JP2010513029A - 加熱しながら溶融金属を搬送する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は金属を搬送する装置を流れる溶融金属に熱を供給する方法および装置に関する。その装置は溶融金属を搬送するチャンネルと前記燃焼ガスが前記チャンネルに入るのを防止しながら前記燃焼ガスを受け入れて循環させるエンクロージャーと、前記チャンネルの少なくとも一部を前記エンクロージャーから隔離する熱伝導材料体と、燃焼ガスを生成し、該ガスを前記エンクロージャーに供給する燃焼装置とを含む。燃焼ガスと溶融金属との接触を防止しながら、燃焼ガスからの熱はチャンネル内の溶融金属を加熱するのに用いられる。熱伝導材料体はチャンネルを形成する溝、溶融金属を搬送するためのチューブまたはエンクロージャーとして機能するチューブ等であってよい。

Description

本発明は鋳造操作中等の溶融金属の搬送に用いられる装置に関する。より詳細には本発明は、このような装置を通過中の凝固、過度の冷却または同様な影響を避けるようにこのような装置で搬送される溶融金属を加熱する装置および方法に関する。

鋳造操作の際に例えば溶融炉（または溶解炉）から鋳型までのような細長い溝(trough)（しばしば、樋(launder)と呼ばれる）に溶融した金属を流すことは通常よく行われていることである。このような溝は過度な損傷無しに適当な時間溶融金属への暴露に耐えることができる材料により作られ、溶融金属がその目的地に到達する前に金属が凝固温度（または凍結温度、freezing temperature）(固相線(solidus))よりも冷却されない状態（または条件）でなければならない。この種の溝が極めて短い、急速に流れる（例えば、相対的に急傾斜した）または相対的に小さい金属保持容量である場合、金属が凝固するリスクは小さい。しかしながら、近年、各種の新しい実務(practice)、とりわけアルミニウムの処理では、より多くの容量を有する、より長いおよび／またはよりゆっくりとした流れの溝を提供することを必要としている。例えば、１９９６年６月１８日発行のPeter D. Waiteらによる米国特許第５，５２７，３８１号公報は、金属が溝または樋を流れることにより溶解した水素および他の不純物を除去する、ガスを有する溶融金属の処理方法を開示している。溝が大きな金属保持容量(metal-holding capacity)を有し、金属がゆっくりとした処理速度(slow rate of throughput)で流れる場合、この処理はより完璧なものとなる。同様に、今日では異なる溶融金属を同時鋳造(co-cast)して単一のインゴットを形成することが可能であり、このようなインゴットのクラッド層に用いる溶融金属は概して、コア層に用いられる溶融金属より遙かに少量であり、その結果クラッド層の金属はコアの金属よりもよりゆっくりと鋳造装置に向け流れなければならない。加えて、溶融金属は、時にはセラミックフォームフィルターを通って濾過され、そしてこのようなフィルターの使用は溝を通る溶融金属の流れを遅くし得る。従って、これらのようなおよび他の用途においては、溝での金属凝固（または過度な冷却）のリスクが増加する。

金属凝固のリスクを低減する１つの方法は、溝内の金属または溝自身を加熱することである。溝の金属は、溝を流れる際に金属の上面に火炎を向けることで加熱することができるが、しかしこれにより表面での金属の酸化という不都合（とりわけ金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合）がある。電気ヒーターを溝の内面または内面近傍に備えることにより溝の加熱を実施できるがしかし、このようなヒーターは概して金属への熱の伝達が遅く、従ってこの種の用途では常に大変効率的であるというわけではない。

２つの特許が過去に用いられたアプローチの種類を示している。１９８８年４月２８日に発行された、John A. Davisによる米国特許第５，７４４、０９３号公報は、向上した断絶を提供するようにカバーをされた溝の提供を開示している。溝から現れるガスはプレナム(plenum)に導かれ、熱は溝のカバーを貫通するバーナーの配置により金属の上に導くことができる。バーナーからの燃焼ガスは、そしてプレナムに引き込まれることにより金属の上の空間から除去される。

１９７６年３月９日に発行された、Charles M. Chodashによる米国特許第３，９４２，４７３号公報は、銅の付着の増加を懸念して、金属のチャンネルの上にカバーをされたヘッドスペースを有する取り囲まれた溝を備えている。金属はラジアントヒーターをヘッドスペースに備えることによりまたは溝の上面および下面にガスの炎を向けることにより高温に保持されている。

金属を搬送する溝の加熱、とりわけ大きな容量およびゆっくりとした処理(throughput)の溝、ならびにとりわけアルミニウムおよびアルミニウム合金を用いることを意図した装置について、改善の要望がある。

例示的な態様では、金属を搬送する装置を通って流れる溶融金属に熱を供給するする方法および装置を提供する。バーナー等により形成される高温燃焼ガスを溶融金属と接触する熱伝導材料を加熱するのに用いる。しかしながら、高温燃焼ガスは溶融金属と接触しないようにして、耐火材料を介して伝導により材料を加熱するためのみに用いる。熱伝導材料は溝の部分、チャンネル要素または溝もしくはチャンネルの一部分のみまたは溶融金属と接触する挿入物(insert)もしくは物体（または胴体、body）を形成するのに用いてもよい。熱伝導材料と接触する燃焼ガスは、燃焼ガスが隔離された溶融金属（そして、好ましくは装置を取り囲む外部雰囲気とも）と接触するのを回避しながら、流れ(またはストリーム、stream)の形態で装置を通りガスを流すことができる１以上のエンクロージャー（または囲い、enclosure）内に制限されている。

