(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯内の介在物を除去する介在物除去方法であって、
超音波振動子の端面を湯面に近付けるステップと、
前記超音波振動子の前記端面に前記溶湯を接触させつつ、超音波振動を付与するステップと、を備え、
前記超音波振動を付与するステップにおいて、
前記超音波振動子の前記端面の位置を、前記湯面よりも高くし、前記超音波振動子の前記端面を前記湯面に接触させずに、前記溶湯への前記超音波振動を開始した後、搖動した前記溶湯を前記超音波振動子の前記端面に接触させ、
前記超音波振動子の前記端面に接触した溶湯を、表面張力によって前記湯面から持ち上げた状態で前記超音波振動を付与し、
前記超音波振動を付与するステップの後、前記超音波振動を付与することによって前記湯面に浮上して凝集した介在物を除去する、
介在物除去方法。
【請求項２】
溶湯内の介在物を除去する介在物除去方法であって、
超音波振動子の端面を湯面に近付けるステップと、
前記超音波振動子の前記端面に前記溶湯を接触させつつ、超音波振動を付与するステップと、を備え、
前記超音波振動を付与するステップにおいて、
前記超音波振動子の前記端面を前記湯面に接触させた後、前記溶湯への前記超音波振動を開始するとともに前記超音波振動子を引き上げ、前記超音波振動子の前記端面の位置を、前記湯面よりも高くし、
前記超音波振動子の前記端面に接触した溶湯を、表面張力によって前記湯面から持ち上げた状態で前記超音波振動を付与し、
前記超音波振動を付与するステップの後、前記超音波振動を付与することによって前記湯面に浮上して凝集した介在物を除去する、
介在物除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は介在物除去方法に関し、特に溶湯に超音波振動を付与することにより溶湯内の介在物を除去する介在物除去方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶湯に超音波振動を付与することにより、溶湯の脱ガスや介在物除去を行う技術が、知られている。特許文献１には、脱ガス用ガスを溶湯中に吹き込むための吹込パイプに超音波振動子を設け、溶湯の脱ガス及び酸化物除去（すなわち介在物除去）を促進する技術が開示されている。ここで、超音波振動子が溶湯に浸漬されているため、溶湯に超音波振動が付与される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１１８９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者らは、溶湯内の介在物除去方法において以下の問題点を見出した。
特許文献１に記載されているように、溶湯内に存在する酸化物などの介在物は、溶湯の超音波振動により湯面（溶湯表面）に浮上する。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、湯面に浮上した介在物は、湯面の全体に広がって分布するため、例えば回収して除去することが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みなされたものであって、溶湯に超音波振動を付与することにより湯面に浮上した介在物を凝集させるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る介在物除去方法は、
溶湯内の介在物を除去する介在物除去方法であって、
超音波振動子の端面を湯面に近付けるステップと、
前記超音波振動子の前記端面に前記溶湯を接触させつつ、超音波振動を付与するステップと、を備え、
前記超音波振動を付与するステップにおいて、
前記超音波振動子の前記端面を前記湯面に接触させずに、前記溶湯への前記超音波振動を開始した後、搖動した前記溶湯を前記超音波振動子の前記端面に接触させ、
前記超音波振動子の前記端面の位置を、前記湯面よりも高くするものである。
【０００７】
本発明の一態様に係る介在物除去方法は、
溶湯内の介在物を除去する介在物除去方法であって、
超音波振動子の端面を湯面に近付けるステップと、
前記超音波振動子の前記端面に前記溶湯を接触させつつ、超音波振動を付与するステップと、を備え、
前記超音波振動を付与するステップにおいて、
前記超音波振動子の前記端面を前記湯面に接触させた後、前記溶湯への前記超音波振動を開始するとともに前記超音波振動子を引き上げ、
前記超音波振動子の前記端面の位置を、前記湯面よりも高くするものである。
【０００８】
本発明に係る介在物除去方法では、超音波振動子の端面の位置を、湯面よりも高くして、溶湯へ超音波振動を付与する。すなわち、超音波振動子の端面と接触している溶湯を、表面張力により湯面から持ち上げている。この表面張力により、湯面に浮上した介在物を超音波振動子の周囲に凝集させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、溶湯に超音波振動を付与することにより湯面に浮上した介在物を凝集させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る介在物除去装置の模式的断面図である。
【図２】図１における湯面１ａ近傍の拡大図である。
【図３】超音波振動付与による介在物除去効果を示すグラフである。
