JP2016003838A - 滓還元除去方法と滓還元除去装置 - Google Patents
滓還元除去方法と滓還元除去装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】溶解炉若しくは保持炉などの炉内に貯留される金属溶湯が酸化されて当該金属溶湯の湯面もしくは内部に浮遊している酸化物からなる滓を効率的に除去することのできる滓還元除去方法と滓還元除去装置を提供する。【解決手段】アルゴンを含むシールドガス雰囲気下で金属溶湯Ｍの上方に配置されたアーク電極１と金属溶湯Ｍとの間でアーク放電することにより、炉Ｒ内に貯留される金属溶湯Ｍが酸化されて形成された酸化物Ｌを還元させて除去する。【選択図】図２
Description
本発明は、滓還元除去方法と滓還元除去装置に関し、たとえば溶解炉若しくは保持炉などの炉内に貯留される金属溶湯が酸化されて当該金属溶湯の湯面もしくは内部に浮遊している酸化物からなる滓を除去する滓還元除去方法と滓還元除去装置に関するものである。
溶解炉等において金属を溶解したり、保持炉等において溶解した金属を一時的に保持する際には、金属を溶解して生成された溶湯の湯面に滓（のろ、かす）が発生する。特に、溶解炉で溶解させた金属（溶湯）を保持炉に移し替える際には、溶湯が周囲の空気を巻き込みながら保持炉に配湯されるため、多くの滓が発生することが知られている。この滓を溶湯の湯面において高温のまま滞留させておくと、滓の自己連続酸化反応により所謂電気灰の生成量が増加し、溶解歩留まり（投入金属の量に対する利用できる溶湯量の割合）が悪化したり、滓が溶湯中に混入して鋳造製品（ダイキャスト製品）の品質が低下したり、鋳造製品を成形（切削加工）するための刃具を傷める可能性がある。そのため、発生した滓はその発生後速やかに溶湯から回収して除去することが望まれている。なお、本発明では、金属を溶解する際などに発生する浮上ドロス、スラグ等を総称して滓（のろ、かす）と称する。
従来、このような滓の回収および除去作業は、柄杓状の用具等を用いて作業者が手作業で行ったり、回収治具を装着した汎用ロボットにて自動的に行う場合が多かった。
しかしながら、上記した従来の滓の回収および除去作業では、作業者の作業負担が大きいといった問題、作業ロボットを含む回収および除去設備が複雑化・大型化するといった問題、溶湯の湯面に浮遊する滓のみを精緻に回収することが難しいといった問題などの様々な問題を有していた。
このような問題に対し、電気を熱源に用いて電気精錬を行う金属精錬技術を利用して滓を除去する技術が知られており、この種の従来技術が特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示されている金属精錬方法は、精練すべき原料を炉内に収容し、複数の電極棒を向き合わせたマルチ電極から発生するマルチアークにより、炉内の原料を溶解して精練する方法である。また、マルチアークにヘリウムやネオン等のプラズマ化を促進するガスを供給する方法である。
特許文献１に開示されている金属精錬方法によれば、溶湯の湯面に浮遊する滓を回収して廃棄することなく、マルチアークの高温と強力な還元力によって、例えば鉄スクラップを溶解して精練したり、アルミナ等の金属酸化物を直接精錬することができる。
しかしながら、特許文献１に開示されている金属精錬方法においては、マルチ電極によりマルチアークの高温と強力な還元力を得て鉄スクラップを溶解して精練したり、アルミナ等の金属酸化物を直接精錬する必要があり、効率化の観点で改善の余地があった。
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、溶解炉若しくは保持炉などの炉内に貯留される金属溶湯が酸化されて当該金属溶湯の湯面もしくは内部に浮遊している酸化物からなる滓を効率的に除去することのできる滓還元除去方法と滓還元除去装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明者等は、たとえばＴＩＧ溶接などといった、アーク電極を用いてアーク放電を発生させて溶接を行うアーク溶接における前記アーク放電に起因する還元作用を応用することにより、金属溶湯の湯面もしくは内部に浮遊している酸化物からなる滓を効率的に除去し得ることを見出した。
