JP6382372B2

JP6382372B2 - 溶解保持炉及び溶解保持炉用の蓋体

Info

Publication number: JP6382372B2
Application number: JP2017027048A
Authority: JP
Inventors: 直久西川
Original assignee: Nippon Crucible Co Ltd
Current assignee: Nippon Crucible Co Ltd
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2037-02-16
Also published as: JP2018132262A

Description

本発明は、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属を溶解し、溶解した金属を保持する溶解保持炉及び当該溶解保持炉に用いられる蓋体に関する。

この種の溶解保持炉は、一般的に、図１０に示すように、被溶解金属（例えばアルミニウム、アルミニウム合金等）Ｍの投入口１０２を上部に有するタワー１０１と、タワー１０１内を降下する被溶解金属Ｍを溶解する溶解用バーナー１０４を有する溶解室１０３と、溶解した被溶解金属（溶湯）Ｌを保温する保持用バーナー１０６を有する保持室１０５と、溶湯Ｌを汲みだす汲出室１０７とを備えている。

被溶解金属Ｍは、タワー１０１の投入口１０２より投入された後、溶解室１０３の床部上に堆積し、溶解室１０３内において、溶解用バーナー１０４から噴射する火炎によって加熱されて溶解する。生成された溶湯Ｌは、溶解室１０３の床部の傾斜面に沿って流下し、保持室１０５に流入する。保持室１０５において溶湯Ｌは、さらに保持用バーナー１０６から噴射する火炎Ｆで直火加熱され、汲み出しまでの過程における溶湯Ｌの温度低下を補うため、汲み出し時の温度より高温に保持される（例えば特許文献１を参照）。

特開平１１−１０８５５７号公報

上述した溶解保持炉では、溶解室１０３及び保持室１０５の床部、側壁部、天井等の内張り材がシリカ質やアルミナ質等の耐火物で形成されている。ここで、アルミニウムやアルミニウム合金等の溶湯は、耐火物中に容易に浸透する性質とともに強い還元力を有しているため、耐火物を構成するシリカと反応して硬質な金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）を生成させる。この金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）は、炉内の空間が非常に高温になると生成されやすいが、特に保持室３は、被溶解金属Ｍの溶解温度よりも高い温度で溶湯Ｌを保持する必要があるうえ、保持用バーナー１０６からの火炎Ｆで直接溶湯Ｌを加熱すると、保持室１０５内の上部空間の温度が非常に高くなるため、金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）が側壁部や天井の内面に生成しやすい。このような金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）が保持室１０５の側壁部等に生成すると、金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）は熱伝導率が高いため、側壁部等の蓄熱量が大きくなって省エネが困難となる。さらに、金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）が生成し続けて成長すると、金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）が保持室１０５の内部空間に大きく侵出することで内部空間が狭くなり、その結果、内部空間の温度が異常に上昇する等、温度制御が困難となる。一方で、側壁部等に生成した金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）は、硬質でありかつ耐火物に熔着して生成されるので、これを除去するには多大な労力及びコストを要する。そのため、保持室１０５は、金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）が生成されにくい構造が求められている。

本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、保持室の側壁部等に金属酸化物が生成することを抑制できる溶解保持炉及び溶解保持炉用の蓋体を提供することを目的とする。

本発明の前記目的は、被溶解金属を加熱して溶融金属とする溶解室と、前記溶解室から供給される溶融金属を保持する保持室と、を有する溶解保持炉であって、前記保持室に貯留される溶融金属を加熱する保持用バーナーと、前記保持室の一部を構成しかつ前記保持用バーナーが取り付けられる取付孔を有する蓋体と、を備え、前記蓋体は、空気供給源から供給される燃焼空気が流れる第１空間と、前記保持室の内部空間に面しかつ前記第１空間から供給される燃焼空気を用いて前記保持室の内部空間を冷却する第２空間と、を内部に有し、前記保持用バーナーは、前記第２空間を流れる燃焼空気を取り込んで燃料ガスと混合させるための吸気口を有する、溶解保持炉により達成される。

