JP4486514B2 - 粉粒体の排出装置 - Google Patents

Description

本発明は、貯留あるいは、パイプなどによる間接的な冷却、加熱などを行なう槽内の粉粒体を重力作用のみで均一に降下させる粉粒体の排出装置に関するものである。

一般に、原料として使用される粉粒体の製造プロセスへの投入制御は、サイロ・ホッパーなどの角筒あるいは円筒型の槽をバッファーとして、常時適量貯留し、供給しながら、必要量を排出する方式が取られている。また、単なる貯留の目的だけでなく、槽内で粉粒体の加熱や冷却などを実施する場合もある。通常、貯留あるいは加熱、冷却処理を行なう上部槽に対して、排出面積を上部槽の断面積よりも小さく絞った逆円錐型あるいは逆角錐型の形状の排出槽を下部に有するものが使用されている。

上部槽内の粉粒体の流動制御方案としては、粒度偏析の解消を狙ったものが多いが、上部槽内を極力均一に降下させる装置・方法も考えられている。例えば、円錐型あるいは角錐型の整流体や、円錐あるいは角錐の頂点部を切除し逆さに配置し、中空の中心部と側壁面との間を降下させる構造の整流体を、排出槽内の排出口近傍に適当に調整し配置し、中心部と側壁部の降下速度の分布を調整し均一降下させる方法が考えられている。

また、排出槽側壁面や装置内の粉粒体自体に振動を与え、粉粒体を滞留させない方法、例えば、特開昭５３−１２４８６２号公報（特許文献１）に開示されている断面が５角形となる整流体を複数設置することにより均一降下させる装置、あるいは、実開平５−８２９４７号公報（特許文献２）に開示されているホッパー内を周方向に複数に区分する仕切り板とホッパー下端に隙間をあけて水平に設けた回転テーブルとからなる排出装置などが提案されている。

特開昭５３−１２４８６２号公報 実開平５−８２９４７号公報

一般に、排出槽を介して排出する場合、槽内では、図１に示すように、非降下領域５と降下領域４が発生するために、貯留目的の槽では有効容積が小さくなってしまうおそれがある。さらに、粉粒体の槽内の降下速度は壁面近傍では滞留し、ほぼゼロとなり、排出口直上の速度は大きく、その間はほぼ直線的に変化し、均一とはならない場合が多い。従って、例えば、冷却処理を行なう場合は、粉粒体の温度がばらついたり、降下速度が大きな部分を所定の温度まで冷却するために全体の処理能力が低下したりするおそれがもある。

前述の均一降下を狙った装置、方法はこのような課題に対するものであるが、排出槽内に整流体を設置する方法では、整流体の設置場所の最適位置を探すのが難しく、さらに、原料となる粉粒体が、かなり流動性の良いものでないと実用が困難であった。また、特許文献１や特許文献２などの提案は、いずれも付帯機器、部品が多く、装置構成あるいは構造として複雑化したものとなっており、コスト面に加え、操業面、メンテ面からも必ずしも有利なものとはなっていなかった。

本発明は、上述したような、従来技術が有する課題を解決するためになされた発明であり、その要旨とするところは、
（１）貯留槽の下部に連結して排出槽を有し、排出槽の底部に貯留槽の水平断面積よりも小さい面積となる排出口を設け、排出槽の側壁面の水平方向からの角度αが、粉粒体内部で形成される粉粒体の内部滑り角度βより小さい粉粒体の排出装置において、前記滑り面を横切り、一端ａが粉粒体の下降領域に、他端ｂが排出槽側壁側の粉粒体の非降下領域に位置し、他端ｂが端部ａよりも上方に位置し、下記（１）式におけるη≒１を満足する整流板を設置し、かつ粉粒体の平均径Ｄに対する排出槽側壁面との間隙Ｇの比Ｇ／Ｄを４〜２０とすることを特徴とする粉粒体の排出装置。
（Ｌｃｏｓγ×ｔａｎβ）／（２Ｈ＋Ｌｓｉｎγ）＝η≒１ … （１）
ここで、整流板の投影長さと整流板両端部を起点となる流れの貯留槽下面での降下領域長さの比となる（Ｌｃｏｓγ×ｔａｎβ）／（２Ｈ＋Ｌｓｉｎγ）を整流板最適長指標ηとし、整流板長さをＬ、整流板設置角度をγ、整流板上端部ｂと貯留槽下端との距離をＨ、粉粒体内部で形成される粉粒体の内部滑り角度をβとした。

