JPH06501058A - 流動床装置と、それを使用する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 流動床装置と、それを使用する方法 １−　ｅｃ）ｊ虹１ １、一旦ｊとか！ 本発明は、制御される熱処理の改良に関する。特に、本発明（士、浸漬される赤 外線放射加熱源を有する流動床熱処理装置に関する。

本発明は、鋳物砂を再生するための該装置の使用の方法にも関する。

２．１里技血二韮朋 製品を熱処理するための流動床炉の使用は、周知である。該炉は、酸化アルミニ ウムの様な極めて高温の流動する粒子の床を発生する。該炉は、製品の連続的な 処理又は製品のバッチ処理の双方をこ使用可能である。

米国特許第４，７５２，０６１号は、加熱源として赤外線放射を使用する流動床 炉な教示する。加熱源として赤外線放射を使用する一利点は、炉内の粒子を流動 化するために不活性ガスの使用を可能にすることである。この結果、制御される 雰囲気は、炉内で熱処理される製品を包囲して設けられてもよい。

前述の米国特許第４．７５２，０６１号は、石英の壁なし）シスクリーンの背後 の床の外へ赤外線ランプを設置する。この結果、赤外線ランプから床への距離は 、床の流動化に寄与する過度に少なし１エネルギ源を伴う高い温度勾配を生じる 。このため、エネＪレギカＳ著しく非能率となる。又、赤外線ランプは、ステン レス鋼のレトＪレトに極く接近することがある。これは、レトルトの部分的な溶 融を生じ得る。

上−」Ｌ亜」どＬ刀 本発明の好適実施例によると、装置は、熱処理するために開示される。該装置は 、炉の容積を限定する壁を有するレトルトを含む。

流動する粒子の床は、該容積内に配置される。電力を供給される複数の赤外線源 は、床内に浸漬されて設けられる。又、適用は、該新規な装置を使用して鋳物砂 を再生する方法を開示する。

ＬＪ　の　単な舌日 第１図は、炉の特定の内部要素を露出するために外皮の一部を除去した本発明に よる流動床炉の側面図であり、第２図は、母線板が移動して示される第１図の炉 の特定の内部要素の拡大図であり、 第３図は、部分的に断宜で示され、母線板への赤外線加熱要素の結合を示す側面 図であり、 第４図は、本発明の炉の概略の側面図であり、第５図は、概略で示される本発明 の炉の端面図であり、第６図は、概略で示される本発明の炉の上面図であり、第 ７図は、鋳物砂を再生する処理装置において本発明の装置を使用する処理系統の 図である。

■、　の雷日 Ａ−薩」ＬΩ」Ｌ朋 全体にわたって同一の要素が同一の符号を付けられる種々な図面を次に参照して 、炉１０に関して好適実施例が次に説明される。第４図、第５図に最もよく示さ れる炉１０は、好ましくはＲ３３０ステンレス鋼等で形成されるレトルト１２を 含む。レトルト１２は、底壁１４と、端壁１５，１６と、側壁１７．１８とを含 む。壁１４−１８は、レトルトの内部２０を限定する様に協働する。カバー（図 示せず）は、レトルト１２の上部を被うために設けられてもよい。

又、炉１０は、第５図、第６図に最もよ（示される外側シェル２２を含む。外側 シェル２２は、壁１７を被う第１外側シエル壁２４と、壁１８を被う第２外側シ エル壁２６とを含む。第１図では、シェル壁２４の中央部分は、壁１７を露出す るために除去される。壁２４と、壁１７とは、排気ブレナム２８を限定する様に 協働する。壁２６．１８は、入口ブレナム３０を限定する様に協働する。

第４図、第６図に最もよ（示される様に、内部仕切り壁３１゜３２は、内部２０ の中に設けられる。壁３１．３２は、側壁１７゜１８の間に延び、端壁１５，１ ６に平行である。仕切り壁３１゜３２は、レトルト１２の頂上に向って床１４か ら延びる。壁３１゜３２は、流動化チャンバ２０ａと、第１溢流チヤンバ２０ｂ と、第２溢流チヤンバ２０ｃとにレトルト内部２ｏを区分する（第４図参照）。

複数の石英チューブ３６は、壁１７．１８の間に膣壁１７，１８を貫通して複数 で延びる。図示の様に、チューブ３６は、レトルト１２の床１４に平行に側壁１ ７．１８にはｆ垂直に平行に整合して配置される。チューブ３６は、内部２０の 流動化部分２０ａの中に配置され、チャンバ２Ｏａ内に保持されるべき流動する 粒子の所定の高さ３８（第４図参照）の下に配置される。

