JPH0867920A - 溶融金属からの浮遊粒子の分離方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 溶融金属から微細な浮遊する包含粒子に液体
粒子を合体して浮上力を増大させ、浮上または沈殿させ
て分離する方法を提供する。溶融金属の動きで浮遊粒子
を上方へ浮上させるか下方へ沈殿させて前記溶融金属か
ら除去できるように構成された多孔質媒体を通して、固
体および液体の浮遊粒子を分離する。 【解決手段】 微細な浮遊粒子５０を含有する溶融金属
１１は多孔質媒体２４を通して、好ましくは下方から上
方へ向けて流される。多孔質媒体２４は液体粒子５０に
対して濡れ性とされ、流動する溶融金属１１に含まれる
液体粒子５０が孔壁に付着成長されつつ溶融金属の流動
で下流側へ移動され、最終的に大径の球体３４として多
孔質媒体２４から解放されるように、構成されている。
大径となった液体粒子３４は浮上力が増大し、清澄領域
３２での重力分離を可能とされる。或いはこれと逆に、
成長された流体が沈殿して重力分離されることも可能で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、浮遊粒子を含む溶
融金属を好ましくはほぼ上方へ向けて多孔質媒体に通し
て流動させることで、溶融金属から浮遊粒子を分離し且
つ除去する方法に関する。この粒子は液体または固体の
包含物即ち介在物（inclusion ）であり得る。多孔質媒
体は、それを通過する溶融金属の動きが浮遊粒子を重力
分離できるように構成され且つ配置される。

【０００２】

【従来の技術】溶融金属、例えば５０％超のアルミニウ
ムを含有する合金を含めてアルミニウムは、不純物を除
去するために処理を行われる。これらの処理のうちの幾
つか、例えば炉内溶剤（フラックス）処理またはインラ
イン処理は、溶融塩のような液体粒子を形成する。ま
た、溶融損を減少させるために、炉に塩がしばしば添加
される。これらの溶融塩の一部は溶融金属とともに運ば
れるので、溶融金属から除去しなければ凝固インゴット
の表面に「酸化斑点（oxide patch ）」を形成すること
になる。これらの酸化斑点はインゴット品質に悪影響を
及ぼすだけでなく、多くの場合、インゴットを皮むきし
なければならない。酸化斑点はインゴットにクラックを
発生させることにもなる。ある場合には、酸化斑点はイ
ンゴット全体をスクラップにして再溶融せざるを得ない
ようにしてしまう。勿論これはインゴット鋳造作業の費
用を増大することになる。

【０００３】溶融塩と称されるような液体粒子はミクロ
ン寸法範囲にあり、典型的に８０ミクロン、または可能
性として１００ミクロンまでの寸法である。溶融塩は普
通はＭｇＣｌ₂ 、ＮａＣｌ、ＣａＣｌ₂ 、ＫＣｌ、Ｌｉ
Ｃｌおよびそれらの混合物である。溶融塩は炉添加剤ま
たはポットルーム金属（potroom metal）から形成され
るＮａＦ、ＡｌＦ₃ およびＣａＦ₂ も含み得る。大半の
液体塩は溶融金属よりも軽いので重力分離されるが、残
りのものは大部分が溶融金属中に含まれるすなわち浮遊
される。何故なら、それらの液体塩は寸法が小さく、浮
上速度が極めて遅いからである。寸法の小さいこと以外
には、浮揚する液体粒子は表面へ浮上して、除滓または
同様作業により除去される。

【０００４】溶融金属から固体および液体の包含物のよ
うな粒子を除去することに努力が払われてきた。米国特
許第４３９０３６４号は、充填ベッド（packed bed）の
ような液中に沈めた接触面を有する媒体を通して、浮遊
粒子を含む溶融金属を下方へ向けて流動させる段階を含
む除去方法を開示している。この接触媒体は大きな空隙
率および大きな比表面積を有している。この特許は、こ
の方法が浮遊粒子の合体すなわち集塊化を生じることを
記載している。その後、溶融金属は傾斜チャンネルすな
わち通路を通してほぼ下方へ向けて流動される。浮上す
る粒子および集塊物は傾斜面の下側に集まって典型的に
金属と対向流の関係で上方へ向かって移動し、金属は傾
斜通路を通って横方向且つ下方へ向かって流動する。こ
れらの浮上する粒子および集塊物は除滓および同様作業
で除去される。

【０００５】米国特許第４７９０８７３号は、金属に対
して非濡れ性を有する包含物を保有する媒体に溶融金属
を接触させ、その後溶融金属を金属に対する濡れ性を有
するろ過部材に通すことで、溶融金属から粒子を除去す
る方法を開示している。ろ過部材の金属に対して濡れ性
を有する物質は、液体粒子を内部に保持する。液体粒子
を含んだろ過部材はその後取り外されて交換される。こ
れらの既知方法および装置があるにも拘わらず、溶融金
属から液体粒子を分離して除去する改良した方法の必要
性が残されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題、および課題を達成する
ための手段】本発明によれば、内部を流動する溶融金属
の動きで浮遊粒子を重力分離するように構成され且つ配
置された多孔質媒体を通して、浮遊粒子を含む溶融金属
を流動させることで処理できる。溶融金属はほぼ上方へ
向けて多孔質媒体を通過されることが好ましい。これに
より、重力分離可能粒子は上方へ浮上して、溶融金属か
ら除去できるようになる。本発明の１つの見地によれ
ば、多孔質媒体はそれにおいて浮遊粒子の合体化を容易
とするように構成され且つ配置される。合体した粒子は
十分な溶融金属の速度と、本来の小さな浮遊粒子よりも
浮上力の増大した合体粒子の形成とにより、多孔質媒体
から運び出される。合体粒子は液体および固体の粒子両
方で形成され得る。

