JP4637594B2 - マグネシウムの溶解方法および溶解装置 - Google Patents

Description

この発明は、マグネシウム、マグネシウム合金を溶解して溶湯とする溶解方法および溶解装置に関し、マグネシウム、マグネシウム合金の溶湯表面での燃焼を検知し、速やかに燃焼を消火することができるようにしたものである。

従来から、マグネシウム、マグネシウム合金（本発明では、マグネシウムとマグネシウム合金とをあわせてマグネシウムと表記する。）を溶解炉で溶解して溶湯とする際、溶湯表面でのマグネシウムの燃焼を防止するため、溶湯表面付近をカバーガスで覆うようしている。
このカバーバスには、六フッ化硫黄、二酸化硫黄などの防燃剤を窒素などの不活性ガスで希釈したガスが用いられている。

そして、このカバーガス中の防燃剤と溶融マグネシウムとの反応によって、溶湯表面に保護膜が形成され、この保護膜によって、溶融マグネシウムと空気中の酸素との接触が遮断され、マグネシウム溶湯の燃焼を防止することができるようになっている。

万一、マグネシウム溶湯が燃焼すると、溶解炉が損傷し、溶湯自体も減少し、経済的な損害を引き起こすだけではなく、火災の危険性を伴うため安全上の問題もある。
これまで、マグネシウム溶湯の燃焼は、燃焼に伴う酸化マグネシウムの白煙、溶湯温度の上昇、溶解炉内の温度上昇を検出することで、検知されてきた。

しかしながら、白煙、溶湯温度上昇、溶解炉内温度上昇の検出では、燃焼開始から短時間でマグネシウムの燃焼を確認することが困難であり、信頼性にも乏しかった。
特開２００１−２３４２５３号公報

よって、本発明における課題は、マグネシウムの溶解に際し、マグネシウム溶湯の燃焼を速やかにかつ確実に検知することができるようにし、この検知結果に基づいてマグネシウムの燃焼を速やかに消火でき、警告を発するようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、マグネシウムを溶解して溶湯とする溶解炉に、二酸化炭素と防燃剤を含むカバーガスを供給して、溶湯表面をこのカバーガスで覆いつつマグネシウムを溶解する溶解方法であって、
溶解炉内のガスまたは溶解炉から排出されるガス中の一酸化炭素濃度を測定し、この一酸化炭素濃度により、溶解炉内でのマグネシウムの燃焼の有無を検知することを特徴とするマグネシウムの溶解方法である。

請求項２にかかる発明は、マグネシウムを溶解して溶湯とする溶解炉に、二酸化炭素と防燃剤を含むカバーガスを供給して、溶湯表面をこのカバーガスで覆いつつマグネシウムを溶解する溶解方法であって、
溶解炉内のガスまたは溶解炉から排出されるガス中の一酸化炭素濃度を測定し、この一酸化炭素濃度により、溶解炉内でのマグネシウムの燃焼の有無を検知し、
マグネシウムの燃焼が認められた場合に、カバーガスの流量を増加させるか、またはカバーガス中の防燃剤濃度を高めて、マグネシウムの燃焼を防止することを特徴とするマグネシウムの溶解方法である。

請求項３にかかる発明は、防燃剤が、１，１，１，２，２，４，５，５，５，−ノナフルオロ−４−（トリフルオロメチル）−３−ペンタノンであることを特徴とする請求項１または２記載のマグネシウムの溶解方法である。

請求項４にかかる発明は、マグネシウムを溶解して溶湯とする溶解炉と、この溶解炉内に二酸化炭素と防燃剤を含むカバーガスを供給するカバーガス供給部と、上記溶解炉内または溶解炉から排出されるガス中の一酸化炭素濃度を測定する一酸化炭素濃度計と、この一酸化炭素濃度計からの一酸化炭素濃度に基づいてカバーガス中への防燃剤の供給量を調節する制御部を備えたことを特徴とするマグネシウムの溶解装置である。

