【発明の詳細な説明】
金属塊の製造
［発明の分野］
本発明は、金属の塊をその金属の対応する液体から製造することに関し、より
具体的には、鉄、鋼、スラグ、フェロアロイその他の金属、及びそれらの合金を
鋳造して、最長寸法が代表的には20〜100mm前後であるビスケット状の塊を形成
することに関する。これらの塊は、既存の造粒法によって製造されるものより有
意に大きい。
本明細書で用いられる限りにおいて、「金属」又は「材料」は、文脈に応じて
、金属の工程によってか、又はそれから製造される、実質的に純粋な金属、金属
の合金及びスラグを包含する。
［発明の背景］
冶金工業においては、製品を一時的に冷却し、貯蔵し、あるいは輸送し、その
後再融解しなければならない多数の工程がある。そのような製品を、本明細書で
は、「再融解用製品」（ＰＦＲ）と定義する。
最も一般的なＰＦＲは、フェロクロム、フェロマンガン、フェロニッケル及び
フェロシリコンのようなフェロアロイであって、ある種の鋼の製造の際に、合金
元素の源泉として用いられる。これらのＰＦＲを製造する炉は、それらの最終用
途の現場から地理的に遠いことが多い。
用いられるのとは異なる場所で同様に製造される、アルミニウム、銅及び亜鉛
、並びにそれらの合金のいくつかのような、その他の金属もある。そのため、こ
れらの金属は、液体形態から、取り扱い、輸送することができる何らかの種類の
固体形態へと転換する必要がある。
もう一種類のＰＦＲは、同じプラントで生じ、その後消費される。これは、代
表的には、下流の製造ユニットが保守のためにラインから外されるが、上流のユ
ニットは製造を続けるときに起こる。上流のユニットから到来し続ける熱い金属
は、下流ユニットがラインに復帰するまでの貯蔵の際に、融解したまま保つこと
ができず、その結果、その後再融解又は混合することができる固体形態へと、転
換しなければならない。そのとき、このＰＦＲは、段階間の緩衝物であるのが効
果的である。
これが起こり得るプラントの一例は、一貫生産の鉄鋼工場であって、そこでは
、高炉が銑鉄を製造し、次いで、これを製鋼プラントに供給して鋼へ転換し、次
いで、これが連続鋳造装置へと更に進む。この場合、製鋼プラントが停止したら
、銑鉄を他の場所に運ばなければならないが、連続鋳造装置が停止したら、他の
何らかの方法で鋼を扱わなければならない。
ＰＦＲを扱う既存の方法には、主として下記のものである。床鋳造、及び貯留
溶融材料を、地上の鋳型に注入し、冷却した後、必要な大きさの塊に破砕する
。ここでの問題は、ある一定量の不要な微粉の不可避的な生成である。インゴット鋳造
（鋳造ストランド及び「チョコレート鋳型」を含む）
この方法では、液体材料を鋳型に注入する。個々の鋳型でも、鋳造ストランド
として連続ループに組み立ててもよい。比較的費用のかかる方法であり、労働集
約的な傾向があり、注意深い操作を必要とする。造粒
これは、基本的には、水ジェットによるか、又は標的上かのいずれかで溶融材
料を分断し、次いで、材料が水のタンク内に落下させる。製造された粒子は、末
端ユーザーが望むより小さくなる傾向がある、製品は、工程から出たときは濡れ
ているのを常とするが、容易な機械的扱いに適している。
言うまでもなく、熱い材料を鋳造するための多くの他の方法があり得るが、こ
れらは、ＰＦＲに対しては、かろうじて適用しうるにすぎない。その一方法は、
噴霧であって、溶融材料を、水又はガスの高圧ジェットを用いて微粉末へ転換す
る。この粉末化した製品は、再融解するには微細すぎ、代表的には、粉末冶金処
理、電極の溶接、又は鉱物分離用の重質媒体として用いられる。
［既存の種類の造粒］
この方法の一例では、毎秒５〜15ｍという速度の水の強力なジェットを、材料
の落下する流れと衝突するよう仕向ける。これにより、材料は１〜20mmの大きさ
の小滴に破砕されて、水槽に落下し、固化する。
もう一つの実施態様では、溶融材料の流れを、その経路に置いた耐火性標的に
よって破砕し、次いで、大きさが約25mmまでの範囲にある得られた小滴を、水槽
に落下させる。
前者の方法は昭和電工法として、また後者はグランショット（Granshot）法と
して、当業界に周知である。
もう一つの方法は、スラグの造粒に一般的に用いられており、溶融材料のほぼ
垂直な流れを水の強力な水平のジェットと衝突させ、混合物を、急速に流れる水
を満たしたほぼ水平の選鉱樋に沿って押し流す。最後に、溶融材料の小滴を、空
中を約45ｍ通過して、ショット製造塔として公知の装置に落下させることによっ
て、リードショットを製造する。得られた小滴は、通常、直径が１〜２mmで、空
中を落下する際に固化する。
上述の方法に用いられる手段は、現在では、公有財産となっている。例えば、
