JP3783816B2

JP3783816B2 - 鉄粉の改質方法

Info

Publication number: JP3783816B2
Application number: JP00264098A
Authority: JP
Inventors: 誠永島; 京博森; 賢一井上; 俊昭野田; 克人枝澤
Original assignee: 大同エアプロダクツ・エレクトロニクス株式会社
Priority date: 1998-01-08
Filing date: 1998-01-08
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2018-01-08
Also published as: JPH11199901A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、常温，常圧で粉塵爆発を生起しやすい鉄粉を爆発しにくく改質する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄（Ｆｅ）は、鋳鉄，錬鉄，鋼等の材料として重要な金属であり、粉体状で取り扱われることが多い。例えば、鋳鉄材料として用いられる外、合金材料として他の金属との焼結に用いられたり、他の物質との化学反応や、そのまま触媒や処理剤として用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記鉄粉は、常温，常圧下において、酸素濃度が１５容積％（以下「％」と略す）以上で、何らかのスパークが生じると爆発を生じるおそれがあるため、取り扱い時の酸素濃度や温度管理等を厳重に制御する必要がある。そこで、鉄粉の粉塵爆発限界となる酸素濃度（それ以上の濃度になると粉塵爆発を生起する限界の酸素濃度）を高めて粉塵爆発を生起しにくくする技術の開発が望まれているが、未だ実用化していないのが実情である。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、鉄粉の粉塵爆発限界となる酸素濃度を高めて粉塵爆発を生起しにくくする鉄粉の改質方法の提供をその目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、平均粒径が１０〜１０００μｍの鉄粉を、鉄粉濃度１００００ｇ／ｍ ³ 以下、酸素濃度２１容積％以下において鉄粉の粉塵爆発が生じないようにする改質方法であって、上記鉄粉を、処理筒の内容積に対し３０〜５０％の割合となるよう処理筒内に充填し、フッ素系ガスを０．１〜２．０容積％含有する処理ガスを、線速度（０℃、１ａｔｍ）２．０〜１０ｃｍ／秒で処理筒内に導入し、上記鉄粉と処理ガスとを、１５０〜５００℃の加熱条件下で流動接触させ、鉄粉表面をフッ化処理するようにした鉄粉の改質方法を要旨とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
【０００７】
まず、本発明が対象とする鉄粉は、通常、「鉄粉」として取り扱われているものであれば、どのようなものであっても差し支えはない。ただし、その形状は、平均粒径が１０〜１０００μｍの粉体でなければならず、特に平均粒径が１００μｍ前後の粉体であることが望ましい。すなわち、平均粒径が１０μｍ未満のもの、および平均粒径が１０００μｍを超えるものは、安定した流動層を形成し難いからである。
【０００８】
また、本発明において、上記鉄粉の処理のために用いられる処理ガスは、フッ素系ガスを、Ｎ₂，Ａｒ，Ｎｅ等の希釈ガスで所定濃度に希釈したものである。上記フッ素系ガスとしては、ＮＦ₃，ＢＦ₃，ＣＦ₃，ＳＦ₆，ＣｌＦ₃，ＢｒＦ₃等のフッ素化合物ガスや、Ｆ₂ガスがあげられ、単独で、あるいは２種以上を併用して用いられる。これらのなかでも、反応性、取り扱い性等の面で、特にＮＦ₃ガスを用いることが好適である。
