(57)【要約】【課題】鋳物用溶湯の製造工程における生産性とエネルギ効率を高めることである。【解決手段】Ｃ含有量やＳｉ含有量が鋳物製品Ｃのレベルに近く、かつ、嵩比重が大きい鋳物用銑鉄と鋳物屑との原料Ａへの合計配合率を８０質量％以上、好ましくは９０質量％以上とし、この原料Ａに鋼屑、加炭材および加珪材のうちの１種以上を合計２０質量％未満、好ましくは１０質量％未満の配合率で配合し、目標成分の鋳物用溶湯Ｂが得られるように高周波誘導炉１への原料Ａの配合を行なうことにより、原料Ａの分割装入と溶け落ち後の成分調整を不要にし、生産性とエネルギ効率を高めることができるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を溶解炉で溶解して、鋳物用溶湯を製造する鋳物用溶湯の製造システムにおいて、前記原料への鋳物用銑鉄と鋳物屑との合計配合率を８０質量％以上とし、この原料に鋼屑、加炭材および加珪材のうちの１種以上を合計２０質量％未満の配合率で配合して、前記鋳物用溶湯の成分組成を調整するようにしたことを特徴とする鋳物用溶湯の製造システム。
【請求項２】
前記鋳物用銑鉄と鋳物屑の配合比を５対５以上と鋳物用銑鉄の配合量を多くした請求項１に記載の鋳物用溶湯の製造システム。
【請求項３】
前記鋳物用銑鉄の共晶飽和度を０．９〜１．１とした請求項１または２に記載の鋳物用溶湯の製造システム。
【請求項４】
前記鋳物用銑鉄の嵩比重を３．５以上とした請求項１乃至３のいずれかに記載の鋳物用溶湯の製造システム。
【請求項５】
前記溶解炉を誘導加熱式の誘導炉とした請求項１乃至４のいずれかに記載の鋳物用溶湯の製造システム。
【請求項６】
前記誘導炉の電力密度を１．０ｋＷ／ｋｇ以上とした請求項５に記載の鋳物用溶湯の製造システム。
【請求項７】
前記誘導炉の炉内高さを誘導加熱コイルの有効高さの２倍以内とした請求項５または６に記載の鋳物用溶湯の製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生産性とエネルギ効率に優れた鋳物用溶湯の製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳物製品は、原料をキュポラや誘導加熱式の誘導炉等の溶解炉で溶解し、溶解された鋳物用溶湯を砂型等の鋳型で鋳造することにより製造されている。鋳物用溶湯の原料には、高炉から得られる鋳物用銑鉄、鋳物屑、鋼屑等が用いられており、これらの原料に、低炭素量に調整するための鋼屑、加炭材としての黒鉛、加珪材としてのフェロシリコン等を配合して、鋳物用溶湯の成分組成が調整されている。
【０００３】
近年、種々の鋼製品から発生する鋼屑は、粗鋼の原料としてのみでなく、鋳物用溶湯の原料としても多く使用されている。現状における鋳物用溶湯の原料への鋼屑の配合率は４５質量％程度であり、鋼屑が最も配合率の多い主原料となっている。残りは、鋳物用銑鉄の配合率が１５質量％程度、鋳物屑の配合率が４０質量％程度である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような鋼屑の配合率が多い原料から鋳物用溶湯を製造する従来のシステムでは、以下の問題がある。
・  ほとんどの鋼屑はＣ含有量が１質量％以下、最も多く発生する薄鋼板の鋼屑の大半はＣ含有量が０．１質量％以下と、Ｃ含有量が鋳物用溶湯に必要なレベルよりも大幅に少なく、Ｓｉ含有量も少ないので、溶湯の成分調整に多量の加炭材や加珪材を必要とし、成分調整に時間と手間がかかる。
・  鋼屑は嵩比重が小さいので、溶解炉に原料を装入したときの充填密度が低くなり、原料を数回から十数回に分けて分割装入する必要がある。
・  近年の鋼屑は添加元素が多いものや、めっき等の表面処理を施したものが多いので、溶湯に不適切な元素が混入する。
【０００５】
また、バッチ式の溶解炉である誘導炉を使用する場合は、さらに以下の問題もある。
・  上述した成分調整や原料の分割装入のために、１チャージの溶解時間が１時間以上と長くなる。
・  この溶解時間の延長に伴う生産性の低下を補うために大型の溶解炉を使用すると、１チャージを何回にも分けて分割出湯するのに時間がかかるので、その間の温度降下を考慮して溶湯温度を高くする必要があり、エネルギ効率が低下する。
