JP6452182B2 - アルミニウム切粉溶解装置及び溶解方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム切粉溶解装置及び溶解方法に関し、詳しくはアルミニウム金属又は合金の切削屑である切粉を溶解してアルミニウム溶湯を得るにあたり、環境保全に留意し、安全で、かつ省エネルギー操業を達成できるアルミニウム切粉溶解装置及び溶解方法に関するものである。

アルミニウム金属は、その製造の際に多大の電力を必要とするために、その製造原価は高い。よって、アルミニウム製品に加工する際に発生する屑、スクラップもアルミニウム金属の形態をとる限り、製造コストを考慮すると、その価値は大きい。従って、アルミニウム屑、缶などもリサイクルして溶解しアルミニウム溶湯を得、次いでアルミニウム製品を作るのが常で、アルミニウム金属の切削屑、いわゆるアルミニウム切粉も同様に処理される。

アルミニウム切粉は、再溶解してアルミニウムとしてリサイクルされるのが、省資源、省エネルギの観点で望ましい。そのために切粉を溶解する前に、切粉に付着している切削油を加熱蒸発させて除去するのが、溶解アルミニウムの品質上及び製造する際の発煙防止などの環境保全の観点から望ましい。その一例として、図１２のフロー図に示すように、切削油等が残存したアルミニウム切粉をロータリキルンでアルミニウムが酸化しないように仮焼して油分・水分を揮発させることにより除去した後、アルミニウム切粉をアルミニウム溶解炉に装入してアルミニウム溶湯を得るものがある。また、揮発した油分は再燃炉で燃焼し集塵機を経て大気に放散している。本設備は、アルミニウム切粉を再利用する点でよいが、設備が多種多様の装置を要する等、大掛かりになり、また乾燥、仮焼する時に、ロータリキルンから発生したアルミニウム粉じんによる集塵機やダクトにおいて着火、爆発の危険性がある等の問題があった。

また、前述とは別に、アルミニウム等切粉を含むリターン材や缶材やブリケット材を溶解保持炉の燃焼排ガスを用いて予熱タワーで間接加熱して油分等を燃焼除去した後、溶解保持炉に装入して溶湯を得る先行技術が開示されている。

特開２００５−１２１２８９公報（〔０００６〜０００７〕、〔００１３〕、〔図１〕）

前記先行技術は、切粉を含むリターン材、ブリケット材を間接加熱して酸化させないように予熱する点で優れているが、切粉等被溶解材に付着した油分等をインナケースで加熱蒸発させた後、予熱タワー上端で新しい空気を巻き込んで燃焼させて除去できるから排煙発生を効果的に抑制できるとしているが、排煙発生を完全に防止することが難しく、また、油分等が保有する潜在熱エネルギを活用していない等の課題があった。

本発明は、これらの課題を解決したものであって、切削油分を随伴するアルミニウム切粉を予備処理により油分だけを残し、次いで、アルミニウム溶解炉で溶解して良質なアルミニウム溶湯を得ると共に、該油分を溶解炉でガス化して溶解炉の加熱バーナに誘引して燃焼させて、燃料を代替補助することにより省エネルギと大気汚染防止が図れるアルミニウム切粉溶解装置及び溶解方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係るアルミニウム切粉溶解装置は、アルミニウム切粉の付着切削油中の水分を除去し油分を残留させる乾燥・予熱手段と、該乾燥・予熱したアルミニウム切粉をルツボ型溶解炉の溶湯中に強制的に装入する装入手段と、燃焼バーナにより間接加熱した該ルツボ型溶解炉を用いて該乾燥・予熱したアルミニウム切粉を直接、溶湯中に装入してアルミニウム切粉を溶解してアルミニウム溶湯を製造するアルミニウム溶解手段と、を備え、該乾燥・予熱したアルミニウム切粉中に残留させた油分を該ルツボ型溶解炉で該アルミニウム切粉を溶湯中に装入して溶解した際にガス化させ、該ガスを該燃焼バーナの火炎部へ誘引して燃焼させる油分ガス化燃焼手段を設けたことを特徴とする。

アルミニウムを切削加工してアルミニウム製品を製造する際に用いられる切削油は、水溶性切削油を水で希釈したエマルジョンが用いられることが多い。よって、切削屑であるアルミニウム切粉は、含油切粉に対して１０〜２０ｗｔ％の切削油を随伴しているから油と水の混合物が付着していることになる。その内訳は、油の含有率が５〜１５ｗｔ％、水が１〜５ｗｔ％である。この請求項１の構成をとることにより、アルミニウム切粉に随伴している切削油から水分を加熱蒸発して除去し、油分のみを残留させてから溶解炉に装入して、アルミニウム溶湯を得ると共に、油分をガス化して溶解炉の加熱バーナーの一部代替燃料として燃焼させることができる。これによりアルミニウム切粉からアルミニウムを資源回収すると共に、随伴している切削油をガス化させて大気汚染などの公害を惹起することなく溶解炉の燃料としてのエネルギ回収が可能となる。

また、請求項２に係るアルミニウム切粉溶解装置は、請求項１に記載のアルミニウム切粉溶解装置において、前記乾燥・予熱手段が、アルミニウム切粉を密閉した乾燥・予熱スクリュコンベヤで運搬すると共に、該スクリュコンベヤを挿入した乾燥・予熱室へ前記ルツボ型溶解炉からの燃焼排ガスを導入し、該水分を飛ばし、油分を残存させる温度に温度調整して加熱することにより該アルミニウム切粉を乾燥・予熱することを特徴とする。

