JPH0774363B2 - 低酸素の金属粉末製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は各種金属粉末の製造手段として知られる「水ア
トマイズ法」による低酸素の金属粉末製造に関する改善
された手段の提供に関する。

（従来の技術） 金属粉末は、従来の粉末治金分野だけでなく、最近は射
出成形分野にも用途が拡大され、これがため要求される
特性はより低酸素化、より微粉化等、高級化が指向され
ている。この金属粉末の量産レベルでの製造手段として
は、既知のように大別して「水アトマイズ法」と「ガス
アトマイズ法」との両者があるが、前者は後者に比し、
その噴霧媒のコストも安く、また微粉化に不可欠な高圧
化がやり易いので、現在の処、主流を占めている。

しかし「水アトマイズ法」ではこれを大気中で実施する
と、溶湯酸化が生じるので、生成粉末の酸素量が高くな
るという問題がある。この問題を解決するために、タン
ディッシュから流下する金属溶湯に対し、不活性ガス等
の非酸化性雰囲気気体の包囲下において、水ジェットの
噴射により該溶湯の粉化を行う手段が既に提示されてい
ることも既知である。例えば特公昭52−49874号公報、
あるいは特公昭55−31161号公報に開示されるように、
タンディッシュより流下する金属溶湯が、水ジェットと
衝突する溶湯粉化位置を囲んで、不活性ガス等の非酸化
性ガス雰囲気を吹込み、置換することにより、生成粉末
の酸化を防止するようにしたものがあり、また大気内に
おいて行う場合でも、溶湯粉化位置に流入する大気中の
酸素を、都市ガス燃焼によるフレームカーテンにより減
少させ、同様の効果を得るようにしたものも存在する。

（発明が解決しようとする課題） 上記した従来の「水アトマイズ法」は、粉末治金用とし
て一般に用いられている処の、平均径が数10μｍの金属
粉末を製造する方法としては、いずれもそれなりにある
程度の効果が認められるのであり、例えば上記したフレ
ームカーテン法を用いるものでは、溶湯粉化位置での雰
囲気酸素量は0.5％以下に達し、その結果、鉄系粉末の
酸素量は0.4％程度にまで減少し、また特公昭52−49784
号公報、特公昭55−31161号公報に開示された手段によ
るものも、それなりに酸素量の減少が認められる。一
方、最近は金属粉末の用途が拡大し、より粒度が細か
く、例えば平均径が数μｍ程度の金属粉末が要求される
ようになっており、これに対応して水ジェットの圧力を
1000kgf/cm²近くにまで高める超高圧水アトマイズ手段
も開発され、実用化されようとしていることも既知であ
る。この超高圧水アトマイズ手段では、高速の水ジェッ
トを用いるため、エジェクタ効果により、雰囲気気体の
ためのガスチャンバ内に大量の雰囲気気体が吸込まれる
ようになる。この結果、特公昭52−49784号公報に開示
されたものでは、タンディッシュにおける溶湯流出口が
冷却されて溶湯流の閉塞トラブルを生じ、また特公昭55
−31161号公報に開示されたものでは、大量の雰囲気気
体が溶湯流に向って吹付けられる結果となり、溶湯流に
乱れが生じ、安定操業が不可能となるのである。更に都
市ガス等を燃焼させて、大気雰囲気中の酸素を減少させ
るフレームカーテン方式のものでは、大量の流入気体量
に見合うだけの都市ガス量が必要となって不経済である
し、フレームカーテンの吹き消えや、生ガスのチャンバ
内流入等の危険性が増大するのである。いずれの方法に
せよ、超高圧水アトマイズに、従来の低酸素化技術を利
用するためには、大量の不活性ガスや都市ガス、更には
これを供給するための設備が必要であり、多額のコスト
増大が招来する。またこの超高圧水ジェットの吸入に見
合うだけの不活性ガスや低酸素空気が供給できなかった
場合（例えば気体の流れる部分の一部の断面積が小さい
場合）には、水ジェットノズルの上部（ガスチャンバ
側）が大気圧よりも低い状態となり、これに対し生成粉
末や水を収容する下部のアトマイズチャンバから、生成
粉末や水が噴き上がってくる現象が生じ、操業停止、中
断となる。即ち、現在知られている従来の低酸素化粉末
の製造技術では、超高圧水アトマイズの安定かつ経済的
な操業は困難である。また粉末の平均径が小さくなるに
つれ、粉末の比表面積（表面積／体積）は逆に増加する
ので、粉末は酸化され易くなる。要するに、微粉末を製
造するための超高圧水アトマイズ手段においてこそ、よ
り進んだ低酸化技術の確立が必要とされているが、現在
の処、これに対する解答はなされていないのである。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記した従来の低酸素化技術における超高圧水
アトマイズ手段に対する問題点を解決するため、雰囲気
気体のためのガスチャンバ内への、水ジェット噴射によ
る雰囲気気体の吸込量を可及的減少させるとともに、ガ
スチャンバが減圧状態になっても、大気圧下のアトマイ
ズチャンバからの生成粉末や水の噴き上げを生じないよ
うにしたもので、具体的には、金属溶湯の流下用タンデ
ィッシュ１と、該タンディッシュ１の下面に密着状に設
けられて非酸化性雰囲気気体の供給量を調整可能でかつ
減圧手段を備えたガスチャンバ11と、該ガスチャンバ11
の下部または内部に連通状に設けられている高圧水ジェ
ットノズル３と、生成微粉末および水の導入されるアト
マイズチャンバ５と、前記ノズル３とアトマイズチャン
バ５とを連絡する筒状の流路４と、を備えている低酸素
の金属粉末製造装置において、 前記筒状の流路４は、上向拡開状とされている上端開口
20とこの上端開口20に続いて前記アトマイズチャンバ５
内の生成粉末および水の吹き上げ防止のため断面積を絞
った直筒部21および該直筒部21に続いて下向拡開状に形
成されている下端開口22を備え、 前記上端開口20は前記水ジェットノズル３の噴射方向と
平行なテーパー面19に形成され、 前記タンディッシュ１から流下する溶湯の粉化点ａは前
記上端開口20と直筒部21との境界部に位置付けられてい
ることにある。