・  上述した分割装入や分割出湯の際には炉蓋を開けて操業する必要があり、エネルギロスが多くなって、さらにエネルギ効率が低下する。
【０００６】
以上のように、従来の鋳物用溶湯の製造システムは、元来鋳物製品とＣ含有量のレベルが大幅に異なり、かつ、嵩比重が小さくて、成分元素も多様である鋼屑を大量に配合することに起因して、生産性とエネルギ効率が低くなっており、高生産性と省エネルギが追求される時代にあって、鋳物業界の死活に関わる大きな問題となっている。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、鋳物用溶湯の製造工程における生産性とエネルギ効率を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、原料を溶解炉で溶解して、鋳物用溶湯を製造する鋳物用溶湯の製造システムにおいて、前記原料への鋳物用銑鉄と鋳物屑との合計配合率を８０質量％以上とし、この原料に鋼屑、加炭材および加珪材のうちの１種以上を合計２０質量％未満の配合率で配合して、前記鋳物用溶湯の成分組成を調整するシステムを採用した。
【０００９】
すなわち、Ｃ含有量やＳｉ含有量が最終製品である鋳物のレベルに近く、かつ、嵩比重が大きい鋳物用銑鉄と鋳物屑との合計配合率を８０質量％以上、好ましくは９０質量％以上とし、この原料に鋼屑、加炭材および加珪材のうちの１種以上を合計２０質量％未満、好ましくは１０質量％未満の配合率で配合し、目標成分の鋳物用溶湯が得られるように溶解炉への装入原料の配合を行なうことにより、原料の分割装入と溶け落ち後の成分調整を不要にし、生産性とエネルギ効率を高めることができるようにした。また、鋼屑の配合率を著しく低減して、溶湯への不適切な元素の混入を抑制することもできる。
【００１０】
前記鋳物用銑鉄と鋳物屑との合計配合率を８０質量％以上としたのは、溶湯の成分調整用の鋼屑、加炭材、加珪材の合計配合率は２０質量％未満で十分であるからであり、鋳物用銑鉄と鋳物屑との合計配合率は９０質量％以上とするのが好ましく、溶湯の成分調整が不要な場合は、鋳物用銑鉄と鋳物屑との合計配合率を１００質量％とすることもできる。
【００１１】
前記鋳物用銑鉄と鋳物屑の配合比を５対５以上、好ましくは７対３以上と鋳物用銑鉄の配合量を多くすることにより、成分組成が明らかな鋳物用銑鉄の配合量を多くして、溶湯の成分調整をより容易にすることができる。
【００１２】
前記鋳物用銑鉄の共晶飽和度を０．９〜１．１とすることにより、溶湯の溶解温度を低くして、エネルギ効率をさらに高めることができる。よく知られているように、Ｆｅ−Ｃ系平衡状態図における共晶点は、炭素当量（ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／３．２）が４．２３質量％のときであり、溶解温度が最も低くなる共晶点との近さを表すパラメータである共晶飽和度は次式で表される。
共晶飽和度＝  Ｃ／（４．２３−Ｓｉ／３．２）                          （１）
ここに、Ｃ、Ｓｉはそれぞれの元素の質量％であり、共晶飽和度＝１．０のときに共晶点となる。
【００１３】
前記鋳物用銑鉄の嵩比重を３．５以上とすることにより、原料を溶解炉に装入したときの充填密度を十分に高くして、原料の分割装入を不要とすることができる。
【００１４】
前記溶解炉を誘導加熱式の誘導炉とすることにより、１チャージの溶解時間を短縮し、かつ、炉蓋を開ける回数と時間も少なくして、生産性とエネルギ効率を高める効果をより大きく発揮することができる。
【００１５】
前記誘導炉の電力密度を１．０ｋＷ／ｋｇ以上、好ましくは１．５ｋＷ／ｋｇ以上とすることにより、１チャージの溶解時間をさらに短縮することができる。なお、従来の誘導炉の電力密度は１．０ｋＷ／ｋｇ未満で、その半数以上は０．６ｋＷ／ｋｇ程度である。これは、従来の原料は嵩比重の低い鋼屑が多く配合されているので、炉内での原料の充填密度が十分に得られないからである。
【００１６】
前記電力密度αは、溶解量をＭｋｇ、投入電力をＷｋＷとして次式で定義される。
