(57)【要約】  回転駆動軸（４３）に取り付けられ、溶融したアルミ合金を撹拌すると共に処理ガス（Ｇ）を供給する撹拌機（５０）において、基端側が回転駆動軸（４３）を支持する円筒部（４５）に取り付けられると共に処理ガス（Ｇ）が供給される筒状の筐体（５１）と、筐体（５１）内部に挿入され、回転駆動軸（４３）に基端側が結合された回転軸（５２）と、筐体（５１）の先端（５１ａ）側に設けられ、回転軸（５２）の先端側に取り付けられた回転羽根（５３）と、筐体（５１）の外側面であって、回転羽根（５３）に対し、筐体（５１）の基端側に配置された開口部（５４）を備える。これにより、撹拌機（５０）は、マイクロバブルを発生させることで、溶湯や水溶液中における表面積を大きくし、かつ、長時間、溶湯や水溶液中に滞留させることが可能となる。
2020217572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動軸に取り付けられ、溶融金属を撹拌すると共に処理ガスを供給する撹拌機において、
基端側が前記回転駆動軸を支持する駆動機構に取り付けられると共に前記処理ガスが供給される筒状の筐体と、
前記筐体内部に挿入され、前記回転駆動軸に基端側が結合された回転軸と、
前記筐体内の先端側に設けられ、前記回転軸の先端側に取り付けられた回転羽根と、
前記筐体の外側面に形成された開口部を備えている撹拌機。
【請求項２】
前記開口部は、前記回転羽根に対し、前記筐体の前記基端側に配置されている請求項１に記載の撹拌機。
【請求項３】
前記開口部は、前記回転羽根に対向して配置されている請求項１に記載の撹拌機。
【請求項４】
前記回転羽根は、前記回転軸に沿って複数の羽根から形成され、前記複数の羽根は互いに軸方向に離間して配置されている請求項１に記載の撹拌機。
【請求項５】
前記回転羽根は、前記回転軸に沿って複数の羽根から形成され、前記複数の羽根の螺旋面は連続面を形成している請求項１に記載の撹拌機。
【請求項６】
溶融金属を撹拌すると共に、処理ガスを供給することで不要ガスを除去する溶湯処理装置において、
前記溶融金属を収容する処理槽と、
この処理槽上方に配置され、下方に回転駆動軸が突出形成されたガス供給／回転駆動機構と、
このガス供給／回転駆動機構の下端に設けられ、前記処理槽に挿脱可能に設けられた撹拌機を備え、
前記撹拌機は、基端側が前記回転駆動軸を支持する駆動機構に取り付けられると共に前記処理ガスが供給される筒状の筐体と、
前記筐体内部に挿入され、前記回転駆動軸に基端側が結合された回転軸と、
前記筐体内の先端側に設けられ、前記回転軸の先端側に取り付けられた回転羽根と、
前記筐体の外側面に形成された開口部を備えている溶湯処理装置。
【請求項７】
前記回転羽根は、前記回転軸に沿って複数の羽根から形成され、前記複数の羽根は互いに軸方向に離間して配置されている請求項６に記載の溶湯処理装置。
【請求項８】
回転駆動軸に取り付けられ、水又は水溶液を撹拌すると共に処理ガスを供給する撹拌機において、
基端側が前記回転駆動軸を支持する駆動機構に取り付けられると共に前記処理ガスが供給される筒状の筐体と、
前記筐体内部に挿入され、前記回転駆動軸に基端側が結合された回転軸と、
前記筐体内の先端側に設けられ、前記回転軸の先端側に取り付けられた回転羽根と、
前記筐体の外側面に形成された開口部を備えている撹拌機。
【請求項９】
前記回転羽根は、前記回転軸に沿って複数の羽根から形成され、前記複数の羽根は互いに軸方向に離間して配置されている請求項８に記載の撹拌機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液状物質、例えば、溶融状態のアルミニウム合金やマグネシウム合金等の金属や、各種水溶液等を撹拌する際に用いられる撹拌機及び溶湯処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金やマグネシウム合金を用いた製品は、製品寿命が尽きれば回収され、溶解炉等で溶融されて、他の製品に再利用されることがある。【０００３】
