JP5546974B2 - 非鉄金属溶湯ポンプ及びそれを用いた溶解炉システム - Google Patents

非鉄金属溶湯ポンプ及びそれを用いた溶解炉システム Download PDF

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Description

本発明は、非鉄金属溶湯ポンプ及びそれを用いた溶解炉システムに関する。
従来、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)の非鉄金属を溶解炉あるいは保持炉から出湯する方法の1つとして、予め炉底近くの炉壁に穴を穿けて栓をしておき、この栓の抜き差しで出湯する方法がある。しかし、この方法を実施しようとすると、対象物が高温の非鉄金属溶湯であることから、常に、非常に大きな危険が伴うのが避けられない。
また、実際に行われている出湯の別の方法として、真空ポンプによる方法もある。しかしながら、この方法は、操作性及び信頼性の点での問題もあり、実際上あまり使われていない。
更に、メカニカルポンプを使って出湯を行う方法もある。しかし、この方法には、ポンプのブレード(カーボン)の損傷が激しいことや、非常に大きなランニングコストが掛かること等の欠点がある。
また、電磁式ポンプを用いる方法もある。しかしながら、この方法を実施するには、大きな消費電力、高度な維持管理等が必要であり、実用されるケースは限られている。
従来の技術には以上に述べたような問題点があった。
本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目的は、非鉄金属溶湯の出湯を、人が介在することなく且つ安価に行えるシンプルな構造の非鉄金属溶湯ポンプ及びそれを用いた溶解炉システムを提供しようとするものである。
内部空間と、それぞれ側壁に外部に開口するように設けた下端入口と上端開口とを連通する、前記側壁内に形成した、螺旋通路を有する非鉄金属溶湯通路と、を備える、容器体と、
前記内部空間内に縦向きの軸線の回りに回転可能に設けられ、回転時には磁力線が前記螺旋通路内の非鉄金属溶湯を貫通した状態で移動する磁場強度を有する、磁場装置と、
前記磁場装置を回転駆動する、駆動装置と、
を備えることを特徴とするものとして構成される。
本発明によれば、非鉄金属溶湯の出湯を、人が介在することなく且つ安価に行えるシンプルな構造の非鉄金属溶湯ポンプ及びそれを用いた溶解炉システムを提供することが出来る。
(a)本発明の第1の実施形態の非鉄金属溶湯ポンプの縦断説明図、及び、(b)円筒状容器のみの縦断説明図。 (a)図1の非鉄金属溶湯ポンプの平面図、(b)蓋の断面図、及び、(c)図2(a)の蓋を取り除いた状態の平面図。 (a)磁場装置の平面説明図、及び、(b)磁場装置の異なる実施形態の平面図。 非鉄金属溶湯ポンプの第2の実施形態の縦断説明図。 図1の非鉄金属溶湯ポンプを用いた溶解炉システムの縦断説明図。 図5の溶解炉システムの他の実施形態を示す縦断説明図。
図1(a)は本発明の第1の実施形態の縦断説明図であり、図2(a)はその平面図説明図である。これらの図1(a)、図2(a)に示す本発明の第1の実施形態の非鉄金属溶湯ポンプ1は、特に図1(a)から分かるように、電磁力により、非鉄金属溶湯〔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)の溶湯〕を下端入口2から吸い込んで溶湯出口3から出湯するものとして構成されている。
