JP2018024020A - 溶融金属フィルタをプライム処理するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体金属から固体含有物を除去するために、非電気伝導性フィルタを効果的にプライム処理するための装置および方法の提供。
【解決手段】セラミックフィルタ媒体３が低周波数誘導コイル２（１〜６０Ｈｚ）によって取り囲まれ、その軸は正味の金属流の方向に位置合わせされている。コイル２は、フィルタ要素３上でまたはフィルタ要素３の細孔内で固まった任意の金属の加熱を増強するように位置決めされる。コイル２は、加熱された金属をフィルタ要素３の上面に当てるように作用するローレンツ力を発生させ、プライム処理動作を増強するために位置決めされる。そのようなコイル２を備えたフィルタ３がプライム処理されると、フィルタ３は高温のまま保持されまたは再加熱することができ、その後、いくつかの一連のバッチ式湯出し中に再使用することができる、プライム処理する装置。
【選択図】図１

Description

本出願は、参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれる、２０１２年４月２７日
に出願された米国仮出願第６１／６３９，１９６号の優先権を主張する。

本発明は、固体含有物を液体金属から除去するための、フィルタのプライム処理に関す
る。本明細書には、溶融金属フィルタをプライム処理するための装置および方法が開示さ
れている。

セラミックフィルタ、一般にはセラミックフォームフィルタ（ＣＦＦ）は、米国特許第
３，８９３，９１７号に開示されるように、液体金属を精製するのに現在利用可能である
。ほとんどの場合、このフィルタは、鋼やアルミニウムなど、液体金属からの固体含有物
の除去を行う。これらの固体含有物は、凝固前に除去されない場合、最終金属製品に物理
的欠陥をもたらす可能性がある。

フィルタ媒体を最も効率的に使用するために、フィルタの開放細孔は液体金属で完全に
満たされなければならない。フィルタが液体金属で完全に満たされることにより、フィル
タ媒体の表面の濡れ性が改善して、固体含有物の収集が容易になる。解決すべき問題は、
不完全なプライム処理によって、フィルタの活性部分での局所的に速い液体速度、より大
きな操作上の圧力降下、またはより低い総液体金属処理量が、固体含有物に関するより低
い収集効率と合わせて生じることである。

一般的な実践例は、セラミックフォームフィルタをガスケット材料と共に濾過デバイス
または「ボウル」内に配置して、金属の高さがフィルタよりも高く蓄積されるように、か
つ重力により強制的にフィルタ媒体内に入って通過するようにすることである。次いで含
有物を、深部または層濾過のいずれかのメカニズムによって除去する。これらのセラミッ
クフィルタの濡れ特性が不十分であり、細孔内に含有される空気を除去する必要がある場
合には、特に濾過操作の開始時にしばしば問題が生じる。

濾過におけるプライム処理の重要性は、いくつかの特許および特許出願に開示されてお
り、例えば米国特許第４，８７２，９０８号で、Ｅｎｒｉｇｈｔ，Ｐ．Ｇ．らはプライム
処理の定義および役割を詳細に記載しており、３０ ＰＰＩフィルタ用にＬｉＭＣＡを使
用して２０ミクロンの粒子（１３．４から５４．８％の間）を除去するときの特定の効率
データも示している。濾過効率の大半は、１つにはフィルタ性能に対するプライム処理の
影響に起因する可能性がある。米国特許第４，０８１，３７１号、Ｙａｒｗｏｏｄ，Ｊ．
Ｃ．らは、セラミックフォームフィルタ内から気泡を除去する必要性と、プライム処理に
おける金属静水ヘッドおよびフィルタ角の役割について記載する。概して、より高い全圧
力（金属静水ヘッドまたはその他の手段から）は、プライム処理効率を改善する。米国特
許出願第０９／８６７，１４４号、Ｑｕａｃｋｅｎｂｕｓｈ，Ｍ．Ｓ．は、捕捉された気
泡を放出してフィルタ媒体のより容易でより完全なプライム処理を確実にする目的で、気
泡放出を助長するのに機械的な力を加えることのない、フィルタ媒体を開示する。

米国特許第７，６６６，２４８号、Ｂｅｌｌｅｙ，Ｌ．らは、６０またはそれ以上ＰＰ
Ｉのフィルタに典型的な、厚さが２．５から７．６ｃｍでありかつ低平均細孔または「ウ
ィンドウ」サイズ１５０〜５００ミクロンであるセラミックフォームフィルタの適切なプ
ライム処理を確実にするために、有効プライム処理圧力を増大させることを説明する目的
で、約６ｋＰａの追加の圧力勾配または約２５ｃｍの液体アルミニウムヘッド相当を発生
させるのに真空システムを使用する方法を開示する。これらのフィルタは、通常なら、適
切なプライム処理を確実にするためにかなりの金属静水ヘッド（トラフ底部からフィルタ
上部までの垂直距離）を必要とする。Ｂｅｌｌｅｙらは、セラミックフォームフィルタの
プライム処理ヘッドの典型的な範囲が約２０〜８０ｃｍであることも開示する。より高い
値は、より高い細孔密度およびより小さいウィンドウサイズを伴うものであり、既存の鋳
造操作で実施するにはしばしば実用的でない。

