JP2012111993A

JP2012111993A - アトマイズ装置

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Publication number: JP2012111993A
Application number: JP2010261022A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Oda; 剛織田; Nobuaki Akagi; 宣明赤城; Yuji Taniguchi; 祐司谷口
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: JP5452448B2

Abstract

【課題】膜状噴射流面の幅方向全体にわたって金属粒子を均一に微粒化することができるアトマイズ装置を提供する。
【解決手段】複数の噴射ノズルから流体を膜状流体にしてＶ字形に噴射し、その交差領域に金属の溶湯を流下してアトマイズを行うアトマイズ装置において、上記噴射ノズル２，２は、上記膜状流体Ｆ７，Ｆ８の幅方向両端部Ｄにおける上記溶湯に対する上記膜状流体Ｆ７，Ｆ８の交差角θａが、上記膜状流体の幅方向中央部Ｅにおける上記溶湯に対する上記膜状流体の交差角よりも小さい角度となるように、噴射角が上記膜状流体の幅方向において変更されていることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、金属の微粒子を得るためのアトマイズ装置に関し、特に、落下する金属溶湯に対し水やガスなどの流体を噴射して金属微粒子を製造するのに好適なアトマイズ装置に関するものである。

金属微粒子を得るための方法として、図１５に示すように、流体の噴射流面Ｆ１，Ｆ２をＶ字形に形成し、そのＶ字形噴射流面の交差部Ｉを狙って複数本の円筒ノズル５０（またはスリットノズル）から微粒化材料、例えば、溶湯を流下させる方法が一般的に知られている。

具体的には、噴射流としての高圧冷却水が交差する中心に対しタンディッシュからの溶鋼流を供給し鉄粉を製造する方法（例えば、特許文献１参照）、微粉砕しようとする原料溶湯を磁気作用によりシート状に形成し、これを噴射流の交線である長く伸びた交差領域に供給し粉末を製造する方法（例えば、特許文献２参照）、または、注湯ノズルから薄膜形状で落下する金属溶湯に対し、一対の噴霧ガスを薄膜状にしてほぼＶ字形に噴霧し金属粉末を製造する方法（例えば、特許文献３参照）などが知られている。

特開平２−４３３０５号公報特開平４−２１０４０９号公報特開２００５−２１３６１７号公報

図１６は一般的なＶ字ジェット方式アトマイズ装置の構成を示している。

このタイプによるアトマイザーでは、アトマイズされた粒子の一部が吹き上げ流Ｈに乗って上昇する。

上昇した粒子はＶ字状水膜噴出口の両端部からやや下方の装置内壁四隅部Ｊに付着してアトマイズ装置内の流れを乱し、四隅部Ｊに付着した付着粒子は最終的に巨大化して互いに繋がり、装置を閉塞させる虞がある。特に、Ｖ字を形成している水膜の交差角θを大きくすると、閉塞する傾向が顕著になる。なお、上記交差角θとは、流下する溶湯に対し水膜が交差する角度を意味する。

そのため、交差角θを小さくしてアトマイズ運転を行う必要があるが、交差角θを小さくすると、一般的に粒子径が大型化し、結果として粒径分布が広がった、品質の低下した粒子が発生する。

本発明は以上のような、従来の膜状噴射流面を利用して金属粒子を微粒化する方法における課題を考慮してなされたものであり、溶湯のアトマイズ部では交差角θを大きな角度に維持して微粒化を図りつつ吹き上げ流を抑制して粒子の付着を防止することができるアトマイズ装置を提供するものである。

本発明は、複数の噴射ノズルから流体を膜状流体にしてＶ字形に噴射し、その交差領域に金属の溶湯を流下してアトマイズを行うアトマイズ装置において、
上記噴射ノズルは、上記膜状流体の幅方向両端部における上記溶湯に対する上記膜状流体の交差角が、上記膜状流体の幅方向中央部における上記溶湯に対する上記膜状流体の交差角よりも小さい角度となるように、噴射角が上記膜状流体の幅方向において変更されているアトマイズ装置である。

本発明において、上記噴射ノズルとして平行に配置された管状ノズルを有する場合、それらの管状ノズルの管軸方向に、上記膜状流体を噴射するスリットを形成することができる。

