(57)【要約】【課題】ＡｌおよびＡｌ合金の溶湯処理にあたって、炉底に沈んだ介在物及び湯面に浮いた介在物を溶湯中に混入させない溶湯処理装置及び係る溶湯処理装置を用いて行われる溶湯処理方法を提供する。【解決手段】処理槽３中に収容されたアルミニウム合金溶湯２中に配置された回転ロータ８の筒体１１内側でロータ羽根１０の回転によってアルミニウム合金溶湯２を攪拌し、それと共に筒体１１内側のガス吹き出し口６から鉛直方向と交差する方向に処理ガスを吹き込む。筒体１１内側で攪拌されるアルミニウム合金溶湯２に巻き込まれながら微細化された処理ガスを巻き込んだアルミニウム合金溶湯２は集中化された吐出流として排出され、炉底及び湯面に向かう溶湯流が抑制されて、吐出流が炉底及び湯面に与える影響を緩和することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金溶湯を収容する処理槽と、精錬用ガスまたは精錬用フラックスを含むキャリアガスの混合物の吹込み用回転ロータとを備え、この吹込み用回転ロータは精錬用ガスまたは精錬用フラックスを含むキャリアガスのガス導入路とガス吹き出し口とを備える中空シャフトと、この中空シャフトに取りつけた回転ロータとよりなり、回転ロータは回転軸とこの回転軸に取り付けたロータ羽根とこのロータ羽根と前記ガス吹き出し口を覆う筒体とを有してなり、前記ガス吹き出し口からのガス吹き出し方向が鉛直方向と交差する方向となるように前記吹込み用回転ロータを配置してなることを特徴とする溶湯処理装置。  
【請求項２】
請求項１に記載した溶湯処理装置を用い、処理槽中に収容されたアルミニウム合金溶湯中に配置された筒体内側でロータ羽根の回転によってアルミニウム合金溶湯を攪拌し、それと共に筒体内側のガス吹き出し口から鉛直方向と交差する方向に処理ガスを吹き込むことを特徴とする溶湯処理方法。
【請求項３】
ガス吹き出し口から溶湯中に処理ガスを吹き込む方向が水平方向に対して１０〜３０度の範囲で下方に傾斜を有する様に設定される請求項２記載の溶湯処理方法。
【請求項４】
回転ロータのガス吹き出し口と処理槽に貯留されたアルミニウム合金溶湯の湯面との間隔と、回転ロータのガス吹き出し口と処理槽底面との間隔とのそれぞれが、吹込み用回転ロータの回転軸に取り付けたロータ羽根の回転によってアルミニウム合金溶湯に加えられる攪拌による振動エネルギーが実質的に消失するまで減衰するために必要とされる溶湯中の距離よりも大となるように設定される請求項２記載の溶湯処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡｌおよびＡｌ合金溶湯から少なくともアルカリ金属等の不純物、酸化物等の介在物、水素等のガス成分を除去するための溶湯処理装置及び係る溶湯処理装置を用いて行われる溶湯処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌおよびＡｌ合金は、その軽量性、美観、熱伝導性、成形性、リサイクル性等の点で優れた特徴を有しており、飲料用缶、自動車用素材や建築用アルミサッシを始めとして様々な分野で利用されている。
【０００３】
Ａｌ合金展伸材用の鋳塊あるいは鋳物等の製造工程においては、通常、溶解炉においてＡｌ原料（Ａｌ地金あるいはＡｌ合金材製品のスクラップなど）を溶解した後、成分調製を行い、Ａｌ合金溶湯の精練を行う。この精練工程においては、Ｃａ、Ｎａ、ＭｇおよびＬｉなどのアルカリ金属元素、水素ガス、および非金属介在物など製品品質や製造工程不良などに影響を及ぼす有害元素等を必要に応じ低減、除去することが望まれる。
【０００４】
Ａｌ合金溶湯の上記有害物質を除去する精練方法として、現在一般的に広く行われている方法としては、ハロゲン系元素、例えば塩素ガスやフッ素ガス等を単体或いは混合ガスとして溶湯中に吹き込む方法、或いは、塩化物系フラックスをキャリアガスである不活性ガスと共に吹き込む方法が挙げられる。
【０００５】
特に、溶解炉や保持炉など大型の浴槽に対してこのような精錬用ガスや精錬用フラックスの吹き込みを効率良く行うためには、ランスパイプを用いた回転無しの吹き込み、ランスパイプと電磁攪拌などの攪拌装置を組み合わせた吹き込み、ロータリーガスインジェクション及びロータリーフラックスインジェクションと呼ばれる、中空シャフトとロータを組み合わせた回転吹き込み方法が用いられている。