上記構成の溶解保持炉において、前記第１空間及び前記第２空間は、燃焼空気を連通可能な連通孔を有する仕切板により仕切られていることが好ましい。

また、前記第１空間は、燃焼空気を連通可能な連通孔を有する区画板により、２つの空間に区切られていることが好ましい。

また、前記空気供給源から前記第１空間に燃焼空気を送る燃焼空気供給パイプは、前記保持用バーナーの燃焼に必要な量の燃焼空気を送り出す本流路と、前記保持用バーナーの燃焼に必要な量よりも少量の燃焼空気を送り出すバイパス流路と、を有することが好ましい。

また、本発明の上記目的は、被溶解金属を加熱して溶融金属とする溶解室と、前記溶解室から供給される溶融金属を保持する保持室と、を有する溶解保持炉の前記保持室の一部を構成する蓋体であって、前記保持室に貯留される溶融金属を加熱するための保持用バーナーが取り付けられる取付口を有し、さらに、空気供給源から供給される燃焼空気が流れる第１空間と、前記保持室の内部空間に面しかつ前記第１空間から供給される燃焼空気を用いて前記保持室の内部空間を冷却する第２空間と、を内部に有する、蓋体によっても達成される。

本発明によれば、保持室において、保持用バーナーから噴射する火炎により溶融金属が加熱される。このとき、空気供給源から供給される燃焼空気は、燃料ガスと混合される前に、蓋体内の第１空間に供給され、第１空間を流れた後、第２空間に供給される。そして、第２空間を流れた燃焼空気が吸気口より保持用バーナーに供給され、燃料ガスと混合することで燃焼し、噴射口より火炎が噴射される。そのため、低温の燃焼空気が第２空間を流れることで、蓋体の表面が低温に保たれ、保持室の内部空間の空気が低温に保たれた蓋体の表面と接することにより、保持室の内部空間が冷却される。よって、保持用バーナーからの火炎で直接溶融金属を加熱しても、保持室の内部空間の温度が過度に高くなることが防止されるので、金属酸化物の生成が抑制される。このように、本発明によれば、保持室が金属酸化物が生成されにくい構造となるので、従来技術における課題を解決できる。

また、本発明によれば、蓋体内の第２空間にて、保持室の内部空間の高温雰囲気と熱交換した後の高温の燃焼空気が吸気口より保持用バーナーに取り込まれて、燃料ガスとの混合・燃焼に用いられるので、保持用バーナーの燃焼効率を向上させることができる。さらに、保持用バーナーに取り込まれる高温の燃焼空気は、保持用バーナーから出る排気ガスとは異なり、溶融金属の加熱処理に用いられる前のクリーンなガスであるため、保持用バーナーに取り込んでも何ら問題はなく、保持用バーナーが故障等することも防止できる。

本発明の一実施形態に係る溶解保持炉の概略構成を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る蓋体の概略構成を示す断面図である。蓋体の平面図である。蓋体の側面図である。蓋体の正面図である。本発明の他の実施形態に係る蓋体の概略構成を示す断面図である。本発明の他の実施形態に係る蓋体の第２空間を示す概略構成図である。本発明の他の実施形態に係る蓋体の第２空間を示す概略構成図である。本発明の他の実施形態に係る溶解保持炉の概略構成を示す断面図である。従来例に係る溶解保持炉の概略構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る溶解保持炉の概略構成を示す。図２は、本発明の一実施形態に係る蓋体に保持用バーナーが取り付けられた状態の概略構成を示す。なお、以下の説明では、蓋体が保持室の天井を構成する実施形態を例にしている。

溶解保持炉１は、アルミニウム、アルミニウム合金等の被溶解金属Ｍを溶解して保持するものであり、被溶解金属Ｍを溶解する溶解室２と、溶解室２から供給される溶融金属（溶湯）Ｌを貯留する保持室３とを備える。さらに、溶解保持炉１は、タワー４及び汲出室５を備えている。