【０００７】本発明の実施例で、多孔質媒体は３．９〜
２３．６個／ｃｍ（１０〜６０個／インチ）の孔を有す
ることが好ましく、７．９〜１５．７個／ｃｍ（２０〜
４０個／インチ）の孔を有することが一層好ましい多孔
質セラミック材料によって作られる。他の実施例では、
多孔質媒体は上部および下部を有し、下部が上部よりも
単位長さ当たり多数の孔を有することができる。これに
よれば、下部は粒子の合体化を容易にできる一方、上部
は合体した粒子の多孔質媒体からの運び出しを容易とな
す。この方法の更に他の実施例で、ろ過部材が多孔質媒
体の下流側に配置されて、ろ過部材を通過後の溶融金属
に残存する液体および固体の粒子を更に捕捉するように
なすことができる。

【０００８】関連装置も提供され、この装置は内部に多
孔質媒体がほぼ水平に取り付けられた溶融金属通路を含
み、多孔質媒体は溶融金属がそれをほぼ上方へ向かって
通過するように配置される。内部を通過する溶融金属の
動きが浮遊粒子を重力分離化を可能にして、これにより
重力分離可能粒子は溶融金属の頂部表面へと上方へ浮上
するように、多孔質媒体は構成され配置される。溶融金
属通路は多孔質媒体の上流の入口部分と、この入口部分
の下流の清澄領域（settling zone ）とを有する。清澄
領域は、重力分離可能な粒子が清澄領域内で溶融金属の
頂部表面へ浮上可能にするような溶融金属の速度に対す
る十分な長さと溶融金属の深さとを有している。

【０００９】本発明の他の特徴は、同じ符号が同じ部品
を示している添付図面を参照して考えるべき好ましい実
施例の以下の関連する記述において更に詳しく説明され
る。

【００１０】

【実施例】「塩」という用語は、本明細書では、酸の１
つ以上の水素原子が塩基の１つ以上の陽イオンで置換さ
れて形成される化合物を意味するために使用されてい
る。塩は意図的に溶融金属に添加されるか、または塩素
ガスのような溶剤ガスが溶融金属中の元素と反応してそ
の箇所に形成される。その箇所に一般に形成された塩は
ＭｇＣｌ₂ およびＫＣｌ₂ を含む。塩という用語はま
た、Ｋ₂ ＣＯ₃ のような無機炭酸塩を含むことが意図さ
れる。他の塩としては、塩化マグネシウム、塩化リチウ
ム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、塩化銅、フッ化カ
ルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化リチウム、フッ
化カリウム、フッ化ベリリウム、フッ化アルミニウム、
フッ化ジルコニウム、フッ化シリカ、フッ化チタン、六
フッ化硫黄、およびそれらの組み合わせが含まれる。

【００１１】「ハロゲン化物」という用語は、本明細書
では、ＭＸ形式の化合物を記載するために使用され、こ
のＸはフッ素、塩素、臭素、ヨウ素、またはアスタチン
とされ、Ｍは他のいずれかの元素とされる。

【００１２】本発明の方法および装置は、アルミニウム
およびアルミニウム合金のような溶融金属をインゴット
に鋳造する工程に関係して作動される。当業者に良く知
られているように、アルミニウムの供給源が備えられ、
炉内で溶融され、その後保持炉へ搬送される。この溶融
金属はその後しばしば溶剤処理および（または）ろ過処
理を受ける。

【００１３】ろ過処理は、酸化アルミニウム粒子のよう
な含有固体粒子を除去する。ろ過処理は、固体および液
体の粒子、典型的には酸化物の粒子および不純物を溶融
金属が鋳造される前に物理的に捕捉するために、ろ過手
段を通して溶融金属を流動させる段階を含む。

【００１４】溶剤処理は分割した水素を除去し、捕捉さ
れたガス、およびナトリウム、カルシウム、マグネシウ
ム、リチウムなどの金属の含有量を低減させるために使
用される。しかしながら、塩素または塩素含有反応物質
が使用されると、溶剤処理はＭｇＣｌ₂ に似た溶融塩の
ような液体粒子を溶融金属中に生成する。溶融金属中の
溶融塩の一部は非常に微細に分けられた浮遊物質として
残存し、浮上すなわち重力分離によって溶融アルミニウ
ムから除去すなわち分離することは困難になる。すなわ
ち、溶融塩はアルミニウムよりも小さな密度を有するの
であるが、あるものは溶融金属中に含まれたままろ過装
置を通過して、鋳造アルミニウムインゴットに欠陥を生
じることになる。

【００１５】ここで図１および図２を参照すると、改良
された液体粒子除去装置は収容容器１２を含み、この収
容容器１２は適当な耐火材料で構成されるか内張りされ
て、その内部に溶融金属１１が収容される。収容容器１
２は２つの側壁１３，１４（図１）並びに床１５（図
２）を含んでいる。収容容器１２を覆うために蓋（図示
せず）を備えることができる。入口バッフル１８は溶融
金属の流れのための入口路（inlet leg ）２０を形成し
ている（図１および図２に矢印で示される）。剛性の多
孔質セラミック媒体２４は収容容器１２内にほぼ水平に
取り付けられ、入口路２０に流入する溶融金属が図２に
最も良く見られるようにほぼ上方へ向かって多孔質セラ
ミック媒体を通過するようになされる。

