JP6638158B1 - 溶解保持炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡易な構成により酸化物の形成を抑制可能にすることで生産効率を高め、ランニングコストを低減する溶解保持炉を提供すること。【解決手段】 溶解炉本体２と、溶解炉本体に金属溶湯Ｍを供給する材料投入機構３とを備え、溶解炉本体が、溶解室４と、受湯室５と、汲出室６と、溶湯加熱機構７とを備え、溶解室が、溶解室蓋８を備え、材料投入機構が、汲出室において溶解室蓋の下面高さ位置より上に設定された下限レベルに汲出室の金属溶湯の湯面高さ位置が下がったことを検出する湯面レベルセンサＳを備え、湯面レベルセンサで汲出室の湯面高さ位置が下限レベルに下がったことを検出した際、受湯室に金属溶湯及び金属塊の少なくとも一方を、汲出室の湯面高さ位置が溶解室蓋の下面高さ位置より、常時、上の位置を保つように供給する。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばアルミニウム，アルミニウム合金等の金属溶湯を、加熱溶解及び保持して鋳造機等へ供給するための溶解保持炉に関する。

従来、鋳込み用のアルミニウムやアルミニウム合金等の金属溶湯を加熱保持するために溶解保持炉及び溶湯保持炉が使用されている。
例えば、特許文献１には、溶解室内に炉体の天井部から支持板を介して取り付けられた浸漬式バーナを備え、金属塊を溶解し貯留する第１貯留室と、第１貯留室からの金属溶湯を濾過する２枚のセラミックフィルタを通して清浄化された金属溶湯を貯留し、溶湯供給装置を配して鋳造機に金属溶湯を供給するための第２貯留室とを備えている。
また、特許文献２には、溶湯保持室と加圧室とを有した溶湯収納容器を備え、溶湯保持室の保持室蓋に、溶湯保持室内の金属溶湯の上限湯面レベルを検出するレベルセンサが吊り下げられ、溶湯保持室の内部及び加圧室の内部に夫々設置されたチューブヒータを具備し、溶湯保持室から昇降式遮断弁を通して溶湯が流入する加圧室には加圧部と出湯部とを備え、溶湯収納容器の加圧室内の加圧部以外の部位において定湯面位置より上方に位置する通気部を介して加圧気体が大気開放されている溶湯保持炉が記載されている。

特開平１１−３２００８３号公報 特許第５９８９２６６号公報

上記特許文献１に記載の溶解保持炉の技術には、以下の課題が残されている。
従来の技術は、図３に示すように、溶解保持炉１０１の溶解炉本体１０２が、金属溶湯Ｍを保持する溶解室１０４と、溶解室１０４に連通され金属溶湯Ｍが供給される受湯室１０５と、溶解室１０４に連通され溶解室１０４から導入した金属溶湯Ｍを外部の鋳造機へ出湯可能な汲出室１０６と、溶解室１０４内の金属溶湯Ｍを加熱する浸漬バーナ１０９（又は浸漬ヒータ）とを備えている。このような従来の溶解保持炉１０１は、溶解室１０４において上部蓋１０８と金属溶湯Ｍとの間にできる空間に存在する空気ＡＲのため、加熱時に金属溶湯Ｍが酸化し、溶解室１０４の内壁や浸漬バーナ１０９（又は浸漬ヒータ）に酸化物ＯＸ（酸化アルミニウムやアルミナ等）が付着してしまう。このような酸化物ＯＸは金属溶湯Ｍの中にも混入してしまうために、セラミックフィルタ１１０を通して汲出室１０６に流入させて濾過した清浄度の高い金属溶湯Ｍを保持し、その金属溶湯Ｍの内部より溶湯供給装置を通して大気接触せずに鋳造機まで供給することで対応していた。

上記特許文献２に記載の溶湯保持炉の従来技術は加圧室における完全密閉構造の加圧部の残余の密閉になっていない部分において適宜な間隔でボルトで止めることによって、また天井板の天井部分は側壁部分に対して、及び、鉄皮の天井部分は同側壁部に対していずれもボルトで止めることによって隙間を作り定湯面位置より上方に位置する通気部となることから、加圧気体を炉外へ開放でき、気体の溶湯中への放出及び気泡の発生を防止することで対応していた。

