JPH08233468A - 加熱溶解装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】銑ダライのような細かい材料も使用でき、酸
素、窒素等の含有ガス量の少ない高品質の溶湯を連続的
に、しかも安定に所定の温度に調製されて得られる加熱
溶解装置を提供することにある。 【解決手段】炉床部に開閉自在の出湯口５が設けられ、
この炉床部の上部開口部を被溶解材投入口とすると共
に、その内部に例えばコークスの如き炭素材１及び鉄材
の如き被溶解材２が順次充てんされる溶解炉本体と、炉
床部の炭素材層から被溶解材層の所定高さに至る加熱必
要領域に相当する溶解炉本体の外周部領域に設けられた
電磁コイル３と、電磁コイル３に高周波電力の如き電力
を給電する誘導加熱エネルギ印加手段と、この誘導加熱
エネルギを制御する手段とを備え、この制御手段が炭素
材１及び被溶解材２に与える誘導加熱量の比率を制御す
ることで、出湯温度を所定温度に制御し得るように構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属材料等の加熱溶解方
法に係わり、特に還元性に優れ、かつ出湯温度を所定温
度に制御できる連続溶解に好適な加熱溶解装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】鋳鉄の溶解装置としてはキュポラ及びる
つぼ型誘導炉が良く知られており広く利用されている。
キュポラは精練された良質の溶湯が連続的に得られる連
続溶解炉であり、誘導炉は細かい材料も使用できる成分
調節が容易な間欠溶解炉である。それぞれ一長一短があ
り、現在ではこれらを併用した二重溶解装置も広く用い
られている。なお、この種の技術に関連するものとして
は、例えば特公昭52−48564号公報が挙げられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】キュポラはコークスを
高温燃焼させるために大量の空気を吹き込む必要があ
り、したがって炉内のガス流速が大きく、例えば、銑ダ
ライのような細かい材料は酸化されたり溶融する前にガ
スの流れによって溶解装置外に排出されるため溶解困難
である。また、材料を加熱溶融する熱源はコークスの燃
焼によるため高温にするには不完全燃焼が伴い特に1,50
0℃以上の出湯温度を得るためには効率が下がり温度制
御も困難である。

【０００４】一方、誘導炉は単なる材料の誘導加熱のみ
で溶解を行うため精練効果は望めない。また、基本的に
間欠溶解法であり連続的な鋳造装置に溶湯を供給するに
は不便であるという問題点がある。

【０００５】また、従来の技術に挙げた特公52−48564
号公報ではキュポラの上部に誘導コイルを設置して材料
を加熱しようとしているが、コークス層の加熱は考慮さ
れておらず従って大量の空気を吹き込む為の不利、高温
を効率良く得るための方策は改善されていない。

【０００６】つまり、誘導炉と燃焼炉を併用した上記従
来の溶解装置は、低温部加熱に電磁誘導加熱を、そして
高温部加熱にコークスによる燃焼加熱を行う連続精錬技
術に関する提案であるが、以下に述べるような問題点が
あり、実用レベルに達していない。

【０００７】すなわち、この種の従来技術においては、
被溶解材料が投入された低温部加熱において誘導加熱が
用いられているが、流動する被溶解材である金属材料の
みを誘導加熱するいわば予備加熱であり、電力での予備
加熱は経済的に高価であり実用的でない。また、高温部
加熱はコークスによる燃焼方式であるため、コークスの
不完全燃焼によるＣＯの生成に伴う効率の低下、大量の
排ガス発生に伴う装置の大型化と公害防止対策の必要
性、細かい被溶解材料がガス流で飛散し溶解困難となる
点、さらには燃焼に伴い、ガス中の酸素による金属の酸
化が起り、十分な還元が進行せず、酸化物がスラグとな
るという問題があった。

【０００８】したがって、本発明の目的は、上記従来の
問題点を解消することにあり、その目的は銑ダライのよ
うな細かい材料も使用でき、酸素、窒素等の含有ガス量
の少ない高品質の溶湯を連続的に、しかも安定に温度調
製されて得られる改良された電磁誘導加熱方法を実現す
るための加熱溶解装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の加熱溶解装置は、炉床部に開閉自在の出湯
口が設けられ、この炉床部の対向上部開口部を被溶解材
投入口とすると共に、その内部に炭素材及び被溶解材を
順次充てん収納する溶解炉本体と、前記炉床部の炭素
材層から被溶解材層の所定高さに至る加熱必要領域に相
当する前記溶解炉本体外周部領域に設けられた電磁コイ
ルと、前記電磁コイルに給電する誘導加熱エネルギ印
加手段と、前記誘導加熱エネルギを制御する手段とを
備え、この制御手段の誘導加熱によって前記炭素材及び
被溶解材が発熱する熱量の比率を制御することにより、
出湯温度を所定温度に制御し得るように構成することを
特徴としている。