米国特許第3,888,956号として1975年に特許された、グランショット法を参照さ
れたい。
しかし、新たな変化形がいくつか存在し、より最近特許されている。例えば、
南アフリカ国特許第90/4005号明細書は、グランショット法に対する拡大のよう
な手段を記載しており、溶融材料の流れが衝突する耐火性要素を、垂直に振動さ
せる。
もう一つの特許である南アフリカ国特許第91/2656号、及び米国特許第5,258,0
53号（1993年）明細書は、溶融金属を、選鉱樋のような形状の耐火性標的へ、次
いで水タンク内に走らせる方法を記載している。この標的の出口は、水面に近く
、タンク内の水は程良く静止させてあり、毎秒0.1ｍ未満の静かで均一な流れが
、水没した金属流に対して直角に導かれる。
米国特許第4,192,673号明細書は、フェロアロイが冷却する際に、一酸化炭素
（ＣＯ）ガスが発生するために、造粒の際に扁平なちりめん状をなすその具体的
な事例をあげて、フェロニッケルの粒子の問題を扱っている。発明者らは、これ
が、特にアルミニウムのような、しかし、フェロシリコン、フェロマンガンなど
もそうであるような脱酸剤の添加によって防止できると主張している。
スラグの造粒のための、より新たな開発の例が、米国特許第4,374,645号明細
書に開示されている。ここでは、溶融スラグを、初め、温水の高速ジェットに接
触させて破砕し、その後、より低温の水流にそれを落下させる。
［従来の技術の欠陥］
従来技術の主な欠陥のいくつかは、次のとうりである。
床鋳造及び鋳型鋳造の方法は、鋳造操作の近くに労力が存在することを必要と
する。溶融金属、特に鉄、鋼及びフェロアロイの製造に用いられる量では、それ
は極めて危険である。
空気への熱い金属の露出は、しばしば、煙霧を発生する。それ故、熱金属の大
規模な貯留は、多量の汚染が付随する。
前述のとおり、鋳造合金のブロックを破砕する方法は、より低い商業的価値を
有する一部の微粉を発生する。造粒法は、微粉の間題を軽減するが、既存の方法
によって生成される粒子の寸法は、末端ユーザーが最適と考えるより、多少とも
小さいままである。
造粒法は、時には、通常の粒子に代えて、軽くてふわふわした、紙のような粒
子である「コーンフレーク」を生成することがある。その後、これらは、より小
さい粒子へと分解し、次いで、鋳造からの微粉と同様の問題を生じる。
既存の造粒法は、時として、爆発を起こし、水中で大量の熱金属の蓄積するこ
とが多い。
造粒した材料は、通常、造粒装置から出たときに濡れている。この濡れは、そ
の後、材料を用いるときに間題を生じることがあり、そのような材料は、乾燥さ
せなければならない。
［必要性の特定］
ほとんどのユーザーは、約20〜100mmの大きさの範囲のフェロアロイの塊を好
ましいものと考えていると思われる。これは、その大きさの範囲の塊が、溶融金
属の代表的な槽を覆うスラグ層を貫通して、急速に落下するためであると言われ
る。材料は、既存の材料取扱いシステムから容易に供給されなければならないと
いうことも、必要条件である。材料は、乾燥しているべきである。
既存の造粒した材料は、容易に供給されるが、粒子は、過小である傾向がある
。破砕された鋳造フェロアロイの塊は、大きさの必要条件を満たし得ると思われ
るが、微粉の形態での不可避的損失が存在する。粒子の形態を、破砕された材料
よ
りも好まし位と思うユーザーもいる。著しい不利益なしに、ユーザーに好適とさ
れる形態及び大きさを有する、粒子状の材料を製造できる従来の技術は、皆無で
あると思われる。
従って、余人の努力にも拘らず、直接固化によって、溶融金属を、末端ユーザ
ーに受容され得る大きさ及び形態の塊としての固体片へと、干渉する破壊なしに
転換する、信頼でき、安全で、簡便かつ廉価な方法に対する特異的な必要性が依
然として存在する。これらの塊は、好ましくは、最長径が、代表的には20〜100m
mである、ほぼ球状又はビスケット状でなければならない。既述の必要条件に加
え、これらの塊は、理想的には、貯蔵、輸送及び取扱いの厳しさに、微粉へと分
解することなしに耐え得なければならない。
これらの塊を製造する手法は、現在用いられてる方法より危険であっても、多
大な人力を必要としてもならない。過剰な量の望ましくない不純物をフェロアロ
イに導入してはならないことは、明らかに、そのような方法の必要条件である。
また、この方法は、特に既存の方法と比較して、構成および操作が簡単でなけれ
ばならない。
［発明の要約］
本発明は、まず第一に、溶融金属の流れを、冷却流体の安定的な流れに並流の
配置で導入する(換言すれば、冷却流体の流れの方向と実質的に同じ方向に金属
