(57)【要約】      （修正有）【課題】永久磁石式の溶湯撹拌装置が用いられる場合に、その溶湯攪拌力を有効に作用させることができる溶解・保持炉を提供する。【解決手段】炉床部材２の下方に永久磁石式の溶湯撹拌装置１０が配置される溶解・保持炉１である。前記炉床部材２が、１層または複数層の内側耐火材層２３の上面及び下面に、前記内側耐火材層２３よりも相対的に高温強度に優れた窒化珪素板、炭化珪素板の少なくとも１種から構成される外側耐火材層２１、２が積層されてなる構造を有する。あるいは、溶解・保持炉の底板３に、溶湯撹拌装置１０の永久磁石の磁力遮蔽を抑制する開口部を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
保持炉の底部を構成する炉床部材の下方に永久磁石式の溶湯撹拌装置が配置される溶解・保持炉であって、
前記炉床部材が、１層または複数層の内側耐火材層の上面及び下面に、前記内側耐火材層よりも相対的に高温強度に優れた窒化珪素板、炭化珪素板の少なくとも１種から構成される外側耐火材層が積層されてなる構造を有するものであることを特徴とする溶解・保持炉。
【請求項２】
保持炉の底部を構成する炉床部材の下面に鉄系材料からなる底板が配置され、前記底板の下方に永久磁石式の溶湯撹拌装置が配置される溶解・保持炉であって、
前記底板に、前記溶湯撹拌装置の上方位置において開口部が設けられ、前記開口部を介して前記炉床部材が露出していることを特徴とする溶解・保持炉。
【請求項３】
保持炉の底部を構成する炉床部材の下面が鉄系材料からなる底板で被覆され、前記底板の下方に永久磁石式の溶湯撹拌装置が配置される溶解・保持炉であって、
前記炉床部材が、１層または複数層の内側耐火材層の上面及び下面に、前記内側耐火材層よりも相対的に高温強度に優れた窒化珪素板、炭化珪素板の少なくとも１種から構成される外側耐火材層が積層されてなる構造を有するものであり、
前記底板に、前記溶湯撹拌装置の上方位置において開口部が設けられ、前記開口部を介して前記炉床部材が露出していることを特徴とする溶解・保持炉。
【請求項４】
前記内側耐火材層が、ハイアルミナ煉瓦、アルミナセメントキャスタブル、シャモット煉瓦、軽量断熱キャスタブル、断熱ボードの少なくとも１種から構成される請求項１または３に記載の溶解・保持炉。
【請求項５】
前記開口部の開口比率が３０％以上である請求項２または３に記載の溶解・保持炉。
【請求項６】
溶湯撹拌装置との隙間に冷却媒体が供給される請求項１〜３のいずれかに記載の溶解・保持炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アルミニウム等の金属の溶解炉等として用いられる溶解・保持炉、特に溶湯を撹拌するための永久磁石が下方に配置される溶解・保持炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばアルミニウム溶湯を保持する溶解・保持炉には、省エネルギや成分分析値のバラツキ防止のため、溶湯を撹拌する攪拌装置が一般に併設されている。溶湯撹拌の方法は、機械的撹拌や溶湯中へのガス投入による撹拌、さらには真空ポンプによる吸引吐出の利用、電磁撹拌装置による磁力の応用など様々な方法が考案・実施されている。
【０００３】
各方法とも、効果、設備費、ランニングコスト、安全性や作業性に特徴がある。
【０００４】
そこで、昨今、設備費が安価で、驚くほどコンパクトな装置で、制御・メンテも簡便でランニングコストも非常に安価な永久磁石式の溶湯攪拌装置が提案されるに至ってきた（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、永久磁石式では設備設計時の磁石の強さが攪拌能力を決定し、磁石の磁力が固定され稼動中に変化させることができないため、その磁力を十分に発揮させるためには、撹拌装置だけでなく、溶解・保持炉側にも工夫が必要となる。
【０００６】
