JPS6018725B2 - 鋳鉄切削屑の溶融方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は切削肩（または中ぐり肩）、チップまたは細
工屑のような細かく分割された鋳鉄粒子の溶融方法に関
する。

更に詳しくはこの発明は無鉄心誘導炉中でこの細かく分
割された原料の連続式「無スラグ」溶融法に関する。こ
の発明での定義のために、切削屑（または中ぐり屑）、
チップおよび細工屑を以下に切削屑と云う。

鋳鉄切削暦は鋳鉄鋳造に際して実施される種々の切削作
業によってかなりの量で毎日発生する。切削肩をマリオ
・タマ（ＮヒｒｉｏＴａｍａ）に許与された米国特許第
３４６３８６４号に記述の型の無鉄心誘導炉に直接仕込
むと、切削層上の同伴切削油が蒸発し、燃焼して相当な
大気汚染を生ずる。湿潤または油の付着した切削肩が溶
融金属に没入されると、それらの液体が蒸気化して、体
積が幾倍にも膨張し、溶融金属を炉から押し出してしま
つｏ前述の問題を回避するために切削屑を乾燥すると、
それらはスラグの発生および切削屑がスラグ中に取込ま
れるために容易には溶融しない。

このスラグの発生は酸化反応による価値ある金属成分の
損失を表わし、耐火物の消耗を増大させ、無鉄心誘導炉
の効用を低下させる。従って鋳鉄切削屑は無鉄心誘導炉
溶融装置用の原料としては広範囲には使用されない。事
実、所定の温度で、所定の溶融金属液位以下の溶融金属
の酸素量を制御することができ、かつ「スラグ非生成」
作業を安全確実に行いかつ調整された金属化学組成を安
全確実に得ることができる、１００％鋳鉄切削屑を溶融
する連続式無鉄心誘導炉操作は本明細書および特許請求
の範囲に記載のこの発明の使用による以外は知られてい
ないのである。他の形式の溶融装置、すなわち‘１１亀
弧炉、■キュポラ、または【３’反射炉のうちで、どれ
もが鋳鉄切削肩の効率のよい溶融を行いうるものはない
のである。

大部分の切削層は現在‘１’キュポラ用の原料として使
毛するために「熱間団塊」化するか「冷間団塊」化され
るか、または‘２｝高炉製鋼作業の鉄鉱石の代替物とし
て使用されている。キュポラ原料として使用される冷間
団塊化切削屑はそれらがキュポラ中を降下するときに崩
壊離散し、同時にそれらが燃焼ガスによって酸化及び／
または煙突から吹飛ばされてかなりの量の鉄の徴粉が失
われる。熱間団塊化した切削暦は冷間団塊化切削暦に比
べて加工費用がかなり高くつき、キュポラで使用される
量も制限されるこの発明の目的は従来技術による溶融作
業における上述した問題ないこ、無鉄心誘導炉中で鋳鉄
切削屑を効率よく且つ連続的に溶解する方法を提供し、
且つこの発明により処理された経済的に有利な原料の処
理方法を達成するにある。

従ってこの発明の目的は鋳鉄切削肩を溶融するための改
善された装置および方法を提供するにあり、この発明は
１９７１年６月２６日出願の米国特許顕シリアルＮｏ．
１６５９２２号および４２１２４４号に開示の発明にま
さる改善をなすものである。

この発明の他の目的は鋳鉄切削屑を連続式に溶融する装
置および方法を提供するものである。

この発明の他の目的は鋳鉄切削屑を溶融するために使用
する無鉄心誘導炉の溶融物中スラグを発生しない装置、
および方法を提供するものである。この発明の更に他の
目的は鋳鉄切削屑を効率的で効果的かつ実用的な仕方で
溶融する方法にある。

他の目的は以下の記載ならびに特許請求の範囲の記載か
ら明らかとなろう。

この発明は溶融金属液を充分縄拝できるように溶融金属
液の液位を調節した無鉄心議導炉に鋳鉄切削暦を連続的
に供ｖ給して、直ちに炉中の溶融金属表面の凸形面（メ
ニスカス）下に切削屑を引込み、炉中に含有される溶融
金属の溶解酸素含量がケイ素／二酸化ケイ素（Ｓｉ／Ｓ
ｉ０２）平衡値を越えない速度で上記切削肩を供孫合し
、溶融金属液の温度を二酸化ケイ素ノー酸化炭素（Ｓｉ
０２／ＣＯ）転換温度より高い特定の温度範囲内に維持
することからなる、鋳鉄切削暦を溶融する装置および方
法に関する。

