JP3676377B2 - 溶融材料の急冷 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は微細に分かれた形態で製造される溶融材料に関する。本発明は、詳細には、特に本質的にセラミックであるような微細に分かれた溶融材料を作る方法に関する。
【０００２】
溶融状態で製造された材料は急冷作業によってより処理しやすい温度まで下げられることが最も好適であることが従来技術において周知となっている。これがメルト（溶融物）を水に流し込むことによってなされてもよいが、メルトを水に流し込むことは非常に多量の水蒸気を生じさせ、非常に多量の水を必要とする。加えて、水が不純物や望まない反応の源になることがある。この問題に対抗するために、鋼球のような冷却手段の上又は厚い鋼板の間の空洞の中へ溶融材料を滴下することが提案されている。鋼球上に滴下された材料の場合、冷却手段からの生成物の分離という引き続く問題がある。溶融材料が鋼板の間に滴下されたときには、鋼板は劣化し、頻繁な間隔で交換される必要がある。空気急冷法又は水急冷法は、これらの問題両方を解決するが、粉砕して、研磨工業で必要とされる全範囲の研磨粒子サイズを提供するような大きさにすることができる粗製材料を提供することはできないという制限を有する。
【０００３】
しかしながら、セラミック材料及び耐火材料に好適な方法は溶融材料を空気冷却することである。この方法においては、溶融物の流れが高速な冷たい空気の流れの中に噴射される。乱流が溶融物の流れを小滴に分断し、次にこの小滴が空気によって冷却され、最初は外殻が小滴の周りに形成されその厚さが小滴全体が凝固するまで増加していく。この機構に頼っている方法が米国特許第３８３１８５７号明細書、同第４８９７１１１号明細書（空気の代わりに乱流中に液化した気体を使用している）、英国特許第１４７８０８７号明細書（不活性気体空気を使用している）に開示されている。
【０００４】
接触した小滴／粒子の間に外殻を破って融合を引き起こすことがある粒子間接触に耐えるのに十分なほどに強くなるまでには、小滴／粒子は４．５７２メートル（１５フィート）ほど進む必要があると見積もられているので、このタイプの方法もまた問題を有していないわけではない。加えて、この方法は堆積及び汚染の問題を提起する多量の埃を生じる。
【０００５】
本願により発明された新規の方法においては、溶融セラミックが最小の埃の発生しか伴わずに急速に凝固され、相対的に均一な球状粒子を得ることができる。この方法は、ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、アルミナ、アルミナ／ジルコニア、マグネシア及び同種のものを含む幅広い種類のセラミックの製造に適用されることができる。
【０００６】
発明の概要説明
本発明は、溶融物の流れが分散されて小滴の流れにされ、この小滴が流体の流れに同伴されて冷たくなるような、温度及び流速で、溶融セラミックの流れを乱流状態の流体の流れの中に送ることを含む、溶融セラミック材料を急冷する方法を提供する。冷却された小滴が次にさらに冷却されて流体から分離される。この分離が好ましくはサイクロン分離器で行われ、サイクロン分離器の側部に対して接線方向に流れが導入され、流れる。
【０００７】
好適な方法においては、流体の流れは水滴又は空気に同伴された水滴からなるけれども、空気のみからなる流体の流れを用いることも可能である。しかしながら、水滴は溶融セラミック小滴の効果的な冷却に大いに寄与するので、水が存在することは非常に好ましいことである。窒素及び二酸化酸素のような他の気体が空気の代わりに代用されるとができることがさらに予想される。しかしながら、費用及び入手可能性の点での空気の明らかな利点が、通常は、空気を好適な選択としている。
【０００８】
本発明の好適な実施例においては、空気又は空気と水の混合体が、円弧の凹面側が上方を向いた状態の円弧状スリットを通して噴射される。流体の流れの速度は、同伴される溶融材料が、そこに沿って溶融材料が搬送される一種の通路を形成している流体の流れを通り抜けることができないような速度である。
【０００９】
サイクロン分離器は鉛直方向に向いた漏斗形状の管を備え、接線方向の流入口が漏斗の上部部分に配置され且つ出口が漏斗の下端部に配置されている。流れが流入口を通って導入され、出口を通って出るまで螺旋状にサイクロン分離器の内壁の周りを下方に流れる。この方法では、空気及び水蒸気（流れが水を含んでいる場合に、溶融セラミックの冷却の間に発生される）がサイクロン分離器の上端部を通して逃がされる。凝固した小滴と、水が流体の流れ中に含まれている場合の蒸発していない水とが、サイクロン分離器の底部にて外に出て、分離される。次にその粒子が乾燥させられる。
