(57)【要約】  【課題】  溶湯金属攪拌用回転体のシャフトとガス供給管との隙間に低温の処理ガスが流入すると、シャフトの内面が冷却され、溶湯金属によって高温となっている回転軸の外面との熱膨張の差によって、大きな熱応力が働いて破損する。  【解決手段】  シャフト４の一方の端部に溶湯金属２を攪拌するローター５が、他方の端部に回転駆動機構に接続する連結具３が取り付けられ、シャフト４の内部に隙間９を設けて同軸状にガス供給管７を配置してあって、隙間９のローター５側近傍および連結具３側近傍にそれぞれシール用固定材10が埋められた溶湯金属攪拌用回転体１である。ガス供給管７の両端部を強固に固定し、かつシールすることができるため、シャフト４の回転による遠心力や、シャフト４の熱による膨張や収縮によってもガス供給管７の固定が緩みにくく、ガス供給管７と連結具３との接触部からのガス漏れの発生を抑え、シャフト４の破損を防ぐことができる。【選択図】  図１
2008238216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトの一方の端部に溶湯金属を攪拌するローターが、他方の端部に回転駆動機構に接続する連結具が取り付けられ、前記シャフトの内部に隙間を設けて同軸状にガス供給管を配置した溶湯金属攪拌用回転体であって、前記隙間のローター側近傍および連結具側近傍にそれぞれシール用固定材が埋められていることを特徴とする溶湯金属攪拌用回転体。
【請求項２】
前記シール用固定材が、繊維質材および多孔質材の少なくとも一方からなり、５〜３０％の空隙率を有することを特徴とする請求項１に記載の溶湯金属攪拌用回転体。
【請求項３】
前記シール用固定材が環状に複数配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の溶湯金属攪拌用回転体。
【請求項４】
前記ガス供給管がセラミックスからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の溶湯金属攪拌用回転体。
【請求項５】
前記セラミックスがコージェライト，ムライト，ステアタイト，アルミナおよびジルコニアのいずれか１種からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の溶湯金属攪拌用回転体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の溶湯金属攪拌用回転体が、前記連結具を介して前記シャフトの回転駆動機構に接続されて、溶湯金属の容器内に配置されていることを特徴とする溶湯金属の脱ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウムやその合金の溶湯金属中に窒素ガスやアルゴンガスを放出しながら回転して溶湯金属を攪拌することにより、溶湯金属中の水素や非金属酸化物等の不純物を処理する溶湯金属攪拌用回転体およびこれを用いた溶湯金属の脱ガス処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球規模の環境意識の高まりから燃費の向上やＣＯ２排出の削減を図るため、自動車の構成部品の軽量化対策として、アルミニウムやその合金の溶融状態の溶湯を鋳型に流し込んで冷却し、所定の形状とする鋳造方法が採用されている。そして、このような構成部品の軽量化の要求は、さらなる燃費の向上やＣＯ２排出の削減を図るため一層厳しくなっており、これら構成部品を軽量化するためには薄肉化が必要になってきている。
しかしながら、これらの構成部品の材料にアルミニウムやその合金を用いて薄肉化しただけでは機械的強度が不足するため、薄肉化するには構成部品の材料そのものの機械的強度の向上が必要となる。この構成部品の材料そのものの機械的強度の向上には、材質の変更や製造方法の変更などが考えられるが、最も簡単な方法は、構成部品に用いる材料に含まれる不純物の量を減らすことにより、機械的強度をできるだけ材料そのものの理論的強度に近づけることである。
【０００３】
この構成部品に用いる材料に含まれる不純物の量を減らすには、不純物の少ない原材料を用いればよいが、不純物の少ない原材料を用いようとすると、原材料自体の価格が非常に高くなり、構成部品の価格もこれに伴って高くなるという問題があった。
【０００４】
このような問題を解決するために、アルミニウムやその合金の溶湯金属内の不純物を処理する目的で、溶湯金属内に処理ガスを吹き込み、攪拌して処理ガスを分散させて、その処理ガスの気泡により不純物を浮上させて分離することによって処理する脱ガス処理装置が用いられている。
【０００５】
図３は、従来の溶湯金属の脱ガス処理装置の一部を破断して示す正面図である。
【０００６】
図３に示す脱ガス処理装置30は、溶湯金属35を入れる容器34と、溶湯金属35を攪拌するためのシャフト31と、シャフト31の一方の端部に接続されたローター32と、シャフト31の他方の端部にフランジ継手38ａ，38ｂを介してボルト39およびナット40で接続された回転軸37と、この回転軸37を回転するための回転駆動機構33とから構成されている。
【０００７】
そして、フランジ継手38ｂは処理ガス（Ｇ）を供給するための供給口41と内部にガス供給路41ａとを有し、シャフト31はこのガス供給路41ａに連通したガス供給路31ａを内部に有している。ガス供給路31ａはシャフト31の一方の端部に接続されたローター32のガス供給路32ａと連通しており、ローター32の放出口42より処理ガス（Ｇ）が容器34内の溶湯金属35中に放出される。
【０００８】