この構成により、乾燥・予熱スクリュコンベヤの外周を所定温度の溶解炉燃焼排ガスで加熱することにより、該スクリュコンベヤ内部の搬送アルミニウム切粉は随伴する切削油中の水分が蒸発し、一方油分は蒸発していない状態で、アルミニウム切粉が予熱されて次工程の装入装置に送ることができる。

また、請求項３にアルミニウム切粉溶解装置は、請求項１又は２に記載のアルミニウム切粉溶解装置において、前記ルツボ型溶解炉が、溶湯溜りの深さ方向に耐火物製の隔壁により出湯樋に連なる溶湯部と、溶解部と、に区分けし、さらに該溶解部の溶湯面より下で水平方向の断面全体に亘って耐火物製のフィルタを備え、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉が前記装入手段により該フィルタ下部の溶湯中に装入して、該アルミニウム切粉を溶解すると共に、該アルミニウム切粉に随伴する切削油由来の油分をガス化して該溶解部上面から油分ガスを取り出して前記燃焼バーナの火炎部へ導入して燃焼に供することを特徴とする。

この構成により、油分を随伴したアルミニウム切粉は、溶解部のフィルタ下部域に強制的に装入され、フィルタにより上部への移動が抑制されると共に、アルミニウム切粉は拡散・溶解して溶湯になり、次いで、アルミニウム溶湯が隔壁の下を通過して溶湯部へ移動し、最終的には出湯樋から出湯されるが、隔壁により溶湯が短絡して流れるのを防止し、滞留時間を長くとることで、不純物であるスラグ成分などを浮上・分離することができて、溶湯は十分清浄化される。また、油分は、油分を含んだ切粉がフィルタ下で十分加熱されるので容易にガス化し、フィルタを通過して浮上し、溶湯上部の空間部に移動し、次いで燃焼バーナにベンチュリ効果でもって誘引されて燃焼することで燃料代替を果たし、アルミニウム溶解の燃料の節減と共に省エネルギに貢献する。

また、請求項４に係るアルミニウム切粉溶解装置は、請求項３に記載のアルミニウム切粉溶解装置において、前記ルツボ型溶解炉の溶解部が、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉を前記フィルタ下部の溶湯中に直接装入する前記装入手段に近接して、回転する攪拌翼と、回転軸から窒素又はアルゴンの不活性ガスをインジェクションできるスターラを備え、該スターラにより該アルミニウム切粉の溶解を促進させることを特徴とする。

この構成により、装入手段で装入されたアルミニウム切粉を強制的に攪拌翼で広範囲に攪拌分散すると共に、不活性ガスインジェクションによりアルミニウム切粉を細かく拡散することによりアルミニウム切粉の溶解、油分のガス化を促進することができる。

また、請求項５に係るアルミニウム切粉溶解装置は、請求項１から４のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置において、前記装入手段が、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉の排出端が上部に蒸気排出弁を設けた密閉式の装入ホッパー内の上部に接続開口されており、該装入ホッパー下部から竪型又は傾斜型の装入スクリュコンベヤが前記ルツボ型溶解炉の溶解部の溶湯中のフィルタ下方にその下端を浸漬するように設けられ、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉を該装入スクリュコンベヤにより、また、窒素又はアルゴンガスの不活性ガスを該装入スクリュコンベヤの回転軸管から、共に溶湯中に直接装入することを特徴とする。

この構成をとることにより、乾燥・予熱スクリュコンベヤで付着切削油の油分を随伴したアルミニウム切粉は予熱され、しかも水分は蒸発状態のまま搬送され、装入ホッパに排出された時点で、水蒸気がホッパ空間に放出され、蒸気排出弁を経由して大気に放散される。また、油分を含んだ予熱されたアルミニウム切粉は装入ホッパ下部に堆積し、次いで竪型又は傾斜型の装入スクリュコンベヤにより充填状態で搬送され、溶解部のフィルタ下方の溶湯中に不活性ガスと共に落下・装入させると共に、バブリングすることができる。また、竪型装入スクリュコンベヤは、傾斜型装入スクリュコンベヤに比し、アルミニウム切粉の充填度合いにより装入速度が変化し易いので、傾斜型スクリュコンベヤの方が装入量の調整が容易である。また、装入スクリュコンベヤ回転軸管に不活性ガスを導入して、アルミニウム切粉の拡散・溶解を強化することが可能となる。

また、請求項６に係るアルミニウム切粉溶解装置は、請求項１から４のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置において、前記装入手段が、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉の排出端が上部に蒸気排出弁を設けた密閉式の装入ホッパー内の上部に接続開口されており、該装入ホッパー下部から傾斜型のプッシャーが前記ルツボ型溶解炉の溶解部の溶湯中のフィルタ下方にその下端を浸漬するように設けられ、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉を該プッシャーにより溶湯中に直接装入することを特徴とする。

この構成により間歇的であるが、強制的にアルミニウム切粉を溶解炉の溶湯中に装入することが可能となる。また、このプッシャーによれば、アルミニウム切粉の粒度などの性状に大きく左右されずに、アルミニウム切粉を強制的に溶解炉に装入することが可能である。また、装入量もプッシャーの装入頻度で容易に調整し易いから切粉の溶解量を制御し易い。

また、請求項７に係るアルミニウム切粉溶解装置は、請求項１から６のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置において、前記油分ガス化燃焼手段が、前記ルツボ型溶解炉の溶解部及び溶湯部の上部空間から前記燃焼バーナの燃焼部の火炎部につながる配管を備えると共に、該配管の末端に該火炎部へとつながるベンチュリ部を備え、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉を前記溶解炉の溶解部で溶解する際に発生した油分ガスを回収して前記溶解炉の燃焼バーナの火炎部へ誘引して燃焼させることを特徴とする。

