JP7469832B1 - 電熱式キューポラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＯ2ガスの発生を抑えた電熱式キューポラシステムを提供する。【解決手段】 この電熱式キューポラシステムは、溶解炉として三相クリプトール炉を備え、三相クリプトール炉１０１の下部にクリプトール粒ベッド部１０５が設けられ、クリプトール粒ベッド部１０５に、電熱エネルギーをキャリアガスに乗せて投入し、クリプトール粒ベッド部１０５上に存在する溶解原料を溶解させるものである。三相クリプトール炉１０１には、クリプトール粒ベッド部１０５上に溶解原料を装入する原料装入手段３と、三相クリプトール炉１０１から排出されるキャリアガスを回収して循環使用するガス循環手段４を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、電熱式キューポラシステムに関する。

従来国内外を問わず、鋳鉄鋳物の製造に用いられる溶解炉としては、連続溶解炉としてキューポラと、バッチ式溶解炉であるアーク炉や誘導炉が主に用いられている。これらの炉の中で、キューポラは原料溶解の熱源としてのコークスが用いられるため、コークス燃焼の際、地球温暖化の原因となるＣＯ₂ガスを大量に発生し、現在世界的目標である生産活動の脱ＣＯ₂ガス化行動の阻害要因として強く指摘されている。

この理由により鋳物業界ではキューポラを誘導式電気炉に置き換える方向に進みつつあるが、キューポラと誘導炉では原料の相違や溶解から鋳造までの生産方式の相違などのため、溶解炉のみでなく、その前後の設備の変更も必要になり、多大の資金と時間を投下しなければならない。

ところで、溶解炉には、アーク炉や誘導炉の他に、炭素や黒鉛を素材とするクリプトール粒の集合体に、交流電流を通してクリプトール粒の接触抵抗によるジュール熱によって発生する高熱を利用する、単相電流による単相クリプトール炉が知られている。また、このような単相クリプトール炉が改良され、三相交流を用いた三相クリプトール炉も開発されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、発明者らは、上記のクリプトール炉についてさらに研究を進め、クリプトール粒ベッド部に熱エネルギーの搬送媒体としてガスを供給することで、クリプトール粒ベッド部の均熱性を確保することができる三相クリプトール炉を開発し、先に出願している（特願２０２２－１８０２３３号）。

特開昭５９－２２５２８３号公報

上述のように、従来のキューポラではコークス燃焼の際にＣＯ₂が大量に発生するという課題がある。また、従来のキューポラを誘導式電気炉に置き換える場合、設備の変更も必要になり、多大の資金と時間を投下しなければならないという課題がある。

この課題を解決するため、従来型のキューポラの基本構造は変えず、部分的改造によってコークスの使用量を大幅に減らすことができる電熱式キューポラという新型キューポラとすることが考えられる。

そして、発明者らは、先にした特許出願（特願２０２２－１８０２３３号参照）のクリプトール炉の原理をキューポラに利用することで、これらの課題を解決できると考えた。

すなわち、従来のキューポラでは、炉の最下部にベッドコークスと言われるコークスのみを大量に充填した部分があり、そこに空気を吹き込みながらコークスを燃焼させて原料を溶解していることころ、上記のクリプトール炉の原理を利用して、熱エネルギーの搬送媒体としてガスを用いることで、クリプトール粒域の均熱性を確保できるとともに、燃焼によるＣＯ₂の発生を抑えながらも、効率よく原料の溶解を可能にすることできると考えた。

今回提案する本発明の電熱式キューポラシステムは、ベッドコークスに電熱エネルギーを投入し、そのエネルギーをキャリアガスに乗せてベッドコークス上部に存在する溶解原料を溶解させるという仕組みを基本構造とするもので、ＣＯ₂ガスの発生を抑えた電熱式キューポラシステムを提供することを主たる目的とする。

また、本発明の別の態様においては、キャリアガスにＡｒガスやＮ₂ガスなどの不活性ガスを用いる場合、ＡｒガスやＮ₂ガスは高価であるため、吹き放しにせず炉頂より回収して再びキャリアガスとして循環使用することが有用であり、そのためのガス循環装置を装備することで、コストを抑え、環境にも配慮した電熱式キューポラシステムを提供することを１の目的とする。

