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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallgranulat und insbesondere zur Herstellung von Leichtmetallgranulat.
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Unter einem Metallgranulat wird eine Menge in loser Schüttung befindlicher Granulatkörner verstanden, wobei die Granulatkörner bspw. rund, elliptisch, linsenförmig oder dergleichen ausgebildet sein können. Solche Metallgranulate werden unter anderem für das Metallspritzgießen (Thixomolding) verwendet. Metallgranulate sind, vor allem im Hinblick auf die Herstellung und Verarbeitung, grundsätzlich zu unterscheiden von Metallpulvern, wie diese bspw. für Sinterverfahren verwendet werden.
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Aus der
DE 10 2009 010 600 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallgranulat bekannt. Die vorbekannte Vorrichtung dient der Herstellung von Magnesiumgranulat aus der Flüssigphase. Die vorbekannte Vorrichtung und die damit einhergehende Vorgehensweise bei der Herstellung von Metallgranulat weist diverse Nachteile auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallgranulat anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Metallgranulat umfasst zumindest folgende Komponenten bzw. Einrichtungsbestandteile:
- – eine Ofeneinrichtung, mit der eine flüssige Metallschmelze bereitgestellt werden kann;
- – wenigstens eine Extrudereinrichtung, mit der die bereit gestellte Metallschmelze in einem herabgekühlten und halbfesten Zustand mit Druck durch eine formgebende Matrize gepresst wird, wobei bzw. wodurch halbfeste Granulatstückchen gebildet werden; und
- – eine Auffangeinrichtung, mit der die halbfesten Granulatstückchen so aufgefangen werden können, dass diese im Weiteren zu Granulatkörnern erstarren können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich zu der vorbekannten Vorrichtung unter anderem dadurch, dass die flüssige Metallschmelze nicht direkt durch Abtropfen verarbeitet wird, sondern zunächst abgekühlt und durch dieses Abkühlen in einen halbfesten Zustand überführt und dann verarbeitet wird. Hierdurch können Heizeinrichtungen und Isolierungen, die zur Aufrechterhaltung des flüssigen Schmelzezustands dienen, entfallen oder zumindest minimalistisch ausgelegt werden. Ferner ergeben sich z. B. energetische Vorteile und auch Kostenvorteile. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass aufgrund des Abkühlens der Metallschmelze und der sich hieraus ergebenden niedrigeren Temperatur unter Umständen auf die in der
DE 10 2009 010 600 A1 erwähnte Schutzgasatmosphäre für die als Zwischenprodukt gebildeten halbfesten Granulatstückchen verzichtet werden kann.
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Unter einem „halbfesten Zustand” wird ein Zustand bezeichnet, in dem der zu verarbeitende Metallwerkstoff eine breiige, pastöse oder teigige Konsistenz aufweist, die sich daraus ergibt, dass der erwärmte Metallwerkstoff sowohl flüssige als auch feste Bestandteile aufweist. Dieser Zustand wird auch als Semi-Solid-Phase bezeichnet. Demnach dient die erfindungsgemäße Vorrichtung der Herstellung von Metallgranulat aus der Semi-Solid-Phase.
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Da der zu verarbeitende Metallwerkstoff im halbfesten Zustand bzw. im Semi-Solid-Zustand eine größere Viskosität als im flüssigen Schmelzezustand aufweist, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung (wenigstens) eine Extrudereinrichtung, mit der der trotz Abkühlung immer noch eine hohe Temperatur aufweisende Metallwerkstoff mit ausreichendem Druck durch eine formgebende Matrize gepresst werden kann, wobei der Pressvorgang bzw. Ausbringvorgang durch die Matrize insbesondere gleichmäßig bzw. kontinuierlich erfolgen kann. Bei der Extrudereinrichtung handelt es sich bevorzugt um einen Schneckenextruder. Bei der Extrudereinrichtung kann es sich aber auch um einen Kolbenextruder handeln.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Matrize der Extrudereinrichtung eine Vielzahl von Düsenöffnungen aufweist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Matrize auswechselbar bzw. austauschbar an der Extrudereinrichtung angeordnet ist und somit gegen eine andere Matrize, bspw. mit einer anderen Anzahl von Düsenöffnungen und/oder mit anderen Düsenöffnungsgeometrien, ausgetauscht werden kann, um hierüber die Geometrie bzw. Form der hergestellten Granulatkörner verändern zu können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für einen präzisen und störungsfreien Langzeitbetrieb ausgelegt.
