JP4414581B2 - 鋳鉄の黒鉛球状化処理方法および鋳鉄の黒鉛球状化剤 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋳鉄の黒鉛球状化処理方法および球状化処理剤に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
球状黒鉛鋳鉄鋳物は日本国内に於て年間約２００万ｔ生産され、年々増加の一途をたどっている重要な素形材である。
【０００３】
その製造技術は適正な溶湯を得るための溶解法、脱硫法、黒鉛球状化処理法、および強固な鋳型を得るための造型法、さらには注湯法等を好ましく組み合わせることにより成り立っている。溶解法および造型法、注湯法については普通鋳鉄鋳物についても共通であり、脱硫法および黒鉛球状化処理方法が球状黒鉛鋳鉄を製造する場合に特有の技術である。
【０００４】
まず脱硫法である。鋳鉄溶湯を得るためにはまず溶解が必要である。一般にはキュポラおよび高周波誘導炉、低周波誘導炉等の電気炉が使用されている。キュポラ溶湯では溶解過程で多量のＳをコークスより吸収している。球状黒鉛鋳鉄溶湯として使用するためには脱硫処理が必要である。そこで脱硫処理が行われる。脱硫剤としてはカルシウムカーバイト、ソーダ灰あるいは生石灰系の脱硫剤が用いられる。脱硫方法としてはバッチ法および連続法がある。バッチ法では前述の方法の他、置き注ぎ法、揺動取鍋法等が工場の特徴に応じて使用されている。また、連続法ではインジェクション法、ポーラスプラグ法、機械撹拌法等が適宜使用されている。
【０００５】
次に黒鉛の球状化処理が行われる。黒鉛状化処理剤としては過去には主にＣｅからなるＲＥＭ、あるいはＣａ等も用いられたが、現在では主としてＭｇが使用されている。このＭｇの溶湯への添加方法ついては実に様々な方法がある。また添加合金についても多種類の合金が開発され、用いられている。言い替えれば、球状黒鉛鋳鉄の製造技術はＭｇ添加方法、添加合金、添加物の改良進歩によるものといってもよい。
【０００６】
Ｍｇは沸点が１０９０℃で、鋳鉄溶湯中ではほとんど溶解度を有しない。このため高温の溶湯に入ったとき、直ちにＭｇ蒸気となり溶湯外に逸出する。通常の溶湯温度である１４５０℃から１５００℃では蒸気圧が９８０〜１１４７ｋＰａとなる。この高い蒸気圧のため、Ｍｇ蒸気が溶湯中を通過する時間が極度に短く、爆発的に溶湯外に逸出する。このため、金属Ｍｇを単に溶湯中に挿入するだけではＭｇの歩留がきわめて低く、球状黒鉛鋳鉄を製造することが困難であった。
【０００７】
さらに、大気中におけるＭｇの燃焼、溶湯の飛散等により非常に、汚れる危険な作業でもあった。
【０００８】
そこでこれを改善、緩和するため以下の三つの手段が取られたのである。
【０００９】
（１）添加するＭｇをＳｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ等と合金させ、Ｍｇ含有量を低下させ、Ｍｇの蒸気化が徐々に起こるようにする。よってＭｇ蒸気が溶湯中を通過する時間を長くして歩留をよくする。Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金、Ｎｉ−Ｍｇ合金、Ｃｕ−Ｍｇ合金等が用いられる。
【００１０】
（２）高いＭｇの蒸気圧を物理的に押さえつけるかまたは耐火物等でＭｇ蒸気の発生源からの発散を孔の大きさ等で制限する。コンバーター法、あるいはマグコーク法等がある。
【００１１】
（３）Ｍｇを金属合金の状態で添加するのではなく、Ｍｇの塩類例えば、ＭｇＦ3、ＭｇＣｌ2等とカルシウムシリコンの様に還元力の強い材料と混合し、高温の溶湯中に添加する。すると同時にこれらＭｇの塩類はカルシウムシリコン中のＣａにより還元され、Ｍｇの単体元素となり、溶湯に作用し黒鉛を球状化する。これにはＯＺ法、ＫＣ法等がある。
【００１２】
以上の様な方法の組合せにより、溶湯が処理され球状黒鉛鋳鉄が製造されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
球状黒鉛鋳鉄を製造しようとする場合、普通鋳鉄の製造と異なり、溶湯の脱硫および黒鉛の球状化処理が不可欠である。
【００１４】
ところが、既に述べた様な方法あるいは処理剤等が開発、使用されているが以下に述べるような黒鉛球状化処理に伴う根本的な問題は解決されたわけではない。
【００１５】
通常、球状黒鉛鋳鉄を製造する場合の元湯のＳ量は０．０２０％以下であることが望ましい。したがって、キュポラ溶湯の場合前述のように脱硫を行うわけである。一般の鋳物工場にとって、脱硫設備を設置することは費用的にも大きな負担である。さらにその脱硫によって生成する発生物の廃棄の問題がある。最近では廃棄物を処理するのに多大な費用を必要し、鋳鉄鋳物製造コストの増加につながってくる。
【００１６】
また一般的な球状黒鉛鋳鉄の製造工場では上記球状化処理剤のなかでは８〜２０％Ｍｇを含有するＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金で溶湯を処理することがほとんどである。取鍋内での置き注ぎあるいはプランジャーで溶湯中に押し込まれるが、この場合、Ｍｇの蒸気圧が高いことに基づく爆発的な反応は純Ｍｇほどでは無いにしても、激しい。そしてＭｇ蒸気が大気中に逸出したときの閃光と白煙の発生は安全上の問題とともに労働環境を悪化させる可能性がある。また、この場合のＭｇ歩留は元湯のＳ量にもよるが、一般的には２０〜５０％と低いものである。
【００１７】
このようなことから、鋳造工場では▲１▼元湯の脱硫を必要としない▲２▼球状化処理の反応が静かな▲３▼Ｍｇ歩留の高い▲４▼処理に伴う廃棄物が少ない、鋳鉄の球状化処理方法が望まれていた。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは球状化処理の反応が金属ＡｌとＭｇＯの粒度あるいはこの混合物反応層の層厚、あるいはポーラスな覆いの厚さを調整することによりＭｇ蒸気の発生速度を調整可能であること見いだし、それに伴い非常にＭｇの歩留よく、処理反応の静かな、廃棄物量も少ない球状化処理方法を見いだしたのである。
【００１９】
すなわち
２Ａｌ＋４ＭｇＯ → ３Ｍｇ（ｇ）＋ＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3
