【発明の詳細な説明】
溶融鉛にアルミニウムおよびカルシウムを添加する方法および装置技術分野
本発明は、鉛カルシウム合金の製造のために、溶融鉛にアルミニウムとカルシ
ウムおよびその合金を同時に添加する方法に関するものである。背景技術
鉛・酸電池は、歴史的に鉛とアンチモンの合金のグリッドを使用して製造され
ている。これらの鉛・アンチモン電池は、電極中の水との化学反応により、水素
ガスを発生する。このことは、電池の通気と、定期的な水の補充を必要とする。
鉛カルシウム合金のグリッドの導入は、これらの合金が電気化学反応により発
生する水素ガスの量を大幅に減少させるため、大きな進歩であった。鉛合金中に
０．１％と少量のカルシウムでも入れると、電池を実質的に密閉することが可能
で、水を添加する必要のないレベルにまでガスの発生を減少させるのに十分であ
る。
鉛へのカルシウム金属の添加は、比較的容易で、溶融鉛の表面に純粋なカルシ
ウム金属またはカルシウム合金を単に添加する方法を含め、いくつかの方法によ
り行われる。鉛を撹拌すると、溶解が良好になり、鉛浴の表面にカルシウムが浮
上することによるカルシウムの酸化が最少になる。
Ｃ．Ｍ．メインランドの１９７３年６月２６日付の米国特許第３７４１７５４
号明細書には、不活性保護ガスの雰囲気中で粒状のカルシウム金属を鉛に添加し
、これにより添加中のカルシウムの酸化を最少にする方法が記載されている。こ
の方法は、カルシウムを効率よく鉛に添加し、発煙、ガスの放出、発火、および
酸化による損失を最少にすることができる。
代替方法として、ベタ−トンの１９３４年１月２日付米国特許第１９４１５３
４号明細書のように、炭化カルシウムを添加してカルシウムを導入することがで
きる。
鉛カルシウム合金を製造する際の冶金学的問題は、一般に上記のようにいくつ
かの代替合金製造法があるため、溶融鉛にカルシウムを添加することに関するも
のではない。主要な問題は、カルシウムが液体鉛のプールに溶解した後に減少す
ることである。鉛カルシウム合金は、溶融鉛に溶解した反応性のカルシウムが、
大気中の酸素に触れる溶融物の表面で酸化することにより損失する傾向が高い。
カルシウムの消滅に関連する問題は、鉛カルシウム合金に少量（０．００５％
ないし０．０５％）のアルミニウムを添加することにより解決する。アルミニウ
ムは鉛合金の表面に強固な酸化物の層を形成し、このためカルシウムの酸化が最
少になる。
しかし、カルシウムと異なり、アルミニウムを溶融鉛に添加することはきわめ
て困難である。それは次の２つの要因によるものである。それは、
ａ）固体のアルミニウム金属表面の、鉛への溶解速度を遅らせる強固な薄い酸
化皮膜、および
ｂ）アルミニウムの溶融鉛へのきわめて低い溶解度である。代表的に鉛の処理
温度（４００ないし６００℃）では、溶融鉛へのアルミニウムの溶解度はカルシ
ウム・アルミニウム鉛合金の仕様（Ａｌ０．０５％以下）における溶解度よりわ
ずかに高いにすぎない。
純粋な固体アルミニウム金属を鉛に効果的に添加するには、溶融鉛の温度を通
常の鉛の処理範囲よりかなり高いアルミニウムの融点（６６０℃）より高くする
必要がある。カルシウム金属は反応性により、通常約４２０℃で添加する。この
ように、固体のアルミニウム金属とカルシウム金属を添加することができる溶融
温度の間に不一致がある。代替方法として、あらかじめ溶融させたアルミニウム
を鉛浴に注入して撹拌することができるが、このためにはアルミニウムを溶融さ
せるための第２の炉が必要である。
これらの高温添加法はすべて、酸化、発火、および発煙を伴い、酸化鉛の蒸気
が大気中に存在することになり、健康上および環境上の問題を生じる。融点が高
いため、カルシウムの回収率は一般に低く、平均８５％弱であり、アルミニウム
の回収率は４５％ないし６５％の範囲である。
他の、環境的に受け入れられる方法が開発されており、最も一般的なものはカ
ルシウムとアルミニウムを共融合金の形で同時に添加する方法である。このよう
な方法の１例は、プレンガマンの１９８４年３月２７日付米国特許第４４３９３
９８号明細書に記載されている。適当な低融点（５４５℃）共融合金は、Ｃａ７
３％／Ａｌ２７％の場合に生成される。
この共融合金により、カルシウムとアルミニウムを約３対１の割合で、約５７
０℃の溶融鉛の温度で同時に添加することができる。通常、この合金の回収率は
、上述の純粋なカルシウムおよびアルミニウム金属を添加する場合より高くなり
、この合金によりカルシウムとアルミニウムの回収率はそれぞれ９０％と７０％
が期待される。しかし、この合金を使用する場合の主な問題点は、Ｃａ３対Ａｌ
１の添加比率が鉛合金の仕様で必要なカルシウムとアルミニウムの比率に相当し
ないことが多いことである。多くの場合、最終鉛合金に望ましいＣａとＡｌの比
率は高く、１０：１である。ＣａとＡｌの合金の融点はＣａ７３％、Ａｌ２７％
