JP5099683B2 - 溶湯供給装置及び供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶湯供給装置及び供給方法に関するものであり、更に詳しくは、アルミニウムやマグネシウム、亜鉛等の金属又はこれらの合金の溶融金属を保持、溶解及び搬送するための溶融金属の溶解、搬送、供給装置及びその供給方法に関するものである。本発明は、固体原料の投入部、該原料と溶湯を搬送するための搬送管、該搬送管の周囲を覆う筐体及び断熱材、及び原料の供給量を調整するための供給量調整バルブ、を具備しており、前記搬送管には加熱手段が設けられていることで特徴付けられる金属の溶湯供給装置及び該装置による溶湯供給方法を提供するものである。

鋳造は、形状付与が容易で、自動車用をはじめとする多くの機械部品の基盤となっている。特にアルミニウムやマグネシウムといった軽量金属は、省燃費化への要求の高まりから、今後、その需要が大幅に増加することが予想されている。

一方、鋳造は、製品に到るまでの溶解、搬送、供給工程で、エネルギーロスが多い。溶湯搬送方法をはじめ、現在、いくつかの方法が行なわれているが、いずれも、炉内で溶解された溶湯は、最終的にダイカストマシンや低圧鋳造装置に送り込まれることが基本プロセスである。

その間、溶湯は、槽・容器に入れられ、移送・搬送されることとなり、大気中に放出される熱量が多いことが、鋳造のエネルギー消費が多い要因である。また、高温となった溶湯を、槽・容器で搬送することは危険が伴い、また、大気に晒されるために、溶湯が酸化し、異物となって製品に混入し、品質低下を招くことになる。

こうした問題を解決するには、溶解前の原料（固体状態）で、できるだけ成形鋳造装置の近くまで移動させ、溶解と成形が直結していることが理想である。溶解は、熱の外部への放射をできるだけ抑え、溶湯の酸化防止のためには、溶解過程での雰囲気は、酸素量が少ないことが望ましく、溶湯に接触する部材は、金属との反応が少ないセラミックスが望ましい。

溶湯供給手段に関する従来の技術として、以下のような先行技術が開発されている。
例えば、（１）溶融金属の運搬容器において、本体の上壁、側壁、底壁の全てが内壁及び外壁を有する構造として、その内壁と外壁との間に、断熱部となる減圧可能な空間を形成することにより、溶融金属の運搬容器の断熱効果を向上させることができ、容器内部の溶融金属の温度低下を抑制して省エネルギー化に寄与することができる容融金属運搬容器、が提案されている（特許文献１）。

また、（２）溶湯を収容する取鍋本体と、取鍋本体の上端開口部を覆う上蓋と、上蓋の一部に形成された開口部を開閉可能に覆う作業用蓋と、取鍋本体の下端部から取鍋本体より上方まで延びる出湯部とを備える加圧出湯型の溶湯運搬用取鍋であって、作業用蓋が、上蓋の開口部を上方から覆う上凸形の蓋本体と、蓋本体の天面に設けられたガス導入部と、蓋本体の内部に設けられた耐熱層とを備え、耐熱層が通気性耐火材層で構成され、取鍋本体内を加圧するガスが、ガス導入部から通気性耐火材層を介して、取鍋本体内に導入されるように構成されている溶湯運搬用取鍋、が提案されている（特許文献２）。

また、（３）取り扱いの容易な加熱保温機能を備えて取鍋内の溶湯が冷えるのを防ぐとともに、製作や保守が容易な取鍋の構造を実現するために、内張り耐火物で囲まれて上部が開口した加熱室を形成している運搬用外囲器と、この運搬用外囲器の加熱室に収容された坩堝と、運搬用外囲器の側壁部分に内側に向けて配設されて加熱室内の坩堝を外周から加熱する加熱器（表面燃焼型ガスバーナー）とを備えた取鍋、が提案されている（特許文献３）。

また、（４）非酸化物含有成形焼結体を珪酸カルシウム質耐火物で鋳ぐるんだ一体容器型バスからなることを特徴とする溶湯容器、及び鉄皮ケース内に超断熱材料からなる第一次断熱層、セラミックボードからなる第二次断熱層及び非酸化物含有成形焼結体を珪酸カルシウム質耐火物で鋳ぐるんだ一体容器型バスからなる溶湯容器を備えたアルミニウム溶湯保持炉、が提案されている（特許文献４）。

