JP2008081780A - ビレットの加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁誘導加熱方式以上の加熱能力と熱効率を達成する。
【解決手段】炉壁を設けずに内外を連通させたフレーム３からなる本体ケース２と、本体ケース２内に装入されたビレットＷを大気開放状態で支持するスキッドレール５と、本体ケース２に取り付けられて、ビレットＷの全長及び全周にわたる外表面に燃焼火炎を衝突させてビレットＷを加熱する複数の純酸素又は酸素富化バーナ４とからなる。ビレットＷの外表面からバーナ４のノズル１２までの距離Ｌに対するノズル１２の径Ｄの比Ｄ／Ｌを０．０２から０．０４とし、ノズル１２のピッチＰをノズル１２の径Ｄの３０〜５０倍とする。
【選択図】図１

Description

本発明はアルミ合金や銅合金等の押出成形用ビレットの加熱装置に関するものである。

連続鋳造で生産されたアルミ合金や銅合金ビレット等の丸棒からなる押出成形用ビレット（以下、ビレットという）は、ビレット加熱装置でビレット全体を押出成形温度に加熱した後、下流側の工程で押出成形機にて所定形状に成形される。

従来、ビレットの加熱方法としては、電磁誘導加熱方式とバーナによる燃焼加熱方式とがある。電磁誘導加熱方式は加熱能力が高い反面、電力消費によるランニング費が高いという欠点がある。バーナによる燃焼加熱方式は電磁誘導加熱方式と比較してランニング費が低廉であるが、加熱能力が低いため、炉長を長くして加熱時間を確保する必要があり、設備費が高価になる欠点がある。

特許文献１や特許文献２には、ビレットを炉内に装入し、バーナをビレットの外周面に向けて加熱する方法が開示されている。この伝熱形態は、炉壁からの放射伝熱と火炎からの対流伝熱である。

アルミ合金や銅合金からなるビレットは放射率が低いので、炉壁からの放射熱量が少なく、これを補うために火炎をビレットの外周面に向けて加熱するようにしている。しかしながら、バーナからの火炎は空気による燃焼方式であるため、対流熱量が少なく、電磁誘導加熱方式のように短時間で加熱することができない。
実願昭５７−２６１３号（実開昭５７−１４７２５６号）のマイクロフィルム 特許３０８５６２０号公報

本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたもので、電磁誘導加熱方式以上の加熱能力と熱効率を達成することができるビレットの加熱装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係るビレットの加熱装置は、
炉壁を設けずに内外を連通させたフレームからなる本体ケースと、
前記本体ケース内に装入されたビレットを大気開放状態で支持するスキッドレールと、
前記本体ケースに取り付けられて、前記ビレットの全長及び全周にわたる外表面に燃焼火炎を衝突させてビレットを加熱する複数の純酸素又は酸素富化バーナとからなり、
前記ビレットの外表面から前記バーナのノズルまでの距離Ｌに対する前記ノズルの径Ｄの比Ｄ／Ｌを０．０２から０．０４とし、前記ノズルのピッチＰを前記ノズルの径Ｄの３０〜５０倍とするものである。

前記純酸素又は酸素富化バーナは、水冷構造であることが好ましい。

前記スキッドレールは、中空で、内部に長手方向に沿って複数の噴射孔を有するパイプが挿入され、該パイプに供給した水を前記噴射孔から前記ビレットを支持する部分の内面に向けて噴射することが好ましい。

前記スキッドレールは横断面が三角形であることが好ましい。

前記ビレットはアルミ合金又は銅合金であることが好ましい。

本発明によれば、大気開放状態でビレットを支持することにより炉壁からの放射伝熱を無くし、純酸素又は酸素富化バーナにより純酸素又は富化酸素で燃焼させた火炎をビレットの全長及び全周にわたる外表面に衝突させることにより火炎からの対流伝熱のみによりビレットを加熱するので、電磁誘導加熱方式以上の加熱能力と熱効率を達成することができる。

バーナを水冷構造としたので、加熱時の熱衝撃から保護することができる。

スキッドレールを水冷構造としたので、熱衝撃に対する耐久性がよく、耐火物の場合におけるスポーリングや金属の場合における溶損の虞れがない。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。

図１，図２は、本発明に係るビレットＷの加熱装置を示す。

この加熱装置は、架台１上に設置された本体ケース２を有する。本体ケース２は、ビレットＷの装入側と抽出側に逆Ｕ字形の鋼製フレーム３を有する。これらのフレーム３の内側には、水冷構造の複数（実施例では６台）の酸素又は酸素富化バーナユニット４（以下、単にバーナユニットという。）が両端を支持されて取り付けられている。バーナユニット４は、周方向に等間隔で配置され、本体ケース２の長手方向、すなわち装入側から抽出側に向かって延びている。本体ケース２には炉壁がなく、内外が連通した状態になっており、バーナユニット４が大気開放状態に取り付けられている。最下位置にあるバーナユニット４の両側には、ビレットＷを支持する１対のスキッドレール５が装入側から抽出側に向かって延設されている。