α  ＝  Ｗ／Ｍ                                                        （２）
溶湯温度を１４５０℃として溶湯の持つエネルギを３１２ｋｃａｌ／ｋｇ（＝０．３６３ｋＷｈ／ｋｇ）とすると、溶解時間ｔ（分）は、次式で表される。
ｔ  ＝（０．３６３×６０）／（α・η）                                （３）
ここに、ηは電力効率であり、（３）式の溶解時間ｔをグラフで表すと、図２のような電力密度αをパラメータとする双曲線となる。図２のグラフから分かるように、例えば、電力効率ηを６０％とすると、電力密度αが従来レベルの０．６ｋＷ／ｋｇのときの溶解時間ｔは、計算上６０．５分となり、電力密度αを１．０ｋＷ／ｋｇに上げると溶解時間ｔは３６．３分に短縮され、さらに電力密度αを上げると、１．５ｋＷ／ｋｇでは２４．２分、３．０ｋＷ／ｋｇでは１２．１分と溶解時間ｔが著しく短縮される。すなわち、従来は１チャージの溶解に６０分以上を要し、注湯待ち時間が長いバッチシステムとなっているのに対して、本発明に係る鋳物用溶湯の製造システムでは、溶解時間を著しく短縮し、注湯を行なっている間に次ロットの溶解を完了させて、注湯待ち時間をなくすことができ、その結果、ワンチャージ・ワンショットの実質的な連続溶解、注湯システムとすることもできる。
【００１７】
前記誘導炉の炉内高さを誘導加熱コイルの有効高さの２倍以内とすることにより、誘導炉の下部外周に配設される誘導加熱コイルで炉内下部の原料が溶解している間に、その上部にある原料が予熱され、熱エネルギを原料の溶解に効率よく活用することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の鋳物用溶湯の製造システムは、Ｃ含有量やＳｉ含有量が最終製品である鋳物のレベルに近く、かつ、嵩比重が高い鋳物用銑鉄と鋳物屑との合計配合率を８０質量％以上、好ましくは９０質量％以上とし、この原料に鋼屑、加炭材および加珪材のうちの１種以上を合計２０質量％未満、好ましくは１０質量％未満の配合率で配合して、鋳物用溶湯の成分組成を調整するようにしたので、溶湯の成分調整が容易になり、溶解炉への原料の分割装入の回数を減らすことができ、生産性とエネルギ効率を高めることができる。また、Ｃ含有量の少ない鋼屑の配合率を著しく低減することにより、吸熱反応で鉄中に溶解する加炭材の使用量を抑えることができるので、エネルギ効率の面でさらに有利になり、かつ、高張力鋼や表面処理鋼等の特性を高めるために添加されているＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｐ、Ｓ等、鋳鉄製品において一般的に好ましくないとされている元素の溶湯への混入を抑制することもできる。
【００１９】
前記鋳物用銑鉄と鋳物屑の配合比を５対５以上、好ましくは７対３以上と鋳物用銑鉄の配合量を多くすることにより、成分組成が明らかな鋳物用銑鉄の配合量を多くして、溶湯の成分調整をより容易にすることができ、溶湯の性状と成分の安定化、方案歩留りの向上、および不良率の低減につながる。さらに、鋳物用銑鉄の配合量を多くすることにより初期の原料装入段階で成分調整が正確にできるため、溶解中の成分調整が一切不要となる。
【００２０】
前記鋳物用銑鉄の共晶飽和度を０．９〜１．１とすることにより、溶湯の溶解温度を低くして、エネルギ効率をさらに高めることができる。
【００２１】
前記鋳物用銑鉄の嵩比重を３．５以上とすることにより、原料を溶解炉に装入したときの充填密度を十分に高くして、原料の分割装入を不要とすることができる。
【００２２】
前記溶解炉を誘導加熱式の誘導炉とすることにより、１チャージの溶解時間を短縮し、かつ、炉蓋を開ける回数と時間も少なくして、生産性とエネルギ効率を高める効果をより大きく発揮することができる。また、チャージサイクルタイムの短縮によって、炉を小型化しても十分な生産量を確保でき、多品種小ロット生産に対応可能となるとともに、設備コストを低減することができ、工場建屋の建設コストの低減や土地の利用効率向上も可能になる。さらに、作業環境を良好に保つこともできる。
【００２３】
