JP2017145442A - 金属粉末製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化が抑えられた金属粉末を製造する金属粉末製造装置を提供する。【解決手段】金属粉末製造装置１０は、溶融金属Ｍを供給する供給手段１２と、供給手段１２の注湯ノズル２４の周囲に配置され、注湯ノズル２４から供給された溶融金属Ｍの外周面へ燃焼炎噴射口２８からフレームジェット３０を噴射してアトマイズするジェットバーナー１４と、燃焼炎噴射口２８から溶融金属Ｍがアトマイズされた領域まで延び、フレームジェット３０、及びアトマイズされた溶融金属Ｍの全周囲を取り囲む筒状のシールド３２と、シールド手段３２の内部に不活性ガスを充満させるガス供給装置３６と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、金属粉末を製造する金属粉末製造装置に関する。

従来、金属粉末を製造する方法として、アトマイズ法が広く用いられている。アトマイズ法としては、溶融金属に燃焼炎を噴射して溶融金属を粉砕し、得られた微細な金属の液滴を凝固させることにより金属粉末を製造するガスアトマイズ法がある（例えば、特許文献１参照）。ガスアトマイズ法を用いた金属粉末製造装置では、製造された金属粉末を容器内部で回収するようになっている。

特開平１０−１７６２０６号公報

ところで、燃焼炎は、例えば、ガス、灯油等の炭化水素と空気を混ぜた混合気を燃焼させて得ることができるが、水素が酸素と反応し燃焼すると水蒸気が発生する。そして容器内の水蒸気が、溶融金属が破砕された直後の高温の金属液滴に触れ、酸化した金属粉末が生成される場合があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、酸化が抑えられた金属粉末を得ることのできる金属粉末製造装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の金属粉末製造装置は、溶融金属または金属材料を供給する供給口を供えた供給手段と、前記供給口の周囲に配置され、前記供給口から供給された前記溶融金属または前記金属材料の外周面へ燃焼炎噴射口から燃焼炎を噴射してアトマイズする燃焼炎噴射手段と、少なくとも前記燃焼炎噴射口から溶融した金属がアトマイズされた領域まで延び、前記燃焼炎、及びアトマイズされた溶融した金属の全周囲を取り囲む筒状のシールド手段と、前記シールド手段の内部に不活性ガス、及び還元性ガスの少なくとも一方を充満させるガス供給手段と、を有する。

請求項１に記載の金属粉末製造装置では、供給手段から供給された溶融金属または金属材料に対して、燃焼炎噴射手段の燃焼炎噴射口から燃焼炎が噴射されることで、溶融した金属が破砕されてアトマイズ（霧状化）される。その後、溶融している金属微粒子が冷却されて金属粉末となる。

また、この金属粉末製造装置では、燃焼炎、及びアトマイズされた溶融金属の全周囲を取り囲む筒状のシールド手段が、少なくとも燃焼炎噴射口から溶融した金属がアトマイズされた領域まで延びており、かつガス供給手段でシールド手段の内部が不活性ガス及び還元性ガスの少なくとも一方で充満されるので、シールド手段の内部に酸素が進入することが抑えられ、アトマイズされた直後の高温の金属微粒子を不活性ガス及び還元性ガスの少なくとも一方で覆うことができる。これにより、金属微粒子がある程度冷却されるまで金属微粒子と酸素との接触を抑制することができ、酸化が抑えられた金属粉末を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の金属粉末製造装置において、前記シールド手段には、不活性ガス、及び還元性ガスの少なくとも一方を噴出するガス噴射口が、前記シールド手段の周方向に沿って複数配置されている。

請求項２に記載の金属粉末製造装置では、シールド手段の内部に向けて複数のガス噴射口から不活性ガス及び還元性ガスの少なくとも一方を噴出させるので、一つのガス噴射口から不活性ガス及び還元性ガスの少なくとも一方を噴出する場合に比較して、シールド手段の内部をムラ無く不活性ガス及び還元性ガスの少なくとも一方で充満させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の金属粉末製造装置において、アトマイズされた金属微粒子へ冷却媒体を吹き付けて冷却する冷却手段を有する。

請求項３に記載の金属粉末製造装置では、アトマイズされた高温の金属微粒子へ冷却手段で冷却媒体を吹き付けることができる。金属粉末に冷却媒体を吹き付けて金属微粒子を急速に冷却することで、アモルファス化された金属粉末を得ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の金属粉末製造装置において、前記冷却手段は、前記シールド手段の内部を流下する金属粒子へ冷却媒体を吹き付けて冷却する。

