JP6338650B2 - 磁気ポンプ設備 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１３年３月１１日に出願された米国特許仮出願第６１／７７６，３１６号の利益を主張し、参照によりその内容全体を援用する。

本発明は、非鉄金属溶湯溶解炉内の物質を循環させるために使用されるポンプに関し、より具体的には、電磁式または永久磁石式の金属溶湯ポンプの配置および操作に関する。

いくつもの理由から、非鉄金属溶湯溶解炉内では物質を流動させることが望ましい。そのような流動または撹拌を起こすために、磁気ポンプを使用して、金属中に渦電流を発生させることがある。一部の既知のポンプでは電磁式装置が使用され、それ以外のポンプでは永久磁石が使用されている。一般的に、そのようなポンプは、溶解炉の側壁の外側に取り付けられ、金属溶湯は、ポンプ構造の中および周囲にパイプで運ばれる（例えば、双方が参照することにより援用される、米国特許出願公開第２０１１／０２４８４３２号および第２０１０／０２４４３３８号に公開されているように）。これは、金属溶湯が溶解炉の外側に出るということを意味しており、そのようなポンプおよび関連構造から外部へ漏れ出す可能性が高まる。さらに、一部の既存の装置は、溶解炉の外壁越しに磁束を放射するが、この外壁は、安全上の理由から厚くなければならない。

これらの手法のいずれも、金属溶湯の撹拌の効率が悪く、また、溶解炉側壁を通じて、あるいは溶解炉の外側にあって金属が流れる構造内における金属溶湯の漏出の重大な危険性を生じ得る。そのような漏出または破損は、ポンプ構造の損傷の危険性は言うまでもなく、ポンプ構造の外側での漏出の重大な危険性をももたらし得る。

本特許明細書で使用される「本発明（“ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ，”“ｔｈｅ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ，”“ｔｈｉｓ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ”および“ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ”）」の語は、本特許明細書および下記の特許請求の範囲の主題のすべてを広く指すことを意図されている。これらの語を含む記述は、本明細書に記載される主題を限定するものでも、あるいは下記の特許請求の範囲の意味または範囲を限定するものでもないことを理解されたい。本特許明細書が取り上げる本発明の実施形態は、本概要ではなく、下記の特許請求の範囲によって定義される。本概要は、本発明の様々な態様の高レベルの概要であり、下記の詳細な説明のセクションで詳述する一部の概念を導入する。本概要は、請求される主題の主要または本質的な特徴を特定することを意図しているものでも、請求される主題の範囲を決定するために単独で使用されることを意図しているものでもない。主題は、本特許明細書の全明細書部分、任意またはすべての図面および各請求項の適切な部分を参照することによって、理解されるべきである。

本発明は、溶解炉のサイドウェルへの入口、かつポンプの周囲のかなりの部分に巻きつく長くて比較的薄い側壁を有するポンプウェル内に、電磁式または永久磁石式のポンプであり得る磁気ポンプを配置することによって、上述の課題を解決し、他の利点を提供する。ポンプウェルの長くて薄い側壁と、ポンプウェルの周囲へのかなり大きい巻きつき角度とが、良好な磁気結合によって溶融物質内における強い渦電流ベースの流動場の生成を容易にし、それによって、ポンプの効果を高める。ウェル壁が破損して金属溶湯がウェル内へ流れても、金属が溶解炉の外側へ流出しないことから、比較的薄いポンプウェル壁の破損の危険性は、許容範囲にある。さらに、あらゆるそのような破損に関してウェルを監視して、そのような破損の際には、金属溶湯と接触するのを防ぐために、ポンプをウェルの外につり上げることができるようにする。

金属溶解炉内のウェル内にある本発明のポンプの斜視図である。 図１に示すポンプを断面で示す、立面図である。 本発明の溶解炉およびポンプの概略平面図である。 金属溶解炉内のウェル内にある本発明のポンプの別の実施形態を部分的に断面で示す、概略側面図である。 別の実施形態の溶解炉およびポンプの概略平面図である。 ある実施形態によるつり上げシステムの等角図である。 ある実施形態によるつり上げシステムの等角図である。 別の実施形態の溶解炉およびポンプの概略平面図である。