この脱ガス処理装置30を用いた溶湯金属35中の不純物36の処理方法は、容器34中の溶湯金属35に浸漬したシャフト31およびローター32を、回転駆動機構33の回転駆動により回転させながら、処理ガス（Ｇ）を供給口41からガス供給路41ａ，31ａ，32ａを通じて放出口42から溶湯金属35中に吹き込み、回転によって生じる遠心力により微細化して分散させ、溶湯金属35中の水素や非金属酸化物等の不純物36を気泡に取り込んだり付着させたりして溶湯金属35の表面に集め、効率的に処理する方法である。
【０００９】
そして、従来このような脱ガス処理装置30に用いられるシャフト31およびローター32の材料として主に炭素が使用されてきたが、溶湯金属35中で不純物36を処理する際に炭素が溶湯金属35によって消耗する量が多いために、近年では炭素に代わりセラミック材料が使用されてきている。しかしながら、一般的にセラミック材料は急激な熱衝撃に弱いという欠点があるために、溶湯金属35に加熱されたガス供給路41ａ，31ａ，32ａが、供給口41から吹き込まれる処理ガス（Ｇ）により急激に冷却されて熱衝撃に耐え切れず破損するという問題があった。
【００１０】
このような問題に対して、特許文献１には、気体供給用の中空部を有する垂直な回転軸（シャフト）と、この回転軸の下端部に固着したローターとからなる溶融金属攪拌用回転体において、これら回転軸およびローターを窒化物系、ほう化物系若しくは炭化物系のセラミック材料によって形成するとともに、回転軸内に断熱材料により中空筒状に形成した気体供給用の吹込管を間隙を介して同軸的に挿通固着した溶融金属攪拌用回転体が開示されている。この溶融金属攪拌用回転体によれば、断熱材料により中空筒状に形成した吹込管を用いるので、吹込管内を流通する低温気体によって回転軸が急冷されるのを防ぎ、回転軸のクラックや破損を未然に防止できるというものである。
【特許文献１】実開平４−452号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示された溶融金属攪拌用回転体は、回転軸の上端部にあって吹込管と気体供給口が設けられた接続部材との接触部において何ら気体の漏洩防止措置を施されていないことから、接触部の隙間から低温の気体が漏れて吹込管と回転軸との間隙に流入し、回転軸の内面が冷却され、その結果、溶融金属（溶湯金属）によって高温となっている回転軸の外面との熱膨張の差によって、回転軸に大きな熱応力が働いて破損するという問題があった。
【００１２】
また、特許文献１の実施例には、吹込管として固体カーボンを用いて、回転軸の下端部近傍の隙間内に、例えばＡｌ２Ｏ３のような耐火材料からなる封止部材をリング状に充填して固着することが記載されている。これによれば、回転軸の下端部付近で隙間に低温の気体が流入するおそれはないものの、回転軸内での吹込管の径方向の固定はこの下端部の封止部材のみで行なわれているために不安定な状態となっている。このような場合、短い吹込管であれば位置ずれを起こすおそれは少ないものの、吹込管の長さは一般的に0.5〜1.5ｍもあるために、回転による遠心力や装置の振動の影響により吹込管が撓んで回転軸の内面に接触すると、接触時の衝撃により吹込管または回転軸の一部が破損するという問題があった。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、回転の遠心力等によりガス供給管の固定が緩んだり、処理ガスの漏洩によるシャフトの破損を防止することができる溶湯金属攪拌用回転体を提供することを目的とする。また、この溶湯金属攪拌用回転体を用いることによって長期に渡って品質のよい溶湯金属を安定して供給することができる信頼性の高い脱ガス処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の溶湯金属攪拌用回転体は、シャフトの一方の端部に溶湯金属を攪拌するローターが、他方の端部に回転駆動機構に接続する連結具が取り付けられ、前記シャフトの内部に隙間を設けて同軸状にガス供給管を配置した溶湯金属攪拌用回転体であって、前記隙間のローター側近傍および連結具側近傍にそれぞれシール用固定材が埋められていることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の溶湯金属攪拌用回転体は、上記構成において、前記シール用固定材が、繊維質材および多孔質材の少なくとも一方からなり、５〜30％の空隙率を有することを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、本発明の溶湯金属攪拌用回転体は、上記構成のいずれかにおいて、前記シール用固定材が環状に複数配置されていることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の溶湯金属攪拌用回転体は、上記構成のいずれかにおいて、前記ガス供給管がセラミックスからなることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の溶湯金属攪拌用回転体は、上記構成のいずれかにおいて、前記セラミックスがコージェライト，ムライト，ステアタイト，アルミナおよびジルコニアのいずれか１種からなることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の脱ガス処理装置は、上記いずれかの構成の本発明の溶湯金属攪拌用回転体が、前記連結具を介して前記シャフトの回転駆動機構に接続されて、溶湯金属の容器内に配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の溶湯金属攪拌用回転体によれば、シャフトの一方の端部に溶湯金属を攪拌するローターが、他方の端部に回転駆動機構に接続する連結具が取り付けられ、シャフトの内部に隙間を設けて同軸状にガス供給管を配置した溶湯金属攪拌用回転体であって、隙間のローター側近傍および連結具側近傍にそれぞれシール用固定材が埋められていることから、シール用固定材によってガス供給管の両端部を強固に固定し、かつシャフトとガス供給管との間の隙間をシールすることができるため、シャフトの回転による遠心力や、シャフトの熱による膨張や収縮によってもガス供給管の固定が緩みにくく、ガス供給管と連結具やシャフトとの接触部からガス漏れが発生することが少なくなる。また、仮にガス漏れが発生したとしても、シール用固定材がガスの浸入を防ぐ役目を果たすためにガス漏れの影響によるシャフトの破損を防止することができる。
