特許 6851616 溶解保持炉

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6851616

(24)【登録日】2021年3月12日

(45)【発行日】2021年3月31日

(54)【発明の名称】溶解保持炉

(51)【国際特許分類】

   F27B 3/20 20060101AFI20210322BHJP

   F27D 11/02 20060101ALI20210322BHJP

   H05B 3/10 20060101ALI20210322BHJP

   H05B 3/18 20060101ALI20210322BHJP

【ＦＩ】

   F27B3/20

   F27D11/02 A

   H05B3/10 B

   H05B3/18

【請求項の数】4

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-197047(P2016-197047)

(22)【出願日】2016年10月5日

(65)【公開番号】特開2018-59661(P2018-59661A)

(43)【公開日】2018年4月12日

【審査請求日】2019年6月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000183945

【氏名又は名称】助川電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001922

【氏名又は名称】特許業務法人 日峯国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三浦 邦明

【審査官】 伊藤 真明

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭５８−０２８７６７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭５５−０２８２３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２９２７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０５０７９８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２７Ｄ １１／００−１１／１２

Ｆ２７Ｂ ３／００− ３／２８

Ｈ０５Ｂ ３／１０− ３／１８

Ｂ２２Ｄ １／００−４７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋳物を製造するための材料であるアルミニウム金属またはその合金のインゴットを加熱して溶解させ、溶解させた溶湯を鋳型装置に供給するために所定の温度で保持する炉槽と、
前記炉槽に保持された前記溶湯の上面に存在する酸化アルミニウム層に対して、空間を介してその上方に配置された複数のヒータと、
前記炉槽の一方側に設けられ、前記インゴットを前記炉槽に供給する材料供給装置と、を備え、
前記複数のヒータはそれぞれ、発熱体と、前記発熱体がその内部中央に設けられている金属管とを有し、前記金属管の表面にセラミックスのコーティング層が形成され、
前記複数のヒータはそれぞれ、前記溶湯の上面に存在する前記酸化アルミニウム層に対して近赤外線を放射して、前記インゴットを溶解させるとともに、前記溶湯を前記所定温度で保持する、ことを特徴とする溶解保持炉。

【請求項2】

前記ヒータが有する前記金属管はステンレス鋼又はニッケル基合金であり、前記金属管の内部中央に設けられた前記発熱体と前記金属管との間に絶縁体が充填されている、ことを特徴とする請求項１に記載の溶解保持炉。

【請求項3】

前記各ヒータの前記金属管の表面に形成された前記セラミックスのコーティング層は、遷移金属酸化物とコージライトとの複合酸化物で作られている、ことを特徴とする請求項１あるいは請求項２の内の一に記載の溶解保持炉。

【請求項4】

前記ヒータは、ニッケル系またはニッケルクロム系の合金を下地材として、前記下地材の上に前記セラミックスのコーティング層が設けられている、ことを特徴とする請求項１あるいは請求項３のどちらかの請求項に記載の溶解保持炉。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鋳造において、材料を溶解すると共に、その溶湯を保持するための溶解保持炉に関する。

【背景技術】

【0002】

鋳造においては、材料であるアルミニウム合金等の金属を溶かした溶湯を、金型等の鋳型に流し込んで冷やすことにより、目的の形状に鋳込まれた鋳物が製造される。鋳造には、低圧鋳造やダイカスト鋳造などがある。低圧鋳造では、溶湯を低圧かつ低速で４００℃程度の鋳型内に充填することにより成形される。また、ダイカスト鋳造では、溶湯を高圧かつ高速で７０℃程度の鋳型内に射出し、鋳型内に充填された材料を急速に凝固させることにより、高い寸法精度の形状を短時間で大量に加工することを可能にしている。

