JP4340865B2 - 溶解用インゴット、溶解方法並びに合金鋳物 - Google Patents

Description

本発明は、溶解材料として用いられるインゴット、このインゴットを溶解材料として用いる溶解方法並びにこの溶解方法で得られた溶湯を鋳込んでなる合金鋳物に関する。

例えば、アルミニウム合金の溶解には、溶解室に接続する煙道を溶解材料の投入路として用いる、いわゆるタワー式溶解炉が多く用いられている（例えば、特許文献１、２等参照）。これは、煙道内を流れる排ガスの熱を溶解材料の予熱に利用できることから、省エネルギーを達成する上で有利となるためである。なお、一部では、別途設けた流動層内で溶解材料を予熱することを行っている（特許文献３）。

特開昭６０−２３７７７号公報 特開平７−１４６０７３号公報 特開２００１−１９４０７２号公報

しかしながら、上記タワー式溶解炉による溶解方法によれば、煙道を通して溶解炉内に溶解材料を投入するため、落下時の衝撃が大きく、溶解室の耐火材の損耗が大きい、という問題があった。特に、アルミニウム合金の溶解においては、主にコスト的な理由から、１個当り数百ｋｇの重量を有する巨大なインゴット、いわゆるジャンボ塊を溶解材料として用いることが多いが、このようなジャンボ塊を用いた場合には、前記した落下時の衝撃が極めて大きくなり、耐火材の損耗が激しくなる、という問題があった。また、このようなジャンボ塊を用いた場合は、単位重量当りの表面積が小さいため、溶解に多くのエネルギーを要する、という問題もあった。なお、これらの問題に対処するには、溶解材料として１個当り数ｋｇ程度の小塊を用いればよいが、このような小塊の製造には、専用の連鋳機が必要になり、設備投資費用が嵩んで原料コストの上昇が避けられないようになる。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、ジャンボ塊をタワー式溶解炉の溶解材料として用いても耐火材が激しく損耗することがなく、しかも、溶解エネルギーの低減にも寄与する溶解用インゴットを提供し、併せてこのインゴットを溶解材料として用いる溶解方法並びに該溶解方法により得られた溶湯を鋳込んでなる合金鋳物を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る溶解用インゴットは、溶解室に接続する煙道を溶解材料の投入路として用いるタワー式溶解炉に投入される１個当り数百ｋｇの重量を有するいわゆるジャンボ隗であって、不純物元素の化合物が少ない第１合金層と前記化合物を多く含む第２合金層とを交互に積層してなることを特徴とする。このように構成したインゴットにおいては、化合物の多い第２合金層が脆くなっているので、タワー式溶解炉内に投入した際の落下の衝撃で第２合金層を起点にインゴットが破壊される。したがって、数百ｋｇのジャンボ塊を用いても、耐火材が受ける衝撃荷重は小さくなり、結果として耐火材の損耗が抑制される。また、インゴットの破壊により生じた小塊は、単位重量当りの表面積が大きくなるので、溶解に要するエネルギーが低減される。

しかも、本溶解用インゴットにおいて、上記第１合金層および第２合金層が同じ成分系のアルミニウム合金からなり、不純物元素の化合物が主にＦｅ−Ａｌ化合物である構成とする。この場合、前記第２合金層の一層当りの厚さをｙmm、該第２合金層中におけるＦｅ−Ａｌ化合物の面積率をｘ％としたとき、前記ｘ、ｙは下記（１）式を満足する値に設定し、この（１）式を満足するように第２合金層を設けることで、インゴットの破壊がより一層促進される。
０.１２ｘ＋ｙ≧１２.７（ただし、ｘ≧１４、ｙ≧０.３） … （１）

本発明に係る溶解方法は、上記したインゴットをタワー式溶解炉内に投入した際の落下の衝撃で該インゴットを破壊させることを特徴とする。この場合、溶解炉内へ投入する前に前記インゴットを予熱するようにしてもよい。

本発明に係る合金鋳物は、上記した溶解方法で得られた溶湯を鋳込んでなるもので、塊状をなす化合物が基地中に分散していることを特徴とする。このように塊状の化合物が基地中に分散することで、鋳物の耐摩耗性が向上する。この場合、化合物がＦｅ−Ａｌ化合物であり、該Ｆｅ−Ａｌ化合物が面積率で３％以上存在する構成とする。

