JP2024000791A - 電気ヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】高出力で断線を抑え、しかも効率よく溶湯に熱量を伝える。【解決手段】溶解炉２００又は溶解保持炉おいて、溶解または温度保持に使用される溶湯Ｍを加熱する電気ヒータ１００で、互いに左右に間隔をあけて上下方向に延び下部がそれぞれ溶湯Ｍに浸漬され、内部に導電材４０が挿入された左側パイプ材１０及び右側パイプ材２０と、左側パイプ材１０の下端と右側パイプ材２０の下端の間に連結され左右水平に延び、前記溶湯Ｍに完全に浸漬され、内部に導電材４０から通電される発熱体５０が設けられた連結パイプ材３０を備え、全体がコの字状に形成されてなる。【選択図】図１

Description

本発明は、溶解または温度保持に使用される溶湯を加熱する電気ヒータに関するものである。

従来、図４及び図５に示すように、溶解または温度保持に使用される溶湯Ｍを、電気ヒータ１を利用して金属を溶解する電気炉５が知られている（例えば、特許文献１）。電気ヒータ１には高出力のものが求められる。

図４及び図５に示した電気炉５の例は、縦８２５ｍｍ，横１３５５ｍｍのアルミ溶湯炉に対して、８本の縦型の電気ヒータ１を一定の間隔をあけて二列で溶湯Ｍ内に浸漬させたものであり、電気ヒータ１の総出力は１６０ＫＷ（２０ＫＷ×８台）である。

しかし、縦型の電気ヒータ１の場合、発熱部１Ａの長さを長くすることでヒータ出力を上げることができるが、発熱部１Ａの長さを長くするとそれに対応して溶湯Ｍの深さを深くする必要があるため設備計画に制約や限界が生じる。
図４及び図５に示した電気炉５の場合、発熱部１Ａを溶湯Ｍの内に浸漬させるには炉床５Ａからの高さが５００ｍｍとなるため、アルミ溶湯の有効出湯量は、溶湯Ｍの表面から発熱部１Ａの上方までの高さとなる２００ｍｍにより決定される。具体的には、アルミ溶湯の有効出湯量は、２２３５７５０００ｍｍ³（＝８２５ｍｍ（縦）×１３５５ｍｍ（横）×２００ｍｍ（高さ））となる。

また、電気ヒータを電気炉５の側壁５Ｂに設け、側壁５Ｂから溶湯Ｍ内に浸漬させるアンダヒータと呼ばれるものも知られているが、この場合には、側壁５Ｂに貫通部を設ける必要があるので湯漏れする恐れがある。

さらに、図６に示すように、発熱部７が設けられ溶湯Ｍ内に浸漬される本体部６Ａとそれを支持する支持部６Ｂを交差するように設けたＬ字型の電気ヒータ６も知られている（例えば、特許文献２）。
この電気ヒータ６は、本体部６Ａと支持部６Ｂが接合管６ＣによってＬ字型に接合されたものであり、発熱部７は、本体部６Ａ内において螺旋状に密に巻かれて円筒状となった１本のニクロム線で、支持部６Ｂ内に上方から挿入されたリード線８を接合管６Ｃ内で水平方向に折り曲げ、その先端を発熱部７に接続して発熱部７に電力が供給されている。

これによれば、縦型の電気ヒータ１のように溶湯Ｍの深さを深くする必要がなく、溶湯Ｍの深さが浅かったとしても効率的に溶湯Ｍを加熱することができる。しかも、本体部６Ａの重量は、溶湯Ｍ中に浸漬された本体部６Ａが溶湯Ｍから受ける浮力とつり合う重力を呈するものとされ、これにより本体部６Ａと支持部６Ｂが接合管６ＣによってＬ字型に接合された屈曲部分における応力割れの発生を抑制することができるというものである。