また、（５）溶湯からの熱放散量が少なく、しかもバックアップライニングをパーマネントライニングとして期待できる断熱取鍋であって、金属筒状ケーシングとその内側に施工されたライニングから構成され、ライニングは、金属溶湯と直接接する最内層を構成する黒鉛坩堝と、該黒鉛坩堝のバックアップライニングとを備え、黒鉛坩堝とバックアップライニングとの界面に、断熱材層が介装されている断熱取鍋、が提案されている（特許文献５）。

また、（６）その他、カタログ等により、セラミックスヒータを溶解保持炉に適用し、水平浸漬型加熱方式が可能となり、従来の上方浸漬に比べ、省エネ化が実現できた事例や、窒化ケイ素製品をアルミ鋳造に適用した事例、が公知となっている。

また、（７）エンドレスコンベアを縦方向に循環させ、上部の材料供給部で坩堝内に鋳造材料を供給し、中間部の加熱手段で溶解し、下方の給湯部で給湯することにより、省スペ−ス化と設備費用の削減を図る鋳造材料の溶解供給装置、が提案されている（特許文献６）。

更に、（８）アルミニユウム合金プリフオ−ム体の製造方法及び製造システムとして、合金粉末が充填される貫通穴を有し、貫通穴の下部に下パンチ部材が移動可能に挿入された成形型と、成形型と一体的に組み合わされて搬送されかつ予熱できる成型型加熱装置と、合金粉末を貯え、成形型の穴内に合金粉末を充填する充填機構と、充填された合金粉末の上に上パンチ部材を挿入するパンチ部材挿入機構と、上、下パンチ部材に接触して、押圧する通電電極を備え、合金粉末を加圧すると共に直流パルス電流を流して加圧焼結するパルス通電加圧焼結機と、成形型を充填機構、パンチ部材挿入機構、パルス通電焼結機間で移動させる搬送機構と、プリフオ−ム体及び上パンチ部材を成形型から抜き取る抜き取り機構と、を備えているアルミニユウム合金プリフォーム体の製造システム、が提案されている（特許文献７）。

上記従来技術のうち、上記（１）−（５）は、大型炉で金属を溶解し、溶湯のまま、長い距離を搬送、保持炉に入れた後、鋳造機に送り込むことを前提とした搬送容器に関するものである。しかし、これらは、炉から容器への移し変えに伴う熱ロスが大きく、また、搬送容器の断熱性は十分なものはなく、搬送過程での熱の放散は避けられない。また、運行時に高温の溶湯を搬送することは多大な危険が伴い、更に、溶湯は大気中に晒される時間が長いため酸化を生じ、その除去にエネルギーを使用し、また、混入した場合、製品の品質低下を招く。

上記（６）は、最も一般的な鋳造に関する手法であり、集中炉で一端大量に溶解された溶湯は槽・容器に移し変えられ、保持炉に移し変えられた後、ラドルという柄杓状のツールを使って、成形装置に供給され、鋳造が行なわれる。しかし、この手法は、やはり、溶解した状態で鋳造装置に到るまでの時間が長く、放熱が大きく、また、酸化は避けられない。また、上記（７）では、放熱は避けられないし、上記（８）は、鋳造以外の方法であるが、プレスでは形状付与の自由度が制約され、また、成形品に欠陥が残り易い。

アルミ鋳造を例に取ると、例えば、数十〜数百トンに及ぶ大量のアルミを集中炉といわれる大型炉内で加熱して溶かし、それを内面を耐火物で内張りした容器に入れて、フォークリフトで搬送し、手元炉あるいは保持炉に移し、再加熱を行い、更に、セラミックや金属製のラドルといわれる柄杓状の道具を使って、溶湯を所定量すくい、それをダイカストマシンに投入し、成形するという工程を取っている。

しかし、これらは、工程が複雑であり、大気に触れるために酸化が生じ、それが異物となってアルミ中に混入し、強度低下を招くことや、溶融炉から所定位置まで溶湯を搬送している間に外部への放熱に伴うロスが大きい、といった問題がある。すなわち、溶解に必要なエネルギー投入が大きいこと、製造過程での放熱ロス大きいこと、不純物が混入しやすく、製品の品質低下を招くこと、溶湯が付着し、軽量精度が低下すること、という問題があった。このように、従来の方法は、いずれも、溶解から成形機まで到るまで、連続的でなく、移動や時間を要するプロセスとなっており、これが放熱ロスや酸化を生じる要因である。これらの問題の解決には、成形の直前に溶解を行い、移動と時間を必要としないことが解決手段として必要であると考えられる。