本発明の実施形態の主題は、法定要件を満たすようにここに具体的に説明するが、この説明は、特許請求の範囲を限定することを必ずしも意図するものではない。請求される主題は、他の方法で実施されてもよいし、異なる要素またはステップを含んでもよいし、または他の既存及び将来の技術と併せて使用されてもよい。この説明は、個々のステップの順番または要素の構成が明示的に記載された場合を除いて、様々なステップまたは要素の間においていかなる特定の順番または構成も暗に含むとして解釈されるべきではない。

本発明は、金属溶解炉１６の外壁１４の完全に内側、かつ溶解炉１６のサイドウェル１８への入口２２付近に配置されたウェル１２内に、電磁式または永久磁石式のポンプであり得る磁気ポンプ１０を配置することによって、上述の課題を解決する。サイドウェル１８にはある種のスクラップを添加してもよく、ポンプ１０によって生み出される金属溶湯における追加的な乱流は、スクラップを迅速に浸漬させて溶解する。サイドウェル１８における撹拌もまた、溶解炉１６の主炉床（main hearth）領域２０にある金属を撹拌する。

その他のポンプ構成を使用してもよいが、図１〜図２に示すポンプ１０は、ギヤボックス２６に連結されたモータ２４によって駆動される永久磁石式ポンプである。モータ２４は、交流または直流で電力供給されてもよいし、油圧駆動されてもよいし、回転力を提供するその他の方法で操作されてもよい。モータ２４と垂直軸（図１〜図３に図示せず）との間に挟持され得るギヤボックス２６は、比較的高速なモータ２４の回転速度を低減する。その結果、入口３４を通して空気、窒素またはその他の好適な冷却媒体を循環させる冷却ジャケット３０の内壁２８のすぐ内側で回転する１つまたは２つ以上の永久磁石（これも図１〜図２に図示せず）の構成を回転させるための回転速度が遅くなる。

冷却ジャケット３０は、溶解炉１６ウェル１２の比較的薄い耐熱壁３２に隣接している。この冷却によって、熱的な凍結面が維持される。このことは、アルミニウムまたはその他の金属溶湯がウェル１２の壁３２を溶かして穴をあける可能性を少なくする。それでもそのような穴が形成されてしまう場合も金属は依然として溶解炉内に保持されていることから、溶解炉の外壁の破損に関わる可能性がある場合よりも、結果は一般的に軽度になる。

先述のように、永久磁石式の回転可能なポンプの代わりに、電磁式ポンプなどのその他のポンプ構成を用いてもよい。例えば、１９７４年７月１６日に発行され、参照することにより本明細書に援用される、米国特許第３，８２４，４１４号に説明されたものなどの誘導モータを溶解炉のサイドウェルに組み込んでもよい。図８は、金属溶解炉２１６の完全に内側、かつ溶解炉１１６のサイドウェル２１８付近に配置されたウェル２１２に配置され得るリニア誘導モータ２００を示している。一部の実施形態では、リニア誘導モータにおいて通常平坦な面は、図８に示すように、凸状になっている。サイドウェル２１２における撹拌もまた、溶解炉のその他の領域にある金属を撹拌し、溶解炉２１６の主炉床領域２２０とサイドウェル２１８との間で金属を矢印２１５の方向に循環させる。一部の実施形態では、浸漬ポート２２２は、サイドウェル２１８と炉床領域２２０との間で金属を流動可能にする。サイドウェル２１８に添加されるあらゆるスクラップ（限定するものではないが、軽量物、切り落とし、くず、または使用済みの圧縮梱包スクラップなど）を浸漬および溶解させるために、浸漬ポンプ２２４を用いてもよい。

本発明のポンプ構成は、磁気ポンプによって生成される渦電流ベースの流動場で金属溶湯を移動させ、それによって金属を撹拌し、金属内における均一な温度維持に寄与する開水路流動システムを提供する。溶解炉内の比較的薄いウェル壁内においてポンプを構成することによって、移動する金属と磁石との間の距離が最小化されて、溶融物質内における強い渦電流の生成を容易にし、それによって、ポンプの効果を高める。

一部の場合では、磁気ポンプを溶解炉内に配置して、大きな線形渦が金属内に生じるようにする。例えば、磁石を配置して、（ポンプに最も近い）ウェルの薄い壁の略半分の範囲内に配置された金属溶湯に渦電流ベースの流動場を生成し、この磁石に最も近い金属の部分に沿って線形の流れを起こすように構成してもよい。薄い壁内の金属溶湯の残りの略半分は、同調する屈曲経路で流れて、ウェルの底にまでわたる強い線形渦を生成する。

