JP2022147875A - 溶湯処理用ガス噴流治具 - Google Patents

Abstract

【課題】噴出された不活性ガスの気泡が結合することなく、アルミニウム合金溶湯中の水素ガスを効率よく除去するとともに、加工コストを低減することができる溶湯処理用ガス噴流治具を提供する。【解決手段】溶湯処理用ガス噴流治具３０は、溶解炉内のアルミニウム合金溶湯に不活性ガスを供給して水素ガスを除去するものであり、不活性ガスが供給されるガス供給管３１と、溶解炉の底部に配置される治具本体４０と、を備えている。治具本体４０は、黒鉛で形成されるとともに不活性ガスを噴出する複数の噴出孔４２が形成されている。噴出孔４２は、噴出された不活性ガスの気泡同士が、アルミニウム合金溶湯中で別れた状態を保つ所定の孔径ｄと所定の間隔Ｌに形成されている。【選択図】図９

Description

本発明は、アルミニウム合金に代表される溶湯に不活性ガスを供給して水素ガスを除去する溶湯処理用ガス噴流治具に関する。

アルミニウム合金は酸化傾向が強く、溶解すると大気中の酸素や水分と反応し、酸化物が生成される。このとき、水分の分解により水素ガスが発生し、水素ガスが溶湯内に吸収される。溶湯内に水素ガスが残存すると、冷却後の製品内に巣（孔）等のポロシティが発生し好ましくない。このため、溶湯内の水素ガスを除去する技術（脱ガス技術）が知られている。

図１は一般的な溶湯内の水素ガスを除去する技術の一例であり、図１（Ａ）に示すように、バッチ式の溶解炉１００にアルミニウム合金の溶湯１０１が入っている。溶解炉１００の上部には撹拌及び不活性ガス吹き込み装置１０２が配置され、溶湯１０１内に不活性ガスを噴出するとともに溶湯１０１を撹拌する回転ノズル１０３が延ばされている。

図１（Ｂ）に示すように、回転ノズル１０３に不活性ガスが流され、下部の噴出口から溶解炉１００底部付近に不活性ガスが噴出される。回転ノズル１０３の下部には撹拌部材１０４が設けられており、回転ノズル１０３及び撹拌部材１０４が回転することで、不活性ガスの気泡１０５が細かくなり分散される。不活性ガスの気泡１０５は周辺の水素ガス１０６を吸収しつつ上昇し、水素ガス１０６とともに外部に放出される。

しかし、回転ノズル１０３及び撹拌部材１０４が回転することで溶湯１０１の表面付近が波立つように動く。すると、図１（Ｃ）に示すように、溶湯１０１の表面付近の水蒸気１０７が溶湯１０１に入り、再度、酸化物１０８や水素ガス１０６が溶湯１０１に巻き込まれる。この対策として、酸化物１０８や水素ガス１０６が再度、溶湯１０１に巻き込まれることを軽減する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１の噴流旋回方式脱ガス装置は、アルミニウム溶解炉の底面から所定距離を隔てて噴流式ガスノズルが設置されている。噴流式ガスノズルは、渦巻状に形成され、渦巻状に沿って噴出孔が複数形成されている。この噴流式ガスノズルに不活性ガスである窒素ガスを供給し、溶湯中に窒素ガス気泡（不活性ガスの気泡）を形成してアルミニウム合金溶解炉内に対流を起こさせ、水素ガスを溶湯上部に浮上させて除去する。

特開２０１９－９８３９６号公報

特許文献１の噴流旋回方式脱ガス装置では、複数の噴出孔がアルミニウム溶解炉の底部の中心寄りに配置されており、噴出孔から噴出された窒素ガス気泡は、アルミニウム溶解炉の中心寄りを上昇し、上部で外側に流れ、周壁側で下方に向かって流れ、噴流式ガスノズルの下方に回り込み、再びアルミニウム溶解炉の中心寄りを上昇するように対流する。

ここで、理想的な溶湯内の水素ガス除去の基本原理について図２を参照して説明する。図２（Ａ）に示すように、溶湯１０１内に水素ガス１０６が含まれている。供給された不活性ガスの気泡１０５が溶湯１０１内を上昇する。図２（Ｂ）に示すように、不活性ガスの気泡１０５に水素ガス１０６が吸収され、図２（Ｃ）に示すように、水素ガス１０６を吸収した不活性ガスの気泡１０５がさらに上昇する。図２（Ｄ）に示すように、溶湯１０１の液面上に不活性ガスの気泡１０５とともに水素ガス１０６が静かに大気中に放出される。

ところで、不活性ガスの気泡は、できるだけ小さく分散させて溶湯中を上昇させ、途中の水素ガスにできるだけ接触させて水素ガスを不活性ガスの気泡に取り込むことが好ましい。隣り合う気泡が上昇中に結合すると、不活性ガスの気泡が大きくなり、気泡間の隙間も大きくなるため、不活性ガスの上昇中に取り残す水素ガスが多くなるからである。

しかし、特許文献１の噴流旋回方式脱ガス装置では、窒素ガス気泡が溶湯内を対流するため、溶湯の液面が波立ち、酸化物や水素ガスが溶湯に巻き込まれる。また、窒素ガス気泡が対流することで窒素ガス気泡同士が結合し気泡が大きくなり、水素ガス除去の効率が低下する。また、特許文献１の噴流式ガスノズルは材質に言及がないものの渦巻状であることから、一般的には、金属製のノズルが溶湯に溶けないようにするためのコーティングが施されていたり、セラミックで形成されていたりするため、加工コストが高くなる。

