JPH07126769A

JPH07126769A - 上方及び下方羽根車を用いた溶融アルミニウムの精製

Info

Publication number: JPH07126769A
Application number: JP6094313A
Authority: JP
Inventors: Ho Yu; ユホ; Judith G Stevens; ジー．スチーブンスジュディス
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1993-05-05
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1995-05-16
Also published as: BR9401882A; AU6070394A; EP0623685A1; US5342429A; CA2122421A1; NO941549D0; NO941549L

Abstract

(57)【要約】【目的】マグネシウム及びアルミニウム合金の如き溶
融金属から不純物を除去するための改良されたフラック
ス処理方法及び溶融マグネシウム及びアルミニウム合金
中に多量のフラックス用ガスを一層効果的に分散させる
ための分散器を与える。【構成】（ａ）溶融アルミニウム物体中に少なくと
も一つの上方及び下方分散器を配置し、（ｂ）前記溶
融アルミニウムの前記下方分散器の領域中にフラックス
用ガスを添加し、そして（ｃ）前記上方及び下方分散
器を回転させて前記ガスを分散させる、ことからなる溶
融アルミニウムをガスフラックス処理する方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶融アルミニウムから
不純物を除去するフラックス処理(fluxing）方法に関す
る。詳しくは、本発明は、溶融アルミニウムから、取り
込まれたガスの如き不純物を除去するための機械的撹拌
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】丈夫な製品及び良好な操作経済性のため
には、金属を鋳造する前の金属中の不純物によって起こ
される金属製品中のある種の欠陥を減少させるように溶
融金属を処理することが必要であることがアルミニウム
工業では以前から認識されている。このことは、鍛造製
品を製造するために後で鍛造されるインゴットに対して
特に当て嵌まることである。普通に生ずる一つの不純物
は、金属の溶融及び移動中にその中に取り込まれ或は溶
解したガスである。そのガスは、溶融中のアルミニウム
と湿分とが接触することにより恐らく発生した水素が主
なものである。同様に、酸素が溶融アルミニウムの表面
に取られ、それはアルミニウムを非常に速く酸化する。
金属が固化した時、かなりの量のガス及び酸化物粒子が
金属内に取り込まれる。後の製造工程中、そのような取
り込まれた不純物が製造物品内に空洞又は不連続物を生
じ、それが製品の弱い領域を生ずる。この問題は高強度
アルミニウム製装置では一層厳しくなり、この場合、そ
れら空洞及び不連続物が弱い領域を生ずるのみならず、
後に説明するように、装置を廃棄する充分な原因になる
ことがある更に別の欠陥を与えることになることがあ
る。

【０００３】アルミニウム中に普通に存在する他の不純
物は、溶解した微量元素、例えば、ナトリウム、カルシ
ウム、及びリチウムである。これは、溶錬工程中、或は
スクラップ金属の溶融中に入ったものである。それら微
量元素は、一般にアルミニウムで生ずる量では最終製品
自身に重大な問題は生じないであろうが、それら微量元
素の僅かな量でも、特にマグネシウムを含有する合金で
は圧延及び他の強烈な加工操作で重大な問題を与えるこ
とになる。例えば、０．００１％位の僅かなナトリウム
又はカルシウムでも、逆転圧延機で、２〜１０％のマグ
ネシウムを含有するアルミニウム板を熱間圧延すると、
非常に重大な縁亀裂を生ずることがある。

【０００４】もしナトリウム及びカルシウムの含有量を
０．０００２％以下、特に０．０００１％以下まで原因
させることができるならば、単なる実験室的規模よりも
むしろ商業的規模で、熱間圧延に著しい改良が実現で
き、比較的厚い材料でさえも過度の縁亀裂を起こすこと
なく、約７５０°Ｆ以上の温度で１回の圧延で２０％以
上の大きな圧減を容易に用いることができることが判明
している。更に、そのように非常に低いナトリウム及び
カルシウム含有量は、アルミニウムインゴットに対し連
続的鋳造速度で２０％以上の増大を可能にする。

