Combined conduction/convection furnace

（発明の背景）
本発明は、一般に、鋳物加工（ｆｏｕｎｄｒｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）の分野に関し、さらに特定すると、金属鋳造品（ｍｅｔａｌ ｃａｓｔｉｎｇ）を熱処理し、そして金属鋳造品の製造で使用される砂中子および砂鋳型から砂を再生（ｒｅｃｌａｉｍ）することに関する。

金属鋳造品を熱処理し、そして金属鋳造品の製造で使用される砂中子および砂鋳型から砂を再生する分野では、多くの変更が行われている。 鋳造品の熱処理、砂中子の除去、および砂のさらなる再生に取り組んだ最近のいくつかの開示の例は、米国特許第５，２９４，０９４号、同第５，３５４，０３８号、同第５，４２３，３７０号および同第５，８２９，５０９号（本明細書中以下において、時には、一緒にして、「参考特許」と呼ばれる）に見出され、これらの各内容は、その全体について本明細書中で参考として明白に援用されている。 これらの特許は、（ｉ）鋳造品を受容して熱処理し、（ｉｉ）この鋳造品から砂中子／砂鋳型材料を除去し、そして（ｉｉｉ）この鋳造品から除去した砂中子／砂鋳型材料から砂を再生する３工程一体プロセス／一体化システム（ｔｈｒｅｅ−ｉｎ−ｏｎｅ ｐｒｏｃｅｓｓ／ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ）を開示している。 この'０９４および'０３８特許は、対流炉の種類を具体的に示しており、この'３７０特許は、伝導炉の種類を具体的に示しており、そしてこの'５０９特許は、伝導炉の種類または対流炉の種類のいずれかを交互に具体的に示している（一体化した冷却室を加えて）。 この砂中子／砂鋳型材料（本明細書中以下において、砂中子材料と呼ぶ）は、結合材料（例えば、可燃性有機樹脂結合剤であるが、これに限定されない）によって共に保持されている砂を含有する。

上述の特許に開示されているような技術は、例えば、競争；原料、エネルギー、労力および廃棄物処理の価格上昇；ならびに環境規制によって、余儀なく行われている。 これらの要因により、熱処理および砂再生の分野において、引き続いて、改良が要求されている。

（発明の要旨）
簡単に述べると、本発明は、複数の別個の加熱環境（これは、好ましい実施形態では、伝導加熱環境および対流加熱環境を含む２つの加熱環境を含む）を組み合わせて一体化した単一炉システムを提供し、これらは、複数の環境が、それを通って移動する加工物（例えば、鋳造品）が大気に曝されることなく１つの加熱環境から他の加熱環境へと移行するような連続加熱室を規定するように、一体化されている。 好ましい方法によれば、この鋳造品の１つの環境から他の環境への移行は、有意な温度変化なしに、達成される。

本発明の第二の局面によれば、上で挙げた先行特許明細書で記述した類の３工程一体の加工システムの改良された種類の実施形態が提供される。 本発明のこれらの種類の実施形態は、鋳造品を加工するシステム装置および方法を開示しており、これらは、組み合わせ伝導および対流炉システムにおいて、中子除去、砂再生および熱処理の一体化プロセスを実行する。

本発明の他の目的、特徴および利点は、添付の図面と組み合わせて、本明細書を読んで理解すると、明らかとなる。

（図面の詳細な説明）
ここで、図面（数個の図全体を通じて、同じ番号は、同じ構成要素を表わす）を参照すると、図１は、本発明の好ましい実施形態による組み合わせ伝導／対流炉１０を、模式的な表現で描写している。 組み合わせ炉１０は、枠構造１２を含むように描かれ、枠構造１２は、閉鎖加熱室１４を規定し、そしてこの加熱室を取り囲む断熱壁１５、選択的に閉鎖できる断熱入口ドア１７を装備した入口ポータル（ｐｏｒｔａｌ）１６、および選択的に閉鎖できる断熱出口ドア１９を装備した出口ポータル１８を備える。 加熱室１４は、２つの主要な加熱室セグメント２３、２４に分割されているように描かれ、これらは、一緒になって、連続加熱室１４を構成し、移行通路２５により、相互に連結されている。 本発明の好ましい実施形態によれば、移行通路２５は、第一加熱室セグメント２３から第二加熱室セグメント２４への加工物（例えば、鋳造品）の容易な移動、ならびに１つの室セグメントから他の室セグメントへの熱、気体、ダストなどの自由な移動を可能にするのに充分な大きさおよび配置を有する。 一体化輸送システム２６は、この鋳造品を、入口ポータル１６から、第一加熱室２３を通して、第二加熱室２４へと入れ、これを通して、出口ポータル１８へと輸送する。

