JPH0613741B2

JPH0613741B2 - アルミニウム合金インゴットの鋳造法

Info

Publication number: JPH0613741B2
Application number: JP62233632A
Authority: JP
Inventors: ギイスレイン・デューブ; ブルーノ・ギャリーピー; ジャン・ペール
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: Rio Tinto Alcan International Ltd
Priority date: 1986-09-18
Filing date: 1987-09-17
Publication date: 1994-02-23
Anticipated expiration: 2009-02-23
Also published as: NO873916L; AU601342B2; AU7862587A; DE3767624D1; NO169245B; ES2021368B3; CA1303860C; JPS6386830A; GB8622458D0; EP0260930B1; US4832911A; EP0260930A1; NO873916D0; NO169245C

Description

【発明の詳細な説明】今日アルミニウム工業においては、ホール・エル−還元
槽で生産された溶融アルミニウムを反射炉に移してから
鋳造するのが一般的である。これらの反射炉において
は、溶融アルミニウムの合金化及び精製を行なうために
種々の操作が実施される。普通の実施操作としては、種
々の形態（インゴット、顆粒、塊、粉末）の合金用元素
の添加、攪拌、加熱、フラックス処理及び沈降処理等が
ある。これらの反射炉においては多様な操作が実施され
るが、それらのデザイン（設計）はアルミニウム及びア
ルミニウム合金の鋳造要件によってほとんど完全に支配
されてきた。酸素への親和性が極めて大きいので、アル
ミニウム及びアルミニウム合金は、いわゆる「レベル注
ぎ」操作によって鋳造されるのが一般的である。このこ
とは、炉から鋳造機にかけての溶融アルミニウムの液面
が、乱流及び滝状流下（カスケーディング）を防ぐため
に可及的に一定に保持されることを意味する。反射炉中
の温度の均一性も、金属パッドの過熱された表面からよ
り低温の底部へかけての温度傾斜を低減させるために、
金属の深さを可及的に小さくしなければならないように
する。さらには、より大きな鋳造機へ湯を供給する鋳造
炉の寸法が大きくなると、操作が段々に非効率的にな
る。

炉における実際の治金操作は下記四つのカテゴリーに分
類できる。

1)合金化元素の添加 2)(イ)合金化元素の溶解及び化学組成均質、(b)温度均一
化のための、溶融物の攪拌 3)溶融物のフラックス処理 4)静置による固体含有分の沈降アルミニウム合金について、これらをさらに説明する。

1)合金化元素の添加アルミニウム合金の製造には、還元槽で生産された一次
アルミニウムに対して可成りの量のＭｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，
Ｓｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｚｎ，その他を添加することが必要
である。合金化の目的のために用いられる原料は、イン
ゴット、マスター合金、塊、顆粒、フレーク、小塊（粉
末成形品）及び粉末等の種々の形態で用いられうる。

合金化元素の二つの重要な特性（下記）は、多年にわた
り合金化操作の方法及び手段を左右してきた。

a)融点ほとんどの合金化元素は、Ａｌよりも可成り高い融点を
有する。例えば下記の通りである。元素融点（℃）Ｍｎ１２４４Ｆｅ１５３５Ｃｒ１８７５Ｃｕ１０８３Ｓｉ１４１０Ａｌ６６０従ってこれらの元素の溶解は、溶融及び非常に迅速な液
体／液体拡散プロセスではなく、むしろ遅い固体／液体
拡散プロセスによって推進される。

他方Ｍｇ及びＺｎは、Ａｌよりも低い融点（それぞれ６
５１℃及び４１９．５℃）を有する。

b)浮力Ｍｇを除くすべての合金元素は、Ａｌ溶融体中で浮上し
ない。Ａｌ溶融物中での拡散、従って溶解は、添加物が
充分に分散されなければ遅くなる。また固体／液体界面
を停滞させずに新しくするために連続的な攪拌が必要で
ある。

さらには反射炉中の溶融物の温度は、一般には７８０℃
以下に維持され、これによって合金化元素の溶解速度は
さらに制限される。

高融点及び非浮上性元素（Ｍｎ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｕ等）
の迅速かつ信頼性ある溶解を達成するためには、種々の
方法が多年にわたり使用されてきており、また提案され
てきている。

マスター合金：予め溶融された溶体からなるマスター合
金は、可成り速い溶解速度及び信頼性ある回収（有効利
用）率を与えた。しかし、実際の操作によれば、この技
法は、別個の合金化炉を必要とし、または供給源がその
場所でないときには再溶解を必要とする。

カナダ特許第１１５３２０９号明細書には、マスター合
金において純粋金属を用いる代りに鉄合金（Ｆｅ−Ｍ
ｎ，Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｃｕ等）を用いて、所望のアル
ミニウム合金の製造コストを低減することが提案されて
いる。マスター合金の使用は、主として今日生産される
アルミニウム合金の多様性と複雑性とのために、一般的
に排除されてきている。

小塊物またはタブレット：合金化用金属粉末及びアルミ
ニウム粉末の混合物（Ａｌ約２５％）の圧縮物であり小
塊またはタブレットの使用が、一般にマスター合金の使
用にとって代りつつある。それらは可成り迅速に溶解
し、使用するのに一層便利であり、またほとんどの使用
において、マスター合金よりも安価である。この場合も
処理加工コスト及び含まれるＡｌが、この方法による合
金化のコストを増加させる。

そのような小塊の使用についての諸改善が例えば英国特
許第２１１２０２０号及びカナダ特許第１１５３２０９
号明細書に提案されているが、それらは未だ工業的に実
用化されるに至っていない。小塊の使用のもう一つの欠
点は、この場合も迅速な溶解速度のために溶融物を良く
攪拌しなければならないことである。以下に述べるよう
に反射炉中での溶融物の攪拌操作は、小塊の使用による
完全な利点を達成するのには充分に効果的でないことが
ある。

