(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化性ガスに接触する部分に耐酸化性黒鉛を使用する酸化性ガス吹込み管であり、
耐酸化性黒鉛、金属製の配管および接続アダプターから構成され、金属製の配管と耐酸化性黒鉛とを線膨張係数が１×１０-6〜１０×１０-6／℃の金属製材料で作製された接続アダプターを介して接続されることを特徴とする酸化性ガス吹込み管。
【請求項２】
ガス吹込み管をアルミニウム溶湯に浸漬して用いる請求項１に記載の酸化性ガス吹込み管。
【請求項３】
アルミニウム溶湯への浸漬時にアルミニウム溶湯の液面よりも上方におけるガス吹込み管の外表面を耐酸化性材料で覆うことを特徴とする請求項１に記載の酸化性ガス吹込み管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミニウムの溶湯処理時の設備に関する。詳しくは、アルミニウム溶湯中に処理ガスを吹き込むのに使用するガス吹込み管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からアルミニウム溶湯中にガスを吹き込む際に使用するガス吹込み管としては、先端にポーラスカーボンを取り付けた黒鉛パイプや黒鉛製の回転ノズル等が使用されている。例えば、アルミニウム溶湯中に塩素ガスや窒素、アルゴンなどの不活性ガスなどを吹き込み、溶湯中に溶解している水素を除去する際には、黒鉛製のパイプが使用されている。また、微細気泡を溶湯中に分散させて介在物を気泡に吸着・浮上させるために、黒鉛製の回転ノズルが使用されている。黒鉛はアルミニウム溶湯に対する汚染がなく、耐熱衝撃性に優れているためこれらの用途に利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
アルミニウム溶湯中へ吹き込むガスとしては、塩素、窒素、アルゴンなどの非酸化性ガスだけではなく、さまざまなガスが用いられる。例えば、特開平８−１４８３８７号公報にはＮａを酸化除去するために、酸素を含有したアルゴンガスを吹き込む方法が開示されている。このように酸素を含有した酸化性ガスは、黒鉛を酸化消耗させるため、アルミニウム溶湯に対して通常用いられる黒鉛製の吹込み管は長期間の使用に耐えられない。また、窒化珪素、アルミナ等のセラミックス材料の場合、耐熱衝撃性に劣る上、黒鉛のように複雑な形状に加工することが困難である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、ガス気泡導入管ついて鋭意検討した結果、耐酸化消耗性および耐熱衝撃性に優れたガス導入管を見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００５】
すなわち、本発明は、下記の（１）〜（３）を提供する。
（１）酸化性ガスに接触する部分に耐酸化性黒鉛を使用することを特徴とする酸化性ガス吹込み管。
（２）耐酸化性黒鉛、金属製の配管および接続アダプターから構成され、金属製の配管と耐酸化性黒鉛とを線膨張係数が１×１０-6〜１０×１０-6／℃の金属製材料で作製された接続アダプターを介して接続されることを特徴とする上記（１）記載の酸化性ガス吹込み管。
（３）アルミニウム溶湯への浸漬時にアルミニウム溶湯の液面よりも上方におけるガス吹込み管の外表面を耐酸化性材料で覆うことを特徴とする上記（２）記載の酸化性ガス吹込み管。
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明においては、酸化性ガスが接触する部分に耐酸化性黒鉛を使用することで、酸化性ガスによるガス吹込み管の酸化消耗を抑制することができ、長期間にわたりアルミニウム溶湯中に酸化性ガスを吹込むことができる。また、耐酸化性黒鉛は耐熱衝撃性にも優れるため、室温のガス吹込み管をアルミニウム溶湯中に浸漬しても、窒化珪素などのセラミックス材料のように熱衝撃によって破損することはない。
【０００７】
