JP3081401B2 - 溶湯の不純物除去方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶湯内に混在する不純
物等を除去する方法および装置に関し、とくに溶湯の酸
化を抑制するとともに、溶湯表面に浮上したスラグの除
去が容易な溶湯の不純物除去方法およびその装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】溶融金属の品質を高めるために、溶湯中
に混在するガスや不純物を除去する作業が行われる。溶
湯中の不純物の除去は、一般にフラックスなどの溶湯処
理剤を溶湯中に混入させ、溶湯表面に浮上したスラグを
取り除くことによって行われる。

【０００３】図９は、アルミニウム合金の溶湯中の不純
物を除去する工程を示している。図９において、１は溶
解炉で溶融された金属を一時貯溜する保持炉を示してい
る。保持炉１内の溶湯２には、ランスパイプ３が挿入さ
れており、ランスパイプ３を介してＮ₂ ガスとフラック
スとが吹き込まれる。

【０００４】溶湯２中にＮ₂ ガスとフラックスとが吹き
込まれると、溶湯２の泡立ち（バブリング）によって不
純物の浮上が促進される。溶湯面２ａに浮上したスラグ
（のろ）Ｓ₂ は、作業者によってかき寄せられ除去され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図９のよう
に、溶湯２中にＮ₂ ガスとフラックスとを吹き込む場合
は、溶湯２の泡立ちによる不純物の除去効果を高めるた
め、吹き込み圧力を増加させると、溶湯２の跳ね上がり
によって溶湯表面２ａがばたつき、溶湯表面２ａの酸化
膜が常時破れたままとなる。そのため、溶湯２と大気と
の接触面積が大きくなって溶湯２の酸化物が増加し、メ
タルロス（被溶解金属の酸化損失）が多くなるという問
題がある。なお、吹き込み圧力を弱めるとランスパイプ
内に溶湯が逆流し、ランスパイプが目詰りする。

【０００６】溶湯表面２ａに浮上したスラグＳ₂ は、作
業者によってかき寄せられ除去されるが、この場合、ス
ラグＳ₂ は溶湯表面２ａのばたつきにより炉の内周壁へ
向けて広がり炉壁に付着するので、スラグＳ₂ の除去能
率が著しく悪いという問題があった。また、スラグの除
去作業は高温下で行われるので、作業者にとっては過酷
な労働となる。したがって、スラグＳ₂ を容易に除去で
きる方法の開発が望まれる。

【０００７】炉体の外周に電磁誘導コイルを配置し、バ
ブリング時に溶湯の撹拌を行う技術が特開昭６０−１６
５３２７号公報、特開平２−１０４４４１号公報が知ら
れているが、この場合も上述と同様に溶湯表面のばたつ
きが生じ、酸化物が増加するという問題がある。また、
静磁場により溶湯表面のばたつきを抑える方法が特開平
２−１０４４４０号公報に開示されているが、この方法
の場合は、スラグの広がりを防止することは難かしく、
スラグの除去能率が悪い。

【０００８】本発明は、溶湯への溶湯処理剤および不活
性ガスの吹き込みによる溶湯表面のばたつきを抑えると
ともに、溶湯表面に浮上したスラグの除去が容易となる
溶湯の不純物除去方法およひその装置を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】（１）この目的を達成す
るための本発明に係る溶湯の不純物除去方法は、つぎの
通りである。炉床の下側に炉中心に対して偏心設置され
た電磁誘導コイルにより該電磁誘導コイルの上方の溶湯
に斜め上向きの推力を誘起し該推力による溶湯流を炉壁
に当てて溶湯に水平方向の回転流を発生させて溶湯を攪
拌させつつ、溶湯中に溶湯処理剤と不活性ガスとを吹き
込み、前記水平方向回転流により溶湯と遠心分離されて
溶湯表面中央部に集められた浮上スラグを除去すること
を特徴とする溶湯の不純物除去方法。

