JPH07247105A - 金属酸化物粉末の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃焼後の金属酸化物の冷却速度を低下させる
ことにより、安定な結晶相の比率の増大した金属酸化物
粉末を金属粉末燃焼法により製造する。 【構成】 酸素を含む雰囲気内でバーナ３により化学炎
を形成し、この化学炎中に目的とする金属酸化物粉末の
一部を形成する金属粉末をキャリアガスとともにノズル
３０を介して投入して金属酸化物粉末を合成する。ノズ
ル３０の内面形状は、先端部側に拡径部３０ａが形成さ
れた段付き形状とされている。拡径部３０ａにおいて、
キャリアガス及び金属粉末の吹き込み速度がノズル内で
低速にされるので、火炎中に金属粉末が滞留する時間が
長くなる。生成された金属酸化物粒子の急冷の防止によ
り、金属酸化物粉末中における安定な結晶相の比率を増
加させることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属粉末燃焼法により
金属粉末から金属酸化物粉末を合成する金属酸化物粉末
の製造方法及びその製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、特公平１−５５２０１号などにみ
られるように、金属粉末をキャリアガスとともに酸素雰
囲気中に供給して着火し、連続的に燃焼させて金属酸化
物粉末を合成する金属粉末燃焼法が開発されている。す
なわち、この製造方法では、酸素雰囲気内においてバー
ナにより化学炎を形成し、この化学炎中に目的とする金
属酸化物粉末の一部を形成する金属粉末を粉塵雲が形成
される程度の量キャリアガスとともに投入する。これに
より、化学炎により金属粉末表面に熱エネルギーが与え
られ、金属粉末の表面温度が上昇し、金属粉末表面から
金属の蒸気が周囲に広がる。この金属蒸気が酸素ガスと
反応して発火し火炎を生じる。この火炎により生じた熱
は、さらに金属粉末の気化を促進し、これにより生じた
金属蒸気と反応ガスである酸素を含有するガスとが混合
され、連鎖的に発火伝播する。このとき、金属蒸気が酸
素と反応しつつ互いに衝突・凝集を繰り返しながら粒子
成長する。また、一部の金属粉末は燃焼により生じた熱
により溶融し、融液状態で酸化される。そして、生成ガ
スが自然冷却されることにより、金属酸化物粉末の雲が
できる。得られた金属酸化物粉末は、通常電気集塵器等
により帯電させて捕集される。

【０００３】この製造方法によれば、アルミナ、シリ
カ、マグネシアなどの単独金属酸化物粉末はもとより、
ムライト、スピネルなどの複合金属酸化物粉末も容易に
製造することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の金
属粉末燃焼法では、安定な結晶相を有する金属酸化物粉
末を製造することが困難であるという問題がある。これ
は、燃焼後に金属酸化物粉末が生成ガスとともに自然冷
却される際、この冷却速度が一般的に速いため、生成さ
れた酸化物が融液状態から比較的急冷されるため、安定
な結晶相が生成し難いからである。例えば、上記従来の
金属粉末燃焼法によりアルミナ微粉末を合成する場合、
安定な結晶相であるコランダム相の比率は２０％程度で
ある。

【０００５】ここで、安定な結晶相を生成させるため
に、燃焼後の雰囲気を適当な手段により加熱することに
より、金属酸化物の冷却速度を十分に低くする方法も考
えられるが、設備コスト及びランニングコストの面から
不利である。本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、コスト面での不利を避けつつ、燃焼後の金属酸化
物の冷却速度を低下させることにより、安定な結晶相を
生成させることのできる金属酸化物粉末の製造方法及び
製造装置を提供することを解決すべき技術課題とするも
のである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１記載の金属酸化物粉末の製造方法は、酸素を含む高
温の火炎中に目的とする金属酸化物粉末の一部を形成す
る金属粉末をキャリアガスとともに投入して金属酸化物
粉末を合成する金属酸化物粉末の製造方法において、先
端部側の内径が大きい段付き形状となっているノズルを
介して上記キャリアガスを吹き込むことによって、該キ
ャリアガスの吹き込み速度を該ノズル内で低速にしつ
つ、該キャリアガスを上記火炎中に投入することを特徴
とするものである。

【０００７】また請求項２記載の金属酸化物粉末の製造
装置は、酸素を含む高温の火炎中に目的とする金属酸化
物粉末の一部を形成する金属粉末をキャリアガスととも
にノズルを介して投入して金属酸化物粉末を合成するた
めの金属酸化物粉末の製造装置において、上記ノズルの
内面形状は先端部側の内径が大きい段付き形状とされて
いることを特徴とするものである。

【０００８】また請求項３記載の金属酸化物粉末の製造
方法は、酸素を含む高温の火炎中に目的とする金属酸化
物粉末の一部を形成する金属粉末をキャリアガスととも
に投入して金属酸化物粉末を合成する金属酸化物粉末の
製造方法において、上記火炎中に種結晶を添加すること
を特徴とするものである。

【０００９】

【作用】請求項１記載の金属酸化物粉末の製造方法、及
び請求項２記載の金属酸化粒粉末の製造装置では、酸素
を含む高温の火炎中に金属粉末がキャリアガスとともに
ノズルを介して吹き込まれる。ここで、該ノズルは先端
部側の内径が大きい段付き形状となっているので、キャ
リアガスの吹き込み速度がノズル内で低速にされる。こ
のため、キャリアガスとともに火炎中に吹き込まれる金
属粉末の吹き込み速度も遅くなるので、火炎中に金属粉
末が滞留する時間が長くなる。すなわち、結晶成長途上
にある粒子の火炎高温部周辺における滞留時間が長くな
る。したがって、生成された金属酸化物粒子の急冷を防
ぐことができ、これにより金属酸化物粉末中における安
定な結晶相の比率を増加させることが可能となる。

【００１０】なお、ノズルの内面形状を先端部側のみで
なく全体に拡径させた場合、反応炉内の圧力変動をノズ
ル内で受け易くなるので、火炎中への金属粉末の供給に
乱れを生じ、このため未燃焼粉末が発生し易くなる。ま
た、一時的に周囲の支燃性ガスや火炎をノズル内に吸い
込むことがあるので、金属粉末がノズル内で溶融してノ
ズル閉塞が生じるおそれがある。

