JP3957738B1

JP3957738B1 - 球状金属粒子の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP3957738B1
Application number: JP2007027883A
Authority: JP
Inventors: 利昭永井; 己規康真崎
Original assignee: 株式会社山口製作所
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2027-02-07
Also published as: JP2008190017A

Abstract

【課題】溶融金属を冷却するための冷媒として水を用いる場合に発生する問題点を解決することによって、安価な、市場要求を満たす性能の球状金属粒子の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【解決手段】金属を溶融する工程と、該溶融金属を滴にする工程と、前記滴を、飽和水蒸気に噴霧水滴を混合した気流中を落下させることにより徐冷する工程と、前記徐冷された滴を、傾斜面２７を流下する温水流の表面に落下せしめた後、前記傾斜面を流下する温水流中を落下させることにより、冷却固化させる工程と、からなることを特徴とする球状金属粒子４０の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属を溶融状態で冷媒中に滴下して粒状にする球状金属粒子の製造方法及び製造装置に関する。

従来、溶融金属またはその金属を含有する溶融合金を冷媒中に滴下し、冷却過程で流動性のあるうちにその金属、合金の表面張力で球状化、冷却固化することにより球状金属、球状合金粒子を製造している。（なお、以下で単に「金属」とは、単一の金属及び合金を意味するものとする。）製造コストを低下させる為には、装置価格、生産性、主−副原料価格、原単位、球形造粒後処理費用等が検討対象となるが球形造粒後処理費用の内、球形造粒に用いた冷却媒体を球状金属粒子表面から除去する洗浄費用（洗浄装置価格、系外に排出される付着冷却媒体価格、使用ユーティリティー費用、人件費等）、該冷却媒体を場外に排出する為に必要な無害化処理費用（活性炭吸着除去、加熱分解大気中排気、活性汚泥捕食等）を勘案すると冷却媒体として水が最適である。

しかし、水を冷却媒体として用いた場合に生じる問題は、
（１）溶融金属炉底部の滴下孔から水面までの距離にもよるが水がＨｇに次いで表面張力が大きく、また密度も該冷却に用いられる他の気体、液体に比べ大きい為、滴下溶融金属の滴が水面に落下、衝突した時の変形が大きい。

（２）水の比熱が一番大きく、また蒸発熱が大きいので冷却能力が大きい。その為水面に衝突した時の変形が溶融金属の表面張力で球形化する前に冷却し、固化することである。また水の冷却能力が大の為、溶融金属の内外が同時に均一に冷却固化されにくいので内部に空洞等が発生しやすく、冷却媒体や雰囲気ガス体を包含したり、粒子表面に凹凸、窪みが出来る。

（３）水の沸点が溶融金属の加工上必要な流動性が確保出来る温度に対し低いので水面に溶融金属が接した時に水の沸騰現象が激しく発生し溶融金属滴表面を粗面化したり、滴をその水蒸気圧で破砕、飛散させる等の好ましくない現象が発生することである。

メッキ補充、合金添加、スケール−塗装−砂剥離、電池−耐摩耗性工具−ＢＧＡ材料等多くの用途で要求される球形金属粒子は粒径分布が狭いこと、真球度が良いこととともに、内部に不純物を包含しないこと、粒表面に凹凸が少なく更には光沢があること（表面汚染または酸化されていないことの証）が望まれている。

これらの問題に対し、金属溶融槽と冷却水面との距離、すなわち冷却距離を大きくせず装置費用を多大にしない範囲で，即ち熱容量の小さい気体を冷媒に用いない、水を冷媒に用いる製造方法として種々の提案がある。

例えば特許文献１には、金属の溶湯を冷却水中に落下させて凝固せしめる金属ショット球の製造方法であって、亜鉛地金を約４３０〜５８０°Ｃに加熱溶融し冷却水面からノズル先端までの距離を２〜２０ｍｍとして直径１．０〜２．５ｍｍのノズルから水温６０〜８０°Ｃの冷却水中に滴下させて球状に凝固させることを特徴とする亜鉛又は亜鉛合金ショット球の製造方法が示されている。

