KR102266202B1 - 금속 분말 제조 장치 및 그 가스 분사기 - Google Patents

Abstract

분무조의 체형을 바꾸지 않고 미세한 금속 분말을 효율적으로 제조할 수 있는 금속 분말 제조 장치 및 그 가스 분사기를 제공하는 것이다.
복수의 용탕 노즐 삽입 구멍(12A, 12B)의 각각의 주위에 제1 환(61)을 그리도록 가스 분사기(200)의 저면에 배치된 복수의 분사 구멍(91)으로 이루어지고, 용탕 노즐(11A, 11B)로부터 유하하는 용융 금속에 대하여 가스를 분사하여 분쇄하는 제1 가스 분사 노즐(71)과, 제1 환(61)의 각각의 외측에 제2 환(62)을 그리도록 가스 분사기(200)의 저면에 배치된 복수의 분사 구멍(92)으로 이루어지고, 제1 가스 분사 노즐(71)에 의해 분쇄된 금속 입자(15)의 비산을 방지하기 위해 가스를 분사하는 제2 가스 분사 노즐(72)과, 제2 가스 분사 노즐(72)의 외측에 제3 환(63)을 그리도록 가스 분사기(200)의 저면에 배치된 복수의 분사 구멍(93)으로 이루어지고, 분무조(4)의 내벽면에 대하여 가스를 분사하는 제3 가스 분사 노즐(73)을 구비한다.

Description

금속 분말 제조 장치 및 그 가스 분사기{METAL POWDER PRODUCING APPARATUS AND GAS JET DEVICE FOR SAME}

본 발명은 용탕 노즐로부터 유하하는 용융 금속에 고압 가스 유체를 충돌시킴으로써 미립자상의 금속(금속 분말)을 제조하는 금속 분말 제조 장치 및 그 가스 분사기에 관한 것이다.

용융 금속으로부터 미립자상의 금속(금속 분말)을 제조하는 방법에 가스 아토마이즈법이나 물 아토마이즈법을 포함하는 아토마이즈법이 있다. 가스 아토마이즈법은, 용융 금속을 저류하는 용해조의 하부의 용탕 노즐로부터 용탕을 유하시켜, 용탕 노즐의 주위에 배치된 복수의 가스 분사 노즐로부터 불활성 가스를 용탕으로 분사한다. 용탕 노즐로부터의 용융 금속의 흐름은, 가스 분사 노즐로부터의 불활성 가스류에 의해 분단되어 미세한 다수의 금속 액적으로 되어 분무조 내를 낙하하고, 표면 장력에 의해 구상화되면서 응고된다. 이로써 분무조 저부의 채집 호퍼에 의해 구상의 금속 분말이 회수된다.

예를 들어, 일본 특허 공개 제2016-211027호 공보에는, 분무 챔버(분무조) 상부에 마련되어 금속 용탕을 보유 지지하는 도가니와, 상기 도가니의 저부에 접속하여 상기 불활성 가스를 분사하면서 상기 금속 용탕을 상기 분무 챔버 내에 낙하시키는 아토마이즈 노즐(용탕 노즐)과, 아토마이즈 노즐의 주위에 구비되어, 아토마이즈 노즐을 유하하는 금속 용탕에 고압의 불활성 가스를 분사하여 미세한 다수의 금속 액적으로 하는 복수의 불활성 가스 노즐(가스 분사 노즐)과, 상기 분무 챔버 내를 가스 치환시키는 가스 도입구 및 가스 배출구와, 상기 분무 챔버 내를 산화 분위기 및/또는 질화 분위기로 하기 위한 가스를 부여하는 제2 가스 도입구를 갖는 금속 분말의 제조 장치가 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2016-211027호 공보

대량의 금속 입자를 적층하여 원하는 형상의 금속을 조형하는 금속 3차원 프린터의 재료 등을 비롯하여, 아토마이즈법에 종전 요구되고 있던 금속 분말보다도 입경이 작은 것의 요구가 근년 높아지고 있다. 분말 야금이나 용접 등에 사용되는 종전으로부터의 금속 분말의 입경은, 예를 들어 70 내지 100㎛ 정도였지만, 3차원 프린터에 사용되는 금속 분말의 입경은, 예를 들어 20 내지 50㎛ 정도로 매우 미세했다.

여기서, 용탕 노즐과, 그 용탕 노즐의 주위에 마련된 복수의 분사 구멍으로 이루어지고, 당해 복수의 분사 구멍으로부터 가스를 분사함으로써 당해 용탕 노즐로부터 유하하는 용탕을 분쇄하는 가스 분사 노즐을 「분무 노즐」이라고 총칭한다. 종전으로부터의 분무조의 체형을 바꾸지 않고 미세한 금속 분말을 효율적으로 제조하는 방책으로서는, 하나의 분무조에 대하여 통상은 하나만 마련되는 분무 노즐을, 복수 마련할 것이 고려된다.

그러나, 이와 같이 복수의 분무 노즐을 마련하면, 각 분무 노즐에 의해 분쇄된 금속 입자끼리가 응고 전에 접촉하여 금속 입자의 입경이 확대될 수 있기 때문에, 원하는 입경을 갖는 금속 분말의 수율의 저하가 염려된다. 또한, 복수의 분무 노즐을 마련하면, 각 분무 노즐(용탕 노즐)로부터 분무조의 내벽까지의 거리는 종전보다 짧아지기 때문에, 응고 전의 금속 입자가 분무조의 내벽에 접촉하거나 고착되거나 하여 수율이 저하되기 쉽다. 또한, 분무조의 내벽에 금속 입자가 고착·퇴적됨으로써 분무조의 방열 성능이 저하된 경우에는, 금속 분말이 분무조 내에서 충분히 냉각되지 않고 호퍼에 고착·퇴적되어 수율이 저하될 가능성도 있다.

