JP7078923B2

JP7078923B2 - 噴流旋回方式脱ガス装置及びガスノズル

Info

Publication number: JP7078923B2
Application number: JP2017243216A
Authority: JP
Inventors: 三郎青沼; 大二後藤
Original assignee: 株式会社サタコ; 日本ファンドリーサービス株式会社
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2022-06-01
Anticipated expiration: 2037-12-01
Also published as: JP2019098396A

Description

この発明は、アルミニウム溶湯中内に発生する水素ガスや脱滓を簡単な装置で除去できる脱ガス装置及びガスノズルに関する。

アルミニウム鋳造工場で品質劣化の原因となっている脱滓（懸濁物、酸化物）や水素ガスを除去する必要がある。すなわち、溶解終了後に溶湯中の酸化物や水素ガスを除去するために溶湯処理が行われる。この溶湯処理には酸化物の除去を行う脱滓処理と水素ガスの除去を行う脱ガス処理がある。

溶湯中には、種々の酸化物や介在物が存在しており、これらが製品内に巻き込まれると、製品の機械的性質を阻害する。これらを取り除くために脱滓処理が行われる。脱滓には、塩化物系、フッ化物系のフラックスが用いられ、これらを溶湯表面に散布して攪拌する。フラックスは、溶湯中で分解して細かなガス気泡を発生し、酸化物がこのガス気泡に吸着され、浮上して分離される。
また、溶湯中には大気中の水素分圧に応じて水素ガスが吸収される。液相への水素溶解度は高いが、固相での水素溶解度は極めて低い。このため、溶湯中に吸収された水素のうちで凝固時に溶解限度を超えた水素は、分子状の水素ガスとして溶湯中に放出されて気泡となる。その結果、鋳造した製品内にピンホールが発生して機械的性質や耐圧性を阻害する。

これらの対策として、従来は、図９に示すような回転攪拌式脱ガス装置が使用されている。図９（ａ）はこの回転攪拌式脱ガス装置の構成を概略的に示す図で、図９（ａ）において、１０１は溶湯炉、１０２は溶湯炉１０１内のアルミニウム溶湯、１０３は回転機構・制御機構１０４、回転シャフト１０５、回転子１０６を備えた回転・攪拌装置を示す。回転子１０６は図９（ｂ）に示すように、車輪形状で、回転機構・制御機構１０４から送り込まれる不活性ガスを、その周囲あるいは上面から気泡１０７として噴出させるよう小さな孔が形成されている。図９に於いては、不活性ガスの例として窒素Ｎ２を例示しているが、アルゴンなどの他の不活性ガスでも同様である。

なお、この回転子１０６の下部には開放式の溝が切ってあり、三面が囲われたガス通路と溶湯の圧力に囲われたガス通路であるため、無回転の場合は、ある程度大きな泡となってしまう。
泡のサイズを小さくするためには、回転数を速めてガス泡を裁断する必要があるが、回転を速めると、水素ガスの除去には貢献するが、溶湯上部面に必要以上の渦ができ、溶湯炉壁面から空気を取り込んでしまい、正常なアルミまでも酸化を増やし、アルミ縣濁物が増え、撤去しなければならず、歩留りが悪くなるという懸念がある。

ここで、回転式脱ガス装置によって水素ガスが除去されるメカニズムについて説明する。アルミニウム合金中に不活性ガスを吹き込むと、溶湯中の水素ガスが不活性ガス気泡へ拡散し、浮上除去される。これは、雰囲気中の水素ガス分圧と、溶湯中の水素溶度の関係によるとされている。また、溶湯中に懸濁する非金属介在物の粒子は、多くの微細な不活性ガスの気泡に取り込まれ、浮上除去される。

しかし、従来の回転攪拌式脱ガス装置では、回転駆動装置の重量物の上昇・下降作業がその都度発生し、作業が大変であること、回転シャフトが炭素製のため、衝撃に弱く破損しやすいこと、装置全体が高価であること、溶湯炉の設置状態によっては回転駆動装置・回転シャフトを使った作業ができない等の問題点があった。