のいずれかの側に著しく増加するため、この添加比を達成するには、ＣａとＡｌ
の合金を使用したのでは困難である。これらの融点上昇により、非共融合金の生
成が困難になり、鉛浴の温度をこれに従って上昇させなければならないので使用
が困難になる。鉛浴の温度を上昇させることの欠点は、エネルギー費が上昇し、
処理時間が長くなり、釜内の寿命が短縮し、カルシウムの消滅が多くなり、酸化
鉛の蒸気の発生が増大することである。
アルミニウムとカルシウムを溶融鉛に添加するための他の技術も開発されてい
る。ウースター他の１９８９年２月２８日付米国特許第４８０８３７６号明細書
には、溶融鉛の浴に沈めた中空のノズルから、不活性ガスの流れによりカルシウ
ムとアルミニウムの粉末の混合物を射出することにより添加する方法が記載され
ている。カルシウムとアルミニウムの粉末と、液体の鉛の密度に大きい差がある
ため、ノズルの先端に穴のあいたキャニスタを設けなければならない。このキャ
ニスタは、ノズルから出て浮上するカルシウムとアルミニウムの粉末を捕らえ、
保持する機能を有する。この技術によれば、カルシウムとアルミニウムの回収率
は通常それぞれ９０％と５５％になる。この方法によっても、アルミニウムの回
収率が低く、詰まりの問題を有するノズルの使用を含めて、複雑で高価な沈めた
射出装置を必要とする。
デュデックの１９８６年１２月９日付米国特許第４６２７９６１号明細書は、
カルシウム金属とアルミニウム金属の顆粒を機械的に混合したものを練炭状に圧
縮して同時に添加する方法を提唱している。この練炭状のものを、５５０℃ない
し６００℃の温度で溶融鉛を撹拌して生じるうずの中に添加する。この方法の主
要な問題点は、溶融物中で回収されるカルシウムとアルミニウムの量の予測がで
きないことである。上記米国特許第４８０８３７６号明細書の第１欄に開示され
た練炭状のカルシウムとアルミニウムの混合物を用いた実験では、カルシウムの
回収率に１０％弱、アルミニウムの回収率に３４％強のばらつきが見られた。
トビアス他の１９８７年１０月１３日付米国特許第４６９９７６４号明細書に
は、溶解炉に加熱した送り管および戻り管で接続した別の保持炉で鉛を溶融する
複雑な装置が記載されている。鉛の温度を所期の合金生成温度に上昇させる加熱
した送り管を通して溶融鉛を移動させるのにポンプを使用する。次に加熱された
鉛は溶解炉に送られ、アルミニウムなどの添加物と合金を生成する。次に合金と
なった鉛は第２の管を通って主鉛保持炉に戻される。溶融鉛は、所期の合金組成
が得られるまで連続的に循環される。この方法は複雑であるばかりでなく、保守
を必要とするポンプや加熱管を使用する。
要約すれば、鉛へのカルシウム金属の添加は比較的簡単に９０％またはこれ以
上の回収率が期待されるが、溶融鉛へのアルミニウム金属の添加はきわめて困難
である。溶融物の温度が６６０℃以下（アルミニウムの融点より低い）で純粋な
アルミニウム金属を添加する方法はすべて、アルミニウムの回収率が低く、ばら
つきがきわめて低いという難点がある。多くの方法が複雑で高価な、保守を必要
とする装置を必要とする。溶融鉛の温度がアルミニウムの融点より高いとアルミ
ニウムの回収率が改善されるが、過剰な熱のためにエネルギー費が高くなり、処
理時間が長くなり、釜内の寿命が短縮し、カルシウムの消滅が多くなり、酸化鉛
の蒸気の発生が過剰となり重大な環境問題の原因となることである。発明の開示
本発明は、通常の鉛処理温度（通常５６０℃、どの場合にも６６０℃未満）で
カルシウムおよびアルミニウム金属を同時に添加し、回収率が高く、予知可能で
、酸化および蒸気発生が最少になる簡単な装置を使用する。
これまで記載された技術のすべてが、アルミニウムの回収率が低いか、ばらつ
きが非常に大きいか、またはその両方であるため、溶融温度が６６０℃未満で、
高く、かつ予知可能なアルミニウムの回収率が期待されていない。これに関して
、沈めたランス（lance）を介して、純粋なカルシウムおよびアルミニウム金属
を同時に添加する米国特許第４８０８３７６号明細書の方法では、４４％ないし
６２５％の範囲で、平均が５５％のアルミニウムの回収率を達成した。この技術
で好ましい溶融鉛の温度は５５０℃ないし５８０℃の範囲である。
上記米国特許第４８０８３７６号明細書の第１欄に報告された練炭状の純粋な
カルシウムおよびアルミニウム金属を使用した実験では、アルミニウムの回収率
は予知が不可能で、平均は約７１％であるが、±１７％、すなわちアルミニウム
のレベルは上下で３４％のばらつきがあった。鉛浴の温度は少なくとも５５０℃
が推奨されている。
他の純粋なアルミニウムを添加する方法は、鉛を６６０℃を超える温度に加熱
するか、溶融したアルミニウムを鉛浴に添加することが必要であった。このよう
な高温法によって、カルシウムの消滅が多く、過剰な酸化鉛の蒸気が発生する。
本発明は、カルシウム金属を溶融鉛に溶解する時の発熱による熱の放射を利用