【００１６】収容容器１２は更に出口バッフル２８を含
み、この出口バッフル２８は出口路３０を形成してい
る。入口バッフル１８および出口バッフル２８は清澄領
域（settling zone ）３２を画成しており、この清澄領
域３２において、合体した液体粒子の球体３４として図
２に示されている重力分離可能な液体粒子は、溶融金属
１１の頂部表面に集まる。清澄領域３２は床（floor ）
３６を含み、この床３６は収容容器１２の床１５に取り
付けられた壁３７，３８（図２）で支持されている。多
孔質セラミックろ過部材４０は床３６にほぼ水平に取り
付けられ、清澄領域において溶融金属がこのろ過部材４
０をほぼ下方へ向かって通過するようになされる。

【００１７】図２を更に詳しく参照すると、作動におい
て、１ミクロン未満から可能な大きさとして５０ミクロ
ンまでの典型的な塩粒子である液体粒子５０は、剛性の
多孔質セラミック媒体２４より上流の入口路２０内を流
動する溶融金属１１に含まれている。本明細書で使用す
るように、「液体粒子」という用語はまた液体粒子およ
び固体物質のスラリーを含み、この固体物質は液体粒子
の約５０重量％未満とされる。更に一般的には、液体粒
子という用語は、従来の通路およびろ過部材の構造にお
いて経験されるせん断力で変形可能な粒子を意味する。
この液体粒子は典型的には溶融金属よりも軽いが重力分
離することができず、大部分が溶融金属に含まれたま
ま、すなわち浮遊する状態で残される。何故なら、それ
らの寸法が小さいために浮上速度が非常に遅いからであ
る。この液体粒子は、ＭｇＣｌ₂ 、ＮａＣｌ、およびＣ
ａＣｌ₂ 、ＫＣｌ、ＬｉＣｌ、およびそれらの混合物の
ような溶融塩を含むことができる。溶融塩は更にまた、
炉添加剤またはポットルーム（potroom ）金属から生じ
たＮａＦ、ＡｌＦ₃ 、およびＣａＦ₂ のような微細固体
物質を含むことができる。固体物質であることに加え
て、フッ素もまた溶融塩中に溶解され得る。更に、液体
粒子はＰｂのようにアルミニウムに不溶解の液体金属相
とされることができる。

【００１８】図１および図２の矢印で見られるように、
液体粒子５０を含む溶融金属１１はほぼ上方へ向かって
剛性の多孔質セラミック媒体２４を通過する。図３〜図
６に関連して以下により詳細に説明されるように、液体
粒子が剛性の多孔質セラミック媒体２４をほぼ上方へ向
かって通過されるとき、この剛性の多孔質セラミック媒
体２４が液体粒子を重力分離可能にするのであり、この
重力分離可能な液体粒子がその後多孔質媒体２４から解
放される。解放されたならば、この液体粒子の球体４
は、その浮上力が大きくまたほぼ上方へ向かう溶融金属
の流速も速いので、図２に示されように清澄領域３２内
で溶融金属１１の頂部表面３５へ浮上する。これらの液
体粒子の球体３４は典型的には５０または６０ミクロン
を超え、１０００ミクロン以上にまでなる。その頂部表
面から、浮遊液体粒子の球体３４は除滓または他の同様
な作業により定期的に集められて、収容容器１２から除
去することができる。

【００１９】図２に見られるように、僅かな割合の液体
粒子６２は剛性の多孔質セラミック媒体２４を通過され
た後も溶融金属１１中に含まれて残存する。これは、幾
分かの液体粒子が剛性の多孔質セラミック媒体２４内で
合体されなかったという事実によって生じるのであり、
また図６を参照して説明するように、大きな合体粒子が
剛性の多孔質セラミック媒体２４から解放されるとき
に、液体粒子から幾分小さな直径の液滴が生じ得るから
である。これは、解放過程で液体粒子の膜が破裂するこ
とにより発生する。これらの液体粒子６２を更に除去す
るために、これらの液体粒子を含む溶融金属は選択的に
多孔質セラミックろ過部材４０を通過されることができ
る。多孔質セラミックろ過部材４０に捕捉されたまま残
存する液体粒子６２は、ろ過部材４０が交換されるとき
に除去できるのであり、交換は通常は溶融金属の鋳造毎
にその後で行われる（１回の鋳造は典型的に金属が約１
８１４４〜１１３４００ｋｇ（４００００〜２５０００
０ポンド）の範囲である）。多孔質セラミックろ過部材
４０は溶融金属中に残存する固体粒子も捕捉する。

【００２０】ろ過部材４０は多孔質媒体２４と同様のも
のである。しかしながら、溶融金属１１が媒体２４を通
過した後で溶融金属１１に含まれて残存する小さく軽い
粒子を捕捉するためには、ろ過部材４０は媒体２４より
も単位長さ当たりの孔数の多いことが好ましい（単位長
さ当たりの孔数の意味に関する以下の説明を参照された
い）。多孔質媒体２４が溶融金属１１中の液体粒子の実
質的に大部分の量を除去するので、ろ過部材４０は通常
は液体粒子が取り込まれず（図４〜図６に関して説明さ
れ、示されるように）、したがってろ過部材から解放さ
れる液体粒子の球体は作り出さない。したがってろ過部
材４０は多孔質媒体２４をほぼ上方へ向かって通過した
後の溶融金属１１に含まれて残存する液体粒子を捕捉す
ることに使用される。

