JP6085685B2

JP6085685B2 - 非鉄金属溶解炉及び非鉄金属溶解方法

Info

Publication number: JP6085685B2
Application number: JP2015540545A
Authority: JP
Inventors: 真敏寺西; 藤田　健; 健藤田; 奈保子花岡; 博俊籔本; 史犬塚
Original assignee: Sanken Sangyo Co Ltd; Central Motor Wheel Co Ltd
Current assignee: Sanken Sangyo Co Ltd; Central Motor Wheel Co Ltd
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2034-10-02
Also published as: CN105593388A; CN105593388B; JPWO2015050208A1; US10138532B2; WO2015050208A1; US20170130298A1

Description

本発明は、アルミニウム合金等の非鉄金属を各種鋳造製品の製造に使用すべく溶解するための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を各種鋳造製品の製造に使用すべく溶解するための非鉄金属溶解炉としては、例えば、図６に示すように、溶湯１０を、循環ポンプ２１によって昇温室２２と渦室２３間を循環させるとともに、昇温室２２に設けたバーナ２５の放射火炎Ｆによって溶湯１０を加熱し、そして、投入シュート２７の投入口から非鉄金属を渦室２３に投入して非鉄金属を溶解させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、バーナ２５にかえて電気ヒーターを利用して溶湯１０を加熱させることもできる。

特許第２５５４５１０号公報

しかしながら、例えば、アルミニウムの切粉を圧縮して固形化したアルミのブリケット材のような塊状非鉄金属材を未乾燥の状態で溶湯に浸漬して溶解させる場合、ブリケット材は油水分を含んでいるためアルミの溶湯に対してブリケット材を完全に浸漬させて溶解すると水蒸気爆発を起こす危険性がある。
そこで、ブリケット材を反射炉等で直接バーナの火炎によって加熱することで溶解した場合、溶解の過程でブリケット材が分散して切粉の状態となり、表面積が多い状態で直接加熱溶解されるため、酸化が促進され歩留りが非常に悪くなるといった問題がある。

また、図７に示すように、貯蔵ホッパーから供給されたアルミ切粉をその切粉の状態でキルンドライアなどの大型の乾燥装置２９にかけて乾燥させる方法もあるが、圧縮成形時の潤滑材としての油分も同時に乾燥されるため乾燥したアルミ切粉をブリケットにすることは極めて困難である。
なお、仮にブリケットにすることができたとしても大型の乾燥装置２９を必要とするためその設置や保守には相当の費用がかかる。

