JPH0377395B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、溶融アルミなどの溶融金属を取扱
う業界、例えば、製練ないし精練業界、メツキ業
界、ダイキヤスト業界等において、溶融金属の移
送ないし炉内循環時等に使用する溶融金属ポンプ
の改良に関するものである。

［従来の技術］ 元来、溶融金属の移送は手じやくで行われてい
たのであるが、作業能率の向上、経済性及び安全
性確保の見地から自動、連続、大量移送を可能と
する専用ポンプが嘱望されていた。

そのため、溶融金属の移送用ポンプとして、低
炭素鋼あるいはカーボン製のポンプが開発され使
用されているが、溶融鉛等を対象とする場合はと
もかく、溶融亜鉛、溶融アルミなどを対象とする
場合には、溶湯による腐食、磨耗が著しく、耐用
時間がきわめて短いという欠点を有していた。比
較的耐食性を有するカーボン製においても、特に
インペラーやシヤフトのような回転部品は、精々
480〜720時間程度の耐用時間しかなく、低炭素鋼
においては、８〜10時間程度が使用限界であつ
た。すなわち、殆んど消耗品的な使用状態とな
り、ポンプ使用による高率アツプを期待できるも
のの、経済性の面、保守作業の面において大きな
問題を有しており、ポンプ使用の有効性を認識し
ながらも、耐用年数の長い専用ポンプのない点か
ら、未だに手じやくで移送している現場も多いの
が現状であつた。

そこで本件出願人は、このような現状に対処す
るため、先にセラミツク材料、特に反応焼結法に
よる窒化珪素セラミツクを素材とした吊下げ式、
溶湯内浸漬式溶融金属ポンプを開発提供した。こ
れは、常圧成形法による窒化珪素に比較して耐蝕
性、耐熱衝撃性、濡れにくさ等の点において反応
焼結法の窒化珪素が勝れているとの認識に立つも
のであつた。構造的には、上部架台に上端部を取
付けたコラム及び吐出し管と、このコラム及び吐
出し管の下端部で支持されるケーシングと、この
ケーシング内に設置され、上部ないし下部に吸込
口を有し、週面に多数の吐出口を有する略円筒形
のインペラーと、このインペラーを支承し、架台
上において、上端部に駆動モーター連結されるシ
ヤフトとから構成されているもので、少なくとも
インペラーとシヤフトを反応焼結法による窒化珪
素セラミツクを素材として成形したものである。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記構成に係る溶融金属ポンプを用い、溶湯温
度505°〜540°の溶融亜鉛炉に浸漬して実機テスト
を行つたところ、亜鉛の付着も殆んど見られず、
熱衝撃による割れもなく、腐蝕、摩耗等の現象も
見られず、耐用時間も大幅に延長され、極めて好
ましい結果が得られた。

しかるに、その後の研究において、新たな問題
が発生した。

すなわち、上記ポンプを溶融アルミニユーム合
金鋳物に用いたところ、セラミツク材の外面、特
に気液海面付近において溶融金属の付着成長が見
られ、またインペラー吐出口周壁に対する金属付
着あるいは吐出口に対する異物の閉塞、これに起
因する揚液不能、渦室の水きりと吐出口に付着し
た異物との当りによるシヤフトのこぜに起因する
シヤフトの折損等思わぬ事故が発生した。

これらの原因について鋭意研究したところ、反
応焼結法による窒化珪素を用いた材料表面におい
て、窒化珪素が溶融アルミニユームと反応して、
非常に硬度の高い窒化アルミニユームを形成する
点に問題があることが判明した。

例えば、シヤフトに付着成長した金属物は、セ
ラミツク母材と強固に結合しており、これを剥が
そうとするとセラミツク自体に身食い現象が起
り、表面が欠落した。この剥離片を光学顕微鏡、
EPMA分析及びＸ線回折によつて観察分析した
ところ、極めて硬度の高い生成化合物、窒化アル
ミニユームを検出した。この窒化アルミニユーム
は吐出口閉塞物からも検出された。