【００２１】本発明は、溶融金属１１に含まれる液体粒
子５０の実質的に大部分を重力分離可能にする剛性の多
孔質セラミック媒体２４を使用する一方、多孔質セラミ
ックろ過部材４０を省略することを考えている。収容容
器１２は溶融金属が多孔質セラミックろ過部材４０をほ
ぼ上方へ向かって通過するように構成できるが、これは
清澄領域３２が短縮されるか（同じ収容溶融金属の長さ
に関して）、または収容溶融金属寸法を増大させねばな
らない（同じ清澄領域の長さを得るために）理由で、好
ましいものではない。

【００２２】剛性の多孔質セラミック媒体２４は、例え
ばセラミック発泡体、結合されたセラミック粒子、多孔
質の炭素およびガラスのような幾つかの種類の材料で作
ることができる。セラミック発泡体は、ポリウレタン先
駆物質を使用して製造でき、ポリウレタン先駆物質はセ
ラミックスラリーに投入された後、高温度で燒成され
る。燒成時に、ポリマー先駆物質は蒸発して縮径された
または溶融されたセラミック媒体から解放される。結合
されたセラミック粒子媒体は、セラミック結合剤によ
り、または結合剤を使用せずに燒結されて形成される結
合によって一体的に保持される管状セラミック媒体で構
成される。

【００２３】剛性の多孔質セラミック媒体は、米国ニュ
ーヨーク州アルフレッドのハイ−テック・セラミック・
インコーポレーテッド社から登録商標アルーセル（Aluc
el）の品名で市販されて入手可能である。これらの媒体
は一般にアルミナ、ジルコニア、およびシリカのような
酸化物の混合物で構成されている。アルミナろ過部材は
特に燒結結合または燐酸塩結合できる。

【００２４】当業者に知られているように、多孔質セラ
ミック媒体の標準的な孔径測定値は直線１インチ当たり
の孔数、すなわちＰＰＩで表記される。特定の媒体のＰ
ＰＩが発泡媒体に関して型板として使用されるポリウレ
タン発泡体の本来の孔径から決定された。孔径に変化が
生じるが、平均ＰＰＩを普通に決定でき、孔はほぼ球形
であるから、それらの寸法は有効直径で表わすことがで
きる。本発明に使用される媒体の孔径は、約１０〜６０
ＰＰＩ（３．９〜２７．６個／ｃｍ）の範囲であること
が好ましく、約２０〜４０ＰＰＩ（７．９〜１５．７個
／ｃｍ）であることが更に好ましい。

【００２５】ここで図３〜図６を参照すると、剛性の多
孔質セラミック端２４の作動の詳細図が示されている。
液体粒子５０を含む溶融金属１１は媒体２４を通してほ
ぼ上方へ向けて流動され（流動方向の矢印で示されるよ
うに）、媒体２４が液体粒子５０に対して濡れ性を有す
るので、図３の媒体２４に付点面積部分７０で示される
ように液体粒子５０は媒体２４を濡らす。この濡れは媒
体２４のほとんどが図４に示されるように濡れるまで続
く。一度このような濡れ状態が生じると、液体粒子は溶
融金属流によって粘性液体流として上方へ流動を開始
し、含まれている合体液体粒子７５で図５に示されるよ
うに媒体頂面に最終的に集められる。これは、図６に、
また図１および図２に示される合体した液体粒子の球体
３４によって示されるように、合体液体粒子の表面張力
が合体粒子を浮上させて媒体２４との接触を緩くし始め
るまで続く。これらの合体した液体粒子の球体３４の寸
法は、約１００ミクロン〜１００００ミクロン台であ
り、ほとんどは５００ミクロンよりも大きい。この寸法
によれば、合体した液体粒子の球体３４は重力分離で
き、これらの球体は清澄領域３２の溶融金属１１を通し
て浮上する。図６から、大きな液体粒子の球体３４が解
放されるときに、幾つかの小さい液体粒子、例えば粒子
６２（再び図２を参照）が解放され得ることも見られ
る。これは、解放過程で液体粒子の膜が破壊するために
このような小さな液体粒子６２を生じると考えられる。
それにも拘わらず、このような小さな液体粒子６２の数
は、装置に流入する溶融金属が運び込んだ小さな液体粒
子５０の数より少なく徹底的に減少される。

【００２６】ここで図７を参照すると、他の実施例にお
いて、セラミック媒体は上部９０と下部９２とで構成さ
れ、上部は下部（例えば３０〜４０ＰＰＩ）より少ない
平均孔数（例えば２０〜２０ＰＰＩ）を有することがで
きる。このようにして、液体粒子は合体に関しては下部
９２に一層容易に捕捉され、その後、合体した粒子は上
部９０を一層容易に通過できる。

【００２７】上述で言及したように、セラミック媒体は
除去されるべき液体粒子に対して濡れ性を有する。媒体
が濡れ性であるか否かを判定する１つの限られた試験
は、媒体を約６００〜７００゜Ｃに加熱する段階、およ
び加熱された流体塩を媒体上に注ぐ段階を含む。液体塩
が媒体上で玉を形成したなら、媒体は非濡れ性である。
液体塩が玉を形成しなければ、媒体は濡れ性である。限
られた試験において、加熱された液体塩が加熱された媒
体上に注がれたときに、媒体を通過したり広がりを見せ
る（しかし玉にはならない）ならば、媒体は濡れ性であ
る。より広い試験は、セラミック媒体、溶融塩および溶
融アルミニウムの間の境界面の張力（ダイン／ｃｍで測
定して）の関数として濡れ性を測定する段階を含む。図
８は濡れ性および非濡れ性の概念を部分的に概略的に示
している。溶融塩−固体基体（この場合はセラミック媒
体）の境界面の張力は可変γｓｌで表され、溶融塩−溶
融アルミニウムの境界面の張力は可変γｓｖで表され、
溶融アルミニウム−固体基体の境界面の張力はγｌｖで
表される。γｓｌがγｓｖよりも大きければ、ヤング−
デュプレの式、すなわち