直接射出：Ａｌ溶融物への金属粉末の直接射出は、好ま
しいコスト上の利点及び溶解速度を与えるので、従来の
技法に急速にとって代りつある。アヘリアン等はＴＭＳ
ペーパー・セクションＡ−７９−３７において、金属粉
末（殊にＭｎ粉末）の直接射出に影響を与えるパラメー
ターについての研究を発表している。この研究の結果な
らびに工業的観察は、下記のことを示している。

Ａｌ溶融物に貫入するために小さい粒子（≦１００ミク
ロン）については、射出速度は高くなければならない。
キャリヤーガス（Ｎ₂、Ａｒ）は、粉末物質を運搬する
ために、また所要の溶融物攪拌を与えるために使用され
る。この技法は、大きな表面乱れを生じさせ、従って酸
化による大きな金属損失をもたらす。微細粉末（４０〜
５００ミクロン）が使用される場合でさえも、工業的操
作において、反射炉中での粉末射出後に２０〜３０分間
の攪拌を必要とするのが一般的である。

微細粒子では回収（有効利用）率の低さがしばしば経験
される。

ある種の条件下では、クリンカーが形成することがあ
り、これがさらに溶解操作を遅延させることがある。

マグネシウムの添加の場合は、全く独特である。Ｍｇ
は、Ａｌ溶融物中で浮上性であるばかりでなく、操作温
度において溶融する。さらには、Ｍｇは容易に酸化ない
し燃焼し、浮上スキムまたはスラグと反応する傾向があ
る。Ｍｇ添加の実際的操作の実施において下記の三つの
重大な問題が生じる。

マグネシウムの添加では、約９０％の回収（有効利用）
が達成されるにすぎない。この１０％の損失分は、今日
のアルミニウム工業で用いられている可成りの量のＭｇ
に追加コストが掛かることを意味する。

マグネシウムは酸化すると、アルミニウム溶融物中に分
散するＭｇＯ及びMgAl₂O₄のような固形分を形成する。
これらの固形分は、寸法が小さい（約１００ミクロン以
下）けれども、後続の加工処理及び金属成形操作に極め
て有害である。例えば、Ａｌの１kg当り約５００００個
のそのような固形分粒子が、鋳造炉から供給される飲料
缶用合金中に存在すると推定される。そのような製品の
金属清澄性についての厳しい要件は、経費の掛かる処理
及び過操作を、鋳造炉と鋳造機との間の特殊装置にお
いて実施する必要性をもたらす。

今日実施されているような炉中での攪拌のときには、溶
融物表面上のスキムまたはスラグは、Ａｌ−Ｍｇ合金と
完全に混合されてしまう。一般にスラグは、ポットタッ
ピング操作からもたらされる電解質を若干量含んでい
る。電解質の種々の成分（NaF,CaF₂等）は、下記のよう
に合金中のマグネシウムと自由に反応してしまう（合金
のナトリウム含量は下記の反応により決定される）。

２ＮａＦ＋ＭｇＭｇＦ_２＋２Ｎａ（固体）（溶体）（固体）（溶体）アルカリ混入物は、鋳造前に除去されなければならな
い。これにより溶融体の製造コストが再び増加する。

２．攪拌前述のように、炉溶融物の攪拌は、金属パッドの幾何学
的形状の故に、また非効率的合金化の故に、長時間を要
する非効率的操作である。攪拌方法は、一般に下記の二
つのカテゴリーに分けられる。

(a)フォーク・リフト・トラックに取付けられた大形レ
ーキを用いて前後左右に動し、必要な金属の運動を与え
る機械的方法。

(b)加圧された高速ガス（Ｎ₂）を吹込管で射出して攪拌
運動を与える気体圧法。

両方の場合に、その強い表面乱れは、それにより酸化ア
ルミニウムの保護スキムが連続的に破壊されそして再生
されるので、可成の量の金属損失をもたらす。

液面下（サブマージ）金属ポンプが攪拌方法改善のため
に開発されてきているが、コスト問題及び材質／保善問
題の故に極めてわずかしか実用化されていない。実際の
攪拌方法では多量の熱損失も生じる。従って金属の再加
熱が必要とされることが多く、それによりこの回分式操
作はさらに遅延する。

３及び４．フラックス処理及び沈降（静置）反射炉中でのAl溶融物の合金化及び攪拌のために用いら
れる非効率的方法により直接的に必要となるものは、そ
の溶融物を鋳造前に所定の要件を満足するように元に戻
すために実施されなければならない多くの追加操作であ
る。これらの操作は、アルカリ（Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ等）
及び水素のように溶存混入物、及びＭｇＯ，ＭｇＡｌ₂
Ｏ₄，Ａｌ₄Ｃ₂，Ａｌ₂O₃，ＭｎＯ等の固体混入物をＮ₂/
Ar-Cl₂ガス混合物でフラックス処理することは、今日工
業的に広く用いられている操作である。ガス気泡を導入
して、アルミニウム及びＡｌ合金中の溶存水素含量を低
減させる。この操作は、ガス混合物の一部に塩素が含ま
れるときには、アルカリ元素及びアルカリ固形分の除去
にも有効である。この操作では、一定の静置時間を用い
て固形分を沈降させる。しかし、合金化及び攪拌のため
には、このような操作は、多くの製品の所要規格に合う
ようにするのに不充分であることが判っている。従っ
て、ほとんどのアルミニウム工業では、鋳造前に溶融ア
ルミニウムを精練、清澄化するために米国特許第３８３
９０２９号、３７４３２６３号、４４２５０６８号、４
１７７０６５号、及び４１７７０６６号明細書に記載さ
れるようなインライン処理装置を採用してきている。こ
のような解決法の有効性にもかかわらず、これは炉使用
による不適切処置に対する高費用の解決手段であり、ま
た問題の源泉における何らの解決をも与えない。

本発明の説明アルミニウム合金を反射炉中に移行する前に処理容器中
でアルミニウム合金を製造し精練する方法及び手段を提
供することが、本発明の一目的である。

通常のアルミニウム精練−鋳造操作においては、電解還
元槽から一次Ａｌを鋳造工程への移送用とりべにサイフ
ォンで取出す。還元槽中の溶融アルミニウムは、約９５
０〜９６０℃の温度に維持されている。とりべへの移動
後にそれに迅速に鋳造工程へ運ばれる。

