JP2004256846A

JP2004256846A - 溶融金属の精製方法および精製装置

Info

Publication number: JP2004256846A
Application number: JP2003046765A
Authority: JP
Inventors: Minoru Uejima; 稔上島
Original assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: JP4537661B2

Abstract

【課題】従来の回転式溶融金属精製装置は、装置が破損したり溶融金属が飛散したりする危険性があり、また従来の固定式精製装置は気体の流出量が少ないため精製処理に多大な時間がかかるという問題があった。本発明は装置の破損や溶融金属の飛散が全くなく、しかも精製処理時間が短くて済むという溶融金属の精製方法および精製装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の精製方法は、溶融金属の底部近く広範囲にわたって気体を流出させて細かい気泡にし、この細かい気泡で溶融金属全体を攪拌するとともに気泡を非金属介在物と反応させたり気泡で浮上させたりすることにより溶融金属中の非金属介在物を除去する。また本発明の精製装置は、本体に多数のパイプが放射状に設置されており、該パイプの先端から気体を流出させて細かい気泡を溶融金属中広範囲に分散させる。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属中に気体を吹き出させて気泡にし、該気泡で溶融金属中の非金属介在物を除去して精製する方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニューム、マグネシューム、錫、鉛およびこれらの合金を溶融させると溶融金属中に水素、酸素、塩素等のガスや酸化物、亜酸化物、高融点金属粉、溶融金属と他金属の金属間化合物等の非金属介在物が浮遊していることがある。
【０００３】
これらの非金属介在物は鋳造後の金属に欠陥となって現れる。例えば、溶融アルミニューム中に水素が存在していると、鋳造後に金属中に細かい空隙が多数でき、押出加工でサッシのような長尺物を作製したときに、空隙がサッシ表面に現れて商品価値が失われてしまう。また錫と鉛の合金であるはんだは溶融時に酸化物や亜酸化物が大量に含有されていると、これを鋳造したときには、はんだ表面には何の変化も現れず、はんだ自体としての商品価値においては問題がない。しかしながら、このように酸化物や亜酸化物を大量に含有したはんだではんだ付けすると、はんだが充分に濡れなかったり、はんだ付け部が部分的に付着していないボイドが発生したりすることがある。
【０００４】
溶融金属中の非金属介在物を除去する方法として、溶融金属中に不活性ガスや空気等の気体を流出させて溶融金属中で気泡にし、該気泡で溶融金属中の非金属介在物と反応させたり浮き上がらせたりして精製することが従来から行われていた。
【０００５】
気泡による溶融金属の精製装置には、回転式と固定式がある。回転式とは、耐熱材料からなる長尺パイプの先端にインペラが設置されており、パイプとインペラは外部のモーターにより溶融金属中で回転するようになっている。該インペラには多数の流出孔が穿設されており、パイプから送られてきたガスが流出孔から流出する。このときインペラの回転により気泡が広く分散されて広範囲の溶融金属に対して非金属介在物の除去を効率よく行う。（特許文献１乃至３参照）
【０００６】
固定式とは、パイプの先端に多孔質材料を設置したものや、パイプに多数の孔が穿設されたものを溶融容器の底部に固定したものである。該固定式は、パイプの他端から気体を圧送して気体を溶融金属中に流出させて気泡にし、該気泡で溶融金属の精製を行うものである。（特許文献４乃至５参照）
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１５６３７７号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】特開平６−４１６５１号公報（第２頁、図１）
【特許文献３】実開平５−４９１４８号公報（第２頁、図３）
【特許文献４】特開昭５９−１９７５１３号公報（第１頁、図１）
【特許文献５】特開平５−３０２１３１号公報（第１頁、図５）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで回転式の溶融金属精製装置は、比重の大きい溶融金属中でパイプとインペラを回転させなければならないため、パイプやインペラに大きな力がかりパイプやインペラを破損することがあった。この回転式は、パイプやインペラが破損するときに溶融金属を飛散させたり、パイプやインペラ破損時ばかりでなく通常の作業時でもインペラの回転で生じる波が容器内で干渉し、大きな波となって溶融金属を容器から飛散させたりする危険性があった。さらにまた回転式は大きさが限られたインペラの部分から気体を流出させるため、気体の流出量も多くはできなかった。従って、回転式は、大量の気体を流出できないことから溶融金属の精製に時間がかかるという生産性に問題があるものであった。
【０００９】