タワー４は、上部に被溶解金属Ｍの投入口４０を有する筒状を呈しており、底部も開口している。タワー４は、被溶解金属Ｍを下方の溶解室２に案内するとともに、後述する溶解用バーナー６及び保持用バーナー７から出る排気ガスの煙道としても機能する。タワー４の上部には投入蓋４１が設けられており、投入蓋４１により投入口４０を開閉可能である。投入蓋４１にはガス排気口４２が設けられている。

溶解室２は、タワー４の下方に位置しており、タワー４の投入口４０から投入されてタワー４内を降下する被溶解金属Ｍを床部２０で受け止める。溶解室２の側壁部２１には、被溶解金属Ｍを加熱するための溶解用バーナー６が設置されている。溶解用バーナー６は、燃料ガスに燃焼空気を適宜混合させて燃焼させる従来から公知の燃焼バーナーを用いることができる。溶解用バーナー６から噴射される火炎が被溶解金属Ｍに直接当たって被溶解金属Ｍを加熱することにより、被溶解金属Ｍは溶解して溶湯Ｌとなる。溶湯Ｌは、保持室３に向かって低く傾斜した床部２０の傾斜面に沿って流下して保持室３に供給される。なお、溶解用バーナー６は、溶解室２の広さ、当該バーナー６の溶解能力等に応じて、適当な数を設置することができる。

保持室３は、溶解室２の側方に位置しており、上部に開口を有する容体である。保持室３は、溶解室２から連通部２２を介して供給される溶湯Ｌを床部３０上の側壁部３１で囲まれた貯留空間に貯留する。保持室３の上部には天井蓋（蓋体）８が着脱可能に設けられており、天井蓋８により保持室３の上部開口を開閉可能である。天井蓋８には、保持用バーナー７が取り付けられている。保持室３内の溶湯Ｌは、保持用バーナー７から噴射される火炎Ｆによる加熱を受けて、被溶解金属Ｍの溶解温度よりも高い温度で保持される。なお、一般に、アルミニウムの溶解温度は６６０℃程度であるが、汲み出し時の溶湯Ｌの温度は６２０℃〜８５０℃が要求される。そのために、保持室３内においては、保持用バーナー７を用いて貯留された溶湯Ｌを汲み出しに適した温度に昇温、調整される。

保持室３には汲出室５が連設されている。保持室３の床部３０は、側壁部３１を越えて延びており、仕切壁３２によって仕切られることで保持室３と汲出室５とが分離されている。保持室３と汲出室５との間は、仕切壁３２の下方の連通部３３を介して溶湯Ｌが移動可能である。汲出室５に移動した溶湯Ｌは、鋳造に使用される。

上述した溶解室２、保持室３及び汲出室５は、図示は省略するが、鋼鉄等の金属により形成されたケーシングに耐火物を内張りして形成されている。なお、ケーシングと耐火物との間に、必要に応じて断熱材を介在させてもよい。ここで、耐火物としては、通常汎用される耐火物によって構成することができ、例えば、耐火レンガ、耐火ボード、キャスタブル耐火物等を用いることができ、その材料としては、シリカ質、アルミナ質の他、窒化珪素、炭化珪素等の耐熱性、耐食性に優れるものを好ましく例示することができる。断熱材としては、例えば、断熱ファイバ等を用いることができる。

天井蓋８は、保持室３の上部開口を覆う蓋体であり、保持室３の一部である天井を構成している。天井蓋８は、図２及び図３〜図５に示すように、箱型を呈する本体部８０と、本体部８０の下部の開口を塞ぐ蓋板８１とにより構成されており、天井蓋８は、内部に密閉された空間を有している。

本体部８０は、鋼鉄等の金属により形成されたケーシング８２の内面に断熱材８３を内張りして形成されている。断熱材８３は、約１２００℃までの耐熱性と通気性と断熱性とを有する材料であれば利用可能であり、例えば、板状又はブロック状に成形された多孔質成形体、ファイバ（短繊維）がボード状又はシート状に成形されたファイバ成形体を利用することができる。蓋板８１は、鋼鉄等の金属により形成することができる。

