JP5575019B2 - 金属溶解炉及び金属の溶解方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウムを含む金属材料を溶解させて、溶湯を得る金属溶解炉及びそれを用いた金属の溶解方法に関する。更に詳しくは、アルミニウムを含む金属材料を溶解させてなる溶湯を揺動攪拌させることにより、金属材料の溶解効率に優れる金属溶解炉及びそれを用いた金属の溶解方法に関する。

近年、産業界、特に、自動車業界、建材業界、電機業界等では、製品の軽量化とリサイクル化を計るため、素材としてアルミニウムの使用量が大幅に増大している。このアルミニウムを用いた成形品は、アルミニウム原料を溶解して溶湯を得て、その溶湯をダイカスト等により成形して製造されている。アルミニウム溶解炉には、直接加熱式のものと、間接加熱式のものとがあり、これらのうち熱効率等に優れる直接加熱式の溶解炉が多く用いられている。この直接加熱式の溶解炉では、被溶解物（アルミニウム原料等）を溶解室に設けた加熱バーナで加熱し、この加熱バーナから噴射される火炎及び溶解室の蓄熱により被溶解物を溶かす。そして、被溶解物の溶解により得られた溶湯は保持炉に貯留された後、保持炉から汲み出されて、ダイカスト等により成形される。

このような直接加熱式の溶解炉では、金属材料の溶解効率を向上させるために、溶解室内の溶湯を攪拌させる装置の開発が行われている。例えば、下記特許文献１には、外部からの加熱によって溶解された溶融アルミニウムを収納する炉本体と、炉本体内の溶融アルミニウムを貫通する貫通磁力線を発生する永久磁石を有し、この永久磁石の回転に伴って貫通磁力線が溶融アルミニウムを貫通した状態で移動することにより、溶融アルミニウムに移動力を加えて炉本体内で攪拌するようにした移動磁界発生装置と、を備えたことを特徴とする攪拌装置付きアルミ溶解炉が開示されている。また、下記特許文献２では、被溶解物が投入された溶湯を撹拌することにより、前記被溶解物の溶解を促進する撹拌装置であって、溶湯を貯留する溶解槽の外部に配置され、溶解槽の側壁に沿って下向きに移動する磁界を溶解槽の内部に発生する移動磁界発生装置を具備する撹拌装置が開示されている。

特開平１０−１４６６５０号公報 特開２０１１−１７５２１号公報

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、溶解効率に優れる金属溶解炉、及びこれを用いた金属の溶解方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下に示す通りである。
１．アルミニウムを含む金属材料を溶解して溶湯を製造する金属溶解炉であって、
前記金属材料を加熱手段により、溶湯とする溶解室と、
前記溶解室と連通し、給湯口を有する給湯室と、
前記溶解室を構成する壁の一部に、閉塞可能とされた、前記溶解室内部に金属材料を装入できる材料装入口と、を備え、
前記溶解室は、溶湯を収納する溶解槽を備えるとともに、前記溶解槽は、連通路により前記給湯室と連通して設けられており、
前記溶解室は、前記溶解槽内の溶湯が前記連通路に充満されることにより密閉された空間を形成しており、
前記溶解室は、前記給湯口より高い位置に、前記加熱手段と、炉内圧制御手段と、を有し、
該溶解室の炉内を加圧する前記加熱手段と、該溶解室の炉内を減圧する炉内圧制御手段と、を備え、
前記加熱手段は、該溶解室の炉内圧を加圧するリジェネレイティブバーナであり、
前記炉内圧制御手段は、該溶解室の炉内圧を減圧する開閉バルブであり、
前記加熱手段と前記炉内圧制御手段により前記溶解室内の炉内圧を変化させて前記溶湯を揺動させる溶湯攪拌機能を有することを特徴とする金属溶解炉。
２．前記炉内圧制御手段が、０．５〜１０秒に１回の周期で炉内圧を減圧できる前記１．に記載の金属溶解炉。
３．前記溶解室内に、前記金属材料が載置される載置部を備える前記１．又は前記２．に記載の金属溶解炉。
４．前記１．乃至３．のいずれかに記載の金属溶解炉を用いた、アルミニウムを含む金属材料の溶解方法であって、
前記金属材料を溶解室に装入する装入工程と、
前記溶解室に装入された前記金属材料を予備加熱する予熱工程と、
前記溶解室内の炉内圧を変化させて、前記金属材料が溶解されてなる溶湯を揺動させる攪拌工程と、を備えることを特徴とする金属材料の溶解方法。
５．前記攪拌工程では、前記炉内圧制御手段により、０．５〜１０秒に１回の周期で炉内圧を減圧する前記４．に記載の金属材料の溶解方法。
６．前記攪拌工程では、前記炉内圧制御手段により、炉内圧を１回あたり２０〜１００Ｐａ減圧する前記４．又は５．に記載の金属材料の溶解方法。

本発明の金属溶解炉によれば、金属材料を加熱手段により、溶湯とする溶解室と、溶解室と連通し、給湯口を有する給湯室と、を備え、溶解室は、給湯口より高い位置に、加熱手段と、溶解室の炉内圧を変化させる炉内圧制御手段と、を有し、炉内圧制御手段により溶解室内の炉内圧を変化させて前記溶湯を揺動させる溶湯攪拌機能を有することから、溶解室内の溶湯を効率的に攪拌することができ、熱効率に優れ、金属溶湯を効果的に製造する金属溶解炉とすることができる。また、本発明の金属溶解炉における溶湯の攪拌は、溶湯全体の揺動によるものであることから、攪拌機等による攪拌に比べ静かな溶湯の流動であり、ドロスや金属酸化物の抑制に優れる金属溶解炉とすることができる。

また、加熱手段が、炉内圧を加圧可能なバーナである場合には、溶解室内の炉内圧を効率的に加圧させることができ、溶解室内の炉内圧の変動を容易に行うことができる。

また、炉内圧制御手段が、溶解室の内部と外部とを連通可能とする開閉バルブである場合には、溶解室内の炉内圧を容易に増減させることができ、その炉内圧の増減により溶湯を揺動させて、金属溶解炉内の溶湯を効率的に攪拌することができる。