本発明の一の態様に係る電熱式キューポラシステムは、溶解炉の下部にクリプトール粒ベッド部を有し、前記クリプトール粒ベッド部に、交流電流を通してクリプトール粒の接触抵抗によるジュール熱によって発生する高熱を利用して、前記クリプトール粒ベッド部上に存在する溶解原料を溶解させるものであり、前記クリプトール粒ベッド部を通って上方に排出されるように、前記クリプトール粒ベッド部にキャリアガスを供給するガス供給手段と、前記溶解炉に設けられ前記クリプトール粒ベッド部上に、外気の混入を遮断した状態で溶解原料の装入を可能とする断続装入式である原料装入手段と、を備え、前記原料装入手段は、蓋が開閉可能に設けられ原料が投入される原料投入シュートと、前記原料投入シュート内部をシュート上部室とシュート下部室とに分割する遮断弁と、前記シュート上部室を排気する排気ポンプと、前記シュート上部室からの排気と前記シュート上部室への前記キャリアガスの導入とを切り替える電磁弁手段とを備え、前記シュート上部室からの排気は、前記原料投入シュートの蓋を開き、前記遮断弁を閉じた状態で前記溶解原料を前記シュート上部室に投入した後に、前記原料投入シュートの蓋を閉じた状態で行われる一方、前記シュート上部室への前記キャリアガスの導入は、前記溶解原料を前記溶解炉内に装入するのに先だって行われることを特徴とする。

このようにすれば、クリプトール粒ベッド部に熱エネルギーの搬送媒体としてのガス（キャリアガス）が供給され、クリプトール粒ベッド部の均熱性が確保され、そのキャリアガスによってクリプトール粒ベッド部で発生した熱エネルギーが上方に搬送され、クリプトール粒ベッド部上方の、装入された溶解原料が効率よく加熱される。
また、従来型キューポラでは、溶解原料を連続投入するため、炉頂部は開放状態となっているため、コークスベッド部より吹き込まれた循環キャリアガスは、炉頂部で外気に触れ、酸素ガスを含む外気がキャリアガス中に混入することになるが、本発明は、溶解炉が前記クリプトール粒ベッド部上に溶解原料を装入する原料装入手段を備え、前記原料装入手段が、外気の混入を遮断した状態での装入を可能とする断続装入式であるので、酸素ガスを含む外気がキャリアガス中に混入することが回避される。そして、前記原料装入手段は、簡単な構造とすることができる。

また、この電熱式キューポラシステムは、前記溶解炉から排出される前記キャリアガスを回収して、キャリアガスを循環使用するガス循環手段をさらに備えることを特徴とする。

このようにすれば、ガス循環手段によって、使用したキャリアガスを回収して再びキャリアガスとして循環使用することができる。これにより、使用後にキャリアガスに残存する熱エネルギーを無駄なく利用することができるとともに、コストを抑えることもでき、環境にも配慮することができる。

そして、前記ガス循環手段は、入口側にダストフィルターを有し前記キャリアガスを循環させるブロワを有するようにすれば、ダストフィルターによって、ダストを多く含むガスが、ブロワの入口側をそのまま通過するのが回避される。

この場合、前記ブロワは、ルーツブロワで、前記ダストフィルターの上流側にガスクーラーが設けられているようにすれば、定風量が確保され、ガスクーラーによって冷却されるので、高温ガスであっても使用できる。

前記溶解炉は、筒形の炉殻の内部に炉体耐火物を設け、３つの給電端子部を前記炉殻の内側に１２０°間隔で配置し、前記炉体耐火物及び前記給電端子部の内側にクリプトール粒を充填してクリプトール粒ベッド部とする三相クリプトール炉であり、前記クリプトール粒ベッド部の上方に、溶解原料を装入する原料装入部が配置され、前記給電端子部は、前記クリプトール粒ベッド部の外周に接触する電極板と、一端部が前記電極板に結合され他端部が前記炉殻の外側に突出している給電ロッドとを有し、前記ガス供給手段が、前記クリプトール粒ベッド部を通って上方に排出されるように、前記給電ロッドを用いてガスを供給するものであることを特徴とする。

このようにすれば、クリプトール粒ベッド部に熱エネルギーの搬送媒体としてのキャリアガスが給電ロッドを利用して供給され、クリプトール粒ベッド部の均熱性が確保され、そのキャリアガスによってクリプトール粒ベッド部で発生した熱エネルギーが上方に搬送され、クリプトール粒ベッド部上方の、装入された溶解原料が効率よく加熱される。

