JPH1157451A

JPH1157451A - 無機質球状粒子の製造方法及び装置

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Publication number: JPH1157451A
Application number: JP22800397A
Authority: JP
Inventors: Susumu Mizutani; 晋水谷; Norihisa Nakajima; 徳久中島; Akira Kobayashi; 晃小林
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 1999-03-02
Anticipated expiration: 2017-08-25
Also published as: JP3478468B2

Abstract

(57)【要約】【課題】原料無機粉末を火炎中に投じて球状粒子を製
造する方法に於いて、球状化後の火炎より放出された粒
子が凝集して、或いは壁部に付着して、冷却帯を閉塞
し、安定製造を困難にしていると云う問題があった。【解決手段】バーナー先端部以後の冷却帯のガス空塔速
度を０．０４〜３．０ｍ／ｓｅｃにすることにより、凝
集、壁付着の少ない操業が可能となった。また冷却帯出
口温度を４００℃以上に、冷却帯のＬ／Ｄを２〜５とす
ることにより凝集の少ない球状粒子を得ることが出来
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は無機質原料粉末を高
温火炎中に投入して、球状粒子を製造する方法及び装置
に関するものである。更に詳しく云えば、半導体等の封
止材に用いる樹脂組成物の充填材に好適な球状粒子を製
造するに際し、溶融球状化後の冷却に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】樹脂充填材に用いる無機質粉末は、従来
ブロック状のインゴットを粉砕して製造されてきた。そ
の為個々の粒子の形状は角張った不定形であった。しか
し半導体素子の高性能化に伴い封止用の樹脂組成物も高
流動性と共に、充填材の高充填化が要求され、これを解
決する手段として充填材の球状化技術が開発された。

【０００３】無機質粉末の球状化技術としては、例えば
金属微粒子を火炎中に投じて酸化反応させながら球状粒
子を製造する方法、金属アルコラートを特定の条件でゾ
ルゲル法により析出させ球状化する方法、あるいは不定
形の粒子を粉砕機中で粒子の角を徐々に取り、疑似球状
化する方法が提案あるいは実用化されている。本発明は
無機質原料粉末を高温火炎中に投じて、基本的に化学組
成を変えることなく溶融又は軟化により球状化する方法
に関するものである。本方法は粒径の大きい粒子から、
小さな粒子まで幅広く、連続して球状化可能であり、製
造に適した方法といえる。しかし球状化過程において、
炉壁への粒子の付着が進行すると、炉壁からの冷却能力
が低下して系内温度上昇を招くか、または付着粒子の焼
結、凝固が進行しそれらが剥がれ落ちて焼結状塊状物に
よる凝集粉混入、炉内閉塞、粒子輸送経路の閉塞を招く
という問題があった。また、炉壁への粒子付着が全く行
われない場合は、長時間の高温雰囲気により炉内壁が劣
化し、炉内壁耐火物、金属酸化物により異物が混入する
という問題があった。このような問題に対して、例えば
特開昭61-118131号では、燃焼炉下部へ圧縮気体を送り
燃焼炉下部を急冷する事により、溶融粒子の冷却固結反
応を促進させて粒子の融着を防止する方法が提案されて
いる。また、特開昭62-241542号のように、球状化室の
炉壁温度を600〜1100℃に保つ事により球状化室の付着
層を一定に保つ方法も提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら特開昭61
-11831号では、冷却効果のない炉上部にて炉付着物の増
大を防止できないという問題があった。また、特開昭62
-241542号では、燃料燃焼による発熱量と炉の放熱量の
バランスで内壁温度を設定するのみであって適正な炉の
形状は与えられておらず、また同一の球状化炉を用いて
様々な条件にて燃焼する場合に炉壁温度を制御し炉壁へ
の付着増大または減少を防止する事は出来なかった。

【０００５】燃焼炉の温度を管理する技術としては特開
平2-199013号のように、燃焼火炎領域に冷却ガスを導入
する方法がとられているが、炉内壁への粒子の付着を制
御するのは困難であった。

【０００６】

【課題を達成するための手段】本発明は上記状況に鑑み
てなされたもので、無機質粉末粒子を高温火炎中に投じ
て、粒子を球状化する製造方法に於いて、冷却中に生じ
る壁への付着量を制御する事により、凝集の少ない球状
粒子を長期間安定して製造することを目的としている。

