JP2006241490A - 金属溶湯の連続噴霧方法およびこれに用いる連続噴霧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属溶湯を安定して粉化でき且つ微細な粒径の粉末の噴霧も確実に行える金属溶湯の連続噴霧方法およびこれに用いる連続噴霧装置を提供する。
【解決手段】垂直に流下する金属溶湯Ｍに対し、斜め下向き且つほぼ逆円錐形にアルゴンなどの不活性ガス（噴霧媒体）Ｇをリング状の噴射口３３から噴射する噴射ノズル３０と、係る噴霧ノズル３０の上方に位置し且つほぼ逆円錐形に噴射される上記噴霧媒体Ｇの内側に対しリング状の噴射口２３から不活性ガス（補助噴霧媒体）ｇをほぼ円柱形にして噴射する補助噴射ノズル２０と、を含む、金属溶湯の連続噴霧装置１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、細径で流下する金属溶湯を噴霧して金属粉末を安定して製造するための金属溶湯の連続噴霧方法およびこれに用いる連続噴霧装置に関する。

流下する金属溶湯にアトマイズガスを吹き付けて金属粉末を製造するに際し、粉化点付近における金属粉末の吹き上げを防ぐため、金属溶湯に対しノズルのリング（円環）状を呈する噴射口から噴霧媒体である不活性ガスを噴射するアトマイズ開始初期に、アトマイズガスの吹き付け圧力を低くするガスアトマイズによる金属粉末の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−１４０４０２号公報 （第１〜３頁、第１図）

しかしながら、前記金属粉末の製造方法のように、リング形状の噴射口から斜め下向きで且つ粉化点に向かって噴霧媒体であるアトマイズガスを逆円錐形状に噴射した場合、係るアトマイズガスに囲まれた噴射口から噴霧焦点までの逆円錐形状の空間は、減圧状態となる。このため、たとえアトマイズ開始初期にアトマイズガスの吹き付け圧力を低くしても、粉化点で形成された金属粉末の一部は、新たなアトマイズガスと衝突して、上記減圧空間に吹き上がることがある。その結果、当該減圧空間に不規則な流れを生じるため、係る減圧空間の中心部を垂直に流下する金属溶湯と干渉し、当該金属溶湯の流れに振れが発生する。これに起因して、安定したアトマイズ（噴霧）を連続して行うことが困難になる場合があった。

本発明は、金属溶湯を安定して粉化でき且つ微細な粒径の粉末の噴霧も確実に行える金属溶湯の連続噴霧方法およびこれに用いる連続噴霧装置を提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、発明者らの鋭意研究および調査の結果得られたもので、粉化点（噴霧焦点）に向かって噴射される噴霧媒体の内周面側に沿って補助噴霧媒体を流す、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明による金属溶湯の連続噴霧方法（請求項１）は、垂直に流下する金属溶湯に対し、斜め下向き且つほぼ逆円錐形に噴霧媒体を噴射して、前記金属溶湯を金属粉末に粉化すると共に、ほぼ逆円錐形に噴射される上記噴霧媒体に対し、その内側から補助噴霧媒体をほぼ円柱形にして噴射する、ことを特徴とする。

これによれば、前記補助噴霧媒体は、ほぼ逆円錐形に噴射されて流下する前記噴霧媒体の内側に達し且つその内側面に沿って噴霧焦点に向かって集束するような流下する。このため、噴霧焦点で形成された金属粉末は、新たな不活性ガスと衝突しても、補助噴霧媒体に遮られるので、噴霧媒体の内側に位置する減圧空間に吹き上がらなくなるか、著しく抑制される。従って、金属溶湯の流れに振れが発生じず、安定した噴霧（アトマイズ）により所望の粒径である金属粉末を連続して噴霧することができる。
尚、前記噴霧媒体や補助噴霧媒体には、アルゴン、窒素、ヘリウムなど不活性ガスのほか、水も含まれる。

