JP7842466B2 - 循環式非鉄金属溶解炉及び非鉄金属溶解方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金等の非鉄金属を、ダイカスト鋳造などの各種鋳造製品の製造に使用する目的で循環させながら溶解する循環式非鉄金属溶解炉及び非鉄金属溶解方法に関するものである。

従来、アルミニウム合金等の非鉄金属の溶解には、石油などの化石燃料を用いたガスバーナからの放射火炎による溶解炉が主として採用されてきた。しかし、化石燃料を使用したガスバーナによる放射火炎は、熱効率や環境の点で問題があるため、その改善策が求められてきた。

その改善策として電気ヒーターを溶湯に浸漬する構造の非鉄金属溶解炉が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
図３に示すように、この特許文献１に記載の非鉄金属溶解炉５０は、溶解室５１、昇温室５２および除滓室５３を含む複数の室を設け、溶解室５０に投入した非鉄金属材料を、昇温室５２に設けた電気ヒーター５６によって熔解して所定温度まで昇温し、そこから鎮静室５４を介して出湯室５５へ供給するようにしている。なお、溶湯は、除滓室５３から昇温室５２へ循環するが、この除滓室５３には電気ヒーターは設けられていない。

この非鉄金属溶解炉５０は、電気ヒーターを使用して非鉄金属材料を熔解および昇温するので、それまでのガスバーナを使用した溶解炉と比較して、熱効率および環境の点において優れるといった大きな利点がある。

しかしながら、本発明者らはこうした現状に満足することなくさらなる研究開発を進め、これまでに存在しない新規な構成によって、より効率的に非鉄金属材料を熔解および昇温することのできる循環式非鉄金属溶解炉を開発するに至った（特許文献２）。

この循環式非鉄金属溶解炉１０１は、図４に示すように、非鉄金属材料の投入口１１１と、投入口１１１に連通する第一昇温室１１２と、第一昇温室１１２に中間壁１１５を介して並設され、第一昇温室１１２とで溶湯が循環する循環路を形成する第二昇温室１１３と、第一昇温室１１２と第二昇温室１１３の間で第一昇温室１１２の下流側に連通して第一昇温室１１２で所定温度まで昇温された溶湯の一部を受け入れるとともに溶湯を取り出し可能な出湯室１１４を有する炉体１１０と、溶湯を循環させる循環ポンプ１２０と、第一昇温室１１２に設けられ、溶湯を所定の第一温度まで昇温する複数の第一電気ヒーター１３０と、第二昇温室１１３に設けられ、第一昇温室１１２で第一温度まで昇温された溶湯を、第一温度を超える第二温度まで昇温する複数の第二電気ヒーター１４０を備え、第二昇温室１１３で第二温度まで昇温された溶湯を、第一昇温室１１２に循環させて、その熱を、投入口１１１から投入される非鉄金属材料に与えるようにしたものである。
第一昇温室１１２と出湯室１１４との間には隔壁１１７が設けられ、この隔壁１１７に連通路１１７ａを形成し、第一昇温室１１２を出湯室１１４に連通させている。出湯室１１４は、受け入れた溶湯を外部へ取り出すための機構（図示せず）を備える。

これによれば、第一昇温室１１２と第二昇温室１１３とで形成した循環路に、循環ポンプ１２０によって溶湯を循環させ、第一昇温室１１２で第一電気ヒーター１３０によって所定温度（第一温度）まで昇温した溶湯の一部を出湯室１１４で受け入れるようにし、かつ、第一昇温室１１２からの溶湯を、第二昇温室１１３で第二電気ヒーター１４０によって所定温度を越える温度（第二温度）に昇温した後、第一昇温室１１２に循環させるので、投入口１１１から第一昇温室１１２に投入した非鉄金属材料を効果的に溶解および昇温することができる。

特開２０１０－９６４０１号公報 特許第６９９７７３８号公報

しかしながら、図４に示した循環式非鉄金属溶解炉１０１は、出湯室１１４における温度管理を積極的に行うものではないので、本発明者らは出湯室１１４における温度情報を上手く利用することができれば、一層効率的に非鉄金属材料を熔解および昇温することができるのではないかと想到するに至った。

