(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属を基材とする装入物を溶解するための溶解室と前記装入物が前記溶解室で溶解されて形成された溶湯を吐出させるための溶湯吐出口とをもつ炉体と、
前記炉体に設けられ燃料を燃焼させて燃焼火炎を形成し前記燃焼火炎を前記溶解室内の前記装入物に噴出し且つ前記溶解室の前記装入物を溶解させる複数の燃焼バーナとを具備しており、
前記炉体を水平方向に沿って切断した断面図において、各前記燃焼バーナは、各前記燃焼バーナから噴出された燃焼火炎により前記溶解室の前記装入物に空洞状をなす空洞状溶解部を発生させ、隣接する複数の前記空洞状溶解部が前記溶解室の中心線を中心とする周方向に沿って重複するように、複数の前記燃焼バーナーは前記溶解室の中心線を中心とする周方向において１周しないように前記周方向に沿って前記溶湯吐出口側に配置されており、
前記装入物の溶解時において、各前記空洞状溶解部とその下流側に配置された前記溶湯吐出口とを連通させることを特徴とする金属溶解用ガスキュポラ。
【請求項２】
請求項１において、複数の前記燃焼バーナは、前記溶解室の中心線に対して放射方向に沿って扇形状に配置されていることを特徴とする金属溶解用ガスキュポラ。
【請求項３】
請求項１または２において、前記溶湯吐出口は、溶湯吐出口において上壁から下方に向けて突設されているサイホン仕切壁と、下壁から上向きに突設されている出口堰と、サイホン貯湯空間とを有することを特徴とする金属溶解用ガスキュポラ。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記炉体の前記溶解室と外気とを連通させ前記溶解室内の燃焼ガスを外気に排出させる排出通路と、前記排出通路を開閉させる開閉扉と、前記開閉扉を開閉方向に駆動させる駆動部とを具備することを特徴とする金属溶解用ガスキュポラ。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記溶湯吐出口側には、前記溶湯吐出口から吐出された溶湯を加炭および昇温させる加炭装置が配置されていることを特徴とする金属溶解用ガスキュポラ。
【請求項６】
請求項１〜５のうちの一項において、前記溶解室に酸素または空気を供給して前記溶湯の成分調整を行う注入装置が配置されていることを特徴とする金属溶解用ガスキュポラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋳鉄溶湯等の金属溶湯を製造する金属溶解用ガスキュポラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コークスの熱で銑鉄などの装入材を溶解させるコークスキュポラが知られている。更に、資源有効利用などの観点から、装入材を溶解させる燃焼火炎を生成させる燃焼バーナが装備されている金属溶解用ガスキュポラが、近年、知られている。更に、燃焼バーナにより燃焼火炎とコークスとを併用する金属溶解用ガスキュポラも知られている（特許文献１）。
【０００３】
更に、炉体の溶解室に燃焼バーナを装備した金属溶解炉が知られている（特許文献２）。
【特許文献１】特公昭５７−２７３８２号公報
【特許文献２】特開２０００−２７４９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した燃焼バーナの燃焼火炎で装入物を溶解させるガスキュポラによれば、燃焼火炎の溶融能力は必ずしも充分ではない。このため装入物を効率よく溶解させるには限界があった。また、燃焼バーナの燃焼火炎の他にコークスの熱で装入物を溶解させるガスキュポラによれば、コークスにより燃焼火炎の溶融能力は改善されるものの、燃焼バーナで燃焼させる燃料の他にコークスを別途必要とする。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃焼バーナの燃焼火炎で装入物を効率よく溶解させることができる金属溶解用ガスキュポラを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る金属溶解用ガスキュポラは、金属を基材とする装入物を溶解するための溶解室と前記装入物が前記溶解室で溶解されて形成された溶湯を吐出させるための溶湯吐出口とをもつ炉体と、前記炉体に設けられ燃料を燃焼させて燃焼火炎を形成し前記燃焼火炎を前記溶解室内の前記装入物に噴出し且つ前記溶解室の前記装入物を溶解させる複数の燃焼バーナとを具備しており、前記炉体を水平方向に沿って切断した断面図において、各前記燃焼バーナは、各前記燃焼バーナから噴出された燃焼火炎により前記溶解室の前記装入物に空洞状をなす空洞状溶解部を発生させ、各前記空洞状溶解部が重複するように前記燃焼バーナは配置されており、前記装入物の溶解時において、各前記空洞状溶解部と前記溶湯吐出口とを連通させることを特徴とする。
