JP6865698B2

JP6865698B2 - 金属溶湯用撹拌体

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Publication number: JP6865698B2
Application number: JP2017565457A
Authority: JP
Inventors: 英気堤; 哲也内野
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2037-01-16
Also published as: WO2017135021A1; JPWO2017135021A1; CN108474622A; CN108474622B

Description

本発明は、アルミニウムやアルミニウム合金を始めとする各種の金属の溶湯の脱ガス処理をするために用いる金属溶湯用撹拌体に関する。

アルミニウム又はアルミニウム合金等の脱ガス処理は、例えば、図６に示すように、脱ガス処理装置８０の貯留部内に貯留された、アルミニウム又はアルミニウム合金等の金属からなる溶湯（以下、「溶湯」又は「金属溶湯」とも記載する）１０１中にアルゴン、窒素、塩素などの吹き込みガスを分散させながら、金属溶湯用撹拌体１００により溶湯１０１を撹拌して行う。この処理により、溶湯１０１中に溶け込んでいる水素などの有害ガスや微小介在物を吹き込みガス中に取り込ませて除去する。このような金属溶湯用撹拌体１００は、例えば、下記特許文献１〜４に開示されている。

特開２０１０−１８８３８８号公報特開２０１０−２２３４３６号公報特開２０１２−１６７８６８号公報特開２０１５−６４１９０号公報

図７及び図８に、従来の金属溶湯用撹拌体１００の一例を示す。金属溶湯用撹拌体１００は、吹き込みガスが流通可能な通気路１０４を内部に設けた筒状のシャフト１０３と、該シャフト１０３の端部に配設された撹拌翼１０２とが別々の部材として形成されている。例えば図７及び図８に示すように、撹拌翼１０２は平面視したときの中央部分に円孔１２０を有している。図８に示すように、撹拌翼１０２における円孔１２０の内周部１０２ｆはネジ部１０２ｙを有している。同様に、シャフト１０３の外表面（外周部）１０３ｄはその下端１０３ａ近傍において、円孔１２０のネジ部１０２ｙと対向する位置に、ネジ部１０３ｘを有している。ネジ部１０２ｙとネジ部１０３ｘとは、何れもシャフト１０３の通気路１０４に沿う方向（図８のＸ方向、以下縦方向Ｘともいう）に沿って形成されている。円孔１２０のネジ部１０２ｙ及びシャフト１０３のネジ部１０３ｘには互いに対応する位置に、相対応するネジ山及びネジ溝が形成されており、これらのネジ山及びネジ溝を介して、シャフト１０３と撹拌翼１０２とをねじ込むことにより、両者が接続されるようになっている。シャフト１０３の外表面１０３ｄには、ネジ部１０３ｘの上端とシャフト１０３の径方向に隣接し且つ縦方向Ｘと略垂直な水平面部１０３ｇが形成されている。同様に、撹拌翼１０２の内周部１０２ｆには、ネジ部１０２ｙの上端とシャフト１０３の径方向に隣接し且つ縦方向Ｘと略垂直な水平面部１０２ｇが形成されている。撹拌翼１０２をシャフト１０３に接続させる際には、シャフト１０３の水平面部１０３ｇと撹拌翼１０２の水平面部１０２ｇとが突き当たるようにねじ込みが行われる。

しかしながら、このような金属溶湯用撹拌体では、使用しているうちに、シャフト１０３及び／又は撹拌翼１０２に割れ及びヒビが生じる場合があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、吹き込みガスが流通可能な通気路を内部に有するシャフトと、該シャフトの端部に配設された撹拌翼とを有する金属溶湯用撹拌体において、
前記シャフトは、前記撹拌翼と別部材に形成されているか、又は前記通気路に沿う方向と交差する方向に二以上に分割可能に形成されており、
前記シャフトと前記撹拌翼との境界部において、該シャフトと該撹拌翼とが、両者の間に該撹拌体の外部と連通する隙間が存在しない状態で連続している、金属溶湯用撹拌体を提供するものである。

図１は、本発明の金属溶湯用撹拌体の第１実施形態の斜視図である。図２は、図１に示す金属溶湯用撹拌体におけるシャフトをその中心軸を含む平面で切断した断面図である。図３Ａは、図２における撹拌翼とシャフトとの境界部の部分拡大図である。図３Ｂは、図３Ａにおける撹拌翼とシャフトとの隙間をセラミックス材料により未だ封止されていない状態で示す部分拡大図である。図４は、本発明の金属溶湯用撹拌体の第２実施形態を示す断面図であり、図２に相当する図である。図５は、図４における撹拌翼とシャフトとの境界部の部分拡大図であり、図３Ａに相当する図である。図６は、従来の金属溶湯用撹拌体の使用例を模式的に示した断面図である。図７は、従来の金属溶湯用撹拌体の断面図である。図８は、従来の金属溶湯用撹拌体における撹拌翼とシャフトとの境界部の部分拡大図である。

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。なお、本発明の範囲は、この実施形態に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態の金属溶湯用撹拌体１は、図１及び図２などに示すように、吹き込みガスが流通可能な通気路４を内部に設けたシャフト３と、該シャフト３の一方の端部３ａに配設された撹拌翼２とを備えている。シャフト３は、その中心軸の延びる方向であるＸ方向（縦方向Ｘ）を有する。

本発明においてシャフト３と撹拌翼２は別部材であってもよく、或いは単一部材であってもよい。何れの場合であってもシャフト３は端部３ａにガス噴出口３０を有する筒状体部材であり、撹拌翼２は筒状体の端部３ａからシャフト３の径方向に広がる部材である。シャフト３の径方向とは、シャフト３をその中心軸と直交する平面で切断して得られる円の中心点を起点に放射状に延びる方向である。本実施形態ではシャフト３と撹拌翼２は別部材に形成されている。