の反応は吸熱反応である。したがって、反応に関わる物質への溶湯からの伝熱速度でこの反応の速度を調整できるのである。すなわち、従来の黒鉛球状化剤あるいは処理方法と異なり、Ｍｇ蒸気の発生速度の調整が可能となるのである。これにより、鋳鉄溶湯へ必要なＭｇ量を所要の速度で供給することが可能であり、高歩留で安全な黒鉛球状化処理法と提供できるのである。さらには、Ｍｇ歩留が高いことからわずかなＭｇ添加量で球状化できることになり、白煙の発生量も少なく、元湯のＳ量が過剰でも従来法のように予め脱硫することなく、Ｍｇで脱硫しつつ、黒鉛球状化処理も可能となる。それにより廃棄物の発生量も著しく減少するのである。
【００２０】
本発明は上記知見に基づいて課題を解決したものであり、その特徴は以下の通りである。
【００２１】
（１） Ｍｇを鋳鉄の黒鉛球状化剤として使用する鋳鉄の黒鉛球状化処理法において、Ａｌ粉末とＭｇＯ粉末とを含む粒子径０．５ｍｍ以下の成形体である黒鉛球状化処理剤を鋳鉄溶湯中に加え、Ｍｇ蒸気とＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3を生成させ、このＭｇ蒸気で黒鉛球状化処理することを特徴とする鋳鉄の黒鉛球状化処理方法。
【００２２】
（２） Ａｌ粉末とＭｇＯ粉末とを含む粒子径０．５ｍｍ以下の成形体である黒鉛球状化処理剤で、ＭｇＯとＡｌをＭｇＯ／Ａｌモル比で１以上、３以下とすることを特徴とする鋳鉄の黒鉛球状化処理剤。
【００２３】
（３） さらに、ＣａＯ粉末を含む粒子径０．５ｍｍ以下の成形体である黒鉛球状化処理剤で、ＣａＯ／ＭｇＯモル比で０．６以上とすることを特徴とする前記（２）記載の黒鉛球状化処理剤。
【００２５】
（４） 前記（２）または（３）記載の黒鉛球状化処理剤を開口部を有する耐熱性コンテナーに収納して溶湯中に浸漬することを特徴とする鋳鉄の黒鉛球状化処理方法。
【００２６】
（５） コンテナーの開口部を多孔質の耐火物にしてＭｇガスが容易にぬけ、溶湯中に供給できることを特徴とする前記（４）記載の鋳鉄の黒鉛球状化処理方法。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下本発明を具体的に説明する。
【００２８】
この発明で対象とする溶湯は球状黒鉛鋳鉄用の溶湯であり、通常はＣ：３〜４％、Ｓｉ：１〜３％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｐ：０．０２〜０．０８％、Ｓ：０．０５０％以下である。その他用途によってはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ等の合金元素を〜数％含むこともある。但し、％は質量％を示す。
【００２９】
本発明ではＡｌ源粉末、ＭｇＯ源粉末、生石灰粉末の混合物を混練、圧縮、焼結等を行い、成形体とする必要がある。また処理剤は取鍋の底に設置された状態で溶湯に添加されることが好ましい。
【００３０】
Ａｌ源粉末とＭｇＯ源粉末の粒径は両者の反応性を支配する重要な因子である。粉砕粉末は一般には粉砕が進むほど粒子形状が単純になり、球に近づく傾向があることが知られている。一方、Ａｌ源粉末の内部のＡｌは溶融と昇温により、膨張する。膨張により表面Ａｌ2Ｏ3皮膜には引張応力が働くが、粒子形状が球形に近いほどＡｌ2Ｏ3皮膜は変形が困難であり、応力を緩和できない。このため破裂しやすくなる。すなわちＡｌ源粉末は細かいほどＡｌ2Ｏ3皮膜が壊れやすくＡｌ融液が外部に漏れでてＭｇＯと反応しやすくなる。したがって、Ａｌ源粉末は細かい方が好ましい。具体的には１００メッシュの篩を通過する粉末、すなわち粒径約０．１５ｍｍ以下の粉末を適用することによってＡｌの反応率をあげることができる。
【００３１】
ＭｇＯ粉末も細かいほどＡｌ融液との接触面積が増加するので反応が進みやすくなる。したがって、ＭｇＯ源粉末は細かい方が好ましい。具体的には１００メッシュの篩を通過した粉末、すなわち粒径０．１５ｍｍ以下の粉末を適用することによりＭｇＯの反応率をあげることができる。さらに好ましいのは２００メッシュの篩を通過した粉末、すなわち０．０７４ｍｍ以下の粉末を適用することである。
【００３２】
粒径０．１５ｍｍ以下のＡｌ源粉末と粒径０．１５ｍｍ以下のＭｇＯ源粉末の組合せが１２５０〜１５００℃での溶湯温度で
２Ａｌ＋４ＭｇＯ → ３Ｍｇ（ｇ）＋ＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3 （１）
の反応を進行させる条件の一つと発明者らは考えている。（１）式の反応による平衡Ｍｇ分圧を公表されている熱力学諸数値から推算してみると、１３００℃以上に加熱すれば、Ｍｇ蒸気分圧は１気圧を超えることになり、溶湯中でも十分にＭｇ蒸気を生成し得られることが理解される。
【００３３】
反応性のよいＡｌ源を選択して粒度を調整する。細かいＭｇＯ粉末を選択する。両者を十分に混合し良好な接触を確保する。溶湯と接触しても粉化することの無い高強度の成形体に加工することにより（１）式の反応式は１２５０℃から１５００℃で進行するのである。
【００３４】
Ａｌ源粉末の反応性は粉末表面を覆う酸化皮膜の特性に支配される。純度の高いＡｌ粉末は強靭なＡｌ2Ｏ3皮膜で覆われており、内部のＡｌ融液は外部へ吹き出し難く、外部のＭｇＯ源粉末との反応性は抑制される。高純度のＡｌ源粉末に加えて高純度のＭｇＯ源粉末を用いればこの傾向はさらに顕著になる。したがって前記のＡｌ源粉末とＭｇＯ源粉末の適性粒度選択に加えてＡｌ2Ｏ3皮膜の改質に関する手段を併用することがより好ましい。
【００３５】
すなわちＭｇＣｌ、ＣａＣｌ2、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ソーダ灰等のようにＡｌ2Ｏ3の融点を降下させる物質を含むＡｌ源粉末か、あるいはＡｌ源粉末にこれらのＡｌ2Ｏ3融点降下物質を加えるとＡｌ源粉末表面のＡｌ2Ｏ3皮膜は溶湯温度の温度領域で脆弱となり、内部の溶融Ａｌは容易に外部へ吹き出し、（１）式にしたがってＭｇＯと活発に反応し、Ｍｇ蒸気が発生するのである。この方法により反応性の悪い高純度のＡｌ源粉末でも同様に溶湯温度領域で反応が可能になる。前記Ａｌ2Ｏ3融点降下物質は球状化処理材中のＡｌ：１ｋｇに対し、０．００１〜０．１０ｋｇを含むことが好ましい。これは０．００１ｋｇ未満ではＡｌ粉末のＡｌ2Ｏ3皮膜を脆弱にするのが困難であり、また０．１０ｋｇを超えるとＡｌ2Ｏ3皮膜破壊には過剰となり不要な成分となるからである。
【００３６】
ＭｇＯ源粉末としては天然マグネシアが好ましい。これにはＣａＯを含むためＡｌ2Ｏ3皮膜を破る効果がある。海水マグネシアも好ましい。ＮａＣｌ、ＫＣｌを含むものが好適である。
【００３７】
