JP2006241562A - 金属溶湯の連続噴霧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶解炉から流下する金属溶湯が振れたり、逆流することなく、安定した金属溶湯の流れで確実に粉化できる金属溶湯の連続噴霧装置を提供する。
【解決手段】炉内が密閉可能で且つ炉底に電磁出湯ノズル１０を有するセミレビテーション溶解炉１と、上記出湯ノズル１０の出湯口１４から垂直に流下する金属溶湯Ｍに対し、互いに間隔を置いて配置されると共に、不活性ガス（噴霧媒体）Ｇを斜め下向きで且つ同じ位置の粉化点Ｆに噴射する複数の噴霧ノズル３０と、係る噴霧ノズル３０を内側の上部に配置するチャンバ４０と、上記溶解炉２と係るチャンバ４０との間を連通する圧力同調管４４と、を含む、金属溶湯の連続噴霧装置１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、細径で流下する金属溶湯を噴霧して金属粉末を安定して製造するための金属溶湯の連続噴霧方法およびこれに用いる連続噴霧装置に関する。

タンディシュの底から流下する金属溶湯にアトマイズガスを吹き付けて金属粉末を製造するに際し、粉化点付近における金属粉末の吹き上げを防ぐため、金属溶湯に対しアトマイズノズルのリング（円環）状で且つスリットを呈する噴射口から噴霧媒体の不活性ガスを噴射するアトマイズ開始初期に、アトマイズガスの吹き付け圧力を低くするガスアトマイズによる金属粉末の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより得られる金属粉末は、上記ノズルの下側に位置するチャンバ内に収容される。

特開平３−１４０４０２号公報 （第１〜３頁、第１図）

しかし、前記金属粉末の製造方法では、リング形状の噴射口から斜め下向きで且つ粉化点に向かって噴霧媒体のアトマイズガスを円錐形状に噴射した場合、係るアトマイズガスに囲まれた噴射口から粉化点までの円錐形状の空間は、減圧状態となる。このため、たとえアトマイズ開始初期にアトマイズガスの吹き付け圧力を低くしても、粉化点で形成された金属粉末の一部は、新たなアトマイズガスと衝突して、上記減圧空間に吹き上がることがある。その結果、当該減圧空間に不用意な流れを生じるため、係る減圧空間の中心部を垂直に流下する金属溶湯と干渉し、当該金属溶湯の流れに振れが発生する。

しかも、前記タンディシュ内または炉底出湯が可能な溶解炉内は常圧、前記アトマイズガスに囲まれた噴射口から粉化点（噴霧焦点）までの円錐形状の空間は減圧状態、および、得られた金属粉末を収容するチャンバ内は加圧状態、という３種類の圧力差が存在する。このため、何らかの原因で急激な圧力変化が生じた場合、流下する金属溶湯の流れに逆流や乱流を招くおそれがある。
これらに起因して、前記金属粉末の製造方法では、安定したアトマイズ（噴霧）を連続して行うことが困難になる場合があった。

本発明は、前記背景技術において説明した問題点を解決し、溶解炉から流下する金属溶湯が振れたり、逆流することなく、安定した金属溶湯の流れで確実に粉化することができる金属溶湯の連続噴霧装置を提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、密閉可能な溶解炉の炉底から流下する金属溶湯に噴霧媒体を噴霧するため、互いに間隔を置いた複数個の噴霧ノズルをチャンバ側に備えると共に、上記溶解炉の炉内とチャンバ内とを同圧化する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明における金属溶湯の連続噴霧装置（請求項１）は、炉内が密閉可能で且つ炉底に出湯ノズルを有する溶解炉と、前記出湯ノズルの出湯口から垂直に流下する金属溶湯に対し、互いに間隔を置いて配置されると共に、噴霧媒体を斜め下向きで且つほぼ同じ位置に噴射する複数の噴霧ノズルと、係る複数の噴霧ノズルを内側の上部に配置するチャンバと、係るチャンバ内と上記溶解炉の炉内との間を連通する圧力同調管と、を含む、ことを特徴とする。

