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(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】
(24)【登録日】2024-06-20
(45)【発行日】2024-06-28
(54)【発明の名称】溶解金属加熱用ヒータ及び溶解金属加熱方法
(51)【国際特許分類】
F27B 3/20 20060101AFI20240621BHJP
F27D 11/06 20060101ALI20240621BHJP
【ＦＩ】
F27B3/20
F27D11/06 Z
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021149766
(22)【出願日】2021-09-14
(65)【公開番号】P2023042464
(43)【公開日】2023-03-27
【審査請求日】2023-04-21
(73)【特許権者】
【識別番号】592017002
【氏名又は名称】三建産業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105175
【弁理士】
【氏名又は名称】山広 宗則
(74)【代理人】
【識別番号】100105197
【弁理士】
【氏名又は名称】岩本 牧子
(72)【発明者】
【氏名】万代 峻
(72)【発明者】
【氏名】吉本 成実
【審査官】柏原 郁昭
(56)【参考文献】
【文献】特開平０６－２２６２３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭６４－０３３３５１（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２７Ｂ ３／２０
Ｆ２７Ｄ １１／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶解炉又は溶解保持炉おいて、溶解または温度保持に使用される溶湯を加熱する溶解金属加熱用ヒータであって、前記溶湯の表面より高い位置に設置され、加熱材料を誘導加熱する誘導加熱コイルと、
前記加熱材料を、前記誘導加熱コイルが設置された上部位置から前記溶湯内の下部位置まで昇降可能な昇降装置を備えることを特徴とする溶解金属加熱用ヒータ。
【請求項2】
前記加熱材料は、カーボンからなることを特徴とする請求項１に記載の溶解金属加熱用ヒータ。
【請求項3】
溶解炉又は溶解保持炉おいて、溶解または温度保持に使用される溶湯を加熱する溶解金属加熱方法であって、前記溶湯の表面より高い位置に設置され、加熱材料を誘導加熱する誘導加熱コイルと、前記加熱材料を、前記誘導加熱コイルが設置された上部位置から前記溶湯内の下部位置まで昇降可能な昇降装置を備える溶解金属加熱用ヒータを使用して、
前記上部位置にて前記誘導加熱コイルを介して前記加熱材料を加熱した後、前記加熱材料を前記下部位置まで降下させて前記溶湯を昇温し、次に前記加熱材料をさらに前記上部位置まで上昇させて前記加熱材料を加熱した後、前記加熱材料を前記下部位置まで降下させる工程を繰り返して行い前記溶湯に熱量を伝達させることを特徴とする溶解金属加熱方法。
【請求項4】
前記誘導加熱コイルを介した前記加熱材料の加熱により、前記加熱材料を前記溶湯の温度よりも高い温度にすることを特徴とする請求項３に記載の溶解金属加熱方法。
【請求項5】
前記溶湯は、アルミ溶湯であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の溶解金属加熱用ヒータ及び溶解金属加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、溶解または温度保持に使用される溶湯を加熱する溶解金属加熱用ヒータ及び溶解金属加熱方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、図４に示すように、誘導加熱を利用して金属を溶解する誘導加熱溶解炉が知られている（例えば、特許文献１など）。