する。カルシウム粒子を添加する際、カルシウムの溶解に伴う熱の放射により、
溶解するカルシウム粒子の周囲にある鉛の温度に局部的な上昇が生じる。鉛にア
ルミニウムを溶解するためには、高い溶融温度を必要とするため、カルシウム粒
子に隣接する局部的に過熱した鉛に接触するアルミニウム粒子は急速に溶解する
。
このアルミニウムの溶解速度を容易に増大させるために、カルシウムとアルミ
ニウムの粒子は常に互いに近接して溶解するカルシウム粒子からの熱の放射が、
アルミニウム粒子に直接隣接する鉛を過熱させるのに利用できる必要がある。
上述の溶融温度約６６０℃未満で溶融鉛にアルミニウムおよびカルシウムを添
加する従来の技術はいずれも、カルシウム粒子とアルミニウム粒子が溶解反応中
互いに近接するように設計されていない。
本発明の第１の態様によれば、カルシウムとアルミニウムを溶融鉛に添加する
方法は、溶融鉛中まで延びる側壁と、鉛表面より下の比較的深い部分にある底部
開口と、鉛表面より下の比較的浅い部分の側壁にある上部開口を有する筒状のハ
ウジングの内部にカルシウムもしくはアルミニウム粒子を供給する工程と、前記
筒状のハウジング中に回転インペラを使用して、筒状のハウジング内部の粒子を
含有する鉛にうずを生じさせる工程からなる。ハウジングの形状と、インペラの
性質および位置は、粒子を含有する鉛が確実にハウジングの側壁に対してうずを
巻き、鉛が上部または底部の開口から排出される前にハウジング内を循環するよ
うなものとする。
上述のように、鉛浴の温度は通常６６０℃未満である。
本発明の他の態様は、カルシウムおよびアルミニウムを溶融鉛に導入する装置
であり、全体的に筒状のハウジングと、筒状のハウジングの上部が鉛の表面より
上にあり、下部が鉛中に沈むように筒状のハウジングを保持する支持手段とを具
備し、前記の下部は鉛の表面から浅い位置に保持され、前記の下部は下端に底部
開口を有し、前記表面より比較的深い位置にある。上部開口は、これらの開口の
底部より下に延びるひさしでおおわれている。装置はまた、筒状のハウジングの
上部にカルシウムおよびアルミニウムの粒子を供給する供給手段を有する。イン
ペラは、筒状ハウジングの内部にまで延びる回転軸上に取り付けられ、ハウジン
グの形状とインペラの性質および位置は、粒子を含有する鉛が確実にハウジング
の側壁に対してうずを巻き、鉛が筒状のハウジングから排出される前にハウジン
グ内を循環するようなものとする。
上述のように、鉛が正しくうずを巻くことは、一部はハウジングの形状ならび
に一部はインペラの性質および位置に依存する。ハウジングは、底部開口からの
鉛の流れを妨害し、再循環を助けるようにくびれている。好ましくは、筒状のハ
ウジングの下部は下方に向かってすぼまっており、ハウジングの最大直径の約２
分の１で、インペラの直径より小さい出口開口に導かれる円錐状のくびれを形成
している。これにより、カルシウムとアルミニウムの粒子が適当な時間筒状のハ
ウジング中に確実に保持されるように、放射状の液体の流れが促進される。
インペラの設計および位置は、筒状のハウジング内部における液体の流れのパ
ターンを最適にするため重要である。好ましい実施態様では、インペラはハウジ
ング内部の底部開口のすぐ上、または少なくとも下方に向かってすぼまっている
部分の中央より底部開口に近い位置に設けられている。この設計によれば、上部
開口を通って溶融鉛から取り出される液体鉛がハウジング内部でうずを巻き、底
部開口から押し出されるように、液体の流れ全体は下方に向かう。この実施態様
では、筒状のハウジングの底部における円錐状のくびれは、底部開口を通る鉛の
流れを制限し、これにより放射状の流れを促進するため、きわめて重要である。
筒状のハウジングの直径にこのようなくびれがないと、うずが軸方向の流れを助
け、これによりカルシウムの粒子と、特にアルミニウムの固体粒子が鉛に完全に
溶解する前にハウジングから逃げてしまう。
第２の実施態様では、インペラが筒状のハウジングの内部にあるくびれた点の
近くにある。この設計により、ハウジング内部の流れが、底部開口を通って引か
れ上部開口から取り出される溶融鉛からの液体鉛の流れと反対になる。この場合
、上部開口の上にあるキャノピーが、上部開口から不用意に放出されることのあ
る、鉛と比較して浮力の高い未反応のカルシウムおよびアルミニウムの粒子を確
実に捕捉し、これにより未反応材料が流失する鉛浴の表面に浮上するのが防止さ
れる。
軸方向の流れを形成する船舶型のインペラを使用する上記の米国特許第３７４
１７５４号明細書と異なり、両実施態様で使用する回転インペラは、少なくとも
一部が遠心型であることが好ましく、これによりインペラ領域にある鉛が放射状
および軸方向の両方向に移動して筒状ハウジングの側壁に衝突し、出口から出る
前に側壁に隣接してうずを形成する。また、上記’７５４号明細書と異なり、筒