撹拌翼２及びシャフト３は、耐熱性を有する材料、例えばセラミックスから形成されている。セラミックスとしては、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）系セラミックス、サイアロン系セラミックス、炭化珪素（ＳｉＣ）系セラミックス、カーボンセラミックス、カーボンなどが挙げられる。窒化珪素系セラミックスとしては、窒化珪素粉末を焼結助剤で焼結させたものや、金属Ｓｉを窒素雰囲気中で窒化させた後、焼結助剤で焼結させたもの、炭化珪素の粒子を窒化珪素により結合した窒化珪素結合炭化珪素焼結体等が挙げられる。炭化珪素系セラミックスとしては、炭化珪素粉末を焼結助剤で焼結させた炭化珪素焼結体や炭化珪素を含有する酸化珪素結合炭化珪素焼結体などが挙げられる。カーボンセラミックスとしては、カーボン、炭化珪素及び／又は炭化ホウ素等を混合して焼結体としたものなどが挙げられる。なかでも、耐摩耗性と耐熱衝撃性を両立する観点より、窒化珪素系セラミックス、サイアロン系セラミックス、炭化珪素系セラミックスが好ましく、窒化珪素系セラミックスが最も好ましい。撹拌翼２及びシャフト３は、同じセラミックス材料から形成されていてもよく、異なるセラミックス材料から形成されていてもよい。

一般に、金属溶湯用撹拌体を用いて溶湯中のガスを除去するには、主にバッチ方式とインライン方式の二通りのやり方がある。バッチ方式は、例えば、ルツボなどに貯留した金属溶湯中に金属溶湯用撹拌体を浸漬させたり、引き抜いたりすることを繰り返し行ない、断続的にガスを除去するものである。一方、インライン方式は、連続溶湯などの炉で、連続的にガスを除去するものである。本実施形態の金属溶湯用撹拌体１は何れに用いられてもよいが、後述するようにバッチ方式であると、本発明の耐久性向上の効果が高いものである。

撹拌翼２は、図１、図２及び図３Ａなどに示すように、中央部がシャフト３の他方の端部３ｂに向けて隆起した傘形状に形成されている。尤も撹拌翼２の形状はこれに限定されず例えば円盤状等であってもよい。撹拌翼２は、図２及び図３Ａなどに示すように、平面視におけるその略中心部に設けた円孔２０にシャフト３の一方の端部３ａが固定できるようにしてある。図１などに示すように、撹拌翼２の外周部２ａには、該外周部２ａから円孔２０に向けて湾曲した切り欠き部２１が形成されている。切り欠き部２１は、図１などに示すように、撹拌翼２の外周部２ａに適宜間隔で方形状に切り欠いて形成してあり、この内側（シャフト３側）の両隅部は、丸隅状に形成してある。また撹拌翼２の底面部２ｂには貯留部２２、及び吹き込みガスが通る通路用の溝部２３が形成されている。具体的には、撹拌翼２の底面部２ｂには、該撹拌翼２の平面視において、円孔２０を囲むように円環状の貯留部２２が形成されている。貯留部２２は、撹拌翼２の底面部２ｂが、上面部２ｄに向けて凹陥することで形成されている。貯留部２２は、図１などに示すように、底面部２ｂを平面視したときの略中央部分に形成されている。貯留部２２は、図１などに示すように、上面にあたるシャフト３の底面端部３ａと、撹拌翼２の内周部２ｆと円孔２０とで囲まれる円環状に窪んだ空間としてあり、シャフト３から噴出された吹き込みガスを貯めることができるように形成してある。また、撹拌翼２の底面部には、該撹拌翼２の平面視において、該撹拌翼２の中心から径方向に沿って放射状に延びる条溝である溝部２３が複数形成されている。各溝部２３は、撹拌翼２の底面部２ｂが上面部２ｄに向けて凹陥することで形成されている。また各溝部２３は、その一端が、上述した貯留部２２と連通しており且つ他端が撹拌翼２の外周部２ａにまで達している。溝部２３は、図１などに示すように、断面を略方形状の溝として形成してあり、底面部２ｂに貯留部２２から外側に向かい各切り欠き部２１間を通り外周部２ａに抜けるように放射状に複数形成してある。なお、溝部２３は断面方形状に形成してあるが、これに限定するものではなく、断面円弧状や断面三角形状、断面Ｕ字状に形成することもできる。

撹拌翼２の直径は、概ね６０ｍｍ〜３５０ｍｍに形成することが好ましい。特に、用いられる撹拌槽が標準的なサイズ（例えば５５０〜７５０ｍｍ角）の場合は、撹拌翼２の直径を１２０ｍｍ〜３００ｍｍ、特に１７０ｍｍ〜２３０ｍｍに形成することがより好ましい。一方、用いられる撹拌槽が標準的なサイズよりも小さいサイズ（例えば３００〜５００ｍｍ角）の場合は、撹拌翼２の直径を６０ｍｍ〜１５０ｍｍに形成することがより好ましく、また用いられる撹拌槽が標準的なサイズよりも大きいサイズ（例えば８５０〜１０００角）の場合は、撹拌翼２の直径を２２０ｍｍ〜３５０ｍｍに形成することがより好ましい。また撹拌翼２における円孔２０の内周部２ｆ（図３Ａ参照）の肉厚は、７ｍｍ〜２１ｍｍ、特に９ｍｍ〜１８ｍｍに形成し、撹拌翼２の外周部２ａ（図１参照）の肉厚は、６ｍｍ〜１６ｍｍ、特に８ｍｍ〜１２ｍｍに形成するのが好ましい。肉厚は、撹拌翼２の縦方向Ｘの厚さから、溝部２３よりも底面部２ｂ側の部分の厚さを除いた厚さである。

シャフト３は、図２に示すように、底部である端部３ａを有する円筒状をしている。この円筒状体の内部が、吹き込みガスが流通可能な通気路４として形成されている。シャフト３の端部３ａには、平面視したときの略中心部分に円状の孔であるガス噴出口３０が形成されている。ガス噴出口３０は、シャフト３内の通気路４を通過した吹き込みガスが噴射される出口である。

図２に示すように、シャフト３は、その上端部の側方を取り囲むフランジ４２を介して脱ガス処理装置に固定されている。シャフト３はフランジ４２に不図示のネジにより固定されている。更に、フランジ４２も脱ガス処理装置内に、ネジ穴４３を通るネジによりネジ止めされており、これにより、金属溶湯用撹拌体１を脱ガス処理装置内に固定することができる。金属溶湯用撹拌体１の内部の通気路４は脱ガス処理装置と不図示のガス管を通じて接続している。