請求項４に記載の金属粉末製造装置では、シールド手段の内部を流下する高温の金属微粒子へ冷却手段で冷却媒体を吹き付けることができる。金属微粒子に冷却媒体を吹き付けて金属微粒子を急速に冷却することで、アモルファス化された金属微粒子を得ることができる。

また、シールド手段は、金属微粒子を、酸化し難い温度に冷却されるまでシールド手段内の不活性ガス及び還元性ガスの少なくとも一方で覆うことができるので、より酸化が抑えられた金属粉末を得ることができる。なお、金属微粒子が酸化しない温度に冷却されるまで不活性ガス及び還元性ガスの少なくとも一方で覆うように、シールド手段を長くすることもできる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の金属粉末製造装置において、前記燃焼炎噴射口は、前記供給口を取り囲む環状の環状噴射口である。

複数のバーナーで燃焼炎を噴射して溶融金属を取り囲む構成ではバーナーの位置決めが煩雑であるが、請求項４に記載の金属粉末製造装置では、環状噴射口から燃焼炎を噴射することで、隙間無く溶融金属または金属材料を燃焼炎で取り囲み、溶融金属または金属材料の外周面に均一に燃焼炎を噴射することができる。

この場合、燃焼炎が溶融金属または金属材料に衝突する位置で、溶融した金属が燃焼炎から逃れるように飛散するのを容易に防ぐことができる。このため、溶融した金属に対して均一なアトマイズが可能であり、微細で均一な球状の金属粉末を得ることができる。また、金属粉末の製造効率を高めることもできる。

本発明の金属粉末製造装置によれば、酸化が抑えられた金属粉末を得ることができる、という優れた効果を有する。

第１の実施形態に係る金属粉末製造装置の全体構成を示す側面図である。 （Ａ）は第１の実施形態に係る金属粉末製造装置の要部を示す断面図であり、（Ｂ）は注湯ノズル、及び燃焼炎噴射口の正面図である。 第２の実施形態に係る金属粉末製造装置の要部を示す断面図である。 第３の実施形態に係る金属粉末製造装置の要部を示す正面図である。 第４の実施形態に係る金属粉末製造装置の要部を示す断面図である。

［第１の実施形態］
以下、図面に基づき、本発明の第１の実施形態について説明する。図１には、本発明の第１の実施形態に係る金属粉末製造装置１０の概略構成が示されている。
図１に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置１０は、いわゆるコンファインド型であり、溶融した金属を供給する供給手段１２、溶融した金属を粉砕して金属液滴とする、即ちアトマイズするジェットバーナー１４、金属粉末を一時的に回収する回収塔１８、シールド３２、シールド３２内に不活性ガスを供給するガス供給装置３６、金属液滴を冷却する冷却水を供給する冷却水供給装置４４、回収塔１８内に落下した金属粉を吸引するサイクロン４８等を含んで構成されている。

回収塔１８は、鉛直方向に延びる筒状部１８Ａと、筒状部１８Ａの上部を閉塞する天井部１８Ｂと、筒状部１８Ａの下部を閉塞するコーン状の底部１８Ｃと備え、内部が密閉されている。

供給手段１２は、回収塔１８の上部に配置されている。図２（Ａ）に示すように、供給手段１２は、溶融金属Ｍを収納する容器２０を備えている。容器２０の外周側には、金属を加熱溶融するための高周波コイル２２が配置されている。

また、供給手段１２は、容器２０の底面下方の中央に、容器２０の内部に連通する注湯ノズル２４を有しており、容器２０の内部に収納した溶融金属Ｍを注湯ノズル２４から下方に流出可能となっている。注湯ノズル２４は、先端の外形が下方に向かって徐々に細くなるテーパー状を成している。

ジェットバーナー１４は、燃焼炎噴射口２８の内側に注湯ノズル２４が配置されるよう、供給手段１２の容器２０の下側に配置されている。ジェットバーナー１４は、一つの燃焼室２６と、フレームジェット３０を噴射するための図２（Ｂ）に示すような円環状の燃焼炎噴射口２８を備えている。図２（Ａ）に示すように、燃焼炎噴射口２８は、注湯ノズル２４の先端のテーパー形状に沿うよう形成されている。

本実施形態のジェットバーナー１４は、燃焼室２６の内部において、例えば、空気と炭化水素である灯油とが混合されて燃焼され、燃焼炎噴射口２８から下方内側に向かって、燃焼炎噴射口２８の円周に沿って隙間なくフレームジェット３０を噴射するように構成されている。