流を導入する)、塊又は礫を形成する方法を提供する。
混合物は、樋に収容して、金属と冷却剤との間に僅かで制御された不適合があ
ることが可能であるが、必要というわけではない。この速度の不適合は、固体材
料の大塊を形成するには、毎秒５ｍ未満、好ましくは毎秒２ｍ未満でなければな
らない。金属及び流体の流れは、層状かつ安定的にするのがよい。
用語「塊」と「礫」とは、本明細書では、区別することなく用いられている。
この流体は、下記のものであってよい。
水、
有機若しくは無機の液体、
スラリー(例えば、濃密な媒体、黒鉛その他の微細な物質の懸濁液)、
塩類(例えば食塩水)、界面活性剤又は液（有機若しくは無機）を含有する
エマルジョン又は溶液、
微細な固体粒子の流動床。
冷却流体の重要な特性には、その密度、沸点、熱容量、伝熱能力、粘性、及び
熱塊の表面との化学的反応性が含まれる。
水は、その入手可能性、清潔、及び熱容量のために、一般的に好適であるが、
他の物質の液体又は混合物が好ましいこともある。例えば、可溶性の塩の水への
添加は、その沸点を上昇させ、熱い金属又はスラグから熱を伝達できるその能力
を促進することになる。
水の密度及び粘性は、例えば、水へのフェロシリコン、磁鉄鉱又は黒鉛の粉末
の、水を基材とするスラリーを調製することによって、変えることもできる。フ
ェロシリコン粉末の添加によって、3.5ｇ／cm3という高い密度を達成することが
できる。黒鉛の添加は、固体の塊と樋の床との間の潤滑を改善し、冷却剤の酸素
電位も変えることになる。冷却剤の酸素電位に対する同様の変化は、イソプロピ
ルアルコールのような高級アルコールの添加によって達成することができる。
システムは、所望により、硝酸塩の添加によって、程々に酸化性にすることがで
きる。逆に、亜硝酸塩を加えることによって、還元性条件を確保することもでき
る。特殊な貴金属の場合には、有機液体、例えば油、又はシリコーン基材の液体
を冷却剤に用いることに利点がある。熱塊と冷却剤との表面化学的反応を変化さ
せ得る、界面活性剤、酸化剤若しくは還元剤又は他の痕跡化学物質の添加も、好
都合である。流動床は、極めて高密度の有力候補を提供する。
この流体は、支持されなくて、自由に落下することができてもよい。この場合
、この方法は、流体流への金属の穏やかな並流を必要とし、基本的に垂直である
金属の流れを、液体の急速に流れる水平流によって飛散させる、昭和電工の造粒
法とは異なる。
これに代えて、流体流を、適切な構造、例えば樋を用いて、所定の経路沿いに
移動するように案内してもよい。流体流の流れを案内するための構造を利用する
ときは、構造の傾斜、長さ及び形状を、要件に従って配置又は変化させる結果、
溶融金属流は、流体流に水没しつつ、構造を滑落し、同時に、塊の適切な冷却と
、その形状の制御とを確実に達成することができる。
製品の形状は、ある程度は、樋内の水路の形状によって制御し得る。樋の床は
、多数の平行な水路を有していてもよく、それを下って、熱金属の多数の流れが
同時に押し流される、平行な経路が効果的に形成される。
塊の形状のオンライン評価を用いて、溶融金属をそこから供給する湯溜りの位
置をフィードバックシステムで制御してよい。
樋は、複雑な形状を有していてもよい。一例として、比較的急な傾斜の先頭領
域と、ほぼ線状であってよい、比較的浅い傾斜の第２領域とを包含していてもよ
い。この先頭領域の曲率は、冷却流体と金属流との軌道を適合させる結果、金属
流の効果的な垂直加速を、重力に通常起因するそれを下回って減少させるような
ものであってもよい。これらの条件下で、流体及び金属流は、自由落下に近いか
、又はそれをはるかに凌ぐ条件で、下方に加速するのがよい。
これに代えて、樋は、好都合と見なされるいかなる斜面にも傾斜させた直線的
な経路を有していてもよい。もう一つの可能性は、樋の領域沿いに波状起伏を有
することである。更に一つの選択肢として、平面図で見たときに、樋は、直線的
であっても、又は湾曲して、例えばらせん状であってもよい。最適の輪郭は、処
理しようとする材料の性質に応じて決められる。異なる輪郭が、材料の種類に応
じて必要となる。
得られる礫の縦横比、形状及び大きさは、下記の一つ又はそれ以上に影響され
る。流体流のための支持構造の傾斜、流体流のための支持構造の断面の輪郭、金
属流の温度が液相線温度を超える、「過熱」としても知られる度合い、金属流が
冷却流体、又は流体流を案内するのに用いられる支持構造の床に衝突する角度、
冷却流体流の温度及び組成、並びに冷却流体若しくは金属流、又は両者の流量と
、冷却流体及び金属内部の固有の乱流パターン。
本発明の重要な態様は、冷却流体中で形成された後の塊は、それらの形状の歪