【図４】超音波振動付与による脱ガス効果を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る介在物除去方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る介在物除去装置の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１２】
（第１の実施の形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る介在物除去装置について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る介在物除去装置の模式的断面図である。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る介在物除去装置１０は、超音波振動子１１、超音波発振器１２、支持アーム１３、昇降ガイド１４、昇降ロッド１５、振動アブソーバ１６、昇降シリンダ１７、台座１８を備えている。
【００１３】
なお、当然のことながら、図１に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。図１におけるｘｙ平面は水平面を構成し、ｚ軸方向が鉛直方向である。より具体的には、ｚ軸のプラス方向が鉛直上向きとなる。
【００１４】
超音波振動子１１は、超音波発振器１２の底面から鉛直方向下向き（ｚ軸方向マイナス向き）に延設されている。超音波振動子１１は、例えば、ＳＫＤ６１などの鉄系合金からなる円柱状の部材である。保持炉２０に収容された溶湯１に超音波振動子１１の先端部を接触させることにより、超音波発振器１２から出力された超音波振動が溶湯１に付与される。
なお、図１に示すように、溶湯１と接触する超音波振動子１１の先端部には、例えばＳｉＣなどからなるセラミック部材１１ａが装着されていることが好ましい。セラミック部材１１ａにより、超音波振動子１１の溶損を抑制し、超音波振動子１１の寿命を向上させることができる。なお、セラミック部材１１ａは必須ではない。
【００１５】
超音波発振器１２は、昇降ガイド１４から水平方向（図１ではｘ軸方向プラス側）に延設された支持アーム１３の先端に固定されている。すなわち、超音波発振器１２は、支持アーム１３を介して昇降ガイド１４に連結されている。また、超音波発振器１２と昇降ガイド１４との間には、振動アブソーバ１６が支持アーム１３と略平行に設けられている。振動アブソーバ１６により、超音波発振器１２に連結された昇降ガイド１４の振動が抑制される。
【００１６】
昇降ガイド１４は、例えば昇降ロッド１５を通す貫通孔（不図示）を有するパイプ状の金属部材であって、昇降ロッド１５にスライド自在に装着されている。ここで、昇降ロッド１５は、台座１８から鉛直方向に延設された例えば円柱状の金属部材である。また、昇降ガイド１４は、昇降ロッド１５と略平行に設けられた昇降シリンダ１７に連結されており、鉛直方向にスライドすることができる。すなわち、超音波振動子１１が鉛直方向に移動できる。具体的には、湯面センサ（不図示）に検出された湯面１ａの高さに応じて、昇降シリンダ１７が駆動することにより、超音波振動子１１と湯面１ａとの距離を一定すなわち所定の範囲に維持することができる。
【００１７】
次に、図２を参照して、超音波振動の付与による溶湯１からの介在物除去及び脱ガスのメカニズムについて説明する。図２は、図１における湯面１ａ近傍の拡大図である。図２に示すように、湯面１ａ近傍には、ガスノズル３０を介して、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスが導入されている。この不活性ガスにより、湯面１ａの酸化を抑制することができる。
【００１８】
そして、溶湯１の超音波振動により、溶湯１の内部に不活性ガスのマイクロバブル（微細気泡）２が発生する。超音波の振動数は、エネルギ効率の観点から、４〜８０ｋＨｚ程度が好ましい。超音波振動により発生するマイクロバブル２のサイズは、μｍオーダであって、溶湯の回転撹拌などにより発生するｍｍオーダの気泡に比べて小さい。そのため、介在物３に効率よく吸着することができる。マイクロバブル２は、溶湯１の内部の水素ガス（不図示）や浮遊している介在物３に吸着しながら浮上する。つまり、図２に示すように、マイクロバブル２が吸着した介在物３は、湯面１ａに浮上する。
【００１９】
ここで、図２に示すように、超音波振動子１１の端面１１ｂの位置が、湯面１ａよりも高くなっている。すなわち、超音波振動子１１の端面１１ｂと接触している溶湯１が、表面張力により湯面１ａから持ち上げられている。この表面張力により、湯面１ａに浮上した介在物３は超音波振動子１１の周囲に凝集し、介在物凝集体３ａが形成される。
【００２０】
このように、超音波振動子１１の端面１１ｂの位置を湯面１ａよりも高くすることにより、湯面１ａに浮上した介在物３を凝集させることができる。この凝集した介在物３すなわち介在物凝集体３ａは、容易に回収し、除去することができる。
【００２１】
ここで、介在物３は、主にアルミニウム酸化物からなるため、介在物凝集体３ａを回収する代わりに、ＴＩＧ溶接装置などにより還元し、除去してもよい。介在物凝集体３ａを回収するよりも、溶湯１の歩留まりを向上させることができる。
【００２２】
超音波振動子１１の端面１１ｂと湯面１ａとの距離は、１〜５ｍｍにすることが好ましい。超音波振動子１１の端面１１ｂと湯面１ａとの距離が１ｍｍ未満では、湯面１ａに浮上した介在物３の凝集効果が充分に得られなくなる。超音波振動子１１の端面１１ｂと湯面１ａとの距離が５ｍｍを超えると、超音波振動子１１の端面１１ｂの周囲ではなく下に、介在物凝集体３ａが回り込み、超音波振動により再度溶湯１の内部に巻き込まれる虞がある。なお、超音波振動子１１の近傍の湯面１ａ上にフラックスを散布することにより、介在物３の除去効果を高めることができる。