本発明は、以上の点に鑑み、噴出された不活性ガスの気泡が結合することなく、アルミニウム合金溶湯中の水素ガスを効率よく除去するとともに、加工コストを低減することができる溶湯処理用ガス噴流治具を提供することを課題とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明の溶湯処理用ガス噴流治具は、
溶解炉内のアルミニウム合金溶湯に不活性ガスを吹き込んで水素ガスを除去する溶湯処理用ガス噴流治具において、
前記不活性ガスが供給されるガス供給管と、前記ガス供給管に接続され前記溶解炉の底部に配置される治具本体と、を備え、
前記治具本体は、黒鉛からなり、前記不活性ガスを噴出する複数の噴出孔が形成されるとともに前記噴出孔から噴出する前記不活性ガスの気泡の大きさが均一になるように内部に前記不活性ガスが広がる内部空間が形成され、
前記噴出孔は、前記噴出孔から噴出された前記不活性ガスの気泡が、隣り合う前記噴出孔から噴出された前記不活性ガスの気泡と前記アルミニウム合金溶湯中で別れた状態を保つ所定の孔径ｄと所定の間隔Ｌに形成されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、溶湯処理用ガス噴流治具は、不活性ガスが供給されるガス供給管と、溶解炉の底部に配置される治具本体と、を備えている。治具本体は不活性ガスを噴出する複数の噴出孔が形成されるとともに噴出孔から噴出する不活性ガスの気泡の大きさが均一になるように内部に不活性ガスが広がる内部空間が形成されている。仮に、従来技術のように、渦巻状のガスノズルに沿って複数の噴出孔が形成されただけでは、不活性ガスの気泡が広い面で噴出されるが、気泡の上昇中に隣り合う噴出孔から噴出された気泡同士が結合して気泡が大きくなることもあり、気泡間の隙間が大きくなり、水素ガスの除去効率が低下する。この点、本発明では、噴出孔は、噴出孔から噴出された不活性ガスの気泡が、隣り合う噴出孔から噴出された不活性ガスの気泡とアルミニウム合金溶湯中で別れた状態を保つ所定の孔径ｄと所定の間隔Ｌに形成されているので、噴出された不活性ガスの気泡同士が結合することがなく、アルミニウム合金溶湯中の水素ガスを効率よく除去することができる。

また、従来技術では、渦巻状の長いガスノズルであるため、ガスノズルの基端側から先端側に向かうにつれて一般的には管摩擦による流体の圧力損失が生じ、同じ大きさの孔径にしても基端側の噴出孔と先端側の噴出孔とでは噴出される不活性ガスの気泡の大きさが異なり、溶解炉の平面視全体でみると不活性ガスの噴出が不均一になり水素ガスの除去効率が低下する。この点、本発明では、噴出孔から噴出する不活性ガスの気泡の大きさが均一になるように内部に不活性ガスが広がる内部空間が形成されているので、管摩擦による圧力損失で位置により噴出される不活性ガスの大きさが不均一になることがなく、広い内部空間で不活性ガスが一旦広がりいずれの位置の噴出孔でも不活性ガス（流体）の圧力が均一になる。このため、いずれの噴出孔からも噴出される不活性ガスの気泡の大きさを等しくでき、溶解炉の平面視全体でみても水素ガスを効率よく除去することができる。

さらに、治具本体は黒鉛で形成されるので、アルミニウム合金溶湯中でも溶けることがなく、金属製のノズルのように溶けないようにするコーティングを施す必要がない。また治具本体を黒鉛で形成すると切削加工のみで形成でき、セラミックのようにスラリーを所定の形に形成してから焼成や仕上げ加工というような複数の加工工程も必要がない。このため、本発明の溶湯処理用ガス噴流治具は、加工コストを低減することができる。

［２］好ましくは、孔径ｄは、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下である。

かかる構成によれば、孔径ｄを０．１ｍｍより小さくしようとすると加工が難しくなり、０．３ｍｍより大きくすると噴出される不活性ガスの気泡が大きくなり水素ガスの除去効率が低下し始める。このため、孔径ｄは、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下とすることで、加工コストを低減しつつ、アルミニウム合金溶湯中の水素ガスを効率よく除去することができる。

［３］好ましくは、前記孔径ｄと前記間隔Ｌとの関係は、指数関数ｅｘｐを用いて、
Ｌ＞０．９６５５ｅｘｐ１１．５１３ｄ、である。

かかる構成によれば、孔径ｄと間隔Ｌとの関係は、指数関数ｅｘｐを用いて、Ｌ＞０．９６５５ｅｘｐ１１．５１３ｄとするので、隣り合う噴出孔から噴出された気泡同士が上昇中に最小限の隙間を保ち結合しないようにでき、水素ガスの除去効率を向上させることができる。

［４］好ましくは、前記噴出孔から噴出された不活性ガスの気泡の気泡径Ｘと、隣り合う前記気泡の間隔Ｙとの関係は、指数関数ｅｘｐを用いて、
Ｙ＞１．５９４ｅｘｐ０．６０２Ｘ、である。

かかる構成によれば、不活性ガスの気泡の気泡径Ｘと、隣り合う気泡の間隔Ｙとの関係は、指数関数ｅｘｐを用いて、Ｙ＞１．５９４ｅｘｐ０．６０２Ｘ、とするので、隣り合う噴出孔から噴出された気泡同士が上昇中に最小限の隙間を保ち結合しないようにでき、水素ガスの除去効率を向上させることができる。