すなわち、本発明による滓還元除去方法は、炉内に貯留される金属溶湯が酸化されて形成され、該金属溶湯の湯面もしくは内部に浮遊する酸化物からなる滓を除去する滓還元除去方法であって、アルゴンを含むシールドガス雰囲気下で金属溶湯の上方に配置されたアーク電極と金属溶湯との間でアーク放電することにより、前記酸化物を還元させて除去する方法である。
上記する方法によれば、アルゴンを含むシールドガス雰囲気下で金属溶湯の上方に配置されたアーク電極と金属溶湯との間でアーク放電することにより、金属溶湯が酸化されて形成された酸化物を当該金属溶湯へ効果的に還元できるため、前記酸化物からなる滓を効率的に除去することができる。
上記する滓還元除去方法の好ましい形態は、前記アーク電極の周囲から前記金属溶湯へ向かって前記シールドガスを噴射しながら前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電する方法である。
上記する方法によれば、アーク電極の周囲から金属溶湯へ向かってシールドガスを噴射しながらアーク電極と金属溶湯との間でアーク放電することにより、酸化物の還元反応を促進（活性化）できるため、前記酸化物からなる滓をより効率的に除去することができる。
また、上記する滓還元除去方法の好ましい形態は、前記金属溶湯の上方で前記アーク電極を上下方向もしくは横方向へ移動させながら前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電する方法である。
上記する方法によれば、金属溶湯の上方でアーク電極を移動ながらアーク電極と金属溶湯との間でアーク放電することにより、金属溶湯の広範囲に亘って、特にその全範囲に亘って前記酸化物からなる滓を効率的に除去することができる。
また、上記する滓還元除去方法の好ましい形態は、前記金属溶湯の湯面と前記アーク電極との距離が所定の範囲内となるように前記アーク電極を上下方向へ移動させる方法である。
上記する方法によれば、金属溶湯の湯面とアーク電極との距離が所定の範囲内となるようにアーク電極を上下方向へ移動させてその高さ（電圧）を制御することにより、たとえばシールドガスの噴射等に起因して金属溶湯の湯面が波打ってその湯面の高さが変化する場合や溶解炉から保持炉への配湯等に応じてその溶解炉や保持炉に貯留された金属溶湯の湯面の高さが変化する場合であっても、アーク放電時のアーク電極と金属溶湯との間に流れる電流値などを所定の範囲内に制御できるため、前記酸化物からなる滓を効率的かつ確実に除去することができる。
また、上記する滓還元除去方法の好ましい形態は、前記金属溶湯の湯面に滓を浮上させながらあるいは滓を浮上させた後に、前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電する方法である。
上記する方法によれば、金属溶湯の湯面に滓を浮上させながらあるいは滓を浮上させた後に、アーク電極と金属溶湯との間でアーク放電することにより、滓に含まれる酸化物を当該金属溶湯へ確実に還元できるため、前記酸化物からなる滓をより効率的かつ確実に除去することができる。
また、上記する滓還元除去方法の好ましい形態は、複数のアーク電極を用意し、前記金属溶湯の上方に配置された前記複数のアーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電する方法であり、前記複数のアーク電極同士の間隔を変化させながら前記複数のアーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電する方法である。
上記する方法によれば、金属溶湯の上方に配置された複数のアーク電極同士の間隔を変化させながらその複数のアーク電極と金属溶湯との間でアーク放電することにより、前記酸化物を金属溶湯へより効果的に還元できるため、前記酸化物からなる滓をより効率的に除去することができる。
また、本発明による滓還元除去装置は、炉内に貯留される金属溶湯が酸化されて形成され、該金属溶湯の湯面もしくは内部に浮遊する酸化物からなる滓を除去する滓還元除去装置であって、アルゴンを含むシールドガスを供給するシールドガス供給装置と、金属溶湯の上方に配置されたアーク電極と、前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電させるための電源と、を備え、前記シールドガス供給装置により供給されたシールドガス雰囲気下で前記電源を介して前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電することにより、前記酸化物を還元させて除去するようになっている装置である。