上記特許文献１及び特許文献２においては、図３を参照することで共通して注目されていない部分があることがわかる。その注目されていない部分とは、溶解室１０４の上部蓋１０８と金属溶湯Ｍとの間にできる空間そのものである。溶解室１０４の構造を考える場合、従来の実施形態に倣い上部蓋１０８と金属溶湯Ｍとの間の空気ＡＲの存在する空間ごと上部から輻射熱により金属溶湯Ｍを加熱するためにその空間が容認される一方で、問題となる、空気ＡＲを原因とする酸化物ＯＸへの対策に注意が向けられてきた。

また、例えば自動車産業における近年の潮流では、電気自動車（ＥＶ）への移行が急速に進むことで自動車の主要な構成要素である内燃機関のエンジンがモーターに替わりつつある。内燃機関のエンジンではピストンの動作により振動する燃焼反応を動力源とすることから、車体の軽量化を目指しながらも強度的にそれらに耐え得る鋳造部品の厚さが必要であり、軽量化にも限界があった。しかし、ＥＶのモーターの場合にはピストンによる振動もないため、モーター及びバッテリーを収納するケースなど、エンジン周辺において軽量薄肉化が可能な鋳造部品で対応できる。このＥＶ化に即した車両の軽量化は、モーターの電池の消耗を低減することで電池の長寿命化になり、ひいては省エネにつながるため、車体の軽量化実現に向け多くの構成要素である鋳造部品において軽量化が要求されるようになることが考えられる。つまり、鋳造製品は薄肉化する必要に迫られることになるが、薄肉鋳造では鋳造の際の金属溶湯中において酸化物が介在する場合、従来の薄肉鋳造を要さない鋳造製品に比べ欠陥製品になってしまう確率が高くなる。この点から、内燃機関のエンジンで走行する自動車部品の鋳造を対象としてきた上記特許文献１及び特許文献２の従来の技術では、薄肉の鋳造製品を製造する工程において、酸化物形成のさらなる抑制からなる効果である製品品質に係る溶解時のメタルロスの低減、溶湯品質の向上及びエネルギーコストの低減を目指したより多くの効果の実現は難しいといえる。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、比較的簡易な構成により酸化物の形成を抑制可能にすることで、生産効率を高めると共にランニングコストを低減する溶解保持炉を提供することを目的とする。また、酸化が抑制された高品質の溶湯が持続的に得られることを、その他の目的とするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、溶解炉本体の構成要素として、上部蓋と金属溶湯の湯面との間に空間を作らない溶解室を備えることを最も主要な特徴とする。そのため、以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る溶解保持炉は、溶解炉本体と、前記溶解炉本体に金属溶湯及び金属塊の少なくとも一方を供給する材料投入機構とを備え、前記溶解炉本体が、前記金属溶湯を保持する溶解室と、前記溶解室に連通され前記材料投入機構から前記金属溶湯及び前記金属塊の少なくとも一方が供給される受湯室と、前記溶解室に連通され前記溶解室から導入した前記金属溶湯を外部の鋳造機へ出湯可能な汲出室と、前記溶解室内の前記金属溶湯を加熱する溶湯加熱機構とを備え、前記溶解室が、前記金属溶湯の湯面との間に空間を作ることなく上部開口部を閉塞して設置された溶解室蓋を備え、前記材料投入機構が、前記汲出室において前記溶解室蓋の下面高さ位置より上に設定された下限レベルに前記汲出室の前記金属溶湯の湯面高さ位置が下がったことを少なくとも検出する湯面レベルセンサを備え、前記湯面レベルセンサで前記汲出室の前記湯面高さ位置が前記下限レベルに下がったことを検出した際、前記受湯室に前記金属溶湯及び前記金属塊の少なくとも一方を、前記汲出室の前記湯面高さ位置が前記溶解室蓋の下面高さ位置より、常時、上の位置を保つように供給する。