天井蓋８の内部空間は、仕切板９により仕切られている。本実施形態では、１枚の仕切板９により、第１空間８４Ａ及び第２空間８４Ｂの２つの空間に仕切られており、第２空間８４Ｂが保持室３の内部空間３４と蓋板８１を挟んだ状態で面している。仕切板９には、１又は複数の連通孔９０が形成されており、第１空間８４Ａ及び第２空間８４Ｂは連通孔９０を介して連通している。仕切板９は、空気の流れを制御できる材料であれば利用可能であり、例えば、金属板及び断熱ボード等を利用することができる。

天井蓋８の中央付近には、天井蓋８を貫通する取付孔８５が形成されている。この取付孔８５に、保持室３に貯留される溶湯Ｌを加熱する保持用バーナー７が取り付けられている。なお、取付孔８５は、本体部８０、蓋板８１及び仕切板９に保持用バーナー７を挿通するためにそれぞれ形成された貫通孔と、天井蓋８の内部空間８４Ａ，８４Ｂとにより構成される。

天井蓋８には、ボルト締結用のボルト孔が形成された固定部８６が外周面から突き出るようにして複数形成されている。この固定部８６を保持室３の上面に設けられた取付部３５に合わせて、両者をボルトで締結することで、天井蓋８が保持室３に固定される。

保持用バーナー７は、保持室３に貯留される溶湯Ｌの湯面に直接火炎Ｆを当てて溶湯Ｌを加熱するものであり、天井蓋８の取付孔８５にボルト等を介して着脱自在に取り付けられる。保持用バーナー７は、燃料ガスに燃焼空気を適宜混合させて燃焼させる従来から公知の燃焼バーナーを用いることができ、図示しない燃料ガス供給装置から延びる燃料ガス供給パイプ７１と、燃焼空気を送り出す空気供給源（本実施形態ではブロワ）７２から延びる燃焼空気供給パイプ７３とが接続されている。

保持用バーナー７の外筒７０には、空気供給源７２から保持用バーナー７に供給された燃焼空気を、図示しない内筒内を通過する燃料ガスと混合させる前に、天井蓋８内の第１空間８４Ａに導出するための導出口７０Ａが形成されている。これにより、空気供給源７２から供給される燃焼空気は、天井蓋８内の第１空間８４Ａを通過し、その後、仕切板９の連通孔９０を通って、第２空間８４Ｂに供給される。また、保持用バーナー７の外筒７０には、第２空間８４Ｂを通過した燃焼空気を外筒７０内に取り込むための吸気口７０Ｂが形成されている。これにより、保持用バーナー７の先端の噴射口近傍において、内筒からの燃料ガスに燃焼空気が混合されて燃焼し、噴射口より火炎Ｆが保持室３内の溶湯Ｌに向けて噴射される。

このように、保持用バーナー７は、空気供給源７２から供給された燃焼空気を、天井蓋８の第１空間８４Ａに導出するとともに、第２空間８４Ｂより取り込んで、燃料ガスと混合させるように構成されており、そのため、導出口７０Ａは外筒７０の基端側に形成され、吸気口７０Ｂは外筒７０の先端側に形成され、その間に、仕切板９が配置されている。

燃焼空気供給パイプ７３は、保持用バーナー７における燃料ガスの燃焼に必要な量の燃焼空気を送り出す本流路７３Ａと、保持用バーナー７の上記燃焼に必要な量よりも少量の燃焼空気を送り出すバイパス流路７３Ｂとを有している。各流路７３Ａ，７３Ｂには、電磁弁等の開閉制御弁７４Ａ，７４Ｂが接続されており、開閉制御弁７４Ａ，７４Ｂの開閉により、各流路７３Ａ，７３Ｂの燃焼空気の流れが制御される。