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Neben den bereits genannten Vorteilen sind weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin zu sehen, dass kostengünstig bzw. wirtschaftlich ein weitgehend verunreinigungsfreies Metallgranulat hergestellt werden kann und dass bei der Herstellung keine Metallstäube anfallen, die gesundheitsgefährdend, umweltbelastend und/oder sicherheitskritisch (bspw. Explosionsgefahr von Magnesiumstäuben) sein können. Ein weiterer Vorteil ist auch darin zu sehen, dass enge Legierungstoleranzen eingehalten werden können.
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Bei der zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gehörenden Ofeneinrichtung kann es sich um einen Schmelzofen oder um einen Warmhalteofen handeln. Bei der Auffangeinrichtung kann es sich bspw. um einen Drehteller (bzw. eine Drehscheibe), ein Förderband oder dergleichen handeln, der bzw. das mit Abstand unterhalb der Extrudereinrichtung und insbesondere unterhalb dessen Matrize angeordnet ist, so dass die noch heißen Granulatstückchen schwerkraftbedingt darauf fallen und im weiteren zu Granulatkörnern erstarren und insbesondere im Weiteren auch auskühlen können. Der Drehteller kann mit einer Kühleinrichtung, die bspw. an der Unterseite angeordnet ist, ausgebildet sein. Die erstarrten Granulatkörner können mit einer Abstreifeinrichtung, einer Absaugeinrichtung, einer Abblasvorrichtung oder dergleichen vom Drehteller entfernt und der weiteren Verwendung zugeführt werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Granulatkörner für ein Metallspritzgießen (Thixomolding) verwendet werden sollen, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere auch das Herstellen von Metallgranulat vor Ort ermöglicht.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Förderleitung, wie insbesondere ein Förderrohr oder dergleichen, umfasst, durch die hindurch die Metallschmelze von der Ofeneinrichtung zu der Extrudereinrichtung gefördert werden kann. Die Beförderung kann durch eine Pumpe (Schmelzepumpe), durch Druckbeaufschlagung des Ofenraums und/oder durch Schwerkraft erfolgen. Anstelle einer solchen Förderleitung kann die Extrudereinrichtung auch direkt, bspw. über einen Verbindungsflansch, mit der Ofeneinrichtung verbunden sein.
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Die Förderleitung von der Ofeneinrichtung zur Extrudereinrichtung kann mit wenigstens einer Heizeinrichtung ausgebildet sein, um den flüssigen Zustand der durchfließenden Metallschmelze aufrecht zu erhalten. Ein anderes Konzept sieht vor, dass die Förderleitung mit wenigstens einer Kühleinrichtung ausgestattet ist, um eine Abkühlung der Metallschmelze, insbesondere in einen halbfesten Zustand, herbeiführen zu können, bevor diese in die Extrudereinrichtung einströmt bzw. eintritt. Eine solche Kühleinrichtung kann z. B. mit Kühlrippen (passive Kühlung oder aktive Kühlung mit Gebläse) oder durch eine Ummantelung mit Kühlrohren (aktive Kühlung) realisiert werden.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Extrudereinrichtung mit wenigstens einer Kühleinrichtung ausgestattet ist, um eine Abkühlung der Metallschmelze in einen halbfesten Zustand innerhalb der Extrudereinrichtung herbeiführen zu können. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung eine Abkühlung der Metallschmelze entlang der Förderstrecke im Extruderraum ermöglicht, so dass die dem Extruderraum zugeführte flüssige Metallschmelze entlang der Förderstrecke zur Matrize sukzessive bis in den halbfesten Zustand abkühlbar ist bzw. abgekühlt werden kann.
