JP2018141237A - 溶融アルミニウムによる浸食に耐性がある改良型気泡ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】溶融アルミニウムによる浸食に耐性がある材料で形成された内側を有する気泡ポンプの提供。【解決手段】内表面は、アルミナ、マグネシア、ケイ酸塩、炭化ケイ素、または黒鉛、および混合物からなる群より選択されるセラミックで形成され、無炭素の８５％Ａｌ２Ｏ３リン酸結合キャスタブル耐火物である気泡ポンプの提供。【選択図】図２

Description

本発明は、鋼上への溶融金属の被覆のための装置に関する。より具体的にはこれは、被覆されている鋼ストリップの近傍の溶融金属から表面ドロスを除去するために、溶融金属槽の中で使用される気泡ポンプに関する。特に具体的には、溶融金属による取付浸食および破壊からの、このような気泡ポンプの内側の保護に関する。

溶融アルミニウムおよび溶融亜鉛は、鋼の表面を被覆するために長年にわたって使用されてきた。被覆プロセスステップの１つは、溶融アルミニウムまたは溶融亜鉛中に鋼板を浸漬することである。被覆の表面品質は、高品質被覆製品を製造するために非常に重要である。しかしながら、２００７年の米国市場へのアルミナイズド鋼の導入は、アルミナイジングラインにとってかなりの挑戦であった。初期の試験では、被覆不良のため５０％超が不合格となった。

不良の主な原因の１つは、スナウト内のアルミニウム槽に浮遊してストリップに付着する、ドロスであった。高品質表面仕上げを実現するために、溶融金属槽内、特にスナウト内の封止領域内で浮遊するドロスおよび酸化物は、被覆される表面から逸らされる必要がある。気泡ポンプとも称される炭素鋼空気ドロスポンプは、被覆域からドロスを除去するために使用されてきた。スナウト内のドロスのない溶融面を確保するためにプッシュプルスナウトポンプを実装することで、高品質被覆を可能にした。気泡ポンプ（別名、ドロスポンプ）は、圧縮ガス、空気、水蒸気の気泡、またはその他の蒸気気泡を排出管内に導入することによって水または油などの流体（この場合は溶融金属）を持ち上げる、人工採油技術を使用する。これは、排出管内の静水圧と管の注入側の静水圧と間の比率を減少させる効果を有する。気泡ポンプは、被覆されたストリップ上のドロス関連不良を防止するためにスナウトの内側のアルミナイジング槽の表面からの浮遊ドロスを除去するため、金属被覆ラインの溶融金属槽内で使用される。このため、気泡ポンプは、高品質の自動車用アルミナイズド鋼板の製造において、重要なハードウェア要素である。

製造コストに影響を及ぼす主要な要因の１つは、アルミナイジングポットハードウェア故障である。ハードウェア故障の中でも目立つのは、気泡ポンプ（プルポンプ）の故障である。炭素鋼で作られた気泡ポンプの平均使用寿命は８から１２時間であり、結果的に（２週間の製造で）毎月３５〜４０台のポンプを使用することになる。製造中の炭素鋼気泡ポンプの変更は、製造の中断および溶融金属槽の汚染を招く。加えて、被覆された鋼板の「品質」は、炭素鋼ポンプ変更中に劣化する（その結果、製品価値が下がる）。さらに、ポンプ変更はラインの停止および再開を必要とし、始動コイルの過剰な消費を招く。気泡ポンプに起因する平均損失は、毎年約１００万米ドル近い。気泡ポンプの寿命の増加は低品質鋼板の量を著しく減少させ、ダウンタイムおよびコストを減少させるだろう。

このため当該技術分野において、むき出しの炭素鋼チューブポンプよりも著しく長持ちする、溶融アルミニウム槽内で使用するための気泡ポンプの需要がある。

本発明は、溶融アルミニウムによる浸食に耐性がある材料から形成された内側を有する、気泡ポンプである。内表面はセラミックで形成されてもよい。セラミックは、アルミナ、マグネシア、ケイ酸塩、炭化ケイ素、または黒鉛、およびその混合物からなる群より選択されてもよい。セラミックは、無炭素の８５％Ａｌ２Ｏ３リン酸結合キャスタブル耐火物であってもよい。

気泡ポンプの外側は、炭素鋼配管で形成されてもよい。気泡ポンプは、束ねられた配管の複数の区間で形成されてもよい。気泡ポンプは、配管の３つの直管ピースおよび配管の３つのエルボーピースを含んでもよい。配管の複数の区間は、圧縮フランジ継手によって束ねられてもよい。圧縮フランジ継手は、溶融アルミニウムが継手に浸透できないように、内側セラミック材料を圧縮してもよい。溶融アルミニウムによる浸食に耐性のある内側材料の圧縮フランジ継手は、気泡ポンプの区間の間に４５度の雄雌アングル継手を形成してもよい。