これによれば、複数の噴霧ノズルは、互いに間隔を置いて配置されているため、これらから噴霧された複数の噴霧媒体の内側空間とチャンバ内とを同圧化できる。このため、前述した金属粉末の吹き上げ、金属溶湯の振れが生じなくなる。更に、溶解炉の炉内とチャンバ内も圧力同調管を介して同圧化されるため、チャンバ内および複数の噴霧媒体に囲まれた内側空間の圧力上昇による流下する金属溶湯の逆流や乱流を防止できる。同時に、前述したリング状で且つスリット状の噴射口から噴霧媒体を噴霧する場合に生じる出湯速度の増大を防止できるため、一定の出湯速度に保つことも可能となる。従って、複数の噴霧媒体が形成する内側空間の中心部を流下する金属溶湯を、確実に微細な粒径を含む金属粉末とする安定した連続噴霧が可能となる。

尚、前記噴霧媒体には、アルゴン、窒素、ヘリウムなど不活性ガス（アトマイズガス）のほか、水（アトマイズ水）も含まれる。また、前記溶解炉には、後述するセミレビテーション溶解炉の他、炉内が密閉可能で且つ炉底出湯が可能な各種の溶解炉が含まれると共に、更には、内部が密閉可能で且つ底部に電磁出湯ノズルが装着可能であれば、例えば取鍋やタンディシュも含まれる。

また、本発明には、前記溶解炉の出湯ノズルは、金属からなり全体がほぼ円錐形で水冷可能な本体と、係る本体の外周に沿って巻き付けた高周波誘導コイルと、を備えた電磁出湯ノズルである、金属溶湯の連続噴霧装置（請求項２）も含まれる。
これによれば、金属溶湯は、溶解炉から電磁出湯ノズルを介して連続して流下するため、比較的小径で且つ清浄となって連続して出湯できる。しかも、前述したように、噴射口から粉化点まで複数の噴霧媒体に囲まれた内側空間の圧力が減圧状態とならないため、従来のリング状で且つスリット状の噴射口から噴霧する場合に生じる出湯速度の増大を確実に防止でき、一定の出湯速度に保つことが一層可能となる。従って、金属溶湯を連続且つ安定して自然流下（フリーフォール）できるため、連続噴霧を一層確実且つ安定して行うことができる。

更に、本発明には、前記複数の噴霧ノズルは、前記金属溶湯が流下する軌跡に対し、互いに間隔を置いた３本以上が斜め下向きで且つ対称に配置される、金属溶湯の連続噴霧装置（請求項３）も含まれる。これによれば、３本以上の噴霧ノズルが、互いに間隔を置いて配置されるため、これらから噴霧された複数の噴霧媒体における内側空間と、その外側空間（チャンバ内）と、を確実に同圧化できる。この結果、前記金属溶湯の振れ、逆流、あるいは、乱流を確実に解消することが可能となる。
尚、複数の噴霧ノズルは、同一平面に位置する円形の円周方向に沿って等間隔にして、例えば３本、４本、６本、８本、１２本、または１６本を斜め下向きで且つ求心状に配置される。

加えて、本発明には、前記複数の噴霧ノズルは、前記チャンバ内の上側に配置される円環状の媒体供給体に内蔵される円環状の媒体供給室にそれらの基端が連通し、且つチャンバの上部を貫通している、金属溶湯の連続噴霧装置（請求項４）も含まれる。
これによれば、上記媒体供給体に内蔵される円環状の媒体供給室に供給された噴霧媒体を、当該媒体供給体の底面から、複数のノズルに分流させて全体を円錐形状にして噴射できると共に、上記ノズル本体の底面寄りでは流下する複数の噴霧媒体間に間隔を確実に形成することができる。