更に、溶解室内に、金属材料を載置する載置部が設けられている場合には、載置部に投置かれる金属材料は、載置部において、加熱手段により生じる熱（燃焼排気ガス）及び輻射熱等により予備加熱が施されことから、より溶解効率に優れる金属溶解炉とすることができる。

また、本発明の金属材料の溶解方法によれば、本発明の金属溶解炉を用いて、金属材料を溶解室に装入する装入工程と、前記溶解室に装入された前記金属材料を予備加熱する予熱工程と、溶解室内の炉内圧を変化させて、前記金属材料が溶解されてなる溶湯を揺動させる攪拌工程と、を備えることから、加熱手段により生じる熱や溶解室内の輻射熱等からの予備加熱を施すことができると共に、溶解室内の溶湯を効率的に攪拌することができ、熱効率並びに溶解効率に優れる金属材料の溶解方法とすることができる。また、本発明における溶湯の攪拌は、溶湯全体の静かな揺動によるものであることから、ドロスや金属酸化物の発生が抑制され、それらの不純物の混入が少ない溶湯を得ることができる。

本発明の金属溶解炉の一例を説明する模式的な平面図である。 図１におけるＡ−Ｂ−Ｃ線の模式的な断面図である。 本発明の金属溶解炉の一例を説明するＤ−Ｄ線の模式的な平面断面図である。 本発明の金属溶解炉の一例を説明するＥ−Ｅ線の模式的な平面断面図である。 本発明における炉内圧制御手段の一例を説明する模式的な説明図である。 他の態様の炉内圧制御手段の構成を説明する模式的な説明図である。 他の態様の炉内圧制御手段の構成を説明する模式的な説明図である。 他の態様の炉内圧制御手段の構成を説明する模式的な説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。即ち、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

［１］金属溶解炉
本発明の金属溶解炉は、アルミニウムを含む金属材料を溶解して溶湯を製造する金属溶解炉であって、前記金属材料を加熱手段により、溶湯とする溶解室と、前記溶解室と連通し、給湯口を有する給湯室と、前記溶解室を構成する壁の一部に、閉塞可能とされた、前記溶解室内部に金属材料を装入できる材料装入口と、を備え、前記溶解室は、溶湯を収納する溶解槽を備えるとともに、前記溶解槽は、連通路により前記給湯室と連通して設けられており、前記溶解室は、前記溶解槽内の溶湯が前記連通路に充満されることにより密閉された空間を形成しており、前記溶解室は、前記給湯口より高い位置に、前記加熱手段と、炉内圧制御手段と、を有し、該溶解室の炉内を加圧する前記加熱手段と、該溶解室の炉内を減圧する炉内圧制御手段と、を備え、前記加熱手段は、該溶解室の炉内圧を加圧するリジェネレイティブバーナであり、前記炉内圧制御手段は、該溶解室の炉内圧を減圧する開閉バルブであり、前記加熱手段と前記炉内圧制御手段により前記溶解室内の炉内圧を変化させて前記溶湯を揺動させる溶湯攪拌機能を有することを特徴とする（例えば、図１〜図４参照）。

本発明の金属溶解炉としては、例えば、図１〜図４に示されるように、加熱手段４及び炉内圧制御手段５を有する溶解室２と、給湯室３とを備える金属溶解炉本体１とすることができる。
金属溶解炉本体１は、本体下部に凹状の形状を有し、溶湯２０を収納する溶解槽１２を備えることができる。この溶解槽１２は、溶解室２の下部からなり、連通路７により給湯室３と連通して設けられている。溶解槽１２では、被溶解物の金属材料１４、及び金属材料１４が溶解された溶湯２０を収納し、金属材料１４の溶解が行われる。

溶解室２を構成する形状は、特に限定されない。例えば、図１〜４に示される、天井面の一部が傾斜した直方体、若しくは、立方体形状、円筒形状、多面体形状等とすることができる。また、溶解室２は、溶解層１２内の溶湯２０が連通路７に充満されることにより、密閉可能な空間を形成する。

溶解室２は、金属溶解炉本体１内部に設けられており、給湯室と仕切部８により区分けられている。溶解室２は、加熱手段４を備えており、溶解室２内部に装入（投入）された金属材料１４を、加熱手段４等により溶解させて、溶湯２０を得ることができる。
溶解室２の構造は、特に限定されない。金属材料１４を加熱できるだけの空間と、金属材料１４が溶解されて得られる溶湯２０を収納（保持）できる溶解層１２とを少なくとも有する構造であればよい。
また、金属溶解炉本体１は、溶解室２を構成する壁の一部に、材料装入（投入）口１０を備える。この材料装入口１０の場所としては、溶解槽１２の底部より高い位置であり、且つ、平面図において給湯室３と反対側の位置にあることが好ましい。材料装入口１０は、溶解室２内部に金属材料１４を装入でき、且つ、閉塞できる開閉可能の構造であれば、その構造及び取付状態は、特に限定されない。

溶解室２としては、更に、溶解室２の内部に材料載置部９を備えることができる。この材料載置部９は、材料装入口１０に併設することができ、溶解室２内に装入された金属材料１４を載置する場所（部分）とすることができる。

材料載置部９は、材料装入口１０と併設され、且つ、材料装入口１０の反対側は、溶解槽１２と隣接させて設けることが好ましい。更に、材料載置部９は、溶解槽１２より高い位置とし、平面方向に対して３〜１０度（より好ましくは４〜６度）の角度で、材料装入口１０から溶解槽１２に向けて、下方に傾斜する傾斜面の形状が好ましい。また、この場合、溶解槽１２を形成する面のうち、材料載置部９と接する面は、平面方向に対して３０〜５０度（より好ましくは３５〜４５度）の角度で、材料装入口１０から給湯室３に向けて、下方に傾斜する傾斜面の形状が好ましい。

