AT413082B

AT413082B - Verfahren und vorrichtung zum zerstäuben von flüssigkeitsfilmen

Info

Publication number: AT413082B
Application number: AT0102704A
Authority: AT
Original assignee: Imr Metalle Und Technologie Gm
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2005-11-15
Also published as: EP1768805A1; WO2005123311A1; ATA10272004A; US20070215712A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeitsfilmen.

Das Zerstäuben von Flüssigkeiten durch Gasverdüsung ist bekannt.

Beispielsweise ist aus der DE 197 58 111 A ein Verfahren zum Herstellen von Metallpulvern bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren tritt die Metallschmelze in Form eines Films aus einer Schmelzdüse mit schlitzförmiger Austrittsöffnung aus. Der Film wird von einer laminaren Gasströmung in einer Laval-Gasdüse stabilisiert und anschliessend fein zerstäubt. Die Produktivität des Düsensystems kann durch Verlängern des Düsenschlitzes ohne nachteilige Auswirkungen auf die Pulverqualität beliebig verändert werden.

Die bei dem Verfahren gemäss der DE 197 58 111 A1 verwendete Laval-Düse besitzt definitionsgemäss eine konvergierende-divergierende Geometrie und weist mindestens das kritische Druckverhältnis des verwendeten Gases vor und nach der Düse auf.

Nachteilig bei dem in der DE 197 58 111 A1 beschriebenen Verfahren ist die Notwendigkeit, dass die zu verdüsende Flüssigkeit (Schmelze) unter hohem Druck, beispielsweise 25 bar, in die Schmelzedüse eingebracht werden muss. Dies erfordert teure, grosse Druckbehälter. Beim Zerstäuben von Metallschmelzen ist das Herstellen und das Verarbeiten von grösseren Mengen Schmelze bei hohen Temperaturen in einem Druckbehälter unter Sicherheitsaspekten kritisch zu beurteilen, erhöht die Kosten und hemmt die grosstechnische Anwendung des Verfahrens.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine zum Durchführen desselben geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welches das (industrielle) feine Zerstäuben von Flüssigkeitsfilmen zur Herstellung von feinen Tröpfchen aus Metallschmelzen, erlaubt, ohne den verfahrenstechnischen Aufwand des Bereitstellens und Verarbeitens einer unter einem hohen Druck stehenden Schmelze.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruches 1 aufweist und mit einer Vorrichtung, welche die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungshauptanspruches besitzt.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren gelingt das Zerstäuben von Flüssigkeitsfilmen, die vor der Zerstäubung durch eine parallel strömende, laminare Gas-Strömung, deren Geschwindigkeit kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit ("unterkritische Gasströmung") stabilisiert worden sind, mit Hilfe von Gasstrahlen. Das erfindungsgemässe Verfahren ist für das Herstellen feiner Pulver, die sich aus den Tröpfchen der Flüssigkeit nach der Zerstäubung durch Abkühlen und Erstarren bilden, geeignet. Weiters können mit dem erfindungsgemässen Verfahren Halbzeuge aus diesen Tropfen aus Metall-Schmelze durch Erstarren derselben auf einem geeigneten Substrat hergestellt werden. Schliesslich ist das erfindungsgemässe Verfahren auch für das Herstellen von Pulvern z.

B. durch Sprühtrocknen geeignet, wenn es sich bei der zerstäubten Flüssigkeit um eine Lösung oder eine Dispersion handelt.

Überraschenderweise gelingt das Stabilisieren von Flüssigkeits-, insbesondere Schmelzefilmen erfindungsgemäss auch mit einer unterkritischen, laminaren Gasströmung, die in einer konvergierenden-divergierenden Venturi-Düse erzeugt wird. Hierzu wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren - je nach Ausführungsform - nur ein geringer unterkritischer oder gar kein Überdruck vor dem Einströmteil der Venturi-Düse im Vergleich zum Druck im Ausströmteil der VenturiDüse benötigt.

