JP6771776B2 - 脱ガス用回転体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転脱ガス装置の駆動モータに接続されて、回動自在に溶融金属の溶湯を撹拌する脱ガス用回転体の製造方法に関するものである。

アルミニウム等の軽金属、又は軽金属合金の溶融金属は、非金属物又は水素ガス等の不純物が混入する場合がある。当該不純物を除去するための処理方法のひとつとして、回転脱ガス処理法が知られており、当該回転脱ガス処理法を行う装置が回転脱ガス装置である。
回転脱ガス装置は、回動自在な撹拌用の回転体をモータで駆動すると共に回転体を通じて溶融金属内にアルゴンガス又は窒素ガス等の不活性ガスを送り込む機構を備えた装置である。回転体は、ガス通路を備えたシャフトと、ガス拡散用の溝又は通路が形成されたロータからなる。
回転脱ガス処理法は、ロータを溶融金属内に沈め、不活性ガスをガス通路を通じて溶融金属内へ送り込み、ロータによって不活性ガスを拡散し、微細気泡化することによって、当該微細気泡化した不活性ガスに、溶融金属内の不純物を取り込ませたり、或いは不純物を付着させたりして、溶融金属表面に不活性ガスと共に浮上してきた不純物を処理することによって溶融軽金属内の不純物を除去する方法である。

特公平７−１２２１０６号公報に開示されている溶融軽金属の精製処理方法において使用されている処理装置は、カーボン製の回転軸の先端にはガスを微細化して放出する気泡発生器を有している。当該気泡発生器は、ガス拡散器と回転羽根を有している。ガス拡散器は、取付部の外周表面に螺刻されたネジによって回転軸へ取り付けられている。
また、特開２００６−９５５４０号公報に開示されている溶融金属撹拌用回転体は、気体供給路を内部に有するセラミックス製のシャフトの下端部に、セラミックス製の撹拌ディスクを焼嵌めにより嵌合固定している。また、気体供給路を内部に有するセラミックス製のシャフトの下端部と、セラミックス製の撹拌ディスクとの嵌合面間に接着剤を介在させて嵌合固定している。
さらに、特開２０１１−１７３１３７号公報に開示されている溶融金属撹拌用回転体は、筒状のシャフトの一端に溶湯金属を攪拌するローターが、他端に回転駆動機構に接続する連結具が取り付けられており、シャフトおよびローターの表面に、シャフトまたはローターに用いられるセラミックスの使用時の熱膨張よりも大きい高さの凹凸部を設け、該凹凸部を組み合わせる形で焼成時のセラミックスの収縮によりシャフトとローターとを嵌合して接合させている。

特公平７−１２２１０６号公報 特開２００６−９５５４０号公報 特開２０１１−１７３１３７号公報

上記の特許文献に開示されている回転体、たとえば、図４に示すような回転体１００は、シャフト１０１と溶融金属の撹拌用ロータ１０２が別体に形成されている。シャフト１０１と別個に形成されたロータ１０２は、図４に示したようにシャフト１０１の先端に切られた雄ネジ１０３ａと、ロータ１０２に形成された雌ネジ１０３ｂによって螺合されている他、たとえば、上記文献に記載されているような嵌め合わせによってシャフト１０１へ組み付けられている。
このようにロータ１０２とシャフト１０１とが、別個に形成されている場合、振動或いは高温環境下でシャフト１０１の雄ネジ１０３ａとロータ１０２の雌ネジ１０３ｂの接合部分が劣化損耗して、ロータ１０２がガタつき溶融金属を効率よく撹拌することができなくなるおそれがあり、またこの状態を放置して継続使用した場合には、ロータ１０２が破損したり、破損したロータ１０２がシャフト１０１から脱落するおそれがある。