（作 用） 本発明の上記した技術的手段によれば、第１図におい
て、タンディッシュ１の流出口16から流下する金属溶湯
17に対し、ガス流入バルブ15、オリフィス12を介してガ
スチャンバ11内に連続供給されるN₂ガス等の、非酸化性
雰囲気気体の包囲下において、水ジェットノズル３にお
ける水ジェット18,18の噴射により粉末化し、生成され
た粉末と水とを、水ジェットノズル３と下方の大気圧状
態下のアトマイズチャンバ５間に連通状に設けた筒状流
路４を介して導入、収容するに当り、該流路４を水ジェ
ット18,18の噴射方向と平行なテーパ面19,19をもつとと
もに、溶湯粉化位置ａを囲む上端開口20、該開口20に続
いてその断面積を絞って通常抵抗を大とした直筒部21、
該直筒部21に続く下端開口22から成る断面積、形状のも
のとしてあるので、従来のストレートな４角筒状の流路
によるものと相違し、流路４の上部と下部との圧力差が
大きい場合でも、相互の影響を受けることなく粉末化作
業が得られるのであり、特にその断面積を絞り、通過抵
抗を大とした直筒部21の存在により、上部側においては
ガスチャンバ11内のガスが水ジェット噴射により吸出さ
れてアトマイズチャンバ５側に向かう吸込量を可及的減
少させると同時に、ガスチャンバ11内のゲージ圧が−75
0mmHg程度に達しても、大気圧状態下のアトマイズチャ
ンバ５内から上方へ、生成粉末や水が噴き上がることが
なく、安定した操業の継続が可能となるのである。更に
これによりガラスチャンバ11内を減圧状態にして操業で
きるため、ガスチャンバ11内へ流入する雰囲気気体の質
量流量の減少による使用量の低減、ガスチャンバ11内が
空気の場合でも、雰囲気中の酸素分圧が減圧分だけ減少
するための酸化量の減少などの効果があり、また雰囲気
気体の使用量減少により、雰囲気流れが金属溶湯流れを
乱すことなく、溶湯が粉化位置ａまで正しく落下し、安
定操業ができるという効果も得られる。またガスチャン
バ11内の減圧により、同チャンバ上部に密着しているタ
ンディッシュ１内の溶湯を吸出す力も生じ、単位時間当
りの溶湯流出量の増加によって生産性が向上し、また溶
湯がタンディッシュ１の流出口16を閉塞する等のおそれ
もなくなるのであり、超高圧水ジェットによる低酸素化
粉末の生産が円滑に得られるのである。

