JP6042519B1 - 溶湯搬送ポンプ及び溶湯搬送システム - Google Patents

溶湯搬送ポンプ及び溶湯搬送システム Download PDF

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    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D35/00Equipment for conveying molten metal into beds or moulds

Abstract

【課題】シンプルな構造で運転管理が容易で、ランニングコストの低い溶湯の搬送技術の提供。【解決手段】吸込口INから溶湯を吸い込み、吐出口OUTから吐出する溶湯搬送ポンプ3で、導電性金属の溶湯を吸い上げる円筒体8aと、円筒体8a中に着脱可能に収納される螺旋体9と、円筒体8aの外周に設けられる磁場装置12とを有し、磁場装置12は永久磁石体12a1を有し、永久磁石体12aは内周側がN極及びS極の一方の極に磁化され、外周側が他方の極に磁化されて、外周から円筒体8aの中心に向かう横向きの磁力線を有する磁場を形成し、円筒体8aの中心から放射状に外周に向かう磁力線を有する磁場を形成して、円筒体8a内の溶湯中を縦向きに電流iが流れる場合に電流と交叉してローレンツ力による電磁力を発生し、この電磁力により溶湯が螺旋流路内を旋回しながら吸込口INから吐出口OUTに向けて旋回駆動する構成となる溶湯搬送ポンプ3。【選択図】図2

Description

本発明は導電性性金属の溶湯を搬送する搬送ポンプ及びその溶湯搬送ポンプを用いた溶湯搬送システムに関する。
銅、アルミニウム等の導電性性金属の溶湯の搬送ポンプとして、従来はメカニカルポンプ、電磁ポンプおよび真空ポンプなどがあった。これらのポンプには以下のような難点があり、且つ、それらの難点はいまだ解決されるに至っていない。
即ち、前記メカニカルポンプは、最も普及している機種ではあるが、回転羽根の損傷が激しく、適宜交換しなければならない。しかし、その交換には多くの時間がかかる。交換の最中は当然長時間操業を停止しなければならず、操業停止によるロスが非常に大きい。また回転羽根自体は高価であり、イニシャルコストだけで無く、交換に伴うランニングコストも非常に高いものとなる。
前記電磁ポンプは、コイル冷却のためのシステムが複雑なものとならざるをえず、且つ、必要な磁力を得るにはそれ相当の嵩のコイルが必要となり、大型化するのが避けられない。また、消費電力が大きくてランニングコストが大きくなること、溶湯の詰まり防止策を事細かに立てなければない等の運転管理が非常に煩雑で複雑なものとなること等の難点もある。
前記真空ポンプおいては、運転の際、真空ポンプ室内に溶湯を吸い込むというトラブルが多く、運転管理が難しい。
つまり、これらの従来のポンプには、複雑なメンテナンスが必要である、多大なランニングコストがかかる、運転管理が複雑である等の難点がある。
こうした難点に鑑みて、多くのユーザーから、シンプルな構造で運転管理が容易で、ランニングコストの低い溶湯の搬送ポンプの出現が望まれていた。
本発明の実施形態の溶湯搬送ポンプは、
吸込口から溶湯を吸い込み、吐出口から吐出する、溶湯搬送ポンプであって、
導電性金属の溶湯を吸い上げるための円筒体と、前記円筒体中に着脱可能に収納される螺旋体と、前記円筒体の外周に設けられる磁場装置と、を有し、
前記円筒体は、下側開口と上側開口とを有し、前記下側開口が前記吸込口として機能し、
前記螺旋体は、螺旋状板を有し、前記螺旋状板の外周端縁と前記円筒体の内面とによって、前記円筒体の内部を螺旋状に走る1本の螺旋流路に区画形成しており、前記螺旋流路は前記吸込口と前記吐出口を連通しており、