本発明に係る溶解用インゴットおよび溶解方法によれば、炉内投入時の衝撃でインゴットが簡単に破壊して小塊となるので、耐火材の損傷が著しく抑制されると共に、溶解燃費が大幅に向上し、タワー式溶解炉によるジャンボ塊の溶解に向けて好適となる。

また、本発明に係る合金鋳物によれば、不純物元素の化合物が基地中に塊状に分散するので、耐摩耗性が良好となり、耐摩耗性重視の用途に向けて好適となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて説明する。

図１は、本発明に係る溶解用インゴットを示したものである。本インゴット１は、断面台形状をなし、その全体は数百ｋｇの重量を有するジャンボ塊となっている。しかして、このインゴット１は、不純物であるＦｅの化合物が少ない第１アルミニウム合金層２と前記化合物を多く含む第２アルミニウム合金層（Ｆｅリッチ層）３とを交互に積層してなっている。

上記第１アルミニウム合金層２と第２アルミニウム合金層３とは、例えば、ＪＩＳ ＡＣ２Ｂ（Ａｌ−６Ｓｉ−３Ｃｕ）のような同じ成分系のアルミニウム合金からなっている。この場合、前記Ｆｅの化合物は、Ｆｅ−Ａｌ化合物（Ａｌ₄Ｆｅ₁₃）であり、前記第２アルミニウム合金層３には、このＦｅ−Ａｌ化合物が、後に詳述するようにある面積率ｘ以上（ｘ≧１４％）となるように存在している。また、この第２アルミニウム合金層３は、後に詳述するようにある厚さｙ以上（ｙ≧０.３mm）となるようにその１層当りの厚さが設定されている。

ここで、Ｆｅ−Ａｌ化合物は、第１アルミニウム合金層２と第２アルミニウム合金層３とで晶出形態が異なっている。図２は、（Ａ）第１アルミニウム合金層２と（Ｂ）第２アルミニウム合金層３中におけるＦｅ−Ａｌ化合物の晶出形態を示したもので、第１アルミニウム合金層２中のＦｅ−Ａｌ化合物ａは網目状または樹枝状の形態で、第２アルミニウム合金層３中のＦｅ−Ａｌ化合物ｂは塊状の形態でそれぞれマトリックス中に分散している。このようなＦｅ−Ａｌ化合物の晶出形態の相違により、塊状のＦｅ−Ａｌ化合物ｂが分散している第２アルミニウム合金層３は、網目状または樹枝状のＦｅ−Ａｌ化合物ａが分散する第１アルミニウム合金層２よりも材質的にかなり脆くなっている。

本インゴット１を製造するには、主成分が同じ（例えば、Ａｌ−６Ｓｉ−３Ｃｕ）で、不純物としてのＦｅの含有量が異なる２種類の溶湯を別途用意する。そして、この２種類の溶湯、すなわちＦeプアの溶湯とＦeリッチの溶湯とを、相互に下層側が凝固するタイミングでインゴット缶（鋳型）に交互に注湯する。この場合、Ｆｅの含有量は、Ｆeプアの溶湯についてはＪＩＳに規定される不純物範囲（１.０ｗｔ％以下）とし、Ｆeリッチの溶湯については、前記ＪＩＳに規定される範囲よりもかなり多い範囲とする。前記したＦeリッチの溶湯は、例えば、鉄材料を鋳包んでなるアルミニウム合金製の部品スクラップ（エンジンスクラップ等）を溶解材料として用いることで、安価に得ることができる。

本発明に係る溶解方法は、上記のように溶製したインゴット１を溶解材料として用いてタワー式溶解炉により溶解する。図３は、タワー式溶解炉１０の一般的な構造を示したもので、炉床１１および炉壁１２で囲まれた溶解室１３を有する炉本体１４と、この炉本体１４に接続された筒状体１５の内部を煙道および材料投入路１６として提供するタワー１７とからなっている。炉本体１４の炉壁１２には、溶解室１３に投入されたインゴット１を溶解するためのバーナ１８が複数取付けられており、一方、タワー１７の筒状体１５の上部側には、前記溶解室１３にインゴット１を投入するためのインゴット装入口１９が設けられている。なお、炉本体１４を構成する炉床１１および炉壁１２、並びにタワー１７を構成する筒状体１５は、緻密質高アルミナれんがのような耐火材からなっている。