この溶解保持炉では、材料投入機構が、湯面レベルセンサで汲出室の湯面高さ位置が下限レベルに下がったことを検出した際、受湯室に金属溶湯及び金属塊の少なくとも一方を、汲出室の湯面高さ位置が溶解室蓋の下面高さ位置より、常時、上の位置を保つように供給する。従って、溶解室は常に溶解室蓋の下面まで金属溶湯が満たされ空気等の気体が存在する空間を作らないこととなり、溶解室内で金属溶湯と空気とが接触することはないため、金属溶湯加熱時の酸化を防ぐことができる。

第２の発明に係る溶解保持炉は、第１の発明において、前記溶湯加熱機構が、前記溶解室内の前記金属溶湯に先端側が浸漬された浸漬バーナ又は浸漬ヒータを備え、前記浸漬バーナ又は前記浸漬ヒータが、前記溶解室蓋を上部から、又は横浸漬型として前記溶解室の底部近傍に前記溶解室の外部側壁部から貫通状態に設置されていることを特徴とする。
すなわち、この溶解保持炉では、浸漬バーナ又は浸漬ヒータが、溶解室蓋を上部から、又は横浸漬型として溶解室の底部近傍に溶解室の外部側壁部から貫通状態に設置されているので、溶解室内の浸漬バーナ又は浸漬ヒータの全体が金属溶湯内に常時浸漬して溶解室内の金属溶湯に対する熱伝達率が高くなり、従来、昇温に費やしていたエネルギーを省きながら酸化が抑制された金属溶湯を加熱することで、鋳造工程における製品の生産性を高めることができる。

第３の発明に係る溶解保持炉は、第１又は第２の発明において、前記溶解室の上部開口部が、上方に向けて開口面積が漸次広く設定されて傾斜した内周面を有し、前記溶解室蓋が、前記上部開口部に上方から嵌め込み可能に前記上部開口部の内周面に対応して傾斜した外周面を有していることを特徴とする。
すなわち、この溶解保持炉では、溶解室の上部開口部が、上方に向けて開口面積が漸次広く設定されて傾斜した内周面を有し、溶解室蓋が、上部開口部に上方から嵌め込み可能に上部開口部の内周面に対応して傾斜した外周面を有している。そのため垂直の内周面及び外周面を有する場合に比べ、嵌め込んだ時の隙間を作り難くして酸化を防ぎながら、上部開口部に上方から溶解室蓋を嵌め込むだけで容易に上部開口部を閉塞することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る溶解保持炉によれば、材料投入機構が、湯面レベルセンサで汲出室の湯面高さ位置が下限レベルに下がったことを検出した際、受湯室に金属溶湯及び金属塊の少なくとも一方を、汲出室の湯面高さ位置が溶解室蓋の下面高さ位置より、常時、上の位置を保つように供給するので、溶解室内は常に金属溶湯で満たされた状態となり金属溶湯と空気とが接触することはなく、酸化を防止する構造になる。
したがって、本発明の溶解保持炉では、比較的簡易な構成により酸化物の形成を抑制することが可能であり、溶湯品質及び製品の生産性を良好に維持することができる。

本発明に係る溶解保持炉の第１実施形態を示す断面図である。 本発明に係る溶解保持炉の第２実施形態を示す断面図である。 本発明に係る溶解保持炉の従来例を示す断面図である。

以下、本発明に係る溶解保持炉の第１実施形態を、図１を参照しながら説明する。

本実施形態の溶解保持炉１は、図１に示すように、溶解炉本体２と、溶解炉本体２にアルミニウム，アルミニウム合金等の金属溶湯Ｍ及び金属塊の少なくとも一方を供給する材料投入機構３とを備えている。
上記溶解炉本体２は、金属溶湯Ｍを保持する溶解室４と、溶解室４に連通され材料投入機構３から金属溶湯Ｍ及び金属塊の少なくとも一方が供給される受湯室５と、溶解室４に連通され溶解室４から導入した金属溶湯Ｍを外部の鋳造機３０へ出湯可能な汲出室６と、溶解室４内の金属溶湯Ｍを加熱する溶湯加熱機構７とを備えている。
なお、上記金属塊には、金属インゴットも含まれるものとする。