燃焼炎噴射口２８は、音速よりも速い速度でフレームジェット３０を噴射可能になっている。ジェットバーナー１４は、供給手段１２の下方で、注湯ノズル２４から供給される溶融金属Ｍの垂下流Ｍａに対してフレームジェット３０で取り囲んで、垂下流Ｍａの一箇所Ｐに集中するようにフレームジェット３０を斜め下方に向かって噴射する。また、ジェットバーナー１４は、注湯ノズル２４から供給される溶融金属Ｍの垂下流Ｍａの外周に沿って隙間なく、均等なジェット圧で、フレームジェット３０を衝突可能としている。このように溶融金属Ｍの垂下流Ｍａに対してフレームジェット３０が当たることで、垂下流Ｍａは破砕されてアトマイズされた、即ち、霧状とされた微細な金属液滴（固化していない金属微粒子）が生成される。

なお、本実施形態のジェットバーナー１４は、垂下流Ｍａに対して斜め上方から鉛直方向に対して約３０度の角度でフレームジェット３０を噴射するようになっている。

回収塔１８の天井部１８Ｂの下面には、金属等で形成されたシールド３２が配置されている。シールド３２は、鉛直方向に沿って延びる円筒状の本体部３２Ａと、本体部３２Ａの上端に形成されるフランジ３２Ｂとを備えており、フランジ３２Ｂが図示しないボルト等で天井部１８Ｂに固定されている。

シールド３２の本体部３２Ａは、天井部１８Ｂの下面からフレームジェット３０が集中する一箇所Ｐよりも下方に延びている。即ち、シールド３２の本体部３２Ａは、溶融金属Ｍが破砕されて生成された霧状部分のうちで、後述する冷却水Ｗで冷却する前の高温となっている部分（即ち、酸化されやすい状態の部分）Ａを囲んでいる。

シールド３２の本体部３２Ａには、上下方向中間部に、本体部３２Ａの内部に不活性ガスＧを噴出する配管３４の一方の端部が開口している。配管３４の他方の端部は、ガス供給装置３６に接続されている。なお、配管３４の一方の端部が本発明のガス噴射口に相当している。

本実施形態のガス供給装置３６は、不活性ガスＧとして窒素ガスを供給するものであり、不活性ガスＧが充填されたボンベ３８、不活性ガスＧの流出量を調整するレギュレーター４０等を含んで構成されている。なお、本実施形態のガス供給装置３６は、不活性ガスＧとして窒素ガスを供給するものであるが、ボンベ３８に充填するガスの種類を変えることて、水素ガス、アルゴンガス等の窒素ガス以外の不活性ガスを供給することもでき、一酸化炭素、水素等の還元性ガスを供給することもできる。なお、ガス供給装置３６は、不活性ガスと還元性ガスとを混合したガスをボンベ３８に充填して、不活性ガスと還元性ガスとを混合したガスを供給することもできる。

回収塔１８の天井部１８Ｂの下面で、シールド３２の外周側には、周方向に複数の冷却ノズル１６が設けられている。図１に示すように、冷却ノズル１６には、配管４２の一端が接続されており、配管４２の他端は冷却水供給装置４４に接続されている。
図２に示すように、冷却ノズル１６は、シールド３２の下端から鉛直下方に流下する高温の金属微粒子に向けて冷却水Ｗを噴霧し、金属微粒子を急速に冷却することができる。

なお、回収塔１８の底部１８Ｃには、ダクト４６の一端が開口しており、ダクト４６の他端がサイクロン４８に接続されている。サイクロン４８は、回収塔１８内の金属粉末ＭＰ、及び気体を吸引して気体と金属粉末ＭＰとを分離し、分離した気体を大気へ放出し、金属粉末ＭＰはサイクロン４８の下方に配置された受け５０に排出する。

（作用、効果）
次に、本実施形態の金属粉末製造装置１０の作用、及び効果を説明する。
金属粉末製造装置１０では、容器２０の内部に、高周波コイル２２で加熱溶融された溶融金属Ｍが溜められ、溶融金属Ｍは、注湯ノズル２４から垂下流Ｍａとなって鉛直下方に流出する。

そして、垂下流Ｍａに対して、ジェットバーナー１４の燃焼炎噴射口２８から音速よりも速い速度でフレームジェット３０が噴射され、垂下流Ｍａは破砕されてアトマイズされた、即ち、霧状とされた微細な金属液滴（固化していない金属微粒子）が生成される。なお、垂下流Ｍａを破砕する前に、予めシールド３２の内部を不活性ガスＧで充満させておく。

霧状とされた微細な金属液滴（固化していない金属微粒子）は、シールド３２の内部を通過した後、霧状の冷却水Ｗで急速に冷却されて金属粉末ＭＰとなり、回収塔１８内を落下する。