付言すれば、本発明には、前記溶解炉は、前記炉内を内設する水冷式の銅製ルツボを有するセミレビテーション溶解炉（コールドクルーシブル溶解装置）である、金属溶湯の連続噴霧装置も含まれ得る。
これによる場合、例えばＴｉ合金の原料を銅製ルツボに装入し、当該ルツボの外周に位置する高周波誘導コイルに通電することで、上記原料を、上記ルツボの内壁面に接触せず、半球形状に立ち上がる清浄なＴｉ合金の溶湯に溶解することが可能となる。しかも、係る溶湯は、前記電磁出湯ノズルを介して、前記複数の噴霧ノズルに囲まれた空間の中心部に細径で且つ清浄にして流下されるため、所望の粒径および合金組成の金属粉末を確実に得ることが可能となる。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明の金属溶湯の連続噴霧装置（以下、単に連続噴霧装置と称する）１を示す垂直断面図である。
連続噴霧装置１は、図１に示すように、炉内が密閉可能なセミレビテーション溶解炉２と、その炉底に装着した電磁出湯ノズル（出湯ノズル）１０と、係るノズル１０の下方に位置するチャンバ４０と、係るチャンバ４０の上部に取り付けられ且つ斜め下向きで全体がほぼ円錐状に取付られた複数の噴霧ノズル３０と、上記溶解炉２とチャンバ４０との間に配管した圧力同調管４４と、を備えている。

セミレビテーション（半磁気浮揚）溶解炉２は、図１に示すように、銅からなり全体が円筒形で且つ中空部４を内蔵する炉体（ルツボ）３と、係る炉体３の外周面に沿って螺旋状の巻き付けた高周波誘導コイル８と、を備えている。上記炉体３は、その円周方向に配置される図示しない複数の垂直な絶縁スリットにより、複数のセグメントに分割されていると共に、上端部の給水孔６、中空部４、および排水孔７の順路で、冷却水ｗが循環して供給される。また、炉体３の上側には、天板５ａを含む上部炉体５が着脱可能に取り付けられ、その側壁には、チャンバ４０と連通する圧力同調管４４の上端４７が開口している。

図１に示すように、前記セミレビテーション溶解炉２の炉体３の炉底には、電磁出湯ノズル（出湯ノズル）１０の水平部１２が装着されている。係る電磁出湯ノズル１０は、円環状の水平部１２、その下側に連なるコーン部１３、およびその下側に連なる出湯口１４を有する本体１１と、係る本体１１の外周面に沿って螺旋状で且つ円錐形状に巻き付けた高周波誘導コイル１６と、を備えている。上記本体１１に内蔵される中空部１５には、前記同様に冷却水が循環して供給される。

上記電磁出湯ノズル１０は、上記誘導コイル１６に通電して形成される磁界により、金属製の本体１１に誘導電流が流れ且つこれが加熱される。この際、本体１１は、その発熱により前回の溶解時にコーン部１３および出湯口１４の内側で、前回の溶解後に凝固したほぼ逆円錐形の凝固シェルを溶解すると共に、図１に示すように、出湯口１４から細径の金属溶湯Ｍを垂直に流下させる。即ち、誘導コイル１６への通電および停止により、金属溶湯Ｍの連続出湯と出湯停止とを容易に制御することができる。
図１に示すように、前記電磁出湯ノズル１０の下方には、公知の耐火材からなる耐熱パイプ１８を介して、アトマイズガス（噴霧媒体）供給装置２０が配置されている。係るアトマイズガス供給装置２０は、その下方に位置するチャンバ４０の天板４１の上側に取り付けられる円環状の媒体供給体２１と、これに内蔵される円環形の媒体供給室２２と、上記耐熱パイプ１８に連通する中心部の垂直孔２４と、対称な一対の給気管２６，２８と、を備えている。

図１および図３の水平断面図に示すように、一対の給気管２６，２８における媒体供給室２２への開口位置は、媒体供給体２１の中心を通過する径線に対して、約２０度の角度θで傾いた位置にあり、係る位置において当該給気管２６，２８の軸線が互いに平行になるように、ほぼ接線状とされている。
給気管２６，２８を上記のように配管することで、媒体供給室２２内に対し、それぞれから不活性ガス（噴霧媒体であるアトマイズガス）Ｇを均一な圧力で導入でき、次述する複数のノズル３２のノズル孔３４から均一な流量および圧力にして、アルゴンなどの不活性ガスＧを噴射できる。

