JPS6156301B2 - - Google Patents
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- JPS6156301B2 JPS6156301B2 JP54010924A JP1092479A JPS6156301B2 JP S6156301 B2 JPS6156301 B2 JP S6156301B2 JP 54010924 A JP54010924 A JP 54010924A JP 1092479 A JP1092479 A JP 1092479A JP S6156301 B2 JPS6156301 B2 JP S6156301B2
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/20—Mixing gases with liquids
- B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
- B01F23/237—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media
- B01F23/2373—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media for obtaining fine bubbles, i.e. bubbles with a size below 100 µm
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- B01F23/234—Surface aerating
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- B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
- B01F23/234—Surface aerating
- B01F23/2341—Surface aerating by cascading, spraying or projecting a liquid into a gaseous atmosphere
- B01F23/23413—Surface aerating by cascading, spraying or projecting a liquid into a gaseous atmosphere using nozzles for projecting the liquid into the gas atmosphere
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/20—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Mixers With Rotating Receptacles And Mixers With Vibration Mechanisms (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
- Refinement Of Pig-Iron, Manufacture Of Cast Iron, And Steel Manufacture Other Than In Revolving Furnaces (AREA)
Description
この発明は、溶融金属中に極微細な気泡を発生
させる方法に関する。 液体中に気泡を発生させる技術は、化学工業に
おける曝気処理、不純物等の分離除去、気液反応
の促進等に広く利用されており、又、金属精錬の
分野においても、冶金反応の促進、非金属介在物
の除去等を目的として、いわゆるガス撹拌が行な
われている。 上記のような目的からみて液体中に発生させる
気泡は、通常、微細なほど望ましい。すなわち、
微細な気泡が多数発生するほど、気泡と液体との
接触表面積が増大し、気液間の反応が促進され
る。又、気泡を介在物の浮上分離に利用するにし
ても、多数の微細な気泡の方が介在物を把えやす
く分離の効率が大きい。 しかし、金属精錬における溶融金属中への気泡
の導入は、単に気泡を発生させれば足りるという
程度の認識があつたにすぎず、その手段として
は、溶融金属中に多孔質の物体（ポーラスノズ
ル）を通してガスを吹き込んだり、あるいは、多
数の小孔を有する噴気盤によりガスを吹き込む方
法が採用されているだけである。 しかも、このような手段による限り、ガスの噴
出口の径をいかに小さくしても発生する気泡の微
細化には限界がある。すなわち、溶融金属中に浸
漬されたノズルから発生する気泡の大きさは、溶
融金属及びガスの性質やノズルの径により変る
が、更にノズルと溶融金属との濡れ性にも影響さ
れる。 第１図は、ノズル１によつて形成される気泡２