図４は、本発明のウェル内にある磁気ポンプの別の実施形態を示している。ポンプ４０は、永久磁石式ポンプであり、モータ／ギヤボックス４２を含み、モータ／ギヤボックス４２は、主炉床領域５２およびサイドウェル５４を有する金属溶湯溶解炉５０内に配置されたウェル４８内で永久磁石４６を回転させる軸４４を駆動する。矢印５６で示される冷却媒体は、送風機５８によってウェル４８内に吹き込まれ、ポート６０から排出される。コントローラ７０が、モータ／ギヤボックス４２および送風機５８を制御する。ウェル４８の破損の際には、検出器６２からの信号によってつり上げシステムが起動されて、ポンプをウェルの外につり上げることができる。図４に示すように、つり上げシステムは、モータ／ギヤボックス４２に取り付けられた鎖６４またはケーブルに取り付けられた巻き上げ装置（図示せず）を含み、損傷を防ぐために、ポンプ４０をウェル４８の外につり上げることができる。

図６〜図７は、破損の際、ポンプ（ポンプ４００など）をウェルから巻き上げるように構成される、つり上げシステム３００の別の非限定的な実施形態を示している。図６〜図７のつり上げシステム３００は、複数の車輪３０３を有するカート３０１を含む。カート３０１は、一式のレール３０２に沿って移動して、ポンプ４００を溶解炉から遠ざけるように構成される。

検出器６２は、熱電対または検出器の設置場所でウェル内の温度を検出するためのその他の温度検出器であり得る。一部の場合では、検出器６２は、先端が開放形の保護管およびセラミックビーズの絶縁体を有するデュープレックスタイプＫ熱電対であるが、任意の好適な熱電津またはその他の温度検出器を使用してもよい。

あるいは、検出器６２は、その他の手段によってウェル内の金属溶湯の存在を検出可能な検出器であり得る。検出器はまた、高温、空気流の停止、金属溶湯の存在を示す導電率、空気の水分含量の変化または監視可能な任意のその他のパラメータもしくは条件などの条件を直接的または間接的に検出するように適合される、任意のその他の検出器であり得る。

一部の実施形態では、２つ以上の検出器６２が使用され、一部の場合では、２タイプ以上の検出器が使用される。１つの非限定的な実施形態では、熱電対またはその他の温度検出器、ならびに導電プローブで導電率を測定するなどの別の手段によって金属溶湯の存在を検出可能な検出器が使用される。１つの非限定的な実施形態では、検出器のうちの１つは、限定するものではないが、Ｗａｒｒｉｃｋ（登録商標）シリーズ１６Ｍ制御装置などの液位感知能力を有するＷａｒｒｉｃｋ（登録商標）導電率システム回路の一部であってもよい。

使用する場合、熱電対素子は、任意の好適な場所、例えば、限定するものではないが、ウェル４８の底部から約１／２インチ（約１２．７ミリメートル）で温度を検出してもよい。使用する場合、限定するものではないが、Ｗａｒｒｉｃｋリレー基準プローブなどの導電率システムは、あらゆる金属侵入に関連する導電率を感知することによって破損を検出するために、ウェル壁に直接接続されてもよい。

プログラマブルロジックコントローラまたは好適なプロセッサは、検出器６２からの信号を受信および解読して、任意の好適な動作を開始することができる。例えば、ＰＬＣは、警告を鳴動または表示させて、ポンプ４０をウェル４８の外につり上げるか、任意のその他の適切な行動をとるかを溶解炉の操作者が決定できるようにすることができる。あるいは、つり上げ装置は、つり上げ装置を起動して、ポンプ４０をウェル４８の外につり上げることができる。検出器６２および／またはＰＬＣからの信号はまた、例えば、モータ／ギヤボックス４２の操作で磁石４６の回転を停止する、または回転速度を調整する、送風機５８の動作を調整して冷却気流５６を調整する、あるいは主炉床５２または溶解炉５０の他の部分の熱入力を変えることによって、溶解炉を自動的にあるいは操作者の行動によって制御するために使用され得る。