【００１０】
装置の構造的な完全性を経時的に損ないうる振動作用を引き起こすことがある渦巻き型の流れを乱すために、サイクロン分離器の内側にじゃま板を設けることが望まれることも多い。
【００１１】
サイクロン分離器の上部に通気装置を備えることができるが、多くの場合には、噴射口の上に長さが十分に大きければ、深刻な問題を伴なうこともなく、上部が開放したままとすることができる。
【００１２】
サイクロン分離器で起こる熱伝導のために、サイクロンの少なくとも一部分が回収した熱を吸収するために冷却ジャケットを具備するようにさせることが望まれることも多い。本方法の噴射段階において水が使用される場合には、生成物が湿った状態で得られ、生成物が袋に入れられて輸送されことができるようになる前に、生成物は乾燥作業を必要とする。しかしながら、このような環境では、回収された粒子が独立した乾燥段階の必要なしで乾燥するに十分な熱を維持できるようにすることが可能となるであろう。このような場合には、単に物理的に水気を切って粒子をコンベア輸送装置上に薄い層にして風乾させることによって、乾燥を行うことができる。
【００１３】
本発明は、出来る限り微細な結晶状態になることが求められる溶融材料の製造に特に効果的に適用される。本発明は、酸化雰囲気における急冷が最終生成物中の窒化物及び炭素化合物の量を減らす、ジルコニア耐火材料の製造と関連して、特有の効用を有する。耐火産業においては、十分に酸化された生成物が有利であると考えられている。本発明はさらにアルミナ／ジルコニア研磨材料の急冷に適用されることができ、アルミナ／ジルコニア研磨材料においては、急速な凝固がジルコニアの正方晶形態を安定化する傾向があり、このことは研磨特性に有利に作用すると考えられている。加えて、流れの乱れを制御することによって、直接又はさらに粉砕又は大きさを合わせることで研磨材料として使用され得る種々の大きさの分布の粒子を得ることが可能となる。
【００１４】
好適な実施例の説明
次に、添付の図面に記載される装置を特に参照して本発明を説明する。
図１において、炉１が溶融セラミック材料を作るために使用されている。溶融材料は炉から噴出口２を通ってサイクロン６の入口４へと通過する。溶融物の流れが噴流噴射口３を通る空気、水、又は空気と水の混合体の流れに同伴される。特別な冷却水がサイクロン分離器６への入口４の口部分の円環５を通して加えられてもよい。噴流噴射口３は高圧で作動して、噴出口２とサイクロン６への入口の口部分との間で溶融物の流れを効果的に微細な小滴に分散させる乱流帯を作りだし、この微細な小滴は、サイクロンに入るときには凝固させられ冷却されている。溶融材料がサイクロン６に入る地点の上方の拡張部分７は作動中にサイクロンから粒子が漏れ出ることを防止している。
【００１５】
より均一な冷却を確実にするため且つ起こり得る振動を減らすために、サイクロン６がじゃま板（図示されていない）を具備してもよい。流れはサイクロン６を出ると、固形粒子を収集するように設計された分離装置９に堆積し、セラミック材料が分離装置からコンベア収集装置１０上に置かれる。
【００１６】
サイクロン６の手前にさらなる冷却装置を配置することが可能であり、これは多くの場合有利であるが、冷却装置を配置することにより、サイクロン６へ入る前に全ての溶融物が凝固させられて、サイクロン６が次にさらに冷却して最終的にセラミック生成物から水分を分離するようになる。このようなさらなる冷却装置の一つの例は「水筒（ウォーターキャノン）」であり、このような装置を備える装置の例が図３に示されている。溶融物が、炉１から噴出口２を通って、複数の水リング１５を備える水筒管１４の長さの方向に向けられた噴霧ノズル３からの流体の流れの中へ注がれており、水リング１５の環状噴射口が水筒管１４の中へ向けられ且つ水筒管１４の長さ方向に対して角度をつけられている。蒸気爆発につながることがある水リングに接触する溶融物の蓄積を防止するために、各水リングには水リングの前方にじゃま板が設けられている。水筒の出口がサイクロン６への入口に配置されている。
【００１７】
この装置の利点は必要であればより大量の冷却水を使用することができることである。さらに、それぞれが遮断器を有する多数の冷却用リングを有する水筒を設計することによって、使用される水の量を注意深く制御することができる。水筒がサイクロン６から外される又はサイクロン６に取り付けられることができる。
