JPS5940054B2 - 融体から特定サイズの球形粒子を製造する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、平滑な回転円板上に、金属、スラグならびに
フラックスなどの融体の薄膜流を形成させ、これを円板
周辺から高速で空間に発射することにより、特定サイズ
の球形粒子を製造する方法に関する。

融体流を回転体の表面に落下させて球形に近い粒子を製
造する方法に関しては従来様々の方法が提案されてきた
。

これらの公知の発明の大部分は、金属融体の場合は球形
または球形に近い粒子の製造法を、ガラス化しやすい無
機物または有機物の融体の場合は繊維製造法を示したも
のである。

これらの公知の発明における問題点を代表的な例を引用
しながら具体的に説明する。

Ａ、金属粒子製造法の代表的な例 １、特公昭４Ｃ）−２７５２１：回転円板の上に同一ま
たは逆方向に回転する分配器を設ける。

分配器は倒立漏斗中空円筒とその下端に固定された小円
板から成り、小円板の周辺にスリット（または多数の小
孔）がある。

融体は分配器の固定小円板面に落下しスリット（また、
は小孔）から斜め下向きの線状流として回転円板面
へ発射され、衝突と反射により粒滴となり、円板面に噴
射される水流で冷却され、円板周辺から放出される。

融体の固定小円板との衝突、スリット（または小孔）か
らの流出、回転円板との衝突および水の噴流との接触は
、いずれも融体流の不規則な分裂を起す。

実施例によれば、円板が鋼板製で、低融点金属を毎分４
〜６騨を処理しうるにすぎない。

ｉ：、特開昭５１−６４４５６：融体流は漏斗状の中間
受皿を介して回転円板面に落下衝突し、周辺から線状流
または球部として発射され、垂直に近い円筒形外殻の内
面にそって流れる水流と衝突して凝固する。

融体流の中間受皿への落下、円板面との衝突および水流
との衝突はいずれも融体流の不規則な分裂を示す。

ゆえに実施例に示されたとおり、粒径の変動がかなり著
しい。

円板は鋼板上面を耐火物でライニングした単純２層構造
である。

この円板は溶鋼温度において耐火物層の遠心破壊が起り
やすく、高温高速回転すなわち高温融体の大量処理が困
難である。

ｉｉｉ、特公昭５１−３８６７０：中心開口部のまわり
に下方に凸の曲面をもつ回転ドラムと、中心の円錐突起
のまわりに上方に凹の曲面をもち逆方向に回転するアン
ビルが、２曲面間に一定のギャップを保つようにセット
された装置である。

融体はドラム開口部からアンビルの円錐突起面上に流下
し、２曲面の間隙を通過する間に粒状化され、アンビル
の周辺から排出されて水中に落下する。

融体は間隙の通過において流体摩擦と冷却効果により不
規則な分裂を起す。

ゆえにサイズと形状の変動は不可避的であり、粗大な粒
子の製造に適用しうるにすぎない。

ＩＶ、特開昭５０−６５４６１：水中に一部または全部
浸漬された回転円板の表面に融体流を落下衝突させ、発
生する水蒸気を包含した中空粒子として凝固させる。

融体流の円板面への落下衝突と水蒸気の発生を伴なう冷
却は、サイズと形状の不規則な変動を起す。

Ｂ、無機球形粒子製造法の代表的な例 ■、特開昭５３−７５１７１：特許請求の範囲は１回転
円板上に無機物溶解原料を落下、供給し、円板上を放射
状層流で流動せしめて円板周縁から自由膜噴流を生ぜし
め、この膜噴流を分裂させて多数の球形粒となすことを
特徴とする無機物球形粒の製造法」である。

該明細書のｐ、３５４−ｐ、３５５および第５図にも明
記されているとおり、この方法は「円板上にかなり厚い
膜状流を形成させ、自由膜状流として空間を流動させ、
空洞の発生、ひも状のわん曲流、ひも状の流れからの球
部の分離の順序の分裂過程を経て球部を形成させる」も
ので、不規則な分裂が起るため粒径が広範囲に変動する
ことは実施例においても明らかである。

実施例としては、■１の方法と同様にカーボン質タンプ
ッシュと金属円板の間に電圧を印加し、ノズル径８龍、
円板直径４０ｍｍ１回転数１ｏｏｏｒｐｓの条件のもと
で、１５００℃の高炉スラグを２５．９／５ｅｃ（１０
ｃｍ３７５ｅｃ）の流量で処理し、４７６０μから１１
９０μが約８０％、１１９０μ以下が約２０％の球形粒
子をえた結果が示されている。

１〜Ｖの公知の発明は、融体流の中間容器への自由落下
と通過（ｉ 、 ｉｉ ）、回転体表面への自由落下（
ｉ、ｉｉ、ｉｖ）、水流との接触による凝固（ｉ、ｉｉ
、ｉｖ）、回転する２曲面の間隙の通Ａ１１ｉ）、空間
中の自由膜状流の分裂（Ｖ）などのような１融体流の不
規則な分裂を起す過程”を包含する。

ゆえに融体流量と回転速度を一定に保持しても一定サイ
ズの球形粒子を製造することができない。

さらに、いずれの回転体も高温融体との接触と高速回転
により発生する熱衝撃応力と遠心応力に耐えることがで
きない。

ゆえに実施例としては、小直径の回転円板を４００−１
５０ Ｏｒｐｍの低速で回転させたときの結果が示され
ているにすぎず、高温融体の大量処理は困難である。

上述のように、いわゆる”回転体による融体処理法″は
、アイデアとしては公知であるが、特定サイズの球形粒
子の製造法は、未開発である。

本発明者らは、融体を導管を介して静かに回転円板の中
心に導き、円板上に半径および切線方向の２つの速度成
分をもつ安定な薄膜流を形成させこの薄膜流が円板上の
運動あるいは周辺から空間へ発射されて多数の線状流に
分裂し、さらにこの線状流が球形粒子に分裂する過程を
理論的に解析し、かつ実験的に確認した。

本発明はこの研究結果を基礎とするものである。

以下図面を参照しながら研究結果を説明する。

第１図に流出口半径ｒ。

の導管１から一定速度Ｕｏの融体を流出させ、角速度ω
（ｒａｄ／５ｅｃ）で回転する円板２の表面に安定な薄
膜流３を形成させたとき、薄膜流の厚さｈど速度分布が
円板半径ｒにより変化する過程を解説的に示す。

