JP2007039744A

JP2007039744A - 回転脱ガス装置

Info

Publication number: JP2007039744A
Application number: JP2005225508A
Authority: JP
Inventors: Yuji Okada; 裕二岡田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2007-02-15

Abstract

【課題】回転脱ガス処理において、溶湯の湯面での渦流の発生を抑え、溶湯の清浄度を悪化させることがないようにし、もって溶湯の清浄化に大きく寄与する回転ガス装置を提供する。
【解決手段】保持炉１内の溶湯Ｍ中に、先端にロータ２を有する中空の回転ロッド３を浸漬し、回転ロッド３の中空内部を通してロータ２から不活性ガスを溶湯Ｍ中に吹込み、この吹込んだガスをロータ２の回転により破砕して細かな気泡Ｇとして浮上させ、該気泡Ｇ中に溶湯Ｍ中のガスを捕捉して脱ガスを行う回転脱ガス装置において、前記溶湯Ｍの湯面付近に、一部を湯面より突出させた状態で多孔の整流ブロック１４を放射状に複数設置し、該整流ブロック１４の孔に湯面付近の溶湯を出入りさせて、該孔による消波作用で湯面での渦流発生を抑制し、かつ該孔内に溶湯の酸化で生成した酸化物を捕捉して溶湯が酸化物で汚染されるのを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯の脱ガス装置に係り、より詳しくは溶湯内でロータを回転させながら該ロータから不活性ガスを溶湯中に吹込んで脱ガスを行う回転脱ガス装置に関する。

従来、一般的な回転脱ガス装置は、図５に示されるように、保持炉１内に収容された溶湯Ｍ中に、先端にロータ２を有する中空の回転ロッド３を、前記ロータ２が保持炉１の炉底近傍に位置するように浸漬し、回転ロッド３と一体にロータ２を回転させながら、該回転ロッド３の中空内部を通して、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスをロータ２から溶湯Ｍに吹込む構造となっていた。このような回転脱ガス装置においては、ロータ２から溶湯Ｍ中に吹込まれた不活性ガスが、ロータ２の回転により破砕されて細かな気泡Ｇとなって溶湯Ｍ中を上昇し、この上昇する細かな気泡Ｇにアルミ溶湯Ｍ中のガス（主として、水素ガス）が捕捉（トラップ）されて、効率よく脱ガスが行われる。

ところで、この種の回転脱ガス装置において、ロータ２から溶湯Ｍ中に吹込んだガスの微細化を図るには、ロータ２をかなりの高速で回転させなければならず、その回転に伴って溶湯Ｍの湯面で渦流が発生する。そして、この渦流発生に伴う湯面の乱れで溶湯が酸化され、鋳造品に介在物として残る酸化物（主として、Ａｌ₂Ｏ₃）が生成されて、溶湯の清浄度が悪化してしまう。

そこで従来、図６に示されるように、溶湯Ｍ中にバッフルプレート５を設置し、該バッフルプレート５により湯面での渦流発生を抑える対策が多く採用されていた。この場合、バッフルプレート５の設置形態は必ずしも一定せず、例えば、特許文献１に記載される回転脱ガス装置では、図６に示されるように溶湯Ｍの湯面付近に所定深さだけ浸漬されるように吊下式にバッフルプレートを設置し、また、特許文献２に記載される回転脱ガス装置では、炉底から湯面の上方まで延ばした形態で炉壁に沿って放射状にバッフルプレートを設置している。

なお、渦流発生防止対策としては、上記したバッフルプレートを用いる以外にも、例えば、特許文献３に記載されるように、ロータの構造に工夫をなす（複合回転体とする）ことにより吹込みガスの微細化を促進し、ロータの回転速度を下げて湯面での渦流発生を抑える対策、あるいはロータの回転方向を交互に変える（交互回転する）ことにより、湯面での渦流発生を抑える対策がある。