したがつて、溶融アルミニユーム合金鋳物等を
対象とする場合は、反応焼結法による窒化珪素セ
ラミツクは不適当であり、さらに改善する必要性
に迫られたのである。

そこで、この発明の目的とするところは、溶融
亜鉛はもとより、溶融アルミニユームあるいは溶
融アルミニユーム合金鋳物等を対象とする場合に
おいても、熱衝撃によるクラツクの発生がなく、
溶融金属の付着、成長、身食い現象もなく、長期
間に渡つて良好な稼働状態が得られる溶融金属ポ
ンプを提供するところにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的達成のため、ポンプ材料及びポンプ構
造について再検討を加えた。耐蝕性、耐熱性を要
求されるポンプ材料としては、セラミツク材料が
好ましいため、原点に立ち戻り、一方の窒化珪素
セラミツク材料である常圧焼結法による窒化珪素
セラミツクの適用可能性を探つた。

すなわち、試しに常圧焼結法による窒化珪素セ
ラミツクによつて吐出し管形状のテストピースを
作り、750°に昇温した溶融アルミニユーム合金鋳
物に下方部を浸漬して、耐熱衝撃テストを行つ
た。テストピース上方部の温度が、熱伝導及び輻
射熱で加熱され、150°になつた時点において（温
度下505°）、管内を通して溶融金属を通過させ、
目視観察したところ、テストピースにクラツクの
発生、その他の異状は認められなかつた。

常圧焼結法による窒化珪素は、反応焼結法によ
る窒化珪素に比較して、気孔率が低く緻密質であ
り、また、硬度も高く、よつて耐摩耗性に勝れて
いる。さらに曲げ強さもすぐれ、機械的強度も良
い。熱伝導率を見ると、やはり常圧焼結法による
窒化珪素が勝れており、耐熱衝撃性も高いと予測
される。また、溶融アルミニユームあるいは溶融
アルミニユーム合金鋳物に対する濡れ難さないし
は非反応性が問題となるが、この点においても満
足の行くテスト結果が得られ、溶融金属ポンプ材
料としての好適性を確認したのである。

そこでこの発明においては、溶融金属ポンプ材
料として窒化珪素セラミツク、特に常圧焼結法に
よる窒化珪素セラミツクを選定したことを特徴と
し、また、ポンプ構造に、特にインペラーの構造
においても改良に加え、溶融金属の閉塞が起り難
い構造を採用している。

すなわち、この発明のセラミツク製溶融金属ポ
ンプは、架台に上端部を取付けたコラム及び吐出
し管の下端部においてケーシングを支持し、上端
部において駆動モータの出力軸に連結したシヤフ
ト下端部に中央ボス部においてインペラーを取り
付け、ケーシング上面に形成されたインペラー設
置孔を通して底面のブレード部分を吸込孔を有す
るケーシングの渦室に位置させるとともに、当該
インペラーにはインペラー設置孔の内周面に対向
する外周面とボス部の間に肉厚低減用の凹部を形
成してなり、少なくともインペラーとシヤフトを
常圧焼結法による窒化珪素セラミツクを素材と
し、かつセラミツク製としたシヤフトを中空状に
成形してなるものである。

インペラーの構造としては、上述のように、底
面にブレードを有するセミオープン形とし、溶融
金属の閉塞を極力避けている。また、ケーシング
上面にインペラー設置孔を形成し、シヤフト下端
部に取り付けたインペラーをこのインペラー設置
孔を通してケーシング渦室に位置させる構造とし
ている。

耐熱衝撃性の向上を考慮すると、シヤフトを中
空状としたのと同様に、インペラーにおいても肉
圧の厚い中実部の存在を回避した方が好ましい。
従つて、インペラーの構造は、底面にブレードを
有するセミオープン形タイプで、中央ボス部にお
いてシヤフトに締着される構造とし、ケーシング
に形成されたインペラー設置孔の内周面に対向す
る外周面とボス部の間に肉厚低減用の凹部を有す
る構造としている。