この構成により、アルミニウム切粉に随伴した切削油中の油分は溶解炉の溶解部でガス化して回収され、配管（ダクト）により燃焼バーナの火炎部へベンチュリ部を経由して誘引されて送られ、そこで燃焼バーナの火炎により燃焼する。これにより燃焼バーナの燃料を代替する効果が生じる。

また、請求項８に係るアルミニウム切粉溶解装置は、請求項１から７のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置において、前記乾燥・予熱手段が、前記アルミニウム切粉の乾燥・予熱する温度が１２５℃から１４５℃の範囲にすることを特徴とする。

本発明のアルミニウム切粉は切削油由来の油分を随伴している。通常、この切削油は油と水のエマルジョン状態を呈しており、その量は含切削油切粉に対して油が５〜１５ｗｔ％、水が１〜５ｗｔ％の範囲である。この切削油を加熱することにより、水分を蒸散し、油分を残留させることを目的として、処理対象の切削油の熱重量―示差熱分析（ＴＧ−ＤＴＡ分析）を行った。その結果、１３５℃付近までの加熱で水分は除去され、２００〜５００℃の領域で油分が酸化・発熱することが判明した（図９参照）。これに基づいて、請求項１０の構成をとることにより、切削油を随伴するアルミニウム切粉の乾燥・予熱温度を１３５±１０℃の範囲に、好ましくは１３５℃にすることにより、油分は残留し、水分を蒸発状態にすることができ、アルミニウム切粉の溶解炉での溶解及び油分のガス化を溶解炉で高温を維持して実施でき、また溶湯アルミニウムの水素含有を低減させることが達成できる。

また、請求項９に係るアルミニウム切粉溶解装置は、請求項１から８のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置において、前記乾燥・予熱手段が、乾燥・予熱処理後のアルミニウム切粉の水分を５％以下にすることを特徴とする。

この構成を採ることにより、溶解炉でのアルミニウム切粉の溶解と油分のガス化において、装入アルミニウム切粉に残存する水分量がより少なくなるから溶湯に温度低下をもたらすことなく、溶解能力を効率良く維持、向上できる。また、装入アルミニウム切粉の水分を１％以下にする方が溶解炉でのアルミニウム切粉の溶解量と油分のガス化をさらに効率良く向上できる。

また、請求項１０に係るアルミニウム切粉溶解装置は、請求項１から９のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置において、前記アルミニウム切粉溶解装置の前段に、遠心油水分離機を備え、遠心油水分離機によりアルミニウム切粉の付着切削油量を減少する前処理を行うことを特徴とする。

この構成の前処理手段により、遠心油水分離機で物理的に切削油を分別して、その含有量を容易に減じることができ、次いで乾燥・予熱手段であるスクリュコンベヤで加熱脱水する能力に余裕が生じ、アルミニウム切粉の付着切削油中の水分を主として効率よく減じて、かつ、切粉を十分予熱することができる。したがって、アルミニウム切粉溶解装置に、本遠心油水分離機を付加することにより、切削油を随伴するアルミニウム切粉の溶解能力を向上すること、又は、過剰な切削油を随伴するアルミニウム切粉の溶解処理を可能にすることができる。また、本構成によると、脱油水において加熱などの熱エネルギを使用する必要がないから、脱水・予熱面で省エネルギに貢献し、かつ、大気汚染の心配がない。

また、請求項１１のアルミニウム切粉の溶解方法は、切削油が付着しているアルミニウム切粉を溶解する方法であって、該アルミニウム切粉を１２５℃から１４５℃の範囲にルツボ型溶解炉の排ガスを利用して間接加熱することにより乾燥・予熱して、切削油中の水分を蒸発除去し、次いで、該乾燥・予熱したアルミニウム切粉を燃焼バーナで加熱する該ルツボ型溶解炉の溶解部の溶湯中の下部に備える耐火物製フィルタ下の溶湯アルミニウム中に装入して溶解することにより、切削油中の油分はガス化して、そのガスを該ルツボ型溶解炉の間接加熱用燃焼バーナの火炎部に導入して燃焼させると共に、溶解したアルミニウムは、該ルツボ型溶解炉の溶解部から溶湯部へ溶湯のみを移行させて清浄なアルミニウム溶湯を得ることを特徴とする。

この構成により、切削油を随伴しているアルミニウム切粉の随伴水分を蒸発させ、かつ予熱したアルミニウム切粉を溶解することにより、アルミニウム溶湯を熱効率よく得ることができる。また、油分は溶解炉でガス化して回収し、溶解炉燃料の代替として使用できるので、本発明方法は省資源、省エネルギに適したアルミニウム切粉溶解方法である。また、アルミニウム切粉の随伴油分は、高温の溶解炉でガス化して閉回路で燃料として回収できるので、従来のように油分を単に燃焼させる方式と比べて大気汚染などの公害を招来する恐れがなく、また、溶解燃料の軽減に貢献する。

また、請求項１２のアルミニウム切粉の溶解方法は、請求項１１のアルミニウム切粉の溶解方法において、該乾燥・予熱したアルミニウム切粉を該ルツボ型溶解炉の溶解部の溶湯アルミニウム中の耐火物製フィルタ下部へ装入して溶解する際に、機械式スターラ又は不活性ガスインジェクションにより攪拌混合して溶解及び油分ガス化を促進することを特徴とする。

この構成により、溶解部に装入されたアルミニウム切粉を強制的に広範囲に攪拌分散すると共に、不活性ガスインジェクションによりアルミニウム切粉を細かく拡散することによりアルミニウム切粉の溶解、油分のガス化を促進することができる。