前記ガス供給手段は、前記給電端子部に設けられ前記炉殻と前記電極板との間に空隙部を形成する支え枠と、前記給電ロッドに設けられ前記空隙部にガスを供給するガス通路と、前記電極板に設けられ前記空隙部から前記クリプトール粒ベッド部に前記ガスを供給する複数の小孔とを有することが望ましい。

また、前記キャリアガスは酸化性ガス以外のガス、すなわち非酸化性ガスが好ましく、不活性ガス又は還元性ガスであることが望ましい。不活性ガスとしては、例えばＮ₂ガス、Ａｒガス、ヘリウムガスなど、還元性ガスとしては、例えばＨ₂ガスなどが想定される。

前記クリプトール粒ベッド部は、鉛直上方から見て、中央の円形状粒域部と、その周囲に１２０°間隔で放射状に設けられた３つの扇形状粒域部とを有し、前記電極板は、断面円弧状であり、前記各扇形状粒域部の、半径方向外方の端面に前記電極板が接触している、ことが望ましい。

また、前記クリプトール粒ベッド部の下側に、溶湯受が設けられ、前記溶湯受が、前記クリプトール粒ベッド部の中央部分の下側に配置されクリプトール粒を保持する本体受部と、前記本体受部より半径方向外方に延び溶融物を外部に排出する出湯樋部とを有すること、前記溶湯受の本体受部中央を貫通して、アース電極が設けられていること、が望ましい。

さらに、前記電極板は、それぞれ前記各扇形状粒域部の、半径方向外方の端面に対して、端面全体を覆うように設けられている、ことが望ましい。

そして、前記本体受部は、貫通孔を有する周回壁部が設けられた皿形状であり、前記出湯樋部は、通路を有する樋状であり、前記本体受部の周回壁部の内部が、前記貫通孔を通じて、前記出湯樋部の通路に接続されている、ことが望ましい。

また、前記クリプトール粒には、コークスからなるクリプトール粒、黒鉛からなるクリプトール粒のいずれかが含まれることが好ましい。すなわち、導電性のある原料からなるクリプトール粒を用いることが好ましく、導電性の高い原料を用いることがより好ましい。なお、導電性を有していれば、例えば炭化ケイ素など、コークスや黒鉛以外の材料を用いることも想定できる。

また、前記クリプトール粒ベッド部において、前記円形状粒域部に、コークスからなるクリプトール粒が含まれ、前記扇形状粒域部に、黒鉛からなるクリプトール粒が含まれることが望ましい。このようにすれば、比抵抗の小さな黒鉛粒を用いた扇形状粒域部の発熱量を小さくし、比抵抗の大きなコークス粒を用いた円形状粒域部の発熱力を大きくすることができ、全体として効率のよい発熱粒域部を構成することができる。

本発明によれば、従来よりもＣＯ₂ガスの発生を抑えた電熱式キューポラシステムとすることができる。また、ガス循環手段を備える態様においては、使用した後のキャリアガスを回収し、再びキャリアガスとして循環使用することで、省エネ化やコスト削減が図れる。

本発明に係る一実施の形態である電熱式キューポラシステムの概略構造を示す概略図である。 原料装入手段を示す概略図である。 電熱式キューポラである三相クリプトール炉を示す要部断面図である。 図３のＡ－Ａ線における断面図である。 給電端子部を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。

以下、本発明に係る一実施形態について説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。

図１は本発明に係る一実施の形態である電熱式キューポラシステムを示す概略図である。

図１に示すように、電熱式キューポラシステム１は、溶解炉（電熱式キューポラ）である三相クリプトール炉１０１を主要な構成として備える。三相クリプトール炉１０１の下部にクリプトール粒ベッド部１０５が設けられ、クリプトール粒ベッド部１０５に、電熱エネルギーをキャリアガスに乗せて投入し、クリプトール粒ベッド部１０５上に存在する溶解原料Ｍを溶解させるものである。

三相クリプトール炉１０１の上部には、クリプトール粒ベッド部１０５上に溶解原料を装入する原料装入手段３が設けられている。また、三相クリプトール炉１０１（後述する循環ガス排出口部１２）から排出されるキャリアガスを回収して循環使用するガス循環手段４も設けられている。

このガス循環手段４は、循環ガス排出口部１２と給電端子部１０４とを繋ぐもので、その途中にキャリアガスを循環させるブロワ４ａを有し、このブロワ４ａの入口側にダストフィルター４ｂが設けられている。ブロワ４ａはモータ４ｃによって駆動されるルーツブロワで、ダストフィルター４ｂの上流側にガスクーラー４ｄが設けられる。

