JP6954589B2 - 撹拌機及び溶湯処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、液状物質、例えば、溶融状態のアルミニウム合金やマグネシウム合金等の金属を撹拌する際に用いられる撹拌機及び溶湯処理装置に関する。

アルミニウム合金やマグネシウム合金を用いた製品は、製品寿命が尽きれば回収され、溶解炉等で溶融されて、他の製品に再利用されることがある。

アルミニウム合金、マグネシウム合金は化学的に活性な金属であるため、溶解炉等において大気に曝されると容易に酸化して多量の酸化物及び酸化物に付着した介在物（以下、「ドロス」という）を形成する。ドロスにはＡｌ_２Ｏ_３，ＭｇＯ，Ａｌ_２ＭｇＯ_４，ＳｉＯ_２，珪酸塩、Ａｌ・Ｓｉ・Ｏ，ＦｅＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３などの酸化物の他に、炭化物（Ａｌ_４Ｃ_３、Ａｌ_４Ｏ_４Ｃ、黒鉛炭素）、ボライド（ＡｌＢ_２、ＡｌＢ_１２、ＴｉＢ_２、ＶＢ_２）、Ａｌ_３Ｔｉ、Ａｌ_３Ｚｒ、ＣａＳＯ_４、ＡｌＮ及び各種のハロゲン化物がある。ドロスが懸濁によってアルミニウム溶湯中に混入すると、最終的に非金属介在物となって展伸材、鍛造品、ダイカスト品などの製品の品質低下を招く。このため溶解炉、保持炉、トリベ等の各段階において溶湯からドロスを分離除去する必要がある。

溶解炉の回転傾度を変えることによりドロスを溶湯から分離排出し、効率よく回収する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このように溶解工程でドロスを効率よく回収することができるが、Ａｌ溶湯中には酸素等の不純物ガス成分が含まれているので、さらに再溶解時に脱ガス処理する必要がある。

一方、脱ガス処理方法として、処理槽内の溶湯にアルゴン、窒素、塩素等の処理ガスを吹込みガスバブリングする技術が知られている。例えば、ガスバブリング中の溶湯にフラックスを投入する方法（例えば、特許文献２参照。）、あるいはガスバブリング中の溶湯を回転羽根により撹拌する方法（例えば、特許文献３，４，５参照。）が知られている。さらに、溶湯にフラックスを投入し、撹拌機で撹拌し、溶湯中に混在する酸化物を改質してドロスを溶湯から容易に分離させる溶湯の処理方法が知られている（例えば、特許文献６参照。）。

特開平１０−２２７５６７号公報（４頁〜５頁） 特開昭６３−１８３１３６号公報（１頁〜４頁、図１、図２） 特開平１０−３０６３３０号公報（３頁〜４頁、図５、図６） 特開昭６２−２９７４２２号公報（１頁、図１） 特公平７−６８５９１号公報（１頁、図１） 特開２００４−１４３４８３号公報（図１、図４）

上述した撹拌機及び溶湯処理装置は、次のような問題があった。すなわち、バブルの径が大きくなり、単位体積当たりの表面積が小さくなり、しかも、溶湯中における滞留時間が短く、短時間で大気中に拡散していた。このため、処理ガスの供給量は、例えば、０．３ＭＰａで１分当たり２０Ｌ程度であり、一般的な処理時間において１００Ｌ程度の処理ガスを供給する必要があった。このため、処理ガスの使用量が多く、処理コストが高くなる原因になっていた。

また、バブルを効率的に発生させようと回転羽根を溶湯の表面近くに配置すると、溶湯表面に大きな渦が発生して大気を巻き込み、酸化物が増えるという弊害があった。

そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、マイクロバブルを発生させることで、溶湯中における表面積を大きくし、かつ、長時間、溶湯中に滞留させることができる撹拌機及びこの撹拌機を用いた溶湯処理装置を提供することを目的とする。