前記磁場装置は、永久磁石体を有し、前記永久磁石体は内周側がN極及びS極の一方の極に磁化され、外周側が他方の極に磁化されて、外周から前記円筒体の中心に向かう横向きの磁力線を有する磁場を形成し、あるいは、前記円筒体の中心から放射状に外周に向かう磁力線を有する磁場を形成して、前記円筒体内の溶湯中を縦向きに電流が流れている場合にはこの電流と交叉してローレンツ力による電磁力を発生させて、この電磁力により前記溶湯を前記螺旋流路内を旋回させながら前記吸込口から前記吐出口に向けて旋回駆動する、
ものとして構成される。
本発明の実施形態の溶湯搬送システムは、上記の溶湯搬送ポンプと、溶湯を保持する第1の保持炉と、溶湯を保持する第2の保持炉と、を有し、前記第1の保持炉を前記溶湯搬送ポンプの前記吸込口に接続し、前記第2の保持炉を前記溶湯搬送ポンプの前記吐出口に接続した、ものとして構成される。
本発明の実施形態としての溶湯搬送システムの全体を示す全体構成図。 図1中の溶湯搬送ポンプを示す縦断説明図。 図2の溶湯搬送ポンプの構成部材の分離状態を示す分離状態説明図。 図2のIV-IV線に沿った断面説明図。 変形例における図4に対応する断面説明図。 変形例における図4に対応する断面説明図。 変形例における図5に対応する断面説明図。 図2における螺旋体下端支持板の平面図。 溶湯搬送ポンプにおけるローレンツ力による電磁力を説明する動作説明図。 図9の動作の説明図。 異なる実施形態の溶湯搬送システムの全体を示す全体構成図。 図11の溶湯搬送ポンプを示す縦断説明図。
本発明の実施形態は、図1等から分かるように、導電性金属の溶湯を搬送するポンプ装置3、及び、それを用いた溶湯搬送システム100として具現される。前記導電性金属の溶湯とは、非鉄金属(例えば、Al,Cu,Zn又はSi、あるいはこれらのうちの少なくとも2つの合金、あるいはMg合金等)の溶湯の他、鉄等の非鉄金属以外の金属の溶湯である。
前記ポンプ装置3は、図1からわかるように、例えば、下方にある下側の保持炉1から上方にある上側の保持炉2へ、溶湯Mを持ち上げるのに使用される。
前記ポンプ装置3は、原理的に簡単に説明すれば、永久磁石からの磁場と、導電性金属の溶湯中を流れさせる電流と、によるローレンツ力による電磁力によって導電性金属の溶湯を搬送駆動するものである。このような原理(永久磁石の磁場とそこを流れる電流によるローレンツ力)で動作するものであるため、従来の装置に比べ運転管理も極めて容易であり、その消費電流も従来の電磁ポンプに比べてはるかに少なくすることができ、ランニングコストも低く抑えることができ、さらに永久磁石を用いているため自己発熱は抑えられ、且つ、機械的に動く部分が存しない構造としたので、構造を簡単で長期の使用に耐える堅固なものとできる。さらに、本発明の実施形態では、高温の溶湯Mによって構成部材が損耗した際には、損耗した部材の交換ができるように構成しただけでなく、その交換も容易にできるようにした。これによりいわゆる使用に伴うメンテナンスも極めて容易となった。
より詳しくは、本発明の実施形態は以下のように説明される。
図1から分かるように、前記ポンプ装置3の上下両端にはそれぞれ保持炉1、2が接続されている。つまり、ポンプ装置3の下端の入口端(吸込口)INは入口側の接続菅5を介して保持炉1と連通状態に接続され、上端の出口端(吐出口)OUTは出口側の接続菅6を介して保持炉2と連通状態に接続されている。前記入口端INと前記出口端OUTとは、追って詳しく説明するが、内部的には、パイプ体(ケーシング)8内部に形成された1本の螺旋状の流路Pによって繋がっている。この流路Pは、パイプ体8の内面と、このパイプ体8に収納された螺旋体9の螺旋状のフィン9bと、によって区画される流路である。
図1の溶湯搬送システム100において、前記流路P内の溶湯Mに縦向きに電流を流すために、第1の電極32Aが保持炉1内の溶湯M1中に,第2の電極32が保持炉2内のM2中に浸漬した状態に設けられている。これらの電極32A,32は電源装置33の正負の端子33a、33bにそれぞれ接続されている。第1の電極32A、第2の電極32の位置は上記にこだわるものではなく、それぞれ、溶湯M1,溶湯M2に電気的に導通していればよい。
