JPS63120897A - セラミツク製溶融金属ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、溶融アルミなどの溶融金属を取扱う業界、
例えば、製練ないし精練業界、メッキ業界、ダイキャス
ト業界等において、溶融金属の移送ないし炉内循環時等
に使用する溶融金属ポンプの改良に関するものである。

［従来の技術］ 元来、溶融金属の移送は手じ１５りで行われていたので
あるが、作業能率の向上、経済性及び安全性確保の見地
から自動、連続、大口移送を可能とフる専用ポンプが嘱
望されていた。

そのため、溶融金属の移送用ポンプとして、低炭素鋼あ
るいはカーボン製のポンプが開発され使用されているが
、溶融鉛等を対象とする場合はともかく、溶融亜鉛、溶
融アルミなどを対象とする場合には、溶湯による腐蝕、
摩耗が著しく、耐用時間がきわめて短いという欠点を有
していた。比較的耐蝕性を有するカーボン製においても
、特にインペラーやシャフトのような回転部品は、精々
４８０〜７２０時間程度の耐用時間しかなく、低炭素鋼
においては、８〜１０時間程度が使用限界であった。す
なわら、殆んど消耗品的な使用状態となり、ポンプ使用
による効率アップを期待できるものの、経済性の面、保
守作業の面において大きな問題を有しており、ポンプ使
用の有効性を認識しながらも、耐用年数の長い専用ポン
プのない点から、未だに手しやくで移送している現場も
多いのが現状であった。

そこで本件出願人は、このような現状に対処するため、
先にセラミック桐材、特に反応焼結法による窒化珪素セ
ラミックを素材とした吊下げ式、溶湯的浸漬式溶融金属
ポンプを開発提供した。これは、常圧成形法による窒化
珪素に比較して、耐蝕性、耐熱衝撃性、濡れにくさ等の
点において反応焼結法の窒化珪素が勝れているとの認識
に立つものであった。構造的には、上部架台に上端部を
取付けたコラム及び吐出し管と、このコラム及び吐出し
管の下端部で支持されるケーシングと、このケーシング
内に設置され、上部ないし下部に吸込口を有し、周面に
多数の吐出口を有する略円筒形のインペラーと、このイ
ンペラーを支承し、架台上において、上端部に駆動モー
ターが連結されるシャフトとから構成されるもので、少
なくともインペラーとシャフトを反応焼結法による窒化
珪素セラミックを素材として成形したものである。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記構成に係る溶融金属ポンプを用い、溶湯温度５０５
°〜５４０゛の溶融亜鉛炉に浸漬して実機テストを行っ
たところ、亜鉛の付着も殆んど見られず、熱衝撃による
割れもなく、腐蝕、摩耗等の現象も見られず、耐用時間
も大幅に延長され、極めて好ましい結果が得られた。

しかるに、その後の研究において、新たな問題が発生し
た。

すなわち、上記ポンプを溶融アルミニューム合金鋳物に
用いたところ、セラミック材の外面、特に気液界面付近
において溶融金属の付着成長が見られ、またインペラー
吐出口周壁に対する金属付着あるいは吐出口に対する異
物の閉塞、これに起因する揚液不能、渦室の水きりと吐
出口に付着した異物との当りによるシャフトのこぜに起
因するシャフトの折損等思わぬ事故が発生した。

これらの原因について鋭意研究したところ、反応焼結法
による窒化珪素を用いた月相表面において、窒化珪素が
溶融アルミニュームと反応して、非常に硬度の高い窒化
アルミニュームを形成する点に問題があることが判明し
た。

例えば、シャフトに付着成長した金属物は、セラミック
母材と強固に結合しており、これを剥がそうとするとセ
ラミック自体に身食い現象が起り、表面が欠落した。こ
の剥離片を光学顕微鏡、ＥＰＭＡ分析及びＸ線回析によ
って観察分析したところ、極めて硬度の高い生成化合物
、窒化アルミニュームを検出した。この窒化アルミニュ
ームは叶出口閉塞物からも検出された。

したがって、溶融アルミニューム合金鋳物等を対象どす
る場合は、反応焼結法による窒化珪素セラミックは不適
当であり、さらに改善する必要性に迫られたのである。

そこで、この発明の目的とするところは、溶融亜鉛はも
とより、溶融アルミニュームあるいは溶融アルミニュー
ム合金鋳物等を対象とする場合においても、熱衝撃によ
るクラックの発生がなく、溶融金属の付着、成長、身食
い現象もなく、長期間に渡って良好な稼動状態が得られ
る溶融金属ポンプを提供するところにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的達成のため、ポンプ材料及びポンプ構造につい
て再検討を加えた。耐蝕性を要求されるポンプ材料とし
ては、セラミック材料が好ましいため、原点に立ち戻り
、一方の窒化珪素セラミック材料である常圧焼結法によ
る窒化珪素セラミックの適用可能性を探った。