そこで、本発明の目的とするところは、効率的に非鉄金属材料を熔解および昇温しうる循環式非鉄金属溶解炉及び非鉄金属溶解方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の循環式非鉄金属溶解炉は、電気ヒーターを利用して非鉄金属材料を溶解する循環式の非鉄金属溶解炉（１）であって、
前記非鉄金属材料の投入口（１１）と、前記投入口（１１）に連通する第一昇温室（１２）と、前記第一昇温室（１２）に中間壁（１５）を介して並設され、前記第一昇温室（１２）とで溶湯が循環する循環路を形成する第二昇温室（１３）と、前記第一昇温室（１２）と前記第二昇温室（１３）の間でかつ前記第一昇温室（１２）の下流側又は前記第二昇温室（１３）の上流側に連通して前記第一昇温室（１２）で所定温度まで昇温された溶湯の一部を受け入れるとともに溶湯を取り出し可能な出湯室（１４）を有する炉体（１０）と、
前記第一昇温室（１２）または前記第二昇温室（１３）あるいはその両方に設けられ、溶湯を循環させる循環ポンプ（２０）と、
前記第一昇温室（１２）に設けられ、溶湯を所定の第一温度まで昇温する複数の第一電気ヒーター（３０）と、
前記第二昇温室（１３）に設けられ、前記第一昇温室（１２）で第一温度まで昇温された溶湯を、前記第一温度を超える第二温度まで昇温する複数の第二電気ヒーター（４０）と、
前記出湯室（１４）に設けられた複数の第三電気ヒーター（６０）と、
前記第一電気ヒーター（３０），前記第二電気ヒーター（４０），前記第三電気ヒーター（６０）の出力をそれぞれ制御可能な制御部（１００）を備え、
前記制御部（１００）は、前記出湯室（１４）の制御温度より前記第一昇温室（１２）の制御温度を低くするように、前記第一電気ヒーター（３０），前記第二電気ヒーター（４０），前記第三電気ヒーター（６０）の出力をそれぞれ制御しつつ、前記第二昇温室（１３）で第二温度まで昇温された溶湯を、前記第一昇温室（１２）に循環させて、その熱を、前記投入口（１１）から投入される前記非鉄金属材料に与えるようにしたことを特徴とする。

また、本発明の循環式非鉄金属溶解炉（１）は、前記非鉄金属材料をアルミニウム又はアルミニウム合金としたことを特徴とする。

本発明の非鉄金属溶解方法は、複数の第一電気ヒーター（３０）を設けた第一昇温室（１２）と複数の第二電気ヒーター（４０）を設けた第二昇温室（１３）を、中間壁（１５）を挟んで並設して溶湯の循環路を形成し、前記第一昇温室（１２）と前記第二昇温室（１３）の間で前記中間壁（１５）の一端側に、非鉄金属材料の投入口（１１）を設けるとともに、前記第一昇温室（１２）と前記第二昇温室（１３）の間で前記中間壁（１５）の他端側に、溶湯を取り出し可能で複数の第三電気ヒーター（６０）を設けた出湯室（１４）に連通する間隙路（１７ａ）を設けてなり、前記第一昇温室（１２），前記第二昇温室（１３），前記出湯室（１４）の各室でそれぞれ温度制御を行い、前記第一昇温室（１２）または前記第二昇温室（１３）あるいはその両方に設けられた循環ポンプ（２０）を介して溶湯を循環させるように構成された循環式非鉄金属溶解炉（１）を使用して前記非鉄金属材料を溶解する方法であって、
前記出湯室（１４）の制御温度より前記第一昇温室（１２）の制御温度を低く設定した状態で、
前記投入口（１１）から前記非鉄金属材料を投入して、前記第一昇温室（１２）で所定の第一温度にまで昇温した溶湯とし、前記第一温度にまで昇温した溶湯の一部を、前記出湯室（１４）で受け入れ、前記溶湯の残りを前記第二昇温室（１３）で受け入れ、前記第二電気ヒーター（４０）によって前記第一温度を超える第二温度まで昇温した後、前記第一昇温室（１２）へ循環させ、前記第一昇温室（１２）へ循環させた溶湯の熱を、前記投入口（１１）から新たに投入される前記非鉄金属材料に与えるようにしたことを特徴とする。