본 발명의 목적은, 분무조의 체형을 바꾸지 않고 미세한 금속 분말을 효율적으로 제조할 수 있는 금속 분말 제조 장치 및 그 가스 분사기를 제공하는 데 있다.

본원은 상기 과제를 해결하는 수단을 복수 포함하고 있지만, 그 일례를 들면, 분무조와, 도가니에 축적된 용융 금속을 상기 분무조 내에 유하시키는 복수의 용탕 노즐과, 상기 복수의 용탕 노즐이 각각 삽입되는 복수의 용탕 노즐 삽입 구멍이 마련된 가스 분사기와, 상기 복수의 용탕 노즐 삽입 구멍의 각각의 주위에 제1 환을 그리도록 상기 가스 분사기의 저면에 배치된 복수의 분사 구멍으로 이루어지고, 상기 용탕 노즐로부터 유하하는 용융 금속에 대하여 가스를 분사하여 분쇄하는 제1 가스 분사 노즐과, 상기 제1 환의 각각의 외측에 제2 환을 그리도록 상기 가스 분사기의 저면에 배치된 복수의 분사 구멍으로 이루어지고, 상기 제1 가스 분사 노즐에 의해 분쇄된 금속 입자의 비산을 방지하기 위해 가스를 분사하는 제2 가스 분사 노즐과, 상기 제2 가스 분사 노즐의 외측에 제3 환을 그리도록 상기 가스 분사기의 저면에 배치된 복수의 분사 구멍으로 이루어지고, 상기 분무조의 내벽면에 대하여 가스를 분사하는 제3 가스 분사 노즐을 금속 분말 제조 장치에 구비하는 것으로 한다.

본 발명에 따르면 분무조의 체형을 바꾸지 않고 미세한 금속 분말을 효율적으로 제조할 수 있다.

도 1은 금속 분말 제조 장치인 가스 아토마이즈 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 가스 분사기(200)의 주변의 단면도이다.
도 3은 가스 분사기(200)의 저면도이다.
도 4는 가스 분사기(200)의 사시도이다.
도 5는 가스 분사 노즐(71A)을 구성하는 복수의 분사 구멍(91)의 가스 분사 방향과 제1 용탕 노즐(11A)의 용탕의 유하 영역(27)의 관계도이다.
도 6은 가스 분사 노즐(72A)을 구성하는 복수의 분사 구멍(92)의 가스 분사 방향과 가스 분사 노즐(71A)의 초점(제1 초점)(261)의 관계도이다.
도 7은 분무조(4)의 도 1에 있어서의 VII-VII 화살표 방향으로 본 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 관한 금속 분말 제조 장치인 가스 아토마이즈 장치의 전체 구성도이다. 도 1의 가스 아토마이즈 장치는, 액체 상태의 금속인 용융 금속(용탕)이 축적되는 용기인 도가니(턴디쉬)(100)(도 2 참조)가 수납되는 용해조(1)와, 용해조(1)로부터 용탕 노즐(후술)(11)을 통해 미립으로 되어 유하하는 용탕에 대하여 고압 가스(가스 유체)를 분사하여 다수의 미립자로 분쇄하여 용융 금속을 액체 분무하는 가스 분사기(200)와, 가스 분사기(200)에 고압 가스를 공급하기 위한 분사 가스 공급관(분사 유체 공급관)(3)과, 불활성 가스 분위기로 유지된 용기이며 가스 분사기(200)로부터 분무된 미립자상의 액체 금속이 낙하 중에 급랭 응고되는 분무조(4)와, 분무조(4)의 저부에 마련되어 분무조(4)에서의 낙하 중에 응고된 분말상의 고체 금속을 회수하는 채집 호퍼(호퍼)(5)를 구비하고 있다. 가스 아토마이즈 장치는, 용탕 노즐(11)로부터 유하하는 용탕에 대하여, 가스 분사기(200)에 의해 가스를 분사하여 금속 분말을 제조한다.

용해조(1) 내는 불활성 가스 분위기로 유지하는 것이 바람직하다. 분무조(4)는, 상부 및 중부에서는 동일한 직경을 갖는 원통상의 용기이지만, 채집 호퍼(5)에 의한 금속 분말의 회수 용이의 관점에서, 하부에서는 채집 호퍼(5)에 가까울수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상으로 되어 있다. 채집 호퍼(5)로부터는 불활성 가스가 적절히 배기(6)로서 배출되어 있다.

도 2는 본 실시 형태에 관한 가스 아토마이즈 장치의 가스 분사기(200) 주변의 단면도이고, 도 3은 본 실시 형태의 가스 분사기(200)의 저면도이고, 도 4는 본 실시 형태의 가스 분사기(200)의 사시도이다. 또한, 도 4에서는 도 3 중에 도시한 제2 가스 분사 노즐(72) 및 제3 가스 분사 노즐(73)을 구성하는 복수의 분사 구멍(관통 구멍)(92, 93)은 생략하고 있다.