【０００６】
この回転吹き込み方法において精錬用ガスや精錬用フラックスを効率良く溶湯と反応させるために処理槽内の溶湯の流動を激しくさせると、炉底や湯面に乱流が発生し、沈降して堆積した介在物や湯面に浮遊した酸化物等が溶湯中に混入し、品質を低下するとともに、下流工程でのセラミックフィルタ等のろ過装置の寿命低下を引き起こすなど、操業上大きな不具合が生じる。
【０００７】
係る問題に対する対策を行ったものとして特許文献１にはアルミニウム溶湯の精錬装置において、回転ガス吹き込みノズルの先端に短円筒状回転筒を設けてガスを一旦滞留させることで、気泡を均一微細に分散させて不純物を効果的に除去できる装置が示されている。しかしながら、気泡微細化の機能に特化しており、介在物巻き込み防止に対して大きな効果は期待できない。また、円筒状回転筒は鉛直下方に開放されており、吹き込まれた処理ガスに対しては全方向からの浮力が作用し、炉底に沈んだ介在物及び湯面に浮いた介在物を溶湯中に混入させないように吐出流を集中させる効果は少ない。
【０００８】
さらに特許文献２はアルミニウム等の金属溶湯処理用回転式処理ガス拡散装置として、処理ガス流出部にガス室（ガス溜り）を設け、かつガス室の外周をなす流出部にポーラス（多孔質）素材を使用し、又、攪拌力を抑えた回転羽根と細い回転軸を採用した事により、装置全体に微細気泡が微細化と均一化、並びに溶湯の表面の渦流、波立ちを防止する事を達成している。しかしながら、攪拌力が弱いため大型の槽に対しては精錬能力が期待できない。また、ポーラス素材においてのフラックス吹込みは目詰まりのため困難である。
【特許文献１】特開昭５８−１４４４３８号公報
【特許文献２】特開平１０−３０６３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、ＡｌおよびＡｌ合金の溶湯処理にあたって、十分な脱水素除去能力、アルカリ金属除去能力及び非介在物除去能力を有するとともに、炉底に沈んだ介在物及び湯面に浮いた介在物を溶湯中に混入させない溶湯処理装置及び係る溶湯処理装置を用いて行われる溶湯処理方法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】
【００１０】
この目的を達成するために、本発明者らは溶湯中へのガス吹き込み時における溶湯流動を調査し、介在物の巻き上げ、巻き込みに関して種々検討を行った結果、回転ロータの形状に依存して形成される溶湯の流動パターンが最も介在物の巻き上げ、巻き込みに影響することを知見した。
係る知見に基づく本発明の溶湯処理装置はアルミニウム合金溶湯を収容する処理槽と、精錬用ガスまたは精錬用フラックスを含むキャリアガスの混合物の吹込み用回転ロータとを備え、この吹込み用回転ロータは精錬用ガスまたは精錬用フラックスを含むキャリアガスのガス導入路とガス吹き出し口とを備える中空シャフトと、この中空シャフトに取りつけた回転ロータとよりなり、回転ロータは回転軸とこの回転軸に取り付けたロータ羽根とこのロータ羽根と前記ガス吹き出し口を覆う筒体とを有してなり、前記ガス吹き出し口からのガス吹き出し方向が鉛直方向と交差する方向となるように前記吹込み用回転ロータを配置してなることを特徴とする。  
【００１１】
さらに本発明の溶湯処理方法は、本発明の溶湯処理装置を用い、処理槽中に収容されたアルミニウム合金溶湯中に配置された筒体内側でロータ羽根の回転によってアルミニウム合金溶湯を攪拌し、それと共に筒体内側のガス吹き出し口から鉛直方向と交差する方向に処理ガスを吹き込むことを特徴とする。
【００１２】
以上の本発明の溶湯処理方法では、ガス吹き出し口から溶湯中に処理ガスを吹き込む方向が水平方向に対して１０〜３０度の範囲で下方に傾斜を有する様に設定しても良い。
【００１３】
さらに以上の本発明の溶湯処理方法では、回転ロータのガス吹き出し口と処理槽に貯留されたアルミニウム合金溶湯の湯面との間隔と、回転ロータのガス吹き出し口と処理槽底面との間隔とのそれぞれが、吹込み用回転ロータの回転軸に取り付けたロータ羽根の回転によってアルミニウム合金溶湯に加えられる攪拌による振動エネルギーが実質的に消失するまで減衰するために必要とされる溶湯中の距離よりも大となるように設定される様にしても良い。