【００１１】また、ノズルにキャリアガスを導入する際
のキャリアガス流量を低下させることによっても、ノズ
ルから火炎中への吹き込み速度を低下させることができ
るが、この場合キャリアガスとともに吹き込まれる金属
粉末の供給量も低下してしまう。このため、製造効率を
考慮した場合、キャリアガス流量を低下させることによ
って上記吹き込み速度を低下させることにはおのずと限
界がある。請求項１及び請求項２記載の製造方法及び装
置によれば、キャリアガス流量を低下させることなく、
したがって金属原料の供給量（製造効率）を低下させる
ことなく、上記吹き込み速度を低下させることが可能と
なる。

【００１２】さらに、火炎中での金属粉末の滞留時間が
長くなることに伴い、生成される粒子の成長が促進され
るので、粒径の大きな金属酸化物粉末を得ることができ
るという効果もある。請求項３記載の金属酸化物粉末の
製造方法では、火炎中に種結晶が添加されているので、
この種結晶を核として特定の結晶相が成長し易くなり、
結晶成長が促進される。このため、金属酸化物粉末中に
おける安定な結晶相の比率を増加させることが可能とな
る。

【００１３】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。 （実施例１）図１及び図２に示す本実施例１に係る製造
装置は、反応炉１と、反応炉１の上流側に連結された金
属粉末供給装置２と、反応炉１と金属粉末供給装置２と
の間に配設されたバーナ３と、反応炉１の下流側に連結
された回収装置４とから構成されている。

【００１４】反応炉１は、上部（上流）と下部（下流）
とで断面積が異なっており、下部（下流）側に断面積の
小さな縮径部１１を有している。なお、縮径部１１の上
方には断面積が連続的に変化するようにテーパ部１２が
設けられている。金属粉末供給装置２は、一端がバルブ
２１を介してキャリアガス（エア、窒素等）ボンベ（図
示せず）に接続され他端がバーナ３に接続されて、金属
粉末を分散したキャリアガスをバーナ３に導入するキャ
リアガス導入管２２と、このキャリアガス導入管２１に
シュート２３を介して接続され金属粉末を収納する供給
装置２４付きホッパ２５とを備えている。このホッパ２
５の上方部には不活性ガス導入管２６が接続され、常時
不活性ガスが導入可能とされている。また、シュート２
３の途中には逃がし管２７の一端が接続され、この逃が
し管２７の他端側には逃がし管開閉弁２８が設けられる
とともに、その先端には系外への金属粉末等の放出及び
系内への異物の吸込等を防止するためのフィルター２９
が取り付けられている。

【００１５】バーナ３は、図２の拡大断面図に示すよう
に４重管よりなり、中心側から、キャリアガス導入管２
２に接続された断面円形状のノズル３０と、環状の可燃
性ガス供給部３１と、環状の第１支燃性ガス供給部３２
と、環状の第２支燃性ガス供給部３３とを備えている。
ノズル３０はその下方（下流）先端部に拡径部３０ａを
有しており、ノズル３０の内形状は下部（下流）の先端
部側の内径が大きい段付き形状とされている。なお、ノ
ズル３０の内径はφ１２ｍｍであり、ノズル３０の拡径
部３０ａの内径はφ２４ｍｍ、拡径部３０ａの長さは８
０ｍｍである。また、拡径部３０ａの上方は、内径が連
続的に変化するようにテーパ面３０ｂとされている。可
燃性ガス供給部３１には、バルブ３４を介してＬＰＧガ
スボンベ（図示せず）に接続された可燃性ガス供給管３
５が接続されている。また第１、第２支燃性ガス供給部
３２、３３には、バルブ３６、３７を介して酸素又は含
酸素ガスボンベ（図示せず）に接続された第１、第２支
燃性ガス供給管３８、３９が接続されている。なお、上
記可燃性ガス供給部３１は必ずしもノズル３０の直近に
１系列である必要はない。燃焼条件に応じて、可燃性ガ
ス供給部３１、第１、第２支燃性ガス供給部３２、３３
の配列順を適宜変更することが可能である。

【００１６】回収装置４は、反応炉１の側壁に開口する
捕集管４１と、この捕集管４１の下流側に配設されたサ
イクロンよりなる粉末捕集器４２と、粉末捕集器４２の
下流側に接続管４３を介して配設された排風機４４とを
備えている。粉末捕集器４２の下方部には回収粉末溜ま
り部４２ａが接続されている。この回収粉末溜まり部４
２ａの周囲にはヒータ付き保温用ジャケット４２ｂが配
設されるとともに、回収粉末溜まり部４２ａの上部には
置換ガス（不活性ガス、酸素又はエア等）導入管４２ｃ
が接続されている。

【００１７】このように構成された製造装置を用いて、
平均粒径十〜数百μｍに粒度調整した金属アルミニウム
粉末からアルミナ粉末を合成した。まず、ホッパ２５内
に原料金属粉末としての金属アルミニウム粉末を供給
し、不活性ガス導入管２６から不活性ガスを１Ｎｍ³ ／
ｈの流量で供給しておく。なお、この不活性ガスは、金
属粉末のホッパ２５内での燃焼・爆発等の異常事態を回
避するためにホッパ２５内に常時供給されている。ま
た、反応炉１内の圧力は、排風機４４の吸引力により負
圧に設定する。この状態で、バルブ３４を開いて可燃性
ガス供給管３５及び可燃性ガス供給部３１からＬＰＧガ
スを１ｍ³ ／ｈの流量で供給し、バルブ３５、３７を開
いて第１、第２支燃性ガス供給管３８、３９及び第１、
第２支燃性ガス供給部３２、３３から酸素を４０ｍ³ ／
ｈの流量で供給し、図示しない着火手段により着火して
種火としてのＬＰＧ火炎を形成しておく。そして、バル
ブ２１を開いてキャリアガスとしての窒素を４ｍ³ ／ｈ
の流量でキャリアガス導入管２２内へ供給するととも
に、ホッパ２５の供給装置２４の作動により金属アルミ
ニウム粉末を１２ｋｇ／ｈの流量でシュート２３を介し
てキャリアガス導入管２２内へ供給した。これにより、
キャリアガスとともに金属アルミニウム粉末はバーナ３
のノズル３０に導入され、ＬＰＧ火炎と接触して、燃焼
火炎を形成し、金属酸化物粉末としてのアルミナ粉末を
合成した。そして、排風機４４の吸引力によりアルミナ
粉末を含む燃焼排気ガスを吸引し、粉末捕集器４２でア
ルミナ粉末を分離し、回収粉末溜まり部４２ａに回収し
た。このとき、回収粉末溜まり部４２ａの保温ジャケッ
ト部４２ｂ内のヒータ制御により、回収されたアルミナ
粉末の温度は３００℃以上に制御されている。また、回
収粉末溜まり部４２ａ内には、置換ガス導入管４２ｃか
ら酸素が２ｍ³ ／ｈの流量で導入されている。