本発明の好ましい実施形態によれば、第一加熱室セグメント２３および第二加熱室セグメント２４のそれぞれは、他の室セグメントが備えられる炉加熱プロセスとは異なるプロセスである炉加熱プロセスにより、それぞれの室セグメント内で、鋳造品を加熱するように装備されている。

本明細書中で描写した図１〜３の好ましい実施形態は、第一加熱室セグメント２３に、流動床炉形態の、伝導炉加熱プロセスを備えており、そして第二加熱室セグメント２４に、対流型加熱炉を備えている。 従って、第一加熱室セグメント２３に提供される加熱環境は、伝導型炉（例えば、流動床炉）により作り出されるような環境であり、そして従って、第二加熱室セグメント２４の加熱環境は、対流型炉により作り出されるような環境である。 図面で描写されているように、粒子（流動媒体）の床２７は、ほとんど、第一加熱室セグメント２３を満たしており、そして流動気体を提供するための導管２８が備え付けられている。 熱源（図示せず）は、導管２８に、加熱流動気体を与える。 この加熱室セグメント２３では、鋳造品は、流動床２７内に浸漬され、この場所で、熱は、伝導により、周囲の加熱床粒子からこの鋳造品へと移動し、そしてここでこの鋳造品は、１つ以上（完全または部分）の所望の鋳造処理工程（その一例を、以下で示す）を達成するのに適切な時間にわたって、適切な温度まで加熱される。 対流加熱室セグメント２４は、熱源（図示せず）を備え、これは、熱が、対流により、対流加熱室セグメント内に含まれる鋳造品に移動するように、また、この鋳造品が、１つ以上（完全または部分）の所望の鋳造加工工程（その一例を、以下で示す）を達成するのに適切な時間にわたって、適切な温度まで加熱されるように、この加熱室セグメント内の空気を加熱する。

一般に、図１（ならびに図２および図３）を再度参照すると、組み合わせ炉１０は、また、炉構造１２の外部の積載（ｌｏａｄｉｎｇ）ステーション４０、および炉構造１２の内部の入口ゾーン４１を備えるように描かれている。 本明細書中で描写した図１および２の実施形態の入口ゾーン４１は、流動床セグメント２３の上に位置する加熱室１４の一部分を占めており、そして上昇する熱を受容して、それにより、この入口ゾーンの鋳造品を、最初の室の熱に曝す。 本明細書中で描写した実施形態の一体化輸送システム２６は、充填（ｃｈａｒｇｅ）輸送機構（矢印４３で示す）および入口輸送機構４４（図１では、例えば、巻上げ機として示す）、第一室輸送機構４５（図１では、例えば、ラム／プッシュデバイス３９として示し、そして細長固定レールアセンブリ４２（図１Ａを参照）を備える）、移行（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ）輸送機構４６（図１では、例えば、別の巻上げ機機構として示す）、第二移行輸送機構４７（本明細書中では、例えば、ラム／プッシュ装置として示す）、ならびに第二室輸送機構４８（例えば、ローラーコンベヤとして示す）の組み合わせから構成される。 図１Ａを参照すると、巻上げ機型入口輸送機構４４の一例は、第一室輸送機構４５の代表的な固定レールアセンブリ４２と共に、描写されている。 入口輸送機構４４は、移動可能パレット７０（間隔を置いた横向きの２つのレール７１（１つを図示）および間隔を置いた２つの横断ビーム７２から形成される）、および駆動機構（図示せず）に接続されたケーブル７４により上から支持された４つの角を付けた（ｆｏｕｒ ｃｏｒｎｅｒｅｄ）支持フレーム７３を備える。 巻上げ機型の第一移行輸送機構４６は、類似の構成である。 図示した一体化輸送システム２６の構成および操作は、本明細書を参照すると、当業者に容易に理解されると思われる。 この鋳造品が種々の室を通る動きは、本明細書中で描写した特定の機構に限定されず、代替の輸送機構は、当業者に明らかである。