【数１】 で決定される角度θは９０゜より大きくなり、溶融塩は
基体へ対して非濡れ性となる。この場合、溶融塩はセラ
ミック媒体の表面で広がる傾向を見せないが、その代わ
り溶融アルミニウムは溶融塩よりはセラミック媒体上で
広がりを見せる。γｓｌがγｓｖよりも小さいならば、
θは９０゜より小さくなり、溶融塩は基体に対して濡れ
性を有し、また溶融塩は溶融アルミニウムとは逆にセラ
ミック媒体表面上で広がる傾向を見せる。

【００２８】清澄領域３２（図１および図２）の最小長
さは、溶融金属１１の頂部表面へ向けての液体粒子の重
力清澄（gravity settling）を受け入れて、合体した液
体粒子の球体３４が溶融金属の頂部表面から除滓または
他の方法で除去できるようにするように、決定される。
図９のグラフに見られるように、液体粒子の球体の直径
が大きくなればなるほど、浮上速度が大きくなる。それ
故に、大きな粒子に関しては、清澄領域３２（幅、深さ
および金属の流れ速度が一定として）は液体粒子の球体
を溶融金属の頂部表面へ浮上させるために短縮できる。

【００２９】図９を更に詳細に参照すれば、ｘ軸に特定
の直径（ミクロンで測定して）がプロットされ、ｙ軸に
粒子（ｃｍ／秒）の浮上速度がプロットされて示されて
いる。このグラフの値はストークスの法則を用いて計算
され、アルミニウムの粘性（η）は１．２ｃｐに等し
く、アルミニウムと液体粒子との密度差（ρｍ−ρｓ）
は０．０５ｇ／ｃｍ³ である。図９は浮上速度は粒径が
大きくなるにつれて速くなることを明確に示している。
例として、合体した液体粒子の寸法が１０００μｍであ
ると仮定すれば、図９から浮上速度は２．３ｃｍ／秒と
なる。この浮上速度が増大すると、合体した液体粒子は
清澄領域３２（図１）の溶融金属の頂部表面へ浮上する
溶融金属の流れ方向における必要距離は短くなる。

【００３０】前述の説明は溶融アルミニウムの処理に応
用された場合の改善を強調したが、これは軽量金属であ
るマグネシウムその他の金属に応用される本明細書で説
明した改善範囲をかならずしも制限するために意図され
たのではない。多孔質媒体を通してほぼ上方へ向けて溶
融金属を流動させること、および溶融金属の頂部表面へ
向けて液体粒子が上方へ浮上されることをかなり強調し
たが、本発明はまた溶融金属を下方へ、またはほぼ横方
向へ多孔質媒体を通して流動させることを包含し、また
粒子相の密度が溶融金属よりも大きい場合に、液体粒子
が下方へ沈殿して重力分離され、引き続いて溶融金属通
路から除去されるようになされることを包含する。

【００３１】本発明の利点は、以下の例で示される。

【００３２】

【例１】４５３６ｋｇ（１０００ポンド）の量のアルミ
ニウム合金ＡＡ５１８２がガス炎炉内で溶融された。燐
酸塩結合されたアルミナ発泡媒体（３０ＰＰＩ、長さ３
０４．８ｍｍ×幅３０４．８ｍｍ×深さ５０８ｍｍ（長
さ１２インチ×幅１２インチ×深さ２インチ））が図１
に似た装置の上部および下部の両方に使用された。この
アルミナ発泡媒体は３０ＰＰＩの孔径を有していた。炉
内でこの金属は約７３２゜Ｃ（１３５０゜Ｆ）に加熱さ
れた。ある与えられた時間を経て炉のタップ穴（taphol
e ）から栓が取り外されて、金属が炉から連結樋へ流さ
れ、更に装置へ導かれた。金属の流動が開始されるや否
や、７０％ＭｇＣｌ₂ −３０％ＮａＣｌの組成の溶融塩
が金属表面に半連続的に注入され、黒鉛製の撹拌具で撹
拌されて分散され、この添加は装置の直ぐ上流で行われ
た。最初は、装置内の金属表面または装置の下流に液体
塩粒子は全く観察されなかった。作業が２８分経過した
後、液体塩粒子が解放されて大きな液体粒子が上流側媒
体より上方の金属表面に浮上した。規則的な液体塩粒子
の解放が試験の残る時間を通じて行われた。これらの液
体塩粒子はこの時点で金属表面から除滓されることがで
きた。この試験は約１時間ほど、３１７５ｋｇ／時間
（７０００ポンド／時間）の流量で続けられた。この試
験は、本発明により上流側で添加され分散された塩は第
１の媒体で合体され、その媒体から合体した状態で解放
され、その後清澄領域で溶融金属の表面へ浮上された。
この塩は第１媒体では下方へ運ばれることはなく、した
がって最終製品にならなかった。包含物（inclusion ）
のサンプルが第１の媒体２４の上流および第２の媒体４
０の下流の両方において取り出され、塩除去の能力を論
証した。

【００３３】包含物（あらゆる異物の総称）のサンプル
を捕捉する手順は、水銀柱約６３５ｍｍ（２５インチ）
の真空圧で多孔質炭素ディスクを通して溶融アルミニウ
ムを吸引することであった。約０．５〜１ｋｇのアルミ
ニウムが多孔質炭素を通過した後、多孔質炭素を内蔵し
たカートリッジが取り出され、金属は凝固した。多孔質
炭素ディスクは次ぎに切断され、金属学的な試験が行わ
れた。この金属中に残存するあらゆる固体および液体の
包含物が多孔質炭素ディスクの表面に集められていた。

