JPS6251789A - セラミツクス製溶融金属用ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、溶融亜鉛、溶融アルミなどの溶融金属を取
扱う、製練ないし精練業界、メッキ業界、ダイキャスト
業界等において、溶融金属の移送ないし炉内循環時等に
使用するポンプの改良に関覆るものである。

［従来の技術］ 元来、溶融金属の移送は手し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
らは自動、連続、大■移送を可能とする専用ポンプが嘱
望されるのは論を待たない。

これまでにも、この要望に答えるべく、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、精練業界等において使用されている。ポン
プ形式としては、吊下げ式、溶湯内浸漬式ポンプで、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−シング内に設置され、上部ないし下部に吸込
口を有し、周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が連結されるシ１７フトとから構成
され、ケーシング上方の所定レベルまで、溶湯内に浸漬
して使用されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、溶融鉛等を対象とする場合はともかく、
溶融アルミ、溶融亜鉛等を対象とする場合、溶湯による
腐蝕、摩耗が著しく、耐用時間が短いという欠点を有し
ていた。この腐蝕、摩耗はインペラー、シャフト、及び
コラムにおいては直径の減少、ケーシングにおいては内
径の拡大となって現われ、吐出し管においては、外径の
減少と内径の拡大となって現われるが、シャフト、吐出
し管及びコラムにおいては特に溶融金属の表面部分、す
なわち、気液界面における腐蝕、摩耗が激しい。例えば
、５００°Ｃの溶融亜鉛に対して、インペラー及びシャ
フトのような回転部品においては、比較的耐蝕性を有す
るカーボン製においても、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った。すなわち殆んど消耗品的な
使用状態となり、ポンプ使用による効率アップを期待で
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、未だに手し
やくで移送している現場も多いのが現状であった。

そこで、この発明の目的とするところは、溶融亜鉛、溶
融アルミの如き腐蝕性の強い溶融金属を扱う場合におい
ても、腐蝕、摩耗に強く、耐用時間の長い長寿命の溶融
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種々の実験、研究を重ねたところ、
ポンプの構造としては、従来から使用されている形式と
ほぼ同様のポンプ、すなわら、吊下げ式、溶湯内浸漬式
ポンプで、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、周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が連結されるシャフ
トとから構成される構造を採用するが、特に素材の面に
おいて研究、開発を重ね、従来のポンプにおいてはその
例を見ない新規な素材に着眼し、その適用を試み、初期
目的を十二分に達成し得ることを確認して工業化に成功
したものである。・ すなわち、本願発明者が着眼したのは、セラミックス材
料である。セラミックス材料が耐蝕性に勝れていること
は良く知られており、また、近時、ニューセラミックス
、ファインセラミックス、エンジニアリングセラミック
スとして脚光を浴びていることは周知の通りである。但
し；用途としては、るつぼ、電気絶縁材、煉瓦、治工具
類、等が主であり、一部において、ガスタービン、ディ
ーゼルエンジンの部品として適用され、あるいは適用に
向けての開発がなされているに過ぎない。

従って、溶融アルミ、溶融亜鉛等の高′ｆＡ腐蝕性流体
中に浸漬され、１２００〜１２５０ｒｐｍ程度の回転数
で回転されるインペラー、あるいはこのインペラーを支
承するシャフトなどへの適用の可能性は全く未知数とい
っても過言ではない状態であった。

セラミックスは、アルミナ（Ａ　Ｉ　２０３　）マグネ
シア（ＭｇＯ）、ジル’：Ｊニア　（Ｚｒ０２）などの
酸化物系と、炭化珪素（Ｓｉｎ）などの炭化物、窒化珪
素（Ｓ！３Ｎ４）などの窒化物等の非酸化物系に大別さ
れ、純酸化物は、融点、耐蝕性が高いとされ、るつぼ、
電気絶縁材、治工具等に使用され、炭化珪素及び窒化珪
素は、エンジニアリングセラミックスの代表例として、
前記ガスタービン、ディーゼルエンジンの部品等に対す
る適用あるいは適用に向けた開発がなされている。これ
らの中からインペラーあるいはシ１？フトのような苛酷
な使用に耐え、耐腐蝕性、耐摩耗性が良好な材質を選定
しなければならない訳であるが、使用状況からして、耐
熱衝撃性及び溶融金属のぬれにくさく付着の非容易性）
をも考慮しなければならない。