の状態を示すものである。同図ａは、ノズル１と
溶融金属３との濡れ性がよい場合である。気泡は
ノズルの内径に付着して成長し、気泡の浮力がノ
ズルに付着しようとする表面張力に打ち勝つたと
きに、気泡はノズルから離脱して浮上する。この
とき発生した気泡の径Ｄは、次式で表わされる。 Ｄ＝（６σｄ／γ−γｓ）〓 ……(1)式 ここで、Ｄ＝気泡径（ｍ） ｄ＝ノズル内径（ｍ） σ＝液の表面張力（Kg/m） γ＝液の比重量（Kg/m3） γｓ＝ガスの比重量（Kg/m3） (1)式によれば、ノズル径が小さい程、気泡の径
も小さくなるが、水に空気を吹き込んだ場合につ
いて計算すると、第１表に示すように、１μｍの
ノズル径でもせいぜい0.354mm径の気泡が得られ
るにすぎない。
させる方法に関する。 液体中に気泡を発生させる技術は、化学工業に
おける曝気処理、不純物等の分離除去、気液反応
の促進等に広く利用されており、又、金属精錬の
分野においても、冶金反応の促進、非金属介在物
の除去等を目的として、いわゆるガス撹拌が行な
われている。 上記のような目的からみて液体中に発生させる
気泡は、通常、微細なほど望ましい。すなわち、
微細な気泡が多数発生するほど、気泡と液体との
接触表面積が増大し、気液間の反応が促進され
る。又、気泡を介在物の浮上分離に利用するにし
ても、多数の微細な気泡の方が介在物を把えやす
く分離の効率が大きい。 しかし、金属精錬における溶融金属中への気泡
の導入は、単に気泡を発生させれば足りるという
程度の認識があつたにすぎず、その手段として
は、溶融金属中に多孔質の物体（ポーラスノズ
ル）を通してガスを吹き込んだり、あるいは、多
数の小孔を有する噴気盤によりガスを吹き込む方
法が採用されているだけである。 しかも、このような手段による限り、ガスの噴
出口の径をいかに小さくしても発生する気泡の微
細化には限界がある。すなわち、溶融金属中に浸
漬されたノズルから発生する気泡の大きさは、溶
融金属及びガスの性質やノズルの径により変る
が、更にノズルと溶融金属との濡れ性にも影響さ
れる。 第１図は、ノズル１によつて形成される気泡２
の状態を示すものである。同図ａは、ノズル１と
溶融金属３との濡れ性がよい場合である。気泡は
ノズルの内径に付着して成長し、気泡の浮力がノ
ズルに付着しようとする表面張力に打ち勝つたと
きに、気泡はノズルから離脱して浮上する。この
とき発生した気泡の径Ｄは、次式で表わされる。 Ｄ＝（６σｄ／γ−γｓ）〓 ……(1)式 ここで、Ｄ＝気泡径（ｍ） ｄ＝ノズル内径（ｍ） σ＝液の表面張力（Kg/m） γ＝液の比重量（Kg/m3） γｓ＝ガスの比重量（Kg/m3） (1)式によれば、ノズル径が小さい程、気泡の径
も小さくなるが、水に空気を吹き込んだ場合につ
いて計算すると、第１表に示すように、１μｍの
ノズル径でもせいぜい0.354mm径の気泡が得られ
るにすぎない。
【表】
ノズルと溶融金属との濡れ性が悪い場合、第１
図ｂに示すように気泡２は、ノズル１を出てから
更にノズル１面に沿つて広がるため、気泡径はノ
ズル径によつて規制されず、濡れ性のよい場合よ
りもさらに大きくなる。特に、溶融金属中に耐火
物性のポーラスプラグを浸漬してガスを吹き込む
場合、溶融金属と耐火物との濡れ性が悪いため
に、微細な気泡を得ることはきわめて困難である
（特開昭52−65711など）。 実験によれば、0.1〜0.6mmφの黒鉛ノズルを用
いて溶鋼中で発生させた気泡は、およそ10〜60mm
径であり、これよりもノズル径の小さいポーラス
プラグを用いても、前述の気泡がノズル面に沿つ
て広がる性質のために、さらに小径の気泡は発生
しない。 本発明者らは、溶融金属中に数μオーダーの極
微小の気泡を大量に発生させることを目的とし
て、従来の方法とは全く異なる方法を開発した。
すなわち、従来方法に見られるように溶融金属中
に浸漬したノズル等からガスを吹き込むのではな
く、溶融金属の表面もしくは、表面に極く近い溶
融金属中に、特定の条件でガスを吹きつける方法
である。 第２図は、この発明方法による気泡の発生機構
を模型的に示すものである。 溶融金属の液面近くに設置したノズル１から、
高速度で噴出されたガスジエツト４は、液面に衝
突してくぼみを生ぜしめる（第２図における領域
Ａ）。このくぼみの前方には、ガスジエツト４に
押し上げられた液のふくらみが生じるが（領域
Ｃ）、その中間領域Ｂは、ガスジエツト４と液面
との衝突が最もはげしく、液面はジエツトのエネ
ルギーによつて激しく撹乱破砕され、一部は引き
ちぎられて飛散する（液面撹乱部５）。 この領域Ｂでは、大小さまざまの気泡が発生す
るが、そのうち径の大きな気泡２は、領域Ｃで浮
上し、微細気泡２′だけが液のジエツトの摩擦力
による伴流（領域Ａの矢印）に乗つて領域Ｄから
先の液中に入つていく。 さて、領域Ｂにおいて、大小の気泡が発生する
