誘導溶解において、装入材料は最大の変動費であり、溶解速度、エネルギー消費量、金属品質に最も直接的に影響を与える要素です。装入プログラムを綿密に管理することで、入手可能なスクラップをそのまま装入する場合と比較して、エネルギー消費量を10～15%削減し、溶解速度を同程度向上させることができます。
MONTE INTELLIGENCEは、誘導炉供給の一環として、装入材料に関する推奨事項を提供しています。この記事では、鉄鋼の誘導溶解における装入材料の選定、準備、および管理の原則について解説します。
誘導溶解用の原料は、いくつかのカテゴリーに分類されます。鋳造所からの返品（鋳造所自身の操業から生じるゲート、ライザー、およびスクラップ鋳物）、購入した鉄スクラップ（スクラップ業者から購入し、通常はグレード別に選別される）、銑鉄（高炉または直接還元によるバージン鉄）、および合金添加物（フェロアロイ、浸炭剤、および化学組成を調整するために添加されるその他の材料）です。
理想的な原料配合とは、最小限の補正で目標とする化学組成を実現し、ブリッジングを起こさずに均一に溶融し、溶融金属1トンあたりのコストが最も低い混合物である。この理想を実現するには、原料配合の各成分の冶金特性とコストのバランスを取る必要がある。
誘導炉における溶解効率は、装入物の粒度分布によって左右される。誘導加熱のメカニズムである交流磁場によって発生する渦電流は、周波数と装入物の電気的特性によって決まる基準深さと呼ばれる深さまで装入物内部に浸透する。1000 Hzにおける鉄の場合、基準深さは約 7 mm である。加熱は主にこの表面層で発生し、その後、熱が内部へと伝導される。
直径200mmの鋼板などの大きな固形物で構成された装入物は、熱が中心部に伝わるまで表面から7mm以内の範囲しか加熱されません。中心部がまだ冷たい状態で表面が溶けると、部分的に溶けた塊が炉を横切るようにアーチ状になり、残りの装入物が溶融層に沈下するのを妨げてしまうブリッジング現象が発生します。一方、10mmの細断スクラップから150mmの重スクラップまで、さまざまなサイズの装入物を使用すると、小さな塊が大きな塊の間の隙間を埋め、有効表面積対体積比が増加するため、炉内でより均一に沈下し、より効率的に溶融します。
装入物の清浄度は、金属の品質と炉内張りの寿命にとって非常に重要です。錆（酸化鉄）はスラグ量を増加させ、エネルギーを消費し（Fe2O3をFeに還元するには炭素とエネルギーが必要）、シリカ内張りを侵食します（FeOはシリカ耐火物のフラックスであり、内張りの寿命を縮めます）。装入物に油やグリースが付着していると、溶解時に煙が発生し、作業環境と排出ガスの問題を引き起こすだけでなく、金属中に水素が混入して鋳造品に気孔が生じる可能性があります。装入物に砂や汚れが付着していると、回収可能な金属は生成されず、スラグ量が増加します。
装入物の予熱は、大型誘導炉（約5トン以上）の効率向上に用いられる技術です。装入前に装入物を400～600℃に予熱することで、水分を除去し（湿った装入物が溶融浴に接触した場合の蒸気爆発のリスクを排除）、油分や有機汚染物質を燃焼させ（煙や水素の混入を低減）、炉内で必要な電力を削減します（予熱器は電気ではなく、より安価な天然ガスを使用します）。装入物予熱器を使用することで、天然ガスと電気の相対価格に応じて、溶解コストを5～10%削減できます。
装入順序は溶解速度と安全性に影響します。冷えた炉に最初に装入するのは、壁面にしっかりと密着し、コイルとの結合が良好な小片です。これらは加熱が速く、炉内張りを均一に温度上昇させるのに役立ちます。溶融池が形成されたら、周囲の溶融金属が結合を改善するため、より大きな塊を追加できます。最後の装入では、攪拌作用と合金元素の添加のために、十分なフリーボード（溶融面からるつぼ上部までの距離）を確保する必要があります。
ブリッジングは、誘導溶解炉で必ず発生する運転上の問題です。溶融金属の上部で、装入物が炉の直径をまたいでブリッジングを起こし、上部の装入物が溶融金属中に沈下するのを妨げます。下部の溶融金属は加熱され続け、耐火ライニングを損傷するほどの過熱状態になる可能性があります。ブリッジングを防ぐには、適切な装入物のサイズ（炉の直径の約3分の1を超える大きさの装入物は使用しない）、慎重な装入（大きな装入物を平らに落とし込まない）、そして溶解サイクル中の注意深い監視が必要です。
複数の合金を溶解する鋳造工場にとって、合金間の相互汚染は品質リスクとなります。マグネシウムを含むダクタイル鋳鉄を溶解したばかりの炉に、マグネシウムを含まないはずのねずみ鋳鉄スクラップを投入すると、炉内ライニングに前回の溶解で残ったマグネシウムが残っている場合、規格外の鋳物が発生する可能性があります。解決策としては、合金の種類ごとに専用の炉を用意するか、合金を変更するたびに炉を徹底的に洗浄し、ライニングに付着した金属やスラグを削り取るなどの対策を講じる必要があります。
MONTE INTELLIGENCEは、誘導炉プロジェクトの一環として、スクラップの仕様策定、原料配合の最適化、予熱器の統合など、原料に関するコンサルティングサービスを提供しています。
鋳造工場向けの装入材料に関する推奨事項については、helenxu@cnlymonte.comまでお問い合わせください。
