JP4205252B2 - 銅または銅合金溶湯の脱ガス方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅または銅合金溶湯（以下、溶銅と称す）中の酸素ガスおよび水素ガスを長時間安定して良好に除去できる脱ガス方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶銅中に含まれる酸素や水素は、鋳塊に芯割れを発生させたり、鋳塊にピンホールやブローホールを形成して製品の品質や特性を阻害したりする。
このため溶銅の脱ガス方法には、次のような種々の方法が適用されている。
▲１▼溶銅表面に木炭または松丸太を浮かべる方法。▲２▼溶銅中に木炭を浸漬する方法（特開昭63−108946号公報）。▲３▼溶銅中にアンモニアガス、アンモニア分解ガス、水素含有ガスをバブリングする方法。▲４▼溶銅中に酸素との親和力の高い元素（Ｐ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｃａ、Ａｌなど）を微量添加する方法。▲５▼溶銅中に不活性ガスをバブリングする方法。▲６▼溶銅を減圧または真空雰囲気下に保持する方法（特願昭60-61667号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来法▲１▼〜▲６▼には、それぞれ次のような問題がある。
即ち、▲１▼〜▲４▼の方法では酸素ガスのみが除去され、水素ガスは除去されないか若しくは増加する。さらに▲２▼の方法では脱ガスに伴い木炭表面が灰化して脱ガス効果が経時的に低下し、また０．５ton/hr程度の小量の溶銅か低酸素溶銅にしか適用できない。▲４▼の方法では過剰に添加した場合は導電率の低下を招く。
また▲５▼▲６▼の方法では酸素ガスが除去され難い。さらに▲６▼の方法では雰囲気保持に多大のメンテナンス費が掛かる。
このように従来方法では酸素ガスおよび水素ガスを長時間に渡り安定して良好に除去することが困難であった。
本発明は、溶銅中の酸素ガスおよび水素ガスを長時間安定して良好に除去できる溶銅の脱ガス方法および前記脱ガス方法を実施する装置が組み込まれた銅または銅合金の連続溶解鋳造設備の提供を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、固定炭素を９０wt％以上、灰分を１wt％未満（0wt%を含む）含有する炭素部材を銅または銅合金溶湯中に浸漬し、前記炭素部材と前記溶湯中の酸素ガスとの間で炭酸ガス気泡を生成させ、前記炭酸ガス気泡中に水素ガスを吸収させて前記溶銅中の酸素ガスと水素ガスとを除去することを特徴とする銅または銅合金溶湯の脱ガス方法である。
【０００５】
請求項２記載の発明は、前記炭素部材に多数の微細孔を有するポーラスな炭素部材を用い、前記炭素部材の微細孔から不活性ガスを溶銅中に吹き込むことを特徴とする請求項１記載の銅または銅合金溶湯の脱ガス方法である。
【０００６】
請求項３記載の発明は、前記炭素部材の表面に沿って不活性ガス気泡を浮上させることを特徴とする請求項１記載の銅または銅合金溶湯の脱ガス方法である。
【０００７】
請求項４記載の発明は、前記溶湯または前記炭素部材の少なくとも一方に振動を付与しつつ脱ガスすることを特徴とする請求項１、２、３のいずれかに記載の銅または銅合金溶湯の脱ガス方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明では、溶銅中の酸素ガスは、炭素部材表面で、炭素部材の炭素と反応して炭酸ガス気泡を生成する。この炭酸ガス気泡は炭素部材表面で成長して臨界サイズを超えると炭素部材表面から離脱して溶銅中を浮上し大気中に放出される。溶銅中の水素ガスは前記炭酸ガス気泡に吸収され、酸素ガスと一緒に放出される。
