(57)【要約】【課題】短時間で高品質のアルミニウム溶湯を効率よく得ることができるアルミニウム溶解炉を提供する。【解決手段】アルミニウム溶解炉１０は、固体状アルミニウム５８を溶解する溶解炉１２と、溶湯６０の状態のままで保持する保持炉７０を備えている。前記溶解炉１２は、坩堝３６を囲む炉体１４によって加熱室１８が形成され、炉体側面１４Ｂにはブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂが取付けられている。該ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂは、燃焼制御装置５２により支持台１６との距離が調節され、加熱温度の制御が可能となっている。ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂを燃焼させて支持台１６を加熱すると、坩堝３６が底面３６Ａから加熱される。これと同時に、加熱室１８内にブラウンガスの燃焼により生じた水から過熱蒸気が生成するため、該過熱蒸気によって坩堝３６全体を均一に過熱することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶解物の投入口と溶湯の排出口を有する坩堝、
該坩堝を載せる耐火性の支持台を有しており、前記坩堝を囲んでその周囲に加熱室を形成するとともに、前記加熱室内のガスの排気口と、前記溶湯の排出口に接続された出湯管の貫通口を備えた炉体、
前記加熱室の上部を閉塞する蓋ないしシール部材、
前記炉体に取り付けられており、前記支持台を加熱するブラウンガスバーナ、
を備えるとともに、
前記ブラウンガスバーナの燃焼により発生した水ないし水蒸気が、前記加熱室内で過熱蒸気となり、前記坩堝全体を加熱することを特徴とするアルミニウム溶解炉。
【請求項２】
ブラウンガスを生成するブラウンガス発生手段、
前記ブラウンガスバーナを、前記支持台との距離が可変となるように移動させるバーナ駆動手段、
前記坩堝内の温度を計測する温度センサ、
該温度センサの検出結果に応じて、前記バーナ駆動手段を制御して前記ブラウンガスバーナの位置を調節するとともに、前記ブラウンガス発生手段から前記ブラウンガスバーナに送るブラウンガスの流量を制御する燃焼制御手段、
を備えたことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム溶解炉。
【請求項３】
前記出湯管から送られた溶湯を貯留する貯留手段と、該貯留手段を加熱してアルミニウムを溶湯のまま保持するための加熱手段を有する保持炉、
を備えるとともに、
前記加熱手段が、前記加熱室から回収された過熱蒸気を利用することを特徴とする請求項１又は２記載のアルミニウム溶解炉。
【請求項４】
前記炉体の炉壁が、
一層以上設けられた耐火煉瓦、
該耐火煉瓦の外側に設けられた断熱材、
該断熱材の外側を覆う外壁、
により形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム溶解炉。
【請求項５】
前記耐火煉瓦が、吸水性を有することを特徴とする請求項４記載のアルミニウム溶解炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウムを溶解（ないし溶融）するためのアルミニウム溶解炉に関し、更に具体的には、ブラウンガス（酸素―水素混合ガス）を利用したアルミニウム溶解炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム溶解炉には、直接加熱（直火焚き）構造と、間接加熱構造のものがある。直接加熱式の溶解炉では、被溶解物（アルミニウム片など）を溶解室に設けた加熱バーナで加熱し、前記加熱バーナから噴射する火炎と溶解室の蓄熱により前記被溶解物を溶かす。前記被溶解物の溶解により得られた溶湯は、保温機能を備えた保持炉に貯留され、必要な時に汲み出しされる。このような直接加熱式のものとしては、例えば、以下の特許文献１に示すアルミニウム合金溶解炉がある。また、間接加熱式では、炉体内に坩堝を備えた溶解炉があり、加熱バーナで前記坩堝を外側から加熱して内部のアルミニウム固体を溶解する。このような間接加熱式のものとしては、例えば、以下の特許文献２に示す坩堝炉を原型とした低融点金属の連続溶解保持装置が開示されている。
【特許文献１】特開平７−１４６０７３号公報
【特許文献２】特開平１０−３３２２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、以上のような背景技術には次のような不都合がある。まず、直火加熱式の溶解炉では、酸化物の生成によって溶湯の歩留まりが低下したり、空気中の水分が分解して生成した水素ガスなどが混入したりするため、高品質の溶湯を得るのが難しい。また、間接加熱式の溶解炉では、一般的に加熱バーナの火炎が当たる部分から被溶解物が溶け出すため、坩堝の上方まで均一に熱が回りにくく、溶解するのに時間がかかるという不都合もある。