第３図は、側壁１７へのチューブ３６の取付を示す。石英チューブ３６は、側壁 １８へ同様に取付けられる。第３図に示される様に、チューブ３６は、側壁１７ を貫通して延び、装着用鋼クランプ４０によって側壁１７に結合される。クラン プ４０は、複数のセラミックワッシャー４２を収容する。クランプ４０は、ボル ト４４によって側壁１７に取付けられる。

赤外線ランプ４６は、第２図、第３図、第５図、第６図に最も良（示される様に 各チューブ３６内に配置される（平明のため、ランプは、第１図、第４図のチュ ーブ３６内には示されていない）。ランプ４６は、壁１７．１８の間に完全に収 容され、装着用クリップ４８によってチューブ３６内に同心状に整合して保持さ れる。

複数のランプ４６へ電気エネルギを供給するため、複数の母線板５０が設けられ る（平明のため、母線板は、第１図、第４図に示されない）。第２図に示される 様に、９枚の母線板は、レトルト１２の各側部１７，１８に対して設けられる。

第６図の概略の表示では、８枚の母線板が各側部に示される。

母線板５０は、金属の導電性板である。各板５０は、板５０を付勢するために別 個に制御可能な電力源（図示せず）へ結合される。

板５０は、好ましくはセラミックである母線板マウント５２（第３図参照）によ って壁１７．１８へ固定される。導線５４は、赤外線ランプ４６を母線板５０へ 結合する。導線５４は、ナツト及びボルトの組合せ５６によって母線板５０へ結 合される。

第２図に最も良く示される様に、複数のランプ４６は、任意の所与の母線板５０ によって被われる。第２図の展開図では、各母線板５０は、ランプ４６及びチュ ーブ３６を被わないで取り除かれている。第２図におけるランプ４６上の母線板 ５０の位置は、想像線で示されている。複数の異なる母線板５０によって複数の ランプ４６が被われる結果、流動化チャンバ２０ａの長さは、複数の領域に区分 されてもよい。各母線板５０は、関連するランプ４６と共に所与の領域を構成す る。各母線板５０への電流を別個に調節することにより、各母線板５０へ結合さ れるランプの強さは、別個に制御可能である。この結果、温度勾配は、チャンバ ２０ａの長さに渡って形成可能である。

第１図、第４図、第５図に示されるステンレス鋼スクリーン６０は、ランプ４６ 及び石英チューブ３６の上に置かれる。スクリーン６０は、熱処理される製品が 石英チューブ３６上に落下して恐らくこれ等のチューブを損傷するのを防止する 。

流動化チューブ６２は、床１４と石英チューブ３６との間に配置されて設けられ る。チューブ６２は、導管６４を経て流動化ガス源（図示せず）へ結合される。

流動化ガスは、空気又は窒素の様な任意の不活性ガスでもよい。流動化チューブ ６２は、米国特許第４．７５２．０６１号に図示説明され該特許の図面に符号９ ８で示されるもの一様なものでもよい。

冷却剤機構は、赤外線ランプ４６を冷却するためにチューブ３６を経て冷却用流 体（好ましくは空気）を送る様に設けられる。送風機７０は、入口ブレナム３０ に結合されて設けられる。排気ファン（図示せず）は、排気導管７２を経て排気 ブレナム２８へ結合されてもよい。この結果、冷却用空気は、ブレナム３０から 各チューブ３６を経てブレナム２８へ押込まれて排気導管７２から押出されても よい。

流動化粒子（好ましくは粒状酸化アルミニウム）の床は、レトルト１２内に設け られる。粗い粒子（好ましくは１２グリッド寸法の）の第１層８０は、流動化チ ューブ６２を被って石英チューブ３６の下で終わる様に設けられる。一層微細な 酸化アルミニウム砂（好ましくは１００グリッド寸法）は、粗い砂８０の頂上に 休止し、レベル３８において終る。粗い砂８０は、流動化チューブ６２からの流 動化ガスを拡散して石英チューブ３６へ該ガスを均等に分配する。

運転の際、赤外線ランプ４６は、Ｏ＠Ｆから４０００”　Ｆまで加熱されてもよ い。酸化アルミニウムは、０６Ｆから２１００”Ｆまで加熱される。コントロー ラ１００（第２図に概略で示される）は、各母線板５０へ制御線路１０２を経て 結合される。コントローラ１００の操作により、各母線板５０の電位は、別個に 制御可能である。従って、複数の赤外線ランプ４６は、複数の別個に制御可能な 領域に区分される。

