JP2703378B2 - 液体を好ましくは溶融物を微小噴霧化するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液体を、好ましくは溶融金属を噴霧化する
方法に係わり、この方法では、液体、好ましくは溶融金
属が、気体及び／又は液体から成る媒体噴流の中に混合
され、その結果として、前記液体が小さな粒子に分解さ
れ、即ち噴霧化が行われる。本発明は前記方法を実行す
るための手段にも係わる。

そうした噴霧化は、好ましくは気体又は液体から成る
水平方向又は鉛直方向の媒体流れの援助を介して、好ま
しくは、鋳混み箱又は他の液体溜めからの鉛直方向の流
出流れを分解させることにより引き起こされる。

気体又は液体の援助による液体の分解によって液体が
噴霧化される時には、ある程度の粒度間隔の範囲内で極
めて小さな粒子が得られるが、時として前記粒度間隔が
相当な程度になることがある。これらの公知の方法は殆
ど全てのタイプの液体に使用可能である。しかしこれら
の方法は主として溶融金属からの粉末の生成に適用さ
れ、この場合には気体、即ち窒素又はアルゴンが噴霧化
媒体として使用される。この方法で製造される粉末は、
不活性的に製造された粉末と呼ばれることが多く、また
その低酸素含量と及び球形形状とによって特徴付けられ
る。

不活性的に製造された粉末を使用する粉末や金プロセ
スは、粉末粒子の粒径及び／又はその粒度分布に関連す
る様々な問題に直面する。現在における応用物の多くで
は、前記不活性製造粉末のより微細な及び／又はより厳
密な分級物が望まれている。従来的には、そうした粉末
は、より粗大な分級物を篩い分けて取り除くことによっ
て得られるが、その結果として収量が低減することにな
る。一方そうした粉末は、極端な気体流れ及び圧力を用
いる噴霧化プロセスによっても得られる。そうした粉末
はその高コストのために限られた範囲でしか使用されな
い。

流出流れが１つ以上の気体噴流に衝突する溶融金属の
噴霧化の場合には、溶融物と気体との間の接触表面内の
溶融物表面上に不安定性が生じさせられ、この不安定性
は溶融物が薄膜の形で伸張することを引き起こす。これ
らの薄膜が一定の厚さに達すると、これらの薄膜はその
溶融物の表面張力のために糸状の断片になり、更に、最
小限度の表面エネルギーを持つ形状に、即ち球形形状を
帯びる幾つかの細片へと捩じ切られるだろう。

気体への熱放射と及び熱対流散逸とによって、これら
の球形液滴は極めて急速に粉末粒子へと凝固する。

噴霧化プロセスにおいて一定の容積の要素内で形成さ
れる粒子の粒径は、幾つかのパラメータによる影響を受
ける。噴霧化プロセスの幾何学的設計に加えて、溶融物
の表面張力並びに噴霧化媒体の密度及び速度とが、最も
影響力の大きいパラメータである。

所与の溶融物の表面張力又は密度と、噴霧化ノズル及
び噴霧化倍第とに対して影響を及ぼすことは困難であ
り、従って、噴霧化媒体の速度を用いて粒径に影響を及
ぼすことか最も容易である。従って確立した噴霧化プロ
セスの大半では、噴霧化媒体の高圧圧力によって、また
気体媒体の場合にはLaval型の噴霧化ノズルによって噴
霧化媒体の高速度が実現される。しかし気体状の噴霧化
媒体の速度は、ノズルから出た後に来わめて急速に減少
し、その結果として、媒体が最大速度である領域の内で
は、普通は僅かな割合の噴霧化プロセスだけしか起こら
ない。

場合によっては噴霧化媒体の速度がその最大速度の10
％まで減少する、ノズルから更に離れた領域内では、溶
融物の幾分かの部分が分解されて粒子になるだろう。こ
れによって、最小の粒子から最大の粒子の間で幅広い広
がりを持つ粗大粒子が与えられる。

