JP6393256B2 - 溶融金属浸漬装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウムなどの金属スクラップを溶かすための改良された方法及び装置に関する。しかしながら、本開示は、アルミニウムの利用に限られているのではなく、むしろ全ての溶融金属に関連する。

アルミニウムのスクラップは、２つの一般的なカテゴリに分けることができる。第１のカテゴリのスクラップは、通常、自己浸漬する内燃機関部品等の大きな部品から成る。第２のカテゴリのスクラップは、細断された食品及び飲料容器、又は機械加工チップ及びやすり屑等の軽量スクラップと称される。軽量スクラップは浸漬するのが困難であり、溶かすことが難しい。

通常の軽量スクラップ溶融システムは、溶融ベイに浮遊スクラップが集積してプロセスの効率を著しく妨げるという問題がある。また、このような通常の溶融システムは、より高レベルで浮遊物が形成され、酸化物に変化した浮遊アルミニウムスクラップ及び浮遊物に取り込まれた遊離アルミニウム金属に起因する溶融損失につながる。溶融損失に加えて、高レベルの浮遊物は、精製された金属を提供するために、下流側でより強力な処理を行ってこれらの材料を分離する必要がある。

米国特許第４，１２８，４１５号には、断面が略円筒形であり上側部及び下側部を有するハウジングを含む、融解媒体中に金属スクラップを溶かすためのシステムが開示されている。金属スクラップは、ハウジングの上側部に収容された融解した溶融媒体部に導入される。融解した溶融媒体の供給分は、下側部に配置された渦巻き形室を通ってケーシング上側部へ加えられる。融解した溶融媒体は、下側部に配置され、上側部を貫通して延びる駆動軸に取り付けられたインペラの運動によって供給されるか又は加えられる。ベーンは駆動軸に取り付けられ、融解した溶融媒体と金属スクラップを混合する目的で溶融媒体部に渦を発生させることで、ハウジング上側部において融解した溶融媒体本体及び金属スクラップの流れ運動を制御するようになっている。

米国特許第３，９９７，３３６号には、溶融媒体中に金属スクラップを溶かすシステムが開示されており、このシステムは上側部を有するハウジングを備え、溶融媒体とスクラップを一緒にされて溶融が始まるようになっている。また、ハウジングは、渦巻き形室が配置された下側部を有する。中央ハブ、該ハブを取り囲む円周バンド、及び該ハブから該バンドまで放射状に突出する傾斜ベーンを有するインペラは、ハウジングの下側部に配置され、渦巻き形室と協働して、インペラの回転状態で金属スクラップ及び融解した溶融溶媒体を下方に移動させてハウジングから流出させる。

米国特許第４，５１８，４２４号には、融解した溶融媒体中に金属スクラップを溶かす方法が開示されている。本方法は、上側部及び下側部を有するハウジング内に融解した融媒体部を供給する段階を含み、下側部は略円筒形である。金属スクラップの供給分はハウジングに加えられ、融解した溶融媒体はハウジングの上側部に導入される。金属スクラップの溶融は、スクラップを取り込み、下側部に配置されたインペラの作用で融解した溶融媒体を下方へ向けることで始まり、インペラは、中心に穴を有する平坦なリング部材と、該リング部材から実質的に円形ディスク部材まで延びるブレードとを有している。

米国特許第４，４８６，２２８号には、融解した溶融媒体中に金属スクラップを溶かす方法が開示されている。本方法は、上側部及び下側部を有するハウジング内に融解した融媒体部を供給する段階を含み、下側部は略円筒形である。金属スクラップの供給分はハウジングに加えられ、融解した溶融媒体はハウジングの上側部に導入される。金属スクラップの溶融は、スクラップを取り込み、下側部に配置されたインペラの作用で融解した溶融媒体を下方へ向けることで始まり、インペラは、中心に穴を有する平坦なリング部材と、該リング部材から実質的に円形ディスク部材まで延びるブレードとを有している。スクラップ及び溶融媒体は、リング部材の開口部から軸方向に入り、そこからブレードを用いて半径方向に押し進める。インペラは円筒側壁内に配置され、少なくともリング部材が側壁と協働して、ハウジング内で融解した溶融媒体が上側部に再循環するのを実質的に防ぎながら、スクラップ及び溶融媒体を上側部から該インペラを通って移動させるようになっている。