フィルタは通常、フィルタ媒体への金属の流れ、したがってフィルタ上の固定された金
属高さでのプライム処理効率を改善しようとして、予熱される。フィルタ媒体の熱損傷を
もたらす可能性のある局在化した過熱なしに、均一な加熱を得る際に、しばしば問題に遭
遇する。これは、全フィルタ面積が液体金属を通すのに利用可能になるのを確実にするこ
とが、困難になる。米国特許第４，８３４，８７６号、Ｗａｌｋｅｒ，Ｎ．Ｇ．は、ニッ
ケルのような伝導性物質でフィルタ媒体粒子をコーティングすることにより、またはフィ
ルタ媒体を構成するのに炭化ケイ素などの電気伝導性材料を使用することにより、非伝導
性セラミックフィルタに電気伝導性を与えるプロセスを主張する。媒体に電流を通すこと
によって、またはフィルタを誘導コイルで取り囲んで渦電流を誘導することによって、媒
体は、予熱および完全なプライム処理が確実になるように、抵抗（Ｉ^２Ｒ）損失に起因し
た自己加熱を引き起こすことができた。

低周波数誘導コイルおよびセラミックフォームフィルタ要素を使用するプロセスは、Ｃ
ａｌｏｇｅｒｏ，Ｃ．らによる米国特許第４，８３７，３８５号に提示されている。この
プロセスではいくつかの異なる手段が提示され、ローレンツ力を発生させ得る交差電流お
よび磁場を生成することができた。これらの方法のいくつかでは電極を使用し、電極とし
ては望ましくないいわゆる「注入電流」は、濾過される液体金属の汚染の潜在的な源であ
る。Ｃａｌｏｇｅｒｏらにより開示されたプロセスの背後にある理論は、ローレンツ力が
含有物ではなく金属に対して優先的に作用する可能性があり、したがってフィルタ媒体の
壁面によって含有物の移行および含有物の遮断を引き起こすということであった。フィル
タ媒体のプライム処理に対する磁場の影響は、開示されなかった。さらに、Ｃａｌｏｇｅ
ｒｏにより記載されたメカニズムは、磁場およびローレンツ力場における任意の有意な渦
巻きまたは渦巻き状態が存在しないことに依存する。しかし米国特許第４，９０９，８３
６号に開示されるように、一定の螺旋ピッチを有する通常の誘導コイルが交差電流および
磁場の供給源として使用される場合、渦巻き状態はこれらの場に常に存在する。本発明の
一態様は、液体金属の直接接触および汚染を回避するために、誘導コイルを使用する。標
準的な一定ピッチの誘導コイルが使用される。本発明者らは、そのような誘導コイルを介
して生成された磁力およびローレンツ力での渦巻き状態に十分気付いており、したがって
金属をフィルタ媒体に押圧して、低金属静水ヘッドのより良好なプライム処理の程度を実
現するために、渦巻き状態を最大限有利に利用する方法を設計した。

定義
本明細書で使用される「プライム処理」という用語は、フィルタ（例えば、セラミック
フォームフィルタ）の開放細孔構造に含有される空気の置換と、液体金属によるフィルタ
媒体の濡れ性の改善とを指し、したがって、流れを通過させ粒子を収集するのに最大限の
体積および内部表面積を利用可能にすることができる。

本明細書で使用される「含有物」という用語は、金属よりも高い融点を有する、したが
って加工温度では固体である、液体金属の任意の汚染物質を指す。

本発明の様々な態様は：（１）非電気伝導性フィルタ要素の完全なプライム処理を確実
にするために、低周波数誘導コイル（１〜６０Ｈｚ）を適用することによって、外部から
加えられる真空または気体圧力を使用せずにプライム処理する方法と；（２）より高い効
率で操作するためにかつより少ない含有物を含有する金属生成物を生成するために、５０
〜８０ＰＰＩの市販のセラミックフォームフィルタに典型的なものなど小さい「ウィンド
ウ」サイズを有するセラミックフォームフィルタの、プライム処理および後続の操作が改
善されるようにプライム処理する方法と；（３）伝統的なセラミックフォームフィルタよ
りも厚くまたは伝統的なフィルタの積層体をプライム処理することを可能にする、プライ
ム処理の方法と；（４）先に使用されたフィルタ媒体を含むフィルタ媒体を高温のまま維
持しまたは再加熱し、その後、複数回の鋳造サイクルで再使用可能にする装置とに関する
。

