(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉（１）内の溶融金属（３）中に固体金属（13）を装入する方法であって、該炉の容器部分（２）内で溶融金属を加熱する工程と、該容器部分に付属した井戸型槽に、その井戸型槽内にある金属の表面（15）の下方から金属が流入するように、該容器部分から金属を搬送する工程と、該固体金属を該井戸型槽内の溶融金属の表面と接触させるように供給する工程と、金属を該井戸型槽から該容器部分へ返送する工程とを含む方法において、該流れの進路内に配置した乱流発生部材（10）によって該井戸型槽内の流れに乱流を生成する工程を含み、該乱流発生部材が、少なくとも第１の上向きに傾いた偏向表面（21,41）によって該流れを偏向させることにより、該流れに少なくとも上向きの運動成分を付与することを特徴とする方法。
【請求項２】
該第１の偏向表面が横方向にも傾いていることにより、該第１の表面が該流れに水平の運動成分を付与するように該流れを偏向させる請求項１記載の方法。
【請求項３】
該流れに関して該第１の偏向表面（41）の下流に位置し且つそれよりも傾きの急な第２の偏向表面（42）によって該乱流発生部材が該流れを偏向させる請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
該金属が、該井戸型槽の円筒形内壁（16）に対して接線方向から流入するように、流入管（５）を通して該井戸型槽に搬送される請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
該金属が、該流入管を通して、該井戸型槽の床（17）に直接隣接する流入口（18）から該井戸型槽内へ流入する請求項４記載の方法。
【請求項６】
該井戸型槽の該円筒形内壁から内向きに突き出した障壁部材（31）によって、流れの方向に関して該流入口の上流で表面ドロスを収集する工程を含む請求項５記載の方法。
【請求項７】
金属が該容器部分と該井戸型槽との間を電磁ポンプ（７）によって搬送される請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
該金属がアルミニウムである請求項１から７までのいずれかに記載の方法。
【請求項９】
該固体が削り屑である請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
炉（１）内の溶融金属（３）中に固体金属を装入するための装置であって、該炉の容器部分（２）に付属した井戸型槽（４）と、該容器部分の中で溶融金属を加熱できる加熱手段（12）と、使用中に流入管（５）を介して該井戸型槽内の金属の表面（15）の下方で金属流が該井戸型槽に流入するように該容器部分と該井戸型槽との間を金属を搬送できる搬送手段（７）と、該井戸型槽内の溶融金属の表面と接触させるように固体金属（13）を供給する手段（14）と、該井戸型槽から該容器部分へ溶融金属を返送する返送手段（６）とを備えた装置において、該井戸型槽が、該井戸型槽内の溶融金属の流れの進路内に位置した乱流発生部材（10）を更に含み、該乱流発生部材が、少なくとも第１の上向きに傾いた偏向表面（21,41）を持ち、該流れに少なくとも上向きの運動成分を付与するようにしたことを特徴とする装置。
【請求項１１】
該第１の偏向表面が横方向にも傾いていて該流れに水平方向の運動成分を付与する請求項10記載の装置。
【請求項１２】
該乱流発生部材が、該流れに関して該第１の偏向表面（41）の下流に位置し且つ水平面に対して該第１の偏向表面よりも傾きの急な第２の偏向表面を持つ請求項10または11記載の装置。
【請求項１３】
該井戸型槽が、床（17）から上向きに延びた円筒形内壁（16）を持ち、該第１の偏向表面と該床および該円筒形内壁との交線により該井戸型槽の円筒形空間が斜めに切り取られている請求項10から12までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
該流入管が、該井戸型槽の円筒形内壁に関して非半径方向に延びており、使用中の井戸型槽内への金属搬送による流れが接線方向に流入する請求項10から13までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
該井戸型槽の該床に直接隣接する流入口（18）で該流入管が該井戸型槽と連通する請求項14記載の装置。
【請求項１６】
該井戸型槽が、該流れの向きに関して該流入口の上流で該井戸型槽の円筒形内壁から内向きに突き出している隔壁部材（31）を備えており、該障壁部材は該溶融金属の表面の上方に上向きに突き出すことにより、使用中に表面ドロスを収集するための表面領域を規定する請求項15記載の装置。
