JP4041563B2

JP4041563B2 - 球状マグネタイト粉の乾式製造方法及び装置

Info

Publication number: JP4041563B2
Application number: JP30265597A
Authority: JP
Inventors: 新一三宅; 尊矢嶋; 金男茅本; 鉄也香取; 弘道小林
Original assignee: Powdertech Co Ltd; Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Powdertech Co Ltd; Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: JPH11139827A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球状マグネタイト粉の乾式製造方法及び装置に関し、詳しくは、電子複写における二成分磁気ブラシ法に用いる磁性キャリア用として好適な球状マグネタイト粉を乾式で製造する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子複写の現像法として、磁性キャリア（現像材用キャリア）とトナーとの二成分磁気ブラシ法が、画質が良好で、カラー化も可能であり、トナーも比較的安価なため、広く普及しつつある。この二成分磁気ブラシ法は、マグネットローラー上に回転可能な非磁性スリーブを設けた現像ローラーによって、磁性キャリアとトナーとを混合した現像剤を搬送し、潜像を現像するものである。
【０００３】
前記磁性キャリアとしては、還元鉄粉，アトマイズ鉄粉等を粒度調整した鉄粉又はその表面が極薄い鉄の酸化被膜で被覆された酸化被膜鉄粉及び表面に各種樹脂コートを施したものが用いられてきた。
【０００４】
しかし、鉄粉キャリアは比重が大きく、不定形であり、また、飽和磁化が高いことから、現像機内での撹拌によるストレスが強く、トナーのキャリア粒子表面へのスペント及びコート剥離に起因する抵抗・帯電量の変化が生じ、初期の画像特性を維持できずにライフ性に乏しい。
【０００５】
これに対し、Ｆｅ_２Ｏ_３を主原料としたフェライト粉を造粒／乾燥／焼成することにより得られるフェライトキャリアは、比重が小さく、球形であり、飽和磁化も鉄粉に比べて低いため、上記問題に対しては有効である。
【０００６】
通常、磁性キャリアとしては、３０〜１２０μｍ程度の粒径を有する磁性粒子が使用されているが、最近は、高画質化，長寿命化の要望が強く、磁性キャリアとして小粒径化が進んでいる。しかし、磁性キャリアを小粒径にすることにより飽和磁化が低くなり、磁性キャリアが感光体に付着して致命的な画像欠陥を引き起こしてしまうことがある。また、小粒径化によって流動性が悪くなり、現像性を損なうという欠点も出てくる。
【０００７】
これらの不都合を回避するため、飽和磁化の高い球状フェライトキャリアが使用されているが、その中で、マグネタイトは、比重が軽い上に飽和磁化が高く、小粒径化による感光体上へのキャリアの付着に対して有効であり、磁性キャリアとして期待されている。
【０００８】
上述のような球状マグネタイトを製造する方法として、例えば、特開平２−２２３９６２号公報には、鉄鋼製造工程で発生するＦｅＯ−Ｆｅ_２Ｏ_３を主組成とする酸化鉄原料（ミルスケール）を粉砕して粒径を制御し、酸洗又は磁選により不純物を除去した後、溶射バーナーの火炎中で溶融して球状化し、これを直ちに水中に投入して冷却することにより、球状マグネタイト粒子（粉）を得る方法が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述の方法は、ミルスケールを原料としているため、原料自体は安価であるものの、粉砕や粒径の調整，酸洗又は磁選等の複雑な前工程を必要とし、さらに、溶融して得た球状マグネタイト粉を水中に投入して冷却しているため、その後に乾燥を行わなければならず、長い工程によるコスト負担を免れることができなかった。
【００１０】