みを避けるため、いかなる衝撃も経験する前に、充分に厚い表層を有していて、
充分に固化させなければならない。充分な固化に要する時間は、多数のパラメー
タの関数である。これらは、塊からの伝熱係数、除去するのに要するエネルギー
の量、冷却流体と接触させる時間、冷却流体の種類、塊の大きさと形状、高温で
の塊の機械的・熱的特性、及び液体の塊の表面張力を包含する。
金属が、流体流から分離したときに、強固であるように、充分な熱が金属から
確実に抽出されるのに充分なだけ長い間、金属流を流体流に水没させなければな
らないことが重要である。
流体流からの金属の分離は、金属塊を冷却流体から保持、若しくは捕集タンク
内にか、又は鎖床ストーカ若しくは振動デッキのような流体／金属分離器へ噴射
することによって、実施するのがよい。この装置は、材料の強固であるが熱い塊
の山積が生じ得ないようなものでなければならない。これは、水蒸気又は水素爆
発を防ぐために必要である。
金属の小片は、連続火格子コンベヤと同様の装置、又は振動コンベヤその他の
装置によって取り出すのがよい。可溶性材料が流体の一部を形成するならば、噴
霧及び洗浄部所を、この段階で用いるのがよい。
材料は、分離後、更に冷却し、好都合な貯蔵場所、又は標準的な配置に輸送し
て、塊をふるい分け、選別する。塊を移動しつつ冷却する手段も与えるのがよい
。例えば、塊を、火格子コンベヤのような耐熱性コンベヤ上で捕集するか、又は
別途定置してもよく、そして塊の上に仕向けた空気を用いて乾燥してもよい。
本発明は、冷却剤流体の流れを生成し、溶融金属の流れを、実質的に並流する
方式で冷却剤流に導入する装置をも提供する。
冷却剤及び金属の流量を変えるための手段を備えていてもよい。例えば、変速
ポンプ又は制御弁を用いて、冷却剤の速度及び流量を変えてもよい。
溶融金属の流量対冷却剤の流量の比は、質量を基準にして、１：５〜１：１５
であってよく、代表的には１：１０前後である。
金属の流量は、適切ないかなる方式で制御してもよく、例えば、流体流中に放
出するために定置した、湯溜り内の金属の揚程を変えることによって、制御して
よい。
例えば、鋳込みの際、若しくは鋳込の前に直径を動的に変化させるか、又は円
錐プラグ用いることによって、湯溜りの出口間隙の断面を変えて、金属流の速度
及び流量を変化させてよい。湯溜りの位置は、調整可能とするのがよく、その結
果、金属流が最適の角度、又は最適の位置で冷却剤中に落下するように、それを
水平又は垂直平面内で移動することができる。金属を、とりべから湯溜りへ鋳込
み、金属の流量を制御するための傾斜機構を、装置に含ませるのがよい。過剰な
金属のための非常溢流口により、金属流量の制御の一部を行かせてもよい。
この装置は、金属を湯溜りから、冷却剤中に適切な速度及び傾斜で導くのに適
する幾何学的形状の単数又は複数の吐出口を有しているのがよい。
冷却剤は、高いレイノルズ数のために、不可避的に乱流になるが、円滑かつ安
定的でなければならない。過剰な乱れは、塊の形状及び大きさに影響することか
ら避けるべきである。
この特徴性を達成するため、装置は、冷却剤を送り込む制止用ウエルと、冷却
剤が溢れて、制止用ウエルから樋へと通過する堰とを有しているのがよい。金属
を加える前の樋の先頭領域は、いかなる過剰な乱れも四散させるのに用いてよい
。
圧力調整タンクを設けて、動力遮断の場合に、冷却剤が更に与えられた時間持
続するようにしてもよい。熱は、流体中で散らされるため、流体を冷却する装置
を必要とすることもある。
［図面の簡単な説明］
次に、添付の図面を参照し、実施例によって、本発明を更に説明する。
図１は、本発明の装置に用いるられる樋の、可能ないくつかの異なる断面を示
す。
図２は、15℃の水中で焼き入れした溶融フェロクロムの球状塊内の、算出され
た温度の状態を示す。
図３は、本発明の装置の模式的側面図であって、並流注入及び最小速度不適合
の原理を示す。
図４は、本発明の装置により製造した礫の大きさの相対的比率を示す円グラフ
を示す。
図５は、本発明の原理を用いて、研究室規模で製造した礫の写真を示す。
図６は、商業的規模での礫の製造のための本発明による装置の例を示す。
［理論的解析］
本発明は、水のような冷却液体と接触する溶融金属、又はスラグの小塊に作用
する過程の理論的解析の結果によって示唆されたものである。したがって、本発
明に至るために用いられた推論を簡単に説明する。
造粒の過程から得られる塊の大きさは、液体金属を、冷却して固化しつつ取扱
う方法に依存する。そのような過程の際には、塊の形状に影響する多数の力が存
在し、結果的な大きさ及び形状は、これらの力が塊を圧するようにする方法及び