【００１４】
［作用］
従来用いられている溶湯処理装置のロータ形状では、ロータ周部より放射状に吐出流が発生するため、係る放射状の吐出流が炉底及び湯面を乱し、溶湯への介在物の混入を許容する。これに対して本発明の溶湯処理装置では、ロータ羽根外周部分に円筒を設置することによって、回転ロータによって生じる炉底や湯面に向かう放射状の流れを抑制し、円筒の開口部分前方のみの吐出流とすることができる。これにより、吐出流を炉底や湯面に向かわない方向に集中させることができ、炉底及び湯面を静かに保つことで、精錬ガスやフラックスとの反応効率を維持したまま、介在物の巻き上げ・巻き込みを低減することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の溶湯処理装置及び係る溶湯処理装置を用いて行われる溶湯処理方法によればＡｌまたはＡｌ合金の溶湯処理にあたって精錬ガスおよび精錬用フラックスを溶湯中に効率良く分散させ、精錬能力を維持したまま、炉底及び湯面からの介在物の混入を防ぎ、溶湯品質を向上でき、またフィルタ寿命を延長することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の実施の形態の溶湯処理装置について説明する。
図１に本発明の実施の形態の溶湯処理装置を示す。図に示す様に溶湯処理装置１はアルミニウム合金溶湯２を収容する処理槽３と、精錬用ガスまたは精錬用フラックスを含むキャリアガスの混合物の吹込み用回転ロータ４とを備え、この吹込み用回転ロータ４は精錬用ガスまたは精錬用フラックスのガス導入路５とガス吹き出し口６とを備える中空シャフト７と、この中空シャフト７に取りつけた回転ロータ８とよりなる。
【００１７】
図２に示す様に回転ロータ８は中空シャフト７に接合されて一体に回転する回転軸９とこの回転軸９に取り付けたロータ羽根１０とこのロータ羽根１０を覆う筒体１１とを有してなる。前記ガス吹き出し口６はこの筒体１１内側においてロータ羽根１０の前面側に開口する。
ロータ羽根１０の回転軸９に対する差し込み角度Ｂは回転軸９の軸線方向Ａに対して３０度〜７０度の角度とされる。この差し込み角度Ｂはロータ羽根１０の形状にも依存するが、好ましくは３５度〜５５度、より好ましくは４０度〜５０度である。差し込み角度Ｂが７０度を超えると開口部面積が小さくなり、後方からの溶湯の供給不足により、ロータ前方への流動が弱まる。差し込み角度Ｂが３０度未満では、ロータ前方へ押し出す力が不足し、前方への吐出流がほとんど生じない。ロータ羽根１０の形状は直線状でも曲線状でも構わないが、出側に対して凹の曲線状のものの方がロータ前方への駆動力が強く、好ましい。
【００１８】
回転ロータ８の径Ｄと筒体１１の長さＬの関係は、０．５≦Ｌ／Ｄ≦３．０を満たすのが好ましい。Ｌ／Ｄの値が０．５よりも小さい場合は、ロータからの吐出流が放射状の流れのままであり、介在物の巻き上げ・巻き込みが発生するため好ましくない。また、Ｌ／Ｄの値が３を超える場合は、筒体１１の先端が炉底に接近し過ぎて炉底の介在物を巻き上げるため好ましくない。
【００１９】
筒体１１の外形は図３（ａ）に示す様に開口部１１ａが基端部１１ｂに対して狭小にされた尻すぼみテーパー形状とすることができる。この形状の筒体１１は、回転ロータ８前方、すなわち開口部１１ａから外側への吐出流が生じる程度にまで開口部１１ａの先端の開口面積を小さく絞り込む結果として得られる。また、図３（ｂ）に示す様に開口部１１ａが基端部１１ｂに拡開された末広がりテーパー形状の筒体１１では、炉底の介在物や湯面の介在物を巻き上げ・巻き込まない程度まで筒体１１の先端の開口部１１ａの開口面積を広げて吐出流を拡散することができる。
【００２０】
図４に示す様に、前記処理槽３は吹込み用回転ロータ４のシャフト７を装着する装着部１２を備える。
