JP5905133B2

JP5905133B2 - ハイブリッド型金属溶解炉

Info

Publication number: JP5905133B2
Application number: JP2015018933A
Authority: JP
Inventors: 一文丹羽
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: JP2015108505A

Description

本発明は、金属溶解炉に関し、特にバーナーと電気的又は電磁的な加熱手段とを併用したハイブリッド型金属溶解炉に関するものである。

昨今、金属溶解の分野でも、地球環境保護の観点から二酸化炭素の排出量を低減することが求められている。また、電力による鋳鉄の溶解工程で電力使用量を抑制又は低減する新工法の開発が求められている。このような背景から、金属材料にバーナー火炎を直接噴射する連続溶解システムも提案されている。しかし、このシステムは同一の溶湯を大量使用する大規模工場への設置を想定したものであり、多材質少量で操業する中小規模の鋳物工場への導入には難がある。他方で、「少量多材質」の操業形態に対応すべく、高周波／中周波／低周波の誘導電流を利用したバッチ方式の金属溶解炉を導入する動きもあるが、世界情勢その他の不安定化により今後電力価格が上昇又は高止まりするとの観測もあり、１００％電力に依存しない高効率の溶解技術も求められている。

また昨今、自動車その他に使用される鋼材のハイテン化（高張力鋼化、つまり高マンガン含有率傾向）が進展し、鋳鉄の材料として再利用されるスクラップ材がマンガンその他の不純物元素で汚染されているという問題が持ち上がっている（鋳鉄業界ではこの状況を「スクラップ・ハイテン化による汚染」と呼ぶ）。このスクラップ・ハイテン化汚染のために、多くの鋳物工場では、従来通りのやり方でスクラップ材を用いたときに一般的な鋳鉄材質（例えばＦＣＤ４５０等）を規格通りに製造することが難しくなりつつある。

このような二酸化炭素排出抑制、低電力、少量多材質への対応、高効率、不純物除去可能を指向する時流にあって、これらの要求に柔軟に対応できる可能性を秘めたハイブリッド型金属溶解炉が注目されつつある。かかるハイブリッド型金属溶解炉の例としては、特許文献１（特開２０１１−１１７６４０号）の金属溶解炉があげられる。

特許文献１は、バーナーと電気ヒーターとを併用した金属溶解炉を開示する。より具体的には、この金属溶解炉は、筐体１３０内に収納された坩堝１１０と、坩堝内部の溶湯（アルミ溶湯）を保温するための電気ヒーター１８０と、坩堝に投入された被溶解金属（アルミ）を直火で溶解するためのバーナー２２０と、溶湯（アルミ溶湯）の不純物除去のための回転脱ガス装置３００とを備えている。

しかしながら、文献１の金属溶解炉にも種々の難点がある。例えば、そこで採用するバーナー２２０は、燃料ガスとして液化プロパンガス（ＬＰＧ）を、支燃ガス（助燃ガス）として空気を使用するものである。空気を使用するため火炎温度はあまり高くならず、空気中の窒素によって排気ガス体積が大きくなるため溶解効率もよくない。また、窒素酸化物が大量に排出されるという問題もある。更には、イ）不純物除去目的の回転脱ガス装置３００のような鋳鉄の溶解には不必要な機構を有する、ロ）電気ヒーターでは間接加熱になるため保温効率が良くない、ハ）保温炉自体に冷却機構が無く耐久性に難がある、ニ）被溶解材料がインゴッドに限定される、といった欠点もある。

特開２０１１−１１７６４０号公報

本発明の目的は、金属の溶解効率が高く、窒素酸化物の排出が少なく、特別な付帯設備無しでも不純物元素を極力除去可能であり、耐久性にも優れたハイブリッド型金属溶解炉を提供することにある。