１つの例示的な実施形態は、溶融金属を搬送する（または運ぶ）チャンネルと、前記燃焼ガスが前記チャンネルに入るのを防止しながら前記燃焼ガスを受け入れて循環させるエンクロージャーと、前記チャンネルの少なくとも一部を前記エンクロージャーから隔離する熱伝導材料体と、燃焼ガスを生成し該ガスを前記エンクロージャーに供給する燃焼装置とを有する溶融金属搬送装置を提供する。使用時には、前記燃焼ガスからの熱は、前記熱伝導材料体を介し前記チャンネル内に保持されている溶融金属に伝えられる。従って、溶融金属は燃焼ガスにより加熱されるが、しかし燃焼ガスはチャンネル内で溶融金属と直接接触しないよう保持される。

熱伝導材料体は細長い要素（チャンネルを規定する金属接触面および例えば細長い要素の外面のような、燃焼ガスと接触する他の表面を有する）を形成してもよい。このような場合、細長い要素は上部が開いた(open-topped)溝の部分または取り囲まれた（または閉じた、enclosed)１またはそれ以上のチューブであってよい。別の実施形態では、熱伝導材料体は、例えば細長い要素内に形成されたチャンネルに延在する管状（またはチューブ状）部材であってもよく、チャンネルを規定する要素から分離されてもよい。

別の例示的な実施形態では、本発明は溶融金属を搬送する溝装置を提供する。この装置は、溶融金属搬送溝部であって上端および上端から溝部の周りに延在する外面を有する溶融金属搬送溝部を含む。エンクロージャーは少なくとも部分的に溝部の外面を取り囲み、エンクロージャーは外面に近接した少なくとも１つのチャンバーを含む。チャンバーに入る入口またはチャンバーが１つより多い場合はそれぞれのチャンバーに入る入口を備え、それを介して高温燃焼ガスがそのチャンバーまたはそれぞれのチャンバーに挿入される。そのチャンバーはそれぞれのチャンバーからの出口も備え、それを介して、チャンバーを流れ(stream)として流れこれにより溝部の外面を介して溝部に熱が伝達した後に高温燃焼ガスを除去する。この装置は好ましくは、例えば燃料バーナーのような、そのチャンバーまたはそれぞれのチャンバーの入口に位置する少なくとも１つの高温燃焼ガスジェネレータを更に含む。

別の例示的な実施形態は、溶融金属を搬送するための少なくとも１つのチャンネルと、燃焼ガスを受け入れおよび循環するためのエンクロージャーと、前記チャンネルの少なくとも一部を前記エンクロージャーから分離する熱伝導材料体とを備えた金属搬送装置を通って流れる前記溶融金属に熱を供給する方法であって、チャンネルを介して溶融金属を搬送することと、燃焼ガスを発生することと、前記燃焼ガスを規制し前記燃焼ガスが前記チャンネルに入るのを避けながらに前記燃焼ガスを前記エンクロージャーに入れて前記エンクロージャーを通って循環させることと、を含む方法を提供する。

更に別の例示的な実施形態は、溶融金属を搬送する溝部であって、上端と上端から溝部の周囲に延在する外面とを有する溝部の一部を加熱する方法を提供する。この方法は、高温燃焼ガスの少なくとも１つの流れを発生させることと、少なくとも１つの流れが溶融金属を搬送する溝部の外面の少なくとも一部を取り囲む体積部を通るように向けられることとを含む。溝の外面はこれにより高温燃焼ガスの流れに暴露され、これにより外面を介して熱が溝部とその内容物に伝達する。

好ましくは、高温燃焼ガスは高温ガスの流れおよびエンクロージャーに導入される炎を形成するバーナーにより発生する。燃焼ガスは通常直接、即ちいかなる顕著な程度での冷却の機会なしに、直接使用される。理想的には、高温燃焼ガスは熱伝導耐火材料と接触している間、好ましくは曲がりくねった経路(winding path)に従うように制限され、理想的には熱伝導材料の金属と接触している表面と反対の実質的に全ての表面は高温ガスに暴露されている。

熱伝導体は、溶融金属に良好な支持と、頑丈な装置とを与える適切な厚さで用いた場合、熱がある実効効率で高温燃焼ガスからチャンネル内の溶融金属に伝わるように十分な熱伝導性を有するいかなる材料により作られてもよい。熱の通過(heat passage)の「実効効率(effective rate)」は、当然、所望の効果（例えば、チャンネルを通る間の溶融金属の加熱、金属温度の保持または金属のゆっくりとした冷却）を達成するのに充分な効率である。材料はいかなる効果的な厚さを用いてもよいが、適切な強度を保持する限りより薄い断面積がより良い。これらは熱の通過にとってより少ない抵抗だからである。選択される厚さは概して、溝部の適切な強度および溶融金属の良好な支持に要する厚さよりも厚くない。より薄いまたはより厚い断面を排除するものではないが、通常、用いる材料の種類に応じて、０．２５インチから１２インチまたは０．５インチから６インチの厚さ、より好ましくは１インチから８インチの厚さ、さらにより好ましくは２インチから６インチの厚さの効果的な材料が用いられる。当然ながら厚さは材料の全ての位置で一定である必要はなく、必要に応じてまたは材料の組成に応じて厚さは位置によって変化してよい。

適切な熱伝導材料は、例えば耐火性金属化合物または固体金属を含む。多くの固体金属は、同じ種類または異なる種類の流れる溶融金属により攻撃され、従って何らかの方法で金属接触表面が保護されない限り適切ではない。鋳鉄は溶融金属（例えばアルミニウム合金）による攻撃に対して優れた耐久性を有することが見出されており、金属接触面は例えば窒化ホウ素（または窒化ボロン）のような耐火性金属化合物の薄いコーティングを塗布することにより更に保護してもよい。耐火性金属化合物は、良好な熱伝導性を有するのであれば金属の代わりに用いてもよく、または薄い部分に用いることができる。このような材料は概して、高温で強く、熱衝撃(またはサーマルショック)に対して耐久性があり、溶融金属に対して反応性がなく、低い膨張率を有する。しかしながら、例えばアルミナ、シリカおよび酸化カルシウムのような耐火性金属酸化物は概して断熱材とみなされ好ましくないかもしれない（より伝導性に優れる材料と混合するまたは非常に薄い部分に用いない限り）。これは低い熱伝導率（例えば、通常約２ワット／メートル・ケルビン（Ｗ／ｍＫ）よりも小さい）を有するからである。一方、炭化珪素(またはシリコンカーバイト)、窒化ホウ素（またはボロンナイトライド）および窒化ケイ素（またはシリコンナイトライド）は適切な材料である（窒化ホウ素は極めて高価であり、従ってその価格が高い間は、実際は使われないであろうが）。