一実施形態では、フィルタをプライム処理するための装置は、液体金属流を受容するよ
うに構成されたフィルタ要素と；フィルタ要素を取り囲みかつ磁場を生成するように構成
された誘導コイルであって、この誘導コイルの軸が液体金属流の導入方向に実質的に位置
合わせされている誘導コイルと；フィルタ要素の周辺にセキュアエンクロージャを設ける
ように構成されたガスケットと；誘導コイルを収容しかつ誘導コイルを液体金属流から分
離するセパレータとを含む。

一実施形態では、低周波数誘導コイルが、セラミックフォームフィルタ要素または前記
フィルタ要素の積層体などのセラミックフィルタ媒体の周りにかつ非常に接近して配置さ
れる。磁場の存在により、従来の工業規格である約５０ｍｍよりも厚いフィルタをプライ
ム処理することが可能になる。許容可能な厚さ全体は、誘導コイルが据え付けられた長さ
によって決定される。

コイルおよびフィルタ要素の向きは、プライム処理中に気体を逃がすための経路が利用
できることを前提として、垂直または水平のいずれかにすることができる。

誘導コイルの電気伝導体は、多くの異なる形状を有することができる。例えば、平らな
形状、丸みの付いた形状、管状、長方形、または正方形である。伝統的な誘導炉コイルと
は異なって、本発明のコイルは、電気的に効率的な融解が主として意図されるデバイスの
一部として使用されないので、低い電気抵抗に合わせて構成する必要がない。したがって
、より高い電流密度を有利に使用することができ（例えば、５０Ａ／ｍｍ^２対１〜１０Ａ
／ｍｍ^２の典型的な値）、その結果、所与のコイル高さでより多くの巻き数を与えること
ができる、直径が比例的に小さくなる伝導体が得られ、それに対応して磁場強度が増大す
る。単一、二重、またはそれ以上の層のコイルも、フィルタ媒体の高さでさらに高い磁場
強度を実現するのに有利に使用することができる。３層を超える層を有する誘導コイルも
使用できるが、追加の磁場強度の利益は減じられる。

一実施形態では、フィルタ媒体は実質的に水平であり、誘導コイルで取り囲まれる。誘
導コイルは、フィルタ要素の上面に延びるように位置決めされ、フィルタの上部は、高い
縦磁束密度のゾーン内に配置されている。磁場の束密度はコイルの完全な高さで非常に強
く、しかしコイルの最後の巻き部分の後で急速に散逸する。

本発明の別の態様は、少なくともコイル上部と同じ程度の高さまでフィルタ上に注がれ
た金属を特徴とする。好ましい実施形態では、金属は、コイルの上部よりも実質的に高く
、その結果、著しい金属メニスカスの形成が防止され、かつプライム処理中に金属が酸化
する可能性が低減される。コイルの磁場は、フィルタ媒体上に置かれる金属の内部に渦電
流を誘導し、それがコイルの強力な磁場と相互に作用して、強力なローレンツ力を生成す
る。これらの力を生成することができる深さは、低交流周波数をコイル励磁電流で使用す
ることによって増強される。幅が大きなフィルタ要素は、より小さい幅のフィルタの場合
に類似した結果を実現するために、より低い周波数の使用を必要とすることになる。

コイルの加熱効率は、周波数と共に増大する。本発明の態様では、コイル励磁電流の周
波数が好ましくは１から６０Ｈｚの間であり、より好ましくは５０から６０Ｈｚの間であ
る。この周波数範囲は、撹拌および加熱の最適な組合せを提供する。より高い周波数は、
先に使用したフィルタ媒体で固まった金属を再融解するのにより大きな加熱の程度が必要
とされる場合、任意選択で使用することができる。好ましい実施形態では、丸みの付いた
フィルタの半径または長方形もしくは正方形のフィルタの幅は、最適な有益な効果を得る
ために５０または６０Ｈｚの標準的な電気線周波数を利用することができるよう選択され
る。

コイルおよびフィルタ装置は、本発明の目的から逸脱することなく、その断面を、丸み
が付いたもの、正方形、または長方形とすることができる。長方形の形状には、磁場を侵
入させなければならない幅を最小限に抑えながら全フィルタ面積を最大限にすることがで
きるという利点がある。長方形の形状は、費用のかかる固体電源が必要になる、線周波数
（５０または６０Ｈｚ）よりも低い周波数を使用する必要性をなくすことができる。

ローレンツ力は、最初に金属でのみ生成され、非電気伝導性フィルタ媒体では生成され
ない。したがって、大きな初期渦巻き状態はローレンツ力場に存在し、金属の回転と、フ
ィルタ要素の表面への衝突を引き起こす。金属をフィルタ内に押し遣るのは、衝突する金
属の運動量である。

