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JP7683261B2 - metal melting furnace - Google Patents
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JP7683261B2 - metal melting furnace - Google Patents

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Description

本発明は、金属熔融炉に関する。 The present invention relates to a metal melting furnace.

金属材料等の被熔融物に対して電圧を印加し、被熔融物を熔融する金属熔融炉が従来から用いられている。係る金属熔融炉において、被熔融物を熔融する際に、被熔融物と接する炉側壁を構成する耐火物が損傷することを防止するため、該耐火物と接する被熔融物を冷却し、耐火物の表面にコーティング層を形成することが従来からなされていた。 Metal melting furnaces have been used in the past to apply a voltage to a material to be melted, such as a metal material, to melt the material. In such metal melting furnaces, in order to prevent damage to the refractory that constitutes the furnace side wall in contact with the material to be melted when melting the material, the material to be melted that is in contact with the refractory has been cooled and a coating layer has been formed on the surface of the refractory.

そして、特許文献1等に開示されているように、係る炉側壁を冷却する方法について従来から各種検討がなされていた。 As disclosed in Patent Document 1 and other publications, various studies have been conducted on methods for cooling such furnace side walls.

特開2013-127352号公報JP 2013-127352 A

さらに、耐火物の損傷を抑制し、メンテナンスの頻度を抑制する観点から、金属熔融炉の炉側壁を効率的に冷却できる金属熔融炉が求められていた。 Furthermore, from the perspective of minimizing damage to refractories and reducing the frequency of maintenance, there was a demand for a metal melting furnace that could efficiently cool the side walls of the metal melting furnace.

そこで上記従来技術が有する問題に鑑み、本発明の一側面では、炉側壁を効率的に冷却できる金属熔融炉を提供することを目的とする。 In view of the problems with the above-mentioned conventional technology, one aspect of the present invention aims to provide a metal melting furnace that can efficiently cool the furnace side walls.

上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、
金属成分を含有する被熔融物を熔融する金属熔融炉であって、
前記金属熔融炉は、
前記被熔融物を収容する内部空間と、
前記内部空間の側面を画する炉側壁と、
前記内部空間内に高さ方向に沿って配置される電極と、を有しており、
前記炉側壁は、前記内部空間側に配置された耐火物と、
前記耐火物の外表面を覆う金属製の外被と、を有し、
前記外被は、前記耐火物と対向する面に、高さ方向に沿って配列された、板状形状を有する複数の凸部を有し、
前記凸部は、前記耐火物が前記外被と対向する面に有する凹部に嵌合しており、
前記凸部の、前記外被の内表面から、前記内部空間側へ突出した高さは、前記耐火物の厚さの60%以上であり、
前記凸部は、高さ方向に沿って3個設置されている金属熔融炉を提供する。

In order to solve the above problem, according to one aspect of the present invention,
A metal melting furnace for melting a material containing a metal component, comprising:
The metal melting furnace comprises:
an internal space for accommodating the object to be melted;
A furnace side wall defining a side surface of the internal space;
an electrode disposed in the internal space along a height direction;
The furnace side wall includes a refractory material disposed on the inner space side,
A metal jacket covering an outer surface of the refractory material,
The outer jacket has a plurality of plate-shaped protrusions arranged along a height direction on a surface facing the refractory,
The protrusion is fitted into a recess in a surface of the refractory facing the jacket ,
a height of the protrusion from the inner surface of the outer covering toward the internal space is 60% or more of a thickness of the refractory material,
The metal melting furnace is provided with three protrusions arranged along the height direction .

本発明の一態様によれば、炉側壁を効率的に冷却できる金属熔融炉を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a metal melting furnace that can efficiently cool the furnace side walls.

図1は、本開示の一態様に係る金属熔融炉の、凸部を通る高さ方向と垂直な水平面での断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a metal melting furnace according to one embodiment of the present disclosure taken along a horizontal plane perpendicular to the height direction passing through a protruding portion. 図2は、図1のA-A´線における断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA' in FIG. 図3は、外被の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the envelope. 図4は、実験例1における内部空間、炉側壁の温度分布の図である。FIG. 4 is a diagram showing the temperature distribution in the inner space and the furnace side wall in Experimental Example 1. 図5は、実験例1における、高さ方向に配列した凸部の数に対する、被熔融物と耐火物との境界温度、表面抜熱量の関係図である。本発明の実施形態に係るシミュレーション方法を説明するフローチャートである。5 is a graph showing the relationship between the boundary temperature between the material to be melted and the refractory material and the amount of heat dissipated from the surface with respect to the number of protrusions arranged in the height direction in Experimental Example 1. FIG. 図6は、実験例2における内部空間、炉側壁の温度分布の図である。FIG. 6 is a diagram showing the temperature distribution in the inner space and the furnace side wall in Experimental Example 2. 図7は、実験例2における凸部の高さに対する、被熔融物と耐火物との境界温度、表面抜熱量の関係図である。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the height of the protrusion in Experimental Example 2 and the boundary temperature between the material to be melted and the refractory material and the amount of heat dissipated from the surface. 図8は、実験例3における内部空間、炉側壁の温度分布の図である。FIG. 8 is a diagram showing the temperature distribution in the inner space and the furnace side wall in Experimental Example 3. 図9は、実験例3における外被の熱伝導率に対する、表面抜熱量の関係図である。FIG. 9 is a graph showing the relationship between the thermal conductivity of the outer cover and the amount of heat dissipated from the surface in Experimental Example 3.

以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。
[金属熔融炉]
本実施形態の金属熔融炉について、図面を用いながら説明する。図1は、本実施形態の金属熔融炉の凸部を通る水平断面図である。図2は、図1のA-A´線での断面図である。図3は外被の斜視図になる。
The following describes a form for carrying out the present invention. However, the present invention is not limited to the following embodiment, and various modifications and substitutions can be made to the following embodiment without departing from the scope of the present invention.
[Metal melting furnace]
The metal melting furnace of this embodiment will be described with reference to the drawings. Fig. 1 is a horizontal cross-sectional view passing through the convex portion of the metal melting furnace of this embodiment. Fig. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A' in Fig. 1. Fig. 3 is a perspective view of the outer casing.