また、本発明の非鉄金属溶解方法は、前記非鉄金属材料をアルミニウム又はアルミニウム合金としたことを特徴とする。

なお、上記括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に掲載された対応要素または対応事項を示す。

本発明によれば、複数の第一電気ヒーターを設けた第一昇温室と複数の第二電気ヒーターを設けた第二昇温室を、中間壁を挟んで並設して溶湯の循環路を形成し、第一昇温室と第二昇温室の間で中間壁の一端側に非鉄金属材料の投入口を設けるとともに、中間壁の他端側に、溶湯を取り出し可能で複数の第三電気ヒーターを設けた出湯室に連通する連通路を設けてなり、第一昇温室，第二昇温室，出湯室の各室でそれぞれ温度制御を行い、循環ポンプを介して溶湯を循環させるように構成された、小さい容積で従来にない極めて大きい溶解能力を備える循環式非鉄金属溶解炉において、出湯室の制御温度より第一昇温室の制御温度を低く設定するものであるので、効率的に非鉄金属材料を熔解および昇温することができる。また、出湯室の制御温度より第一昇温室の制御温度を低く設定することが前提となるので、第一電気ヒーターに過度な負担がかかることもなく計画的な温度制御を実現することができる。

そして、第一昇温室と第二昇温室とで形成した循環路に、循環ポンプによって溶湯を循環させ、第一昇温室で第一電気ヒーターによって所定温度（第一温度）まで昇温した溶湯の一部を出湯室で受け入れるようにし、かつ、第一昇温室からの溶湯を、第二昇温室で第二電気ヒーターによって所定温度を越える温度（第二温度）に昇温した後、第一昇温室に循環させるので、投入口から第一昇温室に投入した非鉄金属材料を効率的に溶解および昇温することができる。

すなわち、第二温度に昇温された溶湯（第一温度よりも高い温度を持つ）を、第一昇温室に投入された非鉄金属材料を溶解し第一温度まで昇温するために利用するので、この非鉄金属材料を短時間で効率的に溶解すると共に、所定温度の溶湯にまで昇温することができる。

第一昇温室の制御温度を出湯室の制御温度より低く設定することが重要であることは、以下の理由による。
出湯室の制御温度と第一昇温室の制御温度の関係性は、次の要素によって定められる。すなわち、非鉄金属材料の時間当たりの投入量のばらつきや一個当たりの重量の変化によって第一昇温室に入る溶湯温度が変動することに加えて出湯量の変動により第一電気ヒーターの出力を制御しても第一昇温室の温度は変動が残るが、出湯室に設けられた第三電気ヒーターの出力を制御することで残った温度変動は低減できる。しかし、電気ヒーターに加熱能力はあるが冷却能力はないので、出湯室の温度制御性を良くするためには、第一昇温室の制御温度を出湯室の制御温度より絶えず低く設定する必要がある。
ここでは、図５に示すように、第一昇温室の制御温度の狙い温度は、出湯室の制御温度の狙い温度より、次の値分（第一昇温室の上側の変動幅＋出湯室の下側の変動幅＋余裕度δ）だけ低く設定するものである。
ここで、第二昇温室の制御温度は第一昇温室の制御温度より高ければ良く、出湯室の制御温度とは無関係に定めることができる。

また、本発明によれば、非鉄金属材料をアルミニウム又はアルミニウム合金としたので、アルミニウムを使用した各種鋳造製品を良好に製造することができる。

本発明による循環式非鉄金属溶解炉の実施形態を示す概略平面図である。 本発明による循環式非鉄金属溶解炉の別の実施形態を示す概略平面図である。 従来例による循環式非鉄金属溶解炉を示す概略平面図である。 別の従来例による循環式非鉄金属溶解炉を示す概略平面図である。 溶湯の流れに沿った位置と溶湯温度との関係を示すグラフである。