米国特許第４，４３７，６５０号には、比較的大きな浮遊単位体の金属スクラップを融解した溶融媒体中に溶かす装置が開示されており、この単位体は、酸化物皮膜、及び固体、液体、及び気体介在物を含む。単位体が溶融媒体に満たされた後、新たに溶融した金属層が融解媒体に提供される。この装置は、融解媒体を加熱するベイと、融解媒体をポンプで加熱ベイから大きな単位体の金属スクラップを受け取るための円形ベイへポンプ送給する手段とを含む。

米国特許第４，２８６，９８５号には、融解した溶融媒体の表面に浮遊する傾向がある金属スクラップを取り込んで溶かすための渦流式溶融システムが開示されており、その開示内容は引用により本明細書に組み込まれている。本方法は、溶融媒体を供給して、供給された媒体を下部に出口開口を有するレセプタクル上側部へ案内する段階を含む。レセプタクルに流入する溶融媒体の流れは、媒体が下部開口から流出する際に、レセプタクル内の溶融媒体に渦を引き起こす。レセプタクルへの溶融媒体の流量及び下部開口の寸法は、レセプタクル内で所定レベルの媒体が維持されるようになっている。

また、米国特許第６，０３６，７４５号、米国特許第６，０７４，４５５号、及び米国特許第６，２１７，８２３号には、金属スクラップ浸漬装置が記載されている。これらの開示内容は、引用により本明細書に組み込まれている。

米国特許第４，１２８，４１５号公報 米国特許第３，９９７，３３６号公報 米国特許第４，５１８，４２４号公報 米国特許第４，４８６，２２８号公報 米国特許第４，４３７，６５０号公報 米国特許第４，２８６，９８５号公報 米国特許第６，０３６，７４５号公報 米国特許第６，０７４，４５５号公報 米国特許第６，２１７，８２３号公報

第１の実施形態によれば、上部開放チャンバを備えた金属スクラップ浸漬装置が提供され、上部開放チャンバは、耐熱材料からなる壁と、チャンバの底部又は側壁に配置された入口と、チャンバの底部又は側壁に配置された出口と、チャンバの側壁に隣接する傾斜部とを含む。側壁は更に、溶融金属流に影響を与える部分を含む。その部分は、バッフル、ベーン、通路、発散形状又は収束形状、及びこれらの組み合わせを含む。

第２の実施形態によれば、上部開放チャンバを備えた金属スクラップ浸漬装置が提供され、上部開放チャンバは、耐熱材料からなる壁を含む。チャンバは、側壁に配置された入口と底部に配置された出口とを含む。棚部を備えた傾斜部は、チャンバ側壁から延びる。棚部は、少なくとも全体的に上向きの面を含み、上向き面は、内向きに又は外向きに傾斜する。

別の実施形態によれば、上部開放チャンバを備えた金属スクラップ浸漬装置が記載され、上部開放チャンバは、耐熱材料からなる壁と、チャンバの側壁及び底部のいずれかに配置された入口を備える。出口は、チャンバ底部に配置される。棚部を備えた傾斜部は側壁から延びる。棚部は、少なくとも全体的に上向きの面を含み、上向き面は、内向きに又は外向きに傾斜する。チャンバ側壁は更に、バッフル、ベーン、ドロスウエルと流通する通路、傾斜部に隣接した直径の変化、及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む。

図１は従来の溶融した溶融金属リサイクル炉の概略図である。 図２は、従来の図１の炉のポンプウエル及び充填ウエルの断面図である。 図３は、本発明の充填ウエルの第１の実施形態の一部が断面の平面図である。 図４は、図３の充填ウエルの断面図である。 図５は、本発明の充填ウエルの別の実施形態の断面図である。 図６は、本発明の充填ウエルの更に別の実施形態の断面図である。 図７は、本発明の充填ウエルの第４の別の実施形態の断面図である。 図８は、本発明の充填ウエルの第５の別の実施形態の断面図である。 図９は、本発明の充填ウエルの第６の別の実施形態の断面図である。 図１０は、図９の充填ウエルの平面図である。 図１１は、充填壁の形状を変更した別の実施形態の断面図である。