本実施形態においてはまた、前記タワー式溶解炉１０に隣接してインゴット予熱装置２０が設置されている。このインゴット予熱装置２０は、インゴット１を予熱するためのもので、例えば、高周波加熱手段を備えている。このインゴット予熱装置２０とタワー１７のインゴット装入口１９とはトンネル２１により接続されており、インゴット予熱装置２０で予熱されたインゴット１は、図示を略すプッシャ等の作動で、前記トンネル２１内に配置したシュート２２を経てインゴット装入口１９へ搬送されるようになっている。なお、炉本体１４の炉壁１２には、溶解室１３内の溶湯Ｍの上面に浮遊するスラグを掻き出すだめのノロ掻き口２３が設けられている。また、この種のタワー式溶解炉１０には、通常、保持炉（図示略）が併設されており、溶解室１３で溶解された溶湯Ｍは、鋳造機へ受渡しされる前に、この保持炉内に一旦蓄えられるようになっている。

溶解に際しては、インゴット予熱装置２０で予熱されたインゴット１が適当なタイミングでシュート２２を経てインゴット装入口１９へ押出される。すると、このインゴット１は、タワー１７内の煙道および材料投入路１６内を自由落下し、炉本体１４の炉床１１に衝突する。本インゴット１は、図１に示したようにＦｅ−Ａｌ化合物を多く含む、材質的に脆い第２アルミニウム合金層（Ｆｅリッチ層）３が一定間隔で多層に存在するので、前記した炉床１１との衝突で、第２アルミニウム合金層３を起点に小塊に破壊される。この結果、炉床１１を形成する耐火材が受ける衝撃荷重が小さくなって、耐火材の損耗が抑制され、しかも、小塊となって単位重量当りの表面積が大きくなるので、溶解に要するエネルギーが低減される。本実施形態においては特に、インゴット１が予熱されているので、第２アルミニウム合金層３が一層脆弱化し、インゴット１の破壊はより一層促進されるとともに、溶解エネルギーがより一層低減される。また、インゴット予熱装置２０とタワー１７とはトンネル２１により接続されているので、インゴット１の予熱に廃熱を有効利用できる。

一方、溶解室１３内で溶解された溶湯Ｍは、インゴット１を構成する第１アルミニウム合金層２と第２アルミニウム合金層３とを合せた成分となるので、Ｆｅ分が高めになる。ただし、第１アルミニウム合金層２を形成するＦｅプアの溶湯および第２アルミニウム合金層３を形成するＦｅリッチの溶湯として、できるだけＦｅ分の少ないものを選択し、かつ第２アルミニウム合金層３の厚さをできるだけ薄くすることで、最終溶湯成分をＪＩＳの不純物範囲（１.０ｗｔ％以下）に収めることができ、したがって、この溶湯Ｍを鋳込んでなるアルミニウム合金鋳物はＪＩＳ規格を満足するものとなる。

なお、上記実施形態においては、インゴット１の材種としてアルミニウム合金を用いたが、本発明は、アルミニウム合金以外の種々の合金、例えばマグネシウム合金、亜鉛合金、銅合金等にも適用できる。また、不純物元素の種類も任意であり、Ｆｅ以外の不純物元素を含ませることもできる。

不純物としてのＦｅを０.６ｗｔ％含むＪＩＳ ＡＣ２Ｂ（Ａｌ−６Ｓｉ−３Ｃｕ）の溶湯と、このＪＩＳ ＡＣ２Ｂ中のＦe分を３.０〜１０.９ｗｔ％の間で種々に変化させた溶湯とをインゴット缶に交互に注湯し（ただし、下層が凝固した後に注湯）、図１に示したように、Ｆｅ−Ａｌ化合物の少ない第１アルミニウム合金層２とＦｅ−Ａｌ化合物を多く含む第２アルミニウム合金層（Ｆeリッチ層）３とを交互に積層してなるインゴット１を溶製した。この場合、インゴット１の大きさは、下辺の長さ（および奥行き）Ｌ１を４５０mm、上辺の長さ（および奥行き）Ｌ２を５５０mm、高さＨを４５０mmとし、また、第２アルミニウム合金層３の厚さは、１〜１２mm範囲で種々に変化させた。