付言すれば、本発明には、前記補助噴霧媒体の噴霧圧力は、前記噴霧媒体の噴霧圧力よりも小さく、且つ補助噴霧媒体の噴霧流量は、噴霧媒体の噴霧流量よりも少ない、金属溶湯の連続噴霧方法も含まれ得る。また、本発明には、前記補助噴霧媒体の噴霧圧力は、前記噴霧媒体の噴霧圧力の５分の１以下であり、且つ補助噴霧媒体の噴霧流量は、噴霧媒体の噴霧流量の１０分の１以下である、金属溶湯の連続噴霧方法も含まれ得る。
これらによる場合、補助噴霧媒体が、ほぼ逆円錐形状に流下する噴霧媒体を突き破ることなく、当該噴霧媒体の内側に沿って確実に流下させることが可能となる。補助噴霧媒体の噴霧圧力は、望ましくは噴霧媒体の約１０分の１以下、より望ましくは約２００分の１以下とし、補助噴霧媒体の噴霧流量は、望ましくは噴霧媒体の約２５分の１以下である。

一方、本発明による金属溶湯の連続噴霧装置（請求項２）は、垂直に流下する金属溶湯に対し、斜め下向き且つほぼ逆円錐形に噴霧媒体をリング状の噴射口から噴射する噴射ノズルと、係る噴霧ノズルの上方に位置し且つほぼ逆円錐形に噴射される上記噴霧媒体の内側に対し、リング状の噴射口から補助噴霧媒体をほぼ円柱形にして噴射する補助噴射ノズルと、を含む、ことを特徴とする。
これによれば、噴射ノズルの噴射口から噴霧媒体をほぼ逆円錐形に噴射させると共に、係る噴霧媒体の内側面に対し、補助噴射ノズルの噴射口から補助噴霧媒体をほぼ円柱形にして噴射し且つ噴霧媒体の内側に沿って流下させることができる。従って、金属溶湯の流れに振れが発生せず、安定したアトマイズによって、所望の粒径を有する金属粉末を製造することに寄与することができる。

また、本発明には、前記噴射ノズルの噴射口は、垂直線に対し前記金属溶湯が流下する軌跡寄りに２〜１０度傾斜している、金属溶湯の連続噴霧装置（請求項３）も含まれる。これによれば、噴霧媒体をほぼ逆円錐形状にして流下することが確実となる。尚、上記傾斜が２度未満では、逆円錐形状の噴射が困難となり、一方、上記傾斜が１０度を超えると、円錐形状に噴射される噴霧媒体の内側空間が狭くなり、補助噴霧媒体を噴霧するための空間が確保し難くなるため、これらを除いた上記範囲とした。

更に、本発明には、前記補助噴射ノズルの噴射口は、垂直線と平行か、あるいは前記金属溶湯が流下する軌跡寄りに１０度以下の範囲で傾斜している、金属溶湯の連続噴霧装置（請求項４）も含まれる。これによれば、ほぼ逆円錐形状にして流下する噴霧媒体の内側面に対し、補助噴霧媒体をほぼ円柱形または垂直断面がほぼ逆台形状にして確実に噴射することができる。尚、上記傾斜が１０度を超えると、補助噴霧媒体の流下する形状がほぼ逆円錐形状に近付き、噴霧媒体の内側面に一定の直径で噴射できなくなるため、上記範囲を除いたものである。

付言すれば、本発明には、前記補助噴射ノズルの上に、炉底に電磁ノズルを取り付けた溶解炉が配置されている、金属溶湯の連続噴霧装置も含まれ得る。これによる場合、流下する金属溶湯の径や流量を精度良く制御できるため、一層安定した金属溶湯の連続噴霧方法が可能となる。
また、本発明には、前記溶解炉は、水冷式の銅製ルツボと、その外周に円筒形状に巻き付けたコイルとを含むセミレビテーション溶解炉である、金属溶湯の連続噴霧装置も含まれ得る。これによる場合、溶解すべく原料を後述するローレンツ斥力により、ほぼ版球形に浮揚して溶解できるめ、耐火物による汚染の少ない清浄な金属溶湯を確実に注下させることが可能となる。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明による金属溶湯の連続噴霧装置１を示す垂直断面図、図２は、係る連続噴霧装置１の要部を示し且つその切断面を含む分解斜視図である。
金属溶湯の連続噴霧装置１は、図１，図２に示すように、セミレビテーション溶解炉２内から電磁ノズル１０を介して垂直に流下する金属溶湯Ｍに対し、アルゴン、窒素、ヘリウムなどの不活性ガス（噴霧媒体）Ｇを逆円錐形状に噴射する噴霧ノズル３０と、係る噴霧ノズル３０の上方に位置し、上記不活性ガスＧの内側に補助不活性ガス（補助噴霧媒体）ｇをほぼ円柱形に噴射する補助噴霧ノズル２０と、を含んでいる。

