JP4424927B2 - 予熱リング付き坩堝炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム、銅合金などの金属の溶解に用いられる予熱リング付き坩堝炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の坩堝炉は、原料地金を坩堝中に入れ、重油、ガスなどの燃料を用いてこれを溶解する炉である。図４のように該坩堝炉１００は、燃焼室１０１内に坩堝（黒鉛坩堝）１０２が設置され、燃焼バーナー１０３によって該坩堝１０２を昇温させ、燃焼バーナー１０３の燃焼ガス１０４は、矢印のように坩堝１０２の外壁面に沿って下から上に旋回しながら上昇し、坩堝１０２の口部１０５と炉蓋１０６との間の隙間から炉蓋１０６の開口部（汲み出し口）１０７を通って燃焼室１０１の外部に放出されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような構造の坩堝炉を用いた熔解作業は、一般には非連続性のバッチ作業で行なわれ、原料地金の投入や溶湯の汲み出し作業は、主として、人手によって行なわれる。
【０００４】
ところで、坩堝の容量は、溶解する金属量によって決まるが、アルミニウム鋳物等の嵩張り易い原料地金（リターン材）の場合には、溶融時の原料地金の容積減少率が大きいので、１回の投入で１チャージの溶湯（坩堝一杯分の溶湯）を得るのが困難であり、原料地金を何回かに分けて投入する必要が生じる。
【０００５】
しかし、この追加投入は坩堝内の高温化した溶湯中に投入されることになるので、溶湯の跳ね上がりの危険があり、作業者にとって投入の瞬間は細心の注意と緊張を余儀なくされるという問題があった。
【０００６】
また、追加投入によって溶湯温度が変化するので、温度管理面で問題が生じ、溶解時間が長くなるので、作業環境面でも問題があった。
【０００７】
そこで、継ぎ足しによって坩堝の容量を大きくした、いわゆる中継ぎ坩堝も使用されていたが、坩堝底部から溶湯の湯面までの距離が大きくなるので、原料地金の投入や汲み出しが不便になるという問題があった。
【０００８】
また、坩堝の口部は、高温空気に曝されて坩堝成分である炭素、炭化珪素が酸化し、他の部位に較べて短期間で酸化されることによって、坩堝の耐摩耗性、耐食性等が劣化して坩堝寿命を低下するという問題があった。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２―１８１４６０号公報（全頁、全図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる課題を解消すべく研究した結果なされたものであって、坩堝の外壁面を加熱する燃焼ガスを有効利用することによって原料地金の投入回数を減らすことができ、しかも、設備費の面でも有利になる予熱リング付き坩堝炉を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の予熱リング付き坩堝炉は、坩堝が配設され且つ上方に開口部を有する燃焼室からなる坩堝炉本体と、該坩堝炉本体の上に配設され且つ下端部が前記開口部に接続された予熱リングと、を備えた予熱リング付き坩堝炉において、前記開口部に沿った部位から前記燃焼室内にガイド壁を垂設し、且つ、該ガイド壁の下端部を、平面視で前記坩堝の口部よりも内側に位置させ、前記予熱リングは、外筒と、内筒と、外筒と内筒との間に配設される断熱材とで構成され、前記内筒を下方に延設することにより前記ガイド壁を形成したことを特徴とする。
【００１２】
前記ガイド壁の下端部を前記坩堝内にまで垂設するのが望ましい。
【００１３】
前記内筒は、ＳＵＳ３０４からなることが望ましい。
【００１４】
前記ガイド壁の下端部を、前記坩堝内に溜まる該坩堝容量分の溶湯の湯面よりも僅かに上方に位置させるのが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。図１及び図２は、本発明の予熱リング付き坩堝炉１の正面図であり、該予熱リング付き坩堝炉１は、坩堝炉本体２の上方に予熱リング３を設置して構成され、アルミニウム、銅合金、亜鉛などの各種の金属を被溶解材とするものである。
【００１６】
坩堝炉本体２は、上面開口した燃焼室４と、開口部５を有し且つ燃焼室４の上面開口を塞ぐ炉蓋６と、燃焼室４の床面に設置される坩堝台７と、該坩堝台７に載置される坩堝８と、燃焼バーナー９と、を備え、該燃焼バーナー９によって燃焼室４内に火炎を吹き付けて坩堝８を昇温させるようになっている。
【００１７】
燃焼バーナー９は、鉄皮ケース１０と耐火材１１からなる燃焼室４の周壁１２に貫設される穴１３に装着されている。また、坩堝８としては、例えば、黒鉛、炭化珪素等を主成分としたものを用いることができる。
