JP4606138B2 - 無機質球状化粒子製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、無機質球状化粒子製造装置及び無機質球状化粒子の製造方法に関する。

無機質球状化粒子は、一般に、原料粉体（本明細書において無機質粉体と同意義を有する）を、燃焼装置（ガス燃焼バーナー）による該原料粉体の溶融温度以上の燃焼火炎（燃焼ガス）中に通し、粉体溶融炉にて該原料粉体を溶融球状化することにより製造されており、かかる溶融球状化が効率よく生じ、高球状化率を安定させるための検討がなされている。

特許文献１には、粉体溶融炉の火炎形成域における雰囲気（燃焼ガス）温度を所定温度範囲内に維持して無機質球状化粒子を製造する無機質球状化粒子製造装置が開示されている。

特許文献２には、原料粉体供給管の先短部内に特定の保炎板と特定形状の拡散手段を設けた球状粒子用バーナが開示されている。
特開２００２−１６６１６１号公報 特開２０００−３４６３１８号公報

本発明は、原料粉体が大粒径粒子の場合にも球状化率の高い良好な無機質球状化粒子を効率的に製造可能な無機質球状化粒子製造装置、及び無機質球状化粒子の製造方法を提供することを課題とする。

すなわち、本発明の要旨は、
（１） 無機質粉体を無機質粉体供給路から粉体溶融炉中の燃焼火炎に供給して溶融球状化する無機質球状化粒子製造装置であって、前記無機質粉体供給路に粉体分散板を装着してなる無機質球状化粒子製造装置、並びに
（２）前記（１）に記載の無機質球状化粒子製造装置を使用する無機質球状化粒子の製造方法、
に関する。

本発明によれば、原料粉体が大粒径粒子である場合にも好適に使用可能な無機質球状化粒子製造装置が提供され、かかる製造装置によれば原料粉体が大粒径粒子の場合にも球状化率の高い良好な無機質球状化粒子を効率的に製造することができる。

溶融球状化による無機質球状化粒子の製造において、効率よく、高球状化率を安定させるために従来検討された装置、例えば、特許文献１に開示された装置では、温度調節機構を必須の構成とするものであることから、装置の構成をやや複雑なものとせざるを得ず、特許文献２に開示された装置では、火炎中に原料粉体が噴出する際の原料粉体の滞留状態が不安定で球状化率の安定性に限界があり、特に、原料粉体が平均粒径５０μｍ以上の大粒径粒子の場合に高球状化率を安定にするには不充分であった。

なお、ここに、無機質球状化粒子とは、以下の式（１）：
ｘＡ_ｍＯ_ｎ・ｙＢ_ｐＯ_ｑ （１）
（式中、Ａ及びＢは任意の金属原子、ｘ≧１；ｙ≧０；ｍ、ｎ、ｐ及びｑ≧１）
で表される成分を含む無機質粉体を原料として製造されるものをいう。式（１）で表される成分としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２、２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２・ＳｉＯ_２等が挙げられる。

本発明の無機質球状化粒子製造装置は、燃焼装置中の無機質粉体供給路に所定の粉体分散板を装着してなることを１つの大きな特徴とする。原料粉体は原料搬送用ガス中に分散した状態で燃焼装置の無機質粉体供給路を介して粉体溶融炉に供給されるが、その際、原料粉体の分散性が悪いと球状化過程で粒子同士が融着し、形状不良となって大粒径化する。また、原料粉体の投入速度が大きく粉体溶融炉での原料粉体の滞留時間が短いと原料粉体が充分に球状化せず、良質な無機質球状化粒子が得られない。これらの傾向は、特に原料粉体が大粒径粒子である場合に顕著である。本発明の製造装置においては、原料粉体は燃焼装置中の無機質粉体供給路に装着された所定の粉体分散板を介して粉体溶融炉に入ることから、良好な分散状態で原料粉体を燃焼火炎中に供給することができ、しかも、原料粉体が粉体分散板に衝突することで粉体溶融炉への投入速度が低下し、適度な滞留時間で原料粉体を燃焼火炎中に維持し得ると推定される。従って、本発明の製造装置によれば、原料粉体が大粒径粒子である場合であっても、単分散体からなる球状化率の高い良好な無機質球状化粒子を効率的に製造することができる。本発明の無機質球状化粒子の製造方法は、かかる無機質球状化粒子製造装置を使用するものであり、当該方法によれば、前記の通りの良好な無機質球状化粒子を効率的に製造することができる。