-용탕 노즐(11A, 11B)-

도 2에 도시한 바와 같이, 용해조(1) 내의 도가니(100)의 저부에는, 도가니(100) 내의 용융 금속을 분무조(4) 내에 각각 유하시키는 복수의 용탕 노즐인 용탕 노즐(11A, 11B)이 용해조(1)의 저면으로부터 연직 하방을 향해 돌출되어 마련되어 있다. 2개의 용탕 노즐(11A, 11B)은 동일한 형상으로 할 수 있고, 각각의 내부에 용탕이 유하하는 연직 방향으로 연장된 세로로 긴 구멍을 갖고 있다. 이 세로로 긴 구멍은, 도가니(100)의 저부로부터 연직 하방을 향해 용융 금속이 유하하는 용탕 유로로 된다.

용탕 노즐(11A)과 용탕 노즐(11B)의 하단에 위치하는 개구단(21A, 21B)은, 가스 분사기(200)의 저면으로부터 돌출되어 분무조(4) 내의 공동에 면하도록 각각 배치되어 있다. 도가니(100) 내의 용융 금속은 용탕 노즐(11A, 11B)의 내부의 구멍을, 용탕류(8)로 되어 유하하여 개구단(21A, 21B)을 통해 분무조(4) 내로 방출(유하)된다. 분무조(4) 내에 도입되는 용탕의 직경의 크기에 기여하는 제1 용탕 노즐(11A)과 제2 용탕 노즐(11B)의 최소 내경으로서는, 예를 들어 종전보다 작은 5㎜ 이하의 값을 선택할 수 있다.

-가스 분사기(200)-

대략 원기둥상의 외형을 갖는 가스 분사기(200)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 복수의 용탕 노즐(11A, 11B)이 각각 삽입되는 복수의 용탕 노즐 삽입 구멍(12A, 12B)과, 각 용탕 노즐(11A, 11B)로부터 유하하는 용융 금속에 대하여 가스를 분사하여 분쇄하는 제1 가스 분사 노즐(71)을 구비하고 있다. 가스 분사기(200)는, 불활성의 고압 가스로 채워지는 중공 구조의 원기둥 형상의 외형을 갖고 있고, 그 내부는 복수의 용탕 노즐 삽입 구멍(12A, 12B)의 각각의 주위에 가스류를 형성하는 가스 유로(50)로 되어 있다. 가스 유로(50)는, 가스 분사기(200)의 원기둥의 측면에 마련된 가스 흡입 구멍(도시하지 않음)에 접속되는 분사 가스 공급관(3)으로부터 고압 가스의 공급을 받는다. 또한, 가스 분사기(70)는 도가니(100)를 지지하고 있다. 또한, 도시는 생략하지만, 용해조(1)와 가스 분사기(70) 사이에는, 용해조(1)로부터의 열전도를 방지하는 관점에서 단열재를 삽입하는 것이 바람직하다.

-용탕 노즐 삽입 구멍(12A, 12B)-

용탕 노즐 삽입 구멍(12A)과 용탕 노즐 삽입 구멍(12B)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 원기둥상의 가스 분사기(200)의 중심축(Cg0)과 평행의 축(Cm1, Cm2)을 갖는 2개의 원기둥상의 관통 구멍이다. 제1 용탕 노즐 삽입 구멍(12A)과 제2 용탕 노즐 삽입 구멍(12B)에는, 제1 용탕 노즐(11A)과 제2 용탕 노즐(11B)이 각각 삽입된다. 제1 용탕 노즐 삽입 구멍(12A)과 제2 용탕 노즐 삽입 구멍(12B)의 중심축(Cm1, Cm2)은 제1 용탕 노즐(11A)과 제2 용탕 노즐(11B)의 구멍의 중심축에 일치시킬 수 있다.

-제1 가스 분사 노즐(71)(71A, 71B)-

제1 가스 분사 노즐(71)은, 복수의 용탕 노즐 삽입 구멍(12A, 12B)의 각각의 주위에 제1 환(도 3 참조)(61)을 그리도록 배치된 복수의 분사 구멍(관통 구멍)(91)으로 이루어진다. 여기서는 제1 가스 분사 노즐(71) 중, 용탕 노즐 삽입 구멍(12A)의 주위에 위치하는 복수의 분사 구멍(91)이 형성되는 것을 가스 분사 노즐(71A)이라고 칭하고, 용탕 노즐 삽입 구멍(12B)의 주위에 위치하는 복수의 분사 구멍(91)이 형성되는 것을 가스 분사 노즐(71B)이라고 칭한다.

도 5는 가스 분사 노즐(71A)을 구성하는 복수의 분사 구멍(91)의 가스 분사 방향과 제1 용탕 노즐(11A)의 용탕의 유하 영역(27)의 관계도이다.

도 5에는 가스 분사 노즐(71A)을 구성하는 복수의 분사 구멍(91)의 가스 분사 방향을 직선(251)으로 나타내고 있고, 각 분사 구멍(91)은 대응하는 직선(251)과 일치하는 중심축을 갖는 관통 구멍을 가스 분사기(200)의 저면에 뚫음으로써 형성되어 있다. 이 복수의 분사 구멍(91)은 가스 분사기(200)의 저면에 있어서 제1 용탕 노즐 삽입 구멍(12A)의 중심축(Cm1)과 동심원인 제1 환(61) 상에 등간격으로 배치되어 있다. 가스 분사 노즐(71A)을 구성하는 모든 분사 구멍(91)의 가스 분사 방향(직선(251))은 공통의 초점(제1 초점)(261)을 통과하고 있다. 즉, 모든 분사 구멍(91)의 가스 분사 방향은 일점(초점(261))에 집중하고 있다. 초점(261)은 제1 용탕 노즐(11A)(도 4에는 도시하지 않음)로부터 유하하는 용융 금속의 외경에 의해 규정되는 대략 원기둥상의 유하 영역(27) 내에 위치하고 있다. 유하 영역(27)의 직경은, 제1 용탕 노즐(11A)을 구성하는 구멍의 최소 내경(오리피스 직경)에 따라 적절히 조정할 수 있다. 유하 영역(27)의 직경은, 예를 들어 제1 용탕 노즐(11A)의 개구단(21A)의 직경 이하의 값으로 할 수도 있다. 또한, 설명은 생략하지만, 가스 분사 노즐(71B)도 가스 분사 노즐(71A)과 마찬가지로 형성되어 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서의 제1 환(61)은, 용탕 노즐 삽입 구멍(12A, 12B)의 중심축과 가스 분사기(200)의 저면(분무조(4) 내에 면하는 면)의 교점을 중심으로 하는 진원이다. 도 3 중에서는, 가스 분사 노즐(71A)을 구성하는 분사 구멍(91)의 수와 가스 분사 노즐(71B)을 구성하는 분사 구멍(91)의 수는 동일수이지만, 상이하게 해도 된다.