融体を完全流体に近似させるならば、速度Ｕｏの鉛直流
を乱れのない安定な薄膜流に変えるためには、断面積π
ｒ２ｏから流出する鉛直流量πｒ％Ｕｏと、半径ｒｏ高
さり。

の柱面から流出する水平流量２πｒｏｈｏＵｏが等しく
なるように、すなわち連続の条件が満足されるように導
管流出口の高さり。

を定める必要がある。

この条件から次式かえられる。

ｈｏ＝ｒｏ／２ （１）第１図では
、わかりやすく表現するため、垂直座標りのスケールを
半径座標ｒの５倍にとった。

粘性流体が平板上を流れるとき、表面に近接する流体層
は流体摩擦により流速が著しく低下し、いわゆる”境界
層”が形成される。

回転円板上の流れにおいて、低速回転では゛層流境界層
”が、高速回転では”乱流境界層”がそれぞれ形成され
る。

第１図において、静止円板の場合でも半径方向の初速Ｕ
ｏの流れにより境界層が形成されるが、回転速度が５０
０Ｔｐｍ以上となれば、この境界層を無視し、円板の回
転による境界層だけを考慮すればよい。

本発明においては回転円板上の境界層が重要である。

回転円板上の境界層に関するレイノルズ数Ｒｅは、融体
の動粘度をν（ｃＩｉ／ｓｅｃ ）円板半径をＲ（ｃＩ
ｒＬ）とすれば、 Ｒｅ＝ωＲ２／ν で表わされ、 Ｒｅ：＝＝ωＲ２／ν≧ｌＸＩＯ３（２）ならば乱流境
界層が形成され、 Ｒｅ ＝ωＲ２／ν＜６ Ｘ １０’ （２）
’ならば層流境界層が形成され、両者の中間のＲｅの場
合は遷移領域が形成される。

乱流境界層の厚さδ（ｃＩｒＬ）と層流境界層の厚さδ
’（（１７Ｗ）はそれぞれ次式で与えられる。

すなわち乱流境界層の厚さは、半径座標ｒとともに増加
するが、層流境界層の厚さはｒに依存しない。

本発明は乱流または層流境界層を利用する。以下乱流境
界層の場合について理論構成を説明する。

厚さδの乱流境界層内の位置を円板面を原点にとりＺで
表わせば、その位置の切線速度成分Ｕθと半径速度成分
Ｕｒは、０≦Ｚ≦δにおいて次式で与えられる。

したがって、半径座標ｒの位置における薄膜流の厚さを
ｈ（ｃｍ）とすれば、ＵθとＵｒの平均値ＵθおよびＵ
ｒはそれぞれ次式で与えられる。

ただしく７）式の右辺第２項はｈ〉δすなわち薄膜流の
厚さｈが境界層の厚さδより大きく、ｈ−δの部分が均
一流速Ｕｏの流れるとなる場合にのみ付加する。

ｒの位置における合成平均速度Ｕとその方向φ（ＵとＵ
θの成す角）は、次式のように定まる。

ｒの位置における薄膜流の厚さｈは、次式を満足するよ
うに６試みの方法”により定めることができる。

（１０）式の右辺第２項も（７）式と同様にｈ〉δの場
合にのみ付加する。

第１図のδ−１曲線、ｈ−ｒ曲線、特定のｒにおけるＵ
θ、Ｕｒ、Ｕθｔ Ｕｒ ） Ｕ ｊφは、回転角速度
ω、融体流量πｒ２ｏＵｏおよび融体の動粘度νが与え
られれば（２）〜（１０）式により計算することができ
る。

ｒ＝Ｒ１において、境界層の厚さδ１が薄膜流の厚さｈ
ｌより小さく、δ１から上部の部分は初めの流速Ｕｏに
等しい半径速度をもち切線速度をもたない。

厚さδ１の境界層内部は半径速度Ｕｒと切線速度Ｕθの
２つの速度成分をもち、円板表面ではＵｒ＝０、Ｕθ＝
ｍａｘとなる。

流れの方向は平均半径速度Ｕｒと平均切線速度Ｕθのベ
クトル和Ｕの方向であり、第１図ではＵのＵθに対する
角度φで表わす。

ｒ＝Ｒ２においそもｈ２〉δ２であるが、ｒ ＝ Ｒ３
、ｒ＝Ｒ４においてはｈ３＜δ３．ｈ４くδ４となり、
薄膜流のすべてが境界層の流れとなる。

このようにｒが大きくなると境界層が発達し、ＵｒとＵ
θがともに上昇するが、特にＵθの上昇が顕著となる。

すなわちＵの方向がＵθに近づきφが小さな値をとる。

したがってωとｒが大きいほど薄膜流の厚さｈが小さく
なり、そのすべてが乱流境界層を形成し、円板周辺から
φの小さな方向に、大きな速度Ｕで発射される。

しかしながら、融体流の表面には表面張力σ ・（ｄｙ
ｎｅ／ｌ ）が作用するため、無限に薄い薄膜流の状態
を維持することは不可能である。

第２図は半径Ｒの円板周辺から、厚さｈ、流速Ｕの薄膜
流３が角度φの方向に発射された直後に、半径ｒ。

の自由線状流４に分裂し、これがさらに半径ｒＳの球部
５に分裂する過程を解説的に示したものである。

表面張力σ（ｄｙｎｅ ／ｃｍ ）、厚さｈ（ＣＩｒＬ
）の薄膜流が半径ｒ。

（ｃｍ）の線状流に分裂するための条件は、線状流の内
、外の圧力差をΔｐ （ｄｙｎｅ／ｄ）とすれば次式で
表わされる。

ｒｏ＝σ／Δｐ 平均速度成分ＵθとＵｒをもつ円板上の境界層の薄膜流
が合成速度Ｕで空間に発射されるとき、円板との流体摩
擦が突然消失するため、第２図に示すとおり、空間速度
Ｕの方向に垂直な分速度Ｖ＝Ｕθｓｉｎφと−Ｖ ＝
−Ｕｒｃｏｓφが釣り合う状態となる。

