JPH0815637B2 - 流動床装置と、それを使用する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は、制御された熱処理の改良に関する。特に、
本発明は、浸漬された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
の該装置の使用方法にも関する。

従来技術の説明 製品を熱処理するための流動床炉の使用は、周知であ
る。流動床炉は、酸化アルミニウムの様な極めて高温の
流動する粒子の層を生ずる。この流動床炉は、製品の連
続処理又は製品のバッチ処理の双方に使用可能である。

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を教示する。加熱源として赤外線放
射を使用する利点は、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
御された雰囲気が、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、石英の壁ないしス
クリーンの背後の流動床の外に赤外線ランプを設置す
る。この結果赤外線ランプから流動床への距離は高い温
度勾配を生じ、流動床の作用に寄与するエネルギ源とし
ては効果は極めて少ない。このため、エネルギが著しく
非能率となる。又、赤外線ランプは、ステンレス鋼のレ
トル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。

発明の要約 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、炉の領域を限定する壁を有
するレトルトを含む。流動する粒子の流動床は、該領域
内に配置される。電力を供給される複数の赤外線源は、
流動床内に浸漬されて設けられる。又、用途は、この新
規な装置を使用して鋳物砂を再生する方法を開示する。

図面の簡単な説明 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、母線板を下に取外して示す第１図の炉の特
定の内部要素の拡大図であり、 第３図は、部分的に断面で示し、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、本発明の流動床炉の概略側面図であり、 第５図は、本発明の流動床炉の概略端面図であり、 第６図は、本発明の流動床炉の概略平面図であり、 第７図は、鋳物砂を再生する処理装置において本発明
の装置を使用した処理系統の図である。

好適実施例の説明 装置の説明 全体にわたって同一の要素に同一の符号を付した図面
を参照して、本発明の流動床炉が10の好適実施例を次に
説明する。第４図、第５図に最もよく示した流動床炉10
は、好ましくはR330ステンレス鋼等で形成したレトルト
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てもよい。

又、流動床炉10は、第５図、第６図に最もよく示した
外側シェル22を含む。外側シェル22は、壁17を被う第１
外側シェル壁24と、壁18を被う第２外側シェル壁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
出するために除去してある。壁24と、壁17とは、排気プ
レナム28を限定する様に協働する。壁26,18は入口プレ
ナム30を限定する様に協働する。

第４図、第６図に最もよく示した様に、内部仕切り壁
31,32は、レトルト内部20の中に設ける。壁31,32は、側
壁17,18の間に延び、端壁15,16に平行である。仕切り壁
31,32は、レトルト12の頂上に向って底壁14から延び
る。壁31,32は、流動化チャンバ20aと、第１溢流チャン
バ20bと、第２溢流チャンバ20cとにレトルト内部20を区
分する（第４図参照）。

複数の石英チューブ36は、壁17,18の間に該壁17,18を
貫通して複数で延びる。図示の様に、石英チューブ36
は、レトルト12の底壁14に平行に側壁17,18にほゞ垂直
に平行に整合して配置される。石英チューブ36は、レト
ルト内部20の流動化チャンバ20aの中に配置され、流動
化チャンバ20a内に保持す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への石英チューブ36の取付を示す。
石英チューブ36は、側壁18へも同様に取付けられる。第
３図に示した様に、石英チューブ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
に最も良く示した様に、各石英チューブ36内に配置され
る（ランプは、第１図、第４図の石英チューブ36内には
図示を略した）。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によって石英チューブ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（母線板は、第１図、第４図に
は省略した）。第２図に示した様に、９枚の母線板を、
レトルト12の各側部17,18に対して設ける。第６図の概
略の表示では、８枚の母線板を各側部に示した。

母線板50は、金属の導電性板である。各母線板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。

母線板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、ナッ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図に最も良く示した様に、任意の所与の母線板50
は複数のランプ46を担当している。第２図の展開図で
は、各母線板50は、複数のランプ46及び石英チューブ36
の担当から外して示してある。第２図における複数のラ
ンプ46上の複数の母線板50の位置は、想像線で示してあ
る。複数の異なる母線板50によって複数のランプ46が担
当される結果、流動化チャンバ20aの長さを、複数の領
域に区分してもよい。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へ結合される複数
のランプの強さは、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図に示した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上に落下してこれ等の石英チューブを損傷するのを防
止する。

流動化チューブ62は、底壁14と石英チューブ36との間
に配置してある。流動化チューブ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号の第５図に符
号98で示した様なものでもよい。