【０００７】
燃焼バーナは、各燃焼バーナから噴出された燃焼火炎を発生させ、燃焼火炎により、溶解室に装入されている装入物に、空洞状をなす空洞状溶解部を発生させる。装入物の溶解時において、各燃焼バーナは、各空洞状溶解部が重複して重複部分を形成するように配置されている。この結果、装入物の溶解時において、各空洞状溶解部と溶湯吐出口とを連通させることができ、溶解した装入物（溶湯）が溶湯吐出口へ向かって流れ易くなるため、装入物を効率よく溶解させることができる。装入物は金属を基材とする。金属は鉄（例えば鋳鉄、鋳鋼、ステンレス、合金鋼）系が例示される。装入物としては、スクラップ等の廃材、銑鉄インゴット等が代表的なものであり、フェロシリコン、フェロマンガン等の添加材でも良い。
【０００８】
本発明に係る金属溶解用ガスキュポラは次の態様が考えられる。
【０００９】
・装入物の溶解時において、複数の燃焼バーナのうち隣設し合う燃焼バーナは、各燃焼バーナの燃焼火炎で形成される空洞状溶解部が重複するように配置されていることが好ましい。この結果、装入物の溶解時において各空洞状溶解部と溶湯吐出口とが連通する。すなわち、一の空洞状溶解部が他の空洞状溶解部を介して溶湯吐出口に連通する。これにより一の空洞状溶解部で溶解した装入物（溶湯）が溶湯吐出口へ向かって流れ易くなるため、装入物を効率よく溶解させることができる。
【００１０】
・ガスキュポラは、炉体の溶解室と外気とを連通させ溶解室内の燃焼ガスを外気に排出させる排出通路と、排出通路を開閉させる開閉扉と、開閉扉を開閉方向に駆動させる駆動部とを具備することが好ましい。この場合、開閉扉を閉鎖したり、開閉扉の開放量を小さくしたりしておけば、溶解室の密閉性および閉鎖性を高めて、燃焼火炎が発生する燃焼ガス（燃料が酸素で酸化燃焼した後の燃焼ガス）を溶解室に貯留させ、溶解室を、酸化性が弱い雰囲気または非酸化性雰囲気に維持し易い。更に、酸化力が強い外気が溶解室に進入することを抑制できるため、溶解室を、酸化力が弱い雰囲気または非酸化性雰囲気に維持させ易い。更に、溶解室の炉圧が過剰に増加するとき、開閉扉を開放させれば、溶解室の炉圧を低下させて調整できる。
【００１１】
・従って、炉体の溶解室と外気とを連通させ溶解室内の燃焼ガスを外気に排出させる排出通路と、排出通路を開閉させる開閉扉と、開閉扉を開閉方向に駆動させる駆動部とが設けられていることが好ましい。開閉扉としては、回動式でも良いし、直動式でも良い。
【００１２】
・炉体を水平方向に沿って切断した断面図で、炉体は例えば非円形状をなすことができる。非円形状は真円形状以外の形状という意味であり、断面図で、偏平円形状、長円形状、台形状等が例示される。
【００１３】
・溶湯吐出口側には、溶湯吐出口から吐出された溶湯を加炭および昇温させる加炭装置が配置されていることが好ましい。加炭装置の排気口を溶解室に連通させ得る。溶解室に酸素または空気を供給して溶湯の成分調整を行う注入装置が配置されていることが好ましい。この場合、溶湯の成分調整を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、装入物の溶解時において各空洞状溶解部が重複するように燃焼バーナは配置されており、装入物の溶解時において、各空洞状溶解部と溶湯吐出口とを連通させている。従って、空洞状溶解部で溶解した装入物（溶湯）が他の空洞状溶解部を介して溶湯吐出口へ向かって流れ易くなるため、装入物を効率よく溶解させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態に係る金属溶解用ガスキュポラは、鋳鉄の溶湯を形成するものであり、筒形状をなす炉体１と、炉体１に設けられた燃焼バーナ群３とを備える。鋳鉄は、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、芋虫状黒鉛鋳鉄等が例示される。炉体１は重力方向に沿った縦型をなしており、金属を基材とする装入物２を溶解するための溶解室１０と、溶解室１０で溶解された溶湯を吐出させるための溶湯吐出口１１とをもつ。溶解室１０のうち上部側は、装入物２を予熱させる予熱帯１２とされている。