図３Ａに示すように、本実施形態においても、従来の金属溶湯用撹拌体１００と同様に、撹拌翼２における円孔２０の内周部２ｆはネジ部２ｙを有している。同様に、シャフト３の外表面（外周部）３ｄは、円孔２０のネジ部２ｙと対向する位置に、ネジ部３ｘを有している。円孔２０のネジ部２ｙ及びシャフト３のネジ部３ｘには互いに対応する位置に、相対応するネジ山及びネジ溝が形成されており、これらのネジ山及びネジ溝を介して、シャフト３と撹拌翼２とをねじ込むことにより、両者が接続されるようになっている。ネジ部２ｙとネジ部３ｘとは、何れもシャフト３の通気路４に沿う方向（縦方向Ｘ）に沿って形成されている。ネジ部２ｙとネジ部３ｘとは、何れも縦方向Ｘに対して平行に垂直面部上に形成されているが、これに限定されない。例えばネジ部３ｘが、下方（端部３ａ側）に向かってシャフト３の外径が漸次縮小するように窄む傾斜面上に形成されており、ネジ部２ｙがこの傾斜面に対応した傾斜面上に形成されていてもよい。なお本明細書中、「縦方向Ｘに平行な垂直面」は「縦方向Ｘに平行な曲面」を含む。図３Ａに示す例では、縦方向Ｘ下方において、ネジ部３ｘはシャフト３の端部３ａまで延設されている。またネジ部２ｙは縦方向Ｘにおいてネジ部３ｘと対応する略全域に設けられている。

ここで、ネジ部２ｙ及び３ｘの形状は、それぞれ同一のネジの規格、例えばＪＩＳＢ０２０５規格に基づくように製造しておくと、ネジ部２ｙ及び３ｘ同士の噛み合わせによる金属溶湯に対するシール性を高いものとすることができる。

本実施形態では、従来の金属溶湯用撹拌体１００と異なり、シャフト３と撹拌翼２との境界部においてシャフト３と撹拌翼２とが、両者の間に撹拌体１の外部と連通する隙間が存在しない状態で連続している。

「シャフト３と撹拌翼２との間に撹拌体１の外部と連通する隙間が存在しない状態」とは、シャフト３と撹拌翼２との境界部において、シャフト３と撹拌翼２とが、両者間に撹拌翼２の外部に連通しない隙間が存在する状態で連続していることを許容する意図である。この場合、この隙間には金属溶湯が侵入不能である。金属溶湯用撹拌体１のシャフト３と撹拌翼２との間には撹拌体１の外部と連通しない隙間も存在しないことがより好ましい。金属溶湯用撹拌体１のシャフト３と撹拌翼２との間には隙間が一切存在しないことが最も好ましい。

「シャフト３と撹拌翼２とが連続する」とは、撹拌翼２がシャフト３と別部材に形成されている場合、両者が直接接触しているか、又は、両者がシール材を介して隣接していることをいう。但し「シャフト３と撹拌翼２とが連続する」とは、シャフト３と撹拌翼２とがその境界部全体で直接接触していたり、シール材を介して隣接していることまでは要さない。例えば、シャフト３と撹拌翼２とが両者の境界部の一部で直接接触している場合、外部に連通しない隙間であれば、該境界部の他の部分において、互いと直接接触していない部分（隙間）を有していてもよい。またシャフト３と撹拌翼２とが両者の境界部の一部でシール材を介して隣接している場合、外部に連通しない隙間であれば、両者はその境界部に、互いとシール材を介して隣接していない部分（隙間）を有していてもよい。また「シャフト３と撹拌翼２とが連続する」とは、後述するように撹拌翼２がシャフト３の一部と一体に形成されている場合における一体形成による連続性をも含む。

本発明者は、従来の金属溶湯用撹拌体１００において、使用時間が経過するにつれて割れ又はヒビが生じる理由を鋭意検討した。その結果、従来の金属溶湯用撹拌体１００のように単にシャフト１０３と撹拌翼１０２とに互いに嵌合するネジ部を設けたものでは、設計図面上は意図しない隙間（不図示）がネジ部１０３ｘ、１０２ｙ同士の間又は水平面部１０３ｇ及び水平面部１０２ｇの間に形成され、この隙間に金属溶湯が浸入し、その膨張収縮が割れやヒビを発生させてしまうことを知見した。そして、金属溶湯用撹拌体１の撹拌翼２とシャフト３との接続部分における内部に、金属溶湯が浸入可能な空間をなくすことで撹拌体の割れ及びヒビを効果的に防止できることを見出した。ここでいう内部とは、撹拌翼２とシャフト３の両方に挟まれた部分をいう。

撹拌翼２とシャフト３との接続部分の内部において金属溶湯が浸入可能な空間をなくすことで割れ及びヒビを防止できる理由は明確ではないが、本発明者は以下のように推測している。ネジ部同士の隙間に浸入した金属溶湯は、シャフト３及び撹拌翼２の構成材料よりも熱膨張係数が大きい場合が多い。また、撹拌翼２は金属溶湯中で高速回転させるものであるため、シャフト３との接続部分には応力が集中する。撹拌体が高温の金属溶湯に浸漬されて使用される際に、隙間に浸入した金属溶湯が熱膨張を起こすことにより隙間にテンションが掛かる。この状態において、金属溶湯用撹拌体１が回転して、撹拌翼２とシャフト３との接続部分に応力が集中することが、割れの原因の一つと推測される。特に、バッチ方式では、高温の金属溶湯に対して撹拌体の出し入れを頻繁に行うので、撹拌体は厳しい温度変化の繰り返しを受けることとなり、割れ又はヒビが生じやすい。

