JP4983000B2 - 金属溶湯用炉 - Google Patents

Description

本発明は、金属を溶解する溶解炉、あるいは、溶解された金属の溶湯を保持するための保持炉であって、特にアルミニウムまたはその合金の溶解炉やそれらの溶湯の保持炉に好適な金属溶湯用炉に関する。

アルミニウムまたはその合金（以下、単にアルミニウムと称する）を溶解し更に鋳造する場合、先ず溶解炉で新塊やスクラップなどの原料を溶解・脱滓し、得られたアルミニウムの溶湯を保持炉に移湯した後、脱滓・成分調整・攪拌・脱ガスなどを行ってから、インゴット、ビレット、あるいはスラブなどに鋳造される。
近年、多品種少量生産の要求が一層と求められている。このため、従来から使用してきた大型の溶解炉などを用いて小ロット生産を行うと、熱効率などが低くなり、操業ロスも多くなるので、生産コストが高くなる。一方、小ロット生産に適した比較的小型の溶解炉などを新たに建設するには、多大な設備コストが必要となり、且つ複数の溶解炉などのために広大な設置スペースも要することになる。

そこで、前記設備コストや設置スペースの問題を解決するため、既存の比較的大型の溶解炉の炉内を仕切壁で分割し、複数の炉室を形成するようにした溶解炉が提案されている（例えば、特許文献１参照）。係る溶解炉によれば、比較的厚手の耐火物に多数の通気穴を明けた仕切壁で炉内を分割するので、複数の炉室間にまたがる熱効率なども向上する。
しかしながら、特許文献１の溶解炉は、上記仕切壁の強度が不足するため、例えば、原料の投入、脱滓、または溶湯の攪拌する際に炉内に挿入するフォークリフトの先端部が直に仕切り壁に当たったり、あるいは原料などを衝突すると、仕切壁の表面における耐火物が変形したり、仕切壁自体が破損に至り易い。このため、炉を補修するためのメンテナンスコストが却って増加する、という問題があつた。

実開昭６２−１０８７９２号公報（第１，２頁、第１〜３図）

本発明は、背景技術で説明した問題点を解決し、多種少量生産に適し、強度および耐久性に優れると共に、比較的低コストで改修または新規の構築可能な金属溶湯用炉を提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、溶解炉などの炉内を複数の炉室に分割するための分割壁を、表面の耐火壁とこれを支持し且つ常時冷却可能な構造体とにより構成する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の金属溶湯用炉（請求項１）は、金属を溶解するか、あるいは、溶解された金属溶湯を保持する炉であって、炉本体の内部を分割壁により複数の炉室に分割しており、上記分割壁は、一対の対向する耐火壁と、係る一対の耐火壁の間に位置し且つ当該耐火壁を支持する構造体と、係る構造体の内部に形成される冷媒流路と、を備え、上記分割壁の構造体は、縦・横方向に沿って格子状に結合した鉄骨と、係る鉄鋼の両側面にそれぞれ接合され且つ前記耐火壁を固定する金属板と、を含むと共に、上記冷媒流路は、少なくとも上記鉄骨と金属板とに囲まれた空間と、前記鉄骨の何れかに明けた通し孔とにより構成されている、ことを特徴とする。

これによれば、分割壁を構成する一対の耐火壁は、各炉室の炉壁を構成すると共に、これらの間に位置し且つ冷媒流路を有する構造体によって支持される。しかも、冷媒流路は、該構造体を構成する少なくとも前記鉄骨と金属板とに囲まれた空間と、前記鉄骨の何れかに明けた通し孔とにより構成されている。このため、構造体は、冷媒流路を流れる冷媒によりその内側から常に効率良く冷却されるので、各炉室からの伝熱による係る構造体の温度上昇が抑制され、その強度が保たれる。従って、例えば、原料の投入、脱滓、または溶湯の攪拌する際に炉内に挿入されるフォークリフトの先端部が直に分割壁に当たったり、あるいは原料などを衝突しても、表面の耐火壁が変形や破損しにくくなり、メンテナンスも低減できるため、多種少量生産の小ロット対応に応じた操業を容易に行うことができる。