そこで、本発明の目的とするところは、例えば、油水分を含む塊状非鉄金属材であっても安全かつ効率的に溶解させることのできる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、本発明の請求項１に記載の非鉄金属溶解方法は、溶湯（１０）を加熱し昇温及び保温する昇温室（３２）と、前記昇温室（３２）に連通されるとともに、投入された非鉄金属材を渦流によって浸漬溶解する渦室（３３）を備え、循環ポンプ（２１）を利用して前記昇温室（３２）の溶湯（１０）を前記渦室（３３）に供給し前記渦室（３３）から排出された溶湯（１０）を前記昇温室（３２）に戻すようにした非鉄金属溶解炉（３０）であって、
前記渦室（３３）は、
前記昇温室（３２）側から溶湯（１０）が供給される流路（３４）を確保した状態で設置されるとともに内方には空間（３３０）が形成されてなる外周壁（３３１）と、
前記外周壁（３３１）の内方中央に配置され、上方が開放し下方はテーパー壁によって略逆円錐状にされた容器（３３２）と、
該容器（３３２）と前記外周壁（３３１）との間に、該容器（３３２）の外周を取り囲むように環状に設けられた浅瀬部（３３３）と、
前記容器（３３２）と前記浅瀬部（３３３）との間を仕切ると共に上面が前記浅瀬部（３３３）の底の位置よりも高くなるよう前記容器（３３２）の上面外周に起立するように設けられた堰部（３３４）からなり、
前記流路（３４）の進入方向を、前記容器（３３２）の上下方向に延びる中心軸（Ｘ）方向から水平方向にズラした位置でかつ前記浅瀬部（３３３）に直接連通させて、前記溶湯（１０）が前記浅瀬部（３３３）を循環するとともにその一部が前記堰部（３３４）を越えて前記容器（３３２）内に入り込み渦流が形成されるようにした非鉄金属溶解炉（３０）を利用した非鉄金属溶解方法であって、
前記非鉄金属材として前記溶湯（１０）が循環する前記浅瀬部（３３３）に対して完全に浸漬しない大きさで未乾燥の塊状非鉄金属材を用いることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記流路（３４）は、前記浅瀬部（３３３）の接線方向に連通されてなることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記塊状非鉄金属材は、アルミ切粉を圧縮して固形化したアルミのブリケット材（Ｍ）であり、前記溶湯（１０）はアルミの溶湯であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、前記ブリケット材（Ｍ）の高さ（Ｓ）よりも前記浅瀬部（３３３）の底から溶湯（１０）上面までの距離（Ｔ）が小さくなるように前記循環ポンプ（２１）を制御することを特徴とする。
さらに、本発明の請求項５に記載の非鉄金属溶解炉は、本発明の請求項１に記載の非鉄金属溶解炉は、溶湯（１０）を加熱し昇温及び保温する昇温室（３２）と、前記昇温室（３２）に連通されるとともに、投入された非鉄金属材を渦流によって浸漬溶解する渦室（３３）を備え、循環ポンプ（２１）を利用して前記昇温室（３２）の溶湯（１０）を前記渦室（３３）に供給し前記渦室（３３）から排出された溶湯（１０）を前記昇温室（３２）に戻すようにした非鉄金属溶解炉（３０）であって、
前記渦室（３３）は、
前記昇温室（３２）側から溶湯（１０）が供給される流路（３４）を確保した状態で設置されるとともに内方には空間（３３０）が形成されてなる外周壁（３３１）と、
前記外周壁（３３１）の内方中央に配置され、上方が開放し下方はテーパー壁によって略逆円錐状にされた容器（３３２）と、
該容器（３３２）と前記外周壁（３３１）との間に、該容器（３３２）の外周を取り囲むように環状に設けられた浅瀬部（３３３）と、
前記容器（３３２）と前記浅瀬部（３３３）との間を仕切ると共に上面が前記浅瀬部（３３３）の底の位置よりも高くなるよう前記容器（３３２）の上面外周に起立するように設けられた堰部（３３４）からなり、
前記流路（３４）の進入方向を、前記容器（３３２）の上下方向に延びる中心軸（Ｘ）方向から水平方向にズラした位置でかつ前記浅瀬部（３３３）に直接連通させて、前記溶湯（１０）が前記浅瀬部（３３３）を循環するとともにその一部が前記堰部（３３４）を越えて前記容器（３３２）内に入り込み渦流が形成されるようにし、
前記浅瀬部（３３３）の底の位置からの前記堰部（３３４）の高さ（Ｄ）を投入される非鉄金属材の高さ（Ｓ）よりも低く設定するとともに、前記浅瀬部（３３３）における溶湯（１０）の上面と浅瀬部（３３３）の底間の距離（Ｔ）を投入される非鉄金属材の高さ（Ｓ）よりも低くなるように前記循環ポンプ（２１）を制御することを特徴とする。

