キュポラ炉：部品、操作、用途を徹底解説

この記事では、鋳造現場で広く用いられるキュポラ炉（キュポラ）について、その構造・部品・内部ゾーン・操作手順・能力・効率・空気要求量・寸法・チャージ材料まで体系的に解説します。

キュポラ炉の主要部品

キュポラ炉は、厚さ6～12 mmの垂直円筒形鋼板シェルで構成され、内部は酸性耐火レンガまたは酸性タンピング粘土（主成分：二酸化ケイ素 SiO₂、アルミナ Al₂O₃）でライニングされています。ライニング厚は高温部である下部ほど厚くなっています。

シェルはレンガ基礎または鋼柱に載せられます。現代的なキュポラではドロップボトム式が主流で、底部ドアを開けてコークス・スラグ等の残渣を排出できます。作業底は鋳型用砂で盛られ、金属タップホール（湯抜き穴）に向かって傾斜しています。タップホールの対面、やや上方にスラグホール（スラグ抜き穴）が設けられています。

燃焼用空気はモーター駆動ブロワからウィンドパイプ（空気導入管）を経て、シェル周囲の環状ジャケット（ウィンドボックス）に送られ、作業底から450～500 mmの高さにある複数のチュイエール（送風ノズル）から炉内へ吹き込まれます。チュイエール数は炉径により4・6・8本、断面積合計は炉内断面積の1/5～1/6程度、一般に50×150 mmまたは100×300 mmです。補助チュイエールを設けて溶解効率を高めることもあります。

ブロワ圧力は小中型炉で250～400 mmH₂O、大型炉で400～850 mmH₂O、風量は鉄1 t溶解あたり約800～900 m³（コークス比10:1の場合）が目安です。チャージドアはチュイエール上方3～6 mにあり、その約300 mm下に大型作業プラットフォームが設けられます。シェルはチャージドア上方4.5～6 m延長され煙突となり、頂部にはスパークアレスタ（防火キャップ）が付き、必要に応じて集塵・除害装置が設置されます。

キュポラ炉内のゾーン（反応帯）

燃焼反応に基づき、炉内は以下のゾーンに分けられます。

• 坩堝ゾーン（クルーシブル・ゾーン／ウェル／ハース）：砂底上部からチュイエール下端まで。溶融鉄が溜まる。
• 燃焼ゾーン（酸化ゾーン）：チュイエール上端から150～300 mm。吹込み空気中の酸素が全て消費され、C＋O₂→CO₂、Si＋O₂→SiO₂、2Mn＋O₂→2MnO₂などの発熱反応で1550～1850 ℃の高温となり、溶融鉄滴がハースへ落ちる。
• 還元ゾーン：燃焼ゾーン上端からコークス層上端まで。CO₂＋C→2CO（吸熱）で温度は約1200 ℃まで低下。還元雰囲気でチャージが酸化から保護される。
• 溶解ゾーン：コークス層上の最初の金属層から上方900 mm程度。コークス完全燃焼による最高温度（約1600 ℃）で鉄が溶解し、3Fe＋2CO→Fe₃C＋CO₂などで炭素吸収も起こる。
• 予熱ゾーン（チャージゾーン）：溶解ゾーン上端からチャージドア下端まで。コークス・フラックス・金属が交互に積まれ、約1100 ℃で予熱される。
• スタックゾーン：予熱ゾーン上端から炉頂まで。炉内ガスを大気へ排出する。

キュポラ炉の能力（溶解能力）

出力は「毎時溶解鉄量（t/h）」で表され、1～15 t/h（それ以上も）の範囲で選定されます。能力は断面積だけでなくコークス消費強度（単位断面積当たりの単位時間コークス消費量）にも依存します。経験則として、炉平面積14 cm²で毎時約1 kgコークスが燃焼します。炉径1～2 m、高さは径の3～5倍が標準です。

キュポラ炉の操作手順

1. 炉の準備：前回のスラグ・耐火物損傷を除去・補修し、砂底を形成（底ドアを支柱で保持、砂を充填・締固め、タップホール・スラグホール用パターンを埋設）。十分乾燥させる。
2. 着火：砂底に着火材（木片）を燃やし、その上にコークス層を構築（2.5～3時間前）。コークスが着火したら送風開始（低風量）、赤熱が確認できたらコークスを追加し、最終高さ（チュイエール上端から700～800 mm）までベッドチャージを完成。
3. チャージ投入：コークスベッドが均一に赤熱したら、豚鉄・コークス・フラックス（石灰石）を交互に投入。スクラップ（総金属重量の25～50 %）も併用し、フェロマンガン（2～4 %）で脱酸。金属チャージ重量は時間出力の10～15 %。石灰石は溶解鉄1 t当たり30～40 kgまたはコークス重量の25 %。金属：コークス比は概ね10:1。
4. 浸漬（ソーキング）：満充填後、送風をほぼ止めて約45分間予熱・浸透させる。
5. 全開送風：浸漬終了後、全風量で送風。チュイエール・タップホールを閉じたまま約10分で溶融鉄がハースに溜まり始める。以降、溶解速度＝投入速度で炉内を満タン維持。
6. タッピング＆スラッギング：全開送風40～50分後から第1回タッピング。スラグはスラグホールから排出（ボギー受け推奨）。溶湯はレードルで鋳型へ。全溶解完了まで繰り返す。
7. 炉閉鎖：操作終了後、送風停止、底ドア支柱を倒して残渣（コークス・スラグ等）を落下・消火・除去。

一般に連続運転可能だが、多くの鋳造所では1回4時間程度、長くても10時間程度で停止します。

キュポラ炉の熱効率

熱効率（％）＝（予熱・溶解・過熱に利用された熱量）÷（コークス潜熱＋Fe・Si・Mn酸化熱＋送風空気顕熱）×100
一般に30～50 %。主な影響因子：①コークス比（金属/燃料比の逆数）、②送風量、③平均コークス粒度。

必要空気量

コークス1 kg完全燃焼に理論空気8.4 m³（常温常圧）。金属：コークス＝10:1ならコークス100 kg/t-Fe、必要風量＝8.4×100＝840 m³/t。漏洩等を考慮し実運転では約900 m³/tを供給。

キュポラ炉の主要寸法

断面積 A＝πd²/4＝Q/Q₁（m²）
d＝炉内径（m）、Q＝設計時間出力（t/h）、Q₁＝単位断面積当たり出力＝6～8 t/(h·m²)
有効高さ H（チュイエール中心～チャージドア下端）は H/d＝3～5 で決定。高すぎるとコークス破砕・圧力損失増大、低すぎると加熱不足・出力低下。
内径はコークス消費量と溶解量を決定。例：3 t/h炉（金属：コークス＝10:1）ならコークス300 kg/h、必要炉平面積＝14×300＝4200 cm²、内径≈73 cm。

キュポラチャージと成分変化

均一品質を得るにはチャージ設計が重要。溶解中の元素損得を見込む必要があります。

• 炭素（C）：コークスから吸収し+0.15 %程度増加（酸化損失も微小）。
• ケイ素（Si）：チュイエール通過時に酸化損失、約10 %減少。
• マンガン（Mn）：Siと同様に酸化、15～20 %減少。
• 硫黄（S）：コークス・スクラップ・フラックスから吸収、+0.03～0.05 %増加。
• リン（P）：ほぼ変化なし。
• 鉄（Fe）：酸化損失3～4 %。

以上、キュポラ炉の構造・ゾーン・操作・設計指針を網羅しました。ご質問・ご感想はコメント欄へどうぞ。