【0003】
これは、容器状の炉本体１の周囲に誘導加熱コイル５が巻回されたもので、炉本体１に収容された被溶融金属１０に磁場を浸透させて誘導加熱するものである。
炉本体１は底面壁を構成するベース体２と、ベース体２上に円周方向に配設された複数の導電性セグメント３を有していて、各導電性セグメント３の内部には冷却水路４が形成され、冷却水路４に冷却水を流通させることによって導電性セグメント３を含む炉本体１の全体を所定の温度以下に冷却させるものである。そして、炉本体１の側壁の内側面に炉本体１の冷却能力を低減するための隔壁部材６を設けて、必要以上に冷却能力が大きくなることを防止している。
炉本体１は底面壁を構成するベース体２と、ベース体２上に円周方向に配設された複数の導電性セグメント３を有していて、各導電性セグメント３の内部には冷却水路４が形成され、冷却水路４に冷却水を流通させることによって導電性セグメント３を含む炉本体１の全体を所定の温度以下に冷却させるものである。そして、炉本体１の側壁の内側面に炉本体１の冷却能力を低減するための隔壁部材６を設けて、必要以上に冷却能力が大きくなることを防止している。
【0004】
また、図５に示すように、容器状の炉本体１の周囲に巻回された誘導加熱コイル５の中に冷却水路４が形成され、冷却水路４に冷却水を流通させることによって誘導加熱コイル５を所定の温度以下に冷却させるものも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２００１－２８９５６８号公報
【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、容器状の炉本体１の周囲に誘導加熱コイル５を設けたものは、被溶融金属１０を効率よく誘導加熱するために炉本体１の側壁を薄くする必要があり、そのため側壁の経時的な傷みが早くなるといった問題がある。特に被溶融金属１０がアルミ溶湯の場合、非磁性体のため誘導加熱ではコイルの銅損が生じて効率が低下する。
そして、側壁が傷んだ場合には、被溶融金属１０（溶湯）の抜き取りが必要になることに加えて、誘導加熱コイル５のメンテナンスも含めて炉本体１を交換しなくてはならないので、作業時間が長くなるとともにコスト高にもなる。
そして、側壁が傷んだ場合には、被溶融金属１０（溶湯）の抜き取りが必要になることに加えて、誘導加熱コイル５のメンテナンスも含めて炉本体１を交換しなくてはならないので、作業時間が長くなるとともにコスト高にもなる。
【0007】
また、誘導加熱コイル５の中に冷却水を流通させたものでは、誘導加熱コイル５が傷つくと水が飛び散り溶湯と接触し水蒸気爆発の恐れがある。
【0008】
また、炉本体１の中に複数の溶解金属加熱用の電気ヒータを浸漬して被溶融金属１０を加熱することも考えられるが、炉本体１自体が大型化するとそれに見合っただけの電気ヒータを複数設置することは困難であり、設置スペースも限られるので現実的ではない。既存の電気ヒータは表面積あたりの負荷が３０Ｗ／ｃｍ2以下の低負荷で使用制限もある。
【0009】
そこで、本発明の目的とするところは、誘導加熱により効率よく溶湯に熱量を伝えることのできる溶解金属加熱用ヒータ及び溶解金属加熱方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記の目的を達成するために、本発明の溶解金属加熱用ヒータは、溶解炉（２０）又は溶解保持炉おいて、溶解または温度保持に使用される溶湯（Ｍ）を加熱する溶解金属加熱用ヒータ（３０）であって、