ここで、ガス循環手段４のなかで中心となるのはガス循環用のブロワ４ａであるが、このブロワとしては、定風量が確保しやすいルーツブロワが、本システムにおいては最適である。しかし、一般的なルーツブロワは割と繊細な構造しており、ダストを多く含むガスをそのまま通過させることができないので、ブロワ４ａの入口側にダストフィルター４ｂが設けられている。

ダストフィルター４ｂの構造材質によっては高温ガスに適用できない場合があるので、三相クリプトール炉１０１の炉頂から排出されるキャリアガスを、ガスクーラー４ｄを通過させることで冷却するようにしているのである。ガスクーラーとしては空冷式、水冷式など多種のクーラーがあるが、本システム用として最適なものを選定すればよい。

原料装入手段３は、外気の混入を遮断した状態での装入(投入)を可能とする断続装入式である。そして、図２に示すように、原料装入手段３は、蓋５を有し炉頂部に設けられた原料投入シュート６と、原料投入シュート内部を、シュート上部室６Ａとシュート下部室６Ｂとに仕切る遮断弁７と、シュート上部室６Ａを排気する排気ポンプ８と、シュート上部室６Ａからの排気とシュート上部室６Ａへの循環ガスの導入とを切り替える電磁弁手段９とを備える。

原料投入シュート６は、上部が、原料が投入されるすり鉢状に形成されている一方、下部は円筒状で、その下端部が排気筒１０６中央の空洞部である原料装入口１０９Ａ内に挿入されている。なお、蓋５は第１エアシリンダ１０Ａによって開閉され、遮断弁７は第２エアシリンダ１０Ｂによって開閉される。

また、電磁弁手段９は、シュート上部室６Ａに排気ポンプ８を接続する第１通路１１Ａに設けられる第１電磁開閉弁９Ａと、循環ガス排出口部１２を第１通路１１Ａに接続する第２通路１１Ｂに設けられる第２電磁開閉弁９Ｂとを有する。

そして、溶解原料を投入する際には，まず、原料投入シュート６の蓋５を開き、遮断弁７を閉じた状態で一定量の原料をシュート上部室６Ａに投入する。次いで、蓋５を閉じ、第２電磁弁９Ｂを閉じ、第１電磁弁９Ａを開いてシュート上部室６Ａを密閉状態にする。

それから、排気ポンプ８を作動させ、シュート上部室６Ａ内にある外気を、例えば１００ｋＰａになるまで排出する。その後、第１電磁弁９Ａを閉じ、第２電磁弁９Ｂを開いて、シュート上部室６Ａ内に、循環ガス排出口部１２から循環ガスを導入する。そして、遮断弁７を開いて原料を炉内に装入する。

このような一連の操作を、一定間隔をおいて断続的に繰り返し、外気の混入を防止しながら、原料を炉内に断続的に装入する。つまり、外気の混入を遮断した状態での装入を可能とする断続装入式となっている。

三相クリプトール炉１０１は、図３に示すように、円筒形の炉殻１０２の内部に断熱ボード１０７Ａ，１０７Ｂ及び炉体耐火物１０３が設けられ、炉殻１０２の内側であって炉床に近い部分に３つの給電端子部１０４が１２０°間隔で配置されている。

炉体耐火物１０３及び給電端子部１０４の内側は、クリプトール粒を充填してクリプトール粒ベッド部１０５とされ、それらの上側に、排気筒１０６が設けられている。排気筒１０６の内部に断熱ボード１０７Ｃ及び排気筒耐火物１０８（耐火断熱煉瓦）が設けられ、中央に、溶解原料Ｍを装入する原料装入口１０９Ａが設けられている。

クリプトール粒ベッド部１０５は、図４に示すように、鉛直上方から見て、中央の円形状粒域部１０５Ａと、その周囲に１２０°間隔で放射状に設けられ中央に向かって徐々に幅が狭くなる３つの扇形状粒域部１０５Ｂとを有する。そして、扇形状粒域部１０５Ｂの間には、扇状の炉体耐火物１０３がそれぞれ配置され、扇形状粒域部１０５Ｂの上側にも炉殻１０２の上端まで炉体耐火物１０３が設けられている。

また、円形状粒域部１０５Ａの上方中央に対応して原料装入口１０９Ｂが設けられている。原料装入口１０９Ｂは、円形状粒域部１０５Ａとほぼ同径で、原料装入口１０９Ａより大径となっている。