すなわち、試しに常圧焼結法による窒化珪素セラミック
によって吐出し管形状のテストピースを作り、７５０°
に昇温した溶融アルミニューム合金鋳物に下方部を浸漬
して、耐熱衝撃テストを行った。テストピース上方部の
温度が、熱伝導及び輻射熱で加熱され、１５０°になっ
た時点において（湿度差５０５°）、管内を通して溶融
金属を通過させ、目視観察したところ、テストピースに
クラックの発生、その他の異状は認められなかつた。

常圧焼結法による窒化珪素は、反応焼結法による窒化珪
素に比較して、気孔率が低く緻密質であり、また、硬度
も高く、よって耐摩耗性に勝れている。さらに曲げ強さ
もすぐれ、機械的強度も良い。熱伝導率を見ると、やは
り常圧焼結法による窒化珪素が勝れており、耐熱衝撃性
も高いと予測される。また、溶融アルミニュームあるい
は溶融アルミニューム合金鋳物に対する濡れ難さないし
は非反応性が問題となるが、この点においても満足の行
くテスト結果が得られ、溶融金属ポンプ材料としての好
適性を確認したのである。

そこでこの発明においては、溶融金属ポンプ材料として
窒化珪素セラミック、特に常圧焼結法による窒化珪素セ
ラミックを選定したことを特徴とし、また、ポンプ構造
、特にインペラーの構造においても改良を加え、溶融金
属の閉塞が起り難い構造を採用している。

すなわち、この発明のセラミック製溶融金属ポンプは、
架台に上端部を取付けたコラム及び吐出し管の下端部に
おいてケーシングを支持し、上端部において駆動モータ
の出力軸に連結したシャフト下端部にインペラーを取り
付け、このインペラー底面のブレード部分を吸込孔を有
するケーシングの渦室に位置させてなり、少なくともイ
ンペラーとシャフト、さらに好ましくはコラムと吐出し
管を含めて、常圧焼結法による窒化珪素セラミックを素
材とし、かつセラミック製としたシャフト及びコラムを
中空状に成形してなるものである。

インペラーの構造としては、上述のように、底面にブレ
ードを有するセミオーブン形とし、溶融金属の閉塞を極
力避けている。耐熱衝撃性の向上を考慮すると、コラム
及びシャフトを中空状としたのと同様に、肉厚の厚い中
実部の存在を回避した方が好ましい。従って、インペラ
ーの構造は、好ましくは、底面にブレードを有づ゛るレ
ジオーブン形タイプで、中央ボス部においてシャフトに
締着される構造とし、ケーシングに形成されたインペラ
ー設置孔の内周面に対向する外周面とボス部の間に肉厚
低減用の凹部を有する構造とするのが望ましい。

［作用］ 上述のように、この発明においては、溶融金属ポンプに
おいて、極めて苛酷な条件にさらされるインペラーとシ
ャフト、さらに好ましくは、コラムと吐出し管、なお好
ましくは、ケーシングを含む接液部全体を窒化珪素セラ
ミック、特に常圧焼結法による窒化珪素セラミックで成
形したので、熱衝撃による割れ等の異常もなく、溶融金
属に対する耐蝕性にも勝れ、さらには、耐摩耗性、耐濡
れ性にも勝れており、特に反応焼結法による窒化珪素セ
ラミックの場合に比し、対溶融アルミニューム、溶融ア
ルミニューム合金に対する反応性がなく、溶融亜鉛のみ
でなく、溶融アルミニューム、溶融アルミニューム合金
等に対しても適用可能な溶融金属ポンプとなし得た。

またインペラーの構造として、底面にブレードを有する
セミオーブン形を採用したので、インペラーに対する溶
融金属の閉塞も回避でき、長期に渡って好ましい稼働状
態が得られる。

［実施例］ 第１図は、この発明に係る溶融金属ポンプの一実施例を
示す縦断面図で、符＠１はケーシング、２はシャフト、
３はインペラー、４はコラム、５は吐出し管を示してい
る。

ケーシング１は、上端部をセットフランジ６及び７によ
ってそれぞれ架台８に取付けられたコラム４及び吐出し
管５の下端部を差込み、耐熱モルタルで固めて支持され
ている。インペラー３は、中央ボス部３ａに螺合したシ
ャフト２によって支持され、インペラー設置孔１ａを通
して、底面のブレード３ｂがケーシング１の渦室１ｂに
位置するようにケーシング１内に設置されている。シャ
フト２の上端部は、図示の通り、＠ｌＩ継手９ａ、９ｂ
及びユニバーサルジヨイント１０を介して駆動モーター
１１の出力軸１１ａに連結されている。

１２は、架台８上に取付けたモーター台である。

１３は、吐出し管５の上端に連結した吐出しベント管で
、そのフランジ部、架台８及びセットフランジ７を通し
たボルトの両端部にナツトを螺合し、セットフランジ７
共々架台８に固定されている。

セットフランジ６及び７は、ともに二つ割構造で、合せ
フランジ６ａ、７ａに締着したボルト、ナツトでコラム
４及び吐出し管５の上端部を抱きかかえるように保持し
ている。１４は、吐出し管５と吐出しベント管１３の間
に装着したガスケツ１〜でセラミックペーパーを使用し
ている。

