(57)【要約】【課題】溶湯中の介在物を効率良く溶湯の湯面に浮上させ、溶湯の湯面に浮上した介在物を簡単かつ安価に除去することができる介在物除去方法を提供する。【解決手段】金属が溶融した溶湯Ｍ中に介在する介在物Ｓを除去する介在物除去方法である。介在物除去方法は、超音波振動ホーン４の先端面４１を溶湯Ｍの湯面近傍に浸漬させた状態で、超音波振動ホーン４の内部からその先端面４１に向かって形成されたガス通路４３に不活性ガスを流すことにより、先端面４１から溶湯Ｍの中に不活性ガスを吹き込みながら、超音波振動ホーン４で溶湯Ｍに超音波振動を付与する工程を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属が溶融した溶湯中に介在する介在物を除去する介在物除去方法であって、
前記介在物除去方法は、超音波振動ホーンの先端面を湯面近傍の溶湯に浸漬させた状態で、前記超音波振動ホーンの内部からその先端面に向かって形成されたガス通路に不活性ガスを流すことにより、前記先端面から前記溶湯中に不活性ガスを吹き込みながら、前記超音波振動ホーンで前記溶湯に超音波振動を付与する工程を含むことを特徴と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、金属が溶融した溶湯中に介在する介在物を好適に除去することができる介在物除去方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムなどの金属が溶融した溶湯を精錬する際に、溶湯中に介在するマグネシア、アルミナなどの介在物が除去される。このような除去方法として、たとえば、フッ化物などのフラックスを用いた介在物の除去方法が提案されている。具体的には、溶湯にフラックスを投入し、溶湯を撹拌しながら、溶湯中の介在物とフラックスとを反応させる。その後、この反応により得られたスラグを溶湯の湯面に浮上するまで溶湯を静置し、浮上したスラグを溶湯から取り除いている。
【０００３】
たとえば、特許文献１に係る介在物除去方法では、溶湯中に吹き込みパイプを挿入した状態で、吹き込みパイプから窒素ガスおよびフラックスを溶湯中に吹き込むとともに、吹き込みパイプの先端に取付けた超音波振動子を溶湯に浸漬させた状態で、超音波振動子で溶湯に超音波振動を付与する。
【０００４】
これにより、溶湯に付与された超音波振動により、溶湯中に溶存したガスが気泡となって、溶湯中を浮上するとともに、フラックスとの反応により生成されたスラグおよび介在物を浮上させ、これを溶湯から除去することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−１１９８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に示す方法では、フラックスを吹き込むことにより、介在物の除去にコストが余剰にかかるばかりでなく、溶湯中を浮上した介在物は、溶湯の湯面に分散して浮遊し、溶湯の湯面から介在物を簡単に除去することができないことがあった。この他にも、微細な介在物は、溶湯中に浮遊してしまうことがあった。
【０００７】
本発明は、前記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、溶湯中のたとえ微細な介在物であってもこれを効率良く溶湯の湯面に浮上させ、溶湯の湯面に浮上した介在物を簡単かつ安価に除去することができる介在物除去方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を鑑みて、本発明に係る介在物除去方法は、金属が溶融した溶湯中に介在する介在物を除去する介在物除去方法であって、前記介在物除去方法は、超音波振動ホーンの先端面を湯面近傍の溶湯に浸漬させた状態で、前記超音波振動ホーンの内部からその先端面に向かって形成されたガス通路に不活性ガスを流すことにより、前記先端面から前記溶湯中に不活性ガスを吹き込みながら、前記超音波振動ホーンで前記溶湯に超音波振動を付与する工程を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、超音波振動ホーンの先端面を湯面近傍の溶湯に浸漬させた状態で、超音波振動ホーンの先端面から溶湯に超音波振動を付与しつつ不活性ガスを溶湯中に吹き込む。これにより、溶湯内にキャビテーションが発生し、超音波振動ホーンの先端面から吹き出した不活性ガスの気泡は、キャビテーションにより圧壊し微細化される。
