Verfahren und Vorrichtung zum Zerkleinern eines Materials Das übliche Verfahren, um Metalle und andere feste Stoffe zu pulverisieren, besteht darin, dass diese Stoffe in Mühlen oder ähnlichen Anlagen zermahlen werden. Es ist auch bekannt, ein geschmolzenes Metall in einem oder mehreren Strahlen auf eine sich mit hoher Geschwindigkeit drehende Scheibe zu lenken, so dass das Metall zu feinen Drähten oder Strängen erstarrt, die dann zu Pulver zermah len werden. Weiterhin ist es bekannt, gegen einen Strahl geschmolzenen Metalls Luft oder ein Gas zu blasen und ihn dadurch zu pulverisieren.
Hier bei ist es weiterhin bekannt, den Luftstrahl zur Erzeugung eines Verdichtungsstosses mit überschall- geschwindigkeit konzentrisch der Oberfläche des Me- tallschmelzenstrahles zuzuleiten.
Das nach den bisher bekannten Verfahren her gestellte Pulver enthält jedoch sehr unterschiedliche Korngrössen. Auch konnten mit Gas- oder Luft strahlen, auch wenn diese der Erzeugung eines Ver dichtungsstosses mit Überschallgeschwindigkeit zuge leitet wurden, nur Flüssigkeiten, z. B. Metallschmel zen, zerstäubt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das zuletzt erwähnte Verfahren zum Zerkleinern, z. B. Pulverisieren, Zerstäuben oder Aufschliessen, eines bei Zimmertemperatur festen Materials, bei dem ein mit Überschallgeschwindigkeit der Oberfläche des Materials zugeleiteter Gasstrom benutzt wird, so zu verbessern, dass eine gute und gleichmässige Zer kleinerung in feinste Teilchen von etwa 0,1 bis 100 ,/G nicht nur von Material in flüssigem, sondern auch in festem Aggregatzustand ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemä ssen Verfahren dadurch gelöst, dass im Gasstrom eine schwingende Stossfront erzeugt wird.
Besonders vorteilhafte Verhältnisse ergeben sich, wenn als zu bearbeitendes Material ein fester, vor- zugsweise metallischer Stoff und als Gas ein be züglich des zu bearbeitenden Materials inertes oder reduzierend wirkendes Gas verwendet werden. Auch kann es von Vorteil sein, dass das Gas vorgewärmt wird. Besonders vorteilhafte Ergebnisse ergeben sich bei Ultraschallfrequenzen von 40 bis 100 kHz.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vor richtung zum Durchführen des Verfahrens, bei der mindestens eine Austrittsöffnung einer Gaszuleitung ringförmig um die Bearbeitungsstelle des Materials angeordnet ist. Die Erfindung besteht darin, dass in der Gaszuleitung bei der Austrittsöffnung ein Generator zur Erzeugung einer mit Ultraschallfre quenz schwingenden Stossfront vorhanden ist. Da durch wird die Möglichkeit geschaffen, die Wellen durch die Austrittsöffnung gebündelt unmittelbar der Bearbeitungsstelle des Materials zuzuführen, ohne dass diese Wellen vorher an festen Wänden reflek tiert werden müssen.
Hierbei ist es vorteilhaft, die Austrittsöffnungen für den Gasstrom im wesentlichen quer zur Materialzuführungsrichtung anzuordnen. Dadurch wird eine konzentrische Bündelung der Wellen und gleichzeitig eine sukzessive Bearbeitung des jeweils zugeführten Materials ereicht.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren und mit den erfindungsgemässen Vorrichtungen kann nicht nur festes und verflüssigtes Material, insbesondere Metall, sehr fein und gleichmässig pulverisiert werden, sondern es ist auch möglich, andere, z. B. organische Stoffe, aufzuschliessen oder zu zersetzen.
Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung an Hand von zwei Ausführungsbeispielen von Vor richtungen gemäss der Erfindung im einzelnen er läutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Ausfüh rungsbeispiel einer Vorrichtung gemäss der Erfin dung, Fig.2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in grösserer Darstellung, Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine Ausfüh rungsvariante einer Vorrichtung gemäss der Erfin dung, bei der die Düsenlöcher gemäss Fig. 2 durch parallele Schlitze ersetzt sind.
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Schmelztiegel 1 mit einer elektrischen Heizvorrichtung 2 zum Schmelzen eines in ihn eingebrachten Metalles 3 (z. B. Zink oder Blei) versehen. Durch ein Loch 4 im Boden des Tiegels 1 strömt ein Strahl 5 des geschmolzenen Metalls und fällt in einen Mittel kanal 6 eines Erzeugers 7 einer schwingenden Stoss front, wo das Metall pulverisiert wird. Das pulveri sierte Metall wird in einem Behälter 7a gesammelt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht der Erzeuger der schwingenden Stossfront aus drei Hauptteilen 8, 9 und 10, die miteinander starr, beispielsweise mittels Schraubgewinden 11, 12, verbunden sind. Die Teile 8, 9 und 10 sind im wesentlichen ring förmig. Der Teil 8 bildet den Mittelkanal 6, der mit feuerfestem, z. B. keramischem Material ver kleidet ist. An diesem Teil befindet sich ein Kranz kleiner Sacklöcher 13. Auf jeder Seite eines jeden Sackloches 13 sind Vertiefungen 14 und 15 vor gesehen.
Im Teil 9 sind Vertiefungen 16 und 17 den Vertiefungen 14 bzw. 15 direkt gegenüber derart angeordnet, dass die Vertiefungen 14 und 16 ge meinsam einen und die Vertiefungen 15 und 17 gemeinsam einen weiteren Hohlraum bilden. Diese Räume wirken als Reflektoren. Ein Spalt 18 er streckt sich von den Vertiefungen 15, 17 an den Sacklöchern 13 vorüber in den Mittelkanal 6 und bildet dadurch eine in diesen mündende ringförmige Austrittsöffnung 18'. Koaxial zu jedem Sackloch 13 ist eine Düse 19 angeordnet.
Diese Düsen 19 stehen ihrerseits in Verbindung mit einer durch die Teile 9 und 10 gebildeten kreisförmigen Druckkammer 20, in die unter überkritischem Druck (mindestens 0,9 atü, jedoch vorzugsweise 20-40 atü) durch eine Leitung 21 ein Gas hineingeleitet wird, das mit Überschallgeschwindigkeit aus der Austrittsöffnung 18' austritt und dem zu zerkleinernden Material zugeführt wird.
Die beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt: Beim Zuführen von Druckluft oder einem an deren Gas (z. B. Wasserstoff) durch die Leitung 21 und Ausströmen durch die Düsen 19 wird eine schwingende Stossfront erzeugt, die sich über den Spalt 18 erstreckt. Die dadurch entstehenden Gas schwingungen treffen auf das zu pulverisierende Ma terial 5. Die ausserordentlich hohe, sich auf eine kleine Stelle konzentrierende Energie der schwingen den Stossfront bewirkt einen starken Pulverisierungs- effekt, der in der Regel auch eine rasche Erhitzung mit sich bringt. Das pulverisierte Material fällt m den Behälter 7a hinunter.
Es hat sich erwiesen, dass selbst, wenn der feste Stoff, z. B. ein Metall, sich während der Pulveri- sierung bis zum Glühen erhitzt, nur ein kleiner Prozentsatz Oxyd (etwa 2-3 0,'o) in dem pulverisier ten Material im Behälter 7a erhalten wird, obwohl sich der Vorgang in der Luft, also nicht in einer Schutzgasatmosphäre, abspielt.