【００１０】（２）この目的を達成するための本発明に
係る溶湯の不純物除去装置は、つぎの通りである。炉床
の下側に炉中心に対して偏心設置され上方の溶湯に斜め
上向きの推力を誘起する電磁誘導コイルと前記推力によ
る溶湯流が当たった時に該溶湯流に水平方向の回転流を
発生させる炉壁とからなる、炉内の溶湯に水平方向の回
転流を付与する回転流付与手段と、溶湯中に溶湯処理剤
と不活性ガスとを吹き込むランスパイプと、溶湯表面中
央部に接近可能に設けられ、前記水平方向回転流により
溶湯と遠心分離されて溶湯表面中央部に集められた浮上
スラグを除去するスラグ除去手段と、を備えたことを特
徴とする溶湯の不純物除去装置。

【００１１】

【作用】このように構成された溶湯の不純物除去方法お
よびその装置においては、電磁誘導コイルにより溶湯に
斜め上方に向かう推力が誘起され該推力による溶湯流が
炉壁に当たって炉内の溶湯に水平方向の回転流が付与さ
れる。溶湯表面に浮上するスラグは、水平方向回転流に
より溶湯と遠心分離されて溶湯表面中央部に集められ
る。

【００１２】スラグが溶湯表面の中央に集まると、溶湯
表面の中央はスラグによって覆われた状態となるので、
たとえば溶湯処理剤と不活性ガスとを溶湯の回転中心に
吹き込んだ場合でも、溶湯処理剤と不活性ガスとの吹き
込みによる溶湯表面のばたつきが抑えられ、溶湯表面の
酸化膜の破れが抑制される。したがって、大気と溶湯と
の接触による酸化物の発生が抑制され、メタルロスは低
減される。また、スラグが溶湯表面の中央に自然に集ま
るので、スラグ除去手段によるスラグの除去が容易にな
るとともに、スラグの炉内壁への付着も確実に防止され
る。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明に係る溶湯の不純物除去方法
およびその装置の望ましい実施例を、図面を参照して説
明する。

【００１４】第１実施例 図１ないし図６は、本発明の第１実施例を示しており、
とくにアルミ溶湯の保持炉に適用した場合を示してい
る。図１および図２において、１１は保持炉を示してい
る。保持炉１１には、図示されない急速溶解炉によって
溶解されたアルミニウム合金の溶湯１２が貯溜されてい
る。保持炉１１内の溶湯表面１２ａは、溶湯１２の温度
低下防止のために図示されない保持バーナによって加熱
されている。

【００１５】保持炉１１の下方（炉床の下側）には、回
転流付与手段の一部を構成する電磁誘導コイル１３が配
置されている。電磁誘導コイル１３は、溶湯表面１２ａ
の中心に対し芯ずれした状態で配置されている。電磁誘
導コイル１３は、直方体に形成され溶湯表面１２ａのほ
ぼ半分と重なるように配置されている。電磁誘導コイル
１３には、図示されない制御装置を介して三相交流電圧
が印加されるようになっている。

【００１６】電磁誘導コイル１３に三相交流電圧が印加
されると、移動磁界が発生し、誘導電動機と同様の原理
により電磁誘導コイル１３上方の溶湯１２に水平方向か
つやや上向きの推力が発生するようになっている。推力
を付与された溶湯１２が孤状部分を有する炉壁（回転流
付与手段の残りの部分を構成する）に当たって、溶湯１
２に水平方向の回転流１４が付与され、炉内の溶湯１２
が溶湯表面１２ａのほぼ中央を中心として、矢印方向に
回転するようになっている。溶湯１２の回転速度は、図
示されない上述の制御装置によって制御することができ
る。

【００１７】溶湯１２の上方には、図３に示すように、
ランスパイプ１５が配置されている。ランスパイプ１５
の一方には、フラックスフィーダ２０が接続されてい
る。フラックスフィーダ２０は、図５に示すように、台
車２１、タンク２２、制御部２３を有している。タンク
２２は台車２１上に固定されている。タンク２２の頂部
には、タンク２２内に溶湯処理剤としてのフラックス５
１を投入するホッパ２４が取付けられている。タンク２
２内には、不活性ガスとしてのＮ₂ ガス５２が供給され
るようになっている。