永久磁石式による攪拌力を十分に得るためには
（ａ）磁石と溶湯金属との距離をできるだけ近づけること。
【０００７】
（ｂ）磁石と溶湯金属の間に磁性体などの磁力遮蔽物がないこと
が望まれる。
【特許文献１】特開平１０−１４６６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかるに、従来一般のアルミニウムニウム等の金属の溶解・保持炉では、
・保持炉の底部を構成する炉床部材は数百ミリ厚の耐火材・断熱材で構成される、
・炉床部材の下面は鉄板（電磁攪拌の場合はＳＵＳ）等の鉄系材料からなる底板で覆われている、
などの構成になっており、磁力を遮蔽する構造になっている。このため、永久磁石による溶湯攪拌力を十分に作用させることができなかった。
【０００９】
この発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたものであって、永久磁石式の溶湯撹拌装置が用いられる場合に、その溶湯攪拌力を有効に作用させることができる溶解・保持炉の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、永久磁石式溶湯攪拌装置の攪拌力を十分に得るために
・磁石と溶湯との距離をできるだけ近づけること、
・磁石と溶湯の間に磁性体などの磁力遮蔽物がないこと、
を可能とする溶解・保持炉の構造について、鋭意研究した結果、従来からの一般的な耐火材構造の常識を覆し、新たな考えの耐火材構造を発明した。
【００１１】
また、保持炉構造体そのものにも注目し、上記の耐火材構成と併用することで課題解決を達成した。
【００１２】
即ち、上記課題は以下の手段によって解決される。
（１）保持炉の底部を構成する炉床部材の下方に永久磁石式の溶湯撹拌装置が配置される溶解・保持炉であって、前記炉床部材が、１層または複数層の内側耐火材層の上面及び下面に、前記内側耐火材層よりも相対的に高温強度に優れた窒化珪素板、炭化珪素板の少なくとも１種から構成される外側耐火材層が積層されてなる構造を有するものであることを特徴とする溶解・保持炉。
（２）保持炉の底部を構成する炉床部材の下面に鉄系材料からなる底板が配置され、前記底板の下方に永久磁石式の溶湯撹拌装置が配置される溶解・保持炉であって、前記底板に、前記溶湯撹拌装置の上方位置において開口部が設けられ、前記開口部を介して前記炉床部材が露出していることを特徴とする溶解・保持炉。
（３）保持炉の底部を構成する炉床部材の下面が鉄系材料からなる底板で被覆され、前記底板の下方に永久磁石式の溶湯撹拌装置が配置される溶解・保持炉であって、前記炉床部材が、１層または複数層の内側耐火材層の上面及び下面に、前記内側耐火材層よりも相対的に高温強度に優れた窒化珪素板、炭化珪素板の少なくとも１種から構成される外側耐火材層が積層されてなる構造を有するものであり、前記底板に、前記溶湯撹拌装置の上方位置において開口部が設けられ、前記開口部を介して前記炉床部材が露出していることを特徴とする溶解・保持炉。
（４）前記内側耐火材層が、ハイアルミナ煉瓦、アルミナセメントキャスタブル、シャモット煉瓦、軽量断熱キャスタブル、断熱ボードの少なくとも１種から構成される前項１または３に記載の溶解・保持炉。
（５）前記開口部の開口比率が３０％以上である前項２または３に記載の溶解・保持炉。
（６）溶湯撹拌装置との隙間に、冷却媒体が供給される前項１〜３のいずれかに記載の溶解・保持炉。
【発明の効果】
【００１３】
前項（１）に記載の発明によれば、炉床部材が、１層または複数層の内側耐火材層の上面及び下面に、前記内側耐火材層よりも相対的に高温強度に優れた窒化珪素板、炭化珪素板の少なくとも１種から構成される外側耐火材層が積層されてなるものであるから、炉床部材の耐火性能を低下させることなく、その厚みを薄くすることができる。そのため、永久磁石式の溶湯撹拌装置と溶湯との距離を短縮することができ、永久磁石により溶湯に作用する磁力を大きくすることができる。