このような、シャフトからロータが脱落するという問題の容易な解決方法は、たとえば円筒形状に形成された耐火物ブロックから、ロータとシャフトを一体化した回転体を削り出すことである。しかしながら、回転体を削り出す方法の場合、シャフトの直径よりもロータの直径が大径となるので、耐火物ブロックは少なくともロータの直径にあわせた大径の円筒形状となる。そのため、当該耐火物ブロックからシャフトを削り出すとき、削りカスが大量に発生する。また、耐火物ブロックがセラミックス質を大量に含む場合、当該耐火物ブロックは非常に硬い塊となる。そのため、回転体を削り出す切削作業に大変な手間がかかるうえに、高精度の回転体を形成することは非常に困難である。したがって、耐火物ブロックから回転体を削り出す手法は、製造コストが高くなるので経済的ではない。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、製造工程を簡略化して製造コストを抑えて、シャフトからのロータ脱落を防止すると共に耐久性を向上させた脱ガス用回転体の製造方法を提供することである。

請求項１に記載の脱ガス用回転体の製造方法は、ガス通路を備えたシャフトと、当該シャフトの先端に配置された溶融金属撹拌用のロータを有し、
前記シャフトの基端を回転脱ガス装置の駆動モータに連結して、回動自在に溶融金属を撹拌する脱ガス用回転体の製造方法であって、
黒鉛質、セラミックス質、及びガラス質を所定の構成比率で混合した粉粒体状の耐火物を、
前記回転体用の成形型に充填し、圧縮加圧し、焼成して、
前記シャフトと前記ローターとが一体不可分となるように前記回転体を形成するようにしたことを特徴とする。

請求項２に記載の脱ガス用回転体の製造方法は、請求項１に記載の発明において、２０％〜４０％の前記黒鉛質、４０％〜６０％の前記セラミックス質、及び５％〜２０％のガラス質を所定の混合比率で混合して前記耐火物を形成することを特徴とする。

本発明の脱ガス用回転体の製造方法によれば、シャフトとロータが一体不可分となるよう一体成形した。これによって、長時間にわたって継続使用した場合であっても、シャフトとロータの接合部位の損耗、或いはガタ付きを防止することができるので、回転体の耐久性を向上させて、シャフトからロータが脱落することを防止することができる。
さらに、脱ガス用回転体の製造方法によれば、粉粒体状の耐火物原材料を成形型に充填し、圧縮加圧し、焼成して回転体を形成するようにした。これによって、ローターの径に合せた円柱形の耐火物ブロックから削り出すよりも原材料の使用量を抑え、切削作業も微調整程度の短時間で済ませることができる。そのため、回転体の製造工程を簡略化することでき、製造コストを抑えることができる。

第１実施例に係る脱ガス用回転体を備えた回転脱ガス装置の構成の概略を示す説明図である。 第１実施例に係る脱ガス用回転体の構成の概略を示す説明図である。 第１実施例に係る脱ガス用回転体の構成の概略を示す断面図である。 従来の脱ガス用回転体の構成の一例を示す断面図である。

本実施例に係る脱ガス用回転体を、添付した図面にしたがって説明する。図１は、本実施例に係る回転脱ガス装置の構成の概略を示す説明図である。図２は、本実施例に係る脱ガス用回転体の構成の概略を示す説明図である。

回転脱ガス装置１０は、図１に示すように、溶融金属を貯留可能な撹拌槽５０を有している。本実施例における溶融金属は、たとえば、アルミニウム、又はアルミニウム合金のような軽金属を高温環境下で溶融したものである。

