JP5933696B2 - 金属溶解炉及び金属溶解炉における溶湯生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属溶解炉及び金属溶解炉における溶湯生成方法に関する。

地球温暖化防止の観点から二酸化炭素の排出削減を促進する技術は様々な分野で提案されている。金属を溶解して溶湯を生成する金属溶解炉においても、ガスなどの化石燃料の使用を極力抑えるために、電気エネルギーを併用するいわゆるハイブリッド型の金属溶解炉が存在する（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に開示されている金属溶解炉は、金属の溶解には熱効率の高いガスバーナーを用い、溶解によって生成された溶湯の保温には電気ヒーターを用いるハイブリッド型の金属溶解炉である。

図１１は、特許文献１に開示されている金属溶解炉９００を説明するために示す図である。特許文献１に開示されている金属溶解炉９００（以下では、単に「金属溶解炉９００」という場合もある。）は、本発明の出願人によって出願されたものであって、図１１に示すように、溶湯保温装置９１０と、燃焼装置９３０とを有している。溶湯保温装置９１０は、坩堝９１１と、坩堝９１１を収納する坩堝収納筐体９１２とを有している。

坩堝収納筐体９１２は、耐熱性部材でなる耐熱壁９１３と断熱性部材でなる断熱壁９１４とによる２重壁構造となっている。また、耐熱壁９１３の内壁面には、当該内壁面を一周するように帯状のヒーター（電気ヒーターとする。）９１５が複数本設けられている。

また、坩堝収納筐体９１２の上端部には、蓋体９１６が、坩堝９１１における開口部側の端部の外周を取り囲むように設けられている。この蓋体９１６は、保温室９１７の密閉性を保持する機能を有する。このような蓋体９１６を設けることによって、保温室９１７の保温効果を高めることができるとともに、燃焼装置９３０のバーナー９３４が作動している際に、バーナー９３４による燃焼熱及び燃焼ガスが保温室９１７に流入するのを防止することができる。

燃焼装置９３０は、燃焼装置筐体９３１と、燃焼装置筐体９３１の上端部に設けられたバーナー９３４とを有し、当該燃焼装置９３０は、溶湯保温装置９１０に対して着脱自在となっている。

燃焼装置筐体９３１は、耐熱性部材でなる耐熱壁９３２と断熱性部材でなる断熱壁９３３とによる２重壁構造を有している。そして、燃焼装置９３０が溶湯保温装置９１０に装着された状態（図１１に示す状態）となると、耐熱壁９３２と坩堝９１１の開口部と間には燃焼室９３５が形成される。

バーナー９３４は、坩堝１１０内に入れられたアルミニウムなどの被溶解金属９５０を直火で溶解するものであり、化石燃料として例えばＬＰＧ（液化プロパンガス）を燃料供給パイプ９３６から取り込むとともに燃焼に必要な空気を空気取り込み口９３７から取り込んでノズル９３８から火炎を発射する。

また、燃焼装置筐体９３１と坩堝収納筐体９１２との間には断熱材でなる耐熱性シール材９４０が設けられる。この耐熱性シール材９４０は、燃焼装置９３０を溶湯保温装置９１０に装着した状態としたときに、燃焼装置９３０を坩堝収納筐体９１２に設けられている蓋体９１６に密着させるためのものである。

このような耐熱性シール材９４０を設けることによって、燃焼装置９３０の燃焼室９３５の密閉性を高めることができる。これにより、バーナー９３４の燃焼熱を外部に逃さないようにすることができるので、被溶解金属９５０を溶解する際の熱効率を高めることができる。また、バーナー９３４の燃焼熱及び燃焼ガスが保温室９１７に流入するのを防止する効果をより高めることができる。

このように構成された金属溶解炉９００は、被溶解金属９５０の溶解には熱効率の高いバーナー９３４を用い、生成された溶湯の保温には電気ヒーター９１５を用いたハイブリッド型の金属溶解炉であるため、ガスバーナーだけを用いて溶解と保温とを行う金属溶解炉に比べれば二酸化炭素の排出量を大幅に削減することができる。また、金属溶解炉９００は、「坩堝」を用いたいわゆる坩堝式溶解炉である。坩堝式溶解炉は、連続式溶解炉とは異なり、坩堝の中に被溶解金属を入れて、坩堝を加熱することによって溶湯を生成するものである。このため、連続式溶解炉のような大量生産向きではないが、不純物除去装置などによる不純物除去作業を適切に行うことができ、高品質、多品種、少量生産に適した金属溶解炉である。

また、金属溶解炉９００は、ガスだけを用いた金属溶解炉に比べて、溶解効率が高いという特徴もある。すなわち、ガスだけを用いた金属溶解炉は、被溶解金属９５０を溶解する際の溶解初期においては、ガスの炎が各被溶解金属９５０の隙間に入り込んで行き、被溶解金属９５０は効率よく溶解して行くが、溶解が進んで溶湯が生成された状態となったときには、ガスの炎は溶湯の表面にしか当たらないこととなり、坩堝９１１の内部には熱が伝わりにくくなってしまうという課題がある。

これに対して、金属溶解炉９００は、坩堝９１１を電気ヒーター９１５によって加熱しているため、溶解効率が高いものとなる。これは、電気ヒーター９１５が溶湯を一定温度に保持するという機能だけでなく、溶解を早める機能をも有しているからである。また、坩堝９１１を保温するための熱源として電気ヒーター９１５を用いることにより、高精度な温度制御が可能となり、溶湯の温度を常に適切に保持できるという効果がある。

特開２０１１−１１７６４０号公報

上記したように、金属溶解炉９００は、優れた特徴を有するものであるが、さらなる改善を行うことによって、より優れた金属溶解炉とすることができる。

例えば、金属溶解炉９００は、図１１に示すように、大きく分けると、坩堝９１１を有する溶湯保温装置９１０と、バーナー９３４を有する燃焼装置９３０との２つ構造体からなり、これら溶湯保温装置９１０と燃焼装置９３０とが分割可能となっており、溶湯保温装置９１０に燃焼装置９３０を載置した状態で、坩堝９１１内の被溶解金属９５０を溶解させる構造となっている。

また、このような構造の金属溶解炉９００においては、燃焼装置９３０の重量が、坩堝９１１にも加わっている構造となっている。このような構造であると、坩堝９１１を損傷させてしまう場合もあり得る。すなわち、坩堝９１１は、黒鉛を圧縮焼成したいわゆる焼き物であるのが一般的であるため、損傷しやすいものであり、坩堝９１１に大きな重量が直接加わらないような構造とすることが好ましい。

また、金属溶解炉９００においては、燃焼装置９３０は高温にさらされる箇所であるため、当該燃焼装置９３０は十分な耐熱構造となっているが、燃焼装置９３０においても、溶解前の被溶解金属９５０の上端部（坩堝９１１からはみ出ている部分）には、バーナー９３４の炎が直接当たる。このため、燃焼装置９３０においてバーナー９３４のノズル９３８周辺は、特に高温となりやすく、熱による破損が進み易い個所であり、破損が進んだ状態となると、部分的に補修が必要となる場合もある。

金属溶解炉９００においては、溶湯保温装置９１０と燃焼装置９３０とは分割可能となっているが、燃焼装置９３０は１つの構造体である。このため、仮に、燃焼装置９３０のごく狭い範囲が熱によって破損した場合でも、燃焼装置９３０全体を取り外して補修したり、状況によっては、燃焼装置９３０全体を新規に作り直さなければならない場合もある。燃焼装置９３０全体を作り直すとなると、多くの日数や費用を要し、その間、操業停止となるといった事態にもなり兼ねない。

また、金属溶解炉９００が、上記したように、坩堝９１１を有する溶湯保温装置９１０とバーナー９３４を有する燃焼装置９３０との２つの構成要素からなっているため、溶解を行う際の溶解準備工程においては、燃焼装置９３０を溶湯保温装置９１０から取り外した状態として、坩堝９１１内に被溶解金属９５０を収納することとなる。

このとき、溶湯の生産効率を高くするために、１回の溶解作業において、より多くの溶湯を生成しようとすると、被溶解金属９５０を坩堝９１１の上部開口部からはみ出るほど収納するのが一般的である。このとき、被溶解金属９５０の垂直方向（ｚ軸に沿った方向）へのはみ出しは、ある程度許容されるが、水平方向（ｘｙ平面に沿った方向）へのはみ出しは大きく規制される。

これは、坩堝９１１に被溶解金属９５０を収納した状態で、燃焼装置９３０を溶湯保温装置９１０に載置しようとする際に、仮に、被溶解金属９５０が坩堝９１１の開口部から水平方向（ｘｙ平面に沿った方向）に所定量以上、はみ出していると、はみ出している部分が邪魔となって、燃焼装置９３０を溶湯保温装置９１０に載置できなくなってしまうからである。

したがって、被溶解金属９５０を坩堝９１１に収納する作業は、「燃焼装置９３０が溶湯保温装置９１０に載置できるように被溶解金属９５０を坩堝９１１に収納する」ということを常に念頭において、被溶解金属９５０を坩堝９１１に収納する必要がある。このため、被溶解金属９５０を収納する際の作業業性が悪く、結局は、被溶解金属９５０の収納量を坩堝９１１の容量に対して少なめにせざるを得ないといった課題がある。このため、坩堝９１１の容量を十分に生かすことできず、溶湯の生産性の低下につながってしまうこととなる。

そこで本発明は、メンテナンス性の向上及び高寿命化を図るとともに、溶解効率の向上と溶湯の生産性向上を図ることができる金属溶解炉及び金属溶解炉における溶湯生成方法を提供することを目的とする。

［１］本発明の金属溶解炉は、被溶解金属が投入されるとともに前記被溶解金属が溶解された溶湯を保温した状態で保持する坩堝を備える金属溶解炉であって、上下方向において所定の高さの有底容器状をなす第１炉壁と、当該第１炉壁の内壁面に設けられて前記溶湯を保温可能とするヒーターとを有し、前記坩堝を当該坩堝の開口側外壁面が前記第１炉壁の上面から所定量だけ露出するように収納する溶湯保温装置と、前記溶湯保温装置に着脱自在に載置可能なリング形状の第２炉壁を有し、前記溶湯保温装置に載置された状態においては、前記第２炉壁の内壁面が前記坩堝の開口側外壁面の外周に沿って圧接状態で支持することにより前記坩堝を固定する坩堝固定リングと、前記坩堝固定リングに着脱自在に載置可能なリング形状の第３炉壁を有し、当該第３炉壁の内径が前記坩堝の開口側端部の外径と同じかわずかに大きい内径を有する補助リングと、前記補助リングに着脱自在に載置可能であって、上下方向において前記第１炉壁の高さよりも低い高さを有し、中央部に所定の空間部を有する第４炉壁と、前記空間部に設けられて前記坩堝に投入された被溶解金属を直火で溶解するためのバーナーとを有する燃焼装置と、をさらに備えることを特徴とする。

本発明の金属溶解炉は、溶湯保温装置、坩堝固定リング、補助リング及び燃焼装置の各構造体を積み重ねた４層構造となっており、かつ、これら各構造体は、それぞれが分離可能な構造となっている。このように、本発明の金属溶解炉は、特許文献１に開示されている金属溶解炉９００に比べると、より細分化された構造となっている。このため、仮に、これらの構造体のうちの、ある構造体に補修又は交換する必要が生じた場合における補修又は交換作業をし易くすることができる。
なお、第１炉壁、第２炉壁、第３炉壁及び第４炉壁はそれぞれ耐熱及び断熱性部材で形成されている（詳細は後述の実施形態参照。）。