【００１８】
予熱リング３は、円筒形で上端開口部３１と下端開口部３２しており、外筒（鉄皮ケース）１４と、ステンレス製の内筒１５と、外筒１４と内筒１５との間に配設される断熱材１６と、を備えた構造であり、外筒１４の上端部には予熱リング３を吊り下げるためのフック１７が形成されている。予熱リング３が炉蓋６に載置されたときには、予熱リング３の下端開口部３２は、炉蓋６の開口部５の位置と合致するようになっている。ここで、外筒１４としては、通常、鉄、ステンレス等の金属製ケースが用いられ、軽量化するため穴の開いたパンチングメタルやエキスパンドメタル等を用いても良い。また、断熱材１６としては、特に限定的ではないが、例えば、セラミックファイバーが適する。その他、金属製ケースとステンレス内張りとの間に断熱キャスタブル耐火物を流し込んでも良い。
【００１９】
内筒１５からなる内張りは、被溶解物１８を投入する際に、断熱材１６の破損を防止するために設置されるものであり、例えば、十分な耐熱性を有する材料として、ＳＵＳ３０４等を使用できる。ステンレス板は、耐熱性、耐酸性などが鉄より安定しており、この部分の熱膨張は断熱材の部分で吸収されるので、使用上は何ら問題は生じない。ただし、銅合金を溶解する場合には、廃熱温度が高温のため、予熱リング３の内張りは、断熱キャスタブル耐火物のみとすることが好ましい。なお、内筒１５は、金属材やセラミックス材等の耐熱性材料が適する。例えばステンレス材料ＳＵＳ３０４等が使用できる。
【００２０】
内筒１５の下端部は下方に延設されることによってガイド壁Ａが形成され、該ガイド壁Ａと燃焼室４の縦壁面との間に坩堝８の上端部が位置することによって燃焼ガス流路Ｂが形成されている。
【００２１】
また、ガイド壁Ａの下端部は坩堝８内に溜まる該坩堝８容量分の溶湯の湯面よりも僅かに上方に位置するように設定されている。すなわち、予熱リング３の中心軸線上に中心が位置する坩堝８の口部８ａの内径よりもガイド壁Ａの外径を小さく設定することにより、ガイド壁Ａを坩堝８内に臨ませている。また、ガイド壁Ａを坩堝８の口部８ａよりも下位まで垂設させ、且つ、坩堝８のメタルライン（１チャージの全量が坩堝８内で溶解したときの溶湯面の高さ）より僅かに上位に位置させることにより、後述のように燃焼ガスＧが坩堝８内に確実に引き込まれるようになっている。なお、ガイド壁Ａは、坩堝８のメタルラインより上位でなければ燃焼ガスＧは通過できないので、１チャージあたりの被溶解物１８の投入量は坩堝８の容量等から決定されることになる。
【００２２】
このように、ガイド壁Ａを燃焼室４内に延設したことにより、燃焼室４の内壁面とガイド壁Ａとの間に燃焼ガス流路Ｂが形成され、溶解開始時には、燃焼バーナー９の火炎を含んだ燃焼ガスＧは、図１中の矢印のように坩堝８の外壁面を下から上へと旋回しながら上昇し、その後、燃焼ガスＧはガイド壁Ａによって一旦下方に流れて坩堝８内に至り、坩堝８に投入された被溶解物１８の間隙に充満してこれらを加熱する。
【００２３】
また、燃焼ガスＧが、ガイド壁Ａによって坩堝８内に引き込まれることにより、坩堝８の口部８ａは空気量の少ない燃焼ガス雰囲気に覆われて坩堝８の酸化が遅くなり、坩堝８の寿命を延ばすことができる。
【００２４】
被溶解物１８の溶解中、燃焼ガスＧは炉蓋６の開口部５から予熱リング３の内筒１５内を上昇して管内の被溶解物１８の間隙を通過して加熱しながら外部に放出されるが、予熱リング３内に至った燃焼ガスＧは予熱リング３の内筒１５に沿って上昇するのみならず、燃焼ガスＧがガイド壁Ａを潜り抜けることによって、予熱リング３の内筒１５の中心部にまで至り、該中心部を通って上昇するので、予熱リング３内の被溶解物１８に付着した湿気を燃焼ガスＧによって確実に除去できて水蒸気爆発を防止でき、また、投入前の乾燥作業が不要となる。
【００２５】
なお、燃焼ガスＧは、溶解終了時にも、図２の矢印のように流れて坩堝８の口部８ａの酸化防止等の利用することができる。
【００２６】
以上の説明からも明らかなように、燃焼ガスＧの流れをガイド壁Ａによって制御することにより、焼ガスＧの有効利用が図れ、坩堝８の外壁面を加熱した燃焼ガスＧを開口部５からストレートに外部に排出する従来の坩堝炉方式に較べて、著しく熱効率を向上させることができる。
【００２７】
なお、該燃焼ガスＧは鉄皮ケース９の側方に取り付けた煙道（図示していない）などの排気口からも排気される。
【００２８】
予熱リング３の高さは、坩堝８の容量と予熱リング３の内容積プラス坩堝８の内容積で決定され、ハンドリング上からは１０００ｍｍ以下が好ましい。予熱リング３の内容積は追チャージを必要としないという観点から１チャージ量に見合ったものにするのが望ましい。
【００２９】
溶解作業は以下の方法で行うことができる。
（１）被溶解物１８を秤量して１バッチとする。