前記電源装置33は、少なくとも直流電源装置として機能すればよいが、本発明の実施形態では、直流電源装置及び交流電流装置として機能する多機能の電源装置を用いている。即ち、少なくとも直流電源装置として機能し、且つ、正負の出力端子の極性を切り替えることもできる。さらに、低周期(例えば、0−10Hz程度、好ましくは0−5Hz程度)の交流電流装置としても機能可能である。出力電圧及び出力電流も調節可能に構成されている。なお、コストの面からすれば、単機能の直流電源装置を用いることもできる。
図1は電源装置33を直流電源装置として機能させた場合を示し、端子33aを正端子、端子33bを負端子としている。前述のように、前記正の端子33aを前記第1の電極32Aに、負の端子33bを第2の電極32に接続している。これにより、電源装置33からの電流iは、端子33aを出て、保持炉1内の溶湯M1、ポンプ装置3内の溶湯、保持炉2内の溶湯M2を通って、端子33bに戻る。この際、電流iは、図2に示すパイプ体8(流路P)内の溶湯においては、下方から上方に向けて縦向きに流れることとなる。
なお、前述のところからも分かるように、この電源装置33においては、端子33aを負に、端子33bを正に、切り替えることができる。この場合には、電流iは、上記とは逆に、図2に示すパイプ体8(流路P)内の溶湯においては、上方から下方に向けて流れることとなる。
さらに、この電源装置33を低周期の交流電源として機能させた場合には、電流iは、図2に示すパイプ体8(流路P)内の溶湯中を上下に交互に振動するように流れることとなる。
前記ポンプ装置3の詳細を図2及び図3を参照しながら説明する。図2はポンプ装置3をその一部を破断して示す部分破断縦断説明図であり、図3は構成部材の分離状態を示す。この図2から分かるように、ポンプ装置3は、L型中空のパイプ体(ケーシング)8、螺旋体9、螺旋体下端支持板10、蓋(螺旋体上端支持板)11、磁場装置12を有する。これらの部材はそれぞれ耐火材で作られている。
特に図3からわかるように、このパイプ体8は、溶湯Mに電磁力Fを与えるメインの垂直な入口菅部(円筒体)8aと、それから図中右に曲がった出口菅部8bと、を有する。この入口菅部8aの下端はいわゆる下側開口であり、上端はいわゆる上側開口である。前述のように、前記入口菅部8aの下端の入口端(下側開口)INと入口側の前記接続菅5とは、前記螺旋体支持板10を介して、連通状態に接続される。前記出口菅部8bの出口側の出口端(吐出口)OUTは出口側の前記接続菅6と連通状態に接続されている。
前記パイプ体8(入口菅部8a)内には、前記螺旋体9が、旋回しない状態に且つ着脱可能な状態に、固定状態に収納されている。つまり、収納時にあっては、この螺旋体9は、図2からわかるように、上下が前記蓋11と前記螺旋体下端支持板10とによって挟み込まれて、旋回しないように且つ上下方向に動かないように、固定状態に支持されている。つまり、前記螺旋体9は前記パイプ体8の内部に、上下方向にも旋回方向にも、固定された状態に収納されている。
前記螺旋体下端支持板10の平面図は図8に示される。この図8からわかるように、この螺旋体下端支持板10は、円板に複数の連通開口10aを穿設することにより、円環状の周縁部10bと、その周縁部10bの内縁の向かい合う2つの部分をつなぐ支持部10cと、を有するものとして構成される。この支持部10bは複数設けることもできる。特に図2から分かるように、螺旋体下端支持板10の前記連通開口10aによって、前記入口側の接続菅5と前記パイプ体8の入口端INとが連通されている。図8からわかるように、前記支持部10cの表面(内側表面)のほぼ中央には、螺旋体9の後述する軸部9aを固定状態に下方から支持する支持穴10dが凹設されている。