【００１０】さらに具体的には、上記誘導加熱エネルギ
印加手段による電磁誘導加熱によって炭素材が発熱する
熱量と被溶解材が発熱する熱量との比率を、誘導加熱エ
ネルギを制御する手段により制御するにあたり、電源で
出力、電流および電圧の内のいずれか１つを制御し、前
記被溶解材の投入量で電磁誘導コイルのインピーダンス
を変化させて、残り２つの内の１つを制御し、それによ
って出湯温度を所定温度に制御するように構成すること
を特徴としている。

【００１１】すなわち、電源側で出力、電流、電圧の内
のいずれか１つを一定に制御し、前記炭素材と被溶解材
の投入量で電磁誘導コイルのインピーダンスを変化させ
て残り２つの内の１つを一定に制御することにより、炉
内の炭素材の量と被溶解材料の量の比率を一定に保ち、
前記炭素材と被溶解材が吸収する電力の量と比率を一定
に制御して、炉床の出湯口からの出湯温度を所定温度に
制御し得るように構成することであり、さらに好ましく
は電源で出力を一定に制御し、前記被溶解材の投入量に
基づいて電流もしくは電圧の内のいずれか１つを制御
し、それによって出湯温度を所定温度に制御するように
構成することである。

【００１２】また、本発明装置においては、上記溶解炉
本体の電磁コイル領域外の被溶解材投入口に至る炉内所
定領域に、被溶解材を予熱する加熱手段を設け、投入さ
れた被溶解材が加熱手段を通過する過程で予熱され電磁
誘導加熱領域に移動するように構成することもできる。

【００１３】上記誘導加熱エネルギを制御する手段は、
電磁コイルのインピーダンス変動分に応じて被溶解材の
投入量を制御し、出湯温度を制御するように構成するこ
とであり、電磁コイルに給電する誘導加熱エネルギ印加
手段は、高周波エネルギを給電する手段で構成すること
が好ましい。したがってこの場合の誘導加熱エネルギを
制御する手段は、高周波エネルギ制御手段で構成し、被
溶解材の投入状況により変動する電磁コイルのインピー
ダンス変動分を電圧変動でその出力を保障安定化するよ
うに構成することである。

【００１４】実用的に好ましい本発明の代表的な加熱溶
解装置例を示すと、上記炭素材を例えば固有抵抗3,000
〜30,000μΩｃｍのコークスとし、上記電磁コイルに給
電する高周波エネルギを周波数500〜5,000Ｈz、出力100
〜10,000kＷとすると共に、上記高周波エネルギ制御手
段を、被溶解材の投入状況により変動する電磁コイルの
インピーダンス変動分を電圧変動でその出力を保障安定
化する制御手段で構成することであり、被溶解材として
例えば鉄材を使用すれば、出湯温度が常時1,400〜1,600
℃に調製された溶融鋳鉄を容易に得ることのできる連続
加熱溶解装置が実現できる。

【００１５】

【作用】炭素材は金属に比較して電気抵抗が大きいが、
例えば約5,000μΩｃｍの固有抵抗を有するコークスは
高周波誘導加熱にて充分加熱できることから、金属を溶
解するための誘導加熱量の一部を炉底部に充填されたコ
ークスに与えることにより、空気が全く存在しない雰囲
気で、従って燃焼を利用しないで、このコークスを加熱
媒体として金属溶解に必要な温度にまで加熱することが
できる。

【００１６】この方法は、燃焼法と異なり酸素・窒素の
殆ど存在しない高温の雰囲気を作ることができると共
に、コークスに与える加熱量の比率を変えることにより
温度を容易に制御することが出来る。具体的には炉内の
誘導加熱領域内のコークスの量と金属の量との比率を一
定に保つことにより、このコークスと金属が吸収する電
力の比率を一定にして溶解速度に関係なく一定の温度の
雰囲気を得ることが出来る。

【００１７】つまり、前述のとおりコークスのごとき炭
素材に誘導加熱量の例えば20〜50％を与え、残りの50〜
80％を被溶解材に与えることにより、この雰囲気中に溶
融した金属をコークス表面に滴下接触させて加熱・精練
を行うことができ、銑ダライのような酸化し易い材料を
使用しても殆どスラグを発生させることなく一定温度で
溶解することが出来る。