炭化ケイ素を含む高伝導耐火物（高温での酸化を避けるようにシリカ層により保護されている場合がある）はとりわけ好ましいことが見出されている。炭化ケイ素は純粋な形態で用いてもよいが、概して高密度の固体を形成するように、バインダーおよび他の耐火性化合物とともに水中で粒状の形態に混合、成型、乾燥および硬化される。炭化ケイ素の比率が多くなるほど、得られた耐火物の熱伝導率が大きい。

図１は本発明の１つの実施形態に係る装置の上面図である。 図２は図１の装置の側面図である。 図３は図１の装置の端面図である。 図４は図２に示すＩＶ−ＩＶ線より得た図１の装置の垂直横断面図である。 図５は図２に示すＶ−Ｖ線より得た図１の装置の水平断面図である。 図６は図１に示すＶＩ−ＶＩ線より得た図１の装置の垂直縦断面図である。 図７は図１に示すＶＩＩ−ＶＩＩ線より得た図１の装置の中心垂直縦断面図である。 図８は本発明の他の実施形態の図５と同様な断面図である。 図９は図７と同様の断面図であるがしかし、溝がその全長に亘り一定の深さを有し、開放された上部を覆う断熱カバーを有する変形した実施形態を示す。 図１０は別の例示的な実施形態の断面図である。 図１１は更に別の実施形態の断面図である。

溶融金属搬送装置の第１の例示的な実施形態を添付の図の図１から図７に示す。この特定の実施形態は、溶融アルミニウムまたはアルミニウム合金に用いることを意図した金属脱ガスノズル（またはデガッサーノズル、degasser nozzle）を用いることを意図し、これにより例えば金属溶融炉から鋳造装置に導く従来の溝または樋に組み入れることができるコンパクトなインライン金属脱ガス(degasser)ユニットを形成する。他の例示的な実施形態は他の溶融金属に用いることを意図してもよい。

その装置は概して参照番号１０で示し、結合部１４で互いに近接している２つの溝部１２および１３により構成される金属を搬送する溝部１１を含む。溝部１１は装置全体に亘り溶融金属を搬送する細長いチャンネル形成要素として機能する。上流側端部で溝部１１と接合している（または突き当たる、butting）のは溝入口部材１５であり、上流側端部で溝部１１と接合しているのは溝出口部材１６である。これらの部品の全ては概してＵ字型の断面であり、熱伝導性耐熱セラミック材料の物体より作られ、好ましくは全ての部品に同じ材料が用いられる。ほとんどの溶融金属を搬送する溝が、溶融金属が溝を通る時に溶融金属の過度の冷却を避けるように設計された例えば金属酸化物のような断熱耐火材料から成るが、溝部１１は代わりに熱伝導性である。この目的に使用される好ましい材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）から成るまたは炭化ケイ素を含む高い熱伝導性を有する高密度（または緻密な、dense）な成型されたセラミック（またはキャストセラミック）である。この材料は高温での耐熱性ならびにアルミニウムおよびほとんどのアルミニウム合金の通常の鋳造温度での攻撃に対する耐性（または耐久性）を有する。このようなセラミックスの熱伝導性はＳｉＣ量の増加とともに増加し、従って成分中に少なくとも２５％、より好ましくは少なくとも５０％、さらにより好ましくは６０％のＳｉＣを用いることが望ましい。成型した純粋のＳｉＣを用いてもよいが、しかし高価であり、いくらか脆い。とりわけ好ましい材料は以下の組成を有している：
ＳｉＣ ８０重量％
Ａｌ_２Ｏ_３ １５重量％
ＳｉＯ_２ ３重量％
残部 様々な耐火物成分

この材料は約２．４グラム／ｃｃの密度と９．４から１０．８Ｗ／ｍＫの範囲の熱伝導率を有する。

上述したように配置した入口部材１５、溝部１１および出口部材１６は堅固に一緒に保持され、場合によってはバネにより留められたエンドプレート（図示せず）により付与される長手方向の弾性圧縮下にあり、通常いかなるジョイントまたはシーリング用の化合物(jointing or sealing compound)もなく、矢印Ａの方向に装置の一方の側から他方の側に溶融金属を搬送するための連続した細長い上部が開放されたチャンネル１７を形成する。図面には示さないが、使用に際し入口部材および出口部材は、取り付け（または接続、attachment）の標準的な手段を用いて他の金属搬送装置または溝部品と接続されている。図示する実施形態では、入口部材１５と出口部材１６は、下方に向いたそれぞれの外側端部からそれぞれの内側端部への僅かな傾斜を含み、これによりチャンネル１７は入口先端部および出口先端部より溝部１１内部がいくらか深くなっている（図７）。しかしながら、溝のこの種の深い部分は金属搬送操作間の全ての金属の除去を困難にし得ることに留意すべきであり、そこで溝部１１ならび部材１５および部材１６を他の実施形態では、好ましい場合には一定の深さとしてもよい。

