JP7467799B2 - 竪型炉 - Google Patents

Description

本発明は、竪型炉に関する。

誘導加熱炉を用いて金属を溶融処理することがある。誘導加熱炉には、上部が開口した有底筒状の竪型炉の外周に、誘導加熱のためのコイルを巻回した構成のものがある。

竪型炉は、例えば、特許文献１に記載の構成を有する。竪型炉は、炉底を形成する炉底部と、炉底部の外周から上方に立設した壁部と、を備えている。そして、炉底部は、不定形耐火物をスタンプして形成されたスタンプ層上に、板状の定型耐火物よりなる底板を配置して形成される。そして、底板の外周面と壁部との間には、スタンプ層と同様に、不定形耐火物を充填して形成された内底材が形成されている。

従来の炉底部は、板状の底板の外周面が厚さ方向で滑らかな形状であり、内底材との界面も滑らかに形成されていた。このため、竪型炉の内部の溶湯（すなわち、誘導加熱により溶融した金属の金属溶湯）が対流して生じる攪拌力により、底板が浮き上がってスタンプ層から剥離するという問題があった。また、底板と内底材との界面に溶湯が差し込み、溶湯が底板の外周面（スタンプ層との界面）に回り込み、底板がスタンプ層から剥離するという問題があった。

特開２０１２－１４９８６３号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、底板の剥離が抑えられた竪型炉を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の竪型炉は、炉底部と、前記炉底部の外周から立設した壁部と、を備える有底筒状の竪型炉であって、前記炉底部が、定型耐火物よりなり、前記炉底部の内表面を形成する底板と、不定形耐火物をスタンプ施工してなり、前記底板の下面に形成されたスタンプ層と、前記底板の外周面と前記壁部との間に充填した不定形耐火物よりなる内底材と、を有し、前記底板の外周面は、その厚さ方向において、部分的に縮径した縮径部を有することを特徴とする。

本発明の竪型炉は、底板が縮径部を有している。この構成は、底板が外周面に凹凸形状を有した構成である。そして、本発明の竪型炉は、内底材がこの縮径部の内部にまで充填される。縮径部の内部に充填した内底材が、底板が浮き上がることを防止する。加えて、底板と内底材の界面に溶湯（具体的には、竪型炉で処理される溶湯）が差し込んでも、界面が凹凸により複雑な形状となっており、溶湯が底板の下面側に回り込み難くなっている。この結果、本発明の竪型炉は、下面に形成されたスタンプ層から底板が剥離して浮き上がることが抑えられる。

実施形態の竪型炉の構成を示す断面図である。 実施形態の竪型炉の底板の構成を示す断面図である。

以下、実施形態を用いて本発明を具体的に説明する。なお、実施形態は、本発明を具体的に実施する１つの形態であり、本発明をこれらの形態のみに限定するものではない。また、実施形態において特に言及されない構成や材料は、従来の竪型炉と同様の構成や材料とすることができる。

［実施形態］
本形態の竪型炉１は、上方が開口した有底筒状の竪型炉であり、図１に断面図で示したように、底板２、スタンプ層３、内底材４、壁部５、炉本体６を有する。本形態の竪型炉１は、炉内に投入した金属等を誘導加熱で溶融する。
本形態の竪型炉１は、有底筒状の形状の底部を形成する炉底部と、炉底部の外周から立設した壁部と、を備える。竪型炉１は、有底筒状の形状の軸方向が上下方向（鉛直方向）に沿って設けられている。

炉底部は、有底筒状の底部を形成する。炉底部は、炉の内表面が水平方向に沿って広がる。本形態の炉底部は、円形状を有している。壁部は、炉底部の外周から立設して形成されている。壁部は、円形状の炉底部の外周部から上方に向かって伸びている。壁部は、円筒形状をなすように形成されている。炉底部は、底板２、スタンプ層３、内底材４、炉本体６を有する。

底板２は、定型耐火物よりなる。底板２の定型耐火物は、予め、所定の形状に形成されている。本形態では、底板２は、プレキャストブロックよりなる。
底板２は、炉底部の内表面（炉の内周面）を形成する。底板２は、炉底部に沿った外周形状を有する。すなわち、底板２は、略円板形状を有する。