【００１８】なお、回収されたアルミナ粉末は、燃焼終
了後、回収粉末溜まり部４２ａごと粉末捕集器４２から
外され、冷却後梱包される。あるいは、回収粉末溜まり
部４２ａの下部に別途設けたバルブの開閉により、一定
時間毎に回収粉末溜まり部４２ａからアルミナ粉末を取
り出し、冷却後梱包することもできる。 （評価）上記実施例１において回収されたアルミナ粉末
について、Ｘ線回折法にてコランダム相（安定な結晶
相）の割合、及び平均粒径を測定した。比較のため、ノ
ズル３０の内形状が内径φ１２ｍｍの均一内径を有する
こと以外は上記実施例と同様にアルミナ粉末を合成した
比較例１についても、同様にコランダム相の割合及び平
均粒径を測定した。これらの結果を表１に示す。

【００１９】

【表１】 表１からも明らかなように、ノズル３０の内形状が先端
部側に拡径部３０を有する段付き形状とした本実施例１
においては、安定な結晶相であるコランダム相の比率が
４０〜５０％であり、かつ、平均粒径１５μｍの粗大球
状のアルミナ粉末を合成することが可能であった。一
方、ノズル３０が均一内径を有する比較例１において
は、コランダム相の比率が２０％以下であり、平均粒径
８μｍのアルミナ粉末しか合成できなかった。これは、
本実施例１のようにノズル３０の先端部側に拡径部３０
ａを設けた場合、この拡径部３０ａでキャリアガス及び
原料金属粉末の吹き込み速度が低下するので、金属粉末
を反応炉１内にゆっくりと吹き込むことが可能となり、
これにより結晶成長途上の粒子の火炎高温部周辺におけ
る滞留時間が長くなったためと考えられる。すなわち、
本実施例１では、生成された金属酸化物粒子の急冷を防
ぐことによりアルミナ粉末中における安定な結晶相の比
率を増加させ、かつ、粒子成長の促進によりアルミナ粉
末の粗大化を図ることが可能となる。

【００２０】なお、ノズル３０の内面形状を先端部側の
みでなく全体に拡径させた場合、反応炉１内の圧力変動
をノズル３０内で受け易くなる。つまり、反応炉１内の
圧力は変動しているため、ノズル３０の内面形状を全体
に拡径させた場合、この圧力変動の影響をノズル３０内
でまともに受けることとなる。このため、ノズル３０か
ら化学炎中への金属粉末の供給に乱れを生じ、未燃焼粉
末が発生する。また、一時的に周囲の支燃性ガスや火炎
をノズル３０内に吸い込むことがあるので、金属粉末が
ノズル３０内で溶融してノズル閉塞が生じるおそれがあ
る。

【００２１】したがって、ノズル３０の内面形状は、下
流側の先端部側のみに拡径部３０ａが形成された形状と
する。また、上記拡径部３０ａの長さ、内径、及び他の
ノズル内面部に対する拡径割合等は、キャリアガス及び
キャリアガス中における原料金属粉末の吹き込み速度の
低下度合い、反応炉内の圧力変動の影響の受け易さ、及
び周囲の支燃性ガスや火炎のノズル３０内への吸い込ま
れ難さ等を考慮して適宜設定することが可能である。例
えば、拡径部３０ａの長さは５０〜１００ｍｍとするこ
とが好ましい。拡径部３０ａの長さが１００ｍｍよりも
長い場合は、反応炉内の圧力変動の影響を受け易くな
り、未燃焼粉末が発生し易くなる。一方、拡径部３０ａ
の長さが５０ｍｍよりも短い場合は、金属粉末の吹き込
み速度の低下が十分でなくなるとともに、キャリアガス
や金属粉末の吹き出し方向が拡がって未燃焼粉末が発生
し易くなる。

【００２２】なお、本実施例１では、ノズル３０の隔壁
の肉厚を変化させることによりノズル３０の内面形状を
変化させて拡径部３０ａを形成する例について示した
が、ノズル３０の隔壁自身の形状を変化させたり、ノズ
ル３０の内側に他のリング状部材を嵌合等したりするこ
とによりノズル３０の内面形状を変化させて拡径部３０
ａを形成することも可能である。

【００２３】ここで、反応炉１内の圧力は、排風機４４
の吸引力により負圧に設定されている。そして、ホッパ
２５の供給装置２４が動作していない状態でも反応炉１
内が負圧になっている状態、例えば原料金属粉末の燃焼
開始直前あるいは終了直後の状態においては、不活性ガ
ス導入管２６からの不活性ガスの導入により加圧状態と
なっているホッパ２５から金属粉末がシュート２３及び
キャリアガス導入管２２等を介して非燃焼状態の反応炉
１内に流れ込むこととなる。このようなフッラシング現
象は未燃焼金属粉末による系内汚染を起こしたり、爆発
等の予期せぬ異常燃焼を誘発したりするため問題とな
る。

