JP5007100B2 - 坩堝炉 - Google Patents

Description

本発明は、炉内に配された坩堝において、例えばアルミニウム熔湯などを作製するための坩堝（るつぼ）炉に関するものである。

従来より、金属などを熔解するための坩堝と、坩堝を囲繞して配された断熱層と、坩堝の下部付近に配された燃焼ガス導入口と、坩堝の上部付近に配された燃焼ガス排出口とを有した坩堝炉が種々提案されている。

例えば、そのような坩堝炉としては、図８に示すように、金属などを熔解するための坩堝３１と、坩堝３１を囲繞して配された断熱層３２と、坩堝３１の下部付近に配された燃焼ガス導入口３３と、坩堝３１の上部付近に配された燃焼ガス排出口３４とを有した坩堝炉３０が一般的である。

しかし、この坩堝炉３０では、燃焼ガス導入口３３から導入された燃焼ガスは、坩堝３１に対して熱伝達を十分に行わないまま、図８中矢印に示すように、坩堝３１の外壁面に沿って上昇し、短い炉内滞留時間で燃焼ガス排出口３４より排出されてしまっていた。その結果、熱交換効率が低く、燃料の浪費、ＣＯ_２の過剰発生に繋がっていた。

また、図９に示すように、上記従来例の基本的構造（坩堝４１と、坩堝４１を囲繞して配された断熱層４２と、坩堝４１の下部付近に配された燃焼ガス導入口４３と、坩堝４１の上部付近に配された燃焼ガス排出口４４）に加えて、断熱層４２の内壁面に螺旋状凸条部４５（熱流案内手段）を形成し、燃焼ガスを坩堝４１の周りで螺旋状に誘導することで炉内滞留時間を長くして熱交換効率を向上させた坩堝炉４０が提案されている。

しかし、この坩堝炉４０では、螺旋状凸条部４５の先端部と坩堝４１の外壁との離間距離が大きく、燃焼ガスがその間隙に沿って上昇してしまい、図９中の矢印に示すように螺旋状に誘導できないおそれがあった。また、施工上、外形が異なる坩堝ごとに、螺旋状凸条部４５の先端部と坩堝４１の外壁との離間距離をできるだけ小さく、かつ螺旋状に凸条部４５（熱流案内手段）を構築することは困難でコスト高の要因となった。
特開２００２−１４７９６６号公報

そこで、本願発明者は、上記従来の問題点を一挙に解決する坩堝炉を想起したものであり、すなわち、本発明の課題は、熱交換効率が高く、燃料の浪費およびＣＯ_２の発生を抑制できると共に、施工性に優れ容易かつ低廉に構築でき、さらに、坩堝を略均一に加熱するため、部位による熔湯の温度差も少なく、坩堝自体の寿命もより長期化できる坩堝炉を提供することにある。

本発明の坩堝炉は、坩堝と、該坩堝を囲繞して配された断熱層と、前記坩堝の下部付近に設けられた燃焼ガス導入口と、前記坩堝の上部付近に設けられた燃焼ガス排出口とを備えた坩堝炉であって、該坩堝炉は、前記断熱層の内壁に設けられ前記坩堝の外壁面付近まで突出して形成された複数の環状凸条部にて上下方向に区画された燃焼ガス流入室とその上方に設けられた複数の燃焼ガス流通室を有し、前記燃焼ガス流入室とその上段に設けられた前記燃焼ガス流通室とを区画する環状凸条部には、前記燃焼ガス流入室からその上段に設けられた前記燃焼ガス流通室内に燃焼ガスを流入可能とする連通口が設けられ、下段に設けられた前記燃焼ガス流通室とその上段に設けられた前記燃焼ガス流通室とを区画する環状凸条部には、下段に設けられた前記燃焼ガス流通室からその上段に設けられた前記燃焼ガス流通室内に燃焼ガスを流入可能とする連通口が設けられていることを特徴とする坩堝炉である。

前記燃焼ガス流入室とその上段に設けられた前記燃焼ガス流通室とを区画する前記環状凸条部に設けられた連通口は、平面視で前記燃焼ガス導入口付近に設けられていることが好ましい。

前記坩堝炉は、前記燃焼ガス排出口と連通する燃焼ガス流通室を有し、該燃焼ガス流通室とその下段に設けられた燃焼ガス流通室とを区画する前記環状凸条部に設けられた連通口は、平面視で前記燃焼ガス排出口と対向する位置付近に設けられていることが好ましい。