図５は、ウェル内の永久磁石式ポンプの実施形態を示す別の平面図である。図示のように、磁気ポンプ１００は、ウェル１１２内に配置されており、ウェル１１２は、金属溶解炉１１６の完全に内側、かつ溶解炉１１６のサイドウェル１１８付近に配置されている。サイドウェル１１８および／またはサイドウェル１２２にはある種のスクラップ（限定するものではないが、軽量物、切り落とし、くず、または使用済みの圧縮梱包スクラップなど）を添加してもよく、ポンプ１００によって生み出される金属溶湯における追加的な乱流は、スクラップを迅速に浸漬させて溶解する。サイドウェル１１２における撹拌もまた、溶解炉のその他の領域にある金属を撹拌し、溶解炉１１６の主炉床領域１２０とサイドウェル１１８およびサイドウェル１１２との間で金属を循環させる。一部の実施形態では、浸漬ポートは、サイドウェル１１２と炉床領域１２０との間およびサイドウェル１１２とサイドウェル１１８との間で金属を流動可能にする。

上に引用されたすべての特許明細書、刊行物および抄録は、参照により全体を援用される。

図示または上述の構成要素、ならびに図示や記載のない構成要素およびステップからなる様々な構成が可能である。同様に、一部の特徴および部分的組み合わせが有用であり、その他の特徴および部分的組み合わせと関係なく利用されるのであってもよい。限定目的ではなく、説明の目的のために本発明の実施形態を説明してきたが、本特許明細書を読めば代替的な実施形態が明らかとなろう。したがって、本発明は、上述または図面に示された実施形態に限定されるものではなく、下記の特許請求の範囲から逸脱することなく様々な実施形態および修正がなされ得る。
なお、本開示は以下の態様を含む。
・態様１
金属溶湯を収容している容器内で前記金属溶湯を循環させるための装置であって、前記装置が、
完全に前記容器内に配置されたウェルと、
前記ウェル内に配置された磁石と
を含む、装置。
・態様２
前記磁石が、回転可能式または電磁式のいずれかである、態様１に記載の装置。
・態様３
前記ウェルの破損を検出する検出器をさらに含む、態様１に記載の装置。
・態様４
前記検出器からの信号に応じて、前記磁石を前記ウェルの外につり上げるように作動可能なつり上げ装置をさらに含む、態様３に記載の溶解炉。
・態様５
ａ．主炉床と、
ｂ．サイドウェルと、
ｃ．少なくとも前記主炉床および前記サイドウェルを取り囲む溶解炉壁と、
ｄ．前記溶解炉内で金属溶湯を撹拌する装置と、を含み、
前記装置が、
ｉ．完全に前記溶解炉内であって、かつ前記溶解炉壁に接触することなく前記サイドウェルに隣接して配置される略円筒形の耐熱壁を備えるポンプウェルと、
ｉｉ．少なくとも部分的に前記ポンプウェル内におかれ、磁石アセンブリを備える渦電流ポンプと、を含む金属溶湯溶解炉。
・態様６
前記磁石アセンブリが、回転可能な永久磁石アセンブリであり、前記ポンプが、前記回転可能な永久磁石アセンブリを回転させるモータをさらに含む、態様５に記載の溶解炉。
・態様７
前記磁石アセンブリが、固定された電磁式アセンブリである、態様５に記載の溶解炉。
・態様８
前記ポンプウェルが、前記サイドウェルに隣接する、態様５に記載の溶解炉。
・態様９
前記ポンプを冷却する手段をさらに含む、態様５に記載の溶解炉。
・態様１０
前記冷却手段が、冷却媒体を前記ウェル内に吹き込む送風機である、態様９に記載の溶解炉。
・態様１１
前記少なくとも１つの磁石の周囲に冷却媒体を通過させるように適合されるジャケットをさらに含む、態様１０に記載の溶解炉。
・態様１２
前記ウェルの破損を検出する検出器をさらに含む、態様５に記載の溶解炉。
・態様１３
前記検出器からの信号に応じて、前記ポンプを前記ウェルの外につり上げるように作動可能なつり上げ装置をさらに含む、態様１２に記載の溶解炉。
・態様１４
溶解炉の操作者の制御に応じて、前記ポンプを前記ウェルの外につり上げるように作動可能なつり上げ装置をさらに含む、態様１３に記載の溶解炉。
・態様１５
非鉄金属溶湯溶解炉で使用する金属溶湯撹拌装置であって、前記装置が、
ａ．前記溶解炉容器内に配置可能なポンプ容器と、
ｂ．前記ポンプ容器内に配置された磁石装置と、
ｃ．前記ポンプ容器に配置された、前記ポンプ容器における少なくとも１つのパラメータを測定する検出器と、
を含む、金属溶湯撹拌装置。
・態様１６
前記磁石装置が、電磁式アセンブリを含む、態様１５に記載の撹拌装置。
・態様１７
前記磁石装置が、少なくとも１つの永久磁石と、前記永久磁石を回転させるモータとを含む、態様１５に記載の撹拌装置。
・態様１８
前記磁石装置を少なくとも部分的に前記ポンプ容器の外に取り出す巻き上げ装置をさらに含む、態様１５に記載の撹拌装置。
・態様１９
前記検出器が前記少なくとも１つのパラメータを測定する場合、前記巻き上げ装置が、前記磁石装置を前記ポンプ容器の外に移動するように構成される、態様１８に記載の撹拌装置。
・態様２０
前記検出器が熱電対である、態様１５に記載の撹拌装置。
・態様２１
前記検出器が、導電率検出器である、態様１５に記載の撹拌装置。