【０００９】
上記処理ガスにおけるフッ素系ガスの濃度は、０．１〜２．０％に設定しなければならない。すなわち、０．１％未満では、鉄粉の粉塵爆発特性を改質する効果が不充分であり、逆に２．０％を超えると、フッ化反応が急激になりすぎて、やはり充分な改質効果が得られないからである。なお、上記範囲のなかでも特に、０．１〜０．５％に設定することが好ましい。処理が鉄粉全体に対し均一に行われるからである。
【００１０】
本発明によれば、上記鉄粉と処理ガスを用い、例えば図１に示す装置により、つぎのようにして鉄粉の改質処理を行うことができる。
【００１１】
図において、１０はステンレス製の処理筒で、その内部に、図示のように、鉄粉１１が互いに自由に動ける状態で充填されるようになっている。そして、この処理筒１０の底部に、ガス導入配管１２が連通されており、処理筒１０内を、下から上に向かって、処理ガス（ＮＦ₃をＮ₂で希釈したガス）が吹き込まれるようになっている。
【００１２】
上記ガス導入配管１２は、ＮＦ₃ガス供給源となるボンベ１３から延びるＮＦ₃ガス供給配管１４と、これを所定濃度に希釈するためのＮ₂供給配管１５とを合流させたもので、それぞれの供給配管１４，１５に設けられた流量制御計（ＭＦＣ）１６，１７によって流量を制御することにより、ＮＦ₃が所定濃度に設定された処理ガスを、処理筒１０内に導入できるようになっている。なお、１８はレギュレータ、１９は逆止弁である。
【００１３】
一方、上記処理筒１０の周囲には、処理筒１０内を一定の温度に加熱するためのヒータ２０が設けられている。また、２１は、処理筒１０内で鉄粉１１と接触し除害された処理済ガスを排出するガス排出配管、２２は、ガスの導入側と排出側とで差圧が生じるため、これを調整するための圧力測定手段である。
【００１４】
上記装置を用い、まず、処理筒１０内にＮ₂ガスを導入しながらヒータ２０によって処理筒１０内を１５０℃に加熱し、その状態で、ガス導入配管１２から、ＮＦ₃ガスをＮ₂ガスで濃度０．２％に希釈した処理ガスを、処理筒１０内に導入する。そして、導入開始から２時間かけて、処理筒１０内を１５０℃から３５０℃に昇温する。
【００１５】
このとき、処理筒１０内では、図２に示すように、導入されたガスの勢い（一定の線速度に設定される）によって、鉄粉１１が、矢印Ａで示すように下から上、上から下へと循環移動し、鉄粉１１の一つ一つが均一にガスと接触し、処理ガスに低濃度で含まれるＮＦ₃ガスと穏やかに反応する。この反応により、鉄粉１１の表面は、ＦｅＦ₂およびＦｅＦ₃からなるフッ化膜で部分的もしくは完全に被覆されるため、表面潤滑性が高まるとともに、粉塵爆発しにくいものとなり、改質される。
【００１６】
そして、２時間経過後、処理筒１０内に導入するガスのＮＦ₃濃度を０．５％に高め、３５０℃を保ちながら、さらに２時間反応を続行する。これによって、さらにガス中のＮＦ₃と鉄粉１１との反応が進行し、鉄粉１１の改質処理が完了する。処理された鉄粉１１は、表面潤滑性が高く、さらさらのパウダー状になっており、容易に処理筒１０外に取り出すことができる。また、処理に用いられた処理ガスは、処理筒１０の上部に接続されたガス排出配管２１から取り出される。
【００１７】
このようにして改質処理された鉄粉１１は、表面の全部もしくは一部がＦｅＦ₂およびＦｅＦ₃からなるフッ化膜で被覆されているため、鉄粉１１の存在濃度（鉄粉濃度）が１００００ｇ／ｍ³以下において、酸素濃度が２１％以下であれば爆発の可能性がなく、大気中での取り扱いが安全になる、という利点を有する。また、上記フッ化膜の形成により、鉄粉１１の表面潤滑性が高められてさらさらのパウダー状になっているため、鉄粉１１を各種の用途に用いた場合に、鉄粉１１同士が凝集せず、分散性が良好であるという利点も有する。