本実施形態の金属熔融炉は、金属成分を含有する被熔融物を熔融する炉であり、本実施形態の金属熔融炉は、例えば三相交流電極式電気炉とすることができる。金属成分を含有する被熔融物としては特に限定されないが、例えば金属成分を含有する鉱石や、各種金属材料等が挙げられる。また、被熔融物は、必要に応じて各種添加成分を含有していてもよい。 The metal melting furnace of this embodiment is a furnace for melting a material to be melted that contains metal components, and the metal melting furnace of this embodiment can be, for example, a three-phase AC electrode type electric furnace. The material to be melted that contains metal components is not particularly limited, but examples include ores that contain metal components and various metal materials. In addition, the material to be melted may contain various additive components as necessary.

図1、図2に示すように、本実施形態の金属熔融炉10は、被熔融物を収容する内部空間11と、内部空間11の側面を画する炉側壁12と、内部空間11に高さ方向に沿って、すなわち垂直に配置される電極13とを有することができる。 As shown in Figures 1 and 2, the metal melting furnace 10 of this embodiment can have an internal space 11 that contains the material to be melted, a furnace side wall 12 that defines the side of the internal space 11, and an electrode 13 that is arranged along the height direction of the internal space 11, i.e., vertically.

図1、図2において高さ方向はZ軸方向を意味する。そして、水平面がXY平面に当たる。 In Figures 1 and 2, the height direction refers to the Z-axis direction. And the horizontal plane corresponds to the XY plane.

以下、各部材について説明する。
(1)内部空間
内部空間11は、被熔融物を収容し、電極13により被熔融物を熔融するための空間(領域)である。
Each component will be described below.
(1) Internal Space The internal space 11 is a space (area) for accommodating an object to be melted and melting the object by the electrode 13.

内部空間11は、例えば柱状形状を有することができ、図1に示すように円柱形状を有することが好ましい。ここでいう柱状形状、円柱形状とは幾何学的に厳密な意味ではなく、略柱状形状、略円柱形状とすることができ、必要に応じて一部に凹部や凸部を含むことができ、一部が柱状形状、円柱形状から変形していてもよい。 The internal space 11 may have, for example, a columnar shape, and preferably has a cylindrical shape as shown in FIG. 1. The columnar shape and cylindrical shape mentioned here do not have a strict geometrical meaning, but may be an approximately columnar shape or an approximately cylindrical shape, and may include a concave or convex part as necessary, and may be partially deformed from the columnar or cylindrical shape.

内部空間11は、底部側に設けられた底部耐火物や、側面に設けられた炉側壁12により、外部の空間と区切られている。
(2)電極
電極13は、内部空間11に収容された被熔融物に電圧を印加するための部材であり、形状は特に限定されないが、例えば柱状形状を有することができ、円柱形状を有することが好ましい。ここでの柱状形状、円柱形状についても幾何学的に厳密な意味ではなく、略柱状形状、略円柱形状とすることができ、必要に応じて一部が変形していてもよい。
The internal space 11 is separated from the external space by a bottom refractory provided on the bottom side and a furnace side wall 12 provided on the side.
(2) Electrode The electrode 13 is a member for applying a voltage to the material to be melted contained in the internal space 11, and the shape is not particularly limited, but may have, for example, a columnar shape, and is preferably a cylindrical shape. The columnar shape and cylindrical shape here do not have a strict geometrical meaning, and may be an approximately columnar shape or an approximately cylindrical shape, and may be partially deformed as necessary.

電極13は、例えば該電極13の中心軸が高さ方向、すなわち図1、図2におけるZ軸方向に沿うように配置でき、高さ方向に沿って移動可能に構成することが好ましい。 The electrode 13 can be arranged, for example, so that the central axis of the electrode 13 is along the height direction, i.e., the Z-axis direction in Figures 1 and 2, and is preferably configured to be movable along the height direction.

金属熔融炉10は、電極13を複数個有することができ、例えば図1に示すように3個有することができる。
(3)炉側壁
炉側壁12は、内部空間11の側面11Aに設けられており、内部空間11の側面11Aを外部の空間から画している。
The metal melting furnace 10 may have a plurality of electrodes 13, for example three as shown in FIG.
(3) Furnace Side Wall The furnace side wall 12 is provided on the side surface 11A of the internal space 11 and separates the side surface 11A of the internal space 11 from the external space.

炉側壁12は、内部空間11側に配置された耐火物121と、耐火物121の外表面121Aを覆う金属製の外被122とを有することができる。
(3-1)耐火物
耐火物121は、上述のように炉側壁12のうち内部空間11側に配置できる。なお、内部空間11の底面11Bを覆うように底部耐火物14を設けることもでき、耐火物121と、底部耐火物14は一体の部材とすることもできる。
The furnace side wall 12 may have a refractory material 121 arranged on the interior space 11 side, and a metal outer covering 122 covering an outer surface 121A of the refractory material 121 .
(3-1) Refractory The refractory 121 can be disposed on the inner space 11 side of the furnace side wall 12 as described above. The bottom refractory 14 can be provided so as to cover the bottom surface 11B of the inner space 11, and the refractory 121 and the bottom refractory 14 can be formed as an integrated member.

耐火物121の材料は、被熔融物を熔融する際の温度に耐えられる材料であればよく、例えば各種セラミックス等を用いることができる。 The material for the refractory material 121 can be any material that can withstand the temperature at which the material to be melted is melted, and can be, for example, various ceramics.

耐火物121は、内部空間11の側面11Aを覆うように配置されるため、筒形状を有することができる。内部空間11が円柱形状の場合、耐火物121は円筒形状を有することができる。 The refractory material 121 can have a cylindrical shape because it is arranged to cover the side surface 11A of the internal space 11. If the internal space 11 is cylindrical, the refractory material 121 can have a cylindrical shape.