請求項１に記載の発明によれば、燃焼ガスは燃焼ガス流通室を経由するため、坩堝の外壁面に沿って上昇し短い炉内滞留時間で燃焼ガス排出口より排出されてしまうことがなく、熱交換効率が高くなる。また、それに伴って燃料の浪費およびＣＯ_２の発生を抑制される。さらに、環状凸条部を断熱層に形成すればよく、施工性に優れ容易かつ低廉に構築できると共に、使用中の従来型坩堝炉を容易かつ低廉に改良して構築することもできる。さらに、坩堝を略均一に加熱するため、部位による熔湯の温度差も少なく、坩堝自体の寿命もより長期化できる。
請求項２に記載の発明によれば、バーナーから燃焼ガス導入口を介して勢いよく導入された燃焼ガスが、燃焼ガス流入室内全体を周回した後、燃焼ガス導入口付近に設けられた連通口より上段に設けられた燃焼ガス流通室内に流入するため、燃焼ガスが炉内の一部分に偏って上昇することが抑制され、熱交換効率がより向上する。
請求項３に記載の発明によれば、連通口と燃焼ガス排出口とが半径方向の反対側に離間して配されるため、連通口から流入した燃焼ガスが、気圧差により燃焼ガス排出口より燃焼ガス流通室内を流通することなく排出されてしまうことがなく、燃焼ガス流通室内を分岐して周回した後、燃焼ガス排出口より排出される。そのため、熱交換効率がより向上する。

このように、本発明の坩堝炉は燃焼ガス流通室を設けることで、熱交換効率が極めて高い坩堝炉を実現した。

図１は本発明の坩堝炉の一実施例の平面概略図であり、図２は図１に示した坩堝炉のＡ―Ａ線縦断面図であり、図３は図１に示した坩堝炉のＢ―Ｂ線縦断面図であり、図４は図１に示した坩堝炉のＣ―Ｃ線横断面図であり、図５は図１に示した坩堝炉のＤ―Ｄ線横断面図である。

この実施例の坩堝炉１は、坩堝２と、坩堝２を囲繞して配された断熱層３と、坩堝２の下部付近に設けられた燃焼ガス導入口４と、坩堝２の上部付近に設けられた燃焼ガス排出口５とを備えた坩堝炉であって、坩堝炉１は、断熱層３の内壁に設けられ坩堝２の外壁面付近まで突出して形成された環状凸条部６にて区画された燃焼ガス流通室７を有し、環状凸条部６には、燃焼ガスを燃焼ガス流通室７内に流入可能とする連通口８が設けられている。以下、各構成について順次詳述する。

この実施例の坩堝炉１は、アルミニウムなどを坩堝２内で熔解して熔湯を形成するためのものであり、図１または図２に示すように、上端が開口した有底円筒形状の黒鉛製坩堝２が断熱層３内に配されている。

断熱層３は、図１または図２に示すように、坩堝２を囲繞するように有底円筒形状に配されており、燃焼ガス導入口４と燃焼ガス排出口５とを備えている。より具体的には、耐熱層３は、円盤形状の底部３ａと、底部３ａの中央部付近に配された坩堝載置部３ｂと、円筒形状の側壁部３ｃとから構成されている。なお、断熱層３の構成材料としては、耐火性、耐熱性がどのようなものでもあればよいが、例えば耐火煉瓦やセラミックブロックなどが好適に使用できる。

燃焼ガス導入口４は、燃焼ガスを導入する部位であり、図１または図２に示すように、坩堝２の下方で、かつ側壁部３ｃの下部付近に設けられている。この実施例の燃焼ガス導入口４には、バーナー（図示しない）が取り付けられ、バーナーからの火炎または燃焼ガスが、燃焼ガス導入口４から導入されると、側壁部３ｃの内周の接線方向に沿って、或いは、側壁部３ｃの内壁に沿って火炎または燃焼ガスが導入されるように構成されている。より具体的には、燃焼ガス導入口４にバーナーが装着される燃焼ガス流入室９には、中央部に坩堝載置部３ｂが配され、坩堝載置部３ｂの周りには環状空間に形成されている。そして、バーナーからの火炎または燃焼ガスは、この環状空間（燃焼ガス流入室９）を周回するように構成されている。