【０００４】
本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、短時間で高品質のアルミニウムの溶湯を効率よく得ることができるアルミニウム溶解炉を提供することである。他の目的は、アルミニウムの溶解に利用した熱を、溶解の保持に再利用することができるアルミニウム溶解炉を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するため、本発明のアルミニウム溶解炉は、被溶解物の投入口と溶湯の排出口を有する坩堝、該坩堝を載せる耐火性の支持台を有しており、前記坩堝を囲んでその周囲に加熱室を形成するとともに、前記加熱室内のガスの排気口と、前記溶湯の排出口に接続された出湯管の貫通口を備えた炉体、前記加熱室の上部を閉塞する蓋ないしシール部材、前記炉体に取り付けられており、前記支持台を加熱するブラウンガスバーナ、を備えるとともに、前記ブラウンガスバーナの燃焼により発生した水ないし水蒸気が、前記加熱室内で過熱蒸気となり、前記坩堝全体を加熱することを特徴とする。
【０００６】
主要な形態の一つは、ブラウンガスを生成するブラウンガス発生手段、前記ブラウンガスバーナを、前記支持台との距離が可変となるように移動させるバーナ駆動手段、前記坩堝内の温度を計測する温度センサ、該温度センサの検出結果に応じて、前記バーナ駆動手段を制御して前記ブラウンガスバーナの位置を調節するとともに、前記ブラウンガス発生手段から前記ブラウンガスバーナに送るブラウンガスの流量を制御する燃焼制御手段、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
他の形態は、前記出湯管から送られた溶湯を貯留する貯留手段と、該貯留手段を加熱してアルミニウムを溶湯のまま保持するための加熱手段を有する保持炉、を備えるとともに、前記加熱手段が、前記加熱室から回収された過熱蒸気を利用することを特徴とする。
【０００８】
更に他の形態は、前記炉体の炉壁が、一層以上設けられた耐火煉瓦、耐火煉瓦の外側に設けられた断熱材、該断熱材の外側を覆う外壁、により形成されていることを特徴とする。更に他の形態は、前記耐火煉瓦が、吸水性を有することを特徴とする。本発明の前記及び他の目的、特徴、利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、坩堝と炉体の間に形成された加熱室で、ブラウンガスバーナにより前記坩堝の支持台を加熱するとともに、ブラウンガスの燃焼により発生した水ないし水蒸気が、前記加熱室内で過熱蒸気となって、前記坩堝全体を加熱することで、短時間で不純物の混入が少ない高品質のアルミニウム溶湯を得ることができる。また、前記坩堝の加熱に利用した過熱蒸気を、溶湯を貯留する保持炉に送って、溶湯の保温に利用することとしたので、熱の有効利用が可能になるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
最初に、図１及び図２を参照しながら、本発明の実施例１の構成を説明する。図１は、本実施例の全体構成を示す模式図、図２は、本実施例の溶解炉の詳細な構成を示す断面斜視図である。本実施例のアルミニウム溶解炉１０は、炉体１４の内側に坩堝３６を備えた溶解炉１２に、ブランガスバーナ３２Ａ，３２Ｂ，駆動モータ３４Ａ，３４Ｂ，温度センサ５０、燃焼制御装置５２、ブラウンガス発生装置５４を設けた構成となっている。また、必要に応じて、前記溶解炉１２で溶解したアルミニウムを、溶湯状態のままで貯留しておく保持炉７０が設けられている。
【００１２】
まず、前記溶解炉１２について説明する。炉体１４は、底面１４Ａに煉瓦１５が敷設されており、該煉瓦１５の上に設けられた耐火性の支持台１６の上に、坩堝３６が固定される。前記坩堝３６は、上端３６Ｃが開放し、側面３６Ｂの所定の位置に溶湯を排出するための排出口３８が設けられている。前記炉体側面１４Ｂは、図２に示すように、形状の異なる２種類の煉瓦２０，２２によって２重の壁が形成されている。そして、前記煉瓦１５，２０，２２の外側には断熱材２４が設けられ、更にその外側には外壁２６が設けられている。このような炉体１４と坩堝３６の間には、ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂを燃焼させるための加熱室１８が形成されている。すなわち、内側の煉瓦２０と坩堝３６の間に所定の空間を形成するように予め設定されている。
【００１３】