本発明に係る請求項１から１２に記載のアルミニウム切粉溶解装置及び溶解方法によれば、切削油を随伴したアルミニウム切粉を原料として、品質の良いアルミニウム溶湯を得ることができると共に、該切削油の油分を効率よく閉回路でガス化することにより溶解バーナの燃料の一部を代替することが可能となる。これらにより、アルミニウム切粉からアルミニウム資源の回収及び随伴油分の保有エネルギの回収により溶解燃料の代替が図られ、資源の活用、省エネルギ源に貢献する。また、本発明によれば、随伴切削油分の除去において、従来法と異なり大気汚染などの公害の恐れがないクリーンな処理ができる装置であり、方法である。また、本アルミニウム切粉溶解装置は、使用実績のある設備をコンパクトに集約して構成されており、従来よりも設置面積も小さく、設備費用も多大とならない、かつ、大気汚染もない環境的にも優れた設備である。

図１は、本発明を実施するための形態に係るアルミニウム切粉溶解装置の模式的正面断面図である。 図２は、図１における模式的側面断面図である。 図３は、図２における乾燥・予熱装置に連なる燃焼排ガス系の模式的断面図である。 図４は、図２におけるＡ−Ａ矢視の模式的断面図である。 図５は、本発明を実施するための別の形態に係るアルミニウム切粉溶解装置の模式的正面断面図である。 図６は、本発明を実施するための別の形態に係るアルミニウム切粉溶解装置の模式的正面断面図である。 図７は、図５又は図６における乾燥・予熱装置に連なる燃焼排ガス系の模式的断面図である。 図８は、図６におけるＡ−Ａ矢視の模式的断面図である。 アルミニウム用切削油の熱重量―示差熱分析チャートの代表例である。 アルミニウム切粉溶解における窒素ガスインジェクションの効果を示す図である。 本発明のアルミニウム切粉の溶解工程を示すフロー図である。 従来例であってアルミニウム切粉の前処理方法を示すフロー図である。

本発明に係る切削油を随伴したアルミニウム切粉の溶解処理工程を図１１のフロー図に基づいて説明すると、エマルジョン状態の油と水から成る切削油を随伴したアルミニウム切粉は、その含油水量に応じて、遠心油水分離機に掛けて油水量を減少する（ａ）。次いで、切削油随伴アルミニウム切粉の乾燥・予熱工程（ｂ）、乾燥・予熱されたアルミニウム切粉を溶解炉に装入する装入工程（ｃ）、アルミニウム溶湯を加熱保持した溶解炉において、アルミニウム切粉を装入して溶解する溶解工程（ｄ）、アルミニウム溶解炉で油分をガス化した油分ガスを溶解炉燃焼バーナで燃焼する油分ガス化燃焼工程（ｅ）から構成される。

本発明に係るアルミニウム切粉溶解装置１を図１，２，３，４を用いて説明する。アルミニウム切粉溶解装置１は、アルミニウム切粉の付着切削油中の水分を除去する乾燥・予熱装置４と、該乾燥・予熱したアルミニウム切粉をルツボ型溶解炉２の溶湯Ｍ中に装入する切粉装入装置５と、燃焼バーナ６により間接加熱したルツボ型溶解炉２を用いて乾燥・予熱したアルミニウム切粉を溶解してアルミニウム溶湯Ｍを製造するアルミニウム溶解装置と、乾燥・予熱したアルミニウム切粉中に残留させた油分をルツボ型溶解炉２でアルミニウム切粉を溶解した際にガス化させた後、燃焼バーナ６へ誘引して燃焼させる油分ガス化燃焼装置から成る。

また、アルミニウム切粉溶解装置１の前段に、遠心油水分離機（図示しない）を設け、アルミニウム切粉の過剰な付着切削油量、即ち、過剰な油水分量を減少する前処理を行うことができる。この前処理手段により、遠心油水分離機でアルミニウム切粉の付着切削油中の過剰な油水分量を物理的に加熱することなく容易に減じることができ、次いでアルミニウム切粉溶解装置１の乾燥・予熱手段であるスクリュコンベヤ４−２でさらに加熱脱水できるので、アルミニウム切粉の付着切削油中の水分を効率よく減じ、予熱することができる。また、この装置によると、脱油水において加熱などの熱エネルギを使用する必要がないから、それに伴う大気汚染の心配もない。

本発明に係るアルミニウム切粉は、アルミニウム又はアルミニウム合金を切削加工してアルミニウム製品を製造する際に発生する切削屑を主体とする。したがって、アルミニウム切粉は、含切削油切粉１００に対して１０〜２０ｗｔ％の切削油を随伴しており、通常、切削油は、油と水のエマルジョンが用いられるから、５〜１５ｗｔ％の油と１〜５ｗｔ％の水との混合物が付着している。本発明のアルミニウム切粉溶解装置１は、アルミニウム切粉に随伴している切削油から水分を加熱蒸発して除去し、油分のみを残留させてから溶解炉２に装入して、アルミニウム溶湯Ｍを得ると共に、油分をガス化して溶解炉２の加熱バーナ６の一部代替燃料として燃焼させるものである。これによりアルミニウム切粉からアルミニウムを資源回収すると共に、随伴している切削油を大気汚染などの公害を惹起することなく燃料としてのエネルギ回収が可能となる。

また、アルミニウム切粉溶解装置１における乾燥・予熱装置４は、装入ホッパ４−１からアルミニウム切粉を、可変速の駆動ギヤードモータ４−２ｅで回転駆動される乾燥・予熱スクリュコンベヤ４−２で、切出して運搬すると共に、乾燥・予熱室４−３内に該スクリュコンベヤ４−２を挿通し、スクリュコンベヤ外筒４−２ｂをルツボ型溶解炉２からの燃焼排ガスを燃焼排ガスダクト８を経る途中で希釈エア入口８−１からの冷気により温度調整して乾燥・予熱室４−３内に導いて加熱することによりアルミニウム切粉を乾燥・予熱する。なお、この乾燥・予熱ガスの流量及び温度は、乾燥・予熱室４−３に設けている室内圧力計４−３ｄと温度計４−３ｃの値により希釈エア入口８−１のダンパと燃焼排ガスダクト８のダンパ８−２の開閉度で調整できる。