第一の好ましい実施形態では、図１で描写されるように、対流加熱室セグメント２４は、鋳造品がそこを通って移動して加熱される上部開放（ｏｐｅｎ ａｉｒ）部分、および例えば、任意の砂中子材料（これは、この加熱室のこのセグメントで、鋳造品から落ち得る）がその内部に落ちて集められる（そして好ましくは、さらに処理（ｐｒｏｃｅｓｓ）される）（単数または複数の）ホッパー３３として形成された下部から構成される。 図１の実施形態では、対流室セグメント２４は、空気再循環システム５２を装備して示され、これは、当業者に理解されるように、対流加熱室セグメント２４内の空気を攪拌して、この対流加熱室セグメント全体（移行通路２５の近傍を含めて）を通じて、温度均一性を得るのを助ける。 本明細書中で描写した再循環システムは、再循環ファン５３および関連したダクトワーク５４を備えるが、他の再循環システムは、当業者に容易に認められる。 図１の実施形態では、対流セグメント２４は、砂再生機構（例えば、スクリーン５５およびホッパー内流動化機構５６）を備えている。 これらの再生機構の構造および操作は、参考特許、特に、米国特許第５，２９４，０９４号および同第５，３４５，０３８号を参照すると、理解される。 図２の別の実施形態の組み合わせ炉１０'では、対流セグメント２４'は、流動化移動床５９、排出堰６０および一体化冷却室６１を備えた溝部５８を有する炉室を備え、これは、参考特許である米国特許第５，８２９，５０９号の図１Ａの実施形態と類似しており、炉室セグメント２４'の構造および操作ならびに関連した再生は、この特許を参照することにより、理解される。 図１および２の実施形態はまた、堰または余水吐き（ｓｐｉｌｌｗａｙ）３７を備えるものとして描かれ、これらにより、この流動床炉内に蓄積している砂または他の粒子は、それぞれ、対流室２４、２４'のホッパー３３または溝部５８へとこぼれることができ、それにより、流動床セグメント２３の床２７の深さが制御され、そして好ましくは、流動床２７内の任意の砂中子粒子の休止（ｄｗｅｌｌ）時間が制御される。

図示した実施形態の伝導加熱セグメント２３および対流加熱セグメント２４、２４'のそれぞれは、さらなる構造を有し、そして一定様式（その全ては、本明細書中で先に引用した「参考特許」の明細書を参照すると、この明細書全体を検討した後、当業者に明らかに理解される）で操作される。 従って、本明細書全体で述べた機能を可能にするための追加説明は必要ではないと思われる。