【０００５】溶融アルミニウムの酸化物、微量元素、及
びガス含有量を減少させるための種々の方法が提案され
てきており、これに関連して、マーシャル・ブルーノ(M
arshall Bruno)その他による米国特許第３，７６７，３
８２号明細書（参考のためここに入れてある）を参照す
ると、そこには溶融アルミニウムをコンパクトな装置中
で選択的に維持された塩フラックスで処理し、その酸化
物、ガス、及び微量元素を減少させる方法が記載されて
いる。ガスの除去は、非反応性追い出し用ガスで追い出
すことにより更に補助されている。その装置は、金属と
塩フラックスとを接触させるための強く撹拌された領域
と、その後の静かに分離する領域を特徴とする。溶融金
属の導入、撹拌、及びフラックスの特徴を用いて、必要
な効果を達成している。

【０００６】マーシャル・ブルーノその他による米国特
許第３，８３９，０１９号及び第３，８４９，１１９号
明細書（両方共参考のためここに入れてある）には、ア
ルミニウムの溶融物体を塩化することによりアルミニウ
ムを精製する方法が記載されている。塩素利用効率が１
００％であるか、又はこの水準に極めて近い装置中で大
きな金属塩素化速度が達成されている。その装置は、撹
拌器を含み、接触条件を、効率が最適になるように制御
し、維持する塩素・金属接触法を含んでいる。

【０００７】フーユー(Ho Yu）による米国特許第４，３
９０，３６４号明細書（参考のためここに入れてある）
には、典型的には液体塩如き浮遊性液体からなる懸濁粒
子を含有する溶融金属を処理する方法が記載されてお
り、懸濁相は粒子を集合又は凝集するように処理し、そ
れらが溶融金属中で重力により一層容易に分離されるよ
うにする。

【０００８】これらの方法は、いずれも塩素含有(chlor
inaceous）フラックス用ガス(fluxing gas）を溶融金属
中で撹拌又は同様させてガスを分散させ、それによって
その表面積を増大させ、不純物除去効率を増大させるた
めの何等かの設備を含んでいる。これらの方法は商業的
な成功を収めている。しかし、アルミニウム合金中のガ
ス及び微量元素含有量を低下させることは非常に困難で
ある。

【０００９】塩素化による微量元素含有量を低下させる
難しさの一例は、アルミニウム合金溶融物中に存在する
マグネシウムが同時に塩素と反応することである。これ
は、平衡状態で、塩素又は塩素とアルミニウムとの反応
生成物、塩化アルミニウムがナトリウム及びカルシウム
とマグネシウムよりも優先的に反応にもかかわらず起き
る。

【００１０】溶融物中で遊離する塩素は最初に殆ど塩化
アルミニウムを形成することになるであろうと考えられ
ている。なぜなら、アルミニウムが溶融物中遥かに主要
な成分だからである。次の段階で、塩化アルミニウムの
幾らかが溶融物中のマグネシウムと遭遇して反応し、塩
化マグネシウムを形成する。なぜなら、マグネシウムは
通常塩化アルミニウムと反応することができる他の溶融
物成分よりも一層濃度が高いからである。最後に金属と
の接触が充分長く維持されるならば、マグネシウム又は
アルミニウムの塩化物は微量のナトリウム及びカルシウ
ムと遭遇し、反応して最終的平衡生成物、ナトリウム及
びカルシウムの塩化物を形成する。塩素化の速度及びマ
グネシウムの濃度は、この順序に従ってどの程度迄、ま
た如何に速く反応が進行して最終的平衡生成物、ナトリ
ウム及びカルシウムの塩化物に達するかを決定する因子
である。

【００１１】一般に用いられる塩素化速度では、接触時
間を長くせずに最終的平衡に達するのは困難である。従
って、比較的多量の溶融金属をむしろ迅速に処理するこ
とを必要とする商業的製造プラント条件下でナトリウム
及びカルシウムの含有量を極めて低くすることは困難で
あった。

【００１２】上で述べたことを考慮すると、３種類の言
及した不純物、酸化物粒子、取り込まれたガス、及びカ
ルシウム、ナトリウム、マグネシウム、リチウム等の如
き化学的不純物を全て連続的方法及び単一の段階又は操
作で減少させることができることが明らかに望ましい。
また、そのような方法が現在存在する水平流出溶融金属
移動装置と両立できることが極めて望ましい。よく知ら
れているように、アルミニウムの酸素に対する親和力の
ため、アルミニウム工業で実質的に水平なレベルの溶融
金属移動装置を使用して、金属を移動中かなりの高さか
ら落下させた場合に起きるような撹乱及び表面撹拌及び
それによって起きる酸化物の形成を避けるようにするこ
とが広く行われるようになってきている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の一つの目的
は、マグネシウム及びアルミニウム合金の如き溶融金属
から不純物を除去するための改良されたフラックス処理
方法を与えることである。

