JP3203849B2 - 銅または銅合金溶湯の還元法 - Google Patents

銅または銅合金溶湯の還元法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は銅または銅合金溶湯の還
元法に関し、より詳細には、銅または銅合金溶湯を還元
処理するに際し、該溶湯中にCu2 O等の酸化物として
含まれる酸素を固体還元剤との反応によりCO2 等とし
て湯面上へ放出せしめ、効率良く還元を進める方法の改
善に関するものである。
【0002】
【従来の技術】銅及び銅合金(以下、銅合金で代表す
る)は伝熱・導電特性、耐食性、加工性等に優れたもの
であるところから、電気・電子部品や熱交換部品等の材
料として広く活用されている。
【0003】ところで銅合金に酸素が含まれているとC
2 O等となって共晶化合物を生成すると共に前述した
特性に著しい悪影響を及ぼすため、溶湯段階で十分に脱
酸(還元)を行なう必要があり、その具体的方法として
は木炭等の固体還元剤を使用する方法、あるいは水素や
一酸化炭素等の気体還元剤を用いる方法が汎用されてい
る。
【0004】これらの中でもより一般的に実用化されて
いるのは、銅合金溶湯に木炭等の固体還元剤を散布し、
溶湯中の酸素をCOガスやCO2 ガスに変えて湯面上方
へ放出させる方法である。しかしこの様な還元法では、
相当量の還元剤を使用した場合であっても予測に反して
溶湯中の酸素量が十分に低減しないことが多く、満足の
いく脱酸量及び脱酸速度が得られ難い。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の様な事
情に着目してなされたものであって、その目的は銅また
は銅金溶湯中の酸素を効率良く迅速に除去することので
きる還元法を提供しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係る還元法の構成は、銅または銅合金
溶湯を還元するに当たり、固体還元剤を使用すると共
に、ガス吹込みノズルを用いて該溶湯中へ不活性ガスを
吹込み、該吹込みに当たっては、不活性ガス吹込みノズ
ルを回転させることによって生じる剪断力を利用して不
活性ガスを微細気泡として溶湯中へ吹込み、酸素と固体
還元剤との反応により生成した溶湯中のCO2 を該不活
性ガス気泡と共に湯面上へ浮上させるところに要旨を有
するものである。この時、吹込みガス気泡の微細化効果
をより有効に発揮させるには、不活性ガス吹込みノズル
の開口部を120m/分以上、より好ましくは300m
/分以上の周速度で回転させながらガス吹込みを行なう
のがよい。
【0007】またこの還元処理を、還元処理炉でバッチ
的に行う際には、還元処理炉内に邪魔板を設けておき、
不活性ガス吹込みノズルの回転によって生じる溶湯の連
れ回りを抑制することによって、吹込みガス気泡の微細
化効果を一層高めることができる。また、この還元処理
は、樋上を流れる溶湯を、該樋上で連続的に行なうこと
もでき、この場合は、樋上を流れる溶湯に固体還元剤を
添加する方法の他、樋内面に固体還元剤を付着させてお
き、該溶湯と連続的に接触させることも可能である。
【0008】
【作用】本発明者らは、銅合金溶湯を固体還元剤を用い
て還元する際の反応状況を確認するため、銅合金溶湯中
の各種ガスを分圧平衡により測定する方法でガス成分を
調査したところによると、たとえば木炭等の固体還元剤
を湯面に散布して還元を行なった場合、溶湯中の酸素は
炭素と反応してCO2 を生成する。
【0009】ここで通常の溶鋼に同様の還元処理を施し
た場合は、生成するCO2 が更に炭素と反応してCOに
変化し還元が進行するフードリ平衡反応が起こる。しか
しながら銅合金溶湯の場合は状況が著しく異なり、生成
したCO2 は再度固体還元剤と反応することなく溶湯中
に溶存するため、還元反応が遅延することを知った。従
って銅合金溶湯の還元を効率良く進めるには、生成した
CO2 をすみやかに湯面上方へ持ち出すことが必要とな
