JP5474879B2

JP5474879B2 - 攪拌装置付金属溶解炉

Info

Publication number: JP5474879B2
Application number: JP2011148485A
Authority: JP
Inventors: 橋謙三高
Original assignee: 高橋謙三
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: JP2011257129A

Description

本発明は攪拌装置付溶解炉及び溶解炉用攪拌装置に関する。

従来アルミニューム等の非鉄金属等を溶解し、インゴット状の製品にしたり、溶解後直接ダイキャストマシンで成形し製品化することが行われてきた。この時、インゴットあるいはダイキャスト製品の品質を向上させるべく均質化するためには、溶解炉中の非鉄金属、つまり、Ａｌ，Ｃｕ，Ｚｎ又はこれらのうちの少なくとも２つの合金、あるいはＭｇ合金等の非鉄金属、の溶湯を十分に撹拌し、組織を均質なものとすることが必要であった。

このため従来は、撹拌棒を溶解炉中に挿入し、人手により撹拌したり、炉内を密封し減圧ポンプにて負圧、正圧を交互に作用させ溶湯を撹拌したり、炉底下に電磁式撹拌装置、永久磁石式撹拌装置を設置して電磁力によって撹拌を行っていた。人手による撹拌は最も多く採用されているが、高温下での作業であり、作業環境が劣悪で改善が叫ばれていた。また電磁式撹拌は、大きな消費電力と複雑なメンテナンスそして高価であることから普及していない。また永久磁石を用いた装置では消費電力は僅少であるが、移動磁界を発生させるため磁場発生機構を回転させる必要があり、構造が複雑化して故障の発生確率も低くはなかった。

このように作業環境が劣悪な条件下で装置を運転しなければならない。もちろん装置にとってのみでなく、作業者にとっても劣悪な条件である。従って、装置はできるだけシンプルな構造で、且つ、メンテナンスフリーであることが望ましい。さらに、消費電力を僅少に抑え、設置し易く、安価で普及しやすい撹拌装置であることが望まれる。

本発明の攪拌装置付溶解炉は、
溶解炉と、一対の電極端子と、磁場発生装置と、を有する攪拌装置付溶解炉であって、
前記溶解炉は側壁と底壁とを有し、且つ、前記側壁と前記底壁とにより形成される収納空間を有し、前記収納空間は非鉄金属の溶湯を収納するためのものであり、
前記一対の電極端子はそれぞれ電源に接続可能であり、且つ、前記一対の電極端子は前記側壁の一部にそれぞれ前記収納空間に露呈状態に設けられており、さらに、前記一対の電極端子は、前記側壁の内面に沿って前記収納空間を介して互いに縦向きに対向しており、これにより前記一対の電極端子の間には、前記溶解炉に非鉄金属の溶湯が収納されているときには、前記非鉄金属の溶湯を介して、縦向きに電流が流れるようにし、
前記前記磁場発生装置は、前記溶解炉の前記側壁の外部の側方に設けられており、さらに、前記磁場発生装置は永久磁石を備え、前記永久磁石は一端部がＳ極に他端部はＮ極にそれぞれ磁化され、あるいは、一端部がＮ極に他端部がＳ極にそれぞれ磁化されており、前記永久磁石の前記一端部を前記側壁と横向きに対向させて、前記一端部から出る磁力線又は前記一端部へ入る磁力線が、前記収納空間内を横向きに走り、この横向きに走る前記磁力線と縦向きに走る前記電流とが縦横に交差している、
ことを特徴とするものである。

図１−図３は本発明の一実施形態としての溶解炉システム、つまり、撹拌装置付溶解炉を示し、図１は平面図、図２は図１のＡ−Ｂ線断面図、図３はＣ−Ｄ線断面図である。

この攪拌装置付溶解炉は、概念的には、溶解炉と、磁場発生装置と、給電装置と、を備える。実施例で説明すれば、特に、図２から明らかなように、撹拌装置付溶解炉は、溶解炉１と、その底面に密着状態に設置された、前記磁場発生装置としての撹拌装置２とを有する。さらに、前記給電装置としての電極（電極端子）４，４を有する。当然、これらの電極４，４は、電源６に接続される。この電源６は、給電装置の一部として構成することもできる。また、この電源６を、外部電源として、給電装置に含まれないものとすることもできる。