尚、前記分割壁には、例えば、平面視が矩形（長方形または正方形）を呈する炉本体を２分割、または並列状に３分割以上に分割する形態や、あるいは、平面視で炉本体の内部を＋形に４分割する形態も含まれる。
また、前記冷媒流路を流れる冷媒は、流体であれば良く、例えば、エアや窒素ガスなどの気体や、水などの液体としても良い。
更に、前記鉄骨には、チャンネル、アングル、Ｉ型鋼、Ｈ型鋼などが含まれる。

更に、本発明には、前記冷媒流路は、前記鉄骨と金属板とに囲まれた空間において、少なくとも１カ所以上でＵターンする屈曲部を有している、金属溶湯用炉（請求項２）も含まれる。
これによれば、冷媒が冷媒流路において１カ所以上の屈曲部でＵターンして流れるため、構造体をその内部から効果的に冷却できるため、分割壁における一対の耐火壁を確実に強度を保って支持することができる。
尚、上記屈曲部は、Ｕ字形のダクトを用いる形態のほか、次述する鉄骨に明ける複数の通し孔の組み合わせによって形成しても良い。

加えて、本発明には、前記冷媒流路は、前記鉄骨の何れかに明けた通し孔と前記金属板との間をジグザグ状に通過している、金属溶湯用炉（請求項３）も含まれる。
これによれば、冷媒がジグザグ状の冷媒流路を通過しつつ、周囲の鉄骨や金属板を効率良く冷却するため、分割壁における一対の耐火壁を一層確実に強度を保って支持できる。しかも、上記通し孔は、例えばチャンネルまたはＨ型鋼における中央のウェブに穿設するため、これらの鉄骨に強度を低下させず、且つジグザグ状の冷媒流路を、構造体の内部に容易且つ自在に形成することもできる。

付言すれば、本発明には、前記冷媒流路を通る冷媒は、前記鉄骨および金属板を冷却可能である、金属溶湯用炉も含まれ得る。これによる場合、構造体の強度が低下させず、高い支持強度をもって常に分割壁表面の各耐火壁を支えられるため、小ロット生産に寄与でき、メンテナンスを低減することが可能となる。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明における一形態の金属溶解炉（金属溶湯用炉）Ｆを示す水平断面図、図２は、図１中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った垂直断面図である。
金属溶解炉Ｆは、図１，図２に示すように、平面視がほぼ長方形で且つ全体がほぼ直方体を呈する炉本体１と、係る炉本体１の内部を図示で左右に２つの炉室ｆ１，ｆ２に分割する分割壁２０と、を備えている。
炉本体１は、ベースＢ上に配設された鉄骨構造物１６の上に構築され、耐火物から形成された左右一対の側壁２、背面壁３、正面壁４、天井１２、および炉床１４からなる。尚、炉本体１の上記各部分も、それらの外側ごとに配置された図示しない鉄骨構造物に支持されている。また、金属溶解炉Ｆは、炉内が単一の炉室であった炉本体１内を分割壁２０によって二分割するよう改修したものである。

図１，図２に示すように、炉本体１の正面壁４には、炉室ｆ１，ｆ２を開閉すための耐火・耐熱性のドア６が、左右に開口部５に、昇降可能して配置されている。また、各側壁２の上部には、前後一対ずつのバーナ用孔７，８が貫通して形成され、これらには図示しないバーナが挿入されている。更に、炉室ｆ１，ｆ２ごとの背面壁３と炉床１４とにまたがって、溶解されたアルミニウムの溶湯Ｍを出湯させるための出湯口９が形成されている。
尚、上記ドア６は、炉室ｆ１，ｆ２内に原料の投入、脱滓、または溶湯の攪拌する際に用いるフォークリフト（図示せず）の先端部を出し入れするために開閉される。係るドア６および開口部５の底辺は、溶湯Ｍの湯面レベルよりも上方に設定されている。また、炉室ｆ１，ｆ２内で前記バーナから放射されて原料を加熱した燃焼ガスは、図示しない煙道を通じて、本溶解炉Ｆの外部に排出される。