またＭｇＯ源粉末として９００℃までに熱分解してＭｇＯになるものでもよく、ドロマイトなどでもよい。
【００３８】
（１）式の反応に必要なAl量は化学量論的にはＭｇＯ：４ｍｏｌ当たり、Ａｌ：２ｍｏｌである。
【００３９】
球状処理剤のＭｇＯとＡｌのモル比は１以上３以下の成形体とすることが好ましい。これは１未満ではＡｌが過多になり、未反応のＡｌの一部が溶湯に溶解する恐れがあるからである。またモル比が３より大きい場合は未反応のＭｇＯが溶湯中に残留する可能性がある。成形法には特に制約はないがタブレットマシン、ブリケッテングマシン等の圧縮成形法が適している。
【００４０】
従来技術では処理剤中のMgが爆発的に反応するのに対し、（１）式の反応によるＭｇ蒸気の発生は比較的穏やかである。このため球状化処理剤から発生するＭｇ蒸気を有効に鋳鉄溶湯に作用させるには取鍋等の底に球状化剤を置く置き注ぎ法による処理が溶湯中のMg蒸気を長時間接触反応させることが可能となりＭｇの歩留を高めることができる。
【００４１】
しかし、溶湯の温度が低めの場合、あるいは大型の容器で浸漬深さが深い様な場合にはＭｇ蒸気の発生速度律速となる可能性がある。すなわち、Ｍｇ蒸気の溶銑中への溶解を考えるとＭｇ蒸気の溶銑との接触位置は深い程良い。つまり、それだけ大きな静圧を利用してＭｇ蒸気を発生させることにより、Ｍｇ蒸気の溶銑への溶解が促進される。一方、Ｍｇ蒸気の発生速度を考慮すれば、圧力は小さい程良い。つまり、圧力が過大であり、特に、Ｍｇ平衡蒸気圧以上の圧力下ではＭｇ蒸気が成型体内部を浸透する速度が遅く、あるいは反応界面におけるＭｇ蒸気の発生が抑えられるためにＭｇ蒸気の溶湯中への供給が遅く、処理に長時間を要することになるという問題が生じる。
【００４２】
そこで、本発明者らは、この点に鑑み、ＣａＯをこの処理剤の中に共存させることを着想した。すなわち、ＣａＯを混合すると（２）式の反応が生じ、平衡Ｍｇ蒸気分圧がかなり高められる。
１４Ａｌ＋２１ＭｇＯ＋１２ＣａＯ
→ ２１Ｍｇ（ｇ）＋１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3 （２）
【００４３】
すなわち、溶湯処理温度としては比較的低温である１３００℃でも平衡Ｍｇ蒸気分圧は１０気圧という圧力に達する。またＣａＯの添加は上記Ａｌ表面に生成しているＡｌ2Ｏ3膜の除去の点でも好適である。すなわち、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3はお互いに良く溶け合う共晶であることが良く知られており、その最低融点は低いので、ＣａＯが存在するとＡｌを被覆しているＡｌ2Ｏ3膜を良く溶かし、益々反応を促進する方向となる。（２）の反応に必要なＣａＯ量は化学量論的にはＭｇＯ：２１ｍｏｌ当たりＣａＯ：１２ｍｏｌ、すなわち、ＣａＯ／ＭｇＯモル比でおよそ０．６である。球状化処理剤のＣａＯとＭｇＯのモル比は０．６以上にすることが好ましい。これは、０．６未満ではＣａＯが過少となり（２）の反応が起こり難いため、ＣａＯの平衡Ｍｇ蒸気分圧を向上させる効果が得られないからである。
【００４４】
一方、一般に鋳物溶銑の処理においてはなるべく簡便な装置、設備での処理形態が望まれる。そこで、（２）式の反応で生成するＭｇガスを溶湯中に溶解させる方法として、粒子径０．５ｍｍ以下に造粒したものを直接吹込むことが望ましい。粒子径を０．５ｍｍ以下とする理由はこれ以上大きい粒子では、粒内部への伝熱が律速となり、有効なＭｇ蒸気発生を行う前に溶銑上に浮上してしまい、溶湯自由表面でのＭｇ蒸気発生がメインとなって歩留が悪化するためである。粒子径は小さい程良いが、原料であるＭｇＯ、Ａｌの粒度にも工業的に細かくできる限界があるので、粒径の下限は成型可能な範囲で適宜定めれば良い。このガス吹込み法の場合、酸化性ガスや窒素を含むガスを使用するとＡｌの酸化ロス、窒化ロスが増えるので、望ましくはＡｒやＨｅ等の不活性ガスが良い。一方、溶湯の量が少なく、インジェクションランスの装入といった操作が行い難い場合には、図２に示した様に、上記粒径０．５ｍｍ以下にした成型物を開口部を有する耐熱性コンテナーに収納して鋳鉄溶湯中に浸漬する方法も簡便で確実である。さらに、溶湯と成型物が直接接触することを避けたい場合には、例えば図１に示した様にコンテナーの開口部を多孔質の耐火物とし、Ｍｇ蒸気が容易に通ることができるようにすることもできる。
【００４５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００４６】
（実施例１）
実施例１の実施様態の説明図を図１に示す。
【００４７】
まず、１００メッシュの篩を通過したアルミニウム源粉末（８２．１％Ａｌ、４．３％Ｓｉ、２．５％ＮａＣｌ）２３．５ｇ、２００メッシュの篩を通過した天然マグネシア粉末（９１．０％ＭｇＯ、３．２％ＣａＯ、１．０％ＳｉＯ2、０．４％Ｆｅ2Ｏ3、０．１％Ａｌ2Ｏ3）６９．６ｇ、アルミナ系バインダー５．０ｇをメノウ乳鉢に入れ十分押しつぶし、混合した。この配合はＭｇＯ／Ａｌのモル比で２．２、重量比で３．３である。
【００４８】
この混合物から１０．００ｇを秤量し、黒鉛球状化処理剤２として、ＭｇＯるつぼ１の底に広げ押し固めた。そこへ多孔質耐火物３で浮き上がらないように蓋をする。
【００４９】
予め所要の鋳鉄成分（Ｃ ３．５％、Ｓｉ ２％、Ｍｎ ０．２０％、Ｐ ０．０２０％、Ｓ ０．０２０％）に調整した鋳鉄４を挿入する。これを高周波炉を用い、１４５０℃で溶解する。鋳鉄の溶解後、Ｍｇ蒸気がわずかに発生するのが確認できた。反応は非常に穏やかで、溶湯の飛散等の爆発的な状況はまったく見られなかった。すなわち、反応の伴う閃光や白煙の発生を抑えることができた。
【００５０】
所定の温度に上昇後、この温度で０．３％Ｆｅ−Ｓｉ（７５）接種し、３０ｍｍφの砂型に直接鋳込だ。
常温まで冷却後、組織観察を行ったところ、黒鉛は球状化しており球状化率は９０％であった。
【００５１】
また丸棒よりＪＩＳ４号試験片を作成し、引張試験を行ったところ５５ｋｇｆ／ｍｍ2、伸びは１０％であった。
【００５２】
出湯後の坩堝の底には８．１１ｇの処理材が残留しており、１．８９ｇの減量がみられた。
【００５３】
これより、発生したＭｇは０．７３ｇで、鋳鉄中の残留Ｍｇは０．０４％、０．６ｇであるからＭｇ歩留は８２．２％となる。Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金の通常のＭｇ歩留は２０〜５０％であるから非常に改善されている。
【００５４】