【００１４】
前項（２）に記載の発明によれば、炉床部材の下面に鉄系材料からなる底板が配置され、その底板に、前記溶湯撹拌装置の上方位置において開口部が設けられ、前記開口部を介して前記炉床部材が露出しているから、溶湯撹拌装置の永久磁石により溶湯に作用する磁力が底板によって遮蔽されるのが抑制され、大きな磁力を溶湯に作用させることができる。
【００１５】
前項（３）に記載の発明によれば、炉床部材の構造と底板開口部の両方の存在により、大きな磁力を溶湯に作用させることができる。
【００１６】
前項（４）に記載の発明によれば、内側耐火材層として、ハイアルミナ煉瓦、アルミナセメントキャスタブル、シャモット煉瓦、軽量断熱キャスタブル、断熱ボードの少なくとも１種を用いることができる。
【００１７】
前項（５）に記載の発明によれば、底板の開口部の開口比率が３０％以上であるから、大きな磁力を確実に溶湯に作用させることができる。
【００１８】
前項（６）に記載の発明によれば、溶湯撹拌装置との隙間に、冷却媒体が供給されるから、炉床部材の温度上昇による溶湯撹拌装置の永久磁石の高温劣化を抑制することができるとともに、溶湯撹拌装置と底板との距離を短くでき、さらに大きな磁力を溶湯に作用させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、この発明の一実施形態に係るアルミニウム溶解・保持炉の概略構成を示す縦断面図、図２は底面図である。
【００２０】
発明者らは、まず、市販の高磁力が得られるＮｄ−Ｆｅ系磁石などを用いた永久磁石式アルミニウム溶湯攪拌装置１０によって、その磁力がどの程度の攪拌力を得られるか精査し、攪拌力を最大にする要件をまとめた。
【００２１】
その結果、
（ａ）永久磁石式アルミニウム攪拌装置１０の上面（永久磁石面）から溶融アルミニウムニウム（溶湯）２０までの距離を４００mm以下にする。
（ｂ）永久磁石式アルミニウム溶湯攪拌装置１０の上面から保持炉１の底部を構成する炉床部材２までの距離を５０mm以下にする。
【００２２】
（ｃ）攪拌を呼び起こす磁力が横切るエリアにあたる部分において、炉床部材２の下面を被覆する鉄系材料からなる底板板は無い方がよい。
との結論を得た。
【００２３】
しかし、背景技術の項目でも述べたように、従来一般の保持炉はこれらを阻害する構造を有している。そこで、まず、炉の耐火材構造に注目した。
【００２４】
従来一般の炉における炉床部材２は、溶融アルミニウムニウム側から、第１層として、耐火度の高い、耐火煉瓦やキャスタブルが施工される。その厚みは煉瓦なら２３０mm程度からキャスタブル施工で３００〜４００mmにもなる。また、第２層には、第１層よりは耐火度は落ちるが、適度な耐火度に断熱性を持った煉瓦やキャスタブルが用いられ、その厚みは１００から２００mmに施工される。第３層には、断熱性能に優れた煉瓦または軽量キャスタブルが施工される。その厚みはやはり１００〜２００ｍｍである。
【００２５】
第４層には、非常に断熱性のよい２５〜５０ｍｍの断熱ボードが採用されることが多い。その下方のケーシング材としての底板３と断熱ボードの間に、耐熱繊維が敷かれることもある（厚さ１０ｍｍ程度）。
【００２６】
また、前記底板３には厚み３〜９ｍｍ程度のＳＳ鋼やＳＵＳ鋼等の鉄系材料が用いられている。
【００２７】
このような構成によって、炉床部材２の厚みは、薄くても４５０ｍｍを超える炉が多い。
【００２８】
また、ルツボ４を使用した炉では、耐火材構造は一般的な反射炉に比べると薄くは設計するものの、同様な耐火材構造に加え、ルツボ４そのものの厚み（５０ｍｍ程度）やルツボ台（高さ３０〜８０ｍｍ）と呼ばれる固定台を用いるのが一般的である。
【００２９】
そこで、この実施形態では、上記のような従来の構造を、根本から見直した。つまり、
［１］溶融アルミニウムニウム（溶湯）側の最上層には、耐火度の高い耐火物を用いる。しかも煉瓦状のものではなく板状の耐火材が必要となる。
