JP3871646B2 - 非鉄金属溶解方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム等の非鉄金属を、バーナを備えた昇温室と、溶湯循環装置と、材料投入口を備えた流路を有する溶解炉で溶解する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数のバーナを備えた昇温室と、材料投入口を備えた流路を有する溶解炉でアルミニウム等の非鉄金属を溶解する場合、投入する材料の形状とは無関係に投入する材料の重量のみによって、バーナの燃焼量を調整し、当該バーナから供給する総熱量を加減することによって対応していたので、投入重量の多い、少ないによって、また投入する材料の形状によっては溶解能力が一定せずに燃料の無駄を生じるという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的とするところは、バーナを備えた昇温室と、材料投入口を備えた流路を有する溶解炉で、非鉄金属を溶解する場合において、その溶解能力を一定にすると共に、燃料の無駄を生じさせない溶解方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、バーナ（２）を備えた昇温室（１）で昇温された溶湯（Ｈ）を循環量が制御可能な溶湯循環装置（５）にて材料投入口（４）を３つ備えた流路（３）内を循環させる溶解炉によって非鉄金属を溶解し、投入材料の形状に関係なく、前記バーナ（２）から供給する単位時間あたりの総熱量を一定にするために、前記流路（３）内の溶湯（Ｈ）の流速を決定する方法であって、
前記材料投入口の一つ目の投入口に、表面積ｄ _A の材料Ａを単位時間当たりｎ _A 個投入し、そのときの前記温度差をΔ _A とし、二つの目の投入口に、表面積ｄ _B の材料Ｂを単位時間当たりｎ _B 個投入し、そのときの前記温度差をΔ _B とし、三つの目の投入口に、表面積ｄ _C の材料Ｃを単位時間当たりｎ _C 個投入し、そのときの前記温度差をΔ _C としたときの前記流路内の溶湯の流速がＶで、単位時間あたりの循環する溶湯から材料が受熱する総熱量がＱである場合、その後、前記材料Ａの投入口から表面積ｄ _S の材料Ｓが単位時間当たりｎ _S 個投入され、その材料Ｓの前記温度差がΔ _S で、また前記材料Ｂの投入口から表面積ｄ _T の材料Ｔが単位時間当たりｎ _T 個投入され、その材料Ｔの前記温度差がΔ _T で、さらに、材料Ｃの投入口から表面積ｄ _U の材料Ｕが単位時間当たりｎ _U 個投入され、その材料Ｕの前記温度差がΔ _U であったとき、それらを溶解するに必要な総熱量を前記Ｑとするには、前記溶湯の流速Ｖ ₀ を以下の式
Ｖ ₀ ^0.4 ＝Ｖ ^0.4 ・（ｄ _A ・ｎ _A ・Δ _A ・Ｋ _A ＋ｄ _B ・ｎ _B ・Δ _B ・Ｋ _B ＋ｄ _C ・ｎ _C ・Δ _C ・Ｋ _C ）／（ｄ _S ・ｎ _S ・Δ _S ・Ｋ _S ＋ｄ _T ・ｎ _T ・Δ _T ・Ｋ _T ＋ｄ _U ・ｎ _U ・Δ _U ・Ｋ _U ）
から決定し、
この式においてＫは前記材料の材質と溶解炉の大きさに対応した定数であり、
Ｋ＝０．６２５・（Ｐｒ・（Ｄｅ／ν）） ^0.4 ・（λ／Ｄｅ）とあらわされ、Ｐｒはプラントル数、Ｄｅは流路の代表長さ、νは動粘性係数、λは熱伝導率であることを特徴とする。
【０００６】
なお、カッコ内の記号は、図面および後述する発明の実施の形態に記載された対応要素または対応事項を示す。
【０００７】
本発明に記載の非鉄金属溶解方法によれば、単位時間内において、投入口から投入する材料の材質、投入個数、材料の表面積、および溶湯と投入前の材料の温度差に応じて、流路内における溶湯の流速を決定するので、単位時間当りの材料が受熱する総熱量が一定となり、溶解量も一定する。溶湯必要温度によって昇温室内雰囲気温度は制御されているので燃焼排ガス損失熱量と炉殻放散熱量と損失熱量も一定となり、バーナから供給する総熱量も一定となる。