前記炭素部材表面には熱流により常に新しい溶銅が供給されるため良好な脱ガス効果が長時間維持される。
この発明では、前記炭素部材の固定炭素を９０wt％以上に規定し、かつ灰分を１wt％未満に規定するので、前記炭素部材表面は灰分で覆われることなく、固定炭素が十分供給され、従って炭酸ガス気泡は長時間良好に生成される。
なお、前記固定炭素とは、炭素部材から水分、揮発分、灰分を除去した残部である。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の脱ガス方法において、炭素部材に多数の微細孔を有するポーラスな炭素部材を用い、前記炭素部材の微細孔から不活性ガスを溶銅中に吹き込む脱ガス方法である。
前記炭素部材表面に生成した炭酸ガス気泡は、前記微細孔から吹き込まれる不活性ガスに吸着されて小サイズのうちに炭素部材表面を離脱するため溶銅中の酸素ガスの除去が促進される。また溶銅中の水素ガスは炭酸ガス気泡の他、不活性ガス気泡中にも吸収されるので水素ガスもより効率良く除去される。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の脱ガス方法において、溶銅中に浸漬させた炭素部材の表面に沿って不活性ガス気泡を浮上させる脱ガス方法で、炭素部材表面に生成した炭酸ガス気泡は、前記浮上する不活性ガス気泡に吸着されて小サイズのうちに炭素部材表面を離脱するため溶銅中の酸素ガスの除去が促進される。また溶銅中の水素ガスは炭酸ガス気泡の他、不活性ガス気泡中にも吸収されるので水素ガスもより効率良く除去される。
【００１２】
請求項４記載の発明は、溶銅または炭素部材の少なくとも一方に振動を付与して、炭素部材表面上での炭酸ガス気泡の生成と、前記炭酸ガス気泡の炭素部材表面からの離脱と、前記炭素部材表面への溶銅の供給を促進させた脱ガス方法である。溶銅および炭素部材の両方を振動させるとより大きな効果が得られる。
振動方法には、機械的振動、超音波振動など任意の振動方法が適用される。
振動と不活性ガスの吹き込みとを併用することにより脱ガス効果はさらに向上する。
【００１３】
本発明において、炭素部材の表面を粗面にする、炭素部材の形状を表面積の大きい形状にするなどの方法により、脱ガス効果をより高めることができる。
本発明は、無酸素銅、低酸素銅、希薄銅合金を始め、任意の銅および銅合金の溶湯の脱ガスに適用して優れた効果が得られる。
【００１４】
以下に本発明方法を図を参照して具体的に説明する。
図１（イ）は本発明方法の第１の実施形態を示す側面説明図である。
溶銅保持炉と鋳造機を繋ぐラウンダＢに、板状の炭素部材１を複数枚、前記炭素部材１の面が溶銅の流動方向に並行になるように縦に配置して脱ガス装置２を構成し、この脱ガス装置２の前記炭素部材１間に溶銅３を流して脱ガスを行う。
この脱ガス方法では、前述のように溶銅３がこの脱ガス装置２内を移動する間に、溶銅３中の酸素が炭素部材１と反応して炭酸ガス気泡を生成し、この炭酸ガス気泡は臨界サイズに成長すると炭素部材１表面から離脱し、溶銅３中を浮上して大気中に放出される。溶銅３中の水素は前記炭酸ガス気泡中に吸収され、炭酸ガスと一緒に除去される。図で矢印は溶銅お流れる方向である。
【００１５】
図１（ロ）は本発明の第２の実施形態を示す脱ガス方法の説明図である。
この方法は、炭素部材に、多数の貫通孔４を設けた板状炭素部材５を用いた他は図１（イ）に示した方法と同じである。
この方法は、炭素部材５の溶銅３との接触面積が大きいので、図１（イ）に示した方法より脱ガス効果に優れる。
【００１６】
図１（ハ）は本発明の第３の実施形態を示す脱ガス方法の説明図である。
この方法は、炭素部材に粒状炭素部材６を用いた他は、図１（イ）に示した脱ガス方法と同じである。粒状炭素部材６は、ラウンダＢの上部に設けた止め枠７により流出が阻止されている。