冷却機構を、赤外線ランプ46を冷却するために石英チ
ューブ36を経て冷却用流体（好ましくは空気）を送る様
に設ける。送風機70は、入口プレナム30に結合して設け
る。排気ファン（図示せず）は、排気導管72を経て排気
プレナム28へ結合されてもよい。この結果、冷却用空気
は、入口プレナム30から各石英チューブ36を経て排気プ
レナム28へ押込み、排気導管72から排出してもよい。

流動化粒子（好ましくは粒状酸化アルミニウム）の流
動床は、レトルト12内に設けられる。粗い粒子（好まし
くは粒度12グリット）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（好ましくは粒度100グ
リット）は、粗い砂80の頂上に休止し、レベル38におい
て終る。粗い砂の第１層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へ流動化ガスを均
等に分配する。

運転の際、赤外線ランプ46は、０゜Ｆから4000゜Ｆま
で加熱されてもよい。酸化アルミニウムは、０゜Ｆから
2100゜Ｆまで加熱される。コントローラ100（第２図に
概略で示す）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、赤外線ランプ46は、酸化アルミニウムを加
熱する。流動化チューブ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第1,
第２の溢流チャンバ20b,20c内に捕捉する。

赤外線ランプ46及び石英チューブ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
す）を含む。前に示した様に、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、ランプ組立体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。例えば1500゜Ｆから1800゜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36を冷却する。しかしながら、空
気の流れは、赤外線チューブ36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36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、流動床の高さ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。

石英チューブ36を通る空気の流れの量は、石英チュー
ブ36の熱エネルギに釣り合う様に選択される。即ち流動
床は高さ38では石英チューブ3636から熱エネルギを得
る。石英チューブ36から得る熱エネルギが石英チューブ
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、石英チューブ36からエネルギを得るのに
選択された比率で石英チューブ36を経て送られる。空気
の流れの量は、石英チューブ36の長さと、赤外線ランプ
46を横切る電圧と、周囲温度（即ち石英チューブ36の直
ぐ近くの流動床の温度）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90（第５図にのみ概
略で示す）は、石英チューブ36の近くの流動床の高さ38
内の温度を検知するために設けられる。熱電対90は、コ
ントローラ100へ信号を与える。又、コントローラ100
は、赤外線ランプ46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。赤外線ランプ46の電圧と、流
動床の高さ38内の温度とを比較して、コントローラ100
は、流動床の高さ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に送
風機70を運転する。石英チューブ36を通る空気の流れ
は、赤外線ランプ46を横切る電圧の増加関数である様
に、又、熱電対90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、流動床に直接接触して使用可能であり、石英導管
（石英チューブ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−Sharpe）によって市販されるものゝ様に
営利的に入手可能である。

B.新規な装置を使用する鋳物砂再生の新規な方法 上述の流動床炉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、流動床炉10が鋳物砂の再生に驚くほどに有
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
る鋳型と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中で硬化
される有機結合剤を含む。グリーン砂は、鋳型に砂を固
めるために焼かれた無機結合剤を含む。

政府機関（米国環境保護機関の様な）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で安易に処分出来
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
びスクラバーに該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
る温度において鋳物砂をキリング（killing）すると呼
ばれる）によって該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、該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。この一例は、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15
00゜Ｆを超えた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、好適な流動床の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
流動床炉10の用途を示す。第７図に示される様に、再生
系統199は、鋳物砂を破砕機201へ送る供給ホッパー200
を含む。破砕機201は、該砂を破砕して、強磁性材料を
分離するために磁気分離器202へ該砂を送る。計量ホッ
パー206は、分離器202からの該砂を集めて、分離された
砂を導管205を経て流動床炉10へ供給する。完全に再生
された砂は、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、冷却器220へ冷却用空気を送ると共に
導管224を経て主排出導管226へ空気を排出させ、その空
気は、主排出導管226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流動床炉10の用途の際、流動化ガ
スは、鋳物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,CO₂）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流動床炉10の用途では、鋳物
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、14
00゜Ｆから1600゜Ｆまでの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、
急速に処理する能力を有している。

装置10が鋳物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、完全には解明されてい
ない。しかしながら、鋳物砂の流動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、流動床が約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
得る浸漬された熱源（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、鋳物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
れる鋳物砂は、従来技術の技法によって再生される鋳物
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ゝ様な開示された概
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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ネルソン ジェームス エス. アメリカ合衆国 55432 ミネソタ州 マ ウンズ ビュウ ノルウッド ドライブ 8360 (56)参考文献 特開 昭62−84290（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−120098（ＪＰ，Ｕ)

