JP4653758B2 - 溶融金属のための加熱樋 - Google Patents

Description

本発明は、一般に溶融金属、より明確にはアルミニウム鋳造処理の溶融アルミニウムを輸送するための装置に関するものである。

溶融金属処理において、樋は一般に溶融炉から例えば鋳型や分析器などのいろいろな処理装置へ溶融金属を輸送するために使用される。十分な金属流量がある場合には、溶融金属の中に十分な顕熱があるので、樋による熱損失を補うことができる。しかしながら、金属流量が少ない状態又は樋を流れる時間が長い状態においては、過度の金属熱損失を防止するために何らかの形の樋加熱を必要とする。

Birchill他に係る特許文献１は、どの側からでも加熱することができる設備を備えた一般的な加熱樋を開示するが、効果的な温度制御をどのように実現するかの詳細な記述は少しもない。

Sivilottiに係る特許文献２は、溶融金属を収容するための耐熱性の内面を含み、発熱体によって取り囲まれた断熱性がありチューブ状の排出管を開示する。

２００２年９月３日付のEckertに係る特許文献３は、樋の耐熱材料と密接な関係にある、側壁又は底に埋め込まれた加熱器を備えた加熱樋について説明する。

これらの２つの引用文献は共に伝導により加熱する加熱器を使用する。当該加熱器は、周囲の耐熱物との望ましい接触を確保することが難しいため、熱い場所及び一様でない加熱が生じる傾向がある。発熱体の胴部（element shell）の金属含浸又は膨張により閉塞する傾向にあるため維持するのが難しいこともある。熱的接触によって加熱器が加熱を行うとき、望ましい熱的接触の場合は、加熱器と周囲の材料との間の温度差が低くなるであろう。それゆえ、高い加熱温度が、望ましいワット密度とエネルギー伝達を達成するのに必要である。

Hebrantに係る特許文献４は、上蓋に取り付けられた加熱器を有する蓋付き加熱樋を開示する。主にこれらの加熱器は伝導よりむしろ放射により加熱を行う。そして、熱流束は加熱器の温度の４乗と放射を受ける表面とに依存する。放射加熱器は、高いワット密度に耐えうる。しかしながら、全体としては溶融金属の表面に放射する加熱器はその表面の低い放射率のため効果的でない。

溶融金属が樋を流れるときその中で不純物や含有物が形成されるという一般的な傾向があるが、これは、上から加熱した（上端で加熱した）樋においてはより深刻である。これらの含有物は、樋と通常樋が作られる耐熱材料との表面の大気中の酸素の存在下で増大する。溶融金属表面の高温と低い金属流速は、この効果を劇的に増大させる。

米国特許第３４９４４１０号明細書 米国特許第４３４５７４３号明細書 米国特許第６４４４１６５号明細書 米国特許第４５３１７１７号明細書 米国特許第６５５５１６５号明細書

従って、含有物の形成を低減しながら、流れている溶融金属に一様で制御可能な熱を供給する樋加熱処理を見つけることが望ましい。

従って、本発明は、１つの実施例において、下部壁と２つの側壁とにより形成された外胴部（outer shell）と、外胴部を満たす断熱層と、溶融金属を輸送するための伝導性（熱伝導性）があり、Ｕの形をした、耐熱性のある樋本体とを備え、樋本体は断熱層に埋め込まれた溶融金属を輸送するための樋（トラフ）を提供する。少なくとも１つの発熱体は、発熱体と樋本体との間に空隙を設けるため、樋本体に近接させつつ間隙を置いて、断熱層の中に位置付けられる。

本発明は、もう１つの実施例において、金属を輸送するための樋の中の溶融アルミニウムを加熱する方法を提供する。ここで、樋は下部壁と２つの側壁とにより形成された外胴部と、外胴部を満たす断熱層と、溶融金属を輸送するための伝導性があり、Ｕの形をした、耐熱性のある樋本体とを備えている。樋本体は断熱層に埋め込まれ、発熱体と樋本体との間に空隙を設けるため、樋本体に間隙を置いて、伝導性があり、Ｕの形をした、耐熱性のある樋近傍の樋内面に埋め込まれた１以上の放射加熱器によって熱を供給する。

図１及び２は、本発明による加熱樋の斜視図と断面図を示す。これらの図に示すように、樋１０は、当技術分野で周知のように鋼鉄又は他の適した材料で作ることができる外胴部１２と、分割された樋を互いに接続し、又は樋を金属取扱システムの他の部分に取り付けるのに適したエンドプレート１３とを備える。外胴部１２の内側は断熱層１４であり、断熱層１４の内部に置かれているのは溶融金属１８を輸送するためのＵの形をした樋本体１６である。一般に、樋本体１６は、高い伝導性があり、溶解金属からの腐食に耐性があり、そして密度が高い耐熱物、例えば炭化珪素又は黒鉛などで作ることができる。断熱層は、１種類の断熱板から構成してもよいし、又は内側から外側表面までさまざまな種類の副層に部類分けしてもよい。典型的に、断熱層は耐熱性があり繊維状の珪酸アルミニウム又は多孔性（pourable）断熱耐火物である。