そして、得られたインゴット１について、その一部を切除して顕微鏡試験を行い、第１アルミニウム合金層２および第２アルミニウム合金層３におけるＦｅ−Ａｌ化合物（Ａｌ₄Ｆｅ₁₃）の面積率を求めた。一方、一部を切除した後のインゴット１については、前記図３に示したタワー式溶解炉１０に投入し、インゴット装入口１９から炉床１１まで落差２.２ｍの距離を落下させて、破壊の有無を観察した。なお、Ｆｅ−Ａｌ化合物の面積率は、所定の被検面の面積中に存在するＦｅ−Ａｌ化合物の面積の百分率として求めた。

図４は、インゴット１の破壊の有無に及ぼすＦｅ−Ａｌ化合物の面積率ｘ（％）とＦeリッチ層の、一層当りの厚さｙ（mm）との影響を示したものである。同図中、○印はインゴットが破壊した場合を、×印はインゴットが破壊しなかった場合を表しており、これより、Ｆｅ−Ａｌ化合物の面積率ｘが大きく、かつＦeリッチ層の、一層当りの厚さｙが大きいほどインゴットの破壊が進むことが明らかになった。より詳しくは、このインゴットの破壊が起こる条件と破壊が起こらない条件とは、一つの線Ｓを境に明瞭に分けられている。この線Ｓは前記（１）式に相当し、したがって、タワー式溶解炉に投入したインゴットの破壊を促すには、この（１）式を満足するようにインゴット１を溶製すればよいことがわかる。

不純物としてのＦｅを０.６ｗｔ％含むＪＩＳ ＡＣ２Ｂ（Ａｌ−６Ｓｉ−３Ｃｕ）の溶湯と、このＪＩＳ ＡＣ２Ｂ中のＦe分を８.３ｗｔ％に設定したＦｅリッチの溶湯とをインゴット缶に交互に注湯し（ただし、下層が凝固した後に注湯）、図１に示したように、Ｆｅ−Ａｌ化合物の少ない第１アルミニウム合金層２とＦｅ−Ａｌ化合物を多く含む第２アルミニウム合金層（Ｆeリッチ層）３とを交互に積層してなるインゴット１を多数溶製した。この場合、インゴット１の大きさは、実施例１と同じとし、また、第１アルミニウム合金層２の厚さは７２mm／層×６層、第２アルミニウム合金層３の厚さは３.７mm／層×５層とした。この場合、インゴット１の第２アルミニウム合金層３におけるＦｅ−Ａｌ化合物（Ａｌ₄Ｆｅ₁₃）の面積率は、８５％であった。また、インゴット全体としてのＦe量は０.７ｗｔ％であった。そして、前記のように溶製したインゴット１を溶解材料として用い、図３に示したタワー式溶解炉１０により１３０００トンを連続溶解し、溶解室１３を形成する耐火材の平均減耗量と単位溶解重量当たりの重油使用量とを求めた。なお、インゴット予熱装置２０による予熱は省略した。また、比較のため、従来と同様にＦｅを０.７ｗｔ％含むＪＩＳ ＡＣ２Ｂの溶湯のみをインゴット缶に注湯して得られた単層のインゴットを用いて同様の溶解を行い、前記同様に溶解室１３を形成する耐火材の減耗量と単位溶解重量当たりの重油使用量とを求めた。

図５および図６は、上記した溶解による結果を示したものである。図５および図６に示す結果より、本発明に係るインゴットを溶解材料として用いて溶解を行った場合は、従来の単層のインゴットを用いて溶解を行った従来法に比べて、耐火材の平均減耗量で約２/３、単位溶解重量当たりの重油使用量で約１/２となっており、本インゴットを用いた場合に、炉寿命の大幅な延長と大きな省エネルギーとが達成されることが明らかになった。