【００２１】
また、本発明の溶湯金属攪拌用回転体によれば、シール用固定材が、繊維質材および多孔質材の少なくとも一方からなり、５〜30％の空隙率を有するときには、シール用固定材によってガス供給管を固定しつつ、シール用固定材の空隙に存在する空気が断熱作用を有することからシャフトからガス供給管への熱伝達を抑制でき、ガス供給管の熱衝撃による破損を効果的に防止することができる。
【００２２】
また、本発明の溶湯金属攪拌用回転体によれば、シール用固定材が環状に複数配置されているときには、ガス供給管の固定を複数箇所で行なえるため、より強固にシャフトの内部に隙間を設けて同軸状に固定することが可能となり、処理ガスがガス供給管と連結具やシャフトとの接触部から漏洩しにくくなるとともに、処理ガス漏洩に対するシール効果を高められる構造にできる。また、長期間の使用によって、１箇所のシール用固定材が劣化したとしても、複数箇所に分けてシール用固定材を配置していれば、他のシール用固定材によりガス供給管の固定とシール効果とを維持することができる。
【００２３】
また、本発明の溶湯金属攪拌用回転体によれば、ガス供給管がセラミックスからなるときには、ガス供給管の熱による変形が小さく、ガス供給管の固定の緩みに起因するガス漏れの発生を防止することができる。
【００２４】
また、本発明の溶湯金属攪拌用回転体によれば、セラミックスがコージェライト，ムライト，ステアタイト，アルミナおよびジルコニアのいずれか１種からなるときには、ガス供給管に加わる熱衝撃に対して破損しにくく、かつ変形の問題を防止することができる。
【００２５】
また、本発明の溶湯金属の脱ガス処理装置によれば、本発明の溶湯金属攪拌用回転体が、連結具を介してシャフトの回転駆動機構に接続されて、溶湯金属の容器内に配置されていることから、ガス供給管の変形によるガス漏れやガス供給管の破損による部品交換の回数を低減できるので、メンテナンスコストの削減を図れるとともに、長期間にわたって良好な脱ガス処理を実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の溶湯金属攪拌用回転体およびこれを用いた溶湯金属の脱ガス処理装置の実施の形態の例について説明する。
【００２７】
図１は、本発明の溶湯金属攪拌用回転体の実施の形態の一例を示す断面図である。
【００２８】
本発明の溶湯金属攪拌用回転体１は、シャフト４と、シャフト４の一方の端部に取り付けられた溶湯金属２を攪拌するローター５と、他方の端部に取り付けられた、回転駆動機構（図示せず）に接続する連結具３と、シャフト４の内部に隙間９を設けて同軸状に配置されたガス供給管７とから構成されている。また、連結具３にはガス供給管７につながったガス供給口６が、シャフト４のローター５側先端の凸部11にはガス供給管７がつながったガス噴出口８が設けられている。
【００２９】
この溶湯金属攪拌用回転体１を用いた溶湯金属２中の不純物の処理方法は、図１に示すように容器（図示せず）に入った溶湯金属２に浸漬したシャフト４およびローター５を回転駆動機構により回転させながら、処理ガスをガス供給口６からガス供給管７を通じてガス噴出口８から溶湯金属２中に吹き込み、ローター５の回転によって生じる遠心力により微細化して分散させ、溶湯金属２中の水素や非金属酸化物等の不純物を気泡に取り込んだり付着させたりして溶湯金属２の表面に浮かせて集めることによって効率的に処理する方法である。
【００３０】
このような構成の本発明の溶湯金属攪拌用回転体１においては、同軸状に配置されたシャフト４とガス供給管７との隙間９のローター５側近傍および連結具３側近傍にそれぞれシール用固定材10が埋められていることが重要である。このように、シャフト４の内部に隙間９を設けて同軸状に配置したガス供給管７がシール用固定材10が埋められて両端部で固定されているため、回転による遠心力で位置ずれすることが極めて少ないものとすることができる。また、溶湯金属２からの加熱や冷却によるシャフト４の膨張や収縮によってもガス供給管７の固定が緩みにくく、連結具３側に位置するシャフト４とガス供給管７との接触部、連結具３とガス供給管７との接触部およびローター５側に位置するシャフト４とガス供給管７との接触部から処理ガスの漏れが発生することが極めて少ないものとすることができる。また、仮にそれらの部位でガス漏れが発生したとしても、シール用固定材10がシール材の役目を果たすためにシャフト４とガス供給管７との隙間９に処理ガスが流入することがなく、ガス漏れの影響によるシャフト４の破損を防止することが可能となる。
【００３１】