上記溶解室４は、上部開口部４ａを閉塞して設置された溶解室蓋８を備えている。
本実施形態では、溶解室蓋８を濡れ性の悪い材料の選定により製作している。
上記材料投入機構３は、汲出室６において溶解室蓋８の下面高さ位置より上に設定された下限レベルに汲出室６の金属溶湯Ｍの湯面高さ位置が下がったことを少なくとも検出する湯面レベルセンサＳを備えている。
本実施形態では、金属溶湯Ｍの湯面高さ位置の上限レベルと下限レベルとのそれぞれに湯面レベルセンサＳが設置されている。したがって、湯面レベルセンサＳは２個１組で構成され、下限レベルだけでなく上限レベルに金属溶湯Ｍの湯面高さ位置が達した際にも検出可能である。

材料投入機構３は、湯面レベルセンサＳで汲出室６の湯面高さ位置が下限レベルに下がったことを検出した際、受湯室５に金属溶湯Ｍ及び金属塊の少なくとも一方を、汲出室６の湯面高さ位置が溶解室蓋８の下面高さ位置より、常時、上の位置を保つように供給するように設定されている。すなわち、金属溶湯Ｍは、常に溶解室蓋８の下面８ａに接触状態とされて溶解室４に満たされている。
上記材料投入機構３は、例えば離れた場所にある溶解炉から樋を介して金属溶湯Ｍを受湯室５に流し込んで供給する溶湯搬送方法のような既知の機構等が採用可能である。

上記溶湯加熱機構７は、溶解室４内の金属溶湯Ｍに先端側が浸漬された浸漬バーナ９を備えている。
上記浸漬バーナ９は、溶解室蓋８を上部より貫通状態に設置されている。
浸漬バーナ９は、例えば金属溶湯Ｍ内に浸漬され、中心から排気できる構造を具備するセラミックチューブ内でバーナを燃やすことにより金属溶湯Ｍを加熱するバーナであり、設置される溶解室４が溶解室蓋８と金属溶湯Ｍとの間に空間を作らない構造であることによって、全浸漬状態を保つものである。
なお、浸漬バーナ９の代わりに電気加熱式の浸漬ヒータを採用しても構わない。

上記溶解室４の上部開口部４ａは、上方に向けて開口面積が漸次広く設定されて傾斜した内周面を有している。
また、溶解室蓋８は、上部開口部４ａに上方から嵌め込み可能に上部開口部４ａの内周面に対応して傾斜した外周面を有している。この形状によって、嵌め込む際に上部開口部４ａの内周面と外周面との間の隙間を作り難くして酸化を防ぐうえ、メンテナンスで溶解室蓋８を持ち上げて外した際、溶解室４の炉底に該溶解室蓋８が落下することを防止できる。
本実施形態では、上部開口部４ａ及び溶解室蓋８が共に逆円錐形状とされている。

上記受湯室５と溶解室４とは、一方の側壁部の受湯側連通孔４ｂで互いに連通されていると共に、上記汲出室６と溶解室４とは、他方の側壁部の汲出側連通孔４ｃで互いに連通されている。
上記溶解炉本体２は、受湯室５と溶解室４と汲出室６とは、３層の炉体耐火層で構成されている。

上記３層の炉体耐火層は、受湯室５と溶解室４と汲出室６との内壁を構成すると共に粒状のアルミナ等の不定形耐火物で成形された耐火物壁２ａと、耐火物壁２ａの外側を覆うアルミナ等の耐火層であるバック材層２ｂと、バック材層２ｂを覆って支持する耐火性の布帛を張り付けて構成された断熱材層２ｃとで構成されている。なお、断熱材層２ｃの外周、底面及び上面の一部は、鉄皮１３で覆われている。