耐火物121は、後述する外被122と対向する外表面121Aに、後述する凸部1221と嵌合し、該凸部1221を収容する凹部1211を有することができる。 The refractory 121 can have a recess 1211 on the outer surface 121A facing the outer sheath 122 described below, which fits into and accommodates the protrusion 1221 described below.

凹部1211は、後述する凸部1221と嵌合するようにそのサイズや形状を選択できる。
(3-2)外被
外被122は、耐火物121の外表面121Aを覆うように配置される。このため、筒形状を有することができ、例えば円筒形状とすることができる。
The size and shape of the recess 1211 can be selected so as to fit with the protrusion 1221 described below.
(3-2) Outer jacket The outer jacket 122 is disposed so as to cover the outer surface 121A of the refractory material 121. For this reason, the outer jacket 122 may have a tubular shape, for example, a cylindrical shape.

既述のように、金属熔融炉において、被熔融物を熔融する際に、被熔融物と接する炉側壁を構成する耐火物が損傷することを防止するため、該耐火物と接する被熔融物を冷却し、耐火物の表面にコーティング層を形成することがなされている。そして、係るコーティング層を形成するため、炉側壁を効率的に冷却することが求められる。 As mentioned above, in a metal melting furnace, when melting a material to be melted, in order to prevent damage to the refractory constituting the furnace side wall in contact with the material to be melted, the material to be melted that is in contact with the refractory is cooled and a coating layer is formed on the surface of the refractory. In order to form such a coating layer, it is necessary to efficiently cool the furnace side wall.

本発明の発明者は、炉側壁を効率的に冷却し、金属熔融炉を運転している間、上記コーティング層を形成、維持する方法について検討を行った。その結果、外被122の耐火物121と対向する面に板状形状の凸部1221を設け、該凸部1221を耐火物121が外被122と対向する面に有する凹部1211に嵌合した構造とすることで、凸部1221、外被122を介して抜熱し、炉側壁12を効率的に冷却できることを見出した。
(3-2-1)凸部
(凸部の形状、サイズ)
凸部1221は、板状形状を有することができる。凸部1221の主表面1221A、すなわち高さ方向と垂直な面は、図1、図3に示すように、円環の一部を切り取った、円環扇形等とも呼ばれる形状を有することができる。円環扇形とは、図1、図3に示すように、中心側が円弧状に欠落した扇形の形状であり、アーチ形等ということもできる。
The inventors of the present invention have studied a method for efficiently cooling the furnace side wall and forming and maintaining the coating layer while the metal melting furnace is in operation, and have found that by providing a plate-shaped convex portion 1221 on the surface of the outer casing 122 facing the refractory material 121 and fitting the convex portion 1221 into a concave portion 1211 on the surface of the refractory material 121 facing the outer casing 122, heat can be removed via the convex portion 1221 and the outer casing 122, and the furnace side wall 12 can be efficiently cooled.
(3-2-1) Convex portion (shape and size of convex portion)
The convex portion 1221 can have a plate-like shape. A main surface 1221A of the convex portion 1221, i.e., a surface perpendicular to the height direction, can have a shape that is also called a circular sector shape, in which a part of a ring is cut off, as shown in Figures 1 and 3. The circular sector shape is a sector shape with an arc-shaped cutout on the center side, as shown in Figures 1 and 3, and can also be called an arch shape.

凸部1221のサイズは特に限定されず、耐火物121のサイズ等に応じて選択できる。 The size of the protrusion 1221 is not particularly limited and can be selected according to the size of the refractory material 121, etc.

凸部1221の、外被122の内表面(内周面)122Aから、内部空間11側へ突出した高さL1221は、耐火物121の厚さT121の20%以上であることが好ましく、60%以上であることがより好ましい。すなわち、0.2≦L1221/T121であることが好ましく、0.6≦L1221/T121であることがより好ましい。 The height L1221 of the protrusion 1221 protruding from the inner surface (inner peripheral surface) 122A of the outer jacket 122 toward the internal space 11 is preferably 20% or more of the thickness T121 of the refractory material 121, and more preferably 60% or more. In other words, it is preferable that 0.2≦L1221/T121, and more preferably that 0.6≦L1221/T121.

凸部1221の高さL1221を、耐火物121の厚さT121の20%以上とすることで、凸部1221を内部空間11近傍まで配置させ、炉側壁12や、炉側壁12近傍に位置する被熔融物を特に効率よく冷却できる。 By making the height L1221 of the convex portion 1221 20% or more of the thickness T121 of the refractory material 121, the convex portion 1221 can be positioned close to the internal space 11, and the furnace side wall 12 and the molten material located near the furnace side wall 12 can be cooled particularly efficiently.

なお、L1221は、T121よりも小さければいいが、耐火物121の強度を高める観点から、L1221は、90%以下であることが好ましい。すなわち、L1221/T121<1.0であることが好ましく、L1221/T121≦0.9であることがより好ましい。 Note that L1221 only needs to be smaller than T121, but from the viewpoint of increasing the strength of the refractory material 121, it is preferable that L1221 is 90% or less. In other words, it is preferable that L1221/T121<1.0, and it is more preferable that L1221/T121≦0.9.

なお、凸部1221の高さL1221は、図1に示すように、高さ方向と垂直な水平断面において、内部空間11の中心O11と、外被122の内表面122Aとを結ぶ直線上で測定した厚さの最大値を意味する。また、耐火物121の厚さT121は、図1に示すように、高さ方向と垂直な水平断面において、内部空間11の中心O11と、耐火物121の外表面121Aとを結ぶ直線上で測定した厚さの最大値を意味する。 The height L1221 of the protrusion 1221 means the maximum thickness measured on a straight line connecting the center O11 of the internal space 11 and the inner surface 122A of the outer cover 122 in a horizontal cross section perpendicular to the height direction as shown in Fig. 1. The thickness T121 of the refractory 121 means the maximum thickness measured on a straight line connecting the center O11 of the internal space 11 and the outer surface 121A of the refractory 121 in a horizontal cross section perpendicular to the height direction as shown in Fig. 1.