上記する装置によれば、シールドガス供給装置により供給されたアルゴンを含むシールドガス雰囲気下で、金属溶湯の上方に配置されたアーク電極と金属溶湯との間でアーク放電することにより、金属溶湯が酸化されて形成された酸化物を当該金属溶湯へ効果的に還元できるため、前記酸化物からなる滓を効率的に除去することができる。
以上の説明から理解できるように、本発明によれば、アルゴンを含むシールドガス雰囲気下で、金属溶湯の上方に配置されたアーク電極と金属溶湯との間でアーク放電することにより、炉内に貯留される金属溶湯が酸化されて形成されて該金属溶湯の湯面もしくは内部に浮遊する酸化物を該金属溶湯へ還元させるという簡便な方法でもって、前記酸化物からなる滓を効率的に除去することが可能となる。
以下、図面を参照して本発明の滓還元除去方法と滓還元除去装置の実施の形態を説明する。
［滓還元除去装置の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の滓還元除去装置の実施の形態を説明する。図１は、本発明の滓還元除去装置の実施の形態の全体構成を概略的に示した全体構成図である。本発明の滓還元除去装置は、ＴＩＧ溶接などのアーク溶接で使用される溶接装置を利用したものである。
まず、図１を参照して、本発明の滓還元除去装置の実施の形態を説明する。図１は、本発明の滓還元除去装置の実施の形態の全体構成を概略的に示した全体構成図である。本発明の滓還元除去装置は、ＴＩＧ溶接などのアーク溶接で使用される溶接装置を利用したものである。
図示する滓還元除去装置１０は、主に、アーク電極（トーチともいう）１とシールドガス供給装置２が装着されたマニピュレータ（移動装置）３、電源４、計測装置（不図示）、滓浮上装置（不図示）、及び制御装置５を備えている。シールドガス供給装置２、マニピュレータ３、電源４、計測装置、及び滓浮上装置と制御装置５とはそれぞれ、有線もしくは無線の通信回線を介して通信可能に接続されている。
マニピュレータ３は、たとえば、多軸方向の動作を実現する複数の関節部を有するアームを備えた多関節型ロボットで構成され、そのアームの先端部にアーク電極１とシールドガス供給装置２が装着されている。このマニピュレータ３は、制御装置５から送信される動作指令信号に基づいてアームの先端部が多方向に変位され、先端部に装着されたアーク電極１等が炉Ｒ内に貯留された金属溶湯Ｍの上方の所望の位置へ自在に移動されるようになっている。なお、金属溶湯Ｍの上方でアーク電極１等を上下方向もしくは横方向へ移動させる移動装置としては、上記した多関節型ロボットから構成されるマニピュレータ３の他、たとえばX,Y軸制御機構などの適宜の機構を有する装置を適用し得る。
ここで、マニピュレータ３のアーム先端部に装置されるアーク電極１の形成素材としては、たとえば、タングステン（W）、炭素（C）、鉄（Fe）、銅（Cu）などが挙げられる。
また、マニピュレータ３のアーム先端部に装置されるシールドガス供給装置２には、不図示の供給管を介してアルゴン（Ar）を含むシールドガスが所定圧力で供給されるようになっている。このシールドガス供給装置２は、制御装置５から送信される動作指令信号に基づいて駆動され、当該シールドガス供給装置２へ供給されたシールドガスを、アーク電極１の軸線方向に向かってかつアーク電極１の周囲から噴射するようになっている。
なお、シールドガス供給装置２から噴射されるシールドガスは、酸化物からなる滓の除去処理（酸化物の還元反応）に有効であることが本発明者等による実験により確認されたアルゴン（Ar）を含んでいれば、そのアルゴン（Ar）に対して、たとえば、不活性ガスであるヘリウム（He）、活性ガスである二酸化炭素（CO2）や酸素（O2）、水素（H2）などを混合してもよい。
電源４は、マニピュレータ３に装着されたアーク電極１と炉Ｒ内に貯留された金属溶湯Ｍとに電気的に接続されている。この電源４は、アーク電極１に正極性を持たせ、金属溶湯Ｍに陰（負）極性を持たせて、アーク電極１と金属溶湯Ｍとの間にアーク放電を発生させられれば、直流電源であってもよいし、交流電源であってもよい。たとえば、電源４が直流電源である場合には、電源４の正極側にアーク電極１が接続され、電源４の陰極（負極）側に金属溶湯Ｍが接続され、制御装置５から送信される動作指令信号に基づいて電源４がＯＮされて通電されると、アーク電極１と金属溶湯Ｍとの間に電位差が生成されてアーク放電が発生（アークが照射）される。なお、アークとは、シールドガスが高温のプラズマ状となった荷電粒子の流れである。