状のハウジングは軸方向の流れを減少させ、放射状の流れを促進させるために、
直径が中細になっている。このことは、アルミニウムおよびカルシウムの粒子の
、筒状ハウジング内の滞留時間を増大させるため、本発明の重要な点である。こ
れらの特長により、粒子が確実に筒状ハウジング内に保持され、カルシウムとの
発熱反応によって比較的小容量の鉛がアルミニウムを溶解する温度にまで加熱さ
れる間、比較的小容量の鉛と接触を保つ。
本発明は主としてアルミニウムおよびカルシウム粒子を鉛に添加することに関
するものであるが、同様の方法および装置をアルミニウムとカルシウムの合金の
粒子、または合金と金属の混合物の粒子を鉛に添加する際にも用いられる。図面の簡単な説明
本発明を、添付の図面を参照してさらに詳細に説明する。
第１図は、上記の米国特許第３７４１７５４号明細書に示された従来の技術に
よる装置の部分図である。
第２図は、本発明の好ましい実施例による装置の断面側面図である。
第３図は、本発明の第２の実施例による装置の断面側面図である。発明を実施するためのモード
第１図は、不活性気体による保護気体の被覆を使用しながら、カルシウムなど
の反応性金属を溶融鉛に添加するのに使用する従来の技術である米国特許第３７
４１７５４号明細書の、主要部分を示す。図に示すように、フィード・ホッパの
下端を形成する供給シュート１２を、反応性原料を供給するのに使用する。上端
１７で閉じ、下端１８で開いた円筒状ハウジング１６が、可動フレーム２４から
の支持アーム２０により支持されている。内部チャンバ２６は、ハウジング１６
と同心に設けられている。チャンバ２６内には、回転シャフト２９に取り付けら
れた船舶型、すなわち軸流型のインペラ２８が位置し、このシャフトはグランド
３０を貫通して上に延び、これもフレーム２４に取り付けられたモータとギア・
ボックスの組み合わせにより駆動される上端を有する。バイブレータ３１は、シ
ュート１２の基部に接続され、反応性金属が鉛浴３２に流入するのを助ける。不
活性気体の流れが供給管３３内に形成され、これがハウジング１６上端への反応
性粒子の移動を助ける。フレーム２４は、処理される溶融金属浴の上を移動でき
るように設けられている。
使用に際しては、フレーム２４は、ハウジング１６の一部と、内部チャンバ２
６のすべての部分を溶融鉛の表面３２より下に入れるように置かれる。不活性気
体が供給管３３を介して供給され、鉛の温度は４８２℃ないし５１０℃に調節さ
れる。カルシウム粒子は、毎分約６．８ｋｇ（１５ポンド）の速度で供給され、
インペラ２８は毎分約２８０回転の速度で回転して、浴内に深いうずを形成する
。インペラはハウジング１６と内部チャンバ２６との間の環状の空間を通って上
方に引き上げた後、チャンバを通ってその底部出口から浴中に出そうとする。カ
ルシウム粒子はこの移動中に溶融鉛と混合される。この装置を使用すると、カル
シウムと鉛の合金のカルシウム含有量は、合金中のカルシウムと鉛の総重量に対
して約０．０２５％ないし１．５％であると報告されている。この先行特許はま
た、６メッシュのカルシウムの小塊を毎分約６．８ｋｇ（１５ポンド）の速度で
４８
０ないし５１０℃の鉛浴に添加すると、カルシウムの回収率は約８８重量％、す
なわち供給したカルシウムの全重量の約８８％がカルシウムと鉛の合金になると
報告している。
本発明の最初の段階では、米国特許第３７４１７５４号明細書に示された方法
がアルミニウム金属を鉛に添加する場合にも適用できるかどうかを決定するため
の実験が行われた。同特許明細書に報告されたものと類似した、第１図に示す反
応缶を製作した。原料供給装置は、下記の原料の添加が容易になるように改良し
た。
＊カルシウムおよびアルミニウム金属粒子を同時に、または
＊アルミニウム金属の粒子のみ
この方法で、温度を５６０℃にした試験では、アルミニウム金属のみを添加し
た場合、すなわちカルシウムを添加しない場合、アルミニウムの回収率は０であ
った。このように、この方法は、鉛酸電池合金を製造する通常の処理温度で、純
粋な固体アルミニウム金属粒子のみを溶融鉛に添加するには不適当である。
カルシウムおよびアルミニウム金属の粒子を同時に鉛浴に添加するためにこの
方法を用いて試験を行った。結果を第１表に示す。
第１表に示す結果は、アルミニウムとカルシウムの粒子が十分撹拌した円筒状
の反応ベルまたはハウジング内部で互いに近接して移動すると、カルシウムの溶
解
により放出される熱がアルミニウム粒子の近くの鉛の温度を局部的に上昇させ、
これによりカルシウムがないと通常起こらないアルミニウムの溶解が容易になる
ことを証明する。
第１表のデータは、米国特許第３７４１７５４号明細書に示された方法を固体
カルシウムおよび固体アルミニウム金属の粒子を両方供給するように変更したも
のでは、鉛浴の温度を５００℃から５６０℃に上昇させると、カルシウムとアル
