キューポラ

キューポラ（cupola furnace）とは

キューポラは、コークスの燃焼熱を利用して鉄を溶かし、鋳物の溶湯を得るための竪型溶解炉の一種です。日本語では「溶銑炉」とも呼ばれます。文献や専門書では「キュポラ」と省略されることもあります。

キューポラの構造

キューポラは、ボイラー鋼板などで作られた円筒形の構造物を垂直に設置したものです。内部には耐熱レンガや耐火モルタルが貼られています。

特殊な形状のキューポラとしては、円筒形の中間までが末広がりで、下部が絞られた「ホワイティング型キューポラ」や、日本で開発された「坂川式熱風水冷キューポラ」がありました。しかし、現在ではほとんど残っていません。

キューポラの各部の役割

材料投入口: 炉の上部から溶解材料を投入する場所。
ガスダクト: 燃焼で発生したガス（主にCOガス）を吸引する場所。
予熱帯: 投入された材料を予熱する場所。
溶解帯: 材料をコークスの燃焼熱で溶解する場所。1,600℃にも達します。
還元帯: 還元作用が行われる場所。
湯溜まり帯: 溶けた鉄が一時的に溜まる場所。
出湯口: 溶けた鉄を取り出す穴。
炉床: 溶湯が漏れないように耐火物で施工された炉の最下部。
底扉（マンホール）: 溶解後に炉内の残滓物や耐火物を排出するための扉。

古来からある日本の「こしき炉」も、石炭や木炭を燃料とする点で原理は共通しています。

キューポラの大きさは、時間あたりの溶解量で表され、小型のものでは毎時1-3トン、大型のものでは毎時80-120トンのものがあります。日本では5-30トンクラスが主流です。

キューポラの分類

ライニングキューポラ: 炉内全面に耐火物を施工するタイプ。
ノーライニングキューポラ: 湯溜まり帯と炉床のみ耐火物を施工するタイプ。
ウエットボトム方式: 炉内に溶湯を常に一定量溜めておく方式。
ドライボトム方式: 炉内に溶湯を溜めずに排出し、炉体前部のサイフォンに溜める方式。
フロントスラッギング方式: 溶湯とスラグ（溶融されたコークス等の残滓物）を炉内から排出し、スラグセパレーターで分離する方式。
リアスラッギング方式: 溶湯とスラグを別々の穴から排出する方式。

キューポラの使用法

溶解方法としては、溶解帯まで積み上げられたコークス（初込めコークスまたはベッドコークス）に、羽口から空気を送り込んで燃焼させ、材料を溶解します。送風の加減が操業において最も重要で、過剰な送風は材質劣化やコークス消耗を招き、不足すると発熱量不足となります。

1970年以前は外気をそのまま送風する「冷風操業」が主流でしたが、燃焼効率が不安定で品質不良が問題となっていました。そのため、排ガス中のCOガスを燃焼させて高温のガス熱量を利用し、炉内へ送風する空気を加熱する「熱風操業」が現在では主流となっています。

キューポラの特徴

メリット

大量の溶湯を連続溶解できる。
コークスで溶解するため、溶解コストが電気炉に比べて低い。
亜鉛など不純物を精錬する作用があるため、電気炉で使用できない材料を使用できる。
コークスから炭素分が補給されるため、溶解による損失を追加する必要がない。

デメリット

目的の成分を得るための操炉方法が難しく、熟練を要する。
熱交換器や集塵機など設備が大型で投資費用が大きい。
粉塵やCO2ガスの発生量が多く、環境に影響を与えてしまう。
コークス由来の硫化物が発生する。
吸炭が過剰となり品質低下が起こりうる。

現在では、環境問題から中周波誘導炉（電気炉）に代替されつつありますが、自動車部品、建設機械、船舶部品の鋳物工場では依然として主流です。

各地のキューポラ

埼玉県川口市

かつて鋳物産業が盛んだった川口市には多くのキューポラが見られましたが、現在ではほとんど残っていません。川口駅東口には、キューポラを模した建物「キュポ・ラ」があります。

富山県高岡市

高岡銅器で有名な高岡市の金屋町には、旧南部鋳造所のキューポラと角形煙突が現存しており、国の登録有形文化財に登録されています。

脚注

鋳物の技術－キュポラ熔解－ - 科学映像館
いこまいけ高岡 金屋町
* 『キュポラ』 - コトバンク

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