図１，図２に示すように、セミレビテーション（半磁気浮揚）溶解炉２は、銅からなり全体が円筒形で且つ中空部４を内蔵する炉体３と、係る炉体３の外周面に沿って螺旋状の巻き付けた高周波誘導コイル８と、を備えている。
上記炉体３は、その円周方向に配置される図示しない複数の垂直な絶縁スリットにより、複数のセグメントに分割されていると共に、上端部５の給水孔６、中空部４、および排水孔７の順路で、冷却水ｗが循環して供給される。

前記セミレビテーション溶解炉２の作用は、次の通りである。
先ず、上記炉体３の内側に原料である例えばチタン合金を装入し、高周波誘導コイル８に所要の高周波電流を通電する。すると、係るコイル８の周囲に形成される磁界が炉体３を透過し、内側の上記チタン合金に浸透し、その表面に誘導される表皮電流により生じるジュール熱によって、当該チタン合金を加熱し且つ溶融する。係るチタン合金の溶融金属Ｍには、上記コイル８により誘導されて誘導電流が流れると共に、これらの電流間に生じる反発力（ローレンツ斥力）によって、図１に示すように、溶融金属Ｍは、炉体３の内側において側壁から離れ且つ半球形状に立ち上がって半浮揚状態となる。尚、溶融金属Ｍは、炉体３の側壁および電磁ノズル１０の水平部１２に接触して冷却されるため、係る側壁の内側面の下部および水平部１２上に、図示しない凝固シェルが形成される。

図１，図２に示すように、前記セミレビテーション溶解炉２の炉体３の炉底には、電磁ノズル１０の水平部１２が嵌装されている。係る電磁ノズル１０は、円環状の水平部１２と、その下側に連なるコーン部１３、およびその下側に連なる出湯口１４を有する本体１１と、係る本体１１の外周面に沿って螺旋状で且つ逆円錐形状に巻き付けた高周波誘導コイル１６と、を備えている。上記本体１１に内蔵される中空部１５には、前記同様に冷却水が循環して供給される。
上記電磁ノズル１０の使用方法は、次の通りである。
先ず、上記誘導コイル１６に通電して磁界を形成し、係る磁界により、金属製の本体１１に誘導電流が流れ且つこれが加熱される。この際、本体１１は、その発熱により前回の溶解時にコーン部１３および出湯口１４の内側で凝固したほぼ逆円錐形の凝固シェルを溶解すると共に、図１，図２に示すように、出湯口１４から細径の金属溶湯Ｍが垂直且つ連続して流下する。

図１，図２に示すように、前記電磁ノズル１０の下方には、公知の耐火材からなる耐熱パイプ１８を介して、リング形状の噴霧ノズル３０と、その上方に位置するリング形状の補助噴霧ノズル２０とが、同心にして配置されている。
補助噴霧ノズル２０は、中央に断面円形の垂直孔２４を有するリング形の本体２１、その内側に内蔵されるリング形の補助媒体供給室２２、係る供給室２２の底面の最内周部から垂下するリング状で且つ断面スリット状の噴射口２３、および上記媒体供給室２２に連通する一対の給気管２６，２７を備える。
尚、噴射口２３は、幅が約０．５〜１ｍｍであり、垂直線に対し前記金属溶湯Ｍが流下する軌跡寄りに１０度以下の範囲で傾斜させても良い。

また、噴霧ノズル３０は、中央に断面円形の垂直孔３４を有するリング形の本体３１、その内側に内蔵されるリング形の媒体供給室３２、係る供給室３２の底面の最内周付近から斜め内側向きに垂下するリング状の噴射口３３、および上記媒体供給室３２に連通する一対の給気管３６，３７を備えている。
上記噴射口３３は、垂直断面において中間の幅が約１．０ｍｍと狭くなるオリフィス形状の断面を有している。また、図１に示すように、給気管３６，３７は、給気ヘッダ３８，３９にそれぞれ連通している。

