(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属溶湯保持槽と、この溶湯保持槽内に配置され内部に軸方向に伸びる気体通気路を有する垂直回転軸と、この垂直回転軸の先端に設けられ、かつ底面または側面のいずれかまたは双方に前記気体通気路と連なった気体吹出口が設けられた回転体と、前記垂直回転軸を覆うとともにこの回転軸先端の前記回転体をも覆う非回転の旋回流発生防止カバーを備えたことを特徴とする溶融金属処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融金属中の溶存ガスや非金属介在物粒子を不活性ガスなどの吹き込みにより除去する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融金属中に含まれる溶存ガスや介在物は、欠陥の原因となるので、鋳造の前に溶融金属中の溶存ガスや介在物の除去が行われる。
例えば、アルミニウムあるいはアルミニウム合金を鋳造する場合、溶融金属中に含有されている水素ガスや、酸化物等の非金属介在物を除去するために、不活性ガスなどを吹き込んで、不活性ガス等の気泡に溶存ガスや非金属介在物を付着させることによって、溶存ガスや非金属介在物を除去する溶湯処理が行われている。特に近年の要求鋳造品質の向上に伴い、従来問題とされなかったレベルの含有ガスおよび非金属介在物の除去が必要とされるようになってきている。
【０００３】
溶存ガスや非金属介在物の除去を効率的に行うためには、気泡の表面積を大きくする必要がある。気泡の表面積をできるだけ大きくするためには、気泡をできるだけ細かく分散させることが必要である。
従来の溶湯処理装置は、溶湯保持槽内に配置され内部に軸方向に伸びる気体通気路を有する垂直回転軸と、この垂直回転軸の先端に設けられ、かつ底面あるいは側面に前記気体通気路とつながった気体吹き出し口が設けられた回転体からなるものである。溶融金属中に注入された気泡を細かく分散させるために、上記回転体の形状を工夫したり、回転軸の回転数をより高めたりしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、回転軸を高速に回転させると、溶融金属に回転軸を中心に渦が発生し、溶融金属表面に浮上した溶存ガスや非金属介在物が巻き込まれてしまうため、軸の回転数を過度に高めることはできない。
溶融金属に渦を発生させない方法として、溶融金属処理槽の側壁等に邪魔板を設ける方法もあるが、邪魔板を設けると吹き込まれた気泡が溶融金属に行き渡らない部分ができてしまう。また、邪魔板と溶融金属の旋回流が衝突し、溶融金属表面が波うってしまい表面酸化の量が増えるという弊害がある。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、回転体を高速に回転させても渦が発生することがない溶融金属処理装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の溶融金属処理装置は、その目的を達成するため、金属溶湯保持槽と、この溶湯保持槽内に配置され内部に軸方向に伸びる気体通気路を有する垂直回転軸と、この垂直回転軸の先端に設けられ、かつ底面または側面のいずれかまたは双方に前記気体通気路と連なった気体吹出口が設けられた回転体と、前記垂直回転軸を覆うとともにこの回転軸先端の前記回転体をも覆う非回転の旋回流発生防止カバーを備えたものである。
【０００６】
【模擬実験】
まず、水素ガスおよび非金属介在物の除去効果を阻害するプロセスを知り、非回転の旋回流発生防止カバーの渦発生防止効果を知るために、アルミニウム溶湯の代わりに観察が容易な水モデルを採用した。
溶融金属槽２に模した、内径７００ｍｍの透明塩ビ製の処理槽に深さが７００ｍｍになるように水を入れて実験を行った。なお、酸化皮膜に擬して水と同程度の比重を有する微小プラスチック系樹脂片（５×１０×１ｍｍ）６を水中に混入させておいた。