（実施例） 本発明装置の実施例を第１図乃至第６図に亘って説示す
る。

第１図において、本発明装置は、その底面に溶湯流出口
16を設けた既知のタンディッシュ１の下面に例えばN₂ガ
ス等の非酸化性雰囲気気体が連続的に吹きまれるガスチ
ャンバ11が、その開口部、あるいは他の部品との接触部
にＯリング等の気密シール部材13を介し、密着状にかつ
外気侵入を防ぎ、チャンバ内を減圧状態に保持できるよ
うに設けられる。該チャンバ11は流入気体の均一な分散
を図るため、充分に大きな容積のものとされ、またガス
流入口の径や個数も、この点を考慮して決定され、実施
例では大気雰囲気での流入気体量0.6m³/secに対し、チ
ャンバ11の容積は0.4m³程度とされ、ガス流入口14は例
えばSGP80A管による流入口14を円周上、４ケ所に配設さ
れるとともにガス流入バルブ15を設け、該バルブ15の開
度をオリフィス12による流量測定値を確認しながら調整
し、操業に当ってはガスチャンバ11内のゲージ圧力を0m
mHg未満、−750mmHg以上の減圧状態として操業するので
ある。前記したガスチャンバ11の内部あるいは下部に、
超高圧水ジェット（1000kgf/cm²程度）のための水ジェ
ットノズル３（本実施例では、Ｖ型断面の水ジェットを
発生するもの）が配設され、水ジェットノズル３と生成
微粉末および水の導入、収容されるアトマイズチャンバ
５との間に、本発明の筒状流路４が連通状に設けられ
る。該筒状流路４は従来のこの種流路における問題点を
解決するために、水ジェット噴射時において生じるガス
チャンバ11内の吸引ガス量を可及的減少させるととも
に、ガスチャンバ11内が減圧状態になっても、大気圧状
態下におけるアトマイズチャンバ５側からの、生成され
た粉末および水の噴き上げを生じないようにしたもの
で、従来のストレートの４角形筒状流路に代えて、その
断面積を絞って通過抵抗を増大させることにより、吸引
ガス量を減少させるとともに、生成粉末および水の噴き
上げを効果的に抑止するようにしたものである。本発明
の実施おいては、各種形状、断面積の筒状流路のモデル
を作製し、ガスチャンバを付けないオープン状態でと水
ジェットの噴射テスト、アトマイズテスト、更にはガス
チャンバを取付けたクローズ状態での水ジェット噴射テ
ストを反復比較した結果、第１図および第２、３図に例
示した実施例による筒状流路４が最適であることを確認
した。即ち、水ジェットノズル３における水ジェット1
8,18の噴射方向と平行なテーパ面19,19をもち、かつ溶
湯粉化位置ａを囲む上端開口20、該開口20に続いてその
断面積を絞った直筒部21、該直筒部21の下端に開拡状に
設ける下端開口22による断面積、形状のものである。こ
の理由は明確ではないが、先ずこの筒状流路４において
はその上端開口20に水ジェット18,18と平行するテーパ
面19,19をもつことによって剥離渦が生じにくい点にお
いて、第４、５図に例示するように水ジェット噴射方向
と平行でないテーパ面19a,19aとしたものでは、いずれ
も剥離渦を生じるものに比べて優れ、このため水ジェッ
ト中心点における下向きの吸引圧力分布は、第６図に示
すように（同図において▲印は本発明の流路４であり、
他のＡ〜Ｆはいずれも他のモデルを示している）、下方
に向かうにつれて漸増するパターンとなり、これは、流
路内の流れが、スムーズに下向きにのみ動いていること
を示している。他のモデル流路では水ジェットとテーパ
面との間に剥離渦が生じ、圧力分布は流路上面で吸引圧
力が最大になるパターン、つまり下から押し上がる流れ
も、発生している形となるので、生成粉末や水が噴き上
がるものと考えられる。尚実施例のものでは平面から見
た水ジェットの噴射方向に対して直角方向はストレート
な面とされており、直角方向をもテーパーにした流路モ
デルに比し、アトマイズ時に飛散する溶湯滴が付着しに
くいこともひとつの利点である。上記のようにして決定
された断面積、形状の流路４内で粉化作業が行なわれる
ことによって、水ジェット時におけるガスチャンバ11内
のガスが大気圧下のアトマイズチャンバ５側に吸出され
る量を可及的減少でき、また大きな減圧状態が生じて
も、アトマイズチャンバ５側からの生成粉末や水の噴き
上げを効果的に阻止し、かつこれによって減圧操業が安
定して得られるのである。