前記各種セラミックス材料の中、適用可能性ありとすれ
ば、炭化珪素及び窒化珪素等の所謂エンジニアリングセ
ラミックスであろうと推察され、鋭意研究、実験の結果
、漸く、窒化珪素にその適用の可能性を見出したのであ
る。炭化珪素も耐摩耗性、耐蝕性等に勝れた特性を有す
るようであるが、熱膨張係数、弾性率が大きいため熱応
力的には不利と考えられ、実際、耐熱衝撃性が小さく、
試片による実験においても割れを生じ適用不能であるこ
とを確認した。一方、窒化珪素の耐熱衝撃性について、
試片を準備し、予備的テストを行ったところ好ましい結
果が得られたのである。

このテストには、２種類の試片を準備した。

試片■は、直径５０ｍ、高さ３０ＩｒＭで、中心を約３
１１Ｗｎの径でくり扱いた略円筒形試片とし、試片■は
、８．５Ｍ角、長さ１００ｍの角棒形状とした。試験方
法は、ポータプル電気炉内で予め試片を昇温させ（昇温
速度＝２０分間で常温から２００″Ｃ）、溶融金属との
温度差を設定して、溶融金属中に試片を約１０分間浸漬
させた後、取出し、試片の割れ等の異状を目視で確認す
る方法を取った。使用した溶融金属は、硬鉛（ＪＩＳ　
　Ｈ５６０１８種）で、５５０’Ｃまで灯油バーナー炉
で昇温させた。得られた結果は次表の通りである。

（○に：異状なし） すなわち、寸法が一様で、比較的単純な形状をしたもの
においては、温度差が５２０″Ｃの条件下においても熱
衝撃による割れ等の異状が発生しないことを確認し、ポ
ンプへの適用の可能性を確認したのである。

なお、窒化珪素を選定したというものの、窒化珪素にお
いてもその製造方法において特性が若干界なり、全てが
適用できる訳でないことも確認した。すなわら、窒化珪
素の製法としては、代表的製法として反応焼結法と常圧
焼結法がある。両者の大きな相違は、焼結助剤の使用の
有無及びプロセス中における窒化の時期にある。反応焼
結法においては、焼結助剤は用いられず、珪素（Ｓ　ｉ
　）を用いて所定形状に成形後、１３５０〜１６００°
Ｃ程度の温度下において窒化焼結し、仕上加工に移るの
が通常である。一方、常圧焼結法においては、ＭＯＯＳ
ＡＩ２０３、Ｙ　２０３　ｈ　トＵ）ｍ結助剤を用い、
先ず窒化工程を経たのち、成形し、１７００〜１８００
″ＣＶ１度で焼成し、仕上加工に移るのが通常である。

上記反応焼結法による窒化珪素と常圧成形法による窒化
珪素を比較した場合、前者は多孔質で後者は緻密質を呈
している。耐蝕性、耐熱衝撃性を比較すると、いずれも
反応焼結法による窒化珪素の方が常圧成形法による窒化
珪素より勝れていた。

また溶融金属のぬれにくさく付着の非容易性）について
も、多孔質の反応焼結法による窒化珪素がぬれ易いと想
像されたが、予想に反し、この点においても反応焼結法
の方がぬれにくさを示した。

従って、この発明の特徴とするところは、構造的には、
比較的単純化できる構造、すなわら、吊下げ式、溶湯内
浸漬式ポンプで、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、周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が連結される
シ、ヤフトとから構成される構造を採用し、少なくとも
インペラーとシャフト、好ましくはさらにコラム及び吐
出し管、さらに好ましくはケーシングを含めた全体を、
反応焼結法による窒化珪素セラミックスを素材としたセ
ラミックス製ポンプとしたところにある。

的には、比較的単純化できる構造とし、特に素材を改良
して、各種セラミックス材料中、反応焼結法による窒化
珪素を用いて、少なくともインペラーとシャフト、好ま
しくはさらにコラムと吐出し管、さらに好ましくはケー
シングを含む全体を成形するようにした場合、熱衝撃に
よる割れ等の異状もなく、溶融亜鉛等に対する′Ｍ蝕性
にも勝れ、さらには耐摩耗性及び溶融金属のぬれ性の面
においても良好な結果を示す溶融金属専用ポンプが得ら
れる。これによって、ポンプの耐用時間は飛躍的に増大
し、消耗品的使用態様ではなく、定常的使用が可能とな
り、溶融金属移送作業の効率化、［実施例］ 先ず、この発明に係る溶融金属用ポンプの構造に付いて
、第１図及び第２図に示した実施例に従って説明する。