また、特許文献２には、溶融した金属の表面張力により静止状態では流れおちない径の小孔群を低部に形成した溶融金属用の容器に前記溶融金属を入れ、その容器を振動させて前記小孔から溶融金属を不活性ガス雰囲気中に点滴落下させ、その落下途中において前記点滴体をその表面張力により球体化させ、その球体化した金属粒子をさらに落下中に冷却固化させ、その固化した金属粒子を傾斜した軟質面材上に落下させ、その軟質面材の傾斜面を転がり落ちた粒子を選別して表面光沢のある均一な金属球体粒子を効率良く得られるようにする金属球体粒子の製造方法が記載されている。

更に、特許文献３には、加熱溶液を満たした容器中に金属素片又は金属液滴を添加し、溶液中を落下する過程で金属素片等を溶融し冷却凝固することにより球形の金属粒を製造する方法及び装置において、金属素片等を容器の傾斜した滑落面に沿って滑落させることを特徴とする球形金属粒製造方法及び装置が開示されている。
特開昭５７−１９２２０５号公報特開２００２−２１２６１１号公報特開２００１−２４７９０７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の製造法によって造粒すると溶湯層と水面との距離を溶融金属流が冷却面に到達前に分断される限界まで短くしても、水温７０℃付近では常温に比べ水の表面張力、密度に大差がないためか金属液滴の変形の差は少ない。また、該距離を大きくし気体冷却時間を取れば装置費用が多大になる。更に水中の傾斜面での回転による球形化、真球化も冷却が早いためか実現が難しく、表面の粗面化は残る。

また、特許文献２の提案は冷媒が気体の為、装置費用大の方法となる。

更に、上記特許文献３の提案は該液中で金属塊を再溶融するのに距離時間を大きく取る必要があり装置費用大の方法となる。

以上詳述したようにそのものが安価で、製品表面からの冷却媒体除去費用が安価、且つ容易であり、装置のほかに費用を掛けずに排出可能である冷却能力最大の水を冷却媒体とする球状金属粒子の製造法で市場要求を満足させるものは現在までなかった。

本発明は、溶融金属を冷却するための冷媒として水を用いる場合に発生する問題点を解決することによって、安価な、市場要求を満たす性能の球状金属粒子の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述の目的を達成するため、以下（１）〜（５）の構成を備えるものである。

（１）金属を溶融する工程と、
該溶融金属を滴にする工程と、
前記滴を、飽和水蒸気に噴霧水滴を混合した気流中を落下させることにより徐冷する工程と、
前記徐冷された滴を、傾斜面を流下する温水流の表面に落下せしめた後、前記傾斜面を流下する温水流中を転動しつつ落下させることにより、冷却固化させる工程と、
からなることを特徴とする球状金属粒子の製造方法。

（２）前記傾斜面が、
該表面を、柔軟な耐熱性のある繊維による布で覆われた傾斜面であることを特徴とする前記（１）記載の球状金属粒子の製造方法。

（３）前記傾斜面を流下する温水流が、
円錐体の頂部より落下された温水により形成されることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の球状金属粒子の製造方法。

（４）球状にされた金属粒子と冷却水を所定の空間に取り込む工程と、
前空間を占める前記金属粒子と冷却水を排出する工程と、
該排出後の前記所定の空間に冷却水を注入、充填する工程と、
を有することを特徴とする前記（１）乃至（３）いずれか記載の球状金属粒子の製造方法。

（５）前記（１）乃至（４）いずれか記載の球状金属粒子の製造法を用いたことを特徴とする球状金属粒子の製造装置。

本発明は、上記の構成を有することで、安価な、市場要求を満たす性能の球状金属粒子の製造方法及び製造装置を提供することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。

以下、図面に関連してこの発明の構成及び作用、効果について詳説する。

図１は球状金属粒子製造装置の全体図である。装置全体の主要部分は坩堝２、滴下炉１４、造粒冷却装置２３、冷却気流用ブロワー２８、冷却水循環ポンプ３２、冷却水冷却装置３３、製品排出用回転弁３４、スクリーンベルト３５、吹き落としノズル３７、乾燥機３６より構成される。