本発明の種々の実施形態を詳細に参照するが、その実施例は添付図面に示されている。本発明は、図示の実施例と関連して記載されるが、本発明は、これらの実施例に限定されることが意図されていないことを理解されたい。むしろ、特許請求の範囲によって定義された本発明の精神及び範囲に含まれる全ての変形、変更、均等物をカバーすることが意図されている。

本発明は、一般に、アルミニウムのリサイクル等の金属のリサイクル処理で使用するタイプのスクラップ浸漬システムに関する。金属のリサイクルにおいて、処置及び処理のためにスクラップ片を溶かす必要がある。大部分のアルミニウムスクラップは、シェービング加工、ボーリング加工、及び冷間圧延等の該スクラップが生じる機械的成形処理の結果として薄肉である。薄肉のスクラップ片を溶かすのは特に困難であり、その理由は、融解した金属上に薄肉のスクラップ片が浮遊するので、融解した金属中への急速な浸漬が著しく妨げられるからである。問題なのは、従来の溶融炉の厳しい雰囲気中に長時間露出すると、非常に高い酸化損失につながる点である。

軽量スクラップをインゴットに変える通常の溶融作業では、溶融炉は、密閉式炉床と連結開放式側壁を備える。通常、側壁はポンプウエル及び溶融ベイに分割される。ポンプ又は他の融解金属流の誘導装置は、溶融ベイ（例えば、ポンプウエル内）の外部に配置され、融解金属を炉床から溶融ベイへ流す。通常、溶融ベイは、充填ウエル及びドロスウエルに更に分割される。金属スクラップ片は、溶融ベイ、特にその充填ウエル部分へ供給される。浮遊ドロスは、ドロスウエル内の溶融金属表面からすくい取られる。

図１を参照すると、アルミニウムのリサイクル炉が図示されている。炉１０は、例えば、ガス又は石油バーナーによって、又は公知技術の他の任意の手段によって加熱される主要炉床構成要素１２を含む。ポンプウエル１４、充填ウエル１６、及びドロスウエル１８から構成された主要リサイクル領域は、炉床１２に隣接してこれに流体連通する（通常、浸漬アーチ道）。図示されていないが、炉床１２の壁はポンプウエル１４に、ポンプウエルは充填ウエル１６に、充填ウエルはドロスウエル１８に、及びドロスウエルは炉床１２に通じており、矢印で示す循環パターンが可能になる。ポンプウエルは、当業者に公知の任意の形式の溶融金属ポンプを含むこともできる。もしくは、ウエル及びポンプは、例えば、電磁ポンプに置き換えることもできる。溶融金属ポンプは、溶融金属を炉床１２から充填ウエル１６へ循環させ、リサイクルされる金属スクラップ片は、溶融物の表面に堆積する。また、充填ウエルは、所望の合金を得るために金属添加物又はフラックスが加えられる場所である。充填ウエル１６からの溶融金属はドロスウエル１８へ流入し、溶融物が炉床１２に戻る前に、ドロスの形態の不純物は表面からすくい取られる。本発明は、充填ウエル１６の改良されたデザインに関する。

充填ウエルは、耐熱材料で作られた壁を含む上部開放チャンバを備える。チャンバは、側壁（もしくは底部）に配置されてポンプウエルと流体連通する入口と、該入口の対向側壁に配置されてドロスウエルと流体連結する出口とを含む（しかしながら、溶融金属の出口は、内部導管を用いてチャンバ底壁を通る側面出口とすることも可能である）。通常、チャンバの内部形状は、下部又は低位置の側壁入口と、側壁に隣接して形成された傾斜部を有する底部出口で表すことができる。

