技術 金属溶湯の移送方法及びその移送に用いる可搬式ポンプ

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本発明は、アルミニウム、マグネシウム、又は銅その他の金属溶湯を大気に接触させずに移送できるようにした金属溶湯の移送方法及びその装置に関する。

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一般に、金属はその鉱石を溶鉱炉で熔融し、得られた溶湯を電気炉や転炉に装入して精錬し、これを取鍋に移して鋳込みに供するが、金属材料を大気中で溶解、精錬すると、多かれ少なかれ酸素、水素、又は水蒸気などによる汚染を受けるため、その材質を低下させる場合が多い。特に、転炉などから取鍋に金属溶湯を移すときには大気との接触が多く、これを鋳込みするまでの間に取鍋の湯上にその酸化物が皮膜となって浮遊する。このため、取鍋中の溶湯を柄杓で掬って鋳込みする場合には、湯上に浮遊する酸化物を排除して其の混入を防ぐ作業が必要とされる。然るに、その種の作業は劣悪環境下での人的によるものであり、肉体的負担が大きく危険も生じやすい。なお、大型の設備では取鍋の底部から鋳型の内部に直接注湯するような自動化方式も採られているが、取鍋中における溶湯の酸化進行を防止することは甚だ困難であった。又、ＤＨ真空脱ガス法などを適用して取鍋中の溶湯から脱ガスする方法も多用されているが、その種の処理には大掛かりな設備が必要となるばかりでなく時間もかかる。

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そこで、特開平３−２６４１５５号などには、金属溶湯を大気に接触させる事なく槽内から鋳型などへ輸送し得るポンプが提案されている。

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然し乍ら、その種のポンプは金属溶湯を輸送するための長い管路を必要とする上、その全てを耐熱構造としなければならないので設備コストが大きくなるという欠点がある。しかも、金属溶湯の流れを弁操作で制御するようにしていることから誤動作しやすく、特に弁体が金属溶湯に晒されるので高い耐熱性が要求される上、これが僅かに腐食しただけでも弁の機能が損なわれて金属溶湯の流れを適正にコントロールできなくなる。

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そこで、本発明はアルミニウムなど酸化性の強い金属溶湯を大気中に晒さず容易かつ適正に移送することのできる簡便な方法と装置を提供することを目的とする。

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本発明は上記目的を達成するため、所要量の金属溶湯を蓄え得る容積を有すると共に、底部に金属溶湯を出し入れするノズルが形成され、そのノズル内の流路が金属溶湯の流出を其の表面張力によって防止し得るような抵抗性を有して成る耐熱容器を用い、その耐熱容器を金属溶湯上で移送可能にして吊り、その耐熱容器内に不活性ガスを充満させた状態で前記ノズルを金属溶湯中へ挿入し、その状態で耐熱容器内を其の上部から不活性ガスを吸い出しつつ減圧して金属溶湯を前記ノズルを通じて耐熱容器内に吸い込んだ後、耐熱容器内を減圧状態に保ちつつ該耐熱容器を吊ったまま所定位置まで移送し、その後耐熱容器内に不活性ガスを再注入し、その圧力でノズルから金属溶湯を流出させるようにしたことを特徴とする金属溶湯の移送方法を提供する。

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又、底部に金属溶湯中へ挿入するためのノズルを形成して、懸吊手段により移送可能に保持される耐熱容器を備え、その耐熱容器内の圧力調整により前記ノズルを通じて該耐熱容器に対する金属溶湯の出し入れを可能にした可搬式ポンプであって、前記耐熱容器はその上部に圧力調整手段と接続する通気口を有し、前記ノズルの内部に形成される流路には、耐熱容器内が圧力調整手段により一定の減圧状態に保たれるとき、その耐熱容器内に蓄えられた金属溶湯の流出を不能にする多孔状の仕切板が設けられて成ることを特徴とする金属溶湯の移送に用いる可搬式ポンプを提供する。

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特に、圧力調整手段は、耐熱容器の通気口に接続するシリンダ、そのシリンダの内壁に密着しながら往復運動するピストン、及びそのピストンをシリンダ内で往復運動させるための駆動源とで構成される。

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以下、本発明の適用例を図面に基づいて詳細に説明する。図１において、１は転炉、電気炉、又はそれらの加熱炉で得た金属溶湯を移す取鍋などの湯槽、２は湯槽中の金属溶湯を吸い上げてその内部に一時的に貯蔵するための耐熱容器、３は耐熱容器内の圧力を調整する圧力調整手段としての給排気装置、４は耐熱容器を吊って移送する懸吊手段としてのホイスト装置である。