また、水中に投入されることによって急冷されるため、溶融，球状化された粒子の著しい体積変化に伴い、抱え込まれた酸素等の気体の放出による形状の悪化が生じてしまう。さらに、水中への投入による冷却、その後の乾燥工程により酸化状態にばらつきが発生し、粒子間に磁気特性のばらつきが生じる。特に、酸化状態が進むと低飽和磁化の粒子が発生するため、感光体への付着による画像欠陥を引き起こすという問題があった。
【００１１】
また、造粒／乾燥／焼成による製造方法においても、長い工程を必要とするだけでなく、小粒径品の製造収率が低く、製造コストが高いという問題がある。さらに、製造法の特徴からか、造粒工程では小粒径品の形状が悪く、また、焼成（還元雰囲気）においてＦｅＯの発生を防止することができず、粒子間の磁化のばらつきが多く、低飽和磁化粒子の発生による感光体上へのキャリア付着が問題となっている。
【００１２】
そこで本発明は、所望の粒径と飽和磁化率とを有し、かつ、粒子間の磁化のばらつきを無くした球状マグネタイト粉を、簡素な工程で効率よく得ることができる球状マグネタイト粉の乾式製造方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の球状マグネタイト粉の乾式製造方法は、不定形海綿鉄粉を、プロパンガスと該プロパンガスの供給量に対する酸素の供給量が５〜８倍である酸素又は酸素富化空気との燃焼火炎中で溶融・酸化して球状化させた後、前記プロパンガスの供給量１Ｎｍ ^３当たり１２００Ｎｍ ^３以上の供給量で供給される冷却用気体に急速に接触させて冷却し、粉体捕集装置によって捕集することを特徴とし、本発明の球状マグネタイト粉の乾式製造する球状マグネタイト粉の乾式製造装置は、不定形海綿鉄粉を溶融・酸化して球状化させるための燃焼炉と、該燃焼炉で生成した球状マグネタイト粉を捕集するための粉体捕集装置とを備え、前記燃焼炉は、プロパンガスと酸素又は酸素富化空気との燃焼火炎中で前記不定形海綿鉄粉を溶融・酸化して球状化させるバーナーを装着した上部の燃焼ゾーンと、下部の冷却ゾーンとに区画され、前記燃焼ゾーンと前記冷却ゾーンとの間には、該冷却ゾーンに冷却用気体を導入する冷却用空気導入部が設けられ、前記冷却ゾーンの下部には、生成した球状マグネタイト粉を前記粉体捕集装置に搬送するための搬送用空気導入部と、粉体搬送経路とが設けられていることを特徴とし、さらに、前記粉体捕集装置は、サイクロンとバグフィルターとを備え、前記バグフィルターの下流側には、吸引排気ブロワーが設けられていることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の球状マグネタイト粉の乾式製造方法を適用した製造装置の一例を示す系統図、図２は同装置に用いるバーナーの一例を示す要部の断面図である。ここに示す球状マグネタイト粉の製造装置は、原料である不定形海綿鉄粉を溶融・酸化して球状化させるための燃焼炉１０と、該燃焼炉１０で生成した球状マグネタイト粉を捕集するための粉体捕集装置２０とからなるもので、燃焼炉１０は、バーナー１１及び点火用のパイロットバーナー１１ａを装着した上部の燃焼ゾーン１２と、下部の冷却ゾーン１３とに区画されている。
【００１５】
燃焼炉１０における燃焼ゾーン１２と冷却ゾーン１３との間には、冷却用気体である空気を導入するための冷却用空気導入部１４が設けられ、冷却ゾーン１３の下部には、生成した粉体を粉体捕集装置２０に搬送するための搬送用空気導入部１５と、粉体搬送経路１６とが設けられている。さらに、燃焼炉１０及び搬送経路１６の外周には、冷却ジャケット１７が設けられている。また、前記粉体捕集装置２０は、サイクロン２１とバグフィルター２２とを備えるもので、バグフィルター２２の下流側には、吸引排気ブロワー２３が設けられている。
【００１６】
