JP7109014B2 - 気泡分散装置およびインペラー - Google Patents

Description

本発明は、金属溶湯に精製ガスを吹き込む気泡分散装置およびインペラーに関する。

アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯には、アルカリ金属，アルミニウムカーバイド，水素ガス，炉材の微粉等の不純物が含まれている。比重の軽い不純物は、溶湯中に塩素，窒素，Ａｒガス等の精製ガスを微細気泡として吹き込むことにより浮上ささて分離する。精製ガス吹込みに際し、溶湯中に渦流を発生させながら精製ガスを吹き込むと、吹き込まれた精製ガスは微細気泡となって溶湯中に効率よく分散し、処理効率を向上させる。

たとえば、特許文献１には、精製ガス用の貫通孔を開け、先端にインペラーを固着した回転軸を備えた気泡分散装置が開示されている。この気泡分散装置によると、インペラーによって溶湯中に渦流が発生する。インペラーの上方には円筒形のスカート部を備えた被覆体が設けられており、インペラーと被覆体の間に浸入した溶湯は、インペラーの回転によって押し出され、溶湯循環流となって溶湯容器内を循環する。精製ガスは、インペラーの底面に設けられた開口部から溶湯中に吹き出され、微細気泡として溶湯循環流に乗って溶湯全体に万遍なく分散される。特許文献１の気泡分散装置では、被覆体のスカート部の下端がインペラーの上面よりも高い位置に形成されている。このような構成とすることで、インペラーと被覆体間に浸入する溶湯量が十分に確保されることで、溶湯循環流が安定化し、溶湯に対する微細気泡の分散性が向上するので、アルミニウム又はアルミニウム合金溶湯を効率よく精製することができる。

特開２０００－３０９８２９号公報

インペラーの底面の開口部から吹き出された精製ガスは、インペラーの回転により発生する斜め下方への吐出流によって溶湯中に流される。このとき、インペラーの下端部の外周部（羽根の先端部が通過する部分）が、精製ガスの気泡が効率的に分断される分断領域となり、精製ガスが分断領域を通過する際に、細かく分断される。しかしながら、インペラーの羽根の径方向寸法が大きい場合には、精製ガスの一部が、インペラーの中心部寄りで羽根の基端部間の隙間を通過し、分断領域を通過せずに上方に抜けてしまうため、大きな気泡として残ってしまう場合があった。つまり、気泡の分散効率は改善の余地が残されている。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、気泡を効率的に分断できる気泡分散装置およびインペラーを提供することを目的とする。

このような課題を解決するための第一の本発明は、金属溶湯に精製ガスを吹き込む気泡分散装置において、前記精製ガスを供給する貫通孔を備えた回転軸と、前記回転軸の下端に取り付けられるインペラーとを備えている。前記インペラーは、前記貫通孔に連通するガス噴出孔を有する中心胴部と、前記インペラーの周方向に等間隔に配置されるとともに前記インペラーの軸方向に対して傾斜した複数の羽根部と、隣り合う前記羽根部間の隙間を覆う気泡誘導部とを備え、前記気泡誘導部の上面は、前記羽根部の基端部寄りが高く、前記羽根部の先端部寄りが低くなるように傾斜していることを特徴とする。

本発明に係る気泡分散装置によれば、ガス噴出孔から噴出された精製ガスが、気泡誘導部によって羽根部の先端部に流される。羽根部の先端部が通過する気泡の分断領域では、精製ガスの気泡が効率的に分断される。これによって、細かく分断された気泡を溶湯内に効率的に分散させることができる。さらに、インペラーの回転に伴い、溶湯が気泡誘導部の上面に沿って流れて整流されるため、インペラーの外周部から斜め下方に向かって発生する吐出流の吐出量が大きくなる。これによって、溶湯内に循環流が発生し、精製ガスが溶湯の全体に渡って広がる。

また、本発明に係る気泡分散装置においては、前記気泡誘導部の外側端部は、前記羽根部の先端よりも基端部側に位置しているものが好ましい。このような構成によれば、ガス噴出孔から噴出された精製ガスは、気泡誘導部によって羽根部の先端部の分断領域に流された後、浮上し始め、羽根部の先端部に衝突するので、より一層効率的に分断される。