本発明は、被溶解金属を収容すると共に上方に開口した坩堝と、前記坩堝を支持する支持筐体を構成する炉本体と、前記炉本体の上に設けられた炉蓋と、前記坩堝の上方に位置して坩堝内に火炎を噴射可能なバーナーと、坩堝内の金属に誘導電流を生じさせて誘導加熱するための誘導加熱手段と、を備えたハイブリッド型金属溶解炉において、
前記バーナーは、燃料ガスと、酸素濃度が２１mass％以上１００mass％以下である支燃ガスとを使用する酸素バーナーであり、
前記坩堝は、その深さ方向に沿って上下に並ぶ下半部領域と上半部領域とを有し、
前記坩堝の下半部領域に対応する位置には、前記誘導加熱手段としての誘導コイルが当該坩堝を包囲するように設けられ、
前記坩堝の少なくとも上半部領域に対応する位置には、当該坩堝の外側においてその全周を包囲するようにコイル状の冷却配管が設けられており、
前記炉蓋の内部には、冷却配管が設けられている、ことを特徴とするハイブリッド型金属溶解炉である。
なお、好ましくは、前記炉蓋の内部に設けられた冷却配管は、前記炉蓋の中央に垂直に立設されたバーナーの火炎噴射口を取り囲むように設けられている。

本発明のハイブリッド型金属溶解炉によれば、材料として溶解炉内に装入された被溶解金属の溶解には酸素バーナーの高温火炎を利用し、得られた金属溶湯の保温および昇温には誘導コイルによる誘導加熱を利用するという加熱源の使い分けが可能となる。それ故、少量多材質の取扱いにも柔軟に対応しつつ、金属溶湯の生産から出湯に到るまでの一連の操作を従来よりも効率化することができる。

特に本発明によれば、以下に列挙するような効果を得ることができる。
・酸素バーナーの使用による溶解効率の向上、
・酸素バーナーの使用による窒素酸化物の排出量の削減ないし低減、
・酸素バーナーの使用により、特別な付帯設備無しでも不純物元素をスラグとして極力除去可能であること、
・誘導コイルによる誘導加熱による、金属溶湯の保温および昇温の効率改善、
・坩堝の少なくとも上半部領域に対応する位置において当該坩堝を包囲する冷却配管を設けたことにより、酸素バーナーの採用にもかかわらず、耐久性を向上できること。

ハイブリッド金属溶解炉の概要を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。図１の金属溶解炉において炉蓋が開いた状態を示す平面図。図１の金属溶解炉の使用時（溶解処理時）を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での縦断面図。ハイブリッド金属溶解炉の別例を示す平面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２に示すように、一実施形態に係るハイブリッド型金属溶解炉は、略直方体形状の炉本体１０と、その炉本体１０の上に設けられた炉蓋２０とを備えている。

炉本体１０内には、被溶解金属および溶湯を収容するための坩堝１１が設けられており、炉本体１０は坩堝１１を支持する支持筐体を構成する。坩堝１１は、例えばアルミナ、シリカ、マグネシア等の耐火材で形成されている。なお、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、炉本体１０の上部前寄り位置には左右一対の水平支軸１２が設けられ、これら水平支軸１２は駆動手段Ｍと作動連結されている。駆動手段Ｍは、油圧駆動式、空圧駆動式又は電動式（例えば電動モータ）のいずれでもよく、駆動手段Ｍからの動力供給に基づいて、炉本体１０は水平支軸１２を回動中心軸として前後に傾動することができる。こうして、一対の水平支軸１２及び駆動手段Ｍは、坩堝１１を含む炉本体１０を傾動させる傾動機構を構成する。

