JPS6152304A - 金属微粉末製造用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は金属の塩化物をプラズマ加熱する金属微粉末製
造用装置に関する。

近年、金属微粉末は、その金属塊には全く見られないよ
うな磁気特性、光学特性、電気特性、化学反応性及び焼
結性等によシ、大容量の磁気メモリー、センサ、太陽熱
吸収塗料、超電導材料、高効率触媒、新焼結体等、その
新規利用分野が急展開している。

進用装置に関する。

〈従来の技術とその問題点〉 従来、金属微粉末の製造手段として、化学的手段と物理
的手段が採用されている。前者の化学的手段は、溶液中
での化学反応により沈殿物として金属微粉末を得たり、
或いは金属よりも蒸気圧が大きく且つ融点の低い金属化
合物、例えば金属の塩化物を、加熱蒸発させて水素で還
元し、金属微粉末を捕集するものであるが、これらの従
来手段によると、得られる金属微粉末の粒径が大きく、
また該金属微粉末が水分や副生成物等で汚染されること
を避けられないために純度の低いものとなる問題点があ
る。また後者の物理的手段は、真空蒸発法と通称され、
金属を低圧の不活性ガス中で加熱蒸発させて金属微粉末
を捕集するもので、現在一般的に採用されているが、こ
の従来手段によると、粒径が小さく且つ純度の高いもの
が得られる反面、蒸発速度が遅いために生産性が低く、
シたがって高価なものとなる問題点がある。

最近、プラズマ水素ガスの金属に対する反応性を利用し
、金属をプラズマ加熱する金属微粉末の製造手段（通称
ガス中蒸発法）が提案されている（例えば、雑誌「化学
と工業」、第３６巻第８号、７２〜７４頁、１９８３年
）。これは、水素ガス雰囲気下に金属をプラズマ加熱し
、この際、溶融金属の周辺部から激しく発生する所謂金
属煙を捕集するものであるが、この手段でも依然として
、得られる金属微粉末の生産性（例えば収率）の点で問
題点があり、シかも加熱に伴って生じる溶融物の飛散で
粒径の大きな粒が混入する等信の問題点もある。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明は、斜上の如き従来手段の問題点を解決するもの
で、金属の塩化物を水素ガス存在下にプラズマ加熱して
還元する加熱炉に、該加熱炉から搬出される高温状態の
生成物を急冷水捕集するタンクを連結する・ことを骨子
として、高純度の金属微粉末を生産性良く製造するだめ
の金属微粉末製造用装置を提供するものである。

〈問題点を解決するだめの手段〉 しかして本発明者らは、得られる金属微粉末の粒度、純
度及び生産性を平均的に充足する上で従来手段の中では
比較的有効なプラズマ加熱による金属微粉末の製造手段
について鋭意研究した結果、この従来手段においても生
産性や純度等がなお充分でなく、それらの低い原因が、
金属を加熱蒸発させる場合にはもともとその蒸気圧が低
い土に、溶融物の飛散防止のためプラズマ加熱の電力を
充分に与えられず、また金属の塩化物を加熱蒸発させる
場合には蒸発は充分に速くさせることができるが、プラ
ズマ加熱で発生させた所謂金属煙く金属蒸気）を気相で
凝縮させて捕集するだけでは塩素等の除去が充分になし
得ないところにあシ、ここにおいて原料の選択に加えて
加熱源及び捕集関連装置を、以下に詳述するようなプラ
ズマ加熱を行う加熱炉に水捕集用のタンク及び固液分離
用の分離装置を順次連結した装置とすれば、結果的に高
純度の金属微粉末を生産性良く製造することができ、ま
だ前記加熱炉へ供給する金属の塩化物を前処理する乾燥
機を該加熱炉へ連結すれば、なお一層有効であることを
見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち本発明は、 供給された金属の塩化物を水素ガス存在下にプラズマ加
熱して還元する加熱炉と、該加熱炉の排出口へ連結され
て排出口から搬出される生成物を急冷水捕集するタンク
と、該タンクの抜き出し口へ連結されてタンクから抜き
出される懸濁液を固液分離する分離装置とを備えること
を特徴とする金属微粉末製造用装置に係る第一発明と、
金属の塩化物を加熱乾燥する乾燥機と、該乾燥機の取り
出し口へ連結されて乾燥機から供給される乾燥物を水素
ガス存在下にプラズマ加熱して還元する加熱炉と、該加
熱炉の排出口へ連結されて排出口から搬出される生成物
を急冷水捕集するタンクと、該タンクの抜き出し口へ連
結されてタンクから抜き出される懸濁液を固液分離する
分離装置とを備えることを特徴とする金属微粉末製造用
装置に係る第二発明とからなる。