る。そのための手段として本発明者らは、溶湯内へ不活
性ガスを吹込み、このガス気泡にCO2 を拡散捕捉して
湯面上へ放出させる方法が有効であることを確認し、こ
うした知見に基づいて別途特許出願を済ませた。
【0010】この方法によれば、銅合金溶湯内へ溶存し
て湯面上へ放散し難いCO2 を、不活性ガス気泡内へ拡
散させて捕集することによりすみやかに上方へ浮上分離
させることができるので、単に固体還元剤を湯面に散布
するだけの方法あるいはこれと不活性ガスの上吹きを併
用する方法等に比べると還元効率を著しく高めることが
できる。
【0011】ところがその後更に研究を進めるうち、同
じ不活性ガス吹込み法を併用した場合でも、ガスの吹込
み状況によって還元効率は著しく異なり、ガス吹込みノ
ズルを回転させながらガス吹込みを行ない、当該回転に
よって生じる剪断力により吹込みガス気泡を微細化させ
てやれば、不活性ガスを単に溶湯内へ吹込む場合に比べ
て還元効率が飛躍的に高められることを知り、ここに本
発明の完成を見た。
【0012】尚、金属溶湯内へ吹込むガス気泡を微細化
する方法としてはスニフ法や昭和アルミ社のGBF法等
が公知であり、これらの方法はガス吹込みノズルを回転
させてその剪断力で吹込みガスを微細化するものであ
り、アルミニウム合金溶湯の処理に有用であることが確
認されている。しかしながらこれらの方法は、アルミニ
ウム合金溶湯の清浄化処理を目的とするものであって、
こうした技術を固体還元剤を用いた銅合金溶湯の還元に
応用するという思想は存在しない。
【0013】しかもアルミニウム合金溶湯は比較的粘性
が小さいので、小さな回転数で気泡微細化の目的が容易
に達成されるが、銅合金溶湯は非常に粘性が高く、吹込
みノズルの回転に伴なって銅合金溶湯が回転方向に同伴
流を生じるため、剪断力による気泡の微細化効果が得ら
れ難い。
【0014】ところが銅合金溶湯を被処理対象とする場
合でも、ガス吹込みノズルを120m/分以上、より好
ましくは300m/分以上の周速度で回転させながら不
活性ガスの吹込みを行なえば、その回転によってノズル
開口部に生じる剪断力により吹込みガス気泡を十分に微
細化することができ、それに伴なう不活性ガス気泡の表
面積拡大により還元効率が飛躍的に高められることを知
った。
【0015】ちなみに図1は、銅合金溶湯上に固体還元
剤として木炭粉を溶湯に対し0.5重量%散布し、回転
式の不活性ガス吹込みノズルを用いて当該ノズルの回転
数を種々変えながらアルゴンガスを吹込むことにより還
元を行なったときの、ノズル開口部の周速度と銅合金溶
湯中の酸素量の関係を調べた結果を示したものである。
尚、このときの溶湯温度は1200℃、アルゴン吹込み
量は40Nリットル/分、処理時間は10分とした。
【0016】図1からも明らかである様に、固体還元剤
と不活性ガスの吹込みを併用した場合であっても、不活
性ガスを単に吹込むだけでは、10分程度の短い処理時
間では銅合金溶湯の酸素量を10000ppmレベル以
下にまで低減することができず、またたとえノズルを回
転させた場合でも、開口部の周速度が120m/分程度
未満では脱酸効率(還元効率)向上効果が殆んど認めら
れない。
【0017】ところがガス吹込みノズルの開口部を12
0m/分以上の周速度で回転させながら不活性ガス吹込
みを行なうと、溶湯中の酸素濃度は急激な低下傾向を示
す様になり、殊にノズルの周速度を300m/分以上、
とりわけ400m/分以上以上に高めると、比較的短時
間のうちに酸素濃度は500ppm程度以下の低レベル
にまで低減し、非常に高い還元効率が得られることが分
かる。
【0018】こうした効果が得られたのは、ガス吹込み
ノズルの開口部を120m/分以上の周速度で回転させ
ることによって、当該回転により生ずる剪断力で吹込み
ガス気泡が十分に微細化され、銅合金溶湯内に含まれる
CO2 の拡散捕捉と湯面への浮上分離が迅速に進行した
ためと思われる。しかもノズルを高速回転させると、溶
湯内への微細化気泡の拡散も促進され、これも還元効率
の向上に寄与していると考えられる。そして微細気泡に