なお、上記においてはインペラーとシヤフトを
常圧焼結法による窒化珪素セラミツク製としてい
るが、インペラー、シヤフト、コラム並びに吐出
し管のすべてを常圧焼結法による窒化珪素セラミ
ツク製とすればより好ましい。この場合、シヤフ
トおよびコラムを中空状に成形する。

また、ケーシングの渦室におけるブレード下端
面の対向面及びインペラー外周面が対向する設置
孔の内周面に、常圧焼結法による窒化珪素セラミ
ツク製のライニング部材を設置すれば、摩耗を防
止でき、またインペラー周辺に対する金属付着を
回避できる。

さらにまた、インペラーは上述のように、ケー
シング上面に形成した設置孔を通して渦室内に設
置されるため、ケーシングとインペラー間にわず
かな〓間が生じ、溶湯が噴出する恐れがあるが、
インペラーの上面外周部に、セーシング上面に沿
つて突出する水平状突縁を形成しておけば、溶湯
の吹き出しを防止できるとともに、渦室内の圧力
損失を防止できる。

［作用］ 上述のように、この発明においては、溶湯金属
ポンプにおいて、極めて苛酷な条件にさらされる
インペラーとシヤフト、さらに好ましくは、コラ
ムと吐出し管を窒化珪素セラミツク、特に常圧焼
結法による窒化珪素セラミツクで成形したので、
熱衝撃による割れ等の異常もなく、溶融金属に対
する耐蝕性にも勝れ、さらには、耐摩耗性、耐濡
れ性にも勝れており、特に反応焼結法による窒化
珪素セラミツクの場合に比し、対溶融アルミニユ
ーム、溶融アルミニユーム合金に対する反応性が
なく、溶融亜鉛のみなく、溶融アルミニユーム、
溶融アルミニユーム合金等に対しても適用可能な
溶融金属ポンプとなし得た。

またインペラーの構造として、底面にブレード
を有するセミオープン形を採用したので、インペ
ラーに対する溶融金属の閉塞も回避でき、長期に
渡つて好ましい稼働状態が得られる。また、ケー
シング上面にインペラー設置孔を形成し、シヤフ
ト下端部に取り付けたインペラーをこのインペラ
ー設置孔を通してケーシング渦室に位置させる構
造としており、ケーシング上面にカバー等がない
ためシヤフトおよびインペラーを簡単にケーシン
グから取り外すことができるとともに、カバー等
をケーシングに固定する際の問題点、すなわち、
溶湯に対する耐溶解性および易取外し性を有する
ボルトの使用という難問にも対処し得る。

またシヤフトに取り付けられるインペラーの中
央ボス部と、インペラー設置孔の内周面に対向す
る外周面との間に肉厚低減用の凹部を形成してい
るので、この点においても耐熱衝撃性が良好であ
る。

また、インペラーとシヤフトのみならず、コラ
ムおよび吐出し管をも含めたすべてを常圧焼結法
による窒化珪素セラミツク製とし、シヤフトおよ
びコラムを中空状に成形しておけば、より一層耐
熱衝撃性、耐蝕性、濡れにくさなどの点において
好ましく、ポンプ全体の耐久性を向上させること
ができる。

さらに、ケーシングの渦室におけるブレード下
端面の対向面及びインペラー外周面が対向する設
置孔の内周面に、常圧焼結法による窒化珪素セラ
ミツク製のライニング部材を設置すれば、摩耗を
防止でき、またインペラー周辺に対する金属付着
を回避できるため、より一層ポンプの耐久性が向
上する。

さらにまた、インペラーの上面外周部に、ケー
シング上面に沿つて突出する水平状突縁を形成し
たインペラー構造とすると、ケーシングとインペ
ラー管の隙間から溶湯が吹き出すのを防止できる
とともに、渦室内の圧力損失を防止できる。

［実施例］ 第１図は、この発明に係る溶融金属ポンプの一
実施例を示す縦断面図で、符号１はケーシング、
２はシヤフト、３はインペラー、４はコラム、５
は吐出し管を示している。