前記溶湯（Ｍ）の表面より高い位置に設置され、加熱材料（５０）を誘導加熱する誘導加熱コイル（３１）と、
前記加熱材料（５０）を、前記誘導加熱コイル（３１）が設置された上部位置（ＨＰ）から前記溶湯（Ｍ）内の下部位置（ＬＰ）まで昇降可能な昇降装置（３２）を備えることを特徴とする。
前記溶湯（Ｍ）の表面より高い位置に設置され、加熱材料（５０）を誘導加熱する誘導加熱コイル（３１）と、
前記加熱材料（５０）を、前記誘導加熱コイル（３１）が設置された上部位置（ＨＰ）から前記溶湯（Ｍ）内の下部位置（ＬＰ）まで昇降可能な昇降装置（３２）を備えることを特徴とする。
【0011】
また本発明は、前記加熱材料（５０）は、カーボンからなることを特徴とする。
【0012】
また本発明の溶解金属加熱方法は、溶解炉（２０）又は溶解保持炉おいて、溶解または温度保持に使用される溶湯（Ｍ）を加熱する溶解金属加熱方法であって、
前記溶湯（Ｍ）の表面より高い位置に設置され、加熱材料（５０）を誘導加熱する誘導加熱コイル（３１）と、前記加熱材料（５０）を、前記誘導加熱コイル（３１）が設置された上部位置（ＨＰ）から前記溶湯（Ｍ）内の下部位置（ＬＰ）まで昇降可能な昇降装置（３２）を備える溶解金属加熱用ヒータ（３０）を使用して、
前記上部位置（ＨＰ）にて前記誘導加熱コイル（３１）を介して前記加熱材料（５０）を加熱した後、前記加熱材料（５０）を前記下部位置（ＬＰ）まで降下させて前記溶湯（Ｍ）を昇温し、次に前記加熱材料（５０）をさらに前記上部位置（ＨＰ）まで上昇させて前記加熱材料（５０）を加熱した後、前記加熱材料（５０）を前記下部位置（ＬＰ）まで降下させる工程を繰り返して行い前記溶湯（Ｍ）に熱量を伝達させることを特徴とする。
前記溶湯（Ｍ）の表面より高い位置に設置され、加熱材料（５０）を誘導加熱する誘導加熱コイル（３１）と、前記加熱材料（５０）を、前記誘導加熱コイル（３１）が設置された上部位置（ＨＰ）から前記溶湯（Ｍ）内の下部位置（ＬＰ）まで昇降可能な昇降装置（３２）を備える溶解金属加熱用ヒータ（３０）を使用して、
前記上部位置（ＨＰ）にて前記誘導加熱コイル（３１）を介して前記加熱材料（５０）を加熱した後、前記加熱材料（５０）を前記下部位置（ＬＰ）まで降下させて前記溶湯（Ｍ）を昇温し、次に前記加熱材料（５０）をさらに前記上部位置（ＨＰ）まで上昇させて前記加熱材料（５０）を加熱した後、前記加熱材料（５０）を前記下部位置（ＬＰ）まで降下させる工程を繰り返して行い前記溶湯（Ｍ）に熱量を伝達させることを特徴とする。
【0013】
また本発明は、前記誘導加熱コイル（３１）を介した前記加熱材料（５０）の加熱により、前記加熱材料（５０）を前記溶湯（Ｍ）の温度よりも高い温度にすることを特徴とする。
【0014】
また本発明は、前記溶湯（Ｍ）は、アルミ溶湯であることを特徴とする。
【0015】
なお、上記括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に掲載された対応要素または対応事項を示す。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、溶解炉又は溶解保持炉おいて、溶解または温度保持に使用される溶湯を加熱する場合に、溶湯の表面より高い位置で、例えばカーボンからなる加熱材料を誘導加熱した後、加熱した加熱材料を昇降装置により溶湯内に浸漬させることができるので、効率よく溶湯に熱量を伝えることができる。
すなわち、本発明は、誘導加熱を利用して溶湯を加熱するものではあるが、従来例のように、炉本体の周囲に誘導加熱コイルを巻回するものではなく、炉本体から離れた上部位置に誘導加熱コイルを設け、そこで加熱した加熱材料を溶湯内に浸漬させるものであるので、炉本体の側壁を特別に薄くする必要はない。