前記バーナー１１は、図２に示すように、原料である不定形海綿鉄粉がキャリアガスにより搬送される原料通路３１を中心として、その外周に気体燃料であるプロパンガスが流れる燃料通路３２、その外周に酸素又は酸素富化空気が流れる酸素通路３３、さらにその外周に冷却水が流れる冷却水通路３４ａ，３４ｂを同心状に設けた五重管構造を有するもので、原料通路３１，燃料通路３２及び酸素通路３３の先端には、所定の形状及び噴出方向に形成された噴出孔３１ａ，３２ａ，３３ａ，３３ｂがそれぞれ設けられている。なお、燃焼室３５内に酸素を噴出する噴出孔３３ａ，３３ｂの内、一次酸素噴出孔３３ａは、コーン状の燃焼室３５の内部に旋回流を形成するために接線方向に向いており、二次酸素噴出孔３３ｂは、バーナー前方のバーナー中心軸上に焦点を結ぶ方向に向いている。
【００１７】
原料である不定形海綿鉄粉は、圧力搬送型のテーブルフィーダー４１から所定量が供給され、空気圧縮機４２からの空気をキャリアガス（キャリア空気）として経路４１ａによりバーナー１１の前記原料通路３１に送られる。また、プロパンガス供給源４３からは、経路４３ａを介して所定量のプロパンガスが、酸素供給源４４からは、経路４４ａを介して所定量の酸素又は酸素富化空気が、それぞれ供給されるとともに、バーナー１１の冷却水通路３４ａ，３４ｂ及び前記冷却ジャケット１７には、入口経路１８ａ，３６ａ及び出口経路１８ｂ，３６ｂを通して所定量の冷却水が供給される。また、燃焼炉１０を含む系内は、前記吸引排気ブロワー２３の作用によって減圧状態となるため、冷却用空気導入部１４及び搬送用空気導入部１５から系内にそれぞれ所定量の空気が吸入される。なお、両導入部１４，１５における空気吸引量及び割合の調整は、経路内に設けたダンパーＤにより行うことができる。また、各経路の適宜な位置には、流量計Ｆ，圧力計Ｐ，弁Ｖ，温度計Ｔが必要に応じて設けられている。
【００１８】
バーナー１１の噴出孔３１ａから燃焼ゾーン１２の燃焼火炎中に投入された原料の不定形海綿鉄粉は、プロパンガスと酸素とによる燃焼火炎により加熱されて溶融状態になるとともに、過剰の酸素により酸化して酸化鉄を生成する。鉄の酸化物には、ＦｅＯ，Ｆｅ_３Ｏ_４及びＦｅ_２Ｏ_３の３種類があり、この中で、Ｆｅ_３Ｏ_４（マグネタイト）のみが磁性を有しているため、ＦｅＯやＦｅ_２Ｏ_３が生成して混入することは、磁性特性を損なうため、できるだけ避けるべきである。鉄−酸素（Ｆｅ−Ｏ）系の平衡状態図によれば、Ｆｅ_３Ｏ_４は、高温域程、ＦｅとＯとの化学量論組成近傍での安定領域が広いが、１０００℃以下では安定領域はなく、化学量論組成から外れるとＦｅＯやＦｅ_２Ｏ_３が生成し易くなる。
【００１９】
したがって、Ｆｅ_３Ｏ_４への過不足のない酸化を行った後、できるだけ速やかに冷却する必要がある。すなわち、酸化反応が起こる燃焼火炎中での酸素分圧を適当な範囲に調整してＦｅ_３Ｏ_４を最大限生成させるとともに、得られたＦｅ_３Ｏ_４を急速に冷却して冷却途中での酸化を抑えることが肝要となる。
【００２０】
また、鉄を酸化して酸化鉄を得る場合、酸化に伴う密度の減少が大きいため、体積が大きく膨張するので、通常の鉄粉を酸化すると、大きな体積膨張のために原料粉体の形状を保つことができず、破壊されて粒径が不均一となる。一方、本発明で原料として用いる不定形海綿鉄粉は、多くの空隙部を有する多孔性の純鉄であって、酸化に伴う体積膨張を空隙部で吸収することが可能である。したがって、燃焼火炎中で加熱されて溶融するとともに、酸素により酸化されて球状化する際の体積変化が少なく、しかも、原料は実質的に純鉄であるから、温度と酸素量とを制御することにより、効率よく所定の粒径のマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）を得ることが可能であり、化学的純度の高いものが得られる。
【００２１】
また、燃焼火炎を形成するための燃料としては、気体燃料、とりわけ、プロパンガスが最適である。酸素は、気体燃料の燃焼と鉄の酸化とに必要であり、燃料としてプロパンガスを使用する場合、酸素の供給量は、プロパンガスの供給量に対して５〜８倍の範囲が適当である。酸素の供給量が５倍未満の場合は、鉄の酸化が十分に進まずにＦｅＯの生成比率が高くなり、逆に８倍を超えると、酸化が進み過ぎてＦｅ_２Ｏ_３の生成比率が高くなる。
【００２２】