図４に示すように、溝部１１は上端２３と、チャンネル１７の部分を規定する内面１８と、溝部の物理的な外形寸法の範囲を定める平坦な側壁および平坦な底壁を形成する外面１９とを有する。開放されたチャンネル１７が上端２３のほとんどの部分を占めることから、溝の上端には実質的には溝外面がない。内面１８と外面１９との間のチャンネル部の厚さは、曲がり(または降伏、yielding)なしに溶融金属を規制および支持するのに十分な厚さである。溝部１１内に形成されたチャンネル１７は比較的に比較的広くかつ深く、十分に満たされた場合（例えば図４に点線で示されたレベル２２まで）、極めた多量の溶融金属を保持できる。当然ながら、他の実施形態では特定の用途に適合するようにチャンネル部は異なる形状および寸法にしてもよく、例えば長方形、Ｖ字型または半円筒形にしてもよい。上述したように、この例示的な実施形態の装置は金属脱ガス装置（例えばスピニングガスインジェクタ(spinning gas injector)、それらのうちの１つ２５が図４に点線で示されている。）とともに用いることを意図しており、チャンネル１７の深くかつ広い形状および寸法は、このような脱ガス装置を浸漬および使用するための十分な空間と、ガス挿入部（金属の脱ガスおよび清浄化操作を改善する）の上の良好な金属の上部(head)と、必要に応じ適宜、約３メートル／分以下のチャンネルを通る金属の流れの比較的遅い速度（チャンネル部が主に金属の供給のために用いられる他の用途では、４から９メートル／分のより速い流速を用いることがより一般的であり、また好ましい。）とを可能にする。チャンネル１７の特定の断面形状および寸法はまた、含まれる溶融金属の体積に対する雰囲気に暴露される溶融金属表面２２の比率が非常に小さいことも意味し、そして、より浅いまたはより広い溝の場合に大きな問題になるであろう程には酸化を生じない。カバー（本実施形態では図示していないがしかし、図９の要素６０を参照されたい）をチャンネル１７の上に配置し、溶融金属からの熱損失を低減してもよい。本実施形態ではそのようなカバーは（もし、用いるのであれば）ガスインジェクター２５が貫通できる穴が必要であるが。

図からわかるように、溝部１１は、チャンネルの開放上部２６を除く全ての側面を例えば並行して(side-by-side)または順に重ねて積まれた耐火煉瓦（必要に応じ適宜、ジョイントまたはシーリング用の化合物を含まない、但し所望であれば煉瓦の間に耐火モルタルを用いてもよい）よりなる、断熱耐火材料でライニングされた金属の側面を有するタンク３１を含むハウジング３０の形態のエンクロージャーにより取り囲まれている。タンクの開放上部は溝部１１より広く、タンクの両側と溝部の上端との間のギャップもまた図４に示すように、例えば溝部の長さ方向に対して横断して配置され、その内部端部で溝部自身の上部端部２３のノッチを付けたコーナーにより支持されているセラミックブロックのような耐火ブロックにより埋められ閉鎖されている。取り外し可能な断熱カバー３４は、耐火ライニング材料３３の上に配置され、操作の安全のための相対的に冷たい上部表面を与える。ハウジング３０内で、溝部１１は長手方向の中心線に沿ったタンクの床面から上方に立ち上っている短い垂直壁３５により、および溝部の横断方向に延在する垂直壁（特に図５を参照されたい）により支持されている。溝部の２つの部品１２と１３の結合部１４は壁３６と整列し（または直線上に並んで）、２つの部品間のずれを防止している。操作温度での金属の重量下におけるたわみ(sag)またはすべりのいかなる傾向も従って下に配置された壁３５および３６の堅固で効果的な支持により避けられる。

図３に示すように、溝の出口部材１６は、タンクの端壁３９にボルトで固定された上部が開放した長方形のブラケットに所定の位置に保持されている上部が開放された金属シェル３７内で保持されている。同様の配置は装置の他の端部で、溝部の入口部材１５に関しても与えられる。

図５の水平断面からもっと良く理解することができるように、ハウジング３０の内部は、外部雰囲気から孤立した空間を形成しかつ装置の長手方向の一方が他方に続くように互いに整列した２つの中空のチャンバー４０を包含する。チャンバー４０は、溝部１１の外面１９の周りに近接して延在する横断壁(transverse wall)３６により分離され（図６参照）、この結果２つのチャンバー内の雰囲気を互いに孤立させる。それぞれのチャンバー４０は長手方向の壁３５により中心部が分割され２つの中空のコンパートメント４１を形成するがしかし、これらのコンパートメントは、長手方向の壁３５が横断壁３６まで完全には延在しておらず、両側にギャップ４３を残しているという事実のために、互いに通じている。

溝部１１の実質的に全ての外面１９がハウジングおよびチェンバー、すなわちハウジングの端面３９と４５の間の溝のこれらの部分、により取り囲まれるべきであることが好ましい。しかしながら、幾つかの実施形態では、溝の外画は表面のより少ない部分を取り囲むことが可能あり、すなわち溝の上部端部はハウジングから離れていてもよく、または溝の底面がタンクの底に残り内部チャンバーに露出されていなくてもよい。しかしながら、概して溝部の外面の少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７５％、必要に応じて少なくとも９５％が内部コンパートメントおよびチャンバーにより取り囲まれおよび取り巻かれ、これにより（後述するように）溝部およびその内部に含まれる溶融金属への良好で均質な熱の供給を確実にする。所望であれば、このような方法で取り囲まれていない溝のいかなる部分も断熱材料の層により覆われ、これらの部分からの過度な熱損失を防止してよい。