以下、図面に基づいて、本発明の構成を更に詳細に説明
する。

〈実施例〉 第１図は前記第一発明の一実施例を示す概略の全体図で
ある。加熱炉１にプラズマトーチ２が装備されておシ、
このプラズマトーチ２から水素ガス及びアルゴンガスを
作動ガスとするプラズマアーク（プラズマジェット）が
噴射されている。加熱炉１に供給された原料である金属
の塩化物Ａが水素ガス存在下にプラズマ加熱され還元さ
れるようになっている。

加熱炉１の排出口３にはバルブ４を中間に備える誘導管
５を介して密閉式のタンク６が連結されていて、誘導管
５の先端７は末広状に成形されるとともに多数の小孔が
穿設されており、この先端７はタンク６に充填されてい
る水Ｃの中へ位置決めされている。そしてタンク６には
、底部に排水バルブ８が取付けられ、側部の上方には給
水口９と排気口１０が、また側部の下方傾斜面には抜き
出し口１１がそれぞれ開口されている。加熱炉１の排出
口３から搬出される高温状態の生成物Ｂをタンク６で急
冷水捕集するようになっているのである。

タンク６の抜き出し口１１にはポンプ１２及び配管１３
を介して分離装置１４が連結されている。

図面の場合、この分離装置１４は次の構成である。

すなわち、一部が開口１５とされている密閉式の容器１
６の底部に前記配管１３が連結され、この容器１６の内
部には、上下に間隔をおいて回転ロー２１７．１８が軸
支されておシ（回転ローラ１７は駆動ローラ、回転ロー
ラ１８は遊動ローラ）、この回転ロー２１７，１８にプ
ーリ１９で緊張されている可撓性で且つ通水可能なベル
）２０が係止され、このベルト２ｏを担体としてその外
面にプーリ１９を経由することなく沖適用面材２１が密
着展設されている。前記開口１５は回転ローラ１７と回
転ローラエ８のほぼ中間位置に設けられ、この開口１５
において、掻き取り板２２がｐ適用面材２１にその一端
を当接しつつ傾斜して固定されておシ、掻き取り板２２
の他端の下方には受器２３が置かれている。そして、開
口１５の下端と回転ローラ１８との間において、ベルト
２ｏで囲繞されている容器１６の内部から該容器１６の
外部へと、溢流式の排水管２４が取付けられ、この排水
管２４の先端下方には受はタンク２５が置かれている。

要するに、前記した高温状態の生成物Ｂはタンク６の水
Ｃで急冷水捕集されて懸濁液りとなるが、この懸濁液り
をタンク６の抜き出し口１１からポンプ１２及び配管１
３を介して分離装置１４へ抜き出し、この分離装置１４
で固形分Ｅと溶液分Ｆとに分離するようになっている。

この際、前記生成物が磁性体の場合には、前記ベルトに
微小の磁石を多数付設して磁気分離機として作用させれ
ば、懸濁液りからの固形分Ｅの分離は一層速やかに行わ
れる。

尚、前記第一発明は、第１図に示した一実施例に限定さ
れるものではない。例えば、プラズマトーチ１は加熱炉
に供給する金属の塩化物の形態との関係でリングタイプ
のものや誘導加熱タイプのもので代用することができ、
タンク６における生成物の急冷水捕集は充分な量のシャ
ワ一方式とすることができ、分離装置１４は図面の場合
いわば堅置き型であるがこれを横置き型にすることは容
易であシ、またかかる方式に代えて遠心方式等とするこ
ともできるのである。