度合いによって決定される。関連する力とは下記のものである：
表面張力；表面張力は、塊を球へと引き込もうとするが、比較的弱い。これは
、大きい塊を、依然として液体でありつつ結合させるために依拠しなければなら
ない、主要な力である。
水力学的抵抗力；流体中を運動するいかなる物体も、抵抗力を受ける。冷却剤
中を流れる液体金属の小塊の場合、抵抗力は、表面を剥ぎ取り、そうして小塊を
破砕しようとすることになる。
運動力；液体金属又は冷却剤のいずれの流れも、それらのモーメントのために
、運動を維持しようとすることになる。表面に衝撃を与える液体の流れは、扁平
化させ、展開させることになり、小塊又は小滴へと破砕する。液体の小塊内の強
い流れの存在でさえ、小塊を破砕できる。
重力及び閉じ込め力；重力は、小塊に作用する他の力と比較すると、相当に強
く、特に比較的短い距離にわたって、そのとき受ける他の力が小塊を破砕させる
速度にまで、小塊を加速することができる。重力は、容器内に保持される液体を
、容器の形状とする。しかし、液体が容器の床の材料を濡らさなければ、それは
、表面張力によって球へと引き込まれようとするが、同時に、重力によって扁平
化される。
摩擦力；水路を滑落する金属の塊は、それが水路の床を擦ることから、摩擦の
抵抗力を受けることになる。塊が、部分的にのみ固化するにすぎないならば、こ
の摩擦力は、塊の形状を歪めるか、又は塊を引き裂くのにさえ充分である。
本発明は、他の造粒装置で形成される比較的小さい塊に代えて、金属又はスラ
グの大きい塊を形成するよう作用する、これらの力を組合せて生じるよう設計さ
れた装置を使用することを基本としている。
金属の大きい塊は、例えば、熱金属の流れを単に水に注入することより、相対
的に安全である条件下で、形成されなければならない。この目的を達成するには
、熱い液体金属の流れを、表面張力を超える抵抗力又は運動力に付してはならな
い
ことが確められている。第２に、この流れは、必要とされる大きさ及び形状の小
塊にまで分裂させなければならない。最後に、小塊は、その後、充分に固化され
るまでは、いかなる種類の過剰な力にもさらしてはならない。
有限要素法による個々の小塊の形成のモデル化及びシミュレーションは、この
過程が基本的にランダムであるため、ほとんど不可能である。しかし、基本的機
序の定量的研究は、多少の洞察に役立ち、その他の取組み方、例えば次元解析及
び自由エネルギーも存在する。
下記の解析は、これらの概念を利用している。望みの順列の小塊への金属流の
破砕は、特に、表面張力と抵抗力との相互作用、いかなる特定の瞬間でも樋に供
給される材料の量、及び金属又はスラグの流れに付与される運動エネルギーを扱
うことによって達成できることが示されている。次に記載する観察は、水のモデ
ル化を援用して確認された。抵抗力対表面張力の比
流体中を運動する球状の小塊を考える。抵抗力は、次の式
Ｆdrag＝ＣD(πｒ2)(ρｖ2／２) （１）
によって示されるが、小塊のいかなる半分をも結合する表面張力は、下式
Ｆsurften＝σ２πｒ （２）
によって示される。式中、
ＣＤは、抵抗率(無次元)、
ｒは、小塊の半径(ｍ)、
ρは、小塊の周囲の流体の密度(kg／m3)、
ｖは、流体に対する小塊の速度(ｍ／秒)、
σは、流体との小塊の界面の表面張力（Ｎ／ｍ）である。
したがって、これら２つの力の比は、
比＝Ｆdrag／Ｆsurften （３）
＝(ＣD／４)(ρｖ2ｒ／σ)
である。
式（３）の初めのカッコは、本質的には、与えられた幾何学的形状の定数であ
る。したがって、手近な実際問題に関して重要な項は、第２のカッコであって、
ここでは小塊数Ｎblobとして定義することとする。
Ｎblob＝ρｖ2ｒ／σ （４）
この無次元数は、ウェーバー数とも呼ばれるが、ウェーバー数の他の定義が存
在することから、混乱を避けるために、特定の名称「小塊数」を用いている。
小塊は、Ｎblobが一定の臨界値を超えたときに引き裂かれることになる。逆に
、小塊数が臨界値を下回ったままであると、無傷で留まることになる。
式（４）では、パラメータσ及びρは、小塊の物質にのみ依存するにすぎない
ため、小塊の与えられた望みの大きさ、すなわち与えられたｒに対しては、ｖの
みを変化させて、小塊数を臨界値未満に保つことができる。更に、速度ｖが上昇
すると、大きさｒは減少することになる。実際的には、これは、大きい塊を得よ
うとすると、小塊の速度を流体の速度と比較的同様に保たなければならないこと
を意味する。
従来の技術とは異なり、熱金属と水との流れを、並流的に、かつ似た速度で結
び付けることによって達成される。熱金属の流れの分解
水路の中の液体金属のリボンは、表面エネルギーと位置エネルギーとの組合せ