また第１図に示した実施例では、筒状流路４はアトマイ
ズチャンバ５に直接に接続されていないが、これは直接
に接続することは勿論可能である。

さいごに、下表は本発明によるアトマイズ操業の結果を
示した実験データ表であって、同表中の旧法とは、第１
図に例示した装置からガスチャンバ11とその付属構造
（符号12〜15等）を取り去って構成した装置によるもの
で、本法は本発明によるもので、大気圧の空気雰囲気下
での実験データである。

次に本発明実施の作用を説明すると、1000kgf/cm²近い
水圧によって行なう超高圧水アトマイズのための、新し
い低酸素化技術として開発したものであり、特に粉化作
業の行われる筒状流路４において、従来と相違し、その
上端開口20において水ジェット18,18と平行なテーパ面1
9,19をもち、かつ断面積形状で見る時、上部より縮小→
一定→拡大という特異な形状の筒状流路４を用いること
により、流路上下の圧力差が著大であっても、相互の影
響を受けることなくアトマイズ作業が行われるのであ
り、また高圧水ジェット噴射により、ガスチャンバ11内
のガス（雰囲気気体）がアトマイズチャンバ５側へ吸出
され、ガスチャンバ11内のゲージ圧が−750mmHgに達し
ても、大気圧状態下のアトマイズチャンバ５側からの生
成粉末や水の噴き上げが生じないので安定したアトマイ
ズ作業の継続が容易に可能であるし、ガスチャンバ内を
減圧にして操業できるため、ガスチャンバ11へ流入する
不活性ガスの質量流量が減少し、使用量が低減されるの
みならず、ガスチャンバ11内が空気の場合であっても、
雰囲気中の酸素分圧が減圧分だけ減少するので、粉末の
酸化量は減少する。またガスの質量流量も減少するので
その運動量も減少し、溶湯の落下流れを乱すことなく、
溶湯が粉化位置まで正しく流下し、安定してアトマイズ
操業を可能とし、またチャンバ減圧のため、同チャンバ
に密着しているタンディッシュ内の溶湯を吸出する力が
生じ、単位時間当りの溶湯流出量の増大、生産性の向上
が得られるのみならず、溶湯がタンディッシュ出口で閉
塞する等の不都合も生じないのであり、従来の低酸素化
技術では対処できない超高圧水ジェットアトマイズに即
応できるのである。また、先に示した表からも判るよう
に、本発明は低圧でのアトマイズにおいてもその効果を
発揮できる。即ち水圧60kgf/cm²でのアトマイズでは、
旧法と本法では酸素量が0.90％から0.10％にまで減少し
ている。先に従来技術において説示したフレームカーテ
ン法では、60μｍ前後の粉末酸素量は0.4％が限度であ
ったものに比し、著しく向上する。また高圧の700kgf/c
m²での低酸素効果は、1.20％のものが0.21％にまで減少
していることも明らかである。先にも述べたように、こ
のような高圧においては、従来技術の適用は不可能であ
る。