【0003】

鋳型に供給される溶湯は、溶解炉に投入されたアルミニウム合金等のインゴットを加熱することにより生成され、保持炉に移されて所定の温度で加熱保持される。なお、加熱には、ガスバーナや電気ヒータ等が用いられる。特許文献１に記載されているように、槽内に投入されたアルミインゴットを高出力電気ヒータの加熱により溶解させ、槽内に設置された浸漬電気ヒータの加熱により溶解アルミを保持するアルミ溶解保持炉の発明も公開されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４−７０８９０号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】高嶋廣夫・他３名（名古屋工業技術試験所）、「遷移元素酸化物を主体とした高効率赤外線放射材」、２０１０年４月３０日、窯業協会誌Ｖｏｌ．９０（１９８２）Ｎｏ.１０４３，Ｐ３７３−３７９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、炉上からガスバーナで加熱する場合、加熱される溶湯の表層と底付近との温度差が大きくなり、温度の高い表層には酸化物が生じやすい。酸化物については、燃焼ガス中の酸素濃度を低くすることや、フラックスを添加して除去すること等が可能である。また、電気ヒータを炉内に設置した場合、表層の酸化物を低減できるが、電気ヒータの交換時や停電時においても加熱状態が維持されないと、電気ヒータの表面を覆うセラミック製の保護管が破壊されてしまうこともあり、メンテナンスに手間が掛かる。

【0007】

そのため、メンテナンス性を重視すると、炉上に設置したヒータで、溶湯の底付近まで加熱することができれば良い。そこで、本発明は、材料を効率的に加熱、溶解及び保持するためのヒータを備えた溶解保持炉を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決するために、本発明である溶解保持炉は、鋳物を製造するための材料を加熱して溶解させた溶湯を鋳型装置に供給するために所定の温度で保持する炉槽と、前記炉槽の上方に設置され、前記材料を溶解させると共に前記溶湯を保持するために加熱するヒータとを有し、前記ヒータは、前記溶湯の表層に熱吸収されやすい波長帯の赤外線を放射するように表面が加工される、ことを特徴とする。

【0009】

また、前記ヒータは、前記溶湯の表層に生じた酸化物に熱吸収されやすい波長帯の赤外線を放射するように表面が加工される、ことを特徴とする。

【0010】

また、前記ヒータは、表面がステンレス鋼又はニッケル基合金の金属管であり、前記金属管の内部中央に発熱体が配され、前記金属管と発熱体の間に絶縁体が充填される、ことを特徴とする。

【0011】

また、前記ヒータは、表面に前記赤外線を熱輻射するコーティング材が塗布又は溶射される、ことを特徴とする。

【0012】

また、前記ヒータは、表面のコーティング材として、ニッケル基合金が下地として溶射され、その上にセラミックスが溶射される、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、炉上に設置したヒータで、溶湯表面の酸化膜が吸収しやすい赤外線で加熱するので、溶湯材料を効率的に加熱、溶解及び保持することができる。溶湯材料に熱吸収されやすい波長帯の赤外線をヒータから出すことにより、溶湯の表層から効率的に加熱することができる。また、当該赤外線を熱輻射しやすいコーティング材をヒータの表面に塗布又は溶射することで、より効率良く材料を加熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明である溶解保持炉を有する鋳造装置の全体概観を示す正面断面図である。

【図2】本発明である溶解保持炉の概観を示す正面断面図である。

【図3】物質の波長に対する放射率（吸収率）を示す表である。

【図4】本発明である溶解保持炉が有するヒータの一部を示す横断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

【実施例1】

【0016】

まず、本発明である溶解保持炉を有する鋳造装置について説明する。図１は、鋳造装置の全体概観を示す正面断面図である。図１に示すように、鋳造装置１００は、固体の材料を加熱して液体にし、それを鋳型に流し込んで冷やして固めることにより、目的の形状に成形する装置である。鋳造装置１００は、溶解保持炉２００、ヒータ３００、材料供給装置４００、及び鋳型装置５００等を有する。材料としては、主にアルミニウム等の金属又は合金である。

【0017】

溶解保持炉２００は、材料供給装置４００から供給された材料を、鋳型装置５００に送るまで入れておく容器である。溶解保持炉２００は、炉槽２１０、及び蓋材２２０等を有する。溶解保持炉２００は、炉槽２１０内に材料を入れ、蓋材２２０に設置したヒータ３００で材料の融点より高い温度で加熱して材料を溶解させ、所定の温度で加熱することにより材料を溶解した状態で保持する。なお、溶解炉と保持炉が別々になっていても良い。溶解炉において材料を溶解させ、樋などを介して溶解した材料を保持炉に送り、保持炉において材料を溶解した状態で保持すれば良い。