以下に図を参照してこの発明を説明するが、各図におい
て類似の部分は類似の記号をもって呼ぶものとする。

第１図は一般に１０で示す溶融作業系の一般概念を示す
。切削肩１１ａは垂直方向振動式、横方向振動式、スク
リュウ型またはベルト型のコンベア型の調節された供給
速度をもつ供給装置１５によって無鉄心誘導炉（または
単に炉）１４中に連続的に供給される。切削屑が署三の
湿気及び／または炭化水素（油）を含んでいる場合には
乾燥器（図示せず）を使用して前記油および水の両者を
蒸発除去し、また所望により、乾燥切削暦１１ａを炉１
４に供給しない期間中のサージ狩槽とするための及び／
または乾燥器の休止期間中炉１４へ乾燥した切削肩１
１ａを供ｖ給するため貯槽ホッパー（図示せず）を備え
ていてもよい。無鉄心譲導炉１４は蓋１６を備え、この
蓋は中心に孔１７があり、この孔を通って切削層１１ａ
は供給装置から制御された速度で供給される。乾燥切削
肩１１ａは一般に１４で示される無鉄心誘導炉中の残存
溶融金属１８（以下単に溶融金属１８という）の中心に
供給し、切削屑の粒状物が溶融金属表面の凸部に供給さ
れるようにすることが重要である。無鉄心誘導炉１４は
動力コイル（第１図で○印で示す）によって囲まれた耐
熱ライニング２０内に含有される溶融金属１８を含む。

若干の無鉄心誘導炉は更に動力コイルの一方および／ま
たは両方の端部に冷却コイルを備える。これらは頂部冷
却コイル２２および底部冷却コイル２３（冷却コイル２
２と２３とは第１図中口印で示す）として示される。電
気エネルギーが動力コイル２１に適用されると、溶融金
属１８は動力コイル２１の周りに発生する磁界および溶
融金属１８内に発生する磁界の相互反溌作用を受ける。
この溶融金属１８にかかる磁気反溌力は矢印２４により
示され、動力コイル２１の中心部では溶融金属が耐熱ラ
ィニング２０から遠ざかるように強制する。炉の中心部
では炉の半径内で内側に向って移動する金属が互に衝突
するので、炉内を四分する瀦拝が行われ、矢印２５およ
び矢印２６で示すように金属の一部は上方に向って動き
、また金属の一部は下方に向って移動する。矢印２５に
よって示す炉の中央において上方に向って移動する金属
は凸面（メニスカス）２８として知られる金属の琴曲し
た表面を形成する。こうして得られた金属の流れは擁梓
模様２７として示される。炉内の金属表面の凸面の高さ
は炉内の溶融金属の液位および適用された動力の入力に
直接依存する。第３図は炉内の溶融金属液位の函数とし
ての与えられた動力の入力についての凸面の形状の変化
を示す。

溶融金属液位が３０のときに動力が炉に適用されたとき
の凸面を３１で示す。同様に溶融金属液位が３２のとき
動力が炉に適用された時の溶融金属の表面の凸面を３３
、溶融金属液位が３４のときの凸面を３５で示す。溶融
金属液位が動力コイルの上に移動すると凸面の高さは少
〈なって平坦な表面に近ずく。切削肩を溶融するときに
は、切削屑を溶融金属表面の下方に引込むことが必要で
ある。