【請求項１７】
該乱流発生部材が、該井戸型槽の内壁に取り付けた耐火物ブロックを備え、該内壁に対して固定した少なくとも一つの偏向表面を規定する請求項10から16までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
該搬送手段が電磁ポンプ（７）である請求項10から17までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
流出管（６）が、該乱流発生部材の下流で該井戸型槽に接続され、該容器部分と連絡して溶融金属を返送するようにした請求項10から18までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
溶融金属（３）中に固体金属（13）を装入する方法であって、装入井戸型槽（４）内で該溶融金属を循環させることにより、溶融金属に鉛直方向の流れを生成する工程と、該流れの進路内に位置した固定式偏向表面（21,41,42）により該溶融金属の液面（15）に向かうように上向きに該流れを偏向させる工程と、該液面と接触するように固体金属（13）を供給する工程とを含む方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、炉と、炉内で固体金属を溶融する方法と、特に、但し限定はしないが、アルミニウムの削り屑を炉内に装入する方法とに関する。
固体金属を効率良く且つ環境上許容されるように炉内に装入しようとすると、装入対象とする固体金属が表面積の大きい削り屑のような細かく分断されたアルミニウムスクラップである場合には、特有の難しさがある。固体アルミニウムは表面に酸化膜があって、そのために溶融金属中に取り込まれ難く、表面ドロス（垢、スカム）になると分離除去が必要になる。
溶融金属を容れて加熱するための炉の容器部分を、溶融金属の酸化を防止するように燃焼を抑制した室内に収容することは知られている。炉の容器部分に付属した井戸型槽内に固体金属を導入し、溶融金属を容器部分と井戸型槽との間で搬送し、井戸型槽内にある金属の温度を維持すると共に容器部分には新たな金属を送り込む。
米国特許第4884786号の開示によると、井戸型槽内の溶融金属を機械的に攪拌することによって、井戸型槽内で固体が液相に同化する速度を早める。しかしこの攪拌は、井戸型槽内の液相が空気と接触して酸化する速度を早めるという欠点がある。また攪拌操作自体も、攪拌器具は必要な操作温度に耐える材料で作製しなければならないが、そのような材料は脆い傾向があり頻繁に交換する必要があると言う問題がある。
英国公開特許公報第GB−2072819−Ａ号によると、攪拌器具を使わないで、金属をポンプ圧送して接線方向の流路から井戸型槽に送り込んで渦巻きを形成すると共に、それより低い位置で半径方向の流路から別の流れを送り込んでこの渦巻きを攪乱する。この攪拌効果により液化が促進する。しかし、接線方向の流路から井戸型槽内へ金属を注入する位置が高いため、注入時に酸化速度が高まる傾向がある。溶融媒体として溶融塩のようなものを用いれば酸化速度は低下するが、この媒体を環境に問題の無いように廃棄するにはコストがかかるという欠点がある。
本発明によれば、炉内の溶融金属中に固体金属を装入する方法は、該炉の容器部分内で溶融金属を加熱する工程と、該容器部分から該容器部分に付属する井戸型槽に金属を搬送する工程であって該井戸型槽内の金属表面の下方から金属が流入するように搬送する工程と、固体金属を該井戸型槽内に供給して該井戸型槽内の溶融金属表面に接触させる工程と、溶融金属を該井戸型槽から該容器部分に返送する工程とを含み、該井戸型槽内の流れの進路上に固定式乱流発生部材を配置して該井戸型槽内の流れに乱流を発生させる工程を含む。
本発明の方法の利点は、発生した乱流によって固体金属の液相への同化が促進され、その際、問題となるような酸化が起きないということである。
望ましくは、乱流発生部材は少なくとも第１の偏向表面によって流れを偏向させ、少なくとも上向きの運動成分を付与する。
乱流発生部材を設けると溶融金属表面が波立って攪拌され、表面近くで乱流が発生していることが分かる。表面の攪乱によって固体金属の液相への導入が促進されると考えられる。しかし、この表面の攪乱は過度の酸化を生ずる程には激しくない。
望ましくは、第１の偏向表面は運動の水平成分をも付与するように流れを偏向させる。
望ましくは、乱流発生部材は流れに関して第１の偏向表面の下流側にあり第１の偏向表面よりも傾きが急な第２の偏向表面で更に流れを偏向させる。
便利な態様として、井戸型槽の円筒形内壁に対して接線方向の流入口から金属を井戸型槽内に送り込むことにより、円周方向の循環流を形成する。
この循環流によって井戸型槽内の金属が混合され温度が均一化される。