ことは上述のとおりであるが、ここで、できる限
り微細な気泡を多量に発生させるためには、ガス
ジエツトの液面への吹きつけ角度（第２図のα）
と液面への衝突速度とが、重要な因子となる。 まず、吹きつけ角度αは、大きくなるほど液面
のくぼみが深くなるが、微細気泡の発生量は減少
し、液のスプラツシユ（飛散）が多くなる。 又、発生した微細気泡を液中に持ち込み、分散
させるには、ガスジエツトの摩擦力による伴流を
生じさせることも必要であり、そのためにも、ガ
スジエツトと液面との角度αを小さくとる必要が
ある。 各種の溶融金属を用いた実験結果によれば、α
が20゜を超えると微細気泡の発生量が著しく低減
し、スプラツシユのみが多くなる。一方、ノズル
の先端を液面に近づければ、αが０゜に近い小さ
な角度であつても第２図の領域Ｂ、すなわち気泡
発生領域は形成され、微細気泡の大量発生がみら
れる。 かかる知見からこの発明方法においては、ノズ
ルを液面上方に離して設置するだけでなく、後述
の第４図に示すごとく液面下にわずか浸漬した状
態でも有効に実施できる。この場合、ガスジエツ
トと液面との角度αは０゜となる。しかし、ノズ
ルを浸漬する場合の深さは、第２図又は第４図の
領域Ｂが形成されて、ガスジエツトと液面との激
しい衝突が実現可能な深さまでとしなければなら
ない。なぜなら、ノズルを深く浸漬しすぎると、
通常のバブリング（第１図参照）と同じになつ
て、微細な気泡の発生は期待できない。 次に、ガスジエツトの吹きつけ速度について説
明する。 第３図にガスジエツトの全圧の測定結果を示
す。ここで全圧は、そこに壁があると想定したと
きの壁が受ける圧力と考えることができる。そこ
で、第３図の図表では横軸にノズル先端からジエ
ツトの中心軸上の距離をノズル出口径で除した値
をとり、縦軸にはピトー管で測定した全圧値を示
す。又、マツハ数は流速を音速の値で除した値と
して定義されるので、音速以上の流速は、そのマ
ツハ数が１より大きい値である。 第３図において、領域Ｅはガスジエツトの核部
をなす部分で、ノズルを出て直後の部分であり、
ここでは全圧は一定のレベルを維持し、雰囲気と
の混合もほとんど生じない。 ノズル出口流速のマツハ数が２の超音速のガス
ジエツトは、第３図のに示すように、その領域
Ｅ部は、凹凸に富む定常波形をなしているのが特
徴である。このガスジエツトの核部（領域Ｅ）が
液面と衝突すると、ジエツトの大きな圧力変動の
ため溶融金属とガスとの界面が撹乱され、微細気
泡を発生させる作用が強大である。従つて、この
発明において、液面にガスジエツトを吹きつける
には、流速がマツハ数２程度のガスジエツトの領
域Ｅの部分を衝突させることが最も有効であるこ
とはいうまでもない。これに対し、流速がマツハ
数１のガスジエツト（第３図の）及び音速以下
のガスジエツト（第３図の：ノズル出口流速
150m/s）の全圧分布は、第３図にの超音速に
くらべ、絶対値も小さく、かつきわめて平坦なも
のであつて、たとえその領域Ｅ部を液面に衝突さ
せても、領域Ｅ部の圧力変動が小さいため上記の
ごとき微細気泡の多量発生は期待できない。 以上の説明から明らかなように、この発明の要
旨は、溶融金属の液面に対して水平角20゜以下の
角度で流速がマツハ数２程度のガスジエツトを吹
きつけ、そのガスジエツトの核部（領域Ｅ）を液
面に衝突させることを特徴とする溶融金属中に微
細な気泡を発生させる方法にある。 ここで噴射ガスとしては、空気、酸素、不活性
ガス、その他溶融金属中に微細気泡として混入さ
せて化学的、物理的な反応、操作を行なわせる必
要のあるもの全てが使用できる。 ガスを高速ジエツトとして吹きつけるためのノ
ズルは、およそ５mmφ以下の小径のものが望まし
い。径が大きくなると、液面からのスプラツシユ
が増大し、又ジエツトをマツハ数２程度に高速化
することも困難になる。なお、この発明方法で
は、ノズルと溶融金属との濡れ性は気泡の径に影
響しないので、ノズルの材質について、その濡れ
性を考慮する必要はない。ただ、溶融金属あるい
はガスによる侵食、耐熱性等を考慮して適当な材
質を選べばよい。 又、ノズルは小径のものを複数個用いてもよい
し、その配置は前述のように液面に対して20゜以
下の角度で、斜め上方から臨ませる方法、あるい
は、液面にすれすれに浸漬しほぼ水平に設置する
方法が採用できる。 この発明によれば、100μｍ以下、大部分は数
μｍから数10μｍの微細気泡が発生し、この気泡
は液の伴流に乗つて、速かに液の全体に均一に分
散される。もちろん、大きな気泡も少量発生する
が、第２図に示すように、この大きな気泡は直ち
に液面上に浮上し液から離脱する。 従来の方法、すなわち溶融金属中に深く浸漬し
たノズル、あるいは容器の底部に設けたポーラス
ノズルなどを用いてガスを吹き込む方法の場合、
大きな気泡が発生し液中を浮上して液面上に達し