図３は、図１中のＹ−Ｙ線の矢視に沿った分割壁２０を示す垂直断面図、図４は、その構造体２２を示し且つ図３の中央における垂直断面図、図５は、係る分割壁２０の一部を省略した分解斜視図である。
分割壁２０は、図３〜図５に示すように、対向する左右一対の耐火壁２１と、係る耐火壁２１，２１間に位置し且つこれらを支持する構造体２２と、係る構造体２２の内部に形成される冷媒流路ｃと、を備えている。
耐火壁２１は、例えば、アルミナなどを主成分とする耐火物からなる。係る耐火壁２１は、図３中の破線または実線で示すボルトｂを介して構造体２２に支持されている。尚、耐火壁２１のうち、炉室ｆ１，ｆ２の炉床１４寄りの位置で且つ前記溶湯Ｍが接触する部位と、その他の部位とでは、上記アルミナなどの成分を相違させても良い。

構造体２２は、図３〜図５に示すように、横（水平）方向に沿って互いに平行に配置された断面がチャンネル形を呈する複数の鉄骨２３と、これらの間に縦（垂直）方向に結合され且つ上記とほぼ同じ断面である複数の鉄骨２４と、これらの鉄骨２３，２４の両側面にそれぞれ接合される複数の鉄板（金属板）３０と、前後一対の端部板２７と、を備えている。尚、係る端部板２７の前側と後側とは、相対的な呼称である。
図３中の部分破断図と図５中の一点鎖線で囲った部分断面とで示すように、各鉄板３０には、先端部をほぼＹ字形に開いた多数のボルトｂの頭部分が固着されている。各ボルトｂの先端部は、耐火壁２１の内側面に対応して明けた多数の有底穴（図示せず）にセラミックなどの耐火物を含むペーストを介して挿入され、係るペーストを焼成することで、各鉄板３０に耐火壁２１が固定される。

図３〜図５に示すように、複数の鉄骨２３，２４は、互いに直交して格子状になるように、ボルト・ナットまたは溶接にて結合され、これらの間にはほぼ直方体の空間が複数形成される。また、鉄骨２３，２４と各端部板２７との間にも、同様な空間が形成される。更に、鉄骨２３，２４の両側面には、隙間が生じないように複数の前記鉄板３０がネジ止めまたは溶接付けされる。
尚、最下段の鉄骨２３は、図示しない鉄製金物を介して、前記鉄骨構造物１６の上に連結されている。また、各端部板２７も、同様にして背面壁３や正面壁４の外側にそれぞれ位置する鉄骨構造物に連結されている。

図３〜図５に示すように、各鉄骨２４における一対のフランジ間に挟まれた幅広のウェブには、上下一対の通し孔２５が穿設され、上・下端を除く鉄骨２３の前端または後端寄りの上記と同様なウェブには、通し孔２６が垂直方向で交互に位置するように穿設されている。更に、後側の端部板２７の下端寄りには、給気孔２８が、前側の端部板２７の上端寄りには、排気孔２９が穿設されている。
上記給気孔２８、通し孔２５，２６、排気孔２９、およびこれらの間に位置する鉄骨２３，２４、各端部板２７、各鉄板３０に囲まれ且つ複数の屈曲部を含むた空間は、本発明における冷媒流路ｃを構成している。
尚、各耐火壁２１と前記背面壁３、正面壁４、天井１２、炉床１４との間も、前記同様の耐火性ペーストが挿入され且つ焼成されている。