回転脱ガス装置１０は、回転体１１と駆動部１２とからなる。
駆動部１２は、駆動モータ１３と、当該駆動モータ１３が設置されるベース１４とからなる。
ベース１４は、ベースフレーム１５と、当該ベースフレーム１５が所定の高さに位置するように支持する支持脚１６とからなる。当該支持脚１６は、撹拌槽５０の蓋５１に立設されている。蓋５１は、回転体１１が挿通可能な孔部５１ａが中央部に形成されている。
ベースフレーム１５は、軸受１７を有している。当該軸受１７は、駆動シャフト１８を回動自在に軸支している。
駆動シャフト１８は、ガス供給路１９を備えた中空状に形成され、ベースフレーム１５に垂設されている。
駆動シャフト１８の基端部１８ａ近傍は、ベルト２０を介して駆動可能に駆動モータ１３と連結されている。
当該駆動モータ１３は。ベースフレーム１５上に設けた制御装置２１によって制御可能に形成されている。制御装置２１は、駆動モータ１３の回転速度、回転方向、駆動時間等の駆動パラメータを制御可能に形成されており、好ましくは、当該パラメータを表示可能なモニタを設けても良い。
また、駆動シャフト１８の基端部１８ａは、不活性ガスを供給可能なガス供給口２２が形成されている。当該ガス供給口２２は、ロータリーシール２３で密封され、外部から不活性ガスを供給可能にガス管２４と連通されている。ここで不活性ガスとは、高温環境下で溶融金属と化学的な反応を起こしにくいガスであって、たとえば、アルゴンガス、窒素ガス等のガスを任意に選択可能に形成されている。
一方、駆動シャフト１８の先端部１８ｂにはフランジ状の連結具２６，２６が連接されている。当該連結具２６，２６を介して、駆動シャフト１８と一体回転するように回転体１１が取り付けられてる。

回転体１１は、図１及び図２に示すように、シャフト３０と、当該シャフト３０の先端に設けたロータ３１からなる。
シャフト３０は、駆動シャフト１８のガス供給路１９と連通可能なガス通路３２が、シャフト３０の基端から先端までシャフト３０の軸に沿って形成されている。シャフト３０の基端は駆動シャフト１８に連結具２６，２６を介して連結可能に形成されている。これによって、シャフト３０を駆動シャフト１８に連結したとき、ガス通路３２とガス供給路１９は連通され、シャフト３０の先端まで不活性ガスを送ることができる。
ロータ３１は、図１及び図３に示すように、シャフト３０と一体不可分に形成されており、ガス供給路３２に連通するガス拡散路３３を有している。ガス拡散路３３はガス供給路３２を中心にロータ３１周縁に向かって放射状に広がるように形成されている。これによって、ガス供給路３３を通った不活性ガスは、ガス拡散路３３先端から放射状に放出される。これによって、ロータ３１の周縁から溶融金属内に不活性ガスを万遍なく送り込むことができ、さらに回転体１１を回転させたとき、当該回転体１１は、ガス拡散路３３から溶融金属内へ渦を巻くように不活性ガスを放出することができる。そして、ロータ３１が溶融金属内を撹拌することによって、溶融金属内へ万遍なく放出された不活性ガスを微細気泡化することができる。

ここで、回転体１１は、次に示すように形成される。
回転体１１は、少なくとも黒鉛質とセラミック質を含んだ粉粒体状の耐火物からなる。
耐火物は、黒鉛質及びセラミックス質、並びにガラス質を含んでいる。これら成分を所定の構成比率に調整することによって、素材強度を上げて、耐熱衝撃性、耐酸化性に優れた回転体１１が形成されている。

黒鉛質は、２０％〜４０％の構成比率で含まれている。これによって、熱衝撃による損傷を抑えることができる。なお、２０％よりも少ない場合、回転体１１は、耐熱衝撃性が弱くなり、高温の溶融金属によって破損するおそれが生じる。一方、４０％よりも多くなると回転体１１は、耐酸化性が低くなり、溶融金属の撹拌中に酸化を原因とする劣化損耗から破損するおそれが生じる。

セラミックス質は、４０％〜６０％の構成比率で含まれている。なお、セラミックス質に含まれるセラミックス成分は、回転体１１の強度或いは耐熱性をより一層高めるために任意に選択、混合可能である。当該セラミックス成分は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を主とすることが好ましいが、その他にも、たとえば、アルミナ、ジルコニアのようなセラミックス成分が含まれていても良い。セラミックス質が４０％よりも少ない場合、回転体１１は、強度が弱くなり、使用中に破損するおそれが生じる。一方、６０％よりも多い場合、回転体１１の強度を強くすることができるが、耐熱衝撃性が弱くなり、高温の溶融金属によって破損するおそれが生じる。