この際、アルミニウム切粉の乾燥・予熱する温度が１２５℃から１４５℃の範囲であって、好ましくは１３５℃にするのが好適である。通常、アルミニウム切粉は切削油由来の油分と水分を随伴しているので、本発明では、加熱により水分を蒸発させて、油分を残留させることを目的として、使用する切削油（商品名：スギカットＣＳ−６８ＤＮ−２）の熱重量―示差熱分析（ＴＧ−ＤＴＡ分析）を行った。その結果、図９に示すように、１３５℃付近までの加熱で水分は除去され、２００〜５００℃の領域で油分が酸化・発熱することが判明した。これに基づいて、アルミニウム切粉の乾燥・予熱温度を１３５±１０℃の範囲に、好ましくは１３５℃にすることにより、油分は残留し、水分を蒸発状態で除去することができる。引き続いて、このアルミニウム切粉を用いて溶解炉２での溶解及び油分のガス化を行った場合、溶解炉２で溶解温度を下げることなく高温に維持でき、また溶湯アルミニウムＭの水素含有量を低減させることに繋げる。

また、図３に示すように、アルミニウム切粉溶解装置１のルツボ型溶解炉２は、炉壁耐火物７−１と炉蓋耐火物７−２によって取囲まれた溶解炉燃焼室７内の炉載置台２−５上に設置している。溶解炉燃焼バーナ６は、溶解炉燃焼室７の底部近くの隅部に設けられ、また燃焼排ガス出口は、図４、８にも示すように、溶解炉燃焼室７の上部で、燃焼バーナ６と、その軸線をずらして設けているので、燃焼バーナ６の火炎は下から上へのルツボ型溶解炉２の外壁を舐める旋回流となってルツボ型溶解炉２を加熱する。ルツボ型溶解炉２は、主として炭素質耐火物で壺状に形成され、内部に融点約６６０℃のアルミニウム溶湯Ｍを保持すると共に、外壁を溶解炉燃焼バーナ６の下から上への旋回流火炎で加熱されるから、溶解炉２は燃焼バーナ６により間接加熱される。なお、溶解炉燃焼室７と、炉上部空間２−４及び溶解炉２内部とは、溶解炉２の耐火物で隔離されているので、雰囲気状態は完全に相異なる。通常、溶解炉の燃焼室温度は、７００℃〜１０００℃の範囲である。また、ルツボ型溶解炉２の大きさは、アルミニウム切粉の溶解量５０〜１００ｋｇ／ｈｒで、直径６００ｍｍ、高さ５００ｍｍ位となる。

また、図４、８に示すように、アルミニウム切粉溶解装置１のルツボ型溶解炉２が、溶湯Ｍ溜りの深さ方向に耐火物製の隔壁２−２により溶湯鍋２−１ｂに出湯樋２−１を経て連なる溶湯部２−ｂと、溶解部２−ａと、に区分けして構成されており、さらに図１，２，３に示すように該溶解部２−ａの溶湯面より下で水平方向の断面全体に亘って耐火物製のフィルタ２−３を備えている。アルミニウム切粉の溶解については、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉が装入装置５の竪型又は傾斜型装入スクリュコンベヤ５−２により窒素またはアルゴンの不活性ガスを随伴して又は傾斜型プッシャー５−４により溶解炉２のフィルタ２−３の下部の溶湯Ｍ中に装入して、アルミニウム切粉を溶解すると共に、アルミニウム切粉に随伴する切削油由来の油分をガス化して溶解部２−ａ上面から放出し、炉上部空間２−４を経て油分ガスを取り出して油分ガス回収ダクト９を経て燃焼バーナ６の補助燃焼に供する。

また、ルツボ型溶解炉２の溶解部２−ａにおいて、乾燥・予熱したアルミニウム切粉をフィルタ２−３の下部の溶湯Ｍ中に装入する装入手段５に近接して、回転する攪拌翼３−１と、回転軸３−２からなるスターラ３を設けている。また、スターラ３は、回転軸３−２からの窒素の不活性ガスをインジェクションすることができ、スターラ３により装入されたアルミニウム切粉を強制的に攪拌翼３−１で広範囲に攪拌分散すると共に、不活性ガスインジェクションによりアルミニウム切粉を細かく拡散することによりアルミニウム切粉の溶解、油分のガス化を促進することができる。

前述したアルミニウム切粉のアルミニウム溶湯Ｍ中への溶解に及ぼす窒素（Ｎ_２）インジェクションの効果を実験炉で確認した結果を図１０に示す。アルミニウム切粉としては、乾燥後で水分量１％以下、油分量１．５〜２％の切粉を用いた。結果として、窒素インジェクション無しの場合で、アルミニウム切粉の装入後経過時間１０〜２０分で、溶解した比率（溶解効率）５０〜６５％に対し、窒素インジェクション有りの場合が、アルミニウム切粉の装入後経過時間３〜１０分で、溶解した比率（溶解効率）６５〜８５％を得た。これらから、アルミニウム溶湯Ｍ中で窒素（Ｎ_２）インジェクションを行えば、アルミニウム切粉の溶解が効率よく短時間で達成できる可能性を確認した。