特開２００１−３４０９５７号公報 特許第３６１３６８６号公報 特開平１０−３２３７５０号公報 特開平９−１８２９５７号公報 特開平１１−３２００８０号公報 特開平８−１７４１８４号公報 特開２００１−３２９３０２号公報

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、金属の溶解から成形に至るまで連続的で、放熱ロスや酸化を生じることを抑制することが可能な金属の溶湯供給装置及び供給方法を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、原料投入〜鋳造機までの間に設けられた加熱機構を有するセラミックス搬送管を使用し、該搬送管の内部を固体金属原料が通過する過程で加熱、溶解、混合し、搬送管の一方の端部から排出して、鋳造装置に供給することで所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、加熱機構を有する特定のセラミックス搬送管を備えた新規な金属の溶湯供給装置及び供給方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）金属を溶解搬送し、成形鋳造機に供給する金属の溶湯供給装置であって、固体原料の投入部、該原料と溶湯を搬送するための搬送管、該搬送管の周囲を覆う筐体及び断熱材、及び原料の供給量を調整するための供給量調整バルブ、を具備しており、上記搬送管のうち、溶融金属と接触する部分が所定のセラミックス構造で構成されていて、該セラミックス構造が、複数個の円筒状ユニットでなり、それらが搬送管内部に存在する固体や溶融体が移動する方向に、複数個連結されることによって管状の経路を構成していて、前記搬送管には加熱手段が設けられていることを特徴とする金属の溶湯供給装置。
（２）上記セラミックスが、窒化ケイ素あるいは窒化ケイ素を主成分とする複合材料である、前記（１）記載の金属の溶湯供給装置。
（３）上記セラミックスが、導電性を有し、通電あるいは高周波によって発熱する、前記（１）又は（２）記載の金属の溶湯供給装置。
（４）上記セラミックスが、円筒状であり、中心から外周に向けて成分の異なる複数の層からなり、溶融金属に接触する最内層は溶融金属に対して難濡れ性、中央部は導電性、最外部は絶縁性の層であり、それぞれの層が一体焼結されて強固に結合されて搬送管を形成している、前記（１）から（３）のいずれかに記載の金属の溶湯供給装置。
（５）上記難濡れ性の層のセラミックスが、窒化ケイ素を主成分として２〜３０ｖｏｌ％の窒化ホウ素、グラファイト粒子の少なくともいずれか一方、上記導電性部は、モリブデンあるいはタングステンの珪化物、ホウ化物、窒化チタン、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、炭化ケイ素の少なくともいずれかが５〜９５ｖｏｌ％の範囲で含有されている、前記（４）記載の金属の溶湯供給装置。
（６）上記セラミックスの内面に、微細な突起パターンが形成されている、前記（２）から（５）のいずれかに記載の金属の溶湯供給装置。
（７）上記搬送管に、ヒータ又はガスバーナーの加熱源、及び熱伝対が取り付けられている、前記（１）記載の金属の溶湯供給装置。
（８）上記搬送管に、減圧機構あるいは不活性ガスを導入する機構が設けられ、搬送管の内部を減圧し、溶解過程で生じる気泡を除去する機能を有し、あるいは不活性ガスを管内に導入することで金属の酸化を抑制する機能を有する、前記（１）記載の金属の溶湯供給装置。
（９）上記搬送管の周囲に、断熱材が設けられ、更にその周囲が金属管、あるいは筐体で保護されている、前記（１）記載の金属の溶湯供給装置。
（１０）上記搬送管の出口に、フィルターが設けられており、不純物を除去することが可能な、前記（１）記載の金属の溶湯供給装置。
（１１）上記搬送管の原料を搬送する経路がらせん状で全体のサイズがコンパクトであり、少なくとも重力により上方にある投入部から下方にある出口部に向けて原料が流れていく、前記（１）記載の金属の溶湯供給装置。
（１２）前記（１）から（１１）のいずれかに記載の溶湯供給装置を使用して、金属の溶湯を供給する方法であって、上記搬送管の端部は、原料となる金属の投入口と接続しており、前記投入口から投入された固体金属原料が、原料投入〜鋳造機までの間に設けた加熱手段を有する搬送管の内部を通過する過程で加熱され、除々に溶融し、混合されると同時に、その状態で、搬送管の一方の端部から排出され、搬送に伴う温度低下を最小にして、成形鋳造装置に供給されることを特徴とする金属の溶湯供給方法。
（１３）上記投入口から投入される固体金属原料が溶融して所定の成分となるように、搬送管の投入口に到るまでに予め成分調整を行う、前記（１２）記載の金属の溶湯供給方法。
（１４）金属の凝固溶解に伴う応力、振動、あるいは熱応力のあらゆる内部、外部から生じる応力に対して、分割構造でなるセラミックス搬送管の各部の連結部が伸縮し、前記応力が緩和され、それにより、セラミックスの破損を防止する、前記（１２）又は（１３）記載の金属の溶湯供給方法。
（１５）上記溶融金属が、アルミあるいはマグネシウムを主成分とする合金である、前記（１２）から（１４）のいずれかに記載の金属の溶湯供給方法。
（１６）搬送管内に、バーナー火炎放射を直接送り込み、搬送管内を火炎の導路として外部への熱放射を抑え、かつ搬送管内の酸素量を低減することにより、金属の酸化を抑えつつ溶解、搬送する、前記（１２）から（１５）のいずれかに記載の金属の溶湯供給方法。
（１７）分割構造でなるセラミックス搬送管の各部の温度をセンシングして、電力あるいは燃料供給量を制御することにより、供給状態を検知するとともに溶湯の粘度を変化させ、搬送速度を調節する、前記（１２）から（１６）のいずれかに記載の金属の溶湯供給方法。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、金属を溶解搬送し、成形鋳造機に供給する金属の溶湯供給装置であって、固体原料の投入部、該原料と溶湯を搬送するための搬送管、該搬送管の周囲を覆う筐体及び断熱材、及び原料の供給量を調整するための供給量調整バルブ、を具備しており、前記搬送管には加熱手段が設けられていることを特徴とするものである。