溶湯吐出口１１は炉体１の底部付近に形成されている。溶解室１０の底方には、溶湯吐出口１１に向けて下降傾斜する炉床面１３が形成されている。溶湯吐出口１１は炉床面１３の最底部に形成されていることが好ましい。溶解室１０の上方には、溶解室１０の上方を開閉可能な気密蓋１４が設けられている。溶解室１０の上方には、装入物２を溶解室１０に投入させる投入部１５が設けられている。投入部１５は、投入ホッパー１５ｂをもつ前進後退可能な投入プッシャー１５ａと、投入プッシャー１５ａを前進後退させる駆動源１５ｃ（流体圧シリンダ）と、溶解室１０と外気との遮断性を高める気密開閉扉１５ｄとを備えている。装入物２を溶解室１０に投入するとき、気密開閉扉１５ｄは開放される。装入物２は、金属を基材とするスクラップおよび銑鉄インゴットのうちの少なくとも１種とされている。フェロシリコン、フェロマンガン等の合金添加材を、適宜配合できる。スクラップおよび銑鉄インゴットは、鉄（例えば鋳鉄、鋳鋼、ステンレス、合金鋼）系が例示される。一般的には、溶解室１０の炉頂付近まで装入物２が装填される。なお、黒鉛等のように燃焼する炭素材は、投入部１５から溶解室１０に投入させないほうが好ましい。ガスキュポラによれば、装入物２を溶解室１０に投入した直後、装入物２は短時間（例えば数分）で溶解される。
【００１６】
炉体１の下部には、複数（３基）の燃焼バーナ４（図２参照）からなる燃焼バーナ群３が設けられている。燃焼バーナ４には、ガス状または液状の燃料と酸素とが供給される。従って、燃焼バーナ４は、燃料を所定範囲の酸素比で酸化燃焼させることにより燃焼火炎４１を形成させる燃焼器である。酸素比は酸素量／燃焼酸素量（当量）の質量比として定義される。燃焼火炎４１の温度は、例えば、１７００〜３５００℃程度、２０００〜３２００℃程度とされている。このようにガスキュポラでは、装入物２を溶解させる溶解温度を高温に維持することができる。このように燃焼バーナ４の燃焼火炎４１は高温であるため、融点が銑鉄よりも高いスクラップのような金属材料まで容易に溶解できる。但し、燃焼バーナ４の燃焼火炎４１は高温であるものの、燃焼バーナ４で発生する燃焼火炎４１は熱容量が少なく、装入物２への熱伝達が良いが、燃焼火炎４１自身の温度が低下し易い特性を有する。
【００１７】
図１に示すように、仮想水平線Ｗに対して燃焼バーナ４の燃焼火炎口４０が下方となるように、燃焼バーナ４は、下向きに角度θ１傾斜している。θ１は１０〜５０度、１５〜４５度が例示される。燃焼バーナ４の燃焼火炎口４０は、耐火物で形成されている炉床面１３に接近しつつ、炉床面１３に対面している。燃焼バーナ４の燃焼火炎口４０から吹き出される燃焼火炎４１は、炉床面１３に接触する。従って、燃焼バーナ４は、燃焼火炎４１を溶解室１０内の装入物２に向けて噴出し、且つ、溶解室１０の装入物２を溶解させる。燃焼バーナ４の燃焼火炎口４０から燃焼火炎４１が生成されることは、燃焼バーナ４に供給された燃料が酸素で酸化燃焼していることである。そして、酸化燃焼した後の燃焼ガスは溶解室１０に残留する。燃焼バーナ４では、窒素および酸素を含む空気を使用せずに、窒素を実質的に含まない酸素で燃焼させるため、溶解室１０に燃焼ガスが残留するものの、多量の窒素ガスが残留することが抑制されている。従って、空気に含まれている燃焼に寄与しない窒素ガスを溶解室１０内において加熱させずともよく、キュポラの熱効率が高められている。
【００１８】
更に、炉体１の溶解室１０と外気とを連通させる排出通路１７が、炉体１の上部に設けられている。排出通路１７は、溶解室１０内の燃焼ガスを外気に排出させる。排出通路１７の入口１７ｉは溶解室１０に対面する。排出通路１７の出口１７ｐは外気に対面している。排出通路１７のうち入口１７ｉ側を開閉させるための開閉扉機構５が設けられている。開閉扉機構５は、排出通路１７の入口１７ｉに設けられ排出通路１７を開閉させるための開閉扉５０と、開閉扉５０を開閉方向に駆動させる駆動部５１と、駆動部５１を信号線５１ａを介して制御する扉制御部５２とを有する。駆動部５１はモータ機構で形成できる。
【００１９】
炉圧制御装置６は、溶解室１０のうち燃焼バーナ４付近の圧力を検知する圧力導管６０と、圧力導管６０を介して溶解室１０の炉圧を受圧する炉圧計６１と、炉圧計６１からの炉圧信号が信号線６１ａから入力される制御部６２とを有する。制御部６２は信号線６２ａを介して扉制御部５２を制御し、ひいては開閉扉５０を制御する。この場合、開閉扉５０を閉鎖したり、開閉扉５０を開放量を小さくしたりしておけば、溶解室１０の密閉性および閉鎖性を高めることができる。この場合、溶解室１０の炉圧を大気圧よりも高い状態にすることが好ましい。この場合、酸素を有する外気が溶解室１０内に進入することが抑制され、溶解室１０の装入物２の酸化による消耗が抑制される。溶解室１０の炉圧を高めるためには、開閉扉５０の開度を小さくすれば良い。