Claims (15)

1. 金属溶湯を収容している容器内で前記金属溶湯を循環させるための装置であって、前記装置が、
   完全に前記容器内に配置されたウェルと、
   前記ウェル内に配置された磁石と、
   前記ウェルの破損を検出する検出器と、
   前記検出器からの信号に応じて、前記磁石を前記ウェルの外につり上げるように作動可能なつり上げ装置と
   を含む、装置。
2. 前記磁石が、回転可能式または電磁式のいずれかである、請求項１に記載の装置。
3. ａ．主炉床と、
   ｂ．サイドウェルと、
   ｃ．少なくとも前記主炉床および前記サイドウェルを取り囲む溶解炉壁と、
   ｄ．溶解炉内で金属溶湯を撹拌する装置であって、
   ｉ．完全に前記溶解炉内であって、かつ前記溶解炉壁に接触することなく前記サイドウェルに隣接して配置される略円筒形の耐熱壁を備えるポンプウェルと、
   ｉｉ．少なくとも部分的に前記ポンプウェル内におかれ、磁石アセンブリを備える渦電流ポンプと、
   を含む装置と、
   ｅ．前記ポンプウェルの破損を検出する検出器と、
   ｆ．前記検出器からの信号に応じて、前記ポンプを前記ポンプウェルの外につり上げるように作動可能なつり上げ装置と、
   を含む金属溶湯溶解炉。
4. 前記磁石アセンブリが、回転可能な永久磁石アセンブリであり、前記ポンプが、前記回転可能な永久磁石アセンブリを回転させるモータをさらに含む、請求項３に記載の溶解炉。
5. 前記磁石アセンブリが、固定された電磁式アセンブリである、請求項３に記載の溶解炉。
6. 前記ポンプウェルが、前記サイドウェルに隣接する、請求項３に記載の溶解炉。
7. 前記ポンプを冷却する手段をさらに含む、請求項３に記載の溶解炉。
8. 前記冷却手段が、冷却媒体を前記ポンプウェル内に吹き込む送風機である、請求項７に記載の溶解炉。
9. 前記磁石アセンブリの周囲に冷却媒体を通過させるように適合されるジャケットをさらに含む、請求項８に記載の溶解炉。
10. 溶解炉の操作者の制御に応じて、前記ポンプを前記ポンプウェルの外につり上げるように作動可能なつり上げ装置をさらに含む、請求項３に記載の溶解炉。
11. 非鉄金属溶湯溶解炉で使用する金属溶湯撹拌装置であって、前記装置が、
    ａ．前記溶解炉容器内に配置可能なポンプウェルと、
    ｂ．前記ポンプウェル内に配置された磁石装置と、
    ｃ．前記ポンプウェルに配置された、前記ポンプウェルにおける少なくとも１つのパラメータを測定する検出器と、
    ｄ．前記磁石装置を少なくとも部分的に前記ポンプウェルの外に取り出す巻き上げ装置であって、前記検出器が前記ポンプウェルの破損の前記少なくとも１つのパラメータを測定する場合、前記磁石装置を前記ポンプウェルの外に移動するように構成される巻き上げ装置と、
    を含む、金属溶湯撹拌装置。
12. 前記磁石装置が、電磁式アセンブリを含む、請求項１１に記載の撹拌装置。
13. 前記磁石装置が、少なくとも１つの永久磁石と、前記永久磁石を回転させるモータとを含む、請求項１１に記載の撹拌装置。
14. 前記検出器が熱電対である、請求項１１に記載の撹拌装置。
15. 前記検出器が、導電率検出器である、請求項１１に記載の撹拌装置。

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