である自由エネルギーによって特徴付けられる。しかし、ある場合には、そのよ
うなリボンは、自発的に小塊に分解することによって、より低い自由エネルギー
を達成できる。
理論的には、単位長あたりの一定の質量（kg／ｍ）でのそのような流れに対し
て、最小の自由エネルギーが存在することを示すことができ、それをここでは臨
界荷重と呼ぶ。この臨界荷重では、液体金属のリボンは、連続的なリボンとして
留まり、小塊に分解することはないが、それは、自由エネルギーがその最小値に
あり、より低くは決してなれないからである。
リボンが、臨界荷重より小さい単位長あたりの質量になり始めると、余分な自
由エネルギーは、系を、リボンを分節に分解するよう自発的に駆動することにな
り、その結果、各分節内で、単位長あたりの質量は、臨界荷重とほぼ等しくなる
。逆に、臨界荷重より大きい単位長あたりの質量が存在すると、過剰な質量は、
リボンの末端から流出して、臨界荷重に戻ろうとすることになる。
実際的な面では、これは、臨界値の直下の荷重を生じる結果、リボンが分解す
ることになる熱金属の流れで、装置を運転しなければならないことを意味する。
類似の表面張力及び密度を有する鉄、鋼、鉄の合金その他の材料については、
代表的な樋の設計のためには、この臨界荷重は、約1.5kg／ｍ前後であると算出
されるが、この値は、変動し得るパラメータ、例えば表面張力、密度、及び水路
の曲率に依存する。例えば、金属の速度が毎秒2.0ｍであると、絶対最大スルー
プットは、約1.5kg／ｍｘ2.0ｍ／秒＝3.0kg／秒である。運動の力
表面張力は比較的弱いため、表面エネルギーは、代表的な運動エネルギー、及
び位置エネルギーと比較して、かなり小さい。したがって、液体金属の大きめの
小塊を、ほんの少量より多く表面に滴下させると、それは飛散し、そのため、よ
り小さな小滴に分解しようとすることになる。
いくつかの代表的な比較値は、下記のとおりである。
0.003ｍ2の表面積を有する0.1kgの質量の小滴を考える。表面張力が1.0Ｎ／ｍ
ならば、単位質量あたりの表面エネルギーは、0.03Ｊ／kgとなる(0.003m2 ｘ1.0
Ｎ／ｍ÷0.1kgから算出した)。これに見合う小塊の運動エネルギーのためには
、毎秒約0.25ｍの速度を必要とするにすぎない(√（２ｘ0.03Ｊ／kg）から算出
した)。これに代えて、これを位置エネルギーと等しくすることは、３mmの上昇
を要するにすぎない(0.03Ｊ／kg÷9.8ｍ／秒を２乗して算出した)。
小塊の位置エネルギーまたは運動エネルギーのすべてが、表面エネルギーに打
ち勝つわけではないが、これらの値から、熱い液体金属を非常に静かに水流に導
入し、流れを並流かつ類似の速度にするよう、また熱金属の流れを、水と出会う
前にあまりにも遠くに落さないように特に注意することが必要な理由が明らかで
あると思う。一過性の熱の場の計算
前節は、小塊は、固化するまでは、衝撃又は他の外力に付されないことが重要
である理由を説明した。本節では、小塊が、固体になる前に冷却剤の流れに残留
しなければならない時間長を扱う。
このパラメータは、樋の長さを制御する。そのような情報は、正確に測定する
のが困難であるため、これらの温度分布を算出した。
球及び平板を通過する一過性の熱の流れに対する明示された解を、入手できる
熱物理学的データとともに利用し、設計されたコンピュータプログラムへの入力
として、まとめて用いた。ビオ数ＮBiとして、公知の無次元数の評価は、ある体
積の液体フェロアロイの内部の温度勾配が、塊と環境との間のそれより緩やかで
あることを明らかにし、そのため、温度を算出するには明示された連続解が必要
であることを示した。造粒の場合のための伝熱計算の最も関連する部分は、初め
の数秒間に該当し、合理的な精度を与えるには、80項までが、連続計算に必要で
あった。
これらの計算に着手するのに必要な様々な物理的パラメータを、表１に示す。
値は、入手できる場合には文献から入手し、大まかな熱量測定及び伝熱実験によ
って、交差確認した。
溶融フェロアロイの小塊からの伝熱は、当初は、対流と輻射の結合によること
になる。しかし、参照した明示された分析的表現は、境界層越しの対流伝熱のみ
を考慮しているにすぎない。にも拘らず、非常に熱い金属又はスラグの場合は、
輻射伝熱も重要であるから、等価伝熱係数ｈｒの形でそれを説明した。ここで、
ｈr＝σε(Ｔｓ＋Ｔａ)(Ｔｓ2＋Ｔａ2)
［式中、σは、ステファン・ボルツマン定数、εは、金属の輻射能］
である。
それ故、環境に伝達された熱の総量は、ほぼ
ｑ＝Ａ(ｈr＋ｈc)(Ｔs−Ｔa)
である。
伝熱計算を、金属が、衝撃変形に耐えるのに充分なだけ固体になる温度（次節