捕捉されて浮上したCO2 は、湯面上に散布されて赤熱
状態で存在する木炭(固体還元剤)と反応し、COガス
としてすみやかに上方に放散される。尚、吹込みガス気
泡の微細化という目的からすると、ノズル径は吹込みガ
スの背圧が余り大きくならない範囲で小さい方が好まし
い。
【0019】ところで本発明の還元処理は、還元処理炉
を用いてバッチ的に行なう方法と、溶湯を樋に沿って流
しながら該樋上で連続的に行なう方法を採用することが
でき、いずれの場合も不活性ガス吹込みノズルを所定の
周速度以上で回転させることによって本発明の目的は達
成される。このとき、還元処理炉でバッチ的に還元を行
なう場合には、吹込みガスノズルの回転によって溶湯が
連れ回りを起こし、吹込みガス気泡の微細化効果が低下
する恐れがある。しかしこうした問題は、後述する如く
還元処理炉内に邪魔板を設け、溶湯の連れ回りを抑制す
ると共に溶湯流攪乱することによって簡単に回避され、
高い還元効率を保証することができる。
【0020】例えば図2は、バッチ式還元処理装置を例
示する概略説明図であり、還元処理炉1の上方から不活
性ガス吹込みノズル2を垂下して溶湯Me内に浸漬する
と共に、その両側に邪魔板3を垂下して配置し、ノズル
2の回転によって生じる溶湯Meの連れ回りを該邪魔板
3によって防止し、吹込みガス気泡の微細化を促進する
様に構成されている。尚、図示例の装置では、不活性ガ
ス供給管4を自在継手5によってノズル2の根本部に接
合している。
【0021】ガス吹込みノズル2の回転はどの様な方法
で行なってもよく、ノズル直結型の回転駆動源によって
回転させることも可能であるが、銅合金溶湯の還元処理
温度は1200〜1300℃の高温を採用することが多
く、そのため溶湯内へ浸漬されるノズル3からの伝熱に
より回転駆動源が昇温し、焼付き等を起こし易い。従っ
て、ガス吹込みノズル2と回転駆動源との接続は、断熱
性素材を介して断熱的に直結するか、あるいはギアやベ
ルト等を用いて間接的に接続し、銅合金溶湯の高温が回
転駆動源に伝わり難い様な構成にすることが望まれる。
そこで図示例の装置では、不活性ガス吹込みノズル2を
冷却軸6およびプーリ8を介してベルト9により回転駆
動源10に間接的に連結し、溶湯の熱が回転駆動源10
に伝わらない様に構成されている。
【0022】また、不活性ガス吹込みノズル2の先端構
造も特に限定されないが、図3(ノズルを下面側から見
た図)では、十字状に形成されたノズル先端部材2aの
下面にスリット2bを形成し、該スリット2bに沿って
不活性ガスが吹込まれる様に構成されている。
【0023】一方、還元処理炉を用いてバッチ的に還元
を行なう場合の固体還元剤の使用形態としては、粉末
状、塊状、もしくは粒状の固体還元剤を溶湯表面に散布
するのが最も一般的であり、この添加形態は、樋状で連
続的に還元を行なう場合にも好ましい使用態様として採
用される。しかし、樋上で連続的に還元を行なう場合の
固体還元剤の使用態様として、樋内面に固体還元剤を内
張りしておき、樋上を流れる溶湯と連続的に接触させる
使用態様も、好ましい態様として推奨される。
【0024】以上の様に本発明では、固体還元剤の散布
と不活性ガスの吹込みを併用すると共に、該ガス吹込み
ノズルの開口部を好ましくは120m/分以上の周速度
で回転させて吹込みガス気泡を剪断力で微細化すること
によって、銅合金溶湯の還元効率を著しく高めることが
できる。
【0025】
【実施例】次に実施例を挙げて本発明の構成及び作用効
果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実
施例によって制限されるものではなく、前・後記の趣旨
に適合し得る範囲で変更して実施することはいずれも本
発明の技術的範囲に含まれる。
【0026】銅原料として鈍銅またはCu−5%Ni系
合金を使用し、表1に示す条件で還元処理を行ない残存
酸素濃度を調べ、表1に併記する結果を得た。表1には
従来法として固体還元剤の散布のみで還元を行なった場