炉本体１０内に支持された坩堝１１は、上方に開口したカップ形状をなすと共に、当該カップ形状の上端部から炉本体１０の前方壁に向かって延びる注ぎ口（出湯口１３）を有している。また、坩堝１１はその内部を、深さ方向に沿って上下に並ぶ下半部領域１１Ａと上半部領域１１Ｂとに二分することができる。本例では、下半部領域１１Ａと上半部領域１１Ｂとの境界としては、坩堝内で被溶解金属を溶解したときにできる溶湯の液面Ｌの位置（図３（ｂ）参照）を想定している。具体的には図１（ｂ）に示すように、溶湯の液面の位置（坩堝の底面からの高さｈ）が、坩堝の深さｄの５０％〜７０％の高さになることを想定している。つまり、坩堝の下半部領域１１Ａは坩堝の深さｄの５０％〜７０％の範囲を占め、坩堝の上半部領域１１Ｂは残りの範囲（即ち坩堝の深さｄの５０％〜３０％の範囲）を占める。なお、下半部領域１１Ａは「溶解領域」又は「溶湯の保持領域」と重なる。

炉本体１０内には、坩堝１１のほかに誘導コイル１４とコイル状の冷却配管１５とが設けられている。より具体的には、坩堝の下半部領域１１Ａに対応する高さ位置において、当該坩堝１１を包囲するように誘導コイル１４が設けられている。誘導コイル１４は図示しない交流電源と接続されており、その交流電源から供給される交流電流が誘導コイル１４を流れることで、誘導コイル１４の内部領域に高周波、中周波または低周波で連続的に変化する磁界が発生する。その結果、この連続変化する磁界の中に置かれた金属には誘導電流（例えば渦電流）が発生し、電気抵抗に基づくジュール熱が発生する。つまり誘導コイル１４は、坩堝内の金属に誘導電流を生じさせて当該金属を誘導加熱するための誘導加熱手段を構成する。

坩堝の上半部領域１１Ｂに対応する高さ位置において、当該坩堝１１を包囲するように冷却配管１５が設けられている。この冷却配管１５には、図示しない圧送ポンプによって冷却媒体（例えば冷却水や冷媒ガス）が流通ないし循環され、これによって坩堝の少なくとも上半部領域１１Ｂの壁部が強制冷却される。なお、図１の金属溶解炉では、坩堝の上半部領域１１Ｂに対応する高さ位置のみにコイル状の冷却配管１５を設けたが、坩堝の下半部領域１１Ａに対応する高さ位置にも同様にコイル状の冷却配管を設けてもよい。その場合には、坩堝の下半部領域１１Ａに対応する高さ位置に、誘導コイルと冷却配管とが併設されることになる。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、炉本体１０の後端部左寄り位置には垂直支軸１６が設けられ、その垂直支軸１６に取り付けられたアーム１７を介して炉蓋２０が垂直支軸１６に連結されている。その結果、炉蓋２０は、垂直支軸１６を中心として炉本体１０に対し水平面内で回動可能となっている。図１（ａ）は、炉蓋２０が坩堝１１の上部開口を閉じる閉塞位置に配置されたときを示し、図２は、炉蓋２０が水平回動されて坩堝１１の上部開口が開け放たれる開放位置に配置されたときを示す。

図１及び図２に示すように、炉蓋２０は、平面視円形状の蓋本体部２１と、炉蓋が閉塞位置に配置されるときに坩堝の出湯口１３の上方を覆う出湯口カバー部２２とを有している。炉蓋２０が閉塞位置に配置されるとき、炉内から外部への熱放出を抑制するため、炉蓋２０が坩堝１１の上端縁と密着することが好ましい。

炉蓋の蓋本体部２１の中央には酸素バーナー２３が垂直に立設されている。この酸素バーナー２３は、第１のガスボンベ（図示略）から燃料ガスの供給を受けると共に、第２のガスボンベ（図示略）から支燃ガスの供給を受けて火炎を発生する。燃料ガスとしては、例えばＬＰＧ、ＬＮＧがあげられる。支燃ガスとしては、例えば酸素濃度が２１mass％以上１００mass％以下（より好ましくは酸素濃度が８０mass％以上１００mass％以下）の高酸素濃度の酸素窒素混合ガスがあげられる。炉蓋２０が閉塞位置に配置されるとき、酸素バーナー２３はその火炎を坩堝内に向けて垂直に噴射し、坩堝内の金属を溶解する。その際、バーナーの火炎長は坩堝の底まで届く程度に長いことが好ましい。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、炉蓋の蓋本体部２１内には、酸素バーナー２３の火炎噴射口を取り囲むように冷却配管２５が設けられている。この冷却配管２５には、前記冷却配管１５と同様、冷却媒体が流通ないし循環される。このため、酸素バーナー２３から噴射される火炎がはね返って炉蓋２０の下面にあたった場合でも、炉蓋２０の溶損を極力回避することができる。

