JP2004068139A

JP2004068139A - 溶解金属材料の酸化防止方法

Info

Publication number: JP2004068139A
Application number: JP2002259412A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yafuji; 八藤　眞
Original assignee: FLI KK
Current assignee: FLI KK
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】溶解された金属材料（溶湯）の酸化を防止する方法を得ることを目的とする。
【解決手段】加熱溶解および／もしくは溶解保持された金属材料の収容容器を電気的に絶縁するとともにこの金属材料に負の電気素量を持つエレクトロンを供給する。この発明によれば、金属材料が酸化する際に失われてしまうエレクトロンを供給して還元雰囲気を形成するので酸化現象による不都合を可及的に阻止できるものである。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加熱溶解および／もしくは溶解保持された金属材料の酸化防止方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来より、鉄、銅、アルミニウムなどの金属材料は、インゴットやスクラップを含むリターン材などを、例えば、酸素や酸素富化空気を支燃性ガスとしたバーナーによる化石燃料の燃焼熱やアーク熱などの加熱手段によって溶解し、この溶解状態（溶湯）をアーク熱などの補助的加熱手段で保持し、所望の用途に適宜供されている。
【０００３】
ところで、このようにして加熱溶解および／もしくは溶解保持された金属材料は、常時、空気や燃焼ガスに晒されているため一定量の酸化物が生成されることは避けられず、例えば、常温においても酸化しやすいアルミニウムなどの場合では溶湯表面にすぐに酸化物が形成されてしまう。またこのような溶解金属を鋳造に用いる場合などでは生成された酸化物を頻繁に除去する必要がある。
【０００４】
そして溶解保持された金属材料の酸化量が増加すると湯流れが低下するだけでなく、前記のアルミニウムの場合などは硬度の高い酸化物が生成されてしまうため機械加工が困難となり、さらに溶湯中には水素ガスおよび不純物などが混入していることが多く、このような溶湯を製品化すると巣ができてしまったり、不純物をそのまま含有してしまうので品質の低下が生じるなどの問題があった。
【０００５】
このような事情から、金属材料を溶解保持する坩堝などの収容容器を含む溶解保持炉の構造自体に工夫を凝らしたり、溶湯にアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを供給して水素ガスを放散するなど種々の対策が講じられているが充分とはいえなかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、この発明では、金属材料が空気に触れて酸素と結びついたときだけが酸化ではなく、負の電気素量を持つエレクトロン（電子＝−ｅ）の移動が生じたとき、すなわち、金属元素がエレクトロンを失ったときも酸化現象であることに着目し、具体的には、加熱溶解および／もしくは溶解保持された金属材料の収容容器を電気的に絶縁するとともにこの金属材料に負の電気素量を持つエレクトロンを供給することにより還元状態を保持して酸化現象が生じるのを阻止しようとするものである。
【０００７】
なお、この場合、導電性素材で容器を形成するとともにこの容器と電源装置の陰極側とを接続すれば金属材料にエレクトロンを好適に供給することができ、また導電性素材としては、自然電極電位が異なりしかも大きな電位差を有する複数の素材により構成するのが好ましい。
【０００８】
一方、容器を非導電性素材で形成する場合は、電源装置の陰極側に耐熱電極を接続し、この電極を容器に収容した金属材料に浸漬することによりエレクトロンの供給を好適に達成することができる。
【０００９】
さらにまた、容器内の原料金属を不活性雰囲気で囲繞したり、あるいはこの原料金属に不活性気体を供給してバブリングすれば、供給されるエレクトロンとの相乗作用によって顕著な抗酸化効果を期待することができるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る加熱溶解および／もしくは溶解保持された金属材料の酸化防止方法を実施する好適な形態を例示し、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。