ゆえに線状流４が形成されるとき、線状流のせん回を考
慮すればｒ。

ρｊ！ （ｄｙｎｅ ／ｃｒｌｔ ）の静圧とＶ２ｐ
／ ２ （ｄｙｎｅ ／ｃｒｙｔ ）の動圧の和が上式
のΔｐを与える。

ここにρ（ｇΔ漂３）は融体の密度、ｇ（ｃｒｒＬ／５
ｅｃ２）は重力の加速度を表わす。

一般に乱流境界層の薄膜流は、Ｕθが大きい高速回転に
おいて形成され、その厚さｈが小さい。

ゆえに１６２ｇはＶ２ρ／２にくらべて一般にかなり小
さな値である。

したがってΔｐ＝ｒｏρ、ｙ＋ｖ２ρ／２≠Ｖ２ρ／２
とおけば、半径ｒ。

の線状流の形成条件は のように表わすことができる。

さらに半径Ｒの円板周辺における厚さｈの薄膜流が、実
際にｎ本の半径ｒ。

の線状流に分裂するためには、薄膜流のにほとんど一致
せねばならぬ。

すなわちまた薄膜流の全周長２πＲは、線状流の直径の
総和２ｒｏｎより小さくはならない。

すなわち２ｒｃｎ≦２πＲ 上の２式から、つぎの条件式がえられる。

ｒｃ≧２ｈ／π ０２）の条件が満足されたときに、００式による分裂が
実際に起る。

薄膜流の線状流への分裂は、νの低い融体の場合、低速
回転において円板上でも起る（第３，４図のω＝ω１の
場合参照）。

円板上においてａυと０２）の条件が満足されるならば
、Ｕθが小さくφが９０度に近いため、Ｕθｓｉｎφ＝
Ｕθ、Ｕｒ’；Ｕとなり、ｒ、の大きい線状流が形成さ
れ、円板上を転がりながら半径方向に運動する。

しかし、円板上で形成されたｒ。

の大きい線状流はｒが犬すなわち円板周辺に近づくほど
Ｕθｓｉｎφが大きくなるため、００式によりｒ。

の小さな線状流に分裂しながら周辺に達し、種々の半径
の線状流として空間に発射される。

したがって、この場合には一定サイズの線状流かえられ
ない。

かなりの高速回転においても、ｒの小さい位置すなわち
円板の中心に近い位置では、Ｕθが小さく、Ｕθｓｉｎ
φ＝Ｕθ、Ｕｒ’：Ｕとなり、ａυと（１２）により太
い線状流が形成される。

しかし円板周辺に近づくほどＵθが急速に増加し、ｈが
小さくなるため（１１）とα助５同時に満足されなくな
り、この位置で薄膜流に変化する（第３，４図のω−ω
２の場合参照）。

この場合には円板周辺から一定厚さｈの薄膜流が発射さ
れるため、０υと０２）により、一定半径ｒ。

の自由線状流が形成される。充分な高速回転においては
、全円板面が境界層の薄膜流で覆われ、その周辺からの
発射において、一定半径ｒ。

の自白線状流が形成される（第２図；第３，４図のω−
ω３の場合参照）。

薄膜流の線状流への分裂に関しては、ｈ、Ｕθ。

φがω、シ、Ｒにより定まるため、０１式により線状流
の半径ｒ。

が定まり、０２）式が満足されるような小さなｈの場合
に実際の分裂が起る。

半径ｒ。の自白線状流４が半径ｒ５の球部５に分裂する
場合、球部の体積（４／３ ）πべが長さ２ｒＳの線状
流の体積πｒＪ・２ｒＣより大きくなければ、球部の形
成が起らない。

この条件から次式かえられる。

このように、一定半径ｒ。

の線状流の分裂により形成される球部の半径ｒｓは、心
らずｒ。

より大きく、（１３）により最小半径が定まる。

半径ｒ５（ＣｒｒＬ沖球滴の球部条件は、表面張力をσ
（ｄｙｎｅ／ ｃｍ ）球の内外の圧力差をΔｐ （ｄ
ｙｎｅ／ｉ ）とすれば次式で与えられる。

ｒｓ＝２σ／Δｐ 由線状流の運動方向の速度Ｕによる動圧ρＵ２／２が（
１３）により確定するため、Ｕが周囲の気体との摩擦抵
抗により減速され、次式を満足するＵｓまで低下したと
きに半径ｒ５の球部が形成される。

Ｕ→Ｕｓの位置で形成された半径ｒＳの球部は、さらに
初速Ｕｓの空間運動を行なう。

つぎに第３，４図により、一定半径Ｒの円板２の上に導
管１から融体を静かに一定流速で流下させたとき、回転
速度ωにより、円板上の薄膜流、線状流および球部の運
動が変化する過程を説明する。

第３図のω＝０．ω１．ω２．ω３における流線は、第
４図のそれぞれのωにおける平面図に対応する。

円板が静止（ω＝Ｏ）しているとき、融体流量が充分な
らば円板周辺から自由膜状流として流出する。

この場合Ｕθ＝Ｏで０１式のｒｃは静圧だけに依存する
が、その静圧が膜状流の厚さにより変化するため、種々
のｒ。

をもつ太い線状流に分裂し、空洞を発生し、重力の作用
により落下運動に転する。

０３）とαａの条件によりこれらの太い線状流は種々の
半径ｒ５をもつ大きな球部に分裂する。

しかし、重力の作用により半径速度成分Ｕｒのほかに鉛
直速度成分Ｕｙが加わり、合成速度Ｕが上昇するため、
大きな半径ｒ５をもつ球部がその空間運動において小さ
な球部を分離することによりα荀式を満足する。

ゆえに一定サイズの線状流または球部をうることかでき
ない。

円板の半径Ｒと回転速度ωが比較的小さい場合にもこれ
に近い現象がみられる。

前述の公知の発明ｖｉｉｉはこの自由膜状流の形成範囲
に関する発明にすぎない。

低速回転（ω−ω、）においては、０１式のＵθが小さ
く、φが９０度に近いため、円板上でｒ。

の大きい線状流が形成され、これが円板周辺に近づくに
つれてＵθｓｉｎφの上昇によりｒ。

の小さい線状流を分離しながら円板周辺に達する。

ゆえに円板周辺から種々の半径の自由線状流が発射され
。

したがって流線も一定せず、α■と側の条件により形成
される球部の半径も一定しない。

かなり速い回転速度（ω＝ω２ ）の場合、円板中心に
近い範囲は、半径の小さい回転円板と同一条件下にあり
Ｕθとφが大きいため、０１式によりｒｏの大きい線状
流が円板上で形成される。