【００２３】
ここで、図３は、超音波振動付与による介在物除去効果を示すグラフである。また、図４は、超音波振動付与による脱ガス効果を示すグラフである。具体的には、ＪＩＳ規格ＡＣ２Ｃアルミニウム合金２０ｋｇを７１０℃で溶解し、周波数４０ｋＨｚの超音波振動を３０秒間付与した。
【００２４】
図３の縦軸は、介在物量をＫ値で示している。図３に示すように、加振前に４０を超えていた介在物量は、３０秒間加振後に１０程度にまで低下した。図４の縦軸は、気孔率（％）を示している。図４に示すように、加振前に０．２５％を超えていた気孔率は、３０秒間加振後に略０％にまで低下した。なお、加振時間（超音波振動の付与時間）を３０秒よりも長くしても、Ｋ値及び気孔率は、ほとんど変化しなかった。図３、図４の結果から、加振時間は３０秒程度で充分であることが分かった。
【００２５】
次に、図５を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る介在物除去方法について説明する。図５は、本発明の第１の実施の形態に係る介在物除去方法を示すフローチャートである。
まず、超音波振動子１１の端面１１ｂを湯面１ａに近付ける（ステップＳＴ１）。
【００２６】
次に、超音波振動子１１の端面１１ｂに溶湯１を接触させつつ、超音波振動を付与する（ステップＳＴ２）。ここで、超音波振動子１１の端面１１ｂの位置を、湯面１ａよりも高くする。具体的には、超音波振動子１１の端面１１ｂを湯面１ａに接触させた後、溶湯１への超音波振動を開始するとともに超音波振動子１１を引き上げる。ここで、超音波振動子１１を溶湯１に長時間浸漬させないため、超音波振動子１１の寿命を向上させることができる。
【００２７】
あるいは、超音波振動子１１の端面１１ｂを湯面１ａに接触させずに、溶湯１への超音波振動を開始した後、搖動した溶湯１を超音波振動子１１の端面１１ｂに接触させてもよい。この場合、超音波振動子１１に溶湯１が接触している時間がより短いため、超音波振動子１１の寿命をさらに向上させることができる。
【００２８】
図２を参照して説明したように、溶湯１に超音波振動を付与することにより、溶湯１の内部に不活性ガスのマイクロバブル（微細気泡）２が発生する。マイクロバブル２は、溶湯１の内部の水素ガス（不図示）や浮遊している介在物３に吸着しながら浮上する。
【００２９】
本実施の形態に係る介在物除去方法では、ステップＳＴ２において、超音波振動子１１の端面１１ｂの位置を、湯面１ａよりも高くしている。すなわち、超音波振動子１１の端面１１ｂと接触している溶湯１を、表面張力により湯面１ａから持ち上げている。この表面張力により、湯面１ａに浮上した介在物３を、超音波振動子１１の周囲に凝集させることができる。
【００３０】
最後に、湯面１ａに浮上し、凝集した介在物３すなわち介在物凝集体３ａを除去する（ステップＳＴ３）。
以上のステップにより、溶湯１の内部に浮遊する介在物３を除去することができる。
【００３１】
（第１の実施の形態の変形例）
次に、図６を参照して、本発明の第１の実施の形態の変形例について説明する。図６は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る介在物除去装置の模式的断面図である。
図１に示した介在物除去装置１０は、１槽構造の保持炉２０に適用されていた。これに対し、図６に示した介在物除去装置１０は、３槽構造の保持炉２０に適用されている。
【００３２】
変形例に係る保持炉２０は、第１槽２１、第２槽２２、第３槽２３を備えている。ここで、第１槽２１と第２槽２２とは、連通孔２４ａにより互いに連通されている。また、第２槽２２と第３槽２３とは、連通孔２４ｂにより互いに連通されている。
【００３３】
第１槽２１には、介在物３を除去していない溶湯１が補充される。
第２槽２２に保持された溶湯１に対し、超音波振動子１１により超音波振動が付与され、介在物３が除去される。
そして、介在物３が除去された清浄な溶湯１が第３槽２３に保持される。第３槽２３に保持された清浄な溶湯１が、鋳造装置（不図示）に供給される。
【００３４】
ここで、介在物除去装置１０の台座１８が第１槽２１上に固定されている。その他の介在物除去装置１０の構成は図１と同様であるため、説明を省略する。
図１と同様に、超音波振動子１１の端面１１ｂの位置を湯面１ａよりも高くすることにより、湯面１ａに浮上した介在物３を凝集させることができる。この凝集した介在物３すなわち介在物凝集体３ａは、容易に回収し、除去することができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  溶湯
１ａ  湯面
２  マイクロバブル
３  介在物
３ａ  介在物凝集体
１０  介在物除去装置
１１  超音波振動子
１１ａ  セラミック部材
１１ｂ  端面
１２  超音波発振器
１３  支持アーム
１４  昇降ガイド
１５  昇降ロッド
１６  振動アブソーバ
１７  昇降シリンダ
１８  台座
２０  保持炉
２１  第１槽
２２  第２槽
２３  第３槽
２４ａ、２４ｂ  連通孔
３０  ガスノズル
【図１】
0006384345.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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