底板２は、図２に断面図で示したように、上面（内表面２ａ）及び下面（外表面２ｂ）が鉛直方向に垂直な面に沿って広がる板状の形状を有する。底板２は、厚さ方向に垂直な断面での形状が、全体として略台形形状を有する。底板２は、全体として略錐台形状の断面形状を有する。具体的には、図２において、内表面２ａ側の幅（すなわち、底板２の内表面２ａの径）が、外表面２ｂ側の幅（すなわち、底板２の外表面２ｂの径）よりも短く形成されている。ここで、内表面２ａとは、竪型炉１の炉の内表面（すなわち、炉内に貯留する溶湯に当接する表面）を形成する面を示す。外表面２ｂとは、内表面２ａに背向する面であって、スタンプ層３との対向面（スタンプ層３と当接する面）を示す。

底板２は、内表面２ａと外表面２ｂとを接続する円環状の外周面２０を有する。外周面２０は、図２に示したように、第１傾斜面部２１、第１垂直面部２２、縮径部２３、第２傾斜面部２４、第２垂直面部２５を内表面２ａから外表面２ｂに向けてこの順序で有する。外周面２０は、全周にわたって同じ形状である。すなわち、底板２は、厚さ方向で内径が変化する円形（真円形状）の外周形状を有する。
第１傾斜面部２１は、内表面２ａに接続し、その径が徐々に拡径するようにテーパ形状をなすように形成されている。
第１垂直面部２２は、第１傾斜面部２１に接続し、その径が変化しない円柱状をなすように形成されている。
縮径部２３は、第１垂直面部２２に接続し、底板２の外径が部分的に縮径するように形成されている。

縮径部２３は、図２に示したように、外周面２０のうち、第１垂直面部２２の下端及び第２傾斜面部２４の上端から内径側にくぼんだ形状で形成されている。第１垂直面部２２の下端及び第２傾斜面部２４の上端は同じ径である。縮径部２３は、くぼんだ部分の断面形状が略三角形状をなしている。縮径部２３の内周面のうち、上面側の部分は、鉛直方向（底板２の厚さ方向）に対して鋭角をなすように形成されている。下面側の部分は、鉛直方向に対して略直角をなすように形成されている。縮径部２３は、断面形状が略三角形状の内部は、角部のない滑らかな形状をなしている。縮径部２３のこの断面形状は、その内部に内底材４の不定形耐火物が充填しやすい形状である。
第２傾斜面部２４は、縮径部２３に接続し、その径が徐々に拡径するようにテーパ形状をなすように形成されている。第２傾斜面部２４は、第１垂直面部２２の下端と同じ径である。
第２垂直面部２５は、第２傾斜面部２４と外表面２ｂとを接続し、その径が変化しない円柱状をなすように形成されている。

スタンプ層３は、底板２の下面に形成された、不定形耐火物よりなる層である。スタンプ層３は、不定形耐火物粉末をスタンプ施工（圧縮成形）して形成される。スタンプ層３を形成する不定形耐火物粉末は、その材料や粒径が限定されない。スタンプ層３は、不定形耐火物粉末を炉本体６の内周面上に投入し、上方から治具で押し固めて形成することができる。

内底材４は、底板２の外周面２０と壁部５との間に充填した不定形耐火物よりなる。内底材４は、底板２の縮径部２３及び壁部５の凹部５２の内部に充填している。内底材４は、スタンプ層３と同様に、不定形耐火物粉末をスタンプ施工（圧縮成形）して形成される。詳しくは、内底材４は、底板２の外周面２０と壁部５との間に不定形耐火物粉末を投入し、スタンプ施工（圧縮成形）して形成される。内底材４は、その上面が底板２の内表面２ａと同一平面をなす。

壁部５は、内周面が定型耐火物により形成された、円筒形状の部材である。壁部５は、内周面を形成する定型耐火物層５０と、定型耐火物層５０の外周に位置して不定形耐火物よりなる外周スタンプ層５１と、を有する。
本形態の定型耐火物層５０は、略円筒形状の部材であるが、複数の小片を組み合わせて形成したものでも良い。
外周スタンプ層５１は、定型耐火物層５０の外周面に当接して設けられた略円筒形状の部分である。外周スタンプ層５１は、形状が異なること以外はスタンプ層３と同様の構成である。

定型耐火物層５０の内周面には、内周面からくぼんだ凹部５２が形成されている。凹部５２は、定型耐火物層５０の内周面の全周にわたって同一の断面形状で形成されている。凹部５２は、内底材４に対面する位置、すなわち底板２の内表面２ａより下方の位置であって、底板２の縮径部２３に対向する位置に形成されている。
凹部５２は、その断面形状が限定されない。凹部５２は、縮径部２３と同様な断面形状、すなわちその内部に内底材４の不定形耐火物が充填しやすい形状であることが好ましい。