ヒーターと保温材８で覆われた坩堝２の原料投入口より投入、溶融された原料金属中の低比重のドロスが連通堰６により溶湯中への混入を妨げられ坩堝のドロス排出口３を経て排出低比重ドロスとなり排出口４より排出され、重比重ドロスは液中堰により溶湯への混入が妨げられ排出重比重ドロスとなり排出口５より排出される。坩堝の溶湯表面上部は酸化物の発生を防ぐ為、イナートガス注入口９よりイナートガス（Ｎ_２ガス等）を注入する。該坩堝中の溶湯温度は、適当な流動性が得られる材料金属の融点の上２０−１５０℃が望ましい。溶湯は投入弁１２とヒーター外装の投入管１３を経て滴下炉１４に投入される。滴下炉としては前述のごとく粒径を要求範囲になるように規制出来る機構に組み込まれた、剥離性の良い材質と適度の流動抵抗のある形状の滴下口の付帯したものである。

ヒーターと保温材１７で覆われ、架台２０の上にコロ２１を介し、横振動機構１８で振動可能な滴下炉１４の溶湯のレベルをレベル検知計１０で検出し、投入弁作動機構（電磁上下動）１１で投入弁１２を開閉し該レベルを一定に保つ。滴下炉の溶湯表面上部は酸化物の発生を防ぐ為イナートガス注入口１５よりイナートガス（Ｎ_２ガス等）を注入する。滴下炉の底面に前述の剥離性の良い例えば窒化珪素や炭化珪素のセラミックス等を用い、滴下炉の底面上より少し突出、底面下にも少し突出した、ノズル入口径／ノズル出口径＝１．５〜３．５の形状の溶湯滴下ノズル２２を、複数同一円周上に設置する。本発明の造粒冷却装置２３は水で冷却固化しても市場要求の粒度分布の狭い、粒子表面に凹凸の少なく光沢がある球状形状の良い、内部の不純物の少ない球状金属粒子を提供できる機能を有する装置である。

滴下炉の溶湯滴下ノズルから滴下され分断された溶湯滴が、まず冷却気流用ブロワー２８により送られた飽和水蒸気に加えられた図示していない水噴霧器２９により作られた微水滴で、第一次冷却が行われる。該水噴霧器としては高圧スプレイ式、遠心式、超音波式等何れでも良く、水源としては造粒冷却装置２３で使用し冷却水冷却装置３３を経たものを用いるのが望ましい。第二次冷却は、開き角αの円錐体２４の上に設置された例えば炭素、アラミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）らの耐熱性があり、柔軟性のあるファインデニール（４０番手等）の繊維を、摩擦に強い平織等にした布単層か、更にクッション層を下層とした該布の上を流下する整流カバーで整流された７０℃以上の温水に接触、進入し行われる。

第一次冷却により徐冷された溶湯滴は角度の小さい並流の温水流に接触、進入するので従来法の場合のように水面衝突による大きな衝撃によりまだ冷却固化の完了していない柔らかい金属滴が大きく変形したり、破壊されることはない。また流下流の中、布の上を転がり落ちていくことにより球形化が促進される。

円錐体２４は例えばＳＵＳのような耐水性材質でなり、中央に温水を円錐体先端まで運ぶ配管があり、該開き角αは溶湯滴の第一次徐冷時間、造粒冷却装置の高さと接触衝撃を出来るだけ小さくすることを考慮し、４５〜６０度が望ましい。その角度の調整が必要な場合は傘状開脚構造でも良いし、単に傾斜した平板を複数使用しても良い。また円錐体の底面の径は溶湯滴下ノズル２２の配置等により決定される。

造粒冷却装置２３には円錐体の末端より上の位置に前述の第一次冷却に用いる飽和水蒸気の吸引口を設け、適当な位置が冷却水水面３０になるよう冷却水オーバーフロー３１を設ける。また装置の下部のコニカル部の底に、製品排出用回転弁３４を設ける。コニカル部の角度βは水中安息角から４５度以上が望ましい。

使用された冷却水は、造粒冷却装置からのオーバーフロー３１とスクリーンベルトから分離されたものを冷却水循環ポンプで冷却水冷却装置３３へ送り、温調後円錐体先端と水噴霧器２９へ送られる。該製品排出用回転弁３４は前述のごとく、製品を冷却水とともに排出する際に、冷却水面３０の変動での冷却の不安定によって粒子の歪、凹凸が増長されるのを防ぐために、変動がないようにする固液分離機構である。