本体ケース２の装入側には、装入扉６とプッシャ７が設けられている。装入扉６は、昇降シリンダ８により昇降可能になっている。プッシャ７は、ビレットＷをスキッドレール５を介して本体ケース２内に装入し、抽出側の図示しない押出機に向かって搬送することができる。本体ケース２の抽出側には、抽出扉９が昇降シリンダ１０により昇降可能に設けられている。抽出扉９には本体ケース２内と連通する排気口１１が形成されている。

前記バーナユニット４は、図３（ａ）に示すように、多数の火炎噴射ノズル１２が所定の配置及びピッチで形成されている。ノズル１２の配置は正三角形であるが、これに限るものではない。各ノズルユニット４は、長手方向に複数の加熱領域（実施例ではＡ〜Ｄの４領域）に区画され、各加熱領域毎に独立して燃焼容量を調整可能になっている。

前記複数のバーナユニット４からの燃焼火炎による対流平均熱伝達率Ｈｃｍは、ノズル１２の吐出流速が一定の場合、ノズルピッチをＰ（ｍ）、ノズル径をＤ（ｍ）、ビレットの外周面からバーナユニット４のノズル１２までの距離をＬ（ｍ）、定数をｋとすると、数１で表される。

発明者らは、数１をもとに、最適なノズルピッチＰ、ノズル径Ｄ、ビレットの外周面からノズル１２までの距離Ｌを決定するため、実験を行った。その結果、ビレットＷの外表面からノズル１２までの距離Ｌに対するノズル径Ｄの比Ｄ／Ｌは、０．０２から０．０４とする。Ｄ／Ｌが０．０２以下では加熱不足となり、電磁誘導加熱相当の加熱能力を得ることができない。また、Ｄ／Ｌが０．０４以上であると、ビレットＷの火炎が直接当たる部分が溶損する。一方、ノズルピッチＰは、ノズル径Ｄの３０〜５０倍とする。これは、電磁誘導加熱方式に相当する加熱時間と熱効率の両方を満足するために決定されたものであり、４０倍が最も好ましい。例えば、ノズル径Ｄが１ｍｍのときは、ノズルピッチＰは４０ｍｍで、ノズル径Ｄが０．５ｍｍのときは、ノズルピッチＰは２０ｍｍである。ノズル径Ｄは、１．０ｍｍから０．５ｍｍの範囲である。１．０ｍｍ以上では、熱効率が３７．１％以下になって電磁誘導加熱方式に相当する熱効率を確保できないし、０．５ｍｍ以下では穴開け加工が困難になる。前記ノズル１２からの火炎の流速は、速ければ速いほど対流熱伝達率を高めることができるが、２００ｍ／ｓ以下とする。２００ｍ／ｓ以上とすると、燃焼音が高く、作業環境に支障が生じるからである。

前記スキッドレール５は、図４に示すように、断面が三角形の中空で、内部にはパイプ１３が挿入されている。パイプ１３には、長手方向に複数の噴射孔１４が形成され、パイプに供給した水が噴射孔１４から前記ビレットＷを支持する最も熱負荷の大きい頂角部の内面に向けて噴射できるようになっている。パイプ１３から噴射された水は、スキッドレール５の抽出側の端面に設けた排出口１５から排出される。なお、スキッドレール５の断面は三角形に限らず、円形、矩形、半円形、楕円形でもよいが、いずれの形状でも噴射孔１４は、ビレットＷを支持する部分の内面に向けて噴射するようにする。

次に、前記構成からなる加熱装置の動作を説明する。

装入扉６を昇降シリンダ８で開とし、ビレットＷをスキッドレール５を介してプッシャ７により本体ケース２内に装入したのち装入扉６を閉める。そして、前記複数のバーナユニット４を図示しない点火手段で点火するとともに、前記バーナユニット４の装入端側の燃焼流域の燃焼容量を抽出端側（次工程の押出成形機側）の燃焼領域の燃焼容量よりも低く制御してビレットＷの装入端側の燃焼領域の温度を、たとえば、４００℃、抽出端側の燃焼領域の温度を、たとえば、５００℃となるように傾斜加熱を行なう。

ここで、ビレットＷは、炉壁の無い大気開放状態でスキッドレール５上に支持されているので、炉壁からの放射伝熱が無い。しかし、空気による燃焼ではなく、バーナユニット４による純酸素又は富化酸素で燃焼させた火炎をビレットＷの全長及び全周にわたる外表面に衝突させることにより火炎からの対流伝熱のみによってビレットＷを加熱するので、電磁誘導加熱方式以上の加熱能力と熱効率を達成することができる。