このことは上述の蝿梓作用が充分の時にのみ達成される
。発明者はこの発明の方法においては溶融金属の表面は
動力コイル２１の高さの１０５％を決して越えるべきで
はないことを見出した。炉は従来冷却コイルの２２の最
上位のレベルまで溶融金属を装入して運転していたが、
これでは電気磁気縄幹力に逆らう鍍金属の静圧が生じ切
削屑は溶融金属中にうまく引込まれず、切削肩の過度の
酸化を生じ、従ってスラグを生成し、鉄金属の損失を生
ずる。溶融金属レベルが動力コイルの高さの１０５％以
下にあると、上述の冷却コイルの最上位まで溶融金属を
装入した時より動力コイルの高さを越えた５％分の鉄金
属の静圧力は少ないので第２図に示した炉内を四半分す
る電気磁気凝拝による溶融金属の強烈な灘梓作用により
切削肩は溶融金属内にうまく引込まれる。こうして、動
力コイルの高さの１０５％が炉中の溶融金属の高さの実
際上の限度である。なお、動力コイルの高さとは動力コ
イルの一番上のコイル巻線と通常溶融金属を保持するる
つぼ則ち容器の底の位置に設けられる最低位置の動力コ
イルとの間の距離であり、第１図に日として示す。また
切削肩は熔融金属中に供給しなければならないから、炉
から抜出す溶融金属量は残存溶融金属液位を動力コイル
２１の高さの５０％未満に下げないようにすべきである
。

炉内溶融金属中に供給される切削屑１１ａは常にある程
度酸化されて酸化鉄（Ｆｅ２０３）で被覆されている。

もし酸化された切削屑を溶融金属に供給し、該溶融金属
の表面以下に没入させないと、該切削肩の酸化鉄被覆は
スラグを形成する。このスラグは溶融金属表面上に残り
、これが次いで他の切削肩を捕捉して、この捕捉された
切削層は更に酸化されることになる。従って切削屑溶融
作業の進行は一層悪ろくなり、溶融がほとんど起らない
か、または全く起らなくなる。しかしこの明細書に記述
のように切削肩が溶融金属表面下に没入すると、下記の
反応が生成する。

第１に没入した切削肩は表面のスラグを形成しない。む
しろ、酸化鉄（Ｆｅ２０３）被膜は切削暦が没入された
溶融金属によって加熱されて下記式１に示すように一層
安定な高温度酸化鉄（Ｆｅ０）相に変化する。Ｆｅ２０
３十Ｆ８（１）一如ｅ０ ……１酸素は溶融
鉄に溶解するから、Ｆｅ０は式２により解離する：Ｆｅ
○（１）→Ｆｅ（１）十（％○） ……２溶融鉄に溶
解できる酸素の量は技術文献に所載の既知の熱力学デー
タにより下記の式３により計算できる：ｌｏｇ（％。

）＝二筆隼十２‐７３ ……３（式中Ｔはケルビン
度で表わした温度である）。

第４図の曲線４０は温度の函数としてのＦｅ−○系の平
衡酸素濃度を示す。

鋳鉄は炭素及びケイ素を含有しているから、これらの合
金元素（合金添加剤）がどのような作用をするかを測定
した。

炭素及びケイ素が存在する溶融鉄中に溶解できる酸素量
は式４及び５によって計算され、規定される：ｌｏｇ（
％。

）〈Ｃ）＝二半聖−２‐ｏ７ ‐‐‐‐‐‐４１０ｇ（
％。）（Ｓｉ）＝二碧里十，２‐。２．．・…５ （上式中Ｔはいずれもケルビン度である）。

第４図の曲線４１は３．４％炭素含有鉄−炭素合金中で
平衡にある酸素量を表わす。第４図の曲線４２は２．４
％ケイ素含有鉄−ケイ素合金中で平衡にある酸素量を表
わす。第４図は、もし溶融鉄中の酸素濃度が曲線４０よ
り高くなると、鉄の酸化物（Ｆｅ○）、ケイ素の酸化物
（Ｓｉ０２）および炭素の酸化物（ＣＯ）が同時に生成
する。

Ｆｅ○とＳｉ０２とは化合してスラグ成分を形成し、溶
融金属表面に浮上し、または耐熱ライニング２０上の畜
積物として析出し、一方ＣＯはガスとして溶融金属から
発生する。もし酸素濃度が曲線４０の下で、かつ曲線４
２の上に保たれると、ケイ素の酸化物（Ｓｉ０２）およ
び炭素の酸化物（ＣＯ）だけが生成する。