回転駆動軸に取り付けられ、溶融金属を撹拌すると共に処理ガスを供給する撹拌機において、基端側が前記回転駆動軸を軸支する円筒部の先端側に取り付けられると共に前記処理ガスが供給される筒状の第１筐体と、前記第１筐体内部に挿入され、前記回転駆動軸に基端側が結合された回転軸と、前記第１筐体の内径及び外径よりもその内径及び外径が大きく形成され、前記第１筐体の先端側に底側を前記第１筐体側にして設けられると共に、前記回転軸の先端側を軸支する有底筒状の第２筐体と、前記第２筐体内に収容され、前記回転軸の先端側に取り付けられた回転羽根を具備し、前記第２筐体の底部には、内部に通じる貫通孔が形成されると共に、前記回転軸の外周から前記処理ガスを供給する供給孔が形成されている。

溶融金属を撹拌すると共に、処理ガスを供給することで不要ガスを除去する溶湯処理装置において、前記溶融金属を収容する処理槽と、この処理槽上方に配置され、下方に回転駆動軸が突出形成されたガス供給／回転駆動機構と、このガス供給／回転駆動機構の下端に設けられ、前記処理槽に挿脱可能に設けられた撹拌機を備え、前記撹拌機は、基端側が前記回転駆動軸を軸支する円筒部の先端側に取り付けられると共に前記処理ガスが供給される筒状の第１筐体と、前記第１筐体内部に挿入され、前記回転駆動軸に基端側が結合された回転軸と、前記第１筐体の内径及び外径よりもその内径及び外径が大きく形成され、前記第１筐体の先端側に底側を前記第１筐体側にして設けられると共に、前記回転軸の先端側を軸支する有底筒状の第２筐体と、前記第２筐体内に収容され、前記回転軸の先端側に取り付けられた回転羽根を有し、前記第２筐体の底部には、内部に通じる貫通孔が形成されると共に、前記回転軸の外周から前記処理ガスを供給する供給孔が形成されている。

マイクロバブルを発生させることで、溶湯中における表面積を大きくし、かつ、長時間、溶湯中に滞留させることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る脱ガス処理装置を示す説明図。 同脱ガス処理装置に組み込まれた撹拌装置及び撹拌機を示す縦断面図。 同脱ガス処理装置による脱ガス処理工程を示す説明図。 同脱ガス処理装置及び他の脱ガス処理装置による処理結果を示す説明図。 同脱ガス処理装置及び他の脱ガス処理装置による処理結果を示す説明図。

図１〜図３は、本発明の第１の実施の形態に係る脱ガス処理装置（溶湯処理装置）１０を示す図である。図１に示すように、脱ガス処理装置１０は、処理槽２０と、この処理槽２０の近傍に配置されたガス供給／回転駆動機構３０と、ガス供給／回転駆動機構３０に着脱自在に取り付けられた撹拌機５０と、処理槽２０の近傍に配置されたフラックス投入装置１００及びドロス除去装置１１０を備えている。

処理槽２０は、耐火性材料で形成されており、１バッチ当り最大１５００ｋｇまでのアルミニウム溶湯を脱ガスできる処理能力を備えている。

フラックス投入装置１００は、処理槽２０内のアルミニウム溶湯ＰにフラックスＦを投入する機能を有している。フラックス投入装置１００は、フラックスＦとしてのアルミニウム除滓剤を収容した複数のホッパ及びシュータ等を有し、所定成分のアルミニウム除滓剤を所定の配合比に配合して所定量だけ処理槽２０内に投入する機能を備えている。

ドロス除去装置１１０は、掻き寄せ治具及び吸引排出装置から構成されている。掻き寄せ治具は、板状のカーボン、耐火材、セラミック部材からなり、その表面はドロスが付着しないように特殊加工されている。吸引排出装置は耐熱性材料からなるラッパ状の吸引口を有し、吸引ポンプを介して回収ポットに連通している。

処理槽２０には、溶解炉２００が隣接して配置されており、溶解炉２００から処理槽２０内に非酸化性雰囲気下でアルミニウム溶湯が注湯されるようになっている。溶解炉はドロス分離除去機能を備えており、溶解炉において多くのドロスが溶湯から分離され、除去されるようになっている。