より詳しくは、特に図1(a)から分かるように、外筒としての耐火材(耐熱材)製の円筒状容器5の円筒状の側壁の底部近傍に前記下端入口2が開口状態に形成されている。前記円筒状容器5の上縁部分に、前記溶湯出口3に連通する上端開口6が開口状態に形成されている。この上端開口6は、後述する蓋12を取り除いた平面図である図2(c)に直接的に表される。下端入口2と上端開口6とを、前記円筒状容器5の円筒状の側壁内に形成した非鉄金属溶湯通路8で連通させている。この非鉄金属溶湯通路8は、連続的につながる2つの通路部分を有するものとして構成されている。つまり、円筒状容器5のみを示す図1(b)から特に分かるように、非鉄金属溶湯通路8は、互いに連通する、容器体11の高さの下半分の螺旋通路8aと、上半分の縦向きの上昇通路8bと、を備えるものとして構成される。よって、非鉄金属溶湯Mは、後述する電磁力で駆動されて、下端入口2から吸い込まれ、螺旋通路8aを旋回しながら上昇して上昇通路8bに至り、この上昇通路8bをさらに上昇して前記溶湯出口3から出湯されるものとして構成されている。
なお、前記非鉄金属溶湯通路8を、横断面が円形のものとして形成したが、横断面の形状は円形に限るものではなく、楕円形、矩形、多角形、その他の形状のものとして構成することが出来るのは当然である。
前記円筒状容器5の内側には、図1(a)、図2(c)から分かるように、内筒としての断熱材製の同じく円筒状の内側容器4が収納されて、いわゆる耐火材製の2重構造の容器体11が構成されている。この容器体11の内部がいわゆる内部空間とされている。
図1(a)から分かるように、この容器体11の上部の開口には蓋12が設けられている。この蓋12の断面図が図2(b)に示される。特に、この図2(b)から分かるように、この蓋12には溶湯用孔12a、送風孔12b、排風孔12c、出力軸用孔12dが形成されている。送風孔12b、排風孔12cは前記内部空間と外部とを連通させるものである。
また、特に図1(a)、図2(a)から分かるように、前記蓋12の前記排風孔12cには排風用パイプ14がシール状態で且つ貫通状態に設けられている。この排風用パイプ14の上端が排風口14aとなっている。
さらに、図1(a)、図2(a)からわかるように、この蓋12には、ほぼL型の出湯用パイプ15が取り付けられている。つまり、この出湯用パイプ15の出口側先端が前記溶湯出口3となっている。この出湯用パイプ15の下端は前記蓋12の前記溶湯用孔12aとシール状態で連通している。さらに、この溶湯用孔12aは、前記円筒状容器5の前記上昇通路8bに連通している。これにより、前記上昇通路8bは前記出湯用パイプ15を介して前記溶湯出口3に連通することになる。つまり、前記円筒状容器5の前記下端入口2は、螺旋通路8a、上昇通路8b、出湯用パイプ15を介して、前記溶湯出口3に連通している。
図1(a)、図2(a)から分かるように、前記蓋12の上面に、架台17を介して、縦向きの軸線ALに沿った出力軸18aを有する駆動モーター(駆動装置)18が取り付けられている。而して、この蓋12の下面に、ベアリング13で支持されたシャフト19が回転可能に設けられている。前記出力軸18aは、前記蓋12の出力軸用孔12dを通ってカップリング(図示せず)で回転力を伝達可能にシャフト19と接続されている(繋がれている)。即ち、前記出力軸18aは前記シャフト19とカップリングされて、出力軸18aの回転がシャフト19に伝達可能に構成されている。
このシャフト19の下端部分に磁場装置20が取り付けられている。つまり、磁場装置20gが蓋12によって内側容器4内に懸垂状態に設けられている。この磁場装置20は、その磁場強度は、磁力線MLがほぼ水平方向に出て、前記螺旋通路8a内の非鉄金属溶湯を貫通した後に再び水平方向に戻ってくるものとして構成されている。これにより、前記駆動モーター18を動作させると磁場装置20が回転し、これに伴い、磁力線MLが、螺旋通路8a内の非鉄金属溶湯Mを貫通しながら、回転移動することになる。このときに生じる電磁力により、非鉄金属溶湯Mはこの螺旋通路8aを回動しながら上昇するように流動し、前記上昇通路8bに至り、ここをさらに上昇し、前記出湯用パイプ15に至り、前記溶湯出口3から出湯することになる。
磁場装置20は、上述のように、射出した磁力線MLが螺旋通路8a内の非鉄金属溶湯Mを貫通するものであればよく、具体的には各種の構成を採ることができる。
例えば、図3(a)あるいは図3(b)に示すものを用いることができる。