前記螺旋体9は、例えば図3から分かるように、円柱状の軸部9aと、螺旋状の1枚のフィン(螺旋状板)9bとを有する。前記フィン9bは、軸部9aの外周にねじ山状に旋回するように配置されている。前記螺旋体9は当初より一体なものとして構成することもでき、軸部9aにフィン9bを後付けすることにより構成することもできる。図3においては、この螺旋体9は、いわゆる左ねじ状にフィン9bが形成されているが、右ねじ状に形成することもできる。右ねじ状のものとして形成した場合において同じ方向に溶湯Mを駆動するには、電流iの向きを逆向きに(上方から下方に向かう向きに)流せばよい。
先にも簡単に述べたが、図2から分かるように、このフィン9bの最外周端面と、前記入口菅部8aの内面と、によって、螺旋状の1本の前記流路Pが区画形成されている。この流路Pは、図2から分かるように、入口側としての下端が前記入口端INと連通し、出口側としての上端が前記出口端OUTと連通している。
前記螺旋体9として、各種の構造のものを複数種類準備しておくこともできる。つまり、フィン9bのピッチを変えた複数種類の螺旋体9を予め準備しておく。どの螺旋体9を用いるかは装置としての仕様、用途等に応じて決められる。その都度用途に応じて交換して用いられる。ピッチの小さいものを用いれば溶湯Mの縦向きの速度が遅くなり、大きいものを用いれば溶湯の縦向きの速度が速くなる。
図2に示されるように、前記磁場装置12は、前記パイプ体8の外周を取り囲んだ状態に外付けされている。この磁場装置12は、前記パイプ体8に対して、上下方向に調節可能なるように、任意の手段で取り付けられている。これにより、磁場発生装置31を上下方向に移動させて、より高効率な溶湯Mの駆動位置を選択可能である。また、永久磁石がより温度の影響を受けない低温な位置に磁場発生装置31を配置することもできる。これらの好適な位置は、例えば、同一の条件で、溶湯Mの駆動能力を見ることにより、推測可能である。
この磁場装置12は、図2からもわかるように、リング状のケース12bに同じくリング状の永久磁石装置12aを収納したものである。このケース12bの所望の位置には空冷用の孔(空気取り入れ口、排出口)を設けることもできる。また、特に前記磁場装置12のIV−IV線に沿った横断面説明図である図4から分かるように、永久磁石装置12aは、リング状の永久磁石本体12a1と、その内周面と外周面を囲む強磁性材製のリング状のヨーク12a21,12a22とを有する。この図4からも分かるように、永久磁石本体12a1は、いわゆるリング状をしており、内周側がN極に、外周側がS極に、それぞれ磁化されている。なお、磁化の向きはこれとは逆に、図5に示すように、内周側がS極に、外周側がN極に、それぞれ磁化されていてもよい。逆に磁化した場合において、溶湯Mを流路P中を持ち上げるには、電流iの向きを変えればよい。
また、図4、図5においては、永久磁石装置12aを一体型のリング状のものとして構成したが、図6、図7からわかるように、複数の永久磁石片12aaから成るものとして構成することもできる。この場合にも、前記ヨーク12a21,12a22は、複数の永久磁石片12aaを磁気的に繋ぐ強磁性ヨークとして機能することになる。
以上に説明したポンプ装置3及び溶湯搬送システム100は例えば以下のようにして組み立てられる。ただし、組み立ての順序は以下に説明するもの以外にも現場の状況等に応じて種々採用可能である。
即ち、特に図3から分かるように、パイプ体8の入口菅部8aの下端のフランジ部8a1と入口側の前記接続菅5のフランジ部5aとを前記螺旋体支持板10を挟んで連通状態に接続し、且つ、パイプ体8の出口菅部8bの先端のフランジ部8b1と出口側の接続菅6のフランジ部6aとを連通状態に接続する。
前記入口菅部8aには前記磁場発生装置31が、任意の順序で、外付け状態に取り付けられる。この後、螺旋体9を入口菅部8a内に上方から挿入し、その下端を前記螺旋体下端支持板10で支持させる。この後前記蓋11を入口菅部8aに取り付ける。この蓋11の内面には、特に図3から分かるように、螺旋体9の軸部9aの頂部を固定状態に収納する支持穴11aが凹設されている。これにより、前記螺旋体9は蓋11と螺旋体支持板10とにより、固定状態に支持される。