上述した構成の溶解保持炉１では、保持室３において、保持用バーナー７から噴射する火炎Ｆにより溶湯Ｌが加熱される。このとき、空気供給源７２から保持用バーナー７に供給された燃焼空気は、燃料ガスと混合される前に、導出口７０Ａから天井蓋８内の第１空間８４Ａに導出し、第１空間８４Ａを通過した後、仕切板９の連通孔９０を通って、第２空間８４Ｂに供給される。そして、第２空間８４Ｂを通過した燃焼空気が吸気口７０Ｂより再び保持用バーナー７に供給され、燃料ガスと混合することで燃焼し、噴射口より火炎Ｆが噴射される。そのため、低温の燃焼空気が第２空間８４Ｂを通過することで、蓋板８１が低温に保たれ、保持室３の内部空間３４の空気が低温に保たれた蓋板８１と接することにより、保持室３の内部空間３４が冷却される。よって、保持用バーナー７からの火炎Ｆで直接溶湯Ｌを加熱しても、保持室３の内部空間３４の温度が過度に高くなることが防止されるので、アルミニウムの酸化に伴う金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）の生成が抑制される。このように、本実施形態の溶解保持炉１では、保持室３が金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）が生成されにくい構造となるので、従来技術における課題を解決できる。

また、本実施形態の溶解保持炉１では、天井蓋８内の第２空間８４Ｂにて、保持室３の内部空間の高温雰囲気と熱交換した後の高温の燃焼空気が吸気口７０Ｂより保持用バーナー７に取り込まれて、燃料ガスとの混合・燃焼に用いられるので、保持用バーナー７の燃焼効率を向上させることができる。さらに、保持用バーナー７に取り込まれる高温の燃焼空気は、保持用バーナー７から出る排気ガスとは異なり、溶湯Ｌの加熱処理に用いられる前のクリーンなガスであるため、保持用バーナー７に取り込んでも何ら問題はなく、保持用バーナー７が故障等することも防止できる。

また、本実施形態の溶解保持炉１では、保持用バーナー７を作動させない場合には、燃焼空気供給パイプ７３の本流路７３Ａの開閉制御弁７４Ａを閉じ、バイパス流路７３Ｂの開閉制御弁７４Ｂを開くことで、天井蓋８の内部空間（第１空間８４Ａ,８４Ｂ）に少量の低温の燃焼空気が供給される。これにより、保持室３の内部空間３４が比較的高温となっていても、天井蓋８や天井蓋８上の各種機器の熱による損傷を防止することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、図６に示すように、第１空間８４Ａについて、燃焼空気を連通可能な連通孔１００を有する区画板１０により、２つの空間８４Ａ１，８４Ａ２に区切ってもよい。これにより、高温の燃焼空気が流通する第２空間８４Ｂと、天井蓋８上の各種機器との間に、低温の燃焼空気が流通する空間（断熱層）が２層存在するので、各種機器の熱に対する保護をより効果的なものとすることができる。

また、第２空間８４Ｂについて、図７に示すように邪魔板１１を複数設けたり、図８に示すように渦巻き状のガイド板１２を設ける等して、燃焼空気が第２空間８４Ｂに供給された後、吸気口７０Ｂより保持用バーナー７に取り込まれるまでの時間を長くして、第２空間８４Ｂに滞留する時間を長くしてもよい。これにより、保持室３の内部空間３４の冷却効率が向上するので、金属酸化物生成の抑制及び保持用バーナー７の燃焼効率の向上をより効果的なものとすることができる。

また、上記実施形態では、燃焼空気供給パイプ７３に、保持用バーナー７における燃料ガスの燃焼に必要な量の燃焼空気を送り出す本流路７３Ａと、保持用バーナー７の上記燃焼に必要な量よりも少量の燃焼空気を送り出すバイパス流路７３Ｂとを設けている。しかしながら、バイパス流路７３Ｂを省略し、その代わりに、本流路７３Ａの開閉制御弁７４Ａを、本流路７３Ａを流れる燃焼空気の量を調整可能な流量制御弁とし、保持用バーナー７を作動する場合と作動させない場合とで流量制御弁を制御することで、天井蓋８に供給する燃焼空気の量を調整してもよい。