ガラス質は、５％〜２０％の構成比率で含まれている。これによって、黒鉛質の酸化を抑えることができる。なお、５％よりも少ない場合、十分に酸化を抑えることができないので、回転体１１の耐酸化性が低くなり、使用中に酸化を原因とする劣化損耗から破損するおそれが生じる。一方、２０％よりも多い場合、回転体１１の酸化は抑えられるが、強度が低くなるおそれがある。

上記のように、所定の構成比率で混合された粉粒体状の耐火物は、シャフト３０とロータ３１を一体不可分に成形可能な回転体用成形型に充填される。成形型は、冷間静水圧プレス法（ＣＩＰ、Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）によって、圧縮成形される。
冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）法は、粉粒体状の耐火物が充填されたゴム製成形型を脱気密封して、当該成形型を液体で満たされた圧力容器に入れて液体を加圧して成形型を圧縮成形する方法である。これによって、成形型内に充填された耐火物は、シャフト３０とロータ３１が一体不可分となるように形成された回転体１１へ成形される。さらに、成形された回転体を焼成することによって、回転体１１は完成する。なお、焼成前又は焼成後にシャフト３０又はロータ３１の余剰部分を削って高精度な回転体１１にする加工を施すようにしても良い。
また、本実施例において、回転体１１は冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）法による圧縮成型によって形成するとしたが、当該回転体１１を成形する方法はこれに限定されるものでは無く、粉粒体状の耐火物を圧縮成型した後、焼成して回転体１１を形成可能な方法であれば良く、特に、成形型に均一な圧力を印加して高密度な成形体を得ることができる成形方法が好ましい。
冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）法によって回転体１１を形成することによって、耐火物ブロックから切り出したり、或いは削り出す場合と異なり、原材料となる耐火物の廃棄量を抑えることができ、必要十分な量で製造することができるので、製造コストを抑えることができる。
また、上記したように回転体１１には硬質化させるセラミックス成分が含まれている。冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）法によれば、圧縮成型で大まかな形の回転体１１を形成することができるので、当該回転体１１の精度を出す加工も、たとえば、回転体１１のバリを削り取ったり、寸法の狂いを微調整する等といった必要最小限の加工で良い。これによって、回転体１１の加工を容易に行い、加工時間を短くして、製造工程を簡略化することができる。

上記のように構成された回転体１１は、図１に示すように、駆動シャフト１８と回転体１１のシャフト３０が、連結具２６，２６によって接続される。これによって、駆動シャフト１８に形成されたガス供給路１９と、シャフト内のガス通路３２は連通される。ガス供給路１９の他端に配されたガス供給口２２には、ガス管２４を介して不活性ガスで満たされたガスボンベ等を備えたガス供給装置（図示略）が接続される。また、シャフト３０と一体不可分に形成されたロータ３１は、ガス通路３２に連通したガス拡散路３３を有している。

図１に示すように、ロータ３１が撹拌槽５０内の所定の深さに位置するように、回転体１１は、撹拌槽５０に設置される。
撹拌槽５０に、所定量の溶融金属を流し込んだ後、駆動モータ１３を作動させるとベルト２０を介して駆動シャフト１８が回動し、回転体１１が回動される。
当該回転体１１は、ロータ３１が溶融金属を撹拌するように回動する。当該回転体１１を回転させながら、不活性ガスをガス供給口２２に注入すると、当該不活性ガスは、ガス供給路１９、ガス通路３２、ガス拡散路３３を通じて、ロータ３１の周縁から放射状に放出される。ロータ３１の回転によって放出された不活性ガスは、溶融金属内に拡散され、さらにロータ３１の撹拌によって微細気泡化する。この微細気泡化した不活性ガスは、溶融金属中に含まれている水素や非金属酸化物等の不純物を取り込み又は当該不純物に付着して溶融金属の表面に浮上するので、これを処理することによって、溶融金属内の不純物を除去することができる。