【0018】

ヒータ３００は、材料を加熱、溶解及び保持するための加熱手段である。ヒータ３００は、溶解保持炉２００の蓋材２２０に取り付けられ、炉槽２１０内の材料を上方から加熱する。ヒータ３００としては、シースヒータ（シーズヒータ）やマイクロヒータ等の電気ヒータを使用すれば良い。例えば、蓋材２２０の下面に複数のシースヒータを配置して赤外線により熱輻射させる。

【0019】

材料供給装置４００は、材料を溶解保持炉２００に送る供給手段である。溶解炉と保持炉が別々になっている場合は、材料供給装置４００が溶解炉を備え、溶解保持炉２００が保持炉を備えれば良い。溶解炉は、例えば、インゴット等の固体の材料を入れる坩堝と、坩堝内の材料を加熱するためのガスバーナ等を有し、発生した燃焼ガスは排気口４１０から排出し、材料を溶解させた溶湯６００は保持炉に移送されれば良い。なお、溶解炉においてもヒータ３００で加熱しても良い。

【0020】

鋳型装置５００は、溶解保持炉２００に貯留された溶湯６００を鋳型に流し込んで、冷やし固めることにより所定の形状に成形する装置である。例えば、溶湯供給手段５１０が溶解保持炉２００から溶湯６００を吸入し、鋳型装置５００に溶湯６００を注入することにより、溶湯６００を鋳型内に充填させれば良い。

【0021】

次に、本発明である溶解保持炉について説明する。図２は、溶解保持炉の概観を示す正面断面図である。図２に示すように、溶解保持炉２００は、固体の材料を溶解させる溶解炉と、液体の材料である溶湯６００を保持する保持炉とが一体となった炉槽２１０を、ヒータ３００を配置した蓋材２２０で塞いだものとする。
容器である。

【0022】

溶解保持炉２００の炉槽２１０に材料としてアルミニウム合金等のインゴット６１０を投入し、蓋材２２０を載置してヒータ３００で加熱することによりインゴット６１０を溶解させる。インゴット６１０が溶解した後の溶湯６００は、炉槽２１０内においてヒータ３００により所定の温度で保持される。

【0023】

材料がアルミニウム合金の場合、融点（液相点）が約６１０℃であることから、約７００℃で加熱すれば良い。このとき、溶湯６００の表層は温度が高くなり、酸化アルミニウム等の酸化物６２０が生じやすい。また、炉底の材質でも違うが、例えば一般的レンガ材の場合で示すと、バーナによる加熱では溶湯６００の深さが１ｍ深くなるごとに約７０℃温度が下がることから、溶湯６００の表層と底付近との温度差が大きくなる。従って、溶湯６００の表面を加熱する場合、溶解保持炉２００は、出来るだけ深さを浅くした方が良い。一般に、溶湯６００表層５０ｍｍ程度と炉底５０ｍｍ程度は酸化物等が多く鋳造には適さないので、表層や炉底の溶湯６００を使用しないで中間層を汲み上げて鋳造に利用するのが良い。

【0024】

ヒータ３００として電気ヒータを使用し、物体から放射される波長のピーク値はウィーン（ヴィーン）変位則によって求められる。例えば、約４μｍの中赤外線を放射した場合、ヒータ３００の温度は、約５００℃となる。また、波長が約２．５μｍの近赤外線を放射した場合、ヒータ３００の温度は、約８００℃となる。この温度域になると可視光の赤い色の波長帯も発生し、色々なものが赤く見えて暖かさを感じるようになる。温度を上げて行けばピーク値が短波長にずれて行き、プランクの法則からも明らかなように、約１１００℃も超えると紫外線も出てくるようになる。ニッケル基合金のシースヒータの耐熱性は最大１０００℃程度であり、これ以下でヒータ設計すべきである。