よって、側壁を薄くしたことに起因して炉本体が傷むことが早くなることを防止することができる。
すなわち、本発明は、誘導加熱を利用して溶湯を加熱するものではあるが、従来例のように、炉本体の周囲に誘導加熱コイルを巻回するものではなく、炉本体から離れた上部位置に誘導加熱コイルを設け、そこで加熱した加熱材料を溶湯内に浸漬させるものであるので、炉本体の側壁を特別に薄くする必要はない。
よって、側壁を薄くしたことに起因して炉本体が傷むことが早くなることを防止することができる。
【0017】
また、従来例では、側壁など炉本体が傷んだ場合に、溶湯の抜き取りに加えて、誘導加熱コイルのメンテナンスも含めて炉本体を交換しなくてはならないので、作業時間が長くなるとともにコスト高にもなっていたが、本発明ではこのような問題はない。
また、電気ヒータを浸漬した場合には、炉本体自体が大型化するとそれに見合っただけの電気ヒータを複数設置する必要があるが、本発明では一つの加熱材料を溶湯内に浸漬させるだけでよい。また、設置についても省スペース化が図れる。また、既存の電気ヒータでは表面積あたりの負荷が３０Ｗ／ｃｍ2以下の低負荷であるが、本発明のように加熱材料を誘導加熱したものでは５０Ｗ／ｃｍ2以上の表面負荷を達成することができる。
また、電気ヒータを浸漬した場合には、炉本体自体が大型化するとそれに見合っただけの電気ヒータを複数設置する必要があるが、本発明では一つの加熱材料を溶湯内に浸漬させるだけでよい。また、設置についても省スペース化が図れる。また、既存の電気ヒータでは表面積あたりの負荷が３０Ｗ／ｃｍ2以下の低負荷であるが、本発明のように加熱材料を誘導加熱したものでは５０Ｗ／ｃｍ2以上の表面負荷を達成することができる。
【0018】
このように溶湯の表面よりも上方の位置で誘導加熱した加熱材料を溶湯内に浸漬させることで溶湯を加熱する点は、上述した特許文献には一切記載されていない。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の実施形態に係る溶解金属加熱用ヒータにおいて加熱材料が上部位置にある状態を示した部分断面側面図である。
【図2】本発明の実施形態に係る溶解金属加熱用ヒータにおいて加熱材料が下部位置にある状態を示した部分断面側面図である。
【図4】従来例に係る溶解金属加熱用ヒータを示す部分断面側面図である。
【図5】従来例に係る別の溶解金属加熱用ヒータを示す部分断面側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
【0021】
本実施形態に係る溶解金属加熱用ヒータ３０は、図１に示すように、アルミニウムなどの非鉄金属の溶解炉２０（溶解保持炉であってもよい）において、溶解または温度保持に使用される溶湯Ｍの中に、誘導加熱された加熱材料５０を直接浸漬して加熱材料５０の熱量を溶湯Ｍに与えて溶湯Ｍを加熱するものである。
【0022】
溶解炉２０は、側壁２１と底壁２２からなり上部の開口は天井蓋２５によって覆われていて、その天井蓋２５に溶解金属加熱用ヒータ３０が設けられている。天井蓋２５は全体が蓋になっているが、一部が蓋になったものであってもよい。
【0023】
溶解金属加熱用ヒータ３０は、誘導加熱コイル３１と昇降装置３２を備えている。
誘導加熱コイル３１は、溶湯Ｍの表面より高い位置に設置され、加熱材料５０を誘導加熱する。誘導加熱コイル３１は、天井蓋２５の略中央上面を上方から半分切欠いた部分にセットされた収納ボックス４１中に設けられている。
ここで、加熱材料５０は誘導加熱されるものであればよいので特に材質は限定されるものではないが、本実施形態では中空状のカーボンを使用している。