［２］その下は一般的に用いられている、ハイアルミナ煉瓦、シャモット煉瓦等の耐火材や断熱材を用いるが、例えば煉瓦なら長片を用いず、短片側などを用いることで厚みを抑える。
［３］断熱ボードなども用いても良いが、厚みを抑えるため、従来の半分程度におさえる。
［４］最下層が［２］や［３］のままでは、煉瓦が崩れたり、ボードが割れたりし、耐火材が維持できなくなる可能性が高い。従って、最下層には熱に強く、高強度な材質で板形状の耐火材が必要とされる。
【００３０】
そこで、これらを総合的に鑑みながら設計を行なったところ、炉床部材２の最上層（溶融アルミニウムニウム側）と最下層（底板側）には、窒化珪素や炭化珪素の板材が適していることがわかった。このため、炉床部材２の耐火材構成は、これら２０〜６０ｍｍ程度の外側耐火材層２１、２２としての上下の窒化珪素板または炭化珪素板により、内側耐火材層２３をサンドウィッチする構造とした。ただし、このサンドウィッチ構造は、炉床部材２の少なくとも一部に含まれていればよく、サンドウィッチ構造の外側耐火材層２１、２２のさらに外側に、別の耐火材が配置されることを排除するものではない。
【００３１】
この構造において、永久磁石式アルミニウム攪拌装置１０の上面（永久磁石面）から溶融アルミニウムニウム（溶湯）２０までの距離を４００mm以下にすることが可能となった。
【００３２】
理想的には、２０〜４０mm程度の窒化珪素板からなる上下の外側耐火材層２１、２２の間に、内側耐火材層２３として、耐火材（煉瓦又はキャスタブル）を１００ｍｍ以下、断熱材（煉瓦またはキャスタブル又は断熱ボード）を１００ｍｍ以下にして挟み込み、総厚で２５０ｍｍ以下にすることが望ましい。
【００３３】
なお、上記構造では、炉床部材裏面（最下層の耐火材表面）の温度が１５０〜２５０℃近くまで上昇し、このままでは溶湯撹拌装置１０における永久磁石の劣化が心配されるため、攪拌装置１０の上面から炉床部材２の下面までの距離を５０mm以下にすることが困難となる場合がある。
【００３４】
そこで、永久磁石式アルミニウム溶湯攪拌装置１０の本体内に磁石保護のための装置内冷却機構を設けることと併せて、あるいは単独で、永久磁石の高温劣化を防ぐ目的で、攪拌装置１０と保持炉１との隙間に冷媒を供給するための冷媒供給手段を設けることが推奨される。
【００３５】
攪拌装置１０と底板３との隙間５の大きさＬは１０〜１５ｍｍであり、その隙間５に冷却媒体を流し、永久磁石の温度上昇を抑制する。冷却媒体の種類は特には規定しないが、エアーで十分であり、その流量は６〜１５Ｌ/min程度でよい。
【００３６】
次に、炉床部材２の下面に配置される鉄製の板状ケーシング材（底板３）について説明する。
【００３７】
一般に、保持炉１は鉄またはＳＵＳ板などの鉄系材料からなる板材で底部と側面部をケーシングし、その中に耐火材を組みあげて製作される。ルツボ炉はさらにその中にルツボ４を配置する。
【００３８】
しかし、その構造では永久磁石式アルミニウム溶湯攪拌装置１０と炉床部材２（ひいてはその上部に位置するアルミニウム溶湯２０）との間に、ケーシングの底板３で隔壁を設けることになる。つまりは磁力の通過が底板３によって阻害されることとなる。
【００３９】
本実施形態では、溶湯２０の攪拌を生じさせる磁力が横切るエリア、換言すれば撹拌装置１０の上方位置において、図２に示すように底板３に開口部６が形成されており、炉床部材２がむき出しに見える状態にすることによって、底板３により磁力が遮蔽される影響を少なくするものとなされている。
【００４０】
ただし、底板３に単に開口部６を形成しただけでは構造体としての強度不足や炉床部材２が脱落するなどの不具合が予想される。開口部６の比率について調査を重ねたところ、開口部比率が３０％以上から遮蔽の影響を少なくする効果が見られた。なお、開口部比率とは、撹拌装置１０の永久磁石が回転するときに永久磁石の最外端部で形成される円に対向する部分の底板３の面積（永久磁石の磁力が横切るエリアの総面積）のうち、底板３によって遮蔽されていない面積の比率をいう。
