JP4526251B2

JP4526251B2 - アルミニウム溶解炉

Info

Publication number: JP4526251B2
Application number: JP2003300781A
Authority: JP
Inventors: 民雄岡田; 英雄吉川; 智弘畑中; 忠男佐々木
Original assignee: Nippon Crucible Co Ltd
Current assignee: Nippon Crucible Co Ltd
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: JP2005069581A

Description

本発明は、アルミニウム溶解炉に関する。

アルミニウムダイカストマシンの手元炉では、直火焚きのアルミニウム溶解保持炉が使用されている。この炉は、被溶解物（アルミニウムの地金、返り材や廃材、アルミニウム材に鉄部品等が混合した複合品などのアルミニウム資源）の投入口を上部に有し、底部の開いた予熱タワーと、予熱タワーを通って降下する被溶解物を受け、これを溶解する溶解室と、溶解室から排出される溶湯を貯留する保持室と、溶湯汲出室とを備えている。このようなタワー型アルミニウム溶解炉については、例えば、特許文献１を参照されたい。

図７は、従来の技術に係るアルミニウム溶解装置の一例を示す縦断面図である。図７において、被溶解物Ｍは溶解室３上方の投入口２より投入され、溶解室３の床部５上に堆積するように充填される。溶解室３の床部５は、一般に耐火煉瓦により傾斜面に形成されており、この傾斜面に向けて加熱バーナー４が設けられている。充填された被溶解物Ｍは溶解室３内において、加熱バーナー４から噴射する火炎と溶解室３の蓄熱によって加熱され、その表面から溶解する。得られた溶湯は床部５の傾斜面に沿って流下し、湯溜まり室３ａに流入する。湯溜まり室３ａでは、溶湯はさらにバーナー７で直火加熱され、汲み出しまでの過程での溶湯の温度低下を補うため、汲み出し時の適温である鋳造温度よりさらに高温に保たれる。

上記のようにして得られた溶湯には、酸化物や介在物、空気中の水分が分解した水素ガスなどが含まれており、高温であるほどこれらの溶け込みは増加する。そこで、これらを除去するため、湯溜まり室３ａでは、適宜、バーナー７を停止させて、溶湯内に適宜の粉体を投入し攪拌するフラックス処理が施され、溶湯の清浄化が行われる。次いで、溶湯は隣接する保持室６の溶湯処理室６ａに流入し、溶湯内に不活性ガスを注入し攪拌するガスバブリング等の処理が施されてさらに清浄化された後、保持室６下部の連通口から汲出室６ｂに供給される。
特開平７−１２６７７０号公報（段落０００２、第８図）

しかしながら、上記従来の技術に係るアルミニウム溶解装置においては、被溶解物Ｍには加熱バーナー４の火炎を直接受ける部分が発生し、この部分において溶け出した溶湯は、床部５の傾斜面へと流下し、そこから湯溜まり室３ａ及び保持室６に流れていく過程で酸素を多く含む火炎にさらされてしまい、酸化が進行してしまう。

一方、被溶解物Ｍには、加熱バーナー４の火炎を直接受けることなく伝導熱によって加熱される部分も発生し、この部分における被溶解物Ｍは、十分に加熱されず、軟化するに留まって長時間流下しない。そのため、未溶解状態のまま長時間酸素にさらされてしまい、この過程で酸化が進行してしまう。

このように従来の技術に係るアルミニウム溶解装置では、上記のような過程で酸化が進行して酸化物が生成されるため、メタルロスが増えて溶解歩留まりが低下してしまうという問題があった。