前記溶解炉１は、溶湯収納空間１０を備え、そこに投入された非鉄金属、つまり、Ａｌ，Ｃｕ，Ｚｎ又はこれらのうちの少なくとも２つの合金、あるいはＭｇ合金等の伝導体（導電体）の非鉄金属を、汎用のものと同様に、図示しないバーナー等で、溶解させるものである。溶解炉１は、ほぼ矩形容器状の炉本体３を有する。この炉本体３は、特に図２からわかるように、対向する一対の炉壁３ａ，３ｂに密閉貫通状態に埋設された一対の電極４，４を有する。これらの電極４，４は、炉本体３の製造時に埋設することもできるほか、既設の炉本体３に後から埋設することもできる。これらの電極４，４の形状は、横断面
が円形、あるいは、矩形状その他の任意の形状をすることができる。これらの電極４，４の内側端は炉本体３の内面に面一に露出しており、炉本体３内に収納されたＡｌ，Ｃｕ，Ｚｎ又はこれらのうちの少なくとも２つの合金、あるいはＭｇ合金等の伝導体（導電体）の非鉄金属の溶湯Ｍと電気的に接触する。電極４，４を上記内面と面一にしているのは、電極４，４が炉本体３内において、後述する溶湯の動きに対して機械的な抵抗となるのを避けるためである。無論、機械的な抵抗が小さい場合には、電極４，４を内部に突出した状態に設けることもできる。

これらの電極４，４は炉外においてケーブル５，５で上記電源６に接続されている。これにより、例えば、図２において、電極４，４間を導電体としての非鉄金属の溶湯Ｍを介して右から左へ電流Ｉが流れる。前記電源６は、上述のように、本装置に内蔵のものであっても、外部電源であっても良いの。また、この電源６は、極性の切り替えのできるものとすることができる。つまり、例えば、図２において、電流Ｉを図示のごとく、左から右に流せる共に、切り替えにより、右から左に流せるようにすることもできる。また、この電源６は、出力、つまり、出力電圧、出力電流の調整ができるものとすることもできる。

前記電極は、図１から分かるように、２対あるいはそれ以上とすることができる。要は、図１において、左から右へ、あるいはその逆に、電流が流れるようにすれば良いのである。例えば、図１から分かるように、３対の電極を設ける場合にあっては、各対ごとの距離ｄは、特に問題にならない。

特に、図２からわかるように、このような構成された溶解炉１の底面に攪拌装置２が密着配置されている。この撹拌装置２は、継鉄８上に設置された磁場装置（磁場発生装置）９を有する。この磁場装置２は、固定状態に設けられ、回転可能なものとして構成する必要は無い。このため、故障の発生可能性も抑制され、メンテナンスの観点からも使いやすい装置と言える。この磁場装置２は、永久磁石式でも電磁石式でも良い。電極形状は、円形あるいは板状でも良い。前記磁場装置９からの磁束ＭＦは、炉本体９の底面をほぼ垂直に貫通すればよく、方向は問わない。図２では、磁場装置９の、前記炉本体３の底面側が
Ｎ極で、磁場装置９からの磁束が、前記底面を貫通して内部の溶湯Ｍを通過するようにした例を示している。これとは逆に、磁場装置９の、前記炉本体３の底面側がＳ極で、溶湯Ｍと炉本体３の底面とを貫通した磁束ＭＦが前記Ｓ極に戻るように構成することもできる。

さらには、前記磁場装置９が電磁石である場合には、極性及び強度を切り替え、調整可能とすることもできる。つまり、磁場装置９を、Ｎ極とＳ極とを切り替え可能で、且つ、出力を増減可能なもの、つまり、出力調整機能付のものとして構成することもできる。

この磁場装置９のまわりはステンレスケース１１で囲まれている。この磁場装置９からの磁束ＭＦは、前にも述べたように、図２に図示のごとく、溶湯Ｍを図中下から上にほぼ垂直に貫くように発生する。