上記汲出室６には、溶湯用熱電対１０が上部から吊り下げられ、下部が汲出室６内の金属溶湯Ｍ内に差し込まれている。
上記溶湯用熱電対１０は、鋳造に適した設定温度を保持するため、金属溶湯Ｍの温度を測定するものである。すなわち、溶湯用熱電対１０で検出した金属溶湯Ｍの温度に応じて浸漬バーナ９によって金属溶湯Ｍを加熱し、所定の温度（例えば６６０〜７５０℃）に保持している。

上記湯面レベルセンサＳは、汲出室６内の金属溶湯Ｍの湯面まで検出端が垂直に吊り下げ延出され、汲出室６内における金属溶湯Ｍの湯面レベルを検知するようになっている。この湯面レベルセンサＳで検出された汲出室６内の湯面レベルは、材料投入機構３へ出力されるようになっている。

上記材料投入機構３は、汲出室６内の湯面レベルが溶解室蓋８の下面８ａよりも高くなるように、金属溶湯Ｍ及び金属塊の少なくとも一方の投入を制御している。すなわち、汲出室６内の湯面レベルが下限レベルに下がって溶解室蓋８の下面８ａに近づくと（例えば湯面レベルＬ２）、湯面レベルセンサＳで検出され、材料投入機構３は、湯面レベルが溶解室蓋８の下面８ａの高さ位置より上の上限レベル（例えば湯面レベルＬ１）に上がって湯面レベルセンサＳで検出されるまで、受湯室５に金属溶湯Ｍ及び金属塊の少なくとも一方を投入する。

上記溶湯用熱電対１０及び湯面レベルセンサＳは、汲出室６の上部に設けられたセンサ取付用蓋部１２に上部が支持され、それぞれ汲出室６内に吊り下げられている。
溶解室４の上部には、溶解室蓋８の上部を覆うと共に浸漬バーナ９の上部を支持する溶解室蓋カバー１１が設けられている。
なお、受湯室５と溶解室４との間に循環室を設け、その中に金属溶湯循環用インペラーを備えても構わない。

このように第１実施形態の溶解保持炉１では、材料投入機構３が、湯面レベルセンサＳで汲出室６の湯面高さ位置が下限レベルに下がったことを検出した際、受湯室５に金属溶湯Ｍ及び金属塊の少なくとも一方を、汲出室６の湯面高さ位置が溶解室蓋８の下面高さ位置より、常時、上の位置を保つように供給するので、常に溶解室蓋８の下面まで金属溶湯Ｍが満たされることとなり、溶解室４内で金属溶湯Ｍと空気とが接触せず、金属溶湯Ｍの加熱時に酸化を防ぐことができる。

また、浸漬バーナ９が、溶解室蓋８の上部より貫通状態に設置されているので、溶解室４内の浸漬バーナ９の全体が金属溶湯Ｍ内に常時浸漬して熱伝達率が高くなり、従来、昇温に費やしていたエネルギーを省きながら酸化が抑制された金属溶湯Ｍを加熱することで、鋳造工程における製品の生産性を高めることができる。

さらに、溶解室４の上部開口部４ａが、上方に向けて開口面積が漸次広く設定されて傾斜した内周面を有し、溶解室蓋８が、上部開口部４ａに上方から嵌め込み可能に上部開口部４ａの内周面に対応して傾斜した外周面を有している。そのため垂直の内周面及び外周面を有する場合に比べ、嵌め込んだ時の隙間を作り難くして酸化を防ぎながら、上部開口部４ａに上方から溶解室蓋８を嵌め込むだけで容易に上部開口部４ａを閉塞することができる。

次に、本発明に係る溶解保持炉の第２実施形態について、図２を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、溶解室蓋８を貫通状態に上方から金属溶湯Ｍに浸漬された浸漬バーナ９を採用した上部浸漬タイプの溶湯加熱機構７であるのに対し、第２実施形態の溶解保持炉２１では、図２に示すように、横浸漬型として溶解室２４の底部近傍に溶解室２４の外部側壁部から浸漬ヒータ２９を３本貫通させて浸漬させたアンダーヒータタイプの溶湯加熱機構２７を採用している点である。