前記溶解炉１２の上部には、前記炉体上端１４Ｃと坩堝上端３６Ｃの間を塞ぐための略リング状のシール部材（ないし蓋）４４が設けられており、該シール部材４４によって、前記加熱室１８内の上端が密閉され、ガスが外部に漏れにくくなっている。また、前記シール部材４４の上には、固体状のアルミニウム５８（アルミニウムインゴットなど）を投入するための投入口４６Ａを備えた略リング状のリング板４６と蓋４８（図２参照）が設けられる。なお、前記リング板４６と蓋４８は、必要に応じて設けるようにすればよく、シール部材４４の内径を調節することによって、該シール部材が前記リング板４６を兼ねるような構成としてもよい。前記煉瓦１５，２０，２２は、本実施例では、吸水性が高い耐火煉瓦が用いられる。また、前記支持台１６、坩堝３６は、例えば鉄により形成されている。
【００１４】
また、前記炉体側面１４Ｂには、坩堝３６の排出口３８に接続された出湯管４０や、前記加熱室１８内のガスを排出するための排気管４２Ａ，４２Ｂを引き出すための開口部２８が設けられている。更に、前記炉体側面１４Ｂの下方には、前記加熱室１８内で燃焼されるブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂを取り付けるための取付口３０Ａ，３０Ｂが形成されている。前記ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂの近傍には、駆動モータ３４Ａ，３４Ｂがそれぞれ設けられており、該駆動モータ３４Ａ，３４Ｂの駆動により、前記ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂを図１に矢印Ｆ１で示す方向にスライドさせ、前記支持台１６との距離の調節が行われる。
【００１５】
前記ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂ及び駆動モータ３４Ａ，３４Ｂは、燃焼制御装置５２に接続されている。また、前記坩堝３６内部の温度を計測するための温度センサ５０とブラウンガス発生装置５４が、前記燃焼制御装置５２に接続されている。該燃焼制御装置５２は、前記温度センサ５０の検出結果に基づき、前記駆動モータ３４Ａ，３４Ｂの駆動を制御して、前記ブラウンガスバーナ３４Ａ，３４Ｂと支持台１６の間の距離を調節する。具体的には、所定の温度よりも低い場合には、ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂを支持台１６に近づけるようにし、所定の温度よりも高い場合には、支持台１６から離すようにするという具合である。また、前記燃焼制御装置５２は、ブラウンガス発生装置５４からブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂに送るガスの流量を一定に制御し、逆火を防止する機能も有している。
【００１６】
前記ブラウンガス発生装置５４は、水の電気分解により水素と酸素を生成するもので、その構成は公知である。このような水の電気分解により生成した水素と酸素を混合したガス（ブラウンガス）を燃焼させると、水ないし水蒸気になり、有害物質や二酸化炭素などを出さないことが知られている。前記ブラウンガス発生装置５４で生成したブラウンガスをブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂに送って燃焼させると、バーナの炎により支持台１６が加熱されて坩堝３６の底部３６Ａが間接的に加熱される。一方、ブラウンガスの燃焼により生成した水ないし水蒸気は、加熱室１８が非常に高温なため過熱蒸気となる。過熱蒸気は、空気を汚さないため環境に好ましく、対流のみならず放射によっても熱を伝達する作用があるために熱容量が非常に大きいという特徴がある。このような過熱蒸気が加熱室１８内に生成することにより、前記坩堝３６の全体が均一に加熱される。
【００１７】
次に、保持炉７０について説明する。保持炉７０は、前記溶解炉１２で固体状アルミニウム５８が溶解して得られた溶湯を貯留するものであって、断熱性を有する炉体７２の内側に溶湯を貯留する坩堝７４が設けられた構成となっている。前記炉体７２と坩堝７４の間には、過熱蒸気が通過するための蒸気室８０が形成されている。また、前記炉体７２と坩堝７４の上端には、前記蒸気室８０の上部を閉塞するための略リング状のシール部材７６が設けられている。前記溶解炉１２の出湯管４０から送られた溶湯６０は、前記シール部材７６の略中央部に設けられた投入口７８から坩堝７４内に投入される。該坩堝７４に貯留された溶湯をその状態のまま維持するためには、所定の温度以上に前記坩堝７４を加熱しておく必要がある。本実施例では、前記炉体７２の側面に、前記溶解炉１２の排気管４２Ａ，４２Ｂと接続するための蒸気導入口８２Ａ，８２Ｂとともに、過熱蒸気を排出するための蒸気排出口８４が設けられている。更に、前記炉体７２の側面の所定位置には、前記坩堝７４に接続された出湯管８６が貫通可能な開口部８８が形成されている。このような構成とすることで、前記溶解炉１２から回収した過熱蒸気が、保持炉７０の加熱に再利用される。