また図１（ｂ）に示すように、炉蓋２０には、蓋本体部２１を垂直に貫通する排気通路２６が設けられている。この排気通路２６は、炉内の排気ガス、ヒューム（煙）及び／又は粉塵を炉外に排出するための通路である。ただし、排気通路２６の途中には炉体の外において自動開閉弁２７が設けられ、この自動開閉弁２７は炉内（坩堝内）の内圧変化の状況に応じて排気通路２６を自動的に開閉する。

次に、本実施形態のハイブリッド型金属溶解炉の使用又は操作方法を説明する。
金属溶解に際しては先ず、溶解炉の坩堝１１内に、主材料としての鋼屑、銑鉄（例えば、鋳鉄、鋳鋼、ステンレス鋼、合金鋼など）、合金（Ｆｅ−Ｓｉ，Ｆｅ−Ｍｎ，Ｆｅ−Ｓなど）、並びに加炭材を投入する（図３（ａ）参照）。材料投入後、炉蓋２０を炉本体１０上の閉塞位置に配置すると共に、酸素バーナー２３に着火し、バーナー火炎にて主材料を直接溶解する（図３（ｂ）参照）。炉内に投入した主材料の溶解がほぼ完了したら、炉蓋２０を開けて追加の材料を投入し、炉蓋２０を閉めて再びバーナー火炎にて主材料を直接溶解する。この材料の投入およびバーナー火炎による溶解の操作を、坩堝１１内の溶湯量が目標レベル（例えば図３（ｂ）の溶湯液面Ｌのレベル）に達するまで繰り返す。尚、バーナー火炎での溶解中は、誘導コイル１４への通電は最小または無しの状態を保持する。また、バーナー溶解時に発生して溶湯表面付近を浮遊するスラグＳ（いわゆる「鉱滓」、一般に不純物元素を含む）については、炉蓋２０の開放時に工具を用いて除去するか、炉本体１０を適宜傾動させて出湯口１３から炉外へ流出することが望ましい。

目標量の溶湯を得たら、酸素バーナー２３からの火炎噴射を停止すると共に、誘導コイル１４への通電を開始し、溶湯成分の最終調整および出湯温度への昇温を行う。出湯温度への昇温が完了したら、炉蓋を開放すると共に炉本体１０を傾動させ、坩堝１１内の溶湯を出湯口１３を介して炉外へ出湯する。

金属溶解炉の不使用時（溶解処理を行わないとき）には、坩堝１１内を空にした状態で、又は、空の坩堝１１内に鉄製のパイプもしくは被溶解金属を敢えて装入した状態で、溶解炉を自然冷却する。なお、急激な冷却は、坩堝１１を形成する耐火材にクラックが入る原因となるので、避けるべきである。