金属溶解炉１が、材料載置部９備え、且つ、材料載置部９及び溶解槽１２の構造が、上記の態様である場合には、溶解室２内に装入された金属材料１４は、材料載置部９において、溶解室２に設けられた加熱手段４による熱及び溶解室２内の蓄熱（溶湯２０から生ずる熱、輻射熱等）により、予備加熱が施される。この予備加熱により金属材料１４は、表面部分の溶解が進行する。一方、材料載置部９は溶解槽１２に向けて下方に傾斜された傾斜面となっていることから、表面部分が溶解された金属材料１４は、自重により傾斜面を滑りながら、溶解槽１２に落ちる。そして、溶解槽１２に落下した金属材料１４は、溶解槽１２に収納されている溶湯２０中で、溶湯２０から生ずる熱と加熱手段４による加熱により溶解される。金属材料１４が材料載置部９で予備加熱される場合、エネルギー効率に優れる溶解炉とすることができる。更に、金属材料１４が、上記の通り、溶湯２０内で溶解される場合、溶解が効率よく進行すると共に、金属材料１４の溶解部分の空気との接触が抑制されるため、金属酸化物の発生が抑制され、ドロスや金属酸化物の少ない金属溶湯を得ることができる。

本発明の金属溶解炉１は、少なくとも溶解室２（溶解漕１２）内の溶湯２０を揺動させることにより、溶湯２０を攪拌する溶湯攪拌機能を有する。即ち、この溶湯攪拌機能は、溶湯２０の揺動により生じる溶湯に対する攪拌機能であり、本発明の金属溶解炉としては、少なくとも溶湯２０を揺動させる機能を有すればよい。
また、溶湯２０の揺動は、後述の炉内圧制御手段５、或いは、加熱手段４及び炉内圧制御手段５により、溶解室２内の炉内圧を変化させることにより生じさせることができる。

溶解室２に設けられている加熱手段４は、金属材料１４を加熱により溶解して溶湯が得られるものであれば特に限定されない。例えば、ガスバーナ、重油バーナ及び電気ヒータ等が挙げられる。これらのうち、溶解室２内の炉内圧（炉内圧力）（溶解室２内の気圧）を加圧することができる（炉内圧を加圧可能な）バーナが好ましい。例えば、燃焼用空気及び排気ガス等の吸排気を調節可能な機構等を有する熱交換器を備えるバーナ等が挙げられる。更に、作業性に優れるガスバーナが好ましく、熱交換器を備えるガスバーナがより好適に用いられ、本発明では後述するリジェネレイティブバーナを用いる。溶解室２内に収納された溶湯２０は、連通路７に充満されることにより、溶解室２内を密閉状態とすることができる。そして、密閉状態の溶解室２において、炉内圧を加圧可能なバーナを加熱手段４として用いることにより、容易に炉内圧を増加させることができる。密閉状態の溶解室２の炉内圧は、バーナにより加圧されると共に、後述の炉内圧制御手段５により減圧させることにより、炉内圧の加圧と減圧とにより、溶解室２内の溶湯２０の揺動を容易に生じさせることができる。

本発明においては、炉内圧を加圧可能であり、且つ燃焼効率に優れるリジェネバーナ（リジェネレイティブバーナ）を用いる。加熱手段４が、リジェネバーナである場合には、高温排気ガスの熱量を効果的に燃焼用空気に伝えることができ、熱効率に優れる金属溶解炉とすることができる。また、リジェネバーナが有する燃焼用給気・排気ファンから生ずる圧力（燃焼圧力）により、溶解室２内の炉内圧を効率的に加圧させることができ、溶解室２内の炉内圧変動を容易に行うことができる。更に、リジェネバーナから発生する炎は、輝炎フレームであることから、溶湯表面の全体を均一に加熱することができ、金属の酸化物の発生を抑制することができる。
尚、加熱手段４の数、取付け状態及び取付け位置等は特に問わない。

更に、溶解室２は、給湯室３の有する給湯口６より高い位置に、炉内圧制御手段５を備える。炉内圧制御手段５としては、溶解室２内の炉内圧を変化させ、溶湯２０が揺動するように、炉内圧を増減させるものであれば特に限定されないが、本発明では炉内圧を減圧させるものを用いる。炉内圧制御手段５による、炉内圧の変化とは、溶解室２内を減圧して、一定の周期で大気圧とする、炉内圧の変化を連続して行う方法等が挙げられる。この炉内圧制御手段５としては、空気を供給及び排出できるコンプレッサーやブロー、並びに、溶解室２内の密閉を開放することができるバルブ（弁）等が挙げられ、これらを組み合わせて用いることもできる。
本発明においては、加熱手段４としてリジェネバーナを用い、炉内圧制御手段５としてバルブ（開閉バルブ）を用いる組み合わせである。加熱手段４としてリジェネバーナを用いることにより、溶解室２内の炉内圧が増加される。そして、炉内圧制御手段５としてバルブ（開閉バルブ）を用いることにより、溶解室２内を加圧化から大気圧への減圧化を行うことができ、効率的に溶解室２内の炉内圧の変化を生じさせることができる。

炉内圧制御手段５に用いるバルブとしては、溶解室２を構成する壁の一部を開閉可能な状態にし、溶解室２内と外部とを連通させる連通孔を生じさせる開閉バルブが挙げられる。この開閉バルブの好ましい態様としては、間欠的に、溶解室２を構成する壁の一部を開閉可能な状態にし、溶解室２内と外部とを連通させる連通孔を生じさせる開閉バルブ（間欠バルブ）が挙げられる。この開閉バルブとしては、具体的には、図５〜図８に示される構造を有する開閉バルブが挙げられる。尚、炉内圧制御手段５としては、これらを組み合わせて用いることもできる。

図５に示される開閉バルブは、１枚の円板状の板（円板）１０７からなる回転型の開閉バルブである。円板１０７は、円筒１００内において、直径軸を中心に回転可能な状態で固定されており、モータ等の動力により、直径軸を中心に間欠的に回転する（図５Ｂ参照）。円板１０７を間欠的に回転させることにより、溶解室２の内部と外部とが間欠的に連通し、溶解室２の密閉状態が解除されて、溶解室２内部の圧力が外部に開放される。