【００２０】
本実施形態によれば、上記したように溶解室１０の閉鎖性が高いため、燃焼バーナ４の燃焼火炎４１の燃焼で発生する燃焼ガス（燃料が酸化燃焼した後の燃焼ガス）を溶解室１０において上昇させつつ貯留させることができる。このため、溶解室１０を、酸化性が弱い雰囲気または非酸化性雰囲気に維持させ易い。更に、開閉扉５０を閉鎖したり、開閉扉５０を開放量を小さくしたりしておけば、酸化力が強い外気が溶解室１０に進入することを抑制できる。このため、溶解室１０を、酸化力が弱い雰囲気または非酸化性雰囲気に維持させ易い。従って、装入物２の酸化による消耗を抑制することができる。操業中においては、溶解室１０は基本的には閉鎖室であり、溶湯吐出口１１以外の開口は存在しないか、少ない。このため溶湯吐出口１１から外気が進入し、溶融した溶湯が外気で酸化されるおそれがある。殊に、溶湯吐出口１１付近に溶融部が存在するため、溶融部で溶融した溶湯が酸化するおそれがある。そこで、圧力導管６０を介して炉圧計６１により溶解室１０の炉圧を測定し、その炉圧を大気圧よりも大きくなるように炉圧を制御すれば、炉内雰囲気が溶湯吐出口１１を介して外気側に多少流出するものの、多量の外気が溶湯吐出口１１から溶解室１０に過剰に進入することが抑制される。但し、炉内雰囲気が溶湯吐出口１１を介して外気側に過剰に流出することを抑えるように、溶解室１０の炉圧を制御することが好ましい。従って、溶解室１０の炉圧を過剰に上昇させないことが好ましい。なお、溶解室１０の上部側に装填されている装入物２は、燃焼ガスの排熱で予熱される。
【００２１】
更に、装入物２の溶解にあたり、溶解室１０の炉圧が過剰に増加すると、これを検知した炉圧制御装置６が開閉扉５０を開放させる。これにより溶解室１０の炉圧を低下させて調整できる。溶解にあたり、高温の燃焼火炎４１と装入物２とが直接的に接触して熱伝達される。高温の燃焼火炎４１と炉体１との接触面積を低下させることができ、炉体１の壁の熱損傷を抑制させるのに有利である。溶融可能な材料は装入物２として溶解炉に装入されるが、溶融せずに燃焼する炭素等の材料は、装入物２としては溶解炉に装入されない。装入物２を溶解室１０に適宜投入すれば、溶解室１０における連続的な溶解が可能となる。
【００２２】
溶解室１０の燃焼ガスの排出を補助する吸引装置７が設けられている。吸引装置７は、排出通路１７内に配置されたガス放出用のエゼクタ７０（ガス放出具）と、高圧のガス（例えば空気、窒素やアルゴンガスなどの不活性ガス）を貯蔵する高圧タンク７１と、高圧タンク７１とエゼクタ７０との間に設けられた流量調整弁７２とを有する。炉圧制御装置６は流量調整弁７２の開度を信号線７２ａを介して制御する。高圧タンク７１に貯蔵されていた高圧ガス（例えば、空気、窒素やアルゴンガスなどの不活性ガス）は、流量調整弁７２で流量調整された後、エゼクタ７０に供給される。エゼクタ７０の噴出口７０ｉから噴出するガスは、外気に向けて放出されるが、このとき排出通路１７内に残留している燃焼ガスを連れ移動させる。このため溶解室１０の炉圧調整を補助できる。
【００２３】
図２は、炉体１を水平方向に沿って切断した状態を模式的に表す断面図である。図２に示すように、複数の燃焼バーナ４からなる燃焼バーナ群３は、炉体１の中心線１１ｘに対して、溶湯吐出口１１側に偏った位置に配置されている。燃焼バーナ４から噴出された燃焼火炎４１は、溶解室１０の装入物２において円筒または円筒に酷似した空洞状をなす空洞状溶解部４２を発生させる。図２では空洞状溶解部４２は模式的に描かれている。隣設し合う各燃焼バーナ４は、各空洞状溶解部４２が重複して重複部分４４を形成させるように配置されている。特に、燃焼バーナ４から噴出された燃焼火炎４１で形成された空洞状をなす空洞状溶解部４２の先端部４２ａ同士が重複して重複部分４４（装入物２が溶解する溶融部に相当）を形成するように、燃焼バーナ４が配置されている。これにより装入物２の溶解時において、一の空洞状溶解部４２が他の空洞状溶解部４２を介して溶湯吐出口１１に連通する。あるいは、一の空洞状溶解部４２が直接的に溶湯吐出口１１に連通する。従って、一の空洞状溶解部４２で溶解した装入物２（溶湯）が溶湯吐出口１１へ向かって流れ易くなるため、装入物２を効率よく溶解させることができる。