予め、本金属溶解炉Ｆには、給気孔２８に連通する図示しない給気管に送風機が配設され、且つ排気孔２９から外部に連通する排気管が配管されている。
図４中の矢印で示すように、上記給気管から送風機によって送給されたエア（冷媒）は、右（後）側の端部板２７の給気孔２８から最下段と直上の鉄骨２３，２３間を各鉄骨２４の通し孔２５を通じて左側にほぼ水平に流れる。左（前）側の端部板２７に近付いたエアは、下から２段目の鉄骨２３の通し孔２６を通じて上昇しつつＵターンした後、下から２段目と３段目との鉄骨２３，２３間を各鉄骨２４の通し孔２５を通じて右側にほぼ水平に流れる。同様にして、エアは、上下に隣接する鉄骨２３，２３間を各鉄骨２４の通し孔２５を通じて左右の何れかに流れ、通し孔２６を通じて上昇しつつ複数の屈曲部をＵターンするため、全体としてジグザグ状の冷媒流路ｃを通過する。

合計４回のＵターン（屈曲部）を含むジグザグ状の冷媒流路ｃを通過する間に、冷媒であるエアは、構造体２２を構成する各鉄骨２３，２４、各端部板２７、および各鉄板３０を冷却する。係る冷却作用を果たす間に、当該エアは、逆に昇温された後、左（前）側の端部板２７の排気孔２９から外部に放出される。
このため、図１に示すように、炉室ｆ１，ｆ２で溶解されたアルミニウムの溶湯Ｍの熱が、分割壁２０の各耐火壁２１を介して、構造体２２の各鉄骨２３，２４、各端部板２７、および各鉄板３０に伝熱されても、極く僅かの温度上昇に留められる。この結果、上記各鉄骨２３，２４の強度が低下しないため、鉄板３０を介して、左右一対の耐火壁２１を確実に支持することができる。
尚、前記送風機は、排気孔２９に連通する排気管の途中に配置しても良い。

以上のように、前記金属溶解炉Ｆによれば、炉本体１の内部が分割壁２０によって２つの炉室ｆ１，ｆ２に分割されているため、例えば、図２に示すように、各炉室ｆ１，ｆ２ごとにアルミニウムの溶湯Ｍを所要量に応じて必要な時間に溶解し、別々に出湯口９から出湯させることができる。このため、多種少量生産にも自在に対応できるため、小ロット生産を容易に行える。
しかも、炉本体１の内部を炉室ｆ１，ｆ２に分割する分割壁２０は、一対の耐火壁２１の間に、冷媒流路ｃを内設する鉄骨構造の構造体２２を有する。このため、各耐火壁２１および鉄板３０を介して溶湯Ｍの熱が伝熱されても、鉄骨２３，２４などは、冷媒であるエアにより常に冷却されているので、それらを含む構造体２２の強度が低下しない。

その結果、例えば、溶解中の溶湯Ｍを攪拌するため、前記ドア６を開放し、開口部５から挿入されたフォークリフトの先端部が分割壁２０の耐火壁２１に当たっても、その変形ないし損傷を防ぐか、極く軽微なものに抑制することができる。従って、前記金属溶解炉Ｆは、分割壁２０が高い強度および優れた耐久性を有すると共に、単一の炉室の溶解炉から改修する際の改修コストも低減でき、且つ操業に伴うメンテナンスコストも抑制することができる。
尚、炉室ｆ１，ｆ２の各出湯口９から出湯された溶湯Ｍは、図示しない取り鍋に注下され、次工程の保持炉（金属溶湯用炉、図示せず）に送られ、再度所定温度帯まで加熱された後、係る保持炉を傾動し、隣接する鋳型に鋳造されることで、所定のインゴットやビレットなどに鋳造される。
また、分割壁２０により炉本体１の内部が２つの炉室ｆ１，ｆ２に分割され前記金属溶解炉Ｆは、新たに構築する場合にも、容易に適用することができる。