また、シール用固定材10は、繊維質材10ａおよび多孔質材10ｂの少なくとも一方からなり、５〜30％の空隙率を有することが好ましい。繊維質材10ａとしては、例えば市販のセラミックファイバーを使用すればよく、特に焼成炉等の内壁材等として使用される結晶質のジルコニア，アルミナやムライト製の長短繊維を少量のシリカ成分で結合したものを使用すればよい。また、多孔質材10ｂとしては、例えば、水系あるいは有機系溶媒と、アルミナ，シリカ，ジルコニア，コージェライトおよびムライト等のセラミック粒子と、無機ポリマーとを混合したスラリーを隙間９に流し込み、100〜150℃に加熱し固化させたものを使用すればよい。また、繊維質材10ａは固体であるため作業性がよいが、隙間９の形状が複雑なときには対応が困難である。これに対し、多孔質材10ｂは上記のようにして作製すればよいため複雑形状に対応可能なものの、作製時には液状であるため所望の位置に配置するためにせき止める部材を必要としたり、埋めたい位置よりも上部のシャフト４やガス供給管７に液状の原料が垂れて付着したりするので作業性が悪い。そのため、隙間９の形状やシール用固定材10を配置したい位置によって、いずれの材料を用いるか、また組み合わせるかを選択することが好ましい。
【００３２】
さらに、シール用固定材10の空隙率は５〜30％とするのが好ましい。これにより、シール用固定材10が良好な断熱性を有するとともに適度の通気性を有するものとなり、ガス供給管７とシャフト４との熱膨張の差によるガス供給管７の破損や、シャフト４とガス供給管７との隙間９にある空気が熱膨張してシール用固定材10を加圧することによるシール用固定材10の劣化を効果的に防止することができる。
【００３３】
シール用固定材10の空隙率が５％未満では、シール用固定材10の断熱性が不十分となり、高温に加熱されたシャフト４の熱がシール用固定材10を通じてガス供給管７へ伝わりやすくなるので、シール用固定材10が接触しているガス供給管７の外面と低温の処理ガスが流れるガス供給管７の内面との熱膨張の差によって、ガス供給管７に大きな熱応力が働いて破損するおそれがある。また、シャフト４とガス供給管７との隙間９にある空気は、シャフト４が加熱されると温度上昇し、体積膨張する。このため、シール用固定材10に通気性を持たせ、膨張した空気を外部へ排出しなければ、空気の膨張によりシール用固定材10に圧力がかかり劣化してしまうために好ましくないが、空隙率が５％未満では、通気性が不十分となりやすい。他方、空隙率が30％を超えると、ガス供給管７と連結具３やシャフト４との接触部から処理ガスのガス漏れが発生した場合に、シール用固定材10の空隙から低温の処理ガスがシャフト４の中央付近の隙間９に急激に流れ込むようになるため、シャフト４の外面と内面とに温度差が生じて熱膨張差により破損するおそれがあるために好ましくない。
【００３４】
なお、シール用固定材10のうち、繊維質材10ａについては、ジルコニア，アルミナ，ムライト製の長短繊維を互いに結合させるシリカ成分の添加量を調整することにより、空隙率をコントロールすることが可能である。また、多孔質材10ｂの空隙率については、溶媒や無機ポリマーの量，セラミック粒子の粒径の調整によってコントロールすることが可能である。また、固体である繊維質材10ａよりも多孔質材10ｂの方が空隙率のコントロールは容易である。
【００３５】
ここで、繊維質材10ａの空隙率の調整方法としては、例えば空隙率10％を得ようとすると、あらかじめ無数の穴のあいた容器内に繊維質材10ａの元となるアルミナ繊維からなるセラミックファイバーを充填し、容器ごとアルキメデス法を用いて空隙率を測定する。空隙率が10％よりも低ければ、容器内へさらにセラミックファイバーを充填して空隙率を測定することを空隙率10％となるまで繰り返す。空隙率が10％より高ければ、逆に容器内のセラミックファイバーの充填量を減らして空隙率を測定することを空隙率10％となるまで繰り返す。このようにして容器を含んだ形で空隙率の調整を実施した後、容器からセラミックファイバーを取り出し、空隙率測定の際に付着した水を乾燥して蒸発させた後、このセラミックファイバーを容器の容積で除算して単位体積あたりの充填量を求める。これにより、充填する容積さえ分かればおのずと充填量が算出され、繊維質材10ａの空隙率を調整することができる。
【００３６】
また、多孔質材10ｂの空隙率の調整方法としては、例えば、空隙率10％の多孔質材10ｂを得ようとすると、0.1〜30μｍの範囲内の平均粒径を有するアルミナ原料と溶媒と無機ポリマーを用いてスラリーを作製し、作製したスラリーの一部を容器に入れて乾燥し、この乾燥体の空隙率を測定する。空隙率が10％より低い場合には、用いたアルミナ原料の平均粒径よりも大きな平均粒径のアルミナ原料をスラリーに追加し、空隙率が10％より高い場合には、小さな平均粒径のアルミナ原料をスラリーへ追加した後、スラリーをよく撹拌して追加粒子をスラリー中に分散させる。その後、スラリーの一部を採取して容器に入れて乾燥して空隙率を測定することを空隙率が10％となるまで繰り返すことにより、空隙率が10％の多孔質材10ｂを得ることができる。
【００３７】
また、シール用固定材10は、シャフト４とガス供給管７との隙間９に環状に複数配置されていることが好ましい。これにより、ガス供給管７をシャフト４の内部に隙間９を設けて同軸状に、より強固に固定してシール効果を維持させることができる。例えば図１に示す例では、連結具３側近傍の隙間９に環状の繊維質材10ａおよび環状の多孔質材10ｂの２つのシール用固定材10を配置したシール用固定材10が埋められているので、一方のシール用固定材10（繊維質材10ａまたは多孔質材10ｂ）が劣化したとしても他方のシール用固定材10によりガス供給管７の固定とシール効果を維持することができる。また、この例ではローター５側近傍の隙間９に埋められている繊維質材10ａのシール用固定材10と合わせて合計３箇所でガス供給管７を固定できることから、シャフト４に対してより強固にガス供給管７を固定することができる。なお、隙間９への繊維質材10ａおよび多孔質材10ｂの配置は、この例のような配置に限らず様々な配置を実施することが可能である。