別の問題は、噴霧化媒体に液体を「捕捉」させること
が困難であるということであり、従って前記液体の大部
分が有効な噴霧化領域の外側を通過し、その結果として
噴霧化の効率が低くなるということである。

本発明による方法は、前述の諸問題点と及びそれらに
関連する諸問題点との解決策を提供することを目的とす
る。

本発明による方法は、液体／溶融物と媒体との間の接
触表面を著しく増大させ、同時に噴霧化プロセスにとっ
て有益な著しく増大された乱流を発生させ、従って前記
液体を媒体中に効率良く分散させ、それによって前記液
体を小さな粒子に分解させる、即ち噴霧化を効果的に実
行するために、吹き出しノズルの付近で、即ち媒体噴流
がまだ高速である時に、前記媒体噴流を広げるように１
つの障壁が作用させられることを特徴とする。

従ってこれは、溶融物と噴霧化媒体との接触領域にお
いて得られる分散／噴霧化にとって好適な強い乱流を発
生させると同時に、溶融物と噴霧化媒体との間の接触表
面を大きく増大させることによって実現される。

更に、媒体気体の大部分が噴霧化プロセスに関与し且
つ噴霧化媒体の速度がまだ高速であるノズル付近の場所
で、噴霧化プロセスが生じる。それによって高い効率が
得られる。

従ってこの方法は、平均粒径の著しい縮小及び粒度分
布範囲の縮小を低コストで実現することを可能にする。

前記障壁は、例えば水で冷却されることが可能な固体
物体から成ってもよく、又は混合噴流に対して熱的及び
化学的に耐久性のある材料で作られた固体物体から成っ
てもよい。又、前記障壁は、気体及び／又は流体から成
る対向方向の媒体流れによって形成されてもよく、即ち
この場合には、前記障壁は、混合流とその対向方向の媒
体噴流との間の境界／接触表面を成す。

本発明の方法は鉛直方向の及び水平方向の噴霧化プロ
セスの両方に適用可能である。適切な障壁を選択するこ
とによって、更に高い融点を持つ鋼溶融物又は鋼合金を
噴霧化させることさえ可能である。

本発明は前記方法を実行する手段にも係わり、この手
段の特徴は添付の請求の中で定義される。

媒体流れ又は対向媒体流れのための媒体は、水、液化
気体のような他の何らかの液体、又は窒素もしくはアル
ゴンのような１つの気体もしくはそれらの気体の混合物
であってもよい。この代わりに、前記障壁は静止したプ
レートもしくは回転するプレートから成ってもよく、
又、吹き込まれる前記気体は、回転させられることが可
能である。

本発明の方法及び手段の両方は、次のような添付図面
を参照して更に詳細に説明される。

第１図は本発明による方法を実行するための手段の示
す図、第2a図は気体障壁を使用する実際の噴霧化プロセ
スを示す図、第2b図は前記障壁を発生させるノズルの実
施例の１つを示す図、第３図は前記障壁の別の実施例を
示す図、第４図は本発明の方法を実行するための別の手
段を示す図、第5a図は気体障壁を使用する第４図の装置
に対応する噴霧化プロセスを示す俯瞰図、第5b図は障壁
を作るノズルの詳細と共に第４図の装置の噴霧化プロセ
スを示す側面図、及び、第６図は更に別の噴霧化プロセ
スを示す図である。