また、上述したアルミニウム溶解装置では、湯溜まり室３ａ及び保持室６の内張りがアルミナ質、シリカ質等の金属酸化物質などの耐火物で形成されており、溶湯が該耐火物と反応して、オバケと呼ばれる硬質な金属酸化物が湯溜まり室３ａ及び保持室６内壁面に生成されてしまうという問題があった。このような硬質の金属酸化物は耐火物と熔着して生成される。そのため、通常の剥離作業では除去されず、湯溜まり室３ａ及び保持室６内壁の耐火物を解体する必要が生じるなど清掃作業、メンテナンス作業などの負荷も大きかった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、酸化物の生成を抑えつつ被溶解物を溶解することができ、メタルロスを低減して溶解歩留まりを向上させることのできるアルミニウム溶解装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明に係るアルミニウム溶解炉は、被溶解物の投入口を上部に有し、底部の開いた予熱タワーと、該予熱タワーを通って降下する被溶解物を床部で受ける溶解室とを備えたアルミニウム溶解炉であって、前記溶解室が、前記予熱タワーの底部に続く上下に開いた筒状体と、該筒状体の外壁に燃焼ガスを噴射する加熱バーナーと、前記燃焼ガスを前記筒状体内に通し得る通気口と、前記燃焼ガスにより溶解した被溶解物の溶湯を排出する排出口とを備え、前記筒状体は、底部が前記床部に載置されており、前記通気口は、前記筒状体の前記底部を切り欠くことにより形成されており、前記加熱バーナーから噴射された燃焼ガスが前記筒状体の外壁を取り囲むように広がり、酸素量を減らして前記通気口から前記筒状体内に流入するように構成されている。

上記アルミニウム溶解炉によれば、前記加熱バーナーからの火炎は前記筒状体の外壁に噴射され、含有するガスを燃焼しながら前記筒状体の外壁を取り囲むように広がり、十分に燃焼された燃焼ガスが前記通気口を通って前記筒状体内部に流れ込み被溶解物を溶解する。したがって、酸素量の少ない燃焼ガスによって被溶解物を溶解することができ、被溶解物が酸素を多く含む火炎にさらされてしまうことや、未溶解状態のまま長時間酸素にさらされてしまうのを防ぐことができる。これにより、酸化物の生成を抑えつつ被溶解物を溶解することができ、メタルロスを低減して溶解歩留まりを向上させることができる。

また、被溶解物は前記筒状体によって囲まれているので、溶解に伴って変形や崩落が発生しても、前記加熱バーナーの火炎が噴射される前記筒状体の外壁の形状は変化しない。したがって、被溶解物が、前記加熱バーナーに直接接触したり、その火炎の噴射経路を阻害したりすることはなく、安定した加熱を行うことができる。

さらに、前記筒状体自体が赤熱高温となり、その内壁に接触した被溶解物を溶解するので、高い熱効率での溶解が可能となる。

ここで、前記アルミニウム溶解炉は、前記排出口が、溶湯を貯留するための黒鉛坩堝炉を有する保持炉に接続されていることが望ましい。黒鉛坩堝炉を用いることにより間接的に溶湯を加熱することができ、黒鉛坩堝炉内部の溶湯は酸化されにくい。また、黒鉛坩堝炉は、耐火物と反応しないので、金属酸化物が発生しない。したがって、溶湯の酸化を防ぎ、溶湯の品質を保ちつつ溶湯を貯留することができる。また、金属酸化物が発生しないので、メンテナンス等の作業が容易となる。

また、前記アルミニウム溶解炉は、前記溶解室が床部に溶湯を貯留し得る湯溜部を備えていることが望ましい。前記湯溜部の溶湯内に浸漬した被溶解物は燃焼ガスや空気と接触することなく溶解されるので、酸化物の生成を抑制することができる。また、被溶解物に鉄部品などの不純物が含まれている場合、鉄部品等を前記湯溜部に集めて排出する溶湯から分離することができる。

また、前記通気口が、前記筒状体に設けられた開口であってもよい。これにより、前記通気口の面積を用途に適合させたものとすることができる。例えば、被溶解物に細粒が多い場合など、比表面積が大きく酸化され易い場合には、短時間で溶解させ得るよう、前記通気口の面積を大きくして前記筒状体内部に流入する燃焼ガスの量を増加させることができる。

本発明に係るアルミニウム溶解炉によれば、上記のように酸化物の生成を抑えつつ被溶解物を溶解することができ、メタルロスを低減して溶解歩留まりを向上させることができる。

以下、本発明に係る実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明をする。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るアルミニウム溶解装置の縦断面図である。

図示のように、本発明の第１の実施形態に係るアルミニウム溶解装置１０は、被溶解物Ｍの投入口２１を上部に有し、底部の開いた予熱タワー２０と、予熱タワー２０を通って降下する被溶解物Ｍを床部３１で受ける溶解室３０とを備えたアルミニウム溶解炉で構成されている。