図６に示される開閉バルブは、板状のスライド１０４及び１０５からなるスライド型の開閉バルブである。スライド１０４は、モータ等の動力により横方向に対して左右に連続的に繰り返し摺動する。スライド１０４及び１０５は、それぞれ連通孔１０６ａ及び１０６ｂを有している。連通孔１０６ａ及び１０６ｂの位置は、スライド１０４が左右に摺動する際に、連通孔１０６ａ及び１０６ｂの一部が重なり合う位置に形成されている（図６Ｂ参照）。これにより、スライド１０４及び１０５が有する連通孔１０６ａ及び１０６ｂの一部が重なり合うことにより、溶解室２の内部と外部が間欠的に連通し、溶解室２の密閉状態が解除されて、溶解室２内部の圧力が外部に開放される。

図７に示される開閉バルブは、溶解室２内部と連通する円筒１００に設けられた２枚の円板状の板（円板）１０１及び１０２からなる回転型の開閉バルブである。円板１０１及び１０２は共に、２つの連通孔を中心点から同じ距離の位置に直径上に有する。また、円板１０１及び１０２は密接して設けられており、上面の円板１０１は、中心を軸としてモータ等の動力により等速回転をさせることができ、円板１０２に対して摺動回転をする（図７Ｂ参照）。そして、図５Ｂを上から見た図７Ｃに示されるように、円板１０１が摺動回転することにより、円板１０１及び１０２が有する連通孔の一部が重なり合うことにより、溶解室２の内部と外部が間欠的に連通し、溶解室２の密閉状態が解除されて、溶解室２内部の圧力が外部に開放される。

図８に示される開閉バルブは、１枚の板状の蓋部１０８からなる回転型の開閉バルブである。蓋部１０８は、開閉可能な状態で、蓋部１０８の一端が円筒１００の上部に固定されている。蓋部１０８は、モータ等の動力により、円筒１００の上部開口口を開閉させる。蓋部１０８間欠的に開閉させることにより、溶解室２の内部と外部が間欠的に連通し、溶解室２の密閉状態が解除されて、溶解室２内部の圧力が外部に開放される。

また、溶解室２に設けられる炉内圧制御手段５の取付け状態及び取付け位置等は特に問わない。本発明の金属溶解炉１は、炉内圧制御手段５を有することにより、溶解室２内の炉内圧を変化（増減）させて、溶解槽１２内の溶湯２０を揺動させることにより、溶解槽１２の溶湯２０を効率的に攪拌することができ、アルミニウムを含む金属材料１４の溶解を効率的に促進し、熱効率に優れると共に、金属溶湯を効果的に製造する金属溶解炉とすることができる。

また、炉内圧制御手段５による炉内圧の変化を生じさせる周期（サイクル）としては、好ましくは０．５〜１０秒に１回、より好ましくは１〜５秒に１回、更に好ましくは１〜３秒に１回の周期で変化させる。
また、炉内圧の変化量としては、好ましくは２０〜１００Ｐａであり、より好ましくは２０〜５０Ｐａである。

本発明において、加熱手段４としてリジェネバーナを用い、炉内圧制御手段５として開閉バルブを用いる組み合わせとした場合、リジェネバーナによる加圧量は、好ましくは２０〜１００Ｐａであり、より好ましくは２０〜５０Ｐａである。また、開閉バルブにより、溶解室２を構成する壁の一部を開閉可能な状態にし、溶解室２内と外部とを連通させる連通孔を生じさせる周期（サイクル）としては、好ましくは０．５〜１０秒に１回、より好ましくは１〜５秒に１回、更に好ましくは１〜３秒に１回の周期である。また、開閉バルブによる溶解室２内と外部とを連通させている時間は、溶解室２内の加圧状態が解除されればよく、瞬間的な連通でかまわない。具体的には、０．５〜１．５秒とすることができる。

本発明の金属溶解炉１は、給湯室３を備える。この給湯室３は、溶解室２と連通路７を介して連通しており、溶解槽１２に収納される溶湯２０の表面部が仕切り部８により仕切られるように設けられている。また、給湯室３の上面部は、開放して設けられており、給湯口６を備える。
また、給湯室３は、溶湯排出炉３０を備えることができる。金属材料１４が溶解された溶湯２０は、溶湯排出路３０を通って、保持室４０に送られる。即ち、揺動されている溶湯２０は、その揺動により、溶湯２０は給湯口３から溢れ出して（オーバーフロー）、溶湯排出路３０を流れていき、保持室４０に送られる。

本発明の金属溶解炉１の溶解に用いられる金属材料１４は、アルミニウムを含む金属材料である。このアルミニウムを含む金属材料としては、アルミニウム及び／又はアルミニウム化合物を全量とするものでもよく、一部に含むものでもよい。但し、アルミニウム及び／又はアルミニウム化合物を一部に含むものである場合、アルミニウム及び／又はアルミニウム化合物の含有量は、全体に対して５０質量％以上である。これらのうち、アルミニウムによる金属材料が好適に用いられる。また、所謂、リタン材と称されるアルミニウムの製品以外の鋳造不良品等も用いることができる。
また、金属材料１４の形状も特に限定されない。具体的には、インゴット等の塊や切削屑等のチップ等が挙げられる。これのうち、本発明の金属溶解炉１は、すぐれた熱効率と溶解能力とを有することから、金属塊（インゴット）を金属材料１４として用いるのが好ましい。尚、アルミニウムインゴットと上記リタン材とを併用して用いる場合、上記リタン材の使用量としては、アルミニウムインゴット１００質量部に対して、８０質量部以下が好ましい。

［２］金属の溶解方法
本発明の金属の溶解方法は、上述の金属溶解炉１を用いた金属材料１４の溶解方法であって、金属材料１４を溶解室２に装入する装入工程と、前記溶解室２に装入された前記金属材料１４を予備加熱する予熱工程と、溶解室２内の炉内圧を変化させて、金属材料１４が溶解されてなる溶湯２０を揺動させる攪拌工程、を備えることを特徴とする。