運転の際、ランプ４６は、酸化アルミニウムを加熱する。チューブ６２からの流 動化ガスは、酸化アルミニウムを流動化する。仕切り壁３１．３２は、流動化チ ャンバ２０ａから溢れ出る任意の酸化アルミニウムをチャンバ２０ｂ及び２Ｏｃ 内に捕捉する。

ランプ４６及びチューブ３６の各々は、ランプ組立体３７（第３図、第５図、第 ６図に符号を付けて示される）を含む。前に示される様に、冷却用ガスは、ラン プ組立体３７を経て送られる。運転の際、装置の温度は、全く高い。例えば、組 立体３７を包囲する温度は、一般に２１００°Ｆを越える。１５００’　Ｆ以上 の温度では、石英チューブ３６は、劣化し得る０例えば１５００°Ｆから１８０ ０°Ｆまででは、石英は、軟化して垂れ下がる。

石英チューブ３６を通過する空気は、垂れ下がりを防止する様に石英チューブ３ ６を冷却する。しかしながら、空気の流れは、赤外線ランプ４６の効率に悪影響 を及ぼし得る。従って、石英チューブ３６を通る空気の流れは、石英チューブ３ ６が垂れ下がるのを防止するのに充分な冷却を与えると共にランプの効率への悪 影響を最小限にする様に釣り合いを取らねばならない。

望ましい釣り合いを達成するため、石英チューブ３６を通る空気の流れは、好ま しくは、流動床３８の温度が所定の温度を越えるときにのみ与えられ、好適実施 例では、該所定の温度は、１５００”Ｆである。

チューブ３６を通る空気の流れの量は、チューブ３６の熱エネルギに釣り合う様 に選択される。即ち床３８はチューブ３６の熱エネルギを抽出する。チューブ３ ６から抽出される熱エネルギがチューブ３６の温度を所定の温度以下に保つのに 不充分であれば、空気の流れは、チューブ３６からエネルギを抽出するのに選択 された比率でチューブ３６を経て送られる。空気の流れの量は、チューブ３６の 長さと、ランプ４６を横切る電圧と、周囲温度（即ちチューブ３６の直ぐ近くの 床の温度）との関数である。空気の流れの実際の量は、所与の装置１０に対して 経験的に得られ、装置が使用される操作工程によって変化する。

釣り合いを達成するため、熱電対１００（第５図にのみ概略で示される）は、チ ューブ３６の近くの床３８内の温度を検知するために設けられる。熱電対１００ は、コントローラ１０２へ信号を与える。又、コントローラ１０２は、ランプ４ ６を横切る電圧を検知する電圧センサー１０４から入力を受取る。ランプ４６の 電圧と、床３８内の温度とを比較して、コントローラ１０２は、床３８内の温度 が所定の温度を越えるとき、石英チューブ３６を経て冷却剤ガスを強制する様送 風機７０を運転する。石英チューブ３６を通る空気の流れは、ランプ４６を横切 る電圧の増加関数である様に、又熱電対１００によって測定される上昇する温度 によって増大される様に、選択される。該増加関数は、石英チューブ３６の劣化 を防止するのに必要な最小空気流となる様に選択される。

好適実施例は、空気冷却されるランプ組立体３７の使用を開示する。別の実施例 は、抵抗型炭化ケイ素加熱要素（グローバーとも呼ばれる）によって該組立体に 置換えてもよい。これ等の要素は、加熱されて赤外線放射を発生する様に電気的 に付勢されてもよい。これ等の要素は、床に直接接触して使用可能であり、石英 導管（チューブ３６の様な）又は空気冷却を必要としない。該要素は、ミネソタ 州ミネアポリス市のスミスシャープ（Ｓｍｉｔｈ−３ｈａｒｐｅ）によって市販 されるものＳ様に営利的に入手可能である。

Ｂ、　な　を　する　砧　の　な　パ 上述の装置１０は、流動床内の製品を熱処理するのに使用する様に例示された。

これ等の有益な使用に加えて、我々は、装置ＩＯが鋳物砂の再生に驚（はどに有 用であることを確認した。

鋳物産業では、種々な型式の砂は、金属鋳物を製造する鋳型を形成するのに使用 される。これ等の砂は、所謂「ノーベーク」砂と、所謂「グリーン」砂とを含む 。ノーベーク砂は、砂鋳型に砂を固めるために空気硬化される有機結合剤を含む 。グリーン砂は、鋳型に砂を困めるために焼かれる無機結合剤を含む。