既に説明したように、図示した実施形態では、実質的に溝部１１の外面１９の全体が、すなわち側面２０だけでなく底面２１に沿っても、それぞれのチェンバー４０の内部コンパートメント４１により取り囲まれ、そしてそれぞれのチェンバー４０の内部コンパートメント４１に直接暴露されている。これら中空のコンパートメントに直接暴露されていない、溝部の部分は壁３５および３６により支持されている部分および上端で耐火材料３３と接触している部分のみである。溝部のこれらの部分は溝部の外側壁の小さい割合にしかならない。２つの開口部４６および４７は、タンク３１のそれぞれの端壁３９および４５に形成され、近接する耐火物ライニングを貫通している。開口部４６はそれぞれのチャンバー４０に入る高温燃焼ガスの入口であることが意図されており、開口部４７はこのようなガスの出口であることが意図されている（そして通常はそれぞれの開口部４７が図示しないガス排気配管に繋がれている）。燃料バーナー５０が入口開口部４６内または近接して配置され高温燃焼ガスの流れ(stream)と必要に応じて炎５１とを生成し、図５に示すようにこれらをコンパートメント４１内に誘導する。高温ガスはそれぞれの入口および出口からある拒理をおいて配置されるギャップ（または隙間）４３によりそれぞれのチャンバー４０のコンパートメント４１の間を循環する。この高温ガスの循環を矢印Ｂで示す。ガスは最後に、矢印Ｃで示すように出口４７を介して装置から出ていく。図６に示すように、高温ガスは矢印Ｄで示すように溝部１１の側面に沿った上昇が自由であり、この結果、バーナーを操業している間、溝部１１の外面全体が実質的に高温の循環する燃焼ガスに暴露および浸漬される。全体として、矢印Ｂ、ＣおよびＤで表される動きはチャンバー４０を通って流れる高温ガスの定常流れを形成する。入口および出口、４６および４７を除いてチャンバーはハウジング３０内で完全に取り囲まれており、ガスの損失に対しシールされていることに気がつくであろう。そして、高温燃焼ガスの流れはそれぞれのチャンバーを通る、曲がりくねった(winding)または波状の(sinuous)またはヘビのような(serpentine)経路に従うように制限される（すなわちそれぞれのコンパートメントで反対の方向に流れるガスにより離れたギャップ４３を介してコンパートメント４１からコンパートメント４１に）。燃焼ガスは導かれ、チャンネル１７に入ることと、装置を通って搬送される溶融金属と接触することとが防止されているのを理解するであろう。

実際には、溝部１１はその外面１９において、炎５１からの放射熱と、高温燃焼ガスとの直接接触からの熱伝達／熱伝導との両方により加熱される。溝部１１の材料の比較的良好な熱伝導は熱が溝部を通りチャンネル１７とその内部に保持された溶融金属とを加熱することを可能にする。開口部４６および４７ならびにバーナー５０は好ましくは、炎５１と高温ガスの流れとが初期には溝部１１の外面１９および耐火物ライニング３２、３３に向かいないように配置されおよび角度にされ、これによりホットスポット（または温度の高い部分）の形成および可能性のある耐火物表面の損傷を避ける。バーナー５０からの炎および高温ガスは概して、溝部の底面レベルより下のそれぞれのチャンバーの開放領域内で溝部の長手方向に水平に向かう。この配置は、また溝部外面全体に亘り良好な熱の分布を確かにし、よって金属チャンネル１７内のクールスポット（または温度の低い部分）の形成を防止する。チャンバー４０を通る高温ガスはタンクのライニングの耐火物または溝部の耐火物のみに接触し装置の損傷または過度な熱損失なしに高い温度を提供することに気がつくであろう。

例えばガス燃焼または油燃焼でもよいバーナー５０は、金属についての計画に応じてチャンネルの溶融金属を昇温する、または溶融金属を一定の温度に維持する、または溶融金属を制御した状態で冷却させるように、チャンバーの温度を急速に上昇させるおよび溝部１１に十分な熱を導入するように、充分な熱容量を備えている。適切なバーナーの例はスパッド(spud)とノズルを通り動くガスの速度により形成されるバーナースロートとを所望する所謂予混合バーナー（またはプレミックスバーナー、pre-mix burner）である。燃料と空気の混合はマニュアル式のバルブにより制御してもよく、または例えば所定のプログラムに従ったコンピュータにより自動的に制御してもよい。このようなバーナーの例はNorth American Combustion Handbook (1978), American Mfg. Co., Second Edition, 1978(ISBN:0960159614)の２４３頁、図６．７（吸入器(inspirator)のデザイン）および図６．８（吸入器(aspirator)のデザイン）に開示されている。このハンドブックの開示は参照することにより特に本明細書に取り込まれる。別の態様として、燃焼ガスをチャンバー４０に噴出するように圧縮空気を用いてもよく、またはバーナーが空気とガスを混合するがしかし空気を混合するブロワー（または送風機）が必要なノズルミックスバーナーを用いてもよい。いずれの場合も、パージング(purging)、圧力、火炎監視装置(flame monitor)等を制御するように適切な安全装置を備えた燃料の供給が必要である。概して燃焼ガスは装置に導入された際に５００℃から２０００℃以上の範囲の温度であり、従って急速にそして無制限量の熱を供給できる。

操作（または操業）では、装置を最初に操作（または操業）する際に、所望であれば溝部のセラミック材料はバーナーを用いて適切な高温まで急速に加熱してもよく、このような温度は通常の金属の流れの間無期限に保持することができる。別の態様では、溝を通って金属が流れる前に、装置を燃焼ガスにより加熱してもよく、これにより高温の金属の最初の流れが装置に注がれた際に金属の急冷が避けられる。一旦、安定した温度に達すると燃料バーナー５０の出力は熱電対または同様の温度計測装置の制御下（理想的にはコンピュータ数値装置により監視されて）減少させるまたはオン・オフを繰り返させて、平衡温度を維持してよい。この目的のために、２つの熱電対５５、５６、１つ（５５）は溝および／または溝内の金属温度制御のために他方（５６）はチャンバー内の過熱(over-temperature)の制御ために、を備えそれぞれのチャンバーの温度を制御する。溝の温度は溝に直接接触して配置される熱電対５５を介してバーナーに隣接した火室（またはファイアーボックス、fire box）の外側より得る。別の態様では、熱電対は開放された上端から溶融金属と接触し溝内に延在して配置してもよい。第２の熱電対５６はチャンバー内の最も冷たい部分の耐火物３２と接触して配置される。そしてバーナー５０は２つの制御点(コントロールポイント)、すなわち低い金属温度がバーナーをオンに回帰し高いチャンバー温度がバーナーをオフに回帰する、の間を循環する。バックアップの熱電対５７もまた主たる熱電対の故障に備えて設置されている。