第１の実施形態によれば、傾斜部は、充填ウエル側壁からチャンバの中心に向かって延びる棚部を備える。金属スクラップ浸漬装置は、傾斜部の底縁が入口に隣接してチャンバ底部に位置決めされた方法で構成される。棚部は、少なくとも全体的に上向きの面を含む。上向き面は、底部と係合する第１の端部（底縁）と、該底部よりも高い第２の端部を含む。上向き面は、例えばチャンバ直径の５％から３３％の幅を有するのがよい。従って、２つの対向する上向き面を考えた場合、全体の面積は６６％とするのがよい。さらに、棚部は、少なくとも実質的に水平な壁を含み、この水平壁は、側壁に対向する上向き面の縁部からチャンバ底部まで延びて出口の形成を助ける。水平壁は、内向き又は外向きに傾斜する。変形例では、上向き面は、内壁と係合して、側壁に対向する縁部においてチャンバの出口を形成する。壁の上縁部は、傾斜部の縁部とほぼ同じ高さとするのがよい。

別の実施形態によれば、傾斜部は傾斜面を備えることもでき、傾斜面は、チャンバの周りを全３６０°巡回し、底部から側壁まで傾斜しながら延びて、円錐形チャンバ底部を効果的に形成する。

傾斜部は、チャンバ周囲の少なくとも１８０°、２７０°、３２０°の、又は全周のらせん状であるのがよい。傾斜部の上向き面は、約５°、又は１０°から１５°の傾斜を有する部分を含むのがよい。しかしながら、チャンバ周囲の傾斜部の範囲は著しく変わることができ、傾斜面は、傾斜部の寸法全体にわたって変わることができることを理解されたい。

次に図２を参照すると、図１のポンプウエル１４及び充填ウエル１６が示されている。ポンプ２０は、ポンプウエル１４に配置され、融解アルミニウムを炉床１２から引き込んで充填ウエル１６に送り込む。詳細には、インペラ２２の回転によって浴２４から融解アルミニウムをポンプ２０へ引き込み、出口２６を通って経路２８を上り、入口３０を通って充填ウエル１６に送り込む。融解アルミニウムは、充填ウエル１６内の傾斜部３２を上方に流れ、内側縁部３４からキャビティ３６へあふれ出て、出口３８から流出する。傾斜部３２の前縁４４は、入口３０に隣接して配置される。

傾斜部３２が傾斜することは好都合であるが、一定の傾斜によって実現する必要はない。どちらかといえば、傾斜部３２は、最初の１８０°の部分４０で傾斜し、最後の約１２０°の部分４２で水平のままとするのがよい。従って、本発明は、全ての種類の傾斜した傾斜部を含むことが意図される。同様に、本発明は、充填ウエル１６の周囲のわずか４５°から３６０°までをカバーする傾斜部を含むことが意図される。しかしながら、通常、傾斜部は１８０°から２７０°まで延びる。

本発明は既存の充填ウエルを改造するための構成要素として適用可能なので、本デザインは耐火性材料の底部セクション４６を含み、底部セクションは、キャビティ３６を持ち上げて出口３８のための間隙をもたらし、溶融金属が図１のドロスウエル１８に流出することを可能にすることが図２から分かる。当業者であれば理解できるように、リサイクルされる金属チップは、充填ウエル１６の溶融物の表面４８上に堆積する。

図２に示すような米国特許第６，２１７，８２３号のスクラップ浸漬装置を簡潔に参照すると、商業的に非常に成功したシステムが図示されることに留意されたい。さらに、図示のシステムは、融解アルミニウムの最大２０，０００ポンド／時間の出来高を促進することが分かっている。明示的に、スクラップ及び所望の合金化合物を導入するために融解アルミニウムを炉床全体に循環させる炉の能力は、この炉の経済産出高に直接つながる。

炉の出来高を増やすために、溶融金属ポンプ構成要素（図２）は、高速回転で稼働できる。同様に、より大きな溶融金属ポンプを用いることもできる。しかしながら、充填ウエル（図２の１６）では、この種の強化された溶融金属流を十分に利用しないことが分かっており、その理由は、その中に発生する渦がより多くの空気を取り込み、結果的に溶融損失が大きくなるからである。さらに、単にポンプで充填ウエルへ排出する溶融金属流を増やしても、その中に形成される渦の最適形状が変わる可能性があるので、スクラップ浸漬を改善できないことが分かっている。さらに、通常の炉構造では空間的な制約があるので、より大きな浸漬ボウルを導入してポンプの高い処理能力を利用するために、充填ウエルの寸法を大きくする能力は、必ずしも現実的な選択肢ではない。