特に、この種の金属溶解炉においては、燃焼装置周辺は、高温に晒されるため、熱による破損が進み易い個所である。本発明の金属溶解炉においては、高温に晒され易い箇所は、燃焼装置と補助リングとの２つの構造体とし、これらを個々に分割可能となっている。このため、熱による破損が進んで、補修又は交換が必要となった場合、補修又は交換が必要な構造体のみを取り出して、補修又は交換を行うことができる。例えば、補助リングが損傷した場合には、補助リングのみを補修又は交換すればよいため、メンテナンス性を向上させることができる。

このように、金属溶解炉を細分化することにより、個々の構造体の代わりを用意しておくことも比較的容易であり、それによって、長期間に渡って操業停止する必要がなくなるため、生産に支障をきたすことが無くなる。

また、本発明の金属溶解炉は、ハイブリッド型の金属溶解炉である。このため、本発明の金属溶解炉によれば、被溶解金属の溶解を行う際は、バーナーによる直火により被溶解金属の溶解を行い、溶解によって生成された溶湯の保温はヒーターによって行うことができる。また、ヒーターは溶湯を保温するという機能だけでなく、溶解を早める機能をも有しているため、効率のよい溶湯生成を可能としながらも二酸化炭素の排出削減が可能となる。

また、本発明の金属溶解炉は、燃焼室と保温室とが同じではなく、それぞれが独立した空間であるので、ヒーターがバーナーの燃焼熱や燃焼ガスに晒されることがなく、燃焼熱や燃焼ガスによるヒーターの劣化を防止することができ、ヒーターの長寿命化が可能となるといった効果も得られる。

また、本発明の金属溶解炉においては、補助リングにおける第３炉壁の内径は、坩堝の開口側上端部の外径と同じかわずかに大きい内径を有している。補助リングをこのような構造とすることにより、補助リングを坩堝固定リングに載置した状態としたときに、補助リングの重量が坩堝に加わることがなくなる。すなわち、坩堝固定リングは、坩堝の開口側外壁面を当該開口側外壁面の外周に沿って圧接状態で支持することによって前記坩堝を固定するものであるため、当該坩堝固定リングに補助リングを載置したとしても、補助リングの重量が坩堝に加わることがない。これによって、坩堝に大きな重量が加わることによる坩堝の損傷を防止することができ、坩堝を長寿命とすることができる。
このように、本発明によれば、メンテナンス性の向上及び高寿命化を図るとともに、溶解効率の向上と溶湯の生産性向上を図ることができる金属溶解炉とすることができる。

［２］本発明の金属溶解炉によれば、前記坩堝固定リングにおける第２炉壁の内壁面と前記坩堝の開口側外壁面との間には、所定の隙間が形成され、当該隙間には耐熱性部材でなる坩堝固定シールが前記坩堝の開口側外壁面を一周するように埋め込まれていることが好ましい。

このような構造となっているため、坩堝の開口側外壁面は、坩堝固定シールを介して坩堝固定リングにより確実に支持された状態となる。このため、保温室にバーナーの燃焼熱や燃焼ガスが入り込むのを防ぐことができる。それによって、ヒーターがバーナーの燃焼熱や燃焼ガスに晒されることがなくなり、燃焼熱や燃焼ガスによるヒーターの劣化を防止することができ、ヒーターの長寿命化が可能となる。

［３］本発明の金属溶解炉においては、記第２炉壁の内壁面は、前記隙間が当該第２炉壁の上面から下面に向かうにしたがって狭くなるような傾斜面となっていることが好ましい。

このような構造となっているため、坩堝の開口側外壁面との間に形成される隙間に埋め込まれる坩堝固定シールの断面形状は、下部が狭小の「くさび型」となる。これにより、坩堝固定リングに載置される補助リング及び燃焼装置の重量によって、坩堝固定シールが下方向に移動しようとすることによる水平方向への押圧力（坩堝の開口側外壁面を押圧する力）が働くため、前記坩堝固定リングと坩堝との密着性をより高めることができる。それによって、保温室にバーナーの燃焼熱や燃焼ガスが入り込むのを防ぐ効果をより高めることができる。

［４］本発明の金属溶解炉においては、前記坩堝固定リングにおける前記第２炉壁の下面と前記溶湯保温装置における前記第１炉壁の上面との間には、耐熱性部材でなるリング形状の溶湯保温装置シールが敷設されており、当該溶湯保温装置シールは、前記第１炉壁の上面において当該上面の全周に渡って敷設されていることが好ましい。

このような構造とすることにより、坩堝固定リングと溶湯保温装置とを密着させることができるため、保温室の密閉度を高めることができる。すなわち、このような溶湯保温装置シールを第１炉壁の上面に敷設した状態で、坩堝固定リングを載置すると、溶湯保温装置シールは坩堝固定リングの重量によって押圧された状態となるため、坩堝固定リングにおける第２炉壁及び溶湯保温装置における第１炉壁の上面が鏡面ではなく多少の「ざらつき」を有したり、多少の凹凸を有したりしていても、これら「ざらつき」や凹凸を吸収して坩堝固定リングと溶湯保温装置とを密着状態とすることができる。

［５］本発明の金属溶解炉においては、前記第１炉壁は、金属ケースに収納され、前記第１炉壁を前記金属ケースに収納した状態としたときに、当該金属ケースの上端辺が前記第１炉壁の上面よりもわずかに突出することによる突出壁が形成され、前記溶湯保温装置シールは、当該溶湯保温装置シールの外周が前記突出壁に沿うように前記第１炉壁の上面に敷設されていることが好ましい。

このような構造とすることにより、金属ケースの突出壁が溶湯保温装置シールの敷設をガイドする役目と、敷設したあとの位置ずれを防止する役目とをなすため、溶湯保温装置シールを敷設する際の位置決めを適切に行うことができるとともに、溶湯保温装置シールが第１炉壁上で水平方向にずれることを防止できる。すなわち、溶湯保温装置シールを第１炉壁の上面に敷設したときに、当該溶湯保温装置シールの外周面が金属ケースの突出壁における内周面に当接した状態となるため、溶湯保温装置シールは、水平方向への動きが規制され、それによって、溶湯保温装置シールが水平方向にずれないようにすることができる。

［６］本発明の金属溶解炉においては、前記坩堝固定リングにおける前記第２炉壁の上面と前記補助リングにおける前記第３炉壁の下面との間には、耐熱性部材でなるリング形状の補助リングシールが敷設されており、当該補助リングシールは、前記第２炉壁の上面の全周に渡って敷設されていることが好ましい。

このような構造とすることにより、坩堝固定リングと補助リングとを密着させることができるため、補助リングで囲まれる空間（燃焼室）の密閉度を高めることができる。この場合も、補助リングシールを坩堝固定リングの上面に敷設した状態で、補助リングを載置すると、補助リングシールは補助リングの重量によって押圧された状態となるため、坩堝固定リングの上面及び補助リングの下面が鏡面ではなく多少の「ざらつき」を有したり、多少の凹凸を有したりしていても、これら「ざらつき」や凹凸を吸収して坩堝固定リングと補助リングとを密着状態とすることができる。

［７］本発明の金属溶解炉においては、前記坩堝固定リングにおける前記第２炉壁の上面と前記補助リングにおける前記第３炉壁の下面との間には、前記補助リングシールの外径と同等の内径を有する開口部が形成されたリング状の補助リングシール受け板が敷設されており、前記補助リングシール受け板の前記開口部の縁部には、前記補助リングシールの敷設をガイドするための補助リングシールガイド壁が前記開口部の縁部に沿うように形成され、当該補助リングシールガイド壁は、前記補助リングシールの厚み寸法よりも低い高さを有し、前記補助リングシールは、当該補助リングシールの外周が前記補助リングシールガイド壁の内周に沿うように前記坩堝固定リングにおける第２炉壁の上面に敷設されていることが好ましい。

このような補助リングシール受け板を設けることにより、当該補助リングシール受け板が補助リングシールの敷設をガイドする役目と、敷設したあとの位置ずれを防止する役目とをなすため、補助リングシールを敷設する際の位置決めを適切に行うことができるとともに、補助リングシールが坩堝固定リング上で水平方向にずれることを防止できる。

［８］本発明の金属溶解炉においては、前記補助リングにおける前記第３炉壁の上面と前記燃焼装置における前記第４炉壁の下面との間には、耐熱性部材でなるリング形状の燃焼装置シールが敷設されており、当該燃焼装置シールは、前記第３炉壁の上面の全周に渡って敷設されていることが好ましい。

このような構造とすることにより、補助リングと燃焼装置とを密着させることができるため、補助リングで囲まれる空間（燃焼室）の密閉度を高めることができる。この場合も、燃焼補助リングシールを補助リングの上面に敷設した状態で、燃焼装置を載置すると、補助リングシールは燃焼装置の重量によって押圧された状態となるため、補助リングの上面及び燃焼装置の下面に多少の「ざらつき」を有したり、多少の凹凸を有したりしていても、これら「ざらつき」や凹凸を吸収して補助リングと燃焼装置とを密着状態とすることができる。

［９］本発明の金属溶解炉においては、前記補助リングにおける第３炉壁の上面と前記燃焼装置における前記第４炉壁の下面との間には、前記燃焼装置シールの外径と同等の内径を有する開口部が形成されたリング状の燃焼装置シール受け板が敷設されており、前記燃焼装置シール受け板の前記開口部の縁部には、前記燃焼装置シールの敷設をガイドするための燃焼装置シールガイド壁が前記開口部の縁部に沿うように形成され、当該燃焼装置シールガイド壁は、前記燃焼装置シールの厚み寸法よりも低い高さを有し、前記燃焼装置シールは、当該燃焼装置シールの外周が前記燃焼装置シールガイド壁の内周に沿うように前記第３炉壁の上面に敷設されていることが好ましい。

このような燃焼装置シール受け板を設けることにより、当該燃焼装置シール受け板が燃焼装置シールの敷設をガイドする役目と、敷設したあとの位置ずれを防止する役目とをなすため、燃焼装置シールを敷設する際の位置決めを適切に行うことができるとともに、燃焼装置シールが補助リング上で水平方向にずれることを防止できる。

［１０］本発明の金属溶解炉においては、前記坩堝の開口側外壁面の温度を検出する坩堝上部温度センサーを有することが好ましい。

これにより、坩堝の外壁面における上部（開口側外壁面）の温度を測定することができる。この場合、坩堝の内部の溶湯の温度を直接計測するものではないが、当該坩堝上部温度センサーによる計測結果に基づいて坩堝内における上部の溶湯の温度を推測することができ、当該計測結果に基づいて、ヒーターなどの制御を行うことにより、溶湯の温度管理などを適切に行うことができる。

［１１］本発明の金属溶解炉においては、前記坩堝の底部外壁面の温度を検出する坩堝底部温度センサーを有することを特徴とする金属溶解炉。

これにより、坩堝の底部外壁面の温度を測定することができる。この場合も、坩堝の内部の溶湯の温度を直接計測するものではないが、当該坩堝底部温度センサーによる計測結果に基づいて坩堝内における下部の溶湯の温度を推測することができ、当該計測結果に基づいて、ヒーターなどの制御を行うことにより、溶湯の温度管理などを適切に行うことができる。なお、当該坩堝底部温度センサーによる計測結果と坩堝上部温度センサーによる計測結果に基づいて、ヒーターなどの制御を行うことにより、溶湯の温度管理などをより適切に行うことができる。