不図示の計測装置は、マニピュレータ３に装着されたアーク電極１と炉Ｒ内に貯留された金属溶湯Ｍの湯面Ｍａとの距離（上下方向の寸法）、あるいは、金属溶湯Ｍの湯面Ｍａの高さを計測するためのものであり、たとえば、撮像装置としてのカメラ及び当該カメラにより撮像された画像を処理する画像処理装置や、赤外線発生装置及び当該赤外線発生装置から得られる情報から距離等を算出する演算装置などで構成される。この計測装置は、アーク電極１の先端や金属溶湯Ｍの湯面Ｍａを認識し得るように、マニピュレータ３や炉Ｒ等の所定箇所に配設されており、制御装置５から送信される動作指令信号に基づいて適宜のタイミングで作動され、上記したアーク電極１と金属溶湯Ｍの湯面Ｍａとの距離あるいは金属溶湯Ｍの湯面Ｍａの高さを計測し、その計測結果を制御装置５へ送信するようになっている。制御装置５は、後述するように、計測装置から送信された計測結果を利用して、上記したマニピュレータ３や電源４へ動作指令信号を送信し、マニピュレータ３の移動や電源４の電圧などを制御するようになっている。
不図示の滓浮上装置は、炉Ｒ内に貯留された金属溶湯Ｍの内部に浮遊（存在）する滓（特に、金属溶湯Ｍが酸化されて固化された酸化物からなる滓）を湯面Ｍａに浮上させるためのものであり、たとえば、気泡浮上技術を利用した回転脱ガス装置などで構成される。この滓浮上装置は、制御装置５から送信される動作指令信号に基づいて適宜のタイミングで作動され、金属溶湯Ｍの内部に浮遊する滓を当該金属溶湯Ｍの湯面Ｍａに浮上させるようになっている。
制御装置５は、予め記憶部に記憶された情報（たとえば、マニピュレータ３の移動軌跡もしくは移動方向やその移動速度に関する情報、シールドガス供給装置２や電源４、計測装置、滓浮上装置のＯＮタイミングに関する情報など）や計測装置で得られた情報に基づいて、シールドガス供給装置２やマニピュレータ３、電源４、計測装置、滓浮上装置などに動作指令信号を送信して各装置の動作状態を制御するようになっている。この制御装置５は、たとえば、一般的なパーソナルコンピュータに所定の演算プログラム等が実装されたもので構成される。
［滓還元除去方法の実施の形態］
次に、図２および図３を参照して、本発明の滓還元除去方法の実施の形態を説明する。図２は、図１のＩ部拡大断面図であり、図１で示す滓還元除去装置による滓還元除去方法（本発明の滓還元除去方法の実施の形態）を説明した図である。また、図３は、図１で示すアーク電極の移動軌跡の一例を説明した説明図である。
次に、図２および図３を参照して、本発明の滓還元除去方法の実施の形態を説明する。図２は、図１のＩ部拡大断面図であり、図１で示す滓還元除去装置による滓還元除去方法（本発明の滓還元除去方法の実施の形態）を説明した図である。また、図３は、図１で示すアーク電極の移動軌跡の一例を説明した説明図である。
溶解炉若しくは保持炉などの炉Ｒ内に貯留される金属溶湯Ｍの湯面Ｍａもしくは内部には、金属溶湯Ｍが酸化されて形成された酸化物Ｌからなる滓が浮遊している。ここで、前記酸化物Ｌには、金属溶湯Ｍの組成に応じて、たとえば、アルミナ（Al2O3）や酸化鉄（Fe0,Fe2O3,Fe3O4）、酸化銅（CuO,Cu2O）、酸化マグネシウム（MgO）、酸化亜鉛（ZnO）などが含まれている。
前記酸化物Ｌからなる滓を除去するに当たり、図２で示すように、まず、制御装置５を介してマニピュレータ３を駆動し、マニピュレータ３のアーム先端部に装置されたアーク電極１とシールドガス供給装置２を金属溶湯Ｍの上方の所定位置へ移動させる。その際、アーク電極１の軸線が略鉛直方向（上下方向）へ向くように当該アーク電極１を配置する。また、所定の手段により滓が浮遊している位置情報が得られる場合には、マニピュレータ３を駆動させて当該アーク電極１を滓が浮遊している位置の上方に配置するようにしてもよい。
次いで、制御装置５を介してシールドガス供給装置２と電源４とを作動し、シールドガス供給装置２から金属溶湯Ｍへ向かってシールドガスＧを噴射しながら、アーク電極１に正極性を持たせ、金属溶湯Ｍに陰（負）極性を持たせ、環状に噴射されたシールドガスの内部でアーク電極１と金属溶湯Ｍとの間にアーク放電を発生させる。これにより、アルゴン（Ar）を含むシールドガスＧ雰囲気下でアーク電極１から金属溶湯Ｍへ向かってアークＡが照射される。
