JP3996974B2 - 分離したスラグを排出しやすくした坩堝炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リサイクル利用のためにアルミニウムや銅などの廃材を溶解することを主用途とする坩堝および坩堝炉に関し、とくに、大量の原材料を連続的に溶解する作業に便利な坩堝および坩堝炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
よく知られているように、回収したアルミニウム空き缶は適当に小さく切断してから溶解し、再生地金としてリサイクル利用する。工場などからでるアルミニウム切削屑や切粉などのアルミニウム廃材も同様に溶解して再生地金をつくる。銅などの廃材についても同じようにリサイクル利用が図られている。
アルミニウムは融点が低いので、どのような形式の炉でも容易に溶解しうる。もちろん従来型の坩堝炉でもアルミニウムを溶解できるが、坩堝炉では溶解作業と溶湯の取り出し作業とを交互に繰り返すバッチ処理となるため能率が悪い。アルミニウム廃材の溶解処理を連続的に能率よく行うために、通常は反射炉を使用している。
しかし反射炉は酸化ロスが多いという欠点がある。細かなアルミニウム材は溶湯面上に浮遊し、その間に燃焼火炎にさらされて酸化してしまい、溶解歩留りが悪くなるのである。この点では、被溶解材が燃焼室の火炎にさらされない坩堝炉の方が優れている。
【０００３】
そこで従来から、酸化ロスを少なくするように工夫した反射炉型アルミニウム溶解装置が種々提案されている。例えば特開昭５８−２５８７号や実開昭６４−５０９５号公報の装置では、ポンプを用いて溶湯をアルミニウム材に注ぎかける構成としている。また特開平１−１３２７２４号公報の装置では、ポンプを用いて溶湯の渦流をつくり、その渦流に向けてアルミニウム材を投入する構成としている。同様に特開平３−１２０３２２号や特開平１５６３７８号公報の装置では、電磁撹拌装置を用いて溶湯の渦流をつくりだしている。このように、細かなアルミニウム材に溶湯を注いだり、溶湯の渦流内に細かなアルミニウム材を投入することで、空気接触の時間を少なくして酸化ロスを減らしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように酸化ロスを減らす対策を講じた従来の反射炉型アルミニウム溶解装置では、ポンプや電磁撹拌装置などの付加設備のために初期設備費がかさむとともに、これら複雑な付加設備のメンテナンスのために運用経費もかさむという問題があった。アルミニウム空き缶のリサイクルを推進するために、できる限り少ない費用で溶解装置を設備して運用できることが強く要請されている。この面で従来装置は不充分であった。
【０００５】
また従来の反射炉型アルミニウム溶解装置は、細かなアルミニウム材を溶湯内に瞬時に巻き込ませることで酸化ロスを減らしている。したがって、アルミニウム材に水分や油分などが付着していると、その付着物が溶湯と瞬時に反応して水蒸気爆発のような激しい反応を引き起こす危険がある。この危険を防止するために、炉に投入する前にアルミニウム材の残留付着物を充分に除いておく必要がある。つまり、切断したアルミニウム空き缶など、溶解しようとするアルミニウム材を事前に加熱処理し、残留水分を除去するとともに表面の印刷にかかる有機質や付着油分を燃焼させて除去している。この事前処理のために、従来、高価な加熱処理設備や集塵設備が必要だという問題があった。
【０００６】
もう１つ問題がある。アルミニウム廃材などを大量に連続的に溶解する場合、溶湯の酸化物や脱酸処理生成物、それに原材料の不純物などのスラグが生成して、溶湯の表面に溜まってくる。清浄な溶湯を得るためには、溶湯表面に溜まったスラグをときどき取り除く必要がある。このスラグ除去作業を能率よく簡単にできることも実用面できわめて重要なことである。従来の反射炉型アルミニウム溶解装置はそれ自体の構成が複雑で高価であるのに加えて、スラグ除去のための自動化設備を付加するとなるとさらに複雑でメンテナンスも面倒な機構になってしまう。スラグ除去を人手作業を主体に行うとしても、溶解作業を中断させないとか、作業者があまり高熱に晒されないですむ、といったことが大切である。しかし従来技術ではこのような要請を満足させることができなかった。