上記装入工程は、溶解して溶湯２０とする金属材料１４を、金属溶解炉１が有する溶解室２内に装入する工程である。金属材料１４の溶解室２への装入は、扉や蓋等により構成されている金属装入口１０から行われる。
そして、溶解室２内に装入された金属材料１４は、溶解室２に設置されている加熱手段４等による加熱により溶解されて、溶湯２０となる。

上記予熱工程は、溶解される金属材料１４を、溶解室２内で予備加熱される工程である。金属溶解炉１が、材料載置部９を有する場合、溶解室２内に装入される金属材料１４は、材料載置部９において、加熱手段により生じる熱（燃焼排気ガス）及び輻射熱等により予備加熱がされる。予備加熱が施されことにより、より効率的に金属材料１４の溶解を図ることができる。
また、金属溶解炉１が有する材料載置部９が、平面方向に対して、材料装入口１０から溶解槽１２に向けて、下方に傾斜する傾斜面である場合には、予備加熱により金属材料１４が、加熱されると、金属材料１４の表面部分が溶解し、自重により傾斜面を滑りながら、溶解槽１２に落ちる。そして、溶解槽１２に落下した金属材料１４は、溶解槽１２に収納されている溶湯２０中で、溶湯２０から生ずる加熱と加熱手段４から生ずる加熱により溶解される。

上記攪拌工程は、溶解室２内の炉内圧を変化させることにより、溶湯２０に揺動を生じさせて、その溶湯２０の揺動により、溶湯２０自体を攪拌する工程である。
また、溶解室２内の炉内圧の変化としては、溶解室２が有する炉内圧制御手段５により、溶解室２内の炉内圧を周期的に増減させる変化とすることができる。この攪拌工程における炉内圧の変化については、上述の金属溶解炉１における、炉内圧制御手段、炉内圧の変化、炉内圧の変化を生じさせる周期、及び、炉内圧の変化量に関する記載をそのまま適用することができる。

攪拌工程により、溶湯２０が攪拌されることにより、溶解室２内の溶湯２０を効率的に攪拌することができ、熱効率並びに溶解効率に優れる金属材料の溶解方法とすることができる。また、溶湯２０の揺動による攪拌は、溶湯全体の静かな揺動によるものであることから、ドロスや金属酸化物の発生が抑制され、それらの不純物の混入が少ない溶湯を得ることができる。

以下、図面を用いて実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例及び参照する図に何ら制約されるものではない。

［１］金属溶解炉
実施例１（図１〜４及び図５参照）
実施例１の金属溶解炉１は、溶解室２と２つの給湯室３ａ及び３ｂとを有し、溶湯接触側（溶解室２内部側）は耐蝕性耐火物を使用されると共に断熱材で形成され、保温構造を有している。
溶解室２と給湯室３ａ及び３ｂとは、仕切部８により区切られて形成されており、給湯室３の幅よりやや細い幅で形成された連通路７ａ及び７ｂにより、連通して設けられている。
また、給湯室３の反対方向となる、金属溶解炉本体の後ろ側には、溶解する金属材料１４を、溶解室２内に装入する材料装入口１０が設けられている。

金属溶解炉本体１の下部（底部）には、金属材料１４が加熱されて得られる金属溶湯２０を収納する、凹形状の溶解槽１２が設けられている。この溶解槽１２は、溶解室２の下部からなり、連通炉７ａ及び７ｂにより、給湯室３ａ及び３ｂと連通して設けられている。溶解槽１２を形成する面のうち、材料載置部９と接する面は、平面方向に対して３６度の角度で、材料装入口１０から給湯室３に向けて、下方に傾斜する傾斜面として設けられている。

また、溶解室２内において、材料装入口１０側には材料載置部９が設けられている。この材料載置部９は、加熱により金属材料の表面が溶解された場合に、溶解槽１２に滑り落ちるように、平面方向に対して４度の角度で、材料装入口１０から溶解槽１２に向けて、下方に傾斜する傾斜面として設けられている。

溶解室２を形成する天井部において、給湯口６より高い位置となる、給湯室３側の天井部には、加熱手段４（４ａ〜４ｄ）としてリジェネバーナが、直線上に等間隔で４つ設けられている。この加熱手段４は、材料載置部９に置かれる金属材料１４を予備加熱すると共に溶解槽１２に収納される溶湯２０及び金属材料１４を効率的に加熱するために、溶解室の中心方向に向けて設置されている。具体的には、加熱手段４が設置されている溶解室２を構成する天井部の給湯室側の面の一部を傾斜させることにより、溶解室の中心方向に向けて設置されている。これにより、リジェネバーナの火炎が、溶解室２の中心部に向けて放射され、溶湯２０の表面を均一に加熱することができる。

また、溶解室２を形成する天井部において、給湯口６より高い位置となる、材料装入部１０側の天井部には、円筒１００を介して図５に示される炉内圧制御手段５が１つ設けられている。
実施例１で設けられている炉内圧制御手段５としては、図５に示される開閉バルブＡを用いた。図５に示される開閉バルブＡは、溶解室２内部と連通する円筒１００内に設けられた１枚の円板状の板（円板）１０７からなる回転型の開閉バルブである。円板１０７は、円筒１００内において、直径軸を中心に回転可能な状態で固定されており、モータ（図示せず）により、直径軸を中心に間欠的に回転して、円筒１００内を間欠的に開閉する。そして、円板１０７を間欠的に回転させることにより円筒１００内及び熔解室２内部において、密閉状態と開放状態とを交互に間欠的に形成することができる。