凸部1221の厚さT1221(図2を参照)は特に限定されず、外被122における凸部1221を配置する高さ方向の領域のサイズや、該領域に設置する凸部1221の数等に応じて選択できる。例えば、耐火物121と、外被122が100mm前後の厚みである場合、70mm程度であると、特に境界温度が低下し、表面抜熱量が増加するのでよい。
(高さ方向に沿って配列する凸部の数について)
外被122は、耐火物121と対向する面、すなわち内表面122Aに複数の凸部1221を有することができる。図2に示すように、凸部1221は高さ方向に沿って配列できる。
The thickness T1221 of the protrusions 1221 (see FIG. 2 ) is not particularly limited, and can be selected according to the size of the height direction region in the outer sheath 122 where the protrusions 1221 are arranged, the number of the protrusions 1221 to be provided in the region, etc. For example, when the refractory material 121 and the outer sheath 122 have a thickness of about 100 mm, a thickness of about 70 mm is preferable because it reduces the boundary temperature and increases the amount of heat dissipated from the surface.
(Number of protrusions arranged along the height direction)
The outer cover 122 may have a plurality of protrusions 1221 on a surface facing the refractory material 121, i.e., an inner surface 122A. As shown in Fig. 2, the protrusions 1221 may be arranged along the height direction.

なお、図2に示すように、凸部1221は、高さ方向に沿って間隔をあけて配列される。このため、凸部1221間は外被122の内表面122Aが露出することになる。 As shown in FIG. 2, the protrusions 1221 are arranged at intervals along the height direction. Therefore, the inner surface 122A of the outer cover 122 is exposed between the protrusions 1221.

高さ方向に沿って配列する凸部1221の数は特に限定されず、金属熔融炉10のサイズ等に応じて任意に設定できるが、特に効率的に冷却する観点から、複数個、すなわち2個以上とすることが好ましい。ただし、過度に多くの数の凸部を設けても表面抜熱量は飽和すると考えられる。また、過度に多くの数の凸部を設けようとすると、耐火物121に該凸部1221と嵌合させるために設ける凹部1211を形成することが困難になる恐れがあり、凹部1211間の壁の強度が低下する恐れがある。このため、高さ方向に沿って配列する凸部の数は、5個以下とすることが好ましい。特に、凸部1221は、高さ方向に沿って3個設置することが好ましい。なお、図2、図3には凸部1221を高さ方向に沿って3個設置した例を示している。 The number of the convex parts 1221 arranged along the height direction is not particularly limited and can be set arbitrarily depending on the size of the metal melting furnace 10, etc., but it is preferable to have multiple parts, i.e., two or more, from the viewpoint of efficient cooling. However, it is considered that the amount of heat dissipated from the surface will be saturated even if an excessive number of convex parts are provided. In addition, if an excessive number of convex parts are provided, it may be difficult to form the concave parts 1211 provided in the refractory material 121 to fit the convex parts 1221, and the strength of the wall between the concave parts 1211 may be reduced. For this reason, it is preferable that the number of convex parts arranged along the height direction is five or less. In particular, it is preferable to provide three convex parts 1221 along the height direction. Note that Figs. 2 and 3 show an example in which three convex parts 1221 are provided along the height direction.

後述するように、凸部は、水平断面において、複数の領域に離隔して設けることもでき、各領域において、高さ方向に沿って配置する凸部の数は異なっていてもいいが、同じであることが、外被122の取り付け時の作業性の観点から好ましい。
(高さ方向における凸部を配置する領域の高さについて)
凸部1221は、外被122の内表面122Aに、高さ方向に沿って配列できる。この際、高さ方向における凸部を配置する領域の高さH1221(図2を参照)は特に限定されない。ただし、冷却の効率を高める観点からは、内部空間11の底面11Bから、内部空間11の被熔融物が収容されている水位線までの範囲に、凸部1221を設けることが好ましい。
As described below, the convex portions can be provided spaced apart in multiple regions in the horizontal cross section, and the number of convex portions arranged along the height direction in each region can be different, but it is preferable from the standpoint of workability when attaching the outer sheath 122 that the number be the same.
(Regarding the height of the area in which the protrusions are arranged in the height direction)
The convex portions 1221 can be arranged along the height direction on the inner surface 122A of the outer cover 122. In this case, the height H1221 (see FIG. 2) of the region in which the convex portions are arranged in the height direction is not particularly limited. However, from the viewpoint of improving the cooling efficiency, it is preferable to provide the convex portions 1221 in the range from the bottom surface 11B of the internal space 11 to the water level line where the material to be melted in the internal space 11 is accommodated.

通常、被熔融物は、内部空間11の高さの80%以下の範囲内に配置されることから、高さ方向における凸部1221を設ける領域の高さH1221は、内部空間11の高さの80%以下であることが好ましい。高さ方向における凸部1221を配置する領域の高さH1221の下限値は特に限定されないが、内部空間11の高さの60%以上であることが好ましい。 Since the material to be melted is usually placed within a range of 80% or less of the height of the internal space 11, it is preferable that the height H1221 of the region in which the convex portion 1221 is provided in the height direction be 80% or less of the height of the internal space 11. The lower limit of the height H1221 of the region in which the convex portion 1221 is placed in the height direction is not particularly limited, but it is preferable that it be 60% or more of the height of the internal space 11.

内部空間11の高さとは、内部空間11の底面11Bから耐火物121の上端との間の距離を意味する。 The height of the internal space 11 means the distance between the bottom surface 11B of the internal space 11 and the upper end of the refractory material 121.

また、凸部を配置する領域の高さH1221とは、最下段の凸部12211の下端面から最上段の凸部12212の上端面までの距離を言う。 The height H1221 of the area in which the convex portions are arranged refers to the distance from the bottom surface of the lowest convex portion 12211 to the top surface of the highest convex portion 12212.