前記誘導炉の電力密度を１．０ｋＷ／ｋｇ以上、好ましくは１．５ｋＷ／ｋｇ以上とすることにより、１チャージの溶解時間をさらに短縮することができる。
【００２４】
前記誘導炉の炉内高さを誘導加熱コイルの有効高さの２倍以内とすることにより、誘導炉の下部外周に配設される誘導加熱コイルで炉内下部の原料が溶解している間に、その上部にある原料が予熱され、熱エネルギを原料の溶解に効率よく活用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面に基づき、この発明の実施形態を説明する。図１は、本発明に係る鋳物用溶湯の製造システムを採用した鋳物製品の製造設備の概略を示す。この鋳物製品の製造設備は、装入される原料Ａを溶解する溶解炉としての誘導加熱式の高周波誘導炉１と、溶解された鋳物用溶湯Ｂから鋳物製品を鋳造する鋳型２とを備えている。高周波誘導炉１は、頂部に原料装入用の蓋１ａが設けられ、下部外周に誘導加熱コイル１ｂが配設されており、炉内高さＨは誘導加熱コイル１ｂの有効高さｈの２倍以内とされている。高周波誘導炉１で溶解された溶湯Ｂは取鍋３に出湯され、取鍋３から鋳型２の注湯口２ａに注湯されて、凝固後に鋳物製品Ｃが鋳型２から取り出される。
【実施例】
【００２６】
【表１】
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【００２７】
図１に示したような高周波誘導炉（炉容量５００ｋｇ、電力３７５ｋＷ、周波数５００Ｈｚ）を用いて、ダクタイル鋳鉄の鋳物用溶湯を製造した。表１に示すように、実施例１として、平均嵩比重が３．５５で共晶飽和度を０．９〜１．１の範囲に調整した鋳物用銑鉄を９７．５質量％配合した原料を用いた鋳物用溶湯の製造と、比較例として、高炉からそのまま得られた鋳物用銑鉄の配合率を１５．０質量％、鋳物屑の配合率を４０．０質量％、鋼屑の配合率を４３．０質量％とした従来用いられている平均的な配合率の原料を用いた鋳物用溶湯の製造とを行なった。実施例１の原料の残部は、２．４質量％が成分調整用の鋼屑、０．１質量％が黒鉛とフェロシリコンであり、原料の平均嵩比重は３．５５となっている。また、比較例の原料の残部は、２．０質量％が成分調整用の黒鉛とフェロシリコンであり、原料の平均嵩比重は０．９８となっている。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２は、上記実施例１と比較例の原料に用いた各鋳物用銑鉄の化学成分と、鋳物用溶湯の目標化学成分とを対比して示す。実施例１の原料に用いた鋳物用銑鉄は、Ｃ含有量が鋳物用溶湯の目標値に近く、共晶飽和度は１．０２７となっている。また、比較例の原料に用いた高炉からそのまま得られた鋳物用銑鉄は、Ｃ含有量が鋳物用溶湯の目標値よりもかなり高く、共晶飽和度は１．１８６となっている。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
表３は、上記実施例１と比較例の鋳物用溶湯の製造を５チャージずつ行なった結果を示す。原料投入量はいずれも５１７ｋｇ／チャージとし、表３に示した実施例１と比較例の各実績値は５チャージの平均値である。実施例１と比較例の各実績値を比較すると、まず、嵩比重の小さい鋼屑の配合率が多い比較例では、原料が５回に分けて分割装入されているのに対し、嵩比重が高く、かつ化学成分が明らかな鋳物用銑鉄の配合率を９７．５質量％とした実施例１では、原料装入を最初の１回だけとし、中間の原料装入を行なっていない。また、実施例１も比較例も同一の高周波誘導炉を使用しており、見掛けの電力密度はいずれも０．７３ｋＷ／ｋｇであるが、実際の電力密度（操業中の変動を考慮した平均電力密度）は、実施例１では０．７０ｋＷ／ｋｇであったのに対し、比較例では０．５１ｋＷ／ｋｇであった。これは、比較例では、原料の嵩比重が低いことと、成分調整時に電気出力をカットしていることのためである。その結果、溶解までの時間は実施例１と比較例とでそれほど差はなかったが、生産性を左右する溶湯の出湯開始までの時間は、比較例では７５．８分であったのに対し、実施例１では５４．９分と３０％近く短縮され、消費電力は、比較例で７１２．１ｋＷｈ／ｔｏｎであったのに対し、実施例１では６４２．０ｋＷｈ／ｔｏｎと約１０％低減されている。これらの製造実績の比較から、本発明に係る鋳物用溶湯の製造システムでは生産性とエネルギ効率を著しく向上できることが分かる。出湯開始までの時間と消費電力に大きな差が生じたのは、比較例において最後の装入原料が溶け落ちた後、温度を保持しながら成分調整を行なうのに時間がかかったためである。