しかし、半径座標ｒが大きくなるにつれてＵθｓｉｎφ
が上昇し、ｒｏの小さい線状流の分離が起り、さらに円
板周辺に近づけは（ｒ−”Ｒ）、０υ、α２の条件が満
足されなくなり、乱流境界層の薄膜流となる。

この薄膜流は、円板周辺からの発射において、αυと０
２）により一定半径の自由線状流に分裂し、さらにこれ
が（１３）とα→により一定サイズの球部に分裂する。

充分な高速回転（ω＝ω３ ）のもとでは、円板面全体
に境界層の薄膜流が形成され、これが円板周辺から高速
でφの小さな方向に発射されたときに、一定半径の自由
線状流に分裂し、さらに一定半径の球部に分裂する。

上述のように、一定サイズの線状流または球部をうるた
めには、少なくとも円板周辺において境界層の薄膜流を
形成させること、したがって一定流量のもとてかなりの
高速回転を与えることが必要である。

また、一定サイズのｒ。の大きい線状流またはｒＳの大
きい球部をうるためには、円板上における線状流の下規
則な分裂を防止する必要がある。

それには、半＠Ｒが比較的小さい円板を高速で回転させ
ることが合理的であることは、上述の説明により明らか
である。

公知の発明のように、直径５０〜２００ｍ１の円板を１
５００〜５００ｒｐｍの低速で回転させても、乱流境界
層の形成が困難であり、したがって一定サイズの線状流
または球部をうることができない。

第３図において、円板の周辺上の一点σを原点とし、線
状流が発射されるφの方向にｙ軸を、鉛直下向きにｙ軸
をとる。

ｘｙ平面内の線状流または球部の速度るＵ、そのＸ、ｙ
方向の速度成分をｕ ５ｃ ｔ ｕ ｙとし、Ｕと味の
成す角をαとする。

この２次元運動の０１こおける初速は（８）式で与えら
れるＵである。

球形粒子の直径をｄｓ（ｃｍ） （＝ ２ｒ ５）、時
間をθ（Ｓｅｃ）、重力の加速度Ｉ、周囲の密度ρｆ
（１１７ｃｍ３）の静止流体による抗力をΦ（７）−と
すれば、運動の方程式は次式で与えられる。

４−）、抗力係数をＣＤとすれば次式で与えられる。

球形粒子における抗力係数ＣＤは、レイノルズ数Ｒｅ
＝ ｄｓｕ ／νｆ（νｆは静止流体の動粘度）により
定まる無次元数で工学計算用の数値が与えられている。

半径ｒ。の線状流の空間運動においても、その先端に作
用する抗力Φを（１３）式によりｒＳ＝とができる。

αω式においてαが時間とともに変化し、ｃＤがＵによ
り変化するため、これを一義的に解くことは困難である
が、逐次近似法により解を決定することができる。

すなわち初速（ｕ）θ二〇＝Ｕを与えれば、速度（ｕｘ
、ｕ ｕ）および位置（ｘ、ｙ）の時間的変化を定め
ることができる。

また線状流が球部に分裂する位置はＵが（１４）式のＵ
ｓに一致する点として定めることができる。

すなわち第３，４図の空間運動の流線と球部の形成位置
は、すべてαω式を解くことにより定量的に決定される
。

さらに、円板トルク’ｌ’（Ｋｐ・ｍ）は、円板の半径
Ｒ（ｒｎ入重力の加速度１１ （ｍ／ ５ｅｃ２単位）
、融体の密度ρ（Ｋｐ／ｍ３）の単位を用い、次式で計
算することができる。

したがって、円板の回転に要する動力Ｈ（Ｐ、Ｓ、）は
、回転速度をＮ （ｒｐｍ ）とすれば次式で求められ
る。

回転円板上に乱流境界層が形成されるとき、ａ′？）式
に含まれる抗力係数Ｃｆに関してはＲｅ＝ωＲ２／νの
関数として次式が知られている。

ゆえに、Ｔ、Ｈは、ω、Ｒ２シ、ρを与えればαＤ〜（
１９）により計数することができる。

（４）→６）とα０式は（２）と（３）すなわち回転円
板上に乱流境界層が形成される場合の関係式である。

一般に動粘度νの低い融体の場合は乱流境界層の厚さδ
がｒ３１５に比例して増加することを利用し、高速回転
によりＲｅ＝ωＲ２／νを乱流範囲とすることにより、
円板周辺に安定な境界層の薄膜流を形成させることがで
きる。

しかし動粘度νの高い融体の場合は（３Ｙにより層流境
界層の厚さδ′がかなり大きくなり、しかも半径座標ｒ
に依存しない。

したがって比較的低速回転すなわちＲｅ＝ωＲ２，４の
層流範囲においても、円板上に安定な境界層の薄膜流を
形成させることができる。

層流境界層の場合は（４） 、 （５）式のかわりに次
式を用いてＵθ、Ｕｒを求め、（６） 、 （７） 、
α１式のδのかわりにδ′を用いればよい。

またα９式のＣｆは、α１式のかわのに層流境界層に関
する次式から求めればよい。

すなわち（２）’、 （３）’（７）層流境界層が形成
される場合も乱流境界層の場合と同様な理論計算が可能
である。

上述のように本発明者らは、融体が凝固を起さず常に一
定温度に保持され、周囲が一定の温度と圧力をもつ静止
気体であることを仮定し、線状流と球部の形成に関する
理論を明らかにした。

この場合、一定サイズの線状流の状態で凝固させれば一
定サイズの長繊維かえられ、この線状流が一定サイズの
球部に分裂した後に凝固させれば一定サイズの球形粒子
かえられる。