しかしながら、図６に示したＬ字型の電気ヒータ６は、本体部６Ａの重量が限定されるため電気ヒータ６として高出力のものとすることは困難である。また、本体部６Ａは支持部６Ｂによって片持ちであるため、本体部６Ａを、例えば電気炉５の横幅近くまで大きく延ばすように大型化させることはできない。
また、リード線８の先端は発熱部７の対応する端部に電気的に接続されていると記載されているが（段落番号（００１０））、具体的に示されていない。これについては、リード線８が長期の累積使用時間等により断線した場合の対処方法が記載されていることから（段落番号（００２３））、特殊な接続方法ではなく一般的な接続のものであると考えられる。一般的な接続な場合、溶湯Ｍ内に浸漬された本体部６Ａが熱膨張するので本体部６Ａと支持部６Ｂの接続部に負荷がかかりリード線８が断線しやすいといった問題がある。 そして、リード線８が断線した場合には、本体部６Ａ，支持部６Ｂ及び接合管６Ｃを分解してリード線８を外し新たなものを入れて組み立て、そのときにはフィラを、浸漬時の浮力とのつり合いを考慮した所定量だけ充填させる必要があるので緻密な作業が要求され交換作業に時間がかかり煩わしい。

特開２０２０－１７３０５８号公報 特開２０２２－３０２２６号公報

そこで、本発明の目的とするところは、高出力で断線を抑え、しかも効率よく溶湯に熱量を伝えることのできる電気ヒータ及びそれを利用した電気炉を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の電気ヒータは、溶解炉（２００）又は溶解保持炉おいて、溶解または温度保持に使用される溶湯（Ｍ）を加熱する電気ヒータ（１００）であって、
互いに左右に間隔をあけて上下方向に延び下部がそれぞれ前記溶湯（Ｍ）に浸漬され、内部に導電材（４０）が挿入された左側パイプ材（１０）及び右側パイプ材（２０）と、
前記左側パイプ材（１０）の下端と前記右側パイプ材（２０）の下端の間に連結され左右水平に延び、前記溶湯（Ｍ）に完全に浸漬され、内部に前記導電材（４０）から通電される発熱体（５０）が設けられた連結パイプ材（３０）を備え、
全体がコの字状に形成されてなることを特徴とする。

また本発明は、前記連結パイプ材（３０）の左右両端には、左右に伸縮し前記発熱体（５０）に電気的に接続されたバネ材（６１，６２）がそれぞれ設けられ、
前記バネ材（６１，６２）に前記導電材（４０）の下端に設けられた薄板片（４１）が上方から押し付けられた状態で接続されていることを特徴とする。

また本発明は、前記バネ材（６１，６２）は、複数の皿バネ（６３）が連結されたものであり、前記薄板片（４１）は隣接する皿バネ（６３，６３）間に押し付けられ接続されることを特徴とする。

また本発明は、前記左側パイプ材（１０）及び右側パイプ材（２０）には、上方から不活性ガスが封入されていることを特徴とする。

また本発明は、前記連結パイプ材（３０）の左右方向の長さは、前記溶解炉又は溶解保持炉の左右方向の横幅（Ｗ）の１／２よりも長いことを特徴とする。

また本発明は、前記溶湯（Ｍ）は、アルミ溶湯であることを特徴とする。

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、溶解炉又は溶解保持炉おいて、溶解または温度保持に使用される、例えばアルミ溶湯などの溶湯を加熱する電気ヒータは、左側パイプ材と右側パイプ材とそれらを連結する連結パイプ材からなるコの字状に形成され、連結パイプ材は溶湯に完全に浸漬されそこに発熱体が設けられているため、仮に溶湯が浅い場合においても電気ヒータを使用することができる。
また、電気ヒータとしてより高出力のものを使用する場合に、従来例で示したように、溶湯を深くするといった制限がなく効率的に溶湯を熱することができる。
さらに溶湯の有効出湯量は、溶湯の表面から発熱部が設けられた連結パイプの上方までの高さとなるため、従来例と比較して有効出湯量を格段と多くすることができる。