炉本体６は、セメントにより形成された炉殻と、炉殻の外周に配設された誘導加熱コイルと、を備える。炉殻は、底板２、スタンプ層３、内底材４、壁部５を収容可能な有底筒状の形状を有する。誘導加熱コイルは、炉内に投入した金属等を誘導加熱する。

本形態の竪型炉１において、底板２、内底材４及び壁部５を形成する材料のそれぞれは、熱膨張率が近接していることが好ましい。具体的には、底板２の材料の熱膨張率、内底材４の材料の熱膨張率、壁部５の材料の熱膨張率は、最大のものと最小のものとの差が、１０×１０^－６／Ｋ以下である。

本形態における底板２及び壁部５は、１６００℃での熱膨張率が２５×１０^－６／Ｋのアルミナ系の耐火物よりなる。本形態における内底材４及びスタンプ層３は、１６００℃での熱膨張率が２５×１０^－６／Ｋのアルミナ系の耐火物であって、底板２の材料を不定形化（粉末化）した材料よりなる。本形態での具体的な熱膨張率の差は、６．２５×１０^－６／Ｋである。なお、熱膨張率の値は、本形態の竪型炉１を実使用するときの温度（１６００℃）での値である。
なお、アルミナ系の耐火物は、アルミナを９５ｍａｓｓ％以上の割合で含有する耐火物である。アルミナ系の耐火物は、スピネルやマグネシア、シリカ等を含有していてもよい。

（具体例）
本形態の竪型炉１は、例えば、有底筒状の内周面の内径がφ５８０ｍｍ、深さ（開口部から底板２の内表面２ａまでの深さ）が６３０ｍｍ、の円筒形状の炉内空間の炉に適用できる。

本例の竪型炉１の底板２は、全体の厚さ（内表面２ａと外表面２ｂとの距離）が７０ｍｍ、内表面２ａの外径がφ４８０ｍｍ、外表面２ｂの外径がφ５２０ｍｍ、第１傾斜面部２１の厚さ（底板２の厚さ方向の長さ）が２０ｍｍ、第１垂直面部２２の外径がφ５００ｍｍ、第１垂直面部２２の厚さが１０ｍｍ、縮径部２３の厚さが２０ｍｍ、縮径部２３のくぼみの深さ（第１垂直面部２２の外径から内径側にくぼんだ深さ）が１０ｍｍ、第２傾斜面部２４の厚さが１０ｍｍ、第２垂直面部２５の外径がφ５２０ｍｍの形状で形成されている。

本例の竪型炉１の底板２の縮径部２３は、そのくぼみの深さが１０ｍｍであるが、このくぼみの深さは２０ｍｍ以下であればよい。２０ｍｍを超えると、内底材４が縮径部２３のくぼみの内部に充填される充填性が悪化する。充填性が悪化すると、底板２の外周面２０と内底材４との間にすき間が形成され、溶湯の差し込みが生じやすくなり、底板２がスタンプ層３から剥離しやすくなる。

本例の竪型炉１の底板２の縮径部２３及び凹部５２の形成される厚さ方向での位置は、縮径部２３及び凹部５２の内部に内底材４が充填可能な位置であれば、限定されるものではない。また、縮径部２３及び凹部５２の形成される厚さ方向での位置は、本例のように同じであっても、異なっていてもいずれでもよい。
本例の竪型炉１において、底板２は、その軸芯が、円形の炉底部の軸芯に一致する状態で配される。すなわち、底板２の外表面２ｂの外周と壁部５の内周面との間に３０ｍｍの間隔が存在する。

本例の竪型炉１において、底板２の内表面２ａの面積は、炉底部の面積（すなわち、円筒状の壁部５の内部の断面積）の６０％以上であることが好ましい。内表面２ａの面積が６０％以上となると、炉底部に底板２が占める面積が大きくなり、溶湯による炉底部の摩耗（損傷）が抑えられる。底板２は、定型耐火物よりなることから、充填した不定形耐火物よりなる内底材４より気孔率が低く、高強度であるため摩耗が生じにくい。このため、内表面２ａの面積が大きくなるほど、炉底部の摩耗が抑えられる。

底板２の外周面２０と壁部５との間の距離が１５ｍｍ以上であることが好ましい。内表面２ａの占める割合は大きいほど上記した耐摩耗性の効果を発揮できるが、大きくなりすぎると底板２の外周面２０と壁部５との間の距離が短くなる。そうすると、不定形耐火物を充填しにくくなるとともに、スタンプ施工（圧縮成形）が行いにくくなる。つまり、内底材４を形成しにくくなる。底板２の外周面２０と壁部５との間の距離が１５ｍｍ以上となることで、内底材４を形成できる。