アルミニウム合金、マグネシウム合金は化学的に活性な金属であるため、溶解炉等において大気に曝されると容易に酸化して多量の酸化物及び酸化物に付着した介在物（以下、「ドロス」という）を形成する。ドロスにはＡｌ２Ｏ３，ＭｇＯ，Ａｌ２ＭｇＯ４，ＳｉＯ２，珪酸塩、Ａｌ・Ｓｉ・Ｏ，ＦｅＯ，Ｆｅ２Ｏ３などの酸化物の他に、炭化物（Ａｌ４Ｃ３、Ａｌ４Ｏ４Ｃ、黒鉛炭素）、ボライド（ＡｌＢ２、ＡｌＢ１２、ＴｉＢ２、ＶＢ２）、Ａｌ３Ｔｉ、Ａｌ３Ｚｒ、ＣａＳＯ４、ＡｌＮ及び各種のハロゲン化物がある。ドロスが懸濁によってアルミニウム溶湯中に混入すると、最終的に非金属介在物となって展伸材、鍛造品、ダイカスト品などの製品の品質低下を招く。このため溶解炉、保持炉、トリベ等の各段階において溶湯からドロスを分離除去する必要がある。【０００４】
溶解炉の回転傾度を変えることによりドロスを溶湯から分離排出し、効率よく回収する技術が開示されている（例えば、日本国特許公開公報  特開平１０−２２７５６７号公報参照。）。このように溶解工程でドロスを効率よく回収することができるが、Ａｌ溶湯中には水素等の不純物ガス成分が含まれているので、さらに再溶解時に脱ガス処理する必要がある。【０００５】
一方、脱ガス処理方法として、処理槽内の溶湯にアルゴン、窒素、塩素等の処理ガスを吹込みガスバブリングする技術が知られている。例えば、ガスバブリング中の溶湯にフラックスを投入する方法（例えば、日本国特許公開公報  特開昭６３−１８３１３６号公報参照。）、あるいはガスバブリング中の溶湯を回転羽根により撹拌する方法（例えば、日本国特許公開公報  特開平１０−３０６３３０号公報及び特開昭６２−２９７４２２号公報、日本国特許公告公報  特公平７−６８５９１号参照。）が知られている。さらに、溶湯にフラックスを投入し、撹拌機で撹拌し、溶湯中に混在する酸化物を改質してドロスを溶湯から容易に分離させる溶湯の処理方法が知られている（例えば、日本国特許公開公報  特開２００４−１４３４８３号公報参照。）。
【発明の概要】
【０００６】
上述した撹拌機及び溶湯処理装置は、次のような問題があった。すなわち、回転羽根で撹拌するとバブルが混ざるだけで、バブルの径を十分に小さくすることができなかった。このため、バブルの単位体積当たりの表面積が小さくなり、しかも、溶湯中における滞留時間が短くなることから、十分に反応しないうちに短時間で大気中に拡散していた。このため、処理ガスの供給量は、例えば、０．３ＭＰａで１分当たり２０Ｌ程度であり、一般的な処理時間において１００Ｌ程度の処理ガスを供給する必要があった。このため、処理ガスの使用量が多く、処理コストが高くなる原因になっていた。
【０００７】
また、バブルを効率的に発生させようと回転羽根を溶湯の表面近くに配置すると、溶湯表面に大きな渦が発生して大気を巻き込み、酸化物が増えるという弊害があった。
【０００８】
そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、マイクロバブルを発生させることで、溶湯や水溶液中における表面積を大きくし、かつ、長時間、溶湯や水溶液中に滞留させることができる撹拌機及びこの撹拌機を用いた溶湯処理装置を提供することを目的とする。
【０００９】