第２図は前記第二発明の一実施例を示す概略の全体図（
一部省略）である。図中、急冷水捕集及び固液分離は、
第１図における同じ目的のだめのタンクや分離装置が順
次連結されるので、これらを省略した。プラズマトーチ
２ａの装備されている加熱炉１ａが連通管２７を介して
乾燥機２８の取り出し口２６へ連結されている。この乾
燥機２８は、詳しくは第４図で後述する試験装置と同様
に、該乾燥機２８の上方にバルブ２９を介して連結され
ているホンパー３０から供給される金属の塩化物Ａ′を
加熱乾燥するようになっているが、図面の場合は、相互
に当接しつつ逆方向に回転し、それ自体に電熱線（図示
しない）が埋設されている一対のローラ３１，３２の表
面に陥設されている凹部３３　、　：３４の接合押圧に
より、造粒をも併せて行う構成である。乾燥機２８及び
ホッパー３０の内部は、これらに接続されている真空ポ
ンプ３５によって低圧条件下におかれ、同時に連通管２
７の途中から送入される水素ガス及びアルゴンガスの雰
囲気下にもおかれるようになっていて、また加熱炉１ａ
の内部は連通管２７の途中から送入され、加えてプラズ
マトーチ２ａから噴射される（作動ガスとして使用され
、プラズマアークとして噴射される）、水素ガス及びア
ルゴンガスの雰囲気下になっている０そして、加熱炉１
ａの排出口３ａには、パルプ４ａ及び誘導管５ａを介し
て、以下第１図の場合と同様に、排出口３ａからの生成
物Ｂ′を急冷水捕集するためのタンクや、このタンクで
捕集された懸濁液を固液分離するための分離装置が順次
連結されているＯ以上要するに、ホッパー３０から供給
される金属の塩化物Ａ′を乾燥機２８で加熱乾燥し、同
時に造粒して、造粒したベレットにを自重落下で加熱炉
１ａに供給し、この加熱炉１ａにおいて乾燥物であるベ
レットＡ′を水素ガス存在下にプラズマ加熱して還元し
、その生成物Ｂ′を排出口から搬出して、以下第１図の
場合と同様に急冷水捕集及び固液分離をするようになっ
ているのである。

く作用〉 次に本発明の作用について説明する。本発明において処
理対象となるのは、例えば鉄やニッケルの金属微粉末を
製造する場合にそれぞれ塩化第一鉄（ＦｅＣＡｚ　）や
塩化ニッケル（Ｎｉ　Ｃ１ｚ　）等、金属の塩化物であ
シ、これらは結晶水を含むものでも（例えばＮ１Ｃｎｚ
　＠６Ｈ２０）又は所謂無水物でもよいが、これら原料
の加熱乾燥をしない前記第一発明においては、収率及び
後述するプラズマ加熱の安定性等の点で、もともと無水
物を使用したり、或いは脱水乾燥したものを使用するの
が好ましい。前記第一発明は、かかる金属の塩化物を加
熱乾燥することなく加熱炉へ供給し、前記第二発明はこ
れを加熱乾燥してから加熱炉へ供給している。粉末状で
あっても、又はベレット状に造粒されたもの等であって
も、いずれでもよいが、そのような金属の塩化物を加熱
炉へ供給した後の処理は、双方の発明において同様であ
る。

ところで、第二発明においては金属の塩化物を加熱乾燥
する。金属の塩化物は、前述の如く結晶水を含んでいる
ものもあり、また所謂無水物であっても、相当量の水分
を含有しているのが実情であって、更に当初はほぼ完全
な無水物であっても、もともと吸湿し易い性質のため、
取扱中に大気中の水分を吸収してしまう。第３図は市販
の無水塩化ニッケルの加熱（乾燥）又は加熱（乾燥）後
の放置による重量変化を例示するグラフである。図中、
乾燥曲線３６は開封直後の試料を３００℃で乾燥した場
合、乾燥曲線３７は開封５０日後（室温、大気中）の試
料を同様に乾燥した場合、吸湿曲線３８は上記のように
乾燥して恒量状態となった試料をデシケータ内に室温で
放置した場合、吸湿曲線３９は吸湿曲線３８と同じ試料
を大気にさらして同様に放置した場合である。名目上は
無水塩化ニッケルであっても相当量の水分を含有してい
ること、及び乾燥してほぼ完全に無水状態とした塩化ニ
ッケルが吸湿し易いものであること等が明らかである。

第二発明において肝要な点の一つは、金属の塩化物をそ
のｆま、したがって相当量の水分（以下、水分は結晶水
をも含む意味）を含有した状態でプラズマ加熱するので
はなく、プラズマ加熱する前の段階で金属の塩化物を加
熱乾燥する点にある。

加熱乾燥することなく、水分を含有した状態で金属の塩
化物をプラズマ加熱すると、種々の弊害を生じる。それ
は例えば、プラズマ加熱によって得られる金属微粉末中
の酸素含有量が高くなシ、それだけ純度が低下して、こ
の結果、そのような金属微粉末を使用して焼結する場合
は焼結状態が劣化し、そのような金属微粉末を導電材と
して使用する場合は抵抗値が増加する等の問題を引き起
こす。また、プラズマ加熱の際に発生する水蒸気が加熱
炉内壁面へ金属微粉末を付着させ、それだけ収率も悪く
なる。更に、結果的には金属微粉末の純度や収率にも悪
影響を及ぼすこととなるのであるが、プラズマ加熱の際
に発生する水蒸気がプラズマを不安定にし、同様に発生
する塩酸液が加熱炉構成材料を損なう等、操業上のトラ
ブルを誘引して、その上、もともと水分の蒸発にはプラ
ズマ加熱のような高温は必要でないにもかかわらず、そ
のようなプラズマ加熱によって水分の蒸発除去をするこ
ととなるため、熱効率も悪いのである。