この方法は、炭素部材６が粒状なので、板状炭素部材１より表面積が大きく、従って図１（イ）に示した方法に較べて脱ガス効果に優れる。
【００１７】
図１（ニ）は本発明の第４の実施形態を示す脱ガス方法の説明図である。
この方法は、止め枠７をラウンダＢの下部にも設けた他は、図１（ハ）に示した脱ガス方法と同じである。
この方法は、図１（ハ）に示したものに較べて、粒状炭素部材６を多数配置することができるので、図１（ニ）に示した方法に較べて脱ガス効果に優れる。
【００１８】
図１（ホ）は本発明の第５の実施形態を示す脱ガス方法の説明図である。
この方法は、ラウンダＢ内に、微細孔を多数有するポーラスなブロック状炭素部材８を、ラウンダＢの長さ方向に所定間隔を開けて複数個配置したもので、炭素部材間およびその上方を流れる溶銅３に、前記炭素部材８の微細孔から不活性ガス（図では小丸で示す）を吹き込んで脱ガスする方法である。
この方法では、不活性ガスにより炭酸ガス気泡の前記炭素部材８からの離脱が促進され、また溶銅中の水素ガスは前記炭酸ガス気泡の他、不活性ガス気泡にも吸収されるので、脱ガス効果が一段と向上する。
【００１９】
図１（ヘ）は本発明の第６の実施形態を示す脱ガス方法の説明図である。
この方法は、ラウンダＢの上方にポーラスなブロック状炭素部材８を配置した他は、図１（ホ）に示した脱ガス方法と同じである。
この方法は、図１（ホ）に示した方法に較べて、ブロック状炭素部材８の設置および交換が容易に行える。
【００２０】
図２（イ）（ロ）（ハ）はそれぞれ本発明の第７、８、９の実施形態を示す脱ガス方法の説明図である。
この方法は、ラウンダＢの床部にポーラスプラグ製ガス吹込み具９を取付け、前記吹込み具９から不活性ガス（図示せず）を溶銅中に吹き込みつつ脱ガスする他は、それぞれ図１（イ）（ロ）（ハ）に示した脱ガス方法と同じである。
この図２（イ）（ロ）（ハ）に示した方法では、炭酸ガス気泡の炭素部材からの離脱が不活性ガスにより促進され、また溶銅中の水素ガスは炭酸ガス気泡のみならず、不活性ガス気泡にも吸収されるので、図１（イ）（ロ）（ハ）に示した方法に較べて脱ガス効果が一段と向上する。
【００２１】
図２（ニ）は本発明の第１０の実施形態を示す脱ガス方法の説明図である。
この方法は、縦断面が直角三角形の炭素部材１０を傾斜面１１が上流且つ下方に向くようにラウンダＢ上部に複数個取り付け、前記炭素部材１０の傾斜面１１に開口する複数のガス吹き込み孔１２から溶銅３中に不活性ガスを吹き込みつつ脱ガスする方法である。
溶銅３中の酸素は前記炭素部材１０の傾斜面１１で炭酸ガスを形成し、前記炭酸ガス気泡は小さいうちに、前記傾斜面１１に沿って上昇する不活性ガス（図では小丸で示す）に吸着されて前記炭素部材１０表面から離脱し、溶銅３中を浮上して大気中に放出される。この間、溶銅３中の水素ガスは炭酸ガス気泡のみならず、不活性ガスにも吸収される。従って脱ガス効果は極めて大きい。
【００２２】
次に、本発明の脱ガス方法を実施するための連続溶解鋳造設備を図を参照して具体的に説明する。図３（イ）は、本発明の脱ガス方法を実施するための連続溶解鋳造設備の第１の実施形態を示す側面説明図である。この連続溶解鋳造設備は、シャフト炉（溶解炉）２１、ラウンダＡ、保持炉２２、ラウンダＢ、および連続鋳造機２３を主要部とし、前記ラウンダＡ、保持炉２２、およびラウンダＢに、本発明の脱ガス方法を実施する脱ガス装置２がそれぞれ組み込まれたものである。
【００２３】
図３（ロ）は、本発明の脱ガス方法を実施するための連続溶解鋳造設備の第２の実施形態を示す側面説明図である。この連続溶解鋳造設備は、反射炉（溶解炉）２５、ラウンダＡ、保持炉２２、ラウンダＢ、および連続鋳造機２３を主要部とし、反射炉２５、ラウンダＡ、保持炉２２、およびラウンダＢに、本発明の脱ガス方法を実施する脱ガス装置２がそれぞれ組み込まれたものである。