【００１４】本発明の更に別の目的は、溶融マグネシウ
ム及びアルミニウム合金中に多量のフラックス用ガスを
一層効果的に分散させるための分散器を与えることであ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】これらの目的に従って、
溶融金属を処理する際のフラックス用ガスを分散させる
ための改良された方法は、そのフラックス用ガスの表面
積を増大する。その方法は、溶融金属物体及びその溶融
金属物体中に配置したガス分散装置を使用することを含
み、然も、該分散装置は一般に円状回転子又は羽根車の
形をした少なくとも上方及び下方の分散器を有する。分
散装置を回転させ、それと同時にフラックス用ガスを最
も低い分散器の領域中又はそれに隣接して添加する。フ
ラックス用ガスは最も下の分散器により分散され、微細
な気泡を与え、次にそれら気泡の凝集が起きた場合、一
つ以上の上方分散器を用いて再分散し、溶融物体中のそ
のフラックス用ガス表面積を効果的に増大させ、それに
よって装置内のフラックス用ガスの効果性を増大する。

【００１６】好ましい態様として、溶融金属はアルミニ
ウムであり、上方分散器は溶融アルミニウムの表面下約
１０ｉｎの所に配置する。フラックス用ガスは塩素及び
（又は）アルゴンガス、窒素ガス、及びそれらの混合物
からなる群から選択された非反応性ガスからなる。フラ
ックス用ガスは溶融アルミニウムに少なくとも０．００
５ＳＣＦＨ（金属１ポンド当たりの標準立法フィート）
で添加する。分散器のための適当な回転速度は約１００
〜５００ｒｐｍであり、回転子は異なった直径を持ち、
異なった速度で操作してもよい。

【００１７】本発明の目的及び利点は、次の詳細な記述
及び図面を考慮することにより一層よく理解されるであ
ろう。

【００１８】図１に関し、供給された溶融アルミニウム
１２の入った容器１０が示されている。容器１０はアル
ミニウムを精製するための装置を有し、アルミニウムは
入口導管１４を通って容器に入り、出口１６を通って容
器から出る。１６から出る前に、溶融金属は緩衝板１８
の下を通って酸化物粒子、塩粒子及びフラックス用ガス
が排出流１６中に入らないように減少させる。容器の上
部壁２０は、その２０によって容器内部を密封し、酸化
性湿分が取り込まれる影響を防いでいる点で、この目的
達成を助けている。

【００１９】容器１０中に軸２２が伸びており、それ
は、その軸に垂直方向に間隔を開けて結合された二つの
水平に配置された上方及び下方羽根車又は回転子２４及
び２６及びその軸を回転させるためのモーター２３に結
合するのに適している。アルミニウムの溶融浴中でそれ
ら回転子に対する試験を実施するのに用いられた回転子
２４及び２６の形状は、ブルーノその他による米国特許
第３，８３９，０１９号明細書に開示されたものであ
り、それは中心ハブから外側に径方向に伸びたタービン
翼からなる１２ｉｎ直径の羽根車を示している。しか
し、それら回転子は、水素及び他の不純物を金属から追
い出すのに充分な金属との接触を可能にする大きな表面
積の気泡を与えるように、小さな気泡の数を増大するよ
うな仕方で溶融金属中のフラックス用ガスの気泡を分散
するのに効果的である限り、他の形状及び大きさを持っ
ていてもよい。

【００２０】更に、唯二つの回転子しか図１に示されて
いないが、本発明の仕方でフラックス用ガス気泡を再分
散させるために付加的回転子を軸２２上に取付けてもよ
い。

【００２１】フラックス用ガスは軸２２を通って溶融ア
ルミニウム１２中に導入するのが好ましく、そのこと
は、勿論その軸が中空であることを必要とし、そのガス
は軸の下端及び最も下の回転子２６の下から出る。装置
を概略的に例示として一般的に表したものである図１か
ら分かるように、ガスに対しその中で回転する下方の回
転子は、その下方回転子の下に比較的小さな気泡３０を
生じ、それら気泡は回転子から下方及び外側へ移動す
る。次にそれら気泡は溶融金属中を上昇し始め、それら
が上昇する間に凝集する傾向があり、それによって、図
１中数字３２で示したように、大きな粒径の気泡を生ず
る。これは溶融金属と接触する有効表面積を減少し、そ
のガスが水素の如き望ましくないガス、含有物、カルシ
ウム、ナトリウム、リチウムの如き元素を溶融金属から
追い出し除去する能力を減少する。