-분무 노즐(20A, 20B)-

가스 분사 노즐(71A)과 용탕 노즐(11A)은, 분무조(4) 내에 용융 금속을 액체 분무하는 제1 분무 노즐(20A)을 구성하고, 가스 분사 노즐(71B)과 용탕 노즐(11B)은, 마찬가지로, 제2 분무 노즐(20B)을 구성한다. 즉, 본 실시 형태의 가스 아토마이즈 장치는 제1 분무 노즐(20A)과 제2 분무 노즐(20B)의 2개의 분무 노즐을 구비하고 있다.

본 실시 형태의 가스 분사기(200)는, 상기한 제1 가스 분사 노즐(71)에 더하여, 가스 분사기(200)의 저면에 마련되는 제2 가스 분사 노즐(72) 및 제3 가스 분사 노즐(73)과, 분무조(4)의 내벽면에 마련되는 제4 가스 분사 노즐(74)(도 1 참조)을 더 구비하고 있다.

-제2 가스 분사 노즐(72)(72A, 72B)-

제2 가스 분사 노즐(72)은, 2개의 제1 환(61)의 각각의 외측에 제2 환(62)을 그리도록 가스 분사기(200)의 저면에 배치된 복수의 분사 구멍(관통 구멍)(92)으로 이루어지고, 제1 가스 분사 노즐(71)에 의해 분쇄된 금속 입자의 비산을 방지하기 위해 가스를 분사하는 가스 분사 노즐이다. 복수의 분사 구멍(92)은, 가스 분사기(200)의 저면에 뚫려 있다. 여기서는 제2 가스 분사 노즐(72) 중, 용탕 노즐 삽입 구멍(12A)의 주위에 위치하는 복수의 분사 구멍(92)이 형성되는 것을 가스 분사 노즐(72A)이라고 칭하고, 용탕 노즐 삽입 구멍(12B)의 주위에 위치하는 복수의 분사 구멍(92)이 형성되는 것을 가스 분사 노즐(72B)이라고 칭한다.

도 6은 가스 분사 노즐(72A)을 구성하는 복수의 분사 구멍(92)의 가스 분사 방향과 가스 분사 노즐(71A)의 초점(제1 초점)(261)의 관계도이다.

도 6에는 가스 분사 노즐(72A)을 구성하는 복수의 분사 구멍(92)의 가스 분사 방향을 직선(252)으로 나타내고 있고, 각 분사 구멍(92)은 대응하는 직선(252)과 일치하는 중심축을 갖는 관통 구멍을 가스 분사기(200)의 저면에 뚫음으로써 형성되어 있다. 이 복수의 분사 구멍(92)은 가스 분사기(200)의 저면에 있어서 제1 용탕 노즐 삽입 구멍(12A)의 중심축(Cm1)과 동심원인 제2 환(62) 상에 등간격으로 배치되어 있다. 가스 분사 노즐(72A)을 구성하는 모든 분사 구멍(92)의 가스 분사 방향(직선(252))은 공통의 초점(제2 초점)(262)을 통과하고 있다. 즉, 모든 분사 구멍(92)의 가스 분사 방향은 일점(초점(262))에 집중하고 있다. 이 초점(제2 초점)(262)은 가스 분사 노즐(71A)의 초점(제1 초점)(261)보다도 하방에 위치하고 있다. 또한, 설명은 생략하지만, 가스 분사 노즐(72B)도 가스 분사 노즐(72A)과 마찬가지로 형성되어 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서의 제2 환(62)은, 용탕 노즐 삽입 구멍(12A, 12B)의 중심축과 가스 분사기(200)의 저면(분무조(4) 내에 면하는 면)의 교점을 중심으로 하는 진원이지만, 타원이어도 되고 다각형이어도 되고, 그 중심은 용탕 노즐 삽입 구멍(12A, 12B)의 중심축 상으로부터 어긋나 있어도 된다. 단, 제2 환(62) 상에 배치되는 복수의 분사 구멍(92)의 초점(제2 초점)(262)이 제1 초점(261)보다도 하방에 위치하도록 제2 환(62) 및 각 분사 구멍(92)의 분사 방향(252)을 설정할 필요가 있다. 또한, 도 3 중에서는, 가스 분사 노즐(72A)을 구성하는 분사 구멍(92)의 수와 가스 분사 노즐(72B)을 구성하는 분사 구멍(92)의 수는 동일수이지만, 상이하게 해도 된다. 또한, 도 6 중에서는, 가스 분사 노즐(72A)을 구성하는 분사 구멍(92)의 수와 가스 분사 노즐(71A)을 구성하는 분사 구멍(91)의 수는 동일수이지만, 상이하게 해도 된다.