【００１８】タンク２２内に供給されたフラックス５１
とＮ₂ ガス５２は、ホース等を介してランスパイプ１５
に圧送されるようになっている。ランスパイプ１５の他
端は、溶湯表面１２ａのほぼ回転中心から溶湯１２中に
挿入されており、ランスパイプ１５を介してフラックス
５１とＮ₂ ガス５２とが溶湯１２中に吹き込まれるよう
になっている。

【００１９】保持炉１１の近傍には、溶湯表面１２ａに
浮上したフラグＳ₁ を除去するためのスラグ除去手段３
０が配置されている。スラグ除去手段３０は、図２に示
すように、台車３１、回転駆動部３２、ロッド３３、除
去アーム３４、移動部３５を有している。台車３１は保
持炉１１に対して進退可能となっている。回転駆動部３
２には、水平方向に延びるロッド３３が取付けられてい
る。ロッド３３の先端には、除去アーム３４が取付けら
れている。

【００２０】回転駆動部３２は、台車３１に対して移動
可能に取付けられている。回転駆動部３２は、台車３１
に取付けられた移動部３５によって台車３１上を移動す
るようになっている。回転駆動部３２が移動部３５によ
って後退した状態では、保持炉１１の開口部１１ａを介
してロッド３３が引抜かれ、除去アーム３４が保持炉１
１から抜け出るようになっている。回転駆動部３２が移
動部３５によって前進した状態では、除去アーム３４が
開口部１１ａを介して保持炉１１内に進入するようにな
っている。

【００２１】ロッド３３は中空状になっており、ロッド
３３の中空部には冷却のためのエアが圧送されている。
保持炉１１内に進入した除去アーム３４は、溶湯表面１
２ａのほぼ中央で停止するように位置決めされる。この
状態でロッド３３が回転駆動部３２によって回動される
と、溶湯表面１２ａの中央に集まったスラグＳ₁ が除去
アーム３４によってすくい上げられるようになってい
る。

【００２２】つぎに、第１実施例における溶湯の不純物
除去方法および作用について説明する。図示されない急
速溶解炉によって溶解されたアルミニウム合金の溶湯１
２は、溶解炉の底壁面を流下し、保持炉１１に流入す
る。保持炉１１内の溶湯１２は凝固しないように保持バ
ーナによって加熱されている。この状態では、ランスパ
イプ１５を介して溶湯表面１２ａのほぼ中央から溶湯１
２内に、フラックス５１とＮ₂ ガス５２が吹き込まれ
る。

【００２３】溶湯１２内にフラックス５１とＮ₂ ガス５
２が吹き込まれると、溶湯１２の泡立ち（バブリング）
によって不純物の浮上が促進される。溶湯１２のバブリ
ング時には、保持炉１１の下方に配置された電磁誘導コ
イル１３に三相交流電圧が印加され、移動磁界が発生す
る。この移動磁界の発生により溶湯１２に起電力が発生
し、誘導電流が流れる。この誘導電流は、電磁誘導コイ
ル１３による移動磁界との相互の作用により溶湯１２に
推力を生じさせる。

【００２４】この推力は移動磁界の方向に働くため、溶
湯１２に撹拌作用を与える。また、この推力は垂直方向
と水平方向の成分を持っているため、溶湯１２は斜め上
方に移動することになり、この溶湯流が炉壁に案内され
て水平方向に回転することにより溶湯１２に矢印方向の
回転流１４が付与される。これにより、保持炉１１内の
溶湯１２が溶湯表面１２ａのほぼ中央を中心として回転
することになる。

【００２５】フラックス５１およびＮ₂ ガス５２を溶湯
１２内に吹き込みながら溶湯１２全体を回転させること
により、金属溶湯は強い遠心力を得るのに対し、酸化物
等の不純物およびフラックスは、比重差による遠心分離
作用によって溶湯表面１２ａの回転中心に集まる。