政府機関（米国環境保護種間の様な）は、鋳物砂の処分を厳しく制限する。例え ば、鋳物砂は、危険な物質と見做されるため、埋め立て式ごみ処理場に容易に処 分出来ない。

鋳物砂を再生するために種々の方法が考え出された。ノーベーク砂は、該砂の約 ８０％を再生する様に破砕機及びスクラバーに砂を通す機械的な方法によって再 生される。

鋳物産業は、温度を加えること（該産業では上昇される温度において砂を「キリ ング（ｋｉ　Ｌ　ｌ　ｉｎｇ）Ｊと呼ばれる）によって砂を再生するための種々 な方法を実験している。例えば、該産業は、砂を熱的に再生するためにガス燃焼 の流動床を使用した。この−例は、米国特許第４，４７８，５７２号に見出され る。

グリーン砂を再生するため、該砂は、１４００°Ｆから１５００°Ｆまで以上の 温度に熱処理されねばならない。天然ガスが熱源として使用される場合は、かな りの量が必要である。又、該設備の資本費用は、非常に高い。

我々は、我々の装置がグリーン砂を含む鋳物砂を再生するのに特に好適であるこ とを見出した。これを達成するため、鋳物砂は、好適な流動床粒子として前述の 粒状酸化アルミニウムを使用する代りに炉１０の流動床として使用される。

第７図は、概略の形態でグリーン砂を再生するための装置１０の使用を示す。第 ７図に示される様に、再生系統１９９は、砂を破砕機２０１へ送る供給ホッパー ２００を含む。破砕機２０１は、砂を破砕して、強磁性材料を分離するために磁 気分離器２０２へ砂を送る。材料ホッパー２０６は、分離器２０２からの砂を集 めて１分離される砂（導管を経て）２０９を炉１０へ供給する。完全に再生され る砂は、排出導管２０８を通って装置１０から送られる。

高温再生砂は、排出導管２０８からカスケード冷却器２２０へ送られる。送風機 ２２２は、冷却器２２０へ冷却用空気を送る。送風機２２２は、導管２２４を経 て主排出導管２２６へ排出される空気を伴い冷却器２２０へ冷却用空気を送り、 空気は、主排出導管からフィルター及びスクラバー（図示せず）へ送られる。

送風機２３０は、空気を流動化チューブ６２へ押し込む。鋳物砂の回収のための 装置１０の使用の際、流動化ガスは、砂の結合剤との酸素反応を有する酸素含有 ガス（好ましくは空気）である。結果として生じる生成ガス（例えばｃｏ、ｃｏ 、＞及び塵埃は、主導管２２６を経て排出される。

鋳物砂を再生するための炉１０の使用は、砂の約９４重量％の再生を伴い７５０ °Ｆにおけるノーベーク砂によって運転された。

又、グリーン砂の９４％は、１４００’　Ｆから１６００°Ｆまテノ流動床温度 を形成する様に炉を運転するときに再生された。後者は、本発明の以前にグリー ン砂を経済的に再生し得なかった鋳物産業に対してかなり重要なものである。

この装置は、鋳物砂の再生への使用に対して多くの利点を有している。この装置 の資本費用は、鋳物砂に対する従来の熱処理装置よりも著しく低い。これは、従 来の熱処理装置よりも著しく低いエネルギ費用で運転され、急速に処理される原 料の量を有している。

装置１０が砂の再生の際にこのように効果的であることの実際の物理学及び化学 は、完全には理解されていない。しかしながら、砂の床の中への赤外線熱源の浸 漬により個々の砂粒が瞬間的に非常に高い温度になることが考えられる。例えば 、床が約１４００”Ｆの平均温度になる際、個々の粒は、非常に高い温度を有し 得る浸漬される熱源（即ち赤外線ランプ又はグローバー）に瞬間的に極めて接近 する様になる。瞬間的な非常に高い温度は、砂の結合剤を脆くして焼きつくすこ とが考えられる。この結果、新規な方法によって再生される砂は、従来技術の技 法によって再生される砂に比較して非常に僅かな篩別を必要とする。

本発明の前述の詳細な説明により、本発明が好適な態様において如何に得られた かが示される。しかしながら、当業者に容易に考えられるもの＼様な開示される 概念の変更及び同等なものは、本発明の範囲内に含まれる様に意図される。

ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、６ ！ ！ 補正書の翻訳文の提出書（特許法第１８４条の８）平成５年４月１５日