［１２］本発明の金属溶解炉においては、前記坩堝に保持されている溶湯の温度を検出する溶湯温度センサーを有することが好ましい。

これにより、坩堝に保持されている溶湯の温度を直接計測することができ、当該溶湯温度センサーによる計測結果に基づいて、坩堝内の被溶解金属の溶解の度合いなどを適切に知ることができる。

［１３］本発明の金属溶解炉においては、前記ヒーターは、電気ヒーターであることが好ましい。

ヒーターを電気ヒーターとすることにより、溶湯を加熱・保温する場合、電気ヒーターが二酸化炭素の直接の排出源とはならないため、二酸化炭素の排出削減に大きく寄与できる。また、電気ヒーターは制御が容易であり、かつ、微調整も可能であるため、溶湯の加熱・保温を行う際に、溶湯の温度制御を高精度に行うことができる。

［１４］本発明の金属溶解炉においては、前記燃焼装置及び前記補助リングのうちの少なくとも燃焼装置が取り外された状態で前記坩堝に保持されている溶湯に浸漬可能な不純物除去装置をさらに有することが好ましい。

このような不純物除去装置を設けることにより、坩堝内の溶湯に含まれる水素ガスなどの不純物を除去することができ、溶湯を高品質なものとすることができる。また、要求される品質基準に達するまで不純物除去処理を繰り返し行うこともできる。これにより、溶湯中の不純物を確実に除去することができる。

［１５］本発明の金属溶解炉においては、前記不純物除去装置は、先端部に回転体を有し、当該回転体が前記溶湯の中で回転しながらマイクロバブル化した不活性ガスを発生する回転式の脱ガス装置であることが好ましい。

この不純物除去装置は、回転体が回転しながらマイクロバブル化した不活性ガスを溶湯中に発生させて、不純物をマイクロバブルに付着させて浮上させるものである。このような不純物除去装置を用いることにより、水素ガスなどの不純物を効率的に除去することができるため、高品質な溶湯を生成することができる。

［１６］本発明の金属溶解炉における溶湯生成方法は、［１］〜［１５］のいずれかに記載の金属溶解炉を用いた金属溶解炉における溶湯生成方法であって、前記被溶解金属を前記坩堝に投入する被溶解金属投入工程と、前記燃焼装置のバーナーによって直火で前記被溶解金属を溶解させる溶解工程と、前記坩堝の内部における溶湯を前記ヒーターによって所定温度に保温した状態で保持する溶湯保温工程と、を有することを特徴とする。

このように、本発明の金属溶解炉における溶湯生成方法は、［１］〜［１５］のいずれかに記載の金属溶解炉を用いて溶湯生成を行うものである。このような金属溶解炉を用いて溶湯生成を行う際は、被溶解金属投入工程と、燃焼装置を溶湯保温装置に装着して被溶解金属を溶解させる溶解工程と、坩堝内における溶湯を保温した状態で保持する溶湯保温工程とをこの順序で行う。このような工程を行うによって、効率のよい溶湯生成を可能とする。また、［１］〜［１５］のいずれかに記載の金属溶解炉を用いているため、［１］〜［１５］のいずれかに記載の金属溶解炉が有する効果と同様の効果を有する。

［１７］本発明の金属溶解炉における溶湯生成方法においては、前記溶解工程には、前記バーナーによって直火で前記被溶解金属を溶解させながら前記ヒーターによって加熱する「バーナー・ヒーター併用の溶解・加熱工程」が含まれ、前記坩堝の所定部分の温度が第１設定温度に達したら、前記「バーナー・ヒーター併用の溶解・加熱工程」に移行し、当該「バーナー・ヒーター併用の溶解・加熱工程」において前記坩堝の所定部分の温度が前記第１設定温度よりも高い第２設定温度に達すると、当該「バーナー・ヒーター併用の溶解・加熱工程」から前記溶湯保温工程に移行することが好ましい。

このような工程を行うことにより、被溶解金属を溶解させて溶湯するまでに必要な燃料消費量及び溶解時間を大幅に抑制することができる。

［１８］本発明の金属溶解炉における溶湯生成方法においては、前記溶湯に含まれる不純物を除去する不純物除去工程をさらに有することが好ましい。

このような不純物除去工程を設けることにより、溶湯内に含まれる水素ガスなどの不純物を除去することができ、溶湯を高品質なものとすることができる。

［１９］本発明の金属溶解炉における溶湯生成方法においては、前記溶湯保温装置に前記坩堝固定リングを載置した状態の坩堝固定リング付き溶湯保温装置をｎ（ｎは２以上の整数）台準備するとともに、前記補助リング及び燃焼装置をそれぞれ１台ずつ準備して、前記ｎ台の坩堝固定リング付き溶湯保温装置を第１〜第ｎの坩堝固定リング付き溶湯保温装置としたとき、前記第１〜第ｎの坩堝固定リング付きの溶湯保温装置のうちの第１の坩堝固定リング付き溶湯保温装置に前記補助助リング及び燃焼装置を載置して、当該第１の坩堝固定リング付き溶湯保温装置において前記被溶解金属投入工程と、前記溶解工程と、前記溶湯保温工程とを行い、これを第ｎの坩堝固定リング付き溶湯保温装置まで順番に行ことが好ましい。

このようにすることにより、本発明のような坩堝式溶解炉においても、連続溶解炉と同様に連続的な溶湯の生成作業と溶湯の汲み出し作業とを行うことが可能となり、連続溶解炉と遜色のない高い生産性を得ることができる。

実施形態に係る金属溶解炉１０の外観を示す斜視図である。 図１における金属溶解炉１０のＡ−Ａ線矢視断面図である。 坩堝固定リング２００の一部と坩堝１１０の開口側上端部を拡大して示す図である。 補助リングシール受け板３６０を取り出して示す図である。 実施形態に係る金属溶解炉１０を用いて溶湯を生成する際の溶湯生成方法の各工程を説明するために示す図である。 実施形態に係る金属溶解炉１０を用いて溶湯を生成する際の溶湯生成方法の各工程を説明するために示す図である。 実施形態に係る金属溶解炉１０を用いて溶湯を生成する際の溶湯生成方法の各工程を説明するために示す図である。 実施形態に係る金属溶解炉１０を用いて実際に被溶解金属６００の溶解作業を行った場合の溶解効率を説明するために示す図である。 実施形態に係る金属溶解炉１０における溶湯生成方法の他の例を示す図である。 溶湯の温度測定を行うための温度センサー挿入孔３４０の設置箇所の変形例について説明するために示す図である。 特許文献１に開示されている金属溶解炉９００を説明するために示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、実施形態に係る金属溶解炉の外観を示す斜視図である。実施形態に係る金属溶解炉１０は、溶湯保温装置１００と、坩堝固定リング２００と、補助リング３００と、燃焼装置４００と、回転脱ガス装置５００とを有している。

なお、実施形態に係る金属溶解炉１０においては、溶湯保温装置１００、坩堝固定リング２００、補助リング３００、燃焼装置４００及び回転脱ガス装置５００を含めて「金属溶解炉１０」としているが、回転脱ガス装置５００を除く溶湯保温装置１００、坩堝固定リング２００、補助リング３００及び燃焼装置４００の４つの構成要素について説明する場合には、これらをひとまとめとして「溶解炉本体１０Ａ」として説明する。

図２は、図１における溶解炉本体１０ＡのＡ−Ａ線矢視断面図である。図１及び図２ により実施形態に係る金属溶解炉１０の構成を詳細に説明する。

溶湯保温装置１００は、坩堝１１０と、耐熱及び断熱部材でなる第１炉壁１２０と、第１炉壁１２０を取り囲む金属ケース１３０とを有している。

第１炉壁１２０は、上下方向において所定の高さを有する有底容器形状をなしており、耐熱壁１２１と当該耐熱壁１２１の外側に設けられている断熱壁１２２とからなる。耐熱壁１２１は、耐熱レンガなどの耐熱性部材でなり、断熱壁１２２は、セラミックなどの断熱性部材でなる。

このように構成された第１炉壁１２０の内部には、坩堝１１０が収納され、第１炉壁１２０の内壁面すなわち耐熱壁１２１の内壁面と坩堝１１０との間には保温室１５０が形成される。また、耐熱壁１２１の内壁面における底面中央部には坩堝１１０を載置するための坩堝設置台１６０が設けられている。

坩堝１１０は黒鉛を圧縮焼成したいわゆる焼き物である。この坩堝１１０は坩堝設置台１６０にセラミックブランケットなどの耐熱性シート１７０を介して設置されている。また、坩堝１１０の底部外壁面には、坩堝１１０の底部外壁面の温度を測定可能な温度センサー（坩堝底部温度センサーという。）ＴＳ１が設けられている。

坩堝底部温度センサーＴＳ１は、溶湯保温装置１００の外部から耐熱壁１２１の底面に沿って配設されたのち、中途部が９０度の角度で折り曲げられて、坩堝設置台１６０の側面に沿うように配設され、その後、先端部が９０度の角度で折り曲げられて、当該折り曲げられた先端部（先端折り曲げ部Ｐ１という）が坩堝設置台１６０の上面に沿うように配置される。そして、坩堝底部温度センサーＴＳ１の先端折り曲げ部Ｐ１は、耐熱性シート１７０と坩堝１１０の下面側外壁面との間に挟まれるように配設されている。なお、坩堝底部温度センサーＴＳ１の先端折り曲げ部Ｐ１の折り曲げ長さは、数１０ｍｍ程度としている。

このように、坩堝底部温度センサーＴＳ１の先端折り曲げ部Ｐ１が、坩堝１１０の下面側外壁面と耐熱性シート１７０との間に挟まれた状態となるため、先端折り曲げ部Ｐ１は坩堝１１０の下面側外壁面に密着状態となり、坩堝１１０の下面側外壁面の温度を高精度に測定可能となる。

ところで、溶湯保温装置１００における耐熱壁１２１の上面と断熱壁１２２の上面とによって形成される面（この面のことを第１炉壁１２０の上面という場合もある。）は、全体的には同一平面となっているが、鏡面ではなく耐熱壁１２１及び断熱壁１２２のザラツキなどにより多少の凹凸も存在する。そして、坩堝１１０は、当該坩堝１１０の開口側外壁面が所定量だけ露出するように当該坩堝１１０の開口側端部１１０ａが第１炉壁１２０の上面よりも、坩堝固定リング２００の上下方向の高さ（ｚ軸に沿った方向の高さ）ｈ１に相当する分だけ上方に突出した状態で、溶湯保温装置１００内に設置されている。

また、第１炉壁１２０の内壁面すなわち耐熱壁１２１の内壁面には、当該内壁面に沿って一周するように帯状のヒーター（電気ヒーターとする。）１８０が設けられている。この電気ヒーター１８０は、坩堝１１０全体を均等に加熱・保温できるように耐熱壁１２１の内壁面における上下方向に所定間隔を置いて複数本設けられている。実施形態に係る金属溶解炉１０においては４本の電気ヒーター１８０が設けられている。

電気ヒーター１８０は、輻射熱により坩堝１１０内の溶湯を加熱・保温するものであるため、坩堝１１０と電気ヒーター１８０とが接触しない程度に、限りなく坩堝１１０に接近した状態で設けられることが熱効率という点で好ましい。ただし、坩堝１１０の交換時などにおいて、坩堝１１０を溶湯保温装置１００から取り出す際に坩堝１１０が電気ヒーター１８０に接触しない程度の間隔を設けることも必要である。