-제3 가스 분사 노즐(73)-

제3 가스 분사 노즐(73)은, 제2 가스 분사 노즐(72)(2개의 제2 환(62))의 외측에 제3 환(63)을 그리도록 가스 분사기(200)의 저면에 배치된 복수의 분사 구멍(관통 구멍)(93)으로 이루어지고, 분무조(4)의 내벽면에 대하여 가스를 분사하는 가스 분사 노즐이다. 복수의 분사 구멍(93)은, 가스 분사기(200)의 저면에 있어서 가스 분사기(200)의 중심축 Cg0이 통과하는 점을 중심으로 하는 제3 환(63) 상에 등간격으로 배치되어 있다.

도 2 및 도 3에는 가스 분사 노즐(73)을 구성하는 분사 구멍(93)의 가스 분사 방향을 화살표 253으로 나타내고 있다. 각 분사 구멍(93)의 가스 분사 방향(직선(253))은 분무조(4)에 있어서의 가장 가까운 내벽면에 대하여 향하고 있다. 본 실시 형태의 가스 분사 방향(253)을 가스 분사기(200)에 투영한 벡터는, 제3 환(63)의 중심(가스 분사기(200)의 저면에 있어서 가스 분사기(200)의 중심축 Cg0이 통과하는 점)으로부터 외측을 향해 방사상으로 되어 있다. 도 3 중에 복수의 분사 구멍(93) 중 하나의 가스 분사 방향(253)을 나타낸다. 각 분사 구멍(93)은 대응하는 직선(253)과 일치하는 중심축을 갖는 관통 구멍을 가스 분사기(200)의 저면에 뚫음으로써 형성되어 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서의 제3 환(63)은, 가스 분사기(200)의 중심축 Cg0이 가스 분사기(200)의 저면을 통과하는 점을 중심으로 하는 진원이지만, 타원이어도 되고 다각형이어도 되고, 그 중심은 가스 분사기(200)의 중심축 Cg0 상으로부터 어긋나 있어도 된다. 단, 각 분사 구멍(92)으로부터 분사되는 가스의 분사 방향(253)이 분무조(4)의 내벽면을 향하도록 제3 환(63) 및 각 분사 구멍(93)의 축방향을 설정할 필요가 있다. 또한, 도 3에 도시한 분사 구멍(93)의 수는 일례에 지나지 않고, 분무조(4)의 냉각 성능이 손상되지 않는 범위에서 임의의 수를 선택할 수 있다.

-제4 가스 분사 노즐(74)(74A, 74B)-

제4 가스 분사 노즐(74)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 분무조(4) 내의 소정의 높이에 배치된 복수의 분사 구멍(94)으로 이루어지고, 분무조(4)의 내벽면을 따라 가스를 분사함으로써 분무조(4) 내에 분무조(4)의 중심축 Cg0의 주위로 선회류(81)를 발생시키는 가스 분사 노즐이다. 본 실시 형태에서는 도 1에 도시한 바와 같이 분무조(4)에 있어서의 설치 높이가 상이한 2개의 가스 분사 노즐(74A, 74B)이 마련되어 있다. 여기서는 제4 가스 분사 노즐(74) 중, 분무조(4)의 높이 방향에 있어서 상대적으로 높은 위치에 마련되어 있는 것을 가스 분사 노즐(74A)이라고 칭하고, 상대적으로 낮은 위치에 마련되어 있는 것을 가스 분사 노즐(74B)이라고 칭한다.

도 7은 분무조(4)의 도 1에 있어서의 VII-VII 화살표 방향으로 본 단면도이고, 가스 분사 노즐(74A) 및 그것을 구성하는 복수의 분사 구멍(94)의 구성도이다. 도 7에는 가스 분사 노즐(74A)을 구성하는 복수의 분사 구멍(94)으로부터 분사되는 가스의 흐름을 화살표(254)로 나타내고 있고, 각 분사 구멍(94)은 분무조(4)의 내벽면의 축방향 단면에 있어서의 접선 방향과 일치하는 중심축을 갖는 관으로 형성되어 있다. 이 복수의 분사 구멍(94)은 도 7에 도시한 바와 같이 분무조(4)의 내주면의 주위 방향에 있어서 등간격으로 배치되어 있다. 복수의 분사 구멍(94)의 각각은 분사 가스 공급관(분사 유체 공급관)(3)과 접속되어 있고, 분사 가스 공급관(3)으로부터 고압 가스의 공급을 받는다. 또한, 도 7의 예에서는 동일 평면 상에 4개의 분사 구멍(94)이 90도 간격으로 배치되어 있지만, 선회류(81)가 발생 가능하면 분사 구멍(94)의 수는 기타의 값이어도 된다. 또한, 설명은 생략하지만, 가스 분사 노즐(74B)도 가스 분사 노즐(74A)과 마찬가지로 형성되어 있다.

