JP6906631B2 - 金属粉末製造装置並びにそのガス噴射器及びるつぼ器 - Google Patents
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Description
図2は第1実施形態に係るガスアトマイズ装置の金属噴霧装置200周辺の断面図であり、図3は第1実施形態の金属噴霧装置200の斜視図である。なお、図3では後述する第1,第2溶湯ノズル11A,11Bの図示を省略している。
金属噴霧装置200は、噴霧槽4内に向かって溶融金属を流下させる複数の溶湯ノズル11A,11Bと、溶解槽(るつぼ部)1の下方に設置され複数のガス噴射ノズル2A,2Bからガスを噴射するガス噴射器70とを備えている。金属噴霧装置200は、ガス噴射器70の噴霧槽4内に臨む底面に、噴霧槽4内に溶融金属を液体噴霧する複数の噴霧ノズル20A,20Bを構成している。本実施形態のガスアトマイズ装置は第1噴霧ノズル20Aと第2噴霧ノズル20Bの2つの噴霧ノズルを備えている。第1,第2噴霧ノズル20A,20Bは、それぞれ、噴霧槽4内に溶融金属を流下させる溶湯ノズル11A,11Bと、溶湯ノズル11A,11Bの周囲に複数配置されたガス噴射ノズル2A,2Bを有している。すなわち各噴霧ノズル20は溶湯ノズル11とガス噴射ノズル2とを一対で有している。
図2に示すように、溶解槽(るつぼ部)1の底部には、溶解槽1内の溶融金属を噴霧槽4内にそれぞれ流下させる第1溶湯ノズル11Aと第2溶湯ノズル11Bが溶解槽1の底面から鉛直下方に向かって突出して設けられている。第1溶湯ノズル11Aと第2溶湯ノズル11Bは、同一の形状を有しており、それぞれの内部に溶湯が流下する鉛直方向に延びた縦長の孔を有している。この縦長の孔は、溶解槽(るつぼ部)1の底部から鉛直下方に向かって溶融金属が流下する溶湯流路となる。
ガス噴射器70は、不活性の高圧ガスで満たされる中空構造の円柱形状の外形を有しており、その内部は複数の溶湯ノズル挿入孔12A,12Bのそれぞれの周囲にガス流を形成するガス流路50となっている。ガス流路50は、ガス噴射器70の円柱の側面に設けられたガス吸入孔(図示せず)に接続される噴射ガス供給管3から高圧ガスの供給を受ける。ガス噴射器70は、ガス流路50に供給されたその高圧ガスをガス噴射器70の底面に設けられた複数の噴射孔9を介して指向性のある噴射ガスジェット(ガス噴流)10として噴射する。複数の噴射孔9は第1溶湯ノズル挿入孔12Aの噴霧槽側開口端の周囲と第2溶湯ノズル挿入孔12Bの噴霧槽側開口端の周囲にそれぞれ円を描くように配置されており、第1溶湯ノズル挿入孔12Aの噴霧槽側開口端を取り囲む複数の噴射孔9はそれぞれ第1ガス噴射ノズル(第1ガス噴射部)2Aを、第2溶湯ノズル挿入孔12Bの噴霧槽側開口端を取り囲む複数の噴射孔9はそれぞれ第2ガス噴射ノズル(第2ガス噴射部)2Bを構成している。ガス噴射ノズル2A,2Bは、複数の溶湯ノズル挿入孔12A,12Bごとに設けられており、溶湯ノズル挿入孔の12A,12Bの開口端よりガス噴射器70の外側に向かってガス流路50内のガスを噴射する。
上記のように構成される金属粉末製造装置において、噴射ガス供給管3から高圧ガスを供給すると、金属噴霧装置200における複数の第1ガス噴射ノズル2A及び第2ガス噴射ノズル2Bを構成する全ての噴射孔9から噴霧槽4の内部に向かって噴射孔9ごとに予め定められた噴射方向(直線25)に従って同じ圧力の高圧ガスが噴射される。このとき、第1ガス噴射ノズル2A及び第2ガス噴射ノズル2Bでは、それぞれの焦点(第1焦点、第2焦点)26に対してガスが集中噴射され、図4に示すような焦点26を頂点とし複数の噴射孔9が配置された円90を底面とする逆円錐状(第1の逆円錐形状,第2の逆円錐形状)の流体膜が形成される。