【００２４】本実施例１の装置では、シュート２３の途
中に逃がし管２７及び開閉弁２８が設けられているの
で、この逃がし管２７の逃がし管開閉弁２８を開けて外
気を反応炉１内に導入することにより、上記フラッシン
グ現象を防止することができる。なお、金属粉末燃焼時
には、この逃がし管開閉弁２８は閉じておく。また、何
らかの原因によりバーナ３の下流側先端やキャリアガス
導入管２２等が閉塞したり、又は反応炉１内の負圧が不
十分になったりすると、キャリアガスの圧力がホッパ２
５や供給装置２４内にまともにかかってシールの弱い部
分から外部へ金属粉末が漏洩するおそれがある。しか
し、本実施例１の装置では、このような圧力異常等を検
知する検知手段を別途設けて、上記逃がし管開閉弁２８
の開閉を制御するようにすれば、上記圧力異常時に逃が
し管開閉弁２８を開けることにより金属粉末の漏洩を防
止することが可能となる。

【００２５】さらに、キャリアガスとして空気や窒素な
どを用いた場合、燃焼火炎中に汚染物質としてのＮＯ_x
が生成する。そして、回収粉末溜まり部４２ａに回収さ
れた直後の金属酸化物粉末（アルミナ粉末）の温度は一
般に３００℃程度以上であるが、回収粉末溜まり部４２
ａをまったく保温あるいは加熱しない場合は、内部で徐
々に温度が下がり、その結果合成された金属酸化物粉末
の表面に雰囲気中のＮＯ_x が付着・吸着されてしまう。
このようなＮＯ_x は、例えば本実施例により合成したア
ルミナ粉末を樹脂と混合・調整する場合に、ｐＨ値を変
化させたり、使用部位を腐食させたりする等の障害を生
じさせる。

【００２６】しかし、本実施例１の装置では、回収粉末
溜まり部４２ａの周囲にはヒータ付き保温用ジャケット
４２ｂが配設されるとともに、回収粉末溜まり部４２ａ
の上部には置換ガス導入管４２ｃが接続されている。そ
して、回収粉末溜まり部４２ａ内に回収された金属酸化
物粉末は、ヒータ制御により３００℃以上に加熱、保温
されているので、上記金属酸化物粉末の表面へのＮＯ_x
吸着を効果的に防止することができる。また、回収粉末
溜まり部４２ａ内は、置換ガス導入管４２ｂから置換ガ
スとしての酸素が２ｍ³ ／ｈの流量で導入されているの
で、これによっても回収粉末溜まり部４２ａ内上部に滞
留しているＮＯ_x を希釈することにより金属酸化物粉末
の表面へのＮＯ_x 吸着を効果的に防止することができ
る。

【００２７】ここで、回収粉末溜まり部４２ａの加熱・
保温の有無、及び回収粉末溜まり部４２ａへの置換ガス
の導入の有無に応じて、上記ＮＯ_x 吸着量がどのように
変化するかを調べた結果を表２に示す。なお、ＮＯ_x 吸
着量は、回収後のアルミナ粉末５０Ｌを水中に分散さ
せ、この水中に抽出されたＮＯ_x イオンをイオンクロマ
トグラフにより定量分析するこにより測定した。

【００２８】

【表２】 表２からも明らかなように、回収粉末溜まり部４２ａを
加熱・保温し、かつ、回収粉末溜まり部４２ａ内へ置換
ガスを導入することにより、アルミナ粉末表面へのＮＯ
_x 吸着量を極力低減できることがわかる。

【００２９】さらにまた、本実施例１の装置では、反応
炉１が上部（上流）と下部（下流）とで断面積が異なっ
ており、下部（下流）側に断面積が連続的に縮小するテ
ーパ部１２を介して断面積の小さな縮径部１１が設けら
れている。反応炉１をこのような形状とすることによ
り、火炎の安定化を図って高品質な金属酸化物粉末を合
成することが可能となる。つまり、反応炉１内の上部に
おいては、下部に設けられたテーパ部１１２及び縮径部
１１による絞りにより、いわば半ば閉じたような状態と
なっている。このため、反応炉１の上部に火炎が封じ込
められたような状態となるので、金属粉末の完全な燃焼
が期待でき、未燃焼の金属粉末の生成を防ぐことが可能
となる。なお、反応炉１の内径、縮径部１１の内径、及
びテーパ部１２の位置等は、火炎の大きさ、ガス供給
量、及び原料粉末供給量等に応じて適宜設計可能であ
る。

【００３０】したがって、本実施例１の装置によりアル
ミナ粉末を合成した場合、回収したアルミナ粉末中に未
燃焼のアルミニウムはほとんど見られなかった。また、
反応炉１内にも未燃焼のアルミニウムが堆積することが
なかった。これに対し、縮径部１１及びテーパ部１２を
設けない反応炉１で上記実施例１と同様にアルミナ粉末
を合成したところ、回収したアルミナ粉末中に未燃焼の
アルミニウムが若干量見られた。また、反応炉１内にも
未燃焼のアルミニウムの堆積物があった。

【００３１】（実施例２）図３及び図４に示す本実施例
２に係る製造装置は、反応炉５と、反応炉５の上流側に
連結された金属粉末供給装置６と、反応炉５と金属粉末
供給装置６との間に配設されたバーナ７と、反応炉５の
下流側に連結された回収装置８とから主に構成されてい
る。

【００３２】反応炉５は均一内径の円筒状をなし、その
周壁部には上から順に第１〜第６ガス（酸素、エア等）
導入管５１〜５６が接続されている。なお、それぞれの
第１〜第６ガス導入管５１〜５６には開閉バルブが設け
られている。これらの第１〜第６ガス導入管５１〜５６
は、反応炉５内のガス量を調整するためのものであり、
これにより後述するように第１粉末捕集器８２における
分級条件を調整可能となる。

【００３３】金属粉末供給装置６は、一端がバルブ６１
を介してキャリアガス（エア、窒素等）ボンベ（図示せ
ず）に接続され他端がバーナ７に接続されて、金属粉末
を分散したキャリアガスをバーナ７に導入する第１キャ
リアガス導入管６２と、この第１キャリアガス導入管６
１の途中に接続され金属粉末を収納する供給装置６３付
きホッパ６４とを備えている。