-동작·효과-

(1) 제1 가스 분사 노즐(71)(분무 노즐(20A, 20B))

상기와 같이 구성된 금속 분말 제조 장치에 있어서, 분사 가스 공급관(3)으로부터 가스 분사기(200)로 고압 가스를 공급하면, 가스 분사기(200)에 있어서 제1 가스 분사 노즐(71A, 71B)을 구성하는 모든 분사 구멍(91)으로부터 분무조(4)의 내부를 향해 분사 구멍(91)마다 미리 정해진 분사 방향(직선(251)(도 5 참조))을 따라 동일한 압력의 고압 가스가 분사된다. 이때, 제1 가스 분사 노즐(71A, 71B)에서는, 각각의 초점(제1 초점)(261)에 대하여 가스가 집중 분사되고, 도 5에 도시한 바와 같은 초점(261)을 정점으로 하여 복수의 분사 구멍(91)이 배치된 원(환)(61)을 저면으로 하는 역원추상(역원추 형상)의 유체막(101)이 형성된다. 이 유체막(101)을 금속 분무 가스 제트(제1 가스 제트)(101)라고 칭하는 경우가 있다.

한편, 용해조(1)에 용융 금속을 투입하면, 용해조(1)의 저면에 마련된 복수의 용탕 노즐(11A, 11B)을 통해 분무조(4)의 내부에 대하여 2개의 용탕류(8)가 유하된다. 그리고, 그 용탕류(8)는 제1 가스 분사 노즐(71A, 71B)에 관한 2개의 초점(261)의 근방에서 고압 가스가 형성하는 금속 분무 가스 제트(101)와 충돌하여 다수의 미립자(15)로 분쇄된다.

본 실시 형태에서는 2개의 용탕 노즐(11A, 11B)을 구성하는 구멍의 최소 내경으로서 종전(예를 들어, 5㎜ 정도)보다도 작은 값(예를 들어, 1 내지 2㎜)을 선택하고 있기 때문에, 예를 들어 제1 가스 분사 노즐(71A, 71B)로부터 종전과 동일한 압력으로 가스를 분사해도 종전보다도 직경이 미세한 금속 입자를 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 종전과 동일한 압력으로 가스를 분사한 경우에는 분무조(4) 내에서의 금속 입자의 비거리도 억제되므로, 금속 입자의 변형 방지의 관점에서 직경이 큰 분무조(4)로 치환할 필요나 분무조(4)의 설치 스페이스를 확대할 필요도 없다. 한편, 종전보다도 최소 내경을 축소하고 있기 때문에, 용탕 노즐(11A, 11B)마다 보면 시간당의 용탕류(8)의 유량이 종전보다 저하되어 수율이 저하되지만, 본 실시 형태에서는 1개의 분무조(4)에 대하여 2개의 용탕 노즐(11A, 11B)(즉, 2개의 분무 노즐(20A, 20B))을 갖기 때문에, 시간당의 수율을 2배로 할 수 있다.

(2) 제2 가스 분사 노즐(72)

또한, 분사 가스 공급관(3)으로부터 가스 분사기(200)로 고압 가스를 공급하면, 상기한 제1 가스 분사 노즐(71)의 경우와 마찬가지로, 가스 분사기(200)에 있어서 제2 가스 분사 노즐(72A, 72B)을 구성하는 모든 분사 구멍(92)으로부터 분무조(4)의 내부를 향해 분사 구멍(92)마다 미리 정해진 분사 방향(직선(252)(도 6 참조))을 따라 동일한 압력의 고압 가스가 분사된다. 이때, 제2 가스 분사 노즐(72A, 72B)에서는, 각각의 초점(제2 초점)(262)에 대하여 가스가 집중 분사되고, 도 6에 도시한 바와 같은 초점(262)을 정점으로 하여 복수의 분사 구멍(92)이 배치된 원(환)(62)을 저면으로 하는 역원추 형상(역원추 형상)의 유체막(102)이 형성된다. 이 유체막(102)을 접촉 방지 가스 제트(제2 가스 제트)(102)라고 칭하는 경우가 있다.

이와 같이 제2 가스 분사 노즐(72A, 72B)이 형성하는 접촉 방지 가스 제트(102)는, 2개의 분무 노즐(20A, 20B) 중 한쪽의 분무 노즐로부터 분무된 미립자(15)(예를 들어, 용탕 노즐(11A)로부터 유하되는 용융 금속)와 다른 쪽의 분무 노즐로부터 분무된 미립자(15)(예를 들어, 용탕 노즐(11B)로부터 유하되는 용융 금속)가 충돌하는 것을 방지하는 에어 커튼으로서 기능한다. 그 결과, 변형된 금속 입자의 발생이 방지되어, 분무 노즐(20A, 20B)만을 구비하는 경우와 비교하여 금속 분말의 제조 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 관한 금속 분말 제조 장치는, 하나의 분무조(4) 내에 2조의 분무 노즐(20A, 20B)을 구비하고 있고, 분무 노즐(20)이 1조뿐인 종전의 것에 비해 각 분무 노즐(20A, 20B)로부터 분무조(4)의 내벽면까지의 거리가 짧고, 응고 전의 금속 분말(15)이 분무조(4)의 내벽면에 충돌·부착되기 쉬운 구조로 되어 있다. 이 점에 관하여, 본 실시 형태의 제2 가스 분사 노즐(72)이 형성하는 접촉 방지 가스 제트(제2 가스 제트)(102)는, 금속 분무 가스 제트(제1 가스 제트)(101)를 외측으로부터 덮는 대략 원추 형상을 갖고 있고, 미립자(15)가 분무조(4)의 내벽면을 향해 비산되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 본 실시 형태에 따르면, 이 관점에서도 금속 분말의 제조 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 예를 들어 종전과 동일한 직경의 분무조(4)를 이용한 경우라도 미립자(15)의 충돌을 방지할 수 있으므로, 분무조(4)의 교체 비용이나 설치 스페이스의 증대를 방지할 수도 있다.