熱電対はハウジング３０の長手方向の一方の側面にだけ設けてもよいが、しかし別の態様では両面に設けてもよい。概して、熱電対はチャンバーのバーナー側に設けられるがしかし、利用可能なスペースおよび排気設備のような考慮すべき事項により、それぞれのチャンバーが異なる取り付けで異なるように配置してもよく、そして装置の製造の際に両側に熱電対を設けるのが用意周到である。また、図１から図７に示した種類の２−チャンバーハウジングにおいて、図に示される同じ側への配置と対照的に一方のチャンバーのバーナーを他方のバーナーと反対の横側面(transverse side)側に配置してもよい。実際、これは溝部に沿った熱の均等な分配にとって好ましいであろう。

図から、溝部１１の外面１９とチャンバー４０の内側との間に如何なる種類のバリアー（または障壁）または材料層も存在しないことに気がつくであろう。このような如何なるバリアーまたは材料層も溝部と高温燃焼ガスとの間にある程度の断熱を与え、これにより装置の温度応答性を遅くまたは溶融金属に与えられるであろう最高温度を減少させるだろうからである。しかしながら、望ましいと考えられる場合には、金属またはセラミック保護層のような材料の薄いカバーまたはシェルを備え溝部の材料を支持または保護してもよい。このような層は好ましくは、小さい断熱値を与えるまたは断熱値を与えないように充分に薄い（または伝導性が高い）必要がある。

バーナー５０は従来のオイルまたはガスライン（図示せず）を介して燃料を供給され、オイルまたはガスラインは図３に示すホースクランプ５８により固定してもよい。図４では、入口４６と出口４７の位置は点線で示され、これらの要素は外壁に形成（図４に示さず）されているが、これら要素の内側に対する位置を示している。

図１〜７は、通常好ましい配置である、それぞれが２つの横方向のコンパートメントに分割された２つの長手方向の加熱チャンバーがある例示的な実施形態を示す。しかしながら、比較的短い溝部については、２つのコンパートメントと、１つの入口と、１つの出口と、１つの燃料バーナーとを備えた単一のチャンバーのみであってもよい（入口と出口は同じ側壁に位置し、チャンバーは溝部の全長に亘り延在している）。より長い溝部については、２つ以上のチャンバーを備えてもよい。例えば、図８は図５と同様の図であるが、しかし３チャンバー装置を示している。この場合、追加のチャンバー４０’は２つの端部チャンバー４０の間に位置している。追加のチャンバーはチャンバーを２つのコンパートメント４１’に分割する隔壁３６’を有し、高温燃焼ガスをバーナー５０’から側面の入口４６’を通りチャンバー４０’に入れ、側面出口４７’においてコンパートメントから出てくる前に矢印Ｂ’で示されるように隔壁の端部の周りまで拡げる。必要に応じ、同様の追加の（または付加的な）チャンバーを備えてもよい。さらなるバーナーおよびチャンバーを備えることはより多くの熱を装置に導入することならびにチャンネルに沿ってより正確な温度および温度プロファイルの制御を提供することが可能になることに留意されたい。

上述したように、図１から図７（図８も）の装置は金属脱ガス装置とともに使用するのに適した溝部を提供することを意図としており、従って、かなり深い。図９は溶融金属をある場所から別の場所に搬送するためのより一般的な使用を意図した、より浅い溝部１１を有する別の実施形態を示す。この場合、溝部１１の床面はその全長に亘り平坦であり、前述した装置のような溝入口および溝出口はない。溝部１１の全体の高さは、好ましくは安全性のために金属レベル２２の上約１００ｍｍにすべきである。この形態の装置ではガスノズルのような装置を導入する意図がないことから、断熱カバー６０（取り外し可能または固定された）は溝部の開放された上端の上に位置し、溶融金属に断熱を提供してもよい。

図１から図７の２チャンバーの場合、溝部の長さは通常約６．５フィートであり、装置を加熱する際に（合計６００，０００Ｂｔｕ／ｈｒ）、２つのバーナーを合わせて少なくとも６００，０００Ｂｔｕ／ｈｒまたは９２，０００Ｂｔｕ／ｈｒ／ｆｔを発生させることが可能である。定常状態の操業では、バーナーの出力は約３６０，０００Ｂｔｕ／ｈｒまたは５５，０００Ｂｔｕ／ｈｒ／ｆｔに減少させてもよい。ガスが点火されている時、バーナーは最大出力において１分あたり１２，０００リットルのガスを消費し得る。バーナーに供給する空気の量は例えば１分あたり１２０，０００リットルのようなガスの二酸化炭素への完全燃焼に適した量（通常、完全燃焼に必要な化学量論量より３％過剰）でなければならない。この加熱の程度は理想的には金属を例えば液相線(liquidus)より２０℃高い温度（または最低３５０℃）から１３００℃（アルミニウムおよびアルミニウム合金について）まで、および約８５０℃までまたは約１０００℃までのような適切な温度範囲に維持する。とりわけ好ましい範囲は６５０℃から７２５℃までである。加熱効果の多くの部分は対流加熱とともに放射加熱によりもたらされることに留意されたい。