【００２６】溶湯表面１２ａの中央にスラグＳ₁ が集ま
ると、溶湯表面１２ａの中央はスラグＳ₁ によって覆わ
れた状態となり、フラックス５１およびＮ₂ ガス５２の
吹き込みによって溶湯表面１２ａのばたつきが抑えら
れ、溶湯表面１２ａの酸化膜の破れが抑制される。した
がって、大気と溶湯１２との接触による酸化物の発生が
抑制され、メタルロスが著しく低減される。

【００２７】アルミ合金材料がＡＣ９Ｃ材のような過共
晶Ａｌ−Ｓｉ合金の溶解の場合では、回転流１４の付与
によって溶湯１２の撹拌が促進されるので、シリコン成
分の溶解速度が速くなり、従来問題となっていた初晶シ
リコンの溶け残りを解消することができる。

【００２８】また、保持炉１１では溶湯１２の温度低下
を防止するために、溶湯表面１２ａが保持バーナ（図示
略）によって加熱されるので、溶湯１２の上部と下部と
で温度差が生じ熱効率の低下が問題となるが、溶湯１２
に水平方向の回転流１４が付与されることにより、溶湯
１２の全体の温度が均一化され、熱効率が高められる。
これにより、保持炉１１の面積を縮小することが可能と
なる。

【００２９】回転流の付与によって溶湯表面１２ａの中
央へ集まるスラグＳ₁ が増加すると、スラグ除去手段３
０によってスラグＳ₁ の除去が行われる。このスラグ除
去はつぎのように行われる。スラグＳ₁ を除去しない状
態では、台車３１は保持炉１１に対して後退しており、
スラグＳ₁ を除去する際には台車３１が保持炉１１に対
して前進する。

【００３０】台車３１の前進が完了すると、回転駆動部
３２が移動部３５によって前進し、除去アーム３４およ
びロッド３３が保持炉１１の開口部１１ａを介して保持
炉１１内に進入する。除去アーム３４が溶湯表面１２ａ
のほぼ中央に位置決めされると、回転駆動部３２によっ
てロッド３３が回動し、除去アーム３４がまず角度４５
°だけ回動される。この状態では、除去アーム３４内に
スラグＳ₁ が徐々に進入する。除去アーム３４にスラグ
Ｓ₁ が十分進入すると、回転駆動部３２によってロッド
３３がさらに回動される。これにより、除去アーム３４
内に進入したスグＳ₁ がすくい上げられる。

【００３１】除去アーム３４によってスラグＳ₁ がすく
い上げられると、移動部３５によって回転駆動部３２が
後退し、ロッド３３および除去アーム３４が保持炉１１
から引き抜かれる。除去アーム３４が保持炉１１から引
き抜かれると、台車３１が保持炉１１から後退する。そ
の後、除去アーム３４によって捕捉されたスラグＳ
₁は、図示されない容器に排出される。

【００３２】このように、溶湯１２に回転流１４を与え
ることにより、溶湯表面１２ａに浮上したスラグＳ₁ を
溶湯表面１２ａの中央に集めることが可能となり、スラ
グ除去手段３０によるスラグ除去作業の自動化が実現で
き、作業者は過酷な作業から解放される。

【００３３】本実施例の電磁誘導コイル１３によって溶
湯１２に回転流を付与した場合と、回転流を付与しない
場合の試験結果を表１に示す。表１における作業感覚の
評価は、非常に良い、良い、普通、悪い、非常に悪い、
の５段階とした。

【００３４】

【表１】

【００３５】表１に示すように、溶湯１２に回転流を付
与した場合は、スラグ（のろ）Ｓ₁の発生量が著しく減
少し、のろかき作業時間の短縮がはかれる。ここで、ス
ラグＳ₁ の発生量が抑えられるのは、スラグＳ₁ が溶湯
表面１２ａの中心に集まることによって溶湯表面１２ａ
の中央のばたつきが抑えられ、溶湯１２と大気との接触
によって生じる酸化物の発生が減少するからである。ま
た、のろかき作業時間が従来よりも短縮されるのは、ス
ラグＳ₁ が自然に溶湯表面１２ａの中心に集まることに
より、スラグＳ₁ を１個所にかき寄せる必要がなくな
り、また炉内壁に付着するスラグＳ₁ が減少するからで
ある。