【００３８】
図２は、本発明の溶湯金属攪拌用回転体の実施の形態の他の例を示す断面図である。図２において、図１と同様のものには同じ参照符号を付している。
【００３９】
このように、シール用固定材10をローター５側近傍および連結具３側近傍の隙間９にそれぞれ環状の繊維質材10ａ，多孔質材10ｂ，繊維質材10ａという組み合わせで計６箇所に配置してシール用固定材10を埋めた構成としたことにより、ガス供給管７をシャフト４の内部に隙間９を設けて同軸状により強固に固定することができるとともに、良好なシール効果を維持させることができる。しかしながら、シール用固定材10による固定箇所があまりにも多いと、シール用固定材10がシャフト４から熱を受けるため加熱されて高温となり、シール用固定材10と接触しているガス供給管７の外面と低温の処理ガスが流れるガス供給管７の内面との熱膨張の差によって、ガス供給管７に大きな熱応力が働いて破損することが考えられる。また、隙間９が減少するとシャフト４とガス供給管７との間の空気による断熱効果が薄れることから、シャフト４とガス供給管７との隙間９におけるシール用固定材10の占有する体積率は45％以下程度に抑えることが好ましい。
【００４０】
このような繊維質材10ａおよび多孔質材10ｂの複数のシール用固定材10の配置を実施する方法としては、例えば、まずローター５側近傍に相当するガス供給管７に繊維質材10ａを貼り付けてシャフト４内に挿入する。その後、多孔質材10ｂとなるスラリーを隙間９に流し込み、ドライヤー等のスポット式熱風乾燥機を用いて100〜150℃に加熱してスラリー中の溶媒を蒸発させる。次に、隙間９より細い棒状治具を用いて繊維質材10ａを押し込むことによって、ローター５側近傍に複数のシール用固定材10を配置することができる。さらに、連結具３側近傍についても、同様の手順で複数のシール用固定材10を配置することができる。
【００４１】
ここで、溶湯金属攪拌用回転体１のシャフト４，ローター５の材質としては、窒化珪素，炭化珪素，ジルコニア，コージェライトあるいはそれらの複合体も適用可能であるが、機械的特性や耐熱衝撃性等の磁器特性とアルミニウムやアルミニウム合金等からなる溶湯金属２に対する濡れ性とを考慮すると、主に窒化珪素質焼結体から構成されることが好ましい。
【００４２】
また、連結具３については、処理ガスに通常はアルゴン等の不活性ガスが用いられており、腐食性のものではないため、シャフト４，ローター５およびガス供給管７の荷重を支え、回転駆動機構との連結を維持することが可能な機械的特性を有すれば金属でもセラミックスでも適用可能であるが、コスト面を考慮するとステンレス鋼や炭素工具鋼等の金属製のものを使用することが好ましい。
【００４３】
さらに、ガス供給管７については、溶湯金属攪拌用回転体１を溶湯金属２中に浸漬した際に、ガス供給管７自体の温度も300℃程度まで上昇するため、熱膨張による変形の小さいセラミックスであることが好ましい。これは、金属のように熱膨張による変形が大きいと、シャフト４と連結具３との接合部に応力がかかり、破損するおそれがあるからである。ガス供給管７をセラミックス製とする場合に適用可能なセラミックスとしては、コージェライト，ムライト，ステアタイト，アルミナおよびジルコニアであり、これらのいずれか１種からなることが好ましい。これらはいずれも熱膨張係数が金属と比較して半分以下と低く、耐熱衝撃性にも優れており、中でもコージェライトとムライトについては、熱膨張係数が５×10−６／℃以下と特に低く、温度上昇による変形が小さいため、ガス供給管７用の材質として適している。
【００４４】
次に、本発明の溶湯金属攪拌用回転体の製造方法の一例を説明する。
【００４５】
まず、窒化珪素質焼結体製のシャフト４およびローター５の作製を実施する。市販の平均粒径0.5〜10μｍの窒化珪素１次原料と、所定量の焼結助剤とバインダと溶媒とを混合してスラリーとした後、スプレードライヤーにより噴霧造粒して２次原料を得る。そして、この２次原料を用いて静水圧プレス成形法（ラバープレス）により、シャフト４となる円筒状の成形体と、ローター５となる円板状の成形体とを成形する。その後、この成形体を必要に応じて切削加工を施した後、還元雰囲気炉中で1800〜2100℃の温度で焼成し、必要に応じて研削加工を施して、窒化珪素質焼結体からなるシャフト４およびローター５を得る。
【００４６】
次に、ガス供給管７を作製する。市販の平均粒径0.5〜10μｍの合成コージェライトと、所定量のバインダと溶媒とを混合してスラリーとした後、スプレードライヤーにより噴霧造粒してコージェライト２次原料を得る。そして、この２次原料を用いて静水圧プレス成形法（ラバープレス）により、ガス供給管７となる円筒状の成形体を成形する。その後、この成形体を必要に応じて切削加工を施した後、大気雰囲気炉中で1300〜1450℃の温度で焼成し、必要に応じて研削加工を施して、コージェライト質焼結体からなるガス供給管７を得る。
【００４７】
なお、ガス供給管７の作製については、一例としてコージェライト質焼結体を述べたが、他にムライト，ステアタイト，アルミナおよびジルコニアについても、用いる原料と焼成温度以外は上述と同様の製造方法を適用可能である。焼成温度については、ムライト，ステアタイトは1300〜1500℃、アルミナ，ジルコニアは1500〜1700℃である。
【００４８】
また、連結具３の作製については、ステンレス鋼のインゴットを用いて所定形状に研削加工を施し、連結具３を得る。