【００１０】
このような結果、超音波振動により溶湯に固有に溶存していたガスの含有量が減少し、このガスが介在物に付着する量が減少したとしても、このガスの代わりに、微細化した不活性ガスの気泡を、溶湯中の介在物に付着することができる。これにより、たとえ微細な介在物であっても介在物を溶湯の湯面に効率的に浮上させることができる。
【００１１】
特に、本発明では、湯面近傍の溶湯に浸漬された超音波振動ホーンからの超音波振動で、溶湯を効果的に撹拌し、溶湯に対流を生じさせることができるので、溶湯中に浮遊している介在物に、微細化した不活性ガスの気泡を付着させ易い。
【００１２】
このようにして、不活性ガスの気泡が付着した介在物は、その浮力と溶湯の対流により、溶湯の湯面の近傍に浮上する。浮上した介在物は、超音波振動ホーンの振動により発生する表面張力で超音波振動ホーンの周りに凝集する。このような結果、溶湯の湯面に浮上した介在物をこれまでよりも簡単に、溶湯から除去することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、溶湯中のたとえ微細な介在物であっても介在物を効率良く溶湯の湯面に浮上させ、溶湯の湯面に浮上した介在物を簡単かつ安価に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る介在物除去方法を行うための介在物除去装置の模式的概念図である。
【図２】図１に示す介在物除去装置の要部拡大図である。
【図３】超音波加振時間と溶湯に溶存する水素ガスの含有量の関係を示した図である。
【図４】実施例および比較例に係る溶湯に溶存する水素ガスの含有量と、介在物量との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図１および図２を参照して、本発明に係る介在物除去方法を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る介在物除去方法を行うための介在物除去装置１の模式的概念図である。図２は、図１に示す介在物除去装置１の要部拡大図である。
【００１６】
本実施形態では、アルミニウム合金が溶融した溶湯Ｍの中に介在した介在物を除去する。溶湯Ｍは、溶湯保持炉６に収容されており、溶湯保持炉６の内面（溶湯Ｍと接触する表面）には、ライニング材が被覆されている。
【００１７】
ここで、溶湯Ｍは酸化しやすいため、大気中の空気と反応して種々の酸化物を生成する。一般的に、溶湯保持炉６に保持されたアルミニウム合金が溶融した溶湯Ｍには、溶湯Ｍの湯面に酸化膜Ｆが発生したり、内部に酸化物からなる介在物Ｓが存在したりする。この他にも、溶湯保持炉６のライニング材と反応して粒子状のスピネル等が、溶湯Ｍの湯面や内部に介在物Ｓとして存在することもある。本実施形態で、除去の対象となる「介在物」とは、アルミニウム合金に対して不純物となる物質を含む粒子である。
【００１８】
本実施形態では、以下の示す介在物除去装置１を用いて、溶湯Ｍの内部に存在する介在物Ｓを除去する。図１に示すように、本実施形態に係る介在物除去装置１は、超音波発振器２と、超音波振動装置３と、超音波振動ホーン４と、不活性ガス供給源５とを少なくとも備えている。
【００１９】
超音波発振器２は、所望の周波数および振幅で超音波を発生するための一般的に知られた装置であり、超音波振動装置３に接続されている。超音波振動装置３は、超音波発振器２から発振した超音波で振動する装置であり、その先端部３２には、超音波振動ホーン４が接続されている。
【００２０】
より具体的には、図２に示すように、超音波振動装置３の先端部３２には、超音波振動ホーン４に結合するネジ部が形成されており、超音波振動装置３は、その先端部３２において超音波振動ホーン４に螺着されている。
【００２１】