製品排出用回転弁を、その斜視図である図２、平面図である図３、及び側面図である図４により詳述する。

回転弁本体４１に嵌設され、回転可能な回転弁回転軸４８を備えた回転弁４２に垂直した例えば円筒状空間を同一円周上に適当な間隔に３個を設ける。該空間の上下は回転弁上下蓋４３、４４で密閉性が保たれる。造粒冷却装置下部に対応して開けられた該上蓋を貫通した孔の該装置よりの製品排出位置４５で該空間に装置からの製品が落下、空間が回転軸で同一円周上を移動、回転弁からの製品排出位置４６で該下蓋を貫通した孔から空間中の製品と冷却水を排出、更に回転軸で移動、該上蓋に排気口（図示せず）、下蓋よりの給水口（図示せず）を設けた給水位置４７で空間を冷却水で充填する。以下同様の行程を繰り返すことにより冷却水面を変動させず、表面状態が目標通りに構成された後の冷却の不安定によって発生する球状の歪、凹凸等を防ぐことが可能になる。回転軸は不図示の駆動装置で駆動される。

製品排出用回転弁３４から冷却水とともに排出された製品粒子は走行する適度のメッシュのＳＳ製スクリーンベルト３５上で乾燥機３６の吹き落としノズル３７からの空気により冷却水と分離され、同じ該ベルト上で続いて熱風ノズル３８からの熱風で乾燥される。その後振動篩３９で分級、製品４０とされる。

球状金属粒子製造装置の全体図である。製品排出用回転弁の斜視図である。製品排出用回転弁の平面図である。製品排出用回転弁の側面図である。

符号の説明

１原料投入口
２坩堝
３ドロス排出口
４低比重ドロス排出口
５重比重ドロス排出口
６連通堰
７液中堰
８ヒーターと保温材
９イナートガス注入口
１０レベル検知計
１１投入弁作動機構
１２投入弁
１３投入管
１４滴下炉
１５イナートガス注入口
１６シール材
１７ヒーターと保温材
１８横振動機構
１９シール
２０架台
２１コロ
２２溶湯滴下ノズル
２３造粒冷却装置
２４円錐体
２５柔軟な耐熱布
２６整流カバー
２７流下温水流
２８冷却気流用ブロワー
２９水噴霧器
３０冷却水水面
３１冷却水オーバーフロー
３２冷却水循環ポンプ
３３冷却水冷却装置
３４製品排出用回転弁
３５スクリーンベルト
３６乾燥機
３７吹き落としノズル
３８熱風ノズル
３９振動篩
４０製品
４１回転弁本体
４２回転弁
４３回転弁上蓋
４４回転弁下蓋
４５２３下部よりの製品排出位置
４６４５よりの製品排出位置
４７給水位置
４８回転弁回転軸
４９ラジアルベアリング
５０スラストベアリング

Claims

金属を溶融する工程と、
該溶融金属を滴にする工程と、
前記滴を、飽和水蒸気に噴霧水滴を混合した気流中を落下させることにより徐冷する工程と、
前記徐冷された滴を、傾斜面を流下する温水流の表面に落下せしめた後、前記傾斜面を流下する温水流中を転動しつつ落下させることにより、冷却固化させる工程と、
からなることを特徴とする球状金属粒子の製造方法。
前記傾斜面が、
該表面を、柔軟な耐熱性のある繊維による布で覆われた傾斜面であることを特徴とする請求項１記載の球状金属粒子の製造方法。
前記傾斜面を流下する温水流が、
円錐体の頂部より落下された温水により形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の球状金属粒子の製造方法。
球状にされた金属粒子と冷却水を所定の空間に取り込む工程と、
前空間を占める前記金属粒子と冷却水を排出する工程と、
該排出後の前記所定の空間に冷却水を注入、充填する工程と、
を有することを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の球状金属粒子の製造方法。
請求項１乃至４いずれか記載の球状金属粒子の製造法を用いたことを特徴とする球状金属粒子の製造装置。