本実施形態に係る撹拌機は、回転駆動軸に取り付けられ、溶融金属を撹拌すると共に処理ガスを供給する撹拌機において、基端側が前記回転駆動軸を支持する駆動機構に取り付けられると共に前記処理ガスが供給される筒状の筐体と、前記筐体内部に挿入され、前記回転駆動軸に基端側が結合された回転軸と、前記筐体内の先端側に設けられ、前記回転軸の先端側に取り付けられた回転羽根と、前記筐体の外側面に形成された開口部を備えている。
【００１０】
本実施形態に係る溶湯処理装置は、溶融金属を撹拌すると共に、処理ガスを供給することで不要ガスを除去する溶湯処理装置において、前記溶融金属を収容する処理槽と、この処理槽上方に配置され、下方に回転駆動軸が突出形成されたガス供給／回転駆動機構と、このガス供給／回転駆動機構の下端に設けられ、前記処理槽に挿脱可能に設けられた撹拌機を備え、前記撹拌機は、基端側が前記回転駆動軸を支持する駆動機構に取り付けられると共に前記処理ガスが供給される筒状の筐体と、前記筐体内部に挿入され、前記回転駆動軸に基端側が結合された回転軸と、前記筐体内の先端側に設けられ、前記回転軸の先端側に取り付けられた回転羽根と、前記筐体の外側面に形成された開口部を備えている。
【００１１】
本実施形態に係る撹拌機は、回転駆動軸に取り付けられ、水又は水溶液を撹拌すると共に処理ガスを供給する撹拌機において、基端側が前記回転駆動軸を支持する駆動機構に取り付けられると共に前記処理ガスが供給される筒状の筐体と、前記筐体内部に挿入され、前記回転駆動軸に基端側が結合された回転軸と、前記筐体内の先端側に設けられ、前記回転軸の先端側に取り付けられた回転羽根と、前記筐体の外側面に形成された開口部を備えている。
【００１２】
本発明によれば、マイクロバブルを発生させることで、溶湯や水溶液中における表面積を大きくし、かつ、長時間、溶湯や水溶液中に滞留させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る脱ガス処理装置を示す説明図である。
【図２】図２は、同脱ガス処理装置に組み込まれた撹拌装置及び撹拌機を示す縦断面図である。
【図３】図３は、同撹拌機に組み込まれた回転羽根を示す斜視図である。
【図４】図４は、同脱ガス処理装置による脱ガス処理工程を示す説明図である。
【図５】図５は、同撹拌機の作用を示す説明図である。
【図６】図６は、同撹拌機の作用を示す説明図である。
【図７】図７は、同撹拌機の変形例を示す説明図である。
【図８】図８は、同撹拌機の作用を示す説明図である。
【図９】図９は、同撹拌機の変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜図３は、本発明の一実施の形態に係る脱ガス処理装置（溶湯処理装置）１０を示す図である。図１に示すように、脱ガス処理装置１０は、処理槽２０と、この処理槽２０の近傍に配置されたガス供給／回転駆動機構３０と、ガス供給／回転駆動機構３０に着脱自在に取り付けられた撹拌機５０と、処理槽２０の近傍に配置されたフラックス投入装置１００及びドロス除去装置１１０を備えている。
【００１５】
処理槽２０は、耐火性材料で形成されており、１バッチ当り最大１５００ｋｇまでのアルミニウム溶湯を脱ガスできる処理能力を備えている。
【００１６】
フラックス投入装置１００は、処理槽２０内のアルミニウム溶湯ＰにフラックスＦを投入する機能を有している。フラックス投入装置１００は、フラックスＦとしてのアルミニウム除滓剤を収容した複数のホッパ及びシュータ等を有し、所定成分のアルミニウム除滓剤を所定の配合比に配合して所定量だけ処理槽２０内に投入する機能を備えている。なお、フラックスＦは、後述する処理ガスＧに混合してガス供給／回転駆動機構３０から供給しても良い。
【００１７】