【０００７】
気泡発生のために、黒鉛製の外径７５ｍｍの回転軸３と、その下端に外径が２３０ｍｍで厚さが６０ｍｍの回転羽根が一体化した回転体４を使用した。なお、この回転軸４の中央部には中空（内径１０ｍｍ）の不活性ガス進入孔が軸方向に貫通されており、回転羽根の下面には、その外周に向けて幅３０ｍｍで深さ１０ｍｍの加工溝が中心より外周に向けて６箇所で放射状に設けられている。
このような回転体４を、回転軸部が５００ｍｍ、回転羽根部が５０ｍｍ、全体で５５０ｍｍになる深さで水中に浸漬し、回転数を変えつつ、Ａｒガス量を２０Ｌ／分で一定にして吹き込み、渦流の発生状況および水の挙動を観察した。
【０００８】
旋回流発生防止カバーは、内径８０ｍｍ、外径１００ｍｍで浸漬深さを可変できる透明塩ビ製の丸パイプ状の本体部分と、必要に応じて回転羽根を覆う同じく塩ビ製の付け足しカバー部分からなるもので、取り付けは、処理装置本体の非回転部に固定する。
【０００９】
旋回流発生防止カバーの取り付け深さを変え、回転体４の回転速度０から５００ｒｐｍ間で変動させて、上記渦流の発生状況および水の挙動を観察した。
回転数と渦流の関係を図３に示す。なお、図中、（ａ）は旋回流発生防止カバーなしの従来法、（ｂ）は水面から５０ｍｍの位置まで覆ったもの、（ｃ）、（ｄ）は同じく２００ｍｍ、５００ｍｍまで覆ったもの、さらに（ｅ）は回転体４まで覆ったものである。
【００１０】
図からもわかるように、回転軸の湯面付近に形成される渦流の深さは、ほぼ回転数に比例して増大している。ただし、従来法の場合では、例えば５００ｒｐｍ時の渦流深さが２０ｍｍであったのに対し、旋回流発生防止カバーを設けた本発明法では、各実験例とも５ｍｍ以下になっており、大幅な発生防止効果が確認された。
また、その際、この旋回流発生防止カバーは、浸漬深さが深いほど効果があり、特に気泡を発生する回転体まで覆う場合に顕著な効果が得られている。
【００１１】
従来法の場合は、気泡に付着した酸化皮膜に仮定した疑似介在物は水と同調し旋回した後、一旦は浮上するものの、その後は回転軸の水面付近に発生した渦流に巻き込まれ、再度、水中に戻される様子が確認された。
これに対して、旋回流発生防止カバーを使用して、渦流をほとんど発生させない本発明方法の場合では、旋回流や渦流等の水の流動は該旋回流発生防止カバー内に留められ、カバーの外の処理槽内にある水のほとんどは流動することがなかった。
回転体４から吹き出されたガスが乱流となって微細気泡と擦れあいながら疑似介在物と付着し浮上していくことが観察された。
なお、当然ではあるが、一旦浮上した疑似介在物のプラスチック片が再び水中に還流されることは観察されなかった。
【００１２】
【実施例】
実施例１
上記水モデル実験で得られた知見を基に、溶融アルミニウム合金中の水素ガスおよび酸化皮膜の除去を主体とした旋回流発生防止カバーの設置効果を確認した。
図４に示すような、内径７００ｍｍで深さ７００ｍｍの保温機能を有した鋳鉄製坩堝に６２０ｋｇのＳｉ含有量６．５〜７．５質量％の鋳造用Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯を入れ（ちなみに溶湯深さは約７００ｍｍになっている。）、溶湯温度を７３０℃に保持した。回転体としては水モデル実験で用いたものと同じ材質・形状のものを使用し、溶湯面から５５０ｍｍの深さ位置で回転数４００ｒｐｍで統一して回転させつつ、２０リットル／分でＡｒガスを吹き込んで上記溶融アルミニウム合金を処理した。
【００１３】
旋回流発生防止カバーとして、肉厚１０ｍｍの黒鉛製で、この旋回流発生防止カバーの内周と回転軸の外周から構成される所定の間隙幅を確保するために、種々の内径のものを準備した。一方、該旋回流発生防止カバーの浸漬深さに関しては、任意の長さに調整できるように可動式とした。