Der beim erfindungsgemässen Verfahren stabilisierte Flüssigkeitsfilm wird nicht unmittelbar nach

dem Durchtritt durch die engste Stelle der Venturi-Düse zerstäubt, sondern zerfällt erst in deutlichem Abstand von deren engsten Stelle auf Grund von Instabilitäten und unter dem Einfluss der Oberflächenspannung der Schmelze.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Flüssigkeitsfilm im Bereich der Wegstrecke zwischen der engsten Stelle der Venturi-Gasdüse und dem Selbstzerfallpunkt durch einen oder mehrere flache, lineare Gasstrahlen getroffen und gezielt zerstäubt werden.

Der Vordruck des aus den linearen Gasdüsen austretenden Verdüsungsgases kann zum Einstellen der Pulverfeinheit unabhängig vom Vordruck der den Flüssigkeitsfilm stabilisierenden Hilfsgasströmung eingestellt werden. Je höher der Vordruck des eigentlichen Verdüsungsgases eingestellt wird, desto kleiner sind die durch das erfindungsgemässe Zerstäuben erzielten Teilchen.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die zum Stabilisieren des Flüssigkeitsfilms in der Venturi-Düse notwendige Druckdifferenz durch die Ansaugwirkung der eigentlichen Zerstäubungsgasstrahlen einzustellen. Hiezu wird die Geometrie der Zerstäubungsgasstrahlen so gewählt, dass unterhalb der Venturi-Düse ein vollständig eingeschlossener Raum entsteht.

Der so entstehende Raum kann auch durch Bauelemente an den beiden Enden der linearen Venturi-Düse begrenzt werden.

Die Zerstäubungsstrahlen verhalten sich wie Freistrahlen und saugen Gasteilchen aus der sie umgehenden Gasatmosphäre an. Hiedurch entsteht im Ansaugbereich ein Unterdruck. Durch den Unterdruck im von dem Zerstäubungsgasstrahlen eingeschlossenen Volumen im Auslaufteil der Venturi-Düse entsteht gegenüber dem Gasraum im Einlaufteil der Venturi-Düse ein Druckgefälle, wodurch eine Strömung in der Venturi-Düse ausgebildet wird. Im Gasraum oberhalb der Venturi-Düse wird der Druck durch Einbringen von Gas konstant gehalten, sodass sich schliesslich konstante Druck- und Strömungsverhältnisse einstellen. Die Hilfsgasströmung in der Venturi-Düse kann nun zum Stabilisieren des Schmelzefilms eingesetzt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen von Vorrichtungen zum Durchführen des Verfahrens. Es zeigt: Fig. 1 schematisch und in Seitenansicht eine Anordnung zum erfindungsgemässen Zerstäuben und Fig. 2 in Schrägansicht eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung gemäss der Erfindung.

Wenngleich die Erfindung nachstehend mit Bezug auf eine Metallschmelze als "Flüssigkeit" beispielhaft beschrieben wird, ist sie nicht auf Metallschmelze beschränkt, sondern für das Zerstäuben beliebiger Flüssigkeiten mit dem Ziel feine Flüssigkeitströpfchen zu erzeugen, geeignet.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird Metallschmelze 2 sich zunehmend verjüngend einer Schmelzedüse 3 zugeführt. Die Düse 3 hat eine schlitzförmige Austrittsöffnung, so dass aus ihr die Schmelze filmförmig austritt. Im Abstand unterhalb der Austrittsöffnung der Schmelzedüse 3 ist beidseits des Films je eine Gasdüse 5, die als Venturi-Düsen ausgebildet sind, vorgesehen, der durch die Pfeile 6 symbolisiert Zerstäubungsgas linear zugeführt wird.

Durch das aus den Gasdüsen 5 austretende Gas entsteht ein Unterdruck, der aus dem Gasraum 1 Gas in Richtung der Pfeile 4 ansaugt. Durch die in Richtung der Pfeile 4 angesaugten und von beiden Seiten her auf den Schmelzefilm treffenden Gasströme wird der aus der Düse 3 austretende Schmelzefilm stabilisiert. Erst im Bereich der Mündungen der Gasdüsen 5 wird der Schmelzefilm zu einem zeltförmigen Partikelsprühkegel 8 zerstäubt.

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 schematisch gezeigte Anordnung nochmals in Schrägansicht. Es ist

erkennbar, dass auch hier der Schmelzefilm, der aus der Düse 3 austritt unter der Einwirkung der Zerstäubungsgasstrahlen (linearer Strahl), die aus den Gasdüsen 5 austreten, zu einem zeltförmigen Partikelsprühkegel 8 zerstäubt wird.