金属ケース１３０は、鉄などによって形成されており、外観形状は有底円筒形状をなしている。この金属ケース１３０は、外周面の上端部に、水平方向に突出する鍔部１３１が当該金属ケース１３０の外周に沿って形成されている。また、鍔部１３１にはガイドピンＧＰを挿入するためのガイドピン挿入孔（図示せず。）が例えば４箇所に均等間隔で設けられている。

また、金属ケース１３０の外周面には、溶湯保温装置１００をクレーンなどによって吊り上げる際に用いるフック１３３（図１参照。）が例えば４箇所に均等間隔で設けられている。

また、第１炉壁１２０の上面には、リング状の溶湯保温装置シール１９０が設けられている。溶湯保温装置シール１９０は、坩堝固定リング２００を溶湯保温装置１００に載置したときに、坩堝固定リング２００と溶湯保温装置１００とを密着させるためのものであり、その外径は、金属ケース１３０の内径とほぼ同じとする。なお、溶湯保温装置シール１９０の材質は、耐熱性、気密性及びクッション性に優れた材質であれば特に限定されるものではないが、セラミックロープなどを好ましく用いることができる。

また、金属ケース１３０の上端部（鍔部１３１の上面）と第１炉壁１２０の上面との間には、溶湯保温装置シール１９０の厚みの寸法よりもわずかに低い段差が設けられている。このような段差を設けることにより、金属ケース１３０の上端部が突出壁となるため、この突出壁が溶湯保温装置シールの敷設をガイドする役目と、敷設したあとの位置ずれを防止する役目とをなす。

このような段差を設けることにより、溶湯保温装置シール１９０を敷設する際の位置決めを適切に行うことができるとともに、溶湯保温装置シール１９０が第１炉壁１２０上で水平方向にずれることを防止できる。すなわち、溶湯保温装置シール１９０を第１炉壁１２０の上面に敷設したときに、当該溶湯保温装置シール１９０の外周面が金属ケース１３０の突出壁における内周面に当接した状態となるため、溶湯保温装置シール１９０は、ｘｙ平面上での動きが規制され、それによって、溶湯保温装置シール１９０がｘｙ平面上でずれないようにすることができる。

このように、溶湯保温装置シール１９０を第１炉壁１２０の上面に敷設した状態で、坩堝固定リング２００を溶湯保温装置１００に載置すると、溶湯保温装置シール１９０は坩堝固定リング２００の重量によって押圧された状態となる。このため、第１炉壁１２０の上面（耐熱壁１２１及び断熱壁１２２の上面）及び坩堝固定リング２００における下面がそれぞれ鏡面ではなく、多少の「ざらつき」を有したり、多少の凹凸を有したりしていても、これら「ざらつき」や凹凸を吸収して、溶湯保温装置１００と坩堝固定リング２００とを密着状態とすることができる。

次に、坩堝固定リング２００及び補助リング３００について説明する。
坩堝固定リング２００は、外観的にはリング形状をなし、その外径は溶湯保温装置１００と同じ外径を有しているが、上下方向においては第１炉壁１２０の高さよりも低い高さを有し、かつ、両端部が開口となっている。なお、坩堝固定リング２００の上下方向の高さ（ｚ軸に沿った方向の高さ）は、前述したように「ｈ１」であり、これは、溶湯保温装置１００の第１炉壁１２０から坩堝１１０が突出している高さに相当している（図２参照。）。
このような坩堝固定リング２００は、耐熱及び断熱部材でなる第２炉壁２１０と、第２炉壁２１０を取り囲む坩堝固定リング金属枠２３０とを有している。

第２炉壁２１０は、耐熱壁２１１と当該耐熱壁２１１の外側に設けられている断熱壁２１２とからなる。耐熱壁２１１は、耐熱レンガなどの耐熱性部材でなり、断熱壁２１２は、セラミックなどの断熱性部材でなる。

坩堝固定リング金属枠２３０の外周面の下端部には、水平方向に突出する鍔部２３１（下端側鍔部２３１という）が坩堝固定リング金属枠２３０の外周に沿って形成されているとともに、坩堝固定リング金属枠２３０の外周面の上端部には、水平方向に突出する鍔部２３２（上端側鍔部２３２という）が坩堝固定リング金属枠２３０の外周に沿って形成されている。

これら下端側鍔部２３１及び上端側鍔部２３２にはそれぞれガイドピンＧＰを挿入するためのガイドピン挿入孔（図示せず。）が例えば４箇所に均等間隔でそれぞれ設けられている。また、坩堝固定リング金属枠２３０の外周面には、坩堝固定リング２００をクレーンなどによって吊り上げる際に用いるフック２３３（図１参照。）が例えば４箇所に均等間隔で設けられている。

ところで、坩堝固定リング２００においては、耐熱壁２１１及び断熱壁２１２と、坩堝固定リング金属枠２３０とは、坩堝固定リング金属枠２３０の内周面から中心方向（半径方向）に向かって突出している鉄製の棒（図示せず。）によって連結されている。

すなわち、坩堝固定リング２００の耐熱壁２１１及び断熱壁２１２は、坩堝固定リング金属枠２３０の内周面の側にそれぞれ型枠成型によって形成されるものである。具体的には、坩堝固定リング金属枠２３０の内周面に、当該坩堝固定リング金属枠２３０の中心方向に突出している複数本（例えば６本）の鉄製の棒（アンカーボルトという。）を周方向に沿って所定間隔（例えば６０度の角度）ごとに溶接によって固定しておく。

そして、このような坩堝固定リング金属枠２３０の内周面の側に、耐熱壁２１１及び断熱壁２１２をそれぞれ型枠成型によって形成する。なお、坩堝固定リング２００の大きさや重量などによっては、アンカーボルトは垂直方向（坩堝固定リング２００の高さ方向）において複数段（例えば２段）に設けるようにしてもよい。

坩堝固定リング２００がこのような構造となっているため、耐熱壁２１１及び断熱壁２１２と坩堝固定リング金属枠２３０とは確実に連結された状態となる。このため、坩堝固定リング金属枠２３０のフック２３３にワイヤーを引っ掛けてクレーンなどで吊り上げた場合、坩堝固定リング２００全体を吊り上げることができる。

また、坩堝固定リング２００の内壁面すなわち耐熱壁２１１の内壁面は、坩堝１１０の開口側外壁との間に坩堝固定シール２５０を埋め込むための隙間（シール埋め込み用隙間２６０という。）が形成されている。なお、坩堝固定シール２５０の材質は、耐熱性、気密性及びクッション性に優れた材質であれば特に限定されるものではないが、セラミックロープなどを好ましく用いることができる。

図３は、坩堝固定リング２００の一部と坩堝１１０の上端部を拡大して示す図である。図３に示すように、シール埋め込み用隙間２６０における坩堝固定リング２００における第２炉壁２１０の内壁面すなわち耐熱壁２１１の内壁面２１１ａは、シール埋め込み用隙間２６０が当該第２炉壁２１０の上面から下面に向かうにしたがって狭くなるような傾斜面となっている。なお、以下、内壁面２１１ａを「傾斜面２１１ａ」という場合もある。当該傾斜面２１１ａのｚ軸（垂直軸）に対する傾斜角度（θ１とする。）は、坩堝１１０の開口側外壁面のｚ軸（垂直軸）に対する傾斜角度（θ２とする。）よりも大きな角度としている。

実施形態に係る金属溶解炉１０においては、傾斜面２１１ａの傾斜角度θ１は、坩堝１１０の開口側外壁面の傾斜角度θ２に５度を加えた傾斜角度（θ１＝θ２＋５度）としているが、傾斜角度θ２に加える角度は５度に限られるものではなく、適宜最適な値を設定することができる。

なお、シール埋め込み用隙間２６０に埋め込まれる坩堝固定シール２５０は、図３に示すように、断面がくさび型となるため、坩堝固定シール２５０を「くさび型シール２５０」という場合もある。

坩堝固定リング２００がこのような構造となっているため、当該坩堝固定リング２００が溶湯保温装置１００に載置された状態においては、坩堝１１０の開口側外壁面を当該開口側外壁面の外周に沿って圧接状態で支持することとなり、それによって坩堝１１０を確実に固定することができる。

図１に説明が戻る。坩堝固定リング２００には、坩堝１１０の開口側外壁面の温度を測定可能な温度センサーＴＳ２（坩堝上部温度センサーＴＳ２という。）が設けられている。坩堝上部温度センサーＴＳ２は、坩堝固定リング２００の外部から坩堝固定リング２００の上面に沿って配設され、先端部が坩堝１１０の開口側外壁面に沿うような角度で折り曲げられている。

なお、坩堝上部温度センサーＴＳ２において、坩堝１１０の開口側外壁面に沿うような角度で折り曲げられている部分を「先端折り曲げ部Ｐ２」という。また、坩堝上部温度センサーＴＳ２の先端折り曲げ部Ｐ２は、坩堝１１０の開口側外壁面とくさび型シール２５０との間に挟まれた状態となるため、先端折り曲げ部Ｐ２は坩堝１１０の開口側外壁面に密着状態となり、坩堝１１０の開口側外壁面の温度を高精度に測定可能となる。

このように構成された坩堝固定リング２００には補助リング３００が載置される。このとき、坩堝固定リング２００と補助リング３００との間には補助リングシール２７０が敷設されている。

補助リング３００は、外観的にはリング形状をなし、その外径は溶湯保温装置１００と同じ外径を有しているが、上下方向においては第１炉壁１２０の高さよりも低い高さを有し、かつ、両端部が開口となっている。
このような坩堝固定リング２００は、耐熱及び断熱部材でなる第３炉壁３１０と、第３炉壁３１０を取り囲む補助リング金属枠３３０とを有している。

第３炉壁３１０は、耐熱壁３１１と当該耐熱壁３１１の外側に設けられている断熱壁３１２とからなる。耐熱壁３１１は、耐熱レンガなどの耐熱性部材でなり、断熱壁３１２は、セラミックなどの断熱性部材でなる。

また、補助リング３００の内径（耐熱壁３１１で囲まれる空間部の径Ｄ１）は、坩堝１１０の開口側端部１１０ａの外径と同じか、坩堝１１０の開口側端部１１０ａの外径よりもわずかに大きく設定されている。このようにすることにより、当該補助リング３００を坩堝固定リング２００に載置した状態としたとき、補助リング３００の重量が坩堝１１０に直接加わることがない。さらには、補助リング３００に後述する燃焼装置４００を載置した状態としたときにも、補助リング３００及び燃焼装置４００の重量が坩堝１１０に直接加わることがない。

坩堝１１０は、上記したように、黒鉛を圧縮焼成したいわゆる焼き物であり、破損しやすいものである。このため、坩堝１１０に大きな重量が直接加わるような構造とすることは坩堝１１０を損傷させることにもなるが、上記したように、坩堝１１０よりも上方に設置される構造物の重量が坩堝１１０に対して直接加わらないような構造とすることによって坩堝１１０の損傷を防ぐことができ、坩堝１１０を長寿命化することができる。

また、補助リング金属枠３３０の外周面の下端部には、水平方向に突出する鍔部３３１（下端側鍔部３３１という）が補助リング金属枠３３０の外周に沿って形成されているとともに、補助リング金属枠３３０の外周面の上端部には、水平方向に突出する鍔部３３２（上端側鍔部３３２という）が補助リング金属枠３３０の外周に沿って形成されている。また、下端側鍔部３３１及び上端側鍔部３３２にはそれぞれガイドピンＧＰを挿入するためのガイドピン挿入孔（図示せず。）が例えば４箇所に均等間隔でそれぞれ設けられている。また、補助リング金属枠３３０の外周面には、補助リング３００をクレーンなどによって吊り上げる際に用いるフック３３３（図１参照。）が例えば４箇所に均等間隔で設けられている。