ガス供給／回転駆動機構３０は、架台３１と、この架台３１上に鉛直方向に延設され、鉛直方向の軸に沿って揺動するポスト３２と、このポスト３２に沿って配置された無端ベルト３３と、この無端ベルト３３に取り付けられたスライダ３４と、無端ベルト３３を駆動する駆動モータ３５とを備えている。架台３１内には処理ガスＧを供給するガス供給部３６が配置され、後述するガス供給ライン４６に接続されている。スライダ３４には、水平方向にアーム３９が取り付けられ、その先端には撹拌装置４０が設けられている。したがって、アーム３９はポスト３２によって旋回・昇降動作が可能となっている。

撹拌装置４０は、アーム３９の先端に取り付けられた架台４１と、この架台４１に設けられた回転駆動モータ４２と、鉛直方向に延設された外径５０ｍｍの回転駆動軸４３と、回転駆動モータ４２と回転駆動軸４３の上端部に掛け渡されたベルト４４と、回転駆動軸４３を気密に軸支する円筒部４５と、回転駆動軸４３の先端に着脱自在に取り付けられた撹拌機５０とを備えている。円筒部４５及び回転駆動軸４３は金属材製であり、アルミニウム溶湯Ｐには浸漬しない。

円筒部４５には、ガス供給ライン４６が接続され、前述したガス供給部３６から処理ガスＧが供給される。処理ガスは、例えば、アルゴンガスや窒素ガス等の非酸化性ガスである。円筒部４５と回転駆動軸４３との間には僅かな隙間が設けられており、この隙間を通じて、後述する第１筐体５１内に処理ガスＧが供給される。なお、処理ガスＧが供給されることで、アルミニウム溶湯Ｐから受けた熱を冷却し、各部品の温度上昇を防ぐ効果がある。

撹拌機５０は、基端側が円筒部４５の先端側に取り付けられると共に、円筒部４５に気密に結合された筒状の第１筐体５１と、第１筐体５１内部に挿入され、回転駆動軸４３に基端側が結合された外径５０ｍｍの回転軸５２と、第１筐体５１の内径及び外径よりもその内径及び外径が大きく形成され、第１筐体５１の先端側に底側を第１筐体５１側にして設けられると共に、回転軸５２の先端側を軸支する有底筒状の第２筐体５３とを備えている。第２筐体５３の軸方向寸法は例えば１６０ｍｍ程度である。

第２筐体５３内には、回転軸５２の先端側に取り付けられた回転羽根５４が配置されている。第２筐体５３の底部５３ａには、内部に通じる貫通孔５３ｂが形成されると共に、回転軸５２の外周から処理ガスＧが供給される内径１ｍｍ程度の供給孔５３ｃが設けられている。

第１筐体５１と回転軸５２との間には僅かな隙間が設けられており、この隙間を通じて、第２筐体５３側に処理ガスＧが供給され、供給孔５３ｃを通じて貫通孔５３ｂに供給される。

回転羽根５４は、溶湯の撹拌を抑えつつ、処理ガスＧの拡散のみを目的とした撹拌力の弱いものとすることが望ましい。

撹拌機５０は、カーボン、窒化ケイ素等で形成され、アルミニウム溶湯Ｐに浸漬される。

次に、図３を参照しながら本実施形態に係る脱ガス処理装置１０による脱ガス処理方法を説明する。溶解炉２００でアルミニウムを溶解した後に、アルミニウム溶湯ＰをドロスＤとともに溶解炉から処理槽２０に移す（工程Ｓ１）。次いで、処理槽２０内に所定成分のフラックスＦを投入し、撹拌機５０を下降させ、回転羽根５４を処理槽２０内のアルミニウム溶湯Ｐの湯面直下に浸漬させる。そして、回転羽根５４を回転させてアルミニウム溶湯Ｐ、ドロスＤ及びフラックスＦを数分間撹拌する。これによりドロスＤが改質され、アルミニウム溶湯Ｐから分離した状態になる（工程Ｓ２）。