各給電端子部１０４は、クリプトール粒ベッド部１０５の外周に接触する断面円弧状の電極板１１０（内径Ｒ、高さＨ、半径角６０°）と、一端部が電極板１１０に結合され他端部が炉殻１０２の外側に突出している給電ロッド１１１とを有する。そして、電極板１１０は、それぞれ、各扇形状粒域部１０５Ｂの、半径方向外方の端面に対して、端面全体を覆うように設けられ、前記端面全体に接触している。

炉体耐火物１０３及び各給電端子部１０４の内側は、電極板１１０の高さとほぼ同じ高さまでクリプトール粒が充填され、クリプトール粒ベッド部１０５となっている。なお、給電ロッド１１１は、炉殻１０２に設けた開口に絶縁物１１４を介して取り付けられている。また、断熱ボード１０７Ａは、半径方向内方に向かって電極板１１０付近まで延びる厚さを有する。

また、クリプトール粒ベッド部１０５の下側に、溶湯受１１２が設けられている。溶湯受１１２は、高温耐火物からなり、クリプトール粒ベッド部１０５の中央部分である円形状粒域部１０５Ａの下側に配置される皿形状の本体受部１１２Ａと、本体受部１１２Ａより半径方向外方に延び溶融物を外部に排出する樋形状の出湯樋部１１２Ｂとを有する。

本体受部１１２Ａの周回壁部１１２Ａａに貫通孔１１２Ａｂが設けられ、その貫通孔１１２Ａｂを通じて、本体受部１１２Ａの内部と出湯樋部１１２Ｂの通路部分とが連通している。本体受部１１２Ａ内にもクリプトール粒が充填され、円形状粒域部１０５Ａの一部となっている。そして、クリプトール粒ベッド部１０５内を滴下してくる溶湯を集めやすいように円形状粒域部１０５Ａとほぼ同じ外径を有し、下方に突出する筒状部を含む皿形状となっている。

これにより、クリプトール粒ベッド部１０５内を滴下してくる溶湯を本体受部１１２Ａで受け、出湯樋部１１２Ｂを介して外部に排出するようになっている。

溶湯受１１２の本体受部１１２Ａを貫通して、黒鉛製のアース電極１１３が設けられ、三相電流の安定化が図られている。１１３ａはアース電極端子、１１６は給電ケーブルである。

各給電端子部１０４は、図５に示すように、電極板１１０、給電ロッド１１１のほか、炉殻１０２と電極板１１０との間に、閉空間である空隙部Ｓを形成する支え枠１１５と、給電ロッド１１１に設けられ空隙部Ｓに熱エネルギーの搬送媒体としてのキャリアガスを供給するガス通路１１１ａと、電極板１１０に設けられ空隙部Ｓからクリプトール粒ベッド部１０５にキャリアガスを供給する複数の小孔１１０ａとを有する。

各給電端子部１０４では、給電ロッド１１１からガス通路１１１ａを通じて支え枠１１５の空隙部Ｓ内にキャリアガスが供給され、そのキャリアガスが、電極板１１０に設けられた多数の小孔１１０ａより扇形状粒域部１０５Ｂに供給される。その後、キャリアガスは、中央の円形状粒域部１０５Ａに向かって流れて互いに衝突し、それから上方に向かって流れ、排気筒１０６を通じて排出されるようになっている。

このように、クリプトール粒ベッド部１０５を通って溶解原料Ｍに向かって上方に排出されるようにキャリアガスを、給電ロッド１１１（ガス通路１１１ａ）を用いて供給するキャリアガス供給手段が構成されている。

ここで、電熱式キューポラの内部で電気エネルギーを熱エネルギー変換する方式として、カーボン系クリプトール粒の接触抵抗を利用しているが、この熱エネルギーを原料装入するための搬送媒体として用いるキャリアガスは、カーボン系クリプトール粒を消化させないため、非酸化性のガスを含まないことが絶対に必要である。また、キャリアガスは千数百度の高温において分解したりイオン化したりしないような高温安定性を持つことも必要である。

これらの要件を満たすガスとしては、例えば、Ａｒガス又はＮ₂ガスが用いられる。これらのガスは通常の生産現場において容易に入手できるものでキャリアガスとしては最適であるが、価格が比較的高価であるため、システム内で循環使用することとし、キャリアガス供給手段を設けている。