また、充填ウエル１６がその外壁に隣接する相対的な「デッドゾーン」を有することが分かっている。本明細書で用いる場合、用語「デッドゾーン」は、溶融金属がチャンバ内で回転するが、限られた部分だけが渦及びキャビティ３６に入る領域を示す。デッドゾーンは問題であり、これは追加されたスクラップのための有効な浸漬領域を低減させ、炉床を循環しない大量の溶融金属をもたらし、エネルギー効率を低下させ、システムに関するＢＴＵ要件を引き上げる。

図３及び図４の本発明の第１の実施形態を参照する。本実施形態において、スクラップ溶融装置１００は耐火性材料ブロック１０２で構成され、耐火性材料ブロックは、既存の充填ウエル（例えば図１の充填ウエル１６）の寸法と一致する、比較的近い公差をもたらすのに適した寸法である。好ましくは、ブロック１０２は、当業者に公知のアルミナ―シリカ耐火性材料、又は他の鋳造可能な耐火性材料などの硬化材料で構成される。本発明の好ましい形態では、鋳造体の表面は熱処理の前に窒化ホウ素処理が行われる。ブロック１０２は、略円筒形の側壁１１８を有するチャンバ１１６、傾斜部１２１を含む底部１２０を備え、内壁１２２は中央に位置するキャビティ１２３を形成し、キャビティ１２３は、出口１２４及び出口ダクト１２５に至る。また、傾斜部１２１は、入口１２６に隣接した前縁１２７から始まり、チャンバ１１６に至る。この例では、入口１２６はテーパ状開口１２８を含む。

流れ攪乱バッフル３０２は、例えば羽根又はベーンの形態であり、チャンバ１１６の壁に含まれる。詳細には、複数のバッフル３０２は、チャンバ壁の周囲上に分散されている。バッフルは連続すること、チャンバの周囲で等間隔又は不等間隔の複数のバッフルを備えること、チャンバ内で１つの又は種々の高さとすることができると想定される。一般的に言えば、バッフルは、下向きに傾斜した下面を有し、チャンバ１１６の中心から流れる溶融金属が下方へ向かうようになっている。もしくは、溶融金属がチャンバ１１５の壁１１８に対して主として上向きに流れるようなチャンバの場合、バッフルは、壁上の位置からチャンバ１１６中心に隣接する端部まで下向きに傾斜することが望ましい。同様に、バッフルは、チャンバ１１６内で回転する溶融金属の方向で、長手方向の範囲で下向きに傾斜することが望ましい。この点に関しては、好ましいバッフルの特徴は、溶融金属をチャンバ内で下方へ押し進めることである。米国特許第６，０３６，７４５号のバッフルは、１つの実施例を提示する。

次に図５において、内向きの傾斜５０２を有する傾斜部１２１を設けると、金属が傾斜部に沿って進む際に内向きに折れ曲がることで、混合チャンバ壁を取り囲むデッドゾーンを攪乱するのを好都合に助けることが分かっている。本明細書で用いる場合、用語「内向き」は、チャンバ側壁に隣接して高い縁部を有し、チャンバ中心近くで比較的低い縁部を有する傾斜部を意味する。「外向きの傾斜」は、逆の傾向を有する傾斜部を意味する。本開示全体を通じて、内向き及び外向きとは、通常、チャンバ側壁とチャンバ中心との間の相対的な位置を基準とすると考えることができる。

次に図６において、同様に、外向きの傾斜６０２を有する傾斜部１２１を設けると、金属が傾斜部に沿って進む際に外向きに折れ曲がることで、混合チャンバ壁を取り囲むデッドゾーンを攪乱するのを好都合に助けることが分かっている。詳細には、表面１２６は図２の装置では水平であるが、図５及び６のデザインでは、それぞれ内向き又は外向きである。

傾斜部の傾斜は、必ずしも連続する必要がないことに留意されたい。さらに、傾斜部はある領域では傾斜し、ある領域では水平のままとすることができる。さらに、傾斜の程度は様々とすることができる。