さらに、本発明に係る気泡分散装置においては、前記気泡誘導部の底面は、前記羽根部の底面と面一であるものが好ましい。このような構成によれば、ガス噴出孔から噴出された精製ガスは、羽根部と気泡誘導部の底面に沿って外周側に円滑に流される。
また、本発明に係る気泡分散装置においては、前記羽根部の側面のうち回転方向前方の側面は、斜め下方を向いて傾斜しているものが好ましい。このような構成によれば、溶湯が羽根部によって下方に付勢され、溶湯容器内に循環流が発生する。

前記課題を解決するための第二の本発明は、金属溶湯に精製ガスを吹き込む気泡分散装置に用いられるインペラーである。前記精製ガスを下面から供給するガス噴出孔を有する中心胴部と、前記インペラーの周方向に等間隔に配置されるとともに前記インペラーの軸方向に対して傾斜した複数の羽根部と、隣り合う前記羽根部間の隙間を覆う気泡誘導部とを備え、前記気泡誘導部の上面は、前記羽根部の基端部寄りが高く、前記羽根部の先端部寄りが低くなるように傾斜していることを特徴とする。

本発明に係るインペラーを回転軸の下端部に取り付けて、精製ガスを供給しながら溶湯内で回転させると、請求項1に係る発明と同様に、ガス噴出孔から噴出された精製ガスが、気泡誘導部によって羽根部の先端部に流される。羽根部の先端部が通過する気泡の分断領域では、精製ガスの気泡が効率的に分断される。これによって、細かく分断された気泡を溶湯内に効率的に分散させることができる。さらに、インペラーの回転に伴い、溶湯が気泡誘導部の上面に沿って流れて整流されるため、インペラーの外周部から斜め下方に向かって発生する吐出流の吐出量が大きくなる。これによって、溶湯内に循環流が発生し、精製ガスが溶湯の全体に渡って広がる。

本発明に係るインペラーにおいては、前記気泡誘導部の外側端部は、前記羽根部の先端よりも基端部側に位置しているものが好ましい。さらに、前記気泡誘導部の底面は、前記羽根部の底面と面一であるものが好ましい。また、前記羽根部の側面のうち回転方向前方の側面は、斜め下方を向いて傾斜しているものが好ましい。このような構成によれば、請求項２乃至４に係る発明と同様の作用効果を得られる。

本発明によれば、溶湯内の気泡を効率的に分断することができる。

本発明の実施形態に係るインペラーを示した平面図である。 本発明の実施形態に係るインペラーを示した正面図である。 本発明の実施形態に係るインペラーを示した底面図である。 本発明の実施形態に係るインペラーを斜め上方から示した斜視図である。 本発明の実施形態に係るインペラーを斜め下方から示した斜視図である。 図１ＡのＡ－Ａ線断面図である。 図１ＡのＢ－Ｂ線断面図である。 本発明の実施形態に係るインペラーの形状を説明するための斜視図である。 本発明の実施形態に係る気泡分散装置を示した分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る気泡分散装置を示した側面図である。 本発明の実施形態に係る気泡分散装置の使用状態を示した側面図である。

本発明の実施形態に係る気泡分散装置およびインペラーについて、図面を参照しながら詳細に説明する。図８に示すように、気泡分散装置１は、金属の溶湯Ｍに微細気泡として精製ガスを吹き込み、不純物を浮上させ分離する装置である。金属は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金である。図６および図７にも示すように、本実施形態に係る気泡分散装置１は、回転軸１０とインペラー２０とを備えている。

回転軸１０は、金属溶湯による浸食に耐え得る、耐熱性に優れたグラファイト，セラミックス等にて形成されている。回転軸１０は、軸方向に延びる貫通孔１１を備えている。貫通孔１１は、精製ガスを供給するための流路であり、回転軸１０の全長に渡って形成されている。回転軸１０の下端部には、インペラー２０の雌ネジ部２５に螺合する雄ネジ部１２が形成されている。雄ネジ部１２は、回転軸１０をインペラー２０に対してインペラー２０の回転方向に回すとインペラー２０の雌ネジ部２５に締め付けられる向きになっている。

インペラー２０は、回転軸１０と同じ材質に形成されており、回転軸１０の下端に取り付けられる。図１乃至図４に示すように、インペラー２０は、中心胴部２１と羽根部２２と気泡誘導部２３とを備えている。中心胴部２１は、インペラー２０の回転中心に位置し上下方向に延在している。中心胴部２１には、貫通孔１１に連通するガス噴出孔２４が形成されている。ガス噴出孔２４は、中心胴部２１を上下方向に貫通している。ガス噴出孔２４の上端部は、拡径しており、内周面に雌ネジ部２５が形成されている。雌ネジ部２５には、回転軸１０の雄ネジ部１２が螺合する。