【００３４】バーナ７は、図４の拡大断面図に示すよう
に、中心側から、第１キャリアガス導入管６２に接続さ
れた断面円形状のノズル７０と、２重環状の第１冷却水
循環部７１と、環状の可燃性ガス供給部７２と、環状の
第１支燃性ガス供給部７３と、２重環状の第２冷却水循
環部７４と、環状の第２支燃性ガス供給部７５と、環状
の種結晶供給部７６とを備えている。可燃性ガス供給部
７２には、バルブ７２ｂを介してＬＰＧガスボンベ（図
示せず）に接続された可燃性ガス供給管７２ａが接続さ
れている。また第１、第２支燃性ガス供給部７３、７５
には、バルブ７３ｂ、７５ｂを介して酸素又は含酸素ガ
スボンベ（図示せず）に接続されたバルブ第１、第２支
燃性ガス供給管７３ａ、７５ａが接続されている。ま
た、種結晶供給部７６には、バルブ７６ｂを介してキャ
リアガス（エア、窒素等）ボンベ（図示せず）に接続さ
れた第２キャリアガス導入管７６ａが接続されている。
この第２キャリアガス導入管７６ａの途中には、種結晶
を収納する種結晶用ホッパ（図示せず）がバルブ７６ｂ
の下流側に取り付けられている。また、第１冷却水循環
部７１にはバルブ７１ｃ付き第１冷却水供給管７１ａ及
び第１冷却水排水管７１ｂがそれぞれ接続され、第２冷
却水循環部７４にも同様にバルブ７４ｃ付き第２冷却水
供給管７４ａ及び第２冷却水排水管７４ｂがそれぞれ接
続されている。なお、上記可燃性ガス供給部７２は必ず
しもノズル７０の直近に１系列である必要はない。燃焼
条件に応じて、可燃性ガス供給部７２、第１、第２支燃
性ガス供給部７３、７５、及び種結晶供給部７６の配列
順を適宜変更することが可能である。

【００３５】回収装置８は、反応炉１の一方の側壁に開
口する捕集管８１と、この捕集管８１の下流側に配設さ
れたサイクロンよりなる第１粉末捕集器８２と、第１粉
末捕集器８２の下流側に第１接続管８３を介して配設さ
れたバグフィルターよりなる第２粉末捕集器８４と、第
２粉末捕集器８４の下流側に第２接続管８５を介して配
設された排風機８６と、反応炉１の他方の側壁に開口す
る補助捕集管８７と、この補助捕集管８７の下流側に配
設されたバクフィルタよりなる補助粉末捕集器８８とか
ら主に構成されている。捕集管８１及び第１接続管８３
には、それぞれ必要に応じて第１粉末捕集器８２及び第
２粉末捕集器８４に大量のガス（酸素、エア等）を導入
するためのバルブ付きのガス導入管８１ａ及び８３ａが
接続されている。また、第１接続管８３及び補助粉末捕
集器８８の下流側には、上記第２接続管８５の途中に接
続された補助接続管８９ａ及び８９ｂが接続されてい
る。これにより、補助粉末捕集機８８の下流側は、これ
らの接続管８９ａ、８９ｂ及び８５を介して上記排風機
８６に接続されている。

【００３６】このように構成された製造装置を用いて、
平均粒径十〜数百μｍに粒度調整した金属アルミニウム
粉末からアルミナ粉末を合成した。まず、ホッパ６４内
に原料金属粉末としての金属アルミニウム粉末を供給
し、反応炉５内の圧力は、排風機８６の吸引力により負
圧に設定した。この状態で、バルブ７２ｂを開いて可燃
性ガス供給管７２ａ及び可燃性ガス供給部７２からＬＰ
Ｇガスを１ｍ³ ／ｈの流量で供給し、バルブ７３ｂ、７
５ｂを開いて第１、第２支燃性ガス供給管７３ａ、７５
ａ及び第１、第２支燃性ガス供給部７３、７５から酸素
を４０ｍ³ ／ｈの流量で供給し、図示しない着火手段に
より着火して種火としてのＬＰＧ火炎を形成した。ま
た、バルブ７１ｃ、７４ｃを開いて第１、第２冷却水循
環部７１、７４内に冷却水を供給した。そして、バルブ
６１を開いてキャリアガスとしての窒素を４ｍ³ ／ｈの
流量で第１キャリアガス導入管６２内へ供給するととも
に、ホッパ６４の供給装置６３の作動により金属アルミ
ニウム粉末を１２ｋｇ／ｈの流量で第１キャリアガス導
入管６２内へ供給した。これにより、キャリアガスとと
もに金属アルミニウム粉末はバーナ３のノズル３０に導
入され、ＬＰＧ火炎と接触して、燃焼火炎を形成した。
これと同時に、バルブ７６ｂを開いてキャリアガスとし
ての空気を４ｍ³ ／ｈの流量で第２キャリアガス導入管
７６ａ内へ供給するとともに、種結晶用ホッパから種結
晶としてのαアルミナ粉末（コランダム、平均粒径１μ
ｍ以下）を１．２ｋｇ／ｈの流量で第２キャリアガス導
入管７６ａ内へ供給した。なお、原料粉末に対する種結
晶の質量割合は、原料の金属アルミニウム粉末１０に対
して、種結晶としてのαアルミナ粉末が１の割合であ
る。これにより、種結晶としてのαアルミナ粉末を種結
晶供給部７６から反応炉５内の火炎中に吹き込んで、金
属酸化物粉末としてのアルミナ粉末を合成した。そし
て、排風機８６の吸引力によりアルミナ粉末を含む燃焼
排気ガスを吸引した。これにより、まず第１粉末捕集器
８２で粒径の大きいアルミナ粉末（粗粒）が分級、捕集
され、次に第２粉末捕集器８４で粒径の小さいアルミナ
粉末（微粒）が捕集された後、排ガスが系外へ放出され
る。なお、燃焼中において、補助捕集管８７のバルブは
閉じられている。