凸部1221は、上記領域内に凸部1221間の距離が等しくなるように配列することが好ましい。
(水平断面における凸部を設ける領域について)
凸部1221を通る、高さ方向と垂直な水平断面、すなわち図1に示した断面において、凸部1221を設ける領域は特に限定されない。例えば、上記水平断面において、凸部1221を、外被122の内表面122Aに沿って、円環状に設けることもできる。ただし、上記水平断面において、凸部1221は、少なくとも炉側壁12のうち、特に冷却することが求められる領域、具体的には外被122の電極13と対向する領域を覆うように配置することが好ましい。
It is preferable that the protrusions 1221 are arranged in the above-mentioned region so that the distances between the protrusions 1221 are equal.
(Regarding the area in which the convex portion is provided in the horizontal cross section)
In a horizontal cross section perpendicular to the height direction passing through the protrusion 1221, i.e., in the cross section shown in Fig. 1, the region in which the protrusion 1221 is provided is not particularly limited. For example, in the horizontal cross section, the protrusion 1221 can be provided in an annular shape along the inner surface 122A of the outer casing 122. However, in the horizontal cross section, it is preferable that the protrusion 1221 is disposed so as to cover at least the region of the furnace side wall 12 that is particularly required to be cooled, specifically, the region of the outer casing 122 that faces the electrode 13.

上記電極13と対向する領域とは、外被122の耐火物121と対向する内表面122Aのうち、例えば図1に示すように、内部空間11の中心O11を通る、電極13の外周の接線L1と、接線L2とで囲まれた領域Bとすることができる。 The region facing the electrode 13 may be, for example, a region B of the inner surface 122A of the outer casing 122 facing the refractory material 121, which is surrounded by a tangent line L1 and a tangent line L2 to the outer periphery of the electrode 13 passing through the center O11 of the internal space 11, as shown in FIG.

ただし、凸部1221を設ける領域は上記領域Bに限定されるものではなく、より広い範囲に渡って設けることもできる。例えば、図1に示すように、外被122の内表面のうち、内部空間11の中心O11と、電極の中心O13とを通る直線Lとの間の角度がそれぞれθ11、θ12である直線L11、直線L12で挟まれた領域内に凸部1221を設けることができる。直線L11、直線L12はいずれも内部空間11の中心O11を通る直線である。また、θ11=θ12の関係を満たすことが好ましい。 However, the region where the protrusion 1221 is provided is not limited to the above region B, and the protrusion 1221 may be provided over a wider range. For example, as shown in Fig. 1, the protrusion 1221 may be provided in a region on the inner surface of the outer cover 122, which is sandwiched between lines L11 and L12, the angles between which are θ11 and θ12, respectively, between a line L passing through the center O11 of the internal space 11 and the center O13 of the electrode. Both lines L11 and L12 pass through the center O11 of the internal space 11. It is also preferable that the relationship θ11 = θ12 is satisfied.

そして、θ11、θ12は、それぞれ60度未満であることが好ましく、45度以下であることがより好ましく、30度以下であることがさらに好ましい。 And, θ11 and θ12 are each preferably less than 60 degrees, more preferably 45 degrees or less, and even more preferably 30 degrees or less.

なお、θ11、θ12の下限値は特に限定されないが、例えば5度以上とすることができる。 The lower limit of θ11 and θ12 is not particularly limited, but can be, for example, 5 degrees or more.

凸部1221を通る、高さ方向と垂直な水平断面において、凸部1221を設けていない領域は外被122の内表面122Aが露出した面となる。
(外被の材料について)
凸部1221を含む外被122は、金属熔融炉10を冷却するための部材であるため、伝熱特性に優れた材料であることが好ましく、例えば金属製とすることができる。
In a horizontal cross section perpendicular to the height direction and passing through the convex portion 1221, the region where the convex portion 1221 is not provided is a surface where the inner surface 122A of the outer cover 122 is exposed.
(About the material of the outer cover)
Since the outer cover 122 including the protrusions 1221 is a member for cooling the metal melting furnace 10, it is preferable that the outer cover 122 is made of a material having excellent heat transfer properties, and may be made of a metal, for example.

特に、凸部1221を含む外被122は、熱伝導率が10W/m・K以上200W/m・K以下の金属製であることが好ましく、熱伝導率が80W/m・K以上200W/m・K以下の金属製であることがより好ましい。これは熱伝導率を10W/m・K以上とすることで、特に効率よく金属熔融炉を冷却できるからである。また、熱伝導率を200W/m・K以下とすることで、入手しやすい材料を用いることができ、金属熔融炉のコストを低減できるからである。 In particular, the outer cover 122 including the convex portion 1221 is preferably made of a metal with a thermal conductivity of 10 W/m·K to 200 W/m·K, and more preferably made of a metal with a thermal conductivity of 80 W/m·K to 200 W/m·K. This is because a thermal conductivity of 10 W/m·K or more allows the metal melting furnace to be cooled particularly efficiently. Also, a thermal conductivity of 200 W/m·K or less allows the use of readily available materials, thereby reducing the cost of the metal melting furnace.

外被122の具体的な材料は特に限定されないが、例えば鉄、Ni鋼、Cu鋼、銅等から選択された1種類以上とすることができる。 The specific material of the outer sheath 122 is not particularly limited, but may be one or more selected from, for example, iron, Ni steel, Cu steel, copper, etc.

凸部1221は、外被122から取り外し可能に構成することもできるが、取り扱い性等の観点から、凸部1221は、外被122と一体の部材であることが好ましい。 The protrusion 1221 can be configured to be removable from the outer sheath 122, but from the standpoint of ease of handling, etc., it is preferable that the protrusion 1221 is an integral member with the outer sheath 122.

以上に説明した本実施形態の金属熔融炉によれば、外被の内表面に所定の凸部を設けることで、該凸部から外被への伝熱によって抜熱し、炉側壁や、被熔融物を効率的に冷却できる。 According to the metal melting furnace of this embodiment described above, by providing a certain convex portion on the inner surface of the outer casing, heat can be transferred from the convex portion to the outer casing to remove heat, and the furnace side walls and the material to be melted can be efficiently cooled.