また、アルミニウム切粉溶解装置１の切粉装入装置５は、乾燥・予熱スクリュコンベヤ４−２の排出端４−２ｄが密閉式の装入ホッパ５−１の上部に接続して開口されており、また、装入ホッパ５−１の上蓋部に蒸気排出弁５−３を設けている。また、装入ホッパ５−１の下部から、可変速の駆動ギヤードモータ５−２ｄで回転駆動される竪型又は傾斜型の装入スクリュコンベヤ５−２が、ルツボ型溶解炉２の溶解部フィルタ２−３の下方にその下端を浸漬するように設けられており、乾燥・予熱したアルミニウム切粉を装入スクリュコンベヤ５−２により溶湯Ｍ中に装入し、その際不活性ガスである窒素を吹込み窒素流入口５−２ｅから管状の装入スクリュコンベヤ回転軸５−２ｃを通って窒素吹き出し口５−２ｆから溶湯Ｍ中にインジェクトしてバブリングさせ、装入したアルミニウム切粉の溶解と随伴した油分のガス化を促進する。また、溶湯Ｍからの脱ガス作用ももたらす。また、装入スクリュコンベヤ５−２のコンベヤ外筒５−２ｂとスクリュ羽根５−２ａはアルミニウム溶湯Ｍと接するので耐火性を必要とする。なお、竪型又は傾斜型の装入スクリュコンベヤ５−２を採用した場合には、アルミニウム切粉はスクリュ羽根５−２ａの螺旋状の空間を埋め尽くしているから、マテリアルシールを形成し、装入ホッパ５−１と溶解炉２とは完全にシールされるから、装入ホッパ５−１の空気や水蒸気が溶解炉２に流入することはないので、溶湯Ｍの品質に悪影響を与えない。また、竪型装入スクリュコンベヤは、傾斜型装入スクリュコンベヤに比し、アルミニウム切粉の充填度合いにより装入速度が変化し易いので、その点で傾斜型スクリュコンベヤの方が装入量の調整が容易である。

また、図６に示すように、竪型又は傾斜型の装入スクリュコンベヤ５−２の代わりに、傾斜型のプッシャー５−４を設けることができる。傾斜型のプッシャー５−４は、密閉型スクリュコンベヤ４−２が密閉式の装入ホッパー５−１の上部に接続している該装入ホッパー５−１の下部からルツボ型溶解炉２の溶解部フィルタ２−３下方にその下端を浸漬するように設けられており、乾燥・予熱したアルミニウム切粉をプッシャー５−４により溶湯Ｍ中に装入することができる。この傾斜型プッシャー５−４により間歇的であるが、強制的にアルミニウム切粉を溶解炉２の溶解部２−ａの溶湯Ｍ中に装入することが可能となる。また、傾斜型プッシャー５−４によれば、アルミニウム切粉の粒度などの性状に大きく左右されずに、アルミニウム切粉を強制的に溶解炉２に装入することが可能である。また、傾斜型プッシャー５−４の駆動は、空気駆動のロッドレスシリンダ５−４ａで行うのが好ましい。また、傾斜型のプッシャー５−４のプッシャーの先端部５−４ｂは、斜めに裁断されており、アルミニウム切粉を溶湯Ｍ中に押し込み易くしている。また、装入量もプッシャー５−４の装入頻度で容易に調整し易いから切粉の溶解量を制御し易い。

また、アルミニウム切粉溶解装置１の溶解炉２で切削油分がガス化して炉上部空間２−４に溜まった油分ガスは、炉上部空間２−４から燃焼バーナ６の燃焼部につながる油分ガス回収ダクト９を設けると共に、油分ガス回収ダクト９の末端に前記燃焼部へとつながるベンチュリ部９−１を設けているので、溶解炉２から発生した油分ガスを誘引して導き、溶解炉燃焼バーナ６の火炎中で燃焼させることができる。これにより溶解炉燃焼バーナ６の燃料の一部代替が可能になる。

また、本発明に係るアルミニウム切粉溶解装置１を用いた溶解作業について総括的に述べると、含切削油アルミニウム切粉は、含有切削油量に応じて、遠心油水分離機の前処理を選択でき、次いで、切削油を随伴しているアルミニウム切粉を１２５℃から１４５℃の範囲に、好ましくは１３５℃に間接加熱により乾燥・予熱して切削油中の水分を蒸発除去し、次いで、該乾燥・予熱したアルミニウム切粉を燃焼バーナ６で加熱するルツボ型溶解炉２の溶解部２−ａに装入して溶解することにより、切削油中の油分はガス化して、そのガスをルツボ型溶解炉２の燃焼バーナ６の燃料として補填して使用すると共に、溶解したアルミニウムは、ルツボ型溶解炉２の溶解部２−ａから溶湯部２−ｂへ溶湯のみを移行させて清浄なアルミニウム溶湯Ｍを得るものである。

原料であるアルミニウム切粉の乾燥・予熱工程は、乾燥・予熱スクリュコンベヤ４−２の外筒４−２ｂを所定温度の溶解炉燃焼排ガスで加熱することにより、スクリュコンベヤ４−２の搬送アルミニウム切粉は随伴する水分が蒸発し、一方油分は蒸発していない状態にして、アルミニウム切粉は予熱されて次工程の切粉装入装置５の装入ホッパ５−１に送る。乾燥・予熱スクリュコンベヤ４−２からの乾燥・予熱されたアルミニウム切粉は、装入ホッパ５−１に排出された時点で、水蒸気がホッパ空間に放出され、蒸気排出弁５−３を経由して大気に放散される。また、油分を含んだ予熱されたアルミニウム切粉は装入ホッパ５−１に堆積してから溶解炉２に装入される。