【０００７】球状化後の冷却を効果的に行うため、金属
製の冷却塔内で冷却帯の大きさ、ガス量、温度分布の関
係を調べた結果、ガス流量を特定の空塔速度にすること
により、また冷却帯のＬ／Ｄの値を特定の範囲にするこ
とにより凝集、壁付着の少ない製造を安定的に出来るこ
とを見いだし本発明に到達した。ここで本発明において
は、従来バーナ周囲の構築物を炉体と称していたもの
を、積極的に冷却を行うという思想のもと、構築物の内
面を金属製の冷却効果の高い構築物を用いるため、以後
冷却塔と称する。

【０００８】すなわち本発明は、金属製の内壁を有する
冷却塔内に於いて、原料粉末を高温火炎中に投入して溶
融球状化し、球状粒子を含む燃焼ガスを冷却帯を通過さ
せながら冷却する無機質球状粒子の製造方法であって、
冷却帯のガスの空塔速度を0.04〜3.00ｍ／ｓｅｃとする
無機質球状粒子の製造方法である。

【０００９】又、冷却帯出口の温度を４００℃以上とす
る上記の製造方法である

【００１０】さらに上記製造方法において、冷却帯の長
さＬと円相当計Ｄの比、Ｌ／Ｄが2〜5とした装置であ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明で用いる無機質原料粉末は
加熱によって溶融あるいは軟化するものであれば、特に
限定されものではないが、シリカ質原料、アルミナ、あ
るいはスピネル、ムライトのような複酸化物等の１８０
０℃以上の高温で球状化する必要のある無機質原料に適
している。特にシリカ質原料は球状化後の凝集性が強
く、本発明の方法に適した材料である。無機質原料の粒
度は、0.5〜200μ程度まで球状化可能であるが、一般に
粒度が20μ以下と微粉になるほど、冷却中の凝集、壁へ
の付着が多くなり、本発明の効果が大であるが粒度を特
に限定するものではない。

【００１２】次いで球状化設備の構成を図１に基づいて
説明する。冷却塔は金属製であることが必要であり、冷
却塔内壁に熱伝導率の低い耐火材等を使用するのは冷却
効率が低下するので好ましくない。冷却塔は図１に示す
竪型方式が、冷却帯の温度制御が容易であり、好まし
い。なお、横型にして火炎を水平方向に吹き出す、いわ
ゆる横型又は傾斜型として、冷却塔を回転させながら球
状化する方法を制限するものではない。球状化粒子の
内、粒度の大きいものは沈降速度が速く、冷却塔直下に
ある１次回収口１０より回収される。微粉球状品を含む
排ガスは２次系回収装置１２への接続部９より、更に冷
却されつつ２次系回収部１２に到達し、そこで適宜配置
されたサイクロン、ルーバー、バッグフィルター等で球
状粉を排ガス中より分離回収し、タンクにて貯蔵する。
２次系回収装置１２の後部にはガス吸引装置１３が配置
され、バーナー１からの燃焼後排ガス及びバーナー近傍
に設けられた吸引口２からの冷却用空気を生成球状粒子
と共に吸引する。

【００１３】火炎を生成する為の燃焼性ガスは、アセチ
レン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭化水素系のガ
スあるいはこれらの混合ガスを適宜用いる。燃焼支燃性
ガスとしては、酸素、酸素リッチ空気、あるいは空気の
いずれでも良い。原料粉は燃焼性ガスあるいは支燃性ガ
スのいずれかあるいは両方に分散させて、バーナー口よ
りガスと共に燃焼炎中に投じ、加熱球状化する。バーナ
ーは火炎の形成が均一で安定に出来ればいずれの形式で
も良いが、一般的に３重管以上の構造となっており、水
冷式である。

【００１４】バーナー先端から燃焼性ガス或いは支燃性
ガスと共に火炎中に投入された不定形な原料粒子は、火
炎中で加熱され、表面から溶融、あるいは軟化すると同
時に表面張力により粒子の角部は丸くなり球状化する。
火炎の大きさ、火炎温度、火炎中の粒子の滞在時間は、
球状化の程度に大きく影響されるが、原料の融点、粒径
によって適宜制御する必要がある。球状化後の粒子は燃
焼後の排ガスと共に火炎より放出され、排ガスと共に冷
却帯中で冷却され、球状のまま固化する。