【００１８】なお、炭素材は、いずれのものでも使用で
きるが、固定抵抗3,000μΩｃｍ以下のコークスは価格
が高く経済的に見合わないばかりか、黒鉛化が進んでい
るため溶解した金属（例えば鋳鉄）中の炭素が多くなり
過ぎ、また10,000μΩｃｍ以上のコークスは加熱するの
が困難なため固有抵抗は3,000〜10,000μΩｃｍのもの
を使用するのが望ましい。

【００１９】また、本炉は連続溶解装置であるため材料
の予熱が連続的に効率良く行えることも特長である。な
お、予熱による加熱量を含めた全加熱量に対し、炭素材
部分への誘導加熱量の割合を20％以下にすると溶融後の
加熱量が減少するため出湯温度が1,400℃以下と低くな
り過ぎ、逆に50％以上にすると溶融後の加熱量が増加し
て1,600℃以上と過熱を引き起こす。このため出湯温度
を1,400℃〜1,600℃に設定したい場合には、炭素材部分
への誘導加熱量の割合を上述のごとく20〜50％とすれば
よい。

【００２０】さらに電源出力100kＷ以下、周波数5,000
Ｈz以上では装置が小さくなり過ぎ、出力10,000kＷ以
上、周波数500Ｈz以下では装置が大きくなり過ぎる傾向
にあり、一般に鋳鉄の溶解に使用する金属材料を加熱す
るには適さなくなる。したがって、鋳鉄溶解の場合は、
電源出力100〜10,000kＷ、周波数500〜5,000Ｈzの範囲
で行うのが望ましい。

【００２１】また、作業開始時には一般の炉と同様に炉
体が充分加熱されていないため出湯温度が低くなる傾向
にあるがこの場合には出湯口を一時的に閉鎖し、予め銑
ダライの如き金属材を投入し、炉内に溶融金属を溜め、
この金属を誘導加熱することにより、温度を上げること
が出来る。

【００２２】なお、誘導加熱において、高周波エネルギ
印加手段（電源）と誘導加熱用電磁コイルとの間に高周
波エネルギ制御手段を接続することは、出力変動を安定
化する上で有効である。つまり、炉内に被溶解材を投入
すると、その材質及び投入状態によりコイルのインピー
ダンスが変動するが、この変動分を、この制御手段の電
圧または電流変動で安定に補障し、出力等を一定にする
ものである。実際の装置においては、高周波電源側にこ
の制御手段が組込まれる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明による実施例を図１および図２
により説明する。図１は本発明の加熱溶解装置の全体構
成を、図２は誘導加熱部の断面構造をそれぞれ模式的に
示しており、図２において１は炉底部（本文では炉床と
も称した）に充填された固有抵抗5,000μΩｃｍのコー
クス、２はリターンスクラップ４部、銑ダライ３部、電
磁鋼板プレス屑３部その他珪化鉄等少量の添加材を含ん
だ混合物である被溶解材料、３は電磁コイル、４は炉体
を形成する内径400ｍｍ、高さ700ｍｍの耐火材、５は出
湯口、図１において６は溶解材料を炉に供給する材料供
給装置、７は連続的に出湯された溶湯を受ける容量150
ｋｇの前炉、８は一般のガス、液体燃料を使用したバー
ナによる材料予熱装置、９は周波数3,000Hz、出力175k
Ｗの電源である。

【００２４】なお、被溶解材料２の銑ダライと電磁鋼板
プレス屑等の細かい材料の使用比率は全溶解材料に対
し、０から70％が使用可能であるが誘導加熱、炉内雰囲
気の遮断の為には20〜60％の使用が好ましい。

【００２５】溶解作業を開始するに当たって、先ず前回
の作業後炉内に残留しているコークス層の厚さを炉底部
から約250ｍｍに調節する。250ｍｍに満たない場合は新
しいコークスを補給する。このコークス層の厚さは加熱
量の比率を変え、出湯温度を制御するために必要であ
る。この時のコークスは総重量約30ｋｇ、個数約100
個、１個の最大重量は２ｋｇであった。コークスの投入
が終了した後、電源９から電磁コイル３に電力を供給す
る。

【００２６】なお、図２において10は、高周波エネルギ
制御手段であり、炉内に投入した被溶解材料２の溶解に
よる変動分によって生じる電磁コイルのインピーダンス
変動分を電圧変動で補障するものである。