［５］好ましくは、前記治具本体は、円柱状に形成されており、前記ガス供給管が接続されたベース部と、前記ベース部と別体に形成され前記ベース部の外周部に形成されたねじ部に螺合可能な蓋部とからなり、
前記蓋部の上面部に前記噴出孔が形成されている。

かかる構成によれば、治具本体は、ガス供給管が接続されたベース部と、ベース部と別体に形成されベース部の外周部に形成されたねじ部に螺合可能な蓋部とからなるので、蓋部を容易に交換することができる。ベース部は同じものを使用しつつ、溶解炉の大きさや形状に合わせて異なる大きさの蓋部のみを簡単に交換でき、低コストで様々な種類の溶解炉でアルミニウム合金溶湯中の水素ガスを効率よく除去することができる。

［６］好ましくは、前記治具本体の内部には、重りが設けられている。

かかる構成によれば、治具本体には、重りが設けられている。一般的に、アルミニウム合金溶湯中では、治具本体が浮かび易くなる。このため、従来技術では、噴流式ガスノズルが固定部材によって溶解炉の底に設置されている。この点、本発明では、治具本体に重りを設けるだけなので、従来技術のように溶解炉の底に固定部材を設置する必要もなく、治具本体のみの構成で治具本体の浮かび上がりを防止して溶解炉の底に配置することができる。また、治具本体の内部に重りを設けることで、重りに特別なコーティングも必要なく部品コストを低減することができる。

噴出された不活性ガスの気泡が結合することなく、アルミニウム合金溶湯中の水素ガスを効率よく除去するとともに、加工コストを低減することができる溶湯処理用ガス噴流治具を提供することができる。

一般的な溶湯内の水素ガスを除去する技術を説明する図である。 理想的な溶湯内の水素ガス除去の基本原理を説明する図である。 噴出孔の孔径と気泡の円相当径の関係を説明する図である。 噴出孔の間隔を説明する図である。 隣り合う噴出孔から噴出された気泡のANSYS Fluentによる２次元定常流体解析を説明する図である。 孔径と孔間隔の関係、及び、気泡径と気泡間隔の関係を説明する図である。 所定の直径の気泡による脱ガス処理時間と水素量の関係を説明する図である。 本発明の実施例に係る溶湯処理用ガス噴流治具の斜視図である。 本発明の実施例及び別態様に係る溶湯処理用ガス噴流治具の断面図である。 比較例と実施例の気泡浮上の作用を説明する図である。 比較例と実施例の気泡浮上の状態を説明する図、及び比較例と実施例の凝固した試験片の断面図である。 本発明に係る溶湯処理用ガス噴流治具の使用例を説明する図である。

本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。

まず、噴出孔の孔径と気泡の円相当径の関係を説明する。
図３を参照する。図３（Ａ）に示すように、試験ノズル１０は角柱状に形成されており、その内部に不活性ガスである窒素を通す供給通路１１が形成され、この供給通路１１から試験ノズル１０の上面まで噴出孔１２が形成されている。噴出孔１２の孔径（口径）ｄは、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍのものを用意した。

図３（Ｂ）に示すように、試験ノズル１０を純水５０ａ内に入れ、不活性ガスとして窒素ガスを、ガス量０．５Ｌ／ｍｉｎで供給通路１１に吹き込み、高速度カメラで撮影した窒素ガスの気泡５１を画像解析により円相当径（ｍｍ）を測定した。

図３（Ｃ）に示すように、孔径０．２ｍｍで気泡５１の円相当径が２．１ｍｍ、孔径０．３ｍｍで気泡５１の円相当径が２．３ｍｍ、孔径０．４ｍｍで気泡５１の円相当径が３．６ｍｍ、孔径０．５ｍｍで気泡５１の円相当径が３．６ｍｍとなった。

次に孔径と孔間隔の関係、及び、気泡径と気泡間隔の関係について説明する。
図４を参照する。図４（Ａ）に示すように、試験ノズル２０は角柱状に形成されており、その内部に不活性ガスである窒素を通す供給通路２１が形成され、この供給通路２１から試験ノズル２０の上面まで噴出孔２２が形成されている。噴出孔２２の孔径（口径）ｄは０．２ｍｍとし、隣り合う噴出孔２２の中心間の間隔Ｌを、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの順に徐々に広げて噴出孔２２を配置したものを用意した。

図４（Ｂ）に示すように、試験ノズル２０を純水５０ａ内に入れ、不活性ガスとして窒素ガスを、ガス量０．２Ｌ／ｍｉｎで供給通路２１に吹き込み、高速度カメラで撮影した窒素ガスの気泡５１を画像解析により所定の噴出孔２２から噴出された窒素ガスの気泡５１が、隣り合う噴出孔２２から噴出された窒素ガスの気泡５１とアルミニウム合金溶湯５０中で別れた状態を保つか（気泡５１同士が結合しないか）、気泡５１同士が結合するかを評価した。詳細は後述するが、隣り合う噴出孔２２の間隔Ｌが狭いと噴出された窒素ガスが結合する傾向にあることが確認された。