上記スリットは中央部が直線に形成され、その中央部から各端部にむけて湾曲する曲線に形成されていることが好ましい。

上記噴射ノズルとして、平行に配置されたノズル列を有する場合、各ノズル列から一列に噴射される上記流体が上記膜状流体を形成するように構成することができる。

上記ノズル列の両端側に配置されるノズルの上記交差角は、上記ノズル列の中央部に配置されるノズルの上記交差角よりも小さい角度に調整することが好ましい。

なお、本発明において、流体とは、水やガス等が含まれる。

本発明のアトマイズ装置によれば、Ｖ字状水膜の両端部に発生する吹き上げ流を抑制してアトマイズ装置内壁への粒子の付着を防止しつつ、溶湯が流下してアトマイズが行われるＶ字状水膜の中央部では金属粒子を均一に、より微粒化することができるという長所を有する。

(ａ)は粒子が分裂する場合、(ｂ)は粒子が分裂しない場合のメカニズムを説明する模式図である。溶湯に対して膜状の高圧噴流を直交させる場合を想定したアトマイズを示す斜視図である。図２のアトマイズにおける噴流の移動を示す説明図である。噴流をＶ字状に衝突させる場合のアトマイズを示す概念図である。従来のアトマイズ装置の運転状態を示す概略図である。本発明のアトマイズ装置および噴流として装置内に取り込まれた空気の流速を示す斜視図である。図６に示す非平面の高圧噴流を示す斜視図である。第一実施形態に係る噴射ノズルの構成を示す正面図である。図８のＰ−Ｐ′矢視断面図である。図８のＮ−Ｎ′矢視断面図である。図８の噴射ノズルの中央部から噴射される噴流の交差角を示す説明図である。図８の噴射ノズルの両端部から噴射される噴流の交差角を示す説明図である。 (ａ)は本発明に係る噴射ノズルの別の構成を示す斜視図、(ｂ)は図１３(ａ)の噴射ノズル装置をＫ方向から見た側面図である。溶湯の別の供給方法を示す斜視図である。従来の平面膜状噴流を示す斜視図である。従来のＶ字ジェット方式アトマイズ装置の構成を示す斜視図である。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

液体金属が高圧噴流によって微粒子に粉砕されるメカニズムは、液体金属の粒子に作用する噴流の衝突圧力が、液体金属粒子の表面張力に打ち勝つことで粒子がばらばらに粉砕される。

図１(ａ)は、高圧噴流の衝突圧力が粒子の表面張力を上回って粒子が変形する様子を示し、同図(ｂ)は粒子の表面張力が噴流の衝突圧力よりも十分に大きいために粒子が球形を維持したまま変形しない様子を示している。

どのような液体金属であれ、初期の分裂条件は、流体による抗力と表面張力の釣り合いから下記式(1)のように得られる。

式(1)の右辺におけるπＤσは、高圧噴流に直交する粒子断面（投影面積Ａ）における表面張力を表している。
ただし、Ｃ_Ｄは球の抵抗係数、ρ_Ｌは液体の密度、Ｕ_Ｒは高圧噴流と液体金属との相対速度、Ｄは液体金属の粒子直径、σは液体金属の表面張力を示している。

この結果、これ以上は分裂が生じなくなる最小径を求めるための目安になる臨界ウェーバー数Ｗｅ_ｃｒｉｔが式(2)のように得られる。

実際には、液体金属の粘性の影響の他、溶融状態にある液体金属の場合には冷却時の凝縮により分裂し難くなる等、他の影響因子も存在するが、一般的な傾向として、上記式(1)または式(2)から分かるように、高圧噴流と液体金属の相対速度Ｕ_Ｒが増加すると、粒子径は小さくなる。

したがって、側面から見てＶ字形の噴射流面を形成して溶湯を流下させる場合には、高圧噴流と液体金属の相対速度Ｕ_Ｒが最も大きくなる条件、すなわち、図２に示すような、高圧噴流と溶湯が直交するアトマイズが最も微粒化に適している。

しかしながら、このようなアトマイズでは、対向して吹き出され中央で衝突した噴流Ｆ３〜Ｆ６が上下方向に等しく分かれ、上方向に吹き上げた噴流Ｆ３，Ｆ４はその上部に配置されている溶湯ノズル５０に接触してしまい、アトマイズ運転が成立しなくなる。

この状況は以下に説明するように、運動方程式から理解できる。

図３に示すように、左右から等しい噴流が衝突してその噴流が上下に分かれて飛び散る場合を想定すると、水平方向と鉛直方向のそれぞれについて、式(3)と式(4)の運動方程式が成立する。

また、エネルギー保存から、噴流は衝突後も速度はほとんど変わらないことになり、

が成立する。したがって、式(4)と式(5)より

が得られる。質量保存則を組み合わせると、ドットｍ_０＝ドットｍ_１＝ドットｍ_２になり、当然のように、等しく上下に噴流が分かれる状況（上向き噴流流量ドットｍ_２ｖ_２、下向き噴流流量ドットｍ_１ｖ_１参照）が各保存式から導かれる。