ドロス除去装置１１０は、掻き寄せ治具及び吸引排出装置から構成されている。掻き寄せ治具は、板状のカーボン、耐火材、セラミック部材からなり、その表面はドロスが付着しないように特殊加工されている。吸引排出装置は耐熱性材料からなるラッパ状の吸引口を有し、吸引ポンプを介して回収ポットに連通している。
【００１８】
処理槽２０には、溶解炉２００が隣接して配置されており、溶解炉２００から処理槽２０内に非酸化性雰囲気下でアルミニウム溶湯が注湯されるようになっている。溶解炉はドロス分離除去機能を備えており、溶解炉において多くのドロスが溶湯から分離され、除去されるようになっている。
【００１９】
ガス供給／回転駆動機構３０は、架台３１と、この架台３１上に鉛直方向に延設され、鉛直方向の軸に沿って揺動するポスト３２と、このポスト３２に沿って配置された無端ベルト３３と、この無端ベルト３３に取り付けられたスライダ３４と、無端ベルト３３を駆動する駆動モータ３５とを備えている。架台３１内には処理ガスＧを供給するガス供給部３６が配置され、後述するガス供給ライン４６に接続されている。スライダ３４には、水平方向にアーム３９が取り付けられ、その先端には撹拌装置４０が設けられている。したがって、アーム３９はポスト３２によって旋回・昇降動作が可能となっている。
【００２０】
撹拌装置４０は、アーム３９の先端に取り付けられた架台４１と、この架台４１に設けられた回転駆動モータ４２と、鉛直方向に延設された回転駆動軸４３と、回転駆動モータ４２と回転駆動軸４３の上端部に掛け渡されたベルト４４と、回転駆動軸４３を気密に軸支する円筒部４５と、回転駆動軸４３の先端に着脱自在に取り付けられた撹拌機５０とを備えている。円筒部４５及び回転駆動軸４３は金属材製であり、アルミニウム溶湯Ｐには浸漬しない。
【００２１】
円筒部４５には、ガス供給ライン４６が接続され、前述したガス供給部３６から処理ガスＧが供給される。処理ガスＧは、例えば、アルゴンガスや窒素ガス等の非酸化性ガスである。上述したようにフラックスガスを混合してもよい。円筒部４５と回転駆動軸４３との間には十分な空間が有り、この空間を通じて、後述する筐体５１内に処理ガスＧが供給される。なお、処理ガスＧが供給されることで、アルミニウム溶湯Ｐから受けた熱を冷却し、各部品の温度上昇を防ぐ効果がある。
【００２２】
撹拌機５０は、基端側が円筒部４５の下端に気密に結合された筒状の筐体５１と、筐体５１内部に挿入され、回転駆動軸４３に基端側が結合された回転軸５２を備えている。回転駆動軸４３と回転軸５２とは、内部に設けられたネジ構造（上下シャフト接続ネジ）によって接続されている。筐体５１内には、回転軸５２の先端側に取り付けられた回転羽根５３が配置されている。筐体５１の回転羽根５３の位置より基端側には、６つの長円状の開口部５４が形成されている。開口部５４の大きさや数は溶湯の種類によって適宜変更してもよい。撹拌機５０はアルミニウム溶湯Ｐに浸漬されるため、耐熱性を有するセラミックス材やカーボン材で形成されている。
【００２３】
筐体５１と回転軸５２との間には十分な空間が設けられており、この空間を通じて、回転羽根５３の周辺に処理ガスＧが供給される。
【００２４】
図３に示すように、回転羽根５３は、３つの羽根５３ａを軸方向に並設させている。各羽根５３ａは回転軸５２の軸方向に離間し、間隙Ｓが形成されている。各羽根５３ａの外周面は筐体５１の内壁に近接して形成されており、その寸法は例えば３ｍｍ〜１０ｍｍ程度に設定されている。各羽根５３ａの螺旋面５３ｂは右下がりに形成されている。
【００２５】
