｂは、隙間Ｇの幅を調節可能なるように、互いに接離可能に、ステンレスケース１１に内蔵されている。このように、磁場装置９Ａ、９Ｂの隙間を調節可能とすることにより、より適切な距離として、攪拌装置としての効率を高めることができる。

尚、一対の磁場装置９Ａ、９Ｂの間の隙間Ｇを、溶湯Ｍの流れの入り口側より出口側を広くすれば（図７において紙面下方を狭く、上方を広く、つまりテーパー状にすれば）、x軸方向の分力は小さくなり、より効率よい結果が期待できる。またアルミニウム溶湯Ｍが連続的に流動を始めると、アルミニウム溶湯Ｍの慣性力によりy軸方向の分力が大きくなり、流動状態は運転開始時より大幅に改善される。

図９は本発明の異なる実施形態による攪拌装置付溶解炉を示す。

この図９の装置は、図５、図６の装置と実質的に同一であり、異なる点は、構成要素自体の寸法・形状、構成要素同士の配置関係等で、その他は実質的に同一である。よって、同等の構成要素には同一の符号を付し、説明は簡単なものとする。

即ち、攪拌装置２Ｃは溶解炉１の炉底下の外部に配置されている。攪拌装置２Ｃにおける磁場装置９Ａ、９Ｂの間の隙間Ｇに対応する位置のほぼ中心位置に電極４ｃが溶解炉１内のアルミニウム溶湯Ｍに接するように埋め込まれている。また、他の電極４ｂは、溶解炉１の炉壁の任意位置（必ずしも炉壁でなくてもよい）に配置され、これら電極４ｂ、４ｃは外部の電源制御盤６に接続されている。磁場装置９Ａ、９Ｂには溶解炉１からの輻射熱による損傷を防ぐためブロアー２１からの送風が、ステンレスケース１１の開口１１ａを介して、可能に構成され、また温度を測定するための温度センサ２２が付属されている。これらはともに電源制御盤６に接続され、制御されている（配線は表していない）。図１０は図９の装置の部分正面図である。

上記図９，図１０の装置の動作は、実質的に図５，図６の装置のそれと同一であるので、簡単に説明する。

今アルミニウム溶湯Ｍの入った溶解炉１に電源制御盤６から電流をケーブル５を通して流すと、電流は電極４ｂ、４ｃ間においてアルミニウム溶湯（導体）Ｍ中を流れる。このとき磁場装置９Ａ、９Ｂ上のアルミニウム溶湯Ｍ中を流れる電流には、フレミングの法則に従い電磁力が発生する。その向きはN極上、S極上それぞれ逆向きとなる。従って、導体であるアルミニウム溶湯Ｍは、図６に示すとどうように、磁場装置９Ａ上で左回り、９Ｂ上で右回りのそれぞれ半円状に運動する。これにより、前に説明した図６のように、アルミニウム溶湯Ｍは２つの磁場装置９Ａ、９Ｂの隙間Ｇに沿った方向に流れる。これにより、最終的に、アルミニウム溶湯Ｍは、溶解炉１内を図６と同様に左回りに流れることになる。ここで、磁場装置９Ａ、９Ｂの向き（方向）を変えることにより、任意方向にアルミニウム溶湯を流動させることが可能であるのも前述の通りである。