特開平７−１７９９５６号公報特開平７−２０７３７３号公報（[００２０]）特開平７−９０４０６号公報

しかしながら、上記した特許文献１、２に記載されるごときバッフルプレートを設置する対策、特許文献３に記載されるごときロータの構造を変更する対策、あるいはロータを交互回転させる対策によれば、何れも渦流発生の抑制にある程度の効果があるものの、渦流の発生を完全になくすることはできず、依然として溶湯の酸化が起こって、溶湯の清浄度を所望の水準まで高めることが困難である、という問題があった。

本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、溶湯の湯面での渦流の発生を抑えることはことはもちろん、多少の渦流が発生しても溶湯の清浄度を悪化させることがないようにし、もって溶湯の清浄化に大きく寄与する回転脱ガス装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯中にロータを浸漬し、前記ロータを回転させながら該ロータから不活性ガスを溶湯中に吹込んで脱ガスを行う回転脱ガス装置において、前記溶湯の湯面付近に、一部を湯面より突出させた状態で、少なくとも１個の多孔のブロック状整流ブロックを設置したことを特徴とする。

このように構成した回転脱ガス装置においては、溶湯の湯面付近に多孔のブロック状整流ブロックを設置しているので、湯面付近の溶湯がこの整流ブロックの孔内に出入りして湯面が消波され、これにより湯面での渦流発生が抑えられる。また、わずかに生じる渦流により溶湯の酸化が起こっても、生成した酸化物が整流ブロックの孔内に捕捉されるので、酸化物によって溶湯が汚染されることもない。

本発明において、上記整流ブロックの形状、構造は任意であるが、直方体状をなし、円形または正多角形の孔が直方体の相離反する２面を貫通してハニカム状に形成される構造とするのが望ましい。このように整流ブロックを構成した場合は、孔の集積度を高めることができるので、整流ブロックの消波機能、酸化物捕捉機能が向上する。また、この場合、整流ブロックは、ロータの回転中心を中心とする円筒の接線方向へ孔向きを略一致させて設置されるようにするのが望ましい。このように整流ブロックを設置することで、該整流ブロックの孔内への溶湯の出入りが容易となり、整流ブロックによる湯面の消波並びに生成した酸化物の捕捉が促進される。

本発明に係る回転脱ガス装置によれば、溶湯の湯面付近に設置した多孔の整流ブロックが、湯面を消波して渦流の発生を抑制する作用に加え、生成した酸化物を捕捉する作用をなすので、脱ガス効果が最大限に発揮され、溶湯の清浄化に大きく寄与するものとなる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の１つの実施形態である回転脱ガス装置を示したものである。なお、本回転脱ガス装置の基本構造は前出図５に示したものと同じであるので、ここでは、同一部分に同一符号を付すこととする。本実施形態において、先端にロータ２を有する回転ロッド３は、保持炉１の炉蓋１０上に配置した回転ユニット１１により回転駆動されるようになっている。回転ロッド３はまた、前記回転ユニット１１を挿通して延ばされた上端にスイベル継手１２を備えており、回転ロッド３の中空内部には、前記スイベル継手１２を介して図示を略すガス源からアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスが圧送されるようになっている。なお、回転ロッド３は、保持炉１の中心に位置決めされている。

上記炉蓋１０には、支持ロッド１３を介して後述の整流ブロック１４が吊下支持されている。整流ブロック１４は、ここでは４個設けられており、回転ロッド３を中心としてその周りに放射状に配列されている。また、各整流ブロック１４は、湯面付近に位置決めされるように、望ましくはその全高の１／３〜１／４程度が湯面より突出するように炉蓋１０からの吊下高さが設定されている。

上記整流ブロック１４は、図２によく示されるように、直方体状をなしており、これにはその相離反する２面を貫通してハニカム状に多数の孔１５が開けられている。各整流ブロック１４は、上記回転ロッド３の軸心すなわちロータ２の回転中心を中心する円筒の接線方向へ孔１５の向きを略一致させるように炉蓋１０に吊下支持されている。本実施形態において、整流ブロック１４の孔１５の形状は任意であるが、できるだけ孔１５の集積度を高めるには、例えば、同図（Ａ）に示されるような円形の孔１５Ａ、あるいは同図（Ｂ）に示されるような六角形（正多角形であれば、他の形状でもよい）の孔１５Ｂとするのが望ましい。また、整流ブロック１４の材種としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯（アルミ溶湯）Ｍに対して、十分なる耐熱性と十分なる耐溶損性とを有するものを選択するのが望ましい。このような材料としては、アルミナ等のセラミックスや黒鉛がある。