なお、補助リング３００の耐熱壁３１１及び断熱壁３１２と、補助リング金属枠３３０とは、坩堝固定リング２００の場合と同様の構造によって連結されている。このため、補助リング３００においても、坩堝固定リング２００と同様に、補助リング金属枠３３０のフック３３３にワイヤーを引っ掛けてクレーンなどでも吊り上げた場合、補助リング３００全体を吊り上げることができる。

また、補助リング３００には、溶解作業中における坩堝１１０内の温度を測定するための溶湯温度センサーＴＳ３（図６（ｂ）参照。）の挿入が可能な温度センサー挿入孔３４０が設けられている。この温度センサー挿入孔３４０は、温度センサー挿入孔３４０を塞ぐための栓３４０ａ（図６(ａ)参照。）の着脱が可能となっており、温度測定を行わない場合には、当該栓３４０ａによって温度センサー挿入孔３４０を塞ぐようにする。

また、補助リング３００と坩堝固定リング２００との間には上記したように補助リングシール２７０が敷設されている。なお、補助リングシール２７０は、具体的には、補助リング３００における第３炉壁３１０と坩堝固定リング２００における第２炉壁２１０との間に敷設されている。このとき、補助リングシール２７０は、金属（例えば鉄）製の補助リングシール受け板３６０によって位置決めされている。

図４は、補助リングシール受け板３６０を取り出して示す図である。補助リングシール受け板３６０は、図４に示すように、坩堝固定リング金属枠２３０の鍔部２３１，２３２又は補助リング金属枠３３０の鍔部３３１，３３２を含めた外径と同じ径を有する円盤形状をなし、中央部には、坩堝１１０の開口側端部１１０ａの外径（補助リング３００の内径Ｄ１）よりも十分大きな径を有する開口部３６１が形成されている。なお、補助リングシール２７０の内径は、補助リング３００の内径Ｄ１と同様の径を有している。

そして、開口部３６１の縁部には、補助リングシール２７０の敷設をガイドするための補助リングシールガイド壁３６２が開口部の縁部に沿うように形成されている。この補助リングシールガイド壁３６２の高さｈ２は、補助リングシールの厚み寸法ｔ１よりも低い高さを有している。そして、補助リングシール２７０は、当該補助リングシール２７０の外周が補助リングシールガイド壁３６２の内周に沿うように坩堝固定リング２００における第２炉壁２１０の上面に敷設されている。

また、補助リングシール受け板３６０には、４箇所のガイドピン通し孔３６３が形成されている。これら各ガイドピン通し孔３６３は、坩堝固定リング金属枠２３０の鍔部２３１，２３２又は補助リング金属枠３３０の鍔部３３１，３３２に形成されているガイドピン挿入孔（図示せず。）と同じ位置に形成されている。なお、補助リングシール受け板３６０は、坩堝固定リング２００と補助リング３００との間に設置される。

次に、燃焼装置４００について説明する。燃焼装置４００は、補助リング３００に載置されるものであり、中央部に所定の空間部を有し、耐熱及び断熱部材でなる第４炉壁４１０と、第４炉壁４１０を取り囲む燃焼装置金属枠４３０と、第４炉壁４１０の空間部に設けられているバーナー４４０とを有している。なお、燃焼装置金属枠４３０の外周面には、燃焼装置４００をクレーンなどによって吊り上げる際に用いるフック４３１が例えば４箇所に均等間隔で設けられている。

第４炉壁４１０は、耐熱壁４１１と当該耐熱壁４１１の外側に設けられている断熱壁４１２とからなる。なお、燃焼装置４００は坩堝固定リング２００及び補助リング３００よりもさらに高温になるため、断熱壁４１２は、断熱性だけでなく耐熱性においても、より優れた部材を用いることが好ましい。

バーナー４４０は、坩堝１１０内に入れられた被溶解金属を直火で溶解するものであり、化石燃料として例えばＬＰＧ（液化プロパンガス）を燃料供給パイプ４４１から取り込むとともに、燃焼に必要な空気を空気取り込み口４４２から取り込んでノズル４４３から火炎を発射する。なお、実施形態に係る金属溶解炉１０において用いるバーナー４４０は、空気取り込み口４４２から取り込まれる空気を排気ガスで予熱する熱交換型のバーナーであるとする。このため、空気取り込み口４４２から入った空気は、排気ガスによって暖められるので、燃焼効率がよく、空気取り込み口４４２及び排気口４４４を小さくすることができる。

また、バーナー４４０には、燃焼状態を制御するための燃焼制御装置（図示せず。）が設けられている。この燃焼制御装置は、最適な燃焼状態となるように空気の量と燃焼の量とを調整するものである。なお、燃焼装置４００と補助リング３００の耐熱壁３１１で囲まれる空間とによって、燃焼室４５０が形成される。

なお、燃焼装置４００における耐熱壁４１１及び断熱壁４１２と、燃焼装置金属枠４３０とは、坩堝固定リング２００及び補助リング３００とほぼ同様の構造によって連結されている。このため、燃焼装置４００においても、坩堝固定リング２００及び補助リング３００と同様に、燃焼装置金属枠４３０のフック４３１にワイヤーを引っ掛けてクレーンなどで吊り上げた場合、燃焼装置４００全体を吊り上げることができる。

また、燃焼装置４００と補助リング３００との間には燃焼装置シール３８０が敷設される。なお、燃焼装置シール３８０は、具体的には、燃焼装置４００における第４炉壁４１０と補助リング３００における第３炉壁３１０との間に敷設されている。このとき、燃焼装置シール３８０は、燃焼装置シール受け板４６０によって位置決めされている。

燃焼装置シールシール受け板４６０は、図４で示した補助リングシール受け板３６０とほぼ同様の構成となっているため、同一部分の説明は省略する。なお、燃焼装置シール受け板４６０が補助リングシール受け板３６０と異なるのは、燃焼装置４００を補助リング３００に載置する際に燃焼装置４００の位置決めを行うための燃焼装置位置決め用突出部４６９（図２参照。）が設けられている点である。

燃焼装置位置決め用突出部４６９は、燃焼装置４００の燃焼装置金属枠４３０の下端部外周に沿うようなリング状の突出部である。このため、燃焼装置４００を補助リング３００に載置する際には、燃焼装置４００を燃焼装置位置決め用突出部４６９に沿うように補助リング３００上に載置することによって、燃焼装置４００を補助リング３００において適切な位置に載置することができる。

次に、回転脱ガス装置５００（図１参照。）について説明する。回転脱ガス装置５００は、被溶解金属が溶解されて、溶湯の状態となった際に、坩堝１１０内の溶湯に含まれる水素ガスなどの不純物を除去するものであり、回転軸５１０と、回転軸５１０の先端部に設けられた円盤状の回転体５２０とを有する構成となっている。

このように構成された回転脱ガス装置５００は、例えば、ｘｙ平面上での移動と垂直方向（ｚ軸に沿った方向）の移動が可能となるように設置されており、必要に応じて、坩堝１１０内の溶湯に浸漬できるようになっている。例えば、溶解工程が終了して燃焼装置４００、補助リング３００などを取り外した後に、回転脱ガス装置５００を下降させることによって、回転体５２０を坩堝１１０の溶湯内に浸漬させことができる。そして、回転体５２０を溶湯の中に浸漬させた状態で回転体５２０を回転させて、回転体５２０からマイクロバブル化したアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを溶湯中に発生させることができるようになっている。

実施形態に係る金属溶解炉１０は、上記したように、溶解炉本体１０Ａ（溶湯保温装置１００、坩堝固定リング２００、補助リング３００及び燃焼装置４００）と、回転脱ガス装置５００を有しており、溶解炉本体１０Ａは、溶湯保温装置１００、坩堝固定リング２００、補助リング３００及び燃焼装置４００の４つの構造体を積み重ねた４層構造となっている。そして、これら各構造体は、それぞれが分離可能な構造となっている。

実施形態に係る金属溶解炉１０における溶解炉本体１０Ａがこのような構造となっているため、仮に、溶解炉本体１０Ａを構成する構造体のうちの、ある構造体を補修又は交換する必要が生じた場合、補修又は交換すべき構造体のみを取り出して、補修又は交換作業を行うことができる。この場合、個々の構造体の代わりを容易しておけば、長期間に渡って操業停止する必要がなくなるため、生産に支障をきたすことが無くなる。

すなわち、実施形態に係る金属溶解炉１０は、特許文献１に開示されている金属溶解炉９００に比べると、溶解炉本体１０Ａがより細分化された構造となっているため、仮に、これらの構造体のうちの、ある構造体に補修又は交換する必要が生じた場合における補修又は交換作業をし易くすることができる。

特に、この種の金属溶解炉においては、燃焼装置４００の周辺は、高温に晒されるため、熱による破損が進み易い個所である。実施形態に係る金属溶解炉１０においては、高温に晒され易い箇所は、燃焼装置４００と補助リング３００との２つの構造体とし、これらを個々に分割可能としている。このため、熱による破損が進んで、補修又は交換が必要となった場合、補修又は交換が必要な構造体のみを取り出して、補修又は交換を行うことができる。例えば、補助リング３００が損傷した場合には、補助リング３００のみを補修又は交換すればよいため、メンテナンス性を向上させることができる。

次に、実施形態に係る金属溶解炉１０における溶解炉本体１０Ａの組み立て手順について説明する溶解炉本体１０Ａを図１及び図２に示すように組み立てる際は、まず、坩堝１１０が収納されている溶湯保温装置１００における耐熱壁１２１及び断熱壁１２２の上面（第１炉壁１２０の上面）にリング状の溶湯保温装置シール１９０を敷設する。この溶湯保温装置シール１９０は、その外周面が金属ケース１３０の内側面に沿うように敷設する。これにより、溶湯保温装置シール１９０は、金属ケース１３０の内周面によって位置決めされるため、水平方向のずれを防止することができる。

このように、溶湯保温装置シール１９０が敷設された状態で、坩堝固定リング２００を載置する。このとき、金属ケース１３０の鍔部１３１に形成されている各ガイドピン差し込み孔（図示せず。）と坩堝固定リング金属枠２３０の下端側鍔部２３１に形成されている各ガイドピン差し込み孔（図示せず。）とそれぞれが一致するように、坩堝固定リング２００を載置する。そして、ガイドピンＧＰを各ガイドピン差し込み孔に挿し込む。これによって、坩堝固定リング２００を溶湯保温装置１００に取り付けることができる。

このようにして、坩堝固定リング２００を溶湯保温装置１００に取り付けることにより、溶湯保温装置１００における第１炉壁１２０と坩堝固定リング２００における第２炉壁２１０との間に敷設されている溶湯保温装置シール１９０は、坩堝固定リング２００の重量によって押圧された状態となり、溶湯保温装置１００と坩堝固定リング２００とが密着状態となる。

そして、坩堝１１０の開口側外壁面と坩堝固定リング２００における耐熱壁２１１の内壁面２１１ａ（傾斜面２１１ａ）との間に形成されている「シール埋め込み用隙間２６０」に、くさび型シール２５０を埋設する。このとき、くさび型シール２５０の上端を坩堝固定リング２００の上面よりもわずかに上方に突出させた状態としておく。これよって、坩堝１１０は坩堝固定リング２００によって確実に固定された状態となる。すなわち、くさび型シール２５０には、補助リング３００及び燃焼装置４００の重量が加わり、それによって、くさび型シール２５０がｚ軸に沿って下方向に移動しようとすることによる水平方向への押圧力（坩堝１１０の外壁を押圧する力）が働く。これにより、坩堝１１０を確実に固定することができる。