第１図では、溶融金属のための鋳込み箱２を有する鉛
直方向噴霧化チャンバ１が示されている。媒体（気体及
び／又は流体）が気体冷却器３および圧縮機４を経由し
てチャンバ１内のノズルに給送される。噴霧化された粉
末がチャンバ１から管システムを経由して処理及び分離
のためのサイクロン５に運ばれる。不活性気体で満たさ
れた噴霧化チャンバ１の中に鉛直方向に下向きに流れる
好ましくは循環性の流出流れ５の形で、溶融金属、例え
ば溶融鋼が、前記鋳込み箱２（第2a図）の底部内の流出
装置を通して鋳込み箱２から流出される。前記チャンバ
の上部には、下向きに流れる流出流れの周囲に、１つの
環形ノズル又は幾つかの小型ノズルから成る気体ノズル
７が備えられる。１つの又は複数のノズル７が前記流出
流れの周囲に環形の気体カーテン９を作り出し、この気
体カーテン９は、ノズル７から幾らか離れて前記流出流
れと鋭角的に衝突する。前記気体が前記流出流れと衝突
する時には、その流出流れは分解されてその気体流れに
随伴する。本発明の障壁10はこの衝突位置の下側に適切
な距離を置いて配置される。

障壁10は、鋼のような高い融点を持つ金属から又は好
ましくは気体障壁11から成る。この気体障壁は、前記ノ
ズルからの下側に適切な距離を置いて、好ましくは前記
流出流れ及び前記気体カーテンと同一の中心線の中に、
気体及び／又は流体噴流を上向きに方向付けることによ
って作り出され、即ち好ましくはこの第２の噴流は、溶
融物13の分断片をその中心部分に含む第１の噴流９−６
に向かって進むように方向付けられる。

前記２つの噴流が互いに衝突する時には、その速度は
衝突領域では減少し、従ってその圧力が増大する。圧力
の増大の故にその気体が半径方向で外に膨張し、その結
果としてその速度が再び増大する。前記２つの噴流の運
動エネルギーが等しいならば、その結果として生じる方
向は実質的に半径方向であり、即ち前記２つの噴流の方
向に対して垂直であるだろう。第１噴流の中心部分内の
溶融物13は、前記衝突領域内で進路を変更し、半径方向
に膨張する気体に随伴し、従って効率の良い噴霧化が実
現されるだろう。

前記対向方向噴流の運動エネルギーが、前記第１噴流
の運動エネルギーよりも小さいか又は大きいように選択
されるならば、噴霧化プロセスは更に改善される。この
場合には、前記膨張気体は、放物線形状に近似した湾曲
した進路を採ることだろう（第2a図）。前記膨張気体に
随伴させられる溶融物殆分断片が絶えず方向を変更する
ように強いられ、従って前記気体により多く曝されるが
故に、噴霧化プロセスが改善される。

前記対向方向の気体噴流の運動エネルギーが、前記１
噴流の運動エネルギーよりも小さいように選択されるこ
とが有利であり、それによって上記の効果が得られ、一
方、気体／粒子混合物の全体的方向な斜めに下向きにな
るだろう。運動エネルギーのこの比率が逆になれば、前
記全体的流れは斜めに上向きになるだろう。

前記対向方向噴流の運動エネルギーは、前記第１噴流
の運動エネルギーの10〜1000％、好ましくは30〜60％で
あってよい。この実施例では、第2b図に示されるよう
に、その障壁は、障壁噴流のための中心ノズル14を１つ
以上有するノズルから得られることが可能である。これ
らのノズルに加えて、液体（溶融物）が障壁ノズルの望
ましくない部分と接触することを防ぐために、補助ノズ
ル15が配置されてもよい。

混合噴流に対し直角に配置され且つこの混合噴流と同
一の中心線を有する円形プレートのような固体物体から
前記障壁が成る場合にも、上記の効果と同様の効果が得
られる（第３図参照）。従って気体の圧縮がこのプレー
ト16に衝突して発生し、その後に外に向かって半径方向
に生じる膨張が、溶融物の薄膜を引っ張って行くだろ
う。この溶融物の薄膜が前記プレートの縁部に到達する
時に、この薄膜は上記のプロセスと同様なプロセスによ
って粒子に分解されるだろう。前記障壁を構成する物体
は、例えば水流路17によって、下側から適切は方法で冷
却されても冷却されなくてもよい。

前記物体が冷却されない場合には、この物体は、高温
の溶融物及び気体に対し熱的及び化学的に耐久性のある
材料で作られるべきである。前記物体が冷却される場合
には、高温の溶融物に対する保護層が、前記プレートに
最隣接して金属を凝固させることによって形成される。