本発明者らは、フィルタ媒体内では、セラミック母材の存在によって電流の流れが驚く
ほどの程度まで阻止されることを見出した。その結果、フィルタの上または下の金属内よ
りも少ない電流がフィルタ内部を流れ、したがってローレンツ力の大きさが低減される。
フィルタ内で低減した有効電気伝導度は、ローレンツ力におけるかなりの渦巻き状態が、
完全なフィルタのプライム処理の点までかつその点を過ぎるまで、存在し続けることを確
実にする。結果は、金属がフィルタ媒体内に押し遣られて通過する。より高い細孔密度の
フィルタ、例えば５０および８０ＰＰＩは、高い抵抗率を有し、ローレンツ力の渦巻き状
態を増大させ、これらの「より緊密な」フィルタ要素をプライム処理する高い駆動力を提
供する。

フィルタ媒体が予熱されない場合、液体金属は、最初にフィルタ媒体の表面で固まるこ
とになる。固体金属が同じ温度で液体金属よりも実質的に高い電気伝導度を有するなら（
アルミニウムに関しては約２倍）、固体は優先的に電流を流し、一方それと同時に、素早
く流れる液体金属によって衝突される。強制的に静止状態のままにしかつインダクタの高
さの範囲内にすると、液化するまで継続的な加熱を経験することになる。好ましい実施形
態では、フィルタ要素は、亀裂を防止するために熱応力が低減するよう、従来の手段によ
って予熱される。しかし予熱は、非常に緊密な８０ＰＰＩフィルタ要素の場合であっても
、プライム処理の要件ではない。

フィルタ媒体が金属で実質的に満たされたら、コイルの励磁を停止することができる。
その後、従来の鋳造手順を使用することができる。バッチ式鋳造プロセスが終了したら、
フィルタ媒体は、連続金属流が存在しない状態で再使用することは難しいので、フィルタ
媒体を処分するのが典型的である。

本発明の別の実施形態では、含有物を除去するその能力が完全に使い果たされるまで、
使用済みフィルタ要素を再使用することができる。使用済みフィルタ要素は、液体金属を
用いたプライム処理の前に誘導加熱の期間を付加することによって、または連続誘導加熱
を使用することにより鋳造と鋳造の間に液体金属で満たされたフィルタを維持することに
よって、再使用することができる。一態様では、６０Ｈｚよりも高い励磁電流が有利に使
用される。この実施形態は、融解操作のために特に設計された第２のコイルと任意選択で
組み合わせることができる、二重周波数電源を利用する。
参考文献
3,893,917 7/1975 Pror et al. ..............................210/69
4,081,371 3/1978 Yarwood et al. ...........................210/69
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09/867,144 12/2002 Quackenbush ..............................210/510.1
4,909,836 03/1990 El-Kaddah ................................75/10.67

特許または出願ファイルは、着色して作成された少なくとも１つの図面を含有する。（
１つまたは複数の）着色図面を有するこの特許または特許出願公開のコピーは、請求およ
び必要な料金の支払いに応じて当局により提供されよう。

本発明の一実施形態の概略図である。 新しい３０ＰＰＩセラミックフォームフィルタの相対的開放構造を示す、走査型電子顕微鏡写真である。 新しい８０ＰＰＩセラミックフォームフィルタの金属流の法線方向に直交する相対的閉鎖構造を示す、走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施形態による、３０ＰＰＩセラミックフィルタをプライム処理する非限定的な例の写真を示す。 本発明の実施形態による、３０ＰＰＩセラミックフィルタをプライム処理する非限定的な例の写真を示す。 誘導コイルの存在なしで３０ＰＰＩセラミックフィルタを不完全にプライム処理した写真を示す。 実施例１に関する、データログされたデータを示すグラフである。 実施例２に関する、データログされたデータを示すグラフである。 実施例３に関する、データログされたデータを示すグラフである。 本発明の実施形態による、５０ＰＰＩ ＣＦＦをプライム処理する非限定的な例の写真を示す。 誘導コイルの存在なしで、５０ＰＰＩ ＣＦＦに無視できるほどのプライム処理を行った写真を示す。 本発明の実施形態による、８０ＰＰＩ ＣＦＦをプライム処理する非限定的な例の写真を示す。 誘導コイルが存在しない状態の、８０ＰＰＩ ＣＦＦに対する無視できるほどのプライム処理を示す写真である。

本発明の原理の理解を促進させる目的で、次に図面に示された実施形態を参照する。そ
れにも関わらず、本発明のある実施形態の図示および記載によって、本発明の範囲は限定
されないことが理解されよう。加えて、図示されかつ／または記載される（１つまたは複
数の）実施形態の任意の変更および／または修正が、本発明の範囲内にあることが企図さ
れる。さらに、本明細書に図示されかつ／または記載される本発明の原理の任意のその他
の適用例は、本発明が関係する技術分野の当業者なら通常は思い浮かべるように、本発明
の範囲内にあることが企図される。

図１は、セラミックフォームフィルタと共に典型的に使用されたような、従来のフィル
タ「ボウル」１を示す。図１は、誘導コイル２を含むように、本発明により適切に修正さ
れる。二層誘導コイル２が図１に示される。単層、二重層、またはそれ以上の層のコイル
も、本発明の目的を変えることなく使用することができる。