【００１５】本発明で云う冷却帯とは、図１の８で示す
ようにバーナーを有する冷却塔頂上部より、１次回収の
為のコーン部の傾斜開始位置に相当する迄の冷却塔の基
本的に直胴部となっている部分を云う。この冷却帯の内
壁には、火炎より溶融された粒子が付着し易い。この付
着層が厚いと、冷却帯の冷却能力が低下する。冷却帯内
壁の付着層が厚みを増すと、冷却層の冷却能力低下及び
付着粉と火炎との距離近接化により、付着層表面の温度
が上昇する。長時間高温に置かれた付着粉は焼結、凝固
を開始する。焼結、凝固した付着層表面には凹凸があ
り、更に付着を促進させる。このように付着と焼結、凝
固を繰り返して付着層は成長を続け、冷却帯内部を閉塞
させるか、或いは、焼結、凝固した粉体の自重落下によ
り、粉体輸送経路の閉塞、粗大粒子の混入を招くように
なる。付着が少ない場合は、冷却帯内壁が直接高温に置
かれる為、長時間の操業により冷却帯内壁が劣化し、異
物を混入させる。このように、火炎溶融による球状化を
安定して操業するには、冷却塔内壁の付着層を一定範囲
内に制御する事が不可欠となってくる。本発明は冷却帯
で生じるこのような問題を解決するために、発明された
ものであって、冷却帯を流れるガスの空塔速度を0.04〜
3.00ｍ/secとすることにより、壁への付着層の厚みの制
御が可能となり、安定操業が可能となった。

【００１６】本発明でいう冷却帯の空塔速度とは、冷却
帯終端部分の空塔速度を云う。この空塔速度が0.04ｍ/s
ec未満であると、冷却帯開始部分（上部）と終端部分
（下部）の温度差が生じて冷却塔壁への粒子の均一な付
着層を形成する事ができない。一般に温度の高い冷却帯
開始部分の付着層は厚みがあり、温度の低い冷却帯終端
部分においては粉体の付着は少ない。一方空塔速度を3.
00ｍ/secを越えて大きくすると、付着の増大、粉体の焼
結、凝固が促進される。本発明で呈示する0.04から3.00
ｍ/secとすることにより、壁への付着を安定させること
ができ、長期安定な操業が可能となった。好ましくは１
から2.5ｍ/secである。

【００１７】ここで空塔速度とは、冷却帯終端部分を流
れるガスの速度であり、下記の式、により計算され
る。温度補正計数＝（冷却帯終端部分温度＋273）／273・・・・空塔速度(ｍ/sec)＝（系内ガス量(ｍ³/h)×温度補正係数）／（冷却帯口径面積 (ｍ²) ×3600(sec/h)）・・・・

【００１８】冷却帯では、球状化された粒子は火炎の先
端より冷却が開始されて、冷却帯終端部において最も低
温となる。空塔速度は火炎先端部付近で最高速となり、
冷却帯終端部において最低速となる。ここで冷却帯終端
部以外の空塔速度は、ガスの冷却過程にあるので温度と
ガスの流れが安定せず、正確な値を求めることが困難で
ある。ガスが十分に冷却された後の冷却帯終端部分の空
塔速度は、信頼できる値を求める事が可能である。この
冷却帯終端部の温度は、熱電対型温度計によって測定す
るのが一般的であるが、他の温度測定方法を限定するも
のではない。系内ガス量は、温度の低い下流側、例えば
ガス排出用の吸引ブロワー出口側の風速と温度を同時に
測定して、配管径より以下の式を用いて計算する事がで
きる。

【００１９】系内ガス量(Nｍ³/h) ＝（下流側の風速
（ｍ/sec）×測定部配管口径面積（ｍ²）×273）／（下
流側の温度（℃）＋273）系内ガス量を算出する為の風速、温度を測定するには、
風速計＋温度計兼用式測定装置が好ましい。また、燃焼
生成ガスに水蒸気が含まれる場合は、少なくとも100℃
以上の部位で測定する事が望ましい。

【００２０】また、吸引空気量については、系内ガス量
と燃焼生成ガス量との差で示される。吸引空気量（Nｍ³/H）＝系内ガス量（Nｍ³/h）− 燃
焼生成ガス量（Nｍ³/h）また燃焼生成ガス量は、例えばプロパンと酸素の完全燃
焼反応の場合、酸素過剰で実施される場合が多いので、
理論燃焼による排ガス量と過剰酸素量により求める事が
できる。空塔速度の制御は、燃焼ガス量、酸素量の制御
及び２次系回収装置の後端部に配置されたガス吸引装置
のブロアーの回転数または出口弁の開度を制御すること
により行う。

【００２１】また、この時冷却帯終端部のガス温度は、
少なくとも400℃以上にすることが好ましい。冷却帯終
端部の内部温度は冷却帯下部の円相当径方向の中央部に
挿入された熱電対によって測温される値であるが、冷却
帯出口の温度は燃焼性ガスと吸引口より吸引される冷却
用ガスとの比、燃焼ガス量とガス吸引装置の吸引力によ
って制御する事が出来る。