前記障壁は、溶融物13と混合されている気体噴流部分
の横断面と合同の幾何学的形状を持つことが好ましい。
その障壁の大きさは、溶融物と混合されている気体流れ
部分のその衝突位置における横断面と等しいか、又は前
記横断面の20倍までの大きさ、好ましくは４〜10倍の大
きさである。

第３図に示されるような、次第に溶融されて噴霧化粉
末（図示されない）に含まれていく固体障壁が使用され
てもよい。

気体がノズルから外に出て流れる又はノズル表面縁部
上を流れる上記の方法及び手段を用いる場合には、第２
の流れ（乱流）が流動気体と静止気体との境界に発生す
るだろう。高い融点を持つ液体が噴霧化されている時に
は、この乱流によって、溶融粒子が接合することが望ま
しくないノズル及び他の表面の上に、溶融粒子が引き込
まれ且つ堅固に接合されることが引き起こされる。障壁
を成す物体に対する又は気体障壁を作るノズルに対する
そうした悪影響を防止するために、臨界区域において乱
流を排除し且つ従って溶融粒子が接合されることを防ぐ
目的で、これらの物体又はノズルの適切な位置に補助ノ
ズルが備えられる。これらの補助ノズルは、第2b図の15
に又は第３図の18に示される。

第４図は、噴霧化チャンバ19及びサイクロン20を有す
る水平方向噴霧化装置を示す。この噴霧化装置は、好ま
しくは一定の超過圧力に保たれる密閉システムから成る
（第１図及び第４図参照）。例えばこの超過圧力は500m
m水柱であってよく、従って空気の侵入が防止される。
前述のように鋳込み箱２が箱（1,19）の一方の端部に配
置されている。第5a図及び第5b図は、第４図に示される
装置において行われるように噴霧化を示す。媒体22が、
ノズル21（例えば細長い溝穴の形のノズル、又は一列の
小さなノズル）から流出流れ23に向かって流れる。その
後で、このようにして得られる混合流れが障壁25（固体
障壁、又は１つ以上のノズルによって作られる障壁）に
衝突し、それによって流れは偏向され、その結果として
良好な噴霧化を生じされる。第5b図では、補助ノズル
が、１つの溝穴形ノズル26及び幾つかの別々の小さなノ
ズル27して配置される。ノズル26が単独で障壁自体を作
り出してもよい。

気体又は流体の２つの噴流が所定の角度で互いに衝突
する時に生じる流動現象が、第5a図及び第5b図における
混合噴流24を作り出すために利用される。

所定の角度で互いに衝突する２つの媒体噴流の間の交
差点において又はその直前において、前記角度の大きさ
に基づいて噴霧化プロセスを大きく又は小さく支配す
る、流動現象が発生することが知られている。例えば５
゜未満のような小さな角度では、前記交差点の直前の低
圧力に起因するインゼクタ作用が支配的特性であり、一
方、例えば120゜のような大きな角度では、媒体噴流の
流れの主要方向に対して逆方向の媒体の流れが生じる。

媒体の逆方向の流れが生じるように、及び近距離内で
は前記インゼクタ作用によってこの逆方向の媒体流れが
媒体噴流の中に引き戻されるように、２つの媒体噴流2
2,22の間の角度を選択することによって、上記の現象の
両方が利用されることが可能である。その結果として、
明確に限定された方向はないが、戻り媒体と引き込まれ
る媒体との間の絶え間のない交換を伴って２つの渦が渦
巻く区域が、前記交差点の前方に性されることになるだ
ろう。前記角度を変化させることは、この区域の範囲を
拡大又は縮小させるだろう。前記２つの媒体噴流の間の
角度は０〜60゜であってよいが、しかし５〜20゜である
ことが好ましい。