たとき激しく液面を撹乱する。このことは、気泡
によつて溶融金属中の不純物を捕えて浮上分離さ
せるような操作においては、折角浮上した不純物
を再び溶融金属中に巻き込ませる結果を招く。
又、液面から激しいスプラツシユを引き起こし、
作業上の危険性の増大、及び製品の歩留りの低下
などの好ましくない結果を招く。 これに対し、この発明の方法は液面の極く狭い
領域に高速ガスジエツトを吹き付けるだけである
から、液面の乱れはほとんどない。その上表面で
発生した微細な気泡は、ガスジエツトによる溶融
金属の流れによつて速かに溶融金属全体に分散さ
れ、溶融金属とガスとの反応、あるいは気泡によ
る介在物の捕獲はきわめて効果的に行なわれる。 なお、気泡による溶融金属の処理だけでなく、
例えば溶融金属と精錬剤とを接触反応させる場合
のように、溶融金属に適当な添加剤等他の物質を
混合分散させたい場合にも、この発明の方法は適
用できる。この際は、添加剤の微粉をガスジエツ
トに混合して吹き付ける方法、あるいは予め他の
方法で添加剤を液中に混合してから、気泡を発生
させる方法等適宜の手段が採用できる。 次に、この発明を実施するための装置の一例を
説明する。ここでは、溶鋼中の非金属介在物の分
離除去に用いるものを説明する。 第４図は、取鍋６におけるこの装置の断面図で
あり、取鍋６中には溶鋼７が収容されている。そ
して、溶鋼の液面上の一部に、ガス吹き込み装置
が設けられている。この吹き込み装置は、第５図
〜第７図にその詳細を示すとおり、ガス吹き込み
管８、排気管９およびカバー１０からなる。カバ
ー１０は外気の巻き込みの防止とスプラツシユの
防止を兼ね、この場合には、耐火物で作り、外側
は鉄皮１１で補強してある。吹き込み管８の先端
には、0.5〜１mmφの複数個の小孔１３をもつセ
ラミツク製ノズル１２が取付けられている。第６
図はカバー１０のノズル１２の位置での横断面図
であり、第７図には、ノズル１２部分の拡大縦断
面図を示している。ノズル１２の小孔１３は、放
射状にかつ液面に対して０゜〜20゜の角度となる
ように設けられている。また、同カバー１０に
は、微細気泡とならず不用となつたガスを排出す
るための排気管９が穿設されている。なお、第５
図の１４はカバー内面に付着したスプラツシユで
ある。 実施例 上述の第４図から第７図に示したような装置を
用いて、アルミキルド鋼中の介在物除去を行なつ
た。 取鍋容量160トン、ノズル径0.7mm、ノズル数６
ケ、ノズルの液面に対する角度５゜、吹き込みガ
スはアルゴン、吹き込み流量180N/min、吹き
込み圧力7.5Kg/cm2G、ノズル出口速度マツハ数2.0
の条件で実施した。又比較のために、同一取鍋に
ポーラスプラグを取付けて底部から、吹き込み圧
力2.5Kg/cm2Gで、500N/minのアルゴンガスを吹
き込む従来のポーラスプラグ法の試験も実施し
た。 ガス吹き込み開始から30秒毎に各溶鋼の中央部
から、真空吸上げ方法によつてサンプリングして
急冷凝固させ、秤量した後、スライム法（電気分
解によつて試料を溶解し、非金属介在物のみを取
出す分析法）によつて、介在物を抽出し、各時点
での溶鋼中の介在物濃度を求めた。 第８図に、介在物濃度（100−Ｒ）の経時変化
を示す。ここで介在物除去率（Ｒ）は下記の(2)式
で定義する。 Ｒ＝100−吹き込み開始後所定時間経過後の介在物濃度／吹き込み前の介在物濃度×100 ……(2)式 第８図中、曲線がこの発明による介在物濃度
（100−Ｒ）の経時変化を示し、従来のポーラスプ
ラグ方法による場合は曲線により示される。こ
の曲線の比較から明らかなように、この発明によ
れば、約３分間の吹き込みでその介在物濃度
（100−Ｒ）がほぼ零に近くなるまで介在物を除去
できるのに対し、従来方法では長時間をかけて
も、介在物濃度は80％程度以下に下ることはな
く、その効果は飽和してしまい、この発明によれ
ば介在物の除去が効率よく行なわれることがわか
る。 この効果の大きな差異は、ポーラスプラグによ
つて発生する気泡が10〜60mmφと大きいのに対
し、この発明の実施により発生する気泡は数10μ
ｍの微細気泡であること、及び従来方法では溶鋼
の撹乱が激しく、一たん表面に浮上した介在物
も、再び溶鋼中に巻き込まれてしまうのに対し
て、この発明では、取鍋内の溶鋼の循環流はゆる
やかであり、溶鋼表面の乱れもほとんどないた
め、一たん浮上した介在物はそのまま表面にとど
まるためである。 すなわち、この発明の実施によつて溶鋼中に発
生した微細気泡は、周囲の溶鋼中のガス成分を吸
収していくらか径を増すと共に、非金属介在物の
周囲に多数付着して、これに浮力を与える。浮上
途中で、介在物同志が衝突した場合、その表面に
付着した気泡の表面張力の作用により介在物の合
体が起り、介在物の集合と浮上が促進される。こ
のような機構によつて、介在物の浮上が起るので