【００２２】以上のように空塔速度と冷却帯終端部温度
を同時に適正に保つためには燃焼性ガスと冷却用ガスと
のバランスだけでなく、冷却帯の形状が重要となる。す
なわち、水冷壁を有する冷却帯であって、冷却帯の長さ
Ｌと円相当径Ｄの比、Ｌ／Ｄが2〜5とするのが肝要であ
る。Ｌ／Ｄが２未満では、冷却効果が少なく、冷却帯の
出口温度が上昇し出口部分での粒子の凝集が顕著とな
る。またＬ／Ｄを５を越えて大きくすると最高温度と最
低温度の差が大きくなって均一な付着を形成する事が困
難となり、高温部で粒子を凝集させるか、或いは低温部
での付着が全く進行しなくなる。好ましくは3〜4であ
る。

【００２３】

【実施例】

実施例１図１に示すように、球状化バ−ナ−１と冷却ガス（空
気）吸引口２を有する直胴型で竪型の冷却塔において、
冷却塔壁７の外側に冷却塔外壁５を設け、冷却塔を２重
管構造とした。冷却塔外壁５には、冷却水入口３と冷却
水出口４を設けた。冷却帯水冷部分６の最も下方の位置
（冷却体終端部）で、冷却塔径中心の測温装置１６を設
けた。冷却塔下部には球状化された粒子を１次回収する
為の回収口１０と２次捕集装置への排気連絡口９を配置
し、２次捕集装置としてのバグフィルター１２にて粒子
の２次捕集を行い、回収口１１より回収できるようにし
た。さらに燃焼排ガス及び空気の吸引装置として吸引ブ
ロワ−１３を設置し、ガス排出口１５の部分より放出さ
れる排ガス量を制御できるようにコントロール用バルブ
１４を設けた。

【００２４】冷却塔の内壁はＳＵＳ３１６材とし、塔内
径1.0ｍ、冷却帯長さ3.0ｍのものを設置した。球状化バ
ーナーより平均粒径5μｍの結晶性シリカ粉末10kg/Hrを
酸素ガスに同伴させて供給し、プロパンガス3Nｍ³/hと
酸素15Nｍ³/hで燃焼させて球状化を行った。吸引ブロワ
−出口のコントロール用バルブの開度を調節し、吸引空
気量の調節を行い、空塔速度が0.05ｍ/secとなるように
して操業を行った。この時の冷却帯終端部温度は421℃
を示した。操業開始から1日後、3日後、７日後に、球状
化処理を一旦停止し、炉の上部から下部にかけての内壁
付着物の性状及び内壁材であるＳＵＳ板の表面を調べた
所、いづれの日数においても、冷却帯の上部、中央部、
下部で付着物は粉状であり、厚みは1〜5cｍであった。
またＳＵＳ板に腐食はみられなかった。引き続き操業可
能であるのを確認した。

【００２５】＜実施例２＞結晶性シリカ粉末、プロパン
ガス、酸素の供給量をそれぞれ33kg/Hr、10Nｍ³/h、50N
ｍ³/hとした以外は実施例１と同様にして実施した。空
気量の調整を行い空塔速度を0.33ｍ/secとした。この時
の冷却帯出口温度は511℃を示した。操業開始から1日
後、3日後、7日後に、球状化処理を一旦停止し、炉の上
部から下部にかけての内壁付着物の性状及び内壁材であ
るＳＵＳ板の表面を調べた所、いづれの日数において
も、冷却帯の上部、中央部、下部で付着物は粉状であ
り、厚みは2〜7cｍであった。またＳＵＳ板に腐食はみ
られなかった。引き続き操業可能であるのを確認した。

【００２６】＜実施例３＞結晶性シリカ粉末、プロパン
ガス、酸素の供給量をそれぞれ67kg/Hr、20Nｍ³/h、100
Nｍ³/hとした。空気量の調整を行い空塔速度を1.31ｍ/s
ecとした以外は実施例１と同様に実施した。この時の冷
却帯出口温度は658℃を示した。操業開始から1日後、3
日後、7日後に、球状化処理を一旦停止し、炉の上部か
ら下部にかけての内壁付着物の性状及び内壁材であるＳ
ＵＳ板の表面を調べた所、いづれの日数でも付着物は粉
状であり、厚みは3〜8cｍであった。またＳＵＳ材の表
面に腐食は見られなかった。引き続き操業可能であるの
を確認した。