上述した図８に示すように、従来においては、撹拌翼１０２の円孔１２０の内周部１０２ｆの縦方向Ｘの略全体に、ネジ部１０２ｙが設けられており、シャフト１０３においても、このネジ部１０２ｙと対向する縦方向Ｘの範囲にネジ部１０３ｘが形成されていた。これに対し、図３Ａに示すように、本実施形態では、ネジ部２ｙを設ける縦方向Ｘの範囲を円孔２０の下側（通常は下端）から縦方向Ｘの途中（円孔２０の上端部２０ｓ近傍）までとし、シャフト３においてこのネジ部２ｙに対向させる縦方向Ｘの範囲にネジ部３ｘを形成させている。更に本実施形態では、それらネジ部２ｙ及び３ｘよりも上方に、撹拌翼２とシャフト３との間の隙間（図３Ａ及び図３Ｂに示す後述の溜まり部７）にセラミックス材料からなるシール材５が充填されてなるシール部を設けている。このシール材５はシャフト３と撹拌翼２との境界部において両者の間に存在する隙間をシールするシール部の役割を果たしている。このシール材５からなるシール部により、該シャフト３の外表面３ｄと該外表面３ｄと隣接する撹拌翼２の表面（図３Ａ及び図３Ｂに示す例では内周部２ｆ）との間における、撹拌体１の外部と連通する隙間（溜まり部７）が塞がれて封止（シールともいう）されている。これにより、シャフト３の外表面３ｄと該外表面３ｄと隣接する該撹拌翼２の上面部２ｄとを、撹拌体１の外部と連通する隙間が存在しない状態でシール材５を介して連続させることができる。このような金属溶湯用撹拌体１では、シャフト３と撹拌翼２との境界部において両者が撹拌体１外部と連通する隙間が存在しない状態で連続しており、該境界部の内部において、金属溶湯が侵入可能な空間を有さない。これにより、シャフト３と撹拌翼２との境界部に金属溶湯が浸入しないため、撹拌体１の耐久性が高く、長期間使用しても割れやヒビが生じることを防止することができる。

このシール材５としては窒化珪素系セラミックス、炭化珪素系セラミックスの他、金属溶湯、特に溶融したアルミニウムとの濡れ性の悪いセラミックスとして例えばジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）、窒化ホウ素（ＢＮ）等が挙げられる。これらは、例えば、セラミックス粉末や金属Ｓｉの粉末等のセラミックス原料粉末５ａを溜まり部７に充填した後、焼成することで形成することができる。焼成の前に、これらの原料粉末５ａは必要に応じて水などの溶媒とともにスラリーとすることが好ましい。窒化珪素系セラミックスからなるシール材を得るための原料粉末５ａとしては、窒化珪素系セラミックスの粉末や、金属Ｓｉの粉末等が挙げられる。原料粉末５ａとして窒化珪素系セラミックスの粉末を用いる場合には、大気又は窒素雰囲気で焼成し、原料粉末５ａとして金属Ｓｉの粉末を用いる場合には、窒素雰囲気で焼成する。炭化珪素系セラミックスからなるシール材５を得るための原料粉末５ａとしては、炭化珪素系セラミックスの粉末等が挙げられる。また、ジルコン（ＺｒＳｉＯ４）からなるシール材５を得るための原料粉末５ａとしては、ジルコン粉末や金属ジルコニウムとシリカの混合粉末などを用いることができ、窒化ホウ素（ＢＮ）からなるシール材を得るための原料粉末５ａとして窒化ホウ素粉末等を用いることができる。
これらの原料粉末５ａをスラリーとして溜まり部７に充填し、焼成することでシール部のシール性が確保できる。また、シール部を、セラミックス粉末や金属Ｓｉ粉末の焼成により製造することで、シール部は、通常、周囲の撹拌翼２及びシャフト３同士を接着する接着部としても機能する。このような接着部は、撹拌体１の強度を高める役割も有する。
また特に原料粉末５ａとして金属Ｓｉの粉末を用いる場合には、窒素雰囲気で焼成することで窒化珪素系セラミックスからなるシール材５が得られる。こうした金属Ｓｉの窒化による膨張効果により原料粉末５ａの焼成によるシールとして更に緻密なシール性能が得られることから、原料粉末５ａとしては金属Ｓｉの粉末を用いることが好ましい。
更に、シール材５及びシール部を窒化珪素系セラミックスからなるものとし、且つ、撹拌翼２及びシャフト３を何れも窒化珪素系セラミックスで形成すると、耐摩耗性と耐熱衝撃性に優れた同一のセラミックス材料により撹拌翼２とシャフト３とを、撹拌体１の外部と連通する隙間なく連続させることができ、より一層好ましい。金属Ｓｉの粉末の平均粒径としては、０．１μｍ以上５０μｍ以下のものが好適に用いられる。また焼成温度としては、１０００℃以上１６００℃以下が好適である。上述したように、窒化珪素系セラミックスの代わりに金属溶湯、特に溶融したアルミニウムとの濡れ性の悪い充填剤、例えばジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）、窒化ホウ素（ＢＮ）の粉末を後述するザグリ部３ｂと撹拌翼２の内周部２ｆとの隙間に充填させた場合も、撹拌翼２とシャフト３との間をシール可能である。しかし長期間使用すると、金属溶湯に濡れる場合があり、いったん濡れてしまうと、撹拌翼２とシャフト３の間に金属溶湯が浸透してしまう恐れがゼロではない。この点からも、撹拌翼２とシャフト３の間のシール部は、窒化珪素系セラミックスからなるものとすることが最も好ましい。

ネジ部２ｙ及び３ｘの縦方向Ｘの長さＬ３（図３Ａ参照）は、撹拌翼２の肉厚より短いものであって、かつ、溜まり部７を形成しながら撹拌翼２とシャフト３とをしっかり固定する観点から、３ｍｍ以上４０ｍｍ以下が好ましく、８ｍｍ以上２０ｍｍ以下がより好ましい。