【００２４】
ここで、１個の燃焼バーナ４の燃焼火炎４１が形成する１個の空洞状溶解部４２の空洞体積Ｖａを１００％とするとき、重複部分４４が形成されるにあたり、空洞体積Ｖａのうち体積比で１０〜９０％、殊に、３０〜８０％が重複していることが好ましい。なお、重複部分４４は、炉体１の中心線１１ｘに対して、溶湯吐出口１１側に偏った位置に配置されている。重複部分４４の温度は例えば１８００〜３３００℃程度、２０００〜３２００℃程度、殊に２５００〜３０００℃程度の高温領域とされている。従って、重複部分４４において装入物２は短時間のうち溶解される。更に、重複部分４４は炉床面１３付近に位置しているため、溶湯は、傾斜状態の炉床面１３に沿ってすみやかに流下し、溶湯吐出口１１から吐出される。図示しないものの、溶湯吐出口１１付近に補助的な作用を奏する補助燃焼バーナを配置しておいても良い。
【００２５】
ここで、空洞状をなす空洞状溶解部４２の基端部４２ｃ同士は、基本的には重複しておらず、仮に重複していたとしても重複度は低くされている。この結果、炉体１の溶解室１０を形成する壁の熱損傷が抑制される。換言すると、図２から理解できるように、空洞状溶解部４２の先端部４２ａ（燃焼火炎４１の先端部に相当）同士が重複した重複部分４４の重複度は、空洞状溶解部４２の基端部４２ｃ（燃焼火炎４１の基端部に相当）同士が重複した重複部分４４の重複度よりも、高くなるように設定されている。ここで、空洞状溶解部４２の先端部４２ａは、空洞状溶解部４２のうち燃焼バーナ４から離れている側を意味する。空洞状溶解部４２の基端部４２ｃは、空洞状溶解部４２のうち燃焼バーナ４側を意味する。
【００２６】
装入物２のうち溶解により空洞状となった空洞状溶解部４２には、上方から装入物２が重力により落下し、次々と溶解される。溶解された溶湯は炉体１の溶湯吐出口１１から排出され、溶湯吐出口１１の下方に配置されている保持炉（図略）に貯留される。燃焼火炎４１で形成された空洞状をなす空洞状溶解部４２の先端部４２ａ同士が重複する重複部分４４の近傍に溶湯吐出口１１が連通するように配置されている。装入物２の溶解時において、各空洞状溶解部４２と溶湯吐出口１１とを連通させることで、溶解した装入物２（溶湯）が溶湯吐出口１１へ向かって流れ易くなるため、装入物２を効率よく溶解させることができる。
【００２７】
装入物２が溶融すると、その溶融部分は炉体１の溶湯吐出口１１に流れる。このように装入物２が短時間のうちに溶解して溶湯とされるため、合金成分の酸化による消耗が抑制される。従って、溶湯が燃焼ガスに晒される時間が短く、溶湯の品質維持に有利である。装入物２が溶融する溶融部分は、炉床面１３の直上であることが好ましい。燃焼火炎４１から排出された燃焼ガスは、熱と共に上昇するため、溶解室１０の装入物２を予熱帯１２で予熱させることができる。上記したように装入物２の溶解が速いため、溶解室１０における装入物２の落下速度も速く、ひいては溶解室１０の予熱帯１２に装入物２が停滞している時間も短い。このため溶解室１０の予熱帯における装入物２の酸化による消耗も抑制される。
【００２８】
本実施形態によれば、燃焼バーナ４から噴出される燃焼火炎４１は、炉体１の溶解室１０を区画する壁から離れるように噴出されるため、当該壁の過熱が抑制され、熱による当該壁の損傷が抑制される。
【００２９】
溶湯が生成されるに伴い、溶解室１０における装入物２が減少する。このため、炉体１の気密開閉扉１５ｄを開放し、駆動源１５ｃを駆動させて投入プッシャー１５ａを前進させ、投入ホッパー１５ｂで装入物２を溶解室１０に投入する。溶解室１０に投入された装入物２は、燃焼火炎４１による燃焼ガスの上昇により予熱帯１２において予熱される。燃焼ガスは燃料を酸素で酸化燃焼した燃焼ガスであり、燃焼反応に寄与しない窒素ガスをあまり含んでいないため、熱効率が高い。
【００３０】
本実施形態によれば、図１に示すように、酸素ガスまたは酸素含有ガスを高圧で貯蔵する酸素タンク８０を有する酸素注入装置８が炉体１に配置されている。酸素タンク８０から導出された導出管８１の先端部８１ａは、炉体１の壁を貫通して溶解室１０内に進入しており、燃焼バーナ４の燃焼火炎４１付近に位置しており、空洞状溶解部４２の重複部分４４の近傍に位置している。このため装入物２が溶融して溶湯が生成されている状態で、バルブ８２が開放すれば、酸素タンク８０の酸素は導出管８１の先端部８１ａから溶湯に吹き付けられる。これにより溶湯に含まれている成分（例えば炭素、シリコン、マンガン、リン、硫黄など）を酸化させて消耗させることができる。この場合、溶湯の成分調整を実施できる。高強度化が要請される高張力鋼等のようにスクラップによって、マンガン含有量が高いものがある。一方、鋳鉄は一般的にはマンガン含有量が低い。