【０００７】
この発明は前述した従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、アルミニウムや銅の廃材などを連続的に溶解するにあたり、安価で保守も簡単な設備ですみ、酸化ロスが少なく、能率よく連続的に溶解処理を行え、原材料の前処理も簡単にすみ、溶湯表面に溜まったスラグの除去作業を簡単に能率よく行うことができるようにした坩堝および坩堝炉を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の坩堝は、基本的な形態は従来型の坩堝とほぼ同様であり、黒鉛などからなる上部が開口した耐火容器である。この発明の特徴的な構成として、容器上端より適当に下方位置の胴部に貫通形成された出湯穴と、この出湯穴部分に付設されて出湯穴からスラグが排出されるのを防ぐ障害部材と、前記出湯穴と向きの異なる位置の胴部に形成されて下縁が前記出湯穴と同程度のレベルにある幅広のスラグ取出窓とを備えている。
【０００９】
この構成の坩堝において、前記スラグ取出窓の上縁が容器上端にまで達して当該窓が凹型の切り欠き形状になるようにしてもよい。また望ましくは、前記取出窓部分の外側に樋を一体的に形成し、この樋をスラグ取出窓の下縁から昇り勾配に傾斜させた構成とする。
【００１０】
この発明に係る坩堝炉は、分説すると、つぎの事項（１）〜（８）により特定されるものである。
（１）炉本体と、バーナーと、坩堝台と、坩堝を備えた坩堝炉であること
（２）炉本体は、内張り耐火物で囲まれた燃焼室を形成し、材料投入口のある炉蓋によって燃焼室上部が外部と区画され、側壁上部にスラグ取り出し用の作業口が開口形成され、周面にバーナーが取り付けられ、燃焼室の底部から外部につながる湯道を備えること
（３）坩堝台は、燃焼室内の中央部に設置されること
（４）坩堝は、出湯穴と、障害部材と、スラグ取出窓を備えること
（５）出湯穴は、坩堝胴部の上端寄りの部分に貫通形成されること
（６）障害部材は、坩堝胴部の内側に出湯穴から離間して当該出湯穴とその周辺に対面するように配設され、その両側部が坩堝胴部に接すること
（７）スラグ取出窓は、出湯穴の位置から上方側の坩堝胴部であって、障害部材の出湯穴対向面の反対側の面とともに材料投入空間を区画する坩堝胴部に横長窓状に開口形成されること
（８）坩堝台上に坩堝が所定の方向姿勢で設置された状態において、坩堝の上部開口が炉蓋の材料投入口に対向するとともに、坩堝のスラグ取出窓が炉本体側壁の作業口に対向すること
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明による坩堝および坩堝炉の一実施例の構成を図１、図２、図３に示している。まず、坩堝１の単体の構造について説明する。坩堝１は黒鉛からなり、上部が大きく開口したおわん型をなしており、底面は平らで自立する。坩堝１の胴部には、開口上端から適当な寸法だけ下がった位置に出湯穴２が貫通形成されている。出湯穴２は幅広の矩形の穴であるが、比較的小さい寸法である。
【００１２】
出湯穴２からスラグなどが排出されるのを防ぐための障害部材として、この実施例では、邪魔板３を設けている。坩堝１の胴部はほぼ円筒面をなしているが、出湯穴２の形成位置の胴部の内側に黒鉛製の平板である邪魔板３を一体に付設している。邪魔板３の両側部が坩堝１の胴部に接合しているが、その他の部分は胴部の内面から離れている。とくに、出湯穴２の位置において邪魔板３と胴部との間隔が一番大きくなっている。
【００１３】
図２の平面構成に示すように、坩堝１の中心から見て、出湯穴２と９０度向きの異なる位置の胴部に、スラグ取出窓４が開口形成されている。スラグ取出窓４は幅広の矩形の開口であり、その寸法は出湯穴２よりも相当に大きい。また、スラグ取出窓４の下縁の位置は出湯穴２の下縁の位置よりも若干高く設定されている。なお図４に示す実施例のように、スラグ取出窓４の上縁を坩堝１の状態にまで達した構成とすれば、スラグ取出窓４は凹型の切り欠きとなり、この方が製作が容易である。
【００１４】