に記載のとおり決定した）の知識と結合して、望みの形状を安定させるのに必要
な最小時間と、それから樋の必要な長さとの推定を得た。剛性が確立される温度の決定
金属は、その液相線温度以上では、剪断応力に耐えられず、かつその液相線温
度未満では固体であると仮定することができる。したがって、明らかに、固化す
る金属の小塊が強固になる臨界温度は、液相線温度と固相線温度との間のどこか
に存在することになる。
液相線及び固相線温度の正確な値は、礫鋳造工程に影響を有することから、実
験的試みに用いた材料に関する関連温度を、状態図から決定し、ある場合には、
示差熱分析（ＤＴＡ）によって確認した。
剛性が確立される温度は、合金の固化の仕方に依存し、図２を参照しなければ
ならない。チャージクロムの場合、耐火性Ｃｒ7Ｃ3針の顕著な比率が、液相線な
いし液相線の約50℃未満の範囲の温度で、極めて急速に、かつかなりの量で形成
される。これらの針は、その後の金属組織学的検査で連結することが観察された
。液体の最後は、約1,200℃でのみ固化するにすぎないが、チャージクロムのバ
ルク試料は、約1,500℃で既に強固であった。類似の挙動は、他の温度範囲にわ
たってではあるが、他の金属についても予測される。異なる大きさの小塊についての剛性に達する臨界時間の決定
液体材料の小塊が強固になる時間は、伝熱率、小塊の大きさ及び形状、並びに
それが固化する媒体の温度及び組成を含む多数の因子に依存する。前に述べたと
おり、多数の異なる冷却流体を用い得ると思われる。これを立証するために、以
下の計算では、高炭素フェロクロムの球体の剛性は、1,500℃以下の材料の表層
が、球体の中心に向かう距離の約20％展開したときに達成されると仮定した。同
様の計算は、他の金属についても可能である。
直径10mmの小塊に対する計算は、空中で固化するのに、実施不能なまでに長い
時間を要することを示す。しかし、水が焼き入れ用媒体であるときは、小塊は、
１秒未満で効果的に強固になる。約20〜100mmの特徴的な寸法を有する礫を形成
するのが望ましい。これは、小塊が強固になる前に、水のような媒体を用いて、
２1/2〜３1/2秒間熱を抽出しなければならないということを教えている。実際的な実施
装置の様々な配置を試験した。２ｍの長さの樋は、過度に短く、静止液体の小
塊が噴射される結果を招くことが判明した。10ｍの樋は固体の材料を生じた。樋
については、３種類の曲率半径、すなわち50mm、75mm及び100mmを試みた。３種
類はすべて役立ったが、最小の曲率半径は、非常に細い小塊を生じる傾向があっ
た。一方、最大の曲率半径は、金属流が、側から側に曲折し、水路の側壁に衝突
する傾向があったため、扁平過ぎた。
水路内の流体流は、文献に充分解析されている。樋を流下する水の速度は、流
速、傾斜及び水力半径に依存する。本発明の装置では、図３及び図６に示したと
おり、水の速度は、約１／７〜１／13の傾斜、及び水路あたり毎秒約10〜25リッ
トルの流量で、毎秒約２〜３ｍである。急な傾斜は、過剰な乱流を発生し、それ
が、小塊の形状に不都合に作用した。より浅い傾斜と、より低い速度とは、時お
り、小塊を樋に固着させた。すべての場合に、約２ｍの鎮静距離を与えて、当初
の粗野な液体の流れを落ち着かせてから、金属を加えた。
図３は、図６に示した装置の一部を詳しく拡大して示す。溶融金属10は、湯溜
り12に収容され、1個又はそれ以上の穴14から、耐火材で裏打ちされた短い水路
又は吐出口16へ放出される。金属の放出率は、湯溜りの穴の大きさによって調節
される。
吐出口16は、湯溜り12からの熱金属流を案内し、選鉱樋又は樋20内の水流18へ
と静かに導く。
金属の流量は、代表的には、樋の水路あたり、毎秒約1.5〜2.5kgである。高い
流量は、別個の小塊ではなく、「ソーセージ」の紐を助長する傾向があるが、正
確な限度は、金属の種類による。水路長１ｍあたり軟鋼1.8kgの荷重は、連続的
な「ソーセージ」を生じることが、実験的に決定された。より低い金属の流量で
は、非常に低い流量での金属が凍結する傾向、及び、より低い流量は、この方法
の経済的生存率に影響する、より低いスループットを意味すること以外は、特定
の短所は皆無である。
図６は、本発明による装置22の模式的な透視図である。図３に用いたのと同様
の符号は、同様の要素を示す。
樋20は、単一又は多数の水路からなり、適切な構造体24に支持されて、必要な
傾斜が与えられる。樋は、捕獲タンク26内に吐出し、ポンプ28によって、このタ
ンクから、パイプライン30を通じて圧力調整タンク32へ循環される。圧力調整タ
ンクは、樋の上端で制止穴34内に吐出し、この穴からの溢流は、液体流を安定さ