また、連結パイプ材の長さを、溶解炉又は溶解保持炉の横幅の１／２よりも長く、例えば、溶解炉又は溶解保持炉の横幅より僅かに短い程度に大型化することが可能となり、これによれば溶湯を溶解炉又は溶解保持炉の下側から効率よく熱することができる。

また本発明によれば、連結パイプ材の両端には、左右に伸縮し発熱体に電気的に接続されたバネ材がそれぞれ設けられているので、熱膨張によって連結パイプ材が左右に動き左側パイプ材と右側パイプ材の連結部に負荷がかかる場合であっても、連結パイプ材の左右方向の動きはバネ材の伸縮によって緩和されるので熱膨張は吸収される。
これにより、導電材から発熱体に供給される電力が断線等によって途絶えることが抑制される。
しかも、導電材は、バネ材に対して導電材の下端に設けられた薄板片が上方から押し付けられた状態で接続されているので安定した状態で接続され、断線の可能性を極力抑えることができる。

また本発明によれば、バネ材は、複数の皿バネが連結されたものであり、薄板片は隣接する皿バネ間に押し付けられるように接続されるので、バネ材が縮むと薄板片が皿バネで左右から挟まれるようにして保持され、一層接続強度が高まる。

また本発明によれば、左側パイプ材及び右側パイプ材には、上方から不活性ガスが封入されているので、左側パイプ材と右側パイプ材の連結部から溶湯が侵入することが防止される。

このように全体としてコの字状に形成された電気ヒータが、溶解炉又は溶解保持炉おいて採用されたケースはなく特異なもので、上述した特許文献にも一切記載されていない。

本発明の実施形態に係る電気ヒータが取付けられた溶解炉の要部を示す平面図である。 図１のＡ－Ａ線部分断面図である。 図１に示す電気ヒータの要部を示す拡大側面図である。 従来例に係る電気ヒータが取付けられた溶解炉の要部を示す平面図である。 図４のＢ－Ｂ線部分断面図である。 従来例に係る別の電気ヒータを示す部分断面側面図である。

図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態に係る電気ヒータについて説明する。

本実施形態に係る電気ヒータ１００は、図１及び図２に示すように、アルミニウムなどの非鉄金属の溶解炉２００（溶解保持炉であってもよい）において、溶解または温度保持に使用される溶湯Ｍを加熱するものである。

溶解炉２００は、側壁２０１と底壁２０２からなり上部の開口は天井蓋３００によって覆われていて、その天井蓋３００に３台の電気ヒータ１００が溶解炉２００の縦幅Ｔ方向に間をあけて差し込まれるようにして取付けられている。天井蓋３００は全体が蓋になっているが、一部が蓋になったものであってもよい。
ここでは、溶解炉２００として縦幅Ｔ、８２５ｍｍ，横幅Ｗ、１３５５ｍｍのものを使用した例を示している。

電気ヒータ１００は、図２に示すように、左側パイプ材１０及び右側パイプ材２０とそれらを連結する連結パイプ材３０からなり全体がコの字状（上方が開口したコの字状）に形成されている。なお、ここでいう左右方向とは、図２における左右方向（紙面を表側からみたときの左右方向）で便宜的にしたものであり特に限定されるものではない。
左側パイプ材１０及び右側パイプ材２０は、低熱伝導率のセラミックパイプからなり、連結パイプ材３０は、高熱伝導率のセラミックパイプからなる。