このように、アーク電極１に正極性を持たせ、金属溶湯Ｍに陰（負）極性を持たせた状態で、アルゴン（Ar）を含むシールドガス雰囲気下で金属溶湯Ｍの上方に配置されたアーク電極１と金属溶湯Ｍとの間でアーク放電し、アーク電極１から金属溶湯Ｍへ向かってアーク照射することにより、炉Ｒ内に貯留される金属溶湯Ｍが酸化されて形成され、当該金属溶湯Ｍの湯面Ｍａもしくは内部に浮遊する酸化物Ｌが金属溶湯Ｍへ還元されることとなる。
具体的には、たとえば、図２で示すように、アルミニウム（Al）（活性な元素であり、大気中の酸素と結びつき易い元素）からなる金属溶湯Ｍが炉Ｒ内に貯留され、その金属溶湯Ｍの湯面Ｍａもしくは内部にアルミナ（Al2O3）からなる酸化物Ｌが浮遊している場合、上記方法により、アルミナ（Al2O3）を構成する酸素イオン（02-）がアーク放電に起因する酸化作用によって酸素（O2）として外部へ放出されると共に、アルミナ（Al2O3）を構成するアルミニウムイオン（Al3+）がアルミニウム（Al）に変化（還元）されることとなる。
更に詳細には、アーク照射による入熱エネルギーにより、金属溶湯Ｍの湯面Ｍａ等に浮遊する酸化物Ｌの表層に亀裂が発生し、その亀裂を介して、アルミナ（Al2O3）からなる酸化物Ｌの主成分である酸素イオン（02-）のみが金属溶湯Ｍ側（陰（負）極性側）から発生する活性化エネルギー（自由電子（e-））と共にアーク電極１側（正極性側）へ誘導され、その誘導途中で酸素（O2）として外部へ揮発すると共に、金属溶湯Ｍの内部に残ったアルミニウムイオン（Al3+）がアルミニウム（Al）に還元される。
次に、シールドガス供給装置２と電源４とを駆動した状態で、制御装置５を介してマニピュレータ３を横方向（湯面Ｍａと平行な方向）（図中、Ｘ方向）へ所定速度で駆動し、金属溶湯Ｍの上方でアーク電極１を移動させながらアーク電極１と金属溶湯Ｍとの間でアーク放電する。このように制御装置５を介してマニピュレータ３を駆動し、図３で示すように、マニピュレータ３に装置されたアーク電極１を金属溶湯Ｍの上方の全体に亘って移動させる（特に、図３で示すように一側面と他側面との間で反復移動させる）ことにより、金属溶湯Ｍの全範囲に亘って滓除去作業を行うことができる。また、アークの局部照射により単位面積当たりの入熱エネルギー量が高くなると新たな酸化物が発生される可能性があることが本発明者等により確認されている（以下の表１参照）が、このように金属溶湯Ｍの上方でアーク電極１を横方向へ移動させながらアーク電極１と金属溶湯Ｍとの間でアーク放電することにより、単位面積当たりの入熱エネルギー量を適正に制御できるといった利点もある。
また、マニピュレータ３を横方向へ駆動する際には、制御装置５を介して計測装置を作動させ、計測装置で得られた情報（アーク電極１と金属溶湯Ｍの湯面Ｍａとの距離、あるいは、金属溶湯Ｍの湯面Ｍａの高さ）に基づいて、金属溶湯Ｍの湯面Ｍａとアーク電極１との距離が所定の距離（滓除去作業（酸化物の還元反応）を効率的に行うための基準となる距離）となるように、マニピュレータ３によりアーク電極１を上下方向（図中、Ｙ方向）へ移動させて高さ（電圧）を制御する。これにより、たとえばシールドガスＧの噴射等に起因して金属溶湯Ｍの湯面Ｍａが波打って湯面Ｍａの高さが変化する場合や配湯等に応じて炉Ｒ内に貯留された金属溶湯の湯面の高さが変化する場合であっても、アーク放電時のアーク電極１と金属溶湯Ｍとの間に流れる電流値などを所定の範囲内に制御でき、滓除去作業を確実に行うことができる。なお、計測装置で得られた情報（アーク電極１と金属溶湯Ｍの湯面Ｍａとの距離、あるいは、金属溶湯Ｍの湯面Ｍａの高さ）に基づいて、アーク放電時のアーク電極１と金属溶湯Ｍとの間に流れる電流値などが所定の範囲内となるように、電源４の電圧を制御してもよい。
さらに、シールドガス供給装置２と電源４とを駆動する前もしくは駆動しながら、制御装置５を介して滓浮上装置を作動させ、金属溶湯Ｍの内部に浮遊する滓を湯面Ｍａに浮上させるようにしてもよい。
このように、本実施の形態によれば、アルゴンを含むシールドガス雰囲気下で、より詳細にはアーク電極１の周囲から金属溶湯Ｍへ向かってシールドガスを噴射しながらアーク電極１と金属溶湯Ｍとの間でアーク放電し、アーク電極１から金属溶湯Ｍへ向かってアーク照射することにより、炉Ｒ内に貯留される金属溶湯Ｍ（たとえばアルミニウム（Al））が酸化されて当該金属溶湯Ｍの湯面もしくは内部に浮遊する酸化物Ｌ（たとえばアルミナ（Al2O3））を金属溶湯Ｍへ還元でき、酸化物Ｌからなる滓を効率的に除去することができる。そのため、たとえば金属溶湯Ｍの溶解歩留まりやその金属溶湯Ｍから製造される鋳造製品の品質を効果的に高めることができる。