せる樋の上部36へと仕向けられる。
湯溜りは、図示しない適切なクレーンを用いて支持されるとりべ38からの溶融
金属が仕込まれる。予備のとりべ40及び42は、発生し得る溶融金属のいかなる溢
流も捕集できる安全受容容器である。湯溜りからの溶融金属は、交差水路44に流
入し、樋に単一の水路が存在するならば、吐出口16へ、又は樋に複数の水路が存
在するならば、多数の吐出口へ放出する。
冷却水流及び溶融金属流の流量は、金属塊の最適の製造を確保するよう制御す
るのがよい。冷却水の流量は、ポンプ28の速度を変えるか、又は制御弁（図示せ
ず）を用いて、水の速度及び流量を変えることによって、制御できる。
溶融金属の流量は、例えば、湯溜り内の金属の揚程、又は溶融金属がそれから
放出される湯溜りの出口間隙の断面を変えることによって、制御することができ
る。湯溜りの位置、及び交差水路という組立品を調整してもよい。例えば、組立
品を水平又は垂直に移動して、金属流が、最適の角度、及び最適の位置で水流に
落下するのを確保することができる。
振動分離機46は、捕獲タンクの上方に取り付けられる。分離機は、固体金属の
塊を捕捉し、液体をタンクへ流通させる。分離機は、金属塊をその放出末端48の
方に進め、分離機から落下する塊は、堆積50として捕集されるか、又は冷却機若
しくは乾燥機に仕込まれる。
出願人が知っている造粒法は、濡れたか、又は湿った粒子を生成する。炉内へ
のそのような粒子の導入は、爆発的な結果を生じることがある。それ故、塊は乾
燥していることを確保するのが望ましく、これは、例えば、鎖床ストーカのよう
な分離機、その他の適切ないかなる耐熱性コンベヤを用いて金属塊から液体を分
離することによって、達成しうる。
図６に示したとおり、かなりの長さの分離機46を用いて、空気の直接の流れを
塊に、必要ならば、異なる方法から仕向けて、塊が少なくとも部分的に乾燥し、
少なくともある程度までは冷却させる、一つ又はそれ以上の空気送風機51を通過
させ、塊を輸送してもよい。
振動分離機の選択肢として、鎖床ストーカを用いて、金属塊から液体を分離し
てもよい。
安全性は、本装置の操作の際の重要な配慮事項である。慣用の造粒機における
とおり、溶融金属と水とが接触すると、時として、爆発を生じる。しかし、本発
明の装置では、水と接触する金属の量は、所要のいかなる時間でも比較的少ない
。
図１は、あり得るいくつかの異なる樋の断面の輪郭を示す。
図１（ａ）は、比較的小さい曲率半径を有する樋を示すが、図１（ｂ）は、比
較的大きい曲率半径を示す。図１（ｃ）は、樋の内側断面の形状に従う水ジャケ
ット52の概念を示す。
図１（ｄ）は、溶融金属の流れがそれぞれ仕向けられる流体流に、それぞれ適
応する、２本の並列の水路を有する樋を示す。
図１（ｅ）は、中央水路54を有し、そこで溶融金属流が濃縮され、それを、相
対的に大きい堆積の水流を可能にする外側水路56が挟む樋を示す。最後に述べた
設計は、水路半径があまりに大きすぎるときに、前に参照した、液体金属の曲折
する効果を限定することを意図している。
［溶融金属による試み］装置
誘導電気炉を用いて、金属50kgを再融解し、湯出しし、湯溜りへ移し、そこか
ら樋に流し込んだ。金属の湯出し温度は、浸漬熱電対若しくは高温計、又は両者
で記録した。手順
多様な異なる構成配列を有する多数の合金を用いて、この装置で数回の試行を
実施した。用いた合金のいくつかの公称組成を、表２に示す。
結果
理論的解析によって予測されたとおり、過大な度合いの冷却剤乱流は、不規則
な形状の粒子を生じ、樋の過小な傾斜、又は過大な金属流は、長いソーセージの
形成を生じた。最良の形状の製品は、10ｍの樋の長さ、１／８〜１／12の範囲の
傾斜、水路あたり毎秒約1.5kgの金属供給率、及び水路あたり毎秒約15リットル
で流れる比較的滑らかな水流で得られた。したがって、金属対水の流量の比は、
質量を基準にして１：10前後である。
異なる配列及び金属を用いて得られた製品のいくつかを、図５、図５(ａ)、(
ｂ)、(ｃ)、（ｃ）及び（ｄ）に示し、図４は、製造された塊の大きさの分布を
示す。
実験は、毎分0.15トンの液体金属を処理できるプラントで実施した。毎分約３
トンまでの率で溶融金属を処理するには、実物規模のプラントを必要とすると思
われ、30分間まで中断なしに運転しなければならないと思われる。
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(72)発明者 バーカー，イアン ジェームス
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クアヴェニユー 15