左側パイプ材１０及び右側パイプ材２０は、互いに左右に間隔をあけて上下方向に延び下部がそれぞれ溶湯Ｍに浸漬され、内部には導電材４０が挿入されている。
導電材４０は、図３に示すように、熱膨張を吸収できる素材（例えば、ニッケル）で構成された電極棒４０で下端には薄板片４１が設けられている。薄板片４１は導電性のもので、電極棒４０と一体で下端が薄板状に形成されたものでも、電極棒４０とは別体のものであってもよい。
また、左側パイプ材１０及び右側パイプ材２０には電極棒４０の周りを取り囲むように絶縁パイプ１１，２１（例えばアルミナパイプ）が挿入されている。電極棒４０は絶縁パイプ１１，２１に対して挿入されているだけで固定はされてなく熱膨張を吸収できるようになっている。
電極棒４０の上端は、図示しない制御装置を介して３相交流タイプの電源に接続されている。
なお、図１乃至図３では、左側パイプ材１０，右側パイプ材２０及び連結パイプ材３０の内部を実線で示している。

連結パイプ材３０は、左側パイプ材１０の下端と右側パイプ材２０の下端の間に連結されたもので、左右水平に延びている。連結パイプ材３０は、溶湯Ｍに完全に浸漬され、内部には導電材４０から通電される発熱体５０が設けられている。
発熱体５０は螺旋状に巻かれた複数のニクロム線（図示を省略）であり、ニクロム線周りには、酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムと、窒化ホウ素との混合物が充填されている。

連結パイプ材３０の左右両端には、左右に伸縮し発熱体５０に電気的に接続されたバネ材６１，６２がそれぞれ設けられている。バネ材６１，６２は複数の皿バネ６３が左右に連結されてなる。

左側パイプ材１０と連結パイプ材３０の連結について説明する。
左側のバネ材６１は、図３に示すように、連結パイプ材３０の左端からさらに左側に突出するように設けられている。連結パイプ材３０の左端には、内部に充填された酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムと、窒化ホウ素との混合物がこぼれ落ちないように絶縁材で形成された蓋体３１が取付けられ、さらにその左側には穴あきの電極プレート３２が取付けられている。そして電極プレート３２の左端に、左側のバネ材６１の右端が接続されている。電極プレート３２の穴には発熱体５０として構成されるニクロム線が通されバネ材６１と電気的に接続されている。また、バネ材６１の左端は、絶縁材で形成された凹状の受け部３３に納められ固定されている。
このとき、電極棒４０の下端に設けられた薄板片４１は、隣接する皿バネ６３，６３間に差し込まれ、左右から皿バネ６３，６３で強力に挟まれるとともに、薄板片４１は上方から下方に押し付けられるようにして皿バネ６３，６３間に接続されている。

そして、受け部３３とバネ材６１の真上に左側パイプ材１０の下端が位置するように配置され、Ｌ型で低熱伝導率のセラミック製のエルボ３５によって左側パイプ材１０と連結パイプ材３０は接続される。左側パイプ材１０の下部は、上方に開口したエルボ３５の上部３５ａにネジ式により固定され、その間はモルタルでシールされている。このとき、左側パイプ材１０の下端は、受け部３３の上面に載置されるように配置される。
これに対して右側に向けて開口したエルボ３５の下部３５ｂには、連結パイプ材３０の左側がネジ式により固定され、その間はモルタルでシールされている。さらにスミセラムなどの耐熱接着剤を使用して固定することもできる。このとき、受け部３３の左端はエルボ３５の左側内面に突き当てられるように配置されている。

次に右側パイプ材２０と連結パイプ材３０の連結について説明する。詳細な図面は省略するが、左側パイプ材１０と連結パイプ材３０の連結で示した図３と同様である。
右側のバネ材６２は、左側のバネ材６１と同様に、連結パイプ材３０の右端からさらに右側に突出するように設けられている。連結パイプ材３０の右端には、左端と同様に、内部に充填された酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムと、窒化ホウ素との混合物がこぼれ落ちないように絶縁材で形成された蓋体３１が取付けられ、さらにその右側には穴あきの電極プレート３２が取付けられている。そして電極プレート３２の右端に、右側のバネ材６２の左端が接続されている。電極プレート３２の穴には発熱体５０として構成されるニクロム線が通されバネ材６２と電気的に接続されている。また、バネ材６２の右端は、左端と同様に、絶縁材で形成された凹状の受け部３３に納められ固定されている。
このとき、電極棒４０の下端に設けられた薄板片４１は、左端と同様に、隣接する皿バネ６３，６３間に差し込まれ、左右から皿バネ６３，６３で強力に挟まれるとともに、薄板片４１は上方から下方に押し付けられるようにして皿バネ６３，６３間に接続されている。