つぎに坩堝炉としての構成について説明する。炉本体５の内張り耐火物で囲まれた燃焼室６の中央に坩堝台７を設置し、その台７の上に前記の構成の坩堝１を載置している。炉本体１の側壁部分の穴に設置されたバーナー８により、燃焼室６内の坩堝台７および坩堝１を加熱する。炉本体５の上部の炉蓋９には材料投入口がある。材料投入口の口径は坩堝１の口径よりも小さいが、投入口の真下に坩堝１が位置する。この投入口からアルミニウム廃材などを坩堝１内に投入する。
【００１５】
また図２と図３に示すように、燃焼室６に所定の向きに正しく坩堝１を設置した場合、炉本体５の側壁部分に形成してあるスラグ取出用の作業口１０と、坩堝１のスラグ取出窓６とが合致し、両者が空間的につながる。スラグ排出の作業時以外は、作業口１０は扉１１で閉鎖しておく。
【００１６】
また、燃焼室６の床はバーナー８の位置の反対側に向けて降り勾配で傾斜しており、床の最低部分には外部に通じる湯道となる穴が貫通形成されている。その湯道は溶湯１２の保持室１３につながっている。つぎに詳述するように、坩堝１の出湯穴２から排出される溶湯は燃焼室６に流れ落ち、床の傾斜に従って流れて保持室１３に溜まる。
【００１７】
以上のように構成された坩堝および坩堝炉の使用方法とその作用について説明する。
適当に小さく切断したアルミニウム空き缶のようなアルミニウム材を炉蓋９の投入口から坩堝１内に投入し、バーナー８により坩堝１を加熱する。この熱で坩堝１内のアルミニウム材は下方から溶解する。燃焼ガスは炉蓋９と坩堝１の隙間を通って排出される。なおアルミニウム材の溶解を促進するために、アルミニウム材と溶湯を撹拌機で撹拌してもよい。
【００１８】
坩堝１の胴部の適当な高さの中間位置に出湯穴２があるので、坩堝１の内部にある程度の量の溶湯が溜まってくると、溶湯は出湯穴２から燃焼室６にこぼれ出て保持室１３へと流れて溜まる。図示していないが、保持室１３のアルミニウム溶湯２の冷却を防止するために、炉本体５に補助バーナーを設置し、これにより上方から溶湯１２を加熱することが望ましい。
【００１９】
前記のように、出湯穴２の位置に対応した量のアルミニウム溶湯が坩堝１内に溜まるので、上から投入されるアルミニウム材は溜まっている溶湯に接触して効率よく溶解する。坩堝１内での溶解速度に応じて、アルミニウム材を順次坩堝１内に投入することで、通常の坩堝炉でのバッチ処理と異なり、連続的に溶解処理を行うことができる。また、炉蓋９の投入口から排出される熱を有効に利用して、坩堝１の溶湯中に没入するまでのプロセスでアルミニウム材を効果的に予熱することで、アルミニウム材に水分や油分などの付着物が残留していたとしても、これが予熱帯を通過するあいだに除去され、前述した水蒸気爆発のような激しい反応が起きるおそれは少なく、安全性が高い。また、その予熱帯は非酸化性雰囲気となるので、酸化ロスはきわめて少ない。
【００２０】
また、出湯穴２の内面側に邪魔板３を配設して当該穴２をこれから少し離れて遮蔽する構成は、坩堝１に投入されたアルミニウム材によって出湯穴２が塞がれないようにするために設けている。溶湯の表面には、まだ溶けていないアルミニウム材やシャーベット状のアルミニウム材の前述したスラグも浮遊しており、溶湯流とともにこれらが出湯穴２に流れ込んで当該穴２を塞いでしまうと、溶湯面が上昇し、大きな開口であるスラグ取出窓４から溶湯とスラグが混じってこぼれ出てしまう。これを防止するのが障害部材としての邪魔板３である。なお、障害部材は実施例の邪魔板３に限定されない。たとえば、出湯穴２の内側に下向きに開口したパイプ（これが障害部材である）を連設してもよい。また、出湯穴２の外部に上向きに障害部材としての樋を取り付けてもよい。
【００２１】
坩堝１内の溶湯の表面にたくさんのスラグが溜まったならば、炉本体５の側部の扉１１を開けて作業口１０を開放し、ここから空間的につながっているスラグ取出窓４を通じて溶湯表面のスラグ排出作業を行う。このとき、作業口１０は炉本体５の側面にあるので、スラグ排出作業を人手で行うにしても、作業者が極端な熱気に晒されずにすむ。
【００２２】