気泡の大きさが介在物と同じ程度か、むしろそれ
より小さいことが介在物の除去率の向上にきわめ
て重要な意味をもつてくるのである。 上記実施例に示したように、除去率の効率が高
いということは、アルゴンガスの使用量が少なく
てすみ、溶鋼の温度の低下という問題がなくなる
等直接、間接に大きな効果がある。 上記実施例は、溶鋼の非金属介在物の除去を目
的とする場合であるが、この発明を溶鋼の脱炭を
目的として不活性ガスを吹き込む方法に応用すれ
ば、脱炭効率を著しく増大させることができる。
又、溶鋼中に脱酸剤、脱硫剤等を添加し何らかの
手段で撹拌混合してから、この発明の方法を適用
すれば、脱酸、脱硫反応によつて生成した酸化
物、硫化物等の浮上分離が促進され、処理の効率
が大幅に向上する。 そのほか、この発明では、ノズルを溶融金属中
に浸漬する必要はないから、溶鋼のごとく高温処
理においても、高価な耐火物製ノズルを用いなく
てもすむ。又、大気の巻き込みを問題としない場
合には、単なる小径の吹き込み管を液面近くに臨
ませるだけでも実施し得るので、設備的な負担は
従来方法に比較して極めて軽くてすむ。
図ｂに示すように気泡２は、ノズル１を出てから
更にノズル１面に沿つて広がるため、気泡径はノ
ズル径によつて規制されず、濡れ性のよい場合よ
りもさらに大きくなる。特に、溶融金属中に耐火
物性のポーラスプラグを浸漬してガスを吹き込む
場合、溶融金属と耐火物との濡れ性が悪いため
に、微細な気泡を得ることはきわめて困難である
（特開昭52−65711など）。 実験によれば、0.1〜0.6mmφの黒鉛ノズルを用
いて溶鋼中で発生させた気泡は、およそ10〜60mm
径であり、これよりもノズル径の小さいポーラス
プラグを用いても、前述の気泡がノズル面に沿つ
て広がる性質のために、さらに小径の気泡は発生
しない。 本発明者らは、溶融金属中に数μオーダーの極
微小の気泡を大量に発生させることを目的とし
て、従来の方法とは全く異なる方法を開発した。
すなわち、従来方法に見られるように溶融金属中
に浸漬したノズル等からガスを吹き込むのではな
く、溶融金属の表面もしくは、表面に極く近い溶
融金属中に、特定の条件でガスを吹きつける方法
である。 第２図は、この発明方法による気泡の発生機構
を模型的に示すものである。 溶融金属の液面近くに設置したノズル１から、
高速度で噴出されたガスジエツト４は、液面に衝
突してくぼみを生ぜしめる（第２図における領域
Ａ）。このくぼみの前方には、ガスジエツト４に
押し上げられた液のふくらみが生じるが（領域
Ｃ）、その中間領域Ｂは、ガスジエツト４と液面
との衝突が最もはげしく、液面はジエツトのエネ
ルギーによつて激しく撹乱破砕され、一部は引き
ちぎられて飛散する（液面撹乱部５）。 この領域Ｂでは、大小さまざまの気泡が発生す
るが、そのうち径の大きな気泡２は、領域Ｃで浮
上し、微細気泡２′だけが液のジエツトの摩擦力
による伴流（領域Ａの矢印）に乗つて領域Ｄから
先の液中に入つていく。 さて、領域Ｂにおいて、大小の気泡が発生する
ことは上述のとおりであるが、ここで、できる限
り微細な気泡を多量に発生させるためには、ガス
ジエツトの液面への吹きつけ角度（第２図のα）
と液面への衝突速度とが、重要な因子となる。 まず、吹きつけ角度αは、大きくなるほど液面
のくぼみが深くなるが、微細気泡の発生量は減少
し、液のスプラツシユ（飛散）が多くなる。 又、発生した微細気泡を液中に持ち込み、分散
させるには、ガスジエツトの摩擦力による伴流を
生じさせることも必要であり、そのためにも、ガ
スジエツトと液面との角度αを小さくとる必要が
ある。 各種の溶融金属を用いた実験結果によれば、α
が20゜を超えると微細気泡の発生量が著しく低減
し、スプラツシユのみが多くなる。一方、ノズル
の先端を液面に近づければ、αが０゜に近い小さ
な角度であつても第２図の領域Ｂ、すなわち気泡
発生領域は形成され、微細気泡の大量発生がみら
れる。 かかる知見からこの発明方法においては、ノズ
ルを液面上方に離して設置するだけでなく、後述
の第４図に示すごとく液面下にわずか浸漬した状
態でも有効に実施できる。この場合、ガスジエツ
トと液面との角度αは０゜となる。しかし、ノズ
ルを浸漬する場合の深さは、第２図又は第４図の
領域Ｂが形成されて、ガスジエツトと液面との激
しい衝突が実現可能な深さまでとしなければなら
ない。なぜなら、ノズルを深く浸漬しすぎると、
通常のバブリング（第１図参照）と同じになつ
て、微細な気泡の発生は期待できない。 次に、ガスジエツトの吹きつけ速度について説
明する。 第３図にガスジエツトの全圧の測定結果を示
す。ここで全圧は、そこに壁があると想定したと
きの壁が受ける圧力と考えることができる。そこ
で、第３図の図表では横軸にノズル先端からジエ
ツトの中心軸上の距離をノズル出口径で除した値
をとり、縦軸にはピトー管で測定した全圧値を示