ケーシング１は、上端部をセツトフランジ６及
び７によつてそれぞれ架台８に取付けられたコラ
ム４及び吐出し管５の下端部を差込み、耐熱モル
タルで固めて支持されている。インペラー３は、
中央ボス部３ａに螺合したシヤフト２によつて支
持され、ケーシング１の上面に形成したインペラ
ー設置孔１ａを通して、底面のブレード３ｂがケ
ーシング１の渦室１ｂに位置するようにケーシン
グ１内に設置されている。シヤフト２の上端部
は、図示の通り、軸継手９ａ，９ｂ及びユニバー
サルジヨイント１０を介して駆動モーター１１の
出力軸１１ａに連結されている。１２は、架台８
上に取付けたモーター台である。１３は、吐出し
管５の上端に連結した吐出しベント管で、そのフ
ランジ部、架台８及びセツトフランジ７を通した
ボルトの両端部にナツトを螺合し、セツトフラン
ジ７共々架台８に固定されている。セツトフラン
ジ６及び７は、ともに二つ割構造で、合せフラン
ジ６ａ，７ａに締着したボルト、ナツトでコラム
４及び吐出し管５の上端部を抱きかかえるように
保持している。１４は、吐出し管５と吐出しベン
ト管１３の管に装着したガスケツトでセラミツク
ペーパーを使用している。

この例では、上記シヤフト２、インペラー３、
コラム４及び吐出し管５に、常圧焼結法による窒
素珪素セラミツクを用い、ケーシング１はカーボ
ン製、吐出しベント管１３は内面をセラミツクフ
アイバー製としている。耐熱衝撃性を高めるた
め、コラム４及びシヤフト２も中空状とし、吐出
し管５の気液界面より上方の内面には、セラミツ
クフアイバー製の断熱チユーブ１５を装着してい
る。

また底面にブレード３ｂを設けたセミオープン
形のインペラー３は、ケーシング１に形成された
インペラー設置孔１ａの内周面に対向する外周面
とボス部３ａとの間に肉厚低減用の凹部３ｃが形
成されている。１６は、この凹部３ｃを埋める耐
熱モルタルである。また、ケーシング１における
インペラー設置孔１ａの内周面及びブレード３ｂ
の下端面が対向する渦室１ｂ内の対向面には、摩
耗防止のため、それぞれ常圧焼結法による窒化珪
素セラミツク製のライニング部材１７，１８が設
置されている。１９は吸込孔、２０はケーシング
１の下端に取付けたバツフルプレートである。

第５図は、インペラー３の他例を示すもので、
上面外周部に、ケーシング１の上面に沿つて突出
する水平状突縁３ｄを有しており、ケーシングと
インペラー間の〓間通路をできるだけ長くして、
圧力損失を与え、ケーシング内部からの濡れを極
力おさえるとともに、ポンプ稼働時において、溶
湯液面が低下した場合の垂直方向の噴出し防止を
図つている。

上記第１図に基づく、溶融金属ポンプを用い、
溶湯温度720〜750℃の溶融アルミニユーム合金鋳
物を対象として溶湯の汲み出しを実施した。ポン
プ稼働に先立ち次の通り予熱した。

昇降装置によつてポンプを吊下げ、溶湯液面上
約５〜10mmの位置で保持させ、約30分間第１次予
熱を行つた。次いで、30〜40mm／4min.の降下速
度で徐々に溶湯内に浸漬し、30分間停止状態とし
て予熱した。この時点で、吐出し管の上方部は約
150℃まで昇温された。ここでポンプを稼働し、
揚液を行つたところ、順調に溶融アルミニユーム
合金鋳物の汲み出しが行われた。