また、三相クリプトール炉１０１は、図１に示すように、受電キュビクル１２１から単相変圧器１２２を介して各給電端子部１０４に接続されてなり、三相の低圧大電流の交流電流を炉１０１に供給すると、内部に充填されたクリプトール粒（クリプトール粒ベッド部１０５）が発熱し、高温が発生する。なお、三相交流の負荷抵抗は、スター結線形を用いているが、デルタ結線形とすることも可能である。

このような三相クリプトール炉１０１は、クリプトール粒領域の容積が、従来の炉（特開昭５９－２２５２８３号公報参照）に比べて大きくすることができるので、投入された電力が同じであれば、発生する高温体の温度は低くなる。これは、鉄・銅・アルミニウム合金のように融点の低い金属の溶解に適しており、一般の生産炉への適用が容易である。

また、生産炉として使用されるものであるから、５００ｋＶＡ以上の大型変圧器を用いるが、クリプトール粒の抵抗値は非常に小さいものであるため、変圧器の二次側出力電圧は小さく、二次電流は大きくなる。二次電流が３０ｋＶＡ以上となると、変圧器の二次側導体の交流インピーダンスを極力小さくする必要があり、二次側導体長をできるだけ小さくしなければならない。そのために、トランスは単相電圧器３台に分けて給電端子部１０４のすぐ近くに配置しているのである。

そして、クリプトール粒ベッド部１０５の中央部分を円形にして給電端子部１０４よりの三相の電極電流が、扇形状粒域部１０５Ｂを通じて円形状粒域部１０５Ａに拡散して流れることによって粒域部全体が発熱域となっている。クリプトール粒ベッド部１０５の大きさに見合った電流を供給することによって発生する高温を自由に設定できるため、設備の大きさに限界はなく、いくらでも大形の高温発生炉にすることが可能である。よって、溶融温度が１０００℃～１８００℃くらいの金属や金属酸化物の生産炉に適している。

電極端子として黒鉛電極棒ではなく、断面円弧状の金属製電極板１１０を用い、その電極板１１０の内側にクリプトール粒ベッド部１０５（扇形状粒域部１０５Ｂ）を設けた構造とすることで、電極板１１０とクリプトール粒ベッド部１０５（扇形状粒域部１０５Ｂ）との接触部の面積を大きくして、その部分に発生する接触抵抗による発熱をできるだけ小さくなるようにしている。給電端子部１０４の電力損失を小さくすることができ、炉設備の大型化も容易になる。

このように給電端子部１０４があまり高温にならないので、水冷化の必要はなく、キャリアガスによる冷却（空冷）で対応できる。よって、このような三相クリプトール炉１０１は、
(i)中央部のクリプトール粒ベッド部の均熱性を確保できる。つまり、給電端子部１０４からクリプトール粒ベッド部１０５に向かってＡｒガスやＮ₂ガスのような不活性ガスをキャリアガスとして供給するので、クリプトール粒ベッド部１０５内で発生する局所的な不均一発熱が平準化されて、クリプトール粒ベッド部１０５全体に亘っての均熱性が確保され、溶解原料Ｍが効率よく加熱される。

(ii)クリプトール粒域への投入電力とキャリアガスのバランスによってキャリアガスの出口温度を自由に変えることができる。即ち、クリプトール粒域に投入された電力は、炉体構造に由来する熱損失を除いてほとんどの熱エネルギーはキャリアガスに吸収される。したがって、投入電力を一定とした場合、ガスの出口温度はガスの流量に反比例して変化するので、ガス流量によってガスの出口温度を自由に制御できる。

(iii)コークス燃焼によるＣＯ₂ガスが発生しない。すなわち、コークス燃焼によるＣＯ₂ガスが発生しないので、脱炭素を実現する生産設備となる。従来、生産現場で使用されている竪型の連続溶解炉（例えば、キューポラなど）では高温を得るためにコークス燃焼を利用しているので、ＣＯ₂ガスが大量に発生するが、本発明に係る電熱式キューポラにすれば、鋳物の生産現場における脱ＣＯ₂ガス化に大きく貢献することができる。

以上のように構成すれば、溶解に使用する原料が銑鉄や鋳鉄の戻り屑のように、炭素含有量の高い材料のみを使用する場合は、原理的にＣＯ₂ガスを発生しない。

ただ、原料コスト削減のため鉄屑を使用する場合は、加炭材として原料の中にコークスを使用しなければならず、そのコークスの一部が原料の中に含まれる酸化鉄の酸素と結合してＣＯ₂ガスが発生し、キャリアガスの中に混入する。しかし、その割合は従来型のキューポラに比べると非常に小さいので、ガス循環手段中にＣＯ₂ガス除去装置を設けることで解決できる。