実施例２（図６参照）
実施例２における金属溶解炉は、実施例１における図５に示される炉内圧制御手段５に代えて、炉内圧制御手段５として図６に示される開閉バルブＢを、図１及び図４に示されるように、給湯口６より高い位置となる、材料装入部１０側の天井部に円筒１００ａを介して設けられている。
図６に示される開閉バルブＢは、溶解室２内部と連通する円筒１００ａ上に設けられた２枚の板状のスライド１０４及び１０５からなるスライド型の開閉バルブである。スライド１０４は、モータ（図示せず）により横方向に対して左右に連続的に繰り返し摺動する。スライド１０４及び１０５は、それぞれ連通孔１０６ａ及び１０６ｂを有している。連通孔１０６ａ及び１０６ｂの位置は、スライド１０４が左右に摺動する際に、連通孔１０６ａ及び１０６ｂの一部が重なり合う位置に形成されている。これにより、スライド１０４及び１０５が有する連通孔１０６ａ及び１０６ｂの少なくとも一部が重なり合うことにより、溶解室２の内部と外部が間欠的に連通され、溶解室２の密閉状態が解除される。それにより、溶解室２内部の圧力が外部に開放される。

実施例３（図７参照）
実施例３における金属溶解炉は、炉内圧制御手段５として、実施例１での図５に示される開閉バルブに代えて、図７に示される開閉バルブＣを、図１及び図４に示されるように、給湯口６より高い位置となる、材料装入部１０側の天井部に円筒１００ａを介して設けられている。
図７に示される開閉バルブＣは、溶解室２内部と連通する円筒１００ａ上と円筒１００ｂの間に設けられた、２枚の同じ大きさの円板状の板（円板）１０１及び１０２からなる回転型の開閉バルブＡである。円板１０１及び１０２は、それぞれ２つの連通孔〔（１０３ａ、１０３ｂ）及び（１０３ｃ、１０３ｄ）〕を全く同じ位置に有する（直径上に、中心点から同じ距離の位置）。円板１０１及び１０２は密接して設けられており、上面の円板１０１は、中心を軸としてモータ（図示せず）により回転させることができ、円板１０２に対して摺動回転をする（図７Ｂ参照）。そして、図７Ｂを上から見た図７Ｃに示されるように、円板１０１が摺動回転することにより、円板１０１及び１０２が有する連通孔の少なくとも一部が重なり合うことにより、溶解室２の内部と外部が間欠的に連通され、溶解室２の密閉状態が解除される。それにより、溶解室２内部の圧力が外部に開放される。

実施例４（図８参照）
実施例４における金属溶解炉は、炉内圧制御手段５として、実施例１での図５に示される開閉バルブに代えて、図８に示される開閉バルブＤを、給湯口６より高い位置となる材料装入部１０側の天井部に円筒１００を介して設けられている（図１及び図４参照）。
図８に示される開閉バルブＤは、溶解室２内部と連通する円筒１００上に設けられた１枚の板の蓋部１０８からなる開閉型の開閉バルブである。蓋部１０８は、開閉可能な状態で、蓋部１０８の一端が円筒１００の上部に固定されている。蓋部１０８は、モータ（図示せず）等の動力により、円筒１００の上部開口部を開閉させる。蓋部１０８を間欠的に開閉させることにより円筒１００内及び熔解室２内部において、密閉状態と開放状態とを形成することができる。

［２］金属の溶解方法
実施例５
上記実施例１の金属溶解炉１を用いて、金属溶湯を調製した。また、本実施例に用いた金属溶解炉１は、溶解室２の容積が１５ｍ^３であり、アルミ溶解能力が２０００ｋｇ／ｈ、アルミ溶湯の保持量が１２，４００ｋｇ／ｈであった。また、リジェネバーナとしては、テラ・コーポレーション（豊通テクノ）社製、（型式名）「ＲＣ−１００Ｒ」を用いた。また、このリジェネバーナの仕様を以下に示す。尚、燃料としては、ＬＰＧガス（熱量：１１５．５３４ＭＪ／Ｎｍ^３）を用いた。
（１）定格燃焼量；８３７．２ＭＪ／ｈ
（２）使用温度；１０００℃以下
（３）溶解室２への供給圧力（排ガス及び空気の供給圧力）；０．４９ｋＰａ

金属材料として、大きさが約６５ｃｍ四方のアルミニウムのインゴット（５００kｇ）２個を順次、材料装入口１０より装入し、溶解室２内の材料載置部９に置き、加熱手段４のリジェネバーナにより、アルミニウムインゴットを加熱した。アルミニウムインゴットは、材料載置部９で予備加熱された後、溶解槽１２で溶解されて、アルミニウムの溶湯（９５０ｋｇ／０．５ｈ、０．３５ｍ^３／０．５ｈ）を得た。得られた溶湯は、溶解槽１２及び給湯室３に収容された。即ち、得られたアルミニウム溶湯は、１時間あたり、２０００ｋｇのアルミニウムインゴットに対して、１９５０ｋｇであった。

引き続き、連続的に、１時間あたり２０００ｋｇのアルミニウムを溶解して、溶湯を得るように、約３０分毎に、アルミニウムのインゴット（５００ｋｇ）２個を、材料装入口１０より装入し、溶解室２内に装入された金属材料１４は、材料載置部９において、加熱手段により生じる熱（燃焼排気ガス）及び輻射熱等により、予備加熱に供された。そして、予備加熱が施された、アルミニウムインゴットは、表面部分が溶解し、自重により材料載置部９（傾斜面）を滑りながら、溶解槽１２の溶湯中に落ち、溶湯中におけるリジェネバーナの加熱及び溶湯から生じる加熱により溶解されて、溶湯が連続的に製造された。溶湯は、揺動により、給湯室３ｂの給湯口３ｂから溢れ出して（オーバーフローして）、溶湯排出路３０を流れていき、保持室４０に保持された。
また、アルミニウム溶湯の製造において、溶解槽内のアルミニウム溶湯温度は７０９〜７３０℃、溶湯の昇温速度は１℃／分、溶解槽内の溶湯の上面の表面積（リジェネバーナから生ずる熱に直接的に接する溶湯の表面積（溶湯受熱面積））は１０．３ｍ^２であった。