すなわち、第２実施形態の溶湯加熱機構２７は、溶解室２４の外部側壁部から浸漬ヒータ２９が横方向に貫通状態とされた横浸漬型である。そのため、第２実施形態では、溶解室蓋２８に浸漬ヒータ２９が貫通状態に支持されていないため、溶解室蓋２８は第１実施形態に比べて簡易な構造となっている。
この第２実施形態の溶解保持炉２１でも、第１実施形態と同様に、常に金属溶湯Ｍが溶解室蓋２８の下面２８ａに達しているように金属溶湯Ｍの湯面レベルが制御されることで、溶解室２８内で酸化物が生じることを抑制可能である。
なお、浸漬ヒータ２９の代わりに、横浸漬型として溶湯加熱性能に応じた浸漬バーナ９を採用しても構わない。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明の溶解保持炉は、溶解機能を有しない溶湯保持炉にも採用可能である。

１，２１…溶解保持炉、２…溶解炉本体、３…材料投入機構、４，２４…溶解室、４ａ…上部開口部、５…受湯室、６…汲出室、７，２７…溶湯加熱機構、８，２８…溶解室蓋、９…浸漬バーナ、２９…浸漬ヒータ、３０…鋳造機、Ｍ…金属溶湯、Ｓ…湯面レベルセンサ

Claims (3)

1. 溶解炉本体と、
   前記溶解炉本体に金属溶湯及び金属塊の少なくとも一方を供給する材料投入機構とを備え、
   前記溶解炉本体が、前記金属溶湯を保持する溶解室と、
   前記溶解室に連通され前記材料投入機構から前記金属溶湯及び前記金属塊の少なくとも一方が供給される受湯室と、
   前記溶解室に連通され前記溶解室から導入した前記金属溶湯を外部の鋳造機へ出湯可能な汲出室と、
   前記溶解室内の前記金属溶湯を加熱する溶湯加熱機構とを備え、
   前記溶解室が、前記金属溶湯の湯面との間に空間を作ることなく上部開口部を閉塞して設置された溶解室蓋を備え、
   前記材料投入機構が、前記汲出室において前記溶解室蓋の下面高さ位置より上に設定された下限レベルに前記汲出室の前記金属溶湯の湯面高さ位置が下がったことを少なくとも検出すると共に前記溶解室蓋の下面高さ位置より上に設定された上限レベルに前記汲出室の前記金属溶湯の湯面高さ位置が上がったことを少なくとも検知する湯面レベルセンサを備え、
   前記湯面レベルセンサで前記汲出室の前記湯面高さ位置が前記下限レベルに下がったことを検出した際、前記受湯室に前記金属溶湯及び前記金属塊の少なくとも一方を、前記湯面レベルセンサで前記汲出室の前記湯面高さ位置が前記上限レベルに上がったことを検出するまで供給し、前記汲出室の前記湯面高さ位置が前記溶解室蓋の下面高さ位置より、常時、上の位置を保つことを特徴とする溶解保持炉。
2. 請求項１に記載の溶解保持炉において、
   前記溶湯加熱機構が、前記溶解室内の前記金属溶湯に先端側が浸漬された浸漬バーナ又は浸漬ヒータを備え、
   前記浸漬バーナ又は前記浸漬ヒータが、前記溶解室蓋を上部から、又は横浸漬型として前記溶解室の底部近傍に前記溶解室の外部側壁部から貫通状態に設置されていることを特徴とする溶解保持炉。
3. 請求項１又は２に記載の溶解保持炉において、
   前記溶解室の上部開口部が、上方に向けて開口面積が漸次広く設定されて傾斜した内周面を有し、
   前記溶解室蓋が、前記上部開口部に上方から嵌め込み可能に前記上部開口部の内周面に対応して傾斜した外周面を有していることを特徴とする溶解保持炉。

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