請求項５にかかる発明は、マグネシウムを溶解して溶湯とする溶解炉と、この溶解炉内に二酸化炭素と防燃剤を含むカバーガスを供給するカバーガス供給部と、上記溶解炉内または溶解炉から排出されるガス中の一酸化炭素濃度を測定する一酸化炭素濃度計と、この一酸化炭素濃度計からの一酸化炭素濃度に基づいてカバーガスの溶解炉への供給量を調節する制御部を備えたことを特徴とするマグネシウムの溶解装置である。

請求項６にかかる発明は、上記制御部が、さらに一酸化炭素濃度に基づいてマグネシウムの燃焼を判断し、マグネシウムの燃焼が確認された場合にその信号を発する機能を有しており、この制御部からの上記信号を受けてマグネシウムが燃焼していることを示す表示部を備えたことを特徴とする請求項４または５記載のマグネシウムの溶解装置である。

本発明にあって、カバーガス中に二酸化炭素を含有させておくと、マグネシウム溶湯が燃焼すると、直ちにカバーガス中の一酸化炭素濃度が急上昇する現象を見出し、この一酸化炭素濃度を計測することで、燃焼の有無を速やかにかつ確実に検出でき、判断することが可能になる。このため、万一、マグネシウム溶湯が燃焼しても早期消火が可能になる。

また、従来では、カバーガスの流量あるいはカバーガス中の防燃剤量を常時余分に供給して燃焼を防止するようにしていたため、これらのコストが嵩む欠点があったが、本発明では、燃焼を検知した直後に、カバーガス流量あるいは防燃剤量を増加させて消火することが可能になるので、常時余分のカバーガスあるいは防燃剤を供給する必要がなくなり、コストの削減が可能となる。
さらに、消火操作の自動化、カバーガス流量、防燃剤供給量の自動制御も可能になる。

図１は、本発明のマグネシウムの溶解装置の一例を示すものである。図１において符号１は、溶解炉を示し、この溶解炉１は、耐熱レンガなどで作られたもので、これの内部には、マグネシウムの溶解用の黒鉛などからなるるつぼ２が配置され、加熱用ヒータ３によってるつぼ２内のマグネシウムが加熱、溶解され、溶湯となるようになっている。

この溶解炉１内のるつぼ２の上方には、炉１内の気体中の一酸化炭素濃度を計測するセンサ４が配置されており、このセンサ４からの信号が一酸化炭素濃度計５に入力されるようになっている。
一酸化炭素濃度計５から出力される一酸化炭素濃度信号は、制御部６に入力され、ここでＰＩＤ制御などの制御処理がなされ、制御信号が出力されるようになっている。また、この制御部６は、一酸化炭素濃度計５からの一酸化炭素濃度信号の一酸化炭素濃度が予め設定された上限値を超えた場合には、その旨の警報を警告灯、警告ブザーなどの表示部１３に送出するようになっている。

また、溶解炉１内には、管７を介してカバーガスが供給され、炉１内の少なくともるつぼ２の溶湯表面付近がカバーガスによって覆われるようになっている。
このカバーガスは、防燃剤と希釈ガスとからなるガスである。防燃剤には、六フッ化硫黄、二酸化硫黄、フロン１１３ａ、１，１，１，２，２，４，５，５，５，−ノナフルオロ−４−（トリフルオロメチル）−３−ペンタノンなどの有機フッ素化合物等の溶融マグネシウムと反応して溶湯表面に保護膜を形成するガス状の物質が用いられ、なかでも１，１，１，２，２，４，５，５，５，−ノナフルオロ−４−（トリフルオロメチル）−３−ペンタノン（ＣＦ_３ＣＦ_２Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ_３）_２）が地球温暖化係数が低く、好ましい。

希釈ガスには、二酸化炭素、二酸化炭素と空気との混合物などの少なくとも二酸化炭素を含有するガスが用いられ、希釈ガス中の二酸化炭素含有量は体積比で０．１％以上、好ましくは１％以上とされる。

防燃剤は、図示しない防燃剤供給源から管８を通って流量調整弁９に送られ、ここで制御部６からの制御信号に基づいてその流量が調整されて管７に送られるようになっている。
また、希釈ガスは、図示しない希釈ガス供給源から管１０を通って開閉弁１１に送られ、ここからさらに管７に送られ、管７において防燃剤と希釈ガスが混合されてカバーガスとされて、溶解炉１内に送り込まれるようになっている。