す。又、マツハ数は流速を音速の値で除した値と
して定義されるので、音速以上の流速は、そのマ
ツハ数が１より大きい値である。 第３図において、領域Ｅはガスジエツトの核部
をなす部分で、ノズルを出て直後の部分であり、
ここでは全圧は一定のレベルを維持し、雰囲気と
の混合もほとんど生じない。 ノズル出口流速のマツハ数が２の超音速のガス
ジエツトは、第３図のに示すように、その領域
Ｅ部は、凹凸に富む定常波形をなしているのが特
徴である。このガスジエツトの核部（領域Ｅ）が
液面と衝突すると、ジエツトの大きな圧力変動の
ため溶融金属とガスとの界面が撹乱され、微細気
泡を発生させる作用が強大である。従つて、この
発明において、液面にガスジエツトを吹きつける
には、流速がマツハ数２程度のガスジエツトの領
域Ｅの部分を衝突させることが最も有効であるこ
とはいうまでもない。これに対し、流速がマツハ
数１のガスジエツト（第３図の）及び音速以下
のガスジエツト（第３図の：ノズル出口流速
150m/s）の全圧分布は、第３図にの超音速に
くらべ、絶対値も小さく、かつきわめて平坦なも
のであつて、たとえその領域Ｅ部を液面に衝突さ
せても、領域Ｅ部の圧力変動が小さいため上記の
ごとき微細気泡の多量発生は期待できない。 以上の説明から明らかなように、この発明の要
旨は、溶融金属の液面に対して水平角20゜以下の
角度で流速がマツハ数２程度のガスジエツトを吹
きつけ、そのガスジエツトの核部（領域Ｅ）を液
面に衝突させることを特徴とする溶融金属中に微
細な気泡を発生させる方法にある。 ここで噴射ガスとしては、空気、酸素、不活性
ガス、その他溶融金属中に微細気泡として混入さ
せて化学的、物理的な反応、操作を行なわせる必
要のあるもの全てが使用できる。 ガスを高速ジエツトとして吹きつけるためのノ
ズルは、およそ５mmφ以下の小径のものが望まし
い。径が大きくなると、液面からのスプラツシユ
が増大し、又ジエツトをマツハ数２程度に高速化
することも困難になる。なお、この発明方法で
は、ノズルと溶融金属との濡れ性は気泡の径に影
響しないので、ノズルの材質について、その濡れ
性を考慮する必要はない。ただ、溶融金属あるい
はガスによる侵食、耐熱性等を考慮して適当な材
質を選べばよい。 又、ノズルは小径のものを複数個用いてもよい
し、その配置は前述のように液面に対して20゜以
下の角度で、斜め上方から臨ませる方法、あるい
は、液面にすれすれに浸漬しほぼ水平に設置する
方法が採用できる。 この発明によれば、100μｍ以下、大部分は数
μｍから数10μｍの微細気泡が発生し、この気泡
は液の伴流に乗つて、速かに液の全体に均一に分
散される。もちろん、大きな気泡も少量発生する
が、第２図に示すように、この大きな気泡は直ち
に液面上に浮上し液から離脱する。 従来の方法、すなわち溶融金属中に深く浸漬し
たノズル、あるいは容器の底部に設けたポーラス
ノズルなどを用いてガスを吹き込む方法の場合、
大きな気泡が発生し液中を浮上して液面上に達し
たとき激しく液面を撹乱する。このことは、気泡
によつて溶融金属中の不純物を捕えて浮上分離さ
せるような操作においては、折角浮上した不純物
を再び溶融金属中に巻き込ませる結果を招く。
又、液面から激しいスプラツシユを引き起こし、
作業上の危険性の増大、及び製品の歩留りの低下
などの好ましくない結果を招く。 これに対し、この発明の方法は液面の極く狭い
領域に高速ガスジエツトを吹き付けるだけである
から、液面の乱れはほとんどない。その上表面で
発生した微細な気泡は、ガスジエツトによる溶融
金属の流れによつて速かに溶融金属全体に分散さ
れ、溶融金属とガスとの反応、あるいは気泡によ
る介在物の捕獲はきわめて効果的に行なわれる。 なお、気泡による溶融金属の処理だけでなく、
例えば溶融金属と精錬剤とを接触反応させる場合
のように、溶融金属に適当な添加剤等他の物質を
混合分散させたい場合にも、この発明の方法は適
用できる。この際は、添加剤の微粉をガスジエツ
トに混合して吹き付ける方法、あるいは予め他の
方法で添加剤を液中に混合してから、気泡を発生
させる方法等適宜の手段が採用できる。 次に、この発明を実施するための装置の一例を
説明する。ここでは、溶鋼中の非金属介在物の分
離除去に用いるものを説明する。 第４図は、取鍋６におけるこの装置の断面図で
あり、取鍋６中には溶鋼７が収容されている。そ
して、溶鋼の液面上の一部に、ガス吹き込み装置
が設けられている。この吹き込み装置は、第５図
〜第７図にその詳細を示すとおり、ガス吹き込み
管８、排気管９およびカバー１０からなる。カバ
ー１０は外気の巻き込みの防止とスプラツシユの
防止を兼ね、この場合には、耐火物で作り、外側
は鉄皮１１で補強してある。吹き込み管８の先端
には、0.5〜１mmφの複数個の小孔１３をもつセ
ラミツク製ノズル１２が取付けられている。第６