シール材５が充填されている溜まり部７は、ネジ部２ｙ及び３ｘの上方に隣接している。溜まり部７はシャフト３の全周に亘り、撹拌翼２との接続部分に設けられている。より具体的には、溜まり部７は、シャフト３と撹拌翼２との接続部分に、シャフト３の中心軸を中心とした円環状、又は該中心軸と一致する中心軸を有する円筒状に形成された空間である。図３Ｂに示すように、シャフト３の中心軸を含む断面を視たときに、溜まり部７はシャフト３の径方向の長さよりも縦方向Ｘの長さが長い空間であることが好ましい。ここでシャフト３の中心軸を含む断面は、該中心軸を面内に含む、該中心軸の方向と平行な断面である。このような溜まり部７を有すると、焼成前の原料粉末５ａが径方向に散逸せずに滞留しやすい。またこのような溜まり部７を形成するようにすると、撹拌翼２の円孔２０の下側、例えば下端において、ネジ部２ｙ及び３ｘを確実に面当たりさせてネジ部２ｙ及び３ｘとの間に溶湯の浸入を不能としておけば、その上方においてはネジ部２ｙ及び３ｘとの間に僅かなずれが生じていても、溜まり部７に充填されたシール材５により撹拌翼２とシャフト３との隙間を封じることができる。ネジ部２ｙ及び３ｘをそれらの縦方向Ｘの略全体において完全に面当たりさせることは難しいが、縦方向Ｘの一部、例えば下側或いは下端において面当たりさせることは容易である。このようにシール材５が充填された溜まり部７を設けることで、撹拌翼２とシャフト３との接続部分において金属溶湯が浸入可能な空間を有しない金属溶湯用撹拌体１を容易に形成することができる。

図３Ａに示すように、シャフト３には、撹拌翼２との接続部における外表面３ｄにザグリ部３ｂが設けられている。ザグリ部３ｂは、シャフト３のネジ部３ｘを除く端部域に位置し、且つシャフト３の直径に対して細径となっている部分である。図３Ａに示すように、ザグリ部３ｂは、シャフト３の外表面３ｄのネジ部３ｘの上方に、シャフト３の周方向に亘って設けられている。具体的にはザグリ部３ｂは、シャフト３の外表面３ｄにおけるネジ部３ｘの上方、具体的には後述する傾斜面部３ｅの上方に隣接し、シャフト３の周方向に沿って形成されている。より具体的にはザグリ部３ｂは、シャフト３の外表面３ｄを、シャフト３の周方向に沿って、薄くそぎ取った形状をしている。シャフト３を縦方向Ｘと直交する平面で切断した断面において、ザグリ部３ｂの外周縁は円形である。ザグリ部３ｂの円形の外周縁の径は、同様の断面におけるネジ部３ｘの外径よりも大きくても小さくてもよい。仮にザグリ部３ｂの円形の外周縁の径がネジ部３ｘの外径よりも大きい場合、シャフト３を撹拌翼２と接続しない状態で、下方から視たときに、ザグリ部３ｂの円形の外周縁が観察される。この円形の外周縁は、同じ状態でシャフト３を下方から視たときに、ザグリ部３ｂよりも上方に位置するシャフト３の外表面３ｄの外周縁からなる円形と同心であり、且つ当該円形よりも半径が小さい円形となっている。なおシャフト３は、その直径が縦方向Ｘにおけるザグリ部を除く全域に亘り一定である。

図３Ａ及び図３Ｂに示す例では、ザグリ部３ｂは、シャフト３の外表面３ｄと同様に、縦方向Ｘに延びる垂直面を有するように形成されている。しかしながらザグリ部３ｂの形状はこれに限定されずに、下側（端部３ａ側）に向けて、シャフト３の直径が窄まる、すなわちシャフト３の直径が漸次縮径する傾斜面に形成されていてもよい。この場合の傾斜面が水平面に対してなす鈍角の角度は、後述する傾斜面部３ｅが水平面に対してなす鈍角の角度Ｒ２（図３Ｂ参照）よりも小さくなることが好ましい。また図３Ａに示すように、ザグリ部３ｂとその上側の縦方向Ｘに延びる垂直面状の外表面３ｄとは、下方（端部３ａ側）に向けてシャフト３の外径が漸次小さくなるように緩やかに傾斜した傾斜面部３ｃを介して連続して形成されていることが好ましい。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ザグリ部３ｂの下端部３ｓ（ザグリ部３ｂと傾斜面部３ｅとの境界部分）の高さ位置は、撹拌翼２の円孔２０の上端部２０ｓよりも低い位置にある。また図３Ａに示すように、ザグリ部３ｂの上端３ｋ（傾斜面部３ｃとの境界部分）は、撹拌翼２の円孔２０の上端部２０ｓよりも高い位置にある。原料粉末５ａの充填のしやすさや撹拌翼２及びシャフト３とのシール性を考慮して、溜まり部７の開口幅（シャフトの径方向の幅）Ｌ１（図３Ｂ参照）は０．０５ｍｍ以上４ｍｍ以下が好ましく、０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下がより好ましい。また同様の観点から、溜まり部７の縦方向Ｘの長さＬ２（図３Ｂ参照）は、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下が好ましく、１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下がより好ましい。

撹拌翼２の円孔２０はザグリ部３ｂに対向する部位に、縦方向Ｘに平行な垂直面部を有していても良く、縦方向Ｘと交差する傾斜面部を有していても良い。ここでいう傾斜面部は、下方に向かうにつれて円孔２０の内径が小さくなる傾斜面部であってもよく、逆に内径が大きくなる傾斜面部であっても良い。図３Ａ及び図３Ｂに示す例では、撹拌翼２の円孔２０はザグリ部３ｂと対向する部位に縦方向Ｘに延びる垂直面部２ｊを有している。より好ましくは撹拌翼２の円孔２０はザグリ部３ｂにおける縦方向Ｘに平行な垂直面部と対向する部位に、縦方向Ｘに延びる垂直面部２ｊを有している。垂直面部２ｊは円孔２０の上端部２０ｓまで延びている。垂直面部２ｊは、撹拌翼２を下方から視ると円孔２０の中心を中心とする円形に形成されている。このように溜まり部７を垂直面部２ｊ及びそれと対面するザグリ部３ｂの垂直面部に囲まれた空間とすると、原料粉末５ａを金属Ｓｉの粉末として溜まり部７に充填し、焼成することでシール材５を窒化珪素系セラミックスとする場合に、金属Ｓｉの粉末が焼成により膨張する際に溜まり部７から逃げてしまうことをより一層効果的に防止できる。また溜まり部７を垂直面部２ｊ及びそれと対面するザグリ部３ｂの垂直面部に囲まれた空間とすることは、金属溶湯用撹拌体の作製時に焼成完了前の原料粉末５ａがより一層散逸し難い点でも好ましい。撹拌翼２の円孔２０はザグリ部３ｂに対向する部位に、垂直面部２ｊの代わりに、下方に向かうにつれて円孔２０の内径が大きくなる傾斜面部を有するようにすると、更に金属Ｓｉの粉末が逃げにくいため好ましい。