羽根部２２は、溶湯Ｍを攪拌するものであって、中心胴部２１の周囲に複数設けられている。羽根部２２は、周方向に等間隔に配置され、中心胴部２１から外方に向かって放射状に延在している。羽根部２２は、上面２２ａと下面２２ｂがインペラー２０の軸部中心に所定角度（本実施形態では３０°）オフセットしている。上面２２ａと下面２２ｂは共に水平である。上面２２ａと下面２２ａを繋ぐ先端面２２ｃと両側面２２ｄ，２２ｅがそれぞれ傾斜している。先端面２２ｃを正面から見た状態で、先端面２２ｃの幅方向中間部を結ぶ（縦方向に延在する）中心線は、インペラー２０の軸方向に対して傾斜している。一方の側面２２ｄは斜め上方を向き、他方の側面２２ｅは斜め下方を向いている。羽根部２２の傾斜角（先端面２２ｃの中心線とインペラー２０の軸方向との傾斜角）は、溶湯Ｍに与える推力とインペラー２０の回転に必要な駆動力を考慮して、３０～６０°の範囲であることが好ましい。

気泡誘導部２３は、ガス噴出孔２４から噴出された精製ガスを羽根部２２の先端部側に誘導する。気泡誘導部２３は、周方向に隣り合う羽根部２２，２２間の隙間を、羽根部２２の基端部から先端側に向かって所定長さで覆っている。気泡誘導部２３は、６枚の羽根部２２，２２・・に対応して６か所に設けられている。気泡誘導部２３の先端部（外側端部）は、羽根部の先端よりも基端部側に入った部分に位置している。気泡誘導部２３の上面は、羽根部２２の基端部寄りが高く、羽根部２２の先端部寄りが低くなるように傾斜している。気泡誘導部２３の基端部の上端は、羽根部２２の上面と同じ高さとなっている。気泡誘導部２３の底面は、羽根部２２の底面と面一になっている。６つの気泡誘導部２３，２３・・を仮想的に結ぶと円錐台状（図５参照）になる。つまり、インペラー２０は、図５に示すように、中心胴部２１と羽根部２２とを備えた形状に、円錐台２３ａを組み合わせて成る形状である。

回転軸１０にインペラー２０を固着するに際し、回転軸１０の雄ネジ部１２をインペラー２０の雌ネジ部２５に螺合する。雄ネジ部１２のねじ込みに伴って回転軸１０の雄ネジ部１２の基端部の周囲の面がインペラー２０の上面に押し付けられるので、インペラー２０は隙間なく回転軸１０に密着する。また、雄ネジ部１２は、インペラー２０が回転すると締まるように形成されているので、運転中にネジが緩むことなく強固にインペラー２０と圧着できる。

気泡分散装置１を溶湯容器２に貯められた溶湯Ｍに浸漬してインペラー２０を回転させるとき、羽根部２２によって推力が付与された溶湯Ｍは、溶湯容器２内に送り出される。このとき、溶湯Ｍは、羽根部２２によって下方に付勢されるとともに気泡誘導部２３の上面に沿って整流され、インペラー２０の外周部の下部から外側斜め下方に向かって送り出される。気泡誘導部２３の上面で整流されたことで、送り出される溶湯Ｍの吐出流の吐出量は大きくなるので、溶湯容器２内に循環流が発生する。

ガス噴出孔２４から噴出された精製ガスの気泡Ｇは、気泡誘導部２３の底部を含むインペラー２０の底面によって羽根部２２の先端部に流される。羽根部２２の先端部は周速が早く、羽根部２２の先端角部が気泡をかき切る。つまり、羽根部２２の先端部が通過する部分が気泡Ｇの分断領域となる。分断領域では、精製ガスの気泡Ｇが効率的に分断されるが、本実施形態では、気泡誘導部２３を設けたことで分断領域に気泡Ｇを誘導するので、気泡Ｇを効率的に分断させることができる。気泡Ｇが細かく分断されることで、その表面積が増加し、溶湯Ｍの脱不純物反応が促進される。