ミニウムの回収率がともに上昇することを示している。しかし、この結果はまた
、試験ごとにアルミニウムの回収率に依然として大幅なばらつきがあり、最良の
場合でも±９．６％である。さらに、カルシウムの回収率は９０％台と優秀であ
るのにかかわらず、この方法によるアルミニウムの回収率は依然として平均６０
％しかなく、固体アルミニウムを鉛に添加する従来の技術で記載された他の方法
より非常に良いとは言えない。
上述のように、円筒状ハウジングによる予備実験では、カルシウムを添加しな
い場合はアルミニウムの回収率は０％であった。さらに、未反応のアルミニウム
粒子がハウジング１６の外部の鉛浴の表面に浮遊しているのが観察された。この
ことは、米国特許第３７４１７５４号明細書に示された設計では、未反応のアル
ミニウム粒子が、インペラによって形成されるうずにより円筒状ハウジングの開
かれた底部から押し出されることを示す。カルシウムの粒子は溶融鉛に容易に、
急速に溶解するため、カルシウム粒子のみを使用する’１８０号特許明細書に記
載された発明ではこれは問題にならない。一方、アルミニウムは、溶融鉛に溶融
するのがきわめて遅いため、アルミニウム原料はハウジングまたはベル内の撹拌
された反応ゾーンの内部にあるカルシウム粒子の近くに保たなければならない。
ハウジングまたはベル内の粒子の滞留時間は、溶解を促進させるために可能な限
り長くなければならない。
要約すれば、米国特許第３７４１７５４号明細書に示された方法を、固体カル
シウム金属と固体アルミニウム金属の両方を溶融鉛に添加できるように変更する
には、カルシウムの溶解時に放出される局部的な熱が、アルミニウム金属の溶解
に十分であることが確認された。しかし、この’７５４号特許に記載された方法
は、ベルまたは円筒状ハウジング内部のカルシウム粒子およびアルミニウム粒子
の滞留時間を最大にするには不適当な設計であった。ハウジングの開かれた底部
を通っての未反応金属粒子の射出が、アルミニウムの回収率が低く、ばらつきが
多く、そのため試験ごとの結果が予測できなくなる原因であると考えられる。
第２図は、第１図の従来技術による装置の欠点を解決した本発明による装置の
好ましい実施形態を示す。
第２図では、カルシウム粒子とアルミニウム粒子、またはカルシウムとアルミ
ニウムの合金の粒子を供給するための、２個の分離したホッパ１１１ａおよび１
１２ａに、２個の供給シュート１１１および１１２が取り付けられている。これ
らのシュートは、開かれた底部出口１１７を有する円筒状ハウジング１１６の、
シュート以外の部分は閉じられた上部１１３を貫通している。必要があれば、シ
ュートは保護不活性気体をハウジングの上部に導入するために使用することもで
きる。ハウジングとシュートは、必要に応じて、上面が１３２で示されている溶
融鉛の容器１２５の上を移動できるフレーム部品１２４に取り付けられている。
閉じられた上面１１３には、下端にインペラ１２８が取り付けられたモータ１
３０の駆動シャフト１２９が取り付けられている。
ハウジング１１６は、周囲に一連のスロット１１８を有し、鉛の表面１３２よ
り比較的浅い位置、すなわち底部出口１１７の深さより浅い位置にある入口手段
を構成している。下方に向かってすぼまっている円錐台形の転向装置、すなわち
キャノピー１１９が、ハウジング１１６の外面のスロット１１８のすぐ上に取り
付けられており、これによりスロットから入る溶融物が表面の浮きかすなどによ
り汚染されないようになる。
本発明と’７５４号特許明細書の方法との根本的な違いは、インペラ１２８の
性質と、ハウジング１１６の設計にある。インペラは、’７５４号特許に示され
た船舶型または軸流型のインペラとは異なり、少なくとも部分的に遠心型である
。具体的には、インペラのブレードは水平インペラ面に対して４０度ないし５０
度、好ましくは約４５度の角度にセットされている。軸流型のインペラの角度が
これより浅いのが普通である。したがって、本出願人のインペラは、軸流と同時
に実質的に放射状の流れを形成する。軸流は、鉛がハウジングを通過するように
させるのに対して、遠心流は鉛がカルシウムおよびアルミニウムと合金を生成す
るの
に十分な時間、ハウジング中でうずを形成させる。この種のインペラは、改良タ
ービン・インペラと称することがある。また、’７５４号特許に示された軸流型
インペラは、ハウジングの内径の３分の２より大きいが、本発明ではインペラの
直径は、ハウジングの円筒部の直径の２分の１より小さく、好ましくは底部出口
の直径よりわずかに小さい。さらに、’７５４号特許では、ハウジングは全体が
円筒状であるが、出願人のハウジング１１６は、上部が円筒状で、下部１１６ａ
は円錐台形にすぼまっている。このくびれにより、底部出口からの液体金属の流
れが阻止され、これによりハウジング内部の放射状の流れがさらに促進され、円
筒状ハウジング１６による予備実験で示された底部開口から放出される未溶解の