【００３７】前記実施例１及び実施例において、用いる
原料金属粉末の種類としては、アルミニウムの他に、珪
素、マグネシウム、チタン、珪素、ジルコニウム、その
他ムライト組成に調合した珪素とアルミニウムとの混合
物、スピネル組成に調合したマグネシウムとアルミニウ
ムとの混合物、コージェライト組成に調合したアルミニ
ウムとマグネシウムとシリコンとの混合物などを用いる
ことができる。また、これらの組成に調合した合金粉末
であってもよい。

【００３８】（実施例３）上記実施例２では、種結晶と
してのアルミナ粉末を種結晶供給部７６から反応炉５内
の火炎中に吹き込む方法を採用したが、この場合、火炎
に直接種結晶を吹き込むことにより火炎乱れが発生する
おそれがあり、また火炎中において生成した金属酸化物
粒子と種結晶との混合、分散が不十分となるおそれがあ
る。そこで、本実施例３では、予め原料粉末としての金
属アルミニウム粉末に種結晶としてのαアルミナ粉末を
混合、分散する方法を採用した。

【００３９】つまり、上記金属アルミニウム粉末とαア
ルミナ粉末との混合粉末をホッパ６４に供給し、バルブ
７６ｂを閉じて種結晶供給部７６を使わないこと以外
は、上記実施例２と同様の方法により、金属酸化物粉末
としてを合成した。なお、原料粉末に対する種結晶の質
量割合は、原料の金属アルミニウム粉末１０に対して、
種結晶としてのαアルミナ粉末が１の割合である。

【００４０】（評価）上記実施例２及び実施例３におい
て第１粉末捕集器８２で回収されたアルミナ粉末につい
て、Ｘ線回折法にてコランダム相（安定な結晶相）の割
合を測定した。比較のため、種結晶としてのαアルミナ
粉末を用いないこと以外は上記実施例３と同様にアルミ
ナ粉末を合成した比較例２についても、同様にコランダ
ム相の割合を測定した。これらの結果を表３に示す。

【００４１】

【表３】 表３からも明らかなように、種結晶を添加することによ
り、安定な結晶相であるコランダム相の比率を増大させ
ることができる。また、種結晶を直接火炎中に導入した
実施例２よりも、種結晶を予め金属粉末に混合させた実
施例３の方がコランダム相の比率が増大した。

【００４２】なお、原料粉末に対する種結晶の質量割合
は、燃焼安定化の観点から、原料の金属粉末１０に対し
て種結晶が２以下であることが好ましい。ここで、一般
的な金属粉末燃焼法においては、平均粒径の異なった金
属酸化物粉末が合成される。これは、金属酸化物粉末の
生成過程に以下の２通りがあるためと考えられる。つま
り、（１）金属蒸気が酸素と反応しつつ互いに衝突・凝
集を繰り返しながら粒子成長し、自然冷却されて金属酸
化物粉末となる。（２）一部の金属粉末の燃焼により生
じた熱により金属粉末が溶け、融液状態で酸化された
後、自然冷却されて金属酸化物粉末となる。この場合、
（１）の生成過程による金属酸化物粉末よりも（２）の
生成過程により金属酸化物粉末の方が平均粒径が大きく
なる。したがって、従来の金属粉末燃焼法においては、
一括して回収した金属酸化物粉末を分級操作する必要が
あり、設備コスト及びランニングコスト上不利であっ
た。

【００４３】しかし、前記実施例２に係る装置では、第
１粉末捕集器８２と第２粉末捕集器８４を用い、第１粉
末捕集器８２で平均粒径の大きな金属酸化物粉末を分級
・捕集し、その後第２粉末捕集器８４で平均粒径の小さ
な金属酸化物粉末を捕集する構成としたため、オンライ
ンでの分級・捕集が可能となった。前記実施例２におい
て、第１粉末捕集器８２で回収したアルミナ粉末につい
て、水中に分散させ、レーザ回折法により、粒度分布を
測定した結果を図５及び表４に示す。また、同様の方法
により、第２粉末捕集器８４で回収したアルミナ粉末に
ついて、粒度分布を測定した結果を図６及び表４に示
す。

【００４４】

【表４】 表４からも明らかなように、第１粉末捕集器８２では平
均粒径１４．８３μｍのアルミナ粉末を分級・捕集し、
第２粉末捕集器８４では平均粒径０．７０μｍのアルミ
ナ粉末を捕集し得ることが確認された。なお、この際の
第１粉末捕集器８２でのアルミナ粉末の収率比は７０％
で、第２粉末捕集器８４でのアルミナ粉末の収率比は２
７％で、残りの３％は反応炉５の内壁への付着物であっ
た。

【００４５】また、上記実施例２において、燃焼条件を
金属粉末の吹き込み速度を速め、酸化途上の粉末の火炎
高温部での滞留時間が短かくなるように変更して、実施
例２よりも粒径の小さいアルミナ粉末を合成し、同様に
粒度分布を測定した。第１粉末捕集器８２で回収したア
ルミナ粉末についての粒度分布測定結果を図７及び表５
に、第２粉末捕集器８４で回収したアルミナ粉末につい
ての粒度分布測定結果を図８及び表５に示す。

【００４６】

【表５】 表５からも明らかなように、第１粉末捕集器８２では平
均粒径４．９３μｍのアルミナ粉末を分級・捕集し、第
２粉末捕集器８４では平均粒径０．７０μｍのアルミナ
粉末を捕集し得ることが確認された。なお、この際の第
１粉末捕集器８２でのアルミナ粉末の収率比は６２％
で、第２粉末捕集器８４でのアルミナ粉末の収率比は３
５％で、残りの３％は反応炉５の内壁への付着物であっ
た。また、上記実施例２において、原料粉末にシリコン
粉末（平均粒径十〜数百μｍ）及びアルミニウム粉末
（平均粒径十〜数百μｍ）を重量比１：３の割合で混合
した混合粉末を用いて実施例２と同様の方法により、ム
ライト粉末を合成し、同様に粒度分布を測定した。第１
粉末捕集器８２で回収したムライト粉末についての粒度
分布測定結果を図９及び表６に、第２粉末捕集器８４で
回収したムライト粉末についての粒度分布測定結果を図
１０及び表６に示す。