回転円板により高温融体を処理する場合、周囲の静止気
体は温度上昇により対流を起し、その物性が変化し、（
１６）式の抗力Φも変化するであろう。

いま特定温度の気体を、自由線状流の流線と平行かつ逆
向きに流速ｕｆで流すならば、０６）式の抗力ΦはＵが
ｕ ＋ ｕ ｆに上昇したときの値まで上昇する。

また気体の温度を低下させ、圧力を上昇させても（Ｌ６
）式のΦが上昇する。

Φの上昇は、線状流の初速（ｕ）θ＝０＝Ｕが（１４）
式のＵｓまで低下する時間を短縮し、球部の形成を早め
、その運動距離を短縮する。

このように合理的な気体の流れをつくるときは、気体の
物性の変化も著しく軽減される。

これに反して、特定温度の気体を自由線状流の流線と平
行に速度Ｌｌｆで流すならば、α６）式のΦはＵがｕ
−ｕ ｆに低下したときの値まで低下する。

また気体の温度を上昇させ、圧力を低下させてもα６）
式のΦが低下する。

Φの低下は線状流の初速Ｕの低下を遅らせ、球部の形成
を防止する。

円板周辺から角度φの方向に高速で発射された線状流は
水平運動から次第に落下運動に変化する。

したがって実際に線状流と気体流の方向の良好な一致を
実現するためには、線状流の水平運動区間に、角度φの
水平気体流を線状流と逆または同一方向に流す必要があ
る。

一般に動粘度νが大きく表面張力σが小さい珪酸塩の融
体は、細い線状流の形成が容易であり、通常の冷却速度
のもとでは繊維として凝固する。

一方νが小さくσが大きい金属および合金の融体は、比
較的太い線状流が形成され、通常の冷却速度のもとでは
球部に分裂した後に凝固する。

前述の公知の発明の多くが無機繊維製造法と金属粒子製
造法に画然と分類されているのはこのためである。

しかしながら珪酸塩融体といえども、高温加熱により動
粘度νを低下させ、熱ガスを線状流と反平行に流すこと
によりΦを上昇させかつ凝固を遅らせるならば球形粒子
かえられる。

一方溶融金属といえども、高温加熱あるいは表面張力を
著しく低下させる成分（Ｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｌａ、Ｃｅ、
Ｂ。

Ｓｕなど）の添加により表面張力を低下させ、冷ガスを
線状流と平行に流してΦの低下と凝固速度の上昇を計れ
ば、繊維として凝固させることができる。

上述の本発明の基礎理論を分り易く表現すればつぎのと
おりである。

１）一定の融体流量において、動粘度νに応じて円板半
径Ｒと回転角速度ωを選び、円板周辺において特定厚さ
ｈをもつ境界層の薄膜流を形成させる。

２）薄膜流が円板周辺から発射させると、特定厚さｈに
より定まる特定半径ｒ。

の自由線状流が表面張力σの作用により形成される。

３）特定半径ｒ。

の線状流は周囲の気体による抗力Φの作用により、ｒｏ
により定まる特定半径ｒｓの球部に分裂する。

４）球部の形成を早めて運動距離を短縮するためには、
線状流と正確に逆方向の水平気体流を流すこと、あるい
は気体の温度を低下させ圧力を上昇させることによりΦ
を大きくする。

繊維の切断と球部の形成を防止するためには、線状流と
正確に同一方向の水平気体流を流すこと、あるいは気体
の温度を上昇させ圧力を低下させることによりΦを小さ
くする。

５）これらの過程はすべて定量的に理論計算により決定
することができる。

本発明は、前述の本発明者の研究による理論にもとづく
もので、特定サイズの球形粒子を製造する方法に係る。

本発明は金属、スラグ、フラックスから選ばれたいずれ
かの融体を、一定流量で３，０００〜３０，０００ｒｐ
ｉで高速回転する回転円板上に供給し、融体の動粘度を
０．００１から１０ｃ１１￥／ ｓｅｃとし、これに対
応して円板の半径と回転速度を選定することにより、少
なくとも円板周辺近く特定の厚さを有し、その全厚さに
わたり半径方向のほかに切線方向の速度成分が発生する
ような薄膜流を形成させ、前記薄膜流が円板周辺から空
間へ発射された直後に切線速度成分の消失と表面張力の
作用により特定半径の自由線状流に分裂させながら、円
板周辺より発射させる自由線状流と逆方向にガスを噴射
させることにより、前記線状流がその空間速度の低下と
表面張力の作用により特定半径の球部に分裂した後に凝
固させることを特徴とする融体から均一な特定サイズの
球形粒子を製造する方法にある。

本発明による球形粒子の製造において、円板上に乱れの
ない定常薄膜流を形成させるためには（１）の条件が考
慮されねばならぬ。

すなわち回転円板の中心に融体を供給する導管の流出口
半径をｒ。

、前記円板と前記流出口との距離をり。

とするときｈｏをｒ。

／２から（ｒｏ ／ ２ ）＋２ｍｍの範囲内とするこ
とが好ましい。

ｈｏがｒ。／２以下になると前記流出口のまわりの融体
面が盛り上りを起し、（ｒｏ／ ２ ）＋２ｍｍ以上に
なると自由落下による乱れが起る。

本発明による球形粒子の製造において、円板周辺から発
射される線状流と逆方向に常温または低温の常圧または
高圧気体を噴射することにより、球部の形成を早め、繊
維化を防止し、球部の運動距離を短縮することができる
。

第５図は前記気体噴射を併用する装置の一例を示す。

環状主管７に送られた気体は、多数の方向制御用の案内
板８をもつ環状スリット９から、線状流の水平運動と逆
方向の水平噴流として流出する。

多数の案内板８はリンク機構１０で連結され、その角度
すなわち噴流の方向を同時に調節することができる。

このように、円板から発射された特定半径の線状流に対
して、正確に逆方向の気体噴流を併用し、その速度を選
定することにより、空間内の特定半径の位置で球形粒子
を落下させることができる。

本発明による球形粒子の製造において、固体あるいは液
体の粒子を懸濁する融体を回転円板上に供給し、固体あ
るいは液体粒子が分離された球形粒子を製造することが
できる。

たとえば、金属の粒滴を懸濁する低粘度の塩基性スラグ
、あるいは初晶を懸濁する低粘度の融体を回転円板上に
供給すれば、懸濁された粒滴あるいは初晶の空間運動距
離が、融体の線状流およびその分裂による球部のそれと
異なるため、両者を分離捕集することができる。