再びこのＳｉ０２は表面のスラグを形成するか、または
耐熱ラィニング２０上に析出する。ＣＯは溶融金属から
ガスとして逸散する。もし酸素濃度が曲線４２の下方で
曲線４１の上方に保たれると、炭素の酸化物（ＣＯ）だ
けが生成する。これはガスであるから表面「スラグ」の
生成はない。従って炭素３．４％及びケイ素２．４％を
含有する鋳鉄切削肩を、譲導炉中の炭素及びケイ素を含
有する同じ組成の溶融金属中に「からみのない」ように
溶融するためには、切削肩を好適には点４３より高い温
度で、且つ酸素濃度が曲線４２によって規定される制御
値を越えない速度で溶融金属中に導入する。

第４図の点４３の温度より少くとも５５℃（１０００Ｆ
）高く、また前記４３の点より糟々１３９℃（２５００
Ｆ）高い温度で切削肩を仕込むのが好ましい。曲線４１
と曲線４２とが交サする点４３は下記の式６によって規
定される反応に対する転換温度と呼ばれる。

Ｓｉ０２十２Ｃ→Ｓｉ＋次０ ……６
この温度は式７により溶融鉄中の炭素／ケイ素分析値に
ついて計算できる。

例えば上述の炭素３．４％、ケイ素２．４％の鉄合金に
ついてこの転換温度は１４３００（２６０７０Ｆ）であ
ると計算される：Ｔ〒 −２８．６９３２０９≦髪署員
）−・６‐１６‐‐‐‐‐‐７（上式中のＴはケルビン
度である）。

無鉄心誘導炉中の鋳鉄切削肩の溶融操作は抜出し一仕込
操作でなければならない。

すなわち、先に規定したように溶融金属の液位が上限に
達したら炉への仕込みと動力の適用とも中止する。次い
で無鉄心議導炉１４から所定量の溶融金属を抜き出させ
るように、制御された供給速度の供給装置１５を移動さ
せる。種々の分析値をもつ鋳鉄切削屑を上述のように実
験的に溶融して、合金元素（合金添加剤）の添加により
鋳鉄鋳物製造用および鋳物銑鉄の形態の第２の金属製造
用に使用するための種々の所定の分析値をもつ溶融金属
を造った。

実験的に溶融した鋳鉄切削肩の分析値は公称値として炭
素３．４５％、ケイ素２．００％、マンガン０．５３％
、クロム０．３０％、モリブデン０．３５％、ニッケル
０．５０％、銅０．０４％、リン０．０３５％、硫黄０
．１１％で残余は１．７％以上の酸化鉄（Ｆｅ２０３）
を含有する鉄であった。無鉄心誘導炉中の残存溶融金属
は上述の切削屑と同じ公称化学組成に維持した。切削肩
を３００皿Ｗの公称動力で運転する１６トン、６００ヘ
ルツの無鉄心誘導炉に仕込む前に３４３００（６２５０
Ｆ）に乾燥した。動力コイルの高さの９５％〜１０５％
間に溶融金属の液位を変化させれば切削屑は連続式に容
易に「スラグ非生成」に溶融し、その際、溶融金属を約
１４９９℃（２７３００Ｆ）に保ち、この温度は式７に
よって計算したＳｉ０２／ＣＯ転換温度より７８％（１
４００Ｆ）高い温度である。溶融金属の液位を動力コイ
ルの高さの制限値の１０５％より高く上げ、温度を１５
４９ｏｏ（２８２００Ｆ）のような高い温度に保ちなが
ら上述のように切削肩を供給すると、箸量の表面スラグ
が生じ、熔融操作は著しく妨げられた。１５４９００（
２８２７Ｆ）の温度、２９００ＫＷの動力入力量で溶融
金属液位を動力コイルの高さの１０５％より高くして１
３５ｋ９（３００ポンド）の切削屑を供給した試験溶融
操作では２２．５ｋ９（５０ポンド）以上のスラグが発
生し、このスラグの分析値はＳｉ０２４６．０５％、Ｆ
ｅ−０２９．１８％およびＭｎ０９．９１％であった。