【００４１】
前述したサンドウィッチ構造の炉床部材２と、前記開口された底板３を同時に備えたものに構成しても良いし、少なくとも一方のみを備えても良いが、同時に備えさせることにより、底板３の開口部比率を上げることが可能となり、理想的には６０〜７５％の開口比率を実現することができる。
【００４２】
また、開口部６からの炉床部材の脱落を防止するために、開口部６を横断する十字プレート３１で補強する方法や、開口部６をスリット状に形成する方法、パンチングメタルのような元板が連続体でないもので底板３を構成しても良い。
【実施例】
【００４３】
次にこの発明の実施例を説明する。
【００４４】
図１に示したような、るつぼ式の円形溶解・保持炉１を製作した。るつぼ４は黒鉛製のものとした。
【００４５】
また、炉床部材２については、上層から市販のハイアルミナ煉瓦からなる耐火材２４、市販のＢ１煉瓦からなる断熱材２５、断熱ボード２６の三層構造からなる内側耐火材層２３を、本実施品例１では窒化珪素板から構成される上下の外側耐火材層２１、２２で挟んだサンドウィッチ構造とした。また本発明実施品例２及び比較品例１では、上下の外側耐火材層２１、２２を設けることなく、内側耐火材層２３のみとした。
【００４６】
炉床部材２の下面に位置するケーシングとしての底板３はＳＵＳ製とし、本発明実施品例１、２では底板３に開口部６を設けた。また、前記炉床部材２の下方に永久磁石式の溶湯撹拌装置１０を配置した。なお、図１に示す符号７は溶解保持炉１を支持する支持脚部である。
【００４７】
また、本発明実施品例１では、溶湯撹拌装置１０と底板３との隙間５に、流量１０Ｌ/minで冷却用のエアーを供給した。
【００４８】
以上の構成の溶解・保持炉１において、各構成部分の寸法、底板３の開口部比率、アルミニウム溶湯２０の重量等を表１のように設定するとともに、溶湯撹拌装置１０の永久磁石を一定回転で回転させた。
【００４９】
そのときのアルミニウム溶湯２０の回転数を調査した。
【００５０】
その結果を表１に併せて示す。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
表１の結果から理解されるように、比較品例１では、溶湯撹拌装置１０と溶湯２０との距離が大きく、かつ開口部６のないＳＵＳ製の底板３によって磁力が遮蔽されるため、溶湯回転数が少なかった。
【００５３】
これに対し、底板３に開口部６を設けた実施品例２では、溶湯撹拌装置１０と溶湯２０との距離は同じであるものの、底板３の開口部６の存在によって永久磁石が遮蔽されるのが抑制されるため、比較品例１に比べて溶湯回転数が大きかった。
【００５４】
また、内側耐火材層２３の上下を窒化珪素板で被覆し、かつ底板３に開口部６を設けた実施品例１では、溶湯撹拌装置１０と溶湯２０との距離が短く、また底板３の開口部６の存在によって永久磁石の磁力が遮蔽されるのが抑制されるため、実施品例２に比べて溶湯回転数が一段と大きくなった。
【００５５】
また、外側耐火材層２１、２２を窒化珪素板から炭化珪素板に代えて、同一の試験を行ったところ、同様の結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】この発明の一実施形態に係る溶解・保持炉の概略構成を示す盾断面図である。
【図２】図１の溶解・保持炉の底面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１    溶解・保持炉
２    炉床部材
３    底板
５    隙間
６    開口部
２１、２２  外側耐火材層
２３        内側耐火材層
【図１】
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【図２】
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