なお、本明細書において「球状化率」とは、無機質球状化粒子中の、球形度０．９８以上の粒子の重量割合（％）をいう。球形度は、光学顕微鏡又はデジタルスコープ（例えば、キーエンス社製、ＶＨ−８０００型）により該粒子の像（写真）を得、得られた像を画像解析することにより、該粒子の粒子投影断面の面積及び該断面の周囲長を求め、次いで、〔粒子投影断面の面積（ｍｍ^２）と同じ面積の真円の円周長（ｍｍ）〕／〔粒子投影断面の周囲長（ｍｍ）〕を計算し、任意の５０個の無機質球状化粒子につき、それぞれ得られた値を平均して求める。

「単分散体からなる無機質球状化粒子」とは、原料粉体の粒子同士が実質的に融着しておらず、個々の原料粉体に対応して得られた無機質球状化粒子をいう。無機質球状化粒子がそのような状態にあるか否かは、光学顕微鏡又はデジタルスコープ（例えば、キーエンス社製、ＶＨ−８０００型）により該粒子の像を観察することにより容易に把握することができる。

本明細書において「平均粒径」は以下のようにして求める。無機質球状化粒子の粒子投影断面からの球形度＝１の場合は直径（ｍｍ）を測定し、一方、球形度＜１の場合はランダムに配向させた無機質球状化粒子の長軸径（ｍｍ）と短軸径（ｍｍ）を測定して（長軸径＋短軸径）／２を求め、任意の１００個の無機質球状化粒子につき、それぞれ得られた値を平均して平均粒径（ｍｍ）とする。長軸径と短軸径は、以下のように定義される。粒子を平面上に安定させ、その粒子の平面上への投影像を２本の平行線ではさんだとき、その平行線の間隔が最小となる粒子の幅を短軸径といい、一方、この平行線に直角な方向の２本の平行線で粒子をはさむときの距離を長軸径という。無機質球状化粒子の長軸径と短軸径は、該粒子の像（写真）を得、得られた像を画像解析することにより求めることができる。なお、原料粉体の場合も同様にして「平均粒径」を求める。

本発明の無機質球状化粒子製造装置とは具体的には、無機質粉体を、無機質粉体供給路から粉体溶融炉に供給し、該溶融炉内で該粉体を燃焼火炎に通して溶融球状化する装置であって、前記無機質粉体供給路に粉体分散板を装着してなる装置である。なお、本発明の装置は、従来の無機質球状化粒子製造装置に準じて製造することができる。

以下に、好適な具体例をもって詳細に説明するが、本発明の装置及び製造方法は、以下の具体例に限定されるものではない。

本発明の製造装置は燃焼装置と粉体溶融炉とを有する。燃焼装置は、例えば、中心から順に、無機質粉体供給路と、無機質粉体供給路の外周に配置された燃料ガス供給路と、燃料ガス供給路の外周に配置された燃焼用ガス供給路とを有する多重管構造、より好ましくは同心多重管構造に構成されており、前記無機質粉体供給路には粉体分散板が装着されている。燃焼装置と粉体溶融炉とは、通常、燃焼装置の無機質粉体供給路、燃料ガス供給路、及び燃焼用ガス供給路のそれぞれの噴出口を介して接続されている。

無機質粉体供給路における粉体分散板の装着位置及び装着枚数は特に限定されるものではないが、より良好な分散状態で原料粉体を燃焼火炎中に供給し、より適度な滞留時間で原料粉体を燃焼火炎中に維持する観点から、粉体分散板は無機質粉体供給路の粉体溶融炉側の一端近傍に少なくとも１枚装着するのが好ましい。