スラグが生ずる溶融操作で鋳鉄切削屑を溶融する時はマ
ンガンの損失は避けられない。これはこのような場合に
は第４図のマンガン／酸素曲線は第４図の曲線４０と４
２との間に入って、鋳鉄合金中に含有される必要なマン
ガン濃度の場合曲線４１と交サしないからである。この
発明を好適な実施例について詳細に記述したが、この発
明の精神および範囲内においてこの発明の関連する当業
者により改変が行いうろことを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の装置の概略図、第２図は溶融金属内
部の四分された溶融金属擬梓模様および溶融金属表面の
凸面を示す無鉄心誘導炉の垂直断面図、第３図は所定の
動力の入力に対する炉内の溶融金属の深さの函数として
の表面の凸面の形状を示す無鉄心誘導炉の垂直断面図、
第４図は溶融金属温度と溶融金属中に溶解した酸素濃度
の函数としての、溶融金属中で生起する種々の化学反応
に対する平衡状態を示すグラフである。 図中：１０……溶融操作系、１１ａ・・・・・・切削屑
、１４・・…・無鉄心誘導炉（炉）、１５・・・・・・
供給装置、１６・・・・・・蓋、１７・・・・・・孔、
１８・・・・・・溶融金属、２０・・・…耐熱ラィニン
グ、２１…・・・動力コイル、２２・・・・・・頂部冷
却コイル、２３・・・・・・底部冷却コイル、２４・・
・・・・磁気反綾力の方向、２７・・・・・・燈梓模様
、２８・・・・・・凸面、３０・・・・・・溶融金属液
位、３１・…・・３０１こ対する溶融金属凸面、３２・
・・・・・溶融金属液位、３３・・・・・・溶融金属凸
面、３４・・・・・・溶融金属液位、３５・・・・・・
溶融金属凸面、日・・・・・・動力コイルの高さ。 抗９．′ 〇り２ 丹○．３ 句９４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化鉄含有鋳鉄切削屑を無鉄心誘導炉中に該誘導炉
   の蓋の中央の孔を通して連続的に供給して、切削屑を炉
   中に含有される鋳鉄組成物の溶融金属中に放出し、無鉄
   心誘導炉を動力コイルの高さの１０５％以下の溶融金属
   液位で運転して切削屑を直ちに溶融金属表面下に引込み
   、切削屑をＳｉＯ＿２／ＣＯ転換温度より少くとも５５
   ℃高い実質上一定の溶融金属温度を維持する速度で供給
   し、上記酸化鉄中の酸素を溶融金属により溶解し、切削
   屑を、溶融金属の溶解酸素含量をＳｉ／ＳｉＯ＿２、平
   衡濃度未満に維持する速度で供給することからなる、酸
   化鉄含有鋳鉄切削屑の溶融方法。 ２ 炭素合金添加剤を酸化−還元反応中の炭素の酸化で
   消費された炭素を補充して所定のそして所望の溶融金属
   の化学組成を維持する特許請求の範囲第１項記載の方法
   。 ３ 切削屑を仕込まない期間中切削屑を畜積するために
   貯槽を使用する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 切削屑製造装置の休止期間中に無鉄心誘導炉に乾燥
   切削屑を連続的に供給するために貯槽を使用する特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ５ 合金添加剤を炉内の溶融金属に添加して切削屑の組
   成以外の鋳鉄という用語によつて規定される化学組成の
   範囲内の所望の化学組成の溶融金属となす特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ６ 鋳鉄切削屑供給速度、動力入力、炉中の溶融金属の
   金属レベルの高さ、溶融金属の温度を制限することによ
   つて溶融金属の溶解酸素含量をＳｉ／ＳｉＯ＿２平衡濃
   度未満に保つ特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７ 切削屑を炉中の溶融金属に制御された速度で供給し
   、溶融金属の液位を付勢した動力コイルの高さの１０５
   ％以下となし、切削屑をＳｉＯ＿２／ＣＯ転換温度より
   少くとも５５℃高い実質上一定の溶融金属温度を維持し
   且つ溶融金属の溶解酸素含量をＳｉ／ＳｉＣ平衡濃度未
   満に維持する速度で供給する特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ８ 切削屑の競給速度の動力の入力および含有酸素に比
   例させる特許請求の範囲第１項記載の方法。 ９ 炉を付勢して切削屑を均一な速度で連続的に供給す
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 １０ 切削屑を無鉄心誘導炉に供給する前に３４３℃以
   上７３２℃未満の環境温度で切削屑を２６０℃〜３４３
   ℃の温度に加熱するのに充分な期間乾燥する特許請求の
   範囲第１項記載の方法。