図3(a)に示すものは前記軸線ALの回りに配置された4つの永久磁石25を用いるものである。つまり、上板22と下板23の間に複数の、例えば、仮想円周上に並んだ4つの柱状の永久磁石25を挟持している。各永久磁石25は、前記軸線ALの回りの内周側と外周側が磁極となるように磁化されている。且つ、円周方向に隣り合う2つの永久磁石25、25について見ると、内周側及び外周側の磁極は互いに異なるように磁化されている。よって、図3(a)からわかるように、ある永久磁石25から出た磁力線MLは、隣り合う別の永久磁石25に入ることとなる。そして、これらの磁力線MLは、前述のように、前記螺旋通路8a内の非鉄金属溶湯Mを貫通することになる。これにより、磁力線MLの回転移動に伴って、非鉄金属溶湯Mは螺旋通路8a内を旋回しながら上昇することになる。
図3(b)に示すものは1つの永久磁石を用いるものである。つまり、磁場装置20を、図3(b)に示すように、1本の円柱状の永久磁石27とすることもできる。この永久磁石27においては、前記軸線ALを挟んで横向きに対向する両側部分がそれぞれ異なる磁極に磁化されている。この永久磁石27からの磁力線MLも螺旋通路8a内の非鉄金属溶湯Mに作用する。これにより、非鉄金属溶湯Mは螺旋通路8a内を旋回しながら上昇する。
この図3(b)の磁場装置20を用いる場合にも、シャフト19に対して何らかの手段により磁場装置20を取り付けて、シャフト19によりこの磁場装置20が回転駆動されるようにすればよい。
さらに、図1(a)、図2(a)から分かるように、前記蓋12上にはブロワー29が設置されている。このブロワー29の送風パイプ29aは蓋12の前記送風孔12bにシール状態に連通させられている。これにより、ブロワー29から送風すれば、空気は、図1(a)に矢印で示すように、内部空間内を流れて各部を冷却しながら、前記排風口14aから外部に排出される。
なお、図2において、30は電源制御盤であり、ここから前記駆動モーター18と前記ブロワー29に給電及び制御が行われる。
上記構成の非鉄金属溶湯ポンプ1の動作について説明する。
この非鉄金属溶湯ポンプ1は非鉄金属溶湯M中に浸漬した状態で、つまり、少なくとも、前記下端入口2が非鉄金属溶湯M中に浸漬する状態で、使用される。且つ、冷却状態を保ちつつ出湯を行うべく、ブロワー29は常時動作した状態とするのが望ましい。
このポンプの動作は以下の通り説明される。
一般に、非鉄金属溶湯Mに磁場(磁力線ML)を作用させ、この磁場を移動させると、非鉄金属溶湯M中に渦電流が発生する。この結果、非鉄金属溶湯中には、電磁力が磁場の移動方向に発生する。而して、本発明においては、非鉄金属溶湯の通路(螺旋通路8a)が磁場の移動面(電磁力の作用する面)とある角度を持って配置されている。このため、非鉄金属溶湯に作用する電磁力は、垂直方向成分と水平方向成分に分けられる。この垂直方向成分によって、螺旋通路8a内の非鉄金属溶湯は上方に押し上げられる。これにより、螺旋通路8a内の非鉄金属溶湯は磁場装置20が回転に伴い、螺旋運動をしながら上方に移動する。やがて、前記非鉄金属溶湯は、螺旋通路8aから上昇通路8bに至る。その上昇通路8b内の非鉄金属溶湯は後方から押されて上昇し、出湯用パイプ15に至り、溶湯出口3から外部に出湯される。この際、非鉄金属溶湯の螺旋通路8a内の移動に伴い、下端入口2から新たな非鉄金属溶湯が吸い込まれて、螺旋通路8a内に送り込まれる。これにより、連続的に、非鉄金属溶湯は下端入口2から吸い込まれ、溶湯出口3から外部に出湯される。
ここで、非鉄金属溶湯Mの移動速度、高さ(揚程)は、磁場の移動速度(回転速度)に比例する。よって、インバーターにより磁場装置20の回転数制御を行えば、出湯量、揚程、出湯速度を調整することが可能である。また、円筒状容器5、つまり、螺旋状通路8aを長くすることにより揚程を任意に設定することが出来る。