また、坩堝炉１には、図２に示すように、断熱層３の内壁に設けられ坩堝２の外壁面付近まで突出して形成された第一環状凸条部６ａ，第二環状凸条部６ｂ，第三環状凸条部６ｃによって区画された第一燃焼ガス流通室７ａ，第二燃焼ガス流通室７ｂが設けられている。より具体的には、第一燃焼ガス流通室７ａは、前述した燃焼ガス流入室９の上段において、第一環状凸条部６ａ、第二環状凸条部６ｂ、側壁部３ｃおよび坩堝２の外壁面によって略円環状に区画されて設けられている。また、第二燃焼ガス流通室７ｂは、前述した第一燃焼ガス流通室７ａの上段において、第二環状凸条部６ｂ、第三環状凸条部６ｃ、側壁部３ｃおよび坩堝２の外壁面によって略円環状に区画されて設けられている。

さらに、第一環状凸条部６ａには、図４に示すように、第一環状凸条部６ａの一部が弧状に切り欠かれて連通口８ａが形成されている。そして、燃焼ガス流入室９内の燃焼ガスが、この連通口８ａを介して、燃焼ガス流入室９より、その上段に配された第一燃焼ガス流通室７ａ内に流入可能に構成されている。

より具体的には、第一環状凸条部６ａに設けられた連通口８ａは、図４に示すように、平面視で燃焼ガス導入口４付近に設けられている。そして、バーナーからの火炎または燃焼ガスは、環状空間（燃焼ガス流入室９）を周回するように構成されているため、バーナーから燃焼ガス導入口４を介して勢いよく導入された燃焼ガスは、燃焼ガス流入室９内全体を周回した後、燃焼ガス導入口４付近に設けられた連通口８ａより上段に設けられた第一燃焼ガス流通室７ａに流入する。そのため、燃焼ガスが炉内（この場合、燃焼ガス流入室９内）の一部分にのみ偏って存在することが抑制され、熱交換効率がより向上する。

他方、第二環状凸条部６ｂにも、図５に示すように、第二環状凸条部６ｂの一部が弧状に切り欠かれて連通口８ｂが形成されており、第一燃焼ガス流通室７ａ内に流通した燃焼ガスは、この連通口８ｂを介して、第一燃焼ガス流通室７ａより、その上段に配された第二燃焼ガス流通室７ｂ内に流入可能に構成されている。

燃焼ガス排出口５は、燃焼ガスを外部に排出する部位であり、図１または図３に示すように、坩堝２の上部付近で、かつ側壁部３ｃの上部付近に設けられている。また、この実施例の燃焼ガス排出口５は、第二燃焼ガス流通室７ｂと連通しており、第二燃焼ガス流通室７ｂに流入した燃焼ガスは、第二燃焼ガス流通室７ｂ内を周回した後、燃焼ガス排出口５から排出されるように構成されている。

なお、第二環状凸条部６ｂに設けられた連通口８ｂは、図５に示すように、平面視で燃焼ガス排出口５と半径方向で対向する位置（半径方向の反対側の位置）付近に設けられている。このように、連通口と燃焼ガス排出口とがほぼ反対側で離間して配されているため、燃焼ガスは、燃焼ガス排出口５の気圧差による吸引力で、第二燃焼ガス流通室７ｂを連通口８ｂから両方向に分岐して流れ、第２燃焼ガス流通室７ｂ全体に流通した後、燃焼ガス排出口５より排出される。そのため、熱交換効率がより向上する。

また、この実施例の坩堝炉１は、連通口が、１本の環状凸条部に一つ形成されているが、これに限定されるものではなく、複数設けられているものも本発明の範疇に包含される。さらに、上段の燃焼ガス流通室へ連通する連通口は、下段の連通口と半径方向で対向する位置（半径方向で反対側の位置）付近に設けられていることが好ましい。これによって、燃焼ガスがより燃焼ガス流通室全体に滞留するため熱交換効率を向上させることができる。

（実施例１）
本発明の坩堝炉として、図１ないし図５に示した坩堝炉を制作し、ガスバーナーを燃焼ガス導入口４に装着した。
（比較例１）
第一環状凸条部、第二環状凸条部および第三環状凸条部を有しない点以外は、上記実施例１と同一の坩堝炉（図８に示した従来型の坩堝炉）を制作した。

（熱交換効率試験）
つぎに、上記実施例１または比較例１の坩堝炉について、坩堝内の温度３（坩堝内にアルミニウムのインゴットを挿入し熔湯の温度を熱電対で測定）が７００℃前後に上昇するまでの煙道１（第二燃焼ガス滞留室と燃焼ガス排出口との間の通路）と、炉底２（燃焼ガス流入室の底面）との温度を５分毎にそれぞれ測定した。

（測定結果）
実施例１の坩堝炉の測定結果として、以下の表１の測定値を得た。この表１をグラフに表したものが図６である。他方、比較例１の坩堝炉の測定結果として、以下の表２の測定値を得た。そして、この表２をグラフに表したものが図７である。