標準的なセラミックフォームフィルタ要素３が、誘導コイル２内に据え付けられている
状態が示されている。あるいは、本発明の目的から逸脱することなく２つ以上のフィルタ
要素を積層することができ、但しコイル２は、図１の点線１３により示されるように、コ
イル１巻き分だけ、またはコイル半径の少なくとも５％、好ましくは１０％だけ、フィル
タ３の上部の上面の上方に延びることを前提とする。

誘導コイル２は、磁場の最も有利な結果を実現するために、フィルタ３の縁部の可能な
限り近くに好ましくは配置される。フィルタ３の周りで液体金属が漏れないようにするガ
スケット材料４と、断熱および難燃材料５のために、適切な空間を設けなければならない
。十分な断熱および難燃材料は、ボウルの上方部分６またはボウルの排出部分７の高温金
属と、コイル２またはコイルリード８との接触を回避するために、存在しなければならな
い。当業者なら、電気的または熱的な過熱および電気伝導体への損傷を防止するために、
コイルリード８およびコイル２と組み合わせて適切な冷却媒体（有機物または水）を使用
しなければならないことを理解する。接触は、励磁電流の電気短絡を防止するために、伝
導体８同士の間およびコイル２の層同士の間で防止しなければならない。

濾過デバイスとして機能させるために、ボウルは、適切な液体金属供給材９および排出
手段１０を備えなければならない。ボウルの側部１１および底部１２は、濾過される金属
の熱平衡が維持されるように、適度な難燃性を有するように設計されなければならない。
フィルタ３は、使用前の過剰な熱衝撃が防止されるように、従来の手段によって予熱され
てもよい。

本発明の好ましい実施形態では、電流が誘導コイルに十分な大きさで印加されて、プラ
イム処理していないフィルタの幅の端から端まで平均磁束密度０．０５〜０．２５Ｔを発
生させる。コイル励磁電流の周波数は、好ましくは１から６０Ｈｚの間である。コイル励
磁電流の周波数は、十分高い磁気侵入を実現すると共に過剰な加熱を回避するために、好
ましくは、ボウルの上方部分６の液体金属における電磁侵入深さ（δ）とフィルタ３の平
均半径または幅との間の比が好ましくは０．５から３．０の間、より好ましくは０．７か
ら１．４の間の範囲である。

１つの好ましい実施形態では、電流をコイル２に印加した状態で、入口９を介して液体
金属がボウルの上方部分６に添加される。あるいは液体金属が最初に添加され、次いで電
流がコイル２に印加される。好ましい実施形態では、液体金属が、コイル２の最後の巻き
線よりも十分高くボウルの上方部分６を満たして、電磁メニスカスが形成されないように
する。この実施形態は、プライム処理中の金属の過剰な酸化も回避する。

電磁プライム処理は、フィルタの上面で、最小限に抑えられた液体金属で実現すること
ができる。好ましくは、約５〜１０ｃｍの液体金属の高さが、コイル２の最上部の巻き線
上にある。あるいは、約１．１から３．６ｋＰａの金属静水圧が、過剰なメニスカス形成
を回避しながらかつコイルとフィルタとの間の空間で０．１〜０．２Ｔの範囲の平均磁束
密度を使用しながら、３０から８０ＰＰＩの間のＣＦＦフィルタの適度なプライム処理を
実現するのに好ましい。

本発明の一態様では、電流が約３０秒から約１０分の期間にわたり、さらにより好まし
くは約３〜６分にわたり継続する。適度なプライム処理が達成されると、コイル２への励
磁電流を停止することができる。

フィルタ要素３の使用後、この要素は、フィルタ３の細孔内で固まった金属を再融解す
るのに誘導コイル２を最初に使用することによって、任意選択で再使用することができる
。当業者なら、より高い周波数が融解には有利であることを理解する。周波数＞６０Ｈｚ
を適用することができる。したがって二重周波数電源が、本発明の方法と共に有益に使用
されてもよい。当業者なら、著しく過熱することなくかつおそらくはフィルタ要素に損傷
を与えることなく、高い電気効率を実現しながら、正確な時間の長さで所望の融解を実現
するために、周波数、電流、および時間を特定することができる。第２のコイルは、さら
によりエネルギー効率的な融解が実現されるよう、任意選択でコイル２と同軸になるよう
に設計し据え付けることができる。

本発明は、特定の実施例を参照しながら、より良好に理解することができる。これらの
実施例は、例示的なものであり、本発明の適用可能性を制限するものではない。これらの
実施例は、表Ｉに示されるようないくつかの異なるコイルを使用して実施した。これらの
コイルは、様々な実施例で示されるような印加電流を使用して、５０Ｈｚで動作した。