操作においては、そして本発明の好ましい１方法に従うと、典型的には、外部鋳型および／または内部砂中子（本明細書中では、一緒にして、「砂中子（ｓａｎｄ ｃｏｒｅ）」と呼ぶ）を備えた鋳造品（示されていない）は、積載（ｌｏａｄｉｎｇ）ステーション４０に配置される（「Ｐ１」）。 この鋳造品は、例えば、ワイヤーバスケットまたは類似の輸送容器５０（これは、この鋳造品を含むが、さらに、床２７の流動媒体により、この鋳造品へのアクセスを可能として、そしてまた鋳造品から落ちる砂中子材料の容器からの排出を可能にする）の中で、運ばれる。 バスケットおよび鋳造品は、例えば、充填（ｃｈａｒｇｅ）輸送機構４３によって押されることにより、一時的開放（ｔｅｍｐｏｒａｒｉｌｙ ｏｐｅｎ）入口ドア１７を通って、入口セグメント４１（位置「Ｐ２」での）に移動し、この場所で、バスケットは、例えば、巻上げ機パレット７０に載せられる。 入口輸送機構４４は、バスケット５０および鋳造品を有するパレット７０を、鋳造品が流動床２７に完全に浸漬し、そして横方向レール７１が固定レール４２と整列するまで、伝導加熱室セグメント２３へと下げる。 流動床２７は、好ましくは、この鋳造品の砂中子が作られた砂の性質と性質が類似した精製（ｒｅｆｉｎｅｒｙ）砂から構成される。 好ましくは、この流動床は、この鋳造品を受容する前に、初期温度まで予備加熱される。 流動床２７は、この流動床内で行うのが望ましい特定の鋳造品加工工程を実施するのに充分な温度まで加熱される。 例えば、床２７は、鋳造品内のキャビティから砂中子材料を取り除くのに充分な温度の鋳造品へと熱を伝導するのに充分な温度まで、加熱される。 この中子材料は、好ましくは、熱分解性材料（例えば、有機樹脂結合剤であるが、これに限定されない）により結合した砂を含む。 それゆえ、少なくとも好ましい実施形態では、この流動床は、この有機樹脂結合剤の燃焼温度より高く加熱される。 好ましい実施形態では、流動床セグメント２３で行うのが望ましい加工工程は、少なくとも、この鋳造品から砂中子を除去するプロセス、および流動床炉にある間に、この鋳造品に存在する中子材料から砂を再生するプロセスである。 そのために、この砂中子を充分に高い温度まで加熱する技術、ならびに排出した砂中子を、この砂を実質的に再生するのに充分な休止時間にわたって流動床２７内に保持する技術は、特に、「参考特許」を参照して、当業者に分かるように使用される。 対流セグメント２４内では、一定量の中子除去および砂再生が提供され得て受容可能であるので、この流動床において鋳造品から全ての鋳型（ｍｏｌｄｉｎｇ）および砂中子を除去する必要はないが、好ましい実施形態では、伝導セグメント２３内では、有意量の中子除去および砂再生が好ましい。 流動床加熱室セグメント２３内で、鋳造品の一定量の熱処理が予想される。

鋳造品を流動床内に浸漬する時間の間、鋳造品を有するバスケット５０は、第一室輸送機構４５によって、伝導加熱室セグメント２３を長手方向に通って、その「Ｐ３」での入口位置から、対流加熱室セグメント２４に隣接した最終床位置「ＰＦ」へと移動させられる。 バスケット５０および鋳造品をこの流動床を通して移動させるには、当該技術分野で理解されている種々の技術が満足のいくように使用され、これには、例えば、図示したラム／プッシュデバイス３９およびレールアセンブリ４２が挙げられる。 プッシュデバイス３９は、例示的な実施形態では、バスケット５０を、第一移行輸送機構４６の移動可能パレット７０ａのレール７１ａの休止位置（位置ＰＦ）へと、移動パレット７０のレール７１から横方向に、流動床室セグメント２３を通して、固定レール４２に押す。 位置ＰＦから、移動可能パレット７０ａは、バスケット５０および鋳造品と共に、移行輸送機構４６（例えば、巻上げ機）により、移行経路２５を通して、第二室輸送機構４８に隣接した対流加熱室セグメント２４中の位置へと上げられる。 この位置から、バスケット５０は、パレットレール７１ａから長手方向に移動し、次いで、まず、第二移行輸送機構４７により、次に、第二室輸送機構４８によって、対流加熱室セグメント２４を通る。 再度、種々の室を通るこの鋳造品の移動は、本明細書に示したこれらの特定の機構に限定されず、代替の輸送機構は、当業者に明らかである。 例えば、１実施形態（図示せず）では、鋳造品は、頭上レール上の枠構造１２を通して長手方向に移動するシャトルから延びるケーブルにより、高架支持したバスケットによって、室１４全体を通して満足のいくように輸送される。 シャトルは、選択的にケーブルを巻いたりほどいたりして、適切な時点で、バスケットを上げ下げする。

伝導加熱室セグメント２３で発生した熱が、移行通路２５を通って、対流加熱室セグメント２４へと自由に通過し、それにより、この対流セグメントに予備熱を提供し、そして有意な温度変化なしに、伝導加熱環境から対流加熱環境へと、連続的な鋳造品加熱プロセスを行うのを助けることは、本発明の意図するところである。 鋳造品が対流加熱室セグメント２４を通って移動するにつれて、加熱室セグメントは、この室セグメントに望ましい鋳造品処理工程を行うのに充分な温度まで加熱される。 例えば、好ましくは、鋳造品の熱処理は、鋳造品が対流加熱室セグメント２４内に収容されている間に実施され、そして完了する。

