JP4353627B2

JP4353627B2 - フィルター

Info

Publication number: JP4353627B2
Application number: JP2000355396A
Authority: JP
Inventors: 阪口　　美喜夫; 和弘大塚; 茂夫仲井
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2020-11-22
Also published as: JP2002159810A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の溶解工程において発生する介在物の除去及び溶融した金属中に含まれるリン、硫黄等の非金属介在物の除去に好適なフィルターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳物製造において、溶融した金属中に浮遊する介在物を除去する工程は、鋳物の欠陥除去のために必要不可欠である。従来、介在物を除去するには、堰等を設ける等の経験に基づく鋳型の改良により改善されてきた。しかしながら、この方法では、浮遊しきれなかった介在物を除去することは困難である。そこで、近年、溶融金属中の塊状の介在物を高温で安定なセラミックスを用いたフィルターにより除去する方法が提案され既に実用化されている。例えば、特表昭５８−５００４３４号にアルミナ等の耐火性骨材からなる３次元網目構造の連続孔を有するフィルターが開示されている。フィルターに使用されるセラミックスは、溶融金属の注湯による高熱に耐え得るよう炭化けい素質（ＳｉＣ）、ムライト質（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、コージェエライト質（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂）、ジルコニア質（ＺｒＯ₂）等の耐火性骨材が用いられる。これらのセラミックス素材を用いたフィルターはろ過径を制御したもので、処理できる溶融金属量と溶融金属中に浮遊する塊状の介在物の大きさにより最適な径のものが使用される。
【０００３】
一方、前記の塊状の介在物とは異なる鋳物に含まれるリン、硫黄等の不純物は、鋳物の微構造に変化をもたらし、即ち構造欠陥等の原因となり、様々な性能の劣化を引き起こす。リンは低温脆性の劣化を引き起こす。また、硫黄は、赤熱脆性を低下させたり、特にダクタイル鋳鉄では硫黄が炭素の球状化を阻害し品質を低下させる。溶融金属中に浮遊する介在物を除去する上述のセラミックスフィルターではリンや硫黄の除去能力はほとんど無い。そのため、性能の劣化のない鋳物を得るためには不純物濃度の低い高品質の銑鉄を選ばねばならず、スクラップが使えない等の原料選択範囲の制限や原料入手のし易さ、経済面等の問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来の浮遊介在物の除去能に加え、鋳物のリン、硫黄を特別な設備を使用することなく除去し、高品質な鋳物を得るためのフィルターを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明はカルシウムを含むセラミックスと炭素とを有するフィルターに関する。
【０００６】
前記カルシウムを含むセラミックスがｘＣａＯ・ｙＡｌ₂Ｏ₃（ｘ／ｙ＝０．１２５〜４．０）で表されるフィルター、前記フィルター中のセラミックスの含有量が１０〜９０重量％のフィルター、及び、前記フィルター中の炭素の含有量が１０〜９０重量％のフィルターであることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のフィルターで用いられるカルシウム化合物を含むセラミックスは、溶融金属中のリン及び硫黄を除去する成分として必須である。すなわち、溶融金属中のリン及び硫黄はろ過中にカルシウム化合物と反応し、不溶性の成分に変化するため金属中から除去できると考えられる。フィルター中のカルシウム化合物は溶融金属中のリンや硫黄の量に対して十分に大きい量が存在し、溶融金属のろ過により溶融金属中のリンや硫黄を長期にわたり除去することができる。
【０００８】
カルシウム化合物は水蒸気や炭酸ガスの吸着による形態の変化のない化合物が好ましく、高温下で使用されるため耐火性の観点から、酸化物、炭化物あるいは複酸化物であることがより好ましい。例えば、カルシウムアルミネート（ｘＣａＯ・ｙＡｌ₂Ｏ₃）、カルシウムシリケート（ｘＣａＯ・ｚＳｉＯ₂）、カルシウムアルミネートシリケート（ｘＣａＯ・ｙＡｌ₂Ｏ₃・ｚＳｉＯ₂）、または、これらの混合物が使用できる（組成式中のｘ、ｙ、ｚは１以上の整数）。特に、カルシウムアルミネートは耐熱性の観点で好ましい。
【０００９】
また、カルシア（ＣａＯ）単独でも本発明の効果を奏することが可能であるが、カルシアは、空気中の水蒸気あるいは炭酸ガスと反応しやすい。そして、水和等による膨張でフィルター形状の維持が困難となる場合があるので、取り扱い・耐久性の面から、他のカルシウム化合物を用いることが好ましい。
【００１０】
カルシウム化合物の含有量は、リンや硫黄の除去の観点から、セラミックス中５０〜１００重量％が好ましく、７０〜１００重量％がさらに好ましく、９０〜１００重量％が特に好ましい。また、酸化カルシウムとしての含有量は、セラミックス中１０〜９０重量％が好ましく、２０〜８０重量％がさらに好ましく、５０〜７５重量％が特に好ましい。
【００１１】
好ましいカルシウムアルミネートの組成は、ｘＣａＯ・ｙＡｌ₂Ｏ₃で表され、ｘ／ｙ＝０．１２５〜４．０である。さらに好ましくはｘ／ｙ＝０．２５〜３．５、特に好ましくは０．５〜３．０である。この代表的な化合物として、カルシアとアルミナの定比化合物が知られており、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ３、１２ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ₃、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃等が挙げられる。
【００１２】