【００４９】
さらに、シール用固定材10である多孔質材10ｂの元となるスラリーの作製を行なう。イソプロピルアルコール，アセトンやトルエン等の有機系溶媒と平均粒径0.1〜30μｍのアルミナ粒子とバインダと無機ポリマーとを小型のボールミルを用いて混合した後、排出して密閉容器に保管しておく。なお、スラリー乾燥後に10％の空隙率となるよう、あらかじめ溶媒や無機ポリマーの量，セラミック粒子の粒径を調整しておく。また、繊維質材10ａについては、市販のアルミナ繊維からなるセラミックファイバーを用いて、あらかじめ充填する隙間９に空隙率10％となる充填量を算出しておく。
【００５０】
次に、本発明の溶湯金属攪拌用回転体１の組立として図１の例で説明する。まず、シャフト４の一方の先端の凸部11とローター５の中心部に設けられた凹部とをねじで締結する。しかる後、ガス供給管７をシャフト４の内部に挿入する。このとき、ローター５側近傍の隙間９にシール用固定材10として埋めるアルミナ繊維からなる空隙率10％のセラミックファイバーの繊維質材10ａをガス供給管７の外面の所定位置に樹脂製のテープを用いて貼り付けた状態で挿入する。これにより、ガス供給管７を挿入する際にガス供給管７の外面とシャフト４の内面との間で生じる摩擦によってローター５側近傍に配置する繊維質材10ａの位置がずれることを防止する。
【００５１】
次に、連結具３側近傍のシール用固定材10として、隙間９より細い棒状の治具を用いて繊維質材10ａを環状に埋める。さらにこの繊維質材10ａを押し込んでできた連結具３側の隙間９に、あらかじめ作製して密閉容器に保管しておいた多孔質材10ｂとなるスラリーを隙間９に流し込み、ドライヤー等のスポット式熱風乾燥機を用いて100〜150℃に加熱してスラリー中の溶媒を蒸発させて空隙率10％の環状の多孔質材10ｂを生成する。なお、このスラリーは、粘度調整をすることにより、繊維質材10ａが堰となり、ローター５側に垂れたりすることはない。そして、シャフト４の他方の端部に連結具３をボルトで取り付けて組み立て完了となり、図１に示す本発明の溶湯金属攪拌用回転体１を得ることができる。
【００５２】
このようにして製造された本発明の溶湯金属攪拌用回転体１は、シャフト４の一方の端部に溶湯金属２を攪拌するローター５が、他方の端部に回転駆動機構に接続する連結具３が取り付けられ、シャフト４の内部に隙間９を設けて同軸状にガス供給管７を配置してあって、隙間９のローター５側近傍および連結具３側近傍にそれぞれシール用固定材10が埋められているので、ガス供給管７の両端部を強固に固定し、かつシャフト４とガス供給管７との間の隙間９をシールすることができるため、シャフト４の回転による遠心力や、シャフト４の熱による膨張や収縮によってもガス供給管７の固定が緩みにくく、ガス供給管７と連結具３やシャフト４との接触部から処理ガスのガス漏れが発生することが極めて少なくなる。また、仮にガス漏れが発生したとしても、シール用固定材10が処理ガスの浸入を防ぐ役目を果たすために、ガス漏れの影響によるシャフト４の破損を防止することができる。
【００５３】
また、シール用固定材10が繊維質材10ａおよび多孔質材10ｂの少なくとも一方からなり、５〜30％の空隙率を有するときには、ガス供給管７を固定しつつ、シール用固定材10の空隙に存在する空気が断熱作用を有することから、シャフト４からガス供給管７への熱伝達を抑制でき、ガス供給管７の熱衝撃による破損を防止することができる。
【００５４】
また、シール用固定材10が環状に複数配置されているときには、ガス供給管７の固定を複数箇所で行なえるため、より強固にシャフト４の内部にガス供給管７を隙間９を設けて同軸状に固定することができ、処理ガスがガス供給管７と連結具３やシャフト４との接触部から漏洩しにくくなるとともに、処理ガスのガス漏洩に対するシール効果を高められる構造とすることができる。また、長期間の使用によって、１箇所のシール用固定材10が劣化したとしても、複数箇所に分けてシール用固定材10を配置していれば、他のシール用固定材10により、ガス供給管７の固定とシール効果を維持することができる。
【００５５】
また、ガス供給管７が熱膨張係数の小さいコージェライト質焼結体からなるので、熱による変形が小さく、ガス供給管７の固定の緩みに起因するガス漏れの発生を防止することができる。
【００５６】
さらに、本発明の溶湯金属攪拌用回転体１を用いた本発明の溶湯金属の脱ガス処理装置は、溶湯金属攪拌用回転体１が長期間の回転に耐え、処理ガスのガス漏洩による破損がないことから、品質のよい溶湯金属２を安定して供給することができる信頼性の高い脱ガス処理装置とすることができる。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態の例について説明したが、本発明の溶湯金属攪拌用回転体１は、上述の内容に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内であれば種々変更してもよいことは言うまでもない。例えばシャフト４とガス供給管７との間に円筒管を配置するなど更に多重構造となるようにすれば、処理ガスがシャフト４内にさらに漏洩しにくくなり、例え漏洩したとしても、追加した円筒管が漏洩を防止するのでシャフト４の一部が破損することがないものとできる。
【実施例１】
【００５８】
以下に本発明の実施例を示す。
【００５９】