また、溶解室２の天井部に設けられた上記開閉バルブＡにおいて、開閉蓋である円板１０７を５秒で１回転するように回転させて、間欠的に２．５秒間に１回、溶解室２内部と外部とを、１秒間連通させた。そして、溶解室２内の空気を外部に排出させ、２．５秒毎に１回１秒間、外気圧となるように、溶解室内の炉内圧を変化させた。アルミニウムインゴットを溶湯する際に、リジェネバーナの燃焼から生ずる燃焼圧力により、溶解室２内の圧力が高くなるが、２．５秒に１回、間欠的に、溶解室２内部と外部とを約１秒間連通させることにより、溶解室内の炉内圧を連続的に２．５秒の間隔（１サイクル）で変化させた。この場合の溶解室２内の最高炉内圧は、０．４９ｋＰａであった。

２．５秒毎に１回、連続的に溶解室２内の炉内圧を外気圧となるように変化させることにより、溶解室２（溶解槽１２）内の溶湯が揺動され、２．５秒毎に溶湯の液面が上下動をした。揺動による上下動の液面の高さの差は、溶解室２内では１２ｍｍであり、給湯室３内では１００ｍｍであった。また、２，５秒毎の揺動による上下動により、給湯口３ｂから溶湯排出炉３０に溢れ出した流出量は２．０２ｋｇ／２．５秒であり、その溶湯の温度（出湯温度）は７３０℃であった。また、実施例５において、１時間当たり２ｔのアルミニウムを溶解するのに必要なＬＰＧガスのガス消費量は、２５．４７Ｎｍ^３／ｈであった。尚、このＬＰＧガスのガス消費量の内訳は、

また、溶解槽１２及び給湯室３の溶湯の溶湯揺動量、溶解槽１２及び給湯室３の溶湯の溶湯攪拌量、及び溶解燃料原単位を以下のようにして算出し、得られた値を表１に示す。また、上記製造条件及び得られた結果等を表１に併記する。
（１）溶湯揺動量として、給湯室３における揺動による液面の上下動の高さの差から、１サイクル当たりの溶湯の揺動量を算出した。
溶湯揺動量；１．２ｍ^２（給湯口６の開口面積（給湯室３の底面積）の総和）×０．１ｍ（給湯室３における溶湯の上下動の液面の高さの差）×２,４００ｋｇ／ｍ^３（溶湯（アルミ）の比重)＝２８８ｋｇ／２．５秒
（２）溶湯攪拌量として、１分間における溶湯の揺動量を溶湯の攪拌量を算出した。
溶湯攪拌量；２８８ｋｇ（上記溶湯揺動量）×６０秒÷２．５秒／サイクル＝６，９００ｋｇ／ｍｉｎ
（３）溶解燃料原単位（ａ）としては、１ｔのアルミニウムを溶解するのに必要なＬＰＧガス量を算出した。
溶解燃料原単位（ａ）；２９４２．７５８ＭＪ／ｈ（ＬＰＧが１時間に燃焼して生ずる熱量の総量）÷２ｔ（１時間当たりの得られる溶湯量）÷１１５．５３４ＭＪ／Ｎｍ^３（ＬＰＧの発熱量）＝１２．７３５Ｎｍ^３／ｔ
（４）溶解燃料原単位（ｂ）としては、１ｔのアルミニウムを溶解するのに必要な熱量を算出した。
溶解燃料原単位（ｂ）；１２．７３５Ｎｍ^３／ｔ（上記溶解燃料原単位（ａ））×１１５．５３４ＭＪ／Ｎｍ^３＝１，４７１．３２５ＭＪ／ｔ

比較例１
アルミニウムの溶解能力が実施例５で用いた金属溶解炉と同じ２，０００ｋｇ／ｈである、通常用いられるタワー型の金属溶解炉を用いて、アルミニウム溶湯を製造した。
上記のタワー型の金属溶解炉は、煙道上部より材料投入の構造を有し、材料を予熱する機能を備える金属溶解炉である。また、上記のタワー型の金属溶解炉には、炉内圧制御手段はなく、炉内圧の変動による溶湯の揺動を生じさせる機能は有しない。

上記のタワー型の金属溶解炉に金属材料として、上記実施例５と同様にして、連続的に、１時間あたり２０００ｋｇのアルミニウムを溶解して、溶湯を得るように、約３０分毎に、約６５ｃｍ四方のアルミニウムインゴット（５００kｇ）２個を、タワー型の溶解炉に投入して、アルミニウム溶湯を連続的に製造した。得られたアルミニウム溶湯は、１時間あたり、２０００ｋｇのアルミニウムインゴットに対して、１８８０ｋｇであった。また、比較例１において、１時間当たり２０００ｋｇのアルミニウムを溶解するのに必要なＬＰＧガスのガス消費量は、６９．２０Ｎｍ^３／ｈであった。

［３］評価方法
上記実施例５及び比較例１において、以下のようにして、燃料効率、溶解原単価、使用ガス金額、アルミ溶解ロスを算出し、評価した。得られた結果を表２に示す。尚、ＬＰＧガスの単価は、１Ｎｍ^３当たり１６１円であった。
（ａ）燃料効率としては、「溶解したアルミニウム量（ｋｇ）／溶解に必要なＬＰＧガス量（ＬＰＧガス消費量）（Ｎｍ^３）」として、ＬＰＧガス１Ｎｍ^３当たりのアルミニウム溶解量を算出した。
実施例５；２０００［ｋｇ］／２５．４７［Ｎｍ^３］＝７８．５２［ｋｇ／Ｎｍ^３］
比較例１；２０００［ｋｇ］／６９．２０［Ｎｍ^３］＝２８．９０［ｋｇ／Ｎｍ^３］
（ｂ）溶解原単価としては、「ガス単価／（ａ）燃料効率」として、アルミニウム１ｋｇを溶解するのに必要なガスの費用を算出した。
実施例５；１６１［円／Ｎｍ^３］／７８．５２［ｋｇ／Ｎｍ^３］＝２．０５０［円／ｋｇ］
比較例１；１６１［円／Ｎｍ^３］／２８．９０［ｋｇ／Ｎｍ^３］＝５．５７１［円／ｋｇ］
（ｃ）使用ガス金額としては、「（ｂ）溶解原単価×溶解したアルミニウム量（ｋｇ）」として、１時間でアルミニウム２０００ｋｇを溶解するのに必要なガスの費用を算出した。
実施例５；２．０５０［円／ｋｇ］×２０００［ｋｇ／ｈ］＝４，１００［円／ｈ］
比較例１；５．５７１［円／ｋｇ］×２０００［ｋｇ／ｈ］＝１１，１４０［円／ｈ］
（ｄ）アルミ溶解ロスとしては、「［〔得られたアルミニウム溶湯量（ｋｇ）−原料として用いたアルミニウムインゴット量（ｋｇ）〕／原料として用いたアルミニウムインゴット量（ｋｇ）］×１００」として、ドロスや酸化物の副生、或いは燃焼されることによりアルミニウムの溶解の際に生じたロスを算出した。
実施例５；〔（２０００［ｋｇ］−１９５０［ｋｇ］）／２０００［ｋｇ］〕×１００＝２．５［％］
比較例１；〔（２０００［ｋｇ］−１８８０［ｋｇ］）／２０００［ｋｇ］〕×１００＝６［％］