垂直面部２ｊとザグリ部３ｂとの間に位置する溜まり部７の底面は傾斜面や凹凸を有する面に形成されていてもよく、平坦面に形成されていてもよい。図３Ｂに示す例のように溜まり部７の底面は傾斜面又は平坦面から形成されていることが、金属Ｓｉの粉末５ａを安定して戴置させる観点や、金属Ｓｉが窒化し体積膨張した際に散逸させない観点から好ましい。図３Ｂの例では、溜まり部７はシャフト３の中心軸を含む断面の形状が、一側辺を欠き上方に開口した略台形状に形成されている。しかしながら、溜まり部７の形状はこれに限られず、断面略Ｕ字状や、断面略コの字状に形成されていてもよい。図３Ｂに示す例では、後述する傾斜面部２ｅ及び傾斜面部３ｅが面一に接触した状態で、円孔２０の垂直面部２ｊが傾斜面部２ｅから起立するとともに、それよりもシャフト３の中心軸側でザグリ部３ｂ（シャフト３に形成された溜まり部７の側面部）が傾斜面部３ｅから起立し、溜まり部７の底面部は傾斜面部２ｅから形成されている。しかしながら、溜まり部７の底面をシャフト３に形成し、ザグリ部３ｂがこの底面から起立するように形成してもよい。その場合、この底面が撹拌翼２の内周部２ｆと連続する。

図３Ａに示す例では、シール材５は、溜まり部７内部全体に充填された状態で焼結されている。シール材５は、ネジ部２ｙとネジ部３ｘとの嵌合部分よりも上側における撹拌翼２とシャフト３との境界部分に隙間なく充填され、その構成粉末が互いにネッキングすることでシールを形成している。更にシール材５は、溜まり部７外に延出していてもよい。例えば、シール材５は円孔２０の上方におけるザグリ部３ｂの表面に付着されていてもよい。

上述したようにシール材５を構成するセラミックス材料の好ましい例としては、窒化珪素系セラミックスが挙げられる。例えば窒化珪素系セラミックスからなる接着部を形成する場合には、以下のようにする。まず、シャフト３と撹拌翼２とをネジ部３ｘとネジ部２ｙ同士のねじ込みにより両者を面当たりさせるように、且つ好ましくは、後述する傾斜面部２ｅと傾斜面部３ｅとを面当たりさせるように、接続させる。次いで、ザグリ部３ｂと撹拌翼２の内周部２ｆ（図３Ｂに示す例では垂直面部２ｊ及び傾斜面部２ｅ）との隙間である溜まり部７に金属Ｓｉからなる原料粉末５ａを充填させる（図３Ｂ参照）。充填後の撹拌翼２及びシャフト３の接続部分を窒素雰囲気下で焼成する。この焼成により金属Ｓｉの粉末から窒化珪素を生じるとともに体積膨張が起こるため、ザグリ部３ｂと撹拌翼２との間に設けられた溜まり部７に窒化珪素のシールが形成され、シャフト３と撹拌翼２との間を隙間なくシールすることができる。

本実施形態では、図３Ａ及び図３Ｂに示すように撹拌翼２は、Ｘ方向におけるネジ部２ｙ及び垂直面部２ｊの間に、下方に向かい円孔２０の外径が小さくなるように傾斜する傾斜面部２ｅを有する。傾斜面部２ｅは円孔２０の周方向に亘って設けられている。図３Ｂに示す例では、ザグリ部３ｂはその下側の一部が円孔２０の垂直面部２ｊ及び傾斜面部２ｅと対向している。

撹拌翼２が傾斜面部２ｅを有することは、円孔２０にシャフト３をねじ込む際に、傾斜面部２ｅに対してシャフト３の先端をスライドさせながら挿入できるため、シャフト３を円孔２０の奥までねじ込みやすく、シャフト３のネジ部３ｘと撹拌翼２のネジ部２ｙとの面当たりが確実に行われた状態となり、しっかりと嵌合しやすい。これにより、シャフト３と撹拌翼２との境界部におけるネジ部同士が隙間なく連続した状態がより一層実現しやすい。これに対して図８に示すように、従来の金属溶湯用撹拌体１００は、水平面部１０３ｇ及び水平面部１０２ｇにおいてシャフト３と撹拌翼２とを突き合わせていたため、円孔２０の奥まで完全にシャフト３が嵌入しにくくネジ部同士の面当たりが不足となる場合がある。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、シャフト３はその外表面３ｄにおける、ネジ部３ｘの上方に隣接する位置に、下方に向かいシャフト３の外径が小さくなるように傾斜する傾斜面部３ｅを有する。この傾斜面部３ｅは、ザグリ部３ｂの下方に隣接する位置であって、撹拌翼２の傾斜面部２ｅと対向する位置に、シャフト３の周方向に亘り設けられている。傾斜面部２ｅに加えてこのような傾斜面部３ｅを有すると、撹拌翼２とシャフト３をねじ込むときに傾斜面部３ｅが撹拌翼２の傾斜面部２ｅとスライドして、シャフト３を円孔２０の奥までより一層ねじ込みやすく、シャフト３のネジ部３ｘと撹拌翼２のネジ部２ｙとの面当たりが確実に行われた状態で、しっかりと嵌合しやすい。このため、傾斜面部３ｅを有することでより一層、シャフト３と撹拌翼２との境界部におけるネジ部同士の面当たりをより一層容易にしやすい。