【００２４】
図３（ハ）は、本発明の脱ガス方法を実施するための連続溶解鋳造設備の第３の実施形態を示す側面説明図である。この連続溶解鋳造設備は、電気炉（溶解炉）２６、ラウンダＡ、保持炉２２、ラウンダＢ、および連続鋳造機２３を主要部とし、ラウンダＡ、保持炉２２、およびラウンダＢに、本発明の脱ガス方法を実施する脱ガス装置２がそれぞれ組み込まれたものである。
【００２５】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
図３（イ）に示す連続溶解鋳造設備を用いて銅鋳塊（インゴット）を半連続鋳造法により連続鋳造した。
シャフト炉２１で電気銅を溶解して溶銅３とし、これをラウンダＡを通して保持炉２２に移送し、保持炉２２にて異物を沈降または浮上分離し、また溶銅３温度を１１２０℃に調節したのち、保持炉２２中の溶銅３をラウンダＢを通して、縦型連続鋳造機２３に供給して純銅のインゴット２５を連続鋳造した。
脱ガスはラウンダＢでのみ行った。脱ガスは図１（イ）（ハ）（ホ）、図２（イ）（ハ）（ニ）に示したいずれかの方法により行った。炭素部材の組成は本発明で規定する組成とした。脱ガス装置はラウンダＢの幅方向全体に位置させた。脱ガス装置の長さは４ｍである。、
【００２６】
（比較例１）
木炭粒、コークスなどを用いた従来法によっても脱ガス処理を行った。
【００２７】
実施例１、比較例１（従来法）において、溶銅中の酸素量および水素量を脱ガス処理前後で測定し、各々の脱ガス効果を調べた。
酸素量および水素量は、真空吸引用ガラスサンプラーを用いて急冷採取したサンプルをＬＥＣＯ社製の分析計により分析した。
結果を、脱ガス処理条件を併記して表１、２に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
表１、２より明らかなように、本発明例のNo.1〜21では、いずれも脱ガス処理により酸素量および水素量が大幅に低減した。
これに対し、比較例１（従来法）では、用いた炭素部材の固定炭素が少ない（No.26,27) か、灰分が多いか(No.25) 、固定炭素が少なくかつ灰分が多い(No.22〜24) ため、いずれも脱ガス効果が十分に得られなかった。
【００３１】
溶銅中の酸素量の経時変化を表２に示した本発明例のNo.19 と従来法のNo.23 について図４に示した。本発明例のNo.19 では、脱ガス開始直後から酸素量は低位に安定しているのに対し、従来法のNo.23 では酸素量が低いのは脱ガス開始の極く初期のみで、その後漸増して６０分を超えてからは脱ガス効果は認められない。
【００３２】
また本発明例のNo.1〜21と従来法の No.22〜27についてそれぞれ初期（１０分後）の酸素除去量Ｆ＝（脱ガス前水素量−脱ガス後の水素量）×溶銅量、と６０分後の酸素除去量Ｇ＝（脱ガス前水素量−脱ガス後の水素量）×溶銅量を求めて両者の関係を図５（イ）に示した（Ｆを横軸、Ｇを縦軸にプロットしてある）。
本発明例は６０分経過後も初期と同程度の酸素除去量が認められるが、比較例では６０分経過後には酸素除去量が著しく低下している。
水素量についても初期（１０分後）と６０分後の除去量を求めた。図５（ロ）に示すように、本発明例では６０分経過後も初期と同程度の多量の水素除去量が認められるが、従来法では６０分経過後には水素量はむしろ増加している。
【００３３】
（実施例２）
炭素部材または溶銅に超音波振動を付与した他は、実施例１と同じ方法により鋳造を行い、実施例１と同じ方法により溶銅中の酸素量および水素量を脱ガス処理前後で測定した。脱ガス装置には図１（イ）、図２（ハ）に示したものを用いた。結果を表３に示す。