本実施形態では、高温の金属液滴を冷却水Ｗで急速に冷却することで、アモルファス化された金属粉末ＭＰを得ることができる。そして、回収塔１８の底部１８Ｃに落下した金属粉末ＭＰは、サイクロン４８で吸引され、受け５０に回収される。

ところで、本実施形態の金属粉末製造装置１０では、灯油と空気を混合してフレームジェット３０を生成しているため、灯油中の水素と空気中の酸素とが反応して水蒸気が生成される。また、高温の金属液滴に冷却水Ｗを噴霧することでも水蒸気が発生する。回収塔１８の内部の空気中の酸素、及び水蒸気中の酸素は、金属を酸化させる原因物質である。

本実施形態の金属粉末製造装置１０では、金属粉末ＭＰを製造する際、高温の金属液滴に対して可能な限り酸素が触れないようにするため、配管３４からシールド３２の内部に不活性ガスＧである窒素ガスを噴出させてシールド３２の内部を窒素ガスで充満させ、水蒸気（酸素）がシールド３２の内部に進入しないようにする。即ち、金属粉末ＭＰを製造する際、シールド３２の内部を無酸素状態とする。

シールド３２は、注湯ノズル２４から、アトマイズされた微細な金属液滴（固化していない高温の金属微粒子）が冷却水Ｗで冷却される直前の位置まで延びており、高温の金属液滴はシールド３２内部に充満している窒素ガスで覆われているので、金属液滴が冷却水Ｗで冷却されるまでの間、窒素ガスが充満されたシールド３２が無い場合に比較して、酸素との接触を抑制することができる。これにより、酸化が抑えられた金属粉末ＭＰを得ることができる。

本実施形態の金属粉末製造装置１０は、フレームジェット３０が水アトマイズ法の高圧水やガスアトマイズ法の高圧ガスより高温であるため、水アトマイズ法やガスアトマイズ法に比べて、吹き付ける流体の流速を上げることが可能になる。

また、フレームジェット３０は高温であるため、溶融金属Ｍを冷却することなくアトマイズすることができ、必要以上に溶融金属Ｍの温度を高くしておく必要もない。例えば、従来の水アトマイズ法やガスアトマイズ法と比べて、溶融金属の温度を５０〜１００°Ｃ程度低めに設定しておくことができるため、よりアモルファス化しやすい条件で溶融金属Ｍを細かく粉砕することができる。

また、シールド３２の内部に水蒸気が進入しないように、シールド３２の内部の圧力を、回収塔１８の内部の雰囲気の圧力（シールド３２の外側の圧力）よりも高めておくことが好ましい。シールド３２内の圧力は、シールド３２内へ供給する不活性ガスＧの量をレギュレーター４０で調整して行うことができる。

なお、シールド３２は、微細化された金属液滴が内面に付着して堆積しないように、長さ、及び内径を設定することが好ましい。

ここで、高温の金属液滴がシールド３２の下端から排出されて冷却水Ｗに当たるまでの距離Ｌ（図２参照）は、出来る限り短くすることが好ましい。これは、シールド３２の下端から高温の金属液滴に冷却水Ｗが当たるまでの距離Ｌが長いと、シールド３２の下端から排出された高温の金属液滴が、酸素を含んだ雰囲気に当たる時間が長くなって、金属が酸化しやすくなるからである。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

図３に示すように、本実施形態の金属粉末製造装置１０では、シールド３２の長さが第１の実施形態よりも長く形成されていると共に、シールド３２に冷却ノズル１６が設けられている。冷却ノズル１６は、シールド３２の内部の金属液滴（固化していない金属微粒子）に対して冷却水Ｗを噴霧するように配置されている。また、シールド３２の下端は、落下する金属液滴と冷却水Ｗとが当たる位置よりも下方に位置している。

本実施形態においても、金属粉末ＭＰを製造する際にシールド３２の内部を不活性ガスＧで充満する。

本実施形態では、シールド３２を長くして、流下する金属粉末ＭＰを酸化し難い温度に低下するまで不活性ガスＧで覆い、金属粉末ＭＰを十分に冷却してからシールド３２の外部へ排出することができるので、より酸化が抑制された金属粉末ＭＰを得ることができ、場合によっては酸化していない金属粉末ＭＰを得ることも可能となる。

なお、金属の種類等によって酸化する条件（温度等）が変わるので、シールド３２の長さは、予め金属の種類毎に実験等行い、酸化が抑えられる長さを求めることが好ましい。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