本発明では、上記搬送管のうち、溶融金属と接触する部分は所定のセラミックス構造で構成されている。また、上記セラミックス構造は、複数個の円筒状ユニットでなり、それらが搬送管内部に存在する固体や溶融体が移動する方向に、複数個連結されることによって管状の経路を構成していること、が好ましい。

また、本発明では、上記セラミックスは、好適には、窒化ケイ素あるいは窒化ケイ素を主成分とする複合材料である。ここで、主成分とは全体の多成分を構成する成分を意味する。また、上記セラミックスは、導電性を有し、通電あるいは高周波によって発熱すること、また、上記セラミックスは、円筒状であり、中心から外周に向けて成分の異なる複数の層からなり、溶融金属に接触する最内層は溶融金属に対して難濡れ性、中央部は導電性、最外部は絶縁性の層であり、それぞれの層が一体焼結されて強固に結合されて搬送管を形成していること、が好ましい。

上記難濡れ性の層のセラミックスは、例えば、窒化ケイ素を主成分として２〜３０ｖｏｌ％の窒化ホウ素、グラファイト粒子の少なくともいずれか一方である。上記導電性部は、例えば、モリブデンあるいはタングステンの珪化物、ホウ化物、窒化チタン、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、炭化ケイ素の少なくともいずれかが５〜９５ｖｏｌ％の範囲で含有されている。上記セラミックスの内面に、微細な突起パターンが形成されていること、が好ましい。

本発明では、上記搬送管に、ヒータ又はガスバーナーの加熱源、及び熱伝対が取り付けられている。また、上記搬送管に、減圧機構あるいは不活性ガスを導入する機構が設けられ、搬送管の内部を減圧し、溶解過程で生じる気泡を除去する機能を有し、あるいは不活性ガスを管内に導入することで金属の酸化を抑制する機能を有すること、が好ましい。それらの具体的構成は、上記機能を有するものであればよく、特に制限されるものではない。

また、本発明では、上記搬送管の周囲に、断熱材が設けられ、更にその周囲が金属管、あるいは筐体で保護されている。また、上記搬送管の出口に、フィルターが設けられており、不純物を除去することが可能なこと、また、上記搬送管の原料を搬送する経路はらせん状で全体のサイズがコンパクトであり、少なくとも重力により上方にある投入部から下方にある出口部に向けて原料が流れていくこと、が好ましい。

また、本発明は、上記溶湯供給装置を使用して、金属の溶湯を供給する方法であって、上記搬送管の端部は、原料となる金属の投入口と接続しており、前記投入口から投入された固体金属原料が、原料投入〜鋳造機までの間に設けた加熱手段を有する搬送管の内部を通過する過程で加熱され、除々に溶融し、混合されると同時に、その状態で、搬送管の一方の端部から排出され、搬送に伴う温度低下を最小にして、成形鋳造装置に供給されることを特徴とするものである。