図１に示す本発明の溶湯金属攪拌用回転体１の製造を実施した。まず、窒化珪素質焼結体からなるシャフト４，ローター５を作製した。市販の平均粒径１μｍの窒化珪素１次原料とバインダと溶媒とを加えスラリーとした後、スプレードライヤーにて噴霧造粒し２次原料を得た。そして、この２次原料を用いて静水圧プレス成形法（ラバープレス）によりシャフト４となる円筒状の成形体とローター５となる円板状の成形体とを成形した。その後、切削加工を施し、一方の端部に凸部11を有する円筒状のシャフト４と中央に凹部を有する円板状のローター５とを得た。次に、これらのシャフト４とローター５とを還元雰囲気炉に入炉して1950℃の最高温度にて焼成して焼結体を得た。焼成後、さらに焼結体の表面に研削加工を施すことにより、外径が65ｍｍ，内径が40ｍｍ，長さが970ｍｍで一方の端部に凸部11を有する円筒状のシャフト４と、外径が250ｍｍ，厚さが30ｍｍで中央部に凹部を有する円板状のローター５とを得た。なお、ローター５の底面には、処理ガスを溶湯金属２内へ分散するための深さが15ｍｍの放射状の分散溝を設けた。また、シャフト４の一方の端部の凸部11および他方の端部には、ローター５および連結具３と締結するための雄ねじを設けた。また、ローター５の中央の凹部には、シャフト４と締結するための雌ねじを設けた。
【００６０】
次に、コージェライト製のガス供給管７を作製した。市販の平均粒径が１μｍの合成コージェライト原料とバインダと溶媒とを混合してスラリーとした後、スプレードライヤーにより噴霧造粒してコージェライト２次原料を得た。そして、この２次原料を用いて静水圧プレス成形法（ラバープレス）によりガス供給管７となる円筒状の成形体を成形した。その後、大気雰囲気炉中で1420℃の温度で焼成し、研削加工を施すことにより、外径が30ｍｍ，内径が25ｍｍ，長さが955ｍｍのコージェライト質焼結体からなるガス供給管７を得た。
【００６１】
次に、Ｓ45Ｃのインゴットから外径が80ｍｍ，内径が65ｍｍ，長さが100ｍｍの円筒体を研削加工により切り出し、内径部分に雌ねじを形成して連結具３とした。
【００６２】
次に、シール用固定材10の作製の準備を実施した。繊維質材10ａとしては、市販のアルミナ繊維からなるセラミックファイバーを用意し、あらかじめ無数の穴のあいた容器内にセラミックファイバーを充填して空隙率をアルキメデス法を用いて測定する試験を実施し、空隙率10％が得られる単位体積当たりのファイバー充填量を算出して行なった。
【００６３】
また、多孔質材10ｂとしては、溶媒と平均粒径0.5μｍのアルミナとバインダと無機ポリマーとをボールミルを用いて混合した後、排出して密閉容器に保管した。なお、多孔質材10ｂの空隙率は次のようにして調整した。作製したスラリーの一部を容器に入れて乾燥し、この乾燥体の空隙率をアルキメデス法を用いて測定した。空隙率が10％より低い場合には、用いたアルミナ原料の平均粒径よりも大きな平均粒径のアルミナ原料をスラリーに追加し、空隙率が10％より高い場合には、小さな平均粒径のアルミナ原料をスラリーへ追加した後、スラリーをよく撹拌して追加粒子をスラリー中に分散させた。その後、スラリーの一部を採取して容器に入れて乾燥して空隙率を測定することを空隙率10％となるまで繰り返す試験によって、各量の比率等を算出して行なった。
【００６４】
そして、溶湯金属攪拌用回転体１の組み立てを行なった。まず、シャフト４の先端の凸部11の雄ねじとローター５の中央の凹部の雌ねじとを締結した。そして、ガス供給管７のローター５側近傍に相当する外面に空隙率10％のアルミナ繊維からなるセラミックファイバーの繊維質材10ａを樹脂テープにより固定した状態で、シャフト４の内部にガス供給管７の先端部が達するまで挿入した。挿入後、シャフト４の連結具３を取り付ける先端部から300〜350ｍｍの範囲の隙間９に、５ｍｍの隙間９よりも厚みの薄い金属製治具を用いて押し込むように繊維質材10ａを埋めた。さらに、この繊維質材10ａを押し込んでできた連結具３側の隙間９に、先ほど作製して密閉容器に保管しておいた多孔質材10ｂとなるスラリーを隙間９に流し込み、流し込んだ部分を熱風乾燥機を用いて100℃以上に加熱してスラリー中の溶媒を蒸発させて固化させることにより、空隙率10％の多孔質材10ｂを生成させた。
【００６５】
しかる後、連結具３の雌ねじとシャフト４の雄ねじとにより連結具３とシャフト４とを締結し、本発明の溶湯金属攪拌用回転体１を得た。
【００６６】
次に、隙間９のローター５側近傍および連結具３側近傍にそれぞれシール用固定材10が埋められている本発明の溶湯金属攪拌用回転体１の実施例と、比較例としてローター５側近傍のみにシール用固定材10が埋められている溶湯金属攪拌用回転体とを、溶湯金属の脱ガス処理装置に設置して溶湯金属２の不純物除去運転を実施した。その結果、比較例の溶湯金属攪拌用回転体は、数日の運転でシャフト４が破損した。これは、回転による遠心力によりガス供給管７の固定が緩み、ガス供給管７がシャフト４の内面と接触して破損したものと考えられる。一方、本発明の溶湯金属攪拌用回転体１の実施例は、１ヶ月の運転によっても破損することなく、溶湯金属２中の不純物の除去を継続実施できたので、ガス供給管７の両端部を強固に固定し、かつシールすることができるので、シャフト４の回転による遠心力や、シャフト４の熱による膨張や収縮によってもガス供給管７の固定が緩みにくく、ガス供給管７と連結具３の接触部から処理ガスのガス漏れが発生しにくいものとすることができることが確認できた。
【実施例２】
【００６７】
次に、シール用固定材10の空隙率の効果を確認する試験を実施した。
【００６８】
まず、実施例１と同様の製造方法で窒化珪素質焼結体からなるシャフト４，ローター５，コージェライト製のガス供給管７，Ｓ45Ｃ製の連結具３をそれぞれ同サイズで複数作製した。
【００６９】