本発明の一目的は、これらのとりべ中で合金化精練操作
を実施することである。

欧州特許第６５８５４号（１９８２年１２月１日発行）
明細書に記載されたアルミニウム中のアルカリ元素を除
去するための方法の多年にわたる実用化開発及び工業的
実施は、ポットルームるつぼにおけるアルミニウムの処
理の有効性を立証してきている。

本発明は、溶融アルミニウムを生産容器中で作り、その
溶融アルミニウムを生産容器から処理容器へ移し、処理
容器から鋳造容器へ溶融アルミニウムを移し、そしてそ
の鋳造容器からアルミニウム合金インゴットを鋳造する
諸工程により１またはそれ以上の合金化成分と合金化さ
れたアルミニウムの鋳造インゴットを製造する方法であ
って、少なくとも１つの合金化成分を処理容器中の溶融
金属中に添加し、溶解させることを特徴とする上記方法
を提供する。

生産容器の種類は、必須事項ではない。これは、いずれ
かの供給源からの固体アルミニウムを単に溶融させるた
めの容器であってもよい。しかし普通は、生産容器は電
解還元槽であるか、あるいは一つのポットラインを構成
する一連の電解還元槽群である。

処理容器の種類も必須事項ではない。これは、普通は、
還元槽から溶融金属を鋳造炉へ移送する移送容器、「ポ
ットルームるつぼ」または「とりべ」である。あるい
は、それは固定容器であってもよく、それに溶融金属を
移し入れ、それから溶融金属を移し出す処理容器は、断
熱されていてよく、加熱されていてもよいが、このよう
な加熱は溶融金属が還元槽からもたらされるときには通
常不要である。処理容器は頂部で開口しているのが好ま
しく、これは単純かつ安価であり、また以下に説明する
ような羽根車により発生される溶融金属表面での渦巻の
内側への合金成分の添加を可能とする。乱流が抑制され
ることを条件として、不活性ガス雰囲気または真空の使
用は不要である。

鋳造容器は、反射炉のような鋳造炉であるのが最も普通
である。しかし、例外的には合金をとりべまたはその他
の処理容器から直接に鋳造するのが好ましいことがある
（例えば鋳造体を次に再溶融することが意図されている
場合である）。

本発明は生産容器と鋳造容器との中間でその他の容器を
使用することも意図している。例えば、若干の製練業者
は還元槽と鋳造炉との間で貯留炉を用いて、溶融金属を
とりべにより及び／または樋を介して移送する。

通常のＡｌ製練・鋳造操作では、反射鋳造炉は、ポット
ルームからの溶融アルミニウムにより、及び小割合の固
体返還物または一次アルミニウムにより、直接に満たさ
れる。ほとんどの場合に反射鋳造炉には、いくつかのる
つぼの内容物が仕込まれる。これらのるつぼは、２〜１
０トンの金属を運びうる。そのような容器の幾何学的形
状の故に、また移送段階中の高い金属温度（８３０〜９
００℃程度）の故に、それらの容器は合金化のような治
金操作のために理想的である。例えは、とりべ中の金属
の高さ／直径（Ｈ／Ｄ）比は、典型的には約0.4〜1.0の
間にあるが、炉の比は一般に約0.1〜0.15である（炉は
円形よりもむしろ矩形であり、そのＤの値は炉室の長さ
と巾との平均として計算される）。さらには、溶融金属
の温度は、反射炉におけるよりもるつぼにおいて５０〜
１００℃高い。

本発明によれば、ポットルームから入って来る溶融金属
は、ある指定された治金とりべに移送されても、移送さ
れなくてもよい。しかし実際上、以下の(i)〜(iii)の理
由により、ポットルームからの溶融アルミニウムを特定
のとりべに送るのが好ましい。

i)ポットルームるつぼは、還元槽からのサイフォン取出
中に同伴される多少の電解質を必ず含んでいる。次にＭ
ｇとの合金比がなされるときに、この電解質は下記の反
応式で溶解Ｍｇと反応する。

Ｍｇ＋２ＮａＦ→ＭｇＦ₂＋２ＮａＭｇ＋２ＬｉＦ→ＭｇＦ₂＋２ＬｉＭｇ＋ＣａＦ₂→ＭｇＦ₂＋Ｃａこれらの反応は、ＥＰＡ第６５８５８号明細書に記載さ
れるように、るつぼ中のAlF₃添加により逆方向へ進行し
えないので溶融アルミニウムをさらに汚染することにな
る。

溶融金属は、サイフォン取出により、また直接注ぎ込
（流入）により、処理とりべに移送できる。この段階に
おいて溶融アルミニウムは約８５０℃〜９００℃であ
る。このような温度においては、電解質はすでに固化し
始めており、従ってポットルームるつぼ中にとどまる。
実際には、電解質の小部分（１０％以下）のみが直接流
入法によって処理とりべ中へ移行されうる。

ii)ほとんどの場合に、溶融金属移送のために使用する
ポットルームるつぼは、断熱されておらず、従って熱を
可成り迅速に失なう。可能な最も高い温度で合金化を行
なうためには、良く断熱されたとりべを用いその中で次
の操作を実施するのが有利になってくる。

このような条件の下で、溶融アルミニウムは、そのとり
べ中で外部から全く熱を加えることなく、合金化及び精
練を行なうのに充分な時間にわたって充分に高い温度に
とどまろう。これは、マグネシウム、銅及びけい素のよ
うな吸熱溶解での添加がなされるときに、特に重要にな
ってくる。

iii)一次アルミニウムの合金化及び精練のための特定と
りべの使用も、二つまたはそれ以上の合金が同時に製造
されるときに有利になってくる。合金汚染の危険は、各
々の合金について製造とりべが使用されるときに最小化
される。

完全（１００％）かつ迅速な溶解を達成するためには、
金属の温度、及び適切な反応容器（とりべ）の幾何学的
形状に加えて、金属の良好な攪拌、及び添加の方法と手
段が重要である。