次いで、撹拌機５０をさらに下降させ、第２筐体５３を処理槽２０の底部近傍に位置させて、回転羽根５４を３００〜４００ｒｐｍで回転させる。そして、ガス供給部３６から処理ガスＧを供給し、供給孔５３ｃから吹き出させる。回転羽根５４の回転による作用により、貫通孔５３ｂ内は負圧となり、供給孔５３ｃから処理ガスＧが吸引され、アルミニウム溶湯Ｐと共に、貫通孔５３ｂから第２筐体５３内に吹き出す。そして、吹き出す際のインジェクション効果と、第２筐体５３内の回転羽根５４に伴ってマイクロバブル（径が数μｍ〜５０μｍ）化した処理ガスＧが拡散される。アルミニウム溶湯Ｐ内に処理ガスＧが供給・拡散される（ガスバブリング）と、アルミニウム溶湯Ｐ中に混在するドロスＤと水素等の不純物ガス成分が湯面に浮上する（工程Ｓ３）。このときの撹拌力はガスバブリング反応を阻害しない程度の弱いものとする。ガスバブリングを数分間続けた後に、ガス吹込みを停止し、脱ガス処理を終了させる。

次いで、撹拌機５０をさらに下降させ、回転羽根５４を処理槽２０の最も深いところに位置させ、アルミニウム溶湯Ｐを撹拌する。ドロス掻き寄せ部材を下降させ、その下部を湯面に浸漬させ、ドロスＤを処理槽２０内の特定箇所に集合させる（工程Ｓ４）。集めたドロスＤを吸引排出装置により処理槽２０から吸引排出し、回収ポットに回収する（工程Ｓ５）。
（実施例）
次に、上述した脱ガス処理装置１０の実施例について、従来型の脱ガス装置を比較例として、アルミ合金に対し、フラックス投入及びガスバブリングによる脱ガス処理を実施し、処理効果を比較する。使用合金はＪＩＳアルミニウム合金ＡＣ４ＣＨ（Ｓｉ：６．５〜７．５％、Ｍｇ：０．２５〜０．４５％、Ｆｅ＜０．２０％、Ｔｉ＜０．２０％、残部：アルミニウム他混入成分）を６ｋｇ、フラックスを４０ｇ投入し、３分間撹拌後、５分間Ａｒガスを投入し、脱ガス処理を行う。ガス量は、比較例は５Ｌ／ｍｉｎ、実施例は０．１Ｌ／ｍｉｎとする。処理効果の判定方法として、処理後のアルミ合金をセラミックフィルタに通し、このセラミックフィルタの上に残った固形状のアルミ合金を回収する。そして、アルミ合金のフィルタ界面より高さ１０ｍｍ×幅１４ｍｍ範囲のガス孔面積の割合を画像解析処理により測定した。未処理合金、比較例、実施例をそれぞれｎ＝１０として分析し、その結果を表１に示した。

また、図４は、上述したデータをＢｏｘｐｌｏｔ、すなわち箱ひげ図として示したものである。さらに、比較例と実施例におけるデータの母平均の差をｔ検定したところ、有意差があることが明らかとなった。図５に示すように、実施例と比較例の画像を比較すると、従来型の脱ガス装置でもフィルタ直上高さ０．５ｍｍまでの範囲のガス孔についてはほぼ除去することができたが、浮遊酸化物の影響が出る高さ１０ｍｍまでの範囲の処理効果は限定的であることが判る。一方、脱ガス処理装置１０では１０ｍｍ高さまでのガス孔をより効果的に除去できている。これは、微細な気泡に浮遊酸化物を吸着・除去する効果があったと推測される。以上の結果から、アルミ合金ＡＣ４ＣＨについて、比較例と実施例において、ガス孔の割合に有意な差が見られ、上述した脱ガス処理装置１０は効果を発揮することが明らかとなった。