特開平０５－３１２４８５号公報（特許文献１）は、金属溶湯中に攪拌用ガスを導入する装置に関するもので、図１には炉底の中央に渦巻き状のガス吹き込み管が配置されたものが記載されているが、炉底板の直上に設置されており、形状は渦巻き状と言うよりは、円形に近い形状となっている。

特開平０５－３１２４８５号公報（図１）

上述のように、従来の回転攪拌式脱ガス装置では、回転駆動装置の重量物の上昇・下降作業がその都度発生し、作業が大変であること、回転シャフトが炭素製のため、衝撃に弱く破損しやすいこと、装置全体が高価であること、溶湯炉の設置状態によっては回転駆動装置・回転シャフトを使った作業ができない等の問題点があった。この発明では、回転部分がなく簡単な装置で、溶湯炉内の脱滓を除去できる噴流旋回方式脱ガス装置を得ることを目的としている。
また、特許文献１に示された装置よりも、気泡サイズ・気泡発生数の制御が容易、短時間に気泡と溶湯を接触可能、溶湯表面に乱流を発生させないという効果をそなえた装置を得ることを目的としている。

請求項１に記載の発明は、アルミニウム溶湯炉内に発生する水素ガスや脱滓を除去する装置において、前記アルミニウム溶湯炉の底面から所定距離を隔てて設置した噴流式ガスノズルと、この噴流式ガスノズルに不活性ガスを供給する供給管と、この供給管に不活性ガスを送出する不活性ガス発生装置とを備え、前記噴流式ガスノズルから不活性ガスを噴出させて前記溶湯内に対流を起こさせ前記水素ガスや脱滓を溶湯上部に浮上させて除去するようにしたものである。
この請求項１の発明によれば、回転部分がなく簡単な装置で、溶湯炉内の水素ガスや脱滓を除去できる。また、従来の回転攪拌式脱ガス装置に比べ、設置が容易で、作業性が良いという効果がある。

請求項２に記載の発明は、噴流式ガスノズルの形状を渦巻き形状などの一筆書き状にして、ガスノズル両端がガスの入口であり、出口でもあるようにしたことに特徴がある。このようにすることで、万遍なく気泡を生成でき、効率よく水素ガスや脱滓を除去できる。
請求項３に記載の発明は、噴流式ガスノズルの両端から不活性ガスを供給するようにしたことに特徴がある。このようにすることで、請求項２に記載のものよりもさらに万遍なく気泡を生成でき、効率よく水素ガスや脱滓を除去できる。
請求項４に記載の発明は、アルミニウム溶湯炉の底面から５０～１５０ｍｍを隔てて噴流式ガスノズルを設置するようにしたことに特徴がある。このようにすることで、溶湯炉内で窒素ガスの対流が効率よく行われ、水素ガスや脱滓を確実に除去できる。
請求項５に記載の発明は、噴流式ガスノズルに設けた不活性ガス噴出口の大きさは、０．２ｍｍ程度としたことに特徴がある。このようにすることで、溶湯炉内で不活性ガスの対流が効率よく行われ、水素ガスや脱滓を確実に除去できる。
請求項６に記載の発明は、不活性ガスの発生制御は、パルス制御装置によりパルス方式で制御するようにしたことに特徴がある。このようにすることで、ガスの発生・制御が容易で、調整の自由度がある。また、ガスの導入圧力とパルス幅とスピードの調整で不活性ガス気泡の粒径が自由に変えられるという効果がある。
請求項７に記載の発明は、溶湯中の不活性ガス供給管の途中に、溶湯の熱を利用して不活性ガスを温める熱吸収装置を設けたことに特徴がある。このようにすることで、溶湯の熱を利用して不活性ガスを温めることができ、別に不活性ガスを温める装置を設けずに済む。不活性ガスを温めることで、不活性ガスの純度が高くなり、溶湯の酸化を抑え、水素ガスや脱滓を確実に除去できる。
請求項８に記載の発明は、不活性ガスとして、窒素あるいはアルゴンを用いることを特徴とするものである。不活性ガスとして、窒素あるいはアルゴンを用いることで、非常に効率よく水素ガスや脱滓を除去できる。