ここで、管７、８、１０、流量調整弁９、開閉弁１１でカバーガス供給部が構成されている。

つぎに、この溶解装置の運転について説明する。
るつぼ２内のマグネシウムを加熱溶解して溶湯とし、管８から防燃剤を、管１０から希釈ガスを供給し、管７から少なくとも二酸化炭素と防燃剤を含むカバーガスを溶解炉１内に常時供給する。

この時のカバーガス中の防燃剤の濃度は、防燃剤の種類、溶融マグネシウムの液面の面積、溶解条件等によって異なるが、防燃剤が１，１，１，２，２，４，５，５，５，−ノナフルオロ−４−（トリフルオロメチル）−３−ペンタノンの場合には、通常１００〜４００ｐｐｍ（体積比、以下同様）とされ、平常時にマグネシウムの燃焼を防止することができる値となっている。
また、これと同時にセンサ４および一酸化炭素濃度計５により、炉１内の気体中の一酸化炭素濃度を計測し、その濃度信号を制御部６に送る。

溶解炉１内のマグネシウム溶湯が燃焼しない場合には、炉１内のガス中の一酸化炭素濃度は低い値、例えば１０ｐｐｍ以下の値でほぼ一定値を維持する。
万一、るつぼ２内のマグネシウム溶湯が燃焼すると、溶解炉１内の気体中の一酸化炭素濃度が瞬時に上昇し、例えば１５〜２０ｐｐｍに急上昇する。この一酸化炭素濃度の上昇は、下記化学式に示すように、カバーガス中の二酸化炭素中の酸素がマグネシウムの燃焼に必要な酸素として強制的に取り込まれるためである。
Ｍｇ＋ＣＯ_２→ＭｇＯ＋ＣＯ

制御部６は、この急峻な一酸化炭素濃度の変化を捕捉して、溶湯の燃焼が生じたと判断し、表示部１３に警報を送るととも、流量調整弁９に防燃剤流量を増加させる信号を送る。
表示部１３は、この警報を受けて、例えば警告灯を点滅させ、あるいは警告音を発する。

さらに、流量調整弁９は、この信号を受けて、その開度を更に開き、防燃剤流量を大きくし、多量の防燃剤を管７に送出する。これにより、溶解炉１内には、防燃剤濃度が５００〜２００００ｐｐｍとされた防燃剤濃度の高いカバーガスが送り込まれ、マグネシウムの燃焼が消火される。

この消火は、一酸化炭素濃度計５による一酸化炭素濃度の低下で確認され、その濃度が、例えば１０ｐｐｍ以下になれば消火したと判断される。これと同時に制御部６は、一酸化炭素濃度が低下し、消火したことを受けて、表示部１３に出していた警報を停止する。

また、制御部６は、流量調整弁９に対して、防燃剤流量を減少させる信号を送り、流量調整弁９は、その開度を小さくして防燃剤流量を減少させ、管７から定常時の濃度の防燃剤を含むカバーガスを溶解炉１内に供給する。

このように、この例の溶解装置では、溶解炉１内のガス中の一酸化炭素濃度を計測することで、マグネシウム溶湯の燃焼の有無を速やかにかつ確実に検知でき、その燃焼が起きたことが確認された場合には、直ちにカバーガス中の防燃剤量を増加して消火することができる。

また、消火後には、自動的にカバーガス中の防燃剤量を定常時の値に減少させることができる。
このため、万一、マグネシウムの燃焼が生じた場合には、その消火操作を自動的に行うことができ、消火後には、平常運転状態に自動的に復帰させることが可能になる。

図２は、この発明の溶解装置の他の例を示すもので、図１に示したものと同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この例では、一酸化炭素濃度計５は、溶解炉１内のガス中の一酸化炭素濃度を計測し、その値が予め設定された上限値、例えば１５ｐｐｍを超えた場合に、その信号を開閉弁１４に出力するとともに表示部１３に警報を発し、かつ上限値を下回った場合に、その旨の信号を開閉弁１４に出力するとともに表示部１３に警報を停止する指令を発するように構成された出力付の一酸化炭素濃度計である。
この出力付一酸化炭素濃度計５は制御部の機能を兼備するものである。