（測定結果の比較検討）
実施例１の坩堝炉では、図６に示すように、炉底２の温度が煙道１の温度より常に高く、燃焼ガス流入室へ燃焼ガスが導入された後、煙道に至るまでの間に、坩堝を含め炉全体に熱が伝達されたものと推測される。一方、比較例１の坩堝炉では、図７に示すように、煙道１の温度の方が炉底２の温度より高く、炉内で熱交換が十分になされず、燃焼ガスは炉内を十分に加熱することなく、吸引される燃焼ガス排出口に向かい排出されていると推測される。
また、坩堝内の最終目的温度７００℃前後では、実施例１の坩堝炉は、煙道１の温度が６８４℃であるのに対して、比較例１の坩堝炉は、煙道１の温度が１０３５℃であり、この時点のみを観ても、実施例１の坩堝炉の方が熱交換がされているものと考えられる。
さらに、実施例１の坩堝炉と比較例１の坩堝炉のガスバーナーのガス使用量を計測したところ、実施例１の坩堝炉では、３．０５５ｍ^３であり、比較例１の坩堝炉では、５．８７ｍ３であり、実施例１の坩堝炉のガス使用量は、比較例１の坩堝炉の約５２％であった。

このように、本発明の坩堝炉は、燃焼ガスは燃焼ガス流通室内を周回して流通するため、坩堝の外壁面に沿って上昇し短い炉内滞留時間で燃焼ガス排出口より排出されてしまうことがなく、熱交換効率が極めて高くなる。また、それに伴って燃料の浪費およびＣＯ_２の発生を抑制される。さらに、施工は、断熱層に環状凸条部を形成すればよく、施工性に優れ容易かつ低廉に構築できると共に、使用中の従来型坩堝炉に対しても、容易かつ低廉に改良して構築することができる。さらに、坩堝を略均一に加熱するため、部位による熔湯の温度差も少なく、坩堝自体の寿命もより長期化できる。

本発明の坩堝炉の一実施例の平面概略図である。 図１に示した坩堝炉のＡ―Ａ線縦断面図である。 図１に示した坩堝炉のＢ―Ｂ線縦断面図である。 図１に示した坩堝炉のＣ―Ｃ線横断面図である。 図１に示した坩堝炉のＤ―Ｄ線横断面図である。 図１に示した坩堝炉において行った熱交換効率試験の結果を表すグラフである。 従来の坩堝炉において行った熱交換効率試験の結果を表すグラフである。 従来の坩堝炉の一実施例の縦断面概略図である。 従来の坩堝炉の他の実施例の縦断面概略図である。

１ 坩堝炉
２ 坩堝
３ 断熱層
４ 燃焼ガス導入口
５ 燃焼ガス排出口
６ 環状凸条部
７ 燃焼ガス流通室
８ 連通口
９ 燃焼ガス流入室

Claims (3)

1. 坩堝と、該坩堝を囲繞して配された断熱層と、前記坩堝の下部付近に設けられた燃焼ガス導入口と、前記坩堝の上部付近に設けられた燃焼ガス排出口とを備えた坩堝炉であって、該坩堝炉は、前記断熱層の内壁に設けられ前記坩堝の外壁面付近まで突出して形成された複数の環状凸条部にて上下方向に区画された燃焼ガス流入室とその上方に設けられた複数の燃焼ガス流通室を有し、前記燃焼ガス流入室とその上段に設けられた前記燃焼ガス流通室とを区画する環状凸条部には、前記燃焼ガス流入室からその上段に設けられた前記燃焼ガス流通室内に燃焼ガスを流入可能とする連通口が設けられ、下段に設けられた前記燃焼ガス流通室とその上段に設けられた前記燃焼ガス流通室とを区画する環状凸条部には、下段に設けられた前記燃焼ガス流通室からその上段に設けられた前記燃焼ガス流通室内に燃焼ガスを流入可能とする連通口が設けられていることを特徴とする坩堝炉。
2. 前記燃焼ガス流入室とその上段に設けられた前記燃焼ガス流通室とを区画する前記環状凸条部に設けられた連通口は、平面視で前記燃焼ガス導入口付近に設けられている請求項１に記載の坩堝炉。
3. 前記坩堝炉は、前記燃焼ガス排出口と連通する燃焼ガス流通室を有し、該燃焼ガス流通室とその下段に設けられた燃焼ガス流通室とを区画する前記環状凸条部に設けられた連通口は、平面視で前記燃焼ガス排出口と対向する位置付近に設けられている請求項１または２に記載の坩堝炉。