そして、受け部３３とバネ材６２の真上に右側パイプ材２０の下端が位置するように配置され、左端と同様に、Ｌ型で低熱伝導率のセラミック製のエルボ３５によって右側パイプ材２０と連結パイプ材３０は接続される。右側パイプ材２０の下部は、上方に開口したエルボ３５の上部３５ａにネジ式により固定され、その間はモルタルでシールされている。このとき、右側パイプ材２０の下端は、受け部３３の上面に載置されるように配置される。
これに対して左側に向けて開口したエルボ３５の下部３５ｂには、連結パイプ材３０の右側がネジ式により固定され、その間はモルタルでシールされている。さらにスミセラムなどの耐熱接着剤を使用して固定することもできる。このとき、受け部３３の右端はエルボ３５の右側内面に突き当てられるように配置されている。
このとき、右側パイプ材２０の下端は受け部３３の上面に載置され、エルボ３５の上部３５ａは右側パイプ材２０の下部周面に固定されている。これに対してエルボ３５の下部３５ｂは、連結パイプ材３０，バネ材６２及び受け部３３には固定されていない。すなわち、連結パイプ材３０とそれに取付けられたバネ材６２と受け部３３は、エルボ３５の下部３５ｂに挿入されているだけで固定はされていない。なお受け部３３の左端はエルボ３５の内面に突き当てられている。

なお左側パイプ材１０及び右側パイプ材２０には、上方から不活性ガス（窒素ガス又はアルゴンガス）が封入され、溶湯Ｍの浸入を防止している。

本実施形態に係る溶解炉（電気炉）２００の場合、発熱体５０が設けられた連結パイプ材３０を溶湯Ｍの内に浸漬させるには炉床２０２Ａからの高さを１５５ｍｍと従来例と比較して小さく抑えることができるため、アルミ溶湯の有効出湯量は、溶湯Ｍの表面から連結パイプ材３０の上方までの高さとなる５４５ｍｍにより決定される。具体的には、アルミ溶湯の有効出湯量は、６０９２４１８７５ｍｍ³（＝８２５ｍｍ（縦）×１３５５ｍｍ（横）×５４５ｍｍ（高さ））となり、従来例（図４及び図５）と比較してアルミ溶湯の有効出湯量を２．７２５倍にすることができる。これに対応して残湯量を大幅に減らすことができる。

本実施形態に係る電気ヒータ１００において、左側パイプ材１０，右側パイプ材２０及び連結パイプ材３０の径（直径）は５５ｍｍのものを使用している。
また、連結パイプ材３０の左右方向の長さは、溶解炉２００の左右方向の横幅Ｗの１／２よりも長くすることが好ましく、本実施形態では、電気ヒータ１００の横幅、すなわち左側パイプ材１０の左端から右側パイプ材２０の右端までの距離が１１９８ｍｍとなるものを使用した。これにより、溶解炉２００の左右方向の横幅Ｗに対して電気ヒータ１００が占める割合は、およそ８８％（＝１１９８ｍｍ÷１３５５ｍｍ（横）×１００）となる。

このように構成された電気ヒータ１００によれば、左側パイプ材１０と右側パイプ材２０とそれらを連結する連結パイプ材３０からなるコの字状に形成され、連結パイプ材３０は溶湯に完全に浸漬されそこに発熱体５０が設けられているため、仮に溶湯Ｍが浅い場合においても電気ヒータ１００を使用することができる。
また、電気ヒータ１００としてより高出力のものを使用する場合に、従来例で示したように、溶湯Ｍを深くするといった制限がなく効率的に溶湯Ｍを熱することができる。溶湯Ｍの温度を、短時間で１２００度（℃）以上にすることも容易に行える。