図５を参照する。図５は隣り合う噴出孔から噴出された気泡のANSYS Fluentによる２次元定常流体解析の結果を示す。解析条件は、アルミニウム合金溶湯相当内で、窒素ガス相当の気泡の気泡径をＸとし、隣り合う気泡の間隔をＹとし、ガス量０．２Ｌ／ｍｉｎ相当で噴出する条件とした。なお、図中、窒素ガス相当の気泡は、中央付近の左右の丸形状（上下に２つずつ表示）のものを示す。

図５（Ａ）は窒素ガス相当の気泡の気泡径Ｘを１ｍｍとし、隣り合う気泡の間隔Ｙを１ｍｍとしたものである。気泡の間隔Ｙが１ｍｍであると、気泡間の圧力が低下し、気泡が結合した。図５（Ｂ）は窒素ガス相当の気泡の気泡径Ｘを１ｍｍとし、隣り合う気泡の間隔Ｙを３ｍｍとしたものである。気泡の間隔Ｙが３ｍｍであると、気泡間の圧力が低下せず、気泡同士が分かれた状態を保った（結合しなかった）。

図５（Ｃ）は窒素ガス相当の気泡の気泡径Ｘを２ｍｍとし、隣り合う気泡の間隔Ｙを３ｍｍとしたものである。気泡の間隔Ｙが３ｍｍであると、気泡間の圧力が低下し、気泡が結合した。図５（Ｄ）は窒素ガス相当の気泡の気泡径Ｘを２ｍｍとし、隣り合う気泡の間隔Ｙを５ｍｍとしたものである。気泡の間隔Ｙが５ｍｍであると、気泡間の圧力が低下せず、気泡同士が分かれた状態を保った（結合しなかった）。

図５（Ｅ）は窒素ガス相当の気泡の気泡径Ｘを３ｍｍとし、隣り合う気泡の間隔Ｙを５ｍｍとしたものである。気泡の間隔Ｙが５ｍｍであると、気泡間の圧力が低下し、気泡が結合した。図５（Ｆ）は窒素ガスの気泡の気泡径Ｘを３ｍｍとし、隣り合う気泡の間隔Ｙを１０ｍｍとしたものである。気泡の間隔Ｙが１０ｍｍであると、気泡間の圧力が低下せず、気泡同士が分かれた状態を保った（結合しなかった）。

図６を参照する。図６（Ａ）は孔径と孔間隔の関係を示す図であり、横軸は噴出孔の孔径ｄ（ｍｍ）であり、縦軸は隣り合う噴出孔の間隔Ｌ（ｍｍ）である。図中の曲線は、所定の孔径ｄの噴出孔から噴出された不活性ガスの気泡同士がアルミニウム合金溶湯中で別れた状態を保つ最小限の間隔Ｌ（気泡が結合しない最小限の間隔Ｌ）をいくつかプロットし、近似曲線としたものである。

これにより、孔径ｄは、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下で、孔径ｄと孔間隔Ｌとの関係は、指数関数ｅｘｐを用いて、Ｌ＞０．９６５５ｅｘｐ１１．５１３ｄ、であることが好ましい。なお、相関係数の二乗である決定係数はＲ^２＝０．９９９３である。

図６（Ｂ）は気泡径と気泡間隔を示す図であり、横軸は気泡径Ｘ（ｍｍ）であり、縦軸は隣り合う気泡の間隔Ｙ（ｍｍ）である。図中の曲線は、所定の気泡径Ｘでの不活性ガスの気泡同士がアルミニウム合金溶湯中で別れた状態を保つ最小限の気泡間隔Ｙ（気泡が結合しない最小限の間隔Ｙ）をいくつかプロットし、近似曲線としたものである。

これにより、噴出孔から噴出された不活性ガスの気泡の気泡径Ｘと噴出孔から噴出された不活性ガスの気泡間隔Ｙとの関係は、指数関数ｅｘｐを用いて、Ｙ＞１．５９４ｅｘｐ０．６０２Ｘ、であることが好ましい。なお、相関係数の二乗である決定係数はＲ^２＝０．９９２４である。

次に参考として脱ガス処理時間と水素量の関係について説明する。
図７は、所定の直径の気泡による脱ガス処理時間と水素量の関係を示しており、横軸は処理時間（分）であり、縦軸は溶湯中の水素量（ｍｌ／１００ｇ）である。脱ガス処理前水素量は０．３ｍｌ／１００ｇ、溶湯質量は３００ｋｇ、不活性ガス量は１５Ｌ／ｍｉｎ、不活性ガス気泡径２．０ｍｍ、と５．０ｍｍである。

脱ガス処理後の溶湯中水素濃度［％Ｈ］と、処理前の溶湯中水素濃度［％Ｈ］ｉの関係は、［％Ｈ］＝［％Ｈ］ｉ・ｅｘｐ（－ＫρＡｔ／Ｍ）となる。なお、Ｋは質量移動係数、ρは溶湯の密度、Ａは溶湯中の気泡の全表面積、ｔは処理時間、Ｍは溶湯質量とする。

また、気泡上昇速度Ｖは、Ｖ＝１．０２・（ｒｇ）^０．５であり、全表面積Ａは、Ａ＝３Ｑｈ／ｒＶである。なお、Ｑは不活性ガス量、ｈは溶湯表面までの高さ、ｒは気泡半径、Ｖは気泡上昇速度とする。

図７から、気泡径が５ｍｍよりも気泡径２ｍｍの方が、溶湯中の水素量を短時間で減少させることができることが知見される。このことからも、不活性ガスは気泡径が小さい状態でアルミニウム合金溶湯内を隣り合う気泡と結合せずに上昇した方が、アルミニウム合金溶湯中の水素ガスを効率よく除去することができる。

