溶解炉とは
溶解炉 (英: melting furnace) とは、金属を加熱して溶解する炉です。
溶解炉はさまざまな種類があります。一般的に使われるのは、普通鋳鉄にはキュポラ、鋳鋼・特殊鋳鉄・炭素鋼・合金鋼などには電気炉・誘導炉、銅合金やアルミニウム合金にはるつぼ炉・反射炉などです。
炉の横から原料を投入する溶解炉をサイドチャージ式、屋根部分から原料を投入する溶解炉をトップチャージ式と呼びます。また、炉が動かない定置式と、炉を傾けることができる傾動式があり、それぞれメンテナンスや操作性などが異なります。
溶解炉の使用用途
溶解炉は、金属を溶解する際に使用されます。溶解させた金属は、鋳鉄用、鋳鋼用、銅合金用、アルミ合金用など、さまざまな用途の原料となります。各金属によって溶解条件が異なることから、炉の構造や熱源が異なるのが一般的です。
キュポラや電気炉・るつぼ炉のほか、反射炉やルップ炉・アーク炉・高周波誘導炉などさまざまな溶解炉を用いて金属を溶解させます。反射炉の場合、非常に熱効率が高く大量の溶解を行うのに適しています。大量の溶解が可能なため、比較的ローコストで溶解できますが、溶湯品質が悪く別途溶湯処理が必要です。
るつぼ炉の場合、間接加熱により溶解を行います。そのため、溶湯の汚染が少なく良質の溶湯を作ることができます。反面、るつぼ炉の場合は大量の溶解には適しません。
溶解炉の原理
溶解炉では、原料を受け入れて材料を溶解し、材料の成分を測定して成分調整を行い出湯します。成分調整は、さまざまな調整を行い、高品質の素材製造を支えます。例えば、脱ガスの処理や、脱滓処理などです。
原料を溶解させた際に、原料に含まれる水分やそのほか有機物によって水素が発生します。その水素ガスが溶湯中に溶け込み、温度の変化によってできあがった鋳塊に気孔を形成します。これを防ぐための処理が脱ガス処理です。一般的に、不活性ガスや塩素などの揮発性物質を溶湯中へ吹き込み、水素ガスを吸着して除去する方法などが用いられます。
脱滓処理は、溶湯中の不要な介在物を取り除く工程です。介在物をフィルターによって濾過して除去します。なお、溶解炉の加熱には、さまざまな方式が使われます。
1. 電気加熱
電気加熱は、溶解物が導電性物質の場合、対象物に電流を流し、ジュール熱で加熱して溶融させる方式です。
2. 誘導加熱
誘導加熱は、コイルに高周波電流を流して強力な磁場を作り、溶融金属自体に渦電流を発生させます。この渦電流のジュール熱やヒステリシス損により加熱する方式です。
3. アーク放電加熱
アーク放電によって溶解物を加熱する方式です。直流アークの場合は、溶解物が電極に引き寄せられるため、高周波アークを使用します。
4. 光加熱
光加熱は、反射面を回転楕円面とし、一方の焦点に光源を置き、もう一方の焦点に集光させて、溶解物を加熱する方式です。光源は赤外線などを使用します。
5. ガス加熱
ガス加熱は、水素等の燃焼ガス、高温に加熱したガス、加熱蒸気などを溶解物に当てて加熱する方式です。ガスの流れによって保持に影響を与えるデメリットがあります。
溶解炉のその他情報
1. 誘導炉の特徴
種々の加熱方式の内、誘導加熱は、排ガスを出さなく効率が高いなど環境面から、多く使われるようになっています。誘導炉はいくつかの特徴があります。
効率の良い溶解
電磁誘導による溶解金属の直接加熱なので、高効率の溶解が可能です。
良い作業環境
燃焼炉に比べばい煙の発生が少なく、作業環境が改善されます。
迅速溶解
特に中・高周波誘導炉では迅速溶解が可能です。
CO2削減
電気を使用する加熱であるため、CO2の排出量が少ないメリットがあります。
2. アルミ溶解炉
アルミニウム用の溶解炉は、700～800℃前後の温度でインゴット、スクラップなどのアルミ原料を加熱して、溶解します。溶解炉の例を次に示します。
浸漬溶解炉
浸漬用バーナーを使用した間接加熱方式です。酸化物の発生を抑えることができるため、高い溶湯品質の維持、及び温度精度に優れ、省エネルギーです。
小型溶解炉
溶解室と保持室を垂直方向に配置して、設置面積を小さくしています。炉内酸化物を容易に清掃できるので、溶湯品質が向上し、溶解炉の補修頻度の低減・長寿命化が可能です。
大型連続溶解炉
タワー型集中溶解炉で、複数の鋳造機の保持炉に、アルミの溶湯を供給します。
参考文献
https://cast-rev.com/column/column-353/
https://www.kobelco.co.jp/advanced-materials/technical/almi/1174584_17316.html
http://www.j-imono.com/column/daredemo/38.html