第１図は、吊下げ式、溶湯内浸漬式ポンプの全体構造を
示す一部切欠斜祝図で、符号１はケーシングを示してい
る。このケーシング１は、上端部を架台２に取付けたコ
ラム３及び吐出し管４の下端部に取付けて支持されてい
る。５は、ケーシング１内に設置されたインペラーで、
下部に吸込口５ａを有し、周面に、吸込口５ａと連通ず
る多数の吐出口５ｂを形成した略円筒形をなしている。

６は、下端部において上記インペラー５を支承するシャ
フトで、上端部には架台２上において駆動モーターを連
結するための連結金具７が取付けられている。８及び９
は、コラム３及び吐出し管４を架台２に取付けるための
取付金具、１０は、吐出し管４の上端部に架台２上にお
いて連結された吐出ベントである。

この発明においては、上記インペラー５とシャフト６、
好ましくは、さらにコラム３及び吐出し管４、さらに好
ましくは、ケーシングを含む全体を反応焼結法による窒
化珪素を素材として成形した点に特徴を有するものであ
るが、このような素材に適した構造とするため、上記比
較的簡単な構造に加え、細部において次のような配慮が
なされている。　例えばインペラーは、シャフト下端部
の小径部６ａに対しねじ込み方式で取り付けられるが、
機械的強度を考え、ネジピッチ寸法を比較的大きくして
いる。例えば、外径３０〜４０ＩＪｒｍのインペラーに
おいては４Ｍ程度、外径５０〜７０履においては６履程
度が望ましい。また、周面に形成される吐出口５ｂは、
口径が小さ過ぎると目づまりを起し易く、また数を減ら
すにつれて吐出揚程が減少するため、得ようとする吐出
量及び吐出揚程に応じ、数及び口径を適宜決定する。吐
出口５ｂの外側開口面は、面取りを施し、異物混入によ
る欠けを防止するとともに、溶融金属が外径方向に飛出
す際に発生する損失を緩和させている。

またーくシャフトは、比較的長寸であるため、成形時に
歪みがでやすく、中心精度を出しにくい難点がある。そ
こで焼成を１次焼成と２次焼成の２回に分け、２次焼成
前の比較的切削しやすい段階において表面切削を行い、
歪みを最少にして、回転中心の精度を上げ、回転ふれを
なくしている。

また、外径が７０ｍ以上になると、耐熱衝撃性の良好な
窒化珪素においても割れ等の懸念があるので、第３図に
示すごとく、中心を繰り抜いた中空軸とし、熱衝撃を緩
和する。なお、中空軸にした場合、インペラーに螺合し
た小径部６ａを通して、溶湯ないし空気が流入するため
、図示のごとく、小径部端部に耐熱モルタル１１を充填
して封止する。但し、第４図に示すごとく、インペラー
５の上面を閉塞し、ジヨイント部１２を有する構造とす
れば、成形、加工面においてやや複雑になるが、耐熱モ
ルタルは不要となる。また、連結金具７の取付は、押し
ねじ方式とすると、セラミックスの場合欠けやすいので
、第３図に示すごとくキャップ式金具を通しボルトとナ
ツトで取付けるのが望ましい。また、駆動モーターとの
連結は、ユニバーサルジョイン１−などを使用して、円
滑な伝導状態が得られるようにする。

コラム３及び吐出し管４は、第５図及び第６図に示すよ
うに、下端部を逆テーパーとしてケーシング１に嵌め込
み、耐熱モルタル１３及び１４で固定させている。ケー
シング１をカーボン製、コラム３及び吐出し管４をセラ
ミックス製とする時には、セラミックスとカーボンの接
着性が余り良好でないため、特にこの方式が望まれる。

架台２に対する上端部の取付は、図示のようなフランジ
付２つ側構造の取付金具８及び９を使用すると、セラミ
ックスの割れを防止できる。吐出し管が中空であるのは
勿論であるが、コラムも耐熱衝撃性を上げるため図示の
通り中空にするのが望ましい。

また、コラム及び吐出し管は、シャフトよりもさらに若
干長くなるので、焼成時の歪みがでやすい外、焼成炉の
大きさが問題になる。このような場合、第７図に示すよ
うに、長さ方向を２つ側構造としくスリーブ１５を螺合
して連結する構造としても良い。なお、螺合部には、耐
熱モルタルを充填しておく。