予熱タワー２０は略筒形状に形成されており、その外郭には鉄製のケースが、その内壁にはステンレス板等の耐熱性材が内張りされた耐熱管がそれぞれ設けられている。そして、上記ケースと耐熱管との間には断熱材が充填され、高い断熱性が付与されている。

溶解室３０は、床部３１、筒状体３５、通気口３６、排出口３３、溶解室壁３４及び３７、及び加熱バーナー３２を備えている。床部３１は、予熱タワー２０の開いた底部の下方に位置し、耐火煉瓦等によって傾斜面に形成されており、溶解室壁３４及び３７は、予熱タワー２０と床部３１との間の領域を取り囲むように設けられている。加熱バーナー３２は、外から内へ溶解室壁３７を貫通して設けられている。

筒状体３５は、上下に開いた筒形状であり、予熱タワー２０の底部に続くように溶解室３０のほぼ中央に設けられている。本実施形態では、筒状体３５の上部外周縁にくさび状の突起部３５ａが設けられており、突起部３５ａが溶解室壁３４の上部に傾斜して設けられた開口周縁部に適合するようになっている。これにより、筒状体３５は、床部３１から離れた位置に設置され、筒状体３５と床部３１との間に通気口３６が形成されている。尚、筒状体３５は耐熱強度、耐酸化性、耐熱衝撃性に優れていることが望ましく、このような筒状体３５には、黒鉛、炭化珪素等からなる黒鉛坩堝材質が適する。

投入口２１から投入された被溶解物Ｍは、予熱タワー２０内部から溶解室３０の床部３１上に設けられた筒状体３５内部に至る領域に積載される。被溶解物Ｍを内部に含む筒状体３５の外壁には、加熱バーナー３２からの火炎が噴射され、該火炎は含有するガスを燃焼しながら筒状体３５の外壁を取り囲むように広がる。これにより噴射される燃焼ガスに含まれる酸素量が減少するので、溶解室３０内の酸素濃度が低下する。十分に燃焼された燃焼ガスは通気口３６を通って筒状体３５内部に流れ込み、被溶解物Ｍを溶解し、その後予熱タワー２０を通って排気され、予熱タワー２０内の被溶解物Ｍの予熱に利用される。

また、被溶解物Ｍによる溶湯は、床部３１の傾斜面へと流下し、筒状体３５と床部３１との間の通気口３６を通って排出口３３から排出される。本実施形態では、加熱バーナー３２は、筒状体３５の外側に向けられているので、この経路を通る溶湯にも火炎は直接当たらないようになっている。

本実施形態に係るアルミニウム溶解装置１０によれば、加熱バーナー３２からの火炎は、筒状体３５内部の被溶解物Ｍに至るまでの経路において、含有するガスを十分に燃焼するので、酸素量の少ない燃焼ガスによって被溶解物Ｍを溶解することができ、被溶解物Ｍが酸素を多く含む火炎にさらされてしまうのを防ぐことができる。これにより、酸化物の生成を抑えつつ被溶解物Ｍを溶解することができ、メタルロスを低減して溶解歩留まりを向上させることができる。

また、被溶解物Ｍが溶解して排出口３３へと流れる溶湯は、酸素を多く含む火炎に直接接触せず、酸素濃度が低下した溶解室３０内を流下するので、この過程においても酸化物の生成を抑えることができる。

また、被溶解物Ｍは筒状体３５によって囲まれているので、溶解に伴って該被溶解物Ｍが変形したり筒状体３５内で崩落したりしても、加熱バーナー３２の火炎が噴射される筒状体３５の外壁の形状は変化しない。したがって、被溶解物Ｍが、加熱バーナー３２に直接接触して損傷を与えたり、その火炎の噴射経路を阻害したりすることはなく、安定した加熱を行うことができる。

さらに、筒状体３５自体が赤熱高温となり、その内壁に接触した被溶解物Ｍを溶解するので、高い熱効率での溶解が可能となる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係るアルミニウム溶解装置の縦断面図である。

図示のように、本実施形態に係るアルミニウム溶解装置１０Ａは、先の実施形態に示したアルミニウム溶解炉と、溶湯を貯留するための黒鉛坩堝炉４２を有する保持炉４０とを含んで構成されており、アルミニウム溶解炉の排出口３３が該保持炉４０に接続されている。保持炉４０は、上面が開口した直方体状の保持炉壁４３と、保持炉壁４３の底部に設置された坩堝台４１及び坩堝台４１上に設けられた黒鉛坩堝炉４２を備えている。