図面を参照して、本発明の実施形態に係る循環式非鉄金属溶解炉１及びその循環式非鉄金属溶解炉１を使用した非鉄金属溶解方法について説明する。

本実施形態に係る循環式非鉄金属溶解炉１は、図１に示すように、溶湯を循環させながら、電気式のヒーターを、その上端部を除く部分を溶湯内に浸漬し、その熱を利用して非鉄金属材料を溶解および昇温するものであり、炉体１０、循環ポンプ２０、第一電気ヒーター３０，第二電気ヒーター４０，第三電気ヒーター６０，温度計Ｔ１～Ｔ１１そして全体の電気系統を制御する制御部１００を備える。

炉体１０は炉壁１０ａによって外殻が形成される平面略矩形状であり、非鉄金属材料の投入口１１、第一昇温室１２、第二昇温室１３および溶湯を取り出し可能な出湯室１４を備える。なお、炉体１０の平面形状は矩形状に限定されない。

投入口１１は、第二昇温室１３の上流側に設けられる。第一昇温室１２は、投入口１１に連通して設けられ、投入口１１から投入された非鉄金属材料を受け入れる。
第二昇温室１３は、第一昇温室１２に中間壁１５を介して並設され、第一昇温室１２とで溶湯が循環する循環路を形成する。

出湯室１４は、第二昇温室１３の上流側に連通するように設けられた導流路１８を介して投入口１１とは逆側の位置に設けられている。第一昇温室１２および第二昇温室１３と、導流路１８の間は、第二昇温室１３の上流側に連通する間隙路１７ａを除いて隔壁１７で仕切られている。
導流路１８には不活性ガスを発生させてアルミニウムの滓を吸着させて溶湯の上面に浮かせる脱ガス装置７０が取付けられている。なお、アルミニウムの滓は人力により掻き出される。
この出湯室１４は、受け入れた溶湯を外部へ取り出すための機構（図示せず）を備える。
第一昇温室１２と第二昇温室１３の間で中間壁１５の一端側に、非鉄金属材料の投入口１１が設けられ、第一昇温室１２と第二昇温室１３の間で中間壁１５の他端側に、出湯室１４に連通する間隙路１７ａが設けられている。

中間壁１５の両端部と対向する炉壁１０ａ，隔壁１７との間のそれぞれには間隙路１６（第一間隙路１６ａおよび第二間隙路１６ｂ）が形成されている。
従って、循環路は、上流側（投入口１１）から、第一間隙路１６ａ、第一昇温室１２、第二間隙路１６ｂおよび第二昇温室１３の順によって形成される。

循環ポンプ２０は、第二昇温室１３の下流側に設けられ、溶湯を循環路に沿って循環させる。なお、循環ポンプ２０の設置箇所および数は限定されない。従って、第一昇温室１２に設けることができ、また、第一昇温室１２と第二昇温室１３の双方に設けることもできる。

第一電気ヒーター３０は、第一昇温室１２に設けられ、溶湯を所定の第一温度まで昇温する。本実施形態における第一電気ヒーター３０は合計１１個設けられているが、この数は限定されない。
第二電気ヒーター４０は、第二昇温室１３に設けられ、第一昇温室１２で第一温度まで昇温された溶湯を、第一温度を超える第二温度まで昇温する。本実施形態における第二電気ヒーター４０は合計６個設けられているが、この数も限定されない。
第三電気ヒーター６０は、出湯室１４に設けられ、出湯室１４内の溶湯の温度を昇温する。本実施形態における第三電気ヒーター６０は合計４個設けられているが、この数は限定されない。

温度計Ｔ１～Ｔ１１は、熱電対式のセンサーであり、第一昇温室１２，第二昇温室１３，出湯室１４にそれぞれ設けられ、溶湯の温度を計測する。この数も限定されない。

制御部１００は、図示を省略するが、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭなどの記憶部を備え、入力される温度計Ｔ１～Ｔ１１からの温度情報や非鉄金属材料の情報に基づいて、循環ポンプ２０，第一電気ヒーター３０，第二電気ヒーター４０及び第三電気ヒーター６０をそれぞれ制御する。

なお、本実施形態における非鉄金属はアルミニウム合金である。また、第一温度は、アルミニウム合金の溶湯を、鋳物製品を鋳造するに適した６５０℃～７２０℃に設定している。また、第二温度は７５０℃に設定し、第一温度より約１００℃高い溶湯の熱を利用して、投入口１１から投入される非鉄金属を短時間で効率的に溶解および昇温するように設定している。
なお、第一温度および第二温度は、溶解および昇温する非鉄金属の種類などによって変えることができる。