開閉弁１４は、一酸化炭素濃度計５から上限値を超えたことを示す信号を受けた際に、弁を開き、上限値を下回ったことを示す信号を受けた際に弁を閉じるもので、管８からの防燃剤に流れを通過させ、または遮断するものであり、平常時は防燃剤の流れを遮断するものである。

また、二酸化炭素と防燃剤を含むカバーガスが、常時管１５から溶解炉１内に送り込まれるようになっている。このカバーガス中の防燃剤濃度は、１００〜 ４００ｐｐｍとされ、平常時にマグネシウムの燃焼を防止する濃度となっている。
ここで、管７、８、１５、開閉弁１４でカバーガス供給部が構成されている。

この溶解装置の運転については、管１５から溶解炉１内に常時カバーガスを供給しておき、一酸化炭素濃度計５により炉１内の一酸化炭素濃度を常時計測する。
溶解炉１内の一酸化炭素濃度が上限値を下回っているときは、マグネシウムの溶湯の燃焼は起きていないと判断し、管１５から溶解炉１内にカバーガスを供給し続ける。

溶解炉１内の一酸化炭素濃度が上限値を超えたことが計測されたならば、マグネシウムの燃焼が起きたと判断し、その旨の出力が開閉弁１４に送られ、開閉弁１４は、この信号を受けて直ちに弁を開放し、管８から防燃剤を管７に流し、溶解炉１内のカバーガス中の防燃剤濃度を５００〜２００００ｐｐｍとする。これと同時に一酸化炭素濃度計５は、警報を表示部１３に送る。

溶解炉１内の一酸化炭素濃度が上限値を下回った場合には、マグネシウムの燃焼が消火されたと判断し、その旨の信号が一酸化炭素濃度計５から開閉弁１４と表示部１３に送られ、開閉弁１４は弁を閉じ、表示部１３はその警報を停止する。
これにより、溶解炉１内には、再び管１５から平常時の防燃剤濃度のカバーガスが送り込まれることになる。

この例の溶解装置においても、先の例と同様の作用効果を奏することができる。

以下、具体例を示す。
（実験例）
図１に示す装置と同様の装置を用いた。溶解炉１は、内径３００ｍｍ、高さ６７０ｍｍで、炉蓋に取り付けられた耐熱ガラス窓により内部が観察できるようになっている。
炉１内には、内径２００ｍｍ、高さ３００ｍｍのるつぼ２が配置され、このるつぼ２内には、４．７ｋｇのマグネシウム合金（ＡＤ９１Ｄ）が溶解され、溶湯となっており、温度６８０℃に保持されている。

管７から、カバーガスとして、防燃剤の１，１，１，２，２，４，５，５，５，−ノナフルオロ−４−（トリフルオロメチル）−３−ペンタノンを二酸化炭素で濃度２００ｐｐｍに希釈したガスを用い、これを毎分７．５リットルの割合で供給した。
センサ４および一酸化炭素濃度計５により、溶解炉１内の気体中の一酸化炭素濃度を計測した。
図３に、この一酸化炭素濃度の経時変化を示す。

耐熱ガラス窓を介した観察により、るつぼ２内のマグネシウムが燃焼していない場合は、一酸化炭素濃度は７ｐｐｍでほぼ一定に推移していた。
マグネシウム溶湯の一部に着火が観察されると（時点Ａ）、一酸化炭素濃度は、１７．５ｐｐｍにまで急激に上昇した。

この時点（Ｂ）で、流量調整弁９の開度をさらに開き、防燃剤の供給量を増加し、カバーガス中の防燃剤濃度を８００ｐｐｍとしたところ、一酸化炭素濃度は減少し、約９０秒後には、平常値の７ｐｐｍに戻り、目視により消火が確認された。

この結果により、溶解炉１内の気体の一酸化炭素濃度を常時計測し、その値が急激に増加した場合には、マグネシウムの燃焼が生じていると判断できる。そして、これに対応して、カバーガス中の防燃剤濃度を増加してやることで、消火することができるようになる。