さらにこの処理法の溶解に高速溶解炉を使用すれば、溶解工程を造型工程に内にとりこ込むことが可能となり、球状黒鉛鋳鉄の多品種、小量生産が可能となる。
【００５５】
（実施例２）
実施例２の実施様態の説明図を図２に示す。
【００５６】
まず、１００メッシュの篩を通過したアルミニウム源粉末（８２．１％Ａｌ、４．３％Ｓｉ、２．５％ＮａＣｌ）２．３５ｋｇ、２００メッシュの篩を通過した天然マグネシア粉末（９１．０％ＭｇＯ、３．２％ＣａＯ、１．０％ＳｉＯ2、０．４％Ｆｅ２Ｏ3、０．１％Ａｌ2Ｏ3）６．９６ｋｇ、アルミナ系バインダー５．０ｋｇを十分混合した。この配合はＭｇＯ／Ａｌのモル比で２．２である。これを混練し、押し出し成型器で粒子径０．５ｍｍのミクロペレットに成型した。ミクロペレットの組成は２４．０％のアルミニウム源粉末、７０．９％の天然ＭｇＯ粉末、５．１％のアルミナ系バインダーであり、ＭｇＯ／Ａｌの重量比は３．３である。
【００５７】
このミクロペレット４ｋｇを黒鉛球状化剤２として、取鍋の底に造った反応室７に投入し、そこに浮上抑制材８として型銑１０ｋｇ（２本）を入れで浮き上がらないように蓋をする。
【００５８】
予め高周波炉で溶解したＣ ３．５％、Ｓｉ ２．０％、Ｍｎ ０．２０％、Ｐ ０．０２０％、Ｓ ０．０２０％に調整した１５５０℃の鋳鉄溶湯６の３ｔを取鍋５に注入する。
【００５９】
この際の反応は非常に穏やかで、溶湯の飛散等の爆発的な状況はまったく見られなかった。すなわち、反応の伴う閃光や白煙の発生を抑えることができた。
【００６０】
穏やかな反応が終了した後、０．３％Ｆｅ−Ｓｉ（７５）合金で接種し、ＪＩＳＡ号Ｙブロックに鋳込んだ。
【００６１】
ミクロ組織を観察したところ、８５％の黒鉛球状化率が得られた。
また、ＪＩＳ４号引張試験片を作成して引張試験を行ったところ、５３ｋｇｆ／ｍｍ2および伸び１５％が得られた。 残留Mgの分析結果は０．０３８％、Ｓは０．００２％であった。
【００６２】
処理剤から発生したＭｇガスは理論上１．５４ｋｇで、残留Ｍｇは１．１４ｋｇである。見掛けのＭｇ歩留は７４．０％であった。
【００６３】
（実施例３）
実施例３の実施様態の説明図を図３に示す。
【００６４】
まず、１００メッシュの篩を通過したアルミニウム粉末（９９％Ａｌ）１９ｋｇ、２００メッシュの篩を通過した天然マグネシア粉末（９１．０％ＭｇＯ、３．２％ＣａＯ、１．０％ＳｉＯ2、０．４％Ｆｅ2Ｏ3、０．１％Ａｌ2Ｏ3）３７．４ｋｇ、１００メッシュ篩下の生石灰粉末（９８％ＣａＯ） ４８キログラムを十分混合した。この配合はＭｇＯ／Ａｌモル比で１．２、ＣａＯ／ＭｇＯモル比で１．０である。これを十分混練した後、押し出し成型器にて０．５ｍｍのミクロペレットに成型した。
【００６５】
低周波炉の前炉を有するキュポラで溶解し脱硫処理前の溶湯成分（Ｃ ３．５％、Ｓｉ ２．０％、Ｍｎ ０．２０％、Ｐ ０．０２０％、Ｓ ０．０６３％）に調整した鋳鉄溶湯６を１５５０℃で１０ｔを取鍋５に注入した後、上記成型物２５ｋｇをキャリアーガスとしてＡｒガスを用い耐火物製ランス９よりインジェクションした。溶湯の飛散等の爆発的な状況はまったく見られず、反応は穏やかに進行した。反応の伴う閃光や白煙の発生を抑えることができた。
【００６６】
処理終了後、小取鍋に処理溶湯を１０ｋｇとり、０．３％Ｆｅ−Ｓｉ（７５）合金で接種し、ＪＩＳＡ号Ｙブロックに鋳込んだ。
【００６７】
ミクロ組織を観察したところ、８０％の黒鉛球状化率が得られた。
また、ＪＩＳ４号引張試験片を作成して引張試験を行ったところ、４８ｋｇｆ／ｍｍ2および伸び１３％が得られた。残留Ｍｇの分析結果は０．０３５％、Ｓは０．０１０％であった。
【００６８】
処理剤から発生したＭｇ ４．８９ｋｇで、残留Ｍｇは３．５ｋｇである。見掛けのＭｇ歩留は７１．６％であった。脱硫に必要な理論Ｍｇは３．９８ｋｇであるからこれを考慮すれば高いＭｇ歩留といえる。
【００６９】
Ｓ量が高いキュポラ溶湯でもＭｇによる脱硫も兼ねる球状化処理により球状化黒鉛鋳鉄の製造が可能である。この場合は従来法のように脱硫処理による生成物はほとんど発生しない。
【００７０】
【表１】
【００７１】
（比較例）
高周波炉で溶製した溶銑を取鍋に出湯し球状化処理を行った。予め、取鍋の底部には黒鉛球状化剤としてＦｅ−４５％Ｓｉ−６％Ｍｇ合金０．７ｋｇを入れ置いた。取鍋に出湯した溶銑３０ｋｇは、温度１５５０℃、成分Ｃ ３．５％、Ｓｉ ２．０％、Ｍｎ ０．２０％、Ｐ ０．０２０％、Ｓ ０．０２０％の脱硫処理後成分のものである。球状化処理時には白煙が激しく発生し、溶湯の飛散が認められた。反応が終了した後、０．３％Ｆｅ−Ｓｉ（７５）合金で接種し、ＪＩＳＡ号Ｙブロックに鋳込んだ。ミクロ組織を観察したところ、８０％の黒鉛球状化率が得られた。また、ＪＩＳ４号引張試験片を作成して引張試験を行ったところ、引張り強さ４９ｋｇｆ／ｍｍ2および伸び１０％が得られた。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば従来のような脱硫処理、黒鉛球状化処理という煩雑、危険かつ汚い作業をなくし、容易に球状黒鉛鋳鉄を製造することができる。
したがって本発明の実用的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の実施様態の説明図である。
【図２】実施例２の実施様態の説明図である。
【図３】実施例３の実施様態の説明図である。
【符号の説明】
１ ＭｇＯるつぼ
２ 黒鉛球状化処理剤
３ 多孔質耐火物
４ 鋳鉄
５ 取鍋
６ 鋳鉄溶湯
７ 反応室（耐熱性コンテナー）
８ 浮上抑制材
９ 耐火物製ランス
１０ ランスパイプ
１１ 黒鉛球状化処理剤タンク
１２ Ａｒガスボンベ
【発明の属する技術分野】
本発明は鋳鉄の黒鉛球状化処理方法および球状化処理剤に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
球状黒鉛鋳鉄鋳物は日本国内に於て年間約２００万ｔ生産され、年々増加の一途をたどっている重要な素形材である。
【０００３】
その製造技術は適正な溶湯を得るための溶解法、脱硫法、黒鉛球状化処理法、および強固な鋳型を得るための造型法、さらには注湯法等を好ましく組み合わせることにより成り立っている。溶解法および造型法、注湯法については普通鋳鉄鋳物についても共通であり、脱硫法および黒鉛球状化処理方法が球状黒鉛鋳鉄を製造する場合に特有の技術である。
【０００４】