上述したシャフト３と撹拌翼２とのねじ込みやすさ等の効果を奏する観点から、傾斜面部２ｅと縦方向Ｘに垂直な水平面とがなす角度Ｒ１は１０°以上６０°以下が好ましく、２０°以上５０°以下がより好ましい。また傾斜面部３ｅと縦方向Ｘに垂直な水平面がなす角度Ｒ２（図３Ｂ）は、１２０°以上１７０°以下が好ましく、１４０°以上１６０°以下がより好ましい。後述するように傾斜面部２ｅ及び傾斜面部３ｅを良好に面当たりさせる観点から、Ｒ１とＲ２とは合計で１８０°となることが好ましい。図３Ｂにおいて前記の水平面を点線Ｙで示す。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、本実施形態においては、金属溶湯用撹拌体１は、シャフト３と撹拌翼２との境界部において、シャフト３の外表面と前記撹拌翼２との間がセラミックス材料でシールされているとともに、縦方向Ｘにおける溜まり部７とネジ部２ｙと３ｘとの間の位置において、傾斜面部３ｅの一部又は全部が撹拌翼２の傾斜面部２ｅと面一に接触可能に形成されている。図３Ａ及び図３Ｂに示す例では、傾斜面部３ｅの略全体が撹拌翼２の傾斜面部２ｅと面同士で当接している。このように、シャフト３における溜まり部７とネジ部３ｘとの間に位置する面と、撹拌翼２における溜まり部７とネジ部２ｙとの間に位置する面とが面一に接触可能に形成されていると、金属溶湯用撹拌体１の使用時にこれらの面をしっかりと当接させて、両ネジ部２ｙ、３ｘに負担をかけすぎないため好ましい。このようにすると、ネジ部２ｙ、３ｘが良好に面当たりした状態をより一層維持しやすいため、ネジ部２ｙ、３ｘ間に隙間をより一層形成しにくい。またシャフト３における溜まり部７とネジ部３ｘとの間に位置する面と、撹拌翼２における溜まり部７とネジ部２ｙとの間に位置する面とが面一に接触可能に形成されていることで、ザグリ部３ｂと撹拌翼２の内周部２ｆとの間に、焼成前の原料粉末５ａをより一層容易に滞留させ、シール性の高い焼成をすることができる。シャフト３と撹拌翼２とは、ネジ部３ｘ及び２ｙの下端から溜まり部７にかけて、ネジ部３ｘ及び傾斜面部３ｅと、ネジ部２ｙ及び傾斜面部２ｅとが互いにＸ方向に連続的に面同士で接触していることが好ましい。

図３Ｂに示す例では、撹拌翼２の上端には縦方向Ｘに対して垂直、又はシャフトの径の外側に向かって傾斜を有する面２ｈが形成されていることが、シール材５を溜まり部７に滞留させやすいという観点及び窒化された際にシール性の高い焼成をするという観点から好ましい。図３Ｂに示す例では、シャフト３の中心軸を含む断面において、平坦な面２ｈと垂直面部２ｊとが角部を形成している。

次に図４及び図５に基づき、本発明の第２実施形態の金属溶湯用撹拌体１０を説明する。本実施形態において、第１実施形態と同様の事項は、同じ符号を付して説明を省略し、先の実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図４に示すように、金属溶湯用撹拌体１０のシャフト３は、通気路４に沿う方向（縦方向Ｘ）と交差する方向に分割可能に形成されている。具体的にはシャフト３は、通気路に沿う方向と交差する方向に二以上に分割されており、図４では端部３ａ付近で二つに分割されている。そして、分割により生じる筒状体である第１分割体３１及び第２分割体３２のうち最も端部３ａ側に位置する分割体である第２分割体３２が撹拌翼２と一体に形成されている。ここで、一体に形成されているとは、一体に焼成して形成したものであることを指す。一体に焼成して形成する例としては、第２分割体３２と撹拌翼２とを、同一の原料を一体に成形し、その成形物を焼成して形成することが挙げられる。

このような金属溶湯用撹拌体１０においてもシャフト３と撹拌翼２との境界部において、両者が隙間なく連続しており、該境界部において、金属溶湯が侵入可能な空間を有さない。これにより、シャフト３と撹拌翼２との境界部に金属溶湯が浸入しないため、撹拌体１０の耐久性を高められ、長期間使用しても割れやヒビが生じることを防止することができる。

通常、撹拌翼はその焼成前の成形体をマシニング装置により加工されて製造されるところ、シャフト３全体と撹拌翼２とを一体品として成形しようとした場合、得られるであろう成形品は割れにくくなることが期待できるものの、サイズが大きくなり過ぎ、汎用のマシニング装置内に成形体が入らない。また装置を大型のものとして、焼成前の成形体を無理に入れ込んでも、振動の発生等により加工ができない。成形体を焼成し、焼成後に加工する方法もあるが、焼成後セラミックスを研削することは、非常に生産性が悪く、極端にコストが高くなる。このためにシャフト３全体と撹拌翼２とを一体に成形することは、極めて量産性が悪い。一方本実施形態のようにシャフト３の分割体３２と撹拌翼２とを一体に成形する場合は、マシニング装置により、この分割体３２と撹拌翼２との焼成前の一体成形物を加工できるため、シャフト３と撹拌翼２との境界部に金属溶湯を浸入可能な空間を有しない撹拌体１０の製造が、低コストで可能である。

図４に示すように、分割体３１及び分割体３２は、それらの中心軸が一致するように連結されている。また分割体３１及び分割体３２の筒状部分は、内径及び外径がそれぞれ略同一である。従って、分割体３１及び分割体３２はこれを同一の中心軸を有するように連結した場合に外表面３ｄ及び内表面４ｄが滑らかに連続するように形成されている。分割体３１及び分割体３２は通常同じ材質のもの、例えば窒化珪素系セラミックスから形成される。

撹拌翼２と一体に形成された第２分割体３２は、第１分割体３１と、金属溶湯が侵入不能に連結されている。図５に示す例では、分割体３１及び分割体３２の境界部分の外側に取り付けられて両者を連結する環状材６０が設けられている。環状材６０は、シャフト３と同一の中心軸を有する筒状に形成されている。環状材６０の内径は、シャフト３の外径と略一致するように形成されている。環状材６０における内周部にはネジ部６０ａが形成されている。分割体３１における環状材６０と対向する外表面にはネジ部３１ａが形成されている。同様に分割体３２における環状材６０と対向する外表面にはネジ部３２ａが形成されている。環状材６０のネジ部６０ａ及び分割体３１、３２のネジ部３１ａ、３２ａには互いに対応する位置に、相対応するネジ山及びネジ溝が形成されている。図５に示すように、ネジ部３１ａ及びネジ部３２ａが分割体３１及び３２における環状材６０との対向部分よりも縦方向Ｘの外側にまで延出していると、分割体３１及び３２を環状材６０を用いてねじ込む際に、ネジ部３１ａ及びネジ部３２ａのタップ部分に一定の幅を持って締めこむことが可能となる。これにより、３１ｂと３２ｂの面が確実に面当たりし、より着実にシールをすることが容易になる利点がある。環状材６０はシャフト３の形成材料と同じ材料で形成されていることが好ましい。