その幅に比べて鉛直方向に大きく伸張し且つ水平平面
内において互いに所定の角度を成す平行な２つの水平方
向の媒体噴流を、鉛直方向噴霧化装置内に与えるよう
に、ノズル21,21が配置されてもよい。従って上記の区
域が形成されるだろう。流出流れ23は頂部から、ノズル
の全高に沿って形成された鉛直区域の中へと流れ落ちる
だろう。この流出流れはその落下途上で連続的に分解さ
れ、通過する噴霧化媒体の中に混合されるだろう。

１つの方向に大きな長さを有する媒体噴流が、溝穴形
のノズルによって、又は例えば一列に互いに近接して配
置されるような幾つかの円形ノズルによって得られるこ
とが可能である。優勢な圧力及び使用される媒体に応じ
て、媒体噴流のためのノズルは、低圧力条件又は過臨界
圧力条件（Laval ノズル）に適するように設計されるこ
とが可能である。

溶融物の流れが媒体ノズルの吐出容量に適正に合わせ
られる時には、混合、即ち部分的噴霧化が前記ノズルの
全高に沿って生じるだろう。

上記のノズル21の配置の利点は、媒体の中へ液体をよ
り均質に混合すること（部分的噴霧化）が実現され、そ
の結果として、障壁の通過後の時点でさえより限定され
た範囲の粒子分級物が得られるということである。この
ノズル配置21は障壁を用いずに完全な噴霧化のために使
用されることも可能であり、それによって、狭い粒度間
隔の範囲内の、しかしより大きな平均粒径の粒子が作ら
れることが可能である。

第６図は、本発明による方法及び手段の別の実施例を
示す。電気アーム30が２つの電極28,29の間に配置され
る。媒体流れ31（気体及び／又は流体）が前記電気アー
クに向かって方向付けられ、また反対方向32からの媒体
噴流が障壁として働く。前記電気アーム内に形成される
液体35の効率的な噴霧化が得られる。

この場合には、噴霧化されるべき液体は、少なくとも
１つの電極29から得られる。しかしそうした液体は、同
様の仕方でレーザ又はその類似物（図示されていない）
によって溶融される固体からも得られることが可能であ
る。第６図の電極の給送又はレーザの供給はフィーダ34
によって行われる。第１媒体と障壁媒体との両方のため
のノズルは環形であってもよく、又は、幾つかの小さな
ノズルから成ってもよい。第６図による方法は、前述の
噴霧化チャンバと同様のチャンバ（図示されていない）
の中で行われることが好ましい。

噴霧化において形成される粒子は、前記チャンバの他
方の端部に向かう気体噴流の中に引き込まれるが、前記
チャンバの前記端部に到達する以前に、噴流気体への熱
放射及び対流熱散逸のために、これらの粒子は粉末へと
凝固し終えているのであろう。出口が前記シャンバ内に
好ましくはその端部に配置され、この出口に向かって気
体／粉末混合物が流動する。

前記チャンバは管によって前記出口からサイクロンに
接続され、このサイクロン内で前記気体及び粉末が分離
される。この分離の後に、噴霧化ノズルと再循環させる
ために、前記気体が気体冷却器を経由して圧縮機に送ら
れてもよい。このシステムは、必要な他のバルブ、冷却
装置、並びに気体圧力、温度及び様々な媒体流れを調整
するための制御手段等を含む。