次に図７において、同様に、傾斜部１２１との接合部に隣接して内向きの傾斜７０２（収束する）をチャンバ１１６の側壁に設けると、チャンバ１１６の外壁に隣接したデッドゾーンに有用な穏やかな乱流を提供できると考えられる。

次に図８において、同様に、傾斜部１２１に隣接して外向きの傾斜８０２（発散する）をチャンバ１１６の側壁に設けると、チャンバ１１６の外壁に隣接したデッドゾーンに、有用な穏やかな乱流を提供できると考えられる。さらに図７及び図８に関して、傾斜部１２１の近くでチャンバ１１６の側壁の直径を変えることは好都合であると考えられる。直径は、チャンバの円周全体にわたって連続的に又は不連続的に変えることができる。

側壁の内向き及び外向きの傾斜は、傾斜部の上側の限られた範囲にだけ広がるように示されているが、デッドゾーンに穏やかな攪乱を発生させるために必要な高さに維持できることが想定されている。同様に、壁の傾斜は、壁全体にわたって連続する必要はなく、また、形状及び/又は傾斜は必ずしも不変である必要もないことに留意されたい。

図３から図８を参照すると、傾斜した傾斜部、傾斜したチャンバ壁、及びバッフルを組み合わせたものを利用できることに留意されたい。

次に図９及び図１０において、ブロック１０２を貫通してドロスウエル１８と直接連通する、比較的小さいポート９０２を設けることは潜在的に好都合であると考えられる。ポート９０２は、スクラップ溶融装置内で、例えば傾斜部１２１の最も高い縁部よりも僅かに高いような任意の高さとすることができる。さらに、ポート９０２は、充填ウエル１６の壁に隣接したデッドゾーンからの溶融金属の移動を容易にして、その中に流れを発生させることができると想定される。さらに、ポート９０２は、チャンバウエルとドロスウエルと間の循環を改善することができ、結果的にバーナーから炉床浴への伝熱を改善して、溶融金属が高温で充填ウエルに戻ることを可能にする。これにより、充填ウエルの中心に近くに適切な渦を維持しながら、充填ウエルでの滞留時間を短くすることができる。

外壁デッドゾーンを低減することに向けられた図３から図の特徴は、当業者が適切と考える任意の方法で図９及び図１０の吐出ポートに適用できることが想定される。

図１１において、ダイバータ、通路、及び傾斜部との接合部に隣接した成形側壁を含む本開示の特徴は、別の成形傾斜部に関連しても利用できることが示される。特に、チャンバ底部から側壁まで比較的一定の傾斜を有し、効果的に円錐を形成する360°傾斜部１００２は、同様に、バッフル１３０２、内向きに傾斜した側壁１７０２、又はドロスウエル、及び／又はポンプウエルと連通する通路１９０２に関連して利用できることが示される。

例示的な実施形態を好ましい実施形態を参照して説明した。明示的に、当業者であれば前述の詳細な説明を読んで理解することで変形例及び変更例を想定することができる。例示的な実施形態は、特許請求の範囲又はその均等物の範疇に入る限り当該変形例及び変更例の全てを含むものとして解釈される。

Claims (1)

1. 上部開放チャンバを備えた金属スクラップ浸漬装置であって、前記上部開放チャンバは、耐熱材料からなる壁と、前記チャンバの底部又は側壁に配置された入口と、前記チャンバの前記底部又は側壁に配置された出口と、前記チャンバの前記側壁に隣接する傾斜部と、を含み、前記傾斜部は、前記底部から前記側壁に沿って延び、前記底部に係合する第１の端部と前記底部の上方で終端する第２の端部とを有する、前記側壁から延びる棚部を形成する傾斜面を備え、前記棚部は、チャンバの周囲の少なくとも１８０°に亘って延び、前記側壁は更に、溶融金属流に影響を与えるための前記傾斜部に隣接した部分を含み、前記部分は、バッフル、ベーン、発散形状又は収束形状、前記傾斜部の上方で前記チャンバに配置され、前記チャンバとドロスウエルとの連通を提供する通路、及び、これらの組み合わせから選択される、ことを特徴とする装置。

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