【００３４】図１０は第１媒体の上流側で採取された包
含物サンプルの顕微鏡写真である。このサンプルの金属
部分における丸い穴１０１、金属の灰色の汚染部１０
２、および丸いリッジ１０３の存在は、このサンプル中
に塩が存在する結果である。包含物サンプルのカートリ
ッジによる炭素１０４の一部も見られる。サンプルの灰
色汚染部は大気中の水分により生じた。何故なら、サン
プルに存在する塩が吸湿性だからである。図１１は第２
媒体の下流側で得た包含物サンプルの顕微鏡写真であ
る。金属部分１１０は、存在するとしてもほんの僅かな
塩１１１が存在するだけで比較的清浄である。サンプル
中の空隙１１２は凝固収縮した空所であり、更に何かの
成分相１１３も見ることができる。包含物サンプル用カ
ートリッジによる炭素１１４は図１１にも存在してい
る。サンプルの灰色汚染部は全く生じておらず、塩を示
す丸い空隙は存在していない。包含物サンプルのみの金
属学的分析は、本発明が溶融アルミニウムの流れから、
塩粒子を効果的に除去することを示している。

【００３５】

【例２】第２の例ではムライト結合されたアルミナ媒体
（厚さ３８．１ｍｍ（１．５インチ））が使用され、装
置を通る金属流量が４９９０ｋｇ／時間（１１０００ポ
ンド／時間）であること以外、例１と同じ条件であっ
た。装置全体より上流側で塩添加が開始されて後１９分
経過して、媒体部材より上流側の上方に溶融塩の解放が
観察された。図１２は装置の上流で得た包含物サンプル
の顕微鏡写真である。金属部分１４０は水の濃縮液滴１
４１および灰色汚染部１４２による塩の証拠を含んでい
る。成分金属相１４３および収縮空所１４４もまた存在
し、包含物サンプルカートリッジによる炭素１４５も存
在している。図１５は第２媒体の下流で得た包含物サン
プルの顕微鏡写真を示している。再び説明するが、金属
部分１５０に塩の存在する証拠はほとんど、またはまっ
たくない。成分金属相１５１および収縮空所１５２、な
らびに包含物サンプルによる炭素１５３が、示されてい
る。

【００３６】図１０〜図１３の顕微鏡写真は、本発明の
装置および方法が溶融アルミニウムから溶融塩を除去す
ることに有効であることを示している。これらの例は溶
融アルミニウムからの溶融塩の除去を示すことは認識さ
れるが、本発明は溶融アルミニウムに限定されず、マグ
ネシウムのような他の軽量溶融金属に使用できる。

【００３７】次ぎに、溶融金属から液体浮遊粒子を除去
する能力の向上が、溶融金属からろ過できる固体の浮遊
粒子の量に影響するかを決定するために、一連の試験が
行われた。

【００３８】

【例３】アルミニウム合金ＡＡ５０８３がガス炎炉内で
溶融された。炉から流れ出た金属はガス塩化ばい焼装置
で浄化された。この装置は、溶融金属本体内に配置され
たガス分散装置を含んでいる。この分散装置は一般に回
転される円形ローターすなわちインペラであり、この回
転と同時に溶剤ガスがローターの近くすなわちローター
の下側領域で添加される。溶剤ガスは塩素および（また
は）アルゴンおよび窒素ガスおよびその混合ガスを含む
族から選択された非反応性ガスである。金属に添加され
る塩素ガスの量は比較的少なく、約０．１４２〜０．２
８３ｍ³ ／時間（約０．５〜１０ＳＣＦＨ（標準立方フ
ィート／時間））の範囲であった。溶剤ガスのこの流量
は典型的にアルミニウム合金の商業的な溶剤処理に使用
される典型的な量である。次ぎに、金属は燐酸塩結合さ
れたアルミナ発泡ろ過媒体でろ過され、標準的な方向、
すなわちろ過部材を通して下方へ金属が流動された。

【００３９】金属の清浄度はサンプルカートリッジを通
して金属を流動させて行うろ過の前後に基準を定められ
た。清浄度は、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、ＭｇＯ、およびＡｌ2
Ｏ3のような金属に見られる非金属介在物即ち非金属包
含物の量の測定値である。これは、サンプルカートリッ
ジの多孔質黒鉛フリット（frit）の前端縁を横断して見
られる包含物の個数に基づく。基準スケールは１〜５の
範囲であった。この基準付け法は、以下に説明される。
すなわち、 １．金属が可視包含物の全くない完全に清浄な状態であ
るサンプルに１の基準が与えられる。 ２．ほんの時折多孔質黒鉛フリットに包含物が見られる
サンプルに基準２が与えられる。 ３．多くの包含物が見られるが、いずれも多孔質黒鉛フ
リットの前端縁の孔ではないサンプルに基準３が与えら
れる。 ４．多孔質黒鉛フリットの前端縁の全ての孔に包含物の
クラスターが見られるサンプルに基準４が与えられる。 ５．多孔質黒鉛フリットの前端縁に沿って包含物の連続
した層が見られるサンプルに基準５が与えられる。 例３の材料に関する平均清浄度レベルは以下の表１に示
される。