なお、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。

本発明の非鉄金属溶解炉によれば、渦室ではすり鉢状の容器、すなわち上方が開放し下方はテーパー壁によって略逆円錐状にされた容器の外周を取り囲むように環状の浅瀬部が堰部を隔てて設けられ、溶湯は浅瀬部を循環するとともにその一部が堰部を越えて容器内に入り込み渦流が形成されるように構成されているので、アルミニウム合金などの非鉄金属材を例えば、浅瀬部や溶湯が供給される流路に投入すると、非鉄金属材は浅瀬部を周回しつつ溶解し堰部を越えて容器内に送り込まれて撹拌される。
よって、例えば、アルミ切粉を圧縮して固形化したアルミのブリケット材のような未乾燥の塊状非鉄金属材を溶湯から露出するように、つまり浅瀬部において完全に浸漬しない程度の大きさの塊状非鉄金属材は、浅瀬部を循環する溶湯によって徐々に溶解して体積が小さくなる。このとき、溶湯から露出した塊状非鉄金属材の部分からは水蒸気が放出されるので塊状非鉄金属材が水蒸気爆発する恐れはない。そして、塊状非鉄金属材は非鉄金属の小片及び粉となり溶湯とともに堰部を越えて容器内に送られつつ溶解される。

これによれば、塊状非鉄金属材を投入する前に乾燥処理させる必要がないので余分なコストや手間がかからないし、歩留りを悪化させることもない。
なお、塊状非鉄金属材だけでなく、例えば、アルミ切粉のように切粉の状態で浅瀬部や流路に投入し周回しつつ容器に送り込むようにしてもよい。また、切粉の状態のものを容器上から直接容器内に投入させることもできる。

本発明の非鉄金属溶解炉によれば、浅瀬部側に供給される溶湯の流路を浅瀬部の接線方向に連通するようにしたので浅瀬部において溶湯は大きな流速で循環させられる。よって、浅瀬部においては非鉄金属を効率的に溶解及び周回させることができる。

本発明の非鉄金属溶解方法によれば、略逆円錐状にされた容器の外周を取り囲むように環状の浅瀬部が堰部を隔てて設けられるように構成された非鉄金属溶解炉を利用して、溶湯が循環する浅瀬部に対して完全に浸漬しない大きさで未乾燥の塊状非鉄金属材、例えば、アルミ切粉を圧縮して固形化したアルミのブリケット材を、例えば、浅瀬部や溶湯が供給される流路に直接投入して油水分を溶湯の熱を利用して乾燥させながら、体積が小さくなるように徐々に溶解し、小さくした非鉄金属の小片及び粉を、溶湯とともに浅瀬部を循環させながら堰部を越えさせて容器内に落下させ渦流によって浸漬溶解するようにしたので、未乾燥の塊状非鉄金属材を投入しても水蒸気爆発させることなく確実に溶解させることができる。
これによれば、特に大がかりな装置を必要とするものではなく容器の外周に環状の浅瀬部を設けるようにするだけで安全性が高まり効率的に未乾燥の塊状非鉄金属材を連続して溶解することができる。

なお、本発明のように、上方が開放し下方はテーパー壁によって略逆円錐状にされた容器の外周を取り囲むように環状の浅瀬部が堰部を隔てて設けられ、その浅瀬部において非鉄金属を効率的に溶解させたものは、上述した特許文献には全く記載されていない。

本発明の実施形態に係る非鉄金属溶解炉を示す概略平面図である。図１に示す渦室の横断面図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。図２のＢ−Ｂ線断面図である。図１に示す渦室において投入口の位置をかえた場合の横断面図である。従来例に係る非鉄金属溶解炉を示す概略平面図である。従来例に係る非鉄金属の投入前処理を示す側面図である。

図１乃至図４を参照して、本発明の実施形態に係る非鉄金属溶解炉３０を説明する。
この非鉄金属溶解炉３０は、アルミ切粉を圧縮して固形化したアルミのブリケット材Ｍのような塊状非鉄金属材であってしかも未乾燥のものを直接投入して浸漬溶解することのできる溶解炉であり、循環ポンプ３１を利用することで循環させられる溶湯１０を加熱し昇温及び保温する昇温室３２と、昇温室３２に連通されるとともに、投入されたブリケット材Ｍを渦流によって浸漬溶解する渦室３３を備えている。