Nachstehend werden nicht beschränkende Beispiele für das erfindungsgemässe Verfahren wiedergegeben.

Beispiel 1: (Unterdruck an Venturidüse durch Ansaugeffekt der Verdüsungsgasstrahlen) Eine Zinnschmelze mit einer Temperatur von 300 C fliesst aus einer linearen Schmelzedüse mit einer Auslauföffnung von 0,5 mm Breite und einer Länge von 30 mm aus. Der Schmelzemassenstrom beträgt 4,6 kg/min. Die Venturidüse besteht aus zwei Einzeldüsen mit je einer schlitzförmigen Gasaustrittsdüse der Abmessung 40 mm Länge und 0,5 mm Breite. Der Zerstäubungsgasdruck vor der Gasdüse beträgt 0,6 MPa. Der Winkel zwischen den Zerstäubungsgasdüsen beträgt 60 . Der Abstand zwischen den beiden linearen Venturidüsen beträgt 6 mm an der engsten Stelle. Als Verdüsungsgas und als Stabilisierungsgas wird Luft verwendet. Es baut sich eine stabilisierende Gasströmung durch die gesamte Venturidüse auf.

In diese Gasströmung wird der aus der Schmelzedüse austretende Schmelzefilm eingespeist, stabilisiert und schliesslich zerstäubt. Nach der Erstarrung der Metalltröpfchen wird ein Pulver mit einer lasergranulometrisch gemessenen mittleren Korngrösse d50 von 37 um erhalten.

Beispiel 2 : (geringer Überdruck oberhalb der Venturidüse) Aus einer linearen Schmelzedüse mit einer rechteckigen Öffnung von 0,7 x 20 mm tritt Zinnschmelze mit einem Massenstrom von 5,1 kg/min aus. Der Überdruck des den Schmelzefilm stabilisierenden Hilfsgases vor der Venturidüse beträgt 0,85 bar, der Kesselüberdruck hinter der Venturidüse beträgt 0,02 bar. 5 mm unterhalb der engsten Stelle der Venturidüse wird der bis dorthin stabile Schmelzefilm von zwei flachen Gasstrahlen getroffen, die aus linearen Lavaldüsen mit einem engsten Querschnitt von 0,5 x 35 mm ausströmen und sich gemeinsam mit dem Schmelzefilm in einer Linie treffen. Der Druck des Verdüsungsgases vor den linearen Lavaldüsen beträgt 28 bar. Der Film wird zerstäubt, und nach Erstarren der Tröpfchen wird ein Pulverprodukt mit einem mittleren Korndurchmesser d50 von 9,1 um erhalten.

Der spezifische Gasverbrauch beträgt bei Verwendung von Stickstoff als Hilfs- und Verdüsungsgas 1,7 Nm3/kg Pulver.

Beispiel 3 : Bei diesem Beispiel wurde so wie in Beispiel 2 gearbeitet, wobei jedoch eine Druckdifferenz durch Absaugen im Abgassystem dadurch hergestellt wird, dass eine Vakuumpumpe unterhalb der Venturidüse einen Unterdruck von 0,02 MPa erzeugt.

Die mittlere Korngrösse beträgt 9,3 um, der spezifische Gasverbrauch 1,4 Nm3/kg Pulver.

Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt dargestellt werden : Zum Zerstäuben von Flüssigkeitsfilmen in feine Tröpfchen wird die Flüssigkeit 2 in Form eines geraden Films aus einer gestreckten Schlitzdüse 3 austreten gelassen. Die Austrittsöffnung der Schlitzdüse 3 befindet sich innerhalb einer linearen Venturi-Düse 5, in deren divergenten Teil lineare Gasaustrittsöffnungen 7 (Laval-Düsen) eingelassen sind, die mit Gas 6 beaufschlagt werden. Durch den im Bereich der Laval-Düsen 7 entstehenden Unterdruck werden aus beidseits des Flüssigkeitsfilmes angeordneten, vom konvergenten Teil der Venturi-Düse 5 begrenzten Gasraum 1 Gasströme 4 angesaugt, die den Flüssigkeitsfilm stabilisieren, so dass dieser erst nach dem Durchtritt durch die engste Stelle der Venturi-Düse 5 zu einem zeltförmigen Kegel aus Flüssigkeitströpfchen zerstäubt wird.