合の結果も併記した。尚、還元処理装置及びガス吹込み
ノズルとしては、図2,3に示した様な構造のものを使
用した。
【0027】
【表1】
【0028】表1からも明らかである様に本発明の還元
法を採用すれば、同程度の処理時間であっても、銅また
は銅合金の酸素量を従来例に比べて1/100以下の低
レベルまで容易に低減し得ることが分かる。
【0029】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、固
体還元剤と不活性ガス吹込みを併用して銅または銅合金
溶湯の還元を行なう際に、ガス吹込みノズルを回転させ
るという極めて簡単な手段で還元効率を著しく高めるこ
とができ、短い処理時間で極低酸素レベルの銅または銅
合金を製造し得ることになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】固体還元剤の散布と不活性ガス吹込みを併用し
て銅合金溶湯の還元を行なうに際し、ガス吹込みノズル
回転の周速度が脱酸量に及ぼす影響を示すグラフであ
る。
【図2】実施例で用いた還元処理装置を例示する説明図
である。
【図3】不活性ガス吹込みノズルを例示する説明図であ
る。
【符号の説明】
1 還元処理炉 2 不活性ガス吹込みノズル 3 邪魔板 4 不活性ガス供給管 5 自在継手 6 冷却軸 8 プーリ 9 ベルト 2a ノズル先端部材 2b スリット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新井 基浩 兵庫県神戸市西区高塚台1丁目5番5号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (72)発明者 池田 隆吉 山口県下関市長府港町14番1号 株式会 社神戸製鋼所長府製造所内 (72)発明者 吉田 栄次 山口県下関市長府港町14番1号 株式会 社神戸製鋼所長府製造所内 (72)発明者 岡田 裕文 山口県下関市長府港町14番1号 株式会 社神戸製鋼所長府製造所内 (72)発明者 浜中 龍介 山口県下関市長府港町14番1号 株式会 社神戸製鋼所長府製造所内 (56)参考文献 特開 昭58−177422(JP,A) 特開 昭61−133332(JP,A) 特開 平3−232936(JP,A) 特開 昭53−64617(JP,A) 特開 昭54−48630(JP,A) 実公 平1−7716(JP,Y2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22B 1/00 - 61/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 銅または銅合金溶湯を還元するに当た
    り、固体還元剤を使用すると共に、ガス吹込みノズルを
    用いて該溶湯中へ不活性ガスを吹込み、該吹込みに当た
    っては、不活性ガス吹込みノズルを回転させることによ
    って生じる剪断力を利用して不活性ガスを微細気泡とし
    て溶湯中へ吹込み、酸素と固体還元剤との反応により生
    成した溶湯中のCO2 を該不活性ガス気泡と共に湯面上
    へ浮上させることを特徴とする銅または銅合金溶湯の還
    元法。
  2. 【請求項2】 不活性ガス吹込みノズルの開口部を12
    0m/分以上の周速度で回転させながらガス吹込みを行
    なう請求項1記載の還元法。
  3. 【請求項3】 還元を、還元処理炉でバッチ的に行うに
    際し、還元処理炉内に邪魔板を設けておき、不活性ガス
    吹込みノズルの回転によって生じる溶湯の連れ回りを抑
    制する請求項2記載の還元法。
  4. 【請求項4】 樋上を流れる溶湯を、該樋上で連続的に
    還元するに際し、樋内面に固体還元剤を付着させてお
    き、該溶湯と連続的に接触させる請求項1または2記載
    の還元法。
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