投入する材料がかわっても、材料の材質、投入個数、材料の表面積、および溶湯と投入前の材料の温度差に応じて決定される値に溶湯の流速を設定することにより、溶解量とバーナの燃焼力を一定にすることができる。
これにより、材料形状にもかかわらず溶解量が一定するので、バーナの燃料の無駄をなくすことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１および図２を参照して、本発明の実施形態に係る非鉄金属溶解方法について説明する。図１は、非鉄金属溶解方法を実施する溶解炉を示す平面図であり（バーナ省略）、図２はその正面図である。
【０００９】
本発明に実施形態に係る非鉄金属溶解方法は、複数のリジェネバーナ２を備えた昇温室１で必要温度まで昇温し、その溶湯Ｈを三つの材料投入口４を備えた流路３内を循環量が制御可能な溶湯循環送装置５にて循環させる溶解炉によって非鉄金属を溶解する方法である。
この三つの投入口４の内、上流側の投入口４（第一投入口４ａ）からはアルミニウムの切粉を投入し、次の投入口４（第二投入口４ｂ）からアルミニウムのインゴットを、そして、下流側の投入口４（第三投入口４ｃ）からは鉄分（鉄付きリターン材）を投入することを例にして説明する。
【００１０】
そして、バーナ２から供給する単位時間あたりの総熱量を一定にするために、流路３内の溶湯Ｈの流速を、投入口４から投入する材料の材質、単位時間あたりの投入個数、材料の表面積、および溶湯と投入前の材料の温度差に基づいて決定している。
【００１１】
以下、具体的に説明する。
単位時間内において、流路３内の溶湯Ｈの流速Ｖを一定に設定し、それぞれの投入口４から、アルミ切粉Ａ、アルミインゴットＢおよび鉄分Ｃを配分された一定量を投入したと仮定する。このとき、それらアルミ切粉Ａ、アルミインゴットＢおよび鉄分Ｃを溶解するために必要な単位時間当たりの総熱量Ｑ（すなわち、バーナ２から供給すべき総熱量）は、アルミ切粉Ａが単位時間当たり得る熱量Ｑ１と、アルミインゴットＢが単位時間当たり得る熱量Ｑ２と、そして鉄分Ｃが単位時間当たり得る熱量Ｑ３との合計となる（Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３）。なお、当該流速Ｖで、各材料は過不足なく溶解するように流路３の形状は決められている。
【００１２】
すなわち、アルミ切粉Ａ、アルミインゴットＢ、鉄分Ｃが単位時間当たり得る熱量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は、以下の式（１〜３）から得られる。
切粉Ａ：ｄ_A×ｎ_A×Δ_A×α_A＝Ｑ１・・・式（１）
インゴットＢ：ｄ_B×ｎ_B×Δ_B×α_B＝Ｑ２・・・式（２）
鉄分Ｃ：ｄ_C×ｎ_C×Δ_C×α_C＝Ｑ３・・・式（３）
ここで、ｄ_A，ｄ_B，ｄ_Cは、各材料の表面積、ｎ_A，ｎ_B，ｎ_Cは、各材料の単位時間当たりの投入個数、Δ_A，Δ_B，Δ_Cは、各材料の投入前の温度と、各材料の投入前の溶湯Ｈの温度との差、α_A，α_B，α_Cは、各材料に伝わる熱伝達率をそれぞれ示している。
【００１３】
そのうち、熱伝達率αは、一般的に次に示す式（４）から得られる。
α＝Ｎｕ・（λ／Ｄｅ）・・・式（４）
Ｎｕ：ヌセルト数、λ：熱伝導率
そして、式（４）のヌセルト数Ｎｕは、
Ｎｕ＝０．６２５・Ｐｅ^0.4・・・式（５）
Ｐｅ：ペクレ数
式（５）のペクレ数Ｐｅは、
Ｐｅ＝Ｐｒ・Ｒｅ・・・式（６）
Ｐｒ：プラントル数、Ｒｅ：レイノルズ数
式（６）のプラントル数Ｐｒは、
Ｐｒ＝Ｃｐ・（η／λ）・・・式（７）
Ｃｐ：流体比熱、η：粘性係数