気泡ポンプの、縮尺通りではない模式図である。 気泡ポンプのピース間の継手の模式的断面図である。

本発明者らは、ポンプ性能を改善し、ポンプの使用寿命を好ましくは５日まで著しく延長する方法を、開発しようとした。炭素鋼気泡ポンプの故障モードの広範な調査が行われた。結果に基づいて、本発明者らは、鋳造セラミック保護ライニングを備える改良型気泡ポンプを開発した。改良型ポンプの一実施形態は、故障せずに１６７時間（から７日）連続して持ちこたえ、溶融アルミニウム中の炭素鋼ポンプが通常経験する８から１２時間の使用寿命に対して大きな性能優位性を示した。ポンプ設計の変更および鋳造耐火性ライニングの組み込みは、改良における重要な要因である。

図１は、気泡ポンプの、縮尺通りではない模式図である。気泡ポンプは：垂直注入部１と、垂直注入口１を水平ピース３に接続するエルボー２と、水平ピース３を垂直排出口ピース５に接続する別のエルボー４と、望ましくないドロスを含有する流出金属を金属槽の被覆域から離れる方に配向する排出エルボーと、を含む。垂直排出口ピース５にはガス投入ライン６が取り付けられている。ライン６は、垂直排出口脚に低圧を生じるため溶融金属中にガスを注入するために使用され、結果的に金属は垂直注入口１内へ下向きに、および垂直排出口５まで／出て、流れる。

故障モードの解析
Ｕ字型の気泡ポンプは、６８８℃（１，２３５°Ｆ）の温度のるつぼの中で動作する。溶融物の化学組成は通常、Ａｌ−９．５％Ｓｉ−２．４％Ｆｅである。ポンプの注入口はスナウトの内側の溶融アルミニウム槽の中に位置し、排出口はスナウトの外側に位置する。ポンプ動作は、排出口側のポンプの垂直脚内で窒素を泡立てることによってなされる。大気温度の窒素は、４０ｐｓｉ、および、から１２０標準立方フィート毎時（ｓｃｆｈ、９０から１５０ｓｃｆｈ）の流量で、導入される。窒素の膨張は、同時に液体金属を放出する排出口を通じて逃げる気泡を形成する。排出はポンプの両側の間に圧力差を形成し、溶融して浮遊するドロスが注入口に吸引されるようにする吸引力を発生する。プロセスは連続とし、これにより、スナウトの内側からのドロスの連続的な除去、および外側への排出を、可能にする。

気泡ポンプには３つの故障領域があり、重症度の順に：１）吐出ヘッドの中（エルボー６）；２）排出口側の垂直区間内の窒素注入口ニップルの周り（垂直ピース５）；および３）注入側の垂直区間の中央部（垂直ピース１）である。故障のモードを理解しやすくするために、約１２時間使用の後に故障した通常の炭素鋼ポンプが半分に分割されて解析された。解析は、注入口および排出口区間が深刻な損傷を受けている一方で、ポンプの水平底部が最も損傷が少ないことを示している。また、外径は変化しないままであるのに対して、材料の損失はほとんどが気泡ポンプの内側で発生している。浸食の度合いは、ポンプの箇所によって異なっている。

気泡ポンプの水モデリング
発明者らは、ポンプ内部の流体力学が故障モードに影響を及ぼすと考えた。しかしながら、流体流に影響を及ぼした設計要因がよくわからなかった。溶融物乱流の影響を調査するために、小型のプレキシガラス製気泡ポンプモデル（１：２スケール）が作成され、水中で動作された。モデルはガス圧、注入口位置、エルボー半径、ポンプ動作時の排出口の配向および形状、ならびに性能の影響の調査を可能にした。通常運転中のポンプ内の水流特性が確認され、故障ポンプ内で観察された腐食および金属損失の箇所は水モデルの中の乱流の箇所に対応することが、見出された。

アルミニウム浸食の仕組み
炭素鋼ポンプ内の材料損失の仕組みは、金属組織技術によって調査された。アルミニウム浸食には、いくつかの段階がある。ポンプとのアルミニウム接触の最初の瞬間には、液体アルミニウムと鋼表面との間の反応の結果として、硬くてもろい金属間層が内壁上に形成される。この層は、これを通じてのアルミニウムおよび鉄の拡散を実質的に制限し、鋼に対するさらなる浸食を限定する。このため金属間層は、金属体上の擬似保護被覆の役割を果たす。しかしながら、機械的応力が表面上に現れるときはいつも、このもろい層は微小クラックを生じて鋼表面を砕き、深い窪みを空ける。窪みの底はもはや金属間層によって保護されていないので、新しい層が形成されるまで、これは溶融物によって浸食される。鋼表面上に応力が存在し続ける間はこのプロセスが繰り返され、結果的に金属の損失は増加し続けることになる。浸食に伴う応力は、影響を受けやすい箇所における溶融物乱流および／または異物の衝突の結果であるかも知れない。したがって浸食のプロセスは、液体アルミニウムによる動的浸食として特徴付けられることが可能である。