次に、ローター５側近傍および連結具３側近傍それぞれ１ヶ所に、空隙率が４，５，10，20，30，35％になるよう単位体積当たりの充填量を変化させたアルミナ繊維からなるセラミックファイバーの繊維質材10ａを埋め込んだ、溶湯金属攪拌用回転体１の試料Ｎｏ．１〜６を準備した。
【００７０】
また、同様にローター５側近傍および連結具３側近傍それぞれ１ヶ所に、空隙率が４，５，10，20，30，35％となるよう調整したアルミナ原料と溶媒と無機ポリマーからなるスラリーを充填し、加熱により溶媒を蒸発させて多孔質材10ｂとした試料Ｎｏ．７〜12も準備した。
【００７１】
そして、試料Ｎｏ．１〜12を、実際に溶湯金属の脱ガス処理装置に設置して溶湯金属２へ浸漬し、ローター５を回転させ、室温のアルゴンガスをガス供給管７に注入しながら運転を実施し、シャフト４またはガス供給管７に亀裂や破損が発生する不具合が生じないか確認する試験を実施した。なお、運転時間は最大600時間とし、その間、240時間後、480時間後にそれぞれシャフト４，ガス供給管７に破損等の不具合がないか確認し、シャフト４，ガス供給管７に亀裂や破損等の不具合が生じた場合には×印を、不具合のなかった場合は○印を示して評価した。その結果を表１に示す。
【表１】
2008238216.tif 000003
【００７２】
その結果、表１に示すように、シール用固定材10を繊維質材10ａまたは多孔質材10ｂとした試料Ｎｏ．１〜12ともに、240時間後の確認では亀裂や破損は確認されなかった。しかしながら、空隙率が４％と低い試料Ｎｏ.１，７および空隙率が35％と高い試料Ｎｏ．６，12は、480時間運転後に亀裂や破損が見られた。
【００７３】
空隙率が４％と低い試料Ｎｏ.１，７は、シール用固定材10の断熱性が低下し、高温に加熱されたシャフト４から、ガス供給管７へ熱伝達し、繊維質材10ａが埋められてガス供給管７と接触している一部分のみが高温となるため、接触していない他の部分との熱膨張差によりガス供給管７に亀裂が生じたものと考えられる。
【００７４】
また、空隙率が35％と高い試料Ｎｏ．６，12は、480時間の運転によりガス供給管７およびシャフト４とシール用固定材10との間に生じた隙間から漏れたアルゴンガスが、シール用固定材10の空隙率が高いためシャフト４とガス供給管７との隙間９に浸入し、シャフト４の外面と内面とに温度差が生じて、熱膨張差によりシャフト４が破損したものと考えられる。
【００７５】
これらの試料と比較して、空隙率が５〜30％の範囲内にある試料Ｎｏ．２〜５，７〜11については、600時間後の確認においても、シャフト４およびガス供給管７に亀裂や破損が見られず、品質のよい溶湯金属２を安定して供給することができる信頼性の高い脱ガス処理装置であることが確認された。
【実施例３】
【００７６】
次に、ガス供給管７の材質による効果を確認する試験を実施した。
【００７７】
まず、コージェライト，ムライト，ステアタイト，アルミナ，ジルコニア製のガス供給管７を実施例１と同じサイズで作製し、これをローター５側近傍および連結具３側近傍のそれぞれ１ヶ所に、アルミナ繊維からなるセラミックファイバーの繊維質材10ａを埋め込んで組み立てて溶湯金属撹拌用回転体１とした試料Ｎｏ．13〜17を準備した。
【００７８】
なお、それぞれのガス供給管７の製造は、市販の１次原料と溶媒とバインダと焼結助剤とをボールミルにて湿式混合し、得られたスラリーをスプレードライヤーにて噴霧造粒して２次原料とし、これを静水圧プレス成形法にて所定サイズに成形し切削加工を施し、それぞれ表２に示す焼成温度で焼成した後、研削加工を施すことにより製造した。
【００７９】
また、比較例として、市販の従来のカーボン製のガス供給管を購入し、これを組み立てた溶湯金属攪拌用回転体も準備した。
【００８０】
そして、これら試料Ｎｏ．13〜17と比較例の試料とを実施例２と同様に脱ガス処理装置に設置し、600時間運転し、運転後にガス供給管７を取り出し、その変形量を測定した。その結果を表２に示す。
【００８１】
なお、ガス供給管７の変形量については、定盤上に円筒状のガス供給管７を横に寝かせて置き、定盤とガス供給管７との一番隙間の大きい部分をすき間ゲージで測定して変形量とした。
【表２】
2008238216.tif 000004
【００８２】
試験の結果、表２に示すように、従来のカーボン製のガス供給管を用いた比較例の試料は、破損しており変形量の測定ができなかった。
【００８３】
これと比較し、本発明の実施例の試料Ｎｏ．13〜17については、変形量が1.5ｍｍ以下と小さく、中でも、ガス供給管７の材質については焼成温度が比較的低いものとして熱膨張係数の低いコージェライト，ムライトが良好であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の溶湯金属攪拌用回転体の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の溶湯金属攪拌用回転体の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図３】従来の溶湯金属の脱ガス処理装置の一部を破断して示す正面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１：溶湯金属攪拌用回転体
２：溶湯金属
３：連結具
４：シャフト
５：ローター
６：ガス供給口
７：ガス供給管
８：ガス噴出口
９：隙間
10：シール用固定材
10ａ：繊維質材
10ｂ：多孔質材
11：凸部
【図１】
2008238216.tif 000005
【図２】
2008238216.tif 000006
【図３】
2008238216.tif 000007