【００２７】コークス層上部のサイズの大きいコークス
は効率よく電力を吸収して発熱するが下部のサイズの小
さいコークスは発熱し難いため、出湯口５から炉内のガ
スを吸引し、この高温のガスでコークス層下部を加熱す
ることが効果的である。この時の電圧は1,120Ｖ、入力
は82kＷであった。コークス層上部が約1,600℃になった
時、出湯口５を塞ぎ金属材料として20ｋｇの銑ダライを
投入溶解し、炉底部に貯めて更に加熱する。この作業に
より炉内は急速に加熱され作業開始時から高温の溶湯が
得られる。この時の電圧は1,130Ｖ、入力は136kＷであ
った。

【００２８】溶融した銑ダライが1,500℃以上になった
時点で出湯口５を開き溶湯を前炉７に入れると同時に材
料供給装置６により被溶解材料２の投入を開始する。

【００２９】材料が投入されるとコークス層の上部は材
料で閉鎖され、外部と通じているのは出湯口のみとな
る。出湯口５も出湯が開始されると溶湯にて閉鎖状態に
なるので、炉内への空気の流通は実質的に遮断される。

【００３０】投入された被溶解材料２は、特に塊状のリ
ターンスクラップが電磁コイル３によって誘導加熱され
温度上昇しながら下降し、最下層に到達すると下部のコ
ークス１からも熱の供給を受けて溶融する。

【００３１】溶融して液滴状となった溶解材料２はコー
クス１の間を縫って滴下するうちに更に加熱され、また
高温のコークス１と酸素が殆ど存在しない還元性雰囲気
とにより精練を受けた後出湯口５より出湯される。

【００３２】なお、電源９からの出力は高周波エネルギ
制御手段１０で一定に制御されているので、炉中の溶解
材料２が減少しコイル３のインピーダンスが大きくなり
電圧が1,000Ｖを越えると材料供給装置により材料が炉
内に供給され、溶解材料が増加しコイルのインピーダン
スが低下して電圧が1,000Ｖより低下すると材料供給装
置は停止し、作業中の出力、電圧はそれぞれ約173kＷ、
1,000Ｖに制御され、この状態で連続溶解が維持され
る。この定状状態における出湯温度は約1,450℃であっ
た。

【００３３】また、１tonの被溶解材料を溶解するに必
要な時間は3.27時間、電力量は入力で566kＷｈ、コーク
ス補給量は11ｋｇ、スラグの発生量は測定出来なかった
が極く微量であり、また耐火材の損傷も非常に少なかっ
た。この実施例の場合はバーナ（材料予熱装置８）を使
用しなかったが、バーナを使用するとその加熱量に応じ
て電力を節約し、また出湯速度を増加させることが出来
る。しかも一般のるつぼ炉における電力の節約量が20％
以下であるのに対し、本炉では連続的に加熱できるため
30％まで可能であった（重油バーナを用いた場合）。

【００３４】表１に炉床に積層したコークス層の厚さを
変化させた場合の、コークス層のみを加熱した時の入力
とその状態で溶解した時の出湯温度の関係を示す。

【００３５】なお、何れの場合も無負荷入力は32kＷ、
出湯中の入力は173kＷであった。この様にコークス層の
厚さを変化させるだけで出湯温度が制御出来ることによ
り、溶解が進行し炉内材料のレベルが低下するに応じて
被溶解材料を投入するだけで一定温度の連続溶解が維持
できる。

【００３６】

【表１】

【００３７】また、表２に一般的なキュポラ溶解および
るつぼ型誘導炉溶解と、本発明による溶解で得られた鋳
鉄のチル深さと含有ガス量の分析結果を示す。なお、こ
のときの被溶解材料２の配合は鋼屑30％、出湯成分は炭
素3.3％、珪素2.0％とほぼ同一条件にして測定した。周
知のとおり鋳鉄の品質は、チル深さが浅いものほど、ま
た、含有ガス量が少ないものほど優れており、この表２
から本発明が他の溶解炉に比較していかに優れているか
明らかであろう。

【００３８】

【表２】

【００３９】以上の説明ではコークスを用いて鋳鉄を溶
解する場合について述べたが、本発明はコークスの代わ
りに誘電性のある耐火物等を用いること、銅合金等の他
の金属類及び鉱石類（導電性を有するものが望ましい）
を溶解することが可能である。なお、亜鉛等の蒸発し易
い不純物を更に減らしたい場合は炉内に通気口を設け、
不活性ガスもしくは還元性ガスを吹き込み、積極的に不
純物の蒸発を促すことも可能である。

【００４０】かかる実施例から明らかなように、本発明
においては出湯の温度制御が出来、ガス流動の少ない強
還元性の雰囲気で溶解・加熱されるため粉末状材料を使
用しても従来の酸化にもとづくスラグの発生が殆ど認め
られず、酸素・窒素などのガス含有量の少ない良質の金
属が得られる。