また、本実施の形態によれば、図４で示すように、炉Ｒ内に貯留された金属溶湯Ｍの湯面Ｍａもしくは内部に浮遊する酸化物Ｌの厚さが処理経過時間に応じて減少することとなるため、炉Ｒ内における金属溶湯Ｍの品質管理を精緻に行うことができるといった利点もある。
なお、上記した実施の形態では、アーク電極１と金属溶湯Ｍの湯面Ｍａとの距離、あるいは、金属溶湯Ｍの湯面Ｍａの高さを計測する計測装置を使用し、計測装置で得られた情報に基づいてアーク電極１を上下方向へ移動させてその高さを制御したり電源４の電圧を制御する形態について説明したが、たとえば金属溶湯Ｍの湯面Ｍａの高さの変化が小さい場合には、アーク電極１の高さや電源４の電圧を制御せずに一定としてもよい。
また、上記した実施の形態では、滓浮上装置を使用して金属溶湯Ｍの内部に浮遊する滓を湯面Ｍａに浮上させる形態について説明したが、当該滓浮上装置を省略してもよい。
さらに、上記した実施の形態では、炉の一側面と他側面との間でマニピュレータ３に装置されたアーク電極１を反復移動させて当該アーク電極１を金属溶湯Ｍの上方の全体に亘って移動させる形態について説明したが、アーク電極１の移動軌跡は適宜に設定し得ることは勿論である。
＜試験体による電流値、アーク電極の移動速度、処理回数、還元率の関係を評価した実験とその結果＞
本発明者等は、図１で示す形態の滓還元除去装置を使用して、溶解したアルミニウムを保持する保持炉内に貯留されたアルミニウム溶湯の湯面に浮遊する酸化物（主にアルミナ（Al2O3））からなる滓の除去処理を行い、その際の、電流値、アーク電極の移動速度、処理回数、還元率の関係を評価すると共に、滓の除去処理前および除去処理後のアルミニウム溶湯から作製されるダイキャスト品の内部を確認した。
本発明者等は、図１で示す形態の滓還元除去装置を使用して、溶解したアルミニウムを保持する保持炉内に貯留されたアルミニウム溶湯の湯面に浮遊する酸化物（主にアルミナ（Al2O3））からなる滓の除去処理を行い、その際の、電流値、アーク電極の移動速度、処理回数、還元率の関係を評価すると共に、滓の除去処理前および除去処理後のアルミニウム溶湯から作製されるダイキャスト品の内部を確認した。
ここで、アルミニウム溶湯の湯面に浮遊する滓の厚さは、約10mmであった。また、滓還元除去装置のアーク電極としてはタングステン（W）からなる電極を使用し、シールドガスとしてはアルゴン（Ar）を使用し、電源としては直流電源を使用した。また、電源の電圧は20〜25Vに設定し、アーク電極の先端とアルミニウム溶湯の湯面との距離は5〜20mmに設定し、その結果、直流電流値は200〜400Aであり、アーク照射面積は4.0〜6.0cm2であった。
また、以下の表１で示すように、単位面積当たりのエネルギー量（皮相電力、単位：kVA）が小さい場合（約3kVA以下）には、アーク電極とアルミニウム溶湯との間で発生されるアーク放電が不安定となって酸化物が残存し、そのエネルギー量が大きい場合には、黒色酸化物（約40〜60kVA）や白色酸化物（約70kVA以上）が発生することが本発明者等による実験により確認されているため、マニピュレータの先端部に装着されたアーク電極の横方向（湯面と平行な方向）の移動速度は、10〜30mm/sに設定した。
図５は、試験体による電流値、アーク電極の移動速度、処理回数、還元率の関係を評価した実験結果を示したものである。なお、処理回数とは、マニピュレータを駆動させてアーク電極をアルミニウム溶湯の湯面全体に亘って移動させた回数を表しており、たとえば処理回数が２回である場合には、アーク電極をアルミニウム溶湯の湯面全体に亘って２回移動（走査）させたことを意味している。
図５で示すように、図１で示す形態の滓還元除去装置を使用して上記条件で滓の除去処理を行うことにより、集中溶解炉での滓除去処理と同等以上の還元率を実現し得ることが確認された。また、電流値（入熱エネルギー量に相当）が増加するに従って酸化物（主にアルミナ（Al2O3））の還元率が高まることが確認された。また、電流値が300Aである場合には、アーク電極の移動速度が増加するに従って還元率が増加する一方、電流値が400Aである場合には、移動速度が減少するに従って還元率が増加することが確認された。
また、図６は、試験体による滓の除去処理前と除去処理後のアルミニウム溶湯から作製されるダイキャスト品の内部を撮像した撮像結果を示したものであり、図７は、試験体による滓の除去処理前と除去処理後のアルミニウム溶湯から作製されるダイキャスト品の内部に介在する介在物の微細度（Ｋ値）を評価した実験結果を示したものである。