本発明では、上記投入口から投入される固体金属原料は溶融して所定の成分となるように、搬送管の投入口に到るまでに予め成分調整を行う。また、金属の凝固溶解に伴う応力、振動、あるいは熱応力のあらゆる内部、外部から生じる応力に対して、分割構造でなるセラミックス搬送管の各部の連結部が伸縮し、前記応力が緩和され、それにより、セラミックスの破損を防止すること、が可能である。

また、上記溶融金属は、例えば、アルミあるいはマグネシウムを主成分とする合金である。また、搬送管内に、バーナー火炎放射を直接送り込み、搬送管内を火炎の導路として外部への熱放射を抑え、かつ搬送管内の酸素量を低減することにより、金属の酸化を抑えつつ溶解、搬送する。また、分割構造でなるセラミックス搬送管の各部の温度をセンシングして、電力あるいは燃料供給量を制御することにより、供給状態を検知するとともに溶湯の粘度を変化させ、搬送速度を調節すること、が好ましい。

本発明では、原料投入〜鋳造機までの間に設けられた加熱機構を有するセラミックス搬送管の内部を固体金属原料が通過する過程で加熱され、除々に溶融し、混合され、最終的には搬送管の一方の端部から排出されて、鋳造装置に供給される。また、管内は、減圧、不活性ガスにすることもある。本発明の装置は、搬送と溶解・混合を同一管内で行う仕組みを有するものであり、それにより、放熱ロスを極力減らすとともに、溶融金属は、大気中に晒されないため、溶融金属の酸化等による異物混入を防止し、製品の品質安定化を図ることが可能となる。

鋳造は、製品に到るまでの溶解、搬送、供給工程でエネルギーロスが多い。溶湯搬送はじめ、現在、いくつかの方法が行なわれているが、いずれも、炉内で溶解された溶湯は、最終的にダイカストマシンや低圧鋳造装置に送り込まれることが基本プロセスである。その間、溶湯は槽・容器に入れられ移送・搬送されることとなり、大気中に放出される熱量が多いことが鋳造のエネルギー消費が多い要因である。また、高温となった溶湯を槽・容器で搬送することは危険が伴い、また、大気に晒されるために、溶湯が酸化し、異物となって製品に混入し、品質低下を招くことになる。

本発明は、金属を溶解搬送し、成形鋳造機に供給する装置であって、固体原料の投入部、該原料と溶湯を搬送するための管（搬送管）、筐体、供給量調整バルブ、及び断熱材で構成されており、前記搬送管には加熱手段が設けられている金属の溶湯供給装置に係るものである。本発明において、搬送管の端部は、原料となる金属の投入口と接続しており、前記投入口から投入された固体金属原料が、原料投入〜鋳造機までの間に設けた加熱手段を有する搬送管の内部を通過する過程で加熱され、除々に溶融し、混合すると同時に、その状態で搬送管の一方の端部から排出され、搬送に伴う温度低下を最小にして成形鋳造装置に供給される。

本発明により、次のような効果が奏される。
（１）搬送管を利用した新しい金属の溶解、搬送及び供給装置及びその方法を提供することができる。
（２）本発明では、原料金属の搬送と溶解・混合を同一管内で行うことから、放熱ロスを極力減らすとともに、溶融金属は、大気中に晒されないため、溶融金属の酸化等による異物混入を防止し、製品の品質安定化を図ることができる。
（３）金属の溶解から成形に至るまで、連続的に行うことが可能な溶湯供給装置及びそのプロセスを提供することができる。
（４）アルミニウムやマグネシウム、亜鉛等の金属又はこれらの合金を溶解、搬送、供給するための新しい溶湯供給システムを構築し、提供することができる。
（５）本発明の装置は、コンパクトで省スペース化が図れる。
（６）本発明の装置及び方法では、成形機の直近で溶解を行うため、高温溶湯が搬送されていた従来装置及び方法に比べて現物の安全性が向上する。

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

図１に、本発明に係る主要部の構成Ａを示す。これは、電力を使って溶解する場合の例を示している。まず、上方には、破砕その他の方法により所定の寸法に細かくされた固体原料を投入する容器が設けられ、必要に応じて蓋をする。原料投入口より投入された原料は、らせん状でなる搬送管内に重力により下方の搬送管に移動する。全体の高さは１０００ｍｍである。ここで、搬送管をらせん状としたのは、全体サイズを小さくするとともに、周囲を断熱材と筐体で覆うことで断熱性が高まるためである。