【００２２】更に図１に関し、残留する小さな気泡３０
と共に大きな気泡３２が上方回転子２４の方へ上昇した
時、回転子２４がその大きな入ってきた気泡に対してそ
の中で回転し、凝集していることがあるそれら気泡を再
分散し細かくする。小さな気泡の生成及び再形成は、金
属から不純物を除去するための溶融金属との接触に有効
な面積を実質的に増大する。

【００２３】二つの回転子を用いた不純物除去過程の効
率は、図２のグラフによって示されている。そのグラフ
は、式、γ（＝Ｋａ）［分^-1］（式中、Ｋは水素の物質
移動係数、又はナトリウム及びカルシウムの如き微量元
素の場合の反応速度定数であり、ａはフラックス用ガス
と溶融金属との間の界面の面積である）で表される、相
対的フラックス用ガス表面積に対する標準立法フィート
／時（ＳＣＦＨ）で表したガス流量のプロットである。
単一の回転子及び不活性アルゴンガスだけを用いた場
合、試験データー５０は、１６０のガス流量で比較的低
い界面面積を示している。二つの回転子を用いた場合、
図２の数字５２で示したように、界面面積は実質的に増
大している。不活性ガス自身、溶融アルミニウムから水
素を除去するのに有効であることが判明している。その
ようなガスは、アルゴン、窒素、又はそれらの混合物で
ある。

【００２４】図２中の曲線４２は、アルゴンガスと塩素
ガスとの混合物及び８０〜２００ＳＣＦＨのガス流量を
用いた図１の二回転子装置についての試験データーをプ
ロットしたものである。８０ＳＣＦＨより大きなガス流
量では、その二回転子装置の効果性及び効率は、曲線４
０で示したような単一回転子の場合よりも大きいことは
明確で実質的である。また、このことは最小のフラック
ス処理時間及び最小量のフラックス用ガスを用いて一つ
の場所で達成された。低いガス流量（８０ＳＣＦＨ以
下）の場合、単一回転子でもその仕事に対して適切であ
り、二重回転子装置を用いても増大は観察されなかっ
た。

【００２５】両方の試験、即ち、単一回転子及び二つの
回転子を用いた場合について、回転子の回転速度は１２
５ｒｐｍであった。しかし、回転子の速度は容器１０の
大きさ、溶融金属の合金、金属中に含まれる不純物の種
類及び量、フラックス用ガスの種類及び流量に依存して
５０〜５００ｒｐｍの範囲にすることができる。

【００２６】更に上記試験で、回転子２４及び２６は大
きさ及び形状が同じで同じ方向へ回転させた。回転子
は、単一の軸２２よりも一層複雑な軸及び駆動装置を用
いて反対方向に回転させることもでき、それら回転子は
異なった大きさ及び形状のものにすることができる。試
験のための再下端回転子２６の位置は、緩衝板１８の下
端よりも１ｉｎ上にあり、回転子間の距離は２ｉｎであ
った。両方の回転子の厚さは２ｉｎであり、上方回転子
２４の上の溶融浴の高さは最小１０ｉｎであった。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶融金属から不純物を除去するための二回転子
フラックス処理用装置の概略的断面図である。

【図２】単一回転子分散器及び二回転子分散器について
のフラックス用ガス表面積に対するガス流量を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１０容器１２溶融アルミニウム１４入口導管１６出口導管１８緩衝板２２軸２３モーター２４回転子２６回転子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジュディスジー．スチーブンスアメリカ合衆国ペンシルバニア州マックマレイ，クリアービュードライブ 109