以下、実施例を参照しながら本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
[実験例1]
外被122の、耐火物121と対向する内表面122Aに、高さ方向に沿って配列する凸部1221の数による温度分布変化の検討を行った。
The present invention will be described in more detail below with reference to examples, although the present invention is not limited to the following examples.
[Experimental Example 1]
A study was conducted on the change in temperature distribution depending on the number of protrusions 1221 arranged along the height direction on the inner surface 122A of the outer casing 122 facing the refractory material 121.

具体的には、図1、図2を用いて既に説明した、3本の電極13を有する、金属熔融炉10である三相交流電極式円形電気炉について、凸部の数を変え、熱流体解析シミュレーションを行った。熱流体解析は、AnsysFluent(ver20.2)を用いた定常解析により行った。 Specifically, a thermal fluid analysis simulation was performed for a three-phase AC electrode type circular electric furnace, which is a metal melting furnace 10 having three electrodes 13 as already explained using Figures 1 and 2, by changing the number of protrusions. The thermal fluid analysis was performed by steady-state analysis using AnsysFluent (ver. 20.2).

以下のいずれの実験例でも、凸部1221を通る、高さ方向と垂直な水平断面において、凸部1221は、外被122の少なくとも電極13と対向する領域を覆うように配置されている。具体的には、外被122の内表面122Aのうち、図1におけるθ11、θ12が30°となるように引かれた、内部空間11の中心O11を通る直線L11、直線L12で囲まれた領域内に凸部1221を配置した。凸部1221を通る、高さ方向と垂直な水平断面において、凸部1221は、図1の場合と同様に3つの領域に配置されている。同じ実験例においては、該3つの領域における凸部1221の配置条件は同じとした。 In any of the following experimental examples, in a horizontal cross section perpendicular to the height direction and passing through the protrusion 1221, the protrusion 1221 is arranged so as to cover at least the region of the outer cover 122 facing the electrode 13. Specifically, the protrusion 1221 is arranged in a region of the inner surface 122A of the outer cover 122, surrounded by straight lines L11 and L12 passing through the center O11 of the internal space 11, which are drawn so that θ11 and θ12 in FIG. 1 are 30°. In a horizontal cross section perpendicular to the height direction and passing through the protrusion 1221, the protrusion 1221 is arranged in three regions as in the case of FIG. 1. In the same experimental example, the arrangement conditions of the protrusion 1221 in the three regions are the same.

高さ方向に配置した凸部1221の条件は表1に示すとおりであり、実験例1-1~実験例1-4において、高さ方向に配置する凸部1221の数を0個から、5個の範囲で変化させた。高さ方向における凸部を配置する領域の高さH1221(図2を参照)を180mmとした。係る高さは、最下段に位置する凸部12211の下端面、すなわち内部空間11の底面11Bから、最上段に位置する凸部12212の上端面までの距離を意味する。 The conditions for the convex portions 1221 arranged in the height direction are as shown in Table 1. In Experimental Examples 1-1 to 1-4, the number of convex portions 1221 arranged in the height direction was varied in the range from 0 to 5. The height H1221 (see FIG. 2) of the area in which the convex portions are arranged in the height direction was set to 180 mm. This height refers to the distance from the lower end surface of the convex portion 12211 located at the bottom, i.e., the bottom surface 11B of the internal space 11, to the upper end surface of the convex portion 12212 located at the top.

各実験例で、高さ方向の凸部間の距離が均等になるように、凸部1221を配置した。なお、係る凸部1221の厚さと、凸部間の距離とがほぼ等しくなるように、凸部1221の厚さを設定した。 In each experimental example, the convex portions 1221 were arranged so that the distance between the convex portions in the height direction was uniform. The thickness of the convex portions 1221 was set so that the thickness of the convex portions 1221 and the distance between the convex portions were approximately equal.

図4(E)に、シミュレーションを行う際の各部の長さを示す。図4(E)は、図4(A)に示した実験例1-1の場合の形状に該当するが、凸部の段数を変更した点以外は他の実験例でも各部の長さは同じとしている。図4(E)中の各部の長さの単位はmmになる。 Figure 4(E) shows the length of each part when performing the simulation. Figure 4(E) corresponds to the shape in experimental example 1-1 shown in Figure 4(A), but the length of each part is the same in the other experimental examples except for the change in the number of steps of the convex part. The unit of length of each part in Figure 4(E) is mm.

熱流体解析に用いた各条件は表2、表3に示したとおりである。 The conditions used in the thermal fluid analysis are shown in Tables 2 and 3.

実験例1-1、実験例1-2が比較例、実験例1-3、実験例1-4が実施例になる。 Experimental examples 1-1 and 1-2 are comparative examples, and experimental examples 1-3 and 1-4 are working examples.

Figure 0007683261000001
Figure 0007683261000001

Figure 0007683261000002
Figure 0007683261000002

Figure 0007683261000003

熱流体解析の結果を、図4(A)~図4(D)、図5(A)、図5(B)に示す。また、被熔融物と、耐火物との間の境界温度を、表1の境界温度の欄に示す。
Figure 0007683261000003

The results of the thermal fluid analysis are shown in Figures 4(A) to 4(D), 5(A), and 5(B). The boundary temperature between the object to be melted and the refractory material is shown in the column for boundary temperature in Table 1.

図4(A)~図4(D)が、各実験例における内部空間11と、炉側壁12の温度分布を示している。図4(A)~図4(D)は、図2に対応した部分での温度分布図であり、図4(A)中に、内部空間11、耐火物121、外被122の番号を付している。他の図でも同じ部分が同じ部材を意味している。実験例1-1の結果が図4(A)、実験例1-2の結果が図4(B)、実験例1-3の結果が図4(C)、実験例1-4の結果が図4(D)になる。 Figures 4(A) to 4(D) show the temperature distribution in the internal space 11 and furnace side wall 12 in each experimental example. Figures 4(A) to 4(D) are temperature distribution diagrams in the parts corresponding to Figure 2, and in Figure 4(A) the internal space 11, refractory material 121, and outer casing 122 are numbered. The same parts in the other figures refer to the same components. The results of experimental example 1-1 are shown in Figure 4(A), the results of experimental example 1-2 in Figure 4(B), the results of experimental example 1-3 in Figure 4(C), and the results of experimental example 1-4 in Figure 4(D).