上記の第1実施形態では従前と同径の噴霧槽4に2つの噴霧ノズル20A,20Bを設けたため、各噴霧ノズル20A,20Bから噴霧される微粒子15が噴霧槽4内で凝固前に衝突して変形するおそれがある。本実施形態はこの課題の解決を試みる実施形態の1つである。
本実施形態は第2実施形態の変形例であり、次に説明するように金属噴霧装置200(ガス噴射器70)を構成しても膜状噴流35によって微粒子15同士の衝突を防止できる。
本実施形態は、上記の第2,第3実施形態と同じ課題(隣接する2つの噴霧ノズル20A,20Bから噴霧される凝固前の微粒子15の衝突・変形)の解決を試みる実施形態の1つであり、第1実施形態の複数のガス噴射ノズル2A,2Bを所定角度θだけチルトしたものに相当する。
上記のように構成される金属粉末製造装置において、噴射ガス供給管3から高圧ガスを供給すると、複数の第1ガス噴射ノズル2A及び第2ガス噴射ノズル2Bを構成する全ての噴射孔9から予め定められた噴射方向(直線25)に従って同じ圧力の高圧ガスが噴射される。このとき、第1ガス噴射ノズル2A及び第2ガス噴射ノズル2Bでは、それぞれの焦点(第1焦点、第2焦点)26に対してガスが集中噴射され、図9に示すような焦点26を頂点とし複数の噴射孔9が配置された円を底面とする逆円錐状(第1の逆円錐形状,第2の逆円錐形状)の流体膜が形成される。このときの逆円錐は所定角度θだけチルトしているが、第1実施形態と同様に円錐底面の中心Pg1,Pg2と頂点を結ぶ直線41A,41Bが円錐底面と直交する直円錐となる。
本実施形態では複数の噴霧ノズル20A,20Bの噴霧条件をそれぞれ異ならせることにより1基のガスアトマイズ装置(金属粉末製造装置)で製造される金属粉末の粒径分布(「粒度分布」とも称する)を制御可能としている点に特徴がある。
図11は噴霧ノズル20Aに係るガス噴射ノズル2Aと噴霧ノズル20Bに係るガス噴射ノズル2Bから噴射されるガス流体(高圧ガス)の噴射圧をそれぞれ異ならせることが可能な金属噴霧装置210周辺の断面図である。この図の金属噴霧装置210は、2つのガス噴射ノズル2A,2Bで共通のガス流路50を利用した第1実施形態と異なり、圧力の異なるガス供給源(図示せず)に接続された独立した内部流路50A,50Bを備えている。各内部流路50A,50Bには異なる噴射ガス供給管3A,3Bを介して圧力の異なるガス供給源からガス流体が供給されており、ガス噴射ノズル2A,2Bからは噴射圧の異なるガス流体が噴射される。
図12は噴霧ノズル20Aに係るガス噴射ノズル2Aの噴射孔9aと噴霧ノズル20Bに係るガス噴射ノズル2Bの噴射孔9の角度(傾斜角度)をそれぞれ異ならせた金属噴霧装置220周辺の断面図である。噴射孔9(噴射孔9a)の角度は、図中に示すように、噴射孔9(噴射孔9a)の中心軸25と第2溶湯ノズル挿入孔12Bの中心軸Cm2(第1溶湯ノズル挿入孔12Aの中心軸Cm1)のなす角θ9(θ9a)で定義することができる(但し、θ9とθ9aは90度未満とする)。この図の金属噴霧装置220は、2つのガス噴射ノズル2A,2Bで共通した噴射孔9の角度を利用した第1実施形態と異なり、ガス噴射ノズル2Aに属する複数の噴射孔9aの角度θ9aと、ガス噴射ノズル2Bに属する複数の噴射孔9の角度θ9とを異ならせている。具体的には、ガス噴射ノズル2Aに属する複数の噴射孔9aの角度θ9aは、ガス噴射ノズル2Bに属する複数の噴射孔9の角度θ9よりも小さく設定されている。
図13は噴霧ノズル20Aに係るガス噴射ノズル2Aの噴射孔9と噴霧ノズル20Bに係るガス噴射ノズル2Bの噴射孔9の径をそれぞれ異ならせた金属噴霧装置230周辺の断面図である。この図の金属噴霧装置230は、2つのガス噴射ノズル2A,2Bで共通した噴射孔9の径を利用した第1実施形態と異なり、ガス噴射ノズル2Aに属する複数の噴射孔9の径と、ガス噴射ノズル2Bに属する複数の噴射孔9rの径とを異ならせている。具体的には、ガス噴射ノズル2Bに属する複数の噴射孔9rの径は、ガス噴射ノズル2Aに属する複数の噴射孔9の径よりも大きく設定されている。