【００１８】
次に、本実施例の作用を説明する。まず、投入口４６Ａから坩堝３６内に、適量の固体状アルミニウム５８を投入する。そして、ブラウンガス発生装置５４によるブラウンガスの生成を開始し、ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂにガスを送り、加熱室１８内で燃焼させて支持台１６を加熱する。支持台１６が高温になると、これを介して坩堝３６が底部３６Ａから間接的に加熱される。これに加え、本実施例では、ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂの燃焼に発生した水（ないし水蒸気）が、高温の加熱室１８内で熱容量が非常に大きい加熱蒸気となり、坩堝３６の全体を均一に加熱する。坩堝３６の加熱に利用されて温度が低下した過熱蒸気は、排気管４２Ａ，４２Ｂから保持炉７０に送られる。また、前記加熱室１８内の加熱蒸気の一部は冷却されて液化するが、炉体１４の内壁に吸水性を有する煉瓦１５，２０，２２を設けているため、水分が吸収される。
【００１９】
固体状アルミニウム５８の溶解により得られた溶湯６０は、坩堝３６の排出口３８から出湯管４０を通って保持炉７０に送られる。坩堝３６内の溶湯６０が一定量以下になったら、必要に応じて固体状アルミニウム５８を追加投入する。また、以上のような溶解工程中、坩堝３６内の温度が温度センサ５０により計測されており、その検出結果に基づいて、燃焼制御装置５２が駆動モータ３４Ａ，３４Ｂの駆動を制御し、ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂの位置を調節して温度制御を行う。また、ブラウンガス発生装置５４からブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂへ送るガスの流量を制御し、逆火を防止している。
【００２０】
一方、前記溶解炉１２から溶湯６０が送られた保持炉７０では、溶湯６０が投入口７８から坩堝７４内に投入されて貯留される。また、保持炉７０の周囲に形成された蒸気室８０には、前記排気管４２Ａ，４２Ｂから過熱蒸気が送られる。該過熱蒸気は、若干温度は低下しているものの、坩堝７４を加熱してアルミニウムを溶湯６０の状態のまま維持できる程度の温度を有している。もちろん、再利用の過熱蒸気だけでなく、他の加熱手段を併用するようにしてもよい。そして、坩堝７４の保温に利用されて温度が低下した過熱蒸気は、炉体７２の底面近傍の蒸気排出口８４から外部に排出される。坩堝７４内の溶湯６０は、必要に応じて出湯管８６から外部に汲み出される。
【００２１】
＜実験例＞・・・次に、本実施例の溶解炉１２を用いてアルミニウム片を間接溶解した場合と、比較例としてアルミニウム製品を直接加熱により溶解した場合の溶湯品質の比較を、ガス分析により行った。試験サンプルは、アルミニウム片及びアルミニウム製品（比較例）のそれぞれについて２回ずつ行った。試験サンプルは、（１）適当な大きさ（１０００ｇ程度）に切断→（２）洗浄→（３）水酸化ナトリウムに１５分浸漬→（４）硝酸に１５分浸漬→（５）超音波洗浄器で１５分洗浄→（６）水分除去→（７）アセトンで油脂を除去、の順で下準備を行ったのち、ガス量分析器及びガス成分分析器による分析を行った。
【００２２】
図３は、本実施例の結果を示す図であり、（Ａ）は成分別ガス量を示す表、（Ｂ）は前記（Ａ）をグラフで示したものである。図４は、比較例の結果を示す図であり、（Ａ）は成分別ガス量を示す表、（Ｂ）は前記（Ａ）をグラフで示したものである。また、図５は、アルミニウム片と比較用のアルミニウム製品の分光分析結果である。図３及び図４において、ガス量の単位は、「ｃｃ／１００ｇＡＩ」である。まず、図３を見ると、アルミニウム片を本実施例の溶解炉１２により間接加熱で溶解した場合には、Ｈ２成分のほかに、Ｎ２，ＣＨ４，ＣＯ，ＣＯ２，Ｃ２Ｈ８成分も検出された。これは、間接加熱の場合は、直接加熱のように混合が燃焼して発生するＣＯ２などのガスに触れなかったためと考えられる。この結果から、本実施例の溶解炉１２で溶解した場合は、カーボン系ガスの影響を受けないことが確認された。
【００２３】
サンプルの重量に対してのガス量で比較すると、アルミニウム片のほうがＨ２成分の量は多かったが、溶解温度や金属成分の含有量によってもＨ２の溶解度が変化するため、アルミニウム片のＨ２量は比較品とほぼ同じと考えられる。また、全体のガス量は、比較例と比べると、本実施例では大幅に低減していることが確認された。なお、図５には、アルミニウム片と比較用のアルミニウム製品の分光分析結果が示されている。前記図５に示すように、アルミニウム片とアルミニウム製品からは、ほぼ同じ数値の成分が検出されている。
【００２４】
このように、実施例１によれば、次のような効果がある。