図６は、異なる形態の構造体３２を示す前記図４と同様な垂直断面図である。
構造体３２は、図６に示すように、前記同様の断面がチャンネル形を呈する複数の水平な鉄骨３３と、これらの間に垂直に結合される上記とほぼ同じ断面である複数の鉄骨３４と、係る鉄骨３３，３４の両側面にそれぞれ接合される前記鉄板３０と、直方体で且つ中空部を有する前後一対のヘッダ４０，４１とからなる。
垂直な各鉄骨３４には、通し孔３５が穿設され、ヘッダ４０，４１の内側面にも複数の通し孔３６，３７が上下に隣接する鉄骨３３，３３間ごとに開口している。更に、図６で右側のヘッダ４０における外側面の下部には、給気孔３８が、左側のヘッダ４１における外側面の上部には、排気孔３９が穿設されている。尚、ヘッダ４０，４１も本発明の鉄骨に含まれる。

図６中の矢印で示すように、前記給気管から送風機によって送給されたエア（冷媒）は、右側のヘッダ４０の給気孔３８から各通し孔３６を介して、各段の鉄骨３３，３３間を各鉄骨３４の通し孔３５を通じて左側にほぼ水平に並行して流れる。通し孔３７から左側のヘッダ４１内に入ったエアは、排気孔３９から外部に排出するため、全体として水平な層流の冷媒流路ｃを通過する。
上記冷媒流路ｃを通過する間に、冷媒であるエアは、構造体３２を構成する各鉄骨３３，３４、ヘッダ４０，４１、および各鉄板３０を冷却する。エアが係る冷却作用を果たすことで、各鉄骨３３，３４などの強度が低下しないため、前記鉄板３０を介して、左右の各耐火壁２１を確実に支持することができる。従って、上記構造体３２を含む分割壁を有する金属溶解炉Ｆにおいても、多種少量生産に容易に対応でき、耐火壁２１の変形ないし損傷を防げ、高い強度および優れた耐久性を発揮できると共に、メンテナンスも低減できる。
尚、一対のヘッダを最上部と最下部とにそれぞれ水平に配置し、これらの間の垂直な鉄骨同士の間に垂直な冷媒流路ｃを平行に複数有するようにした形態、即ち、図６の構造体３２を左右の何れかに９０度回転させた構造体にしても良い。

図７は、更に異なる形態の構造体４２を示す垂直断面図である。
構造体４２は、図７に示すように、前記同様の断面がチャンネル形を呈する複数の水平な鉄骨４３，４６と、これらの間に垂直に結合される上記とほぼ同じ断面である複数の鉄骨４４と、係る鉄骨４３，４４，４６の両側面にそれぞれ接合される前記鉄板３０と、左右の端部板５０，５１とからなる。
最上段および最下段の鉄骨４３を除く水平な各鉄骨４６には、それぞれ通し孔４７が穿設され、垂直な各鉄骨４４には、その上端または下端付近に通し孔４５が穿設されている。また、図７で右側の端部板５０の下端付近には、給気孔４８が、左側の端部板５１の上端付近には、排気孔４９が穿設されている。

図７中の矢印で示すように、前記給気管から送風機によって送給されたエア（冷媒）は、右側の端部板５０の給気孔４８から係る端部板５０と右端の鉄骨４４との間を、各鉄骨４６の通し孔４７を通じて上昇し、最上段の鉄骨４３とその直下の鉄骨４６との間の通し孔４５を含む屈曲部をＵターンする。係るエアは、図７で右端の鉄骨４４とその左側の鉄骨４４との間を、各鉄骨４６の通し孔４７を下降し、最下段の鉄骨４３とその直上の鉄骨４６との間の通し孔４５を含む屈曲部をＵターンする。同様にして、エアは、左右に隣接する鉄骨４４，４４間における各鉄骨４６の通し孔４７を通じて左右に流れ、上・下端の各通し孔４５を含む屈曲部を通じてＵターンするため、全体としてジグザグ状の冷媒流路ｃを通過する。