セラミックスは、例えば、カルシウムを含むセラミックス構成成分を所定比混合し、３００〜１７００℃、０．５〜２４時間大気中あるいは不活性ガス中で焼成することにより得られる。例えば、カルシウムアルミネートは、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム等のカルシウム化合物と水酸化アルミニウム、硫酸アルミニウム等のアルミニウム化合物を所定比で混合し、７００〜１６００℃で０．５〜２４時間、好ましくは１〜１２時間、焼成して得ることができる。最適な焼成温度は、カルシウムアルミネートの組成と原料の種類によって適宣選択される。
【００１３】
好ましいカルシウムシリケート及びカルシウムアルミネートシリケートの組成は、３ＣａＯ・ＳｉＯ₂、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂、３ＣａＯ・２ＳｉＯ₂、ＣａＯ・ＳｉＯ₂、２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂等が挙げられる。これらは例えばカルシウムアルミネートの場合と同様な方法により得ることができる。
【００１４】
フィルター中のセラミックスの含有量はリンや硫黄の除去の観点から１０〜９０重量％が好ましく、５０〜９０重量％がより好ましく、特に７０〜９０重量％が好ましい。
【００１５】
フィルターの耐熱衝撃性を高めるためにカルシウム化合物を含むセラミックスと炭素を複合する。耐熱衝撃性が低いと溶融金属を注湯中にフィルターの破壊が生じ、フィルター自身や除去できなかったリンや硫黄が鋳物に混入し欠陥の原因となる。フィルター中の炭素の含有量は強度の観点から１０〜９０重量％が好ましく、１０〜５０重量％がより好ましく、特に１０〜３０重量％が好ましい。複合された炭素は、黒鉛質、非晶質またはこれらの混合物のいずれの形態でもよい。炭素の分散状態は限定されないが、耐熱衝撃性・強度の観点からセラミックスと均一な分散であることが好ましい。
【００１６】
また、フィルター中には本発明の効果を損なわない範囲で、（１）ＭｇＯ、ＴｉＯ₂等の酸化物や複酸化物、（２）ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＢＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄等の非酸化物、（３）鉄、フェロマンガン等の金属、等の他の成分を複合しても良い。
【００１７】
本発明のフィルターは例えば以下の方法で得ることができる。上述のカルシウム化合物を含むセラミックスと黒鉛粉末あるいはまた炭素粉末、および樹脂、ピッチ等の焼成後炭素に転換する有機化合物と混合した後、フィルター状に成形する。セラミックスが粉末状でない場合は、均一分散の観点からセラミックスを粉砕してから炭素を混合することが好ましい。その後、１５０〜１５００℃の範囲で０．５〜２４時間、好ましくは１〜１２時間、不活性雰囲気下あるいは還元雰囲気下で焼成（熱処理）することによって得られる。この焼成（熱処理）によりフィルターの強度が発現する。
【００１８】
フィルターの形態は連続孔を備えているものであれば特に限定されない。例えばレンコン型、直孔ハニカム型、３次元ハニカム型等が挙げられる。孔径はろ過中の溶融金属の流量確保と介在物の除去能力の観点から鋳造条件によって選択される。好ましくは０．２〜２０ｍｍ、より好ましくは１〜１０ｍｍである。
【００１９】
【実施例】
実施例１
炭酸カルシウム１０００ｇと水酸化アルミニウム５２０ｇ、水１８００ｇをボールミルにより２４時間湿式混合後分散媒体の水を除去乾燥した。得られた混合物を１２００℃、大気中で４時間焼成を行い粉末状のセラミックスを得た。得られたセラミックス８０部を黒鉛質炭素（人造黒鉛；炭素純度９８．５％、粒度８０〜１５０メッシュ）２０部、フェノール樹脂（レゾールタイプ、固定炭素４６％）５部を乾式下で、ボールミル中で５時間混合した。得られた混合物を圧力９８MPa で成形した。（形状：外径φ６０ｍｍ、厚さ１５ｍｍの円盤状、φ１０ｍｍの穴７個のレンコン型、図１に外観を示す）。成形体は窒素雰囲気中で１５００℃、１時間焼成し、カルシウムアルミネート（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）７８％、炭素２２％の試験フィルターを得た。
【００２０】
鋳鉄ＦＣ−１５組成物（リン：０．２３４重量％、硫黄：０．０７９重量％）を高周波炉により１４００℃で溶解し、ろ過試験を行った。溶融金属を１０ｋｇ注湯した結果、熱衝撃性による破損はなかった。
【００２１】
実施例２
炭酸カルシウム１０００ｇと水酸化アルミニウム７８０ｇ、水２０００ｇを実施例１と同様の方法で混合、乾燥し混合物を得た。混合物を１５００℃、大気中で４時間焼成を行い塊状のセラミックスを得た。焼成物を１ｍｍ以下に粉砕後、得られた粉砕物セラミックス７０部を石炭ピッチ（固定炭素６１％）２０部、フェノール樹脂（レゾールタイプ、固定炭素４６％）１０部を用い実施例１と同様の方法で、カルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）８１％、炭素１９％の試験フィルターを得た。
実施例１と同様のろ過試験を行った結果、熱衝撃性による破損はなかった。
【００２２】
比較例１
実施例１と同形状のムライト質（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）のフィルターを用い、実施例１と同様のろ過試験を行った結果、試験後亀裂が生じた。
【００２３】
比較例２
３次元連続孔を有するＳｉＣ質のフィルターを用い実施例１と同様のろ過試験を行った。
【００２４】
鋳湯試験後のフィルターの強度劣化率と得られた鋳物のリン、硫黄の含有量を表１に示す。
【００２５】
＜リン、硫黄の定量＞
注湯した鋳物を２０×２０×７ｍｍに切り出し、平板面を鏡面研磨した後、蛍光Ｘ線（理学電機、３３７１Ｅ）により行った。
【００２６】
＜強度劣化率の測定＞
注湯していないフィルターと注湯したフィルターの厚み方向の圧縮強度を測定し、次式により求めた。圧縮強度はクロスヘッド速度０．２ｍｍ／ｍｉｎの条件で測定（島津製作所、オートグラフＤＣＳ）した。
強度劣化率（％）＝
[(注湯前のフィルター強度) −( 注湯後のフィルター強度)]／( 注湯前のフィルター強度) ×100
【００２７】
【表１】