【表１】 平均清浄度 例 サンプル数 ろ過前 ろ過後 清浄度の向上 ３ ５ ２．８３ ２．４０ ０．４３ ４ ８ ３．２５ ３．２５ ０．００ ５ １４ ２．７９ ２．４３ ０．３６ ６ ８ ３．３１ ２．５６ ０．７５

【００４０】

【例４】（従来技術） 金属に添加された塩素ガスレベルがアルミニウム合金の
商業的な溶剤処理に典型的に使用される流量よりも格段
に多い、６倍を超えた流量に増大されたことを除いて、
例３の手順が繰り返された。例３の材料に関する平均清
浄度レベルは表１に示されている。

【００４１】例３および例４の比較は、溶剤ガスのレベ
ルの増大に関連した清浄度（固体包含物レベル）の統計
的な重大な変化がなかったことを示している。例３およ
び例４の比較は、高レベルまで溶剤ガスの流量を増大す
ることが金属中の固体包含物のレベルを減少させること
はないというこの分野での従来の知識を確認した。

【００４２】

【例５】図１および図２に示されたのと同様の液体粒子
除去装置で標準的な流れの燐酸塩結合アルミナ発泡ろ過
部材が置換された以外は、例３の手順が繰り返された。
金属流は第１のステージすなわちろ過部材を通して上方
へ、また第２のステージすなわちろ過部材を通して下方
へ流された。例４の材料に関する平均清浄度は表１に示
されている。

【００４３】例３および例５の清浄度の組み合わせは、
低レベルの塩化ガスでの溶融ろ過段階の変化と関連した
清浄度（固体包含物レベル）の統計的な重大な変化がな
かったことを示している。この分野での従来の知識は、
２段階、すなわち上昇流および下降流でのろ過を有する
溶融塩集合装置は、金属中の固体不純物のレベルを、例
３の単段ろ過のレベルよりもかなり低いレベルに低下さ
せると予測するものである。

【００４４】

【例６】例５の手順が繰り返され、材料に添加された塩
素ガスのレベルは、アルミニウム合金の商業的な溶剤処
理に典型的に使用される流量よりも格段に多い、６倍を
超えた流量に増大された。例６の材料に関する平均清浄
度レベルは表１に示されている。

【００４５】驚くべきことに、例４および例５の清浄度
の比較が、低レベルの塩化ガスでの溶融ろ過段階の変化
と関連した清浄度（固体包含物レベル）の統計的な重大
な変化があったことを示している。典型的な溶剤ガスレ
ベルよりも高いレベルでの溶融金属からの固体不純物
（包含物即ち介在物）の除去のために溶融塩集積ろ過部
材の能力は思いもよらないものであった。この分野での
従来の知識は、高い溶剤ガスレベルの使用は下流側の固
体包含物ろ過部材の性能にきわだった影響を与えないと
いうことである。更に、当業者は、高レベルの溶剤ガス
がろ過部材の性能にマイナスの影響を有するであろうこ
とを予測する。このマイナスの影響の予測は、例１およ
び例２で使用されたＡＡ５１８２および例３〜例６で使
用されたＡＡ５０８３のようなマグネシウムアルミニウ
ム合金において特に大きい。

【００４６】本発明は好ましい実施例に関して説明した
が、添付される請求の範囲は本発明の技術思想内にある
全ての実施例を包含することを意図する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するのに適当な１つの構造を示す
改良した装置の作動を示す頂部平面図。

【図２】図１の栓２−２に沿う横断面図。

【図３】多孔質媒体の孔の液体粒子による濡れの開始を
示す拡大した横断面図。

【図４】多孔質媒体の孔の液体粒子による濡れが進展し
た図３に続く状態を示す多孔質媒体の拡大した横断面
図。

【図５】液体粒子の合体の開始を示すための、図４に続
く状態を示す多孔質媒体の拡大した横断面図。

【図６】液体粒子の合体およびそれに引き続く媒体から
の解放を示すための、図５に続く状態を示す多孔質媒体
の拡大した横断面図。

【図７】異なる孔寸法を有する上部および下部を備えた
多孔質媒体を示す概略図。

【図８】（ａ）は非濡れ性の場合の液体包含物を示す概
略図で、（ｂ）は濡れ性の場合の液体包含物を示す概略
図。

【図９】特定の直径の関数として終末浮上速度を示すグ
ラフ。

【図１０】例１の場合の多孔質媒体の上流側で得た包含
物サンプルの顕微鏡写真（１００倍）。

【図１１】例１の場合の多孔質媒体の下流側で得た包含
物サンプルの顕微鏡写真（１００倍）。

【図１２】例２の場合の多孔質媒体の上流側で得た包含
物サンプルの顕微鏡写真（１００倍）。

【図１３】例２の場合の多孔質媒体の下流側で得た包含
物サンプルの顕微鏡写真（１００倍）。

【符号の説明】

１１ 溶融金属 １２ 収容容器 ２０ 入口路 ２４ セラミック媒体 ３０ 出口路 ３２ 清澄領域 ３４ 合体した球体 ４０ ろ過部材 ５０ 液体粒子 ６２ 液体粒子 ７０ 濡れ部分 ７５ 合体粒子 １０１ 穴 １０２ 汚染部 １０４ 炭素部分 １１０ 金属部分 １１１ 塩 １１２ 空隙 １１３ 成分相 １４０ 金属部分 １４１ 水 １４２ 汚染部 １４３ 金属相 １４４ 空所 １５０ 金属部分 １５１ 金属相 １５２ 空所 １５３ 炭素