搬送管の内部は、３重構造であり、内径φ６０、肉厚１０ｍｍ、高さ約１００ｍｍである。また、材質は、アルミナ、イットリアを助剤とする窒化ケイ素とした。個々の部分をユニットと呼ぶ。ユニットには、お互い嵌めあい構造となっている。個々のユニットをらせん状に組み上げ、継ぎ目の部分の外周には、アルミナ、シリカを主成分とする無機系接着剤で充填した。搬送管の表面には、加熱手段として、バンドヒーターを取り付けた。

更に、表面をシート状のセラミック断熱材で覆い、最外周面は、ステンレス製の筐体を取り付けた。筐体内部は、ロータリーポンプにより減圧が可能である。ヒータ加熱により、搬送管は、最高９００℃まで加熱が可能である。また、搬送管には、熱電対及び温度制御回路が設けられ、搬送管の内部の温度を信号として、電源に送り、搬送管の各部の温度を制御することが可能である。これにより、流動性が変化し、供給量を調節することができる。

アルミニウム合金（ＡＣ４Ａ：Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（Ｓｉ８．０〜１０．０、Ｍｇ０．３〜０．６）を溶解し、金型により所望の形状を得た。製品の分析を行い、酸化物や鉄の不物量を測定した結果、検出限界能以下であって、異物混入が極めて少ないことが分かった。また、１トンの製品を作製し、このときの消費電力を従来の方法と比較したところ、約半分となっていることが分かった。これは、放熱が少ないために、消費電力が抑えられたためである。

図２に、本発明に係る主要部の構成Ｂを示す。これは、ガスバーナーを使って溶解する場合の例を示している。まず、上方には、破砕その他の方法により所定の寸法に細かくされた固体原料を投入する容器が設けられ、必要に応じて蓋をする。原料投入口より投入された原料は、らせん状でなる搬送管内に重力により下方に搬送管に移動する。全体の高さは１０００ｍｍである。ここで、らせん状としたのは、全体サイズを小さくするとともに、周囲を断熱材と筐体で覆うことで断熱性が高まるためである。

搬送管の内部は、３重構造であり、内径φ６０、肉厚１０ｍｍ、高さ約１００ｍｍである。また、材質は、アルミナ、イットリアを助剤とする窒化ケイ素とした。個々の部分をユニットと呼ぶ。ユニットには、お互い嵌めあい構造となっている。個々のユニットをらせん状に組み上げ、継ぎ目の部分の外周には、アルミナ、シリカを主成分とする無機系接着剤で充填した。更に、表面をシート状のセラミック断熱材で覆い、最外周面は、ステンレス製の筐体を取り付けた。

筐体内部は、ロータリーポンプにより減圧が可能である。ヒータ加熱により、搬送管は、最高９００℃まで加熱が可能である。また、搬送管には、熱電対及び温度制御回路が設けられ、搬送管の内部の温度を信号として、電源に送り、搬送管の各部の温度を制御することが可能である。これにより、流動性が変化し、供給量を調節できる。

アルミニウム合金（ＡＣ４Ｂ：Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金：Ｓｉ７．０〜１０．０、Ｃｕ２．０〜４．０）を溶解し、金型により所望の形状を得た。ＥＤＸを使って製品の分析を行い、酸化物や鉄の不物量を測定した結果、従来のプロセスで行った場合に比べて１／１０以下であって、異物混入が極めて少ないことが分かった。

また、１トンの製品を作製し、このときの消費エネルギーを電力換算し、従来の方法と比較したところ、約３０％分となっていることが分かった。放熱が少ないために、消費電力が抑えられたほか、ガスバーナーを加熱源として使っているために、電力に比べてより経済的であることを確認した。

図３に、原料の投入までの構成（全体図）を示す。２次合金（リターン材）は、様々な成分のものが含まれるが、それらを分析した後、全体の平均成分が（ＡＣ４Ｄ：Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金：Ｓｉ４．５〜５．５、Ｍｇ０．４〜０．６、Ｃｕ１．０〜１．５）となるように混合した。その後、破砕、混合機で、破砕、破断することで、サイズが２０ｍｍ以下のペレットを得た。混合機でよく混ぜた後、ベルトコンベアによって溶湯供給装置へ搬送し、投入口にペレットを送りこみ、実施例２と同様に、減圧機に連結している溶湯供給装置で溶解、搬送した後、成形鋳造機に供給し、成形を行った。

ＡＣ４Ｂ相当のアルミビレットを作製し、図１に示す装置の投入口から投入した。この原料は、下蓋の開放により、徐々に搬送管内に移り、重力によって移送された。搬送管の温度は、投入部近傍で８００℃、出口側で７００℃に設定した。まず、出口バルブを閉めておき、重力で下方に移動する過程で、原料は、搬送管内で加熱され、徐々に溶融された。出口バルブを開放すると、溶融金属が排出された。そのときの流量は約０．６３Ｌ／秒程度であった。溶融した金属をダイカストマシンの試料投入部に送り、成形を行なった。得られたアルミ鋳造品の成分分析をＥＤＸで行ったところ 不純物は従来の１／１０以下であった。