続いて、坩堝固定リング２００に補助リング３００を載置する。このとき、まずは、坩堝固定リング２００における第２炉壁２１０の上面に補助リングシール受け板３６０を載置し、当該補助リングシール受け板３６０に補助リングシール２７０を敷設して、その上に補助リング３００を載置する。このとき、坩堝固定リング金属枠２３０の上端側鍔部２３２に形成されているガイドピン差し込み孔（図示せず。）と、補助リングシール受け板３６０に形成されているガイドピン差し込み孔３６３と、補助リング金属枠３３０の下端側鍔部３３１に形成されている各ガイドピン差し込み孔（図示せず。）とがそれぞれ一致するように、シール受け板と３６０補助リング３００とを坩堝固定リング２００に載置する。そして、ガイドピンＧＰを各ガイドピン差し込み孔に挿し込む。これによって、補助リング３００を坩堝固定リング２００に取り付けることができる。

なお、補助リングシール２７０は、その外周面がシール受け板３６０に形成されている補助リングシールガイド壁３６２の内周面に沿うように配設する。これによって、補助リングシール２７０は、補助リングシールガイド壁３６２によって位置決めされるため、水平方向のずれを防止することができる。

このようにして補助リング３００を坩堝固定リング２００に取り付けることにより、補助リング３００と坩堝固定リング２００との間に敷設されている補助リングシール２７０は、補助リング３００の重量によって押圧された状態となり、補助リング３００と坩堝固定リング２００とが密着状態となる。

続いて、燃焼装置４００を補助リング３００に載置する。このとき、まずは補助リング３００における第３炉壁３１０の上面に燃焼装置シール受け板４６０を載置する。この場合、補助リング金属枠３３０の上端側鍔部３３２に形成されているガイドピン差し込み孔（図示せず。）と、燃焼装置シール受け板４６０に形成されているガイドピン差し込み孔（図示せず。）とがそれぞれ一致するように、補助リング３００に燃焼装置シール受け板４６０を載置する。

そして、ガイドピンを各ガイドピン差し込み孔に挿し込む。このように、燃焼装置シール受け板４６０を補助リング３００の上面に取り付けたのち、当該燃焼装置シール受け板４６０に燃焼装置シール３８０を敷設する。燃焼装置シール３８０は、補助リングシール２７０と同様の敷設の仕方で燃焼装置シール受け板４６０に敷設する。

このような状態において、燃焼装置４００を当該燃焼装置シール受け板４６０に載置する。このとき、燃焼装置４００は、燃焼装置シール受け板４６０に設けられている燃焼装置位置決め用突出部４６９をガイドとしてシール受け板４６０に載置する。このようにして燃焼装置４００を補助リング３００に載置することにより、燃焼装置４００と補助リング３００との間に敷設されている燃焼装置シール３８０は、燃焼装置４００の重量によって押圧された状態となり、燃焼装置４００と補助リング３００とは密着状態となる。

以上説明したような手順によって、溶解炉本体１０Ａを組み立てることができる（図１及び図２参照。）。このようにして組み立てられた溶解炉本体１０Ａは、個々の構造体の殆どが１００ｋｇ以上の重量を有しているため、容易に、位置ずれしたりすることはない。

また、このような重量を有しているため、各シール（溶湯保温装置シール１９０、補助リングシール２７０、燃焼装置シール３８０）には大きな押圧力が加わり、各構造体間は密着状態となる。このため、燃焼室４５０の溶解炉本体１０Ａ外部に対する密閉度を高くすることができるとともに、保温室１５０の溶解炉本体１０Ａ外部に対する密閉度を高くすることができる。これにより、バーナー４４０の燃焼熱及び電気ヒーターによる熱を外部に逃さないようにすることができるため、被溶解金属を溶解する際の熱効率及び溶湯を保温する際の保温力を高めることができる。

また、燃焼室４５０と保温室１５０との間の密閉度も高くすることができる。これにより、バーナー４４０の燃焼熱及び燃焼ガスが保温室１５０に流入するのを防止する効果を高めることができる。なお、バーナー４４０の燃焼熱は１３００℃以上にも達するため、そのような高熱が保温室に流入することを防止することにより、電気ヒーター１８０などに与える悪影響を抑制することができる。

また、坩堝固定リング２００と坩堝１１０との間には、くさび型シール２５０が埋設されているため、バーナー４４０の燃焼熱及び燃焼ガスが保温室１５０に流入するのを防止する効果を、より高めることができる。なお、くさび型シール２５０には、補助リング３００及び燃焼装置４００の重量が加わり、それによって、くさび型シール２５０がｚ軸に沿って下方向に移動しようとすることによる水平方向への押圧力（坩堝１１０の開口側外壁面を押圧する力）が働く。それによって、保温室１５０の密閉度はより高いものとなり、バーナー４４０の燃焼熱及び燃焼ガスが保温室１５０に流入するのを防止する効果をより高めることができる。

次に、実施形態に係る金属溶解炉１０を用いて溶湯を生成する際の溶湯生成方法について説明する。

図５、図６及び図７は、実施形態に係る金属溶解炉１０を用いて溶湯を生成する際の溶湯生成方法の各工程を説明するために示す図である。図５（ａ）〜図５（ｃ）は、溶湯生成工程における溶解準備工程を説明するために示す図である。また、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、溶湯生成工程における溶解工程及び溶湯保温工程を説明するために示す図である。また、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、溶湯生成工程における不純物除去工程を説明するために示す図である。なお、図５〜図７においては、図面を簡素化するために、符号が一部省略されている。

１．溶解準備工程
まず、図５（ａ）に示すように、燃焼装置４００を取り外して、溶湯保温装置１００に坩堝固定リング２００と補助リング３００とが載置されている状態とする。このとき、補助リング３００の上面には、燃焼装置シール受け板４６０と燃焼装置シール３８０が敷設されたままの状態となっている。なお、燃焼装置シール３８０にはシール保護カバー（図示せず。）で覆った状態としておくことが好ましい。

このような状態で、図５（ｂ）に示すように、被溶解金属６００を坩堝１１０に投入する。坩堝１１０に投入する被溶解金属６００の量は、坩堝１１０の容量を考慮して決める。被溶解金属６００としては、アルミインゴットと前回の鋳造作業によって生成された鋳造製品から切り離された鋳造残材（湯口に対応する鋳造部分、湯道に対応する鋳造部分、押湯に対応する鋳造部分など）が含まれる。

なお、被溶解金属６００を坩堝１１０に投入する際、坩堝１１０に投入した被溶解金属６００が補助リング３００よりも上方にはみ出さないように坩堝に投入すればよい。

すなわち、実施形態に係る金属溶解炉１０においては、補助リング３００の上に燃焼装置４００を載置する構造となっているため、坩堝１１０に投入した被溶解金属６００が補助リング３００よりも上方にはみ出さないように坩堝に投入すれば、燃焼装置４００は補助リング３００に載置することができる。

換言すれば、実施形態に係る金属溶解炉１０においては、補助リング３００の存在により、被溶解金属６００の水平方向（ｘｙ平面に沿った方向）へのはみ出しは補助リング３００によって始めから規制されているため、被溶解金属６００が水平方向（ｘｙ平面に沿った方向）に「はみ出す」ことを気に掛けることなく、被溶解金属６００を坩堝１１０に投入できるということである。このため、被溶解金属６００を坩堝１１０に投入する際の作業業性が高くすることができるとともに、坩堝１１０の容量に対する被溶解金属６００の投入量を最大限に設定することができ、坩堝１１０の容量を十分に生かすことできる。これにより、溶湯の生産性を向上させることができる。
そして、図５（ｂ）の状態から、燃焼装置シール３８０のシール保護カバー（図示せず。）を外し、燃焼装置４００を補助リング３００に載置する（図５（ｃ）参照。）。

２．溶解工程及び溶湯保温工程
続いて、図６（ａ）に示すように、燃焼装置４００のバーナー４４０から火炎４４５を被溶解金属６００に当てて溶解を開始する。このとき、溶湯温度センサーＴＳ３の挿入が可能な温度センサー挿入孔３４０を栓３４０ａで塞ぐ。これは、燃焼装置４００のバーナー４４０によって被溶解金属６００を溶解させる際に、燃焼熱が外部に逃げないようにするためである。

なお、被溶解金属６００であるアルミニウムの酸化防止のため燃焼は還元炎で行い、燃焼室４５０内を酸欠状態とする。このとき、燃焼室４５０内に空気が侵入すると、アルミニウムは酸化して消耗するが、実施形態に係る金属溶解炉１０においては、各部のシール（溶湯保温装置シール１９０、くさび型シール２５０、補助リングシール２７０、燃焼装置シール３８０）などが高いシール性を有し、燃焼室４５０の密閉性が保持されているため、アルミニウムが酸化して消耗することを抑制し、また、燃費の向上が図れる。特に、補助リングシール２７０及び燃焼装置シール３８０は、それぞれシール受け板３６０，４６０によって位置決めされていることにより、高い位置精度を有するため、高い密閉性を長期間保持できる。

このようにしてバーナー４４０の炎により溶解を行っている際に、所定のタイミングで電気ヒーター１８０に通電させ、バーナー４４０による燃焼と電気ヒーター１８０による加熱を併用した溶解・加熱工程すなわち「バーナー・ヒーター併用の溶解・加熱工程」を行う。なお、電気ヒーター１８０に通電を開始させる通電開始タイミングは、燃費と溶解効率に影響を与える。本発明の発明者が行った実験によれば、被溶解金属６００が溶解し始め、かつ、坩堝１１０の底部外壁面の温度が５５０℃（坩堝底部温度センサーＴＳ１による計測温度が５５０℃）となった時点を電気ヒーター１８０の通電開始タイミングとすることが好ましいということがわかった。

そして、電気ヒーター１８０の通電を開始した時点から、しばらくの間、バーナー４４０と電気ヒーター１８０とを併用した「バーナー・ヒーター併用の溶解・加熱工程」を行い、坩堝底部温度センサーＴＳ１による計測温度が６３０℃近傍を示したら、バーナー４４０の作動を一旦停止させ、溶湯温度センサーＴＳ３を温度センサー挿入孔３４０に挿入して（図６（ｂ）参照。）、坩堝１１０内の温度を監視するとともに、坩堝１１０内の溶解状況を監視する。

この時点においては、坩堝１１０内において、上部６０％程度が液体の状態となっており、坩堝１１０内の下部は個体と液体とが混合している状態である。ここで、バーナー４４０の作動を停止させて、電気ヒーター１８０によって加熱して昇温させて、被溶解金属６００を溶解させて溶湯の状態とする。その後、坩堝１１０内の溶湯が鋳造作業に適した温度を保持するように電気ヒーター１８０によって溶湯の保温を行う「溶湯保温工程」に移行する。

なお、坩堝１１０内の上部６０％程度が液体の状態で、坩堝１１０内の下部は個体と液体とが混合している状態となったら、バーナー４４０の作動を停止させて電気ヒーター１８０によって加熱を行うのは、下記の理由からである。