上述したように、本実施形態に係る撹拌機５０及び脱ガス処理装置１０によれば、マイクロバブルを発生させることで、金属溶湯中における処理ガスの表面積を大きくし、酸素ガスに反応させやすくすると共に、長時間、溶湯中に滞留させることで、酸素ガスへの反応時間を延ばし、十分に酸素ガスを除去することができる。また、回転羽根５４を収容する第２筐体５３の上面（底面）は、回転羽根５４の回転に伴う負圧に応じた量の溶湯を吸引するための必要最小限の径の貫通孔が形成されているため、溶湯表面に渦を形成することを防止でき、大気を巻き込んで酸化物が生成されることを防止することができる。すなわち、マイクロバブル化された処理ガスを放出させると共に、溶湯の過剰な撹拌を抑制し、処理ガスの分散を促進することができる。したがって、脱ガスを十分に行うことができ、高品質のアルミニウム合金を得ることができる。

なお、上述した金属としてアルミニウム合金を例示したが、マグネシウム合金等、他の金属の溶湯にも適用できる。

また、金属溶湯の他、水や水溶液等においても、径が数μｍ〜５０μｍ程度のマイクロバブルを用いることで液中への処理ガスの反応効率を高めることができると共に、反応時間を延ばすことができ、処理ガス量を節約することができる。

なお、図１及び図２においては、貫通孔５３ｂは１つだけ設けているが、複数設けても良い。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１０…脱ガス処理装置、２０…処理槽、３０…回転駆動機構、３１…架台、３２…ポスト、３３…無端ベルト、３４…スライダ、３５…駆動モータ、３６…ガス供給部、３９…アーム、４０…撹拌装置、４１…架台、４２…回転駆動モータ、４３…回転駆動軸、４５…円筒部、４６…ガス供給ライン、５０…撹拌機、５１…第１筐体、５２…回転軸、５３…第２筐体、５３ａ…底部、５３ｂ…貫通孔、５３ｃ…供給孔、５４…回転羽根、１００…フラックス投入装置、１１０…ドロス除去装置、２００…溶解炉、Ｐ…アルミニウム溶湯、Ｄ…ドロス、Ｆ…フラックス。

Claims (2)

1. 回転駆動軸に取り付けられ、溶融金属を撹拌すると共に処理ガスを供給する撹拌機において、
   基端側が前記回転駆動軸を軸支する円筒部の先端側に取り付けられると共に前記処理ガスが供給される筒状の第１筐体と、
   前記第１筐体内部に挿入され、前記回転駆動軸に基端側が結合された回転軸と、
   前記第１筐体の内径及び外径よりもその内径及び外径が大きく形成され、前記第１筐体の先端側に底側を前記第１筐体側にして設けられると共に、前記回転軸の先端側を軸支する有底筒状の第２筐体と、
   前記第２筐体内に収容され、前記回転軸の先端側に取り付けられた回転羽根を具備し、
   前記第２筐体の底部には、内部に通じる貫通孔が形成されると共に、前記回転軸の外周から前記処理ガスを供給する供給孔が形成されている撹拌機。
2. 溶融金属を撹拌すると共に、処理ガスを供給することで不要ガスを除去する溶湯処理装置において、
   前記溶融金属を収容する処理槽と、
   この処理槽上方に配置され、下方に回転駆動軸が突出形成されたガス供給／回転駆動機構と、
   このガス供給／回転駆動機構の下端に設けられ、前記処理槽に挿脱可能に設けられた撹拌機を備え、
   前記撹拌機は、基端側が前記回転駆動軸を軸支する円筒部の先端側に取り付けられると共に前記処理ガスが供給される筒状の第１筐体と、
   前記第１筐体内部に挿入され、前記回転駆動軸に基端側が結合された回転軸と、
   前記第１筐体の内径及び外径よりもその内径及び外径が大きく形成され、前記第１筐体の先端側に底側を前記第１筐体側にして設けられると共に、前記回転軸の先端側を軸支する有底筒状の第２筐体と、
   前記第２筐体内に収容され、前記回転軸の先端側に取り付けられた回転羽根を有し、
   前記第２筐体の底部には、内部に通じる貫通孔が形成されると共に、前記回転軸の外周から前記処理ガスを供給する供給孔が形成されている溶湯処理装置。

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