図１，図２，図３に示すように、複数の噴霧ノズル３０は、８本の細長いノズル（単位ノズル）３２からなる。各ノズル３２には、それらの軸心に沿って中間位置で細径となるノズル孔３４が貫通している。係る８本のノズル３２は、各ノズル孔３４が媒体供給室２２の底面の内周端側に連通するように、各基端３６を媒体供給体２１の底面にシールを介して、互いに間隔を置き斜め下向きで且つ対称に取り付けられる。尚、各ノズル３２の垂直線に対する傾斜角度は、２〜２０度の範囲で適宜選定される。

また、図１に示すように、チャンバ４０の内部と前記溶解炉２の炉内とは、当該チャンバ４０の側壁４２に下端４６が開口する圧力同調管４４により連通されている。このため、チャンバ４０内の圧力が上昇しなくなるので、流下する金属溶湯Ｍの逆流や乱流が生じにくくなる。しかも、図１中の一点鎖線の矢印で示す８つの不活性ガスＧに囲まれた円錐形の内側空間とも同圧化されることと相まって、前記溶解炉２から流下する金属溶湯Ｍの出湯速度も一定化する。尚、上記圧力同調管４４の中間には、開閉弁４８が取り付けてある。

以上のような連続噴霧装置１の作用を、以下において説明する。
先ず、前記溶解炉２の炉体３の炉内に原料である例えばＴｉ合金を装入した後、上部炉体５を取り付けて炉内を密閉する。次に、高周波誘導コイル８に所要の高周波電流を通電すると、係るコイル８の周囲に形成される磁界が炉体３を透過し、内側の上記Ｔｉ合金に浸透し、その表面に誘導される表皮電流により生じるジュール熱によって、当該Ｔｉ合金を加熱し且つ溶融する。係るＴｉ合金からなる溶融金属Ｍには、上記コイル８により誘導されて誘導電流が流れると共に、これらの電流間に生じる反発力（ローレンツ斥力）によって、図１に示すように、係る溶融金属Ｍは、炉体３の内側において側壁から離れ且つ半球形状に立ち上がった半浮揚状態となる。尚、溶融金属Ｍは、炉体３における側壁の下部および電磁ノズル１０の水平部１２に接触して冷却されるため、側壁の内側面の下部および前記出湯ノズル１０の水平部１２上に、図示しない凝固シェルが形成される。

次いで、前記電磁出湯ノズル１０の前記誘導コイル１６に通電し、形成される磁界により、金属製の本体１１に誘導電流を流し且つこれが加熱する。この際、本体１１は、その発熱により前回の溶解時にコーン部１３および出湯口１４の内側で凝固したほぼ逆円錐形の凝固シェルを溶解すると共に、図１に示すように、係る溶湯と新たに溶解される金属溶湯Ｍとを一緒にし、出湯口１４から細径の金属溶湯Ｍとして垂直に流下させる。
上記金属溶湯Ｍは、図１に示すように、耐熱パイプ１８と媒体供給体２１の垂直孔２４の中心部を流下した後、チャンバ４０内の粉化点Ｆに向けて流下する。

上記金属溶湯Ｍに対し、図１および図４に示すように、前記媒体供給室２２を介して、各ノズル３２におけるノズル孔３４のノズル口３８から噴霧された８つの不活性ガス（噴霧媒体）Ｇが、粉化点Ｆに向けて円錐形状に噴霧される。この結果、金属溶湯Ｍは、上記不活性ガスＧと衝突して、金属粉末Ｐに粉化される。係る金属粉末Ｐは、チャンバ４０の底板上に堆積した後、適宜取り出される。
上記噴霧の際、８つの不活性ガスＧは、各ノズル３２寄りでは、互いに間隔を置いて斜め下向きで且つ同じ粉化点Ｆに向けて流下する。このため、８つの不活性ガスＧに囲まれた円錐形の内側空間は、チャンバ４０の内部と同圧とされる。

上記同圧化により、流下する金属溶湯Ｍは、振れを生じなくなるため、同じ粉化点Ｆにおいて８つの不活性ガスＧと正確に衝突する。この結果、所望の粒径を有する金属粉末Ｐを連続して製造することができる。
同時に、チャンバ４０の内部と前記溶解炉２の炉内とは、圧力同調管４４を介して連通していため、これらも同圧化されている。このため、溶解炉２から流下する金属溶湯Ｍは、出湯速度が一定化すると共に、逆流や乱流を生じなくなる。この結果、電磁出湯ノズル１０から所定の位置に金属溶湯Ｍを自然流下（フリーフォール）させることができるため、前記８つの不活性ガスＧにより連続且つ安定した噴霧を行うことが可能となる。