なお、「無機質粉体供給路の粉体溶融炉側の一端近傍」とは、無機質粉体供給路の粉体溶融炉側の一端における該供給路の長手方向に対する垂直断面の中心から該供給路の全長の０％を超えて２０％までに相当する長さ、好ましくは１〜１０％に相当する長さだけ該中心から該供給路の長手方向に直線距離で該供給路側に離れた位置をいう。

無機質粉体供給路は、通常、円管の先端部分にガスノズルを装着して構成される。該ガスノズルは無機質粉体供給路の粉体溶融炉側に位置しており、ガスノズルの粉体溶融炉側の一端は無機質粉体供給路の粉体溶融炉側の一端に相当する。よって、無機質粉体供給路の粉体溶融炉側の一端近傍に粉体分散板を少なくとも１枚装着する具体的態様としては、該ガスノズル内に粉体分散板を少なくとも１枚装着する態様が挙げられる。原料粉体の分散性と火炎中への滞留状態をより安定にする観点から、粉体分散板をガスノズル内に１枚装着するのが好ましく、２枚装着するのがより好ましい。なお、粉体分散板を２枚以上装着する場合、各粉体分散板が接触しないように装着するのが好ましい。

無機質粉体供給路の粉体溶融炉側の一端近傍に粉体分散板を１枚装着してなる本発明の製造装置の一例の模式図を図１に示す。該図では粉体分散板１０がガスノズル１１内に装着されている。図１において原料粉体は原料粉体フィーダー１より一定量ずつ排出され、原料搬送用ガス供給路２より導入される原料搬送用ガス（酸素又は酸素富化空気；図では酸素）で搬送され燃焼装置３内の原料粉体供給路４に供給される。原料粉体フィーダー１と原料粉体供給路４とをつなぐ管の途中には任意に、本発明の粉体分散板と同様な粉体分散板が少なくとも１枚装着されていてもよい。図１では燃焼装置３はその断面により模式的に示されている。燃料ガス（プロパン、ブタン、メタン、ＬＰＧ等）及び燃焼用ガス（酸素又は酸素富化空気）はそれぞれの供給源から燃料ガス供給路７、燃焼用ガス供給管８に導入され燃焼装置３内の燃料ガス供給路５、燃焼用ガス供給路６に供給される。燃焼装置３は粉体溶融炉１２に接続されており、粉体溶融炉１２内に燃焼火炎９を形成する。燃焼装置３内の原料粉体供給路４に供給された原料粉体は原料粉体供給路４に装着された粉体分散板１０を介して燃焼火炎９内に原料搬送用ガスによって噴出され、溶融若しくは軟化して表面張力により球状化されることになる。

また、本発明の製造装置に使用される２枚の粉体分散板が装着されたガスノズルの断面図（左図）、及び粉体溶融炉側から眺めた該ガスノズルの図（右図）の一例を図２に示す。かかる図では、ガスノズル１１内に２枚の粉体分散板ＡとＢが最も離れて存在するようにして装着されている。ガスノズル内に２枚の粉体分散板を装着する場合、そのようにして装着するのが特に好ましい。

図１に示す燃焼装置３の一例を、より詳細に横方向で示した模式図（波線部分は略）を図３に示す。図において、左側が、無機質粉体供給路（原料粉体供給路４）の無機質粉体供給側であり、右側が、無機質粉体供給路（原料粉体供給路４）の粉体溶融炉側である。矢印はそれぞれ、原料粉体供給路４内を通過する原料粉体の向き、燃料ガス供給路５内を通過する燃料ガスの向き、燃焼用ガス供給路６内を通過する燃焼用ガスの向きを示す。また、燃焼用ガス供給路６の外側を覆う燃焼装置外筒を１３で示す。ガスノズルは、通常、図の破線楕円で示した位置に装着されている。