図１に示すように、前記噴霧ノズル３０は、その本体３１の外側に円盤状に張り出すフランジ３５を介して、密閉可能なチャンバ４０の天板に固定されると共に、リング状の噴射口３３は、当該チャンバ４０の天板の明けた開口部４２の内側に露出している。
図３の水平断面図で示すように、補助噴霧ノズル２０において、一対の給気管２６，２７の補助媒体供給室２２への開口位置は、本体２１の中心を通過する径線に対し、約２０度の角度θで傾いた位置にあり、係る位置において、当該給気管２６，２７の軸線が平行で且つ対称になるように、やや接線状とされている。
また、図４の水平断面図で示すように、噴霧ノズル３０において、一対の給気管３６，３７の媒体供給室３２への開口位置は、本体３１の中心を通過する径線に対し、約２０度の角度θで傾いた位置にあり、係る位置において、当該給気管３６，３７の軸線が平行で且つ対称になるように、やや接線状とされている。

給気管２６，２７および給気管３６，３７を以上のように配管することで、補助媒体供給室２２内または媒体供給室３２内において、それぞれの不活性ガスＧ、ｇを均一な圧力で導入し且つリング状の噴射口２３，３３の全周から均一な流量および圧力で、それぞれ不活性ガスを噴射することができる。
図１，２に示すように、噴霧ノズル３０の上方に補助噴霧ノズル２０を同心にして配置すると、当該補助噴霧ノズル２０の噴射口２３は、噴霧ノズル３０における本体３１の垂直孔３４の内側に開口するように設定されている。

図１，２に示すように、噴霧ノズル３０では、媒体供給室３２内に導入された噴霧媒体の不活性ガスＧは、リング状の噴射口３３の全周から斜め下向きで且つ逆円錐形状にして噴射される。係る不活性ガスＧが集束する粉化点（噴霧焦点）Ｆには、前記溶解炉２で溶解され、且つ前記電磁ノズル１０により出湯された金属溶湯Ｍが垂直に流下する。
一方、補助噴霧ノズル２０では補助媒体供給室３２内に導入された補助噴霧媒体の不活性ガスｇは、リング状の噴射口２３の全周から垂直で且つ円柱形状にして噴射された後、逆円錐形状に流下する上記不活性ガスＧの内側に到達する。この際、後述するように、不活性ガスｇは、その圧力および流量が不活性ガスＧの噴霧圧力の数分の１乃至数１０分の１であるため、流下する不活性ガスＧを突き破ることなく、その内側面に沿って円錐形状に流下しつつ粉化点Ｆに向かって集束する。

ここで、以上のような金属溶湯の連続噴霧装置１を用いる本発明における金属溶湯の連続噴霧方法について、図５，図６に基づいて説明する。
図５，図６に示すように、給気管３６，３７から媒体供給室３２に導入されたアルゴンなどの不活性ガスＧは、当該媒体供給室３２内を旋回しつつ均圧化された後、リング状の噴射口３３から、垂直線に対して金属溶湯Ｍが注下する軌跡寄りに２〜１０度斜め下向きで且つ全体が逆円錐形状にして噴射される。係る不活性ガスＧは、約５０気圧（ａｔｍ）の圧力で噴射され、粉化点Ｆで集束する。
この際、円錐形状を呈して噴射された不活性ガスＧの内側に位置する円錐形の空間は、１気圧未満の減圧状態となる。尚、不活性ガスＧの外側であるチャンバ４０内は、１気圧超の加圧空間である。

一方、図５，図６に示すように、給気管２６，２７から補助媒体供給室２２に導入されたアルゴンなどの不活性ガスｇは、補助噴霧ノズル２０におけるリング状の輻射口２２から円筒形状にして、前記不活性ガスＧの内側に向けて約１．５気圧の圧力で噴射される。係る不活性ガスｇは、不活性ガスＧの内側に沿って円錐形状して流れ、粉化点Ｆに向かって集束する。この際、不活性ガスｇは、減圧状態である不活性ガスＧの内側空間を流下するため、その流速が低下しにくい。尚、不活性ガスｇの流量は、不活性ガスＧの流量の約２５分の１である。
前記セミレビテーション溶解炉２で溶解され、且つ前記電磁ノズル１０により出湯された細径の金属溶湯Ｍは、図５に示すように、耐熱パイプ１８と、補助噴霧ノズル２０および噴霧ノズル３０の垂直孔２４，３４との中心付近とを経た後、粉化点Ｆに流下する。係る金属溶湯Ｍは、上記粉化点Ｆに到達した際、当該粉化点Ｆに集束する前記不活性ガスＧと衝突するため、急速に冷却および粉化され、所望粒径の金属粉末Ｐとなって前記チャンバ４０内に順次堆積する。