係る装着部１２は処理槽３の水平断面が長方形である場合には、その長辺側の炉壁１３の中央に設けられる。この様に長辺側に設けられるのは装着部１２にシャフト７を装着した状態で回転ロータ８の前方に位置する対抗する炉壁１３との間隔を可及的に小さくして回転ロータ８によって生じる溶湯の流動が十分到達する間隔とする必要があるからである。回転ロータ８と対抗する炉壁１３との間隔が大きいと、回転ロータ８によって生じる溶湯の流動が対抗する炉壁１３に到達するまでに減衰してしまい、十分な攪拌作用が得られない。また、炉壁１３に対しては中空シャフト７が垂直に交差する様に取り付けられる。    
【００２１】
図１及び図５に示される様に回転ロータ８のガス吹き出し口６からのガス吹き出し方向が鉛直方向と交差する方向となるようにシャフト７は装着部１２に配置され、前記処理槽３に取り付けられる。
【００２２】
以上の本発明の実施の形態の溶湯処理装置１を用い、本発明の溶湯処理方法では処理槽３中に収容されたアルミニウム合金溶湯２中に配置された回転ロータ８の筒体１１内側でロータ羽根１０の回転によってアルミニウム合金溶湯２を攪拌し、それと共に筒体１１内側のガス吹き出し口６から鉛直方向と交差する方向に処理ガスを吹き込む。
【００２３】
その結果、ガス吹き出し口６から吹き込まれた処理ガスは筒体１１内側で攪拌されるアルミニウム合金溶湯２に巻き込まれながら筒体１１の開口部１１ａから外側に排出される。その過程でアルミニウム合金溶湯２の攪拌流によって処理ガスは微細化される。
【００２４】
また微細化された処理ガスを巻き込んだアルミニウム合金溶湯２はガス吹き出し口６から筒体１１の開口部１１ａ側に向かう方向に集中化された吐出流として開口部１１ａから排出され、しかもその方向は炉底及び湯面に向かう方向、すなわち鉛直方向ではなく、鉛直方向と交差する方向である結果、炉底及び湯面に向かう溶湯流が抑制されて、吐出流が炉底及び湯面に与える影響を緩和することができる。このようにして、炉底及び湯面を静かに保つことで、精錬ガスやフラックスとアルミニウム合金溶湯２との反応効率を維持したまま、炉底及び湯面からの介在物の巻き上げ・巻き込みを低減することができる。
【００２５】
以上の本発明の溶湯処理方法では、前述した様に回転ロータ８のガス吹き出し口６からのガス吹き出し方向が鉛直方向と交差する方向となる様にアルミニウム合金溶湯２中に回転ロータ８が装入される。
この方向はより具体的にはアルミニウム合金溶湯２の湯面、すなわち水平面に対して１０〜３０度、好ましくは１０〜２５度、より好ましくは１０〜２０度だけ傾斜した方向とされる。この場合に、３０度を超えると湯面の介在物を巻き込みやすくなり、１０度未満では、回転ロータ８の重量とシャフト７の長さの積が過大になり、シャフト７の保持操作が困難になるからである。
【００２６】
一方、回転ロータ８の筒体１１の開口部１１ａである排出側の前方に位置する炉壁１３との距離は、可及的に近く、回転ロータ８から排出されるアルミニウム合金溶湯２の吐出流が到達する距離程度であるのが好ましい。この場合に、筒体１１と処理槽３の壁面間の間隔が過大である場合には、筒体１１から排出されるアルミニウム合金溶湯２の吐出流が壁面に到達するまでに減衰してしまい、十分な攪拌作用が得られない。
【００２７】
本発明の溶湯処理方法では、回転ロータ８のガス吹き出し口６と処理槽に貯留されたアルミニウム合金溶湯２の湯面との間隔と、回転ロータ８のガス吹き出し口６と処理槽３の底面との間隔とのそれぞれが、回転ロータ８の回転軸９に取り付けたロータ羽根１０の回転によってアルミニウム合金溶湯２に加えられる攪拌による振動エネルギーが実質的に消失するまで減衰するために必要とされる溶湯中の距離よりも大となるように設定される。
具体的には、例えば回転ロータ８は処理槽３の底面及び湯面の各々から２００ｍｍ以上間隔を有する溶湯中に配置される。その配置位置が底面より２００ｍｍ未満では、溶湯中に装入した回転ロータ８から噴出するガスが炉底部の介在物を巻き込み易くなり好ましくない。また、配置位置が湯面より２００ｍｍ未満では、回転ロータ８の回転によって湯面に渦が発生し、介在物を巻き込み易くなり好ましくない。
【００２８】
回転ロータ８の筒体１１内側におけるロータ羽根１０の回転数は、その形状にも依存するが５０〜５００ｒｐｍ、好ましくは５０〜３００ｒｐｍ、より好ましくは５０〜１５０ｒｐｍである。５００ｒｐｍを超えると攪拌過剰となり溶湯面のあばれが顕著となる。５０ｒｐｍ未満では、ガスバブルを十分に微細にできず、フラックスを均一に添加できない。