本実施例に係る脱ガス用回転体１１によれば、シャフト３０とロータ３１を一体不可分に形成するようにした。これによって、溶融金属中のロータ３１を正逆両方向に回動させた場合であっても、たとえば従来のシャフト１０１にロータ１０２を螺合しているタイプの回転体１００のように、逆方向に回動させたときにロータ３１が緩むおそれもなく、また正逆方向の急反転を伴う回動を繰り返し行った場合であっても、ロータ３１の回動に伴う振動によってシャフト３０からロータ３１が脱落したり、嵌合部が緩むこともないので、ロータ３１が設けられているシャフト３０先端の損耗を防ぎ、耐久性を上げることができる。

また、シャフト３０とロータ３１を一体不可分に形成した本実施例に係る回転体１１と、従来のシャフト１０１とロータ１０２が別体である回転体１００と比較すると、まず、本実施例に係る回転体１１は、シャフト３０先端のロータ３１嵌合部が無いため、当該ロータ３１嵌合部に溶融金属が浸透することが無い。そのため、ロータ３１が設けられているシャフト３０先端の損耗を防ぎ、ロータ３１のガタツキも無く、回転体１１が破損することを防止することができる。
次に、従来の回転体１００であればロータ１０２嵌合部を保護するため、耐火物で後から補強することが行われている。一方、本実施例に係る回転体１１によれば、そのような補強のみを目的とした耐火物は不要である。
さらに、従来の回転体１００であれば、シャフト１０１とロータ１０２の焼成変形によって、シャフト１０１にロータ１０２が組み付けられなくなる嵌め合わせの問題が生じるおそれがあるが、本実施例に係る回転体１１によれば、そのような嵌め合わせの問題は起こりえない。そのため、回転体１１の不良品発生率を抑えることができる。
そして、本実施例に係る脱ガス用回転体１１によれば、回転体１１の損耗を防ぐことができ、当該損耗に伴って回転体１１を構成する耐火物の塵芥が不純物として溶融金属に混入することを防止することができるので、混入物が非常に少ない、より一層高純度な金属を得ることができる。

１０…回転脱ガス装置、
１１…回転体、１２…駆動部、
１３…駆動モータ、１４…ベース、
１５…ベースフレーム、１６…支持脚、１７…軸受、１８…駆動シャフト、１８ａ…駆動シャフトの基端、１８ａ…駆動シャフトの先端、１９…ガス供給路、２０…ベルト、２１…制御装置、２２…ガス供給口、２３…ロータリーシール、２４…ガス管、
３０…シャフト、３１…ロータ、３２…ガス通路、３３…ガス拡散路、
５０…撹拌槽、５１…蓋、５１ａ…孔部。

Claims (2)

1. ガス通路を備えたシャフトと、当該シャフトの先端に配置された溶融金属撹拌用のロータを有し、
   前記シャフトの基端を回転脱ガス装置の駆動モータに連結して、回動自在に溶融金属を撹拌する脱ガス用回転体の製造方法であって、
   黒鉛質、セラミックス質、及びガラス質を所定の構成比率で混合した粉粒体状の耐火物を、
   前記回転体用の成形型に充填し、圧縮加圧し、焼成して、
   前記シャフトと前記ローターとが一体不可分となるように前記回転体を形成するようにしたことを特徴とする脱ガス用回転体の製造方法。
2. ２０％〜４０％の前記黒鉛質、４０％〜６０％の前記セラミックス質、及び５％〜２０％のガラス質を所定の混合比率で混合して前記耐火物を形成することを特徴とする請求項１に記載の脱ガス用回転体の製造方法。

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