すなわち、被溶解金属６００が固体の場合は、バーナー４４０からの炎による溶解効率は高いが、坩堝１１０内の上部表面が液体化した状態になると、液体化した金属（この場合、アルミニウム）が表面を覆うようになるため、バーナー４４０からの炎による燃焼熱が坩堝１１０内の奥の部分（液体化されていない個体のままの被溶解金属６００が存在する部分）にまで伝わりにくくなって、坩堝１１０内の被溶解金属６００全体が溶解して溶湯となるまでには、多くの時間とエネルギーが必要となるからである。

そこで、坩堝１１０内の上部６０％程度が液体状態となり、坩堝１１０内の下部は個体と液体とが混合している状態となったら、バーナー４４０の作動を停止して、電気ヒーター１８０のみで加熱して昇温させることにより、被溶解金属６００を効率的に溶解させて溶湯７００の状態にすることができ、その後も、溶湯７００を鋳造作業に適した温度に保持することができる。なお、電気ヒーター１８０による保温は、温度制御を高精度に行うことができるため、溶湯７００の温度を鋳造作業に適した温度に適切に保持することができる。

電気ヒーター１８０の制御は、電気ヒーター制御部（図示せず。）によって行うことができる。すなわち、電気ヒーター制御部は、坩堝１１０内の溶湯７００の温度に基づいて溶湯７００の温度が所定温度に保持されるように電気ヒーター１８０を制御する。これにより、坩堝１１０内の溶湯７００を常に鋳造作業に適した温度に保持することができる。

３．不純物除去工程
坩堝１１０内の溶湯７００が鋳造作業に適した温度となったら、燃焼装置４００を取り外すととともに補助リング３００を取り外す（図７（ａ）参照。）。燃焼装置４００及び補助リング３００の取り外しは、図示しないクレーンによって行う。なお、補助リング３００を取り外す際には、ガイドピンＧＰを引き抜いた状態で行う。

そして、図７（ａ）に示すように燃焼装置４００及び補助リング３００が取り外された状態となったら、不純物除去装置としての回転脱ガス装置５００の回転体５２０を溶湯７００内に浸漬させて、不純物除去作業を行う。このとき、坩堝固定リング２００上の補助リングシール２７０にはシール保護カバー（図示せず。）で覆うことが好ましい。

不純物除去作業は、図７（ｂ）に示すように、回転脱ガス装置５００の回転体５２０を坩堝１１０内の溶湯７００に浸漬させて、回転体５２０を回転させながらマイクロバブル化したアルゴンガスを発生させることによって溶湯７００に含まれている水素ガスなどの不純物を浮上させて除去する。このようにして不純物が除去されることにより、坩堝１１０内の溶湯７００は高品質なものとなる。このような不純物除去工程における不純物除去作業を行う際、要求される品質基準に達するまで、繰り返し不純物除去作業を行うことも可能である。

このようにして、要求される品質基準に達した高品質な溶湯が生成されたら、図７（ｃ）に示すように、回転脱ガス装置５００を取り外して、溶湯温度制御用の温度センサーＴＳ４を溶湯７００内に入れて、溶湯温度を測定し、その測定結果に基づいて、溶湯７００が鋳造に適した温度に保持されるよう電気ヒーター１８０を制御する。なお、溶湯温度制御用の温度センサーＴＳ４は、図６（ｂ）において用いた溶湯温度センサーＴＳ３と同じものであってもよい。

なお、図７（ｃ）の状態においては、補助リング３００が存在せず、坩堝１１０の開口部が坩堝固定リング２００の上面と同一平面となっているため、坩堝１１０内に存在する溶湯７００の液面までの距離が坩堝固定リング２００の上面から短い。このため、溶湯７００の汲み出し作業が容易となり、鋳造作業を効率よく行うことができる。

図８は、実施形態に係る金属溶解炉１０を用いて実際に被溶解金属６００（アルミニウムとする。）の溶解作業を行った場合の溶解効率を説明するために示す図である。図８（ａ）は溶解作業を行った際の各種条件を示す図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すような条件に基づいて、実施形態に係る金属溶解炉１０（ハイブリッド型の金属溶解炉）による溶解効率とＬＰＧガスのみの金属溶解炉による溶解効率を比較して示す図である。また、図８は、実施形態に係る金属溶解炉１０を溶解のみに使用し、保温などは他の坩堝を用いた場合の溶解効率を示している。

なお、図８（ｂ）において、白抜きの四角形は、実施形態に係る金属溶解炉１０による溶解効率を表しており、太い実線は、ＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）のみの金属溶解炉による溶解効率を示している。また、図８（ｂ）において、横軸は溶解作業を行った日（溶解実施日）を示し、縦軸は各溶解実施日（１日〜５日）における溶解効率（％）を示している。

また、図８（ｂ）における溶解効率は、この場合、アルミニウムの理論溶解熱量に対する使用熱量比（％）であるとする。ここで、アルミニウムの理論溶解熱量をαとし、実際のガスの使用量をアルミニウム１Ｋｇ当たりに熱量換算した値βで表し、実際の電気の使用量をアルミニウム１Ｋｇ当たりに熱量換算した値γで表すとすれば、実施形態に係る金属溶解炉１０による溶解効率（Ａ１とする。）は、
Ａ１（％）＝α／（β＋γ）×１００
で表わされ、ＬＰＧガスのみの金属溶解炉による溶解効率（Ａ２とする。）は、
Ａ２（％）＝α／β×１００
で表わされる。

なお、アルミニウムの理論溶解熱量αは、アルミニウムの重量が１Ｋｇの場合、
α＝アルミニウム重量×比熱×（溶解作業温度−雰囲気温度）＋アルミウイウム重量×溶解潜熱＝２７１．６Ｋｃａｌ／Ｋｇ
と求められる。

図８（ｂ）に示すように、ＬＰＧガスのみの金属溶解炉による溶解効率は、各溶解作業実施日において、せいぜい１０数％程度である。一方、実施形態に係る金属溶解炉（ハイブリッド金属溶解炉）による溶解効率は、２５〜３０数％となり、ＬＰＧガスのみの金属溶解炉に比べて高い溶解効率が得られることがわかった。

図９は、実施形態に係る金属溶解炉１０における溶湯生成方法の他の例を示す図である。図９に示す溶湯生成方法は、溶湯保温装置１００に坩堝固定リング２００を設置した状態のもの（坩堝固定リング付きの溶湯保温装置という）を２台（第１坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ａ及び第２坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ｂとする。）用意するとともに、補助リング３００及び燃焼装置４００をそれぞれ１台ずつ用意しておき、第１坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ａ及び第２坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ｂと、１台の補助リング３００及び１台の燃焼装置４００とを用いて効率的に溶湯の生成を行うものである。

図９において、第１坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ａにおいては、図５〜図７で説明した手順によって、不純物の除去された高品質な溶湯７００が生成されているものとする。なお、溶湯７００の生成が終了した第１坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ａは、電気ヒーター１８０によって、坩堝１１０内の溶湯７００は鋳造作業に適した温度に保持されており、溶湯７００の汲み出し作業を行うことができる状態となっている。

このように、一方の溶湯保温装置（第１坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ａ）において溶湯の生成が終了したら、当該第１坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ａから取り外した補助リング３００及び燃焼装置４００を第２坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ｂに取り付ける。そして、当該第２坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ｂに被溶解金属６００を入れて、当該第２坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ｂにおいて溶湯の生成を行う。この場合の溶湯生成手順は、図５〜図７に示す各工程の順で行うことができる。

なお、第２坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ｂにおいて溶湯の生成を行っている間に、第１坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ａにおいては、溶湯の汲み出し作業を行う。なお、溶湯の汲み出し作業は、坩堝１１０に入っている溶湯すべてを汲み出すのではなく、坩堝１１０に入っている溶湯の全体量のうちの１／３程度を残すのが一般的である。

そして、第２坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ｂにおいて溶湯の生成が終了すると、今度は、燃焼装置４００及び補助リング３００を第２坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ｂから取り外して、取り外した燃焼装置４００及び補助リング３００を第１坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ａに取り付ける。そして、当該第１坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ａに被溶解金属６００を入れて、当該第１坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ａにおいて溶湯の生成を行う。第１坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ａにおいて溶湯の生成を行っている間に、第２坩堝固定リング付きの溶湯保温装置１００Ｂにおいては、溶湯の汲み出し作業を行う。このような操作を必要な量の溶湯が生成されるまで順次繰り返す。

図９に示すように、溶湯の生成作業と溶湯の汲み出し作業とを交互に行うことで、実施形態に係る金属溶解炉１０のような坩堝式溶解炉においても、連続溶解炉と同様に連続的な溶湯の生成作業と溶湯の汲み出し作業とを行うことが可能となり、連続溶解炉と遜色のない高い生産性を得ることができる。

なお、図９においては、２台の坩堝固定リング付き溶湯保温装置を用いて溶解と汲み出しとを交互に行うようにしたが、坩堝固定リング付き溶湯保温装置を３台以上用いることも可能であり、坩堝固定リング付き溶湯保温装置を３台以上とすることにより、溶湯生成作業と溶湯の汲み出し作業とを、より効率的に行うことができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で例えば下記に示すような変形実施も可能となる。

（１）上記実施形態においては溶解工程における溶湯の温度測定を行うための温度センサー挿入孔３４０は、補助リング３００に設けるような構造としたが、これに限られるものではなく、燃焼装置４００に設けるようにしてもよい。

図１０は、溶湯の温度測定を行うための温度センサー挿入孔３４０の設置箇所の変形例について説明するために示す図である。図１０に示すように、温度センサー挿入孔３４０は、燃焼装置４００に設けることによっても、溶解工程における溶湯の温度測定を行うことが可能である。なお、補助リング３００に設けるか、燃焼装置４００に設けるかは、作業性などを考慮して決めることが可能である。また、温度センサー挿入孔３４０を補助リング３００と燃焼装置４００との両方に設けておき、適宜選択的に用いるようにしてもよい。この場合、使用しない度センサー挿入孔には、熱の流出を防ぐために栓で塞ぐようにすることが好ましい。

（２）上記実施形態においては、バーナー４４０はＬＰＧを燃料とするバーナーを例示したが、ＬＰＧに限られるものではなく、他の化石燃料を用いるバーナーであってもよい。また、バーナー４４０は熱交換型のバーナーとしており、このような熱交換型のバーナーとすることによって、燃焼効率の向上を可能としているが、溶解状況に応じて燃料の供給量及び空気の供給量を制御することにより、燃焼効率をより向上させることができ、それによって燃費をより削減することができる。

これを実現するためには、図示は省略するが、バーナー４４０の排気口４４４から排気される排気ガスの排気温度を測定する排気温度センサーを設けるとともに、当該排気ガス温度センサーから出力される排気温度情報に基づいて、燃料供給パイプ４４１に供給される燃料（ＬＰＧガス）の供給量及び空気取り込み口４４２から取り込まれる空気の取り込み量を制御するバーナー制御機構を設ける。このように、排気温度に基づいて燃料（ＬＰＧガス）の供給量及び空気取り込み量を制御することにより、燃焼効率をより向上させることができる。これは、排気温度と燃焼効率とが相関しているからである。

すなわち、溶解工程における溶解初期においては、図５（ｃ）に示すように、被溶解金属６００が坩堝１１０内及び燃焼室４５０にほぼ満杯の状態となっており、この状態では、高温の燃焼ガスの密度が高くなっており、燃焼室４５０内の圧力が上昇することによる被溶解金属６００や燃焼空気への熱交換が不十分な燃焼ガスが１０００℃程度の高温のまま排気口４４４から排気される。

一方、被溶解金属６００の溶解が進むと、燃焼室４５０の空間が広くるため、燃焼ガスの密度が下がることにより、燃焼ガスの温度が６００℃程度に低下して排気口４４４から排気される。