第１の実施形態では、ジェットバーナー１４が円環状の燃焼炎噴射口２８を備えていたが、本発明はこれに限らず、円環状の燃焼炎噴射口２８に代えて、図４に示すように、複数の燃焼炎噴射口５１を注湯ノズル２４の周方向に沿って配置しても良い。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

第１の実施形態の金属粉末製造装置１０では、ジェットバーナー１４が円環状の燃焼炎噴射口２８を備えていたが、本発明はこれに限らず、図５に示すように、垂下流Ｍａの外周に、垂下流Ｍａに向けて略直線状のフレームジェット５２を噴射する複数のジェットバーナー５４を配置しても良い。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

上記実施形態の金属粉末製造装置１０では、金属液滴を冷却水で急速に冷却することで非晶質の金属粉末ＭＰを得ているが、非晶質としなくても良い場合には、冷却水Ｗの噴霧量を少なくしたり、冷却水Ｗの噴霧を停止してもよい。この場合、金属粉末ＭＰの温度低下に時間を要するので、シールド３２を長くすることが好ましい。

上記実施形態の金属粉末製造装置１０では、冷却媒体に冷却水を用いているが、冷却水に代えて、液体窒素、液化炭酸ガス等の、水以外の冷却媒体を用いてもよい。

金属粉末製造装置１０は、供給手段１２が下方に向かって金属材料（固体）である金属線材を連続的に供給可能に設けられ、ジェットバーナー１４が、金属線材に対してフレームジェット３０を噴射するよう設けられていてもよい。この場合、金属線材に対して高温のフレームジェット３０を噴射することにより、金属線材を溶かしつつ、その溶融した金属を粉砕することができる。

シールド３２は、下方に向けて徐々に径を拡大させた形状としても良い。

上記実施形態では、シールド３２の内部に、不活性ガスＧとして窒素ガスを供給したが、水素ガス、アルゴンガス等の窒素ガス以外の不活性ガスを供給してもよく、一酸化炭素、水素等の還元性ガスを供給してもよく、不活性ガスと還元性ガスとを混合したガスを供給してもよい。

なお、上記実施形態の金属粉末製造装置１０では、溶融金属Ｍを下方に落下させ、落下した溶融金属Ｍに対して斜め下方に向けて噴射されるフレームジェット３０を当てて、アトマイズ（霧状化）された溶融した金属微粒子を下方に向けて流下させていたが、本発明はこれに限らず、金属粉末製造装置１０は、金属材料によっては、横方向、または上方向に向けて噴射されるフレームジェット３０で生じる吸引力により溶融金属Ｍを吸い上げ、吸い上げた溶融金属Ｍにフレームジェット３０を当てることでアトマイズ（霧状化）された溶融した金属微粒子を、横方向、斜め上方向、または上方向に向けて流す構成としてもよい。これらの場合、シールド３２の向きは、金属微粒子の流れる方向に沿うようにする。

１０ 金属粉末製造装置
１２ 供給手段（供給手段）
１６ 冷却ノズル（冷却手段）
１４ ジェットバーナー（燃焼炎噴射手段）
２４ 注湯ノズル（供給口）
２８ 燃焼炎噴射口
３０ フレームジェット（燃焼炎）
３２ シールド（シールド手段）
３４ 配管（ガス噴射口）
３６ ガス供給装置（ガス供給手段）
Ｍ 溶融金属

Claims (5)

1. 溶融金属または金属材料を供給する供給口を供えた供給手段と、
   前記供給口の周囲に配置され、前記供給口から供給された前記溶融金属または前記金属材料の外周面へ燃焼炎噴射口から燃焼炎を噴射してアトマイズする燃焼炎噴射手段と、
   少なくとも前記燃焼炎噴射口から溶融した金属がアトマイズされた領域まで延び、前記燃焼炎、及びアトマイズされた溶融した金属の全周囲を取り囲む筒状のシールド手段と、
   前記シールド手段の内部に不活性ガス、及び還元性ガスの少なくとも一方を充満させるガス供給手段と、
   を有する金属粉末製造装置。
2. 前記シールド手段には、不活性ガス、及び還元性ガスの少なくとも一方を噴出するガス噴射口が、前記シールド手段の周方向に沿って複数配置されている、請求項１に記載の金属粉末製造装置。
3. アトマイズされた金属微粒子へ冷却媒体を吹き付けて冷却する冷却手段を有する、請求項１たまは請求項２に記載の金属粉末製造装置。
4. 前記冷却手段は、前記シールド手段の内部を流下する金属粒子へ冷却媒体を吹き付けて冷却する、請求項３に記載の金属粉末製造装置。
5. 前記燃焼炎噴射口は、前記供給口を取り囲む環状の環状噴射口である、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の金属粉末製造装置。

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