溝部を通る金属の移動は概して質量流量で表される。金属は例え動かなくても溶融した状態を維持できことから、実際は下限がないが、好ましい速度は８６〜５５０ｌｂｓ／分または２〜５ｃｍ／秒である。概して、流れは速過ぎて乱流とならないようすべきである。乱流は、しばしば１５〜２０ｃｍ／秒の範囲で発生する。

必要に応じて、説明した実施形態の装置が他の溝部に取り付けられた場合、これらの溝部（とりわけ、より浅い場合）もまた加熱できるがしかし、例えば溝の壁に配置されたまたは上部からの放射加熱を生じるように用いる電気ヒーターのような他の手段による。

一方、先に示した例示的実施形態は上部が開放された熱伝導性耐火材料より作られる溝部を含むが、他の配置も備えることができる。例えば、本発明の更なる他の例示的な実施形態を図１０および図１１に示す。図１０の実施形態では、溶融金属は熱伝導性材料、好ましくは炭化ケイ素を含む、から作られた６つの平行なチューブ１１１を通って運ばれる。チューブは金属と接触する内面１１８と、金属とは接触しないに外面１１９とを有する。チューブは、例えば耐火性金属酸化物より成る材料のような断熱耐火材料により作られたエンクロージャー１３２により取り囲まれている。チューブ１１１の外側とエンクロージャー１３２の内側との間のスペースは高温燃焼ガスが流れ循環する通路１４１を形成する（例えば、バーナーをエンクロージャー１３２の長手方向の一方の端部の入口に設け、ガス用の排気口（または通気口、vent）を長手方向反対側の端部に設ける。）。チューブ１１１内の金属はチューブ１１１の壁を通る燃焼ガスからの熱により高温に保持され、一方でエンクロージャー１３２により提供される断熱により熱は装置１１０内に残る。高温燃焼ガスは分離された通路を通るように制限され、溶融金属が装置から出る前に排気されることから、チューブにより形成されチャンネル内の高温燃焼ガスは溶融金属と接触しない。

図１１の実施形態では、溶融金属２２は例えば耐火性金属酸化物より成る材料のような、断熱材料により作られている細長い溝２５０を通り運ばれる。溶融金属２２内で支持されているのは熱伝導性材料体２１１、好ましくは炭化ケイ素より成るまたは炭化ケイ素を含む耐火性基材である。材料体は囲まれたスペース２４０を取り巻く中空の管状の形態に作られている。材料体２１１は溝内で溶融金属と接触する外面２１８と、溶融金属と接触しない内面２１９とを有する。例えば材料体２１１の長手方向の一方の端面の入口にバーナーを設けることおよび長手方向の反対側の端面に排気口を設けることにより、高温燃焼ガスは囲まれたスペース２４０を通って流れる。材料体２１１は従って高温燃焼ガスを制限および循環し、溝２５０内の溶融金属に高温燃焼ガスが接触しないようにする。溶融金属は材料体２１１の熱伝導性壁を通って流れる燃焼ガスからの熱により高温に保たれる。溶融金属の表面からの熱損失を低減するように取り外しできるカバー２６０を備える。

・比較情報
加熱される溝用に可能性のある材料の熱伝導率および溶融アルミニウムによる攻撃に対する耐性（または耐久性）を調べた。結果を以下の表１に示す。

様々な形態のＳｉＣの公表されている特性のレビューは以下の表２に示す情報を明らかにした（ＭａｔＷｅｂのウェブサイトから）。

これら全ての形態のＳｉＣが非常に高い熱伝導率を示しており、よって充分に強く耐久性があれば説明した実施形態で使用可能である。

これらの表から、熱伝導率の好ましい範囲は、例えば約２．５Ｗ／ｍＫから２００Ｗ／ｍＫの範囲のような少なくとも約２．５Ｗ／ｍＫであり、より好ましい範囲は５Ｗ／ｍＫから８０Ｗ／ｍＫまでおよび７Ｗ／ｍＫから２５Ｗ／ｍＫまでであることが理解できる。

Claims (32)