【００３１】
（実施形態２）
図３は本発明の実施形態２を示す。本実施形態は、前記した実施形態と基本的には同様の構成および作用効果を有する。溶湯吐出口１１は、溶湯吐出口１１において上壁１１ａから下方に向けて突設されているサイホン仕切壁１１ｂと、下壁１１ｃから上向きに突設されている出口堰１１ｄと、サイホン貯湯空間１１ｅとを有する。このように溶湯吐出口１１は外気を溶解室１０に進入させない外気進入防止構造であって、サイホン式とされており、出口堰１１ｄの上端は、サイホン仕切壁１１ｂの下端よりも上方に位置している。サイホン貯湯空間１１ｅに溶湯が溜まって保持されるため、溶解室１０と外気との遮断性およびシール性が高められている。但しこの場合であっても、溶解室１０における炉圧が負圧となり、外気が溶解室１０に進入するおそれがある。このため排出通路１７を開閉させる開閉扉５０が設けられており、開閉扉５０も閉鎖して排出通路１７を閉鎖し、炉圧を調整できるようにされている。そのためエゼクタ７０は設けられていない。
【００３２】
（実施形態３）
図４は本発明の実施形態３を示す。図４は、炉体１を水平方向に沿って切断した断面図を示す。図４に示すように、燃焼バーナ群３を構成する複数の燃焼バーナ４は、溶解室１０の中心線１１ｘに対して放射方向に沿って扇形状に配置されている。燃焼バーナ４から噴出された燃焼火炎４１は、溶解室１０の装入物２において円筒または円筒に酷似した空洞状をなす空洞状溶解部４２を発生させる。図４では空洞状溶解部４２は模式的に描かれている。燃焼バーナ４は、各空洞状溶解部４２が重複するように配置されている。この結果、装入物２の溶解時において各空洞状溶解部４２と溶湯吐出口１１とを連通させることができる。よって溶解した装入物２（溶湯）が溶湯吐出口１１へ向かって流れ易くなり、溶湯が溶湯吐出口１１から排出されるため、装入物２を効率よく溶解させることができる。なお、実施形態３の特徴を実施形態１，２に併合させても良い。
【００３３】
（参考形態）
図５は本発明の参考形態を示す。図５は、炉体１を水平方向に沿って切断した断面図を模式的に示す。炉体１は非円形状をなしている。すなわち、炉体１の断面形状は、互いに対面する長辺状の二つの第１辺部１ａ，１ｂと、互いに対向する短辺状の二つの第２辺部１ｃ，１ｄとを備えており、台形状に類似した形状とされている。第１辺部１ａ，１ｂは非直線状であり、外側に突出するように湾曲している。第２辺部１ｃ，１ｄは非直線状であり、外側に突出するように湾曲している。図５に示すように、燃焼バーナ群３を構成する複数の燃焼バーナ４は、溶解室１０の中心線１１ｘに向かうように配置されている。他の実施形態と同様に、燃焼バーナ４から噴出された燃焼火炎４１は、溶解室１０の装入物２を溶融させ、円筒または円筒に酷似した空洞状をなす空洞状溶解部４２を装入物２に発生させる。図５では空洞状溶解部４２は模式的に描かれている。各燃焼バーナ４で形成された複数の空洞状溶解部４２が重複して重複部分４４を形成するように、各燃焼バーナ４は配置されている。これにより装入物２の溶解時において、各空洞状溶解部４２と溶湯吐出口１１とを連通させることができる。よって各空洞状溶解部４２において溶解した装入物２（溶湯）が溶湯吐出口１１へ向かって流れ易くなるため、装入物２を効率よく溶解させることができる。
【００３４】
（実施形態５）
図６は本発明の実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。炉体１の溶湯吐出口１１側には、加炭装置９が設けられている。加炭装置９は、溶湯を加炭させる機能と、溶湯を昇温させる機能とを有する。加炭装置９は、黒鉛等の炭素材が充填され且つ溶湯通過性をもつ充填層９０と、炭素材を投入する炭素材投入口９１と、溶湯を充填層９０に供給する溶湯入口９２と、充填層９０から溶湯が吐出される溶湯出口９３と、燃焼用の酸素ガスまたは空気を充填層９０の内部に供給する酸素供給路９４とを有する。
【００３５】