【００３４】
【表３】

【００３５】
表３より明らかなように、振動付与により酸素量の大幅減少が認められた。水素量も低減したが、酸素量ほどは減少しなかった。水素量は表示を割愛した。
【００３６】
（実施例３）
図３（イ）〜（ハ）に示した連続鋳塊設備を用いて純銅のインゴットを半連続鋳造した。
脱ガスは、ラウンダＡ、保持炉２２、ラウンダＢのうちの少なくとも２箇所で行った。炭素部材には固定炭素９９wt％、灰分０．５wt％のものを用いた。
【００３７】
（比較例２）
脱ガスを保持炉中に木炭（固定炭素８２wt％以上、灰分２．２wt％）を浸漬させる従来法により行った他は、実施例３と同じ方法により純銅のインゴットを連続鋳造した。
【００３８】
実施例３および比較例２（従来法）における脱ガス効果を、実施例１と同じ方法により調べた。但し、分析サンプルは、鋳造開始６０分後に溶解炉出口と鋳型内で採取した。結果を表４に示す。
【００３９】
【表４】

【００４０】
表４より明らかなように、本発明例の No.41〜44は、酸素量、水素量とも大幅に低減した。
これに対し、従来法では酸素量が２０〜３０％減少したが、水素量は逆に増加した。
なお、本発明方法により製造された鋳塊はいずれも、芯割れ、ピンホール、ブローホールなどがなく高品質なものであった。
【００４１】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明では、固定炭素を９０wt％以上、灰分を１wt％未満（0wt%を含む）含有する炭素部材を銅または銅合金溶湯中に浸漬し、前記炭素部材と溶銅中の酸素ガスとの間で炭酸ガス気泡を生成させ、前記炭酸ガス気泡中に水素ガスを吸収させるので、酸素ガスと水素ガスが長時間安定して良好に除去される。さらに不活性ガスを吹き込んだり、炭素部材或いは溶銅の少なくとも一方を振動させたりすることにより、炭酸ガス気泡の炭素部材表面からの離脱、水素ガスの気泡への吸収などが促進され、脱ガス効果が向上する。依って、工業上顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（イ）〜（ヘ）はそれぞれ本発明の脱ガス方法の第１〜６の実施形態を示す側面説明図である。
【図２】（イ）〜（ニ）はそれぞれ本発明の脱ガス方法の第７〜１０の実施形態を示す側面説明図である。
【図３】（イ）〜（ハ）はそれぞれ本発明の脱ガス方法を実施するための連続溶解鋳造設備の第１〜３の実施形態を示す説明図である。
【図４】溶銅中の酸素量の経時変化を示す図である。
【図５】（イ）は初期と６０分後における酸素除去量の関係図、（ロ）は初期と６０分後における水素除去量の関係図である。

Claims (4)

1. 固定炭素を９０wt％以上、灰分を１wt％未満（０wt％を含む）含有する炭素部材を銅または銅合金溶湯中に浸漬し、前記炭素部材と前記溶湯中の酸素ガスとの間で炭酸ガス気泡を生成させ、前記炭酸ガス気泡中に水素ガスを吸収させて前記溶銅中の酸素ガスと水素ガスとを除去することを特徴とする銅または銅合金溶湯の脱ガス方法。
2. 前記炭素部材に多数の微細孔を有するポーラスな炭素部材を用い、前記炭素部材の微細孔から不活性ガスを溶銅中に吹き込むことを特徴とする請求項１記載の銅または銅合金溶湯の脱ガス方法。
3. 前記炭素部材の表面に沿って不活性ガス気泡を浮上させることを特徴とする請求項１記載の銅または銅合金溶湯の脱ガス方法。
4. 前記溶湯または前記炭素部材の少なくとも一方に振動を付与しつつ脱ガスすることを特徴とする請求項１、２、３のいずれかに記載の銅または銅合金溶湯の脱ガス方法。

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