1. 溶融金属を搬送するチャンネルと、
   燃焼ガスが前記チャンネルに入るのを防止しながら前記燃焼ガスを受け入れて循環させるエンクロージャーと、
   前記チャンネルの少なくとも一部を前記エンクロージャーから隔離する熱伝導材料体と、
   燃焼ガスを生成し、該ガスを前記エンクロージャーに供給する燃焼装置と、
   を含み、使用中に前記燃焼ガスからの熱が前記熱伝導材料体を通り前記チャンネル内の溶融金属に伝わる溶融金属搬送装置。
2. 前記材料の熱伝導率が２．５Ｗ／ｍＫから２００Ｗ／ｍＫの範囲である請求項１に記載の装置。
3. 前記材料の熱伝導率が５Ｗ／ｍＫから８０Ｗ／ｍＫの範囲である請求項１に記載の装置。
4. 前記材料の熱伝導率が７Ｗ／ｍＫから２５Ｗ／ｍＫの範囲である請求項１に記載の装置。
5. 前記材料が耐火性金属化合物を含む請求項１〜４の何れか１項に記載の装置。
6. 前記耐火性金属化合物が炭化ケイ素、窒化ホウ素および窒化ケイ素から成る群より選ばれる請求項５に記載の装置。
7. 前記材料が少なくとも６５重量％の炭化ケイ素を含む請求項５に記載の装置。
8. 前記材料が少なくとも金属接触面にコーティング物質を有する金属であり、前記溶融金属による攻撃に耐性を有する請求項１〜７の何れか１項に記載の装置。
9. 前記金属が鋳鉄である請求項８に記載の装置。
10. 前記物質が窒化ホウ素である請求項８または９に記載の装置。
11. 前記チャンネルが、上部が開放された溝部と該溝部の外面を取り囲む前記エンクロージャーとにより規定される請求項１〜１０の何れか１項に記載の装置。
12. チャンネルが溶融金属を通すように適合された少なくとも１つのチューブにより規定され、前記材料体が前記少なくとも１つのチューブの壁を形成し、前記エンクロージャーが前記少なくとも１つのチューブを完全に取り囲む請求項１〜１０の何れか１項に記載の装置。
13. 前記材料体が前記チャンネル内で支持される中空の管状要素を形成し、前記中空の管状要素が前記要素内の前記取り囲まれた空間を規定する前記エンクロージャーとして機能する請求項１〜１０の何れか１項に記載の装置。
14. 溶融金属を搬送する溝部であって上端と前記上端から前記溝部の周りに延在する外面を有する溝部と；
    少なくとも部分的に溝部の前記外面を取り囲み、前記外面に近接した少なくとも１つの取り囲まれたチャンバーを含むエンクロージャーと、
    チャンバーに入る入口またはチャンバーが１つより多い場合はそれぞれのチャンバーに入る入口であって、それを介して高温燃焼ガスがチャンバーまたはそれぞれのチャンバーに挿入される入口と、
    チャンバーまたはチャンバーが１つより多い場合はそれぞれのチャンバーからの出口であって、前記高温燃焼ガスがチャンバーまたはそれぞれのチャンバーを流れ、それによって前記外面を介して熱を溝部に伝えた後に、それを介して前記高温ガスをチャンバーまたはチャンバーが１つより多い場合はそれぞれのチャンバーから取り除くことができる出口と、
    を有する溶融金属搬送溝装置。
15. 前記エンクロージャーが溝部の全ての前記外面を取り囲む請求項１４に記載の装置。
16. 更に、高温燃焼ガスの流れのジェネレータを少なくとも１つ含み、１つの前記ジェネレータがチャンバーまたはそれぞれのチャンバーの前記入口に位置する請求項１４または１５に記載の装置。
17. 前記少なくとも１つのジェネレータが、前記溝の下で概して水平なチャンバーまたはそれぞれのチャンバーに高温燃焼ガスの前記流れを導入する請求項１６に記載の装置。
18. 前記溝部が熱伝導性耐火材料で作られている請求項１４〜１７の何れか１項に記載の装置。
19. 熱伝導性材料が炭化ケイ素を含む請求項１８に記載の装置。
20. 前記溝部の長手方向に一方に続いて他方が配置される少なくとも２つのチャンバーを有する請求項１４〜１９の何れか１項に記載の装置。
21. チャンバーまたはそれぞれのチャンバーが、前記入口から前記出口までの距離で互いに接続され、かつ高温燃焼ガスの前記流れを前記溝部の前記外面に近接して延在する通路に沿って流れるように規制するように配置される少なくとも２つのコンパートメントを含む請求項１４〜１９の何れか１項に記載の装置。
22. チャンバーまたはチャンバーが１つより多い場合はそれぞれのチャンバーが使用時に前記高温燃焼ガスを受け入れる内側体積部を有し、前記溝部の前記外面が前記内側体積部に直接暴露されている請求項１４〜１９の何れか１項に記載の装置。
23. 一方が、前記溝部に溶融金属が存在する場合に該溶融金属の温度を測定するように配置され、他方が、前記チャンバーまたはチャンバーが１つより多い場合は前記それぞれのチャンバーの少なくとも１つの温度を測定するように配置される少なくとも２つの熱電対を更に含む請求項１４〜２２の何れか１項に記載の装置。
24. 前記溝部の前記上端の上に配置された断熱カバーを更に含む請求項１４〜２３の何れか１項に記載の装置。
25. 溶融金属を搬送する少なくとも１つのチャンネルと燃焼ガスを受け入れおよび循環するエンクロージャーと前記チャンネルの少なくとも一部分を前記エンクロージャーから分離する熱伝導材料体とを含む金属搬送装置を通って流れる金属に熱を供給する方法であって、
    前記チャンネルを通して溶融金属を搬送することと、
    燃焼ガスを生成することと、
    前記燃焼ガスを規制し該燃焼ガスが前記チャンネルに入るのを防止しながら、前記燃焼ガスを前記エンクロージャーに入れて該エンクロージャーを通り循環させることと、
    を含む方法。
26. 上端と該上端から溝部の周りを延在する外面とを有する、溶融金属を搬送する溝部を加熱する方法であって、
    高温燃焼ガスの動いている少なくとも１つの流れを形成することと、
    前記溶融金属を搬送する溝部の外面の少なくとも一部を取り囲む少なくとも１つの取り囲まれた体積部を通って流れるように高温燃焼ガスの前記少なくとも１つの流れを向けて、これにより前記溝部の前記外面の前記少なくとも一部を前記高温燃焼ガスに暴露し、熱が前記外面を通り前記溝部に伝わることが可能となることと、
    を含む方法。
27. 前記少なくとも１つの取り囲まれた体積部が前記溝部の実質的に全ての前記外面を取り囲んでいる請求項２５に記載の方法。
28. 前記少なくとも１つの流れが前記溝部の前記外面に近接して延在する通路を流れるように向けられている請求項２７に記載の方法。
29. 前記少なくとも１つの流れが延在した曲がりくねった通路を流れるように向けられている請求項２８に記載の方法。
30. 高温燃焼ガスの流れが、燃焼用空気の流れの中で燃料を燃焼させることにより形成される請求項２６〜２９のいずれか１項に記載の方法。
31. ガスの前記少なくとも１つの流れが、初期に前記溝部の下を流れるように向けられる請求項２６〜３０のいずれか１項に記載の方法。
32. 前記高温燃焼ガスの少なくとも２つの流れが形成され、それぞれが異なる取り囲まれた体積部を流れるように向けられ、それぞれの体積部が前記溝部の長手方向に続けて配置されている請求項２６〜３０のいずれか１項に記載の方法。

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