なお、インペラー、シャフト、コラム及び吐出し管を通
じて言えることであるが、セラミックス製と−する場合
は、欠けを防止するため、角部には面取りを施し、段付
部の付根部分は、円弧状とするのが望まれる。

第８図に示したのは、溶融アルミニウムのごとく、液比
型が比較的小さい溶融金属を対象とする場合に適した構
造を示している。すなわち、溶融亜鉛の場合、比重が約
７．１４に対し、溶湯内に介在する不純物、炉壁等の破
片、その他の異物の比重が相対的に小さいため、大半が
溶湯の上部に浮上し、直接吸込む恐れはないが、溶融ア
ルミニウムの場合、比重が約２．７と比較的小さいため
に不純物及び異物が炉内で浮遊する。従って、この不純
物及び異物の吸込み防止のために邪魔板１６をケーシン
グ１の下部にスペーサー１７を介して設けたものである
。取付用のボルト１８、ナツト１９を含めて、全てカー
ボン製としている。従って、仮に邪魔板１６とケーシン
グ１間に異物が詰まり、除去が不可能な場合には、カー
ボン製ボルト１８を折れば邪魔板１６を取外して異物を
取除くことができる。なお、ケーシング１の底面と邪魔
Ｊｆｉ１６との間隔は、吐出口５ｂの径よりも小さくし
ている。

次に、インペラー及びシャフトを反応焼結による窒化珪
素で成形し、実機テストに掛けた結果に付いて説明丈る
。

インペラー及びシャフトは、第２図及び第３図に示す構
造で、インペラーの外径寸法は、直径が１３０ｍ、高さ
が９３顛、吸込口５ａの内径が６５Ｍである。また、シ
ャフトは、全長６７０Ｍ、本体部の直径が６８％、小径
部６ａの直径が６０履である。温度５０５°〜５４０゛
の溶融亜鉛を対象とし、第９図に概略を示す溶融亜鉛炉
に浸漬してテストした。図において、ａ点は、雰囲気温
度測定点で、溶湯液面から約２０厘の高さである。

符号２０は炉床を示′ｇ。この溶融亜鉛炉に対する前記
インペラー及びシャフトを組込ｌυだポンプの据付及び
運転条件は以下の通りである。

（１）乾燥 第９図の炉床２０にポンプを乗せて１２〜２４時間程度
放置し、乾燥させる。乾燥完了後、ポンプを吊上げて測
定した乾燥状況温度は、ケーシング底面において４４°
Ｃ，インペラー底面において３８°Ｃであった。

（２）予熱 溶湯の液面上、１０〜２０．ｗの高さにポンプを４５分
間吊下げた状態に保持して予熱した。

ケーシング上面温度は１６２°Ｃ、インペラー上面温度
は、１５５°Ｃに達した。なお底面は上面よりさらに高
温に達していると推測される。

（３）浸漬状況 上記予熱の後、ポンプを６ｇ／ｍｉｎ、の速度で降下さ
ゼ、約１５万病度でケーシング及びインペラーの品分を
溶湯内に完全に浸漬させた。

（４）運転 ポンプ据付完了後、約１時間２０分位仮運転を行って異
常の有無を確認した後、本運転を行った。回転数は、１
２００〜１２５０ｒｐｍ　、電流値は、４．０〜４．４
八である。

上記条件下において、下記事項について点検した。

（１）運転中における点検 ０回転数の変動の有無 ■電流値に変動の有無 ■異常撮動の有無 （２）開放点検 ■運転時間 ■熱′ｆ！Ｉ撃による割れ発生の有無 ■腐蝕、摩耗発生の有無 ■亜鉛の付着性 運転中における回転数、電流値の変動及び異状振動は認
められなかった。また開放点検において熱衝撃による割
れを目視及び叩音により確認したところ全く異状がなか
った。腐蝕、摩耗の発生について目視により確認したと
ころ、両者共にその発生は認められなかった。亜鉛の付
着性については、−インペラーにおいては、殆んど認め
られなかったが、シ１７フトは、気液界面において僅か
な付着が認められたが、カーボン製シャフトに比べて遥
かに少なく、機能面において何等支障のないことを確認
した。さらにまた、付着した亜鉛は簡単に剥がれ、表面
腐蝕は全く認められなかった。カーボン製の場合におい
ては、付着聞が多いばかりでなく、内部を混触しており
、剥がし作業時、シャフトを損傷する。