従来の固定式は、装置が破損したり溶融金属が跳ねたりする危険性はないが、気泡の発生が部分的であるため、容器内全域に気泡を分散させることができず、偏った精製となるばかりでなく、気体の流出量が少ないことから容器内の溶融金属全体を完全に生成するのにやはり時間がかかるものであった。本発明は、回転式のように装置の破損や溶融金属飛散の危険性がなく、しかも従来の固定式のように精製処理に時間がかかるようなことがないという溶融金属の精製方法および装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、固定式において溶融金属中の広範囲の箇所から気体を流出させることができれば、気体の流出量が多くなり、また容器内の溶融金属全域に気泡を作用させられることに着目して本発明を完成させた。
【００１１】
本発明は、容器内で溶融させた溶融金属中に上方から広範囲にわたって容器底部近くまで多数のパイプを挿入し、該パイプの先端から溶融金属中に気体を流出させて細かい気泡にし、この細かい気泡を容器の底部近くから上昇させることにより気泡で溶融金属を攪拌するとともに、気泡の気体を溶融金属と反応させて溶融金属中に存在する非金属介在物を除去することを特徴とする溶融金属の精製方法である。
【００１２】
また別の発明は、箱状の本体に気体流入口が形成されており、該本体の下部には容器内の溶融金属の深さよりも長い多数のパイプが設置されていて、しかも本体周囲に設置されたパイプは先端が本体への設置位置よりも広がった位置にあることを特徴とする溶融金属の精製装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の精製方法で使用する気体は、金属の種類、溶融金属中の非金属介在物の種類によって適宜選択をする。例えばアルミニュームでは、溶融したアルミニューム中には水素が存在するので、これを除去するためには窒素やアルゴンのような不活性ガスを使用する。溶融アルミニューム中に水素ガスを流出させて気泡にすると、不活性ガスの気泡が水素をとり込んで浮上する。これによって信頼性の高いアルミニュームを得ることができるものである。
【００１４】
またはんだでは、溶融はんだ中に酸化物、亜酸化物、金属間化合物（ＣｕとＳｎ、ＦｅとＳｎ）等の非金属介在物が存在するが、これらの非金属介在物を除去するには空気が適している。即ち、溶融はんだ中に空気を流出させて気泡にすると、はんだよりも比重の小さい酸化物や金属間化合物は気泡による攪拌で溶融はんだ液面に浮上し、また亜酸化物は空気中の酸素と反応して、それ以上酸化しなくなるという安定した状態のはんだになる。
【００１５】
本発明における溶融金属中への気体の流出量は、溶融金属１００リットルに対して２０〜２００リットル／分が適している。溶融金属中への気体の流出量が溶融金属１００リットルに対して２０リットル／分より少ないと、精製に時間がかかって生産性が悪くなる。しかるに気体の流出量が溶融金属１００リットルに対して２００リットル／分より多くなっても、それ以上の精製効果は期待できないばかりでなく、不要な気体が無駄となる。特に窒素やアルゴンガスは大量の使用が経済的損失につながるようになる。
【００１６】
本発明の精製装置は、箱状の本体の周囲に多数のパイプが設置してあり、しかも設置したパイプを先端が本体への設置位置よりも広がった位置に設置してある。このように多数のパイプを設置したことにより大量の気体の流出が可能となり、またパイプ先端を広がった位置になるようにしたことにより、該パイプの先端から流出して作られた気泡は容器内の溶融金属全域にわたって効果的に精製が行えるようになる。
【００１７】
本発明の精製装置は、パイプ先端から気体を流出させるが、パイプの先端に多数の孔が穿設された分散ヘッドを取り付けておくと、気泡を微細化して溶融金属との接触面積を増やすとともに、気泡を広範囲に分散させることができるため精製効果をさらに向上させるようにもなる。
【００１８】
【実施例】
以下、図面に基づいて本発明を説明する。図１は本発明の溶融金属の精製装置の正面断面図、図２は同底面図、図３は精製装置の他の実施例、図４は図３の要部拡大断面図、図５は溶融金属の精製方法を説明する図である。
【００１９】
先ず本発明の溶融金属の精製装置について説明する。図１、２に示す精製装置１は、本体２が高さの低い中空の円筒状となっており、本体２の下面３には多数のパイプ４・・・が本体１の内部と連通して設置されている。本体周囲に設置されたパイプは、先端５が本体への設置位置よりも広がった位置にある。該先端のパイプの孔が気体の吹き出し口となっている。パイプ４の長さは、パイプを溶融容器の溶融金属中に上方から立てた状態で浸漬したときに、本体２が溶融金属中に沈まないような充分な長さである。
【００２０】
本体２の上面６には気体流入パイプ７が本体１の内部と連通して取り付けられている。該気体流入パイプは、気体圧送装置と接続するものである。気体圧送装置は、使用する気体が窒素やアルゴンガスのような不活性ガスの場合はガスボンベであり、空気の場合はコンプレッサーである。
【００２１】
図３、４は本発明の精製装置の他の実施例である。精製装置１は、本体２が高さの低い中空の円筒状となっており、精製装置１の本体２の下面３には多数のパイプ４・・・が本体１の内部と連通して設置されている。本体周囲に設置されたパイプは、先端５が本体への設置位置よりも広がった位置にある。パイプ４の先端には分散ヘッド８が着脱自在に取り付けられている。分散ヘッド８には図４に示すように多数の噴出孔９・・・が穿設されている。