請求項９に記載の発明は、本発明の噴流旋回方式脱ガス装置に使用されるガスノズルの構造に関するもので、このガスノズルの形状が一筆書き状で、その両端はガスの入口あるいは出口となるように構成されているものである。
請求項１０に記載の発明は、請求項９の記載に加え、ガスノズルは、アルミニウム溶湯炉の底面から所定距離を隔てて設置されるようにしたものである。

本発明の噴流旋回方式脱ガス装置によれば、回転部分がなく簡単な装置で、溶湯炉内の水素ガスや脱滓を除去できる。また、従来の回転攪拌式脱ガス装置に比べ、設置が容易で、作業性が良い。
また、効率の良い噴流式ガスノズルを得ることができる。

本発明の噴流旋回方式脱ガス装置全体の構成を示す概略構成図本発明の実施の形態１の溶湯炉及び脱ガス装置の側面図本発明の実施の形態１に示す脱ガス装置の平面図溶湯内水素ガス除去の原理を説明する図本発明の実施の形態２に示す脱ガス装置の平面図本発明の実施の形態２の変形例１の脱ガス装置の平面図本発明の実施の形態２の変形例２の脱ガス装置の平面図本発明の実施の形態３の溶湯炉及び脱ガス装置の側面図従来の溶湯炉及び回転攪拌式脱ガス装置の側面図

実施の形態１．
図１は本発明の噴流旋回方式脱ガス装置全体の構成を示す概略構成図で、１は電源、２はコンプレッサー内蔵の窒素ガス発生装置、３は酸素除去触媒、４はタッチパネル４ａ、高速電磁弁４ｂを備えたパルス制御装置、５はアルミニウム溶湯炉、６は噴流式ガスノズル、７は窒素供給管、８はアルミニウム溶湯、９は窒素ガス気泡である。
窒素ガス発生装置２で発生した窒素は、改質装置である酸素除去触媒３を経由して、パルス制御装置４からパルス状に窒素ガスが放出され、窒素供給管７を経由して溶湯炉５の底部付近に設置された噴流式ガスノズル６から噴出し、水素ガスや脱滓を溶湯炉５上部へ移動させ除去する。
なお、実施の形態１の装置は、ガス供給がパルス方式であり、ガス供給時に瞬時に供給口から各ノズル口に伝達される。また、ガス圧縮量を最小限に抑えることにより、順次送られるパルス供給ガスが正確にノズル部より排出され、細かい泡とその泡の量を間欠的に発生させ続けることが可能となっている。

以下、この噴流旋回方式脱ガス装置の主要部である噴流式ガスノズル６について、図２を用いて詳細に説明する。噴流式ガスノズル６は、アルミニウム溶湯炉５の底部に配置されるが、溶湯炉５の底面との間に一定の距離ｈを保って配置される。この距離は、噴流式ガスノズル６から放出される窒素ガスが溶湯炉５内で対流し、攪拌効果が充分発揮できるように、５０～１５０ｍｍに選択される。なかでも、１００ｍｍ程度が最も効率よく対流が得られる。
また、噴流式ガスノズル６の形状の平面図を示す図３に示すが、この噴流式ガスノズル６に設けるガス噴出口６ａの大きさは、０．２ｍｍ程度が望ましい。

窒素供給管７から注入された窒素ガスは、噴流式ガスノズル６から細かな気泡９となって上部に向けて放出される。この気泡９は図中矢印のように、噴流式ガスノズル６から上昇し、溶湯上面で外側に向かって回り込み、溶湯炉５の内面に沿って下降し、対流する。その際に、水素ガスや脱滓１０を溶湯上面に移動させ、除去する。