窒化ケイ素、アルミナ、イットリア、窒化ホウ素を、それぞれ、この順に８７：３：５：５ｗｔ％である混合粉末Ａ、窒化ケイ素、アルミナ、イットリア、及び導電性粒子としてＷＳｉ_２を、それぞれ、この順に２０：３：５：７２ｗｔ％とした混合粉末Ｂ、更に、窒化ケイ素、アルミナ、イットリアを、それぞれ、この順に９２：３：５ｗｔ％である混合粉末Ｃを作製した。それぞれをＰＶＡ（ポリビニルアルコール）をバインダーとして造粒を行なった。

それぞれをプレスにより予備成形した。最内層が混合粉末Ａ、中間部はＢ、外層はＣとなるように三層に重ね、ＣＩＰ成形し、一体化した。脱脂焼成し、緻密化した。図４に、搬送管の構成を示す。導電部から端子を取り付け、通電加熱を行ない、実施例１と同様に、鋳造試験を実施し、良好な結果を得た。

また、導電性粒子をモリブデン、あるいはタングステンの珪化物、ホウ化物、窒化チタン、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、炭化ケイ素に替え、５〜９５ｖｏｌ％の範囲で変化させたペーストを作製し、導電層を形成、一体焼結を行い、ヒータとして良好な昇温特性を有していることを確認した。

続いて、最も内側の層について、溶湯と接触する面に、幅１ｍｍ，ピッチ０．５ｍｍの突起群を型成形により設けた。突起を形成することにより、溶湯との接触面積が少なくなり、流動抵抗が小さくなる。突起形成をしていないセラミックスを用いた場合に比べて、スムースに溶融金属が搬送できることが分かった。

マグネシウム合金のＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金（ＡＺ９１Ｄ：Ａｌを９％、Ｚｎを１％含む）を使って、実施例２と同様の試験を実施した。鋳造温度は、４５０℃とした。酸素量が少ない状態で鋳造できるので安全であり、また、異物混入が少ない製品を得ることができた。図５に、溶湯供給装置から投入口を介して溶湯が投入される成形機の構成の例を示す。

実施例２に示す方法で、１０００サイクルの鋳造試験を行った。セラミックス部に破損、異常はなく、健全に動作できることを確認した。なお、同じ構造をもつ搬送管を鋳込み成形等により、一体で作製することも可能であり、熱収縮その他の要因により信頼性は低下するが、十分、溶解搬送供給装置として使用できた。また、本発明は、固体状ペレット等を原料として使用しているが、半凝固状態でもあるいは溶融状態の原料を用いても省エネ効果や不純物低減効果が期待できる。本発明では、アルミやマグネシウムを対象としているが、溶融固化できるものであれば、その他の金属や複合材料、プラスチックなども可能であり、その種類は問わない。

以上詳述したように、本発明は、金属の溶湯供給装置及び供給方法に係るものであり、本発明では、原料金属の搬送と溶解・混合を同一管内で行うことから、放熱ロスを極力減らすとともに、溶融金属は、大気中に晒されないため、溶融金属の酸化等による異物混入を防止し、製品の品質安定化を図ることができる。本発明では、搬送管を利用した新しい金属の溶解、搬送及び供給装置及びそれらの方法を提供することができる。また、本発明では、金属の溶解から成形に至るまで、連続的に行うことが可能な金属の溶湯供給装置及びそのプロセスを提供することができる。本発明は、アルミニウムやマグネシウム、亜鉛等の金属又はこれらの合金を溶解、搬送、供給するための新しい溶湯供給システムを構築し、提供するものとして有用である。

本発明の装置の主要部構成Ａを示す。 本発明の装置の主要部構成Ｂを示す。 固体原料の搬送の全体図を示す。 本発明の溶湯供給装置を構成する搬送管の構成を示す。 溶湯供給装置から投入口を介して溶湯が投入される成形機の構成を示す。

Claims (17)