図６および図７で示すように、図１で示す形態の滓還元除去装置を使用して上記条件で滓の除去処理を行うことにより、アルミニウム溶湯から作製されるダイキャスト品の内部の介在物（主にアルミナ（Al2O3）と考えられる）が微細化される（言い換えれば、介在物が還元されて粉砕される）ことが確認された。
この実験結果より、アルゴンを含むシールドガス雰囲気下でアルミニウム溶湯の上方に配置されたタングステン（W）からなるアーク電極とアルミニウム溶湯との間でアーク放電を発生させ、そのアーク電極からアルミニウム溶湯へ向かってアーク照射するという簡便な方法でもって、アルミニウム溶湯の湯面もしくは内部に浮遊する酸化物（主にアルミナ（Al2O3））からなる滓を還元させて除去できることが実証された。
＜試験体によるアーク電極の数と滓の除去処理能力の関係を評価した実験とその結果＞
次に、本発明者等は、図１で示す形態の滓還元除去装置を２基使用し、各マニピュレータに装着された２本のアーク電極を所定の間隔を置いて左右に配列（それぞれの軸線が略平行となるように且つ金属溶湯からの高さが略同等となるように配列）し、マニピュレータを駆動させて２本のアーク電極の間隔を周期的に変化（ウィービングともいう）させながら当該２本の電極と金属溶湯との間でアーク放電を発生させて上記と同様の滓の除去処理を行い、その際の、滓の処理能力を評価した（図８参照）。
次に、本発明者等は、図１で示す形態の滓還元除去装置を２基使用し、各マニピュレータに装着された２本のアーク電極を所定の間隔を置いて左右に配列（それぞれの軸線が略平行となるように且つ金属溶湯からの高さが略同等となるように配列）し、マニピュレータを駆動させて２本のアーク電極の間隔を周期的に変化（ウィービングともいう）させながら当該２本の電極と金属溶湯との間でアーク放電を発生させて上記と同様の滓の除去処理を行い、その際の、滓の処理能力を評価した（図８参照）。
ここで、滓還元除去装置のアーク電極の形成素材、シールドガスの組成、電源の電圧、アーク電極の先端とアルミニウム溶湯の湯面との距離、直流電流値、アーク電極の横方向の移動速度は、１本のアーク電極を使用した上記試験体と同様であった。なお、２本のアーク電極を所定の間隔を置いて左右に並べて配列した試験体では、各アーク電極とアルミニウム溶湯との間で発生されるアーク同士が近接するように湾曲することが確認され、適正な間隔（距離）を保って入熱エネルギーを与える必要があった（図８参照）。
図９は、試験体によるアーク電極の数と滓の除去処理能力の関係を評価した実験結果を示したものである。なお、図９では、１本のアーク電極を使用した試験体の滓処理量の上限を1として各試験体の滓処理量を示している。
図９で示すように、２本のアーク電極を使用して滓を除去する場合には、１本のアーク電極を使用して滓を除去する場合と比較して、２倍以上の滓処理能力を発揮し得ることが確認された。その理由としては、図８で示すように、各アーク電極とアルミニウム溶湯との間で発生されるアーク同士が近接するように湾曲して一体となり、１本のアーク電極を使用して滓を除去する場合と比較して、滓の処理能力が格段に向上することが考えられた。
なお、上記した２本のアーク電極を使用して滓を除去する試験体においては、高い処理能力を発揮し得るアーク電極間の間隔Ｄ（図８参照）が、直流電流を使用してアーク放電を発生させる場合と交流電流を使用してアーク放電を発生させる場合とで異なる、より具体的には、高い処理能力を発揮し得るアーク電極間の間隔Ｄは、直流電流を使用してアーク放電を発生させる場合の方が、交流電流を使用してアーク放電を発生させる場合よりも広くなることが本発明者等による実験により確認されている。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１…アーク電極、２…シールドガス供給装置、３…マニピュレータ（移動装置）、４…電源、５…制御装置、Ａ…アーク、Ｇ…シールドガス、Ｌ…酸化物、Ｍ…金属溶湯、Ｍａ…金属溶湯の湯面、Ｒ…炉
Claims (16)
- 炉内に貯留される金属溶湯が酸化されて形成され、該金属溶湯の湯面もしくは内部に浮遊する酸化物からなる滓を除去する滓還元除去方法であって、
