(57)【要約】【課題】水蒸気爆発の危険性がなく、ガスシール機能を有した誘導加熱溶融炉を提供すること。【解決手段】電磁誘導加熱式の溶融炉本体を耐火物２とその外側を覆う金属製の炉殻３とで構成し、金属製の炉殻３は円周方向に複数個に分割して電気的に絶縁し、金属製の炉殻３の外周に誘導加熱コイル４とコ字型の鉄心５を複数個設置すると共に、炉殻３の円周方向の分割部分であって、且つ鉄心５の両端面が前記金属製の炉殻と向かい合う部分には、鉄心５の端面の面積よりも広い開口部６を金属製の炉殻３に形成して、磁束を通過させるようになした。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁誘導加熱式の溶融炉本体を耐火物とその外側を覆う金属製の炉殻とで構成し、該金属製の炉殻は円周方向に複数個に分割して電気的に絶縁し、該金属製の炉殻の外周に誘導加熱コイルとコ字型の鉄心を複数個設置すると共に、前記炉殻の円周方向の分割部分であって、且つ前記コ字型の鉄心の両端面が前記金属製の炉殻と向かい合う部分には、前記鉄心端面の面積よりも広い開口部を金属製の炉殻に形成して、磁束を通過させるようになしたことを特微とする誘導加熱溶融炉。
【請求項２】
金属製の炉殼の開口部とコ字型の鉄心の端面との間隙部を、絶縁板でシールしたことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱溶融炉。
【請求項３】
金属製の炉殻の開口部に連通するスリットを誘導加熱コイル側の金属製の炉殻に形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の誘導加熱溶融炉。
【請求項４】
電磁誘導加熱方式の溶融炉の電源の周波数は商用周波数であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の誘導加熱溶融炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属及び都市ごみ、産業廃棄物、都市ごみの焼却灰等の廃棄物の中に含まれる金属を溶融する電磁誘導加熱式の誘導加熱溶融炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属の溶融炉としては、キュポラや誘導加熱溶融炉、アーク炉などがあるが、誘導加熱溶融炉はガス発生もなく作業環境がよく、溶鋼温度調節が容易で、任意の雰囲気で溶解ができ、コークスや黒鉛電極のような消耗品がないなどの特徴があり、広く利用されている。
【０００３】
誘導加熱溶融炉の構造は、誘導加熱コイルの内側に耐火物のライニングを施工して容器を形作り、耐火物の容器の中に被加熱物である金属を装入し、電磁誘導作用により金属に電流を流してジュール熱を発生させて加熱溶融するというものである。また、誘導加熱コイルはコイルを流れる電流によってジュール熱が発生するため、コイルを管状として中に水を通して冷却する。
【０００４】
このような誘導加熱溶融炉の基本的な構造としては、例えば特許文献１に見られるように、耐火物の容器（通常、るつぼと呼ぶ）に接触して、誘導加熱コイルが設けられている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−７９７６７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１に見られるような従来の誘導加熱溶解炉では、溶融金属の入った耐火物の容器の外側に接して、水冷のコイルが設置されているため、耐火物が損耗して溶融金属が容器から漏れた場合、水冷コイルが溶損し、溶融金属と水が接触して水蒸気爆発が起きる危険性がある。
【０００７】