すなわち、本発明に係る金属の溶解保持方法を実施するに際しては、例えば、図１に示すような金属溶解保持炉１０を好適に使用することができる。この金属溶解保持炉１０は耐熱素材で形成された筐体の内部にインゴットやリターン材などの被溶解金属材料Ｍ１を予熱する予熱部（タワー）１２と、この予熱部１２から降下した被溶解金属材料Ｍ１を酸素バーナなどの加熱手段１４による燃焼熱を用いて溶解する溶解用坩堝１６と、この溶解用坩堝１６から湯樋１８を介して流下した溶解金属（溶湯）Ｍを貯留する保持用坩堝２０を備えている。なお、この保持用坩堝２０には、例えば、アーク熱を使用する補助的加熱手段２２が配設されており溶解金属Ｍの溶解状態を保持するように構成されている。
【００１１】
また、保持用坩堝２０には、インバータを含む制御機構２４を介して商用電源などの電源装置２６の陰極側に接続された導体コード２８が適宜のコネクタ部材３０によって接続され、負の電気素量を持つエレクトロン（−ｅ）が供給されるようになっている。
なお、溶解用坩堝１６および保持用坩堝２０は、例えば、黒鉛などの導電性素材により形成されているが、金属溶解保持炉１０の筐体内側部には電気的に絶縁性を備える絶縁素材３２が張設されており、従って、前記溶解用坩堝１６、保持用坩堝２０と大地（ＧＬ）とは電気的に絶縁されている。このように溶解用坩堝１６や保持用坩堝２０を大地（ＧＬ）に対して電気的に絶縁するのは、コネクタ部材３０を介して保持用坩堝２０内の溶解金属Ｍに供給されるエレクトロン（−ｅ）が大地（ＧＬ）に漏洩しないようにするためである。
【００１２】
このように構成される金属溶解保持炉１０においては、例えば、アルミニウムなどのインゴットやリターン材などの金属材料は加熱手段１４によって予熱部（タワー）１２で予熱されたのち溶解用坩堝１６で溶融して溶湯となり、この溶湯が一定量以上になると湯樋１８を介して保持用坩堝２０に貯留される。そしてこの保持用坩堝２０に貯留された溶湯Ｍは所定の用途に供されるまで補助的加熱手段２２によってその溶融状態を保持されるが、該溶湯Ｍには電源装置２６の陰極側から負の電気素量を持つエレクトロン（−ｅ）が供給される。
【００１３】
ところで、通常、アルミニウムは、図２に示すようなメカニズムによって酸素と結びついて酸化してしまう。すなわち、アルミニウムＡｌ（原子番号１３）は、＋３価の金属であって最外殻のＭ殻には３つの自由電子があるのに対し、酸素Ｏ（原子番号８）の最外殻のＬ殻には２つの自由電子が不足している。このような状態で、アルミニウムＡｌ原子２つと酸素Ｏ原子３つとが結合すると酸素のＬ殻は電子で満たされて安定化（酸化）し、その結果、化合物である二酸化アルミニウム（Ａｌ^２Ｏ^３）が生じることになる。
【００１４】
これに対し、本発明に係る溶解保持方法によれば、図３ａに示すように保持用坩堝２０に貯留されているアルミニウムＡｌ溶湯（Ｍ）は空気に晒されているにもかわらず、電源装置２６の陰極側からコネクタ部材３０を介して負の電気素量を持つエレクトロン（−ｅ）が供給されるので、アルミニウムＡｌ溶湯（Ｍ）中だけでなくその表面近傍も無数のエレクトロン（−ｅ）で満たされている。そしてこれらのエレクトロン（−ｅ）がアルミニウムＡｌ原子の最外殻のＭ殻および酸素Ｏ原子のＬ殻に入って安定させるため、アルミニウムＡｌ原子と酸素Ｏ原子との結合が妨げられることになり、従って、酸化現象によって生じる種々の不都合を可及的に阻止できることになるのである（図３ｂ参照）。
【００１５】
なおこの場合、溶解用坩堝１６や保持用坩堝２０の素材を、電位差を有する複数の導電性素材により構成すれば、金属材料（溶湯）Ｍだけでなく複数の素材を含む電位差で生ずる微弱電流によってエレクトロン（−ｅ）が継続的に供給されるので酸化の抑制効果を向上させることができる。
【００１６】
また、図１に示す本発明方法の実施の態様では、溶解用坩堝１６や保持用坩堝２０を導電性素材の黒鉛で形成したが、非導電性素材によって形成してもよく、この場合は、電源装置２６の陰極側に接続した耐熱電極（図示せず）を溶解用坩堝１６や保持用坩堝２０に収容される金属材料Ｍに浸漬することにより、エレクトロン（−ｅ）の供給を好適に行うことができるものである。
【００１７】
さらにまた、金属溶解保持炉１０の筐体内部にアルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスを供給して溶解用坩堝１６や保持用坩堝２０の金属材料Ｍを不活性雰囲気によって囲繞したり、あるいはこれらの溶解用坩堝１６や保持用坩堝２０の金属材料（溶湯）、例えば、アルミニウム溶湯中に同様の不活性ガスを注入して生成した水素ガスを放散するように構成すれば、電源装置２６からのエレクトロン（−ｅ）の供給と相まって抗酸化効果をさらに向上させることができるものである。
【００１８】
酸化量の比較試験１
所定容量の黒鉛製容器（坩堝）Ａ、Ｂを用意し、これらの容器Ａ、Ｂに金属材料として約５６０ｇのアルミニウムを夫々投入して加熱溶解するとともに、容器Ａのみに２００Ｖの直流電源装置の陰極側から負の電気素量を持つエレクトロン（−ｅ）を供給し、所定時間保持したのち凝固させて両容器Ａ、Ｂ内のアルミニウムの重量を計測した。