上述のようにして生成した球状マグネタイト粉を含む酸化鉄粒子は、冷却用空気導入部１４から導入される冷却用空気によって急速に冷却される。このときの空気量は、プロパンガスの供給量や酸化鉄粒子の生成量によって異なるが、プロパンガス１Ｎｍ^３当たり１２００Ｎｍ^３以上、サイクロン２１やバグフィルター２２、吸引排気ブロワー２３の設備コストを考慮すると、通常は、１２００〜１８００Ｎｍ^３の冷却用空気を導入して酸化鉄粒子を冷却することにより、冷却過程での酸化、すなわち、Ｆｅ_３Ｏ_４からＦｅ_２Ｏ_３への変化を抑制することができる。
【００２３】
このようにして燃焼炉１０で生成した球状マグネタイト粉は、搬送用空気導入部１５から導入される搬送用空気に伴われて粉体搬送経路１６から粉体捕集装置２０のサイクロン２１及びバグフィルター２２に順次導入され、所定の粒径の球状マグネタイト粉が捕集される。なお、搬送空気の流速等を適当に設定することにより、粗大粒子を燃焼炉１０の底部に分離し、サイクロン２１で所定の粒径範囲のものを分離し、微細粒子をバグフィルター２２で回収することができ、サイクロン２１で連続的に製品球状マグネタイト粉を得ることが可能である。
【００２４】
【実施例】
実験例１
図１に示す構成の装置において、燃焼ゾーン１２と冷却ゾーン１３との間の冷却用空気導入部１４を塞ぎ、炉内に冷却用空気が流入しない状態とした。原料には、平均粒径３５μｍのパウダーテック社製フレークタイプの不定形海綿鉄を使用し、バーナー燃焼火炎内の雰囲気が鉄の酸化状態に与える影響を調べた。バーナーへの原料の供給量を３０ｋｇ／ｈ、キャリア空気の供給量を７．５Ｎｍ^３／ｈ、プロパンガスの供給量を１Ｎｍ^３／ｈとし、酸素ガスの供給量を２〜１２Ｎｍ^３／ｈに変化させて酸素量による影響を調べた。なお、搬送用空気の流量は１５００Ｎｍ^３／ｈとした。
【００２５】
得られた各酸化鉄の組成を、粉末Ｘ線回析法にて下記式により求めた。
Ｘ（重量％）＝｛（Ｉ_０−Ｉ_Ｓ）／Ｉ_０｝×１００
式中、Ｉ_Ｓは、得られた試料のＦｅＯ（２００），Ｆｅ_３Ｏ_４（３１１），Ｆｅ_２Ｏ_３（１０４）の各回析線の強度であり、Ｉ_０は、標準物質の同じミラー指数による回析線の強度である。標準物質としては、市販の試薬を用い、各測定は同一条件になるように注意して行った。
【００２６】
図３に、バーナーへの酸素ガス供給量に対する得られた酸化鉄の組成を示す。この結果から、酸素ガス供給量の増加とともにＦｅＯ組成が減少してＦｅ_２Ｏ_３が増加し、酸化が促進されていることがわかる。また、Ｆｅ_３Ｏ_４は、酸素ガス供給量が８Ｎｍ^３／ｈまでは増加するが、ここで極大値である８０％となり、以降は減少する。
【００２７】
このことから、Ｆｅ_３Ｏ_４の生成量が極大となる酸素ガス供給量８Ｎｍ^３／ｈは、火炎内雰囲気の酸素分圧が、Ｆｅ_３Ｏ_４生成の最適値となっており、これを超えるとＦｅ_２Ｏ_３の生成に傾くものと考えられる。また、この極大値においてもＦｅ_２Ｏ_３が認められるが、これは、冷却過程でＦｅ_３Ｏ_４が酸化したものと考えられる。逆に、火炎中で生成したＦｅ_２Ｏ_３は、冷却過程でＦｅ_３Ｏ_４に還元することは困難と考えられる。
【００２８】
実験例２
プロパンガスの供給量を２Ｎｍ^３／ｈとし、酸素ガスの供給量を４〜２４Ｎｍ^３／ｈに変化させた以外は、実験例１と同様にして実験を行い、バーナーへの酸素ガス供給量と、得られた酸化鉄の組成との関係を調べた。その結果、図４に示すように、Ｆｅ_３Ｏ_４の生成量が極大となる酸素ガス供給量が、実験例１の８Ｎｍ^３／ｈから２倍の１６Ｎｍ^３／ｈになった以外は、実験例１と同様の結果、すなわち、プロパンガス供給量１Ｎｍ^３／ｈ当たりの酸素ガス供給量は８Ｎｍ^３／ｈが上限であり、これを超えて酸素ガスを供給するとＦｅ_３Ｏ_４の生成量が低下するという結果が得られた。また、両実験結果に基づいて酸素ガス供給量の下限を検討した。その結果、ＦｅＯの生成量などから、プロパンガス供給量１Ｎｍ^３／ｈ当たり酸素ガス供給量５Ｎｍ^３／ｈが下限であると判断した。したがって、プロパンガスの供給量に対する酸素ガスの供給量を５〜８倍に設定することにより、効率よくＦｅ_３Ｏ_４を生成できることがわかる。