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このうち、耐熱容器２はその内部に所要量の金属溶湯Ｍを蓄え得る容積（例えば０．５〜１０ｍ3）をもつ釣釜であり、その内壁はケイ素などを主成分とする耐火物により裏打ちされて貯蔵室５を形成する。又、耐熱容器２の底部は湯槽１に蓄えられる金属溶湯中に挿入する漏斗状のノズル６とされ、その内周部に金属溶湯を通す流路７を形成している。ノズル６は、貯蔵室５を形成する容器本体２Ａの下端開口部に一体的に結合される上部管６Ａと、この上部管に結合する着脱自在な下部管６Ｂとで形成され、その相互間には流路７を仕切る仕切板８が設けられる。なお、それらの部材はカーボン、炭化ケイ素、窒化ケイ素その他の耐火物で形成され、腐食時などには締結用のボルトを緩めるなどして容器本体２Ａから取り外して交換することができる。

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一方、耐熱容器２の上部には給排気装置３に接続する通気口９が設けられる。そして、その通気口９を通じて耐熱容器２内の雰囲気を給排気装置３により吸い出したとき、金属溶湯中に挿入されたノズル６を通じて耐熱容器内の貯蔵室５に金属溶湯が吸い込まれ、逆に給排気装置３から通気口９を通して耐熱容器２内へ加圧用のガスが送り込まれたときには貯蔵室５に蓄えられた金属溶湯がノズル６より外部へ吐出されるようになっている。つまり、給排気装置３により通気口９からガスを給排して貯蔵室５を減圧（負圧）、又は加圧（正圧）するといった圧力調整を行うことにより、ノズル６からその内部の仕切板８を通じて貯蔵室５内へ金属溶湯を流入させたり、貯蔵室５内から金属溶湯を流出させたりすることができる。

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ここで、給排気装置３はピストン機関から成る。具体的には、円筒形をしたシリンダ１０、そのシリンダの内壁に密着しながら其の長手方向に沿って往復運動するピストン１１、及びピストンを往復運動させる駆動源としてのモータ１２で構成される。このうち、シリンダ１０はその下端がフレーム１３に取り付けた台座１４に固定され、その上方側にはピストン１１により容積が変化される圧力室１５を形成して、該圧力室がエアホース１６を介して耐熱容器の通気口９と接続されるようにしてある。

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ピストン１１は圧力室１５の気密を保つよう其の外周に図示せぬピストンリングを装着し、その下面に接続するピストン棒１７を介して作動されるようになっている。ピストン棒１７はネジ軸で成り、その一端が図示せぬロータリジョイントを介してピストン１１と相対的に回転するよう連結されると共に、他端側は台座１４に装置したナット１８を貫通して其の端部にドッグ１９が固定される。なお、ナット１８は軸方向への移動を規制された状態で台座１４に回転自在に装備され、その外周にはスプロケットやプーリなどで成る駆動輪２０が固定される。そして、その駆動輪２０とモータ１２の駆動軸に装着した駆動輪２１とにチェーンやタイミングベルトなど無端の伝動帯２２を掛け回している。

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又、フレーム１３にはピストン棒１７の軸方向に沿って、それぞれピストン１１の可動域を規定するための検出器２３Ａ，２３Ｂが設けられる。それら各検出器２３Ａ，２３Ｂは例えばリミットスイッチから成り、ピストン１１が上下端に達したとき各々ドッグ１９により押圧されてモータ１２を停止されることができる。そして、以上のように構成される給排気装置３によれば、モータ１２の正逆回転によりピストン棒１７を介してピストン１１を上下に往復運動させ、これにより耐熱容器２との間でガスを遣り取りして貯蔵室５の圧力調整を可能にする。

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なお、モータ１２によるナット１８の回転駆動時にピストン１１やピストン棒１７が空転せぬよう、例えばシリンダ１０の内壁にピストン１１の動作方向に沿う突条を形成する一方、ピストン１１の外周にその突条に合う切欠溝を形成することが好ましい。勿論、ほかの手段としてシリンダ１０やピストン１１を非円形とするなどしてもよい。