［実施形態の効果］
（イ）本実施形態の金属溶解炉で用いられるバーナーは、高酸素濃度の支燃ガスを使用する酸素バーナー２３であるため、火炎温度が高い。また、排気ガスの体積が、空気を支燃ガスとする場合に比べて大幅に低減される（例えば支燃ガスが純酸素の場合、１／５程度に低減可能）。更に、空気を支燃ガスとする場合に比べて、窒素酸化物の排出を大幅に低減することができる。
（ロ）本実施形態によれば、不純物元素除去のための特別な付帯設備（例えば脱ガス装置）を設ける必要が無く、酸素バーナー２３を使用するだけで不純物元素を効率的に除去することができる。なぜなら、酸素バーナー２３の火炎による金属材料の直接瞬間溶解によって溶湯の中に比較的高温の部分と比較的低温の部分とが共存することとなり、Ｍｎ，Ｔｉ，Ｃｒ等の不純物元素の酸化物がスラグＳとなって溶湯の液面付近に浮き上がるからである。この浮遊スラグＳは、前述のような簡単な手法で容易に取り除くことができる。また、バーナー火炎の強度および炉内の雰囲気温度を調整することで、不純物元素の除去効率を適宜変更することも可能である。
（ハ）バーナー火炎による溶解後の溶湯の保温手段として、誘導コイル１４による誘導加熱を採用したので、溶湯の保温および加熱昇温の効率を高めることができる。
（ニ）本実施形態の金属溶解炉は冷却配管１５を備えているので、坩堝１１を形成する耐火材や炉体の耐久性ないし寿命を更に向上させることができる。特に本実施形態の金属溶解炉では、坩堝の上半部領域１１Ｂにコイル状の冷却配管１５を配設したので、酸素バーナー２３の採用による火炎温度の高温化にもかかわらず、坩堝１１ひいては炉体を高温火炎から効果的に保護することができる。

［変更例］
図４に示すように、炉蓋の蓋本体部２１に材料投入口２８を設けてもよい。このような材料投入口２８を設けることで、金属材料の溶解時に一々炉蓋２０を開放せずとも、炉蓋２０を閉塞位置に保ったまま、材料投入口２８を介して追加の材料を炉内に装入することができる。
図１〜図４の例では、酸素バーナーを１基だけとしたが、バーナーの設置数は２基以上の複数基であってもよい。また、図１〜図４の例では、炉蓋２０を水平方向への可動式としたが、これに代えて着脱式の炉蓋を採用してもよい。
酸素バーナー２３が火炎及び高温雰囲気に十分耐え得る構造を持つことは好ましい。例えば、酸素バーナー２３の噴射ノズルの周囲又は内部に、冷却水や冷却ガスを流通ないし循環させる冷却機構を設けてもよい。
図１〜図４の例では、水平支軸１２を左右一対としたが、両者を連設（一体化）した１本の水平支軸を採用してもよい。

１０…炉本体、１１…坩堝、１１Ａ…下半部領域、１１Ｂ…上半部領域、１４…誘導コイル、１５…コイル状の冷却配管、２０…炉蓋、２１…蓋本体部、２３…酸素バーナー、２５…炉蓋内の冷却配管、Ｌ…溶湯の液面、Ｓ…スラグ。

Claims

被溶解金属を収容すると共に上方に開口した坩堝と、
前記坩堝を支持する支持筐体を構成する炉本体と、
前記炉本体の上に設けられた炉蓋と、
前記坩堝の上方に位置して坩堝内に火炎を噴射可能なバーナーと、
坩堝内の金属に誘導電流を生じさせて誘導加熱するための誘導加熱手段と、
を備えたハイブリッド型金属溶解炉において、
前記バーナーは、燃料ガスと、酸素濃度が２１mass％以上１００mass％以下である支燃ガスとを使用する酸素バーナーであり、
前記坩堝は、その深さ方向に沿って上下に並ぶ下半部領域と上半部領域とを有し、
前記坩堝の下半部領域に対応する位置には、前記誘導加熱手段としての誘導コイルが当該坩堝を包囲するように設けられ、
前記坩堝の少なくとも上半部領域に対応する位置には、当該坩堝の外側においてその全周を包囲するようにコイル状の冷却配管が設けられており、
前記炉蓋の内部には、冷却配管が設けられている、ことを特徴とするハイブリッド型金属溶解炉。
前記炉蓋の内部に設けられた冷却配管は、前記炉蓋の中央に垂直に立設されたバーナーの火炎噴射口を取り囲むように設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型金属溶解炉。