本発明による球形粒子の製造法は、回転円板上に形成さ
れる”境界層の薄膜流”すなわち”全厚さにわたり半径
方向のほかに切線方向の速度成分が発生している薄膜流
”の厚さを定量的にコントロールすることを基礎とする
ものである。

融体の動粘度が比較的高く、所要の球形粒子の半径が比
較的大きい場合は層流境界層の薄膜流を、動粘度が低く
所要の半径が小さい場合は乱流境界層の薄膜流をそれぞ
れ回転円板上に形成させる。

前記薄膜流は、半径の小さい円板を低速回転させても形
成されない。

本発明者らは、水、グリセリンの水溶液、金属性融体の
ような低粘度流体と、冶金スラグ、合成フラックスなど
の高粘度流体について、半径２５〜１５０ｍｍの円板を
用い、３０．００ Ｏｒｐｍから１１００Ｏｒｐの回転
速度範囲で実験し、”境界層の薄膜流の厚さシたがって
その分裂により形成される球径粒子の半径を広範囲に調
節しうろことを、理論計算と実験により確認した。

すなわち本発明は、公知の発明にくらべて著しく高い回
転速度範囲を使用する。

またこれにより比較的小径の円板により融体の大量処理
が可能となる。

回転円板により高温融体を処理する場合、高温に加熱さ
れた円板に大きな遠心応力が作用する。

また処理の開始時と終了時には、それぞれ急熱と急冷に
よる熱衝撃応力が作用する。

金属材料は熱伝導度が大きく変形しやすいため、熱衝撃
による破壊は起り難い。

しかし、耐熱鋼といえども６００°Ｃ以上ではクリープ
強さが著しく低下するため、高温高速回転において遠心
破壊が起りやすく、長時間の使用に耐えない。

超合金といえども許容温度は８００°Ｃ以下にすぎない
。

したがって、高温融体の大量処理には、耐火物またはセ
ラミックの円板を使用せざるをえない。

しかし、マグネシアレンガ、シャモットレンガなどの塩
基性および耐火粘土質レンガは高温軟化点が低く、熱膨
張係数が大きいため、遠心および熱衝撃応力に充分耐え
ることができない。

溶融石英質および黒鉛質のレンガは熱膨張係数が著しく
小さく、耐熱衝撃性にすぐれ、高温強度もかなり高い。

しかし、これらの耐火物といえども、引張強度が圧縮強
度にくらべて著しく小さく、高速回転による遠心応力が
作用する状態で使用することは困難である。

多くの公知の発明が、低速回転による融体の少量処理に
とどまらざるをえなかったのはのこためである。

本発明による高温融体の大量処理は、高温において高速
回転に耐える円板の開発によりはじめて可能となる。

本発明者らは、円板の急熱または急冷において発生する
熱衝撃応力ならびに高速回転において発生する遠心応力
を解析し、材料の高温強度を考慮し、耐火物のブロック
と耐熱鋼製の保持器とをはめあいにより一体化し、所要
半径の回転円板面をもつ回転体の構成を開発した。

本発明は特定耐火物の円板面をもち、高温における高速
回転に耐えうる回転体をもった球形粒子の製造装置が必
要である。

第６図は本発明による球形粒子の製造法に用いられる回
転体の構成原理を示し、第７，８図は回転体の実例を示
す。

第６図において、耐火物ブロック１１は、最上部が所要
円板半径Ｒをもつ高さｔ＝１〜２ｍｍの短円柱状であり
、中間部はα＝１２〜３５度の緩傾斜の截頭円錐状に遷
移し、底部はβ＝６０〜８０度の急傾斜の截頭円錐状に
遷移する。

半径Ｒの円板上に伝えられた熱は、矢印のついた流線に
そって流れ、多くの熱流が中間部の緩い傾斜の截頭円錐
面から外界に放散され、耐熱鋼製保持器の倒壊１２と底
板１３に到達する熱流は著しく少ない。

すなわち耐火物ブロックの中間部は耐熱鋼製保持器の温
度上昇を効果的に防止する。

耐火物は高い圧縮強度をもつ引張強度が著しく低い。

熱衝撃応力は円板面の高温予熱により軽減することがで
きる。

しかし工業用耐火物として最大の高温強度をもつ溶融石
英といえども、高温では、高速回転により発生する遠心
応力に耐えることは困難である。

したがって第６図に示すとおり、耐火物ブロック１１を
充分な厚さをもつ耐熱鋼製の倒壊１２と底板１３から成
る保持器にはめ込み、耐火物ブロックに亀裂が発生して
も、その中間部の傾斜角αを小さくとることにより、破
壊されたブロックの遠心荷重Ｆを、倒壊１２で支持し、
耐火物の破片の遠心放出を防止する。

すなわち耐火物ブロックの中間部の小さな傾斜角の截頭
円錐面は、耐熱鋼製の倒壊の温度上昇を防止し、充分な
りリープ強度を維持させ、同時に耐火物ブロックの破壊
による遠心荷重をすべて倒壊で支持させるため必要であ
る。

耐火物ブロック１１の下部の急傾斜の截頭円錐面は倒壊
１２とのはめあいにより、高速回転における浮き上りに
よる脱出防止する。

さらに第７，８図に示すとおり（第６図では省略されて
いる）、耐火物ブロック１１の底部側面には回転方向に
直角な複数個のくぼみ１１Ｃが等間隔に設けられ、−刃
倒壊１２の内面にはこのくぼみに対応する突起１２ａが
設けられ、両者のはめあいにより耐火物ブロックの空転
を防止する。

耐火物ブロック１１の上部の高さ１〜２ｍｍの垂直円柱
面は、円板面の周辺から融体の”境界層の薄膜流を一定
厚さで空間へ発射させるため、いいかえれば円板周辺に
おいて”境界層の完全なはがれ”を起させるために必要
である。

回転体用耐火物は、融体の温度、耐火物面に対するぬれ
および溶融を考慮し、溶融石英、黒鉛、炭化珪素、窒化
珪素、ジルコン、シャモット、アルミナ、マグネシアな
どのうちから選定される。