望ましくは、金属流が流入管を通り井戸型槽の床のすぐ傍にある流入口から井戸型槽内に流入する。望ましい態様においては、井戸型槽は円筒形内壁と水平の床を持つ。
望ましくは、本発明の方法は、井戸型槽の円筒形内壁から内向きに突き出した障壁部材によって、流れに関して流入口の上流側で表面ドロスを回収する工程を含む。
便利な態様として、金属を電磁ポンプにより容器部分から井戸型槽へ搬送する。
本発明の方法はアルミニウムの削り屑の装入に特に適する。
本発明の第２の内容によれば、炉内の溶融金属中に固体金属を装入する装置は、該炉の容器部分に付属した井戸型槽と、該容器部分内で溶融金属を加熱するように作動できる加熱手段と、井戸型槽内の金属の表面下から井戸型槽内へ金属が流入するように金属を流入管を通して井戸型槽へ搬送するように作動できる搬送手段と、該井戸型槽から該容器部分へ溶融金属を返送するための返送手段と、固体金属を該井戸型槽内の溶融金属表面と接触させるように供給する手段とを有し、該井戸型槽には井戸型槽内の溶融金属流の進路内に配置した乱流発生部材を更に備えている。
望ましくは、乱流発生部材は、少なくとも第１の上向きに傾いた偏向表面を備え、流れに少なくとも上向きの運動成分を付与することにより溶融金属の表面を攪拌する。
有利な態様として、第１の偏向表面は横方向に傾いていて流れに水平の運動成分を付与する。
有利な態様として、乱流発生部材は、第１の偏向表面の下流にあってそれよりも傾きが急な第２の偏向表面を持つ。
この構造の利点は、流れを順次偏向することにより乱流の程度を高めることである。
有利な態様として、流入管は井戸型槽の床のすぐ傍にある流入口を介して井戸型槽に連通する。
この構造により、金属が井戸型槽の底部で流入するので、井戸型槽に注入される際に金属が不必要に酸化されることがない。
望ましくは、乱流発生部材は、井戸型槽の内壁面に取り付けた耐火物ブロックであり、内壁に対して固定した少なくとも一つの偏向表面を規定している。
この乱流発生部材を設けたことにより、井戸型槽内で動く部材を全く用いることなく、制御された乱流が形成される。
有利な態様として、この装置は、円周方向の流れに関して流入管の上流に円筒形内壁から内向きに突き出した障壁部材を備えており、この障壁部材が溶融金属表面より上に突き出し、使用中に表面ドロスを収集する領域を形成する。
便利な態様として、この装置は、容器部分と流入管との間に接続した電磁ポンプを備えている。
以下に、下記添付図面を参照して、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明に従って構成した空炉の模式的平面図であり、
図２は、図１の炉に部分充填した状態を示す模式的縦断面図であり、
図３は、図１および図２の炉の井戸型槽の水平断面図であり、
図４は、図３の井戸型槽の線IV−IVでの縦断面図であり、
図５は、本発明の第２の実施態様の井戸型槽の平面図であり、
図６は、図５の井戸型槽の線VI−VIでの概略縦断面図であり、
図７は、本発明の第３の実施態様の井戸型槽の空状態を示す平面図であり、
図８は、図７の井戸型槽の線VIII−VIIIでの縦断面図であり、そして
図９は、図７の井戸型槽の線IX−IXでの別の縦断面図である。
図１および図２において、炉１は溶融金属３（図１には示さず）を容れた容器部分２を有する。容器部分２に付属した井戸型槽４は、流入管５および流出管６を介して容器部分２と連絡されている。
流入管５に設けた電磁ポンプ７で金属を容器部分２から井戸型槽４へ圧送する。
容器部分２の流出路８は流出バルブ９で調節されている。
井戸型槽内には固定式乱流発生部材10が設けてあり井戸型槽内の溶融金属の層11の下に潜っている。
図２に示したように、容器部分２に設けたガスバーナー12が反射炉式に容器部分内部に熱を供給し、ガスバーナーの燃焼制御により溶融金属主部３の酸化を実質的に防止するようにしてある。
削り屑状の固体金属13がホッパー14から井戸型槽４内へ投下され、井戸型槽４内にある溶融金属11の表面に堆積する。
図３および図４に示したように、井戸型槽は直立円筒形の内壁16と水平の床17を持つ。これらの図では、簡潔にするために図２に示した固体金属13は省略してある。流入管５が井戸型槽に繋がる流入口18が、円筒形内壁16の床17のすぐ傍に形成されている。流入管５は円筒形の穴19を構成しており、この穴が水平に真っ直ぐ延び円筒形内壁16に接線状に接続している。これにより、ポンプ７に圧送されてきた溶融金属は井戸型槽４内に流入する際に図３に矢印Ａで示したような接線方向の流れとなる。流れＡは液面15より下方で井戸型槽４に流入し、井戸型槽内に図３で見て反時計方向の循環流を作る。