また、これを廃棄物溶融炉などに適用する場合、溶融炉内には廃棄物の熱分解ガスである一酸化炭素や炭化水素等が充満し、しかも圧力は最大で１０００ｍｍＨ２Ｏ程度あるため、炉内ガスが漏れないようにガスシールする必要があるが、耐火物の容器は高熱下で微細な亀裂が発生するためガスシール性はなく、誘導加熱コイルも銅管を螺旋状に巻いた構造であるためガスシール機能はない。ガスシールをするために、誘導加熱コイルを外部から金属製の容器で覆い、耐火物の中に埋め込むことも考えられるが、そのような構造では誘導加熱コイルの絶縁が困難であり、さらに水冷コイルが何らかの理由で損傷して水が漏れた場合、漏れた水は溶融炉の外部に排出されることなく、溶融炉内の溶融金属に混入する恐れがあり、水蒸気爆発の危険性がある。
【０００８】
一方、耐火物の容器の外側を金属製の炉殻で覆い、金属製の炉殻の外側に誘導加熱コイルを設置することによって、溶融炉内のガスシールをすることは可能であるが、この場合、金属製の炉殻に誘導電流が流れて炉殻が加熱されて溶損する恐れがあり、しかも炉殻に流れる誘導電流は被加熱物を加熱することなく、損失となる。
【０００９】
上述のように、従来の誘導加熱溶解炉では溶融金属と冷却水の接触による水蒸気爆発の危険性があること、溶融炉内のガスシール機能がないこと等の欠点がある。また、これらの欠点を改善するために、耐火物の容器と誘導加熱コイルの間に金属製の炉殼を設けると、炉殼自体が加熱され熱損失となる等の問題があり、それを回避する技術は開示されていない。
【００１０】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、水蒸気爆発の危険性がなく、ガスシール機能を有した誘導加熱溶融炉を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の誘導加熱溶融炉では、電磁誘導加熱式の溶融炉本体を耐火物とその外側を覆う金属製の炉殻とで構成し、該金属製の炉殻は円周方向に複数個に分割して電気的に絶縁し、該金属製の炉殻の外周に誘導加熱コイルとコ字型の鉄心を複数個設置すると共に、前記炉殻の円周方向の分割部分であって、且つ前記コ字型の鉄心の両端面が前記金属製の炉殻と向かい合う部分には、前記鉄心端面の面積よりも広い開口部を金属製の炉殻に形成して、磁束を通過させるようになしたことを特微とする。
【００１２】
本発明の誘導加熱溶融炉では、金属製の炉殼の開口部とコ字型の鉄心の端面との間隙部を、絶縁板でシールする。金属製の炉殻の開口部に連通するスリットを誘導加熱コイル側の金属製の炉殻に形成してもよい。また、電磁誘導加熱方式の溶融炉の電源の周波数は商用周波数とすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の誘導加熱溶融炉では、図１に示すように、溶融金属１の入った耐火物製の容器２を金属製の炉殻３で覆い、金属製の炉殻３の外側に誘導加熱コイル４を設置することによって、溶融炉内のガスシールを行い、かつ水蒸気爆発を防止する。即ち、誘導加熱コイル４が損傷して冷却水が漏れても溶融炉内に水が侵入することはなく、また耐火物が溶損して溶融金属１が溶融炉の外に漏れても、誘導加熱コイル４内の冷却水と接触する恐れはない。
【００１４】
上記の金属製の炉殻３を連続した一体構造とすると、誘導電流が流れて炉殻自体が加熱・溶融する恐れがあることは既に述べた通りである。そのため、図２に示すように、金属製の炉殻３を縦に切断して、円周方向に複数個に分割して電気的に絶縁し、該金属製の炉殻３の外周に誘導加熱コイル４とコ字型の鉄心５を複数個設置すると共に、該鉄心５の両端面が前記金属製の炉殻３と向かい合う部分には、前記鉄心５の端面の面積よりも広い開口部６を金属製の炉殻３に形成して、磁束を通過させるようになした。
【００１５】
金属製の炉殻３が、誘導加熱される挙動を考える場合、二つのケースに分けて考える必要がある。図１において、誘導加熱コイル４の上下端よりも内側、即ち中央の部分Ａ部と誘導加熱コイル４の上下端のそれぞれ上側及び下側の部分Ｂ部では、炉殻３を通る磁束の方向が異なる。即ちＡ部では炉殻３に平行に磁束が通り、Ｂ部では炉殻３に垂直に磁束が通る。
【００１６】
磁束が炉殻３に平行に通るＡ部においては、周波数と加熱可能な被加熱物の板厚の間に一定の関係があり、周波数が低くなれば板厚の薄い被加熱物を加熱することができなくなることが、理論的に知られている。それを求める計算式は下記式で示され、炉殻３の板厚が浸透深さδより薄くなれば加熱され難くなる。