昇温室３２には、石油などの化石燃料を用いたバーナ３５が取付けられていてバーナ３５の放射火炎Ｆによってアルミニウムの溶湯１０を加熱している。
なお、バーナ３５にかえて電気ヒーターをアルミニウムの溶湯１０中に浸漬して溶湯１０を直接加熱するようにしてもよい。

昇温室３２で加熱された溶湯１０は循環ポンプ３１によって溶湯１０のレベルが上げられ渦室３３に供給される。そして、渦室３３において投入シュート３７から投入されたブリケット材Ｍが溶融される。また、渦室３３から排出された溶湯１０は昇温室３２に戻され、このようにして溶湯１０は非鉄金属溶解炉３０内において循環させられる。

渦室３３は、全体を囲む外周壁３３１と、その内方に形成された容器３３２と、容器３３２の外周を取り囲むように設けられた浅瀬部３３３と、容器３３２の上面外周に起立するように設けられた堰部３３４からなる。

外周壁３３１は、内方に中空円柱状の空間３３０が形成された筒状であり、昇温室３２側から内方に溶湯１０が供給される流路３４が確保されるように流路３４を避けて設置されている。ここでは、外周壁３３１に穴を形成して流路３４を形成しているが流路３４が確保されればどのような態様であってよい。また、外周壁３３１の断面形状において外形は略矩形状であるがどのような形状であってもよい。また、外周壁３３１の断面形状において内形も内方に容器３３２と浅瀬部３３３を設けることができるものであればどのような形状であってもよいが、本実施形態のように円状であることが好ましい。また、空間３３０を例えば六角柱状や八角柱状にするなど中空略円柱状にして内形を略円状にすることもできる。

また容器３３２は、上方が開放し下方はテーパー壁によって略逆円錐状にされたすり鉢状で外周壁３３１に対して内方中央の位置に配置されている。容器の深さはここでは３００ｍｍのものを使用した。そして、溶湯１０が上方から斜め方向に落下させられることで渦流が生じるようにしている。なお、容器の内面に斜めの溝を形成して渦流を発生させ易くしてもよい。

また浅瀬部３３３は、容器３３２の外周を取り囲むように外周壁３３１との間に設けられた環状で容器３３２とは、容器３３２の上面外周に起立するように設けられた堰部３３４によって仕切られている。ここで堰部３３４は外周壁３３１よりも低く帯状に設けられている。また、堰部３３４の上面は浅瀬部３３３の底の位置よりも高くなるようにしてある。浅瀬部３３３の深さ、すなわち浅瀬部３３３の底と堰部３３４の上面間の距離Ｄは、３０ｍｍに設定されている。なお、堰部３３４はブリケット材Ｍの高さＳにより任意に設計することができる。また、浅瀬部３３３にはブリケット材Ｍが直接投入される投入シュート３７の投入口が向けられている。

また昇温室３２側から外周壁３３１の内方に導かれる流路３４は浅瀬部３３３に直接連通されている。この流路３４の進入方向は容器３３２の上下方向に延びる中心軸Ｘ方向から水平方向にズラした位置、ここでは環状の浅瀬部３３３に対してその接線方向に連通されている。
これにより、循環ポンプ３１のはたらきによって流路３４を介して昇温室３２側から供給された溶湯１０は、浅瀬部３３３を循環するとともにその一部が堰部３３４を越えて容器３３２内に入り込み渦流が形成される。渦流の深さは１２０〜２００ｍｍ程度である。
このとき、流路３４からは浅瀬部３３３を循環するとともにその一部が堰部３３４を越える程度の量の溶湯１０が供給され、浅瀬部３３３における溶湯１０の上面と浅瀬部３３３の底間の距離Ｔは、投入されるブリケット材Ｍの高さＳ（通常８０ｍｍ）よりも低い５０ｍｍに設定されている。なお、実際のブリケット材Ｍの高さＳにより距離Ｔは変更できる。