同じく式（６）のレイノルズ数Ｒｅは、
Ｒｅ＝Ｖ・（Ｄｅ／ν）・・・式（８）
Ｄｅ：流路の代表長さ、ν：動粘性係数
式（８）の流路の代表長さＤｅは、
Ｄｅ＝４・（ＦＡ／Ｌ）・・・式（９）
ＦＡ：流路有効断面積、Ｌ：ぬれ長さ（流路の断面図形において、水に接する曲線の長さ）
から、それぞれ得られる。
【００１４】
式（４）〜式（９）により、熱伝達率αと流速Ｖとの関係式は、

となる。
ここで、溶解炉の形状が一定であれば、流路有効断面積（ＦＡ），ぬれ長さ（Ｌ）は一定で既知であるので、流路の代表長さ（Ｄｅ）は一定値になる。また、予め投入される材料の材質は既知であるので、熱伝導率（λ），流体比熱（Ｃｐ），粘性係数（η），動粘性係数（ν）はその材質により固定値になる。プラントル数（Ｐｒ）も固定値になる。
したがって、式（１０）において、固定値になる、
０．６２５・（Ｐｒ・（Ｄｅ／ν））^0.4・（λ／Ｄｅ）の部分を定数Ｋとおくと、
熱伝達率αは、
α＝Ｋ・Ｖ^0.4・・・式（１１）
であらわすことができる。
これにより、熱伝達率αは溶湯Ｈの流速Ｖの０．４乗（Ｖ^0.4）に比例（比例定数Ｋ）することがわかる。
【００１５】
よって、式（１１）を式（１〜３）に代入すれば、総熱量Ｑ（Ｑ１、Ｑ２およびＱ３の合計）はＶの０．４乗（Ｖ^0.4）に比例することがわかる。なお、当該流速Ｖおよび各材料の表面積ｄ，単位時間当たりに投入される材料の個数ｎ，および、各材料の投入前の温度と投入前の溶湯Ｈの温度との差Δは、あらかじめその実数を得ることができる。従って、Ｑの実数も得ることができる。
【００１６】
（実施例１）
例えば、単位時間当たりに、アルミ切粉Ａ、アルミインゴットＢおよび鉄分Ｃを各１個ずつ投入したと仮定とする（以下、「基準仮定」という）。
このとき、式（１〜３）は、式（１１）を利用すると、
切粉Ａ：ｄ_A×１×Δ_A×Ｋ_A・Ｖ^0.4＝Ｑ１・・・式（１−１）
インゴットＢ：ｄ_B×１×Δ_B×Ｋ_B・Ｖ^0.4＝Ｑ２・・・式（２−１）
鉄分Ｃ：ｄ_C×１×Δ_C×Ｋ_C・Ｖ^0.4＝Ｑ３・・・式（３−１）
となる。
なお、「基準仮定」とするには、単位時間当たりの投入個数を特に１個に限定するものではなく、アルミ切粉Ａをｎ_A個、アルミインゴットＢをｎ_B個、および鉄分Ｃをｎ_C個とし、
切粉Ａ：ｄ_A×ｎ_A×Δ_A×Ｋ_A・Ｖ^0.4＝Ｑ１・・・式（１−１≡）
インゴットＢ：ｄ_B×ｎ_B×Δ_B×Ｋ_B・Ｖ^0.4＝Ｑ２・・・式（２−１≡）
鉄分Ｃ：ｄ_C×ｎ_C×Δ_C×Ｋ_C・Ｖ^0.4＝Ｑ３・・・式（３−１≡）
とすることもできる。
【００１７】
上記「基準仮定」から、例えば、アルミ切粉Ａ、アルミインゴットＢおよび鉄分Ｃの投入数を２個とした場合に、それらを溶解するに必要な総熱量Ｑを、式（１−１），式（２−１），式（３−１）と同じに設定する場合は、以下のような数式となり、
切粉Ａ：ｄ_A×２×Δ_A×Ｋ_A・Ｖ₁ ^0.4＝Ｑ１・・・式（１−２）
インゴットＢ：ｄ_B×２×Δ_B×Ｋ_B・Ｖ₁ ^0.4＝Ｑ２・・・式（２−２）
鉄分Ｃ：ｄ_C×２×Δ_C×Ｋ_C・Ｖ₁ ^0.4＝Ｑ３・・・式（３−２）
このときの、流速Ｖ₁の値は、式（１−１），式（２−１），式（３−１），式（１−２），式（２−２），式（３−２）から、Ｖ₁ ^0.4＝Ｖ^0.4・（１／２）となり、既知の流速Ｖの値を代入することで決定される。
【００１８】
従って、このときの流速Ｖ₁の実数は、Ｖの実数に対応して得ることができる。よって、流路３内の溶湯Ｈの流速を、Ｖ₁に設定すれば、総溶解量を一定にすることができて、バーナ２の燃焼量、すなわちバーナ２から供給する総熱量を一定に維持することができる。
【００１９】
（実施例２）
また上記「基準仮定」から、例えば、アルミ切粉Ａのみを２個とした場合に、それらを溶解するに必要な総熱量Ｑを、式（１−１），式（２−１），式（３−１）と同じに設定する場合は、以下のような数式となり、