なお、分解は、上記と逆の順序で行うことができる。この分解により、必要に応じ、螺旋体9を同種の新たなものあるいは別種の新たなものと交換することができる。別種のものと交換した場合には、溶湯Mの上昇速度を、必要とするものに変えることができる。而して、前記分解は、前記蓋11の取り外しだけで行えるので、いわゆるメンテナンスは極めて容易に行うことができる。さらに、ポンプ装置3自体の交換も、入口側の接続菅5と出口側の接続菅6からの分離により可能である。当然、螺旋体下端支持板10の交換も可能である。
次に、本発明の実施形態のポンプ装置3による溶湯Mの駆動について説明する。
図1の電源装置33からの電流iが、特に図2から分かるように、入口菅部8a(流路P)内の溶湯中を下から上へ向かって縦方向に流れる。磁場装置12からの磁力線MLは、特に図9から分かるように、外周から中心方向へ向かう。前記電流iと前記磁力線MLとが交叉してローレンツ力による電磁力Fが発生する。この電磁力Fは全周において図9中右回りのものとして発生する。よって、この電磁力Fが合成され、この合成力RFにより溶湯は図9において右回りに回転させられる。つまり、溶湯は、前記流路P内を右旋回することになる。これにより、溶湯は、前記螺旋体9のフィン9bの上向きの勾配に沿って、図2からわかるように、いわゆる螺旋階段を昇るように、回りながら上昇する。溶湯が旋回しながら上昇する様子は図10に原理的に示される。やがて、入口菅部8aの上端側から出口菅部8bに至り、やがて出口側の接続菅6を介して炉本体2に流入する。この際、前記電流iの強さを変えることにより、溶湯Mを駆動する能力つまり時間当たりの搬送量を調節することができる。この場合の消費電力は従来の装置の電磁石の消費電力に比べれば極めて少ない。
なお、磁場装置12として、図5、図5aのものを用いた場合は、前記電源装置33から流れる電流の向きを逆にすれば良い。
また、図1のシステムにおいて、電源装置33から、低周期の交流電流を流せば、ポンプ装置3(入口菅部8a)内において、溶湯には、旋回しようとする方向が短周期で左右に切り替わり、振動が与えられる。この振動により溶湯内部の不純物が除去され、溶湯の品質の向上が図られる。つまり、溶湯の品質を向上させてから、上方の炉本体2に持ち上げるという使い方もできる。この他、各種の使い方ができる。例えば、上方の炉本体2中の溶湯をポンプ装置3に導いて品質を改善し、その後に再び炉本体2に戻すこと等もできる。
図11、図12は、本発明の実施形態の異なる例を示す。この例では、ポンプ装置3Aを異なる構造のものとしている。即ち、先に説明した実施形態では、ケーシング8をL型のパイプ形状としたが、図9、図10の実施形態は、ケーシング18を真っ直ぐなパイプ状のものとして製造の容易な構造としている。これに伴い、上端部分を下端部分と同一の構造として、出口側の前記接続菅6と接続している。つまり、図8の螺旋体支持板10をその支持穴10dを下方に向けた状態で出口側の接続菅6との間に挟み込んだ状態で用いている。その他の構成は実質的に同様であるため詳しい説明は省略する。この実施形態においても、螺旋体9、螺旋体支持板10等の交換は可能である。なお、図中5Aは入口側の接続菅5と同様の接続菅である。
なお、上記に説明した実施形態では、パイプ体8(入口菅部8a)を垂直に立てた状態としているが、必ずしも垂直である必要はなく、斜めに傾いた状態に設置することもできる。

Claims (15)

  1. 吸込口から溶湯を吸い込み、吐出口から吐出する、溶湯搬送ポンプであって、
    導電性金属の溶湯を吸い上げるための円筒体と、前記円筒体中に着脱可能に収納される螺旋体と、前記円筒体の外周に設けられる磁場装置と、を有し、
    前記円筒体は、下側開口と上側開口とを有し、前記下側開口が前記吸込口として機能し、