ところで、前記金属溶湯Ｍおよび金属粉末Ｐの一部は、上記粉化点Ｆから減圧状態である不活性ガスＧの内側に位置する円錐形の空間内に吹き上がろうとする。
しかしながら、本発明の連続噴霧方法では、図５，図６に示すように、補助噴霧ノズル２０から噴射された前記不活性ガスｇが、不活性ガスＧの内側に沿って逆円錐形状で且つ粉化点Ｆに向かって集束して流れている。このため、上記吹き上がろうとする金属溶湯Ｍや金属粉末Ｐの一部は、当該不活性ガスｇによってほとんどが遮断される。
その結果、金属溶湯Ｍおよび金属粉末Ｐの吹き上がりに起因する金属溶湯Ｍの振れが解消されるため、所要の粉化による粒径を有する金属粉末Ｐを安定して確実に製造することが可能となる。

本発明は、前述した形態に限定されるものではない。
前記噴霧媒体Ｇや補助噴霧媒体ｇには、不活性ガスに替えて、それぞれ水を用いても良い。あるいは、前記圧力および流量の関係を保つならば、噴霧媒体Ｇおよび補助噴霧媒体ｇの一方を不活性ガスとし且つ他方を水としても良い。
また、前記補助噴霧ノズル２０やノズル噴霧ノズル３０の噴射口２３，３３は、多数の貫通孔をリング形状に配置した形態としたり、複数のノズルを互いに接近または隣接させ且つリング形状に配置した形態としても良い。
更に、前記セミレビテーション溶解炉２に替えて、炉底から出湯が可能な別タイプの溶解炉、あるいはタンディッシュなどにしても良い。
加えて、前記電磁ノズル１０に替えて、水平方向のに耐火製の弁がスライドするスライディングゲートを用いても良い。

本発明における金属溶湯の連続噴霧装置を示す垂直断面図。 上記連続噴霧装置の要部を示し且つその切断面を含む分解斜視図 上記連続噴霧装置における補助噴霧ノズルの水平断面図。 上記連続噴霧装置における噴霧ノズルの水平断面図。 本発明の連続噴霧方法の概略を示す垂直断面図。 上記連続噴霧方法の概略を示す斜視図。

符号の説明

１……連続噴霧装置
２０…補助噴霧ノズル
２３…補助噴霧ノズルの噴射口
３０…噴霧ノズル
３３…噴霧ノズルの噴射口
Ｍ……金属溶湯
Ｇ……不活性ガス（噴霧媒体）
ｇ……不活性ガス（補助噴霧媒体）

Claims (4)

1. 垂直に流下する金属溶湯に対し、斜め下向き且つほぼ逆円錐形に噴霧媒体を噴射して、上記金属溶湯を金属粉末に粉化すると共に、
   ほぼ逆円錐形に噴射される上記噴霧媒体に対し、その内側から補助噴霧媒体をほぼ円柱形にして噴射する、
   ことを特徴とする金属溶湯の連続噴霧方法。
2. 垂直に流下する金属溶湯に対し、斜め下向き且つほぼ逆円錐形に噴霧媒体をリング状の噴射口から噴射する噴射ノズルと、
   上記噴霧ノズルの上方に位置し且つほぼ逆円錐形に噴射される上記噴霧媒体の内側に対し、リング状の噴射口から補助噴霧媒体をほぼ円柱形にして噴射する補助噴射ノズルと、を含む、
   ことを特徴とする金属溶湯の連続噴霧装置。
3. 前記噴射ノズルの噴射口は、垂直線に対し前記金属溶湯が流下する軌跡寄りに２〜１０度傾斜している、
   ことを特徴とする請求項２に記載の金属溶湯の連続噴霧装置。
4. 前記補助噴射ノズルの噴射口は、垂直線と平行か、あるいは前記金属溶湯が流下する軌跡寄りに１０度以下の範囲で傾斜している、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の金属溶湯の連続噴霧装置。
   

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