油分を随伴したアルミニウム切粉は、装入ホッパ５−１から竪型又は傾斜型スクリュコンベヤ５−２により充填状態で搬送され、溶解炉２の溶解部２−ａのフィルタ２−３下部域に、スクリュ回転軸５−２ｃを経由して噴出される不活性ガスと共に装入される。また、近接したスターラ３の攪拌翼３−１の攪拌と、回転軸３−２の窒素ガス噴出し口３−３のインジェクションにより、アルミニウム切粉は不活性ガスのインジェクションのバブリングとスターラ３の拡散により迅速に溶解して溶湯Ｍになると共に、油分はガス化する。次いで、アルミニウム溶湯Ｍが隔壁２−２の下を通過して溶湯部２−ｂへ移動し、最終的には出湯樋２−１から出湯される。この際、隔壁２−２により溶湯Ｍが短絡して流れるのを防止し、滞留時間を長くとることで、不純物であるスラグ成分などを浮上・分離して、溶湯Ｍは十分清浄化される。また、油分は不活性ガスのバブリングのもと、フィルタ２−３下の領域で加熱されて酸化されることなくガス化して、フィルタ２−３を通過して浮上し、炉上部空間２−４に移動し、次いで油分ガス回収ダクト９を経由して燃焼バーナ６の燃焼域でベンチュリ部９−１により誘引されて燃焼することで燃料代替を果たし、燃料の節減と共に省エネルギに貢献する。

また別に、油分を随伴したアルミニウム切粉は、装入ホッパ５−１から傾斜型装入プッシャー５−４により間歇的に、強制的にアルミニウム切粉を溶解炉２の溶解部２−ａのフィルタ２−３下部域の溶湯Ｍ中に装入できる。また、近接したスターラ３の攪拌翼３−１の攪拌と、回転軸３−２の窒素ガス噴出し口３−３のインジェクションにより、装入アルミニウム切粉は拡散することにより迅速に溶解して溶湯Ｍになると共に、油分はガス化する。次いで、アルミニウム溶湯Ｍが隔壁２−２の下を通過して溶湯部２−ｂへ移動し、最終的には出湯樋２−１から出湯される。この際、隔壁２−２により溶湯Ｍが短絡して流れるのを防止し、滞留時間を長くとることで、不純物であるスラグ成分などを浮上・分離して、溶湯Ｍは十分清浄化される。また、油分は不活性ガスのバブリングのもと、フィルタ２−３下の領域で加熱されて酸化されることなくガス化して、フィルタ２−３を通過して浮上し、炉上部空間２−４に移動し、次いで油分ガス回収ダクト９を経由して燃焼バーナ６の燃焼域でベンチュリ部９−１により誘引されて燃焼することで燃料代替を果たし、燃料の節減と共に省エネルギに貢献する。

なお、アルミニウム切粉に含まれる切削油は、本発明が対象とする油と水のエマルジョンで構成されるものとは別に、水を含まない、主として油で構成される切削油がある。このような水分の無い切削油を含んだアルミニウム切粉に対しても本発明のアルミニウム切粉溶解装置及び溶解方法の適用は十分可能である。この場合、水分が含まれない分だけ水分を蒸発させるエネルギが不要で、アルミニウム切粉自体の予熱温度も上昇しやすく、本装置によるアルミニウム切粉の処理能力が向上し易く、溶解に必要な熱エネルギも節約し易くなる。

前述したように、切削油を随伴しているアルミニウム切粉を原料として、その随伴水分を蒸発させ、かつ予熱したアルミニウム切粉を溶解することにより、アルミニウム溶湯Ｍを熱効率よく得ることができる。また、油分は溶解炉２でガス化して回収し、溶解炉２の燃料の代替として使用できるので、本発明は省資源、省エネルギに適したアルミニウム切粉溶解装置および方法である。

アルミニウム切粉の処理分野で利用されるのみならず、亜鉛、マグネシウム金属及びそれらの合金切粉の処理分野で適用することができる。

１：アルミニウム切粉溶解装置
２：ルツボ型溶解炉 ２−ａ：溶解部 ２−ｂ：溶湯部
２−１：出湯樋 ２−１ａ：出湯量調整ダンパ ２−１ｂ：溶湯鍋
２−２：隔壁 ２−３：フィルタ ２−４：炉上部空間 ２−５：炉載置台３：スターラ ３−１：攪拌翼 ３−２：回転軸 ３−３：窒素ガス噴出し口
３−４；窒素ガス配管
４：乾燥・予熱装置 ４−１：装入ホッパ ４−２：スクリュコンベヤ
４−２ａ：スクリュ羽根 ４−２ｂ：コンベヤ外筒 ４−２ｃ：装入部
４−２ｄ：排出端 ４−２ｅ：駆動ギヤードモータ
４−３：乾燥・予熱室 ４−３ａ：ガス入口 ４−３ｂ：ガス出口
４−３ｃ：温度計 ４−３ｄ：室内圧力計
５：切粉装入装置 ５−１装入ホッパ ５−２：装入スクリュコンベヤ
５−２ａ：スクリュ羽根 ５−２ｂ：コンベヤ外筒 ５−２ｃ：スクリュ回転軸
５−２ｄ：駆動ギヤードモータ ５−２ｅ：吹込み窒素流入口
５−２ｆ：窒素噴出し口 ５−３：蒸気排出弁 ５−４：装入プッシャー
５−４ａ：駆動用ロッドレスシリンダ ５−４ｂ：プッシャ先端部
６：溶解炉燃焼バーナ
７：溶解炉燃焼室 ７−１：炉壁耐火物 ７−２：炉蓋耐火物
８：燃焼排ガスダクト ８−１：希釈エア入口 ８−２：ダンパ
９：油分ガス回収ダクト ９−１：誘引ベンチュリ部
Ｍ：溶湯