Claims

Patentansprüche : 1. Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigkeiten mit Hilfe von Gas, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in Form eines Films aus einer linearen Flüssigkeitsdüse austreten ge- lassen wird, dass der Film durch eine laminare, unterkritische Hilfsgasströmung innerhalb einer linearen konvergierenden-divergierenden Venturidüse stabilisiert wird und dass un- terhalb der engsten Stelle der Venturidüse durch ein Verdüsungsgas der Flüssigkeitsfilm zerstäubt wird, wobei das Verdüsungsgas aus wenigstens einer Gasdüse, vorzugsweise wenigstens einer linearen Gasdüse, im divergierenden Teil der Venturidüse austritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Gasdrucks vor der Venturidüse zum Gasdruck nach der Venturidüse kleiner gewählt wird als das kriti- sche Druckverhältnis des verwendeten Hilfsgases.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vordruck vor der wenigstens einen Gasdüse, aus der das Verdüsungsgas austritt, kleiner als 200 bar, vor- zugsweise kleiner als 35 bar, gewählt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erzeugen der stabilisierenden Hilfsgasströmung erforderliche Druckdifferenz durch das Ansaugen von Gasteilen durch den aus der wenigstens einen Gasdüse austretenden Strahl Verdüsungsgas erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erzeugen der stabilisierenden Hilfsgasströmung erforderliche Druckdifferenz dadurch er- zeugt wird, dass oberhalb der Venturidüse ein erhöhtes Druckniveau eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erzeugen der stabilisierenden Hilfsgasströmung erforderliche Druckdifferenz durch Absau- gen von Gas unterhalb der Venturidüse erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen Verdüsungsgas bezüglich des aus der Düse austretenden Flüssigkeitsfilms unterschiedlich grosse Winkel haben, derart, dass der Flüssigkeitsfilm zunächst von dem unter grösserem Winkel austretenden Verdüsungsgasstrahl zerstäubt wird, wogegen der zweite unter klei- nerem Winkel austretende Verdüsungsgasstrahl das unter der Wirkung des ersten Verdü- sungsgasstrahls entstandene Aerosol ein zweites Mal zerstäubt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verdü- sende Flüssigkeit eine Schmelze eines Metalls oder einer Legierung, eines Salzes, eines Kunststoffs, eines Wachses oder eines Zuckers ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zu zerstäubenden Flüssigkeit um eine Lösung oder eine Suspension handelt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Zerstäuben aus der Flüssigkeit gebildeten Tröpfchen sprühgetrocknet werden.
11. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düse mit einem langgestreckten Austrittsschlitz für die zu zerstäubende Flüssigkeit, insbesondere die Schmelze, vorgesehen ist, dass beidseits der Austrittsöffnung der Düse (3) langgestreckte schlitzförmige Öffnungen für den Zutritt von den aus der Düse (3) austretenden Flüssigkeitsfilm stabilisierenden Hilfsgas- strömungen vorgesehen sind, und dass der Abstand unterhalb der Schmelzedüse wenigs- tens eine Düse für den Austritt von den Flüssigkeitsfilm zerstäubenden Gas vorgesehen ist. <Desc/Clms Page number 5>
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Venturidüse und die Gasdüsen, aus denen das Verdüsungsgas austritt, eine konstruktive Einheit bilden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Venturidüse und die Gasdüsen, aus denen das Verdüsungsgas austritt, gesonderte Bauteile sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gasdüsen, aus denen Verdüsungsgas austritt, vorgesehen sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass beide Gasdüsen bezüglich des aus der langgestreckten Schlitzdüse (3) austretenden Flüssig- keitsfilms bei gleichem Winkel ausgerichtet, also symmetrisch, angeordnet sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas- düsen, aus denen das Verdüsungsgas austritt, unter unterschiedlichen Winkeln, also un- symmetrisch, ausgerichtet sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas- düsen, aus denen das Verdüsungsgas austritt, Laval-Düsen sind.