電熱式キューポラでは、投入電力とキャリアガス流量とのバランスによって、溶解温度をある範囲内で自由に制御できる。

電熱式キューポラも電気炉の一種である。よって全ての電気炉の特徴である炉の始動・停止が容易であるし、炉の運転時間の長短も自由に設定できる。

キューポラ内部で電気エネルギーを熱エネルギー変換する方式として、三相クリプトール炉（特願２０２２－１８０２３３号参照）の原理を採用しているが、この原理の適用は炉の大きさとは無関係である。よって，電熱式キューポラに適用する場合も、設備の大小にかかわらず、どのようなサイズの炉にも実施することができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更が可能である。

上記した実施形態では、キャリアガスとして不活性ガスのＡｒガス又はＮ₂ガスを用いていたが、これ以外の不活性ガスや還元性ガスを用いることもできる。Ｈ₂ガスのような還元性ガスを用いることで、溶解原料が鉄鉱石のような金属酸化物の場合に、原料の還元溶融を行うことも可能である。なお、キャリアガスとしては、酸化性ガス以外のガス、非酸化性ガスであれば利用できると考えられる。

また、上記した実施形態では、一例として黒鉛を原料とするクリプトール粒を用いたが、コークスや炭化ケイ素を原料とするクリプトール粒を用いることも可能である。例えば、クリプトール粒ベッド部１０５において、円形状粒域部１０５Ａに、コークスからなるクリプトール粒が含まれ、扇形状粒域部１０５Ｂに、黒鉛からなるクリプトール粒が含まれる、ようにできる。コークスは黒鉛よりも安価であり、設備が大型化した場合などはコスト面でのメリットが大きい。また、円形状粒域部などに炭化ケイ素を用いることで、溶解原料が鉄鋼の場合などに溶鋼への加炭を防ぐことが可能となる。したがって、そのようなものも本発明の範囲に含まれる。

１ 電熱式キューポラシステム
３ 原料装入手段
４ ガス循環手段
４ａ ブロワ
４ｂ ダストフィルター
４ｃ モータ
４ｄ ガスクーラー
５ 蓋
６ 原料投入シュート
６Ａ シュート上部室
６Ｂ シュート下部室
７ 遮断弁
８ 排気ポンプ
９ 電磁弁手段
１０Ａ，１０Ｂ エアシリンダ
１１Ａ，１１Ｂ 通路
１２ 循環ガス排出口部
１０１ 三相クリプトール炉
１０２ 炉殻
１０３ 炉体耐火物
１０４ 給電端子部
１０５ クリプトール粒ベッド部
１０５Ａ 円形状粒域部
１０５Ｂ 扇形状粒域部
１０６ 排気筒
１０７Ａ，１０７Ｂ，１０７Ｃ 断熱ボード
１０８ 排気筒耐火物
１０９Ａ，１０９Ｂ 原料装入口
１１０ 電極板
１１０ａ 小孔
１１１ 給電ロッド
１１１ａ ガス通路
１１２ 溶湯受
１１２Ａ 本体受部
１１２Ａａ 周回壁部
１１２Ａｂ 貫通孔
１１２Ｂ 出湯樋部
１１３ アース電極
１１３ａ アース電極端子
１１４ 絶縁物
１１５ 支え枠
１１６ 給電ケーブル
Ｍ 溶解原料
Ｓ 空隙部

Claims (15)