次に本発明の実施例に係る溶湯処理用ガス噴流治具３０について説明する。
図８を参照する。図８（Ａ）に示すように、溶湯処理用ガス噴流治具３０は、溶解炉６０内のアルミニウム合金溶湯５０に不活性ガス（不活性ガスの気泡）５１を供給して水素ガス５２を除去することに用いられる。溶湯処理用ガス噴流治具３０は、不活性ガス５１が供給されるガス供給管３１と、ガス供給管３１に接続され溶解炉６０の底部６１に配置される治具本体４０と、を備えている。

図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示すように、ガス供給管３１はいわゆるアルミナパイプであり、溶解炉６０の形状に大きさに合わせて、ガス供給管３１の形状が形成されている。ガス供給管３１は、不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置（不図示）から延ばされている配管又はチューブに接続され溶解炉６０の縁に掛けられる掛け留め部３１ａと、この掛け留め部３１ａに連続して溶解炉６０の底部６１まで延ばされている潜り部３１ｂと、この潜り部３１ｂに連続して底部６１に沿って延ばされ治具本体４０に継手３１ｄを介して接続される底延長部３１ｃと、を備えている。

図８（Ｂ）、図９（Ａ）に示すように、治具本体４０は、材質が黒鉛であり、不活性ガスを噴出する複数の噴出孔４２が形成されている。治具本体４０は、円柱状に形成されるとともに内部に不活性ガスが広がる内部空間４３が形成され、ガス供給管３１の継手３１ｄが接続されたベース部４１と、ベース部４１と別体に形成されベース部４１の外周部に形成されたねじ部４４に螺合可能な蓋部４５とからなる。円柱状に形成された治具本体４０の外径は９０ｍｍであり、高さは２５ｍｍである。

噴出孔４２は、この噴出孔４２から噴出された不活性ガスの気泡５１が、隣り合う噴出孔４２から噴出された不活性ガスの気泡５１とアルミニウム合金溶湯５０中で別れた状態を保つ（気泡５１同士が結合しない）所定の孔径ｄと所定の間隔Ｌに形成されている。蓋部４５は、その上面部４６に孔径ｄを０．２ｍｍとする噴出孔４２が、間隔Ｌが５ｍｍで２５個形成されている。

なお、実施例では、円柱状に形成された治具本体４０の外径は９０ｍｍであり、高さは２５ｍｍとしたが、これに限定されず、溶解炉６０（図１２参照）の形状や大きさに応じて、治具本体４０の外径を１２０ｍｍ、１４０ｍｍ、２００ｍｍ、それ以上にしてもよく、高さを２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、それ以上にしてもよい。また、実施例では、治具本体４０を円柱状とすることで、一般的なバッチ式の溶解炉（るつぼ）６０の形状に合わせて溶解炉６０の底部６１全体を覆うようにしたが、これに限定されず、異なる溶解炉６０の形状に合わせて、治具本体４０はねじ部４４に螺合できれば蓋部４５の形状を矩形状などにしてもよい。

また、実施例では、孔径ｄを０．２ｍｍとする噴出孔４２を、間隔Ｌを５ｍｍとして２５個形成したが、これに限定されず、噴出孔４２の数は５０個、１００個、４００個でもよい。また、噴出孔４２の孔径ｄは、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下で、孔径ｄと間隔Ｌとの関係は、間隔Ｌの空け過ぎによる水素ガスの除去効率の低下も考慮すると、指数関数ｅｘｐを用いて、０．９６５５ｅｘｐ１１．５１３ｄ＋１０＞Ｌ＞０．９６５５ｅｘｐ１１．５１３ｄ、であれば好ましい。さらには、水素ガスの除去効率は上記範囲より低下するが、気泡５１がアルミニウム合金溶湯５０中で結合しなければ、噴出孔４２の孔径ｄを０．３ｍｍより大きくし、間隔Ｌを（０．９６５５ｅｘｐ１１．５１３ｄ＋１０）ｍｍ以上としてもよい。

また、噴出孔４２から噴出された不活性ガスの気泡５１の気泡径Ｘと噴出孔４２から噴出された不活性ガスの気泡間隔Ｙとの関係は、気泡間隔Ｙの空け過ぎによる水素ガスの除去効率の低下も考慮すると、１．５９４ｅｘｐ０．６０２Ｘ＋５＞Ｙ＞１．５９４ｅｘｐ０．６０２Ｘ、とすることが好ましい。

また、ベース部４１には継手３１ｄの接続部分から内部空間４３まで連通する連通路４７が形成されており、この連通路４７に継手３１ｄはねじ結合されている。これにより、異なる形状の溶解炉６０に溶湯処理用ガス噴流治具３０を配置する際、治具本体４０はそのまま流用し、その溶解炉６０の形状に合ったガス供給管３１に容易に変更することができる。

また、内部空間４３は、いずれの噴出孔４２から噴出する不活性ガスの気泡５１の大きさが均一になるように、治具本体４０の内部に形成されている。内部空間４３は、連通路４７から流れてきた不活性ガスが広がるように、連通路４７の流路面積よりも大きい面積となるように形成されている。なお、治具本体４０の平面視（連通路４７の軸方向視）における内部空間４３の面積が、連通路４７の流路面積よりも大きければ大きさは問わないが、より好ましくは、治具本体４０の平面視（連通路４７の軸方向視）における内部空間４３の面積が、連通路４７の流路面積の１０倍以上の大きさに形成されているとよい。また、治具本体４０の平面視（連通路４７の軸方向視）において、連通路４７の出口は、内部空間４３の中央部に配置されている。これにより、連通路４７から不活性ガスが内部空間４３の全ての位置に均一に広がり易くできる。