図はカバー１０のノズル１２の位置での横断面図
であり、第７図には、ノズル１２部分の拡大縦断
面図を示している。ノズル１２の小孔１３は、放
射状にかつ液面に対して０゜〜20゜の角度となる
ように設けられている。また、同カバー１０に
は、微細気泡とならず不用となつたガスを排出す
るための排気管９が穿設されている。なお、第５
図の１４はカバー内面に付着したスプラツシユで
ある。 実施例 上述の第４図から第７図に示したような装置を
用いて、アルミキルド鋼中の介在物除去を行なつ
た。 取鍋容量160トン、ノズル径0.7mm、ノズル数６
ケ、ノズルの液面に対する角度５゜、吹き込みガ
スはアルゴン、吹き込み流量180N/min、吹き
込み圧力7.5Kg/cm2G、ノズル出口速度マツハ数2.0
の条件で実施した。又比較のために、同一取鍋に
ポーラスプラグを取付けて底部から、吹き込み圧
力2.5Kg/cm2Gで、500N/minのアルゴンガスを吹
き込む従来のポーラスプラグ法の試験も実施し
た。 ガス吹き込み開始から30秒毎に各溶鋼の中央部
から、真空吸上げ方法によつてサンプリングして
急冷凝固させ、秤量した後、スライム法（電気分
解によつて試料を溶解し、非金属介在物のみを取
出す分析法）によつて、介在物を抽出し、各時点
での溶鋼中の介在物濃度を求めた。 第８図に、介在物濃度（100−Ｒ）の経時変化
を示す。ここで介在物除去率（Ｒ）は下記の(2)式
で定義する。 Ｒ＝100−吹き込み開始後所定時間経過後の介在物濃度／吹き込み前の介在物濃度×100 ……(2)式 第８図中、曲線がこの発明による介在物濃度
（100−Ｒ）の経時変化を示し、従来のポーラスプ
ラグ方法による場合は曲線により示される。こ
の曲線の比較から明らかなように、この発明によ
れば、約３分間の吹き込みでその介在物濃度
（100−Ｒ）がほぼ零に近くなるまで介在物を除去
できるのに対し、従来方法では長時間をかけて
も、介在物濃度は80％程度以下に下ることはな
く、その効果は飽和してしまい、この発明によれ
ば介在物の除去が効率よく行なわれることがわか
る。 この効果の大きな差異は、ポーラスプラグによ
つて発生する気泡が10〜60mmφと大きいのに対
し、この発明の実施により発生する気泡は数10μ
ｍの微細気泡であること、及び従来方法では溶鋼
の撹乱が激しく、一たん表面に浮上した介在物
も、再び溶鋼中に巻き込まれてしまうのに対し
て、この発明では、取鍋内の溶鋼の循環流はゆる
やかであり、溶鋼表面の乱れもほとんどないた
め、一たん浮上した介在物はそのまま表面にとど
まるためである。 すなわち、この発明の実施によつて溶鋼中に発
生した微細気泡は、周囲の溶鋼中のガス成分を吸
収していくらか径を増すと共に、非金属介在物の
周囲に多数付着して、これに浮力を与える。浮上
途中で、介在物同志が衝突した場合、その表面に
付着した気泡の表面張力の作用により介在物の合
体が起り、介在物の集合と浮上が促進される。こ
のような機構によつて、介在物の浮上が起るので
気泡の大きさが介在物と同じ程度か、むしろそれ
より小さいことが介在物の除去率の向上にきわめ
て重要な意味をもつてくるのである。 上記実施例に示したように、除去率の効率が高
いということは、アルゴンガスの使用量が少なく
てすみ、溶鋼の温度の低下という問題がなくなる
等直接、間接に大きな効果がある。 上記実施例は、溶鋼の非金属介在物の除去を目
的とする場合であるが、この発明を溶鋼の脱炭を
目的として不活性ガスを吹き込む方法に応用すれ
ば、脱炭効率を著しく増大させることができる。
又、溶鋼中に脱酸剤、脱硫剤等を添加し何らかの
手段で撹拌混合してから、この発明の方法を適用
すれば、脱酸、脱硫反応によつて生成した酸化
物、硫化物等の浮上分離が促進され、処理の効率
が大幅に向上する。 そのほか、この発明では、ノズルを溶融金属中
に浸漬する必要はないから、溶鋼のごとく高温処
理においても、高価な耐火物製ノズルを用いなく
てもすむ。又、大気の巻き込みを問題としない場
合には、単なる小径の吹き込み管を液面近くに臨
ませるだけでも実施し得るので、設備的な負担は
従来方法に比較して極めて軽くてすむ。
第１図は溶融金属中のノズルによる気泡形成の
機構を示す説明図、第２図はこの発明方法の気泡
発生機構を示す説明図、第３図はノズル出口より
の距離をノズル径で除した値とガスジエツト全圧
との関連を示す図表、第４図はこの発明の一実施
例を示す説明図、第５図はこの発明の実施に用い
る一装置の正面図、第６図は第５図における横断
面図、第７図は第５図におけるノズルの拡大縦断
面図、第８図は非金属介在物の介在物濃度（100
−Ｒ）と経時変化との関係を示す図表である。 図中、１……ノズル、２，２′……気泡、３…
…溶融金属、４……ガスジエツト、５……液面撹
乱部、６……取鍋、７……溶鋼、８……ガス吹き