呼びフィルタ寸法である直径１００〜１０５ｍｍおよび厚さ５０ｍｍを、これらの実施
形態で使用した。３０、５０、および８０ＰＰＩの市販のセラミックフォームフィルタ（
ＣＦＦ）要素を使用した。３０および８０ＰＰＩの市販のＣＦＦのＳＥＭ写真を、図２お
よび３に示す。これらの図では、３０ＰＰＩが非常に開放された構造を有し、一方、８０
ＰＰＩの細孔およびウィンドウサイズは非常に低減することを、明らかに見ることができ
る。３０ＰＰＩの開放構造は、低い金属ヘッドおよび少ない予熱で非常に容易なプライム
処理を可能にするが、特に液体金属の微細な含有物に関する濾過効率を低減させもする。
８０ＰＰＩ ＣＦＦの閉鎖した緊密な構造に金属を侵入させかつその構造から空気を除去
することは、より困難であり、したがって、当業者に周知のように、プライム処理する金
属の高さを増加させる必要がある。

標準的なアルミニウム鋳造合金、Ａ３５６を、全ての実施例で使用し、そこに様々なレ
ベルの汚染物質を添加した。１．５重量％（実施例４〜６）〜３重量％（実施例１〜３）
のＳｉＣを、Ａ３５６合金の母材に埋め込まれた１３〜２３ミクロンのＳｉＣ粒子を使用
して添加した。実施例１〜３では、２０重量％の陽極酸化されラッカー処理されたアルミ
ニウム板の付加によって、酸化物粒子も添加した。

実験室規模のフィルタボウルを、呼び直径１０５ｍｍの３０ＰＰＩ ＣＦＦを長さ１５
０ｍｍ×直径４”の繊維絶縁坩堝の２つのセクションにセメント接合することにより生成
し、コイル１の中心線がＣＦＦの底部に一致しかつコイルのおよそ１回の巻き分がＣＦＦ
の上面に存在するようにした。ボウルの底部は、直径３．２ｍｍの排出穴が開けられてい
る厚さ約２５ｍｍの稠密なセラミック板から構成した。

フィルタを、手持ち式プロパンバーナを使用して赤熱温度まで予熱した。７３１ＡのＲ
ＭＳ電流を、５０Ｈｚでコイル１に印加した。ＳｉＣおよび酸化物粒子の両方を含有する
Ａ３５６アルミニウム合金を、呼び初期鋳込み温度７５０℃で（鋳込む前に熱電対を数秒
間浸漬することにより測定された。）、ＣＦＦの上部よりも１００ｍｍ高いレベルまで、
ボウルの上方部分に添加した。このレベルを、１１０秒後に供給材坩堝が空になるまで維
持した。アルミニウムが出口穴からもはや排出されない２６０秒後に電力を中断した。フ
ィルタの上および下で測定された温度と、アルミニウムの排出率を、図７に示すようにデ
ータログした。誘導コイルの加熱効果を図１３に明瞭に示すが、フィルタ上の金属の温度
が低下するときでも、時間と共により低い温度は上昇した。濾過中の平均コイル電流は、
液体金属により引き起こされた高い電気抵抗により、７１５Ａであった。この効果は全て
の実施例で存在し、当業者に周知である。

フィルタを、高濃度の極めて硬質であり研磨性のあるＳｉＣ粒子により、研磨水切断を
使用して、その後切断した。１つの断面を図４に示す。高い気体細孔率を含有しかつ不十
分な金属−セラミックの濡れ性を示す面積を、切断プロセス中に切除した。フィルタを「
強力な」磁場でプライム処理するこの実施例では、非常に少ない材料しか切除されず、走
査型電子顕微鏡を用いた後続の金属組織解析中に、良好な濡れ性が巨視的ならびに微視的
に観察された。

装置を、コイル２を使用して構成したが、その他は実施例１と同一であった。フィルタ
を同様に予熱した。ＲＭＳ電流９５６Ａをコイル２に印加した。合金の同じレシピの合金
、ＳｉＣおよび酸化物を、呼び鋳込み温度７５０℃で添加した。フィルタの上および下の
温度と、アルミニウムの排出率とを、図８に示すように再び測定した。供給材坩堝を１１
０秒後に空にし、電力を２１５秒後に中断した。「弱い」磁場でプライム処理されたこの
フィルタ要素を、水研磨切断を使用して再び切断し、この場合は、図５に明らかに示され
る切断中のセラミック材料の損失によって示されるように、セラミックのさらに大きい細
孔率および少ない濡れ性が観察された。