第１０図は、ケーシング、インペラー及びシャフトにつ
いて、従来のカーボン製ポンプと耐用時間を比較したグ
ラフ図で、（Ａ＞図が本案品、（Ｂ）図がカーボン製を
示している。両図とも、横軸に時間、縦軸に直径を取っ
ている。図中、ＣＷはケーシングの内径寸法、ＩＷはイ
ンペラーの外径寸法、ＳＷは気液界面におけるシャフト
の外径寸法を示す。

カーボン製の場合（８図）、１３１ａｙｇのケーシング
内径ＣＷが１０８０時間程時間病腐蝕、摩耗にさらされ
、１５３６時間経過時においては、混触が１ａｉ進み、
内径が１３２Ｍに拡大していた。

また、１３０攬のインペラー外径１ｖが、１０８０時間
程時間病蝕、摩耗にさらされ、１５３６時間経過時には
混触が２ａ１！進み、外径が１２８厘に減少していた。

さらに、６８ｍのシャフト外径ＳＷは、１０８０時間程
時間病腐蝕、摩耗にさらされ、１５３６時間経過時には
、混触が９ｍ進み、外径が５９ｍに減少していた。

これに対し、反応焼結による窒化珪素を用いた本案品（
Ａ図）においては、単一のインペラー及びシャフトを複
数個のケーシングで、セラミックス製ケーシングとカー
ボン製ケーシングの両者に適用してテストしたところ、
カーボン製のケーシングの内径寸法ＣＷにおいても、２
４７２時間経過しても寸法変化が見られず、また、イン
ペラー外径寸法１ｖについては、８７６０時聞経過少に
おいても殆んど変化が見られなかった。これはシャフト
の外径寸法３ｗにおいても同様であり、８７６０時間経
過後において、殆んど変化が見られないことを確認した
。またこのテストを通して確認しえたところであるが、
セラミックス製インペラーを用いた場合、ケーシングは
、たとえカーボン製にＪ５いてもケーシング内径の摩耗
、腐蝕が緩和され、ケーシングの耐用時［出も長くなる
ことが分った。

［発明の効果］ 以上詳述の通り、この発明においては、吊下げ式、溶湯
内浸漬式の溶融金属ポンプとして、従来においては、そ
の適用の可能性も未知数であったセラミックス祠に着眼
し、鋭意Ｕ１究実験の結果、セラミックス材中における
窒化珪素、しかも反応焼結による窒化珪素に、その適用
の可能性を見出だし、耐蝕性、耐摩耗性、耐熱！ｉ撃性
及び溶融金属のぬれにくさにおいて申し分のない素材で
あることを確認し、その工業化を可能にしたものである
。

こうして得られたポンプは、溶融亜鉛あるいは溶融アル
ミなどの移送ないし炉内攪拌用のポンプとして最適であ
り、これまで耐用年数が短く、短期に分解、組立、点検
等の保守作業を要し、かつ部品の在餌管理に追われてい
たポンプ使用メーカーあるいは従来ながらの手しやくに
よっていたメーカーにとデΩまさに嘱望される専用ポン
プを提供し得たのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る溶融金属用ポンプの全体構造
の一実ｔＭ例を示す一品切欠斜視図、第２図は、同縦断
面図、 第３図は、シレフト及び連結金具の構造を示す詳細図で
、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、第４図は、シャフ
トとインペラーの連結構造の他例を示す要部断面図、 第５図は、吐出し管の取付構造を示す詳細図で、（Ａ＞
は平面図、（Ｂ）は縦断面図、 第６図は、コラムの取付構造を示す詳細図で、（Ａ）は
平面図、（Ｂ）は縦断面図、 第７図は、コラム及び吐出し管の他例を示す縦断面図、 第８図は、ケーシング下部に邪魔板を設けた他例を示す
要部ｌｌｉｉｇｉ面図、 第９図は、溶融亜鉛炉の一例を示す概略縦断面図、 第１０図は、耐用時間について、本案品（Ａ）と従来の
カーボン製（Ｂ）との比較実験結果を示すグラフ図であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）吊下げ式、溶湯内浸漬式ポンプで、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、
   周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
   動モーターが連結されるシャフトとから構成され、少な
   くともインペラーとシャフト、好ましくはさらにコラム
   及び吐出し管、さらに好ましくはケーシングを含めて、
   反応焼結法による窒化珪素セラミックスを素材としたセ
   ラミックス製溶融金属ポンプ。