또한, 제1 가스 분사 노즐(71)로부터의 분사 가스에 의해 미립자(15)로 되고, 제2 가스 분사 노즐(72)로부터의 분사 가스에 의해 분무조(4)의 직경 방향으로의 비산이 억제된 금속은, 분무조(4) 내의 낙하 중에 급속 냉각되고 응고되어 다수의 금속 분말로서 채집 호퍼(5)에 의해 회수된다.

(3) 제3 가스 분사 노즐(73)

또한, 분사 가스 공급관(3)으로부터 가스 분사기(200)로 고압 가스를 공급하면, 상기한 제1, 2 가스 분사 노즐(71, 72)의 경우와 마찬가지로, 가스 분사기(200)에 있어서 제3 가스 분사 노즐(73)을 구성하는 모든 분사 구멍(93)으로부터 분무조(4)의 내벽을 향해 분사 구멍(93)마다 미리 정해진 분사 방향(직선(253)(도 3 참조))을 따라 동일한 압력의 고압 가스가 분사된다. 이때, 제3 가스 분사 노즐(73)에서는, 각 분사 구멍(93)으로부터 분무조(4)에 있어서의 가장 가까운 내벽면에 대하여 가스가 분사되어, 도 2에 도시한 바와 같은 대략 원뿔대상의 유체막(103)이 형성된다. 이 유체막(103)을 분무조 냉각 가스 제트(제3 가스 제트)(103)라고 칭하는 경우가 있다.

이와 같이 제3 가스 분사 노즐(73)이 형성하는 분무조 냉각 가스 제트(103)는, 분무조(4)의 내벽면으로 방출되어 분무조(4)를 냉각한다. 이로써 분무 노즐(20A, 20B)에 의해 분무된 미립자(금속 분말)(15)가 분무조(4) 내에서 충분히 냉각되기 쉬워지기 때문에, 분무조(4) 내에서 응고되지 않고 호퍼(5)에 고착·퇴적되어 수율이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 분무조 냉각 가스 제트(103)는, 접촉 방지 가스 제트(102)와 마찬가지로 미립자(15)가 분무조(4)의 내벽면과 충돌하는 것을 방지하는 기능을 발휘한다. 즉, 본 실시 형태에 따르면, 이 관점에서도 금속 분말의 제조 효율을 향상시킬 수 있다.

(4) 제4 가스 분사 노즐(74)

또한, 제4 가스 분사 노즐(74)(74A, 74B)에 고압 가스를 공급하면, 제4 가스 분사 노즐(74)을 구성하는 모든 분사 구멍(94)으로부터 분무조(4)의 내벽을 따라 분사 구멍(94)마다 미리 정해진 분사 방향(예를 들어, 도 7에 있어서의 내주벽의 접선 방향)을 따라 동일한 압력의 고압 가스가 분사된다. 이로써 도 7에 도시하는 화살표(254)와 같은 가스의 흐름이 분무조(4)에 발생하고, 그 결과, 분무조(4)의 중심축의 주위로 분무조(4)의 내벽을 따른 선회류(81)가 발생한다.

이 선회류(81)는, 제2 가스 제트(102), 제3 가스 제트(103)와 마찬가지로 미립자(15)가 분무조(4)의 내벽면과 충돌하는 것을 방지하는 기능을 발휘한다. 또한, 선회류(81)는, 분무조(4)의 수평면 내에 있어서의 열 분포를 균일화하는 작용을 발휘하기 때문에, 제3 가스 제트(103)와의 상승 효과에 의해 분무조(4)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 실시 형태에 따르면, 이 관점에서도 금속 분말의 제조 효율을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 제1 가스 분사 노즐(71)에 더하여, 제2, 제3 및 제4 가스 분사 노즐(72, 73, 74)을 구비하는 본 실시 형태의 금속 분무 장치에 의하면, 분무조의 체형을 바꾸지 않고 미세한 금속 분말을 효율적으로 제조할 수 있다.

<기타>

본 발명은, 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내의 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 본 발명은, 상기한 실시 형태에서 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되지 않고, 그 구성의 일부를 삭제한 것도 포함된다. 또한, 어느 실시 형태에 관한 구성의 일부를, 다른 실시 형태에 관한 구성에 추가 또는 치환하는 것이 가능하다.

예를 들어, 가스 분사기(200) 내의 가스 유로(50)는 가스 분사 노즐(71 내지 73)마다 분리해도 되고, 가스 유로(50)를 복수로 분리한 후 각 가스 유로에 상이한 압력의 가스를 공급함으로써 각 가스 분사 노즐(71 내지 73)로부터 분사되는 가스압을 변경·조정해도 된다. 또한, 각 가스 분사 노즐(71 내지 74)의 직경을 적절히 상이하게 해도 된다.

상기한 실시 형태에서는, 제1 가스 분사 노즐(71)에 더하여, 제2 내지 제4 가스 분사 노즐(72 내지 74)을 구비하는 경우를 설명했지만, 제2 내지 제4 가스 분사 노즐(72 내지 74) 중 적어도 하나의 가스 분사 노즐을 구비하는 실시 형태에 있어서도, 금속 분말의 제조 효율의 향상 효과는 발휘될 수 있다.

상기한 제4 가스 분사 노즐(74)은, 도 7 중에 있어서의 반시계 방향으로 선회류(81)를 발생시키도록 구성했지만, 시계 방향의 선회류(81)를 발생시키도록 분사 구멍(94)의 방향을 변경해도 된다. 또한, 제4 가스 분사 노즐(74)은, 분무조(4)의 높이 방향의 2개소에 마련했지만, 1개소나 3개소 이상 마련해도 된다.