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次に、耐熱容器を吊る懸吊手段たるホイスト装置について詳述すれば、このホイスト装置４は、例えば図１のように巻上装置２４をレール２５に沿って走行可能にして設けた天井クレーンとして構成される。このうち、巻上装置２４は図示せぬ巻胴、減速機、原動機などを一体化して成るものであり、これによれば耐熱容器２を吊ったままレール２５に沿って走行しつつ耐熱容器２を所定位置、例えば金属溶湯を鋳込む鋳型上などへと移送することができる。特に、巻上装置２４は耐熱容器２を吊るための掛金２６を有し、耐熱容器２の上部にはその掛金２６を掛けるための連結金具２７が取り付けられる。なお、耐熱容器２を移送するとき、給排気装置３は耐熱容器２にエアホース１６で繋がれたまま所定位置に固定されるが、これを小型化して耐熱容器２上に一体として装置することもできる。

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ここで、以上のように構成される本願ポンプの作用を説明する。先ず、湯槽１中の金属溶湯Ｍを取り出す場合、その上方にホイスト装置４で吊られた耐熱容器２を移動し、そしてホイスト装置４を遠隔操作しながら耐熱容器２を徐々に降ろし、ノズル６の先端を金属溶湯中に挿入する。無論、湯槽１を上昇させるようにしてもよいが、一般に湯槽１は固定式であるから耐熱容器２側を下げて金属溶湯中へのノズル６の挿入を可能にする。

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又、このとき耐熱容器２内の貯蔵室５には予めアルゴンや窒素などの不活性ガスを充満させておく。例えば、エアホース１６から分岐するバイパス２８中の弁２９を開き、エアホース１６から通気口９を通して貯蔵室５内に不活性ガスを導く。なお、貯蔵室５内に供給された不活性ガスは仕切板８を通じてノズル６の先端から流出するが、これが貯蔵室５内に充満した後、ノズル６を金属溶湯中に素早く挿入すれば不活性ガスの流出量を極僅かに留めることができる。又、ノズル６を挿入する場合、その挿入圧により外気が貯蔵室５内に導入するのを防止するために、ノズル６を湯面Ｌに対して斜めに挿入したり、或いは貯蔵室５内の圧力を外気圧（大気圧）より稍高めた状態にしておくことが望まれる。その手段として、例えば耐熱容器２の側面をロープで引きながらノズル６を金属溶湯中へ挿入したり、不活性ガスを供給しながら挿入したりすることが考えられる。

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斯くて、金属溶湯中へノズル６を挿入したら、給排気装置３を作動させて貯蔵室５に充満する不活性ガスを吸い出し、これにより耐熱容器２内を減圧してノズル６から貯蔵室５内へと金属溶湯Ｍを流入させる。つまり、給排気装置３のモータ１２を一方向に回転させてピストン１１を下降させ、圧力室１５の容積を増しながら気密的に連通する貯蔵室５の不活性ガスを圧力室１５へと引き込むのである。この結果、大気中に置かれる湯槽中の金属溶湯Ｍは、大気圧よりも減圧される貯蔵室５内へピストン１１の動きに比例した速度で吸い込まれることになる。

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そして、貯蔵室５内に所要量の金属溶湯を吸い込み終えたら、貯蔵室５内を減圧状態に保ったまま、つまりピストン１１を定位置に固定して貯蔵室５内に不活性ガスが流入せぬようにした状態で耐熱容器２を上昇させ、これをホイスト装置４で吊ったまま、所定位置例えば鋳型上まで移送する。

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なお、ピストン１１はネジ軸として形成されるピストン棒１７の回転によりその軸方向へ移動される構成であるから、モータ１２を停止させるだけでピストン１１を固定することができる。又、ノズル６内の流路７は、ノズル６を金属溶湯中から抜き去った後も貯蔵室５が一定の減圧状態に保たれる間、その内部に蓄えられた金属溶湯の外部への流出を防止し得るような抵抗性を有する。つまり、流路７は金属溶湯が其の表面張力により流出を防がれるような開口率とされる。そのために流路７を極細の一本の管状としてもよいが、本発明では特に金属溶湯の揚上、吐出を効率よく行え得るよう流路７の口径を最大限まで広げつつ、その流路中に上記のような多孔状の仕切板８（スクリーン）を介在させる。

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その仕切板８は、流路７の口径より稍大きな直径と数ｍｍ〜数十ｍｍ程度の厚さをもつ板材にして、上述のように上部管６Ａと下部管６Ｂとの間に挟み込まれて保持されるようになっている。そして、この仕切板８は貯蔵室５内が減圧状態に保たれる間、該貯蔵室５に蓄えられた金属溶湯の流出を防ぐ逆止弁として機能する。