Bei der Erzeugung der schwingenden Stossfront in der dargestellten Vorrichtung handelt es sich um einen komplizierten Verlauf. Soweit bisher feststell bar ist, geht er etwa folgendermassen vonstatten: Die Erzeugung geht in drei Etappen vor sich: 1. Es wird eine schwingende Stossfront erzeugt, wenn die Luft oder das Gas mit überschallgeschwindig- keit durch die Düsen 19 entweicht.
2. In den Sacklöchern 13 werden Ultraschallwellen erzeugt.
3. Die schwingende Stossfront, die eine gewölbte Wellenfront hat und im Spalt 18 instabil ist, bewirkt Kippschwingungen.
Unter Kippschwingungen (auch Relaxations- schwingungen genannt) werden selbsterregte Schwin gungen verstanden, deren Frequenz durch die Dauer von Auf- und Entladezeiten (Relaxationszeiten) und nicht durch Eigenschwingungen bestimmt wird, wo bei die Frequenz nicht konstant und stark von den Betriebsbedingungen abhängig ist.
Das durch eine Düse 19 mit überschallgeschwin- digkeit hinausjagende Gas schafft somit eine Stoss wellenfront, die in Beziehung zur Mündung der Löcher 13 vor- und zurückpendelt. Da die Stoss wellenfront instabil ist, wirkt sie wie ein hin- und zurückgehender Kolben, der die Kippschwingungen erzeugt. Die Breite des Spaltes 18 muss sehr sorg fältig gewählt werden, damit tatsächlich Kippschwin- gungen erzeugt werden.
Es ist hervorzuheben, dass die Ultraschallwellen kleine Amplituden und geringe Energiedichte haben und dass sie ferner leicht von festen Stoffen reflek tiert werden, wobei es sich im wesentlichen um eine Totalreflektion handelt. Aus diesem Grunde ist die Energieübertragung von Ultraschallwellen auf einen festen Körper nur gering.
Die Energie wird vom festen Stoff so stark ab sorbiert, dass ein starker Pulverisierungseffekt be wirkt wird. Dieser Effekt lässt sich durch Vorwär- mung oder Schmelzen des Stoffes noch erhöhen, da dann die Energieübertragung von der schwingen den Stossfront auf den Stoff noch verstärkt wird. Das durch die Leitung 21 zugeführte Gas kann gegebenenfalls vorerwärmt werden.
Die Energiedichte der schwingenden Stossfront steigert sich mit dem Quadrat der Amplitude und dem Quadrat der Frequenz. Dies ist bei der Dimen sionierung der beschriebenen Vorrichtung zu beach ten. Gebührende Beachtung ist ferner dem Druck und Charakter des Gases, der Grösse, Gestaltung und relativen Lage der Vertiefungen, der Breite des Spaltes usw. zu widmen.
Bei der Dimensionierung der beschriebenen Vor richtung sind alle wesentlichen Faktoren sorgfältig zu beachten, so dass wirklich eine schwingende Stoss front erhalten wird und ausreichend hohe Frequenz, z. B. 40 000 bis 100 000 Schwingungen pro Sekunde hat. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein Gasdruck von 30 atü und 80000 Schwin gungen pro Sekunde angewendet. Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf diese Werte beschränkt.
Der Durchmesser der Löcher 13 kann etwas grösser gehalten werden als der Durchmesser der Düsen 19. Anderseits können die Düsen 25 einen grösseren Durchmesser erhalten als die Löcher 27. In gewissen Fällen können parallele Schlitze die Löcher ersetzen. Die Druckluft kann man somit durch einen ringförmigen Schlitz gegen eine Kante blasen, die ebenfalls ringförmig ist und einen Rand einer toroidförmigen Resonatorkammer bildet.
Di rekt gegenüber dieser Resonatorkammer liegt eine weitere, ebenfalls toroidförmige Resonatorkammer. Diese beiden Kammern wirken auch als Reflekto ren und in dem Schlitz oder Spalt zwischen ihnen wird die schwingende Stossfront erzeugt.