【００１８】
なお、上記の例では、処理を、最初に、ＮＦ₃濃度０．２％、加熱温度１５０℃から２時間かけて３５０℃に昇温、という穏やかな条件で行い、つぎに、ＮＦ₃濃度０．５％、加熱温度３５０℃を２時間保持、という条件で行ったが、必ずしも処理条件を段階的に変化させる必要はない。ただし、初期段階で、穏やかな条件で反応させ、その後、段階的にＮＦ₃濃度および加熱温度を高めていく方法によれば、初期段階で鉄粉１１の周囲をある程度フッ化させ、互いの潤滑性を高めた上で、さらに反応を進行させることができるため、鉄粉１１に対する粉塵爆発抑止効果が均一かつ確実に得られるという利点を有する。
【００１９】
そして、加熱温度は、１５０〜５００℃の範囲内でなければならない。すなわち、１５０℃未満では、ＮＦ₃との反応が進行しないからであり、逆に５００℃を超えると、鉄粉１１の焼結が起こりやすくなるからである。そして、上記範囲のなかでも、特に１５０〜３５０℃に設定することが、効果の上で好適である。
【００２０】
また、処理装置は、鉄粉１１と処理ガスとを、流動的に接触させることのできるものであれば、図１に限らず、どのような装置であっても差し支えはないが、図１の装置を用いる場合、処理筒１０内への鉄粉１１の充填量は、処理筒１０内で鉄粉１１同士が自由に動いて処理ガスと流動的に接触することを考慮すると、処理筒１０の内容積に対し、３０〜５０％の割合となるよう設定しなければならない。そして、鉄粉１１と処理ガスとの接触対流距離をある程度確保するために、鉄粉１１の充填高さは５〜３０ｃｍ程度に設定することが望ましい。なお、充填高さがあまり高すぎると圧力損失が大きくなるため、好ましくない。
【００２１】
さらに、上記の例において、処理筒１０内への処理ガスの導入は、上記ガスの勢いで、処理筒１０内の鉄粉１１を流動させることを考慮すると、その線速度（０℃、１ａｔｍ）を、２．０〜１０ｃｍ／秒に設定しなければならない。なかでも２．５〜３．０ｃｍ／秒程度に設定することが望ましい。すわなち、ガス流が上記範囲よりも遅いと、鉄粉１１と処理ガスとの流動接触が不充分になるおそれがあり、逆に上記範囲よりも速いと、鉄粉１１が後段に飛散し、流動層が保持できなくなるおそれがあるからである。
【００２２】
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。
【００２３】
【実施例１】
図１の装置を用い、鉄粉１１として、平均粒径１００μｍの鉄粉を処理筒１０内に充填して、ＮＦ₃ガスをＮ₂ガスで希釈した処理ガスで改質処理を行った。処理の具体的条件は下記のとおりである。
【００２４】

【００２５】
上記処理前後の鉄粉の粒度分布をレーザー回折／散乱式粒度分布測定装置（堀場製作所社製）で測定した結果、図３に示すように、処理前の鉄粉の粒度分布Ａに比べて、処理後の鉄粉の粒度分布Ｂは、全体的に粒径が大きくなっていることがわかった。したがって、その分、表面にフッ化膜が形成されているものと思われる。さらに、処理前後の鉄粉について、それぞれＸ線回折測定を行い、両者を比較検討したところ、処理後はＦｅのピークが消失し、ＦｅＦ₂とＦｅＦ₃のピークのみが見られることがわかった。したがって、完全にＦｅＦ₂＋ＦｅＦ₃に変化していることがわかる。
【００２６】
また、処理済の鉄粉を、吹上げ式粉塵爆発試験装置（蕪木化学器械工業社製）にかけて、下記の条件および方法に従って試験し、爆発の有無を判定することにより、粉塵爆発の臨界酸素濃度を調べた。その結果を、図４に示す。これにより、粉塵爆発の臨界酸素濃度は、鉄粉１００００ｇ／ｍ³以下において、２１．０％であることがわかる。
【００２７】
〔試験条件〕
圧力センサ：ひずみゲージ式圧力トランスデューサ
測定室の温度，湿度：温度２５℃、湿度５８％
爆発円筒の容積：１．８４リットル