込み管、９……排気管、１０……カバー、１１…
…鉄皮、１２……セラミツクノズル、１３……小
孔。
機構を示す説明図、第２図はこの発明方法の気泡
発生機構を示す説明図、第３図はノズル出口より
の距離をノズル径で除した値とガスジエツト全圧
との関連を示す図表、第４図はこの発明の一実施
例を示す説明図、第５図はこの発明の実施に用い
る一装置の正面図、第６図は第５図における横断
面図、第７図は第５図におけるノズルの拡大縦断
面図、第８図は非金属介在物の介在物濃度（100
−Ｒ）と経時変化との関係を示す図表である。 図中、１……ノズル、２，２′……気泡、３…
…溶融金属、４……ガスジエツト、５……液面撹
乱部、６……取鍋、７……溶鋼、８……ガス吹き
込み管、９……排気管、１０……カバー、１１…
…鉄皮、１２……セラミツクノズル、１３……小
孔。
Claims (1)
- １ 溶融金属の液面に対して20゜以下の角度で、
流速がマツハ数２程度のガスジエツトを吹きつ
け、そのガスジエツトの核部を液面に衝突させる
ことを特徴とする溶融金属中に微細気泡を発生さ
せる方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1092479A JPS55102429A (en) | 1979-02-01 | 1979-02-01 | Generating method for minute bubble in liquid |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1092479A JPS55102429A (en) | 1979-02-01 | 1979-02-01 | Generating method for minute bubble in liquid |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS55102429A JPS55102429A (en) | 1980-08-05 |
| JPS6156301B2 true JPS6156301B2 (ja) | 1986-12-02 |
Family
ID=11763777
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1092479A Granted JPS55102429A (en) | 1979-02-01 | 1979-02-01 | Generating method for minute bubble in liquid |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS55102429A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01137902U (ja) * | 1988-03-14 | 1989-09-20 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0724833B2 (ja) * | 1991-12-20 | 1995-03-22 | 岩谷産業株式会社 | 活性汚泥処理方法及びその装置 |
| JP4631561B2 (ja) * | 2005-06-27 | 2011-02-16 | パナソニック電工株式会社 | 微細気泡発生装置 |
| JP3969444B2 (ja) * | 2005-09-29 | 2007-09-05 | トヨタ自動車株式会社 | 貴金属触媒の製造方法 |
| JP4921576B2 (ja) * | 2010-06-30 | 2012-04-25 | 株式会社エクセディ | クラッチ操作装置 |
| US11642634B2 (en) * | 2020-03-11 | 2023-05-09 | Fuel Tech, Inc. | Gas saturation of liquids with application to dissolved gas flotation and supplying dissolved gases to downstream processes and water treatment |
-
1979
- 1979-02-01 JP JP1092479A patent/JPS55102429A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01137902U (ja) * | 1988-03-14 | 1989-09-20 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS55102429A (en) | 1980-08-05 |
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