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グラント ジー．オーウェン アメリカ合衆国テキサス州，ロックデイ ル，ピー．オー．ボックス 472 (72)発明者 デニス アール．モーラー アメリカ合衆国テキサス州，ロックデイ ル，ピー．オー．ボックス 472 (72)発明者 ケイ．ディーン ヴィネッジ アメリカ合衆国アイオワ州，デイブンポー ト，ピー．オー．ボックス 3567

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 浮遊固体及び液体粒子を含む溶融金属が
   多孔質媒体を通過するようにし、該多孔質媒体を通過す
   る溶融金属の動きによって該浮遊粒子を重力分離可能に
   し、前記重力分離可能な粒子が上方へ浮上するか下方へ
   沈殿して前記溶融金属から除去できるように該多孔質媒
   体は構成され且つ配置された、溶融金属から浮遊粒子を
   分離する方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の分離方法であって、 固体および液体の粒子が容易に合体できるように構成さ
   れ且つ配置された多孔質媒体を通して、固体および液体
   の浮遊粒子を含む溶融金属をほぼ上方へ向けて流動させ
   る段階、および溶融金属の十分に速い流動速度と、前記
   浮遊粒子よりも大きな浮力を有する合体粒子の形成とに
   より、前記多孔質媒体から前記合体粒子を運び出す段階
   を含む溶融金属からの浮遊粒子の分離方法。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の分離方
   法であって、 前記分離可能な、すなわち合体した粒子が前記固体粒子
   および前記液体粒子の混合体である溶融金属からの浮遊
   粒子の分離方法。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２に記載の分離方
   法であって、 前記液体粒子がハロゲン化物塩、特に塩化マグネシウ
   ム、塩化リチウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、フ
   ッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化リチウ
   ム、フッ化カリウム、フッ化ベリリウム、フッ化アルミ
   ニウム、フッ化ジルコニウム、フッ化シリカ、フッ化チ
   タン、六フッ化硫黄、臭化カリウム、または臭化ナトリ
   ウムの１つ以上で形成されている溶融金属からの浮遊粒
   子の分離方法。
5. 【請求項５】 請求項１または請求項２に記載の分離方
   法であって、 前記多孔質媒体が前記浮遊液体粒子に対して濡れ性を有
   する溶融金属からの浮遊粒子の分離方法。
6. 【請求項６】 請求項１または請求項２に記載の分離方
   法であって、 前記多孔質媒体より上流の入口部分と、前記入口部分よ
   り下流の清澄領域とを有する溶融金属通路内に前記溶融
   金属が受け入れられ、また溶融金属が清澄領域を通って
   移動するときに前記重力分離可能な粒子が該清澄領域内
   で前記溶融金属の頂部表面へ浮上できるように、清澄領
   域での溶融金属の速度に対する十分な長さと、清澄領域
   の深さとを清澄領域が有している溶融金属からの浮遊粒
   子の分離方法。
7. 【請求項７】 請求項１または請求項２に記載の分離方
   法であって、 前記多孔質媒体を通して前記溶融金属を流した後、該金
   属溶湯に残存する浮遊液体粒子を捕捉するためにろ過媒
   体を通して前記溶融金属を流す段階を含む溶融金属から
   の浮遊粒子の分離方法。
8. 【請求項８】 浮遊する固体粒子を含む溶融金属が該固
   体粒子の数を減少させるように処理される請求項１に記
   載の方法であって、 前記溶融金属中に浮遊する液体塩粒子を形成するように
   該溶融金属を物質で処理する段階、 内部を流れる溶融金属の動きで浮遊する固体および液体
   の粒子を重力分離可能にして前記重力分離可能な粒子を
   上方へ浮上できるように構成され且つ配置された多孔質
   媒体を通して、前記溶融金属をほぼ上方へ向けて流動さ
   せる段階、 前記重力分離可能な粒子が前記溶融金属の頂部表面へ浮
   上して該溶融金属から分離できるようにする清澄領域を
   通して、前記重力分離可能な粒子を含む前記溶融金属を
   横方向へ移動させる段階、および前記多孔質媒体を通過
   させることで重力分離できなかった前記溶融金属中に残
   存して浮遊する固体および液体の粒子の少なくとも一部
   を捕捉するために、前記清澄領域から横方向へ間隔を隔
   てたろ過媒体を通してほぼ下方へ向けて前記溶融金属を
   流す段階を含む溶融金属からの浮遊粒子の分離方法。
9. 【請求項９】 請求項８に記載の分離方法であって、前
   記物質が以下の、すなわち（ａ）塩素系物質、特に塩化
   マグネシウム、塩化リチウム、塩化カリウムまたは塩化
   ナトリウムの１つ以上、または（ｂ）フッ化物、特にフ
   ッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化リチウ
   ム、フッ化カリウム、フッ化ナトリウム、フッ化ベリリ
   ウム、フッ化アルミニウム、フッ化ジルコニウム、フッ
   化シリカ、フッ化チタン、または六フッ化硫黄の１つ以
   上のいずれかである溶融金属からの浮遊粒子の分離方
   法。
10. 【請求項１０】 請求項８または請求項９に記載の分離
    方法であって、以下の特徴、すなわち （ａ）フラックスガスを使用して前記物質を形成する （ｂ）溶融金属に意図して添加される塩で前記物質を処
    理する （ｃ）前記重力分離可能粒子が前記固体粒子および前記
    液体粒子の混合物である、または （ｄ）溶融金属が前記清澄領域を通って移動するときに
    前記重力分離可能な粒子が該清澄領域内で前記溶融金属
    の頂部表面へ浮上できるように、清澄領域での溶融金属
    の速度に対して十分な長さと深さとを清澄領域が有して
    いる の１つ以上を有している溶融金属からの浮遊粒子の分離
    方法。