このため、使用中の炭素鋼気泡ポンプの故障は、動的孔食および摩損（動的浸食）による。浸食の度合いは、箇所によって異なっている。溶融物乱流に曝されていないポンプの外表面はあまり損傷を受けず、したがって最小限の保護によって溶融物内に存在し続ける。溶融物浸食および金属損失は、ほとんどの場合に内側から外側に向かって進行する。

本発明者らは、停滞溶融物中の溶融アルミニウム浸食に耐えられる被覆が、ポンプ内で経験される乱流条件の下では壊れやすいことを見出した。ポンプ本体への強力な被覆密着性は、このような動的条件下での保護にとって極めて重要である。発明者らは、ポンプ性能を改善するためにはポンプの内表面を溶融アルミニウムから分離する必要があることを、さらに見出した。分離層は粘着性、肉厚、および連続的でなければならない。保護層におけるいかなる開口も、ポンプ故障を招く可能性がある。

保護ライニング用耐火材の選択
故障調査および水モデリングからの知識に基づいて、本発明者らは新規な気泡ポンプを開発した。保護ライニング材料の要件は：１）液体アルミニウム浸透に対抗する非湿潤性材料；２）予備加熱を回避するための耐熱衝撃性材料；３）耐浸食性材料；４）低コスト；および５）設計柔軟性であった。要件を満たすために、文献調査および実験室試験が行われた。無炭素の８５％Ａｌ２Ｏ３リン酸結合キャスタブル耐火物が選択された。

本発明のポンプの設計
標準的な炭素鋼気泡ポンプの形状は、３つの９０度エルボー区間を包含する。複雑な形状は、継手のないシェル全体の内部でセラミックライニングを鋳造することを困難にする。したがって、シェルをいくつかの部分に切り分け、各部分を個別に鋳造してその後ポンプを組み立てる必要があった。各組み立て済み部品の継手に使用中の一体性を維持させる必要もある。これらの厳しい要件に対応するために、以下の考えがポンプの組み立てに適用された：１）耐火性ライニングの部分の間の固有の４５度の雄雌アングル継手；２）ポンプの３つのピースを組み立ててセラミック保護ライニングの継手が圧縮下に配置されるようにするための、２つのフランジ継手；３）継手を通じてのアルミニウム浸食を低減するための、エルボーにおける連続セラミックライニング；および４）セラミックライニングを圧縮下に置くための、排出領域におけるフランジ改造。

図２は、気泡ポンプのピース間の継手の断面の模式図である。継手は従来技術の気泡ポンプの炭素鋼シェル８からなり、その各ピースはモーテル金属耐性セラミック９で裏打ちされている。互いに当接することになるセラミック９の末端は、良好な圧縮嵌めを可能にするために約４５度の角度で傾斜している。気泡ポンプの部品は、締結手段１１を用いて、フランジ継手１０によって圧縮下で互いに接合される。

圧縮継手は、溶融金属浸透に対して保護ライニング継手を密封するために、圧縮下で保護ライニング継手を保持するために使用される。保護ライニングは、溶融金属に対抗する非湿潤性材料など、溶融アルミニウムによる浸食に耐性があるいずれの材料で形成されてもよい。非湿潤性材料の例は、アルミナ、マグネシア、ケイ酸塩、炭化ケイ素、または黒鉛、あるいはこれらセラミック材料の混合物である。

Claims (10)

1. 溶融アルミニウムによる浸食に耐性がある材料で形成された内側を有する気泡ポンプ。
2. 前記内表面がセラミックで形成されている、請求項１に記載の気泡ポンプ。
3. 前記内表面が、アルミナ、マグネシア、ケイ酸塩、炭化ケイ素、または黒鉛、および混合物からなる群より選択されたセラミックで形成されている、請求項２に記載の気泡ポンプ。
4. 前記セラミックが無炭素の８５％Ａｌ２Ｏ３リン酸結合キャスタブル耐火物である、請求項２に記載の気泡ポンプ。
5. 外側が炭素鋼配管で形成されている、請求項１に記載の気泡ポンプ。
6. 前記ポンプが束ねられた配管の複数の区間で形成されている、請求項１に記載の気泡ポンプ。
7. 配管の複数の区間が、３つの直管ピースおよび３つのエルボーピースを含む、請求項６に記載の気泡ポンプ。
8. 配管の複数の区間が圧縮フランジ継手によって束ねられている、請求項６に記載の気泡ポンプ。
9. 前記フランジ圧縮継手が、溶融アルミニウムが継手に浸透しないように内側セラミック材料を圧縮する、請求項８に記載の気泡ポンプ。
10. 溶融アルミニウムによる浸食に耐性がある内側材料の前記フランジ圧縮継手が、気泡ポンプの区間の間に４５度の雄雌アングル継手を形成する、請求項９に記載の気泡ポンプ。

Images