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. １．流動する粒子の床を収容する大きさの容積を限定する容積限定装置を備え、 該床が、該容積内で所定の高さを越える様に選択され、更に、電力を供給される 複数の赤外線放射源と、前記所定の高さの下方の前記容積内に該複数の源を装着 する装着装置とを備える熱処理用装置。
2. ２．請求の範囲第１項に記載の装置において、前記源の下方の前記容積へ流動化 ガスを入れるためのガス進入装置を備える装置。
3. ３．請求の範囲第１項に記載の装置において、前記源が、ランプであり、前記装 着装置が、前記高さの下方の前記容積内に配置されその中に配置されるランプを 有する導管を含む装置。
4. ４．請求の範囲第１項に記載の装置において、前記源が、ランプであり、前記装 着装置が、前記高さの下方の前記容積内に配置されその各々の中に配置されるラ ンプを有する複数の導管を含む装置。
5. ５．請求の範囲第４項に記載の装置において、前記導管が、赤外線放射に対して ほ、透明である装置。
6. ６．請求の範囲第５項に記載の装置において、前記導管が、石英である装置。
7. ７．請求の範囲第４項に記載の装置において、前記導管が、該導管のまわり及び 間に流れる様に流動床に対して相互に配置される装置。
8. ８．請求の範囲第１項に記載の装置において、前記電力を供給される複数の赤外 線放射源が、複数の別個に制御可能な領域に区分され、該各領域が、少なくとも １つの赤外線放射源を収容する装置。
9. ９．請求の範囲第４項に記載の装置において、前記導管及び前記ランプが、該ラ ンプを包囲する複数の空気流れ通路と、該通路へ冷却用流体の流れを供給する冷 却装置とを限定する様に該ランプ及び該導管の対向する面に対して相互に寸法を 定められる装置。
10. １０．請求の範囲第１項に記載の装置において、前記源が、抵抗型加熱要素であ る装置。
11. １１．容積を限定する壁を有するレトルトと、該容積内に配置され流動する粒子 の床と、電力を供給される複数の赤外線放射源と、前記床内に浸漬される該複数 の該源を装着する装着装置とを備え製品を熱処理する装置。
12. １２．請求の範囲第１１項に記載の装置において、前記源の下方の前記容積へ流 動化ガスを入れる装置を備える装置。
13. １３．請求の範囲第１１項に記載の装置において、前記源が、ランプであり、前 記装着装置が、前記床内に浸漬されて配置されその中に配置されるランプを有す る導管を含む装置。
14. １４．請求の範囲第１１項に記載の装置において、前記源がランプであり、前記 装着装置が、前記床内的浸漬されて配置されその各々の中に配置される少なくと も１個の該ランプを有する複数の導管を含む装置。
15. １５．請求の範囲第１４項に記載の装置において、前記導管が、赤外線に透明で ある装置。
16. １６．請求の範囲第１４項に記載の装置において、前記導管が、石英である装置 。
17. １７．請求の範囲第１４項に記載の装置において、前記導管が、該導管のまわり 及び間に流れる様に流動床に対して相互に配置される装置。
18. １８．請求の範囲第１４項に記載の装置において、前記導管及び前記ランプが、 該ランプを包囲する複数の空気流れ通路と、該通路へ冷却用流れの流れを供給す る冷却装置とを限定する様に該ランプ及び該導管の対向する面に対して相互に寸 法を定められる装置。
19. １９．請求の範囲第１１項に記載の装置において、前記源が、複数の別個に制御 可能な領域に区分される装置。
20. ２０．請求の範囲第１１項に記載の装置において、前記床が、粗い粒子の第１層 と、微細な粒子の第２層とを含む少なくとも２つの層を含み、該粗い層が、前記 源の下方に配置される装置。
21. ２１．請求の範囲第１１項に記載の装置において、前記源が、抵抗型加熱要素で ある装置。
22. ２２．請求の範囲第１項に記載の装置において、使用され流動する粒子の床が、 鋳物砂である装置。
23. ２３．請求の範囲第１１項に記載の装置において、使用され流動する粒子の床が 、鋳物砂である装置。
24. ２４．鋳物砂の床を収容する大きさの容積を限定する容積限定装置を備え、該床 が、該容積内の所定の高さを越える様に選択され、更に、電力を供給される複数 の赤外線放射源と、前記高さの下方の前記容積内に該複数の源を装着する装着装 置とを備える装置において使用済み鋳物砂を再生する方法において、前記使用済 み鋳物砂を前記容積へ入れ、該砂を再生するのに充分な熱を発生する様に前記源 を付勢し、該源によって前記床を加熱する際に該床を流動し、熱処理された砂を 該床から排出する手順を備える方法。