加炭処理の際において、酸素供給路９４から充填層９０に酸素ガスまたは空気が供給され、充填層９０は燃焼されて炭酸ガスを発生させつつ高温となる。ここで、充填層９０は、空気で炭素材を燃焼させても良いし、酸素ガスで炭素材を燃焼させても良い。炉体１の溶解室１０で溶解された溶湯は、溶湯吐出口１１を介して溶湯入口９２から、燃焼中の充填層９０に供給されて加炭調整および温度調整され、溶湯出口９３から排出される。加炭装置９は、炉体１の予熱帯１２に連通する排気口９６をもつ。加炭装置９から発生した燃焼排ガスは非酸化性雰囲気であり、排気口９６から炉体１の予熱帯１２に供給される。ここで、炭素材は、投入口９１から随時補給される。なお、充填層９０は粒状、粉末状、繊維状等といった炭素材が充填された集合体であるため、溶湯と充填層９０とは高い接触面積で接触し、溶湯に対する加炭効率を高めることができる。なお、実施形態５の特徴である加炭装置９を他の実施形態に併合させても良い。
【００３６】
（実施形態６）
図７は本発明の実施形態６を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。炉体１の底部側に形成された炉床面１３の下部には、炉床面１３を冷却させる冷却通路１９が埋設されている。冷媒が冷却通路１９を通過する。冷媒としては、冷却水等の冷却液、冷却空気、ミスト等が挙げられる。冷却通路１９に冷媒が流れると、炉床面１３が冷却される。この結果、溶湯が凝固した膜状の凝固保護層１９ｃが炉床面１３に形成され、炉床面１３が覆われて保護される。このように溶湯が凝固した凝固保護層１９ｃは、炉床面１３を覆って保護しているため、燃焼バーナ４の燃焼火炎４１が、耐火材料製の炉床面１３に直接当たることが抑制され、炉床面１３を損傷させることが抑制されている。なお、図示しないものの、炉体１のうち燃焼バーナ４が設けられている垂直方向に沿って延設されている壁付近に冷却通路を形成し、当該壁付近を凝固保護層で被覆させて保護させても良い。なお、実施形態６の特徴である冷却通路１９および凝固保護層１９ｃを他の実施形態に併合させても良い。
【００３７】
（試験例１）
上記した実施形態２のガスキュポラを用い、試験を行った。炉体１の炉径は６００ミリメートル、炉体１の高さは１８００ミリメートルであった。６基の燃焼バーナ４が炉体１に配置されていた。溶湯吐出口１１には、図６に示す炭素燃焼式の加炭装置９（容量１００ｋｇ）が取り付けられていた。そして、１００ミリメートル×５０ミリメート×６ミリメートル程度のスチールのスクラップ（質量比で０．０５％Ｃ、０．８％Ｍｎ）からなるシュレッダー材９６質量部に、１〜３ミリメートルのフェロシリコン（質量比で７５％Ｓｉ）を４質量部混合した装入物２を、溶解室１０の炉頂付近の高さまで装入した。燃焼バーナ４の取り付け角θ１は２０度とした。全部の燃焼バーナ４に供給される燃焼ガスの全量（１３Ａ）を３６Ｎｍ３／ｈとし、酸素ガス量を７２Ｎｍ３／ｈとした。そして燃料ガスおよび酸素ガスを各燃焼バーナ４に均等に供給し、溶解処理した。酸素比は０．８１とした。ここで、酸素比は酸素／完全燃焼に必要な酸素量（当量Ｏ２）の質量比として定義される。酸素比が１であるとき、燃料は完全燃焼する。
【００３８】
溶解試験の結果によれば、酸素比を０．８１としたとき、溶解能力は７５０ｋｇ／ｈ、効率は〜５４％であった。効率は溶解熱量／ガス発生熱量として定義される。溶湯吐出口１１では１４３０℃、０．０５％Ｃの溶湯が得られていた。これに対して加炭装置９の充填層９０を通過した後、溶湯は加炭装置９により温度処理および加炭処理されるため、１５００℃、質量比で３％Ｃの溶湯となっていた。この溶湯の基本組成は、質量比で、３％Ｃ、２．６％Ｓｉ、０．５％Ｍｎであり、鋳鉄溶湯として使用可能である。
【００３９】
試験例１において、酸素比を０．８１としたのは、酸素量の低減を図り、合金成分の消耗を抑制するためである。ここで、鉄の消耗は質量比で０．７％であった。シリコンの消耗は質量比で１３％であり、マンガンの消耗は大きく、３５％以上であった。このように上記した実施形態のキュポラによれば、０．８％Ｍｎというマンガン含有量が高いスクラップを使用しつつも、マンガンを酸化により消耗させることができる。従って、マンガンが過剰に含有されている高張力鋼等のスクラップを装入物２として使用する場合でも、マンガンが過剰に含有することが好ましくない鋳鉄溶湯の組成を得るのに有利である。
【００４０】
（試験例２）