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Die abgekühlte und sich im halbfesten Zustand befindende Metallschmelze kann beim Pressen durch die Matrize zu einzelnen drahtähnlichen Strängen geformt werden (strangartiges Ausbringen), deren Durchmesser sich aus dem jeweiligen Düsenöffnungsdurchmesser ergibt. Weisen die Stränge eine bestimmte Konsistenz auf, können diese nach dem Ausbringen von selbst in einzelne Granulatstückchen zerfallen. Ferner kann vorgesehen sein, dass die durch die Matrize ausgebrachten drahtähnlichen Stränge zunächst abgekühlt und dann durch Rütteln oder Zerschneiden in Granulatstückchen zerteilt werden. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine Messereinrichtung oder dergleichen umfasst, mit der die abgekühlte und durch die Matrize gepresste Metallschmelze, wobei diese insbesondere zu einzelnen Strängen geformt wird, direkt an der Matrize in halbfeste Granulatstückchen geschnitten werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient vorrangig der Herstellung von Leichtmetallgranulat und insbesondere Magnesiumgranulat. Das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte Leichtmetallgranulat bzw. Magnesiumgranulat wird vorrangig für ein Metallspritzgießen (Thixomolding) verwendet. Als Ausgangsmaterial für eine Magnesiumgranulatherstellung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt insbesondere auch Recyclingmaterial in Betracht. Das geschmolzene Recyclingmaterial kann mit frischem Magnesiummaterial, insbesondere mit speziellen Legierungen hiervon, gemischt werden.
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Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Granulatkörner, wobei es sich vorzugsweise um Leichtmetallgranulatkörner und insbesondere um Magnesiumgranulatkörner handelt, weisen bevorzugt eine linsenförmige Gestalt auf, vorzugsweise mit einem Durchmesser von etwa 2,0 mm bis etwa 12,0 mm, insbesondere von etwa 4,0 mm bis etwa 8,0 mm, und mit einer Dicke von etwa 1,5 mm bis etwa 6,0 mm, insbesondere von etwa 2 mm bis etwa 4 mm. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können somit vor allem auch größere Granulatkörner hergestellt werden, was durch andere Herstellungsverfahren, insbesondere durch spanende Herstellungsverfahren, nicht oder nur mit großem Aufwand möglich ist. Bei spanenden Herstellungsverfahren besteht zudem das Problem der Metallstaubbildung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Siebeinrichtung (bzw. Klassieranlage) zur Klassierung der hergestellten Granulatkörner umfassen. Mit dieser Siebeinrichtung kann das Metallgranulat nach dem Granulierungsprozess gesiebt werden, um eventuell anfallendes Unter- oder Überkorn zu entfernen.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die nicht maßstabsgerechten Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Magnesiumgranulat.
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2 zeigt in einer Draufsicht die Matrize der zur Vorrichtung aus 1 gehörenden Extrudereinrichtung.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 100 zur Herstellung von Magnesiumgranulat umfasst eine Ofeneinrichtung 110 und eine Extrudereinrichtung 120 die über eine Förderleitung 130 miteinander verbunden sind. Im Ofenraum der Ofeneinrichtung 110 befindet sich eine flüssige Magnesiumschmelze M die eine Temperatur zwischen 650°C bis 690°C aufweist. Mit 111 sind zu einer Heizeinrichtung gehörende Heizelemente bezeichnet, wobei es sich bspw. um Heizbänder und Heizpatronen handeln kann.
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Die im Ofenraum befindliche Magnesiumschmelze M kann durch die Förderleitung 130 der Extrudereinrichtung 120 zugeführt werden. Die Zuführung zur Extrudereinrichtung 120 erfolgt durch Druckbeaufschlagung des Ofenraums mit Schutzgas S, was durch die Pumpe 112 bewerkstelligt wird, und durch Schwerkrafteinwirkung. Gegebenenfalls ist auch eine reine Schwerkraftförderung ausreichend. Mit 114 sind Messsensoren für Temperatur und Druck bezeichnet. Die Förderleitung 130 ist mit einer Heizeinrichtung 131 (bspw. in Form von Heizbändern) ausgestattet, um den flüssigen Zustand der durchfließenden Magnesiumschmelze M aufrecht zu erhalten.