【００２９】
なお以上の実施の形態の溶湯処理方法で用いた溶湯処理装置１では前述した様にガス吹き出し口６は筒体１１内側においてロータ羽根１０の前面側に開口する。しかし、他の実施の形態として図６に示す様にガス吹き出し口６を備える中空シャフト７の先端部７ａをロータ羽根１０の前面側から突出させて配設しても良い。この場合も前述の実施の形態と同様に、溶湯中に吹き込まれるガスはロータ羽根１０によっては直接微細化されず、ロータ羽根１０によって攪拌されて生じた溶湯の筒体１１の外方に向かう流れ（乱流）によって、乱流せん断されて微細化される。
【実施例１】
【００３０】
本発明を実施例により、さらに詳細に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
アルミ溶湯の流動挙動については、水モデル実験によって確認する手法が一般的である。そこで、表１に示すように、ロータ径と筒体１１の長さの比を変化させた条件において、浮上性粒子（ポリスチレン粒子）と沈降性粒子（海砂）を用いて、介在物挙動の調査を行った。その他の条件としては、回転数：２００ｒｐｍ、差込み位置：長辺中央、ガス吹込み量：１３０Ｌ／ｍｉｎ、湯面高さ：７００ｍｍ、ロータ中心位置：炉底から３５０ｍｍ、羽根枚数は５枚、取り付け角度は水平面に対して２０°である。尚、Ｌ／Ｄが４を超える場合、筒体１１が炉底に接触するため、実験ができず、Ｌ／Ｄが４を超える場合の評価は行わなかった。
【００３１】
比較例として表中に示した炉内介在物挙動に関する指標は、水面に浮上した介在物の巻き込み量が○：無し、△：やや有り、×：大量とした。また、炉底に沈降した介在物の巻き上げ量も同様に○：無し、△：やや有り、×：大量とした。精錬能力については、溶湯の均一混合時間を指標とし、○：筒体無しと同等、×：筒体無しに比べて劣るとした。
【００３２】
【表１】
2007277653.tif 000003
【００３３】
比較例１では、筒体１１と炉底の距離が極端に短く、炉底の介在物を巻き上げる点において、好ましくない。
比較例２では、筒体１１が短か過ぎるため、ロータ前方に集中した流動を発生させることができず、放射状の流れが残り、介在物の巻き込み・巻き上げを若干引き起こす。
一方、本発明実施例では、精錬能力を維持したまま、介在物の巻き込み・巻き上げを抑えることが出来る。実施例および比較例の比較より、本発明は従来技術において達成される精錬能力を保持したまま、フィルタ寿命を延ばすことができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の溶湯処理装置及び係る溶湯処理装置を用いて行われる溶湯処理方法は精錬ガスおよび精錬用フラックスを用いて行われるＡｌまたはＡｌ合金の溶湯処理に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施の形態の溶湯処理装置の全体概要図
【図２】（ａ）図１に示す溶湯処理装置の部品構造を示す正面図（ｂ）図１に示す溶湯処理装置の部品構造を示す側面図
【図３】（ａ）本発明の他の実施の形態の溶湯処理装置の部分構成を示す側面図（ｂ）本発明のさらに他の実施の形態の溶湯処理装置の部分構成を示す側面図
【図４】図１に示す溶湯処理装置の平面図
【図５】本発明の一実施の形態の溶湯処理装置の機能を示す説明図
【図６】本発明の他の実施の形態の溶湯処理装置の機能を示す説明図
【符号の説明】
【００３６】
１・・・溶湯処理装置、３・・・処理槽、２・・・アルミニウム合金溶湯、８・・・回転ロータ、１１・・・筒体、１０・・・ロータ羽根、２アルミニウム合金溶湯、６・・・ガス吹き出し口。
【図１】
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【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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