第二発明における金属の塩化物の加熱乾燥は、不純物が
混入しないように、且つ該金属の焼結温度よりも低い温
度で行なう。加熱乾燥中に不純物が混入したり、或いは
金属が焼結したのでは、本発明の所期目的を達成できな
い。したがって、加熱乾燥中に金属の塩化物が接触する
こととなる例えば容器類は、同種金属製のものやセラミ
ック製のもの等がよく、また加熱乾燥温度は金属の種類
によって適宜選定する。例えば、塩化ニッケルを加熱乾
燥する場合、２００〜３００℃で行なえばよい。第４図
は、かかる加熱乾燥及び後述する精製に使用する試験装
置を例示する略視図である。

電熱線４０が埋設されている電気炉４１で外周面を囲繞
された石英管４２があシ、この石英管４２の内部には金
属の塩化物Ａ′が充填されているセラミック製ボート４
３が挿入載置されていて、その入口側と出口側はそれぞ
れシリコンキャップ４４゜４５で密栓されている。そし
て、入口側のシリコンキャップ４４には温度計４６と水
素ガスの供給管４７が、まだ出口側のシリコンキャップ
４５には水素ガスの排出管４８が、いずれも石英管４２
の内部へ通じて取付けられておシ、排出管４８の先端は
水封されている。連続的に供給される水素ガスの雰囲気
下、所定温度で金属の塩化物Ａ′を加熱し、この際に発
生する水蒸気を水素ガスで搬出して金属の塩化物にを乾
燥するようになっている。

かくして金属の塩化物を加熱乾燥し、次いでその乾燥物
をプラズマ加熱する。第二発明において、乾燥物を加熱
炉へ供給する場合、例えばアルゴンガス雰囲気下のよう
に、大気にさらさないで供給するのが好ましい。該乾燥
物を大気にさらすと、大気中の水分を吸湿するおそれが
あり、これでは金属の塩化物を加熱乾燥する効果が少な
くなるからである。

加熱炉に供給された金属の塩化物をプラズマ加熱する処
理以降は、第−発明及び第二発明ともに同様であるので
、以下、第一発明の一実施例を示す第１図に基づいて本
発明の詳細な説明する。以下の説明において、第二発明
の場合も、図面の引用記号は全て第１図の記号で代用し
ている。

金属の塩化物Ａを加熱炉１に供給して、水素ガス存在下
にプラズマアークで高温加熱すると、該塩化物Ａはその
金属よシ蒸気圧が著しく高く、シかもプラズマアークは
１ｏｏｏｏ℃にも達する超高温を有するため、急速に蒸
発気化し、直ちにプラズマアークの高温で活性化した水
素ガス或いは水素イオンと反応して急速に還元され、微
粉末状の生成物Ｂとなる。この生成物Ｂは、その生成反
応が極めて高温下の気相或いは電離状態で行われ、原子
や分子等の粒子間の反応で得られるものであるため、そ
の粒径が極めて小さい。一般に金属の塩化物を気化して
水素で還元する場合、その生成物中には所謂金属煙（金
属蒸気）の他に、未反応の金属の塩化物Ａ１酸素及び遊
離塩素等が含まれる。しかし、本発明の如くプラズマ加
熱の場合には、極めて高温の反応であるため、未反応物
の含有量は少く、しかも酸素や遊離塩素の付着の仕方は
特殊であって、次の水捕集と水素精製処理の組合わせに
よって容易に除去できるのである。かかる生成物Ｂは、
プラズマトーチ２からのプラズマアーク（プラズマジェ
ット）の噴射流に乗るが如く、作動ガスとして使用した
水素ガス及びアルゴンガスとともに搬送され、排出口３
からバルブ４及び誘導管５を通ってタンク６に至る。こ
のタンク６において、高温状態の生成物Ｂは水Ｃにより
急冷水捕集され、その一方で水素ガスやアルゴンガスは
排気口１０から排気されて、必要に応じ再使用に供され
る。