上記した実施形態２のガスキュポラを用い、試験例１の場合と同様に試験を行った。球状黒鉛鋳鉄の戻し材（質量比で３．７５％Ｃ、２．６％Ｓｉ、０．２３％Ｍｎ）のみを溶解室１０の炉頂まで装入した。複数個（６基）の燃焼バーナ４を炉体１に配置した。燃焼バーナ４の取付角θ１は２０度とした。溶湯吐出口１１については、図６に示す酸素燃焼式の加炭装置９（容量１００ｋｇ）を炉体１から取り外した。溶湯吐出口１１はサイホン式とし、外気を遮断させた。図８は試験結果を示す。図８の横軸は酸素比を示し、縦軸は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）についての成分消耗率（質量比）を示す。図８に示すように、酸素比を０．８１〜１．０５程度に変えた場合には、各成分の消耗率が単調に増加しない。すなわち、酸素比が０．８１〜０．９３の範囲では各成分の消耗率が増加するものの、酸素比が０．９３を超えると、各成分の消耗率は低下する。
【００４１】
溶解試験の結果によれば、酸素比０．８１で溶解能力は７５０ｋｇ／ｈ、効率は〜５４％であった。溶湯吐出口１１の溶湯温度は１２５０℃であった。本試験例では、溶け落ち温度＝出湯温度である。ここで、燃焼火炎４１における酸素比の増加で溶解能力（溶湯生成能力）が増加する。この場合、酸素比１．０５で溶解能力は８６６ｋｇ／ｈ、効率は〜６２％であった。但し、燃焼火炎４１における酸素比の増加で溶解能力（溶湯生成能力）が増加することにより燃焼ガス中の酸素濃度が増加しても、溶解室１０における装入材の滞在時間が減少するため、装入材の成分の消耗率が減少する。
【００４２】
効率的に成分の消耗を増加させるために、酸素比を上げないで酸素注入を行った。図９の横軸は酸素注入率（％）を示し、縦軸は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）についての成分消耗率（質量比）を示す。ここで、酸素注入率（％）は、全燃焼ガス量に対する注入酸素量として定義される。図９は、炉体１の酸素注入装置８の導出管８１から酸素を溶解室１０に吹き込んだ場合の試験結果を示す。炉体１の酸素注入装置８から酸素を溶解室１０に吹き込んだ場合には、図９に示すように、酸素の注入率（％）が増加すると、溶湯に含有されている炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）といった成分含有量（質量％）が低下し、酸素による成分の消耗率が増加することがわかる。低沸点のマグネシウムがかなりの含有量で残留していることは、本発明による溶解の特徴である高速溶解の特徴を表している。すなわち、高速溶解であるため、マグネシウムの蒸散が抑制され、マグネシウムの含有量が多い。
【００４３】
（その他）
炉体１の構造は上記した構造に限定されるものではない。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、芋虫状黒鉛鋳鉄等の鋳鉄溶解用のガスキュポラに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態１に係り、ガスキュポラを設備と共に示す構成図である。
【図２】実施形態１に係り、ガスキュポラを水平方向に沿って切断した状態を模式的に示す断面図である。
【図３】実施形態２に係り、ガスキュポラを設備と共に示す構成図である。
【図４】実施形態３に係り、ガスキュポラを水平方向に沿って切断した状態を模式的に示す断面図である。
【図５】実施形態４に係り、ガスキュポラを水平方向に沿って切断した状態を模式的に示す断面図である。
【図６】実施形態５に係り、加炭装置を模式的に示す断面図である。
【図７】実施形態６に係り、ガスキュポラの炉床面付近を模式的に示す構成図である。
【図８】試験例１に係るグラフである。
【図９】試験例２に係るグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１は炉体、１０は溶解室、１１は溶湯吐出口、１２は予熱帯、１３は炉床面、１７は排出通路、１９は冷却通路、２は装入物、３は燃焼バーナ群、４は燃焼バーナ、４１は燃焼火炎、４２は空洞状溶解部、４４は重複部分、５は開閉扉機構、５０は開閉扉、５１は駆動部、５２は扉制御部、６は炉圧制御装置、６０は圧力導管、６１は炉圧計、８は酸素注入装置、９は加炭装置、９０は充填層、９２は溶湯入口、９３は溶湯出口、９６は排気口を示す。
【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８】
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【図９】
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