まず脱硫法である。鋳鉄溶湯を得るためにはまず溶解が必要である。一般にはキュポラおよび高周波誘導炉、低周波誘導炉等の電気炉が使用されている。キュポラ溶湯では溶解過程で多量のＳをコークスより吸収している。球状黒鉛鋳鉄溶湯として使用するためには脱硫処理が必要である。そこで脱硫処理が行われる。脱硫剤としてはカルシウムカーバイト、ソーダ灰あるいは生石灰系の脱硫剤が用いられる。脱硫方法としてはバッチ法および連続法がある。バッチ法では前述の方法の他、置き注ぎ法、揺動取鍋法等が工場の特徴に応じて使用されている。また、連続法ではインジェクション法、ポーラスプラグ法、機械撹拌法等が適宜使用されている。
【０００５】
次に黒鉛の球状化処理が行われる。黒鉛状化処理剤としては過去には主にＣｅからなるＲＥＭ、あるいはＣａ等も用いられたが、現在では主としてＭｇが使用されている。このＭｇの溶湯への添加方法ついては実に様々な方法がある。また添加合金についても多種類の合金が開発され、用いられている。言い替えれば、球状黒鉛鋳鉄の製造技術はＭｇ添加方法、添加合金、添加物の改良進歩によるものといってもよい。
【０００６】
Ｍｇは沸点が１０９０℃で、鋳鉄溶湯中ではほとんど溶解度を有しない。このため高温の溶湯に入ったとき、直ちにＭｇ蒸気となり溶湯外に逸出する。通常の溶湯温度である１４５０℃から１５００℃では蒸気圧が９８０〜１１４７ｋＰａとなる。この高い蒸気圧のため、Ｍｇ蒸気が溶湯中を通過する時間が極度に短く、爆発的に溶湯外に逸出する。このため、金属Ｍｇを単に溶湯中に挿入するだけではＭｇの歩留がきわめて低く、球状黒鉛鋳鉄を製造することが困難であった。
【０００７】
さらに、大気中におけるＭｇの燃焼、溶湯の飛散等により非常に、汚れる危険な作業でもあった。
【０００８】
そこでこれを改善、緩和するため以下の三つの手段が取られたのである。
【０００９】
（１）添加するＭｇをＳｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ等と合金させ、Ｍｇ含有量を低下させ、Ｍｇの蒸気化が徐々に起こるようにする。よってＭｇ蒸気が溶湯中を通過する時間を長くして歩留をよくする。Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金、Ｎｉ−Ｍｇ合金、Ｃｕ−Ｍｇ合金等が用いられる。
【００１０】
（２）高いＭｇの蒸気圧を物理的に押さえつけるかまたは耐火物等でＭｇ蒸気の発生源からの発散を孔の大きさ等で制限する。コンバーター法、あるいはマグコーク法等がある。
【００１１】
（３）Ｍｇを金属合金の状態で添加するのではなく、Ｍｇの塩類例えば、ＭｇＦ3、ＭｇＣｌ2等とカルシウムシリコンの様に還元力の強い材料と混合し、高温の溶湯中に添加する。すると同時にこれらＭｇの塩類はカルシウムシリコン中のＣａにより還元され、Ｍｇの単体元素となり、溶湯に作用し黒鉛を球状化する。これにはＯＺ法、ＫＣ法等がある。
【００１２】
以上の様な方法の組合せにより、溶湯が処理され球状黒鉛鋳鉄が製造されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
球状黒鉛鋳鉄を製造しようとする場合、普通鋳鉄の製造と異なり、溶湯の脱硫および黒鉛の球状化処理が不可欠である。
【００１４】
ところが、既に述べた様な方法あるいは処理剤等が開発、使用されているが以下に述べるような黒鉛球状化処理に伴う根本的な問題は解決されたわけではない。
【００１５】
通常、球状黒鉛鋳鉄を製造する場合の元湯のＳ量は０．０２０％以下であることが望ましい。したがって、キュポラ溶湯の場合前述のように脱硫を行うわけである。一般の鋳物工場にとって、脱硫設備を設置することは費用的にも大きな負担である。さらにその脱硫によって生成する発生物の廃棄の問題がある。最近では廃棄物を処理するのに多大な費用を必要し、鋳鉄鋳物製造コストの増加につながってくる。
【００１６】
また一般的な球状黒鉛鋳鉄の製造工場では上記球状化処理剤のなかでは８〜２０％Ｍｇを含有するＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金で溶湯を処理することがほとんどである。取鍋内での置き注ぎあるいはプランジャーで溶湯中に押し込まれるが、この場合、Ｍｇの蒸気圧が高いことに基づく爆発的な反応は純Ｍｇほどでは無いにしても、激しい。そしてＭｇ蒸気が大気中に逸出したときの閃光と白煙の発生は安全上の問題とともに労働環境を悪化させる可能性がある。また、この場合のＭｇ歩留は元湯のＳ量にもよるが、一般的には２０〜５０％と低いものである。
【００１７】
このようなことから、鋳造工場では▲１▼元湯の脱硫を必要としない▲２▼球状化処理の反応が静かな▲３▼Ｍｇ歩留の高い▲４▼処理に伴う廃棄物が少ない、鋳鉄の球状化処理方法が望まれていた。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは球状化処理の反応が金属ＡｌとＭｇＯの粒度あるいはこの混合物反応層の層厚、あるいはポーラスな覆いの厚さを調整することによりＭｇ蒸気の発生速度を調整可能であること見いだし、それに伴い非常にＭｇの歩留よく、処理反応の静かな、廃棄物量も少ない球状化処理方法を見いだしたのである。
【００１９】
すなわち
２Ａｌ＋４ＭｇＯ → ３Ｍｇ（ｇ）＋ＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3
の反応は吸熱反応である。したがって、反応に関わる物質への溶湯からの伝熱速度でこの反応の速度を調整できるのである。すなわち、従来の黒鉛球状化剤あるいは処理方法と異なり、Ｍｇ蒸気の発生速度の調整が可能となるのである。これにより、鋳鉄溶湯へ必要なＭｇ量を所要の速度で供給することが可能であり、高歩留で安全な黒鉛球状化処理法と提供できるのである。さらには、Ｍｇ歩留が高いことからわずかなＭｇ添加量で球状化できることになり、白煙の発生量も少なく、元湯のＳ量が過剰でも従来法のように予め脱硫することなく、Ｍｇで脱硫しつつ、黒鉛球状化処理も可能となる。それにより廃棄物の発生量も著しく減少するのである。
【００２０】
本発明は上記知見に基づいて課題を解決したものであり、その特徴は以下の通りである。
【００２１】
（１） Ｍｇを鋳鉄の黒鉛球状化剤として使用する鋳鉄の黒鉛球状化処理法において、Ａｌ粉末とＭｇＯ粉末とを含む粒子径０．５ｍｍ以下の成形体である黒鉛球状化処理剤を鋳鉄溶湯中に加え、Ｍｇ蒸気とＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3を生成させ、このＭｇ蒸気で黒鉛球状化処理することを特徴とする鋳鉄の黒鉛球状化処理方法。
【００２２】