このように構成された循環式非鉄金属溶解炉によれば、制御部１００は、第一昇温室１２，第二昇温室１３，出湯室１４の各室でそれぞれ温度制御を行い、循環ポンプ２０を介して溶湯を循環させるように構成された、小さい容積で従来にない極めて大きい溶解能力を備える循環式非鉄金属溶解炉１において、出湯室１４の制御温度より第一昇温室１２の制御温度を低く設定するものであるので、効率的に非鉄金属材料を熔解および昇温することができる。また、出湯室１４の制御温度より第一昇温室１２の制御温度を低く設定することが前提となるので、第一電気ヒーター３０に過度な負担がかかることもなく計画的な温度制御を実現することができる。

そして、第一昇温室１２と第二昇温室１３とで形成した循環路に、循環ポンプ２０によって溶湯を循環させ、第一昇温室１２で第一電気ヒーター３０によって所定温度（第一温度）まで昇温した溶湯の一部を出湯室１４で受け入れるようにし、かつ、第一昇温室１２からの溶湯を、第二昇温室１３で第二電気ヒーター４０によって所定温度を越える温度（第二温度）に昇温した後、第一昇温室１２に循環させるので、投入口１１から第一昇温室１２に投入した非鉄金属材料を効率的に溶解および昇温することができる。

すなわち、第二温度に昇温された溶湯（第一温度よりも高い温度を持つ）を、第一昇温室１２に投入された非鉄金属材料を溶解し第一温度まで昇温するために利用するので、この非鉄金属材料を短時間で効率的に溶解すると共に、所定温度の溶湯にまで昇温することができる。

なお、本発明の実施形態では、非鉄金属材料の投入口１１を、第二昇温室１３の下流側に設けた（第一投入口１１）が、図１に示すように、第一昇温室１２の上流側に第二投入口２１を設けることもできる。
非鉄金属材料の投入口１１，２１を二ヶ所に設けると、循環する溶湯に接触する非鉄金属材料の表面積を大きく確保することができ、非鉄金属材料を効率的に溶解することができる。

また、非鉄金属材料の投入口１１，２１にかえて、あるいは併用して、図２に示すように、非鉄金属材料を、例えば、ロボットアームＲ１，Ｒ２などを使用することによって、循環する溶湯の速度分布に応じて流速の速い部分や遅い部分に自由に投入できるようにすることもできる。
これによれば、第一昇温室１２の上流側溶湯温度と下流側溶湯温度の差や、第二昇温室１３の上流側溶湯温度と下流側溶湯温度の差を可能な限り小さくすることができる。

また、本発明の実施形態では、第二昇温室１３の上流側に間隙路１７ａを設けて、導流路１８を介して溶湯を出湯室１４に流すようにしたが、これに限らず、図２に示すように、第一昇温室１２の下流側に間隙路１７ａを設けて、導流路１８を介して溶湯を出湯室１４に流すようにすることもできる。また、脱ガス装置７０が設けられた導流路１８を省いて、間隙路１７ａを直接、出湯室１４に連通させるようにすることもできる。

上記本発明の実施形態では、アルミニウム合金を溶解および昇温の対象としているが、他の非鉄合金を対象とすることができる。また、第一温度および第二温度は、対象となる非鉄金属などによって適宜変えることができる。

１ 循環式非鉄金属溶解炉
１０ 炉体
１０ａ 炉壁
１１ 投入口（第一投入口）
１２ 第一昇温室
１３ 第二昇温室
１４ 出湯室
１５ 中間壁
１６ 間隙路
１６ａ 第一間隙路
１６ｂ 第二間隙路
１７ 隔壁
１７ａ 間隙路
１８ 導流路
２０ 循環ポンプ
２１ 第二投入口
３０ 第一電気ヒーター
４０ 第二電気ヒーター
５０ 循環式非鉄金属溶解炉
５１ 溶解室
５２ 昇温室
５３ 除滓室
５４ 鎮静室
５５ 出湯室
５６ 電気ヒーター
６０ 第三電気ヒーター
７０ 脱ガス装置
１００ 制御部
１０１ 循環式非鉄金属溶解炉
１１０ 炉体
１１０ａ 炉壁
１１１ 投入口
１１２ 第一昇温室
１１３ 第二昇温室
１１４ 出湯室
１１５ 中間壁
１１７ 隔壁
１１７ａ 間隙路
１２０ 循環ポンプ
１３０ 第一電気ヒーター
１４０ 第二電気ヒーター
Ｒ１，Ｒ２ ロボットアーム
Ｔ１～Ｔ１１ 温度計