分割体３１と分割体３２とを接続する際には、例えば分割体３１のネジ部３１ａに対し環状材６０のネジ部６０ａをねじ込んで分割体３１に対して環状材６０を固定する。次いで、環状材６０のネジ部６０ａに対して分割体３２のネジ部３２ａを、分割体３２の上端面３２ｂが分割体３１の下端面３１ｂに当接するまでねじ込んで環状材６０に対して分割体３２を固定する。ネジ部６０ａをそれぞれネジ部３１ａ及びネジ部３２ａと面当たりさせることにより、環状材６０と分割体３１及び分割体３２との間に金属溶湯が侵入可能な隙間をなくすことができる。このようにして、分割体３２と分割体３１とを、金属溶湯が侵入不能に連結できる。

上記に示すように、分割体３２の上端面３２ｂ及び分割体３１の下端面３１ｂは面と面とで接している（面当たりしている）。図５に示す例では、分割体３２の上端面３２ｂの全面と、分割体３１の下端面３１ｂの全面とが接している。また図５に示す例では、これらの面３２ｂ及び３１ｂは何れも縦方向Ｘに垂直な水平面に形成されている。しかしながら、これらの面３１ｂ及び３２ｂは縦方向Ｘに対して傾斜する傾斜面に形成してもよいし、或いは凹凸を有する面に形成してもよい。また分割体３２における上端面３２ｂ及び分割体３１の下端面３１ｂの間を接着剤で接着してもよい。このような接着剤としては例えばセラミックス粉末をスラリーとした材料が用いられ、その例としては、第１実施形態で用いたシール材と同様のものが挙げられる。

分割体３２及び撹拌翼２の一体成形物の縦方向Ｘの長さＬ５（図４参照）の金属溶湯用撹拌体１０の縦方向Ｘの長さＬ４（図４参照）に対する比Ｌ５／Ｌ４が、一定以下であることで金属溶湯用撹拌体の回転状態が安定しやすくなる。またこの比Ｌ５／Ｌ４は、一定以上であることがシャフト３を分割体として撹拌翼２と一体化させることによる割れ及びヒビ防止効果を高いものとしやすい。これらの観点から、Ｌ５／Ｌ４は０．０２以上０．４以下であることが好ましく、０．０５以上０．２以下であることがより好ましく、０．０８以上０．１５以下であることが特に好ましい。

また、シャフト３の厚みＬ６（図５参照）に対する、環状材６０の厚みＬ７（図５参照）の比Ｌ７／Ｌ６は、一定以上であることにより機械的な破損をより一層防止しやすい利点があり、一定以下であることにより、熱衝撃による破損をより一層防止しやすい利点がある。この観点から、Ｌ７／Ｌ６は０．５以上１．５以下であることが好ましく、０．８以上１．２以下であることがより好ましい。

また、環状材６０の縦方向Ｘの長さＬ８（図５参照）は、機械的強度や構造強度を考慮して、１５ｍｍ以上５０ｍｍ以下が好ましく、２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下がより好ましい。

以上、２つの実施形態の金属溶湯用撹拌体を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。
例えば、第１実施形態では、ネジ部２ｙ及び３ｘの上側にシール材５が滞留する縦方向Ｘに延びる空間を有すればよく、傾斜面部３ｅ及び２ｅを必ずしも形成する必要はない。

更に、第１実施形態において、ネジ部２ｙと３ｘとの間に上記のシール材５と同様の材料を充填させることで更に一層、シャフト３と撹拌翼２との間のシール性を高めてもよい。しかしザグリ部等を用いた溜まり部７を存在させずに、単に、ネジ部２ｙと３ｘとの間にシール材としてセラミックス材料を充填した場合は、使用中にセラミックス材料が漏れ出てしまう可能性がある。

また、第２実施形態において、分割体３１及び３２は、これらの中心軸を一致させて嵌合させる嵌めあい構造を形成できれば、接着剤などを用いて環状材６０なしに連結させることもできる。また、環状材６０は、シャフト３に外付けする代わりに、シャフト３の内側から分割体同士を連結するものであってもよい。しかしながら、製造のしやすさや金属溶湯が浸入不能に分割体３１及び３２を連結する点を考慮すれば、環状材６０のような外付けの連結用部材を用いることが好ましい。

本発明によれば、吹き込みガスが流通可能な通気路を内部に設けたシャフトと、該シャフトの端部に配設された撹拌翼とを有する金属溶湯用撹拌体における、シャフト及び／又は撹拌翼の割れ及びヒビの発生を効果的に抑制し、耐久性を向上させることができる。

Claims

吹き込みガスが流通可能な通気路を内部に有するシャフトと、該シャフトの端部に配設された撹拌翼とを有する金属溶湯用撹拌体において、
前記シャフトは、前記撹拌翼と別部材に形成されており、
前記シャフトと前記撹拌翼との境界部において、該シャフトと該撹拌翼とが、両者の間に前記撹拌体の外部と連通する隙間が存在しない状態で連続しており、
前記撹拌体は、前記シャフトと前記撹拌翼との境界部において、該シャフトと該撹拌翼との前記撹拌体の外部と連通する隙間がシール部により封止されており、
前記シャフトは、前記撹拌翼との接続部における外表面に前記シャフトの直径に対して細径となる部分であるザグリ部が設けられており、前記ザグリ部と前記撹拌翼との隙間に前記シール部が設けられており、
前記撹拌体は、前記ザグリ部と前記撹拌翼との隙間に、セラミック原料粉末を充填させるための溜まり部を有しており、
前記シール部は、前記溜まり部に充填されたセラミック原料粉末の焼成体からなる、金属溶湯用撹拌体。
前記シャフトと前記撹拌翼とが何れもセラミックスからなる、請求項１に記載の金属溶湯用撹拌体。
前記シャフトと前記撹拌翼とが何れも窒化珪素系セラミックスであり、前記セラミック原料粉末が窒化珪素系セラミック粉末である請求項２に記載の金属溶湯用撹拌体。