【００３２】
表１乃至表３には、実施例２として、炉容量１０トンの実生産用高周波誘導炉を用い、１チャージ当りの溶解量を約２トンにして電力密度を通常の約２倍の１．２２ｋＷ／ｋｇに上げた溶解を１ヶ月間行なったときの平均実績データも併せて示す。実施例２の原料配合率は、鋳物用銑鉄７０．０質量％、鋳物屑２５．０質量％、鋼屑４．４質量％、黒鉛とフェロシリコン０．６質量％であり、平均嵩比重は３．００である。この場合も、実施例１の場合と同様に、中間の原料装入を行なっていない。この実施例２では、１チャージの出湯開始までの時間が２９．１分と、比較例に比べて約６０％、実施例１と比較しても約４６％短縮され、消費電力も６０３．８ｋＷｈ／ｔｏｎに低減されており、エネルギ効率も向上していることが分かる。これらは、比較例および実施例１に対して電力密度を上げたことによる効果である。
【００３３】
【表４】
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【００３４】
表４は、表３に示した実施例１および実施例２の実績データを基にして、それぞれの１チャージ当りの溶解量を少なくし、電力密度を３．０ｋＷ／ｋｇに上げた場合の溶解時間を推定した結果を示す。この推定結果から、電力密度を３．０ｋＷ／ｋｇまで上げることにより、出湯開始までの時間が注湯時間にほぼ等しい１０分程度になることが分かる。したがって、前述したワンチャージ・ワンショットの溶解システムが可能であることが推測される。また、そのような短時間サイクルで操業することにより、電力使用量が１日のうちで平準化され、需要電力（デマンド）を下げることができるものと考えられる。通常、需要電力の３０分毎の平均値（平均電力）の月間最大値（最大需要電力）が電力基本料金の算定基準として採用されているので、試算結果では、このようなワンチャージ・ワンショットの溶解システムで操業を行なうことにより、電力基本料金が２０〜３０％も下がることが期待される。
【００３５】
上述した本発明に係る鋳物用溶湯の製造システムは、結果としてＣＯ２の削減、すなわち地球温暖化防止にも役立つ。それは、鋳物用溶湯の製造における鋼屑の配合率を減らし、その分を鋼のリサイクルに回すことにより、鋼の製造において銑鉄を脱炭する量、すなわち、ＣＯ２の排出量を低減することができ、一方、鋳鉄の製造では、銑鉄に含まれる炭素をＣＯ２として排出することなく利用できるからである。本発明者の一人が試算したところによれば、わが国の鉄の業態系全体で年間１００万トンのＣＯ２の削減が可能となる。
【００３６】
上述した実施形態では、溶解炉に高周波誘導炉を用い、ダクタイル鋳鉄の鋳物用溶湯を製造したが、本発明に係る鋳物用溶湯の製造システムは、溶解炉に低周波誘導炉やキュポラを用いることもでき、ねずみ鋳鉄等の他の種類の鋳物用溶湯を製造することもできる。
【００３７】
また、上述した実施形態では、鋳物用溶湯を取鍋に出湯して、取鍋から鋳型に注湯するようにしたが、高周波誘導炉等の誘導炉を小型化してクレーンや軌道で移動可能とし、誘導炉から直接鋳型に注湯するようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る鋳物用溶湯の製造システムを採用した鋳物製品の製造設備を示す概略図
【図２】誘導炉における電力密度、電力効率と溶解時間の関係を示すグラフ
【符号の説明】
【００３９】
Ａ  原料
Ｂ  溶湯
Ｃ  鋳物製品
１  高周波誘導炉
１ａ  蓋
１ｂ  誘導加熱コイル
２  鋳型
２ａ  注湯口
３  取鍋
【図１】
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【図２】
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