この例では、上記シャフト２、インペラー３、コラム４
及び吐出し管５に、常圧焼結法による窒化珪素セラミッ
クを用い、ケーシング１はカーボン製、吐出しベント管
１３はセラミックファイバー製としている。耐熱衝撃性
を高めるため、コラム４及びシャフト２も中空状とし、
吐出し管５の気液界面より上方の内面には、セラミック
ファイバー製の断熱チューブ１５を装着している。

また底面にブレード３ｂを設けたセミオーブン形のイン
ペラー３は、ケーシング１に形成されたインペラー設置
孔１ａの内周面に対向する外周面とボス部３ａとの闇に
肉厚低減用の凹部３Ｃが形成ぎれている。１６は、この
凹部３Ｃを埋める耐熱モルタルである。また、ケーシン
グ１におけるインペラー設置孔１ａの内周面及びブレー
ド３ｂの下端面が対向する渦室１ｂ内の対向面には、摩
耗防止のため、それぞれ常圧焼結法による窒化珪素セラ
ミック製のライニング部材１７．１８が設置されている
。１９は吸込孔、２０はケーシング１の下端に取付けた
バッフルプレートである。

第５図は、インペラー３の他側を示すもので、上面外周
部に、ケーシング１の上面に沿って突出する水平状突縁
３ｄを有しており、ケーシングとインペラー間の隙間通
路をできるだけ長くして、圧力損失を与え、ケーシング
内部からの漏れを極力おさえるとともに、ポンプ稼働時
において、溶湯液面が低下した場合の垂直方向の吹出し
防止を図っている。

上記第１図に基づく溶融金属ポンプを用い、溶湯温度７
２０〜７５０℃の溶融アルミニューム合金鋳物を対象と
して溶湯の汲み出しを実施した。

ポンプ稼動に先立ち、次の通り予熱した。

昇降装置によってポンプを吊下げ、溶湯液面上約５〜１
０＃の位置で保持させ、約３０分間第１次子熱を行った
。次いで、３０〜４０ｕｖｎ／　４Ｈｉｎ。

の降下速度で徐々に溶湯内に浸漬し、３０分間停止状態
として予熱した。この時点で、吐出し管の上方部は約１
５０℃まで昇温された。ここでポンプを稼動し、揚液を
行ったところ、順調に溶融アルミニューム合金鋳物の汲
み出しが行われた。

所定ｍの汲み出しが完了すれば、次回汲み出しまで溶湯
内に浸漬状態のまま停止し、週末時等の休業時には、−
旦溶瀉内より引き上げ、作業開始時に改めて予熱する手
順で、稼動・停止を繰返した。その結果、数ケ月経過後
においても順調な稼動状態が継続され、溶融アルミニュ
ーム合金鋳物の付着は殆んどなく、僅かに付着した溶融
アルミニューム合金鋳物もこすれば簡単に削り落され、
身食い現象は見られなかった。勿論、熱衝撃によるクラ
ックの発生、接液部の腐蝕もなく、また、ケーシング内
部における詰り現象も見られなかった。

［発明の効果］ 以上の通り、この発明に係るセラミック製溶融金属ポン
プは、溶融亜鉛はもとより、溶融アルミニューム、溶融
アルミニューム合金を対象とする場合でも、耐蝕性、耐
摩耗性、耐熱雨撃性、耐Ｃれ性、耐反応性に勝れ、構造
上においても閉塞事故の発生を有効に回避し得るもので
、溶融金属を対象とする移送ないし炉内循環用のポンプ
として最適のものを提供し得たのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係るセラミック製溶融金属ポンプ
の一実施例を示す縦断面図、 第２図は、同ポンプにおけるインペラーのみの拡大縦断
面図、 第３図は、同底面図、 第４図は、ケーシングの縦断面図、 第５図は、インペラーの他制を示す要部縦断面図である
。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）架台に上端部を取付けたコラム及び吐出し管の下
   端部においてケーシングを支持し、上端部において駆動
   モータの出力軸に連結したシャフト下端部にインペラー
   を取り付け、このインペラー底面のブレード部分を吸込
   孔を有するケーシングの渦室に位置させてなり、少なく
   ともインペラーとシャフト、さらに好ましくはコラムと
   吐出し管を含めて、常圧焼結法による窒化珪素セラミッ
   クを素材とし、かつセラミック製としたシャフト及びコ
   ラムを中空状に成形してなるセラミック製溶融金属ポン
   プ。
2. （２）底面にブレードを有するインペラーが、中央ボス
   部においてシャフトに締着され、ケーシングに形成され
   たインペラー設置孔の内周面に対向する外周面とボス部
   の間に肉厚低減用の凹部を有する特許請求の範囲第１項
   記載のセラミック製溶融金属ポンプ。
3. （３）ケーシングの渦室におけるブレード下端面の対向
   面及びインペラー外周面が対向する設置孔の内周面に、
   常圧焼結法による窒化珪素セラミック製のライニング部
   材を設置してなる特許請求の範囲第１項または第２項記
   載のセラミック製溶融金属ポンプ。
4. （４）インペラー上面外周部に、ケーシング上面に沿っ
   て突出する水平状突縁を有する特許請求の範囲第３項記
   載のセラミック製溶融金属ポンプ。