【００１７】
δ＝５０３×（ρ／（ｆμ））１／２
ここで、δ＝浸透深さ（ｍ）
ｆ＝誘導加熱電源の周波数（Ｈｚ）
ρ＝被加熱物の固有電気抵抗（Ωｍ）
μ＝被加熱物の比透磁率
炉殻３としてステンレス鋼を使用し、電源として商用周波数を採用すれば、誘導加熱電源の周波数＝６０Ｈｚ、被加熱物の固有電気抵抗＝６×１０−５Ωｍ、被可熱物の比透磁率＝１であるから、浸透深さδ＝０．０５ｍとなる。
【００１８】
したがって、板厚が１０ｍｍ程度のステンレス鋼を使用すれば加熱されることはない。なお、ステンレス鋼を採用する理由を説明すると、普通鋼は比透磁率が大きいため浸透深さが小さくなり、したがって同じ板厚の鋼板を使用した場合、加熱されやすいから不利である。また、銅は固有電気抵抗が小さいため、浸透深さが小さくなり、同じ板厚とすれば、誘導電流が多く流れて加熱されやすいことが、実験で確認された。
【００１９】
また、電源の周波数は低いほど浸透深さは大きくなり、炉殻３は加熱され難くなる。同様の計算を行えば、２００Ｈｚ程度以下の周波数が採用可能であるが、商用周波数（５０又は６０Ｈｚ）にすれば、電源の制作費も安価で経済的である。
【００２０】
以上のことから、Ａ部においては円周方向に複数個分割した板厚が５〜１０ｍｍ程度のステンレス鋼を使用することによって、炉殻３が加熱・溶融することはない。
【００２１】
Ｂ部においては、磁束が炉殻３に垂直に通るため、ステンレス鋼を採用しても渦電流が発生して加熱される。そのために本発明では、金属製の炉殻３の外周に誘導加熱コイル４を囲むようにコ字型の鉄心５を複数個設置すると共に、鉄心５の両端面が前記金属製の炉殻３と向かい合う部分には、前記鉄心５の端面の面積よりも広い開口部６を金属製の炉殻３に形成して、磁束を通過させるようにした。
【００２２】
鉄心５は珪素鋼製であり透磁率が大きいため、磁束は集中して鉄心５を通り、炉殻３を磁束が通過しないため、渦電流の発生もなく、炉殻３が発熱することもない。鉄心５を円周方向に６カ所設置することで、磁束は鉄心５を通り、炉殻３をほとんど通らないことを試験的に確認した。なお、鉄心５は珪素鋼の薄板を積層して作られているため、多量の磁束が通っても、発熱することはない。
【００２３】
また、図２に示すように円周方向の分割箇所と鉄心５が金属製の炉殻３と向かい合う部分に形成される開口部６の位置とを一致させることによって、開口部６の周囲を回るように流れる誘導電流の発生を防止することができる。さらに、金属製の炉殻３に形成された開口部６において、図４に示すように、開口部６に連通するスリット１０を誘導加熱コイル４側の金属製の炉殻３に形成することによって、開口部６の周囲を流れる誘導電流をさらに低減することができる。
【００２４】
誘導加熱溶融炉にガスシール機能を持たせるために、炉殻３の円周方向の分割部を図３に示すように、ステンレス鋼製のシール用板７と炉殻３を、絶縁板８を挟んで、絶縁ボルト９で締結する。そうすることによって、電気的に絶縁して、かつガスシールをすることができる。金属製の炉殻３の開口部６と、コ字型の鉄心５の端面との間隙部についても、同様に絶縁板を挟んで、絶縁ボルトで締結して間隙をシールする。
【００２５】
【実施例】
実施例１
本発明の実施例を図１に示す。耐火物製の容器２は金属製の炉殻３で覆われている。金属製の炉殻３は板厚５ｍｍのステンレス鋼で製作した。金属製の炉殻３の外側に誘導加熱コイル４とコ字型の鉄心５が設置されている。誘導加熱コイル４に交流電流を流すことによって、溶融金属１が誘導加熱されて溶融する。溶融金属１は鉄である。
【００２６】
図２は金属製の炉殻３の展開図である。金属製の炉殻３は縦に切断して、円周方向に六分割とした。鉄心５の両端面が金属製の炉殻３と向かい合う部分には、開口部６を炉殻３に形成した。また、開口部６の位置は金属製の炉殻３の円周方向の分割箇所と一致している。
【００２７】
図３は金属製の炉殻３の分割箇所のガスシール方法を示す図である。シール用板７と金属製の炉殻３を絶縁板８を挟んで絶縁ボルト９を締結した。なお、絶縁ボルト９は、金属製のボルトに絶縁性のスリーブと座金とを組み合わせて作られたボルトである。