この噴霧条件(4)に係る金属噴霧装置(図示せず)は、2つのガス噴射ノズル2A,2Bで共通した噴射孔9の数を利用した第1実施形態と異なり、ガス噴射ノズル2Aに属する複数の噴射孔9の数と、ガス噴射ノズル2Bに属する複数の噴射孔9rの数とを異ならせている。例えば、ガス噴射ノズル2Bに属する複数の噴射孔9の数を、ガス噴射ノズル2Aに属する複数の噴射孔9の数よりも多く設定した金属噴霧装置がある。このようにガス噴射ノズル2A(噴霧ノズル20A)に属する複数の噴射孔9の数よりもガス噴射ノズル2B(噴霧ノズル20B)に属する複数の噴射孔9の数を多く設けるとガス噴射ノズル2Bのガス量が増加し、噴霧ノズル20Bから噴霧される金属の粒度は噴霧ノズル20Aから噴霧されるものに比べて細粒化される。すなわち噴射孔9の数を増加するほど金属粉末は細粒化される傾向がある(換言すると、噴射孔9の数を低減するほど金属粉末は粗粒化される傾向がある)。これにより噴射孔9の数の異なる2つの噴霧ノズル20A,20Bから噴霧される金属の粒度分布が異なることとなり、例えば図17に示すように金属粉末の粒度分布に2つのピーク(平均粒径μ1,μ2)が現れる。図17において仮に噴霧ノズル20Aから噴霧された金属粉末の平均粒径をμ1とすると、噴霧ノズル20Bから噴霧された金属粉末の平均粒径はμ1に比して小さいμ2となる。すなわち、噴霧条件(1)を変更した上記の場合と同様に、噴霧ノズル20A,20Bの噴霧条件が同一だった場合(図10参照)に比べて広範囲の粒度を有する金属粉末を一度に製造することができる。
図14は噴霧ノズル20Aに第1溶湯ノズル11Aの最小孔径60aと噴霧ノズル20Bに係る第2溶湯ノズル11Bの最小孔径60bをそれぞれ異ならせた金属噴霧装置240周辺の断面図である。この図の金属噴霧装置240は、2つの第1溶湯ノズル11A,11Bで共通した最小孔径を利用した第1実施形態と異なり、第1溶湯ノズル11Aの最小孔径60aと、第2溶湯ノズル11Bの最小孔径60bとを異ならせている。具体的には、第1溶湯ノズル11Aの最小孔径60aは、第2溶湯ノズル11Bの最小孔径60bよりも大きく設定されている。なお、図14の2つの溶湯ノズル11A,11Bの孔径は軸方向に沿って一定だが、孔内に他の部分よりも径の小さいオリフィスを設けることで溶湯ノズル11A,11Bの最小孔径を設定しても良く、この場合の最小孔径はオリフィス径に一致する。
図15Aは噴霧ノズル20Aに係る第1溶湯ノズル11Aの先端形状65aと噴霧ノズル20Bに係る第2溶湯ノズル11Bの先端形状65bをそれぞれ異ならせた金属噴霧装置250周辺の断面図であり、図15Bは第1,第2溶湯ノズル11A,11Bの先端部の拡大図である。これらの図の金属噴霧装置250は、2つの第1溶湯ノズル11A,11Bで共通した先端形状を利用した第1実施形態と異なり、第1溶湯ノズル11Aの先端形状65aと、第2溶湯ノズル11Bの先端形状65bとを異ならせている。図15Aおよび図15Bの例では先端形状として溶湯ノズル11A,11Bの先端角度θ65a,θ65bを異ならせている。図15Bに示すように、溶湯ノズル11A,11Bの先端角度θ65a,θ65bは、溶湯ノズル11A,11Bの先端部の軸方向断面における外形形状が溶湯ノズル11A,11Bの中心軸(溶湯ノズル挿入孔12A,12Bの中心軸Cm1,Cm2)となす角θ65a,θ65bで規定できる。図15Aおよび図15Bの例では、第1溶湯ノズル11Aの先端角度θ65aは略90度であり、第2溶湯ノズル11Bの先端角度θ65bよりも大きく設定されている。
本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。
Claims (10)
- 1つの噴霧槽と、
前記噴霧槽内に溶融金属を液体噴霧する複数の噴霧ノズルとを備え、