また、超音波振動装置３は、不活性ガス供給源５に接続されている。不活性ガス供給源５は、ヘリウムガス、アルゴンガス、または窒素ガスなど、溶湯Ｍの金属に対して不活性となる不活性ガスを供給する供給源である。
【００２２】
不活性ガス供給源５から供給された不活性ガスを超音波振動ホーン４に供給するように、超音波振動装置３には、ガス通路３１が形成されている。ガス通路３１は、超音波振動装置３の先端部３２の軸心に沿って形成され、後述する超音波振動ホーン４のガス通路４３に連通している。
【００２３】
超音波振動ホーン４は、超音波振動装置３の先端部３２に接続され、超音波振動装置３からの超音波振動により加振される部材であり、超音波振動ホーン４の先端面４１を溶湯Ｍの湯面近傍に浸漬させることで、溶湯Ｍに超音波振動を付与する（加振する）。
【００２４】
超音波振動ホーン４は、その内部に軸方向に沿ってガス通路４３が形成されており、その一端側（ガス上流側）では、超音波振動装置３のガス通路３１に連通するように、超音波振動装置３の先端部３２に締結されている。また、超音波振動ホーン４の他端側（ガス下流側）には、ベント部材４２が配置さている。ベント部材４２は、超音波振動ホーン４に対して、溶接または締結により固定されている。
【００２５】
ここで、ベント部材４２は、多孔質の焼結体からなる。これにより、ガス通路４３を流れる不活性ガスの流れを複数の細かな流れに分流し、溶湯Ｍに吹き込む不活性ガスを微細な気泡にすることができるとともに、ガス通路４３内への溶湯Ｍの浸入を防止することができる。
【００２６】
なお、本実施形態では、ベント部材４２に多孔質材を用いたが、溶湯Ｍに吹き込む不活性ガスを微細な気泡にすることができ、ガス通路４３内への溶湯Ｍの浸入を防止することができるのであれば、ベント部材４２に、複数のスリットが形成された部材を用いてもよい。
【００２７】
以下に、本実施形態に係る介在物除去方法を説明する。まず、溶湯保持炉６にアルミニウム合金が溶融した溶湯Ｍを保持する。保持された溶湯Ｍは、介在物Ｓにより懸濁している。本実施形態では、この介在物Ｓを溶湯Ｍの湯面に浮上させて、これを除去する。
【００２８】
まず、溶湯Ｍの上方に、超音波振動装置３に取付けられた超音波振動ホーン４を配置し、超音波振動ホーン４の先端面４１を、溶湯Ｍの湯面の近傍に浸漬させる。この状態で、超音波発振器２により超音波を発生させ、超音波振動装置３を介して超音波振動ホーン４を超音波振動させる。
【００２９】
これに合わせて、不活性ガス供給源５からの不活性ガスを超音波振動装置３のガス通路３１を介して超音波振動ホーン４に供給する。超音波振動ホーン４に供給された不活性ガスは、ガス通路４３を流れ、ベント部材４２を通過することで複数の微細流となって、超音波振動ホーン４の先端面４１から下方に噴出し、溶湯Ｍの湯面近傍から溶湯Ｍの内部に吹き込まれる。
【００３０】
本実施形態によれば、超音波振動ホーン４の先端面４１を溶湯Ｍの湯面近傍に浸漬させた状態で、この先端面４１から溶湯Ｍに超音波振動を付与しつつ不活性ガスを溶湯Ｍの中に吹き込む。これにより、ベント部材４２を介して超音波振動ホーン４の先端面４１から吹き出して微細化された不活性ガスの気泡は、超音波振動が起因したキャビテーションにより圧壊し、さらに微細化される。
【００３１】
この結果、溶湯Ｍに固有に溶存していた水素ガスの含有量が減少し、これに伴いこの水素ガスが介在物Ｓに付着する量も減少したとしても、このガスの代わりに、微細化された不活性ガスの気泡を溶湯中の介在物Ｓに付着することができる。
【００３２】
特に、本実施形態では、湯面近傍の溶湯Ｍに浸漬された超音波振動ホーン４からの超音波振動で、溶湯Ｍを効果的に撹拌し、溶湯Ｍに対流を生じさせることができる。これにより、溶湯Ｍの下部にまで不活性ガスを吹き込むことなく、溶湯Ｍの流れとともに流動する介在物Ｓに、微細化した不活性ガスの気泡を容易に付着することができる。
【００３３】
このようにして、不活性ガスの気泡が付着した介在物Ｓは、その浮力と溶湯Ｍの対流により、湯面の近傍に浮上する。浮上した介在物Ｓは、超音波振動ホーン４の振動により発生する表面張力（キャピラリ現象）で超音波振動ホーン４の周りに凝集する。このような結果、溶湯Ｍの湯面に浮上した介在物Ｓをこれまでよりも簡単かつ短時間に、溶湯Ｍから、酸化膜Ｆと共に除去することができる。