装置は、誘導コイルなしで構成したが、その他は実施例１および２と同一であった。フ
ィルタを、赤熱色になるまで予熱し、やはり同じ供給材レシピおよび目標鋳込み温度を使
用した。プライム処理する金属のレベルは、供給材坩堝が空になるまで１４５秒間、フィ
ルタ要素上１００ｍｍで維持した。アルミニウムの上、下の温度と排出率を、同様に図９
に示されるように測定した。フィルタ要素の１つのセクションを図６の写真に示すが、実
施例１および２から得た図４および５と比べた場合、フィルタ要素の非常に高い細孔率と
非常に不十分な濡れ性を示している。また、フィルタの不十分なプライム処理は、フィル
タ上の同じ金属静水ヘッドおよび同じ排出オリフィスサイズでの、金属の低い排出率によ
って示される。プライム処理の結果は、「強い」場を用いたときに最良であり、「弱い」
場を用いたときはそれほど良好ではなく、磁場がないときは最も不十分であった。

実施例１〜３に類似する装置を構成したが、底板の排出穴はない。コイル番号３を使用
した。５０ＰＰＩの市販のセラミックフォームフィルタ（ＣＦＦ）、直径１００ｍｍを、
フィルタの底部がコイルの中心線と同じ高さになるようにかつコイルが厚さ５０ｍｍのフ
ィルタの上面の上方におよそ１巻き分延びるように配置した。Ａ３５６アルミニウム合金
および１．５重量％のＳｉＣからなる供給材を使用した。フィルタは、予熱しなかった。
フィルタボウルの上方部分に、呼び鋳込み温度７５０℃で、フィルタ要素の上面から１０
０ｍｍのレベルまで液体アルミニウム供給材料を満たした。次いで励磁電流７３８Ａをコ
イルに印加した。約２０秒にわたり、金属をフィルタ内に引き込み、金属をフィルタ上１
００ｍｍのほぼ一定の高さで維持されるように添加した（固まった後には１０４ｍｍと測
定された。）。電流を、厳密に１８０秒間維持した。次いで電力を停止し、サンプルを凝
固した。次いでフィルタ要素を、鋼製ブレードを使用して切断した。研削断面を図１０に
示すが、フィルタ要素の非常に低い細孔率および完全な金属侵入が示されている。

実施例４と実質的に同一の装置を構成したが、誘導コイルはない。同じ供給材レシピお
よび充填手順を使用した。この場合も、フィルタ要素の予熱は行わなかった。ＣＦＦの上
部の上に１００ｍｍまで満たした後、金属高さの低下は観察されなかった。装置を分解す
ると、フィルタ要素は、フィルタ上で固まった金属１００ｍｍから離れ、図１１に示され
るように非常に少量の金属侵入のみが生じたことが観察された（＜２０ｍｍ）。フィルタ
媒体の残部で金属が完全に欠けており、したがってプライム処理はできなかった。実施例
４と５の間の結果の相違は劇的であり、実行する際の唯一の実質的な相違は、実施例４の
場合に「強い」磁場であり、実施例５では磁場がないことであった。

実施例４および５に実質的に同一な装置を構成したが、５０ＰＰＩ ＣＦＦの代わりに
８０ＰＰＩを使用した。実施例４と同じ手順および供給材レシピを使用した。液体合金を
フィルタの上部から１００ｍｍまで満たした後、励磁電流７４７Ａをコイル３に印加した
。約３０〜４０秒間にわたり、金属をフィルタ要素内に引き込み、金属を、１００ｍｍの
レベルで維持されるようにフィルタ上に添加した（固まった後、９９ｍｍと測定された。
）。電流を、やはり厳密に１８０秒間、維持した。次いで電力を停止し、サンプルを凝固
させた。次いでこのフィルタ要素を、水研磨切断を使用して切断した。プライム処理は、
図１２に示される完全な金属侵入、低い気体細孔率、および良好な濡れ性により示される
ように、極めて首尾良く行われた。

実施例６と実質的に同一の装置を構成したが、誘導コイルは用いなかった。同じ充填手
順および供給材レシピを同様に使用した。ＳｉＣ粒子を含有する液体アルミニウム合金を
、約１００ｍｍの高さまで８０ＰＰＩフィルタ要素上に添加した。金属高さの低下は検出
されなかった。次いでサンプルを凝固した。分解すると、フィルタ要素の上部で１０３ｍ
ｍに届く金属は、フィルタの残部から分離され、この部分では金属を完全に含んでいなか
った。フィルタ材料の約０〜５ｍｍは、図１３に示されるように、固まった金属に取着し
たままであった。プライム処理は完全にできなかったと結論付けた。この場合も、実施例
６と７との間の唯一の実質的な相違は、「強い」磁場が実施例６で使用され、実施例７で
は磁場が印加されなかったことであった。

実施例４および６での強い磁場の存在は、フィルタの予熱がない状態であっても良好な
プライム処理が行われることに寄与する。磁場が不足すると、実施例５および７のように
予熱とも組み合わせずかつフィルタ上の金属静水高さが低い場合には、プライム処理が失
敗するという結果になった。

本明細書に記載される実施例および実施形態は、単なる例示を目的とするものであり、
その内容に照らして様々な修正または変更が当業者に示唆されることになり、それらは本
出願の精神および範囲内に含まれ添付される特許請求の範囲に含まれるものであることを
理解すべきである。