本実施形態に係るアルミニウム溶解装置１０Ａによれば、排出口３３から排出される、酸化物などの不純物の混入の少ない高品位の溶湯が黒鉛坩堝炉４２へと流下し、そこで貯留される。黒鉛坩堝炉４２は間接的に加熱されるので内部の溶湯は酸化されにくい。また、黒鉛坩堝炉４２は、耐火物と反応しないので、金属酸化物が発生しない。したがって、溶湯の酸化を防ぎ、溶湯の品質を保ちつつ溶湯を貯留することができる。また、金属酸化物が発生しないので、メンテナンス等の作業が容易となる。

図３は、本発明の第３の実施形態に係るアルミニウム溶解装置の縦断面図である。

図示のように、本発明の第３の実施形態に係るアルミニウム溶解装置１０Ｂは、予熱タワー２０と、湯溜部３９が設けられた溶解室３０Ａとを備えたアルミニウム溶解炉で構成されている。予熱タワー２０及び溶解室３０Ａのその他の部分については、先の第１の実施形態に示したアルミニウム溶解装置１０と同様であるので、その詳細な説明を省略する。

湯溜部３９は、予熱タワー２０を通って降下する被溶解物Ｍを受ける床部３１Ａに、溶湯を貯留し得るように水平面から下に窪んだ形状に形成されている。湯溜部３９の深さが深すぎると、深部に塊状の未溶解物が堆積して円滑な溶解作業ができないので、湯溜部３９は一般的な坩堝と同程度に窪んだ陥没面を有することが望ましい。

本実施形態では、湯溜部３９はキャスタブル耐火物等の耐火物で形成されているが、その陥没面に交換可能な耐火容器（図示せず）が内張りされていてもよい。耐火容器を用いる場合、摩耗や破損から湯溜部３９を保護することができ、さらに陥没形状を使用用途に合わせて適宜変更することができる。このような耐火容器としては、耐熱衝撃性、耐酸化性、耐食性、耐熱強度に優れた耐火物により形成されていることが望ましく、特に限定されないが、例えば、黒鉛・炭化珪素質、炭化珪素、窒化珪素などで構成される黒鉛坩堝材質により形成されていることが望ましい。

本実施形態に係るアルミニウム溶解装置１０Ｂによれば、湯溜部３９の溶湯内に浸漬した被溶解物Ｍは燃焼ガスや空気と接触することなく溶解されるので、酸化物の生成を抑制することができる。また、被溶解物Ｍに鉄部品などの不純物が含まれている場合、鉄部品等を湯溜部３９に集めて排出口３３に排出する溶湯から分離することができる。

図４は、本発明の第４の実施形態に係るアルミニウム溶解装置の縦断面図である。

図示のように、本実施形態に係るアルミニウム溶解装置１０Ｃは、先の第３の実施形態に示したアルミニウム溶解炉と、溶湯を貯留するための黒鉛坩堝炉４２を有する保持炉４０とを含んで構成されており、アルミニウム溶解炉の排出口３３が該保持炉４０に接続されている。

保持炉４０は、第２の実施形態において示したものと同様であるので、その詳細な説明を省略する。本実施形態に係るアルミニウム溶解装置１０Ｃによれば、上述した湯溜部３９によって得られた高品位の溶湯の酸化を防ぎ、溶湯の品質を保ちつつ溶湯を貯留することができる。

図５は、本発明の他の実施形態において用いられる筒状体の縦断面図である。図示した筒状体３５Ａは、略円筒形であり、その下部の所定箇所に門形状の開口からなる通気口３６Ａが複数個設けられている。通気口３６Ａは、加熱バーナーからの燃焼ガスを筒状体３５Ａ内に通し得る。

図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明のさらに他の実施形態において用いられる筒状体の縦断面図及び正面図である。図６（ａ）及び（ｂ）に示した筒状体３５Ｂは、略円筒形であり、その外壁下部の所定箇所にスリット状の開口からなる通気口３６Ａが複数個設けられている。また、上部外周縁にはくさび状の突起部３５Ｂａが設けられている。通気口３６Ｂも、加熱バーナーからの燃焼ガスを筒状体３５Ｂ内に通し得る。また、突起部３５Ｂａは第１の実施形態に示した突起部３５ａと同様に作用する。