（２） Ａｌ粉末とＭｇＯ粉末とを含む粒子径０．５ｍｍ以下の成形体である黒鉛球状化処理剤で、ＭｇＯとＡｌをＭｇＯ／Ａｌモル比で１以上、３以下とすることを特徴とする鋳鉄の黒鉛球状化処理剤。
【００２３】
（３） さらに、ＣａＯ粉末を含む粒子径０．５ｍｍ以下の成形体である黒鉛球状化処理剤で、ＣａＯ／ＭｇＯモル比で０．６以上とすることを特徴とする前記（２）記載の黒鉛球状化処理剤。
【００２５】
（４） 前記（２）または（３）記載の黒鉛球状化処理剤を開口部を有する耐熱性コンテナーに収納して溶湯中に浸漬することを特徴とする鋳鉄の黒鉛球状化処理方法。
【００２６】
（５） コンテナーの開口部を多孔質の耐火物にしてＭｇガスが容易にぬけ、溶湯中に供給できることを特徴とする前記（４）記載の鋳鉄の黒鉛球状化処理方法。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下本発明を具体的に説明する。
【００２８】
この発明で対象とする溶湯は球状黒鉛鋳鉄用の溶湯であり、通常はＣ：３〜４％、Ｓｉ：１〜３％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｐ：０．０２〜０．０８％、Ｓ：０．０５０％以下である。その他用途によってはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ等の合金元素を〜数％含むこともある。但し、％は質量％を示す。
【００２９】
本発明ではＡｌ源粉末、ＭｇＯ源粉末、生石灰粉末の混合物を混練、圧縮、焼結等を行い、成形体とする必要がある。また処理剤は取鍋の底に設置された状態で溶湯に添加されることが好ましい。
【００３０】
Ａｌ源粉末とＭｇＯ源粉末の粒径は両者の反応性を支配する重要な因子である。粉砕粉末は一般には粉砕が進むほど粒子形状が単純になり、球に近づく傾向があることが知られている。一方、Ａｌ源粉末の内部のＡｌは溶融と昇温により、膨張する。膨張により表面Ａｌ2Ｏ3皮膜には引張応力が働くが、粒子形状が球形に近いほどＡｌ2Ｏ3皮膜は変形が困難であり、応力を緩和できない。このため破裂しやすくなる。すなわちＡｌ源粉末は細かいほどＡｌ2Ｏ3皮膜が壊れやすくＡｌ融液が外部に漏れでてＭｇＯと反応しやすくなる。したがって、Ａｌ源粉末は細かい方が好ましい。具体的には１００メッシュの篩を通過する粉末、すなわち粒径約０．１５ｍｍ以下の粉末を適用することによってＡｌの反応率をあげることができる。
【００３１】
ＭｇＯ粉末も細かいほどＡｌ融液との接触面積が増加するので反応が進みやすくなる。したがって、ＭｇＯ源粉末は細かい方が好ましい。具体的には１００メッシュの篩を通過した粉末、すなわち粒径０．１５ｍｍ以下の粉末を適用することによりＭｇＯの反応率をあげることができる。さらに好ましいのは２００メッシュの篩を通過した粉末、すなわち０．０７４ｍｍ以下の粉末を適用することである。
【００３２】
粒径０．１５ｍｍ以下のＡｌ源粉末と粒径０．１５ｍｍ以下のＭｇＯ源粉末の組合せが１２５０〜１５００℃での溶湯温度で
２Ａｌ＋４ＭｇＯ → ３Ｍｇ（ｇ）＋ＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3 （１）
の反応を進行させる条件の一つと発明者らは考えている。（１）式の反応による平衡Ｍｇ分圧を公表されている熱力学諸数値から推算してみると、１３００℃以上に加熱すれば、Ｍｇ蒸気分圧は１気圧を超えることになり、溶湯中でも十分にＭｇ蒸気を生成し得られることが理解される。
【００３３】
反応性のよいＡｌ源を選択して粒度を調整する。細かいＭｇＯ粉末を選択する。両者を十分に混合し良好な接触を確保する。溶湯と接触しても粉化することの無い高強度の成形体に加工することにより（１）式の反応式は１２５０℃から１５００℃で進行するのである。
【００３４】
Ａｌ源粉末の反応性は粉末表面を覆う酸化皮膜の特性に支配される。純度の高いＡｌ粉末は強靭なＡｌ2Ｏ3皮膜で覆われており、内部のＡｌ融液は外部へ吹き出し難く、外部のＭｇＯ源粉末との反応性は抑制される。高純度のＡｌ源粉末に加えて高純度のＭｇＯ源粉末を用いればこの傾向はさらに顕著になる。したがって前記のＡｌ源粉末とＭｇＯ源粉末の適性粒度選択に加えてＡｌ2Ｏ3皮膜の改質に関する手段を併用することがより好ましい。
【００３５】
すなわちＭｇＣｌ、ＣａＣｌ2、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ソーダ灰等のようにＡｌ2Ｏ3の融点を降下させる物質を含むＡｌ源粉末か、あるいはＡｌ源粉末にこれらのＡｌ2Ｏ3融点降下物質を加えるとＡｌ源粉末表面のＡｌ2Ｏ3皮膜は溶湯温度の温度領域で脆弱となり、内部の溶融Ａｌは容易に外部へ吹き出し、（１）式にしたがってＭｇＯと活発に反応し、Ｍｇ蒸気が発生するのである。この方法により反応性の悪い高純度のＡｌ源粉末でも同様に溶湯温度領域で反応が可能になる。前記Ａｌ2Ｏ3融点降下物質は球状化処理材中のＡｌ：１ｋｇに対し、０．００１〜０．１０ｋｇを含むことが好ましい。これは０．００１ｋｇ未満ではＡｌ粉末のＡｌ2Ｏ3皮膜を脆弱にするのが困難であり、また０．１０ｋｇを超えるとＡｌ2Ｏ3皮膜破壊には過剰となり不要な成分となるからである。
【００３６】
ＭｇＯ源粉末としては天然マグネシアが好ましい。これにはＣａＯを含むためＡｌ2Ｏ3皮膜を破る効果がある。海水マグネシアも好ましい。ＮａＣｌ、ＫＣｌを含むものが好適である。
【００３７】
またＭｇＯ源粉末として９００℃までに熱分解してＭｇＯになるものでもよく、ドロマイトなどでもよい。
【００３８】
（１）式の反応に必要なAl量は化学量論的にはＭｇＯ：４ｍｏｌ当たり、Ａｌ：２ｍｏｌである。
【００３９】
球状処理剤のＭｇＯとＡｌのモル比は１以上３以下の成形体とすることが好ましい。これは１未満ではＡｌが過多になり、未反応のＡｌの一部が溶湯に溶解する恐れがあるからである。またモル比が３より大きい場合は未反応のＭｇＯが溶湯中に残留する可能性がある。成形法には特に制約はないがタブレットマシン、ブリケッテングマシン等の圧縮成形法が適している。
【００４０】
従来技術では処理剤中のMgが爆発的に反応するのに対し、（１）式の反応によるＭｇ蒸気の発生は比較的穏やかである。このため球状化処理剤から発生するＭｇ蒸気を有効に鋳鉄溶湯に作用させるには取鍋等の底に球状化剤を置く置き注ぎ法による処理が溶湯中のMg蒸気を長時間接触反応させることが可能となりＭｇの歩留を高めることができる。
【００４１】