（作用効果）
本例の竪型炉１は、炉底部と、炉底部の外周から立設した壁部５と、を備える有底筒状の竪型炉１であって、炉底部が、定型耐火物よりなり、炉底部の内表面２ａを形成する底板２と、不定形耐火物をスタンプ施工してなり、底板２の下面（外表面）２ｂに形成されたスタンプ層３と、底板２の外周面２０と壁部５との間に充填した不定形耐火物よりなる内底材４と、を有する。そして、底板２は、その外周面２０に、その厚さ方向において、部分的に縮径した縮径部２３を有する。

本形態の竪型炉１は、底板２の外周面２０と内底材４との界面が、お互いに入り組んだ複雑な形状となっている。この構成となることで、竪型炉１に貯留する溶湯の対流により底板２が浮き上がろうとしても、縮径部２３内に入り込んだ内底材４が第２傾斜面部２４及び第２垂直面部２５の浮き上がりを規制する。この作用により、底板２が浮き上がってスタンプ層３から剥離することが抑えられる。

また、本形態の竪型炉１は、底板２の外周面２０と内底材４との界面が複雑な形状となっており、底板２の外周面２０と内底材４との界面に溶湯が差し込んだとしても、差し込んだ溶湯が底板２の外表面２ｂに到達するまでの距離が長くなっている。この結果、本形態の竪型炉１は、底板２の外表面２ｂとスタンプ層３との界面に到達しにくくなり、差し込んだ溶湯が底板２が浮き上がらせてスタンプ層３から剥離することが抑えられる。

本形態の竪型炉１は、縮径部２３が底板２の外周面２０の全周にわたって形成されている。この構成によると、上記の効果を全周で発揮することができ、より確実に底板２が浮き上がってスタンプ層３から剥離することが抑えられる。

本形態の竪型炉１は、底板２が、厚さ方向の断面における内表面２ａ側の幅が、外表面２ｂ側の幅より短い。この構成によると、底板２と壁部５との間の空間（内底材４の不定形耐火物が充填される空間）が、上方側が広く開口した形状となっている。すなわち、不定形耐火物を充填しやすくなる。さらに、この構成によると、不定形耐火物を充填したときに、縮径部２３及び凹部５２に不定形耐火物が充填されやすくなる。つまり、内底材４を形成しやすくなる。

本形態の竪型炉１は、縮径部２３が、内周面の内表面側の端部に接続する部分が鉛直方向（底板２の厚さ方向）に対して、鋭角をなして形成されている。この形状となることで、上方側から内底材４の不定形耐火物が簡単に充填できる。すなわち、すき間なく不定形耐火物を充填することができ、すき間の無い内底材４を形成できる。

本形態の竪型炉１は、壁部５が、内周面が定型耐火物よりなり、内底材４と当接する部分に、内周面からくぼんだ凹部５２を有する。この構成によると、内底材４が壁部５に固定される。すなわち、底板２を固定する内底材４が固定されることで、より確実に底板２が浮き上がってスタンプ層３から剥離することが抑えられる。

本形態の竪型炉１では、底板２の材料、内底材４の材料、壁部５の定型耐火物のそれぞれの１６００℃での熱膨張率が、いずれも２５×１０^－６／Ｋ以下である。熱膨張率が小さいことから、底板２、内底材４、壁部５のそれぞれが熱膨張しても体積変化が小さく、熱膨張による損傷が生じにくくなる。

本形態の竪型炉１は、底板２の材料の熱膨張率、内底材４の材料の熱膨張率、壁部５の定型耐火物の熱膨張率が、最大のものと最小のものとの差が、１０×１０^－６／Ｋ以下である。この構成によると、竪型炉１の内周面（特に、溶湯に当接する部分）の熱膨張率の差が小さくなる。そうすると、竪型炉１に溶湯を貯留して高温にさらされても、底板２、内底材４及び壁部５の熱膨張率の差が小さくなることで、熱膨張差に起因する損傷が抑えられる。なお、この熱膨張率の差は、小さいほど好ましく、５×１０^－６／Ｋ以下であることがより好ましく、熱膨張差がゼロであることが最も好ましい。すなわち、底板２、内底材４及び壁部５が熱膨張率が同じ材料（同じ組成の材料）で形成されることが最も好ましい。