また、回転羽根５３はアルミニウム溶湯Ｐの熱によって溶解されないようにするため、セラミックス材で形成することが望ましい。セラミックス材は複雑な形状を形成することが難しいため、上述したように羽根５３ａを軸方向に並設することで、金属材製の羽根のように複雑な羽根形状を実現し、マイクロバブル化、撹拌力及び送出力等の特性を確保する。なお、羽根５３ａを並設する際、隣接する羽根５３ａ同士の螺旋面５３ｂが連続面を形成するように配置することでバブル径をさらに細かくすることができる。この他、羽根の配置や形状、個数によって、回転羽根５３の特性を調整することができる。
【００２６】
次に、図４〜図６を参照しながら本実施形態に係る脱ガス処理装置１０による脱ガス処理方法を説明する。なお、図５，６中Ｒは回転方向を示している。溶解炉２００でアルミニウムを溶解した後に、アルミニウム溶湯ＰをドロスＤとともに溶解炉から処理槽２０に移す（工程Ｓ１）。次いで、処理槽２０内に所定成分のフラックスＦを投入し、撹拌機５０を下降させ、回転羽根５３を処理槽２０内のアルミニウム溶湯Ｐの湯面直下に浸漬させる。そして、回転羽根５３を回転させてアルミニウム溶湯Ｐ、ドロスＤ及びフラックスＦを数分間撹拌する。これによりドロスＤが改質され、アルミニウム溶湯Ｐから分離した状態になる（工程Ｓ２）。
【００２７】
次いで、撹拌機５０をさらに下降させ、筐体５１の先端５１ａ側を処理槽２０の底部近傍に位置させて、回転羽根５３を例えば１０００ｒｐｍで回転させる。この回転羽根５３の作用によって、図５に示すように、筐体５１の先端５１ａから下方へ送られると共に、開口部５４近傍のアルミニウム溶湯Ｐは、筐体５１内に引き込まれて循環する。
【００２８】
また、ガス供給部３６から供給された処理ガスＧは、回転羽根５３の回転による作用により負圧となった筐体５１内に入り、比較的径の大きいバブルＢ１となって回転羽根５３と筐体５１内の間隙に入り込む。このとき、図６に示すように、バブルＢ１は間隙Ｓに出入りすることで、圧縮と膨張を繰り返す。この過程でバブルＢ１は破砕され、小径のバブルＢ２、バブルＢ３となる。このように、回転羽根５３によるせん断作用によってマイクロバブル（径が数μｍ〜５０μｍ）化する。これにより、アルミニウム溶湯Ｐ内に処理ガスＧが供給・拡散される（ガスバブリング）と、アルミニウム溶湯Ｐ中に混在するドロスＤと水素等の不純物ガス成分が湯面に浮上する（工程Ｓ３）。このときの撹拌力はガスバブリング反応を阻害しない程度の弱いものとする。ガスバブリングを数分間続けた後に、ガス吹込みを停止し、脱ガス処理を終了させる。
【００２９】
次いで、撹拌機５０をさらに下降させ、筐体５１の先端５１ａを処理槽２０の最も深いところに位置させ、アルミニウム溶湯Ｐを撹拌する。ドロス掻き寄せ部材を下降させ、その下部を湯面に浸漬させ、ドロスＤを処理槽２０内の特定箇所に集合させる（工程Ｓ４）。集めたドロスＤを吸引排出装置により処理槽２０から吸引排出し、回収ポットに回収する（工程Ｓ５）。
【００３０】
上述したように、本実施形態に係る撹拌機５０及び脱ガス処理装置１０によれば、回転羽根５３と筐体５１の隙間で処理ガスＧを圧縮・膨張・せん断することで、マイクロバブルを発生させることができる。このため、金属溶湯中における処理ガスの表面積を大きくし、固溶している水素ガスに反応させやすくすると共に、長時間、溶湯中に滞留させることで、水素ガスへの反応時間を延ばし、十分に水素ガスを除去することができる。また、回転羽根５３を収容する筐体５１の側面には、回転羽根５３の回転に伴う負圧に応じた量の溶湯を吸引するための開口部５４が形成されているため、溶湯表面に渦を形成することを防止でき、大気を巻き込んで酸化物が生成されることを防止することができる。すなわち、マイクロバブル化された処理ガスを放出させると共に、溶湯の過剰な撹拌を抑制し、処理ガスの分散を促進することができる。したがって、脱ガスを十分に行うことができ、高品質のアルミニウム合金を得ることができる。
【００３１】