尚、圧力同調管４４は、電磁出湯ノズル１０から金属溶湯Ｍが流下しない状態、例えば前記溶解炉２の炉内への原料の装入時、あるいはチャンバ４０内から得られた金属粉末Ｐを外部に排出する際には、前記開閉弁４８を閉じて閉鎖される。
以上のように、本連続噴霧装置１によれば、前記金属粉末Ｐの吹き上げや、流下する金属溶湯Ｍの振れ、逆流、および乱流が生じず、細径で且つ清浄にして所定の位置に流下する金属溶湯Ｍを、所望の粒径および合金組成にして、連続して安定したガス噴霧を行うことが可能となる。

本発明は、以上において説明した形態に限定されるものではない。
図５，図６に示す媒体供給装置２０ａ，２０ｂは、前記同様の媒体供給体２１の底面に、６本または１２本のノズル３２を等間隔で且つ対称に取り付けた複数の噴霧ノズル３０ａ，３０ｂを有する。即ち、噴霧ノズル３２は、少なくとも３本以上を等間隔で且つ対称に配置することで、本発明における複数の噴霧ノズルとなる。
また、噴霧媒体には、前記不活性ガスに替えて、水（アトマイズ水）を適用しても良い。
更に、前記溶解炉２に替えて、炉内が密閉可能で且つ炉底の出湯ノズルが可能な別タイプの溶解炉や、あるいはタンディッシュにしても良い。
加えて、前記電磁出湯ノズル１０に替えて、水平方向のに耐火製の弁がスライドするスライディングゲートを内設する出湯ノズルを用いても良い。

本発明の連続噴霧装置を示す垂直断面図。 上記連続噴霧装置における複数の噴霧ノズル付近を示す底面図。 上記連続噴霧装置における媒体供給体の水平断面図。 上記連続噴霧装置の作用の概略を示す斜視図。 異なる形態の複数の噴霧ノズル付近を示す底面図。 更に異なる形態の複数の噴霧ノズル付近を示す底面図。

符号の説明

１…………………………連続噴霧装置
２…………………………セミレビテーション溶解炉（溶解炉）
１０………………………電磁出湯ノズル（出湯ノズル）
１１………………………本体
１４………………………出湯口
１６………………………高周波誘導コイル
２１………………………媒体供給体
２２………………………媒体供給室
３０，３０ａ，３０ｂ…複数の噴霧ノズル
３２………………………噴霧ノズル
４０………………………チャンバ
４４………………………圧力同調管
Ｍ…………………………金属溶湯
Ｇ…………………………不活性ガス（噴霧媒体）

Claims (4)

1. 炉内が密閉可能で且つ炉底に出湯ノズルを有する溶解炉と、
   上記出湯ノズルの出湯口から垂直に流下する金属溶湯に対し、互いに間隔を置いて配置されると共に、噴霧媒体を斜め下向きで且つほぼ同じ位置に噴射する複数の噴霧ノズルと、
   上記複数の噴霧ノズルを内側の上部に配置するチャンバと、
   上記チャンバ内と上記溶解炉の炉内との間を連通する圧力同調管と、を含む、
   ことを特徴とする金属溶湯の連続噴霧装置。
2. 前記溶解炉の出湯ノズルは、金属からなり全体がほぼ円錐形で水冷可能な本体と、係る本体の外周に沿って巻き付けた高周波誘導コイルと、を備えた電磁出湯ノズルである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の金属溶湯の連続噴霧装置。
3. 前記複数の噴霧ノズルは、前記金属溶湯が流下する軌跡に対し、互いに間隔を置いた３本以上が斜め下向きで且つ対称に配置される、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属溶湯の連続噴霧装置。
4. 前記複数の噴霧ノズルは、前記チャンバの上側に配置される円環状の媒体供給体に内蔵される円環状の媒体供給室にそれらの基端が連通し、且つチャンバの上部を貫通している、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の金属溶湯の連続噴霧装置。
   

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