【００２８】
【発明の効果】
本発明のフィルターは強度劣化が少なく、また、鋳物中のリン、硫黄を低減させる効果を奏する。特別な設備を使用することなく溶融金属中のリン、硫黄を除去し高品質な鋳物の製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願実施例１及び２、比較例１のフィルターの外観を示す図である。

Claims

ｘＣａＯ・ｙＡｌ ₂ Ｏ ₃ （ｘ／ｙ＝０．１２５〜４．０）で表されるセラミックスと炭素とを有するフィルター。
セラミックスの含有量が５０〜９０重量％である請求項１記載のフィルター。
炭素の含有量が１０〜５０重量％である請求項１又は２記載のフィルター。
ｘＣａＯ・ｙＡｌ ₂ Ｏ ₃ （ｘ／ｙ＝０．１２５〜４．０）で表されるセラミックスと炭素とを混合し、フィルター状に成形し、そして焼成して得られる、請求項１〜３いずれか記載のフィルター。
溶融した金属中に含まれる非金属介在物の除去用である、請求項１〜４いずれか記載のフィルター。
ｘＣａＯ・ｙＡｌ ₂ Ｏ ₃ （ｘ／ｙ＝０．１２５〜４．０）で表されるセラミックスと炭素とを混合し、フィルター状に成形して焼成することを特徴とする、前記セラミックスと炭素とを有するフィルターの製造方法。