誘導加熱コイル３１は、溶湯Ｍの表面より高い位置に設置され、加熱材料５０を誘導加熱する。誘導加熱コイル３１は、天井蓋２５の略中央上面を上方から半分切欠いた部分にセットされた収納ボックス４１中に設けられている。
ここで、加熱材料５０は誘導加熱されるものであればよいので特に材質は限定されるものではないが、本実施形態では中空状のカーボンを使用している。
【0024】
昇降装置３２は、天井蓋２５の上面に固定された架台４２に取付けられたエアーシリンダーからなり、上下に伸縮するエアーシリンダー３２のロッド３２ａの下端に加熱材料５０の上面がボルト締めされている。エアーシリンダー３２は、ロッド３２ａの伸縮によって、加熱材料５０を、誘導加熱コイル３１が設置された上部位置ＨＰ（図１）から、溶湯Ｍ内の下部位置ＬＰ（図２）まで昇降可能にしている。
加熱材料５０は、上部位置ＨＰ（図１）において下端から半分の高さよりやや上の位置までの周囲が誘導加熱コイル３１で覆われて加熱され、下部位置ＬＰ（図２）では同じく下端から半分の高さよりやや上の位置までが溶湯Ｍの中に浸漬するようにされている。天井蓋２５にはロッド３２ａの伸縮によって加熱材料５０が貫通可能な円筒状の開口孔２５ａが形成されている。
また溶解炉２０の内部には溶湯Ｍの温度を検知する溶湯温度センサーＳが設けられている。
加熱材料５０は、上部位置ＨＰ（図１）において下端から半分の高さよりやや上の位置までの周囲が誘導加熱コイル３１で覆われて加熱され、下部位置ＬＰ（図２）では同じく下端から半分の高さよりやや上の位置までが溶湯Ｍの中に浸漬するようにされている。天井蓋２５にはロッド３２ａの伸縮によって加熱材料５０が貫通可能な円筒状の開口孔２５ａが形成されている。
また溶解炉２０の内部には溶湯Ｍの温度を検知する溶湯温度センサーＳが設けられている。
【0025】
このような溶解金属加熱用ヒータ３０を利用した溶解金属加熱方法は、図３に示すように構成される装置によって実施される。
これは、装置全体を制御するＣＰＵからなる制御部６１と、制御プログラムや各種データを格納するＲＯＭやＲＡＭからなる記憶部６２と、時間計測用のタイマー６３からなる。制御部６１には、溶湯Ｍの温度を検知する溶湯温度センサーＳからの温度情報が入力される。また、制御部６１はエアーシリンダー３２及び誘導加熱コイル３１用の交流電源Ｅと接続されている。
これは、装置全体を制御するＣＰＵからなる制御部６１と、制御プログラムや各種データを格納するＲＯＭやＲＡＭからなる記憶部６２と、時間計測用のタイマー６３からなる。制御部６１には、溶湯Ｍの温度を検知する溶湯温度センサーＳからの温度情報が入力される。また、制御部６１はエアーシリンダー３２及び誘導加熱コイル３１用の交流電源Ｅと接続されている。
【0026】
次に本実施形態における溶解金属加熱方法について具体的に説明する。
制御部６１は、エアーシリンダー３２により加熱材料５０を上部位置（ＨＰ）に移動させる。なお、初期設定では加熱材料５０は上部位置（ＨＰ）に位置している。ここで、制御部６１は、交流電源Ｅをオンして電源を誘導加熱コイル３１に供給する。特に限定されるものではないが、ここでは３０秒間、誘導加熱コイル３１で加熱材料５０を加熱する。このときの加熱材料５０の表面温度は１２００度（℃）以上である。時間はタイマー６３により計測され、それら情報は制御部６１に常時入力される。
制御部６１は、エアーシリンダー３２により加熱材料５０を上部位置（ＨＰ）に移動させる。なお、初期設定では加熱材料５０は上部位置（ＨＰ）に位置している。ここで、制御部６１は、交流電源Ｅをオンして電源を誘導加熱コイル３１に供給する。特に限定されるものではないが、ここでは３０秒間、誘導加熱コイル３１で加熱材料５０を加熱する。このときの加熱材料５０の表面温度は１２００度（℃）以上である。時間はタイマー６３により計測され、それら情報は制御部６１に常時入力される。