【００４７】

【表６】 表６からも明らかなように、第１粉末捕集器８２では平
均粒径９．５３μｍのムライト粉末を分級・捕集し、第
２粉末捕集器８４では平均粒径０．４８μｍのムライト
粉末を捕集し得ることが確認された。なお、この際の第
１粉末捕集器８２でのムライト粉末の収率比は３２％
で、第２粉末捕集器８４でのムライト粉末の収率比は６
４％で、残りの４％は反応炉５の内壁への付着物であっ
た。

【００４８】前記実施例２においては、第１粉末捕集器
８２にサイクロンを用い、かつ、第２粉末捕集器８４に
バグフィルターを用いたが、第１粉末捕集器８２及び第
２粉末捕集器８４としてはこれらに限定されない。すな
わち、捕集する金属酸化物粉末の粒径や燃焼条件（ガス
条件）等に応じて、種々の捕集器を用いることが可能で
ある。例えば第１粉末捕集器８２にはサイクロン等の遠
心式の捕集器の他、重力式や慣性式の捕集器を好適に用
いることができる。ただし、第１粉末捕集器８２として
は、効率よく粗粒を分級し得る能力が要求されるため、
サイクロン等の遠心式の捕集器が好ましい。また、微粒
を捕集する第２粉末捕集器８４としては、バグフィルタ
等の濾布式の捕集器の他、電気式の捕集器を好適に用い
ることができる。

【００４９】一方、反応炉５内における全体のガス量を
調整することにより、第１粉末捕集器８２及び第２粉末
捕集器８４の分級条件を最適化することも可能である。
すなわち、第１〜第６ガス導入管５１〜５６から反応炉
５内にガス（酸素、エア等）を適当量調節して導入した
り、あるいは多量のガス量を増大する必要がある場合は
ガス導入管８１ａ及び８３ａからそれぞれ第１粉末捕集
器８２及び第２粉末捕集器８４内にガスを大量に導入し
たりすることにより、第１粉末捕集器８２及び第２粉末
捕集器８４の分級条件を最適化することができる。

【００５０】さらに、前述したように金属酸化物粉末の
生成過程に応じて平均粒径の異なる金属酸化物粉末が生
成された場合、これらの粗粒と微粒との収率比は火炎中
の金属粉末濃度分布（密度）及び温度分布によりほとん
ど決定される。用途によってはこれらの比率を適宜変更
した金属酸化物粉末が必要とされるが、火炎自身の制御
は非常に困難であるため、上記収率比を特に簡便な方法
で制御することが困難である。そこで、前記実施例２の
装置において、反応炉５内への金属粉末の投入量と上記
収率比との関係を調べた結果を表７に示すように、生成
する金属酸化物粉末の粗粒・微粒の収率比は、金属粉末
の反応炉５内への投入量に依存することを見いだした。

【００５１】

【表７】 すなわち、金属粉末の投入量を減少させることにより、
火炎が小さくなり支燃性ガスとの混合が良くなり、結果
的に火炎内で蒸気化する金属の比率が増加（燃焼が良く
なった）ため、微粒の生成率が増加したものと考えられ
る。

【００５２】この効果を利用し、前記実施例２の装置に
おいて、図１１に示すように、反応炉５の頂部に３個の
バーナ７、又は図１２に示すように５個のバーナ７を配
設し、アルミナ粉末を合成した結果を表８に示す。金属
粉末の全投入量は、それぞれ同一である。

【００５３】

【表８】 表８からも明らかなように、バーナ７を複数用いること
により、金属粉末の全投入量を変えることなく、すなわ
ち製造効率を変えることなく、粗粒・微粒の収率比を大
幅に制御することが可能であり、バーナ７の数は多いほ
ど、より効果的に粗粒・微粒の収率比を制御することが
可能となる。

【００５４】さらに、一般の金属粉末燃焼法において
は、燃焼開始時あるいは燃焼終了時など、一時的に燃焼
が不安定になると、未燃焼粉末が生成し易くなる。この
ため、このような未燃焼粉末が第１粉末捕集器８２や第
２粉末捕集器８４に混入することを防止する必要があ
る。このような場合、前記実施例２の装置では、第１接
続管８３のバルブ８３ｂを閉じるとともに、補助捕集管
８７のバルブ８７ａを開放することにより、未燃焼粉末
を第１粉末捕集器８２や第２粉末捕集器８４に混入させ
ることなく補助粉末捕集器８８に回収することが可能と
なる。なお、第１粉末捕集器８２及び第２粉末捕集器８
４のラインを一時的に閉止する必要が生じた場合にも、
補助粉末捕集器８８のラインをバイパスラインとして機
能させることもできる。また、バルブ８７ａは第１接続
管８３に設ける代わりに、捕集管８１に設けることも可
能である。この場合、バルブ８７としては、反応炉５の
熱影響を受けやすいため、高耐熱性のものを使用するこ
とが好ましい。

【００５５】さらに、前記実施例２の装置では、バーナ
７が第１及び第２冷却水供給部７１及び７４を有し、バ
ーナ７を水冷できる構造となっているため、燃焼火炎の
熱を受けるバーナ７の特に底面部に金属粉末が付着した
場合でも、金属粉末の温度を融点以下に保つことが可能
となり、付着金属の溶解・成長を抑制してバーナ７のノ
ズル７０やガス供給部７２〜７３等の閉塞を防止するこ
とができる。