第１〜第４の実施形態では、筒状体３５が開口を具備しない筒形状であり、通気口３６が筒状体３５と床部３１、３１Ａとの間に形成される場合を示したが、通気口は上記のように筒状体に設けられた開口であってもよい。これにより、通気口の面積を用途に適合させたものとすることができる。例えば、被溶解物に細粒が多い場合など、比表面積が大きく酸化され易い場合には、短時間で溶解させ得るよう、通気口の面積を大きくして筒状体内部に流入する燃焼ガスの量を増加させることができる。

以上本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく種々の変更が可能である。例えば、筒状体３５の下部に図５に示したような通気口３６Ａを設けておき、これを溶湯の流れる隙間として、図１に示したようなくさび状の突起部３５ａによるのではなく、筒状体３５の底部を床部３１に載置するようにしてもよい。

高さ５５０ｍｍ、内径４５０ｍｍ、肉厚３５ｍｍの黒鉛坩堝材質の筒状体を用いて実験を行った。その筒形状の壁面のうち、排出口側及びその反対側の下部に高さ７０ｍｍ、幅１６０ｍｍの門形状の通気口が、排出口側の通気口を筒形状の中心軸回りに９０度回転させた掃除口側の位置に高さ２５０ｍｍ、幅３００ｍｍの門形状の通気口が、その反対側に高さ１５０ｍｍ、幅２００ｍｍの門形状の通気口が、それぞれ設けられている。この４箇所に通気口を有する筒状体を炉蓋と床部との間に介装して溶解室に固定した。

被溶解物としては、自動車に使用されるツーピースアルミホイール（材質ＡＣ４ＣＨ）のスクラップ１２８０ｋｇを用いた。これを溶解して回収したインゴットは１１００ｋｇであり、歩留まりは８６％であった。

床部に、アルミナ質キャスタブル耐火物で施工され、深さ１００ｍｍである湯溜部を備えた溶解室に、実施例１と同様の筒状体を設置して実験を行った。

被溶解物にも実施例１と同様のツーピースアルミホイール（材質ＡＣ４ＣＨ）のスクラップ１２８０ｋｇを用いた。これを溶解して回収したインゴットは１１２０ｋｇであり、歩留まりは８７％であった。

本発明の第１の実施形態に係るアルミニウム溶解装置の縦断面図である。本発明の第２の実施形態に係るアルミニウム溶解装置の縦断面図である。本発明の第３の実施形態に係るアルミニウム溶解装置の縦断面図である。本発明の第４の実施形態に係るアルミニウム溶解装置の縦断面図である。本発明の他の実施形態において用いられる筒状体の縦断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、本発明のさらに他の実施形態において用いられる筒状体の縦断面図及び正面図である。従来の技術に係るタワー型アルミニウム溶解装置の一例を示す縦断面図である。

符号の説明

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃアルミニウム溶解装置
２０予熱タワー
３０、３０Ａ溶解室
３１、３１Ａ床部
３２加熱バーナー
３３排出口
３５、３５Ａ、３５Ｂ筒状体
３６通気口
４０保持炉
４２黒鉛坩堝炉
Ｍ被溶解物

Claims

被溶解物の投入口を上部に有し、底部の開いた予熱タワーと、該予熱タワーを通って降下する被溶解物を床部で受ける溶解室とを備えたアルミニウム溶解炉であって、
前記溶解室が、前記予熱タワーの底部に続く上下に開いた筒状体と、該筒状体の外壁に燃焼ガスを噴射する加熱バーナーと、前記燃焼ガスを前記筒状体内に通し得る通気口と、前記燃焼ガスにより溶解した被溶解物の溶湯を排出する排出口とを備え、
前記筒状体は、底部が前記床部に載置されており、
前記通気口は、前記筒状体の前記底部を切り欠くことにより形成されており、
前記加熱バーナーから噴射された燃焼ガスが前記筒状体の外壁を取り囲むように広がり、酸素量を減らして前記通気口から前記筒状体内に流入するように構成されているアルミニウム溶解炉。
前記排出口が、溶湯を貯留するための黒鉛坩堝炉を有する保持炉に接続されていることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム溶解炉。
前記溶解室が床部に溶湯を貯留し得る湯溜部を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウム溶解炉。