このような観点から、溶解初期においては、燃料（ＬＰＧガス）の供給量及び空気取り込み量を削減するように燃料の供給量及び空気の供給量を制御することにより、燃焼効率をより向上させることができ、それによって。燃費をより削減することができる。このような制御は、排気ガス温度センサーから出力される排気温度情報に基づいて、燃料（ＬＰＧガス）の供給量及び空気取り込み量の制御を行うようにすることで実現可能である。

（３）上記実施形態においては、溶湯保温装置１００に用いる電気ヒーター１８０は、耐熱壁１２１の内壁面を一周するような帯状の電気ヒーター１８０を用いた場合を例示したが、電気ヒーター１８０は帯状であることに限られるものではなく、例えば、耐熱壁１２１の底面を含めた内壁面全体を覆うような電気ヒーターであってもよい。

（４）上記実施形態においては、溶湯保温装置１００、坩堝固定リング２００、補助リング３００及び燃焼装置４００の構造は、それぞれ耐熱性部材でなる耐熱壁と断熱性部材でなる断熱壁とによる２重壁構造としたが、必ずしもこのような構造とすることに限られるものではなく、耐熱性及び断熱性が確保可能で、かつ、安全性及び耐久性が確保可能であれば、他の構造を有するものであってもよい。

１０・・・金属溶解炉、１０Ａ・・・溶解炉本体、１００・・・溶湯保温装置、１１０・・・坩堝、１１０ａ・・・開口側端部、１２０・・・第１炉壁、１２１・・・耐熱壁、１２２・・・断熱壁、１３０・・・金属ケース、１３１・・・下端側鍔部、１３２・・・上端側鍔部、１８０・・・ヒーター（電気ヒーター）、１９０・・・溶湯保温装置シール、２００・・・坩堝固定リング、２１０・・・第２炉壁、２１１ａ・・・傾斜面、２３０・・・坩堝固定リング金属枠、２５０・・・坩堝固定シール（くさび型シール）、２６０・・・隙間（シール埋め込み用隙間）、２７０・・・補助リングシール、３００・・・補助リング、３１０・・・第３炉壁、３３０・・・補助リング金属枠、３６０・・・補助リングシール受け板、３６２・・・補助リングシールガイド壁、３８０・・・燃焼装置シール、４００・・・燃焼装置、４１０・・・第４炉壁、４３０・・・燃焼装置金属枠、４４０・・・バーナー、５００・・・回転脱ガス装置、６００・・・被溶解金属、７００・・・溶湯、ＴＳ１・・・坩堝底部温度センサー、ＴＳ２・・・坩堝上部温度センサー、ＴＳ３・・・溶湯温度センサー

Claims (18)

1. 被溶解金属が投入されるとともに前記被溶解金属が溶解された溶湯を保温した状態で保持する坩堝を備える金属溶解炉であって、
   上下方向において所定の高さを有する有底容器形状をなす第１炉壁と、当該第１炉壁の内壁面に設けられて前記溶湯を保温可能とするヒーターとを有し、前記坩堝を当該坩堝の開口側外壁面が前記第１炉壁の上面から所定量だけ露出するように収納する溶湯保温装置と、
   前記溶湯保温装置に着脱自在に載置可能なリング形状の第２炉壁を有し、前記溶湯保温装置に載置された状態においては、前記第２炉壁の内壁面と前記坩堝の開口側外壁面との間には、所定の隙間が形成され、当該隙間には耐熱性部材でなる坩堝固定シールが前記坩堝の開口側外壁面を一周するように埋め込まれており、前記第２炉壁の内壁面が前記坩堝の開口側外壁面の外周に沿って前記坩堝固定シールを介して圧接状態で支持することにより前記坩堝を固定する坩堝固定リングと、
   前記坩堝固定リングに着脱自在に載置可能な第３炉壁を有し、当該第３炉壁の内径が前記坩堝の開口側端部の外径と同じかわずかに大きい内径を有する補助リングと、
   前記補助リングに着脱自在に載置可能であって、中央部に所定の空間部を有する第４炉壁と、前記空間部に設けられて前記坩堝に投入された被溶解金属を直火で溶解するためのバーナーとを有する燃焼装置と、
   をさらに備えることを特徴とする金属溶解炉。
2. 請求項１に記載の金属溶解炉において、
   前記第２炉壁の内壁面は、前記隙間が当該第２炉壁の上面から下面に向かうにしたがって狭くなるような傾斜面となっていることを特徴とする金属溶解炉。
3. 請求項１又は２に記載の金属溶解炉において、
   前記坩堝固定リングにおける前記第２炉壁の下面と前記溶湯保温装置における前記第１炉壁の上面との間には、耐熱性部材でなるリング形状の溶湯保温装置シールが敷設されており、当該溶湯保温装置シールは、前記第１炉壁の上面において当該上面の全周に渡って敷設されていることを特徴とする金属溶解炉。
4. 請求項３に記載の金属溶解炉において、
   前記第１炉壁は、金属ケースに収納され、
   前記第１炉壁を前記金属ケースに収納した状態としたときに、当該金属ケースの上端辺が前記第１炉壁の上面よりもわずかに突出することによる突出壁が形成され、
   前記溶湯保温装置シールは、当該溶湯保温装置シールの外周が前記突出壁に沿うように前記第１炉壁の上面に敷設されていることを特徴とする金属溶解炉。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の金属溶解炉において、
   前記坩堝固定リングにおける前記第２炉壁の上面と前記補助リングにおける前記第３炉壁の下面との間には、耐熱性部材でなるリング形状の補助リングシールが敷設されており、当該補助リングシールは、前記第２炉壁の上面の全周に渡って敷設されていることを特徴とする金属溶解炉。
6. 請求項５に記載の金属溶解炉において、
   前記坩堝固定リングにおける前記第２炉壁の上面と前記補助リングにおける前記第３炉壁の下面との間には、前記補助リングシールの外径と同等の内径を有する開口部が形成されたリング状の補助リングシール受け板が敷設されており、
   前記補助リングシール受け板の前記開口部の縁部には、前記補助リングシールの敷設をガイドするための補助リングシールガイド壁が前記開口部の縁部に沿うように形成され、当該補助リングシールガイド壁は、前記補助リングシールの厚み寸法よりも低い高さを有し、
   前記補助リングシールは、当該補助リングシールの外周が前記補助リングシールガイド壁の内周に沿うように前記坩堝固定リングにおける第２炉壁の上面に敷設されていることを特徴とする金属溶解炉。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の金属溶解炉において、
   前記補助リングにおける前記第３炉壁の上面と前記燃焼装置における前記第４炉壁の下面との間には、耐熱性部材でなるリング形状の燃焼装置シールが敷設されており、当該燃焼装置シールは、前記第３炉壁の上面の全周に渡って敷設されていることを特徴とする金属溶解炉。
8. 請求項７に記載の金属溶解炉において、
   前記補助リングにおける第３炉壁の上面と前記燃焼装置における前記第４炉壁の下面との間には、前記燃焼装置シールの外径と同等の内径を有する開口部が形成されたリング状の燃焼装置シール受け板が敷設されており、
   前記燃焼装置シール受け板の前記開口部の縁部には、前記燃焼装置シールの敷設をガイドするための燃焼装置シールガイド壁が前記開口部の縁部に沿うように形成され、当該燃焼装置シールガイド壁は、前記燃焼装置シールの厚み寸法よりも低い高さを有し、
   前記燃焼装置シールは、当該燃焼装置シールの外周が前記燃焼装置シールガイド壁の内周に沿うように前記第３炉壁の上面に敷設されていることを特徴とする金属溶解炉。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の金属溶解炉において、
   前記坩堝の開口側外壁面の温度を検出する坩堝上部温度センサーを有することを特徴とする金属溶解炉。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の金属溶解炉において、
    前記坩堝の底部外壁面の温度を検出する坩堝底部温度センサーを有することを特徴とする金属溶解炉。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の金属溶解炉において、
    前記坩堝に保持されている溶湯の温度を検出する溶湯温度センサーを有することを特徴とする金属溶解炉。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の金属溶解炉において、
    前記ヒーターは、電気ヒーターであることを特徴とする金属溶解炉。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の金属溶解炉において、
    前記燃焼装置及び前記補助リングのうちの少なくとも燃焼装置が取り外された状態で前記坩堝に保持されている溶湯に浸漬可能な不純物除去装置をさらに有することを特徴とする金属溶解炉。
14. 請求項１３に記載の金属溶解炉において、
    前記不純物除去装置は、先端部に回転体を有し、当該回転体が前記溶湯の中で回転しながらマイクロバブル化した不活性ガスを発生する回転式の脱ガス装置であることを特徴とする金属溶解炉。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の金属溶解炉を用いた金属溶解炉における溶湯生成方法であって、
    前記被溶解金属を前記坩堝に投入する被溶解金属投入工程と、
    前記燃焼装置のバーナーによって直火で前記被溶解金属を溶解させる溶解工程と、
    前記坩堝に保持されている溶湯を前記ヒーターによって所定温度に保温した状態で保持する溶湯保温工程と、
    を有することを特徴とする金属溶解炉における溶湯生成方法。
16. 請求項１５に記載の金属溶解炉における溶湯生成方法において、
    前記溶解工程には、前記バーナーによって直火で前記被溶解金属を溶解させながら前記ヒーターによって加熱する「バーナー・ヒーター併用の溶解・加熱工程」が含まれ、
    前記坩堝の所定部分の温度が第１設定温度に達したら、前記「バーナー・ヒーター併用の溶解・加熱工程」に移行し、当該「バーナー・ヒーター併用の溶解・加熱工程」において前記坩堝の所定部分の温度が前記第１設定温度よりも高い第２設定温度に達すると、当該「バーナー・ヒーター併用の溶解・加熱工程」から前記溶湯保温工程に移行することを特徴とする金属溶解炉における溶湯生成方法。
17. 請求項１３又は１４に記載の金属溶解炉を用いた金属溶解炉における溶湯生成方法であって、
    前記被溶解金属を前記坩堝に投入する被溶解金属投入工程と、
    前記燃焼装置のバーナーによって直火で前記被溶解金属を溶解させる溶解工程と、
    前記坩堝に保持されている溶湯を前記ヒーターによって所定温度に保温した状態で保持する溶湯保温工程と、
    前記不純物除去装置によって、前記溶湯に含まれる不純物を除去する不純物除去工程とを有することを特徴とする金属溶解炉における溶湯生成方法。
18. 請求項１５〜１７のいずれかに記載の金属溶解炉における溶湯生成方法において、
    前記溶湯保温装置に前記坩堝固定リングを載置した状態の坩堝固定リング付き溶湯保温装置をｎ（ｎは２以上の整数）台準備するとともに、前記補助リング及び燃焼装置をそれぞれ１台ずつ準備して、
    前記ｎ台の坩堝固定リング付き溶湯保温装置を第１〜第ｎの坩堝固定リング付き溶湯保温装置としたとき、
    前記第１〜第ｎの坩堝固定リング付きの溶湯保温装置のうちの第１の坩堝固定リング付き溶湯保温装置に前記補助リング及び燃焼装置を載置して、当該第１の坩堝固定リング付き溶湯保温装置において前記被溶解金属投入工程と、前記溶解工程と、前記溶湯保温工程とを行い、これを第ｎの坩堝固定リング付き溶湯保温装置まで順番に行うことを特徴とする金属溶解炉における溶湯生成方法。

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