（２）前記（１）に記載の整流板の端部ｂと排出槽側壁面との間の降下領域に一端ｃが、非降下領域に他端ｄが位置し、端部ｃが端部ｂより上部に位置し、端部ｄが端部ｃより上部に位置する上部整流板を設置することを特徴とする粉粒体の排出装置。
（３）排出槽内部に設置された整流板と水平面との角度γが粉粒体の安息角δより小さいことを特徴とする前記（１）または（２）に記載の粉粒体の排出装置にある。

以上述べたように、本発明による排出装置では、連結する上部の槽と排出槽との境界面での粉粒体の降下速度分布を均一にすることができる。このことにより、上部の槽内の有効体積を大きくとることができ、装置全体での省スペース化、省コスト化が可能となる。また、粉粒体の加熱冷却時には、温度むらを無くすことが可能となる。さらに、整流板の配置によっては、整流板の摩耗量が削減でき、長寿命化の効果も得ることが出来る極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、整流板のない時の粉粒体の排出装置を示す図である。この図１に示すように、貯留槽１に連結し、排出槽２の底部に貯留槽１の水平断面積よりも小さな面積となる排出口３を設け、重力作用により粉粒体が降下する粉粒体の排出装置においては、粉粒体の降下領域４と非降下領域５が生じる。

発明者らは、降下領域４と非降下領域５との間の粉粒体滑り面が成す内部滑り角度βを排出槽２の形状を変更した実験により調査した。内部滑り角度βは通常の排出装置では計測が困難であったため、鋭意工夫を重ねた結果、アクリル製の透明板を用い、排出槽厚みを調整し、内部滑り角度を観察可能な二次元モデルを作成した。その結果、側壁角度αと内部滑り角度βの関係がα＜βでは、β＝一定値となり、降下領域４は排出装置２の形状に関わらず一定となることが分かった。

一方、側壁角度αと内部滑り角度βの関係がα≧βでは、粉粒体は排出装置２の側壁面に沿って降下し、排出槽内全域がほぼ一様に降下可能となることがわかった。すなわち、排出槽の側壁角度αを粉粒体の内部滑り角度βより大きくすることにより、貯留槽内の粉粒体の降下速度を一様にすることができる。なお、実用的には内部滑り角度βよりも、側壁角度αを０〜２０°程度小さくしても、粉粒体全体をある程度降下させることは可能である。

この時、排出口側壁面付近において、壁面と粉粒体との摺動抵抗があり、排出口直上部の方がやや降下速度が大きな場合などには、降下速度の大きな領域にじゃま板を設置し降下速度を制御すれば、降下速度分布はさらに良好なものとなる。
一方、設置スペースの制約が大きく、貯留槽の必要スペースを確保した結果、排出槽を大きくできず、排出槽２の側壁角度αを粉粒体の内部滑り角度βより小さくせざるを得ない場合などは、図２に示す整流板６を設置することが有効となる。整流板６の設置作用は、降下領域の粉粒体を非降下領域に分配するものであり、その設置位置の調整により、貯留槽下端での降下速度の均一を実現する。すなわち、図２は、整流板設置時の粉粒体の排出装置を示す図である。

以下、整流板の作用について詳細に説明する。
図３は、整流板まわりの粉粒体流れの模式図を示す図である。この図に示すように、整流板６を設置していない時の内部滑り角度β有する内部滑り面７を破線で示してある。この滑り面７を横切る位置に、図３のように整流板６を設置すると整流板６直下で落ちようとする粉粒体の供給は整流板６に阻害され、整流板６直下は、粉粒体が疎な状態（嵩密度が減少した状態）あるいは空隙が生じる領域が発生し、その領域に向かって、整流板６の下面に沿って上方から粉粒体が流れ込む。その流れは、整流板６の端部ｂまでは整流板６の下面に沿って流れるが、端部ｂでは再び直上に障害物が無くなるため、上方より粉粒体が降下してくることになる。整流板６設置後にも整流板６の両端に流れが分配され、その結果、粉粒体の均一な降下領域を広げることが可能となる。

しかし、貯留槽全域を均一に降下させるには、少なくと貯留槽下端において、整流板により分配された２つの流れは合流し、排出槽側壁面側の流れは側壁面まで広がっている必要がある。分配された２つの流れは整流板６の両端を起点として、整流板６が無い時と同様に、内部滑り角度βとなる流れを形成する。従って、図４に示すように、整流板長さＬ、整流板設置角度をγ、整流板上端部ｂと貯留槽下端との距離をＨ、内部滑り角度βとすると、分配された２つの流れを合流させる整流板の設置条件はほぼ幾何学的に求まる。