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流動床装置の所定の領域内（20）で所定の
   高さを有する使用済み鋳物砂の層を収容する様に前記領
   域を限定する手段（12）を備えた流動床装置内で前記鋳
   物砂を再生する方法において、前記領域内に前記鋳物砂
   の層を限定する様に結合剤を含む使用済み鋳物砂を該領
   域内に装入し、該鋳物砂の層が、該領域内で所定の高さ
   を有し、赤外線を透過する材料の複数の導管を該所定の
   高さの下方で且つ該鋳物砂の層内に配置し、該使用済み
   鋳物砂の層を加熱するために赤外線放射熱を発生する様
   に電力を供給される赤外線放射源を複数の導管の各々の
   １本の中に配置し、その際該赤外線放射源の各々の１個
   が、該導管の夫々の１本によって使用済み鋳物砂の層か
   ら保護される様にし、該砂を再生するために前記結合剤
   から砂を分離するのに充分な熱を発生する様に赤外線放
   射源を付勢し、該赤外線放射源によって使用済み鋳物砂
   の層を加熱する際に該使用済み鋳物砂の層を流動化し、
   再生された鋳物砂が砂鋳型を形成する際に鋳物砂として
   再度使用可能な様に該使用済み鋳物砂の層から前記熱処
   理され再生された砂を排出する手順を備えた方法。
2. 【請求項２】請求の範囲第１項に記載の方法において、
   前記領域内への使用済み鋳物砂の装入に先立って該砂の
   中に存在し得る強磁性材料から砂を分離する様に磁気分
   離器を通して使用済み鋳物砂を導く手順を更に備えた方
   法。
3. 【請求項３】請求の範囲第１項に記載に方法において、
   前記使用済み鋳物砂が、ノーベーク鋳物砂を含み、該ノ
   ーベーク鋳物砂の流動床が、少なくとも750゜Ｆの温度
   レベルまで加熱される方法。
4. 【請求項４】請求の範囲第１項に記載の方法において、
   前記使用済み鋳物砂が、グリーン鋳物砂を含み、該グリ
   ーン鋳物砂の流動床が、約1400゜Ｆから1600゜Ｆまでの
   温度レベルに加熱される方法。
5. 【請求項５】請求の範囲第１項に記載の方法において、
   前記流動床が、空気によって流動化される方法。
6. 【請求項６】結合剤を含む使用済み鋳物砂の層を収容す
   る領域（20）を限定する手段（12）と、該領域内に所定
   の高さを有する使用済み鋳物砂の層を形成する様に該領
   域内へ使用済み鋳物砂を装入する手段（205）と、該所
   定の高さの下方に配置される様に使用済み鋳物砂の層内
   に浸漬される状態で配置される赤外線を透過する材料の
   複数の導管と、該導管の夫々の１本によって使用済み鋳
   物砂の層の前記砂粒子から保護される様に該複数の導管
   内に夫々配置され、該砂を再生する様に前記結合剤から
   砂を分離する様な所定の温度レベルに使用済み鋳物砂の
   層を加熱するのに充分な赤外線放射熱を発生する様に電
   力が供給される複数の赤外線放射源と、該使用済み鋳物
   砂の層内に流動化ガスを導く手段（62）と、再生された
   鋳物砂が砂鋳型を形成するための鋳造砂として再度使用
   可能な様に前記熱処理され、再生された鋳物砂を前記領
   域から排出する手段（208）を備える使用済み鋳物砂を
   再生する装置。
7. 【請求項７】請求の範囲第６項に記載の装置において、
   前記領域を限定する手段への前記使用済み鋳物砂の装入
   に先立って該使用済み鋳物砂の中に存在し得る強磁性材
   料から該使用済み鋳物砂を分離する磁気分離手段を更に
   備えた装置。
8. 【請求項８】請求の範囲第６項に記載の装置において、
   前記使用済み鋳物砂が、ノーベーク鋳物砂を含み、前記
   赤外線放射源が、少なくとも750゜Ｆの温度レベルに使
   用済み鋳物砂の流動床を加熱可能である装置。
9. 【請求項９】請求の範囲第６項に記載の装置において、
   前記使用済み鋳物砂が、グリーン鋳物砂を含み、前記赤
   外線放射源が、1400゜Ｆから1600゜Ｆまでの温度レベル
   に使用済み鋳物砂の流動床を加熱可能である装置。