乱流発生部材10は流れＡの流路内に直接に配置されている。乱流発生部材10は型成形された耐火物ブロック製であり、その平坦面21が井戸型槽内の溶融金属11に接している。平坦面21は水平に対して32゜傾斜しており、床17および円筒形内壁16の両方と交線を持ち、井戸型槽内部の円筒形空間を斜めに切り取っている。
図３に示したように、平坦面21の向きは、鉛直投影図上で流れＡに対して45゜傾いており、また図４に示したように穴19に直角な水平投影図上では乱流発生部材の平坦面21は上向きに32゜傾いている。
乱流発生部材10は流れＡに対して、鉛直方向と水平方向の運動成分を付与して流れを掻き乱し乱流にする作用を持つ。乱流が発生すると溶融金属表面15に波立ちが生じると共に表面付近に鉛直方向の運動が生じる。
図３に示したように、流出管６は流出穴22を構成しており、これが円筒形内壁16の接線に沿って延びており、その方向は、循環流が溶融金属をこの穴を通って溶融金属の主部３へ戻るように仕向ける方向になっている。
固体金属13は井戸型槽内の溶融金属11の表面に接触して加熱され継続的に溶融金属に同化していく。固体金属13の酸化膜は剥離して表面ドロス（図示せず）になる。表面ドロスは、一回分の固体金属の溶解が終了した時点で収集・除去することができる。
乱流発生部材10によって溶融金属11内に発生した乱流が、固体金属の液相への同化が促進されることが分かった。その理由は、液面に発生する波による攪拌効果と、液内の乱流による剪断作用で酸化膜の剥離が促進される効果とによるものと考えられる。
図５および図６を参照して、変更した炉を説明する。図中、前出の図と対応する部材については同じ参照符号を用いた。
図５および図６の変更炉は、図１と対応する容器部分２と図示の井戸型槽30とを有する。
井戸型槽30は乱流発生部材10の他に、流入口18のすぐ傍の円筒形内壁16から内側へ隆起した障壁部材（バッフル）31を備えている。障壁部材31は井戸型槽４内の反時計方向循環流に対して流入口18の上流側に位置しており、流入管５と流出管６との間にある。
障壁部材31は型成形された耐火物材料で作られていて、互いに直交し鉛直に延びた第１および第２の表面32,33を持っており、表面32と33は井戸型槽30の円筒軸から半径方向に延びた仮想面に対して対称形になっている。
第１の鉛直表面32は図５に矢印Ｂで示した円周方向の流れの中に斜めに突き出しており、溶融金属表面15の上方へ突き出している。溶融金属表面15に浮いているドロスは流れＢに関して第１の鉛直表面32の上流側に溜まり、溜まったドロスは一回分の固体金属の処理完了後に除去される。
次に、別の変更炉を図７、８、９を参照して説明する。やはり対応する部材については前出の図と同じ参照符号を用いた。
図７、８、９に示した炉は、水平からそれぞれ32゜および55゜傾いた第１および第２の平坦面41および42を持つ乱流発生部材10を備えた変更井戸型槽40を持つ。第１および第２の平坦面41と42は、間にある三角形の表面部分43で滑らかに繋がっている。
第１の平坦面41は流入口18から来た流れＡの進路上に位置していて、流れＡを上向き且つ半径方向内向きに偏向させる。
第１の平坦面41が床17と交わる交線44は、流れＡに対して約75゜の角度になっている。第２の平坦面42と床17との交線は交線44と同一直線上になっていて、平坦面41と42が交点45で合体する。
流れＡは乱流発生部材10の第１の平坦面41に出合った後、もっと傾斜が急な三角形の表面部分43に出合い、最後に第２の平坦面42に出合う。このようにして図７〜９の炉において乱流発生部材10によって形成される複合した傾斜のプロファイルは、前出の図の乱流発生部材と比べて、より激しく且つ分断の度合いも高い乱流を発生させると考えられる。
本発明の他の態様としては例えば電磁ポンプの代わりにメカニカルインペラポンプを使うことも考えられる。
容器部分で金属を加熱する方法もガス燃焼ではなくて例えば誘導加熱にすることもできる。本発明の方法および装置は削り屑以外の固体金属を処理するために利用することもできる。リサイクル過程で発生するような細かく分断された固体の場合にも同様な問題があり、本発明の方法および装置によって同様な効果が得られる。
必要であれば大きい固体金属も井戸型槽に装入しても良く、典型的には一回の処理について最初は細かく分断された固体を装入し、最後に大きいものを装入することもできる。
本発明の方法および装置はアルミニウム以外の金属にも適用できる。
本発明の方法および装置は金属精錬法に用いることもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図８】
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