次に、図４を用いて、溶湯内水素ガス及び脱滓の除去について説明する。溶湯炉５内で加熱されたアルミ溶湯８は固相から液相に変わる時、水素ガスの溶解量が大きくなり気泡が残り、製品の品質を下げてしまう。そのため、窒素などの不活性ガスを吹込み、溶湯内に浮遊している水素ガスを不活性ガス気泡９内に移動させ浮上させて除去する。これは、不活性ガスの泡の水素分圧が低いことにより、浮遊の水素ガスが不活性ガスの泡の中に移動し、不活性ガスとともに浮上するためである。また、同時に不活性ガスの周囲に付着した酸化物などの脱滓１０も湯面に浮上し除去される。なお、図４では不活性ガスの一例として、窒素を用いた例を示しているが、アルゴンを用いても同様な効果が得られる。

実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２に示す噴流式ガスノズル６０の平面図である。この噴流式ガスノズル６０は、ノズルの１本のパイプが渦巻き状に形成され、渦巻き状パイプの１箇所の窒素供給口６０ａから窒素ガスが供給され、パイプに形成されたガス噴出口６０ｂから窒素ガスの気泡が放出される。なお、図５では、パイプに形成したガス噴出口６０ｂはその一部を表示している。
この実施の形態２に示す渦巻き状の噴流式ガスノズル６０も、溶湯炉５の底面との間に一定の距離５０～１５０ｍｍを保って配置される。

図６は実施の形態２の変形例１で、この噴流式ガスノズル６１は、ノズルの１本のパイプが渦巻き状に形成され、外側の窒素供給口６１ａと、内側の窒素供給口６１ｂの双方から窒素ガスが供給されるように構成される。そのため、ガスノズル６１の全体から万遍なく窒素ガスが溶湯内に噴出させることができる。
なお、この図６ではノズルの構成の概略を示しており、パイプの太さを省略し、またパイプに形成するガス噴出口も省略している。
この実施の形態２の変形例１に示す渦巻き状の噴流式ガスノズル６１も、溶湯炉５の底面との間に一定の距離５０～１５０ｍｍを保って配置される。

図７は実施の形態２の変形例２で、この噴流式ガスノズル６２は渦巻き状のパイプが２本ほぼ等間隔で渦巻き状に構成されており、一方のパイプ６２ｃには、外側の供給口６２ａから、もう一方のパイプ６２ｄには、内側の供給口６２ｂから窒素ガスが供給される構造としている。この場合にも、図６に示す実施の形態２の変形例１と同様にガスノズル６２の全体から万遍なく窒素ガスが溶湯内に噴出させることができるという効果がある。
なお、この図６ではノズルの構成の概略を示しており、パイプの太さを省略し、またパイプに形成するガス噴出口も省略している。
この実施の形態２の変形例２に示す渦巻き状の噴流式ガスノズル６２も、溶湯炉５の底面との間に一定の距離５０～１５０ｍｍを保って配置される。

実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３の溶湯炉及び脱ガス装置を示す側面図であり、図２に示す実施の形態１との違いは、溶湯８中の窒素ガス供給管７の途中に、窒素ガスを温める熱吸収装置１１を設けた点である。この熱吸収装置１１は約６００度の溶湯の熱を利用して効率よく窒素ガスを温めることができる。この熱吸収装置１１を設けることにより、供給する窒素の純度をさらに高めることができる。
この熱吸収装置１１は、例えば窒素供給管７の一部を複数回屈曲させて表面積を拡げる、あるいは窒素供給管７の一部を複数本に分岐することにより表面積を拡げるなどの構成を取ることにより、効率的に溶湯８中の熱を窒素ガスに伝達することができる。

なお、実施の形態１、形態２、形態３では、噴流式ガスノズル６、６０、６１、６２を溶湯炉５内の底部に一段設置しているが、例えば上下二段のように複数段で設置することも可能である。特に、図７に示す実施の形態２の変形例２のような構成の場合、２本のパイプが近接するのを避けることができ、設置がしやすくなるという効果がある。その際でも、下段の噴流式ガスノズル底面と溶湯炉５の底面とは、一定の距離５０～１５０ｍｍを保って配置される。
また、上記実施の形態１から実施の形態３では、不活性ガスの例として窒素を取り上げて説明しているが、アルゴンを用いても同様な効果を得ることができる。