樋本体は、耐熱材料、例えば、珪酸カルシウム（珪灰石）の耐熱板から製造された支柱（pier）１９をおおう周囲の断熱層１４の中で支えられる。

発熱体２０は、空隙（air gap）２８を設けるため、樋本体１６に近接させつつ間隙を置いて、断熱層１４の中において支柱１９の間に位置付けられる。空隙２８は発熱体２０と樋本体１６の間の放射熱伝達を可能にする。樋本体は高い伝導性があるので、熱収支としては、加熱器と樋本体の一部分で加熱器に間隙を置いて面している部分との間に大きな温度差が存在することとなる。たとえ加熱温度が伝導加熱状態で使用されたものより低くても、これは加熱器の効果的運転と高い熱流速を可能にする。加熱器と樋本体との断続的かそれとも不測の熱接触を防止するために、空隙２８は十分であり、それゆえに、伝導による局部的な熱伝達、一様でない加熱及び熱い場所を排除する。空隙２８の最大サイズは重大ではない。そして、１つの実施例において、対面している樋面積と比較して加熱器表面積をより大きくすることを可能とするためにより大きい間隙幅で、結果的により効果的な熱伝達を生じさせるために先細り形（テーパ形）の間隙を使用してもよい。また、珪灰石の支柱１９への伝導熱の損失を回避するために、空隙は発熱体の側面と支柱の間までも続く。ここでは、１つの発熱体と言われているとはいえ、当然のことながらここに使用される「発熱体」という用語は１つより多い素子を含む。発熱体は例えばワトロウ（Watlow）によって提供されるような典型的な放射加熱器である。

珪灰石などの耐熱材料のもう１つの閉鎖板２１が、加熱器２０の下に設けられている。樋を分解することなく、修理や交換を行うため加熱器を簡単に取り外すことを可能にするために、この板を取り外すことができる。

放射熱伝達を最大にするために、樋本体材料は高い放射吸収性を持つか、伝導性があり高い吸収性を持つ被覆剤で表面を覆われるべきである。炭化珪素及び黒鉛の樋材料は、本出願のために好ましい吸収性を持つ。

好ましくは、少なくとも１つの発熱体と樋本体の間の空隙２８は、使用時の不測の熱接触を避けるために少なくとも０．５ｃｍである。空間の実用的な理由から、一般的に、最大１ｃｍの空隙を使用する。

さらに、図２は、溶融金属による熱損失を低減するために、当技術分野で周知の断熱蓋（断熱カバー）２６を樋１０の上に取り付けることができるというより好ましい実施例を示す。ある実施例においては、断熱蓋の下に不活性気体を注入するための設備を設け、そのような場合には、その蓋には適切な密閉手段が設けられる。

図３に示す好ましい実施例において、金属防壁として役目を果たすため、樋は、発熱体２０の近傍に、例えば樋本体１６の外面に合う金属や黒鉛の遮壁又は素焼板（porous sheet）３０を含む金属又は非金属の金属浸入防壁をさらに備えることができる。この遮壁は鉄・ニッケル・クロム合金などの合金であってもよい。金属浸入防壁は熱的に安定性があり、アルミニウムを漏らさず、効果を失わず通過する放射熱に効果的であるべきである。典型的に、０．５ｍｍ×０．５ｍｍのメッシュサイジングはこのために効果的である。

金属浸入防壁は導電性金属又は非金属から製造されるとき、防壁と樋の中の金属との間の伝導率の変化を検出するための手段を備えることにより金属漏出の検出のために使用されてもよい。当該検出器は、樋の中の金属の中に浸された探針３２と、金属浸入防壁への探針３２と電気的接続部３４間を接続する伝導率検出器３６との電気的接続部３４とで構成してもよい。普通は、非常に低い伝導率が検出されるであろうが、金属浸入が起こると、伝導率は上昇し、伝導率検出器３６は修正措置を取ることができるように故障を知らせるであろう。

本発明の別の実施例を図４に示す。この実施例において、上記のように加熱器２０におけるより大きいワット密度を可能にするため、放射間隙２８が外面上先細り形になるように、珪灰石支柱１９は外面上先細り形４０である。また、図４は下部加熱器２０と同様の加熱器４２を、樋１６の側面に沿った珪灰石の支持材４４の間に取り付けるという別の実施例を示す。これらの加熱器それぞれに放熱間隙４６を備え、その上、示された図において、放熱間隙は効果的に先細り形である。当然のことながら、図のように当該側面加熱器を下部加熱器と共に使用することもできるし、又はそれらだけで使用することもできる。また、ある実施例においては、側面加熱器への簡単なアクセスを可能にするために、下部閉鎖板２１と同様のアクセス板（図示せず）を樋の側面に使用してもよい。