また、循環ポンプ３１は、昇温室３２の溶湯１０の保持量により制御部を介して出力を変化させることによって、浅瀬部３３３における溶湯１０の上面と浅瀬部３３３の底間の距離Ｔを一定でしかもブリケット材Ｍの高さＳよりも小さくなるように制御している。また、距離Ｔを一定に安定した状態で保つため、図３に示すように、循環ポンプ３１側に溶湯１０を戻す戻し口３３５が設けられている。

このように構成された非鉄金属溶解炉３０を利用してブリケット材Ｍを溶解させるには、溶湯１０が循環している浅瀬部３３３に対して完全に浸漬しない大きさで未乾燥のブリケット材Ｍを投入シュート３７から直接投入する。
ブリケット材Ｍは浅瀬部３３３からその一部が露出した状態でおかれるが溶湯１０に浸漬した部分は循環する溶湯１０によって溶解するためブリケット材Ｍはその体積が徐々に小さくなる。このとき、溶湯１０から露出したブリケット材Ｍの部分からは水蒸気（油分を含む）が放出されるのでブリケット材Ｍが水蒸気爆発する恐れはない。なお、放出された水蒸気（油分を含む）はバーナ３６（昇温室３２に設けられたバーナ３５とは別のバーナで空間３３０の上部で外周壁３３１に設置されている）によって燃焼され無害の状態で空間３３０の上部から外に排気される。
その後、ブリケット材Ｍはアルミの小片及び粉となり溶湯１０とともに浅瀬部３３３を周回しつつ堰部３３４を越えて容器３３２内に落下させられ渦流によって浸漬溶解される。

なお、本実施形態では、アルミの溶湯内にカーボンが入ると、フラックス処理や，不活性ガスのバブリング処理では除去できなく、溶湯品質を劣化させるため、ブリケット材Ｍに付着したクーラント分を完全乾燥させてから溶湯内へブリケット材Ｍを引き込むようにしている。また、外周壁３３１に設置されたバーナ３６の温度を調整してその周りの温度を７５０℃にすることにより、仮にカーボンが発生したとしても燃焼させることができ、それに加えてダイオキシンの分解も可能である。

これによれば、ブリケット材Ｍを投入する前に乾燥処理させる必要がないので余分なコストや手間がかからないし、歩留りを悪化させることもない。

なお、図５に示すように、投入シュート３７の投入口を一層浅瀬部３３３側に設けるようにしてもよい。
また、本実施形態ではアルミ切粉を圧縮して固形化したアルミのブリケット材Ｍを溶解炉３０に投入したが、浅瀬部３３３に投入した際に一部が溶湯１０から露出する大きさのものであればその他の塊状非鉄金属材であってもよい。
また塊状非鉄金属材だけでなく、例えば、アルミ切粉のように切粉の状態で浅瀬部３３３に投入し周回しつつ容器３３２に送り込むようにしてもよい。
また、本実施形態では浅瀬部３３３に対してブリケット材Ｍを直接投入するようにしたが、溶湯が供給される流路３４に対して直接投入するようにしてもよい。
さらに、図５に点線で示したように、投入シュート３７の投入口を容器３３２上に設け、切粉の状態のものを容器３３２上から直接容器３３２内に投入させることもできる。

また、本実施形態では少なくとも昇温室３２と渦室３３を備える非鉄金属溶解炉３０を例にして説明したが、これらに出湯室，除滓室，鎮静室などを設けたものであってもよい。

１０溶湯
２０非鉄金属溶解炉
２１循環ポンプ
２２昇温室
２３渦室
２５バーナ
２７投入シュート
２９乾燥装置
３０非鉄金属溶解炉
３１循環ポンプ
３２昇温室
３３渦室
３４流路
３５バーナ
３６バーナ
３７投入シュート
３３０空間
３３１外周壁
３３２容器
３３３浅瀬部
３３４堰部
３３５戻し口
Ｄ浅瀬部の底と堰部の上面間の距離
Ｆ火炎
Ｍブリケット材（塊状非鉄金属材）
Ｓブリケット材の高さ
Ｔ浅瀬部における溶湯の上面と浅瀬部の底間の距離
Ｘ中心軸