また、連結パイプ材３０の両端には、左右に伸縮し発熱体５０に電気的に接続されたバネ材６１，６２がそれぞれ設けられているので、熱膨張によって連結パイプ材３０が左右に動き左側パイプ材１０と右側パイプ材２０との連結部に負荷がかかる場合であっても、連結パイプ材３０の左右方向の動きはバネ材６１，６２の伸縮によって緩和されるので熱膨張は吸収される。
これにより、導電材４０から発熱体５０に供給される電力が断線等によって途絶えることが抑制される。
しかも、導電材４０は、バネ材６１，６２に対して導電材４０の下端に設けられた薄板片４１が上方から押し付けられた状態で接続されているので安定した状態で接続され、断線の可能性を極力抑えることができる。

また、バネ材６１，６２は、複数の皿バネ６３が連結されたものであり、薄板片４１は隣接する皿バネ６３，６３間に押し付けられるように接続されるので、バネ材６１，６２が縮むと薄板片４１が皿バネ６３，６３で左右から挟まれるようにして保持され、一層接続強度が高まる。

なお、本実施形態では、発熱体５０にニクロム線を使用した例を示したがこれに限定されるものではない。また、バネ材６１，６２として皿バネ６３を連結したものを例に示したが他のものであってもよい。

１ 電気ヒータ
１Ａ 発熱部
５ 電気炉
５Ａ 炉床
５Ｂ 側壁
６ 電気ヒータ
６Ａ 本体部
６Ｂ 支持部
６Ｃ 接合管
７ 発熱部
８ リード線
１０ 左側パイプ材
１１ 絶縁パイプ
２０ 右側パイプ材
２１ 絶縁パイプ
３０ 連結パイプ材
３１ 蓋体
３２ 電極プレート
３３ 受け部
３５ エルボ
３５ａ 上部
３５ｂ 下部
４０ 導電材
４１ 薄板片
５０ 発熱体
６１，６２ バネ材
６３ 皿バネ
１００ 電気ヒータ
２００ 溶解炉
２０１ 側壁
２０２ 底壁
２０２Ａ 炉床
３００ 天井蓋
Ｍ 溶湯

Claims (6)

1. 溶解炉又は溶解保持炉おいて、溶解または温度保持に使用される溶湯を加熱する電気ヒータであって、
   互いに左右に間隔をあけて上下方向に延び下部がそれぞれ前記溶湯に浸漬され、内部に導電材が挿入された左側パイプ材及び右側パイプ材と、
   前記左側パイプ材の下端と前記右側パイプ材の下端の間に連結され左右水平に延び、前記溶湯に完全に浸漬され、内部に前記導電材から通電される発熱体が設けられた連結パイプ材を備え、
   全体がコの字状に形成されてなることを特徴とする電気ヒータ。
2. 前記連結パイプ材の左右両端には、左右に伸縮し前記発熱体に電気的に接続されたバネ材がそれぞれ設けられ、
   前記バネ材に前記導電材の下端に設けられた薄板片が上方から押し付けられた状態で接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電気ヒータ。
3. 前記バネ材は、複数の皿バネが連結されたものであり、前記薄板片は隣接する皿バネ間に押し付けられ接続されることを特徴とする請求項２に記載の電気ヒータ。
4. 前記左側パイプ材及び右側パイプ材には、上方から不活性ガスが封入されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の電気ヒータ。
5. 前記連結パイプ材の左右方向の長さは、前記溶解炉又は溶解保持炉の左右方向の横幅の１／２よりも長いことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の電気ヒータ。
6. 前記溶湯は、アルミ溶湯であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一つに記載の電気ヒータ。

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