このように構成されたシステムにおいては、特に図２からわかるように、磁場空間において一対の電極４，４間に電流Ｉが流れることになる。これにより、溶湯Ｍは、フレミングの左手の法則に沿って生じた電磁力により、つまり、図３に示すように、溶湯Ｍは、電流Ｉとの間に働く斥力により結果的に回動させられる。即ち、例えば図２において、磁場装置９からの磁束ＭＦが溶湯Ｍを上方に貫く。一方、一対の電極４，４間に、溶湯Ｍを介して、電流Ｉが流れる。この電流Ｉは図３では図示のように、紙面後方から紙面前方へ流れるものとして示される。このように、導電性の溶湯Ｍ中に磁束ＭＦが走り、ここを電流
Ｉが流れる。このことから、フレミングの左手の法則に従って電磁力が生じ、この電磁力によって溶湯Ｍは、磁界の外に向うように押されて、溶湯Ｍが図３に示す溶湯の流れＦのように回転状態に撹拌される。つまり、溶湯Ｍは、前記電流Ｉとの間に働く斥力により、炉底から湯面へ、湯面から炉底へ、循環し、上下撹拌が行われることになる。

ここにおいて、一対の電極４，４間で流れる電流の向きを変えると、あるいは、磁場装置９からの磁束の向きを変えると、溶湯Ｍの攪拌方向を逆転することができる。しかもこの攪拌は、間欠的な攪拌ではなく、連続した攪拌である。

また、電極４，４の図２中での高さｈは、電極４，４間を流れる電流Ｉが、磁場装置９による磁場空間内において流れるような高さであることが要求されるのは明らかである。

図４及び図５は、本発明の異なる実施例を示し、図４は平面図、図５はそのＡ−Ｂ線断面図である。この実施例は、特に図５からわかるように、溶解炉１におけるある側壁３ａの外側に撹拌装置２を密着設置した例を示すものである。

即ち、炉本体３のある１つの側壁３ａに上下に所定の間隔で一対の電極４，４を密閉状態に埋め込む。電極４，４の内側端は、炉本体３の内部に突出して、炉本体３の内面から少し離れた状態にある。

この場合には、電流Ｉは図５に示すように、この側壁３ａに沿ってそこからやや離れた位置で、溶湯Ｍ中を流れる。溶湯Ｍ中には、先の実施例と同様に、磁場装置９からの磁束ＭＦが特に図４に示すように、通っている。この図４からわかるように、電流Ｉと磁束ＭＦとに基づいて、フレミングの左手の法則に沿った電磁力が発生する。この電磁力によって、図４に示すように、溶湯Ｍは電流Ｉの回りを回動する。つまり、溶湯Ｍはほぼ垂直な軸のまわりに回転し、溶湯の水平撹拌が行われる。

以上に説明した図４、図５では、電極４，４を炉本体３の炉壁に設ける例について説明したが、電流Ｉが、磁場装置９からの磁場空間を流れる範囲内であれば、これらの電極４，４の位置を前記収納空間１０内の任意の内側位置に、電極４，４を上下に対向させて設置することもできる。さらに、上下に対向させる電極４，４の対数は、任意数とすることができる。

図６、図７は、さらに異なる実施例を示すもので、図６は平面図、図７はそのＡ−Ｂ線断面図である。図６は図４に対応し、炉本体２３をほぼ円筒容器状のものとした例を示す。即ち、本実施例は、図４、図５の実施例の変形したものと見ることもできる。つまり、先の図４、図５の実施例において、溶解炉１の炉本体３を円筒容器状のものとしたものである。即ち、本実施例においては、溶解炉２１の炉本体２３を円筒容器状のものとしている。これに対応させて、撹拌装置２２の継鉄２８及び磁場装置２９をアーチ型に湾曲したものとしている。図６、図７の実施例におけるその他の構成は、図４、図５の例と同様であり、同等部分に同一の符号を付して説明を省略する。

このような図６、図７に示す実施例においても、図４、図５の実施例と同様に、特に図６からわかるように、溶湯Ｍは図示の如くほぼ垂直な軸の回りに回動し、溶湯の撹拌が行われることになる。なお、図６のように、炉本体２３が円筒容器状であっても、電極４、４は水平方向に対向するように設けることもできる。

以上に説明した実施例は本発明のいくつかの例を示すだけであり、本発明は上記以外の態様をとることができるのも明らかである。即ち、炉本体内に溶湯を収納し、炉本体外から磁束を前記溶湯中に走らせ、この磁束とほぼ直交する方向に前記溶湯に電流を流しうる構造であれば良く、これを満足する構造であれば本発明の精神の中に含まれる。