ＥＰＡ６５８５４号明細書には、溶融アルミニウムから
Ｌｉ及びその他のアルカリとアルカリ土類金属を除去す
る方法が記載されており、その方法においては、溶融金
属体（例えばポットルームるつぼ中のもの）内に強力な
循環を、回転羽根車によって生じさせる。この特定の溶
融金属攪拌方法に限定されるわけではないが、本発明の
方法はＥＰＡ６５８５４号明細書に記載される如き溶融
アルミニウムの処理と組合せて極めて都合よく実施され
る。

本発明の開発中に、合金化成分の添加の方法及び手段
は、完全（１００％）な信頼性ありかつ迅速な（１５分
以下）の合金化成分の溶解を達成するように最適化され
た。このような方法は、使用される合金化元素のタイ
プ、化学的性質及び物理的性質により変る。

1)Ａｌより高融点のものＭｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｓｉのような元素がこ
のカテゴリーに入る。

このカテゴリー内の元素は、溶融アルミニウムにおいて
遅い溶解速度を有するものと、迅速な溶解速度を有する
ものとに分類できる。

(a)遅い溶解速度のものマンガン及び鉄は合金化元素として広く用いられてお
り、この分類に属する。Ｃｒ及びＮｉは（Ｍｎ及びＦｅ
ほどには使用されないが）これらもこの分類に入る。

マンガン、鉄、クロム及びその他の合金化成分でこの分
類に入るものは、微細粉末の形で、とりべ中の溶融アル
ミニウムに添加されるべきである。粉末の寸法分布は、
迅速な溶解及び完全な有効利用（回収）のためにはマイ
ナス３５メッシュ（＜４２０ミクロン）及びプラス３２
５メッシュ（＞４４ミクロン）の範囲内であるのが好ま
しい。４２０ミクロン以上のフラクション及び４４ミク
ロン以下のフラクションがそれぞれ１０％以下である金
属粉末を用いるのが好ましい。従って、適切な溶解時間
を得るためには小塊またはフレーク状のものを使用する
のは、好ましくない。例えば、電気分解Ｍｎフレーク
は、３％までの添加についてはＭｎ粉末よりも３〜４倍
長い溶解時間を示す。とりべ中での溶解工程を実施する
のに充分良好な攪拌は羽根車で得られる。しかし、例え
ばＭｎ及びＦｅでの合金化は、羽根車をとりべの底に近
く低くすることにより、及び／またはピッチ無し翼を用
いることにより、改善向上されうることが判明した。こ
の改変は、非浮上性粒子が蓄積し易いとりべの底での金
属のかきまぜを増加する効果を与える。

Ｍｎ，Ｆｅ及びＣｒ粉末のような金属粉末は、不活性キ
ャリヤーガス（Ｎ₂，Ａｒ）を用いての表面射出によっ
て最も良好に添加される。高いキャリヤーガス速度及び
強い表面乱れによって特徴付けられる実際の射出操作と
は反対に、可及的にガス消費を少なくするように原料を
運搬（キャリー）するのが好ましい。

微細粉末の浮上及び酸化に伴なう損失を防ぐには、垂直
に対してある傾いた角度で射出管を配置するのが好まし
い。また射出管の開口を、金属粉末が溶融金属の流動に
よって下方及び直径方向（外向き）に同伴されるような
位置に配置するのも好ましい。粒子の良好な分散は、か
くしてクリンカー生成の機会が最も少なくなるようにし
て、達成される。さらには、射出管から出るキャリヤー
ガス気泡は、運動中の溶融金属によって形成される渦巻
内で終る上方向直径方向運動で同伴される。金属−空気
界面で破れるときに、気泡はそれに同伴された微細金属
粒子を放出する。これらの粒子は、次いで渦巻の作用に
より直に溶融金属中へ引き込まれる。このような操作は
高キャリヤー速度での射出でしばしば見られる金属粉末
の表面酸化を防止する。

本発明により行なわれる金属粉末、すなわちＭｎ，Ｆ
ｅ，Ｃｒ及びＮｉ等の添加は、極めて迅速な溶解時間を
特徴とするものである。４％までのＭｎ、１５％のＦｅ
の添加物は８分間以下で完全に溶解される。この工程の
高効率及びこれらの元素の発熱溶解の故に、この工程は
添加物１％につき９〜１０℃の如き、溶融金属温度の急
速な上昇により特徴付けられる。従って、本発明によれ
ば、ある完全な炉パッチは、その炉の仕込みをなす複数
のとりべのうちの一部においてだけ合金化処理すること
により製造できる。合金化成分の最高添加量は、種々の
相状態図によって、金属間化合物が生成されずかつとり
べの底に沈殿しないような添加量である。

ＥＰＡ６５８５４号明細書においてAlF₃添加について記
載されたように渦巻中へ金属粉末を添加することもでき
た。しかしこの方法は余り信頼性がなく、酸化による若
干の損失を生じさせ、従ってＡｌ中に有害な固形分が生
じうる。

さらには、渦巻添加法を用いると金属粉末の爆発及び毒
性に関する安全性危害が起こりうる。

高速キャリヤーガスを使用せずに溶融金属へ粉末物質を
添加するその他の方法が提案されてきている。そのよう
な一方法は、米国特許第４１０９８９８号明細書に記載
されている。しかしその方法は本発明の方法と比較して
下記のような欠点を有する：ガスシール（密封）を有する移動部材、保護被覆、射出ノズルの腐食、銅の添加アルニミウムへの銅の添加に関しては、高い金属温度
（＞８００℃）、とりべの幾何学的形状及び溶融攪拌に
よる総合効果により、固体銅片の使用が可能となる。バ
ースライス（１個２０kg）及び８kgのインゴットを１％
までの添加量で加えたときには、（とりべに添加した場
合）、５分間以下で完全に溶解した。Ｃｕ片の添加は、
とりべでの溶融物の攪拌の前または攪拌中に同等に実施
しうる。ＣｕならびにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉについ
て上述したとりべ中での合金化法の利用は、マスター合
金または小塊を用いる場合よりもはるかに節約できるこ
とが明かになる。実際には、マスター合金は推奨され
ず、また本発明の方法と融和性でない。なんとなればマ
スター合金のアルミニウム含有量によって非常に大きな
熱損失がもたらされるからである。