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図２は、その表面を部分的に拡大して示した平面図である。この図で明らかなように、仕切板８にはリブ３０にて区画された複数の方形状をした小孔３１が形成される。なお、小孔３１の大きさは金属溶湯の種類や耐熱容器の容積などによって最適値に設定されるが、例えば耐熱容器２の高さを５００ｍｍ、流路７の口径を５０ｍｍ、金属溶湯をアルミニウムとして、本例ではリブ３０の幅を０．５ｍｍ、小孔３１を一辺２ｍｍの方形孔としている。勿論、これは一例であり、仕切板８の小孔３１の大きさ、及び開口率は耐熱容器２の高さ、容積、並びに金属溶湯の容量などを鑑みて設定される。

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斯くて、耐熱容器２は、給排気装置３による減圧と仕切板８との相互作用により、貯蔵室５に蓄えた金属溶湯をノズル６から流出させることなく鋳型上まで案内されることになる。そこで、今度は給排気装置３の作動により圧力室１５の不活性ガスを貯蔵室５へと戻してやる。つまり、モータ１２を逆転してピストン１１を上昇させ、これにより圧力室１５の容積を減じながら不活性ガスを通気口９より貯蔵室５内に再注入するのである。すると、貯蔵室５の圧力が上昇し、その圧力が金属溶湯の表面張力（仕切板による金属溶湯の流出抵抗）を十分に上回るようになる結果、貯蔵室５に蓄えられた金属溶湯がピストン１１の動作量に比例してノズル６の先端より吐出されることになる。従って、以上のような操作を鋳型の湯口にノズル６を位置付けたまま行えば、金属溶湯が鋳込みされるまで外気と殆ど非接触となるので、その酸化による劣化を防止することができる。なお、金属溶湯を全て出し終えたら、耐熱容器２を再び湯槽１上まで移動させるが、このとき仕切板８に金属溶湯による皮膜が形成され、その皮膜が流路７を完全に閉鎖するようになるので不活性ガスの流出を防ぎ、これを繰り返して使用することができる。

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ここで、以上のような給排気装置３によれば、ピストン１１の動作量により金属溶湯の流量をコントロールできる上、不活性ガスを繰り返して使用できるなどの多くの利点をもつので圧力調整手段として有望であるが、これに真空ポンプなど公知の真空発生装置を利用することもできる。そして、この場合、通気口９に接続する真空発生装置により減圧用の排気系を形成する一方、耐熱容器２の上部に通気口９とは別に図示せぬ給気口を形成し、その給気口に不活性ガスタンクを接続するなどして貯蔵室５に対する加圧用の給気系を形成することができる。なお、その両系統には電磁弁などを介在させて耐熱容器２による金属溶湯の移送時にガスの経路を遮断できるようにすることが必要となる。

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一方、懸吊手段として、天井クレーンのほか、マニピュレータなどを利用することもできる。なお、ここで言うマニピュレータとはロボットアームほか、ジブクレーンを含めたアームである。又、上記例では金属溶湯を鋳型に移送するとしているが、移送先としてダイカストマシーンなどを自由に選択できることは言うまでもない。又、金属溶湯として、アルミニウム、マグネシウム、銅その他が上げられる。

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以上の説明で明らかなように、本発明によれば炉内などの金属溶湯を耐熱容器内に吸い込ませたまま鋳型上などへと移送するようにしているため、酸化物の生成を可及的少なくして良質の鋳物を製造できる。特に、ノズルを金属溶湯中に挿入して吸い上げるようにしていることから、炉の湯面上に浮遊する酸化物を吸い込むことがなく、しかも金属溶湯を耐熱容器に入れて移送するようにしていることから、従来ポンプのように耐熱構造の配管設備が要らず、設備コストやランニングコストを大幅に低減できる。又、金属溶湯との接触部分に機械的な作動部を形成せずして耐熱容器に対する金属溶湯の出入りをコントロールできるようにしていることから誤作動がなく、簡易構造にして金属溶湯を適正に移送することができる。

0028

更に、耐熱容器内の圧力調整手段として、ピストン機関を利用していることから、耐熱容器に出入りする金属溶湯の流量コントロールを容易かつ正確に行うことができ、しかも耐熱容器内に注入される不活性ガスを浪費せずして繰り返し利用することが可能である。

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図１本発明に係る可搬式ポンプの好適な一例を示した概略図
図２同装置に用いる仕切板を部分的に拡大して示した平面図

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１湯槽
２耐熱容器
３給排気装置
４ホイスト装置
５貯蔵室
６ノズル
７流路
８仕切板
９通気口
１０シリンダ
１１ピストン
１２モータ
１５圧力室
３０リブ
３１ 小孔