上述の実施形態では、一酸化炭素濃度が高くなって、マグネシウムの燃焼が確認された時に、カバーガス中の防燃剤の濃度を高めるようにしているが、これ以外に、カバーガス自体の溶解炉への供給量を高めるようにすることもできる。これには、例えば図１に示した実施形態においては、開閉弁１１を流量調整弁に替え、制御部６からの信号をこれにも送るようにすればよい。

また、一酸化炭素濃度として、溶解炉１内のガス中の値を測定しているが、これ以外に溶解炉１内のガスを排出する排出管を設け、この排出管から排出される排出ガス中の一酸化炭素濃度を計測して、同様に制御することもできる。
さらに、一酸化炭素濃度計５による一酸化炭素濃度計測は、時間的に連続して行っても、あるいは例えば１０秒〜２０秒毎に断続して行ってもよい。

本発明の溶解装置の例を示す概略構成図である。 本発明の溶解装置の他の例を示す概略構成図である。 実験例における一酸化炭素濃度の経時変化を示す図表である。

符号の説明

１・・・溶解炉、２・・・るつぼ、４・・・センサ、５・・・一酸化炭素濃度計、６・・・制御部、９・・・流量調整弁、１１、１４・・・開閉弁、７、８、９１０・・・管、Ｍ・・・溶湯

Claims (6)

1. マグネシウムを溶解して溶湯とする溶解炉に、二酸化炭素と防燃剤を含むカバーガスを供給して、溶湯表面をこのカバーガスで覆いつつマグネシウムを溶解する溶解方法であって、
   溶解炉内のガスまたは溶解炉から排出されるガス中の一酸化炭素濃度を測定し、この一酸化炭素濃度により、溶解炉内でのマグネシウムの燃焼の有無を検知することを特徴とするマグネシウムの溶解方法。
2. マグネシウムを溶解して溶湯とする溶解炉に、二酸化炭素と防燃剤を含むカバーガスを供給して、溶湯表面をこのカバーガスで覆いつつマグネシウムを溶解する溶解方法であって、
   溶解炉内のガスまたは溶解炉から排出されるガス中の一酸化炭素濃度を測定し、この一酸化炭素濃度により、溶解炉内でのマグネシウムの燃焼の有無を検知し、
   マグネシウムの燃焼が認められた場合に、カバーガスの流量を増加させるか、またはカバーガス中の防燃剤濃度を高めて、マグネシウムの燃焼を防止することを特徴とするマグネシウムの溶解方法。
3. 防燃剤が、１，１，１，２，２，４，５，５，５，−ノナフルオロ−４−（トリフルオロメチル）−３−ペンタノンであることを特徴とする請求項１または２記載のマグネシウムの溶解方法。
4. マグネシウムを溶解して溶湯とする溶解炉と、この溶解炉内に二酸化炭素と防燃剤を含むカバーガスを供給するカバーガス供給部と、上記溶解炉内または溶解炉から排出されるガス中の一酸化炭素濃度を測定する一酸化炭素濃度計と、この一酸化炭素濃度計からの一酸化炭素濃度に基づいてカバーガス中への防燃剤の供給量を調節する制御部を備えたことを特徴とするマグネシウムの溶解装置。
5. マグネシウムを溶解して溶湯とする溶解炉と、この溶解炉内に二酸化炭素と防燃剤を含むカバーガスを供給するカバーガス供給部と、上記溶解炉内または溶解炉から排出されるガス中の一酸化炭素濃度を測定する一酸化炭素濃度計と、この一酸化炭素濃度計からの一酸化炭素濃度に基づいてカバーガスの溶解炉への供給量を調節する制御部を備えたことを特徴とするマグネシウムの溶解装置。
6. 上記制御部が、さらに一酸化炭素濃度に基づいてマグネシウムの燃焼を判断し、マグネシウムの燃焼が確認された場合にその信号を発する機能を有しており、この制御部からの上記信号を受けてマグネシウムが燃焼していることを示す表示部を備えたことを特徴とする請求項４または５記載のマグネシウムの溶解装置。
   

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