図4は、図1(a)の第1の実施形態の非鉄金属溶湯ポンプ1の変形例としての第2の実施形態の非鉄金属溶湯ポンプ1Aを示す縦断説明図である。この第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、円筒状容器5Aに形成した非鉄金属溶湯通路8Aにおける螺旋通路8Aaを長くし、上昇通路8Abを短くしたこと、及び、螺旋通路8Aaに合わせて、磁場装置20Aを長いものとして形成したことにある。つまり、螺旋通路8Aaを容器体11Aの高さのほぼ全体にわたって形成している。
このように、磁場装置20Aを長いものとしたので、磁場装置20Aによる非鉄金属溶湯の駆動能力をさらに向上することができる。
また、円筒状容器として図4の円筒状容器5Aを用いつつも、磁場装置における永久磁石の長さを異なるものを数種類準備しておき、これらを場合に応じて交換して用いれば、つまり、磁場装置として図1(a)の磁場装置20を用いたり、図4の磁場装置20Aを用いたり、さらに異なる長さの永久磁石の磁場装置を用いれば、これによっても、非鉄金属溶湯Mの駆動能力を変えることができる。
図5は、図1(a)に示す本発明の非鉄金属溶湯ポンプ1を組み込んだ溶解炉システムを示す。
図5からわかるように、非鉄金属溶湯ポンプ1は、保持炉(あるいは溶解炉)40内に収納され、直接、非鉄金属溶湯M中に浸漬される。この際、前記下端入口2が少なくとも非鉄金属溶湯M中に浸漬するようにする。
高温の非鉄金属溶湯M中に浸漬するため、ブロアー29は常にONの状態とするのが望ましい。
今駆動モーター18をONすると先に説明した通り、螺旋通路8a内の非鉄金属溶湯Mに電磁力が作用し、非鉄金属溶湯Mは螺旋通路8a内を螺旋状に回転しながら上動し、上昇通路8bと出湯用パイプ15を経て、溶湯出口3から出湯される。この際、非鉄金属溶湯Mは下端入口2より連続的に吸い込まれるので、非鉄金属溶湯Mは溶湯出口3より受箱42へ連続的に排出される。
図6は図5の溶解炉システムの変形例を示す縦断説明図である。
図6に示す溶解炉システム1Aは、磁場装置20からエネルギーを与えて溶湯出口3Aからの出湯を一旦稼働させた後は、この磁場装置20をストップしてエネルギー供給を止めても、サイフォンの原理により、前記出湯が継続して行われるようにしたシステムを示す。
より詳しくは、図6のシステムが図5の溶解炉システム1と異なる点は、以下の通りである。
受箱42を図5よりも低い位置に設ける。これにより、受箱42内の溶湯M2の湯面M2sを、保持炉40内の溶湯Mの湯面Msよりも低くしておく。
出湯用パイプ15Aを下方へ折り曲げて延長し、先端の溶湯出口3Aを受箱42内の溶湯M2中に挿入させる。
この状態で、磁場装置20によって溶湯Mを溶湯出口3Aから出湯させる。この後に磁場装置20を停止しても、サイフォンの原理により前記出湯は継続して行われる。
つまり、システムの構造としては、溶湯出口3Aの位置が、保持炉40内の溶湯Mの湯面Msより少なくとも低い位置とすることができるように、出湯用パイプ15Aの長さを構成しておく必要がある。
また出湯用パイプ15Aの最も高い位置としての横向部分に空気抜き用バルブ50を設ける。これは、追って説明するように、運転当初に、溶湯Mがスムーズに、出湯用パイプ15Aを上昇できるようにするためである。
より詳しくは、以下の通りである。
前記の構成の溶解炉システム1Aはより詳しくは以下のように動作する。
電源盤30のスイッチをONすると、溶湯Mは非鉄金属溶湯通路8(螺旋通路8a及び上昇通路8b)を通り、出湯用パイプ15Aに至り、溶湯出口3Aから受箱42内の溶湯M2の内部に出湯される。