図5(A)、図5(B)は、それぞれ、高さ方向に配列した凸部の数に対する、被熔融物と耐火物との境界温度、表面抜熱量を示している。境界温度が低いほど、また表面抜熱量が大きいほど、十分に冷却できていることを示す。 Figures 5(A) and 5(B) show the boundary temperature between the material to be melted and the refractory material and the amount of heat dissipated from the surface, respectively, relative to the number of protrusions arranged in the height direction. The lower the boundary temperature and the greater the amount of heat dissipated from the surface, the more sufficient the cooling is.

図5(A)の結果から明らかなように、高さ方向に沿って配列する凸部の個数を増やすことで、境界温度が低下する傾向が確認できた。そして、凸部の個数を複数個とした実施例である実験例1-3、実験例1-4では、比較例である実験例1-1、実験例1-2と比較して、境界温度は十分に下がり、凸部の個数の増加に伴う、境界温度の変化は一定値に近づいていくことが確認できた。 As is clear from the results in Figure 5 (A), it was confirmed that the boundary temperature tends to decrease by increasing the number of convex parts arranged along the height direction. Furthermore, in Experimental Examples 1-3 and 1-4, which are examples in which there are multiple convex parts, the boundary temperature was sufficiently reduced compared to Experimental Examples 1-1 and 1-2, which are comparative examples, and it was confirmed that the change in boundary temperature with an increase in the number of convex parts approaches a constant value.

また、図5(B)の結果から、凸部の個数が3個の場合に最も表面抜熱量が大きくなることを確認できた。 In addition, from the results in Figure 5 (B), it was confirmed that the amount of heat dissipated from the surface was greatest when the number of protrusions was three.

これは、外被が、耐熱物に対して高温であるか、低温であるかにより、両部材の境界面では抜熱部分と熱流入部分とが存在するためと考えられる。そして、凸部の数を5個まで増やした場合、3個の場合よりも熱流入部分の領域が増えるため、境界全体での表面抜熱量が低下すると考えられる。
[実験例2]
外被の内表面から内部空間側へ突出した凸部1221の高さL1221による温度分布変化の検討を行った。
This is believed to be because, depending on whether the temperature of the outer jacket is high or low relative to the heat-resistant material, there are heat extraction areas and heat inflow areas at the boundary between the two materials. Furthermore, when the number of protrusions is increased to five, the area of the heat inflow area increases compared to when there are three protrusions, and it is believed that the amount of heat extraction from the surface of the entire boundary decreases.
[Experimental Example 2]
A study was conducted on the change in temperature distribution due to the height L1221 of the protrusion 1221 protruding from the inner surface of the outer casing into the internal space.

実験例2-2~実験例2-3では、高さ方向に配列する凸部の数を3個とし、凸部の高さL1221、耐火物の厚さに対する凸部の高さの割合を表4に示した値とした。以上の点以外は実験例1と同様にして熱流体解析シミュレーションを行った。比較のため、実験例2-1として、実験例1-1の結果も合わせて示している。 In Experimental Examples 2-2 to 2-3, the number of convex parts arranged in the height direction was set to three, and the height L1221 of the convex parts and the ratio of the height of the convex parts to the thickness of the refractory material were set to the values shown in Table 4. Apart from the above, the thermal fluid analysis simulation was performed in the same manner as in Experimental Example 1. For comparison, the results of Experimental Example 1-1 are also shown as Experimental Example 2-1.

実験例2-1が比較例、実験例2-2、実験例2-3が実施例になる。 Experimental example 2-1 is a comparative example, and experimental examples 2-2 and 2-3 are working examples.

Figure 0007683261000004

熱流体解析の結果を、図6(A)~図6(C)、図7(A)、図7(B)に示す。また、被熔融物と、耐火物との間の境界温度を、表4の境界温度の欄に示す。
Figure 0007683261000004

The results of the thermal fluid analysis are shown in Figures 6(A) to 6(C), 7(A) and 7(B). The boundary temperature between the object to be melted and the refractory material is shown in the column for boundary temperature in Table 4.

図6(A)~図6(C)が、各実験例における内部空間11と、炉側壁12の温度分布を示している。図6(A)~図6(C)は、図2に対応した部分での温度分布図であり、図6(A)中に、内部空間11、耐火物121、外被122の番号を付している。他の図でも同じ部分が同じ部材を意味している。実験例2-1の結果が図6(A)、実験例2-2の結果が図6(B)、実験例2-3の結果が図6(C)になる。 Figures 6(A) to 6(C) show the temperature distribution in the internal space 11 and furnace side wall 12 in each experimental example. Figures 6(A) to 6(C) are temperature distribution diagrams in the parts corresponding to Figure 2, and in Figure 6(A) the internal space 11, refractory material 121, and outer casing 122 are numbered. The same parts in the other figures refer to the same components. The results of experimental example 2-1 are shown in Figure 6(A), the results of experimental example 2-2 in Figure 6(B), and the results of experimental example 2-3 in Figure 6(C).

図7(A)、図7(B)は、それぞれ凸部の高さに対する、被熔融物と耐火物との境界温度、表面抜熱量を示している。境界温度が低いほど、また表面抜熱量が大きいほど、十分に冷却できていることを示す。 Figures 7(A) and 7(B) show the boundary temperature between the material to be melted and the refractory material and the amount of heat dissipated from the surface as a function of the height of the protrusion, respectively. The lower the boundary temperature and the greater the amount of heat dissipated from the surface, the more sufficient the cooling is.

図7(A)、図7(B)の結果から明らかなように、凸部の高さを高くすることで、境界温度が低下し、表面抜熱量が増加する傾向が確認できた。ただし、凸部の高さを高くした場合に、境界温度、表面抜熱量は共に一定値に近づいていくことが確認できた。 As is clear from the results of Figures 7(A) and 7(B), it was confirmed that increasing the height of the convex portion tends to decrease the boundary temperature and increase the amount of heat dissipated from the surface. However, it was also confirmed that when the height of the convex portion is increased, both the boundary temperature and the amount of heat dissipated from the surface approach a constant value.