上記のように構成した回転脱ガス装置によりアルミ溶湯Ｍの脱ガス処理を行うには、回転ユニット１１により回転ロッド３を回転させながら、図示を略すガス源から回転ロッド３の中空内部にアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスを圧送する。すると、この不活性ガスは、回転ロッド３の先端のロータ２から保持炉１内のアルミ溶湯Ｍ中に吹込まれ、さらに回転ロッド３と一体に回転するロータ２により破砕される。そして、前記ロータ２によって破砕された不活性ガスは、細かな気泡Ｇとなってアルミ溶湯Ｍ中を拡散しながら上昇し、その上昇過程で該気泡Ｇにアルミ溶湯Ｍ中のガス（主として、水素ガス）が捕捉され、脱ガス処理が行われる。この時、ロータ２を含む回転ロッド３の回転によりアルミ溶湯Ｍの湯面に波が生じる。しかし、この湯面付近には多数の孔１５を有する整流ブロック１４が存在するので、湯面付近の溶湯Ｍが該整流ブロック１４の孔１５内を流通し、これにより波が消され（消波され）、この結果、湯面での渦流発生が抑えられる。また、わずかに生じる渦流により溶湯の酸化が起こっても、生成した酸化物（主として、Ａｌ₂Ｏ₃）がアルミ溶湯Ｍと一緒に整流ブロック１４の孔１５内に流入し、孔１５が十分な長さを有していることもあって、孔１５の内面に酸化物が効率よく捕捉され、この結果、酸化物によってアルミ溶湯Ｍが汚染されることもなくなる。すなわち、整流ブロック１４の消波作用および酸化物捕捉作用によりアルミ溶湯Ｍの清浄化が促進され、脱ガスの効果が十分に発揮される。

本実施形態においては特に、ハニカム状に多数の孔１５を開けた整流ブロック１４を放射状に４個設置しているので、湯面の広い範囲で消波および酸化物捕捉作用が行われ、アルミ溶湯Ｍの清浄化がより一層促進される。また、整流ブロック１４は、その全高の１／３〜１／４程度を湯面より突出させた状態で設置されているので、湯面に生じる波が整流ブロックを超える（越波する）ことがなく、その上、湯面下には所望の消波作用、酸化物捕捉作用を確保するに足る十分なる浸漬量が確保され、整流ブロック１４による消波作用および酸化物捕作用が十分に発揮される。また、整流ブロック１４の孔１５は、時間の経過とともに次第に目詰まりするので、定期的に清掃が必要になるが、本実施形態においては、該孔１５が直線状に延びているので、例えば、突き棒、ジェット水等を利用して簡単に清掃を行うことができる。

ここで、図１に示す例では、整流ブロック１４が回転ロッド３と保持炉１の炉壁との中間部位に配置されているが、渦流が遠心力の作用で発生することを考慮すれば、該整流ブロック１４はできるだけ炉壁に近い部位に配置するのが望ましい。なお、この整流ブロック１４の設置数は任意であり、１〜３個であっても、５個以上であってもよい。また、この整流ブロック１４の形状も任意であり、上記した直方体状に代えて、例えば、台形状、断面異形状とすることができる。

また、上記実施形態においては、ロータ２を含む回転ロッド３、回転ユニット１１、整流ブロック１４等の構成要素を保持炉１の炉蓋１０に配置して固定設備としたが、本発明は、これら構成要素を可動設備としてもよいものである。可動設備とした場合は、必要に応じて回転ロッド３、整流ブロック１４を保持炉１から引上げて簡単にメンテナンスを行うことができる。さらに、上記実施形態においては、保持炉１内で回転脱ガスを実施するようにしたが、本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶解炉内で回転脱ガスを実施してもよいもので、この場合は、保持炉１が溶解炉に代わる。