さらに保持器の倒壊１２と底板１３の温度上昇を防止す
るため、第７，８図の実例では、耐火物ブロック１１の
下に、耐火断熱煉瓦層１６を、その下にマット状断熱材
の層１１をそれぞれ密着させ、倒壊１２との間隙にキャ
スタブル耐火物を充填することにより各部分を一体に固
定する。

溶融石英に次いで高い高温強度と耐熱衝撃性をもつ工業
用耐火物は黒鉛である。

しかし黒鉛はその熱伝導度が高いため、高温融体を処理
する場合、第７図の単一ブロックにおいては倒壊１２が
過熱されるおそれがある。

他の耐火物はその高温強度と耐熱衝撃性が溶融石英およ
び黒鉛より著しく低いため、融体温度が高い場合は第７
図の単一ブロックの使用が困難となる。

したがって第８図のように、選定された円板用の耐火物
ブロック１１ａの周囲を溶融石実質ブロック１１ｂでバ
ックアップし、両者の密着により第６，１図と同一形状
をもつ組合せブロックを形成させたものを使用する。

耐火物フ宅ツク１１ａは上部が円柱状で下部は上部円柱
より小さな断面積をもつ正多角柱状であり、耐火物ブロ
ック１１ａの側面はその最上部の１〜２ｍｍの円柱部を
除いて、別個の溶融石実質ブロック１１ｂで囲まれ、耐
火物ブロック１１ａの底面は必要に応じて選ばれる中性
耐火物層１９に密着しており、中性耐火物層１９の下面
は、溶融石実質ブロック１１ｂの下面と同一水平面上に
あり、耐火物ブロック１１ａ、溶融石実質ブロック１１
ｂおよび中性耐火物層１９の密着により一体化された回
転体用の組合せブロックが形成される。

前記組合せ耐火物ブロックは、第８図に示すとおり、第
７図の単一耐火物ブロックと同様に、耐火断熱煉瓦層１
６、マット状断熱材の層１７とともに倒壊１２と底板１
３から成る耐熱鋼製保持器内にはめ込まれ、キャスタブ
ル耐火物１８の充填により一体に固定される。

前記耐熱鋼製保持器の底板１３は、第６，７゜８図に示
すとおり、下面の中心のまわりに等間隔に配列された短
脚１４によりボス１５に固定され、底板１３とボス１５
の間に空間を形成させる。

円板の回転において、この空間内を気体が流れるため、
底板１３とボス１５の温度上昇が効果的に防止される。

また第７．８図の実例において、ボス１５はインボリュ
ートスプラインによりシャフトにマウントされるため、
速やかに円板の交換を行なうことができる。

本発明者らは、溶融石実質の耐火物ブロックを使用した
第１図の構造の回転体により、１６００℃の溶鋼を長時
間処理しても、耐熱鋼製保持器の倒壊１２の温度は５０
０℃以下、底板１３の温度は３５０℃以下にとどまり、
耐熱鋼およびボス材料が充分高いクリープ強度を維持し
うろことを確認した。

本発明の適用範囲はきわめて広い。

球状物質の製造法としては、製銑用高炉スラグ、製銑用
電気炉スラグ、キュポラまたは電気炉による鋳鉄溶解の
スラグ、製鋼用転炉スラグなどの冶金用スラグ；粉粒状
化を必要とする電磁気材料；炭素鋼、特殊鋼、鋳鉄、ア
ルミニウム、銅、マグネシウム、亜鉛などの鉄鋼、非鉄
金属およびその合金；フェロマンガン、フェロシリコン
、フェロクロム、フェロニッケルなどの鉄合金に適用す
ることができる。

つぎに本発明を実施例について説明する。

実施例 １ 鋼の球形粒子の製造 円板は流量可変の油圧ポンプと定容量の油圧モーターか
ら成る油圧伝動装置により駆動され油圧ポンプ駆動用の
電動機出力は３０ＫＷである。

円板の回転速度は光電プローブにより直接検出され、制
御動作ＰＩの調節計により定値制御される。

回転速度の調節範囲は２０００〜１２０００ｒｌ）ｌで
ある。

流出口の内径ｄ。＝ ２０ Ｉｔの溶融石実質の導管を
使用し、タンプッシュ内の溶鋼のヘッドが７００ｗｇと
なるように取鍋から溶鋼を注入する。

この条件のもとで約４９０ Ｋｐ／ｍｉｎの溶鋼流が回
転円板の中心に導かれる。

溶鋼の組成、温度、密度、動粘度および表面張力はつぎ
のとおりである。

溶鋼の組成：１．０％ｃ、ｉ、ｏ％Ｓ ｉ 、 １．０
％Ｍｎ。

０．０３％Ｐ、０．０２係ｓ、ｏ、ｏｏｓ％０゜０．１
５係Ｃｕ 溶鋼の温度：１５００℃ 溶鋼の密度： ７． Ｏ、！ｌｉｔ ／ｃｍ３溶鋼の動
粘度： ０．９３ Ｘ １０ ”ｃｒｊ、／ ｓｅｃ
溶鋼の表面張カニ １１７６ ｄｙｎｅ／ｃｒｒＬ回転
円板は溶融石実質で、第１図の構成をもつ。

上記の条件のもとで、窒素雰囲気中で、有効直径Ｄｅ＝
６０ｗｇｍ、 １２０ｗｔｔ、 １７０７！７１！の３
種類の円板により溶鋼流を処理し、鋼の球形粒子を製造
した。

それぞれの円板直径において、回転速度とえられた粒子
の直径およびその変動範囲の関係を図示すれば第９図の
とおりである。

粒径の変動範囲はスチルショットのＪＩＳの許容範囲よ
りはるかにせまく、円板の直径と回転速度の選定により
、所要サイズの球形粒子かえられる。

また、第９図の回転速度と粒径の関係は、理論計算とか
なり良好な一致を示す。

実施例 ２ 溶融フラックスの球形粒子の製造 円板は実施例１と同様に油圧伝導装置により駆動され、
回転速度はＰＩ動作により計測制御される。

ただし油圧ポンプ駆動用電動機の出力は１０ＫＷで、比
較的に小出力であるが、回転速度の調節範囲はＯ〜３０
０００ｒｌ）ｌのように著しく広い。

流出口の内径ｄ。

＝１０ｍｒｎの黒鉛製導管を使用し、第９図の構成によ
る黒鉛質の円板に下記組成の溶融フラックスを導き、球
形粒子を製造した。

溶融フラックスの組成：４１．２チＳ ｔ ０２ 、４
．０’％Ａ、／、２０３．１．９ ％Ｆｅ２Ｏ３，２６
，５％Ｃａ０゜０、７ ％ＭｇＯ，７，２％Ｎａｚ Ｏ
、１１，４％ＮａＦ 。