熱処理と同時に、任意の残留砂中子を鋳造品から除去し、残留している砂中子部分から、砂を実質的に再生するのが望ましい。 従って、鋳造品の中子の任意の残りの砂の除去を補助するために、熱い空気が、この鋳造品へと１つ以上の方向で向けられ（ｄｉｒｅｃｔｅｄ）得、その結果、この鋳造品がこの対流加熱室セグメントを通って移動するにつれて、この鋳造品の異なる側に吹き付け（ｂｏｍｂａｒｄ）てこの鋳造品から全ての残りの砂を除去する。 あるいは、または鋳造品に対する熱い空気の適用と組み合わせて、この鋳造品は、さらに、１つ以上の方向でこの鋳造品に空気を向けることによって、急冷され得る。 この急冷用空気は、この鋳造品を冷却し、そして中子の全ての残りの砂を強制的に鋳造品から離す傾向がある。 このような様式で鋳造品から除去される全ての砂は、再生砂ホッパー３３によって、収集のために、第二室輸送機構４８を通って落ちる傾向がある。 さらに、この鋳造品が対流加熱室セグメント２４を通って出口ポータル１８へと移動するにつれて、この鋳造品はさらに、振動機構またはこの鋳造品を振動もしくは振盪する他の類似の機構に曝されて、この鋳造品からの全ての残りの砂の除去をさらに補助し得る。 鋳造品から除去されるかまたは振り落とされる（ｖｉｂｒａｔｅ ｏｕｔ）全ての残りの砂は、再生および排出のために、再生砂ホッパー３３内に収集される。 鋳造品が対流加熱室セグメント２４を通って移動するにつれて、この鋳造品に熱い空気を適用する工程、この鋳造品を急冷するための冷たい空気を適用する工程、および／またはこの鋳造品を振動させる工程のいずれかを、本発明の加熱および再生のプロセスとは別個に、もしくは組み合わせて使用して、鋳造品からの砂中子の全ての残りの砂の除去をさらに補助し得る。 適切な処理が完了したら、バスケットおよび鋳造品は、出口ポータル１８から搬出される。

図２は、組み合わせ炉１０” の第三の実施形態を描写し、これは、落ちた砂中子材料を保持するためのホッパーまたは溝部を含まないが、むしろ、砂リターン６０を含み、これによって、対流加熱セグメント２４”に集められた砂中子は、流動床セグメント２３に運び戻され、その場所で、砂の再生のために、さらに処理される。 再生した砂をこの流動床セグメントから排出するために、流動床セグメント２３”内には、排出堰６４が設けられ、そして再生のための適度な休止時間を与えるために、床２７の深さが確立されるかまたは制御される。堰６４は、第５，８２９，５０９号特許の図１１３の実施形態を参照して分かるように、満足のいくように冷却室６１'へと排出される。

本発明の最も好ましい方法によれば、組み合わせ炉１０は、炉の砂再生および熱処理において、中子除去として知られている鋳造品処理の３工程一体プロセスを実施するために、利用される。 しかしながら、本発明の組み合わせ炉１０は、熱を用いて鋳造品を加工することに関連した上述のプロセスまたは他のプロセスの１種以上を実行するために、満足のいくように利用されることを理解すべきである。 組み合わせ炉内で中子除去を行わない計画である場合（例えば、鋳造品の炉への送達前に、おそらく、振動技法によって、全ての砂中子鋳型を取り除いたとき）の代替の実施形態では、炉の砂再生機構（例えば、余水吐き３７、スクリーン５５および流動化装置（ｆｌｕｉｄｉｚｅｒ）５６）は、満足のいくように取り除かれる。

本発明は、連続加熱室を実現するような様式での、複数の（２つ以上の）加熱環境の一体化に関連するものとして見られ、そして本発明によれば、連続加熱室内の少なくとも２つの隣接する加熱環境は、互いに異なっている。 本明細書中で記述される実施形態では、
これらの特有の環境は、一方は流動床伝導炉であり、そして他方は対流炉であるとして、開示されている。