実際には、上方向に噴流が吹き上げることを防止するために、噴流をＶ字形を形成すべく一対の噴流を斜め下向きに噴射する。

この状況は、図４に示すような概念図をもとに、式(7)，(8)に示す質量と運動量の保存則を解くことにより、速度と流量の関係を求めることができる。ただし、ここでも噴流の速度は衝突後もほとんど変わらないものとする上記式(5)の条件を用いる。

式(7)、(8)より

が得られる。

すなわち、噴流の交差角θが小さくなるほど上向きに吹き上がる噴流の流量ｍ_２は減少することから、アトマイズの安全運転という観点からは上記交差角θは小さい方がよいことが分かる。

実際の運転では図５に示すように、アトマイズ装置１の上部開口１ａから大量の空気Ｂが吸引され、上向きに吹き上げる流量ｍ_２（図４参照）を打ち消す条件で運転されている。

図中、Ｆ７およびＦ８は下向きＶ字形に噴射される高圧噴流を示し、Ｍはその高圧噴流が交差する中心Ｏに対して、図示しないタンディッシュから供給される溶鋼流を示している。

吸引されてアトマイズ装置１内を下向きに流れる空気Ｂの流速は、図６に示すように、中央部で速く、両端部では、アトマイズ装置１の内部壁面と開口部１ａの角部Ｃに生じる剥離渦の影響を受けて遅くなる。

そのため、噴流の両端部では上向きに吹き上げる流量ｍ_２を打ち消す作用が弱くなる。このような事情から、吹き上げは、まず、噴流両端部から発生する傾向がある。

そこで、本発明では、吹き上げが発生しやすい噴流の両端部Ｄでは、交差角θａを中央部の交差角θより小さくして上向きの吹き上げを防止し、溶湯が落下してアトマイズが行われる中央部Ｅでは交差角θを端部Ｄよりも大きくして噴流流れと液体金属の相対速度Ｕ_Ｒを大きくし、金属粒子の粒子径をより小さく微粒化できるようにしている。

なお、図６において、符号３は垂下された複数本の溶湯ノズルを示している。

このように、噴流両端部では交差角θａを小さく、中央部Ｅでは交差角θが大きくなるように交差角を連続的に変化させると、図７に示すような非平面の、両端側で下向きに湾曲した膜状の高圧噴流Ｆ７およびＦ８が得られる。交差角θとθａとの関係は図１１、１２にて説明する。

図８は上記非平面の高圧噴流（膜状流体）Ｆ７およびＦ８を実現するための噴射ノズル２を示したものである。

同図において、噴射ノズル２は棒状部材から構成され、その内部軸方向に、長さＬにわたって噴流を形成するための流路２ａが形成されている。なお、上記長さＬは噴流Ｆ７（Ｆ８）の幅と対応している。

上記流路２ａは絞り部２ｂ（図９参照）を介し、噴射ノズル２の胴部外壁に形成されたスリット２ｃと連通している。

上記スリット２ｃは、中央部Ｅ′については噴射ノズル２の中心軸Ｓと平行に形成され、両端部Ｄ′についてはそれぞれ噴射ノズル２の中心軸Ｓから徐々に遠ざかる方向に湾曲して形成されている。なお、本実施形態において中央部Ｅ′はスリット２ｃにおける直線部分を意味する。

また、中央部Ｅ′は図６の中央部Ｅと対応し、両端部Ｄ′は同じく両端部Ｄと対応している。

図９は図８のＰ−Ｐ′断面図であり、中央部Ｅ′におけるスリット２ｃの位置を示している。

図１０は図８のＮ−Ｎ′断面図であり、端部Ｄ′におけるスリット２ｃの位置を示している。

スリット２ｃは中央部Ｅ′においては直線に形成され、中央部Ｅ′から端部Ｄ′にかけては湾曲した曲線で形成されているため、両図に示すように、両端部Ｄ′における噴流吹き出し方向Ｇ′は、中央部Ｅ′における噴流吹き出し方向Ｇに比べて角度θｂ分変化している。

アトマイズ装置１において、噴射ノズル２は落下する溶湯の両側に一対配置されるようになっており、図１１において、上記中央部Ｅ′から噴射される噴流の交差角をθとし、図１２に示すように、両端部Ｄ′から噴射される噴流の交差角をθａとすると、θａ＜θとなる。