    前記螺旋体は、螺旋状板を有し、前記螺旋状板の外周端縁と前記円筒体の内面とによって、前記円筒体の内部を螺旋状に走る1本の螺旋流路に区画形成しており、前記螺旋流路は前記吸込口と前記吐出口を連通しており、
    前記磁場装置は、永久磁石体を有し、前記永久磁石体は内周側がN極及びS極の一方の極に磁化され、外周側が他方の極に磁化されて、外周から前記円筒体の中心に向かう横向きの磁力線を有する磁場を形成し、あるいは、前記円筒体の中心から放射状に外周に向かう磁力線を有する磁場を形成して、前記円筒体内の溶湯中を縦向きに電流が流れている場合にはこの電流と交叉してローレンツ力による電磁力を発生させて、この電磁力により前記溶湯を前記螺旋流路内を旋回させながら前記吸込口から前記吐出口に向けて旋回駆動する、
    ことを特徴とする溶湯搬送ポンプ。
  2. 前記螺旋体は、前記螺旋状板が取り付けられた軸部を有し、前記軸部が前記下側開口と前記上側開口との間に、固定状態に支持されている、ことを特徴とする請求項1に記載の溶湯搬送ポンプ。
  3. 前記永久磁石体は、1つのリング状の永久磁石によって構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の溶湯搬送ポンプ。
  4. 前記永久磁石体は、複数の永久磁石片を有し、それらの永久磁石片を円周状に配置することによって構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の溶湯搬送ポンプ。
  5. 前記螺旋体として複数種類の螺旋体を有し、前記各螺旋体は任意のものが前記円筒体中に収納可能であり、前記各螺旋体は、前記螺旋状板のピッチが異なるものとして構成されている、ことを特徴とする請求項1乃至4の1つに記載の溶湯搬送ポンプ。
  6. 前記螺旋体として少なくとも2つの螺旋体を有し、前記各螺旋体は任意のものが前記円筒体中に収納可能であり、前記2つの螺旋体の一方は、前記螺旋状板が右ねじ状のものとして構成され、他方は左ねじ状のものとして構成されている、ことを特徴とする請求項1乃至4の1つに記載の溶湯搬送ポンプ。
  7. 前記円筒体の前記下側開口に取り付けられる螺旋体下端支持板を有し、前記螺旋体下端支持板は前記螺旋体の下端を支持するとともに、前記円筒体の内部を外部と連通させる連通開口を有するものとして構成されている、ことを特徴とする請求項1乃至6の1つに記載の溶湯搬送ポンプ。
  8. 前記円筒体中の溶湯に縦向きに電流を流すための第1の電極及び第2の電極を備えることを特徴とする請求項1乃至7の1つに記載の溶湯搬送ポンプ。
  9. 前記第1の電極及び第2の電極が接続される電源装置を有することを特徴とする請求項8に記載の溶湯搬送ポンプ。
  10. 前記電源装置は直流電源装置であることを特徴とする請求項9に記載の溶湯搬送ポンプ。
  11. 前記電源装置は交流電源装置であることを特徴とする請求項9に記載の溶湯搬送ポンプ。
  12. 前記円筒体の前記上側開口に取り付けた蓋をさらに有し、前記蓋と前記螺旋体下端支持板とにより前記螺旋体を支持固定し、前記円筒体の側壁に前記吐出口を形成したことを特徴とする請求項1乃至11の1つに記載の溶湯搬送ポンプ。
  13. 前記複数の永久磁石片をヨークによって磁気的に接続したことを特徴とする請求項1乃至12の1つに記載の溶湯搬送ポンプ。
  14. 請求項1乃至13の1つに記載の溶湯搬送ポンプと、溶湯を保持する第1の保持炉と、溶湯を保持する第2の保持炉と、を有し、前記第1の保持炉を前記溶湯搬送ポンプの前記吸込口に接続し、前記第2の保持炉を前記溶湯搬送ポンプの前記吐出口に接続した、ことを特徴とする溶湯搬送システム。
  15. 前記第1の電極を前記第1の保持炉に収納する溶湯に導通可能な位置に設け、前記第2の電極を前記第2の保持炉に収納する溶湯に導通可能な位置に設けた、ことを特徴とする請求項14に記載の溶湯搬送システム。
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