(b)高融点／迅速溶融するものけい素はこの分類のうちの主たる合金化元素である。こ
れは、前述のような溶融物の攪拌中に、純粋な金属けい
素の形で添加されるべきである。けい素はとりべ中で急
速に溶解されるので、可成り大きなチャンク（１０〜２
０cm）または粉末（９０％が＞４４ミクロン）の形の原
料を同等に使用できる。

2)Ａｌより低融点のもの亜鉛はＡｌ中で非浮上性であり、粉末または塊の形で添
加できる。亜鉛のアルミニウム中の溶解は吸熱性であ
る。

マグネシウムは、Ａｌ中において浮上する唯一の合金化
元素であるが、アルミニウム合金におけるその重要性な
らびにその独特な性質の故に、特定な添加方法を応用し
なければならない。

とりべまたは炉中でアルミニウムをマグネシウムと合金
化しているときに、溶融Ａｌ−Ｍｇ合金を残留電解質と
接触させないことが重要である。Ｎａ，Ｃａ及びＬｉで
さらに汚染されないようにするには、溶融金属をポット
ルームるつぼから特定された処理とりべに移行させるの
が良い。

前述のように金属移行は、電解質が処理とりべ中へ運び
込まれないように実施されるべきである。

迅速な溶解を達成し、AlF₃添加後に５ppmよりも低い残
留アルカリ（Ｎａ，Ｃａ，Ｌｉ）含量を達成するために
は、Ｍｇ添加は、ある種の条件下で実施されるべきであ
る。第１に、溶融金属の渦巻を防止するのが望ましい。
要するに、渦巻流動パターンは表面浮遊電解質を溶融金
属中へ引き込み、マグネジウムと種々の弗化物化合物と
の間の交換を生じさせるからである。

渦巻は、回転羽根車の速度を低減（６０〜１００rpm対
１５０rpm）することにより、及び／または羽根車をと
りべの中心から離して配置することにより、防ぐことが
できる。最小の中心からの隔離位置は、羽根車翼先端が
とりべ対称軸に対して接線方向であるときに得られる。
マグネシウム・インゴット（２５kg以下）を原料として
使用できる。高純度ＭｇインゴットはＭｇの最も安価な
供給源であり、それらの単位寸法は厳しい仕様を正確に
達成するのに充分に小さい。固体ＭｇはＡｌ中で浮上性
であるので、Ｍｇインゴットはアルミニウム溶融物表面
上に浮遊する。そのようなＭｇインゴットが溶融するに
つれて、液体Ｍｇは直ちに溶融アルミニウム中へ引き込
まれ、溶解する。溶解時間は、大きなＭｇ添加量（１０
％まで）であっても５分間以下である。

これらの条件はアルカリの逆反応による汚染を防ぐため
に維持されるのであるから、Ｍｇ添加は方法全体の最後
に行なうのが好ましい。とりべに対する好ましい添加順
序は、最大の効率を達成するように確立できる。第１
に、アルカリ及びアルカリ土類金属元素を除去するため
のAlF₃の添加（任意）である。第２に、Ａｌ中に発熱溶
解する元素、すなわちＦｅ，Ｃｒ，Ｍｎ及びＮｉの添加
である。それと同時または直後に、吸熱反応（溶解）を
示す通常少量で添加されるＣｕ，Ｓｉを添加する。Ｃｕ
及びＳｉの溶解パラメーターは、羽根車の速度及び位置
に関する限りＦｅ，Ｍｎ等のものと同じである。

最高温度及び上記諸元素のほとんど完全に溶解が達成さ
たときに、渦巻発生条件の羽根車の速度及び位置を設定
して、Ｍｇの添加を行なう。最大Ｍｇ添加量は相状態図
により、またとりべ中の金属温度を基礎として決定され
る。若干の場合には、Ｍｇ添加はその添加量１％当り
（非加熱式断熱とりべにおいて）約８〜１０℃の温度損
失を伴なうので、凝固を防ぐためにその量が制限されな
ければならないことがある。

とりべ中でのＭｇの添加の有効利用（回収）率は９８〜
１００であることが判明した。これに対し従来の炉での
添加でのＭｇ有効利用率は約９０％であった。原料の節
約に加うるに、本発明は金属清澄性において大きな改善
を与える。合金化中に、わずかに限られた量の固形分が
酸化により形成されるにすぎず、これらの固形分はフラ
ックス作用によってとりべ内に捕捉されうる。この捕捉
機構はＥＰＡ１１２０２４に記載されている。

とりべ治金の応用による金属清澄性の改善は、炉及びイ
ンライン処理操作の時間及びコストの節減を与えうる。
清澄な合金化済金属が炉に供給されるので、炉における
フラックス操作及び沈降操作は、同一の鋳造金属品質に
ついては、省くこと、あるいは大巾に削減することがで
きる。あるいは、炉及びインライン操作が保持される場
合には、本発明の方法は、それ以外の場合に可能である
よりも一層清澄かつ良好な金属を鋳造機へ移すことがで
きる。

本発明の好ましい一特徴は工程プロセスの迅速性及び効
率性の故に、一次アルミニウムの合金化及び精練が、ポ
ットルームから鋳造機への移送操作中に外部から熱を加
えることなく、とりべ中で実施できることである。もち
ろん、必要ならば外部加熱を供給してもよい。またその
効率性（高）の故に、一つの炉を所定の仕込量で満たす
ためには、複数のとりべのうちの一部のものだけに、合
金化に必要な全量の元素を添加してもよい。その場合、
種々の組成及び濃度の液体マスター合金が、凝固、在庫
及び再溶融を必要としない中間合金に適合するように製
造される。表１は本発明方法が種々の合金の製造のため
にいかに応用されうるかの例を示している。この場合、
各とりべは５トンの容量であり、従って８個のとりべが
４０トンの金属仕込のために必要であることが仮定され
ている。合金化添加量は、一次Ａｌ中のＦｅ及びＳｉ含
量を考慮してある。