Claims

溶湯を加熱し昇温及び保温する昇温室と、前記昇温室に連通されるとともに、投入された非鉄金属材を渦流によって浸漬溶解する渦室を備え、循環ポンプを利用して前記昇温室の溶湯を前記渦室に供給し前記渦室から排出された溶湯を前記昇温室に戻すようにした非鉄金属溶解炉であって、
前記渦室は、
前記昇温室側から溶湯が供給される流路を確保した状態で設置されるとともに内方には空間が形成されてなる外周壁と、
前記外周壁の内方中央に配置され、上方が開放し下方はテーパー壁によって略逆円錐状にされた容器と、
該容器と前記外周壁との間に、該容器の外周を取り囲むように環状に設けられた浅瀬部と、
前記容器と前記浅瀬部との間を仕切ると共に上面が前記浅瀬部の底の位置よりも高くなるよう前記容器の上面外周に起立するように設けられた堰部からなり、
前記流路の進入方向を、前記容器の上下方向に延びる中心軸方向から水平方向にズラした位置でかつ前記浅瀬部に直接連通させて、前記溶湯が前記浅瀬部を循環するとともにその一部が前記堰部を越えて前記容器内に入り込み渦流が形成されるようにした非鉄金属溶解炉を利用した非鉄金属溶解方法であって、
前記非鉄金属材として前記溶湯が循環する前記浅瀬部に対して完全に浸漬しない大きさで未乾燥の塊状非鉄金属材を用いることを特徴とする非鉄金属溶解方法。
前記流路は、前記浅瀬部の接線方向に連通されてなることを特徴とする請求項１に記載の非鉄金属溶解方法
前記塊状非鉄金属材は、アルミ切粉を圧縮して固形化したアルミのブリケット材であり、前記溶湯はアルミの溶湯であることを特徴とする請求項１又は２に記載の非鉄金属溶解方法。
前記ブリケット材の高さよりも前記浅瀬部の底から溶湯上面までの距離が小さくなるように前記循環ポンプを制御することを特徴とする請求項３に記載の非鉄金属溶解方法。
溶湯を加熱し昇温及び保温する昇温室と、前記昇温室に連通されるとともに、投入された非鉄金属材を渦流によって浸漬溶解する渦室を備え、循環ポンプを利用して前記昇温室の溶湯を前記渦室に供給し前記渦室から排出された溶湯を前記昇温室に戻すようにした非鉄金属溶解炉であって、
前記渦室は、
前記昇温室側から溶湯が供給される流路を確保した状態で設置されるとともに内方には空間が形成されてなる外周壁と、
前記外周壁の内方中央に配置され、上方が開放し下方はテーパー壁によって略逆円錐状にされた容器と、
該容器と前記外周壁との間に、該容器の外周を取り囲むように環状に設けられた浅瀬部と、
前記容器と前記浅瀬部との間を仕切ると共に上面が前記浅瀬部の底の位置よりも高くなるよう前記容器の上面外周に起立するように設けられた堰部からなり、
前記流路の進入方向を、前記容器の上下方向に延びる中心軸方向から水平方向にズラした位置でかつ前記浅瀬部に直接連通させて、前記溶湯が前記浅瀬部を循環するとともにその一部が前記堰部を越えて前記容器内に入り込み渦流が形成されるようにし、
前記浅瀬部の底の位置からの前記堰部の高さを投入される非鉄金属材の高さよりも低く設定するとともに、前記浅瀬部における溶湯の上面と浅瀬部の底間の距離を投入される非鉄金属材の高さよりも低くなるように前記循環ポンプを制御することを特徴とする非鉄金属溶解炉。