７．４％ＡｔＦ３ 溶融フラックスの密度：２．７ｇ／ｃＩｆＬ３この溶融
フラックスは、高温加熱により動粘度を低下させれば球
形粒子となり、表面張力の温度変化は、このような珪酸
融体においては無視できるほど小さい。

有効直径Ｄｅ＝９０ｘｉｃの回転円板を使用し、種々の
回転速度のもとて球形粒子を製造した。

回転速度とえられた球形粒子の直径およびその変動範囲
の関係を第１１図に示す。

球形粒子の製造における融体温度、処理速度、動粘度お
よび表面張力はつぎのとおりである。

球形粒子の製造： 融体温度：１２５０°Ｃ 処理速度：６に５’／ｍｉｎ 融体の動粘度： ０．７４ｃｎ／ ＳｅＣ融体の表面張
カニ ５１０ ｄｙｎｅ ７ｃｍ第１０図の回転速度と
粒径の関係は理論計算とほぼ一致し、サイズの変動もき
わめて小さい。

【図面の簡単な説明】

第１図は融体を導管により回転円板の中心に供給すると
き、円板上に境界層の薄膜流が形成される過程を解説す
る縦断面図、第２図イ、田はそれぞれ回転円板の周辺か
ら発射された特定厚さの薄膜流が発射直後に特定半径の
線状流に分裂し、前記線状流がさらに特定半径の球部に
分裂する過程を示す平面図と縦断面図、第３図は一定半
径の円板上に融体を供給するとき、円板の回転速度によ
り、線状流とその分裂により形成される球部の空間運動
とサイズが変化する過程を示す縦断面図、第４図イ２口
、ハ、二はそれぞれ第３図の回転円板の回転速度が異な
る場合の平面図、第５図イ。 口はそれぞれ円板周辺から発射された線状流と逆方向に
コントロールされた水平気体噴流を併用する本発明によ
る球形粒子製造装置の一例を示す縦および水平断面図、
第６図は本発明による球形粒子製造法に用いられる回転
体の原理を解説する縦断面図、第Ｔ図イ２口はそれぞれ
本発明の回転体の１つの実例を示す平面図と縦断面図、
第８図イ。 Ｏａｔそれぞれ本発明の回転体の他の実例を示す平面図
と縦断面図、第９図は鋼の球形粒子の製造法の実施例に
おける、粒子の平均直径とそのばらつきの円板直径およ
び回転速度への依存性をプロットした図、第１０図は同
一組成の溶融フラックスから、その粘度を調節すること
により球形粒子を製造した実施例における粒子の直径の
回転速度への依存性をプロットした図である。 １・・・・・・導管、２・・・・・・回転円板、３・・
・・・薄膜流、４・・・・・・線状流、５・・・・・・
球部、６・・・・・・タンプッシュ、Ｔ・・・・・・気
体の環状主管、８・・・・・・案内板、９・・・・・・
環状スリット、１０・・・・・・リンク機構、１１・・
・・・・耐火物ブロック、Ｉｌａ・・・・・・特定耐火
物の耐火物ブロック、１１ｂ・・・・・・溶融石英質ブ
ロック、１１ｃ・・・・・・耐火物ブロンの底部側面の
くぼみ、１２・・・・・・保持器の倒壊、１２ａ・・・
・・・倒壊内面の突起、１３・・・・・・保持器の底板
、１４・・・・・・底板下面の短脚、１５・・・・・・
ボス、１６・・・・・・耐火断熱煉瓦層、１７・・・・
・・マット状断熱材の層、１８・・・・・・キャスタブ
ル耐火物、１９・・・・・・中性耐火物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属、スラグならびにフラックスのうちから選ばれ
   るいずれかの融体において、その動粘度がｏ、ｏｏｉか
   ら１０ｃｙｉｔ／ｓｅ＜の範囲にあり、かつその表面張
   力と密度の比が４０から４００ ｄｙｎｅ−ｆｆｌ／ｙ
   の範囲にあるよう設定し； 前記融体を、流出口の半径ｒ が３から３０ｍｍの範囲
   にある導管を通し、融体の流出速度を５から５００ ｃ
   ｍ／ ｓｅｃの範囲内の特定値に維持しながら、直径５
   ０から２００ｕの平滑な耐火物表面をもつ回転円板の中
   心に導ひき、円板の回転速度を３０００から３００００
   ｒＩ）ｌの範囲内の特定値に維持し； 前記導管の半径ｒ。 の流出口と前記回転円板表面との距離をり。 とするとき、ｈｏをｒ。／２から（ｒｏ／ ２ ）＋２
   ｍｍの範囲内とし；前記円板の直径と回転速度きを、前
   記融体の動粘度に対応して選定し、遠心力により前記融
   体の薄膜流を形成させ； 前記薄膜流が、前記円板の回転による遠心力により、円
   板周端から空間へ発射された直後に特定半径の自由線状
   流に分裂させ乍ら、前記自由線状流に対して、雰囲気よ
   り低温で圧力お高いガスを前記線状流にほぼ平向でしか
   も逆方向に噴射することにより球部へ分裂させ； 前記球部を凝固させることにより特定サイズの球形粒子
   をうろこと； を特徴とする融体から特定サイズの球形粒子を製造する
   方法。 ２ 前記融体中に融体との密度の差が少なくとも２０％
   以上の固体または液体の粒子が懸濁された状態にある懸
   濁融体を、前記回転円板上に導びき、前記固体または液
   体粒子を分離し、同時に前記融体物の球形粒子を製造す
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記回転円板が、溶融石英、黒鉛、炭化珪素、窒化
   珪素、ジルコン、シャモット、アルミナ、マグネシアの
   うちから選ばれるいずれか１種の物質のブロックで形成
   される特許請求の範囲第１項記載の方法。