【0025】

図３は、物質の波長に対する放射率（吸収率）を示す表である。なお、放射率と吸収率は同じ数値である。図３に示すように、溶湯６００の表層に生じた酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の吸収率は、中赤外線（波長が約４μｍ）のとき約０．３０、近赤外線（波長が約２．５μｍ）のとき約０．４０、近赤外線（波長が約１μｍ）のとき約０．４０である。いずれの波長でも非酸化面に比べれば熱エネルギーの吸収効率は良く、更にアルミニウム合金にはケイ素を含むものが多く、溶湯６００表面にできる酸化ケイ素は赤外線の吸収がより良いので単純な酸化アルミニウムより良くなる。溶湯６００の表層が良好に加熱されれば、熱伝導の良いアルミニウム合金は底付近まで効率良く熱伝導される。溶湯６００の深さが３００ｍｍの場合で試験したとき、その中での温度差は４℃程度であった。

【0026】

次に、本発明である溶解保持炉が有するヒータについて説明する。図４は、ヒータの一部を示す横断面図である。図４に示すように、ヒータ３００は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する電気ヒータとする。ヒータ３００は、金属管３１０、発熱体３２０、絶縁体３３０、端子３４０、コーティング材３５０等を有する。

【0027】

ヒータ３００は、金属管３１０の内部中央に発熱体３２０を配置し、金属管３１０と発熱体３２０の間に絶縁体３３０を充填した上で、電気を流すための端子３４０を発熱体３２０に繋げたものである。シースヒータの場合、金属管３１０としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の鉄基合金やインコネル（商標）等のニッケル基合金などを使用し、発熱体３２０としてニクロム線（８０％ニッケル、２０％クロム）などを使用し、絶縁体３３０としてマグネシア（ＭｇＯ）粉体などを使用すれば良い。

【0028】

金属管３１０の表面には、コーティング材３５０を塗布又は溶射する。コーティング材３５０としては、アルミナより輻射率の良いセラミック等、熱輻射（熱放射）の特性が良好な物質を使用する。輻射電熱は、ヒータ３００表面の輻射率と、受熱側である溶湯６００表面の輻射率との積で決まる。そのため、ヒータ３００表面の輻射率は、１に近い値が望ましい。コーティング材３５０については、めっき等の表面処理によって薄膜を形成させても良い。図３に示すように、チタニア等は、遠赤外線をより多く放射する材料である。チタニアの放射率は、遠赤外線（波長が約８μｍ）のとき約０．９０、中赤外線（波長が約５μｍ）のとき約０．４０、近赤外線（波長が約１μｍ）のとき約０．４０であり、ステンレス等よりも高い。

【0029】

金属管３１０にコーティング材３５０を溶射する場合、まずニッケル系又はニッケルクロム系の合金を下地材として溶射し、その上に赤外線領域で輻射率の高いセラミックスを溶射すれば良い。コーティング材３５０によって金属管３１０の表面の状態を変えることで、熱輻射（熱放射）の効率を向上させることができる。コーティング材３５０としては、アルミナ単体であると赤外領域における輻射率が良いとは言えないので、ジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）やコージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）等の複合酸化物の遠赤外線放射体を改良した非特許文献１に記載の遷移金属酸化物（鉄、コバルト、マンガン）とコージライトとの複合酸化物が近赤外から遠赤外領域まで高効率で赤外線を放射するセラミックス等が最適である。

【0030】

このように、炉上に設置したヒータ３００で、溶湯６００の底付近まで加熱するので、材料を効率的に加熱、溶解及び保持することができる。材料に熱吸収されやすい波長帯の赤外線をヒータ３００から出すことにより、溶湯６００の表層と底付近との温度差を小さくすることができる。また、当該赤外線を熱輻射しやすいコーティング材３５０をヒータ３００の表面に塗布又は溶射することで、より効率良く材料を加熱することができる。

【0031】

以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。例えば、本実施例では、ヒータの表面にセラミック等をコーティングしたが、ヒータの表面を加工して表面粗さを変えることにより熱輻射の効率を向上させても良い。

【符号の説明】

【0032】

１００：鋳造装置
２００：溶解保持炉
２１０：炉槽
２２０：蓋材
３００：ヒータ
３１０：金属管
３２０：発熱体
３３０：絶縁体
３４０：端子
３５０：コーティング材
４００：材料供給装置
４１０：排気口
５００：鋳型装置
５１０：溶湯供給手段
６００：溶湯
６１０：インゴット
６２０：酸化物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】