アルゴンを含むシールドガス雰囲気下で金属溶湯の上方に配置されたアーク電極と金属溶湯との間でアーク放電することにより、前記酸化物を還元させて除去する、滓還元除去方法。 - 前記アーク電極の周囲から前記金属溶湯へ向かって前記シールドガスを噴射しながら前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電する、請求項１に記載の滓還元除去方法。
- 前記金属溶湯の上方で前記アーク電極を上下方向もしくは横方向へ移動させながら前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電する、請求項１または２に記載の滓還元除去方法。
- 前記金属溶湯の湯面と前記アーク電極との距離が所定の範囲内となるように前記アーク電極を上下方向へ移動させる、請求項３に記載の滓還元除去方法。
- 前記金属溶湯の湯面に滓を浮上させながらあるいは滓を浮上させた後に、前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電する、請求項１から４のいずれか一項に記載の滓還元除去方法。
- 複数のアーク電極を用意し、前記金属溶湯の上方に配置された前記複数のアーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電する、請求項１から５のいずれか一項に記載の滓還元除去方法。
- 前記複数のアーク電極同士の間隔を変化させながら前記複数のアーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電する、請求項６に記載の滓還元除去方法。
- 前記複数のアーク電極同士の間隔を、直流電源を使用してアーク放電する場合と交流電源を使用してアーク放電する場合とで変化させる、請求項６または７に記載の滓還元除去方法。
- 炉内に貯留される金属溶湯が酸化されて形成され、該金属溶湯の湯面もしくは内部に浮遊する酸化物からなる滓を除去する滓還元除去装置であって、
アルゴンを含むシールドガスを供給するシールドガス供給装置と、金属溶湯の上方に配置されたアーク電極と、前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電させるための電源と、を備え、
前記シールドガス供給装置により供給されたシールドガス雰囲気下で前記電源を介して前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電することにより、前記酸化物を還元させて除去するようになっている、滓還元除去装置。 - 前記シールドガス供給装置は、前記アーク電極の周囲から前記金属溶湯へ向かって前記シールドガスを噴射するようになっている、請求項９に記載の滓還元除去装置。
- 前記滓還元除去装置は、前記金属溶湯の上方で前記アーク電極を上下方向もしくは横方向へ移動させる移動装置を更に備え、
前記移動装置により前記アーク電極を移動させながら前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電するようになっている、請求項９または１０に記載の滓還元除去装置。 - 前記移動装置は、前記金属溶湯の湯面と前記アーク電極との距離が所定の範囲内となるように前記アーク電極を上下方向へ移動させるようになっている、請求項１１に記載の滓還元除去装置。
- 前記滓還元除去装置は、前記金属溶湯の湯面に滓を浮上させる滓浮上装置を更に備え、
前記滓浮上装置により前記金属溶湯の湯面に滓を浮上させながらあるいは滓を浮上させた後に、前記アーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電するようになっている、請求項９から１２のいずれか一項に記載の滓還元除去装置。 - 前記金属溶湯の上方には複数のアーク電極が配置され、
前記電源を介して前記複数のアーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電するようになっている、請求項９から１３のいずれか一項に記載の滓還元除去装置。 - 前記移動装置により前記複数のアーク電極同士の間隔を変化させながら前記複数のアーク電極と前記金属溶湯との間でアーク放電するようになっている、請求項１１に従属する請求項１４に記載の滓還元除去装置。
- 前記複数のアーク電極同士の間隔は、直流電源を使用してアーク放電する場合と交流電源を使用してアーク放電する場合とで異なる、請求項１４または１５に記載の滓還元除去装置。
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