【００３６】なお、本実施例では除去アーム３４の回動
動作によってスラグＳ₁ を自動的にすくい上げる構成と
したが、別のスラグ除去手段を用いて手動で行なう構成
でもよいし、他の手法によってスラグＳ₁ を自動除去す
る構成としてもよい。たとえば、図６に示すように、ス
ラグ除去手段を軽量セラミックからなるハット型の穴あ
き容器５５から構成し、この穴あき容器５５を溶湯表面
１２ａのほぼ中央から溶湯１２内に沈めておき、溶湯表
面１２ａの中央にスラグが多量に集まった時点でスラグ
Ｓ₁ をすくい上げる構成でもよい。

【００３７】また、スラグの除去に際しては、図１のよ
うに配置された電磁誘導コイル１３を保持炉１１の中心
側に移動させることにより溶湯１２の流れ変え、スラグ
Ｓ₁をのろかき作業場５３側に寄せるようにすれば、さ
らにスラグＳ₁ の除去は容易となる。

【００３８】第２実施例 図７および図８は、本発明の第２実施例を示している。
第１実施例では、溶湯のほぼ回転中心から溶湯中に溶湯
処理剤と不活性ガスとを吹き込むようにしていたが、本
実施例ではランスパイプ１５の先端が保持炉１１の底面
１１ａ近傍でかつ溶湯１２の回転中心から半径方向外方
に離れた位置に配置されている。

【００３９】このように構成された第２実施例において
は、溶湯処理剤５１と不活性ガス５２とがランスパイプ
１５の先端から溶湯１２中の保持炉１１の底面近傍に排
出される。ここで、ランスパイプ１５の先端が溶湯１２
の回転中心から半径方向外方に離れた位置に配置されて
いるので、溶湯１２中に混在された不活性ガス５２の気
泡５２ａは、溶湯１２の回転力と比重差による遠心分離
作用により、図７の矢印Ａに示すように、うず巻き状に
流動しながら溶湯１２の回転中心に集められる。これに
より、保持炉１１の溶湯１２全体に存在する不純物を浮
上させることが可能となり、溶湯１２の全域にわたって
不純物の除去が可能となる。

【００４０】また、不活性ガスが保持炉１１の底面近傍
に排出されることから、不活性ガス５２の気泡が溶湯表
面１２ａに浮上するまでの時間が長くでき、不活性ガス
５２の気泡はより小さな気泡となる。したがって、ラン
スパイプ１５の先端を溶湯１２の回転中心から半径方向
外方の離れた位置に配置した場合でも、溶湯表面のバタ
ツキが著しく小に抑えられ、酸化物等の不純物の発生量
を低減することが可能となる。

【００４１】このように、第２実施例においては、不活
性ガス５２の気泡および溶湯処理剤５１が半径方向外方
からうずを巻いた状態で溶湯１２の中心に向って集束す
るので、第１実施例の場合よりも溶湯清浄度および脱ガ
ス能力の向上が図れる。これにより、不純物の除去処理
をさらに高効率で行うことができ、溶湯の不純物除去時
間をさらに短縮することが可能となる。

【００４２】上記各実施例は、溶湯保持炉に適用したも
のであるが、これに限定されることはなく、溶湯処理炉
または取鍋にも適用することが可能である。さらに、溶
湯処理材としてフラックスを用いたが、これ以外のもの
でもよく、不活性ガスはＮ₂ガスの他にＡｒガス等を用
いてもよい。