耐酸化性黒鉛としては、ＣとＢ4Ｃ粉末を混合して焼結したボロン化黒鉛（ボラグラフ／東洋炭素社製）、表面に炭化珪素を複合化処理（ＴＳ処理／東洋炭素社製）した黒鉛、表面に窒化珪素などのセラミックス粉末を溶射した黒鉛などを使用することができるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。特に、ボロン化黒鉛は耐酸化性に最も優れるので、酸化性ガスが接触する部分に使用する材料として好ましい。また、ボロン化黒鉛および表面に炭化珪素を含浸した黒鉛はアルミニウム溶湯への不純物の汚染がほとんどないため、アルミニウム溶湯と接触しても問題ない。これらの耐酸化性黒鉛は通常の旋盤やフライスなどによって容易に加工することができる。
【０００８】
本発明において、酸化性ガスとしては、酸素、酸素を含むガス、空気等の黒鉛を酸化するガスををいい、酸素に混合するガスとしては、塩素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等があげられる。
【０００９】
本発明による、ガス吹込み管の概略図を図１に示す。ガス吹込み管の本体は耐酸化性黒鉛で作製されている。酸化性ガスを供給する金属製の配管は接続アダプターを介して耐酸化性黒鉛と接続してある。
【００１０】
しかし、耐酸化性黒鉛は通常の黒鉛に比べて高価であり、また大型品の製作が困難であるため、できるだけ耐酸化性黒鉛の使用量を低減することが好ましい。酸化性ガスに接触し、アルミニウム溶湯と接触しない部分には耐熱性の金属材料を使用し、アルミニウム溶湯と酸化性ガスとに接触する部分に耐酸化性黒鉛を使用することで、耐酸化性黒鉛の使用量を低減することが可能である。アルミニウム溶湯と酸化性ガスとに接触する部分としてはガス吹込み管先端のガス放出口が挙げられ、少なくともこの部位に耐酸化性黒鉛を使用すれば問題ない。この場合、外部から酸化性ガスを供給する配管とガス吹込み管を構成する耐酸化性黒鉛とを接続する必要がある。酸化性ガスを供給する配管は、通常金属製である。耐酸化性黒鉛と金属製の配管との接続部が、ガス吹込み管が浸漬されているアルミニウム溶湯の保持容器よりも外側である場合には、これらの接続は図１に示すようにネジなどによって容易に接続することが可能である。しかしながら、耐酸化性黒鉛の使用量をできるだけ少なくしようとすると、図２に示すようにこの接続部はガス吹込み管の先端に近づき、このガス吹込み管をアルミニウム溶湯に浸漬したときにこの接続部はアルミニウム溶湯の液面よりも下方に位置することになる。このとき、配管がアルミニウム溶湯と接触しないように黒鉛製パイプの中に装入されている。そして、この接続部はアルミニウム溶湯や保持容器の雰囲気によって加熱され、接続部の温度はアルミニウムの融点（６６０℃）以上になる。一般的に黒鉛の線膨張係数は金属など他の材料に比べて極めて小さいため、材質の異なる材料の接続部がこのような高温に加熱されると材質による線膨張係数の違いにより次のような問題が生じる。金属の膨張による黒鉛の破壊、接続部分の隙間の発生などにより、アルミニウム溶湯がその接続部から侵入し、金属製の配管とアルミニウム溶湯とが接触し、アルミニウム溶湯の汚染が生じるとともに、金属製の配管がアルミニウム中に溶解して消耗してしまう。
【００１１】
本発明においては、線膨張係数の大きい金属と線膨張係数の小さい黒鉛とを接続するアダプターとして線膨張係数が１×１０-6〜１０×１０-6／℃の金属製材料を使用することによって、これらの問題を解決することができた。アダプターに使用する材料の線膨張係数が上記の範囲であれば線膨張係数が黒鉛に近く、熱膨張によって黒鉛を破壊することがない。より好ましい範囲としては、３×１０-6〜６×１０-6／℃である。例えば、アダプターとして低熱膨張鋳鉄を使用することができる。この低熱膨張鋳鉄は耐酸化性においても優れた材料であり、酸化性ガスと接触しても酸化消耗することはないので、アダプターに使用する材料として好ましい。低熱膨張鋳鉄としてはインバー、ニレジスト鋳鉄、ミノバー鋳鉄、ノビナイト鋳鉄などを使用することができる。また、配管とアダプターとでは線膨張係数には差があるものの、金属材料同士が高温で焼付き等による付着によって接続部に隙間が生じることはない。
【００１２】
本発明において使用可能な材料の線膨張係数を下表にまとめる。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