圧縮空気吹出し圧力：３．０ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇ
放電開始時間：０．１５秒
【００２８】
〔試験方法〕
試料を所定量だけ測り、試料容器に均一に仕込み、一旦系内を真空排気する。つぎに、予め空気と窒素で所定の酸素濃度に調整したガスを、爆発円筒に大気圧まで充填するとともに、吹出しタンクに所定の圧力まで仕込む。そして、電磁弁を開いてガスを吹込み、粉塵雲を形成したのち、電気火花で着火する。そして、着火によって爆発が発生したかどうかを、爆発円筒上部に取り付けてある圧力センサで爆発圧力を検知することにより判定する。なお、判定の基準は下記のとおりである。
【００２９】
〔判定の基準〕
○ 爆発：爆発圧力＞０．５ｋｇｆ／ｃｍ²
△ 爆発：０．１ｋｇｆ／ｃｍ²≦爆発圧力≦０．５ｋｇｆ／ｃｍ²
× 不爆：上昇圧力＜０．１ｋｇｆ／ｃｍ²、もしくは吹込み圧力のみ。
【００３０】
【実施例２】
反応条件を、下記のように５段階にした。それ以外は実施例１と同様にして、鉄粉の改質処理を行った。
第１段階：ＮＦ₃濃度０．２％、加熱温度３５０℃×２時間
第２段階：ＮＦ₃濃度０．５％、加熱温度３５０℃×２時間
第３段階：ＮＦ₃濃度１．０％、加熱温度３５０℃×１６時間
第４段階：ＮＦ₃濃度２．０％、加熱温度３５０℃×３時間
第５段階：ＮＦ₃濃度１．０％、加熱温度４００℃×３１時間
【００３１】
そして、改質された鉄粉について、上記実施例１と同様にして、粉塵爆発の臨界酸素濃度を調べた。その結果を、図５に示す。これにより、粉塵爆発の臨界酸素濃度は、実施例１と同様、鉄粉１００００ｇ／ｍ³以下において、２１．０％であることがわかる。
【００３２】
【比較例】
未処理の鉄粉について、上記実施例１と同様にして、粉塵爆発の臨界酸素濃度を調べた。その結果を、図６に示す。これにより、粉塵爆発の臨界酸素濃度は、鉄粉７０００ｇ／ｍ³以下において、１５．０％であることがわかる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の鉄粉の改質方法によれば、鉄粉表面の一部もしくは全部をフッ化膜で被覆して互いの表面潤滑性を高めることにより、鉄粉濃度が１００００ｇ／ｍ³以下において、酸素濃度が２１％以下であれば粉塵爆発が生じないよう鉄粉を改質することができる。したがって、鉄粉の大気中での取り扱いが安全で、酸素濃度や温度管理等を厳重に制御する必要がなくなり、管理コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる装置の一例を示す構成図である。
【図２】上記装置の処理筒内における処理態様の説明図である。
【図３】本発明の実施例１に用いた鉄粉の処理前後における粒度分布を示す線図である。
【図４】本発明の実施例１品の臨界酸素濃度を示す線図である。
【図５】本発明の実施例２品の臨界酸素濃度を示す線図である。
【図６】比較例品の臨界酸素濃度を示す線図である。
【符号の説明】
１１鉄粉

Claims

平均粒径が１０〜１０００μｍの鉄粉を、鉄粉濃度１００００ｇ／ｍ ³ 以下、酸素濃度２１容積％以下において鉄粉の粉塵爆発が生じないようにする改質方法であって、上記鉄粉を、処理筒の内容積に対し３０〜５０％の割合となるよう処理筒内に充填し、フッ素系ガスを０．１〜２．０容積％含有する処理ガスを、線速度（０℃、１ａｔｍ）２．０〜１０ｃｍ／秒で処理筒内に導入し、上記鉄粉と処理ガスとを、１５０〜５００℃の加熱条件下で流動接触させ、鉄粉表面をフッ化処理するようにしたことを特徴とする鉄粉の改質方法。
上記フッ素系ガスが、ＮＦ₃，ＢＦ₃，ＣＦ₃，ＳＦ₆，Ｆ₂，ＣｌＦ₃，ＢｒＦ₃からなる群から選ばれた少なくとも一つのフッ素系ガスである請求項１記載の鉄粉の改質方法。