前記複数の噴霧ノズルはそれぞれ、前記噴霧槽内に向かって溶融金属を鉛直下方に流下させる溶湯ノズルと、前記溶湯ノズルの周囲に複数配置され前記溶湯ノズルから流下した溶融金属にガス流体を衝突させるための噴射孔を有する、ガス噴射ノズルとを有し、 前記複数の噴霧ノズルのうち隣接する2つの噴霧ノズルの間に設けられ、ガス流体を噴射して前記2つの噴霧ノズルから噴霧された溶融金属同士の衝突を抑制するための噴流を形成するシールガス噴流ノズルをさらに備えることを特徴とする金属粉末製造装置。 - 請求項1の金属粉末製造装置において、
前記シールガス噴流ノズルは、ガス流体をそれぞれ噴射する複数の孔であり、
前記複数の孔は、前記2つの噴霧ノズルの間に線状に配置されることを特徴とする金属粉末製造装置。 - 請求項1の金属粉末製造装置において、
前記シールガス噴流ノズルは、ガス流体をそれぞれ噴射するスリットであり、
前記スリットは、前記2つの噴霧ノズルの間に配置されることを特徴とする金属粉末製造装置。 - 請求項1から3のいずれか1つの金属粉末製造装置において、
前記複数の噴霧ノズルにおける少なくとも1つの噴霧ノズルでは、前記複数のガス噴射ノズルから噴射されるガス流体の焦点が前記溶湯ノズルから流下される溶融金属の流下領域内に位置し、前記溶湯ノズルの中心軸が、前記溶湯ノズルと前記複数のガス噴射ノズルが重ならない範囲で、前記複数のガス噴射ノズルの噴射孔が形成する円の中心より前記噴霧槽の内側面側に位置することを特徴とする金属粉末製造装置。 - 請求項1の金属粉末製造装置において、
前記複数の噴霧ノズルにおける噴霧条件はそれぞれ異なっていること特徴とする金属粉末製造装置。 - 請求項5の金属粉末製造装置において、
前記複数の噴霧ノズルにおける噴霧条件は、前記複数のガス噴射ノズルから噴射されるガス流体の噴射圧、前記複数のガス噴射ノズルにおける噴射孔の角度、前記複数のガス噴射ノズルにおける噴射孔の径、前記複数のガス噴射ノズルにおける噴射孔の数、前記溶湯ノズルの最小孔径、及び前記溶湯ノズルの先端形状の少なくとも1つによって異なっていることを特徴とする金属粉末製造装置。 - 金属粉末製造装置のガス噴射器であって、
溶融金属が鉛直下方に流下する溶湯ノズルが挿入される溶湯ノズル挿入孔を複数有し、
該複数の溶湯ノズル挿入孔それぞれの周囲にガス流を形成するガス流路と、
前記複数の溶湯ノズル挿入孔ごとに設けられ、前記溶湯ノズル挿入孔の開口端より前記ガス噴射器の外側に向かって前記ガス流路内のガスを噴射するガス噴射ノズルとを備え、
前記ガス噴射ノズルは、前記ガス噴射器の底面かつ前記溶湯ノズル挿入孔の開口端の周囲に複数形成された噴射孔からなることを特徴とするガス噴射器。 - 金属粉末製造装置のるつぼ器であって、
溶融金属が蓄えられる1つのるつぼ部と、
前記1つのるつぼ部底部から鉛直下方に向かって設けられ、前記1つのるつぼ部底部から鉛直下方に向かって前記溶融金属が流下する溶湯流路を形成する、複数の溶湯ノズルとを備え、
前記溶湯ノズルは請求項7のガス噴射器の前記溶湯ノズル挿入孔に挿入される、ことを特徴とするるつぼ器。 - 請求項7のガス噴射器において、
前記複数の溶湯ノズル挿入孔ごとに設けられたガス噴射ノズルには、ガス流体の噴射圧、噴射孔の角度、噴射孔の径、及び噴射孔の数のうち少なくとも1つが他のガス噴射ノズルと異なっているガス噴射ノズルが含まれていることを特徴とするガス噴射器。 - 請求項7のガス噴射器において、
前記複数の溶湯ノズル挿入孔のうち隣接する2つの溶湯ノズル挿入孔の間に設けられ、ガス流体を噴射して前記複数の溶湯ノズルから流下される溶融金属同士の衝突を抑制するための噴流を形成するシールガス噴流ノズルを前記ガス噴射器の底面に備えることを特徴とするガス噴射器。
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