切粉Ａ：ｄ_A×２×Δ_A×Ｋ_A・Ｖ₂ ^0.4＝Ｑ１・・・式（１−３）
インゴットＢ：ｄ_B×１×Δ_B×Ｋ_B・Ｖ₂ ^0.4＝Ｑ２・・・式（２−３）
鉄分Ｃ：ｄ_C×１×Δ_C×Ｋ_C・Ｖ₂ ^0.4＝Ｑ３・・・式（３−３）
このときの、流速Ｖ₂の値は、式（１−１），式（２−１），式（３−１），式（１−３），式（２−３），式（３−３）から、

となり、既知の流速Ｖの値を代入することで決定される。
【００２０】
従って、このときの流速Ｖ₂の実数は、Ｖの実数に対応して得ることができる。よって、流路３内の溶湯Ｈの流速を、Ｖ₂に設定すれば、総溶解量とバーナ２の燃焼量、すなわちバーナ２から供給する総熱量を一定に維持することができる。
【００２１】
（実施例３）
また上記「基準仮定」から、例えば、鉄分Ｃをアルミの切粉Ａ１に変えた場合に、それらを溶解するに必要な総熱量Ｑを、式（１−１），式（２−１），式（３−１）と同じに設定する場合は、以下のような数式となり、
切粉Ａ：ｄ_A×１×Δ_A×Ｋ_A・Ｖ₃ ^0.4＝Ｑ１・・・式（１−４）
インゴットＢ：ｄ_B×１×Δ_B×Ｋ_B・Ｖ₃ ^0.4＝Ｑ２・・・式（２−４）
切粉Ａ１：ｄ_A1×１×Δ_A1×Ｋ・Ｖ₃ ^0.4＝Ｑ３・・・式（３−４）
このときの、流速Ｖ₃の値は、式（１−１），式（２−１），式（３−１），式（１−４），式（２−４），式（３−４）から、

となり、既知の流速Ｖの値を代入することで決定される。
【００２２】
従って、このときの流速Ｖ₃の実数は、Ｖの実数に対応して得ることができる。よって、流路３内の溶湯Ｈの流速を、Ｖ₃に設定すれば、総溶解量とバーナ２の燃焼量、すなわちバーナ２から供給する総熱量を一定に維持することができる。
【００２３】
このように、この非鉄金属溶解方法は、単位時間内において、投入口４から投入する材料の材質、投入個数、その表面積、および溶湯と投入前の材料の温度差に応じて、流路３内における溶湯Ｈの流速を決定するので、総溶解量とバーナ２から供給する当該単位時間における総熱量を一定に維持することができる。
これにより、溶解能力を一定にすることができると共に、バーナ２の燃料を削減することができる。
【００２４】
なお、上述した実施例１，実施例２では「基準仮定」に対して、材質は同じで投入個数を変更した場合を示し、実施例３では、「基準仮定」に対して、材質を一部変更し、投入個数を同じにした場合をそれぞれ例にして説明したが、これに限定されることなく、材質と投入個数を両方を変化させることもできる。また、それと併せてあるいは別に、「基準仮定」に対して表面積の異なる材料を使用することもできる。
【００２５】
次に、式（１−１），式（２−１），式（３−１）で示される「基準仮定」に対して、切粉Ａの投入口から表面積ｄ_Sの材料Ｓが単位時間当たりｎ_S個投入され、その材料Ｓの投入前の温度と投入前の溶湯Ｈの温度との差がΔ_Sで、またインゴットＢの投入口から表面積ｄ_Tの材料Ｔが単位時間当たりｎ_T個投入され、その材料Ｔの投入前の温度と投入前の溶湯Ｈの温度との差がΔ_Tで、さらに、鉄分Ｃの投入口から表面積ｄ_Uの材料Ｕが単位時間当たりｎ_U個投入され、その材料Ｕの投入前の温度と投入前の溶湯Ｈの温度との差がΔ_Uであったとき、それらを溶解するに必要な総熱量Ｑを、式（１−１），式（２−１），式（３−１）と同じに設定する場合は、以下のような数式となり、
材料Ｓ：ｄ_S×ｎ_S×Δ_S×Ｋ_S・Ｖ₀ ^0.4＝Ｑ１・・・式（１−５）
材料Ｂ：ｄ_T×ｎ_T×Δ_T×Ｋ_T・Ｖ₀ ^0.4＝Ｑ２・・・式（２−５）
材料Ｕ：ｄ_U×ｎ_U×Δ_U×Ｋ_U・Ｖ₀ ^0.4＝Ｑ３・・・式（３−５）
このときの、流速Ｖ₀の値は、式（１−１），式（２−１），式（３−１），式（１−５），式（２−５），式（３−５）から、