スラグ排出作業はつぎの要領で行う。坩堝１のスラグ取出窓４の下縁より若干低いレベルに溶湯面があり、そこにスラグ１６が溜まって浮いている。そこで、ちり取りのようなスラグ受け具１４を作業口１０に差し入れるとともに、長いロッドのついたスラグ掻き出し具１５を坩堝１の内部まで突っ込んで、溶湯面のスラグ１６を掻き出して受け具１４の上に集める。この手順を何回か繰り返して溶湯面をきれいにする。図２では、掻き出し具１５の往復動を機械化した場合を模式的に示している。この例では、モータ１９によって正逆運転されるベルト機構１７で掻き出し具１５を駆動している。
【００２３】
この発明の他の実施例による坩堝１とそれを用いた坩堝炉を図５に示している。図５の坩堝１においては、スラグ取出窓４部分の外側に樋１８が一体的に連結されており、この樋１８はスラグ取出窓４の下縁から昇り勾配に傾斜している。この実施例によれば、坩堝１内への原材料の投入量が急増して出湯穴２からの出湯量を上回ったり、フラックス処理などで溶湯がボイルしたりして、一時的に湯面が出湯穴２のレベルを越えたとしても、昇り勾配の樋１８があるので、溶湯とともにスラグが燃焼室６にこぼれ出すことがない。また、樋１８が炉本体５の作業口１０に内側から入り込んでいるので、スラグを炉外に排出する作業がやりやすい。
【００２４】
【発明の効果】
（１）溶解処理を能率よく連続的に行える。
（２）坩堝炉を原型としているので、設置スペースが小さくてすみ、設備費および保守費も安く、運転経費も安い。
（３）坩堝内の溶湯表面に溜まったスラグを除去する作業がやりやすい。連続溶解処理を中断することなくスラグ除去作業を行える。作業者が極端な高熱に晒されずにすむ。
（４）坩堝内の溶湯レベルが一定に保たれるので、湯面の上方に適当な予熱帯を形成できる。その予熱帯を原材料が通過する間に残留付着物を効果的に除去できる。そのため水蒸気爆発のような激しい反応は起きにくく、安全に溶解作業を進めることができる。したがって、攪拌機を使って溶解能力を向上させることができる。
（５）坩堝内が非酸化性雰囲気に保たれるので、酸化ロスがきわめて少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例による坩堝および坩堝炉の縦断面図である。
【図２】同上実施例の平断面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】この発明の第２実施例の坩堝の部分断面図である。
【図５】この発明の第３実施例の坩堝および坩堝炉の縦断面図である。
【符号の説明】
１ 坩堝
２ 出湯穴
３ 障害部材（邪魔板）
４ スラグ取出窓
５ 炉本体
６ 燃焼室
７ 坩堝台
８ バーナー
９ 炉蓋
１０ 作業口
１１ 扉
１２ 溶湯
１３ 保持室
１４ スラグ受け具
１５ スラグ掻き出し具
１６ スラグ
１７ ベルト機構
１８ 樋
１９ モータ

Claims (3)

1. 炉本体と、バーナーと、坩堝台と、坩堝を備えた坩堝炉であって、
   炉本体は、内張り耐火物で囲まれた燃焼室を形成し、材料投入口のある炉蓋によって燃焼室上部が外部と区画され、側壁上部にスラグ取り出し用の作業口が開口形成され、周面にバーナーが取り付けられ、燃焼室の底部から外部につながる湯道を備え、
   坩堝台は、燃焼室内の中央部に設置され、
   坩堝は、出湯穴と、障害部材と、スラグ取出窓を備え、
   出湯穴は、坩堝胴部の上端寄りの部分に貫通形成され、
   障害部材は、坩堝胴部の内側に出湯穴から離間して当該出湯穴とその周辺に対面するように配設され、その両側部が坩堝胴部に接し、
   スラグ取出窓は、出湯穴の位置から上方側の坩堝胴部であって、障害部材の出湯穴対向面の反対側の面とともに材料投入空間を区画する坩堝胴部に横長窓状に開口形成され、
   坩堝台上に坩堝が所定の方向姿勢で設置された状態において、坩堝の上部開口が炉蓋の材料投入口に対向するとともに、坩堝のスラグ取出窓が炉本体側壁の作業口に対向する
   坩堝炉。
2. スラグ取出窓は、その上部が坩堝胴部の上端に達して凹型の切り欠きとなっている
   請求項１に記載の坩堝炉。
3. 坩堝には、スラグ取出窓部分の外側に樋が一体的に連結されており、
   樋は、スラグ取出窓の下縁から昇り勾配に傾斜して突出している
   請求項１または２に記載の坩堝炉。

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