さらに、粉体分散板は、無機質粉体供給路の無機質粉体供給側の一端近傍に少なくとも１枚装着されていてもよい。この場合、粉体分散板は無機質粉体供給路を構成する円管中に装着されることになる。なお、「無機質粉体供給路の無機質粉体供給側の一端近傍」とは、無機質粉体供給路の無機質粉体供給側の一端における該供給路の長手方向に対する垂直断面の中心から該供給路の全長の０％を超えて２０％までに相当する長さ、好ましくは１〜１０％に相当する長さだけ該中心から該供給路の長手方向に直線距離で該供給路側に離れた位置を言う。粉体分散板を円管中に装着する場合、原料粉体の分散性と火炎中への滞留状態をより安定にする観点から、粉体分散板を円管中に１枚装着するのが好ましく、２枚装着するのがより好ましい。

従って、本発明の製造装置としては、無機質粉体供給路の無機質粉体供給側の一端近傍、及び無機質粉体供給路の粉体溶融炉側の一端近傍に、粉体分散板がそれぞれ少なくとも１枚装着されたものであってもよい。

粉体分散板の装着状態は特に限定されないが、原料粉体の分散性と火炎中への滞留状態をより安定にする観点から、無機質粉体供給路の長手方向に対して略垂直に、しかも装着位置での無機質粉体供給路の長手方向に対して垂直な断面の形状と合致する状態で装着するのが好ましい。

原料粉体の分散性と火炎中への滞留状態をより安定にするとの観点から、粉体分散板の好適な構造について説明する。粉体分散板の開孔率は、２５〜９５％が好ましく、４０〜９０％がより好ましく、５０〜８５％が更に好ましい。また、平均孔径としては、円換算直径（同じ孔面積を有する円の直径をいう）で、０．１〜５ｍｍが好ましく、０．２〜４ｍｍがより好ましく、０．５〜３ｍｍが更に好ましい。粉体分散板の最大開孔径は、円換算直径で１〜３０ｍｍが好ましく、２〜２０ｍｍがより好ましい。粉体分散板の厚さは、粉体分散板の円換算直径に対する割合（厚さ／円換算直径）として表すと、５〜５０％が好ましく、１０〜４０％がより好ましい。

ここに、粉体分散板の開孔率とは、粉体分散板正射影全面積に占める開孔部の正射影全面積の割合（開孔部正射影全面積／粉体分散板正射影全面積）と定義され、平均孔径とは、全開孔部の円換算直径の平均と定義され、粉体分散板の円換算の最大開孔径とは、全開孔部の中で円換算直径が最大のものと定義され、粉体分散板開孔部の円換算直径とは開孔部の正射影面積と同じ面積を持つ円の直径と定義される。

粉体分散板の形状としては、例えば、メッシュ状、開孔の形状が円若しくは楕円であるレンコン状、ハニカム状、開孔の形状が異形及び不定形であるもの等が挙げられ、特に限定されないが、製造容易である観点より、メッシュ状、レンコン状及びハニカム状からなる群より選ばれる少なくとも１種が好ましく、原料粉体が大粒径粒子の場合に、より球状化率が高く良好な無機質球状化粒子を得る観点から、レンコン状及び／又はハニカム状がより好ましく、レンコン状が更に好ましい。２枚以上の粉体分散板を無機質粉体供給路に装着する場合、同一若しくは異なる形状を有する粉体分散板を任意に使用することができるが、平均孔径が、無機質粉体供給側の粉体分散板で大きく、粉体溶融炉側の粉体分散板で小さくなるような粉体分散板の組み合わせが好ましい。

図４に、メッシュ状（Ｉ）、レンコン状（ＩＩ）、ハニカム状（ＩＩＩ）、又は開孔の形状が不定形（ＩＶ）である、本発明の粉体分散板を例示する。

本発明の製造装置の操業は、従来の方法に従って行えばよい。なお、原料搬送用ガスの流速等は以下の条件を満たすのが好適である。

本発明にいう原料粉体としては、無機質球状化粒子の原料として用いられるものであれば特に限定はないが、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、ＴｉＯ_２、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３）等の酸化物、複酸化物等が挙げられる。また、本発明の製造装置に供する際の原料粉体の形態も特に限定されない。