溶湯流出速度に注目すると、ガスチャンバ11内の減圧効
果により、各々1.8倍、2.2倍、3.2倍となっている。こ
れはそれだけ時間当りの生産量が増加していることを示
しており、従来であればこのように溶湯流出量が増加す
ると、溶湯の流れが少しでも乱れた際には操業が不安定
になりがちであったが、本発明では溶湯の流れを乱すガ
スの質量流量が減少するので、きわめて安定した操業が
可能となるのである。またNo.3の実施例は溶湯径を2.5m
mとしたものである。溶湯径を小さくすると、これに比
例して粒度が小さくなるということは既知であり、より
微粉を得るために溶湯径をより小さくすることは従来か
ら行われてきた。しかしながら、本例のように2.5mmの
径の場合、自然流出速度は50g/secと遅く、全量流出す
る以前に溶湯の温度低下が生じ、タンディッシュ出口で
凝固するという問題が生じる。これに対し本発明装置を
用いれば、生産性は3.2倍となるので、タンディッシュ
内の溶湯を凝固することなく全量流出させることができ
たものである。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、ノズルとアトマイズチャ
ンバとを連結する筒状の流路は、その上端開口が上向拡
開状でノズルの噴射方向と平行なテーパー面に形成され
ていることから、溶湯の落下（流下）流れを乱すことが
なく、溶湯が粉化位置まで正しく流化し、安定してアト
マイズ操業を可能とする。

また、タンディッシュから流下する溶湯の粉化点は上端
開口とこれより断面積を絞った直筒部との境界部に位置
付けされているので第６図に示す吸引圧力分布からも理
解できるように吸引力が大きいために溶湯滴及び水の吹
き上げ抑制効果は大きくなる。

更に、筒状の流路の出口部における混合流の圧力損失を
すくなくするための下方拡開状の下端開口とされている
のでアトマイズチャンバへの吸引力を大きくし、水の吹
き上げを抑制できる。

従って本発明によると高圧水ジェットアトマイズによ
り、低酸素の金属粉末を、高い生産性でかつトラブルな
く安定して製造することを可能とした点において、その
効果は多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の実施例図、第２図は同筒状流路の
平面図、第３図は同要部断面図、第４図は比較用筒状流
路１例の平面図、第５図は同要部断面図、第６図は700k
gf/cm²での吸引圧力分布グラフ図。 １……タンディッシュ、３……水ジェットノズル、４…
…筒状流路、５……アトマイズチャンバ、11……ガスチ
ャンバ、12……オリフィス、13……気密シール部材、14
……ガス流入口、15……ガス流入バルブ、18……水ジェ
ット、19……テーパ面、20……上端開口、21……直筒
部、22……下端開口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戸田 栄治 兵庫県明石市日富美町13―８ (56)参考文献 特開 昭50−54563（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−131941（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−80333（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属溶湯の流下用タンディッシュ（１）
   と、該タンディッシュ（１）の下面に密着状に設けられ
   て非酸化性雰囲気気体の供給量を調整可能でかつ減圧手
   段を備えたガスチャンバ（11）と、該ガスチャンバ（1
   1）の下部または内部に連通状に設けられている高圧水
   ジェットノズル（３）と、生成微粉末および水の導入さ
   れるアトマイズチャンバ（５）と、前記ノイズ（３）と
   アトマイズチャンバ（５）とを連絡する筒状の流路
   （４）と、 を備えている低酸素の金属粉末製造装置において、 前記筒状の流路（４）は、上向拡開状とされている上端
   開口（20）とこの上端開口（20）に続いて前記アトマイ
   ズチャンバ（５）内の生成粉末および水の吹き上げ防止
   のため断面積を絞った直筒部（21）および該直筒部（2
   1）に続いて下向拡開状に形成されている下端開口（2
   2）を備え、 前記上端開口（20）は前記水ジェットノズル（３）の噴
   射方向と平行なテーパー面（19）に形成され、 前記タンディッシュ（１）から流下する溶湯の粉化点
   （ａ）は前記上端開口（20）と直筒部（21）との境界部
   に位置付けられていることを特徴とする低酸素の金属粉
   末製造装置。