と一般的にあらわされ、既知の流速Ｖの値を代入することで決定される。
【００２６】
従って、このときの流速Ｖ₀の実数は、Ｖの実数に対応して得ることができる。よって、流路３内の溶湯Ｈの流速を、Ｖ₀に設定すれば、総溶解量とバーナ２の燃焼量、すなわちバーナ２から供給する総熱量を一定に維持することができる。
【００２７】
なお、実施例１〜３では、投入口を３箇所として説明したが、特に数に限定されるものではなく、それ以下にもそれ以上にも設定することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明に記載の非鉄金属溶解方法によれば、単位時間内において、投入口から投入する材料の材質、投入個数、材料の表面積、および、溶湯と投入前の材料の温度差に応じて、流路内における溶湯の流速を決定するので、バーナから供給する当該単位時間における総熱量を一定に維持することができる。
これにより、溶解能力を一定にするとと共に、バーナの燃料使用量も一定にし無駄にすることがなく、生産性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る非鉄金属溶解方法を実施する溶解炉を示す平面図である（バーナ省略）。
【図２】図１に示す溶解炉の正面図である。
【符号の説明】
１ 昇温室
２ バーナ
３ 流路
４ 投入口
４ａ 第一投入口
４ｂ 第二投入口
４ｃ 第三投入口
５ 循環量を制御可能な溶湯循環装置
Ｈ 溶湯

Claims (1)

1. バーナを備えた昇温室で昇温された溶湯を循環量が制御可能な溶湯循環装置にて材料投入口を３つ備えた流路内を循環させる溶解炉によって非鉄金属を溶解し、投入材料の形状に関係なく、前記バーナから供給する単位時間あたりの総熱量を一定にするために、前記流路内の溶湯の流速を決定する方法であって、
   前記材料投入口の一つ目の投入口に、表面積ｄ _A の材料Ａを単位時間当たりｎ _A 個投入し、そのときの前記温度差をΔ _A とし、二つの目の投入口に、表面積ｄ _B の材料Ｂを単位時間当たりｎ _B 個投入し、そのときの前記温度差をΔ _B とし、三つの目の投入口に、表面積ｄ _C の材料Ｃを単位時間当たりｎ _C 個投入し、そのときの前記温度差をΔ _C としたときの前記流路内の溶湯の流速がＶで、単位時間あたりの循環する溶湯から材料が受熱する総熱量がＱである場合、その後、前記材料Ａの投入口から表面積ｄ _S の材料Ｓが単位時間当たりｎ _S 個投入され、その材料Ｓの前記温度差がΔ _S で、また前記材料Ｂの投入口から表面積ｄ _T の材料Ｔが単位時間当たりｎ _T 個投入され、その材料Ｔの前記温度差がΔ _T で、さらに、材料Ｃの投入口から表面積ｄ _U の材料Ｕが単位時間当たりｎ _U 個投入され、その材料Ｕの前記温度差がΔ _U であったとき、それらを溶解するに必要な総熱量を前記Ｑとするには、前記溶湯の流速Ｖ ₀ を以下の式
   Ｖ ₀ ^0.4 ＝Ｖ ^0.4 ・（ｄ _A ・ｎ _A ・Δ _A ・Ｋ _A ＋ｄ _B ・ｎ _B ・Δ _B ・Ｋ _B ＋ｄ _C ・ｎ _C ・Δ _C ・Ｋ _C ）／（ｄ _S ・ｎ _S ・Δ _S ・Ｋ _S ＋ｄ _T ・ｎ _T ・Δ _T ・Ｋ _T ＋ｄ _U ・ｎ _U ・Δ _U ・Ｋ _U ）
   から決定し、
   この式においてＫは前記材料の材質と溶解炉の大きさに対応した定数であり、
   Ｋ＝０．６２５・（Ｐｒ・（Ｄｅ／ν）） ^0.4 ・（λ／Ｄｅ）とあらわされ、Ｐｒはプラントル数、Ｄｅは流路の代表長さ、νは動粘性係数、λは熱伝導率であることを特徴とする非鉄金属溶解方法。

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