상기한 실시 형태에서는 1개의 분무조에 대하여 2개의 분무 노즐(20A, 20B)을 구비하는 경우에 대하여 설명했지만, 분무 노즐의 수는 1개로 줄여도 상관없고, 3개 이상으로 늘려도 상관없다.

또한, 상기에서는 가스 분사 노즐(71 내지 74)로부터 기체(가스 유체)를 분사하는 경우에 대하여 설명했지만 물 등의 액체를 분사해도 상관없다. 즉, 유체를 분사하는 노즐이라면 본 발명은 적용할 수 있을 가능성이 있다.

Cg0: 금속 분무 장치
200: (분무조(4))의 중심축
Cm1, Cm2: 용탕 노즐 삽입 구멍의 중심축
1: 용해조
3: 분사 가스 공급관
4: 분무조
5: 채집 호퍼
6: 배기
7: 용융 금속(용탕)
8: 용탕류
10: 분사 가스 제트
11(11A, 11B): 용탕 노즐
12(12A, 12B): 용탕 노즐 삽입 구멍
15: 미립자
20(20A, 20B): 분무 노즐
21: 용탕 노즐의 개구단
50: 가스 유로
61: 제1 환
62: 제2 환
63: 제3 환
71(71A, 71B): 제1 가스 분사 노즐
72(72A, 72B): 제2 가스 분사 노즐
73: 제3 가스 분사 노즐
74(74A, 74B): 제4 가스 분사 노즐
91: 분사 구멍
93: 분사 구멍
94: 분사 구멍
100: 도가니
101: 금속 분무 가스 제트
102: 접촉 방지 가스 제트
200: 가스 분사기
251: 가스 분사 방향(분사 구멍 중심축)
252: 가스 분사 방향(분사 구멍 중심축)
253: 가스 분사 방향(분사 구멍 중심축)
254: 가스의 흐름 방향
261: 제1 가스 분사 노즐의 초점(제1 초점)
262: 제2 가스 분사 노즐의 초점(제2 초점)

Claims (4)

1. 분무조와,
   도가니에 축적된 용융 금속을 상기 분무조 내에 유하시키는 복수의 용탕 노즐과,
   상기 복수의 용탕 노즐이 각각 삽입되는 복수의 용탕 노즐 삽입 구멍이 마련된 가스 분사기와,
   상기 복수의 용탕 노즐 삽입 구멍의 각각의 주위에 제1 환을 그리도록 상기 가스 분사기의 저면에 배치된 복수의 분사 구멍으로 이루어지고, 상기 용탕 노즐로부터 유하하는 용융 금속에 대하여 가스를 분사하여 분쇄하는 제1 가스 분사 노즐과,
   상기 제1 환의 각각의 외측에 제2 환을 그리도록 상기 가스 분사기의 저면에 배치된 복수의 분사 구멍으로 이루어지고, 상기 제1 가스 분사 노즐에 의해 분쇄된 금속 입자의 비산을 방지하기 위해 가스를 분사하는 제2 가스 분사 노즐과,
   상기 제2 가스 분사 노즐의 외측에 제3 환을 그리도록 상기 가스 분사기의 저면에 배치된 복수의 분사 구멍으로 이루어지고, 상기 분무조의 내벽면에 대하여 가스를 분사하는 제3 가스 분사 노즐을 구비하고,
   상기 제3 가스 분사 노즐의 각 분사 구멍은 가스의 분사 방향이 상기 제3 환의 중심으로부터 외측을 향해 방사상으로 상기 분무조의 내벽면을 향하도록 각 분사 구멍의 축방향이 설정된 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 분무조 내의 소정의 높이에 배치된 복수의 분사 구멍으로 이루어지고, 상기 분무조의 내벽면을 따라 가스를 분사함으로써 상기 분무조 내에 상기 분무조의 중심축의 주위로 선회류를 발생시키는 제4 가스 분사 노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제4 가스 분사 노즐은 상기 분무조의 높이 방향에 있어서 복수 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 장치.
4. 용탕에 가스를 분사하여 금속 분말을 제조하는 금속 분말 제조 장치의 가스 분사기이며,
   분무조 내에 용융 금속을 유하시키는 용탕 노즐이 삽입되는 복수의 용탕 노즐 삽입 구멍과,
   상기 복수의 용탕 노즐 삽입 구멍의 각각의 주위에 제1 환을 그리도록 배치된 복수의 분사 구멍으로 이루어지고, 상기 용탕 노즐로부터 유하하는 용융 금속에 대하여 가스를 분사하여 분쇄하는 제1 가스 분사 노즐과,
   상기 제1 환의 각각의 외측에 제2 환을 그리도록 배치된 복수의 분사 구멍으로 이루어지고, 상기 제1 가스 분사 노즐에 의해 분쇄된 금속 입자의 비산을 방지하기 위해 가스를 분사하는 제2 가스 분사 노즐과,
   상기 제2 가스 분사 노즐의 외측에 제3 환을 그리도록 배치된 복수의 분사 구멍으로 이루어지고, 상기 분무조의 내벽면에 대하여 가스를 분사하는 제3 가스 분사 노즐을 구비하고,
   상기 제3 가스 분사 노즐의 각 분사 구멍은 가스의 분사 방향이 상기 제3 환의 중심으로부터 외측을 향해 방사상으로 상기 분무조의 내벽면을 향하도록 각 분사 구멍의 축방향이 설정된 것을 특징으로 하는 가스 분사기.

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