まずこの実施例では、図４中８で示す旋回流発生防止カバーを、回転軸３との間隔を１０ｍｍに統一し、浸漬深さを変えて取り付け、ガス吹き込み処理を行った。
【００１４】
処理後、溶融アルミニウム合金中の水素ガス含有量および表面に形成された酸化物量を測定し、処理前、処理後および従来法の結果と比較した。
なお、処理後の分析は、処理装置を鋳鉄製の坩堝から脱着後、静かに攪拌してから３分間の養静時間を経た後に試料採取し、分析手段としては、水素ガス量はランズレー法を、また介在物を代表した酸化皮膜量はOlin-Fritテスト法を採用した。その結果を、図５に示す。
【００１５】
実施例２
図４中８で示す旋回流発生防止カバーを、浸漬深さを２５０ｍｍに統一し、回転軸と当該旋回流発生防止カバーの間隔を変えて取り付け、他は実施例１と同じ条件でガス吹き込み処理を行った。その後、実施例１と同様に、溶融アルミニウム合金中の水素ガス含有量および表面の酸化物量を測定した。
その結果を、図６に示す。
【００１６】
図５、図６に示す結果からわかるように、溶融アルミニウム合金中の水素ガス含有量は、処理前に比べ、処理後は従来法および本発明法の両者とも半減あるいはそれ以下までに減少している。旋回流発生防止カバーの設置により、従来よりも水素ガス含有量は減少しており、しかも、旋回流発生防止カバーの設置効果を高めるためには、回転軸をより深く覆うことが好ましく、また、回転軸との間隔を小さくして設置することが好ましい。
【００１７】
溶湯処理後の溶融アルミニウム合金中の酸化皮膜量は、従来法は、処理前に比べて多くなっているのに対し、本発明法の場合、いずれの条件設定下でも大幅な改善効果が確認された。
そして、酸化皮膜量に関する旋回流発生防止カバーの設置の設置効果は、該カバーの浸漬深さを深くするほど高く、回転体まで覆うことにより顕著になっている。また、酸化皮膜量に関しても、回転軸との間隔を小さくして設置することが好ましい。
なお、従来法で処理前よりも酸化皮膜量が増えている現象は、もともと湯面上にあった酸化皮膜が処理装置の回転に伴った溶融アルミニウムの旋回流に巻き込まれて溶湯中にはいり、新たに溶湯面上に形成された酸化皮膜等が渦流により巻き戻されたことが起因しているものと思われる。
【００１８】
【発明の効果】
以上に説明したように、内部に軸方向に伸びる気体通気路を有する垂直回転軸と、この垂直回転軸の先端に設けられ、かつ底面または側面のいずれかに前記気体通気路と連なった気体吹出口が設けられた回転体を溶融金属中で回転させて、溶融金属を処理する際、前記垂直回転軸を、非回転の旋回流発生防止カバーで覆うことにより、溶融金属に旋回渦流の発生を防ぎ、含有ガスと非金属介在物の効率的除去と溶融金属自身の酸化を防ぐことができる溶融金属処理装置を提供することができ、特にアルミニウム合金等の高品質化に資することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の溶湯処理装置
【図２】  水モデル実験装置
【図３】  水モデル実験による渦流発生状況を示したグラフ
【図４】  本発明の溶湯処理装置の概念図
【図５】  旋回流発生防止カバーの漬浸深さによる溶湯中の水素ガス含有量および酸化皮膜形成量の変化を示すグラフ
【図６】  旋回流発生防止カバーの回転軸との間隔の違いによる溶湯中の水素ガス含有量および酸化皮膜形成量の変化を示すグラフ
【符号の説明】
１：溶融金属、   ２：溶融金属槽、   ３：回転軸、   ４：回転体、
５：ガス吹き出し口、   ６：プラスチック片、   ７：モーター、
８：旋回流発生防止カバー
【図１】
0004123740.tif 000002
【図２】
0004123740.tif 000003
【図３】
0004123740.tif 000004
【図４】
0004123740.tif 000005
【図５】
0004123740.tif 000006
【図６】
0004123740.tif 000007