バーナユニット４は、水冷構造であるので、加熱時の熱衝撃から保護される。また、スキッドレール５も、内部のパイプ１３からビレットＷを支持する頂角部の内面に水を供給する水冷構造としたので、熱衝撃に対する耐久性がよく、耐火物の場合におけるスポーリングや金属の場合における溶損の虞れがない。

前記ビレットＷの加熱を終了すると、前記各バーナユニット４を消火し、抽出扉９を昇降シリンダ１０で開として、加熱済のビレットＷをプッシャ７により下流側に配設された押出機に搬送する。以降、前述の処理を間欠的に行なう。

次に、本発明のビレットＷの加熱装置に関する実験例を説明する。
長手方向がＡ〜Ｄの４箇所の加熱領域に区画された６台のバーナユニット４（４ａ〜４ｆ）を、φ１５６×４００^ＬのビレットＷの外周面から４５ｍｍ離間させて円周方向に配設した。

前記バーナユニット４の仕様および加熱領域毎の燃焼容量は表１および表２に示すとおりである。

表３の実験例（１）は、常温（３０℃）のビレットＷを５００℃まで加熱し、そのときの加熱能力と熱効率とを確認する実験例である。下表に示すとおり、本発明のでは、前記バーナユニット４から噴射される高温の燃焼火炎をビレットＷの全長及び全周にわたる外表面にインピンジ加熱（衝突加熱）する方法であるため３７．1％という高い熱効率（受熱量／投入熱量）でビレットＷを７９秒で５００℃に加熱することができる。

表４に示す実験例（２）は、予め２５０℃に加熱されたビレットＷに傾斜加熱を行なう実験例を示したものである。これは、たとえば、連続鋳造機によって搬送されたビレットＷを傾斜加熱することを想定した実験であり、前記バーナユニット４の４つの加熱領域Ａ〜Ｄのうち、Ｂ〜Ｄを点火してＡのみ点火せずに加熱した結果、加熱時間４３秒でビレットＷの前端部と後端部との温度差ΔＴ＝７３℃／４００ｍｍとなり、１０００ｍｍのビレットＷに換算すると、理想温度勾配（１００℃／１０００ｍｍ）以上の傾斜加熱ができたことになる。

表４の実験例（３）は、常温のビレットＷに傾斜加熱を行なう実験例を示したものである。燃焼条件は前記実験例（２）と同条件とし、その結果、常温のビレットＷを７６秒で、前端部と後端部との温度差ΔＴ＝１０６℃／４００ｍｍとなり、１０００ｍｍのビレットＷに換算すると、この実験でも理想温度勾配（１００℃／１０００ｍｍ）以上の傾斜加熱ができたことになる。

このように、本発明の加熱装置によれば、純酸素あるいは酸素富化空気を用いた高温の燃焼火炎を大気開放状態に支持されたビレットＷの全長及び全周にわたる外表面に衝突させて加熱するので、冷間材からでも短時間でビレットを押出成形温度まで加熱することが可能で、かつ、ビレットＷの長手方向に対するバーナユニットの燃焼容量を制御するだけで容易に傾斜加熱を行なうことができることが判明した。

本発明にかかるビレット加熱装置の断面図。 図１のII−II線断面図。 バーナユニットのノズル配置を示す正面図（a）、バーナユニット及びスキッドレールの配置を示す横断面図。 スキッドレールの横断面図（a）及び縦断面図（b）。

符号の説明

２…本体ケース
３…フレーム
４…バーナユニット
５…スキッドレール
１２…ノズル
１３…パイプ
１４…噴射口
Ｗ…ビレット

Claims (5)

1. 炉壁を設けずに内外を連通させたフレームからなる本体ケースと、
   前記本体ケース内に装入されたビレットを大気開放状態で支持するスキッドレールと、
   前記本体ケースに取り付けられて、前記ビレットの全長及び全周にわたる外表面に燃焼火炎を衝突させてビレットを加熱する複数の純酸素又は酸素富化バーナとからなり、
   前記ビレットの外表面から前記バーナのノズルまでの距離Ｌに対する前記ノズルの径Ｄの比Ｄ／Ｌを０．０２から０．０４とし、前記ノズルのピッチＰを前記ノズルの径Ｄの３０〜５０倍とすることを特徴とするビレットの加熱装置。
2. 前記純酸素又は酸素富化バーナは、水冷構造であることを特徴とする請求項１に記載のビレットの加熱装置。
3. 前記スキッドレールは、中空で、内部に長手方向に沿って複数の噴射孔を有するパイプが挿入され、該パイプに供給した水を前記噴射孔から前記ビレットを支持する部分の内面に向けて噴射することを特徴とする請求項１に記載のビレットの加熱装置。
4. 前記スキッドレールは横断面が三角形であることを特徴とする請求項３に記載のビレットの加熱装置。
5. 前記ビレットはアルミ合金又は銅合金であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のビレットの加熱装置。

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