【００４３】

【発明の効果】請求項１の溶湯の不純物除去方法および
請求項２の不純物除去装置によれば、つぎの効果が得ら
れる。

【００４４】（１）炉床の下側に炉中心に対して偏心設
置された電磁誘導コイルにより該電磁誘導コイルの上方
の溶湯に斜め上向きの推力を誘起し該推力による溶湯流
を炉壁に当てて溶湯に水平方向の回転流を発生させて溶
湯を攪拌させつつ、溶湯中に溶湯処理剤と不活性ガスと
を吹き込むようにしたので、溶湯表面に浮上するスラグ
を溶湯表面のほぼ中央に集めることができ、溶湯表面の
中央をスラグによって覆うことができる。これにより、
たとえば溶湯処理剤と不活性ガスとを溶湯の回転中心か
ら吹き込んだ場合でも、溶湯処理剤と不活性ガスとの吹
き込みによる溶湯表面のばたつきを抑制することができ
る。したがって、溶湯と大気との接触による酸化物の発
生が抑制され、メタルロスの大幅な低減がはかれる。

【００４５】（２）溶湯の水平方向の回転によってスラ
グが溶湯表面のほぼ中央に自然に集まるので、スラグ除
去手段によるスラグの除去が容易になるとともに、スラ
グの炉壁への付着も確実に防止され、スラグ除去作業の
自動化が可能となる。

【００４６】（３）溶湯の水平方向の回転により溶湯と
溶湯処理剤との接触効果を高めることができるので、溶
湯処理剤の使用量を低減することができ、溶湯処理のコ
ストを低減することができる。また、溶湯処理剤の使用
量が低減されることから、これに伴う集じんダストの発
生量を抑えることができ、溶湯処理作業環境を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る溶湯の不純物除去方
法を実施するための保持炉の概略平面図である。

【図２】図１の保持炉の断面図である。

【図３】図１の保持炉内の溶湯に溶湯処理剤と不活性ガ
スとを吹き込む状態を示す断面図である。

【図４】図２におけるスラグ除去手段の除去アームの動
きを示す正面図である。

【図５】図３における溶湯に溶湯処理剤と不活性ガスと
を供給するフラックスフィーダの側面図である。

【図６】図１のスラグ除去手段の変形例を示す断面図で
ある。

【図７】本発明の第２実施例に係る溶湯の不純物除去方
法を実施させるための保持炉の概略平面図である。

【図８】図７の断面図である。

【図９】従来の保持炉における溶湯の不純物除去方法を
示す断面図である。

【符号の説明】

１１ 保持炉 １２ 溶湯 １２ａ 溶湯表面 １３ 回転流付与手段 １４ 回転流 １５ ランスパイプ ２０ フラックスフィーダ ３０ スラグ除去手段 ５１ 溶湯処理剤 ５２ 不活性ガス ５５ スラグ除去手段 ６１ 回転流付与手段 Ｓ₁ スラグ（のろ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 澤田 利一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 三谷 和久 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 廣田 寛 愛知県名古屋市中区金山３丁目13番28号 扶桑熱爐株式会社内 (56)参考文献 実開 昭60−99500（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭53−2402（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−105069（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−2552（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 1/00 B22D 43/00 C22B 21/06 F27B 3/19

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉床の下側に炉中心に対して偏心設置さ
   れた電磁誘導コイルにより該電磁誘導コイルの上方の溶
   湯に斜め上向きの推力を誘起し該推力による溶湯流を炉
   壁に当てて溶湯に水平方向の回転流を発生させて溶湯を
   攪拌させつつ、溶湯中に溶湯処理剤と不活性ガスとを吹
   き込み、前記水平方向回転流により溶湯と遠心分離され
   て溶湯表面中央部に集められた浮上スラグを除去するこ
   とを特徴とする溶湯の不純物除去方法。
2. 【請求項２】 炉床の下側に炉中心に対して偏心設置さ
   れ上方の溶湯に斜め上向きの推力を誘起する電磁誘導コ
   イルと前記推力による溶湯流が当たった時に該溶湯流に
   水平方向の回転流を発生させる炉壁とからなる、炉内の
   溶湯に水平方向の回転流を付与する回転流付与手段と、 溶湯中に溶湯処理剤と不活性ガスとを吹き込むランスパ
   イプと、 溶湯表面中央部に接近可能に設けられ、前記水平方向回
   転流により溶湯と遠心分離されて溶湯表面中央部に集め
   られた浮上スラグを除去するスラグ除去手段と、 を備えたことを特徴とする溶湯の不純物除去装置。