表１に示されるように、広範囲の合金及び濃度が、特定
の製造要件に応じてとりべ中で製造できる。濃度比（と
りべ中の合金化濃度：製造されるべき合金の濃度の比）
は、例えばほとんど純粋なアルミニウムについての２
０：１のような高い値から高度に合金化された製品につ
いての１：１のような値にまで変りうる。あるとりべに
対する合金化成分の添加量は、操作温度におけるアルミ
ニウム合金中への合金化元素の溶解度に左右される。種
々の元素についての最高添加量は、液体金属中で金属間
化合物が沈殿し始める濃度として定義される。実際に
は、例えばＭｇ，Ｓｉ及びＣｕの吸熱溶解による温度損
失も、とりべ中の添加物の最高濃度に影響する。とりべ
中で作られる合金またはマスター合金中のアルミニウム
含量は、従って少なくとも７５％であるべきである。

本発明によれば、アルミニウム鋳造炉は、電解還元槽か
らの一次アルミニウムのある数のるつぼ内容物によって
満たされる。その鋳造炉バッチのための合金化成分必要
量は上記の方法によって、とりべ中へ直接に添加され
る。炉の仕込が終了すれば、溶融物は温度及び組成を均
一化させることが必要なだけであり、所望ならば金属の
清澄化のためにアルカリ類の除去のためのフラックス処
理及び／または沈降処理がなされる。炉における合計操
作時間はとりべによる合金化及び精練で３０〜６０分に
限定できる（仕込を遅らせることなく）。従来のアルミ
ニウム鋳造操作においては、炉における合金調製時間は
数時間を要する。本発明の方法の実施によりコストの低
減及び／または生産能力の増大が可能である。

添付第１図において、とりべは、鋼製外殻１０、断熱材
層１２、耐火性ライニング層１４と断熱蓋１６から構成
され、とりべの床面から上へ距離Ｈのところにある表面
１８で示された高さ位置まで溶融Ａｌを含んでいる。羽
根車（インペラー）２０は、とりべ内に取付けられて、
垂直軸２２によって回転される。羽根車は、その翼の先
端がとりべの軸を切って動くようにとりべの芯からずれ
て取付けられ、またその翼はとりべの床面から距離ｈ₁
のところに配置されている。羽根車の回転により、溶融
Ａｌの表面に渦巻２３が生じる。射出管２４には、管３
０及び３２からの低速の不活性キャリヤーガス（Ａｒ，
Ｎ₂等）によりホッパー２８から粉末の合金化用元素２
６が供給されている。この射出管は、垂直に対して５°
〜４５°の角度（θ）で溶融アルミニウム中へ延びてい
る。射出管の先端はとりべの床面から高さｈ₀のところ
にある。第２図の平面図において、射出管は、羽根車及
び渦巻によって描かれる円に対してほぼ接線方向に伸び
ている。

図示された装置は、溶融Ａｌ中にゆっくりと溶解する高
融点合金化元素の供給に敵している。この目的のために
はｈ₁／Ｈ比は1.0〜3.0の範囲内となるべきであり、キ
ャリヤーガス流量は少なく、またその速度は低くなけれ
ばならず、そして羽根車速度は１００〜２５０rpmであ
るべきである。

実施例１アルミニウムとりべ治金法でのＡＡ−3003合金の製造この試験では、ポットルーム金属を、５０トン容量のい
くつかの炉を設えたＤＣ（直接チル）鋳造設備へ供給し
た。溶融アルミニウムは、平均金属量5.7トン及びＨ／
Ｄ比＝0.47のるつぼで移送した。通常操作では、一つの
炉はある時間にわたり所定の合金製造のために使用され
ていた。さらには、生産性の目的及び品質管理の目的の
ために各鋳造操作毎にその炉内に少量の合金を保留して
おいた。試験期間中に、その５０トン容量の炉の内容物
を鋳造し終えた後に約１８トンの量の合金を保留した。
表２はＡＡ−３００３の合金組成及びポットルームから
の一次アルミニウムと１８トンのＡＡ−３００３から５
０トン（完全）バッチを作るのに必要な合金用添加物量
を示す。

表２ＭｎＦｅＳｉＣｕＭｇ AA-3003規格（％）1.08 0.61 0.22 0.075 − 合金成分添加量（kg）340 150 60 25 − そのとき炉仕込物（約３２トン）は、５つのポットルー
ムるつぼ及び３トンの固体返還物によって完結できた。
またこのとき、すべての合金化元素を、５つのるつぼの
うちの２つに対して同量で添加することを決めた。Ｍｎ
及びＦｅの発熱溶解により、またＭｇが存在しないこと
により、合金化及び精練処理は、その移送るつぼ（非断
熱）中に直接実施できた。５つすべてのるつぼにAlF₃を
添加して、アルカリ及びアルカリ土類混入物を除いた。

表３には合金化及び精練処理操作がまとめて示されてい
る。合計２８７．５kgの合金化成分添加が、二つのるつ
ぼのそれぞれに対して行なわれた。Ｆｅ及びＭｎの添加
は初期段階で行なわれ、次いでＣｕ及びＳｉが添加され
た。これらの添加の間、ＥＰＡ６５８５４号明細書に記
載の如き回転羽根車で溶融物を攪拌し続いた。粉末状の
Ｍｎ及びＦｅ（約８５〜９０％が−３５メッシュ〜＋３
２５メッシュの粒度）を、第１図に示した方法で溶融物
の表面下に射出した。Ｓｉ及びＣｕ（チャンク１０cm以
下、及びバー・スライス、それぞれ２０kg）は６〜７分
経過時にとりべ中へ投入した。全体の合金化処理は、１
４分間以内に終了した。それぞれの元素について溶解時
間は、１０分以下であった。とりべ中でのＡＡ−３００
３の合金化も、強い発熱溶解（１０℃以上の温度上昇）
を特徴とする。アルミニウムのとりべ治金処理によっ
て、炉の仕込物全体を通常の仕込時間内で合金化され、
精練される。実施例１により、三つの炉バッチを作っ
た。とりべ及び炉の内容物の分析により、すべての元素
の完全（１００％）な有効利用（回収）率が示された。
これらの炉バッチは、仕込も終了及び均一化のときに、
規格に適合していた。とりべでの合金化及び精練は、る
つぼでのアルカリ及びアルカリ土類金属の除去操作と組
合せて都合よく実施されるので、炉におけるフラックス
処理の軽減または省略が可能である。仕込が終了したと
きに、Ｌｉ，Ｎａ及びＣａは２ppm以下であることが示
された。従ってこの方法を応用すると非効率的な炉操作
の大巾な軽減または省略が可能となり、鋳造設備の生産
性の大巾な向上がもたらされる。