さらに、アダプターと耐酸化性黒鉛との接続部のネジ部分に耐熱性接着剤を塗布すると、ガスのシール性の信頼性がより高まるので好ましい。
【００１５】
アルミニウム溶湯の液面よりも上方に加熱源がある場合には、アルミニウム溶湯の液面よりも上方におけるガス吹込み管は高温で大気と接触し、アルミニウム溶湯よりも上方におけるガス吹込み管が黒鉛製であれば、その外表面が酸化消耗し易くなる。
【００１６】
本発明においては、アルミニウム溶湯の液面よりも上方におけるガス吹込み管の外表面を耐酸化性材料で覆うことによって、ガス吹込み管の外表面の酸化消耗を抑制することが可能である。
【００１７】
ガス吹込み管の外表面を覆う耐酸化性材料としては、窒化珪素、サイアロン、ＢＮ等のセラミックス材料や、耐酸化性黒鉛などを使用することができる。特に、耐酸化性黒鉛は、耐熱衝撃性にも優れるため好ましい。また、ここで使用するセラミックス材料は耐酸化性黒鉛に比べて耐熱衝撃性に劣るが、アルミニウム溶湯中に浸漬部分はごくわずかであるので、熱衝撃によって割れることはほとんどない。
【００１８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１９】
実施例１
本実施例は、図１に示されるガス吹込み管を使用して行なったものである。吹込み管本体と金属製配管とを接続アダプターを介して接続してある。吹込み管本体として内径１３ｍｍのボロン化黒鉛（ＧＢ−０１０／東洋炭素社製）製のパイプ、金属製の配管として外径３／８インチのＳＵＳ３０４製パイプ、接続アダプターとしてＳＵＳ３０４を使用した。吹込み管本体と接続アダプターはＰＴ１／２インチのネジで接続され、ネジ部分には耐熱性接着剤が塗布されている。接続アダプター部分がアルミニウム溶湯保持容器の外部になるようにこのガス吹込み管を溶解炉に配置し、６７０℃のアルミニウム溶湯中に空気を毎分３リットルで延べ２０時間（２時間×１０回）吹き込んだ。このガス吹込み管を取出して観察したところ、吹込み管本体の酸化消耗は生じていなかった。
【００２０】
実施例２
本実施例は、図２に示されるガス吹込み管を使用して行なったものである。金属製配管としてＳＵＳ３０４、接続アダプターにノビナイト鋳鉄（ＣＮ−５／榎本鋳工所社製）、ガス吹込み管先端部にボロン化黒鉛（ＧＢ−０１０／東洋炭素社製）を使用した。このガス吹込み管を使用して、６７０℃のアルミニウム溶湯中に空気を毎分３リットルで延べ２０時間（２時間×１０回）吹き込んだ。このガス吹込み管を取出して観察したところ、吹込み管中へのアルミニウム溶湯の侵入もなく、酸化消耗も生じなかった。
【００２１】
比較例１
本比較例は、吹込み管本体に黒鉛を使用した以外は上記実施例１と同じ条件で行なった。このガス吹込み管を取出して観察したところ、吹込み管本体の内面が著しく酸化消耗していた。
【００２２】
比較例２
本比較例は、接続アダプターにＳＵＳ３０４を使用した以外は上記実施例２と同じ条件で行なった。ガス吹込み管を取出して観察したところ、先端部分の黒鉛にクラックが生じ、ガス吹込み管内にアルミニウム溶湯が侵入していた。
【００２３】
【発明の効果】
本発明では、ガス吹込み管の酸化性ガスが接触する部分に耐酸化性黒鉛を使用することで、酸化性ガスによるガス吹込み管の酸化消耗を抑制することができ、長期間にわたり吹込み管を交換することなくアルミニウム溶湯中に酸化性ガスを吹込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガス吹込み管本体と金属製配管とを接続アダプターを介してアルミニウム溶湯の保持容器よりも外側で接続した概略図。
【図２】ガス吹込み管本体と金属製配管とを接続アダプターを介してアルミニウム溶湯の液面よりも下方で接続した概略図。
【図３】図２で示したガス吹込み管をアルミニウム溶湯を保持した容器中に浸漬して用いた場合の概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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