原料粉体は原料搬送用ガスに同伴されて燃焼装置に供給され、無機質粉体供給路の粉体分散板に至ることになるが、その際の原料搬送用ガスの流速としては、好ましくは毎秒２〜２０ｍ／秒、より好ましくは毎秒５〜１０ｍ／秒である。原料搬送用ガスの流速がかかる範囲にあれば、原料粉体が粉体分散板に衝突した際に充分な分散性が得られ、また、適度に減速されて、粉体溶融炉における滞留時間が良好となる。減速の程度としては特に限定はないが、粉体分散板通過前の原料粉体の粒子速度をＩ_０、粉体分散板通過後の原料粉体の粒子速度をＩとすると、それらの比率Ｉ／Ｉ_０（％）がＩ／Ｉ_０≦５０％を満たすのが好ましい。なお、Ｉ／Ｉ_０は、粉体分散板前後での原料粉体の通過速度を測定することにより算出される。通過速度は、例えば、光学的手法（例えば、高速度カメラ等）により求められる。原料搬送用ガス中の原料粉体濃度としては、原料粉体の充分な分散性を確保する観点から、好ましくは０．１〜１０ｋｇ／Ｎｍ^３、より好ましくは０．５〜５ｋｇ／Ｎｍ^３である。粉体溶融炉における滞留時間とは、原料粉体が粉体溶融炉に至ってから球状化溶融粒子が燃焼火炎域外へ飛散するまでの時間をいい、原料粉体の粒径によるが、０．００１〜５秒間程度であるのが好ましい。なお、燃焼火炎の温度としては特に限定はないが、通常、１５００〜３０００℃程度であるのが好ましい。

本発明の製造装置によれば、例えば、単分散体からなる球状化率の高い良好な、平均粒径１〜５００μｍ程度の無機質球状化粒子を効率的に製造することができる。なお、使用される原料粉体の平均粒径は該製造装置を経ることにより実質的に変化するものではなく、原料粉体の平均粒径と得られる無機質球状化粒子の平均粒径とは実質的に同じである。

次に、本発明の無機質球状化粒子製造装置を使用する無機質球状化粒子の製造方法について説明する。

本発明の製造方法は、従来の無機質球状化粒子製造装置の操業の方法に従い、好ましくは原料搬送用ガスの流速等の前記好適な条件の下、本発明の製造装置を使用して無機質球状化粒子を製造することにより実施される。

本発明の方法によれば、例えば、特開２００４−２０２５７７号公報に記載の、流動性に優れ、高強度かつ表面が平滑な鋳造用鋳型を製造するのに好適な球状鋳物砂を効率的に製造することができる。なお、製造条件等の詳細については該公報を参照されたい。

このようにして得られる球状鋳物砂は、流動性に非常に優れたものであり、単独で、又は該鋳物砂が所定の割合で含まれるように公知の鋳物砂と適宜混合して使用される。鋳型の製造において該鋳物砂を用いると、使用するバインダーの量を少なくできることから、それらの鋳物砂は、鋳物砂として効率的に再生することができる。かかる球状鋳物砂は、鋳鋼、鋳鉄、アルミニウム、銅及びこれらの合金等の鋳型用途に好適に使用され得、また、金属、プラスチック等への充填材としても使用することができる。

実施例１〜１０及び比較例１〜５（実施例１、５、６、８〜１０は参考例である）
粉体分散板の装着枚数、装着位置、及び性状が以下に示す表１の通りの、図１に示す装置と同型である無機質球状化粒子製造装置を製造し、当該装置を用いて無機質球状化粒子の調製を行った。

なお、表１において粉体分散板の装着位置はカッコ内のＡ又はＢで示す。当該記号は、図２に示すガスノズル内の粉体分散板Ａ又はＢの位置に相当する位置を示す。ガスノズルは、無機質粉体供給路の粉体溶融炉側の一端における該供給路の長手方向に対する垂直断面の中心から該供給路の全長の１０％内に相当する長さだけ該中心から該供給路の長手方向に直線距離で該供給路側に離れた位置にあった。

Ａｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２を合計量で９７重量％含有する、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２重量比率が１．７、含水率が０重量％のムライト粉末（柴田セラミックス社製合成ムライト粉末）を原料粉体として用いた。なお、用いた原料粉体の平均粒径を表１に示す。含水率は粉末粒子１０ｇを８００℃で１時間加熱した時の減量により求めた。

原料粉体を、酸素を原料搬送用ガスとして用い、ＬＰＧ（プロパンガス）を対酸素比（容量比）１．１で燃焼させた火炎（約２０００℃）中に投入し、単分散した無機質球状化粒子を得た。各無機質球状化粒子の調製を行った際のＩ／Ｉ_０、得られた無機質球状化粒子の球状化率を表１に併せて示す。

表１の実施例と比較例との結果の比較より、本発明の製造装置を使用することにより、球状化率が高い、小粒径から大粒径の良好な球状鋳物砂が得られることが分かる。特に形状がレンコン状又はハニカム状の粉体分散板を使用するのが大粒径の球状鋳物砂を得るのに好適であった。また、実施例で得られたいずれの球状鋳物砂も良好な単分散性を示した。

本発明により、原料粉体が大粒径粒子の場合にも球状化率の高い良好な無機質球状化粒子を効率的に製造可能な、無機質球状化粒子製造装置、及び無機質球状化粒子の製造方法が提供される。

本発明の無機質球状化粒子製造装置の一例の模式図である。 本発明の無機質球状化粒子製造装置に使用される２枚の粉体分散板が装着されたガスノズルの断面図（左図）、及び粉体溶融炉側から眺めた該ガスノズルの図（右図）の一例を示す。 図１に示す燃焼装置３の一例を、より詳細に横方向で示した模式図である。 メッシュ状（Ｉ）、レンコン状（ＩＩ）、ハニカム状（ＩＩＩ）、又は開孔の形状が不定形（ＩＶ）である、本発明の粉体分散板の一例を示す図である。

符号の説明

１ 原料粉体フィーダー
２ 原料搬送用ガス供給路
３ 燃焼装置（ガス燃焼バーナー）
４ 原料粉体供給路
５ 燃料ガス供給路
６ 燃焼用ガス供給路
７ 燃料ガス供給路
８ 燃焼用ガス供給管
９ 燃焼火炎
１０、Ａ、Ｂ 粉体分散板
１１ ガスノズル
１２ 粉体溶融炉
１３ 燃焼装置外筒

Claims (4)

1. 無機質粉体を無機質粉体供給路から粉体溶融炉中の燃焼火炎に供給して溶融又は軟化して球状化する無機質球状化粒子製造装置であって、前記無機質粉体供給路の粉体溶融炉側の一端近傍に、２枚の粉体分散板を装着してなり、該粉体分散板の開孔率が２５〜９５％であり、平均孔径が０．１〜５ｍｍである無機質球状化粒子製造装置。
2. 粉体分散板の形状がメッシュ状、レンコン状及びハニカム状からなる群より選ばれる少なくとも１種である請求項１記載の無機質球状化粒子製造装置。
3. 中心から順に、無機質粉体供給路と、無機質粉体供給路の外周に配置された燃料ガス供給路と、燃料ガス供給路の外周に配置された燃焼用ガス供給路とを有する多重管構造に構成されてなる燃焼装置に接続された粉体溶融炉を有してなり、燃焼装置と粉体溶融炉との接続が、燃焼装置の無機質粉体供給路、燃料ガス供給路、及び燃焼用ガス供給路のそれぞれの噴出口を介してなされたものである、請求項１又は２記載の無機質球状化粒子製造装置。
4. 請求項１〜３いずれかに記載の無機質球状化粒子製造装置を使用する無機質球状化粒子の製造方法。

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