実施例１で得られた種々のインゴットを溶解材料として用いて、図３に示したタワー式溶解炉１０によりＦｅ分の異なる種々の溶湯を得、これら溶湯を鋳型に鋳込んで鋳塊（アルミニウム合金鋳物）を製作した。そして、この鋳塊から、図７に示す直方体状の試験片（Ｔ/Ｐ）２０を切出して、これを摩耗試験に供した。摩耗試験は、同じく図７に示すように、鋼製リング（ＳＵＪ２）２１を油槽２２中で１６０ＲＰＭで回転させ、この回転するリング２１に前記試験片２０を約３０Ｎの力で５分間押付ける条件で行い、試験後、試験片２０の摩耗深さを測定した。また、各摩耗試験に供した試験片について顕微鏡試験を行い、鋳物中におけるＦｅ−Ａｌ化合物（Ａｌ₄Ｆｅ₁₃）の面積率を求めた。

図８は、摩耗試験の結果をＦｅ−Ａｌ化合物の面積率で整理して示したものである。これより、摩耗深さは、アルミニウム合金鋳物中におけるＦｅ−Ａｌ化合物の面積率と密接に相関し、Ｆｅ−Ａｌ化合物の面積率が３％を境に、それ未満では摩耗深さが大きく、それ以上では摩耗深さが著しく小さくなることがわかった。したがって、耐摩耗性を重視する場合は、アルミニウム合金鋳物中におけるＦｅ−Ａｌ化合物の面積率を３％以上にするのが望ましい。なお、アルミニウム合金鋳物中に存在するＦｅ−Ａｌ化合物（Ａｌ₄Ｆｅ₁₃）は、前記図２（Ｂ）に示したように塊状の形態で存在していた。

本発明に係る溶解用インゴットの構造を模式的に示す断面図である。 本インゴットを構成する２層の顕微鏡組織を示す写真である。 本発明に係る溶解方法の実施に用いるタワー式溶解炉の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の実施例１で得られた結果を示したもので、インゴットの破壊の有無に及ぼすＦｅ−Ａｌ化合物の面積率ｘとＦeリッチ層の、一層当りの厚さｙとの影響を示すグラフである。 本発明の実施例２で得られた結果を示したもので、溶解室の耐火材の減耗量を従来法と対比して示すグラフである。 本発明の実施例２で得られた結果を示したもので、単位溶解重量当りの重油使用量を従来法と対比して示すグラフである。 本発明の実施例３で行った摩耗試験の実施状況および条件を示す図表である。 本発明の実施例３で得られた結果を示したもので、摩耗深さに及ぼすＦｅ−Ａｌ化合物の面積率の影響を示すグラフである。

符号の説明

１ インゴット
２ Ｆｅの化合物が少ない第１アルミニウム合金層（第１合金層）
３ Ｆｅの化合物が多い第２アルミニウム合金層（第２合金層）
１０ タワー式溶解炉
１３ 溶解室
１６ 排煙および材料投入路
１９ インゴット装入口
２０ インゴット予熱装置

Claims (4)

1. 溶解室に接続する煙道を溶解材料の投入路として用いるタワー式溶解炉に投入される１個当り数百ｋｇの重量を有するいわゆるジャンボ隗であって、不純物元素の化合物が少ない第１合金層と前記化合物を多く含む第２合金層とを交互に積層してなり、前記第１合金層および前記第２合金層が同じ成分系のアルミニウム合金からなり、不純物元素の化合物が主にＦｅ−Ａｌ化合物であり、前記第２合金層の一層当りの厚さをｙmm、該第２合金層中におけるＦｅ−Ａｌ化合物の面積率をｘ％としたとき、前記ｘ、ｙが下記式を満足することを特徴とする溶解用インゴット。
   ０.１２ｘ＋ｙ≧１２.７（ただし、ｘ≧１４、ｙ≧０.３）
2. 請求項１記載のインゴットを溶解材料とする溶解方法であって、前記インゴットをタワー式溶解炉内に投入した際の落下の衝撃で、該インゴットを破壊させることを特徴とする溶解方法。
3. 溶解炉内へ投入する前に、インゴットを予熱することを特徴とする請求項２に記載の溶解方法。
4. 請求項２または３に記載の溶解方法で得られた溶湯を鋳込んでなる合金鋳物であって、塊状をなすＦｅ−Ａｌ化合物が面積率で３％以上存在して基地中に分散していることを特徴とする合金鋳物。

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