次に実施例の別態様について説明する。なお、図９（Ａ）と同様の構成については符号を振って説明を省略する。
図９（Ｂ）に示すように、ベース部４１には、外周部分にガス供給管３１の継手３１ｄがねじ結合されている。溶解炉６０の形状によってはガス供給管３１を治具本体４０の下方に配管し難い場合があるが、ガス供給管３１をベース部４１の外周部分に接続することで配管し易くなる場合には好適である。

また、治具本体４０には、この内側であってベース部４１の上部に凹部４８が形成され、この凹部４８に円環状の重り３２が設けられている。凹部４８を形成する周壁の外側にはねじ部４９が形成されており、このねじ部４９に重り３２を覆うとともに中央部に不活性ガスを通す孔３３が形成された中蓋３４がねじ結合されている。アルミニウム合金溶湯５０中では、黒鉛やセラミックス製の部品は浮かび易いため、従来技術では溶解炉の底部に固定部材を設置する必要があるが、この点、本発明の実施例では、治具本体４０に重り３２を設けて治具本体４０が浮かぶことを防止するので、溶解炉に固定部材を設置することなく、治具本体４０を溶解炉の底部に留まらせることができる。また、重り３２は一般的な比重の大きい金属製のものであるが、アルミニウム合金溶湯５０の中では溶け易くなるところ、黒鉛の治具本体の中に金属製の重り３２を収納してあるので、特別なコーティングも必要なく部品コストを低減することができる。

なお、実施例では、凹部４８を形成する周壁の外側にねじ部４９を形成したが、これに限定されず、凹部４８の内周部分にねじ部４９を形成して、このねじ部４９にねじ結合するドーナツ状の円板を中蓋３４としてもよい。

次に比較例のアルミナパイプ１１０と実施例の溶湯処理用ガス噴流治具３０の脱ガス実験と評価について説明する。
図１０を参照する。図１０（Ａ）は比較例のアルミナパイプ１１０の脱ガス状態を説明する図であり、るつぼ状の溶解炉６０内のアルミニウム合金溶湯５０中に外径６ｍｍ、内径４ｍｍのアルミナパイプ１１０が入れられており、その先端部から不活性ガスを噴出している。気泡５１の浮上速度が速く、不活性ガスの気泡５１が大きいため、アルミニウム合金溶湯５０が乱され易く、液面付近でスラグや水素ガス５２の巻き込みが発生する。

図１０（Ｂ）は実施例の溶湯処理用ガス噴流治具３０の脱ガス状態を説明する図であり、るつぼ状の溶解炉６０内のアルミニウム合金溶湯５０中に溶湯処理用ガス噴流治具３０が入れられており、噴出孔４２（図９参照）から不活性ガスを噴出している。気泡５１の浮上速度が遅く、不活性ガスの気泡５１が小さいため、アルミニウム合金溶湯５０が乱され難く、液面付近でスラグや水素ガス５２の巻き込みが少ない。不活性ガス５１の浮上速度が遅いため、脱ガス効果が向上する。

図１０（Ｃ）は気泡直径（ｍｍ）とガス浮上速度（ｍｍ／ｓ）の関係を説明する図であり、気泡直径が小さいほどガス浮上速度が遅いことが分かる。また、純水よりもアルミニウム溶湯（アルミニウム合金溶湯）の方が、ガス浮上速度が速い。

図１１を参照する。図１１（Ａ）は比較例のアルミナパイプ１１０から噴出された気泡を高速度カメラで撮影した画像であり、気泡の気泡径Ｘは２０ｍｍ～３５ｍｍである。図１１（Ｂ）は実施例の溶湯処理用ガス噴流治具３０から噴出された気泡を高速度カメラで撮影した画像であり、気泡の気泡径Ｘは２．０ｍｍ～２．４ｍｍである。

図１１（Ｃ）は比較例の脱ガス処理後のアルミニウム合金溶湯５０から採取した減圧凝固試験片断面であり、密度が２．５２（ｇ／ｃｍ^３）であり、Ｋ値（全ての破面に現れた介在物の総数を試験片の数で割った値）が４．０であり、ガス量が０．２（ｍｌ／１００ｇ）である。図１１（Ｄ）は実施例の脱ガス処理後のアルミニウム合金溶湯５０から採取した減圧凝固試験片断面であり、密度が２．６１（ｇ／ｃｍ^３）であり、Ｋ値が１．８であり、ガス量が０．１（ｍｌ／１００ｇ）である。

なお、上記の実験方法は、溶解材料としてアルミニウム合金ＡＣ４Ｃ材を５ｋｇ（返り材）、溶解温度を７５０℃（抵抗式電気炉）、脱ガス条件は不活性ガスとしてＡｒガスを０．５Ｌ／ｍｉｎ（鋳造の現場における３００ｋｇ炉よりガス量を換算）、採取した試験片は減圧凝固試験片、Ｋモールド試験片、水素分析試験片とした。噴流方法と処理時間については、比較例のアルミナパイプと実施例の溶湯処理用ガス噴流治具それぞれにつき処理時間を１０分とした。