Claims (4)

1. 電気ヒーターを利用して非鉄金属材料を溶解する循環式の非鉄金属溶解炉であって、
   前記非鉄金属材料の投入口と、前記投入口に連通する第一昇温室と、前記第一昇温室に中間壁を介して並設され、前記第一昇温室とで溶湯が循環する循環路を形成する第二昇温室と、前記第一昇温室と前記第二昇温室の間でかつ前記第一昇温室の下流側又は前記第二昇温室の上流側に連通して前記第一昇温室で所定温度まで昇温された溶湯の一部を受け入れるとともに溶湯を取り出し可能な出湯室を有する炉体と、
   前記第一昇温室または前記第二昇温室あるいはその両方に設けられ、溶湯を循環させる循環ポンプと、
   前記第一昇温室に設けられ、溶湯を所定の第一温度まで昇温する複数の第一電気ヒーターと、
   前記第二昇温室に設けられ、前記第一昇温室で第一温度まで昇温された溶湯を、前記第一温度を超える第二温度まで昇温する複数の第二電気ヒーターと、
   前記出湯室に設けられた複数の第三電気ヒーターと、
   前記第一電気ヒーター，前記第二電気ヒーター，前記第三電気ヒーターの出力をそれぞれ制御可能な制御部を備え、
   前記制御部は、前記出湯室の制御温度より前記第一昇温室の制御温度を低くするように、前記第一電気ヒーター，前記第二電気ヒーター，前記第三電気ヒーターの出力をそれぞれ制御しつつ、前記第二昇温室で第二温度まで昇温された溶湯を、前記第一昇温室に循環させて、その熱を、前記投入口から投入される前記非鉄金属材料に与えるようにしたことを特徴とする循環式非鉄金属溶解炉。
2. 前記非鉄金属材料をアルミニウム又はアルミニウム合金としたことを特徴とする請求項１に記載の循環式非鉄金属溶解炉。
3. 複数の第一電気ヒーターを設けた第一昇温室と複数の第二電気ヒーターを設けた第二昇温室を、中間壁を挟んで並設して溶湯の循環路を形成し、前記第一昇温室と前記第二昇温室の間で前記中間壁の一端側に、非鉄金属材料の投入口を設けるとともに、前記第一昇温室と前記第二昇温室の間で前記中間壁の他端側に、溶湯を取り出し可能で複数の第三電気ヒーターを設けた出湯室に連通する間隙路を設けてなり、前記第一昇温室，前記第二昇温室，前記出湯室の各室でそれぞれ温度制御を行い、前記第一昇温室または前記第二昇温室あるいはその両方に設けられた循環ポンプを介して溶湯を循環させるように構成された循環式非鉄金属溶解炉を使用して前記非鉄金属材料を溶解する方法であって、
   前記出湯室の制御温度より前記第一昇温室の制御温度を低く設定した状態で、
   前記投入口から前記非鉄金属材料を投入して、前記第一昇温室で所定の第一温度にまで昇温した溶湯とし、前記第一温度にまで昇温した溶湯の一部を、前記出湯室で受け入れ、前記溶湯の残りを前記第二昇温室で受け入れ、前記第二電気ヒーターによって前記第一温度を超える第二温度まで昇温した後、前記第一昇温室へ循環させ、前記第一昇温室へ循環させた溶湯の熱を、前記投入口から新たに投入される前記非鉄金属材料に与えるようにしたことを特徴とする非鉄金属溶解方法。
4. 前記非鉄金属材料をアルミニウム又はアルミニウム合金としたことを特徴とする請求項３に記載の非鉄金属溶解方法。