【００１８】
本装置が、もっぱら水によって、もっぱら空気によって、あるいは二つの混合体によって流体の流れが提供されるように、作動され得る。一つの特定の好適な実施例においては、空気と水の混合体が、６２０．５５ｋＰａ（９０ｐｓｉ）の空気に半分開口している一インチパイプを通して約２７５．８ｋＰａ（約４０ｐｓｉ）で水を添加することで供給される。この構成で得られる生成物は、イットリア安定化ジルコニア（イットリアの重量の約５％まで）であるが、１００メッシュより微細なものはなく、大部分は６．３５ミリ粗粒からなっていた。
【００１９】
概ね、水による霧化（空気使用なし）は、４０メッシュのふるいより小さいものがわずかに含む大きな粒子を生成した。空気だけの使用はさらに微細な分布を生成し、水と空気との組み合わせは中間的な大きさの粒子分布を生成した。しかしながら、一般的には、噴流噴射口３を通る霧化用流体の流れの速度が高いほど、より霧化され、より小さな粒子が得られる。期待された通り、溶融セラミックの流れもまた粒子の粗さに影響を与え、任意の所定の霧化用流体の流速において、より高い流速がより粗い生成物と関連していた。
【００２０】
前記装置の有効性が酸化マグネシウム５％とアルミナ９５％とからなるスピネル材料を使用して評価された。６８９．５ｋＰａ（１００ｐｓｉ）で水が噴流噴射口を通して噴射され、水を３１０．２７５ｋＰａ（４５ｐｓｉ）で環状噴射口を通すことによって水膜が作りだされた。こうして、４０メッシュのふるいを通り抜けるのは重量で３％以下である粗い生成物が生成された。
【００２１】
空気が噴流噴射口を通して同じ水膜を通って５５１．６ｋＰａ（８０ｐｓｉ）で送られると、もっと微細な粒子の大きさの生成物が得られた。
アルミナ１０％とシリカ５％とジルコニア８５％からなるセラミックを使用し、環状噴射口を通して水を噴射し噴流噴射口を通して空気だけを噴射すると、生成物の重量の９９．７８％が７０メッシュのふるい上に残り、重量の９０．６％が３０メッシュのふるい上に残った。重量の４２．２８％だけが１２メッシュのふるいよりも粗かった。
【００２２】
同じセラミック原料を使用するが、水の環状噴射口が閉じられ、空気と水の混合体が噴流ジェットを通して供給されると、類似の型式が観察され、重量の９９．７９％が７０メッシュのふるいに残り、約４０．４７％が１２メッシュよりも粗かった。
【００２３】
噴流噴射口において空気だけを使用し、水の環状噴射口を使用しないと、粒子の大きさの分布は多少微細になり、重量の９１．２％だけが７０メッシュのふるいに残り、５９．７５％が３０メッシュのふるいに残り、重量の１９．１７％だけが１２メッシュのふるいよりも粗かった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の線図的な垂直方向断面図を示す。
【図２】図１に示される装置のサイクロン部分の上方からの図を示す。
【図３】水筒（ウォターキャノン）を使用した本発明の代替実施例を示す。

Claims (6)

1. 溶融セラミックの流れを少なくとも一つの流体から構成される乱流状態の流体の流れの中に送出して、溶融セラミックの流れを分散させ小滴の流れにし、該小滴を流体の流れに同伴させて水膜を通し、凝固した粒子にさせ、少なくとも一部に熱を吸収させるための冷却ジャケットを備えたサイクロンへ前記粒子を搬送し、該粒子を前記サイクロの側部に対して接線方向に流入させて冷却するようにすることを含む、溶融セラミック材料を急冷する方法。
2. 前記セラミック材料が、マグネシア、アルミナ、ジルコニア、アルミナ／ジルコニア混合物、及び、少ない比率のイットリア、シリカ、マグネシア及びその混合物で変更されたアルミナ又はジルコニアから構成されるグループから選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記乱流状態の流体の流れが、空気、水、及び、空気と水の混合物から構成されるグループから選択される、請求項１に記載の方法。
4. 前記乱流状態の流体の流れが水筒の口部分へ噴射される、請求項１に記載の方法。
5. 流体とセラミック粒子の混合体の流れを乱すために、前記サイクロンが内側にじゃま板を備える、請求項１に記載の方法。
6. 前記セラミック粒子が前記サイクロンを出る際、前記セラミック粒子を実質的に乾燥状態にするために別な熱の適用が不要となるほど十分な熱を保持しているように、前記サイクロンの温度が制御されている、請求項１に記載の方法。

Images