以上述べたように、本発明の噴流旋回方式脱ガス装置によれば、設置が簡単、浮遊水素ガスが最短距離で浮上可能、３６０度噴流攪拌のため万遍ない攪拌が可能、ガスの発生制御がパルス方式のため調整の自由度がある、ガスの導入圧力とパルス幅とスピードの変化によりバブル（泡）の粒径の可変が可能といった数々のメリット、特徴がある。

１：電源
２：窒素ガス発生装置
３：酸素除去触媒
４：パルス制御装置、４ａ：タッチパネル、４ｂ：高速電磁弁
５：アルミニウム溶湯炉
６：噴流式ガスノズル、６ａ：ガス噴出口
７：窒素ガス供給管
８：溶湯
９：窒素ガス気泡
１０：脱滓
１１：熱吸収装置
６０：噴流式ガスノズル、６０ａ：窒素供給口、６０ｂ：ガス噴出口
６１：噴流式ガスノズル、６１ａ：外側の窒素供給口、６１ｂ：内側の窒素供給口
６２：噴流式ガスノズル、６２ａ：外側の供給口、６２ｂ：内側の供給口、６２ｃ：一方のパイプ６２ｃ、６２ｄ：もう一方のパイプ

Claims

アルミニウム溶湯炉内に発生する水素ガスや脱滓を除去する装置において、前記アルミニウム溶湯炉の底面及び内周面から所定距離を隔てて設置した噴流式ガスノズルと、この噴流式ガスノズルに不活性ガスを供給する不活性ガス供給管と、この不活性ガス供給管に不活性ガスを送出する不活性ガス発生装置とを備え、
前記不活性ガス供給管は、前記アルミニウム溶湯炉の内周面に沿って設けられ、
前記噴流式ガスノズルから不活性ガスを噴出させて、前記溶湯炉内の溶融アルミニウム及びバブル状の不活性ガスの対流を起こさせ前記水素ガスや脱滓を溶湯上部に浮上させて除去するようにしたことを特徴とする噴流旋回方式脱ガス装置。
前記噴流式ガスノズルの形状は、一筆書き状で、その両端はガスの入口あるいは出口となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の噴流旋回方式脱ガス装置。
前記噴流式ガスノズルの両端から不活性ガスを供給するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の噴流旋回方式脱ガス装置。
アルミニウム溶湯炉の底面から５０～１５０ｍｍを隔てて噴流式ガスノズルを設置するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の噴流旋回方式脱ガス装置。
噴流式ガスノズルに設けた不活性ガス噴出口の大きさは、０．２ｍｍ程度としたことを特徴とする請求項１に記載の噴流旋回方式脱ガス装置。
前記噴流式ガスノズルへの不活性ガスの供給は、パルス制御装置によるパルス制御された不活性ガスであることを特徴とする請求項１に記載の噴流旋回方式脱ガス装置。
前記溶湯中の前記不活性ガス供給管の途中に、前記溶湯の熱を利用して不活性ガスを温める熱吸収装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の噴流旋回方式脱ガス装置。
前記不活性ガスは、窒素あるいはアルゴンであることを特徴とする請求項１～請求項７のいずれかに記載の噴流旋回方式脱ガス装置。
アルミニウム溶湯炉内に発生する水素ガスや脱滓を除去する装置に使用される噴流式ガスノズルであって、前記噴流式ガスノズルは、一筆書き状で、その両端はガスの入口あるいは出口となるように構成され、前記アルミニウム溶湯炉の内周面に沿って設けられる不活性ガス供給管と接続し、内周面から所定距離を隔てて設けられることを特徴とする噴流式ガスノズル。
アルミニウム溶湯炉内に発生する水素ガスや脱滓を除去する装置に使用される噴流式ガスノズルであって、前記噴流式ガスノズルは、アルミニウム溶湯炉の底面から所定距離を隔てて設置されていることを特徴とする請求項９に記載の噴流式ガスノズル。