また、上記実施形態では、空気供給源７２から供給される燃焼空気が、一旦、保持用バーナー７に供給されてから、天井蓋８内の第１空間８４Ａに供給されているが、保持用バーナー７を介さずに、直接、天井蓋８内の第１空間８４Ａに供給してもよい。

また、上記実施形態では、保持用バーナー７が保持室３の天井に設けられるタイプの溶解保持炉１を説明したため、天井を蓋体（天井蓋８）としているが、保持用バーナー７が保持室３の側壁部３１に設けられるタイプの溶解保持炉では、側壁部３１の一部を側壁部３１に着脱可能な蓋体とし、当該蓋体に上記実施形態と同様に保持用バーナー７と取り付けるとともに、蓋体内部に第１空間８４Ａ及び第２空間８４Ｂを設けるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、汲出室５が保持室３に連設され、保持室３から汲出室５に溶湯Ｌが移動して、汲出室５から溶湯Ｌが汲み出される「汲み出しタイプ」の溶解保持炉１に、本発明に係る蓋体を適用した例を説明している。しかしながら、図９に示すように、汲出室５を備えずに、保持室３の側壁部３１に設けられた出湯口３６により保持室３から溶湯Ｌを抜き取る「抜き取りタイプ」の溶解保持炉１´についても、本発明に係る蓋体（図示例では天井蓋８）を適用することができる。なお、図９中、符号３７は、出湯口３６を塞ぐ抜き差し可能な栓を示している。また、図９に示す溶解保持炉１´の基本的な構成は、図１に示す上記実施形態の溶解保持炉１の構成と同様であり、ここでは対応する構成には同一の符号を付することで説明を省略する。

１溶解保持炉
１´ 溶解保持炉
２溶解室
３保持室
７保持用バーナー
８天井蓋（蓋体）
９仕切板
１０区画板
３４内部空間
７０Ｂ吸気口
７２空気供給源
７３燃焼空気供給パイプ
７３Ａ本流路
７３Ｂバイパス流路
８４Ａ第１空間
８４Ｂ第２空間
８５取付孔
９０連通孔
１００連通孔

Claims

被溶解金属を加熱して溶融金属とする溶解室と、前記溶解室から供給される溶融金属を保持する保持室と、を有する溶解保持炉であって、
前記保持室に貯留される溶融金属を加熱する保持用バーナーと、
前記保持室の一部を構成しかつ前記保持用バーナーが取り付けられる取付孔を有する蓋体と、を備え、
前記蓋体は、空気供給源から供給される燃焼空気が流れる第１空間と、前記保持室の内部空間に面しかつ前記第１空間から供給される燃焼空気を用いて前記保持室の内部空間を冷却する第２空間と、を内部に有し、
前記保持用バーナーは、前記第２空間を流れる燃焼空気を取り込んで燃料ガスと混合させるための吸気口を有する、溶解保持炉。
前記第１空間及び前記第２空間は、燃焼空気を連通可能な連通孔を有する仕切板により仕切られている、請求項１に記載の溶解保持炉。
前記第１空間は、燃焼空気を連通可能な連通孔を有する区画板により、２つの空間に区切られている、請求項２に記載の溶解保持炉。
前記空気供給源から前記第１空間に燃焼空気を送る燃焼空気供給パイプは、前記保持用バーナーの燃焼に必要な量の燃焼空気を送り出す本流路と、前記保持用バーナーの燃焼に必要な量よりも少量の燃焼空気を送り出すバイパス流路と、を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の溶解保持炉。
被溶解金属を加熱して溶融金属とする溶解室と、前記溶解室から供給される溶融金属を保持する保持室と、を有する溶解保持炉の前記保持室の一部を構成する蓋体であって、
前記保持室に貯留される溶融金属を加熱するための保持用バーナーが取り付けられる取付口を有し、さらに、
空気供給源から供給される燃焼空気が流れる第１空間と、前記保持室の内部空間に面しかつ前記第１空間から供給される燃焼空気を用いて前記保持室の内部空間を冷却する第２空間と、を内部に有する、蓋体。