【００４１】以上のとおり、本発明の炭素材は誘導加熱
による発熱体（加熱媒体）として、また精錬における還
元剤として作用する。したがって、従来の燃焼方式によ
る加熱溶解法と異なり、炭素材自身が燃焼ガスにさらさ
れることがないためその消耗量が著しく少ない。

【００４２】また、コークス等の炭素材の加熱に燃焼法
を用いないため、実質的に炉内の空気の流通を遮断した
状態で誘導加熱され、好ましい状態の還元雰囲気が実現
される。結果として酸素、窒素等のガス量が少ないた
め、ガス含有量の少ない上質の溶解生成物の製造を可能
とし、特別の排ガス処理設備をも要せず、公害防止対策
上も好ましい。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明により所期の
目的を達成することができた。すなわち、本発明の加熱
溶解装置は銑ダライのような微細な材料をも効率よく溶
解することができると共に、酸化物も加熱された炭素材
と強還元性の雰囲気の精錬作用により還元することがで
き、スラグを殆ど発生させることなくガス含有量の少な
い良質の金属を連続的にしかも工業的に得ることができ
るという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例となる全体構成の要部を示す
斜視図。

【図２】同じく炉の誘導加熱部の詳細を示す縦断面図。

【符号の説明】

１…コークス ２…溶解材料 ３…電磁コイル ４…耐火材 ５…出湯口 ６…材料供給装置 ７…前炉 ８…材料予熱装置 ８′…バーナ ９…電源 10…制御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 幸吉 大阪府富田林市高辺台１丁目10番６号 (72)発明者 炭本 治喜 京都府相楽郡加茂町大字例幣小字板谷垣内 25番地

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炉床部に開閉自在の出湯口が設けられ、
   この炉床部の対向上部開口部を被溶解材投入口とすると
   共に、その内部に炭素材及び被溶解材を順次充てん収納
   する溶解炉本体と、前記炉床部の炭素材層から被溶解
   材層の所定高さに至る加熱必要領域に相当する前記溶解
   炉本体外周部領域に設けられた電磁コイルと、前記電
   磁コイルに給電する誘導加熱エネルギ印加手段と、前
   記誘導加熱エネルギを制御する手段とを備え、この制御
   手段の誘導加熱によって前記炭素材及び被溶解材が発熱
   する熱量の比率を制御することにより、出湯温度を所定
   温度に制御し得るように構成して成る加熱溶解装置。
2. 【請求項２】上記誘導加熱エネルギ印加手段による電磁
   誘導加熱によって炭素材が発熱する熱量と被溶解材が発
   熱する熱量との比率を制御するにあたり、電源で出力、
   電流および電圧の内のいずれか１つを制御し、前記被溶
   解材の投入量で残り２つの内の１つを制御し、それによ
   って出湯温度を所定温度に制御するように構成して成る
   請求項１記載の加熱溶解装置。
3. 【請求項３】上記誘導加熱エネルギ印加手段による電磁
   誘導加熱によって炭素材が発熱する熱量と、被溶解材が
   発熱する熱量との比率を制御するにあたり、電源で出力
   を一定に制御し、前記被溶解材の投入量に基づいて電流
   もしくは電圧の内のいずれか１つを制御し、それによっ
   て出湯温度を所定温度に制御するように構成して成る請
   求項１記載の加熱溶解装置。
4. 【請求項４】上記溶解炉本体の電磁コイル領域外の被溶
   解材投入口に至る炉内所定領域に、被溶解材を予熱する
   加熱手段を設けて成る請求項１乃至３いずれか一つに記
   載の３加熱溶解装置。
5. 【請求項５】上記誘導加熱エネルギを制御する手段は、
   電磁コイルのインピーダンス変動分に応じて被溶解材の
   投入量を制御し、出湯温度を制御するように構成して成
   る請求項１乃至４いずれか一つに記載の加熱溶解装置。
6. 【請求項６】上記電磁コイルに給電する誘導加熱エネル
   ギ印加手段を、高周波エネルギを給電する手段で構成し
   て成る請求項１乃至５いずれか一つに記載の加熱溶解装
   置。
7. 【請求項７】上記誘導加熱エネルギを制御する手段を、
   高周波エネルギ制御手段で構成し、被溶解材の投入状況
   により変動する電磁コイルのインピーダンス変動分を電
   圧変動でその出力を保障安定化するように構成して成る
   請求項１乃至６いずれか一つに記載の加熱溶解装置。