当技術分野で周知のように、適温制御システムを本発明の樋１０と共に使用することができる。そのシステムは、１つ以上の発熱体２０と溶融金属１８の上部表面近くの樋本体１６部分とに取り付けられた熱電対を備えることができる。樋加熱器制御プログラムは、発熱体２０の出力を制限することにより発熱体２０の寿命を長くすると同時に、正確な溶融金属温度を維持するのに、両方の種類の熱電対からの出力を利用する。加熱し、樋本体の中の溶融金属の表面温度を維持するのに、１種又は複数種の電圧を使用することができる。例えば、電圧は２２０ボルト又は１１０ボルトであってもよい。

加熱器制御プログラムの論理は、鋳型への導入の直前に溶融金属温度の厳しい許容範囲を維持するために、Ｐ．Ｉ．Ｄ．閉ループ制御を使用する。引例によってここに組み込まれたEckertに係る特許文献５において、適温制御システムの一例を見ることができる。

本発明の加熱樋の斜視図である。 図１の加熱樋の中央で切断した断面図である。 本発明の加熱樋のもう１つの実施例を示す図２と同様の断面図である。 本発明の加熱樋の別の実施例を示す図２と同様の断面図である。

符号の説明

１０ 樋、
１２ 外胴部、
１３ エンドプレート、
１４ 断熱層、
１６ 樋本体、
１８ 溶融金属、
１９ 支柱、
２０ 発熱体、
２１ 閉鎖板、
２６ 断熱蓋、
２８ 空隙、
３０ 素焼板、
３２ 探針、
３４ 電気的接続部、
３６ 伝導率検出器、
４０ 先細り形、
４２ （側面）加熱器、
４４ 支持材、
４６ 放熱間隙。

Claims (18)

1. 溶融金属を輸送するための樋であって、
   （ａ）下部壁と２つの側壁とにより形成された外胴部と、
   （ｂ）外胴部を満たす断熱層と、
   （ｃ）断熱層に埋め込まれた、溶融金属を輸送するための伝導性及び耐熱性のある樋本体と、
   （ｄ）発熱体と樋本体との間に空隙を設けるため、樋本体に近接させつつ間隙を置いて、断熱層の中に位置付けられた発熱体とを備えたことを特徴とする樋。
2. 発熱体と樋本体との間の空隙は少なくとも０．５ｃｍであることを特徴とする請求項１記載の樋。
3. 発熱体と樋本体との間の空隙は１．０ｃｍより小さいことを特徴とする請求項１記載の樋。
4. 発熱体は樋の下部端近傍に位置付けられていることを特徴とする請求項１記載の樋。
5. 発熱体は樋の側壁近傍に位置付けられていることを特徴とする請求項４記載の樋。
6. 樋本体は炭化珪素又は黒鉛で作られていることを特徴とする請求項１記載の樋。
7. 発熱体近傍に、樋本体の外部表面に取り付けられた金属浸入防壁手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の樋。
8. 金属浸入防壁手段は合金又は非金属で作られていることを特徴とする請求項７記載の樋。
9. 合金は鉄・ニッケル・クロム合金であることを特徴とする請求項８記載の樋。
10. 非金属は黒鉛であることを特徴とする請求項８記載の樋。
11. 発熱体と溶融金属近傍の樋本体の中とに取り付けられた熱電対と、
    発熱体から出力される熱を制御するためのＰ．Ｉ．Ｄ．閉ループ制御プログラムとをさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の樋。
12. 金属浸入防壁との１つの連結部と、樋の中の溶融金属の中に挿入するのに適したもう１つの連結部とに接続された伝導率検出器をさらに備え、
    上記伝導率検出器は、測定された伝導率が樋内面への金属浸入の結果として増加したとき信号を出すための手段を備えたことを特徴とする請求項７記載の樋。
13. 樋の中で輸送されている溶融金属を加熱するための方法であって、
    上記樋は、
    下部壁と一対の側壁とにより形成された外胴部と、
    外胴部を満たす断熱層と
    断熱層に埋め込まれた、溶融金属を輸送するための伝導性及び耐熱性のある樋本体と、
    発熱体と樋との間に空隙を設けるため、樋本体に近接させつつ間隙を置いて、断熱層の中に位置付けられた発熱体とを備え、
    空隙を横切る放射熱伝達により加熱器から樋本体へ熱を移動させ、それによって樋本体及びその中で輸送されている溶融金属を一様に加熱することを特徴とする方法。
14. 空隙幅は、０．５ｃｍから１．０ｃｍまでであることを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 発熱体を樋の下部端近傍に位置付けることを特徴とする請求項１３記載の方法。
16. 発熱体を樋の側壁近傍に位置付けることを特徴とする請求項１３記載の方法。
17. 発熱体から出力される熱を制御するため、発熱体と溶融金属近傍の樋本体の温度を測定し利用することを特徴とする請求項１３記載の方法。
18. 金属浸入防壁手段を発熱体近傍の樋本体の外側表面上に設け、
    浸入防壁と樋の中の溶融金属との間で伝導率を測定し、伝導率の増加により樋内面への金属浸入を知らせることを特徴とする請求項１３記載の方法。

Images