アルミニウム粒子のために、アルミニウムの回収率が低く、予知できなくなる原
因となる軸流を減少させる。
操作に際しては、十分な速度、たとえば毎分約４００ないし６００回転で回転
し、ハウジングの下部１１６ａが円錐台形にすぼまっているタービン型のインペ
ラ１２８の複合効果により、入口１１８から入る鉛が矢印で示す軸方向および放
射状の流れを生じ、インペラによりうずを生じ、最終的に底部開口から排出され
る。カルシウムとアルミニウムは同時に、または連続してシュート１１１および
１１２からハウジング内部に供給される。タービン型インペラは、円錐台形のく
びれとの複合効果により、十分な放射状の流れを持つうずが形成され、供給した
金属の粒子がハウジング内部の側壁とインペラの間、およびインペラの上でうず
を生じ、これにより確実にカルシウムとアルミニウムが接近し、ハウジング内の
滞留時間が最大となる。この動きの間に、カルシウムと鉛との間の発熱反応によ
りハウジング内の粒子に隣接する鉛が加熱され、アルミニウムが溶解する。
操作の間、必要があれば保護気体をシュート１１１および１１２、または別の
入口ポートを介してハウジング内に導入する。保護気体の使用は不可欠ではない
が、アルゴンなどの不活性気体を使用すると、カルシウムの回収率が１５％ない
し２０％改善されることが試験により示されている。
下記の試験により、上記の方法および装置は、特にアルミニウムの回収率につ
いて、’７５４号特許で示された装置よりはるかに良好であることが判明した。例１：
第２図に示されたものと類似の円錐形のハウジングを。１２５０ｋｇの溶融鉛
浴の中に挿入した。溶融鉛の温度は最初５６０℃に保った。カルシウム金属の粒
子１．４５ｋｇと、アルミニウム金属の粒子０．２１ｋｇを同時に、円錐状反応
ハウジング内部で、毎分６００回転で運転するインペラにより発生する鉛のうず
に添加した。原料は、溶融物へ７ないし８分間隔で導入した。ハウジング内部の
撹拌は、原料の供給開始から２０分間継続した。分光光度計による化学分析のた
め、原料の供給開始から０、５、１０、２０分後にハウジング外部の金属プール
からサンプルを採取した。下記の結果は、好ましい実施形態によるハウジングと
インペラの組み合わせにより、カルシウムの回収率は１０分で９２．７％、２０
分後に９６．１％に達したことを示す。アルミニウムの回収率は極めて高く、１
０分で８１．６％、２０分後に８２．７％に達した。
１０分と２０分とのカルシウムとアルミニウムのレベルの変化は顕著ではない
と考えられ、したがってハウジング内での溶解は１０分で、すなわち原料の供給
終了後２ないし３分以内で完了した。例２：
上述の本発明による装置を使用して、カルシウムとアルミニウムの粒子の溶解
と回収率とを確認するため、例１と全く同一の実験を繰り返した。この場合も、
溶解は１０分の時点すなわち原料の供給終了後２ないし３分以内で完了した。最
終のカルシウム含有量は１０５０ｐｐｍ（回収率９２．３％）、アルミニウム含
有量は１６５ｐｐｍ（回収率９８．２％）であった。
これらの結果により、本発明によるこの好ましい実施形態の円錐台形ハウジン
グとインペラ装置により、従来の技術による装置でのアルミニウムの回収率は大
幅に増大することが確認された。本発明によるこの好ましい実施形態では、アル
ミニウムの回収率は８３ないし９８％に増大し、これは’７５４号特許における
円筒状のハウジングの設計により達成されるアルミニウムの回収率である６０％
、または本開示に引用した他の従来の技術に報告されたアルミニウムの回収率の
いずれよりもかなり高い値である。これは、ハウジングの周囲でのアルミニウム
とカルシウムの粒子が確実に接近し、ハウジング内部での粒子の滞留時間が増大
する新しいハウジングの内部に発生する接線方向の液体の流れによるものである
。
カルシウムの鉛への溶解時の局部的な熱の放出が効果的に回収され、６６０℃よ
り低温の鉛溶融物へのアルミニウムの溶解を促進するのに使用される、これらの
要因のいずれもが必要である。新しい装置を使用した場合、従来の特許の円筒状
ハウジングに見られるような、ハウジング外部の金属プールには未反応のアルミ
ニウム粒子は観察されなかった。
本発明の第２の実施形態を第３図に示すが、第２図に示す部品と同一のものに
は同一の参照番号を使用している。第３図の装置は、ハウジングの円筒部がすぼ
まった部分２１６ａと接する高さ付近にタービン型インペラ２２８が設けられて
いる。好ましい実施形態と同様に、インペラの設計とハウジングの円錐台形の下
部が、第３図の矢印で示すように、軸方向および放射状の流れのパターンを促進
する。しかし、この場合には、インペラの位置を高くすることにより、底部開口
を通り、上部開口から流れ出る液体の鉛の流れと、金属に流れの方向が反対にな
る。前と同様に、十分な速度、たとえば毎分４００ないし６００回転で回転する