（２）空の坩堝８又は残湯１５のある坩堝８内に被溶解物１８の一部を坩堝８の口部８ａまで入れる。
（３）予熱リング３の移動は、フック１５を利用してクレーンで吊り下げて行われ、予熱リング３を吊り下げて坩堝炉本体２の開口部５に被せる。
（４）予熱リング３に残り被溶解物１８を投入したのちに、燃焼バーナー９を点火し、坩堝８を加熱して被溶解物１８を溶解する。
（５）溶解終了後は、予熱リング３を坩堝炉本体２から引き離す。
（６）坩堝８内にフラックスなどを投入し脱酸処理をした後、溶湯の汲み出す。
【００３０】
なお、以上の実施形態ではガイド壁Ａを坩堝８内にまで垂設したが、図３のようにガイド壁Ａの下端部を坩堝８の口部８ａと同レベル又は口部８ａよりも上方に位置させて、燃焼ガスＧを坩堝８内に導くようにしても良い。
【００３１】
【実施例】
３００ｋｇの押し湯等のアルミ鋳物を秤量し、溶解させた。予熱リング３は厚さ１．６ｍｍのパンチングメタル製ケースの内張りに厚さ５０ｍｍのセラミックファイバーを張り付け、その内側に厚さ４．８ｍｍのステンレス製の内筒１５を設置したものを使用した。
【００３２】
厚さ４．８ｍｍ、外径５４０ｍｍのＳＵＳ製内筒１５の下端とメタルラインの間隔は４０ｍｍ、坩堝８の口部８ａと炉蓋６の間隔は４０ｍｍ、坩堝８の口部８ａとメタルラインの間隔は５０ｍｍに設定した。
【００３３】
燃焼ガスＧは全量が坩堝８内を経て予熱リング３に入り、予熱リング３の上端開口部３１から放出させた。燃焼バーナー９の点火から９０分後にアルミ鋳物の全量３００ｋｇの溶解が終了した。これにより、アルミ鋳物を予熱しない場合に比べ、溶解時間をほぼ２０分間短縮することができた。
【００３４】
また、溶解中に予熱リング３の上端開口部３１から出る廃熱ガスＧの温度測定をしたところ４５０℃であった。これは、予熱しない場合（図２のように被溶解物１８が全て溶け落ちた時点で予熱リング３の上端開口部３１から排出される廃熱ガス温度）と較べて４５０℃低くなった。
【００３５】
溶解終了後、予熱リング３を移動させた後、脱酸処理を行って坩堝８から溶湯を汲み出した。
【００３６】
この結果、（１）原料地金の予熱の実現によって予熱リング付き坩堝炉の溶解熱効率が改善され、（２）５０チャージ溶解後の坩堝８の口部８ａの酸化消耗が抑制されて坩堝８の寿命が向上し、（３）原料地金の投入前の乾燥および追チャージが不要となり、且つ、溶解時間が短縮されるので、省エネ・省力となり、作業者の負担が軽減し、（４）予熱リング３の設置は小型で安価に実現でき、取り扱いやメンテナンスが容易になり、（５）排熱温度が下がるので室内温度の上昇を抑えることができ、作業環境が改善される、ことが判明した。
【００３７】
なお、この発明はアルミ鋳物に限らず全てのアルミ原料地金および銅合金などの溶解にも適用できる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の予熱リング付き坩堝炉によれば、ガイド壁によって燃焼ガスを有効利用することにより、原料地金の投入回数を減らすことができ、高温燃焼ガスのよる作業環境を悪化を軽減でき、省エネルギー化と同時に環境衛生の改善され、坩堝の長寿命化が図れる等の効果を奏する。しかも、ガイド壁を燃焼室内に垂設させるだけであるので、設備コストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の予熱リング付き坩堝炉の実施形態を示す正断面図である。
【図２】同実施形態の溶解後の状態を示す正断面図である。
【図３】本発明の予熱リング付き坩堝炉の他の実施形態を示す正断面図である。
【図４】従来の坩堝炉を示す正断面図である。
【符号の説明】
Ａ ガイド壁
１ 予熱リング付き坩堝炉
２ 坩堝炉本体
３ 予熱リング
４ 燃焼室
５ 開口部
８ 坩堝
９ 燃焼バーナー

Claims (3)

1. 坩堝が配設され且つ上方に開口部を有する燃焼室からなる坩堝炉本体と、該坩堝炉本体の上に配設され且つ下端部が前記開口部に接続された予熱リングと、を備えた予熱リング付き坩堝炉において、
   前記開口部に沿った部位から前記燃焼室内にガイド壁を垂設し、且つ、該ガイド壁の下端部を、平面視で前記坩堝の口部よりも内側に位置させ、
   前記予熱リングは、外筒と、内筒と、外筒と内筒との間に配設される断熱材とで構成され、前記内筒を下方に延設することにより前記ガイド壁を形成したことを特徴とする予熱リング付き坩堝炉。
2. 前記ガイド壁の下端部を前記坩堝内にまで垂設したことを特徴とする請求項１に記載の予熱リング付き坩堝炉。
3. 前記内筒は、ＳＵＳ３０４からなる請求項１または２に記載の予熱リング付き坩堝炉。

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