所定量の汲み出し完了すれば、次回汲み出しま
で溶湯内に浸漬状態のまま停止し、週末時等の休
業時には、一旦溶湯内より引き上げ、作業開始時
に改めて予熱する手順で、稼働・停止を繰返し
た。その結果、数ケ月経過後においても順調な稼
働状態が継続され、溶融アルミニユーム合金鋳物
の付着は殆んどなく、僅かに付着した溶融アルミ
ニユーム合金鋳造物もこすれば簡単に削り落さ
れ、身食い現象は見られなかつた。勿論、熱衝撃
によるクラツクの発生、接液部の腐食もなく、ま
た、ケーシング内部における詰り現象も見られな
かつた。

［発明の効果］ 以上の通り、この発明に係るセラミツク製溶融
金属ポンプは、少なくとも極めて苛酷な条件にさ
らされるインペラーとシヤフトを常圧焼結法によ
る窒化珪素セラミツク製としているため、溶融亜
鉛はもとより、溶融アルミニユーム、溶融アルミ
ニユーム合金を対象とする場合でも、耐蝕性、耐
摩耗性、耐熱衝撃性、耐濡れ性、耐反応性に勝
れ、きわめて良好な稼働性と耐久性を得たもので
ある。また、構造面においても、セミオープン形
のインペラーを採用し、溶融金属の閉塞を回避す
るとともに、ケーシングの上面に形成したインペ
ラー設置孔を通してシヤフト下端部に取り付けた
インペラーをケーシング内に位置させる構成とし
たので、シヤフト、インペラーのケーシングから
の着脱もきわめて容易となつている。また、シヤ
フト、を中空状となし、かつインペラーの中央ボ
ス部に肉厚低減用の凹部を形成しているため、熱
衝撃によるクラツク発生の恐れもない。

以上の通り、この発明は従来から嘱望されなが
ら条件の過酷さの故に実現されなかつた金属溶湯
内浸漬式の溶融金属ポンプの実用機を提供し得た
のであり、溶融金属を対象とする移送ないし炉内
循環用のポンプとして最適のものを提供し得たの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係るセラミツク製溶融金
属ポンプの一実施例を示す縦断面図、第２図は、
同ポンプにおけるインペラーのみの拡大縦断面
図、第３図は、同底面図、第４図は、ケーシング
の縦断面図、第５図は、インペラーの他例を示す
要部縦断面図である。 １……ケーシング、１ａ……インペラー設置
孔、１ｂ……渦室、２……シヤフト、３……イン
ペラー、３ａ……ボス部、３ｂ……ブレード、３
ｃ……凹部、３ｄ……水平状突縁、４……コラ
ム、５……吐出し管、８……架台、１１……駆動
モーター、１７，１８……ライニング部材、１９
……吸込孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 架台に上端部を取付けたコラム及び吐出し管
   の下端部においてケーシングを支持し、上端部に
   おいて駆動モータの出力軸に連結したシヤフト下
   端部に中央ボス部においてインペラーを取り付
   け、ケーシング上面に形成されたインペラー設置
   孔を通して底面のブレード部分を吸込孔を有する
   ケーシングの渦室に位置させるとともに、当該イ
   ンペラーには、インペラー設置孔の内周面に対向
   する外周面とボス部の間に肉厚低減用の凹部を形
   成してなり、少なくともインペラーとシヤフトを
   常圧焼結法による窒化珪素セラミツクを素材と
   し、かつセラミツク製としたシヤフトを中空状に
   成形してなるセラミツク製溶融金属ポンプ。 ２ インペラー、シヤフト、コラム並びに吐出し
   管のすべてを常圧焼結法による窒化珪素セラミツ
   ク製とし、シヤフト及びコラムを中空状に成形し
   てなる特許請求の範囲第１項記載のセラミツク製
   溶融金属ポンプ。 ３ ケーシングの渦室におけるブレード下端面の
   対向面及びインペラー外周面が対向する設置孔の
   内周面に、常圧焼結法による窒化珪素セラミツク
   製のライニング部材を設置してなる特許請求の範
   囲第１項または第２項記載のセラミツク製溶融金
   属ポンプ。 ４ インペラー上面外周部に、ケーシング上面に
   沿つて突出する水平状突縁を有する特許請求の範
   囲第３項記載のセラミツク製溶融金属ポンプ。