【００３４】
本実施形態では、溶湯固有に含有している水素ガスが減少したとしても、この水素ガスの代わりに、微細化した不活性ガスの気泡が介在物Ｓに付着するので、溶湯への超音波の加振時間に拘わらず、安定して介在物Ｓを溶湯Ｍの湯面に浮上させることができる。
【００３５】
また、キャビテーションにより発生した微細化した不活性ガスの気泡が、介在物を破壊・微細化することにより、鋳造後の鋳造品の欠陥を低減することができる。さらに、本実施形態では、フラックスを用いないので、臭気の発生も低減し、作業環境を向上させることができる。
【実施例】
【００３６】
以下に本発明の実施例を説明する。
（実施例）
図１に示す介在物除去装置を用いて、アルミニウム合金からなる溶湯に含有する介在物を除去した。まず、アルミニウム鋳造合金（ＪＩＳ：ＡＣ４ＣＨ）を準備し、７２０℃に加熱して溶融し、溶湯を溶湯保持炉で保持した。次に、合金工具鋼材（ＪＩＳ規格：ＳＫＤ６１）からなる超音波振動ホーンの先端面を溶湯の湯面近傍に浸漬させた状態で、不活性ガスである窒素ガスを超音波振動ホーンのガス通路に流すことで、超音波振動ホーンの先端面から溶湯中に不活性ガスを０．０３ｍ３／ｍｉｎ吹き込んだ。これと同時に、超音波発振器で周波数４０ＫＨｚの超音波を発生し、超音波振動ホーンで溶湯に超音波振動を付与した。
【００３７】
ここで、超音波振動ホーンによる超音波加振時間を図３に示すように変更して、変更した超音波加振時間ごとに溶湯内に溶存する水素ガスの含有量を、鋳造後に測定した。この結果を、図３に示す。さらに、図３に示す、水素ガス含有量の測定毎に、介在物除去後の溶湯中の介在物の量を測定した。この結果を、図４に示す。
【００３８】
溶湯中の介在物の量は、日本軽金属（株）により規定されたＫモールド法により、溶湯を鋳込み、凝固させた後に得られた短冊状の試験片をハンマーなどで５〜６片に割り、その破面に現れた介在物の個数を求めた。表１に、Ｋモールド法を用いた溶湯清浄度（Ｋ１０値）のランクを示す。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
（比較例）
実施例と同じように、溶湯中の介在物を除去した。実施例と相違する点は、不活性ガスの吹き込み無しで、溶湯中の介在物を除去した点である。実施例と同様に、水素ガス含有量の測定毎に、介在物除去後の溶湯中の介在物の量を測定した。この結果を、図４に示す。
【００４１】
＜結果＞
図３に示すように、超音波加振時間が３分までに、溶湯中の水素ガス含有量が低下し、それ以降は、略一定量の水素ガスが含有していた。図４に示すように、実施例では、水素ガス含有量が低下したとしても、溶湯に含まれる介在物の量は、比較例とは異なり、少なく、表１に示すように、極めて清浄な溶湯（ランクＡＡ）となった。
【００４２】
これは、実施例では、超音波加振時間の経過に伴い溶湯中の水素ガス含有量が低下しても、不活性ガスが介在物に付着したことにより、介在物が溶湯の湯面に浮上したことによると考えられる。一方、比較例では、超音波加振時間の経過に伴い溶湯中の水素ガス含有量が低下し、介在物が溶湯の湯面に浮上し難くなり、溶湯中の介在物が低減できなかったと考えられる。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【００４４】
本実施形態では、アルミニウム合金の溶湯中の介在物の除去であるが、たとえば、鉄系材料等その他の金属材料であっても同様に、溶湯に介在物が存在するので、このような金属材料であっても同様の原理で、介在物を除去することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１：介在物除去装置、２：超音波発振器、３：超音波振動装置、４：超音波振動ホーン、５：不活性ガス供給源、３１：ガス通路、３２：先端部、４１：先端面、４２：ベント部材、４３：ガス通路、Ｆ：酸化膜、Ｍ：溶湯、Ｓ：介在物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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