1. 金属を溶解搬送し、成形鋳造機に供給する金属の溶湯供給装置であって、固体原料の投入部、該原料と溶湯を搬送するための搬送管、該搬送管の周囲を覆う筐体及び断熱材、及び原料の供給量を調整するための供給量調整バルブ、を具備しており、上記搬送管のうち、溶融金属と接触する部分が所定のセラミックス構造で構成されていて、該セラミックス構造が、複数個の円筒状ユニットでなり、それらが搬送管内部に存在する固体や溶融体が移動する方向に、複数個連結されることによって管状の経路を構成していて、前記搬送管には加熱手段が設けられていることを特徴とする金属の溶湯供給装置。
2. 上記セラミックスが、窒化ケイ素あるいは窒化ケイ素を主成分とする複合材料である、請求項１記載の金属の溶湯供給装置。
3. 上記セラミックスが、導電性を有し、通電あるいは高周波によって発熱する、請求項１又は２記載の金属の溶湯供給装置。
4. 上記セラミックスが、円筒状であり、中心から外周に向けて成分の異なる複数の層からなり、溶融金属に接触する最内層は溶融金属に対して難濡れ性、中央部は導電性、最外部は絶縁性の層であり、それぞれの層が一体焼結されて強固に結合されて搬送管を形成している、請求項１から３のいずれかに記載の金属の溶湯供給装置。
5. 上記難濡れ性の層のセラミックスが、窒化ケイ素を主成分として２〜３０ｖｏｌ％の窒化ホウ素、グラファイト粒子の少なくともいずれか一方、上記導電性部は、モリブデンあるいはタングステンの珪化物、ホウ化物、窒化チタン、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、炭化ケイ素の少なくともいずれかが５〜９５ｖｏｌ％の範囲で含有されている、請求項４記載の金属の溶湯供給装置。
6. 上記セラミックスの内面に、微細な突起パターンが形成されている、請求項２から５のいずれかに記載の金属の溶湯供給装置。
7. 上記搬送管に、ヒータ又はガスバーナーの加熱源、及び熱伝対が取り付けられている、請求項１記載の金属の溶湯供給装置。
8. 上記搬送管に、減圧機構あるいは不活性ガスを導入する機構が設けられ、搬送管の内部を減圧し、溶解過程で生じる気泡を除去する機能を有し、あるいは不活性ガスを管内に導入することで金属の酸化を抑制する機能を有する、請求項１記載の金属の溶湯供給装置。
9. 上記搬送管の周囲に、断熱材が設けられ、更にその周囲が金属管、あるいは筐体で保護されている、請求項１記載の金属の溶湯供給装置。
10. 上記搬送管の出口に、フィルターが設けられており、不純物を除去することが可能な、請求項１記載の金属の溶湯供給装置。
11. 上記搬送管の原料を搬送する経路がらせん状で全体のサイズがコンパクトであり、少なくとも重力により上方にある投入部から下方にある出口部に向けて原料が流れていく、請求項１記載の金属の溶湯供給装置。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の溶湯供給装置を使用して、金属の溶湯を供給する方法であって、上記搬送管の端部は、原料となる金属の投入口と接続しており、前記投入口から投入された固体金属原料が、原料投入〜鋳造機までの間に設けた加熱手段を有する搬送管の内部を通過する過程で加熱され、除々に溶融し、混合されると同時に、その状態で、搬送管の一方の端部から排出され、搬送に伴う温度低下を最小にして、成形鋳造装置に供給されることを特徴とする金属の溶湯供給方法。
13. 上記投入口から投入される固体金属原料が溶融して所定の成分となるように、搬送管の投入口に到るまでに予め成分調整を行う、請求項１２記載の金属の溶湯供給方法。
14. 金属の凝固溶解に伴う応力、振動、あるいは熱応力のあらゆる内部、外部から生じる応力に対して、分割構造でなるセラミックス搬送管の各部の連結部が伸縮し、前記応力が緩和され、それにより、セラミックスの破損を防止する、請求項１２又は１３記載の金属の溶湯供給方法。
15. 上記溶融金属が、アルミあるいはマグネシウムを主成分とする合金である、請求項１２から１４のいずれかに記載の金属の溶湯供給方法。
16. 搬送管内に、バーナー火炎放射を直接送り込み、搬送管内を火炎の導路として外部への熱放射を抑え、かつ搬送管内の酸素量を低減することにより、金属の酸化を抑えつつ溶解、搬送する、請求項１２から１５のいずれかに記載の金属の溶湯供給方法。
17. 分割構造でなるセラミックス搬送管の各部の温度をセンシングして、電力あるいは燃料供給量を制御することにより、供給状態を検知するとともに溶湯の粘度を変化させ、搬送速度を調節する、請求項１２から１６のいずれかに記載の金属の溶湯供給方法。