次に実施例に係る溶湯処理用ガス噴流治具３０の作用について説明する。
図１２を参照する。図１２（Ａ）はバッチ式の溶解炉６０であり、るつぼ状の溶解炉６０の上部開口から溶湯処理用ガス噴流治具３０をアルミニウム合金溶湯５０内に入れ、溶解炉６０の底部６１に配置している。このように、本発明の実施例では治具本体４０をガス供給管３１で支持しているだけなので、従来技術のような大型の撹拌及び不活性ガス吹き込み装置１０２（図１参照）を溶解炉６０の上方に設置する必要がなく、簡単に溶湯処理用ガス噴流治具３０を溶解炉６０取り付けて、水素ガスを効率よく除去することができる。

図１２（Ｂ）は連続溶解保持式の溶解炉７０であり、溶解炉７０の窓７１から溶湯処理用ガス噴流治具３０をアルミニウム合金溶湯５０内に入れ、溶解炉７０の底部７２に配置している。また、アルミニウム合金溶湯５０の取り出し口７３から溶湯処理用ガス噴流治具３０をアルミニウム合金溶湯５０内に入れ、溶解炉７０の底部７２に配置することもできる。仮に、従来技術のような大型の撹拌及び不活性ガス吹き込み装置１０２では、広いスペースが必要となる問題などから連続溶解保持式の溶解炉７０には設置が困難である。この点、本発明の実施例では、少しの溶解炉７０内に通じる治具本体４０が入る小さなスペースがあれば、ガス供給管３１に吊り下げるようにして溶解炉７０の底部７２に治具本体４０を配置することができる。このため、連続溶解保持式の溶解炉７０であっても、水素ガスを効率よく除去することができる。

以上に述べた溶湯処理用ガス噴流治具３０の作用、効果を説明する。
本発明の実施例は、溶湯処理用ガス噴流治具３０は、不活性ガスが供給されるガス供給管３１と、溶解炉６０の底部６１に配置される治具本体４０と、を備えている。治具本体４０は不活性ガスを噴出する複数の噴出孔４２が形成されるとともに噴出孔から噴出する不活性ガスの気泡の大きさが均一になるように内部に不活性ガスが広がる内部空間が形成されている。仮に、従来技術のように、渦巻状のガスノズルに沿って複数の噴出孔が形成されただけでは、不活性ガスの気泡が広い面で噴出されるが、気泡の上昇中に隣り合う噴出孔から噴出された気泡同士が結合して気泡が大きくなることもあり、気泡間の隙間が大きくなり、水素ガスの除去効率が低下する。この点、本発明では、噴出孔４２は、噴出孔４２から噴出された不活性ガスの気泡５１が、隣り合う噴出孔４２から噴出された不活性ガスの気泡５１とアルミニウム合金溶湯５０中で別れた状態を保つ所定の孔径ｄと所定の間隔Ｌに形成されているので、噴出された不活性ガスの気泡５１同士が結合することがなく、アルミニウム合金溶湯５０中の水素ガスを効率よく除去することができる。

さらに、本発明では、噴出孔４２から噴出する不活性ガスの気泡の大きさが均一になるように内部に不活性ガスが広がる内部空間４３が形成されているので、管摩擦による圧力損失で位置により噴出される不活性ガスの大きさが不均一になることがなく、広い内部空間４３で不活性ガスが一旦広がりいずれの位置の噴出孔でも不活性ガス（流体）の圧力が均一になる。このため、いずれの噴出孔４２からも噴出される不活性ガスの気泡５１の大きさを等しくでき、溶解炉の平面視全体でみても水素ガスを効率よく除去することができる。

さらに、本発明の実施例では、治具本体４０は黒鉛で形成されるので、アルミニウム合金溶湯５０中でも溶けることがなく、金属製のノズルのように溶けないようにするコーティングを施す必要がない。また治具本体４０を黒鉛で形成すると切削加工のみで形成でき、セラミックのようにスラリーを所定の形に形成してから焼成や仕上げ加工というような複数の加工工程も必要がない。このため、本発明の溶湯処理用ガス噴流治具３０は、加工コストを低減することができる。

さらに、本発明の実施例では、孔径ｄは、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下である。かかる構成によれば、孔径ｄを０．１ｍｍより小さくしようとすると加工が難しくなり、０．３ｍｍより大きくすると噴出される不活性ガスの気泡が大きくなり水素ガスの除去効率が低下し始める。このため、孔径ｄは、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下とすることで、加工コストを低減しつつ、アルミニウム合金溶湯中の水素ガスを効率よく除去することができる。

さらに、本発明の実施例では、孔径ｄと間隔Ｌとの関係は、指数関数ｅｘｐを用いて、Ｌ＞０．９６５５ｅｘｐ１１．５１３ｄとするので、隣り合う噴出孔４２から噴出された気泡５１同士が上昇中に最小限の隙間を保ち結合しないようにでき、水素ガスの除去効率を向上させることができる。

さらに、本発明の実施例では、不活性ガスの気泡５１の気泡径Ｘと、隣り合う気泡５１の間隔Ｙとの関係は、指数関数ｅｘｐを用いて、Ｙ＞１．５９４ｅｘｐ０．６０２Ｘ、とするので、隣り合う噴出孔４２から噴出された気泡５１同士が上昇中に最小限の隙間を保ち結合しないようにでき、水素ガスの除去効率を向上させることができる。