また、気泡誘導部２３の外側端部は、羽根部２２の先端よりも基端部側に位置しているので、気泡Ｇが分断領域に誘導されやすい。具体的には、ガス噴出孔２４から噴出された精製ガスの気泡Ｇの大部分は、気泡誘導部２３の底面に沿って気泡誘導部２３の外側端部に流された後、浮上し始め、分断領域において羽根部２２の先端角部に衝突するので、より一層効率的に分断される。さらに、気泡誘導部２３の底面は、羽根部２２の底面と面一であるので、気泡Ｇは、羽根部２２と気泡誘導部２３の底面に沿って外周側に円滑に流される。

以上のように、分断領域で効率的に分断された気泡Ｇは、溶湯Ｍの循環流によって、溶湯Ｍの全体に渡って分散される。

また、本発明に係る気泡分散装置１およびインペラー２０においては、気泡誘導部２３によって、気泡Ｇがインペラー２０の外周部に誘導されるので、従来のように被覆体を設ける必要がない。したがって、気泡分散装置１の構成部品を減らすことができ、製造コストを軽減することができる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は、その趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、前記実施形態では、気泡誘導部２３の上面の傾斜面は平面状であるが、曲面状としてもよい。このような構成によれば、溶湯Ｍの流れをより一層円滑にできる場合がある。

また、前記実施形態では、気泡誘導部２３の底面は、羽根部２２の底面と面一であるが、たとえば、気泡誘導部２３の底面が一段高くなるように段差を設けてもよい。このような構成によれば、気泡Ｇを気泡誘導部２３の外側端部の羽根部２２，２２間の隙間に誘導でき、分断効率をより一層高めることができる。

前記実施形態では、気泡分散装置１は、回転軸１０が垂直になるように、溶湯Ｍに浸漬しているが、これに限定されるものではない。溶湯容器２の形状に応じて、回転軸１０が斜めになるように、気泡分散装置１を配置してもよい。このような構成によれば、溶湯Ｍの循環流が発生しやすくなる場合がある。

１ 気泡分散装置
１０ 回転軸
１１ 貫通孔
２０ インペラー
２１ 中心胴部
２２ 羽根部
２３ 気泡誘導部
２４ ガス噴出孔
Ｇ 気泡
Ｍ 溶湯

Claims (8)

1. 金属溶湯に精製ガスを吹き込む気泡分散装置において、
   前記精製ガスを供給する貫通孔を備えた回転軸と、前記回転軸の下端に取り付けられるインペラーとを備え、
   前記インペラーは、前記貫通孔に連通するガス噴出孔を有する中心胴部と、前記インペラーの周方向に等間隔に配置されるとともに前記インペラーの軸方向に対して傾斜した複数の羽根部と、隣り合う前記羽根部間の隙間を覆う気泡誘導部とを備え、
   前記気泡誘導部の上面は、前記羽根部の基端部寄りが高く、前記羽根部の先端部寄りが低くなるように傾斜している
   ことを特徴とする気泡分散装置。
2. 前記気泡誘導部の外側端部は、前記羽根部の先端よりも基端部側に位置している
   ことを特徴とする請求項１に記載の気泡分散装置。
3. 前記気泡誘導部の底面は、前記羽根部の底面と面一である
   ことを特徴とする請求項１に記載の気泡分散装置。
4. 前記羽根部の側面のうち回転方向前方の側面は、斜め下方を向いて傾斜している
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の気泡分散装置。
5. 金属溶湯に精製ガスを吹き込む気泡分散装置に用いられるインペラーにおいて、
   前記精製ガスを下面から供給するガス噴出孔を有する中心胴部と、前記インペラーの周方向に等間隔に配置されるとともに前記インペラーの軸方向に対して傾斜した複数の羽根部と、隣り合う前記羽根部間の隙間を覆う気泡誘導部とを備え、
   前記気泡誘導部の上面は、前記羽根部の基端部寄りが高く、前記羽根部の先端部寄りが低くなるように傾斜している
   ことを特徴とするインペラー。
6. 前記気泡誘導部の外側端部は、前記羽根部の先端よりも基端部側に位置している
   ことを特徴とする請求項５に記載のインペラー。
7. 前記気泡誘導部の底面は、前記羽根部の底面と面一である
   ことを特徴とする請求項５に記載のインペラー。
8. 前記羽根部の側面のうち回転方向前方の側面は、斜め下方を向いて傾斜している
   ことを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載のインペラー。

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