しかし、溶湯の温度が低めの場合、あるいは大型の容器で浸漬深さが深い様な場合にはＭｇ蒸気の発生速度律速となる可能性がある。すなわち、Ｍｇ蒸気の溶銑中への溶解を考えるとＭｇ蒸気の溶銑との接触位置は深い程良い。つまり、それだけ大きな静圧を利用してＭｇ蒸気を発生させることにより、Ｍｇ蒸気の溶銑への溶解が促進される。一方、Ｍｇ蒸気の発生速度を考慮すれば、圧力は小さい程良い。つまり、圧力が過大であり、特に、Ｍｇ平衡蒸気圧以上の圧力下ではＭｇ蒸気が成型体内部を浸透する速度が遅く、あるいは反応界面におけるＭｇ蒸気の発生が抑えられるためにＭｇ蒸気の溶湯中への供給が遅く、処理に長時間を要することになるという問題が生じる。
【００４２】
そこで、本発明者らは、この点に鑑み、ＣａＯをこの処理剤の中に共存させることを着想した。すなわち、ＣａＯを混合すると（２）式の反応が生じ、平衡Ｍｇ蒸気分圧がかなり高められる。
１４Ａｌ＋２１ＭｇＯ＋１２ＣａＯ
→ ２１Ｍｇ（ｇ）＋１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3 （２）
【００４３】
すなわち、溶湯処理温度としては比較的低温である１３００℃でも平衡Ｍｇ蒸気分圧は１０気圧という圧力に達する。またＣａＯの添加は上記Ａｌ表面に生成しているＡｌ2Ｏ3膜の除去の点でも好適である。すなわち、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3はお互いに良く溶け合う共晶であることが良く知られており、その最低融点は低いので、ＣａＯが存在するとＡｌを被覆しているＡｌ2Ｏ3膜を良く溶かし、益々反応を促進する方向となる。（２）の反応に必要なＣａＯ量は化学量論的にはＭｇＯ：２１ｍｏｌ当たりＣａＯ：１２ｍｏｌ、すなわち、ＣａＯ／ＭｇＯモル比でおよそ０．６である。球状化処理剤のＣａＯとＭｇＯのモル比は０．６以上にすることが好ましい。これは、０．６未満ではＣａＯが過少となり（２）の反応が起こり難いため、ＣａＯの平衡Ｍｇ蒸気分圧を向上させる効果が得られないからである。
【００４４】
一方、一般に鋳物溶銑の処理においてはなるべく簡便な装置、設備での処理形態が望まれる。そこで、（２）式の反応で生成するＭｇガスを溶湯中に溶解させる方法として、粒子径０．５ｍｍ以下に造粒したものを直接吹込むことが望ましい。粒子径を０．５ｍｍ以下とする理由はこれ以上大きい粒子では、粒内部への伝熱が律速となり、有効なＭｇ蒸気発生を行う前に溶銑上に浮上してしまい、溶湯自由表面でのＭｇ蒸気発生がメインとなって歩留が悪化するためである。粒子径は小さい程良いが、原料であるＭｇＯ、Ａｌの粒度にも工業的に細かくできる限界があるので、粒径の下限は成型可能な範囲で適宜定めれば良い。このガス吹込み法の場合、酸化性ガスや窒素を含むガスを使用するとＡｌの酸化ロス、窒化ロスが増えるので、望ましくはＡｒやＨｅ等の不活性ガスが良い。一方、溶湯の量が少なく、インジェクションランスの装入といった操作が行い難い場合には、図２に示した様に、上記粒径０．５ｍｍ以下にした成型物を開口部を有する耐熱性コンテナーに収納して鋳鉄溶湯中に浸漬する方法も簡便で確実である。さらに、溶湯と成型物が直接接触することを避けたい場合には、例えば図１に示した様にコンテナーの開口部を多孔質の耐火物とし、Ｍｇ蒸気が容易に通ることができるようにすることもできる。
【００４５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００４６】
（実施例１）
実施例１の実施様態の説明図を図１に示す。
【００４７】
まず、１００メッシュの篩を通過したアルミニウム源粉末（８２．１％Ａｌ、４．３％Ｓｉ、２．５％ＮａＣｌ）２３．５ｇ、２００メッシュの篩を通過した天然マグネシア粉末（９１．０％ＭｇＯ、３．２％ＣａＯ、１．０％ＳｉＯ2、０．４％Ｆｅ2Ｏ3、０．１％Ａｌ2Ｏ3）６９．６ｇ、アルミナ系バインダー５．０ｇをメノウ乳鉢に入れ十分押しつぶし、混合した。この配合はＭｇＯ／Ａｌのモル比で２．２、重量比で３．３である。
【００４８】
この混合物から１０．００ｇを秤量し、黒鉛球状化処理剤２として、ＭｇＯるつぼ１の底に広げ押し固めた。そこへ多孔質耐火物３で浮き上がらないように蓋をする。
【００４９】
予め所要の鋳鉄成分（Ｃ ３．５％、Ｓｉ ２％、Ｍｎ ０．２０％、Ｐ ０．０２０％、Ｓ ０．０２０％）に調整した鋳鉄４を挿入する。これを高周波炉を用い、１４５０℃で溶解する。鋳鉄の溶解後、Ｍｇ蒸気がわずかに発生するのが確認できた。反応は非常に穏やかで、溶湯の飛散等の爆発的な状況はまったく見られなかった。すなわち、反応の伴う閃光や白煙の発生を抑えることができた。
【００５０】
所定の温度に上昇後、この温度で０．３％Ｆｅ−Ｓｉ（７５）接種し、３０ｍｍφの砂型に直接鋳込だ。
常温まで冷却後、組織観察を行ったところ、黒鉛は球状化しており球状化率は９０％であった。
【００５１】
また丸棒よりＪＩＳ４号試験片を作成し、引張試験を行ったところ５５ｋｇｆ／ｍｍ2、伸びは１０％であった。
【００５２】
出湯後の坩堝の底には８．１１ｇの処理材が残留しており、１．８９ｇの減量がみられた。
【００５３】
これより、発生したＭｇは０．７３ｇで、鋳鉄中の残留Ｍｇは０．０４％、０．６ｇであるからＭｇ歩留は８２．２％となる。Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金の通常のＭｇ歩留は２０〜５０％であるから非常に改善されている。
【００５４】
さらにこの処理法の溶解に高速溶解炉を使用すれば、溶解工程を造型工程に内にとりこ込むことが可能となり、球状黒鉛鋳鉄の多品種、小量生産が可能となる。
【００５５】
（実施例２）
実施例２の実施様態の説明図を図２に示す。
【００５６】
まず、１００メッシュの篩を通過したアルミニウム源粉末（８２．１％Ａｌ、４．３％Ｓｉ、２．５％ＮａＣｌ）２．３５ｋｇ、２００メッシュの篩を通過した天然マグネシア粉末（９１．０％ＭｇＯ、３．２％ＣａＯ、１．０％ＳｉＯ2、０．４％Ｆｅ２Ｏ3、０．１％Ａｌ2Ｏ3）６．９６ｋｇ、アルミナ系バインダー５．０ｋｇを十分混合した。この配合はＭｇＯ／Ａｌのモル比で２．２である。これを混練し、押し出し成型器で粒子径０．５ｍｍのミクロペレットに成型した。ミクロペレットの組成は２４．０％のアルミニウム源粉末、７０．９％の天然ＭｇＯ粉末、５．１％のアルミナ系バインダーであり、ＭｇＯ／Ａｌの重量比は３．３である。
【００５７】
このミクロペレット４ｋｇを黒鉛球状化剤２として、取鍋の底に造った反応室７に投入し、そこに浮上抑制材８として型銑１０ｋｇ（２本）を入れで浮き上がらないように蓋をする。