Claims (12)

1. アルミニウム切粉の付着切削油中の水分を除去し、油分を残留させる乾燥・予熱手段と該乾燥・予熱したアルミニウム切粉をルツボ型溶解炉の溶湯中に強制的に装入する装入手段と、燃焼バーナにより間接加熱した該ルツボ型溶解炉を用いて該乾燥・予熱したアルミニウム切粉を直接溶湯中に装入して、アルミニウム切粉を溶解してアルミニウム溶湯を製造するアルミニウム溶解手段と、を備え、該乾燥・予熱したアルミニウム切粉中に残留させた油分を該ルツボ型溶解炉で該アルミニウム切粉を溶湯中に装入して溶解した際にガス化させ、該ガスを該燃焼バーナの火炎部へ誘引して燃焼させる油分ガス化燃焼手段を設けたことを特徴とするアルミニウム切粉溶解装置。
2. 前記乾燥・予熱手段が、アルミニウム切粉を密閉した乾燥・予熱スクリュコンベヤで運搬すると共に、該スクリュコンベヤを挿入した乾燥・予熱室へ前記ルツボ型溶解炉からの燃焼排ガスを導入し、該水分を飛ばし、油分を残存させる温度に温度調整して加熱することにより該アルミニウム切粉を乾燥・予熱することを特徴とする請求項１記載のアルミニウム切粉溶解装置。
3. 前記ルツボ型溶解炉が、溶湯溜りの深さ方向に耐火物製の隔壁により出湯樋に連なる溶湯部と、溶解部と、に区分けし、さらに該溶解部の溶湯面より下で水平方向の断面全体に亘って耐火物製のフィルタを備え、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉が前記装入手段により該フィルタ下部の溶湯中に装入して、該アルミニウム切粉を溶解すると共に、該アルミニウム切粉に随伴する切削油由来の油分をガス化して該溶解部上面から油分ガスを取り出して前記燃焼バーナの火炎部へ導入して燃焼に供することを特徴とする請求項１又 は２に記載のアルミニウム切粉溶解装置。
4. 前記ルツボ型溶解炉の溶解部が、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉を前記フィルタ下部の溶湯中に直接装入する前記装入手段に近接して、回転する攪拌翼と、回転軸から窒素又はアルゴンの不活性ガスをインジェクションできるスターラを備え、該スターラにより該アルミニウム切粉の溶解を促進させることを特徴とする請求項３記載のアルミニウム切粉溶解装置。
5. 前記装入手段が、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉の排出端が上部に蒸気排出弁を設けた密閉式の装入ホッパー内の上部に接続開口されており、該装入ホッパー下部から竪型又は傾斜型の装入スクリュコンベヤが前記ルツボ型溶解炉の溶解部の溶湯中のフィルタ下方にその下端を浸漬するように設けられ、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉を該装入スクリュコンベヤにより、また、窒素又はアルゴンガスの不活性ガスを該装入スクリュコンベヤの回転軸管から、共に溶湯中に直接装入することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置。
6. 前記装入手段が、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉の排出端が上部に蒸気排出弁を設けた密閉式の装入ホッパー内の上部に接続開口されており、該装入ホッパー下部から傾斜型のプッシャーが前記ルツボ型溶解炉の溶解部の溶湯中のフィルタ下方にその下端を浸漬するように設けられ、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉を該プッシャーにより溶湯中に直接装入することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置。
7. 前記油分ガス化燃焼手段が、前記ルツボ型溶解炉の溶解部及び溶湯部の上部空間から前記燃焼バーナの燃焼部の火炎部につながる配管を備えると共に、該配管の末端に該火炎部へとつながるベンチュリ部を備え、前記乾燥・予熱したアルミニウム切粉を前記溶解炉の溶解部で溶解する際に発生した油分ガスを回収して前記溶解炉の燃焼バーナの火炎部へ誘引して燃焼させることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置。
8. 前記乾燥・予熱手段が、前記アルミニウム切粉の乾燥・予熱する温度が１２５℃から１４５℃の範囲にすることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置。
9. 前記乾燥・予熱手段が、乾燥・予熱処理後のアルミニウム切粉の水分を５％以下にすることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置。
10. 前記アルミニウム切粉溶解装置の前段に、遠心油水分離機を備え、遠心油水分離機によりアルミニウム切粉の付着切削油量を減少する前処理を行うことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のアルミニウム切粉溶解装置。
11. 切削油が付着しているアルミニウム切粉を溶解する方法であって、該アルミニウム切粉を１２５℃から１４５℃の範囲にルツボ型溶解炉の排ガスを利用して間接加熱することにより乾燥・予熱して、切削油中の水分を蒸発除去し、次いで、該乾燥・予熱したアルミニウム切粉を燃焼バーナで加熱する該ルツボ型溶解炉の溶解部の溶湯中の下部に備える耐火物製フィルタ下の溶湯アルミニウム中に装入して溶解することにより、切削油中の油分はガス化して、そのガスを該ルツボ型溶解炉の間接加熱用燃焼バーナの火炎部に導入して燃焼させると共に、溶解したアルミニウムは、該ルツボ型溶解炉の溶解部から溶湯部へ溶湯のみを移行させて清浄なアルミニウム溶湯を得ることを特徴とするアルミニウム切粉の溶解方法。
12. 該乾燥・予熱したアルミニウム切粉を該ルツボ型溶解炉の溶解部の溶湯アルミニウム中の耐火物製フィルタ下部へ装入して溶解する際に、機械式スターラ又は不活性ガスインジェクションにより攪拌混合して溶解及び油分ガス化を促進することを特徴とする請求項１１記載のアルミニウム切粉の溶解方法。

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