［４］実施例の効果
以上より、本実施例の金属溶解炉１によると、金属材料１４を加熱手段４により、溶湯２０とする溶解室２、及び、溶解室２と連通し、給湯口６を有する給湯室３を備え、溶解室２は、給湯口６より高い位置に、加熱手段４と、溶解室２内の炉内圧を調節する炉内圧制御手段５と、を有し、炉内圧制御手段５により溶解室２内の炉内圧を変化させて溶湯２０を揺動させることから、溶解室２内の溶湯２０を効率的に攪拌することができ、熱効率に優れる金溶解炉とすることができ、金属溶湯を効果的に製造することができる。

また、加熱手段４がリジェネバーナである場合には、高温排気ガスの熱量を効果的に燃焼用空気に伝えることができ、熱効率に優れる。更に、リジェネバーナから生ずる燃焼圧力により溶解室２の炉内圧を効率的に加圧させることができ、溶解室の炉内圧変動を容易に行うことができる。

また、炉内圧制御手段５が、開閉バルブである場合には、効率的に溶解室２内の炉内圧を変動させることができ、炉内圧の変動から金属溶解炉１内の金属溶湯は揺動し、金属溶湯が攪拌されることにより、熱効率に優れる金溶解炉とすることができる。

また、表２の結果より、上記実施例の金属溶解炉１を用いて、金属材料１４を溶解室２に装入し、溶解室２に装入された金属材料１４を予備加熱する予熱工程と、金属材料１４を溶解して、溶湯２０を得る溶解工程と、溶解室２内の炉内圧を変化させて溶湯２０を揺動させる攪拌工程と、を備える本実施例の金属材料の溶解方法によると、ＬＰＧガスの消費量を低減することができ、燃料効率に優れる金属の溶解方法とすることができる。また、溶解原単価及び使用ガス金額の抑制に優れ、且つ、アルミ溶解ロスの抑制にも優れ、効率的に溶湯を得ることができる優れた金属材料の溶解方法とすることができる。

本発明の金属溶解炉及び金属の溶解方法は、金属溶湯を製造する技術として、広く利用される。特に、アルミニウムの金属溶湯の製造に有用である。

１；金属溶解炉本体、２；溶解室、３；給湯室、４（４ａ〜４ｄ）；加熱手段、５；炉内圧制御手段、６（６ａ〜６ｂ）；給湯口（給湯室の給湯口）、７（７ａ、７ｂ）；連通路、８；仕切部、９；材料載置部、１０；材料装入口、１２；溶解槽、１４；金属材料、２０；溶湯、３０；溶湯排出路、４０；保持室（溶湯受け部）。

Claims (6)

1. アルミニウムを含む金属材料を溶解して溶湯を製造する金属溶解炉であって、
   前記金属材料を加熱手段により、溶湯とする溶解室と、
   前記溶解室と連通し、給湯口を有する給湯室と、
   前記溶解室を構成する壁の一部に、閉塞可能とされた、前記溶解室内部に金属材料を装入できる材料装入口と、を備え、
   前記溶解室は、溶湯を収納する溶解槽を備えるとともに、前記溶解槽は、連通路により前記給湯室と連通して設けられており、
   前記溶解室は、前記溶解槽内の溶湯が前記連通路に充満されることにより密閉された空間を形成しており、
   前記溶解室は、前記給湯口より高い位置に、前記加熱手段と、炉内圧制御手段と、を有し、
   該溶解室の炉内を加圧する前記加熱手段と、該溶解室の炉内を減圧する炉内圧制御手段と、を備え、
   前記加熱手段は、該溶解室の炉内圧を加圧するリジェネレイティブバーナであり、
   前記炉内圧制御手段は、該溶解室の炉内圧を減圧する開閉バルブであり、
   前記加熱手段と前記炉内圧制御手段により前記溶解室内の炉内圧を変化させて前記溶湯を揺動させる溶湯攪拌機能を有することを特徴とする金属溶解炉。
2. 前記炉内圧制御手段が、０．５〜１０秒に１回の周期で炉内圧を減圧できる請求項１に記載の金属溶解炉。
3. 前記溶解室内に、前記金属材料が載置される載置部を備える請求項１又は２に記載の金属溶解炉。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の金属溶解炉を用いた、アルミニウムを含む金属材料の溶解方法であって、
   前記金属材料を溶解室に装入する装入工程と、
   前記溶解室に装入された前記金属材料を予備加熱する予熱工程と、
   前記溶解室内の炉内圧を変化させて、前記金属材料が溶解されてなる溶湯を揺動させる攪拌工程と、を備えることを特徴とする金属材料の溶解方法。
5. 前記攪拌工程では、前記炉内圧制御手段により、０．５〜１０秒に１回の周期で炉内圧を減圧する請求項４に記載の金属材料の溶解方法。
6. 前記攪拌工程では、前記炉内圧制御手段により、炉内圧を１回あたり２０〜１００Ｐａ減圧する請求項４又は５に記載の金属材料の溶解方法。

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