【００１９】
この比較試験によれば、エレクトロン（−ｅ）を供給しなかった容器Ｂのアルミニウムは酸素と結合して酸化物が生成されたため重量増加率が０．２７％もあったのに対し、容器Ａでは供給されたエレクトロン（−ｅ）がアルミニウムＡｌ原子や酸素原子の最外殻に入って両者の結合（酸化）を阻止したのでその重量増加率は容器Ｂのアルミニウムの約１／７（０．０４％）に減少し、従って、容器Ａのアルミニウムは容器Ｂのアルミニウムに比べ、酸化量の大幅な低減を図ることができた。
【００２０】
酸化量の比較試験２
比較試験１と同様に所定容量の黒鉛製容器（坩堝）Ａ、Ｂを用意してこれらの容器Ａ、Ｂに純アルミニウム（粒状）を夫々投入して加熱溶解（８００℃で７．５時間）するとともに、容器Ａのみに商用電源（１００Ｖ）の陰極側から負の電気素量を持つエレクトロン（−ｅ）を供給し、両容器Ａ、Ｂを所定時間保持したのち凝固させて夫々の重量を計測した。

【００２１】
この試験によれば、比較試験１と同様にエレクトロン（−ｅ）を供給しなかった容器Ｂのアルミニウムは酸素と結合して酸化物が生成された（重量増加率０．３４％）のに対し、容器Ａでは供給されたエレクトロン（−ｅ）がアルミニウムや酸素に最外殻に入って両者の結合を阻止したので増加率は約１／２（０．１８％）に減少した。従って、容器Ａのアルミニウムは容器Ｂのアルミニウムに比べて酸化を防止できることが確認された。
【００２２】
【発明の効果】
先に述べたように、本発明に係る金属の溶解保持方法によれば、金属材料の収容容器を電気的に絶縁するとともにこの金属材料に負の電気素量を持つエレクトロン（電子＝−ｅ）を供給することにより還元雰囲気を形成するので、溶湯金属材料と酸素との結合を阻止して酸化現象によって生じる種々の問題を防止することができるだけでなく溶湯の品質も向上させることができる。また、保持時間が長くても酸化を抑制することができ、その結果、湯流れの低下などの不都合を阻止することができるなど種々の利点を有するものである。
以上、本発明に係る溶解金属材料の酸化防止方法の好適な実施の態様として金属溶解保持炉を、また金属材料としてアルミニウムを例示して説明したが、本発明方法は構造の異なる金属溶解保持炉やアルミニウム以外の種々の金属材料の酸化防止にも普遍的に適用することができ、本発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の変更をなし得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶解金属材料の酸化防止方法を実施する好適な形態としての金属溶解保持炉の概略説明図である。
【図２】溶解金属材料の一例であるアルミニウムの酸化のメカニズムを模式的に表した説明図である。
【図３】本発明に係る溶解金属材料の酸化防止方法の模式説明図であって、ａは図１に示す金属溶解保持炉における溶湯（アルミニウム）とこの溶湯に供給されるエレクトロン（−ｅ）との状態を示す説明図、ｂは酸化防止方法のメカニズムを模式的に表した説明図である。
【符号の説明】
１０…金属溶解保持炉、
１２…予熱部（タワー）、
１４…加熱手段、
１６…溶解用坩堝、
１８…湯樋、
２０…保持用坩堝、
２２…補助的加熱手段、
２４…制御機構、
２６…電源装置、
２８…導体コード、
３０−コネクタ部材、
３２…絶縁素材、

Claims

加熱溶解および／もしくは溶解保持された金属材料の収容容器を電気的に絶縁するとともにこの金属材料に負の電気素量を持つエレクトロンを供給することを特徴とする溶解金属材料の酸化防止方法。
容器を導電性素材で形成し、この容器と電源装置の陰極側とを接続することを特徴とする請求項１に記載の溶解金属材料の酸化防止方法。
導電性素材は、電位差を有する複数の素材により構成することからなる請求項２に記載の溶解金属材料の酸化防止方法。
容器を非導電性素材で形成し、電源装置の陰極側に接続される耐熱電極を前記容器に収容した金属材料に浸漬することからなる請求項１に記載の溶解金属材料の酸化防止方法。
容器内の金属材料を不活性雰囲気で囲繞することからなる請求項１〜４のいずれかに記載の溶解金属材料の酸化防止方法。
容器内の金属材料に不活性気体を供給することからなる請求項１〜４のいずれかに記載の溶解金属材料の酸化防止方法。