1. 溶解炉の下部にクリプトール粒ベッド部を有し、前記クリプトール粒ベッド部に、交流電流を通してクリプトール粒の接触抵抗によるジュール熱によって発生する高熱を利用して、前記クリプトール粒ベッド部上に存在する溶解原料を溶解させるものであり、
   前記クリプトール粒ベッド部を通って上方に排出されるように、前記クリプトール粒ベッド部にキャリアガスを供給するガス供給手段と、
   前記溶解炉に設けられ前記クリプトール粒ベッド部上に、外気の混入を遮断した状態で溶解原料の装入を可能とする断続装入式である原料装入手段と、を備え、
   前記原料装入手段は、
   蓋が開閉可能に設けられ原料が投入される原料投入シュートと、
   前記原料投入シュート内部をシュート上部室とシュート下部室とに分割する遮断弁と、
   前記シュート上部室を排気する排気ポンプと、
   前記シュート上部室からの排気と前記シュート上部室への前記キャリアガスの導入とを切り替える電磁弁手段とを備え、
   前記シュート上部室からの排気は、前記原料投入シュートの蓋を開き、前記遮断弁を閉じた状態で前記溶解原料を前記シュート上部室に投入した後に、前記原料投入シュートの蓋を閉じた状態で行われる一方、前記シュート上部室への前記キャリアガスの導入は、前記溶解原料を前記溶解炉内に装入するのに先だって行われることを特徴とする、
   電熱式キューポラシステム。
2. 前記溶解炉から排出される前記キャリアガスを回収して、キャリアガスを循環使用するガス循環手段をさらに備えることを特徴とする、
   請求項１記載の電熱式キューポラシステム。
3. 前記ガス循環手段は、
   入口側にダストフィルターを有し前記キャリアガスを循環させるブロワを有する、
   請求項２記載の電熱式キューポラシステム。
4. 前記ブロワは、
   ルーツブロワで、前記ダストフィルターの上流側にガスクーラーが設けられている、
   請求項３記載の電熱式キューポラシステム。
5. 前記溶解炉は、
   筒形の炉殻の内部に炉体耐火物を設け、３つの給電端子部を前記炉殻の内側に１２０°間隔で配置し、前記炉体耐火物及び前記給電端子部の内側にクリプトール粒を充填してクリプトール粒ベッド部とする三相クリプトール炉であり、
   前記クリプトール粒ベッド部の上方に、溶解原料を装入する原料装入部が配置され、
   前記給電端子部は、前記クリプトール粒ベッド部の外周に接触する電極板と、一端部が前記電極板に結合され他端部が前記炉殻の外側に突出している給電ロッドと、を有し、
   前記ガス供給手段が、前記クリプトール粒ベッド部を通って上方に排出されるように、前記給電ロッドを用いてガスを供給するものである、
   請求項１記載の電熱式キューポラシステム。
6. 前記ガス供給手段は、
   前記給電端子部に設けられ前記炉殻と前記電極板との間に空隙部を形成する支え枠と、
   前記給電ロッドに設けられ前記空隙部にガスを供給するガス通路と、
   前記電極板に設けられ前記空隙部から前記クリプトール粒ベッド部に前記ガスを供給す
   る複数の小孔と、を有する、
   請求項５記載の電熱式キューポラシステム。
7. 前記キャリアガスは、酸化性ガス以外のガスである、
   請求項１記載の電熱式キューポラシステム。
8. 前記キャリアガスは、不活性ガス、または還元性ガスである、
   請求項１記載の電熱式キューポラシステム。
9. 前記クリプトール粒ベッド部は、鉛直上方から見て、中央の円形状粒域部と、その周囲に１２０°間隔で放射状に設けられた３つの扇形状粒域部とを有し、
   前記電極板は、断面円弧状であり、
   前記各扇形状粒域部の半径方向外方の端面に前記電極板が接触している、
   請求項５記載の電熱式キューポラシステム。
10. 前記クリプトール粒ベッド部の下側に溶湯受が設けられ、
    前記溶湯受が、前記クリプトール粒ベッド部の中央部分の下側に配置されクリプトール粒を保持する本体受部と、前記本体受部より半径方向外方に延び溶融物を外部に排出する出湯樋部とを有する、
    請求項５記載の電熱式キューポラシステム。
11. 前記溶湯受の本体受部中央を貫通してアース電極が設けられている、
    請求項１０記載の電熱式キューポラシステム。
12. 前記電極板は、それぞれ前記各扇形状粒域部の、半径方向外方の端面に対して、端面全体を覆うように設けられている、
    請求項９記載の電熱式キューポラシステム。
13. 前記本体受部は、貫通孔を有する周回壁部が設けられた皿形状であり、
    前記出湯樋部は、通路を有する樋状であり、
    前記本体受部の周回壁部の内部が、前記貫通孔を通じて、前記出湯樋部の通路に接続されている、
    請求項１０記載の電熱式キューポラシステム。
14. 前記クリプトール粒には、
    コークスからなるクリプトール粒、黒鉛からなるクリプトール粒のいずれかが含まれる、
    請求項１記載の電熱式キューポラシステム。
15. 前記クリプトール粒ベッド部において、
    前記円形状粒域部に、コークスからなるクリプトール粒が含まれ、
    前記扇形状粒域部に、黒鉛からなるクリプトール粒が含まれる、
    請求項９記載の電熱式キューポラシステム。