上述の本発明の実施例によれば、以下のような効果が得られる。即ち、一般に溶解炉あるいは保持炉は、箱型形状をしている場合が多い。円形炉は原材料を投入し、迅速に溶解するための溶解補助炉として用いられることが多い。箱型炉は溶湯をゆっくり攪拌することが多く、金属元素添加等成分調整の場合は溶湯を上下に攪拌することが要求される。しかしながら従来型攪拌装置は、溶湯を上下攪拌することは構造上できなかった。本発明の実施例による攪拌装置は、溶湯が電極と直角方向に動くため、電極配置を任意設定することにより、自由に攪拌方向、状態を選択することができる。したがって溶湯の上下攪拌、水平攪拌、正転攪拌、逆転攪拌等が容易に行える。

そして、本発明の実施例の実験によれば、溶湯を攪拌するに必要な印加磁場強度は、0.1T以上が必要である。勿論0.1T以下でも攪拌は可能であるが、高い攪拌効率を得るためにはそれ以上が望ましい。また本発明の実施例の攪拌装置は、その原理からして、磁場強度のみでは攪拌力は得られない。消費電力（印加電圧、供給電流）の大小も大きく攪拌力に影響する。本発明者の実験によればDC１２V、１０Ａで５００ｋｇ程度の溶湯を攪拌できる。これは、従来の電磁式の装置の電力消費量に比べればきわめて少ない電力である。１−１０ｔ程度の溶湯であれば、上記の電力消費量に応じて増やした電力で攪拌可能である。また、上述のように、攪拌速度を大きくするためには印加電圧を上げることが必要で、このため装置は印加電圧可変とすることも重要である。

また、上述のように、攪拌力を増加するためには磁場発生装置における電極対数を増すことも重要である。１対の場合、炉内の溶湯を所定量だけ攪拌するのに要した時間が1.5分であったものが、２対では0.8分、３極では0.3分で足りた。したがって高速攪拌は対数を複数化することで達成できることもわかった。

こうしたことから、炉に課せられた目的によって、印加電圧、極数、極配置、磁場強度当を決めることが重要である。

本発明の実施例の平面図。そのＡ−Ｂ線断面図。図１のＣ−Ｄ線断面図。本発明の異なる実施例の平面図。そのＡ−Ｂ線断面図。本発明のさらに異なる実施例の平面図。Ａ−Ｂ線断面図。

１溶解炉
２攪拌装置
３炉本体
４電極（端子電極）
５ケーブル
６電源
８継鉄
９磁場装置（磁場発生装置）
１１ステンレス
Ｉ電流
Ｍ溶湯
ＭＦ磁束

Claims

溶解炉と、一対の電極端子と、磁場発生装置と、を有する攪拌装置付溶解炉であって、前記溶解炉は側壁と底壁とを有し、且つ、前記側壁と前記底壁とにより形成される収納空間を有し、前記収納空間は非鉄金属の溶湯を収納するためのものであり、
前記一対の電極端子はそれぞれ電源に接続可能であり、且つ、前記一対の電極端子は前記側壁の一部にそれぞれ前記収納空間に露呈状態に設けられており、さらに、前記一対の電極端子は、前記側壁の内面に沿って前記収納空間を介して互いに縦向きに対向しており、これにより前記一対の電極端子の間には、前記溶解炉に非鉄金属の溶湯が収納されているときには、前記非鉄金属の溶湯を介して、縦向きに電流が流れるようにし、
前記前記磁場発生装置は、前記溶解炉の前記側壁の外部の側方に設けられており、さらに、前記磁場発生装置は永久磁石を備え、前記永久磁石は一端部がＳ極に他端部はＮ極にそれぞれ磁化され、あるいは、一端部がＮ極に他端部がＳ極にそれぞれ磁化されており、前記永久磁石の前記一端部を前記側壁と横向きに対向させて、前記一端部から出る磁力線又は前記一端部へ入る磁力線が、前記収納空間内を横向きに走り、この横向きに走る前記磁力線と縦向きに走る前記電流とが縦横に交差している、
ことを特徴とする攪拌装置付溶解炉。
前記電源は、極性の切り替えと出力調整の少なくとも１つが可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の攪拌装置付溶解炉。
前記溶解炉は矩形容器状あるいは円筒容器状のいずれかとして構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の攪拌装置付溶解炉。
前記電極端子は、横断面が円形あるいは矩形であることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の攪拌装置付溶解炉。