つまり、運転開始前には、出湯用パイプ15A内に空気が充満している。この空気は溶湯Mが非鉄金属溶湯通路8及び出湯用パイプ15A内をスムーズに上昇するのを妨げる。このため、運転開始に先立ち、出湯用パイプ15Aのバルブ50を開いてここにおける空気が抜ける状態にしておく。この状態で運転を開始する。これにより、溶湯Mが円筒状容器5の非鉄金属溶湯通路8(8a、8b)を旋回・上昇し、出湯パイプ15Aに至り、出湯用パイプ15Aの基端部分を上昇し始める。このような上昇により、出湯用パイプ15内の空気はバルブ50から押し出される。溶湯Mがバルブ50の位置まで達したときバルブ50を閉める。その後は溶湯Mは、出湯用パイプ15A内の空気に邪魔されることなく、スムーズに出湯用パイプ15Aを通って受箱42内の溶湯M2の内部に出湯される。この後に、電源盤30の対応するスイッチをOFFする。OFFしても、この後は、保持炉40内の溶湯Mの湯面Msと受箱42内の溶湯M2の湯面M2sとの高さの差Hに起因して、いわゆるサイフォンの原理で、保持炉40内の溶湯Mは連続的に受箱42に出湯される。つまり、外部から人為的にエネルギーを与えなくても、連続的な出湯が行われる。
AL 軸線
M、M2 溶湯
Ms、M2s 湯面
ML 磁力線
2 下端入口
3、3A 溶湯出口
4 内側容器
5 円筒状容器
6 上端開口
8 非鉄金属溶湯通路
8a 螺旋通路
8b 上昇通路
11 容器体
12 蓋
12a溶湯用孔
12b送風孔
12c排風孔
12d出力軸用孔
13 カップリング
15、15A 出湯用パイプ
18 駆動モーター(駆動装置)
18a出力軸
19 シャフト
20 磁場装置
25 永久磁石
27 永久磁石

Claims (20)

  1. 内部空間と、それぞれ側壁に外部に開口するように設けた下端入口と上端開口とを連通する、前記側壁内に形成した、螺旋通路を有する非鉄金属溶湯通路と、を備える、容器体と、
    前記内部空間内に高さ方向に沿った縦向きの軸線の回りに回転可能に設けられ、回転時には磁力線が前記螺旋通路内の非鉄金属溶湯を貫通した状態で移動する磁場強度を有する、磁場装置と、
    前記磁場装置を回転駆動する、駆動装置と、
    を備えることを特徴とする、非鉄金属溶湯ポンプ。
  2. 前記螺旋通路の上端が、前記容器体の前記側壁内に形成された高さ方向に沿った縦向きの上昇通路を介して、前記上端開口と連通している、ことを特徴とする請求項1に記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  3. 前記磁場装置は永久磁石によって構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の非鉄金属溶湯ポンプ
  4. 前記磁場装置は、前記軸線の回りに配置された複数の永久磁石を備え、前記各永久磁石は前記軸線に対して内側と外側が磁極となるように磁化されており、且つ、複数の永久磁石は、前記軸線の回りの外周側及び内周側に沿ってそれぞれ交互に異なる磁極が並ぶように、配置されている、ことを特徴とする請求項3に記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  5. 前記磁場装置は1つの永久磁石を備え、前記永久磁石は前記軸線を挟んで高さ方向と交差する横向きに対向する両側が磁極になるように磁化されている、ことを特徴とする請求項3に記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  6. 前記容器体における前記内部空間を塞ぐ蓋を有し、前記蓋に対して前記磁場装置が懸垂状態に且つ回転可能状態に取り付けられている、ことを特徴とする請求項1乃至5の1つに記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  7. 前記蓋の上に前記駆動装置が取り付けられている、ことを特徴とする請求項に記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  8. 前記駆動装置の出力軸と、前記磁場装置を回転可能に支えるシャフトと、をカップリングによって、回転力を伝達可能に繋いでいる、ことを特徴とする請求項1乃至7の1つに記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  9. 