本明細書中図１〜３で表された組み合わせ加熱環境は、満足のいくように他の加熱室セグメント（他の加熱環境を含めて）から構成される、より大きな加熱室のうちの２つのセグメントであることが明らかであり、そのように理解される。 このような拡張加熱室１４'、１４”は、図４および６に模式的に表される。例えば、代替的な１実施形態（図６を参照）では、図１の対流セグメント２４に続いて、流動床炉型の加熱環境を含む別のセグメント８０が設けられている。本発明の精神に従うと、このような実施形態では、図６の対流セグメント２４と追加伝導加熱室セグメント８０との間には、熱チャネリング移行ゾーン８１が備えられる。

さらなる例によると、別の実施形態（具体的には示さないが、図４から推定される）では、図１の流動床伝導セグメント２３の前部には、その間の熱チャネリング移行ゾーンと共に、対流型加熱セグメントが追加される。 さらに他の実施形態（図示せず）では、図１で示されるシステムの前部また後部（または両方）に、図１の組み合わせ流動床および対流システムの２連が「抱き合わせ（ｐｉｇｇｙ−ｂａｃｋｅｄ）」られる。 このような後者の実施形態では、本発明はまた、各隣接加熱環境セグメント間に設けられる熱チャネリング移行ゾーンを備える。

さらに、本発明は、個々の加熱環境の順序により限定されない。 むしろ、例えば、（図５に模式的に示されるように）、特定の加工技術において、対流加熱環境を流動床伝導環境より前に配置することが好ましい場合、図１で示した加熱環境の順序は、満足のいくように、逆にされる。 図５は、第一加熱セグメント２３”'としての対流加熱環境および第二加熱セグメント２４”'としての流動床伝導環境を模式的に示す。

図７に示すように、第二の対流加熱セグメント２４””のさらなる代替の実施形態においては、回転機構８０が、第二室輸送機構４８””に沿って提供され、第二加熱室セグメント２４””の長さに沿った中間点に配置される。 この回転機構は、一対の旋回レール（例えば、破線８１で示すもの）、または鋳造品を係合しそして持ち上げるための類似の機構を備え得、これによって、鋳造品を、図７に示すように輸送機構４８””上で再配置させる。 この輸送機構上での鋳造品の再配置は、より高い百分率の砂が、鋳造品から取り除かれるかまたは振り捨てられ、従って除去され、これによって砂再生ホッパーに収集されることを可能にするのを助ける。 回転機構８０は、この鋳造品を加熱または急冷するために、１つ以上の方向からこの鋳造品に対して向けられる、熱い空気または冷たい空気のさらなる適用とは別個に、またはこれと組み合わせて、使用されて、この鋳造品からの砂の除去をさらに補助し得るか、あるいは上述のような振動機構と組み合わせて使用され、これによってこの鋳造品の内部からの砂中子からの砂の実質的に完全な除去を確実にし得る。

開示された実施形態は、流動床伝導加熱環境、およびそれに隣接した加熱環境としての対流炉加熱環境を用いて説明されているものの、少なくとも２つの隣接した別個の加熱環境として、任意の別個の加熱環境を組み込むことは、明らかに、本発明の範囲内である。 このような加熱環境は、当業者に公知で現在理解されているかまたは将来理解されるであろう任意の加熱環境（これには、伝導加熱環境、対流加熱環境および放射加熱環境が含まれるが、これらに限定されない）を満足のいくように含んでもよい。

本明細書中で開示された実施形態は、好ましい形態であるものの、本開示を考慮して、請求の範囲の精神および範囲を逸脱することなく、他の実施形態は、それ自体、当業者に示唆される。

図１は、本発明の好ましい実施形態による、組み合わせ伝導／対流炉の概略側面切取図である。

図１Ａは、本発明の炉で利用する輸送システムの１実施形態の巻上げ機およびレール構成要素の分離図である。

図２は、本発明の代替の実施形態による、組み合わせ伝導／対流炉の概略側面切取図である。

図３は、本発明の第二の代替の実施形態による、組み合わせ伝導／対流炉の概略側面切取図である。

図４は、本発明による炉システムの一体化連続加熱室を備える複数の加熱環境の代替の実施形態の概略側面切取図である。

図５は、本発明による炉システムの一体化連続加熱室を備える複数の加熱環境の代替の実施形態の概略側面切取図である。

図６は、本発明による炉システムの一体化連続加熱室を備える複数の加熱環境の代替の実施形態の概略側面切取図である。

図７は、鋳造品回転機構を備える、対流加熱セグメントの代替の実施形態の概略側面切取図である。