本形態の竪型炉１は、上記のように、底板２が浮き上がってスタンプ層３から剥離することが抑えられている。そうすると、底板２の厚さを従来のものより薄くできる。具体的には、従来の竪型炉１では、底板２自身の大きな質量により浮き上がりを防止していた。換言すると、大きな質量を有するように、底板２の厚さが過剰に厚くなっていた。これに対し、本形態の底板２は、底板２が内底材４で固定されているため、底板２の厚さを従来のものより薄くしても、スタンプ層３から剥離することが抑えられる。この結果、本形態の底板２は、例えば、具体例に示すように７０ｍｍの厚さとすることができる。

［変形形態１］
実施形態１では、底板２に一つの縮径部２３が形成されているが、縮径部２３の数は１に限定されない。２つ以上の縮径部２３を形成していてもよい。
同様に、凹部５２の数も２以上であってもよい。
縮径部２３及び凹部５２は、底板２又は壁部５の全周にわたって形成されているが、全周でなくともよい。すなわち、部分的に切れた環状に形成されていてもよい。
縮径部２３及び凹部５２は、底板２又は壁部５の周方向に沿って形成されているが、周方向でなくともよい。例えば、らせん状や鉛直方向に沿って形成されていてもよい。

縮径部２３及び凹部５２は、底板２又は壁部５の外周面又は内周面からくぼんで形成されているが、この形態に限定されない。底板２の外周面２０又は壁部５の内周面から突出した突出部を形成し、突出部以外の部分を縮径部２３又は凹部５２としてもよい。
これらの各変形形態でも、実施形態と同様な効果を発揮できる。

［変形形態２］
実施形態１では、底板２が定型耐火物としてプレキャストブロックで形成されているが、これに限定されず、焼結体で形成していてもよい。
焼結体は、プレキャストブロックと比較して高い強度を有している。焼結体よりなる底板２は、強度に優れており損傷が生じにくくなる。例えば、竪型炉１（誘導加熱炉）で金属の溶解を行う時には、上方の開口部から原料（例えば金属塊）が投入され、底板２に物理的な衝撃が加わる。底板２が焼結体よりなると、この物理的な衝撃が底板２に加わっても、底板２の損傷（具体的には割れや欠損）が抑えられる。

［変形形態３］
実施形態１の竪型炉１は、誘導加熱炉であるがこの構成に限定されない。
本形態の竪型炉は、誘導加熱装置に替えて、炉底レンガ層が形成された竪型炉であってもよい。本形態の竪型炉においても、実施形態と同様な効果を発揮する。

１：竪型炉、２：底板、２：底板、２０：外周面、２１：第１傾斜面部、２２：第１垂直面部、２３：縮径部、２４：第２傾斜面部、２５：第２垂直面部、３：スタンプ層、４：内底材、５：壁部、５０：定型耐火物層、５１：外周スタンプ層、５２：凹部、６：炉本体。

Claims (7)

1. 炉底部と、前記炉底部の外周から立設した壁部と、を備える有底筒状の竪型炉であって、
   前記炉底部が、
   定型耐火物よりなり、前記炉底部の内表面を形成する底板と、
   不定形耐火物をスタンプ施工してなり、前記底板の下面に形成されたスタンプ層と、
   前記底板の外周面と前記壁部との間に充填した不定形耐火物よりなる内底材と、
   を有し、
   前記底板の外周面は、その厚さ方向において部分的に縮径した縮径部と、前記縮径部の下側に接続しその径が徐々に拡径するテーパ形状をなす第２傾斜面部と、を有し、
   前記底板の内表面の面積は、前記壁部の内部の断面積の６０％以上であることを特徴とする竪型炉。
2. 前記縮径部は、前記底板の全周にわたって形成されている請求項１記載の竪型炉。
3. 前記底板は、厚さ方向の断面における内表面側の幅が、外表面側の幅より短い請求項１～２のいずれか１項に記載の竪型炉。
4. 前記縮径部は、内周面の内表面側の端部に接続する部分が前記底板の厚さ方向に対して、鋭角をなして形成されている請求項１～３のいずれか１項に記載の竪型炉。
5. 前記壁部は、内周面が定型耐火物よりなり、
   前記内底材と当接する部分に、内周面からくぼんだ凹部を有する請求項１～４のいずれか１項に記載の竪型炉。
6. 前記底板の材料、前記内底材の材料、及び前記壁部の前記定型耐火物のそれぞれの１６００℃での熱膨張率は、いずれも２５×１０^－６／Ｋ以下である請求項５記載の竪型炉。
7. 前記底板の材料の１６００℃での熱膨張率、前記内底材の材料の１６００℃での熱膨張率、前記壁部の前記定型耐火物の１６００℃での熱膨張率は、最大のものと最小のものとの差が、１０×１０^－６／Ｋ以下である請求項５～６のいずれか１項に記載の竪型炉。

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