上記冷媒流路ｃを通過する間に、冷媒であるエアは、構造体４２を構成する各鉄骨４３，４４，４６、端部板５０，５１、および各鉄板３０を冷却する。係るエアが係る冷却作用を果たすことで、各鉄骨４４，４６などの強度が低下しないため、前記鉄板３０を介して、左右の各耐火壁２１を確実に支持することができる。従って、上記構造体４２を含む分割壁を有する金属溶解炉Ｆによっても、多種少量生産に容易に対応でき、耐火壁の変形ないし損傷を防げ、高い強度および優れた耐久性を発揮できると共に、メンテナンスおよびそのコストも低減できる。

本発明は、以上において説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、炉本体の内部を複数の分割壁により、３以上の炉室に分割しても良い。
また、前記炉室ｆ１，ｆ２を有する炉本体１を、鋳型に注湯するための金属溶湯保持炉として活用しても良い。この場合、炉本体１は、傾動可能とされる。
更に、前記溶解炉Ｆの炉室ｆ１，ｆ２の一方の炉床１４を、他方の炉床１４よりも高く施工し、高い炉床１４の炉室を溶解炉とし、低い炉床１４の炉室を保持炉とする複合形態の金属溶湯用炉としても良い。この場合、溶解炉の炉室の出湯口から出湯する溶湯は、炉本体の外側を迂回する耐火物製の樋を経て、保持炉の炉室内に注湯するようにすることもできる。
加えて、構造体は、複数の角形鋼管を平行に接合して構成し、それらの各端部寄りに通し孔を穿設することで、内部にジグザグ状の冷媒流路を有する箱形構造体としても良い。この場合、耐火壁は、当該構造体の両側面に露出する各鋼管に前記ボルトｂを介して直に固定することにより、前記鉄板（金属板）を省略することも可能である。
尚、本発明の金属溶湯用炉は、アルミニウム以外の金属や合金にも適用できる。

本発明における一形態の金属溶解炉を示す水平断面図。 図１中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った垂直断面図。 図１中のＹ−Ｙ線の矢視に沿った分割壁を示す垂直断面図。 上記分割壁の構造体で且つ図３の中央における垂直断面図。 上記分割壁の一部を省略した分解斜視図。 異なる形態の構造体を示す垂直断面図。 更に異なる形態の構造体を示す垂直断面図。

符号の説明

Ｆ……………………………………………金属溶解炉（金属溶湯用炉）
Ｍ……………………………………………アルミニウムの溶湯（金属溶湯）
１……………………………………………炉本体
２０…………………………………………分割壁
２１…………………………………………耐火壁
２２,３２,４２……………………………構造体
２３,２４，３３,３４,４４,４６………鉄骨
２５,２６,３５,３６,３７,４５,４７…通し孔
３０…………………………………………鉄板（金属板）
ｃ……………………………………………冷媒流路

Claims (3)

1. 金属を溶解するか、あるいは、溶解された金属溶湯を保持する炉であって、
   炉本体の内部を分割壁により複数の炉室に分割しており、
   上記分割壁は、一対の対向する耐火壁と、係る一対の耐火壁の間に位置し且つ当該耐火壁を支持する構造体と、係る構造体の内部に形成される冷媒流路と、を備え、
   上記分割壁の構造体は、縦・横方向に沿って格子状に結合した鉄骨と、係る鉄鋼の両側面にそれぞれ接合され且つ前記耐火壁を固定する金属板と、を含むと共に、
   上記冷媒流路は、少なくとも上記鉄骨と金属板とに囲まれた空間と、前記鉄骨の何れかに明けた通し孔とにより構成されている、
   ことを特徴とする金属溶湯用炉。
2. 前記冷媒流路は、前記鉄骨と金属板とに囲まれた空間において、少なくとも１カ所以上でＵターンする屈曲部を有している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の金属溶湯用炉。
3. 前記冷媒流路は、前記鉄骨の何れかに明けた通し孔と、前記鉄骨と金属板とに囲まれた空間とをジグザグ状に通過している、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属溶湯用炉。

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