【００２９】
実施例１
前記実験例１，２で塞いだ冷却用空気導入部１４を開放し、ここから冷却用空気（常温）を導入できるようにした。そして、酸素ガス供給量を５Ｎｍ^３／ｈとした以外は実験例１と同様の条件で、冷却用空気導入部１４からの冷却用空気導入量を１２００〜１８００Ｎｍ^３／ｈに変化させて得られる酸化鉄の組成を調べた。結果を図５に示す。この結果から、冷却用空気導入量を１２００Ｎｍ^３／ｈ以上とすれば、冷却過程での酸化を防止でき、酸化鉄中のＦｅ_３Ｏ_４を９０％以上にできることがわかる。
【００３０】
実施例２
冷却用空気導入量を１２００Ｎｍ^３／ｈに固定し、原料の粒径と得られた酸化鉄の粒径との関係を調べた。その他の条件は実施例１と同じとした。図６は原料の平均粒径が３５μｍ、図７は同じく５５μｍ、図８は同じく７５μｍの場合をそれぞれ示している。いずれの場合も、原料の粒径分布と得られた酸化鉄の粒径分布とが良く一致しており、原料の粒径がそのまま得られる酸化鉄の粒径となることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の球状マグネタイト粉の乾式製造方法及び装置によれば、所望の粒径，粒度分布の球状マグネタイト粉を簡単かつ確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を適用した製造装置の一例を示す系統図である。
【図２】同装置に用いるバーナーの一例を示す要部の断面図である。
【図３】実験例１における酸素ガス供給量と得られた酸化鉄の組成との関係を示す図である。
【図４】実験例２における酸素ガス供給量と得られた酸化鉄の組成との関係を示す図である。
【図５】冷却用空気導入量と得られた酸化鉄の組成との関係を示す図である。
【図６】原料の平均粒径が３５μｍの場合の原料の粒径分布と得られた酸化鉄の粒径分布との関係を示す図である。
【図７】原料の平均粒径が５５μｍの場合の原料の粒径分布と得られた酸化鉄の粒径分布との関係を示す図である。
【図８】原料の平均粒径が７５μｍの場合の原料の粒径分布と得られた酸化鉄の粒径分布との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…燃焼炉、１１…バーナー、１２…燃焼ゾーン、１３…冷却ゾーン、１４…冷却用空気導入部、１５…搬送用空気導入部、１６…搬送経路、１７…冷却ジャケット、２０…粉体捕集装置、２１…サイクロン、２２…バグフィルター、２３…吸引排気ブロワー、３１…原料通路、３２…燃料通路、３３…酸素通路、３５…燃焼室、４１…テーブルフィーダー、４２…空気圧縮機、４３…プロパンガス供給源、４４…酸素供給源

Claims

不定形海綿鉄粉を、プロパンガスと該プロパンガスの供給量に対する酸素の供給量が５〜８倍である酸素又は酸素富化空気との燃焼火炎中で溶融・酸化して球状化させた後、前記プロパンガスの供給量１Ｎｍ ^３当たり１２００Ｎｍ ^３以上の供給量で供給される冷却用気体に急速に接触させて冷却し、粉体捕集装置によって捕集することを特徴とする球状マグネタイト粉の乾式製造方法。
不定形海綿鉄粉を溶融・酸化して球状化させるための燃焼炉と、該燃焼炉で生成した球状マグネタイト粉を捕集するための粉体捕集装置とを備え、前記燃焼炉は、プロパンガスと酸素又は酸素富化空気との燃焼火炎中で前記不定形海綿鉄粉を溶融・酸化して球状化させるバーナーを装着した上部の燃焼ゾーンと、下部の冷却ゾーンとに区画され、前記燃焼ゾーンと前記冷却ゾーンとの間には、該冷却ゾーンに冷却用気体を導入する冷却用空気導入部が設けられ、前記冷却ゾーンの下部には、生成した球状マグネタイト粉を前記粉体捕集装置に搬送するための搬送用空気導入部と、粉体搬送経路とが設けられていることを特徴とする球状マグネタイト粉の乾式製造装置。
前記粉体捕集装置は、サイクロンとバグフィルターとを備え、前記バグフィルターの下流側には、吸引排気ブロワーが設けられていることを特徴とする請求項２記載の球状マグネタイト粉の乾式製造装置。