インペラ２２８が、ハウジングの円錐状の設計との組み合わせにより流れのパタ
ーンを形成し、これにより原料金属の粒子がハウジング内部の側壁とインペラの
間でうずを形成する。しかし、この実施形態では、カルシウムとアルミニウムの
粒子に作用する浮力がこれらを上部開口を通ってハウジングから流出させるよう
に作用することがある。円錐台形のキャノピー１１９の設計により、上部開口を
通る未溶解の粒子が、酸化されて回収不能となる溶融物の表面に浮上する前に捕
捉される。しかしながら、この実施形態は、好ましい実施形態ほどカルシウム粒
子とアルミニウム粒子とが接近せず、ハウジング内の滞留時間も長くない。
下記のこの実施形態を用いた試験では、原料の回収率は優秀である。アルミニ
ウムの回収率は、’７５４号特許に記載された円筒状のハウジング、または他の
従来の技術で報告されたいずれの予備実験のものよりはるかに良好であるが、本
発明の好ましい実施形態による例２に報告された値よりは幾分低い。
例３：
第３図に示すものと類似の円錐計のハウジングを、１２５０ｋｇの溶融鉛浴に
挿入した。溶融鉛は最初５６０℃に保った。カルシウム金属の粒子１．４８ｋｇ
と、アルミニウム金属の粒子０．２１ｋｇを同時に、円錐状反応ハウジング内部
で、毎分６００回転で運転するインペラにより発生する鉛のうずに添加した。原
料は、溶融物の７分ないし８分間隔で導入した。ハウジング内部の撹拌は、原料
の供給開始から２０分間継続した。分光光度計による化学分析のため、原料の供
給開始から０、５、１０、２０分後にハウジング外部の金属プールからサンプル
を採取した。下記の結果は、好ましい実施形態によるハウジングとインペラの組
み合わせにより、カルシウムの回収率は１０分で９２．７％、２０分後に９６．
１％に達したことを示す。アルミニウムの回収率は１０分で８３．２％に達し、
２０分後も変わらなかった。
１０分と２０分の間に４０ｐｐｍ増加したことは重要ではないと考えられる。
したがって、ハウジングによる溶解は１０分、すなわち原料の供給後２ないし３
分間で完了した。
例４：
本発明の装置によるカルシウム粒子とアルミニウム粒子の溶解と、回収率の再
現性を確認するために、例３と全く同一の実験を繰り返した。この場合も、溶解
は１０分の時点すなわち原料の供給終了後２ないし３分以内で完了した。１０分
後のカルシウム含有量は１０６８ｐｐｍ（回収率９０％）、アルミニウム含有量
は１４０ｐｐｍ（回収率８３．２％）であった。
本発明を利用した、例１、例２、例３、および例４に報告した結果は、十分な
速度で回転するタービン型インペラと、基部が円錐台形に縮小したハウジングと
の組み合わせにより、アルミニウムの回収率が、’７５４号特許の装置により得
られる結果と比較してかなり改善される。ハウジング内部のインペラの位置と、
インペラの設計が、金属の流れの方向、すなわち上部から入り底部から出るか、
その逆かを決定する。どちらの設計変更でも、アルミニウムの回収率は、従来の
技術よりかなり良くなる。
回収率の改善は、アルミニウム粒子とカルシウム粒子とを確実に接近させ、ハ
ウジング内部の粒子の滞留時間を増大する新しい設計のハウジング内部に生じる
放射状の流れによるものである。鉛へのカルシウムの溶解により放出される局部
的な熱を効果的に回収し、溶融鉛の温度が６６０℃未満の場合にアルミニウム金
属の溶解を促進させるのに使用する場合、これらの要素はいずれも必要である本
発明によるアルミニウムの回収率は、’７５４号特許の円筒状ハウジングを使用
した実験で得られる回収率と比較して、３８％ないし６３％高い。
さらに、本発明によれば、従来の特許の円筒状ハウジングの場合に見られるよ
うな、金属プール中に未反応のアルミニウム粒子は観察されなかった。
第３図の装置により得られる結果は、タービン型のインペラ、すなわちある程
度の軸流を形成するように設計されたインペラは、インペラによって下向きの流
れの方向に対抗する全体の流れが生じるため、不可欠なものではない。したがっ
て、ハウジング中に適切な位置に設けられた、直線型ブレードを有する遠心型イ
ンペラでも、満足な結果が得られる。
【手続補正書】特許法第１８４条の８
【提出日】１９９６年９月５日
【補正内容】
補正請求の範囲
１．可動支持部材を備え、上部開口手段を有する側壁と底部開口とを有する、材
料を鉛に混合するための全体的に垂直な筒状ハウジングを使用して、カルシウム
およびアルミニウムの材料を溶融鉛に添加して鉛カルシウム合金を製造する方法
において、
１バッチの溶融鉛を含有する容器の上に可動支持部材を移動させ、上部開口手
段が鉛の表面より下になるように十分深く溶融鉛の中まで上記筒状ハウジングの
上記側壁を延ばし、
カルシウムおよびアルミニウム金属、またはこれらの合金の粒子を上記筒状ハ
ウジングの内部に供給し、
上記筒状ハウジング中で、上部開口手段と底部開口との間に位置する、少なく