【００２７】＜実施例４＞冷却帯長さを1.5ｍとする以
外は実施例１と同様の球状化装置を配置した。結晶性シ
リカ粉末、プロパンガス、酸素の供給量をそれぞれ67kg
/Hr、20Nｍ³/h、100Nｍ³/hとし、空気量の調整を行い空
塔速度を2.46ｍ/secとした以外は実施例１と同様にして
実施した。この時の冷却帯終端部温度は951℃を示し
た。操業開始から1日後、3日後、7日後に、球状化処理
を一旦停止し、炉の上部から下部にかけての内壁付着物
の性状及び内壁材であるＳＵＳ板の表面を調べた所、い
づれの日数でも付着物は粉状であり、厚みは3〜12cｍで
あった。またＳＵＳ材の表面に腐食は見られなかった。
引き続き操業可能であるのを確認した。

【００２８】＜実施例５＞冷却帯長さ6.0ｍとする以外
は実施例１と同様の球状化装置を配置した。結晶性シリ
カ粉末、プロパンガス、酸素の供給量をそれぞれ33kg/H
r、10Nｍ³/h、50Nｍ³/hとし、空気量の調整を行い空塔
速度を0.26ｍ/secとした以外は実施例１と同様に実施し
た。この時の冷却帯出口温度は365℃を示した。操業開
始から1日後、3日後、7日後に、球状化処理を一旦停止
し、炉の上部から下部にかけての内壁付着物の性状及び
内壁材であるＳＵＳ板の表面を調べた所、いづれの日数
でも付着物は粉状であり、厚みは1〜2cｍであった。ま
たＳＵＳ材の表面に腐食は見られなかった。引き続き操
業可能であるのを確認した。

【００２９】＜比較例１＞装置、結晶性シリカ粉末、プ
ロパンガス、酸素の供給量は実施例１と同様に行い、コ
ントロールバルブ１４の開度を調整し、空塔速度を0.03
ｍ/secとした。この時の冷却帯終端部温度は297℃を示
した。操業開始から１日後に球状化処理を一旦停止し、
炉内壁の付着物の性状を調査した所、冷却帯下部には付
着が全く見られず、ＳＵＳ表面の所々に腐食物が沈着し
ていた。また得られた球状粉を回収し、篩にかけると、
黒褐色の異物が篩い上に数多く見つかった。操業開始１
日後で操業を停止した。

【００３０】＜比較例２＞装置、結晶性シリカ粉末、プ
ロパンガス、酸素の供給量は実施例１と同様に行い、空
気量の調整を行って空塔速度を3.03ｍ/secとした。この
時の冷却帯出口温度は750℃を示した。操業開始から2日
後に輸送配管が閉塞した為、球状化処理を一旦停止し、
炉内壁の付着物の性状を調査した。冷却帯上部の付着物
が焼結しており、一部が落下した形跡が見られた。配管
中の閉塞物は凝集焼結したシリカ粉塊であった。操業開
始２日後で操業停止した。表１に実施例１〜５及び比較
例１、２の試験条件及びその結果をまとめて示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の無機質球
状粒子の製造方法では、球状化後の冷却に於いて、炉内
壁への付着を安定させる事ができるので、付着物による
炉内閉塞や配管閉塞を起こすこともなく、また炉内壁劣
化やコンタミ混入を防止する事ができるので、長期にわ
たって安定操業が可能となる。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】球状粒子製造装置の概観図

【００３４】

【符号の説明】

１球状化バ−ナ− ２冷却ガス（空気吸入口）３冷却水入口４冷却水出口５水冷ジャケット外壁６冷却水貯蔵部７冷却塔内壁８冷却帯９排気連絡口１０粒子一次回収口１１粒子２次回収口１２粒子２次回収用装置１３生成ガス排気用吸引ブロワ− １４ガス量コントロ−ル用バルブ１５ガス排出口１６冷却帯出口部温度測定用熱電対式温度計１７火炎流１８吸引空気流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 23/31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属製の冷却塔内において、原料粉末を高
温火炎中に投入して溶融球状化し、球状粒子を含む燃焼
ガスを冷却帯を通過させながら冷却する無機質球状粒子
の製造方法において、冷却帯のガスの空塔速度を０．０
４〜３．００ｍ／ｓｅｃとすることを特徴とする無機質
球状粒子の製造方法。
【請求項２】冷却帯の出口温度を４００℃以上とするこ
とを特徴とする請求項１記載の無機質球状粒子の製造方
法。
【請求項３】請求項１又は２記載の製造方法に用いる冷
却塔であって、冷却帯の長さＬと円相当径Ｄの比、Ｌ／
Ｄを２〜５としたことを特徴とする製造装置