実施例２一連の試験において、とりべにおけるＭｇ添加の方法及
び効率性を確立した。この試験では、ポットルームは平
均７０００kgの金属を運搬しうるものであった。これら
のポットルームは軽度に断熱されており、金属Ｈ／Ｄ比
が約0.74であった。前述のようにＭｇの存在下でアルカ
リ元素を効果的に除去するために、ポットルームからの
一次金属をまずある特定のとりべへ移した。金属の移行
は、とりべへるつぼから直接注ぎ込むことにより行なっ
た。この直接注入はるつぼをティ・ポット形にすること
により容易に実施できる。その特定とりべ中のバッチ内
容物はＡｌ１トン当り２kg以下であると推定された。四
つの試験（Ｍｇ量を2.5％から4.25％まで変えた）を実
施した。Ｍｇは１０kgのインゴットの形で溶融物の表面
へ供給した。処理時間の最初の６〜８分の間にとりべ中
のアルカリ除去（Ｎａ，Ｃａ等）のためのAlF₃の添加を
行なってから合金化成分の添加を行なった。Ｍｇの添加
のときに、回転羽根車の速度は１００rpmへ低減して
（１５０rpmから）、渦巻を生じさせない条件とした。
試験条件及び結果を表４にまとめて示す。とりべ１個当
り１８０kgないし３２０kgの間の合金化成分添加を約１
００kg／分の速度で実施例した。Ｍｇの溶解は非常に急
速であり、約４分で完了した。光学的放出スペクトル法
（ＯＥＳ）による分析により有効利用（回収）率は９８
〜１００％に近いことが判った。炉中でのＭｇとの合金
化での有効利用率（約90％）と比較して、このとりべの
高い有効利用率は下記の利点をもたらす。

a)合金化用原料の節約、 b)製品の品質向上。

金属清澄度測定（過及び金属写真法）によって、炉を
用いる場合と比較してほぼ１０倍の改善が達成されたこ
とが判った。

とりべ中の処理後に採取した試料で得た結果は、平均で
0.58mm²／kgの率での固形異物を示した。そのうちの８
０％は小さい炭化アルミニウム粒子であった。他方、合
金化後に採取される炉処理試料は、２〜１０mm²／kgの
固形異物を含みうるものであり、そのうちの大部分（７
０〜８０％）は有害なＭｇＯ及びMgAl₂O₄である。

低度（５ppm以下）の残留Ｎａ含量は、ポットルームる
つぼから金属をとりべへ移行し、非渦巻条件を設定して
槽電解質を制限することにより、高Ｍｇ含量で達成でき
ることが判った。１３５rpmでの実験NO.５におけるよう
に渦巻が形成される場合には、Ｎａ含量は約３０ppmま
で急激に上昇する。

実施例３ＡＡ−３００４（缶本体）の製造飲料用容器は、今日、殊に金属の品質及び清澄性に関し
て最も厳格なアルミニウム製品の一代表例である。この
実施例の試験は、本発明の実施が鋳造操作の生産性及び
製品品質の両方において可成りの利益をもたらすことを
示すものである。この試験は実施例１と同じ設備で実施
した。すなわちポットルームから一次アルミニウムを供
給して、5.7トン容量のるつぼ（複数）を用いそして５
０トン容量の炉を用いた。実施例２のように特定のとり
べ中で合金化を行なった。このとりべは断熱されたもの
であり、金属の移入の前に予熱して熱損失を可及的に少
なくした。一つの炉中で三つの連続する５０トンのバッ
チを作った。この場合に、鋳造後に炉中に約８〜９トン
の合金が残留するようにした。その残留仕込物はポット
ルームからの一次アルミニウムをほとんど補った。表５
はＡＡ−３００４の公称組成及びＡＡ−３００４のため
の５０トン容量の炉への合金化成分の添加量の典型例を
示す。

表５ＭｎＦｅＣｕＳｉ
ＭｇＡＡ−３００４規格（％） 1.1 0.44 0.16 0.20 1.05 合金化成分添加量 464 100 66 58 560 （kg／５０トン）ＡＡ−３００４の８〜９トンの部分（残留）から、７つ
のるつぼが炉（１個）を満たすために必要とされる。こ
れら７つのるつぼのうちで、２つだけの金属を処理用と
りべへ移して合金化させ、他の５つのものはとりべへ移
行せずまた合金化処理せずに炉へ仕込んだ。

すべてのるつぼ及びとりべにAlF₃を添加してアルカリ及
びアルカリ土類混入物を除去した。表６はとりべ中での合金化及び精練
処理の特徴を示している。

表７は追加のデータを示している。

とりべ中の金属の最終分析は、Ｎａ及びＣａの濃度がそ
れぞれ４ppm及び３ppmであることを示した。

最初の実施例のように、下記の添加順序で実施例した。

1)AlF₃ 2)Ｍｎ及びＦｅ 3)ＣＵ及びＳｉそして最後に 4)Ｍｇ（この場合は非渦巻条件を設定）。

とりべ中での攪拌は、この場合もＥＰＡ６５８５４号明
細書に記載されたタイプの羽根車で行ない、合金化を最
適化する速度及び位置要件に従った。合計約６２５kgの
合金化元素を、試験期間中（２つのとりべ／１つの炉合
計３つの炉）に２つのとりべの各々に添加した。