【００２２】
次に上記精製装置を用いた溶融金属の精製方法について説明する。図５に示すように金属を溶融する容器１０は底部が半球状の釜形であり、該容器は耐火材料からなる溶解装置１１に設置されている。溶解装置１１の下部には容器１０を加熱するバーナー１２が配設されている。バーナー１２は、容器外部を加熱して容器１０内の金属１３を溶融させるとともに、溶融金属を所定の温度に保つようになっている。
【００２３】
容器１０内の溶融金属１３が所定の温度になったならば、上方から精製装置１のパイプ４・・・を溶融金属中に浸漬する。このときパイプ４の先端５が容器１０の底部に接しないように、また精製装置１が処理中に傾かないように本体２を保持具１４で容器１０に固定する。精製装置１を容器１０に固定した後、気体流入パイプ７を図示しない気体供給装置と接続し、気体を矢印のように本体２内に供給する。本体２内に供給された気体はパイプ４の先端５から溶融金属１３中に流出し、多数の気泡１５・・・となる。気泡１５は溶融金属１３と接すると、溶融金属中の非金属介在物と反応したり、気泡が溶融金属を攪拌しながら上昇するときに酸化物や金属間化合物等を浮遊させたりする。
【００２４】
Ｐｂ−５０Ｓｎ（液相線温度：２１５℃）のはんだを精製処理する前に顕微鏡で組織を観察したところ、粒子が細かく分散していた。Ｐｂ−５０Ｓｎはんだの顕微鏡組織は本来、Ｐｂ中にＳｎを固溶したデンドライト組織になるはずであるが、組織が細かく分散しているのは、はんだ中に酸化物や亜酸化物のような非金属介在物が存在しているからである。つまりはんだ中に非金属介在物存在すると、該非金属介在物がはんだの凝固時に核となって細かい粒子を形成するものである。このように、はんだの組織が細かくなっているのは非金属介在物が大量に存在する証である。
【００２５】
そこで非金属介在物が大量に存在するはんだ１００リットルを容器で溶融させ、溶融はんだの温度を３００℃に保った状態にしてから、精製装置のパイプを溶融はんだ中に浸漬した。精製装置の気体流入パイプをコンプレッサーに接続し、４０リットル／分の空気をパイプの先端から溶融はんだ中に流出させた。精製処理中、１０分毎に容器からはんだを採取し、顕微鏡で組織の観察を行った。精製処理時間６０分後には、デンドライトが大きく成長しているのが観察できた。Ｐｂ−５０Ｓｎはんだでデンドライトが大きく成長していることは、核となる非金属介在物がなくなっている証拠である。
【００２６】
また図３、４に示すパイプの先端に分散ヘッドを取り付けた精製装置で上記と同様のはんだの精製をおこなった。空気の供給量は１２０リットル／分であり、やはり精製処理中、５分毎に容器からはんだを採取し、顕微鏡で組織の観察を行った。その結果、精製処理時間２０分でデンドライトが大きく成長しているのが観察できた。処理時間が上記のパイプ先端だけからの気体の流出よりも短くできたのは、空気の流出量を多くしたこと、分散ヘッドから流出する気体が細かくなったこと、そして分散ヘッドにより気泡がさらに広い範囲に分散されたことによるためと思われる。
【００２７】
一方、従来の固定式精製装置を用いて、上記と同様のはんだの精製を行った。空気の流出量は、該装置における最大の１０リットル／分である。精製処理中、１０分毎に容器からはんだを採取し、顕微鏡で組織の観察を行ったところ、デンドライトが観察できるようになるまでに１５０分という長い時間が必要であった。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば回転式精製装置のように破損した装置部品が飛び散ったり、溶融金属が飛散したりする危険性は全くないという安全性に優れたものであり、しかも溶融金属中への気体の流出量が従来の固定式よりも格段と多くすることができるとともに広範囲に分散できるため、精製処理にかかる時間短縮が可能となるという生産性にも優れたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶融金属の精製装置の正面断面図
【図２】本発明の溶融金属の精製装置の底面図
【図３】精製装置の他の実施例
【図４】図３の要部拡大断面図
【図５】溶融金属の精製方法を説明する図
【符号の説明】
１溶融金属精製装置
２本体
４パイプ
５パイプの先端
１０容器
１３溶融金属
１５気泡

Claims

容器内で溶融させた溶融金属中に上方から広範囲にわたって容器底部近くまで多数のパイプを挿入し、該パイプの先端から溶融金属中に気体を流出させて細かい気泡にし、この細かい気泡を容器の底部近くから上昇させることにより気泡で溶融金属を攪拌するとともに、気泡の気体を溶融金属と反応させて溶融金属中に存在する非金属介在物を除去することを特徴とする溶融金属の精製方法。
溶融金属中に流出させる気体の量は、溶融金属１００リットルに対して２０〜２００リットル／分であることを特徴とする請求項１記載の溶融金属の精製方法。
箱状の本体に気体流入口が形成されており、該本体の下部には容器内の溶融金属の深さよりも長い多数のパイプが設置されていて、しかも本体周囲に設置されたパイプは先端が本体への設置位置よりも広がった位置にあることを特徴とする溶融金属の精製装置。
前記パイプの先端には、多数の穴を穿設した分散ヘッドが取り付けられていることを特徴とする請求項３記載の溶融金属の精製装置。