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Bei der Extrudereinrichtung 120 handelt es sich um einen Schneckenextruder mit einer Schneckenwelle 123 die rotierbar im Extruderraum 122 angeordnet ist. Die Extrudereinrichtung 120 ist mit einer Kühleinrichtung 121 (bspw. in Form von Kühlrohren oder Kühlrippen) ausgestattet, mit der eine Abkühlung der Magnesiumschmelze M innerhalb der Extrudereinrichtung 120 bewerkstelligt werden kann, so dass die Magnesiumschmelze M, während diese mit der Schneckenwelle 123 durch den Extruderraum 122 gefördert wird, abkühlt, hierbei in einen halbfesten Zustand (Semi-Solid-Phase) überführt wird und in diesem halbfesten Zustand schließlich mit hohem Druck durch die Matrize 124 gepresst werden kann. In anderen Worten formuliert heißt dies, dass die flüssige Magnesiumschmelze M zunächst auf einen halbfesten Semi-Solid-Zustand abgekühlt wird, bevor diese mit Hilfe der Extruderwelle bzw. -schnecke 123 durch die Matrize 124 bzw. deren Bohrungen 125 gedrückt bzw. gepresst wird. Somit ist quasi ein Granulieren direkt aus der Semi-Solid-Phase gegeben. Die Temperatur der halbfesten Magnesiumschmelze beträgt beim Pressen durch die Matrize 124 bspw. 580°C bis 620°C. Die Abkühlung entlang der Förderstrecke im Extruderraum 122 ist mit dem Pfeil A veranschaulicht.
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Die durch die Matrize 124 gepresste Magnesiumschmelze M wird mit den Düsenbohrungen bzw. Düsenöffnungen 125 (siehe 2) zu einzelnen drahtähnlichen Strängen geformt, die direkt am Austritt der Matrize 124 mit einer Messereinrichtung 140 in halbfeste Granulatstückchen G geschnitten werden. Die Messereinrichtung 140 kann mit einer sich zyklisch hin und her bewegenden Klinge oder mit einer rotierenden Klinge (Schaberprinzip) ausgebildet sein. Die Granulatstückchen G werden von einer Auffangeinrichtung 150 aufgefangen und können zu Magnesiumgranulatkörnern K erstarren. Die Granulatstückchen G können bereits beim Auftreffen auf die Auffangeinrichtung 150 erstarrt sein, wobei diese dann im Folgenden noch auskühlen können. Bei der Auffangeinrichtung 150 kann es sich z. B. um einen Drehteller bzw. eine Drehscheibe, ein Förderband oder dergleichen handeln.
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2 zeigt die Matrize 124, welche eine Vielzahl von Bohrungen bzw. Düsenöffnungen 125 aufweist. Die Matrize 124 ist auswechselbar am Ausbringende des Extruderraums 122 befestigt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Matrize 124 aktiv gekühlt werden kann, wozu in der Matrizenaufnahme und/oder direkt an der Matrize 124 geeignete Kühleinrichtungen vorgesehen sein können.
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Durch die Bohrungsquerschnitte bzw. Düsenöffnungsgeometrien der Düsenöffnungen 125 kann die Form der hergestellten Magnesiumgranulatkörner K vorgegeben werden. Die Matrize 124 kann Bohrungen 125 mit gleichen oder unterschiedlichen Querschnitten bzw. Geometrien aufweisen. Die Form der hergestellten Magnesiumgranulatkörner K kann ferner durch die Schmelzetemperatur, den Schmelzefüllstand und/oder den Druck in der Ofeneinrichtung 110, die Ausbringtemperatur an der Matrize 124, die Abkühlungsgeschwindigkeit der Magnesiumschmelze vor dem Ausbringen (Temperaturführung), den Ausbringdruck und die Ausbringgeschwindigkeit (durch Anpassen der Schneckenwellengeometrie und/oder deren Rotationsgeschwindigkeit bzw. der Extrudergeschwindigkeit), die Messerfrequenz (Schnittgeschwindigkeit) und dergleichen verändert und entsprechend einer Vorgabe angepasst werden, um reproduzierbare Korngeometrien herstellen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 110
- Ofeneinrichtung
- 111
- Heizeinrichtung
- 112
- Pumpe
- 114
- Messsensoren
- 120
- Extrudereinrichtung
- 121
- Kühleinrichtung
- 122
- Extruderraum
- 123
- Extruderwelle, Schneckenwelle
- 124
- Matrize
- 125
- Düsenbohrungen
- 130
- Förderleitung, Zuführrohr
- 131
- Heizeinrichtung (oder Kühleinrichtung)
- 140
- Messereinrichtung
- 150
- Auffangeinrichtung
- A
- Abkühlung
- G
- Granulatstückchen
- K
- Granulatkörner
- M
- Schmelze
- P
- Druck
- S
- Schutzgas
- T
- Temperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009010600 A1 [0003, 0007]