【００２８】
図４は金属製の炉殻３に形成された開口部６に連通した、スリット１０を示す。スリット１０によって、開口部６の周囲を流れる誘導電流をさらに低減することができた。
【００２９】
以上述べた構造の誘導加熱溶融炉は、ガスシール機能を有し、水蒸気爆発の危険性が無く、また金属製の炉殻の電気的な損失も３％以下とすることができた。
【００３０】
実施例２
図５は本発明を適用した廃棄物溶融炉の縦断面図である。廃棄物及び副原料としてコークスを装入装置１２から溶融炉１１に装入し、炉下部の羽口１３から酸素富化空気を吹き込み、コークス及び廃棄物中の可燃物を燃焼させ、燃焼熱によって廃棄物を溶融炉内で順次、予熱・乾燥・熱分解させてガス化する。溶融炉の炉底には溶融メタル１５と溶融スラグ１６が貯留する。溶融炉１１に隣接して後炉１４を設け、溶融炉１１の炉底部と後炉１４とを連接せしめ、溶融スラグ１６と溶融メタル１５は各々溶融スラグ排出口１８と溶融メタル排出口１９から排出される。溶融炉１１の外側は金属製の炉殻２０で覆われており、その外側に誘導加熱コイル１７とコ字型の鉄心２１が設置されている。炉殻２０は、実施例１と同様に円周方向に六分割とし、鉄心２１の両端面が金属製の炉殻２０と向かい合う部分には、開口部２２を炉殻２０に形成した。
【００３１】
以上の構成において、誘導加熱コイル１７に６０Ｈｚの交流電流を流して、炉底の溶融メタル１５を誘導加熱する。それによって、炉底に貯留した溶融メタル１５が放散熱で温度が低下して、地金として付着・成長することなく、連続操業ができた。また、溶融炉１１内の圧力は最大で１０００ｍｍＨ２０であったが、炉内ガスが漏れることもなかった。また、誘導加熱電力における金属製の炉殻２０の誘導加熱による損失は３％程度であった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によって、以下の効果を奏することができる。
【００３３】
１）溶融金属の入った耐火物製の容器を金属製の炉殻で覆い、金属製の炉殻の外側に誘導加熱コイルを設置することによって、溶融炉内のガスシールを行い、且つ溶融金属と誘導加熱コイル内の冷却水との接触による水蒸気爆発を防止することができる。
【００３４】
２）炉殻を円周方向に分割し、且つ鉄心の両端面が炉殻と向かい合う部分に開口部を設けることによって、金属製の炉殻に流れる誘導電流を低減し、炉殻が加熱されることを防止し、誘導加熱の電力の損失を低減することができる。
【００３５】
３）炉殻の開口部や分割部において、シール用板と炉殻を絶縁板を挟んで締結することによって、ガスシール機能を高めることができる。
【００３６】
４）炉殻の開口部に連通するスリットを誘導加熱コイル側の炉殻に設けることによって、炉殻に流れる誘導電流を低減することができる。
【００３７】
５）商用周波数数の電源を採用することによって、金属製の炉殻に流れる誘導電流を低減できるとともに、設備費も低減できるため経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を示す図である。
【図２】金属製の炉殻を展開した状態を示す図である。
【図３】金属製の炉殻の隙間のシール状態を示す図である。
【図４】炉殻に設けた開口部を示す図である。
【図５】本発明の実施例２を示す図である。
【符号の説明】
１　溶融金属
２　耐火物製の容器
３　金属製の炉殻
４　誘導加熱コイル
５　鉄心
６　開口部
７　シール用板
８　絶縁板
９　絶縁ボルト
１０　スリット
１１　溶融炉
１２　装入装置
１３　羽口
１４　後炉
１５　溶融メタル
１６　溶融スラグ
１７　誘導加熱コイル
１８　溶融スラグ排出口
１９　溶融メタル排出口
２０　金属製の炉殻
２１　鉄心
２２　開口部
【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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