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）溶融アルミニウム物体中に少な
くとも一つの上方及び下方分散器を配置し、（ｂ）前記溶融アルミニウムの前記下方分散器の領域
中にフラックス用ガスを添加し、そして（ｃ）前記上方及び下方分散器を回転させて前記ガス
を分散させる、ことからなる溶融アルミニウムをガスフ
ラックス処理する方法。
【請求項２】上方及び下方分散器がタービン羽根車分
散器である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】上方及び下方分散器が約５０〜５００ｒ
ｐｍの速度で回転するタービン羽根車である、請求項１
に記載の方法。
【請求項４】フラックス用ガスがハロゲンガスからな
る、請求項１に記載の方法。
【請求項５】フラックス用ガスが、アルゴン、窒素、
又はそれらの混合物からなる群から選択された非反応性
ガスからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】フラックス用ガスが、反応性ハロゲンガ
ス、及びアルゴンガス、窒素ガス、又はそれらの混合物
からなる群から選択された非反応性ガスからなる、請求
項１に記載の方法。
【請求項７】上方及び下方分散器が、溶融アルミニウ
ム物体中に挿入される回転可能な軸の上に取付けられて
いる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】（ａ）溶融アルミニウム物体中で上方
及び下方分散器を回転させ、然も、前記上方分散器は前
記溶融アルミニウムの表面下約１０ｉｎの所に位置して
おり、（ｂ）前記溶融アルミニウムの前記下方分散器の領域
中にフラックス用ガスを添加し、然も、前記フラックス
用ガスは反応性又はハロゲンガス及び（又は）アルゴン
ガス、窒素ガス、又はそれらの混合物からなる群から選
択された非反応性ガスからなり、然も、前記フラックス
用ガスは少なくとも０．００５ＳＣＦＨの速度で前記溶
融アルミニウム中に添加され、そして（ｃ）前記上方及び下方分散器を約５０〜５００ｒｐ
ｍの速度で回転させる、ことからなる溶融アルミニウム
をガスフラックス処理する方法。
【請求項９】溶融アルミニウム中に沈めた第一羽根車
で反応性ガスを分散させることからなる、溶融アルミニ
ウムを反応性ガスでフラックス処理する方法において、（ａ）前記第一羽根車より上に位置する第二羽根車を
与え、そして（ｂ）フラックス用ガスが前記溶融アルミニウムの表
面の方へ上昇する間に、凝集したフラックス用ガスを前
記第二分散器で再分散させる、ことからなる溶融アルミ
ニウム改良フラックス処理法。
【請求項１０】（ａ）溶融アルミニウム物体を与
え、（ｂ）前記溶融アルミニウム物体中にガス分散装置を
与え、然も、前記分散装置は前記アルミニウム中に挿入
される軸上に取付けた、上方及び下方分散器を与える少
なくとも二つの羽根車分散器を有し、前記上方分散器は
前記溶融アルミニウム物体の表面下約１０ｉｎの所に位
置しており、（ｃ）前記分散装置を約５０〜５００ｒｐｍの速度で
回転させ、（ｄ）前記回転と同時に前記下方分散器の近辺にフラ
ックス用ガスを添加し、然も、前記フラックス用ガスは
反応性又はハロゲンガス及び（又は）アルゴンガス、窒
素ガス、又はそれらの混合物からなる群から選択された
非反応性ガスからなり、前記フラックス用ガスを少なく
とも０．００５ＳＣＦＨの速度で前記溶融アルミニウム
中に添加し、（ｅ）前記フラックス用ガスを前記下方分散器で分散
させて微粒にした気泡を与え、そして（ｆ）前記フラックス用ガスが表面に上昇する間に、
凝集したフラックス用ガスを前記上方分散器で再分散し
て前記溶融アルミニウム中のフラックス用ガス表面積を
効果的に増大させる、ことからなる溶融アルミニウムを
ガスフラックス処理する方法。
【請求項１１】（ａ）溶融アルミニウムを入れるた
めの容器、（ｂ）前記溶融アルミニウム中へ入れたフラックス用
ガスを分散させるための装置で、少なくとも一つの上方
及び下方分散器を有する装置、（ｃ）フラックス用ガスを前記溶融アルミニウムの前
記下方分散器の近辺に注入するための手段、及び（ｄ）フラックス用ガス気泡を、それが凝集して前記
上方分散器の方へ上昇する前に前記溶融アルミニウム中
へ分散させ、前記上方分散器が効果的に凝集気泡を再分
散させるように前記分散器装置を回転させるための手
段、を具えた、溶融アルミニウムをガスフラックス処理
するための装置。