さらに、本発明の実施例では、治具本体４０は、ガス供給管３１が接続されたベース部４１と、ベース部４１と別体に形成されベース部４１の外周部に形成されたねじ部４４に螺合可能な蓋部４５とからなるので、蓋部４５を容易に交換することができる。ベース部４１は同じものを使用しつつ、溶解炉６０、７０の大きさや形状に合わせて異なる大きさの蓋部４５のみを簡単に交換でき、低コストで様々な種類の溶解炉６０、７０でアルミニウム合金溶湯５０中の水素ガスを効率よく除去することができる。

さらに、本発明の実施例では、治具本体４０には、重り３２が設けられている。一般的に、アルミニウム合金溶湯５０中では、治具本体４０が浮かび易くなる。このため、従来技術では、噴流式ガスノズルが固定部材によって溶解炉の底に設置されている。この点、本発明では、治具本体４０に重り３２を設けるだけなので、従来技術のように溶解炉の底に固定部材を設置する必要もなく、治具本体４０のみの構成で治具本体４０の浮かび上がりを防止して溶解炉６０、７０の底に配置することができる。

尚、実施例では、治具本体４０の複数の噴出孔４２を、格子状に並ぶように配置したが、これに限定されず、噴出孔４２から噴出された不活性ガスの気泡５１が、隣り合う噴出孔４２から噴出された不活性ガスの気泡５１とアルミニウム合金溶湯５０中で別れた状態を保つ所定の孔径ｄと所定の間隔Ｌに形成されていれば、列毎にずらして配置したり、放射状に配置したり、同心円状に複数の円環が外方に大きくなるように配置してもよく、噴出孔の配列や個数が異なってもよい。

また、実施例では、不活性ガスを、窒素、又は、アルゴンとしたが、ヘリウムなど他の一般的なガスを用いてもよい。

また、実施例では、重り３２を円環状のものとしたが、これに限定されず、ブロック状でもよく、形状は問わない。さらには、実施例では重り３２を治具本体４０の中に収納したが、アルミニウム合金溶湯５０の中でも溶けなければ、例えばコーティング等を施して治具本体４０の外側に重り３２を設けてもよい。

即ち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。

本発明の技術は、アルミニウム合金溶湯５０の中の水素ガスを除去する溶湯処理用ガス噴流治具に好適である。

１０… 試験ノズル
１２… 噴出孔
２０… 試験ノズル
２２… 噴出孔
３０… 溶湯処理用ガス噴流治具
３１… ガス供給管
３２… 重り
４０… 治具本体
４１… ベース部
４２… 噴出孔
４３… 内部空間
４４… ねじ部
４５… 蓋部
５０… アルミニウム合金溶湯
５０ａ…純水
５１… 不活性ガス（窒素、アルゴン）の気泡
５２… 水素ガス
６０、７０… 溶解炉
６１、７２… 底部
ｄ… 孔径（口径）
Ｌ… 噴出孔の孔間隔
Ｘ… 不活性ガスの気泡径
Ｙ… 不活性ガスの気泡間隔

Claims (6)

1. 溶解炉内のアルミニウム合金溶湯に不活性ガスを供給して水素ガスを除去する溶湯処理用ガス噴流治具において、
   前記不活性ガスが供給されるガス供給管と、前記ガス供給管に接続され前記溶解炉の底部に配置される治具本体と、を備え、
   前記治具本体は、黒鉛からなり、前記不活性ガスを噴出する複数の噴出孔が形成されるとともに前記噴出孔から噴出する前記不活性ガスの気泡の大きさが均一になるように内部に前記不活性ガスが広がる内部空間が形成され、
   前記噴出孔は、前記噴出孔から噴出された前記不活性ガスの気泡が、隣り合う前記噴出孔から噴出された前記不活性ガスの気泡と前記アルミニウム合金溶湯中で別れた状態を保つ所定の孔径ｄと所定の間隔Ｌに形成されていることを特徴とする溶湯処理用ガス噴流治具。
2. 請求項１記載の溶湯処理用ガス噴流治具であって、
   前記孔径ｄは、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下であることを特徴とする溶湯処理用ガス噴流治具。
3. 請求項２記載の溶湯処理用ガス噴流治具であって、
   前記孔径ｄと前記間隔Ｌとの関係は、指数関数ｅｘｐを用いて、
   Ｌ＞０．９６５５ｅｘｐ１１．５１３ｄ、であることを特徴とする溶湯処理用ガス噴流治具。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１記載の溶湯処理用ガス噴流治具であって、
   前記噴出孔から噴出された不活性ガスの気泡の気泡径Ｘと、隣り合う前記気泡の間隔Ｙとの関係は、指数関数ｅｘｐを用いて、
   Ｙ＞１．５９４ｅｘｐ０．６０２Ｘ、であることを特徴とする溶湯処理用ガス噴流治具。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１記載の溶湯処理用ガス噴流治具であって、
   前記治具本体は、円柱状に形成されており、前記ガス供給管が接続されたベース部と、前記ベース部と別体に形成され前記ベース部の外周部に形成されたねじ部に螺合可能な蓋部とからなり、
   前記蓋部の上面部に前記噴出孔が形成されていることを特徴とする溶湯処理用ガス噴流治具。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１記載の溶湯処理用ガス噴流治具であって、
   前記治具本体の内部には、重りが設けられていることを特徴とする溶湯処理用ガス噴流治具。
   
   

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