図7(A)、図7(B)の結果から、凸部の高さは、耐火物の厚さの60%以上であることが、表面抜熱量を増やし、境界温度を特に下げる観点から好ましいことを確認できた。
[実験例3]
外被の材料を変更した点以外は実験例1と同様にして熱流体解析シミュレーションを行った。外被の材料として、実験例3-1はNi鋼、実験例3-2はCr鋼、実験例3-3は鉄、実験例3-4は銅を用いた。
From the results of Figures 7(A) and 7(B), it was confirmed that it is preferable for the height of the convex portion to be 60% or more of the thickness of the refractory material from the viewpoint of increasing the amount of heat transfer from the surface and particularly lowering the boundary temperature.
[Experimental Example 3]
Except for changing the material of the jacket, a thermal fluid analysis simulation was performed in the same manner as in Experimental Example 1. As the material of the jacket, Ni steel was used in Experimental Example 3-1, Cr steel in Experimental Example 3-2, iron in Experimental Example 3-3, and copper in Experimental Example 3-4.

変更した外被の各パラメータは表2に示している。 The parameters of the modified outer shell are shown in Table 2.

なお、高さ方向に沿って配置した凸部の数は3個、凸部の高さL1221は70mmとした。 The number of protrusions arranged along the height direction was three, and the height L1221 of the protrusions was 70 mm.

実験例3-1~実験例3-4はいずれも実施例になる。 Experimental Examples 3-1 to 3-4 are all examples of the present invention.

熱流体解析の結果を、図8(A)~図8(D)、図9に示す。 The results of the thermal fluid analysis are shown in Figures 8(A) to 8(D) and 9.

図8(A)~図8(D)が、各実験例における内部空間11と、炉側壁12の温度分布を示している。図8(A)~図8(D)は、図2に対応した部分での温度分布図であり、図8(A)中に、内部空間11、耐火物121、外被122の番号を付している。他の図でも同じ部分が同じ部材を意味している。実験例3-1の結果が図8(A)、実験例3-2の結果が図8(B)、実験例3-3の結果が図8(C)、実験例3-4の結果が図8(D)になる。 Figures 8(A) to 8(D) show the temperature distribution in the internal space 11 and furnace side wall 12 in each experimental example. Figures 8(A) to 8(D) are temperature distribution diagrams in the parts corresponding to Figure 2, and in Figure 8(A) the internal space 11, refractory material 121, and outer casing 122 are numbered. The same parts in the other figures refer to the same components. The results of experimental example 3-1 are shown in Figure 8(A), the results of experimental example 3-2 in Figure 8(B), the results of experimental example 3-3 in Figure 8(C), and the results of experimental example 3-4 in Figure 8(D).

図9は、外被の熱伝導率に対する、表面抜熱量を正規化して示している。表面抜熱量が大きいほど、十分に冷却できていることを示す。 Figure 9 shows the normalized surface heat transfer rate against the thermal conductivity of the outer casing. The greater the surface heat transfer rate, the more sufficient the cooling is.

図9の結果から明らかなように、外被の材料によらず十分に冷却できているものの、外被の熱伝導率を高くすることで、表面抜熱量が増加する傾向が確認できた。 As is clear from the results in Figure 9, sufficient cooling was achieved regardless of the material of the outer casing, but it was confirmed that there was a tendency for the amount of heat dissipated from the surface to increase by increasing the thermal conductivity of the outer casing.

10 金属熔融炉
11 内部空間
12 炉側壁
121 耐火物
1211 凹部
122 外被
122A 内表面
1221 凸部
13 電極
10 Metal melting furnace 11 Internal space 12 Furnace side wall 121 Refractory 1211 Concave portion 122 Outer cover 122A Inner surface 1221 Convex portion 13 Electrode

Claims (3)

金属成分を含有する被熔融物を熔融する金属熔融炉であって、
前記金属熔融炉は、
前記被熔融物を収容する内部空間と、
前記内部空間の側面を画する炉側壁と、
前記内部空間内に高さ方向に沿って配置される電極と、を有しており、
前記炉側壁は、前記内部空間側に配置された耐火物と、
前記耐火物の外表面を覆う金属製の外被と、を有し、
前記外被は、前記耐火物と対向する面に、高さ方向に沿って配列された、板状形状を有する複数の凸部を有し、
前記凸部は、前記耐火物が前記外被と対向する面に有する凹部に嵌合しており、
前記凸部の、前記外被の内表面から、前記内部空間側へ突出した高さは、前記耐火物の厚さの60%以上であり、
前記凸部は、高さ方向に沿って3個設置されている金属熔融炉。
A metal melting furnace for melting a material containing a metal component, comprising:
The metal melting furnace comprises:
an internal space for accommodating the object to be melted;
A furnace side wall defining a side surface of the internal space;
an electrode disposed in the internal space along a height direction,
The furnace side wall includes a refractory material disposed on the inner space side,
A metal jacket covering an outer surface of the refractory material,
The outer jacket has a plurality of plate-shaped protrusions arranged along a height direction on a surface facing the refractory,
The protrusion is fitted into a recess in a surface of the refractory facing the jacket ,
a height of the protrusion from the inner surface of the outer covering toward the internal space is 60% or more of a thickness of the refractory material,
The metal melting furnace has three convex portions arranged along the height direction .
前記外被は熱伝導率が10W/m・K以上200W/m・K以下の金属製である請求項1に記載の金属熔融炉。 2. The metal melting furnace according to claim 1 , wherein the outer casing is made of a metal having a thermal conductivity of 10 W/m·K or more and 200 W/m·K or less. 前記凸部を通る、高さ方向と垂直な水平断面において、前記凸部は、前記外被の少なくとも前記電極と対向する領域を覆うように配置される請求項1または請求項に記載の金属熔融炉。 3. The metal melting furnace according to claim 1 , wherein in a horizontal cross section passing through said protrusion and perpendicular to the height direction, said protrusion is disposed so as to cover at least the region of said outer casing that faces said electrode.
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