１ ボウル
２ 誘導コイル
３ フィルタ
４ ガスケット材料
５ 難燃材料
６ ボウルの上方部分
７ ボウルの排出部分
８ コイルリード
９ 液体金属供給材
１０ 排出手段
１１ ボウルの側部
１２ ボウルの底部
１３ 点線

Claims (20)

1. 液体金属から固体含有物を除去するために、非電気伝導性セラミックフィルタをプライ
   ム処理する方法であって、前記フィルタは、フィルタボウルに収容されかつ誘導コイルに
   よって取り囲まれており、前記誘導コイルの軸は、所望の正味の金属流の方向に実質的に
   位置合わせされており、
   ａ）交流励磁電流を前記誘導コイルに印加するステップと、
   ｂ）前記フィルタ要素の上流側を覆うように十分な液体金属を添加するステップと、
   ｃ）前記コイルにより前記液体金属内に誘導された電流と前記コイルの磁場とによって、
   前記液体金属を加圧し撹拌するローレンツ力を生成させて、前記液体金属を前記セラミッ
   ク内に押し入れるようにし、それによって前記フィルタをプライム処理するステップと、
   ｄ）所定の程度のプライム処理が得られたら、前記励磁電流を中断するステップと
   を含む方法。
2. 前記コイルのデザインおよび前記印加された電流の大きさが、前記コイルと前記セラミ
   ックフィルタとの間の空間に少なくとも０．０５Ｔの平均磁場強度を発生させる、請求項
   １に記載の方法。
3. 前記平均磁場強度が、前記コイルと前記セラミックフィルタとの間の空間において０．
   ０５から０．２５Ｔの間である、請求項１に記載の方法。
4. 前記平均磁場強度が、前記コイルと前記セラミックフィルタとの間の空間において０．
   １から０．２Ｔの間である、請求項１に記載の方法。
5. 前記液体金属がアルミニウム合金である、請求項１に記載の方法。
6. 前記液体金属が、最初に前記フィルタボウルに添加され、次いで電流が前記誘導コイル
   に印加される、請求項１に記載の方法。
7. 前記非電気伝導性セラミックフィルタが、３０から８０ＰＰＩの間、および２５〜７５
   ｍｍの厚さのセラミックフォームフィルタである、請求項１に記載の方法。
8. ２つ以上のセラミックフォームフィルタを組み合わせて全厚５０〜１５０ｍｍにする、
   請求項１に記載の方法。
9. 前記コイルが、前記フィルタ上部の上面の上方に、少なくとも１巻き分および前記コイ
   ルの半径の５から１０％の間であるが前記コイルの全長の半分未満延びる、請求項１に記
   載の方法。
10. 前記金属が、前記コイルの上部の上方に５から１５ｃｍの間延びる、請求項１または５
    に記載の方法。
11. 前記誘導コイルに印加される周波数が１〜６０Ｈｚの間である、請求項１に記載の方法
    。
12. 前記誘導コイルの前記周波数が、０．５から３．０の間、好ましくは０．７から１．４
    の間の電磁侵入深さの比を与えるように選択される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記好ましい比が実現されるように、前記フィルタ要素の幅または直径を調節すること
    によって、局所電気線周波数を使用することができる、請求項１１および１２に記載の方
    法。
14. 先に使用されたセラミックフィルタ要素を再使用する方法であって、５０Ｈｚ超の周波
    数で、請求項１に記載の誘導コイルに交流を印加するステップを含み、前記フィルタの細
    孔内に含有される固体アルミニウムを誘導的に融解するのに十分な電流がある方法。
15. 高効率融解のために特に設計された第２のコイルが、混合コイルと同軸上に据え付けら
    れる、請求項１４に記載の方法。
16. 液体金属流を受容するように構成されたフィルタ要素と、
    前記フィルタ要素を取り囲みかつ磁場を生成するように構成された誘導コイルであって
    、前記誘導コイルの軸が、前記液体金属流の導入方向に実質的に位置合わせされている誘
    導コイルと、
    前記フィルタ要素の周辺にセキュアエンクロージャを設けるように構成されたガスケッ
    トと、
    前記誘導コイルを収容し、前記誘導コイルを前記液体金属流から分離するセパレータと
    を含む、フィルタをプライム処理するための装置。
17. 前記誘導コイルが、前記フィルタ要素の、前記軸に沿って、上面の上方に、前記液体金
    属流に面して延びる、請求項１６に記載の装置。
18. 前記誘導コイルが、単層コイルまたは多層コイルである、請求項１６に記載の装置。
19. 前記フィルタ要素まで導かれるように構成された液体金属供給材と、排出デバイスとを
    さらに含む、請求項１６に記載の装置。
20. 前記液体金属流を導入する前に前記フィルタ要素を予熱するように構成された予熱デバ
    イスをさらに含む、請求項１６に記載の装置。

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