【0027】
次に制御部６１は、交流電源Ｅをオフするとともに、エアーシリンダー３２を駆動してロッド３２ａを伸長させて、加熱材料５０を上部位置（ＨＰ）から下部位置（ＬＰ）まで降下させる。このとき、加熱材料５０は、溶湯Ｍの中に浸漬させられた状態でありこの状態を、制御部６１は３０秒間維持させる。
これにより、加熱材料５０からの熱量が３０秒間、溶湯Ｍに伝達されて溶湯Ｍが加熱される。
これにより、加熱材料５０からの熱量が３０秒間、溶湯Ｍに伝達されて溶湯Ｍが加熱される。
【0028】
次に制御部６１は、エアーシリンダー３２を駆動してロッド３２ａを収縮させて、加熱材料５０を下部位置（ＬＰ）から上部位置（ＨＰ）まで上昇させるとともに、交流電源Ｅをオンして電源を誘導加熱コイル３１に供給して、加熱材料５０を再度３０秒間誘導加熱する。
【0029】
制御部６１は、このような工程をサイクル的に繰り返して行うことによって溶湯Ｍに熱量を伝達させて、溶湯Ｍの温度が設定温度（例えば、６５０～７５０度（℃））になるように制御する。溶湯Ｍの温度は、溶湯温度センサーＳ２により常時検知されているので、制御部６１は、溶湯Ｍの温度が設定温度よりもかなり低いと加熱材料５０による加熱を早めたり、あるいは加熱材料５０の温度をさらに高くしたりすることもでき、また、逆に溶湯Ｍの温度が設定温度よりもかなり高いと加熱材料５０を溶湯Ｍに浸漬させる時間を少なくしたり、あるいは加熱材料５０を溶湯Ｍに浸漬させないようにしたり制御することができる。
【0030】
以上のように本実施形態に係る溶解金属加熱用ヒータ及び溶解金属加熱方法によれば、溶解炉２０又は溶解保持炉おいて、溶解または温度保持に使用される溶湯Ｍを加熱する場合に、溶湯Ｍの表面より高い位置で加熱材料５０を誘導加熱した後、加熱した加熱材料５０を昇降装置であるエアーシリンダー３２により溶湯Ｍ内に浸漬させることができるので、効率よく溶湯Ｍに熱量を伝えることができる。
【0031】
なお、本実施形態では、一つの加熱材料５０を溶湯Ｍに浸漬させるようにしたが複数の加熱材料５０を誘導加熱して使用することもできる。
天井蓋２５に誘導加熱コイル３１を設けるように収納ボックス４１を取付けたが、天井蓋２５から離れた上方に設けることもできる。また、天井蓋２５にかえて、側壁２１及び底壁２２と一体化された天井壁を形成することもできる。
天井蓋２５に誘導加熱コイル３１を設けるように収納ボックス４１を取付けたが、天井蓋２５から離れた上方に設けることもできる。また、天井蓋２５にかえて、側壁２１及び底壁２２と一体化された天井壁を形成することもできる。
【符号の説明】
【0032】
１ 炉本体
２ べース体
３ 導電性セグメント
４ 冷却水路
５ 誘導加熱コイル
６ 隔壁部材
１０ 被溶融金属
２０ 溶解炉
２１ 側壁
２２ 底壁
２５ 天井蓋
２５ａ 開口孔
３０ 溶解金属加熱用ヒータ
３１ 誘導加熱コイル
３２ 昇降装置（エアーシリンダー）
３２ａ ロッド
４１ 収納ボックス
４２ 架台
５０ 加熱材料
６１ 制御部
６２ 記憶部
６３ タイマー
Ｅ 交流電源
ＨＰ 上部位置
ＬＰ 下部位置
Ｍ 溶湯
Ｓ 溶湯温度センサー
２ べース体
３ 導電性セグメント
４ 冷却水路
５ 誘導加熱コイル
６ 隔壁部材
１０ 被溶融金属
２０ 溶解炉
２１ 側壁
２２ 底壁
２５ 天井蓋
２５ａ 開口孔
３０ 溶解金属加熱用ヒータ
３１ 誘導加熱コイル
３２ 昇降装置（エアーシリンダー）
３２ａ ロッド
４１ 収納ボックス
４２ 架台
５０ 加熱材料
６１ 制御部
６２ 記憶部
６３ タイマー
Ｅ 交流電源
ＨＰ 上部位置
ＬＰ 下部位置
Ｍ 溶湯
Ｓ 溶湯温度センサー
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】