【００５６】さらに、一般の金属粉末燃焼法により合成
される金属酸化物粉末は、粒度分布がシャープではある
が、微量の中空粗大粒子を含むことがある。これらの中
空粒子は、一般的に溶けた物質にガス等を吹き付けるこ
とにより生成させることから推察すると、火炎中の溶け
た金属あるいは酸化物にバーナ７から噴出供給される支
燃性ガス等が吹き付けられた結果生成したものと考えら
れる。したがって、中空粗大粒子の生成を抑制するため
には、火炎中の溶けた金属あるいは酸化物に、他のガス
等が強く吹き付けられるような状態及び領域を極力少な
くして、火炎を攪拌したり乱したりしないようにするこ
とが必要であると考えられる。そのためには、（１）反
応炉５内に吹き込まれる金属粉末とガスとの速度差を小
さくすること、具体的にはキャリアガスと支燃性ガスと
の速度差を小さくすることや、（２）火炎に近い部位へ
のガス吹き込み量を少なくしたり、あるいはガス吹き込
み速度を小さくしたりするなどの方法が考えられる。

【００５７】そこで、前記実施例２において、第１、第
２支燃性ガス供給部７３、７５から反応炉５内へ送り込
む支燃性ガスの条件を固定し、金属粉末を送り込む第１
キャリアガス導入管６２から反応炉５内へ送り込むキャ
リアガスの量及び線速を変化させる一連の実験の結果、
支燃性ガス及びキャリアガスの両者の線速の差が小さく
なるに従い、粗大粒子量が減少することが判明した。ま
た、火炎中心付近にて吹き込まれる酸素が高線速（ある
いは多量）であるほど、粗大粒子量が多くなることも判
明した。

【００５８】なお、いずれの実施例も、可燃性ガスと支
燃性ガスとで形成される化学炎を利用しているが、可燃
性ガスを使用せず、金属粉末自体の燃焼熱で連続的に他
の金属粉末を燃焼させて形成される火炎を利用してもよ
い。この場合、金属粉末を吹き込むと共に着火すれば、
後は金属粉末の吹き込み、酸素ガスの吹き込みだけで連
続的に火炎が形成される。

【００５９】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１記載の金属
酸化物粉末の製造方法、及び請求項２記載の金属酸化粒
粉末の製造装置では、ノズルは先端部側の内径が大きい
段付き形状となっているので、キャリアガスとともに火
炎中に吹き込まれる金属粉末の吹き込み速度が遅くなる
ので、結晶成長途上にある粒子の火炎高温部周辺におけ
る滞留時間が長くなり、したがって、生成された金属酸
化物粒子の急冷を防ぐことができ、これにより金属酸化
物粉末中における安定な結晶相の比率を増加させること
が可能となる。しかも、キャリアガス流量、すなわち金
属原料の供給量を低下させることなく、上記吹き込み速
度を低下させることができるので、製造効率の低下を招
くことなく、金属酸化物粉末中における安定な結晶相の
比率を増加させることが可能となる。

【００６０】また、火炎中での金属粉末の滞留時間が長
くなることに伴い、生成される粒子の成長が促進される
ので、粒径の大きな金属酸化物粉末を得ることができる
という効果もある。請求項３記載の金属酸化物粉末の製
造方法では、火炎中に種結晶が添加されているので、こ
の種結晶を核として特定の結晶相が成長し易くなり、結
晶成長が促進される。このため、金属酸化物粉末中にお
ける安定な結晶相の比率を増加させることが可能とな
る。

【００６１】したがって、燃焼後の雰囲気を適当な手段
により加熱するといった設備コスト及びランニングコス
トの面から不利な方法を採用することなく、金属酸化物
粉末中における安定な結晶相の比率を増加させることが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に係る製造装置の模式図である。

【図２】実施例１に係る製造装置のバーナの断面図であ
る。

【図３】実施例２に係る製造装置の模式図である。

【図４】実施例２に係る製造装置のバーナの断面図であ
る。

【図５】実施例２に係る製造装置において、第１粉末捕
集器で捕集した金属酸化物粉末の粒度分布を示すグラフ
である。

【図６】実施例２に係る製造装置において、第２粉末捕
集器で捕集した金属酸化物粉末の粒度分布を示すグラフ
である。

【図７】実施例２に係る製造装置において、第１粉末捕
集器で捕集した金属酸化物粉末の粒度分布を示すグラフ
である。

【図８】実施例２に係る製造装置において、第２粉末捕
集器で捕集した金属酸化物粉末の粒度分布を示すグラフ
である。

【図９】実施例２に係る製造装置において、第１粉末捕
集器で捕集した金属酸化物粉末の粒度分布を示すグラフ
である。

【図１０】実施例２に係る製造装置において、第２粉末
捕集器で捕集した金属酸化物粉末の粒度分布を示すグラ
フである。

【図１１】実施例２に係る製造装置において、バーナの
数及び配置を変更した他の態様を示す平面図である。

【図１２】実施例２に係る製造装置において、バーナの
数及び配置を変更した他の態様を示す平面図である。

【符号の説明】

１、５は反応炉、２、６は金属粉末供給装置、３、７は
バーナ、４、８は回収装置、３０、７０はノズル、３０
ａは拡径部である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 之人 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素を含む高温の火炎中に目的とする金
   属酸化物粉末の一部を形成する金属粉末をキャリアガス
   とともに投入して金属酸化物粉末を合成する金属酸化物
   粉末の製造方法において、 先端部側の内径が大きい段付き形状となっているノズル
   を介して上記キャリアガスを吹き込むことによって、該
   キャリアガスの吹き込み速度を該ノズル内で低速にしつ
   つ、該キャリアガスを上記火炎中に投入することを特徴
   とする金属酸化物粉末の製造方法。
2. 【請求項２】 酸素を含む高温の火炎中に目的とする金
   属酸化物粉末の一部を形成する金属粉末をキャリアガス
   とともにノズルを介して投入して金属酸化物粉末を合成
   するための金属酸化物粉末の製造装置において、 上記ノズルの内面形状は先端部側の内径が大きい段付き
   形状とされていることを特徴とする金属酸化物粉末の製
   造装置。
3. 【請求項３】 酸素を含む高温の火炎中に目的とする金
   属酸化物粉末の一部を形成する金属粉末をキャリアガス
   とともに投入して金属酸化物粉末を合成する金属酸化物
   粉末の製造方法において、 上記火炎中に種結晶を添加することを特徴とする金属酸
   化物粉末の製造方法。