高温状態の生成物Ｂが水Ｃにより急冷水捕集されると、
生成物Ｂ中の未反応の金属の塩化物Ａ（例えばＮｉＣ１
ｚ　）は水Ｃに溶けて水溶液となシ、また同じく生成物
Ｂ中の酸素や遊離塩素は水Ｃによる急冷である種の水和
物状の物質（以下、水和物という）を形成し、この水和
物は生成した金属微粉末と弱い結合力で付着した状態で
あって、水Ｃ中にはこのような金属微粉末が懸濁する。

金属微粉末に前記水和物が弱く付着した形態は正しく特
徴的である。それはあたかも、金属微粉末の周面に藻の
如きモヤモヤしたものが付着しているような形態である
。かかる特徴的形態は、生成物Ｂを従来手段のように気
相で凝縮させて捕集したのでは得られない。双方の差は
、捕集した固形分の電子顕微鏡による添付の参考写真を
見ると、一層明らかである（写真１は水で急冷水捕集し
た場合、写真２は水を使用せずに気相で凝縮捕集した場
合、ともに５００００倍）。

次いで、タンク６からポンプ１２で懸濁液りを抜き出し
、分離装置１４で固液分離する。濾過用面材２１で分離
され、掻き取り板２２で掻き取られて、固形分Ｅが受器
２３に回収される。一方、分離された溶液分Ｆは排水管
２４を介して受はタンク２５に回収され、中和等の排水
処理に適宜供される。

回収した固形分Ｅは、前述した特徴的形態のもので、こ
の固形分Ｅは例えば、第４図に例示する試験装置により
、水素気流中で間接加熱すると、該加熱によって前述の
如き水和物は容易に水素と反応して気化し、水素ガス気
流で系外へ搬出されるため、高純度の金属微粉末に精製
されるのである。かかる金属微粉末について、前述の場
合と同様の電子顕微鏡による参考写真（写真３．５００
００倍）を添付する。

本発明に係る装置を使用して以上説明したように金属微
粉末を製造すると、−例として市販の無水塩化ニッケル
を処理対象にした場合、第１表のような結果が得られる
。第１表中、比較例は、前記第一発明とその他の条件を
同じにして、加熱炉から搬出される生成物を従来手段の
ように気相で凝縮させただけの場合である。この第１表
の結果からも、本発明に係る装置を使用することによる
効果は明らかである。

第１表 注）数値は試験回数各側２０回の総合である。

〈発明の効果〉 以上説明した通りであるから、本発明に係る装置による
と、結果的に高純度の金属微粉末を生産性良く製造する
ことができ、急展開している金属微粉末の新規利用に対
して質的及び量的に充分適応することができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明（第一発明）の一実施例を示す概略の全
体図、第２図は本発明（第二発明）の他の一実施例を示
す概略の全体図（一部省略）、第３図は無水塩化ニッケ
ルの加熱又は加熱後の放置による重量変化を例示するグ
ラフ、第４図は本発明に関連して加熱乾燥や精製に使用
する試験装置を例示する略視図である。 １．１ａ・・・加熱炉、２　＊　２ａ・・プラズマトー
チ、３．３ａ・・排出口、　　　４，４ａ・・バルブ、
５．５ａ・・・誘導管、　　　６・・・タンク、１１・
・・抜き出し口、　　１４・・・分離装置、２６・・・
取り出し口、２８・・乾燥機、Ａ　、　Ａ’・・・金属
の塩化物、Ａ″・・・ベレット、Ｂ　、　Ｂ’・・・生
成物、　　　　Ｃ・・・水、Ｄ・・・懸濁液、　　　　
　Ｅ・・固形分、第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　供給された金属の塩化物を水素ガス存在下にプラズ
   マ加熱して還元する加熱炉と、該加熱炉の排出口へ連結
   されて排出口から搬出される生成物を急冷水捕集するタ
   ンクと、該タンクの抜き出し口へ連結されてタンクから
   抜き出される懸濁液を固液分離する分離装置とを備える
   ことを特徴とする金属微粉末製造用装置。 ２　金属の塩化物を加熱乾燥する乾燥機と、該乾燥機の
   取り出し口へ連結されて乾燥機から供給される乾燥物を
   水素ガス存在下にプラズマ加熱して還元する加熱炉と、
   該加熱炉の排出口へ連結されて排出口から搬出される生
   成物を急冷水捕集するタンクと、該タンクの抜き出し口
   へ連結されてタンクから抜き出される懸濁液を固液分離
   する分離装置とを備えることを特徴とする金属微粉末製
   造用装置。