（１）坩堝３６と炉体１４の間に形成された加熱室１８で、ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂにより支持台１６を加熱するとともに、ブラウンガスの燃焼により生じた水（ないし水蒸気）が加熱室１８内で過熱蒸気となり、坩堝３６の全体を均一に加熱することとしたので、短時間で不純物の混入が少ない高品質のアルミニウム溶解物を得ることができる。
（２）燃焼制御装置５２と温度センサ５０を設け、該温度センサ５０の検出結果に応じて、ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂが支持台１６に対して所望の位置となるように駆動モータ３４Ａ，３４Ｂを制御することとしたので、坩堝３６内を所望の温度に調節することができる。
（３）前記燃焼制御装置５２により、ブラウンガス発生装置５４から前記ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂに送るガスの流量を一定に制御することとしたので、逆火を防止することができる。
（４）前記炉体１４を構成する煉瓦１５，２０，２２が吸水性を有するため、加熱室１８内の温度低下を防止することができる。
（５）溶湯６０を貯留する保持炉７０を設けるとともに、該保持炉７０の加熱に前記溶解炉１２から回収した過熱蒸気を利用することとしたので、熱の有効利用が可能となる。
【００２５】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
（１）前記実施例１における形状、大きさ、材質は一例であり、必要に応じて適宜変更可能である。
（２）前記実施例１における炉体１４も一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。例えば、前記実施例１では、形状の異なる煉瓦２０，２２を用いた２重構造としたが、煉瓦の大きさや形状に応じて、適宜層数を増減してよい。
（３）ブラウンガスバーナ３２Ａ，３２Ｂも一例であり、その設置数は必要に応じて増減してよい。
（４）前記保持炉７０も一例であり、必要に応じて設けるようにすればよい。例えば、アルミニウム５８の溶解後に、溶解炉１２自体を溶湯６０の保持炉として使用する場合には、保持炉７０を省略することが可能である。
（５）前記実施例１では、保持炉７０の加熱に溶解炉１２から回収した過熱蒸気を利用することとしたが、これも一例であり、他の加熱手段を利用することを防げるものではない。
（６）本実施例で溶解するアルミニウムは固体状のものであればよく、インゴットに限らずアルミニウム製品などの溶解に適用するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明によれば、坩堝と炉体の間に形成された加熱室で、ブラウンガスバーナにより前記坩堝の耐火性の支持台を加熱するとともに、ブラウンガスの燃焼により生じた水（ないし水蒸気）が、加熱室内で過熱蒸気となって前記坩堝全体を加熱することで、短時間で高品質のアルミニウム溶湯が得られるため、アルミニウム溶解炉の用途に適用できる。特に、加熱室で利用した過熱蒸気を保持炉で再利用可能なため、保持炉を備えたアルミニウム溶解炉の用途に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例１の全体構成を示す模式図である。
【図２】前記実施例１の溶解炉の詳細な構成を示す断面斜視図である。
【図３】前記実施例１の溶解炉による間接加熱で溶解したアルミニウム片のガス分析結果を示す図である。
【図４】バーナによる直接加熱で溶解した比較例のアルミニウム製品のガス分析結果を示す図である。
【図５】前記アルミニウム片と比較例のアルミニウム製品の分光分析結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０：アルミニウム溶解炉
１２：溶解炉
１４：炉体
１４Ａ：底面
１４Ｂ：側面
１４Ｃ：上端
１５：煉瓦
１６：支持台
１８：加熱室
２０，２２：煉瓦
２４：断熱材
２６：外壁
２８：開口部
３０Ａ，３０Ｂ：取付口
３２Ａ，３２Ｂ：ブラウンガスバーナ
３４Ａ，３４Ｂ：駆動モータ
３６：坩堝
３６Ａ：底面
３６Ｂ：側面
３６Ｃ：上端
３８：排出口
４０：出湯管
４２Ａ，４２Ｂ：排気管
４４：シール部材
４６：リング板
４６Ａ：投入口
４８：蓋
５０：温度センサ
５２：燃焼制御装置
５４：ブラウンガス発生装置
５８：固体状アルミニウム
６０：溶湯
７０：保持炉
７２：炉体
７４：坩堝
７６：シール部材
７８：投入口
８０：蒸気室
８２Ａ，８２Ｂ：蒸気導入口
８４：蒸気排出口
８６：出湯管
８８：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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