【００５８】
予め高周波炉で溶解したＣ ３．５％、Ｓｉ ２．０％、Ｍｎ ０．２０％、Ｐ ０．０２０％、Ｓ ０．０２０％に調整した１５５０℃の鋳鉄溶湯６の３ｔを取鍋５に注入する。
【００５９】
この際の反応は非常に穏やかで、溶湯の飛散等の爆発的な状況はまったく見られなかった。すなわち、反応の伴う閃光や白煙の発生を抑えることができた。
【００６０】
穏やかな反応が終了した後、０．３％Ｆｅ−Ｓｉ（７５）合金で接種し、ＪＩＳＡ号Ｙブロックに鋳込んだ。
【００６１】
ミクロ組織を観察したところ、８５％の黒鉛球状化率が得られた。
また、ＪＩＳ４号引張試験片を作成して引張試験を行ったところ、５３ｋｇｆ／ｍｍ2および伸び１５％が得られた。 残留Mgの分析結果は０．０３８％、Ｓは０．００２％であった。
【００６２】
処理剤から発生したＭｇガスは理論上１．５４ｋｇで、残留Ｍｇは１．１４ｋｇである。見掛けのＭｇ歩留は７４．０％であった。
【００６３】
（実施例３）
実施例３の実施様態の説明図を図３に示す。
【００６４】
まず、１００メッシュの篩を通過したアルミニウム粉末（９９％Ａｌ）１９ｋｇ、２００メッシュの篩を通過した天然マグネシア粉末（９１．０％ＭｇＯ、３．２％ＣａＯ、１．０％ＳｉＯ2、０．４％Ｆｅ2Ｏ3、０．１％Ａｌ2Ｏ3）３７．４ｋｇ、１００メッシュ篩下の生石灰粉末（９８％ＣａＯ） ４８キログラムを十分混合した。この配合はＭｇＯ／Ａｌモル比で１．２、ＣａＯ／ＭｇＯモル比で１．０である。これを十分混練した後、押し出し成型器にて０．５ｍｍのミクロペレットに成型した。
【００６５】
低周波炉の前炉を有するキュポラで溶解し脱硫処理前の溶湯成分（Ｃ ３．５％、Ｓｉ ２．０％、Ｍｎ ０．２０％、Ｐ ０．０２０％、Ｓ ０．０６３％）に調整した鋳鉄溶湯６を１５５０℃で１０ｔを取鍋５に注入した後、上記成型物２５ｋｇをキャリアーガスとしてＡｒガスを用い耐火物製ランス９よりインジェクションした。溶湯の飛散等の爆発的な状況はまったく見られず、反応は穏やかに進行した。反応の伴う閃光や白煙の発生を抑えることができた。
【００６６】
処理終了後、小取鍋に処理溶湯を１０ｋｇとり、０．３％Ｆｅ−Ｓｉ（７５）合金で接種し、ＪＩＳＡ号Ｙブロックに鋳込んだ。
【００６７】
ミクロ組織を観察したところ、８０％の黒鉛球状化率が得られた。
また、ＪＩＳ４号引張試験片を作成して引張試験を行ったところ、４８ｋｇｆ／ｍｍ2および伸び１３％が得られた。残留Ｍｇの分析結果は０．０３５％、Ｓは０．０１０％であった。
【００６８】
処理剤から発生したＭｇ ４．８９ｋｇで、残留Ｍｇは３．５ｋｇである。見掛けのＭｇ歩留は７１．６％であった。脱硫に必要な理論Ｍｇは３．９８ｋｇであるからこれを考慮すれば高いＭｇ歩留といえる。
【００６９】
Ｓ量が高いキュポラ溶湯でもＭｇによる脱硫も兼ねる球状化処理により球状化黒鉛鋳鉄の製造が可能である。この場合は従来法のように脱硫処理による生成物はほとんど発生しない。
【００７０】
【表１】
（比較例）
高周波炉で溶製した溶銑を取鍋に出湯し球状化処理を行った。予め、取鍋の底部には黒鉛球状化剤としてＦｅ−４５％Ｓｉ−６％Ｍｇ合金０．７ｋｇを入れ置いた。取鍋に出湯した溶銑３０ｋｇは、温度１５５０℃、成分Ｃ ３．５％、Ｓｉ ２．０％、Ｍｎ ０．２０％、Ｐ ０．０２０％、Ｓ ０．０２０％の脱硫処理後成分のものである。球状化処理時には白煙が激しく発生し、溶湯の飛散が認められた。反応が終了した後、０．３％Ｆｅ−Ｓｉ（７５）合金で接種し、ＪＩＳＡ号Ｙブロックに鋳込んだ。ミクロ組織を観察したところ、８０％の黒鉛球状化率が得られた。また、ＪＩＳ４号引張試験片を作成して引張試験を行ったところ、引張り強さ４９ｋｇｆ／ｍｍ2および伸び１０％が得られた。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば従来のような脱硫処理、黒鉛球状化処理という煩雑、危険かつ汚い作業をなくし、容易に球状黒鉛鋳鉄を製造することができる。
したがって本発明の実用的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の実施様態の説明図である。
【図２】実施例２の実施様態の説明図である。
【図３】実施例３の実施様態の説明図である。
【符号の説明】
１ ＭｇＯるつぼ
２ 黒鉛球状化処理剤
３ 多孔質耐火物
４ 鋳鉄
５ 取鍋
６ 鋳鉄溶湯
７ 反応室（耐熱性コンテナー）
８ 浮上抑制材
９ 耐火物製ランス
１０ ランスパイプ
１１ 黒鉛球状化処理剤タンク
１２ Ａｒガスボンベ
Claims (5)
- Ｍｇを鋳鉄の黒鉛球状化剤として使用する鋳鉄の黒鉛球状化処理法において、Ａｌ粉末とＭｇＯ粉末とを含む粒子径０．５ｍｍ以下の成形体である黒鉛球状化処理剤を鋳鉄溶湯中に加え、Ｍｇ蒸気とＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3を生成させ、このＭｇ蒸気で黒鉛球状化処理することを特徴とする鋳鉄の黒鉛球状化処理方法。
- Ａｌ粉末とＭｇＯ粉末とを含む粒子径０．５ｍｍ以下の成形体である黒鉛球状化処理剤で、ＭｇＯとＡｌをＭｇＯ／Ａｌモル比で１以上、３以下とすることを特徴とする鋳鉄の黒鉛球状化処理剤。
- さらに、ＣａＯ粉末を含む粒子径０．５ｍｍ以下の成形体である黒鉛球状化処理剤で、ＣａＯ／ＭｇＯモル比で０．６以上とすることを特徴とする請求項２記載の鋳鉄の黒鉛球状化処理剤。
- 請求項２または３記載の黒鉛球状化処理剤を開口部を有する耐熱性コンテナーに収納して溶湯中に浸漬することを特徴とする鋳鉄の黒鉛球状化処理方法。
- コンテナーの開口部を多孔質の耐火物にしてＭｇガスが容易にぬけ、溶湯中に供給できることを特徴とする請求項４記載の鋳鉄の黒鉛球状化処理方法。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2000286446A JP4414581B2 (ja) | 2000-09-21 | 2000-09-21 | 鋳鉄の黒鉛球状化処理方法および鋳鉄の黒鉛球状化剤 |
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| JP2000286446A JP4414581B2 (ja) | 2000-09-21 | 2000-09-21 | 鋳鉄の黒鉛球状化処理方法および鋳鉄の黒鉛球状化剤 |
Publications (2)
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