すなわち、下記（１）式となる。
（Ｌｃｏｓγ×ｔａｎβ）／（２Ｈ＋Ｌｓｉｎγ）＝η≒１ … （１）
ここで、整流板の投影長さと整流板の両端部を起点となる流れの貯留槽下面での降下領域長さの比となる（Ｌｃｏｓγ×ｔａｎβ）／（２Ｈ＋Ｌｓｉｎγ）を整流板最適長指標ηとした。ηが１より小さすぎる場合は、整流板両端からの流れがラップし過ぎ、１より大きすぎる場合は整流板上部に非降下領域が発生するため、整流降下が得られなくなる。従って、均一降下の実現にはηは１近傍であることが望ましいが、要求される均一降下レベルなどに応じて、任意に決定すればよい。

この時、排出槽側壁面と整流板との間隙Ｇが広すぎると、側壁面近傍に非降下領域が残存する。基本的には、整流板上端部ｂを起点とする側壁面側の粉粒体の内部滑り面が貯留槽下端にて側壁面にまで達するように間隙Ｇを設定することが全域均一降下に必要となるが、排出槽側壁面角度α＜粉粒体の内部滑り角度βのため、整流板上端部ｂを起点とする滑り面は、貯留槽下面までの間に側壁面と交差できない。

ところが、本発明者らは、二次元アクリルモデルなどを用い実験を繰返し、間隙量と側壁面近傍の粉粒体の降下挙動を調査した結果、間隙Ｇをある程度まで狭めることにより、貯留槽下端全域での均一な降下が可能となることがわかった。この原因の詳細は明らかではないが、間隙Ｇはある程度狭くなっても、粉粒体の降下総量はあまり変化しないため、間隙Ｇが狭くなるにつれ、間隙部での流速は大きくなり、側壁面に沿って降下する流れが強くなり、粉粒体を引きずり込むような状態となり、非降下領域が消滅したものと考えられる。しかし、この間隙Ｇをあまり狭くし過ぎると、粉粒体が架橋してしまう。双方の影響を考慮した結果、粉粒体の平均径Ｄに対する間隙Ｇの比Ｇ／Ｄが４〜２０倍の範囲で良好となり、好ましくは６〜１５倍程度の範囲が良好となることが分かった。

このような整流板の設置によっても、整流板上端部ｂを起点とする流れが排出槽側壁面まで十分発達せず、側壁面側に非降下領域が存在する場合は、もう一段の整流板の設置により貯留槽下端全面にて、粉粒体が均一に降下するようにすれば良い。この場合、必要に応じて複数段の整流板を設置することも有効であるが、複数の整流板の設置において、隣接する整流板同士の間隙の最狭部は粉粒体の架橋および装置の大型化防止のため、粉粒体の平均粒径の４〜２０倍程度が好ましい。

一方、整流板の据付角度は整流板の側壁側の端部ｂが他端ａよりも上方に位置させることにより、分配作用を機能させることは可能となる。すなわち、据付角度γは、０°＜γ＜９０°の範囲とすれば良い。しかしながら、粉粒体の安息角をδとした時、γ＜δにすることにより、整流板の摩耗防止の効果が得られる。γを安息角δ以上にした場合、整流板の下面の流れは、図５に示すように、整流板に沿ったものとなるが、γを安息角δ以下にした場合、整流板の下面では、整流板に沿うことなく、安息角δを形成した流れとなり、整流板下面には空隙が発生する。

この時、整流板の上面側はいずれの場合も、整流板両端を起点とした内部滑り角度βを形成した流れとなっており、整流板上面部の粉粒体は滞留したまま、粉粒体が満ちている時においては動くことがない。すなわち、整流板の上面下面ともに粉粒体の流れに曝されておらず、整流板の摩耗対策は両端部のみで良いことになる。また、少なくとも上面部はいずれの場合でも、γをδ以下にした場合は下面側も、粉粒体の流動が無いため、整流板の荷重条件に応じた補強、大型化あるいは易メンテ化のための分割あるいは着脱のための仕掛け作りも、流れに全く影響を与えることなく可能となる。このような整流板の設置により貯留槽下面において粉粒体を全面的に均一に降下させることが可能となる。なお、本発明は、排出装置の任意の断面において、対面する側壁面の角度が対称ではなく、非対称のものであっても適用可能である。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
本発明の排出装置を用いて粉粒体の均一降下の結果を表１に示す。粉粒体としては焼結鉱を使用し、角筒型の貯留槽およびそれに連結した排出装置を使用した。貯留槽下面での均一降下の指標設定のため、貯留槽下面断面を複数区画に分割し、各区画の降下速度を計測した。具体的には、降下速度がゼロの区画の比率として非降下面積率、降下速度の平均値に対する標準偏差の比率として降下速度偏差の２つを設定した。いずれの指標も小さいほど均一降下性が良好となる。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜３は本発明例であり、Ｎｏ．４〜５は比較例である。本発明例Ｎｏ．１では、平均粒径２ｍｍ、安息角δ：３８°、内部滑り角度β：７８°の焼結鉱を使用した。整流板設置角度γ＝５０°、η＝１．０２、Ｇ／Ｄ＝１０であった。また、本発明例Ｎｏ．２では、平均粒径１０ｍｍ、安息角δ：４２°、内部滑り角度β：７８°の焼結鉱を使用した。整流板設置角度γ＝５５°、η＝１．０９、Ｇ／Ｄ＝１５であった。