このように、本発明の実施形態によれば、アルミニウム原料を迅速に溶解すると同時に均一な品質のアルミニウム溶湯を得ることができる。

なお、上述の実施形態では、磁場装置９Ａ、９Ｂとして、永久磁石を用いたが、これに限らず、電磁石その他を用いることもできる。

また、前記実施形態では、１つの攪拌装置を用いた例を示したが、複数の攪拌装置を、アルミニウム溶湯の流れに沿って、設けることもできる。この一例を図１１に示す。

本発明の実施形態では、攪拌装置を溶解炉の外部に設けるようにしたので、磁場装置９Ａ、９Ｂの損傷も最低限のものに抑えることができる。

本発明者は、本発明の効果を確かめるべく、以下の実験を行った。

即ち、型実験炉（実物１/１０スケール）でのテストを行った。その結果によれば、アルミニウム溶湯の流動状態は図６に示す流れ線図と全く同じ結果が得られた。また底面におけるアルミニウム溶湯の流速も２０―３０m/minが得られた。これを実炉でのアルミニウム溶湯搬送量に換算するとおおよそ７００―１０００Tons/Hrに該当する。この値は従来型大型電磁式攪拌装置と同等である。しかも電磁式攪拌装置の消費電力が２００―３００KW必要であるのに対し、本発明での直線運動型攪拌装置付溶解炉では１/２０以下の電力消費ですんだ。年間CO_２ 発生量は（１２M,２０D/M,１２Hr/Dとすれば）従来型電磁式攪拌装置では４８０Tons/yとなる。一方本発明の直線運動型溶解炉ではその値は２４Tons/yとなる。このように消費電力のみならずCO_２発生量も大幅に抑えることができる。

本発明の原理を説明するための装置の縦断説明図。 その装置の平面説明図。 本発明の原理を説明するための異なる装置の縦断説明図。 その異なる装置の平面説明図。 本発明の実施形態の装置の縦断説明図。 その装置の平面説明図。 その実施形態の装置の動作説明図。 その実施形態の装置における電磁力を説明するための図。 本発明の異なる実施形態の装置の斜視説明図。 その装置の部分正面図。 本発明の異なる実施形態の平面説明図

符号の説明

１ 溶解炉
２Ｃ 撹拌装置
３ｂ 第１の電極
３ｃ 第２の電極
９Ａ 第１の磁場装置
９Ｂ 第２の磁場装置
Ｇ ギャップ
Ｍ 溶湯

Claims (12)

1. 溶湯を収納可能な溶解炉と、前記溶湯を電磁力により撹拌するための攪拌装置と、を備え、
   前記攪拌装置は、
   前記溶解炉内の溶湯と接するように、前記溶解炉の任意の位置に設けられた、第１の電極と、
   前記溶解炉の底壁近傍に、前記溶湯と接するように設けられた、第２の電極と、
   前記溶解炉の外部に、前記溶解炉の底壁と対向して設けられ、Ｎ極を前記底壁と対向させる、第１の磁場装置と、
   前記溶解炉の外部に、前記溶解炉の底壁と対向して設けられ、Ｓ極を前記底壁と対向させる、第２の磁場装置と、
   を有し、
   前記第１の磁場装置と前記第２の磁場装置とは、互いに、ある方向に沿った隙間を介して配置されている、
   ことを特徴とする攪拌装置付溶解炉。
2. 前記第１及び第２の電極は、前記溶解炉の側壁及び底壁に、露呈状態に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置付溶解炉。
3. 前記攪拌装置は、前記溶解炉に対して、前記隙間の走る方向が変えられるように、ほぼ垂直な軸の回りに回転可能に、設置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置付溶解炉。
4. 前記攪拌装置における、前記第１及び第２の磁場装置は、互いに接離して前記隙間の幅を調整可能に構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置付溶解炉。
5. 前記隙間はテーパー状となるように前記第１及び第２の磁場装置が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置付溶解炉。
6. 前記第１及び第２の磁場装置として永久磁石を用いたことを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置付溶解炉。
7. 前記第１及び第２の磁場装置として電磁石を用いたことを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置付溶解炉。
8. 前記第１及び第２の磁場装置を空冷するブロアーを備えることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置付溶解炉。
9. 前記第１及び第２の磁場装置による温度を検出する温度センサを備えることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置付溶解炉。
10. 前記攪拌装置を複数備えることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置付溶解炉。
11. 前記溶解炉は耐火物で構成され、前記攪拌装置はステンレスのケースで覆われていることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置付溶解炉。
12. 前記第１及び第２の電極に給電する電源を備えることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置付溶解炉。

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