前記蓋は、前記内部空間を外部と連通させる、送風孔と排風孔とを備え、前記送風孔から前記内部空間に送り込み、冷却済の空気を前記排風孔から外部に排風可能に構成された、ことを特徴とする請求項6乃至8の1つに記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  10. 前記送風孔にブロワーからの送風パイプが連通され、前記排風孔に排風用パイプが連通されている、ことを特徴とする請求項9に記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  11. 前記容器体は外筒としての円筒状容器と、内筒としての内側容器とにより2重構造容器として構成され、前記円筒状容器の側壁に、前記非鉄金属溶湯通路を形成した、ことを特徴とする請求項1乃至10の1つに記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  12. 前記容器体の高さの下半分に前記螺旋通路が形成され、上半分に前記上昇通路が形成された、ことを特徴とする請求項2乃至11の1つに記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  13. 前記容器体の高さほぼ全体にわたって前記螺旋通路が形成された、ことを特徴とする請求項1乃至11の1つに記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  14. 前記蓋に溶湯用孔が形成されており、且つ、前記蓋に前記溶湯用孔に連通する出湯用パイプが取り付けられており、前記溶湯用孔と前記非鉄金属溶湯通路とがシール状態に連通している、ことを特徴とする請求項6乃至13の1つに記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  15. 1つの前記容器体と、発生する磁場強度の異なる複数の磁場装置と、を備え、前記容器体に対して、前記複数の磁場装置の任意のものを交換して使用可能にした、ことを特徴とする請求項1乃至14の1つに記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  16. 前記非鉄金属溶湯通路の横断面は、円形、楕円形、矩形又は多角形である、ことを特徴とする請求項1乃至15の1つに記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  17. 前記上端開口に出湯用パイプが連通状態に接続され、前記出湯用パイプの先端に前記非鉄金属溶湯を外部に出湯する溶湯出口が形成されていることを特徴とする請求項1乃至16の1つに記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  18. 前記溶湯出口は前記下端入口よりも上方に設けられていることを特徴とする請求項17に記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  19. 請求項1−18のいずれかに記載の非鉄金属溶湯ポンプと、非鉄金属溶湯を収納する収納空間を有する炉と、を有し、前記非鉄金属溶湯ポンプを前記炉における前記収納空間に、この収納空間に収納した非鉄金属溶湯に前記下端入口が浸漬する状態に、前記非鉄金属溶湯ポンプを収納可能に構成した、ことを特徴とする溶解炉システム。
  20. 請求項17に記載の非鉄金属溶湯ポンプと、非鉄金属溶湯を収納する収納空間を有する炉と、を有し、前記非鉄金属溶湯ポンプを前記炉における前記収納空間に、この収納空間に収納した非鉄金属溶湯に前記下端入口が浸漬する状態に、前記非鉄金属溶湯ポンプを収納可能に構成され、且つ、前記出湯用パイプにおける前記溶湯出口の位置は、前記炉に収納される溶湯の湯面よりも下位に位置させ得るように構成された、ことを特徴とする溶解炉システム。
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