一方、比較例Ｎｏ．４では、平均粒径１２ｍｍ、安息角δ：４２°、内部滑り角度β：７８°の焼結鉱を使用した。整流板設置角度γ＝５０°、η＝０．５４、Ｇ／Ｄ＝１０であった。また、比較例Ｎｏ．５では、平均粒径１５ｍｍ、安息角δ：４４°、内部滑り角度β：７８°の焼結鉱を使用した。整流板設置角度γ＝５０°、η＝１．０３、Ｇ／Ｄ＝２７であった。ηおよびＧ／Ｄが適正値から外れた比較例に対して、本発明例はいずれの場合も、均一降下指標は小さく、均一降下性は良好であった。また、整流板設置角度γ＝３５°とし、安息角δよりも小さくしたが、ηおよびＧ／Ｄを適正範囲内とした本発明例Ｎｏ．３においても、良好な均一降下性が確認された。

整流板のない時の粉粒体の排出装置を示す図である。 整流板設置時の粉粒体の排出装置を示す図である。 整流板まわりの粉粒体流れの模式図を示す図である。 整流板上部の粉粒体流れの模式図を示す図である。 整流板設置角度γ＞安息角δ時の粉粒体流れの模式図を示す図である。 整流板設置角度γ＜安息角δ時の粉粒体流れの模式図を示す図である。

符号の説明

１ 貯留槽
２ 排出槽
３ 排出口
４ 降下領域
５ 非降下領域
６ 整流板
７ 内部滑り面
８ 整流板下面に生じた空隙
α 排出槽側壁角度
β 内部滑り角度
γ 整流板設置角度
δ 粉粒体の安息角
Ｌ 整流板長さ
Ｈ 整流板上端部ｂと貯留槽下端との距離


特許出願人 新日本製鐵株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊 他１

Claims (3)

1. 貯留槽の下部に連結して排出槽を有し、排出槽の底部に貯留槽の水平断面積よりも小さい面積となる排出口を設け、排出槽の側壁面の水平方向からの角度αが、粉粒体内部で形成される粉粒体の内部滑り角度βより小さい粉粒体の排出装置において、前記滑り面を横切り、一端ａが粉粒体の下降領域に、他端ｂが排出槽側壁側の粉粒体の非降下領域に位置し、他端ｂが端部ａよりも上方に位置し、下記（１）式におけるη≒１を満足する整流板を設置し、かつ粉粒体の平均径Ｄに対する排出槽側壁面との間隙Ｇの比Ｇ／Ｄを５〜２０とすることを特徴とする粉粒体の排出装置。
   （Ｌｃｏｓγ×ｔａｎβ）／（２Ｈ＋Ｌｓｉｎγ）＝η≒１ … （１）
   ここで、整流板の投影長さと整流板両端部を起点となる流れの貯留槽下面での降下領域長さの比となる（Ｌｃｏｓγ×ｔａｎβ）／（２Ｈ＋Ｌｓｉｎγ）を整流板最適長指標ηとし、整流板長さをＬ、整流板設置角度をγ、整流板上端部ｂと貯留槽下端との距離をＨ、粉粒体内部で形成される粉粒体の内部滑り角度をβとした。
2. 請求項１に記載の整流板の端部ｂと排出槽側壁面との間の降下領域に一端ｃが、非降下領域に他端ｄが位置し、端部ｃが端部ｂより上部に位置し、端部ｄが端部ｃより上部に位置する上部整流板を設置することを特徴とする粉粒体の排出装置。
3. 排出槽内部に設置された整流板と水平面との角度γが粉粒体の安息角δより小さいことを特徴とする請求項１または２項に記載の粉粒体の排出装置。

Images