内径９５０ｍｍの大きさを有する黒鉛坩堝にＡＤＣ１２からなるアルミ溶湯を５００ｋｇ収容し、６８０℃に保持して、図１に示した態様で（ただし、整形ブロック１４の数は１個）回転脱ガス処理を行った。ここで、整形ブロック１４としては、図２（Ｂ）に示した六角形の孔１５Ｂを有し、かつ高さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍの大きさを有するものを使用し、これを３０ｍｍだけ湯面上に突出する状態でアルミ溶湯の湯面付近に設置した。また、脱ガス処理は、回転ロッドを５００ｒｐｍの速度で回転させながら、ロータからアルゴンガスを１５ｌ／ｍｉｎの流量で吹込む条件で行った。そして、ガスの吹込みを５分間実施した後、１分間沈静させてランズレー式鋳型によるサンプリングを行い、このサイクルを３回繰返して、各サンプルについてガス量（水素量）および介在物量の測定を行った。ガス量の測定は減圧ガス量測定法により、介在物量の測定は１０倍の拡大鏡による破面観察法によりそれぞれ行った。なお、比較のため、回転ロッド（ロータ）を８秒ごとに逆回転させる交互回転式による回転脱ガス処理（比較ａ）と、図６に示した態様でバッフルプレート（板厚２０ｍｍ、板幅１００ｍｍ）５を３００ｍｍ浸漬させたバッフルプレート式による回転脱ガス処理（比較ｂ）とを上記したと同じ条件で実施し、同様の測定を行った。

図３は、ガス量の測定結果を示したものである。同図に示す結果より、最初の５分間のガス吹込みでは、比較ａ（交互回転式回転脱ガス処理）のガス量が約０.８ｃｃ／１００ｇＡｌ、比較ｂ（バッフルプレート式回転脱ガス処理）のガス量が約０.５５ｃｃ／１００ｇＡｌであるのに対し、本発明のガス量は約０.３ｃｃ／１００ｇＡｌであり、本発明でより大きな脱ガス効果が得られている。また、本発明は、２回目以降でガス量が０.２ｃｃ／１００ｇＡｌ以下となっており、分析精度を含めた限界の水準に短時間で到達することが確認できた。

図４は、介在物量の測定結果を示したものである。なお、同図に示す介在物量は、１０個の破面観察結果の平均を示したものである。図４に示す結果より、本発明は、比較ａ、比較ｂに比べ、各繰返し数で介在物量が著しく少なくなっている。

本発明の１つの実施形態である回転脱ガス装置の構造と該装置による回転脱ガス処理の実施状況とを示す模式図である。本発明で用いる整流ブロックを示したもので、（Ａ）は円形の孔をハニカム状に設けた整流ブロックの構造を示す斜視図、（ｂ）は六角形の孔をハニカム状に設けた整流ブロックの構造を示す斜視図である。本発明の実施例の結果を比較例と対比して示したもので、ガス量の経時変化を示すグラフである。本発明の実施例の結果を比較例と対比して示したもので、介在物量の経時変化を示すグラフである。従来の一般的な回転脱ガス装置と該装置による回転脱ガス処理の実施状況とを示す模式図である。従来のバッフルプレート式回転脱ガス装置と該装置による回転脱ガス処理の実施状況とを示す模式図である。

符号の説明

１保持炉
２ロータ
３回転ロッド
１０保持炉の炉蓋
１１回転ユニット
１４整流ブロック
１５整流ブロックの孔
１５Ａ円形の孔
１５Ｂ六角形の孔

Claims

アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯中にロータを浸漬し、前記ロータを回転させながら該ロータから不活性ガスを溶湯中に吹込んで脱ガスを行う回転脱ガス装置において、前記溶湯の湯面付近に、一部を湯面より突出させた状態で、少なくとも１個の多孔の整流ブロックを設置したことを特徴とする回転脱ガス装置。
整流ブロックが直方体状をなし、円形または正多角形の孔が直方体の相離反する２面を貫通してハニカム状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転脱ガス装置。
整流ブロックが、ロータの回転中心を中心とする円筒の接線方向へ孔向きを略一致させて設置されることを特徴とする請求項２に記載の回転脱ガス装置。