上記の手段及び方法は、本請求の範囲内で様々な仕方
で変更されることが可能である。

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体好ましくは溶融金属が、気体及び／又
   は液体から成る媒体噴流（9,22,31）の中に混合され、
   その結果として前記液体が小さな粒子に分解され即ち噴
   霧化が得られる、液体好ましくは溶融金属を噴霧化する
   方法であって、分解された液体を含む媒体噴流を高速で
   障壁に対して吹き付けるステップを含み、前記障壁（1
   0,25,32）は、前記液体及び前記媒体からなる前記噴流
   に対して実質的に対向方向に且つ前記噴流に向かって進
   むように方向づけられる気体及び／又は流体の流れ（1
   1）によって形成され、前記媒体噴流及び細かな粒子が
   前記障壁の周囲に拡散し、このようにして前記媒体噴流
   と前記流体との間の接触表面を増加させ、双方の混合を
   増加させ、拡散させた後に、前記障壁の下流で前記分解
   された液体を細かな粉末に固体化させる溶融金属の噴霧
   化の方法。
2. 【請求項２】前記液体（13）を含む媒体噴流（混合噴
   流）部分が障壁（11）と衝突する位置における前記混合
   噴流部分の横断面と合同の幾何学的形状を持つ障壁（1
   1）が使用され、また前記障壁が、前記横断面と等しい
   か又は前記横断面の20倍までの大きさの、好ましくは４
   〜10倍の大きさの長手方向の寸法を与えられる請求の範
   囲第１項に記載の溶融金属の噴霧化の方法。
3. 【請求項３】前記障壁を形成する前記気体及び／又は液
   体の流れが１つ以上のノズルによって生じさせられ、ま
   た前記障壁形成の気体及び／又は液体の運動エネルギー
   が、前記媒体噴流の運動エネルギーの10〜1000％、好ま
   しくは30〜60％である請求の範囲第１項又は第２項に記
   載の溶融金属の噴霧化の方法。
4. 【請求項４】前記液体／溶融物が前記気体ノズルの望ま
   しくない部分と接触することを防ぐ補助ノズル（15,26,
   27）が、前記気体及び／又は液体用の前記ノズルに備え
   られている請求の範囲第３項に記載の溶融金属の噴霧化
   の方法。
5. 【請求項５】液体が金属又は金属合金（28）に対してエ
   ネルギーを供給することによって生じさせられ、混合噴
   流を得るために媒体（31）が前記液体（35）に供給さ
   れ、また前記混合噴流が、前記混合噴流に対して対向方
   向に流動する媒体噴流（32）の形の障壁に向って進むよ
   うに方向付けられる請求の範囲第１項から第４項のいず
   れか一項に記載の溶融金属の噴霧化の方法。
6. 【請求項６】前記エネルギーが電気アーク、レーザ又は
   その類似物によって生じさせられる請求の範囲第５項に
   記載の溶融金属の噴霧化の方法。
7. 【請求項７】溶融金属のような液体のための鋳込み箱
   （２）と、前記鋳込み箱又は他の液体溜め（35）からの
   流出流れ（6,23）に衝突するように設計されている媒体
   噴流用ノズル（7,21）とから成り、更に、前記液体−媒
   体混合噴流の進路内に配置され且つ前記液体／溶融物と
   前記媒体との間に著しく増大された接触表面を実現して
   前記媒体中に前記液体を効率的に分散させ、それによっ
   て効果的な噴霧化を行うように意図される、１つの対向
   方向の媒体噴流の形の１つの障壁をも含み、前記障壁
   が、前記混合噴流に対し対向方向に方向付けられる１つ
   以上のノズル（12）によって形成されている溶融金属噴
   霧化手段。
8. 【請求項８】前記液体が前記気体ノズルの望ましくない
   部分と接触することを防ぐ補助ノズル（15,26,27）も、
   前記障壁に備えられている請求の範囲第７項に記載の溶
   融金属噴霧化手段。
9. 【請求項９】金属又は金属合金がワイヤ、棒又は粉末
   （28,29）の形で供給されるように配置され、レーザ、
   電気アーク（30）又はその類似物の形のエネルギーが、
   前記金属／合金を溶融するために前記金属／合金に対し
   供給されるように配置され、このようにして形成される
   液体（35）が前記媒体噴流（31）の作用を受けるように
   配置されており、またこうして生じさせられる混合噴流
   が、前記液体を効率的に噴霧化することを目的として、
   対向方向の媒体噴流（32）の形の障壁の作用を受けるよ
   うに配置されている請求の範囲第７項又は第８項に記載
   の溶融金属噴霧化手段。