すなわち、各スリット２ｃ，２ｃから膜状に噴射される流体の、幅方向端部における交差角θａは、幅方向中央部におけるＶ字の交差角θよりも小さくなるように、上記各スリット２ｃ，２ｃの流体噴射角が変更されている。

それにより、図６に示したように、高圧噴流Ｆ７の交差角θａは小さいため、高圧噴流交差部の位置は高圧噴流の幅方向両端部Ｄにおいて深くなる。

一方、高圧噴流の中央部Ｅにおける高圧噴流Ｆ７の交差角θは大きいため、高圧噴流交差部の位置は高圧噴流の幅方向両端部Ｄに比べて浅くなる。

その結果、膜状に噴射される高圧噴流Ｆ７，Ｆ８の幅方向両端部Ｄについて噴流速度の低下を防止できるため、高圧噴流面の幅方向全体にわたって粒子を分裂させるのに十分な圧力を発生させることができる。

図１３は本発明のアトマイズ装置に使用できる別の噴射ノズル装置の構成を示したものであり、同図(ａ)は全体斜視図であり、同図(ｂ)は噴射ノズル装置を矢印Ｋ方向から見た側面図である。

両図に示す噴射ノズル装置は、連続するスリットから流体を膜状に噴射するのに代えて、独立したノズルを複数個配列し、各ノズルから噴射される流体が重なって膜状となるように構成されている。

詳しくは、同図に示す噴射ノズル装置はデスケーリングノズルを利用したものであり、平行に配置された第一のノズル列１０および第二のノズル列１１を有し、各ノズル列１０，１１はそれぞれ６つのノズルから構成され、各ノズル先端に超硬合金からなるノズルチップが設けられている。

一方のノズル列１０から個々に噴射される末広がり状の高圧噴流Ｆ_１〜Ｆ_６は、下方側で互いに重なり合い、全体として、図６に示した高圧噴流Ｆ７と同様に膜状の高圧噴流Ｆ７′を形成するようになっている。

また、他方のノズル列１１から個々に噴射される高圧噴流Ｆ_７〜Ｆ_１２も同様に重なり合って、図６に示した高圧噴流Ｆ８と同様に膜状の高圧噴流Ｆ８′を形成し、各高圧噴流はＶ字状に交差されるようになっている。

なお、高圧噴流Ｆ７′は図中、塗りを施していない部分であり、高圧噴流Ｆ８′は塗りを施した部分である。

上記構成からなる噴射ノズル装置においても、噴流両端部Ｄにおける交差角θａ＜噴流中央部Ｅにおける交差角θとなる、非平面、且つ噴射両端側で下向きに湾曲した高圧噴流を得ることができる。なお、図中、１０ａおよび１１ａは噴流両端部に配置されたノズルを示している。

また、本実施形態では溶湯を複数本、垂下されたノズルから流下する構成を示したが、これに限らず、図１４に示すように、スリット状の開口から溶湯Ｍ′を膜状に流下させるものであってもよい。

１アトマイズ装置
２噴射ノズル
２ａ流体流路
２ｂ絞り部
２ｃスリット
３溶湯ノズル
Ｃ開口角部
Ｄ端部
Ｅ中央部
Ｆ７，Ｆ８高圧噴流（膜状流体）
Ｓ中心軸

Claims

複数の噴射ノズルから流体を膜状流体にしてＶ字形に噴射し、その交差領域に金属の溶湯を流下してアトマイズを行うアトマイズ装置において、
上記噴射ノズルは、上記膜状流体の幅方向両端部における上記溶湯に対する上記膜状流体の交差角が、上記膜状流体の幅方向中央部における上記溶湯に対する上記膜状流体の交差角よりも小さい角度となるように、噴射角が上記膜状流体の幅方向において変更されていることを特徴とするアトマイズ装置。
上記噴射ノズルとして平行に配置された管状ノズルを有し、それらの管状ノズルの管軸方向に、上記膜状流体を噴射するスリットが形成されている請求項１記載のアトマイズ装置。
上記スリットは中央部が直線に形成され、その中央部から各端部にむけて湾曲する曲線に形成されている請求項２記載のアトマイズ装置。
上記噴射ノズルとして、平行に配置されたノズル列を有し、各ノズル列から一列に噴射される上記流体が上記膜状流体を形成するように構成されている請求項１記載のアトマイズ装置。
上記ノズル列の両端側に配置されるノズルの上記交差角が、上記ノズル列の中央部に配置されるノズルの上記交差角よりも小さい角度に調整されている請求項４記載のアトマイズ装置。