図７は、上述した撹拌機５０の変形例に係る撹拌機５０Ａの構成を示す説明図である。なお、図７において図５と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。撹拌機５０Ａは、基端側が円筒部４５の下端に気密に結合された筒状の筐体５５と、筐体５５内部に挿入され、回転駆動軸４３に基端側が結合された回転軸５２を備えている。筐体５５の先端５５ａは開口している。筐体５５内には、回転軸５２の先端側に取り付けられた回転羽根５３が配置されている。筐体５５の回転羽根５３に対向する位置には、６つの長円状の開口部５６が形成されている。開口部５６の大きさや数は溶湯の種類によって適宜変更してもよい。撹拌機５０Ａはアルミニウム溶湯Ｐに浸漬されるため、耐熱性を有するセラミックス材やステンレス材で形成されている。
【００３２】
筐体５５と回転軸５２との間には十分な空間が設けられており、この空間を通じて、回転羽根５３の周辺に処理ガスＧが供給される。
【００３３】
このように構成された撹拌機５０Ａを用いた場合でも、上述したような撹拌機５０と同様に用いる。この時、アルミニウム溶湯Ｐの挙動は、図７に示すように、先端５５ａ側からアルミニウム溶湯Ｐを吸い込んで、開口部５６から排出する。ガス供給部３６から供給された処理ガスＧは、回転羽根５３の回転による作用により負圧となった筐体５５内に入り、マイクロバブル化される。そして、ガスバブリングを数分間続けた後に、ガス吹込みを停止し、脱ガス処理を終了させる。
【００３４】
図８は、上述した撹拌機５０，５０Ａにおける回転駆動軸４３と回転軸５２との接続における変形例を示す説明図である。回転駆動軸４３と回転軸５２との接続は、上述した内部のネジ構造に加え、カップリング機構（リジットカップリング）６０によっても結合されている。
【００３５】
図９に示すように、カップリング機構６０は、回転駆動軸４３と回転軸５２との結合部に配置され、回転駆動軸４３及び回転軸５２の外周側に配置されている。
【００３６】
カップリング機構６０は、回転駆動軸４３と回転軸５２との接合部の外周に配置される内筒部６１を備えている。内筒部６１の中央はナット６１ａが形成されており、両端部にはテーパ状で、かつ、雄ネジが外周に形成された一対の変形部６１ｂが設けられている。変形部６１ｂにはスリ割が形成され、その内径寸法を調整できる構造となっている。変形部６１ｂの雄ネジにはナット６２，６３が螺合している。
【００３７】
このように構成されたカップリング機構６０が形成されていると、回転駆動軸４３と回転軸５２との結合力が堅固となり、高回転時（１０００ｒｐｍ以上）の振れ量を抑えることが可能となる。カップリング機構６０は、内筒部６１に回転駆動軸４３と回転軸５２との接続部を位置決めし、ナット６２，６３を締め込むことで、取り付けることができる。
【００３８】
なお、上述した金属としてアルミニウム合金を例示したが、マグネシウム合金等、他の金属の溶湯にも適用できる。また、金属溶湯の他、水や水溶液等においても、径が数μｍ〜５０μｍ程度のマイクロバブルを用いることで液中への処理ガスの反応効率を高めることができると共に、反応時間を延ばすことができ、処理ガス量を節約することができる。
【００３９】
この他、回転軸５２の回転方向や回転速度、開口部５４，５６の位置・数・大きさ・形状は、上述したものに限られず、撹拌対象やガスの物性に応じて、適宜変更しても良い。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
2020217572.tif 000012
2020217572.tif 000013
2020217572.tif 000014
2020217572.tif 000015