ＡＡ−３００４の製造に用いた各合金化元素は、実施例
１及び２に記載したものと同じ形態であった。合金化と
りべについての処理時間は１６分から２０分の間で変っ
た。それは適切な自動化及び合金化成分の同時添加（可
能なもの同志）によってさらに１５分以下にまで短縮で
きた。溶解時間は、この場合も、すべての元素について
極めて迅速であり、９分以下であった。とりべ合金化
は、著しいエネルギー効率も与えた。添加物が（殊にＭ
ｇ）大量に用いられたにもかかわらず、全体の処理工程
は、溶融仕込物の一部分について約１５〜２０℃の少な
い温度損失を起こしたにすぎなかった。とりべ治金のこ
の特徴自体が、現行の炉合金化法に比較して大巾な節減
をもたらすものである。

仕込完了及び溶融物均一化時に、３つすべての炉の仕込
物はこのＡＡ−３００４合金の公称組成範囲であった。
とりべでの合金化処理は仕込時間を遅延させないので、
合金調製時間は約３０〜６０分間も短縮できた。さらに
はアルカリ汚染物（Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ）含量は、仕込後
にすでに低かった（４ppm以下）。金属清澄性も従来の
炉使用の方法よりもはるかに向上した。これは合金化中
にＭｇの非常に少ない部分がＭｇＯ及びMgAl₂O₄に酸化
されるにすぎないからである。前述のようにこれらの利
点は、合金製造工程（フラックス処理−沈降処理）を短
縮化し、及び／または鋳造インゴットの品質を向上させ
るたみに使用できる。この実施例の三つのバッチによる
試験において、炉でのラックス処理及び沈降処理を実施
した。とりべ処理後の金属を供給された炉の金属の固形
混入物数は、慣用炉使用の方法で見られたものの半分で
あった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、溶融アルミニウムに粉末の合金化用元素を添
加するための手段を備えたとりべの側面断面図である。
第２図は第１図の平面図である。鋼製外殻……１０、断熱層……１２、耐火性ライニング
層……１４、羽根車……２０、射出管……２４。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジャン・ペールカナダ国ジー７ビー・１ダブリュー７，ケベック州ラ・ベー，デュー・ポート・アベニュー 2235

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚ
ｎ及びＳｉから選択される１つまたはそれ以上の合金化
成分と合金化されたアルミニウムの鋳造インゴットを製
造するに当り、生産容器中で溶融アルミニウムを作り、溶融アルミニウ
ムをその生産容器から処理容器へ移し、その処理容器中
で溶融金属に粒状の少なくとも１つの合金化成分を添
加、溶解し、溶融アルミニウムをその処理容器から鋳造
容器へ移し、その鋳造容器からアルミニウム合金インゴ
ットを鋳造する諸工程により、１またはそれ以上の合金
化成分で合金化されたアルミニウムの鋳造インゴットを
製造する方法において：生産容器から溶融金属をいくつかのバッチに分けて、処
理容器として用いられる少なくとも１つの上部開口非加
熱とりべに移し、次いで少なくとも１つの合金化成分を
少なくとも１つの、ただしすべてではないバッチの溶融
金属中に添加し、溶解させ、その際の合金化時間を１５
分以下とし、そしてそれらのバッチを鋳造容器中で逐次
混合する、ことを特徴とする上記インゴット製造方法。
【請求項２】すべての合金化成分を処理容器中の溶融金
属へ添加し、溶解させる特許請求の範囲第１項に記載の
方法。
【請求項３】生産容器は電解還元槽である特許請求の範
囲第１または２項に記載の方法。
【請求項４】溶融金属を電解還元槽からポットルームる
つぼへ、次いで処理容器へ移す特許請求の範囲第３項に
記載の方法。
【請求項５】処理容器はとりべである特許請求の範囲第
１〜４項のいずれかに記載の方法。
【請求項６】数個の処理容器を用い、それらの容器の内
容物を鋳造容器中で混合する特許請求の範囲第１〜５項
のいずれかに記載の方法。
【請求項７】全ての合金化成分を少なくとも１つの、た
だしすべてではないバッチの溶融金属に添加し、溶解さ
せる特許請求の範囲第１〜６項のいずれかに記載の方
法。
【請求項８】少なくとも１つの合金化成分を、粉体の形
で、処理容器内の撹拌された溶融金属体中へキャリヤー
ガスを用いて表面下射出することにより添加する特許請
求の範囲第１〜７項のいずれかに記載の方法。
【請求項９】添加される金属粉末の主要部は、４４ミク
ロンないし２mmの粒子寸法を有する特許請求の範囲第８
項に記載の方法。
【請求項１０】処理容器中の溶融金属体を、溶融金属表
面において渦巻を発生させるような速度で回転される羽
根車によって撹拌する特許請求の範囲第８または９項に
記載の方法。
【請求項１１】Ｃｕ及びＳｉから選択される少なくとも
１つの合金化成分を、処理容器中の撹拌された溶融金属
体へ塊状添加する特許請求の範囲第１〜１０項のいずれ
かに記載の方法。
【請求項１２】溶融金属表面に顕著な渦巻を発生させな
いような速度で撹拌されている処理容器中の溶融金属体
中へ合金化成分のＭｇを添加する特許請求の範囲第１〜
１１項のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】Ｍｇの添加に先立って、Ｎａ，Ｃａ及び
Ｌｉの濃度をそれぞれ５ppm以下にまで低減させる量の
ＡｌＦ_３を処理容器中の撹拌された溶融金属体に対して
添加する特許請求の範囲第１２項に記載の方法。
【請求項１４】処理容器中の撹拌されている溶融金属体
に対して下記：（ｉ）Ｎａ，Ｃａ及びＬｉの含量を低減させるＡｌＦ_３（ii）粉体状のＭｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ及
びＳｉの１つまたはそれ以上（iii）塊状のＺｎ，Ｃｕ及びＳｉの１つまたはそれ以
上（iv）Ｍｇの添加の二つまたはそれ以上を所与の番号の順序で実施
する特許請求の範囲第８〜１３項のいずれかに記載の方
法。