とも部分的に遠心流型であり、直径がハウジングの最大直径の２分の１より小さ
い回転インペラを使用して、溶融鉛が容器からハウジング中に取り入れられ、か
つ容器に戻されるようにする方法であって、
上記ハウジングの形状とインペラの形状および位置が、粒子を含有する溶融鉛
をハウジングの側壁に対してうずを生じさせ、鉛がハウジングから排出される前
にハウジング内を循環させることを特徴とする方法。
２．インペラ、およびハウジング中のインペラの位置が、鉛が上部開口手段を通
って引き入れられ、材料と混合されてから、底部開口を通って排出される箇所で
あり、その際、底部開口を通る流れが、筒状部材の下部を縮小させることにより
妨害されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
３．鉛の温度が６６０℃未満であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
４．上記粒子のうずの主要部分が、上記筒状部材の下方に縮小したゾーンにある
上記インペラの上方で生じ、インペラが上記縮小ゾーンの中央より下に位置する
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
５．全体的に垂直な筒状ハウジングと、１バッチの溶融鉛を含有する容器の上を
移動し、筒状ハウジングの上部を鉛の表面より上に、下部を鉛の中に維持するよ
うに筒状ハウジングを保持する支持手段と、
カルシウムおよびアルミニウム金属、またはこれらの合金の粒子を、ハウジン
グの上部に供給する供給手段と、
ハウジング中の、上記上部開口と下部開口の間の位置に延びる回転シャフトに
取り付けられた、少なくとも部分的に遠心流型で、直径がハウジングの最大直径
の２分の１より小さいインペラと、
を有し、
上記下部は、上記表面より下の所定の深さに保たれる上部開口を有する側壁を
有するとともに下端に上記所定の深さより深い位置に底部開口を有し、
さらに、ハウジングの形状、インペラの構造および位置が、溶融鉛を連続的に
容器からハウジングに取り入れ、容器に戻されるようにし、粒子を含有する鉛が
ハウジングの側壁に対してうずを生じさせ、鉛がハウジングから排出される前に
ハウジング内を再循環するようにしたことを特徴とする、
カルシウムとアルミニウムを溶融鉛の浴に導入するための装置。
６．筒状部材が下端部で縮小することを特徴とする請求項５に記載の装置。
７．上記上部開口が、上記上部開口の上から下方および外方に延びるキャノピー
で覆われていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
８．全体的に垂直な筒状ハウジングと、１バッチの溶融鉛を含有する容器の上を
移動し、筒状ハウジングの上部を鉛の表面より上に、下部を鉛の中に維持するよ
うに筒状ハウジングを保持する支持手段と、
カルシウムおよびアルミニウム金属、またはこれらの合金の粒子を、ハウジン
グの上部に供給する供給手段と、
ハウジング中に、上記上部開口と下部開口の間の位置に延びる回転シャフトに
取り付けられ、少なくとも部分的に遠心流型で、直径がハウジングの最大直径の
２分の１より小さく、溶融鉛を上記上部開口を介してハウジングに取り入れ、底
部開口を介して容器に戻すインペラと
を具備し、、
上記下部が、上記表面より下の所定の深さに上部開口を有する側壁を有すると
ともに下端に上記所定の深さより深い位置に底部開口を有し、
筒状ハウジングの下部が上記底部開口に向かって縮小し、インペラがハウジン
グの下部の下方に向かって縮小する部分または縮小した中に位置することを特徴
とする、
カルシウムとアルミニウムを溶融鉛の浴に導入するための装置。
９．上記上部開口が、上記上部開口の上から下方および外方に延びるキャノピー
で覆われていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
１０．上記インペラが、インペラ面に対して４０度ないし５０度の角度に設定さ
れたブレードを有することを特徴とする請求項８に記載の装置。
１１．上記インペラの直径が、ハウジングの底部開口の内径より小さいことを特
徴とする請求項８に記載の装置。
１２．インペラが、下方に縮小する部分の中央より底部開口に近い位置にあるこ
とを特徴とする請求項８に記載の装置。
１３．底部開口がハウジングの上部の直径の２分の１ないし３分の１であること
を特徴とする請求項８に記載の装置。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ティンパノ，フェルナンド アンソニー
カナダ国・ケイ８エイ １ティ８・オンタ
リオ州・ペンブロク・グレンウッド ドラ
イブ・622
(72)発明者 ズリアーニ，ダグラス ジョン
カナダ国・ケイ２シー １イー５・オンタ
リオ州・スティッツビル・ヘッセ クレッ
セント・52